JP2011174718A - 界面計測センサ、界面計測装置、界面計測システム、界面計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】構造物に穴を設けず、かつ、精度よく測定することができる界面計測センサ、界面計測装置を提供する。
【解決手段】測定対象物の界面の高さを測定するための界面計測センサと界面計測装置との間で通信を行い界面の計測を行う界面計測システムであって、前記界面計測センサには、前記界面の高さを測定する測定範囲に応じた長さであって前記測定対象物が入れられる構造物の垂直方向に取り付けられる第１と第２の電極とが設けられ、前記界面計測センサの無線タグが、当該第１と第２の電極間の容量を算出し、算出された結果を無線によって外部に送信し、前記界面計測装置の受信部が、前記界面計測センサから送信される容量の測定結果を受信し、前記界面計測装置の算出部が、前記受信した容量の計測結果に基づいて、界面までの高さを算出することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、測定対象物の界面の高さを測定する界面計測センサ、界面計測装置、界面計測システム、界面計測方法に関する。

垂直方向に延びる容器の中に物質を供給する際、その物質がどの程度まで供給されたか、供給された高さを把握する技術がある。例えば、貯水槽に水を供給して貯水する場合、貯水槽の底面に圧力センサを設け、この圧力センサによって圧力を検出し、水面の高さを検出していた。また、この構造物において、打設されたコンクリートの上に泥水がある場合には、鎖の先端に錘が取り付けられた治具を垂直方向におろし、錘がコンクリートに到達した感触が得られた時点の鎖の長さをもとに、コンクリートが打設された高さを把握していた。

一方、このような界面の高さを検出する技術として、特許文献１のものがある。この技術は、液面を検出するため、構造物の側面に、インピーダンスを計測するセンサを垂直方向に複数配置し、配置された位置におけるインピーダンスを各位置において計測し、液面を計測するものである。

特開２００７−２１８７４０号公報

しかしながら、上述した技術において、圧力センサを設ける場合には、計測対象物が蓄積された圧力に耐えられる圧力センサを用いる必要があるため、計測対象物の重さや、蓄積する高さによっては、その圧力に圧力センサが耐えられない場合もある。
また、錘が取り付けられた治具を用いる場合には、錘が測定対象物に当接した時の感触を元に高さを計測するため、精度が十分でないという問題がある。
一方、特許文献１の技術では、センサが設けられた位置については、界面を把握できるが、センサとセンサの間に界面がある場合には、その高さを正確に把握することができない。また、センサを取り付けるために、構造物に穴を開ける必要があるので、構造物に加工を加えない観点や穴を開ける作業を行わない点を考慮すると、穴を開けずに界面の高さを測定できることが望ましい。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、その目的は、構造物に穴を設けず、かつ、精度よく測定することができる界面計測センサ、界面計測装置、界面計測システム、界面計測方法を提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明は、測定対象物の界面の高さを測定するための界面計測センサであって、前記界面の高さを測定する測定範囲に応じた長さであって前記測定対象物が入れられる構造物の垂直方向に取り付けられる第１と第２の電極と、当該第１と第２の電極間の容量を算出し、算出された結果を無線によって外部に送信する無線タグと、を有することを特徴とする。

また、本発明は、上述の界面計測センサにおいて、前記構造物内に存在する物質のそれぞれの比誘電率を記憶する記憶部と、前記無線タグは、前記測定された容量と前記比誘電率とに基づいて、容量を算出して外部に送信することを特徴とする。

また、本発明は、上述の界面計測センサにおいて、前記無線タグは、前記第１の電極に測定用周波数の交流電圧を印加して前記第１と第２との電極間に流れる電流値を検出し、当該電流値を用いて容量を算出することを特徴とする。

また、本発明は、上述の界面計測センサにおいて、前記第１と第２の電極間の容量に接続され発振回路を形成する抵抗を有し、前記無線タグは、前記発振回路における周波数を測定し、この周波数と前記抵抗の抵抗値とから前記容量を算出することを特徴とする。

また、本発明は、上述の界面計測センサにおいて、前記測定用周波数と前記外部に送信を行う際の搬送波周波数とは異なる周波数であることを特徴とする。

また、本発明は、上述したいずれかの界面計測センサから送信される容量の測定結果を受信する受信部と、前記受信した容量の計測結果に基づいて、界面までの高さを算出する算出部とを有することを特徴とする。

また、本発明は、測定対象物の界面の高さを測定するための界面計測センサと界面計測装置との間で通信を行う界面計測システムであって、前記界面計測センサは、前記界面の高さを測定する測定範囲に応じた長さであって前記測定対象物が入れられる構造物の垂直方向に取り付けられる第１と第２の電極と、当該第１と第２の電極間の容量を算出し、算出された結果を無線によって外部に送信する無線タグと、を有し、前記界面計測装置は、前記界面計測センサから送信される容量の測定結果を受信する受信部と、前記受信した容量の計測結果に基づいて、界面までの高さを算出する算出部と、を有することを特徴とする。

また、本発明は、測定対象物の界面の高さを測定するための界面計測センサと界面計測装置との間で通信を行い界面の計測を行う界面計測方法であって、前記界面計測センサには、前記界面の高さを測定する測定範囲に応じた長さであって前記測定対象物が入れられる構造物の垂直方向に取り付けられる第１と第２の電極とが設けられ、前記界面計測センサの無線タグが、当該第１と第２の電極間の容量を算出し、算出された結果を無線によって外部に送信し、前記界面計測装置の受信部が、前記界面計測センサから送信される容量の測定結果を受信し、前記界面計測装置の算出部が、前記受信した容量の計測結果に基づいて、界面までの高さを算出することを特徴とする。

以上説明したように、この発明によれば、界面の高さを測定する測定範囲に応じた長さの電極を構造物の垂直方向に取り付け、この電極間の容量を算出し、算出された結果を無線によって外部に送信するようにした。これにより、外部の装置が、この容量の算出結果をもとに、界面の高さを算出することができる。従って、構造物に穴を開けることなく、界面までの高さを算出することができる。また、ここでは、垂直方向に向かって電極が連続的に配置されるため、界面の高さがどこにあるか、垂直方向に連続した領域内で測定することができ、また、容量から算出するようにしたので、精度よく界面までの高さを測定することができる。

界面計測システムの構成を示す概略ブロック図である。 測定電極１１と接地電極１２とについて説明する図である。 ＲＦＩＤタグ１０の構成を表す機能ブロック図である。 構造物内に測定対象が存在する場合を説明する図である。

以下、本発明の一実施形態による界面計測装置について図面を参照して説明する。図１は、この発明の一実施形態による界面計測システムの構成を示す概略ブロック図である。
界面計測システムは、リーダライタ装置１と、アンテナ２と、ＲＦＩＤ（Radio Frequency IDentification）タグ１０と、測定電極１１と、接地電極１２と、アンテナ１３とを備えており、型枠３の底面から型枠３の内部にあるコンクリート４と水５との界面までの高さを測定する。

リーダライタ装置１は、アンテナ２が接続されており、ＲＦＩＤタグ１０と無線によって通信を行う。
型枠３は、杭や柱など、管状の構造物であり、内部にコンクリート４が打設される。この型枠３は、鋼鉄製であり、コンクリートの打設を行うための供給口以外については、穴が形成されていないものである。この図においては、型枠３内において、コンクリート４の上に水５がある場合について図示されている。ＲＦＩＤタグ１０は、第１の電極である測定電極１１と、第２の電極である接地電極とが接続されるとともに、アンテナ１３が接続される。

測定電極１１と接地電極１２とは、平行に配置され、測定対象物（例えばコンクリート）が入れられる型枠３内に垂直方向に延びる方向に配置される。この測定電極１１と接地電極１２の長さは、型枠３内の測定対象の範囲に応じた長さである。すなわち、型枠３の底面から上面までの長さである。ここで、図２を用いてさらに説明する。図２は、測定電極１１と接地電極１２とについて説明する図である。測定電極１１と接地電極１２とは、平行に配置され、その電極間に容量Ｃｎが形成される。この測定電極１１と接地電極１２とは、例えば、平行フィーダー線を用い、一方の線が測定電極１１、他方の線が接地電極１２に該当する。このような測定電極１１と接地電極１２は、容量の変化を検出できるものであれば、平行フィーダー線以外に、電線や導体薄膜を細長く加工されたものを用いてもよい。

アンテナ１３は、空芯もしくはフェライトコアのコイルからなる磁界アンテナである。ＲＦＩＤタグ１０は、測定電極１１と接地電極１２の容量を測定し、この測定結果に基づいて、型枠３内に蓄積される測定対象物の界面の高さを算出し、外部に送信する。この実施形態において、ＲＦＩＤタグ１０は、アクティブタグを用いる場合について説明する。図３は、ＲＦＩＤタグ１０の構成を表す機能ブロック図である。この図において、端子１０１は、測定電極１１と接地電極１２とにそれぞれ接続される。電池１０２は、ＲＦＩＤタグ１０内の各部に電力を供給する。

記憶部１０３は、構造物内に存在する物質に関し、それぞれの比誘電率を記憶する。この物質とは、測定対象物と、測定対象物以外に、構造物内に存在する物質のことである。この実施形態においては、型枠３内に、コンクリート４と水５とが物資として存在することが予めわかっているので、コンクリート４の比誘電率と、水５の比誘電率とが記憶される。

制御部１０４は、第１の周波数で変化する交流電圧を測定電極１１に印加し、そのときに流れる電流を検出し、検出して得られる電流値に基づいて、測定電極１１と接地電極１２との間の容量を算出する。容量が算出されると、この算出された容量と記憶部１０３に記憶された比誘電率とに基づいて、型枠３内に存在する界面の高さを算出し、無線部１０５によって外部に算出結果を送信する。

より具体的には、まず、制御部１０１は、型枠３内に測定対象物が入れられていない状態における容量を計測し、自身の内部の記憶領域に一時記憶し、これを基準容量として、ここからの変動を計測する。例えば、図４に示すように、型枠３の内部に水（符号Ａ）が入っており、残りが空気（符号Ｂ）である場合、測定電極１１と接地電極１２との垂直方向において、型枠３の底面側を基点として高さ方向の一部が水に覆われており、水の界面から上方については空気に覆われることになる。この場合、水と空気の界面までの高さを測定する場合、水が覆った電極（測定電極１１と接地電極１２）の長さに応じて、容量が変動する。この容量の算出は、次のようになる。

制御部１０１は、記憶部１０３を参照し、空気の比誘電率１、水の比誘電率８０を読み出す。電極の全体の長さを１とすると、電極が全て空気に覆われている場合の容量が１単位であり、電極が全て水に覆われている場合の容量が８０単位である。このとき、ここでは、水の比誘電率をａ、空気の比誘電率をｂとし、測定された容量ｃであるとすると、下記の式に基づいて、界面までの高さｘを算出することができる。

ａ×ｘ＋ｂ（１―ｘ）＝ｃ （１）式

ここでは、容量ｃを測定した結果が、４０．５である場合には、ｘが０．５として算出される。すなわち、型枠３の半分まで水があり、電極の半分が水に覆われ、残りの半部が空気に覆われていることを示しており、例えば、電極の長さが１ｍである場合には、型枠３内の底面から界面までの高さが０．５ｍであることが算出できる。

無線部１０５は、測定された結果を無線によってアンテナ１３を介してリーダライタ装置１に送信する。ここでは、無線部１０５が送信する際に用いられる搬送波周波数は、第２の周波数が設定されており、第１の周波数とは異なる周波数である。これにより、容量を計測する際に用いられる測定用の周波数と、通信を行う際の搬送波周波数とが干渉しないようになっている。例えば、測定用周波数は、６０ｋＨｚであり、搬送波周波数は、１３１ｋＨｚである。従って、リーダライタ装置１も第２の周波数で共振するように調整されたアンテナ２が接続され、無線部１０５は、算出されたデータをリーダライタ装置１に対して送信することができる。

以上説明したように、測定電極１１と接地電極１２との間の容量を測定し、測定された容量と、測定対象の物質の比誘電率を記憶部１０３から読み出し、上記（１）式に基づいて、界面までの高さを算出するようにした。これにより、型枠３などの構造物に穴を開けてセンサを設けるなど、構造物そのものに加工することなく、精度よく界面までの高さを測定することができる。

次に、第２の実施形態について説明する。ここでは、第１の実施形態と構成は同じであるが、界面までの高さの算出の仕方が異なる。以下、その相違点を中心に説明する。
制御部１０１は、第１の周波数を６０ｋＨｚとし、この正弦波の交流電圧を上述の電極間に印加し、このとき、電極間に生じる電流を計測する。ここでは、電流値と電圧値とからリアクタンスを求める。そして、制御部１０１は、Ｘｃ＝１／（２πｆｃ）の関係から、電極間の容量ｃを算出する。ここでは、水の比誘電率をε１、空気の比誘電率をε２とし、水の容量をｃ１、空気の容量をｃ２とすると、ｃ＝ｃ１＋ｃ２であり、ｃ１、ｃ２は、以下のように算出できる。

ｃ１＝ε１×ｘ×ｗ／ｄ
ｃ１＝ε２×（ｈ−ｘ）×ｗ／ｄ
ただし、ｗは電極（測定電極１１、接地電極１２）の幅、ｄは電極間の距離、ｈは電極（測定電極１１と接地電極１２）の全体の長さである。この式に基づいて、ｘを算出することにより、界面までの高さを算出することができる。

次に、第３の実施形態について説明する。ここでは、第１の実施形態と構成は同じであるが、界面までの高さの算出の仕方が異なる。以下、その相違点を中心に説明する。
ＲＦＩＤタグ１０には、第１と第２の電極間の容量に対して直列に接続され発振回路を形成する抵抗Ｒを有する。制御部１０１は、この発振回路における周波数を測定し、この周波数と抵抗の抵抗値とから容量を算出する。

この発振周波数は、測定電極１１と接地電極１２との間の容量に応じて変動する。ここでは、制御部１０４は、第１の周波数で変化する交流電圧を測定電極１１に印加する。そして、発振周波数ｆを測定し、この測定された周波数ｆと抵抗Ｒとから、発振回路の式を元に、容量ｃを算出する。容量ｃが得られた後は、上述と同様に、界面までの高さを算出する。

以上説明した第１から第３の実施形態によれば、容量の測定結果をＲＦＩＤタグ１０からリーダライタ装置１に無線によって送信するようにした。ここでは、磁界で伝送するようにしたので、構造物に穴が設けられていない場合であっても、容量の計測結果を伝送することができる。

なお、以上説明した第１〜第３の実施形態においては、ＲＦＩＤタグ１０内において、界面までの高さを算出し、リーダライタ装置１に送信するようにしたが、容量の計測結果をＲＦＩＤタグ１０からリーダライタ装置１に送信し、リーダライタ装置１のコンピュータが、ＲＦＩＤタグ１０から送信される容量の計測結果をもとに、界面までの高さを算出するようにしてもよい。この場合、記憶部１０３は、リーダライタ装置１側に設けられる。

また、以上説明した実施形態によれば、垂直方向に延びる電極を用いる場合について説明したが、例えば、２次元方向（例えば、高さ方向と幅方向）に広がる電極を用いることにより、被覆面積の計測も上述と同様の原理に従って行うことも可能である。例えば、この電極の一部の面積がコンクリートで覆われた場合、この範囲の面積を容量に基づいて測定を行うことができる。

既存技術によれば、その界面までの高さを把握するために、例えば、テレビカメラで上部から撮影したり、壁面の垂直方向に並ぶように複数箇所に穴を開けて内部を観察したり、あるいは上部から錘を垂らして位置を計測する、といった方法が行われていた。しかし、いずれの方法であっても、内部と外部を接続するための穴を設ける必要がある。しかし、場合によっては、構造物の内部に水が貯まっている状況で、測定対象物を入れるケースもあり、外部から穴を開けての計測が難しい場合もあった。
また、コンクリートと空気、あるいはコンクリートと空気の界面の場合、電流を流しての電気抵抗（インピーダンス）計測は有効であるが、泥水中に生コンクリートがある場合、どちらの電気抵抗も似たように低く、その界面までの高さの検出は、抵抗成分では難しい。
このような環境下において、コンクリートと水や空気の界面の動きを把握するため、容量の変化をアナログ的にとらえて、構造物に穴をあけることなく、磁界で伝送することができる。

また、図１におけるリーダライタ装置１の機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより界面までの高さを算出してもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。

また、「コンピュータシステム」は、ＷＷＷシステムを利用している場合であれば、ホームページ提供環境（あるいは表示環境）も含むものとする。
また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良く、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであってもよい。

以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。

１ リーダライタ装置
２、１３ アンテナ
３ 型枠
４ コンクリート
５ 水
１０ ＲＦＩＤタグ
１１ 測定電極
１２ 接地電極

Claims (8)

1. 測定対象物の界面の高さを測定するための界面計測センサであって、
   前記界面の高さを測定する測定範囲に応じた長さであって前記測定対象物が入れられる構造物の垂直方向に取り付けられる第１と第２の電極と、
   当該第１と第２の電極間の容量を算出し、算出された結果を無線によって外部に送信する無線タグと、
   を有することを特徴とする界面計測センサ。
2. 前記構造物内に存在する物質のそれぞれの比誘電率を記憶する記憶部と、
   前記無線タグは、前記測定された容量と前記比誘電率とに基づいて、容量を算出して外部に送信する
   ことを特徴とする請求項１記載の界面計測センサ。
3. 前記無線タグは、前記第１の電極に測定用周波数の交流電圧を印加して前記第１と第２との電極間に流れる電流値を検出し、当該電流値を用いて容量を算出する
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の界面計測センサ。
4. 前記第１と第２の電極間の容量に接続され発振回路を形成する抵抗を有し、
   前記無線タグは、前記発振回路における周波数を測定し、この周波数と前記抵抗の抵抗値とから前記容量を算出する
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の界面計測センサ。
5. 前記測定用周波数と前記外部に送信を行う際の搬送波周波数とは異なる周波数である
   ことを特徴とする請求項１から請求項４のうちいずれか１項に記載の界面計測センサ。
6. 請求項１から請求項５のいずれか１項の界面計測センサから送信される容量の測定結果を受信する受信部と、
   前記受信した容量の計測結果に基づいて、界面までの高さを算出する算出部と
   を有することを特徴とする界面計測装置。
7. 測定対象物の界面の高さを測定するための界面計測センサと界面計測装置との間で通信を行う界面計測システムであって、
   前記界面計測センサは、
   前記界面の高さを測定する測定範囲に応じた長さであって前記測定対象物が入れられる構造物の垂直方向に取り付けられる第１と第２の電極と、
   当該第１と第２の電極間の容量を算出し、算出された結果を無線によって外部に送信する無線タグと、を有し、
   前記界面計測装置は、
   前記界面計測センサから送信される容量の測定結果を受信する受信部と、
   前記受信した容量の計測結果に基づいて、界面までの高さを算出する算出部と、を有する
   ことを特徴とする界面計測システム。
8. 測定対象物の界面の高さを測定するための界面計測センサと界面計測装置との間で通信を行い界面の計測を行う界面計測方法であって、
   前記界面計測センサには、前記界面の高さを測定する測定範囲に応じた長さであって前記測定対象物が入れられる構造物の垂直方向に取り付けられる第１と第２の電極とが設けられ、
   前記界面計測センサの無線タグが、
   当該第１と第２の電極間の容量を算出し、算出された結果を無線によって外部に送信し、
   前記界面計測装置の受信部が、
   前記界面計測センサから送信される容量の測定結果を受信し、
   前記界面計測装置の算出部が、
   前記受信した容量の計測結果に基づいて、界面までの高さを算出する
   ことを特徴とする界面計測方法。

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