JP2020063923A - 液質検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】設置場所に拘わらず、液体の良好な流動状態を確保して、液体に関するデータを正確に検出できる。【解決手段】直線状に延び、両端が外面に開口する主流路１１を有する装置本体１と、主流路１１に配置され、主流路１１を流動する液体に関するデータを検出可能なセンサ２とを備える。装置本体１は、主流路１１に対して斜めに合流する副流路１２をさらに有する。【選択図】図１

Description

本発明は、液質検出装置に関するものである。

従来、基板上に導電率センサ、温度センサを実装して流路形成部材で覆って流路を形成し、液体を流入口から流入させ、流出口から流出させることにより、液体の導電率及び温度を検出するようにしたものが公知である（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、前記従来の構成では、流路への液体の流入及び流出が、流路形成部材に形成した流入口及び流出口を介して行われるだけである。このため、流路内での液体の流動状態が安定せず、内部で液体が滞留する恐れがある。この場合、液体の導電率を適切に測定できない。

特開２０１５−１３５２４１号公報

本発明は、設置場所に拘わらず、液体の良好な流動状態を確保して、液体に関するデータを正確に検出できる液質検出装置を提供することを課題とする。

本発明は、前記課題を解決するための手段として、
直線状に延び、両端が外面に開口する主流路を有する装置本体と、
前記主流路に配置され、前記主流路を流動する液体に関するデータを検出可能なセンサと、
を備え、
前記装置本体は、前記主流路に対して斜めに合流する副流路をさらに有する、液質検出装置を提供する。

この構成により、たとえ液体が主流路が延びる方向に沿って流動していない場合であっても、副流路に流入可能であれば、主流路での液体の流動状態を良好なものとできる。すなわち、副流路から主流路に液体が流入する流れが形成されると、主流路では合流地点の上流近傍が負圧となり、主流路内に液体を引き込む力が発生する。これにより、主流路内での液体の流れが形成され、センサによる検出を適切なものとできる。

前記主流路は、互いに平行に配置される第１流路と第２流路とからなり、
前記センサは、前記第１流路に配置される電気伝導度センサと、前記第２流路に配置される温度センサとからなるのが好ましい。

前記副流路は、内部を流動する液体が前記主流路に向かう際、一部が前記主流路を構成する内面に衝突した後、前記主流路の開口を介して流出可能であり、残りが前記主流路の開口を介してそのまま流出可能に形成されているのが好ましい。

この構成により、一旦、副流路から主流路の内周面に衝突して主流路に沿う方向に方向変換された流れと、そのまま真っ直ぐ斜めに向かう流れとが合流する。これにより、合流視点の上流近傍の負圧状態をさらに促進することができ、主流路での液体の流れをより一層形成しやすくなる。

前記装置本体は、前記主流路の一端側の開口位置が平面状の第１面で構成され、前記主流路の他端側の開口位置が曲面状の第２面で構成されているのが好ましい。

この構成により、各面に沿って液体が流れる際、第１面よりも第２面を流れる距離が長くなる。つまり、第１面側に比べて第２面側での流速が速くなる。ベルヌーイの定理により、主流路の第１面側に比べて第２面側の開口で負圧となり、液体が第１面側の開口から吸い込まれ、主流路を流動する。

前記装置本体は、略円柱状のヘッダ部を備え、
前記主流路及び前記副流路は、前記ヘッダ部に形成されており、
前記第１面は、前記ヘッダ部の一端側から他端側に向かって斜めに延びる傾斜面で構成され、
前記第２面は、前記第１面の反対側に位置する前記ヘッダ部の円柱面の一部で構成されているのが好ましい。

この構成により、液体の流れが傾斜面に対して交差する、すなわち衝突する方向となっているのであれば、液体を主流路へと流入させることができ、主流路内での液体の流れを形成することが可能となる。また、液体の流れが傾斜面及び円柱面に沿う流れであれば、流速の差が発生するので、ベルヌーイの定理により円柱面側で負圧となり、主流路での液体の流れを得ることができる。

前記主流路は、開口端に向かって徐々に開口面積が大きくなる拡径部を有するのが好ましい。

この構成により、主流路内に液体を導きやすくなる。

前記副流路は、開口端に向かって徐々に開口面積が大きくなる拡径部を有するのが好ましい。

この構成により、副流路内に液体を導きやすくなる。

前記装置本体は、円筒状の胴部を備え、
前記胴部には、制御部と通信部とが収容され、前記制御部は、前記センサでの検出信号を記憶し、前記通信部は、前記制御部によって無線により外部に検出信号を出力させるのが好ましい。

本発明によれば、主流路に対して斜めに合流する副流路を設けるようにしたので、たとえ液体が主流路が延びる方向に沿って流動していない場合であっても、副流路に流入可能であれば、主流路での液体の流動状態を良好なものとし、センサでの検出が可能となる。

本実施形態に係る水質検出装置の斜視図である。 図１の分解斜視図である。 図１のヘッダ部に於ける第１主流路での断面図である。 図１のヘッダ部に於ける第２主流路での断面図である。 図１のヘッダ部に於ける流体流れの例を示す断面図である。 図１のヘッダ部に於ける流体流れの例を示す断面図である。 図１のヘッダ部に於ける流体流れの例を示す断面図である。 図１のヘッダ部に於ける流体流れの例を示す断面図である。

以下、本発明に係る実施形態を添付図面に従って説明する。なお、以下の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物、あるいは、その用途を制限することを意図するものではない。なお、以下の説明では、図１に示すように、互いに直交する３つの軸をそれぞれ、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸として記載する。

図１は、本実施形態に係る液質検出装置の一例である水質検出装置の斜視図である。この水質検出装置は、装置本体１、センサ２及び制御部３を備える。

装置本体１は、胴部４、ヘッダ部５及び底部６で構成されている。胴部４、ヘッダ部５及び底部６は、例えば、合成樹脂材料を成形加工することにより得られる。

胴部４は中空円筒状で、上端開口部４ａ及び下端開口部４ｂの間には、外径寸法が若干小さくなった小径部７が形成されている。小径部７は、図示しない治具の装着に利用される。上端開口部４ａは内径側が段付き形状となっており、そこには後述するヘッダ部４の突部１０が圧入される。

ヘッダ部５は円柱状で、Ｚ軸方向の下端近傍から上端面に向かって円柱面８を切除することにより傾斜面９が形成されている。ヘッダ部５の直径は３ｃｍから１０ｃｍ（ここでは、７ｃｍ）に設定されている。傾斜面９がＸＹ平面となす角度（第１傾斜角θ１）は、４５度から７５度の範囲に設定するのが好ましい（ここでは、４５度としている。）。第１傾斜角が４５度よりも小さいと、後述するように、図５Ｂに示す海水の流れに対してコアンダ効果を得るのが難しくなる。一方、第１傾斜角が７５度よりも大きいと、図５Ａに示す海水の流れに対して、後述する第１主開口１１ａの開口面積が小さくなり、十分に主流路１１内へと海水を引き込むことが難しくなる。傾斜面９と円柱面８及び上端面との境界部分は滑らかにつながった曲面で構成されている。ヘッダ部５の底面中央部には円柱状の突部１０が形成されている。突部１０は、胴部４の上端開口部４ａの内径部分に圧入され、接着等によって封止状態で胴部４に一体化される。

ヘッダ部５には主流路１１が形成されている。ここでは、主流路１１は、Ｙ軸方向に沿って延び、Ｘ軸方向に所定間隔で配置される第１主流路１１Ａと第２主流路１１Ｂで構成されている。各主流路１１の内径寸法は、８ｍｍから１５ｍｍの範囲（ここでは、１３ｍｍ）に設定されている。但し、第１主流路１１Ａでは、最小内径寸法が後述する電気導電度センサ１６の内径寸法となる。各主流路１１の一端側開口すなわち傾斜面９の第１主開口１１ａは、開口端に向かうに従って徐々に内径寸法が大きくなっている。主流路１１の他端側開口すなわち円柱面８での第２主開口１１ｂも、開口端に向かうに従って徐々に内径寸法が大きくなっている。

上端面には、Ｚ軸方向の下方側に向かってＹ軸方向に傾斜して延びる副流路１２がＸ軸方向に所定間隔で形成されている。副流路１２の一方（第１副流路１２Ａ）は第１主流路１１Ａに合流し、他方（第２副流路１２Ｂ）は第２主流路１１Ｂに合流している。各副流路１２の一端側開口すなわち上端面での第１副開口１２ａは、開口端に向かうに従って徐々に内径寸法が大きくなっている。副流路１２の他端側開口すなわち第２副開口１２ｂは主流路１１の第２主開口１１ｂに連通している。副流路１２の中心線とＸＹ平面とのなす角度（第２傾斜角θ２）は、４５度から７５度の範囲（ここでは、６０度）に設定されている。第２傾斜角θ２が４５度よりも小さいと、ヘッダ部５をＹ軸方向に長く形成せざるを得なくなり大型化が避けられない上、Ｙ軸に直交する流れに対して副流路１２内に十分に海水を取り込めなくなる。一方、第２傾斜角θ２が７５度よりも大きいと、主流路１１での軸心方向に向かう流れを形成しにくくなる。各副流路１２の内径寸法は、６ｍｍから１５ｍｍの範囲（ここでは、８ｍｍ）に設定されており、主流路１１よりも小さい値である。副流路１２を、上端面側から軸心方向に見たとき、副流路１２内に主流路１１を構成する内周面の一部が位置している。これにより、上端面側から副流路１２内に流入した液体は、一部が主流路１１を構成する内周面に衝突した後、残りは衝突することなくそのまま主流路１１の第２主開口から流出する。

底部６は、円盤状で、その外径寸法は胴部４の下端部４ｂの外径寸法と同一に設定されている。底部６の上面中央部には平面視円形状の凹部１３が形成されている。凹部１３の開口縁部からは上方に向かって環状の筒部１４が突出している。筒部１４の外周面には環状につながった溝部１５が設けられている。溝部１５には、図示しないＯリングが配置される。底部６は、筒部１４を胴部４の下端開口部４ｂに挿入され、ねじ止めされることにより筒部１４に取り付けられる。この状態では、Ｏリングによって封止状態が形成される。

センサ２は、第１主流路１１Ａ内に配置される電気導電度センサ１６と、第２主流路１１Ｂ内に配置される温度センサ１７とを含む。

電気導電度センサ１６は、第１主流路１１Ａ内の液体の電気導電度を検出し、検出値を制御部３へと出力する。検出された電気導電度は、液体に関するデータ（例えば、液体中の塩分濃度）を算出するために利用される。

温度センサ１７は、第２主流路１１Ｂ内の液体の温度を検出し、検出値を制御部３へと出力する。検出された温度は、電気導電度センサ１６から入力された電気導電度と塩分濃度との関係を補正するために利用される。

前記ヘッダ部５と前記センサ２とは、インサート成形によって一体的に形成される。このため、ヘッダ部５とセンサ２とが密着した状態となり、優れた防水機能を発揮する。また、ヘッダ部５は、複数の流路が形成されている構造であるにも拘わらず、それ以外の部分は中実な構造となっているため、十分な剛性を有する。

制御部３は、詳細については図示しないが、制御基板、電源及び送信機を備える。制御部は、胴部、ヘッダ部及び底部で囲まれた内部空間内に配置される。制御部３には、電気導電度センサ１６で検出された液体の電気導電度と、温度センサ１７で検出された温度とがそれぞれ入力される。入力された電気導電度と温度は記憶部にそれぞれ関連付けて記憶される。送信機には、ここではブルートゥースが使用されているが、これに限定されるものではない。記憶部に記憶した電気導電度と温度は、送信機を介して図示しない外部の制御装置へと出力される。

前記構成の水質検出装置は、胴部４の環状溝７に治具が取り付けられ、例えば、魚網に装着して使用される。このとき、水質検出装置のＹ軸方向が鉛直方向に合致し、Ｘ軸及びＺ軸が同一水平面内に位置するように装着する。水質検出装置は、魚網を海中に浸漬させて使用するが、使用状態において、水質検出装置に対する海水の相対的な流れは一方向とは限らず、種々の方向となる。

図４は、水質検出装置に対する海水の流れが鉛直方向上方（又は下方）に向かう場合を示す。これは主に、海水に対して水質検出装置を沈めていく場合（又は引き上げる場合）が該当する。すなわち、水質検出装置を実線の矢印Ｄで示す下方へと沈めていくと、この方向が主流路１１が延びる方向に合致し、海水は主流路１１内に直接流入することになる。この結果、主流路１１内を相対的に上方に向かう一点鎖線の矢印Ｕで示す海水の流れが発生する。つまり、主流路１１内ではＹ軸方向の海水の流れが形成される。

図５Ａは、水質検出装置に対する海水の流れが水質検出装置のヘッダ部５側から底部６側へと向かう第１Ｚ軸方向（図５Ａ中、矢印Ｚ１で示す。）の場合を示す。この場合、傾斜面９では、海水は主流路１１の第１主開口１１ａを介して主流路１１内へと流入する。また、上端面では、海水は副流路１２の第１副開口１２ａを介して副流路１２内へと流入する。副流路１２に流入した海水は、第２副開口１２ｂから流出する際、その一部が主流路１１を構成する内周面に衝突し、残りはそのまま主流路１１の第２主開口１１ｂから流出する。主流路１１の内周面に衝突した海水は、強制的に主流路１１に沿う方向へと方向変換される。方向変換された海水は、副流路１２を流動してそのまま第２主開口１１ｂから流出する流れに合流される。この副流路１２での一連の流れにより、主流路１１では、副流路１２との合流部分の上流側近傍ＮＰを負圧状態とすることができる。この結果、主流路１１では一点鎖線の矢印Ｕで示す第１Ｙ軸方向Ｙ１への海水の流れが形成される。

図５Ｂは、水質検出装置に対する海水の流れが水平方向で、水質検出装置のＹ軸方向の底部側からヘッダ部側へと向かう第２Ｚ軸方向（図５Ａ中、矢印Ｚ２で示す。）の場合を示す。この場合、傾斜面９側では、コアンダ効果によって第２Ｙ軸方向Ｙ２の流れが傾斜面９に沿った流れへと変換され、さらに主流路１１内へと導かれる。一方、傾斜面９とは反対側の円柱面８では、第２Ｙ軸方向Ｙ２の流れによりベルヌーイの定理に従って主流路１１の第２主開口の出口部分で負圧となる。このため、主流路１１では第１Ｙ軸方向Ｙ１へと向かう海水の流れが形成される。

図６は、水質検出装置に対する海水の流れが水平方向で、水質検出装置の第１Ｘ軸方向Ｘ１に沿う場合を示す。この場合、主流路１１の第１主開口を横切る流れは傾斜面９に沿って流動し、第２主開口を横切る流れは円柱面８に沿って流動する。このため、ベルヌーイの定理により第２主開口側で負圧となり、主流路１１では一点鎖線の矢印Ｕで示す第１Ｙ軸方向Ｙ１への海水の流れが形成される。なお、海水の流れが第１Ｘ軸方向Ｘ１方向とは反対の第２Ｘ軸方向Ｘ２であっても同様である。

以上、水質検出装置に対して互いに直交する３軸に沿った流れが発生する場合について説明したが、これら以外の流れについても同様に、前記各流れで説明した原理を組み合わせて主流路１１内での海水の流れが形成される。例えば、図４と図５Ａの間の流れである場合、すなわち図５Ａの右斜め上方に向かう流れの場合、副流路１２に海水がさらに流入しやすくなり、前記同様の原理により主流路１１での海水の流れが形成される。

このように、海水の種々の方向への流れ、特に、図４から図６に示す３軸方向の流れに対して主流路１１内での海水の流れを確実に形成することができるので、各センサ２による電気導電度と温度の検出を適切に行うことが可能となる。本実施形態では、魚網を引き上げる際、ブルートゥースによって外部の制御装置に記憶された電気導電度と温度を送信する。制御装置では、受信した電気導電度に基づいて海水の塩分濃度を算出し、温度に基づいて算出した塩分濃度を補正することにより、適切な塩分濃度を求める。

なお、本発明は、前記実施形態に記載された構成に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。

前記実施形態では、電気導電度センサ１６と温度センサ１７とをそれぞれ別の流路内に設けるようにしたが、同一の流路内に設けることもできる。これによれば、ほぼ同一条件下で、液体の電気導電度と温度を検出でき、温度の違いによる電気導電度と液体中の塩分濃度との関係を適切に補正することが可能となる。

前記実施形態では、水質検出装置を海水の塩分濃度を検出するために使用したが、他の用途に使用することもできる。例えば、他のセンサを設けて、液体のｐＨや液体の含有物の濃度等の検出を行うようにしてもよい。また、水質検出装置を使用するのは海洋に限らず、河川、湖、池等、淡水での水質検査にも利用することができるし、他の液体の液質検査にも利用することも可能である。

前記実施形態では、ヘッダ部５に第１面として傾斜面９を、第２面として円柱面８をそれぞれ形成するようにしたが、これに限らず種々の組み合わせが可能である。例えば、第１面を傾斜面９とする一方、第２面を半球面とした組み合わせで構成することもできる。要するに、横切る液体の流れに対し、一方の面に比べて他方の面での沿面距離が長くなり、開口での流速に差が生じるような外面形状の組み合わせであればよい。

本発明に係る液質検出装置は、海洋での海水の塩分濃度の検出等、液体に関するデータの検出全般に使用可能なものである。

１…装置本体
２…センサ
３…制御部
４…胴部
５…ヘッダ部
６…底部
７…環状溝
８…円柱面
９…傾斜面
１０…突部
１１…主流路
１１Ａ…第１主流路
１１Ｂ…第２主流路
１１ａ…第１主開口
１１ｂ…第２主開口
１２…副流路
１２Ａ…第１副流路
１２Ｂ…第２副流路
１２ａ…第１副開口
１２ｂ…第２副開口
１３…凹部
１４…筒部
１５…溝部
１６…電気導電度センサ
１７…温度センサ

Claims (8)

1. 直線状に延び、両端が外面に開口する主流路を有する装置本体と、
   前記主流路に配置され、前記主流路を流動する液体に関するデータを検出可能なセンサと、
   を備え、
   前記装置本体は、前記主流路に対して斜めに合流する副流路をさらに有する、液質検出装置。
2. 前記主流路は、互いに平行に配置される第１流路と第２流路とからなり、
   前記センサは、前記第１流路に配置される電気伝導度センサと、前記第２流路に配置される温度センサとからなる、請求項１に記載の液質検出装置。
3. 前記副流路は、内部を流動する液体が前記主流路に向かう際、一部が前記主流路を構成する内面に衝突した後、前記主流路の開口を介して流出可能であり、残りが前記主流路の開口を介してそのまま流出可能に形成されている、請求項１又は２に記載の液質検出装置。
4. 前記装置本体は、前記主流路の一端側の開口位置が平面状の第１面で構成され、前記主流路の他端側の開口位置が曲面状の第２面で構成されている、請求項１から３のいずれか１項に記載の液質検出装置。
5. 前記装置本体は、略円柱状のヘッダ部を備え、
   前記主流路及び前記副流路は、前記ヘッダ部に形成されており、
   前記第１面は、前記ヘッダ部の一端側から他端側に向かって斜めに延びる傾斜面で構成され、
   前記第２面は、前記第１面の反対側に位置する前記ヘッダ部の円柱面の一部で構成されている、請求項４に記載の液質検出装置。
6. 前記主流路は、開口端に向かって徐々に開口面積が大きくなる拡径部を有する、請求項１から５のいずれか１項に記載の液質検出装置。
7. 前記副流路は、開口端に向かって徐々に開口面積が大きくなる拡径部を有する、請求項１から６のいずれか１項に記載の液質検出装置。
8. 前記装置本体は、円筒状の胴部を備え、
   前記胴部には、制御部と通信部とが収容され、前記制御部は、前記センサでの検出信号を記憶し、前記通信部は、前記制御部によって無線により外部に検出信号を出力させる、請求項１から７のいずれか１項に記載の液質検出装置。

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