JP5696181B2 - 水圧式水位計 - Google Patents

Description

本発明は、水圧式水位計に関する。

水圧式水位計では、圧力センサを水中に設置して水圧を検出し、得られた水圧に基づいて水位を算出する。
この水圧式水位計に関連して、特許文献１では、水圧式水位計にて測定する水位について、水温値に基づく水温補正や標高値に基づく気柱補正を行う技術が示されている。これらの補正により、水位の測定精度を向上させることができる。

特開平１１−１４４２９号公報

圧力センサが検出する水圧は重力加速度の影響を受けており、水圧から水位を算出する際には、重力加速度を用いる。この重力加速度として、一般には国際標準の重力加速度などの標準値が用いられている。
しかしながら、実際には場所によって重力加速度が異なっており、重力加速度の標準値と実際値との違いにより、水位の算出値に誤差が生じてしまう。例えば、国際標準の重力加速度ｇ＝９．８０６６５［ｍ／ｓ^２］を用いると、日本国内において最大−０．１６％ＦＳ（フルスケールに対して−０．１６パーセント）の水圧誤差が生じてしまう。
かかる誤差を低減させて水位の測定精度を向上させることが望まれる。特許文献１に記載の技術においても、重力加速度の誤差による水位の誤差を低減させることができれば、測定精度をさらに向上させることができる。

本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、重力加速度の誤差による水位の誤差を低減させることのできる水圧式水位計を提供することにある。

この発明は上述した課題を解決するためになされたもので、本発明の一態様による水圧式水位計は、水位測定位置における水圧と大気圧との差圧を検出する圧力センサと、前記水位測定位置における重力加速度を取得する重力加速度取得部と、前記重力加速度取得部が取得した重力加速度を記憶する重力加速度記憶部と、前記圧力センサの検出値と前記重力加速度記憶部が記憶している重力加速度とに基づいて、前記水位測定位置における重力加速度を反映した水位を算出する演算部と、前記演算部が算出した水位を出力する水位出力部と、を具備することを特徴とする。

また、本発明の他の一態様による水圧式水位計は、上述の水圧式水位計であって、前記圧力センサの検出値と所定の重力加速度標準値とに基づいて水位を算出する水位算出部を具備し、前記演算部は、前記水位算出部が算出した水位を前記重力加速度記憶部が記憶している重力加速度に基づいて補正して、前記水位測定位置における重力加速度を反映した水位を算出する、ことを特徴とする。

また、本発明の他の一態様による水圧式水位計は、上述の水圧式水位計であって、前記重力加速度取得部は、他の水圧式水位計との通信にて前記水位測定位置における重力加速度を取得する、ことを特徴とする。

この発明によれば、重力加速度の誤差による水位の誤差を低減させることができる。

本発明の一実施形態における水圧式水位計の配置例を示す説明図である。 同実施形態における発信器１１０の構造を示す概略構造図である。 同実施形態における水圧式水位計１の機能構成を示す概略ブロック図である。 同実施形態において、水位測定位置における重力加速度を用いた場合の水位測定誤差の例を示す説明図である。 水圧式水位計１の一変形例である水圧式水位計２の配置例を示す説明図である。 同変形例における水圧式水位計２の機能構成を示す概略ブロック図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態における水圧式水位計の配置例を示す説明図である。同図において、水圧式水位計１は、発信器１１０と、水位算出器１２０と、変換器１３０と、大気圧導入チューブ１４０とを具備する。
発信器１１０は、水中に設置されて水圧を検出し、得られた水圧を信号にて水位算出器１２０へ送信する。発信器１１０は、水位を測定したい範囲の下限またはそれよりも下（低い位置）に設置される。
なお、発信器１１０を水底付近以外の位置に設置する場合、設置者が、発信器１１０の設置位置から水底までの鉛直方向の距離を測定し、オフセットとして発信器１１０に予め記憶させておくことで、発信器１１０が、水底から水面までの水位を測定するようにしてもよい。

水位算出器１２０および変換器１３０は、例えば観測小屋など地上に設置される。水位算出器１２０は、予め記憶している重力加速度の標準値に基づいて、発信器１１０が信号にて送信する水圧から水位を算出する。変換器１３０は、水位算出器１２０が算出した水位を、水位測定位置である発信器１１０の設置位置における重力加速度に基づいて補正する。
発信器１１０および水位算出器１２０として、重力加速度の標準値を用いて水位を算出する既存の水圧式水位計を用いることができる。
なお、水位算出器１２０と変換器１３０とが同一筐体内に格納されて１つの機器として構成されていてもよい。

大気圧導入チューブ１４０は、発信器１１０から水面上へと伸びており、発信器１１０の内部を大気に開放する。大気圧導入チューブ１４０が発信器１１０の内部を大気に開放することで、発信器１１０は、大気圧の時間変動に影響されずに水位を測定することができる。

次に、図２を参照して発信器１１０が検出する水圧について説明する。
図２は、発信器１１０の構造を示す概略構造図である。同図において、発信器１１０の具備するダイヤフラム（diaphragm、隔膜）１１１が示されている。
上記のように、発信器１１０の内部は大気圧導入チューブ１４０にて大気に開放されており、ダイヤフラム１１１の上面は大気圧Ｐ_ａ１を受けている。一方、ダイヤフラム１１１の下面は水中にあり、水圧を受ける。ダイヤフラム１１１の下面が受ける水圧は、水の重みによる水圧Ｐ_ｗと、水にかかる大気圧Ｐ_ａ２とを合わせたＰ_ｗ＋Ｐ_ａ２となる。従って、ダイヤフラム１１１における差圧Ｐは、式（１）のように示される。

発信器１１０は、この差圧Ｐを検出し、信号にて水位算出器１２０へ送信する。

次に、図３を参照して、水圧式水位計１の機能構成について説明する。
図３は、水圧式水位計１の機能構成を示す概略ブロック図である。同図において、水圧式水位計１は、発信器１１０と、水位算出器１２０と、変換器１３０と、信号線Ｗ１４０とを具備する。発信器１１０は、ダイヤフラム１１１と、圧力センサ１１２と、発信部１１３とを具備する。水位算出器１２０は、標準重力加速度記憶部１２１と、受信部１２２と、水位算出部１２３と、送信部１２４とを具備する。変換器１３０は、標準重力加速度記憶部１３１と、測定位置重力加速度取得部１３２と、測定位置重力加速度記憶部１３３と、受信部１３４と、演算部１３５と、水位出力部１３６とを具備する。同図において、図１または図２の各部と同一の部分には、同一の符号（１、１１０、１１１、１２０、１３０）を付して説明を省略する。

発信器１１０において、圧力センサ１１２は、水位測定位置における水圧と大気圧との差圧を検出する。具体的には、圧力センサ１１２は、ダイヤフラム１１１における差圧Ｐ（図２）を検出する。圧力センサ１１２は、ダイヤフラム１１１における差圧を検出可能なものであればよく、様々なセンサを用いることができる。例えば、圧力センサ１１２として半導体ピエゾ抵抗式の圧力センサを用いるようにしてもよい。あるいは、圧力センサ１１２として歪ゲージを用いて、差圧によるダイヤフラム１１１の変位を検出するようにしてもよい。
発信部１１３は、圧力センサ１１２が検出した差圧を信号にて送信する。

水位算出器１２０において、標準重力加速度記憶部１２１は、重力加速度の標準値ｇ_０を記憶する。標準重力加速度記憶部１２１は、例えば不揮発性メモリを含んで構成される。
受信部１２２は、発信部１１３が送信した信号を受信する。
水位算出部１２３は、圧力センサ１１２の検出値と所定の重力加速度標準値（重力加速度の標準値ｇ_０）とに基づいて水位を算出する。

ここで、式（２）に示すように、ダイヤフラム１１１の上面における大気圧Ｐ_ａ１（図２）と水にかかる大気圧Ｐ_ａ２との差をＰ_ａとする。

すると、式（１）より、ダイヤフラム１１１における差圧Ｐは式（３）のように示される。

但し、ρ_ｗ、ｇ、ｈ、ρ_ａは、それぞれ、水の密度、水位測定位置（発信器１１０の設置位置）における重力加速度、水位（水面からダイヤフラム１１１までの距離）、空気密度を示す。
式（３）より、式（４）を得られる。

水位算出部１２３は、標準重力加速度記憶部１２１が記憶している重力加速度の標準値ｇ_０を用いて、式（４）に基づいて水位を算出する。発信器１１０が算出する水位をｈ_０とすると、式（５）のようになる。

なお、必要に応じて水位算出部１２３が、水の密度補正を行うようにしてもよい。例えば、発信器１１０が水温を検出し、水位算出部１２３が水温の検出値に基づいて水の密度を算出してρ_ｗとして用いるようにしてもよい。
また、必要に応じて水位算出部１２３が、標高に基づく気柱補正を行うようにしてもよい。ここでいう気柱補正は、大気圧導入チューブ１４０内における水面からダイヤフラム１１１までの気柱による大気圧（式（２）のＰ_ａ）について、標高の影響を考慮する補正であり、具体的には空気密度に対する標高の影響を考慮する。例えば、水位算出器１２０が、地図データ等から水位測定位置の標高を読み出し、水位算出部１２３が標高に基づいて空気の密度を算出してρ_ａとして用いるようにしてもよい。
送信部１２４は、水位算出部１２３が算出した水位ｈ_０を変換器１３０へ信号にて送信する。

変換器１３０において、標準重力加速度記憶部１３１は、標準重力加速度記憶部１２１が記憶しているのと同じ重力加速度の標準値ｇ_０を記憶する。
測定位置重力加速度取得部１３２は、水圧式水位計１が設置または移設された際に、水位測定位置における重力加速度を取得する。測定位置重力加速度取得部１３２は、本発明における重力加速度取得部の一例に該当する。
測定位置重力加速度取得部１３２が重力加速度を取得する方法として様々な方法を用いることができる。例えば、ユーザ（例えば水圧式水位計１の設置作業者）が、変換器１３０の具備する入力デバイス（例えばキーボード）から、水位測定位置における重力加速度を数値で入力し、測定位置重力加速度取得部１３２が当該数値を取得するようにしてもよい。

あるいは、測定位置重力加速度取得部１３２が、緯度や経度や標高毎の重力加速度のデータから、水位測定位置の緯度や経度や標高に対応する重力加速度を選択するようにしてもよい。緯度や経度や標高毎の重力加速度のデータは、測定位置重力加速度取得部１３２が予め記憶しておくようにしてもよいし、インターネットにて国土地理院が提供するデータなど、変換器１３０の外部から取得するようにしてもよい。
水位測定位置の緯度や経度や標高は、変換器１３０の具備する入力デバイスからユーザが入力するようにしてもよい。あるいは、ＧＰＳ（Global Positioning System、全地球測位システム）受信器が水位測定位置付近にて測位した緯度および経度を測定位置重力加速度取得部１３２が用いるようにしてもよい。この場合、測定位置重力加速度取得部１３２は、緯度および経度のみをキーとして重力加速度を検索し、標高については無視する。あるいは変換器１３０が携帯電話網の位置情報提供サービス等にて水位測定位置の位置情報を取得するようにしてもよい。

あるいは、測定位置重力加速度取得部１３２が、都道府県毎など地域毎の重力加速度のデータから、水位測定位置の属する地域の重力加速度を選択するようにしてもよい。例えば、測定位置重力加速度取得部１３２が、各都道府県庁所在地における重力加速度を予め記憶しておき、都道府県名の一覧メニューからのユーザ選択に応じて重力加速度を選択するようにしてもよい。

あるいは、測定位置重力加速度取得部１３２が、ヘルマートの公式（Helmert Formula）を用いて水位測定位置の緯度および標高から重力加速度を算出するようにしてもよい。水位測定位置の緯度および標高は、ユーザが入力した値を測定位置重力加速度取得部１３２が取得するようにしてもよいし、ＧＰＳの測位情報や地図情報から測定位置重力加速度取得部１３２が取得するようにしてもよい。
あるいは、水位測定位置付近にて絶対重力計を変換器１３０に接続し、絶対重力計の測定した重力加速度を測定位置重力加速度取得部１３２が取得するようにしてもよい。

あるいは、冗長化などにより同一エリアに複数の水圧式水位計１を設置する場合、変換器１３０が互いに通信を行って、水位測定位置における重力加速度を他の変換器１３０から取得するようにしてもよい。例えば、測定位置重力加速度取得部１３２が無線回路を含んで構成され、他の水圧式水位計１の測定位置重力加速度取得部１３２との通信にて、水位測定位置における重力加速度を取得するようにしてもよい。
これにより、ユーザは、水位測定位置における重力加速度を１つの変換器１３０に対して設定（例えば数値にて入力）すればよい。この点においてユーザの負担を低減させることができる。

測定位置重力加速度記憶部１３３は、測定位置重力加速度取得部１３２が取得した重力加速度を記憶する。測定位置重力加速度記憶部１３３は、本発明における重力加速度記憶部の一例に該当する。
受信部１３４は、送信部１２４が送信した水位ｈ_０の信号を受信する。
演算部１３５は、発信器１１０の圧力センサ１１２の検出値と、測定位置重力加速度記憶部１３３が記憶している重力加速度とに基づいて、水位測定位置における重力加速度を反映した水位を算出する。より具体的には、演算部１３５は、水位算出部１２３が算出した水位を測定位置重力加速度記憶部１３３が記憶している重力加速度に基づいて補正して、水位測定位置における重力加速度を反映した水位を算出する。
ここで、演算部１３５が行う水位の算出（補正）について、数式を用いてさらに説明する。上記の式（４）および式（５）より、水位の実際値ｈと水位算出部１２３の演算値ｈ_０との差ｈ−ｈ_０は、式（６）のようになる。

式（６）より、水位の実際値ｈは式（７）のように示される。

演算部１３５は、測定位置重力加速度記憶部１３３が記憶している水位測定位置における重力加速度ｇ’を用いて、式（７）に基づいて水位の補正を行う。演算部１３５が算出する水位をｈ’とすると、式（８）のようになる。

水位出力部１３６は、演算部１３５が算出した水位を出力する。例えば、水位出力部１３６は、液晶ディスプレイ等の表示画面を有し、演算部１３５が算出した水位など各種情報を表示する。あるいは、水位出力部１３６が、演算部１３５が算出した水位を他の装置へ信号にて出力（送信）するなど、演算部１３５が算出した水位を表示以外の方法で出力するようにしてもよい。
信号線Ｗ１４０は、発信部１１３と受信部１２２とを接続し、信号を伝達する。信号線Ｗ１４０は、例えば、大気圧導入チューブ１４０と纏めて１つのケーブルに内蔵されて設置される。

図４は、水位測定位置における重力加速度を用いた場合の水位測定誤差の例を示す説明図である。同図に示すグラフの横軸は水深（水位）を示し、縦軸は低減される誤差を示す。
また、線Ｌ１１は、上述した重力加速度の補正の効果の例を示す。すなわち、標準の重力加速度を用いた場合に対する、水位測定位置における重力加速度を用いた場合の、水位測定誤差の低減効果の例を示す。

線Ｌ１２は、気柱補正の効果の例を示す。上述したように、水位算出部１２３が、式（５）における空気密度ρ_ａとして、標高に基づいて算出された密度を用いることで、当該効果を得られる。
線Ｌ１３は、水温に基づく水の密度の補正の効果の例を示す。上述したように、水位算出部１２３が、式（５）における水の密度ρ_ｗとして、水温に基づいて算出された密度を用いることで、当該効果を得られる。
線Ｌ１４は、線Ｌ１１〜Ｌ１３に示す補正効果の合計を示す。

線Ｌ１１に示すように、水位測定位置における重力加速度を用いることで、水圧式水位計１が測定する水位の誤差を低減させることができる。さらに、水位測定位置における重力加速度の使用と、気柱補正や水温に基づく水の密度の補正とを併せて実施することが可能であり、これにより、水圧式水位計１が測定する水位の誤差をさらに低減させることができる。

以上のように、測定位置重力加速度取得部１３２が水位測定位置における重力加速度を取得し、測定位置重力加速度記憶部１３３は当該重力加速度を記憶する。そして、演算部１３５は、測定位置重力加速度記憶部１３３が記憶している重力加速度に基づいて、水位測定位置における重力加速度を反映した水位を算出する。
これにより、重力加速度の誤差による水位の誤差を低減させることがで、水位の測定精度を向上させることができる。

また、水位算出部１２３は、圧力センサ１１２の検出値と所定の重力加速度標準値（上記の例ではｇ_０）とに基づいて水位を算出する。そして、演算部１３５は、水位算出部１２３が算出した水位を測定位置重力加速度記憶部１３３が記憶している重力加速度に基づいて補正して、水位測定位置における重力加速度を反映した水位を算出する。
これにより、既存の水圧式水位計を発信器１１０および水位算出器１２０として用いることができ、水圧式水位計１の設計コストや製造コストを低減させることができる。
さらには、既設の水圧式水位計の地上部分（水位算出器１２０）に変換器１３０を接続することで、水圧式水位計１を構成することができる。従って、既存の水圧式水位計の撤去や、発信器１１０等の新設を行う必要がない点で、容易に水圧式水位計１を構成することができる。

また、測定位置重力加速度取得部１３２は、他の水圧式水位計１との通信にて水位測定位置における重力加速度を取得する。
これにより、同一エリアに複数の水圧式水位計１を設置する場合、ユーザは、水位測定位置における重力加速度を１つの変換器１３０に対して設定すればよい。この点においてユーザの負担を低減させることができる。

なお、本発明に係る水圧式水位計を新規に製造し設置する場合は、図１および図３に示す構成よりも簡易な構成とすることができる。この点について、図５および図６を参照して説明する。

図５は、水圧式水位計１の一変形例である水圧式水位計２の配置例を示す説明図である。同図において、水圧式水位計２は、発信器１１０と、変換器２３０と、大気圧導入チューブ１４０とを具備する。
水圧式水位計１では、水位算出器１２０が重力加速度の標準値を用いて水位を算出し、変換器１３０が水位測定位置における重力加速度を用いて水位を補正したのに対し、水圧式水位計２では、変換器２３０が、水位測定位置における重力加速度を用いて水位を直接算出する。

図６は、水圧式水位計２の機能構成を示す概略ブロック図である。同図において、水圧式水位計２は、発信器１１０と、変換器２３０と、信号線Ｗ１４０とを具備する。発信器１１０は、ダイヤフラム１１１と、圧力センサ１１２と、発信部１１３とを具備する。変換器２３０は、測定位置重力加速度取得部１３２と、測定位置重力加速度記憶部１３３と、受信部１３４と、演算部２３５と、水位出力部１３６とを具備する。同図において、図３の各部と同一の部分には、同一の符号（１１０〜１１３、１３２〜１３４、１３６、Ｗ１４０）を付して説明を省略する。

演算部２３５は、圧力センサ１１２の検出値と測定位置重力加速度記憶部１３３が記憶している重力加速度とに基づいて、水位測定位置における重力加速度を反映した水位を算出する。具体的には、演算部２３５は、重力加速度ｇとして水位測定位置における重力加速度を用いて、上記の式（４）に基づいて水位を算出する。

以上のように、測定位置重力加速度取得部１３２が水位測定位置における重力加速度を取得し、測定位置重力加速度記憶部１３３は当該重力加速度を記憶する。そして、演算部２３５は、測定位置重力加速度記憶部１３３が記憶している重力加速度に基づいて、水位測定位置における重力加速度を反映した水位を算出する。
これにより、重力加速度の標準値を用いる場合との比較において重力加速度の誤差による水位の誤差を低減させることがで、水位の測定精度を向上させることができる。

また、演算部２３５が、水位測定位置における重力加速度を用いて、圧力センサ１１２の検出値から直接水位を算出するので、水圧式水位計２は、重力加速度の標準値を用いて水位を算出する必要がなく、また、補正用に重力加速度の標準値記憶する必要もない。この点において、水圧式水位計２は水圧式水位計１の場合よりも簡易な構成とすることができる。

なお、水圧式水位計１や水圧式水位計２の全部または一部の機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより各部の処理を行ってもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。
また、「コンピュータシステム」は、ＷＷＷシステムを利用している場合であれば、ホームページ提供環境（あるいは表示環境）も含むものとする。
また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、コンパクトディスク等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良く、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであっても良い。

以上、この発明の実施形態を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

１、２ 水圧式水位計
１１０ 発信器
１１１ ダイヤフラム
１１２ 圧力センサ
１１３ 発信部
１２０ 水位算出器
１２１ 標準重力加速度記憶部
１２２、１３４ 受信部
１２３ 水位算出部
１２４ 送信部
１３０、２３０ 変換器
１３１ 標準重力加速度記憶部
１３２ 測定位置重力加速度取得部
１３３ 測定位置重力加速度記憶部
１３５、２３５ 変換部
１３６ 水位出力部
１４０ 大気圧導入チューブ

Claims (2)

1. 水位測定位置における水圧と大気圧との差圧を検出する圧力センサと、
   前記水位測定位置における重力加速度を取得する重力加速度取得部と、
   前記重力加速度取得部が取得した重力加速度を記憶する重力加速度記憶部と、
   前記圧力センサの検出値と前記重力加速度記憶部が記憶している重力加速度とに基づいて、前記水位測定位置における重力加速度を反映した水位を算出する演算部と、
   前記演算部が算出した水位を出力する水位出力部と、
   前記圧力センサの検出値と所定の重力加速度標準値とに基づいて水位を算出する水位算出部とを具備し、
   前記演算部は、前記水位算出部が算出した水位を前記重力加速度記憶部が記憶している重力加速度に基づいて補正して、前記水位測定位置における重力加速度を反映した水位を算出することを特徴とする水圧式水位計。
2. 前記重力加速度取得部は、他の水圧式水位計との通信にて前記水位測定位置における重力加速度を取得する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の水圧式水位計。

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