JP2015075371A - Level detector and level monitoring system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、レベル検出装置及びレベル監視システムに関する。 The present invention relates to a level detection device and a level monitoring system.
近年、集中豪雨やゲリラ豪雨による浸水被害が多発しており、水害に対する対策が今まで以上に重要になってきた。 In recent years, flood damage due to torrential rain and guerrilla heavy rain has occurred frequently, and countermeasures against flood damage have become more important than ever.
現在、水害に対する対策の一つとして、河川の水位や雨量などの情報を収集する観測局を河川に沿って10km〜15km程度の間隔で設置し、それらの観測局で収集した情報をセンタ局で処理して、必要に応じて警報を発生するシステムが開発されている。 Currently, as one of the countermeasures against flood damage, observation stations that collect information such as river level and rainfall are installed at intervals of about 10 km to 15 km along the river, and the information collected by those stations is collected at the center station. Systems have been developed that process and generate alarms as needed.
この種のシステムでは、センタ局から観測局に一定の時間毎(例えば、1時間毎)にポーリング(問合せ)を行い、それに応じて観測局からセンタ局に情報が送信される。センタ局は、観測局から送られてきた情報に異常値がないかを調べ、異常値がある場合にはポーリングの間隔を短縮して、水位や雨量の変化を詳細に観測する。 In this type of system, polling (inquiry) is performed from the center station to the observation station at regular intervals (for example, every hour), and information is transmitted from the observation station to the center station accordingly. The center station checks whether there is an abnormal value in the information sent from the observation station, and if there is an abnormal value, shortens the polling interval and observes changes in water level and rainfall in detail.
外部電力の供給なしに、河川の水位等、検出対象の境界の位置を検出できるレベル検出装置及びレベル監視システムを提供することを目的とする。 It is an object of the present invention to provide a level detection device and a level monitoring system that can detect the position of a detection target boundary such as a river water level without supplying external power.
開示の技術の一観点によれば、支持体と、前記支持体に配列し、非電気エネルギーを電気エネルギーに変換する複数の環境発電素子と、前記複数の環境発電素子のそれぞれからの出力に基づいて検出対象の境界の位置を検出する電子回路部とを有するレベル検出装置が提供される。 According to one aspect of the disclosed technology, based on outputs from a support, a plurality of energy harvesting elements arranged on the support and converting non-electric energy into electrical energy, and the plurality of energy harvesting elements Thus, a level detection device having an electronic circuit unit for detecting the position of the boundary of the detection target is provided.
開示の技術の他の一観点によれば、検出対象の境界の位置を検出する複数のレベル検出装置と、前記複数のレベル検出装置から前記検出対象の境界の位置の情報を収集するセンタ局とを有し、前記レベル検出装置は、支持体と、前記支持体に配列して、非電気エネルギーを電気エネルギーに変換する複数の環境発電素子と、前記複数の環境発電素子のそれぞれからの出力に基づいて前記検出対象の境界の位置を検出する電子回路部とを有するレベル監視システムが提供される。 According to another aspect of the disclosed technology, a plurality of level detection devices that detect a position of a detection target boundary, and a center station that collects information on the detection target boundary position from the plurality of level detection devices, The level detection device includes: a support; a plurality of energy harvesting elements that are arranged on the support and convert non-electric energy into electrical energy; and outputs from each of the plurality of energy harvesting elements. There is provided a level monitoring system having an electronic circuit unit for detecting a position of a boundary of the detection target based on the electronic circuit unit.
前記一観点に係るレベル検出装置によれば、非電気エネルギーを電気エネルギーに変換する複数の環境発電素子を用いて、外部電力の供給なしに、検出対象の境界の位置を検出することができる。また、前記一観点に係るレベル監視システムによれば、外部電力の供給なしに境界位置を検出できるレベル検出装置を用いるので、レベル検出に多くのセンサを使用でき、河川の水位等を詳細に検出できる。 According to the level detection device according to the one aspect, it is possible to detect the position of the boundary of the detection target without supplying external power by using a plurality of energy harvesting elements that convert non-electric energy into electric energy. Further, according to the level monitoring system according to the above aspect, since the level detection device that can detect the boundary position without supplying external power is used, many sensors can be used for level detection, and the water level of the river is detected in detail. it can.
以下、実施形態について説明する前に、実施形態の理解を容易にするための予備的事項について説明する。 Hereinafter, before describing the embodiment, a preliminary matter for facilitating understanding of the embodiment will be described.
前述した従来のシステムでは、観測局の設置間隔が10km以上とまばらであるため、水位や雨量の情報を十分に取得できているとはいえない。観測局の設置間隔を短くすることも考えられるが、そのためには多大な費用が必要となる。 In the conventional system described above, since the installation intervals of observation stations are sparse as 10 km or more, it cannot be said that sufficient information on water level and rainfall can be acquired. Although it is conceivable to shorten the installation interval of the observation stations, this requires a great deal of cost.
また、ポーリングの間隔が1時間程度と長いため、集中豪雨などによる河川の急激な増水に迅速に対応することが困難であり、観測局から送られてきた情報から異常値を検出したときには、既に水害が発生していたということもある。 Also, because the polling interval is as long as about 1 hour, it is difficult to respond quickly to a sudden increase in the river due to heavy rain, etc. When an abnormal value is detected from information sent from the observation station, There was also a flood.
このような問題に対応すべく、自立型水位測定装置の開発が進んでいる。自立型水位測定装置は、水位センサと、太陽電池と、通信装置と、それらを取り付ける支柱とを有し、水位測定のみに機能を特化することで構成を簡略化し、低コスト化を実現している。また、電源として太陽電池が使用される。このため、自立型水位測定装置は、河川に沿って比較的短い間隔で柔軟に設置することができる。 In order to cope with such a problem, development of a self-supporting water level measuring apparatus is progressing. The self-supporting water level measurement device has a water level sensor, solar cell, communication device, and a support column to which they are attached. The function is specialized only for water level measurement, which simplifies the configuration and reduces costs. ing. Moreover, a solar cell is used as a power source. For this reason, the self-supporting water level measuring device can be flexibly installed at relatively short intervals along the river.
ところで、自立型水位測定装置では、水位センサとして、フロート式水位計、水圧式水位計、超音波式水位計、又は水晶式水位計などが用いられている。センサの数を増やせば詳細な水位の変化の測定が可能となり、信頼性も向上する反面、電力消費も大きくなる。 By the way, in the self-supporting water level measuring device, a float type water level meter, a hydraulic pressure level meter, an ultrasonic water level meter, a crystal type water level meter or the like is used as a water level sensor. Increasing the number of sensors makes it possible to measure changes in water level in detail, improving reliability but increasing power consumption.
上記水位センサに対して電力を供給する電源は、長期にわたり使用するため、汚れや遮蔽物の除去などのメンテナンスが行われる。また、自立型水位測定装置の設置後に周囲に高層建築物が建築され、太陽電池パネルへ照射される光が遮蔽されて、発電できなくなるおそれがある。 Since the power source that supplies power to the water level sensor is used for a long period of time, maintenance such as removal of dirt and shielding is performed. In addition, a high-rise building is built around the installation of the self-supporting water level measurement device, and light applied to the solar cell panel may be shielded, which may prevent power generation.
電源として太陽電池の代わりにバッテリーを用いる場合は、所定期間毎にバッテリーの交換を必要とする。 When a battery is used as a power source instead of a solar cell, the battery needs to be replaced every predetermined period.
以下の実施形態では、外部電力の供給なしに、河川の水位等を詳細に検出できるレベル検出装置及びレベル監視システムについて説明する。 In the following embodiments, a level detection device and a level monitoring system that can detect the water level of a river in detail without supplying external power will be described.
(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態に係るレベル検出装置を示す模式図である。本実施形態は、河川の水位を検出する自立型水位測定装置に適用した例について説明している。
(First embodiment)
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a level detection apparatus according to the first embodiment. The present embodiment describes an example applied to a self-supporting water level measuring device that detects the water level of a river.
図1に示すように、本実施形態に係る自立型水位測定装置10は柱状の形状を有し、その長手方向の一部が河川52に浸かるように設置される。また、水位測定装置10は、基準温度設定部12と、複数の環境発電素子11と、電子回路部14と、断熱部材13とを有する。水位測定装置10の外周は断熱部材13で覆われており、環境発電素子11の一方の面のみが断熱部材13から露出している。
As shown in FIG. 1, the self-supporting water
基準温度設定部12は、細長い板状又は柱状の部材である。この基準温度設定部12は銅等の熱伝導率が高い材料により形成されており、そのため長手方向の温度差が小さく、全体がほぼ同一の温度とみなすことができる。第1の実施形態において、基準温度設定部12は複数の環境発電素子11と、電子回路部14と、断熱部材13を支持している。
The reference
基準温度設定部12の断熱部材13に被覆されない部分は、年間を通じて温度変化の少ない川底51に接触又は埋設されている。
The portion of the reference
なお、第1の実施形態の基準温度設定部12が備える複数の環境発電素子11等の支持機能については、基準温度設定部12とは別の支持体が担ってもよい。
In addition, about the support functions, such as the some
環境発電素子11は、基準温度設定部12の一方の面に、基準温度設定部12の長手方向に沿って一定の間隔(例えば5cm〜10cm間隔)で配置されている。環境発電素子11は、環境中に潜在する光、振動、熱又は電磁波などの非電気エネルギーを電気エネルギーに変換する素子である。
The environmental
環境発電素子11として、熱電変換素子、圧電素子、太陽電池及び振動発電素子などを使用することができる。本実施形態では、環境発電素子11として、熱電変換素子を使用している。熱電変換素子の詳細は、後述する。
As the environmental
電子回路部14は水位測定装置10の上部に配置されており、環境発電素子11に電気的に接続されている。また、電子回路部14は無線又は有線によりセンタ局と接続し、環境発電素子11により検出した水位の情報をセンタ局に送信する。電子回路部14の詳細も、後述する。なお、センタ局は、外部の設備の一例である。
The
断熱部材13は、環境発電素子11、基準温度設定部12及び電子回路部14を水や腐食性ガス等から保護するとともに、基準温度設定部12の急激な温度変化を防止し、基準温度設定部12の長手方向の温度差を小さくするという役目がある。このため、断熱部材13は、耐水性が良好であるとともに、熱伝導率及び電気伝導率が低く、物理的及び化学的安定性が高いことが重要である。例えば断熱部材13の材料として、アクリルや塩化ビニル、発泡スチロール等を用いることができる。
The
図2は、本実施形態において環境発電素子11として使用する熱電変換素子の一例を示す断面図である。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing an example of a thermoelectric conversion element used as the
本実施形態で使用する熱電変換素子20は、図2に示すように、一対の伝熱板24a,24b間にp型熱電構造体21aとn型熱電構造体21bとを交互に配置した構造を有する。それらのp型熱電構造体21a及びn型熱電構造体21bは、伝熱板24a,24b側にそれぞれ配置された電極22により、電気的に直列接続されている。p型熱電構造体21aとn型熱電構造体21bとの間の隙間には、水や腐食ガスなどから熱電構造体21a,21bを保護するために、保護部材23を充填してもよい。
As shown in FIG. 2, the
このような構造の熱電変換素子20では、伝熱板24a,24b間の温度差に応じた電力を発生する。本実施形態では、伝熱板24a,24bのうちの一方が基準温度設定部12と熱的に接続され、他方が水位測定装置10の側面に露出して水又は大気と接触する。
In the
熱電変換素子20として市販品(例えば、KELK社製、又はMicropelt社製)を用いることができるが、新たに作製してもよい。
A commercial product (for example, manufactured by KELK or manufactured by Micropelt) can be used as the
新たに作製する場合、p型熱電構造体21a及びn型熱電構造体21bの直径は例えば5μm〜100μmとすればよく、高さは例えば50μm〜500μmとすればよい。また、p型熱電構造体21a及びn型熱電構造体21bのアスペクト比(直径と高さとの比)は、例えば2〜40とすればよい。更に、隣り合うp型熱電構造体21aとn型熱電構造体21bとの間隔は、例えば5μm〜100μmとすればよい。一つの熱電変換素子20は、例えば100対〜1000対のp型熱電構造体21a及びn型熱電構造体21bを備える。
When newly produced, the diameters of the p-type
熱電構造体21a,21bの材料として、テルライド、酸化物材料、シリサイド、スクッテルダイト等を用いることができる。例えばp型熱電構造体21aの材料としてBi0.3Sb1.7Te3等を用いることができ、n型熱電構造体21bの材料としてBi2Te3等を用いることができる。
As the material of the
保護部材23には、絶縁性が高く、熱伝導率が低く、機械的強度及び化学的安定性が高いものを使用することが好ましい。保護部材23として、例えばガラス又は樹脂等を使用することができる。
As the
電極22として、例えばスパッタリング法や蒸着法により形成した積層膜(Ti又はCr等の下地膜と、Pt等の拡散防止層及びAu又はCu等の配線層)や、インクジェット法又はその他の印刷法により形成したAu又はAgの膜を使用できる。伝熱板24a,24bは少なくとも表面が絶縁性であり、例えばアルミナや窒化アルミニウム等のように熱伝導率が高い材料により形成される。
As the
図3は、電子回路部14の構成を示すブロック図である。
FIG. 3 is a block diagram illustrating a configuration of the
この図3に示すように、電子回路部14は、主制御部25と、通信部26と、電源制御部27と、蓄電素子28とを有する。
As shown in FIG. 3, the
前述したように、本実施形態では環境発電素子11として熱電変換素子を使用している。そして、熱電変換素子の一対の伝熱板のうちの一方は基準温度設定部12に接触し、他方は河川52を流れる水又は大気に接触している。従って、水と接触している環境発電素子11は水と基準温度設定部12との温度差に応じた電力を発生し、大気と接触している環境発電素子11は大気と基準温度設定部12との温度差に応じた電力を発生する。
As described above, in this embodiment, a thermoelectric conversion element is used as the
電源制御部27はDC(直流)−DC(直流)変換器を備え、環境発電素子11で発生した電力を所定の電圧に変換して、蓄電素子28に蓄積する。蓄積素子28として、例えばリチウムイオン電池等の二次電池を使用することができる。
The power
また、電源制御部27は、主制御部25及び通信部26が駆動する際に、蓄電素子28に蓄積されている電力を駆動電力として供給する。
Further, the power
ところで、大気の温度と河川52に流れる水の温度とは異なる場合が多い。例えば大気の温度は夏季には水温よりも高く、逆に冬季では水温よりも低い。すなわち、基準温度設定部12を一定温度とすれば、水に接触している環境発電素子11と大気に接触している環境発電素子11とでは起電力が異なる。このため、主制御部25は、各環境発電素子11から出力される電力から、水に接触している環境発電素子11と、大気に接触している環境発電素子11とを判別することができる。そして、主制御部25は、その判別結果から河川52の水位(水面の位置)を判定する。
By the way, the temperature of the atmosphere and the temperature of the water flowing in the
主制御部25は、通信部26を介してセンタ局30と通信接続し、環境発電素子11により検出した水位の情報をセンタ局30に送信する。
The
図4(a)は本実施形態に係る水位測定装置10を河川52に設置した例を示す模式図である。また、図4(b)は、横軸に時間をとり、縦軸に起電力(V)をとって、各環境発電素子の出力状態を示す図(イメージ図)である。また、ここでは気温が水温よりも高い夏季での使用を想定している。
FIG. 4A is a schematic diagram showing an example in which the water
ここでは、説明を簡単にするために、図4(a)のように水位測定装置10には、8個の環境発電素子11a〜11hが、垂直方向に一定の間隔で配置されているものとする。そして、環境発電素子11a〜11dは河川52の中(水中)に位置し、環境発電素子11f〜11hは大気中に位置し、環境発電素子11eは水面近傍に位置しているものとする。
Here, in order to simplify the description, as shown in FIG. 4A, the water
基準温度設定部12には、環境発電素子11a〜11hを介して河川52を流れる水や大気から熱が伝達される。そのため、基準温度設定部12の温度は、河川を流れる水の温度と大気の温度との間の温度となる。直射日光などの影響を極力受けないよう、基準温度設定部12は断熱部材13で覆われている。
Heat is transmitted to the reference
例えば図4(b)に示すように、大気中に位置する環境発電素子11f〜11hの起電力と、水中に位置する環境発電素子11a〜11dの起電力とは大きく異なる。
For example, as shown in FIG. 4B, the electromotive force of the
また、水面近傍に位置する環境発電素子11eは、水面のうねりによって水に晒されたり大気に晒されたりするので、環境発電素子11eの起電力は大きく変動する。
Moreover, since the
このように、水中に位置する環境発電素子11a〜11d、水面近傍に位置する環境発電素子11e、及び大気中に位置する環境発電素子11f〜11gでは起電力及びその経時的変化が大きく異なる。そのため、主制御部25は、各環境発電素子11a〜11hの起電力から、水面の位置(水位)を判定することができる。
As described above, the electromotive force and its change with time are greatly different between the
例えば図4(b)に示す例では、環境発電素子11f〜11gの起電力は、環境発電素子11a〜11eの起電力よりも大きい。また、環境発電素子11eの起電力は、他の環境発電素子11a〜11d,11g〜11bよりも経時変化が大きい。そのため、主制御部25は、各環境発電素子11a〜11fの起電力から、水面の位置(水位)を判定することができる。
For example, in the example illustrated in FIG. 4B, the electromotive forces of the
水面を決定するフローチャートを図5に示し、出力値と水面の関係を図6に示す。ここでは、隣接する各環境発電素子の起電力差ΔVから水面を検出する方法と、各環境発電素子の起電力の時間変化(dV/dt)から水面を検出する方法の2種類を述べる。 A flow chart for determining the water surface is shown in FIG. 5, and the relationship between the output value and the water surface is shown in FIG. Here, two types of methods are described: a method for detecting the water surface from the electromotive force difference ΔV between adjacent energy harvesting elements, and a method for detecting the water surface from the time variation (dV / dt) of the electromotive force between each energy harvesting element.
図5は、ある配列(a[m])から最大値を検出する方法と同様である。すなわち、隣接する環境発電素子の起電力差ΔVもしくは起電力の時間変化dV/dtの最大値を示す環境発電素子を検出し、その環境発電素子の位置がほぼ水面の位置と判定する。 FIG. 5 is the same as the method for detecting the maximum value from a certain array (a [m]). That is, an environmental power generation element that shows the maximum value of the electromotive force difference ΔV between adjacent energy generation elements or the time variation dV / dt of the electromotive force is detected, and the position of the energy generation element is determined to be substantially the position of the water surface.
図6は横軸に環境発電素子11a〜11hの位置をとり、縦軸に起電力(図6(a))、起電力差(図6(b))、又は起電力のばらつき(図6(c))をとって、それらの関係を示す図である。
In FIG. 6, the horizontal axis indicates the positions of the
まず、図6(b)によると、環境発電素子11fの起電力差が最大であることがわかる。これにより、水面は環境発電素子11f付近と判断する。但し、先頭の環境発電素子11aは比較対象がないため、値をゼロとしている。また、図6(c)の環境発電素子の起電力の時間変化(起電力のばらつきdV/dt)をみると、環境発電素子11eの値が最大値である。従って、水面は環境発電素子11e付近と判断する。
First, FIG. 6B shows that the electromotive force difference of the
2種類の方法による水面検出はセンサ1〜2個分の誤差がある可能性があるが、河川の氾濫に備えるには十分な精度である。 The water level detection by the two types of methods may have an error corresponding to one or two sensors, but is accurate enough to prepare for river flooding.
より具体的な例として、気温が30℃、水温が25℃、基準温度設定部の温度が28℃とし、起電力が0.14V/Kの熱電変換素子を使用した場合について考える。 As a more specific example, consider a case where a thermoelectric conversion element having an air temperature of 30 ° C., a water temperature of 25 ° C., a reference temperature setting unit temperature of 28 ° C., and an electromotive force of 0.14 V / K is used.
このとき、環境発電素子11a〜11dの起電力はマイナス0.4V程度となり、環境発電素子11f〜11gの起電力はプラス0.3V程度となる。
At this time, the electromotive force of the
環境発電素子11eの起電力は0V付近でばらついでいる。従って、水面は起電力の差が大きい環境発電素子11dと環境発電素子11fとの間にあり、起電力の経時変化(dV/dt)が大きい環境発電素子11eの近傍と判定できる。
The electromotive force of the
以上説明したように本実施形態では、センサとして温度差により電力を発生する環境発電素子11(熱電変換素子20)を使用しているので、センサによる電力消費量は0であり、水位測定装置10に多くのセンサを搭載することができる。これにより、河川52の水位を詳細に検出することができる。一方、気温が水温よりも低い冬季でも、起電力の符号が逆になるものの、同様の方法で水位を検出することが可能である。
As described above, in the present embodiment, since the environmental power generation element 11 (thermoelectric conversion element 20) that generates electric power due to a temperature difference is used as a sensor, the power consumption by the sensor is 0, and the water
また、本実施形態では、センサとして使用する環境発電素子11で発生した電力を蓄電素子28に蓄積し、主制御部25及び通信部26の駆動電力として使用するので、ランニングコスト及びメンテナンスコストが削減される。
Further, in the present embodiment, the electric power generated by the
なお、環境発電素子11に加え、補助電源として、図7に示すように太陽電池29又はその他の電源を併用してもよい。図7に示す例では、太陽電池29で発生した電力を電源制御部27で所定の電圧に昇圧し、蓄電素子28に蓄積することができる。例えば、環境発電素子11の発電量が少なくなったとき、主制御部25及び通信部26の駆動電力を賄ってもよい。
In addition to the
以下、環境発電素子の発電量を試算した結果について説明する。 Hereinafter, the result of trial calculation of the power generation amount of the energy harvesting element will be described.
環境発電素子11として、KELK社製の熱電変換素子(KTGS066A00)を4個用いるものとし、通信部26としてTOCOS社製の無線通信モジュール(TEW−001)を用いるものとする。また、電源制御部27には、変換効率が30%のDC−DCコンバータを用いるものとする。
It is assumed that four thermoelectric conversion elements (KTGS066A00) manufactured by KELK are used as the environmental
この場合、4個の熱電変換素子11を直列に接続し、DC−DCコンバータで昇圧した後の電力は、約30μW/(K2)となる。一方、通信部26の1回の情報送信に必要な電力は、約200μWsとなる。
In this case, the power after the four
従って、熱電変換素子の一方の面と他方の面との温度差が1℃の場合、無線通信モジュールは、7秒間に1回の割合で情報送信が可能である。すなわち、少なくとも4個の熱電変換素子の一方の面と他方の面との温度差が1℃以上であれば、無線通信モジュールで消費する電力を賄うことができる。 Therefore, when the temperature difference between one surface and the other surface of the thermoelectric conversion element is 1 ° C., the wireless communication module can transmit information at a rate of once every 7 seconds. That is, if the temperature difference between one surface and the other surface of at least four thermoelectric conversion elements is 1 ° C. or more, the power consumed by the wireless communication module can be covered.
(第2の実施形態)
図8は、第2の実施形態に係るレベル検出装置(水位測定装置)を示す模式図である。図8において、図1と同一物には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
(Second Embodiment)
FIG. 8 is a schematic diagram showing a level detection device (water level measurement device) according to the second embodiment. 8, the same components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
本実施形態に係る水位測定装置10aは、基準温度設定部12の裏面(環境発電素子11が配置された面と反対側の面)側を川岸(土)53に直接接触させて設置する。川岸53の土の部分は地中深くでは年間を通して温度の変化が小さく、河川52を流れる水の温度又は大気の温度との温度差を比較的大きく保つことができる。
The water
基準温度設定部12は、地中深くに接する部分のみ、杭のような構造体を備える。上述のように地中深くでは年間を通して温度が均一なため、本構造は基準温度設定部12を定温に維持することに寄与する。また、基準温度設定部12の他の部分は断熱部材13に覆われており、大気や水との熱エネルギーの交換をできる限り小さくする。このため、本実施形態に係る水位測定装置10aのほうが、図1に示すように河川52の中央に設置した水位測定装置10よりも、水位の検出が容易になると考えられる。
The reference
(第3の実施形態)
第1の実施形態では環境発電素子11として熱電変換素子を使用した場合について説明したが、環境発電素子11として他の発電素子を使用することもできる。
(Third embodiment)
In the first embodiment, the case where a thermoelectric conversion element is used as the
図9は、第3の実施形態に係る水位測定装置を示す模式図である。 FIG. 9 is a schematic diagram showing a water level measuring apparatus according to the third embodiment.
本実施形態に係る水位測定装置10bは、水車と、水車の動力により発電する発電機(図示せず)とを有する発電素子(環境発電素子)16を、支柱15の長手方向に沿って一定の間隔で取り付けた構造を有する。発電素子16は、水流による発電機に連結した水車が回転して電力を発生する。
The water
この水位測定装置10bでは、最も大きな電力差を発生している2つの発電素子16間を水面の位置と判定することができる。また、この水位測定装置10bは第1の実施形態と同様の電子回路部(図3参照)を備え、発電素子16により発生した電力を蓄電素子に蓄積し、主制御部及び通信部に駆動電力を供給する。
In this water
(第4の実施形態)
第1の実施形態では、主制御部25において各環境発電素子11の発電量を常時監視している。そのため、各環境発電素子11で発生した電力の一部は常時主制御部25に直接流れ、蓄電素子28に蓄積される電力が少なくなることが考えられる。
(Fourth embodiment)
In the first embodiment, the
本実施形態では、水害のおそれがないときには特定の環境発電素子の発電量のみを監視し、他の環境発電素子で発生した電力を蓄電素子に蓄積することで、蓄電素子により多くの電力を蓄積する。 In this embodiment, when there is no fear of flooding, only the amount of power generated by a specific energy harvesting element is monitored, and the power generated by other energy harvesting elements is stored in the energy storage element, thereby accumulating more power in the energy storage element. To do.
図10は、第4の実施形態に係る水位測定装置の電子回路部の構成を示すブロック図である。なお、本実施形態が第1の実施形態と異なる点は電子回路部の構成が異なることにあり、その他の構成は基本的に第1の実施形態と同様である。そのため、第1の実施形態と重複する部分の説明は省略する。 FIG. 10 is a block diagram illustrating a configuration of an electronic circuit unit of the water level measurement device according to the fourth embodiment. Note that this embodiment is different from the first embodiment in that the configuration of the electronic circuit unit is different, and other configurations are basically the same as those of the first embodiment. Therefore, the description of the part which overlaps with 1st Embodiment is abbreviate | omitted.
本実施形態に係る水位測定装置の電子回路部14aは、主制御部25と、通信部26と、電源制御部27と、蓄電素子28と、切替回路部32とを有する。
The
主制御部25は、環境発電素子11のうちの一つをトリガセンサとし、水面の位置がトリガセンサよりも下か否かを判定する。そして、主制御部25は、その判定結果に基づいて切替回路部32を制御する。
The
トリガセンサとして、平常時の河川52の水位よりもある程度上方の位置に配置された環境発電素子を使用する。ここでは、図11に示す環境発電素子11eをトリガセンサとする。
As the trigger sensor, an energy harvesting element disposed at a position somewhat higher than the water level of the
図12は、本実施形態に係る水位測定装置の動作を説明するフローチャートである。 FIG. 12 is a flowchart for explaining the operation of the water level measuring apparatus according to this embodiment.
まず、ステップS11において、主制御部25は、切替回路部32を平常時モードとする。すなわち、主制御部25は、切替回路部32を制御して、トリガセンサ(環境発電素子11e)を含む一部の環境発電素子のみを主制御部25と接続し、他の環境発電素子で発生した電力は全て電源制御部27を介して蓄電素子28に蓄積する。また、主制御部25は、通信部26への電力供給を停止する。
First, in step S11, the
本実施形態では、平常時モードのときは、環境発電素子のうち、トリガセンサである環境発電素子11eと水中に配置される環境発電素子11bと大気中に配置される環境発電素子11hとの3つのみが切替回路部32を介して主制御部25に接続される。そして、他の環境発電素子は電源制御部27を介して蓄電素子28に接続され、他の環境発電素子で発生した電力は蓄電素子28に蓄積される。このため、平常時モードのときは、蓄電素子28に多くの電力が蓄積される。
In the present embodiment, in the normal mode, among the energy harvesting elements, the
次に、ステップS12に移行し、主制御部25は、環境発電素子11b,11e,11hの発電量から、水面がトリガセンサよりも下か否かを判定する。
Next, it transfers to step S12 and the
例えば環境発電素子11e(トリガセンサ)の発電量が、水中に配置された環境発電素子11bの発電量よりも大気中に配置された環境発電素子11fの発電量に近い場合、主制御部25は水面が環境発電素子11eの位置よりも下であると判定する。
For example, when the power generation amount of the
一方、環境発電素子11e(トリガセンサ)の発電量が、大気中に配置された環境発電素子11hの発電量よりも水中に配置された環境発電素子11bの発電量に近い場合、主制御部25は水面が環境発電素子11eの位置に到達したと判定する。
On the other hand, when the power generation amount of the
ステップS12において水面がトリガセンサの位置よりも下であると判定した場合(YESの場合)は、ステップS12からステップS11に戻り、平常時モードを継続する。 If it is determined in step S12 that the water surface is below the position of the trigger sensor (in the case of YES), the process returns from step S12 to step S11, and the normal mode is continued.
ステップS12において水位がトリガセンサの位置に到達したと判定した場合(NOの場合)は、ステップS13に移行する。 When it determines with the water level having reached the position of the trigger sensor in step S12 (in the case of NO), it transfers to step S13.
ステップS13において、主制御部25は切替回路部32を制御して、非常時モードに移行する。非常時モードでは全ての環境発電素子11a〜11hが主制御部25に接続されるとともに、通信部26にも電力が供給される。
In step S13, the
そして、主制御部25は、環境発電素子11a〜11hの出力に基づき水面の位置を詳細に検出するとともに、通信部26を介してセンタ局30に非常事態の発生を通知する。その後、主制御部25は、センタ局30からのポーリングに応じて水位の情報をセンタ局30に送信する。
The
非常時モードになると、ステップS12で水面の位置がトリガセンサの位置よりも下と判定されるまで、非常時モードは継続される。 When the emergency mode is entered, the emergency mode is continued until it is determined in step S12 that the position of the water surface is below the position of the trigger sensor.
上述したように、本実施形態では、水面の位置がトリガセンサの位置よりも低く、水害のおそれがないときには、通信部26を休止状態とし、平常時モードで動作する。そして、平常時モードでは、主制御部25は特定の環境発電素子(本実施形態では環境発電素子11b,11e,11h)の出力のみを監視し、他の環境発電素子で発生した電力は蓄電素子28に蓄積される。これにより、蓄電素子28に、多くの電力が蓄積される。
As described above, in the present embodiment, when the position of the water surface is lower than the position of the trigger sensor and there is no risk of flooding, the
一方、水面の位置がトリガセンサの位置に到達し、水害のおそれがあるときは、全ての環境発電素子が切替回路部32を介して主制御部25に接続され、水面の位置が詳細に検出される。また、通信部26にも駆動電力が供給され、主制御部25は通信部26を介してセンタ局30と通信を行う。これにより、センタ局30では、河川の水位の変化を詳細に知ることができる。
On the other hand, when the position of the water surface reaches the position of the trigger sensor and there is a risk of water damage, all the energy harvesting elements are connected to the
なお、本実施形態ではトリガセンサの位置よりも水面の位置が下の場合は平常時モードとなり、通信部26を休止状態としている。しかし、平常時モードのときに一定の時間毎に通信部26を駆動し、水位測定装置10が正常に稼働中であることをセンタ局30に通知するようにしてもよい。
In the present embodiment, when the position of the water surface is lower than the position of the trigger sensor, the normal mode is set, and the
(第5の実施形態)
図13は、第5の実施形態に係るレベル監視システムを示す模式図である。
(Fifth embodiment)
FIG. 13 is a schematic diagram showing a level monitoring system according to the fifth embodiment.
図13に示すように、本実施形態に係るレベル監視システムは、河川に沿って配置された複数の水位測定装置10と、それらの水位測定装置10との間で通信を行うセンタ局30とを有する。本実施形態では、水位測定装置10として第1の実施形態の装置(図1参照)を使用する。
As shown in FIG. 13, the level monitoring system according to the present embodiment includes a plurality of water
センタ局30は、例えば一定の時間毎にポーリングを行い、各水位測定装置10から河川の水位の情報を収集する。また、センタ局30は、それらの水位測定装置10から送られてくる情報に異常値がある場合、ポーリング間隔を短縮して各水位測定装置10からより詳細な水位の情報を収集する。
The
そして、センタ局30は、それらの情報から河川の各位置の水位がわかるように画像化したデータを作成し、通信網38を介してクライアント36に提供する。また、河川の水位が異常に上昇して水害が発生するおそれがある場合、センタ局30はクライアント36に警報を発生する。
Then, the
このように、本実施形態に係るレベル監視システムでは、多数の水位測定装置10により収集した河川の各位置の水位の情報がセンタ局30に集約される。そして、センタ局30では、それらの情報を一括管理し、水害が発生するおそれがあるときにはクライアント36に警報を発生する。これにより、水害による被害を最小に抑えることが可能になる。
As described above, in the level monitoring system according to the present embodiment, the information on the water level at each position of the river collected by a large number of water
なお、図14に示すように、センタ局30と水門開閉装置39とを通信接続し、水位測定装置10で測定した河川の水位の情報に基づいて水門を自動的に開閉するようにしてもよい。
As shown in FIG. 14, the
また、図15に示すように、特定の水位測定装置10と同じ場所に補正用水位計40を設置し、水位測定装置10により測定した水位と補正用水位計40で測定した水位とをセンタ局30で比較するようにしてもよい。補正用水位計40として、例えば比較的高精度で水位を測定できる超音波式水位計等を用いることができる。
Further, as shown in FIG. 15, a correction
これにより、水位測定装置10により測定した水位を補正して測定精度を向上させることができ、測定の信頼性が向上する。また、水位測定装置10により測定した水位と補正用水位計で測定した水位とが大きく異なる場合は、水位測定装置10の故障と判定することもできる。
Thereby, the water level measured by the water
(第6の実施形態)
図16は、第6の実施形態に係るレベル検出装置を示す模式図である。本実施形態は、容器内に収納された粉体のレベルを検出する粉体レベル検出装置に適用した例について説明している。
(Sixth embodiment)
FIG. 16 is a schematic diagram illustrating a level detection apparatus according to the sixth embodiment. In the present embodiment, an example in which the present invention is applied to a powder level detection device that detects the level of powder stored in a container is described.
図16に示すように、粉体レベル検出装置70は、支柱71と、支柱71の長手方向に沿って一定の間隔で配置された複数の太陽電池(環境発電素子)72と、外部の装置(外部の設備)との間で通信を行う電子回路部73を有する。この粉体レベル検出装置70は、粉体76が装入された容器75内に、長手方向を垂直にして配置される。
As shown in FIG. 16, the powder
各太陽電池72は、光源77から放射される光の受光量に応じた電力を発生する。従って、粉体76のレベルよりも上に配置された太陽電池72では、光源77から放出される光を遮るものがないので、発電量は多い。しかし、粉体76のレベルよりも下に配置された太陽電池72では、粉体76により光が遮られるので、発電量は少ない。電子回路部73は、各太陽電池72の発電量により、粉体76のレベルを検出する。
Each
電子回路部73は、第1の実施形態と同様に、主制御部、通信部、電源制御部及び蓄電素子を備え、通信部を介して粉体76のレベルの情報を外部の装置に送信する。
Similar to the first embodiment, the
本実施形態においても、第1の実施形態と同様に、センサによる電力消費量は0であり、多数のセンサを使用して粉体のレベルを詳細に検出することができる。また、センサ(太陽電池)で発生した電力を用いて電子回路を駆動するので、ランニングコスト及びメンテナンスコストが低いという利点がある。 Also in the present embodiment, as in the first embodiment, the power consumption by the sensor is 0, and the powder level can be detected in detail using a large number of sensors. In addition, since the electronic circuit is driven using the electric power generated by the sensor (solar cell), there is an advantage that the running cost and the maintenance cost are low.
なお、開示した技術は、河川の水位や粉体のレベルの検出以外の用途として、積雪量の検出や土砂崩れの検出などにも適用ができる。 The disclosed technology can also be applied to the detection of the amount of snow and the detection of landslides as uses other than the detection of river water level and powder level.
以上の諸実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。 The following additional notes are disclosed with respect to the above embodiments.
(付記1)支持体と、
前記支持体に配列し、非電気エネルギーを電気エネルギーに変換する複数の環境発電素子と、
前記複数の環境発電素子のそれぞれからの出力に基づいて検出対象の境界の位置を検出する電子回路部と
を有することを特徴とするレベル検出装置。
(Appendix 1) a support;
A plurality of energy harvesting elements arranged on the support and converting non-electric energy into electric energy;
An electronic circuit unit that detects a position of a boundary of a detection target based on outputs from each of the plurality of energy harvesting elements.
(付記2)前記複数の環境発電素子は複数の熱電変換素子であり、
更に、前記支持体を被覆し、前記支持体よりも低い熱伝導率を有する断熱部材を有することを特徴とする付記1に記載のレベル検出装置。
(Appendix 2) The plurality of energy harvesting elements are a plurality of thermoelectric conversion elements,
The level detection apparatus according to
(付記3)前記電子回路部は、外部の設備に通信接続する通信部を備えることを特徴とする付記1又は2に記載のレベル検出装置。
(Additional remark 3) The said electronic circuit part is equipped with the communication part which carries out communication connection to an external installation, The level detection apparatus of
(付記4)前記電子回路部は、前記環境発電素子からの出力に基づき、前記検出対象の境界を判定する主制御部と、前記環境発電素子から出力される電力を蓄積する蓄電素子と、前記複数の環境発電素子で発生した電極を前記蓄積素子に蓄積する電源制御部とを備えることを特徴とする付記1乃至3のいずれか1項に記載のレベル検出装置。
(Supplementary Note 4) The electronic circuit unit includes a main control unit that determines a boundary of the detection target based on an output from the energy harvesting element, a power storage element that accumulates power output from the energy harvesting element, The level detection apparatus according to any one of
(付記5)更に、前記蓄電素子に電気エネルギーを供給する補助電源を有することを特徴とする付記4に記載のレベル検出装置。 (Supplementary note 5) The level detection device according to supplementary note 4, further comprising an auxiliary power source for supplying electric energy to the power storage element.
(付記6)前記検出対象が液体であり、前記複数の環境発電素子の一部が前記液体に接触することを特徴とする付記1乃至5のいずれか1項に記載のレベル検出装置。
(Supplementary note 6) The level detection device according to any one of
(付記7)前記検出対象が粉体であり、前記複数の環境発電素子の一部が前記粉体に接触することを特徴とする付記1乃至5のいずれか1項に記載のレベル検出装置。
(Supplementary note 7) The level detection apparatus according to any one of
(付記8)前記検出対象が河川を流れる水であり、前記複数の環境発電素子のうちの一部が前記河川を流れる水に接触し、前記電子回路部は前記複数の環境発電素子のそれぞれから出力される電力に基づいて前記河川の水位を検出することを特徴とする付記1乃至5のいずれか1項に記載のレベル検出装置。
(Supplementary note 8) The detection target is water flowing through a river, a part of the plurality of energy harvesting elements is in contact with water flowing through the river, and the electronic circuit unit is connected to each of the plurality of energy harvesting elements. 6. The level detection apparatus according to any one of
(付記9)前記支持体は、前記河川の川岸に接して配置されることを特徴とする付記8に記載のレベル検出装置。
(Additional remark 9) The said support body is arrange | positioned in contact with the riverbank of the said river, The level detection apparatus of
(付記10)前記電子回路部は、前記複数の環境発電素子のうちの特定の環境発電素子をトリガセンサとし、前記河川の水位が前記トリガセンサよりも下か否かにより動作モードを切り替えることを特徴とする付記8又は9に記載のレベル検出装置。
(Additional remark 10) The said electronic circuit part uses a specific environmental power generation element of the said plurality of environmental power generation elements as a trigger sensor, and changes an operation mode by whether the water level of the said river is lower than the said trigger sensor.
(付記11)前記環境発電素子は、圧電素子、太陽電池及び振動発電素子のいずれかであることを特徴とする付記1に記載のレベル検出装置。
(Supplementary note 11) The level detection device according to
(付記12)
検出対象の境界の位置を検出する複数のレベル検出装置と、
前記複数のレベル検出装置から前記検出対象の境界の位置の情報を収集するセンタ局とを有し、
前記レベル検出装置は、
支持体と、
前記支持体に配列して、非電気エネルギーを電気エネルギーに変換する複数の環境発電素子と、
前記複数の環境発電素子のそれぞれからの出力に基づいて前記検出対象の境界の位置を検出する電子回路部と
を有することを特徴とするレベル監視システム。
(Appendix 12)
A plurality of level detection devices for detecting the position of the boundary of the detection target;
A center station that collects information on the position of the detection target boundary from the plurality of level detection devices,
The level detection device includes:
A support;
A plurality of energy harvesting elements arranged on the support to convert non-electric energy into electrical energy;
An electronic circuit unit that detects a position of a boundary of the detection target based on outputs from each of the plurality of energy harvesting elements.
(付記13)前記物質が河川を流れる水であり、前記レベル検出装置の前記複数の環境発電素子のうちの一部が前記河川を流れる水に接触し、
前記センタ局は前記複数のレベル検出装置から取得した水位の情報から水害のおそれの有無を判定し、水害のおそれがあると判定したときには警報を発生することを特徴とする付記12に記載のレベル監視システム。
(Supplementary note 13) The substance is water flowing through a river, and a part of the plurality of energy harvesting elements of the level detection device is in contact with water flowing through the river,
13. The level according to
(付記14)更に、補正用水位計を有し、前記レベル検出装置で検出した水位を前記補正用水位計で検出した水位を用いて補正することを特徴とする付記13に記載のレベル監視システム。
(Supplementary note 14) The level monitoring system according to
10,10a,10b…水位測定装置(レベル検出装置)、11…環境発電素子、12…基準温度設定部、13…断熱部材、14…電子回路部、15…支柱、16…発電素子、20…熱電変換素子、21a…n型熱電構造体、21b…p型熱電構造体、22…電極、23…保護部材、24a,24b…伝熱板、25…主制御部、26…通信部、27…電源制御部、28…蓄電素子、29…太陽電池、30…センタ局、32…切替回路部、36…クライアント、38…通信網、39…水門開閉装置、40…補正用水位計、52…河川、53…川岸、70…粉体レベル検出装置、71…支柱、72…太陽電池、73…電子回路部、75…容器、76…粉体、77…光源。
DESCRIPTION OF
Claims (11)
前記支持体に配列し、非電気エネルギーを電気エネルギーに変換する複数の環境発電素子と、
前記複数の環境発電素子のそれぞれからの出力に基づいて検出対象の境界の位置を検出する電子回路部と
を有することを特徴とするレベル検出装置。 A support;
A plurality of energy harvesting elements arranged on the support and converting non-electric energy into electric energy;
An electronic circuit unit that detects a position of a boundary of a detection target based on outputs from each of the plurality of energy harvesting elements.
更に、前記支持体を被覆し、前記支持体よりも低い熱伝導率を有する断熱部材を有することを特徴とする請求項1に記載のレベル検出装置。 The plurality of energy harvesting elements are a plurality of thermoelectric conversion elements,
The level detection apparatus according to claim 1, further comprising a heat insulating member that covers the support and has a lower thermal conductivity than the support.
前記複数のレベル検出装置から前記検出対象の境界の位置の情報を収集するセンタ局とを有し、
前記レベル検出装置は、
支持体と、
前記支持体に配列して、非電気エネルギーを電気エネルギーに変換する複数の環境発電素子と、
前記複数の環境発電素子のそれぞれからの出力に基づいて前記検出対象の境界の位置を検出する電子回路部と
を有することを特徴とするレベル監視システム。 A plurality of level detection devices for detecting the position of the boundary of the detection target;
A center station that collects information on the position of the detection target boundary from the plurality of level detection devices,
The level detection device includes:
A support;
A plurality of energy harvesting elements arranged on the support to convert non-electric energy into electrical energy;
An electronic circuit unit that detects a position of a boundary of the detection target based on outputs from each of the plurality of energy harvesting elements.
前記センタ局は前記複数のレベル検出装置から取得した水位の情報から水害のおそれの有無を判定し、水害のおそれがあると判定したときには警報を発生することを特徴とする請求項10に記載のレベル監視システム。 The detection target is water flowing through a river, a part of the plurality of energy harvesting elements of the level detection device is in contact with water flowing through the river,
11. The center station according to claim 10, wherein the center station determines whether or not there is a risk of water damage from information on the water level acquired from the plurality of level detection devices, and generates an alarm when determining that there is a risk of water damage. Level monitoring system.
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