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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