JP6587129B2 - 流量計 - Google Patents
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Description
そこで、本発明者等は、曲がり管で流体に発生する遠心力・向心力を利用した流量計(特許文献1、2参照)に着目し、曲がり管を用いて小型化を図った流量計を開発し既に特許出願している(特許文献3〜5参照)。
また、本発明者等は、曲がり管を用いずに、さらに小型化を図った、直管で肉厚の異なる少なくとも2つの薄肉部を利用した流量計を開発し出願している(特許文献6参照)。
特許文献6の流量計は、内部を流体が流通する管路と、前記管路の直管部の管壁に設けた少なくとも2つの肉厚の異なる薄肉部と、前記薄肉部に貼付けた歪ゲージと、前記歪ゲージの出力を処理する演算処理装置を備えた管路内の流量を計測する流量計であって、薄肉部の肉厚は静圧に加えて流量の影響が歪ゲージの出力に発現するまで薄くされており、前記演算処理手段には予め校正試験により求めた薄肉側の薄肉部に貼付けた歪ゲージと厚肉側の薄肉部に貼付けた歪ゲージの出力差と流量の関係を表す校正式が記憶されており、薄肉側の薄肉部に貼付けた歪ゲージと厚肉側の薄肉部に貼付けた歪ゲージの出力差から、前記校正式を用いて流量を求めることを特徴としている。
例えば、図6のように、内部を流体が流通する管路において、管壁に薄肉部を設け当該薄肉部に歪ゲージを貼付けその出力を計測すると、薄肉部の肉厚を薄くした場合には内圧に加えて流量の影響が歪ゲージにより計測されることから、管壁に設けた複数の肉厚の異なる薄肉部に歪ゲージを貼付け、その出力差から管路内の流量を計測する流量計を提供するものであって、出力差と流量の関係を表す校正式は予め校正により求めておく。
図8に示すように、直管を用いた流量計を組み込んで実測した流体回路は、血液ポンプ、リザーバ、流路抵抗、直管から構成される体外循環系を模擬した閉回路である。閉回路内の圧力は直管の入り口と出口で、圧力計を用いて計測した。閉回路内の流量は血液ポンプ出口で、超音波流量計を用いて計測した。
上記チタン合金製の直管を用いて静圧計測試験を実施した。静圧計測試験では、まず回路を閉鎖し、ポンプの回転数を増加させることで、流量0[L/min]を維持したまま、回路内の静圧を0から150[mmHg]まで、25[mmHg]刻みで増加させた。静圧計測試験の結果を図9に示す。図9のグラフにおいて、横軸が圧力計で計測した圧力[mmHg]、縦軸が歪ゲージ出力[μST]であり、●のプロットが肉厚の薄い方の薄肉部(薄肉側:肉厚0.11mm)の歪ゲージの出力で、▲のプロットが肉厚の厚い方の薄肉部(厚肉側:肉厚0.18mm)の歪ゲージの出力である。
歪ゲージから計測された歪と圧力計で計測された静圧の関係の2つの校正式を得る。
PS=αA×ε0.11S+βA (1A)
PS=αB×ε0.18S+βB (1B)
ここで、PSは静圧を示しており、ε0.11Sとε0.18Sはそれぞれ静圧による薄肉側の薄肉部の歪と厚肉側の薄肉部の歪を示している。αA、βA、αB、βBは、本静圧計測試験で決まる定数である。
図10に、流体を流した時の薄肉側の薄肉部の歪ゲージの出力を、上記式(1A)を元に圧力換算した結果を示す。図10において、横軸は圧力計で計測した圧力[mmHg]、縦軸は圧力換算値[mmHg]であり、各プロットは、■:1[L/min]、◆:2[L/min]、▲:3[L/min]、×:4[L/min]、*:5[L/min]を示しており、●は流量0[L/min]の場合(横軸の圧力計で計測した圧力と縦軸の圧力換算値とが同じとなる)をReferenceとして…線で示してある。
図10より、流体が流れると、薄肉側の薄肉部の歪ゲージ出力から算出した圧力換算値は流量の増加に応じて増加することがわかった。そのため、流量により増加した薄肉部の圧力をPDとすると流量発生時の圧力PAは以下の式(2)のようになる。
PA=PS+PD=αA×(ε0.11S+ε0.11D)+βA (2)
ここで、ε0.11Dは流量により増加した薄肉側の薄肉部の歪を示す。
図11に、流体を流した時の厚肉側の薄肉部の歪ゲージの出力を、上記式(1B)を元に圧力換算した結果を示す。図11において、横軸は圧力計で計測した圧力[mmHg]、縦軸は圧力換算値[mmHg]であり、各プロット印は図10と同様に流量の違いを区別して表したものであって、■:1[L/min]、◆:2[L/min]、▲:3[L/min]、×:4[L/min]、*:5[L/min]を示しており、●は流量0[L/min]の場合(横軸の圧力計で計測した圧力と縦軸の圧力換算値が同じとなる)をReferenceとして…線で示してある。
図11より、流体が流れると、厚肉側の薄肉部の歪ゲージ出力から算出した圧力換算値は流量の増加に応じて減少することがわかった。そのため、流量により減少した薄肉部の圧力をPDBとすると流量発生時の圧力PBは以下の式(3)のようになる。
PB=PS−PDB=αB×(ε0.18S−ε0.18D)+βB (3)
ここで、ε0.18Dは流量により減少した厚肉側の薄肉部の歪を示す。
なお、図10及び図11に示すような流量の影響が発現するには、通常の圧力計のダイヤフラムに用いる肉厚(0.5mm程度)より薄肉部を薄くすることが望ましく、特に薄肉側の薄肉部の肉厚は極力薄くすることが好ましい。
PA−PB=PDA+PDB
=αA×(ε0.11S+ε0.11D)−αB×(ε0.18S−ε0.18D)+C (4)
ここで、Cは定数である。さらに、薄肉側の薄肉部の歪ゲージと厚肉側の薄肉部の歪ゲージの出力をそれぞれε0.11とε0.18として整理すると上記式(4)は以下の式(5)のようになる。
ΔP=PA−PB=αA×ε0.11−αB×ε0.18+C (5)
本式より2つの歪ゲージの差分を取ることで圧力補償が行われ、流量の項のみ残る。したがって、2つの歪ゲージの差分と流量の関係を予め校正して校正式(例えば、後述する図12に示すグラフ参照)として求めておけば、2つの歪ゲージの差分を計測して校正式に当てはめることにより流量を得ることができる。
図12のグラフを記憶手段等に記憶させておけばそのまま校正式として用いることもできるが、図12のグラフを近似式で表し、近似式を校正式として用いて流量Flowを算出することもできる。
そこで、本発明が解決しようとする課題は、静圧と流量の影響が現れる薄肉部について改善工夫することにある。
また、本発明は上記流量計において、前記微小突起を有する薄肉部と前記微小突起を持たない薄肉部は前記直管部の同一断面に設けたことを特徴とする。
また、本発明は上記流量計において、前記微小突起を有する薄肉部と前記微小突起を持たない薄肉部以外に厚肉の薄肉部を設け、当該厚肉の薄肉部に貼付けた補償用の歪ゲージの出力により外乱の影響を補償することを特徴とする。
また、本発明は上記流量計において、前記校正式を用いて求めた流量と前記薄肉部に貼付けた歪ゲージの出力から静圧を計測することを特徴とする。
また、本発明は上記流量計において、前記計測した静圧を流量で除算することにより管路抵抗を計測することを特徴とする。
また、本発明は上記流量計において、前記校正式は、低流量域と高流量域で異なる近似式を用いて表したことを特徴とする。
また、本発明は、内部を流体が流通する管路の直管部の管壁に少なくとも2つの肉厚の異なる薄肉部を設けて当該薄肉部に歪ゲージを貼付け、片側の薄肉部は管路内側に流路に微小突起部が設けられており、予め校正試験により微小突起を有する薄肉部に貼り付けた歪ゲージと、微小突起を持たない薄肉部に貼り付けた歪ゲージの出力差と流量の関係を表す校正式を求めておき、計測した微小突起を有する薄肉部に貼り付けた歪ゲージと、微小突起を持たない薄肉部に貼り付けた歪ゲージの出力差から、前記校正式を用いて管路内の流量を求める流量計測方法である。
また、流量計測の結果と薄肉部に貼付けた歪ゲージの出力から管路内部の静圧を計測することが可能である。
また、静圧と流量計の計測結果から、管路内抵抗(=静圧/流量)を求めることが出来る。そのため、管路の詰まり具合や狭窄などの管路異常を検知することができる。
また、本発明では、曲がり管を用いずに直管のみで管路内の流量を計測可能なシンプルな流量計測方法を実現することができる。
このことは、上記段落0003〜段落0006に記載した本発明者等による特許文献6の測定原理の説明を参照すれば、当該説明中の式(1)〜(5)は、εの添え字の「0.11」と「0.18」をそれぞれ本願発明の『微小突起を有する薄肉部』と『微小突起を持たない薄肉部』と読み替えるだけで式(1)〜(5)がそのまま成り立つことがわかる。したがって、『微小突起を有する薄肉部』と『微小突起を持たない薄肉部』の2つの歪ゲージの差分と流量の関係を予め校正して校正式を求めておけば、2つの歪ゲージの差分を計測して校正式に当てはめることにより流量を得ることができる。
流量計測部では、静圧と流量によって歪計測部に生じる歪を計測し、静圧補償部では静圧によって歪計測部に生じる歪を計測する。流量は、流量計測部と静圧補償部の歪ゲージの出力差から計測する。
微小突起部を設けることで流量計測が可能となった原因として、微小突起部周辺の流速の変化が考えられる。流量が発生したときに生じる動圧は、流速の変動により変わる。そのため、本微小突起部が設けられた歪計測部で、流速の変動で生じる動圧により、歪計測部の歪量が増加したと考えられた。本発明により、曲がり管を用いることなく直管のみで流量計測が可能となる。そのため、人工心臓の種類を問わず使用可能で、小型化が可能な血流量計を実現することが出来ると考える。
Claims (6)
- 内部を流体が流通する管路と、前記管路の直管部の同一断面の管壁に設けた少なくとも2つの薄肉部と、前記薄肉部に貼付けた歪ゲージと、前記歪ゲージの出力を処理する演算処理装置を備えた管路内の流量を計測する流量計であって、
前記薄肉部のうちの一方の第1薄肉部には前記管路内側の流路内に微小突起が設けられており、前記演算処理装置には予め校正試験により求めた前記第1薄肉部に貼り付けた前記歪ゲージ及び前記薄肉部のうちの他方の第2薄肉部に貼り付けた前記歪ゲージの出力差と流量の関係を表す校正式が記憶されており、前記校正式を用いて前記出力差から流量を求めることを特徴とする流量計。 - 前記第1及び第2薄肉部以外に厚肉の第3薄肉部を設け、前記第3薄肉部に貼付けた補償用の歪ゲージの出力により外乱の影響を補償することを特徴とする請求項1記載の流量計。
- 内部を流体が流通する管路の直管部の同一断面の管壁に少なくとも2つの薄肉部を設けて当該薄肉部に歪ゲージを貼付け、予め校正試験により、前記薄肉部のうちの一方の微小突起を有する第1薄肉部に貼り付けた前記歪ゲージ及び前記薄肉部のうちの他方の第2薄肉部に貼り付けた前記歪ゲージの出力差と流量の関係を表す校正式を求めておき、
前記第1薄肉部に貼り付けた前記歪ゲージ及び前記第2薄肉部に貼り付けた前記歪ゲージの出力差から、前記校正式を用いて前記管路内の流量を求めることを特徴とする流量計測方法。 - 前記第1及び第2薄肉部以外に厚肉の第3薄肉部を設け、前記第3薄肉部に貼付けた補償用の歪ゲージの出力により外乱の影響を補償することを特徴とする請求項3記載の流量計測方法。
- 前記第1及び第2薄肉部に貼り付けた前記歪ゲージの出力から予め計測しておいた静圧を、前記流量で除算することにより管路抵抗を計測することを特徴とする請求項3又は4に記載の流量計測方法。
- 前記校正式は、低流量域と高流量域で異なる近似式を用いることを特徴とする請求項3〜5のいずれか1つに記載の流量計測方法。
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