JPH08219080A - 水中ポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 比較的簡単な構成で確実な水位検出を行うこ
とができるとともに、水位変化による動作制御を正確に
行うこと。 【構成】 センサ制御回路ＳＣの接地線ＧＬは電源線５
１，５２側に接続される。電源４０の接地４１が貯留水
Ｗの底の地面ＧＮＤと電気的に等電位となるため、水位
検出のためのキャパシタＣ２は非接地電極２２のみ設
け、接地電極は設けないでよい。接地電極がないため、
それを覆う絶縁被覆を設ける必要もなく、接地電極を覆
う絶縁被覆の影響でキャパシタＣ２における水位感度が
低下することがない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は土木工事における排水
などに利用される水中ポンプに関するもので、特に、静
電容量型の水位検出センサによって水位を検出し、その
検出信号に応答してポンプ本体の動作が制御される水中
ポンプに関する。

【０００２】

【従来の技術】土木工事の排水などに利用される水中ポ
ンプは、排水すべき水（以下「貯留水」）がある程度の
水位になった時に自動的に排水動作を開始するととも
に、排水によって水位が低下したときには自動的に排水
動作を停止させることが必要である。このため、このよ
うな水中ポンプにおいては水位を検出するセンサとポン
プ本体とを協働されるように構成される。このような水
位検出センサには種々のものがあるが、その中で、貯留
水中の油分などの影響を受けないものとして静電容量型
のセンサが特に有用である。このような静電容量型セン
サの従来例としては、たとえば実公昭６３−３６２４６
号公報や実公昭４７−１１６３８号公報に開示されたも
のがある。また、後者（実公昭４７−１１６３８号）で
は、そのようなセンサとポンプ本体とを一体化した構成
が開示されている。

【０００３】図６（ａ）はこのような静電容量型センサ
を使用した従来の水中ポンプにおける水位検出原理を模
式的に示した図であり、センサの静電容量の両電極を構
成する非接地電極１０１と接地電極１０２（基準電位電
極）とがポンプの外面に取り付けられ、その表面はゴム
などの絶縁層１０３で防水被覆されている。このセンサ
において非接地電極１０１より上の位置まで水位が上が
って電極１０１，１０２が共に貯留水Ｗに対向するよう
になると、水の誘電率が空気の誘電率より大きいために
電極１０１，１０２の間の静電容量が増加する。そし
て、このような静電容量の変化を電気的信号の変化へと
変換し、その変化に基づいてポンプ本体のモータをＯＮ
にする。また、水位が下がってきたときにはこの逆の動
作によってポンプ本体のモータがＯＦＦとなる。なお、
この図における破線Ｅは、両電極間の電気力線を示して
いる。

【０００４】また、図６（ｂ）のような対向型の電極配
置もあり、ここでは絶縁層１０３ａ，１０３ｂでそれぞ
れ防水被覆された電極１０１，１０２が対向配置されて
いる。この場合の水位検出とポンプ制御との原理は図６
（ａ）の場合と同様である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで従来の水中ポ
ンプでは静電容量型の水位検出センサがこのような構成
とされているため、両電極１０１，１０２間の電気力線
Ｅは２度にわたって絶縁層を通過する。すなわち、図６
（ａ）の場合には電気力線Ｅが非接地電極１０１から貯
留水Ｗに入るまでに１回と、その後に電気力線Ｅが貯留
水Ｗから接地電極１０２に戻るまでに１回との計２回で
ある。また、図６（ｂ）の場合には絶縁層１０３ａおよ
び１０３ｂを１回ずつ電気力線Ｅが通過することに対応
する。したがって、いずれの場合にもこれらの電極１０
１，１０２間の静電容量値に対する絶縁層１０３（１０
３ａ，１０３ｂ）の影響が大きく、貯留水Ｗの水位によ
る静電容量値の変化は相対的に小さくなってしまう。そ
の結果、このような技術の場合には水位の検出精度が低
いという問題がある。

【０００６】また、このように感度が低いという状況に
対処するために、静電容量値の変化を電気的信号に変換
する際の利得を大きくするという改良も考えられる。し
かしながらこの場合には回路構成が複雑になるだけでな
く、ノイズなども増幅されてしまうために誤検出が生じ
やすいという問題もある。

【０００７】

【発明の目的】この発明は従来技術における上記の問題
の克服を意図しており、比較的簡単な構成で確実な水位
検出を行うことができるとともに、それによって水位変
化による動作制御を正確に行うことができる水中ポンプ
を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段とその作用】この発明にお
いては、土木工事の排水などにおける貯留水はそれ自身
がその底で地面に接触していることに着目する。すなわ
ち、このような場合には地面が接地電極として機能する
ためにそれを利用すればセンサ側に接地電極を設けなく
てもよいことになる。

【０００９】地面を接地電極として利用するためにはセ
ンサの接地側を地面に電気的に接続する必要がある。こ
れは、センサの接地電線を引き回して排水現場の周辺で
地面に接続するとによっても達成可能であるが、工事現
場などで接地配線を行うことは手数がかかるだけでな
く、接地不良によって検出エラーを招く可能性もある。
そこで、この発明ではポンプ本体の動作電力を取るため
の商用電力電線などには接地線が含まれていることに着
目し、センサにおける水位検出用の静電容量の電気的接
地をポンプ本体の電源線側への接続によって達成する。

【００１０】このため、水位検出において静電容量を形
成する電極のうちの接地電極に相当する部分を設ける必
要がないだけでなく、接地電極を貯留水に対して電気的
に絶縁するための絶縁被覆層も不要となって、そのよう
な絶縁被覆層の存在による感度の低下が防止できる。

【００１１】一方、このような接地の改良においてセン
サとポンプ本体とを空間的に分離したままではセンサの
接地レベルを電源線に接続するための配線が長くなって
しまう。そこで、この発明ではポンプ本体にセンサを付
設し、上記のようなポンプ本体の電源線側へのセンサの
接地接続を行う。これによってセンサの上記接地接続の
ために別途の長い配線をする必要もなくなり、構成の簡
単化が達成されるとともに、長い配線に伴う信頼性の低
下も防止できる。

【００１２】

【実施例】

＜１．実施例の水中ポンプの外観構成＞図１はこの発明
の一実施例である排水用の水中ポンプ１の概略外観図で
ある。この水中ポンプ１は、ポンプ本体１０とセンサ部
２０とに大別され、ポンプ本体１０にセンサ部２０が付
設されて一体化されている。ポンプ本体１０はメインケ
ーシング１１の中にポンプ１２を収容しており、この水
中ポンプ１が水中に配置されて排水動作を行うときには
ポンプ本体１０の下部から矢印ＩＮのように貯留水を吸
入して排水口１３から矢印ＯＵＴのように排水する。こ
の排水口１３にはホース（図示せず）が連結され、その
ホースは排水先まで伸びている。

【００１３】一方、センサ部２０は静電容量型水位セン
サを含む部分であり、このセンサにおいて水位に応じた
静電容量の変化を生ずべきキャパシタの非接地電極（検
知電極）２２がケーシング２１の外面に設けられて外部
に対向している。この非接地電極２２はこのセンサのセ
ンサヘッドに相当する。また、後に図２に関して詳述す
る制御回路３０がサブケーシング２１内に収容されてい
る。そして、サブケーシング２１は防水および電気的絶
縁のためにゴムなどの絶縁層２３で被覆されており、こ
の被覆は非接地電極２２の表面をも覆っている。また、
商用電源線などに接続される電源ケーブル５０が上部か
ら入ってセンサ部２０を経由し、ポンプ本体１０内のモ
ータに接続されている。

【００１４】＜２．実施例の電気的構成＞図２は図１の
センサ部２０に内蔵される制御回路３０を中心にしてそ
の周辺の電気的構成を示す回路図である。この制御回路
３０は電源回路ＰＣとセンサ制御回路ＳＣとに大別され
ている。まず、電源回路ＰＣにおいては、図１で説明し
た電源ケーブル５０が図２において単相の交流電源線５
１，５２の対となっており、これらの間には電源回路Ｐ
Ｃ内の整流降圧回路３８と、キャパシタＣ４，Ｃ５の直
列回路とが並列的に接続されている。このうち整流降圧
回路３８はトランスやダイオードなどで構成され、後述
する反転増幅器３２やフリップフロップ３３などの回路
要素への直流動作電力を生成して供給する（図２ではこ
の直流動作電力の供給先への配線は省略してある）。な
お、これらのキャパシタＣ４，Ｃ５の容量値の選定につ
いては後述する。

【００１５】電源線５１，５２のうち一方の電源線５１
はまた、トライアック３７を介してポンプ１２に接続さ
れている。トライアック３７の一方の主電極と制御電極
との間には、トライアック３７のＯＮ／ＯＦＦ制御のた
めにフォトトライアック３６が抵抗Ｒ５を介して接続さ
れている。また、ポンプ１２は上記のようにトライアッ
ク３７を介して電源線５１（Ａ相電源線）に接続される
とともに、他方の電源線５２（Ｂ相電源線）にも接続さ
れている。したがって、後述する動作によってトライア
ック３７が点弧するとこれらの電源線５１，５２からの
交流電力がポンプ１２を介して流れ、それによってポン
プ１２内のモータが回転を開始する。また、トライアッ
ク３７が消弧するとこのモータの回転は停止する。

【００１６】一方、センサ制御回路ＳＣの初段（図２の
左側）にはシュミットトリガ機能付のＣＭＯＳ反転増幅
器３２と帰還抵抗Ｒ１とからなる発振回路３１が設けら
れている。この発振回路３１は、これらの構成要素の回
路定数で定まる周期で繰返しパルスを発生する。なお、
この発振回路３１はキャパシタＣ１を介して接地線ＧＬ
線に接続されている。

【００１７】発振回路３１の出力は２つの遅延回路に並
列的に入力される。このうち第１の遅延回路は抵抗Ｒ２
と等価キャパシタＣ２との結合で構成されるＲＣ可変遅
延回路ＶＤyであり、第２の遅延回路は抵抗Ｒ３とキャ
パシタＣ３との結合で構成されるＲＣ固定遅延回路ＣＤ
yである。

【００１８】このうちＲＣ可変遅延回路ＶＤyの等価キ
ャパシタＣ２は、図１で説明した非接地電極２２と、排
水現場の地面（貯留水の底の地面）ＧＮＤとの間に形成
されるキャパシタであり、その出力は図２のフリップフ
ロップ３３のデータ入力Ｄとなっている。ただし、排水
現場の地面ＧＮＤには接地線を設けるのではなくこの地
面ＧＮＤは自然の状態で接地レベルにある。それは、貯
留水Ｗが地面ＧＮＤに物理的に接触しているからであ
る。また、接地線ＧＬはこの発明の特徴に従ってキャパ
シタＣ４，Ｃ５を介して電源線５１，５２に接続される
が、これらの電源線５１，５２の一方は商用電源の発電
施設（あるいは変電施設）４０において接地されている
（図２における接地４１）。この接地４１は地面を通じ
て貯留水の底における地面ＧＮＤと共通電位にある。こ
のため、接地線ＧＬは電源線５１または５２を介して地
面ＧＮＤと等電位となっており、地面ＧＮＤがセンサ制
御回路ＳＣにおける等価キャパシタＣ２の接地電極とし
て機能する。したがって、実際の装置構成からは等価キ
ャパシタＣ２については非接地電極２２だけを設けてお
けばよく、接地電極をセンサ側に設ける必要はない。キ
ャパシタＣ２を「等価」キャパシタと呼ぶのも、装置と
しては通常のキャパシタのように１対の電極を持つわけ
ではないが、地面ＧＮＤを考えたときに等価的にキャパ
シタとして機能するためである。

【００１９】一般にＲＣ遅延回路の遅延時間は容量値と
抵抗値との積に比例するため、この実施例におけるＲＣ
可変遅延回路ＶＤyの遅延時間も積：「Ｃ２×Ｒ２」に
比例する。また、貯留水の水位が上がると貯留水表面が
非接地電極２２に近づくために等価キャパシタＣ２の接
地側の電極面積が大きくなることと等価な状態となり、
それによって等価キャパシタＣ２の容量値は大きくな
る。したがって、水位が上るとＲＣ可変遅延回路ＶＤy
における遅延時間は長くなる。逆に、水位が下がると等
価キャパシタＣ２の容量値は小さくなり、ＲＣ可変遅延
回路ＶＤyの遅延時間は短くなる。

【００２０】一方、ＲＣ固定遅延回路ＣＤyにおいては
抵抗Ｒ３およびキャパシタＣ３は固定であり、したがっ
て、その遅延時間も固定されている。その固定の遅延を
受けた後の出力はフリップフロップ３３のクロック入力
ＣＫ（サンプリングタイミング入力）となっている。

【００２１】フリップフロップ３３は位相比較器ないし
は位相弁別器として機能し、データ入力ＤとクロックＣ
Ｋとの位相を比較してその結果に応じた出力Ｑを発生す
る。この位相比較動作の例は後述するが、このようにし
て得られる出力Ｑは、反転増幅器３４，フォトトライア
ック３５および抵抗Ｒ４の直列接続を介して接地レベル
線ＧＬに接続されている。

【００２２】＜３．実施例の動作＞このような構成によ
る水位検出とポンプ制御とを、センサ制御回路ＳＣのタ
イミング図である図３と、水位とポンプ１との示した図
４とを参照して説明すると以下のようになる。

【００２３】＜３−１．水位が低いとき＞まず図４
（ａ）に例示するように水位が低いときには等価キャパ
シタＣ２の容量値が小さいため、図３（ａ）に例示する
ようにＲＣ可変遅延回路ＶＤyにおける遅延時間Ｔ1がＲ
Ｃ固定遅延回路ＣＤyにおける遅延時間Ｔ2より短くな
る。ただし、これらの遅延時間は発振器３１の発振パル
ス（図示せず）の立ち上がり時刻ｔ0を基準としてい
る。このようにＴ1＜Ｔ2の関係があるときには、図３
（ａ）に示すようにフリップフロップ３３のデータ入力
ＤがクロックＣＫより先に「Ｈ（High Level）」に立ち
上がる。すると、フリップフロップ３３がクロックＣＫ
の立ち上がり時点ｔでデータ入力Ｄをサンプリングした
ときにはこのデータ入力Ｄは既に「Ｈ」であり、出力Ｑ
は「Ｈ」となってこの「Ｈ」レベルでラッチされる。こ
れは水位が低い状態が続く限り同様の結果となる。この
出力Ｑ（＝「Ｈ」）は図２の反転増幅器３４で増幅反転
されて「Ｌ（Low Level）」となる。このため、フォト
トライアック３５はＯＦＦであって発光は行わず、トラ
イアック３７もＯＦＦであって、ポンプ１２は停止状態
となる。

【００２４】＜３−２．水位が高いとき＞一方、図４
（ｂ）に例示するように水位が高くなったときには、等
価キャパシタＣ２の容量値が大きいため、図３（ｂ）に
例示するようにＲＣ可変遅延回路ＶＤyにおける遅延時
間Ｔ1がＲＣ固定遅延回路ＣＤyにおける遅延時間Ｔ2よ
り長くなり、フリップフロップ３３のデータ入力Ｄがク
ロックＣＫより後で「Ｈ」に立ち上がる。このため、フ
リップフロップ３３がクロックＣＫの立ち上がり時点ｔ
でサンプリングしたときにはデータ入力Ｄはまだ「Ｌ」
であり、出力Ｑは「Ｌ」でラッチされる。これは水位が
高い状態が続く限り同様の結果となる。この出力Ｑ（＝
「Ｌ」）は反転増幅器３４で増幅反転されて「Ｈ」とな
る。このため、フォトトライアック３５はＯＮとなり、
その発光に応答してトライアック３７がＯＮとなる。そ
れに応答してポンプ１２は動作状態となり、排水が行わ
れる。

【００２５】＜４．キャパシタの容量値＞ところで、既
述したようにこの実施例ではこの発明の特徴に対応して
センサ制御回路ＳＣ（したがって等価キャパシタＣ２）
の接地線ＧＬを、キャパシタＣ４，Ｃ５を介して電源線
５１，５２に接続している。これらのキャパシタＣ４，
Ｃ５の容量値は、電源線５１，５２からの商用周波数に
対してはセンサ制御回路ＳＣを電源線５１，５２から電
気的に分離しつつ、センサ制御回路ＳＣで生成される高
周波（発振回路３１の発振パルス周波数）については導
通状態となって接地による接続が電気的に有効になるよ
うに選択する。

【００２６】具体的には、キャパシタＣ４，Ｃ５の容量
値は、商用電源周波数（５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）の交
流に対しては十分大きいインピーダンスとなり、等価キ
ャパシタＣ２の容量値に対しては十分小さいインピーダ
ンスとなるように選定することになる。この実施例では
Ｃ４，Ｃ５＝１０００ｐＦであり、この場合にはたとえ
ば６０Ｈｚの商用電源周波数に対して約３ＭΩのインピ
ーダンスとなり、漏れ電流は約７０μＡ以下である。し
たがって、安全上からも節電上からも問題はない。ま
た、通常、等価インピーダンスＣ２は数１０ｐＦである
から、これに対して十分に小さいインピーダンスとなっ
ている。

【００２７】なお、キャパシタＣ４，Ｃ５を介して接地
線ＧＬを２本の電源線５１，５２の双方に接続しておく
のは、電源線５１，５２を商用電源にコンセント形式で
接続するときに、電源線５１，５２のいずれが商用電源
の接地側となるかが区々であるため、いずれの場合でも
対処可能としていることに起因する。このため、原理的
には複数の電源線のうちの接地側に接続しておけばよ
い。たとえば、商用電源を交直変換器を通じて直流化す
る配電盤が設けられており、その配電盤から直流電源を
取って直流モータを駆動するようなポンプの場合には、
電源線の接地側が明確であるために、その接地側のみに
センサ制御回路の接地線を接続しておけばよい。

【００２８】一方、等価キャパシタＣ２との関係におけ
る固定側キャパシタＣ３の容量値の決定については、図
４（ａ）のように水位が非接地電極２２あたりとなった
ときに、ちょうど２つの遅延回路の点時間が反転するよ
うに固定側キャパシタＣ３の容量値を決定しておくこと
が好ましい。これは実験によって容易に決定することが
できる。厳密に言えばポンプを使用する場所ごとに貯留
水Ｗの成分は異なるが、その導電率の変動幅は水と空気
の導電率の差ほどではないため、固定キャパシタＣ３の
容量値を使用の場所ごとに調整する必要はない。

【００２９】＜５．実施例のセンサの感度と配線＞図５
は実施例の水中ポンプ１における水位検出センサの感度
に関する説明図である。図１において説明したように、
図５の非接地電極２２はゴムなどの絶縁層２３で被覆さ
れた状態となっているため、非接地電極２２からの電気
力線Ｅはこの絶縁層２３を介して貯留水Ｗに至る。そし
てこの電気力線Ｅは等価的に接地電極に相当する地面
（貯留水の底の地面）ＧＮＤに至るが、この地面に到達
する段階ではゴムなどの絶縁層を通らない。すなわち、
図６で説明した従来の場合には絶縁層を２度通るが、こ
の実施例の場合には１度だけである。

【００３０】したがって、図２の等価キャパシタＣ２に
おいては絶縁層による影響が少なく、等価キャパシタＣ
２に占める貯留水Ｗの寄与が相対的に大きい。したがっ
て、水位の変化に対してセンサの出力感度が大きく、複
雑な高利得の回路を必要としない。また、耐ノイズ性も
高い。したがって、ポンプ全体としての制御が正確とな
る。

【００３１】また、この実施例では図１のセンサ部２０
をポンプ本体１０に付設して一体化しているため、接地
配線ＧＬを長くとらなくても電源線５１，５２に接続可
能である。このため、配線上で有利であるだけでなく、
信頼性も高くなっている。

【００３２】＜６．変形例＞上記実施例のようにセンサ
部２０をポンプ本体１０の外側に付設するような構成と
すれば、センサを持たないポンプにセンサ部２０を付加
することによってこの発明のポンプが実現できるという
利点がある。しかしながら、単一のケーシングにポンプ
本体とセンサ部とを収容することも可能であり、この発
明における「付設」とはこのような場合も含んでいる。

【００３３】また、上記実施例ではセンサ制御回路３０
の接地線ＧＬをラインとして説明したが、プリント基板
上などにおける接続点（ノード）であってもかまわな
い。

【００３４】なお、上記実施例では抵抗Ｒ３を固定抵抗
とするとともにキャパシタＣ３を固定キャパシタとした
が、そのかわりに可変抵抗または可変容量を使用してそ
の調整スイッチを付加すれば、ポンプのＯＮ／ＯＦＦの
切換え水位の変更機能を持たせることもできる。

【００３５】この発明のポンプは、工事現場における排
水だけでなく、地面との間に電気的絶縁物がないような
状態の貯留水の排水であればどような用途でも使用可能
である。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、貯留水はその底部で電気的に接地されていることに
応じて、センサの水位検出用静電容量の接地レベルを電
源線側への接続によって達成している。

【００３７】このため、センサの静電容量を形成する電
極のうちの接地電極に相当する部分を設ける必要がない
だけでなく、水に対して接地電極を電気的に絶縁するた
めの絶縁被覆層も不要となって、そのような絶縁被覆層
の存在による感度の低下が防止できる。

【００３８】また、センサはポンプ本体に付設されてい
るため、水位検出用静電容量の接地レベルを電源線側へ
接続するにあたって長い配線なども必要としない。

【００３９】したがって比較的簡単な構成で確実な水位
検出を行うことができるとともに、それによって水位変
化による動作制御を正確に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例である水中ポンプの概略外
観図である。

【図２】実施例の水中ポンプの制御回路の回路図であ
る。

【図３】図２の制御回路における位相比較動作の例を示
す波形図である。

【図４】実施例の水中ポンプにおける水位の状態の説明
図である。

【図５】実施例の水中ポンプにおけるセンサ感度の説明
図である。

【図６】従来の水中ポンプに使用されているセンサの概
念説明図である。

【符号の説明】

１ 水中ポンプ １０ ポンプ本体 １１ メインケーシング １２ ポンプ ２０ センサ部 ２１ サブケーシング ２２ 非接地電極 ２３ 絶縁被覆 ３０ 制御回路 ３１ 発振回路 ４０ 商用交流電源 ４１ 商用交流電源の接地 ５０ 電源ケーブル ５１，５２ 電源ケーブル内の電源線 Ｃ２ 等価キャパシタ ＰＣ 電源回路 ＳＣ センサ制御回路 ＧＬ センサ制御回路の接地線 Ｗ 貯留水 ＧＮＤ 貯留水の底の地面

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 静電容量型の水位検出センサからの検出
   信号に応答して動作制御が行われる水中ポンプにおい
   て、 ポンプ本体に前記センサが付設され、 前記センサにおける水位検出用の静電容量の電気的接地
   が、前記ポンプ本体の電源線側への接続によって達成さ
   れていることを特徴とする水中ポンプ。