JP4981685B2 - 液滴検出システム - Google Patents

Description

本発明は、流体の低流量測定に関する。特に、本発明は、離散した液滴の形で測定点を通過する低流速の流体を測定する光システムを提供する。

公知のように、従来の流量計は、非常に低流速な領域での使用に向いていない。しかし、研究用途及び医療用途ではゆっくりとした流れを測定することも必要であり、この目的のために特化された多くのデバイスが開発されてきた。典型的な医療用途は、輸液及び栄養注入と、患者から出る、あるいは患者へ入る血流の測定を含む。状況によっては、尿排出量の測定が必要とされることもあり、そのようなデバイスは、間違いなくIVフロー（IV flow）の測定に有用である。

本願発明者による先の米国特許第6,640,649号において、先行技術の概説が提供される。その米国特許は、ここに参照として組み込まれる。先行技術の別の例は、ミンJr.による米国特許第3,870,065号、ルイズ等による米国特許第4,650,464号、アルンドによる米国特許第4,718,896号及びイガースによる米国特許第4,946,439号に開示されている。

上記の特許には、液滴が生成され、電極がリリースされた液滴数及び時間を計るデバイスが記載されている。電極間に電圧が印加され、電極間を埋める液滴が、その電極間に電流が流れることを可能にする。そして電流がモニタされ、電子回路によって処理されて、流速、トータルの流量などのようなデータを提供する。米国特許第6,640,649号に記載されたデバイスは、たいていの用途においてうまく動作するが、電極と測定される流体との物理的接触から生じる問題があった。電極は較正を必要とし、インターバル中に再較正を必要とする。そこで非接触システムが望ましく、それは周波数及び光強度が調節された条件で、高周波の光パルスを用いて良好に動作すると思われる。

そのため、本発明の目的の一つは、低速流量計の先行技術の短所を取り除き、技術者またはユーザによって調整可能な高周波光システムを提供することにある。
本発明の他の目的は、光システムの周波数及び／又は強度をフィードバックで調整する自動システムである低速流量計を提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、再較正をする必要なく、長期間のサービスについても信頼できるシステムを提供することにある。

本発明は、液滴生成器を備えたタイプの低速の流量測定デバイスに対する光液滴検出システムを提供することにより、上記の目的を達成するものである。係るシステムは、マイクロ秒の継続期間とミリ秒のインターバルを持つ複数の光パルスを発生させる少なくとも一つの発光器と、液滴生成器により生成された液滴の経路を通って送信される上記の光パルスの受光を記録し、所定の液滴をヒットしたパルスの数と受光器で記録されないパルスの数を記録するように配置された少なくとも一つの受光器とを有し、単一の液滴が複数のパルスと衝突するように、上記のパルスの周波数及び強度が較正される。また係るシステムは、上記の少なくとも一つの発光器と上記の少なくとも一つの受光器間の相互作用パラメータを調整して、液滴当たりのヒット数の所定の最大値及び所定の最小値を生じ、かつその所定の最大値及び所定の最小値を維持する自動フィードバック手段をさらに有する。

本発明の好ましい実施態様では、上記の発光器が、複数の光パルス、好ましくはIR光パルスを発生する光液滴検出システムが提供される。

本発明の最も好ましい実施態様では、上記のパルスは、単一の液滴が少なくとも１個、好ましくは少なくとも３個のパルスと衝突するように較正される、光液滴検出システムが提供される。

他の実施態様では、上記のパルスは、単一の液滴が最大２０個のパルス、好ましくは最大８個のパルスと衝突するように構成される。

また他の実施態様では、上記のパルス間のインターバルは0.2ミリ秒から50ミリ秒の間であり、最も好ましい範囲は1ミリ秒から10ミリ秒の間である。

さらに他の実施態様では、送信される光パルスの強度の上記の変更は、可変抵抗器または増幅器の使用によってなされる。

また他の実施態様では、送信される光パルスの強度の上記の変更は、上記の少なくとも一つ発光器と複数の増幅器間の接続を変えることによってなされる。

また他の実施態様は、上記の少なくとも一つの発光器と上記の少なくとも一つの受光器間の相互作用のパラメータを、送信される光パルスの周波数を変更することによって変化させるシステムを提供する。

このように、本発明の新規なデバイスは、測定される流体における何がしかの変更が生じない限り、必要な較正をたった一度のみとすることを実現する。必要が生じた場合の、光学的に機能する面の時折のクリーニングは別として、そのデバイスはメンテナンスフリーである。

図１での言及により明らかなように、そのデバイスは、米国特許第6,640,649号に開示された液滴生成器とともに使用することが好ましい。電極は、発光器と受光器とに置き換えられ、受光器は、発光器と対向するハウジングチャンバーの透明な壁の外側に取り付けられる。発光器は、ハウジングチャンバーの透明な壁の外側に配置される。電子制御表示部は、発光器へ電力パルスを送信し、対応する受光器の電気出力を測定する。そのような出力の欠如は、間に入り込んだ流体の液滴が、光線を受光器が受光しないようそらしていることを示す。パルス周波数は液滴の生成よりも非常に速いので、電子制御表示部は、液滴、ギャップと後続する液滴とを容易に区別する。生成されたデータは、流速に電気的に変換され、スクリーンに表示される。必要であれば、結果を紙テープにプリントアウトすることもできる。

環境によっては、複数の光源と複数の受光器を使用することが好ましい。そのような構成は、液滴の生成が速い状況で、液滴の落下経路のカバー可能な角度について広い検出範囲を提供するのに適している。

本発明がより完全に理解されるよう、図を参照しつつ特定の好ましい実施態様とともに本発明について説明する。

詳細における、図に対するここでの具体的な参照とともに、示された個々の事項は、例として用いられ、単に本発明の好ましい実施態様の説明を目的とするものであり、最も有用で、本発明の原理及び概念的な側面の記述を容易に理解させると信じるものを提供する過程において提示されるものである。この点に関し、本発明の基礎的な理解に必要なこと以上に、より詳細に本発明の構造的な詳細を示すことはしない。図と説明が、本発明の幾つかの形態が実際にどのように具現化されるかについて、当業者に対して明らかにする。

図１に、低速流量を測定するデバイスのための光液滴検出システム１０を示す。そのデバイスは、液滴生成器を含む。図示した液滴生成器は、米国特許第6,640,649号に十分に述べられている。液滴生成器は、本発明の中心的な主題ではないが、本発明のより良い理解のために、そのような液滴生成器について出願するように、その構成部品を図１に示す。液滴生成器の主要構成部品は以下の通りである。第１のチャンバー１２と、透明な外壁４及び６を備えた第２のチャンバー１７と、液滴１８と、オリフィス１９と、オーバフローガス圧イコライザ２１と、多孔性基板２４と、電子機器３０である。しかし、本発明は、他のタイプの液滴生成器に対して適用してもよい。

図示されたシステム１０は、第２のチャンバー１７の透明外壁４の外側に配置され、マイクロ秒の継続期間とミリ秒のインターバルの光パルス２８を生じる発光器２６を備える。好ましくは、光パルス２８は、ＩＲ周波数のものである。

受光器３２は、発光器２６に対向して、第２のチャンバー１７の透明外壁６の外側に配置され、光パルス２８が液滴生成器によって生成された液滴１８の通過によって遮られなければ、光パルス２８の受光を記録する。電子機器３０は、所定の液滴をヒットしたパルスの数と、通過する液滴によってそらされたために受光器３２に記録されないパルスの数を記録する。

光パルス２８の周波数及び強度は、単一の液滴と複数のパルスが衝突するように較正される。

前述したように、発光器２６は、相対的に高出力であるが、非常に短期間で明滅する。受光器３２は、発生された光線を検知し、実際にその光線を受光したことを記録する。そのため、受光器３２は、光が発信される度に、光パルス２８を検知することを想定している。

その構成は、受光器３２が光パルス２８の受光を記録したとき、「ミス」と記録するということである。しかし、想定される光パルスの受光が記録されなければ、「ヒット」と記録する。

光線２８を通って通過する落下液滴１８は、全ての光パルスが受光器３２に記録されることを許さない。しかし、液滴と衝突する全ての光パルス２８がそらされるわけではない。衝突する角度及び光パルス強度によっては、液滴を透過する光線も存在する。そこで、光パルスを、常に記録され、液滴の通過が検出されず、そのため「ミス」が記録されるほど強くすることができる。あるいは、以下に説明するような他の環境によっては、光パルスを、実際に発生するよりも多く「ヒット」が検出されるほど弱くすることができる。

すなわち、その構成は、光パルス２８が液滴１８を所定の限界角でヒットした場合、光パルス２８はそらされ、その光が受光器３２で検出されず、「ヒット」として記録されるというものである。光パルスがその所定の限界角以外の角度で液滴に衝突した場合には、光線は液滴を通過して、受光器３２で受光され、「ヒット」よりも「ミス」として記録される。

当然ながら、落下する液滴１８は、パルス強度、パルスの周波数などに依存して、様々な方法で光パルス２８をカットする。

本発明によれば、特定のシステムについてヒット数を所定の最大値及び最小値に較正するために、任意の液滴の数を、例えば３−３０個の間から選択する。

例えば、最初の液滴が複数のパルス２８と衝突し、結果として受光器３２が５個のヒットを記録し、一方次の液滴１８も複数のパルス２８と衝突するものの、明滅のタイミングに対する液滴の通過のタイミングのために、受光器３２が３個のヒットしか記録しない。後続する液滴は、例えば４個のヒットの記録をもたらすこともある。
ヒット数の最大値と最小値が選択された液滴のサンプルにわたって記録されると、システムを較正し、システムが正常であるときのヒット数の最小値と最大値を設定することができる。

パルスの周波数と液滴の速度に依存するものの、単一の液滴と衝突し、検出できる可能性のあるパルスを、例えば最大８個持つことが可能である。

そのような較正のもと、受光器３２が各液滴に対して８個のヒットを記録した場合、各液滴は、光パルスを遮断するような方法で８回衝突している。

そのように予め較正されたシステムにおいて、液滴ごとに８個よりも多いヒット数が記録された場合、補正することが必要な何かの誤りが存在することが分かる。そのような考え得る誤りには以下のようなものが含まれる。
ａ）チャンバー１７の外壁４または６の汚れの存在
ｂ）光パルス２８の経路内におけるチャンバー１７の外壁４または６の一方に付着した液滴の存在
ｃ）チャンバー１７の外壁４または６の一方または両方における曇りの形成
ｄ）光線が弱すぎる

また、液滴に対する最小ヒット数が記録されず、受光器３２によって登録されない場合、少なくとも一つの液滴が「ミス」されたことを意味し、それは光パルス２８の強度が、本発明による再較正も必要とするほど過度であることを示し得る。

図２とともに議論するように、本発明は、登録された受光の最小ヒット及び／又は最大ヒットにより、光パルスの強度を調整可能なフィードバックループを提供する。そこで、上記のように、システムについて予め較正された最大ヒット数よりも多い最大ヒット数を記録したことによって光が弱いことを検出する。また、システムについて予め較正された最小ヒット数よりも少ない最小ヒット数によって光が強いことを検出する。

特に、ここで理解されるように、光線が強い場合ほど多くの光が液滴を透過し、記録されるヒット数が減少する。しかし、光が弱い場合ほど液滴又はチャンバーの外壁が光の透過を少なくするので、記録されるヒット数が増加する。

そこで、図２−５に関して以下で議論するように、液滴当たりのシステムの通常の最小平均ヒット数及び最大平均ヒット数に関してシステムが較正され、その後、システムがその通常の最小平均ヒット数よりも少ないヒット数を記録したとき、記録されるヒット数を増やすためにシステムのパワーを減らすことができる。一方、システムが較正された後、システムがその通常の最大平均ヒット数よりも多いヒット数を記録したとき、記録されるヒット数を減少させるためにシステムのパワーを増加する。

図２に示すように、システムの電子機器３０は、発光器２６の現在のパルスレート４２及び所望のパルスレート４４のような、相互作用パラメータを調整する自動フィードバック手段を提供する。

図１に示す受光器３２は、液滴当たりの所定の最小ヒット数及び所定の最大ヒット数を生じ、維持するものとする。

フィードバックラインは、コンパレータ２２に現在のレートを知らせる。そしてコンパレータ２２は、新たな値と所望の値との差を減らすようにパルスレートコントロール１４へ信号を送信する。

パルスレートコントロール１４は、液滴当たりの所望のヒット数に一致させるよう、パルスレート及び強度を増加または減少させる。

表示スクリーンは、計算された流速３４、トータルの累積流量３６、開始時間３８、経過時間４０及び他の必要とされるデータを示す。

残りの図に関して、同じ部分を識別するために、同じ参照番号を使用する。

図３は、二つの発光器２６が複数のＩＲ光パルス２８を発生し、それらを三個の近接して配置された受光器３２で受光する、光液滴検出システム４６を表す。液滴１８は、発光器２６と受光器３２との間を落下し、光パルス２８をそらす。その結果が電気的に処理され、図１に示した流速３４が計算される。

ここで図４に着目すると、単一の液滴４８が、少なくとも二つのパルス、好ましくは少なくとも三つのパルス、かつ最大８個のパルスと衝突するように、光パルス２８が較正された液滴検出システムのグラフ表示を示す。ヒット数は、液滴４８を透過する光パルス２８または液滴４８で止められる光パルス２８の強度に依存する。

パルス間の暗いインターバルは、0.2ミリ秒から50ミリ秒の間であり、そのパルス間のインターバルは、1ミリ秒から10ミリ秒の間であることが好ましい。

ここで図５を参照すると、図１に示した発光器２６と受光器３２間の相互作用パラメータを、送信される光パルス２８の強度を変更することによって変化させる、別の光液滴検出システム５０の回路図が示されている。本実施態様では、送信される光パルス２８の強度の変化は、可変抵抗器５２若しくは増幅器（図示せず）によってなされる。

図６は、発光器２６と異なる抵抗値を持つ抵抗器５８（R1、R2、R3、R4）及び増幅器６０間の接続を変えることによって、送信される光パルス２８の強度を変化させる実施態様の回路図である。

図７は、周波数コントロール手段６２によって送信される光パルス２８の周波数を変更することにより、発光器２６と受光器３２（図１参照）間の相互作用パラメータを変化させる光液滴検出システムの詳細を示す。

本発明は、これまで説明してきた実施態様の詳細に限定されず、本発明を、その重要な属性または精神から外れることなく、他の特定の形式に具現化できることは、当業者にとって明らかであろう。そのため、本実施態様は、全ての点において例と考えるべきであり、何等かの限定を行うものではない。本発明の範囲は、前記の説明よりも添付のクレームによって示される。そのため、クレームと等価な手段及び範囲内で生じる全ての変更は、そこに含まれることが意図されている。

本発明によるシステムの好ましい実施態様の正面部分断面図である。 図１と同じ実施態様のフィードバック制御に関するブロック図である。 複数の送信器及び受光器を用いた実施態様の線図である。 液滴とパルス光と巨大液滴のグラフである。 光パルスを変調する様々な方法を示す回路図である。 光パルスを変調する様々な方法を示す回路図である。 光パルスを変調する様々な方法を示す回路図である。

Claims (13)

1. 液滴生成器を備えたタイプの低速の流量測定デバイスの光液滴検出システムであって、
   マイクロ秒の継続期間とミリ秒のインターバルを持つ複数の光パルスを発生させる少なくとも一つの発光器と、
   少なくとも一つの受光器であって、前記液滴生成器により生成された液滴の経路を通って送信される前記光パルスの受光を記録し、所定の１の液滴にヒットして該受光器で記録されないパルスの数を記録するように配置された少なくとも一つの受光器とを有し、かつ単一の液滴が複数のパルスと衝突するように、前記パルスの周波数及び強度が較正され、
   液滴当たりのヒット数の所定の最大値及び所定の最小値を生じ、かつ該所定の最大値及び最小値を維持するために、前記少なくとも一つの発光器と前記少なくとも一つの受光器間の相互作用パラメータを調整する自動フィードバック手段と、パルスレート及び強度を自動的に増減するパルスビームレートコントロールとをさらに有することを特徴とする光液滴検出システム。
2. 前記発光器は、複数の光パルスを発生させる、請求項１に記載の光液滴検出システム。
3. 前記パルスは、単一の液滴が少なくとも１個のパルスと衝突するように較正される、請求項１に記載の光液滴検出システム。
4. 前記パルスは、単一の液滴が少なくとも３個のパルスと衝突するように較正される、請求項１に記載の光液滴検出システム。
5. 前記パルスは、単一の液滴が最大８個のパルスと衝突するように較正される、請求項１に記載の光液滴検出システム。
6. 前記パルスは、単一の液滴が最大２０個のパルスと衝突するように較正される、請求項１に記載の光液滴検出システム。
7. 前記パルス間のインターバルは0.2ミリ秒から50ミリ秒の間である、請求項１に記載の光液滴検出システム。
8. 前記パルス間のインターバルは1ミリ秒から10ミリ秒の間である、請求項１に記載の光液滴検出システム。
9. 前記少なくとも一つの発光器と前記少なくとも一つの受光器間の前記相互作用パラメータは、送信される光パルスの強度を変更することによって変化する、請求項１に記載の光液滴検出システム。
10. 送信される光パルスの強度の前記変更は、可変抵抗器または増幅器によってなされる、請求項９に記載の光液滴検出システム。
11. 送信される光パルスの強度の前記変更は、前記少なくとも一つ発光器と複数の抵抗器及び増幅器間の接続を変えることによってなされる、請求項９に記載の光液滴検出システム。
12. 前記少なくとも一つの発光器と前記少なくとも一つの受光器間の前記相互作用パラメータは、送信される光パルスの周波数を変更することによって変化する、請求項１に記載の光液滴検出システム。
13. 前記発光器は、複数のＩＲ光パルスを発生させる、請求項１に記載の光液滴検出システム。

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