JP2007033075A - 光学式水位計 - Google Patents

Abstract

【課題】 耐雷性、耐ノイズ性にすぐれ、水中への配線を低減した水位計を提供する。
【解決手段】 水圧により変位するダイヤフラムあるいはベローズからなる変位部材を内蔵する水圧検出器に、入射用光ファイバ、第１反射用光ファイバおよび第２反射用光ファイバからな３本の光ファイバが連結され、これら３本の光ファイバの先端は前記変位部材の変位面と空隙をあけて対向配置されると共に、入射用光ファイバと第１反射用光ファイバとは軸線が前記変位部材の変位面で交差するように傾斜させて配置される一方、第２反射用光ファイバは第１反射用光ファイバより入射用光ファイバからの距離を離反させた位置に配置され、前記第１反射用光ファイバの他端に第１反射光強度センサ、第２反射用光ファイバの他端に第２反射光センサが取り付けられると共に、これら第１、第２反射光センサに演算手段が接続され、前記演算手段で、前記第１反射光強度と第２反射光強度との光強度比を演算し、予め取得している光強度比と水圧との相関関係より水圧を求め、求められた水圧よる水位を求める構成としている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、上水、下水、河川、地下水等の水位測定に用いられる光学式水位計に関し、詳しくは、水中への投げ込み式で、水圧を光ファイバーを利用して検出することにより、水位を計測するものである。

従来、この種の投込み圧力式の水位計として、本出願人は特開平１１−２０１８００号公報で、水位を測定する水の水圧が加えられる圧力検出器と、該圧力検出器内外の差圧に応じて伸縮する溶接金属ベローズと、該ベローズと連動して直線移動する鉄心と、該鉄心の位置に応じて出力が変化するコイルを有する差動トランス型の差圧検出手段を備え、該差圧検出手段で検出する圧力差から数位を測定する水圧計を提供している。

前記水位計は、水中に投入される圧力検出器に信号線となる電線を配線する必要があるが、電線を用いた場合、耐雷性、耐ノイズ性に改善の余地があった。また、電線はシールドケーブルを使ったり、耐電素子で保護しているが万全と言えない。また、防爆を考慮すると、従来の水位センサは電気を使っているため、防爆的にも重装備な構造としなければ、それに耐えられない問題もあった。

特開平１１−２０１８００号公報

本発明は前記した問題に鑑みてされたもので、水中投込み型の水圧検出器を用いながら、電気配線を不要とし、耐雷性、耐ノイズ性を高めると共に、更に防爆機能も最高レベルに備える水位計とすることを課題としている。
さらに、電線と接続されるコネクタや避雷素子等の電気部品も無くして、構成を簡単化しながら、測定精度と信頼性を高めることを課題としている。

前記課題を解決するため、本発明は、水圧により変位するダイヤフラムあるいはベローズからなる変位部材を内蔵する水圧検出器に、入射用光ファイバ、第１反射用光ファイバおよび第２反射用光ファイバからな３本の光ファイバが連結され、これら３本の光ファイバの先端は前記変位部材の変位面と空隙をあけて対向配置されると共に、入射用光ファイバと第１反射用光ファイバとは軸線が前記変位部材の変位面で交差するように傾斜させて配置される一方、第２反射用光ファイバは第１反射用光ファイバより入射用光ファイバからの距離を離反させた位置に配置され
前記第１反射用光ファイバの他端に第１反射光強度センサ、第２反射用光ファイバの他端に第２反射光センサが取り付けられると共に、これら第１、第２反射光センサに演算手段が接続され、
前記演算手段で、前記第１反射光強度と第２反射光強度との光強度比を演算し、予め取得している光強度比と水圧との相関関係より水圧を求め、求められた水圧よる水位を求める構成としていることを特徴とする光学式水位計を提供している。

本発明では、３本の光ファイバの下端面をダイヤフラムまたはベローズからなる水圧変位部材の変位面と空隙をあけて対向配置させ、入射用光ファイバからの入射される光を変位面で反射させ、その反射光を残りの第１、第２反射用光ファイバで受光させており、これら第１、第２反射用光ファイバで受光する反射光強度は反射面（ダイヤフラム等の変位面）との距離変化と共に変化する。
かつ、ダイヤフラム等の変位面（反射面）と３本の光ファイバとの距離によって、第１反射用光ファイバで受光する第１反射光強度と、第２反射用光ファイバで受光する第２反射光強度の光強度およびピークの時期を相違させている。
即ち、距離が大となり反射面が離れていくと、まず、入射用光ファイバからの入射地点（言い換えれば、出射地点）に近い第１反射用光ファイバで受光される第１反射光強度が強く、そのピークが現れる。さらに、反射面が離れると、第２反射用光ファイバで受光される第２反射光強度が第１反射光強度よりも大となり、そのピークが現れる。この第１、第２反射光強度の光強度比（パワー比）をとることにより、光ファイバとダイヤフラム等の反射面との距離変化を光強度変化に変換することができる。

前記第１反射光強度を第１反射用光ファイバの先端に取り付けた第１反射光強度センサで検出すると共に、第２反射光強度を第２反射用光ファイバの先端に取り付けた第２反射光強度センサで検出し、これら検出した第１反射光強度と第２反射光強度との光強度比を演算手段で求め、該演算手段に予め入力している光強度比と水圧との相関関係（キャリブレーションカーブ）より水圧を求め、得られた水圧よる水位を求めている。
このように、変位面に発生する反射光を、第１、第２反射用光ファイバで受光させて、これら反射光同士の光強度の比を求めているため、例えば、光源強度と反射光強度との光強度比より水圧→水位を求める場合と比較して、光源から入射するまでの経路での光強度変動の影響を受けないことから、より高精度の測定を行うことができる。

前記光強度センサとしてフォトダイオードが好適に用いられ、水面より十分に離れた位置に配置している。
このように、本発明では光源からの光を入射用光ファイバを光導波路として、水中に投入される水圧検出器内のダイヤフラムあるいはベローズに入射し、対向するダイヤフラムあるいはベローズの反射面から反射させ、ダイヤフラムあるいはベローズが水位に応じて変位すると、第１、第２出射用光ファイバで受光する反射光強度が変化することを利用する光学式測定とし、測定対象の水面から十分に離れた位置で、第１、第２反射用光ファイバで受光する反射光強度を光強度センサで検出して、光電気変換している。
これにより、光ファイバの途中で、雷や電気ノイズを避ける事が出来る。更に水位を測定する液が可燃性の液体である場合には、該液体から光電気変換するセンサを十分離す事が可能であり、危険域で電気を使わず信頼性の高い測定が出来る。
よって、電線を途中電路に配線する必要がなくなり、耐雷性、耐ノイズ性、防爆性を飛躍的に向上させることができる。

前記水圧検出器は、詳細には、ハウジングに水流入穴から水が流入する中空部を設け、該中空部を囲むハウジングの上壁部に前記３本の光ファイバの下端面を露出させて配置し、これら光ファイバの下端面と空隙をあけて前記ベローズあるいはダイヤフラムの上面側の反射面を水密に封止させて取り付け、前記ベローズあるいはダイヤフラムの下面側に前記水流入部から水を流入させる構成としていることが好ましい。

前記水圧検出器のハウジングに固定される前記３本の光ファイバのうち、入射用光ファイバと第１反射用光ファイバとは前記変位部材の変位面（即ち、反射面）の中心を通る垂線に対して４〜１０°の固定角度をあけて配置されていると共に、第２反射用光ファイバは第１反射用光ファイバに平行状態に結合させて入射用光ファイバとの反対側に配置され、かつ、前記中空部に露出する下端面では前記３本の光ファイバを並列状態で隣接配置されることが好ましい。
即ち、入射用光ファイバからの入射光がダイヤフラムあるいはベローズからなる反射面に入射される地点を入射地点とすると、該入射地点からの垂直線に対して入射光を４〜１０°の範囲で傾斜させて入射させ、第１反射用光ファイバは該垂直線を対称線として略同一角度傾斜させている。この傾斜させた固定角度を変化させることで、距離変化に対する感度を調整することが可能である。

前記光ファイバの下端面と空隙をあけて対向する前記ベローズの底板あるいはダイヤフラムは、入射光を反射させる反射ミラーとして機能させる必要があるため、鏡面仕上げのステンレス薄板等か金属薄板が好適に用いられ、該金属製のベローズあるいはダイヤフラムは前記ハウジングに溶接固定していることが好ましい。
前記ステンレスとしては、特許文献１で提示したＣｒ−Ｎｉ−Ｍｏタイプの析出硬化性セミオーステナイト系ステンレスが好適に用いられる。
なお、ダイヤフラム、ベローズの底板の素材自体が反射ミラーとならない素材から形成している場合には、光ファイバとの対向面に反射ミラーとなる膜を設けてもよい。
ベローズの底板あるいはダイヤフラムとして、前記のように薄金属板からなる高感度のバネ板とすると、水圧の変化に対する高精度に変位させることができ、例えば、１〜１０μｍ／ｋＰａの変位が得られるようにしている。

また、前記ハウンジングの中空部を囲む下面の中央に水流入穴を設け、かつ、ハウジング下面と前記ベローズの底板あるいはダイヤフラムとの間の水流入部の上下寸法は５〜２０ｍｍとし、かつ、光ファイバの下端面とベローズの底板あるいはダイヤフラムの対向面間の寸法は、４５００〜１００μｍとすることが好ましい。
さらに、光源としてはレーザーダイオード光源またはＬＥＤ光源を用いることが好ましい。

本発明の光学式水位計は、水中に投込まれる部分は光学系として電線を不要としているため、簡単な構成とすることができ、かつ、耐雷性、耐ノイズ性を高めることができる。また、水圧の変動はベローズあるいはダイヤフラムの変位として反映され、該変位部材に入射地点に対する距離を相違させて配置した第１、第２反射用光ファイバで反射光を受光させ、これら第１反射用光ファイバと第２反射用光ファイバとで受光する反射光強度の相違に基づいて光強度比を得て水圧を求め、該水圧から水位を取得しているため、光源の経時変化に依存しない高精度の測定を行うことが可能である。よって、本発明を試験装置で実験した結果、測定のバラツキを±０．２％以下とすることができる。

以下、本発明の水位計の実施形態を図面を参照して説明する。
図１および図２は、本発明の水中投込み式の水位計１を示し、水中Ｗに投入される水圧検出器２は、中空部３を有するボックス形状のハウジング４を備え、その底壁に水流入穴４ａを設けている。詳細には、上面開口の凹状のハウジング本体４−１と、上壁を構成する蓋４−２とからなり、ハウジング本体４−１と蓋４−２とをボルトＢで結合して前記中空部３を形成している。

図２に示すように、前記ハウジング４の蓋４−２には光ファイバ挿入用の貫通穴４ｂを備え、入射用光ファイバ１１、第１反射用光ファイバ１２、第２反射用光ファイバ１３の３本の光ファイバ結合体１０を貫通穴４ｂに挿入し、これら３本の光ファイバ１１、１２、１３の下端面１１ａ、１２ａ、１３ａを貫通穴４ｂの下端開口に位置させ、中空部３を囲繞する上面３ａに露出させている。

前記中空部３の上面３ａにはダイヤフラム６の周縁６ａを溶接固定し、ダイヤフラム６の上面と中空部上面３ａとの間に水密とした微小空間Ｓ１を設けている。この微小空間Ｓ１を挟んで前記３本の光ファイバ１１、１２、１３の下端面１１ａ、１２ａ、１３ａをダイヤフラム６の上面６ａ（反射面６ａ）と対向配置させている。
ダイヤフラム６の下面と中空部下面３ｂとの間は空間Ｓ２は水流入穴４ａからの水流入部としている。

前記３本の光ファイバ１１〜１３の蓋４ー２への取付状態は、図３に示すように、入射用光ファイバ１１は一方外側に、第１反射用光ファイバ１２は中央部に、第２反射用光ファイバ１３は他方外側に配置している。かつ、入射用光ファイバ１１と第１反射用光ファイバとの間１２に所要の固定角度２θをあけると共に、第２反射用光ファイバ１３は第１反射用光ファイバ１２に平行に配置し、前記微小空間Ｓ１に露出する下端位置では３本の光ファイバ１１〜１３を並列状態で隣接配置している。
蓋４−２への貫通穴４ｂに挿入する部分を前記結合状態に保持するため、３本の光ファイバ１１〜１３の貫通穴挿入部分は、遮光性の樹脂材１５でモールドして一体的に結合している。

前記３本の光ファイバ１１〜１３を結合して貫通穴４ｂに挿入固定した状態で、入射用光ファイバ１１をダイヤフラム６の中央の入射地点Ｚを支点とする垂線Ｌに対して角度θで傾斜させて配置し、該垂線Ｌを対称線として、第１反射用光ファイバ１２を角度θで傾斜させて配置している。よって、入射用光ファイバ１１と第１反射用光ファイバ１２との間には前記２θの固定角度をあけている。本実施形態では前記固定角度θを５°としている。
また、第１反射用光ファイ１２と第２反射用光ファイバ１３の下端位置の中心間距離は１５０〜３００μｍの範囲とし、本実施形態では２００μｍとしている。

前記ダイヤフラム６は厚さ３００μｍとしたステンレス製の薄板から形成し、本実施形態では３００ＫＰａの圧力が負荷されると０．１ｍｍの変位が得られるものとしている。 該ダイヤフラム６の上面（反射面）６ａと光ファイバ１１の下端面の間の寸法は８００μｍ（ゼロ水位）〜７００μｍ（最大水位）に設定し、前記ダイヤフラム６の下面と中空部の下面３ｂの寸法（空間Ｓ２の上下寸法）は５ｍｍに設定している。

図１、図２に示すように、光ファイバ１１〜１３は、ハウジング４の蓋４−２に接続する固定スリーブ１１内を通して数百メートル（本実施形態では３００ｍ）延長させ、その先端を水中より大気中に位置する長さとしている。

大気中に位置させた入射用光ファイバ１１の先端には光源２０を接続している。
また、第１反射用光ファイバ１２の先端には第１光強度センサ２１を接続すると共に、第２反射用光ファイバ１３の先端には第２光強度センサ２２を接続している。
これら第１、第２光強度センサとしてフォトダイオードを用いている。

前記フォトダイオードからなる第１、第２光強度センサ２１、２２はフォトセンサアンプ２３、２４に夫々接続し、該フォトセンサアンプ２３、２４をＡ／Ｄ変換ボード２５に接続し、デジタル信号に変換してコンピュータ２６と接続している。
前記コンピュータ２６で、第１反射光強度と第２反射光強度との光強度比（パワー比）を演算し、予め求めている図４に示すキャリブレーションカーブによって、測定された光強度比から水圧を求め、該水圧から水位を逆演算して求めている。

前記構成とした水位計１において、ハウジング４の空間Ｓ２に流入する水圧に応じてダイヤフラム６が上下に変位する。光源１２の光は入射用光ファイバ１１を通してダイヤフラム６の入射地点Ｐに入射され、鏡面仕上げのステンレス製のダイヤフラム上面の反射面６ａから反射される。この反射光の強度はダイヤフラム６に負荷される水圧が上昇して光ファイバ１１〜１３との距離が小さくなる程、反射光強度が増加ないし減少し、水圧に応じた距離変化が反射光強度の変化に変換される。かつ、この反射光強度は入射地点Ｐとの距離の相違に応じて異なった変化を示し、第１反射用光ファイバ１２、第２反射用光ファイバ１３で受光する第１反射光強度Ｐ１と第２反射光強度Ｐ２とは相違する。

前記第１反射用光ファイバ１２の第１反射光強度Ｐ１は第１光強度センサ２１で、第２反射用光ファイバ１３の第２反射光強度Ｐ２は第２光強度センサ２２で検出される。これら検出された第１反射光強度Ｐ１と第２反射光強度Ｐ２は電圧値に変換されて、それぞれフォトセンサアンプ２３、２４からＡ／Ｄ変換ボード２５、コンピュータ２６へと送信される。コンピュータ２６で、前記したように、第１反射光強度Ｐ１と第２反射光強度Ｐ２から光強度比（パワー比）を（Ｐ２−Ｐ１）／（Ｐ１＋Ｐ２）で演算している。得られたパワー比より、予め取得している図４に示すパワー比と圧力とのキャリブレーションカーブを基準として、圧力（ＫＰａ）を求め、該圧力より水位を逆演算して求めている。

図５は、前記固定角度θを５°とした場合におけるダイヤフラム６の反射面６ａと光ファイバ１１〜１３との距離（μｍ）に応じて、第１反射用光ファイバ１１で受光する第１反射光強度Ｐ１と、第２反射用光ファイバ１２で受光する第２反射光強度Ｐ２の変化を示す。

詳細には、第１反射光強度Ｐ１は距離が０〜５００μｍまで次第に強くなり、５００μｍでピークに達した後は次第に弱くなる。８００μｍ程度までは第１反射光強度Ｐ１が第２反射光強度Ｐ２よりも強い。
一方、第２反射光強度Ｐ２は０〜１０００μｍまで次第に強くなり、８００μｍを越えると第１反射光強度Ｐ１より強くなり、１０００μｍでピークを示し、１０００μｍを越えると次第に弱くなる。
前記第１反射光強度Ｐ１と第２反射光強度Ｐ２とから、（Ｐ２−Ｐ１）／（Ｐ１＋Ｐ２）として求めたパワー比も図５に示している。
取得したパワー比を図４に示すキャリブレーションカーブに当てはめて、圧力を求め、例えば、パワー比がー０．５であれば、２００ｋＰａの圧力とし、該圧力より水位を求めている。

「実験例１」
前記第１実施形態の金属ダイヤフラムを備え、かつ、入射用光ファイバ１１および第１反射用光ファイバ１２との固定角度を５°とした試験装置を設けた。
試験装置ではハウジング３の中空部Ｓ２に０ｋＰａ→４００ｋＰａの圧縮空気を導入し、ダイヤフラムへの印加圧力を０→４００ＫＰａに変化させて、圧力上昇と下降とを１０分毎に４０ＫＰａ刻みで１０段階で上昇と下降を１サイクルとして１０サイクルを行った。

第１実施形態に記載したように、第１、第２反射光強度センサで第１反射光強度Ｐ１、第２反射光強度Ｐ２を検出し、そのパワー比を演算し、得られたパワー比より図４に示すキャリブレーションカーブを用いて圧力を測定した。
その結果は図６に示すように、測定ばらつきは±０．２％以下で高精度に測定できることが確認できた。

図７および図８は第２実施形態を示し、第１実施形態との相違点は、ダイヤフラムに変えて、金属ベローズ３０を用いている点である。
該金属ベローズ３０は、断面を波状としたステンレス製の円環板３１を上下に複数配置し、上下の円環板の内周部と外周部を交互に溶接して上下に伸縮するバネ性をもたせており、上端の円環板３１ａの外周縁をハウジング４の蓋４−２に溶接し、下端の円環板３１ｂに鏡面仕上げのステンレス製の底板３２を溶接し、該底板３２の中央部を前記３本の光ファイバ１１〜１３の下端面に所要距離をあけて対向配置させている。

他の構成は第１実施形態と同様であるため、同一符号を付して説明を省略する。
第２実施形態においても、光源２０から入射用光ファイバ１１を通してベローズ３０の底板３２に入射した光が底板３２から反射し、この反射光を第１反射用光ファイバ１２、第２反射用光ファイバ１３で受光している。この第１、第２反射用光ファイバ１２、１３の反射光を第１、第２光強度センサ２１、２２は検出され第１実施形態と同様にコンピュータ２６で水位が求められる。

本発明の水位計は、水中への投込み式であるため、上水、下水、河川、地下水等の水位測定に簡単に用いらることができる。かつ、検出器と光ファイバを接続しているため、耐雷性、耐ノズル性も飛躍的に向上させることができ、水位計の設置場所として悪条件下でも使用可能となる。

本発明の第１実施形態の全体構成図である。 図１の要部拡大図である。 ３本の光ファイバの要部拡大図である。 光強度比（パワー比）と圧力とのキャリブレーションカーブを示す線図である。 第１反射光強度および第２反射光強度と距離との相関関係および、距離とパワー比の相関関係を示す線図である。 実験例の結果を示すグラフである。 第２実施形態の検出器の断面図である。 図７の要部拡大図である。

符号の説明

１ 水位計
３ 中空部
４ ハウジング
４ａ 水流入穴
６ ダイヤフラム
１０ 光ファイバ結合体
１１ 入射用光ファイバ
１２ 第１反射用光ファイバ
１３ 第２反射用光ファイバ
２０ 光源
２１ 第１反射光強度センサ
２２ 第２反射光強度センサ
２６ コンピュータ
３０ ベローズ

Claims (4)

1. 水圧により変位するダイヤフラムあるいはベローズからなる変位部材を内蔵する水圧検出器に、入射用光ファイバ、第１反射用光ファイバおよび第２反射用光ファイバからな３本の光ファイバが連結され、これら３本の光ファイバの先端は前記変位部材の変位面と空隙をあけて対向配置されると共に、入射用光ファイバと第１反射用光ファイバとは軸線が前記変位部材の変位面で交差するように傾斜させて配置される一方、第２反射用光ファイバは第１反射用光ファイバより入射用光ファイバからの距離を離反させた位置に配置され
   前記第１反射用光ファイバの他端に第１反射光強度センサ、第２反射用光ファイバの他端に第２反射光センサが取り付けられると共に、これら第１、第２反射光センサに演算手段が接続され、
   前記演算手段で、前記第１反射光強度と第２反射光強度との光強度比を演算し、予め取得している光強度比と水圧との相関関係より水圧を求め、求められた水圧よる水位を求める構成としていることを特徴とする光学式水位計。
2. 前記水圧検出器のハウジングは水流入穴から水が流入する中空部を備え、該中空部を囲繞する上面に前記３本の光ファイバの下端面が露出して配置され、これら光ファイバの下端面と空隙をあけて前記ベローズあるいはダイヤフラムの上面側の反射面を水密に封止させて取り付けられ、前記ベローズあるいはダイヤフラムの下面側に前記水流入部から水を流入させる構成としている請求項１に記載の光学式水位計。
3. 前記水圧検出器のハウジングに固定される前記３本の光ファイバのうち、入射用光ファイバと第１反射用光ファイバとは前記変位部材の変位面の中心を通る垂線に対して夫々４〜１０°の固定角度をあけて配置されていると共に、第２反射用光ファイバは第１反射用光ファイバに平行状態に結合させて入射用光ファイバとの反対側に配置され、かつ、前記中空部に露出する下端面では前記３本の光ファイバを並列状態で隣接配置されている請求項２に記載の光学式水位計。
4. 前記３本の光ファイバの下端面と前記変位部材の反射面との寸法は、１００〜４５００μｍとされている請求項１乃至請求項３のいずれか１項の記載の光学式水位計。

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