JP6775775B2 - ステップ式水位計 - Google Patents

Description

本発明は、ステップ式水位計に関する。

従来から、水面変動をステップ状の波形として測定するステップ式水位計が知られている。ステップ式水位計は、長手方向に並べた多数個の水位検出用電極（以下、電極）と、これら電極群と対をなす共通電極からなる測定棹を水面に立て、水位の変動に応じて電極が水に浸かったり空中に露呈したりすることによって得られる電極と共通電極間の電気的なオン、オフ状態（スイッチング作用）を利用して水位を検知し、これらを連続的に観測することによって水面の変動波形を測定する。

従来のステップ式水位計には、代表的なものとして水位検出方法の違いによりリレー型とパルス型と呼ばれる２つの形式がある。電極回路がオンなのかオフなのかを検出・弁別する手段として、リレー型では電磁リレーが用いられ、パルス型では論理素子・回路が用いられており、いずれの形式でも電極間に流れる電流値を適当な閾値で弁別することにより電極のオン／オフを判定している。このような電極の状態情報から水位出力を得る電子回路には、リレー型に抵抗直列型と抵抗並列型の２つの形式があり、パルス型に微分パルス型とパルス計数型がある。しかし、その信号変換方法は基本的に２種類に分けられる。その一つは水没電極の中で最も水面に近い電極位置に対応した出力を得るものであり、抵抗直列型と微分パルス型がこの形式と言える。もう一つは、水没電極の総数に比例した出力を得るものであり、抵抗並列型とパルス計数型がこの方式と言える。

佐々木弘 他、「マイクロプロセッサ応用によるステップ式波高計の応用について」、港湾技術研究所報告、Ｖｏｌ．２２、Ｎｏ．３、ｐ．５７−８２（１９８３）

従来の抵抗直列型や微分パルス型のステップ式水位計では、最上位水面の上方の電極に波しぶき等がかかった場合に、その電極が示す高さを水位として判断してしまう。同様の場合に、抵抗並列型やパルス計数型のステップ式水位計では、実水位より高い水位を表示してしまう。また、汚染による電極表面抵抗の増大に伴うオン電流の減少や、水草、藻などの付着等によるオフ時のリーク電流の増大とオフ抵抗の上昇回復の遅れなどが発生し、検出回路の応答特性変化や弁別レベルの閾値設定条件の変化が発生する。

また、実回路においては、各電極からそれぞれ電線を引き出し電気回路に接続しなければならず、電極が増えれば増えるほど電気回線が増え取扱いが困難になってくる。また、電極間隔を狭くすることが困難であり、１ｃｍ程度の水位変化を計測することが困難である。加えて、電極に用いる金属には電食の問題が発生する可能性があり、陽極側に白金電極を使用することで高価な装置になってしまう面がある。

本発明は、以上のような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、取扱いが容易なステップ式水位計を実現することにある。

（１）本発明は、直列接続される複数のセンサーユニットと、前記複数のセンサーユニットとデータ通信を行い、前記複数のセンサーユニットに電源を供給する制御ユニットと、共通電極とを含み、前記センサーユニットは、前記共通電極と対をなすセンサー電極と、前記センサー電極と前記共通電極間に流れる電流を検出し、検出した電流値をデジタル化し規格化したデータを前記制御ユニットに送信する電子回路と、前記制御ユニット又は上位の前記センサーユニットと接続する第１コネクタと、下位の前記センサーユニットと接続する第２コネクタとを備えた、ステップ式水位計に関する。

本発明によれば、各センサーユニットが個別に検出データを発信するため、水位の高さ、その変動状態、しぶきの高さ等を測定できることはもとより、汚れ等の付着により電極間にリーク電流が発生、増加した場合でもその情報を即座に得ることができる。また、本発明によれば、コネクタを介して制御ユニットとセンサーユニットを接続し、コネクタを介してセンサーユニット同士を接続するだけで、制御ユニットと各センサーユニット間のデータ通信及び電源供給が可能となるため、配線の増大を招かずにセンサーユニット（センサー電極）の数を増やすことができる。

（２）また本発明に係るステップ式水位計では、前記センサー電極を炭素材料で形成し、前記共通電極を金属材料で形成してもよい。

本発明によれば、安価に電極対（センサー電極と共通電極）の電食を防止することができる。

（３）また本発明に係るステップ式水位計では、前記共通電極は、前記制御ユニット及び前記複数のセンサーユニットを格納する金属製の格納容器であってもよい。

本発明によれば、制御ユニット及びセンサーユニットを格納する格納容器を共通電極として利用することで、機器構成を簡素化することができる。

（４）また本発明に係るステップ式水位計では、前記電子回路を樹脂でポッティングしてもよい。

本発明によれば、センサーユニットが備える電子回路を適切に保護することができる。

（５）また本発明に係るステップ式水位計では、前記制御ユニットは、前記センサーユニットにおける電流検出範囲を変更する制御を行ってもよい。

本発明によれば、汚れ等の付着によりセンサーユニットにおいて電極間にリーク電流が発生、増加した場合であっても、当該センサーユニットにおける電流検出範囲を適切な値に変更することで、当該センサーユニットを使用可能状態にすることができるため、センサーユニットの使用寿命を延ばすことができ、且つ保守の回数を減らすことができる。

本実施形態のステップ式水位計の構成の一例を示すブロック図である。 センサーユニットの構成の一例を示す図である。 制御ユニットとセンサーユニット間の接続及びセンサーユニット間の接続について説明するための図である。 格納容器の構成の一例を示す図である。 複数のセンサーユニットを格納した状態の格納容器を示す図である。 センサーユニットの第１コネクタと第２コネクタ間の配線の一例を示す図である。

以下、本実施形態について説明する。なお、以下に説明する本実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また本実施形態で説明される構成の全てが、本発明の必須構成要件であるとは限らない。

図１は、本実施形態の水位計（ステップ式水位計）の構成の一例を示すブロック図である。なお本実施形態の水位計１は図１の構成要素（各部）の一部を省略した構成としてもよい。

水位計１は、制御ユニット１０と、同一種類の複数（ｎ個）のセンサーユニット２０（２０−１〜２０−ｎ）と、ターミネータ部３０（終端器）と、共通電極として機能する格納容器４０から構成される。制御ユニット１０とｎ個のセンサーユニット２０とターミネータ部３０は直列接続され、格納容器４０に格納される。直列接続の最上位に制御ユニット１０が位置し、最下位にターミネータ部３０が位置し、その中間にｎ個のセンサーユニット２０が位置する。水位計１自体を直列に複数接続することもでき、この場合、ターミネータ部３０は、水位計１間で電源・通信を中継するリピータ部（中継器）として機能し、次段の水位計１の制御ユニット１０と電源・通信ケーブルで接続される。

制御ユニット１０は、電源部１１と制御部１２と通信部１３を備える。電源部１１（内部電源）は、ｎ個のセンサーユニット２０とターミネータ部３０に電源を供給する。制御部１２は、水位計１を統合制御する。制御部１２は、通信部１３を介してｎ個のセンサーユニット２０のそれぞれとデータ通信（コマンド／アドレス信号の送信、データの送受信）を行い、各センサーユニット２０から取得したデータに基づく測定データ（水位の変動等のデータ）を生成する。

制御ユニット１０は、外部電源と演算器とを備えた表示機器１００と電源・通信ケーブル１０１で接続される。表示機器１００は、制御ユニット１０から取得した測定データに基づく測定結果を表示部に表示する。また、表示機器１００は、入力部を備え、入力された入力情報に基づく制御信号を制御ユニット１０に送信する。制御ユニット１０は、表示機器１００から受信した制御情報に基づいて、各センサーユニット２０の設定を変更する等の制御を行う。

図２は、センサーユニット２０の構成の一例を示す図である。センサーユニット２０は、回路基板に設けられたセンサー電極２１と電子回路から構成される。電子回路は、センサー電極２１に電圧を印加する電圧回路と、センサー電極２１と共通電極（格納容器４０）間に流れる電流を検出する電流検出回路と、ＡＤ変換器と、マイクロプロセッサ等を含む。電流検出回路で検出された電流値は、ＡＤ変換器でデジタル化され、マイクロプロセッサにより規格化されて制御ユニット１０に送信される。センサーユニット２０の電子回路を海水等から保護するために、電子回路は、プラスチック製枠と、水密性、耐候性、耐海水性に優れた樹脂でポッティングされている。

また、センサーユニット２０は、回路基板の上面側と下面側のそれぞれに、通信用と電源用のコネクタを備えている。図２では、上面側の第１コネクタ２２のみを図示しているが、下面側には第２コネクタ２３が設けられている。センサー電極２１は、センサーユニット２０の側面から外部に露出し、第１コネクタ２２、第２コネクタ２３は、センサーユニット２０の上下面から外部に露出している。

図３は、制御ユニット１０とセンサーユニット２０間の接続及びセンサーユニット２０間の接続について説明するための図である。図３では、センサーユニット２０のセンサー
電極２１、電子回路、プラスチック製枠、ポッティング材の図示を省略している。図３に示すように、センサーユニット２０の回路基板２４上面に設けられた第１コネクタ２２は、制御ユニット１０の回路基板１４下面に設けられたコネクタ１５、或いは上位のセンサーユニット２０の回路基板２４下面に設けられた第２コネクタ２３と接続する（センサーユニット２０の第２コネクタ２３は、下位のセンサーユニット２０の第１コネクタ２２と接続する）。本実施形態の水位計１は、多数のセンサーユニット２０を垂直方向に重ね合わせて直列接続することができ、コネクタ１５及び第１コネクタ２２を介してセンサーユニット２０を制御ユニット１０に接続し、第１コネクタ２２及び第２コネクタ２３を介してセンサーユニット２０同士を接続するだけで、制御ユニット１０と各センサーユニット２０間のデータ通信及び電源供給が可能となるように構成されている。従って、配線の増大を招かずにセンサーユニット２０（センサー電極２１）の数を増やすことができる。

図４は、格納容器４０の構成の一例を示す図であり、図５は、制御ユニット１０と複数のセンサーユニット２０とターミネータ部３０を格納した状態の格納容器４０を示す図である。格納容器４０は、導電性のある金属材料（例えば、ステンレス）で形成される。格納容器４０には制御ユニット１０により電圧が印加され、これにより、格納容器４０は、各センサーユニット２０のセンサー電極２１と対をなす共通電極として機能する。格納容器４０をマイナス電極にし、センサー電極２１をプラス電極にすることで、格納容器４０の電食を防止することができる。更に、センサー電極２１をグラファイトカーボン（炭素材料の一例）で形成することで、安価で電食のない電極対を構成することができる。また、格納容器４０を共通電極として利用することで、機器構成を簡素化することができる。

格納容器４０の側面には、垂直方向に延びる縦長の開口４１が設けられている。開口４１は、格納容器４０に格納された複数のセンサーユニット２０の各センサー電極２１に対向する位置に設けられ、格納容器４０周囲の液体がセンサー電極２１に接触できるように構成されている。共通電極である格納容器４０と各センサー電極２１間の距離（開口４１側面と各センサー電極２１間の距離）は、開口４１の幅によって規定され、例えば、開口４１の幅を１ｃｍとした場合、共通電極と各センサー電極２１間の距離は５ｍｍとなる。

センサーユニット２０のセンサー電極２１と格納容器４０（開口４１）の間に海水等の導電性液体が付着すると、当該センサー電極２１と格納容器４０との間に電流が流れ、この電流値は当該センサーユニット２０の電流検出回路により検出され、検出された電流値はＤＡ変換器でデジタル化される。そして、このデジタルデータは、当該センサーユニット２０のマイクロプロセッサによって、予め設定された電流検出範囲において、例えば０から２５５までの値（８ビット値）に規格化される。なお、電流検出範囲の下限値以下の値は全て０（或いは、２５５）に規格化され、上限値以上の値は全て２５５（或いは、０）に規格化される。この規格化された値によって、当該導電性液体の導電率の変化を検知することができ、且つリーク電流の強さも検知することができる。この値は、適切なプロトコル（例えば、ＲＳ４８５等のシリアル通信規格）で制御ユニット１０（外部）から読み出される。これにより、淡水から海水までの導電率の違う液体の検出が可能になり、且つその種別をある程度判別することができる。

また、各センサーユニット２０に設定された電流検出範囲（電流値として検出する下限値及び上限値）は、制御ユニット１０から適切な通信プロトコルで変更できるように構成されている。

センサー電極２１（プラス電極）と格納容器４０（マイナス電極）間の印加電圧は、消費電力を抑えるために低くすることが望ましい。消費電力が低いとセンサーユニット２０の連結数を増やすことが可能になり、例えば電極間の印加電圧を０．５Ｖ程度にすると、センサーユニット２０の連結数を５００以上とすることができる。なお、電極間の印加電
圧が低いと、電極間に電解質（海水等）が付着した場合、初期状態では電極間に電流が流れるが、その後徐々に電流値が減少する。これは、この電極間に発生した逆起電力が印加電圧を相殺するからである。そのため、低い印加電圧（０．５Ｖ程度）を採用する場合（消費電力を抑えたい場合）は、センサー電極回路の入力端にスイッチング回路を挿入し、データ取り込みをしない時はプラス電極への電源供給を遮断してグランド（マイナス電極）に短絡する必要がある。このようにすることで、電極間の印加電圧が低い場合でも、電極間に付着又は没した液体の導電率の違いを判定することができるようになる。また、電極間の印加電圧が１．３Ｖ程度以上の時は、電解質が電極間に付着又は没した初期状態ではパルス的に電流が流れ、その後ある程度の電流値を維持し、電解質の付着又は没状態の有無が繰り返された場合はパルス的な電流が繰り返し流れるので、水面の変化状態を観測するのに効果的である。

また、本実施形態の水位計１では、複数のセンサーユニット２０を重ね合わせて直列に接続するだけで接続順に応じたアドレスが各センサーユニット２０に割り当てられるように、電気回路的な工夫を施している。

図６は、センサーユニット２０の回路基板に設けられた第１コネクタ２２と第２コネクタ２３間の配線の一例を示す図である。センサーユニット２０の第１コネクタ２２及び第２コネクタ２３（及び、制御ユニット１０のコネクタ１５）は、同数の複数の端子を有している。第１コネクタ２２及び第２コネクタ２３が有する複数の端子は、複数のグループに区分され、各グループに含まれる端子の数は互いに素である（各グループに含まれる端子の数は互いに異なる素数である）。図６に示す例では、第１コネクタ２２及び第２コネクタ２３が有する５本の端子を、２本の端子Ａ１、Ａ２を含む第１グループと、３本の端子Ｂ１〜Ｂ３を含む第２グループに分けている。

そして、各グループにおいて、第１コネクタ２２のｎ番目の端子は、第２コネクタ２３のｎ番目以外の端子に接続されている。図６に示す例では、第１グループにおいては、第１コネクタ２２の端子Ａ１（１番目の端子）が第２コネクタ２３の端子Ａ２（２番目の端子）に接続され、第１コネクタ２２の端子Ａ２が第２コネクタ２３の端子Ａ１に接続されている。また、第２グループにおいては、第１コネクタ２２の端子Ｂ１（１番目の端子）が第２コネクタ２３の端子Ｂ３（３番目の端子）に接続され、第１コネクタ２２の端子Ｂ２（２番目の端子）が第２コネクタ２３の端子Ｂ１に接続され、第１コネクタ２２の端子Ｂ３が第２コネクタ２３の端子Ｂ２に接続されている。

センサーユニット２０の電子回路は、論理積回路２５を有している。論理積回路２５は、各グループの第１コネクタ２２のいずれか１つの各端子からの信号の論理積を演算し、演算結果に応じてイネーブル信号を出力する。図６に示す例では、論理積回路２５は、第１グループの端子Ａ１からの信号と第２グループの端子Ｂ１からの信号との論理積を演算するように接続されている。

表１は、図６に示す例において、センサーユニット２０−１〜２０−６のそれぞれに割り当てられるアドレス（各端子に入力される信号レベル）を示している。

図６、表１に示すように、制御ユニット１０において端子Ａ１、Ｂ１に入力される信号レベルをＨ（ｈｉｇｈ）とし、端子Ａ２、Ｂ２、Ｂ３に入力される信号レベルをＬ（ｌｏｗ）とすると、センサーユニット２０−１において、Ｈレベルの信号が端子Ａ１、Ｂ１から論理積回路２５に入力され、当該論理積回路２５の出力信号レベルがＨとなる（論理積回路２５からイネーブル信号が出力される）。また、制御ユニット１０において端子Ａ２、Ｂ２に入力される信号レベルをＨとし、端子Ａ１、Ｂ１、Ｂ３に入力される信号レベルをＬとすると、センサーユニット２０−２において、Ｈレベルの信号が端子Ａ１、Ｂ１から論理積回路２５に入力され、当該論理積回路２５からイネーブル信号が出力される。同様に、制御ユニット１０において端子Ａ１、Ｂ３に入力される信号レベルをＨとすると、センサーユニット２０−３の論理積回路２５からイネーブル信号が出力され、端子Ａ２、Ｂ１に入力される信号レベルをＨとすると、センサーユニット２０−４の論理積回路２５からイネーブル信号が出力され、端子Ａ１、Ｂ２に入力される信号レベルをＨとすると、センサーユニット２０−５の論理積回路２５からイネーブル信号が出力され、端子Ａ２、Ｂ３に入力される信号レベルをＨとすると、センサーユニット２０−６の論理積回路２５からイネーブル信号が出力される。このように、制御ユニット１０において表１に従って各端子に信号（アドレス信号）を出力することで、任意のセンサーユニット２０をイネーブルにして当該センサーユニット２０とデータ通信を行うことができる。

図６に示す例では、５本の端子（信号線）を２本の端子と３本の端子にグループ分けしているため、２×３＝最大６台のセンサーユニット２０にアドレスを割り当てることができる。例えば、１０本の端子を２本の端子と３本の端子と５本の端子の３グループに分けて、各グループの端子を上述した手法で配線すれば、２×３×５＝最大３０台のセンサーユニット２０にアドレスを割り当てることができる。また、例えば２５６台のセンサーユニット２０を直列接続する場合、２１本の端子を２本の端子と３本の端子と５本の端子と１１本の端子の４グループに分けて、各グループの端子を上述した手法で配線すればよい。この場合、２×３×５×１１＝最大３３０台のセンサーユニット２０にアドレスを割り当てることができる。このように、少ない信号線で多数のセンサーユニット２０にアドレスを割り当て、制御ユニット１０からアクセスすることができる。

以上説明したように、本実施形態の水位計１によれば、各センサーユニット２０が個別に検出データ（電流値をデジタル化し規格化したデータ）を発信するため、水位の高さ、その変動状態、しぶきの高さ等を測定できることはもとより、汚れ等の付着により電極間にリーク電流が発生、増加した場合でもその情報を即座に得ることができる。そして、センサーユニット２０において電極間にリーク電流が発生、増加した場合であっても、当該センサーユニット２０における電流検出範囲（閾値）を適切な値に変更することで、当該センサーユニット２０を使用可能状態にすることができるため、センサーユニット２０の使用寿命を延ばすことができ、且つ保守の回数を減らすことができる。一方、センサーユニット２０の厚みを小さく（例えば、１ｃｍ程度）し、多数のセンサーユニット２０を接続し、且つ、超波計等の測定最小高が大きい（例えば、１０ｃｍ程度）機器に採用した場
合には、多数のセンサーユニット２０のうち数個のセンサーユニット２０が経年劣化等で故障したとしても、その故障したセンサーユニット２０からのデータを採用しなければ問題がないので機器としての使用上問題は発生しない。また、故障したセンサーユニット２０を新しいセンサーユニット２０と交換する際に、アドレスの指定や閾値の指定等の設定を個別に交換作業現場で行う必要がないため、保守作業が容易になる。

以上、本実施形態あるいは変形例について説明したが、本発明はこれら本実施形態あるいは変形例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施することが可能である。

本発明は、実施形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。

１ 水位計（ステップ式水位計）、１０ 制御ユニット、１１ 電源部、１２ 制御部、１３ 通信部、１４ 回路基板、１５ コネクタ、２０ センサーユニット、２１ センサー電極、２２ 第１コネクタ、２３ 第２コネクタ、２４ 回路基板、２５ 論理積回路、３０ ターミネータ部、４０ 格納容器、４１ 開口、１００ 表示機器、１０１ 電源・通信ケーブル

Claims (5)

1. 直列接続される複数のセンサーユニットと、
   前記複数のセンサーユニットとデータ通信を行い、前記複数のセンサーユニットに電源を供給する制御ユニットと、
   共通電極とを含み、
   前記センサーユニットは、
   前記共通電極と対をなすセンサー電極と、
   前記センサー電極と前記共通電極間に流れる電流を検出し、検出した電流値をデジタル化し規格化したデータを前記制御ユニットに送信する電子回路と、
   前記制御ユニット又は上位の前記センサーユニットと接続する第１コネクタと、
   下位の前記センサーユニットと接続する第２コネクタとを備えた、ステップ式水位計。
2. 請求項１において、
   前記センサー電極は炭素材料で形成され、前記共通電極は金属材料で形成された、ステップ式水位計。
3. 請求項１又は２において、
   前記共通電極は、前記制御ユニット及び前記複数のセンサーユニットを格納する金属製の格納容器である、ステップ式水位計。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項において、
   前記電子回路を樹脂でポッティングした、ステップ式水位計。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項において、
   前記制御ユニットは、
   前記センサーユニットにおける電流検出範囲を変更する制御を行う、ステップ式水位計。

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