JP6809684B1 - 液位計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】比較的簡単な構造で、省電力ながら正確に液位を計測可能な液位計測装置を提供。【解決手段】本開示の液位計測装置は、所定の液体の液位を計測する装置である。液位計測装置は、投光したレーザー光が受光素子に戻ってくるまでの時間を距離に換算することで測定対象までの距離を計測する光センサと、光センサと所定のサーバとの間の信号を無線で通信する通信部と、内部が中空に形成された不透明なパイプであって、一方の端部が密閉され他方の端部が開口された測定パイプと、その内部に磁石が配置され内径側に測定パイプが挿入されることで該測定パイプの外周面に沿って上下に移動するフロートと、フロート側磁石と対になって運動する測定子側磁石を有し該測定子側磁石の運動によって測定パイプの内周面に沿って上下に摺動する測定子と、測定パイプの開口端を遮光するように該測定パイプの開口端に装着されるセンサケースと、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザー光センサを用いて液体の液位を計測する液位計測装置に関する。

従来から、水田や河川等の水位を計測する技術が知られている。例えば、水田では、稲の生育段階や気象条件に応じて水田の水位を変える水管理を行うことが必要である。そして、この水管理を行うために、水田内に配置された電極間の電気抵抗値から水田の水位を検出する水田用水位計が実用化されている。また、連続的に水位変化を計測する方法として、投げ込み法やエアー・バブル法が知られている。投げ込み法は、ダイヤフラムおよび圧力センサ／トランスミッタを備えた密水容器を水底に沈め、水圧を測ることにより水位を求める方法である。エアー・バブル法は、空気源より水中に差し込まれた空気吹き込み管を通じて常に一定量の空気を水中に吹き込み、空気吹き込み管内の圧力を圧力センサで測定して水位を求める方法である。また、例えば、河川では、ダムのゲート制御によって下流域の水位が上昇することがあり、安全のためにダムの下流域には放流警報システムが設置されている。そして、このようなシステムが設置されている河川の流域における水位測定には、その多くにフロート式と呼ばれる浮きの上下する位置で水位を測定する方式の水位計が使用されている。

このような接触式の水位計測技術が知られている一方で、非接触式の水位計測技術も知られている。例えば、超音波測定は、所定範囲の周波数で信号波を送出し、対象物である液面に当たって戻ってくるエコー（反射波）のタイミングのずれを測定することによって、液面までの距離計算をするものである。

ここで、従来技術として、特許文献１には、内部中空の測定パイプの上部に超音波センサを配し、液面とともに上下遊動するフロートの動きに応じて上下動する可動磁石までの距離を計測する液面測定装置が開示されている。これによれば、液面が激しく運動する液面条件においても、その影響を抑制して超音波測定をすることができる。

特開２００２−３４０６５７号公報

従来から実用化されている電極式の水田用水位計では、泥や異物を含む水田の水質により導電率が変化するために水位を正確に検出することができないという問題があった。また、投げ込み法により水位変化を計測する場合、構造が複雑となりコストも高くなる傾向があり、エアー・バブル法により水位変化を計測する場合、常に適切にコントロールされた流量の空気を水中に吹き込む必要があり正確な測定が困難になる虞がある。

一方、非接触式の水位計測技術では、直接液面に向かって信号波を送出するため、液面条件の影響を受けやすいという問題があった。ここで、従来技術（特許文献１）によれば、外乱の影響を受けやすい液面ではなく可動磁石に向かって信号波を送出するため外乱の影響を抑制でき、非接触式の水位計測技術における問題を解決できるようにも思われる。しかしながら、超音波センサは消費電力が大きく、液体の液位を計測する技術については、未だ改良の余地を残すものである。

本開示の目的は、比較的簡単な構造で、省電力ながら正確に液位を計測可能な液位計測装置を提供することにある。

本開示の液位計測装置は、所定の液体の液位を計測する装置である。そして、この液位計測装置は、投光したレーザー光が受光素子に戻ってくるまでの時間を距離に換算することで測定対象までの距離を計測する光センサと、前記光センサと所定のサーバとの間の信号を無線で通信する通信部と、内部が中空に形成された不透明なパイプであって、一方の端部が密閉され他方の端部が開口された測定パイプと、前記所定の液体に浮遊可能に構成され、且つその内部に磁石が配置されたリング状のフロートであって、その内径側に前記測定パイプが挿入されることで該測定パイプの外周面に沿って上下に移動するフロートと、前記測定パイプに収容され、前記光センサからのレーザー光が照射される測定子であって、前記フロートに配置されたフロート側磁石と対になって運動する磁石である測定子側磁石を有し、該測定子側磁石の運動によって該測定パイプの内周面に沿って上下に摺動する測定子と、前記光センサが収容された不透明なケースであって、前記測定パイプの開口端を遮光するように該測定パイプの開口端に装着されるセンサケースとを備え、前記測定パイプの外周面にＯリングを装着することによって、測定パイプとセンサーケースが嵌合される液位計測装置である。

上記の構成によると、測定パイプの密閉された一方の端部が液底（水田、河川の底や貯留容器の底等が含まれる。）に着地するように配置されると、フロートが液面に浮遊することになる。そして、このとき、測定子は、フロート側磁石の磁界作用によって測定子側磁石に働く力と、重力と、が釣り合う位置に存在することになる。本開示の液位計測装置では、この状態における光センサと測定子との距離を計測することで、所定の液体の液位が計測される。このように、本開示の液位計測装置によれば、比較的簡単な構造で液位を計測することができる。

ここで、光センサは、超音波センサよりも消費電力が少ない。そのため、液体の液位の計測に光センサを用いれば、超音波センサを用いる場合よりも省電力で計測することができる。しかしながら、光センサは、投光したレーザー光が受光素子に戻ってくるまでの時間を距離に換算するという原理上、レーザー光以外の光の影響を受けると正確に計測できないという問題があった。そこで、本開示の液位計測装置では、レーザー光以外の光の影響を抑制するために、測定子が収容された測定パイプの内部が遮光される。これによれば、省電力ながら正確に液位を計測することができる。

なお、本開示の液位計測装置では、上記の構成において、前記光センサは、前記所定の液体の液位の計測において、前記測定子までの距離を複数回続けて計測し、前記通信部は、前記光センサによる複数回の計測結果を前記所定のサーバに送信してもよい。

本開示によれば、比較的簡単な構造で、省電力ながら正確に液位を計測可能な液位計測装置を提供することができる。

第１実施形態における液位計測装置の概略構成を示す図である。 センサケースによる測定パイプの開口端の遮光を説明するための図である。 第１実施形態における、所定の液体の液位を計測する方法を説明するための図である。 液位計測装置の概略構成とともにサーバの構成要素を示す図である。 第２実施形態における所定の液体の液位を計測する計測システムの動作の流れを例示する図である。

以下、図面に基づいて、本開示の実施の形態を説明する。以下の実施形態の構成は例示であり、本開示は実施形態の構成に限定されない。

＜第１実施形態＞
第１実施形態における液位計測装置の概要について、図１を参照しながら説明する。図１は、本実施形態における液位計測装置の概略構成を示す図である。本実施形態に係る液位計測装置１００は、所定の液体の液位を計測する装置であって、測定対象までの距離を計測する光センサ１１０と、光センサ１１０と所定のサーバとの間の信号を無線で通信する通信アンテナ１１３と、内部が中空に形成された不透明な測定パイプ１４０と、所定の液体に浮遊可能に構成されたフロート１３０と、測定パイプ１４０に収容され光センサ１１０からのレーザー光が照射される測定子１２０と、光センサ１１０が収容された不透明なセンサケース１６０と、を備える。

光センサ１１０は、投光したレーザー光が受光素子に戻ってくるまでの時間を距離に換算することで測定対象までの距離を計測する、所謂ＴＯＦ（Ｔｉｍｅ Ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）方式のセンサである。光センサ１１０は、センサ素子１１１と基板１１２とバッテリ１１４とを含んで構成される。センサ素子１１１は、レーザー光を投光するレーザー発振器と、反射光を受ける受光素子と、を含む。基板１１２は、センサ素子１１１を用いて距離を計測するための回路を含む。バッテリ１１４は、光センサ１１０を作動させるための電力源である。また、光センサ１１０の基板１１２には、通信アンテナ１１３が配置され、基板１１２は無線通信回路を含んで構成される。なお、光センサ１１０と所定のサーバとの間の無線通信には、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）ＬｏｗＥｎｅｒｇｙ規格（ＢＬＥ）によるデータ通信や、ＮＦＣ（Near Field Communication）、ＵＷＢ（Ultra Wideband）、ＷｉＦｉ（登録商標）、携帯電話等のセルラー通信網、ＬＰＷＡ（Low Power Wide Area）などを利用することができる。

測定パイプ１４０は、非磁性で不透明な材質、例えば、ポリ塩化ビニル等の樹脂系のパイプを用いることができる。この測定パイプ１４０は、一方の端部が密閉され他方の端部が開口されるように構成される。本実施形態では、両端が開口した汎用のポリ塩化ビニルパイプの一方の端部が、密閉栓１５０によって密閉されることで、測定パイプ１４０が構成される。そうすると、本実施形態の測定パイプ１４０では、一方の端部が密閉栓１５０によって密閉され、他方の端部が開口端１４０ａとなる。なお、後述するように、測定パイプ１４０における密閉栓１５０が装着された側は、所定の液体に液没される。したがって、液体が測定パイプ１４０内に侵入しないように、密閉栓１５０は測定パイプ１４０の端部を完全にシールするように装着される。また、密閉栓１５０は、測定パイプ１４０の端部を遮光するように装着される。

フロート１３０は、浮遊体１３１とフロート側磁石１３２とを含んで構成される。浮遊体１３１は、例えばポリスチレン内にブタンなど炭化水素系の発泡剤を閉じ込め、スチームで加熱膨張させた発泡スチロール等からなる浮力を有する発泡系素材によってリング状に形成され、所定の液体の液面に浮かべられる。そして、フロート１３０は、浮遊体１３１の内径側に測定パイプ１４０が挿入されることで該測定パイプ１４０の外周面に沿って上下に移動する。また、フロート側磁石１３２は、浮遊体１３１の内部に配置され、浮遊体１３１と一体となって測定パイプ１４０の外周面に沿って上下に移動する。なお、本実施形態では、フロート側磁石１３２もリング状に形成される。

測定子１２０は、測定子本体１２１と測定子側磁石１２２とを含んで構成される。測定子本体１２１は、冠面とスカートとを有するピストン状に形成され、冠面に光センサ１１０からのレーザー光が照射され、冠面とスカートとの間に形成された外周溝にリング状の測定子側磁石１２２が配置される。ここで、測定子側磁石１２２は、フロート側磁石１３２と対になって運動する磁石である。詳しくは、測定子側磁石１２２の下面（スカート側）の極性と、フロート側磁石１３２の上面（液面と反対側）の極性と、が反対の関係となるように、測定子１２０とフロート１３０とが測定パイプ１４０の内外に配置されることで、図１（ｂ）に示すように、フロート側磁石１３２の磁界作用で測定子側磁石１２２が浮き上がる。そうすると、フロート側磁石１３２が浮遊体１３１と一体となって測定パイプ１４０の外周面に沿って上下に移動すると、測定子側磁石１２２は、該磁石に働く反発力と重力とが釣り合うようにフロート側磁石１３２の上下動に応じて運動することになる。そして、このような測定子側磁石１２２が装着された測定子１２０は、該測定子側磁石１２２と一体となって、測定パイプ１４０の内周面に沿って上下に摺動する。

センサケース１６０は、光センサ１１０が収容された不透明なケースである。センサケース１６０は、その内部に台座１６１を備えていて、台座１６１に基板１１２が載せられることで光センサ１１０が収容される。なお、センサケース１６０には開口が形成されていて、センサ素子１１１が該開口を向くように、センサケース１６０に光センサ１１０が収容される。そして、センサケース１６０の開口が測定パイプ１４０の外周面に嵌合されることで、センサケース１６０が測定パイプ１４０に装着される。

以上に述べた構成によれば、図１（ｂ）に示すように、光センサ１１０のセンサ素子１１１と、測定子１２０の冠面と、が対向するように配置される。そうすると、光センサ１１０と測定子１２０との距離を計測することが可能となる。これによって、後述するように液体の液位を計測することができる。

そして、本開示の液位計測装置１００によれば、センサケース１６０が、測定パイプ１４０の開口端１４０ａを遮光するように測定パイプ１４０に装着される。

ここで、上述した光センサ１１０は、超音波センサよりも消費電力が少ない。そのため、液体の液位の計測に光センサ１１０を用いれば、超音波センサを用いる場合よりも省電力で計測することができる。しかしながら、光センサは、投光したレーザー光が受光素子に戻ってくるまでの時間を距離に換算するという原理上、レーザー光以外の光の影響を受けると正確に計測できないという問題があった。そこで、本開示の液位計測装置１００では、レーザー光以外の光の影響を抑制するために、測定子１２０が収容された測定パイプ１４０の内部が遮光される。

図２は、センサケース１６０による測定パイプ１４０の開口端１４０ａの遮光を説明するための図である。本実施形態では、Ｏリング（Ｏ−ｒｉｎｇ）１７０を用いて測定パイプ１４０の外周面とセンサケース１６０との隙間が密閉される。図２（ａ）に示すように、測定パイプ１４０の開口端１４０ａ側の外周面には溝１４０ｂが形成されていて、そこにＯリング１７０が装着される。なお、Ｏリング１７０は、不透明（例えば黒色）であって、周知のゴムによって形成される。そして、図２（ｂ）に示すように、Ｏリング１７０が装着された測定パイプ１４０の外周面と嵌合するように、センサケース１６０が装着される。そうすると、センサケース１６０によってＯリング１７０が潰され、測定パイプ１４０の外周面とセンサケース１６０との隙間が密閉されることになる。つまり、センサケース１６０が、測定パイプ１４０の開口端１４０ａを遮光するように測定パイプ１４０に装着されることになる。これによって、光センサ１１０を用いてレーザー光以外の光の影響を抑制しながら、比較的簡単な構造で省電力且つ正確に液体の液位を計測することが可能となる。

次に、所定の液体の液位を計測する方法について、図３に基づいて説明する。図３は、本実施形態における、所定の液体の液位を計測する方法を説明するための図である。なお、本実施形態では、液位計測装置１００によって水田の水位が計測される。詳しくは、測定パイプ１４０が、密閉された一方の端部である密閉栓１５０が底に着地するように水田に配置され、光センサ１１０は、水田の水に浮遊するフロート１３０に対応する位置に存在する測定子１２０までの距離を計測することで、水田の水位を計測する。

ここで、図３（ａ）には、水位を計測する前の基準位置にフロート１３０が配置された基準状態が示される。本実施形態では、フロート１３０が重力によって測定パイプ１４０の外周面から脱落しないように、密閉栓１５０の外径がフロート１３０の浮遊体１３１の内径よりも大きくされている。つまり、密閉栓１５０が、測定パイプ１４０の外周面に沿って上下に移動するフロート１３０の下限側のストッパーとなっている。そして、フロート１３０がストッパーである密閉栓１５０に接触している状態が、上記の基準位置となる。本実施形態では、水位を計測する前の基準距離として、図３（ａ）に示す距離ａ（基準位置にあるフロート１３０に対応する位置に存在する測定子１２０の冠面と、光センサ１１０のセンサ素子１１１と、の距離）の数値を光センサ１１０によって計測する。なお、このとき、密閉栓１５０と一体化されている測定パイプ１４０の下端と、フロート１３０の下端と、の距離は、図３（ａ）に示す距離ｂである。

そして、図３（ｂ）には、測定パイプ１４０の下端が水田の底に着地するように液位計測装置１００が水田に配置された、水位計測状態が示される。図３（ｂ）によると、フロート１３０が水田の液面に浮遊していて、測定子１２０がフロート１３０に対応する位置に存在している。本実施形態では、この状態における測定子１２０の冠面と光センサ１１０のセンサ素子１１１との距離ｃの数値を光センサ１１０によって計測する。そうすると、水田の水位を表す距離ｄが下記式１によって示される。
ｄ＝ａ−ｃ＋ｂ ・・・式１
このように、水田の水位は、基準状態におけるフロート１３０の位置と、水位計測状態におけるフロート１３０の位置と、に基づいて、これらを計測した数値を演算することによって算出される。

このような計測方法によれば、センサや測定子等の計測手段を直接水に触れさせる必要がないので、泥詰まりなどの故障の原因が少なくなり、水田のように汚れやすい環境でも水位の変化を正確に計測できる保守性のよい液位計測装置を提供することができる。なお、水田の状態によっては、測定パイプ１４０の下端が水田の底に入り込んでいく場合がある。また、測定パイプ１４０を自立させるために、測定パイプ１４０の下端を水田の底に敢えて植え込む場合もある。このような場合には、測定パイプ１４０の下端を水田の底に刺すための挿入代を予め定めておき、その挿入代の数値を用いて上記式１を補正することで水田の水位を算出してもよい。このとき、実際に測定パイプ１４０の下端が水田の底に入り込む長さが予め定められた挿入代に制御できるように、測定パイプ１４０の下端側の外周面に別の部材（これは、例えば円盤状のプレートであって、該プレートは水田の底に刺さり難いため、該プレートから測定パイプ１４０の下端までの部分が水田の底に入り込むことになる。）が設けられてもよい。

本開示の液位計測装置１００では、光センサ１１０を用いて計測した液位に関する情報を含んだ信号が通信アンテナ１１３（液位計測装置１００における通信部）を介してサーバ３００に無線通信される。

図４は、液位計測装置１００の概略構成とともにサーバ３００の構成要素を示す図である。ここで、サーバ３００は、汎用のコンピュータにより構成してもよい。そして、サーバ３００は、機能部として通信部３０１、記憶部３０２、制御部３０３を有しており、補助記憶装置に格納されたプログラムを主記憶装置の作業領域にロードして実行し、プログラムの実行を通じて各機能部等が制御されることによって、各機能部における所定の目的に合致した各機能を実現することができる。通信部３０１は、サーバ３００をネットワークに接続するための通信インタフェースである。通信部３０１は、例えば、ネットワークインタフェースボードや、無線通信のための無線通信回路を含んで構成される。サーバ３００は、通信部３０１を介して、液位計測装置１００やその他の外部装置と通信可能に接続される。記憶部３０２は、主記憶装置と補助記憶装置を含んで構成される。主記憶装置は、制御部３０３によって実行されるプログラムや、当該制御プログラムが利用するデータが展開されるメモリである。補助記憶装置は、制御部３０３において実行されるプログラムや、当該制御プログラムが利用するデータが記憶される装置である。制御部３０３は、サーバ３００が行う制御を司る機能部である。制御部３０３は、ＣＰＵなどの演算処理装置によって実現することができる。

このように、光センサ１１０とサーバ３００との間で信号を無線で通信する構成によれば、配線を接続させることなく、光センサ１１０を用いて計測した液位に関する情報をサーバ３００に送信することができ、該情報をサーバ３００の記憶部３０２に記憶させることで、液位に関する情報を管理することができる。また、上述したように、光センサ１１０はバッテリ１１４を含んで構成される。つまり、光センサ１１０が外部に対して配線されないことになる。そのため、センサや測定子等の計測手段が収容された空間であって、測定パイプ１４０とセンサケース１６０とによって画定される内部空間が、密閉され遮光されることになる。なお、光センサ１１０とサーバ３００との間の無線通信が予め定められたタイミングで定期的に行われることによって、光センサ１１０を用いて計測した液位に関する情報がサーバ３００に送信されてもよい。

以上に述べた液位計測装置１００によれば、光センサ１１０と測定子１２０とフロート１３０と測定パイプ１４０とを用いた比較的簡単な構造で、且つ超音波センサを用いる場合よりも省電力で液体の液位を計測することができる。また、センサケース１６０が、測定パイプ１４０の開口端１４０ａを遮光するように測定パイプ１４０に装着されるとともに、光センサ１１０が外部に対して配線されない。そのため、光センサ１１０を用いてレーザー光以外の光の影響を抑制しながら、比較的簡単な構造で省電力且つ正確に液体の液位を計測することが可能となる。

＜第２実施形態＞
第２実施形態における液位計測装置について、図５に基づいて説明する。図５は、本実施形態における所定の液体の液位を計測する計測システムの動作の流れを例示する図である。本実施形態では、サーバ３００と液位計測装置１００とを含んで上記の計測システムが構成される。図５では、計測システムにおける各構成要素間の動作の流れ、および各構成要素が実行する処理を説明する。

本実施形態では、先ず、サーバ３００によって、液位計測装置１００を用いて所定の液体の液位を計測するための計測指令が生成される（Ｓ１０１）。ここで、計測指令は、計測システムのユーザによる入力に基づいて生成されてもよいし、予め定められたスケジュールに基づいて生成されてもよい。そして、サーバ３００は、生成した計測指令を液位計測装置１００に送信する（Ｓ１０２）。

液位計測装置１００は、通信アンテナ１１３を介して計測指令を取得する（Ｓ１０３）。そうすると、光センサ１１０は、所定の液体の液位の計測において、測定子１２０までの距離を複数回続けて計測する（Ｓ１０４）。そして、液位計測装置１００は、通信アンテナ１１３を介して、光センサ１１０による複数回の計測結果をサーバ３００に送信する（Ｓ１０５）。

次に、サーバ３００は、液位計測装置１００から送信された複数回の計測結果を取得する（Ｓ１０６）。そして、サーバ３００は、取得した複数回の計測結果に基づいて、所定の液体の液位を演算する（Ｓ１０７）。ここで、センサを用いた計測において、該センサ自体の誤差等の影響で計測結果にばらつきが生じることがある。そこで、本実施形態では、取得した複数回の計測結果に対して平均化の処理を行うことで液位を演算する。なお、液位の演算には、平均化以外の周知の手法を用いることもできる。これによれば、より正確に液体の液位を計測することが可能となる。

また、サーバ３００は、演算した液位の数値を含む液位情報を表示させる（Ｓ１０８）。サーバ３００は、ディスプレイ等の表示機器に上記の情報を表示させてもよいし、計測システムのユーザが有するタブレット端末等に上記の情報を送信して該端末に表示させてもよい。これにより、計測システムのユーザが液位を把握することが可能となる。

以上に述べた液位計測装置１００によっても、比較的簡単な構造で省電力且つ正確に液体の液位を計測することができる。

＜その他の変形例＞
上記の実施形態はあくまでも一例であって、本開示はその要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施しうる。上記の実施形態では、液位計測装置１００によって水田の水位が計測される例について説明したが、液位計測装置１００は、例えば、河川の水位の計測に用いられてもよい。

１００・・・液位計測装置
１１０・・・光センサ
１１１・・・センサ素子
１１３・・・通信アンテナ
１２０・・・測定子
１２２・・・測定子側磁石
１３０・・・フロート
１３２・・・フロート側磁石
１４０・・・測定パイプ
１４０ａ・・開口端
１６０・・・センサケース

Claims (1)

1. 所定の液体の液位を計測する液位計測装置であって、
   投光したレーザー光が受光素子に戻ってくるまでの時間を距離に換算することで測定対象までの距離を計測する光センサと、
   前記光センサと所定のサーバとの間の信号を無線で通信する通信部と、
   内部が中空に形成された不透明なパイプであって、一方の端部が密閉され他方の端部が開口された測定パイプと、
   前記所定の液体に浮遊可能に構成され、且つその内部に磁石が配置されたリング状のフロートであって、その内径側に前記測定パイプが挿入されることで該測定パイプの外周面に沿って上下に移動するフロートと、
   前記測定パイプに収容され、前記光センサからのレーザー光が照射される測定子であって、前記フロートに配置されたフロート側磁石と対になって運動する磁石である測定子側磁石を有し、該測定子側磁石の運動によって該測定パイプの内周面に沿って上下に摺動する測定子と、
   前記光センサが収容された不透明なケースであって、前記測定パイプの開口端を遮光するように該測定パイプの開口端に装着されるセンサケースと、
   を備える液位計測装置であって、
   前記測定パイプの外周面にＯリングを装着することによって、測定パイプとセンサーケースが嵌合されることを特徴とする、
   液位計測装置。
   

Images