JP6488529B2 - 光給電型水位計 - Google Patents

Description

本発明は、光給電型水位計に関する。

下記特許文献１には、水位計測データを光信号として外部に出力する水位計測システムが開示されている。この水位計測システムは、河川等に水没する水位計と地上の局舎内に設けられたデータ処理装置とを伝送用光ファイバで接続し、水位計が計測した水位計測データを光信号に変換し、当該光信号を伝送用光ファイバを介してデータ処理装置に伝送するものである。また、この水位計測システムは、地上に設けられた中継箱内に給電装置を備え、当該給電装置から給電線（電線）を介して水中の水位計に電力を供給する。

特開２００８−０６４４７３号公報

ところで、上記従来技術では、水中の水位計が必要とする電力を給電装置から給電線（電線）を介して電気的に給電するが、電力を光信号に変換し給電用光ファイバを用いて水中の水位計に光給電することも考えられる。
しかしながら、このように水位計に光給電する場合、当該光給電に用いる光信号（光給電信号）の強度（光電力）は、水位計測データを伝送するための光信号の強度よりも大幅に大きいので、例えば水位計測システムに何らかの異常が発生した場合には、光給電信号の給電用光ファイバへの出力を速やかに停止させる必要がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、異常発生時に光給電信号の給電用光ファイバへの出力を自動停止させることを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明では、光給電型水位計に係る第１の解決手段として、外部から受信する光給電信号から得られる電力に基づいて作動し、水位を示す水位データを出力する水位検出器と、該水位検出器に光給電信号を供給すると共に、水位検出器から取得した水位データに所定のデータ処理を施す変換器と、該変換器から入力される光給電信号を水位検出器に伝送する給電用光ファイバと、水位検出器から入力される通信信号を変換器に伝送する通信信号用伝送線とを備え、変換器は、通信信号用伝送線から入力される通信信号に基づいて給電用光ファイバに異常が発生したか否かを検知し、給電用光ファイバに異常が発生すると当該給電用光ファイバへの光給電信号の出力を停止し、通信信号は、所定周期のクロック信号に水位データを示す符合を多重化した多重化信号であり、変換器は上記多重化信号に基づいて給電用光ファイバの異常を判定する、という手段を採用する。

光給電型水位計に係る第２の解決手段として、上記第１の手段において、通信信号は、ＲＺ(Return to Zero)方式のデジタル信号である、という手段を採用する。

本発明によれば、通信信号用伝送線から入力される通信信号に基づいて給電用光ファイバあるいは通信信号用伝送線に異常が発生したか否かを検知し、給電用光ファイバあるいは通信信号用伝送線に異常が発生すると当該給電用光ファイバへの光給電信号の出力を停止するので、給電用光ファイバの異常発生時に光給電信号の給電用光ファイバへの出力を自動停止させることができる。

本発明の一実施形態に係る光給電型水位計のシステム構成図である。 本発明の一実施形態に係る光給電型水位計の動作を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態に係る光給電型水位計における異常判定方法を示すタイミングチャートである。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
本実施形態に係る光給電型水位計は、図１に示すように発信器Ｇ（水位検出器）、光ケーブルＣ及び変換器Ｔを備えている。

発信器Ｇは、計測対象に水没して使用されるものであり、計測対象の水位を検出し、当該水位を示す上り通信用光信号を変換器Ｔに送信する水位検出器である。この発信器Ｇは、光ケーブルＣを介して変換器Ｔ（外部）から受信する光給電信号に基づいて電力を取得し、当該電力によって作動する。このような発信器Ｇは、図１に示すように、検出部１、制御部２、通信用光送信部３、通信用光受信部４及び給電用光受電部５を備えている。

検出部１は、計測対象の水圧から水位を検出し、当該水位を示す水位データを制御部２に出力する。制御部２は、発信器Ｇの全体的の動作を統括的に制御するものであり、検出部１から上記水位データを取得し、変換器Ｔから受信したデータ送信要求に応じて水位データを変換器Ｔに送信する。

詳細については後述するが、制御部２は、発信器Ｇから取得した水位データを所定のデータフレームに格納し、当該データフレームを所定のクロック信号を多重化した多重化信号を上り通信信号として通信用光送信部３に出力する。このような多重化信号は、ＲＺ（Return to Zero）方式のデジタル信号（ＲＺ信号）である。

通信用光送信部３は、制御部２から入力された上り通信信号（電気信号）を上り光通信信号に変換して光ケーブルＣに出力する光電変換回路である。この通信用光送信部３は、レーザダイオードを用いることにより上り通信信号（電気信号）を所定波長のレーザ光である上り光通信信号に変換する。なお、上記上り光通信信号は、本実施形態における通信信号である。

通信用光受信部４は、光ケーブルＣから入力される下り光通信信号（レーザ光）を下り通信信号（電気信号）に変換する光電変換回路である。給電用光受電部５は、光ケーブルＣから入力される光給電信号（ＣＷレーザ光：Continuous Wave Laser）を給電電力（直流電力）に変換する光電変換回路である。

光ケーブルＣは、発信器Ｇと変換器Ｔとの間に設けられ、給電用光ファイバＣ１、下り通信用光ファイバＣ２及び上り通信用光ファイバＣ３（通信信号用伝送線）を備えている。このような光ケーブルＣは、給電用光ファイバＣ１、下り通信用光ファイバＣ２及び上り通信用光ファイバＣ３という３本の光ファイバが単一のシースで被覆されたものであり、外見的には１本のケーブルである。したがって、何らかの原因で光ケーブルＣが断線する場合（異常な場合）は、３本の光ファイバの何れか１本あるいは２本が断線するということはなく、３本の全てが同時に断線する。

給電用光ファイバＣ１は、変換器Ｔから入力される光給電信号を発信器Ｇに伝送する光伝送線路である。下り通信用光ファイバＣ２は、変換器Ｔから入力される下り光通信信号を発信器Ｇに伝送する光伝送線路である。上り通信用光ファイバＣ３は、発信器Ｇから入力される上り光通信信号を変換器Ｔに伝送する光伝送線路である。

ここで、このような光ケーブルＣで伝送される光給電信号、下り光通信信号及び上り光通信信号のうち、下り光通信信号及び上り光通信信号は、同一の光強度及び光波長であるが、光給電信号の光強度及び光波長は、下り光通信信号及び上り光通信信号の光強度及び光波長に対して異なる。

すなわち、光給電信号の光強度は、下り光通信信号及び上り光通信信号の光強度に対して二桁大きなものであり、例えば数百ｍＷ程度である。また、光給電信号の光波長は、下り光通信信号及び上り光通信信号の光波長よりも若干異なり、例えば１．５μｍ程度である。

このような光給電信号、下り光通信信号及び上り光通信信号を伝送する光ケーブルＣは、発信器Ｇに対して固定的に接続されているが、変換器Ｔに対しては着脱自在に接続されている。すなわち、給電用光ファイバＣ１、下り通信用光ファイバＣ２及び上り通信用光ファイバＣ３の一端は発信器Ｇに固定され、一方、給電用光ファイバＣ１、下り通信用光ファイバＣ２及び上り通信用光ファイバＣ３の他端は、光コネクタＦ１〜Ｆ３を介して変換器Ｔに接続される。

一方、変換器Ｔは、地上に設けられるものであり、発信器Ｇから受信した水位データを保存あるいはデータ変換する装置である。この変換器Ｔは、図１に示すように、通信用光送信部７、通信用光受信部８、制御部９、データ処理部１０、給電用光送電部１１及び電源部１２を備えている。

通信用光送信部７は、制御部９から入力される下り通信信号（電気信号）を下り光通信信号に変換して下り通信用光ファイバＣ２に出力する光電変換回路である。この通信用光送信部７は、レーザダイオードを用いることにより下り通信信号（電気信号）を所定波長のレーザ光である下り光通信信号に変換する。通信用光受信部８は、上り通信用光ファイバＣ３から入力される上り光通信信号を受信ＲＺ信号（電気信号）に変換して制御部９に出力する光電変換回路である。

制御部９は、変換器Ｔの全体的の動作を統括的に制御するものであり、通信用光送信部７に対して下り通信信号を出力すると共に、通信用光受信部８から入力される受信ＲＺ信号をＮＲＺ（Non Return to Zero）方式のデジタル信号（ＮＲＺ信号）に変換する。

詳細は後述するが、上り通信信号は、クロック信号とデータフレームとが多重化された多重化信号である。制御部９は、このような上り通信信号に基づいて通信用光送信部３→上り通信用光ファイバＣ３→通信用光受信部８を介して入力された受信ＲＺ信号のデータフレームから水位データを抽出し、当該水位データをデータ処理部１０に出力する。また、制御部９は、データ処理部１０から水位データを取得して外部に送信する。

また、制御部９は、給電用光送電部１１の光出力を制御する制御電圧を生成して給電用光送電部１１に出力する。さらに、制御部９は、上記上り通信信号（多重化信号）に基づいて給電用光ファイバＣ１に異常が発生したか否かを検知する。制御部９は、給電用光ファイバＣ１の異常発生を検知すると、電源部１２に給電停止信号を出力することにより給電用光ファイバＣ１への光給電信号の出力を停止させる。

データ処理部１０は、制御部９等を介して発信器Ｇから順次取得した水位データを蓄積すると共に当該水位データを制御部９を介して外部に提供する。このデータ処理部１０は、このような水位データの記憶・送信機能に加えて、水位データの表示機能や印刷機能をも備えている。すなわち、データ処理部１０は、付帯的に設けられる操作部が受け付ける管理者の操作指示等に基づいて水位データに所定のデータ処理を施す。

給電用光送電部１１は、上述した光給電信号を発生させて給電用光ファイバＣ１に出力する光電変換回路である。この給電用光送電部１１は、レーザダイオードを用いることにより、制御部９から入力される制御電圧及び電源部１２から入力される直流電圧に応じた光強度の光給電信号を発生させる。

電源部１２は、外部から供給される所定電圧の直流電力を電圧変換し、変換器Ｔの各部に電源として供給するＤＣ−ＤＣコンバータである。また、この電源部１２は、上記直流電圧を生成し、制御部９から入力される給電停止信号に基づいて直流電圧の給電用光送電部１１への出力／非出力を切り替える。すなわち、制御部９から給電停止信号が入力されない状態では制御電圧（直流電圧）を給電用光送電部１１に出力し、一方、制御部９から給電停止信号が入力されると、制御電圧（直流電圧）の給電用光送電部１１への出力を停止する。

この結果、制御部９から電源部１２に給電停止信号が入力されない状態では、給電用光送電部１１から給電用光ファイバＣ１に光給電信号が出力され、一方、制御部９から電源部１２に給電停止信号が入力されると、給電用光送電部１１から給電用光ファイバＣ１への光給電信号の出力が停止する。

次に、このように構成された光給電型水位計の動作について、図２及び図３も参照して詳しく説明する。

変換器Ｔの電源部１２は、外部から直流電力が供給されると、変換器Ｔの各部への電源供給を開始する。そして、電源部１２は、直流電圧の給電用光送電部１１への出力を開始する。この結果、変換器Ｔが通常動作を開始すると共に、給電用光送電部１１から給電用光ファイバＣ１への光給電信号の出力、つまり変換器Ｔから発信器Ｇへの光給電が開始される（ステップＳ１）。

一方、発信器Ｇでは、給電用光ファイバＣ１から給電用光受電部５に光給電信号が供給される。この結果、給電用光受電部５から発信器Ｇの各部への電源供給が開始し、発信器Ｇが通常動作を開始する。

変換器Ｔの制御部９は、電源部１２からの電源供給によって通常動作を開始すると、発信器Ｇが出力する多重化信号が正常に受信できているか否かを判定する（ステップＳ２）。すなわち、発信器Ｇが通常動作を開始すると、当該発信器Ｇの制御部２は、所定のクロック信号の生成を開始し、当該クロック信号（ＲＺ方式デジタル信号）にデータフレームを多重化した多重化信号（ＲＺ方式デジタル信号）を上り通信信号として通信用光送信部３に出力する。この結果、通信用光送信部３は、クロック信号に基づく上り光通信信号を上り通信用光ファイバＣ３に出力する。

ここで、上記データフレームは、図３に示すように、所定ビット数（例えば８ビット）の水位データにスタートビット（Start Bit）とストップビット（Stop Bit）を付加したビット列（例えば１０ビット）である。また、クロック信号は、所定の繰返し周期かつ所定のパルス幅を有するクロックパルス列である。このようなデータフレームとクロック信号とは同期しており、データフレームを構成する各ビットは、クロック信号を構成する各クロックパルスに対応している。

制御部９は、上記データフレームのスタートビットに対応するクロックパルスよりも１つ前のクロックパルスを開始トリガーパルスとして評価タイマによる経時を開始し、評価タイマによる経時期間が所定のしきい値を越えるか否かに基づいて光ケーブルＣ（給電用光ファイバＣ１）の断線を判定する。

すなわち、通信用光送信部３から入力される多重化信号（ＲＺ信号）に基づいて制御部９が生成する多重化信号（ＮＲＺ信号）は、データフレームに水位データが含まれていない場合、つまりデータフレームに空データが格納されていた場合において、スタートビットによってハイレベルからローレベルに遷移した後にストップビットによってローレベルからハイレベルに遷移するまでの時間（評価時間）が最長時間となる。

光ケーブルＣが正常な場合は、上り光通信信号が上り通信用光ファイバＣ３を介して通信用光受信部８に正常に入力され、この結果として制御部９は多重化信号（ＮＲＺ信号）を取得することができる。この場合、上記評価時間は、データフレームに水位データが含まれていない場合における最長時間を越えることはない。

すなわち、制御部９は、評価時間が最長時間を越えたか否かを判定することにより、多重化信号を正常に受信しているか否かを判定する（ステップＳ２）。そして、光ケーブルＣが断線していない場合、変換器Ｔは発信器Ｇから多重化信号に基づく上り光通信信号を受信するので、ステップＳ２の判定は「Ｙｅｓ」となり、データ送信要求を通信用光送信部７に出力する（ステップＳ３）。

そして、上記データ送信要求は、通信用光送信部７で下り光通信信号に変換されて下り通信用光ファイバＣ２に出力され、この結果、通信用光受信部４を介して制御部２に入力される。制御部２は、上記データ送信要求が入力されると、計測部から水位データを取得して水位フレーム化し、当該水位フレームにクロック信号を多重化した多重化信号を上り通信信号として通信用光送信部３に出力する。そして、通信用光送信部３は、上記上り通信信号（多重化信号）を上り光通信信号に変換して上り通信用光ファイバＣ３に出力する。

この結果、上り光通信信号は上り通信用光ファイバＣ３から通信用光受信部８に入力されて受信ＲＺ信号（多重化信号）に変換される。そして、この受信ＲＺ信号は、通信用光受信部８から制御部９に入力されてＮＲＺ方式の多重化信号に変換される。そして、制御部９は、多重化信号（ＮＲＺ信号）が正常に受信できているか否かを判定する（ステップＳ４）。

光ケーブルＣが正常な場合には、変換器Ｔは上り光通信信号を発信器Ｇから正常に受信することができるので、ステップＳ４の判定は「Ｙｅｓ」となり、制御部９は、水位フレームから水位データを再生し、当該水位データが正常に受信できたか否かを判定する（ステップＳ５）。そして、制御部９は、ステップＳ５の判定が「Ｙｅｓ」の場合には水位データをデータ処理部１０に出力して所定のデータ処理を行わせる（ステップＳ６）。

一方、光ケーブルＣが何らかの原因で異常（断線）した場合、変換器Ｔは発信器Ｇから上り光通信信号を正常に受信することができないので、上述したステップＳ２、Ｓ４の判定は「Ｎｏ」となる。すなわち、光ケーブルＣが断線した場合には、クロック信号を含む上り光通信信号が上り通信用光ファイバＣ３を介して発信器Ｇから変換器Ｔに供給されないので、クロック信号は、通信用光受信部８から制御部９に入力されない。したがって、光ケーブルＣが断線した場合、ステップＳ２、Ｓ４の判定は「Ｎｏ」となるので、制御部９は、電源部１２に対して給電停止信号を出力する（ステップＳ７）。

そして、電源部１２は、上記給電停止信号に基づいて制御電圧の給電用光送電部１１への出力を停止し、よって給電用光送電部１１から給電用光ファイバＣ１への光給電信号の出力が停止する。この結果、発信器Ｇは通常動作を停止して休止状態となる。

また、制御部９は、このようにして変換器Ｔから発信器Ｇへの光給電を停止すると、光ケーブルＣの断線を報知するためのアラーム信号を外部に出力する（ステップＳ８）。光給電型水位計を管理する管理者は、このアラーム信号によって光ケーブルＣの断線を認知して当該光ケーブルＣの補修作業を行う。

このような本実施形態によれば、変換器Ｔは、発信器Ｇから受信する上り光通信信号（通信信号）に基づいて光ケーブルＣつまり給電用光ファイバＣ１の断線を検知し、当該検知の結果に基づいて給電用光ファイバＣ１への光給電信号の出力が停止させる。したがって、給電用光ファイバＣ１の異常発生時に光給電信号の給電用光ファイバＣ１への出力を自動停止させることができる。

また、本実施形態によれば、通信用光送信部３は、ＲＺ信号（多重化信号）に対応した上り光通信信号を生成して上り通信用光ファイバＣ３に出力する。このような上り光通信信号は、ＮＲＺ信号を光電変換して生成された光信号との比較において単位時間当たりの発光時間が短いので、通信用光送信部３を省電力化することができる。通信用光送信部３の消費電力は、発信器Ｇの全消費電力に対する割合が高いので、通信用光送信部３を省電力化することにより、光給電信号の光強度つまり変換器Ｔから発信器Ｇに伝送する光電力を抑制することができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記実施形態では、発信器Ｇから受信した多重化信号に基づいて変換器Ｔで光ケーブルＣの異常を判定したが、本発明はこれに限定されない。発信器Ｇから受信する多重化信号以外の信号に基づいて光ケーブルＣの異常を判定してもよい。

（２）上記実施形態では、多重化信号に基づいて光ケーブルＣの異常発生を検知すると光給電信号の給電用光ファイバＣ１への供給を自動停止させたが、本発明は、これに限定されない。光給電信号の給電用光ファイバＣ１への供給停止に加えて、下り光通信信号の下り通信用光ファイバＣ２への供給停止を行ってもよい。

Ｔ 変換器
１ 検出部
２ 制御部
３ 通信用光送信部
４ 通信用光受信部
５ 給電用光受電部
Ｃ 光ケーブル
Ｃ１ 給電用光ファイバ
Ｃ２ 下り通信用光ファイバ
Ｃ３ 上り通信用光ファイバ
Ｇ 発信器（水位検出器）
７ 通信用光送信部
８ 通信用光受信部
９ 制御部
１０ データ処理部
１１ 給電用光送電部
１２ 電源部

Claims (2)

1. 外部から受信する光給電信号から得られる電力に基づいて作動し、水位を示す水位データを出力する水位検出器と、
   該水位検出器に前記光給電信号を供給すると共に、前記水位検出器から取得した前記水位データに所定のデータ処理を施す変換器と、
   該変換器から入力される前記光給電信号を前記水位検出器に伝送する給電用光ファイバと、
   前記水位検出器から入力される所定の通信信号を前記変換器に伝送する通信信号用伝送線とを備え、
   前記変換器は、前記通信信号用伝送線から入力される前記通信信号に基づいて前記給電用光ファイバに異常が発生したか否かを検知し、前記給電用光ファイバに異常が発生すると当該給電用光ファイバへの前記光給電信号の出力を停止し、
   前記通信信号は、所定周期のクロック信号に前記水位データを示す符合を多重化した多重化信号であり、
   前記変換器は、前記多重化信号に基づいて前記給電用光ファイバの異常を判定することを特徴とする光給電型水位計。
2. 前記通信信号は、ＲＺ(Return to Zero)方式のデジタル信号であることを特徴とする請求項１記載の光給電型水位計。

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