JP6268893B2 - レベル検出装置及びレベル監視システム - Google Patents

Description

本発明は、レベル検出装置及びレベル監視システムに関する。

近年、集中豪雨やゲリラ豪雨による浸水被害が多発しており、水害に対する対策が今まで以上に重要になってきた。

現在、水害に対する対策の一つとして、河川の水位や雨量などの情報を収集する観測局を河川に沿って１０ｋｍ〜１５ｋｍ程度の間隔で設置し、それらの観測局で収集した情報をセンタ局で処理して、必要に応じて警報を発生するシステムが開発されている。

この種のシステムでは、センタ局から観測局に一定の時間毎（例えば、１時間毎）にポーリング（問合せ）を行い、それに応じて観測局からセンタ局に情報が送信される。センタ局は、観測局から送られてきた情報に異常値がないかを調べ、異常値がある場合にはポーリングの間隔を短縮して、水位や雨量の変化を詳細に観測する。

特開２００７−４７８７８号公報 特開２０１０−１７０１９０号公報

外部電力の供給なしに、河川の水位等、検出対象の境界の位置を検出できるレベル検出装置及びレベル監視システムを提供することを目的とする。

開示の技術の一観点によれば、支持体と、前記支持体に配列し、非電気エネルギーを電気エネルギーに変換する複数の熱電変換素子と、前記複数の熱電変換素子で発生した電力を蓄積する蓄電素子と、前記蓄電素子に蓄積された電力により駆動し、前記複数の熱電変換素子のそれぞれからの出力に基づいて検出対象の境界の位置を検出する電子回路部とを有するレベル検出装置が提供される。

開示の技術の他の一観点によれば、支持体と、前記支持体に配列して、非電気エネルギーを電気エネルギーに変換する複数の熱電変換素子と、前記複数の熱電変換素子で発生した電力を蓄積する蓄電素子と、前記蓄電素子に蓄積された電力により駆動し、前記複数の熱電変換素子のそれぞれからの出力に基づいて前記検出対象の境界の位置を検出する電子回路部とを有するレベル監視システムが提供される。

前記一観点に係るレベル検出装置によれば、非電気エネルギーを電気エネルギーに変換する複数の環境発電素子を用いて、外部電力の供給なしに、検出対象の境界の位置を検出することができる。また、前記一観点に係るレベル監視システムによれば、外部電力の供給なしに境界位置を検出できるレベル検出装置を用いるので、レベル検出に多くのセンサを使用でき、河川の水位等を詳細に検出できる。

図１は、第１の実施形態に係るレベル検出装置（水位測定装置）を示す模式図である。 図２は、第１の実施形態において環境発電素子として使用する熱電変換素子の一例を示す断面図である。 図３は、電子回路部の構成を示すブロック図である。 図４（ａ）は第１の実施形態に係る水位測定装置を河川に設置した例を示す模式図、図４（ｂ）は各環境発電素子の出力状態を示す図（イメージ図）である。 図５は、水面を決定する際の処理フローの一例を示す図である。 図６（ａ）〜（ｃ）は、環境発電素子の位置と起電力、起電力差又は起電力のばらつきとの関係を示す図である。 図７は、補助電源を用いる場合の電子回路部のブロック図である。 図８は、第２の実施形態に係るレベル検出装置を示す模式図である。 図９は、第３の実施形態に係る水位測定装置を示す模式図である。 図１０は、第４の実施形態に係る水位測定装置の電子回路部の構成を示すブロック図である。 図１１は、トリガセンサを示す図である。 図１２は、第４の実施形態に係る水位測定装置の動作を説明するフローチャートである。 図１３は、第５の実施形態に係るレベル監視システムを示す模式図である。 図１４は、水門開閉装置を含んだレベル監視システムを示す模式図である。 図１５は、補正用水位計を含んだレベル監視システムを示す模式図である。 図１６は、第６の実施形態に係るレベル検出装置（粉体レベル検出装置）を示す模式図である。

以下、実施形態について説明する前に、実施形態の理解を容易にするための予備的事項について説明する。

前述した従来のシステムでは、観測局の設置間隔が１０ｋｍ以上とまばらであるため、水位や雨量の情報を十分に取得できているとはいえない。観測局の設置間隔を短くすることも考えられるが、そのためには多大な費用が必要となる。

また、ポーリングの間隔が１時間程度と長いため、集中豪雨などによる河川の急激な増水に迅速に対応することが困難であり、観測局から送られてきた情報から異常値を検出したときには、既に水害が発生していたということもある。

このような問題に対応すべく、自立型水位測定装置の開発が進んでいる。自立型水位測定装置は、水位センサと、太陽電池と、通信装置と、それらを取り付ける支柱とを有し、水位測定のみに機能を特化することで構成を簡略化し、低コスト化を実現している。また、電源として太陽電池が使用される。このため、自立型水位測定装置は、河川に沿って比較的短い間隔で柔軟に設置することができる。

ところで、自立型水位測定装置では、水位センサとして、フロート式水位計、水圧式水位計、超音波式水位計、又は水晶式水位計などが用いられている。センサの数を増やせば詳細な水位の変化の測定が可能となり、信頼性も向上する反面、電力消費も大きくなる。

上記水位センサに対して電力を供給する電源は、長期にわたり使用するため、汚れや遮蔽物の除去などのメンテナンスが行われる。また、自立型水位測定装置の設置後に周囲に高層建築物が建築され、太陽電池パネルへ照射される光が遮蔽されて、発電できなくなるおそれがある。

電源として太陽電池の代わりにバッテリーを用いる場合は、所定期間毎にバッテリーの交換を必要とする。

以下の実施形態では、外部電力の供給なしに、河川の水位等を詳細に検出できるレベル検出装置及びレベル監視システムについて説明する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係るレベル検出装置を示す模式図である。本実施形態は、河川の水位を検出する自立型水位測定装置に適用した例について説明している。

図１に示すように、本実施形態に係る自立型水位測定装置１０は柱状の形状を有し、その長手方向の一部が河川５２に浸かるように設置される。また、水位測定装置１０は、基準温度設定部１２と、複数の環境発電素子１１と、電子回路部１４と、断熱部材１３とを有する。水位測定装置１０の外周は断熱部材１３で覆われており、環境発電素子１１の一方の面のみが断熱部材１３から露出している。

基準温度設定部１２は、細長い板状又は柱状の部材である。この基準温度設定部１２は銅等の熱伝導率が高い材料により形成されており、そのため長手方向の温度差が小さく、全体がほぼ同一の温度とみなすことができる。第１の実施形態において、基準温度設定部１２は複数の環境発電素子１１と、電子回路部１４と、断熱部材１３を支持している。

基準温度設定部１２の断熱部材１３に被覆されない部分は、年間を通じて温度変化の少ない川底５１に接触又は埋設されている。

なお、第１の実施形態の基準温度設定部１２が備える複数の環境発電素子１１等の支持機能については、基準温度設定部１２とは別の支持体が担ってもよい。

環境発電素子１１は、基準温度設定部１２の一方の面に、基準温度設定部１２の長手方向に沿って一定の間隔（例えば５ｃｍ〜１０ｃｍ間隔）で配置されている。環境発電素子１１は、環境中に潜在する光、振動、熱又は電磁波などの非電気エネルギーを電気エネルギーに変換する素子である。

環境発電素子１１として、熱電変換素子、圧電素子、太陽電池及び振動発電素子などを使用することができる。本実施形態では、環境発電素子１１として、熱電変換素子を使用している。熱電変換素子の詳細は、後述する。

電子回路部１４は水位測定装置１０の上部に配置されており、環境発電素子１１に電気的に接続されている。また、電子回路部１４は無線又は有線によりセンタ局と接続し、環境発電素子１１により検出した水位の情報をセンタ局に送信する。電子回路部１４の詳細も、後述する。なお、センタ局は、外部の設備の一例である。

断熱部材１３は、環境発電素子１１、基準温度設定部１２及び電子回路部１４を水や腐食性ガス等から保護するとともに、基準温度設定部１２の急激な温度変化を防止し、基準温度設定部１２の長手方向の温度差を小さくするという役目がある。このため、断熱部材１３は、耐水性が良好であるとともに、熱伝導率及び電気伝導率が低く、物理的及び化学的安定性が高いことが重要である。例えば断熱部材１３の材料として、アクリルや塩化ビニル、発泡スチロール等を用いることができる。

図２は、本実施形態において環境発電素子１１として使用する熱電変換素子の一例を示す断面図である。

本実施形態で使用する熱電変換素子２０は、図２に示すように、一対の伝熱板２４ａ，２４ｂ間にｐ型熱電構造体２１ａとｎ型熱電構造体２１ｂとを交互に配置した構造を有する。それらのｐ型熱電構造体２１ａ及びｎ型熱電構造体２１ｂは、伝熱板２４ａ，２４ｂ側にそれぞれ配置された電極２２により、電気的に直列接続されている。ｐ型熱電構造体２１ａとｎ型熱電構造体２１ｂとの間の隙間には、水や腐食ガスなどから熱電構造体２１ａ，２１ｂを保護するために、保護部材２３を充填してもよい。

このような構造の熱電変換素子２０では、伝熱板２４ａ，２４ｂ間の温度差に応じた電力を発生する。本実施形態では、伝熱板２４ａ，２４ｂのうちの一方が基準温度設定部１２と熱的に接続され、他方が水位測定装置１０の側面に露出して水又は大気と接触する。

熱電変換素子２０として市販品（例えば、ＫＥＬＫ社製、又はＭｉｃｒｏｐｅｌｔ社製）を用いることができるが、新たに作製してもよい。

新たに作製する場合、ｐ型熱電構造体２１ａ及びｎ型熱電構造体２１ｂの直径は例えば５μｍ〜１００μｍとすればよく、高さは例えば５０μｍ〜５００μｍとすればよい。また、ｐ型熱電構造体２１ａ及びｎ型熱電構造体２１ｂのアスペクト比（直径と高さとの比）は、例えば２〜４０とすればよい。更に、隣り合うｐ型熱電構造体２１ａとｎ型熱電構造体２１ｂとの間隔は、例えば５μｍ〜１００μｍとすればよい。一つの熱電変換素子２０は、例えば１００対〜１０００対のｐ型熱電構造体２１ａ及びｎ型熱電構造体２１ｂを備える。

熱電構造体２１ａ，２１ｂの材料として、テルライド、酸化物材料、シリサイド、スクッテルダイト等を用いることができる。例えばｐ型熱電構造体２１ａの材料としてＢｉ_0.3Ｓｂ_1.7Ｔｅ₃等を用いることができ、ｎ型熱電構造体２１ｂの材料としてＢｉ₂Ｔｅ₃等を用いることができる。

保護部材２３には、絶縁性が高く、熱伝導率が低く、機械的強度及び化学的安定性が高いものを使用することが好ましい。保護部材２３として、例えばガラス又は樹脂等を使用することができる。

電極２２として、例えばスパッタリング法や蒸着法により形成した積層膜（Ｔｉ又はＣｒ等の下地膜と、Ｐｔ等の拡散防止層及びＡｕ又はＣｕ等の配線層）や、インクジェット法又はその他の印刷法により形成したＡｕ又はＡｇの膜を使用できる。伝熱板２４ａ，２４ｂは少なくとも表面が絶縁性であり、例えばアルミナや窒化アルミニウム等のように熱伝導率が高い材料により形成される。

図３は、電子回路部１４の構成を示すブロック図である。

この図３に示すように、電子回路部１４は、主制御部２５と、通信部２６と、電源制御部２７と、蓄電素子２８とを有する。

前述したように、本実施形態では環境発電素子１１として熱電変換素子を使用している。そして、熱電変換素子の一対の伝熱板のうちの一方は基準温度設定部１２に接触し、他方は河川５２を流れる水又は大気に接触している。従って、水と接触している環境発電素子１１は水と基準温度設定部１２との温度差に応じた電力を発生し、大気と接触している環境発電素子１１は大気と基準温度設定部１２との温度差に応じた電力を発生する。

電源制御部２７はＤＣ（直流）−ＤＣ（直流）変換器を備え、環境発電素子１１で発生した電力を所定の電圧に変換して、蓄電素子２８に蓄積する。蓄積素子２８として、例えばリチウムイオン電池等の二次電池を使用することができる。

また、電源制御部２７は、主制御部２５及び通信部２６が駆動する際に、蓄電素子２８に蓄積されている電力を駆動電力として供給する。

ところで、大気の温度と河川５２に流れる水の温度とは異なる場合が多い。例えば大気の温度は夏季には水温よりも高く、逆に冬季では水温よりも低い。すなわち、基準温度設定部１２を一定温度とすれば、水に接触している環境発電素子１１と大気に接触している環境発電素子１１とでは起電力が異なる。このため、主制御部２５は、各環境発電素子１１から出力される電力から、水に接触している環境発電素子１１と、大気に接触している環境発電素子１１とを判別することができる。そして、主制御部２５は、その判別結果から河川５２の水位（水面の位置）を判定する。

主制御部２５は、通信部２６を介してセンタ局３０と通信接続し、環境発電素子１１により検出した水位の情報をセンタ局３０に送信する。

図４（ａ）は本実施形態に係る水位測定装置１０を河川５２に設置した例を示す模式図である。また、図４（ｂ）は、横軸に時間をとり、縦軸に起電力（Ｖ）をとって、各環境発電素子の出力状態を示す図（イメージ図）である。また、ここでは気温が水温よりも高い夏季での使用を想定している。

ここでは、説明を簡単にするために、図４（ａ）のように水位測定装置１０には、８個の環境発電素子１１ａ〜１１ｈが、垂直方向に一定の間隔で配置されているものとする。そして、環境発電素子１１ａ〜１１ｄは河川５２の中（水中）に位置し、環境発電素子１１ｆ〜１１ｈは大気中に位置し、環境発電素子１１ｅは水面近傍に位置しているものとする。

基準温度設定部１２には、環境発電素子１１ａ〜１１ｈを介して河川５２を流れる水や大気から熱が伝達される。そのため、基準温度設定部１２の温度は、河川を流れる水の温度と大気の温度との間の温度となる。直射日光などの影響を極力受けないよう、基準温度設定部１２は断熱部材１３で覆われている。

例えば図４（ｂ）に示すように、大気中に位置する環境発電素子１１ｆ〜１１ｈの起電力と、水中に位置する環境発電素子１１ａ〜１１ｄの起電力とは大きく異なる。

また、水面近傍に位置する環境発電素子１１ｅは、水面のうねりによって水に晒されたり大気に晒されたりするので、環境発電素子１１ｅの起電力は大きく変動する。

このように、水中に位置する環境発電素子１１ａ〜１１ｄ、水面近傍に位置する環境発電素子１１ｅ、及び大気中に位置する環境発電素子１１ｆ〜１１ｇでは起電力及びその経時的変化が大きく異なる。そのため、主制御部２５は、各環境発電素子１１ａ〜１１ｈの起電力から、水面の位置（水位）を判定することができる。

例えば図４（ｂ）に示す例では、環境発電素子１１ｆ〜１１ｇの起電力は、環境発電素子１１ａ〜１１ｅの起電力よりも大きい。また、環境発電素子１１ｅの起電力は、他の環境発電素子１１ａ〜１１ｄ，１１ｇ〜１１ｂよりも経時変化が大きい。そのため、主制御部２５は、各環境発電素子１１ａ〜１１ｆの起電力から、水面の位置（水位）を判定することができる。

水面を決定するフローチャートを図５に示し、出力値と水面の関係を図６に示す。ここでは、隣接する各環境発電素子の起電力差ΔＶから水面を検出する方法と、各環境発電素子の起電力の時間変化（ｄＶ／ｄｔ）から水面を検出する方法の２種類を述べる。

図５は、ある配列（ａ[ｍ]）から最大値を検出する方法と同様である。すなわち、隣接する環境発電素子の起電力差ΔＶもしくは起電力の時間変化ｄＶ／ｄｔの最大値を示す環境発電素子を検出し、その環境発電素子の位置がほぼ水面の位置と判定する。

図６は横軸に環境発電素子１１ａ〜１１ｈの位置をとり、縦軸に起電力（図６（ａ））、起電力差（図６（ｂ））、又は起電力のばらつき（図６（ｃ））をとって、それらの関係を示す図である。

まず、図６（ｂ）によると、環境発電素子１１ｆの起電力差が最大であることがわかる。これにより、水面は環境発電素子１１ｆ付近と判断する。但し、先頭の環境発電素子１１ａは比較対象がないため、値をゼロとしている。また、図６（ｃ）の環境発電素子の起電力の時間変化（起電力のばらつきｄＶ／ｄｔ）をみると、環境発電素子１１ｅの値が最大値である。従って、水面は環境発電素子１１ｅ付近と判断する。

２種類の方法による水面検出はセンサ１〜２個分の誤差がある可能性があるが、河川の氾濫に備えるには十分な精度である。

より具体的な例として、気温が３０℃、水温が２５℃、基準温度設定部の温度が２８℃とし、起電力が０．１４Ｖ／Ｋの熱電変換素子を使用した場合について考える。

このとき、環境発電素子１１ａ〜１１ｄの起電力はマイナス０．４Ｖ程度となり、環境発電素子１１ｆ〜１１ｇの起電力はプラス０．３Ｖ程度となる。

環境発電素子１１ｅの起電力は０Ｖ付近でばらついでいる。従って、水面は起電力の差が大きい環境発電素子１１ｄと環境発電素子１１ｆとの間にあり、起電力の経時変化（ｄＶ／ｄｔ）が大きい環境発電素子１１ｅの近傍と判定できる。

以上説明したように本実施形態では、センサとして温度差により電力を発生する環境発電素子１１（熱電変換素子２０）を使用しているので、センサによる電力消費量は０であり、水位測定装置１０に多くのセンサを搭載することができる。これにより、河川５２の水位を詳細に検出することができる。一方、気温が水温よりも低い冬季でも、起電力の符号が逆になるものの、同様の方法で水位を検出することが可能である。

また、本実施形態では、センサとして使用する環境発電素子１１で発生した電力を蓄電素子２８に蓄積し、主制御部２５及び通信部２６の駆動電力として使用するので、ランニングコスト及びメンテナンスコストが削減される。

なお、環境発電素子１１に加え、補助電源として、図７に示すように太陽電池２９又はその他の電源を併用してもよい。図７に示す例では、太陽電池２９で発生した電力を電源制御部２７で所定の電圧に昇圧し、蓄電素子２８に蓄積することができる。例えば、環境発電素子１１の発電量が少なくなったとき、主制御部２５及び通信部２６の駆動電力を賄ってもよい。

以下、環境発電素子の発電量を試算した結果について説明する。

環境発電素子１１として、ＫＥＬＫ社製の熱電変換素子（ＫＴＧＳ０６６Ａ００）を４個用いるものとし、通信部２６としてＴＯＣＯＳ社製の無線通信モジュール（ＴＥＷ−００１）を用いるものとする。また、電源制御部２７には、変換効率が３０％のＤＣ−ＤＣコンバータを用いるものとする。

この場合、４個の熱電変換素子１１を直列に接続し、ＤＣ−ＤＣコンバータで昇圧した後の電力は、約３０μＷ／（Ｋ²）となる。一方、通信部２６の１回の情報送信に必要な電力は、約２００μＷｓとなる。

従って、熱電変換素子の一方の面と他方の面との温度差が１℃の場合、無線通信モジュールは、７秒間に１回の割合で情報送信が可能である。すなわち、少なくとも４個の熱電変換素子の一方の面と他方の面との温度差が１℃以上であれば、無線通信モジュールで消費する電力を賄うことができる。

（第２の実施形態）
図８は、第２の実施形態に係るレベル検出装置（水位測定装置）を示す模式図である。図８において、図１と同一物には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。

本実施形態に係る水位測定装置１０ａは、基準温度設定部１２の裏面（環境発電素子１１が配置された面と反対側の面）側を川岸（土）５３に直接接触させて設置する。川岸５３の土の部分は地中深くでは年間を通して温度の変化が小さく、河川５２を流れる水の温度又は大気の温度との温度差を比較的大きく保つことができる。

基準温度設定部１２は、地中深くに接する部分のみ、杭のような構造体を備える。上述のように地中深くでは年間を通して温度が均一なため、本構造は基準温度設定部１２を定温に維持することに寄与する。また、基準温度設定部１２の他の部分は断熱部材１３に覆われており、大気や水との熱エネルギーの交換をできる限り小さくする。このため、本実施形態に係る水位測定装置１０ａのほうが、図１に示すように河川５２の中央に設置した水位測定装置１０よりも、水位の検出が容易になると考えられる。

（第３の実施形態）
第１の実施形態では環境発電素子１１として熱電変換素子を使用した場合について説明したが、環境発電素子１１として他の発電素子を使用することもできる。

図９は、第３の実施形態に係る水位測定装置を示す模式図である。

本実施形態に係る水位測定装置１０ｂは、水車と、水車の動力により発電する発電機（図示せず）とを有する発電素子（環境発電素子）１６を、支柱１５の長手方向に沿って一定の間隔で取り付けた構造を有する。発電素子１６は、水流による発電機に連結した水車が回転して電力を発生する。

この水位測定装置１０ｂでは、最も大きな電力差を発生している２つの発電素子１６間を水面の位置と判定することができる。また、この水位測定装置１０ｂは第１の実施形態と同様の電子回路部（図３参照）を備え、発電素子１６により発生した電力を蓄電素子に蓄積し、主制御部及び通信部に駆動電力を供給する。

（第４の実施形態）
第１の実施形態では、主制御部２５において各環境発電素子１１の発電量を常時監視している。そのため、各環境発電素子１１で発生した電力の一部は常時主制御部２５に直接流れ、蓄電素子２８に蓄積される電力が少なくなることが考えられる。

本実施形態では、水害のおそれがないときには特定の環境発電素子の発電量のみを監視し、他の環境発電素子で発生した電力を蓄電素子に蓄積することで、蓄電素子により多くの電力を蓄積する。

図１０は、第４の実施形態に係る水位測定装置の電子回路部の構成を示すブロック図である。なお、本実施形態が第１の実施形態と異なる点は電子回路部の構成が異なることにあり、その他の構成は基本的に第１の実施形態と同様である。そのため、第１の実施形態と重複する部分の説明は省略する。

本実施形態に係る水位測定装置の電子回路部１４ａは、主制御部２５と、通信部２６と、電源制御部２７と、蓄電素子２８と、切替回路部３２とを有する。

主制御部２５は、環境発電素子１１のうちの一つをトリガセンサとし、水面の位置がトリガセンサよりも下か否かを判定する。そして、主制御部２５は、その判定結果に基づいて切替回路部３２を制御する。

トリガセンサとして、平常時の河川５２の水位よりもある程度上方の位置に配置された環境発電素子を使用する。ここでは、図１１に示す環境発電素子１１ｅをトリガセンサとする。

図１２は、本実施形態に係る水位測定装置の動作を説明するフローチャートである。

まず、ステップＳ１１において、主制御部２５は、切替回路部３２を平常時モードとする。すなわち、主制御部２５は、切替回路部３２を制御して、トリガセンサ（環境発電素子１１ｅ）を含む一部の環境発電素子のみを主制御部２５と接続し、他の環境発電素子で発生した電力は全て電源制御部２７を介して蓄電素子２８に蓄積する。また、主制御部２５は、通信部２６への電力供給を停止する。

本実施形態では、平常時モードのときは、環境発電素子のうち、トリガセンサである環境発電素子１１ｅと水中に配置される環境発電素子１１ｂと大気中に配置される環境発電素子１１ｈとの３つのみが切替回路部３２を介して主制御部２５に接続される。そして、他の環境発電素子は電源制御部２７を介して蓄電素子２８に接続され、他の環境発電素子で発生した電力は蓄電素子２８に蓄積される。このため、平常時モードのときは、蓄電素子２８に多くの電力が蓄積される。

次に、ステップＳ１２に移行し、主制御部２５は、環境発電素子１１ｂ，１１ｅ，１１ｈの発電量から、水面がトリガセンサよりも下か否かを判定する。

例えば環境発電素子１１ｅ（トリガセンサ）の発電量が、水中に配置された環境発電素子１１ｂの発電量よりも大気中に配置された環境発電素子１１ｆの発電量に近い場合、主制御部２５は水面が環境発電素子１１ｅの位置よりも下であると判定する。

一方、環境発電素子１１ｅ（トリガセンサ）の発電量が、大気中に配置された環境発電素子１１ｈの発電量よりも水中に配置された環境発電素子１１ｂの発電量に近い場合、主制御部２５は水面が環境発電素子１１ｅの位置に到達したと判定する。

ステップＳ１２において水面がトリガセンサの位置よりも下であると判定した場合（ＹＥＳの場合）は、ステップＳ１２からステップＳ１１に戻り、平常時モードを継続する。

ステップＳ１２において水位がトリガセンサの位置に到達したと判定した場合（ＮＯの場合）は、ステップＳ１３に移行する。

ステップＳ１３において、主制御部２５は切替回路部３２を制御して、非常時モードに移行する。非常時モードでは全ての環境発電素子１１ａ〜１１ｈが主制御部２５に接続されるとともに、通信部２６にも電力が供給される。

そして、主制御部２５は、環境発電素子１１ａ〜１１ｈの出力に基づき水面の位置を詳細に検出するとともに、通信部２６を介してセンタ局３０に非常事態の発生を通知する。その後、主制御部２５は、センタ局３０からのポーリングに応じて水位の情報をセンタ局３０に送信する。

非常時モードになると、ステップＳ１２で水面の位置がトリガセンサの位置よりも下と判定されるまで、非常時モードは継続される。

上述したように、本実施形態では、水面の位置がトリガセンサの位置よりも低く、水害のおそれがないときには、通信部２６を休止状態とし、平常時モードで動作する。そして、平常時モードでは、主制御部２５は特定の環境発電素子（本実施形態では環境発電素子１１ｂ，１１ｅ，１１ｈ）の出力のみを監視し、他の環境発電素子で発生した電力は蓄電素子２８に蓄積される。これにより、蓄電素子２８に、多くの電力が蓄積される。

一方、水面の位置がトリガセンサの位置に到達し、水害のおそれがあるときは、全ての環境発電素子が切替回路部３２を介して主制御部２５に接続され、水面の位置が詳細に検出される。また、通信部２６にも駆動電力が供給され、主制御部２５は通信部２６を介してセンタ局３０と通信を行う。これにより、センタ局３０では、河川の水位の変化を詳細に知ることができる。

なお、本実施形態ではトリガセンサの位置よりも水面の位置が下の場合は平常時モードとなり、通信部２６を休止状態としている。しかし、平常時モードのときに一定の時間毎に通信部２６を駆動し、水位測定装置１０が正常に稼働中であることをセンタ局３０に通知するようにしてもよい。

（第５の実施形態）
図１３は、第５の実施形態に係るレベル監視システムを示す模式図である。

図１３に示すように、本実施形態に係るレベル監視システムは、河川に沿って配置された複数の水位測定装置１０と、それらの水位測定装置１０との間で通信を行うセンタ局３０とを有する。本実施形態では、水位測定装置１０として第１の実施形態の装置（図１参照）を使用する。

センタ局３０は、例えば一定の時間毎にポーリングを行い、各水位測定装置１０から河川の水位の情報を収集する。また、センタ局３０は、それらの水位測定装置１０から送られてくる情報に異常値がある場合、ポーリング間隔を短縮して各水位測定装置１０からより詳細な水位の情報を収集する。

そして、センタ局３０は、それらの情報から河川の各位置の水位がわかるように画像化したデータを作成し、通信網３８を介してクライアント３６に提供する。また、河川の水位が異常に上昇して水害が発生するおそれがある場合、センタ局３０はクライアント３６に警報を発生する。

このように、本実施形態に係るレベル監視システムでは、多数の水位測定装置１０により収集した河川の各位置の水位の情報がセンタ局３０に集約される。そして、センタ局３０では、それらの情報を一括管理し、水害が発生するおそれがあるときにはクライアント３６に警報を発生する。これにより、水害による被害を最小に抑えることが可能になる。

なお、図１４に示すように、センタ局３０と水門開閉装置３９とを通信接続し、水位測定装置１０で測定した河川の水位の情報に基づいて水門を自動的に開閉するようにしてもよい。

また、図１５に示すように、特定の水位測定装置１０と同じ場所に補正用水位計４０を設置し、水位測定装置１０により測定した水位と補正用水位計４０で測定した水位とをセンタ局３０で比較するようにしてもよい。補正用水位計４０として、例えば比較的高精度で水位を測定できる超音波式水位計等を用いることができる。

これにより、水位測定装置１０により測定した水位を補正して測定精度を向上させることができ、測定の信頼性が向上する。また、水位測定装置１０により測定した水位と補正用水位計で測定した水位とが大きく異なる場合は、水位測定装置１０の故障と判定することもできる。

（第６の実施形態）
図１６は、第６の実施形態に係るレベル検出装置を示す模式図である。本実施形態は、容器内に収納された粉体のレベルを検出する粉体レベル検出装置に適用した例について説明している。

図１６に示すように、粉体レベル検出装置７０は、支柱７１と、支柱７１の長手方向に沿って一定の間隔で配置された複数の太陽電池（環境発電素子）７２と、外部の装置（外部の設備）との間で通信を行う電子回路部７３を有する。この粉体レベル検出装置７０は、粉体７６が装入された容器７５内に、長手方向を垂直にして配置される。

各太陽電池７２は、光源７７から放射される光の受光量に応じた電力を発生する。従って、粉体７６のレベルよりも上に配置された太陽電池７２では、光源７７から放出される光を遮るものがないので、発電量は多い。しかし、粉体７６のレベルよりも下に配置された太陽電池７２では、粉体７６により光が遮られるので、発電量は少ない。電子回路部７３は、各太陽電池７２の発電量により、粉体７６のレベルを検出する。

電子回路部７３は、第１の実施形態と同様に、主制御部、通信部、電源制御部及び蓄電素子を備え、通信部を介して粉体７６のレベルの情報を外部の装置に送信する。

本実施形態においても、第１の実施形態と同様に、センサによる電力消費量は０であり、多数のセンサを使用して粉体のレベルを詳細に検出することができる。また、センサ（太陽電池）で発生した電力を用いて電子回路を駆動するので、ランニングコスト及びメンテナンスコストが低いという利点がある。

なお、開示した技術は、河川の水位や粉体のレベルの検出以外の用途として、積雪量の検出や土砂崩れの検出などにも適用ができる。

以上の諸実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。

（付記１）支持体と、
前記支持体に配列し、非電気エネルギーを電気エネルギーに変換する複数の環境発電素子と、
前記複数の環境発電素子のそれぞれからの出力に基づいて検出対象の境界の位置を検出する電子回路部と
を有することを特徴とするレベル検出装置。

（付記２）前記複数の環境発電素子は複数の熱電変換素子であり、
更に、前記支持体を被覆し、前記支持体よりも低い熱伝導率を有する断熱部材を有することを特徴とする付記１に記載のレベル検出装置。

（付記３）前記電子回路部は、外部の設備に通信接続する通信部を備えることを特徴とする付記１又は２に記載のレベル検出装置。

（付記４）前記電子回路部は、前記環境発電素子からの出力に基づき、前記検出対象の境界を判定する主制御部と、前記環境発電素子から出力される電力を蓄積する蓄電素子と、前記複数の環境発電素子で発生した電極を前記蓄積素子に蓄積する電源制御部とを備えることを特徴とする付記１乃至３のいずれか１項に記載のレベル検出装置。

（付記５）更に、前記蓄電素子に電気エネルギーを供給する補助電源を有することを特徴とする付記４に記載のレベル検出装置。

（付記６）前記検出対象が液体であり、前記複数の環境発電素子の一部が前記液体に接触することを特徴とする付記１乃至５のいずれか１項に記載のレベル検出装置。

（付記７）前記検出対象が粉体であり、前記複数の環境発電素子の一部が前記粉体に接触することを特徴とする付記１乃至５のいずれか１項に記載のレベル検出装置。

（付記８）前記検出対象が河川を流れる水であり、前記複数の環境発電素子のうちの一部が前記河川を流れる水に接触し、前記電子回路部は前記複数の環境発電素子のそれぞれから出力される電力に基づいて前記河川の水位を検出することを特徴とする付記１乃至５のいずれか１項に記載のレベル検出装置。

（付記９）前記支持体は、前記河川の川岸に接して配置されることを特徴とする付記８に記載のレベル検出装置。

（付記１０）前記電子回路部は、前記複数の環境発電素子のうちの特定の環境発電素子をトリガセンサとし、前記河川の水位が前記トリガセンサよりも下か否かにより動作モードを切り替えることを特徴とする付記８又は９に記載のレベル検出装置。

（付記１１）前記環境発電素子は、圧電素子、太陽電池及び振動発電素子のいずれかであることを特徴とする付記１に記載のレベル検出装置。

（付記１２）
検出対象の境界の位置を検出する複数のレベル検出装置と、
前記複数のレベル検出装置から前記検出対象の境界の位置の情報を収集するセンタ局とを有し、
前記レベル検出装置は、
支持体と、
前記支持体に配列して、非電気エネルギーを電気エネルギーに変換する複数の環境発電素子と、
前記複数の環境発電素子のそれぞれからの出力に基づいて前記検出対象の境界の位置を検出する電子回路部と
を有することを特徴とするレベル監視システム。

（付記１３）前記物質が河川を流れる水であり、前記レベル検出装置の前記複数の環境発電素子のうちの一部が前記河川を流れる水に接触し、
前記センタ局は前記複数のレベル検出装置から取得した水位の情報から水害のおそれの有無を判定し、水害のおそれがあると判定したときには警報を発生することを特徴とする付記１２に記載のレベル監視システム。

（付記１４）更に、補正用水位計を有し、前記レベル検出装置で検出した水位を前記補正用水位計で検出した水位を用いて補正することを特徴とする付記１３に記載のレベル監視システム。

１０，１０ａ，１０ｂ…水位測定装置（レベル検出装置）、１１…環境発電素子、１２…基準温度設定部、１３…断熱部材、１４…電子回路部、１５…支柱、１６…発電素子、２０…熱電変換素子、２１ａ…ｎ型熱電構造体、２１ｂ…ｐ型熱電構造体、２２…電極、２３…保護部材、２４ａ，２４ｂ…伝熱板、２５…主制御部、２６…通信部、２７…電源制御部、２８…蓄電素子、２９…太陽電池、３０…センタ局、３２…切替回路部、３６…クライアント、３８…通信網、３９…水門開閉装置、４０…補正用水位計、５２…河川、５３…川岸、７０…粉体レベル検出装置、７１…支柱、７２…太陽電池、７３…電子回路部、７５…容器、７６…粉体、７７…光源。

Claims (10)

1. 支持体と、
   前記支持体に配列し、非電気エネルギーを電気エネルギーに変換する複数の熱電変換素子と、
   前記複数の熱電変換素子で発生した電力を蓄積する蓄電素子と、
   前記蓄電素子に蓄積された電力により駆動し、前記複数の熱電変換素子のそれぞれからの出力に基づいて検出対象の境界の位置を検出する電子回路部と
   を有することを特徴とするレベル検出装置。
2. 更に、前記支持体を被覆し、前記支持体よりも低い熱伝導率を有する断熱部材を有することを特徴とする請求項１に記載のレベル検出装置。
3. 前記電子回路部は、外部の設備に通信接続する通信部を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載のレベル検出装置。
4. 前記電子回路部は、前記熱電変換素子からの出力に基づき、前記検出対象の境界を判定する主制御部と、前記複数の熱電変換素子で発生した電力を前記蓄電素子に蓄積する電源制御部とを備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のレベル検出装置。
5. 更に、前記蓄電素子に電気エネルギーを供給する補助電源を有することを特徴とする請求項４に記載のレベル検出装置。
6. 前記検出対象が河川を流れる水であり、前記複数の熱電変換素子のうちの一部が前記河川を流れる水に接触し、前記電子回路部は前記複数の熱電変換素子のそれぞれから出力される電力に基づいて前記河川の水位を検出することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のレベル検出装置。
7. 前記支持体は、前記河川の川岸に接して配置されることを特徴とする請求項６に記載のレベル検出装置。
8. 前記電子回路部は、前記複数の熱電変換素子のうちの特定の熱電変換素子をトリガセンサとし、前記河川の水位が前記トリガセンサよりも下か否かにより動作モードを切り替えることを特徴とする請求項６又は７に記載のレベル検出装置。
9. 検出対象の境界の位置を検出する複数のレベル検出装置と、
   前記複数のレベル検出装置から前記検出対象の境界の位置の情報を収集するセンタ局とを有し、
   前記レベル検出装置は、
   支持体と、
   前記支持体に配列して、非電気エネルギーを電気エネルギーに変換する複数の熱電変換素子と、
   前記複数の熱電変換素子で発生した電力を蓄積する蓄電素子と、
   前記蓄電素子に蓄積された電力により駆動し、前記複数の熱電変換素子のそれぞれからの出力に基づいて前記検出対象の境界の位置を検出する電子回路部と
   を有することを特徴とするレベル監視システム。
10. 前記検出対象が河川を流れる水であり、前記レベル検出装置の前記複数の熱電変換素子のうちの一部が前記河川を流れる水に接触し、
    前記センタ局は前記複数のレベル検出装置から取得した水位の情報から水害のおそれの有無を判定し、水害のおそれがあると判定したときには警報を発生することを特徴とする請求項９に記載のレベル監視システム。

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