JP3734561B2 - 波高・潮位センサ、液面計及び波高・潮位測定方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、海上において波高または潮位を測定する波高・潮位センサ、タンク等に貯溜された液体の液面位置を測定する液面計、及び、波高・潮位センサ又は液面計における波高・潮位又は液面の計測方法に関し、特に、メンテナンスの容易化、保全費用の削減を実現し、誘爆環境等の危険地域に設置し得る波高・潮位センサ、液面計及び液面計測方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
船舶を桟橋等において停泊させる場合、波浪の影響による事故を防止するために海象状態を判断する必要がある。そこで、従来より海面の波高および潮位を測定するセンサが用いられている。
【０００３】
従来より、静電容量方式または超音波方式の波高・潮位センサが知られている。静電容量方式の波高・潮位センサは、例えば図１３に示すように、絶縁被覆された電極４２を海面４５下に水没させ、海面水位の変化による静電容量の変動を測定して波高または潮位を検出するようにしている。この波高・潮位センサにおいて、海面水位がＷＬ１からＷＬ２にΔＬだけ増加すると、電極における静電容量は、ΔＣｏ＝Ｃｏ・ΔＬだけ変動する。従って、ΔＣｏを測定することにより海面水位の変動量ΔＬを求めることができる。
【０００４】
また、タンク内に貯溜された液体の液面位置を測定するものとしては、上記静電容量方式やフロート方式の液面計がある。静電容量式のセンサの長さに比較してタンクの高さがきわめて高い場合には、静電容量式のセンサを長手方向に複数連結して設置する。また、フロート方式の液面計では、テープによって吊り下げられたフロートを液面に浮かべ、テープの張力を一定に維持した状態におけるテープの巻取長さによって液面位置を測定する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の波高・潮位センサでは、検出装置の一部が海水中に水没していたため、海草や貝などの海中生物等が表面に付着し、測定結果に誤差を生じ、正確な波高または潮位を測定することができない問題がある。また、保守・点検作業には港湾管理者の作業許可が必要で、センサ等の表面から付着物を除去するには潜水作業の有資格者が必要であり、作業は気象や海象の影響を受けやすいためにメンテナンスが煩雑になり、また、その頻度も多くなる問題がある。
【０００６】
特に、従来の静電容量方式およびフロート方式の液面計においては、液面計がタンク内に貯溜された液体中に浸漬されているため、液面計のメンテナンスを行うためには、液体をタンク内から全て排出して内部を空気置換した後に作業者がタンク内に入らなければならず、液体の取扱いや点検作業が煩雑になる問題があった。
【０００７】
また、タンカー等の危険物を積載した船舶が入港する港湾は、誘爆雰囲気状態にある危険地域と見做され、このような港湾における波高または潮位を測定する装置は、電気機器による誘爆や火災を防止するため、波高・潮位センサの設置場所が限定される。このような問題は、例えば、タンク内に貯溜された引火性の液体の液面位置を測定する液面計においても同様に生じる。
【０００８】
この発明の目的は、装置の一部を海中や液体中に水没させることなく容易に設置でき、海面水位および液面位置を測定することができ、表面に海中生物等が付着することがなく、定期的なメンテナンスが殆ど不要になるとともに、誘爆環境等の危険地域や引火性の液体等の危険物を貯溜するタンク内においても安全に波高、潮位および液面位置を測定することができる波高・潮位センサおよび液面計を提供することにある。
【０００９】
また、制御装置の演算処理の負荷を過大にすることなく、波面の挙動を正確に測定することができ、波高及び潮位の測定精度を向上することができる波高・潮位測定方法及び波高・潮位センサを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載した発明の波高・潮位センサは、検出光を照射する照射レンズおよび反射光を受光する受光レンズを備え、照射レンズおよび受光レンズが水面に対向する位置に配置された光学装置と、
光学装置の照射レンズに照射用光ファイバを介して接続された発光手段と、光学装置の受光レンズに受光用光ファイバを介して接続され、受光信号を出力する受光センサと、受光センサの出力信号に基づいて水面までの距離を算出する演算手段と、を備えた回路装置と、
回路装置に信号線を介して接続され、演算手段の算出結果に基づいて波高または潮位を測定する制御装置と、を備え、
前記演算手段が、一定時間間隔における所定数の受光センサの出力信号に基づいて水面までの距離の平均を算出する手段であり、
前記制御装置が、第１の設定時間内に入力された複数の算出結果の平均値、最大値及び最小値を求め、平均値が基準値より高い場合は最大値を波データとするとともに、平均値が基準値より低い場合は最小値を波データとする波データ選択手段と、第２の設定時間において予め設定された有効エリアに含まれない設定個数の波データ以外の波データを測位データとする測位データ選択手段と、を含むことを特徴とする。
【００１２】
請求項２に記載した発明の波高・潮位測定方法は、一定時間間隔における所定数の受光センサの出力信号に基づいて水面までの距離の平均を回路装置において算出し、この算出結果を制御装置に入力し、制御装置において、第１の設定時間内に入力された複数の算出結果の平均値、最大値及び最小値を求め、平均値が基準値より高い場合は最大値を波データとするとともに、平均値が基準値より低い場合は最小値を波データとして選択し、次いで、第２の設定時間において予め設定された有効エリアに含まれない設定個数の波データ以外の波データを測位データとし、さらに、この測位データに基づいて波高または潮位を測定することを特徴とする。
【００１３】
請求項３に記載した発明の液面計は、検出光を照射する照射レンズおよび反射光を受光する受光レンズを備え、照射レンズおよび受光レンズが液面に対向する位置に配置された光学装置と、
光学装置の照射レンズに照射用光ファイバを介して接続された発光手段と、光学装置の受光レンズに受光用光ファイバを介して接続され、受光信号を出力する受光センサと、受光センサの出力信号に基づいて液面までの距離を算出する演算手段と、を備えた回路装置と、
回路装置に信号線を介して接続され、前記演算手段の算出結果の平均を液面位置として算出する制御装置と、を備え、
前記演算手段が、一定時間間隔における所定数の受光センサの出力信号に基づいて水面までの距離の平均を算出する手段であり、
前記制御装置が、第１の設定時間内に入力された複数の算出結果の平均値、最大値及び最小値を求め、平均値が基準値より高い場合は最大値を波データとするとともに、平均値が基準値より低い場合は最小値を波データとする波データ選択手段と、第２の設定時間において予め設定された有効エリアに含まれない設定個数の波データ以外の波データを測位データとする測位データ選択手段と、を含み、
前記回路装置を収納する耐圧防爆容器を備えたことを特徴とする。
【００１４】
請求項４に記載した発明の波高・潮位センサおよび液面計は、検出光を照射する照射レンズおよび反射光を受光する受光レンズを備え、照射レンズおよび受光レンズが水面に対向する位置に配置された光学装置と、
光学装置の照射レンズに照射用光ファイバを介して接続された発光手段と、光学装置の受光レンズに受光用光ファイバを介して接続され、受光信号を出力する受光センサと、受光センサの出力信号に基づいて水面までの距離を算出する演算手段と、を備えた回路装置と、
回路装置に信号線を介して接続され、演算手段の算出結果に基づいて波高または潮位を測定する制御装置と、
前記回路装置を収納する耐圧防爆容器を備えたことを特徴とする。
【００１５】
請求項１に記載した発明に係る波高・潮位センサは、光学装置、回路装置および制御装置により構成される。光学装置は、照射レンズおよび受光レンズを備え、照射レンズおよび受光レンズは水面に対向する。照射レンズおよび受光レンズは、それぞれ照射用光ファイバおよび受光用光ファイバを介して回路装置の発光手段および受光センサに接続される。
【００１６】
発光手段が駆動されると、発光手段の光が照射用光ファイバを介して照射レンズから水面に照射される。水面における反射光は受光レンズにより受光され、受光用光ファイバを介して受光センサに入光する。受光センサの出力信号は演算手段に入力され、演算手段は水面までの距離を算出する。この算出結果が制御装置に入力され、制御装置は入力された算出結果に基づいて波高または潮位を測定する。
【００１７】
図１において、センサ１０１から水面１０２に照射された光は水面１０２で反射し、この反射光がセンサ１０１に受光される。水面１０２における反射光のうち入射方向に対して略１８０度の反射角で反射した反射光のみが受光される。このとき、時間ｔと水面の高さＨとの関係は、
Ｈ＝Ｆ（ｔ）
で表され、この式を時間について微分し、
Ｆ’（ｔ）＝０
となるような時間ｔのとき、Ｆ（ｔ）が波の峰または波の谷の高さを表す。このとき水面は、光の入射方向に対して垂直となることから反射光は反射角１８０度で反射する。したがって、受光センサが出力信号を出力するタイミングは、波の峰または波の谷の付近を計測している時である。以上のことから波の峰と谷との位置を欠落することなく的確に測定するためには、波の周期と光の照射間隔との関係が重要となる。そこで、速い周期の波を計測する際には光の照射間隔を短くして計測する。計測位置が波の峰の部分であるか波の谷の部分であるかの区別は、直前に測定したデータとの大小の比較により判断できる。センサ部から波の峰または波の谷までの距離は、光の照射タイミングから受光タイミングまでの時間間隔を計時し、光の飛行時間に基づいて算出する。この算出値をセンサ部の取付位置の高さから差し引くことにより、その時々の水面の高さが求まる。
【００１８】
得られた水面の高さから波高および潮位を求める。先ず、波高Ｈについては、図２に示すように、１周期内での最大距離Ｓｍａｘ（波の谷部までの距離）と、最小距離Ｓｍｉｎ（波の山部までの距離）とから、
Ｈ＝Ｓｍａｘ−Ｓｍｉｎ
により求まる。ここに、波の１周期とは、図３に示すように、波の峰部が測定されてから次に波の峰部が測定されるまでの間をいう。
【００１９】
次に、潮位Ｌは、基準値からのセンサの設置高さＨｃおよび測定距離Ｓから、
Ｌｉ＝Ｈｃ−Ｓｉ （ｉ＝１，２，・・・Ｎ）
Ｌ＝（ΣＬｉ）／Ｎ
により求まる。
【００２０】
また、請求項１に記載した発明に係る波高・潮位センサは、回路装置において、一定時間間隔における所定数の受光センサの出力信号に基づいて水面までの距離の平均を算出し、制御装置において、第１の設定時間内に入力された複数の算出結果の平均値、最大値及び最小値を求め、平均値が基準値より高い場合は最大値を波データとするとともに、平均値が基準値より低い場合は最小値を波データとして選択し、第２の設定時間において予め設定された有効エリアに含まれない設定個数の波データ以外の波データを測位データとする。したがって、波高・潮位の測定精度を向上すべく、受光センサの出力信号の読取時間間隔を短くしても、制御装置における演算処理の負荷が過大になることがないとともに、波面以外の測定結果である不良データを除去して波面の測定結果のみに基づいて波高及び潮位を正確に測定することができる。
【００２１】
請求項２に記載した発明に係る波高・潮位測定方法は、回路装置において、一定時間間隔における所定数の受光センサの出力信号に基づいて水面までの距離の平均を算出し、制御装置において、第１の設定時間内に入力された複数の算出結果の平均値、最大値及び最小値を求め、平均値が基準値より高い場合は最大値を波データとするとともに、平均値が基準値より低い場合は最小値を波データとして選択し、第２の設定時間において予め設定された有効エリアに含まれない設定個数の波データ以外の波データを測位データとする。したがって、波高・潮位の測定精度を向上すべく、受光センサの出力信号の読取時間間隔を短くしても、制御装置における演算処理の負荷が過大になることがないとともに、波面以外の測定結果である不良データを除去して波面の測定結果のみに基づいて波高及び潮位を正確に測定することができる。
【００２２】
請求項３に記載した発明に係る液面計は、光学装置、回路装置および制御装置により構成される。光学装置は、照射レンズおよび受光レンズを備え、照射レンズおよび受光レンズは液面に対向する。照射レンズおよび受光レンズは、それぞれ照射用光ファイバおよび受光用光ファイバを介して回路装置の発光手段および受光センサに接続される。
【００２３】
発光手段が駆動されると、発光手段の光が照射用光ファイバを介して照射レンズから液面に照射される。液面における反射光は受光レンズにより受光され、受光用光ファイバを介して受光センサに入光する。受光センサの出力信号は演算手段に入力され、演算手段は液面までの距離を算出する。この算出結果が制御装置に入力され、制御装置はセンサの設置高さから入力された演算手段の算出結果を差し引いてその平均を求め、液面位置として算出する。したがって、液面計は液体中に浸漬することがなく、また、光学装置のみが液面の上方に配置される。
また、回路装置が耐圧防爆容器に収納され、光学装置は光ファイバのみを介して回路装置に接続されており、光学装置に対して電気信号は入出力されない。したがって、光学装置および回路装置は、制御装置から分離して誘爆雰囲気中に設置することができる。
【００２４】
請求項４に記載した発明においては、回路装置が耐圧防爆容器に収納され、光学装置は光ファイバのみを介して回路装置に接続されており、光学装置に対して電気信号は入出力されない。したがって、光学装置および回路装置は、制御装置から分離して誘爆雰囲気中に設置することができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
図４は、請求項１に記載した発明の実施形態の一例である波高・潮位センサの構成を示すブロック図である。波高・潮位センサ１は、光学装置であるオプティカルヘッド２、回路装置である電子回路ボックス３および制御装置であるコンピュータ４によって構成されている。オプティカルヘッド２は、内部に照射レンズ２１および受光レンズ２２を備え、海面５に対向する位置に配置されている。電子回路ボックス３は投光素子３１、受光素子３２、駆動回路３３、アンプ３４、制御回路３５および電源回路３６を備え、耐圧防爆型容器６に収納されている。耐圧防爆型容器６は、アルミ合金または鉄を素材として例えば、図５に示す形状に鋳造されたものである。耐圧防爆型容器６は、本体６ａと蓋６ｂとからなり、本体６ａと蓋６ｂとの間に、耐圧防爆型容器６の防水性を向上するＯリング６ｃを備えている。耐圧防爆型容器６は、容器内に外部から爆発性ガスが侵入し、内部で点火爆発した場合にも、外部に影響を与えることのないようにされており、点火源を実質的に容器内に隔離するものである。
【００２６】
耐圧防爆型容器６に収納される電子回路ボックス３は、前述のように光ファイバ７，８および信号ライン９によりオプティカルヘッド２およびコンピュータ４に接続され、電源ライン１０を介して外部電源１１から電源の供給を受ける。このため、耐圧防爆型容器６の容器６ａには、耐圧パッキン式または耐圧固着式等の引込器具６ｄ〜６ｆが設けられている。信号ライン９および電源ライン１０は、引込器具６ｄ，６ｅに貫通し、光ファイバ７，８は１本にされて引込器具６ｆに貫通する。なお、光ファイバ７，８が個別に貫通する２個の引込器具を設けることもできる。
【００２７】
電子回路ボックス３が有する投光素子３１は、例えばレーザダイオードにより構成されており、投光素子３１の光は照射用光ファイバ７を介してオプティカルヘッド２の照射レンズ２１から海面５に照射される。また、オプティカルヘッド２の受光レンズ２２は、受光用光ファイバ８を介して受光素子３２に接続されている。電子回路ボックス３の制御回路３５は、信号ライン９を介してコンピュータ４に接続されている。また、電源回路３６は、電源ライン１０を介して外部電源１１に接続されており、電子回路ボックス３の各電子部品に電源を供給する。以上の構成において、危険物を運搬するタンカーなどの船舶が停泊する港湾における海面の波高または潮位を測定する場合には、オプティカルヘッド２を海面の垂直上方に配置し、耐圧防爆型容器６に収納された電子回路ボックス３を港湾の桟橋近傍の危険地域に設置する。また、コンピュータ４は桟橋から遠く離れた危険地域外に設置する。このように設置することにより、海上には比較的軽量なオプティカルヘッド２のみを設置すればよく、設置作業が容易になる。また、海中に水没していないため、海中生物等が付着することがなく、メンテナンスを簡略化できる。
【００２８】
なお、電子回路ボックス３は投光素子３１からの光の照射タイミングから受光素子３２による反射光の受光タイミングまでの時間を測定し、この間の投光素子のパルス光の飛行時間を測定することにより、オプティカルヘッド２の設置位置から海面５までの距離を測定する。この測定結果を信号線９を介してコンピュータ４に入力する。
【００２９】
図６は、上記波高・潮位センサを構成するコンピュータの処理手順を示すフローチャートである。コンピュータ４は、電子回路ボックス３から入力される測定データを例えば２０ｍｓの周期でサンプリングし（ｓ１）、測定不能のデータを削除する処理を行い（ｓ２）、正常な測定データ潮位の基準値（例えばＴＰ）とオプティカルヘッド２との間の距離に基づく補正データから測定データを差し引く補正処理を行う（ｓ３）。この基準値は、潮位の測定の基準となる値として各港湾において予め定められた値である。コンピュータ４は、補正処理後の測定データを順次記憶する（ｓ４）。この測定データのサンプリングを例えば１０分程度の所定のデータ計測時間にわたって継続して実行する（ｓ５）。
【００３０】
データ計測時間にわたる測定データの計測が終了すると、コンピュータ４は、記憶している測定データから不良データを削除する処理を行う（ｓ６）この不良データの削除処理においては、例えば、所定個数の測定データのうち、前回の測定に係るデータの最大値＋α以上のデータおよび最小値−β以下のデータを不良データとして今回の測定データから削除する。ここで、αおよびβは、予め任意に設定された値である。なお、不良データが所定個数以上存在する場合には、今回の測定データの全てを削除するようにしてもよい。
【００３１】
この後、コンピュータ４は、不良データを除く測定データの平均値を潮位データとして算出する（ｓ７）。この潮位データの算出は、例えば、１＋ｍ個目〜２４００＋ｍ個目（ｍ＝０，１，２，・・・）の平均値を１０分程度の予め定められた処理時間において平均化する移動平均処理によって求めることができる。この移動平均処理の算出結果を以後例えば１時間における潮位データとして用いることにより、信頼性の高い潮位データを得ることができるとともに、常に潮位データを算出する場合に比べて演算処理を簡略化できる。
【００３２】
さらに、コンピュータ４は、不良データを削除した測定データおよび潮位データを用いて図７（Ａ）に示すような海面変位線図を作成する（ｓ８）。この海面変位線図から、Ｐ−Ｐ(Peak to Peak)法およびＺ−Ｃ(Zero up Cross) 法により波高Ｈおよび周期Ｔを読み取る（ｓ９）。Ｐ−Ｐ法では、図７（Ａ）に示すように、海面変位線図の最初の峰と次の谷との差を波高Ｈとして読み取り、最初の峰と次の峰との時間間隔を周期Ｔとする。また、Ｚ−Ｃ法では、図７（Ｂ）に示すように、平均水面を下から上に横切った後、再び平均水面を下から上に横切るまでの間を１つの波とし、その間にある最も高い峰と最も低い谷との差を波高Ｈとし、周期Ｔはその時の高い峰から再び平均水面を下から上に横切った後、最も高い峰までの時間間隔を計測する。このようにして、海面変位線図から一連の波高Ｈｉおよび周期Ｔｉ（ｉ＝１，２，３，・・・，Ｎ）を読み取る。
【００３３】
以上のようにしてＰ−Ｐ法およびＺ−Ｃ法により求めた波高Ｈおよび周期Ｔを用いて、最大波高および最大波周期を含む、平均波高Ｈｍおよび平均周期Ｔｍ、有義波高Ｈｓおよび有義波周期Ｔｓ、１／ｎ最大波高Ｈ１／ｎおよび１／ｎ最大波周期Ｔ１／ｎを、下記第１式〜第３式により、波浪解析に用いる統計量として算出する（ｓ１０〜ｓ１３）。なお、有義波高Ｈｓおよび有義波周期Ｔｓは、外洋波浪解析等に用いられ、一連の波高Ｈｉおよび周期Ｔｉを波高の大きい順に並べ替え、波高の大きい１／３の波について平均したものである。また、１／ｎ最大波高Ｈ１／ｎおよび１／ｎ最大波周期Ｔ１／ｎは、波高の大きい１／ｎの波について平均したものである。
【００３４】
【数１】
【００３５】
図８は、請求項４に記載した発明の実施形態の一例である液面計の使用状態を示す概略図である。液面計５１は、図４に示す波高・潮位センサ１と同様に構成されており、一例として、加圧タンク６２内に貯溜された液体６３の液面位置を測定する。液面計５１のオプティカルヘッド５２は、加圧タンク６２の上面に設置し、電子回路ボックス５３は、タンク６２の外壁に設置する。オプティカルヘッド５２は、加圧タンク６２の上面に取り付けられた耐圧レンズ６１およびバルブ６４を介して液体６３の液面に対向する。バルブ６４は、開閉自在にされており、このバルブ６４を開放した状態で液体６３の液面位置を測定する。また、バルブ６４を閉鎖した状態で、バルブ６４と耐圧レンズ６１との間の加圧ガスを空気置換した後に耐圧レンズ６１の清掃等を行う。
【００３６】
このように、加圧タンク６２の上面に、比較的軽量な液面計５１のオプティカルヘッド５２を設置すればよく、取付作業を極めて容易に行うことができる。また、液面計５１は加圧タンク６２の外部に設置されているため、液面計５１のメンテナンス時に加圧タンク６２から液体を排出して空気置換する必要がなく、メンテナンス作業を極めて容易に行うことができる。さらに、電子回路ボックス５３を図５に示す耐圧防爆型容器６に収納することにより、一般的に加圧タンク６２が設置される危険地域内においても、安全に加圧タンク６２内に貯溜された液体６３の液面位置を測定できる。
【００３７】
図９〜図１１は、請求項２に記載した発明の実施形態である波高・潮位センサにおいて実施される請求項３に記載した発明の波高・潮位測定方法を示すフローチャートである。この波高・潮位測定方法では、図６に示したｓ１〜ｓ６の処理に代えて、センサ取込処理（ｓ２０）及び波データ算出処理（ｓ３０）を実行する。センサ取込処理は図４に示した電子回路ボックス３内の制御回路３５の演算手段において行われ、波データ算出処理は図４に示したコンピュータ４において行われる。即ち、センサ取込処理は、計測精度を向上すべくセンサの計測サンプリング時間を短くした場合に、コンピュータ４における演算処理の負荷が過大になることを防止するために行われる。
【００３８】
このセンサ取込処理は図１０に示すように、先ず、予め設定された一定時間Ｔｓにおいて、予め設定された一定個数Ｎｓのデータの取込を行う（ｓ２１，ｓ２２）。このデータの取込は、水面の挙動に対して十分に速い例えば１msec程度のサンプリング時間で、受光素子３２の受光信号を読み取ることにより行う。また、一定時間Ｔｓとしては例えば２０msec、一定個数Ｎｓとしては例えば１０個程度の値が設定される。この場合、図１２（Ａ）に示すように、時間Ｔｓ２０msecが経過するまでの間に１msecの間隔で１０個のデータＤ1 〜Ｄ10が読み取られる。
【００３９】
一定個数のデータの取込が完了すると、読み取った一定個数のデータのうちで誤差の大きい特異データを削除し（ｓ２３）、特異データを除いたデータの平均値を求める（ｓ２４）。この処理で削除される特異データとは、波の表面における乱反射光や外部の光の反射光等を測定したデータであり、１msec程度のサンプリング時間において生じるはずのない誤差を有するデータである。例えば、読み取った１０個のデータが、10.00m、10.02m、10.06m、10.08m、9.96m 、9.98m 、9.96m 、7.00m 、15.00m、9.94m である場合、7.00m と15.00mとを削除し、それ以外の８個のデータの平均値を算出する。この平均値を測定データＤｓとしてコンピュータ４に送信する（ｓ２５）。
【００４０】
波データ算出処理は、前述のようにコンピュータ４において実行され、図１１に示すように、まず、制御回路３５から送信された測定データＤｓを受信し（ｓ３１）、この測定データＤｓから基準位置とセンサの設置位置との距離から差し引くことにより、測定データＤｓの補正を行う（ｓ３２）。この後、補正後の測定データＤｓについて、演算レンジから外れている無効データを削除する（ｓ３３）。この演算レンジは、図１２（Ｂ）に示すように、潮位・波高センサの使用状況に応じて計測する必要のない測定データＤｓを除くために予め設定された上限値Ｒｍａｘと下限値Ｒｍｉｎとの間の範囲である。例えば、通常時の潮位・波高のみを測定する使用状況では、台風時等に生じる高低差が極端に大きいデータが無効データとして削除される。このｓ３１〜ｓ３３の処理を、予め設定された時間Ｔｗにおいて継続して行う（ｓ３４）。設定時間Ｔｗはこの発明の第１の設定時間であり、例えば、２５０msec又は５００msec等の時間である。
【００４１】
この設定時間Ｔｗにおいて得られた有効な測定データＤｓの平均値、最大値及び最小値を算出し（ｓ３５）、算出した平均値Ｄｓａと零線ＺＲとを比較して波データを選択する（ｓ３６）。即ち、図１２（Ｂ）に示す時間Ｔｗ１の場合のように、測定データの平均値Ｄｓａが零線ＺＲより大きい場合は最大の測定データＤｓｍａｘを波データＤｗとし、時間Ｔｗｎの場合のように、平均値Ｄｓａが零線ＺＲより小さい場合は最小の測定データＤｓｍｉｎを波データＤｗとする。なお、零線ＺＲは、過去の複数の平均値Ｄｓａを一定時間間隔で移動平均した値である。
【００４２】
次いで、得られた波データＤｗが有効エリア内に存在するか否かを判断する（ｓ３７）。この有効エリアとは、図１２（Ｃ）に示すように、予め設定された所定時間における最大値＋αを上限値Ｅｍａｘとし、最小値−βを下限値Ｅｍｉｎとする範囲である。波データＤｗが有効エリアに含まれる場合には、正常な測位データＤａとして記憶する（ｓ３８）。波データＤｗが有効エリアに含まれない場合には、カウンタＣをインクリメントし（ｓ３９）、カウンタＣの内容が予め設定された値Ｎａを越えるまで不良データとして削除する（ｓ４０，ｓ４１）。カウンタＣの内容が設定値Ｎａを越えた場合は、その波データを正常な測位データＤａとして記憶する（ｓ４０→ｓ３８）。このカウンタＣの内容は、この発明の第２の設定時間として予め設定された一定時間Ｔｅを経過する毎にクリアする（ｓ４２，ｓ４３）。即ち、設定値Ｎａとして“５”が設定されている場合、図１２（Ｃ）に示す時間Ｔｅにおいて、６個目の有効エリアを越えるデータＤｗｅ６以降のデータは正常な測位データＤａとされる。
【００４３】
この処理により、センサの下方を通過した鳥や波の飛沫等の測定データを不良データとして排除することができる。また、有効エリア外のデータが予め設定された個数以上連続する場合には、波高が急激に変化したものと判断し、設定個数を越えたデータを正常な測位データとして扱うことができる。
【００４４】
このようにして得られた測位データに基づいて図６に示したｓ７〜ｓ１３の処理を行うことにより、より正確な波高及び潮位を測定することができる。また、制御回路３５において予めデータＤの平均値を求め、この平均値を測定データＤｓとしてコンピュータ４に供給するため、コンピュータ４に過大な演算処理の負荷が生じることがなく、コンピュータ４として汎用のパーソナルコンピュータ等を用いることができる。
【００４５】
【発明の効果】
請求項１および２に記載した発明によれば、光学レンズのみを備えた光学装置を回路装置から分離して水面または液面に対向する位置に設置するようにしているため、設置スペースが小さくなって装置の設置作業が容易であるとともに、海中生物等が付着することがなく、保守、点検時にこれらを除去する必要がなく、メンテナンスを容易化できるとともに、その頻度を減少することができる。
【００４６】
また、制御装置に過大な演算処理の負荷を与えることなく、波面の計測精度を向上するとともに、不良データを排除して正確な波高及び潮位を計測することができる。
【００４７】
請求項３および４に記載した発明によれば、回路装置は耐圧防爆容器に収納されるとともに、回路装置と光学装置とは光ファイバのみで接続されるため、誘爆環境等の危険地域における安全性を損なうことがなく、波高・潮位センサおよび液面計の設置場所を選ばない。
【図面の簡単な説明】
【図１〜図３】一般的な波高および潮位の測定方法を示す図である。
【図４】請求項１に記載した発明の実施形態の一例である波高・潮位センサの構成を示すブロック図である。
【図５】同波高・潮位センサが有する耐圧防爆容器の構造を示す図である。
【図６】同波高・潮位センサを構成するコンピュータの処理手順を示すフローチャートである。
【図７】同コンピュータにおける処理中に作成される海面変位線図である。
【図８】請求項４に記載した発明の実施形態の一例である液面計の使用状態を示す概略図である。
【図９】請求項２に記載した発明の実施形態の一例である波高・潮位センサにおける処理手順を示すフローチャートである。
【図１０】同波高・潮位センサを構成する制御回路の処理手順を示すフローチャートである。
【図１１】同波高・潮位センサを構成するコンピュータの処理手順を示すフローチャートである。
【図１２】同波高・潮位センサにおけるデータの処理状態を示す図である。
【図１３】従来の波高・潮位センサの構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１−波高・潮位センサ
２，５２−オプティカルヘッド
３，５３−電子回路ボックス
４−コンピュータ
５−海面
６−耐圧防爆容器
７−照射用光ファイバ
８−受光用光ファイバ
２１−照射レンズ
２２−受光レンズ
３１−半導体レーザ
３２−受光センサ
５１−液面計
６２−タンク
６３−液体
【発明の属する技術分野】
この発明は、海上において波高または潮位を測定する波高・潮位センサ、タンク等に貯溜された液体の液面位置を測定する液面計、及び、波高・潮位センサ又は液面計における波高・潮位又は液面の計測方法に関し、特に、メンテナンスの容易化、保全費用の削減を実現し、誘爆環境等の危険地域に設置し得る波高・潮位センサ、液面計及び液面計測方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
船舶を桟橋等において停泊させる場合、波浪の影響による事故を防止するために海象状態を判断する必要がある。そこで、従来より海面の波高および潮位を測定するセンサが用いられている。
【０００３】
従来より、静電容量方式または超音波方式の波高・潮位センサが知られている。静電容量方式の波高・潮位センサは、例えば図１３に示すように、絶縁被覆された電極４２を海面４５下に水没させ、海面水位の変化による静電容量の変動を測定して波高または潮位を検出するようにしている。この波高・潮位センサにおいて、海面水位がＷＬ１からＷＬ２にΔＬだけ増加すると、電極における静電容量は、ΔＣｏ＝Ｃｏ・ΔＬだけ変動する。従って、ΔＣｏを測定することにより海面水位の変動量ΔＬを求めることができる。
【０００４】
また、タンク内に貯溜された液体の液面位置を測定するものとしては、上記静電容量方式やフロート方式の液面計がある。静電容量式のセンサの長さに比較してタンクの高さがきわめて高い場合には、静電容量式のセンサを長手方向に複数連結して設置する。また、フロート方式の液面計では、テープによって吊り下げられたフロートを液面に浮かべ、テープの張力を一定に維持した状態におけるテープの巻取長さによって液面位置を測定する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の波高・潮位センサでは、検出装置の一部が海水中に水没していたため、海草や貝などの海中生物等が表面に付着し、測定結果に誤差を生じ、正確な波高または潮位を測定することができない問題がある。また、保守・点検作業には港湾管理者の作業許可が必要で、センサ等の表面から付着物を除去するには潜水作業の有資格者が必要であり、作業は気象や海象の影響を受けやすいためにメンテナンスが煩雑になり、また、その頻度も多くなる問題がある。
【０００６】
特に、従来の静電容量方式およびフロート方式の液面計においては、液面計がタンク内に貯溜された液体中に浸漬されているため、液面計のメンテナンスを行うためには、液体をタンク内から全て排出して内部を空気置換した後に作業者がタンク内に入らなければならず、液体の取扱いや点検作業が煩雑になる問題があった。
【０００７】
また、タンカー等の危険物を積載した船舶が入港する港湾は、誘爆雰囲気状態にある危険地域と見做され、このような港湾における波高または潮位を測定する装置は、電気機器による誘爆や火災を防止するため、波高・潮位センサの設置場所が限定される。このような問題は、例えば、タンク内に貯溜された引火性の液体の液面位置を測定する液面計においても同様に生じる。
【０００８】
この発明の目的は、装置の一部を海中や液体中に水没させることなく容易に設置でき、海面水位および液面位置を測定することができ、表面に海中生物等が付着することがなく、定期的なメンテナンスが殆ど不要になるとともに、誘爆環境等の危険地域や引火性の液体等の危険物を貯溜するタンク内においても安全に波高、潮位および液面位置を測定することができる波高・潮位センサおよび液面計を提供することにある。
【０００９】
また、制御装置の演算処理の負荷を過大にすることなく、波面の挙動を正確に測定することができ、波高及び潮位の測定精度を向上することができる波高・潮位測定方法及び波高・潮位センサを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載した発明の波高・潮位センサは、検出光を照射する照射レンズおよび反射光を受光する受光レンズを備え、照射レンズおよび受光レンズが水面に対向する位置に配置された光学装置と、
光学装置の照射レンズに照射用光ファイバを介して接続された発光手段と、光学装置の受光レンズに受光用光ファイバを介して接続され、受光信号を出力する受光センサと、受光センサの出力信号に基づいて水面までの距離を算出する演算手段と、を備えた回路装置と、
回路装置に信号線を介して接続され、演算手段の算出結果に基づいて波高または潮位を測定する制御装置と、を備え、
前記演算手段が、一定時間間隔における所定数の受光センサの出力信号に基づいて水面までの距離の平均を算出する手段であり、
前記制御装置が、第１の設定時間内に入力された複数の算出結果の平均値、最大値及び最小値を求め、平均値が基準値より高い場合は最大値を波データとするとともに、平均値が基準値より低い場合は最小値を波データとする波データ選択手段と、第２の設定時間において予め設定された有効エリアに含まれない設定個数の波データ以外の波データを測位データとする測位データ選択手段と、を含むことを特徴とする。
【００１２】
請求項２に記載した発明の波高・潮位測定方法は、一定時間間隔における所定数の受光センサの出力信号に基づいて水面までの距離の平均を回路装置において算出し、この算出結果を制御装置に入力し、制御装置において、第１の設定時間内に入力された複数の算出結果の平均値、最大値及び最小値を求め、平均値が基準値より高い場合は最大値を波データとするとともに、平均値が基準値より低い場合は最小値を波データとして選択し、次いで、第２の設定時間において予め設定された有効エリアに含まれない設定個数の波データ以外の波データを測位データとし、さらに、この測位データに基づいて波高または潮位を測定することを特徴とする。
【００１３】
請求項３に記載した発明の液面計は、検出光を照射する照射レンズおよび反射光を受光する受光レンズを備え、照射レンズおよび受光レンズが液面に対向する位置に配置された光学装置と、
光学装置の照射レンズに照射用光ファイバを介して接続された発光手段と、光学装置の受光レンズに受光用光ファイバを介して接続され、受光信号を出力する受光センサと、受光センサの出力信号に基づいて液面までの距離を算出する演算手段と、を備えた回路装置と、
回路装置に信号線を介して接続され、前記演算手段の算出結果の平均を液面位置として算出する制御装置と、を備え、
前記演算手段が、一定時間間隔における所定数の受光センサの出力信号に基づいて水面までの距離の平均を算出する手段であり、
前記制御装置が、第１の設定時間内に入力された複数の算出結果の平均値、最大値及び最小値を求め、平均値が基準値より高い場合は最大値を波データとするとともに、平均値が基準値より低い場合は最小値を波データとする波データ選択手段と、第２の設定時間において予め設定された有効エリアに含まれない設定個数の波データ以外の波データを測位データとする測位データ選択手段と、を含み、
前記回路装置を収納する耐圧防爆容器を備えたことを特徴とする。
【００１４】
請求項４に記載した発明の波高・潮位センサおよび液面計は、検出光を照射する照射レンズおよび反射光を受光する受光レンズを備え、照射レンズおよび受光レンズが水面に対向する位置に配置された光学装置と、
光学装置の照射レンズに照射用光ファイバを介して接続された発光手段と、光学装置の受光レンズに受光用光ファイバを介して接続され、受光信号を出力する受光センサと、受光センサの出力信号に基づいて水面までの距離を算出する演算手段と、を備えた回路装置と、
回路装置に信号線を介して接続され、演算手段の算出結果に基づいて波高または潮位を測定する制御装置と、
前記回路装置を収納する耐圧防爆容器を備えたことを特徴とする。
【００１５】
請求項１に記載した発明に係る波高・潮位センサは、光学装置、回路装置および制御装置により構成される。光学装置は、照射レンズおよび受光レンズを備え、照射レンズおよび受光レンズは水面に対向する。照射レンズおよび受光レンズは、それぞれ照射用光ファイバおよび受光用光ファイバを介して回路装置の発光手段および受光センサに接続される。
【００１６】
発光手段が駆動されると、発光手段の光が照射用光ファイバを介して照射レンズから水面に照射される。水面における反射光は受光レンズにより受光され、受光用光ファイバを介して受光センサに入光する。受光センサの出力信号は演算手段に入力され、演算手段は水面までの距離を算出する。この算出結果が制御装置に入力され、制御装置は入力された算出結果に基づいて波高または潮位を測定する。
【００１７】
図１において、センサ１０１から水面１０２に照射された光は水面１０２で反射し、この反射光がセンサ１０１に受光される。水面１０２における反射光のうち入射方向に対して略１８０度の反射角で反射した反射光のみが受光される。このとき、時間ｔと水面の高さＨとの関係は、
Ｈ＝Ｆ（ｔ）
で表され、この式を時間について微分し、
Ｆ’（ｔ）＝０
となるような時間ｔのとき、Ｆ（ｔ）が波の峰または波の谷の高さを表す。このとき水面は、光の入射方向に対して垂直となることから反射光は反射角１８０度で反射する。したがって、受光センサが出力信号を出力するタイミングは、波の峰または波の谷の付近を計測している時である。以上のことから波の峰と谷との位置を欠落することなく的確に測定するためには、波の周期と光の照射間隔との関係が重要となる。そこで、速い周期の波を計測する際には光の照射間隔を短くして計測する。計測位置が波の峰の部分であるか波の谷の部分であるかの区別は、直前に測定したデータとの大小の比較により判断できる。センサ部から波の峰または波の谷までの距離は、光の照射タイミングから受光タイミングまでの時間間隔を計時し、光の飛行時間に基づいて算出する。この算出値をセンサ部の取付位置の高さから差し引くことにより、その時々の水面の高さが求まる。
【００１８】
得られた水面の高さから波高および潮位を求める。先ず、波高Ｈについては、図２に示すように、１周期内での最大距離Ｓｍａｘ（波の谷部までの距離）と、最小距離Ｓｍｉｎ（波の山部までの距離）とから、
Ｈ＝Ｓｍａｘ−Ｓｍｉｎ
により求まる。ここに、波の１周期とは、図３に示すように、波の峰部が測定されてから次に波の峰部が測定されるまでの間をいう。
【００１９】
次に、潮位Ｌは、基準値からのセンサの設置高さＨｃおよび測定距離Ｓから、
Ｌｉ＝Ｈｃ−Ｓｉ （ｉ＝１，２，・・・Ｎ）
Ｌ＝（ΣＬｉ）／Ｎ
により求まる。
【００２０】
また、請求項１に記載した発明に係る波高・潮位センサは、回路装置において、一定時間間隔における所定数の受光センサの出力信号に基づいて水面までの距離の平均を算出し、制御装置において、第１の設定時間内に入力された複数の算出結果の平均値、最大値及び最小値を求め、平均値が基準値より高い場合は最大値を波データとするとともに、平均値が基準値より低い場合は最小値を波データとして選択し、第２の設定時間において予め設定された有効エリアに含まれない設定個数の波データ以外の波データを測位データとする。したがって、波高・潮位の測定精度を向上すべく、受光センサの出力信号の読取時間間隔を短くしても、制御装置における演算処理の負荷が過大になることがないとともに、波面以外の測定結果である不良データを除去して波面の測定結果のみに基づいて波高及び潮位を正確に測定することができる。
【００２１】
請求項２に記載した発明に係る波高・潮位測定方法は、回路装置において、一定時間間隔における所定数の受光センサの出力信号に基づいて水面までの距離の平均を算出し、制御装置において、第１の設定時間内に入力された複数の算出結果の平均値、最大値及び最小値を求め、平均値が基準値より高い場合は最大値を波データとするとともに、平均値が基準値より低い場合は最小値を波データとして選択し、第２の設定時間において予め設定された有効エリアに含まれない設定個数の波データ以外の波データを測位データとする。したがって、波高・潮位の測定精度を向上すべく、受光センサの出力信号の読取時間間隔を短くしても、制御装置における演算処理の負荷が過大になることがないとともに、波面以外の測定結果である不良データを除去して波面の測定結果のみに基づいて波高及び潮位を正確に測定することができる。
【００２２】
請求項３に記載した発明に係る液面計は、光学装置、回路装置および制御装置により構成される。光学装置は、照射レンズおよび受光レンズを備え、照射レンズおよび受光レンズは液面に対向する。照射レンズおよび受光レンズは、それぞれ照射用光ファイバおよび受光用光ファイバを介して回路装置の発光手段および受光センサに接続される。
【００２３】
発光手段が駆動されると、発光手段の光が照射用光ファイバを介して照射レンズから液面に照射される。液面における反射光は受光レンズにより受光され、受光用光ファイバを介して受光センサに入光する。受光センサの出力信号は演算手段に入力され、演算手段は液面までの距離を算出する。この算出結果が制御装置に入力され、制御装置はセンサの設置高さから入力された演算手段の算出結果を差し引いてその平均を求め、液面位置として算出する。したがって、液面計は液体中に浸漬することがなく、また、光学装置のみが液面の上方に配置される。
また、回路装置が耐圧防爆容器に収納され、光学装置は光ファイバのみを介して回路装置に接続されており、光学装置に対して電気信号は入出力されない。したがって、光学装置および回路装置は、制御装置から分離して誘爆雰囲気中に設置することができる。
【００２４】
請求項４に記載した発明においては、回路装置が耐圧防爆容器に収納され、光学装置は光ファイバのみを介して回路装置に接続されており、光学装置に対して電気信号は入出力されない。したがって、光学装置および回路装置は、制御装置から分離して誘爆雰囲気中に設置することができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
図４は、請求項１に記載した発明の実施形態の一例である波高・潮位センサの構成を示すブロック図である。波高・潮位センサ１は、光学装置であるオプティカルヘッド２、回路装置である電子回路ボックス３および制御装置であるコンピュータ４によって構成されている。オプティカルヘッド２は、内部に照射レンズ２１および受光レンズ２２を備え、海面５に対向する位置に配置されている。電子回路ボックス３は投光素子３１、受光素子３２、駆動回路３３、アンプ３４、制御回路３５および電源回路３６を備え、耐圧防爆型容器６に収納されている。耐圧防爆型容器６は、アルミ合金または鉄を素材として例えば、図５に示す形状に鋳造されたものである。耐圧防爆型容器６は、本体６ａと蓋６ｂとからなり、本体６ａと蓋６ｂとの間に、耐圧防爆型容器６の防水性を向上するＯリング６ｃを備えている。耐圧防爆型容器６は、容器内に外部から爆発性ガスが侵入し、内部で点火爆発した場合にも、外部に影響を与えることのないようにされており、点火源を実質的に容器内に隔離するものである。
【００２６】
耐圧防爆型容器６に収納される電子回路ボックス３は、前述のように光ファイバ７，８および信号ライン９によりオプティカルヘッド２およびコンピュータ４に接続され、電源ライン１０を介して外部電源１１から電源の供給を受ける。このため、耐圧防爆型容器６の容器６ａには、耐圧パッキン式または耐圧固着式等の引込器具６ｄ〜６ｆが設けられている。信号ライン９および電源ライン１０は、引込器具６ｄ，６ｅに貫通し、光ファイバ７，８は１本にされて引込器具６ｆに貫通する。なお、光ファイバ７，８が個別に貫通する２個の引込器具を設けることもできる。
【００２７】
電子回路ボックス３が有する投光素子３１は、例えばレーザダイオードにより構成されており、投光素子３１の光は照射用光ファイバ７を介してオプティカルヘッド２の照射レンズ２１から海面５に照射される。また、オプティカルヘッド２の受光レンズ２２は、受光用光ファイバ８を介して受光素子３２に接続されている。電子回路ボックス３の制御回路３５は、信号ライン９を介してコンピュータ４に接続されている。また、電源回路３６は、電源ライン１０を介して外部電源１１に接続されており、電子回路ボックス３の各電子部品に電源を供給する。以上の構成において、危険物を運搬するタンカーなどの船舶が停泊する港湾における海面の波高または潮位を測定する場合には、オプティカルヘッド２を海面の垂直上方に配置し、耐圧防爆型容器６に収納された電子回路ボックス３を港湾の桟橋近傍の危険地域に設置する。また、コンピュータ４は桟橋から遠く離れた危険地域外に設置する。このように設置することにより、海上には比較的軽量なオプティカルヘッド２のみを設置すればよく、設置作業が容易になる。また、海中に水没していないため、海中生物等が付着することがなく、メンテナンスを簡略化できる。
【００２８】
なお、電子回路ボックス３は投光素子３１からの光の照射タイミングから受光素子３２による反射光の受光タイミングまでの時間を測定し、この間の投光素子のパルス光の飛行時間を測定することにより、オプティカルヘッド２の設置位置から海面５までの距離を測定する。この測定結果を信号線９を介してコンピュータ４に入力する。
【００２９】
図６は、上記波高・潮位センサを構成するコンピュータの処理手順を示すフローチャートである。コンピュータ４は、電子回路ボックス３から入力される測定データを例えば２０ｍｓの周期でサンプリングし（ｓ１）、測定不能のデータを削除する処理を行い（ｓ２）、正常な測定データ潮位の基準値（例えばＴＰ）とオプティカルヘッド２との間の距離に基づく補正データから測定データを差し引く補正処理を行う（ｓ３）。この基準値は、潮位の測定の基準となる値として各港湾において予め定められた値である。コンピュータ４は、補正処理後の測定データを順次記憶する（ｓ４）。この測定データのサンプリングを例えば１０分程度の所定のデータ計測時間にわたって継続して実行する（ｓ５）。
【００３０】
データ計測時間にわたる測定データの計測が終了すると、コンピュータ４は、記憶している測定データから不良データを削除する処理を行う（ｓ６）この不良データの削除処理においては、例えば、所定個数の測定データのうち、前回の測定に係るデータの最大値＋α以上のデータおよび最小値−β以下のデータを不良データとして今回の測定データから削除する。ここで、αおよびβは、予め任意に設定された値である。なお、不良データが所定個数以上存在する場合には、今回の測定データの全てを削除するようにしてもよい。
【００３１】
この後、コンピュータ４は、不良データを除く測定データの平均値を潮位データとして算出する（ｓ７）。この潮位データの算出は、例えば、１＋ｍ個目〜２４００＋ｍ個目（ｍ＝０，１，２，・・・）の平均値を１０分程度の予め定められた処理時間において平均化する移動平均処理によって求めることができる。この移動平均処理の算出結果を以後例えば１時間における潮位データとして用いることにより、信頼性の高い潮位データを得ることができるとともに、常に潮位データを算出する場合に比べて演算処理を簡略化できる。
【００３２】
さらに、コンピュータ４は、不良データを削除した測定データおよび潮位データを用いて図７（Ａ）に示すような海面変位線図を作成する（ｓ８）。この海面変位線図から、Ｐ−Ｐ(Peak to Peak)法およびＺ−Ｃ(Zero up Cross) 法により波高Ｈおよび周期Ｔを読み取る（ｓ９）。Ｐ−Ｐ法では、図７（Ａ）に示すように、海面変位線図の最初の峰と次の谷との差を波高Ｈとして読み取り、最初の峰と次の峰との時間間隔を周期Ｔとする。また、Ｚ−Ｃ法では、図７（Ｂ）に示すように、平均水面を下から上に横切った後、再び平均水面を下から上に横切るまでの間を１つの波とし、その間にある最も高い峰と最も低い谷との差を波高Ｈとし、周期Ｔはその時の高い峰から再び平均水面を下から上に横切った後、最も高い峰までの時間間隔を計測する。このようにして、海面変位線図から一連の波高Ｈｉおよび周期Ｔｉ（ｉ＝１，２，３，・・・，Ｎ）を読み取る。
【００３３】
以上のようにしてＰ−Ｐ法およびＺ−Ｃ法により求めた波高Ｈおよび周期Ｔを用いて、最大波高および最大波周期を含む、平均波高Ｈｍおよび平均周期Ｔｍ、有義波高Ｈｓおよび有義波周期Ｔｓ、１／ｎ最大波高Ｈ１／ｎおよび１／ｎ最大波周期Ｔ１／ｎを、下記第１式〜第３式により、波浪解析に用いる統計量として算出する（ｓ１０〜ｓ１３）。なお、有義波高Ｈｓおよび有義波周期Ｔｓは、外洋波浪解析等に用いられ、一連の波高Ｈｉおよび周期Ｔｉを波高の大きい順に並べ替え、波高の大きい１／３の波について平均したものである。また、１／ｎ最大波高Ｈ１／ｎおよび１／ｎ最大波周期Ｔ１／ｎは、波高の大きい１／ｎの波について平均したものである。
【００３４】
【数１】
図８は、請求項４に記載した発明の実施形態の一例である液面計の使用状態を示す概略図である。液面計５１は、図４に示す波高・潮位センサ１と同様に構成されており、一例として、加圧タンク６２内に貯溜された液体６３の液面位置を測定する。液面計５１のオプティカルヘッド５２は、加圧タンク６２の上面に設置し、電子回路ボックス５３は、タンク６２の外壁に設置する。オプティカルヘッド５２は、加圧タンク６２の上面に取り付けられた耐圧レンズ６１およびバルブ６４を介して液体６３の液面に対向する。バルブ６４は、開閉自在にされており、このバルブ６４を開放した状態で液体６３の液面位置を測定する。また、バルブ６４を閉鎖した状態で、バルブ６４と耐圧レンズ６１との間の加圧ガスを空気置換した後に耐圧レンズ６１の清掃等を行う。
【００３６】
このように、加圧タンク６２の上面に、比較的軽量な液面計５１のオプティカルヘッド５２を設置すればよく、取付作業を極めて容易に行うことができる。また、液面計５１は加圧タンク６２の外部に設置されているため、液面計５１のメンテナンス時に加圧タンク６２から液体を排出して空気置換する必要がなく、メンテナンス作業を極めて容易に行うことができる。さらに、電子回路ボックス５３を図５に示す耐圧防爆型容器６に収納することにより、一般的に加圧タンク６２が設置される危険地域内においても、安全に加圧タンク６２内に貯溜された液体６３の液面位置を測定できる。
【００３７】
図９〜図１１は、請求項２に記載した発明の実施形態である波高・潮位センサにおいて実施される請求項３に記載した発明の波高・潮位測定方法を示すフローチャートである。この波高・潮位測定方法では、図６に示したｓ１〜ｓ６の処理に代えて、センサ取込処理（ｓ２０）及び波データ算出処理（ｓ３０）を実行する。センサ取込処理は図４に示した電子回路ボックス３内の制御回路３５の演算手段において行われ、波データ算出処理は図４に示したコンピュータ４において行われる。即ち、センサ取込処理は、計測精度を向上すべくセンサの計測サンプリング時間を短くした場合に、コンピュータ４における演算処理の負荷が過大になることを防止するために行われる。
【００３８】
このセンサ取込処理は図１０に示すように、先ず、予め設定された一定時間Ｔｓにおいて、予め設定された一定個数Ｎｓのデータの取込を行う（ｓ２１，ｓ２２）。このデータの取込は、水面の挙動に対して十分に速い例えば１msec程度のサンプリング時間で、受光素子３２の受光信号を読み取ることにより行う。また、一定時間Ｔｓとしては例えば２０msec、一定個数Ｎｓとしては例えば１０個程度の値が設定される。この場合、図１２（Ａ）に示すように、時間Ｔｓ２０msecが経過するまでの間に１msecの間隔で１０個のデータＤ1 〜Ｄ10が読み取られる。
【００３９】
一定個数のデータの取込が完了すると、読み取った一定個数のデータのうちで誤差の大きい特異データを削除し（ｓ２３）、特異データを除いたデータの平均値を求める（ｓ２４）。この処理で削除される特異データとは、波の表面における乱反射光や外部の光の反射光等を測定したデータであり、１msec程度のサンプリング時間において生じるはずのない誤差を有するデータである。例えば、読み取った１０個のデータが、10.00m、10.02m、10.06m、10.08m、9.96m 、9.98m 、9.96m 、7.00m 、15.00m、9.94m である場合、7.00m と15.00mとを削除し、それ以外の８個のデータの平均値を算出する。この平均値を測定データＤｓとしてコンピュータ４に送信する（ｓ２５）。
【００４０】
波データ算出処理は、前述のようにコンピュータ４において実行され、図１１に示すように、まず、制御回路３５から送信された測定データＤｓを受信し（ｓ３１）、この測定データＤｓから基準位置とセンサの設置位置との距離から差し引くことにより、測定データＤｓの補正を行う（ｓ３２）。この後、補正後の測定データＤｓについて、演算レンジから外れている無効データを削除する（ｓ３３）。この演算レンジは、図１２（Ｂ）に示すように、潮位・波高センサの使用状況に応じて計測する必要のない測定データＤｓを除くために予め設定された上限値Ｒｍａｘと下限値Ｒｍｉｎとの間の範囲である。例えば、通常時の潮位・波高のみを測定する使用状況では、台風時等に生じる高低差が極端に大きいデータが無効データとして削除される。このｓ３１〜ｓ３３の処理を、予め設定された時間Ｔｗにおいて継続して行う（ｓ３４）。設定時間Ｔｗはこの発明の第１の設定時間であり、例えば、２５０msec又は５００msec等の時間である。
【００４１】
この設定時間Ｔｗにおいて得られた有効な測定データＤｓの平均値、最大値及び最小値を算出し（ｓ３５）、算出した平均値Ｄｓａと零線ＺＲとを比較して波データを選択する（ｓ３６）。即ち、図１２（Ｂ）に示す時間Ｔｗ１の場合のように、測定データの平均値Ｄｓａが零線ＺＲより大きい場合は最大の測定データＤｓｍａｘを波データＤｗとし、時間Ｔｗｎの場合のように、平均値Ｄｓａが零線ＺＲより小さい場合は最小の測定データＤｓｍｉｎを波データＤｗとする。なお、零線ＺＲは、過去の複数の平均値Ｄｓａを一定時間間隔で移動平均した値である。
【００４２】
次いで、得られた波データＤｗが有効エリア内に存在するか否かを判断する（ｓ３７）。この有効エリアとは、図１２（Ｃ）に示すように、予め設定された所定時間における最大値＋αを上限値Ｅｍａｘとし、最小値−βを下限値Ｅｍｉｎとする範囲である。波データＤｗが有効エリアに含まれる場合には、正常な測位データＤａとして記憶する（ｓ３８）。波データＤｗが有効エリアに含まれない場合には、カウンタＣをインクリメントし（ｓ３９）、カウンタＣの内容が予め設定された値Ｎａを越えるまで不良データとして削除する（ｓ４０，ｓ４１）。カウンタＣの内容が設定値Ｎａを越えた場合は、その波データを正常な測位データＤａとして記憶する（ｓ４０→ｓ３８）。このカウンタＣの内容は、この発明の第２の設定時間として予め設定された一定時間Ｔｅを経過する毎にクリアする（ｓ４２，ｓ４３）。即ち、設定値Ｎａとして“５”が設定されている場合、図１２（Ｃ）に示す時間Ｔｅにおいて、６個目の有効エリアを越えるデータＤｗｅ６以降のデータは正常な測位データＤａとされる。
【００４３】
この処理により、センサの下方を通過した鳥や波の飛沫等の測定データを不良データとして排除することができる。また、有効エリア外のデータが予め設定された個数以上連続する場合には、波高が急激に変化したものと判断し、設定個数を越えたデータを正常な測位データとして扱うことができる。
【００４４】
このようにして得られた測位データに基づいて図６に示したｓ７〜ｓ１３の処理を行うことにより、より正確な波高及び潮位を測定することができる。また、制御回路３５において予めデータＤの平均値を求め、この平均値を測定データＤｓとしてコンピュータ４に供給するため、コンピュータ４に過大な演算処理の負荷が生じることがなく、コンピュータ４として汎用のパーソナルコンピュータ等を用いることができる。
【００４５】
【発明の効果】
請求項１および２に記載した発明によれば、光学レンズのみを備えた光学装置を回路装置から分離して水面または液面に対向する位置に設置するようにしているため、設置スペースが小さくなって装置の設置作業が容易であるとともに、海中生物等が付着することがなく、保守、点検時にこれらを除去する必要がなく、メンテナンスを容易化できるとともに、その頻度を減少することができる。
【００４６】
また、制御装置に過大な演算処理の負荷を与えることなく、波面の計測精度を向上するとともに、不良データを排除して正確な波高及び潮位を計測することができる。
【００４７】
請求項３および４に記載した発明によれば、回路装置は耐圧防爆容器に収納されるとともに、回路装置と光学装置とは光ファイバのみで接続されるため、誘爆環境等の危険地域における安全性を損なうことがなく、波高・潮位センサおよび液面計の設置場所を選ばない。
【図面の簡単な説明】
【図１〜図３】一般的な波高および潮位の測定方法を示す図である。
【図４】請求項１に記載した発明の実施形態の一例である波高・潮位センサの構成を示すブロック図である。
【図５】同波高・潮位センサが有する耐圧防爆容器の構造を示す図である。
【図６】同波高・潮位センサを構成するコンピュータの処理手順を示すフローチャートである。
【図７】同コンピュータにおける処理中に作成される海面変位線図である。
【図８】請求項４に記載した発明の実施形態の一例である液面計の使用状態を示す概略図である。
【図９】請求項２に記載した発明の実施形態の一例である波高・潮位センサにおける処理手順を示すフローチャートである。
【図１０】同波高・潮位センサを構成する制御回路の処理手順を示すフローチャートである。
【図１１】同波高・潮位センサを構成するコンピュータの処理手順を示すフローチャートである。
【図１２】同波高・潮位センサにおけるデータの処理状態を示す図である。
【図１３】従来の波高・潮位センサの構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１−波高・潮位センサ
２，５２−オプティカルヘッド
３，５３−電子回路ボックス
４−コンピュータ
５−海面
６−耐圧防爆容器
７−照射用光ファイバ
８−受光用光ファイバ
２１−照射レンズ
２２−受光レンズ
３１−半導体レーザ
３２−受光センサ
５１−液面計
６２−タンク
６３−液体
Claims (4)
- 検出光を照射する照射レンズおよび反射光を受光する受光レンズを備え、照射レンズおよび受光レンズが水面に対向する位置に配置された光学装置と、
光学装置の照射レンズに照射用光ファイバを介して接続された発光手段と、光学装置の受光レンズに受光用光ファイバを介して接続され、受光信号を出力する受光センサと、受光センサの出力信号に基づいて水面までの距離を算出する演算手段と、を備えた回路装置と、
回路装置に信号線を介して接続され、演算手段の算出結果に基づいて波高または潮位を測定する制御装置と、を備え、
前記演算手段が、一定時間間隔における所定数の受光センサの出力信号に基づいて水面までの距離の平均を算出する手段であり、
前記制御装置が、第１の設定時間内に入力された複数の算出結果の平均値、最大値及び最小値を求め、平均値が基準値より高い場合は最大値を波データとするとともに、平均値が基準値より低い場合は最小値を波データとする波データ選択手段と、第２の設定時間において予め設定された有効エリアに含まれない設定個数の波データ以外の波データを測位データとする測位データ選択手段と、を含むことを特徴とする波高・潮位センサ。 - 一定時間間隔における所定数の受光センサの出力信号に基づいて水面までの距離の平均を回路装置において算出し、この算出結果を制御装置に入力し、制御装置において、第１の設定時間内に入力された複数の算出結果の平均値、最大値及び最小値を求め、平均値が基準値より高い場合は最大値を波データとするとともに、平均値が基準値より低い場合は最小値を波データとして選択し、次いで、第２の設定時間において予め設定された有効エリアに含まれない設定個数の波データ以外の波データを測位データとし、さらに、この測位データに基づいて波高または潮位を測定することを特徴とする波高・潮位測定方法。
- 検出光を照射する照射レンズおよび反射光を受光する受光レンズを備え、照射レンズおよび受光レンズが液面に対向する位置に配置された光学装置と、
光学装置の照射レンズに照射用光ファイバを介して接続された発光手段と、光学装置の受光レンズに受光用光ファイバを介して接続され、受光信号を出力する受光センサと、受光センサの出力信号に基づいて液面までの距離を算出する演算手段と、を備えた回路装置と、
回路装置に信号線を介して接続され、前記演算手段の算出結果の平均を液面位置として算出する制御装置と、を備え、
前記演算手段が、一定時間間隔における所定数の受光センサの出力信号に基づいて水面までの距離の平均を算出する手段であり、
前記制御装置が、第１の設定時間内に入力された複数の算出結果の平均値、最大値及び最小値を求め、平均値が基準値より高い場合は最大値を波データとするとともに、平均値が基準値より低い場合は最小値を波データとする波データ選択手段と、第２の設定時間において予め設定された有効エリアに含まれない設定個数の波データ以外の波データを測位データとする測位データ選択手段と、を含み、
前記回路装置を収納する耐圧防爆容器を備えたことを特徴とする液面計。 - 前記回路装置を収納する耐圧防爆容器を備えた請求項１に記載の波高・潮位センサ。
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