JP5274903B2 - 流体検知センサ - Google Patents

Description

本発明は、チューブ内を流通する流体の状態ならびにチューブの品質判断についての技術に関するものである。

ビールや清涼飲料などの飲料メーカーでは製造した飲料を、チューブを通じて貯蔵用容器や輸送用容器に送り出すことが行われている。また、飲食店や医療現場では飲料や薬液などの液体を、チューブを通じて使用の都度容器から取り出すことが多用されている。この際、液切れ等チューブ内の状態を検知するために、透明のチューブが用いられることが多い。しかしながら、チューブ内の状態を常時目視で観察することは困難である。このため、チューブ内の液切れ等の状態を検知することを目的とした様々な装置が知られている。
例えば、従来から、液管内に一対の電極を設置し、液体の有無を判断する液切れセンサが知られている（特許文献１）。また、液体の有無による光の屈折率の相違を利用した液切れセンサも知られている（特許文献２，３）。さらに、管を挟んで発光部と受光部より成るフォトセンサを設けて、流通する液の有無による受光量の相違を利用したフォトセンサも知られている（特許文献４）。

また、複数本の光ファイバーを導光路として用い、各々の光ファイバーから特定波長をチューブ内の液体に対して照射し、その照射光を受光し、その受光した光の分光分析処理を行う装置が知られている（特許文献５）。

特開２０００−１７０６６３号公報 特開２００４−０４５３１９号公報 特開２００６−１０５９７号公報 特開２００３−２４８０１２号公報 ＵＳ７２３６２３７号公報

しかし、特許文献１に開示されている液管内に電極を設置するセンサは、電極の腐食、磨耗による感度低下という問題に加え、飲料用や医療用液体用に用いるためには衛生面、安全面で問題が生じる。飲料用や医療用液体用など広範囲な用途に用いるためには、内部液体に非接触で液切れ等の状態を検知する装置が望ましい。
また、特許文献２や特許文献３に開示されている液体の有無による光の屈折率の相違を利用する液切れセンサは、チューブの径や液体の種類によって受光位置が変化するので、受光素子の位置変更や一定の位置を維持するための複雑な演算や調整器具が必要であるなど装置設定の複雑化、コスト増大という問題がある。

また、特許文献４に開示されている受光量の相違を利用したフォトセンサは、非接触で簡便にチューブ内液体の有無を検知できるものの、液体がフルに流通している場合と全く流通していない場合を区別するものである。
しかしながら、液体は常に同じ状態で流通しているのではなく、液量不足によって泡状となる場合があり、異物が混入する場合もある。
また、液量不足ではないものの瞬間的に泡が発生する場合もある。このような多様な内部状態を適切に判断できるものでなければならない。
さらに、フォトセンサは液体供給路の途中に、前後の配管と別個にフォトセンサを有する光透過性管体よりなる接続部を設けており、装置の複雑化という問題もある。

また、特許文献５に開示されている装置は、各々の光ファイバーから特定波長をチューブ内の液体に対して照射することから、照射する光の波長数を増やす場合、光ファイバーの本数を増やす必要があった。また、上記装置の光ファイバーから照射される光は、ビーム状の光であり、照射位置と受光位置の精度が必要で、光ファイバーの位置合わせを行う機構の機械的精度が要求されていた。

本発明は、上記のような事情に鑑みたものであり、チューブ内を流動もしくは滞留する気体や液体などの流体物およびチューブに対して簡易的に分光分析処理を行い、流体物の状態ならびにチューブの品質を正確に、かつ迅速に、検知でき、また照射する光を自由に設定でき、機械的精度が必要とされないような、流体検知センサの提供を目的とする。

上記の課題を解決すべく、本発明の流体検知センサは、投光手段と受光手段と信号処理手段からなり、流体が流通する透光性のチューブの外側に着脱自在に設けられる流体検知センサであって、
１）流体検知センサのハウジング部がヒンジ機構により開閉自在とされ、チューブを挟み込める機構を備え、
２）投光手段がアレイ状に配置された複数の投光素子から構成され、
３）投光素子の各々が、ピーク波長が異なる光を前記チューブ内部に対して照射し、
４）受光手段が、チューブを挟んで投光手段に対向した位置に配されると共にチューブ内部を透過したピーク波長が異なる光を受光し、
５）信号処理手段は、受光手段が受光した光の分光分析処理を行い、各波長における強度の変化をとらえて、チューブ内を流動もしくは滞留する流体物の状態を検知するものであり、該検知は、予め、ピーク波長の異なる複数の投光光の波長と該投光光の各波長に対応する受光光の各強度との相関関係を取得し、該予め取得した相関関係と、チューブ内に流体物が流れた際に取得する投光光の各波長に対応する受光光の各強度との相関関係を比較することにより、チューブ内に流れた流体物の状態を把握する、
構成とされるものである。

かかる構成とすることにより、チューブ内を流動もしくは滞留する気体や液体などの流体物およびチューブに対して簡易的な分光分析処理を行い、流体物の状態ならびにチューブの品質を正確に、かつ迅速に、検知できる。
ここで、流体検知センサのハウジング部がヒンジ機構により開閉自在とされ、チューブを挟み込める機構を備えることにより、チューブの外側に着脱自在に設けることが可能となる。
投光手段はアレイ状に配置された複数の投光素子から構成される。投光手段がアレイ状に配置された複数の投光素子から構成されるとは、波長の異なる光を発光する複数個の投光素子をアレイ状に並設することをいう。アレイ状に配置されるとは、直線や円弧状に素子を並べる意味である。
所定の半値幅以下のピーク波長がそれぞれ異なる投光素子の光を順番にチューブ内部に対して照射することにより、分光分析が可能となる。具体的には、波長の異なる発光ダイオード（ＬＥＤ）を複数使用することで分光分析が行える。
また、投光手段がアレイ状に配置された複数の投光素子から構成されることにより、照射する光・波長を自由に設定できる上、特段な機械的精度が必要とされない。例えばアレイ上における素子配置の関係で端の方に配置されたある特定波長のＬＥＤ光の透過量が中央部に比較して減衰するような構成になったとしても、チューブ内に何も流体が存在しない状態での各々の特定波長ＬＥＤ光の透過量を１００％とする補正処理等を行えば、簡単に解決することが出来るからである。またこの補正処理情報はプロファイルとして保存・活用可能である。
そして、受光手段がチューブ内部を透過した異なるピーク波長の光を受光し、信号処理手段がその受光した光を分光分析することにより、チューブ内の流体物の状態、具体的には、チューブ内を流れる気体、液体、気泡、異物混入の有無、若しくはチューブ自体の汚れの有無、又はこれらの組合せの有無を検知できる。

なお、本発明の流体検知センサは、チューブの配管部の一部として設けられるものであってもよい。チューブの配管部の一部として設けられる流体検知センサの場合、流体検知センサのハウジング部がヒンジ機構により開閉自在とされてチューブを挟み込める機構を備える必要はなくなる。
かかる態様の流体検知センサの場合は、チューブの一部として取り付け、チューブ内の流体物に接触することから、チューブの投光性は不要であるという利点がある。しかしながら、その一方で、既存のチューブに対して取り付ける場合、チューブと流体検知センサ自体との接続作業が必要となるという取り扱いの煩雑さがある。

また、上記の流体検知センサにおいて、投光素子は、発光ダイオード若しくはレーザダイオードであることが好ましい態様である。
投光素子は、分光分析処理を行うべく、波長の異なる発光ダイオードやレーザダイオードを複数使用する。波長の異なる発光ダイオードやレーザダイオードを組み合わせることにより、可視光領域から近赤外領域まで様々な波長の光を照射することが可能となる。

また、上記の流体検知センサにおいて、受光素子は、チューブを挟んで投光手段に対向した位置に配されることが好ましい態様である。
受光素子がチューブを挟んで投光手段に対向した位置に配されることにより、ミラーやスリットやレンズなどの光学系機器を用意することはない。

また、上記の流体検知センサにおいて、信号処理手段は、受光分析処理データの記憶手段を有し、受光手段の計測時間軸に対する受光分析処理データの過去データあるいはプロファイルとの差分を取得し、若しくは変動率によって、チューブ内を流動もしくは滞留する流体物の状態を検知可能とすることが好ましい態様である。
これらの過去データの情報はプロファイルとして保存・活用が可能であり、また１台の装置から得られたプロファイルは他の装置への転用も容易である。
受光分析処理データと過去データあるいはプロファイルとの差分を取得し、若しくは変動率を検知することにより、チューブ内を流動もしくは滞留する流体物の経時変化の状態を的確に判断することが可能になる。

また、上記の流体検知センサのチューブにおいて、流体検知センサ内部でチューブを配設させる部位が扁平形状を呈することが好ましい態様である。
かかる態様によれば、チューブを流れる流体物を扁平状に拡げて、多数の投光素子をアレイ状に並設するスペースの確保が容易となる。

また、上記の流体検知センサにおける信号処理手段は、チューブ内の流体の分光分析データを常時出力し、流体物に異物混入もしくは流体物の液切れ状態を検知した場合に、警告信号出力を行うことが好ましい態様である。
かかる態様によれば、通常状態では流体物の分析信号を常に出力し続けて、異物混入や液切れ状態になれば即座に警告を出すことができる。

また、上記の流体検知センサにおいて、投光手段は、所定の半値幅以下のピーク波長が異なる光を照射する投光素子の組合せを任意に設定可能とすることが好ましい態様である。
測定対象の流体物と特定波長の投光素子の組み合わせでは、検知が不完全となる組み合わせ、すなわち検知不良となる可能性がある。例えば、極端に黒い液体や白濁など透過しにくいものや、一部の波長帯の光を著しく吸収する液体などをセンシングする場合が挙げられる。この場合に、投光素子の組合せを任意に設定可能とすることが好ましい態様によれば、簡単に異なる波長の投光素子に切り替えることが可能で、様々の状態の流体物の検知を行うことが可能となるのである。

また、上記の流体検知センサにおいて、受光手段は、インジウム・ガリウム・ヒ素(InGaAs)等の赤外線受光素子とシリコン等の可視光受光素子を備え、可視光領域から赤外領域までの分光分析処理を可能とすることが好ましい態様である。
かかる態様によれば、可視光領域から赤外領域までの分光分析処理を可能であり、種々の流体物の分光分析が可能となる。
ただし、測定対象波長が可視光領域＋近赤外光のみの場合はシリコンのみ、あるいは赤外領域のみの場合はインジウム・ガリウム・ヒ素（InGaAs）のみとすることで、素子等を簡略化することも可能である。

また、上記の流体検知センサにおいて、投光手段と受光手段と信号処理手段に交流変調手段を付与することが好ましい態様である。投光量・受光量に交流変調を施すことにより、光ノイズ等への耐力を高めることができる。

また、上記の流体検知センサにおいて、前記信号処理手段に温度補償機能が備えられ、前記チューブ内の流体物の温度に応じて前記分光分析処理データのプロファイルを補正することが好ましい態様である。
かかる態様によれば、より精度の高い分光分析の結果を得ることができる。

本発明にかかる流体検知センサは、チューブ内を流動もしくは滞留する気体や液体などの流体物およびチューブに対して簡易分光を行い、流体物の状態ならびにチューブの品質を正確に、かつ迅速に、検知でき、また照射する光を自由に設定でき、機械的精度が必要とされないといった効果を有する。

以下、図面を参照しつつ、本発明を実施するための最良の形態について説明する。ただし、本発明の範囲は、以下の実施例や図示例に限定されるものではなく、幾多の変更及び変形が可能である。

図１は、実施例１の流体検知センサの外観斜視図である。流体検知センサ１は、チューブ２を挟み込んでおり、チューブ内部２ａを流れる流体物の状態を非接触で検知するものである。流体検知センサ１の外部から観察できる位置に、表示窓１０と表示ランプ１１が取り付けられている。表示窓１０は、３つのブロックにわかれ、それぞれ６００〜７９０ｎｍ波長、８００〜９９０ｎｍ波長、１０００〜１１９０ｎｍ波長帯の投光素子のＯＮ／ＯＦＦ状態に応じてランプ表示が点灯するようになっている。それぞれのブロックは２０個ずつのランプで構成されている。流体検知センサの電源は特に図示していないが外部から電源線を接続している。この他、電池駆動も可能である。

また、図２は、実施例１の流体検知センサの内部構成図である。実施例１の流体検知センサ１は、ヒンジ機構によりハウジング部が２つの部分（１ａ，１ｂ）に開き、チューブ２を挟み込めるようになっている。ハウジング部の２つの部分（１ａ，１ｂ）には、投光素子３と受光素子（４ａ，４ｂ）が嵌め込まれており、ハウジング部が閉じられたときには投光素子と受光素子がチューブ２を挟んで対向するようになっている。受光素子（４ａ，４ｂ）は信号処理手段（図示しない）に接続されている。ここで、信号処理手段には受光信号の信号増幅回路や信号フィルタ回路も含まれる。

次に図３は、実施例１の流体検知センサの断面図である。投光素子（３ａ〜３ｄ）は対向する受光素子４に対して、チューブの内部２ａを通して投光する。投光素子（３ａ〜３ｄ）としては寿命等からＬＥＤが好ましいがこれに限定されるものではない。そして、投光する光の波長は可視光から赤外光を用いる。また、受光素子としてはフォトダイオードが好ましいがこれに限定されない。

次に図４を参照して、分光分析処理について説明する。本流体検知センサの受光素子で受光した光について、その波長とその強度の相関関係を取得すると、例えば、図４のような相関図が得られる。図４では、６９０ｎｍ波長に一旦ピークがあり、さらに長波長側の７００ｎｍ，７１０ｎｍでは強度が下がり、再び７２０〜７４０ｎｍと強度が大きくなり、７３０〜７７０ｎｍの間は強度がほぼ一定となっている。
予め、チューブのみの場合の波長と強度の相関関係を取得しておき、チューブ内に流体物が流れた場合の波長と強度の相関関係と比較する。チューブ内に流体物が流れた場合に、それぞれの波長光の強度の変化により、チューブ内に流れる流体物の状態を把握するのである。

次に、図５を参照して、実施例１の流体検知センサの取付けについて説明する。図５（１）に示されるように、流体検知センサ１は、チューブ２の外側に第１の係止部２１および第２の係止部２２が設けられており、流体検知センサのハウジング部が第１の係止部２１と第２の係止部２２と嵌合するようになっている。これによれば、流体検知センサをチューブに取り付ける際、第１の係止部２１および第２の係止部２２にひっかけることで、チューブ２０に取り付けることが可能で、取り付け時の利便性が向上することになる。

また、図５（２）に示されるように、チューブ２において、流体検知センサ１が配設される部位２４を扁平形状呈してようにすることで、チューブ２を流れる流体物を扁平状に拡げて、多数の投光素子をアレイ状に並設させることが可能である。

次に、図６を参照して、流体検知センサの機能について説明する。チューブ内部２ａを流れる流体物に対して、投光素子（３ａ〜３ｄ，・・・）の光を照射する。各々の投光素子（３ａ〜３ｄ，・・・）は、ピーク波長が異なるものである。そして、流体物を通過した光は、受光素子（４ａ〜４ｄ）により受光される。受光素子（４ａ〜４ｄ）により受光された光は、信号処理手段５により分光分析処理がなされ、表示ランプ、警報ブザー、スイッチ出力、ネットワーク通信出力がなされる。

より具体的には、信号処理手段５における分光分析処理で判断されたチューブ内を流れる流体物の状態、異物混入の有無、泡の有無、チューブの汚れについての信号は、前述の図１における表示ランプ１１を用いて次のようにその内容が表示される。例えば、ビールが適正に流通している場合には、表示ランプ１１が緑色に点灯し、チューブが汚れ交換時期が到来している場合には、表示ランプ１１が橙色に点灯し、ビールの液切れでチューブ内が空になっている場合には、表示ランプ１１が赤色に点灯し、気泡や異物の存在により液切れの前兆又は液体の状態が悪い場合には、表示ランプ１１が緑色に点滅することにより状態を明確に表示することができる。

ここで、信号処理手段における分光分析処理は、マイコンを用いている。この他、単純なコンパレータやロジック回路によっても可能である。また、信号処理手段から通信ネットワークを介して遠隔地に設置した表示端末に信号を送ることもできる。また、表示ランプと連動して警報装置を作動させることが可能である。例えばビールの液切れでチューブが空になっている場合には、表示ランプ１１が赤色に点灯すると同時に警報ブザーを鳴らすことができる。さらに、出力接点、外部出力端子にも接続することが可能である。外部出力はリレーや半導体などの有接点／無接点出力、あるいは外部機器との通信手段を用いることが可能である。また無線などを用いてワイヤレスで出力部を構成してもよい。

次に、図７を参照して、信号処理手段の機能ブロック図について説明する。信号処理手段は、投光素子（３ａ，３ｂ，３ｃ）からチューブ２に対して照射された光（波長７００ｎｍ，７１０ｎｍ，７２０ｎｍ）を、受光素子４により受光する。その受光した受光信号は増幅回路５ａにより信号増幅される。この増幅回路５ａはフィルタ部を有している。この増幅回路５ａから出力される受光信号を分光・比較処理５ｂで分光分析処理を行う。この分光・比較処理５ｂでは、通常時の基準となる受光信号データのプロファイルをデータベース（Ｄ／Ｂ）５ｄに記憶しており、かかるＤ／Ｂに記憶された受光信号データのプロファイルと比較し、実測定した受光信号の波長成分とその強度を取得する。ここで、データベース（Ｄ／Ｂ）５ｄは、具体的にはマイコンのメモリである。
分析・比較処理結果は、出力処理５ｃから表示ランプや警報ブザーや外部の表示端末に出力される。

本発明は、ビールや飲料物を貯蔵用容器や輸送用容器に送り出すためのチューブに使用し、ビールや飲料物の状態を検知できるセンサとして有用である。

実施例１の流体検知センサの外観斜視図 実施例１の流体検知センサの内部説明図 実施例１の流体検知センサの断面図 分光分析処理の説明図 流体検知センサの取付け図 流体検知センサの機能説明図 分光分析処理の機能ブロック図

符号の説明

１ 流体検知センサ
１ａ，１ｂ 液体検知センサのハウジング部
２ チューブ
２ａ チューブ内部
２ｂ 液体流通チューブ内の液体
３，３ａ〜３ｄ 投光素子
４，４ａ〜４ｄ 受光素子
５ 信号処理手段
１０ 表示窓
１１ 表示ランプ
２０ チューブ
２１ 第１の係止部
２２ 第２の係止部
２４ 流体検知センサが配設される部位

Claims (7)

1. 投光手段と受光手段と信号処理手段からなり、流体が流通する透光性のチューブの外側に着脱自在に設けられる流体検知センサであって、
   １）前記流体検知センサのハウジング部がヒンジ機構により開閉自在とされ、前記チューブを挟み込める機構を備え、
   ２）前記投光手段がアレイ状に配置された複数の投光素子から構成され、
   ３）前記投光素子の各々が、ピーク波長が異なる光を前記チューブ内部に対して照射し、
   ４）前記受光手段が、前記チューブを挟んで前記投光手段に対向した位置に配されると共に前記チューブ内部を透過したピーク波長が異なる光を受光し、
   ５）前記信号処理手段は、前記受光手段が受光した光の分光分析処理を行い、各波長における強度の変化をとらえて、前記チューブ内を流動もしくは滞留する流体物の状態を検知するものであり、該検知は、予め、ピーク波長の異なる複数の投光光の波長と該投光光の各波長に対応する受光光の各強度との相関関係を取得し、該予め取得した相関関係と、前記チューブ内に前記流体物が流れた際に取得する投光光の各波長に対応する受光光の各強度との相関関係を比較することにより、前記チューブ内に流れた前記流体物の状態を把握する、
   ことを特徴とする流体検知センサ。
2. 前記チューブにおいて、前記流体検知センサ内部で前記チューブを配設させる部位が扁平形状を呈し、該チューブを流れる前記流体物を扁平状に拡げ、前記複数の投光素子をアレイ状に並設するスペースを確保し、ピーク波長が異なる複数の前記投光素子により前記分光分析処理を行うことを特徴とする請求項１に記載の流体検知センサ。
3. 前記信号処理手段は、前記チューブ内の流体物の前記分光分析処理の処理データを常時出力し、流体物に異物混入もしくは流体の液切れ状態を検知した場合に、警告信号出力を行う、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の流体検知センサ。
4. 前記投光手段は、所定の半値幅以下のピーク波長が異なる光を照射する前記投光素子の組合せを任意に設定し得る、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の流体検知センサ。
5. 前記受光手段は、インジウム・ガリウム・ヒ素(InGaAs)を含む赤外光受光素子、及びシリコンを含む可視光受光素子を備え、可視光領域から赤外領域までの分光分析処理を可能とし得る、ことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の流体検知センサ。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の流体検知センサにおいて、前記投光手段と前記受光手段と前記信号処理手段に交流変調手段が備えられていることを特徴とする流体検知センサ。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載の流体検知センサにおいて、前記信号処理手段に温度補償機能が備えられ、前記チューブ内の流体物の温度に応じて前記分光分析処理の処理データのプロファイルを補正することを特徴とする流体検知センサ。