高度1万メートル、3万3000フィートの飛行機から見た地球の大気層(ここの大気圧は地上の1/4、260ヘクトパスカル) 高度1万メートルの大気層(気圧は地上の1/4の260hPa)
圧力式水位計の気圧誤差補正用の大気圧開放ボックス  2021-01-15  ⇓末尾へ


圧力式水位計の気圧変動誤差補正用の大気圧開放ボックスGWB-012/GWB-024の外観
樹脂密閉ケースに伸縮ベローズを内蔵したシンプルな構造。内臓の避雷器は水位計を誘導雷から守ります。(写真は24V用)
現在、箱の蓋が不透明のモデルを販売中ですが、次ぎのロットから透明蓋に戻ります
現在販売中の大気圧開放ボックスの蓋は不透明です 現在販売中の不透明蓋+鍵付きモデル

2018年7月〜2021年販売中のモデルは蓋が不透明です。蓋の色は機能的には関係ありませんが、やはり中の状態を目視できたほうがメンテナン上便利なので、次ぎの製造ロットより透明蓋に戻る予定です。

また、現行モデルは蓋に鍵が付いていますが、次回からは鍵無しになります。一時的に2種類のモデルが混在しますので、ご検討の際はご注意ください。

■概要

屋外に設置される圧力式水位計を湿気や雷から保護する中継接続箱です。

•水位計の湿気・雷対策を行う中継端子ボックスです。

•外気を遮断し大気圧を伝えるベローズ機構で、水位計に湿気が進入するのを防ぐ。

•ボックス内の乾燥剤の交換周期を長くでき、メンテナンス手間が省けます。

•高価な大気圧開放チューブ入ケーブルを引き回さず、安価な一般ケーブルに中継。

•ボックス内には避雷素子を内蔵。誘導雷被害の多い水位計を保護します。

•DC12V駆動の電圧出力型水位計用とDC24V対応の電流出力型があります。

⇑Topへ  ⇓末尾へ

■大気圧開放とは

空気の重さ

普段意識しませんが、地上にいる我々の体には、常に空気の重さ≒圧力がかかっています。その力は、1平方メートル当たり約10トンです。

空気の圧力は1気圧といいます。最近は1013hPa(ヘクトパスカル)という単位で呼ばれます。高度1万メータを飛ぶ飛行機の外の気圧は、地上の約4分の1の260ヘクトパスカルですが、機内は地上の8割ほどの0.8気圧(約830hPa)に調整されています。

飛行機の機内で飲んで蓋をしたペットボトルが地上に戻って気圧差で潰れた様子
飛行機の機内で蓋をしたペットボトルが地上で潰れた様子

上の画像は、機内で封を切って飲んだペットボトルが、地上に戻った後の様子です。地上と機内の0.2気圧の差でペットボトルが潰れています。

この機内の0.2気圧≒約200hPaの差は、水深に換算すると[200hP×10.1974mmH2O/hPa=2039mmH2O]です。ペットボトルを水深2mに沈めた時に掛かるの水圧です。飛行機に乗ったとき耳が痛くなるのは、この圧力が耳の鼓膜に働くからです。

地上の気圧は1気圧と言いますが、実際は天候によって、高気圧や低気圧が近づくと気圧が変化します。日々の気圧の変動幅は通常20hPa、台風や爆弾低気圧が近づくと50hPaくらい急変します。これは水深に換算すると20cmから50cmの水圧変化です

飛行機の機内で飲んで蓋をしたペットボトルが地上に戻って気圧差で潰れた様子
高気圧と低気圧の気圧差のイメージ(気圧の単位はhPa:ヘクトパスカル)
大気圧開放チーブ

圧力式水位計は投げ込み式水位計とも呼ばれ、水中に投入したセンサより上の水圧を計測します。その際、大気圧を基準にして、水圧を測定します。 大気圧は低気圧と高気圧の移動により日々変動します。この大気圧変動を補正するため、 水位計のケーブルの中には、空気の圧力を水中の圧力センサに伝えるための「大気圧開放チューブ」と呼ばれる通気管が入っています。

圧力式の投げ込み水位計のケーブル内の大気圧開放チューブ(ポリエチレンパイプ)
水位計ケーブルの大気圧開放チューブ(白いポリエチレンパイプ)

水面を押す大気圧は、細いチューブを通して水位計の先端まで届きます。外から水面を押す気圧と、水圧センサの背面の気圧が相殺されるため、気圧が変わっても水圧の計測値に影響が出ません。

また、センサ内の空気は温度変化で膨張・収縮するため、センサを密閉していると、内部の圧力が変化し、見かけの水位変動として表われます。大気圧開放チューブは、この空気の膨張圧力も外に解放する機能も持ちます。

従来の投げ込み式水位計は大気圧開放チーブでハード的に大気圧を補正-水位センサーの大気圧変動の除去方法(ハード補正)
投げ込み式水位計は大気圧開放チーブでハード的に大気圧変動を補正
⇑Topへ  ⇓末尾へ

大気圧開放を行わない場合の誤差

圧力式水位計の大気圧開放パイプを塞いだ状態で計測すると、概ね次のような測定誤差が出ます。

•通常の気圧の変動で±200mmH2Oの水位変動。(気圧1hPa当たり水深10.2mm)

•大型台風接近で気圧50hPa変動で、見かけの水位も約500mm変わる。

•温度変化でセンサ内部の空気の膨張・収縮し±100mmH2O程度の変動あり。

 

気圧の影響は水深換算で±200mm、最大でも±500mmなので、この誤差を無視できる用途であれば、気圧補正は不要です。測定範囲が大きい1MPa以上の高圧用センサでは、最初から空気の通る背面を塞いで密閉しているものもあります。

圧力式の投げ込み水位計の水位計の大気圧開放チューブに乾燥剤を接続した例
密封型の圧力センサの例(側面ネジ部より不活性ガス充填,1MPa=水深約100m相当)
⇑Topへ  ⇓末尾へ

乾燥剤の必要性

気圧が変動すると大気圧開放チューブを通して、空気が出入りします。その際、空気中の湿気の入ります。特に、地下水位計など、夏に水位計本体が冷たく、地上の大気圧開放チューブ側が、高温・高湿になると、 大気圧開放チューブから入った空気が、水位計の先端で結露し、内部の湿気が徐々に高くなり、最後は水位計の電子回路が壊れます。

この湿気を防ぐための、一般的な対策は、大気圧開放チューブの先端に、乾燥剤入りのケースを取り付け、空気を乾燥剤を通して出入りさせます。 乾燥剤の量にも拠りますが、湿度の高い屋外環境だと1〜2年で乾燥剤が湿気を吸って、効力がなくなります。そのまま乾燥剤を交換せずに放置すると、水位計の故障の原因になります。

圧力式の投げ込み水位計の水位計の大気圧開放チューブに乾燥剤を接続した例
水位計の大気圧開放チューブに乾燥剤を接続した例
⇑Topへ  ⇓末尾へ

大気圧開放、大気圧解放?
注:「大気圧開放」は「大気圧解放」と表記されることもあります。英語だと,開放=open,解放=release,自由=free,などです。解放は中に溜まった空気を外に逃がすイメージです。実際の気圧は、高気圧と低気圧の移動で変動します。 気圧が高くなると、空気は水位計の中に押し込まれます。逆に外の気圧が低くなると、中の空気は外に出てきます。この繰り返しなので、水位計の背面を空気に「開く」意味で「大気圧開放ボックス」と呼んでいます。
大気圧開放チューブが無い圧力式水位計の紹介
大気圧をソフト補正するスマート水位計の紹介大気圧をソフト補正するスマート水位計

スマート水位計は、投込み式の圧力型水位計です。水圧と気圧を2つの絶対圧センサで別々に測定し、マイコン処理で大気圧変動を差し引きます。 ソフト大気圧補正を行うことで大気圧開放チューブが不要となり、小型、低コスト化を実現しています。

⇒スマート水位計の詳細はこちらです。

⇑Topへ  ⇓末尾へ

■大気圧開放ボックスの効果

<今後追加予定>

⇑Topへ  ⇓末尾へ

■特徴

乾燥剤の交換メンテが少ない

この「大気圧開放ボックス」は密閉した箱の中に水位計のチューブを収め、気圧変動は、伸縮ベローズで間接的に伝えます。空気が直接出入りしないので、中の乾燥剤が長期間効力を発揮します。

乾燥剤の交換頻度の目安は、乾燥剤直結の場合は1〜2年。大気圧開放ボックス使用の場合3〜5年が目安です。 過去の使用例では、ケーブルの出入口のパッキンをしっかり締めて防水した場合、高湿の地下ピットの中で、メンテナンスなしで10〜20年動作した例もあります。

湿度100%の地下マス内で地下水位計を大気圧解放BOXで延長接続した例
湿度100%の地下マス内の地下水位計接続例(旧製品で箱の形状は現在と異なります)
水位計のケーブル延長が容易

大気圧開放ボックスの、もう一つのメリットは、水位計のケーブル延長が容易に行える点です

投げ込み式水位計のケーブルは、空気パイプの入った特殊な電線で、価格も1m当たり¥1,000〜¥2,000円と普通の電線に比べて高価です。これを50m〜100mと延長すると水位計本体の価格より高くなります。

また、延長ケーブルは、大気圧開放管の入っていない市販の安価な電線で済みます。屋外で地上ケーブルを長く引き回す場合、大きなコストダウンになります。

大気圧開放ボックスを使った投げ込み式位計のケーブル中継例(ツイストペアー線FCEV0.65mm×2P)
水位計のケーブル延長例(ツイストペアー線FCEV0.65mm×2P)

圧力式水位計は、注文時にケーブルの長さを指定しなければなりません。現場で大気圧開放チューブ入りの電線を延長し、さらに防水加工するのは面倒です。電線以外に、エアーチューブ、テンションメンバー、シールド線も接続しなければなりません。このため、水位計の購入時には、余裕を見て長めのケーブルをオーダするのが一般的です。 この中継箱を使えば、地上に出たところで、通常の電線につなぎ替えることができます。

投げ込み式水位計のケーブル継ぎ足し例<small>(空気管や補強材も接続)
投げ込み式水位計のケーブル継ぎ足し例(空気管や補強材も接続必要)
誘導雷対策

このボックスが、一番使われるのは、屋外の投げ込み式の地下水位計のケーブル延長です。水圧式の地下水位計は、本体が地下に設置されるため、本質的に雷に弱い特性があります。

接続ボックスで、地上のケーブルを長く延長すると、誘導雷の危険も高まります。この対策として、ボックス内の水位計接続端子に、雷のサージ電圧を逃がすため避雷素子を入れてあります。

アース接続は、雷の被害の少ない場所では必要ありませんが、雷害の多い地域では、アース棒による接地をお勧めします。単管パイプなどを利用した簡易接地でも、一定の効果はあります。

水位計の大気圧開放ボックス内の端子台と避雷器−緑はアース線(上はベローズ、下は乾燥剤)
端子台と避雷器−緑はアース線(上:ベローズ、下:乾燥剤)
⇑Topへ  ⇓末尾へ

■設置方法

大気圧開放ボックスの設置例

実際の圧力式水位計の接続例を幾つか示します。雨の掛かるフィールドや、湿気の多い地下ピット内で、防水と大気開放を両立させて、水位計のケーブルを延長接続するのに使います。

もちろん、屋内や計装盤の中に収納して使うことも出来ます。

大気圧開放ボックス接続例

この製品が一番多く使われる場所は、地下水位や河川水位の屋外計測です。

下図に、観測井戸の地下水位計のケーブルを延長する例を示します。水中や地中に入る部分は、水位計に付属の大気圧開放ケーブルを使いますが、地上部は現地に合わせて、市販の通信ケーブルで延長します。

水位計の大気圧開放ボックス内の端子台と避雷器−緑はアース線(上はベローズ、下は乾燥剤)
大気圧開放ボックスの地下水位計接続例
【地下水位計の接続例】
⇑Topへ  ⇓末尾へ

水位センサへの接続

代表的なアンプ内臓圧力式水位計は、電圧出力型(3線)と電流出力型(2線)の2種類があります。それぞれの接続例を示します。

大気圧開放ボックスへの水位センサの接続方法(電圧出力センサと電流出力センサ)
水位センサの接続方法(電圧型と電流型)注意:線の色は水位計によって異なります
⇑Topへ  ⇓末尾へ

信号線の4線伝送の必要性

電圧出力型の水位計は、大分が3線式です。内訳は、電源プラス(V+)、電源マイナス(V-)、信号出力(S+)の3本です。 距離が短い場合は、そのまま3心の電線で延長できますが、次の場合は「4線接続」に変換して延長することをお勧めします。

•ケーブルが細く電気抵抗が高い 電気抵抗R(Ω/m)

•延長ケーブルが長い。 長さL(m)

•水位計の消費電流が大きい 消費電流I(mA)

3線で伝送すると、電線の途中の電圧降下により、末端の電圧が高めに測定されます。

電圧誤差V(mV)=R(Ω/m)×L(m)×I(mA)

たとえば、断面積0.3mm²の電線(導体抵抗63.2Ω/km)を100m延長し、消費電流3mAの0〜5000mV出力の水位計を接続すると

電圧誤差V=00632Ω/m×100m×3mA≒20mV

これがフルスケール5000mVの10m計だと、4cmの水位差で誤差0.4%/F.S.に相当します。この程度なら影響は僅かですが、水位計の消費電流が大きくケーブルが長いと誤差が大きくなります。

また、電線の電気抵抗は温度によって大きく変わるので、ケーブルに直射日光が当たり温度が上昇すると、水位の測定値が大きくなる現象も発生します

4線接続で延長する分には、電線の電圧降下の影響は表に現れません。また、電流出力の2線式水位計も、電線の延長に伴う誤差は出ません。

水位センサを3線接続から4線接続に変換する理由
水位センサを3線接続から4線接続に変換する理由
⇑Topへ  ⇓末尾へ

■使用上の注意点

この装置は、単純な器具ですが、以下の2点はトラブルの原因になるのでご注意ください。

ケーブルの締め付けがゆるいと水が入る

ケーブルの出入口が2箇所あります。ゴムパキンで締め付ける構造ですが、ケーブルが細かったり、太かったりした場合、隙間が空いて水が浸入する場合があります。

細いは融着ゴムテープを巻いて径を調整したり、長期計測の場合は、ケーブルの引き出し口をシリコンゴムでコーキングするなどして、密閉性を高めてください。

【ケーブルの締め付けトラブル例】 注:写真のボックスは旧モデルで、現在の物と形が異なります。
水を吸った乾燥剤は効果がありません

出荷時には、箱の中にサンプルでシリカゲルを入れてあります。ただ、保存中に水を吸ってしまうので、直前に電子レンジで乾燥させて、中の粒の青色が復活してからご使用ください

市販の「高分子吸収剤」系の乾燥剤は、一度水を吸ってゼリー状になると、再利用は出来ません。

特に、雨の中で接続作業をして、濡れたまま蓋を占めると、端子台に結露しトラブルの原因になるので、水を十分ふき取り、乾燥剤を多めに入れるなどしてください

過去のトラブル事例で、「蓋を閉めるとき乾燥剤の袋を挟んでしまい、隙間から水が入り水位計が故障した」というケースもありました。とにかく水気が入らないようにご注意ください。

乾燥剤の例。シリカゲル(再利用可)と高分子吸収剤(再利用不可)
乾燥剤の例 左:シリカゲル(再利用可) 右:高分子吸収剤(再利用不可)
避雷器の定格電圧を越えると、電流が流れショートする

12V用のボックスの定格は、電圧16Vです。これに18V以上の電源をつなぐと、避雷素子が電流を流すようにショートして、電源電圧の低下や避雷素子の発熱・破損が生じます。

逆に、12V水位センサに、24V仕様のボックスを接続した場合、機能はしますが、避雷器の防護電圧が27V以上に上がるので、12V系のセンサに対する避雷効果が期待できなくなります

水位センサの駆動電圧に合った機器をご利用ください。

大気圧開放ボックスの標準品は12V用です。24V用はラベルで明示
標準品は12V用です。24V用はラベルで明示しています
⇑Topへ  ⇓末尾へ

■仕様

GWB-012/GWB-024の詳細スペック。⇒仕様書PDF

項目 仕様    Atmospheric pressure open box
型式 GWB-012 GWB-024
対応電源 DC12V (16V以下) 注1) DC24V (25V以下)
対応水位センサ 電圧出力型 注2)
圧力式水位センサ
電流出力型 注2)
圧力式水位センサ
水位計入力 3線式 2線式
延長出力 4端子
電源・電圧4線式伝送
4端子
電流2線伝送
避雷器種別 対地間:ガスチューブアレスタ
線間:半導体雷防護素子
同左
避雷器制限電圧 対地間70〜110V
線間18〜24V  注1)
対地間70〜110V
線間27〜34V
避雷器
サージ耐量
対地間1000A(8/20μs)
線間68A(10/1000μs)
同左
使用温度範囲 -30〜60℃ 同左
外形寸法・重量 W160×D120×H115mm, 650g
(突起部除く)
同左
単管固定方法 インシュロック
  又は
10mmSUSバンド
同左
在庫 標準在庫 受注生産

注意1:12V用GWB-012に、17V以上の電源を接続すると避雷器がショートし故障原因になります

注意2:12V/24V用は、上限電圧が異なる以外は同じ構造です。電流・電圧型どちらの水位計にも使えます。

⇑Topへ  ⇓末尾へ

■価格

製品画像
大気圧開放ボックスの内部構造
大気圧開放ボックスの背面構造
大気圧開放ボックスの避雷用のアース棒
大気圧開放ボックスの地下水位計の設置事例
ボックス内部 ボックス背面 アース棒 延長ケーブル例
⇒カタログPDFはこちらへ
価格・オプション(消費税別)
GWB-012 GWB-024 アース棒 延長ケーブル例 注3)
¥20,000円 ¥26,000 注2) ¥3,000円 ¥150円/m
標準在庫 注1) 注文製作 オプション FCPEV0.65mm*2P

注1)大気圧開放ボックスは少量在庫品なので一時的な欠品もあります

    ⇒直近の在庫はこちらをご覧ください。

注2)24V品は概ね5〜10台製作時の価格です。注文時期によって在庫品対応もあります。

注3)延長用の電線は一般的な信号ケーブルであれば問題ありません。
  距離とノイズ環境に応じて適宜、選定してください。実績例を挙げると

    •ポリエチレン被服ツイストペアー線 FVPEV0.65mm×2P(4心)

    •ポリエチレン被服ツイストペアー線 FVPEV0.65mm×1P(2心)

    •マイクロホンコードMVVS 0.3mm2×4C(4心)など

  ※延長ケーブルの追加説明
   一般的に、電圧出力型の水位計は、3線出力のものが多い。大気圧開放ボックスから先の延長ケーブルに4心線を使うと、途中の電圧降下を防止できます。 センサケーブルの3線と4線の違いはこちらの図を参考にしてください。
⇑Topへ  ⇓末尾へ

お取引方法

見積依頼

●まず、お見積りをいたします。数量、連絡先・必要数、希望納期等をご記入の上、下記、問い合わせ窓口に連絡をください。送料も含めた販売金額と、概略納期を返信いたします。

注文方法、請求・支払手順

 ●「見積書」をご確認の上、「注文書」をお送りください(FAX、メール,郵送)。

 ●「支払い」は、納品後に「請求書」をお送りします。

  御社の締日から1ヶ月以内を目安に「現金振込」お願いします。

⇑Topへ  ⇓末尾へ

お問い合わせはこちらへ
サイト内検索

⇑Topへ

こんなページも見られています


Text by Geots.Sato
初回掲載:2020/05/15