JP3981340B2 - 容器内液体の液位測定方法 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば分析器のような容器に収容された液体、好ましくは較正剤、品質管理剤または洗浄剤または排水の実際の液位を測定するための方法であって、容器に対して液体を注入または排出を行うための液没管が容器内液体中に沈められ、この液没管は配管系を経てポンプ装置と連結されてガス状媒体好ましくは空気が装入され、その際に配管系の圧力Ｐが測定される方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
容器内液体の液位をさまざまなやり方で測定することのできる極めて多様な方法および装置はすでに公知に属している。表示装置と連動したフロートを用いた純機械的な方法の他に、液中立設管もしくは液没管内の液体に関する物理パラメータの変化をセンサを利用して測定する一連の物理的測定方法が知られており、その際、測定さるべき液体と接触するセンサ（例えば導電率センサ、抵抗センサ等）あるいはまた液体と間接的にしか接触しないセンサ（例えば光学センサ、誘電率測定等）も利用されている。これらのすべての測定方法ないし測定装置の短所は、この種のセンサが相対的に高価であり、特に液体と接触する際には限定的な耐久寿命しか持たず、さらに、特に例えば医用分析に利用されるような使い捨て式容器が使用される場合にこのセンサがあまりにもコストの多くをしめることである。
【０００３】
例えば医用分析器については、移動した液体量が例えばポンプ能力から正確に把握されて分析器の記憶装置に記憶されることにより、接続された容器の充填量ないし液位を測定する装置が存在する。それゆえ、当初液位が既知の基準容器を使用すれば、記憶された液量の出入り評価を通じて個々の容器のその都度の液位に関する判定を行うことができる。ただしこの場合の短所は、システムが機能するのは使用されるポンプシステムないし吸上げシステムの能力が長時間にわたってコンスタントであると見なすことができる場合のみであるにもかかわらず、よく使用されているホースポンプはほとんどの場合にそうではないという点にある。さらにこの種の方法にあっては、部分充填された容器を同種の分析器間同士で交換することはできない。
【０００４】
ハイドロスタティック方式（またはエアパージ方式）で動作する液位測定装置として、液中に沈められる１本のパイプを有し、このパイプにはポンプによってガス状媒体、特に空気を装入することができ、ここにガス状媒体が装入される場合にはパイプの浸漬側端部から気泡が流出し、その際、圧力センサがパイプ内の時間的圧力分布に応じた電気信号を記録するとともに、気泡流出時のこの特有な圧力分布は解析装置内で認識され、この状態に達する際の圧力が計算され、それからさらなる手順を経て液位ならびに容器内の液体量が算定されるものがある（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
【特許文献１】
独国特許出願公開第１９８２６４８７号明細書（第２−３欄、第１図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、追加部品を要さずに十分に機能し得ると共に例えば送出量の変動するホースポンプも使用することのできる、容器内液体の実際の液位を測定するためのできるだけ簡単な方法を提供することである。本発明のさらにもう一つの目的は液位測定に使用されるコンポーネントを簡単な方法で較正ならびにチェックし得るようにすることである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題は、本発明では、容器に対して液体を注入または排出を行うための液没管が容器内液体中に沈められ、前記液没管は配管系を経てポンプ装置と連結されてガス状媒体、好ましくは空気が装入され、前記配管系の圧力Ｐが測定される容器内液体の液位測定方法において、前記圧力Ｐは環境圧Ｐ０から出発して前記液没管内の液柱の流出によって不連続的圧力変化が生ずる圧力Ｐ１にまで引き上げられ、環境圧Ｐ０と不連続的圧力変化が生ずる圧力Ｐ１との間の圧力差または不連続的圧力変化が生ずるまでの経過時間ｔ１が求められ、求められた前記圧力差または前記経過時間ｔ １ から容器の液位が算定され、かつ前記容器が分析器内に配置され、液位を算定するために用いられる前記液没管がその液位を算定されるところの液体を前記容器に注入したり前記容器から排出したりするためにも用いられることによって解決される。
【０００８】
さらには、上記出発技術をベースとして、圧力Ｐは環境圧Ｐ０から出発して液没管内の液柱が液体の最高充填液位を超える箇所に位置する断面変化部まで達して液柱と断面変化部との接触によって圧力Ｐ ２ 時に不連続的圧力変化が生ずるまで引き下げられると共に環境圧Ｐ０と不連続的圧力変化が生ずるときの圧力Ｐ２との間の圧力差または不連続的圧力変化が生ずるまでの時間ｔ２が求められ、それから容器の実際の液位を算定することも可能である。
【０００９】
このような容器内液体の液位測定方法は、特別な追加部品を要さずに十分に機能し得ると共に例えば送出量の変動するホースポンプをも使用可能である。
【００１０】
例えば、ポンプ装置が液柱を液没管の先端開口から断面変化部まで吸上げるのに要する時間Ｔが既知であれば、測定された時間ｔ１（その都度の液位から出発して第一の不連続的圧力変化が生ずるまでの時間）から１００ｔ１／Ｔで液没管内液柱の液位およびそれと共に液没管長さのパーセンテージによる容器内液位を表すことができるし、測定された時間ｔ２（その都度の液位から出発して第二の不連続的圧力変化が生ずるまでの時間）から１００ｔ２／Ｔで液没管内液柱の液位およびそれと共に液没管長さのパーセンテージによる容器内液位を表すことができる。
本発明による方法を例えば医用技術分野の分析器具に適用する場合には、本発明による方法を実施するために要されるあらゆる設備はすでに分析器内に所与であるという利点が得られる。これはとりわけ−例えば血液ガス・マルチ分析器の場合のように−配管系に気圧計による空気圧測定を行うための圧力センサが設けられている場合に当てはまる。
【００１１】
上述した方法を利用することにより、液体を収容する容器に対して注入または排出を行うためにその容器内液体中に沈められている液没管と配管系を介して接続されているポンプ装置のポンプ能力を決定することも可能である。つまり、配管系の圧力Ｐが測定され、この圧力は環境圧Ｐ０から出発して液没管内の液柱の流出によって第一の不連続的圧力変化が生ずるまで引き上げられるか、または配管系の圧力Ｐは液没管内の液柱が液体の最高充填液位を超える箇所に位置する断面変化部にまで達してこの液柱と前記断面変化部との接触によって第二の不連続的圧力変化が生ずるまで引き下げられ、前記ポンプ装置が液柱を前記双方の不連続的圧力変化の一方から他方へ移動させるのに要する時間Ｔが導出されると、前記先端開口と前記断面変化部との間の前記液没管の容積Ｖと前記経過時間Ｔとの比Ｖ／Ｔからポンプ能力Δｖ／Δｔが決定される。求められたポンプ能力を判定基準と比較することで駆動中のポンプの能力を判定することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は本発明に関連した排出・注入装置を示したものであり、この装置は詳細には不図示の分析器の容器１から液体例えば較正液、品質管理液または洗浄液をこの液体中に立設された液没管２を経て排出・注入する。液没管２はその先端開口４が容器１の底の近くにまで達し、その本体部は均等な管断面を有し、上方端面において図示例において絞り部として示された断面変化部３を有しており、この断面変化部３は、この容器の最高充填液位を超える箇所に配されている。ただし、本発明の範囲内において、断面変化部３を断面拡張部として形成することもできよう。容器１の排出用液没管２は配管系１５を経てポンプ装置のホースポンプ５と連結され、その際、好ましくは粒滴キャッチを備えた分岐管９を経て圧力センサ６（気圧計）が配管系に接続されている。圧力センサ６の増幅ユニットは符号１６で、信号解析装置は符号１７でそれぞれ表されている。
【００１３】
バルブ１１を経てさらに１個の容器８例えば分析器の排水を収容する排水容器が配管系１５に接続されている。２個の容器１および８はバルブ１１および１４を介してオプショナルにホースポンプ５に接続される。配管系１５にはさらに１個のバルブ１２を介してホースポンプとしての真空ポンプ１０が介装されることができ、その際、配管系には通気バルブ１３を介して環境圧Ｐ０に接続することができる。容器８の充填ないし容器１からの液体の排出を問題なく行うために、これらの容器はそれぞれ液面上方に配された通排気穴７を有している。
【００１４】
本発明の好適な構成において、環境圧Ｐ０と双方の不連続的圧力変化のいずれか一方が生ずる際の圧力Ｐ１またはＰ２との間で測定された圧力差は圧力差の絶対値｜Ｐ１−Ｐ２｜で較正される。このようにして、環境圧Ｐ０ とは無関係の液位に関する正確な判定が得られる。さらに（例えば劣化による）圧力センサの特性曲線の連続的な劣化変動は液位測定の測定精度に影響しない。
【００１５】
図２は時間ｔの経過に応じた、ｍｂａｒまたはｍＶで表された配管系の圧力Ｐの変化を示したものである。配管系の圧力は順次引き上げられ、例えば圧力Ｐ１ 、時点ｔ １ で液没管の先端から気泡が流出して時点ｔ１に第一の不連続的圧力変化が確認される。他方、配管系の圧力は順次引き下げられ、圧力Ｐ ２ 、時点ｔ ２ で液没管内の液柱が断面変化部まで達して、第二の不連続的圧力変化ないし圧力カーブの屈曲が生ずる。断面変化部として断面縮小部が形成されている場合には点線で表した圧力曲線ｖが生じ、断面拡張部が形成されている場合には圧力曲線ｅが生ずる。
【００１６】
本発明のさらなる実施形態において、ポンプ装置が液柱を液没管の先端開口から断面変化部まで移動させるかまたは逆に断面変化部から液没管先端開口まで移動させるために要する時間Ｔを測定することができる。続いて液柱は環境圧Ｐ０時のその都度の液位から出発して液没管先端開口または断面変化部まで移動させられ、そのために要する時間ｔ１またはｔ２が測定されて総時間Ｔで較正される。この方式にあってはあらゆる液位測定時に総時間Ｔを用いた較正が行われることから、送出量の変動するポンプでも正確な液位測定が保証される。
【００１７】
液位の測定は例えば以下のようにして実施することができる：液没管内の液柱は配管系圧力の引き上げによってもはや圧力変化が記録されなくなるまで（気泡が液没管先端開口から流出するまで）押し下げられる。次いで液没管内の液体は断面変化部まで吸い上げられ、液体が液没管の先端開口から断面変化部まで達するのに要する総時間Ｔが測定される。この時間が液没管内の液体をその都度の液位から断面変化部まで吸い上げるかまたは液没管先端開口まで押し下げるのに要される時間ｔ１またはｔ２ と比較される。これらの時間ｔ１またはｔ２を介して実際の液位高さを推定することができる。
【００１８】
本発明による方法は、さらに、１つの装置に含まれる複数容器の液位を測定するために各々の容器の液没管が順次配管系に接続されることを特徴としている。したがって、すでに配管系に配されているバルブを単に切り換えるだけで順次各容器の実際の液位を単一の測定装置のみで測定することができるため、分析器の各容器ごとに専用の測定装置を設ける必要はない。
【００１９】
図２に示したグラフから理解できるように、容器に対して注入または排出を行うための液没管が容器内液体に沈められており、この液没管とポンプ装置が配管系を介して連結されように構成された充填・排出装置において、本発明の方法を応用することにより、そのポンプ装置のポンプ能力も追加手段を要することなく決定することが可能である。この場合、本発明により、配管系の圧力Ｐが測定され、この圧力は環境圧Ｐ０から出発して液没管内の液柱の流出によって第一の不連続的圧力変化が生ずるまで引き上げられるか、または配管系の圧力Ｐは液没管内の液柱が液体の最高充填液位を超える箇所に位置する断面変化部にまで達して液柱と断面変化部との接触によって第二の不連続的圧力変化が生ずるまで引き下げられ、ポンプ装置が液柱を双方の不連続的圧力変化点の一方から他方へ移動させるのに要する時間Ｔが導出され、その際先端開口と断面変化部との間の液没管の容積Ｖが既知であれば比Ｖ／Ｔからポンプ能力Δｖ／Δｔが決定されることになる。従って、この求められたポンプ能力と判定基準値と比較することにより使用中のポンプの能力を評価することができる。
【００２０】
本発明のさらなる実施形態において、双方の不連続的圧力変化が生ずる際の圧力間の圧力差｜Ｐ１−Ｐ２｜を利用し、先端開口と断面変化部との間の液没管の長さＬが既知であれば、このＬをパラメータとして算出される液柱の静圧Ｐ（Ｌ）を用いて圧力センサの特性曲線Ｓ（例えば、mV当たりのmbar）を決定することができる。したがって、吸上げ管の長さＬが既知であれば、圧力センサの特性曲線を簡単な方法で決定することができる。このため、完全に液柱が押し出されて空になった液没管と断面変化部まで満たされた液没管との圧力差が測定される。
【００２１】
したがって、特性曲線Ｓは（｜Ｐ１−Ｐ２｜）／Ｐ（Ｌ）を通じて求められ、ここでＰ（Ｌ）は高さＬの水柱の較正圧力（換算された圧力）に対応する。この点に関しては図３を参照されたい。同図では線ａで実際の空気圧Ｐ０が示唆されている。
【００２２】
本発明による方法を用いて、さらに、配管系の分岐管に容器が接続されているか否かを確認することもできる。これは汚染された生化学試料がそのまま流出することが防止されなければならない点で排水容器にとって特に重要である。チェックは配管系にホースポンプ５によるかまたは真空ポンプ１０によって低圧が作り出されることによって行うことができる。定まった直径を有する排水容器8の通気穴７により、容器が接続されていない場合の圧力値とは異なる一定の圧力値が形成される。
【００２３】
さらに、本発明による方法を利用して、接続された容器が空であるか否かを確認し、あるいは容器の漏れの有無ないし容器密閉性をチェックすることも可能であり、その場合、ポンプ装置（ホースポンプ５または真空ポンプ１０）によって配管系に高圧または低圧が作り出され、こうして生ずる圧力曲線が解析される。記憶された目標値との比較によって万一の場合のシステム欠陥（機器の故障や劣化）なども確認することができる。
【００２４】
以上、医用分析器と関連した実施形態に基づいて本発明を詳細に説明したが、本発明による液位測定方法は極めて多様な応用分野に適しており、なかんずく、可燃性、毒性または腐食性を有する液体の液位が測定されなければならない場合の液位測定に適している旨を指摘しておく。
【００２５】
尚、特許請求の範囲の項に図面との対照を便利にするために符号を記すが、該記入により本発明は添付図面の構成に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】ポンプ装置および圧力測定装置を含めた、本発明による容器内液体の液位測定方法を実施するための装置を示した説明図
【図２】ポンプ送出能力の測定を説明するためのグラフ
【図３】圧力センサの較正に関するグラフ
【符号の説明】
１ 容器
２ 液没管
３ 断面変化部
４ 先端開口
５ ホースポンプ
６ 圧力センサ
９ 分岐管
１５ 配管系
１６ 増幅ユニット
１７ 信号解析装置

Claims (11)

  1. 容器に対して液体を注入または排出を行うための液没管が容器内液体中に沈められ、前記液没管は配管系を経てポンプ装置と連結されてガス状媒体が装入され、前記配管系の圧力Ｐが測定される容器内液体の液位測定方法において、
    前記圧力Ｐは環境圧Ｐ０から出発して前記液没管内の液柱の流出によって不連続的圧力変化が生ずる圧力Ｐ１にまで引き上げられ、前記環境圧Ｐ０と前記不連続的圧力変化が生ずる圧力Ｐ１との間の圧力差または前記不連続的圧力変化が生ずるまでの経過時間ｔ１が求められ、求められた前記圧力差または前記経過時間ｔ１から前記容器の液位が算定され、かつ
    前記容器が分析器内に配置され、液位を算定するために用いられる前記液没管がその液位を算定されるところの液体を前記容器に注入したり前記容器から排出したりするためにも用いられることを特徴とする容器内液体の液位測定方法。
  2. 容器に対して液体を注入または排出を行うための液没管が容器内液体中に沈められ、前記液没管は配管系を経てポンプ装置と連結されてガス状媒体が装入され、前記配管系の圧力Ｐが測定される容器内液体の液位測定方法において、
    前記圧力Ｐは環境圧Ｐ０から出発して前記液没管内の液柱が液体の最高充填液位を超える箇所に位置する前記液没管の断面変化部まで達してこの液柱と前記断面変化部との接触によって不連続的圧力変化が生ずる圧力Ｐ２まで引き下げられると共に、前記環境圧Ｐ０と前記不連続的変化が生ずる圧力Ｐ２との間の圧力差または前記不連続的圧力変化が生ずるまでの経過時間ｔ２が求められ、前記圧力差または前記経過時間ｔ２から前記容器の実際の液位が算定され、かつ
    前記容器が分析器内に配置され、液位を算定するために用いられる前記液没管がその液位を算定されるところの液体を前記容器に注入したり前記容器から排出したりするためにも用いられることを特徴とする容器内液体の液位測定方法。
  3. 容器に対して液体を注入または排出を行うための液没管が容器内液体中に沈められ、前記液没管は配管系を経てポンプ装置と連結されてガス状媒体が装入され、前記配管系の圧力Ｐが測定される容器内液体の液位測定方法において、
    前記圧力Ｐは環境圧Ｐ ０ から出発して前記液没管内の液柱の流出によって不連続的圧力変化が生ずる圧力Ｐ １ にまで引き上げられ、前記環境圧Ｐ ０ と前記不連続的圧力変化が生ずる圧力Ｐ １ との間の圧力差が求められ、求められた前記圧力差から前記容器の液位が算定され、さらに、
    前記圧力Ｐは環境圧Ｐ ０ から出発して前記液没管内の液柱が液体の最高充填液位を超える箇所に位置する前記液没管の断面変化部まで達してこの液柱と前記断面変化部との接触によって不連続的圧力変化が生ずる圧力Ｐ ２ まで引き下げられると共に、前記環境圧Ｐ ０ と前記不連続的変化が生ずる圧力Ｐ ２ との間の圧力差が求められ、前記圧力差から前記容器の実際の液位が算定され、かつ
    前記環境圧Ｐ０と前記の双方の不連続的圧力変化のいずれか一方が生ずる際の圧力Ｐ１またはＰ２との間で測定された圧力差は圧力差の絶対値｜Ｐ１−Ｐ２｜で較正され、
    前記容器が分析器内に配置され、液位を算定するために用いられる前記液没管がその液位を算定されるところの液体を前記容器に注入したり前記容器から排出したりするためにも用いられることを特徴とする容器内液体の液位測定方法。
  4. 前記の双方の不連続的圧力変化が生ずる際の圧力間の前記圧力差｜Ｐ１−Ｐ２｜を利用し、前記液没管の先端開口と前記断面変化部との間の前記液没管の長さＬをパラメータとする関係式から得られる前記液柱の静圧Ｐ（Ｌ）を用いて圧力センサの特性曲線Ｓが決定されることを特徴とする請求項３に記載の容器内液体の液位測定方法。
  5. 容器に対して液体を注入または排出を行うための液没管が容器内液体中に沈められ、前記液没管は配管系を経てポンプ装置と連結されてガス状媒体が装入され、前記配管系の圧力Ｐが測定される容器内液体の液位測定方法において、
    前記圧力Ｐは環境圧Ｐ ０ から出発して前記液没管内の液柱の流出によって不連続的圧力変化が生ずる圧力Ｐ １ にまで引き上げられ、前記不連続的圧力変化が生ずるまでの経過時 間ｔ １ が求められ、求められた前記経過時間ｔ １ から前記容器の液位が算定され、
    前記圧力Ｐは環境圧Ｐ ０ から出発して前記液没管内の液柱が液体の最高充填液位を超える箇所に位置する前記液没管の断面変化部まで達してこの液柱と前記断面変化部との接触によって不連続的圧力変化が生ずる圧力Ｐ ２ まで引き下げられると共に、前記不連続的圧力変化が生ずるまでの経過時間ｔ ２ が求められ、前記経過時間ｔ ２ から前記容器の実際の液位が算定され、かつ、
    ポンプ装置が液柱を前記液没管の先端開口から断面変化部まで移動させるかまたは逆に前記断面変化部から前記液没管の先端開口まで移動させるために要する経過時間Ｔが測定され、次いで液柱は環境圧Ｐ０時の液位から出発して前記先端開口または前記断面変化部まで移動させられ、この移動に要する経過時間ｔ１またはｔ２が測定されて前記経過時間Ｔで較正され、
    前記容器が分析器内に配置され、液位を算定するために用いられる前記液没管がその液位を算定されるところの液体を前記容器に注入したり前記容器から排出したりするためにも用いられることを特徴とする容器内液体の液位測定方法。
  6. ポンプ装置が液柱を前記液没管の先端開口から断面変化部までまたは逆に断面変化部から先端開口まで移動させるのに要する経過時間Ｔを利用し、前記先端開口と前記断面変化部との間の前記液没管の容積Ｖと前記経過時間Ｔとの比Ｖ／Ｔからポンプ能力Δｖ／Δｔが決定されることを特徴とする請求項１又は２に記載の容器内液体の液位測定方法。
  7. １つの装置に含まれる複数容器の液位を測定するために各々の容器の液没管が順次に配管系に接続されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項または請求項５に記載の容器内液体の液位測定方法。
  8. 分析器の容器に入っている、較正剤、品質管理剤または洗浄剤または排水の液位が測定されることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の容器内液体の液位測定方法。
  9. 分析器の容器から液体を注入したりその容器から液体を排出したりするとともに、前記容器内の液体中に沈められた兼用の液没管によって容器内液体の液位を測定するための装置であり、液体の注入と排出のために前記液没管が配管系を経てポンプ装置と連結され、圧力センサが容器内液体の液位を測定するために前記配管系に設けられ、前記配管系はガス状媒体を前記液没管に供給することを特徴とする装置。
  10. 分析器の容器から液体を注入したりその容器から液体を排出したりするとともに、前記容器内の液体中に沈められた兼用の液没管によって容器内液体の液位を測定するための方法であり、液体の注入と排出のために前記液没管が配管系を経てポンプ装置と連結され、前記容器内液体の液位測定は、圧力センサによって前記配管系の圧力Ｐを測定することにより行われ、前記圧力Ｐは環境圧Ｐ０から出発して前記液没管内の液柱の流出によって不連続的圧力変化が生ずる圧力Ｐ１にまで引き上げられ、前記環境圧Ｐ０と前記不連続的圧力変化が生ずる圧力Ｐ１との間の圧力差または前記不連続的圧力変化が生ずるまでの経過時間ｔ１が求められ、求められた前記圧力差または前記経過時間ｔ１から前記容器の液位が算定されることを特徴とする方法。
  11. 分析器の容器から液体を注入したりその容器から液体を排出したりするとともに、前記容器内の液体中に沈められた兼用の液没管によって容器内液体の液位を測定するための方法であり、液体の注入と排出のために前記液没管が配管系を経てポンプ装置と連結され、前記容器内液体の液位測定は、圧力センサによって前記配管系の圧力Ｐを測定することにより行われ、前記圧力Ｐは環境圧Ｐ０から出発して前記液没管内の液柱が液体の最高充填液位を超える箇所に位置する前記液没管の断面変化部まで達してこの液柱と前記断面変化部との接触によって不連続的圧力変化が生ずる圧力Ｐ２まで引き下げられると共に、前記環境圧Ｐ０と前記不連続的変化が生ずる圧力Ｐ２との間の圧力差または前記不連続的圧力変化が生ずるまでの経過時間ｔ２が求められ、前記圧力差または前記経過時間ｔ２から前記容器の実際の液位が算定されることを特徴とする方法。
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