JP2008017655A - Water level sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、洪水等による水位の変化を検知し、その水位情報を防災センター等の管理施設へ送信するための水位検知装置に関する。 The present invention relates to a water level detection device for detecting a change in water level due to a flood or the like and transmitting the water level information to a management facility such as a disaster prevention center.
豪雨や津波等によって洪水が発生しそうな場合や発生した場合には、地域の災害監視員等が住宅地での水位の変化を監視し、必要に応じて関係者に通報し、人員を投入して、土嚢を積み上げたり、住民を避難させたりしている。しかしながら、このような人手に頼る監視では、広い地域範囲を一様に監視することは困難である。そこで、このような水位検知を広い範囲でリアルタイムに測定し、防災に役立てるシステムをインフラとして整備することが望まれている。 When a flood is likely to occur due to heavy rain or a tsunami, local disaster monitors, etc. monitor changes in the water level in residential areas, notify relevant parties as necessary, and supply personnel. The sandbags are piled up and residents are evacuated. However, it is difficult to uniformly monitor a wide area by such a manual monitoring. Thus, it is desired to develop a system that measures such water level detection in a wide range in real time and is useful for disaster prevention as infrastructure.
しかしながら、検出水位がメートルにも達する従来の水位センサは高価であり、また、広範囲に設置するためには莫大な資金投入が必要となる。また、設置した水位センサの水位情報を電波等で防災センター等に送信するための電源として、電池を用いているために、定期的なメンテナンスが必要であり、いざというときに、水位センサが機能しないおそれもある。 However, the conventional water level sensor whose detection water level reaches as high as a meter is expensive, and enormous investment is required to install it in a wide range. In addition, since a battery is used as a power source for transmitting the water level information of the installed water level sensor to the disaster prevention center, etc. by radio waves, etc., periodic maintenance is necessary. There is also a risk of not.
このような水位センサに対して、水位変化に応じてフロートを昇降させ、このときのフロートの動きを利用して圧電素子を発電させ、その電力で水位変化が生じていることを監視するシステムが知られている(例えば特許文献1参照)。 For such a water level sensor, there is a system for raising and lowering a float according to a change in the water level, generating a piezoelectric element using the movement of the float at this time, and monitoring the change in the water level with the electric power. It is known (see, for example, Patent Document 1).
しかしながら、特許文献1に開示された監視装置では、水位に変化が生じていることはわかっても水位を検知することができない。すなわち、フロートが上昇しているときでも下降しているときでも、圧電素子が発信する信号(電圧波形)は同じであって、例えば、フロートが、5段上昇してさらに5段上昇した場合と、5段上昇して5段降下した場合とでは、同じ信号が得られるために、水位そのものを検知することができない。また、特許文献1に開示された監視装置では、その構造上、フロートの昇降により動作する作動体から圧電素子へかけての部分に防水対策を施すことが困難である。
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、水位および水位変動を検知し、その水位検知の際に水位情報を無線送信等により送信するための電力を得ることができ、しかも防水対策が容易である水位検知装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and can detect water level and water level fluctuation, obtain electric power for transmitting water level information by wireless transmission or the like when detecting the water level, and has a waterproof measure. An object is to provide a water level detection device that is easy.
本発明の第1および第2の観点に係る水位検知装置はともに、筒部材の上部に空気孔を下部にその内部に水が浸入できる浸水孔を形成してそれを鉛直姿勢に設置し、その筒部材の内部に、強磁性材料からなる錘およびこの錘に取り付けられた浮子とかなるフロートを筒部材の内部の水位にしたがって昇降するように配置し、さらに筒部材の外側に鉛直方向に所定の間隔で複数の発電ユニット設け、筒部材内の水位変化に伴うフロートの昇降を利用して、そのフロート高さにある発電ユニットを発電させ、この発電により得られた電力を利用して水位情報を信号発信装置により、例えば、防災管理センター等の施設に送信するものである。 Both of the water level detection devices according to the first and second aspects of the present invention form an air hole in the upper part of the cylindrical member and a water immersion hole into which water can enter, and install it in a vertical posture. Inside the cylindrical member, a weight made of a ferromagnetic material and a float as a float attached to the weight are arranged so as to move up and down according to the water level inside the cylindrical member, and further, a predetermined vertical direction is provided outside the cylindrical member. A plurality of power generation units are installed at intervals, and the power generation unit at the float height is generated by using the rise and fall of the float accompanying the water level change in the cylinder member, and the water level information is obtained using the power obtained by this power generation. For example, the information is transmitted to a facility such as a disaster prevention management center by the signal transmission device.
そして第1の観点に係る水位検知装置では、複数の発電ユニットはそれぞれ、屈曲変位型の圧電素子と、圧電素子を屈曲させるバネと、圧電素子に取り付けられた永久磁石とをそれぞれ有しており、永久磁石を筒部材側に配置することによりフロートの昇降によって錘と永久磁石との間に作用する引力を変化させることで圧電素子の屈曲状態を変化させ、圧電素子を発電させる。情報送信の際には、信号発信装置は、複数の発電ユニットのうちのどの発電ユニットで電圧が発生したのかを特定するためのID情報を付加した信号を送信する。 In the water level detection device according to the first aspect, each of the plurality of power generation units has a bending displacement type piezoelectric element, a spring for bending the piezoelectric element, and a permanent magnet attached to the piezoelectric element. By arranging the permanent magnet on the cylindrical member side and changing the attractive force acting between the weight and the permanent magnet by raising and lowering the float, the bending state of the piezoelectric element is changed, and the piezoelectric element is caused to generate electric power. At the time of information transmission, the signal transmission device transmits a signal to which ID information for specifying which power generation unit of the plurality of power generation units generates the voltage is added.
また本発明の第2の観点に係る水位検知装置では、複数の発電ユニットはそれぞれ、屈曲変位により発電した際の電圧値が個々に異なる圧電素子を有し、かつ、各圧電素子を屈曲させるバネと、各圧電素子に取り付けられた永久磁石とをそれぞれ有しており、永久磁石を筒部材側に配置することによりフロートの昇降によって錘と永久磁石との間に作用する引力を変化させることで圧電素子の屈曲状態を変化させ、圧電素子を発電させる。情報送信の際には、信号発信装置は、複数の発電ユニットのうちのどの発電ユニットで電圧が発生したのかを、発生した電圧値に基づいて特定し、その発電ユニットのID情報を付加した信号を送信する。 Further, in the water level detection device according to the second aspect of the present invention, each of the plurality of power generation units has piezoelectric elements having different voltage values when power is generated by bending displacement, and springs that bend each piezoelectric element. And a permanent magnet attached to each piezoelectric element, and by changing the attractive force acting between the weight and the permanent magnet by raising and lowering the float by arranging the permanent magnet on the cylindrical member side. The bending state of the piezoelectric element is changed to generate electricity. At the time of information transmission, the signal transmission device specifies which power generation unit of the plurality of power generation units generates the voltage based on the generated voltage value, and adds the ID information of the power generation unit. Send.
本発明の第3の観点に係る水位検知装置は、筒部材の上部に空気孔を下部にその内部に水が浸入できる浸水孔を形成してそれを鉛直姿勢に設置し、その内部に鉛直方向に所定の間隔で複数の発電ユニットを設けた構造を有しており、筒部材内の水位変化に伴って発電ユニットを発電させ、その際の電圧信号をその電力を利用して信号発信装置により送信する。そのため発電ユニットは、屈曲変位型の圧電素子と、圧電素子を屈曲させるバネと、圧電素子に取り付けられた永久磁石と、圧電素子とバネと永久磁石を防水収容するためのケースと、ケース外に設けられた浮子と、永久磁石と近接/離間自在にケース外に設けられた強磁性材料からなる錘とを有する構造となっており、筒部材内の水位変化に伴う浮子の浮力変化と錘に作用する重力とのバランスによって、錘と永久磁石との間に作用する引力が変化することによって圧電素子を発電させる。 The water level detection device according to the third aspect of the present invention is formed by forming an air hole in the upper part of the cylindrical member and a water immersion hole in which water can enter in the lower part thereof, and installing it in a vertical posture. Has a structure in which a plurality of power generation units are provided at a predetermined interval, and the power generation unit is caused to generate power in accordance with a change in the water level in the cylindrical member, and the voltage signal at that time is generated by the signal transmission device using the power Send. Therefore, the power generation unit includes a bending displacement type piezoelectric element, a spring for bending the piezoelectric element, a permanent magnet attached to the piezoelectric element, a case for waterproofly housing the piezoelectric element, the spring, and the permanent magnet, and an outside of the case. It has a structure that has a float that is provided and a weight made of a ferromagnetic material that is provided on the outside of the case so as to be close to and away from the permanent magnet. Due to the balance with the acting gravity, the attractive force acting between the weight and the permanent magnet changes, thereby causing the piezoelectric element to generate electricity.
本発明によれば、水位および水位変動を検知することができる。また、圧電素子を用いた水位検知を行い、その水位検知の際の圧電素子の発電を利用して電圧信号をその電力で送信することができる。そのため信号送信のための電池は不要となり、電池交換等のメンテナンスが不要となる。また、発電ユニットの構成が簡単であり、防水対策も容易で、装置全体を安価に構成することができる。 According to the present invention, it is possible to detect water level and water level fluctuation. Further, it is possible to detect a water level using a piezoelectric element, and to transmit a voltage signal with the power using the power generation of the piezoelectric element at the time of detecting the water level. This eliminates the need for a battery for signal transmission and eliminates maintenance such as battery replacement. In addition, the configuration of the power generation unit is simple, measures for waterproofing are easy, and the entire apparatus can be configured at low cost.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。図1は本発明の第1の実施形態に係る水位検知装置の概略構造を示す断面図である。この水位検知装置10は、筒部材11と、この筒部材11の内部に設けられたフロート12と、筒部材11の外部に設けられた複数の発電ユニット13と、これら複数の発電ユニット13のうちの所定の発電ユニットで発電が生じたことを示す信号を送信するための信号発信装置14を備えている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic structure of a water level detection device according to a first embodiment of the present invention. The water level detection device 10 includes a
筒部材11はその長さ方向が鉛直方向となるように設置されており、その上部には空気孔21が、その下部には浸水孔22がそれぞれ形成されている。浸水孔22から筒部材11の内部に水が浸入すると、内部の空気が空気孔21から排出される。こうして筒部材11の内部の水位は筒部材11の外部の水位と常に同じとなる。筒部材11は円筒であってもよいし、角筒であってもよい。
The
フロート12は、強磁性材料からなる錘25と、錘25に取り付けられた浮子26から構成されている。このフロート12は、筒部材11の内部の水位にしたがって昇降する。そのため、浮子26が水面に浮いている状態では、浮子26の浮力は錘25の重力よりも大きくなる設計がなされている。浮子26は、例えば、発泡スチロール球や中空のプラスチックボール等である。錘25は、例えば、鉄板であり、錆の発生を防止するためにその表面に樹脂コート等を施すことも好ましい。
The
錘25の外周形状は、筒部材11の断面(長さ方向に垂直な断面)の相似形とし、錘25の外周と筒部材11の内壁との間に一定の隙間を形成することで、フロート12が筒部材11内の水位変化に伴ってスムーズに昇降することができるようにすることが好ましい。これは、後述するように、錘25と発電ユニット13を構成する永久磁石33との間に引力を生じさせるために、錘25の筒部材11内での水平方向の動きは小さいことが好ましいからである。
The outer peripheral shape of the
浮子26の形状は筒部材11内をスムーズに昇降できる限りにおいて制限はなく、図1に示すような球体に限定されるものではない。なお、図1では、フロート12として、錘25の上側に浮子26を取り付けた例を示したが、錘25の下側に浮子26を設けた形状としてもよい。
The shape of the
発電ユニット13は、筒部材11の長さ方向に所定間隔で配置されている。発電ユニット13どうしの間隔は変化させてもよいが、水位管理の利便性を考慮すると、等間隔とすることが好ましい。
The
図2に発電ユニット13の構造および動作態様を示す。発電ユニット13は、屈曲変位型の圧電素子31と、圧電素子31を屈曲させるバネ32と、圧電素子31に取り付けられた永久磁石33を備えており、これら圧電素子31,バネ32,永久磁石33がケース34に防水収容された構造を有している。
FIG. 2 shows the structure and operation mode of the
なお、ここでは、圧電素子31とバネ32と永久磁石33は連結棒35を介して連結されている構造を示しているが、バネ32と永久磁石33は直接に圧電素子31の表裏面に直接取り付けられていてもよい。
Here, the
屈曲変位型の圧電素子31とは、具体的には、バイモルフ素子およびユニモルフ素子である。公知の通り、バイモルフ素子は矩形の補強板(金属薄板(シム板)や樹脂板)の両面に圧電板が貼り付けられた構造を有しており、ユニモルフ素子は矩形の補強板の片面に圧電板が貼り付けられた構造を有している。圧電素子31としては圧電板単体からなるモノモルフ素子を用いることもできるが、耐久性の観点でバイモルフ素子やユニモルフ素子に劣る。
Specifically, the bending displacement
図1および図2では、圧電素子31の主面は紙面に垂直となっている。圧電素子31の両端には円柱状の支持部材38が取り付けられており、この支持部材38を層通させるための孔部を有する保持部材39をケース34の内部に固定している。このような支持部材38を用いることで、圧電素子31が屈曲した際に圧電素子31の両端で屈折が生じ難くなり、圧電素子31の寿命を延ばすことができ、しかも圧電素子31のケース34内への配設を容易に行うことができる。
1 and 2, the main surface of the
圧電素子31の長さ方向が筒部材11の長さ方向と一致するように、発電ユニット13は配置されている。これにより、圧電素子31が長く、筒部材11が細い場合に、水位検知装置10全体を細くコンパクトな構成とすることができる。特に、圧電素子31の発電量を大きくするために圧電素子31の変位量を大きくしたい場合には、圧電素子31を長くすることが必要になってくるので、その場合に、圧電素子31の長さ方向を筒部材11の長さ方向に一致させる構成は、装置全体のコンパクト化に極めて有利である。
The
発電ユニット13における圧電素子31の動きについて説明する。図2左図に示されるように、フロート12が発電ユニット13から離れているときには、圧電素子31はバネ32のバネ力(収縮力)によりバネ32側に凸となるように屈曲した状態になっている。このとき、永久磁石33は筒部材11の壁面から離れた位置にある。
The movement of the
フロート12が発電ユニット13に近接すると、錘25と永久磁石33との間に作用する引力が大きくなり、その引力がバネ32のバネ力よりも大きくなると、図2右図に示されるように、永久磁石33が筒部材11側へスライドしてその引力により永久磁石33の位置が保持される。この永久磁石33のスライド時に圧電素子31の屈曲状態が反転し、圧電素子31が発電する。このときの圧電素子31の屈曲変位は、所謂、双安定状態間の遷移であり、変位が急峻に生じることで、大きな電圧を発生させることができる。
When the
図2に示されるように、ケース34における永久磁石33と錘25との間の部分は、構造上の強度を保つことができる限りにおいて、薄くすることが好ましく、これにより圧電素子31の変位を大きく取りながら、ケース34自体を薄く構成することができる。ケース34は永久磁石による磁化を受けない材料、例えば、樹脂やアルミニウム等が好適に用いられる。
As shown in FIG. 2, the portion between the
さらに水位が変化してフロート12が発電ユニット13から離れようとすると、錘25と永久磁石33との間に作用する引力は弱くなり、その引力がバネ32のバネ力(収縮力)よりも小さくなると、図2左図の状態に戻る。このときにも、圧電素子31の屈曲状態が反転し、電圧が生じる。
Further, when the water level changes and the
圧電素子31の発電が、フロート12が発電ユニット13に接近したことによるものなのか、発電ユニット13から離間したことによるものなのかは、発生した電圧の波形を解析することで知ることができる。
Whether the electric power generation of the
図3に圧電素子31で発生する電圧波形の例を示す。図3で+側にピークのある電圧波形が発電ユニット13にフロート12が接近したことによるものである場合、−側にピークの電圧波形はフロート12が発電ユニット13から離間したことによるものとなる。このような違いは、圧電素子31を構成する圧電板の分極の向きによって生じる。
FIG. 3 shows an example of a voltage waveform generated in the
なお、錘25と永久磁石33との間に作用する引力の大きさ(つまり永久磁石33の磁力の強さ)と、バネ32のバネ力の大きさは、図3に示す圧電素子31の屈曲状態の変化が生じるように設定される。また、ここでは、錘25に強磁性材料を用いているが、逆の構成、つまりフロートに永久磁石を、発電ユニットに強磁性材体を用いてもよい。さらに、フロートと発電ユニットの両方に永久磁石を用いてもよい。この場合、2個の永久磁石はS極とN極とが向かい合うように配置すればよい。
The magnitude of the attractive force acting between the
ところで、2個の永久磁石が互いにS極どうしまたはN極どうしが向かい合うようにすることもできる。つまり、これらの永久磁石が接近すると斥力により圧電素子31はバネ側に凸になり、これらの永久磁石が離間するとバネの伸張力により圧電素子31が永久磁石側に凸になるような構成にしてもよい。
By the way, two permanent magnets can be arranged such that the S poles or the N poles face each other. That is, when the permanent magnets approach, the
信号発信装置14は、発電ユニット13の圧電素子31が発電した際の電力を利用して、水位情報に関する信号を防災管理センター等に設置された管理コンピュータに送信する。信号発信装置14はできるだけ小さい消費電力で動作する簡単な構成とすることが好ましい。水位情報に関する信号とは、例えば、複数の発電ユニット13のうちのどの発電ユニットで発電が生じたのかを特定するためのID情報を発生した電圧信号に付加した信号である。
The
信号発信装置14の概略構成を図4に示す。圧電素子31で発生した電圧は、ブリッジ整流回路45によって整流された後に平滑回路46へ送られて、そこでブリッジ整流回路45の出力する脈流は直流に近い状態に平滑化される。この直流電圧はDC−DCコンバータ回路47によって、判断回路44、制御回路48、RF回路49を動作させるために必要な電圧に調節され、これらに出力される(図4のVout→Vin)。
A schematic configuration of the
例えば、図1では、複数の発電ユニット13のうち、最も下側に配置されたものは発電後の状態にあり、他のものは発電していない状態にあるが、この状態からさらに水位が上がると、最も下の発電ユニットではフロート12の離間による発電が起こり、その後に水位が上昇すればフロート12が上昇して下から2個目の発電ユニットで発電が起こるが、水位が下がったためにフロート12が2個目の発電ユニットに近接せずに再び最も下に配置された発電ユニットに近接すると、その発電ユニットが発電することになる。
For example, in FIG. 1, among the plurality of
そこで信号発信装置14は、複数の発電ユニット13のうちのどの発電ユニットで電圧が発生したのかを特定するための判断回路44を備えている。例えば、判断回路44への信号入力ゲートが、図4に示されるように発電ユニット13ごとに分かれており、どのゲートから電圧信号が入ってきたかを判断することで、どの発電ユニットが発電したのかを特定することができる。
Therefore, the
判断回路44へ入力された電圧信号はデジタル信号に変換されて制御回路48へ送られる。また、判断回路44は特定した発電ユニットのID情報を制御回路48に送る。制御回路48は、これらの電圧信号にID情報を付加した信号を作り、その信号はRF回路49により無線信号に変調され、発信される。なお、判断回路44が電圧信号にID情報を付加した信号を作成するようにしてもよい。
The voltage signal input to the
この信号を受信した管理コンピュータは、この電圧信号が図3に示したどちらの波形であるかを解析して、その電圧信号を発した発電ユニットにフロート12が到達したのか離間したのかを判定することができ、水位および水位変化を知ることができる。
The management computer that has received this signal analyzes which waveform the voltage signal has as shown in FIG. 3, and determines whether the
次に、本発明の第2の実施形態に係る水位検知装置について説明する。図5に水位検知装置10Aの概略断面図を示す。 Next, a water level detection device according to a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of the water level detection device 10A.
この水位検知装置10Aが水位検知装置10と異なる点は、複数の発電ユニット13がそれぞれ有している圧電素子31の発生電圧が異なるという点である。例えば、圧電素子31が実質的に同じ形態(無負荷時に同じ形状)を有する場合には、図5に示すように、圧電素子31の変位量(屈曲状態)を変えた発電ユニットを構成する。図5では、3個の発電ユニット13のうち、中央の発電ユニットにおける圧電素子の屈曲が最も大きく、上の発電ユニットにおける圧電素子の屈曲が最も小さい。
The difference between the water level detection device 10A and the water level detection device 10 is that the generated voltages of the
圧電素子31の屈曲状態はバネ32のバネ定数や長さによって調節することができ、これに合わせて永久磁石33の磁力を調節する。つまり、屈曲の大きい圧電素子に対しては、磁力の強い永久磁石を使用すればよい。圧電素子31は変位量が大きいと発生する電圧値が大きくなるので、ピーク電圧値に基づいてどの発電ユニットで電圧が発生したのかを判断することができる。
The bending state of the
なお、圧電素子31の屈曲状態を個々に変えた場合には、変位量が小さいと発生する電圧が小さくなるため、屈曲状態は少なくとも発生した電力で無線信号を発信することができる程度に設定する。
In addition, when the bending state of the
この特性を利用して、水位検知装置10Aを構成する信号発信装置14では、発生した電圧値から複数の発電ユニット13の中から発電した1つの発電ユニットを特定する判断回路を用いることができる。勿論、先に説明した図4に示した判断回路44を用いることもできる。
Using this characteristic, the
このように湾曲状態を異ならしめる方法に代えて、圧電素子31が例えばユニモルフ素子やバイモルフ素子である場合、圧電板の幅と厚さは同じであるが長さが異なり、補強板の厚さと幅は同じであるが長さが圧電板の長さに応じて異なるものを用いて、各発電ユニットを構成する方法を用いることができる。この場合、各圧電素子の変位量を同じとすれば、圧電素子の長さの短いものの方が大きく屈曲して発生電圧が大きくなるので、この発生電圧に基づいてどの発電ユニットで電圧が発生したのかを判断することができる。
When the
次に本発明の、第3の実施形態に係る水位検知装置について説明する。図6に水位検知装置50の概略断面図を示す。この水位検知装置50は、筒部材11(水位検知装置10を構成するものと同じ)の内部に、鉛直方向に所定間隔で発電ユニット16が配設された構造となっており、発電ユニット16で発生した電圧信号を信号発信装置14で送信する。
Next, a water level detection device according to a third embodiment of the present invention will be described. FIG. 6 shows a schematic cross-sectional view of the water
この発電ユニット16は、屈曲変位型の圧電素子31と、圧電素子31を屈曲させるバネ32と、圧電素子31に取り付けられた永久磁石33と、圧電素子31とバネ32と永久磁石33を防水収容するケース34と、ケース34の外部に設けられた蝶番29と、蝶番29に取り付けられた浮子27と、蝶番29に取り付けられ、浮子27に作用する浮力を利用して蝶番29を回動させることにより永久磁石33と近接/離間自在な強磁性材料からなる錘28とを有している。
The
発電ユニット16を構成するケース34およびケース34の内部部分は、水位検知装置10に用いられている発電ユニット13と同じであるので、この部分の説明は省略する。図6ではケース34の内部の構造を簡略化して示している。
The
図7に発電ユニット16の動作態様を示す。図7左図に示されるように、水位が浮子27よりも低い状態では、浮子27と錘28に作用する重力によって、錘28はケース34から離れた状態となる。水位が上昇すると、浮子27が浮力により上昇し、これに伴って蝶番29が回動して錘28がケース34に接近する。図7右図に示されるように、こうして錘28と永久磁石33との間に作用する引力が大きくなると、永久磁石33が錘28側へ引き寄せられ、そのときに、圧電素子31の屈曲状態が反転して、圧電素子31が発電する。なお、発電ユニット16で発生する電圧信号も発電ユニット13と同じである。
FIG. 7 shows an operation mode of the
発電ユニット16では、図7右図の状態となった後に、さらに水位が上昇しても、その状態が維持され、図7右図の状態から図7左図の状態へ戻るのは、水位が下がった場合のみである。
In the
したがって、水位検知装置50に用いる信号発信装置14は、原則として、複数の発電ユニット16のどれが発電したのかを特定する機能を有している必要はない。そのため、信号発信装置14が有する判断回路としては、どの発電ユニットから電圧信号を入ってきたかを特定することなく、入ってきた電圧信号をデジタル信号に変換して制御回路48へ送る機能だけを有するものを用いることができる。
Therefore, in principle, the
しかしながら、複数の発電ユニット16のうちのある発電ユニットが動作不良を起こしてしまったために、水位が間違って認識される可能性がないとは言えない。そこで、水位検知装置50でも、先に説明した水位検知装置10に用いられている図4の信号発信装置14が好適に用いられる。
However, it cannot be said that there is no possibility that the water level is erroneously recognized because a power generation unit among the plurality of
図8に水位検知装置50から発信される信号例を示す。図8に示される信号では、水位上昇を示す正のピーク(ピークAとする)と、水位降下を示す負のピーク(ピークBとする)が、ピークA,ピークA,ピークA,ピークB,ピークA,ピークBの順番で現れている。各発電ユニット16に故障がないとすると、これにより、最初の3つのピークAにより、その時点では下から3個目の発電ユニットまで水位が上昇したことがわかり、次にピークBが現れていることから、水位の降下が始まったことがわかる。この時点では、水位は下から2個目の発電ユニットと下から3個目の発電ユニットの中間にあることがわかる。次に、再び、ピークAが現れているので、水位が上昇し、下から3個目の発電ユニットまで水位が再上昇したことがわかり、続いてピークBが現れていることから、水位低下が生じその時点では、水位は下から2個目の発電ユニットと下から3個目の発電ユニットの中間にあることがわかる。
FIG. 8 shows an example of a signal transmitted from the water
発電ユニット16に代替される発電ユニットについて説明する。図9に発電ユニット16Aの概略構造および動作態様を示す。
A power generation unit that replaces the
この発電ユニット16Aにおけるケース34およびその内部の構造は、発電ユニット16のものと同じである。発電ユニット16Aでは、永久磁石33が水位の変動方向である鉛直方向にスライドすることができるように、筒部材11(図9に示さず)内に配置する。そして、ケース34の上側に、適所に孔部51が形成された小筒部材52が、その長さ方向が鉛直方向となるように配置され、その内部にフロート12(先に説明した水位検知装置10に用いられているフロート12と構成は同じであり、大きさは、小筒部材52の直径に合わせられる)が収容された構成となっている。
The
図9左図に示すように、小筒部材52の下端よりも水位が低い場合には、フロート12は重力により降下しており、錘25と永久磁石33との間の引力によって、圧電素子31は永久磁石33側に凸な状態となっている。水位が上昇すると、図9右図に示されるように、浮子26に作用する浮力が錘25と永久磁石33との間に作用する引力よりも大きくなった時点で、フロート12が上昇し、バネ32の収縮力により圧電素子31の屈曲状態が反転し、発電する。この状態から水位が低下すると、フロート12は降下を開始し、錘25と永久磁石33との間に作用する引力が大きくなると、永久磁石33が錘25側へ移動し、図9左図の状態に戻る。このような動きにより水位を検知できる。
As shown in the left diagram of FIG. 9, when the water level is lower than the lower end of the small
この発電ユニット16Aもまた、図9右図の状態となった後に、さらに水位が上昇しても、その状態が維持され、図9右図の状態から図9左図の状態へ戻るのは、水位が下がった場合のみであるから、複数の発電ユニット16Aのどれが発電したのかを特定するためのID情報を電圧信号に付与する必要はない。
This
なお、発電ユニット16Aは、その構造を上下(鉛直方向)で逆転させた構成としてもよい。
The
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこのような形態に限定されるものではない。例えば、発電ユニットとして、圧電素子の屈曲状態を制御するためのバネとしてはコイル状のバネ(所謂、弦巻バネ)を用いた形態を示したが、バネとして板バネを用いることもできる。図10に示す圧電ユニット16Bは、図9に示した圧電ユニット16Aの変形例であり、バネ32として弦巻バネに代えて板バネを用いたものである。板バネを用いることで、圧電ユニットを薄く構成することができるという利点がある。
As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to such a form. For example, as the power generation unit, a coiled spring (a so-called string spring) is used as a spring for controlling the bending state of the piezoelectric element, but a plate spring may be used as the spring. A
また、1個の発電ユニットに設けられる圧電素子は1枚に限定されることなく、例えば、その厚み方向に複数の圧電素子を一定の隙間を設けて平行に配置した構成としてもよく、一度に複数の圧電素子を屈曲させることで、より大きな電力を得ることができる。 In addition, the number of piezoelectric elements provided in one power generation unit is not limited to one, and for example, a plurality of piezoelectric elements may be arranged in parallel with a certain gap in the thickness direction. By bending a plurality of piezoelectric elements, larger electric power can be obtained.
圧電素子の保持方法はその両端を回動自在に保持する方法に限定されることなく、例えば、1または複数の圧電素子の両端をボルト締め等により固定してもよい。圧電素子を保持する状態は円弧状に限定されることなく、長さ方向の半分どうしがS字型となるようにしてもよい。この場合、電極パターンは、圧電素子の長手方向半分の領域において長手方向に2分割(全体で4分割)されたものとすることが好ましく、これにより圧電素子を変位させたときに発生する電力を高い効率で取り出すことができる。 The method of holding the piezoelectric element is not limited to a method of holding both ends of the piezoelectric element so as to be rotatable. For example, both ends of one or a plurality of piezoelectric elements may be fixed by bolting or the like. The state in which the piezoelectric element is held is not limited to the arc shape, and half of the length direction may be S-shaped. In this case, it is preferable that the electrode pattern is divided into two in the longitudinal direction in the region in the longitudinal direction half of the piezoelectric element (totally divided into four), so that the electric power generated when the piezoelectric element is displaced is reduced. It can be taken out with high efficiency.
10・10A…水位検知装置、11…筒部材、12…フロート、13…発電ユニット、14…信号発信装置、16・16A・16B…発電ユニット、21…空気孔、22…浸水孔、25…錘、26…浮子、27…浮子、28…錘、29…蝶番、31…圧電素子、32…バネ、33…永久磁石、34…ケース、35…連結棒、38…支持部材、39…保持部材、44…判断回路、45…整流回路、46…平滑回路、47…DC−DCコンバータ回路、48…制御回路、49…RF回路、50…水位検知装置、51…孔部、52…小筒部材。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 * 10A ... Water level detection apparatus, 11 ... Tube member, 12 ... Float, 13 ... Power generation unit, 14 ... Signal transmission device, 16 * 16A * 16B ... Power generation unit, 21 ... Air hole, 22 ... Submerged hole, 25 ... Weight , 26 ... float, 27 ... float, 28 ... weight, 29 ... hinge, 31 ... piezoelectric element, 32 ... spring, 33 ... permanent magnet, 34 ... case, 35 ... connecting rod, 38 ... support member, 39 ... holding member, 44 ... judgment circuit, 45 ... rectification circuit, 46 ... smoothing circuit, 47 ... DC-DC converter circuit, 48 ... control circuit, 49 ... RF circuit, 50 ... water level detection device, 51 ... hole, 52 ... small cylinder member.
Claims (5)
前記筒部材の内部に設けられ、強磁性材料からなる錘と、その錘に取り付けられた浮子とを有し、前記筒部材の内部の水位にしたがって昇降するフロートと、
屈曲変位型の圧電素子と、前記圧電素子を屈曲させるバネと、前記圧電素子に取り付けられた永久磁石とをそれぞれ有し、前記筒部材の外部において鉛直方向に所定の間隔で設けられた複数の発電ユニットと、
前記複数の発電ユニットのうちのどの発電ユニットで電圧が発生したのかを特定するためのID情報を付加した信号を前記圧電素子の発電による電力を利用して送信する信号発信装置とを具備し、
前記筒部材内の水位変化に伴う前記フロートの昇降により、前記錘と前記永久磁石との間に作用する引力が変化することによって前記圧電素子の屈曲状態を変化させ、前記圧電素子を発電させることを特徴とする水位検知装置。 A cylindrical member having a cylindrical shape, installed vertically, with an air hole formed in the upper part thereof and a water immersion hole formed therein in which water can enter therein;
A float that is provided inside the cylindrical member, has a weight made of a ferromagnetic material, and a float attached to the weight, and floats up and down according to the water level inside the cylindrical member;
A plurality of bending displacement type piezoelectric elements, a spring that bends the piezoelectric elements, and a permanent magnet attached to the piezoelectric elements, each provided at a predetermined interval in the vertical direction outside the cylindrical member A power generation unit;
A signal transmission device that transmits a signal added with ID information for specifying which power generation unit of the plurality of power generation units generates a voltage using the power generated by the piezoelectric element;
The bending state of the piezoelectric element is changed by changing the attractive force acting between the weight and the permanent magnet by raising and lowering the float accompanying the water level change in the cylindrical member, and the piezoelectric element is caused to generate electric power. A water level detection device characterized by.
前記筒部材の内部に設けられ、強磁性材料からなる錘と、その錘に取り付けられた浮子とを有し、前記筒部材の内部の水位にしたがって昇降するフロートと、
屈曲変位により発電した際の電圧値が個々に異なる圧電素子をそれぞれ有し、かつ、各圧電素子を屈曲させるバネと、各圧電素子に取り付けられた永久磁石とをそれぞれ有し、前記筒部材の外部において鉛直方向に所定の間隔で設けられた複数の発電ユニットと、
前記複数の発電ユニットのうちのどの発電ユニットが発電したのかを発生した電圧値に基づいて特定し、特定された発電ユニットのID情報を付加した信号をその圧電素子の発電による電力を利用して送信する信号発信装置とを具備し、
前記筒部材内の水位変化に伴う前記フロートの昇降により、前記錘と前記永久磁石との間に作用する引力が変化することによって前記圧電素子の屈曲状態を変化させ、前記圧電素子を発電させることを特徴とする水位検知装置。 A cylindrical member having a cylindrical shape, installed vertically, with an air hole formed in the upper part thereof and a water immersion hole formed therein in which water can enter therein;
A float that is provided inside the cylindrical member, has a weight made of a ferromagnetic material, and a float attached to the weight, and floats up and down according to the water level inside the cylindrical member;
Each of the piezoelectric elements has a different voltage value when power is generated by bending displacement, and each has a spring that bends each piezoelectric element and a permanent magnet attached to each piezoelectric element. A plurality of power generation units provided outside at predetermined intervals in the vertical direction;
The power generation unit of the plurality of power generation units is identified based on the generated voltage value, and a signal to which ID information of the identified power generation unit is added is used using the power generated by the piezoelectric element. A signal transmission device for transmission,
The bending state of the piezoelectric element is changed by changing the attractive force acting between the weight and the permanent magnet by raising and lowering the float accompanying the water level change in the cylindrical member, and the piezoelectric element is caused to generate electric power. A water level detection device characterized by.
屈曲変位型の圧電素子と、前記圧電素子を屈曲させるバネと、前記圧電素子に取り付けられた永久磁石と、前記圧電素子と前記バネと前記永久磁石を防水収容するためのケースと、前記ケース外に設けられた浮子と、前記永久磁石と近接/離間自在に前記ケース外に設けられた強磁性材料からなる錘とをそれぞれ有し、前記筒部材の内部において鉛直方向に所定の間隔で設けられた複数の発電ユニットと、
前記圧電素子の発電電力を利用して電圧信号を送信する信号発信装置とを具備し、
前記筒部材内の水位変化に伴う前記浮子の浮力変化と前記錘に作用する重力とのバランスによって、前記錘と前記永久磁石との間に作用する引力を変化させることにより、前記圧電素子を発電させることを特徴とする水位検知装置。 A cylindrical member having a cylindrical shape, installed vertically, with an air hole formed in the upper part thereof and a water immersion hole formed therein in which water can enter therein;
A bending displacement type piezoelectric element, a spring for bending the piezoelectric element, a permanent magnet attached to the piezoelectric element, a case for waterproofly housing the piezoelectric element, the spring, and the permanent magnet, and an outside of the case And a weight made of a ferromagnetic material provided outside the case so as to be able to approach / separate from the permanent magnet, and is provided at predetermined intervals in the vertical direction inside the cylindrical member. A plurality of power generation units,
A signal transmission device that transmits a voltage signal using the generated power of the piezoelectric element;
The piezoelectric element is generated by changing the attractive force acting between the weight and the permanent magnet according to the balance between the buoyancy change of the float associated with the water level change in the cylindrical member and the gravity acting on the weight. A water level detection device characterized in that
この蝶番様部材に前記浮子と前記錘とが取り付けられていることを特徴とする請求項3に記載の水位検知装置。 The power generation unit includes a hinge-like member provided outside the case,
The water level detection device according to claim 3, wherein the float and the weight are attached to the hinge-like member.
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