JPH03154828A - 気柱共鳴式連通管水位計及びその水位測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、水準測量を行なう連通管の水位管内の液位を
測定する水位計と、該水位計を使用する水位計測方法と
に関するものである。

［従来の技術］ 水等の液体の液位を自動計測する技術としては、下記の
ものがある。

（１）液体にフロートを入れ、浮力を計測して液位に換
算する装置及び方法 （２）防水型圧力計を液体内に挿入し、静水圧から液位
を換算する装置及び方法 （３）気柱の共鳴現象を利用した水位計（特開昭５０−
２７５６３号） （４）音響工学的測定装置（特開昭５４−１４６６７６
号） また、橋梁架設時に測量機器（レベル）による水準測量
の代りに、連通管内の液位を計測して縦・断勾配を求め
た例があるが、この場合は目視による水位計測であった
。

［発明が解決しようとする課題］ 従来の（１）　、　（２）のタイプの水位計装置は計測
機器と液体が接触しており、機器の耐久性の面で問題が
あり、メンテナンス鰐手間がかかり、液体の比重によっ
て計測値が変わる可能性があることも問題であった。更
に、浮力検出用のロードセル、圧力計等は高価であり、
故障の対処も容易でない問題があった。

また、（３）は発音部（ａ）への入力信号と受音部（ｂ
）よりの出力信号の位相差を検出しフィード・バック制
御によって、共鳴周波数を求めるものであるため、制御
系（Ｃ）が必要となり、制御系の構成が複雑で高価にな
り、多点計測（例えば、橋梁等の縦断測量の自動化等で
必要）には不向きであった。

更に、（４）　は開口部を有する充填の場合など、予め
内容量の範囲が知られているものの液位を気柱共鳴にて
検出するものであるため、音圧のピークが何次の共鳴に
相当するかが、予め判っていることが必要であり、更に
開口した物が対象であるので、集音装置が周囲の雑音に
影響されるなどの問題点を有するため、屋外での測定の
場合や液位が大台く変化する場合等は、屋外の雑音や共
鳴周波数付近に音圧ピークを持つ雑音により、計測精度
が落ちる可能性があった。

本発明は、連通管の水位管内の液位を測定する計測精度
の高い水位計と、該水位計による水位計測方法を得るこ
とにある。

［課題を解決するための手段］　　、 本発明に係る気柱共喝式達通管水位計では、下端部を導
管によって連通して内部に液体を導入した複数の水位管
による水位計において、前記水位管内の上端部に配置さ
れた可聴域の周波数範囲を掃引する音波発振器と、同じ
く水位管の上端部に配置され前記水位管内の気柱部での
共鳴音波を検出する音波検出器とを備えたものであり、
更に、前記音波発振器と音波検出器とを前記水位管内の
上端部に密閉して配置したものである。

また本発明に係る気柱共鳴式連通管の液位測定方法では
、前記気柱共鳴式達通管水位針を用いた液位測定方法に
おいて、 前記音波発振器から発する掃引音波によるｎ次の気柱共
鳴周波数とｍ次の共鳴周波数とを検知し、音速Ｃと前記
２つの共鳴周波数の共鳴次数と周波数の差により、次式 ％式％ の共鳴周波数が、Ｈｍ次の共鳴周波数）に従って気柱部
ｌを求めることにより、前記水位管内の液位を求めるも
のであり、更に検知する共鳴周波数がＩｌｌ　ｔｌする
周波数である場合には、次式（但し、ｌ；気柱長、ｃ；
音速：ｆｎ：ｎ次の共鳴周波数がｌｌ次に隣接するｎ＋
１次の共鳴周波数）に従フて気柱部βを求めるものであ
る。

［作　用］ 本発明では、水位管内の上端部に配置された可聴域の周
波数範囲を掃引する音波発振器と、同じく水位管の上端
部に配置され前記水位管内の気柱部での共鳴音波を検出
する音波検出器とを備えたものであるため、管端補正の
必要がなく、しかも可聴域の音波を使用するため、空気
中の減衰が少なく、作業者が共鳴音を聞くことができる
ため測定時の人為的失敗が少なくなる。尚、好ましい可
聴域は、気柱部が２ｍ程度（管径３０ｍｍ）ならば、作
業者が容易に聞くことのできる２００〜２０００Ｈｚの
周波数であり、この周波数では前記の通り空気中の減衰
が少ないことが知られている。

また、音波発振器と音波検出器とを前記水位管内の上端
部に密閉して配置したものであるため、周囲の雑音の影
響が少なく、精度の高い計測値が得られる。

更に、本発明の方法では、音波発振器から発する掃引音
波によるｎ次の気柱共鳴周波数とｍ次の共鳴周波数とを
検知し、音速Ｃと前記２つの共鳴周波数の共鳴次数と周
波数の差により、次式％式％： の共鳴周波数が、Ｈｍ次の共鳴周波数）に従って気柱部
１を求めることにより、前記水位管の液位を求めるもの
であるため、容易にしかも高精度で、気柱長即ち液位を
求めることがで籾、特別な制御系を必要とせず、多数あ
る水位管を集中管理・することが可能となる。

更に付言するならば、円管内の共鳴現象は、音速を、ｃ
、気柱の長さを！とすれば、ｎ次の共鳴周波数ｆｎ及び
ｍ次の共鳴周波数ｆ、は、以下の式で表される。

なお、音速Ｃは温度、圧力、湿度の関数として求められ
る。従って、音波発振部より周波数を連続的に変化させ
て音を発生し、音波検出部で検出したｎ次及びｍ次の共
鳴音のピークをとらえれば（１）式及び（２）式より気
柱部１を求めることができる。

即ち、（１）式と（２）式の差を求め、気柱部１につい
て式を求めると、次式 となる。即ち気柱部ρは、音速Ｃと、ｎ次の周波数ｆｒ
ｌとｍ次の周波数ｆ、との差と、ｎ次とｍ次との［実施
例］ 第１図は本発明による水位計の一実施例の構成を示す説
明図であり、第２図は第１図の水位計を使用した橋梁架
設時の水準測量行なう際の説明図である。

第１図において、下端部を導管２によって連通して内部
に水５を導入した水位管１があり、その上端部には、マ
イク・スピーカ・整流回路を含む増幅器・温度センサ（
各々、図示せず）を一体に備えた計測計器３がゴム製等
の０−リング（図示せず）を介してほぼ密閉状に配置さ
れている・。このように、水位管の上端部に、計測計器
３が配置されているため、管端補正の必要がなく、しか
も可聴域の音波を使用するため、空気中の減衰が少なく
、作業者が共鳴音を聞くことができるため測定時の人為
的失敗が少なくなる。尚、好ましい可聴域は、気柱部が
２ｍ程度（管径３０ｍｍ）ならば、作業者が容易に聞く
ことのできる２００〜２０００Ｈｚの周波数であり、こ
の周波数では前記の通り空気中の減衰が少ないことが知
られている。

また、水位管ｌ上端部付近には、直径１ａＩｍ程度の通
気孔４が穿孔されており、液位上昇及び降下に伴う気柱
内の圧力変動を防ぐようになっている。水位管１の気柱
部分は、通気穴４を除いて密閉状態となっているため、
外部に影響されず、精度の高い液位測定が行なうことが
できる。また、直径１ｍ＋ｏ程度であるため、風等によ
る微小な圧力特開平３−１５４８２８　（４） 一花の艙−も少なくなる。

また、氷位＊１の側壁゛には計測計器３の増幅器の電源
が配置゛きれている。複数の水位管の各々の上端′に配
置されている計測計１３の各々の音波発振器の周波数、
温度センサーの温度及び音波検出器の検出出力等の信号
は、別途に用意された集中演算器６に入力される。

第２図において、幾つかの測定個所に水位管１が立設さ
れ、各水位管ｌの下端部を互いに導管２によって連通し
て連通管を構成している０図に示す通り、連通管を構成
しているため、各水位管１の液位は一定となる。

第３図は計測計器３の音波発振器によって、周波数を掃
引した場合の音波検出器よりの出力（整流後の出力）の
例を示した説明図である０図において、縦軸は音波強度
、横軸は周波数である。図に示す通り、同波数を掃引す
ると一定の周波数おきに共鳴周波数のピークが表われる
。隣接するピークのＭ（ｆ、１．Ｉ−ｆｎ）　をとり、
下記の式により、水位管１の気柱長１を求める。

また、隣接するピークでなく、幾つかの次数を経た周波
数の差でも求めることができる。即ち、ｎ次の周波数ｆ
。とｍ次の同波数ｆ、との差と、次数０次とｍ次との差
により、次式により求めることもできる。

尚、水位管１の気柱長りを求めるために使われる音速Ｃ
は、温度の影響を受けるため、水位管１の上端に配置し
た計測計器３に内蔵した温度センサーの出力を用いて計
算する。

〔発明の効果］ 以上のように、本発明では、水位管内の上端部に配置さ
れた可聴域の周波数範囲を掃引する音波発振器と、同じ
く水位管の上端部に配置され前記水位管内の気柱部での
共鳴音波を検出する音波検出器とを備えたものであるた
め、管端補正の必要がなく、しかも可聴域の音波を使用
するため、空気中の減衰が少なく、作業者が共鳴音を聞
くことができるため、測定時の人為的失敗が少なくなる
。

また、音波発振器と音波検出器とを水位管内の上端部に
密閉して配置したものであるため、周囲の雑音の影響が
少なく、精度の高い計測値が得られる。

更に、本発明の方法では、音波発振器から発する掃引音
波によるｎ次の気柱共鳴周波数とｍ次の共鳴周波数とを
検知し、音速Ｃと前記２つの共鳴周波数の共鳴次数と周
波数の差により、次式の共鳴周波数が、；ｍ次の共鳴周
波数）に従って気柱長ｌを求めることにより、前記水位
管内液位を求めるものであるため、容易にしかも高精度
で、気柱要部ち液位を求めることができ、特別な制御系
を必要とせず、多数ある水位管を集中管理することが可
能となる。

本発明によれば市販のマイグ、スピーカ、発振器を組み
合わせた簡単な構成と゛なり、装置が安価に製作できる
ので、多点計測を経済的に行なうことができる。また、
従来の方法に比べて、精度が高く、外界の雑音に強く、
キヤリプレーシミンが不要であり、長期安定性に優れる
などの特徴がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による水位計の一実施例の構成を示す説
明図、第２図は第１図の水位計を使用した橋梁架設時の
水準測量行なう際の説明図、第３図は周波数を掃引した
場合の音波検出器より□の出力の例を示した説明図であ
る。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）下端部を導管によって連通して内部に液体を導入
   した複数の水位管による水位計において、前記水位管内
   の上端部に配置された可聴域の周波数範囲を掃引する音
   波発振器と、同じく水位管の上端部に配置され前記水位
   管内の気柱部での共鳴音波を検出する音波検出器とを備
   えたことを特徴とする気柱共鳴式連通管水位計。
2. （２）前記請求項１に記載の気柱共鳴式連通管水位計に
   おいて、 前記音波発振器と音波検出器とを前記水位管内の上端部
   に密閉して配置したことを特徴とする気柱共鳴式連通管
   水位計。
3. （３）前記請求項１に記載の気柱共鳴式連通管水位計を
   用いた水位測定方法において、 前記音波発振器から発する掃引音波によるｎ次の気柱共
   鳴周波数とｍ次の共鳴周波数とを検知し、音速ｃと前記
   ２つの共鳴周波数の共鳴次数と周波数の差により、次式 ｌ＝（ｎ−ｍ）ｃ／２（ｆ＿ｎ−ｆ＿ｍ） （但し、ｌ：気柱長，ｃ；音速，ｆ＿ｎ；ｎ次の共鳴周
   波数，ｆ＿ｍ；ｍ次の共鳴周波数）に従って気柱長ｌを
   求めることにより、前記水位管内の液位を求める気柱共
   鳴式連通管の水位測定方法。
4. （４）前記請求項３に記載の気柱共鳴式連通管の水位測
   定方法において、 前記ｍ次の共鳴周波数がｎ次に隣接するｎ＋１次の共鳴
   周波数であり、次式 ｌ＝ｃ／２（ｆ＿ｎ＿＋＿１−ｆ＿ｎ） （但し、ｌ：気柱長，ｃ；音速，ｆ＿ｎ；ｎ次の共鳴周
   波数，ｆ＿ｎ：ｎ＋１次の共鳴周波数）に従って気柱長
   ｌを求めることにより、前記水位管内の液位を求める気
   柱共鳴式連通管の水位測定方法。