(57)【要約】      （修正有）【課題】河川、湖、海の氷の厚みを測定する。【解決手段】水の電気抵抗を利用して対抗した電極セット１を等間隔で並べ、電極セットの片側に直流電圧２を印可して、もう一方の電極が抵抗を介して０Ｖに接続されているため水が存在すると抵抗の両端に電圧が発生するのでこの電圧をラッチ回路で保持してシフトレジスタを使って順番にＣＰＵの入力ポートに運んでくる。【選択図】図１
2013156240.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電体としての水を挟むように配置された１対の電極が所定の等間隔で並べられ、前記１対電極の片側は所定の直流電圧を印可する素子に接続され、前記１対電極のもう一方側は抵抗を介して０Ｖに接続され、前記抵抗の一端はラッチ回路に接続され、前記ラッチ回路はシフトレジスタに接続され、前記シフトレジスタは直列に接続され、前記等間隔で並べられた全ての電極に接続された前記抵抗の両端電圧情報が前記シフトレジスタに供給されるクロックに同期してＣＰＵの入力ポートに入力されることを特徴とする氷厚センサ。
【請求項２】
前記水を挟むように配置された１対の電極間隔を約２ミリメートルとし、前記抵抗を１００キロオームとし、前記１対電極の片側には直流電圧約３Ｖを約１０マイクロ秒間印加し、これと同期させて前記ラッチ回路で前記抵抗の両端電圧情報を捉えることを特徴とする請求項１に記載の氷厚センサ。
【請求項３】
前記等間隔に並べられた電極セットが細長いプリント基板の表面に形成され、その他の回路素子が前記プリント基板の裏面に配置されて前記回路素子を防水モールドで覆い、前記プリント基板を２重の細長い中空管に納め、前記２重の中空管は導水穴が互い違いに穿っていることを特徴とする請求項１から請求項２に記載の氷厚センサ。
【請求項４】
前記細長い中空管の上部に電池と無線発信器を納めたことを特徴とする請求項１から請求項３に記載の氷厚センサ。
【請求項５】
前記等間隔に並べられた電極セットの特定の位置を水面と一致させるように前記細長い中空管を液面に対して縦に保持させたことを特徴とする請求項１から請求項４に記載の氷厚センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  河川・湖・海などで氷の厚さを測定するために使用される電気抵抗式水検知装置に関する。
【背景技術】
【０００２】  固定された目標水位に対して到達したか否かを判定する場合は、お風呂ブザーや水洗トイレタンクのフロート方式が有名である。この場合水面の位置がどこにあるかを判定できれば良い。別の言い方をすれば空気と水の境目を区別できれば良い。【０００３】  水分の検出方法として、電極間に交流電圧を印可し電極間の電流又は静電容量の変化を検出する方法（特許文献１）が、また水の誘電率を利用して櫛形電極間の静電容量の変化を検出する方法（特許文献２）が、さらにセンサ表面の静電容量変化を検出しセンサ表面の水分量を測定する方法を応用して植物体の葉面水分を予測する葉面濡れセンサ（特許文献３）も開示されている。
静電容量の変化をとらえる水位計への応用としては、周波数の変化としてとらえる方法や数百ｋＨｚ以上の交流で一方の電極部を励磁し、他方の電極からの信号を増幅して電圧変化として捉える方法などが利用されてきた。また、水の導電性を利用して氷の厚さを測定しようとする方法（特許文献４）も公開されている。
【先行技術文献】
【特許文献１】実開昭６４−３０４７０号公報
【特許文献２】特開２００５−２０８０１８号公報
【特許文献３】特開２００９−１０３５８６号公報
【特許文献４】特開平０７−１７４８６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】  空気もしくは水に直流もしくは交流の電流を流して空気と水の電気抵抗の違いを検出すれば水面の位置が判別できる。この場合は大雑把な感度設定であっても空気と水の導電率の差は大きいのであまり問題なく動く。次に、氷の厚さを測りたい時は氷と水の判定を正確にしないと正しい氷厚を測定できない。氷はほとんど電気を通さないので氷を水と間違う可能性はほぼゼロであるが、逆に氷温に近い水を氷と判定してしまう可能性は感度設定の曖昧さが原因で大いにあり得る。【０００５】  水と氷の状態を繰り返す環境、例えば河川・湖などに電気抵抗式の電子回路を防湿処理して沈め込んで使用する時凍結過程で氷の体積膨張で測定器・測定回路に機械的変形を及ぼす圧力が加わる。特に電気抵抗式測定器の場合は水に電気を流す電極部分は必ず水との接触が必要であり凍結時の圧力対策が不可欠である。圧力対策としては、うんと頑丈に作るか、しなやかに作るかであるが、本発明はしなやかさを徹底追求した。
【課題を解決するための手段】
【０００６】  請求項１記載の氷厚センサは、水の導電性を利用して対抗した電極セットが等間隔で並べられ、電極セットの片側に直流電圧を印可するともう一方の電極が抵抗を介して０Ｖに接続されているため水が存在すると抵抗の両端に電圧が発生する。この電圧をラッチ回路で保持してシフトレジスタを使って順番にＣＰＵの入力ポートに運んでくる。【０００７】  請求項２記載の氷厚センサは、水を検出する電極間隔を約２ミリメートルとし、前記抵抗値を１００キロオームとし、片側電極に直流電圧約３Ｖを印可してラッチ回路を働かせ直流電圧の印可を停止するまでに約１０マイクロ秒で終了させる。【０００８】  請求項３記載の氷厚センサは、水に接触させる部分が対抗電極だけとしその他の回路は防水対策をする必要から、細長いプリント基板の片面に電極を形成し、その他の回路は電極の裏面に配置して防水モールドを施し、細長い中空管を２重にしてケーシング材料に使用し、２重の中空管には導水穴が穿ってあり内側と外側の穴は一致しないように配置する。【０００９】  請求項４記載の氷厚センサは、ケーシングの最上部に無線発信器と電源となる電池を装備した。
請求項５記載の氷厚センサは、液面を氷厚センサの所定の位置に常に一致させるように氷厚センサを水に浮かせた状態に保持させる。
【発明の効果】
【００１０】（１）測定レンジを長くしたい場合には対抗電極を追加し、回路上は▲１▼電極セットの片側に印可する直流電圧ライン、▲２▼ラッチを指示する信号、▲３▼シフトレジスタを動かすクロック信号、▲４▼シフトレジスタの出力信号  の４本を延長させ、後はプログラム上でシフトレジスタに与えるクロック数を追加した対抗電極分だけ増加させることで実現できる。
（２）河川・湖・海の水の導電率は一定ではない。湧き水の場合もありこの場合の導電率はかなり低くなる。片側電極に印加する電圧を約３Ｖ、対抗する電極間隔を約２ミリメートルとし、プルダウン抵抗値を１００キロオームとすることで最適な感度とすることができる。また、水に電気を通すことによる電極の電気分解による腐食を抑えるために、水への通電時間を約１０マイクロ秒とする。【００１１】（３）水に触れさせる対抗電極を細長いプリント基板の片側に集中させ、水に触れてはいけない回路部分をその反対側に配置することで、シリコンやウレタンなどを使う防水モールド作業が確実に早くできる。上下水道管などで広く普及している塩ビパイプを中空管ケーシングに使うことで、安価で加工作業がし易くなる。中空管を２重にするのは横殴りの雨によって直接雨が電極に吹きつけることを防止するためである。塩ビパイプ自体しなやかで、中に入れ込む細長いプリント基板は防湿モールドを５ｍｍまで厚くしても充分なしなやかさを保つ。【００１２】（４）氷厚センサを河川・湖・海に設置するにはセンサケーブルを数十メートル用意する必要がある。凍結するシーズン中必要十分な電力を供給できる電池と間欠に水位データを送信する無線機を氷厚センサの最上部に設置する。設置する位置は受信機が見通せるだけの高さで充分である。これにより河川・湖・海を這い回るケーブルを省くことが可能となる。【００１３】（５）通常の水位検知方式は液面の位置が水位計との相対関係で上下するが、請求項５記載の氷厚センサは液面を水位計の一点と常に一致するように水位計を浮かせた状態に設置する。海や湖が凍りはじめると水面から下に向かって凍る。凍った部分の電気導電性はゼロとなり水位計の電極は電気を通さなくなる。そのため水位計の液面と一致させた位置から下に向かって最初に水の反応を見せた地点までが凍っていることがわかり氷厚が測定できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】  以下、添付図面を参照して本発明に係わる氷厚センサの最良の形態について説明する。【００１５】  図１は、本発明の水検知部分の回路である。電極セット１はお互い２ミリメートルの間隔で配置され、各電極セット１は液面から液底に向かって等間隔に並べてある。直流電圧２が印可され、次にラッチ回路にデータが取り込まれると直流電圧２の印可は解除される。この間約１０マイクロ秒である。続いてＣＰＵからのクロック信号３に同期してラッチされたデータがシフトレジスタによってＣＰＵに送り込まれてくる。例として電極セットが８セットの半分まで水につかっていた場合は上位から（００００１１１１）というデータ列（図５）となる。なお、水の有りを１、無しを０と表している。もし水位検出幅を５メートル、電極セット間を１センチメートルとすると、前記データ列は５００個となる。検出感度を決めているのは、電極セット１のお互いの間隔と直流電圧２の電圧と抵抗４の値である。【００１６】  図２は、水に接触させる電極セット１を細長いプリント基板の表面に配置し、電子回路素子を裏面に配置して防水モールド５を施したプリント基板の断面図である。【００１７】  図３は、２重にしたケーシングの断面図である。内側の中空管６と外側の中空管７に開けられた導水穴８は、雨の吹きつけにより直接水位検出用電極セット１に到達しないように上下左右に互い違いに穿ってある。【００１８】  図４は、請求項５記載の氷厚センサの具体例である。氷厚センサ９の水面点１１を実際の液面と一致するように浮き輪１０と氷厚センサ９を固定して水面に浮かせている。【００１９】  図５は、地面に突き刺した杭１２と氷厚センサ９を固定して水面の上下を測定する場合の測定データ列を示している。空中が０で、水中が１となり１の最上位部分が水面となる。【００２０】  図６は、桶状の入れ物に氷厚センサ９を例えばつり下げた状態で設置して全体を充分冷える環境下に置く。水は桶状入れ物の周辺から凍り始め桶状入れ物の中心あたりが最後に凍り付くが、その凍る過程が連続して測定できる。【００２１】  図７は、請求項５記載の氷厚センサ（図４）の測定データを示している。例えば、湖面が夜中に凍り次の日の昼間に太陽が出て氷の表面が溶け始めた場合の測定データを示している。最上部は空気の０，次に溶けた水の１，次に氷の０，最底部は水の１となる。【００２２】  そもそも水位計とは水の最上部の位置がどこにあるのかを検知すれば事足りていた。本発明による氷厚センサは感度を正確に設定して水と氷の境を正確に判定できることが最大の特徴である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の水検知部分の回路図である。
【図２】本発明の水位検知電極と回路素子部の断面図である。
【図３】本発明の２重ケーシングの断面図である。
【図４】本発明を氷厚センサとして使用した場合の構成図である。
【図５】本発明を単純な水位計として使用した場合の測定データである。
【図６】本発明を容器内凍結モニタリングとして使用した場合の測定データである。
【図７】本発明を氷厚センサとして使用した場合の測定データである。
【符号の説明】
【００２４】  １    電極セット
２    直流電圧
３    クロック信号
４    抵抗
５    防水モールド
６    内側の中空管
７    外側の中空管
８    導水穴
９    氷厚センサ
１０  浮き輪
１１  水面点
１２  杭
【図１】
2013156240.tif 000003
【図２】
2013156240.tif 000004
【図３】
2013156240.tif 000005
【図４】
2013156240.tif 000006
【図５】
2013156240.tif 000007
【図６】
2013156240.tif 000008
【図７】
2013156240.tif 000009