JP2013092450A - 水位測定装置、水位測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】温度変化および大気圧変動による測定結果への影響を相殺し、特別なハードウエアおよびソフトウエアの追加をすることなく精度の高い測定を実現。
【解決手段】水位測定装置は、密閉されたハウジングと、その前記ハウジングは大気圧を導入する大気圧導入部と観測点の水位の水圧を導入する水圧導入部とを備え、大気圧導入部には、導入された大気圧圧力の圧力変化により伸縮する第１の受圧素子が設置され、 水圧導入部には、導入された水圧の変化により伸縮する第２の受圧素子が設置され、第１の受圧素子に該受圧素子の伸縮を検出する大気圧用ＦＢＧを配置し、第２の受圧素子に該受圧素子の伸縮を検出する水圧用ＦＢＧを配置し、大気圧用ＦＢＧと水圧用ＦＢＧとが光ファイバを介して接続されている。
そして光ファイバの片端から光信号を印加し、反射された光信号の内、大気圧用ＦＢＧに対応する波長の変化と水圧用ＦＢＧの波長の変化とに基づいて水位を算出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、主にダム、湖等の屋外や下水道施設等の悪環境下で水位の継続的な観測・監視に好適な水位測定装置及び水位測定方法に関する。

特開２００３−２８６９７号公報 特開平９−３３３１６号公報 特開２００１−８３０３１号公報

従来、圧力式の水位測定装置は水位を測定する流体の圧力をハウジングの内外の差圧に応じて伸縮するベローズ又はダイアフラム等の受圧部のひずみ量によって測定する液体の圧力と大気圧の差圧から水位を得ているため、受圧部内側つまりハウジング内部を大気圧に保つ必要がある。

図８、９に特許文献１の水位計を示す。図８は水位計の側面のフレーム３４を外した状態の図である。図９は水位計に保護カバーと防水ケースを取付け、風船３１を大気圧導入パイプの先端に取り付けた状態の図である。
特許文献１に記載のものは、図８に示すように観測点の水圧を受けるベローズ３７によって動くシャフト４０の変位量を超弾性合金の線バネ３８で縮小し、その線バネ３８に光ファイバ３３に設けた圧力測定用のＦＢＧ素子３３ａを固定し、その素子３３ａの伸び歪による光の反射波長変化から歪量に比例する水位を求める。また、フレーム３４に設けた止め具３６、３５間に線バネ３８と同一長さの超弾性合金線３９を張り、その線３９に固定したＦＢＧ素子３３ｂで水温を測定し、さらに、この素子３３ｂを利用して測定圧力値の補正を行うようにしている。（ＦＢＧ素子とはファイバーブラッググレーティングのことである。以下これをＦＢＧで表す。）

また、図９に示すように、大気圧下におかれ先端が密閉されている大気圧導入パイプ３２には、内部の圧力を大気圧と同圧にする風船３１が取付けられている。特許文献１に記載のものにおいては、大気圧導入パイプ３２に付けられた風船３１によってハウジング内部を大気圧に保つようにしている。

特許文献２に記載のものは、上下水道，農業用水，貯水池の水位や水路の流量を測定する投込式水位計の大気圧導入による大気圧変動応答遅れ誤差をなくし、センサや電子回路の劣化を防止するために、水中に没して設置される検出器と水面上に設置される変換器を中空パイプ入りケーブルで接続した投込式水位計であって、中空パイプ入りケーブルの電線間の介在物がイオンガス吸着繊維であり、樹脂パイプにはパイプ壁を貫通する微小な通気孔を有し、この中空パイプを用いてハウジング内に直接外気を導入する構成となっている。

特許文献３に記載のものは、密閉されている圧力計内部に外圧用のＦＢＧと大気圧用のＦＢＧを配置した構成となっており、湿気や水等の侵入がなく、かつ大気圧変動や温度による圧力計内部の圧力変動による影響を受けずに、外部圧力を測定して水位を求めることができる。

従来の圧力式水位計は、ハウジング内部を大気圧に調整するために、大気圧導入管を用いて直接大気を導入するか、大気圧導入管にゴム等を使用した調圧機構を設けている。これらの従来例においては、屋外や下水処理施設等で長期間使用した場合、大気導入や調圧機構等からの透過による湿分や各種ガスの侵入によりハウジング内に設けられている光部品や構成部材の汚染、腐食等により不具合が生じるおそれがあり、長期間の連続使用に適さないものであった。

また、測定対象の圧力変化は、真の圧力変化とその他の要因、例えば温度変化の要因もあるため、これらの要因を分離するために、別に温度補償のためのハードウエアおよびソフトウエアを追加する必要があった。
さらに、圧力計が密閉構造であっても、その密閉度が不十分であり、測定精度もよくなかった。

本発明は、水位計のハウジング内に湿分や粉塵、腐食性ガスの侵入を防止し、検出器等の構成部材の劣化を防ぎ、連続的な長期使用に耐え、高精度な測定のできる簡易な水位測定装置を提供することを目的とする。

本発明の水位測定装置は、密閉されたハウジングと、前記ハウジングは、大気圧を導入する大気圧導入部と観測点の水位の水圧を導入する水圧導入部とを備え、前記大気圧導入部には、導入された大気圧圧力の圧力変化により伸縮する第１の受圧素子が設置され、前記水圧導入部には、導入された水圧の変化により伸縮する第２の受圧素子が設置され、前記第１の受圧素子と前記第２の受圧素子が同一の寸法および構造であり、前記第１の受圧素子に該受圧素子の伸縮を検出する大気圧用ＦＢＧを配置し、前記第２の受圧素子に該受圧素子の伸縮を検出する水圧用ＦＢＧを配置し、前記大気圧用ＦＢＧと前記水圧用ＦＢＧとが光ファイバを介して接続され、前記光ファイバの片端から光信号を印加し、反射された光信号の内、前記大気圧用ＦＢＧに対応する波長の変化と前記水圧用ＦＢＧの波長の変化とに基づいて水位を算出する。

本発明の水位測定方法は、大気圧の変化と観測点の水圧の変化をＦＢＧにより波長の変化として検出し，該波長の変化から観測点の水位を算出する水位測定方法であって、前記ＦＢＧを接続する光ファイバの片端より所定の光信号を印加し、反射された光信号の内、前記ＦＢＧから反射した大気圧の変化に相当する光波長の変位と水圧の変化に相当する光波長の変位とに基づいて水位を算出する。

本発明の第１の特徴は、密閉されたハウジングを備えることで、ハウジング内部への湿分、粉塵や腐食性ガス等の侵入を防止し、ハウジング内部を清浄に保ち、高い耐久性を得ることができる。
第２の特徴は、ハウジング内部に設けられた複数の受圧素子の測定結果を用いて温度や大気圧の変動の影響を取り除き、高精度な測定を可能とすることができる。
第３の特徴は、ＦＢＧを用いることで複数のひずみ検出器を１系統の光学系で扱うことができ、小型で安価な水位計が得られるとともに、簡易な構成で同時多点計測も可能となる。

第１の実施の形態の水位測定装置の図である。 第２の実施の形態の水位測定装置の図である。 ＦＢＧを光ファイバで直列接続した図である。 ＦＢＧを光ファイバに並列接続した図である。 ３個のＦＢＧを光ファイバに直列接続し、その３個毎の単位で光ファイバに並列接続した図である。 ３個のＦＢＧを光ファイバに並列接続し、その３個毎の単位で光ファイバに並列接続した図である。 ＦＢＧを直列接続し、光信号の透過光をモニタして測定する方法の図である。 特許文献１に記載されている光ファイバ水位計の側面のフレームを外した状態の図である。 特許文献１に記載されている光ファイバ水位計の保護カバーと防水ケースを取付け、風船を大気圧導入パイプの先端に取り付けた状態の図である。

以下、本発明の実施の形態を次の順序で説明する。
＜１．第１の実施の形態＞
＜２．第２の実施の形態＞

＜１．第１の実施の形態＞

図１は第１の実施の形態の水位測定装置を表した図である。図１に示すように、水位測定装置１は、ハウジング７、受圧素子２、受圧素子２５、ＦＢＧ４、ＦＢＧ５および光ファイバ１３で構成できる。

ハウジング７は、水位測定装置１の本体である。ハウジング７はステー８を介して水中に固定できる。ハウジング７は密封されており、受圧素子２、受圧素子２５が設けられている。受圧素子としてダイアフラム等を使用することができる。

ハウジング７には中空部９が設けられ、大気圧が大気圧導入パイプ２７を介して、この中空部９に導入できる。受圧素子２５が中空部９に大気圧の変化に応じて収縮するように取り付けられている。この受圧素子２５によりハウジング７の内部と外部（大気圧側）が隔離されることになりハウジング７は確実に密封性が保たれる。
また、中空部９の受圧素子２５と接触する側の面積は受圧素子２５側の面積の大きさ以上となっている。これにより安定して大気圧を受圧素子２５に伝達できる。
同様に、ハウジング７には中空部４２が設けられ、観測点の水位の水圧が静圧導入孔２４から導入できる。受圧素子２が中空部４２に水圧の変化に応じて収縮するように取り付けられている。この受圧素子２によりハウジング７の内部と外部（水圧側）が隔離されることになりハウジング７は確実に密封性が保たれる。
さらに、中空部４２の受圧素子２と接触する側の面積は受圧素子２側の面積の大きさ以上となっている。これにより安定して水圧を受圧素子２に伝達できる。
以上の構造により、受圧素子２と受圧素子２５は同一の寸法および構造とすることができる。すなわち、同一サイズで同一形状の部品又は部材でもよい。これにより、全体構造が簡易化されるとともに、受圧素子間で発生する検出誤差を抑えることができ、圧力変化の正確な検出が可能となる。

受圧素子２と受圧素子２５には、ＦＢＧ５とＦＢＧ４がそれぞれ取り付けられている。ＦＢＧ５とＦＢＧ４は、光ファイバ１２で接続される。ＦＢＧ５とＦＢＧ４との接続は直列接続、並列接続のいずれでもよい。
光ファイバ１２は光ファイバフィードスルー１１を介してハウジング７の外部に導かれ、光カプラ１３により２つに分岐している。分岐した一方の端子が送信側１４とされる。他方が受信側１５とされる。

測定においては、送信側１４から広帯域の光信号１６が印加される。この光信号１６は、ＳＬＤ（Ｓｕｐｅｒ ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ Ｄｉｏｄｅ）光源が好適とされる。印加された光信号はＦＢＧ４、ＦＢＧ５により各ＦＢＧに対応する特定の波長の光を反射する。ＦＢＧ４とＦＢＧ５で波長が相異している。例えば、ＦＢＧ４からの反射光１７は波長λ１である。ＦＢＧ５からの反射光の波長１８はλ２とすることができる。この反射光は光スペクトラムアナライザで測定可能である。

反射光の波長は、受圧素子の伸縮により波長が変化する。図１に示すように、例えば、ＦＢＧ４からの反射光１７の波長がλ１'からλ１に変化する。ＦＢＧ５からの反射光１８の波長も変化する。
ＦＢＧ４の反射光１７およびＦＢＧ５の反射光１８の波長の変化量に基づいて計算することにより、大気圧の変動と温度変化の影響を除去し水圧を正確に算出し、観測点の水位を求めることができる。

受圧素子の伸縮の検出にＦＢＧを使用した場合の計算方法を簡単に以下に説明する。
受圧素子２５と受圧素子２に取り付けられたＦＢＧ４とＦＢＧ５により、受圧素子２５と受圧素子２の伸縮をＦＢＧ４とＦＢＧ５からの反射光の波長の変化として検出し、その差をとることにより観測点の水位の水圧を以下のように算出する。

受圧素子２５に取り付けられたＦＢＧ４からの反射光のブラッグ波長（λ１）は次式で表される。
（Δλ１）／（λ１）＝∫（Δｐ１−Δｐ０）＋∫（Δｔ） ……式（１）
ここで、ｐ１は大気圧、ｐ０は水温等により変化するハウジング内部の圧力、ｔは受圧素子２５等の熱膨張による収縮を示す。

受圧素子２に取り付けられたＦＢＧ５のブラッグ波長（λ２）は次式で表される。
（Δλ２）／（λ２）＝∫（Δｐ２−Δｐ０）＋∫（Δｔ） ……式（２）
ここで、Δｐ２は観測点の水位に相当する水の水圧（静圧）を示す。

式（２）−式（１）より、
∫（Δｐ２）−∫（Δｐ１）＝｛（Δλ２）／（λ２）｝−｛（Δλ１）／（λ１）｝ ……式（３）
式（３）のとおり、圧力は波長の変化のみから求めることができる。式（２）と式（１）の差をとったことにより、結果としてハウジング内の圧力変動や構成部材の熱膨張による収縮の影響が相殺でき、観測点の水位にあたる圧力を正確に得ることができる。

また、その値は全てＦＢＧのブラッグ波長の変化から得られるので、各ＦＢＧの直列接続又は分岐接続により光ファイバで一纏めに接続して、前述のＳＬＤ（Ｓｕｐｅｒ ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ Ｄｉｏｄｅ）光源等の一定の帯域をもつ光源より、その光ファイバの片端から光信号を入射し、その反射光若しくは透過光を光スペクトルアナライザーで各ＦＢＧに対応する波長（例えばλ１、λ２）を測定しその差を求めることにより、１系統の測定で水位（圧力）を測定することが可能となる。

また、中心波長の異なるＦＢＧを実装した複数の検出器を直列又は分岐接続してネットワークを構成すれば、１系統の測定系にて多点同時計測が可能となる。

また、本検出器に流体を測定する受圧素子や温度計測用のＦＢＧを追加することにより、水位に加えて流速や水温も同時に１系統の光学測定系で計測することができる。また、本検出器複数台を１系統光学系で扱うことも可能であり、同時多点多項目計測の総合観測システムの構築も可能となる。

図３〜図６はハウジング７を４つとして、複数のＦＢＧを光ファイバ２６で接続する場合の接続態様を示している。接続態様は種々の態様が考えられるが、これらに限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲で様々な態様を採用できる。
図３は各ＦＢＧを直列接続した場合を表している。図４は各ＦＢＧを並列接続した場合を表している。カプラ２０により光ファイバ２６に接続される。
図５は、ハウジング７内のＦＢＧは直列接続とし、ハウジング７毎に並列接続とした場合である。
図６は、ハウジング７内のＦＢＧは並列接続とし、ハウジング７毎に並列接続とした場合である。

図７は、ＦＢＧからの反射光を解析するという実施の形態の変形例を示すものである。この変形例では、光ファイバ２６の送信側１４から光信号１６を印加し、各ＦＢＧを通過してきた光信号を受信し、各ＦＢＧに対応する波長の光信号を解析し各受圧素子の伸縮を検出するものである。受信した光信号は、印加した光信号１６が例えばλ１、λ２、λ３等の波長でフィルタリングされた特性となっている。この波長の変位が受圧素子の伸縮に相当する。例えば、図に示すようにλ１'〜λ１に変動する。

＜２．第２の実施の形態＞

図２は第２の実施の形態の水位測定装置１０を表した図である。流速を測定するための実施例である。図２に示すように、第１の実施の形態に対し受圧素子３、ＦＢＧ６を付加したものである。以下、既に説明した部分と同様となる部分については同一符号を付して説明を省略する。

図２に示すように、受圧素子３はハウジング７の受圧素子２と同水位となる位置に備えられている。受圧素子３には受圧素子３の伸縮を検出するためのＦＢＧ６を取り付けている。
動圧導入孔２３と静圧導入孔２８が水平に配置され、水流が中空部４２と中空部２９に導入できるようになっている。
ハウジング７の下部には、受圧素子２５を設けている。中空部９には大気圧が大気圧導入パイプ２７を介して導入されている。
中空部９、中空部２９、中空部４２のそれぞれが受圧素子と接触する側の面積は受圧素子側の面積の大きさ以上となっている。これにより安定して水圧を受圧素子２５、受圧素子３、受圧素子２に伝達できる。
以上の構造により、受圧素子２、受圧素子３および受圧素子２５は同一の寸法および構造とすることができる。すなわち、同一サイズで同一形状の部品又は部材でもよい。これにより、全体構造が簡易化されるとともに、受圧素子間で発生する検出誤差を抑えることができ、圧力変化の正確な検出が可能となる。

受圧素子３、受圧素子２および受圧素子２５に取り付けられているＦＢＧ６、ＦＢＧ５とＦＢＧ４は、光ファイバ１２で接続される。光ファイバ１２は光ファイバフィードスルー１１を介してハウジング７の外部に導かれ、光カプラ１３により２つに分岐している。分岐した一方の端子が送信側１４とされる。他方が受信側１５とされる。ＦＢＧ６、ＦＢＧ５およびＦＢＧ４との接続は直列接続、並列接続のいずれでもよい。

流速を測定する場合の方法について以下に説明する。
受圧素子３に取り付けられたＦＢＧ６からの反射光のブラッグ波長（λ１）は次式で表される。
（Δλ３）／（λ３）＝∫（Δｐ３−Δｐ０）＋∫（Δｔ） ……式（４）
ここで、ｐ３は流速を測定する流体の動圧を示す。

受圧素子２に取り付けられたＦＢＧ５のブラッグ波長（λ２）は次式で表される。
（Δλ２）／（λ２）＝∫（Δｐ２−Δｐ０）＋∫（Δｔ） ……式（５）
ここで、Δｐ２は流速を測定する流体の静圧を示す。

式（４）−式（５）より、
∫（Δｐ３）−∫（Δｐ２）＝｛（Δλ３）／（λ３）｝−｛（Δλ２）／（λ２）｝ ……式（６）
式（６）のとおり、水の動圧と静圧の差圧が波長の変化のみから求められる。この値から、ベルヌーイの定理に基づき観測点の流速を得ることができる。式（５）と式（４）の差をとったことにより、ハウジング内圧力の変動や構成部材の熱膨張による収縮の影響が相殺でき、正確な値を得ることができる。

１ 水位測定装置、２、３、２５ 受圧素子、４、５、６、３３ａ、３３ｂ ＦＢＧ、７ ハウジング、８ ステー、９、２８、４２ 中空部、１０ 流速測定装置、１１ 光ファイバフィードスルー、１２、２６、３３ 光ファイバ、１３、２０、２１ 光カプラ、２３ 動圧導入孔、２４ 静圧導入孔、１４ 送信側、１５ 受信側、１６ 入射光、１７、１８、１９ 反射光、３１ 風船、３２ 大気圧導入パイプ、３４ フレーム、３５、３６ 止め具発光、３７ ベローズ、３８ 超弾性合金の線バネ、３９ 超弾性合金線、４０ シャフト、４１ ガイド

Claims (7)

1. 密閉されたハウジングと、
   前記ハウジングは、大気圧を導入する大気圧導入部と観測点の水位の水圧を導入する水圧導入部とを備え、
   前記大気圧導入部には、導入された大気圧圧力の圧力変化により伸縮する第１の受圧素子が設置され、
   前記水圧導入部には、導入された水圧の変化により伸縮する第２の受圧素子が設置され、
   前記第１の受圧素子と前記第２の受圧素子が同一の寸法および構造であり、
   前記第１の受圧素子に該受圧素子の伸縮を検出する大気圧用ＦＢＧを配置し、
   前記第２の受圧素子に該受圧素子の伸縮を検出する水圧用ＦＢＧを配置し、前記大気圧用ＦＢＧと前記水圧用ＦＢＧとが光ファイバを介して接続され、
   前記光ファイバの片端から光信号を印加し、反射された光信号の内、前記大気圧用ＦＢＧに対応する波長の変化と前記水圧用ＦＢＧの波長の変化とに基づいて水位を算出する水位測定装置。
2. 前記大気圧用ＦＢＧと前記水圧用ＦＢＧとが光ファイバを介して直列に接続されている請求項１記載の水位測定装置。
3. 前記大気圧用ＦＢＧと前記水圧用ＦＢＧとが光ファイバを介して並列に接続されている請求項１記載の水位測定装置。
4. 前記水圧用ＦＢＧが２以上接続されている請求項１記載の水位測定装置。
5. 前記密閉されたハウジングは、
   さらに流速を測定するための流速測定用水圧導入部とを備え、該流速測定用水圧導入部と前記水圧導入部は同水位に配置され、前記流速測定用水圧導入部には、導入された水圧の変化により伸縮する受圧素子が設置され、
   該受圧素子は、前記第１の受圧素子および前記第２の受圧素子と同一の寸法および構造であり、前記受圧素子に流速用ＦＢＧを配置し、該流速用ＦＢＧと前記大気圧用ＦＢＧと前記水圧用ＦＢＧとが光ファイバを介して接続された請求項１に記載の水位測定装置。
6. 請求項１の水位測定装置を複数台光ファイバで接続した水位測定システム。
7. 大気圧の変化と観測点の水圧の変化をＦＢＧにより波長の変化として検出し，該波長の変化から観測点の水位を算出する水位測定方法であって、
   前記ＦＢＧを接続する光ファイバの片端より所定の光信号を印加し、反射された光信号の内、前記ＦＢＧから反射した大気圧の変化に相当する光波長の変位と水圧の変化に相当する光波長の変位とに基づいて水位を算出する水位測定方法。

Images