JP2021156617A - 水位計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】田んぼなどの自然界の環境下であっても外的要因による誤差を排除した正確な水位を測定することができる水位計測装置を提供する。【解決手段】高さ方向を長手方向とする磁気コア１２の下方部分に異なる高さで巻回される複数の励磁コイル１３ａ〜１３ｄからなる一次コイルと、当該一次コイルが配設される位置よりも高い位置で磁気コア１２に巻回される検出コイル１６からなる二次コイルと、一次コイルに交流電圧を印加する交流電源１４と、当該交流電源１４と一次コイルとの接続状態を切り替えるスイッチ１５ａ〜１５ｄと、スイッチ１５ａ〜１５ｄの動作を制御する制御部１８と、一次コイルに印加される交流電圧に対応して二次コイルに通電される電流値又は電圧値に基づいて水位を演算する演算装置２０とを備える。【選択図】図２

Description

本発明はコイルの相互誘導作用を利用して水位を計測する水位計測装置に関する。

農業などにおいて水位を適正に管理する必要がある。水位計には水圧式、電波式、フロート式、光学式などの種類があるがいずれも高価であることが多く、安価で正確な水位計の開発が望まれている。

また、磁界の変化を利用した水位計も知られている（例えば、特許文献１、２を参照）。特許文献１に示す技術は、コイルと外槽に溜められた水の水圧に比例して前記コイルに挿入される磁性体を有する水位検出手段と、前記コイルの近傍に固定されバネと磁石からなる可動子が前記コイルに対して相対振動することでコイルに誘起される電圧から外槽の振動を検出する振動検出手段とで構成される水位兼振動検出手段を洗濯機外枠に備え、これに基づき外槽内の水位と外槽の振動を同時、独立に検出して、洗濯動作の制御を行う洗濯工程制御部より構成されるものである。

また、特許文献２に示す技術は、上側励磁コイルＣ_Ａを励磁したときの電極２２による流量信号出力Ｏ_Ａと、下側励磁コイルＣ_Ｂを励磁したときの流量信号出力Ｏ_Ｂの比をＯ_Ｂ／Ｏ_Ａとし、励磁コイルＣ_Ａの幅Ｗ_Ａに比較して励磁コイルＣ_Ｂの幅Ｗ_Ｂが小さいため、低水位になるほど励磁コイルＣ_Ａによる磁束密度に対する励磁コイルＣ_Ｂによる磁束密度の比が大きくなり、小流量でもＯ_Ｂ／Ｏ_Ａが一価関数に保たれ、正確な流量が求められるものである。

特開２００２−３５５４８８号公報 特開２０００−７４７１２号公報

上記各特許文献においては、ある程度閉塞された安定した環境下での水位や流量の計測が可能であるものの、自然界における田んぼ、池、川、湖などの不安定な環境下においては不測の外的要因などにより測定誤差が大きくなってしまい、正確な水位や流量を計測することが困難であるという課題を有する。

特に、田んぼなどの水底においてセンサ自体が泥に埋設してしまったり、生息する生き物（例えば、カエル、カタツムリ等）がセンサに取り付いてしまうような環境においては、上記各特許文献に記載された技術を適用するのは難しく、誤差を補って正確に検出することが困難となってしまう。

本発明は、田んぼなどの自然界の環境下であっても外的要因による誤差を排除した正確な水位を測定することができる水位計測装置を提供する。

本発明に係る水位計測装置は、高さ方向を長手方向とするコアの一端側に異なる高さで巻回される複数の励磁コイルからなる一次コイルと、前記一次コイルが配設される位置の反対の他端側で前記コアに巻回される検出コイルからなる二次コイルと、前記一次コイルに交流電圧を印加する交流電源と、前記二次コイルの電気的特性の変化を検出する検出手段と、前記交流電源と前記一次コイルとの接続状態を切り替える切替手段と、前記切替手段の動作を制御する制御手段と、前記一次コイルに印加される交流電圧に対応して前記検出手段で検出された前記二次コイルの電気的特性の変化に基づいて水位を演算する演算手段とを備えるものである。

このように、本発明に係る水位計測装置においては、高さ方向を長手方向とするコアの一端側に異なる高さで巻回される複数の励磁コイルからなる一次コイルと、前記一次コイルが配設される位置の反対の他端側で前記コアに巻回される検出コイルからなる二次コイルと、前記一次コイルに交流電圧を印加する交流電源と、前記二次コイルの電気的特性の変化を検出する検出手段と、前記交流電源と前記一次コイルとの接続状態を切り替える切替手段と、前記切替手段の動作を制御する制御手段と、前記一次コイルに印加される交流電圧に対応して前記検出手段で検出された前記二次コイルの電気的特性の変化に基づいて水位を演算する演算手段とを備えるため、水中にある励磁コイル、水上にある励磁コイル、泥に埋設された励磁コイル、生物が取り付いた励磁コイル等、各励磁コイルの状態に応じた相互誘導作用による二次コイルの電流値又は電圧値等の電気的特性を検出することができ、水位を正確に測定することができると共に、センサの状態を把握することができるという効果を奏する。

第１の実施形態に係る水位計測装置を用いたシステムの構成を示すブロック図である。 第１の実施形態に係る水位計測センサの構成を示す図である。 第１の実施形態に係る水位計測センサで測定した情報に基づいて水位を演算する演算装置の構成を示す機能ブロック図である。 水中及び水上における水位計測センサの状態の一例を示す図である。 第１の実施形態に係る演算装置に記憶される第１の状態における検出コイルの電流値又は電圧値と水位との関係を示すデータの一例である。 第１の実施形態に係る水位計測センサにおいて制御部によるスイッチの切り替えにより各励磁コイルごとに個別に計測を行う場合の各構成を示す図である。 第１の実施形態に係る演算装置に記憶される第２の状態における検出コイルの電流値又は電圧値と水位等との関係を示すデータの一例である。 第１の実施形態に係る演算装置に記憶される想定される環境ごとの電流値又は電圧値と水位との関係を示すデータの一例である。 第１の実施形態に係る水位計測システムの処理を示すフローチャートである。 第２の実施形態に係る水位計測センサの構成を示す図である。 第２の実施形態に係る演算装置に記憶される第１の状態における検出コイルの電流値又は電圧値と水位との関係を示すデータの一例である。 第２の実施形態に係る演算装置に記憶される第２の状態における検出コイルの電流値又は電圧値と水位との関係を示すデータの一例である。 一次コイルを磁気コアの上方、二次コイルを磁気コアの下方に設置した場合の水位計測センサの構造の一例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を説明する。また、本実施形態の全体を通して同じ要素には同じ符号を付けている。

（本発明の第１の実施形態）
本実施形態に係る水位計測装置について、図１ないし図９を用いて説明する。本実施形態に係る水位計測装置は、空気、水、泥、生物などの透磁率の違いを利用して田んぼ、池、湖、川などの自然界や下水、野外プールといった環境が比較的不安定な場所における水位を正確に計測するものである。田んぼなどの不安定な環境においてその水位を測る場合、上記でも示したように水底の泥、生物の付着、汚れの付着などにより正確に測定することができない。本実施形態においては、複数の励磁コイルを用いることでこれらの問題を解消する。また、これら複数の励磁コイルを直列接続した一の励磁コイルに切り替えて測定した場合や、各励磁コイルで個別に測定した場合の測定結果を比較することで、外的要因による誤差を排除して高精度に水場の状態を検出するものである。

図１は、本実施形態に係る水位計測装置を用いたシステムの構成を示すブロック図である。水位計測システム１は、励磁コイルと検出コイルと用いた相互誘導作用による測定を行う水位計測センサ１０と、水位計測センサ１０が測定した結果に基づいて水位を演算で算出する演算装置２０と、演算装置２０の演算結果を出力する出力デバイス３０とを備える。なお、水位計測センサ１０を水位計測装置として捉えてもよいし、水位計測センサ１０に演算装置２０が組み込まれて一体化したものを水位計測装置として捉えてもよい。図１に示すような水位計測センサ１０と演算装置２０とが別体の場合は、水位計測センサ１０で測定した情報を通信により演算装置２０に送信する水位計測システム１として捉えてもよい。

図２は、本実施形態に係る水位計測センサの構成を示す図である。水位計測センサ１０は、水位の測定対象となる水場の水底に垂直に立設される円柱状又は円筒状の支持体１１の側面周囲を覆うように長手方向断面が中空の磁性コア１２が覆設されている。磁性コア１２の下方部分には一次コイルとなる複数の励磁コイル１３ａ〜１３ｄが所定の巻き数で巻回されている。各励磁コイル１３ａ〜１３ｄはそれぞれ異なる高さに配設されており、どの高さにどの励磁コイル１３ａ〜１３ｄが配設されているかは既知のものである。各励磁コイル１３ａ〜１３ｄには個別に交流電圧を印加できるように交流電源１４が接続されると共に、各励磁コイル１３ａ〜１３ｄと交流電源１４との間には、その接続のＯＮ／ＯＦＦを切り替えるスイッチ１５ａ〜１５ｄが配設されている。スイッチ１５ａ〜１５ｄのＯＮ／ＯＦＦは後述する制御部１８の制御で行われ、スイッチがＯＮの場合には交流電源１４から各励磁コイルに電圧が印加され、スイッチがＯＦＦの場合には交流電源１４から各励磁コイルに電圧が印加されない。また、各励磁コイル１３ａ〜１３ｄはスイッチ１５ａ〜１５ｄのＯＮ／ＯＦＦに応じてコイル間の接続状態も可変する。

例えば、全てのスイッチ１５ａ〜１５ｄがＯＮの場合は、各コイルが直列に接続された一つの大きな一次コイルとして機能することができるようになっている。また例えば、スイッチ１５ａのみＯＮでスイッチ１５ｂ〜１５ｄがＯＦＦの場合は、交流電源１４から励磁コイル１３ａにのみ電圧が印加され、励磁コイル１３ｂ〜１３ｄには電圧が印加されない。つまり、この場合は励磁コイル１３ａのみが一次コイルとして機能する。同様に、スイッチ１５ｂのみがＯＮの場合は励磁コイル１３ｂのみが一次コイルとなり、スイッチ１５ｃのみがＯＮの場合は励磁コイル１３ｃのみが一次コイルとなり、スイッチ１５ｄのみがＯＮの場合は励磁コイル１３ｄのみが一次コイルとなる。このように、スイッチ１５ａ〜１５ｄの切り替えに応じて、一次コイルとして機能させる励磁コイル１５ａ〜１５ｄを選択的に制御することが可能となっている。

一次コイルの上方には、当該一次コイルで励磁された磁界を相互誘導作用により電流値又は電圧値として検出するための検出コイル１６が巻回されている。検出コイル１６の電流又は電圧を電流／電圧検出部１７が検出し、その情報が制御部１８を介して送受信部１９に渡され、送受信部１９により演算装置２０に送信される。また、必要に応じて演算装置２０からの情報を送受信部１９が受信し制御部１８に渡す。

ここで、制御部１８によるスイッチ１５ａ〜１５ｂの制御について説明する。水位の計測は定期的又は不定期に行われる。また常時計測してもよいし、ある間隔を置いて計測するようにしてもよい。いずれの場合であっても、まず制御部１８が全てのスイッチ１５ａ〜１５ｄをＯＮにする。全てのスイッチ１５ａ〜１５ｄがＯＮになると励磁コイル１３ａ〜１３ｄ及び交流電源１４が全て直列接続される。この状態で励磁コイル１５ａ〜１５ｄにより発生した磁界の相互誘導作用による検出コイル１６の電流値又は電圧値を検出し、制御部１８を経由して送受信部１９が演算装置２０に送信する。制御部１８は励磁コイル１３ａ〜１３ｄによる検出が完了すると、スイッチ１５ａのみをＯＮにしてスイッチ１５ｂ〜１５ｄをＯＦＦにする。この状態で励磁コイル１３ａにより発生した磁界の相互誘導作用による検出コイル１６の電流値又は電圧値を検出し、制御部１８を経由して送受信部１９により演算装置２０に送信する。同様に、順次スイッチ１５ｂ、１５ｃ、１５ｄをＯＮにしてその時の検出コイル１６の電流値又は電圧値を検出し演算装置２０に送信する。つまり、一次コイルが励磁コイル１３ａ〜１３ｄ→励磁コイル１３ａ→励磁コイル１３ｂ→励磁コイル１３ｃ→励磁コイル１３ｄと順次移行し、これらの一次コイルで発生した磁界の相互誘導作用による検出コイル１６の電流値又は電圧値が計測される。

また、水位計測センサ１０の原理について説明する。水位計測センサ１０は、水の透磁率と空気の透磁率の違いを利用することで水位を測定することが可能となっている。つまり、励磁コイル１３ａ〜１３ｄの外側を通る磁界は、空気中と水中とでその透磁率の差から異なる大きさとなる。つまり、励磁コイル１３ａ〜１３ｄで発生する磁界の大きさを計測することで、発生した磁界の磁路が水であるか空気であるか、又はその他の泥や生物であるかを見分けることが可能である。励磁コイル１３ａ〜１３ｄで発生する磁界の大きさは、上述したように相互誘導作用による二次コイル（検出コイル１６）の電流値又は電圧値を測定することでわかる。なお、励磁コイル１３ａ〜１３ｄの内側を通る磁界は、ほとんど磁性コア１２を磁路とするため磁界の大きさに影響がない。

図３は、本実施形態に係る水位計測センサで測定した情報に基づいて水位を演算する演算装置の構成を示す機能ブロック図である。演算装置２０は、水位計測センサ１０からの計測情報２１を入力する入力部２２と、スイッチ１５ａ〜１５ｄを全てＯＮにした第１の状態で計測した場合の検出コイル１６における電流値又は電圧値と水位との関係を記憶する水位情報記憶部２３と、水位情報記憶部２３に記憶された電流値又は電圧値と水位との関係から第１の状態で計測された電流値又は電圧値に相当する水位を抽出して求める水位算出部２４と、スイッチ１５ａ〜１５ｄを１つずつ個別にＯＮにした第２の状態で計測した場合の各励磁コイル１３ａ〜１３ｄに対応する検出コイル１６の電流値又は電圧値と水位との関係、及び電流値又は電圧値と埋設の深さとの関係を記憶する個別情報記憶部２５と、個別情報記憶部２５に記憶された電流値又は電圧値と水位との関係、及び電流値又は電圧値と埋設との関係から第２の状態で計測された電流値又は電圧値に相当する水位や埋設の状態を抽出して求める個別算出部２６と、水位算出部２４及び個別算出部２６で算出された結果に基づいて水場の状態を演算する状態演算部２７と、状態演算部２７で演算された結果を出力デバイス３０に出力する出力制御部２８とを備える。

本実施形態においては、第１の状態で求めた水位と第２の状態で求めた水位とを比較することで正確な水位が得られると共に、第２の状態から水中のセンサの状態を把握することが可能となっている。また、後述するように第１の状態で求めた水位の情報を利用することで第２の状態の演算を簡略化することが可能となっている。水位及び水中の状態演算について、以下具体例を挙げて説明する。

図４は、水中及び水上における水位計測センサの状態の一例を示す図である。ここでは、励磁コイル１３ｂの途中位置に水位があり、励磁コイル１３ｄの途中位置までは水底の泥に埋設されている。すなわち、励磁コイル１３ｂの下側一部と励磁コイル１３ｃ全体と励磁コイル１３ｄの上側一部が水中にあり、励磁コイル１３ａ全体と励磁コイル１３ｂの上側一部が水上（大気中）にあり、励磁コイル１３ｄの下側一部が地中にある状態とする。

なお、本実施形態に係る水位計測センサ１０は水位を測定することが主目的であることから、少なくとも一次コイルが配設されている高さの範囲内に水位があることを前提とする。すなわち、一次コイルのいずれかの高さに水位が来るように励磁コイル１３ａ〜１３ｄが配設されている。

図４において、まず一次コイルが励磁コイル１３ａ〜１３ｄを直列に接続した第１の状態（制御部８によりスイッチ１５ａ〜１５ｄが全てＯＮになった状態）で水位の計測を行う。具体的には交流電源１４から印加された電圧により励磁コイル１３ａ〜１３ｄに励磁電流が流れ磁界が発生する。励磁コイル１３ａ〜１３ｄで発生した磁界は磁気コア１２が磁路となって二次コイルである検出コイル１６に届き、検出コイル１６には一次コイルの磁界を打ち消す方向の電流が流れる。このときの電流値又は電圧値を電流／電圧検出部１７が検出し、制御部１８を経由して演算装置２０に送信される。演算装置２０の水位情報記憶部２３には、例えば図５に示すような第１の状態における検出コイル１６の電流値又は電圧値と水位との関係が記憶されており、水位算出部２４により水位検出センサ１０で測定された電流値又は電圧値に相当する水位が得られる。図５のデータは予め登録されたものであり、励磁コイル１３ａ〜１３ｄが空気中にある状態から徐々に水位を上げて全体が水中に沈んだ状態になるまでの検出コイル１６の電流値又は電圧値と水位との関係を示すデータである。

ここで、図４に示すように、励磁コイル１３ａ〜１３ｄの一部が泥に埋設されていたり、励磁コイル１３ａ〜１３ｄの外側にカエルやカタツムリなどの生物が張り付いているような外的要因が絡んでいる場合には、励磁コイル１３ａ〜１３ｄで発生した磁界の磁路における透磁率が図５のデータの場合と異なるため、水位情報記憶部２３のデータに基づいて得られた水位に誤差が生じる場合がある。そのため第２の状態における計測も併せて行う。第２の状態においては、図６に示すように、制御部１８によるスイッチ１５ａ〜１５ｄの切り替えにより各励磁コイル１３ａ〜１３ｄごとに個別に計測を行う。図６（Ａ）は励磁コイル１３ａで計測する場合の接続状態、図６（Ｂ）は励磁コイル１３ｂで計測する場合の接続状態、図６（Ｃ）は励磁コイル１３ｃで計測する場合の接続状態、図６（Ｄ）は励磁コイル１３ｄで計測する場合の接続状態を示している。上述したように、制御部１８によりスイッチ１５ａ〜１５ｄのＯＮ／ＯＦＦが切り替えられて順次図６（Ａ）の状態から図６（Ｄ）の状態に遷移しながら計測が行われる。

計測された検出コイル１６の電流値又は電圧値の情報は演算装置２０に送信され、個別演算部２６により、励磁コイル１３ａ〜１３ｄごとに得られた電流値又は電圧値と個別情報記憶部２５に記憶された情報とを用いた演算がなされる。例えば、個別情報記憶部２５には図７に示すような励磁コイル１３ａ〜１３ｄごとに対応する電流値又は電圧値と水位との関係や、電流値又は電圧値と埋設の深さとの関係が記憶されている。図７（Ａ）は励磁コイル１３ａで計測する場合のデータ、図７（Ｂ）は励磁コイル１３ｂで計測する場合のデータ、図７（Ｃ）は励磁コイル１３ｃで計測する場合のデータ、図７（Ｄ）は励磁コイル１３ｄで計測する場合のデータを示しており、図６（Ａ）〜図６（Ｄ）のそれぞれに対応している。各励磁コイル１３ａ〜１３ｄに接続した場合の計測データと図７のデータとを対応付けることで、水位検出センサ１０で測定された電流値又は電圧値に相当する水位や埋設の深さが得られる。

状態演算部２７は、個別算出部２６で得られた励磁コイル１３ａ〜１３ｄごとの水位から正確な水位を算出する。例えば、図４の場合は、励磁コイル１３ａに対する検出コイル１６の電流値又は電圧値はコイル外側の磁路が空気である場合の値となり、励磁コイル１３ｂはコイル外側の磁路が空気と水、励磁コイル１３ｃはコイル外側の磁路が水、励磁コイル１３ｄはコイル外側の磁路が水と泥になることから、まずはコイル外側の磁路が全て空気である励磁コイル１３ａとコイル外側の磁路が全て水である励磁コイル１３ｃとの間、すなわち励磁コイル１３ｂの範囲に水位（水と空気との境界面）があることがわかる。励磁コイル１３ｂについては、検出コイル１６の電流値又は電圧値と図７に示すグラフから励磁コイル１３ｂの範囲内における水位が得られる。前述したように、励磁コイル１３ｂが配設されている位置（高さ）は既知であるため、正確な水位を算出することが可能となる。このように、まずはコイル外側の磁路が全て空気である励磁コイル（励磁コイル１３ａ）と、コイル外側の磁路が全て水である励磁コイル（励磁コイル１３ｃ）とを抽出し、その間の途中位置に水位を有する励磁コイル（励磁コイル１３ｂ）を特定し、この特定された励磁コイルについて配設されている高さと励磁コイル内での図７の情報に基づく水位とを得ることで正確な水位が求められる。

個別算出部２６で得られた情報に基づく水位と水位算出部２４で算出された水位とを比較し、おおよそ同じ結果であればその結果を正式な水位として出力する。ずれが生じた場合には、何らかの外的要因によりずれが生じたものとして以下に説明するような検証を行う。

直上の励磁コイル全体が水中、つまり直上に配設されている励磁コイルのコイル外側の磁路が全て水であるにも関わらず、それよりも下に配設されている励磁コイルがそうなっていない場合は、下側の励磁コイルが泥に埋設されている可能性があるとして図７に示したデータから埋設の深さを算出する。図４の例では、励磁コイル１３ｃが水中に埋没しているにも関わらず、励磁コイル１３ｄのコイル外側の磁路は全てが水になっているわけではないため、励磁コイル１３ｄの一部又は全部が泥に埋設していると判断して埋設の深さを算出する。

そして、その泥に埋設されていると判断された励磁コイルよりもさらに下方に配設されている励磁コイルは当然泥に埋設され、コイル外側の磁路が全て泥の場合（水中であるため厳密には泥水となる）の電流値又は電圧値が検出される。つまり、水位算出部２４で得られた水位は、コイル外側の磁路に存在する泥を無視したものであるため、個別算出部２６で得られた水位とのずれが生じることとなる。このように個別算出部２６で得られた値に矛盾がないような場合は、水位算出部２４で得られた値よりも個別算出部２６で得られた値の方が信憑性が高いと判断でき、個別算出部２６で得られた値の方を正式な水位として採用する。

しかしながら、水位算出部２４で得られた値と個別算出部２６で得られた値とが異なり、且つ個別算出部２６で得られた値に矛盾が生じるような場合は、個別算出部２６で得られた値も信憑性が低くなる。例えば、個別算出部２６で得られた値が下方から順次、泥、水、空気の順に矛盾なく検出されるような場合は特に問題ないが、水中であるはずにも関わらず水中とは外れた値が検出される励磁コイルが存在したり（上下に隣り合う励磁コイルは水に埋没した値が検出されているにも関わらずその中間の励磁コイルはそうなっていないような場合）、空気中であるにも関わらず空気中とは外れた値が検出される励磁コイルが存在するような場合（上下に隣り合う励磁コイルは空気中の値が検出されているにも関わらずその中間の励磁コイルはそうなっていないような場合）はカエルやカタツムリなどの生物やその他の想定外の要因による検出誤差が考えれられる。このような場合は、水位算出部２４で得られた値と個別算出部２６で得られた値のいずれも誤差が生じている可能性があるため、状態演算部２７はそれらの値の平均値を正式な水位として採用することで、誤差を最小限に抑えることができる。

以上のように、状態演算部２７は、水位算出部２４及び個別算出部２６で得られた結果に基づいて水位及びセンサ（励磁コイル）の埋設状態を算出し、出力することが可能となる。

なお、図８に示すように想定される環境ごとに電流値又は電圧値と水位との関係を予めデータとして登録しておくことで、上記のような想定外の誤差が生じた場合により正確な結果を得ることが可能となる。例えば、上述したように隣り合う励磁コイルによる検出コイル１６の電流値又は電圧値と明らかに異なる挙動を示す励磁コイルの検出値が測定された場合には、図８のようなカエルありの場合のデータや苔ありのデータで比較し、合致したデータがあればその合致したデータが異質な挙動の要因であることを特定することが可能となる。図８（Ａ）〜（Ｄ）のデータはそれぞれ図７（Ａ）〜（Ｄ）のデータに対応するものとする。

また、水位算出部２４で算出された第１の状態における結果を用いて個別算出部２６の第２の状態の演算を簡略化するようにしてもよい。例えば、水位算出部２４で算出された水位の情報から水位が含まれる可能性がある励磁コイル（水位に位置している励磁コイルとその上下に隣り合って配設される一又は複数（例えば２〜３個程度）の励磁コイル）のみを抽出し、抽出された励磁コイルに対応するデータについてのみ個別算出部２６による算出処理を行うようにしてもよい。そうすることで、演算処理を簡略化することが可能となる。

上記処理について図９のフローチャートを用いてその手順の一例を説明する。まず、水位計測センサ１０の制御部１８が全てのスイッチ１５ａ〜１５ｄをＯＮにすることで、励磁コイル１３ａ〜１３ｄを直列に接続して１つの励磁コイルとする第１の状態を形成する（Ｓ１）。ここで形成される励磁コイルが一次コイルとなる。交流電源１４から一次コイルに交流電圧が印加され磁界が発生する。電流／電圧検出部１７が、発生した磁界の相互誘導作用による検出コイル１６（＝二次コイル）の電流値又は電圧値を検出する（Ｓ２）。検出された電流値又は電圧値は制御部１８を介して演算装置２０に送信されて（Ｓ３）、水位算出部２４により水位が算出される（Ｓ４）。また同時に、制御部１８は第２の状態に移行するためにスイッチ１５ａ〜１５ｄを切り替え（Ｓ５）、電流／電圧検出部１７が各励磁コイル１３ａ〜１３ｄごとの検出コイル１６の電流値又は電圧値を検出し（Ｓ６）、演算装置２０に送信される（Ｓ７）。個々に全ての励磁コイル１３ａ〜１３ｄについて検出コイル１６の電流値又は電圧値が検出されたかどうかを判定し（Ｓ８）、全ての励磁コイル１３ａ〜１３ｄについて電流値又は電圧値が検出されるまでＳ５〜Ｓ７の処理が繰り返して行われる。全ての励磁コイル１３ａ〜１３ｄについて電流値又は電圧値が検出されると、次回の測定を開始するまで待機状態となり（Ｓ９）、所定時間経過後にＳ１に戻って計測が繰り返される。

一方、演算装置２０においては、Ｓ４で第１の状態における水位を算出した後、Ｓ７で第２の状態における個々の励磁コイル１３ａ〜１３ｄごとの検出コイル１６の電流値又は電圧値を受信し、個別算出部２６が励磁コイル１３ａ〜１３ｄごとに個別に水位や埋設の深さを算出する（Ｓ１０）。状態演算部２７が、水位算出部２４で算出された結果と個別算出部２６で算出された結果とから、水場の水位、センサの埋設状態、生物等の取り付きの有無等を演算処理及び解析処理して特定し（Ｓ１１）、出力制御部２８が出力デバイス３０に演算結果を出力する（Ｓ１２）。一連の処理が終了すると次のセットが開始されるまで待機状態となる。

なお、本実施形態においては円柱状又は円筒状の支持体１１の側面を中空の磁性コア１２で覆う構成としたが、空芯ではない鉄心コイルとして形成されてもよい。

このように、本実施形態に係る水位計測装置においては、高さ方向を長手方向とする磁性コア１２の下方部分に異なる高さで巻回される複数の励磁コイル１３ａ〜１３ｄからなる一次コイルと、当該一次コイルが配設される位置よりも高い位置で磁性コア１２に巻回される検出コイル１６からなる二次コイルと、前記一次コイルに交流電圧を印加する交流電源１４と、当該交流電源１４と一次コイルとの接続状態を切り替えるスイッチ１５ａ〜１５ｄと、当該スイッチ１５ａ〜１５ｄの動作を制御する制御部１８と、前記一次コイルに印加される交流電圧に対応して前記二次コイルに通電される電流値又は電圧値に基づいて水位を演算する演算装置２０とを備えるため、水中にある励磁コイル１３、水上にある励磁コイル１３、泥に埋設された励磁コイル１３、生物が取り付いた励磁コイル１３等、各励磁コイル１３の状態に応じた相互誘導作用による二次コイルの電流値又は電圧値を検出することができ、水位を正確に測定することができると共に、センサの状態を正確に把握することができる。

また、制御部１８が、全ての前記励磁コイル１３ａ〜１３ｄを直列に接続した状態で交流電源１４に接続する第１の状態と、複数の励磁コイル１３ａ〜１３ｄのうち一の当該励磁コイル１３が交流電源１４に接続する第２の状態とを切り替えるようにスイッチ１５ａ〜１５ｄを制御し、演算装置２０が、第１の状態において水位を演算すると共に第２の状態において水中における磁性コア１２の埋設状態を演算するため、全ての励磁コイルが直列に接続された第１の状態でおおよその水位を演算し、第２の状態で各励磁コイルごとの状態を演算することで、より正確にセンサの状態を把握することができる。

さらに、前記磁性コア１２が長手方向断面が空洞になっている磁性体からなるため、磁性コア１２がシールドとなり、その内部に強磁性ではない部品などを配置することができセンサを小型化することが可能となる。

さらにまた、個別の励磁コイル１３ａ〜１３ｄにおいて藻やごみなどの外的な要因により検出コイル１６での検出が困難になるほど発生する磁界が弱まってしまった場合には、隣合う励磁コイル１３と直列接続させることで、検出コイル１６にて検出可能なレベルの磁界を発生させるように制御してもよい。すなわち、複数の隣り合う励磁コイル１３を直接に接続することで、より高いエネルギーで磁束を検出コイル１６に鎖交させて高感度に電流値又は電圧値を検出できるようにしてもよい。

（本発明の第２の実施形態）
本実施形態に係る水位計測装置について、図１０ないし図１３を用いて説明する。本実施形態に係る水位計測装置は、前記第１の実施形態に係る水位計測装置を応用したものであり、相互誘導作用による電流値又は電圧値での検出ではなく、一次コイルと二次コイルとの共振周波数に応じた水位を検出するものである。なお、本実施形態において前記第１の実施形態を重複する説明は省略する。

図１０は、本実施形態に係る水位計測センサの構成を示す図である。前記第１の実施形態における図２と異なるのは、交流電源１４が印加する交流電圧の周波数を可変する周波数制御部４１を新たに備え、制御部１８が電流／電圧検出部１７で検出された共振点における周波数を周波数制御部４１から取得し、送受信部１９を介して演算装置２０に送信する。

演算装置２０においては、水位情報記憶部２３に、例えば図１１に示すような第１の状態における一次コイル及び二次コイルの共振周波数と水位との関係が記憶されており、水位算出部２４により水位検出センサ１０で測定された共振周波数に相当する水位が得られる。個別情報記憶部２５についても同様に、例えば図１２に示すような第２の状態における一次コイル及び二次コイルの共振周波数と水位との関係、共振周波数と埋設の深さとの関係が記憶されており、個別算出部２６により水位検出センサ１０で測定された各励磁コイルごとの共振周波数に相当する水位や埋設の深さが得られる。

このように、本実施形態に係る水位計測装置においては、交流電源１４が一次コイルに印加する交流電圧の周波数を変化させ（又は交流電源１４の印加電圧の周波数を調整する周波数制御部４１を備え）、演算装置２０が、二次コイルの電流値又は電圧値から一次コイルと前記二次コイルとが共振した場合の周波数を取得し、当該周波数に基づいて水位を演算するため、例えば水と空気とによる透磁率の差を共振により際立って検出することが可能となり、水位を正確に求めることができると共にセンサの状態を正確に把握することができる。

なお、上記各実施形態において電流／電圧検出部１７の代わりに電圧検出部を備え、検出コイル１６の電圧値に基づいて水位等を算出するようにしてもよい。また、上述したように磁気コア１２は支持体１１の外側面を覆うように配設されるが、支持体１１として立設式の農業センサ等を用いるようにしてもよい。すなわち、立設式の農業センサの一機能として本発明の水位計測装置（水位計測センサ）を備える構成であってもよい。

また、上記の説明においては複数の励磁コイル１３ａ〜１３ｄからなる一次コイルを磁気コア１２の下方、検出コイル１６からなる二次コイルを磁気コア１２の上方に配置する構成としたが、図１３に示すように、一つの励磁コイル１３からなる一次コイルを磁気コア１２の上方、複数の検出コイル１６ａ〜１６ｄからなる二次コイルを磁気コア１２の下方に配設するようにしてもよい。この場合、励磁コイル１３には交流電源１４が接続され電圧が印加される。検出コイル１６ａ〜１６ｄには、それぞれの電流値又は電圧値を検出する電流／電圧検出部１７が接続され、検出された結果は信号送信部１２０から制御部１８に（又は演算装置２０に直接）送信される。

なお、信号送信部１２０による信号の送信には電力が必要となるため、予め一次コイルである励磁コイル１３からから二次コイルである検出コイル１６ａ〜１６ｄに送電がなされ、当該検出コイル１６ａ〜１６ｄに接続する蓄電部１２１（例えばコンデンサ）に蓄電されるような構成であってもよい。こうすることで、励磁に必要な大きめの交流電源１４を水上（地上）に配置することが可能となりメンテナンス等を効率を上げることができる。また、信号送信部１２０の駆動は一次コイルからの無線給電により蓄えられた蓄電部１２１の電力で補われることから、専用の電源を水中に地中に配置する必要がなく、また配線の引き回しも不要となり、設置やメンテナンスの手間を低減することができる。

１ 水位計測システム
１０ 水位計測センサ
１１ 支持体
１２ 磁気コア
１３（１３ａ〜１３ｄ） 励磁コイル
１４ 交流電源
１５（１５ａ〜１５ｄ） スイッチ
１６ 検出コイル
１７ 電流／電圧検出部
１８ 制御部
１９ 送受信部
２０ 演算装置
２１ 計測情報
２２ 入力部
２３ 水位情報記憶部
２４ 水位算出部
２５ 個別情報記憶部
２６ 個別算出部
２７ 状態演算部
２８ 出力制御部
３０ 出力デバイス
４１ 周波数制御部

Claims (6)

1. 高さ方向を長手方向とするコアの一端側に異なる高さで巻回される複数の励磁コイルからなる一次コイルと、
   前記一次コイルが配設される位置の反対の他端側で前記コアに巻回される検出コイルからなる二次コイルと、
   前記一次コイルに交流電圧を印加する交流電源と、
   前記二次コイルの電気的特性の変化を検出する検出手段と、
   前記交流電源と前記一次コイルとの接続状態を切り替える切替手段と、
   前記切替手段の動作を制御する制御手段と、
   前記一次コイルに印加される交流電圧に対応して前記検出手段で検出された前記二次コイルの電気的特性の変化に基づいて水位を演算する演算手段とを備えることを特徴とする水位計測装置。
2. 請求項１に記載の水位計測装置において、
   前記制御手段が、全ての前記励磁コイルを直列に接続した状態で前記交流電源に接続する第１の接続状態と、複数の前記励磁コイルのうち一の当該励磁コイルが前記交流電源に接続する第２の接続状態とを切り替えるように前記切替手段を制御し、
   前記演算手段が、前記第１の接続状態において水位を演算すると共に前記第２の接続状態において水中におけるコアの埋設状態を演算する水位計測装置。
3. 高さ方向を長手方向とするコアの一端側に巻回される励磁コイルからなる一次コイルと、
   前記一次コイルが配設される位置の反対の他端側で前記コアに異なる高さで巻回される複数の検出コイルからなる二次コイルと、
   前記一次コイルに交流電圧を印加する交流電源と、
   前記二次コイルの電気的特性の変化を検出する検出手段と、
   前記検出手段と前記二次コイルとの接続状態を切り替える切替手段と、
   前記切替手段の動作を制御する制御手段と、
   前記一次コイルに印加される交流電圧に対応して前記検出手段で検出された前記二次コイルの電気的特性の変化に基づいて水位を演算する演算手段とを備えることを特徴とする水位計測装置。
4. 請求項３に記載の水位計測装置において、
   前記制御手段が、全ての前記検出コイルを直列に接続した状態で前記検出手段に接続する第１の接続状態と、複数の前記検出コイルのうち一の当該検出コイルが前記検出手段に接続する第２の接続状態とを切り替えるように前記切替手段を制御し、
   前記演算手段が、前記第１の接続状態において水位を演算すると共に前記第２の接続状態において水中におけるコアの埋設状態を演算する水位計測装置。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の水位計測装置において、
   前記コアが長手方向断面が空洞になっている磁性体からなる水位計測装置。
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載の水位計測装置において、
   前記交流電源が前記一次コイルに印加する交流電圧の周波数を変化させ、
   前記演算手段が、前記二次コイルにおける電気的特性の変化から前記一次コイルと前記二次コイルとが共振した場合の周波数を取得し、当該周波数に基づいて前記水位を演算する水位計測装置。

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