JP6954614B2 - Point flow velocity sensor and flow sensor - Google Patents
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Description
本発明は、河川の点流速を計測するための点流速センサ、及び、河川の流量を計測するための流量センサに関する。 The present invention relates to a point flow velocity sensor for measuring a point flow velocity of a river and a flow rate sensor for measuring a flow velocity of a river.
河川を適切に管理するために、河川の点流速及び流量を観測することが必要である。特許文献１には、点流速を観測することができる流向計が記載されている。即ち、特許文献１に記載の流向計は従来の点流速センサである。
In order to manage the river properly, it is necessary to observe the point flow velocity and flow rate of the river.
特許文献１に記載の点流速センサは、構成部品の１つとして永久磁石を備える。永久磁石を備える点流速センサを河川に設置すると、永久磁石に河川を流れる砂鉄が付着する。点流速センサを河川に設置して所定の期間経過後に、永久磁石に多量の砂鉄が付着することによって、点流速センサが動作しなくなることがある。流量センサが構成部品として永久磁石を備える場合も同様である。
The point flow velocity sensor described in
河川に設置する点流速センサ及び流量センサは、河川を流れる砂鉄の影響を受けない構成とすることが望まれる。本発明は、河川を流れる砂鉄の影響を受けることなく、点流速または流量を計測することができる点流速センサ及び流量センサを提供することを目的とする。 It is desirable that the point flow velocity sensor and the flow rate sensor installed in the river have a configuration that is not affected by the iron sand flowing in the river. An object of the present invention is to provide a point flow velocity sensor and a flow rate sensor capable of measuring a point flow velocity or a flow rate without being affected by iron sand flowing through a river.
本発明は、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と、一部が前記下面より前記ケースの外部へと突出し、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検知アームと、前記ケース内に前記回転軸よりも上方に向かうように配置され、前記検知アームの回転に伴って、前記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上方アームと、前記ケース内に、下方側の端部よりも上方側の端部において互いの間隔を広げることによって上方に凸の円弧状となるように並べて配置された複数のリードスイッチと、前記上方アームに固定され、前記上方アームの回転方向の位置に応じて前記複数のリードスイッチのうちの一部を導通させる永久磁石と、前記ケース内に配置され、前記ケースが水没した状態であっても水が浸入しないエアルームを形成し、前記エアルーム内に前記永久磁石を収納する磁石収納部とを備えることを特徴とする点流速センサを提供する。 The present invention includes a case having a lower surface that faces downward when installed in water, and a part of the case that protrudes from the lower surface to the outside of the case and is oriented in the forward and reverse directions within a predetermined angle range about a rotation axis by a water flow. The rotating detection arm is arranged in the case so as to face upward from the rotation axis, and as the detection arm rotates, it rotates in the forward and reverse directions within a predetermined angle range around the rotation axis. An upper arm, a plurality of reed switches arranged side by side in the case so as to form an arc shape that is convex upward by widening the distance between the ends on the upper side of the lower end, and the above-mentioned reed switches. A permanent magnet fixed to the upper arm and conducting a part of the plurality of reed switches according to the position of the upper arm in the rotation direction, and a state in which the case is submerged in the case. Provided is a point flow velocity sensor characterized in that an air chamber is formed so that water does not enter, and a magnet accommodating portion for accommodating the permanent magnet is provided in the air chamber.
本発明は、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と、前記ケース内に配置され、水中における点流速を検出する点流速センサと、前記ケース内に配置され、水中における圧力を検出する絶対圧圧力センサとを備え、前記点流速センサは、一部が前記下面より前記ケースの外部へと突出し、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検知アームと、前記ケース内に前記回転軸よりも上方に向かうように配置され、前記検知アームの回転に伴って、前記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上方アームと、前記ケース内に、下方側の端部よりも上方側の端部において互いの間隔を広げることによって上方に凸の円弧状となるように並べて配置された複数のリードスイッチと、前記上方アームに固定され、前記上方アームの回転方向の位置に応じて前記複数のリードスイッチのうちの一部を導通させる永久磁石と、前記ケース内に配置され、前記ケースが水没した状態であっても水が浸入しないエアルームを形成し、前記エアルーム内に前記永久磁石を収納する収納部とを有することを特徴とする流量センサを提供する。 The present invention includes a case having a lower surface facing downward when installed in water, a point flow velocity sensor arranged in the case to detect a point flow velocity in water, and a point velocity sensor arranged in the case to detect pressure in water. A detection arm including an absolute pressure / pressure sensor that partially projects from the lower surface to the outside of the case and rotates in a predetermined angle range around a rotation axis due to a water flow. The upper arm, which is arranged in the case so as to face upward from the rotation axis and rotates in the forward and reverse directions within a range of a predetermined angle about the rotation axis as the detection arm rotates. A plurality of reed switches arranged side by side in the case so as to form an arc shape that is convex upward by widening the distance between the ends on the upper side of the lower end, and fixed to the upper arm. A permanent magnet that conducts a part of the plurality of reed switches according to the position of the upper arm in the rotation direction and a permanent magnet that is arranged in the case so that water can enter even when the case is submerged. Provided is a flow sensor characterized by forming a non-air chamber and having a storage portion for accommodating the permanent magnet in the air chamber.
本発明の点流速センサ及び流量センサによれば、河川を流れる砂鉄の影響を受けることなく、点流速または流量を計測することができる。 According to the point flow velocity sensor and the flow rate sensor of the present invention, the point flow velocity or the flow rate can be measured without being affected by the iron sand flowing through the river.
以下、一実施形態の点流速センサ及び流量センサについて、添付図面を参照して説明する。 Hereinafter, the point flow velocity sensor and the flow rate sensor of one embodiment will be described with reference to the accompanying drawings.
＜点流速センサ＞
まず、図１〜図４を用いて、一実施形態の点流速センサの構成及び動作を説明する。図２は、図１に示す一実施形態の点流速センサ１１における検知アーム１１３及び上方アーム１１５が図１に示す状態から反時計方向に３０度回転した状態を、紙面と直交する方向に切断した断面を示している。
<Point flow velocity sensor>
First, the configuration and operation of the point flow velocity sensor of one embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 4. FIG. 2 shows a state in which the
図１において、点流速センサ１１は、例えばステンレスよりなる箱状のケース１０１の内部に複数の構成部品を設けた構成を有している。図１は、図２に示す蓋１０２を外した状態を示している。蓋１０２も例えばステンレスよりなる。図２は、点流速センサ１１を図１の紙面と直交する方向に切断した状態を示している。図１に示す点流速センサ１１は、下方を河床側、上方を水面側に向けて河川の水中に設置される。
In FIG. 1, the point
図１または図２において、回転軸１１１は、ケース１０１の底面１０１Ｂに対して直交するように取り付けられている。回転軸１１１には、円形の回転ベース１１２が回転自在に取り付けられている。回転ベース１１２には、外周面から中心方向へと伸びる、底を有する穴１１２ａ〜１１２ｆが形成されている。穴１１２ａ〜１１２ｃ及び１１２ｄ〜１１２ｆは３０°間隔で設けられており、穴１１２ａ〜１１２ｃと穴１１２ｄ〜１１２ｆは回転軸１１１を挟んで対称に設けられている。
In FIG. 1 or 2, the
穴１１２ａ、１２１ｃ、及び１１２ｆには、それぞれ、下方に向かって伸びる検知アーム１１３と、ウェイト取り付けアーム１１９と、上方に向かって伸びる上方アーム１１５の端部が挿入されている。検知アーム１１３と、ウェイト取り付けアーム１１９と、上方アーム１１５は、回転ベース１１２の表面から挿入されたねじ等の固定具によって回転ベース１１２に固定されている。
The
回転ベース１１２に６つの穴１１２ａ〜１１２ｆを形成しているのは、点流速センサ１１の用途に応じて、検知アーム１１３と、ウェイト取り付けアーム１１９と、上方アーム１１５の取り付け位置を可変できるようにするためである。図１は、左方向が上流、右方向が下流であって、水が左側から右側へと流れる場合の各アームの取り付け位置を示している。水が右側から左側へと流れ場合には、各アームを図１とは左右反対に取り付ければよい。
The six
検知アーム１１３は例えば円柱状の棒である。検知アーム１１３は四角柱状の棒であってもよいし、板であってもよい。上方アーム１１５及びウェイト取り付けアーム１１９も円柱状の棒でよく、四角柱状の棒または板であってもよい。回転ベース１１２、検知アーム１１３、上方アーム１１５、及びウェイト取り付けアーム１１９も例えばステンレスよりなる。
The
検知アーム１１３、上方アーム１１５、及びウェイト取り付けアーム１１９は、回転軸１１１を中心として一体的に所定の角度の範囲で回転する。検知アーム１１３の図１の右方向（反時計方向）への回転を正方向の回転、左方向（時計方向）への回転を逆方向の回転とすると、検知アーム１１３は正逆方向に回転する。上方アーム１１５が回転するときの正逆方向は検知アーム１１３とは逆である。
The
図２に示すように、ケース１０１の下面１０１Ｃには開口１０１ａが形成されている。下面１０１Ｃは、点流速センサ１１を水中に設置したときに下方（河床側）に向ける面である。開口１０１ａは、ケース１０１の下面１０１Ｃのほぼ全幅を有しているが、全幅を有していなくてもよい。検知アーム１１３の一部は、開口１０１ａよりケース１０１の外部へと突出している。開口１０１ａは、検知アーム１１３が通る程度のスリットであってもよい。
As shown in FIG. 2, an opening 101a is formed in the
図１及び図２に示すように、検知アーム１１３には、円柱状の安定化ウェイト１１４が取り付けられている。安定化ウェイト１１４には円柱の中心を通る貫通する穴１１４ａが形成されており、検知アーム１１３は穴１１４ａに通されている。安定化ウェイト１１４は、表面から挿入されたねじ等の固定具によって検知アーム１１３に固定されている。
As shown in FIGS. 1 and 2, a
上方アーム１１５の上方側先端部には、永久磁石１１７を収納する箱状の収納部１１６が形成されている。収納部１１６には永久磁石１１７がＮ極とＳ極とが図示の向きで収納され、永久磁石１１７は硬質樹脂１１８（図２参照）によって覆われている。永久磁石１１７のＮ極とＳ極とが逆であってもよい。図１では、硬質樹脂１１８の図示を省略している。永久磁石１１７は、収納部１１６との間に隙間がない状態で収納されているのがよい。
A box-shaped
上方アーム１１５の先端部に永久磁石１１７が装着されているため、安定化ウェイト１１４がなければ、永久磁石１１７の重みで上方アーム１１５は図１の右方向または左方向の回転限界位置に位置してしまう。安定化ウェイト１１４は、永久磁石１１７の回転方向の位置を安定化させて、永久磁石１１７を右方向の回転限界位置と左方向の回転限界位置との間に安定的に位置させるために設けられている。安定化ウェイト１１４によるモーメントは、永久磁石１１７によるモーメントよりも大きい。
Since the
図１に示すように、ウェイト取り付けアーム１１９には、円柱状のバランスウェイト１２０が取り付けられている。バランスウェイト１２０には円柱の中心を通る貫通する穴１２０ａが形成されており、ウェイト取り付けアーム１１９は穴１２０ａに通されている。バランスウェイト１２０は、表面から挿入されたねじ等の固定具によってウェイト取り付けアーム１１９に固定されている。
As shown in FIG. 1, a
バランスウェイト１２０は、点流速センサ１１が検出する水流の最低流速（例えば流速０）時に、検知アーム１１３及び永久磁石１１７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。バランスウェイト１２０は、検知アーム１１３を上流側に予め所定の角度だけ回転させて、検知アーム１１３が左端に回転したときの０点を定める。０点は、点流速センサ１１が検出する最低流速となる。即ち、バランスウェイト１２０は最低流速を決定する。最低流速を流速０より大きい流速に設定することも可能である。
The
点流速センサ１１が検出する最低流速を０とすれば、流速０のとき、バランスウェイト１２０の重さにより検知アーム１１３は図１の左方向の回転限界位置に位置し、永久磁石１１７は右方向の回転限界位置に位置した状態となる。なお、図１は、永久磁石１１７が右方向の回転限界位置よりも手前側に位置している状態を示している。
Assuming that the minimum flow velocity detected by the point
回転ベース１１２の底面１０１Ｂの回転軸１１１よりも上方には、リードスイッチ基板１２２を収納した箱状のリードスイッチ収納部１２１が取り付けられている。リードスイッチ収納部１２１は、例えばステンレスにより形成されている。
A box-shaped reed
図１に示すように、リードスイッチ基板１２２には、例えば１３個のリードスイッチ６が、下方側の端部よりも上方側の端部において互いの間隔を広げることによって、上方に凸の円弧状となるように並べて配置されている。
As shown in FIG. 1, on the
リードスイッチ６の一方のリード（後述する図４のリード６２または６３）には、ケーブルＣＢより、図示していない電源部からの電圧が印加される。 A voltage from a power supply unit (not shown) is applied from the cable CB to one lead of the reed switch 6 (lead 62 or 63 in FIG. 4 described later).
図２に示すように、リードスイッチ収納部１２１の内部の、リードスイッチ基板１２２の裏面側には硬質樹脂１２３が充填されており、リードスイッチ基板１２２の全周囲には軟質樹脂１２４が充填されている。このように、リードスイッチ収納部１２１は、硬質樹脂１２３及び軟質樹脂１２４で覆われたリードスイッチ基板１２２内部に収納した状態で、図示していないねじ等の固定具によって底面１０１Ｂに固定されている。図１では、硬質樹脂１２３及び軟質樹脂１２４の図示を省略している。
As shown in FIG. 2, the back surface side of the
ケース１０１内には、所定の角度の範囲で回転する永久磁石１１７を収納する磁石収納部１２５が設けられている。図２に示すように、磁石収納部１２５は、下方側の面のみが開口した箱状である。磁石収納部１２５は、図１の左右方向の端部に一対の脚部１２５ａ（図２参照）を有している。磁石収納部１２５は、ねじ等の固定具によって底面１０１Ｂに固定されている。
Inside the
図１及び図２より分かるように、磁石収納部１２５はリードスイッチ収納部１２１よりも上方に位置し、リードスイッチ収納部１２１は、一対の脚部１２５ａの間に配置されている。磁石収納部１２５は、例えばステンレスにより形成されている。
As can be seen from FIGS. 1 and 2, the
検知アーム１１３が水流によって図１の右方向へと回転すると、検知アーム１１３の回転に伴って上方アーム１１５及び永久磁石１１７は左方向へと回転する。後に詳述するように、永久磁石１１７は１３個のリードスイッチ６のうちの１つまたは互いに隣接する複数個を導通させる。水流の強弱によって導通するリードスイッチ６の位置が変化するので、点流速センサ１１は点流速を検出することができる。
When the
図２は、点流速センサ１１（ケース１０１）が水没した状態を示している。点流速センサ１１が仮に水没しても、磁石収納部１２５の内部には水が浸入しないエアルーム１２５ＡＲが形成される。永久磁石１１７はエアルーム１２５ＡＲ内に位置し、水没しない。よって、永久磁石１１７に河川を流れる砂鉄が付着することはなく、砂鉄の付着によって点流速センサ１１が動作しなくなることはほとんどない。本実施形態の点流速センサ１１によれば、砂鉄の影響を受けることなく、点流速を計測することができる。
FIG. 2 shows a state in which the point flow velocity sensor 11 (case 101) is submerged. Even if the point
気圧をＰ、体積をＶ、ｎを気体の分子数、Ｒを係数、Ｔを温度とすると、気体の状態方程式はＰＶ＝ｎＲＴで表すことができる。大気圧をＰ０とすると、大気圧Ｐ０は概ね１気圧である。水圧をＰ１とすると、水圧Ｐ１は、例えば、１０ｍの水没時で概ね１気圧である。エアルーム１２５ＡＲ内の内圧は（Ｐ０＋Ｐ１）となる。 Assuming that the atmospheric pressure is P, the volume is V, n is the number of gas molecules, R is a coefficient, and T is temperature, the gas state equation can be expressed by PV = nRT. Assuming that the atmospheric pressure is P0, the atmospheric pressure P0 is approximately 1 atm. Assuming that the water pressure is P1, the water pressure P1 is, for example, approximately 1 atm when submerged at 10 m. The internal pressure in the air room 125AR is (P0 + P1).
気体の状態方程式より、エアルーム１２５ＡＲの体積は非水没時の５０％となる。即ち、点流速センサ１１が完全に水没しても、非水没時の概ね５０％程度のエアルーム１２５ＡＲが形成されて、永久磁石１１７は水没しない状態が維持される。永久磁石１１７は水位にかかわらずエアルーム１２５ＡＲ内に位置する。
According to the gas state equation, the volume of the air room 125AR is 50% of that when it is not submerged. That is, even if the point
以上のように構成される点流速センサ１１は、バランスウェイト１２０の重さを適宜に設定することにより、０点を流速０に設定して、流速０からプラス方向の水流のみの点流速を検出することができる。また、点流速センサ１１は、０点を例えば流速１．０（ｍ／ｓ）に設定して、流速１．０〜１．５（ｍ／ｓ）のような所定の範囲の点流速を検出することもできる。
The point
バランスウェイト１２０の重さを適宜に設定して、流速０時に検知アーム１１３が真下を向くようにすれば、点流速センサ１１は、図１の左側から右側へと流れるプラス方向の点流速と、図１の右側から左側へと流れるマイナス方向の点流速とを検出することもできる。バランスウェイト１２０を削除することにより、流速０時に検知アーム１１３が真下を向くようにしてもよい。
If the weight of the
検知アーム１１３の長さ及び太さは、計測する流速に応じて適宜設定すればよい。検知アーム１１３の太さを同じとすれば、検知アーム１１３が長いほど、より低速の流速でも回転しやすくなる。検知アーム１１３の長さまたは太さ（検知アーム１１３が板であれば面積）を適宜に設定することによって、流速０〜１．０、０〜３．０、０〜５．０（ｍ／ｓ）等の測定範囲を定めることができる。
The length and thickness of the
河床に近い位置では流速は遅く、水面に近い位置では流速は速い。そこで、河床に近い位置に設置する点流速センサ１１の検知アーム１１３を長く、水面に近い位置に設置する点流速センサ１１の検知アーム１１３を短くするのがよい。
The flow velocity is slow near the riverbed and high near the water surface. Therefore, it is preferable to lengthen the
図３を用いて、リードスイッチ基板１２２の構成を説明する。図３に示すように、リードスイッチ基板１２２には、１３個のリードスイッチ６０１〜６１３が実装されている。リードスイッチ６０１〜６１３の総称またはリードスイッチ６０１〜６１３のうちのいずれかを特定しないリードスイッチがリードスイッチ６である。リードスイッチ６０１〜６１３は、例えば６度間隔で上に凸の円弧状となるように、リードスイッチ基板１２２に配置されている。よって、リードスイッチ６０１〜６１３は７２度の角度範囲に配置されている。
The configuration of the
リードスイッチ６は図４に示すように構成されている。リードスイッチ６は、不活性ガスが封入されたガラス管６１の内部に、強磁性体のリード６２及び６３の先端部６２１及び６３１が間隔を有して対向する構成を有している。永久磁石１１７がリードスイッチ６に近付くと、永久磁石１１７の磁力線によってリード６２及び６３にＮ極とＳ極とが誘導され、先端部６２１及び６３１が接触して導通して電流が流れる。
The
永久磁石１１７は、検知アーム１１３（上方アーム１１５）の回転方向の位置に応じて複数のリードスイッチ６のうちの一部を導通させる。リードスイッチ６０１〜６１３のうち導通するリードスイッチ６は、回転する検知アーム１１３の位置を示す。
The
図１及び図２に示すように、永久磁石１１７はリードスイッチ６の直上には位置しておらず、リードスイッチ６よりも上方側に位置している。永久磁石１１７をリードスイッチ６に近付けすぎると永久磁石１１７から大きく離れた位置のリードスイッチ６も導通することがある。リードスイッチ６と永久磁石１１７との位置関係を図１及び図２のようにすることにより、永久磁石１１７に近い位置のリードスイッチ６のみを導通させることができる。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
図５の（ａ）及び（ｂ）は、導通するリードスイッチ６の例を示している。図５は、リードスイッチ６を端面側から見た状態（図３の上方または下方からリードスイッチ６を見た状態）を示している。図５において、ハッチングを付したリードスイッチ６は導通しているリードスイッチ６であり、一点鎖線は永久磁石１１７によって発生する磁力線を示している。
(A) and (b) of FIG. 5 show an example of a
図５の（ａ）及び（ｂ）に示すように、永久磁石１１７の位置によって、３つのリードスイッチ６が導通したり、４つのリードスイッチ６が導通したりする。永久磁石１１７がリードスイッチ６０１または６１３側に位置している場合には、２つのリードスイッチ６が導通することがある。永久磁石１１７の位置にかかわらず、２つのリードスイッチ６のみが導通することがあってもよいし、１つのリードスイッチ６のみが導通することがあってもよい。
As shown in FIGS. 5A and 5B, depending on the position of the
＜流量センサ＞
次に、図６を用いて、一実施形態の流量センサの構成及び動作を説明する。図６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。図６において、一実施形態の流量センサ１は、ケース１０１の内部に、点流速センサ１１及び圧力センサ１２を設けた構成を有している。圧力センサ１２は絶対圧圧力センサである。図６は、ケース１０１の蓋１０２を外した状態を示している。
<Flow sensor>
Next, the configuration and operation of the flow rate sensor of one embodiment will be described with reference to FIG. In FIG. 6, the same parts as those in FIG. 1 are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted. In FIG. 6, the
即ち、流量センサ１は、図１及び図２に示す点流速センサ１１に、圧力センサ１２を追加した構成を有する。ケース１０１内の圧力センサ１２の位置は特に限定されない。圧力センサ１２は、ケース１０１内で位置が変位する構成部品（検知アーム１１３、安定化ウェイト１１４、上方アーム１１５、永久磁石１１７、ウェイト取り付けアーム１１９、及びバランスウェイト１２０）と干渉しない位置に配置されていればよい。
That is, the
図６では図示を省略しているが、ケーブルＣＢは圧力センサ１２にも接続されている。圧力センサ１２にはケーブルＣＢより電源部からの電力が供給されて、圧力を検出するように構成されている。
Although not shown in FIG. 6, the cable CB is also connected to the
＜流量観測装置＞
図７〜図１４を用いて、図６に示す流量センサ１を用いて河川等の流量を計測（観測）する流量観測装置の構成及び動作を説明する。ここでは、流量観測装置が河川の流量を計測（観測）する場合を例とするが、河川以外に水路等の流量を計測（観測）することもできる。
<Flow observation device>
The configuration and operation of the flow rate observing device for measuring (observing) the flow rate of a river or the like using the
図７において、流量センサ１と計測データ無線送信部２とがケーブルＣＢで接続されている。計測データ無線送信部２と中継局３とが無線にて接続されている。中継局３と河川流量監視事務所４とが有線または無線にて接続されている。中継局３と河川流量監視事務所４とは光ケーブルで接続されていてもよいし、携帯電話またはVSAT（Very Small Aperture Terminal）等の所定規格の無線回線で接続されていてもよい。
In FIG. 7, the
流量センサ１は、河川の水中に設置される。但し、河川の水位によっては流量センサ１が水面より上方に位置することがあってもよい。流量センサ１は、河川の水中となり得る場所に設置されていればよい。
The
計測データ無線送信部２は、マイクロコンピュータ２１と、無線機２２と、電源部２３とを備える。計測データ無線送信部２は、河川の水位よりも上方に設置されることが好ましいが、水位の上昇によって水没することがあってもよい。
The measurement data
マイクロコンピュータ２１は、Ａ／Ｄ変換器２１１、時計２１２、計測データ生成部２１３、記憶部２１４を有する。Ａ／Ｄ変換器２１１、時計２１２、計測データ生成部２１３は、マイクロコンピュータ２１の中央処理装置（ＣＰＵ）によって機能的に構成することができ、記憶部２１４はマイクロコンピュータ２１の記憶装置によって構成することができる。
The
無線機２２は任意の規格の無線機でよい。但し、省電力で通信品質に優れ、通信距離が比較的長いことから、無線機２２として、９２０ＭＨｚ帯の周波数を用いるWi-SUN規格に準拠する無線機を用いることが好ましい。
The
電源部２３は一次電池であってもよいし、太陽電池であってもよい。電池の交換が不要となることから、電源部２３は太陽電池であることが好ましい。電源部２３からの電力は、マイクロコンピュータ２１及び無線機２２に供給され、ケーブルＣＢを介して流量センサ１に供給される。
The
点流速センサ１１が検出した流量センサ１が設置されている位置の点流速を示す点流速検出信号は、ケーブルＣＢを介して計測データ生成部２１３に供給される。計測データ生成部２１３は、後述のようにして点流速検出信号に基づいて点流速データを生成する。圧力センサ１２が検出したアナログの圧力値はＡ／Ｄ変換器２１１によってデジタルの圧力データに変換され、計測データ生成部２１３に供給される。計測データ生成部２１３には、時計２１２からの時刻データも供給される。
The point flow velocity detection signal indicating the point flow velocity at the position where the
計測データ生成部２１３は、計測データ生成部２１３を一意に識別する識別符号（ＩＤ）と、時刻データと、点流速データと、圧力データとを含む計測データを生成する。ＩＤはＭＡＣアドレスであってもよい。図７では、中継局３が１つの計測データ無線送信部２と無線通信するように図示しているが、中継局３は複数の計測データ無線送信部２と無線通信することがある。計測データがＩＤを含むのは、それぞれの計測データ無線送信部２を識別するためである。
The measurement
記憶部２１４は、複数の計測データを記憶する。無線機２２は、記憶部２１４に記憶された計測データを中継局３へと送信する。無線機２２は、イベント方式にて計測データを中継局３へと送信してもよいし、ポーリング方式にて、河川流量監視事務所４内のデータ処理装置４２によるデータ送信の要求に応答して計測データを中継局３へと送信してもよい。
The
中継局３は、無線機３１、大気圧センサ３２、Ａ／Ｄ変換器３３、データ送受信部３４、電源部３５を備える。無線機２２がWi-SUN規格に準拠する無線機であれば、無線機３１もWi-SUN規格に準拠する無線機である。大気圧センサ３２は絶対圧圧力センサである。大気圧センサ３２が検出した大気圧を示すアナログの圧力値はＡ／Ｄ変換器３３によってデジタルの大圧力データに変換され、データ送受信部３４に供給される。
The
データ送受信部３４は、計測データ無線送信部２より受信した計測データと大気圧データとを、河川流量監視事務所４内のデータ送受信部４１に送信する。データ送受信部３４は、計測データと大気圧データとを一体化してデータ送受信部４１に送信してもよいし、計測データと大気圧データとを個別にデータ送受信部４１に送信してもよい。
The data transmission /
電源部３５は、中継局３内の各部に電力を供給する。電源部３５は太陽電池であってもよいし、商用交流電源より得た電力を各部に供給する電源部であってもよい。
The
データ送受信部４１は、データ送受信部３４が送信した計測データと大気圧データとを受信する。データ処理装置４２は、計測データと大気圧データとに基づいて、河川の流量を算出するためにデータを処理する。河川流量監視事務所４内で、河川の流量を観測するために算出した流量をディスプレイに表示してもよいし、より上位の監視事務所へとデータまたは算出した流量を送信してもよい。
The data transmission / reception unit 41 receives the measurement data and the atmospheric pressure data transmitted by the data transmission /
図７において、ポーリング方式によってデータ処理装置４２から中継局３を介して計測データ無線送信部２（マイクロコンピュータ２１）にデータ送信の要求信号が送信されることがある。データ処理装置４２が計測データ無線送信部２に要求信号を送信しない場合には、データ送受信部３４は単にデータ送信部であってもよく、データ送受信部４１は単にデータ受信部であってもよい。
In FIG. 7, a data transmission request signal may be transmitted from the
図８に示すように、流量センサ１及び計測データ無線送信部２は、河川２００に設けられた河川構造物の一例であるＨ鋼２１０に固定されている。流量センサ１は、河川２００の水中に位置するようにＨ鋼２１０に固定されている。計測データ無線送信部２は、水面よりも上方に位置するようにＨ鋼２１０に固定されている。
As shown in FIG. 8, the
中継局３は、例えば、堤防２０１に設置した建屋に設置されている。中継局３を設置する場所は堤防２０１に限定されない。中継局３は、計測データ無線送信部２と通信できる距離以内の任意の場所に設置されている。中継局３における大気圧センサ３２は、流量センサ１と比較的近い場所における大気圧を検出する必要があるため、中継局３は流量センサ１及び計測データ無線送信部２と５００ｍ以内の距離に位置しているのがよい。
The
河川流量監視事務所４は河川２００から離れた任意の場所に位置している。中継局３と河川流量監視事務所４とは、数キロメートルまたは数十キロメートル、さらにはそれ以上の距離離れていてもよい。
The river
河川の流速は、深さ方向の位置で異なる。河床に近い位置では流速は遅く、水面に近い位置では流速は速い。そこで、図９に示すように、流量センサ１及び計測データ無線送信部２を河川２００の深さ方向の異なる位置に配置するのがよい。図９において、水位が平水位ＮＷＬ（Neutral Water Level）であるとき、いずれの計測データ無線送信部２も水没していないが、水位が最高水位ＨＷＬ（High Water Level）となると、いずれの計測データ無線送信部２も水没する。
The flow velocity of a river differs depending on its position in the depth direction. The flow velocity is slow near the riverbed and high near the water surface. Therefore, as shown in FIG. 9, it is preferable to arrange the
計測データ無線送信部２が水没していると、計測データ無線送信部２は計測データを中継局３に送信することができない。計測データ無線送信部２は、水位が低下して計測データ無線送信部２が河川の水位よりも上方に現れたときに、送信できなかった計測データを中継局３に送信するように構成されていることが好ましい。
When the measurement data
そこで、記憶部２１４は、少なくとも半日程度の計測データを記憶する容量があることが好ましい。ポーリング方式を用いれば、データ処理装置４２が中継局３を介して計測データ無線送信部２へと計測データの送信を要求するので、データ処理装置４２は、水没により送信されず記憶部２１４に蓄積された計測データを水没の解消後に取得することができる。
Therefore, it is preferable that the
図７において、計測データ生成部２１３には、上述した図５の（ａ）及び（ｂ）に示すようなリードスイッチ６０１〜６１３の導通・非導通の状態を示す点流速検出信号が入力されることになる。図５の（ａ）の場合、計測データ生成部２１３は、非導通の状態を０、導通の状態を１として、“0001110000000”という１３ビットの点流速データを生成する。図５の（ｂ）の場合、計測データ生成部２１３は、“0001111000000”という１３ビットの点流速データを生成する。
In FIG. 7, a point flow velocity detection signal indicating a continuity / non-conduction state of the
リードスイッチ６０１〜６１３にそれぞれ値１〜１３を割り当てる。データ処理装置４２は、点流速データ“0001110000000”のように導通の状態１のビット数が奇数であれば、中央に位置するビットに対応するリードスイッチ６の値を点流速の計測値とする。点流速データが“0001110000000”であれば、計測値は５．０となる。
データ処理装置４２は、点流速データ“0001111000000”のように導通の状態１のビット数が偶数であれば、中央側の２つのビットに対応するリードスイッチ６の値の平均値を点流速の計測値とする。点流速データが“0001111000000”であれば、計測値は５．５となる。
If the number of bits in the
このように、点流速データが、複数のリードスイッチ６のうちの互いに隣接する奇数個のリードスイッチ６が導通した状態のデータであれば、データ処理装置４２は、奇数個のリードスイッチ６のうちの中央に位置するリードスイッチ６に対応する値に基づいて点流速を検出すればよい。点流速データが、複数のリードスイッチ６のうちの互いに隣接する偶数個のリードスイッチ６が導通した状態のデータであれば、データ処理装置４２は、中央側の２つのリードスイッチ６それぞれに対応する値の平均値に基づいて点流速を検出すればよい。
As described above, if the point flow velocity data is data in a state in which an odd number of
勿論、点流速データが、複数のリードスイッチ６のうちの１つのみが導通した状態のデータであれば、データ処理装置４２は、導通したリードスイッチ６に対応する値に基づいて点流速を検出する。また、点流速データが、複数のリードスイッチ６のうちの隣接する２つのリードスイッチ６が導通した状態のデータであれば、データ処理装置４２は、導通した２つのリードスイッチ６に対応する値の平均値に基づいて点流速を検出する。
Of course, if the point flow velocity data is data in which only one of the plurality of
データ処理装置４２がこのように点流速データに基づいて点流速の計測値を生成すると、点流速センサ１１の分解能を増大させることができる。リードスイッチ６０１及び６１３がそれぞれ単独で導通する場合があれば、例えば２６分解能とすることができることになる。
When the
図７において、計測データ生成部２１３には、リードスイッチ６０１〜６１３の導通・非導通の状態を示す点流速検出信号が連続的に入力される。計測データ生成部２１３は、所定の時間間隔でＩＤと時刻データと点流速データと圧力データとを含む計測データを生成して、無線機２２が計測データを送信すればよい。
In FIG. 7, point flow velocity detection signals indicating a state of continuity / non-conduction of the
図１０を用いて、計測データ無線送信部２及びデータ処理装置４２の動作の一例を説明する。図１０の（ｂ）に示すように、計測データ生成部２１３は例えば１０ｍｓ間隔で点流速データを生成する。図１０の（ｂ）〜（ｄ）における丸印は点流速データを概念的に示しており、丸印の縦方向の位置は点流速データが表す計測値を示している。
An example of the operation of the measurement data
計測データ生成部２１３は、図１０の（ａ）に示す２ｓごとに２０ｍｓの期間ハイとなるパルスの期間の３つの点流速データのうち、２つ以上が同じ計測値であれば、実際に送信する点流速データとする。このようにすると、サージまたはノイズによる２０ｍｓ以下で変動する異常値を除くことができる。
The measurement
計測データ生成部２１３は、ＩＤと、図１０の（ｃ）に示す２ｓごとの点流速データと、時刻データと、圧力データとを含む計測データを記憶部２１４に書き込む。記憶部２１４に書き込まれた計測データは、中継局３及びデータ送受信部４１を介してデータ処理装置４２に供給される。
The measurement
図１０の（ｄ）は、データ処理装置４２に供給される点流速データを示している。例えば３０個の点流速データが示す計測値の移動平均値よりも５０％以上計測値が大きくなったり小さくなったりした場合、検知アーム１１３にごみが付着することによる異常値であると考えられる。そこで、図１０の（ｄ）に示すように、データ処理装置４２は、移動平均値よりも５０％以上計測値が大きいか小さい点流速データを破線の丸印で示す移動平均値に置換して点流速データを補正することが好ましい。
FIG. 10D shows the point flow velocity data supplied to the
図１１に示すように、データ処理装置４２は、点流速検出部４２１、変換テーブル保持部４２２、水位圧力算出部４２３、水位算出部４２４、流量算出部４２５、表示制御部４２６を有する。
As shown in FIG. 11, the
データ処理装置４２は、次のようにして河川の流量を計測する。変換テーブル保持部４２２は、図１２に示すような点流速データが表す計測値と点流速との関係を示す変換テーブルを保持している。計測値と点流速との関係は予め測定されている。前述のように、流量センサ１の構成の仕方によって、１．０〜１３．０の計測値が得られることがある。図１２に示す変換テーブルは単なる一例である。
The
点流速検出部４２１は、変換テーブルを参照して、流量センサ１が配置されている位置の点流速を検出する。一例として、上記のように点流速データが“0001110000000”であれば計測値は５．０であるから、点流速検出部４２１は、変換テーブルを参照して、流速データを点流速０．４４（ｍ／ｓ）と検出する。点流速検出部４２１は、点流速データが表す計測値を点流速に変換する変換式用いて点流速を検出してもよい。
The point flow
図１３に示すように河川２００の複数の箇所に流量センサ１が設置されていれば、データ処理装置４２はそれぞれの箇所の点流速を求めることができる。河川２００に設置する流量センサ１の数を多くすればするほど、多くの箇所の点流速を求めることができるので、流量を高精度に計測することができる。点流速検出部４２１は、複数の流量センサ１それぞれから送信される流速データに基づいて点流速を検出して、流量算出部４２５に供給する。
If the
流量センサ１が水中にあるとき圧力センサ１２が検出する圧力値は、水位圧力Ｈｗと大気圧力Ｈａとの加算圧力Ｈｓとなる。無線機２２が送信する計測データに含まれる圧力センサ１２に基づく圧力データは加算圧力Ｈｓを示す。データ送受信部３４が送信する大気圧センサ３２に基づく大気圧データは大気圧力Ｈａを示す。そこで、水位圧力算出部４２３は、式（１）に基づいて水位圧力Ｈｗを算出する。
The pressure value detected by the
Ｈｗ＝Ｈｓ−Ｈａ …（１） Hw = Hs-Ha ... (1)
水位算出部４２４は、水位圧力Ｈｗに基づいて河川２００の水位を算出する。水位を示すデータは流量算出部４２５に供給される。データ処理装置４２は、図１３における流量センサ１が高さ方向及び幅方向のどの位置に設置されているかを認識している。水位によっては一部の流量センサ１が水位より上方に位置することがあるから、流量算出部４２５は水位より下方の流量センサ１による点流速に基づいて河川の流量を算出する。
The water
なお、図１３における全ての流量センサ１が圧力センサ１２を備えなくてもよい。同一の地区において、最も河床に近い位置の流量センサ１のみが圧力センサ１２を備えてもよい。
It is not necessary that all the
複数の流量センサ１が河川２００の断面において図１３に示すように設置されているとする。河川２００の流量Ｑ（ｍ３／ｓ）は、式（２）で表される。式（２）において、Ｖｉは各点の点流速（ｍ／ｓ）、Ａｉは各点の支配流水断面積（ｍ２）である。
It is assumed that a plurality of
Ｑ＝Σ（Ｖｉ×Ａｉ） …（２） Q = Σ (Vi x Ai) ... (2)
各点の支配流水断面積Ａｉは、次のように求められる。図１４のように単純化した図で説明すると、３つの流量センサ１が深さ方向に並んで配置されているとする。３つの流量センサ１を区別するために、水面側から順に流量センサ１ａ，１ｂ，１ｃと称する。隣接する流量センサ１ａ，１ｂの中央位置に境界線Ｌ１が引かれ、隣接する流量センサ１ｂ，１ｃの中央位置に境界線Ｌ２が引かれる。
The dominant running water cross-sectional area Ai at each point is obtained as follows. Explaining with a simplified diagram as shown in FIG. 14, it is assumed that three
水面から境界線Ｌ１までは流量センサ１ａの点流速が用いられ、境界線Ｌ１，Ｌ２間は流量センサ１ｂの点流速が用いられ、境界線Ｌ２から河床までは流量センサ１ｃの点流速が用いられる。川幅方向にも同様にして領域が分けられる。河川２００の断面形状は既知であるから、各点の支配流水断面積Ａｉが求められる。なお、流量センサ１が設置されていない位置の流速を補間により求めてもよい。
The point flow velocity of the flow rate sensor 1a is used from the water surface to the boundary line L1, the point flow velocity of the
流量算出部４２５は、式（２）を用いて、図１３に示す河川２００の流量Ｑを算出する。河川２００の流量Ｑは表示制御部４２６に供給される。表示制御部４２６は、図１１に示すディスプレイ４３に流量Ｑに関する情報を表示させる。上記のように、データ処理装置４２は、より上位の監視事務所に流量Ｑを示すデータを送信してもよい。
The flow
流量センサ１は、検知アーム１１３の長さが十数ｃｍ程度でよく、小型で安価に実現することができる。流量センサ１は絶対圧圧力センサの圧力センサ１２を備えるので、差圧式の圧力センサと異なり、流量センサ１に空気を供給する必要がないので、水没しても不具合が発生せず、かつ、小型で安価に実現することができる。
The
図７に示す流量観測装置は、圧力センサ１２の圧力データと地上に設けた大気圧センサ３２の大気圧データとに基づいて河川の水位及び流量を算出する構成である。よって、水位圧力Ｈｗを直接計測するために空気を流量センサ１に供給する必要がなく、簡易な設備で河川の流量を観測することができる。また、空気に含まれる湿気により流量センサ１に不具合が発生することもない。
The flow rate observation device shown in FIG. 7 has a configuration in which the water level and flow rate of a river are calculated based on the pressure data of the
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。図７において、流量センサ１に代えて点流速センサ１１とすれば、図７に示す構成を点流速観測装置とすることができる。この場合、河川流量監視事務所４は河川点流速監視事務所となる。
The present invention is not limited to the present embodiment described above, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention. In FIG. 7, if the point
１ 流量センサ
１１ 点流速センサ
６，６０１〜６１３ リードスイッチ
１２ 圧力センサ（絶対圧圧力センサ）
１０１ ケース
１１１ 回転軸
１１２ 回転ベース
１１３ 検知アーム
１１４ 安定化ウェイト
１１５ 上方アーム
１１７ 永久磁石
１１９ ウェイト取り付けアーム
１２０ バランスウェイト
１２１ リードスイッチ収納部
１２２ リードスイッチ基板
１２５ 磁石収納部
1 Flow sensor 11-point flow velocity sensor 6,601-613
101
Claims (4)
一部が前記下面より前記ケースの外部へと突出し、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検知アームと、
前記ケース内に前記回転軸よりも上方に向かうように配置され、前記検知アームの回転に伴って、前記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上方アームと、
前記ケース内に、下方側の端部よりも上方側の端部において互いの間隔を広げることによって上方に凸の円弧状となるように並べて配置された複数のリードスイッチと、
前記上方アームに固定され、前記上方アームの回転方向の位置に応じて前記複数のリードスイッチのうちの一部を導通させる永久磁石と、
前記ケース内に配置され、前記ケースが水没した状態であっても水が浸入しないエアルームを形成し、前記エアルーム内に前記永久磁石を収納する磁石収納部と、
を備えることを特徴とする点流速センサ。 A case with a lower surface that faces downward when installed underwater,
A detection arm that partially protrudes from the lower surface to the outside of the case and rotates in the forward and reverse directions within a predetermined angle range around the rotation axis due to the water flow.
An upper arm that is arranged in the case so as to face upward from the rotation axis and rotates in the forward and reverse directions within a predetermined angle range around the rotation axis as the detection arm rotates.
A plurality of reed switches arranged side by side in the case so as to form an arc shape that is convex upward by widening the distance between the ends on the upper side of the lower end.
A permanent magnet fixed to the upper arm and conducting a part of the plurality of reed switches according to the position of the upper arm in the rotational direction.
A magnet storage unit that is arranged in the case, forms an air room in which water does not enter even when the case is submerged, and stores the permanent magnet in the air room.
A point flow velocity sensor characterized by comprising.
前記検知アームを上流側に所定の角度だけ予め回転させて、前記点流速センサが検出する最低流速を決定するバランスウェイトと、
をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の点流速センサ。 A stabilizing weight attached to the detection arm, located below the rotation axis, and stabilizing the position of the permanent magnet in the rotation direction,
A balance weight that determines the minimum flow velocity detected by the point flow velocity sensor by rotating the detection arm upstream by a predetermined angle in advance.
The point flow velocity sensor according to claim 1, further comprising.
前記ケース内に配置され、水中における点流速を検出する点流速センサと、
前記ケース内に配置され、水中における圧力を検出する絶対圧圧力センサと、
を備え、
前記点流速センサは、
一部が前記下面より前記ケースの外部へと突出し、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検知アームと、
前記ケース内に前記回転軸よりも上方に向かうように配置され、前記検知アームの回転に伴って、前記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上方アームと、
前記ケース内に、下方側の端部よりも上方側の端部において互いの間隔を広げることによって上方に凸の円弧状となるように並べて配置された複数のリードスイッチと、
前記上方アームに固定され、前記上方アームの回転方向の位置に応じて前記複数のリードスイッチのうちの一部を導通させる永久磁石と、
前記ケース内に配置され、前記ケースが水没した状態であっても水が浸入しないエアルームを形成し、前記エアルーム内に前記永久磁石を収納する収納部と、
を有することを特徴とする流量センサ。 A case with a lower surface that faces downward when installed underwater,
A point flow velocity sensor, which is placed in the case and detects the point flow velocity in water,
An absolute pressure sensor that is placed inside the case and detects pressure in water,
With
The point flow velocity sensor is
A detection arm that partially protrudes from the lower surface to the outside of the case and rotates in the forward and reverse directions within a predetermined angle range around the rotation axis due to the water flow.
An upper arm that is arranged in the case so as to face upward from the rotation axis and rotates in the forward and reverse directions within a predetermined angle range around the rotation axis as the detection arm rotates.
A plurality of reed switches arranged side by side in the case so as to form an arc shape that is convex upward by widening the distance between the ends on the upper side of the lower end.
A permanent magnet fixed to the upper arm and conducting a part of the plurality of reed switches according to the position of the upper arm in the rotational direction.
A storage unit that is arranged in the case, forms an air room in which water does not enter even when the case is submerged, and stores the permanent magnet in the air room.
A flow rate sensor characterized by having.
前記検知アームを上流側に所定の角度だけ予め回転させて、前記点流速センサが検出する最低流速を決定するバランスウェイトと、
をさらに備えることを特徴とする請求項３に記載の流量センサ。 A stabilizing weight attached to the detection arm, located below the rotation axis, and stabilizing the position of the permanent magnet in the rotation direction,
A balance weight that determines the minimum flow velocity detected by the point flow velocity sensor by rotating the detection arm upstream by a predetermined angle in advance.
The flow rate sensor according to claim 3, further comprising.
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