JPH1183601A - 液位計とそれを用いた地中浸潤面レベル計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 可動部のない、故障が起きにくい液位計を提
供する。 【解決手段】 上下方向に長いフロート１と、このフロ
ートを収容する液体が浸入可能な固定ケース３と、フロ
ート１に浮力が作用したときにフロートが固定ケース３
に対して相対的に上昇しないようにフロート１と固定ケ
ース３とをつなぐ抗張力体１３と、この抗張力体の伸び
歪みを検出するセンサ１５と、フロート１の自重を打ち
消す圧縮バネ１４を備える。センサ１５に光ファイバブ
ラッグ回折格子を使用する。フロート１の浮力の変化を
抗張力体１３の張力の変化に変換して、抗張力体１３の
伸び歪みから液位を測定する。圧縮バネ１４でフロート
１の自重を打ち消すことにより、不感帯がなくなり、液
位の計測範囲を広くできる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、液体の表面の高さ
を計る液位計と、それを用いた地中浸潤面レベル計測装
置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の液位計は、液体の表面にフロート
を浮かし、このフロートの高さから液位を計測するもの
が一般的である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし従来の液位計
は、フロートやそれに付属する可動部があるため、フロ
ートの引っ掛かり等、可動部があることによる故障が発
生しやすく、信頼性の点で問題があった。

【０００４】また、河川が増水したときに堤防の強度を
調べるためには、堤防を構成する土が水のしみ込みによ
りどの程度まで浸潤しているかを検知することが重要で
あるが、従来は地中の浸潤面レベルを計測する適当な手
段がなかった。

【０００５】本発明の目的は、実質的に可動部のない液
位計と、それを用いた地中浸潤面レベル計測装置を提供
することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この目的を達成する本発
明の液位計は、上下方向に長いフロートと、このフロー
トを収容する液体が浸入可能な固定ケースと、前記フロ
ートに浮力が作用したときにフロートが固定ケースに対
して相対的に上昇しないようにフロートと固定ケースと
をつなぐ抗張力体と、この抗張力体の伸び歪みを検出す
るセンサと、前記フロートの自重（フロートの浮力を抗
張力体に伝達する部材の自重を含む）の影響を打ち消す
手段とを備えていることを特徴とするものである。

【０００７】このような構成にすると、液位が上昇して
もフロートは抗張力体により引き留められているため上
昇せず、液位の上昇はフロートの浮力を増加させ、抗張
力体の張力を増加させることになる。抗張力体の張力の
増加は抗張力体の伸び歪みとなって表れるので、この伸
び歪みをセンサにより検出することにより、液位を計測
することが可能となる。またフロートの自重の影響を打
ち消す手段を設けることにより、フロートの浮力がフロ
ートの自重に達するまでの不感帯をなくすことができ、
液位の計測範囲を広げることが可能となる。

【０００８】センサとしては、光ファイバブラッグ回折
格子（Fiber Bragg Grating 、以下ＦＢＧという）、光
ファイバブリユアンＯＴＤＲ又は電気式ロードセルなど
を使用することができる。ＦＧＢは、光ファイバの伸び
歪みの変化をブラッグ反射光の波長シフト量として検出
するもので、電気絶縁性であるため落雷、火花発生な
どがない、耐食性にすぐれる、光ファイバで信号を
伝送するため遠隔監視可能、バッテリー（電源）を必
要としない、波長シフト量が大きい、多数個のＦＢ
Ｇを１本の光ファイバ上にシリーズに接続して、多点同
時計測ができる、製作が容易で再現性が高い、等の利
点がある。

【０００９】また光ファイバブリユアンＯＴＤＲは、光
ファイバの伸び歪みの変化を光ファイバ中のブリユアン
散乱光の波長シフト量として検出するもので、ＦＢＧの
上記利点のうち〜は備えているが、、は備えて
いない。また電気式ロードセルは、使用可能ではある
が、ＦＢＧの上記利点のうちの利点くらいしか備えて
いないばかりか、水分によりセンサ出力が影響されるの
で屋外での使用には適しない。したがってセンサとして
はＦＢＧを使用することが特に好ましい。

【００１０】またフロートの自重の影響を打ち消す手段
としては、フロートの自重で圧縮されるように配置され
た圧縮バネ、フロートの自重で引っ張られるように配置
された引っ張りバネを使用することができる。このほか
フロートの中にヘリウム等の空気より比重の小さいガス
を充填して、これをフロートの自重の影響を打ち消す手
段とすることもできる。

【００１１】本発明の液位計は、水位計として好適であ
るが、水以外の液体例えば油の量（表面のレベル）を計
測するのにも使用可能である。

【００１２】また、本発明の液位計は、フロートを収容
する固定ケースを、透水性の周壁を有する地中埋設可能
な容器とすることにより、地中浸潤面レベル計測装置と
して使用することができる。このような地中浸潤面レベ
ル計測装置を地中に埋設しておくと、浸潤した土の中の
水が透水性の周壁を透過して容器内に浸入し、容器内に
溜まる水の表面の高さが地中の浸潤面とほぼ同じレベル
になるので、容器内の水位を計測することにより地中の
浸潤面のレベルを計測することができる。地中の浸潤面
のレベルを計測できれば、河川増水時の堤防決壊の予測
や、地滑り地帯での地滑り発生予測などにきわめて有効
である。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面を
参照して詳細に説明する。 〔実施形態１〕図１は本発明に係る液位計の一実施形態
を示す。図において、１は上下方向に長い中空密閉型の
フロート、３はフロート１を収容する固定ケースであ
る。フロート１の上端面中央部には浮力伝達棒５が垂直
に固定され、この浮力伝達棒５の上端には平板７が水平
に固定されている。

【００１４】また固定ケース３は、上端に水平な蓋板９
を有する筒体で、下端が開口した構造である（下端に穴
のあいた底板を有していてもよい）。蓋板９の中央部に
は、前記浮力伝達棒５が貫通するガイドパイプ１１が固
定されている。固定ケース３の蓋板９とフロート１の上
部の平板７とは抗張力体１３により連結されている。ま
た固定ケース３の蓋板９とフロート１の上部の平板７と
の間には圧縮バネ１４が配置されている。抗張力体１３
と圧縮バネ１４はガイドパイプ１１のまわりに周方向に
等しい間隔で交互に配置されていることが好ましく、こ
の場合、抗張力体１３及び圧縮バネ１４の本数はそれぞ
れ３本以上とすることが好ましい。

【００１５】圧縮バネ１４の反発力は、フロート１の自
重（フロート１の浮力を抗張力体１３に伝達する部材
５、７の自重を含む）と同じかそれより若干大きく設定
されている。これによりフロート１に浮力が全く作用し
ていないときに抗張力体１３の張力がゼロかプラスのに
保たれるので、フロート１に浮力が作用すると、それが
直ちに抗張力体１３の張力増加となって現れることにな
る。複数本の抗張力体１３のうちの１本には長手方向に
ＦＢＧ１５が接着剤１７により固定されている。ＦＢＧ
１５は光ファイバ１６の一部に形成されているものであ
る。

【００１６】なお、１９は固定ケース３を固定構造物に
垂直に固定するためのブラケット、２１は固定ケース３
内でフロート１を垂直に保つためのガイド、２３は固定
ケース３の上端から突出する部分を覆うキャップであ
る。光ファイバ１６はキャップ２３の外に引き出され、
一端は監視所等に設置された測定器２５に接続され、他
端は例えば次の液位計のＦＢＧに接続されている（その
まま終端されていてもよい）。測定器２５は図２に示す
ように、光源２７、カプラ２９、波長可変バンドパスフ
ィルタ３１、光検出器３３などで構成されている。

【００１７】次に以上のように構成された液位計の動作
について説明する。この液位計を例えば河川の水位計と
して使用する場合には、ブラケット１９により固定ケー
ス３を橋脚などに垂直に固定する。河川の水Ｗは固定ケ
ース３の下端開口部から固定ケース３内に浸入する。固
定ケース３内に水Ｗが入ると、フロート１は水位に比例
した浮力を受け、上昇しようとするが、抗張力体１３に
よって上昇を阻止される。

【００１８】その結果、フロート１に作用する浮力は抗
張力体１３の張力に変換される。前述のようにフロート
１の自重は圧縮バネ１４によって打ち消されているた
め、フロート１の浮力の増加は直ちに抗張力体１３の張
力の増加となる。複数本の抗張力体１３はガイドパイプ
１１のまわりに等間隔で配置されているため、各抗張力
体１３にはほぼ均等な張力がかかる。これにより各抗張
力体１３には張力に比例した伸び歪みが発生する。１本
の抗張力体１３にはＦＢＧ１５が一体に固定されている
ため、抗張力体１３に伸び歪みが発生すると、ＦＢＧ１
５にも同じ量の伸び歪みが発生する。

【００１９】なお抗張力体１３に伸び歪みが生じると、
圧縮バネ１４もそれに応じた量だけ伸びることになる
が、抗張力体１３の伸び歪みは弾性変形範囲内のわずか
な量であるため、圧縮バネ１４の伸びによる反発力の変
化は実質的に無視できる程度である。

【００２０】ＦＢＧ１５を含む光ファイバ１６には、測
定器２５の光源２１からカプラ２９を通して光が入射さ
れる（図２参照）。ＦＢＧ１５では、当該ＦＢＧのブラ
ッグ条件を満たす場合に、特定の波長のブラッグ反射光
が発生する。このブラッグ反射光の波長はＦＢＧ１５の
伸び歪みの大きさによって例えば図３のように変化す
る。したがってこのブラッグ反射光の波長を測定器２５
内の波長可変バンドパスフィルタ３１と光検出器３３に
よって検出すれば、ＦＢＧ１５の伸び歪み量を計測する
ことができる。この伸び歪み量は水位に比例する量であ
るから、これによって水位を計測することができる。

【００２１】上記構成の水位計において、構成部品の材
質および寸法を次のように設定した。 固定ケース：外径２６７ｍｍ、長さ２５００ｍｍの
硬質ポリ塩化ビニルパイプ。上端の蓋板は厚さ５ｍｍの
硬質ポリ塩化ビニル板。 フロート：硬質ポリ塩化ビニル製、外径２１６ｍ
ｍ、内径１９５ｍｍ、長さ１９００ｍｍ、上下の板厚５
ｍｍ。 浮力伝達棒：硬質ポリ塩化ビニル製、外径６０ｍ
ｍ、長さ２５０ｍｍ。 浮力伝達棒の上端の平板：ステンレス製、外径１８
０ｍｍ、板厚１０ｍｍ。 抗張力体：外径５．５ｍｍ、長さ２００ｍｍの単鋼
線、８本。

【００２２】この場合、圧縮バネ１４を使用しないとき
の水位と抗張力体の伸び歪み量との関係は図４の破線の
ようになる。これに対し圧縮バネ１４を介在させてフロ
ートの自重を打ち消したときの水位と抗張力体の伸び歪
み量との関係は図４の実線のようになる。したがって圧
縮バネを介在させることにより、水位が低いときの不感
帯をなくし、水位の計測範囲を広げることができる。

【００２３】なお、この実施形態では、多数本の抗張力
体のうちの１本の抗張力体にＦＢＧを取り付けた例を説
明したが、複数本の抗張力体にＦＢＧを取り付けて、そ
れぞれのＦＢＧで測定したデータを平均処理することも
可能である。この方がより正確な測定を行うことができ
る。

【００２４】〔実施形態２〕図５は本発明に係る液位計
の他の実施形態を示す。図５において、図１と同一部分
には同一符号を付してある。この実施形態が実施形態１
のものと異なる点は、圧縮バネを使用せずに、フロート
１の上部の平板７とキャップ２３の上面板との間を引っ
張りバネ３２で連結し、フロート１を引っ張りバネ３２
で吊り下げるようにしたものである。引っ張りバネ３２
の収縮力は、フロート１の自重（フロート１の浮力を抗
張力体１３に伝達する部材５、７の自重を含む）と同じ
かそれより若干大きく設定されている。このような構成
でも、フロート１に浮力が作用すると、それが直ちに抗
張力体１３の張力増加となって現れることになるから、
フロート１の自重の影響を打ち消すことができる。上記
以外の構成及び作用効果は実施形態１と同様であるの
で、説明を省略する。

【００２５】〔実施形態３〕図６は本発明に係る液位計
のさらに他の実施形態を示す。図６において、図１と同
一部分には同一符号を付してある。この実施形態が実施
形態１のものと異なる点は、圧縮バネを使用せずに、フ
ロート１の中にヘリウムガス３４を充填することにより
フロート１の自重を打ち消したものである。上記以外の
構成及び作用効果は実施形態１と同様であるので、説明
を省略する。

【００２６】〔実施形態４〕図７は本発明に係る地中浸
潤面レベル計測装置の一実施形態を示す。地中浸潤面レ
ベル計測装置は、土Ｓの中にしみ込んだ水Ｗによる浸潤
のレベルＨを計測するものである。図７において、図１
と同一部分には同一符号を付してある。この装置は、フ
ロート１を収容する固定ケースとして、地中に埋設して
も土圧で変形、破損しないだけの強度を有する容器３５
を使用している。容器３５は底板３７を有している。

【００２７】この容器３５の周壁と底板３７には多数の
小さな孔３９が形成されている。また容器３５は、周壁
と底板３７の外側に、水は通すが土は実質的に通さない
フィルタ層４１を一体に備えている。フィルタ層４１は
例えば連続気泡発泡プラスチックシート等で構成するこ
とができる。また容器３５は、底板３７とフロート１の
底面との間に空間Ｇができるように、フロート１より長
く作られている。上記以外の構成は実施形態１と同じで
ある。

【００２８】以上のように構成された地中浸潤面レベル
計測装置は、図示のようにフィルタ層４１付きの容器３
５を土Ｓの中に垂直に埋設した状態で使用される。土Ｓ
の中の浸潤面レベルＨが上がってくると、フィルタ層４
１と孔３９を通して容器３５内に水Ｗが浸入してくる。
土Ｓはフィルタ層４１に阻まれて浸入しない。その結
果、容器３５内の水位は土Ｓの中の浸潤面レベルとほぼ
同じになるから、容器３５内の水位を実施形態１と同様
にして計測すれば、浸潤面レベルＨを計測できることに
なる。

【００２９】なお、容器３５内にはフィルタ層４１によ
って土が浸入しないようになっているが、それでもフィ
ルタ層４１を通りぬけて土の微粒子が容器３５内に入る
ことがある。容器３５に入った土の微粒子は容器３５の
底に沈降する。底板３７とフロート１の底面との間の空
間Ｇは、容器３５内に浸入した土を堆積させるためのも
のである。フィルタ層４１を通りぬけて容器３５に入っ
てくる土の微粒子の量はわずかであるから、空間Ｇを十
分大きくとっておくことにより、浸入した土によって計
測動作に支障が出るのを防止できる。

【００３０】図８は、地中浸潤面レベル計測装置の使用
状態の一例を示す。河川４３の堤防４５に、地中浸潤面
レベル計測装置４７を適当間隔で埋設し、光ファイバ１
６で直列に接続しておく。光ファイバ１６の一端を監視
所に設置した測定器２５に接続し、測定値をコンピュー
タ４９で処理する。このようにしておけば、堤防４５の
各所の浸潤レベルを集中的に監視することが可能とな
り、増水時の堤防４５の状態を把握して、決壊予測や、
改修工事などを的確に行うことができる。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、フ
ロートの浮力の変化を抗張力体の張力の変化に変換し
て、抗張力体の伸び歪みから液位を測定するようにした
ので、実質的に可動部のない信頼性の高い液位計が得ら
れる。またフロートの自重を打ち消す手段を設けたこと
により、より広い範囲の液位を計測することができる。
またこの液位計を用いることにより地中の浸潤面レベル
を計測する装置を構成することができ、堤防の強度の監
視や地滑り地帯での地滑りの予測などを行うことが可能
となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る液位計の一実施形態を示す断面
図。

【図２】 図１の液位計に用いる測定器の構成を示すブ
ロック図。

【図３】 ＦＢＧの伸び歪みの変化に対するブラッグ反
射波長の変化を示すグラフ。

【図４】 図１の液位計における水位と抗張力体の伸び
歪みとの関係を示すグラフ。

【図５】 本発明に係る液位計の他の実施形態を示す断
面図。

【図６】 本発明に係る液位計のさらに他の実施形態を
示す断面図。

【図７】 本発明に係る地中浸潤面レベル計測装置の一
実施形態を示す断面図。

【図８】 図７の地中浸潤面レベル計測装置の使用状態
の一例を示す説明図。

【符号の説明】

１：フロート ３：固定ケース ５：浮力伝達棒 ７：平板 ９：蓋板 １１：ガイドパイプ １３：抗張力体 １４：圧縮バネ １５：ＦＢＧ（光ファイバブラッグ回折格子） １６：光ファイバ １７：接着剤 ２５：測定器 ３２：引っ張りバネ ３４：ヘリウムガス ３５：容器 ３９：孔 ４１：フィルタ層 Ｗ：水 Ｓ：土 Ｈ：浸潤面レベル

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】上下方向に長いフロートと、このフロート
   を収容する液体が浸入可能な固定ケースと、前記フロー
   トに浮力が作用したときにフロートが固定ケースに対し
   て相対的に上昇しないようにフロートと固定ケースとを
   つなぐ抗張力体と、この抗張力体の伸び歪みを検出する
   センサと、前記フロートの自重（フロートの浮力を抗張
   力体に伝達する部材の自重を含む）の影響を打ち消す手
   段とを備えていることを特徴とする液位計。
2. 【請求項２】センサが、抗張力体に取り付けられた光フ
   ァイバブラッグ回折格子（Fiber Bragg Grating ）であ
   ることを特徴とする請求項１記載の液位計。
3. 【請求項３】フロートの自重の影響を打ち消す手段が、
   フロートの自重で圧縮されるように配置された圧縮バネ
   又はフロートの自重で引っ張られるように配置された引
   っ張りバネであることを特徴とする請求項１記載の液位
   計。
4. 【請求項４】フロートの自重の影響を打ち消す手段が、
   フロートの中に充填された空気より比重の小さいガスで
   あることを特徴とする請求項１記載の液位計。
5. 【請求項５】固定ケースが、地中埋設に耐え得る容器
   で、水は通すが土は通さない周壁を有するものであるこ
   とを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の液
   位計を用いた地中浸潤面レベル計測装置。