JP2023029252A - 泡検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】液質確認のために泡を検出することができる泡検出装置を提供する。
【解決手段】泡検出装置１００は、第１容器２０及び泡発生部２１を有する泡発生ユニット２と、第２容器３０及び泡検出部３１を有する泡検出ユニット３と、第１容器２０と第２容器３０を接続する接続管４とを備える。泡発生部２１は、第１容器２０に収容された液体に泡を発生させる。第２容器３０は第１容器２０から接続管４を通って流れてきた液体を収容する。泡検出部３１は、第２容器３０に収容された液体に浸る伝搬体５０に表面波Ｗを発生させ、反射した表面波Ｗを検出し、検出した表面波Ｗに基づいて第２容器３０に収容された液体に泡が発生していることを検出する。
【選択図】図１

Description

本開示は、泡検出装置に関する。

例えば、特許文献１には、液体中に超音波を発信し、この液体を通過してきた超音波を受信し、超音波の受信強度の減衰により液体中の泡を検出する泡検出装置が記載されている。この泡検出装置は、液体を収容する１つの容器に超音波発信器及び受信器が設けられるとともに、当該容器の中に発泡板が設けられた構造を有する（特許文献１の図２を参照）。

特開２００２－２３６１１１号公報

特許文献１に記載の装置は、構造上、一時的な空気の混入により発生する泡と、例えば界面活性剤が液体に含まれていることで発生する泡とを区別なく検出する。したがって、特許文献１に記載の装置は、液体に界面活性剤などの成分が含まれているかの確認（液質確認）に適していない。

本開示は、上記実情に鑑みてなされたものであり、液質確認のために泡を検出することができる泡検出装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本開示に係る泡検出装置は、
供給された液体を収容する第１容器、及び、前記第１容器に収容された液体に泡を発生させる泡発生部を有する泡発生ユニットと、
前記第１容器から流れてきた液体を収容する第２容器、及び、前記第２容器に収容された液体に泡が発生していることを検出する泡検出部を有する泡検出ユニットと、
前記第１容器と前記第２容器を接続し、前記第１容器から前記第２容器へ流れる液体が通る接続管と、を備え、
前記泡検出部は、前記第２容器に収容された液体に浸る伝搬体に表面波を発生させ、反射した前記表面波を検出し、検出した前記表面波に基づいて前記第２容器に収容された液体に泡が発生していることを検出する。

本開示によれば、液質確認のために泡を検出することができる。

本開示の一実施形態に係る泡検出装置の構成を示す図。 表面波シグナルの第１の経時変化例を示す図。 表面波シグナルの第２の経時変化例を示す図。 変形例に係る泡検出装置の構成を示す図。 変形例に係る導入管の上面図。

本開示の一実施形態について図面を参照して説明する。

図１に示す泡検出装置１００は、例えば、工場に設置され、排水又は用水の液質（水質）確認のために泡を検出する。界面活性剤が含まれた排水又は用水が工場外部に流出すると環境の観点から好ましくない。このような流出を未然に防止するために、この実施形態では、排水又は用水に生じ得る泡を泡検出装置１００で検出する。

泡検出装置１００は、ポンプ１と、第１容器２０を有する泡発生ユニット２と、第２容器３０を有する泡検出ユニット３と、第１容器２０及び第２容器３０を接続する接続管４と、を備える。

ポンプ１は、工場の排水路又は用水路から汲み上げた水を第１容器２０に供給する。

泡発生ユニット２は、ポンプ１から供給された水を収容する第１容器２０と、第１容器２０に収容された水に泡を発生させる泡発生部２１とを有する。泡発生部２１は、ポンプ等から構成され、空気等の気体を圧送することで第１容器２０に収容された水に泡を発生させる。なお、泡発生部２１が圧送する気体は空気以外であってもよい。また、泡発生部２１は、攪拌翼を備えたモータ等から構成され、攪拌によって第１容器２０に収容された水に泡を発生させてもよい。

泡検出ユニット３は、第１容器２０から接続管４を通って流れてきた水を収容する第２容器３０と、第２容器３０に収容された水の中の泡を検出する泡検出部３１とを有する。泡検出部３１については後述する。なお、第２容器３０には、排水口３０ａが設けられている。

接続管４は、第１容器２０と第２容器３０の間に、第１容器２０から第２容器３０に向かって斜め上方に延びる格好で設けられる。そして、接続管４の一端４ａである第２容器３０との接続箇所は、他端４ｂである第１容器２０の接続箇所よりも上方に位置する。図中、接続管４内の矢印は、水の移動方向Ｍである。なお、接続管４の他端４ｂは、第１容器２０に収容される水の水面よりも十分に低い箇所に位置し、例えば、第１容器２０の底部の近くに位置することが好ましい。また、接続管４は、剛性が高い材料で形成されてもよいし、可撓性を有する材料で形成されてもよい。

ここで、第１容器２０に収容されている水に、界面活性剤が含まれていない、又は、含まれていても微量である第１の場合には、泡発生ユニット２が第１容器２０の水中に発生させた泡は、浮力により第１容器２０の上方に移動して順次消失していく。そのため、第１の場合では、接続管４を通って第２容器３０に移送される水に顕著な泡は含まれない。

一方、水に界面活性剤が含まれている第２の場合には、泡発生ユニット２が第１容器２０内の水に発生させた泡のうち、界面活性剤に起因しない泡は第１の場合と同様に順次消失していくが、界面活性剤によって膜が強化された泡は、簡単には消失しない。そのため、第２の場合では、界面活性剤に起因する泡を含んだ水が接続管４を通って第２容器３０に移送される。このとき、上記の接続管４の構造により、界面活性剤に起因する泡は第２容器３０に効率良く移送される。なお、第１容器２０に水が供給される際の水圧、及び大気圧によって、水は第１容器２０から第２容器３０へと流れていく。

本実施形態では、このように、界面活性剤を含みうる水を泡発生ユニット２で予め泡立てておき、泡検出ユニット３で泡の有無を検出することにより、工場から流出した場合に問題となる虞のある水の水質を確認する。

泡検出部３１は、泡センサ５と、制御部６とを備える。泡センサ５は、伝搬体５０と、圧電素子５１と、カバー５２とを備える。

伝搬体５０は、図１の上下方向に長尺の柱状部分を有し、例えば、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）などの合成樹脂から形成されている。伝搬体５０は、第２容器３０に収容された水の深さ方向に沿って設けられるとともに、先端から第２容器３０に収容された水に浸るように設けられる。伝搬体５０は、圧電素子５１の駆動によって発生する表面波Ｗが伝搬する主要部分である伝搬面５０ａを有する。伝搬面５０ａは、伝搬体５０の長手方向（図１の上下方向）に延びる帯状をなす。この実施形態では一例として、伝搬体５０は、概ね四角柱状に形成され、側面に凹んで設けられた帯状部分に伝搬面５０ａが形成される。これにより、表面波Ｗを伝搬面５０ａに集中させることができ、結果として表面波Ｗを良好に検出できる。伝搬体５０の先端は、表面波Ｗが反射する反射部５０ｂとして機能する。伝搬体５０の基端には圧電素子５１が設けられる。

圧電素子５１は、公知の超音波トランスデューサから構成され、伝搬体５０に振動を与えて表面波Ｗを発生させる。また、圧電素子５１は、反射部５０ｂで反射した表面波Ｗを検出し、検出結果を示す検出信号（電圧信号）を出力する。例えば、表面波Ｗは、空気中ではレイリー波であり、液体中ではシュルツ波である。例えば、圧電素子５１は、後述の出力端子を介して制御部６と電気的に接続される。

カバー５２は、例えば合成樹脂により形成され、伝搬体５０の基端及び該基端に設けられる圧電素子５１を覆って設けられる。カバー５２は、第２容器３０の図示せぬ天板等に固定される。また、カバー５２は、図示しない出力端子を露出させる部分を有する。例えば、カバー５２の内部には、圧電素子５１及び出力端子の各々と電気的に接続され、後述の送信回路、受信回路などが形成された図示しないＰＣＢ（Printed Circuit Board）が収容される。

制御部６は、例えばマイクロコンピュータから構成され、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等を備える。制御部６は、圧電素子５１が検出した表面波Ｗに基づいて第２容器３０に収容された液体に泡が発生していることを検出する。ＰＣＢの送信回路は、制御部６の制御により、圧電素子５１に駆動信号を送信して圧電素子５１を駆動する。この結果、伝搬体５０に表面波Ｗが発生する。ＰＣＢの受信回路は、反射した表面波Ｗ（以下、反射波）を示す検出信号を圧電素子５１から受信し、検出信号に応じた値を制御部６に送信する。なお、送信回路及び受信回路は、制御部６に備えられていてもよい。また、制御部６の少なくとも一部の機能を、カバー５２の内部に設けられたＰＣＢに実装してもよい。

図２は、第２容器３０に収容された水が純水であり、泡が発生していない場合における表面波Ｗに応じた電圧信号（表面波シグナル）の第１の経時変化例を示す。図中の検出タイミングＤは、圧電素子５１が反射波を検出したタイミングを示す。制御部６は、表面波シグナルの値が予めＲＯＭに記憶された閾値Ｔ以上である場合に、第２容器３０に収容されている水に泡が発生していないと判別する。

図３は、第２容器３０に収容された水が１ｐｐｍの界面活性剤を含み、発生した泡が泡センサ５の伝搬体５０に付着した場合における表面波シグナルの第２の経時変化例を示す。図中の検出タイミングＤは、圧電素子５１が反射波を検出したタイミングを示す。泡が伝搬体５０に付着した場合、伝搬体５０に付着していない場合よりも表面波シグナルの値が十分に低下する。この性質を利用して、制御部６は、表面波シグナルの値が閾値Ｔ未満である場合に、第２容器３０に収容されている水に泡が発生していると判別する。つまり、この場合、制御部６は、泡の発生を検出する。なお、閾値Ｔの設定は任意であり、実験、シミュレーション等を経て定めた、泡の発生の検出に適した値を閾値Ｔとすればよい。

制御部６で泡が検出されたということは、工場の排水路又は用水路から汲み上げられ、第１容器２０から第２容器３０に流れてきた水に界面活性剤が含まれていることを意味する。したがって、第２容器３０で泡が検出された水質に問題があることを把握できる。

例えば、次に述べるように、以上で説明した泡検出装置１００を、水質確認システムの一部として用いることができる。この水質確認システムは、泡検出装置１００の他に、監視用コンピュータと、泡検出装置１００と監視用コンピュータの間の通信を可能とするネットワークとを備える。泡検出装置１００の制御部６は、表面波波形のデータ、泡の発生有無のデータ等を、無線又は有線によるネットワークを介して監視用コンピュータに送信する。監視用コンピュータは、泡検出装置１００と離れた場所において遠隔監視可能であってもよい。作業員は、監視用コンピュータによって、泡検出装置１００に流れこむ排水又は用水の水質を確認することができる。

例えば、第２容器３０の排水口３０ａには、工場の外部へ排水するための排水流路と、水質改善システムへ繋がる流路とに、排水先を切り替える切替制御弁が設けられていてもよい。泡検出装置１００の制御部６が泡の発生を検出していない場合は、泡検出装置１００から排水流路にそのまま水を流せばよい。一方、制御部６が泡の発生を検出した場合、切替制御弁によって排水先を水質改善システムに切り替えればよい。そして、その水質改善システムで、界面活性剤の除去などの水質改善の措置を施した上で、水を工場外部に排出すればよい。切替制御弁は、前述の監視用コンピュータによって遠隔制御可能であってもよい。

続いて、泡検出装置１００の一部を変形した変形例に係る泡検出装置２００を説明する。以下では、上記実施形態と同様の機能を持つ各構成については、上記実施形態と同一の符号を用いると共に説明を適宜省略する。以下では、上記実施形態と異なる点を主に述べる。

（変形例）
変形例に係る泡検出装置２００は、図４に示すように、ポンプ１、泡発生ユニット２、泡検出ユニット３及び接続管４に加え、伝搬体カバー７を備える。

変形例に係る泡発生ユニット２は、第１容器２０及び泡発生部２１に加え、ポンプ１が汲み上げた水を第１容器２０に導く導入管２２を有する。導入管２２は、ポンプ１と第１容器２０とを連結し、例えばＬ字状に形成される。例えば、導入管２２は、一方の開口端が水平方向に向きポンプ１と接続され、他方の開口端が鉛直方向に向き第１容器２０と接続されている。

変形例に係る泡発生部２１は、ポンプから空気等の気体を圧送する圧送管を有する。この圧送管は、例えば鉛直方向に沿って延び、導入管２２の天面部分を貫通すると共に、導入管２２に固定されている。ポンプ１から導入管２２に導かれる水は、泡発生部２１の圧送管と、導入管２２との間を通って第１容器２０に流れ込み、収容される。

泡発生部２１の圧送管は、第１容器２０に収容された水の水面に空気を吹きかけることにより、第１容器２０に収容された水に泡を発生させる。なお、第１容器２０に収容された液体（水）に泡を発生させるとは、ポンプ１から第１容器２０へ流れていく水に泡を発生させ、その泡が発生した水が第１容器２０に収容される事も含む。

導入管２２には、導入管２２及び第１容器２０の内圧が上昇することを抑制するための空気孔２２ａが形成されている。例えば、空気孔２２ａは、導入管２２の天面部分に形成されている。図５は、導入管２２の上面図を、泡発生部２１の圧送管と共に示した図である。図５に示すように、空気孔２２ａは、５つ設けられ、導入管２２を中心とする半円弧に沿って配置される。なお、空気孔２２ａは、これら５つの孔を繋げた態様の、半円弧状の単一の孔であってもよい。また、空気孔２２ａの形状、個数及び配置箇所は、導入管２２及び第１容器２０の中の空気を、導入管２２の外に逃がすことができれば任意である。

変形例に係る接続管４は、逆サイフォンの原理を利用して液体（水）を第１容器２０から第２容器３０に移送する。ここで、逆サイフォンの原理とは、管を利用して、液体を出発地点から目的地点まで、出発地点よりも低い地点を通って導く原理をいう。逆サイフォンの効果を生じさせるには、出発地点の液面レベルが目的地点の液面レベルよりも高い位置にある必要がある。高低差によって、位置エネルギーの差が生じて出発地点の液体が目的地点へ移動する。具体的には、第１容器２０に収容された水の水面が、第２容器３０に収容された水の水面よりも上方に位置すればよい。例えば、図４に示すように、第１容器２０は、第２容器３０よりも上方に設置される。

一例として、変形例に係る接続管４は、Ｕ字状をなすと共に、一端４ａが第２容器３０の底部に接続され、他端４ｂが第１容器２０の底部に接続されている、なお、逆サイフォンの原理を利用して液体（水）を第１容器２０から第２容器３０に移送することができる限りにおいては、接続管４の第１容器２０及び第２容器３０への接続態様、及び、接続管４の形状は任意に変更可能である。

伝搬体カバー７は、伝搬体５０のうち、少なくとも反射部５０ｂを覆う。例えば、伝搬体カバー７は、有底の筒状をなし、伝搬体５０の先端部分に被せられる。これにより、表面波Ｗが反射する反射部５０ｂに泡が付着することを抑制でき、その結果として、表面波Ｗをより良好に検出でき、泡の発生の誤検知を防ぐことができる。伝搬体カバー７は、例えば、樹脂から形成されればよい。また、伝搬体カバー７は、有底の円筒状であってもよいし、有底の角筒状であってもよい。

伝搬体カバー７は、その固定態様については図示省略するが、例えば、伝搬体５０において伝搬面５０ａが形成されていない部分に嵌め合わされて固定されている。例えば、伝搬体カバー７は、伝搬体５０の図４における左右の側面に固定される。このように、伝搬面５０ａを避けた部分に伝搬体カバー７を取り付けることで、泡の検出に必要な表面波Ｗの発生を妨げることを防ぐことができる。なお、伝搬体カバー７は、第２容器３０の内面に設けられた接続部材を介して、第２容器３０に固定されていてもよい。このように、第２容器３０に収容された水の中の泡の検出を妨げない限りにおいては、伝搬体カバー７は第２容器３０に固定されていてもよい。

なお、本開示は以上の実施形態、変形例及び図面によって限定されるものではない。本開示の要旨を変更しない範囲で適宜の変更（構成要素の削除も含む）を加えることが可能である。

以上では、液体が水である例を示したが、以上の手法で泡を検出可能な限りにおいては、液体は水以外の液体であってもよい。

泡検出装置１００，２００を構成する各部の材質、大きさ、形状は、以上の手法で泡を検出可能な限りにおいては任意であり、限定されない。例えば、図１では接続管４が直線状に延びる例を示したが、接続管４は曲線状に延びていてもよい。また、伝搬体５０の形状も、泡センサ５によって泡を検出できる限りにおいては任意である。

以上では、第２容器３０の液体中に発生した泡が伝搬体５０に付着した場合には、泡が付着していない場合よりも表面波シグナルの値が低下する性質を利用して泡を検出したが、泡の検出手法はこれに限られない。第２容器３０の液体中に発生した泡は、浮力によりいずれ液面に貯まっていくが、泡検出部３１は、液面に泡が発生している場合には、泡が発生していない場合よりも表面波Ｗの伝搬時間（表面波Ｗを発生させてから、反射した表面波Ｗを検出するまでの時間）が大きくなる（つまり、表面波Ｗの伝搬速度が遅くなる）という性質を利用して泡を検出してもよい。このように、伝搬体５０を伝搬する表面波Ｗの性質を利用した検出手法であれば、泡の検出手法は任意である。

図１及び図４では、伝搬体５０が液体の深さ方向に沿って設けられる例を示したが、泡検出部３１で泡を検出可能で、且つ、伝搬面５０ａが液体に浸っている限りにおいては、伝搬体５０の姿勢は任意であり、限定されるものではない。

伝搬体５０の材質は、表面波Ｗが良好に伝搬できるものであれば任意である。例えば、伝搬体５０として使用される樹脂は、ＰＰＳに限られず、ＰＯＭ（ポリアセタール）、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）等であってもよい。

以上の手法で泡を検出することができる限りにおいては、表面波Ｗの種類は任意である。以上では、表面波Ｗが超音波（例えば、２０ＫＨｚ以上の音波であればよい。）のパルス（超音波パルス）である例を説明したが、例えば、表面波Ｗは、超音波よりも低い周波数の音波であってもよい。また、表面波Ｗは、漏洩レイリー波、横波型弾性表面波（ＳＨ－ＳＡＷ）等であってもよい。

（１）以上に説明した泡検出装置１００，２００は、第１容器２０及び泡発生部２１を有する泡発生ユニット２と、第２容器３０及び泡検出部３１を有する泡検出ユニット３と、第１容器２０と第２容器３０を接続する接続管４と、を備える。泡検出部３１は、第２容器３０に収容された液体に浸る伝搬体５０に表面波Ｗを発生させ、反射した表面波Ｗを検出し、検出した表面波Ｗに基づいて第２容器３０に収容された液体に泡が発生していることを検出する。
上記（１）の構成によれば、泡発生ユニット２の第１容器２０と、泡検出ユニット３の第２容器３０とが、接続管４を介して別室に構成されているため、液体に界面活性剤が含まれていた場合、界面活性剤によって膜が強化された泡を第２容器３０へ送りつつも、界面活性剤に起因しない泡を第１容器２０で消失させることができる。これにより、第２容器３０で界面活性剤に起因する泡が生じていた場合に、その泡を良好に検出できる。したがって、泡検出装置１００は、液質確認のために泡を検出することができる。

（２）具体的に、泡検出部３１は、第１容器２０から第２容器３０に流れてきて第２容器３０に収容された液体に界面活性剤が含まれていた場合に、界面活性剤によって発生した泡を検出する。

（３）また、接続管４の第２容器３０との接続箇所は、接続管４の第１容器２０との接続箇所よりも上方に位置する。
上記（３）の構成により、液体に界面活性剤が含まれていた場合、界面活性剤によって膜が強化された泡を、第２容器３０へ効率的に移動させることができる。ここで、液体は第１容器２０から第２容器３０へ流れるとともに、その液体に含まれ、界面活性剤によって膜が強化された泡は浮力によって上方に移動する。この泡を含んだ液体の流れを妨げない接続管４を設けることで、界面活性剤によって膜が強化された泡を、第２容器３０へ効率的に移動させることができる。

（４）泡発生部２１は、気体の圧送、又は、攪拌によって第１容器２０に収容された液体に泡を発生させる。
上記（４）の構成により、泡検出部３１における泡の検出に十分な泡を発生させることができる。ここで、泡発生部２１を設けないと液体に界面活性剤が含まれていた場合であっても泡検出部３１で検出可能な泡が発生しない虞があるが、上記の泡発生部２１によって泡検出部３１の検出に必要な泡を良好に発生させることができる。

（５）変形例として、接続管４は、逆サイフォンの原理を利用して液体を第１容器２０から第２容器３０に移送してもよい。

（６）泡検出装置１００，２００は、伝搬体５０のうち、少なくとも反射部５０ｂを覆う伝搬体カバー７をさらに備えていてもよい。
上記（６）の構成により、反射部５０ｂに泡が付着することを抑制でき、その結果として、表面波Ｗをより良好に検出でき、泡の発生の誤検知を防ぐことができる。

以上の説明では、本開示の理解を容易にするために、公知の技術的事項の説明を適宜省略した。

１００，２００…泡検出装置
１…ポンプ
２…泡発生ユニット、２０…第１容器、２１…泡発生部、２２…導入管、２２ａ…空気孔
３…泡検出ユニット、３０…第２容器、３０ａ…排水口、３１…泡検出部
４…接続管、４ａ…一端、４ｂ…他端
５…泡センサ、５０…伝搬体、５０ａ…伝搬面、５０ｂ…反射部、５１…圧電素子、５２…カバー
６…制御部、Ｗ…表面波
７…伝搬体カバー

Claims (6)

1. 供給された液体を収容する第１容器、及び、前記第１容器に収容された液体に泡を発生させる泡発生部を有する泡発生ユニットと、
   前記第１容器から流れてきた液体を収容する第２容器、及び、前記第２容器に収容された液体に泡が発生していることを検出する泡検出部を有する泡検出ユニットと、
   前記第１容器と前記第２容器を接続し、前記第１容器から前記第２容器へ流れる液体が通る接続管と、を備え、
   前記泡検出部は、前記第２容器に収容された液体に浸る伝搬体に表面波を発生させ、反射した前記表面波を検出し、検出した前記表面波に基づいて前記第２容器に収容された液体に泡が発生していることを検出する、
   泡検出装置。
2. 前記泡検出部は、前記第１容器から前記第２容器に流れてきて前記第２容器に収容された液体に界面活性剤が含まれていた場合に、前記界面活性剤によって発生した泡を検出する、
   請求項１に記載の泡検出装置。
3. 前記接続管の前記第２容器との接続箇所は、前記接続管の前記第１容器との接続箇所よりも上方に位置する、
   請求項１又は２に記載の泡検出装置。
4. 前記泡発生部は、気体の圧送、又は、攪拌によって前記第１容器に収容された液体に泡を発生させる、
   請求項１又は２に記載の泡検出装置。
5. 前記接続管は、逆サイフォンの原理を利用して液体を前記第１容器から前記第２容器に移送する、
   請求項１又は２に記載の泡検出装置。
6. 前記伝搬体は、前記表面波が反射する反射部を有し、
   前記伝搬体のうち、少なくとも前記反射部を覆う伝搬体カバーをさらに備える、
   請求項１又は２に記載の泡検出装置。

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