JPH09292272A - 水田用水位計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 水田のように汚れやすい環境においても水位
の連続変化を計測できる、安価で保守性のよい水田用水
位計を提供する。 【解決手段】 底部に開口部を有しかつ上端を閉じた筒
状の水位・圧力変換容器を用いて、水位を変換容器内に
閉じ込められた空気の静的な圧力に変換する。そして、
この変換容器内の空気の圧力Ｐ₂ と大気圧Ｐ₁ との差圧
（Ｐ₂ −Ｐ₁ ）をこの変換容器の上部に設置された圧力
計測手段によって計測することによって水位を計算す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、主に水田の水管理
のために水位を測定する水田用水位計に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】稲の育成にはその生育段階や気象条件に
応じて水田の水位を変える水管理を行うことが必要であ
る。この水管理では０〜２５０mm前後の間で±５％の精
度で水位を計測することが必要とされる。従来、水田の
水管理用に実用化された水田用水位計としてはマルチ電
極式水位計がある。これは、複数（たとえば２５個）の
電極を適当な間隔で上下方向に並べることにより、その
電極間の幅（たとえば１０mm）を最小の刻みとして離散
的に水位を測るものである。しかし、マルチ電極式水位
計は、電極保持構造が複雑となるうえ、電極に付着した
泥やゴミの影響を受けやすいため、設置、保守の点で問
題があった。また、分解能が電極の間隔によって決まる
ため、水位の連続変化を離散的な値としてしか計測でき
ず、水管理に必要な水位の記録・制御のためには十分な
計測が行えないという問題があった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】連続的な水位変化を計
測するためには、投げ込み法やエアー・バブル法を用い
ることも考えられる。投げ込み法はダイヤフラムおよび
圧力センサ／トランスミッタを備えた密水容器を水底に
沈め、水圧を測ることにより水位を求める方法である。
しかし、この方法では圧力信号を伝えるケーブルに加え
て、圧力センサの低圧側を大気圧と同じにするための大
気圧開放用パイプを設ける必要がある。そのため、水位
計の構造が複雑となるうえに製造コストも高くなる欠点
がある。また、ダイヤフラムのバネ特性のために、投げ
込み式水位計では１０００mm以下の水位の測る場合には
十分な精度を得ることが困難となり、水田の水位計測に
は不向きであった。

【０００４】一方、エアー・バブル法は図４に示すよう
に、空気源４１より水中に差し込まれた空気吹き込み管
４２を通じて常に一定量の空気を水中に吹き込み、空気
吹き込み管４２内の圧力を圧力センサ４３で測定して水
位を求める方法である。しかし、この方法では常に適切
にコントロールされた流量の空気を水中に吹き込む必要
があるため、水田の水管理のように長期間にわたる水位
計測には適さないうえ、空気吹き込み管４２やジョイン
ト部４４に空気の漏れがあるともはや正確な測定はでき
なくなるという問題があった。

【０００５】そこで本発明の目的は、水田のように汚れ
やすい環境においても水位の連続変化を計測できる、安
価で保守性のよい水田用水位計を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上述の課題を解決するた
めに本発明による水田用水位計（以下、「水位計」とい
う）は、底部に開口部を有しかつ上端を閉じた筒状の容
器であって、水位を空気の圧力に変換する水位・圧力変
換容器（以下、「変換容器」という）と、この変換容器
の上部に設置され、この変換容器内の空気の圧力を大気
圧との差圧として計測する圧力計測手段と、この圧力計
測手段によって計測された差圧から水位を計算する水位
計算手段とを有することを特徴としている。本発明は、
水位を変換容器内に閉じ込められた空気の静的な圧力に
変換することによって水位を計測するので、圧力計測手
段を直接水や泥に触れさせることなく、またエア・バブ
ル法のように水中に空気を送り込む必要もない。このと
きの変換容器内に閉じ込められて圧縮された空気の圧力
と大気圧との差圧から水位を導き出す原理は以下のよう
なものである。

【０００７】すなわち、図１に示すように、測定すべき
水深よりも長い変換容器１１を持った水位計は、水位を
計測するために変換容器１１の底部の開口面が水面と平
行となるように水中に挿入または設置される。変換容器
１１の底部が水位の基準点に到達するまでに、水圧によ
って変換容器１１内には水が侵入し、変換容器内に閉じ
込められた空気は圧縮されて大気圧との間に差圧を生じ
る。このときの水位をＨ、変換容器内に侵入してきた水
の水位基準点からの高さをｈ、変換容器内で水圧によっ
て圧縮された空気の体積と圧力をそれぞれＶ₂ 、Ｐ₂ と
表すことにする。さらに変換容器の容積をＶ₁ 、大気圧
をＰ₁ 、水の密度をρとすると、変換容器内外における
空気圧および水圧のつりあいは次の式で表される。 Ｐ₁ ＋ρＨ＝Ｐ₂ ＋ρｈ （１） これから水位Ｈは次のように表される。 Ｈ＝（Ｐ₂ −Ｐ₁ ）／ρ＋ｈ （２） また、水圧によって圧縮される前後の変換容器内の空気
の体積と圧力の関係は、ボイルの式から次のように表さ
れる。 Ｐ₁ Ｖ₁ ＝Ｐ₂ Ｖ₂ （３）

【０００８】ここで、変換容器内で圧縮された空気の体
積Ｖ₂ は、変換容器の容積Ｖ₁ から水位がＨのときに変
換容器内に侵入してきた水の体積Ｖ_w をひいたものであ
る。したがって、式（３）よりＶ_w は Ｖ_w ＝Ｖ₁ （Ｐ₂ −Ｐ₁ ）／Ｐ₂ （４） と表される。一方、高さｈまで変換容器内に侵入してき
た水の体積Ｖ_w は、変換容器の長さｙに垂直な変換容器
の内部空間の断面積Ｓを表すｙの関数Ｓ(y) を式５に示
すように、ｙ＝０からｙ＝ｈまで積分したもの（ただ
し、変換容器の底面をｙ＝０とする）である。

【０００９】

【数１】

【００１０】変換容器の容積Ｖ₁ 、水の密度ρを既知と
し、上記式（４）と式（５）をｈについて解いて上記式
（２）に代入すると、変換容器内に閉じ込められた空気
の圧力Ｐ₂ を大気圧Ｐ₁ との差圧（Ｐ₂ −Ｐ₁ ）と水位
Ｈとの関係を求めることができる。

【００１１】基本原理は以上の通りであるが、本発明
は、上述の水位計において変換容器が長さ方向に垂直な
断面積が一定の内部空間を持つことを特徴としている。
これによって、変換容器内に閉じ込められた空気の圧力
Ｐ₂ から水位Ｈを導き出す計算が次に示すように非常に
簡単になる。

【００１２】すなわち、変換容器の内部空間の断面積を
Ｓ、その変換容器の内部空間の長さをＬとすると、変換
容器の容積Ｖ₁ はＳＬ、式（５）に表された変換容器内
に侵入してきた水の体積Ｖ_w はＳｈと表される。これら
を式（４）に代入、整理すると、変換容器内に侵入して
きた水の変換容器の開口部からの高さｈは次の式で表す
ことができる。 ｈ＝Ｌ（Ｐ₂ −Ｐ₁ ）／Ｐ₂ （６） したがって、式（２）および式（６）から水位Ｈと変換
容器内の空気の圧力Ｐ₂との関係は次のようになる。 Ｈ＝（１／ρ＋Ｌ／Ｐ₂ ）（Ｐ₂ −Ｐ₁ ） （７）

【００１３】一般に変換容器内の空気の圧力として計測
される量は、絶対圧力計等を用いない限り変換容器内の
絶対圧力Ｐ₂ と大気圧Ｐ₁ との差圧（Ｐ₂ −Ｐ₁ ）であ
る。大気圧Ｐ₁ を既知とすれば、変換容器内外の差圧
（Ｐ₂−Ｐ₁）から式（７）に基づき水位Ｈを求めること
ができるが、さらに、水位Ｈと圧力Ｐ₁ およびＰ₂ の関
係は、式（７）をＰ₂ ＝Ｐ₁ の近傍にてテーラー展開す
ることにより、以下の線形近似式が得られる。 Ｈ＝（１／ρ＋Ｌ／Ｐ₁ ）（Ｐ₂−Ｐ₁） （８）

【００１４】これは、大気圧Ｐ₁ を既知とするならば、
水位Ｈを差圧（Ｐ₂−Ｐ₁）の線形関数として容易に水位
Ｈを計算することを示している。ここで、水田で計測さ
れる最大水位が２５０mm程度であることを考えると、変
換容器内の圧力Ｐ₂ は大気圧Ｐ₁ と大きくは違わないと
考えてよく、式（８）を適用して水位を計測することが
できる。

【００１５】また、本発明は、上述の水位計においてそ
の変換容器が長さ方向に垂直な内部空間の断面積が一定
である下部と、前記下部の断面積よりも小さな断面積を
有する上部とからなることを特徴とする。水位計を屋外
で用いる場合、直射日光によって水位計の上部が熱され
ると変換容器内上部にある空気が膨張し、誤差の原因に
なると考えられる。しかし、上述のように変換容器上部
の断面積を小さくすることにより、太陽からの熱によっ
て暖められる空気の量が相対的に小さくなるので、誤差
を低く抑えることができる。さらに、上述の構成により
変換容器の内部空間の長さＬを実質的に小さくとること
によって、式（７）および式（８）において水の密度ρ
の影響が相対的に高くなることになり、式の上では水位
Ｈは差圧（Ｐ₂ −Ｐ₁ ）と水の密度ρに依存するように
なる。これによって水位計の設置状態や泥の付着等、あ
るいは熱による変換容器の膨張による測定誤差を少なく
することができる。

【００１６】また、本発明は、上述の水位計において圧
力計測手段に半導体圧力センサを用いることを特徴とし
ている。これにより、水位計の小型化・軽量化をはかる
ことができ、設置や保守がより容易になる。

【００１７】また、本発明は、上述の水位計において水
位計算手段が変換容器上に設置されていることを特徴と
する。すなわち、圧力計測手段とともに水位計算手段を
水位計の変換容器と一体化することによって水位計の携
帯性が高まるとともに、設置や保守がより容易になる。

【００１８】また、本発明は、上述の水位計においてそ
の水位計算手段にマイクロプロセッサを用いていること
を特徴とする。ここで、マイクロプロセッサは、差圧
（Ｐ₂−Ｐ₁ ）から水位Ｈを求める関係式、または予め
作成した圧力・水位の対照表をすることによって、圧力
センサなどの圧力計測手段によって得られた変換容器内
の空気の圧力（大気圧との差圧）から水位Ｈを計算す
る。特に、変換容器の内部空間の断面積を一定にした場
合には、マイクロプロセッサに式（８）、または式
（８）に基づいて予め作成した圧力・水位の対照表を記
憶させ、差圧から水位を即座に求めることができる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、図面を用いて本発明の実施
の形態について説明する。図１は水位計測中の本発明の
第１の実施の形態を示す。水田の水位がＨであるとき
に、変換容器１１内に水圧によって高さｈまで水が侵入
している様子が示されている。ここで、水位計は、変換
容器１１と、変換容器１１内部の空気の圧力と大気圧と
の差圧を電気信号に変換する圧力トランスミッタ１２、
および圧力トランスミッタ１２からの差圧から水位Ｈを
計算する信号処理回路１３から構成されている。

【００２０】ここで変換容器１１は製造コストを考え
て、断面積が一定の合成樹脂性のパイプ１１ｂの上端部
を硬質ゴムの蓋１１ａで塞いだものを用いている。パイ
プ１１ｂ、つまり変換容器１１の下端部は開口してお
り、水位計を鉛直に立てたときにその開口面が水平にな
るように仕上げられている。圧力トランスミッタ１２は
変換容器１１の上端部の蓋１１ａにねじ込み式で固定さ
れており、圧力トランスミッタ１２内の半導体圧力セン
サ１２ａの高圧側は変換容器内につながっている。ま
た、気密性を高めるためその結合部にはエポキシ樹脂１
８が充填されている。

【００２１】圧力トランスミッタ１２から延びる圧力信
号線１６は、バッテリー１４とともに信号処理パッケー
ジ１５内に格納された信号処理回路１３に接続されてい
る。信号処理回路１３は、補償回路と差圧から水位を計
算するプロセッサから構成され、バッテリー１４を電源
として水位を計算し、その値を水位信号線１７を介して
水田の水位を制御する水位制御ユニットへ伝送する。

【００２２】変換容器１１の内部空間の長さＬは計測す
べき最大水位よりも長くとってあり、圧力トランスミッ
タ１２および信号処理パッケージ１５を変換容器１１の
上端部に設置することで、半導体センサ１２ａを含む圧
力トランスミッタ１２と信号処理パッケージ１５が水没
することのないようになっている。

【００２３】なお、この実施の形態においては、水位計
の設置に際しては変換容器１１の開口部が塞がれてしま
うことのないように水田を一部掘り下げてある。これ
は、稲の栽培状況によって水位の基準点を水田の表面よ
りも下にとる必要がある場合に、水位の基準点をその位
置に設定することができるという効果もある。また、変
換容器１１の低面をも低い位置に設定することで、たと
えば、水位が低いときに変換容器１１内の空気が熱膨張
などによって変換容器下端から逸失することを防止する
効果もある。ただし、その場合には、水田のその他の面
より低くした分だけ測定された水位を補正することはい
うまでもない。

【００２４】水位計の変換容器や変換容器内に閉じ込め
られた空気が直射日光や高温大気によって熱膨張すると
変換容器内の圧力Ｐ₂ が上昇し、水位を測定する際の誤
差の原因となる。これを防止するために、乾湿球湿度計
の湿球に行われているように、変換容器をたとえばガー
ゼのような保湿材で覆うことが考えられる。すなわち、
保湿材から水が蒸発する際の気化熱によって変換容器の
温度上昇を防ぎ、直射日光や高温大気によって熱膨張す
ることによって生じる水位測定誤差を少なくすることが
可能となる。また、水位計の変換容器を保湿材の代わり
に断熱材で覆えば、日中夜間の外界の温度変化による影
響を少なくする効果が期待できる。

【００２５】図２は、図１に示した水位計を実際に水田
に設置する場合の例を示したものである。ここでは、水
田中に設置した基礎２２上に支柱２１を設け、この支柱
２１に支持金具２３によって固定された支持ガイド管２
４に水位計本体を差し込み、変換容器１１の位置を保持
するようになっている。このとき、支持ガイド管２４の
径を変換容器１１の径よりも大きく、かつ変換容器の１
１の上端部の蓋１１ａの径よりも小さくすることで、蓋
１１ａがストッパーとしての役割を果たし、変換容器１
１の底面が水位基準点と一致するようになっている。こ
れによって、水位計本体の適切な姿勢と位置を保つこと
ができる。その結果、水田の中に据え付けて、水位の変
化を長時間にわたって計測することが可能となる。ま
た、土中で発生したメタンガスなどが変換容器３１内に
溜まった場合など、水位計本体を一旦水中から引き上げ
て強制的に初期化をした後でも、水位計の再設置を正確
かつ容易に行うことが可能となる。

【００２６】図３は、変換容器３１の上部の内径を下部
よりも細くした実施の形態を示している。これは、パイ
プ３１ｂの上部に挿入された硬質ゴムの蓋３１ａに圧力
トランスミッタ３２を設置する穴と、その圧力トランス
ミッタ３２と変換容器３１の下部とをつなぐ細い空気孔
を備えることで実現されている。この場合も、水位計本
体の長さは計測すべき最大水位よりも長くとってあり、
圧力トランスミッタ３２および信号処理パッケージ３３
が水没することのないようになっている。これにより、
変換容器３１内に閉じ込められた空気の大部分は変換容
器３１の下部にとどまることとなり、その結果、たとえ
ば、変換容器３１の上部が直射日光によって暖められた
場合、変換容器３１やその中に閉じ込められている空気
の熱膨張による測定誤差を小さくすることが可能とな
る。

【００２７】なお、本実施の形態では、大小異なる断面
積の内部空間を持つ変換容器を、蓋３１ａに空気孔を設
けることで実現しているが、これを内径の異なるパイプ
を直列に接続することにより変換容器を構成してもよい
ことはいうまでもない。また、本実施の形態では、図３
に示すように、変換容器３１の底面が水田の底に接する
場合、変換容器３１の下端に水の出入りを保証するため
のスリット３４を設けている。

【００２８】なお、これまでに述べた実施の形態では、
変換容器を合成樹脂製のパイプとしたが、これをたとえ
ばステンレス、アルミニウムなどの金属製もしくはセラ
ミック製のパイプとすることもできる。さらに、ここで
はパイプの上端を硬質ゴムの蓋で塞ぐことで変換容器を
得たと説明したが、これを、たとえばプレス技術や型を
用いて、はじめからパイプ部分と蓋部分を一体化して作
ることも考えられる。また、圧力計測手段として本実施
例では半導体圧力センサを用いたが、これをその他のタ
イプの圧力センサ、たとえば水晶圧力センサとすること
も可能である。

【００２９】

【発明の効果】本発明によれば、水田などの水位を変換
容器内の空気の圧力に変換し、大気圧との差圧（Ｐ₂ −
Ｐ₁ ）を計測することで水位を計測することができる。
その結果、空気を送り込むコンプレッサーや大気圧開放
用パイプを必要としない、比較的単純な構成で安価な水
位計を実現することができる。これに加えて、本発明で
は水位計測のために圧力センサなどの圧力計測手段を水
に触れさせる必要がないので、泥詰まりなどの故障の原
因が少なくなり、水田のように汚れやすい環境ででも水
位の連続変化を計測できる保守性のよい水位計を提供す
ることができる。

【００３０】また、管理で必要とされる２５０mm程度の
水位であれば、長さ方向に垂直な内部空間の断面積が一
定の変換容器を用いることで、水変換容器内に閉じ込め
られた空気の圧力と大気圧との差圧から容易に水位を得
ることが可能となる。

【００３１】また、変換容器を長さ方向に垂直な内部空
間の断面積が一定である下部とこの下部の断面積よりも
小さな断面積を有する上部とから構成し、変換容器内部
の空間の上部を細くすることで、直射日光によって水位
計の上部が熱される等、外界の環境変化の影響による測
定誤差を小さくし、より高い精度で水位測定をすること
ができる。

【００３２】さらに、本発明は、半導体圧力センサを用
いて変換容器内外の差圧を計測するので、水位計の軽量
化を図ることができる。

【００３３】また、本発明は、圧力計測手段とともに水
位計算手段を水位計の変換容器と一体化して水位計の携
帯性を高めることで、水位計の設置や保守をより容易に
することができる。

【００３４】さらに、本発明は、その水位計算手段にマ
イクロプロセッサを用いていることで、水位計の小型・
軽量化をはかるとともに、差圧（Ｐ₂ −Ｐ₁ ）から水位
Ｈを求める計算式または予め作成した圧力・水位の対照
表をマイクロプロセッサに記憶させ、効率的な水位計測
を可能とすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の水位計の基本構成とその使用形態を
示す図である。

【図２】 本発明の水位計の設置方法の一例を示す図で
ある。

【図３】 本発明にかかる水位計の実施の一例を示す図
である。

【図４】 エアバブル法による水位測定を示す図であ
る。

【符号の説明】

１１、３１…水位・圧力変換容器、１１ａ、３１ａ…
蓋、１１ｂ、３１ｂ…パイプ、１２、３２…圧力トラン
スミッタ、１２ａ…半導体圧力センサ、１３…信号処理
回路、１４…バッテリー、１５、３３…信号処理パッケ
ージ、１６…圧力信号線、１７…水位信号線、１８…エ
ポキシ樹脂、２１…支柱、２２…基礎、２３…支持金
具、２４…支持ガイド管、３４…スリット。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 底部に開口部を有しかつ上端を閉じた筒
   状の水位・圧力変換容器と、前記水位・圧力変換容器の
   上部に設置され、前記水位・圧力変換容器内の空気の圧
   力を大気圧との差圧として計測する圧力計測手段と、前
   記圧力計測手段によって計測された前記差圧から水位を
   計算する水位計算手段とを有することを特徴とする水田
   用水位計。
2. 【請求項２】 請求項１において、前記水位・圧力変換
   容器は、長さ方向に垂直な断面積が一定の内部空間を持
   つことを特徴とする水田用水位計。
3. 【請求項３】 請求項１において、前記水位・圧力変換
   容器は、その内部空間が長さ方向に垂直な内部空間の断
   面積が一定である下部と、前記下部の断面積よりも小さ
   な断面積を有する上部とからなることを特徴とする水田
   用水位計。
4. 【請求項４】 請求項１、請求項２または請求項３にお
   いて、前記圧力計測手段は半導体圧力センサであること
   を特徴とする水田用水位計。
5. 【請求項５】 請求項１乃至４のいずれかにおいて、前
   記水位計算手段は前記圧力計測手段とともに前記水位・
   圧力変換容器上に設置されていることを特徴とする水田
   用水位計。
6. 【請求項６】 請求項１乃至５のいずれかにおいて、前
   記水位計算手段はマイクロプロセッサであることを特徴
   とする水田用水位計。