JPH0781894B2

JPH0781894B2 - 流量測定装置

Info

Publication number: JPH0781894B2
Application number: JP2053471A
Authority: JP
Inventors: ジャック、ゴールドバーグ
Original assignee: アイバック、コーポレーション
Priority date: 1989-03-06
Filing date: 1990-03-05
Publication date: 1995-09-06
Anticipated expiration: 2010-09-06
Also published as: CA2011439A1; EP0386670B1; DE69022449D1; EP0386670A2; US4938079A; JPH0333620A; EP0386670A3; DE69022449T2; CA2011439C

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は導管内の流体に直接接触することなくその流量
を測定するための装置に関し、詳細には、注入ポンプま
たはコントローラシステムにより注入された静脈内流体
または注入物の流量並びに医療および産業における流量
の非接触で測定する装置に関する。

〔従来の技術〕

多くの応用面で導管内の流体の流量の測定は重要であ
り、そのような流量測定のための多くの機械および電気
的手段が開発されている。流体に接触することなく正確
且つ経済的な流体測定は、殺菌、安全性、流路の処分お
よびコストが非常に重要である医療の分野で特に重要で
ある。安価でありそしてまたは処分しうる流体導管が必
要であるか流体が高温または高圧となり、あるいは腐食
性または毒性の高い流体が用いられる化学プロセス産業
のような医療以外の面もある。タービン、ターゲット、
積極的な移動、差圧、熱線形風力計、ロタメータ、その
他のような多くの形式の流体測定方式は一般に流体の接
触する要素を用いている。ファラデー効果を用いる電磁
流量計は導電性の流体に直接に接触する一対の電極を必
要としそしてその精度は約100cc/時より低い。レーザド
ップラー速度計およびコリオリス流量計のような他の流
量測定方式は極めて高価であり、その他の方式は多くの
応用面で必要な広い流量範囲および流体の種類にわたり
動作することが出来ない。流体の粘性が未知である場合
には、差圧力形は不正確であり、流体の比熱が道の場合
には熱を連続して加える方式は不正確である。多くの産
業および医療面では低流量が非常に重要であり、特にこ
れは上記の流量測定技術における問題点である。

病院での流体注入の規制により、流路は処分可能であっ
て安価であることおよび、種々の条件下で多くの異なっ
た形式の流体が正確な流量をもって与えられることが重
要である。多くの医療用の流体分与システムはポンプ機
構の精度に依存して流量測定のための特別の手段を用い
ておらず、多くは極めて不正確であって計器の故障の検
出のみにしか用いられない流量測定手段を用いている。
多数の医療用注入システムは流体滴がドリップチャンバ
を通るときの滴数を係数することにより流量を測定して
おり、他のシステムはポジティブな移動、既知体積のチ
ャンバへのくり返し的な補充と弁配列によるその内容物
のポンピングにより流量を測定している。

液滴の計数による患者への注入の監視のための流量測定
の一般的方法は多くの理由で不正確である。特に、温度
による液滴寸法の変化と液体のタイプの変化、表面張力
の変化および振動が問題である。積極的な移動により流
体を測定するシステムはチャンバと関連する弁の製造に
必要な寸法上の許容度が厳しいために比較的高価な使い
捨て装置を必要とする。更に、粘性の高い流体、水頭高
の変化およびインライン形濾過器が流体注入器による流
量測定の従来の方法の精度を低下させている。病院での
流体注入の規制により、流体注入器は使い捨てであるこ
とおよび注入監視システムは簡単で安価であり、しかも
すべての環境条件についての種々のタイプの流体につい
て正確であることが重要である。

注入ポンプに関連して、液滴センサのモニタは一般に流
量の全体としての誤差の検出に用いられそしてポンプ機
能の直接制御には用いられていない。任意の与えられた
流量において、ポンプ機構はアラーム条件が生じない限
り水頭高、粘性、または圧力には無関係に不変に動作す
る。

米国特許第4491024号明細書は10cc/分以下の流量の計測
用の方法と装置に関係する。熱パルスが較正されたセル
を通じて導入されそしてこのパルスが下流側で検出され
る。このパルスの検出は次の熱パルスをトリガーするた
めに用いられ、そしてこれらパルス間のインターバルが
測定されて移動量を決定する。米国特許第4532811号明
細書は同様な装置を示しており、抵抗加熱要素と熱セン
サーシステムが流量決定のための流れセルと共に用いら
れる。米国特許第4628743号明細書は他の同様な方法を
示しており、熱検出器の信号の時間微分を熱パルスのト
リガーに用いている。

米国特許第4458709号明細書は連続的な外部加熱と温度
検出を用いる熱流量測定システムを示している。このシ
ステムでは管の加熱された部分と加熱されない部分との
間の温度差がそのライン内の流体流の関数として測定さ
れる。そのライン内の流体に熱を与えそして熱を検出す
るために管のまわりにコンタクトシェルが設けてある。
米国特許第4255968号明細書は連続加熱と下流側の２個
のセンサを用いる流量測定システムを示す。第１のセン
サはヒータの近辺でそのヒータの熱的影響下で配置さ
れ、第２のセンサはヒーターが絶熱されている。加熱要
素は抵抗ヒーターであって、測定すべき流体の流れるこ
のラインの一部を形成する熱伝導性導管上に一方のセン
サと共に装着される。流体の測定は第１および第２セン
サの出力信号を比較して流量をとり出すことにより行わ
れる。

他の外部的なセンサの形が米国特許第4014206号明細書
に示されており、腎臓の透析中のような血液または他の
液体を通す管内の空気塞栓をモニターする装置および方
法は管内の空気の通過により生じる流体内の変化をモニ
ターするために流体に非接触でその流体の複合誘電定数
を測定している。米国特許第4234844号明細書は人体の
熱壁内のような問題とする領域内の液体の複合誘電定数
の変化に液体とは非接触に追従する方法と装置を示して
いる。

〔発明が解決しようとする課題〕

流れ測定手段からの情報がポンプ機構を制御するために
用いられる「閉ループ」である流体配分システムの設計
を可能にする流れ測定手段が望まれる。このように、こ
のシステムは水頭高や圧力のような流量を変えることの
ある条件について動的に修正することが出来、それ自体
のポンプ機構についての精度上の制限が大幅に低下す
る。尿の量あるいは血液の計測のような注入物について
の毒性またはその可能性が重要であるような医療面での
応用において液体には非接触である流体、測定のための
正確な手段が望まれる。さらに、広範囲の流量、液体の
タイプおよび環境条件にわたり流体には非接触で正確に
機能する流量測定システムは多くの医療および産業の面
で有利である。熱パルスの発生と検出を用いる流れ測定
システムに用いられた場合には、抵抗ヒータのサーミス
タまたは熱電対センサーは一般に流体に接触しなければ
ならず、また熱の対流による時間遅れがあり、これが測
定精度に影響する。また、対流による遅れのない加熱お
よび検出モードを与えることも望ましい。

また、流体とは非接触であり夫々の装置の個々の較正を
必要としない正確で高速の熱パルス発生および検出を用
い、比熱または粘性には無関係に種々の流体に対して正
確に動作する流量測定のための使い捨て形の安価で正確
なシステムが望まれる。

〔課題を解決するための手段及び作用〕

本発明は導管内の流体の平均速度または体積量を流体と
は非接触で測定する装置を提供する。この装置は流体の
流れ内に熱的マーカーすなわち熱パルスを発生するため
の少くとも１個の外部的に装着されたヒーターとこの管
内の熱パルスの移動を検出するための外部的に配置され
たセンサとを含む。夫々の熱パルスはマイクロ波加熱装
置により与えられる輻射エネルギーにより発生される。
導管内の熱パルスの移動は熱パルス発生領域またはその
下流に配置され、導管内の流体とは非接触で流体にまた
がるマイクロ波空胴の共振周波数の変化を検出する１個
以上のセンサにより検出される。熱的マーカーを導入す
る他の手段としてはレーザーまたは他のエネルギー源に
より発見される赤外線エネルギーを集束させるものがあ
る。熱パルスの通過を検出する他の手段としては１個以
上の外部の赤外線温度センサまたはマイクロ波放射線計
を用いるものがある。

要約すると、流体とは非接触で導管内の流体流量を測定
するこの装置は流体内に熱的なマーカーを発生するため
の少くとも１個のヒーター手段であって導管の外部に配
置されるものと、導管内の熱的マーカーの移動を検出す
るためにその近辺の熱的マーカーの移動の検出に応じて
信号を発生する、導管の外側に配置された少くとも１個
のセンサ手段と、このセンサー手段からの信号に応じて
導管内の液体の流量のパラメータを決定する手段と、を
備えた流量測定装置において、導管の一部が共振マイク
ロ波空胴内に配置されており、ヒーター手段は共振マイ
クロ波空胴内に位置する導管部分にマイクロ波を集中さ
せる手段を備えていることを特徴とする。

〔実施例〕

図面に示すように本発明は導管内の流体流内に熱パルス
を発生する少くとも１個のヒータ手段と、導管内の熱パ
ルスを検出するための少くとも１個のセンサ手段とを備
えた、導管内の流量を流体とは非接触で測定するための
装置に具現化される。このセンサ手段の出力信号を分析
してその平均速度または体積量を決定する手段も設けて
ある。ヒータ手段とセンサ手段は導管に接近または隣接
してその外側に配置される。マイクロ波ヒータが流体内
での熱パルスの高速発生のために用いられ、センサ手段
はマイクロ波空胴を含んでいる。このセンサ手段は導管
内の流体の温度変化により生じるマイクロ波空胴の共振
特性の変化に応答して導管内の熱パルスの移動を高速且
つ正確に決定する。他の実施例では一連の熱センサ要素
がヒータ手段の下流側にアレーとして配置されて広範囲
の流量において流量データを与える。他の実施例では熱
パルスセンサ手段は外側に配置した赤外線センサまたは
外側に配置されたマイクロ波放射線計からなり、これら
も流体の温度変化に応答する。

本発明の技術は流れが実質的に層流をなし、ニュートン
流体であれば流体温度と圧力、周囲温度と圧力、流体組
成、流体の粘性、および流体の比熱にはほゞ無関係な流
体測定系を与える。

本発明によれば、導管を流れる流体の流量の測定装置は
導管の外側に配置されそして流体中に熱的マーカーを発
生するに充分な輻射熱エネルギーを発生するための少く
とも１個のヒーター手段と、導管の外側に配置されて流
体内の熱的マーカーを検出すると共に熱的マーカーの接
近に応じて電気信号を発生する少くとも１個のセンサ手
段と、このヒータ手段とセンサ手段に動作的に接続して
センサ手段からの信号に応答して導管内の流体流量のパ
ラメータを決定する信号処理手段とからなる。

図面に示すように本発明はチューブを介して患者に静脈
内流体を注入するシステムに関連して動作する場合を例
とした熱転移時間流れ測定システムおよび装置である。
しかしながら、本発明は薬品製造プロセスあるいは他の
医療、科学および産業の分野での、尿流または血液のよ
うな一般に管を流れる流体の測定にも有効である。使い
捨てIVセットは外面11を有するチューブ10として示され
ており、注入液を含んでいる。基本的な測定手順は注入
液流内の流体の特定の領域を加熱し下流でのその動きを
計時することである。一実施例では１個のマイクロ波ヒ
ータ12による輻射加熱により熱パルスまたは熱的マーカ
ー16を発生し、そして、１個以上のマイクロ波検出素子
14a,14b,14cが導管の外側に配置されてこの導管がマイ
クロ波ヒータの下流側でこれら素子を通りあるいはこれ
ら素子に隣接して伸び、流体には非接触で加熱と検出が
行われるようになっている。加熱は好適には注入液を0.
1〜20秒マイクロ波にさらすことにより行われる。熱的
マーカー近辺の温度上昇はヒータの出力、流量、熱パル
スの幅、ヒータの効率、流体の比熱その他によりきまる
が、一般には静脈内流体注入液の代表的な温度上昇は加
熱された領域において数℃程である。流量はこの加熱さ
れた領域が流体の下流への動きにともなってヒータから
センサへあるいは１つのセンサから他のセンサーの動く
時間に関係する。

計測装置の要求する広い流量範囲に適合させるために、
２個以上のセンサまたは２個以上のヒータが用いられ
る。高い流量について例えば複数のセンサを用いる方式
では、ヒーターから離れた方のセンサが主流量データを
与え、低流量についてはヒータに近い方のセンサが主デ
ータを与える。これは、低い流量のときには加熱された
領域が遠い方のセンサアレーに接近する前にその領域内
の熱エネルギーが放散されることになり、高い流量では
ヒータに近い方のセンサがヒータパルスの発生直後にそ
の領域を過早に検出してしまい、正確な情報を与えない
ことによる。下流に複数のセンサを置く代りに上流のヒ
ータを複数とすることも出来るが、推定される流量に適
した特定のヒータを選ぶ必要がある。注入ポンプを用い
るものについて説明するが、本発明の流れ測定方式は流
体を重力により動かし、ポンプ機構を用いない注入コン
トローラ装置にも同様に使用出来る。この測定方式は注
入機器の制御のための帰還を与えるものであるから、そ
れに用いられるポンプまたはコントローラ機構は従来の
オープンループ式で必要とされるような精度を必要とし
ない。

第１図において、マイクロ波熱センサの共振周波数は管
内の液の温度変化により変化するから、熱パルス16の通
過はヒータの下流において導管の外側に配置された１個
以上のマイクロ波熱センサ14a,14b,14cの共振周波数を
モニタすることにより知ることが出来る。流量の大のと
きはヒータ12に最も近いセンサ14aはマイクロ波熱パル
スの発生の直後に過早に加熱領域を検出することになる
から最下流のセンサ14cが用いられることになる。流量
が小であるときはヒータに最も近いセンサ14aが熱的マ
ーカーをより良好に検出する。このマーカーは下流にな
ると消滅する。

注入液の温度変化を検出するためのセンサは注入液を含
んだチューブ内の問題の領域にまたがる共振空胴を有す
る低出力マイクロ波装置からなる。第2,3図は加熱用と
検出用に夫々１個のマイクロ波空胴を用いる熱転移時間
流れ測定方式の機械的部分を示す。便宜上、これら空胴
は互いに隣接し、同じ寸法をもちそして矩形形状を有す
るものとして示してあるが、例えば円筒状のような他の
形状と他の寸法のものを用いてもよい。ヒーター空胴17
とセンサ空胴21は同じものである必要はない。複数のセ
ンサ空胴および／または複数のヒーター空胴を用いる方
式では各空胴は固有の幾何形状を有する。導管10はヒー
タ空胴ハウジング18に入りセンサ空胴ハウジング22から
出る。これら空胴は導電性の内面により実質的に閉じら
れたスペースを与える。ヒーター空胴の形はヒーター空
胴ハウジング18とヒータ空胴のカバー20により限定され
る。同様に、センサ空胴の形状はセンサ空胴のハウジン
グ22とセンサ空胴のカバー24により限定される。空胴の
スペースを囲むに必要なこれらカバーは空胴のシールド
をも行う。このマイクロ波ヒータはマイクロ波エネルギ
ーが限定されるシングルモードまたは主モードで動作す
る。これら空胴を完全に囲むことによりエネルギーが空
胴外のものに当ることがなくなり、そしてセンサのサブ
システムの場合にはこのシールドにより空胴外からのエ
ネルギーがセンサの動作を妨害しないようにする。夫々
の空胴は２個の電気的なポートを有し、一方のポートは
マイクロ波エネルギーを外部回路から空胴内に結合する
ため、他方は空胴を出るマイクロ波エネルギーを外部回
路に結合させるためのものである。ヒータ空胴への入力
ケーブル26は空胴にエネルギーを供給するものであり、
ヒータ空胴からの出力ケーブル28はエネルギーをその空
胴から出すためのものである。対応する入力および出力
ケーブル30と32はセンサ空胴に対しエネルギーを入れそ
して出すためのものである。

第３図において、ヒータの焦点ポスト34とセンサーの焦
点ポスト36は見ることが出来る。導電性表面を有するこ
れらポストはこれら空胴内の電界を集束させるものであ
り、本発明のこの実施例の動作にとって大切なものであ
る。

第4,5,6図はヒーターまたはセンサーのサブシステムに
用いることの出来る共振マイクロ波空胴を示している。
マイクロ波空胴37の矩形形状はそのハウジング38とカバ
ー40により限定される。このマイクロ波空胴は空胴内部
になる入力結合ループ44までの入力ケーブル42と同じく
空胴内にある出力結合ループ48により給電される出力ケ
ーブル46を有する。この空胴自体は主共振モードを有
し、その周波数は空胴の寸法と形状によりきまる。この
空胴が入力結合ループにより適正な周波数をもって導入
されるエネルギーによってその主モードで共振している
と、焦点ポスト50と空胴のカバー40の間のギャップ内に
高電界密度領域が生じる。導管の一部はこのギャップ内
に置かれる。焦点ポストは図示の形状である必要はな
く、また空胴の中央に配置される必要もない。しかしな
がら焦点ポストの表面と空胴カバーは接触しない。この
空胴の共振周波数はその形状、焦点ポストの位置、形、
寸法、並びにこのポストの上面と空胴カバーの下面との
間の距離によりきまる。これと同様の電界の集中方法は
当業者には明らかであり、空胴内の導管の特定の領域に
当る集束された電界を発生するに有効な任意の手段を用
いることが出来る。

カバーを除いた形で第７図に示すマイクロ波ヒータ空胴
17はヒーターの入力ケーブル26をそれに入れるための入
力ポート52とヒーター出力ケーブル28がそこから出るこ
とが出来るようにする出力ポート54を有する。入力ケー
ブル26はヒータ入力結合ループ56までとなっており、こ
のループを介して輻射加熱用のマイクロ波エネルギーが
外部回路からこの空胴に導入される。出力ケーブル28は
ヒータ出力結合ループ58により給電されるのであり、こ
のループは少量の電磁エネルギーを空胴から外部回路に
結合させる。このヒータ回路は空胴自体がその共振要素
となる出力発振器である。入力結合ループを介してヒー
ター空胴に導入されるエネルギーはヒーターの焦点ポス
トとカバーとの間のギャップ内に電界をつくる。このヒ
ーターはヒータパルス62により制御されるマイクロ波ス
イッチ60によりオン、オフ制御され、このスイッチがオ
ンのときに加熱が生じる。移相素子64はこの空胴の主共
振モードでの発振を支持するために適正な位相シフトを
与えるに必要であり、適正な位相特性を有する遅延素子
またはリアクタンス素子でよい。出力増幅器66は流体を
加熱するに適した出力レベルでの発振を支持するに必要
なループ利得および出力を与えるものである。この発振
回路はケーブル68によるマイクロ波スイッチと出力増幅
器との接続により完成する。導管はこの空胴を通り、そ
して焦点ポストと空胴カバーの間のギャップに加熱が生
じる。マイクロ波ヒーターに関連する回路はこれ以外で
もよい。

殆どの液体の誘電定数は温度によりきまることは周知で
ある。例えば水の誘電定数は20℃において80.37であ
り、25℃では78.54である（ハンドブックオブケミスト
リアンド・フィジックス、68版CRCプレス）。流体を含
む導管の一部にまたがりそしてその流体の電磁特性を与
えられる共振マイクロ波空胴は熱的マーカーの通過を検
出しうるセンサとして使用出来る。この共振マイクロ波
センサ空胴に関連する回路は熱的マーカーの通過を示す
ために空胴の共振特性の変化に感応するものでなくては
ならない。導管自体の電磁特性も、その機能がどうであ
れセンサがそれをまたぐことになるからこの実施例のセ
ンサの動作の一部に影響しそしてそのためこの導管の壁
の材料がセンサ空洞内の電磁界に影響する。

マイクロ波センサ空胴に関連する回路の他の実施例を第
８図に示す。このマイクロ波センサ空胴はセンサ入力ケ
ーブル30をそれに導入するための入力ポート70とセンサ
出力ケーブル32をそこから出すための出力ポート72を有
する。この入力ケーブルはセンサ入力結合ループ76まで
となっており、このループを通じて、流体加熱を生じさ
せない、少量のマイクロ波エネルギーが外部回路からこ
の空胴に導入される。出力ケーブル32はセンサ出力結合
ループ78により給電されるのであり、このループはセン
サ空胴から少量の電磁エネルギーを外部回路に結合す
る。このセンサのサブシステムは２つのサブ回路、すな
わちマイクロ波発振器80と周波数弁別器82からなる。こ
のマイクロ波発振器はセンサ空胴をその主モードで共振
させそしてセンサの焦点ポスト36とセンサ空胴のカバー
との間のギャップ内に電界をつくる。このエネルギーの
一部は２方向出力分割器83により周波数弁別サブ回路82
に結合される。周波数弁別器82の出力信号の変化はセン
サ空胴の共振周波数の変化を示す。流体の複合誘電定数
は温度により変わり、空胴の共振は流体の誘電定数の変
化により乱れるから、熱的マーカーの通過は明らかとな
る。

センサ回路のこの実施例における発振器部分80はマイク
ロ波共振空胴21、移相素子84、増幅器86、相互接続手段
30,32,90,92、出力分割器83および入力および出力結合
ループ76,70からなる。移相素子84はこの空胴の主共振
モードでの発振を支持するに適した位相シフトを与える
に必要であり、遅延素子または適当なリアクタンス素子
でよい。増幅器86は発振に必要なループ利得を与える。
この発振回路は接続手段32,90,92,30と、発振器信号の
部分をケーブル94を介して周波数弁別器82に結合する電
力分割器83とによりつくられる。接続手段92は増幅器86
の出力から出力分割器83の入力への電路をつくり、接続
手段90は遅延素子84から増幅器86の入力への電路をつく
る。導管はこの空胴を通り、そして、焦点ポスト36と空
胴カバーの間のギャップ内において検出が行われる。

このセンサ回路の実施例の周波数弁別器82の部分は入力
ケーブル94、２方向出力分割器96、遅延素子98、直流結
合出力100を有するミキサー、低減フィルタ102、出力ケ
ーブル104および接続ケーブル106,108,110,112を有す
る。発振している共振空胴からのエネルギーの一部はケ
ーブル94により弁別器に送られそして出力分割器96によ
り２つの信号に分けられる。その一方は遅延素子98によ
り遅延され、遅延された信号がケーブル108によりミキ
サー100の一方の入力、すなわちRFポートまたはLOポー
トに送られ、他方の信号は遅延を受けずにケーブル110
によりミキサ100の他方のポートすなわちLOポートまた
はRFポートに送られる。ミキサの出力のそのIFポートに
おける直流成分は空胴の共振周波数の変化を示す。この
ミキサーの帯域幅が限られていれば不要となる低域フィ
ルタ102は、102における出力信号がミキサ出力の直流成
分のみを含むようにする。

周波数弁別器の動作は単純な数学的な関係により表わす
ことが出来る。マイクロ波センサ空胴の発振周波数をＦ
（Hz）、遅延素子の遅延量をＴ（秒）とすると、この弁
別器の出力は理想的には〔Kcos（２πFT）〕であり、Ｋ
は発振振幅および他の回路条件によりきまる利得定数で
ある。例えばＦ＝4.02GHz、Ｔ＝20.1nsecとすると、弁
別器出力は0.34Kである。共振周波数が4.025GHzに変化
すると、弁別器の出力は0.818Kとなる。遅延素子は弁別
器の感度が動作周波数範囲で高くなるように選ばれる。
cos（２πFT）＝０となる周波数の近辺で最高感度とな
り、cos（２πFT）＝±１の近辺で感度は低くなる。上
記の場合には4.0GHzから4.025GHzの範囲に良好な感度が
ある。第９図は周波数範囲を4.0GHzから4.12GHzとし、
Ｔ＝20.1nsecの場合の弁別器出力と周波数の関係を示
す。高い弁別器感度の周波数範囲114が示されており、
低い感度の範囲116も示されている。ここで用いられる
ような簡単な周波数弁別器の特性と限界は当業者には周
知である。

センサ空胴の共振特性の変化が明確に示せるものであれ
ばこのマイクロ波センサ空胴に関連する回路の変更は可
能である。例えば、発振器出力分割器83から弁別器出力
分割器96への回路中に周波数逓減器を入れることによ
り、より低い周波数で動作する周波数弁別器を用いるこ
とが出来る。これにより感度は高くなる。

動作を述べると、熱的マーカーがセンサ空胴を通ると
き、流体が空胴に入るためおよび流体の誘電定数が温度
に依存するために空胴の共振特性が変化し、その結果セ
ンサ回路の発振器部分の周波数が変化する。この回路の
発振器部分はこのセンサ空胴に微量の、流体を加熱させ
るには低すぎるレベルのエネルギーを導入させ、これが
事実上その共振特性を決定するためにこの空胴に呼びか
けを行う。熱的マーカーの通過により生じる発振器周波
数の変化はセンサ回路の弁別器部分により検出され、弁
別器の出力信号に変化を生じさせる。

第10図のセンサ出力をみるに、時間118において、マイ
クロ波ヒータは活性である。時刻120においてセンサ出
力は最大となり、ヒータの初期作動からこのピークまで
の時間は結果として生じる熱パルスの熱的転移時間と考
えることが出来る。

マイクロ波センサ空胴に関連する電気回路の他の例を第
12図に示す。マイクロ波センサ空胴とそれに関連する要
素22,36,70,72,76,78は第８図について述べたように機
能する。この実施例では、共振マイクロ波センサ空胴は
フィルタとして機能し、その入力に入力ケーブル30を介
して低レベルマイクロ波信号源201からエネルギーを受
ける。信号源201はセンサ空胴の共振周波数近辺で動作
し、そしてこのエネルギーが実際上空胴にその共振特性
の決定のための呼びかけを行う。センサ空胴32からの出
力ケーブルはその空胴からの電磁エネルギーのごく一部
を振幅検出器207に送る。このセンサ空胴の共振特性が
熱的マーカーの通過により変化すると、信号源により導
入される低レベルエネルギーへのこの空胴のエスポンス
が変化する。この変化は振幅検出器207の出力に生じ
る。

マイクロ波センサ空胴に関連する電気回路の他の例を第
13図に示す。第12図の例におけるように、センサ空胴は
フィルタとして機能するが、この場合には振幅ではなく
位相が問題とするパラメータとなる。信号源201は低レ
ベルマイクロ波エネルギーを発生し、これが接続203を
介して２方向出力分割器202の入力に送られる。この低
レベルエネルギーの一部は入力ケーブル30によりセンサ
空胴に送られ、残りが接続204により位相検出器206の一
方の入力に送られる。センサ空胴32の出力ケーブルはセ
ンサ空胴からの電磁エネルギーの一部を位相検出器206
の他方の入力に送る。位相検出器の出力は濾波されたマ
イクロ波信号と濾波されないマイクロ波信号の位相差を
示す。センサ空胴の共振特性が熱的マーカーの通過によ
り変化すると、信号源により導入される低レベルエネル
ギーに対する空胴の位置レスポンスが変化する。この変
化は位相検出器206の出力に生じる。

テーパー形導波管形のマイクロ波ヒーターサブシステム
の他の形式を第11図に示す。マイクロ波エネルギーは導
波管の一方の例において給電線124から導波管122に送ら
れる。そしてエネルギーは導管内の流体の加熱領域126
に電界が集中するようにこの導波管の反対側に向けられ
る。このテーパー付導波管ヒータに関連する電気回路の
一実施例は発振器128からなり、その出力はマイクロ波
スイッチ60を介してマイクロ波出力増幅器130に送られ
る。この増幅器の出力は入力給電ライン124により導波
管に送られる。このヒーターは電気信号62により制御さ
れるマイクロ波スイッチ60によってオン・オフ制御され
る。流体の存在およびそれよりは影響が少いが導管の存
在はテーパー導波管に負荷を与え、そして流体がこの導
波管を伝播して流体と当るエネルギーの多くを吸収す
る。導波管の寸法と発振器周波数は加熱領域が高電界密
度となるように選ばれる。

本発明の測定装置に用いることの出来る熱センサの他の
実施例を第14図に示してあり、これは３個の赤外線セン
サ132a,132b,132cを用いるものである。同じく、便宜上
ピンホール構造として示す、各センサに関連する集束素
子134a,134b,134cが含まれている。

本発明の熱転移時間流れ測定方式内のセンサにより与え
られる電気信号は流量決定のため処理または解析されね
ばならない。本発明の一実施例においては、この信号処
理はマイクロプロセッサにより行われる。同様に、ヒー
タサブシステムの制御もマイクロプロセッサにより行わ
れるのであり、特定の時点でヒータを作動し、停止する
ようにしている。現在製造されている多くの計器はマイ
クロプロセッサを組込んでいるから、本発明の信号処理
とヒータ制御の要求は大幅なコスト増を示すものではな
い。例えば多くの病院での流体配分システムでは一体的
なマイクロプロセッサが、所望の流量を選べるようにす
るためのオペレータとの通信並びにポンプ機構の制御を
含む多くの計算および制御を行っている。注入計器内に
組込まれる本発明の流れ測定方式によれば、このマイク
ロプロセッサはヒータ制御とセンサ信号処理をも行うこ
とが出来る。更に、マイクロプロセッサは注入計器の閉
ループ制御に含めることが出来、それにより所望の流量
を維持することが出来る。

マイクロプロセッサはセンサアレーからの信号を解析し
そしてこの方式に用いられる熱パルスをトリガーするこ
とが出来る。マイクロプロセッサのアルゴリズムは熱セ
ンサに応答しうるように出来、そして熱パルスのくり返
し周波数も流量により、個々のパルスの出力そしてまた
は幅と同様に用いることが出来る。

信号処理アルゴリズムには当業者に周知のように種々の
形がある。例えば、アルゴリズムは熱パルスの発生点か
らセンサへの距離に沿って熱パルスの移動時間を標準化
された流量についてのそれに対応する距離についての時
間と比較しそして実際の流量を計算するようにすること
が出来る。この計器はそれに利用されるべき導管の形に
対応するように予めプログラムされた標準時間と流量を
もつようにすることが出来、あるいはいくつかの異なっ
た形の導管について基準を設けて予めプログラムしても
よい。信号処理は、適正な流量がセットされてしまうと
絶対流量を計算する必要なしに流量変化のモニターに使
用してもよい。一つのアルゴリズムとして流量の極値を
モニタしそれにより、流れの中断、ラインの切断あるい
は他の同様な状況のような危険な状況が発生したときに
アラーム装置をトリガーするようにするものでもよい。
信号処理はまた例えばIV規制または産業上のプロセスの
活きた制御用に流量帰還及び制御システムに関連して用
いてもよい。

信号処理の一つの方法はマイクロプロセッサのメモリに
センサ信号の特徴を流量範囲に関係づけるルックアップ
テーブルを組込み、そしてテーブルのエントリの間をマ
イクロプロセッサで補間してこのルックアップテーブル
内の値の中間の値の流量をとり出すようにすることであ
る。

本発明により測定可能な流量の範囲は２個以上のセンサ
または２個以上のヒーターを設けることにより広げるこ
とが出来る。前述のように非常に低い流量の場合がある
がその場合には接近したヒーターセンサ対により良好な
結果が得られる。逆に高い流量の場合には最も離れたヒ
ーターセンサ対により良い結果が得られる。本発明の流
量範囲をより低い流量まで拡大するためには動作センサ
を出来るだけ動作ヒーターに近づける必要がありそして
またエネルギーの高い熱パルスを用いる必要があり、こ
れら双方により熱的マーカーがセンサを通過するときに
そこにより大きい温度上昇をもたらすのである。ヒータ
ーサブシステムの出力を増加するとヒーターパルスを制
御する制御信号の幅を長くしたと同様によりエネルギー
の大きい熱パルスが発生するという効果がある。熱パル
スの幅を拡大すると与えられた時間にわたりなされうる
個々の流量測定の回数に逆効果が生じる。しかしながら
医療上のセッティングにおける注入を含む多くの場合、
流量は一般にゆっくり変化する。

これより高い流量では複数のセンサを用いる方式におい
ては２個以上のセンサが加熱領域を検出することがあ
る。この方式ではいくつかのセンサからの信号が相関さ
れて１個のセンサを用いる場合よりも高い測定流量精度
を与えることが出来る。更に、ディジタルフィルタおよ
び平均化のような技術も使用出来る。

加熱領域の発生、伝播、拡散および検出の物理的な規制
はヒーター制御とセンサ信号処理を完全に最適とするた
めに必要である。しかしながら、流量測定の精度は、有
用な計器の流量範囲にわたりこの方式が決定可能でくり
返し可能なように動作して比較的ノイズのないセンサ信
号を与えれば達成出来る。電気的なノイズおよびセンサ
信号の決定不能な他の特性がこの方式の精度を制限する
ものである。

第15図は医学的な流体配分系における流量の測定に適し
た熱転移時間流れ測定方式の他の実施例を示す。容器13
6ここには蠕動形装置として示すポンプ機構138と、導管
を受けるように配置されたマイクロ波ヒーター空胴140
と、導管を受けるように配置されたマイクロ波センサ空
胴142を囲んでいる。ヒータ用のカバー144とセンサ用の
カバー146はヒンジドア148上のヒータとセンサに当るよ
うに装着される。

〔発明の効果〕

上記から本発明の流量測定装置は低エネルギー源の使用
のもとで簡単に安価に構成することができ、流体とは非
接触の精度の高い方法を与えるものでありそして種々の
流体についておよび種々の周囲の条件下で広い流量範囲
にわたり正確な流れ測定技術を与えるものであることは
明らかである。センサとしては熱的マーカーが下流へ伝
播するときそれにより放射されるマイクロ波エネルギー
を検出する赤外線センサまたは検出器とすることができ
る。更に、本発明の流量測定装置は多くの医学、科学お
よび産業面で、導管を通る流体の測定に有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図は１個のヒータと３個のセンサを用いる熱転移時
間流れ測定方式の一実施例を示す図、第２図は１個のヒ
ータと１個のセンサを用いる熱転移時間流れ測定方式の
一実施例の機械的部分を示す斜視図、第３図は第２図の
展開図、第４図は第２図の実施例においてヒータまたは
センサとして使用出来る共振マイクロ波空胴の展開図、
第５図は第４図の共振マイクロ波空胴の上面図、第６図
は第５図における線６−６における断面図、第７図は第
４図の共振マイクロ波空胴を用いるマイクロ波ヒータサ
ブシステム用の電気回路の概略図、第８図は第４図の共
振マイクロ波空胴と周波数弁別器を用いるマイクロ波セ
ンササブシステムの一実施例の電気回路図、第９図はセ
ンサマイクロ波空胴の発振周波数の関数として第８図の
センササブシステムの出力信号を示すグラフ、第10図は
時間の関数としてセンササブシステムの代表的な出力信
号を示すグラフであって熱的マーカーの通過の検出を示
す図、第11図はテーパ付き導波管と関連する電気回路を
有するマイクロ波ヒーターサブシステムの他の実施例を
示す図、第12図は第４図の共振マイクロ波空胴と振幅検
出器を用いるマイクロ波センサーサブシステムの他の実
施例用の電気回路図、第13図は第４図の共振マイクロ波
空胴と位相検出器を用いるマイクロ波センサーサブシス
テムの他の実施例の電気回路図、第14図は赤外線センサ
を用いる熱転移時間流れ測定方式の他の実施例を示す
図、第15図は蠕動形流体ポンプシステムに関連した熱転
移時間流れ測定方式の他の実施例の斜視図である。 10……導管、12……マイクロ波ヒータ、14……マイクロ
波センサ、16……熱的マーカー、17……マイクロ波ヒー
タ空胴、20,40……カバー、21……マイクロ波センサ空
胴、34……ヒータ焦点ポスト、36……センサ焦点ポス
ト、60……マイクロ波スイッチ、64,84……移相素子、6
6,86……増幅器、80……低出力マイクロ波発振器、82…
…周波数弁別器、83,96……２方向出力分割器、102……
低域フィルタ、100……ミキサ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】導管（10）内を流れる流体の流量を測定す
る流量測定装置であって、前記流体に物理的には非接触
であってその流体の流れの中に熱的マーカーを発生する
のに充分なマイクロ波を照射する少くとも１個のヒータ
ー手段（17）と、前記流体内の前記熱的マーカーを検出
するために前記導管（10）の外部の前記ヒーター手段
（17）よりも下流に配設されて前記流体中の熱的マーカ
ーの接近に応答して電気信号を発生する少くとも１個の
センサ手段（21）と、前記ヒーター手段（17）及びセン
サ手段（21）に接続され、前記センサ手段（21）からの
前記電気信号の振幅に応じて前記導管（10）内の流体流
量のパラメータを時間の関数として決定する信号処理手
段（82）とを備えた流量測定装置において、前記導管（10）の一部が共振マイクロ波空胴（37）内に
配置されており、前記ヒーター手段（17）は前記共振マ
イクロ波空胴（37）内に位置する前記導管（10）の一部
に前記マイクロ波を集中させる手段（50）を備えていることを特徴とする、導管内の流体の流量を測定する流量
測定装置。
【請求項２】前記ヒーター手段（17）は前記流体の特定
領域を加熱するのに充分な出力で動作するテーパー形導
波管型の加熱素子（122）に接続されたマイクロ波信号
源（128）からなっている請求項１に記載の流量測定装
置。
【請求項３】前記ヒーター手段（17）は前記流体の特定
領域を加熱するのに充分な出力の前記マイクロ波空胴
（37）に接続されてその共振周波数またはその近辺で動
作し前記流体中に輻射マイクロ波エネルギーを供給する
信号源（44,56）を含んでいる、請求項１に記載の流量
測定装置。
【請求項４】前記マイクロ波空胴（37）はマイクロ波出
力増幅器（66）に接続されて前記流体の特定領域を加熱
するのに充分な出力で動作し、前記共振マイクロ波空胴
（37）の共振周波数またはその近辺で動作して前記流体
中に輻射マイクロ波エネルギーを供給する共振器を構成
している、請求項１に記載の流量測定装置。
【請求項５】前記センサ手段は、前記導管（10）が部分
的に配置されている共振マイクロ波空胴（37）内に低エ
ネルギーマイクロ波輻射の電界を発生させる手段（44,7
6）を含んでいる、請求項１に記載の流量測定装置。
【請求項６】前記センサ手段（21）は前記導管（10）内
を流れる流体の一部に低エネルギーマイクロ波輻射の電
界を集中させる手段（36）を含んでいる、請求項５に記
載の流量測定装置。
【請求項７】前記センサ手段（21）は前記マイクロ波セ
ンサ空胴（21）の共振特性を決定する手段（82）を含ん
でいる、請求項６に記載の流量測定装置。
【請求項８】前記共振マイクロ波センサ空胴（21）の共
振特性を決定する手段（82）は、そのマイクロ波センサ
空胴（21）に接続されてその共振周波数またはその近辺
で動作する低出力マイクロ波共振器を構成する低出力マ
イクロ波増幅器（86）と、前記低出力マイクロ波共振器
に接続された周波数弁別器（82）とを含んでいる、請求
項７に記載の流量測定装置。
【請求項９】前記マイクロ波センサ空胴（21）の共振特
性を決定する手段（82）は、前記マイクロ波センサ空胴
（21）の共振周波数またはその近辺で動作し前記マイク
ロ波センサ空胴（21）に接続された低出力マイクロ波信
号源（201）と、前記マイクロ波センサ空胴（21）に接
続された振幅検出器（207）とを備えている、請求項７
に記載の流量測定装置。
【請求項１０】前記マイクロ波センサ空胴（21）の共振
特性を決定する手段は、前記マイクロ波センサ空胴（2
1）の共振周波数またはその近辺で動作し、前記マイク
ロ波センサ空洞（21）に接続された低出力マイクロ波信
号源（201）と、この信号源（201）及び前記マイクロ波
センサ空胴（21）に接続された位相検出器（206）とを
備えている、請求項７記載の流量測定装置。
【請求項１１】前記センサ手段のうちの少くとも一つは
前記導管の外面に近接して配置されたマイクロ波放射線
計（206,207）からなっている、請求項１ないし10のい
ずれかに記載の流量測定装置。