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公開番号2020190538
公報種別公開特許公報(A)
公開日20201126
出願番号2019107471
出願日20190522
発明の名称野外設置液面センサ
出願人個人
代理人
主分類G01F 23/24 20060101AFI20201030BHJP(測定;試験)
要約【課題】従来の液面検知器は電極と保持具は別個で生産コストが割高で,検知ロッドの位置決めも煩雑で野外設置に不向きであった。動作確認の際,電極を短絡させるチャタリングが発生する。
【解決手段】電極を兼ね備えた未塗装金属製棒を支持杭とし,検知ロッドの長手方向に沿って複数個の穴を明け針金を通して検知位置を設定する。チャタリング防止の1次遅れ要素の部品定数と,バックグラウンドノイズを低減する静電容量定数およびベースの保護抵抗値を同一にして部品種を少なくする。
【選択図】図3
特許請求の範囲【請求項1】
電池を内蔵電源とし,DC/DCとホトカプラを具備した本体(11),伝送ケーブル(13),検出部(12)およびワイヤレスモジュールからなる野外設置液面センサ。
続きを表示(約 250 文字)【請求項2】
(12)において,支持杭(32)を電極とし,電流を検知する検知ロッド(38)の長手方向に複数の内径1.5mm以上2mm以下の貫通穴(39)を有し,当該穴に針金を通して検知水位をディスクリートに調節可能とする野外設置液面センサ。
【請求項3】
増幅部(15)において,電流制限抵抗(22)と抵抗(23)を同一抵抗値とし,チャタリングを防止する遅延コンデンサ(25)とノイズをバイパスするバイパスコンデンサ(26)を同一容量として部品種を削減する野外設置液面センサ。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は2線式伝送により検出部に電力を供給し,電流に変換された信号をワイヤレスモジュールに伝送し,液面のオンオフ信号を親機に伝送する野外設置液面センサに関するものである。
続きを表示(約 5,100 文字)【背景技術】
【0002】
2本の電極間に電圧を印加し,電極間が液面に接触すると微小電流が流れて液面を検知する方法が知られている。
【0003】
ロッドをスライドさせて位置決めするのに,つまみネジにより固定する方法がある。
【0004】
汎用バイポーラのトランジスタの動作電圧は汎用FETより低い。
【0005】
汎用のワイヤレスモジュール,例えばモノワイヤレス社の商品はDIOを具備しており,野外設置液面センサのオンオフ信号をワイヤレス伝送できる。またワイヤレスチャイムは押しボタンスイッチのオンオフ信号を親機に伝送する。さらに,さくらインターネット社のワイヤレスモジュールもDIOを有する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0006】
特定小電力無線局押しボタン送信機X10R取扱説明書 リーベックス社 2019年2月購入時
CACAZI (登録商標)white/Black long range Wireless Doorbell DC battery−operated 300M remote 48 chimes 6 volume LED light Home Cordless Bell 2019年5月アクセス https://www.aliexpress.com/store/product/CACAZI−white−Black−Simple−Design−Home−Wireless−Doorbell−DC−battery−operated−300M−remote−door−bell−48/3050045_32819029096.html?spm=a2g1y.12024536.productList_35409104.subject_1
IoTプラットフォームサービス sakura.io さくらインターネット社 2019年5月アクセス https://sakura.io/?_ga=2.166702782.1620241426.1557910312−1630074489.1556732559
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
水田に支持パイプを刺して,センサ本体を空中に固定するのは一般的である。空中筐体から伸びた2本のワイヤ電極を吊るして固定すれば,設定した液位を検知できる。支持棒が導体であれば片方の電極に充当できる可能性があり,構造が簡単になる。
【0008】
農作業用に使用するゴム手袋もしくは軍手を着用したまま,水位検知位置設定変更するために,小さなつまみ状のネジを回して緩めかつ締結するのは煩雑である。
【0009】
ワイヤレスモジュールがモノワイヤレス社の場合,モジュールの最大電源電圧は3.3Vである。野外設置水位センサとワイヤレスモジュールの電源回路を共用すれば回路が簡単になる。一般に2線式工業計器の最小電流値は4mAであるから,農機等から発生するノイズの影響を考慮し,伝送信号値は4mA程度あれば伝送ケーブルに重畳する外部電磁誘導ノイズの影響緩和も期待できる。しかしワイヤレスモジュール側の伝送電流検出抵抗による電圧降下を1Vとすれば,検出部は2V程度で動作しなければならない。
【0010】
野外設置水位センサを設置後に動作確認のため,電極間を短絡すると出力がチャタリングする。
【課題を解決するための手段】
【0011】
水田によく用いられる木製杭の代わりに,未塗装金属支持杭とする。
【0012】
水面検知電極を金属製ロッドとし,ロッドの側面には位置決め用の針金が通るほどの小径の穴を離散的に複数個加工する。
【0013】
水面検知ロッドが水面に接触した際,電極間に流れる微小電流を,動作電圧が低いバイポーラトラジスタにより電流増幅する。
【0014】
動作確認の際,発生するチャタリングをバイポーラトランジスタの出力制限抵抗にキャパシタを付設して1次遅れにより緩和する。
【発明の効果】
【0015】
支持杭と負電極と兼ねる事により専用負電極が不要になり,さらに電極を取り付けるためのフランジおよび締結部品と検出部筐体の穴数も減少した。
【0016】
入手容易で安価な0.1μFのキャパシタと同一抵抗により,部品の品種を少なくできた。
【図面の簡単な説明】
【0017】
本発明を実施するためのブロック図
水面検知回路図
検出部構造図
【発明を実施するための形態】
【0018】
本発明の実施構成例を図1に示す。以下,()内に記す番号は図中の符号である。ワイヤレスモジュールに液面検知信号を伝える本体(11),水田の水面近くに設置された検出部(12)と伝送ケーブル(13)から成る。
【0019】
水田作業者はアゼ等で区分けされた複数の田んぼの水位を農作業しつつ,水を張ったりあるいは水抜きしなければならない。ワイヤレス水位センサにより,受信機を携行していれば速やかに水田の水管理ができる。
【0020】
水田のある場所は大抵商用電源が期待できず,本体(11)の電源は電池駆動とする。乾電池の電圧はDC/DCコンバータにより,3.3Vに定電圧昇圧する。検出部の設置場所として,例えば,電波が伝播しない地下室の水槽がある。RS232Cの伝送距離を念頭において検出部(12)と本体間の伝送距離は20mを想定した。往時のインタフェース電圧は9Vもしくは12Vであったが,モノワイヤレス社もしくはさくらインターネット社のワイヤレスモジュールの電源電圧は3.3Vである。3.3Vのハイレベル/ローレベルの機器内伝送距離は高々1mである。従って,本体と検出部の信号伝送を工業計器で一般的な2線式電流伝送とする。
【0021】
汎用のOPアンプの動作電圧は3V以上である。伝送電流検知抵抗による電圧降下を考えると,液面検知に使えない。動作電圧の低いバイポーラトランジスタにより微弱電流を増幅する。増幅された電流信号をインバータに入力し,インバータ出力に負荷抵抗を接続して伝送電流信号を得る。インバータをもう一個介在させると,水面オンオフの逆差動の出力が得られる。例えばインバータ74HC04は電源電圧2Vで動作する。インバータの代替として,PNPトランジスタも使用できる。
【0022】
本体に戻ってきた電流信号は出力抵抗により,電圧信号に変換する。この電圧によりトランジスタを介してホトカプラのダイオードをオンオフする。ワイヤレスチャイムには12Vの電池駆動があり,ワイヤレスチャイムと本体をホトカプラにより電気的に絶縁する。ホトカプラのトランジスタはワイヤレスチャイムの押しボタンスイッチを電気的にオンオフする。前記トランジスタにプルアップもしくはプルダウン抵抗を接続すれば,モノワイヤレス社等のワイヤレスモジュールのDIOの入力電圧となる。
【0023】
信号を待ち受けているワイヤレスモジュールは農作業者が携行する受信機もしくは中継器に電波(14)を使用して発報する。モノワイヤレス社のワイヤレスモジュールの場合,自宅等にPCに接続できる親機を設置すれば,WANを介して農作業者のスマホにEメールを発報できる。さくらインターネット社のワイヤレスモジュールの場合,携帯電話会社の網とクラウドサービスを介してスマホにオンオフ信号を通知できる。
【0024】
図1中の増幅部(15)の詳細を図2に示す。トランジスタ(21)のベースに接続されている抵抗(23)は,何らかの理由により支持棒に過大電圧が印加された場合の保護抵抗である。同様に抵抗(22)もコレクタとエミッタ間がオンになった場合,短絡防止の電流制限抵抗である。
【0025】
抵抗(24)を取り付けずテストすると,液面と非接触状態下のバックグランドノイズが電源電圧に比して大きくノイズマージンが小さい。浮遊容量と外部誘導電圧によるベース電圧を開放するためにブリード抵抗(24)を取り付ける。電極間の距離が約0.5cmの場合,3.3Vの電圧を印加してビーカ中の市水に浸すと,市水の等価抵抗が49kΩと計算された。液面オン状態での消費電流を少なくし,等価抵抗との比を考慮して(24)の抵抗値を910kΩとした。
【0026】
さらに,外部電磁界による商用電源周波数のノイズと高周波ノイズが重畳している。これらを緩和するためにバイパスコンデンサ(26)を取り付ける。容量は一般的な0.1μFである。バックグランドノイズが0.1V以下に低下した。
【0027】
動作確認のため検出ロッドと支持杭を短絡すると,チャタリングが発生する。本センサの用途では,1Hzの液面変動は考えられず遅延コンデンサ(25)を取り付け,電流制限抵抗(22)との1次遅れによりチャタリング防止する。(22)と(25)の参考値は同一の22kΩと0.1μFである。
【0028】
本発明により,試作した検出部の構造を図3に示す。検出部の筐体は筐体断面(31)で表示している。材質は絶縁体である。水田土壌に突きさす支持杭(32)は,支持棒を固定する金属製クランプ(33),筐体断面(31),金属製当て板(33)そして圧着端子(35)を重ねて,それらの穴に小ねじ(36)を通し固定する。(33)は,筐体が樹脂のため板厚が小さいと曲げ剛性が低く撓みが大きく,応力弛緩による締結力低下防止と雨漏り防止のためである。
【0029】
金属製検知ロッド(38)を通す穴と金属製フランジ(40)を筐体に固定する穴を筐体に明ける。(38)を(40)に通して,(38)の振れ回りを防止する。何らかの原因により,筐体内面が濡れて(31)と(40)の間に抵抗が形成されないように,樹脂製スペーサ(42)を介して濡れ対策とする。樹脂製小ねじ(41)とナット(45)により,筐体に固定する。(38)と(40)とのハメアイは緩く,検知ロッドは重力により垂下する。(38)の位置決めに長手方向に針金を通す貫通穴(39)を複数適宜明ける。作業者は所望の設定位置までロッドを移動して,その近傍に近い穴に針金を通して位置決めする。(38)の水面検知端面と異なる他端面に圧着端子(42)を取り付けるためのメネジ穴を加工し,(42)を六角穴付ボルト(43)により固定する。
【0030】
電源電圧を3.3Vとし,伝送ケーブル長が20mにおいて,電流信号検出抵抗を330Ωとした時,市水と(38)が接触すると,1.1Vの出力電圧が得られた。オフ時は20mVであった。この時,(32)と(38)の形状性状はそれぞれ直径9mmの炭素鋼と直径6mmのアルミニウムである。(32)と(38)の隙間は約1.5cmである。(21)は例えば2SC1815を使用した。
【産業上の利用可能性】
【0031】
本発明は水田の水管理の手助けを意図するものであるが,検出部の20mケーブルは電波の届かない地下タンクの液位監視に応用できる可能性がある。
【符号の説明】
【】
[11]本体
[12]検出部
[13]伝送ケーブル
[14]電波
[21]トランジスタ
[22]電流制限抵抗
[23]抵抗
[24]ブリード抵抗
[25]遅延コンデンサ
[26]バイパスコンデンサ
[31]筐体断面
[32]支持杭
[33]ブラケット
[34]当て板
[35]圧着端子
[36]小ねじ
[37]ナット
[38]検知ロッド
[39]貫通穴
[40]フランジ
[41]樹脂製小ねじ
[42]圧着端子
[43]六角穴付ボルト
[44]水面
[45]ナット

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