JP2009291140A - 水槽の水質調整システム - Google Patents

Abstract

【課題】短時間で設定温度を越えることなく、水槽の水を滑らかに加熱すると共に、同時に好適な水質に調整可能とする。
【解決手段】水槽の現状水温ｔを検出する水温センサー３と、水槽の水を加熱する加熱手段６と、加熱手段６を制御する制御手段２とを備え、加熱手段６は、給水用水を水槽へ給水する給水手段と、水槽から排水する排水手段とを備え、制御手段２は、所定のファジー推論ｆを設定するファジー推論設定部２４と、偏差δｔ２及び変化量δｔをファジー推論ｆに適用して結論ｖを算出する結論算出部２５とを備え、結論ｖに基づいて、現状水温ｔが目標水温ｔ２になるように加熱手段６をファジー制御する。
【選択図】図２

Description

本発明は、熱帯魚などの観賞魚を飼育する水槽の水質調整システムに関する。

従来の水槽における水温調節装置は、ペルチエ素子のフィンを水槽の水に浸漬したペルチエ素子と、水槽の水温を検知する水温センサーと、ペルチエ素子を制御する極性切換器とを備える（例えば、特許文献１参照）。そして、検知水温が、低温設定値以下の時にペルチエ素子のフィンを加熱して、高温設定値以上の時にペルチエ素子のフィンを冷却して、水槽の水温を調節するように構成されている。

しかし、ペルチエ素子のフィンを一定温度で加熱するのみでは、水温が目標温度まで上昇するのに時間がかかるので、観賞魚に悪影響を及ぼす。また、時間短縮のために高温で加熱するように設定すれば、水温が目標温度に近接している場合、目標温度を超えてしまうことがある（オーバーヒート）。観賞魚等は水温に対して敏感であるから、目標温度を越えたり急激に加熱すると、寿命短縮等の多大な悪影響を及ぼす。

さらに、観賞魚は水質に対して非常に敏感であるから、所定期間ごとに水槽の水を入れ換えたりして水質を調整する必要がある。従来の技術では、単に水温を目標温度に調整するのみで、水質の改善については考慮されておらず、水温と水質とを同時に調整して改善する水槽は存在しなかった。
特開平８−２６３１４８号公報

そこで、本発明が解決しようとする課題は、短時間で目標温度を越えることなく、水槽の水を滑らかに加熱すると共に、同時に水質を好適に調整可能な水槽の水質調整システムを提供することである。

本発明に係る水槽の水質調整システムは、
水槽の現状水温を検出する水温センサーと、
水槽の水を加熱する加熱手段と、
加熱手段を制御する制御手段とを備え、
制御手段は、
水槽の目標水温を設定する目標水温設定部と、
現状水温と目標水温との偏差を算出する偏差算出部と、
現状水温に基づいて単位時間当たりの水温変化量を算出する変化量算出部と、
所定のファジー推論を設定するファジー推論設定部と、
偏差及び変化量をファジー推論に適用して結論を算出する結論算出部とを備え、
加熱手段は、
目標水温以上の水温の給水用水を有する給水タンクと、
給水用水を水槽へ給水する給水手段と、
給水する給水用水と同量の水を水槽から排水する排水手段とを備え、
制御手段は、結論に基づいて、現状水温が目標水温になるように、加熱手段における給水手段及び排水手段をファジー制御する。

好ましくは、加熱手段は、第１加熱手段と第２加熱手段とを備え、目標水温は、第１目標水温と第１目標水温より高い第２目標水温とを有し、制御手段は、現状水温が第１目標水温になるまで、第１加熱手段で一定熱量で加熱し、その後、第２目標水温になるまで、第２加熱手段をファジー制御することを特徴とする。

好ましくは、制御手段は、現状水温に拘らず、所定期間ごとに給水手段及び排水手段を駆動する。

上記の通り、本発明に係る水槽の水質調整システムは、ファジー推論を用いて、目標水温になるように加熱手段を制御するようにしたので、現状水温が目標水温より離れている間は大きく加熱し、現状水温が目標水温に近づくにつれて小さく加熱できる。

これにより、短時間且つ目標温度を越えることなく（オーバーヒートせずに）、水槽の水を滑らかに昇温できる。さらに、水温を目標温度の近い状態に保ち、観賞魚における水温の影響を最小限に抑えることができる。

さらに、加熱手段は、給水用水を水槽へ給水する給水手段と、給水する給水用水と同量の水を水槽から排水する排水手段とを備える。給水用水を観賞魚に適した水質にすることによって、目標温度に加熱すると共に、好適な水を水槽に給水して、汚れた水を排水できるので、水槽の水を好適な水質に調整できる。

以下、添付図面に基づいて、本発明に係る水槽の水質調整システムについて説明する。

［構成説明］
図１及び図２に基づいて、水槽の水質調整システムの構成を説明する。
図１は、水質調整システムを示す全体構成図である。水槽１は、熱帯魚等を飼育するための水１０を有する。水温センサー３は、サーミスタ等からなり、水槽１の水１０の現状水温（ｔ）を検出する。

第１加熱手段４は、給水ポンプ４０、給水タンク４１及び給水管４２を備える。給水タンク４１は、給水用水４３を有する。給水ポンプ４０は、給水管４２を介して、給水タンク４１の給水用水４３を水槽１に供給する。そして、給水用水４３は、観賞魚にとって好適な水質（ｐＨ値など）で綺麗な水になっている。

給水用加熱手段８は、電熱式ヒーター等からなり、給水タンクの給水用水４３を加熱する。給水用水温センサー７は、給水タンク４１の給水用水４３の温度を検出する。

さらに、第１加熱手段４は、排水ポンプ５０、排水タンク５１及び排水管５２を備える。そして、排水ポンプ５０は、排水管５２を介して、水槽１の水１０を排水タンク５１に排出する。

第２加熱手段６は、電熱式ヒーターからなり、水槽１の水１０を加熱する。
制御手段２は、水温センサー３からの現状水温（ｔ）の信号に基づいて、第１加熱手段４（給水ポンプ４０及び排水ポンプ５０）及び第２加熱手段６を制御する。

さらに、制御手段２は、給水用水温センサー７からの水温の信号に基づいて、給水用加熱手段８を制御する。これにより、給水用水４３は、後述する第２目標水温（ｔ２）より高い水温（ｓｔ）に維持される。

図２は、制御手段を示すブロック図である。制御手段２は、第１目標水温設定部２１及び第２目標水温設定部２２を有する。第１目標水温設定部２１は、第１目標水温（ｔ１）を設定する。第２目標水温設定部２２は、第１目標水温よりも高温の第２目標水温（ｔ２）を設定する（ｔ１＜ｔ２）。なお、第１目標水温（ｔ１）及び第２目標水温（ｔ２）は、任意に設定可能である。

制御手段２は、偏差算出部２０を有する。偏差算出部２０は、［ｉ］水温検出部３から現状水温（ｔ）、［ｉｉ］第１目標水温設定部２１から第１目標水温（ｔ１）、［ｉｉｉ］第２目標水温設定部２２から第２目標水温（ｔ２）が、それぞれ入力される。偏差算出部２０は、第１目標水温と現状水温との偏差（δｔ１＝ｔ１−ｔ）、第２目標水温と現状水温との偏差（δｔ２＝ｔ２−ｔ）を演算する。

制御手段２は、偏差算出部２０の演算結果に基づいて、第１加熱手段４を制御する。制御手段２は、第１目標水温と現状水温との偏差がゼロ（δｔ１＝０）になるまで（即ち、現状水温（ｔ）が第１目標水温（ｔ１）になるまで）、第１加熱手段４で一定の熱量（ｑ１）を与える。

制御手段２は、変化量算出部２３を備える。変化量算出部２３は、水温検出部３からの現状水温（ｔ）に基づいて、単位時間当たりの現状水温の変化量（δｔ）を算出する。なお、単位時間は任意に設定可能である。

制御手段２は、ファジー推論設定部２４を備える。ファジー推論設定部２４は、所定のファジー推論（ｆ）を設定する。ファジー推論（ｆ）は、所定のメンバーシップ関数及びファジールールを適用する。なお、ファジー推論（ｆ）は任意に設定可能である。

制御手段２は、結論算出部２５を備える。結論算出部２５は、［ｉ］偏差算出部２０から偏差（δｔ２）、［ｉｉ］変化量算出部２３から変化量（δｔ）、［ｉｉｉ］ファジー推論設定部２４からファジー推論（ｆ）が、それぞれ入力される。結論算出部２５は、偏差（δｔ２）及び変化量（δｔ）をファジー推論（ｆ）に適用して、結論（ｖ）を算出する。

制御手段２は、結論算出部２５からの結論（ｖ）に基づいて、第２加熱手段６を制御する。制御手段２は、第２目標水温と現状水温との偏差がゼロ（δｔ２＝０）になるまで（即ち、現状水温（ｔ）が第２目標水温（ｔ２）になるまで）、第２加熱手段６で所定の熱量（ｑ２）を与える。なお、後述する通り、所定熱量（ｑ２）は、結論（ｖ）に基づいてファジー制御される。

［動作説明］
次に、図３〜図５に基づいて、水槽の水質調整システムの動作を説明する。
図３は、水質調整システムの動作手順を示すフローチャートである。

先ず、水温センサー３に基づいて、水槽１の水１０における現状水温（ｔ）を検出する（ステップＳ１）。そして、偏差算出部２０に基づいて、現状水温（ｔ）と第１目標水温（ｔ１）との偏差（δｔ１）、現状水温（ｔ）と第２目標水温（ｔ２）との偏差（δｔ２）を算出する（ステップＳ２）。

なお、上記の通り、第２目標水温（ｔ２）が第１目標水温（ｔ１）より高く設定される（ｔ２＞ｔ１）。即ち、第２目標水温（ｔ２）が、最終的な目標水温であって、観賞魚の飼育等に最適な水温である。そして、第１目標水温（ｔ１）は、最適水温（第２目標水温ｔ２）よりも非常に低いので、この水温（ｔ１）までは急速に昇温する必要がある。

偏差算出部２０は、偏差（δｔ２）に基づいて、現状水温（ｔ）が第２目標水温（ｔ２）より低い（ｔ＜ｔ２）か否かを判断する（ステップＳ３）。現状水温（ｔ）が第２目標水温（ｔ２）より高い（ｔ＞ｔ２）場合、上記ステップ１に戻る。現状水温（ｔ）が第２目標水温（ｔ２）より低い（ｔ＜ｔ２）場合、次のステップＳ４を行う。

偏差算出部２０は、偏差（δｔ１）に基づいて、現状水温（ｔ）が第１目標水温（ｔ１）より低い（ｔ＜ｔ１）か否かを判断する（ステップＳ４）。現状水温（ｔ）が第１目標水温（ｔ１）より高い（ｔ＞ｔ１）場合、後述のステップＳ６を行う。現状水温（ｔ）が第１目標水温（ｔ１）より低い（ｔ＜ｔ１）場合、次のステップＳ５を行う。

第１加熱手段４は、一定の熱量（ｑ１）で水槽１の水１０を加熱する（ステップＳ５）。そして、上記ステップ１に戻り、現状水温（ｔ）を検出しながら、現状水温（ｔ）が第１目標水温（ｔ１）になるまで（δｔ１＝０）、第１加熱手段４で加熱する。一定熱量（ｑ１）は、水１０が素早く昇温されるように、比較的高く設定されている。

上記のように、第１加熱手段４は、給水ポンプ４０を用いて、高温の給水用水４３を水槽１に供給する。さらに、第１加熱手段４は、排水ポンプ５０を用いて、水槽１に供給される給水用水４３と同量の水槽１の水１０を排水タンク５１に排水する。これにより、水１０を素早く昇温すると共に、水槽１から水１０が溢れ出ない。

そして、現状水温（ｔ）が、第１目標水温（ｔ１）より高くて第２目標水温（ｔ２）より低い（ｔ１＜ｔ＜ｔ２）場合、変化量算出部２３が、現状水温（ｔ）に基づいて、単位時間（例えば１分）当たりの水温変化量（δｔ）を算出する（ステップＳ６）。

そして、結論算出部２５が、偏差（δｔ２）及び変化量（δｔ）を所定のファジー推論（ｆ）に適用して結論（ｖ）を演算する（ステップＳ７）。図４及び図５に基づいて、結論（ｖ）の算出方法について説明する。

図４（ａ）は、前件部（Ａ）のメンバーシップ関数を示し、図４（ｂ）は、前件部（Ｂ）のメンバーシップ関数を示す。
図４（ａ）の通り、偏差（δｔ２）から前件部（Ａ）の「度合い」を数値化する。例えば、偏差（δｔ２）＝４．５℃のとき、前件部（Ａ）は、「０．７５×Ｌ」及び「０．２５×Ｍ」を得る。そして、図４（ｂ）の通り、変化量（δｔ）から前件部（Ｂ）の「度合い」を数値化する。例えば、変化量（δｔ）＝０．５℃のとき、前件部（Ｂ）は、「０．７５×Ｓ」及び「０．２５×Ｍ」を得る。

図５は、ファジールールを示す図である。図５に示すファジールールに基づいて、前件部（Ａ）・（Ｂ）から後件部（Ｃ）を選択する。例えば、前件部（Ａ）が「Ｓ」かつ前件部（Ｂ）が「Ｓ」ならば後件部（Ｃ）は「０」、前件部（Ａ）が「Ｍ」かつ前件部（Ｂ）が「Ｓ」ならば後件部（Ｃ）は「１．０」、・・・前件部（Ａ）が「Ｌ」かつ前件部（Ｂ）が［Ｌ］ならば後件部（Ｃ）は「２．０」となる。

そして、前件部（Ａ）・（Ｂ）及び後件部（Ｃ）に基づいて、結論（ｖ）を算出する。例えば、
・前件部（Ａ）＝「０．７５Ｌ」及び「０．２５Ｍ」
・前件部（Ｂ）＝「０．７５Ｓ」及び「０．２５Ｍ」
のとき、次のように結論（ｖ）を算出する。

前件部（Ａ）と前件部（Ｂ）のそれぞれの「度合い」から全ての組み合わせを選択し、それぞれの選択における「最小係数」に後件部（Ｃ）を掛ける。例えば、
前件部（Ａ）、 前件部（Ｂ） → 「最小係数」×後件部（Ｃ）
・「０．７５Ｌ」、「０．７５Ｓ」 → ０．７５×２．０ ＝１．５０
・「０．７５Ｌ」、「０．２５Ｍ」 → ０．２５×２．０ ＝０．５０
・「０．２５Ｍ」、「０．７５Ｓ」 → ０．２５×１．０ ＝０．２５
・「０．２５Ｍ」、「０．２５Ｍ」 → ０．２５×１．０ ＝０．２５
となる。

そして、それぞれを加えて結論（ｖ）を算出する。従って、この場合、
・結論（ｖ）＝１．６（＝１．５＋０．５＋０．２５＋０．２５）
となる。そして、結論（ｖ）を所定関数（例えば、比例関数）に適用して、第２加熱手段６による熱量（ｑ２）を決定する。

［他の実施形態］
上記実施形態では、第１目標水温（ｔ１）及び第２目標水温（ｔ２）を設定しているが、第２目標水温（ｔ２）だけでもよい。そして、ファジー推論を用いて、加熱手段で加熱する。また、第１加熱手段は、高温を給水する方式であればよく、ポンプ等を用いずに、開閉ゲート等を通じて上方のタンクから給水し、下方のタンクに排水してもよい。さらに、第１加熱手段４は、循環式であってもよく、水槽１から排水した水をフィルター等で濾過して加熱して、また水槽１へ給水してもよい。

また、水槽の現状水温（ｔ）が目標水温（ｔ２）より高温であっても、所定期間（例えば２〜３日）ごとに、第１加熱手段４を駆動してもよい。給水タンク４１の水４３を観賞魚に好適な水質にしておき、所定期間ごとに、水槽１に好適な水４３を給水して、汚れた水１０を排水することにより、常時、水槽１の水１０を好適な水質に調整できる。その時は、給水用加熱手段８で、給水タンク４１の給水用水４３の水温を目標水温（ｔ２）とするのが好ましい。

このように、水質調整システムは、ファジー推論を用いて、第２目標水温（ｔ２）になるまで加熱手段の熱量（ｑ２）を制御するので、現状水温（ｔ）が第２目標水温（ｔ２）より離れている間は大きく加熱し、現状水温（ｔ）が第２目標水温（ｔ２）に近づくにつれて小さく加熱する。これにより、短時間且つ設定温度を越えることなく（オーバーヒートせずに）、水槽１の水１０を滑らかに昇温できる。従って、水温変化で観賞魚に与える悪影響を最小限に抑えることができる。

加熱手段４は、給水用水４３を水槽１へ給水する給水手段と、給水する給水用水４３と同量の水を水槽から排水する排水手段とを備える。給水用水４３を観賞魚に好適な水質にすることにより、目標温度に加熱すると共に、好適な水を水槽に給水して、汚れた水を排水して、水槽の水を好適な水質に調整できる。

水質調整システムを示す全体構成図である。 制御手段を示すブロック図である。 水質調整システムの動作手順を示すフローチャートである。 （ａ）は、前件部（Ａ）のメンバーシップ関数を示し、（ｂ）は、前件部（Ｂ）のメンバーシップ関数を示す。 ファジールールを示す図である。

符号の説明

１ 水槽
１０ 水槽の水
３ 水温センサー
４ 第１加熱手段
６ 第２加熱手段
２ 制御手段
２０ 偏差算出部
２３ 変化量算出部
２４ ファジー推論設定部
２５ 結論算出部
４０ 給水ポンプ
４１ 給水タンク
４２ 給水管
５０ 排水ポンプ
５１ 排水タンク
５２ 排水管
ｔ 現状水温
δｔ 水温変化量
ｔ１ 第１目標水温
ｔ２ 第２目標水温
δｔ１ 現状水温と第１目標水温との偏差
δｔ２ 現状水温と第２目標水温との偏差
ｆ ファジー推論
ｖ 結論

Claims (3)

1. 水槽の現状水温を検出する水温センサーと、
   前記水槽の水を加熱する加熱手段と、
   前記加熱手段を制御する制御手段とを備え、
   前記制御手段は、
   前記水槽の目標水温を設定する目標水温設定部と、
   前記現状水温と前記目標水温との偏差を算出する偏差算出部と、
   前記現状水温に基づいて単位時間当たりの水温変化量を算出する変化量算出部と、
   所定のファジー推論を設定するファジー推論設定部と、
   前記偏差及び前記変化量を前記ファジー推論に適用して結論を算出する結論算出部とを備え、
   前記加熱手段は、
   前記目標水温以上の水温の給水用水を有する給水タンクと、
   前記給水用水を前記水槽へ給水する給水手段と、
   給水する前記給水用水と同量の水を前記水槽から排水する排水手段とを備え、
   前記制御手段は、前記結論に基づいて、前記現状水温が前記目標水温になるように、前記加熱手段における前記給水手段及び前記排水手段をファジー制御することを特徴とする水槽の水質調整システム。
2. 前記加熱手段は、第１加熱手段と第２加熱手段とを備え、
   前記第１加熱手段は、前記給水タンク、前記給水手段及び前記排水手段を備え、
   前記第２加熱手段は、電熱式ヒーターからなり、
   前記目標水温は、第１目標水温と前記第１目標水温より高い第２目標水温とを有し、
   前記制御手段は、前記現状水温が前記第１目標水温になるまで、前記第１加熱手段で一定熱量で加熱し、その後、前記第２目標水温になるまで、前記第２加熱手段を前記ファジー制御することを特徴とする請求項１に記載の水槽の水質調整システム。
3. 前記制御手段は、前記現状水温に拘らず、所定期間ごとに、前記給水手段及び前記排水手段を駆動することを特徴する請求項１又は２に記載の水槽の水質調整システム。

Images