JP2008064473A - 水位計測システム - Google Patents

Abstract

【課題】給電線への誘導雷の侵入による水位計の破損の虞を低減する。
【解決手段】河川内に設けられ、所定の蓄電手段に蓄電した電力に基づいて計測した水位計測データを光信号として外部に出力すると共に誘導雷保護手段を備えた水位計と、該水位計と離間して設けられ、水位計に所定の給電線を介して電力を給電する給電装置と、一端が水位計に接続され、光信号を伝送する伝送用光ファイバと、該伝送用光ファイバの他端に接続され、光信号を受光することにより水位計測データを取得し、該水位計測データに所定の処理を施すデータ処理装置とを備え、誘導雷保護手段は、給電装置から水位計への給電を検知し、給電状態でない場合には給電線を開放状態とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、屋外の各種水位を計測する水位計測システムに関する。

河川の水位を計測するシステム（水位計測システム）として、水位計と、該水位計に電力を供給する給電装置と、水位計から供給された計測データを処理するデータ処理装置とから構成されるものがある。このような水位計測システムでは、水位計は河川内に水没状態に設けられ、給電装置は河川から多少離れた所に配置された中継箱内に設けられ、またデータ処理装置は、水位計及び中継箱から離間すると共に河川を管理するための局舎内に設けられている。
このような水位計測システムについては、周知技術としてまた実施技術として当業者間で広く知られているものであるが、出願人は上記水位計測システムが記載された公知文献を現時点で把握していない。

ところで、上記河川用の水位計測システムのように、屋外の対象物（河川）の水位を計測する水位計測システムでは、落雷に対する耐性を確保する必要がある。その一環として、河川用の水位計測システムでは水位計が取得した計測データを光ファイバを用いて局舎に伝送することが行われているが、水位計への給電については中継箱内の給電装置から電線（給電線）を介して行われるために、給電線に誘導雷が侵入して水位計を破損させる虞がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、給電線への誘導雷の侵入による水位計の破損の虞を低減することを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明では、第１の解決手段として、河川内に設けられ、所定の蓄電手段に蓄電した電力に基づいて計測した水位計測データを光信号として外部に出力すると共に誘導雷保護手段を備えた水位計と、該水位計と離間して設けられ、前記水位計に所定の給電線を介して電力を給電する給電装置と、一端が前記水位計に接続され、前記光信号を伝送する伝送用光ファイバと、該伝送用光ファイバの他端に接続され、前記光信号を受光することにより水位計測データを取得し、該水位計測データに所定の処理を施すデータ処理装置とを備え、前記誘導雷保護手段は、給電装置から水位計への給電を検知し、給電状態でない場合には給電線を開放状態とする、という手段を採用する。

また、第２の解決手段として、上記第１の手段において、蓄電手段は電気二重層コンデンサである、という手段を採用する。

第３の解決手段として、上記第１または第２の手段において、水位計は、水位をパルス信号の繰返周波数として検出する水位センサと、前記パルス信号のエッジを検出するエッジ検出回路と、エッジ検出回路の出力を光信号に変換して伝送用光ファイバに出力する電気／光変換器とを備える、という手段を採用する。

第４の解決手段として、上記第１〜第３いずれかの手段において、前記誘導雷保護手段は、半導体スイッチを用いることにより給電線の開放状態／接続状態を切り替える、という手段を採用する。

本発明によれば、誘導雷保護手段によって給電状態でない場合には給電線を開放状態とするので、給電状態でない場合においては給電線への誘導雷の侵入による水位計の破損の虞を低減することができる。
また、通常の二次電池よりも高速充電が可能な電気二重層コンデンサを蓄電手段とするので、１回の充電に要する時間を二次電池の場合よりも短縮することができるので、給電状態において誘導雷が給電線に侵入する確率を低減させることが可能であり、よって誘導雷による水位計の破損の虞を低減することができる。
さらには、水位センサから出力される水位に対応した繰返周波数のパルス信号をエッジ検出回路を用いてエッジ検出信号に変換し、このエッジ検出信号を電気／光変換器で光信号に変換して伝送用光ファイバに出力するので、上記パルス信号をそのまま光信号に変換する場合よりも電気／光変換器が消費する電力を低減することが可能である。したがって、水位計に対する充電回数を低減することができるので、給電状態において誘導雷が給電線に侵入する確率を低減させることが可能であり、よって誘導雷による水位計の破損の虞を低減することができる。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。図1は、本実施形態に係る水位計測システムの全体構成を示すシステム構成図である。この図に示すように、本水位計測システムは、水位計１、給電装置２、給電線３、伝送用光ファイバ４、データ受信回路５及びデータ処理装置６を備えている。
また、図２は上記水位計１の給電系と給電装置２の要部詳細構成を示す回路図であり、図３は上記水位計１のデータ出力系と局舎内のデータ受信回路５の要部詳細構成を示すブロック図である。

水位計１は、図示するように河川内に水没するように設けられており、給電装置２から給電線３を介して給電される電力に基づいて河川の水位を計測し、その水位計測データを伝送用光ファイバ４の一端に出力する。このような上記水位計１は、図２及び図３に示すように、保護回路１ａ（誘導雷保護手段）、レギュレータ１ｂ、電気二重層コンデンサ１ｃ、水位センサ１ｄ、エッジ検出回路１ｍ及びＥ/Ｏ変換器１ｎを備えている。なお、水位計１の各構成要素については後述する。

給電装置２は、図１に示すように水位計１からある程度離間した場所に配置された中継箱内に設けられており、図２に示すように電源装置２ａ、スイッチ２ｂ，２ｂ、リレー駆動回路２ｃ及びタイマ２ｄを備えている。電源装置２ａは商用交流電力（例えばＡＣ１００Ｖ）を１０Ｖ程度の直流電力に変換してスイッチ２ｂ、２ｂに出力する。スイッチ２ｂ、２ｂは、リレー駆動回路２ｃによって開閉する接点スイッチであり、電源装置２ａの出力端と給電装置２の出力端との間（電源装置２ａと給電線３との間）に対として設けられている。リレー駆動回路２ｃはタイマ２ｄから入力される制御信号に基づいて上記スイッチ２ｂ、２ｂを駆動する。タイマ２ｄは、常時時刻を計時し、予め設定された時刻（設定時刻）を計時する度に上記制御信号をリレー駆動回路２ｃに出力する。

給電線３は、図２に示すように一対の電線であり、一端が給電装置２の出力端（スイッチ２ｂ、２ｂの出力端）に接続され、他端が上記水位計１の入力端（受電端）に接続されている。伝送用光ファイバ４は、一般的な光通信で使用されている石英ファイバと同一のものであり、一端が水位計１のデータ出力端（Ｅ/Ｏ変換器１ｎの出力端）に接続され、他端がデータ受信回路５の入力端（Ｏ/Ｅ変換器５ａの入力端）に接続されている。

データ受信回路５は、図３に示すようにＯ/Ｅ変換器５ａ及び１/２分周器５ｂを備えており、伝送用光ファイバ４を介して水位計１から入力された光信号を受信し、当該受信によって得られた水位計測データをデータ処理装置６に出力する。なお、Ｏ/Ｅ変換器５ａ及び１/２分周器５ｂの詳細については説明の都合上後述する。データ処理装置６は、上記データ受信回路５から入力された水位計測データを所定のフォーマットに変換し、時系列順に順次記憶する。

続いて、上記水位計１及びデータ受信回路５の詳細について説明する。
水位計１の保護回路１ａは、図２に示すように避雷器１ｅ、抵抗器１ｆ，１ｇ，１ｋ、ダイオード１ｈ及びフォトカプラ１ｉ，１ｊを備えている。避雷器１ｅ、抵抗器１ｆ，１ｇ及びダイオード１ｈは、誘導雷による異常な高電圧をサージするための異常電圧サージ機能を実現する回路素子であり、抵抗器１ｋ及びフォトカプラ１ｉ，１ｊは、給電装置２から水位計１への給電線３による給電状態（給電/非給電）を検知し、この給電状態に応じて給電線３の水位計１への接続状態（接続/非接続）を切り替える接続切替機能を実現する回路素子である。

避雷器１ｅは、図示するように給電線３の他端間に設けられ、抵抗器１ｆは一端が一方の給電線３の他端に接続され、また抵抗器１ｇは一端が他方の給電線３の他端に接続され、またダイオード１ｈは、ソード端子が抵抗器１ｆの他端に、アノード端子が抵抗器１ｆの他端にそれぞれ接続されている。また、抵抗器１ｋは、一端が抵抗器１ｆの他端（つまりダイオード１ｈのカソード端子）に、他端がフォトカプラ１ｉにおけるフォトダイオードのアノード端子にそれぞれ接続されている。一方のフォトカプラ１ｉは、フォトダイオードのカソード端子が他方のフォトカプラ１ｊにおけるフォトダイオードのアノード端子に、フォトトランジスタのドレイン端子が抵抗器１ｆの他端に、フォトトランジスタのソース端子がレギュレータ１ｂの一方の入力端にそれぞれ接続されている。フォトカプラ１ｊは、フォトダイオードのカソード端子及びフォトトランジスタのドレイン端子が抵抗器１ｇの他端（つまりダイオード１ｈのアノード端子）に、フォトトランジスタのソース端子がレギュレータ１ｂの他方の入力端にそれぞれ接続されている。

レギュレータ１ｂは、上記給電線３及び保護回路１ａを介して給電装置２から入力された１０Ｖ程度の直流電力を５Ｖ程度の直流電力に電力変換して電気二重層コンデンサ１ｃに出力する。電気二重層コンデンサ１ｃは、一端がレギュレータ１ｂの一方の出力端に、他端がレギュレータ１ｂの他方の出力端にそれぞれ接続されており、レギュレータ１ｂから直流電力が供給されている状態では当該直流電力に基づいて電荷を充電し、レギュレータ１ｂからの直流電力の供給が停止した状態においては、蓄電した電荷を放電して水位センサ１ｄに電力として供給する。なお、電気二重層コンデンサ１ｃにレギュレータ１ｂから直流電力が供給される状態では、当該直流電力の一部が電気二重層コンデンサ１ｃに充電され、残りが水位センサ１ｄに電力として供給される。

水位センサ１ｄは、このようにして電気二重層コンデンサ１ｃあるいはレギュレータ１ｂから供給される電力によって作動するものであり、河川の水位を検出し、当該水位に対応した繰返周波数のパルス信号を検出信号としてエッジ検出回路１ｍに出力する。この検出信号は、Ｄｕｔｙ比（デューティ比）が略５０％のパルス信号であり、エッジ検出回路１ｍは、このような検出パルス信号の立ち上がりエッジを検出し、当該立ち上がりエッジにおいて時間幅が極端に狭いパルスが並ぶエッジ検出信号（デューティ比が略５％程度）をＥ/Ｏ変換器１ｎに出力する。Ｅ/Ｏ変換器１ｎは、上記エッジ検出信号（電気信号）を光検出信号に変換して伝送用光ファイバ４に出力する。

データ受信回路５におけるＯ/Ｅ変換器５ａは、上記光検出信号を受光（光電変換）することによりエッジ検出信号を再生して１/２分周器５ｂに出力する。１/２分周器５ｂは、このエッジ検出信号を１/２分周することにより、上記水位センサ１ｄが出力する検出パルス信号の１/２の繰返周波数を有する周波数変換パルス信号を生成してデータ処理装置６に出力する。

次に、このように構成された水位計測システムの時系列的な動作について詳しく説明する。

最初に、給電装置２から水位計１への給電動作について図２を参照して説明すると、給電装置２のタイマ２ｄは、常時時刻を計時しており、所定の設定時刻になるとその度に制御信号を所定時間だけリレー駆動回路２ｃに出力する。例えば、タイマ２ｄは、３時間が経過する度に２分間だけ制御信号をリレー駆動回路２ｃに出力し、その結果、リレー駆動回路２ｃは、３時間毎に２分間だけスイッチ２ｂを閉状態にし、それ以外の期間ではスイッチ２ｂを開状態とする。すなわち、水位計１には３時間毎に２分間だけ給電線３を介して１０Ｖの直流電力が供給される。

給電装置２から水位計１へ１０Ｖの直流電力が給電されている状態においては、一対の給電線３間には当然に１０Ｖの電位差が生じる、例えば一方の給電線３（抵抗器１ｆ側）が１０Ｖの電位の場合、他方の給電線３（抵抗器１ｇ側）は０Ｖの電位となるので、各々の給電線３間に直列接続された状態のフォトカプラ１ｉ，１ｊの各フォトダイオードは何れもＯＮ状態となり、この結果、各給電線３の他端は、レギュレータ１ｂの各入力単に接続された状態となる。一方、給電装置２から水位計１への給電がない状態においては、一対の給電線３間には電位差が生じないので、フォトカプラ１ｉ，１ｊの各フォトダイオードは何れもＯＦＦ状態であり、よって各給電線３の他端は開放状態となる。

すなわち、水位計測システムでは、直流電力が給電装置２から水位計１に給電されている期間のみにおいて、各給電線３が水位計１に接続され、給電の停止期間においては各給電線３は水位計１から切り離された状態となる。また誘導雷による給電線３の高電圧は、避雷器１ｅ、抵抗器１ｆ，１ｇ及びダイオード１ｈによる異常電圧サージ機能によってサージされる。したがって、この状態において、誘導雷が給電線３に侵入しても、レギュレータ１ｂや電気二重層コンデンサ１ｃ、水位センサ１ｄ等、水位計１を構成する各要素は、抵抗器１ｋとフォトカプラ１ｉ，１ｊとによる接続切替機能と上記異常電圧サージ機能との両機能によってより保護され、破壊あるいは故障するの虞が低減する。

また、給電装置２から水位計１に給電される直流電力は、レギュレータ１ｂによって５Ｖの直流電圧に電力変換され、電気二重層コンデンサ１ｃに充電されるが、給電装置２から水位計１への給電は、上述したように３時間の間に２分間だけであり、極めて短時間である。このような給電時間の短さは、蓄電手段として充電時間が通常の二次電池に比較して極端に短い電気二重層コンデンサ１ｃを用いたこと、また後述するようにエッジ検出回路１ｍを設けたことにより実現されたものである。

すなわち、蓄電手段として二次電池を用いた場合には１回の充電時間を１時間程度に設定する必要があるが、この場合、充電時間が長い分だけ充電中に落雷が発生して誘導雷が給電線３に侵入する確率が高くなる。これに対して、水位計測システムでは、電気二重層コンデンサ１ｃを蓄電手段として用いるので、１回の充電時間が２分間と二次電池に比べて極端に短く、よって誘導雷が給電線３に侵入する確率が低い。したがって、水位計１の誘導雷による故障確率を低減することが可能である。

続いて、水位計測データの伝送動作について図３を参照して説明すると、水位センサ１ｄは、河川の水位に対応した繰返周波数のパルス信号を検出信号として出力する。この検出信号は、デューティ比が略５０％のパルス信号であるが、エッジ検出回路１ｍによってエッジ検出信号に変換された後にＥ/Ｏ変換器１ｎで光検出信号に変換され、伝送用光ファイバ４によって局舎に伝送されて記録される。

ここで、本水位計測システムでは、デューティ比が略５０％の検出信号をＥ/Ｏ変換器１ｎに直接供給して光信号に変換するのではなく、検出信号をエッジ検出回路１ｍによってデューティ比が略５％程度のエッジ検出信号に変換された後にＥ/Ｏ変換器１ｎで光検出信号に変換するので、Ｅ/Ｏ変換器１ｎにおける電力消費を大幅に低減することができる。

すなわち、図３において波形で示すように、検出信号はデューティ比が略５０％、つまりＯＮ状態とＯＦＦ状態の時間比率が略等しいが、エッジ検出信号は、デューティ比が略５％程度なので、ＯＮ状態とＯＦＦ状態の時間比率が大きく異なる（図３ではＯＮ状態の時間がＯＦＦ状態の時間よりも極端に短い）。したがって、エッジ検出回路１ｍを設けることによって、Ｅ/Ｏ変換器１ｎにおける発光状態の時間を非発光状態の時間よりも極端に短くすることが可能であり、よってＥ/Ｏ変換器１ｎの消費電力を大幅に低減することができる。

このようなエッジ検出回路１ｍに起因するＥ/Ｏ変換器１ｎの消費電力低減によって水位計１の全体としての消費電力を大幅に低減することが可能である。本水位計測システムでは、これによって蓄電手段として通常の二次電池に比較して蓄電容量の小さい電気二重層コンデンサ１ｃを用いた場合であっても、給電間隔を３時間間隔と比較的長く設定することを可能としており、以って誘導雷が給電線３に侵入する確率、つまり誘導雷による水位計１の故障確率を低減している。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形が考えられる。
（１）上記実施形態では接続切替機能を抵抗器１ｋとフォトカプラ１ｉ，１ｊとによって構成したが、接続切替機能の構成はこれに限定されない。例えば、接続切替機能の前段に設けられた避雷器１ｅ、抵抗器１ｆ，１ｇ及びダイオード１ｈによる異常電圧サージ機能によって誘導雷の電圧は数十ボルト程度まで低減されるので、フォトカプラ１ｉ，１ｊに変えて数十ボルト程度の耐圧を有する他のスイッチ素子を用いても良い。

（２）上記実施形態では１つの電気二重層コンデンサ１ｃによって蓄電手段を構成したが、並列接続あるいは/及び直列接続された複数の電気二重層コンデンサによって蓄電手段を構成するようにしても良い。

本発明の一実施形態に係わる水位計測システムの全体構成を示すシステム構成図である。 本発明の一実施形態に係わる水位計測システムの水位計１の給電系と給電装置２の要部詳細構成を示す回路図である。 本発明の一実施形態に係わる水位計測システムの信号伝送構成を示すブロック図である。

符号の説明

１……水位計、１ａ……保護回路（誘導雷保護手段）、１ｂ……レギュレータ、１ｃ……電気二重層コンデンサ、１ｄ……水位センサ、１ｍ……エッジ検出回路、１ｎ……Ｅ/Ｏ変換器、２……給電装置、２ａ……電源装置、２ｂ……スイッチ、２ｃ……リレー駆動回路、２ｄ……タイマ、３……給電線、４……伝送用光ファイバ、５……データ受信回路、５ａ……Ｏ/Ｅ変換器、５ｂ……１/２分周器、６……データ処理装置

Claims (3)

1. 河川内に設けられ、所定の蓄電手段に蓄電した電力に基づいて計測した水位計測データを光信号として外部に出力すると共に誘導雷保護手段を備えた水位計と、
   該水位計と離間して設けられ、前記水位計に所定の給電線を介して電力を給電する給電装置と、
   一端が前記水位計に接続され、前記光信号を伝送する伝送用光ファイバと、
   該伝送用光ファイバの他端に接続され、前記光信号を受光することにより水位計測データを取得し、該水位計測データに所定の処理を施すデータ処理装置とを備え、
   前記誘導雷保護手段は、給電装置から水位計への給電を検知し、給電状態でない場合には給電線を開放状態とする
   ことを特徴とする水位計測システム。
2. 前記蓄電手は、電気二重層コンデンサであることを特徴とする請求項１記載の水位計測システム。
3. 前記誘導雷保護手段は、半導体スイッチを用いることにより給電線の開放状態／接続状態を切り替えることを特徴とする請求項１または２記載の水位計測システム。

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