JP6460118B2 - 水量計測装置及び水量モニタリングシステム - Google Patents

水量計測装置及び水量モニタリングシステム Download PDF

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Description

本発明は、例えば下水道マンホールにおける水位などを計測する水量計測装置及び水量モニタリングシステムに関する。
近年、地球温暖化や大陸間気流の変化などの要因により、世界各地で集中豪雨やゲリラ豪雨が多発し、浸水被害が懸念されている。また、特に都市部において、降雨の大地への浸透量が減少し、排出量が増加している。下水道は、このような雨水の河川への迅速な排水という機能を司っている。
下水道管路は、地下に埋設されているが、下水道管路の保守、点検及び管理のためにマンホールと呼ばれる、人が入れる縦穴が一定区間(例えば、数十メートル)毎に設けられている。下水道管路には、生活排水や雨水などが流れているが、下水道管路内を流れる雨水などの流量は一定ではなく、時間や日によって異なる。また、降雨時に設定した雨水などの流量を超えることが無いように、状況に応じて貯水池への注水やポンプによる汲み上げを行い、マンホールからの内水氾濫を防いでいる。このような排水管理のために、下水道管路の合流地点での水位、流速、流量などの水量のモニタリングが行われているが、集中豪雨やゲリラ豪雨には十分対応できない場合もあり、内水氾濫を防止できない場合が発生してしまうのが現状である。
このため、より広域、より上流側のマンホールにおける水位などの多地点モニタリングが望まれている。しかし、多数のモニタリング地点を設けると、水位センサなどの設置と運用に費用がかかるため、安価でメンテナンス間隔の長い水量計測装置が求められている。
従来、下水道管路などの水位は、水位センサで水位を測定して判断するのが一般的である。これは、マンホールの危険状態は、先ず水位変化になって表れることと、水位がわかれば雨水などの液体の通過断面積がわかり、流路の勾配から液体の流速が予測できるので、単位時間当たりに流れる雨水などの流量の目安が得られることによる。一般的に用いられる水位センサには、圧力式水位センサと、超音波式水位センサとが含まれる。
圧力式水位センサは、液体中に設置して大気圧との圧力差から水深を求める。しかし、圧力式水位センサでは、大気圧の影響を受けること、液体が流れている場合はベルヌーイの定理(Bernoulli's Law)に従い速度水頭により圧力が増加するため、結果的に水位が高くなる方向に誤差が発生することなどの誤差要因が発生する。また、圧力式水位センサは、液体中に設置する必要があるという点で、使用形態に制約がある。さらに、圧力式水位センサは、下水、特に汚水の劣悪な環境に耐える筐体を必要とすること、電源や信号線の配線が長くなること、設置工事費用がかかること、頻繁に清掃する必要性があることなどから、設置と運用に費用がかかる。一方、流路に断面積を絞る機構を設け、前後に圧力式水位センサを形成することで、ベルヌーイの定理に従い水位と流速を同時に得ることができるものの、流路が下水道管路の場合、絞り機構は汚れの付着による機能低下が懸念されるため、絞り機構を下水道管路に設けることは望ましくない。
超音波式水位センサは、送信機から発信した超音波が水面で反射されて受信機により受信されるまでの時間を測定することで、非接触で水面までの距離を測定して水深を求めることができる。超音波式水位センサの場合、温度による音速の影響を補正する必要があるが、非接触で水面までの距離を測定できるため、圧力式水位センサの場合と比較すると、設置と運用の費用を軽減できる。しかし、超音波式水位センサは、例えば直径が約1mで深さが約10mのマンホール内では、発信した超音波が側壁で乱反射するため正常な測定が難しいのに加え、高湿度な環境に耐える防水及び防湿処理を施す必要があることから、送受信機の送受信効率が低下して水面までの距離が10m前後の位置からの測定には大きな電力を必要とする。このため、超音波式水位センサは、広く大きな管路の水面付近に設置する必要があるという点で、使用形態に制約がある。一方、超音波の送受信機を管路内に設置し、液体中に超音波を伝播させることで、液体の流れによりドップラーシフトで超音波周波数を変化させて、超音波周波数の変化量から液体の流量を測定することができる。しかし、この場合、超音波式水位センサを液体中に設置する必要があり、非接触で水位を測定することができなくなるという点で、使用形態に制約がある。また、この場合、超音波式水位センサの耐水性を強固にする必要があり、超音波を加振する媒体の密度が空気から水などの液体に代わることなどにより、加振エネルギが必要となることから、結果的に必要な電力が著しく増加してしまう。
別の方法として、光学式距離センサにより、河川の水位を測る方法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。光学式距離センサには、被計測対象にレーザなどの光スポットを照射し、反射光を検出した位置から三角測量を行う方法と、光パルスの反射時間を測定するTOF(Time of Flight)式の方法とが含まれる。しかし、いずれの方法においても、照射した光の一部は水面で反射するが、照射した光の大半は液体を透過してしまうため、光を透過する液体の液面を安定に測定することは難しい。即ち、検出した反射光が、水面からの反射によるものである場合と、水底(または、水中の異物)からの反射光である場合とがあり、前者は正しい水面位置に相関しているのに対し、後者はそもそも水面位置を反映していないばかりか、光が水中から空気中へ抜けるときに屈折してしまうため、反射光が実際の水底よりも深い水底位置に相関することになる。
そこで、光を透過する液体の液面を光学式距離センサで安定に測定する方法として、液面に浮きなどの浮遊物を浮かべておき、この浮きに向かって光を照射して液面までの距離を測定する方法が提案されている。しかし、この提案方法の場合、浮きが下水、特に汚水の劣悪な環境に長期間耐える工夫や、浮きを頻繁に清掃する必要が生じ、非接触で水位を測定することの本来の利点が損なわれてしまう。また、これらの光学式距離センサを用いる方法では、液体の流量を測定することは難しい。
特開2006−258579号公報 特開2012−202794号公報 特開2011−42943号公報
従来の水位センサでは、使用形態の制約が多いため、非接触で水位などの水量を正確に測定することは難しい。
そこで、1つの側面では、非接触で水位などの水量を正確に計測可能な水量計測装置及び水量モニタリングシステムを提供することを目的とする。
1つの案によれば、管路内を流れる液体の水位を計測する水量計測装置であって、前記液体の液面に光を照射する発光素子と、前記液面で反射された光と前記管路内の底面の液底で反射された光とを受光する受光素子と、前記発光素子から前記管路内の前記液底までの距離Vを予め記憶する記憶部と、前記受光素子の出力信号に基づき求めた距離データの上側の包絡線の平均値が表す距離をVで表し下側の包絡線の平均値が表す距離をVで表すと、前記水位の計測時に、前記距離データと前記距離Vとを比較した比較結果が、前記受光素子の出力信号に、前記管路内の液底の反射により発生した前記距離Vを超える距離に対応する第1の信号成分を含むか、或いは、前記液面の反射により発生した前記距離V未満の距離に対応する第2の信号成分を含むかを判定し、前記第1の信号成分を含むと判定した場合は水位DをV−Vを用いて計算し、前記第2の信号成分を含むと判定した場合は水位DをV−Vを用いて計算する計算手段とを備え、前記計算手段は、前記液底の反射により発生した前記第1の信号成分のパルスの平均発生周期をTで表し、比例係数をβで表すと、F=β/Tに基づき流速Fを計算する水量計測装置が提供される。
他の案によれば、上記の水量計測装置と、前記水量計測装置から少なくとも前記水位を含む計測情報を通知され、前記計測情報を集約するサーバとを備えた水量モニタリングシステムが提供される。
一態様によれば、非接触で水位などの水量を正確に計測することができる。
第1実施例における水量計測装置の一例を模式的に示す図である。 水底の計測方法を説明する模式図であり、 図2の計測方法で計測されたセンサモジュールから水底までの距離の計測結果を示す図である。 水面の波が緩やかな場合を説明する図である。 水面の波が緩やかな場合の水底反射及び水面正反射を説明する図である。 水面の波が荒い場合を説明する図である。 水面の波が荒い場合の水底反射、水面正反射及び界面反射を説明する図である。 水面に波が発生している場合の実験結果を示す図である。 発光素子及び受光素子の配置の第1の例を示す図である。 センサモジュールが三角測量式である場合の受光素子の受光強度の一例を示す図である。 センサモジュールがTOF式である場合の発光素子の発光強度と受光素子の受光強度の一例を示す図である。 発光素子及び受光素子の配置の第2の例を示す図である。 発光素子及び受光素子の配置の第3の例を示す図である。 発光素子及び受光素子の配置の第4の例を示す図である。 発光素子及び受光素子の配置の第5の例を示す図である。 発光素子及び受光素子の配置の第6の例を示す図である。 発光素子及び受光素子の配置の第7の例を示す図である。 発光素子及び受光素子の配置の第8の例を示す図である。 制御モジュールの他の例を示すブロック図である。 水位計測処理の一例を説明するフローチャートである。 流量計測処理の一例を説明するフローチャートである。 水量計測装置が設置されるマンホールの一例を説明する図である。 マンホール内の下水道管路の一例を示す断面図である。 水量モニタリングシステムの一例を説明する図である。
一実施例では、管路内を流れる液体の水位を計測する水量計測装置が、液体の液面に光を照射する発光素子と、液面で反射された光と管路内の底面の液底で反射された光とを受光する受光素子と、発光素子から管路内の液底までの距離Vを予め記憶する記憶部と、計算処理部とを備える。計算処理部は、受光素子の出力信号に基づき求めた距離データの上側の包絡線の平均値が表す距離をVで表し下側の包絡線の平均値が表す距離をVで表すと、水位の計測時に、距離データと距離Vとを比較した比較結果が、受光素子の出力信号に、管路内の液底の反射により発生した距離Vを超える距離に対応する第1の信号成分が含まれることを示す場合は水位DをV−Vを用いて計算し、液面の反射により発生した距離V未満の距離に対応する第2の信号成分が含まれることを示す場合は水位D −Vを用いて計算する。
以下に、開示の水量計測装置及び水量モニタリングシステムの各実施例を図面と共に説明する。
本明細書では、「水量」とは、「水の量」に限定されず、「透明または半透明の液体の量(または、液量)」をも含む。また、水量は、水位、流速、流量などを含む。
図1は、第1実施例における水量計測装置の一例を模式的に示す図である。図1に示すように、水量計測装置1は、光学式距離センサの一例であるセンサモジュール2と、制御手段の一例である制御モジュール3を有する。
センサモジュール2は、筐体21と、光学窓22と、筐体21及び光学窓22により封止された空間内に配置された発光光学系23と受光光学系24とを有する。発光光学系23は、発光素子23−1、レンズ23−2及び光学フィルタ23−3を有する。受光光学系24は、受光素子24−1、レンズ24−2及び光学フィルタ24−3を有する。
筐体21は、好ましくは防湿性及び防水性の高い材料で形成されており、さらに好ましくは耐熱性が高い材料で形成されている。光学窓22は、発光素子23−1から出射された光を透過し、被計測対象から反射された光を透過して受光素子24−1により受光可能とする材料で形成されている。被計測対象は、例えば管路(図示せず)内を流れる水などの透明または半透明の液体である。発光素子23−1は、例えばレーザダイオード(LD:Laser Diode)、赤外(IR:Infrared)・LED(Light Emitting Diode)を含む各種LEDなどの光源により形成可能である。レンズ23−2は、発光素子23−1から出射された光の光スポットを被計測対象に照射するために設けられる。光学フィルタ23−3は、環境の光への影響を低減するために、特定の波長または偏光を取り出すために設けられる。受光素子24−1は、例えばフォトダイオード(PD:Photo-Diode)、APD(Avalanche Photo-Diode)、PSD(Position Sensitive Detector)、CCD(Charged Coupled Device)などのラインセンサまたは画像センサ(または、イメージセンサ)などの光電変換装置により形成可能である。光学フィルタ24−3は、環境の光への影響を低減するために、特定の波長または偏光を取り出すために設けられる。レンズ24−2は、被計測対象から反射された光を受光素子24−1上に結像させるために設けられる。光学フィルタ23−3,24−3は、省略しても良い。
この例では、センサモジュール2(例えば、発光素子23−1または光学窓22の外周面)と被計測対象との間の距離は、三角測量を行う計測方法またはTOF式の計測方法の、いずれの計測方法を用いて計測しても良い。三角測量を行う計測方法では、発光素子23−1から出射された光の光スポットを被計測対象に照射し、受光素子24−1が被計測対象からの反射光の光重心を検出した位置のずれから三角測量を行う。一方、TOF式の計測方法では、発光素子23−1から出射された光(例えば、光パルス)が被計測対象で反射されて受光素子24−1で受光されるまでの伝搬時間を測定する。三角測量を行う計測方法自体、及び、TOF式の計測方法自体は、いずれも公知であるため、本明細書ではこれらの計測方法自体の詳細な説明は省略する。
制御モジュール3は、発光制御部31、増幅部32、記憶部33、比較部34及び演算部35を有する。発光制御部31は、発光素子23−1と電気的に接続されており、発光素子23−1の発光強度、発光タイミングなどを制御する。増幅部32は、受光素子24−1と電気的に接続されており、受光素子24−1が受光した光の強度、位置などを表すの出力信号を増幅して比較部3に供給する。記憶部33は、センサモジュール2(例えば、発光素子23−1または光学窓22の外周面)から管路の底面までの距離Vを表す基準値を記憶する。基準値は、センサモジュール2から管路の底面までの距離Vを予め手動で計測するか、或いは、計測装置(図示せず)で予め計測しておくことで求めることができる。また、距離Vを表す基準値は、初期設定時の管路に液体が無い状態で発光素子23−1からの光を管路の底面に照射した場合に、受光素子24−1が出力する信号に基づいて求めても良い。比較部34は、被計測対象の計測時に受光素子24−1が出力する信号に基づいて求めた、センサモジュール2から管路内の水面までの距離を表す計測値と、記憶部33に記憶された基準値とを比較し、比較結果を表す信号を演算部35に供給する。演算部35は、比較結果を表す信号に後述する演算処理を施して、管路の底面からの水面までの水位を求め、求めた水位を表す信号を出力する。
比較部34及び演算部35は、受光素子24−1の出力信号に基づいてセンサモジュール2から管路内の水面までの距離を表す計測値を三角測量を行う計測方法またはTOF式の計測方法により求め、計測値と記憶部33に記憶された基準値とを比較し、比較結果に演算処理を施して管路内の水位を演算すると共に、必要に応じて水位から管路内の計測対象である液体の流速、流量などをさらに演算する、計算手段または計算処理部の一例を形成する。演算部35が出力する信号は、ケーブルを介して外部装置(図示せず)に供給されても、通信装置などの通信手段(図示せず)を介して外部装置に送信されても良い。外部装置は、例えば複数の水量計測装置1からの信号を集中管理したり、解析したりするホスト装置、データセンタなどを形成するサーバであっても良い。この場合、複数の水量計測装置1及びサーバは、水量モニタリングシステムを形成可能である。
一例として、水量計測装置1が三角測量を行う計測方法を用いる場合について説明する。 この場合、センサモジュール2は、例えばマンホール(図示せず)の上部に設置され、センサモジュール2から下水道管路の底面までの距離Vを表す基準値は、例えば初期設定時の下水道管路に被計測対象の一例である液体が無い状態で発光素子23−1からの光を下水道管路の底面に照射した場合に、受光素子24−1が出力する信号に基づいて求めて記憶部33に記憶されている。
一方、被計測対象の計測時には、例えば下水道管路内に被計測対象の一例である液体が満たされている状態である。このため、発光素子23−1からレンズ23−2、光学フィルタ23−3及び光学窓22を介して照射された光の一部は、下水道管路内の液体の液面(以下、「水面」とも言う)で反射する。水面が平面の場合、即ち、液体の流れが無く水面に波が全くない場合、水面での光反射は鏡面反射となる。この場合、水面からの反射光が、光学窓22、光学フィルタ24−3及びレンズ24−2を介して受光素子24−1に入射し、受光素子24−1に入射する位置関係を満たしていれば、受光素子24−1の出力信号に基づいて、センサモジュール2から水面までの距離を測定することが可能である。図1において、下水道管路内の水面は、例えば実線で示す位置から破線で示す位置まで変位可能である。下水道管路内の液位(以下、「水位」とも言う)は、センサモジュール2から下水道管路の底面までの距離Vから、センサモジュール2から水面までの距離を減算することで求めることができる。
しかし、受光素子24−1の光軸と、水面からの反射光の光軸とが完全一致していないと、正確な水位を求めることは難しい。液体は、下水道管路内を流れるため、水位は変化し、水面には波が発生する。水位及び水面にこのような変化があると、水面からの反射光を受光素子24−1に入射させ続けることは難しいが、水面のうねりを利用して水面からの反射光を一瞬だけ受光素子24−1に入射させることはできる。これは、マンホールの上部、例えば、マンホールの蓋の裏側などにセンサモジュール2を設置すると、水面に対して略鉛直方向の位置に受光素子24−1を設置できることによる。
一方、発光素子23−1からレンズ23−2、光学フィルタ23−3及び光学窓22を介して照射された光の残りの部分は、下水道管路内の液体内に入射する。センサモジュール2から照射された光のうち、下水道管路内の水面で反射される部分と、下水道管路内の液体内に入射する部分の割合は、フレネルの式(Fresnel Equations)によって理論的に計算することができる。
センサモジュール2から照射された光が、マンホール内の屈折率が1の空気から、下水道管路内の屈折率nが空気の屈折率より高い液体の水面に対して略垂直な角度で入射する場合、水面での反射率rはr={(n−1)/(n+1)}%で表される。液体が水の場合、n=1.33であるため、r=2%となり、照射された光の98%の部分が水中に入射する。この場合、水中に入射した光は、液底(以下、「水底」とも言う)で反射される。水底、即ち、下水道管路の底面は、一般的にはコンクリートで形成されており、光の反射は鏡面ではなく拡散反射となるため、水底からの反射光の一部は受光素子24−1上に結像する。しかし、水底からの反射光が水面を再び通過する際には、水の屈折率(1.33)と空気の屈折率(1)が異なるため、スネルの法則(Snell's Law)により屈折する。このため、受光素子24−1が水底からの反射光を水面での屈折後に受光して出力する信号に基づいて求められる水底位置(即ち、センサモジュール2からの距離)は、屈折により光路長が延びるため、受光素子24−1が下水道管路内に水が無い状態で下水道管路の底面で反射された光を受光して出力する信号に基づいて求められる水底位置より深い(即ち、センサモジュール2から遠い)位置として計測されてしまう。なお、センサモジュール2から照射された光が水中に入射する時、法線方向の光は水面で殆ど屈折しないため、水面を通過する際の屈折は無視できる。
水量計測装置1がTOF式の計測方法を用いる場合も、受光素子24−1が水底からの反射光を水面での屈折後に受光して出力する信号に基づいて求められる水底位置(即ち、センサモジュール2からの距離)は、屈折により光路長が延びること、及び、下水道管路内の液体中では光速が1/nだけ遅くなることから、水量計測装置1が三角測量を行う計測方法を用いる場合と同様に、受光素子24−1が下水道管路内に水が無い状態で下水道管路の底面で反射された光を受光して出力する信号に基づいて求められる水底位置より深い(即ち、センサモジュール2から遠い)位置として計測されてしまう。
下水道管路内の水面に波が無い状態では、受光素子24−1の出力信号に基づいて求められる水底位置は、実際の水底位置より遠い位置を示すので、本実施例ではこの現象を利用して水位を求める。波長630nmのLDを発光素子23−1に用いたセンサモジュール2を、三角測量を行う計測方法と、TOF式の計測方法の2つの計測方法を用いる場合について、受光素子24−1の出力信号に基づいて求めた水位を調べた。
図2は、水底の計測方法を説明する模式図である。図2では、説明の便宜上、センサモジュール2の発光素子23−1及び受光素子24−1のみを示す。図2において、(a)は下水道管路内の水面に浮き板100を浮かせて計測する場合を説明する模式図、(b)は下水道管路内の水面に浮き板100を浮かせずに計測する場合を説明する模式図である。浮き板100の厚さは、無視できる程度に薄い。図2中、実線で示す矢印は水有りの場合に水面(又は、浮き板100の表面)に照射される光と水面からの反射光を示し、破線で示す矢印は、無水の場合に下水道管路の底面(即ち、水底)に照射される光と底面からの反射光を示す。
図3は、図2の計測方法で計測されたセンサモジュールから水底までの距離の計測結果を示す図である。図3中、縦軸はセンサモジュール2から下水道管路内の水面または浮き板100までの距離を示し、横軸は水深を示す。水深は、水面から下水道管路の底面までの距離を表す。また、×印は図2(a)に示す浮き板100を用いて三角測量を行う計測方法で計測したデータのプロット、□印は図2(a)に示す浮き板100を用いてTOF式の計測方法で計測したデータのプロット、Aは浮き板100を用いた計測データのプロットから推測した距離データを示す。さらに、▲印は図2(b)に示す浮き板100を用いずに三角測量を行う計測方法で計測したデータのプロット、◇印は図2(b)の浮き板100を用いずにTOF式の計測方法で計測したデータのプロット、Bは浮き板100を用いない計測データのプロットから推測した距離データを示す。
図3の計測結果より、下水道管路内に水が有り水面に波が無い場合には、図2(b)の構成では受光素子24−1の出力信号に基づいて求められる水底が、実際の水底より深い位置に相当することが確認された。また、空気と水の屈折率の違いから、下水道管路内に水が有る場合センサモジュール2が距離を検出する感度である距離感度αは、下水道管路内に水が無い無水の場合の約1/3であることが確認された。即ち、受光素子24−1の出力信号に基づいて求められるセンサモジュール2から水底までの距離をxで表すと、x>Vという関係が成立し、(x−V)×3を計算することで水位を求めることができることが確認された。
一方、センサモジュール2の設置角度を微調整することで、反射光を受光素子24−1に入射させることが可能であることと、このような微調整により受光素子24−1の出力信号に基づいて水面位置が得られることが確認された。
ところで、実際の下水道管路内では、水の流れによって水面に波が発生しており、水面(即ち、波面)が細かくうねっている。この水面の波(または、うねり)の変動周波数は、後述するように、水の流速及び水深と強い相関性がある。
図4は、水面の波が緩やかな場合を説明する図である。図4中、縦軸は受光素子24−1の出力信号に基づき求められる、センサモジュール2から水面までの距離(任意単位)を示し、横軸は時刻(任意単位)を示す。下水道管路内の水面で発生している波が、照射される光の光スポットの大きさと比べて相対的に小さく緩やかな場合、図4からもわかるように、水底反射により下水道管路の底面位置よりも深い位置を基本として、受光素子24−1の出力信号にパルスが発生するので、距離データもパルス成分を含む。光スポットの大きさと比べて水面で発生している波が相対的に小さい場合とは、波の斜面が光の入射方向に対し鉛直方向から略角度を有さないため、光の水中への入射時と水中から空中への出射時に光の屈折が小さくなる場合を言う。
図5は、水面の波が緩やかな場合の水底反射及び水面正反射を説明する図である。図5中、(a)は時刻T1における水底反射の一例を実線の矢印で模式的に示し、(b)は時刻T2における水面正反射の一例を実線の矢印で模式的に示す。
図4の上側の包絡線は水底反射により生じる誤差によるもので、この上側の包絡線の平均値をVで表す。従って、水位=0(即ち、底面位置)の時のセンサモジュール2から下水道管路の底面位置までの距離をVで表すと、計測値が基準値を超えており受光素子24−1の出力信号に水底反射により発生した信号パルス(第1の信号成分)が含まれる場合の水位DはV−Vなる差分で表される。本発明者らによる実験結果によれば、受光素子24−1の距離感度をαで表すと、水反射の場合のαが水反射の場合の約1/3であるため、水位Dは波が無いときと同様にD=(V −V )×3を計算することで求めることができる。
一方、水底反射により受光素子24−1の出力信号にパルスが発生するのは、波面がうねった時の水面の反射光が受光素子24−1に入射する場合であるので、この場合に受光素子24−1の出力信号に基づいて求められる、センサモジュール2からの距離は水面位置に相当する。つまり、図4の下側の包絡線は水面付近の反射によるもので、下側の包絡線の平均値をVで表すと、計測値が基準値未満であり受光素子24−1の出力信号に水面反射により発生した信号パルス(第2の信号成分)が含まれる場合の水位DはV−Vなる差分で表されるため、水位Dは(V −V を計算することで求めることができる。
このような水位Dの計算は、図1に示す記憶部33、比較部34及び演算部35を用いて行うことができる。具体的には、比較部34は、被計測対象である下水道管路内の水位の計測時に受光素子24−1が出力する信号に基づいて求めた、センサモジュール2から下水道管路内の水面までの距離を表す計測値と、記憶部33に記憶された距離Vを表す基準値とを比較することで、計測値が基準値を超えている場合の受光素子24−1の出力信号に含まれる水底反射により発生した信号パルス(第1の信号成分)の有無と、計測値が基準値未満である場合の受光素子24−1の出力信号に含まれる水面反射により発生した信号パルス(第2の信号成分)の有無とを判定することができる。そして、演算部35は、比較部34から供給される、計測値が基準値を超えるているか、或いは、基準値未満である場合に受光素子24−1の出力信号に含まれる水底反射または水面反射により発生した信号パルス(第1または第2の信号成分)の有無を示す比較結果に基づき、比較結果が受光素子24−1の出力信号に上記第1の信号成分が含まれることを示す場合の水位DはV−Vなる差分を用いて計算し、上記第2の信号成分が含まれることを示す場合の水位DはV−Vなる差分を用いて計算することができる。
なお、演算部35は、計測値が基準値を超えている場合に受光素子24−1の出力信号に含まれる水底反射により発生した単位時間当たりの信号パルスの数をカウントすることで、カウントされた信号パルスの数を水面の波(または、うねり)の変動周期と相関させることができる。水面の波(または、うねり)は、水の流速との関係で決まるので、水底反射により発生した信号パルスの頻度から流速を求めることが可能となる。即ち、水底反射により発生した信号パルス(または、第1の信号成分)の平均発生周期をTで表し、比例係数をβで表すと、流速Fは、F=β/Tを計算することで求めることができる。
このように受光素子24−1の出力信号に基づいて求めた距離データの上側と下側の包絡線の夫々平均値V,Vから2つの水位D,Dが得られるが、上記の計算手段は、より安定した値を示す水位を真の水位Dとして決定しても良い。例えば、演算部35において、得られた2つの水位D,Dの単位時間当たりの変動量や分散、最大値と最小値を算出して比較し、より安定した値を示す水位を真の水位Dとして決定し、この決定した水位Dを選択出力すれば良い。
図6は、水面の波が荒い場合を説明する図である。図6中、縦軸は受光素子24−1の出力信号に基づき求められる、センサモジュール2から水面までの距離(任意単位)を示し、横軸は時刻(任意単位)を示す。下水道管路内の水面で発生している波が、照射される光の光スポットの大きさと比べて相対的に大きく荒い場合、図6に示すように、水底反射により下水道管路の底面位置よりも深い位置を基本として、受光素子24−1の出力信号にパルスが発生するので、距離データもパルス成分を含む。光スポットの大きさと比べて水面で発生している波が相対的に大きい場合とは、波の斜面が光の入射方向に対し鉛直方向から角度を有するため、光の水中への入射時と水中から空中への出射時に光の屈折が大きくなる場合を言う。特に光の水中から空中への出射時には、屈折率が大きな水から小さな空気へと変化し、約45度の角度を臨界に全反射が起こるため、受光素子24−1には反射光が全く戻らない場合が発生し得る。一方、光の水中への入射時においても、フレネルの式に従い、大半の光が水面で反射し、受光素子24−1に戻る反射光が大幅に低下する。
図7は、水面の波が荒い場合の水底反射、水面正反射及び界面反射を説明する図である。図7中、(a)は時刻T1における水底反射の一例を実線の矢印で模式的に示し、(b)は時刻T2における水面正反射の一例を実線の矢印で模式的に示し、(c)は時刻T3における界面反射の一例を実線の矢印で模式的に示す。
図6の上側の包絡線は水底反射により生じる誤差によるもので、この上側の包絡線の平均値をVで表す。従って、水位=0(即ち、底面位置)の時のセンサモジュール2から下水道管路の底面位置までの距離をVで表すと、受光素子24−1の出力信号に上記第1の信号成分が含まれる場合の水位DはV−Vなる差分で表される。本発明者らによる実験結果によれば、受光素子24−1の距離感度をαで表すと、水反射の場合が水反射の場合のαが約1/3であるため、水位Dは波が無いときと同様に(V −V )×3を計算することで求めることができる。
一方、水底反射により受光素子24−1の出力信号にパルスが発生するのは、波面がうねった時の水面の反射光が受光素子24−1に入射する場合であるので、この場合に受光素子24−1の出力信号に基づいて求められる、センサモジュール2からの距離は水面位置に相当する。つまり、図6の下側の包絡線は水面付近の反射によるもので、破線で示す下側の包絡線の平均値をVで表すと、受光素子24−1の出力信号に上記第2の信号成分が含まれる場合の水位DはV−Vなる差分で表されるため、水位Dは(V −V を計算することで求めることができる。
このように、水面の波が荒い場合、波の斜面が急な部分では受光素子24−1の受光量が著しく低下して距離の計測が困難となる場合がある。このように、受光素子24−1の受光量が著しく低下すると、受光素子24−1の出力信号の著しい低下により、図6中、例えば時刻T3で発生する部分200のように、距離の計測が困難となる。また、水面の波の変動量が大きくなくても、水面の波が荒ければ、図6に示す上側と下側の包絡線の変動は大きくなる。しかし、上側と下側の包絡線の変動の中心が、真の水位によるものであるから、上側と下側の包絡線の平均値V,Vを水位の計算に利用できる。
このような水位Dの計算は、図1に示す記憶部33、比較部34及び演算部35を用いて、水面の波が緩やかな場合と同様に行うことができる。従って、演算部35は、比較部34から供給される、計測値が基準値を超えるているか、或いは、基準値未満である場合に受光素子24−1の出力信号に含まれる水底反射または水面反射により発生した信号パルスの有無を示す比較結果に基づき、受光素子24−1の出力信号に上記第1の信号成分が含まれる場合の水位DはV−Vなる差分を用いて計算し、受光素子24−1の出力信号に上記第2の信号成分が含まれる場合の水位DはV−Vなる差分を用いて計算することができる。
また、演算部35は、水面の波が緩やかな場合と同様に、計測値が基準値を超えている場合に受光素子24−1の出力信号に含まれる水底反射により発生した単位時間当たりの信号パルスの数をカウントすることで、カウントされた信号パルスの数を水面の波(または、うねり)の変動周期と相関させることができる。従って、水底反射により発生した信号パルス(または、第1の信号成分)の平均発生周期をTで表し、比例係数をβで表すと、流速Fは、F=β/Tを計算することで求めることができる。
このように受光素子24−1の出力信号に基づいて求めた距離データの上側と下側の包絡線の夫々の平均値V,Vから2つの水位D,Dが得られるが、上記の計算手段は、より安定した値を示す水位を真の水位Dとして決定しても良い。例えば、演算部35において、得られた2つの水位D,Dの単位時間当たりの変動量や分散、最大値と最小値を算出して比較し、より安定した値を示す水位を真の水位Dとして決定し、この決定した水位Dを選択出力すれば良い。
図8は、水面に波が発生している場合の実験結果を示す図である。図8は、水面の波が緩やかで、波の高さが1cm未満である場合の実験結果を示す。図8中、縦軸は受光素子24−1の出力信号レベル(任意単位)を示し、横軸は時刻(任意単位)を示し、初期値は水が無い時の水底(管路の底面)までの距離を計測した時の受光素子24−1の出力信号レベルに相当する。図8において、(a)は三角測量を行う計測方法で計測した場合の実験結果を示し、(b)はTOF式の計測方法で計測した場合の実験結果を示す。
発光素子23−1を形成するLDから照射されるレーザ光の光スポット径が約2mmであり波の大きさに比べて小さいTOF式のセンサモジュール2の場合、受光素子24−1を形成するPDから出力される信号には、図8(a)に示すように、上記の初期値を安定点として、時折負のパルスが頻発した。しかし、PDから出力される信号中、下側の包絡線は水位と一致しないことが確認された。これは、光スポット径に対して波が大きすぎるため、水面での反射光がPDに入射しなかったためと考えられる。このような場合は、PDから出力される信号中、上側包絡線より求めた水位を利用すれば良いことが確認された。また、PDから出力される信号中、水底反射により発生したパルスの発生周期を平均化することで、計測した水位から流速を計算することができることも確認された。なお、図8(a)中、実線の楕円形で囲まれた部分は、異常値が計測された箇所を示す。
一方、発光素子23−1を形成するIR・LEDから照射されるIR光の光スポット径が約50mmであり波の大きさに比べて大きい三角測量式のセンサモジュール2の場合、受光素子24−1を形成するPSDから出力される信号は、図8(b)に示すように、水面と水底反射による値を範囲として変動が観測された。なお、この例で使用したPSDは、正負が反転した信号を出力する仕様であるため、上記の初期値に対して上側の包絡線は水面反射による水位を示しており、下側の包絡線は水底反射による水位を示している。この場合、図8(b)ではPSDが出力する信号中の水底反射により発生したパルスが明確ではないものの、上記の初期値を閾値として用いてPSDが出力する信号を波形整形することで、TOF式のセンサモジュール2で得られる信号波形と同等な変動を含む信号波形が得られていることが確認された。なお、PSDが出力する信号を閾値を用いて波形整形する代わりに、例えば高速フーリエ変換(FFT:Fast Fourier Transform)によりPSDが出力する信号の周波数成分を抽出することで、三角測量式のセンサモジュール2においても、TOF式のセンサモジュール2で得られる信号波形と同様の信号波形が得られることが確認された。なお、図8(b)中、Pkは水面に相当する信号波形のピークを示し、Btは水底に相当する信号波形のボトムを示す。
図8の実験結果からもわかるように、距離データは受光素子24−1の出力信号レベルに基づいているので、図4及び図6における縦軸は受光素子24−1の出力信号レベルとみなしても良い。この場合、V,V,Vは、夫々距離の値ではなく距離に対応する出力信号レベルの値となる。
次に、センサモジュール2内の発光素子23−1及び受光素子24−1の配置と、受光素子24−1が出力する信号波形の例について、図9乃至図11と共に説明する。
図9は、センサモジュール2内の発光素子23−1及び受光素子24−1の配置の第1の例を示す図である。図9中、(a)は発光素子23−1及び受光素子24−1の側面図、(b)は発光素子23−1及び受光素子24−1の平面図を示す。
図10は、図9に示すセンサモジュール2が三角測量式である場合の受光素子24−1が受光する光の強度(以下、「受光強度」とも言う)の一例を示す図である。この場合、受光素子24−1は、PSD、CCDなどのラインセンサで形成され、発光素子23−1から出射され被計測対象で反射された光を受光した光重心を、センサモジュール2からの距離を表す信号に変換する。図10中、縦軸は受光素子24−1受光強度を任意単位で示し、横軸は受光位置を任意単位で示す。図10において矢印で示すように、受光素子24−1が受光した光重心が距離の変化に応じて実線で示す状態から破線で示す状態へずれるので、制御モジュール3の計算手段において、受光素子24−1の出力信号をセンサモジュール2からの距離を表す信号へ変換することが可能となる。
図11は、図9に示すセンサモジュール2がTOF式である場合の発光素子23−1の発光強度と受光素子24−1の受光強度の一例を示す図である。この場合、受光素子24−1は、PD、APDなどで形成され、発光素子23−1が光を出射してから被計測対象で反射されて受光素子24−1に到達するまでの伝搬時間(即ち、TOF)をセンサモジュール2からの距離を表す信号に変換する。図11中、(a)の縦軸は発光素子23−1の発光強度を任意単位で示し、(b)の縦軸は受光素子24−1の受光強度を任意単位で示し、横軸は時刻を任意単位で示す。図11(b)に示すように、発光素子23−1が光を出射してから被計測対象で反射されて受光素子24−1に到達するまでの伝搬時間が、距離の変化に応じて実線で示す状態から破線で示す状態へずれるので、制御モジュール3の計算手段において、受光素子24−1の出力信号をセンサモジュール2からの距離を表す信号へ変換することが可能となる。なお、センサモジュール2がTOF式である場合の受光素子24−1は、PSD、CCDなどのラインセンサで形成しても良く、複数のPD、APDなどで形成しても良い。
図12は、発光素子及び受光素子の配置の第2の例を示す図である。図12中、(a)は発光素子23−1及び受光素子24−1の側面図、(b)は発光素子23−1及び受光素子24−1の平面図を示す。この第2の例では、1個の発光素子23−1に対し、複数の受光素子24−1が設けられている。図12(b)の例では、3個の受光素子24−1が一列に配置されており、1R,2R,3Rで示す順番で受光素子24−1の発光素子23−1からの距離が遠くなっている。複数の受光素子24−1が一列に設けられているので、発光素子23−1から出射され被計測対象で反射された光を確実に受光することが可能となり、上記第1の例と比べて距離の計測精度を向上できる。また、反射光は複数の受光素子24−1のいずれかに確実に入射するため、水量計測装置1の設置面への取り付け精度にマージンを設けることができる。
なお、図12及び後述する図13乃至図18において、各受光素子24−1は、単一のPD、APDなどで形成しても良く、PSD、CCDなどのラインセンサで形成しても良く、複数のPD、APDなどで形成しても良い。つまり、図12乃至図18に示す発光素子23−1と受光素子24−1の配置は、三角測量式のセンサモジュール2に用いても、或いは、TOF式のセンサモジュール2に用いても良い。また、1個の発光素子23−1に対して複数の受光素子24−1が設けられている場合、制御モジュール3は、複数の受光素子24−1の出力信号に対して別々に上記の如き演算処理を施しても、複数の受光素子24−1の出力信号を加算または合成した信号に対して上記の如き演算処理を施しても、複数の受光素子24−1の出力信号を平均した信号に対して上記の如き演算処理を施しても、或いは、複数の受光素子24−1の出力信号に加算、合成、平均以外の処理した信号に対して上記の如き演算処理を施しても良い。
図13は、発光素子及び受光素子の配置の第3の例を示す図である。図13中、(a)は発光素子23−1及び受光素子24−1の側面図、(b)は発光素子23−1及び受光素子24−1の平面図を示す。この第3の例では、1個の発光素子23−1に対し、4個の受光素子24−1が二列に配置されており、1R,2R,3R,4Rで示す順番で受光素子24−1の発光素子23−1からの距離が遠くなっている。複数の受光素子24−1が二列に設けられているので、発光素子23−1から出射され被計測対象で反射された光をより確実に受光することが可能となり、上記第1の例に比べて距離の計測精度をさらに向上できる。また、反射光は複数の受光素子24−1のいずれかに確実に入射するため、水量計測装置1の設置面への取り付け精度にマージンを設けることができる。
図14は、発光素子及び受光素子の配置の第4の例を示す図である。図14中、(a)は発光素子23−1及び受光素子24−1の側面図、(b)は発光素子23−1及び受光素子24−1の平面図を示す。この第4の例では、1個の発光素子23−1に対し、4個の受光素子24−1が一点鎖線で示すように同心円状に配置されており、1R,2R,3R,4Rで示す順番で受光素子24−1の発光素子23−1からの距離が遠くなっている。複数の受光素子24−1が同心円状に設けられているので、発光素子23−1から出射され被計測対象で反射された光をより確実に受光することが可能となり、第1の例に比べて距離の計測精度をさらに向上できる。また、反射光は複数の受光素子24−1のいずれかに確実に入射するため、水量計測装置1の設置面への取り付け精度にマージンを設けることができる。
図15は、発光素子及び受光素子の配置の第5の例を示す図である。図15中、(a)は発光素子23−1及び受光素子24−1の側面図、(b)は発光素子23−1及び受光素子24−1の平面図を示す。この第5の例では、1個の発光素子23−1に対し、一方の側(左側)に3個の受光素子24−1が一列に配置され、他方の側(右側)に3個の受光素子24−1が一列に配置されており、左側では1L,2L,3Lに示す順番で受光素子24−1の発光素子23−1からの距離が遠くなっており、右側では1R,2R,3Rで示す順番で受光素子24−1の発光素子23−1からの距離が遠くなっている。また、左側の1L,2L,3Lに示す位置の受光素子24−1の発光素子23−1からの距離は、夫々右側の1R,2R,3Rで示す位置の受光素子24−1の発光素子23−1からの距離と等しい。つまり、左側の3個の受光素子24−1と、右側の3個の受光素子24−1とは、発光素子23−1に対して線対称に配置されている。複数の受光素子24−1が一列に、発光素子23−1の両側に設けられているので、発光素子23−1から出射され被計測対象で反射された光をより確実に受光することが可能となり、上記第2乃至第4の例に比べて距離の計測精度をさらに向上できる。また、反射光は複数の受光素子24−1のいずれかに確実に入射するため、水量計測装置1の設置面への取り付け精度にマージンを設けることができる。
図16は、発光素子及び受光素子の配置の第6の例を示す図である。図16中、(a)は発光素子23−1及び受光素子24−1の側面図、(b)は発光素子23−1及び受光素子24−1の平面図を示す。この第6の例では、1個の発光素子23−1に対し、一方の側(左側)に2個の受光素子24−1が一列に配置され、他方の側(右側)に2個の受光素子24−1が一列に配置されており、左右側では1R,2L,3R,4Lに示す順番で一列に配置された受光素子24−1の発光素子23−1からの距離が遠くなっている。複数の受光素子24−1が一列に、発光素子23−1の両側に設けられているので、発光素子23−1から出射され被計測対象で反射された光をより確実に受光することが可能となり、上記第2乃至第4の例に比べて距離の計測精度をさらに向上できる。また、反射光は複数の受光素子24−1のいずれかに確実に入射するため、水量計測装置1の設置面への取り付け精度にマージンを設けることができる。
図17は、発光素子及び受光素子の配置の第7の例を示す図である。図17中、(a)は発光素子23−1及び受光素子24−1の側面図、(b)は発光素子23−1及び受光素子24−1の平面図を示す。この第7の例では、1個の発光素子23−1に対し、一の側(右側)に1個の受光素子24−1が配置され、他の側(手前側)に1個の受光素子24−1が一列に配置されている。また、右側の1Rに示す位置の受光素子24−1の発光素子23−1からの距離は、手前側の1Dで示す位置の受光素子24−1の発光素子23−1からの距離と等しい。つまり、右側の1個の受光素子24−1と、手前側の1個の受光素子24−1とは、発光素子23−1に対して直交する方向上に配置されている。複数の受光素子24−1が、発光素子23−1の異なる側に設けられているので、発光素子23−1から出射され被計測対象で反射された光をより確実に受光することが可能となり、上記第1の例に比べて距離の計測精度をさらに向上できる。また、反射光は複数の受光素子24−1のいずれかに確実に入射するため、水量計測装置1の設置面への取り付け精度にマージンを設けることができる。
言うまでもなく、図17(b)において、発光素子23−1の右側と手前側の夫々において、複数の受光素子24−1を上記第2、第5または第6の例のように一列に配置しても、或いは、上記第3または第4の例のように二列に配置しても良い。
図18は、発光素子及び受光素子の配置の第8の例を示す図である。図18中、(a)は発光素子23−1及び受光素子24−1の側面図、(b)は発光素子23−1及び受光素子24−1の平面図を示す。この第8の例では、1個の発光素子23−1に対し、左側の1Lの位置、右側の1Rの位置、奥側の2Uの位置、及び手前側の2Dの位置に夫々1個の受光素子24−1が配置されている。また、1L,1R,2U,2Dの位置の受光素子24−1の発光素子23−1からの距離は、夫々等しい。つまり、4個の受光素子24−1は、発光素子23−1を囲むように配置されている。複数の受光素子24−1が、発光素子23−1を囲むように設けられているので、発光素子23−1から出射され被計測対象で反射された光をより確実に受光することが可能となり、上記第1乃至第7の例に比べて距離の計測精度をさらに向上できる。また、反射光は複数の受光素子24−1のいずれかに確実に入射するため、水量計測装置1の設置面への取り付け精度にマージンを設けることができる。
なお、図18に示す例では、1L,1Rの位置の受光素子24−1は一列に配置されており、2U,2Dの位置の受光素子24−1も一列に配置されている。さらに、1L,1Rの位置の受光素子24−1が一列に配置されている方向と、2U,2Dの位置の受光素子24−1が一列に配置されている方向とは、互いに直交している。
言うまでもなく、図18(b)において、発光素子23−1の右側、左側、奥側、及び手前側の夫々において、複数の受光素子24−1を上記第2、第5または第6の例のように一列に配置しても、或いは、上記第3または第4の例のように二列に配置しても良い。さらに、図18(b)において、発光素子23−1と同心円状に、一列に設けられた複数の受光素子24−1を、発光素子23−1の中心を通る複数の半径方向上に、発光素子23−1を囲むように配置しても良い。
図19は、制御モジュール3の他の例を示すブロック図である。図19に示す制御モジュール3は、プロセッサの一例であるCPU(Central Processing Unit)301と、記憶装置の一例であるメモリ302と、出力部304とを有する。メモリ302は、CPU301が実行するプログラム、及び基準値、計測した水位などのデータ、計測履歴などをのデータ含む各種データを格納可能である。CPU301は、メモリ302に格納されたプログラムを実行することで、図1に示す発光制御部31と同様の機能を実現して、センサモジュール2の発光素子23−1の発光強度、発光タイミングなどを制御する制御信号を出力する。また、CPU301は、メモリ302に格納されたプログラムを実行することで、図1に示す増幅部32、比較部34、及び演算部35と同様の機能を実現して、受光素子24−1の出力信号に基づいてセンサモジュール2から管路内の水面までの距離を表す計測値を三角測量を行う計測方法またはTOF式の計測方法により求め、計測値とメモリ302に記憶された基準値とを比較し、比較結果に演算処理を施して管路内の水位を演算すると共に、必要に応じて水位から管路内の計測対象である液体の流速、流量などをさらに演算しても良い。つまり、CPU301は、上記の計算手段または計算処理部と同様の機能を実現しても良い。流量は、例えば受光素子24−1の出力信号の変動周期の逆数に係数を乗算して計算しても良い。
出力部303は、CPU301が出力した距離、水位、流速、流量などの計測情報を出力し、必要に応じて水量モニタリングシステムのサーバなどの通知先に供給する。出力部303は、制御モジュール3が出力する計測情報を有線で通知先に通知するケーブルを接続するためのインタフェース、或いは、制御モジュール3が出力する計測情報を無線で通知先に通知する通信装置などの通信手段で形成可能である。通信手段は送受信機などで形成可能であるが、水位計測装置1が計測情報を送信する機能を有するだけでサーバ側からの情報を受信する機能を有さない場合には、通信手段は送信機で形成可能である。なお、被計測対象の水位、流速、流量などは、計測情報(距離を表す信号)が通知されるサーバ側で計算して、制御モジュール3側の計算負荷を軽減しても良い。
図20は、水位計測処理の一例を説明するフローチャートである。図20に示す水位計測処理は、図1に示す制御モジュール3の比較部34及び演算部35、または、図19に示す制御モジュール3のCPU301により実行可能であるが、以下の説明では便宜上、CPU301により実行される場合を例に取る。
図20において、CPU301は、被計測対象の一例である下水道管路内の水底までの距離V を、初期設定時の下水道管路に水が無い状態で受光素子24−1が出力信号に基づいて求める(ステップS1)。なお、CPU301は、ステップS1において、センサモジュール2から下水道管路の底面までの距離V を予め手動で計測するか、或いは、計測装置で予め計測しておいたものをメモリ302から読み出しても良い。
次に、CPU301は、発光素子23−1の発光強度、発光タイミングなどを制御する制御信号を出力して発光素子23−1を発光させ、被計測対象からの反射光を受光する受光素子24−1の出力信号をサンプリングして、N番目のサンプルに基づいて求めた距離V(N)及び受光強度I(N)を取得する(ステップS2)。また、CPU301は、I(N)>Ithであるか、即ち、N番目のサンプルの受光強度I(N)が受光強度の閾値Ithを超える十分に高い値であるか否かを判定する(ステップS3)。受光強度I(N)が受光強度の閾値Ithを超える値であれば、N番目のサンプルが計測処理に使用可能な正常値であると判定される。ステップS3の判定結果がNOであると、CPU301は、受光強度I(N)の異常値をメモリ302に記録し、処理は後述するステップS8へ進む。
一方、ステップS3の判定結果がYESであると、CPU301は、距離V(N)>V であるか、即ち、距離V(N)が水底までの距離V を超える距離であるか否かを判定する(ステップS5)。ステップS5の判定結果がYESであると、CPU301は、受光素子24−1の出力信号に基づき求められた距離データの上側の包絡線の平均値V (N)から受光素子24−1の出力信号に上記第1の信号成分が含まれる場合の水位DをV (N)−V なる差分から求め、水位Dの平均値Au及び水位Dの単位時間当たりの分散Duを求める(ステップS6)。また、ステップS5の判定結果がNOであると、CPU301は、受光素子24−1の出力信号に基づき求められた距離データの下側の包絡線の平均値V (N)から受光素子24−1の出力信号に上記第2の信号成分が含まれる場合の水位DをV −V (N)なる差分から求め、水位Dの平均値Ad及び水位Dの単位時間当たりの分散Ddを求める(ステップS7)。ステップS6またはステップS7の後、処理はステップS8へ進む。
CPU301は、一定期間内のサンプル数の上限をNmaxで表すと、一定期間繰り返しN>Nmaxであるか否かを判定し(ステップS8)、判定結果がNOであると処理はステップS2へ戻る。ステップS8の判定結果がYESであると、CPU301は、水位Dの平均値Auに補正値c1を積算して補正する(ステップS9)。また、CPU301は、Du≦Ddであると{Au×c1}から計算した水位Dをより安定した値を示す真の水位として決定し、Du>Ddであると{Ad}または [{(Au×c1)+Ad)}/2]から計算した水位Dをより安定した値を示す真の水位として決定することで、より安定した値を示す真の水位を選択出力する(ステップS10)。ステップS10において、CPU301は、出力した水位Dを必要に応じてメモリ302に記録しても良い。ステップS10の後、CPU301の処理は、次の水位計測処理に進むか、或いは、図21と共に説明する流量計測処理に進む。なお、出力された水位Dは、サーバへリアルタイムで通知しても、閾値を超える高水位が出力されたときだけサーバへ通知しても良い。
図21は、流量計測処理の一例を説明するフローチャートである。図21に示す量流計測処理は、図1に示す制御モジュール3の比較部34及び演算部35、または、図19に示す制御モジュール3のCPU301により実行可能であるが、以下の説明では便宜上、CPU301により実行される場合を例に取る。
図21において、CPU301は、被計測対象の一例である下水道管路内の水位を、例えば図20に示す水位計測処理により求める(ステップS11)。この状態で、受光素子24−1の出力信号に基づき求められた距離データの上側の包絡線の平均値V (N)から受光素子24−1の出力信号に上記第1の信号成分が含まれる場合の水位Dと、受光素子24−1の出力信号に基づき求められた距離データの下側の包絡線の平均値V (N)から受光素子24−1の出力信号に上記第2の信号成分が含まれる場合の水位Dとは、互いに区別可能である。CPU301は、上側の包絡線の平均値V (N)を用いて受光素子24−1の出力信号に含まれる水底反射により発生した単位時間当たりの距離V を超える距離に相当する信号パルスの数をカウントすることで、カウントされた信号パルスの数から水面の波(または、うねり)の変動周期を求めるか、或いは、波の周波数スペクトルをFFT、ウェブレット、フィルタ掃引などにより求める(ステップS12)。次に、CPU301は、波の変動周期、或いは、波の周波数スペクトルに基づき、波のピーク周波数fu及び中心周波数に対する周波数分散Dfuを求める(ステップS13)。また、CPU301は、下側の包絡線の平均値V (N)を用いて受光素子24−1の出力信号に含まれる水面反射により発生した単位時間当たりの距離V 未満の距離に相当する信号パルスの数をカウントすることで、カウントされた信号パルスの数から水面の波(または、うねり)の変動周期を求めるか、或いは、波の周波数スペクトルをFFT、ウェブレット、フィルタ掃引などにより求める(ステップS14)。次に、CPU301は、波の変動周期、或いは、波の周波数スペクトルに基づき、波のピーク周波数fd及び中心周波数に対する周波数分散Dfdを求める(ステップS15)。そして、CPU301は、Dfu≦Dfdであるとピーク周波数fuに補正値c2を積算して{fu×c2}から流速F2を計算し、Dfu>Dfdであると{fd×c2}または{c2×(fu+fd)/2}から流速F1を計算する(ステップS16)。CPU30は、ステップS16において、計算した流速及び予め計測されている下水道管路の幅に基づいて、下水道管路内の流量を計算しても良い。CPU302は、計算した流速、流量などを出力し、必要に応じてメモリ302に記録する(ステップS17)。ステップS17の後、CPU301の処理は、次の水量計測処理に進む。なお、出力された流速、流量などは、サーバへリアルタイムで通知しても、閾値を超える流速、流量などが出力されたときだけサーバへ通知しても良い。
次に、上記各実施例における水量計測装置を適用可能な水量モニタリングシステムの一例を、図22乃至図24と共に説明する。
図22は、水量計測装置が設置されるマンホールの一例を説明する図であり、図23は、マンホール内の下水道管路の一例を示す断面図である。図24は、水量モニタリングシステムの一例を説明する図である。
図22に示す例では、道路50にマンホール51が設けられており、マンホール51は開閉可能な蓋52により塞がれている。マンホール51は、道路50の下部を通る下水道管路53に連通している。水などの液体60は、下水道管路53を図22中、例えば矢印で示すように左側から右側へ流れる。水量計測装置1は、例えば蓋52の裏側(即ち、道路50の路面とは反対側)に設置されている。なお、水量計測装置1のセンサモジュール2のみを蓋52の裏側に設置し、センサモジュール2とケーブルで接続された制御モジュール3をマンホール51の側壁などに設置しても良い。
図23は、図22に示すマンホール51の一点鎖線に沿った断面を示す。図23において、V11は下水道管路53の低水位、V12は下水道管路53の高水位を示す。水量計測装置1は、上記の如く下水道管路53内の水位などを正確に計測できるので、例えば高水位V12が計測されると、サーバでは水量計測装置1からの通知に基づき下水道管路53内の水位を許容水位まで下げる対策などをとることができる。
図24に示す水量モニタリングシステムでは、データセンタ70内にサーバ71、ゲート72、浄水装置73、ポンプ74などが設けられている。サーバ71は、周知の汎用コンピュータで形成可能であり、例えば図19と同様にCPU、メモリ、及び通信装置を有する。サーバ71の通信装置は、複数の水量計測装置1の通信装置と通信可能である。複数の水量計測装置1は、好ましくは無線通信によりサーバ71に水位などの計測情報を通知する。この例では、各マンホール51の蓋52の裏側に設置された水量計測装置1により監視される下水道管路53は、雨水路75と接続されている。雨水路75を流れる液体は、サーバ71により開閉制御されるゲート72を介して浄水装置73により浄水され、ポンプ74により海80などに放出される。例えば雨90による降水量が多い場合には、雨水路75及び下水道管路53を流れる液体が溢れないように、浄水装置73の浄水量及びポンプ74の排水量を増加させる必要がある。
この例では、水量センサノードを形成する複数の水量計測装置1から通知される計測データを、サーバ71側に集約させる。集約とは、計測データのロギングや加工、計測結果の要約表示または警報の表示、上流のデータセンタのサーバへの報告などの作業を含む。従って、サーバ71側では、各水量計測装置1から通知される計測データに基づき、雨水路75及び下水道管路53を流れる液体が溢れないように、ゲート72の開閉、浄水装置73の浄水量及びポンプ74の排水量を適切に制御することができる。水量計測装置1自体は小型、安価で低電力なので、多地点計測ネットワークにより容易に水量モニタリングシステムを構築可能となる。また、水量計測装置1を、従来の圧力式センサ、超音波式センサなどと組み合わせて使用することで、設置環境や精度の要求に応じた多地点計測ネットワークを構築しても良い。
上記各実施例によれば、受光素子が受光する、水面で反射される光と、水中を透過した光が水底で反射した光の両方を活用して、非接触で、センサモジュールから被計測対象までの距離を計測できるので、水位などの水量を正確に計測可能となる。また、センサモジュールは小型であり、浮き板などを用いずに被計測対象までの距離を計測できるので、使用形態の制約を抑えて、例えば狭くて狭いマンホールの上部などに設置することも可能となる。さらに、センサモジュールを含む水量計測装置は、安価で低電力な計測を可能とする。また、受光素子が受光して出力する信号の変動を利用して流速を計測できるので、水量計測装置は、水位、流速、流量などの水量を同時に計測することも可能である。
以上、開示の水量計測装置及び水量モニタリングシステムを実施例により説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変形及び改良が可能であることは言うまでもない。
1 水量計測装置
2 センサモジュール
3 制御モジュール
21 筐体
22 光学窓
23 発光光学系
23−1 発光素子
23−2,24−2 レンズ
23−3,24−3 光学フィルタ
23−3を有する。
24 受光光学系
24−1 受光素子
71 サーバ
301 CPU
302 メモリ
303 出力部

Claims (10)

  1. 管路内を流れる液体の水位を計測する水量計測装置であって、
    前記液体の液面に光を照射する発光素子と、
    前記液面で反射された光と前記管路内の底面の液底で反射された光とを受光する受光素子と、
    前記発光素子から前記管路内の前記液底までの距離Vを予め記憶する記憶部と、
    前記受光素子の出力信号に基づき求めた距離データの上側の包絡線の平均値が表す距離をVで表し下側の包絡線の平均値が表す距離をVで表すと、前記水位の計測時に、前記距離データと前記距離Vとを比較した比較結果が、前記受光素子の出力信号に、前記管路内の液底の反射により発生した前記距離Vを超える距離に対応する第1の信号成分を含むか、或いは、前記液面の反射により発生した前記距離V未満の距離に対応する第2の信号成分を含むかを判定し、前記第1の信号成分を含むと判定した場合は水位DをV−Vを用いて計算し、前記第2の信号成分を含むと判定した場合は水位DをV−Vを用いて計算する計算手段と
    を備え
    前記計算手段は、前記液底の反射により発生した前記第1の信号成分のパルスの平均発生周期をTで表し、比例係数をβで表すと、F=β/Tに基づき流速Fを計算することを特徴とする、水量計測装置。
  2. 前記計算手段は、前記水位D及び前記水位Dのうち、より安定した値を真の水位Dとして選択出力することを特徴とする、請求項1記載の水量計測装置。
  3. 前記計算手段は、前記水位D及び前記水位Dの夫々の単位時間当たりの変動量、分散、及び最大値と最小値のいずれかの比較に基づき前記より安定した値を決定することを特徴とする、請求項2記載の水量計測装置。
  4. 前記計算手段は、前記発光素子から前記液面までの距離を、前記受光素子が前記液面及び前記液底で反射された光を受光した光重心に基づき求める、三角測量を行う計測方法、または、前記発光素子が光を出射してから前記液面及び前記液底で反射されて前記受光素子に到達するまでの伝搬時間に基づき求める、TOF(Time Of Flight)式のいずれかの計測方法を用いて計算することを特徴とする、請求項1乃至のいずれか1項記載の水量計測装置。
  5. 前記計算手段は、前記受光素子の出力信号に基づき求められた距離データの上側の包絡線の平均値V(N)から前記受光素子の出力信号に前記第1の信号成分が含まれる場合の水位DをV(N)−Vなる差分から求めると共に前記水位Dの平均値Au及び前記水位Dの単位時間当たりの分散Duを求め、前記受光素子の出力信号に基づき求められた距離データの下側の包絡線の平均値V(N)から前記受光素子の出力信号に前記第2の信号成分が含まれる場合の水位DをV−V(N)なる差分から求めると共に、前記水位Dの平均値Ad及び前記水位Dの単位時間当たりの分散Ddを求めることを特徴とする、請求項1記載の水量計測装置。
  6. 前記受光素子は、前記発光素子の少なくとも一方の側に複数個配置されていることを特徴とする、請求項1乃至のいずれか1項記載の水量計測装置。
  7. 前記受光素子は、前記発光素子の複数の側に少なくとも1個ずつ配置されていることを特徴とする、請求項1乃至のいずれか1項記載の水量計測装置。
  8. 前記受光素子は、前記発光素子を囲むように複数配置されていることを特徴とする、請求項1乃至のいずれか1項記載の水量計測装置。
  9. 少なくとも前記水位を外部装置へ有線または無線で通知する通信手段をさらに備えたことを特徴とする、請求項1乃至のいずれか1項記載の水量計測装置。
  10. 請求項1乃至のいずれか1項記載の水量計測装置と、
    前記水量計測装置から少なくとも前記水位を含む計測情報を通知され、前記計測情報を集約するサーバと
    を備えたことを特徴とする、水量モニタリングシステム。
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