(57)【要約】【課題】低コストでも水位を精度よく測定できる水位測定装置を提供する。【解決手段】水位測定装置１は、電源１０と、高さ方向に所定間隔を保って複数配置された第１電極１１と、前記各第１電極と対向して配置され、該各第１電極との間に容量Ｃを形成する第２電極１２と、前記電源１０が接続されるとともに、前記複数の第１電極１１が接続されたマイコン１３と、を備える。マイコン１３は、前記各第１電極１１と前記第２電極１２との間に形成された複数の容量Ｃの充放電を制御し、該制御により得られる各容量Ｃの充放電特性に基づき、水面に対する各第１電極１１の相対位置を判定し、水位を導出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源と、
高さ方向に所定間隔を保って複数配置された第１電極と、
前記各第１電極と対向して配置され、該各第１電極との間に容量を形成する第２電極と、
前記電源が接続されるとともに、前記複数の第１電極が接続されたマイコンと、を備え、
前記マイコンは、前記各第１電極と前記第２電極との間に形成された複数の容量の充放電を制御し、該制御により得られる各容量の充放電特性に基づき、水面に対する各第１電極の相対位置を判定し、水位を導出することを特徴とする水位測定装置。
【請求項２】
前記マイコンは、
前記電源またはグランドに接続されるスイッチと、
前記スイッチと前記各第１電極との間に設けられ、該各第１電極から一の電極を選択して順次前記スイッチと接続する第１マルチプレクサと、
前記スイッチを電源へ接続し、前記選択された第１電極の電位が上限閾値に到達するとスイッチの接続先をグランド側へ切り替え、該第１電極の電位が下限閾値に到達するとスイッチの接続先を電源側へ切り替えるスイッチ切替制御部と、
前記スイッチの切替制御により得られる各第１電極の電位の推移を示す波形に現れたパルス数を計数するパルス計数部と、
パルス計数部で計数したパルス数に基づき、各第１電極の水面に対する相対位置を判定し、該判定結果に基づき水位を導出する水位導出部と、
を備える請求項１に記載の水位測定装置。
【請求項３】
前記第２電極は、高さ方向に所定間隔を保って複数配置されるとともに、
前記マイコンは、該各第２電極から一の電極を選択して順次グランドと接続する第２マルチプレクサを備え、
前記複数の第１電極のうち異なる複数の第１電極が、同一の引き出し配線を介して前記第１マルチプレクサに接続されている請求項２に記載の水位測定装置。
【請求項４】
前記マイコンは、
前記各第１電極に対応して設けられ、該各第１電極が前記電源またはグランドに接続されて各第１電極の充電または放電が開始されてから所定時間経過時における各第１電極の電位を検出し、該電位が所定の閾値以上であればhigh信号を出力する一方、電位が所定の閾値未満であればlow信号を出力するラッチ回路と、
前記各ラッチ回路が出力する出力信号を出力信号列として取り込み、該信号列を順次シフトして送信可能なシフトレジスタと、
前記シフトレジスタから順次送信される出力信号に基づき、前記各第１電極の水面に対する相対位置を判定し、該各判定結果に基づいて水位を導出する水位導出部と、を備える請求項１に記載の水位測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、水位測定装置に関し、さらに詳しくは水田等の水位を高精度に測定して水位管理を容易に行うことができる技術に係るものである。
【背景技術】
【０００２】
稲作を合理的に行うには水田の水位（水の深さ）の管理が必要である。その水位は仕切られた水田毎に管理する必要があるが、国内の水田は面積が狭いため、管理すべき水田数が多くなり、自動管理する場合、据え付け式の安価な測定器が必要である。
【０００３】
例えば、水に浮く部品（浮のようなもの）が水位に応じて上下する機構の場合、その機構の製造、さらにその水位を電気的信号に変換する必要がある。その構造実現のためには機械的加工などが必要で低コストの測定器の実現が難しい。その他、数対の電極を設け、その間に流れる電流の有無で水の高さを検出することもできるが、その方式は電極の腐食などが懸念される。そこで、電極等が腐食することなく、かつ一体形成による加工が容易な水位検出装置が必要となる。
【０００４】
ここでは、水の電気的特性の中で水の有無の検出に利用できるものとして比誘電率に着目した。お互いに向き合った電極間の容量は電極間の物質の比誘電率に比例する。水の比誘電率は空気のおよそ８０倍のため、容量を検出することで水の有無を容易に検出できる。
【０００５】
例えば、従来の例として特許第５６８８７３１号（特許文献１）の図１（Ａ)や(Ｂ）にあるように、大型の電極間の容量変化による水位を検出する方法がある。その概要は、図１のように、一対の長い電極を水に浸し、水面上の容量をＣ１、水面下の容量をＣ２とすると、その容量は図１内の式（１）、式（２）のように計算できる。その(１)、（２）の式の中で水の比誘電率ε２は空気の誘電率ε１の約８０倍あるため、水面下の電極板の面積Ｓ２が増加すると電極板の容量(＝Ｃ１＋Ｃ２）が増加する。水面下の電極板の面積Ｓ２は水位Ｌに比例するため、電極板の容量を測定すると、水位を求めることができる。
【０００６】
しかし、この水位計では、大型の電極を用いるため、電極制作時の寸法にばらつきが生じてしまう。その結果、測定精度向上のための寸法の校正作業や高精度の容量測定器などが必要となり、高精度の水位測定を低コストで実現することは困難であるという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第５６８８７３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこでこの発明は、前記従来の問題を解決し、低コストでも水位を精度よく測定できる水位測定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】
【０００９】
前記課題を解決するために、請求項１に記載の水位測定装置は、電源と、高さ方向に所定間隔を保って複数配置された第１電極と、前記各第１電極と対向して配置され、該各第１電極との間に容量を形成する第２電極と、前記電源が接続されるとともに、前記複数の第１電極が接続されたマイコンと、を備え、前記マイコンは、前記各第１電極と前記第２電極との間に形成された複数の容量の充放電を制御し、該制御により得られる各容量の充放電特性に基づき、水面に対する各第１電極の相対位置を判定し、水位を導出することを特徴とする。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の水位測定装置において、前記マイコンは、前記電源またはグランドに接続されるスイッチと、前記スイッチと前記各第１電極との間に設けられ、該各第１電極から一の電極を選択して順次前記スイッチと接続する第１マルチプレクサと、前記スイッチを電源へ接続し、前記選択された第１電極の電位が所定の上限閾値に到達するとスイッチの接続先をグランド側へ切り替え、該第１電極の電位が所定の下限閾値に到達するとスイッチの接続先を電源側へ切り替えるスイッチ切替制御部と、前記スイッチの切替制御により得られる各第１電極の電位の推移を示す波形に現れたパルス数を計数するパルス計数部と、パルス計数部で計数したパルス数に基づき、各第１電極の水面に対する相対位置を判定し、該判定結果に基づき水位を導出する水位導出部と、を備える。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の水位測定装置において、前記第２電極は、高さ方向に所定間隔を保って複数配置されるとともに、前記マイコンは、該各第２電極から一の電極を選択して順次グランドと接続する第２マルチプレクサを備え、前記複数の第１電極のうち異なる複数の第１電極が、同一の引き出し配線を介して前記第１マルチプレクサに接続されている。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の水位測定装置において、前記マイコンは、前記各第１電極に対応して設けられ、該各第１電極が前記電源またはグランドに接続されて各第１電極の充電または放電が開始されてから所定時間経過時における各第１電極の電位を検出し、該電位が所定の閾値以上であればhigh信号を出力する一方、電位が所定の閾値未満であればlow信号を出力するラッチ回路と、前記各ラッチ回路が出力する出力信号を出力信号列として取り込み、該信号列を順次シフトして送信可能なシフトレジスタと、前記シフトレジスタから順次送信される出力信号に基づき、前記各第１電極の水面に対する相対位置を判定し、該各判定結果に基づいて水位を導出する水位導出部と、を備える。
【発明の効果】
【００１３】
この発明は、前記のようであって、請求項１に記載の発明によれば、電源と、高さ方向に所定間隔を保って複数配置された第１電極と、前記各第１電極と対向して配置され、該各第１電極との間に容量を形成する第２電極と、前記電源が接続されるとともに、前記複数の第１電極が接続されたマイコンと、を備え、前記マイコンは、前記各第１電極と前記第２電極との間に形成された複数の容量の充放電を制御し、該制御により得られる各容量の充放電特性に基づき、水面に対する各第１電極の相対位置を判定し、水位を導出するので、低コストながら水位を精度よく測定することのできる水位測定装置を提供することができる。
【００１４】
請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の水位測定装置において、前記マイコンは、前記電源またはグランドに接続されるスイッチと、前記スイッチと前記各第１電極との間に設けられ、該各第１電極から一の電極を選択して順次前記スイッチと接続する第１マルチプレクサと、前記スイッチを電源へ接続し、前記選択された第１電極の電位が所定の上限閾値に到達するとスイッチの接続先をグランド側へ切り替え、該第１電極の電位が所定の下限閾値に到達するとスイッチの接続先を電源側へ切り替えるスイッチ切替制御部と、前記スイッチの切替制御により得られる各第１電極の電位の推移を示す波形に現れたパルス数を計数するパルス計数部と、パルス計数部で計数したパルス数に基づき、各第１電極の水面に対する相対位置を判定し、該判定結果に基づき水位を導出する水位導出部と、を備えるので、低コストながら水位を精度よく測定することのできる水位測定装置を提供することができる。
【００１５】
請求項３に記載の発明によれば、請求項２に記載の水位測定装置において、前記第２電極は、高さ方向に所定間隔を保って複数配置されるとともに、前記マイコンは、該各第２電極から一の電極を選択して順次グランドと接続する第２マルチプレクサを備え、前記複数の第１電極のうち異なる複数の第１電極が、同一の引き出し配線を介して前記第１マルチプレクサに接続されているので、引き出し配線の数を増加させることなく、より深い水位まで測定することができる。
【００１６】
請求項４に記載の発明によれば、請求項１に記載の水位測定装置において、前記マイコンは、前記各第１電極に対応して設けられ、該各第１電極が前記電源またはグランドに接続されて各第１電極の充電または放電が開始されてから所定時間経過時における各第１電極の電位を検出し、該電位が所定の閾値以上であればhigh信号を出力する一方、電位が所定の閾値未満であればlow信号を出力するラッチ回路と、前記各ラッチ回路が出力する出力信号を出力信号列として取り込み、該信号列を順次シフトして送信可能なシフトレジスタと、前記シフトレジスタから順次送信される出力信号に基づき、前記各第１電極の水面に対する相対位置を判定し、該各判定結果に基づいて水位を導出する水位導出部と、を備えるので、各第１電極を同時に充電し、１回の充電で各第１電極が水面上にあるか又は水面下にあるかを判定でき、きわめて短時間で水位を測定することができる。また、シフトレジスタを備え、ラッチ回路から出力された出力信号を水位導出部へ順次送信する構成としたので、データ転送のための信号線が１本で済み、回路構成を簡素化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】この発明の実施例１に係る水位測定装置の概略構成を示す説明図である。
【図２】同上の水位測定装置の詳細な構成を示す説明図であり、特にマイコンの具体的な構成を説明する図である。
【図３】スイッチの切替制御で得られるノコギリ波形の例を示す図である。
【図４】この発明の実施例２に係る水位測定装置の概略構成を示す説明図である。
【図５】この発明の実施例３に係る水位測定装置の概略構成を示す説明図である。
【図６】第１電極の電位の推移を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、この発明の実施例について、図面を参照して説明する。図１は、実施例１に係る水位測定装置の概略構成を示す説明図である。図１に示すように、水位測定装置１は、主に電源１０と、第１電極１１と、第２電極１２と、マイコン１３とを備えて構成されている。
【００１９】
電源１０は、例えば電池などで構成され、マイコン１３に電源電圧を印加する。第１電極１１は、高さ方向に所定間隔を保って配置された複数の小型の電極群（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ・・・、１１ｎ）で構成されている。ここでは、高さ方向の最も下位に位置する第１電極を１１ａ、その上に位置する第１電極を１１ｂ、さらにその上に位置する第１電極を１１ｃとし、高さ方向の最も上位に位置する第１電極を１１ｎとして説明する。電源１０や各第１電極１１、マイコン１３は、図１の点線で示す一枚のプリント配線板１４内に構成される。プリント配線板１４は、塗料などで全体がコーティングされ、電気的に水と絶縁される。
【００２０】
第２電極１２は、第１電極１１と対向して配置される板状の電極で、少なくとも第１電極１１を構成する電極群（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ・・・、１１ｎ）の高さと同一かまたはそれ以上の高さとなるように構成されている。第２電極１２は、対向する第１電極１１との間に容量Ｃを形成する。ここでは、第２電極１２と第１電極１１ａとの間に形成される容量をＣａ、第２電極１２と第１電極１１ｂとの間に形成される容量をＣｂ、第２電極１２と第１電極１１ｃとの間に形成される容量をＣｃなどとして説明する。なお、第２電極１２はプリント配線板１４のグランド（ＧＮＤ）レベルに接続されており、コーティングは不要である。
【００２１】
マイコン１３には、電源１０および第１電極１１がそれぞれ引き出し線を介して接続されている。マイコン１３は、電源１０から供給される電源電圧を第１電極１１に印加したり、第１電極１１をグランドレベルへ接地したりすることで、第１電極１１と第２電極１２との間に形成された複数の容量Ｃの充放電を制御する。そして、マイコン１３は、この充放電の制御により得られる各容量Ｃの充放電特性に基づき、第１電極１１を構成する各電極（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ・・・、１１ｎ）の水面に対する相対位置を判定し、水位を導出する。
【００２２】
図２は、水位測定装置１の詳細な構成を示す説明図である。図２を参照して、特にマイコン１３の具体的な構成と水位の測定原理について説明する。なお、図２では、第２電極１２および容量Ｃの記載を省略している。
【００２３】
マイコン１３は、複数個の電極を接続可能な集積回路で構成され、図２に示すように、第１マルチプレクサ１５と、スイッチ１６と、ＣＰＵ２０とを備えている。
【００２４】
第１マルチプレクサ１５は、ＣＰＵ２０からの指示に応じて、第１電極１１を構成する電極群のうちいずれか１つの電極を選択可能に構成されている。第１マルチプレクサ１５により選択された第１電極１１（例えば最も下方の第１電極１１ａ）は、スイッチ１６と接続される。
【００２５】
スイッチ１６は、接続先を電源１０またはグランド（ＧＮＤ）に切り替え可能に構成されており、第１マルチプレクサ１５により選択された第１電極１１ａを抵抗Ｒを介して電源１０またはグランドのいずれかに接続する。したがって、スイッチ１６が電源１０側に接続されると、第１マルチプレクサ１５により選択された第１電極１１ａに対して電源１０から電圧が印加され、この電極１１ａと第２電極１２との間に形成された容量Ｃａの充電が行われる。一方、スイッチ１６がグランド側に接続されると、第１マルチプレクサ１５により選択された第１電極１１が接地され、この電極１１ａと第２電極１２との間に形成された容量Ｃａの放電が行われる。なお、図２では第１マルチプレクサ１５やスイッチ１６を機械式の切り替え回路で記載しているが、実際は半導体電子回路でマイコン１３のＬＳＩチップ内に形成されている。
【００２６】
ＣＰＵ２０は、マイコン１３全体の動作を制御する制御部として機能するほか、閾値検出部２１、スイッチ切替制御部２２、パルス計数部２３、水位導出部２４としても機能する。
【００２７】
閾値検出部２１は、第１マルチプレクサ１５により選択された第１電極１１ａと第２電極１２との間の容量Ｃａの充放電中における電位を監視し、電位があらかじめ定められた所定の上限閾値または下限閾値に到達したことを検出すると、閾値到達信号をスイッチ切替制御部２２へ送信する。
【００２８】
スイッチ切替制御部２２は、容量Ｃａの電位が上限閾値に到達した旨の閾値到達信号を閾値検出部２１から受信すると、スイッチ１６の接続先をグランド側へ切り替える。これにより、容量Ｃａの放電が行われる。また、スイッチ切替制御部２２は、容量Ｃａの電位が下限閾値に到達した旨の閾値到達信号を閾値検出部２１から受信すると、スイッチ１６の接続先を電源１０側へ切り替える。これにより、容量Ｃａの充電が行われる。
【００２９】
こうして、スイッチ切替制御部２２は、容量Ｃａの電位が上限閾値または下限閾値に到達する毎にスイッチ１６の接続先を切り替え、電位が所定時間にわたって上限閾値と下限閾値との間を推移するように容量Ｃａの充放電を繰り返す。この充放電の際の電位の推移をグラフにすると、上限閾値と下限閾値との間を推移するノコギリ波形が現れる。
【００３０】
図３に、スイッチ切替制御で得られるノコギリ波形の例を示す。図３（ａ）は第１電極１１ａが水面上にある場合のノコギリ波形の例を示し、図３（ｂ）は第１電極１１ａが水面下にある場合のノコギリ波形の例を示している。
【００３１】
第１電極１１ａが水面上にある場合は、第１電極１１と第２電極１２との間には空気が存在する。この場合、第１電極１１ａと第２電極１２との間に形成される容量Ｃａは、両電極の間に水が存在する場合に比べて小さい。このとき、容量Ｃａの充放電は、水が存在する場合よりも短時間で進行するため、図３（ａ）に示すようにノコギリ波形のパルス数（波形の山の数）は多くなる。
【００３２】
一方、第１電極１１ａが水面下にある場合は、第１電極１１ａと第２電極１２との間には水が存在する。この場合の容量Ｃａは、両電極の間に空気が存在する場合に比べて大きい。これは、水の誘電率が空気の誘電率よりも大きい（約８０倍）ことによる。また、容量Ｃａの大きさは、容量Ｃａの充放電時間にも影響し、一般に容量Ｃａが大きいほど充放電にかかる時間は長くなる。したがって、この場合の容量Ｃａの充放電は、空気が存在する場合よりも長時間を要するため、ノコギリ波形のパルス数が図３（ｂ）に示すように図３（ａ）に比して少なくなる。なお、図３（ａ）および（ｂ）に符号ｆで示す波形は、スイッチ切替制御がない場合の電位の推移を示す波形である。
【００３３】
パルス計数部２３は、図３で例示した電位の推移を示すノコギリ波形について、所定時間に現れたパルス数（波形の山の数）を計数する。
【００３４】
水位測定部２４は、パルス計数部２３から受信した所定時間におけるパルス数に基づき、第１マルチプレクサ１５により選択された第１電極１１ａの水面に対する相対位置、すなわちこの第１電極１１ａが水面上にあるか、または水面下にあるかを判定する。
【００３５】
こうして、第１マルチプレクサ１５により選択された第１電極１１ａの水面に対する相対位置の判定が終わると、ＣＰＵ２０は第１マルチプレクサ１５に次の第１電極（例えば第１電極１１ｂ）を選択するよう指示し、スイッチ１６と接続させる。そして、第１電極１１ｂについて、スイッチ切替制御部２２によるスイッチの切替制御を行い、第１電極１１ａと同様にノコギリ波形を得る。そして、パルス計数部２３がノコギリ波形のパルス数を計数し、水位測定部２４が第１電極１１ｂの水面に対する相対位置を判定する。以下、同様にして、水位測定部２４は選択された第１電極１１の水面に対する相対位置を順次判定していき、それぞれの判定結果に基づき最終的な水位を導出する。
【００３６】
このように、水位測定装置１によれば、第１電極１１と第２電極１２との間に形成された容量Ｃを充放電したときの充放電の進行速度の違いを容量Ｃの充放電特性として捉え、この特性に基づいて第１電極１１を構成する電極群の水面に対する相対位置をそれぞれ判定し、水位を導出する。
【００３７】
このとき、各第１電極１１の寸法や並べる間隔により、求める水位の精度が決定されるが、水の誘電率が空気の８０倍であることから、水の有無の判定は容易である。また、第１電極１１から第２電極１２までの距離のバラツキや、プリント配線板１４のコーティング剤の厚さ、異物の存在など、容量変化の不安定性があっても、上記のように誘電率に圧倒的な差があるため、誤判定をする可能性は低く、検出した水位のゼロ点調整などは不要である。このようにして、水位測定装置１では、装置全体としての総合的な製造コストを低く維持しつつ、きわめて高精度に水位を測定することができる。
【００３８】
（実施例２）
次に、実施例２に係る水位測定装置１’について、図４を用いて説明する。
【００３９】
図４は、実施例２に係る水位測定装置１’の概略構成を示す説明図である。水位測定装置１’は、第１電極１１に加えて第２電極１２も高さ方向に複数（ここでは２つ）配置されるとともに、マイコン１３がこれら第２電極１２を順次選択してグランドに接地させる第２マルチプレクサ２５を備える点が実施例１の水位測定装置１と異なっている。また、水位測定装置１’では、第１電極１１が追加され、このうち異なる複数の第１電極１１が同一の引き出し配線を介して第１マルチプレクサ１５に接続されている。なお、図４では、実施例１の水位測定装置１と実質的に同一の構成となる電源１０、プリント配線板１４、スイッチ１６、およびＣＰＵ２０の記載を省略している。
【００４０】
水位測定装置１’では、図４に示すように、高さ方向に配置される第１電極１１の数を増やす（第１電極１１ａから１１ｚまで）とともに、各第１電極１１と対向する第２電極１２も高さ方向に複数（ここでは１２ａと１２ｂの２つ）設けられている。第２電極１２ａおよび１２ｂは、それぞれ引き出し配線を介してマイコン１３’内に設けられた第２マルチプレクサ２５に接続されている。第２マルチプレクサ２５は、第２電極１２ａおよび１２ｂを一つずつ順番に切り替えてグランドに接地できるようになっている。
【００４１】
第１電極１１は、実施例１の水位測定装置１と比較して多く配置され、最下端の第１電極１１ａがより深い箇所まで達するようになっている。また、各第１電極１１は引き出し配線を介して第１マルチプレクサ１５と接続されているが、このうち異なる第１電極同士が同一の引き出し配線を共有するように接続されている。例えば、引き出し配線Ｌａには第１電極１１ａおよび１１ｕが接続され、引き出し配線Ｌｂには第１電極１１ｂおよび１１ｖが接続されている。
【００４２】
ここで、例えば水面が図４に示す位置にある場合を仮定し、第１マルチプレクサ１５により引き出し線Ｌａが選択された場合を考える。この状態で、まず第２マルチプレクサ２５により下側の第２電極１２ｂが選択されると、第２電極１２ｂが接地される（上側の第２電極１２ａは未接地）。このとき、下側の第２電極１２ｂと下側の第１電極１１ａとの間には水が存在しているため、両電極の間の容量Ｃａ（図示省略）は両電極間に水がない場合よりも大きくなり、第２電極１２ａが接地されていないため容量Ｃｕは小さくなる。このとき、第１電極１１ａと１１ｕとは同一の引き出し配線Ｌａに接続されているため、スイッチ切替制御部２２によるスイッチ１６の切り替えに伴う充放電は、大きな容量Ｃａと小さな容量Ｃｕとの合成容量Ｃａｕについて行われることとなり、その電位の推移は図３（ｂ）に示すようなパルス数の少ない波形となって現れる。
【００４３】
次に、第２マルチプレクサ２５により上側の第２電極１２ａが選択されると、第２電極１２ａが接地される（下側の第２電極１２ｂは未接地）。このとき、上側の第２電極１２ａと上側の第１電極１１ｕとの間にも水が存在しているため、両電極の間の容量Ｃｕは両電極間に水がない場合よりも大きくなり、第２電極１２ｂが接地されていないため容量Ｃａは小さくなる。このとき、小さな容量Ｃａと大きな容量Ｃｕとの合成容量Ｃａｕについて充放電を行うと、やはり図３（ｂ）に示すようなパルス数の少ない波形が現れる。
【００４４】
このように、第１マルチプレクサ１５により引き出し配線Ｌａを選択した状態で、第２マルチプレクサ２５により下側の第２電極１２ｂまたは上側の第２電極１２ａのどちらかを選択し、合成容量Ｃａｕについて充放電を行うと、いずれの場合でもパルス数の少ない図３（ｂ）に示す波形が現れる。このことから、水位測定装置１’は、パルス計数部２３においてこの波形のパルス数を計数し、水位導出部２４において、水面が少なくとも第１電極１１ａおよび１１ｕの双方よりも上方にあると判定することができる。
【００４５】
一方、水面が図４に示す位置にある場合において、第１マルチプレクサ１５を切り替えて引き出し線Ｌｅを選択した場合を考える。この状態で、まず第２マルチプレクサ２５により下側の第２電極１２ｂが選択されると、第２電極１２ｂが接地される（上側の第２電極１２ａは未接地）。このとき、下側の第２電極１２ｂと下側の第１電極１１ｅとの間には水が存在しているため、両電極の間の容量Ｃｅ（図示省略）は両電極間に水がない場合よりも大きくなる。このとき、容量Ｃｅと容量Ｃｙ（図示省略）との合成容量Ｃｅｙについて充放電を行うと、図３（ｂ）に示すようなパルス数の少ない波形が現れる。
【００４６】
次に、第２マルチプレクサ２５により上側の第２電極１２ａが選択されると、第２電極１２ａが接地される（下側の第２電極１２ｂは未接地）。このとき、上側の第２電極１２ａと上側の第１電極１１ｙとの間には水が存在しないため、両電極の間の容量Ｃｙは両電極間に水がある場合のように大きくならず、第２電極１２ｂも接地されていないため容量Ｃｅも小さい。このとき、容量Ｃｅと容量Ｃｙとの合成容量Ｃｅｙも小さく、その合成容量について充放電を行うと、図３（ａ）に示すようなパルス数の多い波形が現れる。
【００４７】
このように、第１マルチプレクサ１５により引き出し配線Ｌｅを選択した状態で、第２マルチプレクサ２５により下側の第２電極１２ｂを選択すると、図３（ｂ）に示すようなパルス数の少ない波形が現れるが、第２マルチプレクサ２５により上側の第２電極１２ａを選択すると、図３（ａ）に示すようなパルス数の多い波形が現れる。このことから、水位測定装置１’は、パルス計数部２３においてこの波形のパルス数を計数し、水位導出部２４において、水面が少なくとも第１電極１１ｅより上方にあるが第１電極１１ｙよりは下方にあると判定することができる。以下、同様にしてすべての引き出し配線を順次選択しながら、水面に対する各第１電極１１の相対位置を判定していくことにより、最終的な水位を導出することができる。
【００４８】
このように、水位測定装置１’によれば、第２電極１２を高さ方向に複数配置するとともに、これら第２電極１２を順次グランドへ接地させる第２マルチプレクサ２５を備え、同一の引き出し配線に異なる複数の第１電極を接続可能とすることで、引き出し配線の数を増加させることなく、より深い水位まで測定することができる。特に、高さ方向に細長いプリント配線板１４では、より深い水位まで測定するために第１電極１１の数を増やしたとしても引き出し配線の本数を増やすことが難しい場合があるが、このように同一の引き出し配線に異なる複数の第１電極を接続可能とすることで、かかる問題を解消することができる。
【００４９】
（実施例３）
次に、実施例３に係る水位測定装置１”について、図５および図６を用いて説明する。
【００５０】
図５は、実施例３に係る水位測定装置１”の概略構成を示す説明図である。水位測定装置１”は、実施例１の水位測定装置１と比較して、第１電極１１および第２電極１２の構成は同じであるが、マイコン１３の具体的な構成や電源１０の構成、配線などが水位測定装置１と異なっている。ここでは、実施例１の水位測定装置１と同一の構成については説明を省略し、実施例１の水位測定装置１と異なる構成についてのみ説明する。
【００５１】
水位測定装置１”は、電源１０としてインバータ電源回路を備えており、インバータ電源回路は抵抗Ｒを介して各第１電極１１に接続されている。
【００５２】
マイコン１３”は、ラッチ回路３０と、シフトレジスタ３１とを備えている。ラッチ回路３０は、第１電極１１の数だけ設けられ、それぞれが第１電極１１に対して１対１で接続されている。ラッチ回路３０は、タイミングパルス線４１を介してＣＰＵ２０”に接続されている。ラッチ回路３０は、ＣＰＵ２０”から所定のタイミング信号を受信すると、第１電極１１の電位を検出し、電位が閾値以上であればhigh信号を出力して回路内に保持する。一方、ラッチ回路３０は、第１電極１１の電位が閾値未満であればlow信号を出力して回路内に保持する。
【００５３】
各ラッチ回路３０は、シフトレジスタ３１に接続されている。シフトレジスタ３１は、リセットパルス線４２、タイミングクロック線４３、およびデータ転送線４４を介してＣＰＵ２０”に接続されている。シフトレジスタ３１は、ＣＰＵ２０”からリセットパルス線４２を介してリセット信号を受信すると、ラッチ回路３０が出力した出力信号（high信号またはlow信号）を内部に取り込む。そして、シフトレジスタ３１は、ＣＰＵ２０”からタイミングクロック線４３を介してタイミング信号を受信すると、その受信に合わせてラッチ回路３０から取り込んだ出力信号を順次シフトし、データ転送線４４を介して水位導出部２４”へ送信する。
【００５４】
水位導出部２４”は、シフトレジスタ３１から受信した出力信号（high信号またはlow信号）に基づき、水面に対する各第１電極１１の相対位置、すなわち各第１電極１１が水面上にあるか、または水面下にあるかを判定し、判定結果に基づき水位を導出する。以下、具体的な動作例を説明する。
【００５５】
まず、マイコン１３”のＣＰＵ２０”は、電源１０から出力される出力電圧をLow(GNDレベル）からHign(電源電圧のレベル）に変化させ、抵抗Ｒを介して各第１電極１１の容量Ｃの充電を開始する。
【００５６】
ＣＰＵ２０”は、充電を開始してから予め設定した時間が経過した時点で、タイミング信号を各ラッチ回路３０へ同時に送信する。各容量Ｃの充電は同時に開始されるが、第１電極１１が水面上にあるか水面下にあるかに応じて、充電の進行速度に違いが現れる。
【００５７】
図６は、第１電極１１の電位の推移を示す図であり、（ａ）は第１電極１１が水面上にある場合、（ｂ）は第１電極が水面下にある場合の電位の推移を示している。第１電極１１が水面上にある場合、水面下にある場合と比較して容量Ｃが小さいため、（ａ）に示すように充電の進行速度が（ｂ）よりも速い。一方、第１電極１１が水面下にある場合、水面上にある場合と比較して容量Ｃが大きいため、（ｂ）に示すように充電の進行速度が（ａ）よりも遅い。
【００５８】
ラッチ回路３０は、測定開始から所定時間ｔが経過した時点における各容量の電位と、予め定められた電位閾値Ｖｍとを比較し、電位がＶｍより大きければhigh信号を出力し、電位がＶｍより小さければlow信号を出力して、回路内に保持する。
【００５９】
その後、ＣＰＵ２０”はシフトレジスタ３１に対してタイミング信号を送信する。タイミング信号を受信したシフトレジスタ３１は、各ラッチ回路３０からhigh信号またはlow信号のいずれかの出力信号を取り込む。こうして、シフトレジスタ３１には、各ラッチ回路３０から出力された出力信号列が保持される。
【００６０】
その後、ＣＰＵ２０”はシフトレジスタ３１に対してクロック信号を所定間隔ごとに送信する。シフトレジスタ３１は、クロック信号を受信すると、このクロック信号の受信に合わせて内部に保持している出力信号列をシフトさせながら、水位導出部２４”へ順次送信する。水位導出部２４”は、シフトレジスタ３１から次々に送信されてくる出力信号に基づき、当該出力信号を出力したラッチ回路３０に対応する第１電極１１が水面上にあるかまたは水面下にあるかを判定していく。そして、各第１電極１１の判定結果に基づき水位を導出する。
【００６１】
このように、水位測定装置１”によれば、第１電極１１の容量Ｃを充電したときの充電の進行速度の違いを容量Ｃの充電特性としてとらえ、この特性に基づいて水面に対する各第１電極１１の相対位置を判定し、水位を導出する。水位測定装置１”では、各第１電極１１を同時に充電し、１回の充電で各第１電極１１が水面上にあるか又は水面下にあるかを判定できるため、きわめて短時間で水位を測定することができる。
【００６２】
また、水位測定装置１”では、シフトレジスタ３１を備え、ラッチ回路３０から出力された出力信号を水位導出部２４”へ順次送信する構成としたので、データ転送のための信号線が１本で済み、回路構成を簡素化することができる。
【００６３】
なお、ここでは容量を充電するときの充電の進行速度の違いに基づいて水位を測定する例を説明したが、これとは逆に、あらかじめ所定の電位まで充電された容量を放電する際の放電の進行速度の違いを用いても、同様に水位を測定できる。
【００６４】
以上、実施例に係る水位測定装置として図面で示した各構成部材は、あくまでも好ましい一例を示すものであり、特許請求の範囲内で適宜設計変更が可能であることは云うまでもない。例えば、実施例では容量の充放電特性として、ノコギリ波形のパルス数や充放電の進行速度を用いた例を説明したが、このほか第１電極に交流電圧を印加した場合の容量内を流れる交流電流の変化を容量の充放電特性として用いてもよい。
【００６５】
なお、水位測定装置は、主に水田などの耕作地や河川、ダムなどの水位測定が必要な分野に適用することができる。この場合、各第１電極１１は、第２電極１２以外の他の構造体（例えば水田に設置された金属製の杭など）との間にも容量を形成し得るため、第２電極１２が不要な場合も想定される。その場合でも、各第１電極１１の容量の違いおよび充放電特性の違いを電気的に検出して、各第１電極１１が水面上にあるかまたは水面下にあるかを判定し、水位を測定することができる。
【００６６】
また、水位測定装置は、例えば病院などの医療機関で点滴等に用いられる点滴筒の内部に貯留する薬液の水位を測定する場合にも応用することができる。この場合は、水位測定装置を点滴筒内に収容可能な程度の大きさで構成し、点滴筒内の底部付近の適切な箇所に配置して、筒内に貯留する薬液の水位を測定すればよい。
【００６７】
さらに、水位測定装置は、点滴筒の上方に接続されて点滴筒内に薬液を供給する薬液バッグなどの容器にも適用することができる。その場合は、水位測定装置の第１電極１１と第２電極１２との間に薬液バッグを挟み込むように取り付け、このバッグ内に容量が形成されるようにした状態で容量の充放電を行うことにより、薬液バッグ内に貯留する薬液の水位を測定すればよい。また、このように測定した点滴筒内や薬液バッグ内の薬液の水位を無線による通信で遠隔にある装置に送信すれば、患者に投与する単位時間あたりの薬液量などの点滴の進行を遠隔から管理することができる。また、薬液バッグの用途のみならず、絶縁体材料で作られた袋、容器、管の中にある水や溶液の水位を、それらの袋、容器、管の外側を第１電極と第２電極で挟むことによって測定する用途に適用できることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００６８】
１、１'、１”  水位測定装置
１０  電源
１１  第１電極
１２  第２電極
１３、１３”  マイコン
１４  プリント配線板
１５  第１マルチプレクサ
１６  スイッチ  
２０、２０”  ＣＰＵ  
２１  閾値検出部
２２  スイッチ切替制御部  
２３  パルス計数部
２４、２４”  水位導出部
２５  第２マルチプレクサ
３０  ラッチ回路
３１  シフトレジスタ
Ｃ  容量
Ｒ  抵抗
【図１】
2018091651.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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