JP2019158463A - 水位センサ、点流速センサ、及び開度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】水位を低コストでありながら高精度に検出できる水位センサを提供する。【解決手段】ベース２２は、回転軸２１を中心として所定の角度の範囲で正逆方向に回転自在である。ベース２２には、水位に応じた高さ方向の位置に浮上して、ベース２２を回転させるフロート２６が取り付けられている。ベース２２には、ベース２２の回転方向の角度を検出するための加速度センサ２５を有する加速度センサユニット２３が取り付けられている。【選択図】図１

Description

本発明は、水位センサ、点流速センサ、及び開度センサに関する。

水位センサは、河川の水位または河川の水が内水側にあふれ出て浸水したときの水位を検出する（特許文献１参照）。点流速センサは河川の点流速を検出する（特許文献２参照）。樋門のゲートは開度が適切に管理されることが必要である（特許文献３参照）。

実公平３−４５１４８号公報 特開２００８−１９０９０８号公報 特開平１０−２６６１６０号公報

水位を低コストでありながら高精度に検出できる水位センサ、河川の点流速を低コストでありながら高精度に検出できる点流速センサが求められる。樋門に設けられた自重式フラップゲートの開度を低コストでありながら高精度に検出することができる開度センサが求められる。

本発明は、水位を低コストでありながら高精度に検出できる水位センサ、河川の点流速を低コストでありながら高精度に検出できる点流速センサ、樋門に設けられた自重式フラップゲートの開度を低コストでありながら高精度に検出することができる開度センサを提供することを目的とする。

本発明は、回転軸を中心として所定の角度の範囲で正逆方向に回転自在のベースと、
前記ベースに取り付けられ、水位に応じた高さ方向の位置に浮上して、前記ベースを回転させるフロートと、前記ベースに取り付けられ、前記ベースの回転方向の角度を検出するための加速度センサを有する加速度センサユニットとを備える水位センサを提供する。

本発明は、水流によって回転軸を中心として所定の角度の範囲で正逆方向に回転する回転体と、前記回転体に取り付けられ、前記回転体の角度を検出するための加速度センサを有する加速度センサユニットとを備える点流速センサを提供する。

本発明は、樋門に設けられた自重式フラップゲートに取り付けられるケースと、前記自重式フラップゲートの開度を検出するための加速度センサを有し、前記ケースの内部に所定の角度の範囲で回転自在に設けられており、前記ケースに対する角度が調整された状態で固定された加速度センサユニットとを備える開度センサ。
を提供する。

本発明の水位センサによれば、水位を低コストでありながら高精度に検出できる。本発明の点流速センサによれば、河川の点流速を低コストでありながら高精度に検出できる。本発明の開度センサによれば、樋門に設けられた自重式フラップゲートの開度を低コストでありながら高精度に検出することができる。

一実施形態の水位センサの蓋を外した状態を示す平面図である。 加速度センサが実装された回路基板を示す回路図である。 ケース内に加速度センサ及び回路基板を配置した加速度センサユニットを示す断面図である。 一実施形態の水位センサに接続されたデータ送信部の構成例を示すブロック図である。 一実施形態の水位センサのフロートの角度と水位との関係の一例を示す概念図である。 一実施形態の水位センサのフロートの角度と水位との関係の一例を数値で示す図である。 一実施形態の水位センサのフロートの角度と水位との部分的な関係を詳細な数値で示す図である。 一実施形態の水位センサのフロートの角度と水位との関係の一例を示すグラフである。 一実施形態の点流速センサの蓋を外した状態を示す平面図である。 一実施形態の点流速センサの加速度センサより出力される電圧と検知アームの角度との関係の一例を示すグラフである。 一実施形態の点流速センサの加速度センサで検出される角度と点流速との関係の一例を示すグラフである。 一実施形態の開度センサの蓋を外した状態を示す平面図である。 一実施形態の開度センサを自重式フラップゲートに取り付けた状態を示す概念図である。

以下、各実施形態の水位センサ、点流速センサ、及び開度センサについて、添付図面を参照して説明する。

＜水位センサ＞
図１において、水位センサ１１は蓋を外した状態を示している。例えばステンレスよりなるケース１１１の底面に取り付けられた回転軸２１には、所定の長さを有する矩形状のベース２２が正逆方向に回転自在に取り付けられている。図１において、時計方向の回転を正方向の回転とすれば、反時計方向の回転が逆方向の回転である。

ベース２２の回転軸２１の近傍位置には、加速度センサユニット２３が取り付けられている。加速度センサユニット２３は、回路基板２４と、回路基板２４上に実装された加速度センサ２５とを有する。

ベース２２の回転軸２１とは反対側の端部には、円筒状の中空のフロート２６が取り付けられている。フロート２６は、例えば、一面が開放した円筒状のパイプ２６ａ及び２６ｂの開放した面側を対向させて気密性を保つように溶着することによって形成されている。パイプ２６ａ及び２６ｂは例えば塩化ビニルによって形成されている。

ケース１１１の下面には３つの円形の水流入穴１１２が形成され、上面には３つの円形の排気穴１１３が形成されている。水流入穴１１２及び排気穴１１３の形状及び個数は限定されない。

一例として、水位センサ１１が河川の堤防よりも人家側（内水側）の所定の支柱に取り付けられているとする。河川の越水または堤防の決壊によって内水側が浸水すると、水が水流入穴１１２から侵入し、水位が上昇する。すると、図１に二点鎖線で示すように、フロート２６は水位に応じた高さ方向の位置に浮上して、ベース２２を正方向に回転させる。ベース２２及びフロート２６は、水位に応じて所定の角度の範囲で正逆方向に回転する。

ベース２２の回転に伴って加速度センサユニット２３も回転するから、加速度センサ２５はベース２２の回転方向の角度を検出する。加速度センサ２５の生成した検出値（電圧値）は、ケーブルＣＢを介して水位センサ１１の外部へと出力される。加速度センサ２５には、ケーブルＣＢを介して外部より電力が供給される。

図２を用いて、回路基板２４及び加速度センサ２５の詳細を説明する。加速度センサ２５は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３軸の加速度を検出する加速度センサであり、Ｘ軸の加速度を検出した検出値が抵抗Ｒ２を介して端子２４６より取り出されるように構成されている。加速度センサ２５の５Ｖ端子及びイネーブル（ＥＮ）端子には、端子２４５より供給された電力が抵抗Ｒ１を介して供給されるように構成されている。加速度センサ２５の０Ｖ端子及び自己テスト（ＳＴ）端子は、抵抗Ｒ３を介して端子２４７へと接続されている。

回路基板２４は、抵抗Ｒ１〜Ｒ３と、サージアブソーバ２４１〜２４４とが図示のように結線された保護回路２４０を有する。保護回路２４０は、加速度センサ２５に誘導雷サージによる高電圧が印加しないように降圧して、加速度センサ２５を保護する。回路基板２４は、図示のように結線されたリップル電圧を除去するコンデンサＣ１及びＣ２を有する。

図３に示すように、加速度センサユニット２３は、上面が開放した例えば塩化ビニルによって形成されたケース２３０を有する。ケース２３０の底面には、加速度センサ２５が実装された回路基板２４が配置されている。回路基板２４及び加速度センサ２５は軟質樹脂２３１で覆われており、軟質樹脂２３１の上方にはケース２３０の上端面まで硬質樹脂２３２が充填されている。よって、回路基板２４及び加速度センサ２５が水に触れることはない。

図４に示すように、水位センサ１１には、データ送信部５０が接続されている。データ送信部５０は、水位センサ１１が取り付けられている支柱の上方に、水位センサ１１とは所定距離だけ離隔した状態で取り付けられている。

データ送信部５０は、ケーブルＣＢを介して水位センサ１１から供給される検出値をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器５１、デジタル値の検出値を水位データに変換する中央処理装置５２（以下、ＣＰＵ５２）、水位データを無線送信する無線機５３を備える。また、データ送信部５０は、データ送信部５０内の各部及び水位センサ１１に電力を供給する電源部５４を備える。電源部５４は、ソーラーパネル及び充電池であってもよいし、予め充電された充電池または乾電池であってもよい。

無線機５３は、水位センサ１１が検出したベース２２の回転方向の角度に基づく水位データを中継局または河川を監視する監視事務所へと送信する。

図５に示すように、フロート２６がフロート２６の側面が地面と平行の状態まで回転した状態を角度０度とすると、フロート２６は−６１度から６１度の範囲で回転する。このときの角度θと水位Ｈとの関係は図６に示すようになる。図７は、−６０．０度から−５８．０度の範囲を小数点一桁の単位で変化させたときの水位Ｈを示している。図７に示すように、水位センサ１１によれば、角度を０．１度の分解能で検出でき、水位を１ｍｍ単位で高精度に検出することができる。しかも、加速度センサ２５は安価であるから、水位センサ１１を低コストで作製することができる。

図８は、フロート２６（ベース２２）の角度と、水位Ｈとの関係をグラフにて示している。ＣＰＵ５２は、図８に示すような角度θと水位Ｈとの関係に基づいて、水位センサ１１が検出したベース２２の角度を水位Ｈに変換して、水位データを生成することができる。

＜点流速センサ＞
図９に示す点流速センサ１２は、図１に示す水位センサ１１を構成する部品と共通の部品を用いて構成することができる。そこで、図９において、図１と同一部分には同一符号を付し、その説明を省略することがある。

図９において、点流速センサ１２は蓋を外した状態を示している。例えばステンレスよりなるケース１２１の底面に取り付けられた回転軸２１には、ベース２２が正逆方向に回転自在に取り付けられている。図９において、反時計方向の回転を正方向の回転とすれば、時計方向の回転が逆方向の回転である。ベース２２の回転軸２１の近傍位置には、加速度センサユニット２３が取り付けられている。

ベース２２の回転軸２１とは反対側の端部には、検知アーム２７が取り付けられている。ケース１２１の下面には、開口１２２が形成されている。ケース１２１の下面は、点流速センサ１２を水中に設置したときに下方（河床側）に向ける面である。検知アーム２７の一部は、開口１２２よりケース１２１の外部へと突出している。開口１２２は、検知アーム２７が通る程度のスリットであってもよい。

加速度センサユニット２３には、バランスウェイト２８が取り付けられている。バランスウェイト２８は、ねじ等の固定具によって加速度センサユニット２３のケース２３０に取り付けられている。バランスウェイト２８は、点流速センサ１２が検出する水流の最低流速（例えば流速０ｍ／ｓ）時に、検知アーム２７を所定の角度だけ予め回転させるために設けられている。図９に示すように、加速度センサユニット２３にバランスウェイト２８が取り付けられていることによって、流速が０ｍ／ｓであるときに検知アーム２７を開口１２２の一方側の端部に位置させることができる。バランスウェイト２８を取り外すことによって、検知アーム２７を開口１２２の中央に位置させることもできる。

バランスウェイト２８は、検知アーム２７を上流側に予め所定の角度だけ回転させて、検知アーム２７が一方側の端部に回転したときの０点を定める。０点は、点流速センサ１２が検出する最低流速となる。即ち、バランスウェイト２８は最低流速を決定する。最低流速を流速０ｍ／ｓより大きい流速に設定することも可能である。

検知アーム２７は例えば円柱状の棒である。検知アーム２７は四角柱状の棒であってもよいし、板であってもよい。検知アーム２７は例えばステンレスよりなる。検知アーム２７の長さまたは太さを変えることによって流水断面積を変えることができる。これにより、点流速センサ１２による点流速の測定範囲を、例えば、０〜１ｍ／ｓまたは０〜５ｍ／ｓのように変えることができる。

ベース２２、加速度センサユニット２３、及び検知アーム２７は一体的に、回転軸２１を中心として所定の角度の範囲で回転する。回転する角度の範囲は、例えば一点鎖線で示す中心線を中心として左右方向にそれぞれ３０度である。図９に示す構成では、ベース２２と検知アーム２７とを別体としているが、両者を一体化してもよい。点流速センサ１２は、水流によって回転軸を中心として所定の角度の範囲で正逆方向に回転する回転体を備え、回転体に加速度センサユニット２３が取り付けられていればよい。

検知アーム２７が水流によって図９の右方向へと回転すると、加速度センサユニット２３の回転方向の角度が変化する。よって、加速度センサ２５は検知アーム２７の回転方向の角度を検出することができる。加速度センサ２５の生成した検出値（電圧値）は、ケーブルＣＢを介して点流速センサ１２の外部へと出力される。

図４に示すデータ送信部５０には、水位センサ１１に代えて、点流速センサ１２からの検出値が供給される。なお、点流速センサ１２は、例えば、河川に設けられた河川構造物の一例であるＨ鋼に固定され、データ送信部５０は、水面よりも上方に位置するようにＨ鋼に固定されている。無線機５３は、点流速センサ１２が検出した検知アーム２７の回転方向の角度に基づく点流速データを中継局または河川を監視する監視事務所へと送信する。

図１０は、加速度センサ２５が生成する電圧値と検知アーム２７の角度との関係を示している。図９に示す構成では、検知アーム２７は−９０度から９０度の範囲では回転しないが、図１０では、−９０度から９０度の範囲の電圧値を示している。図１１は、検知アーム２７の角度と点流速との関係を示している。ＣＰＵ５２は、図１０に示すような加速度センサ２５が生成する電圧値と検知アーム２７の角度との関係、及び、図１１に示すような検知アーム２７の角度と点流速との関係に基づいて、点流速データを生成することができる。

ＣＰＵ５２は、加速度センサ２５が生成する電圧値を直接点流速に変換する変換テーブルまたは変換式に基づいて、点流速データを生成してもよい。

＜開度センサ＞
図１２に示す開度センサ１３は、図１に示す水位センサ１１を構成する部品と共通の部品を用いて構成することができる。そこで、図１２において、図１と同一部分には同一符号を付し、その説明を省略することがある。

図１２において、開度センサ１３は蓋を外した状態を示している。例えばステンレスよりなるケース１３１の底面に取り付けられた回転軸２１には、ベース２２が所定の角度の範囲で正逆方向に回転自在に取り付けられている。図１２において、時計方向と反時計方向のいずれか一方の方向の回転を正方向の回転とすれば、他方の方向の回転が逆方向の回転である。ベース２２の回転軸２１の近傍位置には、加速度センサユニット２３が取り付けられている。

ケース１３１の底面には、ベース２２の回転軸２１とは反対側の端部が通過する円弧状の軌跡に沿って、複数のねじ孔３２が形成されている。ねじ３１を複数のねじ孔３２のうちのいずれかに固定することによって、ベース２２をケース１３１に対して所定の角度で固定できるように構成されている。これにより、加速度センサユニット２３は、ケース１３１に対して所定の角度で固定される。

図１３に示すように、堤防６０の下には、川表と川裏とを貫通するように樋門７０が設けられている。樋門７０には、自重式フラップゲート８０が設けられている。平水時は、自重式フラップゲート８０は川裏側から川表側へと流れる水によって開き、水が隙間から河川９０へと排水される。洪水時に河川９０の水位が上昇すると、川表側からの水圧によって自重式フラップゲート８０が全閉し、川裏側への逆流が防止される。

ところが、流木または堆砂等により自重式フラップゲート８０が全閉しないと、河川９０の水が川裏側へと逆流して内水側が氾濫するおそれがある。そこで、自重式フラップゲート８０の開度を監視することが必要である。

図１２に示す開度センサ１３は、例えば、自重式フラップゲート８０における上方に突出する上方突出部８１に装着されている。図４に示すデータ送信部５０には、水位センサ１１に代えて、開度センサ１３からの検出値（電圧値）が供給される。データ送信部５０は、自重式フラップゲート８０（上方突出部８１）に設けられていてもよいし、自重式フラップゲート８０とは離隔した位置に設けられていてもよい。

図１０に示すように、加速度センサ２５は角度に応じた検出値を出力するので、ＣＰＵ５２は検出値を角度に変換することにより、自重式フラップゲート８０の開度を検出することができる。なお、開度センサ１３の開度は０度から９０度（または０度から−９０度）の範囲が検出されれば十分である。無線機５３は、開度センサ１３が検出した加速度センサ２５の角度に基づく自重式フラップゲート８０の開度を中継局または河川を監視する監視事務所へと送信する。

ベース２２（加速度センサユニット２３）をケース１３１に対して所定の角度で固定できるように構成しているのは次の理由による。図１０に示すように、加速度センサ２５で検出される角度は、９０度及び−９０度近傍の領域では電圧に応じた角度の変化が大きい。そこで、加速度センサ２５は、電圧に応じた角度の変化が小さい０度近傍の領域で用いられるのがよい。

図１２は、加速度センサ２５の角度が０度となっている状態の開度センサ１３を示している。開度センサ１３を自重式フラップゲート８０に取り付けるとき、必ずしも図１２に示す状態を維持して開度センサ１３が自重式フラップゲート８０に取り付けられるとは限らない。取り付け位置によっては予め開度センサ１３に所定の角度を設ける必要がある場合がある。

図１２に示す構成では、ベース２２をケース１３１に対して所定の角度で固定できるように構成しているので、開度センサ１３を自重式フラップゲート８０に取り付ける際の姿勢に応じて加速度センサ２５の角度ができるだけ０度に近付くように加速度センサユニット２３を回転させることができる。

図１２においては、ベース２２を回転させることにより加速度センサユニット２３の角度を調整するよう構成しているが、ケース１３１の内部に加速度センサユニット２３のみが回転自在に設けられていて、加速度センサユニット２３がケース１３１に対して所定の角度で固定できるように構成されていてもよい。

ベース２２または加速度センサユニット２３の角度を調整して固定する機構は、ねじ３１とねじ孔３２との組み合わせに限定されない。開度センサ１３は、ケース１３１に対する加速度センサユニット２３の角度を調整して固定する任意の固定機構を有していればよい。

本発明は以上説明した本実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。

１１ 水位センサ
１２ 点流速センサ
１３ 開度センサ
２１ 回転軸
２２ ベース（回転体）
２３ 加速度センサユニット
２４ 回路基板
２５ 加速度センサ
２６ フロート
２７ 検知アーム（回転体）
２８ バランスウェイト
３１ ねじ
３２ ねじ孔
５０ データ送信部
６０ 堤防
７０ 樋門
８０ 自重式フラップゲート
９０ 河川
１１１，１２１，１３１ ケース
１１２ 水流入穴
１１３ 排気穴
１２２ 開口
２４０ 保護回路

Claims (7)

1. 回転軸を中心として所定の角度の範囲で正逆方向に回転自在のベースと、
   前記ベースに取り付けられ、水位に応じた高さ方向の位置に浮上して、前記ベースを回転させるフロートと、
   前記ベースに取り付けられ、前記ベースの回転方向の角度を検出するための加速度センサを有する加速度センサユニットと、
   を備える水位センサ。
2. 前記加速度センサユニットは、前記加速度センサに電力を供給し、前記加速度センサが生成した検出値を出力するための回路基板を有し、
   前記回路基板は、前記加速度センサに誘導雷サージによる高電圧が印加しないように保護する保護回路を有する
   請求項１に記載の水位センサ。
3. 水流によって回転軸を中心として所定の角度の範囲で正逆方向に回転する回転体と、
   前記回転体に取り付けられ、前記回転体の角度を検出するための加速度センサを有する加速度センサユニットと、
   を備える点流速センサ。
4. 水中に設置したときに下方に向ける下面を有するケースをさらに備え、前記下面には開口が形成されており、
   前記回転体は、
   前記回転軸を中心として前記所定の角度の範囲で正逆方向に回転自在のベースと、
   前記ベースに取り付けられ、一部が前記開口より前記ケースの外部へと突出し、水流によって前記回転軸を中心として回転して、前記ベースを回転させる検知アームと、
   を有し、
   前記加速度センサユニットは、前記ベースに取り付けられている
   請求項３に記載の点流速センサ。
5. 前記加速度センサユニットは、前記加速度センサに電力を供給し、前記加速度センサが検出した検出値を出力するための回路基板を有し、
   前記回路基板は、前記加速度センサに誘導雷サージによる高電圧が印加しないように保護する保護回路を有する
   請求項３または４に記載の点流速センサ。
6. 樋門に設けられた自重式フラップゲートに取り付けられるケースと、
   前記自重式フラップゲートの開度を検出するための加速度センサを有し、前記ケースの内部に所定の角度の範囲で回転自在に設けられており、前記ケースに対する角度が調整された状態で固定された加速度センサユニットと、
   を備える開度センサ。
7. 前記加速度センサユニットは、前記加速度センサに電力を供給し、前記加速度センサが検出した検出値を出力するための回路基板を有し、
   前記回路基板は、前記加速度センサに誘導雷サージによる高電圧が印加しないように保護する保護回路を有する
   請求項６に記載の開度センサ。

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