(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
大気圧と水圧との差圧に応じて移動する受圧体を有する圧力検出手段と、前記受圧体に送光し、かつその反射光を受光する送受光手段とを備えた水位測定センサにおいて、前記圧力検出手段は、水を封入した第１のベローズと、水とは混合しにくい第１の液体を封入した第２のベローズと、受圧体を内部に有するとともに、該受圧体を境界として一方の端部まで水が封入され、他方の端部まで第１の液体が封入された筒状容器と、該筒状容器の水側の端部と一端が連通し、第１のベローズと他端が連通するとともに内部に水が封入された第１の細管と、筒状容器の前記第１の液体側の端部と一端が連通し、他端が第２のベローズと連通するとともに内部に第１の液体が封入された第２の細管と、第１のベローズを収納するとともに内部に大気を導入する第１のパイプを備えた第１のハウジングと、第２のベローズを収容するとともに内部に被測定用水とは混合しにくい第２の液体を封入した第２のハウジングと、前記第２の液体を内部に封入し、一端を第２のハウジングに連通させるとともに他端を開口させた第２のパイプとを備えたことを特徴とする水位測定センサ。
【請求項２】
水を封入した第１のベローズと、水とは混合しにくい第１の液体を封入した第２のベローズと、大気圧と水圧との差圧に応じて移動する受圧体を内部に有するとともに、該受圧体を境界として一方の端部まで水が封入され、他方の端部まで第１の液体が封入された筒状容器と、該筒状容器の水側の端部と一端が連通し、第１のベローズと他端が連通するとともに内部に水が封入された第１の細管と、筒状容器の前記第１の液体側の端部と一端が連通し、他端が第２のベローズと連通するとともに内部に第１の液体が封入された第２の細管と、第１のベローズを収納するとともに内部に大気を導入する第１のパイプを備えた第１のハウジングと、第２のベローズを収容するとともに内部に被測定用水とは混合しにくい第２の液体を封入した第２のハウジングと、前記第２の液体を内部に封入し、一端を第２のハウジングに連通させるとともに他端を開口させた第２のパイプとを具備する圧力検出手段を備えたことを特徴とする水位測定センサ。
【請求項３】
前記受圧体はチタン系の金属やプラスチック等、光の反射効率が高く、かつ計量な材質で形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の水位測定センサ。
【請求項４】
前記受圧体は球体として形成されていることを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項に記載の水位測定センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、河川やダム、湖、池等の水位を測定する水位測定センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より河川やダム、湖、池等の水位を測定する水位測定装置における水位計として、フロート式水位計、デジタル式水位計、水圧式水位計、水晶式水位計、気泡式水位計、超音波式水位計等が知られている。これらの水位計の水位計測部位（センサ）内部には、計測した水位のデータをアナログ信号、あるいはデジタル信号として出力するための電子回路（ＩＣ）及び伝送装置が配設されており、前記出力信号は導電性ケーブルを通じて変換器に送られ、該変換器により数値等に変換されて測定結果が表示されるようになっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記水位計は、変換器等の地上にある機器と導電性ケーブルで接続されているため、落雷又は誘雷等を受けやすい。この場合には、センサ内部に電子回路が組み込まれていることから故障に陥りやすく、誤測の原因や測定不能になることもしばしばである。そのため、水位測定装置のメンテナンスや修理・交換の頻度が高く、それに伴う手間やコストも多くかかっていた。
【０００４】
本発明は、上記欠点に鑑みてなされたものであって、水位測定装置のセンサを電子回路の必要のない、光学偏光を利用した機械機構として構成するとともに、光ファイバで地上の変換器と接続することによって、落雷、誘雷等の被害を受けることのない、かつ製造コストも安価でメンテナンスも容易な水位測定装置及び水位測定センサを提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明に係る水位測定センサは、大気圧と水圧との差圧に応じて移動する受圧体を有する圧力検出手段と、前記受圧体に送光し、かつその反射光を受光する送受光手段とを備えた水位測定センサにおいて、前記圧力検出手段が、水を封入した第１のベローズと、水とは混合しにくい第１の液体を封入した第２のベローズと、受圧体を内部に有するとともに、該受圧体を境界として一方の端部まで水が封入され、他方の端部まで第１の液体が封入された筒状容器と、該筒状容器の水側の端部と一端が連通し、第１のベローズと他端が連通するとともに内部に水が封入された第１の細管と、筒状容器の前記第１の液体側の端部と一端が連通し、他端が第２のベローズと連通するとともに内部に第１の液体が封入された第２の細管と、第１のベローズを収納するとともに内部に大気を導入する第１のパイプを備えた第１のハウジングと、第２のベローズを収容するとともに内部に被測定用水とは混合しにくい第２の液体を封入した第２のハウジングと、前記第２の液体を内部に封入し、一端を第２のハウジングに連通させるとともに他端を開口させた第２のパイプとを備えたことを特徴としている。
【０００６】
また、本発明に係る水位測定センサは、水を封入した第１のベローズと、水とは混合しにくい第１の液体を封入した第２のベローズと、大気圧と水圧との差圧に応じて移動する受圧体を内部に有するとともに、該受圧体を境界として一方の端部まで水が封入され、他方の端部まで第１の液体が封入された筒状容器と、該筒状容器の水側の端部と一端が連通し、第１のベローズと他端が連通するとともに内部に水が封入された第１の細管と、筒状容器の前記第１の液体側の端部と一端が連通し、他端が第２のベローズと連通するとともに内部に第１の液体が封入された第２の細管と、第１のベローズを収納するとともに内部に大気を導入する第１のパイプを備えた第１のハウジングと、第２のベローズを収容するとともに内部に被測定用水とは混合しにくい第２の液体を封入した第２のハウジングと、前記第２の液体を内部に封入し、一端を第２のハウジングに連通させるとともに他端を開口させた第２のパイプとを具備する圧力検出手段を備えたことを特徴とするものである。
【０００７】
前記圧力検出手段における受圧体はチタン系の金属やプラスチック等、光の反射効率が高く、かつ計量な材質で形成され、又は球体として形成されていることが望ましい。
尚、８ｃのパイプ先端部の８ｃ´とＰＷについては水圧を感知する為の受管部であるが、原設計では下部から気泡が発生した場合パイプ内に気泡が混入すると誤計測の可能性があったが受管部を水面方向に曲管することにより気泡の混入を防げる。
従って、正確な測定が可能となる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明につき、その実施形態を具体的に示した添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明に係る水位測定装置及び水位計測センサの一の実施の形態を示す構成図であり、１は水位計測センサである。また、本発明に係る水位計測装置は該水位計測センサ１と光ファイバ１８及び変換器２０とから構成されている。
【０００９】
水位計測センサ１は、円筒状のケース２によって水密に外部を覆われ、該円筒状ケース２の内部に、大気圧と水圧との差圧を検出する圧力検出手段３と、光を送光し、かつ受光する送受光手段４とを備えている。
【００１０】
圧力検出手段３は、第１のベローズ５及び第２のベローズ６と、第１のベローズを収容する第１のハウジング７及び第２のベローズ６を収容する第２のハウジング８と、受圧体９を内部に有する筒状容器１０と、該筒状容器１０の一端と第１のベローズとを連結する第１の細管１１及び該筒状容器１０の他端と第２のベローズとを連結する第２の細管１２とから構成されている。
【００１１】
第１のベローズ５の下端面５ａは、第１のハウジング７内部の下端面７ａに固着されている。また、第１のベローズ５の上端面５ｂに対向するハウジング７の上端面７ｂには、ハウジング７内にセンサ１の外部から大気を取り入れるための第１のパイプ７ｃが結合されている。パイプ７ｃの上端部７ｃ′は開口されており、該上端部を常に大気中に置くことで、大気が第１のハウジング７内部に導入され、大気圧ＰＯの変動が第１のベローズ５に伝達されるようになっている。なお、パイプ７ｃは通常、中継器１９と接続されており、該中継器１９内からハウジング７内に大気を取り入れている。
【００１２】
一方、第２のベローズ６の上端面６ａは、第２のハウジング８内部の上端面８ａに固着されている。また、第２のベローズ６の下端面６ｂに対向するハウジング８の下端面８ｂには、第２のベローズ６の内部と連通した第２のパイプ８ｃがセンサ１の外部に延出して設けられており、その端部８ｃ′は開口している。
【００１３】
次ぎに筒状容器１０はガラス又は樹脂等により円筒状に形成された容器であり、その上端部には、容器内部と連通する第１の細管１１の一端部が結合されており、該細管１１の他端部は第一のハウジング７の下端面７ａを気密に挿通して第１のベローズ５の下端面５ａと結合され、該ベローズ５の内部と連通している。また、筒状容器１０の下端部には、その内部と連通する第２の細管１２の一端部が結合されており、該細管１２の他端部は第２のハウジング８の上端面８ａを水密に挿通して第２のベローズ６の上端面６ａと結合され、該ベローズ６の内部と連通している。
【００１４】
筒状容器１０の内部には、受圧体９が収容されているとともに、該受圧体９を境界とする容器１０の上方から第１の細管１１を通して第１のベローズ５の内部全体にわたって水１３（図中の右上がり斜線）が真空充填されている。水１３は精製水であることが望ましいが、それには限定されず、例えば寒冷地においては不凍液等のような他の液体又は物質を混合した混合水としてもよい。一方、受圧体９を境界とする容器１０内部の下方から第２の細管１２を通して第２のベローズ６の内部全体に至るまで、水１３とは混合しにくい第１の液体１４（図中の右下がり斜線）が真空充填されている。該第１の液体１４は、比較的粘度の高い不揮発性の液体であり、例えばトルエンやベンゼン等が望ましく、トルエンを用いる場合には水１．００ｇ／ｃｍ３に対して０．８６６ｇ／ｃｍ３程度が好適であり、またベンゼンを用いる場合には、水１．００ｇ／ｃｍ３に対して０．８７９ｇ／ｃｍ３程度が好適である。また、水１３と第１の液体１４との境界面は、毛管現象メニスカスが発生することにより、ともに液面が凹形になる。従って、受圧体９は球状に形成することが望ましい。すなわち、受圧体９を球状に形成することによって、それらの液面同士の間隙を無くすことができる。さらに、受圧体９は光の反射効率の高い、かつ軽量な材質で形成されており、例えばチタン系の金属やプラスチック等で形成するのが望ましい。また、気圧と水圧の差圧から生じる水１３及び第１の液体１４の上下運動に応じた受圧体９の移動を容易とするため、受圧体９の内部は中空とすることが望ましい。
【００１５】
また、第２のハウジング８内部及び第２のパイプ８ｃ内部には、全体にわたって被測定用水とは混合しにくい第２の液体１５（図中の交差線）が充填されている。該液体１５は、第１の液体１４と同様に、比較的粘度の高い不揮発性の液体を用いるが、第１の液体１４とは異なる液体を用いるのが望まく、例えば粘度３００ＣＳ以上のシリコンオイル又はフッ素オイルなどが好適である。第２のパイプ８ｃの端部８ｃ′は、水位の計測中は常に被測定用水中にあり、このため第２の液体１５は、該端部８ｃ′内において、被測定用水と接しているが、毛管現象メニスカスによりその充填状体は保持され、第２のパイプ８ｃ外に流出することはない。これによって、第２の液体１５には、測定部位における圧力ＰＷ（被測定用水の水圧に大気圧が加わった圧力）が伝達されるので、それを通して該圧力ＰＷの変動が第２のベローズ６に伝達される。
【００１６】
次ぎに、送受光手段４は、送受光器１６と偏光フィルター１７とから構成されている。送受光器１６は、その上端部において光ファイバ１８と接続されており、該光ファイバ１８により送られてくる光をレーザー光として前記受圧体９に向けて送光する送光器としての機能を有するととともに、該受圧体９により反射する光を受光する受光器としての機能も有するものである。また、偏光フィルター１７は、受圧体９により反射する光波を整えて送受光器１６に送光するための部材であり、ガラス材等で形成されている。送受光器１６は光ファイバ１８により中継器１９を介して変換器２０と接続されており、送受光器１６が受圧体９の反射光を受光すると、その光を光ファイバ１８を通して地上に設置された変換器２０に伝送するようになっている。光ファイバ１８は例えばガラス繊維等の絶縁性の高い繊維で形成されたものを用いる。
【００１７】
変換器２０は、送受光手段４により送られてきた光により受圧体９の位置を測定し、かつそれを水位現象に変換して水位として出力するための装置である。
【００１８】
図２は、本発明に係る水位測定装置及び水位測定センサが使用される状態を示したものである。水位測定センサ１は、橋脚２１や護岸・擁壁２２などに固定した保護管２３内に投入されるとともに水面Ｗ下に設置される。光ファイバ１８は一芯で複数の水位計測センサの接続が可能であり、図の例では２つの水位計測センサ１が接続された状態を示している。また、光ファイバ１８は中継器１９を介して変換器２０と接続されており、該変換器２２は、無停電電源２４により作動するようになっている。
【００１９】
次ぎに本実施の形態の作用について説明する。
水位測定センサ１が水中に設置されている状態では、第１のベローズ５は大気圧ＰＯに応じて、また第２のベローズ６は、圧力ＰＷに応じて伸縮する。そして、これらベローズの動作に関連して、すなわち大気圧ＰＯと圧力ＰＷとの差圧に応じて筒状容器１０内の水１３及び第１の液体１４の境界面が上下方向に移動することになり、受圧体９もこれとともに上下に移動する。なお、圧力ＰＷ内には第１のベローズに作用するのと同じ大気圧ＰＯが含まれているため、大気圧Ｐの変動による変動分は相殺される。すなわち、受圧体９は被測定用水の水圧いかんにより上下に移動することになる。そして、大気圧と水圧との差圧に応じた位置に受圧体９が停止すると、該受圧体９に対して送受光器１６により送光し、その結果受圧体９により反射する光波を偏光フィルター１７により偏光して送受光器１６に送光する。送受光器１６はその光を中継器１９を介して変換器２０へと伝送し、変換器２０において受圧体９の位置を測定し、かつそれを水位現象に変換して水位として出力する。
【００２０】
以上、本発明の実施形態を添付図面を参照して詳細に説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の範囲内で、それに各種の改変を施して実施することができるものである。
【００２１】
以上詳述したところから理解されるように、本発明に係る水位測定センサは、変換器等と絶縁性の高い光ファイバで接続されているため、落雷又は誘雷等を受けにくい。また、水位測定センサ内にはＩＣ等の電子回路を用いることがないので、故障しにくく、落雷や誘雷等による衝撃に対しても非常に強い。そのため、水位測定装置の点検、メンテナンスや修理・交換の頻度を少なくすることができ、それに伴う手間やコストも軽減することができる。
【００２２】
また、本発明に係る水位測定センサは、光学偏光を利用した機械機構によってのみ構成され、電源や伝送装置を使用しないため、製造コストやランニングコストを低く抑えることができる。
【００２３】
さらに、本発明によれば、１芯の光ファイバによって複数の水位測定センサを接続することができるので、複数の個所の水位の測定が可能となり、きめ細かなデータをリアルタイムで収集することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】        本発明に係る水位計測センサの概要構成図である。
【図２】        本発明に係る水位測定装置及び水位測定センサの使用状態の概要説明図である。
【符号の説明】
１      水位計測センサ
２      円筒状ケース
３      圧力検出手段
４      送受光手段
５      第１のベローズ
６      第２のベローズ
７      第１のハウジング
７ｃ    第１のパイプ
８      第２のハウジング
８ｃ    第２のパイプ
９      受圧体
１０    筒状容器
１１    第１の細管
１２    第２の細管
１３    水
１４    第１の液体
１５    第２の液体
１６    送受光器
１７    偏光フィルター
１８    光ファイバ
１９    中継器
２０    変換器
【図１】
0003820106.tif 000002
【図２】
0003820106.tif 000003