JP3692200B2

JP3692200B2 - 水圧センサ

Info

Publication number: JP3692200B2
Application number: JP02217197A
Authority: JP
Inventors: 敬史藤枝; 恒夫森; 幹彦岡野; 裕二那倉
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1996-11-20
Filing date: 1997-01-20
Publication date: 2005-09-07
Anticipated expiration: 2017-01-20
Also published as: JPH10206255A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は水圧を測定するセンサ、特に河川の堤防内などの土中における水圧を観測するためのセンサと、水圧を検知する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
河川の堤防決壊は堤防体内への水の浸潤度合いに大きく依存すると考えられ、この浸潤度は堤防体内の水圧（土中水位）を計測することにより監視できると考えられる。従来、この種の水圧を測定する技術として電気式の圧力計が知られている。
【０００３】
しかし、従来のこの種のセンサは、複数の設置箇所で得られた測定データを収集するために無線などの伝送装置を設ける必要がある。この場合、伝送装置の電源も必要になる。一方、伝送装置がない場合、各センサの測定データを直接収集しなければならず、時間的，労力的負担が大きい。
【０００４】
従って、本発明の主目的は、個々のセンサに伝送装置を設置することなく水圧の監視ができるセンサと水圧の検知方法とを提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明センサは上記の目的を達成するためになされたもので、水圧の変化に伴って伸縮するベローズの動きを光ファイバの張力変化に変換し、光ファイバに生じた歪みの変化から水圧を検知するものである。
【０００６】
すなわち、光ファイバと、水圧に伴って伸縮するベローズと、光ファイバの一途中に設けられ、可動端と固定端とを有する張力付与部とを具え、この張力付与部の可動端がベローズの伸縮に連動されていることを特徴とする。
【０００７】
張力付与部はの具体的な構成としては，次のものが挙げられる。
(1) 光ファイバの途中を曲げた屈曲部と、この屈曲部を把持する固定端と、固定端から離れた位置において光ファイバを把持する可動端とを具える。さらに定滑車とウェイトとを具え、前記可動端とウェイトとを定滑車に掛けられたワイヤで接続する。
【０００８】
(2) 可動端をベローズの伸縮に連動する移動掛合部とし、固定端をベローズの伸縮に連動しない固定掛合部として、光ファイバを両掛合部に架け渡して巻き付ける。各掛合部の具体的構成としては円盤状のリールなどが挙げられる。この場合、移動掛合部と固定掛合部の間隔を調整自在に構成することが好適である。これにより、光ファイバの張力を調整し、初期設定時に光ファイバに過大な張力がかかったり、逆に弛んで圧力検知の不感帯が生じることを防止する。
【０００９】
上記のいずれの構成においても、張力付与部を収納するケースを設け、このケースに通気孔を設けることが好ましい。通気孔によりケース内を大気圧と同等に保持することができる。
【００１０】
また、張力付与部を収納するケースを設けて、このケースに光ファイバを収納するまでの途中に防湿機構を設けることが望ましい。ケース内に外気が導入され、温度変化により結露が繰り返されるとケース内に水が溜ることがある。そのため、防湿機構を設ければケース内に水が溜って生じる不動作を防止できる。
【００１１】
さらに、本発明水圧検知方法は、水圧変化に対応して伸縮するベローズの動きと、光ファイバに張力を付与する張力付与部の動きとを連動し、この張力付与に伴う光ファイバの歪みを監視することで水圧を検知することを特徴とする。
【００１２】
水圧の検出は、光ファイバに張力が付与されたことに伴って変化する歪みを検出することで行えばよい。従って、水圧の監視を行うときには、光ファイバの端部に歪み測定装置を接続する。例えば、ＢＯＴＤＲを接続することで、光ファイバの長手方向における歪み分布を測定し、歪みの増加から水圧を検出する。
【００１３】
一連の光ファイバの途中で前記のセンサを複数形成して光ファイバの歪み測定を行えば、各センサに伝送装置を設置するまでもなく複数箇所の測定データを容易に集約することができる。
【００１４】
なお、ベローズの周囲に保護カバーを設け、土砂などの侵入を防止することが望ましい。例えば、保護カバー壁面の一部を網で構成し、水は保護カバー内に侵入できるが、土砂は侵入できないように構成する。この保護カバーの形成には、網，布の他、水の浸透性を具えるが土砂などの透過を阻止する種々の材料を用いることができる。
【００１５】
その場合、保護カバーに空気抜き孔を設けることが一層好適である。これにより、本発明センサを地中に埋設した場合、保護カバー内に残存する空気泡を排出してベローズの伸縮を円滑にすることができる。空気抜き孔も土砂が侵入しないように、孔のサイズを小さくしたり、網を設けることが好ましい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図１に基づいて説明する。同図は本発明センサの原理を示す説明図で、堤防体内にセンサを設置した状態を示している。
本発明水圧センサのケース30を堤防体31内に埋設し、通気孔32で地上とケース内を連通してケース内の圧力を大気圧と同じにしておく。このケース30は下面に通水孔33を具え、内壁にベローズ34が固定されて、通水孔33からベローズ外周とケース内壁で囲まれる空間に水を導入できる。また、このベローズ34の下端には水圧を受ける受圧板35が一体化され、さらにベローズ内で受圧板35から上方に向かって圧力伝達ロッド36が伸延されている。一方、このケース内には光ファイバ37が取り付けられている。光ファイバ37の下端は保持具38で固定し、上端は連結具39を介して圧力伝達ロッド36の上端に一体化する。従って、堤防体内の水圧（土中水位）が上昇すると、ベローズの受圧板35が押圧されて圧力伝達ロッド36を押し上げ、それに伴って光ファイバ37に張力を付与する。
【００１７】
ここで、土中の水位が受圧板の位置よりｈ（ｍ）だけ上がると、受圧板に加わる力Ｐ（kg）は受圧板の有効面積をＳ（cm² ）とすると、
Ｐ＝Ｓｈ／１０ …▲１▼
で表される。
【００１８】
一方、光ファイバに加わる張力と歪みの関係は比例関係にあるため、歪みをε（μ）、比例定数をｋ（kg/μ）とすれば、
Ｐ＝ｋε …▲２▼
で求めることができる。
従って、上記光ファイバにＢＯＴＤＲなどの歪み測定装置を接続しておけば、上記▲１▼，▲２▼式より、計測した歪みから土中水位ｈを次式で求めることができる。
ｈ＝（１０ｋ／Ｓ）ε
【００１９】
【実施例】
図２に基づいて実施例を説明する。同図は本発明センサの内部構造を示す正面図である。
本発明センサは上部保護筒１、下部保護筒２および保護カバー３を具え、両保護筒１，２に光ファイバ４等を含む張力付与部が収納され、保護カバー３内にベローズ５が収納されている。なお、両保護筒１，２がケースに相当する。
【００２０】
上部保護筒１と下部保護筒２は仕切板６を介して連結された円筒容器である。上部保護筒１は光ケーブル７が導入される蓋部８を具え、下部保護筒２の下方には取付部９を介してベローズ５が一体化されている。そして、上部保護筒１からベローズ５までの長手方向の空間は密封されている。
【００２１】
蓋部８より導入された光ケーブル７からは光ファイバ４が露出される。露出された光ファイバ４は仕切板６を貫通して下部保護筒２内に導入され、折り返して再度仕切板６を貫通して光ケーブル７に戻る。ここで、光ファイバ４は光ケーブル７から露出された直後の箇所を除いてステンレス管10に内蔵されたものとした。光ファイバ４とステンレス管10の間には充填材が注入され、光ファイバ４とステンレス管10とを一体にしている。従って、ステンレス管10に張力がかかれば、光ファイバ４にも張力がかかる。本例ではステンレス管10を用いたが、このような保護管は光ファイバ４の保護の必要に応じて用いればよい。保護管の材質，要否は特に問わない。また、充填材は樹脂，ゴムなどの適宜な材料を選択すればよい。
【００２２】
また、仕切板６の下面には支持棒11が固定されている。この支持棒11の下端には固定板12が取り付けられ、支持棒11の途中にはステンレス管10に収納された光ファイバ４を止めるファイバ固定具13（固定端）が取り付けられている。固定板12やファイバ固定具13は支持棒11を介して仕切板６に連結されているため、光ファイバ４は下部保護筒２内でＵ字型に湾曲され（屈曲部）、その曲げ径が一定に保持される。
【００２３】
一方、ベローズ５の内部には中空円筒14が固定され、この中空円筒14の上面から圧力伝達ロッド20が伸びている。圧力伝達ロッド20は固定板12と仕切板６とを貫通し、上部保護筒１内に達している。また、ベローズ５の外周は円筒状の保護カバー３で覆われている。保護カバー３の底面は網15で構成され、上面には空気抜き孔16が複数形成されている。底部を網15で構成することにより、保護カバー３内に水の侵入は許容するが土砂の侵入は阻止してベローズ５の損傷を抑制する。空気抜き孔16は本センサを堤防の地中内などに埋設した際、保護カバー３内に残存する空気を排出するための孔である。残存する気泡を容易に排出できるよう、空気抜き孔16の形成される面は傾斜させておくことが望ましい。
【００２４】
さらに、蓋部８の下面には滑車17が固定され、この滑車17に掛けられたワイヤ18の一端はウェイト19に、他端は中空円筒14から伸びる圧力伝達ロッド20に接続されている。このウェイト19はベローズ５の伸縮に対するカウンタウェイトである。そして、上部保護筒１内における伝達ロッド20の上端部には可動板21（可動端）が固定され、この可動板21にステンレス管入りの光ファイバ４が固定されている。すなわち、伝達ロッド20が昇降すると可動板21も連動し、それに伴って光ファイバ４はファイバ固定具13と可動板21との間で引っ張られて張力が付与される（張力付与部）。
【００２５】
水圧測定を行う際には、上記のセンサを一連の光ファイバの途中に複数形成し、各センサを所定の測定場所、例えば堤防の地中内に配置する。そして、光ファイバの端部に歪み測定装置（図示せず）を接続する。例えばＢＯＴＤＲ(Brillouin Optical Time Domain Reflectometer) 装置を用いればよい。これは、光ファイバに光パルスを入射し、その後方散乱光におけるブリルアン散乱光の発生波長を測定することで歪みを検知する。そして、光パルスを入射してから後方散乱光が入射端に戻るまでの時間によりある波長のブリルアン散乱光の生じた位置を特定する。従って、光ファイバの長手方向に沿ったブリルアン散乱光のデータを得ることができ、光ファイバの張力変化に伴う歪みの変化を検知することができる。
【００２６】
地中に埋設されたセンサは、保護カバー３の網や空気抜き孔より水が侵入し、保護カバー３とベローズ５の間の空間が水で満たされた状態となる。水圧が上昇するとベローズ５は押圧されて上方に縮む。そのとき、伝達ロッド20も上方に押し上げられ、可動板21も同時に押し上げられる。可動板21の移動に伴って、光ファイバ４はファイバ固定具13と可動板21の間で引っ張られて張力が付与される。従って、張力付与に伴って生じる光ファイバ４の歪みを前記歪み測定装置により検知すれば水圧を検知することができる。測定結果は歪み測定装置の設置箇所で一括して監視できるため、各センサに測定データの伝送装置やその電源を設ける必要がない。
【００２７】
次に、図２とは異なる構成の実施例を図３，４に基づいて説明する。図３は実施例の内部構造を示す正面図、図４は圧力付与部を側面から見た構成を示す部分断面図である。
本実施例はベローズ40の動きと連動して光ファイバ41に張力を付与する張力付与部として移動リール42（移動掛合部）と固定リール43（固定掛合部）を用いた。
【００２８】
ケース44は耐食性を有する金属製の円筒である（図３参照）。その上端には通気孔45を有する蓋部46（耐食金属製）が水密に螺合され、下端には底板47が水密に嵌合されると共に、保護カバー48が外嵌されて、ネジ49により固定されている。通気孔45は本センサが埋設されたときに地上と連通され、ケース内を大気圧とほぼ同等に保持する。また、保護カバー48は土砂などの異物がベローズ内に侵入して損傷することを防止するためのものである。ケースの底板47には単一の通水孔50が形成され、保護カバー48の底部には、通水するが異物の侵入を阻止する複数の小孔51が形成されている。
【００２９】
このケース底板47の上面にはベローズ40が水密に固着されている。また、ベローズ40の上面には受圧板52が水密に取り付けられている。前記小孔51と通水孔50を介して侵入した水はベローズ内に導入されてベローズ40を伸縮させ、受圧板52を上下動させる。
【００３０】
受圧板52のほぼ中心には、上方に向かって伸延する圧力伝達ロッド53（圧力伝達部）が固定されている。受圧板52と同ロッド53との接合は溶接やネジ止めなどで行えばよい。圧力伝達ロッド53は上端部に雄ネジが形成された金属棒で、受圧板52の上下動を移動リール42に伝達する。
【００３１】
この移動リール42はケース内の上部において、スプリング54（弾性材）を介して保持されている（図４参照）。すなわち、ケース内壁に支持板55を固定し、この支持板上にスプリング54を設置する。そしてスプリング54の上部にばね受け56を配置し、ばね受け56に移動リール42を固定した。一方、固定リール43は、移動リール42とベローズ40との間において、ケース内壁に固定された支持板57に固定されている。そして、これら両リール42,43 ，支持板55およびばね受け56の各々は同軸状の貫通孔を有し、これらの貫通孔とスプリング54とを圧力伝達ロッド53で貫通している。従って、移動リール42はスプリング54の弾性力により圧力伝達ロッド53の軸方向に移動できる。なお、各リール42,43 の外周面には光ファイバを巻回するための螺旋溝58を形成した。これにより、光ファイバ同士が重なって巻回されて局部的な曲げ歪みが加わることを抑制できる。
【００３２】
ここで、図３に示すように、圧力伝達ロッド53の上端部にナット59（止め部）を螺合して移動リール42が移動できる距離を規制する。ナット59は圧力伝達ロッド53へのねじ込み程度によってその位置を変更できるため、容易に移動リール42の移動距離を変更できる。
【００３３】
このような水圧センサの初期設定を行う際、まずナット59をねじ込んでスプリング54を圧縮し（例えば30〜50mm 程度）、移動リール42と固定リール43との距離を狭めておく。その状態で各リール42,43 の螺旋溝58に沿って光ファイバ41を巻回し、かつ光ファイバ41が両リール42,43 に架け渡されるようにする。そしてナット59を緩めると、ナットが移動した距離だけ移動リール42の移動距離が伸び、スプリング54の押圧力によって光ファイバ41に適宜な伸び歪み（例えば0.1〜0.2 ％程度）を与えることができる。このとき、光ファイバ41に過大な張力がかかったり、逆に弛んで検知の不感帯を生じないようにナット59の位置を調整する。
【００３４】
光ファイバ41はステンレス管などに内蔵したり、金属線と複合した状態で両リール42,43 に巻回してもよいが、このような補強材のない方が温度変化の伸びに伴う測定結果への影響が少ない。また、図示していないが、光ファイバ41の端部は通気孔45を通して地上に導き、ＢＯＴＤＲ装置に接続すればよい。その際、通気孔45を通る光ファイバは防水パイプに内蔵することが望ましい。
【００３５】
上記の初期設定を行った状態で本センサを堤防などの監視対象に埋設する。河川水位の上昇に伴い堤防の土中水位が上昇すると、小孔51と通水孔50から入った水はベローズ40を上方に伸長させる。これに伴って受圧板52と圧力伝達ロッド53（ナット59）が押し上げられる。それに伴って移動リール42は上方に移動できる範囲が広がり、スプリング54の弾性力によって上方に押圧されるため固定リール43との間隔が広がり、水圧（土中水位）に応じた張力が光ファイバ41に付与される。従って、この伸び歪みをＢＯＴＤＲにより検知すれば水圧の監視が行える。
【００３６】
本発明センサの監視精度の算出例を示すと次のようになる。
一般に光ファイバの破断荷重は約６ｋｇ，伸びは約６％である。従って、光ファイバ１条に最大３ｋｇまでの張力を加えるとし、測定水位を１０ｍとすると、水圧は１kg/cm²になり、２条の光ファイバ分の張力６ｋｇを生じるためには、６ｃｍ² の受圧板面積が必要となる。また、ＢＯＴＤＲの精度は０．０２％程度であるから、このときの土中水位の検知精度は７ｃｍ程度となる（水位１０ｍで３％の歪み）。
【００３７】
なお、図３，４の実施例では移動リール42と固定リール43の間隔調整により光ファイバの張力を調整できるようにしたが、移動リール42や圧力伝達ロッド53の重量が軽い場合は、単に移動リール42を圧力伝達ロッド53に固定し、移動リール42が圧力伝達ロッド53と共に上下動するように構成してもよい。その場合、スプリング54やばね受け56はなくてもよい。
【００３８】
さらに、上記各センサに設ける防湿機構について説明する。
まず、図２のセンサに防湿機構を設けた例から述べる。図５は図２のセンサに防湿機構を設けて埋設した状態を示す説明図で、図６は図５のクロージャ内の詳細説明図である。
【００３９】
堤防内には幹線光ケーブル60が埋設され、その途中に形成されたクロージャ61がマンホール62内に収納されている（図５）。このクロージャ61から分岐光ファイバ63を延長し、分岐光ファイバ63の先端にセンサ64を接続する。
【００４０】
クロージャ61の内部構造は、図６に示すように、幹線光ケーブル60内から融着接続部65を介して光ファイバ心線66を引き出し、この心線66を伸縮容器67に一端から導入する。この伸縮容器67はベローズのように伸縮でき、内部には乾燥空気が封入されている。導入された光ファイバ心線66は、伸縮容器67の他端から分岐光ケーブル63として引き出される。伸縮容器67における光ファイバ心線66の導入口と分岐光ケーブル63の引き出し口とは水蜜構造とした。そして、この分岐光ケーブル63をクロージャ61から引き出してセンサ64へと導く。
【００４１】
このように、分岐光ケーブル63を乾燥空気が封入された伸縮容器67に終端することで、センサ内に湿気が導入されることを防止できる。そのため、温度変化に伴ってセンサ内で結露が繰り返されて水が溜り、その結果生じる誤動作や不動作を抑制できる。
【００４２】
次に、図３，４のセンサに防湿機構を設けた場合を説明する。図７は図３，４のセンサに防湿機構を設けて埋設した状態を示す説明図である。
この場合も図５の例と同様に、マンホール70内における幹線光ケーブル71のクロージャ72から分岐光ケーブル73を引き出し、分岐光ケーブル73をセンサ74へと導入する構成である。本例では、分岐光ケーブル73の途中を別のマンホール75に引き入れ、さらにこのマンホール75内の容器76に導入する。この容器76は底面にケーブル保護管77が接続され、この保護管77がセンサ74の通気口に接続されている。容器76に導入された分岐光ケーブル73は保護管内を通ってセンサ74に導かれる。容器76における分岐光ケーブル76の導入口は水蜜構造とした。
【００４３】
ここで、容器76内にシリカゲルなどの吸湿剤を入れておく。センサ74内には保護管77を介して外気が導入されるが、吸湿剤入り容器76を通して外気を取り込むため、湿気を含んだ空気がセンサ74内に導入されることを抑制できる。なお、マンホール75の蓋を開けることで、吸湿剤の取り替え，点検ができる。
【００４４】
以上図５〜７に基づいて説明したように、センサのケース内に湿気を含んだ空気が導入されることを抑制することで、結露によりケース内に水が溜ってセンサが誤動作したり、動作しなかったりすることを防止できる。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明センサおよび本発明方法によれば、一連の光ファイバを用いることで、複数箇所の水圧測定を容易に行うことができる。このとき、各センサに測定データの伝送装置を設ける必要がない。また、本発明センサは光ファイバに局部的な歪みを与えるのではなく、伸び歪みによる検知を行うため、光ファイバの損傷を低減できる。さらに、防湿機構を設けることで、結露によりケース内に水が溜ってセンサが誤動作したり、動作しなかったりすることを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明センサの基本原理を示す説明図。
【図２】本発明センサの内部構造を示す正面図。
【図３】図２とは異なる構成の本発明センサの内部構造を示す正面図。
【図４】図３のセンサの張力付与部を示す断面図。
【図５】図２のセンサに防湿機構を設けて埋設した状態を示す説明図。
【図６】図５のクロージャ内の詳細説明図。
【図７】図３，４のセンサに防湿機構を設けて埋設した状態を示す説明図。
【符号の説明】
１上部保護筒２下部保護筒３,48 保護カバー
４,37,41 光ファイバ５,34,40 ベローズ６仕切板７光ケーブル
８,46 蓋部９取付部 10 ステンレス管 11 支持棒 12 固定板
13 ファイバ固定具 14 中空円筒 15 網 16 空気抜き孔 17 滑車
18 ワイヤ 19 ウェイト 20,36,53 圧力伝達ロッド 21 可動板
30,44 ケース 31 堤防 32,45 通気孔 33,50 通水孔
35,52 受圧板 38 保持具 39 連結具 42 移動リール 43 固定リール
47 底板 49 ねじ 51 小孔 54 スプリング 55,57 支持板
56 ばね受け 58 螺旋溝 59 ナット 60,71 幹線光ケーブル
61,72 クロージャ 62,70 マンホール 63,73 分岐光ケーブル
64,74 センサ 65 接続部 66 光ファイバ心線 67 伸縮容器
75 マンホール 76 容器 77 ケーブル保護管

Claims

光ファイバと、
水圧に伴って伸縮するベローズと、
光ファイバの途中に設けられ、可動端と固定端とを有する張力付与部とを具え、
この張力付与部の可動端がベローズの伸縮に連動されていることを特徴とする水圧センサ。
張力付与部は、
光ファイバの途中を曲げた屈曲部と、
この屈曲部を把持する固定端と、
固定端から離れた位置において光ファイバを把持する可動端と、
定滑車と、
ウェイトと、
定滑車に掛けられ、一端が可動端に接続され、他端がウェイトに接続されたワイヤとを具えることを特徴とする請求項１に記載の水圧センサ。
張力付与部は、
ベローズの伸縮に連動しない固定掛合部を固定端とし、
ベローズの伸縮に連動する移動掛合部を可動端として、
光ファイバを両掛合部に架け渡して巻き付けることで構成したことを特徴とする請求項１に記載の水圧センサ。
ベローズの伸縮に連動する圧力伝達部と、
移動掛合部を固定掛合部から離れる方向に押圧する弾性材と、
圧力伝達部に対して位置調整自在な止め部とを具え、
移動掛合部は圧力伝達部に沿って移動自在に構成され、移動掛合部が移動する範囲は止め部の位置によって規制され、
止め部の位置を変えることで移動リールと固定リールとの間隔を変えて光ファイバの張力を調整自在にしたことを特徴とする請求項３に記載の水圧センサ。
張力付与部を収納するケースを具え、このケースに通気孔を設けたことを特徴とする請求項１に記載の水圧センサ。
張力付与部を収納するケースを具え、このケースに光ファイバを導入するまでの途中に防湿機構を設けたことを特徴とする請求項１に記載の水圧センサ。
光ファイバの端部に歪み測定装置を接続したことを特徴とする請求項１に記載の水圧センサ。
ベローズの周囲に土砂侵入防止用の保護カバーを設けたことを特徴とする請求項１に記載の水圧センサ。
保護カバーに空気抜き孔を設けたことを特徴とする請求項７に記載の水圧センサ。
水圧変化に対応して伸縮するベローズの動きと、光ファイバに張力を付与する張力付与部の動きとを連動し、この張力付与に伴う光ファイバの歪みを監視することで水圧を検知することを特徴とする水圧検知方法。