JP2013003133A

JP2013003133A - 光点判別水位計

Info

Publication number: JP2013003133A
Application number: JP2011148670A
Authority: JP
Inventors: Satoru Kitazawa; 哲北澤
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-06-16
Filing date: 2011-06-16
Publication date: 2013-01-07
Anticipated expiration: 2031-06-16
Also published as: JP5707625B2

Abstract

【課題】河川、水路、ダム、貯水池などの水位を量水板の目盛りに対して誤差なしに高精度、で測定する。
【解決手段】量水板の目盛り等のレベル基準に合わせて、設置したＬＥＤ発光の光点を水面上と水面下で区別して認識することにより水位を測定する光点判別水位計である。本水位計は数ｍ程度の短スパンから１００ｍ程度の長スパンまで水位測定を機械的機構なしにディジタル値として直接測定することにより、フルスケールにおいても同じ絶対誤差での水位測定が可能である。
【選択図】図１

Description

発明の詳細な説明

産業上の利用分野

本発明は、▲１▼測定水深が大きく、測定スパンが長い場合の水位測定、▲２▼量水板目盛りの読み等の基準となる水位に対して水位誤差を生ぜず、ゼロ調整、フルスケール調整を必要としない。▲３▼傾斜がある断面のため池、ダムなどの水位測定が可能、等の特徴を有する水位計を提供するものである。なお、本水位計は化学プラント等のタンク等の液面レベル測定にも適用できる。

発光器としてＬＥＤをＳＭＤ部品として、フレキシブル絶縁テープ上に直線的に１０ｍｍ以下の間隔で多数個を配置して、複数のＬＥＤランプを自由に点灯制御回路によって点灯が可能である。また、赤外線用ＬＥＤ光は可視光線に比べて、赤外光線に水の分子振動による吸収帯があるために吸収されやすい。受光器として赤外線用の高感度素子が実用化されている。
受光器もＬＥＤと同様ＳＭＤ部品として、フレキシブル絶縁テープ上に実装できる。
水位測定水面上限から測定水面下限まで、発光器としてのＬＥＤ、受光器としてのフォトダイオード、フォトトランジスタ等を定位置間隔で配置したフレキシブルテープによる受発光体を水位測定範囲に設置し、発光器の点滅を受光器で受光する。
水面下にある発光器は点灯しても光は水により吸収され空気中にほとんど放射されないため、水面上にある受発光体の受光器では点灯状態の認識ができない。
また、水面より下にある発光器の光は水面より下にある受光器では水中に光が吸収されるために点灯状態の認識ができない。
水面より上の発光器点灯状態は水面より上にある受発光体の受光器で点灯状態の認識ができる。
受発光体の発光器を順次点灯し、点灯タイミングに合わせて、受光器が受発光体の光点位置を認識する。水面上の発光器の点灯位置は認識でき、水面下の発光器の点灯位置は受光器は認識できない。すなわち、認識できた最下部の発光器と認識できない最上部の発光器の間を測定水位レベルと判定する。
本発明は水面下、水面上に配置された発光器の光点を受光器で認識することにより、光点認識、光点非認識の境目の位置を検出することにより水位を測定する。

従来、河川、ダム、貯水地などの水位計には、機械的な方法としてフロート式が使用されている。この方式は水面の上昇下降にしたがって上下するフロートに取付けたワイヤを巻き込むリールの回転角度から水位を換算するもので水位計測精度として±１ｃｍ程度が得られるが、土木構造物として大きな測水筒を必要とする。このために最近ではダム、大河川などの他はあまり使用されていない。
測定水面に接触して測定する接触式水位計として水圧式水位計が多く使用されている。
この方式は水深に比例した水圧を感圧素子で測定するもので、大気圧と比較して測定するために大気開放チューブを必要とし、このチューブから感圧部に湿気混入したり、感圧部が河川等の土砂に埋もれると測定誤差の原因となる。このため、経年的な安定性が課題となっている。
非接触水位計としては超音波式水位計と電波式水位計が用いられている。
これらは、水面にセンサー部が接触しないために、経年的に安定な測定ができる。
しかし、超音波式、電波式ともセンサーからの距離によって、放射角度が広がり、放射角度内に超音波または電波を遮蔽する障害物が存在すれば使用できない等の理由により、実用的に測定できる水位が制限される。
なお、電波式は超音波式に比較して測定精度が良く、測定スパンに関係なく±１ｃｍの精度が得られる。
本発明の光点判別水位計はフロート式のように規模の大きい測水筒を必要とせず、水圧式水位計のように経年的な測定精度劣化の問題がなく、電波式、超音波式のように測定水深の制限がない水位計である。
また、測定精度は量水板の目盛りに合わせて、発光器を配置することにより、ゼロ点、フルスケールの校正を必要とせず発光器の配置間隔と同等の精度が得られる。

図１は水路で水位測定を行う場合の構成例である。５受発光体上に配列した１発光器、２受光器の配列例を示す。１発光器、２受光器はＳＭＤ部品として、フレキシブル絶縁テープ上に印刷配線をおこなって実装する。
（イ）３測定水面上限から４測定水面下限まで、１発光器および２受光器を定められた間隔で配置した５受発光体を水位測定範囲に設置する。
（ロ）各発光器は定められた順序と時間間隔で点灯するよう１２発光器点灯制御回路で制御する。
（ハ）点灯発光器が測定水面よりわずか下にある場合、同一の高さにある受光器が位置的に近傍にあるため、点灯確認状態となるのを避けるために、点灯発光器を受光する受光器（確認判別受光器と称す）は点灯発光器より上方向の定められた受光器により受光するものとする。すなわち、各発光器に対して、あらかじめ上方向の定められた受光器を確認判別受光器として固定的に割りあてるものとする。
（ニ）点灯発光器の点灯タイミングに合わせて、この点灯発光器に対応した確認判別受光器が点灯発光器の点灯判別を行うものとする。
（ホ）６測定水面より下にある発光器の点灯状態は水中に点灯光が吸収されるため、これより上方向にある確認判別受光器では点灯状態を検知できない。測定水面より上にある点灯発光器の点灯状態は上方向の定められた位置にある確認判別受光器により点灯状態が検知できる。
（ヘ）各発光器に対応した確認判別受光器で点灯状態の判定を行う。この判定をもとに、▲１▼水中にあり、点灯確認判別ができない最上部の発光器の位置、▲２▼空気中にあり、点灯確認判別ができる最下部の発光器の位置、を特定し、これら▲１▼、▲２▼の位置の中間に測定水面があると判定する。

従来の水位計の課題を解決することにより得られる効果は以下による。
第１に、従来の機械式のフロート式水位計のように浮力とバランスしてワイヤを巻き込むリール機構などが不要のために、フロート式水位計設置のために必要な口径の大きい測水筒が不要である。
第２に、水圧式水位計のように感圧部を水中に沈めて使用する方式では大気解放チューブから感圧部に湿気が混入したり、感圧部が河川等の土砂に埋もれると測定誤差の原因となる。
光点判別水位計ではこれらにもとづく劣化要因はなく、ゼロ調整、フルスケール調整は必要がない。
第３に、５受発光体をユニット化して、直列接続することにより超音波式水位計、電波式水位計に比べて長スパンの測定が可能である。
第４に、測定精度は５受発光体上のＬＥＤの配置間隔を１ｃｍ以下とすることにより±１ｃｍ以下の水位測定精度が得られる。
第５に、５受発光体の水平方向の設置位置を量水板の水平位置と合わせて設置することにより水位目盛りの校正を必要としない。

光点判別水位計の基本構成を示した図面である。

図１の光点判別水位計の基本構成において、７保護管は
（ア）５受発光体に対して、河川を流れる流木等から保護する。
（イ）水面の波を平均化する消波機能を有する。
（ハ）太陽光等の外光による妨害光を遮蔽する。
等の役割を持たせる。
材質として、鋼管または塩化ビニル管などで構成し、内面は光の反射を調整するために必要により塗装等の処理を行う。

５受発光体は長尺ものの製作が困難の場合、１１可撓性印刷配線用絶縁体に１発光器、２受光器その他必要に応じて、１２発光器点灯制御回路などの一部分を含めた標準長のユニットとして受発光体を構成し、これらのユニットを電気的に接続することにより長尺ものを構成する。これらのユニット接続後に長尺の透明熱収縮チューブ等からなる１０透明防水物体でカバーすることにより、長尺の５受発光体が製作できる。

５受発光体を保護管に挿入する場合、５受発光体の下部に９重りを設けて挿入する。

６測定水面に対して実際の水位は波浪等の影響で、上下に振れる。これに対して点灯認識するＬＥＤ位置、点灯認識しないＬＥＤ位置を平均化することにより平均水位を求めることができる。

河川、水路、ダムなどの水位の基準は基準点標高から求めた量水板によっている。
従って、水位計の基準標高は量水板をもとに決定される。
５受発光体の設置に当たって、量水板と同一箇所に一体構造で構成することにより、量水板の目盛りとズレを生じることがない。

水路壁面に傾斜がある断面のため池、ダム、河川、水路に対しては７保護管、５受発光体を傾斜に沿って斜めに取り付けて測定する。この場合、傾斜角度に従って、ＬＥＤランプの取付間隔を広げる方法と垂直断面と同じ間隔とし、傾斜角による補正演算によりスケール変換する方法がある。

Claims

（イ）測定水面上限から測定水面下限まで、複数の発光器および受光器を定められた間隔で配置した受発光体を水位測定範囲に配置する。すなわち各発光器は水位に対応した特定の高さに設置する。受光器は複数の発光器に対応して１個設置する。
（ロ）受発光体の受発光部は光が透過する透明物体で被覆した防水構造として、保護管中の測定水中に設置するものとする。
（ハ）受発光体上の発光器は点灯制御回路によって定められた間隔で順次点灯するものとする。このための発光器点灯制御回路を有するものとする。
（ニ）発光器の発光波長は可視光線に比べて、水に対してより大きな吸収係数を有する発光波長を選択するものとする。
（ホ）受発光体上で点灯発光器の点灯タイミングに同期して、受光器で受信した光は受光回路と点灯状態判別回路により点灯発光器の受光確認判別を行う。この場合、点灯確認を行う受光器は点灯発光器に対応して点灯発光器より上方向の定められた受光器（確認判別受光器と称す）によるものとする。
（ヘ）測定水面より下にある発光器の点灯による点灯状態は水中で点灯光が吸収、散乱されるために確認判別受光器では点灯状態の確認ができない。測定水面より上にある発光器の点灯による点灯状態は空気中で点灯光の吸収が小さいために確認判別受光器では点灯状態の確認ができる。
（ト）測定水位は、順次点灯した発光器に対応した点灯確認判別受光器の点灯確認判別結果により、
▲１▼水中にあり、点灯確認判別ができない最上部の発光器の位置、▲２▼空気中にあり、点灯確認判別ができる最下部の発光器の位置、以上▲１▼、▲２▼の中間にあると判定する。このための水位レベル判定を行う点灯状態判別回路と水位レベル出力回路を有するものとする。
以上の（イ）項から（ト）項までの方法と構成による光点判別水位計を特許請求範囲とする。