JPS5984121A - 接水信号処理型ステツプ式波高測定装置 - 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】 本発明は、海洋、湖水あるいは河川にＪ５ける水面の変
動波形を測定する波高ｉｔに、より具体的には、水位検
出器の汚染あるいは水質条件の変動などによる水位検出
系の電気特性の経時変化にもかかわらず、長期間にわた
って調整、保守を施すことなく安定かつ確実な測定を行
い得るステップ式波高測定装置の改良に関する。

従来、海面または水面の変動波形を測定する一つの方法
としては、その表面波形を直接量子化して検出するステ
ップ式波高計が利用されてきた。

この公知ステップ式波高計としては、階段抵抗型、リレ
ー型、パルス型等の各種方式が採用されてきているが、
本質的には、互いに絶縁した複数個のＮ極を稈状体の表
面、長手方向に添って一定の間隔で設けたものと、これ
ら電極群と電気回路的に対をなす共通電極を対向電極と
して備える測定桿を用意し、該測定桿をその上部を空中
に下部を水中にして測定水面に直立させ、水中下の対向
電極間は介在する水により電気的に短絡し、水面上の空
中対向電極間は電気的に開放されるという対向電極間の
電気的導通・不導通に従う電気回路の０Ｎ−ＯＦＦ電流
を検知して氷表面位置を測定しようとするものである。

即ち、このＯＮ電流またＯＦＦ電流の検出のために、リ
レー型は電磁リレーをパルス型は論理回路を用い、いず
れもＯＮ電流またはＯＦＦ電流を一定のシュミットレベ
ルの下で検出することにより水面に接した電極を検出し
、氷表面に位置する電極に対応した電気信号または水没
電極の総数に比例した別な電気信号に変換して水面変動
を測定・記録している。

この公知装置では、測定桿が汚染されていない場合には
ＯＮ電流とＯＦＦ電流、即ら水中電極の短絡電流と空中
電極のリーク電流との間に相当量の差があるので、０Ｎ
−ＯＦＦの弁別は容易であり正しい水位を得ることがで
きる。しかし、測定桿が海草・藻・貝あるいは油等の４
＝Ｊ着により汚染されると、電極表面抵抗の増大による
ＯＮ電流の減少や水切れの劣化に伴って空中電極部分に
８１）留した水による電極間リーク電流の増加などを生
じ、その結果として、ＯＮ電流とＯＦ　Ｆ電流の差が／
ｊＸさくなり、加えて、各電極ごとのＯＮ・ＯＦＦ電流
値がランダムに大きく異なるようになる。従って、測定
桿がこのように汚染された状態では、ＯＮ・ＯＦＦの判
定を設置時からの一定シュミットレベルで行うことがで
きなくなり、その測定結果は不正確なものとなる。さら
に、これを回避しようとして新たな調整により適当なシ
ュミットレベルを得ようとしても、汚染の程度によって
は困難または不可能となる。なお、０Ｎ−０，ＦＦ電流
は測定押設置場所の水質変動によっても変化し、ＯＮ　
−ＯＦ　Ｆの判定動作に悪い影響を与える。

従来では、この測定障害を防除する手段どして、測定桿
の清掃を頻繁に行うことが唯一の方法であった。しかし
、実際上の問題として、測定桿の汚染に伴う測定障害は
極めて短時日で発生し、またその清掃作業も種々の制約
から満足に行うことは困難であり、適切に施されている
例は少ない。

本発明はこれらの問題点を解決すべくなされたものであ
り、本発明の目的は、長期間にわたって保守不要の、即
ち測定桿の清掃を不要どし、かつ、長期間の連続観測に
おいても人為的に何等の再調整を焦り−ことなくして正
確な波形測定を行い得る改良されたステップ式波高測定
装置を提案することにある。

この目的を達成するため本発明では、ステップ式波高測
定桿の電極に順次または同時に電圧を印加して全電極を
走査し、その各電極に流れる電流を測定してデジタル信
号の形でメモリに記憶し、この各電極ごとの記憶デジタ
ル値を先の電極走査タイミングにおける記憶デジタル値
と比較して演算を行い、その結果に基づいて表面水位を
決定するという方法を採用した。この方法は、測定桿の
各電極に流れる電流が測定桿の水切れに関りるリーク電
流の影響を受ける点を除外して考えれば、水面の昇降作
用を直接受けていない電極にあっては時間的にはとんと
変化しないが、水面の昇降を直接受けている電極にあっ
ては、たとえ測定桿が汚染された状態にあっても、水面
変動により電極が水に浸ったり水面から離れたりした場
合には多少なりとも変化を示すことに着目し、この電極
電流の時間変化を検出することによって水面の昇降作用
を受けている電極を判定し、水面に接した電極を知り得
ることを着想してなされたものである。

さらに、対向電極間に介在する水質や電極表面抵抗の経
時変化あるいは測定桿の水切れに原因する電極リーク電
流の変化などによって生ずる不正な電極電流情報につい
ては、レベル的にみて正規の電極電流との間に差がある
ことに着目し、この差を考慮した判定レベルを設定して
各電極ごとの電流値あるいはその時間変化Ｇと比較、検
証することによりこれを排除し得ることを着想してなさ
れたものである。即ち、各電極毎に電流値を時間的にサ
ンプリングして記憶し、その電流値の絶対値を調べる１
だ駆りでなく、電流値の時間変化をも調べることによっ
て、また電極間インピーダンスの経時変化を考慮してＯ
ＮＮ流、０ＦＦｔ流の判定レベルを自動設定することに
よって、長期間に亘る連続測定においても正確な測定値
を得ることを可能にした。更に、本発明によれば、波面
のみならず、測定桿の清掃の必要性を知らせる警告信号
を発生させることも可能である。

以下、添付図面に示す実施例に従い本発明を詳述する。

第１図は、本発明に係る装置の概略構成図である。本発
明装置は、測定桿１０、走査部２０及び変換処理部３０
からなり、測定桿１０は、共通電極１１ど、該共通電極
に対向して配置されている互いに絶縁された複数の水位
検出電極［、「、・・・ロ　と２１１ を具備する。走査部２０は、後段の変換処理部３０から
のスタート信号に応答して、測定稈１０の共）百霜極１
１とこれに対向する各電極Ｅ、［Ｅ２　、・・・Ｅｎど
の間に所定の電圧を順次印加りるための回路で・あり、
変換処理部３０からのスタート信号を受けて作動するク
ロック発振器２２と、該クロック発振器２２からのクロ
ックパルスにより制御されて測定桿の各電極Ｅ　　、Ｅ
　　、・・・［ｎへの電圧印加を走査２ づる電極走査回路２４とを含む。後述するところから明
らかどなるが、測定桿１０からの各電極のアナログ電流
信号を一括して並列処理するならば、この走査部２０は
、必ずしも必要どされない。ただし、測定桿１０からの
各電極の電流情報を有線又は無線により遠隔地←伝送し
ようどジる場合には、各電極信号を時分割多重して行う
のが右利であり、送信の段階において走査回路２４ど同
様の装置が必要どされる。ホトカップラー２６は、後段
の変換処理部３０と走査部２０内の回路とを電気的に絶
縁し得るように設けたものであり、走査部２０と変換処
理部３０との間の信号授受の形態によっては必ずしも必
要とされない。符号２８は、走査部２０内の電源となる
電源回路である。

変換処理部３０は、走査部２０の電極走査回路２４によ
る電極走査の開始をｔｉｌＩＩＩｌする制郷回路３２を
具備する。即ち、制御回路３２は、外部からの制御信号
の制御下に、走査部２０に前記スタート信号を周期的に
送信する。この制御信号としては、例えば、波面測定を
開始し、続行する命令である。測定桿１０からの各電極
の電流情報は、第１図示の構成例ではアナログ信号の形
で変換処理部３０に伝送され、該アナログ信号は、Ａ／
Ｄ変換器３４によってデジタル信号に変換される。該Ａ
／Ｄ変換器３４Ｇよ、前記スター１−信号と同期した信
号を制御回路３２６＼ら受けるタロツク発振器３６によ
って制御され、各電極毎のデジタル信号を出力する。Ａ
／Ｄ変換器３４の直前に設けたホトカップラー３８は、
走査部２０のホトカップラー２６と同様に、回路系の間
の絶縁のだめに設けたものであり、必ずしも必要とされ
ない。Ａ／Ｄ変換器３４は、変換処理部３０にではなく
走査部２０に、１３いて測定桿１０からの信号を受信す
る部分に設置してもよい。その場合にはＡ／Ｄ変換器は
りＤツク発振器２２によって制御され、その出力は、直
接にＰＣＭ信号として利用するこ−とも可能である。

演算回路４０は、与えられたプログラムにＪ：る制御下
に所望の演算、処理を行う回路であり、市販のマイクロ
プロセラυ（Ｍ　Ｐ　Ｕ　）によって構成される。演算
回路の出力は、測定桿１０の各水位検出電極Ｅ１．Ｅ２
．・・・Ｅｎ　の内の何個の電極が水面下にあるかを示
づデジタル信号であり、この信号は、Ｄ／Ａ変換器４２
及び出力アン１４４を経て゛、波高信号としてペンレコ
ーダその他の記録装置に送出される。演算回路４０は、
この波高信号に限らず、各電極［□　、Ｅ２．・・・Ｅ
ｎ　　の汚染状況に対りる警告信号を出力することも可
能である。

第２図は、測定桿１０及び走査部２０と変換処理部３０
どの間の信号伝送系の一例を承り図である。ここでは、
２線式の双方向伝送系を例示した。制御回路３２からの
スタート信号パルスは、ホトカップラー５０ににり節点
５２の電位を低下させ、もって、ホトカップラ−２６の
発光ダイオードを発光させる。

従って、ホトカップラー２６のホトトランジスタのコレ
クタからクロック発振器２２にスタート信号パルスが供
給される。このスタート信号により作動開始するクロッ
ク発振器の制御下に電極走査回路２４が作動し、該電極
走査回路２４は、測定桿の各水位検出電極Ｅ１．　Ｅ２
．・・・Ｅｎ　　に走査パルスを供給する。この走査パ
ルスによりスイッチング１〜ランジスタ５６が導通し、
電源Ｖｌ　＋（１２Ｖ）　、伝送線５８、半固定抵抗６
０、ホトカップラー３８のＬＥＤ、ＬＥＤ６２、抵抗６
４、ＬＥＤ６６、共通電極１１及び各水位検出電極Ｅよ
　を通って電流が流れる。この電流情報はホトカップラ
−３８のホトトランジスタの］レクタからＡ／Ｄ変換器
３４へ供給される。

第３図は、演算回路４０を８０８０系ＬＳＩで構成した
例を、Ａ／Ｄ変換器３４及びＤ／Ａ変換器４２ど共に示
す構成図である。７０はＭＰＵであり、７２は３ＫＢの
ＲＡＭ、７４は２ＫＢのＲＱＭ、７６．７８は周辺装置
用パラレルインターフェース（ト）ＰＩ）ＩＣである。

８０．８２はラッチ回路であり、８４はデジタルスイッ
チである。８６はアドレス・バス、８８はデータ・バス
である。ＲＯＭ　７４には、演算回路４０で処理すべき
演算のプログラムが格納されており、ＲＡ　Ｍ　７２に
は、各電極の連続り°る２つのリンブリング・タイミン
グにおける電流データがデジタル値どして収容される。

ここに図丞した演算回路４０は、単なる一例であり、演
算処理すべき内容に応じて、他の構成、他のＬＳＩによ
ることも可能であることは勿論である。

次に上記構成による本発明装置の動作について説明する
。

まず、制御回路３２を作動さゼることにより測定桿１０
の全水位検出電極Ｅ１’、　Ｅ２．・・・、［ｎを一定
時間間隔で順次走査して各電極に電圧を印加して流れる
電流を測定し、この各電極ごどの測定１直をＡ／Ｄ変換
器３４でデジタル信号に変換し゛てメーしり（ＲＡＭ７
２）に一時記憶する。この動作、ずなわち、測定桿１０
の全水位検出電極Ｅ１．Ｅ２．・・・、Ｅ　についての
電流情報のサンプリング操作を水面変動の測定に必要な
時間間隔で繰り返す。実験の結果では、サンプリングの
間隔を０．２秒程度とし、各電極ごとの走査時間を２０
０μｓ程度とすることで妥当な結果が得られた。

このようにして得られた電極電流測定データは、次のよ
うな数列の形で示づことができる。即ち、時刻１□２４
．においては ■１（ｔｌｌ、）、■２（ｔ２．ρ、■８（ｔ３１．）
ｌ・・・’　工１　（ｔｌ　＋３　）””　Ｉｎ（ｔｒ
ｌ＋、］　）であり、時刻ｔｊ、＋ｊ−１においては■
１（ｔｌ、ｊ−１川２（ｔ２．、ｊ−１”８（ｔＪ、ｊ
−１”・・・、Ｉ、（ｔよ、、−１）、・・・、工ｎ（
１ｎ、−１）である。ここで、Ｉよ（ｔ□１．ρ　　と
Ｉ□（ｔ工、、−１）はそれぞれ時刻ｔ工１．とｔ□、
、ｊ−１において電極Ｅ工を流れる電極電流を示す。、
は電極番号を表わし１−１〜ｎである。また、　ｊ、ｊ
−１は全電極についてのリンブリングの時点を示すもの
であり、全電極の電流をサンプリングして得た最新のデ
ータであるか、またはその直前のデータであるかを示す
。

つまりｔ工９．はサンプリングの時点によりｔ工、ｊ−
１，も０．。

ｔ工、ｉ＋１　、ｔｉ　、ｊ＋２・・・ど移行“りるが
、本発明におい−では常にｊ−１と〕の連続する２回の
サンプリングによる電極電流情報のみを記憶するにうに
して、必要なメモリ容量が多くなるのを防いでいる。た
だし、本発明は何等この２回分のデータの記憶に限定さ
れるものではなく、３回分以上のデータを記憶、処Ｌ！
ｌ！−ｆｆることを妨げるものではない。

これらの記憶データに基づいて、本発明においては海面
水位を決定づるために以下に述べる演算を行う。まず、
各電極について次の〈１）式に示す演算を行って連続す
るサンプリング時点にａ３ける電極電流の差を求め、そ
の結果について（２）式及び（３）式に示す条件式によ
る判定を行う。

１ΔＩ　１１＞Ｋ、　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　（３）ここでに１　は電極電流の
変化が海面の昇降によるものであるか否かを判定するた
めのスレシコルドレベルを意味する定数である。（１）
式および（２）式は各電極が水面の昇降に対応して経時
的に空中状態から水中状態に移行したのか、またはその
逆に水中状態から空中状態に移行したのか、あるいは空
中または水中に継続して存在し°Ｃいるのかを各電極ご
との電極電流の変化とその増減極性から判定し、それに
より海面が上昇しているのか、下降しているのか、また
は変化していないのかを一義的に決定して後続゛する演
算の方法を選択するために用いるものである。つまり連
続するサンプリング時点にお（ブる電極電流の変化は、
該電極が水面の上昇により空中から水中に没すれば経時
的に増大し、水面の下降により水中から空中に露呈］′
れは経時的に減少する。また該電極が空中または水中に
継続して存在すれば変化しない。従って、（１）式の演
算結果を（２）式で判定した結果がΔ工、〉０　であれ
ば水面の上昇を、　Δ工、＜０　　であれば水面の下降
を、　Δ工□＝０　であれば該電極は水面の昇降を直接
受けていないと判定する。（３）式は電極電流に変化が
あった電極について、さらにその変化の妥当性を検証す
るために用いる。りなわら、電極電流は電極の汚染状態
により変化し、その大きさは電極によってまちまちであ
るところから、本発明においては電極電流の時間変化か
ら水面の昇降作用を直接受りでいる接水電極を判定Ｊる
方法を採用した。しかし、電極電流の変化は、接木電極
以外にあっても電極の汚染状態測定場所の水質条件、電
極回路の電気特性など測定条件の経時変動に伴って生ず
る場合もある。そこで、この影響を取り除くため、測定
条件の変動による電極電流の変化が接水電極のそれに比
べて小ざく、その間にかなりの差があることに着目して
、測定条件の変動を見込んだ判定定数に１（例えば０．
５ｍΔ相当舶）を用いて（３）式による判定を行い、条
件が成立した電極を接水電極と判定し、それ以外の電極
については水中または空中に継続して存在しているもの
と判断する。

（１〉乃至（３）式の演算により電極電流の時間変化量
Δ■、とその増減極性から、水面の昇降状態とその影響
を受けている電極を判定り゛ることができる。

しかし、１Δ工、１〉Ｋ１であるような電極電流の変化
は、連続するサンプリング時点において水面の昇降作用
を直接受りていない水面より上方の電極にあっても、そ
れ以前に測定桿に付着して滞留した水が経時的に落下Ｊ
る水垂れ現象あるいは雨滴、飛沫の付着などによっても
起り得る。そこで、このような不要な情報を除去覆るた
め、（３）式の条件が成立した電極電流データについて
Δ■、の極性に応じて次の（／１）式または（５）式の
演算を行い、その結果について（６）式またはく７）式
に示す条件式により判定を行う。

工１＝工、（ｔ工、、）−Ｉ□ｗ（４）Ｉ　＝１．（ｔ
、　　、　　）−１，（５）２　　１　１、、］−，１
１ｖｒ ｌｒ１１（Ｋ２’　　　　　　　　　　　　　　（６１
１工。１＜Ｋ２（７） ここで、■□いは各電極が水中状態にあるときに流れる
電極電流の基準値を示すものであり、各電極に対応した
記憶場所に予め適当な初期値を与えておき、サンプリン
グごとに該電極が水中にあるとる。Ｋ２は該電極が該サ
ンプリング時点またはその直前のサンプリング時点に水
中に存在したか否かを電極電流データとＫｌｗとの差か
ら判定覆るだめのスレショルドレベルを意味する定数Ｃ
ある。り４）式乃至（６）式は、（３）式の判定によっ
て電極電流に変化有りと認められた電極について、それ
が真実に海面の昇降によるものであるか否かを判定りる
ためのものであり、具体的には、（２）式の判定結果が
ΔＩ、＞０である電極については＜４）式を、Δ■、＜
０である電極については（５）式を用い、それぞれ該→
ノンブリングまたは（の直前の督ナンブリングで得られ
た該電極の電流データと該電極の水中状態での電極電流
基準値との差を求め、その結果についてそれぞれ０式ま
たは（７）式によっ−ＣＫ２と比較することにＪ：す、
該電極が該サンプリング時点またはその直前のサンプリ
ング時点に水中状態にあったか否かを検証し、それによ
って該電極が水面接水電極であるかどうかを判定する。

以上の演算にｊ：り得られた判定結果を各電極ご定の記
憶エリア内の各電極に対応する記憶位置に（イ）当該電
極が空中から水中に移行したことを示す符号（この例で
はＦＦ） （ロ）当該電極が水中がら空中に移行したことを丞１符
号（この例では０Ｆ） （ハ）当該電極が水中または空中にあってその状態を継
続していることを示す符号 （この例では００） のどれかを収容する。

上記判定結果に基づいて作成した記憶フレームを最下部
電極に対応づる記憶位置から順に上へ調査し、ＯＦ又は
ＦＦの現われるまでｏｏの個数を計数する。そして、最
初にＯＦが発見された場合には００の個数をもって水中
電極数とし、最初にＦＦが発見された場合には次にｏｏ
またはＯＦが現われるまでＦＦの個数を数え、先のｏｏ
の個数に加えた個数をもって水中電極数どし、これを測
定水位信号に変換して出力する。

演算回路４０を作動させて水位の観測を行なうプログラ
ムのフローチャートの一例を第４図に示す。

以上、本発明を一実施例について説明したが、本発明に
係る装置によれば、電極に流れる電流値を各電極毎にモ
ニターすることにより電極の汚染の程度を知ることがで
きるので、測定桿汚染度の自動監視機能を果すこともで
きる。これまでの説明から明らかなように、本発明によ
れば水面波形の変動をリアルタイムで測定でき、且つ電
極部分の滞留水によるリーク電流の影響を排除した正確
な水位の検出を行うことができる。しかも、水位の変化
を判断する一次基準として電極電流の時間変化量を採用
しているので、測定稈の汚染により電極ＯＮ、ＯＦＦ電
流の絶対値が変化しても依然どして正確な測定値を得る
ことができ、さらには、電極インピーダンスの経時変化
を考慮した電流変化量の正・否判定定数と測定によって
得られた水中電極電流を基準として自動設定した電極状
態判別定数を用いて不正な電極情報を排除しているため
、測定桿の高瓜の汚染に対しても測定値の安定性が確保
でき、従って、本発明の実施により測定桿清掃作業の軽
減が図り得ると其に、長期間にわたる観測においても安
定且つ正確な測定機能を発揮するステップ式波高測定装
置を実現し得るものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る高波測定装置の概略構成図であ
る。第２図は、その水位検出・信号伝送系の回路図であ
る。第３図は演算回路の一例を示す。第４図は、観測の
フローチャートである。 １０・・・測定桿　１１・・・共通電極、Ｅｌ　　・・
・Ｅエ　・・・Ｅｎ・・・水位検出電極　２０・・・走
査部　２２・・・クロック発信器　２４・・・走査回路
　２６・・・ホトカップラー　２８・・・電源回路　３
０・・・変換処理部　３２・・・制御回路　３４・・・
Ａ／Ｄ変換器　３６・・・クロック発振器　３８・・・
ホトカップラー　４０・・・演算回路　４２・・・Ｄ／
Ａ変換器　５０・・・ホトカップラー　７０・・・ＭＰ
Ｕ　　７２・・・ＲＡＭ　　７４・・・ＲＯＭ　　７６
．７８・・・周辺装置用パラレルインターフェース　８
０．８２・・・ラッチ回路　８４・・・デジタルスイッ
チ　８６・・・アドレス・バス　８８・・・データ・バ
ス第４ 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 所定の量子化間隔をとって設けられた水位検出のための
   電極と共通電極からなる対向電極を備えた測定桿を水面
   付近に直立して保持し、水面変動により電極が水に浸っ
   たり水面から離れたりすることによって得られる対向電
   極間のＯＮ、ＯＦＦ作用を利用して水面の時間的変動を
   測定するステップ式波高測定装置であって、測定桿の全
   電極に電圧を印加し、時間的にサンプリングして全電極
   を走査することより各電極に流れる電流値を測定してデ
   ジタル信号の形式で記憶する操作を繰り返し行い、サン
   プリングの都度、各電極ごとの当該サンプリングによる
   記憶測定値とその直前のサンプリングによる同様の記憶
   測定値を比較して各電極電流値の時間変化量とその増減
   極性を求め、得られた電極電流の時間変化量を、電極イ
   ンピーダンスの経時変化を基にして設定した電極電流変
   化の妥当性を判定するための定数と比較することによっ
   て、水面の昇降作用を受けている電極と受けていない電
   極とを弁別し、かつ、電極電流の増減極性に応じて当該
   サンプリングまたはその直前のサンプリングにより得ら
   れた電極電流の記１０測定値と各電極が水中状態にある
   ときの水中電極電流値とを比較して差分を求め、その差
   分と電極が空中および水中状態にあるときの電極インピ
   ーダンスを基にして設定した電極状態を判別するための
   定数とを比較して変動水面に対りる電極の位置および時
   間的な状態を判別することにより、水位検出系の電気特
   性の変化に伴って発生する不正な情報を排除して水面接
   水電極を求めることを特徴とする接水信号処理型ステッ
   プ式波高測定装置。