JP6486758B2 - 投込式水位計の調節システム、その調節方法、その調節プログラムおよび調節機能付き投込式水位計 - Google Patents

投込式水位計の調節システム、その調節方法、その調節プログラムおよび調節機能付き投込式水位計 Download PDF

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Description

本実施形態は、投込式水位計が示す水位の指示値の調節技術に関する。
津波や震災などで被災した原子力発電所などのように、立ち入りが困難となった施設において、その内部の液体の水位の測定が求められることがある。従来から知られる水位計として、開口端が水底に配置されたバブラチューブで水底に気泡を送り込むのに必要な圧力を計測することで水位を算出する気泡式水位計がある。
気泡式水位計とは、水中に開口した管からゆっくり気泡を出し、そのときの管内の圧力をセンサによって測定する水位計である。管内の圧力が大気圧と管の開口端にかかる水圧との和に等しくなることから、この開口端の圧力から、大気圧を差し引いて水位を求めることができる。
気泡式水位計は、気泡を水底に送り込むためのエアー供給源などが必要となり装置が大型になる。また、この装置を液体の近傍に固定するための設置工事が必要となる。
このような設置工事を不要とする水位計に、投込式水位計がある。投込式水位計は、気泡式水位計に比べ、装置が小さく操作も容易である。この投込式水位計は、一般産業において、河川の監視システムや上下水道などの水位測定システムに広く用いられている。
また、投込式水位計について、設定および維持管理がより簡易で安定した水位の測定が可能なものも提案されている。
ところで、投込式水位計が表示する水位は、いくつかの要因によって真の水位からずれることがある。
例えば、水圧に基づいて水位を導く場合には、貯蔵されている液体の密度が比重1より高い場合には、水位は実際よりも深いものと表示される。
また、水位計内部の機械的なずれによって水位の指示値が正確でないものとなることもある。
よって、投込式水位計が算出する水位の指示値の正確性を向上させるためには、ずれの要因ごとに補正をする必要がある。
水位の指示値の正確性の要請は、上述したような作業員が現場に立ち入れない場合にも要求される。現在、遠隔においても適切に補正を施すことで正確な水位を取得できる水位計の研究がなされている。
特開平07−054394号公報 特開2000−337945号公報 実公平03−2821号公報
しかしながら、上述した従来の技術では、貯蔵される液体の密度に基づく補正をする場合、この液体が密度勾配を有するときには、正確な補正ができないという課題があった。
つまり、貯蔵される液体が不均一な場合に水深方向にできる密度勾配が発生した場合、水位の指示値の補正のために取得された密度が、取得した水深によっては、液体全体の密度と乖離することがある。
このような液体全体の密度から乖離した密度を用いた補正では、水位の指示値を高い精度で真の水位に一致させることができない。
本発明の実施形態はこのような事情を考慮してなされたもので、水位の測定対象となる液体に密度勾配が発生した場合にも、水位の指示値に対して精度の高い補正が可能な投込式水位計の調節システム、その調節方法、その調節プログラムおよび調節機能付き投込式水位計を提供することを目的とする。
本実施形態にかかる投込式水位計の調節システムは、貯蔵された液体に投げ込まれる検出器の外表面に異なる水深で固定される3以上の水圧測定器と、水圧測定器のうちの少なくとも3つで測定された測定水圧の相互の差異および水圧測定器の水深の差異に基づいて液体の密度を2以上導出する密度導出部と、密度導出部で導出された2以上の密度を平均して液体の平均密度を導出する密度平均部と、平均密度に基づいて液体の水位の指示値を補正する補正部と、を備えるものである。
また、本実施形態にかかる調節機能付き投込式水位計は、貯蔵された液体に投げ込まれる検出器の外表面に異なる水深で3以上の水圧測定器を固定するステップと、水圧測定器のうちの少なくとも3つで測定された測定水圧相互の差異および水圧測定器の水深の差異に基づいて液体の密度を2以上導出するステップと、導出された2以上の密度を平均して液体の平均密度を導出するステップと、平均密度に基づいて液体の水位の指示値を補正するステップと、を含むものである。
また、実施形態にかかる投込式水位計の調節プログラムは、コンピュータに、貯蔵された液体に投げ込まれる検出器の外表面に異なる水深で3以上の水圧測定器を固定するステップ、水圧測定器のうちの少なくとも3つで測定された測定水圧相互の差異および水圧測定器の水深の差異に基づいて液体の密度を2以上導出するステップ、導出された2以上の密度を平均して液体の平均密度を導出するステップ、平均密度に基づいて液体の水位の指示値を補正するステップ、を実行させるものである。
本実施形態により、水位の測定対象となる液体に密度勾配が発生した場合にも、水位の指示値に対して精度の高い補正が可能な投込式水位計の調節システム、その調節方法、その調節プログラムおよび調節機能付き投込式水位計が提供される。
第1実施形態にかかる投込式水位計の調節システムが対象とする投込式水位計の概略構成図。 第1実施形態にかかる投込式水位計が備える検出部の概略断面図。 基準圧側ダイヤフラムおよび水圧側ダイヤフラムにかかるそれぞれの圧力の差圧と表示部で表示される水位の指示値との対応関係を示す図。 第1実施形態にかかる投込式水位計の調節システムの概略構成図。 4つの水圧測定器を装着した検出部を示す図。 第1実施形態にかかる投込式水位計の調節システムに対応した仕様の表示部の一例を示す図。 第1実施形態にかかる投込式水位計の調節システムおよび投込式水位計の常設される部材の概略構成図。 第1実施形態にかかる投込式水位計の調節方法を示すフローチャート。 第2実施形態にかかる投込式水位計の調節方法の説明図。
以下、本実施形態の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
〔投込式水位計20〕
まず、投込式水位計の調節システム10(以下、単に「調節システム10」という)が適用される投込式水位計20について図1および図2(適宜、図4参照)を用いて説明する。
図1は、第1実施形態にかかる調節システム10が対象とする投込式水位計20の概略構成図である。
投込式水位計20は、図1に示されるように、液中に投げ込まれる検出部24が、伝線29および信号線38を介して変換部32に接続されている。
変換部32は、例えば中央制御室41の内部の表示部26に接続されている。
変換部32は、検出部24から受信した液体の水位に関する電流信号をI/V変換をして、表示部26へ送信する。
また、図2は、投込式水位計20が備える検出部24の概略断面図である。
検出部24は、図2に示されるように、一方の底面に入水孔33が設けられた筐体21によって、円筒状の外形を有している。
筐体21の内部には、入水孔33が設けられた底面の付近に圧力センサ22が筐体21を封止するように設置されている。
この圧力センサ22によって筐体21の内部は周囲の液体から隔離されて、圧力センサ22からさらに内部には液体は侵入しない。
一方、入水孔33が設けられていない他方の底面には、中空ケーブル23が接続されている。中空ケーブル23は、通常時は、筐体21が接続されていない他端で大気開放されており、筐体21の内部を大気圧Patmに維持させている。圧力センサ22のうち、封止された筐体21の内部に面する一面は、この中空ケーブル23を介して、大気圧Patmを受ける。
圧力センサ22のうち液体と接触する他面は水圧Pwを受ける。圧力センサ22は、例えば、隔膜にかかる圧力を電気信号の大きさに変換するダイヤフラム25を利用したものが広く使用されている。
圧力センサ22が有する水圧側ダイヤフラム25aが受ける水圧Pwと、基準圧側ダイヤフラム25bが中空ケーブル23を介して受ける大気圧Patmとの差圧ΔPは、電圧に変換されて差分部35に読み取られる。
この電圧は、V/I変換回路37で電流信号に変換されて、信号線38に出力される。信号線38は、中空ケーブル23および強化線18とともに被覆材28に被覆されて、変換部32(図1)に接続されている。
変換部32は、検出部24から信号線38を介して受信したこの電流信号をI/V変換をして、表示部26へ送信する(図1)。
ここで、図3は、基準圧側ダイヤフラム25bおよび水圧側ダイヤフラム25aにかかるそれぞれの圧力の差圧ΔPと表示部26で表示される水位の指示値との対応関係を示す図である。
表示部26は、変換部32から送信される差圧ΔPに基づく電気信号を液体(比重1の液体の場合)の水位(図3では、36.4m)として表示する。
しかし、この水位の指示値は、上述のように水圧Pwなどの圧力に基づいて計算されるものであるため、実際の水位と完全には一致していないことがある。
例えば、貯蔵されている液体の種類によって液体の密度が高くなると、水圧Pwが高くなるため、水位は実際よりも深いものと表示される。
調節システム10(図4)は、この表示部26の水位の指示値の補正をして正確な指示値にするものである。
なお、使用している「指示値」の用語は、作業員に視認されるものに限定されず、投込式水位計20で水位として認識されるあらゆる値を意味する。ただし、各実施形態では、例として表示部26で表示される水位の指示値に関する調節について説明する。
(第1実施形態)
〔調節システム10〕
図4は、第1実施形態にかかる調節システム10の概略構成図である。
また、図5は、4つの水圧測定器50(浸水部材51)を装着した検出部24を示す図である。
第1実施形態にかかる調節システム10は、図4に示されるように、水圧測定器50、指定部43、密度導出部47、密度平均部49および補正部48を備える。
水圧測定器50は、複数の水深における複数の密度σn(σ1〜σ3)を導出するため、図5に示されるように、3つ以上が装着される。それぞれの水圧測定器50n(50)は、例えば、シリコンや金属などからなるバブラチューブ51n(浸水部材51n)と、バブラチューブ51n(51)に加圧をして背圧を計測する計測部53n(53)(図4)と、から構成される。
以下、図4および図5に示されるように、調節システム10に4つの水圧測定器50n(501〜504)が備えられている例で説明する。
バブラチューブ51n(511〜514)は、検出器を構成する伝線29および検出部24の外表に開口端27が異なる水深となるように治具39で固定される。
バブラチューブ51n(511〜514)の大気中に開口する他方の自由端は、地上において、それぞれ対応する計測部53n(531〜534)に接続される。
計測部53n(531〜534)は、接続されたバブラチューブ51から加圧し、逆に受ける背圧を計測することで、バブラチューブ51の開口端27における水圧Pn(P1〜P4)を取得する。
これら計測部53nは、いずれも指定部43を介して密度導出部47に接続される。
指定部43は、全ての計測部53n(531〜534)のうち、稼働して密度σn(σ1〜σ3)の導出に用いる水圧Pnを測定する3以上の計測部53nを、例えば作業員による選択に従い指定する。
ここで、図6は、第1実施形態にかかる調節システム10に対応した仕様の表示部26の一例を示す図である。
表示部26には、例えば、作業員に、稼働させる計測部53n(以下、「稼働計測部53n」という)を指定させる測定器選択ボタン34が設けられる。
以下、図4において、全ての計測部53n(531〜534)が指定部43によって指定されたとして説明する。
作業員に選択によって指定された稼働計測部53n(531〜534)は、補正部48および密度導出部47へ指定部43を介して接続される。
そして、稼働計測部53nは、稼働して接続されたバブラチューブ51(511〜514)の開口端27の水深における水圧Pnを計測する。計測された水圧Pn(P1〜P4)は、その大きさが電気信号に変換され、密度導出部47へ送信される。
密度導出部47は、これら水圧Pnと水圧Pn+1との差異、および開口端27の水深差Ln(L1〜L4)に基づいて、式(1)で示す液体の密度σn(σ1〜σ3)を導出する。
σn=(|Pn−Pn+1|/g)/L (1)
ただし、gは重力加速度を表わす。
導出された密度σn(σ1〜σ3)の情報は、密度平均部49に送信される。密度平均部49は、密度導出部47で導出された3つの密度σn(σ1〜σ3)を平均して液体の平均密度σaveを導出する。
このようにして導出された平均密度σaveは、表示部26に表示されるとともに、補正部48に送信される。
補正部48は、この平均密度σaveを用いて次式(2)に従って水位の指示値を補正する。
k=(|Pw−Patm|/g)/σave (2)
ただし、Lkは、圧力センサ22の真の水深である。
なお、補正は、表示部26に密度補正ボタン48a(48)を設け、作業員が手動で反映させてもよい。
このように、調節システム10によれば、3以上の水深における水圧Pn(P1〜P4)から2以上のσn(σ1〜σ3)を導出して平均することで、水位の測定対象となる液体に密度勾配が発生した場合にも、水位の指示値に対して精度の高い補正をすることができる。
〔調節方法〕
次に、第1実施形態にかかる調節方法を図8のフローチャートを用いて説明する(適宜図4、図5および図7を参照)。
図7は、第1実施形態にかかる調節システム10および投込式水位計20の常設される部材の概略構成図である。
対象となる投込式水位計20は、検出部24が、水位が検出される液体を貯蔵した構造物の底部に沈下している。検出部24には、複数のバブラチューブ51が、それぞれ開口端27を検出部24の外表面に固定されて設置されている。バブラチューブ51の自由端は、中継器13に接続されている。また、中空ケーブル23は、中継器13において大気開放されている。
一方、信号線38は、補正時でなくても、延長信号線38aで変換部32に接続されており、検出された差圧ΔPの電気信号を変換部32へ伝送させている。変換部32で受信した電気信号は、中央制御室41などに設置された表示部26へ送られて、水位として作業員に監視されている。
このような投込式水位計20に対して、まず、調節システム10を接続する(S11)。
具体的には、まず、作業員が中継器13に延長バブラチューブ52を接続して、バブラチューブ51および計測部53などの各種部材を接続する。
ただし、一度接続した調節システム10は接続したままにして、2度目以降はステップS11を省略してもよい。
次に、指定部43が、設置された水圧測定器50のうち、3つ以上を稼働させる水圧測定器50に指定する(S12)。上述のように表示部26に測定器選択ボタン34を設けて作業員がから選択してもよいが、指定部43が自動で選択してもよい。選択により特定された4つの水圧測定器50は、起動してそれぞれの水深における水圧Pn(P1〜P4)を測定する。
稼働計測部53n(531〜534)は、それぞれに接続されたバブラチューブ51n(511〜514)に、その開口端27からバブルが漏出するまで加圧をする。
この加圧によって、稼働計測部53nは、逆にバブラチューブ51(511〜514)から背圧を受ける。
稼働計測部53nに接続されるそれぞれのバブラチューブ51nにかかる背圧が、開口端27の水深における水圧Pn(P1〜P4)として測定される。
次に、密度導出部47で、測定された水圧Pn(測定水圧)の相互の差異および水深差Lnから式(1)に基づいて液体のそれぞれの水深における密度σnを導出する(S14)。
そして、密度平均部49で、平均密度σaveを導出する(S15)。
平均密度σaveの値は、表示部26に表示されるとともに、補正部48に送信される。
次に、補正部48が、密度平均部49で導出された平均密度σaveを用いて式(2)で水位の指示値を補正して、動作を終了する(S16:END)。
以上のように、第1実施形態にかかる調節システム10および調節方法によれば、水位の測定対象となる液体に密度勾配が発生した場合にも、水位の指示値に対して精度の高い補正をすることができる。
(第2実施形態)
図9は、第2実施形態にかかる調節方法の説明図である。
第2実施形態にかかる調節システム10は、図9に示されるように、密度導出部47が特定の水深における密度σnを他の水深における密度σ(k≠n)から算出する。
例えば、第1実施形態のように(1)を用いると、第1バブラチューブ511と、第2バブラチューブ512との間の区間の層の密度σ1は、次式(3)のようになる。
σ1=(|P1−P2|/g)/L (3)
しかし、比重の特に高い液体が含まれているなどして、特定の水深以降は急激に密度が増加し、各々の水深における密度σnがその水深に比例していない場合がある。この場合、式(3)で導出される密度σ1はこの区間の密度を代表していないことになる。
また、第1バブラチューブ511と第2バブラチューブ512との水深差Lが小さい場合、水圧差である|P1−P2|の値は小さくなり、σ1の誤差の影響が大きくなる。
この場合、この区間における密度σ1を|P1−P2|から直接導出するのではなく、間接的に求めることが望ましい。そこで、次式(4)〜(10)で表される関係式が成り立つことに着目する。
なお、この開口端27は、計算を容易にするため、以下相互に等しい間隔Lで配置されているものとしている。ただし、等間隔でなくても、係数が変化するのみで、同様の関係式が成り立つ。また、理解を容易にするため、図9に示されるようにバブラチューブ51nの数が5つの場合で説明する。
まず、第1バブラチューブ511の開口端27にかかる水圧P1と他のバブラチューブ51n(512〜515)の開口端27にかかる水圧Pn(P2〜P5)との関係について、
1−P2=σ1 Lg (4)
1−P3=σ1-32Lg (5)
1−P4=σ1-43Lg (6)
1−P5=σ1-54Lg (7)
が成り立つ。
また、第2バブラチューブ512の開口端27にかかる水圧P2と他のバブラチューブ51(513〜515)の開口端27にかかる水圧Pn(P3〜P5)との関係について、
2−P3=σ2 Lg (8)
2−P4=σ2-42Lg (9)
2−P5=σ2-53Lg (10)
が成り立つ。
よって、
(5)−(4),(8)との関係から、
σ1 =2σ1-3 −σ2 (11)
(6)−(4),(9)との関係から、
σ1 =3σ1-4 −2σ2-4 (12)
(7)−(4),(10)との関係から、
σ1 =4σ1-5 −3σ2-5 (13)
が成り立つ。
これら式(11)〜式(13)のいずれかを用いて密度σ1を導出すれば、当該水深区間を代表する密度σ1を得ることができる。また、式(11)〜式(13)で導出される密度σ1を平均して密度σ1としてもよい。
このように、他の密度σ(k≠n)との関係式から導出したいくつかの密度σnと、第1実施形態で示したように直接導出した密度σ(k≠n)は、密度平均部49で第1実施形態と同様に平均される。
なお、特定の区間の密度σnを他の密度σ(k≠n)との関係式から導出すること以外は、第2実施形態は第1実施形態と同じ構造および動作手順となるので、重複する説明を省略する。
図面においても、共通の構成または機能を有する部分は同一符号で示し、重複する説明を省略する。
以上のように、第2実施形態にかかる調節システム10および調節方法によれば、特定の区間の密度σnを他の区間の密度σ(k≠n)との関係式から導出することで、液体全体の密度をより正確に表した平均密度σaveを取得することができる。
以上述べた少なくとも一つの実施形態の調節システム10によれば、水位の測定対象となる液体に密度勾配が発生した場合にも、水位の指示値に対して精度の高い補正をすることができる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。
これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。
これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
10…投込式水位計の調節システム(調節システム)、13…中継器、18…強化線、20…投込式水位計、21…筐体、22…圧力センサ、23…中空ケーブル、24…検出部、25…ダイヤフラム、25a…水圧側ダイヤフラム、25b…基準圧側ダイヤフラム、26…表示部、27…開口端、28…被覆材、29…伝線、32…変換部、33…入水孔、34…測定器選択ボタン、35…差分部、37…V/I変換回路、38…信号線、38a…延長信号線、39…治具、41…中央制御室、43…指定部、47…密度導出部、48(48a)…補正部(密度補正ボタン)、49…密度平均部、50…水圧測定器、50(n)…水圧測定器、51(n)…バブラチューブ(浸水部材)、52…延長バブラチューブ、53(n)…計測部(稼働計測部)、L(n)…水深差、Patm…大気圧、P(n)…水圧、Pw…水圧、ΔP…差圧、σ(n)…密度、σave…平均密度。

Claims (10)

  1. 貯蔵された液体に投げ込まれる検出器の外表面に異なる水深で固定される3以上の水圧測定器と、
    前記水圧測定器のうちの少なくとも3つで測定された測定水圧の相互の差異および前記水圧測定器の前記水深の差異に基づいて前記液体の密度を2以上導出する密度導出部と、
    前記密度導出部で導出された2以上の前記密度を平均して前記液体の平均密度を導出する密度平均部と、
    前記平均密度に基づいて前記液体の水位の指示値を補正する補正部と、を備えることを特徴とする投込式水位計の調節システム。
  2. 前記水圧測定器は、前記外表面に等間隔で固定される請求項1に記載の投込式水位計の調節システム。
  3. 特定の水深における前記密度を他の水深の前記密度との関係から算出する算出部を備える請求項1または請求項2に記載の投込式水位計の調節システム。
  4. 前記検出器は、
    一部が前記液体に開放された筐体の端部を封止して水圧を受ける圧力センサと、
    前記筐体の内部に接続されて前記圧力センサに前記液体の外部から圧力を送る中空ケーブルと、を備える請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の投込式水位計の調節システム。
  5. すべての前記水圧測定器のうちから実際に前記測定水圧を測定する3以上の前記水圧測定器を指定する指定部を備える請求項4に記載の投込式水位計の調節システム。
  6. 前記密度平均部で導出された前記平均密度に基づいて前記水位の前記指示値を補正する補正部を備える請求項5に記載の投込式水位計の調節システム。
  7. 前記水圧測定器は、
    前記検出器の前記外表面に開口端が固定されたバブラチューブと、
    前記バブラチューブに加圧をして背圧を計測する計測部と、を備え、
    前記測定水圧は前記背圧である請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の投込式水位計の調節システム。
  8. 請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の調節システムを備える調節機能付き投込式水位計。
  9. 貯蔵された液体に投げ込まれる検出器の外表面に異なる水深で3以上の水圧測定器を固定するステップと、
    前記水圧測定器のうちの少なくとも3つで測定された測定水圧相互の差異および前記水圧測定器の前記水深の差異に基づいて前記液体の密度を2以上導出するステップと、
    導出された2以上の前記密度を平均して前記液体の平均密度を導出するステップと、
    前記平均密度に基づいて前記液体の水位の指示値を補正するステップと、を含むことを特徴とする投込式水位計の調節方法。
  10. コンピュータに、
    貯蔵された液体に投げ込まれる検出器の外表面に異なる水深で3以上の水圧測定器を固定するステップ、
    前記水圧測定器のうちの少なくとも3つで測定された測定水圧相互の差異および前記水圧測定器の前記水深の差異に基づいて前記液体の密度を2以上導出するステップ、
    導出された2以上の前記密度を平均して前記液体の平均密度を導出するステップ、
    前記平均密度に基づいて前記液体の水位の指示値を補正するステップ、を実行させることを特徴とする投込式水位計の調節プログラム。
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