JP2013170832A - 光ファイバ液面スイッチ - Google Patents

Abstract

【課題】 製造コストを低く抑えることのできる光ファイバ液面スイッチを提供する。
【解決手段】 検出用光ファイバ３からの出射光を取り込むレンズ５、このレンズに対向する位置に配置してあって、レンズからの出射光が照射される反射ミラー６と、ダイヤフラム７と、このダイヤフラム上に取り付けてある遮光体８とを備え、ダイヤフラム７は液体の圧力により変形可能であり、遮光体８はダイヤフラム７の変形に連動してレンズ５と反射ミラー６との間に侵入可能かつこの間の光路を遮光可能である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、河川、下水道等における液面レベルを監視するための光ファイバ液面スイッチに関するものである。

液面レベルを監視するための光ファイバ液面スイッチとして、例えば特開２００１−１０８５５３号公報に記載の圧力測定用センサ及び特開２００６−２８４２８７号公報に記載のアナログ型光ファイバーセンサ（以下「従来例１」及び「従来例２」という。）が提案されている。
従来例１は、円筒形状のケース内の底部に受圧素子となるダイヤフラムを配置し、上記ケース内に挿入された光ファイバに形成されているＦＢＧを上記ダイヤフラム上に固定してあり、上記ＦＢＧで上記ダイヤフラムの歪みを検出するものである。従来例１は、水圧をダイヤフラムで受け、それによる応力変化（歪み）をＦＢＧで反射波長の波長変化として測定し、予め取得している応力と水位の関係から水位を算出する。
従来例２は、ケースの底部の取り付け穴内にダイヤフラムを取り付け、上記ケース内に挿入した測定用光ファイバーの測定用入出射部と、この測定用入出射部に対向して配置しかつ上記ダイヤフラムに起立してあるホルダに固定してある測定用反射膜と、この測定用反射膜と測定用入出射部との間に配置してあるレンズとを備えているものである。上記測定用入出射部から出射した光は、測定用レンズで集光されて測定用反射膜に至り、そこで反射されて、その反射光は測定光として再び上記測定用入出射部に結合され、光量（光強度）が測定用反射膜の位置により焦点ごとに一義的に決まる。従来例２は、水圧によりダイヤフラムが変形するから、この動作に追随して上記測定用反射膜の位置が昇降し、この位置の変動毎に、上記測定用反射膜で反射され上記測定用入出射部に戻る反射光はその光量が変わり、この反射光量を測定することによって水位の検出をする。

特開２００１−１０８５５３号公報 特開２００６−２８４２８７号公報

従来例１は、下水道等の監視条件が厳しい場合においてはＦＢＧ方式の圧力測定用センサが適当であるが、圧力測定用ＦＢＧを用いて水圧を反射波長の変化として計測するので、これを組み込んだ計測器が高コストなものとなり、また、形状が大型になる傾向にあるので、下水道管内に設置した場合、流れの障害となり、小型化が期待されていた。
従来例２は、本出願人が提案したものであるが、実際実施してみると、従来例１と比較して圧力測定用ＦＢＧを使用しない分だけ製造コストを低く抑えることができるものの、水位レベルが単純に例えば警戒レベルにあるか否かだけを検知できれば良いとする案件（用途）では、この例では予め光強度と水位の関係を知る必要があり、計測器に数値演算部が必要となるために、コストダウンの壁となっており、また光学系も精密に動く必要があるため、コストダウンに限界があった。
上記案件として、例えば、
・いわゆるゲリラ豪雨の初動対応
・樋門・樋管、河川の指定レベルの把握（水防団出動レベル、警戒レベル）
・マンホールからの氾濫直前レベル
等固定水位を知るだけで防災対策が行える用途がある。このような用途にあっては、高価なＦＢＧ方式の従来例１を使用する必要がないのが現実である。
本発明の目的は、製造コストを低く抑えることのできる光ファイバ液面スイッチを提供することにある。

本発明の第１の特徴は、検出用光ファイバと、この検出用光ファイバからの出射光を取り込むレンズと、このレンズに対向する位置に配置してあって、上記レンズからの出射光が照射される反射体と、感圧部と、この感圧部に連動する遮光体とを備えていることにある。上記反射体は入射光を反射させて上記レンズに導くものであり、上記感圧部は液体の圧力により変形可能であり、上記遮光体は、上記感圧部の変形に連動して上記レンズと反射体との間に侵入可能かつこの間の光路を遮光可能である。
本発明の第２の特徴は第１の特徴を備え、レンズと反射体とはケース内に収納されており、検出用光ファイバの先端部が上記ケース内に引き込まれており、感圧部は上記ケースの底部に配置されていることにある。
本発明の第３の特徴は第１の特徴を備え、レンズと反射体とはケース内に配置してあるモジュール内に収納されており、検出用光ファイバの先端部が上記モジュールに接続されており、感圧部は上記ケースの底部に配置されており、上記モジュールには遮光体を内部に案内するガイド孔を開けてあることにある。
本発明の第４の特徴は第３の特徴を備え、モジュールには内孔を設けてあると共に、この内孔と交差する方向に上記内孔に達するガイド孔を開けてあり、遮光体の本体は上記モジュールのガイド孔から上記内孔に向けて往復可能に挿入されていると共に、感圧部の変形に伴ってレンズと反射体との間に侵入可能であってかつこの間の光路を遮光可能であることにある。

本発明によれば、液面レベルに反応する感圧部に遮光体を取り付け、この遮光体が上記感圧部に連動して遮光動作をして光の強弱を通じて液面レベルの監視を可能とするものであるので、構成が簡単であり、製造のコストダウンを図ることができ、小型化に寄与することができる。

本発明に係る光ファイバ液面スイッチを示す断面図である。 本発明に係る光ファイバ液面スイッチを示す断面図であって、遮光体が図１に示す位置から上昇した状態を示す図である。 図１に示す光ファイバ液面スイッチを下水道管内に使用した状態を示す断面図である。

本発明に係る光ファイバ液面スイッチについて図面を参照して説明する。
図１に示す光ファイバ液面スイッチ１は河川や下水道管等における液面レベルを光量（光の強弱）で検出するセンサであって、スイッチ本体がケース２内部及び底部に納められている。ケース２には、その上部から内部に検出用光ファイバ３を引き込んである。検出用光ファイバ３は、図１に示す例にあっては１芯（単芯）の光ファイバが使用されている。検出用光ファイバ３の先端部の入出射部はモジュール４の一端部に接続されている。モジュール４は、一端面（図１左端面）から他端部に向けて切り込んである内孔４ａ内にレンズ５及び反射体である反射ミラー６を収納してある。モジュール４は、ケース２に保持手段（図示せず。）を介して水平状態に保持されている。レンズ５はモジュール４の一端側に配置され、反射ミラー６はレンズとは反対側にかつこれに対向する位置に配置されている。レンズ５は、検出用光ファイバ３からの出射光を取り込むものである。レンズ５は取り込んだ光を反射ミラー６に導く。反射ミラー６は入射した光を反射し、その反射光をレンズ５に導く。レンズ５は戻り光を入出射部を介して検出用光ファイバ３へ導く。

図１及び図２に示すように、ケース２の底部には感圧部であるダイヤフラム７を取り付けてある。ダイヤフラム７は、感圧の対象である液面レベルの変化すなわち液面レベルの上昇又は降下に対応して平坦状から山形状（凸状）に変形したり（図２）又は山形状から元の平坦状に復帰することができる（図１）。
ダイヤフラム７上には遮光体８が突出状態に配置されている。遮光体８はその本体が遮光棒８ａである。遮光棒８ａは、モジュール４の下部に開けてあるガイド孔４ｂから内孔４ａに向けて往復移動可能（図１では昇降可能）に挿入されている。モジュール４のガイド孔４ｂは、内孔４ａと交差する方向にかつこの内孔に達している。ガイド孔４ｂは、遮光棒８ａをモジュール４内に案内する手段であり、水平断面形状は遮光棒８ａのそれに対応させている。遮光棒８ａは、ダイヤフラム７の変形に伴ってレンズ５と反射ミラー６との間に侵入可能であってかつこの間の光路を遮光可能である。上記遮光には光路を断つ遮断を含む。
遮光体８について、これをダイヤフラム７上に固定しても良いが、図示の例では単にダイヤフラム上に載置しているに過ぎない。遮光棒８ａはモジュール４のガイド孔４ｂに挿入され、モジュールに支持されているので、ダイヤフラム７上の遮光体８は倒れることなく、その全体が安定した状態で起立していることになる。より一層の安定的な起立状態を維持するために、モジュール４のガイド孔４ｂの下端開口外側に遮光棒８ａを囲むガイドリングを設けておくのが良い。

ダイヤフラム７と遮光体８との関係について説明する。
ダイヤフラム７には液面レベルの上昇に伴ってその液圧が及ぶことになり、液圧が高くなるにつれてダイヤフラムが上方に膨らんだ形状に変形することになる。このようなダイヤフラム７の変形に連動して、遮光体８は上昇するから、遮光棒８ａがモジュール４内の光路を横断する方向に移動することになる。遮光体８はその横断開始から完了までの間、光路を遮光することになり、遮光過程では光量が次第に少なくなり、図２に示す遮断する位置（横断完了位置）では光量がゼロ又はほぼゼロとなる。
図２に示す位置にあるダイヤフラム７に対する液圧が徐々に弱くなるにしたがって変形していたダイヤフラムは元の形状に戻って行き、最終的に図１に示す形状に復帰することになり、原状の復帰過程では遮光体８も元の位置に戻り、光路を遮光していた遮光棒８ａは徐々に光路開放し、最後には図１に示すように光路が完全に開放される。換言すれば、遮光体８による遮光が完全に解除される。遮光解除過程では、光量が次第に増して行き、元の光量に復帰することになる。
光ファイバ液面スイッチ１において、光路の遮光及び遮光解除を通じて光量が変化し、この変化が検出用光ファイバ３に接続されているケース２外の検出器（図示せず。）によって検知される。
液面レベルの監視は、光ファイバ液面スイッチ１からの光量の変化（光の強弱）の検出によって行うのである。

本発明に係る光ファイバ液面スイッチの使用方法について説明する。
予め、河川等の所定位置に光ファイバ液面スイッチ１を設置すると共に、ダイヤフラム７の下面の位置を警戒（又は指定）液面レベルに一致させるように調整しておく。
通常、検出用光ファイバ３を通じて光ファイバ液面スイッチ１に入った光源からの光は、検出用光ファイバの入出射部からレンズ５に向けて出射され、レンズを通って反射ミラー６に照射され、そしてこの反射ミラーにより反射されて戻り光となって、再びレンズ内に入射され集光されて、入出射部から検出用光ファイバ３に出射される。通常の状態ではダイヤフラム７に液圧がかからない結果、遮光体８が光路を遮光しないから光量が変化しない。
通常の状態から、大雨等の影響によって河川等の液面レベルが上昇し、警戒レベルを越えると、その変化をダイヤフラム７が感知して、液面の上昇に伴ってダイヤフラムはその押圧力によって図２に示すように凸状に変形するから、遮光体８の遮光棒８ａが上昇して、レンズ５と反射ミラー６との間に徐々に侵入し、やがて両者間の光路を遮光して行く。このような遮光によって、光量が変化する。
監視者は、光ファイバ液面スイッチ１で検出された光量の変化によって上記液面レベルが警告レベルに達したことを認識する。

図３を参照して、光ファイバ液面スイッチ１の具体的な使用例を説明する。
この例では、複数の光ファイバ液面スイッチ１を水平にかつ、下水道管Ｐの内周面に周方向に沿って間隔をもって配置し固定し、各光ファイバ液面スイッチの検出用光ファイバ３を検出器９にすべて接続してある。各光ファイバ液面スイッチ１は、下水道管Ｐ内を流れる水の方向に沿って、下流側に水圧を検知する感圧部であるダイヤフラム７側を、上流側に引き出されている検出用光ファイバ３側をそれぞれ向け、下水道管Ｐの軸心方向に沿って取り付けてある。
この例では、検出のための液面レベルを３段階に分け、すなわち、下水道管Ｐの内底面に位置している下段の光ファイバ液面スイッチ、中間に位置している中段の光ファイバ液面スイッチ及び最も高いレベルに位置している上段の光ファイバ液面スイッチに分けて、下水道管内の水位を段階的に検出できるようにしている。
光ファイバ液面スイッチ１の設置場所によっては、ダイヤフラム７側を上流側に向けて配置しても良い。

図１に示す光ファイバ液面スイッチ１によれば、ダイヤフラム７の変形によって遮光体８が連動し、遮光棒８ａがレンズ５と反射ミラー６との間の光路を遮光することにより光量が変化し、この変化を監視することにより液面レベルが警戒レベルを達したことを知ることができる構成であり、光路を遮光するという簡便な手段によって液面レベルが検知可能であり、また、少ない部品点数で上記の検知ができるので、製造コストを安価にすることができると共に、小型化が可能となる。

検出用光ファイバ３は単芯のものでも、２芯のものであっても良い。また、感圧部７は、液面の圧力によって変形して遮光体８が連動して作動するものであれば良く、ダイヤフラムの他に例えばべローズ等であっても良い。さらに、遮光体８の本体は必ずしも棒体である必要はなく、板状のシャッター等であっても良い。

１ 光ファイバ液面スイッチ
２ ケース
３ 検出用光ファイバ
４ モジュール
４ａ 内孔
４ｂ ガイド孔
５ レンズ
６ 反射ミラー（反射体）
７ ダイヤフラム（感圧部）
８ 遮光体
８ａ 遮光棒（遮光体の本体）
Ｐ 下水道管

Claims (4)

1. 検出用光ファイバと、この検出用光ファイバからの出射光を取り込むレンズと、このレンズに対向する位置に配置してあって、上記レンズからの出射光が照射される反射体と、感圧部と、この感圧部に連動する遮光体とを備えており、
   上記反射体は入射光を反射させて上記レンズに導くものであり、
   上記感圧部は液体の圧力により変形可能であり、
   上記遮光体は、上記感圧部の変形に連動して上記レンズと反射体との間に侵入可能かつこの間の光路を遮光可能である
   ことを特徴とする光ファイバ液面スイッチ。
2. レンズと反射体とはケース内に収納されており、検出用光ファイバの先端部が上記ケース内に引き込まれており、感圧部は上記ケースの底部に配置されていることを特徴とする請求項１記載の光ファイバ液面スイッチ。
3. レンズと反射体とはケース内に配置してあるモジュール内に収納されており、検出用光ファイバの先端部が上記モジュールに接続されており、感圧部は上記ケースの底部に配置されており、上記モジュールには遮光体を内部に案内するガイド孔を開けてあることを特徴とする請求項１記載の光ファイバ液面スイッチ。
4. モジュールには内孔を設けてあると共に、この内孔と交差する方向に上記内孔に達するガイド孔を開けてあり、遮光体の本体は上記モジュールのガイド孔から上記内孔に向けて往復可能に挿入されていると共に、感圧部の変形に伴ってレンズと反射体との間に侵入可能であってかつこの間の光路を遮光可能であることを特徴とする請求項３記載の光ファイバ液面スイッチ。

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