JPS623379B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は超音波を利用した液体の比重測定装置
に関するもので、その目的とするところは、液体
の比重を標準液体との比較において試料液体の比
重値を求めるものであり、特に液体の温度差に依
存する比重の温度依存誤差を消去せしめた測定装
置を提供するものである。

上記目的を達成するものは、 試料液体に超音波を伝搬させることによつて該
試料液体の比重を測定する装置において、該試料
液体は、既知の比重を有する標準液体と該標準液
体に溶解した溶質とからなり、該標準液体につい
て超音波の音圧、透過時間および透過音速度のう
ち１つの温度依存特性に相当する値が既知であ
り、該装置は、 前記試料液体に超音波を送信して該試料液体中
を伝搬した超音波を受信する超音波発信・受信素
子と、 該試料液体の温度を測定し標準液体における前
記温度依存特性に相当する値に応じた第１の信号
を発生する温度測定手段と、 前記伝搬により該試料液体における超音波の音
圧、透過時間および透過音速度のうちの対応する
１つの値を測定する測定手段と、 該測定手段によつて測定された前記１つの値と
第１の信号との差より前記標準液体に対する比重
差を求める差検出手段とからなることを特徴とす
る超音波を利用した液体の比重測定装置である。

従来、超音波で液体比重を測定することは周知
である。超音波を液体に送信させその受信信号ま
での透過時間をシングアラウンド法その他の方法
で直接読み取り、その時間から直接比重を求めて
いた。

しかしながら、測定値が温度その他の外的要因
によりバラツキを示して、精度の高い測定ができ
ない。又、標準液体、試料液体各々に超音波を入
射させ、その透過時間差から試料液体の濃度を求
めることは従来から行われていた。

本発明は従来のような比重計の欠点を改良した
超音波を利用した液体の比重測定装置に関するも
ので、以下にまずその原理について説明する。

物質の密度をρ、音速度をＣとすると音響イン
ピーダンスＺは次式で表される。

Ｚ＝ρＣ さて音響インピーダンスＺの物質からＺ_A，Ｚ_B
の物質Ａ，Ｂへ音波が入射するときの音圧の透過
率の差は、 ΔＰ＝２Ｚ_Ａ／Ｚ＋Ｚ_Ａ−２Ｚ_Ｂ／Ｚ＋Ｚ_Ｂ＝２Ｚ（
Ｚ_Ａ−Ｚ_Ｂ）／（Ｚ＋Ｚ_Ａ）（Ｚ＋Ｚ_Ｂ）…(1) で表される。以下添字Ａ，ＢをＺ_A，Ｚ_Bと同様に
用いる。ここで、物質Ａ，Ｂが音響学的に極めて
類似している場合を考える。例えば純物質Ａに一
種類の溶質がわずかに溶けている固溶体又は溶液
Ｂでは Ｚ_B＝Ｚ_A＋ΔＺ Ｃ_B＝Ｃ_A＋ΔＣ ρ_B＝ρ_A＋Δρ とするとＺ_A≫ΔＺ，Ｃ_A≫ΔＣ，ρ_A≫Δρが成
立つから、 ΔＰ≒−２ＺΔＺ／（Ｚ＋Ｚ_Ａ）^２ ΔＺ＝Ｃ_AΔρ＋ρ_AΔＣ＋ΔρΔＣ ≒Ｃ_AΔρ＋ρ_AΔＣ ∴ ΔＰ＝２Ｚ／（Ｚ＋Ｚ_Ａ）^２（Ｃ_AΔρ＋ρ_AΔＣ）
…(2) さらに一定温度、一定圧力下においてはわずか
な溶質量がΔＣ，Δρの値を決定しているので、
その量とΔＣ，Δρには比例関係が成立する。

従つて、比例定数をｋとすると ΔＣ＝ｋΔρ∝溶質の量（溶液濃度） …(3) (2)式は ΔＰ＝−２Ｚ／（Ｚ＋Ｚ_Ａ）^２（Ｃ_A＋ｋρ_A）Δρ…
(4) さて、(4)式においてΔρの係数は温度、圧力、
溶媒溶質の種類が一定であれば変わらない。かく
て、音圧の差を測定することにより、類似物質の
密度差が求められる。

ところで比例定数ｋは当然のことながら物質に
依存する。従つて、明らかに(4)式は溶質が１種類
の場合を対象とした式である。多種の溶質が溶け
ている時にもこの式が成立する条件はいずれの溶
質についてもｋが等しい場合である。都合の良い
ことに、例えばシヨ糖、乳糖、KCl、HCl等がわ
ずかに水に溶けている場合などのｋの値は、Ｏ〓
Δρ〓0.04の範囲でいずれも互いに極めて近い値
となつている。

又、ここでは透過音波について記述したが、反
射音波についても本質的には同様の原理により密
度差を求めることが可能である。さらに、被反射
又は被透過層がいくつもある場合にはそれぞれの
界面での反射、透過があり、式は複雑になるが、
この取扱いを厳密に行うとやはり、Δρに比例し
た式を導出することができる。

次に音速度についてもΔρに比例した式を導出
できることを示す。

物質中を音波が通過する際の音速度は次式で表
される。

Ｅ：体積弾性率 音響インピーダンス法と同様に純物質Ａとそれ
に１種類のわずかな溶質を含む物質Ｂを考える。

Ｅ_B＝Ｅ_A＋ΔＥ （Ｅ_A≫ΔＥ） ρ_B＝ρ_A＋Δρ （ρ_A≫Δρ） 溶質の濃度はΔρ，ΔＥと完全に比例するから ΔＥ＝ｋ’Δρ …(6) (5)，(6)より (7)式はΔＣがΔρと比例関係にあるという(3)式
に相当している。この比例定数はほとんど温度に
影響されない。

一例として、食塩水溶液についてのグラフを第
１図に示す。ΔＣとΔρの比例関係および比例定
数が10℃〜30℃の範囲で温度に依存しないことが
明瞭である。

又、音速度についての取扱いと同様にして物質
中の距離ｌを音波が透過する場合を考えると、物
質Ａ，Ｂの透過時間ｔ_A，ｔ_Bの差は となる。

物質Ａを標準液体、物質Ｂを試料液体とするな
らば、以上のように両者に対する透過音波の音圧
差又は透過音速度差もしくは透過時間差は密度差
と比例し、あらかじめ検量線を描いておけば、こ
れらの測定値から両液体の密度差を求めることが
できる。

ところで、以上の原理に基づいて具体的に比重
計を構成するには実際上、標準液体、試料液体の
温度を等しくするか、又は温度差に基づく誤差を
補正しなければならない。これにはいくつかの方
法が考えられる。

以下に本発明の具体的実施例について添付図面
を参照して説明する。

第２図は本発明の具体的実施例であり、比重測
定装置の回路のブロツクダイヤグラムを示し、透
過時間測定よる場合を示す。

このブロツクダイヤグラムは標準液体にわずか
な量の溶質が溶解した試料液（つまり、標準液体
と試料液体の溶媒と同じとなる）自体の透過時間
を測定し、図示しない標準液自体の透過時間をそ
の差として入力して両透過時間差から比重値を求
める方式を提供するものである。発信器１から立
上りの鋭い例えば1KHzの矩形波が発信され、発
信用超音波振動子２にその電圧が印加される。該
矩形波の立上り時間は発振用超音波振動子２の固
有振動波形に合うよう調整されている。発信用振
動子２から1KHzの周期で該振動子の固有振動数
を有するパルス波形波が発信され、試料液体４
（図示しないが標準液体にも同様にとり扱えるこ
とはいうまでもない）を入れた試料液槽３および
該試料液体４を通過し、受信素子５によつて受信
され、電気信号に変えられる。該受信パルスは高
周波増幅器６で増幅され、波形成形された上にト
リガパルスに変換されてゲートコントロール回路
７に送られる。ゲートコントロール回路７には発
信器１からのゲート開閉信号が送られており、前
記トリガパルスとともに、ゲートコントロール回
路７にてゲート信号がつくられる。この信号によ
つてゲート９が開閉されタイマー８からのクロツ
クパルスが計数器１０で計数され、１回の計数ご
とにその値が保持される。

以上の操作が発信器１から発信される矩形波の
１周期毎にくりかえされる。かくして前記試料容
器３を含めた試料液体４を伝播する超音波の透過
時間が測定される。

一方試料液体４の近傍に置かれ、試料液体４の
温度に対応してその低抗値を変えるサーミスタ１
３と固定抵抗１２は、定電流源１１に接続されて
いる。このサーミスタ１３と抵抗１２の端子電圧
はバツフアアンプ１４で増幅されAD変換器１５
によりデジタル量に変換される。このAD変換の
操作は発信器１から発信される矩形波の１周期ご
とに行われる。サーミスタ１３と固定抵抗１２は
試料液体４の溶媒成分（標準液体）の音波透過時
間を直接求めるかわりに、これらの抵抗値で電気
的に代用するためのものである。つまりAD変換
器１５の出力は試料容器３の中に溶媒成分（尚、
試料液体が尿であれば溶媒成分は水である。）の
みが入つているときの前記透過時間の計数値にち
ようど一致し、しかもその温度に応じて正しく変
化するようサーミスタ１３を固定抵抗１２が選ば
れている。

バツフアアンプ１４の出力はレジスタ１６にデ
ジタル量として蓄えられる。計数器１０に保持さ
れている試料容器３を含む試料液体４側の超音波
透過時間とレジスタ１６に蓄えられた試料容器３
を含む溶媒成分（標準液体）側の超音波透過時間
相当値は減算器１７にかけられその差が出力され
DA変換器１８に入力する。

DA変換器１８の出力は記録計２０に送られ、
又他方AD変換器１９によつて再び適当なデジタ
ル量に変換され表示器２１に表示される。このよ
うにして試料液体と溶媒成分（標準液体）の比重
差が測定される。

以上のブロツクダイヤグラムでは、試料液槽３
に超音波を入力させ、かつ同試料液体の温度依存
性を見掛上サーミスタ、抵抗体を用いて温度補償
を行わしめたわけである。

第３図は試料液槽の状態を示す１実施例であ
り、超音波発信素子２、同受信素子５の間に試料
液槽３、容器保持部分２２およびサーミスタ素子
１３からなる。

第４図は本発明を尿比重計に実施した場合の比
重検出部分の一実施例を示す。この液体容器３は
使いすて可能な尿用容器で上下にチユーブを接続
することによつて連続測定を可能にする。摺動可
能な容器保持部分２２は容器によく密着できるよ
うにスプリング２５が付設されている。温度検出
用素子としてサーミスタ１３が保持部分22に嵌め
込まれており、これにより流体の温度を測定する
ことができるようになつている。このような検出
部分を簡単にベツドサイド等に装着できるように
両面テープ、マグネツト等の取付部材２６でベツ
ドサイド２７に装着できる。

これらの比重測定は尿に限られるものではな
く、一般の液体や輸液剤、血液、透析液等の液体
にも適用することができる。

以上この発明の一実施例についてのべたがこれ
らはたんに例示であつて当業者であれば容易に実
施できるものを包含することはいうまでもない。

さらに、透過時間差による実施例を示したが本
方式の基本的な考え方は、透過音速度差方式によ
る場合にあつても実現可能である。又、両液体を
通過する超音波の音圧差による場合でも実現可能
である。

次にこの装置の作用を具体的にすると、第３図
ないし第４図に示す試料液体比重を測定しようと
する液体を連続的、あるいは間欠的に容器内に位
置させ、超音波発信・受信素子により、該液体の
超音波透過時間を容器等の液体物分以外を加えて
測定する。この場合超音波透過時間は超音波発
信・受信素子間の伝播時間により計測される。こ
の時間は液体の温度に依存するため補正が必要と
なる。そこで、本発明では試料液体の溶媒成分で
ある標準液体の超音波透過時間を直接測定するか
わりに、上記透過時間の計数値に等しい出力を第
２図のAD変換器１５より出力させるとともに、
その出力をサーミスタ１３、固定抵抗１２を用い
て温度補正を行つた値として出力する。

この超音波受信出力及び上記AD変換器の出力
は第２図に示すブロツクダイヤグラムの入力信号
として電気的に処理され、結果として比重値に応
答した計測出力を表示するものである。

このように本装置にあつては、試料液体のみの
測定により比重を測定するものであり、測定回路
が１つですみ、精度の高い比重測定ができる。

また試料液体の比重を連続的に、あるいは間欠
的にも測定できるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は水と食塩水の密度差と音速度差の相
関、第２図は本発明に係る比重測定装置の回路の
ブロツクダイヤグラム、第３図は本発明に係る標
準液体を入れるための容器断面図、第４図は本発
明に係る超音波比重計を尿比重計に使用した例を
示す容器部分一部切欠断面図である。 ２……超音波発信素子、３……試料液用容器、
４……試料液体、５……超音波受信素子、１１…
…定電流源、１３……サーミスタ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 試料液体を収容する容器、該容器をはさんで
   配設された超音波発信素子と、受信素子と、透過
   超音波の音圧、透過時間および透過音速度のうち
   １つを測定する手段と、該試料の温度を測定し標
   準液体における前記選択された物理量の値を既知
   の温度特性から電気的につくりだす標準値演算手
   段と、試料に対する前記選択された物理量の測定
   値と前記標準値との差演算をする手段とからなる
   超音波を利用した液体の比重測定装置。