JP2018197732A

JP2018197732A - 流体測定装置

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Publication number: JP2018197732A
Application number: JP2017103408A
Authority: JP
Inventors: 松岡　裕人; Hiroto Matsuoka; 裕人松岡; 弘小泉; Hiroshi Koizumi
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2017-05-25
Filing date: 2017-05-25
Publication date: 2018-12-13

Abstract

【課題】より正確に流速を求めることができるようにする。【解決手段】第１測定部１０１は、測定対象の流体１１１の流量の相対的な変化を測定する。第２測定部１０２は、第１測定部１０１と流体１１１の流れる方向に所定距離離間して配置され、流体１１１の流量の相対的な変化を測定する。第１処理部１０３は、第１測定部１０１が測定した流量の時間経過による変化を示す第１流量変化と第２測定部１０２が測定した流量の時間経過による変化を示す第２流量変化とを比較し、第１流量変化と第２流量変化との時間差分を求める。第２処理部１０４は、第１測定部１０１と第２測定部１０２との流体１１１の流れる方向の距離を、第１処理部１０３が求めた時間差分で除することで流体１１１の流速を求める。【選択図】図１

Description

本発明は、光を用いて流路を流れる流体の流速を測定する流体測定装置に関する。

衛生上の理由などから、チューブに流れる流体に接触することなく、流体の流速を正確に計測する技術が望まれている。例えば、人工透析では、正確な流速（流量）の測定が望まれている。人工透析は、チューブで構成された血液回路を通して患者の血液を取り出し、不純物の濾過などを行い、再び血液回路を通して患者の体内に戻す療法である。現在、人工透析の治療には４〜５時間を要しているが、濾過を行う血液の量が正確に分かれば、患者に最適な透析量の治療を提供することができ、安全で効率的な治療を行うことができる。ただし、血液の衛生状態は高く保つ必要があり、血液に触れることなく、チューブである血液回路の外から、流量や流速の計測をする必要がある。

非接触でチューブの外側から流量を計測する技術として、レーザドップラー方式がある（特許文献１，非特許文献１参照）。レーザドップラー方式では、光源から照射したレーザ光が、流体に当たった時に生じるドップラー効果を捉えることで、流体の流量を計測する。レーザドップラー方式は、流体に非接触で計測できる技術である。

特開２００２-３３０９３６号公報

D. Watkins and G. A. Holloway Jr., "An Instrument to measure cutaneous blood flow using the Doppler shift of laser light", IEEE Transactions on Biomedical Engineering, vol. BME-25, No. 1, pp. 28-33, 1978.

しかしながら、上述した技術では、流体の濃度が変わったり、チューブとレーザとの接触の具合などでレーザ光の入射量が変わったりすると、流体からの反射光量が変わり、測定結果が変わり、流速を正確に求めることができないという問題があった。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、より正確に流速を求めることができるようにすることを目的とする。

本発明に係る流体測定装置は、測定対象の流体の流量の相対的な変化を測定する第１測定部と、第１測定部と流体の流れる方向に所定距離離間して配置され、流体の流量の相対的な変化を測定する第２測定部と、第１測定部が測定した流量の時間経過による変化を示す第１流量変化と第２測定部が測定した流量の時間経過による変化を示す第２流量変化とを比較し、第１流量変化と第２流量変化との時間差分を求める第１処理部と、第１測定部と第２測定部との流体の流れる方向の距離を、第１処理部が求めた時間差分で除することで流体の流速を求める第２処理部とを備える。

上記流体測定装置において、第１処理部は、第１流量変化の特徴点が発生した時刻と、第２流量変化の特徴点が発生した時刻との差により時間差分を求めればよい。

上記流体測定装置において、第１処理部は、第１流量変化と第２流量変化とのパターンマッチングにより時間差分を求めればよい。

上記流体測定装置において、第１処理部は、第１流量変化の中間値が得られる時刻と、第２流量変化の中間値が得られる時刻との差により時間差分を求めればよい。

上記流体測定装置において、第２測定部と流体の流れる方向に所定距離離間して配置され、流体の流量の相対的な変化を測定する第３測定部と、第２流量変化と第３測定部が測定した流量の時間経過による変化を示す第３流量変化とを比較し、第２流量変化と第３流量変化との時間差分を求める第３処理部とを更に備え、第２処理部は、第１測定部と第２測定部との流体の流れる方向の距離を第１処理部が求めた時間差分で除して第１流速を求め、第２測定部と第３測定部との流体の流れる方向の距離を第３処理部が求めた時間差分で除して第２流速を求め、第１流速と第２流速との平均値を求めて流体の流速とするようにしてもよい。

なお、第１測定部、第２測定部、第３測定部は、ドップラー方式により流量を求める。

以上説明したように、本発明によれば、所定の間隔で配置した２つの第１測定部および第２測定部で測定した第１流量変化および第２流量変化の時間差分で、上記間隔を除して流速を求めるようにしたので、より正確に流速を求めることができるという優れた効果が得られる。

図１は、本発明の実施の形態１における流体測定装置の構成を示す構成図である。図２は、レーザドップラー方式による流量測定の構成を示す構成図である。図３は、本発明の実施の形態における流体測定装置による流量測定を説明するための説明図である。図４は、本発明の実施の形態における流体測定装置による流量測定を説明するための説明図である。図５は、本発明の実施の形態における流体測定装置による流量測定を説明するための説明図である。図６は、本発明の実施の形態１における流体測定装置の構成を示す構成図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１における流体測定装置について、図１を用いて説明する。この流体測定装置は、第１測定部１０１、第２測定部１０２、第１処理部１０３、第２処理部１０４を備える。

第１測定部１０１は、測定対象の流体１１１の流量の相対的な変化を測定する。第２測定部１０２は、第１測定部１０１と流体１１１の流れる方向に所定距離離間して配置され、流体１１１の流量の相対的な変化を測定する。例えば、流体１１１は、容器１１２に収容され、ポンプ１１３により、流路であるチューブ１１４を輸送され、廃液容器１１５に排液される。チューブ１１４は、例えば、塩化ビニルから構成されている。第１測定部１０１および第２測定部１０２は、例えば距離Ｌの間隔でチューブ１１４に取り付けられている。

第１処理部１０３は、第１測定部１０１が測定した流量の時間経過による変化を示す第１流量変化と第２測定部１０２が測定した流量の時間経過による変化を示す第２流量変化とを比較し、第１流量変化と第２流量変化との時間差分を求める。

第２処理部１０４は、第１測定部１０１と第２測定部１０２との流体１１１の流れる方向の距離を、第１処理部１０３が求めた時間差分で除することで流体１１１の流速を求める。

ポンプ１１３の内部機構の回転動作により、この出力となる流体１１１の流速Ｖは、脈動を打つ。この脈動は、第１測定部１０１で捉えることができる。また、第２測定部１０２で捉える脈動は、流体１１１が、第１測定部１０１の位置から、チューブ１１４内を距離Ｌ移動した分、遅れた値となる。

そこで、第１処理部１０３で、第１測定部１０１、第２測定部１０２のそれぞれの計測結果の第１流量変化ｖ１および第２流量変化ｖ２を比較し、ｖ１とｖ２の脈動のずれである時間差分ｔを求める。第２処理部１０４は、第１測定部１０１、第２測定部１０２との距離Ｌを上述した時間差分ｔで除することで、チューブ１１４を流れる流体１１１の流速Ｖを求める。

第１測定部１０１，第２測定部１０２は、例えば、レーザドップラー方式の測定装置であればよい（特許文献１，非特許文献２参照）。図２に示すように、レーザドップラー方式の測定装置１２１は、レーザダイオード（ＬＤ）１２２から周波数ω₀のレーザ光を照射する。この照射により、チューブ１３１に流れる流体１３２で反射した反射光をフォトダイオード（ＰＤ）１２３で受光して光電変換する。ＰＤ１２３で光電変換した電気信号を処理部１２４で処理することで、流量を求める。

ＬＤ１２２から照射した周波数ω₀のレーザ光が、チューブ１３１内を流れる流体１３２内に含まれる散乱体１３３に当たると散乱光が発生し、ＰＤ１２３に入射する。この散乱光の周波数は、ドップラー効果により、散乱体１３３の速度に応じてシフトし、ω₀＋Δωとなる。一方、静止物であるチューブ１３１の表面などで反射した光もＰＤ１２３に入射する。この反射光の周波数は、ＬＤ１２２の周波数ω₀と同一であることから、周波数ω＋Δωの散乱光との干渉光が生じる。

ＰＤ１２３を用いて、この干渉光の光強度を計測する。計測した光強度を、処理部１２４において、フーリエ変換による周波数解析を行い、一次モーメント（パワーと周波数との積の総和）が流量に比例するという原理を用いることで、流体１３２内の散乱体１３３の速度が捉えられ、この結果より流体１３２の流量を捉えることができる。なお、反射光に限らず、チューブ１３１，流体１３２を透過した透過光をＰＤ１２３で受光する構成としても同様である。

ただし、この流量の値は、流体１３２の流速だけでなく、ＰＤ１２３に入射する干渉光の量が変化することでも変わることから、流体１３２内の散乱体１３３の量、即ち流体１３２の濃度や、ＬＤ１２２の出力の変化などでも、求められる流量が大きく変わるため、絶対値としての精度は低い。

これに対し、本発明では、上述したレーザドップラー方式の測定装置による第１測定部１０１、第２測定部１０２では、チューブ１１４を流れる流体１１１の流量の変化を捉えることを目的とするため、絶対値の精度は不要であり、実用的に利用することができる。

次に、時間差分ｔの求め方についてより詳細に説明する。例えば、図３の（ａ）に示すように、第１流量変化ｖ１および第２流量変化ｖ２の各々において、変化が大きいポイントを特徴点として抽出する。抽出した各々特徴点の発生時刻をｔ１、ｔ２とすると、図３の（ｂ）に示すように、これらの発生時刻の差ｔ２−ｔ１が、時間差分ｔとなる。これは、流体１１１が第１測定部１０１の位置から第２測定部１０２の位置まで移動するのに要する移動時間である。従って、第１測定部１０１と第２測定部１０２との間の距離Ｌを発生時刻の差である時間差分ｔで割ることで、チューブ１１４を流れる流体１１１の流速Ｖを求めることができる。

また、次に示すようにすることで、時間差分ｔを求めてもよい。まず、図４の（ａ）に示すように、第１流量変化ｖ１および第２流量変化ｖ２を同じ振幅になるように、正規化する。第１正規化流量ｖ１’においては、正規化した値からある一定区間を抽出して、パターンｐ１を得る。次に、図４の（ｂ）に示すように、このパターンｐ１を、第２正規化流量ｖ２’に、時刻方向に移動しながら一致率を計算する（パターンマッチング）。この一致率が最大となる移動時間ｔを求める。

この移動時間ｔが、流体１１１が第１測定部１０１の位置から第２測定部１０２の位置まで移動するのに要する時間であり、時間差分ｔとなる。このようにして求めた時間差分ｔで、第１測定部１０１と第２測定部１０２との間の距離Ｌを除することで、チューブ１１４を流れる流体１１１の流速Ｖを求めることができる。

また、次に示すように、中間流量の交差時刻を各々比較することで、時間差分ｔを求めてもよい。まず、図５の（ａ）に示すように、第１流量変化ｖ１および第２流量変化ｖ２の各々において、最大値、最小値を求め、各々の中間値１、中間値２を求める。次いで、第１流量変化ｖ１が中間値１と交差する時刻ｔ１を求める。また、時刻ｔ１より後で、第２流量変化ｖ２が中間値２と交差する時刻ｔ２を求める。図５の（ｂ）に示すように、これらの交差した時刻の差ｔ２−ｔ１が、時間差分ｔとなる。

これは、流体１１１が第１測定部１０１の位置から第２測定部１０２の位置まで移動するのに要する移動時間である。従って、第１測定部１０１と第２測定部１０２との間の距離Ｌを発生時刻の差である時間差分ｔで割ることで、チューブ１１４を流れる流体１１１の流速Ｖを求めることができる。ポンプの脈動の変動が、流量の中間値で急峻である場合、上述したことにより、流速を高い精度で求めることができる。

［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２における流体測定装置について、図６を用いて説明する。この流体測定装置は、第１測定部１０１、第２測定部１０２、第１処理部１０３、第２処理部１０４を備える。これらは、前述した実施の形態１と同様である。実施の形態２では、第３測定部１０５および第３処理部１０６を更に備える。

第３測定部１０５は、第２測定部１０２と流体１１１の流れる方向に所定距離離間して配置され、流体１１１の流量の相対的な変化を測定する。第３処理部１０６は、第２流量変化と第３測定部１０５が測定した流量の時間経過による変化を示す第３流量変化とを比較し、第２流量変化と第３流量変化との時間差分を求める。

実施の形態２において、第２処理部１０４は、まず、第１測定部１０１と第２測定部１０２との流体１１１の流れる方向の距離Ｌ１を、第１処理部１０３が求めた時間差分で除して第１流速を求める。また、第２処理部１０４は、第２測定部１０２と第３測定部１０５との流体１１１の流れる方向の距離Ｌ２を第３処理部１０６が求めた時間差分で除して第２流速を求める。第２処理部１０４は、上述した第１流速と第２流速との平均値を求め、チューブ１１４を流れる流体１１１の流速とする。

第３測定部１０５は、第１測定部１０１，第２測定部１０２と同様に、測定対象の流体１１１の流量の相対的な変化を測定する。第３測定部１０５は、レーザドップラー方式の測定装置であればよい。例えば、第１測定部１０１および第２測定部１０２は、例えば距離Ｌ１の間隔でチューブ１１４に取り付けられている。また、第２測定部１０２および第３測定部１０５は、例えば距離Ｌ２の間隔でチューブ１１４に取り付けられている。

実施の形態２では、第１流速と第２流速との平均値を求めて流速とするので、より高い精度で、チューブ１１４を流れる流体１１１の流速Ｖを得ることができる。なお、第１流量変化と第３流量変化とを比較し、第１流量変化と第３流量変化との時間差分を求め、求めた時間差分で、距離Ｌ１＋Ｌ２を除した値（第３流速）を求め、第１流速、第２流速との平均値を求めるようにしてもよい。

以上に説明したように、本発明によれば、所定の間隔で配置した２つの第１測定部および第２測定部で測定した第１流量変化および第２流量変化の時間差分で、上記間隔を除して流速を求めるようにしたので、より正確に流速を求めることができるようになる。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。

１０１…第１測定部、１０２…第２測定部、１０３…第１処理部、１０４…第２処理部、１１１…流体、１１２…容器、１１３…ポンプ、１１４…チューブ、１１５…廃液容器。

Claims

測定対象の流体の流量の相対的な変化を測定する第１測定部と、
前記第１測定部と前記流体の流れる方向に所定距離離間して配置され、前記流体の流量の相対的な変化を測定する第２測定部と、
前記第１測定部が測定した流量の時間経過による変化を示す第１流量変化と前記第２測定部が測定した流量の時間経過による変化を示す第２流量変化とを比較し、前記第１流量変化と前記第２流量変化との時間差分を求める第１処理部と、
前記第１測定部と前記第２測定部との前記流体の流れる方向の距離を、前記第１処理部が求めた時間差分で除することで前記流体の流速を求める第２処理部と
を備えることを特徴とする流体測定装置。
請求項１記載の流体測定装置において、
前記第１処理部は、前記第１流量変化の特徴点が発生した時刻と、前記第２流量変化の特徴点が発生した時刻との差により時間差分を求めることを特徴とする流体測定装置。
請求項１記載の流体測定装置において、
前記第１処理部は、前記第１流量変化と前記第２流量変化とのパターンマッチングにより時間差分を求めることを特徴とする流体測定装置。
請求項１記載の流体測定装置において、
前記第１処理部は、前記第１流量変化の中間値が得られる時刻と、前記第２流量変化の中間値が得られる時刻との差により時間差分を求めることを特徴とする流体測定装置。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の流体測定装置において、
前記第２測定部と前記流体の流れる方向に所定距離離間して配置され、前記流体の流量の相対的な変化を測定する第３測定部と、
前記第２流量変化と前記第３測定部が測定した流量の時間経過による変化を示す第３流量変化とを比較し、前記第２流量変化と前記第３流量変化との時間差分を求める第３処理部と
を更に備え、
前記第２処理部は、
前記第１測定部と前記第２測定部との前記流体の流れる方向の距離を前記第１処理部が求めた時間差分で除して第１流速を求め、
前記第２測定部と前記第３測定部との前記流体の流れる方向の距離を前記第３処理部が求めた時間差分で除して第２流速を求め、
前記第１流速と前記第２流速との平均値を求めて前記流体の流速とする
ことを特徴とする流体測定装置。
請求項５記載の流体測定装置において、
前記第３測定部は、ドップラー方式により前記流量を求めることを特徴とする流体測定装置。
請求項１〜６のいずれか１項に記載の流体測定装置において、
前記第１測定部、前記第２測定部は、ドップラー方式により前記流量を求めることを特徴とする流体測定装置。