JP6223041B2 - 液体計量装置及び水質分析装置 - Google Patents

Description

本発明は、液体を計量するための液体計量装置及び水質分析装置に関するものである。

例えば、排水等の水質検査等において、検査結果の精度を向上させるためには、測定試料又は測定試料を処理する試薬等の液体を正確に計量する必要がある。

そして、これらの液体を計量するものとしては、例えば特許文献１に記載されているシリンジ型の計量ポンプ（シリンジポンプ）を用いて計量する計量装置や、特許文献２に記載されている光センサ等の液センサを用いて計量する計量装置が考えられている。

特開２００６−４７３２３号公報 特開２０１０−１４０１１号公報

しかしながら、シリンジポンプを用いた計量装置では、当該シリンジポンプのピストンの移動量により液体を計量するものであり、正確に計量するためには、このピストンの移動量を高精度に制御する必要がある。加えて、シリンジポンプは液切れが悪く、正確に計量することが難しいという問題がある。

また、液センサを用いる計量装置では、計量室に液体を注入する注入手段を液センサの検知信号で制御するため注入手段の応答遅れ等があったときには、正確に計量することができない場合があるという問題がある。またセンサは、液滴や気泡に反応して誤検知を起こす場合もあり、この場合も正確に計量を行うことができないという問題がある。

本発明は、上記問題点を解決するためのものであり、簡単な構成により正確に計量を行うことをその主たる課題とするものである。

すなわち、本発明に係る液体計量装置は、液体用容器に収容された液体を一端から導入して、液体を計量するための計量用流路と、前記計量用流路の他端から漏れ出る液体を貯留し、この貯留された液体が再度流路に流入しないように前記計量用流路の他端が接続された貯留容器と、前記液体用容器に収容された液体を前記計量用流路の一端から導入して前記計量用流路に充満させるとともに、前記計量用流路に充満した液体を前記計量用流路の一端から導出するポンプ機構とを備え、前記計量用流路は、充満した液体が表面張力により保持される径を有することを特徴とする。

このようなものであれば、計量用流路の一端から液体を導入するとともに、計量用流路の他端から液体を漏れ出させる（オーバーフロー）だけで液体を計量することができる。このため、ポンプ機構による駆動時間（吸引時間）を設定するだけでよく、簡単な装置構成で正確に計量することができる。また、シリンジポンプや液センサが不要となるので、複雑な制御を行う必要がなく、液切れの悪さ、応答遅れ、誤作動等による計量誤差を防ぐことができる。
さらに、計量用流路は、充満した液体が表面張力により保持される径を有するので、計量用流路の配置方向や形態に関わらず、液体を計量することができ、計量用流路を含む液体計量装置の設計の自由度を高めることができる。

前記計量用流路の他端が、その軸方向が水平方向となるように前記貯留容器に連通することが望ましい。
計量用流路の他端開口が垂直方向となる場合、計量用流路の他端から表面張力によりはみ出た液体量が液体の粘性などによって変化しやすいので、計量用流路で計量される液体量が変化する恐れがある。
また、計量用流路の他端開口が垂直方向上向きの場合、設計によっては計量用流路の他端から漏れ出た液体が貯留容器の上面に付着し、この付着した液体が再度計量用流路の他端に滴下されて、計量用流路で計量される液体量が変化する恐れがある。
しかし、本発明の構成では、計量用流路の他端の開口方向が水平方向を向くので、計量用流路の他端の開口方向が垂直方向を向く場合と比べて、計量用流路で計量される液体量の誤差が減り、計量誤差を少なくしてより一層正確に計量することができる。

また、本発明の液体計量装置は、一端が前記貯留容器に接続されるとともに他端が前記液体用容器に接続されて、前記貯留容器に貯留した液体を排出する排出用流路をさらに備え、前記ポンプ機構が、前記貯留容器に貯留された液体を、前記排出用流路を介して前記液体用容器に送液することが望ましい。
このような構成であれば、貯留容器内に貯留された液体を液体用容器に戻すことができるので、貯留容器に液体が溜まりすぎて、計量に不具合が生じることを防ぐとともに、その液体を無駄にすることもない。

本発明によれば、簡単な構成により正確に計量を行うことができる液体計量装置及び水質分析装置を提供することができる。

本実施形態における液体計量装置を示す斜視図。 同実施形態における液体計量装置を示す断面図。 同実施形態における液体計量装置を示す概略図。

以下に本発明にかかる液体計量装置の一実施形態について説明する。

本実施形態における液体計測装置１は、例えば上下水等の液体試料に含まれる所定の測定対象成分の濃度（例えば、全窒素濃度及び全リン濃度）を測定する水質分析装置等に用いられるものであって、例えば、測定に用いられる試薬を所定の量に計量するものである。

具体的にこの液体計測装置１は、図１〜図３に示すように、液体を計量するための計量用流路２Ｌと、計量用流路２Ｌの他端から漏れ出る液体を貯留する貯留容器３と、貯留容器３内の圧力を変動させるポンプ機構４と、貯留容器３に貯留した液体を排出する排出用流路５Ｌと、ポンプ機構４等を制御する制御部６とを備える。

計量用流路２Ｌは、内部に一定容積の流路を有する計量用管２を用いて構成されている。本実施形態の計量用管２は例えば樹脂等の可とう性を有する管であり、螺旋状に巻回されて配管スペースをコンパクトにしている。計量用流路２Ｌ（計量用管２）の一端は、三方電磁弁９に接続されるとともに、他端２ａは貯留容器３の内部空間に接続されている。具体的に、計量用流路２Ｌの他端２ａは、貯留容器３の側壁に挿入して接続されており、貯留容器３の内部空間に連通している。また、他端２ａは、貯留容器３に貯留された液体が、再度計量用流路２Ｌに流入しないようにその接続位置が設定されている。さらに、他端２ａはその軸方向が水平方向になるように挿入されており、つまり、他端２ａの開口方向は水平方向を向いている。

そして、計量用流路２Ｌの径は、充満した液体が表面張力により保持される径を有し、具体的には、充満した液体が大気開放状態において、表面張力によってその充満した状態を維持する径である。そのため、加圧もしくは吸引（圧力を変化）させなければ、計量用流路２Ｌに充満した液体は導出しない。例えば、計量用流路２Ｌは一端から他端２ａに渡って一定の径を有し、その径を１ｍｍ以上３ｍｍ以下とすることが考えられる。

三方電磁弁９は、制御部６によってその開閉を制御されるものであって、第１ポート９ａ、第２ポート９ｂ、第３ポート９ｃを有する。
第１ポート９ａには、液体用容器７からの液体を導入する導入管１０の一端が接続される。なお、導入管１０の他端は、液体用容器７に接続されている。第２ポート９ｂには、計量用流路２Ｌの一端が接続される。第３ポート９ｃには、計量用流路２Ｌで計量された液体を導出する導出管１１の一端が接続される。なお、導出管１１の他端は、試薬と液体試料とを反応させる反応用容器である測定セル８に接続される。この測定セル８は、光源及び光検出器を用いて吸光度等が測定される。

貯留容器３は、内部に貯留空間３Ｓを有するものであって、計量用流路２Ｌの他端から漏れ出た（オーバーフローした）液体をこの貯留空間３Ｓに貯留するものである。この貯留空間３Ｓの下端部は、下方に向かって縮径するテーパ形状を有する。つまり、貯留容器３の底壁部には漏斗状の凹部が形成されている。そして、底壁部の凹部底面に液体用容器７に接続する排出用流路５Ｌが開口して連通している。また、上壁部には、ポンプ機構４が接続されている。

ポンプ機構４は、貯留容器３の貯留空間３Ｓの空気を吸入して貯留空間３Ｓを負圧にし、又は、貯留空間３Ｓに空気を送り込み貯留空間３Ｓを正圧にするものであり、具体的には、ポンプ４ａと、ポンプ４ａと貯留容器３とを接続する接続配管４ｂとを有する。接続配管４ｂは、貯留容器３に対してポンプ４ａの吸引及び吐出を切り替えるためのバルブ４ｃを用いた切り替え機構を有する。

なお、本実施形態においてポンプ機構４は、接続配管４ｂに切り替え機構を備えることにより、ポンプ４ａの吸引又は吐出を切り替えているが、ポンプ４ａ自体が空気を吸入する吸入モード及び空気を吐出する吐出モードを備えるものを用いてもよい。

排出用流路５Ｌは、排出用管５を用いて構成されている。この排出用管５の一端は貯留容器３の底壁部に接続されて貯留空間３Ｓに連通するとともに、他端は液体用容器７に接続されている。そして、排出用管５は、貯留容器３の底壁部に接続されている上流側の排出用管５１と、液体用容器７に接続されている下流側の排出用管５２とを有している。具体的には、上流側の排出用管５１と下流側の排出用管５２とはその径が異なっており、上流側の排出用管５１の径は、充満した液体が表面張力により保持される径を有し、１ｍｍ以上３ｍｍ以下であり、下流側の排出用管５２の径は、３ｍｍ超５ｍｍ以下である。また、排出用管５の下流側の排出用管５２にはピンチバルブ等の開閉弁５ａが設けられている。なお、この開閉弁５ａは、制御部６によって制御される。

制御部６は、三方弁９、ポンプ４ａ及び開閉弁５ａを制御するためのものであって、構造的には、ＣＰＵ、内部メモリ、Ｉ／Ｏバッファ回路、ＡＤコンバータ等を有した所謂コンピュータ回路である。そして、内部メモリの所定領域に格納したプログラムに従って動作することで情報処理を行い、三方弁９、ポンプ４ａ及び開閉弁５ａを制御するものである。なお、この制御部６は、水質分析装置の制御装置により構成してもよい。

具体的に、制御部６は予め処理動作にかかる時間を決定しておいて、この処理動作にかかる時間を内蔵されたクロックでカウントし、該処理動作にかかる時間が経過すると次の処理動作に移るように三方弁９、ポンプ４ａ及び開閉弁５ａをシーケンス制御するものである。

次に、制御部６の具体的な制御内容とともに、本実施形態における液体計量装置１の計量方法について説明する。

まず、制御部６は、排出用流路５Ｌの開閉弁５ａを閉じるとともに、三方弁９の第１ポート９ａと第２ポート９ｂとを連通させる。これにより、導入管１０と計量用流路２Ｌとが連通した状態となる。そして、この状態で貯留容器３内を負圧にするべく、ポンプ機構４を制御してポンプ４ａを所定時間駆動させて空気吸入動作を行わせる。なお、この所定時間とは、計量用流路２Ｌが液体で充満して他端２ａから液体が漏れ出るとともに、貯留空間３Ｓに貯留された液体の液面高さが計量用流路２Ｌの他端開口よりも下側の位置となる時間である。

ポンプ機構４により貯留容器３内が負圧になると、液体用容器７に収容されていた液体（試薬）が、導入管１０、第１ポート９ａ及び第２ポート９ｂを介して計量用流路２Ｌの一端から導入される。この試薬は、計量用流路２Ｌの他端２ａから貯留容器３に漏れ出るまで導入され、計量用流路２Ｌに試薬が充満することで試薬が計量される。

次に、制御部６は、排出用流路５Ｌの開閉弁５ａを開けるとともに、三方弁９の第２ポート９ｂと第３ポート９ｃとを連通させる。これにより、計量用流路２Ｌと導出管１１とが連通した状態となる。なお、この状態だけでは、液体は計量用流路２Ｌから導出管１１には流れない。そして、この状態で、貯留容器３内を正圧にするべく、ポンプ機構４を制御してポンプ４ａを所定時間駆動させて空気送出（吐出）動作を行わせる。なお、この所定時間とは、計量用流路２Ｌに充満した液体が導出流路１１を介して全て測定セル８に送液される程度の時間である。

このポンプ機構４の状態を切り替える間、計量用流路２Ｌ内に充満した試薬は表面張力によって流路内に充満した状態を維持しており、計量用流路２Ｌから液体が流出することはない。

そして、ポンプ機構４により貯留容器３内が正圧になると、計量用流路２Ｌに充満することで計量された試薬が、計量用流路２Ｌの一端から導出されて、第２ポート９ｂ、第３ポート９ｃ及び導出管１１を介して測定セル８に注入される。

このとき、計量用流路２Ｌから漏出して貯留容器３に貯留された試薬は、排出用流路５Ｌを介して液体用容器７に圧送されて送液される。

以上のように構成した本実施形態の液体計測装置によれば、以下のような効果を有する。

つまり、このような構成によって、計量用流路２Ｌの一端から液体を導入するとともに、計量用流路２Ｌの他端２ａから液体を漏れ出させる（オーバーフロー）だけで液体を計量することができる。このため、ポンプ機構４による駆動時間（吸引時間）を設定するだけでよく、簡単な装置構成で正確に計量することができる。また、シリンジポンプや液センサが不要となるので、複雑な制御を行う必要がなく、液切れの悪さ、応答遅れ、誤作動等による計量誤差を防ぐことができる。
さらに、計量用流路２Ｌは、充満した液体が表面張力により保持される径を有するので、計量用流路２Ｌの配置方向や形態に関わらず、液体を計量することができ、計量用流路２Ｌを含む液体計量装置１の設計の自由度を高めることができる。

また、計量用流路２Ｌから計量した液体をポンプ機構４によって圧送して送液し、測定セル８に導出するので、計量用流路２Ｌの軸方向や形態に限られず、計量した液体を測定セル８に導出することができる。そのため、計量用流路２Ｌの設計自由度が増し、本実施形態のように螺旋形状をなすものであっても使用することができるとともに、装置構成をコンパクトにすることができる。さらに本実施形態では、１つの三方弁９を用いるだけで計量装置を構成することができるので、複数の弁を用いる必要がなく、設計の自由度をさらに増やすことができる。

また、計量用流路２Ｌの他端２ａの開口方向が水平方向を向くので、計量用流路２Ｌの他端２ａの開口方向が垂直方向を向く場合と比べて、計量用流路２Ｌの他端開口に表面張力によって溜まる液体量が少なくなるので、計量誤差を少なくしてより一層正確に計量することができる。

さらに、貯留容器３内に貯留された液体を液体用容器７に戻すことができるので、貯留容器３に液体がたまりすぎて、計量に不具合が生じることを防ぐとともに、その液体を無駄にすることもない。

加えて、貯留空間３Ｓの下端部が、底に向かって縮径するテーパ形状を有するので、排出用流路５Ｌへ試薬を容易に排出することができる。

なお、本発明は上記実施形態に限られたものではない。

上記実施形態では、計量用流路の他端は貯留容器の側壁に挿入されるものであったが、例えばこの他端は、貯留容器の上壁や底壁に挿入されるものであってもよい。

また、上記実施形態では、計量用流路の他端開口はその開口方向が水平方向を向くものであったが、水平方向以外の方向を向くものであってもよい。

上記実施形態では、貯留容器内を負圧にして計量用流路に液体を充満させているが、例えば液体用容器にポンプを設けて、このポンプで液体用容器内を正圧にして計量用流路内に液体を圧送して充満させるように構成してもよい。

同様に、上記実施形態では、貯留容器内を正圧にして、計量用流路に充満した液体を測定セルに導出しているが、例えば測定セルにポンプを設けて、このポンプで測定セル内を負圧にして計量用流路内充満した液体を導出するように構成してもよい。

ポンプと接続された接続配管は貯留容器の上壁部だけではなく、貯留容器内に貯留された試薬の液面よりも上方であれば、どこでも配置することができる。

上記実施形態では、水質分析装置において測定試料に添加する試薬を計量するものであったが、測定試料を計量するものであってもよい。その他、水質分析装置以外の液体計量を必要とする分析装置に用いられるものであってもよい。

本発明は、その趣旨に反しない範囲で様々な変形が可能である。

１・・・液体計量装置
２Ｌ・・・計量用流路
２ａ・・・計量用流路の他端
３・・・貯留容器
４・・・ポンプ機構
５Ｌ・・・排出用流路

Claims (3)

1. 液体用容器に収容された液体を一端から導入して、液体を計量するための計量用流路と、
   前記計量用流路の他端から漏れ出る液体を貯留し、この貯留された液体が再度流路に流入しないように前記計量用流路の他端が接続された貯留容器と、
   前記液体用容器に収容された液体を前記計量用流路の一端から導入して前記計量用流路に充満させるとともに、前記計量用流路に充満した液体を前記計量用流路の一端から導出するポンプ機構とを備え、
   前記計量用流路は、充満した液体が表面張力により保持される径を有し、
   前記計量用流路の他端が、前記貯留容器の側面に接続されており、
   前記計量用流路の他端が、その軸方向が水平方向となるように前記貯留容器に接続されていることを特徴とする液体計量装置。
2. 一端が前記貯留容器に接続するとともに他端が前記液体用容器に接続して、前記貯留容器に貯留した液体を排出する排出用流路をさらに備え、
   前記ポンプ機構が、前記貯留容器に貯留された液体を、前記排出用流路を介して前記液体用容器に送液することを特徴とする請求項１記載の液体計量装置。
3. 請求項１又は２に記載の液体計量装置を用いた水質分析装置。