(57)【要約】【課題】メンテナンスの負担を軽減できる光ファイバ応用液位装置を提供する。【解決手段】液体の深さ方向に敷設した光ファイバからなるセンサ部２に光パルス信号を入射し、そのセンサ部２からの戻り光に基づいてセンサ部２の敷設方向に沿った温度分布を測定し、この温度分布における変化点に基づいてセンサ部２を敷設した位置における液体の液位を検出する。これにより、従来の液位センサのような複雑な構造を有する装置が不要となる。すなわち、温度センシングについては、光ファイバそのものが温度を検出することを測定原理としているので、メンテナンスの負担を軽減することができる。【選択図】  図１
2014035321.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体の深さ方向に敷設された光ファイバと、
前記光ファイバに光パルスを入射する光パルス入射部と、
前記光パルスが入射された前記光ファイバからの戻り光に基づいて前記光ファイバの敷設方向に沿った温度分布を測定する測定部と、
この測定部により測定された温度分布に基づいて前記液体の液位を検出する検出部と
を備えたことを特徴とする光ファイバ応用液位計測装置。
【請求項２】
前記液体が流通する管渠内において前記管渠の長さ方向に敷設されたケーブルをさらに備え、
前記光ファイバは、複数設けられて、前記ケーブルに所定間隔毎に接続され、
前記光パルス入射部は、前記ケーブルに前記光パルス信号を出力し、
前記測定部は、前記ケーブルからの前記戻り光に基づいて、各前記光ファイバの敷設方向に沿った温度分布を測定し、
前記検出部は、各前記光ファイバを敷設した位置における前記液体の液面を検出する
ことを特徴とする請求項１記載の光ファイバ応用液位計測装置。                       
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液位を測定する光ファイバ応用液位計測装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
生活排水、汚水、雨水など（以下、「下水」と言う。）を地下に埋設した管渠を用いて下水処理場まで運ぶ下水道においては、下水を迅速に処理したり、局所的な集中豪雨などで浸水の可能性が生じたときに住民への避難勧告を行ったりするために、管渠内の液位を監視する監視システムが用いられている。この監視システムにおいて、管渠内の液位は、液位センサにより測定されている（例えば、特許文献１参照。）。この液位センサは、水圧を検出する検出部を水中に設置し、この検出部が検出した水圧と大気圧との差圧から液位を測定するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−０３９７８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の液位センサは、水中に設置して差圧を検出するため防水性および耐水性を求められるために複雑な構造を採らざるを得ず、このために検出部は定期的にメンテナンスが必要となっていた。また、下水道の管渠は一般に地下に埋設されているので、液位センサの検出部のメンテナンスを実施するために作業員が地下に侵入するといったメンテナンスの前準備にも手間がかかるために、液位センサ自体のメンテナンスも合わせると全体で相当な手間を必要とするものとなっていた。さらに、下水道では管渠を長距離に亘って埋設するので、液位センサを各所に設けなければならず、これらの液位センサそれぞれの設置箇所において上述したメンテナンスを必要とするためさらに手間がかかるものとなっていた。このため、メンテナンスの負担を軽減できる液位センサが望まれていた。
【０００５】
そこで、本発明は、メンテナンスの負担を軽減できる光ファイバ応用液位計測装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述したような課題を解決するために、本発明に係る光ファイバ応用液位計測装置は、液体の深さ方向に敷設した光ファイバと、光ファイバに光パルスを入射する光パルス入射部と、光パルスが入射された光ファイバからの戻り光に基づいて光ファイバの敷設方向に沿った温度分布を測定する測定部と、この測定部により測定された温度分布に基づいて液体の液位を検出する検出部とを備えたことを特徴とするものである。光ファイバそのものが温度をセンシング可能であることを測定原理としており、構造がシンプルでメンテナンスは不要である。
【０００７】
上記光ファイバ応用液位計測装置において、液体が流通する管渠内において管渠の長さ方向に敷設されたケーブルをさらに備え、光ファイバは、複数設けられて、ケーブルに所定間隔毎に接続され、光パルス入射部は、ケーブルに光パルス信号を出力し、測定部は、ケーブルからの戻り光に基づいて、各光ファイバの敷設方向に沿った温度分布を測定し、検出部は、各光ファイバを敷設した位置における液面の液位を検出するようにしてもよい。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、液体の深さ方向に敷設した光ファイバに光パルス信号を入射し、その光ファイバからの戻り光に基づいて光ファイバの敷設方向に沿った温度分布を測定し、この温度分布に基づいて液体の液位を検出することにより、従来の液位計測装置のような複雑な構造が不要となるので、メンテナンスの負担を軽減することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、本発明の実施の形態に係る光ファイバ応用液位計測装置の構成を模式的に示す図である。
【図２Ａ】図２Ａは、図１の要部拡大図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、図２ＡのI-I線断面図である。
【図３】図３は、計測装置の構成を示すブロック図である。
【図４】図４は、液位の検出方法を説明するための図である。
【図５】図５は、変化点の抽出方法を説明するためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、本実施の形態では、下水道の管渠内の液位を測定する場合について説明する。
【００１１】
［光ファイバ応用液位計測装置の構成］
図１，図２Ａ，図２Ｂに示すように、本実施の形態に係る光ファイバ応用液位計測装置は、下水道の管渠１００内に管渠１００の長さ方向に敷設されたケーブル１と、このケーブル１に所定間隔毎に接続された複数のセンサ部２ａ〜２ｄと、ケーブル１と光カプラ１１を介して接続された計測装置３とを備えている。なお、管渠１００には、その敷設方向にマンホール１０１ａ〜１０１ｄが設けられている。
【００１２】
ケーブル１は、公知の光ファイバからなり、管渠１００内において管渠１００の長さ方向に敷設されている。ケーブル１の一端は、管渠１００と地上とを接続するマンホール１０１ａから地上に導出され、光カプラ１１を介して計測装置３に接続されている。このようなケーブル１は、マンホール１０１ａ〜１０１ｄ毎に設けられた中継器１２ａ〜１２ｄを介して管渠１００の長さ方向に敷設されている。この中継器１２ａ〜１２ｄは、ケーブル１同士を連結したり、ケーブル１に他の光ファイバを接続したりするためのインターフェース装置である。
【００１３】
センサ部２ａ〜２ｄは、外面が金属で覆われた光ファイバからなる公知の光ファイバセンシングケーブルからなり、両端が中継器１２に接続された状態で中継器１２ａに吊設されることにより、管渠１００内を流通する下水の深さ方向に敷設されている。なお、センサ部２ａ〜２ｄは、それぞれ同等の構成を有している。
【００１４】
ここで、センサ部２ａ〜２ｄは、図２Ａ，図２Ｂに示すセンサ部２ａのように、マンホール１０１に配設された中継器１２ａから管渠１００の底部に亘ってループ状に敷設されている。具体的には、センサ部２ａは、中継器１２ａに接続された一端から管渠１００の底部に延在し、この底部で折り返して鉛直上方に延在し、他端が中継器１２ａに接続されている。このようにセンサ部２ａは、管渠１００内をその深さ方向に横断して設けられているので、管渠１００内を流通する下水の液面がセンサ部２ａと接触することとなる。ここで、センサ部２ａ〜２ｄの長さは、計測装置３に予め記憶されている。
【００１５】
計測装置３は、各センサ部２ａ〜２ｄの温度分布を測定する温度分布測定部３１と、各センサ部２ａ〜２ｄの長さを記憶した記憶部３２と、センサ部２ａ〜２ｄが設けられた管渠１００の液位を検出する液位検出部３３と、この液位検出部３３による検出結果を出力する液位出力部３４とを備えている。
【００１６】
ここで、温度分布測定部３１は、公知の光ファイバセンサからなり、各センサ部２ａ〜２ｄについて、その敷設方向、すなわち下水の深さ方向に沿った温度分布を測定する。このような温度分布測定部３１は、光パルス入射部３１１と、入射光検出部３１２と、戻り光検出部３１３と、温度分布検出部３１４とを備えている。
【００１７】
光パルス入射部３１１は、半導体レーザなどからなり、光パルスを生成する。そして、生成した光パルスを、光カプラ１１を介してケーブル１に入射するとともに、入射光検出部３１２に入射する。
【００１８】
入射光検出部３１２は、光パルス入射部３１１から入射した光パルス（以下、「入射光」と言う。）の周波数スペクトルの波形と、入射光が入射した時刻（以下、「入射時刻」と言う。）を検出する検出部である。検出した周波数スペクトル波形と入射時刻は、温度分布測定部３１２に出力する。
【００１９】
戻り光検出部３１３は、入射光が光カプラ１１、ケーブル１および中継器１２ａ〜１２ｄを介して各センサ部２ａ〜２ｄに到達し、センサ部２ａ〜２ｄの長手方向の各位置で散乱して中継器１２ａ〜１２ｄ、ケーブル１および光カプラ１１を介して戻ってくる光（以下、「戻り光」と言う。）の周波数スペクトルの波形を検出する受光素子である。検出した戻り光の周波数スペクトルの波形は、温度分布検出部３１４に出力する。
【００２０】
温度分布検出部３１４は、光パルス反射法（Optical Time Domain Reflectometer）に基づいて、入射光検出部３１２または戻り光検出部３１３から入力された入射光および戻り光の周波数スペクトルの波形を比較して光強度の距離分布を解析することにより、光ファイバからなるセンサ部２ａ〜２ｄの温度分布を検出する演算回路である。ここで、温度分布を検出するセンサ部２ａ〜２ｄの位置は、入射時刻から戻り光を受光した時刻までの遅れ時間を、センサ部２ａ〜２ｄの位置に合わせることにより設定される。したがって、遅れ時間を適宜設定することにより、各センサ部２ａ〜２ｄの温度分布を検出することができる。本実施の形態においては、センサ部２ａの場合、図２Ｂに示すように最下点L0から最上点Lnまで複数の測定点が設定されており、各測定点について温度を測定することにより、センサ部２ａの温度分布を検出することができる。また、センサ部２ａ〜２ｄの温度は、このセンサ部２ａ〜２ｄ近傍の温度の影響を受ける。したがって、センサ部２ａ〜２ｄの温度分布を測定することは、このセンサ部２ａ〜２ｄが設けられた位置における管渠１００内の温度分布を測定することを意味することとなる。
【００２１】
記憶部３２は、各センサ部２ａ〜２ｄの長さを記憶するメモリ装置からなる。各センサ部２ａ〜２ｄの長さは、ユーザの操作入力などにより記憶される。
【００２２】
液位検出部３３は、温度分布測定部３１により測定された各センサ部２ａ〜２ｄの温度分布と、記憶部３２に記憶された各センサ部２ａ〜２ｄの長さとに基づいて、各センサ部２ａ〜２ｄが敷設された位置における管渠１００内の液位を検出する演算回路である。この液位検出部３３による液位の検出方法の詳細については後述する。
【００２３】
液位出力部３４は、液位検出部３３による検出結果をユーザに対して出力するインターフェース装置である。
【００２４】
［下水の有無の判定方法］
次に、図４を参照して、液位検出部３３による液位の検出方法について説明する。
【００２５】
一般に液体と気体とでは近くに存在する場合でも温度が異なるので、液体と気体とが連続する箇所の温度分布を測定すると、液体と気体の界面、すなわち液面で温度が急激に変化する変化点（図４の変化点βを参照。）が現れる。そこで、本実施の形態では、その変化点を液位として検出する。
【００２６】
具体的には、まず、液位検出部３３は、温度分布測定部３１から図４の符号αで示すような各センサ部２の温度分布を受信取得する。
【００２７】
次に、温度分布αにおける変化点βのように、受信取得した温度分布から温度が急激に変化する変化点を抽出する。この変化点の抽出は、例えば、温度分布において、隣り合う点の差分や微分をとることにより行うことができる。この抽出方法の一例については後述する。
【００２８】
変化点を抽出すると、記憶部３２からセンサ部２ａ〜２ｄの実際の長さを取得し、この実際の長さと温度分布とを比較して温度分布の各点の実際の水深位置を検出するとともに、抽出した変化点の実際の水深位置を検出する。そして、変化点の実際の位置を液位として判定する。例えば、図４に示す温度分布αの場合、変化点βの実際位置が４［ｍ］となっているので、液位が４［ｍ］であると判定される。
【００２９】
このようにして判定された液位は、液位出力部３４により出力される。例えば、計測装置３の表示画面には、センサ部２ａ〜２ｄが設けられた管渠１００の液位が表示される。これにより、ユーザは、監視装置２の表示画面を見ることにより、管渠１００内のセンサ部２が設けられた位置における下水の液位を確認することができる。
【００３０】
このような液位の判定は、各センサ部２ａ〜２ｄについて行われる。上述したように、センサ部２ａ〜２ｄは、管渠１００の長さ方向において所定間隔毎に設けられている。したがって、液位検出部３３は、管渠１００の液位についても所定間隔毎に判定するので、液位出力部３４には、管渠１００の複数の地点の液位が出力されることとなる。これにより、ユーザは、管渠１００全体に亘ってその液位を監視することが可能となる。
【００３１】
［変化点の抽出方法］
次に、図５を参照して、液位検出部３３による変化点の抽出方法の一例について説明する。
【００３２】
まず、液位検出部３３は、Ｌａを最も下方に位置する測定点である最下点Ｌ０とする（ステップＳ１）。また、ＬｂをＬａの直上に位置する測定点に設定する（ステップＳ２）。したがって、最初に測定する場合、図２Ｂから分かるように、Ｌｂは測定点Ｌ１となる。
【００３３】
ＬａおよびＬｂを設定すると、液位検出部３３は、Ｌｂの温度とＬａの温度の差分であるβを算出し（ステップＳ３）、βが０であるか否かを判定する（ステップＳ４）。
【００３４】
βが０である場合（ステップＳ４：ＹＥＳ）、ＬａとＬｂの温度が等しいのでＬｂは液面ではないため、液位検出部３３は、センサ部２ａの全測定点について判定を行ったか否かを確認するため、Ｌｂが最も上方にある測定点、すなわち最上点Ｌｎであるか否かを確認する（ステップＳ６）。
【００３５】
Ｌｂが最上点Ｌｎではない場合（ステップＳ６：ＮＯ）、液位検出部３３は、現在のＬｂよりも更に上方に測定点が存在することを意味するので、次の測定点が液面であるか否かを確認するために現在のＬｂとした測定点をＬａに設定した後（ステップＳ７）、ステップＳ２の処理に戻る。
一方、Ｌｂが最上点Ｌｎである場合（ステップＳ６：ＹＥＳ）、全測定点の温度が同じであるので、気温と水温とが同一であるか、または、液位が０もしくは上限値を超えていることを意味するため、液位検出部３３は、前回の測定値と同じ値を出力する（ステップＳ８）。
【００３６】
βが０ではない場合（ステップＳ４：ＮＯ）、液位検出部３３は、ＬａとＬｂの温度が異なるので、Ｌｂに対応する測定点が液面であると判定し、出力する（ステップＳ５）。
【００３７】
このような抽出方法を採ることにより、変化点を抽出することができる。なお、上述した抽出方法は一例であって、各種方法を適用できることは言うまでもない。また、上述した抽出方法においては、センサ部２ａが左右対称の円形に形成されているので、片方の側のみをセンシングすることにより液位を検出することができる。
【００３８】
以上説明したように、本実施の形態によれば、下水の深さ方向に敷設した光ファイバからなるセンサ部２に光パルスを入射し、そのセンサ部２からの戻り光に基づいてセンサ部２の敷設方向に沿った温度分布を測定し、この温度分布における変化点に基づいてセンサ部２を敷設した位置における下水の液位を検出することにより、従来の液位センサのような複雑な構造を有する装置が不要となるので、メンテナンスの負担を軽減することができる。
【００３９】
特に本実施の形態では、下水に接触する構成要素は光ファイバからなるセンサ部２ａ〜２ｄのみである。このセンサ部２ａ〜２ｄは、従来の液位センサと比較してはるかに単純な構成を有するので、メンテナンスも容易である。したがって、本実施の形態は、従来の液位センサよりも製作コストおよびメンテナンスの負担を軽減することができる。
【００４０】
近年、下水道の管渠内には、下水処理施設同士などを結ぶ通信用の光ファイバおよび中継器が敷設されている。このため、その中継器に本実施の形態におけるセンサ部２ａ〜２ｄを接続し、通信用の光ファイバに計測装置３を接続するだけで、管渠の液位を検出することが可能となる。
【００４１】
なお、本実施の形態では、センサ部２ａ〜２ｄ、中継器１２ａ〜１２ｄ、マンホール１０１ａ〜１０１ｄを設ける場合を例に説明したが、これらの数量はこれに限定されず、適宜自由に設定することができる。
【００４２】
また、本実施の形態では、下水道に適用した場合を例に説明したが、例えば、上水道、河川、原油のパイプラインなど管内に流体が流通するシステムであれば各種システムに適用できることは言うまでもない。
【００４３】
また、本実施の形態では、光ファイバからなるセンサ部２ａ〜２ｄを中継器１２に吊設した場合を例に説明したが、センサ部２ａ〜２ｄの位置を特定できるのであればセンサ部２ａ〜２ｄを敷設する方法はこれに限定されず、例えば管渠１００の内周に沿って敷設するなど適宜自由に設定することができる。
【００４４】
また、本実施の形態では、ケーブル１に複数のセンサ部２ａ〜２ｄを設ける場合を例に説明したが、センサ部２ａ〜２ｄを１つにして水槽の液位計測をしてもよいことは言うまでもない。この場合には、ケーブル１や中継器１２を設けずに、センサ部２を計測装置３に直接接続するようにしてもよい。
【００４５】
さらに、本実施の形態では、センサ部２ａ〜２ｄを所定間隔毎に設ける場合を例に説明したが、センサ部２ａ〜２ｄを設ける間隔を適宜自由に設定できることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明は、上水道や下水道など管内に液体と気体とが流通する各種プロセスや水槽などの液位計測に適用することができる。
【符号の説明】
【００４７】
１…ケーブル、２ａ〜２ｄ…センサ部、３…計測装置、１１…光カプラ、１２ａ〜１２ｄ…中継器、３１…温度分布測定部、３２…記憶部、３３…液位検出部、３４…液位出力部、１００…管渠、１０１ａ〜１０１ｄ…マンホール、３１１…光パルス入射部、３１２…入射光検出部、３１３…戻り光検出部、３１４…分布検出部、Ｌ０〜Ｌｎ…測定点。
【図１】
2014035321.tif 000003
【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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