JP2004294140A - 容器内の残液量の測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】密閉容器内に貯蔵される液体の残量の簡易な測定方法を提供する。
【解決手段】本発明に係わる残液量の測定方法は、液体を密閉状態で貯蔵する容器（１） に振動を発生させることと、この発生した振動の周波数スペクトルを作成することと、この周波数スペクトルの中に、この容器内の残液量に応じて周波数が変化する振動成分が一つだけ出現し、かつこの容器の振動特性で定まる振動成分が出現しない領域を探索し、この領域を測定対象領域として選択することと、残液量を測定しようとする前記容器（１） に振動を発生させ、前記選択済みの測定対象領域内に出現する振動成分の周波数から残液量を測定することとを含む。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、密閉容器内に貯蔵される液体の残量を外部から測定する方法に関するものであり、特に簡易・安価で精度の高い測定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
外科手術時の麻酔剤などとして使用される笑気ガスは、低温・高圧の液体として密閉状態の容器内に保持される。この容器として、魔法瓶と同様、中間に保温のための真空層を形成した構造の二重容器が使用される。外科手術の途中でこの容器が空にならないように、手術の前に液体の残量（以下「残液量」と称する）を確認しておくことが必要になる。この種の密閉容器は金属など不透明の素材で構成されるため、残液量の確認を目視で行うことはできない。
【０００３】
従来、不透明な素材で構成されて液面が目視できない密閉容器内の残液量を外部から測定する装置として、超音波レベル計が知られている。この超音波レベル計では、容器の外側の底面に超音波振動子が取付けられる。この超音波振動子から器壁を通して液中に放射された超音波は液中を真上の方向に伝播したのち液面で反射され、底面まで戻ってきて反射波として受信される。この超音波の往復の伝播所要時間が測定され、液面の高さが測定される（特許文献）。
【０００４】
【特許文献】
特開２００１−２７２２６６号公報（図１）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した笑気ガスを貯蔵する容器については、保温のために真空層を形成する二重構造の容器が使用されるので、上述した超音波レベル計を利用することができない。外側の容器の底面の外部に取り付けた超音波振動子で超音波を発生させても、これが内側の容器との間に形成されている真空層内を伝播できないので、液中に超音波を伝播させることができないからである。
【０００６】
このため、従来、残液を含む容器の重量を測定し、この値から空の容器の既知の重量を差し引くことにより、残液の重量を測定するという方法が採用されてきた。しかしながら、この方法は、残液量を測定するたびに容器を秤に乗せ直さなければならず手間がかかるという問題があった。従って、本発明の目的は、簡易な残液量の測定方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記従来技術の課題を解決する本発明に係わる容器内の残液量の測定方法は、液体を密閉状態で貯蔵する容器に振動を発生させることと、この発生した振動の周波数スペクトルを作成することと、この周波数スペクトルの中に、残液量に応じて周波数が変化する振動成分が一つだけ出現し、かつこの容器の振動特性で定まる振動成分が出現しない領域を探索し、この領域を測定対象領域として選択することと、残液量を測定しようとする容器に振動を発生させ前記選択済みの測定対象領域内に出現する振動成分の周波数から残液量を測定することにより、簡易な手法によって残液量を測定可能にするように構成されている。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の一つの好適な実施の形態によれば、容器に振動を発生させることは、この容器の器壁またはこの容器に対して機械的に結合される構造物を打撃することによって行われる。
【０００９】
本発明の他の好適な実施の形態によれば、容器内の残液量に応じて変化する振動成分の周波数がこの残液量に応じてほぼ直線的に変化するように、上記測定対象領域が選択されている。
【００１０】
本発明の更に他の好適な実施の形態によれば、容器内の残液量に応じて変化する振動成分の周波数が可聴周波数帯域に存在するように、上記測定対象領域が選択されている。
【００１１】
本発明のさらに他の好適な実施の形態によれば、発生した振動の周波数スペクトルの作成は、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）によって行われる。
【００１２】
本発明のさらに他の好適な実施の形態によれば、容器は中間に真空層を形成する二重容器であり、打撃対象の構造物はこの二重容器の内部に挿入される残液抽出管である。
【００１３】
【実施例】
図１は、本発明の一実施例に係わる容器内の残液量の測定方法を実施するためのシステムの概念図である。１は内部の残液量を測定しようとする密閉状態のボンベ（容器）、２はこのボンベを打撃するためのハンマー、３はハンマーによる打撃によってボンベに発生する振動を受信するマイクロホン、４はマイクロホンが受信した信号を増幅する増幅器、６は増幅された受信信号の周波数スペクトルを作成し表示する高速フーリエ変換器（ＦＦＴ）である。
【００１４】
まず、簡単のため、ボンベ１として、器壁が二重ではなく一重の通常のボンベを想定する。このボンベ１に適宜な量の水を入れたのち密閉した状態で、このボンベの外側の器壁をハンマー２で１回だけ打撃する。このハンマー２は、木、ゴム、あるいは金属など適宜な硬度の素材で構成される。このハンマー２の打撃によってボンベ１に振動が発生する。この振動をボンベ２の器壁の近くに配置した広帯域のマイクロホン３で受信し、広帯域の増幅器４で増幅したのち、ＦＦＴ５で周波数スペクトルを作成する。
【００１５】
図２は、打撃によって密閉ボンベに発生した振動の周波数スペクトルの一例である。ボンベの長さは７６０ ｍｍ、直径は１３６ ｍｍであり、このボンベが空の状態である。１０００ Ｈｚ 付近の中心部には残液量に応じて周波数が変化する振動成分が出現し、その上下に残液量が変化しても周波数が変化しない４個の振動成分が出現する。これら４個の振動成分は、ボンベの寸法・形状（長さ、直径など）や構造に応じて定まるボンベ固有の一定値を保つ。以下、このボンベ固有の一定値を保つ振動成分を「容器の固有振動成分」と称する。
【００１６】
以上述べたハンマーによる打撃と周波数スペクトルの作成を、ボンベ１内の水面の高さ（水位）を変えながら反復する。そして、水位に応じて周波数が変化する振動成分について、水位と周波数との関係をプロットしたのが図２に示す実験データである。ボンベ１内に蓄積された水の水位が８００ｍｍ の状態からゼロｍｍ（空）の状態にまで低下すると、周波数が７５０ Ｈｚから１０４０ Ｈｚ までほぼ直線的に増加する。
【００１７】
そして、図２の周波数スペクトルを再び参照すると、ボンベ内の水位に応じて変動する７５０ Ｈｚから１０４０ Ｈｚ までの周波数の範囲には、周波数が水位に応じて変化する周波数成分は一つだけ存在し、かつこの周波数の範囲には容器の固有周波数成分はまったく存在しない。このような周波数の範囲を、測定対象領域として選択する。
【００１８】
従来、上端を開放したガラスのシリンダーに水を注入し、水面を次第に上昇させながら器壁を打撃してゆくと、シリンダーが発生する音の周波数が次第に高まっていくという現象が知られている。これは、水面を振動の節とし、開放端面を腹とする音波の定在波が形成されるためであると説明されている。上述した図３の実験データは、上記公知の現象における水位と周波数との関係が逆になっている。これは、図１の場合、１０００ Ｈｚ 近傍に出現する音が、基本波ではなく、高調波どうしが干渉し合って発生するビート（唸り） などであるためと推定される。また、本願発明では容器の上端が開放端でなく密閉されていることなども関係していると推定される。
【００１９】
任意の形状・寸法・構造のボンベについて、上述したと同様の方法で、振動成分の周波数の測定対象領域を定める。あとは、未知の残液量のボンベ１の器壁をハンマー２で打撃し、その時発生する振動をマイクロホン３で受信し、増幅器４で増幅しＦＦＴ５で周波数スペクトルを作成する。そして、予め設定しておいた測定対象領域中に出現する振動成分の周波数を測定することにより、液面、すなわち残液量を測定する。
【００２０】
図４は、本発明の他の実施例に係わる容器内の残液量の測定方法を実施するためのシステムの概念図である。この実施例では、残液量を測定しようとするボンベ１は、中間に真空層が形成された二重構造の器壁を有している。このボンベ１の内部に残液抽出管１ａが挿入されている。そして、この実施例では、ハンマー２で直接ボンベ１を打撃するのでなく、残液抽出管１ａを打撃する。
【００２１】
あとの処理は、図１を参照して既に説明した処理とまったく同一である。すなわち、ハンマー２の打撃によってボンベ１に発生した振動を広帯域のマイクロホン３で受信し、広帯域の増幅器４で増幅したのち、ＦＦＴ５で周波数スペクトルを作成する。そして、測定対象領域が設定し、ここに出現する振動成分の残液量に応じて変化する周波数に基づき残液量を測定する。
【００２２】
以上、周波数スペクトルを作成する手段としてＦＦＴを使用する場合を例示した。しかしながら、他の適宜なスペクトル・アナライザーを使用することもできる。
【００２３】
また、ハンマーを人手で操作する構成を例示した。しかしながら、このハンマーを電磁弁などを利用して自動的に操作する構成とすることもできる。さらに、ハンマーで打撃する変わりに容器や残液抽出管などの適宜な箇所に取り付けた超音波振動子などで器壁を打撃する構成とすることもできる。
【００２４】
また、測定対象領域を設定したあとは、ＦＦＴなどのスペクトル・アナライザーを使用する代わりに、前段の増幅器にビートの発生を促す非線形特性を付与すると共に、この増幅器の後段に測定対象領域の振動成分のみを通過させる帯域濾波器を設置し、振動成分の周波数を聴覚で大雑把に判定するという簡易な構成とできる可能性がある。
【００２５】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明に係わる容器内の残液量の測定方法は、残液量を測定しようとする容器に振動を発生させ予め設定した測定対象領域内に出現する振動成分の周波数から残液量を測定する構成であるから、簡単な操作で残液量を測定できるという効果が奏される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係わる容器内の残液量の測定方法を実施するためのシステムの概念図である。
【図２】図１のシステムにおいてボンベの打撃によって発生した振動の周波数スペクトルの一例を示す実験データである。
【図３】図１のシステムにおいてボンベの打撃によって発生した振動の周波数成分の周波数と水位との関係を示す実験データである。
【図４】本発明の他の実施例に係わる容器内の残液量の測定方法を実施するためのシステムの概念図である。
【符号の説明】
１ ボンベ（容器）
１ａ 残液量抽出管
２ ハンマー
３ マイクロホン
４ 増幅器
５ ＦＦＴ

Claims (6)

1. 液体を密閉状態で貯蔵する容器に振動を発生させることと、
   この発生した振動の周波数スペクトルを作成することと、
   この周波数スペクトルの中に、この容器内の液体の残量（以下「残液量」と称する）に応じて周波数が変化する振動成分が一つだけ出現し、かつこの容器の振動特性で定まる振動成分が出現しない領域を探索し、この領域を測定対象領域として選択することと、
   残液量を測定しようとする前記容器に振動を発生させ、前記選択済みの測定対象領域内に出現する振動成分の周波数から残液量を測定することと
   を含むことを特徴とする容器内の残液量の測定方法。
2. 請求項１において、
   前記容器に振動を発生させることは、この容器の器壁またはこの容器に対して機械的に結合される構造物を打撃することによって行われることを特徴とする容器内の残液量の測定方法。
3. 請求項１と２のそれぞれにおいて、
   前記測定対象領域は、前記容器内の残液量に応じて変化する振動成分の周波数がこの残液量に応じてほぼ直線的に変化するように選択されたことを特徴とする容器内の残液量の測定方法。
4. 請求項１乃至３のそれぞれにおいて、
   前記測定対象領域は、前記容器内の残液量に応じて変化する振動成分の周波数が可聴周波数帯域に存在するように選択されたことを特徴とする容器内の残液量の測定方法。
5. 請求項１乃至４のそれぞれにおいて、
   前記発生した振動の周波数スペクトルの作成は、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）によって行われることを特徴とする容器内の残液量の測定方法。
6. 請求項１乃至５のそれぞれにおいて、
   前記容器は中間に真空層を形成する二重容器であり、前記打撃対象の構造物はこの二重容器の内部に挿入される残液抽出管であることを特徴とする容器内の残液量の測定方法。

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