JP6060237B1 - 水圧計 - Google Patents

Abstract

【課題】測定精度を向上できる水圧センサを提供する。
【解決手段】
水圧に伴って変位する面を有するダイヤフラム、または水圧に伴って伸縮するベローズと、ダイヤフラムの面、またはベローズの伸縮を抑制する変位量抵抗体と、ダイヤフラムの面、またはベローズのトップに固定され、変位量抵抗体により抑制された伸縮長さに応じ、規制された所定の方向に変位する支持体と、支持体に支持され、支持体の変位に応じて、筐体に対して移動する第１滑車と、筐体に対して移動が規制された第２滑車と、を有し、第１滑車と第２滑車とに巻き掛けられたファイバ・ブラッグ・グレーディング（ＦＢＧ）を用いて、水圧を計測する水圧計である。
【選択図】図１

Description

本発明は、河底等に配され、河川等の水深に応じた水圧等を計測する水圧計に関する。

水圧に伴って伸縮するベローズを用い、このベローズに連動する可動板を備え、ベローズの伸縮を、この可動板とファイバ固定具とに固定された光ファイバの張力にて測定する水圧センサが特許文献１に開示されている。

特開平１０−２０６２５５号公報

このように従来の水圧センサでは、ベローズの伸縮に伴って移動する中空円筒の上面側に圧力伝達ロッドを固定し、圧力伝達ロッドを介して可動板を移動させ、この可動板に一端を固定し、他端がファイバ固定具に固定された光ファイバの張力を測定するため、中空円筒の移動方向が鉛直方向に規制されておらず、また、中空円筒に伴って移動する可動板の移動量が、十分規制できないので、光ファイバの張力測定のリニアリティのある範囲を超えてしまう。このため水圧に対して光ファイバから得られる波長が線形的に変化せず、測定精度を高めることが困難であった。

本発明は上記実情に鑑みて為されたもので、測定精度を向上できる水圧センサを提供することを、その目的の一つとする。

上記従来例の問題点を解決する本発明は、水圧計であって、水圧に伴って変位する面を有するダイヤフラム、または水圧に伴って伸縮するベローズと、前記ダイヤフラムの面、またはベローズの伸縮を抑制する変位量抵抗体と、前記ダイヤフラムの面、またはベローズのトップに固定され、前記変位量抵抗体により抑制された伸縮長さに応じ、規制された所定の方向に変位する支持体と、前記支持体に支持され、前記支持体の変位に応じて、筐体に対して移動する第１滑車と、筐体に対して移動が規制された第２滑車と、を有し、前記第１滑車と第２滑車とに巻き掛けられたファイバ・ブラッグ・グレーディング（ＦＢＧ）を用いて、前記水圧を計測することとしたものである。

ここで前記変位量変換体は、金属Ｏリングである水圧計であってもよく、また、前記支持体は、Ｕ字体をなし、当該Ｕ字の底部が前記金属Ｏリングの頂部に固定されていてもよい。

さらに、ここで前記支持体に、間隔をおいて配された第３、第４滑車と、当該第３、第４滑車に巻き掛けたファイバ・ブラッグ・グレーディング（ＦＢＧ）とをさらに含み、水位計内部の温度変化による、当該第３、第４滑車に巻き掛けたＦＢＧの伸縮量により、前記計測される水圧を補正することとしてもよい。

本発明によると、測定精度を向上できる。

本発明の実施の形態に係る水圧計の内部の概要を表す概略図である。 本発明の実施の形態に係る水圧計の内部の概要を表す概略斜視図である。 本発明の実施の形態に係る水圧計の動作概要を表す説明図である。 本発明の実施の形態に係る水圧計により計測される水圧の情報の例を表す説明図である。

本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明において各部の大きさと比率とは図示並びに説明の都合上、実際のものと異なる大きさ・比率で示されることがある。すなわち、各部の大きさや比率は、ここで示した例によるものに限られない。

本発明の実施の形態に係る水圧計を、図１，図２を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る水圧計の内部の概要を表す概略図であり、図２は、本発明の実施の形態に係る水圧計の内部の概要を表す概略斜視図である。

これら図１，図２に例示するように、本発明の実施の形態に係る水圧計は、中空柱状の外筒１０と、開口１１１を有し、外筒１０の底部に固定されるベース１１と、ベローズ２１と、支持体基部２０と、ベローズトップベース２２と、支持体２３と、この支持体２３に固定される第１滑車２４と、Ｏリング２５と、リング抑え２６と、架台３１（後述のようにトップベース３１１と、一対の脚部３１２とを含む）と、柱状体３２と、この柱状体３２に固定される第２滑車３３と、ファイバ４１と、計測部４２と、張力調整治具（不図示）と、蓋部５１と、を含んで構成される。なお、ここではベローズ２１を用いる例について説明するが、ベローズに代えて、水圧に伴って変位する面を有するダイヤフラムを用いてもよい。また、図２では、説明のため、外筒１０や蓋部５１等、一部の部材の図示を省略している。

ベース１１の外周と外筒１０との間は、ベース１１が水密の状態で固定されるよう、ゴム製Ｏリングやパッキン等のシール部材でシールされる。ベース１１の開口１１１は、一例としてはベース１１の中心部に形成され、開口１１１にはメッシュやフィルタ等、開口１１１を通じて、液以外の異物の侵入を阻止する部材を取り付けておいてもよい。

ベローズ２１は、蛇腹部２１１と上部弁体２１２とを有する。また、上部弁体２１２上にはベローズトップベース２２が溶接され、支持体基部２０とネジ等で一体化できるようにしている。蛇腹部２１１は中空となっており、この蛇腹部２１１内の空間と、ベース１１の開口１１１とが連通した状態に配される。また蛇腹部２１１の底部周縁部は、外筒１０内部に浸水がないよう、この蛇腹部２１１の底部周縁部とベース１１の開口１１１周縁部との間が水密の状態となるように、溶接あるいはパッキン等のシール部材でシールされる。

ベローズ２１の上部弁体２１２と一体になったベローズトップベース２２には支持体基部２０が固定され、さらにこの支持体基部２０には、支持体２３の底部側面が固定されている。本実施の形態においては支持体２３は、底部と腕部とを有するＬ字状、または、底部と一対の腕部とを有するＵ字状に形成された状態にある板状体であり、ベローズトップベース２２にはこのＬ字またはＵ字をなす支持体２３と一体になった支持体基部２０の底部が固定される。支持体２３の一対の腕部の端部よりの側には、第１滑車２４が回転不能な状態で固定される。なお、ベローズに代えてダイヤフラムを用いる場合は、ベローズトップベース２２に相当する部材を、ダイヤフラムの、水圧に伴って変位する面に固定する。

また支持体基部２０上にはＯリング２５が固定される。このＯリング２５は、本発明の変位量抵抗体に相当するものであり、ここではベローズ２１が伸縮する方向と動径方向とが一致するように配される。またこのＯリング２５の上部頂点にはリング抑え２６が固定される。

架台３１は、トップベース３１１と、一対の脚部３１２とを含んで構成され、トップベース３１１は、支持体２３の腕部を、当該腕部に触れない状態で通過させる一対の開口が形成されており、ベローズ２１が所定長を超えて伸び、Ｏリング２５を圧縮変形させ支持体基部２０の位置が筒内で上昇したときに、Ｏリング２５の頂部に設けたリング抑え２６を介してＯリング２５の移動を規制する。またこの架台３１の脚部３１２は、ベース１１に固定される。

柱状体３２は、トップベース３１１に固定される。本実施の形態では、架台３１がベース１１に固定されており、外筒１０及びベース１１を含んでなる本実施の形態の水圧計の筐体に対してその変位が規制されているので、この柱状体３２も水圧計の筐体に対する変位が規制された状態にある。第２滑車３３は、柱状体３２に回転不能な状態で固定されている。この第２滑車が、本発明での、筐体に対して移動が規制された第２滑車に相当する。

ファイバ４１は、ファイバ・ブラッグ・グレーディング（ＦＢＧ）であり、第１滑車２４と第２滑車３３との間に巻き掛けられており、その一方端部は第２滑車３３に接着固定され、他方端部は第１滑車２４に接着固定され、かつ張力調整治具が固定されている。

計測部４２は、ＦＢＧのインタロゲータであり、例えばファイバ４１内に所定波長の光を導入し、反射波の波長をフォトディテクタで検出するといった、広く知られた装置をそのまま用いることができるので、ここでの詳しい説明を省略する。本実施の形態では、この計測部４２にて計測された結果は、計測部４２内に配した記憶素子（不図示）に蓄積しておき、後に読み出されるようにしておいてもよいし、計測部４２から筐体外へ有線または無線にて計測結果の情報を発信するようにしてもよい。

張力調整治具は、所望の張力をファイバ４１に与えるものであり、本実施の形態の一例では、支持体２３に固定されている。この張力調整治具は、広く知られているので、ここでの詳しい説明は省略する。蓋部５１は、外筒１０上部の開口を水密の状態で封止する。この蓋部５１の上部（水圧計の筐体外側）には、アイボルト等が設けられてもよい。

［数値的条件］
本実施の形態の水圧計は以上の構成を基本的に備えており、各部の形状等に係る数値的条件は、例えば次のようにして決定できる。本実施の形態においてベローズ２１は、ヒステリシスができるかぎり小さく、０点からリニアに動作するものであることが好ましい。すなわち、ベローズ２１の蛇腹部２１１はなるべく薄く、例えば０．１０から０．１２ｍｍの間とすることが好適であり、また山数は多い方がよい。またベローズ２１がリニアに動作するためには、高さ２０ｍｍ以下とすることが好適である。より好適なベローズ２１の高さは、１０から２０ｍｍである。この場合、山数は５乃至１０とすることが好適である。

Ｏリング２５は、ベローズ２１の変位を抑制する作用のため、金属製とすることが好適であり、例えば本実施の形態の水圧計が海岸部で利用される場合は腐食防止の観点から、また、部品間で電蝕を起こしにくくする観点からはＳＵＳやりん青銅を用いる。またリング抑え２６の面を、架台３１のトップベース３１１に対して平行に維持するため、Ｏリング２５の大きさは、できるだけ大きいほうがよいが、水圧計全体の大きさの外形の１／２程度とすることが好適である。具体的に水圧計全体の外形を、設置条件や金属加工性の観点から１００ｍｍ程度の（外筒の径が１００ｍｍ程度の）大きさとする場合、このＯリングの外径は５０ｍｍとしておく。また同様に、リング抑え２６の取り付けの観点から、幅（リングの幅）は１０ないし２０ｍｍ、リングの厚さは、できるだけ均一とする加工上の制約、変位抑制能力（ヤング率）、ならびに支持体２３の寸法の都合から決定する。具体的にＳＵＳの場合は１．５ｍｍ以上とし、例えば１．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下とする。またＯリング２５としてりん青銅を用いる場合、ＳＵＳとのヤング率の相違から、厚さを１．９ｍｍ以上２．０ｍｍ以下とする。

第１滑車２４と、柱状体３２に固定された第２滑車３３との間隔は、例えば支持体２３の腕部長さを調整することにより定めることができるが、この間隔を４０ｍｍ以上としておくと、取り付けが容易になる。また、より好ましくはこの間隔は４５ｍｍ以上とする。

［動作］
以上の構成より、本実施の形態の水圧計は次のように動作する。図３は、本実施の形態の水圧計の動作を概略的に示す説明図である。本実施の形態の水圧計を水中に沈めると、ベース１１の開口１１１を通じて、ベローズ２１内に侵入した水の圧力Ｐの変化により、ベローズ２１が伸縮し、ベローズトップ２２に上下方向の力が加えられる。

ベローズ２１の伸びに伴って支持体２３と、Ｏリング２５とが上昇するが、Ｏリング２５の移動は架台３１によって規制される。すなわちＯリング２５がリング抑え２６を介して架台３１により鉛直下方に押圧され、Ｏリング２５はベローズトップ２２との間に挟まれて変形し、この変形に応じた弾性力でベローズトップ２２に鉛直下方向きの力が加えられて、ベローズ２１の伸び（伸縮長さ）が規制される。

支持体２３は、この規制されたベローズ２１の伸縮長さに応じて変位するが、Ｏリング２５とリング抑え２６の働きにより、ベローズ２１の伸縮方向が鉛直方向に規制されるので、支持体２３もまた、ベローズ２１の伸縮長さに応じて規制された方向（ここでは鉛直方向）に変位することとなる。

このとき、支持体２３に固定された第１滑車２４と、柱状体３２に固定された第２滑車３３との間隔が支持体２３の変位に応じて変化し、これら第１滑車２４と第２滑車３３との間に巻き掛けられたファイバ４１の歪み量が変化することとなる。計測部４２は、このファイバ４１の歪み量を計測し、当該計測の結果を出力する。

本実施の形態によると、ベローズ２１の変位を支持体２３が直接受けているので、ヒステリシスの原因をできるかぎり排除した構成とすることができる。また、支持体２３の変位方向が鉛直方向に規制されていることから、ファイバ４１の歪み量をリニアに変化させることが可能となる。また、本実施の形態では、ベローズ２１の過大な変位がＯリング２５により規制され、また支持体２３により変位方向が規制される。このような二段階の変位の規制により、ファイバ４１にかかる張力をベローズ２１の伸長量に応じて線形的に変化させることができ、また、このファイバ４１にかかる張力に対する、ファイバ４１内で反射する波長が線形に変化する範囲を用いて張力を計測できるので、それによる水圧の測定精度を向上できる。

さらに本実施の形態では、ファイバ４１を第２滑車３３に固定する際、第２滑車３３に数周（例えば２，３周）巻き付けてから接着剤等で固定すればよく、ファイバ４１の設置が容易にでき、水圧計の製造歩留りを改善できる。さらにかしめや、金属板で押圧する方法でファイバ４１を固定する方法に比べ、断線や経時変化の影響を低減できる。

［温度補正］
さらに本実施の形態の水圧計では、水圧計内部（外筒、ベース、蓋部等より外部から水密に保たれた空間）温度の影響によりファイバ４１および支持体２３自体等の鋼製部材が伸縮し、第１滑車２４と柱状体３２に固定された第２滑車３３との間隔が変化してしまうことに鑑みて、Ｕ字体の支持体２３にさらに、第３滑車６１と第４滑車６２とを所定の間隔をおいて、それぞれ回転不能な状態で設置し、これら第３滑車６１と第４滑車６２とにファイバ４１とは別のＦＢＧであるファイバ４６を巻き回しておき、温度校正に用いて、このファイバ４６を用いて計測される支持体２３の温度変化による伸縮量に基づき、ファイバ４１を用いて計測される水圧を補正する。

具体的にこの例では、計測部４２がファイバ４１と、ファイバ４６とのそれぞれの伸びを計測し、ファイバ４６の伸びで温度の影響による伸び量を得ておき、ファイバ４１の伸び量から、当該ファイバ４６の伸び量を差引きすることで、支持体２３の変位（ベローズ２１の伸縮に応じた変位）によるファイバ４１の伸び量を得る。そしてこの得られた支持体２３の変位によるファイバ４１の伸び量により、水圧の値を計測して出力する。

なお、支持体２３を上述のようにＵ字体状とした場合は、温度校正用のファイバ４６を歪測定用のファイバ４１とほぼ同じ温度の影響を受ける位置に配置できる。もっとも、本実施の形態としては、支持体２３をＬ字体状として、温度校正用のファイバ４６を、別途筐体内部に配置することとしてもよい。この場合は、歪測定用のファイバ４１と温度校正用のファイバ４６とのそれぞれの配置によっては、例えば水圧計外の温度が急激に変化した場合に、水圧計内の温度にムラが生じてそれぞれ異なる温度の影響を受けることとなる。

そこで、別々に配した場合は、水圧計内の温度が均衡し平衡状態になるまで待機してから温度校正を行う。

また支持体２３をＬ字状とする場合、図２に例示したように、トップベース３１１の開口を、支持体２３の腕部（鉛直上方に伸びる部分）が貫通する構成とせず、支持体２３の支持体基部２０が架台３１の脚部３１２間を通って水平に伸び、そこから腕部が鉛直上方に伸びる構成としてもよい。

本実施の形態の水圧計において、板厚０．１２ｍｍ、直径２６ｍｍ、山数８、高さ１６ｍｍ、バネ定数１．０ｋｇ／ｃｍ^２、有効受圧面積３．８ｃｍ^２（水深１０ｍ、すなわち１気圧の下で３．８ｋｇの伸長力を有する）のベローズ２１を用い、ファイバ４１として１５００ｎｍ、長さ１０ｍｍで書き込みされたＦＢＧを用いた場合の例について説明する。

なお、この例においてＯリング２５は、ＳＵＳを用い、外径５０ｍｍ、幅１５ｍｍ、厚さ１．５４ｍｍのものとした。このＯリング２５を上記実施形態の例のように取り付けた場合、ベローズ２１の伸長力３．８ｋｇのとき、−０．０７２５ｍｍだけ圧縮変形を受けた。

この例の水圧計により水圧を測定した結果を、図４に示す。図４に例示するように、本実施例に係る水圧計では、水圧に対してファイバ４１の計測結果として得られる波長が実質的に線形に変化しており、線形に変化する範囲を用いて計測ができるため、水圧の測定精度を向上できる。

１０ 外筒、１１ ベース、２０支持体基部、２１ ベローズ、２２ ベローズトップベース、２３ 支持体、２４ 第１滑車、２５ Ｏリング、２６ リング抑え、３１ 架台、３２ 柱状体、３３ 第２滑車、４１，４６ ファイバ、４２ 計測部、５１ 蓋部、６１ 第３滑車、６２ 第４滑車、１１１ 開口、２１１ 蛇腹部、２１２ 上部弁体、３１１ トップベース、３１２ 脚部。

Claims (3)

1. 水圧に伴って変位する面を有するダイヤフラム、または水圧に伴って伸縮するベローズと、
   前記ダイヤフラムの面、またはベローズの伸縮を抑制する変位量抵抗体と、
   前記ダイヤフラムの面、またはベローズのトップに固定され、前記変位量抵抗体により抑制された伸縮長さに応じ、規制された所定の方向に変位する支持体と、
   前記支持体に支持され、前記支持体の変位に応じて、筐体に対して移動する第１滑車と、
   筐体に対して移動が規制された第２滑車と、
   を有し、
   前記変位量抵抗体は、金属Ｏリングであり、
   前記第１滑車と第２滑車とに巻き掛けられたファイバ・ブラッグ・グレーディング（ＦＢＧ）を用いて、前記水圧を計測する水圧計。
2. 請求項１に記載の水圧計であって、
   前記支持体は、Ｕ字体をなし、当該Ｕ字の底部が前記金属Ｏリングの頂部に固定されている水圧計。
3. 請求項１または２に記載の水圧計であって、
   前記支持体に、間隔をおいて配された第３、第４滑車と、
   当該第３、第４滑車に巻き掛けたファイバ・ブラッグ・グレーディング（ＦＢＧ）とをさらに含み、
   水位計内部の温度変化による、当該第３、第４滑車に巻き掛けたＦＢＧの伸縮量により、前記計測される水圧を補正する水圧計。