JP2008096303A - 投込式水位計 - Google Patents

Abstract

【課題】汚泥等による埋没の異常を診断可能な投込式水位計を提供する。また、埋没の際に、警報信号等をユーザーに報知する投込式水位計を提供する。
【解決手段】液中に没し第１の圧力を測定する主水位計と、前記液中に没し第２の圧力を測定する従水位計と、前記主水位計と前記従水位計とに接続されるコントロール機器とを備え、前記第１の圧力と前記第２の圧力との演算の値に基づく診断を行う。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば、上下水道、ダム、海底、湖底、水門の入口、深井戸、薬品工場プロセスタンク内などで使用される投込式水位計に関し、特に、診断機能を有する投込式水位計に関する。

投込式水位計が設置される場所は、例えば、上下水道、ダム、海底、湖底、水門の入口、深井戸、薬品工場プロセスタンク内などである。そして、例えば、水門の内と外につるし、水位を連続監視し、ゲート開閉の自動制御に用いることもある。

図２は従来の投込式水位計を示したものであり、１は水面、２は圧力式の水位計である。水位計２は、水位（水面１から水位計２までの距離）Ｈ’の水中に没し、圧力Ｐを測定する。また、水位計２は、ＣＰＵ等を内蔵しており、測定した圧力Ｐを演算して、水位Ｈ（≒Ｈ’）を算出し、出力する。なお、水位計によっては、ＣＰＵを内蔵せず、アナログ信号のみを出力するものもある。

また、伝送路３の一端は水位計２に接続され、伝送路３の他端はコントロール機器４に接続される。また、伝送路３は、水位計２に電力を供給する。さらに、伝送路３は、圧力Ｐまたは水位Ｈに係る電気信号を伝送する。また、伝送路３は、大気圧Ｐ０を取り込む中空ケーブルを備える。

さらに、コントロール機器４は、中継器、変換器、水位指示計など、地上に設置されたコントロール用の機器である。このコントロール機器４を通じてユーザーは水位情報やその他の情報（例えば、水温など）を収集し、水位計２のゼロ調整などのコンフィグレーションを行う。

また、水位計２は、伝送路３の中空ケーブルによって導入された大気圧Ｐ０で満たされており、圧力Ｐの測定において、大気圧Ｐ０の影響を打ち消すように構成される。

このような、図２の従来例の動作について説明する。水位Ｈ’が上昇すると、圧力Ｐが上昇し、水位計２が算出する水位Ｈが上昇する。ここで、圧力Ｐと水位Ｈとは以下の式（１）を満足し、比例の関係にある。

Ｈ＝Ｐ／（ρ・ｇ） （１）
ρ：液体密度
ｇ：重力加速度
Ｈ：水位計２が算出した水位
Ｐ：水位計２で検出される圧力

特開Ｈ０９−１３８１５４号公報 特開Ｈ１０−２３９１３４号公報 米国特許第５６０６５１３号公報

しかし、従来技術で説明した、投込式水位計を用いて水位Ｈ’を測定する際に、水位計自体がタンク底や湖底、海底などの汚泥・不純物に埋もれて正確な水位の測定ができなくなるという課題がある。また、汚泥による信号劣化を防止するために、作業員による定期的な見回りによるチエックが必要になるという課題がある。

本発明の目的は、以上説明した課題を解決するものであり、汚泥等による埋没の異常を診断可能な投込式水位計を提供することにある。また、埋没の際に、警報信号等をユーザーに報知する投込式水位計を提供することにある。

このような目的を達成する本発明は、次の通りである。
（１）液中に没し第１の圧力を測定する主水位計と、前記液中に没し第２の圧力を測定する従水位計と、前記主水位計と前記従水位計とに接続されるコントロール機器とを備え、前記第１の圧力と前記第２の圧力との演算の値に基づく診断を行うことを特徴とする投込式水位計。
（２）一端が前記従水位計に接続され他端が前記主水位計に接続され、前記従水位計に電力を供給し、前記第２の圧力に係る電気信号を伝送する中継路と、一端が前記主水位計に接続され他端が前記コントロール機器に接続され、前記従水位計及び前記主水位計に電力を供給し、前記前記第１の圧力と前記第２の圧力との演算に係る電気信号を伝送する伝送路とを備えることを特徴とする（１）記載の投込式水位計。
（３）前記第１の圧力から演算された水位と前記第２の圧力から演算された水位との差の値に基づき、前記主水位計または前記従水位計の汚泥埋没の診断を行うことを特徴とする（１）記載の投込式水位計。
（４）前記第１の圧力の時間変化と前記第２の圧力の時間変化との比の値に基づき、汚泥埋没の診断を行うことを特徴とする（１）記載の投込式水位計。
（５）前記第１の圧力の時間変化と前記第２の圧力の時間変化との比の値に基づき、液体密度の変化の診断を行うことを特徴とする（１）記載の投込式水位計。

本発明によれば次のような効果がある。
本発明によれば、汚泥埋没の診断を行うことができる。このため、本発明によれば、作業員による定期的な見回りによるチエックが不要となる。

さらに、汚泥埋没等の異常の際であっても、継続的に水位測定ができる。即ち、水位測定を簡便に２重化できる。

以下に図１に基づいて本発明を詳細に説明する。図１は、本発明の一実施例を示す構成図である。図１の実施例の特徴は、主水位計２ａと従水位計２ｂとを備える点にある。

主水位計２ａは、水位Ｈａ’の液中（水中）に没し圧力Ｐａを測定する。また、従水位計２ｂは、水位Ｈｂ’の液中（水中）に没し圧力Ｐｂを測定する。

また、コントロール機器４は、主水位計２ａと従水位計２ｂとに接続される。そして、コントロール機器４は、指示計、変換器、中継器等を備え、電力を供給し、通信を行う。

さらに、中継路２ｃの一端が従水位計２ｂに接続され、中継路２ｃの他端が主水位計２ａに接続される。また、中継路２ｃは、従水位計２ｂに電力を供給し、圧力Ｐｂに係る電気信号を伝送する。さらに、中継路２ｃの長さＬは、主水位計２ａと従水位計２ｂとの距離であり、ユーザまたはメーカにより定められる。

また、伝送路３の一端が主水位計２ａに接続され、伝送路３の他端がコントロール機器４に接続される。さらに、伝送路３は、主水位計２ａ及び従水位計２ｂに電力を供給し、圧力Ｐａと圧力Ｐｂとの演算に係る電気信号を伝送する。

さらに、中継路２ｃと伝送路３とは、それぞれ大気圧Ｐ０を取り込む中空ケーブルを備える。そして、主水位計２ａと従水位計２ｂとは、それぞれ、中空ケーブルによって導入された大気圧Ｐ０で満たされており、圧力Ｐａと圧力Ｐｂとの測定において、大気圧Ｐ０の影響を打ち消すように構成される。

また、主水位計２ａまたは従水位計２ｂまたはコントロール機器４は、主水位計２ａが測定した圧力Ｐａと従水位計２ｂが測定した圧力Ｐｂとを演算する手段を有し、この演算の値を判定する手段を有し、この演算の判定閾値を設定・格納する手段を有する（図示せず）。

このような図１の実施例において、主水位計２ａまたは従水位計２ｂは、圧力Ｐａと圧力Ｐｂとに係る演算を行う。具体的には、例えば、水位Ｈａ、水位Ｈｂ、水位（Ｈａ＋Ｌ）、水位（Ｈｂ−Ｌ）、水位｛（Ｈａ＋Ｈｂ）／２｝、変位｛Ｌ−（Ｈｂ−Ｈａ）｝、時間変化比｛（（ｄＰａ／ｄｔ）／（ｄＰｂ／ｄｔ））−１｝の演算を行う。

これらの演算は、以下の式（２）乃至（６）を満足する。
Ｈａ＝Ｐａ／（ρａ・ｇ） （２）
≒Ｐａ／（ｋ・ｇ） （２）’

Ｈｂ＝Ｐｂ／（ρｂ・ｇ） （３）
≒Ｐｂ／（ｋ・ｇ） （３）’

Ｈａ＋Ｌ＝Ｐａ／（ρａ・ｇ）＋Ｌ （４）
≒Ｐａ／（ｋ・ｇ）＋Ｌ （４）’

（Ｈａ＋Ｈｂ）／２＝Ｐａ／（２・ρａ・ｇ）＋Ｐｂ／（２・ρｂ・ｇ） （５）
≒（Ｐａ＋Ｐｂ）／（２・ｋ・ｇ） （５）’

Ｌ−（Ｈｂ−Ｈａ）＝Ｌ−Ｐｂ／（ρｂ・ｇ）＋Ｐａ／（ρａ・ｇ） （６）
≒Ｌ−（Ｐｂ−Ｐａ）／（ｋ・ｇ） （６）’

ただし、以下のとおりである。
ρａ：主水位計２ａ上層の液体密度
ρｂ：従水位計２ｂ上層の液体密度
ｇ：重力加速度
Ｌ：中継路２ｃの長さ

また、通常は、以下の近似式（７）’を満足するため、上述の近似式式（２）’乃至（６）’を満足する。
ρａ≒ρｂ≒ｋ（一定値） （７）’

伝送路３が４−２０ｍＡアナログ信号ラインである場合、主水位計２ａは、圧力Ｐａ、圧力Ｐｂ、水位Ｈａ、水位Ｈｂ、水位（Ｈａ＋Ｌ）、水位（Ｈｂ−Ｌ）、水位｛（Ｈａ＋Ｈｂ）／２｝、変位｛Ｌ−（Ｈｂ−Ｈａ）｝、時間変化比｛（（ｄＰａ／ｄｔ）／（ｄＰｂ／ｄｔ））−１｝の値のいずれか一つを伝送路３に出力する。

また、伝送路３がフィールドバス通信またはBRAIN/HART通信その他のディジタル信号ラインである場合、主水位計２ａは、圧力Ｐａ、圧力Ｐｂ、水位Ｈａ、水位Ｈｂ、水位（Ｈａ＋Ｌ）、水位（Ｈｂ−Ｌ）、水位｛（Ｈａ＋Ｈｂ）／２｝、変位｛Ｌ−（Ｈｂ−Ｈａ）｝、時間変化比｛（（ｄＰａ／ｄｔ）／（ｄＰｂ／ｄｔ））−１｝の値の全てを同時に出力する。

〔水位測定〕
こうして、図１の実施例において、コントロール機器４は、水位Ｈａ、水位Ｈｂ、水位（Ｈａ＋Ｌ）、水位（Ｈｂ−Ｌ）、水位｛（Ｈａ＋Ｈｂ）／２｝の値を示したり、通信したりする。なお、水位｛（Ｈａ＋Ｈｂ）／２｝は、主水位計２ａと従水位計２ｂとの中点の水位を算出したものである。

〔汚泥埋没の診断〕
また、図１の実施例において、コントロール機器４は、変位｛Ｌ−（Ｈｂ−Ｈａ）｝の値から主水位計２ａまたは従水位計２ｂの汚泥埋没の診断を行う。具体的には、以下の式（８）または近似式（８）’を満足するときは「汚泥埋没無し」と判定し、の式（８）を満足しないときは「汚泥埋没有り」と判定する。ユーザは、小さな正の値αを設定する。

−α＜｛Ｌ−（Ｈｂ−Ｈａ）｝＜＋α （８）
−α＜｛Ｌ−（Ｐｂ−Ｐａ）／（ｋ・ｇ）｝＜＋α （８）’
α：判定閾値

従水位計２ｂが汚泥埋没すると、中経路２ｃが撓み、水位Ｈｂの値が減少し、変位｛Ｌ−（Ｈｂ−Ｈａ）｝の値が上昇し、｛Ｌ−（Ｈｂ−Ｈａ）｝の値が＋αよりも大きくなって、コントロール機器４が「汚泥埋没有り」と判定する。

一方、上述の実施例では、コントロール機器４が汚泥埋没の診断を行うものであったが、これとは別に、主水位計２ａが汚泥埋没の診断を行うものであってもよい。具体的には、主水位計２ａが、式（８）または（８）’を満足するときは「汚泥埋没無し」と判定し、の式（８）または（８）’を満足しないときは「汚泥埋没有り」と判定する。

そして、「汚泥埋没有り」と判定されると、主水位計２ａが、異常の警報信号（アラーム信号）を生成し、コントロール機器４を介して、ユーザに報知する。したがって、ユーザは、定期的な見回りによるチエックが不要になる。

また、コントロール機器４は、時間変化比｛（（ｄＰａ／ｄｔ）／（ｄＰｂ／ｄｔ））−１｝の値から主水位計２ａまたは従水位計２ｂの汚泥埋没の診断を行う。具体的には、以下の式（９）を満足するときは「汚泥埋没無し」と判定し、の式（９）を満足しないときは「汚泥埋没有り」と判定する。ユーザは、０乃至１のβを設定する。

−β＜｛（（ｄＰａ／ｄｔ）／（ｄＰｂ／ｄｔ））−１｝＜＋β （９）
β：判定閾値

従水位計２ｂが汚泥埋没している状況において、例えば、圧力Ｐｂの時間変化の値は、圧力Ｐａの時間変化の値よりも大きくなり、時間変化比｛（（ｄＰａ／ｄｔ）／（ｄＰｂ／ｄｔ））−１｝の値は小さくなり、時間変化比｛（（ｄＰａ／ｄｔ）／（ｄＰｂ／ｄｔ））−１｝の値が−βよりも小さくなって、コントロール機器４が「汚泥埋没有り」と判定する。

なお、水面１が変化したときは、水位Ｈａ’の変化と水位Ｈｂ’の時間変化とは同じになり、圧力Ｐａの時間変化（ｄＰａ／ｄｔ）の値と圧力Ｐｂの時間変化（ｄＰｂ／ｄｔ）の値とは同じになり、時間変化比｛（（ｄＰａ／ｄｔ）／（ｄＰｂ／ｄｔ））−１｝はほぼゼロとなり、コントロール機器４は、従水位計２ｂが「汚泥埋没無し」と判定する。

一方、上述の実施例では、コントロール機器４が汚泥埋没の診断を行うものであったが、これとは別に、主水位計２ａが汚泥埋没の診断を行うものであってもよい。具体的には、主水位計２ａが、式（９）を満足するときは「汚泥埋没無し」と判定し、の式（９）を満足しないときは「汚泥埋没有り」と判定する。

そして、「汚泥埋没有り」と判定されると、主水位計２ａは異常の警報信号（アラーム信号）を生成し、コントロール機器４を介して、ユーザに報知する。したがって、ユーザは、定期的な見回りによるチエックが不要になる。

さらに、主水位計２ａは、時間変化比｛（（ｄＨａ／ｄｔ）／（ｄＨｂ／ｄｔ））−１｝の値から主水位計２ａまたは従水位計２ｂの汚泥埋没の診断を行う。具体的には、以下の式（１０）を満足するときは「汚泥埋没無し」と判定し、の式（１０）を満足しないときは「汚泥埋没有り」と判定する。ユーザは、０乃至１のγを設定する。

−γ＜｛（（ｄＨａ／ｄｔ）／（ｄＨｂ／ｄｔ））−１｝＜＋β （１０）
γ：判定閾値

従水位計２ｂが汚泥埋没している状況において、例えば、水位Ｈｂの時間変化の値は、水位Ｈａの時間変化の値よりも大きくなり、時間変化比｛（（ｄＨａ／ｄｔ）／（ｄＨｂ／ｄｔ））−１｝の値は小さくなり、時間変化比｛（（ｄＨａ／ｄｔ）／（ｄＨｂ／ｄｔ））−１｝の値が−γよりも小さくなって、従水位計２ｂが「汚泥埋没有り」と判定する。

そして、「汚泥埋没有り」と判定されると、異常の警報信号（アラーム信号）を生成し、ユーザに報知する。したがって、ユーザは、定期的な見回りによるチエックが不要になる。

なお、水面１が変化したときは、水位Ｈａ’の変化と水位Ｈｂ’の時間変化とは同じになり、時間変化比｛（（ｄＨａ／ｄｔ）／（ｄＨｂ／ｄｔ））−１｝はほぼゼロとなり、従水位計２ｂが「汚泥埋没無し」と判定する。

また、図１の実施例において、時間変化比｛（（ｄＰａ／ｄｔ）／（ｄＰｂ／ｄｔ））−１｝の値が正（プラス）となる場合は、従水位計２ｂの上層の液体密度ρｂが増加していることを示し、従水位計２ｂが汚泥埋没の危機に直面している可能性がある。

さらに、時間変化比｛（（ｄＰａ／ｄｔ）／（ｄＰｂ／ｄｔ））−１｝の値が負（マイナス）となる場合は、従水位計２ｂが浮き上がってしまった場合や、主水位計２ａが汚泥埋没している、または、主水位計２ａが故障している可能性がある。

〔二重化〕
図１の実施例において、例えば、従水位計２ｂが、汚泥埋没して、測定不能（異常）となった場合であっても、主水位計２ａは継続して水位の測定ができる。このため、水位の測定が途切れることなく実施できる。同様に、主水位計２ａが、汚泥埋没して、測定不能（異常）となった場合であっても、従水位計２ｂは継続して水位の測定ができる。

また、主水位計２ａまたは従水位計２ｂが測定不能（異常）となった場合、異常の警報信号（アラーム信号）を生成し、ユーザに報知する。具体的には、従水位計２ｂが完全に汚泥埋没となった場合、圧力Ｐｂは一定になり、時間変化（ｄＰｂ／ｄｔ）はゼロになり、時間変化比｛（（ｄＰａ／ｄｔ）／（ｄＰｂ／ｄｔ））−１｝は無限大になり、異常の警報信号（アラーム信号）を生成し、ユーザに報知する。

〔液体密度の変化の診断〕
水面１が変化は、時間変化比｛（（ｄＰａ／ｄｔ）／（ｄＰｂ／ｄｔ））−１｝の値に影響しないことから、時間変化比｛（（ｄＰａ／ｄｔ）／（ｄＰｂ／ｄｔ））−１｝の値は、主水位計２ａ上層の液体密度ρａの変化と従水位計２ｂ上層の液体密度ρｂの変化との一致の程度を示す。

具体的には、時間変化比｛（（ｄＰａ／ｄｔ）／（ｄＰｂ／ｄｔ））−１｝の値がゼロのときは、「液体密度ρａの変化と液体密度ρｂの変化とが一致している」と診断する。また、時間変化比｛（（ｄＰａ／ｄｔ）／（ｄＰｂ／ｄｔ））−１｝の値がゼロでないときは、「液体密度ρａの変化と液体密度ρｂの変化とが一致していない」と診断する。

そして、「液体密度ρａの変化と液体密度ρｂの変化とが一致していない」と判定されると、異常の警報信号（アラーム信号）を生成し、ユーザに報知する。

また、図１の実施例において、例えば、主水位計２ａが水位Ｈａ’を測定し、従水位計２ｂが時間変化（ｄＰｂ／ｄｔ）を測定するように構成してもよい。

この場合、水位Ｈａが一定ならば、水位Ｈａ’が一定と推定し、水位Ｈｂ’が一定と推定し、水位Ｈｂが一定と推定する。このとき、圧力の時間変化（ｄＰｂ／ｄｔ）は液体密度の時間変化（ｄρｂ／ｄｔ）に比例し以下の近似式（１１）を満足する。
（ｄρｂ／ｄｔ）≒（ｄＰｂ／ｄｔ）／（Ｈｂ・ｇ） （１１）

こうして、従水位計２ｂ上層の液体密度ρｂの変化を測定する。

以上説明した主水位計と従水位計による２つの水位計を利用して、水中内に存在していることを測定する手法においては、汚泥だけではなく、例えば、薬液タンク内の濃度変化（上方と下方）を測定することでも薬液タンク内の薬液体の濃度状態を測定することができる。

また、本発明は、上述の実施例に限定されることなく、その本質を逸脱しない範囲でさらに多くの変更及び変形を含むものである。

本発明の一実施例を示す構成図である。 従来の投込式水位計を示す構成図である。

符号の説明

１ 水面
２ａ 主水位計
２ｂ 従水位計
２ｃ 中継路
３ 伝送路
４ コントロール機器

Claims (5)

1. 液中に没し第１の圧力を測定する主水位計と、
   前記液中に没し第２の圧力を測定する従水位計と、
   前記主水位計と前記従水位計とに接続されるコントロール機器とを備え、
   前記第１の圧力と前記第２の圧力との演算の値に基づく診断を行う
   ことを特徴とする投込式水位計。
2. 一端が前記従水位計に接続され他端が前記主水位計に接続され、前記従水位計に電力を供給し、前記第２の圧力に係る電気信号を伝送する中継路と、
   一端が前記主水位計に接続され他端が前記コントロール機器に接続され、前記主水位計及び前記従水位計に電力を供給し、前記前記第１の圧力と前記第２の圧力との演算に係る電気信号を伝送する伝送路とを備える
   ことを特徴とする請求項１記載の投込式水位計。
3. 前記第１の圧力から演算された水位と前記第２の圧力から演算された水位との差の値に基づき、前記主水位計または前記従水位計の汚泥埋没の診断を行う
   ことを特徴とする請求項１記載の投込式水位計。
4. 前記第１の圧力の時間変化と前記第２の圧力の時間変化との比の値に基づき、汚泥埋没の診断を行う
   ことを特徴とする請求項１記載の投込式水位計。
5. 前記第１の圧力の時間変化と前記第２の圧力の時間変化との比の値に基づき、液体密度の変化の診断を行う
   ことを特徴とする請求項１記載の投込式水位計。

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