(57)【要約】【課題】天候や河川状況に左右されず流速が測定できる光ファイバ流速センサを提供する。【解決手段】被測定流体中に筐体６を設置し、その筐体６の起立した表面の複数箇所にダイヤフラム９を張設すると共に、この筐体６内に前記ダイヤフラム９と同数のブルドン管４１を収容し、それぞれのダイヤフラム９の内側と対応するブルドン管４１の入口４７との間を繋ぐ閉じたオイル室４２を形成し、それぞれのブルドン管４１の先端４５と基端４６との間隙にファイバブラッググレーティングからなる伸縮センサ４３を差し渡して取り付けた。【選択図】        図１
2004191303.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定流体中に筐体を設置し、その筐体の起立した表面の複数箇所にダイヤフラムを張設すると共に、この筐体内に前記ダイヤフラムと同数のブルドン管を収容し、それぞれのダイヤフラムの内側と対応するブルドン管の入口との間を繋ぐ閉じたオイル室を形成し、それぞれのブルドン管の先端と基端との間隙にファイバブラッググレーティングからなる伸縮センサを差し渡して取り付けたことを特徴とする光ファイバ流速センサ。
【請求項２】
前記複数の伸縮センサをひとつながりの光ファイバ中に形成したことを特徴とする請求項１記載の光ファイバ流速センサ。
【請求項３】
前記複数のダイヤフラムのうち少なくともひとつのダイヤフラムを別のダイヤフラムと９０°異なる方向に臨ませたことを特徴とする請求項１又は２記載の光ファイバ流速センサ。
【請求項４】
前記筐体を流体床に固定設置される基礎筐体の上部に載せて左右に回動自在に軸承させると共に、前記筐体には横向きに突出したヒレを形成したことを特徴とする請求項１〜３いずれか記載の光ファイバ流速センサ。
【請求項５】
前記筐体の上部に該筐体内と連通して光ファイバを収容する上部筐体を載せ、この上部筐体に測定用光を該筐体外から入出力する光ファイバケーブルを導入する光ファイバケーブル導入部を設けると共に、前記光ファイバケーブル内には該上部筐体内へ通じる空気通路を形成したことを特徴とする請求項１〜４いずれか記載の光ファイバ流速センサ。
【請求項６】
光ファイバケーブルを介して前記複数の伸縮センサにそれぞれ測定用光を供給する光源と、各伸縮センサからの反射光の波長を測定する波長測定器と、流体圧と反射光の波長変化との関係を予め定めた関係式により、各波長における反射光の波長変化から各ダイヤフラムにかかる流体圧を計算し、ダイヤフラム間の流体圧差から流速を求める演算部とからなる測定装置を地上に設けたことを特徴とする請求項１〜５いずれか記載の光ファイバ流速センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体の流速、とりわけ河川における流速を測定する流速センサに係り、特に、天候や河川状況に左右されず流速が測定できる光ファイバ流速センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
台風や大雨による洪水のときに起きる破堤の形態は、緩流河川では越水、浸透などが起因になる場合が多く、急流河川では水衝部での根固めや護岸の洗掘により堤脚から破壊が生じて破堤に至る場合が多い。また、洪水のときに道路橋の橋脚が周辺の河床洗掘により傾斜・沈下することもある。
【０００３】
このため、台風や大雨による出水時における堤防や橋等の河川管理施設の維持管理のために、ＣＣＴＶカメラによる監視や直接現地の巡視による目視確認を行っている。しかし、前記状況での洗掘を予想するには、河川の流速を随時観測して把握しておくことが重要であり、流速の測定方法には、
▲１▼流体と共に移動するマークの速度を測定する方法、
▲２▼ピトー管、オリフィス板、ベンチュリ管等で流体中に生じている圧力差を測定する方法、
などが採られている。
また、文献に記載された方法としては、
▲３▼受圧板が受けた水圧を流れに沿って設置した光ファイバの歪みに変換し、この歪みを光ファイバ歪み計測装置により検出する特許文献１の方法、
▲４▼流体の流れにより回転する風杯式回転子の１回転毎にパルス状に光ファイバ歪みセンサに歪みを与え、そのパルスの時間当たりの回数から流速を求める特許文献２の方法、
などがある。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−２０２１６３号公報
【特許文献２】
特開２００１−１９４３７８号公報
また、流速測定の分野ではないが、本発明における変量変換の技術に先行する文献として特許文献３がある。
【０００５】
【特許文献３】
特開２００１−３３３２５号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、洪水時には河川が濁流となるため、ＣＣＴＶカメラによる監視や目視による確認では河床の洗掘状況について確認することができないし、悪天候（特に降雨、霧による視界不良）での上記▲１▼による流速測定は困難である。また、上記▲２▼の方法は、濁流中の異物が邪魔になり正確な観測が困難である。▲３▼の特許文献１の方法は、受圧板の向きが固定であるため、洪水時などに流向が変動しているとき、不正確である。▲４▼の特許文献２の方法は、異物が風杯式回転子に絡むなどして測定を妨げることが考えられる。
【０００７】
このように、従来の技術では、洗掘が発生しそうな場所の流速を天候や河川状況に左右されずに測定することができない。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、天候や河川状況に左右されず流速が測定できる光ファイバ流速センサを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、被測定流体中に筐体を設置し、その筐体の起立した表面の複数箇所にダイヤフラムを張設すると共に、この筐体内に前記ダイヤフラムと同数のブルドン管を収容し、それぞれのダイヤフラムの内側と対応するブルドン管の入口との間を繋ぐ閉じたオイル室を形成し、それぞれのブルドン管の先端と基端との間隙にファイバブラッググレーティングからなる伸縮センサを差し渡して取り付けたものである。
【００１０】
前記複数の伸縮センサをひとつながりの光ファイバ中に形成してもよい。
【００１１】
前記複数のダイヤフラムのうち少なくともひとつのダイヤフラムを別のダイヤフラムと９０°異なる方向に臨ませてもよい。
【００１２】
前記筐体を流体床に固定設置される基礎筐体の上部に載せて左右に回動自在に軸承させると共に、前記筐体には横向きに突出したヒレを形成してもよい。
【００１３】
前記筐体の上部に該筐体内と連通して光ファイバを収容する上部筐体を載せ、この上部筐体に測定用光を該筐体外から入出力する光ファイバケーブルを導入する光ファイバケーブル導入部を設けると共に、前記光ファイバケーブル内には該上部筐体内へ通じる空気通路を形成してもよい。
【００１４】
光ファイバケーブルを介して前記複数の伸縮センサにそれぞれ測定用光を供給する光源と、各伸縮センサからの反射光の波長を測定する波長測定器と、流体圧と反射光の波長変化との関係を予め定めた関係式により、各波長における反射光の波長変化から各ダイヤフラムにかかる流体圧を計算し、ダイヤフラム間の流体圧差から流速を求める演算部とからなる測定装置を地上に設けてもよい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００１６】
図１に示されるように、本発明に係る光ファイバ流速センサを用いた河川用の流速測定システムは、水中に設置された光ファイバ流速センサ１と、地上に設置された測定装置２と、測定装置２と光ファイバ流速センサ１とを接続し、測定用光を導くと共に圧力調整用空気を導く光ファイバケーブル３と、地上に設置された大気圧平衡装置４とからなる。図２に、光ファイバ流速センサ１の内部を示す。以下、図１と図２を参照して説明する。
【００１７】
光ファイバ流速センサ１は、全体的には略円筒状を呈し、使用時には起立させて設置される。光ファイバ流速センサ１は、設置時に下になる方から順に、河床に固定される基礎筐体５と、その基礎筐体５に軸承されて回動自在な筐体（以下、回転筒と呼ぶ）６と、光ファイバケーブル３が接続されている上部筐体（以下、静止筒と呼ぶ）７とに分割形成されている。
【００１８】
回転筒６には、横向きに突出したヒレ８が形成されている。このヒレ８が水流に従って下流に向くよう回転筒６が回動するので、回転筒６は、ヒレ８のある側を後面、後面の反対側を前面、後面と前面との中間を横面と呼ぶことにする。図１は、横面を正面に見たものである。
【００１９】
回転筒６の胴部表面には複数のダイヤフラム９が張設されている。ここでは、回転筒６の前面と前面から９０°（上から見た円周角で９０°）ずれた横面との２箇所に配置されているものとする。前面のダイヤフラム９は常に水流に対向し、横面のダイヤフラム９は常に水流と平行になる。回転筒６内には、ブルドン管、オイル室、ファイバブラッググレーティング（以下、ＦＢＧと呼ぶ）からなる伸縮センサなどが収容されるが、詳細は後に説明する。
【００２０】
基礎筐体５は、円柱の下端を下向きに尖った円錐状に形成したもので、河床に打ち込んで固定する形態となっている。護岸や橋脚などに固定する場合には、円柱の下端や側面にボルト止め用のフランジを形成するとよい。
【００２１】
静止筒７は、回転筒６に軸承されており、回転筒６が回動しても静止又は少しの回動しかしない。静止筒７の上部（側部又は頂部）には、光ファイバケーブル３を導入する光ファイバケーブル導入部１１が形成されている。静止筒７の上部は、水面上に露出することも、水中に没することもあるので、光ファイバケーブル導入部１１の周囲は光ファイバケーブル３と共にゴムチューブ１２で覆われている。
【００２２】
測定装置２（詳細は図示せず）は、光ファイバケーブル３を介して各伸縮センサに測定用光を供給する光源と、各伸縮センサからの反射光の波長λ１，λ２を測定する波長測定器と、流体圧と反射光の波長変化との関係を予め定めた関係式により、各波長における反射光の波長変化から各ダイヤフラムにかかる流体圧を計算し、ダイヤフラム間の流体圧差から流速を求める演算部とからなる。演算部は、パソコンで実現することができる。光源及び波長測定器は、従来より知られているＦＢＧ型の光ファイバ歪み計測装置を構成するものであるから、説明は省略する。
【００２３】
光ファイバケーブル３（詳細は図示せず）は、光ファイバと構造保護材とを水密外装内に収容してなるケーブルである。構造保護材には長手方向に溝状或いは管状の空気通路が形成されている。
【００２４】
大気圧平衡装置４（詳細は図示せず）は、光ファイバケーブル３の空気通路を介して静止筒７内及び回転筒６内を加圧又は減圧するものである。
【００２５】
次に、光ファイバ流速センサの詳細構造を図２及び図３により説明する。
【００２６】
図２に示されるように、基礎筐体５は、円錐状の下端部を有する円柱からなり、上端には回転筒６を軸承するための下部軸受け部２１が形成されている。下部軸受け部２１は、後述する回転筒６の凸部が挿入される凹部２２を形成し、その凹部２２の周囲にベアリング２３を施したものである。この軸受け部２１に嵌合するべく回転筒６の下端には回転軸としての凸部２４が形成されている。
【００２７】
回転筒６は、凸部２４と同軸な中空の円筒２５からなり、凸部２４に繋がる円筒２５下端にはひとまわり径を大きくした下フランジ２６が形成されている。円筒２５の上部にも同様の上フランジ２７が形成されていると共に、この上フランジ２７より上では径が狭くなり、上端は開口されている。その開口部２８は、静止筒７を軸承するための上部軸受け部となっており、開口部２８の内周にベアリング２９が施されている。
【００２８】
回転筒６の胴部である円筒２５の上下フランジ２６，２７間には、図３に詳しく示すように、ダイヤフラム９を張設するための窓３０と、その窓３０を内側から覆う内壁３１と、ダイヤフラム９の内側に連通するために内壁３１に開設された小窓３２とが設けられ、この窓３０を覆うようにダイヤフラム９が張設されていると共に、そのダイヤフラム９の外縁を窓３０の内縁に接合した接合部分は水密封止されている。ダイヤフラム９の外方にはダイヤフラム９を異物から保護するための保護網３３が窓３０を覆うように設けられている。図示したダイヤフラム９は、前面のダイヤフラム９である。前面のダイヤフラム９と同様に横面のダイヤフラム９も紙面手前方向に臨んで設けられるが、図を簡素にするため省略してある。紙面左手の上流から来た水流は、保護網３３を抜けてダイヤフラム９に当たるか、フランジ２６，２７と保護網３３との隙間を抜けてダイヤフラム９に当たり、回転筒６の表面に沿って流れ、横面のダイヤフラム９の面と平行に通過して後面に回り込み、ヒレ８に沿って下流に流れることになる。
【００２９】
回転筒６の胴部には前述したヒレ８が設けられている。ヒレ８は、回転筒６の回転軸に平行に起立し、回転筒６径方向に延びた略矩形の板である。ヒレ８の形状は、図示のものに限定されず、回転筒６の左右（紙面手前と奥）を流れてきた流体の圧力を均等かつ効率良く受けて水流に忠実に従って下流に向くものであればよい。
【００３０】
図２に示されるように、静止筒７は、静止筒７の上部から回転筒６の上フランジ２７近傍まで延びて円筒状の外観を呈する外筒１３と、その外筒１３に囲まれた中空の内筒１４とを有する。内筒１４の下端は、開口されており、回転筒６の開口部２８に嵌め込まれている。これにより、回転筒６の内部空間と静止筒７の内筒の内部空間とが連通していると共に、ベアリング２９を介して静止筒７が回転筒６と相対的に回動自在となっている。外筒１３と内筒１４との間には、回転筒６の上部の外周に下端を水密固定し、内筒１４の上部の外周に上端を水密固定したフレキシブルチューブ１５が挿入されている。フレキシブルチューブ１５は、静止筒７と回転筒６との相対的な回動を柔軟に許容しつつ静止筒７と回転筒６との接合部分への浸水を防止するためのもので、例えば、ゴムチューブである。外筒１３は、このフレキシブルチューブ１５を保護する働きをする。
【００３１】
静止筒７の上部には前述した光ファイバケーブル導入部１１が形成されており、光ファイバケーブル導入部１１の周囲がゴムチューブ１２で覆われて静止筒７内への浸水が防止されている。
【００３２】
ここまでに述べた構造により、光ファイバ流速センサ１は、河床に打ち込んで水中に起立した状態に固定することができ、ヒレ８の働きで回転筒６は常に水流に対して同じ向きを維持し、前面のダイヤフラム９は常に水流に対向し、横面のダイヤフラム９は常に水流と平行になることが分かる。
【００３３】
さて、回転筒６の内部には、図３に示されるように、ブルドン管４１、オイル室４２、伸縮センサ４３が収容されている。
【００３４】
ブルドン管４１は、公知の通り、湾曲した偏平管４４の先端４５を閉じ、基端４６を入口４７としたもので、入口４７に加わる内部流体圧に応じて湾曲の度合いが変るために先端が変位する。
【００３５】
オイル室４２は、窓３０の内壁３１に開設された小窓３２に一端が連結され、他端がブルドン管４１の入口４７に連結された閉じた空間を形成するものである。これにより、ダイヤフラム９と窓３０とに囲まれた空間とオイル室４２内空間とブルドン管４１内空間とが連通し、ダイヤフラム９の内側からブルドン管４１の先端４５までの全体で閉じた空間となっている。この閉じた空間には、内部流体としてオイル４８を充填する。
【００３６】
伸縮センサ４３は、光ファイバ４９の中に形成されたＦＢＧからなる。この伸縮センサ４３をブルドン管４１の先端４５と基端４６との間に取り付けるとブルドン管４１の内部流体圧を反射波長のシフト量として検出できることは特許文献３に記載された通りである。伸縮センサ４３の固定方法も特許文献３の記載に準ずる。
【００３７】
図示は省略したが、横面のダイヤフラム９に関わるブルドン管４１、オイル室４２、伸縮センサ４３も図３と同様の構成となっている。
【００３８】
光ファイバ４９は、その長手方向中に、前面のダイヤフラム９に関わる伸縮センサ４３と横面のダイヤフラム９に関わる伸縮センサ４３とを形成したものである。光ファイバ４９は、回転筒６内から静止筒７へ延出され、両端が光ファイバケーブル３から取り出した光ファイバ５０と光ファイバ接続部５１において接続されている。光ファイバ接続部５１は、伸縮センサ４３となるＦＢＧを途中に形成するに好適な光ファイバ４９と光ファイバケーブル３に用いる堅牢な光ファイバ５０との構造（被覆厚など）の相違を考慮して構成されている。
【００３９】
光ファイバケーブル導入部１１から静止筒７内に光ファイバケーブル３が引き込まれており、その光ファイバケーブル３の端末を剥いて光ファイバ５０が取り出されている。これにより、光ファイバケーブル３内の空気通路は、静止筒７内に連通している。従って、図１の大気圧平衡装置４から空気を吸排することで、静止筒７内及び回転筒６内を加圧又は減圧することができる。回転筒６内の圧力は、大気圧、或いは回転筒６の水深を考慮した圧力、或いは大気圧や水深に関係なく一定圧などに設定する。回転筒６内の圧力が調整されることで、ブルドン管４１の周囲圧力が所望に設定できるので、ブルドン管４１内の圧力変化に対する先端４５の変位量を較正することができる。
【００４０】
次に、図１の流速測定システムにおける流速測定の動作を説明する。
【００４１】
既に述べたように、光ファイバ流速センサ１を河床に打ち込んで水中に起立させると、ヒレ８の働きで回転筒６が回動し、洪水時の濁流によって流向が変動しても常に前面のダイヤフラム９は水流に対向し、横面のダイヤフラムは常に水流と平行になる。
【００４２】
このとき、前面のダイヤフラム９に加わる圧力をＰ１、横面のダイヤフラム９に加わる圧力をＰ２とする。これらの圧力Ｐ１，Ｐ２は流速に応じて変化する。圧力を受けたそれぞれのダイヤフラム９は変形する。この変形に応じてオイル室４２などのオイル４８は圧力が変化し、この圧力はブルドン管４１の先端４５にも及ぶ。これにより、ブルドン管４１は、先端４５基端４６間のギャップが伸縮する。
【００４３】
伸縮センサ４３が伸縮すると、これらの伸縮センサ４３には測定装置２内の光源より測定用光が供給されているので、公知のＦＢＧの動作原理により、歪み量に応じた反射波長の変化が生じる。反射変化量は測定装置２内の波長測定器により測定することができる。測定装置２内の演算部では、この波長変化量から伸縮センサ４３の歪み量を求め、その伸縮歪み量をダイヤフラム９の変形量に換算し、さらにダイヤフラム９が水流から受けた流体圧に換算する。もちろん、これらの計算を逐一行うのでなく、流体圧と反射光の波長変化との関係を定めた関係式又は換算表を用意しておけば、計算は簡単である。即ち、各伸縮センサ４３からの反射光の波長λ１，λ２を測定すれば、前面・横面のダイヤフラムに加わる圧力Ｐ１，Ｐ２を得ることができる。
【００４４】
なお、波長変化量及び歪み量とは、予め大気圧又は所定の既知水圧をダイヤフラムに印加したときの反射光の波長及び歪み量を基準にしたものである。
【００４５】
演算部は、圧力Ｐ１，Ｐ２から水流による圧力（静水圧などを除いた水流の強さに起因した圧力成分）を計算する。即ち、Ｐ１−Ｐ２＝Ｐ３が水流による圧力である。次いで、演算部は、水流による圧力Ｐ３から流速Ｖを計算する。その演算式は、流速Ｖ＝√（２Ｐ３）である。この流速Ｖは、測定装置２の図示しない表示部に表示される。
【００４６】
以上説明したように、本発明によれば、ダイヤフラム９の受圧を伸縮センサ４３の歪みとして遠隔より光学的に測定して流速を求めるので、水上からの目視観測のように天候に左右されることがなく、現場に人が行かなくてもよく、しかも、常時、測定を続けることができる。
【００４７】
また、特許文献１では、受圧板が受けた前面圧（本発明でＰ１に相当）だけから流速を計測しているのに対し、本発明では複数のダイヤフラム９、オイル室４２、ブルドン管４１、伸縮センサ４３を有するので、横面圧Ｐ２なども考慮して流速を計測することができる。そして、筐体を回動自在としヒレを形成したことにより、常に上流に前面を向けるので正確な流速を計測することができる。
【００４８】
上記の実施形態では、光ファイバ流速センサ１を１つだけ示したが、複数箇所に設置してもよい。
【００４９】
【発明の効果】
本発明は次の如き優れた効果を発揮する。
【００５０】
（１）天候や河川状況に左右されず流速が測定できる。
【００５１】
（２）流速が正確に測定できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す河川用の流速測定システムの構成図である。
【図２】本発明の一実施形態を示す光ファイバ流速センサの内部構造図である。
【図３】図２の光ファイバ流速センサの回転筒部分の詳細図である。
【符号の説明】
１  光ファイバ流速センサ
２  測定装置
３  光ファイバケーブル
４  大気圧平衡装置
５  基礎筐体
６  筐体（回転筒）
７  上部筐体（静止筒）
８  ヒレ
９  ダイヤフラム
１１  光ファイバケーブル導入部
４１  ブルドン管
４２  オイル室
４３  伸縮センサ
４９  光ファイバ
【図１】
2004191303.tif 000003
【図２】
2004191303.tif 000004
【図３】
2004191303.tif 000005