JP2023016388A - 液体の有無判定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】容器１８の半透明の壁に挟まれた領域に満たされた水１４または水溶液の有無を検出する。【解決手段】容器１８の一方の壁２０の外側面に近接するように、近赤外光を送信する送信機２４と受信機２６とを並べた、距離測定用の判定装置１２を配置する。送信機２４から上記の一方の壁２０を貫通して他方の壁２２に向かって送信された近赤外光の反射波を受信機２６で受信する。判定装置１２の測定可能最小値未満の値を示し続ける安定した状態のとき、水１４等が壁の間に満たされていると判定する。その他の状態のとき、水１４または水１４等が存在しないと判定する。【選択図】図１

Description

本発明は、容器の内部に収容された水等の液体の有無判定装置に関する。

様々な液体を連続的に供給したり保管したりする装置では、供給される液体を収容した容器内の液体の有無や減少を常時監視する必要がある。この目的のために、容器の内部の液体の有無やレベルを検出する技術が数多く紹介されている（特許文献１～４）。

特開２０１９－５２９４０号公報 特公昭６２－２０９３１７号公報 特開２０１２－７３０３３ 特開２００６－２２６７０９

上記の先行技術から、光学的な透過型あるいは反射型のセンサを使用する装置が比較的簡便で安定性があって多用されている。しかしながら、透明度の高い水や水溶液の検出の場合には工夫が必要になる。透過光も反射光も検出し難いことがある。また、半透明のプラスチック容器のような場合にはその部分で光が減衰し散乱をするので、壁の外側から正常な液面の透視検出が難しい。そのため、上記の特許文献のように、液面に対して容器の内部で上方から光を照射して反射信号をとらえるような工夫もされている。
例えば、点滴装置等のような医療機器では、その液量監視の信頼性がきわめて重視される。しかし、異物の混入防止上、容器の内部に検出器を設置することは難しい。
本発明では、半透明の容器に収容された水等の有無を確実に監視することができ、その原理を利用して透明度の高い容器に収容された水等の有無も監視することができる、比較的簡便で動作の信頼性の高い液体の有無判定装置を提供することを目的とする。

以下の構成はそれぞれ上記の課題を解決するための手段である。

＜構成１＞
容器の半透明の壁に挟まれた領域に満たされた水または水溶液の有無を検出するためのものであって、
上記の容器の一方の壁の外側面に近接するように、近赤外光を送信する送信機と受信機とを並べた送受信機を配置して、上記の送信機から上記の一方の半透明の壁を貫通して他方の半透明の壁に向かって送信された近赤外光の反射波を上記の受信機で受信して、送信をした近赤外光と受信をした近赤外光を相対的に比較して、上記の送受信機から対象物までの距離を算出して出力する測定部と、
上記の送受信機の測定可能最小値未満である旨の表示を示し続ける安定した状態のとき、上記の水または水溶液が上記の半透明の壁の間に満たされていると判定し、上記の測定部の出力が安定することが無い状態かあるいは、上記以外の値を示す状態のとき、上記の水または水溶液が上記の半透明の壁の間に存在しないと判定する判定部を有することを特徴とする液体の有無判定装置。

＜構成２＞
容器の透明の壁に挟まれた領域に満たされた水または水溶液の有無を検出するためのものであって、
上記の容器の一方の壁の外側面に、半透明板を介して近接するように、近赤外光を送信する送信機と受信機とを並べた送受信機を配置して、上記の送信機から上記の一方の半透明の壁を貫通して他方の半透明の壁に向かって送信された近赤外光の反射波を上記の受信機で受信して、送信をした近赤外光と受信をした近赤外光を相対的に比較して、上記の送受信機から対象物までの距離を算出して出力する測定部と、
上記の送受信機の測定可能最小値未満である旨の表示を示し続ける安定した状態のとき、上記の水または水溶液が上記の半透明の壁の間に満たされていると判定し、上記の測定部の出力が安定することが無い状態かあるいは、上記以外の表示を示す状態のとき、上記の水または水溶液が上記の半透明の壁の間に存在しないと判定する判定部を有することを特徴とする液体の有無判定装置。

＜構成３＞
上記の一方の半透明の壁から他方の半透明の壁との間隔が、上記の送受信機の正常な距離測定範囲未満であることを特徴とする構成１に記載の液体の有無判定装置。

＜構成４＞
上記の半透明の壁の光に対するヘイズ値が５以上１５以下であることを特徴とする構成１に記載の液体の有無判定装置。

近赤外線を使用する距離測定用の装置を利用し、その距離測定可能範囲外の特性を生かして、半透明の壁を持つ容器に収容された水や水溶液の有無を確実に判定することができる。さらに、透明の壁に重ねて半透明の壁を付加すると、同じ原理で透明容器に収容された水や水溶液の有無を確実に判定することができる。

（ａ）は本発明の液体の有無判定装置の機能ブロック図、（ｂ）は容器に水等が有る場合、（ｃ）は容器に水等が無い場合の動作説明図である。 本発明の実施に適する容器の形状の説明図で、（ａ）は輸液バックの正面図、（ｂ）は水等を収容する一般的な容器の斜視図である。 本発明の装置の動作を実証するための実験例説明図である。

以下、本発明の実施の形態を実施例毎に詳細に説明する。

図１の実施例で、図２（ａ）に示したような点滴用の輸液バック３６の下端にある管状の部分に本発明の液体の有無判定装置を装着して、内部の輸液の有無を判定する動作を説明する。この実施例では、図１（ｂ）や（ｃ）に示したように、容器１８の半透明の壁に挟まれた領域に満たされた輸液（水１４または水溶液）の有無を検出する。この容器１８は輸液バック３６の一部で、全体は透明度の高い樹脂製で、その下端にある管状の部分が半透明になっている。この部分は輸液バック３６に点滴用のチューブを接続するための接続部３８である。その上方には判定装置を装着する適当な場所が無いので、この部分で、輸液バック３６に輸液が満たされているかどうか、輸液が無くなったかどうかを判定する。

図１（ａ）に示すように、判定装置１２は、送信機２４と受信機２６のほかに、測定部２８と表示部３０と判定部３２と通信部３４とを備えている。送信機２４は近赤外線ビーム１６を送信する装置である。受信機２６は反射をして戻ってきた近赤外線ビーム１６を受信する装置である。

測定部２８は、送信をした近赤外光と受信をした近赤外光を相対的に比較して、上記の送受信機から対象物までの距離を算出して出力する装置である。近赤外光を使用した距離測定用のデバイス（ＰＳＤ）は広く市販されている。例えば反射光の結像位置を距離に換算するものや信号送信から信号受信までの時間差を距離に換算するものがある。本発明では、送信をした近赤外光と受信をした近赤外光を相対的に比較して、上記の送受信機から対象物までの距離を算出するものであれば、いずれの方式のものでも採用できる。

この種の装置では一般に、送受信する近赤外光の波長は８００～１２００ｎｍのものが使用されている。太陽光ノイズの影響を受けない８４０～９６０ｎｍのものが適し、本発明が利用する半透明の壁の作用もこの範囲の近赤外光を使用するのが最も効果的である。送受信機の構造上の制約と近赤外光の性質上、その距離測定可能範囲は、数センチメートルから数メートルである。

表示部３０は、測定部２８で測定した距離を数値表示する液晶ディスプレイ等である。判定部３２は、表示部３０の状態から、後で説明する要領で壁の間に輸液が満たされているかどうかを判定する部分である。測定部２８の測定結果をそのまま解釈して判定ができるようであれば、表示部３０は不要である。通信部３４は、判定部３２の判定結果を判定装置１２から離れた場所にある監視装置等に電波等により通知する機能を持つ。

図１（ｂ）や（ｃ）に示すように、上記の判定装置１２を、容器１８の一方の壁２０の外側面に近接するように、近赤外光を送信する送信機２４と受信機２６とを横に並べた状態で配置する。送信機２４から上記の一方の壁２０を貫通して他方の壁２２に向かって送信された近赤外光の反射波が受信機２６で受信される。

（装置の動作）
上記の判定装置１２は、距離測定可能範囲である約５ｃｍ～１ｍ程度の範囲にある物体までの距離を測定するために使用される。しかしながら、本発明では、この判定装置１２の距離測定可能範囲を外れた場合の動作を有効に利用する。

図１の（ｂ）は容器１８の一方の壁２０と他方の壁２２の間の領域に水等（輸液）が満たされている状態での動作を示す。以下、水等（輸液）のことを単に水１４として説明をする。送信機２４から送信された近赤外線ビーム１６は、一方の壁２０に入射したときに大きく散乱して、水１４に入射するまでに相当量減衰をする。その結果、一部の近赤外光が一方の半透明の壁２０を貫通して他方の半透明の壁２２に達したとしても、その壁２２からの反射光は水１４の内部を往復するときにさらに減衰する。

その結果、受信機２６は検出可能な強度の信号を受信できない。従って、一方の壁２０の内部で乱反射した信号のみが受信機２６に受信される。しかしながら、この場合は距離測定可能範囲の最小値未満であって、測定部２８の出力は測定不能を示す文字もしくはゼロ等の最小値を出力する。即ち、表示部３０は測定可能最小値未満である旨の表示を示し続け、他の信号が入力しないからそのまま安定した状態になる。

最小値未満である旨の表示は、例えば、測定不能を示すＬＥＤランプを連続点灯表示してもよい。こうすれば、判定装置１２を目視しても利用者は容器１８に水１４が満たされていると理解できる。いずれにしても、この場合には、判定装置１２は、一定の安定した表示を示し続ける。そこで、判定部３２は、水１４等が壁の間に満たされていると判定し、その結果が出力される。

次に、上記の水または水溶液が存在しない場合の動作を説明する。図１（ｃ）に示すように、一方の壁２０を貫通した近赤外線ビーム１６は、途中の空の領域を通って反対側の他方の壁２２に到達する。その近赤外線ビーム１６の一部は他方の壁２２を透過して外部に発散する。しかし、他方の壁２２の内部で減衰するもののほか、その一部は容器１８の内部に向けて反射する。水１４が無いため、容器の内部で複雑に乱反射した反射光が一方の壁２０を通過して受信機２６に達する。

入射角も送信からの到達時間も様々な反射信号が測定部２８に入力する。例えば、輸液バック３６の下端の管状部分の直径は１～２ｃｍである。従って、一方の壁２０を貫通して２他方の壁２２で反射してまっすぐに受信機２６に入射する信号の経路は正常に測定可能な範囲未満である。しかし、容器１８の内部を複数回反射して受信機２６に到達する信号は正常に測定可能な範囲になる。測定部２８はこれを計測する。次々に入射する信号がそれぞれ全く別の経路をたどるため、測定部２８は複数の不特定の値を算出して表示部３０に表示する。この状態を判定部３２が検出して、水または水溶液が上記の半透明の壁の間に存在しないと判定する。

即ち、一方の壁２０と他方の壁２２の間隔が判定装置１２の距離測定可能範囲未満であっても、上記のように容器の内部の水等の有無を明確に判定することができる。この距離測定値がふらつく現象は、図１に示すように、送信機２４から送信される近赤外線ビーム１６がある程度のビーム広がりをもって送信される場合に生じる。レーザービームのように細く直線的にビームを絞りこんだ場合は生じ難い。

また、本発明のように近赤外線を使用した距離測定装置で容器内の水等の有無判定が確実にできるのは、容器が半透明の壁を有している場合に限られる。この半透明の壁は、近赤外線のビームを適度に広げるように散乱させるためと考えられる。この半透明の程度は、ヘイズ値で表すことができる。上記の実施例に適する半透明の壁のヘイズ値は５パーセント以上１５パーセント以下である。拡散透過光の全光線透過光に対する割合であって、ちょうど、半透明のポリエチレン容器がこれに該当する。ポリプロピレンの容器はヘイズ値が２程度でかなり透明度が高い。その場合には、以下で説明するように、容器の壁に半透明板を付加するようにして、本発明の装置を使用することができる。

（実験例）
本発明の装置の動作を確認するために図３の（ａ）～（ｄ）に示すような実験を行った。まず、（ａ）のように、透明度の高い壁を２枚並べて、一方の壁２０から５ｃｍ以上離れた場所に判定装置１２を配置した。一方の壁２０と他方の壁２２の間隔を、距離測定可能範囲を十分越える１０ｃｍとした。

この状態で判定装置１２を動作させると、判定装置１２と一方の壁２０の透明度が十分に高い材料の場合には、水がある場合も無い場合も、壁２０までの距離かあるいは壁２２までの距離の測定値が得られ、水等の有無判断が難しい。この状態では、判定装置１２と一方の壁２０が半透明の場合には、壁２０から判定装置１２までの距離測定値が得られる。判定装置１２と他方の壁２２の間に水等が存在する場合も存在しない場合も測定値の違いがあらわれない。

次に（ｂ）のように判定装置１２を一方の壁２０に近接配置して、一方の壁２０も他方の壁２２も透明度が十分に高い材料を使用してみる。一方の壁２０と他方の壁２２の間に水等が存在する場合もしない場合も、一定以上のレベルの反射光が受信され、他方の壁２２までの距離が測定される。即ち、水等が有る場合の判定ができない。一方、（ｃ）のように、透明な一方の壁２０に半透明板４０をかさねて、近赤外線ビーム１６を半透明板４０を介して一方の壁２０と他方の壁２２の間に送信すると、上記の実施例と同様の動作がみられた。

即ち、近赤外線ビーム１６が半透明板４０によってビームを広げられ拡散させられ、水等があると、水等の中を通過した反射光もここで拡散されて減衰することによって、半透明板４０内部で乱反射した信号のみが受信機２６に受信される。従って、測定部２８の出力は測定不能を示す文字もしくはゼロ等の最小値を出力し、そのまま安定した状態になる。これで水等の有ることを判定できる。水等が無いときは、他方の壁２２からの反射信号や容器内部での乱反射信号を受信して、不特定な距離測定値が得られる。このときは、水等が無いと判定できる。

即ち、この図の（ｃ）のように、透明容器の水等の有無を検出する場合には、その容器の壁の透明度に応じて装置が最も安定に動作するように、半透明板４０の厚さを選定するとよい。半透明板のヘイズ値は５パーセント以上１５パーセント以下のものであることが望ましい。これ以上透明度が高いと図３（ａ）や（ｂ）に示すように水等が存在するときに、安定した状態にならない。透明度が低すぎると有効なレベルの反射信号が得られない。

図３（ｄ）では、上記のような半透明の一方の壁２０と他方の壁２２に挟まれた領域の広さを変化させて、装置の動作を確認した。水等が有るときは、領域の間隔が１ｃｍの場合から１０ｃｍの場合まで、測定部２８の出力は測定不能を示す文字もしくはゼロ等の最小値を出力し、そのまま安定した状態か得られた。水等が無いときは何らかの距離測定値が得られ、水等が無いときと明確に区別することができた。

水または水溶液の濃度や容器の壁の厚さ等、装置の動作条件に影響を及ぼすファクターは様々であるが、上記のような試験により水等の有る場合と無い場合の違いが明確になるように動作条件や適用対象を選定することにより、安価な装置で簡便に安定に水等の有無検出と監視をすることが可能になる。

１２ 判定装置
１４ 水
１６ 近赤外線ビーム
１８ 容器
２０ 一方の壁
２２ 他方の壁
２４ 送信機
２６ 受信機
２８ 測定部
３０ 表示部
３２ 判定部
３４ 通信部
３６ 輸液バック
３８ 接続部
４０ 半透明板

Claims (4)

1. 容器の半透明の壁に挟まれた領域に満たされた水または水溶液の有無を検出するためのものであって、
   上記の容器の一方の壁の外側面に近接するように、近赤外光を送信する送信機と受信機とを並べた送受信機を配置して、上記の送信機から上記の一方の半透明の壁を貫通して他方の半透明の壁に向かって送信された近赤外光の反射波を上記の受信機で受信して、送信をした近赤外光と受信をした近赤外光を相対的に比較して、上記の送受信機から対象物までの距離を算出して出力する測定部と、
   上記の送受信機の測定可能最小値未満である旨の表示を示し続ける安定した状態のとき、上記の水または水溶液が上記の半透明の壁の間に満たされていると判定し、上記の測定部の出力が安定することが無い状態かあるいは、上記以外の値を示す状態のとき、上記の水または水溶液が上記の半透明の壁の間に存在しないと判定する判定部を有することを特徴とする液体の有無判定装置。
2. 容器の透明の壁に挟まれた領域に満たされた水または水溶液の有無を検出するためのものであって、
   上記の容器の一方の壁の外側面に、半透明板を介して近接するように、近赤外光を送信する送信機と受信機とを並べた送受信機を配置して、上記の送信機から上記の一方の半透明の壁を貫通して他方の半透明の壁に向かって送信された近赤外光の反射波を上記の受信機で受信して、送信をした近赤外光と受信をした近赤外光を相対的に比較して、上記の送受信機から対象物までの距離を算出して出力する測定部と、
   上記の送受信機の測定可能最小値未満である旨の表示を示し続ける安定した状態のとき、上記の水または水溶液が上記の半透明の壁の間に満たされていると判定し、上記の測定部の出力が安定することが無い状態かあるいは、上記以外の表示を示す状態のとき、上記の水または水溶液が上記の半透明の壁の間に存在しないと判定する判定部を有することを特徴とする液体の有無判定装置。
3. 上記の一方の半透明の壁から他方の半透明の壁との間隔が、上記の送受信機の正常な距離測定範囲未満であることを特徴とする請求項１に記載の液体の有無判定装置。
4. 上記の半透明の壁の光に対するヘイズ値が５パーセント以上１５パーセント以下であることを特徴とする請求項１に記載の液体の有無判定装置。

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