JP5676502B2

JP5676502B2 - 光式流速水圧測定装置

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Publication number: JP5676502B2
Application number: JP2012017534A
Authority: JP
Inventors: 小野　義視; 義視小野; 正樹出雲; 純一風間; 健治嘉本; 敏郎原田; 俊男中村
Original assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.; Tokyo Metropolitan Sewerage Service Corp
Current assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.; Tokyo Metropolitan Sewerage Service Corp
Priority date: 2012-01-31
Filing date: 2012-01-31
Publication date: 2015-02-25
Anticipated expiration: 2032-01-31
Also published as: JP2013156175A

Description

本発明は、ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）を用いた、流速と水圧とを測定する装置に関し、より具体的には、河川や管路等の流路を流れる流水の流速と水圧を測定する装置に関するものである。

従来のＦＢＧを用いた光式流速測定装置は、例えば、特許文献１に開示されている。特許文献１では、気密室を形成するハウジングと、ハウジング内に収容された、応力に応じて変位し、その変位量に応じた波長の光を出射するＦＢＧと、ハウジング外の上流側にあって、流水の流速に応じた力を受ける受圧板と、一端部が受圧板側に固定されたシャフトを有し、受圧板に作用する力に応じてシャフトが変位し、その変位によりＦＢＧを変位させる荷重伝達機構と、を備えている。また、特許文献１では、長期に渡って信頼性の高い流速測定を可能とするために、荷重伝達機構は、シャフトが貫通し受圧板に固定されたボス部と、内周部がボス部の外周に固定され、外周部がハウジング側に固定されたダイヤフラムとを有し、受圧板とシャフトとの間およびボス部とシャフトとの間にＯリングがそれぞれ設けられている。

また、従来のＦＢＧを用いた光式水圧測定装置は、例えば、特許文献２に開示されている。特許文献２では、圧力の変化を歪みの変化に変換するダイヤフラムに、光ファイバの長さ方向の一部に形成したＦＢＧを取り付けた光式水圧測定装置であり、ＦＢＧの両側の２点のみをＦＢＧにたるみがないようダイヤフラムに固定している。

一般に、河川や管路等の流路を流れる流水を測定する場合、流速測定装置を設置して水の流速を測定するだけではなく、水圧測定装置も設置して水圧を測定する。流速を測定するだけでなく、流速を測定した地点の水圧もあわせて測定することで、該地点の水位も計測する。該地点における水位も計測することにより、該地点の水位に応じた流速を正確に算出できる。

しかし、従来、流速と水圧を測定するには、特許文献１に例示される光式流速測定装置と特許文献２に例示される光式水圧測定装置とを、別の地点に設置する必要があった。従って、流速の測定地点と水圧の測定地点が離れてしまうので、流速の測定地点について水位に応じた流速を正確に算出できないという問題や、流速の測定地点における流量に誤差が発生しやすいという問題があった。

また、流速測定装置と水圧測定装置とを別の地点に設置することにより、水の流れが阻害されやすくなるので、流速や流量を正確に算出できないという問題があった。

特開２００９−２３６７７７号公報特開２００２−９８６０４号公報

本発明は上記した従来技術の問題に鑑みてなされたものであり、水位に応じた流速を正確に算出でき、流量の測定に誤差が発生するのを防止できる測定装置を提供することを目的とする。

本発明の態様は、流路に配置され、前記流路内を流れる流水の流速と水圧を測定する光式流速水圧測定装置であって、前記流速に応じた応力を検知する第１ファイバブラッググレーティングと、前記応力の負荷に連動して、前記第１ファイバブラッググレーティングに前記応力の負荷を伝達する負荷伝達機構と、前記応力を受ける第１ダイヤフラムを備え、前記第１ファイバブラッググレーティングと前記負荷伝達機構を収容する第１気密室を形成する第１ハウジングと、前記第１ハウジング外の前記流水の上流側に設けられ、前記応力を前記第１ダイヤフラムへ伝達する受圧板を備えた流速測定部と、前記水圧を検知する第２ファイバブラッググレーティングと、前記水圧を受け、該水圧を前記第２ファイバブラッググレーティングに伝達する第２ダイヤフラムと、前記第２ダイヤフラムを備え、前記第２ファイバブラッググレーティングを収容する第２気密室を形成する第２ハウジングを備えた水圧測定部と、を有し、前記第１気密室の前記流水の下流側に、前記第１気密室と隣接して前記第２気密室が設けられていることを特徴とする光式流速水圧測定装置である。

上記態様の光式流速水圧測定装置では、流速測定部の第１気密室と水圧測定部の第２気密室とが、別体ではなく一体となっている。つまり、流速測定部と水圧測定部とが一体となっている。また、上記態様の光式流速水圧測定装置は、流水の上流側に流速測定部が、下流側に水圧測定部が、それぞれ配置されるように、流路内に設置される。

本発明の態様は、さらに、前記流水が前記第２ダイヤフラムの撓みに影響するのを抑制するための流水規制部材が、底部に設けられていることを特徴とする光式流速水圧測定装置である。

本発明の態様は、前記流水規制部材が、板状体であり、該板状体表面の一方の端部から他方の端部へ、流水の流れ方向に対して平行方向の溝が形成されていることを特徴とする光式流速水圧測定装置である。

本発明の態様は、前記流水規制部材が、板状体であり、該板状体表面の上流側端部から延在する、流水の流れ方向に対して平行方向の溝と、該溝の下流側に該溝と連通した、流水の流れ方向に対して０°超９０°未満の方向の溝とが形成されていることを特徴とする光式流速水圧測定装置である。

本発明の態様は、前記負荷伝達機構に、前記第１ファイバブラッググレーティングの破損を防止するための負荷伝達規制構造が設けられていることを特徴とする光式流速水圧測定装置である。

本発明の態様は、前記第１気密室または前記第２気密室に、温度補償用ファイバブラッググレーティングが収容されていることを特徴とする光式流速水圧測定装置である。本発明では、第１気密室と第２気密室とが、隣接しかつ一体となっているので、１つの温度補償用ファイバブラッググレーティングにて、第１ファイバブラッググレーティングと第２ファイバブラッググレーティングの温度補正が可能となる。

本発明の態様は、前記第１ファイバブラッググレーティングの長手方向に対して並列に、ダミー用光ファイバまたはダミー用光ファイバテープ心線が設けられていることを特徴とする光式流速水圧測定装置である。上記「ダミー用光ファイバ」とは、ファイバブラッググレーティングが形成されておらず、よって、流速に応じた応力を検知しない光ファイバを意味する。上記「ダミー用光ファイバテープ心線」とは、ファイバブラッググレーティングが形成されておらず、よって、流速に応じた応力を検知しない光ファイバを有するテープ心線を意味する。ダミー用光ファイバ・ダミー用光ファイバテープ心線の本数を調整することで、第１ファイバブラッググレーティングに伝達される応力を調整できる。

本発明の態様は、流水の流れ方向に対して平行方向の溝が形成された流水規制部材を備えた光式流速水圧測定装置を、流水の流れる流路に設置して、前記光式流速水圧測定装置の下流側の流れを整流して前記流水の流速と水圧を測定することを特徴とする流速水圧測定方法である。

本発明の態様は、流水の流れ方向に対して平行方向の溝が形成された流水規制部材を備えた光式流速水圧測定装置を下水道内に設置して、前記下水道内を流れる異物が、前記光式流速水圧測定装置周辺に堆積するのを防止して前記周辺を洗浄しながら前記下水道内の流水の流速と水圧を測定することを特徴とする流速水圧測定方法である。

上記態様によれば、流速測定部と水圧測定部とが隣接し、かつ一体となっているので、小型化でき、流速の測定地点と水圧の測定地点とをほぼ一致させることができる。その結果、流速の測定地点について水位に応じた流速を正確に算出でき、また、流速の測定地点における流量測定値に誤差が発生するのを防止できる。さらに、流速測定部と水圧測定部とが一体となっているので、流水が光式流速水圧測定装置により阻害されるのを抑制でき、結果、流速や流量を正確に算出できる。

上記態様によれば、流水規制部材により、流水が第２ダイヤフラムの撓みに影響を与えるのを抑制するので、第２ダイヤフラムは、流水に関係なく水圧に応じて撓み、結果、水圧を正確に測定できる。

上記態様によれば、板状体である流水規制部材の表面に、流水の流れ方向に対して平行方向に溝が設けられているので、流水によって運ばれてくる流路内の砂、泥、ゴミ等の異物が、上記溝を通ることで光式流速水圧測定装置の下流側へ円滑に流される。このように、上記溝は、異物を光式流速水圧測定装置の下流側へ流す自己洗浄作用を発揮する。上記溝の自己洗浄作用により、流路内を流れてくる異物が光式流速水圧測定装置とその周辺部に堆積するのを防止できるので、光式流速水圧測定装置の周囲に堆積した異物によって受圧板の変位が阻害されるのを防止し、より正確に流速を測定できる。また、光式流速水圧測定装置の周囲に堆積した異物が第２ダイヤフラムの撓みに影響を与えるのを防止できるので、より正確に水圧を測定できる。さらに、上記溝により、光式流速水圧測定装置の下流側にカルマン渦が発生するのを抑制できるので、光式流速水圧測定装置周辺の流れに整流作用を与えることができる。

上記態様によれば、流水の流れ方向に対して平行方向の溝に加えて、さらに流水の流れ方向に対して０°超９０°未満の方向の溝が形成されているので、流路内の異物が光式流速水圧測定装置とその周辺部に堆積するのをより確実に防止できる。

上記態様によれば、第１ファイバブラッググレーティングの破損を防止する負荷伝達規制構造が設けられているので、流速が予想外に速くなって第１ファイバブラッググレーティングに伝達される応力が大きくなっても、光式流速水圧測定装置の故障を防止できる。

上記態様によれば、１つの温度補償用ファイバブラッググレーティングにて、第１ファイバブラッググレーティングと第２ファイバブラッググレーティングの温度補正をするので、装置の構造が簡素化でき、製造コストを低減できる。

上記態様によれば、ダミー用光ファイバまたはダミー用光ファイバテープ心線により第１ファイバブラッググレーティングに伝達される応力を調整できるので、測定地点の流速に応じて流速測定部の感度を調整できる。

本発明の実施形態例に係る光式流速水圧測定装置の内部を示す正面図である。本発明の実施形態例に係る光式流速水圧測定装置の側面断面図である。本発明の実施形態例に係る負荷伝達規制構造の正面図である。光式流速水圧測定装置内のＦＢＧと外部の光源等が光ファイバで接続された光経路を示す模式図である。実施形態例に係る流水規制部材の正面図である。第２の実施形態例に係る流水規制部材の正面図である。第３の実施形態例に係る流水規制部材の正面図である。

以下に、本発明の実施形態例に係る光式流速水圧測定装置について、図面を用いながら説明する。図１、２に示すように、本発明の実施形態例に係る光式流速水圧測定装置１は、流速測定部２と、この流速測定部２の下流側に流速測定部２と隣接した水圧測定部３とを備え、流速測定部２と水圧測定部３とは連結部４を介して連結されることで、流速測定部２と水圧測定部３が一体化されている。この連結部４の強度は、周囲に設けられた板状の連結部補強部材４３で補強されている。また、流速測定部２の底部３０から水圧測定部３の底部３２にわたって、板状体の流水規制部材５が１枚設置されている。

流速測定部２は、従来のファイバブラッググレーティングを用いた光式流速測定装置と同様の構造を有したものでよく、よって、従来と同様のメカニズムにて流速を測定することができる。

実施形態例に係る流速測定部２は、図１、２に示すように、流速に応じた応力を検知する第１ファイバブラッググレーティング（第１ＦＢＧ）１１と、前記応力の負荷に連動して、前記第１ＦＢＧ１１に前記応力の負荷を伝達する負荷伝達機構１２と、前記応力を受ける第１ダイヤフラム１３を有し、前記第１ＦＢＧ１１と前記負荷伝達機構１２を収容する第１気密室１４を形成する第１ハウジング１５を備えている。

負荷伝達機構１２は、第１ハウジング１５の上流側に設けられ、流水Ｆの流速に応じて力を受ける上流側受圧板１６に、一方の端部が固定された一本のシャフト１７と、このシャフト１７に固定されているが第１ハウジング１５には固定されていない、可動ブロックである第１ＦＢＧ下流側取付台１８と、第１ハウジング１５に固定されているがシャフト１７には固定されていない、固定ブロックである第１ＦＢＧ上流側取付台１９と、を有している。上流側受圧板１６が流水Ｆの流速に応じた力を受けると、それに対応して、上流側受圧板１６に一方の端部が固定されたシャフト１７が下流側に変位し、この変位量に応じて第１ＦＢＧ下流側取付台１８も下流側に変位する。このとき、シャフト１７が下流側に変位しても、第１ＦＢＧ上流側取付台１９は第１ハウジング１５に固定されているので変位しない。第１ＦＢＧ下流側取付台１８の変位によって、一方の端部近傍が第１ＦＢＧ上流側取付台１９に、他方の端部が第１ＦＢＧ下流側取付台１８に接着剤で取り付けられている第１ＦＢＧ１１が、伸び方向の応力を受け、結果、第１ＦＢＧ１１が変位する。

また、必要に応じて、負荷伝達機構１２に負荷伝達規制構造２０を取り付けてもよい。図２、３の実施形態例に示すように、負荷伝達規制構造２０は、第１ＦＢＧ下流側取付台１８の上流側に隣接した、第１ハウジング１５に固定されているがシャフト１７には固定されていない、固定ブロックである上流側負荷伝達規制台２１と、第１ＦＢＧ下流側取付台１８の下流側に隣接した、第１ハウジング１５に固定されているがシャフト１７には固定されていない、固定ブロックである下流側負荷伝達規制台２２とを備えている。すなわち、上流側負荷伝達規制台２１と下流側負荷伝達規制台２２は、流水Ｆの流れ方向に沿って直線上に配置され、第１ＦＢＧ下流側取付台１８は、上流側負荷伝達規制台２１と下流側負荷伝達規制台２２との間に配置されている。従って、上流側負荷伝達規制台２１の下流側表面２３と第１ＦＢＧ下流側取付台１８の上流側表面２４は所定量の間隔にて対向し、下流側負荷伝達規制台２２の上流側表面２５と第１ＦＢＧ下流側取付台１８の下流側表面２６は所定量の間隔にて対向している。

上流側受圧板１６が流水Ｆの速さに応じた力を受け、その応力に応じて、第１ＦＢＧ下流側取付台１８が下流側に変位するにあたり、上流側受圧板１６が第１ＦＢＧ１１の伸びによる破損に至る過大な力を受けても、第１ＦＢＧ下流側取付台１８が負荷伝達規制構造２０の下流側負荷伝達規制台２２に上流側から当接することで、第１ＦＢＧ下流側取付台１８が所定の変位量を超えて下流側に変位するのを規制する。このように、第１ＦＢＧ下流側取付台１８の変位量が規制されることで、第１ＦＢＧ１１の伸びによる破損を防止する。ＦＢＧを形成する光ファイバの種類によっては、ＦＢＧの伸び率が数％程度に達するまで破断しない場合もあるが、通常、ＦＢＧは、伸び率が２％程度に達すると破断する。また、伸びがＦＢＧに繰り返しかかると、２％程度の伸び率以下であっても破断が起こる場合がある。このため、ＦＢＧに繰り返し伸びがかかっても破断の起こらない程度の伸び率、すなわち、許容伸び率の範囲内に、ＦＢＧの伸びを規制するのが望ましい。そこで、図３の実施形態例では、上記許容伸び率を０．２％に設定している。従って、第１ＦＢＧ１１の最大伸び率が０．２％（図３の実施形態例では、第１ＦＢＧ下流側取付台１８と第１ＦＢＧ上流側取付台１９の間の第１ＦＢＧ１１の長さは２５ｍｍとしているので、伸び率０．２％相当の伸び量は５０μｍである。）となる位置、すなわち、第１ＦＢＧ１１の変位量が零点にある第１ＦＢＧ下流側取付台１８について、下流側負荷伝達規制台２２の上流側表面２５と第１ＦＢＧ下流側取付台１８の下流側表面２６との間隔が５０μｍとなる位置に、下流側負荷伝達規制台２２が取り付けられている。

上記負荷伝達規制構造２０は、第１ダイヤフラム１３の変形を直接規制する構造と比較して、精度の高い規制が可能なので、確実に第１ＦＢＧ１１の破損を防止できる。

上流側負荷伝達規制台２１は、上流側が下流側に対して下方に傾いている傾斜地点に、光式流速水圧測定装置１を設置する必要がある場合に、第１ＦＢＧ下流側取付台１８が所定の変位量を超えて上流側に変位するのを規制して、第１ＦＢＧ１１のたわみによる破損を防止するためのものである。通常、ＦＢＧは、たわみによって曲げ半径の小さい曲線形状が形成されると破断する。よって、上流側負荷伝達規制台２１の下流側表面２３と第１ＦＢＧ下流側取付台１８の上流側表面２４との間隔は、光ファイバの曲げによって破断が起こらない程度、例えば、１００μｍ未満（図３では５０μｍ）となるように、上流側負荷伝達規制台２１が取り付けられている。

上記の通り、第１ＦＢＧ１１は、一方の端部近傍が第１ＦＢＧ上流側取付台１９に、他方の端部近傍が第１ＦＢＧ下流側取付台１８に取り付けられているが、必要に応じて、図３に示すように、さらに、第１ＦＢＧ１１の長手方向に対して並列、すなわち平行方向に、一方の端部近傍が第１ＦＢＧ上流側取付台１９に、他方の端部近傍が第１ＦＢＧ下流側取付台１８に取り付けられているダミー用光ファイバ２７またはダミー用光ファイバテープ心線２７´を接着剤で取り付けてもよい。なお、この実施形態例ではダミー用光ファイバテープ心線２７´が使用されている。

ダミー用光ファイバ２７またはダミー用光ファイバテープ心線２７´の本数は、後述する流速測定部２に要する感度に応じて適宜選択可能である。図３では、第１ＦＢＧ１１を中心に左右それぞれ１本ずつのダミー用光ファイバテープ心線２７´が取り付けられている。ダミー用光ファイバ２７またはダミー用光ファイバテープ心線２７´を上記のように取り付けることで、その取り付け本数に応じて第１ＦＢＧ１１に与えられる応力が低減される。第１ＦＢＧ１１に与えられる応力が低減されることで、第１ＦＢＧ１１の変位量が低減され、結果、流速測定部２の感度を調整できる。また、ダミー用に光ファイバまたは光ファイバテープ心線を用いることにより、金属箔等、他の部材を使用する場合と比較して、容易に第１ＦＢＧ１１の張力バランスをとることができる。

シャフト１７の上流側には金属製の第１ダイヤフラム１３が設けられ、シャフト１７の変位に応じて第１ダイヤフラム１３が撓むように構成されている。また、シャフト１７の下流側には金属製の下流側ダイヤフラム２８が設けられている。第１ダイヤフラム１３と下流側ダイヤフラム２８を備えた第１ハウジング１５により、高い気密性の保たれた第１気密室１４が形成されている。

また、図２に示すように、下流側ダイヤフラム２８は、光流速水圧測定装置１の外に対して、光流速水圧測定装置１の側面部にある板状の連結部補強部材４３に形成された孔部４４により、開放状態とされている。下流側ダイヤフラム２８は、孔部４４により流路内の流水Ｆと円滑に接触できるので、流水Ｆの水圧（静圧）を受けることができる構成となっている。従って、この下流側ダイヤフラム２８により、上流側受圧板１６に作用する水圧（静圧）を相殺することができる。流水Ｆの流速に応じて力を受ける上流側受圧板１６に作用する静圧が、下流側ダイヤフラム２８により相殺されることで、流水Ｆの流速が零のとき、第１ＦＢＧ１１の変位量が零に維持できるようになっている。

水圧測定部３は、水の静圧を測定する部位であり、従来のファイバブラッググレーティングを用いた光式水圧測定装置と同様の構造を有したものでよい。よって、従来と同様のメカニズムにて水圧を測定することができる。

実施形態例に係る水圧測定部３は、図１、２に示すように、水圧を検知する第２ファイバブラッググレーティング（第２ＦＢＧ）３１と、前記水圧を受け、該水圧を前記第２ＦＢＧ３１に伝達する金属製の第２ダイヤフラム３３と、前記第２ダイヤフラム３３を備え、前記第２ＦＢＧ３１を収容する第２気密室３４を形成する第２ハウジング３５と、を備えている。

図２に示すように、第２ダイヤフラム３３は、第２ハウジング３５の底部よりも高い位置に配置されている。また、第２ダイヤフラム３３は、光式流速水圧測定装置１の外に対して、後述する板状体の流水規制部材５に形成された貫通孔６０により、開放状態とされている。よって、第２ダイヤフラム３３は流路内の流水Ｆと円滑に接触できるので、水圧を正確に測定できる構成となっている。第２ダイヤフラム３３の第２気密室側３４には、２つの第２ＦＢＧ取付台３８、３９が対向配置され、第２ＦＢＧ３１の一方の端部近傍が、一方の第２ＦＢＧ取付台３８に取り付けられ、第２ＦＢＧ３１の他方の端部近傍が、他方の第２ＦＢＧ取付台３９に取り付けられている。

第２ダイヤフラム３３を備えた第２ハウジング３５により、高い気密性の保たれた第２気密室３４が形成されている。第２ダイヤフラム３３に水圧がかかると、第２ダイヤフラム３３が撓み、この撓みに対応して、２つの第２ＦＢＧ取付台３８、３９がそれぞれ変位し、第２ＦＢＧ３１に歪みが発生する。

水圧測定部３の第２気密室３４内には、別途、温度を検出して温度を補償するための温度補償用ファイバブラッググレーティング（温度補償用ＦＢＧ）３６が設けられている。さらに、水圧を正確に測定するためには、水圧測定部３の第２気密室３４内部は大気圧に調整されるのが好ましいので、光式流速水圧測定装置１外に、別途、圧力測定装置（図示せず）が設置されている。この圧力測定装置の大気圧導入パイプと第２気密室３４内部とが接続されているので、第２気密室３４内部が大気圧に補正されている。

図４に示すように、光式流速水圧測定装置１の外には、別途、さらに、光源５１、波長計５２、データ処理装置５３及び光サーキュレータ５４が設置されている。光サーキュレータ５４と第２ＦＢＧ３１は光ファイバ５５で接続され、第２ＦＢＧ３１と第１ＦＢＧ１１は光ファイバ５６で接続されている。第１ＦＢＧ１１と一方の端部で接続されている光ファイバ５７の他方の端部は、無反射端５８となっている。光サーキュレータ５４と第２ＦＢＧ３１を接続している光ファイバ５５には、別途、第２気密室３４に対応する位置に温度補償用ＦＢＧ３６が設けられている。光サーキュレータ５４と光源５１との間、光サーキュレータ５４と波長計５２との間は、それぞれ、光ファイバ５９、５９´で接続されている。

光源５１からの光は、光サーキュレータ５４を介して、温度補償用ＦＢＧ３６が設けられた光ファイバ５５、第２ＦＢＧ３１、光ファイバ５６、第１ＦＢＧ１１、光ファイバ５７の順で通光する。上流側受圧板１６が流水Ｆの速さに応じた力を受けると、その応力に応じて第１ＦＢＧ１１が変位して伸び歪みが生じる。これにより、第１ＦＢＧ１１の回折格子の周期が変化してブラッグ波長（ＦＢＧが反射する特定の波長領域）がシフトし、シャフト１７の変位量、すなわち、第１ＦＢＧ１１の伸び歪み量に応じた波長の光が、第１ＦＢＧ１１から反射光として出射される。この出射光が光ファイバ５６、光ファイバ５５の順で通光し、光サーキュレータ５４を介して波長計５２へ送られる。さらに、この波長計５２で観測される波長データがデータ処理装置５３へ送られる。データ処理装置５３は、波長計５２から送られるデータに基づき流速を求める。

第２ダイヤフラム３３が水圧に応じて撓むと、この撓み量に応じて、第２ダイヤフラム３３の第２気密室３４側に取り付けられた２つの第２ＦＢＧ取付台３８、３９がそれぞれ変位し、この第２ＦＢＧ取付台３８、３９の変位量に応じて第２ＦＢＧ３１に所定量の歪みが生じる。これにより、第２ＦＢＧ３１の回折格子の周期が変化してブラッグ波長がシフトし、第２ＦＢＧ３１の歪み量に応じた波長の光が第２ＦＢＧ３１から反射光として出射される。この出射光が光ファイバ５５および光サーキュレータ５４を介して波長計５２へ送られる。さらに、この波長計５２で観測される波長データがデータ処理装置５３へ送られる。データ処理装置５３は、波長計５２から送られるデータに基づき水圧を求める。

なお、第１ＦＢＧ１１、第２ＦＢＧ３１、温度補償用ＦＢＧ３６のブラッグ波長を、それぞれ異なる波長に設定することで、いずれのＦＢＧからの反射光であるかを波長計５２にて識別することができる。

図１、２の実施形態例に係る光式流速水圧測定装置１では、連結部４は管状体であり、連結部４の上流側端部４１は第１ハウジング１５の下流側表面に固定され、連結部４の下流側端部４２は第２ハウジング３５の上流側表面に固定されている。このように、管状の連結部４が、流速測定部２と水圧測定部３とを一体化させている。また、連結部４の内部には、第２ＦＢＧ３１と第１ＦＢＧ１１とを接続する光ファイバ５６と、第１ＦＢＧ１１と一方の端部で接続されている光ファイバ５７が挿通されている。

従って、第１ハウジング１５の下流側表面のうち連結部４の上流側端部４１が固定されている箇所には、光ファイバ５６と光ファイバ５７を第１気密室１４内から連結部４内へ挿通しつつ第１気密室１４内部が気密性を保持できるよう、光ファイバ５６と光ファイバ５７の径に対応した孔部が形成されている。同様に、第２ハウジング３４の上流側表面のうち連結部４の下流側端部４２が固定されている箇所には、光ファイバ５６と光ファイバ５７を第２気密室３４内から連結部４内へ挿通しつつ第２気密室３４内部が気密性を保持できるよう、光ファイバ５６と光ファイバ５７の径に対応した孔部が形成されている。

なお、上記実施形態例に代えて、第１ハウジング１５の下流側表面のうち連結部４の上流側端部４１が固定されている箇所と、第２ハウジング３５の上流側表面のうち連結部４の下流側端部４２が固定されている箇所に、それぞれ、光ファイバ５６と光ファイバ５７の径よりも大きい径を有する孔部を設け、第１気密室１４内部と第２気密室３４内部が連結部４を介して連通した構成としてもよい。

また、実施形態例に係る光式流速水圧測定装置１に流水規制部材を設けてもよい。流水規制部材を設けることで、流水Fが第２ダイヤフラム３３の撓みに影響するのを抑制して、より正確な水圧を測定できる。流水規制部材は、上流からの流水Ｆの勢いが第２ダイヤフラム３３の撓みに影響を与えるのを抑制できるものであれば特に限定されず、例えば、所定の厚さを有する板状体が挙げられる。この板状体の一方の表面を、第１気密室１４とは反対側の第１ハウジング１５の底部３０表面に取り付けることによって、上流側受圧板１６の動作を阻害することなく、上流からの流水Ｆが板状体の上流側の側面により規制され、結果、上流からの流水Fが第２ダイヤフラム３３の撓みに影響するのを抑制できる。

その他、流水規制部材の例には、図２、５に示すように、光式流速水圧測定装置１の長さ・幅と略同等の寸法を有する矩形の板状体に、厚さ方向の貫通孔６０と該貫通孔６０と連通した切り欠き６１が設けられた流水規制部材５がある。貫通孔６０は第２ダイヤフラム３３の位置に対応する箇所に設けられ、切り欠き６１の開口部６２は下流側に設けられている。この流水規制部材５を光式流速水圧測定装置１の底部に取り付けると、切り欠き６１の開口部６２が下流側に設けられているので、上流からの流水Fを規制できるだけでなく、光式流速水圧測定装置１の側面方向からの流水Fや光式流速水圧測定装置１により発生する流水Ｆの渦も規制できる。

また、貫通孔６０は第２ダイヤフラム３３の位置に対応する箇所に設けられているので、第２ダイヤフラム３３は、流水規制部材５に邪魔されることなく光式流速水圧測定装置１外の水の圧力を正確に受けることができる。流水規制部材５は、上流からの流水Ｆだけでなく、側面からの流水Ｆや流水Ｆの渦も規制できるので、流水Ｆが第２ダイヤフラム３３の撓みに影響するのをより確実に抑制でき、さらに精度良く水圧を測定できる。なお、流水規制部材５には、光式流速水圧測定装置１の底部に取り付けるためのねじ孔６３が設けられている。

また、図６に示すように、第２の実施形態例として、上記した貫通孔６０と切り欠き６１を備えた板状体の表面に、さらに、流水Ｆの流れ方向に対して略平行方向に直線状の溝である縦溝６４が複数本設けられている流水規制部材５´としてもよい。図６では、この縦溝６４は、流水Ｆの流れ方向に対して平行方向となるように、矩形である流水規制部材５´の長手方向に対して平行に設けられている。また、この縦溝６４は、流水規制部材５´の長手方向に対して直交する一方の側面から他方の側面まで形成されている。

従って、縦溝６４の開口が流路の底面側に対向するように、流水規制部材５´を光式流速水圧測定装置１の底部に取り付けると、流水Ｆによって運ばれてくる流路内の砂、泥、ゴミ等の異物が、上流側から縦溝６４に入って縦溝６４内を下流方向へ流れ、流水規制部材５´の下流側へ排出されるので、異物は光式流速水圧測定装置１の下流側へ円滑に流される。このように、縦溝６４を形成した流水規制部材５´は、異物を光式流速水圧測定装置１の下流へ流して、光式流速水圧測定装置１の周囲に異物が堆積するのを防止する自己洗浄機能を有するので、異物が、上流側受圧板１６の動作と第２ダイヤフラム３３の撓みに影響を与えるのを防止して、精度良く流速と水圧を測定できる。

一方、流水Ｆ中に本実施形態例の光式流速水圧測定装置１を設置すると、該光式流速水圧測定装置１により流水Ｆが乱れて、該装置１の下流側にカルマン渦が発生する場合がある。特に、光式流速水圧測定装置１の水面側部位と流路底部側部位との間で流速差が大きい場合には、上記カルマン渦が発生しやすい傾向がある。しかし、上記のように、光式流速水圧測定装置１の底部に、縦溝６４を形成した流水規制部材５´を取り付けると、流水Ｆが縦溝６４を通過するので、カルマン渦の発生を抑制でき、光式流速水圧測定装置１周辺の流れに整流作用を与えることができる。

なお、縦溝６４の本数は１本でも複数本でもよいが、流水規制部材５´の自己洗浄作用と整流作用を高める点で複数本が好ましい。

また、図７に示すように、第３の実施形態例として、上記した貫通孔６０と切り欠き６１と縦溝６４とを備えた矩形の板状体の表面に、さらに、流水Ｆの流れ方向に対して０°超９０°未満の方向、すなわち、縦溝６４に対して０°超９０°未満の方向に直線状に形成された溝である斜め溝６５を複数本設けた流水規制部材５″としてもよい。この斜め溝６５は、縦溝６４と連通しており、縦溝６４との接続部から流水規制部材５″の長手方向に対して平行方向の側面まで形成されている。また、斜め溝６５は貫通孔６０の上流側に設けられている。従って、流水Ｆによって運ばれてくる流路内の砂、泥、ゴミ等の異物が、上流側から縦溝６４に入って縦溝６４内を下流方向へ流れ、縦溝６４と斜め溝６５との接続部から斜め溝６５内に入って流水規制部材５″の斜め下流方向へ排出される。よって、異物が光式流速水圧測定装置１とその周辺部に堆積するのをより確実に防止できる。また、斜め溝６５は貫通孔６０の上流側に設けられているので、異物が貫通孔６０内に流入するのを防止して、第２ダイヤフラム３３の撓みに流水F中の異物が影響するのを確実に抑制できる。これにより、水圧測定の精度がさらに向上する。

図７では、貫通孔６０の下流側に流水Ｆの流れ方向に対して９０°超１８０°未満の方向に、すなわち、上記貫通孔６０の上流側の斜め溝６５に対して貫通孔６０を介して対向するように、別の斜め溝６６が複数本形成されている。この別の斜め溝６６は、貫通孔６０の下流側に別途形成された別の縦溝６７と連通している。この貫通孔６０の下流側に設けられた斜め溝６６と縦溝６７によって、上流側の斜め溝６４から斜め下流方向へ排出された異物や光式流速水圧測定装置１の下流に堆積した異物を、より下流側へ円滑に流すことができる。

なお、斜め溝６４の本数は１本でも複数本でもよいが、流水規制部材の自己洗浄作用を高める点で複数本が好ましい。

上記、流水規制部材５、５´、５″の光式流速水圧測定装置１への取り付け方法は、特に限定されず、例えば、ねじ孔６３を用いたねじ止めが挙げられる。また、流水規制部材５、５´、５″の材質は特に限定されないが、防錆性、耐腐食性の点からＳＵＳ製が好ましい。

次に、本発明の実施形態例に係る光式流速水圧測定装置１の使用方法例について説明する。本発明の光式流速水圧測定装置１を設置する流路は特に限定されないが、ここでは、下水道内に設置する場合を例にとって説明する。下水道の底面部の所定の測定地点に、流速測定部２の上流側受圧板１６が上流側を向くように、すなわち、水圧測定部３が下流側となるように、本発明の光式流速水圧測定装置１を配置する。光式流速水圧測定装置をねじ止め等で測定地点の底面部に固定し、光源、波長計、データ処理装置は、地上の観測室に設置する。これにより、作業員は観測室にて、該測定地点の流速と、水圧、すなわち水位とを観測できる。

次に、他の実施形態例について説明する。上記実施形態例では、流水規制部材５、５´、５″の切り欠き６１の開口部６２は下流側、すなわち、上記流水規制部材５、５´、５″の長手方向に対して直交する側面の一方に設けられていたが、この開口部６２の位置は、上流側以外であれば特に限定されず、例えば、流水Ｆの流れ方向に対して直交する方向、すなわち、流水規制部材５、５´、５″の長手方向に対して平行方向の側面の一方に設けてもよい。また、上記実施形態例では、第２気密室３４に温度補償用ファイバブラッググレーティング３６が収容されていたが、これに代えて、第１気密室１４に収容されてもよい。

上記実施形態例では、より円滑に異物を下流側に流すために、貫通孔６０の下流側に、別途、別の斜め溝６６と縦溝６７が設けられていたが、この別の斜め溝６６と縦溝６７は、設けなくてもよい。

本発明の光式流速水圧測定装置は、流速の測定地点と水圧の測定地点とをほぼ一致させることができ、さらに、溝を設けた流水規制部材を取り付けることで異物による測定誤差の発生を防止できるので、流水中に異物が多く存在しつつ、流速と流量の正確なデータが必要とされる分野、例えば、下水道の分野で、特に利用価値が高い。

１光式流水測定装置
２流速測定部
３水圧測定部
５、５´、５″ 流水規制部材
１１第１ファイバブラッググレーティング
１２負荷伝達機構
１４第１気密室
２０負荷伝達規制構造
２７ダミー用光ファイバ
２７´ ダミー用光ファイバテープ心線
３１第２ファイバブラッググレーティング
３４第２気密室
３６温度補償用ファイバブラッググレーティング
６４縦溝
６５斜め溝

Claims

流路に配置され、前記流路内を流れる流水の流速と水圧を測定する光式流速水圧測定装置であって、
前記流速に応じた応力を検知する第１ファイバブラッググレーティングと、
前記応力の負荷に連動して、前記第１ファイバブラッググレーティングに前記応力の負荷を伝達する負荷伝達機構と、
前記応力を受ける第１ダイヤフラムを備え、前記第１ファイバブラッググレーティングと前記負荷伝達機構を収容する第１気密室を形成する第１ハウジングと、
前記第１ハウジング外の前記流水の上流側に設けられ、前記応力を前記第１ダイヤフラムへ伝達する受圧板を備えた流速測定部と、
前記水圧を検知する第２ファイバブラッググレーティングと、
前記水圧を受け、該水圧を前記第２ファイバブラッググレーティングに伝達する第２ダイヤフラムと、
前記第２ダイヤフラムを備え、前記第２ファイバブラッググレーティングを収容する第２気密室を形成する第２ハウジングを備えた水圧測定部と、を有し、
前記第１気密室の前記流水の下流側に、前記第１気密室と隣接して前記第２気密室が設けられ、
さらに、前記流水の流れが前記第２ダイヤフラムの撓みに影響するのを抑制するための流水規制部材が、底部に設けられ、前記流水規制部材が、板状体であり、該板状体表面の一方の端部から他方の端部へ、流水の流れ方向に対して平行方向の溝が形成されていることを特徴とする光式流速水圧測定装置。
流路に配置され、前記流路内を流れる流水の流速と水圧を測定する光式流速水圧測定装置であって、
前記流速に応じた応力を検知する第１ファイバブラッググレーティングと、
前記応力の負荷に連動して、前記第１ファイバブラッググレーティングに前記応力の負荷を伝達する負荷伝達機構と、
前記応力を受ける第１ダイヤフラムを備え、前記第１ファイバブラッググレーティングと前記負荷伝達機構を収容する第１気密室を形成する第１ハウジングと、
前記第１ハウジング外の前記流水の上流側に設けられ、前記応力を前記第１ダイヤフラムへ伝達する受圧板を備えた流速測定部と、
前記水圧を検知する第２ファイバブラッググレーティングと、
前記水圧を受け、該水圧を前記第２ファイバブラッググレーティングに伝達する第２ダイヤフラムと、
前記第２ダイヤフラムを備え、前記第２ファイバブラッググレーティングを収容する第２気密室を形成する第２ハウジングを備えた水圧測定部と、を有し、
前記第１気密室の前記流水の下流側に、前記第１気密室と隣接して前記第２気密室が設けられ、
さらに、前記流水の流れが前記第２ダイヤフラムの撓みに影響するのを抑制するための流水規制部材が、底部に設けられ、前記流水規制部材が、板状体であり、該板状体表面の上流側端部から延在する、流水の流れ方向に対して平行方向の溝と、該溝の下流側に該溝と連通した、流水の流れ方向に対して０°超９０°未満の方向の溝とが形成されていることを特徴とする光式流速水圧測定装置。
流路に配置され、前記流路内を流れる流水の流速と水圧を測定する光式流速水圧測定装置であって、
前記流速に応じた応力を検知する第１ファイバブラッググレーティングと、
前記応力の負荷に連動して、前記第１ファイバブラッググレーティングに前記応力の負荷を伝達する負荷伝達機構と、
前記応力を受ける第１ダイヤフラムを備え、前記第１ファイバブラッググレーティングと前記負荷伝達機構を収容する第１気密室を形成する第１ハウジングと、
前記第１ハウジング外の前記流水の上流側に設けられ、前記応力を前記第１ダイヤフラムへ伝達する受圧板を備えた流速測定部と、
前記水圧を検知する第２ファイバブラッググレーティングと、
前記水圧を受け、該水圧を前記第２ファイバブラッググレーティングに伝達する第２ダイヤフラムと、
前記第２ダイヤフラムを備え、前記第２ファイバブラッググレーティングを収容する第２気密室を形成する第２ハウジングを備えた水圧測定部と、を有し、
前記第１気密室の前記流水の下流側に、前記第１気密室と隣接して前記第２気密室が設けられ、
前記負荷伝達機構に、前記第１ファイバブラッググレーティングの破損を防止するための負荷伝達規制構造が設けられていることを特徴とする光式流速水圧測定装置。
流路に配置され、前記流路内を流れる流水の流速と水圧を測定する光式流速水圧測定装置であって、
前記流速に応じた応力を検知する第１ファイバブラッググレーティングと、
前記応力の負荷に連動して、前記第１ファイバブラッググレーティングに前記応力の負荷を伝達する負荷伝達機構と、
前記応力を受ける第１ダイヤフラムを備え、前記第１ファイバブラッググレーティングと前記負荷伝達機構を収容する第１気密室を形成する第１ハウジングと、
前記第１ハウジング外の前記流水の上流側に設けられ、前記応力を前記第１ダイヤフラムへ伝達する受圧板を備えた流速測定部と、
前記水圧を検知する第２ファイバブラッググレーティングと、
前記水圧を受け、該水圧を前記第２ファイバブラッググレーティングに伝達する第２ダイヤフラムと、
前記第２ダイヤフラムを備え、前記第２ファイバブラッググレーティングを収容する第２気密室を形成する第２ハウジングを備えた水圧測定部と、を有し、
前記第１気密室の前記流水の下流側に、前記第１気密室と隣接して前記第２気密室が設けられ、
前記第１ファイバブラッググレーティングの長手方向に対して並列に、ダミー用光ファイバまたはダミー用光ファイバテープ心線が設けられていることを特徴とする光式流速水圧測定装置。
前記第１気密室または前記第２気密室に、温度補償用ファイバブラッググレーティングが収容されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光式流速水圧測定装置。
請求項１または２に記載の光式流速水圧測定装置を流水の流れる流路に設置して、前記光式流速水圧測定装置の下流側の流れを整流して前記流水の流速と水圧を測定することを特徴とする流速水圧測定方法。
請求項１または２に記載の光式流速水圧測定装置を下水道内に設置して、前記下水道内を流れる異物が、前記光式流速水圧測定装置周辺に堆積するのを防止して前記周辺を洗浄しながら前記下水道内の流水の流速と水圧を測定することを特徴とする流速水圧測定方法。