JP6041337B2 - 液面計測システム、船舶 - Google Patents

Description

本発明は、例えば船舶のように液面に存在する構造体の周囲の液面の高さあるいはこの高さの空間的、時間的分布（液面波）を計測する液面計測システムに関する。また、この液面計測システムが搭載された船舶に関する。

船舶が水上（海上）に存在する際において、海上における波浪の形状（波形）や波高を実測することは、船舶の運航上や気象観測上において重要である。例えば、船体の周囲の波高分布は造波抵抗に大きな影響を与えるために、この計測は船体の形状を設計する上での重要なデータとなる。この場合には、船舶の側面（船側）における波形や波高を計測することが必要になる。この場合、船舶が停止しているか移動しているかに関わらず、あるいは船舶が陸地に近い場所にいるか遠い場所にいるかに関わらず、この計測をすることが必要になる。また、この測定は実際の船舶ではなく模型の船舶を用いて行われる場合もある。この場合、海上ではなく水槽内でこの計測が行われる場合もある。

この船側波計測方法としては、例えば特許文献１には、船側をビデオカメラを用いて観測し、その画像から気液界面（空気と水の界面）を認識する技術が記載されている。この方法によれば、波形、波高を正確に計測することができ、かつその時間変化も容易に調べることができる。ビデオカメラで画像を得る代わりに、レーザー光を用いて水面を観測するという方法も知られている。

また、液面レベル検出器を用いて気液界面を測定するためのセンサ（液面センサ）は、工業上の様々な分野で使用されている。例えば特許文献２、３には、３本の電極を用いて、これらの間の導電率や静電容量から液面の高さを算出する液面センサが記載されている。これらは、船側波の計測に用いられているものではないが、これらの液面センサを船側に多数設置して船側における水面の高さを計測すれば、船側波の波形を計測できることは明らかである。

特開２００１−３５６０１５号公報 特開２００４−３４７３３１号公報 実用新案登録第３１６２０３２号公報

特許文献１に記載の技術においては、船側から離れた箇所にビデオカメラを設置することが必要となる。このため、このビデオカメラは計測用の他の船舶に設けるか、あるいはこの船舶自身において船側から突出するように設けることが必要となる。前者の場合には計測用の船舶を別途準備することが必要となり、後者の場合においても、船舶の運航上の障害となる構造物を設けることが必要となる。このため、この技術によって簡易に船側波を計測することは困難であった。レーザー光を用いる場合においても、レーザー光源を設置する箇所について同様の問題が生ずる。

特許文献２、３に記載された液面センサを用いて船側波を計測する場合には計測用の他の船舶は不要であり、かつ液面センサの設置も容易である。しかしながら、この液面センサ自身が構造物であるために、船側波の波形や波高がこの液面センサ自身の存在によって影響を受ける。このため、本来の船側波の波形や波高を正確に計測することは困難であった。更に、この液面センサを船舶に固定した場合には、この船舶（あるいは模型の船舶）自身の航行にこの液面センサが摩擦抵抗となり影響を与える場合もある。

従って、本来の波形に影響を与えずに簡易な構成で船側波を計測することは困難であった。これは、船側波に限定されず、液面に存在する構造体の周囲における液面の高さの計測全般についても同様である。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決する発明を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
本発明の請求項１に係る液面計測システムは、一部が液面よりも下に没するように液面に存在する船体に対する前記液面の高さを計測する液面計測システムであって、一部が前記液面の下の液体中に没するように薄膜状に形成されている電極が少なくともそのうちの一方の電極となっている２本の電極からなる電極対と、前記２本の電極の間の電気特性から前記電極対が形成された箇所における前記液面と前記船体との相対的な位置関係を検出する計測部とを具備し、前記一方の電極を用いて前記液面と前記船体との相対的な位置関係が測定される複数の測定点が少なくとも前記船体の左右両舷に配置され、それぞれの前記測定点で測定される前記船体の所定の喫水線を基準とした前記液面と前記船体との相対的な位置関係に基づいて前記船体の喫水と姿勢を計測することを特徴とする。
この発明においては、２本の電極からなる電極対と計測部とを用いて、船体の周囲における液面の高さが左右両舷において計測され、これによって船体と液面との相対的な位置関係が測定され、船体の喫水と姿勢が計測される。
本発明の請求項２に係る液面計測システムにおいて、前記２本の電極における他方の電極として、表面が導電性とされた前記船体が使用されたことを特徴とする。
この発明においては、表面が導電性とされた船体自身が、電極対における他方の電極として使用される。
本発明の請求項３に係る液面計測システムにおいて、前記一方の電極は、前記船体の側面に塗布された導電性塗料で構成されたことを特徴とする。
この発明においては、電極対における一方の電極は、船体の側面に導電性塗料を用いて薄膜状に形成される。

本発明の請求項４に係る液面計測システムにおいて、前記計測部は、ブリッジ回路における前記２本の電極間の電気特性の変化に起因する平衡条件のずれから前記液面と前記船体との相対的な位置関係を検出することを特徴とする。
この発明においては、液面と船体との相対的な位置関係は、ブリッジ回路（例えばホイートストンブリッジ回路）における平衡条件のずれに起因して発生する電圧から算出される。
本発明の請求項５に係る液面計測システムにおいて、前記ブリッジ回路には、前記液体中に常時没する補償電極を具備する補償素子が挿入されたことを特徴とする。
この発明においては、液体中に全体が常時没している補償電極を利用した補償素子が、ブリッジ回路中に挿入される。補償素子は、液体の温度等の変化がブリッジ回路のバランスに与える影響を低減する。
本発明の請求項６に係る液面計測システムにおいて、前記計測部は、前記２本の電極間の電気抵抗を計測することによって前記２本の電極間における前記液面と前記船体との相対的な位置関係を検出することを特徴とする。
この発明においては、２本の電極間の電気抵抗から液面と船体との相対的な位置関係が算出される。
本発明の請求項７に係る液面計測システムにおいて、前記計測部は、前記２本の電極間に交流電圧を印加することを特徴とする。
この発明においては、液面の高さを検出するために、２本の電極間に交流電圧が印加される。

本発明の請求項８に係る液面計測システムは、前記一方の電極を用いて前記液面と前記船体との相対的な位置関係が測定される前記複数の測定点が前記船体の側面における水平方向における複数の箇所にそれぞれ配置されたことを特徴とする。
この発明においては、複数の測定点における液面と船体との相対的な位置関係が算出される。すなわち、液面と船体との相対的な位置関係の空間分布が計測される。
本発明の請求項９に係る液面計測システムは、前記船体の船首部と、船尾部の左右両舷と、船首部と船尾部の中間の左右両舷と、にそれぞれ前記複数の測定点が配置されたことを特徴とする。
この発明においては、船首部の１箇所、船尾部の左右両舷２箇所、中央部の左右両舷２箇所、の計５箇所に測定点が配置される。
本発明の請求項１０に係る液面計測システムにおいて、隣接する前記測定点の間隔は、前記船体の中央部よりも船首部及び／又は船尾部で短いことを特徴とする。
この発明においては、複数の測定点の配列が均一ではなく、船首部や船尾部で密に配列される。

本発明の請求項１１に係る液面計測システムにおいて、前記一方の電極は、前記液体の深さ方向において、少なくとも前記船体のバラスト状態における前記喫水線の高さと前記船体の満載時における前記喫水線の高さにおいて延伸した構成とされたことを特徴とする。
この発明においては、少なくとも一方の電極は、空荷の状態における喫水線の高さと満載時の喫水線の間をカバーするように構成される。
本発明の請求項１２に係る液面計測システムは、前記液面と前記船体との相対的な位置関係の検出結果を処理し波浪を認識することを特徴とする。
この発明においては、液面と船体との相対的な位置関係の空間的、時間的変動を認識することによって液面における波浪が認識される。
本発明の請求項１３に係る液面計測システムは、前記波浪の時間変化を解析することによって、多方向波を構成する方向波を認識することを特徴とする。
この発明においては、更に、波浪における方向波の解析が行われる。
本発明の請求項１４に係る船舶は、前記液面計測システムを搭載したことを特徴とする。
この発明においては、船舶（実船、あるいは模型船）が前記の液面計測システムを搭載する。

本発明の液面計測システムは以上のように構成されているので、液面計測システムの存在自身が液面に与える影響が低減され、簡易な構成で液面と船体との相対的な位置関係、あるいはその時間変化を計測することができるため、これによって、船体等の姿勢検知や波浪の検出を容易に行うことができる。この際、ブリッジ回路を用いて検出を行う、あるいは電極間の電気抵抗を測定する、等によれば、特にこの計測を精密かつ単純な構成で行うことができる。
また、電極対における一方の電極のみを薄膜状にし、他方の電極として、表面が導電性とされた船体を用いれば、使用する電極の数を減らすことができる。
また、薄膜状の電極を導電性塗料で構成すれば、その形成が特に容易であり、かつ測定されるべき液面（波浪）に電極の存在自身が与える影響を最小限とすることができる。
また、上記の補償素子（補償抵抗等）をブリッジ回路に用いれば、環境の変化（液体の温度の変化等）に際しても安定した計測が可能である。この補償素子の形成も容易である。
また、計測の際に２本の電極間に印加される電圧を交流とすれば、電極の寿命を長くすることができる。これは、海面の水位あるいは波浪を計測する場合に特に有効である。

また、測定点を多数配列して用いる、進行方向に対して左右略対称に配置する、等により、液面と船体との相対的な位置関係の分布が測定できるため、波浪の観測を精密に行うことができる。一般的な波浪の船体に対する性質より、測定点の間隔を均一ではなく船首部や船尾部で密にすれば、多くの測定点（電極）を用いずに船側波の精密な測定を行うことができる。
あるいは、測定点を前記の５箇所に設置した場合には、電極の数を少なくした状態で船体等（構造体）の姿勢を高精度で検出することもできる。
こうした測定点の配列は、どの場合においても、容易に実現することができる。
また、電極対を構成する２つの電極のうちの一方の電極が、空荷の状態における喫水線の高さと満載時の喫水線の高さにおいて延伸した構成とすれば、船体等の姿勢検知や波浪の検出を充分に行うことができる。
また、上記の液面計測システムによって、液面と船体との相対的な位置関係の時間的分布や空間的分布を精密に計測することができるため、波浪を認識する、あるいは波浪の解析も特に精密に行うことが可能である。
また、上記の液面計測システムは、実船、模型船、あるいは他の浮体に容易に搭載することができる。実船に搭載した場合には、船舶の航行にこの液面計測システムにおいて使用される電極等が摩擦抵抗等の面で悪影響を与えることもない。

本発明の実施の形態となる船側波計測システムの構成を示す図である。 本発明の実施の形態となる船側波計測システムにおける電極対と検出制御回路の構成を示す図である。 船体側を電極対のうちの他方の電極として用いる第１の例の平面図（ａ）、断面図（ｂ）である。 船体側を電極対のうちの他方の電極として用いる第２の例の平面図（ａ）、断面図（ｂ）である。 船体側を電極対のうちの他方の電極として用いる第３の例の平面図（ａ）、断面図（ｂ）である。 本発明の実施の形態となる船側波計測システムにおける複数の電極対の配置構成の一例を示す側面図である。 本発明の実施の形態となる船側波計測システムにおける複数の電極対の配置構成の他の一例を示す上面図である。 本発明の実施の形態となる船側波計測システムにおいて補償抵抗を用いた構成の第１の例である。 本発明の実施の形態となる船側波計測システムにおいて補償抵抗を用いた構成の第２の例である。 本発明の実施の形態となる船側波計測システムにおいて補償抵抗を用いた構成の第３の例である。 本発明の実施の形態となる船側波計測システムにおいて補償抵抗を用いた構成の第４の例である。 実施例における２本の電極間の抵抗値と水面高さを実測した結果である。 実施例の船側波計測システムをＷｉｇｌｅｙ模型に取り付けて船側波を実測した結果である。 実施例の船側波計測システムをＷｉｇｌｅｙ模型に取り付けた際の、船体の移動に伴う水面の高さの変化を実測した結果である。 実施例の船側波計測システムをバルカー船模型に取り付けた際に波浪を発生させた場合の船体の姿勢（ヒーブ、ピッチ）変化を実測した結果である。

以下、本発明を実施するための形態となる液面計測システムについて説明する。この液面計測システムによって、液面に存在する構造体の周囲における液面と構造体の位置関係（液面の高さ）を計測することができる。また、液面の高さの空間的、時間的変化を計測することにより、液体表面に形成された波（液面波）の状態を計測することができる。以下では、この液面計測システムが水面に存在する船舶等に搭載され、船舶等の周囲に形成された波（船側波）の状態を計測する船側波計測システムとなる場合について説明する。ここで、船舶等（構造体）が水面（液面）に存在するとは、その一部が水面（液面）よりも下に没するように存在していることを意味する。

この船側波計測システムは、船舶等に設置され、この物体とその周囲における水面との間の位置関係を計測することができる。以下では船舶等の側面（船側）における水面の高さを計測する場合について説明する。船舶等の中には浮体や水上のブイ等も含まれるが、その周囲の水面の高さを計測するシステムもここでは同様に船側波計測システムと呼称する。この船側波計測システムによって、船舶等が航行あるいは浮遊している箇所における波浪（船側波）の高さや形状を計測することができる。あるいは、この船側波計測システムによって、水面に対する船体等の姿勢も計測することができる。

ここでは、この船側波計測システムは、船舶の船体に設置されているものとする。船体は、その下側が海水中に没しており、その上側が海上に表れている。図１は、その船体１００の側面から見た構成を概念的に示している。また、海水２００の海面２０１は、図示されるように、喫水線２０２を中心に波打った形状となっている、すなわち、船側波が発生しているものとする。また、海面２０１の形状（船側波の形状）は時間的に変化する。

この船側波計測システムは、複数の電極対と、これに接続された計測部２０を具備する。図１に示されるように、上下方向に細長い薄膜状の電極１１、１２が対（電極対）となって船体１００の側面に４組設けられている。各電極対には電圧が印加され、電極１１、１２間の特性変化が計測部２０で検出されることによって、各電極対の箇所における海面２０１の高さが計測される。計測部２０は、検出制御回路３０と算出回路４０を具備する。

電極１１、１２は、その長さ方向が部分的に水没するように、すなわち、それぞれの上下方向（深さ方向）における長さの範囲内に海面２０１が入るように設置される。１対の電極１１、１２（電極対）には、検出制御回路３０が接続されている。各検出制御回路３０は、例えばパーソナルコンピュータを用いて構成される算出回路４０に接続される。

薄膜状の電極１１、１２は、船体１００の側面において、例えば絶縁性の塗装被膜の上に導電性塗料を短冊状に塗布することによって形成することができる。この場合の導電性塗料としては、銀ペーストや各種の導電性塗料を用いることができる。電極１１、１２に接続される配線は、図１中の上部（海面２０１よりも常に上側となる部分）から取り出すことができる。

図２は、１対の電極１１、１２とこれに接続される検出制御回路３０の構成を詳細に示した図である。電極１１、１２間の抵抗Ｒは、固定抵抗３１〜３３（それぞれの抵抗値をＲ_１、Ｒ_２、Ｒ_３とする）を用いて構成されるブリッジ回路（ホイートストンブリッジ回路）の中の一つの抵抗として組み入れられ、ノードＡ、Ｂ間には交流電源が接続され、ノードＣ、Ｄ間の電圧が増幅回路３５で増幅検出され、その出力が算出回路４０に出力される。

一般には、空気の抵抗率が無限大であって水（海水）の抵抗率が有限値であると考えることができる。この場合には、電極１１、１２間の抵抗Ｒは電極１１、１２の間隔Ｄに比例し、電極１１、１２が浸水した長さＨに反比例する。従って、間隔Ｄを一定とすれば、Ｈの変動に応じてＲは変化する。Ｒの基準値をＲ_０とした時にＲ_０Ｒ_１＝Ｒ_２Ｒ_３となるように設定すれば、ノードＡＢ間の電圧は零となる。ここで、図１において海面２０１が喫水線２０２と等しい場合（Ｈ＝Ｈ_０の場合）の抵抗値を基準値Ｒ_０とすることができる。例えば海面２０１の高さが変動して電極１１、１２が浸水した長さがＨ（Ｈ_０＜Ｈ）となった場合には、Ｒ＜Ｒ_０となるため、ホイートストンブリッジ回路の平衡条件が崩れ、ノードＣＤ間に電圧が発生する。この電圧を増幅回路３５で検出することにより、Ｒを算出することが可能であり、算出回路４０は、これによって各々の電極対に対応したＨを算出することができる。

すなわち、図２の構成によって、各々の電極対が浸水した長さＨを算出することができる。電極対が船体１００に設置された位置は固定されているため、この電極対が設置された箇所における船体１００と海面２０１の位置関係を認識することができる。図１の構成においては、電極１１、１２が水平方向に４組設けられているために、船側の４箇所の測定点における海面２０１の高さを算出することができる。これにより、船体１００の周囲の海面２０１の形状（船側波の空間形状）を認識することができる。この形状を時々刻々モニターすることも可能である。これにより、電極１１、１２の対が配列された方向（図１では左右方向：船体１００の進行方向）における船側波の進行もモニターすることが可能である。

特許文献２、３に記載の液面センサを用いた場合においても、同様に海面２０１の高さに応じた電気抵抗や静電容量の変化を検出することが可能である。しかしながら、前記の通り、これらの構成においては、金属等で構成された３本の電極を一部水中に没するように配することが必要となる。このため、この場合に計測された船側波は、これらの液面センサ（電極）自身の影響を受ける。これに対して、図１、２の構成においては、薄膜状の電極１１、１２を導電性塗料で構成する、あるいは導電性の薄膜で構成することにより、電極１１、１２が船側波に及ぼす影響を最低限とすることが可能である。また、船側には防錆、防汚等のために船体塗料が形成されるのが一般的である。この場合、導電性塗料を塗布することによって電極１１、１２を形成し、電極１１、１２以外の箇所には絶縁性の通常の船体塗料を塗布することによって、電極１１、１２による段差が船側に全く形成されないような構成とすることも可能である。この場合には特に船側波に対する影響を小さくすることができる。また、導電性高分子を用いた透明な導電性塗料を用いれば、これを船体塗料の上に塗布することによって、電極１１、１２が形成されない通常の船舶と外観上も変わりがない構成とすることも可能である。

更に、図１、２の例では、各々の箇所における水位を計測するために、２本の電極（電極対）を用いた例について記載したが、このうち一方の電極を前記の通り薄膜状として設け、船体の表面を導電性として他方の電極として用いることにより、実質的に１本の電極（一方の電極）のみを使用することも可能である。図３、４は、この場合における電極周辺の構造を示す２つの例の構造である。

図３（ａ）は、船体１００全体を一方の電極として用いる第１の例を側面から見た図であり、図３（ｂ）は、そのＡ−Ａ方向の断面図である。ここで、船体１００は導体である鋼板で構成されるものとする。船体１００の外側には例えば厚さが１００μｍ程度の導電性塗料層１６が形成される、更にその上に例えば厚さ３００μｍ程度の絶縁性塗料層１７が局所的に形成される。絶縁性塗料層１７の端部に、厚さ１００μｍ程度の電極１５が形成される。電極１５は、前記と同様に導電性塗料で形成することができるため、結局、導電性塗料層１６、絶縁性塗料層１７、電極１５はいずれも塗装によって薄く形成することができる。この場合においても、図３（ａ）中の破線で示された海面２０１よりも下側における電流経路（図３（ｂ）中の点線）に対応する抵抗変化が船体１００（導電性塗料層１６）と電極１５間で計測される。これを用いて水位を検出することができる。

図４（ａ）は、船体１００全体を一方の電極として用いる第２の例を側面から見た図であり、図４（ｂ）は、そのＢ−Ｂ方向の断面図である。船体１００の外側には、図３の例と同様に導電性塗料層１６が形成され、その上に絶縁性塗料層１７が形成される。絶縁性塗料層１７には絶縁性塗料層開口１７１が形成され、その中では導電性塗料層１６が露出している。この絶縁性塗料層開口１７１を塞いで覆うように薄膜状の電極１８が形成されており、電極１８には複数の電極開口１８１が設けられている。この構成においては、導電性塗料層１６、絶縁性塗料層１７は図３の例と同様に、塗装によって容易に形成することができる。電極１８としては、電極開口１８１が形成された金属箔を貼り付けて使用することができるため、表面における段差を小さくすることができる。この構成により、電極１８に覆われた絶縁性塗料層開口１７１には電極開口１８１を通して海水２００が自由に侵入するため、海面２０１の高さに応じた電極１８と導電性塗料層１６との間の抵抗が測定できる。これによって、上記と同様に、水位を検出することができる。

図５（ａ）は、船体１００全体を一方の電極として用いる第３の例を側面から見た図であり、図５（ｂ）は、そのＣ−Ｃ方向の断面図である。船体１００の外側には、図３の例と同様に導電性塗料層１６が形成され、これに接続した共通電極１９が露出している。共通電極１９の周囲を覆うように絶縁性塗料層１７が形成され、絶縁性塗料層１７の表面には図３と同様に、電極１８が形成されている。図５の構成においては、共通電極１９と左右の電極１８の間２箇所における水位が計測される。この場合には、電極１８、共通電極１９、絶縁性塗料層１７からなる表面における段差が生じないようにする構成とすることが可能である。共通電極１９は、金属箔、金属片、導電性塗料等で構成することができる。

以上のように、電極対のうちの一方の電極だけを部分的に水没するように複数分布させて設け、他方の電極は船体あるいは船体１００表面の導電性塗料層１６を用いて共通に使用することによって、船体１００と海面２０１の相対的位置関係や船側波の波形を観測することが可能である。２本の電極間における海水２００による抵抗値を測定できる限りにおいて、上記の構成を適宜組み合わせる、あるいはこれら以外の構成を用いることも可能である。

なお、図１の構成においては、電極対毎に検出制御回路３０を設けているが、入出力切換器を使用し、各電極対をその入力側に、単一の検出制御回路３０をその出力側に接続し、算出回路４０が入出力切換器の切換動作を行わせることによって検出制御回路３０に接続される電極対が切り替えられる構成とすることができる。この場合には、更に構成を単純化することができる。

また、図１は、船体１００を一方の側面から見た構成を示しているが、他方の側面も同様の構成とすることができる。これにより、船体１００の両側面で船側波をモニターすることができ、船体１００の進行方向と垂直な方向における波の進行状況をモニターすることも可能である。

また、図２の構成においては、駆動用の電源として交流電源が用いられているが、直流電源を用いた場合でも動作が可能である。しかしながら、特に海水中においてこの船側波計測システムを用いる場合、海水中の不純物（例えば塩）と電極１１、１２との間で化学反応を生じるために、電極１１、１２が腐食する場合がある。直流電源を用いた場合には、電極１１、１２のうちの一方においてのみ集中的にこの腐食が進行するのに対し、交流電源を用いた場合には、この腐食の影響を分散させることができる。このため、交流電源を用いることによって、電極１１、１２の寿命を長くすることができる。

また、電極対（あるいは一方の電極）の数が一つである場合においても、その設置された箇所（測定点）においてＨを算出することができ、Ｈの時間変化を計測することによって、波浪を認識することは可能である。しかしながら、（測定点）を水平方向における複数の箇所に配置し、それぞれの箇所においてＨを算出することが、船側波をより精密に計測する上ではより好ましい。また、船体１００の進行方向に対して左右両舷部に略対称にこれらを配置すれば、左右のどちら側から進行してくる波浪も同様に検出することが可能であるため、好ましい。

図１においては、電極対（測定点）を水平方向において等間隔に４組配列しているが、実際には、この間隔を短く、かつその数を多くすることが、より精密な船側波の計測を行う上では好ましい。ただし、この配列は、目的や船側波の波形に応じて設定することが可能である。図６は、船体１１０の側面に電極対１２０を１６対設けた例である。船体１１０が進行するに際して形成される船側波の波長は、一般には先端部と船尾部よりも中央部で長くなる。このため、電極対１２０の配列の間隔を、船首部と船尾部において、中央部よりも短くしている。これにより、電極対１２０の総数を少なくした上で船側波の波形を精密に計測することが可能である。また、前記の通り、船体１１０の進行方向に対する左右両舷に略対称にそれぞれ電極対１２０を設けることが、船体１１０の左右側で同等に船側波を検出することができるために好ましい。

一方、波浪の形状は計測せず、船体の姿勢を検出することだけが目的である場合、電極対の数を少なくした単純な構成を用いることができる。図７は、この場合の電極対の配置を示す上面図である。船体１４０の進行方向は矢印で示されている。この場合には、船首部に電極対１５１、船体中央の左右両舷部に電極対１５２、１５３、船尾の左右両舷部に電極対１５４、１５５がそれぞれ設けられている。電極対１５１〜１５５によってこれらが設置された箇所におけるＨを測定することができれば、船体１４０のヒーブ（船体の上下揺）、ロール（進行方向に対する横の傾き）、ピッチ（同じく縦の傾き）等を計測することができる。すなわち、５箇所の測定点を用いて、この船側波計測システムを船体１４０の姿勢を計測するために用いることができる。

また、前記の通り、電極１１、１２は、その長手方向（深さ方向）が部分的に水没するように設定される。この目安としては、この船側波計測システムを搭載する船舶が貨物や人間（貨物等）を搭載する場合には、そのバラスト状態（空荷の状態）における喫水線の高さと、満載時（規定重量の貨物等を搭載した場合）における喫水線の高さの範囲内において、電極１１、１２が上下方向に延伸しているような構成とすることができる。この場合には、波浪（船側波）の検出、船体の姿勢検知のいずれの場合においても、大部分の場合における海面の高さを検出することができる。ただし、例えば電極対のうちの他方の電極として船体自身を利用する場合には、一方の電極のみをこうした設定としてもよい。

一般に、水の抵抗率は、水の不純物濃度や水温等、環境によって変動する。このため、図２の構成において、電極１１、１２間の抵抗Ｒは、Ｈだけでなく、水の抵抗率の変動によって変わることがあり、ブリッジ回路のバランスもこれに応じて変化する。このためには、こうした条件の変動を補償する補償抵抗（補償素子）を図２のブリッジ回路中に挿入することが好ましい。

図８は、補償抵抗を用いた第１の例における回路構成とこの補償抵抗の具体的構成について示す図である。この回路構成においては、図２における固定抵抗３３（抵抗値Ｒ_３）を、補償抵抗５１（抵抗値Ｒ_Ｃ１）に置換している。補償抵抗５１としては、海水２００中に設けられた電極１１、１２と同様の構成の補償電極５１１、５１２を用いている。ただし、電極１１、１２と異なり、補償電極５１１、５１２は常に全体が水没した状態となるように、船体１００の下部に設置される。この構成によれば、海水２００の抵抗率が変化した場合においてＲ_Ｃ１とＲとは同様の変化をする。このため、抵抗率の変化が発生した際のブリッジ回路における平衡状態（Ｒ_１Ｒ＝Ｒ_２Ｒ_Ｃ１）のずれを小さくすることが可能である。補償電極５１１、５１２の幅、長さ、間隔は、平衡状態のずれが小さくなるように適宜設定することが可能である。

図９は、補償抵抗を用いた第２の例における回路構成とこの補償抵抗の具体的構成について示す図である。この回路構成においては、固定抵抗３１〜３３は図２と同様であり、Ｒと並列に補償抵抗５２（抵抗値Ｒ_Ｃ２）、直列に補償抵抗５３（抵抗値Ｒ_Ｃ３）が設けられている。補償抵抗５２、５３は、共に前記の補償抵抗５１と同様に、それぞれ補償電極５２１、５２２、補償電極５３１、５３２を用いて構成される。補償電極５２１、５２２、補償電極５３１、５３２はいずれも常に水没した状態とされる。海水２００の抵抗率が変化した際にはＲ_Ｃ２、Ｒ_Ｃ３もＲと同様の変化をするため、これらの値を適宜設定することによって、上記と同様にブリッジ回路の平衡状態のずれを小さくすることが可能である。特にこの構成の場合には、補償電極５２１、５２２（Ｒ_Ｃ２）と補償電極５３１、５３２（Ｒ_Ｃ３）を独立に調整することができるため、平衡状態のずれの補償を特に精密に行うことが可能である。

なお、上記の補償抵抗５１、５２、５３を適宜組み合わせることも可能である。また、図８の例では補償抵抗５１（Ｒ_Ｃ１）を固定抵抗３３（Ｒ_３）の代わりに設けたが、補償抵抗５１を固定抵抗３２（Ｒ_２）の代わりに設けることも可能である。すなわち、補償抵抗は、ブリッジ回路に適宜挿入して用いることができる。

図１０は、電極と補償電極の構成を簡略化した第３の例の構成を示す図である。この構成においては、図８の構成において使用される電極、補償電極が最低限に簡略化されている。ここでは、固定抵抗３１、３２は変わらず、ノードＤに接続された共通電極６１が使用され、ノードＢに電極６２が、ノードＡに補償電極７１が接続されている。共通電極６１、電極６２は部分的に水没しており、電極６２は前記の電極１１等と同様に機能する。一方、共通電極６１は、電極６２よりも深い位置まで延伸しており、その最深部と同等の深さには、常時水没した短い補償電極７１が存在している。この構成においては、共通電極６１と電極６２間が図８の構成における電極１１、１２間に相当し、共通電極６１と補償電極７１間が図８の構成における補償電極５１１、５１２間に相当する。このため、使用する電極、補償電極の数を減らして、図８と同様の機能を実現している。

図１１も、図８の構成を変形した第４の例を示す。図１１（ａ）はその側面から見た構成図であり、図１１（ｂ）はそのＤ−Ｄ方向の断面図、図１０（ｃ）はそのＥ−Ｅ方向の断面図である。接続、回路構成は図８と同様である。この構成においては、電極１１、１２は図８（図１等）と同様に、船体１００の側壁に形成されている。一方、補償電極５１１、５１２は、船体１００の内部に設けられた補償電極ケース８０内に設けられている。補償電極ケース８０内部は海水２００と接続され、常に海水２００で満たされる構成とされている。このため、図８と同様に、海水２００の温度変化の影響等を補償することができる。この際、船体１００の姿勢に関わらず、補償電極５１１、５１２を常に水没させることが可能となるために、安定した動作が可能となる。特にこの場合には、補償電極５１１、５１２を薄膜状とする必要もない。

以上のように、電極対と同様に、補償電極の船体１００における構成も、補償電極によって海水２００の温度等の影響を検出することができる限りにおいて、任意である。補償電極も前記の計測用の電極と同様に２本が使用されるが、そのうちの一方の電極のみを常時水没した状態とし、他方を計測用の電極と共通に使用される共通電極とすることができる。前記の通り、この共通電極として表面が導電性とされた船体を使用することもできる。これにより、使用する電極や補償電極の数を減少させることもできる。

この船側波計測システムの構成は単純であり、これを軽量とすることができ、更にこの船側波計測システムの存在が船舶の機能や運行に影響を与えることはない。このため、上記の船体１００としては、実際に人間が搭乗する船体でも、模型の船体であってもよいことは明らかである。模型の船体に用いる場合には、船舶の機能に関わる様々な実験に使用することができる。

（実施例）
以下では、実際に上記の船側波計測システムを模型船に設置して計測を行った結果について説明する。

まず、図２の構成によって実際にＨを算出することが可能であることを確認した。このため、銀ペーストを絶縁性のアクリル板に２ｃｍ幅、１ｃｍ間隔で塗布することによって電極１１、１２を形成した。ここで、銀ペーストとしては１〜１０×１０^−５Ω・ｃｍの抵抗率のものを用いた。この場合に、図２のＣＤ間の電圧のＨ依存性を実測した結果を図１２に示す。直線性が良好であり、ＣＤ間の電圧を測定することによってＨを測定することが充分可能であることがわかる。

次に、上記の船側波計測システムを、船長Ｌ_ＰＰ＝４．０ｍ、幅Ｂ＝０．４ｍ、深さＤ＝０．３７５ｍ、喫水ｄ＝０．２５ｍとしたＷｉｇｌｅｙ模型に取り付けて、実際に船側波を計測した。電極対の配置は図６に示されたような不等間隔とした。この実施例による測定結果を、側方から画像を解析することによって得られた結果、ランキンソース法による計算結果と共に図１３に示す。この結果より、実施例の結果は、画像解析による結果や計算結果とも整合性があり、有効であることが確認された。特に、実施例においては、船側波の撮影が困難である箇所においてもその波形が正しく認識されている。なお、中央部よりも船首側（ＦＰ）と船尾側（ＡＰ）で波形の波長が短くなっていることも確認され、図３に示された電極対の配置構成が有効であることも確認できる。

次に、船体を移動させた際の波高Ｈの時間変化を測定した。図１４（ａ）は、この場合における船体の速度の時間変化を示し、図１４（ｂ）（ｃ）は、それぞれ異なる位置でのＨの時間変化を示す。図１４（ａ）（ｂ）（ｃ）における横軸（時間）は対応して表示されている。この結果より、測定された速度変化に応じた波高Ｈの変化が計測されており、ノイズやドリフトのない高精度の測定が実現されていることが確認できた。

また、バルカー船（貨物船）タイプの模型（船長Ｌ_ＰＰ＝３．０ｍ、幅Ｂ＝０．４４６ｍ、深さＤ＝０．２６５５ｍ、喫水ｄ＝０．１６８７ｍ、方形係数Ｃｂ＝０．８３９８、排水量Ｖ＝０．１８９５ｍ^３）に、上記の船側波計測システムを取り付けて、船体のヒーブ（船体の上下揺）とピッチ（同じく縦方向の傾き）を計測した。この際、ロールは生じないように船体は固定されている。また、船体は静止させ、水面に波浪を発生させた状態で測定を行った。図１５は、この測定結果を示す図である。図１５（ａ）は、発生させた波浪による水面高さの変化を静電式の水位計によって１点で計測した結果である。図１５（ｂ）は、上記の船側波計測システム１０によって計測されたヒーブ（単位ｍｍ）であり、図１５（ｃ）は、ピッチ（単位ｄｅｇ）である。ヒーブ、ピッチ共に波浪の波形（図１５（ａ））と対応して計測されていることが確認できた。ここでは測定していないが、左右両舷に電極対を設けることによってロール（横方向の傾き）も同様に計測できることは明らかである。

このように、実施例において波浪や船体の姿勢を高精度で検出できることが確認された。

なお、上記の船側波計測システムにおいては、ブリッジ回路を用いて電極間の抵抗の変化を測定したが、水位の変動による電極間の抵抗の変化を検出できる限りにおいて、他の検出方法を用いることもできる。

また、前記の通り、船体は、上記の実際の船舶におけるものでも、模型におけるものでもよい。特に模型を用いた場合には、水の代わりに他の液体上にこの船体を浮かべて同様の測定を行う場合もある。この場合、液体の抵抗率が極めて高い場合には、電極間の抵抗を測定する代わりに、電極間の静電容量を測定する構成とすることもできる。この場合においては、電極対の構成は上記と同様にして、電極間の静電容量を測定部で計測することによって、同様に液面の高さを計測することが可能である。この際においても、前記のホイートストンブリッジ回路の代わりに例えばシェーリングブリッジ回路を用い、静電容量の変化による回路の平衡条件からのずれに起因した電圧を測定する構成が有効である。この場合においても、上記の補償抵抗と同様に、常時液体中に没している補償電極間の静電容量を利用して補償素子（補償容量）を構成することが可能である。この補償容量をブリッジ回路に適宜挿入して、液体の特性変化に起因する電極対における静電容量の変化を補償することが可能である。

このように、上記の船側波計測システムにおいては、液体の特性に応じて、電気抵抗の変化と静電容量の変化のいずれかを選択して測定することができる。いずれの場合においても、上記の構成の電極対を用いることにより、２本の電極間の特性変化を用いて液面の高さを計測することが可能である。また、いずれの場合においても、船体自身をこの２本の電極のうちの１本として使用することができる。

また、前記の実施例に記載の通り、上記の船側波計測システムによって、水面における波浪の波形を精密に計測することができる。算出回路や、これに接続されたパーソナルコンピュータは、この波形の時間変化、あるいは更にこれに別途計測された船体の移動情報を利用して、水上に波浪が存在していることや、その進行方向等を認識することができる。

この際、波浪が多方向波である場合においても、その解析を行い、多方向波を構成する各進行波の解析をすることもできる。また船舶等においては、水面の高さを計測することにより船舶等の喫水高さを知ることもできる。

上記の船側波計測システムは、上記の通り、水上における船舶等の構造体の周囲の水面の高さを計測することができる。この構造体として、船舶以外にも、液体上に浮かぶ任意の浮体を用いることができる。任意の液体の液面に存在する構造体の周囲における液面の高さを計測するために使用できることは明らかであり、その高さの空間的分布や時間的分布を計測するために用いることができることは明らかである。

１１、１２ 電極（電極対）
１５、１８、６２ 電極
１６ 導電性塗料層
１７ 絶縁性塗料層
１９、６１ 共通電極
２０ 計測部
３０ 検出制御回路
３１〜３３ 固定抵抗
３５ 増幅回路
４０ 算出回路
５１〜５３ 補償抵抗
７１、５１１、５１２、５２１、５２２、５３１、５３２ 補償電極
８０ 補償電極ケース
１００、１１０、１４０ 船体
１２０、１５１〜１５５ 電極対
１７１ 絶縁性塗料層開口
１８１ 電極開口
２００ 海水
２０１ 海面
２０２ 喫水線

Claims (14)

1. 一部が液面よりも下に没するように液面に存在する船体に対する前記液面の高さを計測する液面計測システムであって、
   一部が前記液面の下の液体中に没するように薄膜状に形成されている電極が少なくともそのうちの一方の電極となっている２本の電極からなる電極対と、
   前記２本の電極の間の電気特性から前記電極対が形成された箇所における前記液面と前記船体との相対的な位置関係を検出する計測部とを具備し、
   前記一方の電極を用いて前記液面と前記船体との相対的な位置関係が測定される複数の測定点が少なくとも前記船体の左右両舷に配置され、それぞれの前記測定点で測定される前記船体の所定の喫水線を基準とした前記液面と前記船体との相対的な位置関係に基づいて前記船体の喫水と姿勢を計測することを特徴とする液面計測システム。
2. 前記２本の電極における他方の電極として、表面が導電性とされた前記船体が使用されたことを特徴とする請求項１に記載の液面計測システム。
3. 前記一方の電極は、前記船体の側面に塗布された導電性塗料で構成されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の液面計測システム。
4. 前記計測部は、ブリッジ回路における前記２本の電極間の電気特性の変化に起因する平衡条件のずれから前記液面と前記船体との相対的な位置関係を検出することを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の液面計測システム。
5. 前記ブリッジ回路には、
   前記液体中に常時没する補償電極を具備する補償素子が挿入されたことを特徴とする請求項４に記載の液面計測システム。
6. 前記計測部は、前記２本の電極間の電気抵抗を計測することによって前記２本の電極間における前記液面と前記船体との相対的な位置関係を検出することを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の液面計測システム。
7. 前記計測部は、前記２本の電極間に交流電圧を印加することを特徴とする請求項４から請求項６までのいずれか１項に記載の液面計測システム。
8. 前記一方の電極を用いて前記液面と前記船体との相対的な位置関係が測定される前記複数の測定点が前記船体の側面における水平方向における複数の箇所にそれぞれ配置されたことを特徴とする請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の液面計測システム。
9. 前記船体の船首部と、船尾部の左右両舷と、船首部と船尾部の中間の左右両舷と、にそれぞれ前記複数の測定点が配置されたことを特徴とする請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載の液面計測システム。
10. 隣接する前記測定点の間隔は、前記船体の中央部よりも船首部及び／又は船尾部で短いことを特徴とする請求項８又は９に記載の液面計測システム。
11. 前記一方の電極は、前記液体の深さ方向において、少なくとも前記船体のバラスト状態における前記喫水線の高さと前記船体の満載時における前記喫水線の高さにおいて延伸した構成とされたことを特徴とする請求項１から請求項１０までのいずれか１項に記載の液面計測システム。
12. 前記液面と前記船体との相対的な位置関係の検出結果を処理し波浪を認識することを特徴とする請求項１から請求項１１までのいずれか１項に記載の液面計測システム。
13. 前記波浪の時間変化を解析することによって、多方向波を構成する方向波を認識することを特徴とする請求項１２に記載の液面計測システム。
14. 請求項１から請求項１３までのいずれか１項に記載の液面計測システムを搭載したことを特徴とする船舶。

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