JP3899900B2

JP3899900B2 - 光式流向センサ

Info

Publication number: JP3899900B2
Application number: JP2001337710A
Authority: JP
Inventors: 盛久福士; 浩庸冨田; 博史鴨志田
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2001-11-02
Filing date: 2001-11-02
Publication date: 2007-03-28
Anticipated expiration: 2021-11-02
Also published as: JP2003139790A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、河川水流の方向を常時監視するための流向センサに係り、特に、光ファイバを用いて流向を監視するための光式流向センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、河川流水方向を検出する方式としては、流れの表面に直接電波を発射し、その反射波のドップラー効果により流向を監視する方式、流水に含まれる微粒子の移動をＴＶカメラにより映像として取り込み、その軌跡を直接監視し、演算して求める方式がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、電波等電気式センサを使用して河川等の流向を監視する前者の方式は、電気式であるがゆえに電源の確保が容易でなく、また複数箇所を同時に監視する場合、伝送装置等の機器が必要となるため多点化には適さない。また降雨等悪天候時には電波が、不安定状態となり、確実に監視が行えない可能性がある。さらに、長期的にセンサを放置した場合、センサの入出力部が極端に汚れてしまうと出力が安定せず、またセンサそのものも高価なものであり設置後のメンテナンスも容易ではない。
【０００４】
ＣＣＤカメラを用いて流水に含まれる微粒子の移動軌跡により流向を監視する後者の方式は、微粒子の移動軌跡の入力はオペレータが行うため、高水流の場合、微粒子の移動速度が速く入力が困難である。また水面が停滞し低水流である場合の監視は不可能であり、またカメラのレンズ部等は長期に放置すると汚れて鮮明な画像が撮影できなくなるなどの問題もある。またそのメンテナンスと電源の確保も容易でなく、多点常時監視は方式的に不可能である。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、周囲環境に影響されずに、多点監視が容易で、しかも電源を全く必要とせずに、且つ頑丈で安価な光式流向センサを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１の発明は、本体筒内に設けた非磁性体パイプに、回転自在なシャフトを、その非磁性体パイプの下端から突出するよう設けると共に該シャフトの下端に水流方向に向く舵を設け、上記非磁性体パイプ内のシャフトに内部磁石を設け、非磁性体パイプの上端両側より、非磁性体パイプの外側面に沿って垂下するよう一対の歪み検出板を設け、その歪み検出板の下部の非磁性体パイプ側に、上記内部磁石に対向して外部磁石を設け、その歪み検出板に、光ファイバに接続されると共に、歪みにより光ファイバから入射された光から異なる波長をそれぞれ出力するＦＢＧを一体に設けた光式流向センサである。
【０００７】
請求項２の発明は、２枚の歪み検出板の温度補正を、流向により変化した歪み検出板側のＦＢＧの出力波長の変化量から、他方の歪み検出板側のＦＢＧの出力波長の変化量を差し引くことで行う請求項１記載の光式流向センサである。
【０００８】
請求項３の発明は、ＦＢＧは、歪み検出板に一体に設けた光ファイバに光ファイバからの光を波長を変えて出力するグレーティング部を形成してなり、そのＦＢＧの光ファイバを歪み検出板に一体にする際に微量のテンションを与えた状態で一体化させた請求項１記載の光式流向センサである。
【０００９】
請求項４の発明は、非磁性体パイプに、複数の歪み検出板を設けると共にこれら歪み検出板にそれぞれ外部磁石を設け、その各歪み検出板にＦＢＧをそれぞれ一体に設け、水流に伴う舵の回転運動を上記各ＦＢＧの出力波長変化から検出する請求項１記載の光式流向センサである。
【００１０】
請求項５の発明は、光ファイバに請求項１記載の光式流向センサを複数直列に接続したことを特徴とする光式流向センサである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００１２】
図１は、ＦＢＧ（ Fiber Bragg Grating）利用光式流向センサの内部構造を示す断面図である。
【００１３】
図１において、１０は本体筒で、その上部に、上フランジ１１が、下部に、下フランジ１２が、ボルト１３，１４で取り付けられると共に本体筒１０と上下フランジ１１，１２間がＯリング１５，１６でシールされる。
【００１４】
下フランジ１２には、本体筒１０内から下フランジ１２の下方に貫通するように非磁性体パイプ１７が設けられる。本体筒１０内に位置した非磁性体パイプ１７内には、上下ベアリング１８，１９を介してシャフト２０が回転自在に設けられる。上下のベアリング１８，１９は、それぞれストップリング２１，２２で非磁性体パイプ１７内に固定される。
【００１５】
シャフト２０は、非磁性体パイプ１７の下端に設けたカラー２３から下方に延び、その下部に舵２４が設けられる。この舵２４はプラスチック系の舶等の舵形状と同じに形成される。
【００１６】
本体筒１０内の非磁性体パイプ１７の上端には、本体筒１０の径方向外方に突出するよう取付板２５が設けられ、その取付板２５の両側に歪み検出板２６，２７が片持ち支持され、且つ非磁性体パイプ１７の側面に沿うように垂下して設けられると共に、その歪み検出板２６，２７の下端の非磁性体パイプ１７に面した側に外部磁石２８，２９が設けられる。この歪み検出板２６，２７は、ＳＵＳバネ鋼、スーパーインバ材等、温度変化により材料そのものの収縮率の小さい材質が望ましい。
【００１７】
この外部磁石２８，２９の位置に対向してシャフト２０には内部磁石３０が取り付けられる。内部磁石３０と外部磁石２８，２９とは、その極性が異なるようにしても或いは同極になるようにしてもよい。この内部磁石３０と外部磁石２８，２９に用いる永久磁石は、その磁石密度が２０００〜２５００ガウス程度とするのが最も好ましい。
【００１８】
歪み検出板２６，２７には、その歪み検出板２６，２７と一体にＦＢＧ３１，３２が取り付けられる。
【００１９】
先ず、流向測定装置（図示せず）に接続された光ファイバ３３をループ状にして、上フランジ１１より本体筒１０内に導入し、その流向測定装置の上流側の光ファイバ３３Ａを、外水方向検出用の歪み検出板２７に一体化して歪み測定光ファイバ部３３Ｄとし、その歪み測定光ファイバ部３３Ｄから接続光ファイバ３３Ｃを介して内水方向検出用の歪み検出板２８に一体化して歪み測定用光ファイバ３３Ｕとし、その光ファイバ３３Ｕより流向測定装置の下流側光ファイバ３３Ｂを上フランジ１１を通して本体筒１０外に延出させ、その下流側光ファイバ３３Ｂを、同様にして他の光式流向センサに順次接続して、多点で流向を測定できるように光ファイバ３３が設けられる。
【００２０】
ＦＢＧ３１，３２は、歪み検出板２６，２７に一体に設けた歪み測定用光ファイバ３３Ｕ，３３Ｄに回折波長の相違するグレーティング部３４Ｕ，３４Ｄを形成して構成される。
【００２１】
図２（ａ）〜図２（ｃ）は、歪み検出板２６，２７へのＦＢＧ３１，３２取付の詳細を示したもので、図２（ａ）は正面図、図２（ｂ）は側面図、図２（ｃ）は断面図である。
【００２２】
ＦＢＧ３１，３２は、ＳＵＳバネ鋼等で形成した歪み検出板２６，２７に、グレーチング部３４Ｕ，３４Ｄを形成したＰＩ（ポリイミド）で被覆した歪み測定光ファイバ部３３Ｕ，３３Ｄを接着剤（エポティック；商品名）３５で一体に取り付けて形成される。グレーチング部３４Ｕ，３４Ｄは、回折による出力波長が相違するように形成しておく。また、歪み検出板２６，２７とＦＢＧ３１，３２を一体化させるにあたり、ＦＢＧ３１，３２に微量のテンションを与えた状態で一体化することで、微小な歪み検出板２６，２７の撓みを高感度に検出することが可能となる。
【００２３】
次に本発明の作用を説明する。
【００２４】
本体筒１０を水流を測定する河川の水面近くに設置すると共に舵２４を水面に浸るように取り付ける。
【００２５】
舵２４は、図３（ａ）に示すように、水流が内水方向（上流から下流への流れ）にある場合には、舵２４は回転しながら内水方向を示し、シャフト２０、内部磁石３０も内水方向を示す位置にある。
【００２６】
この状態のとき、外部磁石２８，２９の内、内水方向を示す外部磁石２８と内部磁石３０とが引きつけ合うため、その歪み検出板２６が非磁性体パイプ１７に接するように変形する。
【００２７】
また、内水方向から外水方向に水流の流れが変化した場合には、図３（ｂ）に示すように、舵２４は、外水方向に回転し、同時に内部磁石３０も外水方向を指す。すると、内水方向の検知と同様に、今度は外水方向を示す外部磁石２９が引き合い、その歪み検知板２７が非磁性体パイプ１７に接するように変形する。
【００２８】
光ファイバ３３には、その流向測定装置（図示せず）から、光が入射されており、歪み検出板２６，２７の変形により、ＦＢＧ３１，３２で、回折により反射が起こると共に、その反射光の出力波長が変化するため、この変化を流向計測装置で計測することで、舵２４が内水方向か外水方向か或いはその他の方向（水流が停滞している状態）かが判別できる。
【００２９】
この場合、歪み検出板２６，２７の湾曲時のたわみ量は、ＦＢＧ出力波長変化量で１．５〜２．０ｎｍとすることが、温度と流向の波長分離を考慮すると望ましく、且つ歪み検知板２６，２７の再現性を精度よく行う上でも最も望ましい。
【００３０】
図４は、本発明のＦＢＧ利用光式流向センサの波長変化による流向判定を説明する図である。
【００３１】
図４において、Ａは、水流が停滞しているとき、Ｂは水流が内水方向（上流から下流方向）のとき、Ｃは水流が外水方向（下流から上流方向）のときを示し、その際のＦＢＧ利用光式流向センサの舵２４の向きを同時に示した。
【００３２】
先ず、上述のように内水方向検出用のＦＢＧ３１と外水方向検出用のＦＢＧ３２は、異なった出力波長となるように形成し、その２波長の変化から水流の向きを判別する。
【００３３】
すなわち、図４中、ａは、内水方向検出用のＦＢＧ３１による波長変化で、ｂは、外水方向検出用のＦＢＧ３２による波長変化を示したもので、水流が停滞しているとき（Ａ）は、舵２４は、図示のように水流方向がないため、方向性を示さず、水流が内水方向（図で、右から左の流れ）のとき（Ｂ）は、舵２４は、その尾部が下流方向に向き（図３（ａ）参照）、このため、内部磁石３０と内水側の外部磁石２８とが引き合って歪み検出板２６を屈曲させ、これによりＦＢＧ３１で出力波長が変化する。また水流が外水方向（図で、左から右の流れ）のとき（Ｃ）は、舵２４は、その尾部が上流方向に向き（図３（ｂ）参照）、このため、内部磁石３０と外水側の外部磁石２９とが引き合って歪み検出板２７を屈曲させ、これによりＦＢＧ３２で出力波長が変化する。
【００３４】
このようにＦＢＧ３１，３２の出力波長変化ａ，ｂを流向測定装置で検出し、この信号を処理することで、双方の波長変化の有無により河川水流の流れの向きを容易に検出することができる。
【００３５】
また、歪み検出板２６，２７は、温度変化により線膨張し、これがＦＢＧ３１，３２の出力波長変化に影響を及ぼすため、温度補正を行う。この温度補正は、流向により変化した歪み検出板２６（または２７）の出力波長の変化量から他方の歪み検出板２７（または２６）の出力波長の変化量を差し引くことにより行う。
【００３６】
上述の実施の形態においては、水流方向の上流と下流に位置して歪み検出板２６，２７とＦＢＧ３１，３２を設ける例で説明したが、この歪み検出板２６，２７と、９０度回転した位置に歪み検出板とＦＢＧを設けることにより、図４の水流が停滞しているとき（Ａ）の舵の方向を検出できるとともに、水流が渦巻き状で、舵２４が回転する場合にはその回転の状態も検出することが可能である。
【００３７】
以上、本発明の光式流向検出センサによれば、無電源で精度よく河川などの流向検出が可能であり、また光ファイバに順次直列に光式流向検出センサを接続することで、河川の水流の多点測定も可能となる。また光式流向検出センサは、外観寸法、重量についてみても、外径約１００ｍｍ、高さ３００ｍｍ、重量約５ｋｇと軽量コンパクトであり、現地に適したものを提供できる。
【００３８】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、周囲環境に影響されずに多点化が容易で、しかも電源を全く必要としない安価な光式流向センサを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態を示す断面図である。
【図２】図１の歪み検出板へのＦＢＧ取り付けの詳細を示す図である。
【図３】本発明において、水流に対する舵の方向を説明する図である。
【図４】本発明において、ＦＢＧの出力波長変化による流向判定を説明する図である。
【符号の説明】
１０本体筒
１７非磁性体パイプ
２０シャフト
２４舵
２６，２７歪み検出板
２８，２９外部磁石
３０内部磁石
３１，３２ＦＢＧ
３３光ファイバ

Claims

本体筒内に設けた非磁性体パイプに、回転自在なシャフトを、その非磁性体パイプの下端から突出するよう設けると共に該シャフトの下端に水流方向に向く舵を設け、上記非磁性体パイプ内のシャフトに内部磁石を設け、非磁性体パイプの上端両側より、非磁性体パイプの外側面に沿って垂下するよう一対の歪み検出板を設け、その歪み検出板の下部の非磁性体パイプ側に、上記内部磁石に対向して外部磁石を設け、その歪み検出板に、光ファイバに接続されると共に、歪みにより光ファイバから入射された光から異なる波長をそれぞれ出力するＦＢＧを一体に設けたことを特徴とする光式流向センサ。
２枚の歪み検出板の温度補正を、流向により変化した歪み検出板側のＦＢＧの出力波長の変化量から、他方の歪み検出板側のＦＢＧの出力波長の変化量を差し引くことで行う請求項１記載の光式流向センサ。
ＦＢＧは、歪み検出板に一体に設けた光ファイバに光ファイバからの光を波長を変えて出力するグレーティング部を形成してなり、そのＦＢＧの光ファイバを歪み検出板に一体にする際に微量のテンションを与えた状態で一体化させた請求項１記載の光式流向センサ。
非磁性体パイプに、複数の歪み検出板を設けると共にこれら歪み検出板にそれぞれ外部磁石を設け、その各歪み検出板にＦＢＧをそれぞれ一体に設け、水流に伴う舵の回転運動を上記各ＦＢＧの出力波長変化から検出する請求項１記載の光式流向センサ。
光ファイバに請求項１記載の光式流向センサを複数直列に接続したことを特徴とする光式流向センサ。