特許 6985662 液面距離測定装置、及び多地点液面距離一括計測システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6985662

(24)【登録日】2021年11月30日

(45)【発行日】2021年12月22日

(54)【発明の名称】液面距離測定装置、及び多地点液面距離一括計測システム

(51)【国際特許分類】

   G01F 23/292 20060101AFI20211213BHJP

   G01C 3/06 20060101ALI20211213BHJP

【ＦＩ】

   G01F23/292 B

   G01C3/06 120Q

   G01C3/06 140

【請求項の数】4

【全頁数】18

(21)【出願番号】特願2017-201405(P2017-201405)

(22)【出願日】2017年10月17日

(65)【公開番号】特開2019-74439(P2019-74439A)

(43)【公開日】2019年5月16日

【審査請求日】2020年10月12日

(73)【特許権者】

【識別番号】591072411

【氏名又は名称】西進商事株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】517363827

【氏名又は名称】山林 由明

(74)【代理人】

【識別番号】100120329

【弁理士】

【氏名又は名称】天野 一規

(74)【代理人】

【識別番号】100159581

【弁理士】

【氏名又は名称】藤本 勝誠

(74)【代理人】

【識別番号】100159499

【弁理士】

【氏名又は名称】池田 義典

(74)【代理人】

【識別番号】100158540

【弁理士】

【氏名又は名称】小川 博生

(74)【代理人】

【識別番号】100106264

【弁理士】

【氏名又は名称】石田 耕治

(74)【代理人】

【識別番号】100187768

【弁理士】

【氏名又は名称】藤中 賢一

(74)【代理人】

【識別番号】100139354

【弁理士】

【氏名又は名称】松浦 昌子

(72)【発明者】

【氏名】矢田貝 昌和

(72)【発明者】

【氏名】山林 由明

【審査官】 森 雅之

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１１−１７４７１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６３−３００９１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−０８６４９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−０８２９２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−３１０７２９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｆ ２３

Ｇ０１Ｃ ３

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基準反射面で反射した反射光と液面で反射した戻り光の受光時間差に基づいて上記基準面と液面との距離を計測する装置であって、
パルス光を発光する光源と、
上記パルス光を液面に送出すると共に、上記戻り光を受容する光送受部と、
上記反射光及び戻り光を受光する受光部と、
上記反射光及び戻り光の受光時間差から液面距離を算出する信号処理部と
を備え、
上記光送受部が上記基準反射面、及び上記パルス光を平行光線束にすると共に、上記戻り光を集光する光学系を有し、
上記光学系が、凸面鏡及び凹面鏡を含むシュバルツシルト光学系であり、
上記凸面鏡の中心部に開口が形成されていることを特徴とする液面距離計測装置。

【請求項2】

基準反射面で反射した反射光と液面で反射した戻り光の受光時間差に基づいて上記基準面と液面との距離を、多地点で一括して計測するシステムであって、
複数の波長を含むパルス光を発光する光源、
上記パルス光から特定波長の光を分波する特定波長分波部、
上記特定波長の光を上記液面に送出すると共に、上記戻り光を受容する光送受部と、
上記パルス光と、上記反射光及び戻り光とを伝播する光ファイバ、
上記光ファイバを伝播する上記パルス光と上記反射光及び戻り光とを分配する光分配部、
上記反射光及び戻り光を受光する受光部、及び
上記反射光及び戻り光の受光時間差から液面距離を算出する信号処理部
を備え、
上記特定波長分波部及び光送受部が多地点に複数配され、
上記光送受部が上記基準反射面、及び上記パルス光を平行光線束にすると共に、上記戻り光を集光する光学系を有し、
上記特定波長分波部が、３端子光サーキュレータと、４端子光サーキュレータと、上記特定波長の光を反射する光デバイスとを含むことを特徴とする多地点液面距離一括計測システム。

【請求項3】

少なくとも上記光送受部に含まれる上記光ファイバが、デュアルモードファイバである請求項２に記載の多地点液面距離一括計測システム。

【請求項4】

上記光学系がシュバルツシルト光学系である請求項２又は請求項３に記載の多地点液面距離一括計測システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、液面距離測定装置、及び多地点液面距離一括計測システムに関する。

【背景技術】

【0002】

河川や貯水池等の水位を測定する液面距離測定装置として、水底の水圧を検知して水深を測定するものや、フロートを液面に浮かべ、このフロートをレーザー測距器によって距離を測定し、液面までの距離を水位として測定する装置が知られている。

【0003】

フロート式の水位計として、フロートが上下動可能かつ浮遊しないためのガイドを設け、風雨等により液面が波立つことによってフロートが激しく上下動することを抑制するため、当該フロートを管で覆った水位計が発案されている（特開平１０−２８１８５４号公報）。この水位計によれば、液面の波の影響等を除去して精度の高い水位の測定ができるとされているが、水位計が大がかりな装置となり生産コストが増大すると共に、設置場所が限定される等のおそれがある。また、水位計が管で覆われているため、急激な増水等の変化に対応することができないおそれがある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開平１０−２８１８５４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

上記不都合に鑑みて、本発明は、簡易な構成で安定して高精度に液面距離を計測することができる液面距離計測装置、及び簡易な構成で一括して高精度に多地点の液面距離を計測することができる多地点液面距離計測システムを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記課題を解決するためになされた本発明に係る一態様は、基準反射面で反射した反射光と液面で反射した戻り光の受光時間差に基づいて上記基準面と液面との距離を計測する装置であって、パルス光を発光する光源と、上記パルス光を液面に送出すると共に、上記戻り光を受容する光送受部と、上記反射光及び戻り光を受光する受光部と、上記反射光及び戻り光の受光時間差から液面距離を算出する信号処理部とを備え、上記光送受部が上記基準反射面、及び上記パルス光を平行光線束にすると共に、上記戻り光を集光する光学系を有し、上記光学系がシュバルツシルト光学系であることを特徴とする液面距離計測装置である。

【0007】

当該液面距離計測装置は、光送受部に含まれるシュバルツシルト光学系が、液面を照射する出射光を平行光線束として液面に照射することができ、所定の光量で所定の範囲の液面を照射することができる。また、液面で反射される戻り光は当該光学系によって集光されるため、液面で反射される戻り光を効率的に集光することができる。よって、液面に波や泡が存在して照射光の一部が乱反射した場合であっても、液面の他の部分で反射した戻り光を集光することができるため、水面が安定していない動揺液面の場合であっても、液面距離を計測することができる。従って、フロート等の光反射部材を必要とせず、簡易な構成とすることができると共に、液面距離を安定して計測することができる。また、光送受部が有する反射基準面で反射される反射光と、液面で反射される戻り光とを受光した時間差から当該基準面と液面との距離を算出するため、水圧変化で水深を測定する水位計等と比して、急激な増水等の変化に対する追従性に優れ、かつ液体の比重値に影響されることなく高精度に液面距離を計測することができる。

【0008】

上記課題を解決するためになされた本発明の別の態様に係る液面距離計測装置は、液面へのパルス光の発光と、上記液面で反射した戻り光の受光との時間差から上記液面の距離を計測する装置であって、パルス光を発光する半導体光源と、上記パルス光を平行光線束にすると共に、上記戻り光を集光する反射部とを備え、上記半導体光源が上記液面からの戻り光を受光する受光部を兼ねることを特徴とする。

【0009】

当該液面距離計測装置は、半導体光源が受光部を兼ねるため、より簡易な構成の液面距離計測装置とすることができる。

【0010】

上記課題を解決するためになされた本発明のさらに別の態様に係る多地点液面距離一括計測システムは、基準反射面で反射した反射光と液面で反射した戻り光の受光時間差に基づいて上記基準面と液面との距離を、多地点で一括して計測するシステムであって、複数の波長を含むパルス光を発光する光源、上記パルス光から特定波長の光を分波する特定波長分波部、上記特定波長の光を上記液面に送出すると共に、上記戻り光を受容する光送受部と、上記パルス光と、上記反射光及び戻り光とを伝播する光ファイバ、上記光ファイバを伝播する上記パルス光と上記反射光及び戻り光とを分配する光分配部、上記反射光及び戻り光を受光する受光部、及び上記反射光及び戻り光の受光時間差から液面距離を算出する信号処理部を備え、上記特定波長分波部及び光送受部が多地点に複数配され、上記光送受部が上記基準反射面、及び上記パルス光を平行光線束にすると共に、上記戻り光を集光する光学系を有することを特徴とする。

【0011】

例えば、河川の複数地点の水位変化を観測する場合、各地点に光源及び液面距離を算出する信号処理部を含む水位距離計測装置、及び計測結果を観測所に送信する送信機を配置すると、大規模で煩雑なシステムとなる。当該多地点液面距離一括計測システムによれば、光源及び液面距離を算出する信号処理部は観測所等に１つ配置され、液面に特定波長の光を送受する光送受部を複数の計測地点に配置し、光源及び信号処理部と各光送受部とが光ファイバで接続されることにより、簡易な構成で多地点の液面距離を一括して高精度に計測することができる。

【0012】

上記特定波長分波器が、３端子光サーキュレータと上記特定波長の光を反射する光デバイスを含むとよい。特定波長分波器が、３端子光サーキュレータと特定波長の光を反射する光デバイスとを含むことにより、光量損失の少なくすることができ、より安定した高精度な計測をすることができる。

【0013】

上記特定波長分波器が、４端子光サーキュレータをさらに含むとよい。特定波長分波器が４端子光サーキュレータをさらに含むことにより、特定波長分波器をより簡易な構成とすることができると共に、光量損失をより少なくすることができ、さらに安定した高精度な測定をすることができる。

【0014】

少なくとも上記光送受部に含まれる上記光ファイバがデュアルモードファイバであるとよい。少なくとも上記光送受部の光ファイバをデュアルモードファイバとすることで、上記戻り光を受容するコア部分をマルチモードファイバのコア部分を用いることができ、シングルモードファイバのコア部分に戻らなかった光パルスも受容することができる。よって、戻り光の捕捉率を上げることができ、安定した高精度な測定をすることができる。

【発明の効果】

【0015】

以上説明したように、当該液面距離計測装置によれば、簡易な構成で安定して高精度に液面距離の計測をすることができる。また、当該多地点液面距離一括計測システムによれば、簡易な構成で一括して高精度に多地点の液面距離計測をすることができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明の一実施形態である液面距離計測装置の構成を示す模式図である。

【図2】図１の液面距離計測装置が備える光送受部の構成を示す模式的断面図である。

【図3】図２とは異なる光送受部の構成を示す模式的断面図である。

【図4】本発明の他の実施形態に係る液面距離計測装置の構成を示す模式的断面図である。

【図5】本発明の別の実施形態に係る多地点液面距離一括計測システムの構成を示す模式図である。

【図6】図５の多地点液面距離一括計測システムが備える特定波長分波部の構成を示す模式図である。

【図7】図６とは異なる特定波長分波部の構成を示す模式図である。

【図8】図７の特定波長分波部が特定波長以外の波長の光を伝送する様子を示す模式図である。

【図9】図６、図７とは異なる特定波長分波部の構成を示す模式図である。

【図10】図９の特定波長分波部が特定波長以外の波長の光を伝送する様子を示す模式図である。

【図11】図５の多地点液面距離一括計測システムが備える光送受部の構成を示す模式的断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下、本発明の実施の形態を、適宜図を参照して詳説する。

【0018】

［液面距離計測装置］
［第一実施形態］
本発明の一実施形態に係る液面距離計測装置１は、図１に示すように、光源２、光カプラ３、光送受部４、受光部５、及び信号処理部６を主に備え、電気ハーネス７さらに有する。液面距離計測装置１は、容器Ａの液面Ｗにパルス光を照射し、この反射光を受光することで液面Ｗの距離を計測することができる。

【0019】

＜光源＞
光源２は、パルス光を発光して光カプラ３に送出する。光源２は、パルス光を発光できるものであれば特に限定されず、例えばパルスジェネレーターを用いたレーザダイオード（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ：ＬＤ）、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）等の公知のものを使用することができる。なお、パルス光とは、狭い（短い）時間間隔で点滅を繰り返す光のことをいう。

【0020】

光源２が発光する光のパルス幅の下限値、すなわち光源２が発光している時間長さの下限値は、特に限定されないが、可能な限り狭い発光時間とすることが好ましい。パルス幅を狭くすることで、高分解能性能を実現することができる。ただし、受光器の帯域に比べて狭すぎるパルス幅は、計測されるパルス振幅（パルス高さ、すなわち信号成分）を大きくするという観点からは無駄になるおそれがある。具体的には、例えば、１０ＧＨｚ帯域の受光回路を使用して、ガウス型のパルス波形とした場合、パルス幅の下限値としては４４ｐｓとすることができる。一方、パルス幅の上限値としては、特に限定されないが、計測対象の液面の最短距離から決定することができる。すなわち、基準反射面から計測対象の液面までの距離が最短となる距離によって求めることができる。具体的には、例えば、基準反射面から計測対象の液面までの最短距離が１５ｃｍとなる場合では、液面距離を計測するためのパルス幅の上限値としては１ｎｓ、当該最短距離が１５０ｃｍとなる場合では、パルス幅上限は１０ｎｓとすることができる。

【0021】

パルス間隔、すなわち一つのパルス光が発光されてから次のパルス光が発光されるまでの光源２が発光を停止している時間間隔は、特に限定されないが、可能な限り狭いパルス間隔とすることが好ましい。パルス間隔を狭くすることで、より頻繁にパルス光を送信することができるため、液面が動揺している場合に液面が平坦になる瞬間にパルスを照射できる確率を向上させることができる。ただし、基準反射面から計測対象の液面までの距離が最大となる距離によって、パルス間隔はその下限値が制限される。具体的には、例えば、１地点のみの液面距離計測で、光源２から光送受部４（測定地点）までを配線用の光ファイバで接続し、この光ファイバの長さが１０ｍ、基準反射面から液面までの最大距離が３０ｍとなる場合、パルス間隔の下限値としては３００ｎｓとすることができる。また、多地点液面距離一括計測の場合も同様に、最も遠い計測地点が１０ｋｍ、すなわち光源と測定地点とを結ぶ光ファイバの長さが１０ｋｍであり、この光ファイバの伝搬遅延が５μｓ／ｋｍとして、基準反射面から液面までの最大距離が３０ｍとなる場合、パルス間隔の下限値としては１００μｓとすることができる。

【0022】

＜光カプラ＞
光カプラ３は、光源２が発光するパルス光と、光送受部４が有する基準反射面で反射される反射光及び液面Ｗで反射される戻り光とを分岐する。具体的には、光カプラ３は、光源２が発光したパルス光を光送受部４に向けて反射させ、基準反射面で反射される反射光及び液面Ｗで反射される戻り光を透過して受光部５に受光させる。光カプラ３は、パルス光と反射光及び戻り光とを分岐可能なものであれば特に限定されず、例えばビームスプリッタ（Ｂｅａｍ Ｓｐｌｉｔｔｅｒ：ＢＳ）、光サーキュレータ等の公知のものを使用することができる。

【0023】

＜受光部＞
受光部５は、反射光及び戻り光を受光し、この光信号を電気信号に変換する。変換された電気信号は電気ハーネス７によって信号処理部６に送信される。受光部５は、受光した光信号を電気信号に変換できるものであれば特に限定されず、フォトダイオード（Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ：ＰＤ）等の公知のものを使用することができる。

【0024】

＜電気ハーネス＞
電気ハーネス７は、受光部５と信号処理部６とを接続する。受光部５が光信号から変換した電気信号は、電気ハーネス７によって信号処理部６に送信される。

【0025】

＜信号処理部＞
信号処理部６は、受光部５が受光した反射光の受光タイミングと戻り光の受光タイミングとの時間差を計測して、基準反射面と液面Ｗとの距離を算出する。この計測結果は、図示しない表示器、例えば液晶ディスプレイ等に表示される。信号処理部６としては、特に限定されず、例えばパルスアナライザ、オシロスコープ等の公知のものを使用することができる。

【0026】

＜光送受部＞
光送受部４は、光カプラ３が反射して放射状に広がるパルス光を平行光線束として、液面Ｗに対して略垂直に照射する。また、このパルス光が液面Ｗで反射される戻り光を受光部５に集光する。光送受部４は、光カプラ３が反射して放射状に広がるパルス光を平行光線束にすると共に、液面Ｗからの戻り光を受光部５に集光するための光学系を有する。光送受部４は、パルス光の一部を液面Ｗに照射させることなく反射し、この反射光を受光部５に受光させるための基準反射面を含む。この基準反射面で反射される反射光を受光部５が受光したタイミングと液面Ｗで反射される戻り光を受光したタイミングとを信号処理部６が計測することで、液面Ｗまでの距離が算出される。

【0027】

〔光学系〕
光学系は、光カプラ３が反射する放射状の光を平行光線束とすると共に、液面Ｗで反射される戻り光を当該端部に集光する。当該光学系は、シュバルツシルト光学系である。シュバルツシルト光学系は、図２で示すように、凸面鏡８と凹面鏡９を含み、光カプラ３が反射する放射状の光を凸面鏡８が反射し、この凸面鏡８の反射光を凹面鏡９がさらに反射することで、容易に平行光線束とすることができる。また、凸面鏡８の天頂部の一部を光カプラ３が反射する放射状の光線軸中心と垂直な平面に形成することで、この平面を基準反射面１０とすることができる。当該平面が、光カプラ３が反射する放射状の光の一部を正反射し、基準反射面１０の反射光として受光部５に受光される。当該平面以外の凸面鏡８で反射された光は凹面鏡９でさらに反射され、液面Ｗを照射し、液面Ｗで反射した光の一部が液面Ｗの戻り光として凹面鏡９及び凸面鏡８を反射して受光部５に集光される。

【0028】

また、凸面鏡８の中心部が開口部１１を有し、この開口部１１の中心軸が、光カプラ３が反射する放射状の光線軸中心上にあるのが好ましい。開口部１１を有することで、光カプラ３が反射する放射状の光線の一部が開口部１１を通過し、直接液面Ｗを照射することができる。また、液面Ｗで反射される戻り光の一部が開口部１１へ導入されて、受光部５に入射することができる。よって、光源２のパルス光及び液面Ｗの戻り光の光損失を抑制することができる。

【0029】

光学系は、レンズで構成することも可能である。例えば、図３に示すように、レンズ１２とレンズホルダ１３とレンズ保護ガラス１４とレンズホルダ１３を固定するカバー１５とカバーガラス１６とを有するものとすることができる。

【0030】

（レンズ）
レンズ１２は、光カプラ３が反射する放射状の光を平行光線束とし、液面Ｗで反射される戻り光を受光部５に集光する。レンズ１２としては、放射状の光を平行光線束とすること、及び平行光線束を集光することができるものであれば特に限定されず、例えばコリメータレンズ等の公知のものを使用することができる。

【0031】

（レンズホルダ、レンズ保護ガラス）
レンズホルダ１３は、レンズ１２を保持し、レンズ保護ガラス１４を有する。レンズホルダ１３は、円筒状、角筒状等の筒状で形成され、底部が開口している。一方の底部にはレンズ保護ガラス１４を有し、レンズ１２を保護すると同時に、レンズ保護ガラス１４の一方の表面を反射基準面とする。光カプラ３が反射する放射状の光の一部は、当該レンズ保護ガラス１４の一方の表面で反射して、反射光として受光部５に入射する。光カプラ３が反射する放射状の光の他の一部は、レンズ保護ガラス１４を透過して、レンズ１２で平行光線束とされ、液面Ｗを照射する。レンズ１２は、レンズホルダ１３内で、光カプラ３が反射する放射状の光線束の中心軸上にレンズ１２のレンズ面の中心軸が重なるように配置される。

【0032】

（カバー）
レンズホルダ１３は、カバー１５に収納されていることが好ましい。レンズホルダ１３が、カバー１５及びカバーガラス１６内に収納されることで、外乱の影響を抑制することができ、特に当該液面距離計測装置１が屋外で使用される場合、風雨等の影響を抑制することができる。

【0033】

（カバーガラス）
カバー１５は、カバーガラス１６を有することが好ましい。また、カバーガラス１６は、光カプラ３が反射する放射状の光線の中心軸に対してガラス面を垂直にした状態から１度以上３０度以下傾斜して配置されるのが好ましい。光カプラ３が反射する放射状の光線の中心軸に対してガラス面を垂直に配置した場合、当該光線の一部がカバーガラス１６で正反射することで、液面Ｗに向かう光量の損失が発生するおそれがあり、また当該正反射した光が受光部５に入射することで、測定ノイズになるおそれがある。ガラス面を光カプラ３が反射する放射状の光線の中心軸に対して垂直にした状態から、ガラス面の傾斜が１度未満である場合、正反射を抑制できないおそれがある。一方、当該傾斜が３０度以上である場合、カバーガラス１６及びカバー１５が、不必要に大きくなるおそれがある。カバーガラス１６としては、光を透過するものであれば特に限定されないが、液面Ｗの計測に必要とする波長の光のみを透過し、他の波長を透過させないフィルターであることが好ましい。液面Ｗの計測に使用されない波長の光を透過させないことで外乱の影響を抑制し、測定ノイズが低減されて、より精度の高い計測をすることができる。

【0034】

＜利点＞
当該液面距離計測装置１は、平行光線束を液面Ｗに照射するため、当該平行光線束の少なくとも一部を液面Ｗで反射される戻り光として受光することができる。従って、液面Ｗに波や泡が一部に存在する等の全面が平坦でない液面の場合でも、液面Ｗまでの距離を安定して計測することができる。連続して複数回の計測を行った際に異なる計測が得られた場合には、液面Ｗに波や泡が存在する等と判断して、異なる計測結果の平均値を算出する、又は極端に異なる計測結果を排除する等して、液面Ｗまでの距離を高精度に計測することができる。また、当該液面距離計測装置１は、光の空間での伝搬遅延を光速で除することで距離に換算するため、測定誤差要因がほとんどなく、高精度な液面距離計測をすることができる。

【0035】

［第二実施形態］
本発明の別の実施形態に係る液面距離計測装置２０について、図４を用いて説明する。なお、上述した液面距離計測装置と同一の構成については、同一の符号を用いて説明を省略する。

【0036】

液面距離計測装置２０は、パルス光を発光する半導体光源２１、発光されたパルス光を平行光線束にする反射部２２を主に備え、半導体光源２１を発光させる順バイアス回路部２３、半導体光源２１に逆バイアスをかけて半導体光源２１を受光素子とさせる逆バイアス回路部２４、半導体光源２１が発光したタイミングと受光したタイミングとの時間差から液面距離を計算する信号処理部６、及び半導体光源２１と順バイアス回路部２３と逆バイアス回路部２４と信号処理部６とを接続する電気ハーネス２５を有する。

【0037】

＜半導体光源＞
半導体光源２１は、パルス光を発光して反射部２２で反射させて、このパルス光を液面Ｗに照射すると共に、反射部２２で反射された液面Ｗが反射した戻り光を受光する。受光した光信号を電気信号に変換して、電気ハーネス２５によって信号処理部６に送信する。半導体光源２１は、反射部２２の反射面の全面にパルス光を照射するため、パルス光を拡散するためのレンズ等を含むことができる。半導体光源２１としては、特に限定されず、例えばＬＤ、ＬＥＤ等の公知のものが使用することができるが、中でも広角に光を発光することができ、逆バイアスを印加することにより光を受光することができるＬＥＤを使用することが好ましい。

【0038】

＜反射部＞
反射部２２は、半導体光源２１によって発光されるパルス光を平行光線束として液面Ｗに反射する。また、反射鏡２２は、照射して液面Ｗで反射される戻り光を半導体光源２１に集光する。反射面の鏡面加工としては、光を反射するものであれば特に限定されないが、液面Ｗの計測に必要とする波長の光のみを反射し、他の波長を反射させないコーティング等がされていることが好ましい。液面Ｗの計測に使用されない波長の光を反射させないことで外乱の影響を抑制し、測定ノイズが低減されて、より精度の高い計測をすることができる。

【0039】

＜順バイアス回路部＞
順バイアス回路部２３は、順バイアス回路及びパルスジェネレーターを含み、半導体光源２１に順バイアスをかけてパルス光を発光させる。

【0040】

＜逆バイアス回路部＞
逆バイアス回路部２４は、逆バイアス回路を含み、半導体光源２１が発光していないタイミングで半導体光源２１に逆バイアスをかけて液面で反射される戻り光を受光する受光器とする。順バイアス回路部２３と逆バイアス回路部２４とは、一体で構成することも可能である。

【0041】

＜信号処理部＞
本実施形態での信号処理部６は、順バイアス回路部２３が半導体光源２１を発光させたタイミングと、逆バイアス回路２４が半導体光源２１に逆バイアスをかけて半導体光源２１が液面Ｗで反射される戻り光を受光したタイミングとの時間差から、液面Ｗまでの距離を算出する。液面Ｗの距離としては、測定対象の底部から液面Ｗまでの高さ、或いは半導体光源２１の高さ等を仮想的に基準面として当該基準面から液面Ｗまでの距離、又は液面Ｗの時間あたりの変化量等を計測することができる。

【0042】

＜電気ハーネス＞
電気ハーネス２５は、半導体光源２１と順バイアス回路部２３と逆バイアス回路部２４とを接続する。具体的には、順バイアス回路部２３から順バイアス信号を半導体光源２１に送信、逆バイアス信号部２４から逆バイアス信号を半導体光源２１に送信、及び半導体光源２１が受光した信号を信号処理部６に送信する。

【0043】

具体的には、例えば半導体光源２１をＬＥＤとした場合、順バイアス回路部２３から順バイアスのパルスをＬＥＤに印加して発光させ、液面からの戻り光を逆バイアス回路部２４から逆バイアスしたＬＥＤをフォトダイオードとして受光する。電気ハーネス２５を同軸ケーブルとして、当該同軸ケーブルの特性インピーダンスに対してＬＥＤの直列抵抗と終端抵抗の和が整合するように終端抵抗値を選択する。ＬＥＤに逆方向に流れる光電流による終端抵抗両端の電圧低下を信号処理部６に含まれる測定パルス受信回路で受信して、信号処理部６にて発光及び受光のパルスの相対遅延を計測する。発光及び受光のパルス時間幅が、発光した光の液面距離伝搬時間よりも大きくなる場合、受光パルスを微分処理、原パルス波形の立ち上がりに相当する発光パルスの遅れを計測することで、液面距離伝搬時間を計測することができる。

【0044】

＜利点＞
当該液面距離計測装置２０は、半導体光源２１が発光と受光を兼ねるため、より簡易な構成で液面Ｗの距離を計測することができる。また、反射部２２のサイズを小さくすることで、大型の液面距離計測装置の設置が困難な挟所に、当該液面距離計測装置２０を設置することができる。さらに、反射部２２のサイズを大きくすることで、容易に大きい平行光線束を得ることができるため、液面Ｗへの照射面積を大きくすることができ、濁流や大波等、液面Ｗが大きく荒れて不安定な動揺液面の場合でも、液面Ｗの距離を安定して高精度に計測することができる。また、半導体光源２１をインコヒーレント光源とした場合、液面Ｗを照射する光が鉛直平面波とされないため、液面Ｗで反射された戻り光の受光確率を向上させることができ、動揺液面の計測を容易により安定して高精度に計測することができる。

【0045】

［多地点液面距離一括計測システム］
［第三実施形態］
本発明の別の実施形態に係る多地点液面距離一括計測システム３０について、適宜図を用いて説明する。なお、上述した液面距離計測装置と同一の構成については、同一の符号を用いて説明を省略する。

【0046】

多地点液面距離一括計測システム３０は、図５に示すように、複数の波長を含むパルス光を発光する光源３１、上記パルス光からそれぞれ特定波長の光を分波する特定波長分波部３２、上記特定波長の光を液面Ｗに照射する光送受部３３、上記パルス光と後述する基準反射面で反射される反射光及び液面Ｗで反射される戻り光とを伝播する光ファイバ３４、光ファイバ３４中の上記パルス光と反射光及び戻り光とを分配する光分配部３５、反射光及び戻り光の光信号を受光して電気信号に変換する受光部３６及び信号処理部３７を主に備える。

【0047】

多地点液面距離一括計測システム３０は、光ファイバ３４に伝播されるパルス光を増幅するための送信側光増幅部３８と、反射光及び戻り光を増幅するための受信側光増幅部３９と、受光部３６が変換した電気信号を信号処理部３７に送信する電気ハーネス７と、光ファイバ３４の終端部に配置される光ファイバ終端器（不図示）とをさらに有することができる。

【0048】

＜光源＞
光源３１は、複数の波長を含むパルス光を発光し、光ファイバ３４に送出する。光源３１は、複数の波長を含むパルス光を発光できるものであれば特に限定されず、例えばパルスジェネレーターを用いた波長掃引型レーザー、スーパーコンティニウム光源等の公知のものを使用することができる。

【0049】

＜光増幅器＞
送信側光増幅器３８は光源３１が発光する光を増幅させ、受信側光増幅器３９は基準反射面で反射される反射光及び液面Ｗで反射される戻り光を増幅させることで、パルス光と反射光及び戻り光とを安定した光信号とする。送信側光増幅器３８と受信側光増幅器３９とは、同一の光増幅器を使用することができる。光増幅器としては、特に限定されるものでなく、例えばエルビウム添加光ファイバ増幅器（Ｅｒｂｉｕｍ−Ｄｏｐｅｄ Ｆｉｂｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ：ＥＤＦＡ）等の公知のものを使用することができる。

【0050】

＜光ファイバ＞
光ファイバ３４は、光源３１、特定波長分波部３２、光送受部３３、光分配部３５、及び受光部３６を連通し、パルス光と反射光及び戻り光とを伝播する。また、光送受部３３に含まれる光ファイバ３４は、端部を液面Ｗに向けて略垂直に固定され、当該端部がパルス光を液面Ｗに向けて出射すると共に、液面からの戻り光を受容する。光ファイバ３４は、光を効率的に伝送できるものであれば特に限定されず、例えば、シングルモードファイバ（Ｓｉｎｇｌｅ Ｍｏｄｅ Ｆｉｂｅｒ：ＳＭＦ）、マルチモードファイバ（Ｍｕｌｔｉ Ｍｏｄｅ Ｆｉｂｅｒ：ＭＭＦ）等の公知のものを使用することができる。

【0051】

少なくとも光送受部３３に含まれる光ファイバ３４は、デュアルモードファイバ（Ｄｕａｌ Ｍｏｄｅ Ｆｉｂｅｒ：ＤＭＦ）であることが好ましい。ＤＭＦは、ＳＭＦ及びＭＭＦの両方の特性を有するため、例えば、光源３１が発光するパルス光を光の分散の少ないＳＭＦで送信し、ＳＭＦよりコア径の大きなＭＭＦで、液面Ｗで反射される戻り光を受容することができる。よって、効率的に光源が発光するパルス光を液面Ｗに照射することができると共に、効率的に戻り光を受容することができ、安定して高精度な液面距離計測をすることができる。

【0052】

また、その他で使用される光ファイバ３４としては、ＳＭＦであることが好ましい。その他で使用される光ファイバ３４を、光の分散の少ないＳＭＦとすることで、例えば数十ｋｍ先の遠隔地の計測も可能とすることができる。

【0053】

当該多地点液面距離一括計測システムに用いられるＤＭＦのＭＭＦ部のコア径としては、特に限定されるものではないが、一般的な１００μｍとすることができる。ＭＭＦ部のコア径の下限としては、１５０μｍが好ましく、２００μｍがより好ましい。ＭＭＦ部のクラッド径を大きくすることで、戻り光を受容する確率（捕捉率）を向上させることができる。当該ＤＭＦのＳＭＦ部のコア径としては、特に限定されるものではないが、一般的な１０μｍとすることができる。

【0054】

＜光分配部＞
光分配部３５は、光源３１が発光するパルス光と、光送受部３３が有する基準反射面で反射される反射光及び液面Ｗで反射される戻り光とを分岐する。具体的には、光分配部３５は、光源３１が発光したパルス光を特定波長分波部３２に向けて送出し、基準反射面で反射される反射光及び液面Ｗで反射される戻り光を分岐して受光部５に送出する。光分配部３５は、パルス光と反射光及び戻り光とを分岐可能なものであれば特に限定されず、例えば光サーキュレータ等の公知のものを使用することができる。

【0055】

＜特定波長分波部＞
特定波長分波部３２は、光源３１のパルス光から特定の波長の光を取り出して、この特定波長光を光送受部３３へ送出する。取り出された特定波長光以外の波長の光は特定波長分波部３２を通過し、次の特定波長分波器へ送信される。特定波長分波部３２としては、複数の波長を含む光から特定の波長の光を取り出すことができるものであれば特に限定されず、例えば図６で示すように、一対の光合分波器４０を含むものとすることができる。一対の光合分波器４０を含むことで、個々の特定波長分波部３２で所望する波長の光のみを取り出すことができる。

【0056】

（光合分波素子）
一対の光合分波器４０を含む特定波長分波部３２によって所望する波長を取り出すには、光ファイバ３４ａを伝播する複数の波長を含む光が光分波素子４０ａによって所定の波長毎に分波される。所定の波長毎に分波された中から波長λ（１）の光を取り出して光ファイバ３４ｂに分岐し、図示しない光送受部３３へと送信する。他の波長の光は、光合波素子４０ｂによって一つの光にまとめられ、光ファイバ３４ｃ送信される。続いて、波長λ（２）の波長の光を取り出すには上記同様に、光ファイバ３４ｃを伝播する複数の波長を含む光を光分波素子４０ｃによって所定の波長毎に分波し、所定の波長毎に分波された中から波長λ（２）の光を取り出して光ファイバ３４ｄに分岐し、上記光送受部３３とは異なる光送受部３３へと送信する。他の波長の光は、光合波素子４０ｄによって一つの光にまとめられ、光ファイバ３４ｅへと送信される。

【0057】

光送受部３３から光ファイバ３４ｂを伝播する波長λ（１）の反射光及び戻り光は、他の波長の光と共に光ファイバ３４ａに伝送され、受光部３６へと送信される。他の光送受部３３から光ファイバ３４ｄを伝播する波長λ（２）の反射光及び戻り光は、他の波長の光と共に、光ファイバ３４ｃに伝送され、受光部３６へと送信される。

【0058】

（光サーキュレータ）
特定波長分波部３２が、３端子光サーキュレータ４１と上記特定波長の出射光を反射する光デバイスであるブラッグ格子光ファイバ（Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ：ＦＢＧ）４２を含むと良い。３端子光サーキュレータ４１とＦＢＧ４２とを含むことにより、簡易な構成で特定の波長の光を取り出すことができ、光損失を抑制することができる。

【0059】

特定波長分波部３２が３端子光サーキュレータ４１とＦＢＧ４２を含む構成で、波長λ１の光を取り出す場合について、図７を用いて説明する。光ファイバ３４ａを伝播する複数の波長を含む光は、３端子光サーキュレータ４１ａによって光ファイバ３４ｆに伝送される。波長λ（１）の光は、波長λ（１）の光のみを反射することができるＦＢＧ４２ａによって反射され、３端子光サーキュレータ４１ａによって光ファイバ３４ｇに伝送される。さらに波長λ（１）の光は、３端子光サーキュレータ４１ｂにより光ファイバ３４ｂに伝送され、図示されない光送受部３３に向かう。光送受部３３から光ファイバ３４ｂを伝播する波長λ（１）の反射光及び戻り光は、３端子光サーキュレータ４１ｂにより光ファイバ３４ｈに伝送される。波長λ（１）の戻り光は、光ファイバ３４ｈの一端に配置される波長λ（１）の光のみを反射することができるＦＢＧ４２ｂによって反射され、３端子光サーキュレータ４１ｂによって光ファイバ３４ｇに伝送され、さらに３端子光サーキュレータ４１ａによって光ファイバ３４ａへと伝送され、受光部３６へと送信される。

【0060】

光ファイバ３４ａを伝播する波長λ（１）以外の波長λ（１＋ｎ）の光は、図８で示すように、３端子光サーキュレータ４１ａによって光ファイバ３４ｆに伝送される。波長λ（１＋ｎ）の光は、波長λ（１）の光のみを反射することができるＦＢＧ４２ａを通過して、光ファイバ３４ｉを伝播し、３端子光サーキュレータ４１ｃによって光ファイバ３４ｃに伝送される。光ファイバ３４ｃを伝播する波長λ（１＋ｎ）の反射光及び戻り光は、３端子光サーキュレータ４１ｃによって光ファイバ３４ｊに伝送され、ＦＢＧ４２ｂを通過し、光ファイバ３４ｈを伝播して、３端子光サーキュレータ４１ｂによって光ファイバ３４ｇに伝送され、さらに３端子光サーキュレータ４１ａによって光ファイバ３４ａに伝送されて、受光部３６へと送信される。

【0061】

特定波長分波部３２が４端子光サーキュレータ４３をさらに含むのがより好ましい。４端子光サーキュレータ４３をさらに含むことで、特定波長分波部３２をより簡易な構成とすることができ、光損失をより抑制することができる。

【0062】

特定波長分波部３２が４端子光サーキュレータ４３をさらに含む構成で、波長λ（１）の光を取り出す場合について、図９を用いて説明する。光ファイバ３４ａを伝播する複数の波長を含む光は、４端子光サーキュレータ４３によって光ファイバ３４ｋに伝送される。波長λ（１）の光は、波長λ（１）の光のみを反射することができるＦＢＧ４２ｃによって反射され、４端子光サーキュレータ４３によって光ファイバ３４ｂに伝送され、図示されない光送受部３３へと向かう。光送受部３３から光ファイバ３４ｂを伝播する波長λ（１）の反射光及び戻り光は、４端子光サーキュレータ４３により光ファイバ３４ｌに伝送され、光ファイバ３４ｌの一端に配置される波長λ（１）の光のみを反射することができるＦＢＧ４２ｄによって反射される。さらに、４端子光サーキュレータ４３によって光ファイバ３４ａに伝送され、受光部３６へと送信される。

【0063】

光ファイバ３４ａを伝播する波長λ１以外の波長λ（１＋ｎ）の光は、図１０で示すように、４端子光サーキュレータ４３によって光ファイバ３４ｋに伝送され、波長λ（１）の光のみを反射することができるＦＢＧ４２ｃを通過し、光ファイバ３４ｍを伝播して、３端子光サーキュレータ４１ｄによって光ファイバ３４ｃに伝送される。光ファイバ３４ｃを伝播する波長λ（１＋ｎ）の反射光及び戻り光は、３端子光サーキュレータ４１ｄによって光ファイバ３４ｎに伝送されＦＢＧ４２ｄを通過し、光ファイバ３４ｌを経て４端子光サーキュレータ４３によって光ファイバ３４ａに伝送され、受光部３６へと送信される。

【0064】

＜光送受部＞
光送受部３３は、光ファイバ３４の端部を略垂直に液面Ｗに向け、特定波長光を液面Ｗに照射する。また、この特定波長光の液面Ｗで反射した戻り光を光ファイバ３４の端部に集光し、受光部３６に伝送させる。光送受部３３は、光ファイバ３４の端部から出射されて放射状に広がる特定波長光を平行光線束にすると共に、液面Ｗからの戻り光を光ファイバ３４の端部に集光するための光学系を有する。また、光ファイバ３４の端部から出射される特定波長光の一部を液面Ｗに照射させることなく反射して、この反射光を受光部３６に伝送させるための基準反射面を有する。この基準反射面からの反射光を受光部３６が受光したタイミングと液面Ｗからの戻り光を受光したタイミングとを信号処理部３７が計測することで、液面Ｗまでの距離が算出される。

【0065】

〔光学系〕
光学系は、光ファイバ３４の端部から出射される放射状の特定波長光を平行光線束とすると共に、液面Ｗで反射される戻り光を当該端部に集光する。光学系は、当該端部で出射される放射状の光を平行光線束とし、戻り光を当該端部に集光することができる構成であれば特に限定されるものではなく、例えば図８に示すように、レンズ１２とレンズホルダ４５と光ファイバ３４の端部をレンズホルダ４５に固定するファイバコネクタ４６とカバー４７とカバーガラス１６を有するものとすることができる。或いは、上述したシュバルツシルド光学系とすることも可能である。

【0066】

（レンズホルダ）
レンズホルダ４５は、光ファイバ３４の端部とレンズ１２とを保持する。レンズホルダ４５は、円筒状、角筒状等の筒状で形成され、一方が有底であり、他方が開口している。有底部には貫通孔を有し、これに光ファイバコネクタ４６によって光ファイバ３４の端部が嵌挿される。光ファイバ３４の端部は、レンズホルダ４５内に特定波長光を送出する。レンズ１２は、レンズホルダ４５内に、光ファイバ３４の端部から出射される光線束の中心軸上にレンズ１２のレンズ面の中心軸が重なるように配置される。光ファイバ３４の端部から出射された特定波長光はレンズ１２によって平行光線束とされ、液面Ｗへと向かう。液面Ｗで反射される戻り光は、レンズ１２によって光ファイバ３４の端部に集光され光ファイバ３４を伝播し、受光部３６で受光される。

【0067】

（カバー）
レンズホルダ４５は、カバー４７に収納されていることが好ましい。レンズホルダ４５が、カバー４７及びカバーガラス１６内に収納されることで、外乱の影響を抑制することができ、特に当該液面距離計測装置１が屋外で使用される場合、風雨等の影響を抑制することができる。

【0068】

〔基準反射面〕
基準反射面は、光ファイバ３４の端部から出射された特定波長光の一部を反射して、反射光を受光部３６に送信する。基準反射面としては、特に限定されず、例えば光ファイバ３４の端部を基準反射面とすることができる。或いは、カバーガラス１６を基準反射面とすることも可能である。

【0069】

＜受光部＞
受光部３６は、光送受部３３が備える基準面で反射される反射光と液面Ｗで反射される反射光とを受光して電気信号に変換し、この電気信号は電気ハーネス７を通じて信号処理部３７に送信される。受光部３６としては、特に限定されず、例えばフォトダイオード等の公知のものを使用することができる。

【0070】

＜信号処理部＞
信号処理部３７は、受光部３６が変換した電気信号を受信して液面距離を算出する。具体的には、光送受部３３から送信された特定波長の基準反射面の反射光及び液面Ｗの戻り光を受光部３６が電気信号に変換し、信号処理部３７に送信する。信号処理部３７は、基準反射面の反射光を受光したタイミングと液面Ｗの戻り光を受光したタイミングとの差から、基準反射面から液面Ｗまでの距離を算出し、図示しない表示器、例えば液晶ディスプレイ等に表示する。

【0071】

＜利点＞
当該多地点液面距離一括計測システム３０は、光源３１が発光するパルス光を分岐することで、複数の計測地点をツリー型のネットワークで一括計測するため、それぞれの計測地点に光源３１、受光部３６、信号処理部３７等を配備する必要がなく、またそれぞれの計測地点に電源を供給する必要もないため、簡易な構成で多地点の液面距離を一括して計測することができる。また、光源３１及び受光部３６と複数の光送受部３３とを光ファイバ３４で接続するため、雷害等を受けにくく、誘導電流の影響も少ない。よって、信号送受信の安定性に優れ、遠隔地の液面距離を高精度に計測することができる。さらに、光パルスを使用するため、超音波や電波を使用する方式に比べて、マンホールや洞穴等の狭い空間においても非接触で液面高さが計測可能であり、光の空間での伝搬遅延を光速で除することで距離に換算するため、測定誤差要因がほとんどなく、高精度な距離計測をすることができる。加えて、機械部品が使用されないため、摩耗や錆び等による劣化がほとんどなく、耐久性に優れる。

【0072】

［その他の実施形態］
本発明の液面距離計測装置及び多地点液面距離一括計測システムは、上記実施形態に限定されるものではない。

【0073】

上述した光源、信号処理部、光カプラ又は反射光分配部、及び受光部に換えて、ＯＴＤＲ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｉｍｅ−Ｄｏｍａｉｎ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｅｒ）を使用することも可能である。

【0074】

第一実施形態では、光源２、光カプラ３及び受光部５を一体の構成としたが、光ファイバでそれぞれを連通し、当該光ファイバの一方の端部が光送受部４に光パルスを出射する構成とすることもできる。

【0075】

第二実施形態では、信号処理部６が、順バイアス回路部２３が半導体光源２１を発光させたタイミングと、逆バイアス回路２４が半導体光源２１に逆バイアスをかけて半導体光源２１が液面Ｗで反射される戻り光を受光したタイミングとの時間差から、液面Ｗまでの距離を算出するとしたが、当該液面距離計測装置に反射基準面を配置して、当該反射基準面からの反射光を受光したタイミングと液面Ｗで反射される戻り光を受光したタイミングとの時間差から、液面Ｗまでの距離を算出することも可能である。或いは、反射部２２の頂点を反射基準面として、当該頂点で正反射する光を反射光とすることができる。

【0076】

また、上述した液面距離計測装置は、液面距離計測に限られず、平行光線束を水平方向に測定対象物に向けることで、測距計とすることができる。

【産業上の利用可能性】

【0077】

本発明の液面距離計測装置及び多地点液面距離一括計測システムは、上述のように、液面に波や泡が存在する場合でも安定して正確な測定ができるため、小型容器の液面距離計測から、河川、湖、海の水位観測まで好適に用いられる。

【符号の説明】

【0078】

１、２０ 液面距離計測装置
２、３１ 光源
３ 光カプラ
４、３３ 光送受部
５、３６ 受光部
６、３７ 信号処理部
７、２５ 電気ハーネス
８ 凸面鏡
９ 凹面鏡
１０ 基準反射面
１１ 開口部
１２ レンズ
１３、４５ レンズホルダ
１４ レンズ保護ガラス
１５、４７ カバー
１６ カバーガラス
２１ 半導体光源
２２ 反射部
２３ 順バイアス回路部
２４ 逆バイアス回路部
３０ 多地点液面距離一括計測システム
３２ 特定波長分波部
３４、３４ａ〜３４ｎ 光ファイバ
３５ 光分配部
３８ 送信側光増幅部
３９ 受信側光増幅部
４０ 光合分波器
４０ａ、４０ｃ 光分波素子
４０ｂ、４０ｄ 光合波素子
４１、４１ａ〜４１ｄ ３端子光サーキュレータ
４２、４２ａ〜４２ｄ ブラッグ格子光ファイバ（ＦＢＧ）
４３ ４端子光サーキュレータ
４６ 光ファイバコネクタ
Ａ 容器
Ｗ 戻り光

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】