JP7345661B2 - 測定モジュールおよび測定装置 - Google Patents

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Description

本開示は、測定モジュールおよび測定装置に関する。
流体の流れの状態を定量的に測定する装置としては、例えば、レーザー血流計などの光学的な手法を用いて流体の流量および流速を測定する装置が知られている(例えば、国際公開第2013/153664号の記載を参照。)。
測定モジュールおよび測定装置が開示される。
測定モジュールの一態様は、流路部の内部に含まれる流路における流体を測定するものである測定モジュールであって、センサ部と、反射部と、を備えている。前記センサ部は、発光部および受光部を有する。前記センサ部および前記反射部は、前記流路を挟んで対向している第1状態で配置可能に構成されている。前記第1状態において、前記受光部は、前記発光部による前記流路部に対する光の照射に応じて、前記流路部で散乱した光と、前記流路部を透過して前記流路における前記流体で散乱した光と、前記流路部および前記流路における前記流体を透過して前記反射部で反射した光と、を受光する。
測定モジュールの一態様は、流路部と、センサ部と、反射部と、を備えている。前記流路部は、流体が流れる流路を内部に含んでいる。前記センサ部は、発光部と受光部とを含む。前記反射部は、前記流路の少なくとも一部を挟んで前記センサ部に対向している。前記発光部は、前記流路部に光を照射する。前記流路部は、前記発光部から発せられた光を透過させる光透過部、を含む。前記受光部は、前記発光部から発せられて前記流路部で散乱した光と、前記発光部から発せられて前記光透過部を透過して前記流路内の前記流体で散乱した光と、前記発光部から発せられて前記光透過部および前記流路内の前記流体を透過して前記反射部で反射した光と、を受光する。
測定装置の一態様は、上記の何れかの一態様の測定モジュールと、処理部と、を備えている。前記受光部は、光を受光して光の強度に応じた信号を出力する。前記処理部は、前記受光部が出力した信号に基づいて、前記流体の流れの状態に係る定量的な計算値を算出する。
図1は、第1実施形態に係る測定モジュールの一構成例の外観を模式的に示す正面図である。 図2は、第1実施形態に係る測定モジュールの一構成例の外観を模式的に示す平面図である。 図3は、第1実施形態に係る測定モジュールの一構成例の外観を模式的に示す分解正面図である。 図4は、第1実施形態に係る測定モジュールの一構成例の外観を模式的に示す分解平面図である。 図5は、図4の測定モジュールのV-V線に沿った断面の一例を模式的に示す分解断面図である。 図6は、第1実施形態に係る測定装置の概略的な構成の一例を模式的に示す図である。 図7は、第1実施形態に係る測定装置の機能的な構成の一例を示すブロック図である。 図8は、一参考例に係る測定装置の概略的な構成の一例を模式的に示す図である。 図9は、第1実施形態に係る測定装置の一構成例および一参考例に係る測定装置における流量設定値と流量算出値との関係の一例を示すグラフである。 図10は、第2実施形態に係る測定モジュールの一構成例の外観を模式的に示す正面図である。 図11は、第2実施形態に係る測定モジュールの一構成例の外観を模式的に示す平面図である。 図12は、第2実施形態に係る測定モジュールの一構成例の外観を模式的に示す正面図である。 図13は、第2実施形態に係る測定モジュールの一構成例の外観を模式的に示す平面図である。 図14は、図13の測定モジュールのXIV-XIV線に沿った断面の一例を模式的に示す断面図である。 図15は、第3実施形態に係る測定モジュールの一構成例の外観を模式的に示す正面図である。 図16は、図15の測定モジュールの一構成例についての図4の測定モジュールのV-V線に沿った断面に対応する断面の一例を模式的に示す分解断面図である。 図17は、第4実施形態に係る測定モジュールの一構成例の外観を模式的に示す正面図である。 図18は、図17の測定モジュールの一構成例についての図13の測定モジュールのXIV-XIV線に沿った断面に対応する断面の一例を模式的に示す断面図である。 図19は、第5実施形態に係る測定モジュールの一構成例の外観を模式的に示す正面図である。 図20は、図19の測定モジュールの一構成例についての図13の測定モジュールのXIV-XIV線に沿った断面に対応する断面の一例を模式的に示す断面図である。 図21は、第6実施形態に係る測定モジュールの一構成例の外観を模式的に示す正面図である。 図22は、第7実施形態に係る測定モジュールの第1構成例の外観を模式的に示す正面図である。 図23は、第7実施形態に係る測定モジュールの第2構成例の外観を模式的に示す正面図である。 図24は、第8実施形態に係る測定モジュールの第1構成例の外観を模式的に示す平面図である。 図25は、第8実施形態に係る測定モジュールの第2構成例の外観を模式的に示す平面図である。 図26は、第8実施形態に係る測定モジュールの第3構成例の外観を模式的に示す平面図である。 図27は、第8実施形態に係る測定モジュールの第3構成例の外観を模式的に示す正面図である。 図28は、第8実施形態に係る測定モジュールの第3構成例の外観を模式的に示す分解平面図である。 図29は、第8実施形態に係る測定モジュールの第3構成例の外観を模式的に示す分解正面図である。 図30は、図28の測定モジュールのXXX-XXX線に沿った断面の一例を模式的に示す分解断面図である。 図31は、第8実施形態に係る測定モジュールの第4構成例の外観を模式的に示す平面図である。 図32は、第8実施形態に係る測定モジュールの第4構成例の外観を模式的に示す分解平面図である。 図33は、図32の第8実施形態に係る測定モジュールの第4構成例についての図28の測定モジュールのXXX-XXX線に沿った断面に対応する断面の一例を模式的に示す分解断面図である。 図34は、第8実施形態に係る測定モジュールの第5構成例の外観を模式的に示す分解平面図である。 図35は、第8実施形態に係る測定モジュールの第6構成例の外観を模式的に示す分解平面図である。 図36は、第9実施形態に係る測定モジュールの第1構成例の外観を模式的に示す平面図である。 図37は、第9実施形態に係る測定モジュールの第1構成例の外観を模式的に示す正面図である。 図38は、第9実施形態に係る測定モジュールの第2構成例の外観を模式的に示す平面図である。 図39は、第9実施形態に係る測定モジュールの第3構成例の外観を模式的に示す正面図である。 図40は、第9実施形態に係る測定モジュールの第3構成例の外観を模式的に示す平面図である。 図41は、第10実施形態に係る測定モジュールの第1構成例の外観を模式的に示す正面図である。 図42は、第10実施形態に係る測定モジュールの第2構成例の外観を模式的に示す正面図である。 図43は、第10実施形態に係る測定モジュールの第3構成例の外観を模式的に示す正面図である。 図44は、第10実施形態に係る測定モジュールの第4構成例の外観を模式的に示す正面図である。 図45は、第11実施形態に係る測定装置の機能的な構成の一例を示すブロック図である。 図46は、第12実施形態に係る測定装置の機能的な構成の一例を示すブロック図である。 図47は、第13実施形態に係る測定システムの機能的な構成の一例を示すブロック図である。 図48は、流量設定値と流量計算値との関係を例示するグラフである。
流体の流れの状態を定量的に測定する装置として、例えば、レーザー血流計などの光学的な手法を用いて流体の流量および流速の少なくとも一方を測定する装置が知られている。レーザー血流計は、例えば、発光素子としてのレーザーから生体に照射されたレーザー光が散乱する際に生ずるドップラーシフトに起因したレーザー光の波長の変化に基づいて、生体の血流量を算出することができる。
より具体的には、周波数foのレーザー光が生体に照射されると、血管内を流れる血液の流れ(血球などの粒子の移動)による光の散乱と、他の固定組織(皮膚組織および血管を構成している組織など)による光の散乱と、によって、散乱光が生じる。血球の径は、例えば、数マイクロメートル(μm)から20μm程度である。また、血球による散乱で生じた散乱光の周波数fは、他の固定組織による散乱で生じた散乱光の周波数foと比較して、血球などの粒子の移動速度に対応したドップラーシフトによってfbだけ変化した周波数fo+fbとなっている。この変調周波数fbは、血流の速度をVとし、流体に対するレーザー光の入射角度をθとし、レーザー光の波長をλとすると、次の式(1)で示される。
fb=(2V×cosθ)/λ ・・・(1)
ここでは、固定組織によって生じる周波数foの光と、移動する血球によって生じる周波数fo+fbの光と、の相互干渉によって、差周波fbが光ビート(うなり)として観測され得る。換言すれば、周波数が互いに異なる2種類の光を受光素子が受光することで得られる信号(受光信号)には、これらの2種類の光の相互干渉によって生ずる光ビートに対応する信号(光ビート信号ともいう)の成分が含まれる。
光ビートの周波数に対応する差周波fbは、元のレーザー光の周波数foよりも非常に小さい。例えば、780nmの波長の光の周波数は、400テラヘルツ(THz)程度であり、通常の受光素子で検出が可能である応答速度を超えている。これに対して、光ビートの周波数(光ビート周波数ともいう)fbは、血球の移動速度に依存するものの、例えば、数キロヘルツ(kHz)から数十kHz程度であり、通常の受光素子が十分応答して検出することが可能である周波数帯域に含まれる。このため、受光素子を用いて、固定組織によって生じた周波数foの光と、移動する血球によって生じた周波数fo+fbの光と、を受光することで得られる信号(受光信号)は、直流(DC)成分の信号(DC信号)に光ビート周波数fbの強度変調信号が重畳された波形を示す。そして、周波数fbの光ビート信号を解析することで、血流量を算出することができる。
例えば、まず、受光素子によって検出された受光信号についてフーリエ変換(FFT)などの演算を用いて周波数スペクトルP(f)を算出する。次に、この周波数スペクトルP(f)に周波数fの重み付けを行うことで、重み付け後の周波数スペクトル(重み付け周波数スペクトルともいう)P(f)×fを算出する。次に、重み付け周波数スペクトルP(f)×fについて、所定の範囲の周波数で積分を行って、第1の計算値(∫{P(f)×f}df)を算出する。次に、下記の式(2)で示されるように、第1の計算値(∫{P(f)×f}df)を、周波数スペクトルP(f)を所定の範囲の周波数について積分を行うことで算出される第2の計算値(∫P(f)df)で除することで、光ビート周波数fbにおける平均周波数fmを算出する。
fm=∫{P(f)×f}df/{∫P(f)df} ・・・(2)
そして、平均周波数fmを用いた所定の計算で、生体の血流量を算出することが考えられる。
この流体の流量を測定する測定装置は、血管内を流れる血液だけでなく、配管などの流路を有している部分(流路部ともいう)内の流路を流れる流体一般を測定の対象としてもよい。ここでは、例えば、周波数foのレーザー光が流路部に照射されると、受光素子は、強度Iの光を受光する。そして、流路部によって生じる周波数foの光の電界成分の振幅をα1とし、流路内を流れる流体内の粒子によって生じる周波数fo+fbの光の電界成分の振幅をα2とする。また、時刻をtとし、流路部によって生じる周波数foの光の電界成分と流路内を流れる流体内の粒子によって生じる周波数fo+fbの光の電界成分との位相差をΔとすると、上記の光の強度Iは、次の式(3)で示される。
I=(α1+α2)/2+2α1α2cos{2πfb×t+Δ} ・・・(3)
式(3)の右辺第1項の(α1+α2)/2は、時刻tの経過にかかわらず一定であるDC成分である。式(3)の右辺第2項の2α1α2cos{2πfb×t+Δ}は、時刻tの経過とともに変化する交流(AC)成分である。
ここで、例えば、流路としての透明な管状体内において流体を流す際に、測定装置を用いて流体の流量を測定する構成を想定する。この構成では、例えば、ポンプなどで流路を流れる流体の流量(流量設定値ともいう)を設定することが可能であるものとする。ここでは、例えば、流量設定値を順に増加させ、各流量設定値について、測定装置を用いて、光ビート信号に係る周波数スペクトルP(f)、重み付け周波数スペクトルP(f)×f、平均周波数fmおよび流量を算出する場合を想定する。ここで、例えば、流体に含まれる粒子の径がある程度大きければ、図48の太い実線で示されるように、流量設定値と流量の算出値(流量算出値ともいう)とが略正比例の関係を呈し得る。
ところが、例えば、流体によっては、流体に含まれる粒子の径がある程度小さい場合がある。この場合には、例えば、式(3)の振幅α2が小さくなり、式(3)の右辺第2項のAC成分が減少し得る。その結果、例えば、図48の太い2点鎖線で示されるように、流量設定値と流量算出値との関係が略正比例の関係から大きく外れる場合がある。
そして、上記については、流体の流量を測定する測定装置に限られず、流体の流量および流速の少なくとも一方を含む流体の流れの状態に係る定量値を測定する装置一般に共通する。このため、流体の流れの状態を定量的に測定するための測定モジュールおよび測定装置については、流体の流れの状態についての定量的な測定精度を向上させる点で改善の余地がある。
そこで、本発明者らは、流体の流れの状態を定量的に測定するための測定モジュールおよび測定装置について、流体の流れの状態についての定量的な測定精度を向上させることができる技術を創出した。
これについて、以下、第1実施形態から第13実施形態について図面を参照しつつ説明する。図面においては同様な構成および機能を有する部分に同じ符号が付されており、下記説明では重複説明が省略される。図面は模式的に示されたものである。図1から図5および図10から図44には、右手系のXYZ座標系が付されている。このXYZ座標系では、流体3が流れる方向が-Z方向とされ、-Z方向に直交する1方向が+X方向とされ、+X方向と+Z方向との両方に直交する方向が+Y方向とされている。図1、図3、図5、図6、図8、図10、図15から図17、図19、図21から図23、図27、図29、図30、図33、図37、図39および図41から図44には、流体3が流れる方向が太い2点鎖線の矢印で描かれている。図1、図6、図8、図10、図15、図17、図19、図21から図23、図27、図37および図39には、照射光L1および干渉光L2の進む方向が細い1点鎖線の矢印で描かれている。
<1.第1実施形態>
<1-1.測定装置>
図1から図5で示されるように、第1実施形態に係る測定装置100は、例えば、流路22を有している部分(流路部ともいう)21の内部21iを流れる流体3の流れの状態を定量的に測定することができる。ここで、流路部21は、例えば、各種装置の配管などの管状の物体(管状体ともいう)を含み得る。管状体は、例えば、透光性を有する材料によって構成される。透光性を有する材料には、例えば、ガラスまたはポリマー樹脂などが適用される。流体3の流れの状態を示す定量的な値(流れ定量値ともいう)は、例えば、流量および流速のうちの少なくとも一方の値を含み得る。流量は、単位時間あたりに流路を通過する流体の量である。流体の量は、例えば、体積または質量で表され得る。流速は、流路における流体の流れの速さである。流れの速さは、単位時間あたりに流体が進む距離で表され得る。
測定装置100は、例えば、測定モジュール1を備えている。後述する測定装置100および測定モジュール1の各種構成は、適宜周知あるいは公知の方法を用いて製造され得る。
測定モジュール1は、流路部21の内部21iに含まれる流路22における流体3の流れの状態を定量的に測定するためのモジュールである。測定モジュール1は、例えば、光のドップラー効果を利用して流体3の流れの状態を定量的に測定するためのモジュールである。ここで、例えば、流体3に対する光の照射に応じて、その光が流体3で散乱を生じる場合には、流体3の流れに応じたドップラー効果によって、流体3の移動速度に応じた光の周波数のシフト(ドップラーシフトともいう)が生じる。測定装置100は、例えば、測定モジュール1を用いて、ドップラーシフトを検出して、流体3の流れの状態を示す流れ定量値を測定することができる。
ここで、流れの状態が定量的に測定される対象物(被測定物ともいう)としての流体3は、例えば、その流体3自体が光を散乱するもの、または光を散乱する物質(散乱物質ともいう)もしくは光を散乱する物体(散乱体ともいう)を流動させるものを含む。より具体的には、この被測定物としての流体3には、例えば、水、血液、プリンター用のインク、または粉体などの散乱体を含む気体などが適用される。ここで、例えば、散乱物質または散乱体が流体に追従して流動する場合には、「散乱物質または散乱体の流量」を「流体の流量」とみなしてもよいし、「散乱物質または散乱体の流速」を「流体の流速」とみなしてもよい。
図1から図5で示されるように、第1実施形態に係る測定モジュール1は、例えば、センサ部111と、反射部121と、を備えている。
第1実施形態に係る測定モジュール1は、例えば、センサ部111および反射部121が流路22を挟んで対向している状態(第1状態ともいう)で配置することが可能であるように構成されている。例えば、図3から図5で示されるように、センサ部111および反射部121が流路部21から離れた状態(第2状態ともいう)から、図1および図2で示されるように、センサ部111と反射部121とが流路部21を挟んで対向している第1状態とすることができる。これにより、例えば、流路部21の内部21iに含まれる流路22における流体3の流れの状態を定量的に測定する際には、流路部21としての各種の管状体に対して、センサ部111と反射部121とを流路部21を挟むように配置することで、測定モジュール1を容易に配置することができる。図1および図2の例では、流路22を基準として-X方向にセンサ部111が位置しており、流路22を基準として+X方向に反射部121が位置している。
センサ部111は、例えば、発光部1111と、受光部1112と、を含む。
発光部1111は、例えば、第1状態において、内部21iで流体3が流れる物体(被照射物ともいう)2に光(照射光ともいう)L1を照射することができる。被照射物2は、少なくとも管状体などの流路を構成する物体(流路部)21と、流路22を流れる流体3と、を含む。照射光L1には、例えば、被測定物としての流体3に応じた所定の波長の光が適用される。例えば、流体3が血液もしくはスポーツドリンクである場合には、照射光L1の波長は、600ナノメートル(nm)から900nm程度に設定される。また、例えば、流体3がプリンター用のインクである場合には、被照射物2に照射される光の波長は、700nmから1000nm程度に設定される。発光部1111には、例えば、垂直共振器面発光レーザー(VCSEL:Vertical Cavity Surface Emitting LASER)などの半導体レーザー素子が適用される。
受光部1112は、例えば、第1状態において、照射光L1のうち、被照射物2および反射部121で散乱した光を含む干渉光L2を受光することができる。より具体的には、例えば、受光部1112は、発光部1111による流路部21に対する照射光L1の照射に応じて、流路部21で散乱した光L2aと、流路部21を透過して流路22における流体3で散乱した光L2bと、流路部21および流路22における流体3を透過して反射部121で反射した光L2cと、を受光することができる。また、受光部1112は、例えば、受光した干渉光L2を光の強度に応じた電気信号に変換することができる。換言すれば、受光部1112は、干渉光L2を受光してこの干渉光L2の強度に応じた電気信号を出力することができる。
ここでは、受光部1112が受光することができる干渉光L2は、例えば、流体3の周囲で静止している物体(静止物体ともいう)としての流路部21および反射部121からのドップラーシフトを生じていない散乱光と、流体3からのシフト量がfbであるドップラーシフトを生じた散乱光と、によって生じる干渉光を含む。換言すれば、干渉光L2は、例えば、流路部21および流体3を透過して反射部121によって反射された光を含む。これにより、例えば、受光部1112で受光される干渉光L2の強度が増加し得る。
ここで、例えば、静止物体によって生じる周波数foの散乱光の電界成分の振幅をα1とし、流路22内を流れる流体3内の粒子によって生じる周波数fo+fbの散乱光の電界成分の振幅をα2とする。また、例えば、時刻をtとし、静止物体によって生じる周波数foの散乱光の電界成分と流路22内を流れる流体3内の粒子によって生じる周波数fo+fbの散乱光の電界成分との位相差をΔとする。この場合には、受光部1112で受光される干渉光L2の強度Iは、次の式(4)で示される。
I=(α1+α2)/2+2α1α2cos{2πfb×t+Δ} ・・・(4)
例えば、式(4)の右辺第1項の(α1+α2)/2は、時刻tの経過にかかわらず一定であるDC成分である。また、例えば、式(4)の右辺第2項の2α1α2cos{2πfb×t+Δ}は、時刻tの経過とともに変化するシフト量fbに対応する周波数のAC成分である。ここでは、例えば、時間の経過に対する干渉光L2の強度Iの変化(時間変化ともいう)は、ドップラーシフトを生じていない散乱光の周波数と、ドップラーシフトを生じた散乱光の周波数と、の差(差周波ともいう)fbに対応する周波数のうなりを示し得る。このため、例えば、受光部1112から出力される干渉光L2の強度に応じた信号は、干渉光L2の強度の時間変化におけるうなりに対応する信号(うなり信号とも光ビート信号ともいう)の成分を含み得る。受光部1112には、例えば、干渉光L2の強度の時間変化におけるうなりに追従することができる能力(時間分解能ともいう)を有するものが適用される。受光部1112が受光することができる光の波長は、例えば、照射光L1の波長および流体3の速度の範囲などの測定条件に応じて設定され得る。受光部1112には、例えば、シリコン(Si)フォトダイオード、ガリウムヒ素(GaAs)フォトダイオード、ヒ化インジウムガリウム(InGaAs)フォトダイオード、またはゲルマニウム(Ge)フォトダイオードなどの各種のフォトダイオードが適用される。
第1実施形態では、例えば、静止物体によって生じる周波数foの散乱光は、流路部21によって生じる周波数foの散乱光に加えて、反射部121によって生じる周波数foの散乱光を含む。これにより、例えば、仮に流体3に含まれる粒子の径がある程度小さく、式(4)の振幅α1が小さくなる場合であっても、式(4)の振幅α2が大きくなり得る。このため、例えば、式(4)の右辺第2項のAC成分が大きくなり得る。換言すれば、例えば、干渉光L2の強度Iの増大に応じて受光部1112から出力される信号に含まれる光ビート信号の成分の振幅が大きくなり得る。その結果、例えば、後述する処理部113において光ビート信号を解析することで算出される流体3の流れの状態を示す定量的な値(流れ定量値)の測定精度が向上し得る。
また、センサ部111は、例えば、パッケージ1113を有していてもよい。パッケージ1113は、発光部1111および受光部1112を収容するものである。図1から図5の例では、測定モジュール1は、センサ部111が実装された基板(実装基板ともいう)101を有する。実装基板101には、例えば、プリント基板などが適用される。ここでは、センサ部111のパッケージ1113が実装基板101上に位置している。パッケージ1113は、例えば、立方体状または直方体状などの外形を有する。パッケージ1113は、例えば、第1状態において流路22に向けてそれぞれ開口するように構成された凹部(第1凹部ともいう)1113aおよび凹部(第2凹部ともいう)1113bを有する。図1から図5の例では、第1凹部1113aおよび第2凹部1113bは、それぞれ+X方向に向けて開口している。第1凹部1113aには、例えば、発光部1111が実装された状態で位置している。第2凹部1113bには、例えば、受光部1112が実装された状態で位置している。ここで、発光部1111から発せられる照射光L1は、第1凹部1113aの開口を介して被照射物2に照射される。また、被照射物2および反射部121からの干渉光L2は、第2凹部1113bの開口を介して受光部1112によって受光される。パッケージ1113には、例えば、セラミック材料または有機材料などで構成されている配線基板の積層体が適用される。セラミック材料には、例えば、酸化アルミニウム質焼結体またはムライト質焼結体などが適用される。有機材料には、例えば、エポキシ樹脂またはポリイミド樹脂などが適用される。
また、例えば、図1から図5で示されるように、パッケージ1113のうちの第1凹部1113aおよび第2凹部1113bのそれぞれの開口を覆うように、透光性を有する蓋部材1114が位置していてもよい。この構成が採用されれば、例えば、パッケージ1113の第1凹部1113a内において発光部1111が密閉された状態、およびパッケージ1113の第2凹部1113b内において受光部1112が密閉された状態が実現され得る。蓋部材1114には、例えば、ガラス板などが適用される。
反射部121は、例えば、光を反射することができる。反射部121の材料には、例えば、流路部21の材料よりも、照射光L1に対する反射率が高い材料が適用される。反射部121の材料は、例えば、照射光L1の波長に応じて適宜設定され得る。反射部121の材料には、例えば、アルミニウムもしくは銅などの金属が適用される。反射部121は、第1状態において、例えば、流路部21の+X側の外周部に沿って位置する形状を有する。反射部121は、膜状、箔状、板状および塊状の何れの形態を有していてもよい。反射部121の形態は、例えば、照射光L1の強度に応じて適宜設定され得る。ここで、例えば、照射光L1に対する反射部121の反射率が増大すれば、受光部1112で受光される干渉光L2の強度Iが増大し、受光部1112から出力される信号が含む光ビート信号の成分の振幅が大きくなり得る。この場合には、例えば、干渉光L2の強度に応じた電気信号の強度を増幅する処理において増幅率を低くすることが可能であり、電気信号におけるノイズの増幅が低減され得る。その結果、例えば、後述する処理部113において光ビート信号を解析することで算出される流体3の流れの状態を示す定量的な値(流れ定量値)の測定精度が向上し得る。また、別の観点から言えば、例えば、周波数foの照射光L1に対する反射部121の反射率を高めて、流体3の流れの状態を示す定量的な値(流れ定量値)の測定精度が維持できる範囲内で、発光部1111が発する照射光L1の強度を低減してもよい。これにより、例えば、測定装置100および測定モジュール1における消費電力の低減が図られ得る。
また、測定モジュール1は、例えば、第1筐体部112と、第2筐体部122と、を備えていてもよい。第1筐体部112および第2筐体部122は、例えば、センサ部111と反射部121とが流路22を挟んで対向している第1状態において流路部21を挟んで位置している状態(第3状態ともいう)で配置することができるように構成されている。
第1筐体部112は、例えば、第3状態においてセンサ部111を流路部21とは逆側から囲むように構成された凹部(第3凹部ともいう)112rを有する。第1筐体部112の外形としては、例えば、立方体状、直方体状または半円柱状など種々の形状が採用され得る。第3凹部112rは、例えば、第3状態において流路22に向けて開口するように構成されている。図1から図5の例では、第3凹部112rは、+X方向に向けて開口している開口部を有する。例えば、第3状態において、第3凹部112r内にはセンサ部111が位置している。例えば、第3状態において、第3凹部112r内にはセンサ部111が実装された実装基板101が位置していてもよい。ここで、例えば、第1筐体部112にセンサ部111が固定されることで、一体的な部分(第1部分ともいう)11とされてもよい。例えば、第3凹部112r内において、センサ部111が実装された実装基板101は、ネジ止め、かしめ、もしくは接着などによって第1筐体部112に固定され得る。これにより、例えば、測定モジュール1は、センサ部111および第1筐体部112を含む第1部分11を有する形態となる。これにより、例えば、流路部21に対してセンサ部111および第1筐体部112を容易に配置することができる。
また、第1筐体部112は、例えば、第3凹部112rの開口部の周囲に位置しており且つ第3状態において第2筐体部122に沿って位置するように構成された面(第1面ともいう)112fを有する。第1面112fは、例えば、第3状態において、第2筐体部122に接触していてもよいし、近接していてもよい。図1から図5の例では、第1面112fは、第1筐体部112のうちの+X方向を向いた面である。また、第1筐体部112は、例えば、第3状態において流路部21の外面に沿って位置する形状を有する。第1筐体部112は、例えば、第1面112f側に第3凹部112rおよび第1溝部112tを有する。図1から図5の例では、第3凹部112rは、第1面112fの略中央部に位置し、第1溝部112tは、第3凹部112rから+Z方向および-Z方向に向けて直線状に延びている。第1溝部112tは、例えば、第3状態において、流路部21の-X側の部分が嵌まり込む形状を有する。例えば、第1溝部112tが、半円柱状の内部空間を有し、流路部21が円筒状の形状を有する形態が考えられる。
第2筐体部122は、例えば、第3状態において第1面112fに沿って位置するように構成された面(第2面ともいう)122fを有する。第2面122fは、例えば、第3状態において、第1面112fに接触していてもよいし、近接していてもよい。図1から図5の例では、第2面122fは、第2筐体部122のうちの-X方向を向いた面である。また、ここでは、例えば、第2筐体部122は、反射部121を流路部21とは逆側から囲むように位置する。第2筐体部122の外形としては、例えば、立方体状、直方体状または半円柱状などの種々の形状が採用され得る。
また、第2筐体部122は、例えば、第3状態において流路部21の外面に沿って位置する形状を有する。第2筐体部122は、例えば、第2面122f側に第2溝部122tを有する。第2溝部122tは、例えば、第2面122fに沿った一方向に沿って延びている。図1から図5の例では、第2溝部122tは、第2面122fのY方向の略中央付近においてZ方向に直線状に延びている。第2溝部122tは、例えば、第3状態において、流路部21の+X側の部分が嵌まり込む形状を有する。例えば、第2溝部122tが、半円柱状の内部空間を有し、流路部21が円筒状の形状を有する形態が考えられる。また、例えば、第2溝部122tの底面(内面)に沿って反射部121が位置している。図1から図5の例では、反射部121は、第2溝部122tの底面に沿った半円筒状の形状を有する。ここで、例えば、第2筐体部122に反射部121が固定されることで、一体的な部分(第2部分ともいう)12とされてもよい。例えば、蒸着もしくはスパッタリングなどの手法による乾式の成膜、またはめっきもしくは塗布などの手法による湿式の成膜によって、第2溝部122tの底面に沿って膜状の反射部121が形成され得る。反射部121は、例えば、接着剤もしくは接着テープなどによる貼り付けによって、第2溝部122tの底面に沿って配置されてもよい。これにより、例えば、測定モジュール1は、反射部121および第2筐体部122を含む第2部分12を有する形態となる。これにより、例えば、流路部21に対して反射部121および第2筐体部122を容易に配置することができる。
ここでは、例えば、第1筐体部112を含む第1部分11と第2筐体部122を含む第2部分12とを、図3から図5で示されるように相互に離れた状態から、図1および図2で示されるように流路部21を挟んでいる第3状態とする。上記により、センサ部111および反射部121が流路22から離れた第2状態からセンサ部111および反射部121が流路22を挟んで対向している第1状態とすることができる。このため、例えば、流路部21の内部21iを流れる流体3の状態を定量的に測定する際には、流路部21としての各種の管状体に対して、測定モジュール1を容易に配置することができる。第3状態においては、第1部分11と第2部分12とは、例えば、接着剤または粘着テープなどを用いた接着によって連結されてもよいし、他の部材を用いた締結または挟持などによって連結されてもよい。
また、例えば、第1筐体部112および第2筐体部122は、第3状態において、第1開口部Op1と第2開口部Op2とを有するように構成されている。第1開口部Op1は、例えば、流路部21の長手方向(例えば、+Z方向)における端部(第1端部ともいう)に位置している。この第1開口部Op1には、流路部21が貫通している。第2開口部Op2は、例えば、流路部21の長手方向(例えば、+Z方向)における第1端部とは逆の端部(第2端部ともいう)に位置している。この第2開口部Op2には、流路部21が貫通している。図1および図2の例では、測定モジュール1は、第1溝部112tと第2溝部122tとによって構成された貫通孔10hを有する。貫通孔10hは、+Z側に位置する第1開口部Op1と、-Z側に位置する第2開口部Op2と、を有する。この貫通孔10hには、例えば、流路部21としての管状体が貫通している状態にある。
ここで、例えば、第1筐体部112および第2筐体部122が、流路部21よりも高い遮光性を有していれば、測定モジュール1の外部から受光部1112へ光が進入しにくい。これにより、例えば、流路22における流体3の流れの状態についての定量的な測定精度が向上し得る。ここで、第1筐体部112および第2筐体部122の材料には、例えば、可視光線に対する高い遮光性を有する黒色などの樹脂が適用され得る。第1筐体部112および第2筐体部122の材料には、例えば、可視光線に対する高い遮光性を有する金属またはセラミックスなどの材料が適用されてもよい。
また、ここで、例えば、図1で示されるように、反射部121が貫通孔10h内において第1開口部Op1から離れて位置していれば、測定モジュール1の外部から第1開口部Op1を介して貫通孔10h内に入射した光が、反射部121の反射によって受光部1112まで到達しにくい。これにより、例えば、測定モジュール1の外部から受光部1112へ光が進入しにくい。その結果、例えば、流路22における流体3の流れの状態についての定量的な測定精度が向上し得る。また、ここで、例えば、図1で示されるように、反射部121が貫通孔10h内において第2開口部Op2から離れて位置していれば、測定モジュール1の外部から第2開口部Op2を介して貫通孔10h内に入射した光が、反射部121の反射によって受光部1112まで到達しにくい。これにより、例えば、測定モジュール1の外部から受光部1112へ光が進入しにくい。その結果、例えば、流路22における流体3の流れの状態についての定量的な測定精度が向上し得る。ここでは、例えば、貫通孔10hの内面のうち、反射部121を除く部分における光の反射率が、反射部121における照射光L1の反射率よりも低い態様が考えられる。
別の観点から言えば、例えば、図5で示されるように、反射部121は、第1状態において流路22を挟んでセンサ部111と対向するように配置される面(反射面ともいう)Sr1を有する。そして、例えば、第1溝部112tの内面と、第2溝部122tのうちの反射部121が配されていない内面とが、反射面Sr1よりも照射光L1の反射率が低い面(低反射面ともいう)Sa1を構成している態様が考えられる。低反射面Sa1は、例えば、黒色の樹脂などの黒色の材料によって構成され得る。低反射面Sa1は、例えば、第1筐体部112および第2筐体部122の材料で構成されてもよいし、第1溝部112tおよび第2溝部122tの底面に沿った黒色の膜状の部分で構成されてもよい。黒色の膜状の部分は、例えば、塗布などの手法による黒色の樹脂の成膜などによって形成され得る。黒色の膜状の部分は、例えば、接着剤もしくは接着テープなどで貼り付けによって、第1溝部112tおよび第2溝部122tの底面に沿って配置されてもよい。
また、図6および図7で示されるように、測定装置100は、上述した測定モジュール1に加えて、処理部113を備えている。ここで、実装基板101には、例えば、図6で示されるように、センサ部111と、処理部113と、接続部114と、が実装されていてもよい。この場合には、センサ部111と処理部113との間および処理部113と接続部114との間のそれぞれは、例えば、実装基板101によって電気的に接続されている。また、例えば、第1筐体部112の第3凹部112r内には、センサ部111と処理部113と接続部114とが実装された実装基板101が位置していてもよい。
処理部113は、例えば、受光部1112が出力した電気信号に基づいて、流体3の流れの状態に係る定量的な計算値を算出することができる。また、処理部113は、例えば、測定装置100を制御することができてもよい。処理部113は、例えば、トランジスタもしくはダイオードなどの能動素子およびコンデンサなどの受動素子などを含む複数の電子部品を有する。接続部114は、例えば、処理部113と外部装置とを電気的に接続することができる。接続部114と外部装置とは、例えば、第1筐体部112を貫通するように配された配線によって電気的に接続され得る。ここでは、例えば、複数の電子部品を集積して、1つ以上の集積回路(IC)または大規模集積回路(LSI)などを形成したり、複数のICまたはLSIなどをさらに集積して形成したりすることで、処理部113および接続部114を含む各種機能部が構成され得る。処理部113および接続部114を構成する複数の電子部品は、例えば、実装基板101上に実装されている状態にある。これにより、例えば、パッケージ1113と処理部113とが電気的に接続されているとともに、処理部113と接続部114とが電気的に接続されている状態にある。
処理部113は、例えば、信号処理部1131と、情報処理部1132と、を有する。
信号処理部1131は、例えば、受光部1112から受信した電気信号に対して種々の処理を行うことができる。種々の処理には、例えば、電気信号を電圧値に変換する処理、電気信号の強度を増幅する処理、アナログ信号をデジタル信号に変換する処理および電気信号の交流(AC)成分と直流(DC)成分とを分離する処理などが含まれ得る。信号処理部1131は、例えば、受光部1112から出力された電気信号をDC成分とAC成分とに分けた後に、AC成分の信号(AC信号ともいう)を増幅してもよい。この場合には、信号処理部1131で行われる種々の処理には、例えば、電気信号を電圧値に変換する処理、電気信号のAC成分とDC成分とを分離する処理(AC-DC分離処理ともいう)、およびAC信号を増幅する処理、ならびにアナログ信号をデジタル信号に変換する処理などが含まれる。信号処理部1131は、例えば、電流-電圧変換回路(I-V変換回路)、交流-直流分離回路(AC-DCデカップリング回路)、増幅回路およびアナログ-デジタル変換回路(AD変換回路)などの回路を有し得る。ここでは、例えば、信号処理部1131は、受光部1112から受信したアナログの電気信号に対して、AC-DC分離処理、増幅処理およびAD変換処理などの処理を施した上で、情報処理部1132に向けて、デジタル信号を出力することができる。信号処理部1131は、例えば、受光部1112から受信したアナログの電気信号に対して、増幅処理およびAD変換処理などの処理を施した上で、情報処理部1132に向けて、デジタル信号を出力してもよい。
情報処理部1132は、例えば、演算処理部1132aと、記憶部1132bと、を有する。
演算処理部1132aは、例えば、電気回路としてのプロセッサを有する。プロセッサは、例えば、1つ以上のプロセッサ、コントローラ、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、特定用途向け集積回路(ASIC)、デジタル信号処理装置、プログラマブルロジックデバイス、またはこれらのデバイスもしくは任意の構成の組み合わせ、あるいは他の既知のデバイスもしくは構成の組み合わせを含み得る。
記憶部1132bは、例えば、即時呼び出し記憶装置(RAM)および読み出し専用メモリ(ROM)などを有する。記憶部1132bは、例えば、プログラムPg1を含むファームウェアを記憶している状態にある。演算処理部1132aは、例えば、記憶部1132bに記憶されたファームウェアに従って、1つ以上のデータの演算またはデータ処理を実行することができる。換言すれば、例えば、演算処理部1132aがプログラムPg1を実行することで、測定装置100の各種機能を実現することができる。これにより、情報処理部1132は、例えば、発光部1111および受光部1112の動作を制御することができる。
ところで、例えば、受光部1112から出力される電気信号の周波数および信号強度は、光のドップラー効果に依存する。このため、例えば、電気信号の周波数と信号強度との関係を示す周波数スペクトルP(f)は、流体3の流れ定量値(流量または流速)に応じて変化する。そこで、情報処理部1132は、例えば、演算処理部1132aによって、受光部1112から出力されて信号処理部1131で処理された電気信号に基づいて流体3の流れの状態を定量的に測定するための演算を実行することができる。
より具体的には、演算処理部1132aは、まず、例えば、受光部1112から出力された信号について、フーリエ変換(FFT)などの演算を用いて、信号強度の時間変化についての周波数ごとの信号強度に係る分布を示すパワースペクトル(第1周波数スペクトルともいう)P(f)を算出する。換言すれば、演算処理部1132aは、例えば、受光部1112から出力された信号の強度の時間変化について第1周波数スペクトルP(f)を算出する。演算処理部1132aは、例えば、受光部1112から出力された信号を対象とした信号処理部1131における増幅処理で得た信号、もしくは信号処理部1131におけるAC-DC分離処理および増幅処理で得たAC信号について、信号強度の時間の経過に対する変化(時間変化)についての第1周波数スペクトルP(f)を算出する。ここでは、例えば、第1周波数スペクトルP(f)は、信号処理部1131から出力される信号におけるAC成分の強度の時間変化について、フーリエ変換などの演算を用いた解析がなされることで得られる。第1周波数スペクトルP(f)における周波数の範囲は、例えば、AD変換回路におけるサンプリングレートに基づいて設定され得る。
次に、演算処理部1132aは、例えば、第1周波数スペクトルP(f)に周波数fの重み付けを行うことで、重み付け後の周波数スペクトル(第2周波数スペクトルともいう)P(f)×fを算出する。
次に、演算処理部1132aは、例えば、第2周波数スペクトルP(f)×fについての強度の積分値(∫{P(f)×f}df)と、第1周波数スペクトルP(f)についての強度の積分値(∫P(f)df)と、を算出する。
次に、演算処理部1132aは、例えば、第2周波数スペクトルP(f)×fについての強度の積分値(∫{P(f)×f}df)を、第1周波数スペクトルP(f)についての強度の積分値(∫P(f)df)で除することで、差周波fbについての平均周波数fmを算出する。
そして、演算処理部1132aは、例えば、上記のように算出した平均周波数fmに基づいて、流体3の流れの状態を定量的な値(流れ定量値)を算出することができる。これにより、例えば、測定装置100は、流路22を含む流路部21の内部21iを流れる流体3の流れの状態を定量的に測定することができる。
例えば、演算処理部1132aは、平均周波数fmと、予め準備された検量データ(検量線ともいう)と、に基づいて、流体3の流れに係る定量的な値(流れ定量値)を算出することができる。ここで、例えば、流体3の流量に係る検量データが予め準備されていれば、平均周波数fmと、流れ定量値としての流量に係る検量線と、に基づいて、流体3の流量が算出され得る。また、例えば、流体3の流速に係る検量データが予め準備されていれば、平均周波数fmと、流れ定量値としての流速に係る検量線と、に基づいて、流体3の流速が算出され得る。これにより、流体3の流量および流速のうちの少なくとも一方が算出され得る。
検量データは、例えば、流体3の流れ定量値を測定する前に、予め記憶部1132bなどに記憶されていればよい。検量データは、例えば、関数式の形式で記憶されていてもよいし、テーブルの形式で記憶されていてもよい。
検量データは、例えば、流体3について、既知の流れ定量値で流路部21内を流れる流体3を測定の対象として測定装置100によって平均周波数fmの算出を行うことで準備され得る。また、測定装置100による平均周波数fmの算出は、発光部1111による被照射物2に向けた照射光L1の照射と、受光部1112による被照射物2および反射部121で散乱した光を含む干渉光L2の受光と、演算処理部1132aによる平均周波数fmの算出と、を行うものである。ここでは、例えば、既知の流れ定量値で流路部21内を流れる流体3を対象として測定装置100によって平均周波数fmを算出し、既知の流れ定量値と、算出された平均周波数fmと、の関係に基づいて検量データが導出され得る。より具体的には、例えば、平均周波数fmを媒介変数とする演算式(検量線)が検量データとして導出され得る。
例えば、流れ定量値をyとし、平均周波数fmをxとして、係数a、bおよび定数cを有する式(5)によって検量線が表される場合を想定する。
y=a×x+b×x+c ・・・(5)
例えば、流れ定量値が既知の値y1で流路部21内を流れる流体3を対象として平均周波数fmが値x1と算出され、流れ定量値が既知の値y2で流路部21内を流れる流体3を対象として平均周波数fmが値x2と算出され、流れ定量値が既知の値y3で流路部21内を流れる流体3を対象として平均周波数fmが値x3と算出されれば、次の式(6)、式(7)および式(8)が得られる。
y1=a×x1+b×x1+c ・・・(6)
y2=a×x2+b×x2+c ・・・(7)
y3=a×x3+b×x3+c ・・・(8)
式(6)、式(7)および式(8)から、係数a、係数bおよび定数cが算出される。そして、ここで算出された係数a、係数bおよび定数cを式(5)に代入すれば、検量線を示す検量データが得られる。
検量線を示す関数式は、例えば、流れ定量値をyとし、平均周波数fmを変数であるxとした、n次(nは2以上の自然数)の項を含む多項式で表されるものであってもよい。検量線を示す関数式は、例えば、平均周波数fmに係る変数xについての対数の項および冪乗の項の少なくとも1つの項を有していてもよい。
ここで、例えば、ポンプなどで流路22を流れる流体3の流量(流量設定値ともいう)を順に増加させつつ、上記構成を有する測定装置100を用いて、流路22を流れる流体3の流量(流量算出値ともいう)を算出すると、流量設定値と流量算出値との関係が、正比例に近い関係を示し得る。そして、例えば、流体3に含まれる粒子の径が減少しても、流量設定値と流量算出値との関係は、正比例に近い関係を示し得る。また、例えば、ポンプなどで流路22を流れる流体3の流速(流速設定値ともいう)を順に増加させつつ、上記構成を有する測定装置100を用いて、流路22を流れる流体3の流速(流速算出値ともいう)を算出すると、流速設定値と流量算出値との関係が、正比例に近い関係を示し得る。そして、例えば、流体3に含まれる粒子の径が減少しても、流速設定値と流速算出値との関係は、正比例に近い関係を示し得る。したがって、例えば、測定装置100における流体3の流れの状態についての定量的な測定精度を向上させることができる。
<1-2.測定装置による測定結果の具体例>
ここで、上述したようにセンサ部111に対して流路22を挟んで対向している反射部121を有する第1状態の測定装置100を用いた流量計算値の算出結果の具体例を挙げて説明する。また、図8で示されるように、測定装置100から反射部121が削除された一参考例に係る測定装置900を用いた流量計算値の算出結果の一例も参考例として併せて挙げる。ここでは、流路部21である配管として、直径が3ミリメートル(mm)である円筒状のPFA(テトラフルオロエチレン-パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(ペルフルオロアルコキシフッ素樹脂))製のチューブを用いた。センサ部111の蓋部材1114と配管との距離を約2mmとした。発光部1111として、850ナノメートル(nm)の波長と1.0ミリワット(mW)の強度とを有する光を発する垂直共振器面発光レーザー(VCSEL)を用いた。受光部1112として、シリコン(Si)フォトダイオードを用いた。反射部121として、配管のうちのセンサ部111とは逆側の外周面に沿って銅箔を配置した。流体3は、100ミリリットル(m1)の純水に対して20マイクロメートル(μm)の平均粒径を有するアミノ酸類粉末を50グラム(g)混合することで作製した。また、ポンプを用いて配管内の流路22を流れる流体3の流量(流量設定値)を、10ミリリットル毎分(ml/min)、100ml/min、500ml/minおよび1000ml/minにそれぞれ設定して、測定装置100によって流量計算値を算出した。
図9では、第1実施形態に係る測定装置100を用いた場合における流量設定値と流量計算値の算出結果との関係が、黒丸印で示されている。また、図9では、一参考例に係る測定装置900を用いた場合における流量設定値と流量計算値の算出結果との関係が、バツ印(クロスマークともいう)で示されている。
図9で示されるように、一参考例に係る測定装置900を用いた場合には、流量設定値と流量計算値の算出結果との関係が正比例の関係から大きく外れていたことが確認された。これに対して、第1実施形態に係る測定装置100を用いた場合には、流量設定値と流量計算値の算出結果との関係が、略正比例の関係を示すことが確認された。
これにより、例えば、センサ部111に対して流路22を挟んで対向している反射部121を設けることで、流体3の流れの状態についての定量的な測定精度が向上することが分かった。ここでは、発光部1111による流路部21に対する照射光L1の照射に応じて、受光部1112が受光する干渉光L2の強度Iが、反射部121の存在によって増大し、流体3の流れの状態を示す流れ定量値の測定精度が向上したものと推察された。より具体的には、干渉光L2の強度の増大に応じて受光部1112から出力される信号に含まれる光ビート信号の成分の振幅が大きくなり、光ビート信号を解析することで算出される流体3の流れの状態を示す流れ定量値の測定精度が向上したものと推察された。
<1-3.第1実施形態のまとめ>
上述したように、第1実施形態に係る測定装置100および測定モジュール1は、例えば、発光部1111および受光部1112を含むセンサ部111と、反射部121と、を備えている。センサ部111および反射部121は、流路部21を挟んで対向している第1状態で配置することができる。そして、第1状態において、例えば、受光部1112は、発光部1111による流路部21に対する照射光L1の照射に応じて、流路部21で散乱した光L2aと、流路部21を透過して流路22における流体3で散乱した光L2bと、流路部21および流路22における流体3を透過して反射部121で反射した光L2cと、を受光することができる。これにより、例えば、発光部1111による流路部21に対する照射光L1の照射に応じて受光部1112で受光される干渉光L2の強度Iが増大し、受光部1112から出力される信号に含まれる光ビート信号の成分の振幅が大きくなり得る。その結果、例えば、光ビート信号を解析することで算出される流体3の流れの状態を示す定量的な値(流れ定量値)の測定精度が向上し得る。したがって、例えば、流路22における流体3の流れの状態についての定量的な測定精度が向上し得る。
<2.他の実施形態>
本開示は上述の第1実施形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更および改良などが可能である。
<2-1.第2実施形態>
上記第1実施形態においては、例えば、図10から図14で示されるように、流体3の流れの状態を定量的に測定するための測定モジュール1は、流体3が流れる流路22を内部22iに含む流路部21を備えていてもよい。ここでは、例えば、測定モジュール1は、流路部21に光を照射する発光部1111と受光部1112とを含むセンサ部111と、流路22の少なくとも一部を挟んでセンサ部111に対向している反射部121と、を備えている形態が採用される。さらに、例えば、流路部21が、発光部1111から発せられた光(照射光L1)を透過させる部分(光透過部ともいう)21tを有していてもよい。そして、例えば、受光部1112は、発光部1111から発せられて流路部21で散乱した光L2aと、発光部1111から発せられて光透過部21tを透過して流路22内の流体3で散乱した光L2bと、発光部1111から発せられて光透過部21tおよび流路22内の流体3を透過して反射部121で反射した光L2cと、を受光することができてもよい。
この構成が採用されても、例えば、発光部1111による流路部21に対する照射光L1の照射に応じて受光部1112で受光される干渉光L2が、流路部21で散乱した光L2aと、流体3で散乱した光L2bと、反射部121で反射した光L2cと、を含む。これにより、例えば、受光部1112で受光される干渉光L2の強度Iが増大し、受光部1112から出力される信号に含まれる光ビート信号の成分の振幅が大きくなり得る。その結果、例えば、光ビート信号を解析することで算出される流体3の流れの状態を示す定量的な値(流れ定量値)の測定精度が向上し得る。したがって、例えば、流路22における流体3の流れの状態についての定量的な測定精度が向上し得る。
図10から図14で示される第2実施形態に係る測定モジュール1の一構成例は、図1から図5で示された第1実施形態に係る測定モジュール1の一構成例がベースとされて、第1筐体部112と第2筐体部122とが、一体的な筐体部110とされた形態を有する。図10から図14の例では、筐体部110は、例えば、流路部21の少なくとも一部を含むとともに、流路22の周囲を囲むように位置している。換言すれば、筐体部110の貫通孔10hが、流路22の少なくとも一部を構成している。筐体部110の外形としては、例えば、立方体状、直方体状または円柱状など種々形状が採用される。筐体部110は、例えば、貫通孔10hを有する。筐体部110は、例えば、第1開口部Op1と第2開口部Op2とを有する。第1開口部Op1は、例えば、筐体部110のうちの流路22の長手方向(例えば、+Z方向)における端部(第1端部)に位置している。第2開口部Op2は、例えば、筐体部110のうちの流路22の長手方向(例えば、+Z方向)における第1端部とは逆の端部(第2端部)に位置している。図10から図14の例では、貫通孔10hは、例えば、+Z方向において筐体部110を貫通している。貫通孔10hは、例えば、筐体部110の+Z側に位置する第1開口部Op1と、筐体部110の-Z側に位置する第2開口部Op2と、を有する。筐体部110は、1つの部材に貫通孔10hが位置した構成を有していてもよいし、2つ以上の部材が連結されることで貫通孔10hとした構成を有していてもよい。1つの部材は、2つ以上の部分が連結されることで構成されてもよい。
また、筐体部110は、例えば、筐体部110の内部において、貫通孔10hに対して開口している凹部(第4凹部ともいう)110rを有する。図10から図14の例では、第4凹部110rは、貫通孔10hに対して、+X方向に向けて開口している。第4凹部110rのうちの貫通孔10hに開口している部分(第3開口部ともいう)Op3は、例えば、半円筒状の形状を有する。第4凹部110r内には、例えば、センサ部111が位置している。より具体的には、例えば、第4凹部110r内には、センサ部111が実装された実装基板101が位置している。また、例えば、第4凹部110rが貫通孔10hに開口している第3開口部Op3に、第4凹部110rと貫通孔10hとを仕切るように光透過部21tが位置している。光透過部21tは、例えば、半円筒状の形状を有する。光透過部21tは、例えば、透光性を有する材料によって構成される。透光性を有する材料には、例えば、ガラスまたはポリマー樹脂などが適用される。また、例えば、貫通孔10hの内面のうち、光透過部21tに対向する部分に沿って、光透過部21tよりも照射光L1に対する反射率が高い反射部121が位置している。
ここでは、例えば、貫通孔10hの内面を構成している部分と、光透過部21tと、反射部121とが、流体3が流れる流路22を内部に含む流路部21としての役割を有する。換言すれば、流路部21、例えば、発光部1111から発せられた光(照射光L1)を透過させる光透過部21tを有する。また、筐体部110は、例えば、第1開口部Op1を構成している環状の被嵌合部(第1被嵌合部ともいう)211と、第2開口部Op2を構成している環状の被嵌合部(第2被嵌合部ともいう)212と、を有する。上記構成を有する筐体部110は、例えば、2以上の部分が連結されることで作製され得る。
ここでは、例えば、図10および図12で示されるように、第1被嵌合部211に、管状体(第1管状体ともいう)4の端部を嵌合することで、流路部21と第1管状体4とを連結することができる。また、例えば、図10および図12で示されるように、第2被嵌合部212に、管状体(第2管状体ともいう)5の端部を嵌合することで、流路部21と第2管状体5とを連結することができる。第1管状体4および第2管状体5には、例えば、各種装置の配管などの管状の物体(管状体)が適用される。第2実施形態に係る測定モジュール1は、例えば、各種装置の配管内を流れる流体3の状態を定量的に測定する際には、配管に介挿されるように連結された状態(連結状態ともいう)とされる。測定モジュール1は、連結状態において、例えば、第1管状体4から第2管状体5に向けて流体3が流されると、流路部21の内部に含まれる流路22に、流体3が流れている状態となる。ここでは、例えば、第1被嵌合部211と第1管状体4との隙間が樹脂製のパッキングで封止されていてもよいし、第2被嵌合部212と第2管状体5との隙間が樹脂製のパッキングで封止されていてもよい。ここで、例えば、接着、かしめ、もしくは締め付けなどの手法によって、第1被嵌合部211と第1管状体4とが強固に連結されてもよいし、第2被嵌合部212と第2管状体5とが強固に連結されてもよい。各種装置の配管としての第1管状体4および第2管状体5の材料は、例えば、透光性を有する材料であっても、透光性を有していない材料であってもよい。
連結状態では、例えば、発光部1111は、流路部21の一部である光透過部21tに照射光L1を照射することができる。また、例えば、照射光L1の一部が光透過部21tで散乱されるものの、照射光L1の他の一部は、光透過部21tを透過して、流路部21の内部21iの流路22を流れている流体3および反射部121に照射される。このため、連結状態では、受光部1112は、例えば、発光部1111による流路部21に対する照射光L1の照射に応じて、流路部21の一部である光透過部21tで散乱した光L2aと、光透過部21tを透過して流路22内の流体3で散乱した光L2bと、光透過部21tおよび流路22内の流体3を透過して反射部121で反射した光L2cと、を受光することができる。ここでは、例えば、光L2cの存在によって、発光部1111による流路部21に対する照射光L1の照射に応じて受光部1112で受光される干渉光L2の強度Iが増大し、受光部1112から出力される信号に含まれる光ビート信号の成分の振幅が大きくなり得る。その結果、例えば、光ビート信号を解析することで算出される流体3の流れの状態を示す定量的な値(流れ定量値)の測定精度が向上し得る。したがって、例えば、流路22における流体3の流れの状態についての定量的な測定精度が向上し得る。
ここで、例えば、筐体部110が光透過部21tよりも高い遮光性を有していれば、筐体部110が測定モジュール1の外部から受光部1112への光の光路を遮り得る。これにより、例えば、流路22における流体3の流れの状態についての測定精度が向上し得る。ここで、筐体部110の材料には、例えば、第1筐体部112および第2筐体部122と同様に、可視光線に対する高い遮光性を有する黒色などの樹脂が適用されてもよいし、可視光線に対する高い遮光性を有する金属またはセラミックスなどの材料が適用されてもよい。
また、ここで、例えば、図10で示されるように、反射部121が貫通孔10h内において第1開口部Op1から離れて位置していれば、測定モジュール1の外部から第1開口部Op1を介して貫通孔10h内に入射した光が、反射部121の反射によって受光部1112まで到達しにくい。これにより、例えば、連結状態において仮に第1管状体4の材料が透光性を有していても、測定モジュール1の外部から受光部1112へ光が進入しにくい。その結果、例えば、流路22における流体3の流れの状態についての定量的な測定精度が向上し得る。また、ここで、例えば、図10で示されるように、反射部121が貫通孔10h内において第2開口部Op2から離れて位置していれば、測定モジュール1の外部から第2開口部Op2を介して貫通孔10h内に入射した光が、反射部121の反射によって受光部1112まで到達しにくい。これにより、例えば、仮に連結状態において第2管状体5の材料が透光性を有していても、測定モジュール1の外部から受光部1112へ光が進入しにくい。その結果、例えば、流路22における流体3の流れの状態についての定量的な測定精度が向上し得る。ここでは、例えば、貫通孔10hの内面のうち、反射部121を除く部分における光の反射率が、反射部121における照射光L1の反射率よりも低い態様が考えられる。
別の観点から言えば、例えば、図14で示されるように、反射部121は、流路部21を挟んでセンサ部111と対向している面(反射面)Sr1を有する。そして、例えば、貫通孔10hのうちの反射部121が配されていない内面が、反射面Sr1よりも光の反射率が低い面(低反射面)Sa1を構成している態様が考えられる。低反射面Sa1は、例えば、黒色の樹脂などの黒色の材料によって構成され得る。低反射面Sa1は、例えば、筐体部110の材料で構成されてもよいし、貫通孔10hの内面に沿った黒色の膜状の部分で構成されてもよい。黒色の膜状の部分は、例えば、塗布などの手法による黒色の樹脂の成膜などによって形成され得る。黒色の膜状の部分は、例えば、接着剤もしくは接着テープなどで貼り付けによって、貫通孔10hの内面に沿って配置されてもよい。
<2-2.第3実施形態>
上記第1実施形態において、例えば、図15および図16で示されるように、反射部121が、第2筐体部122に含まれていてもよい。ここでは、第2筐体部122の材料には、例えば、流路部21の材料よりも照射光L1に対する反射率が高い材料が適用される。第2筐体部122の材料には、例えば、アルミニウムもしくは銅などの金属が適用される。図15および図16で示される第3実施形態に係る測定モジュール1の一構成例では、反射部121が、第2筐体部122のうちの第2溝部122tの底面を構成する部分である。ここで、例えば、第2溝部122tの底面のうち、第2溝部122tの長手方向(例えば、+Z方向)において反射部121を挟む両側の部分に沿って、反射面Sr1よりも光の反射率が低い低反射面Sa1を構成する部分(低反射部ともいう)123が位置していてもよい。低反射部123には、例えば、第2溝部122tの底面に沿った黒色の樹脂などの黒色の膜状の部分が適用され得る。黒色の膜状の部分は、例えば、塗布などの手法による成膜などによって形成され得る。黒色の膜状の部分は、例えば、接着剤もしくは接着テープなどによる貼り付けによって、第2溝部122tの底面に沿って配置されてもよい。また、ここでは、例えば、第2筐体部122の第2溝部122tの底面(内面)のうちの少なくとも一部における表面粗さの低減によって光の反射率が高められた、反射面Sr1を有する反射部121が位置する形態が考えられる。そして、例えば、第2筐体部122の第2溝部122tの底面(内面)のうち、第2溝部122tの長手方向(例えば、+Z方向)において反射面Sr1を挟む両側の部分における表面粗さが、反射面Sr1における表面粗さよりも大きくされることで光の反射率が反射面Sr1よりも低められた、低反射面Sa1を有する低反射部123が位置してもよい。換言すれば、例えば、第2筐体部122における表面粗さの大小および材質の違いの何れによって、表面状態が異なる反射部121と低反射部123とが位置してもよい。
<2-3.第4実施形態>
上記第2実施形態において、例えば、図17および図18で示されるように、反射部121が、筐体部110に含まれていてもよい。ここでは、筐体部110の材料には、例えば、光透過部21tなどの流路部21の材料よりも照射光L1に対する反射率が高い材料が適用される。筐体部110の材料には、例えば、アルミニウムもしくは銅などの金属が適用される。図17および図18で示される第4実施形態に係る測定モジュール1の一構成例では、反射部121が、筐体部110のうちの貫通孔10hの内面を構成する部分である。ここで、例えば、筐体部110の貫通孔10hの内面のうち、貫通孔10hの長手方向(例えば、+Z方向)において反射部121を挟む両側の部分に沿って、反射面Sr1よりも光の反射率が低い低反射面Sa1を構成する部分(低反射部)123が位置していてもよい。換言すれば、例えば、貫通孔10hの内面のうちの反射部121よりも第1開口部Op1に近接した部分に、低反射部123が位置していてもよいし、貫通孔10hの内面のうちの反射部121よりも第2開口部Op2に近接した部分に、低反射部123が位置していてもよい。各低反射部123は、例えば、貫通孔10hの内面に沿って円管状に位置していてもよい。低反射部123には、例えば、貫通孔10hの内面に沿った黒色の樹脂などの黒色の膜状の部分が適用され得る。黒色の膜状の部分は、例えば、塗布などの手法による成膜などによって形成され得る。黒色の膜状の部分は、例えば、接着剤もしくは接着テープなどによる貼り付けによって、貫通孔10hの内面に沿って配置されてもよい。
<2-4.第5実施形態>
上記第2実施形態および上記第4実施形態のそれぞれにおいて、例えば、図19および図20で示されるように、測定モジュール1が、筐体部110の貫通孔10h内に位置している流路部21を有していてもよい。換言すれば、例えば、筐体部110が、流路部21の周囲を囲むように位置していてもよい。ここでは、流路部21には、例えば、管状体が適用される。この場合には、例えば、光透過部21tが流路部21の少なくとも一部を構成している態様が考えられる。ここで、例えば、筐体部110が、流路部21よりも高い遮光性を有していれば、測定モジュール1の外部から受光部1112へ光が進入しにくい。これにより、例えば、流路22における流体3の流れの状態についての定量的な測定精度が向上し得る。
図19および図20で示される第5実施形態に係る測定モジュール1の一構成例では、光透過部21tは、流路部21のうちの少なくとも第3開口部Op3に沿った部分を構成している。これにより、例えば、連結状態では、発光部1111は、流路部21の一部である光透過部21tに照射光L1を照射することができる。流路部21の材料には、例えば、透光性を有する材料が適用される。透光性を有する材料には、例えば、ガラスまたはポリマー樹脂などが適用される。ここで、例えば、流路部21が、透光性を有する材料で構成されていれば、測定モジュール1における流路部21が1つの部材で構成され得る。これにより、例えば、流路部21の内面において異なる部材の間における凹凸が生じにくい。また、例えば、流路部21の内面において異なる部材の間における表面粗さの違いが生じにくい。このため、例えば、流路部21の内部の流路22において流体3の流れが乱れにくい。その結果、例えば、流路22における流体3の流れの状態についての定量的な測定精度が向上し得る。
また、ここでは、反射部121は、例えば、流路22の少なくとも一部を挟んでいる状態で、センサ部111に対向している。この構成により、例えば、連結状態では、発光部1111が、流路部21の一部である光透過部21tに照射光L1を照射すると、照射光L1の一部が光透過部21tで散乱されるものの、照射光L1の他の一部は、光透過部21tを透過して、流路部21の内部21iの流路22を流れている流体3および反射部121などに照射される。
ここで、例えば、反射部121が、流路部21のうちの流路22とは逆側に位置している外面上に位置しているか、または流路部21の外側に位置していれば、反射部121が、流路22に露出していない状態となる。これにより、例えば、流路22を流れる流体3へ反射部121の成分が溶け出しにくく、反射部121の腐食および汚れが生じにくい。その結果、例えば、流路22における流体3の流れの状態についての定量的な測定精度が向上し得る。
ここで、例えば、反射部121が、流路部21のうちの流路22とは逆側に位置している外面上に位置していれば、流路部21の一部である光透過部21tおよび流路22における流体3を透過して反射部121で反射する光L2cの強度が増大し得る。これにより、例えば、発光部1111による流路部21に対する照射光L1の照射に応じて受光部1112で受光される干渉光L2の強度Iが増大し、受光部1112から出力される信号に含まれる光ビート信号の成分の振幅が大きくなり得る。その結果、例えば、光ビート信号を解析することで算出される流体3の流れの状態を示す定量的な値(流れ定量値)の測定精度が向上し得る。したがって、例えば、流路22における流体3の流れの状態についての定量的な測定精度が向上し得る。
ここでは、例えば、流路部21としての管状体の外面上に、膜状または箔状の反射部121を配置することで、反射部121を流路部21のうちの流路22とは逆側に位置している外面上に配置することができる。なお、例えば、蒸着もしくはスパッタリングなどの手法による乾式の成膜、またはめっきもしくは塗布などの手法による湿式の成膜によって、流路部21としての管状体の外面上に、膜状または箔状の反射部121を形成することができる。また、例えば、接着剤などによる接着もしくは接着テープなどによる貼り付けなどによって、流路部21としての管状体の外面上に、膜状、箔状または板状の反射部121を配置してもよい。
また、ここでは、例えば、筐体部110の貫通孔10hの内面のうちの光透過部21tに対向する部分に沿って反射部121を配置することで、反射部121を流路部21の外側に配置することができる。なお、例えば、蒸着もしくはスパッタリングなどの手法による乾式の成膜、またはめっきもしくは塗布などの手法による湿式の成膜によって、筐体部110の貫通孔10hの内面を成す部分に、膜状または箔状の反射部121を形成することができる。また、例えば、接着剤などによる接着もしくは接着テープなどによる貼り付けなどによって、筐体部110の貫通孔10hの内面を成す部分に、膜状、箔状または板状の反射部121を配置してもよい。
また、例えば、流路部21の内面に沿って、膜状または箔状の反射部121が位置していてもよい。
<2-5.第6実施形態>
上記第1実施形態および上記第3実施形態のそれぞれにおいて、測定モジュール1は、例えば、第1状態において流路部21と受光部1112との間に位置するように配置可能に構成された光学フィルタ15を備えていてもよい。ここで、光学フィルタ15が、例えば、発光部1111が発する照射光L1の波長を含む所定の波長範囲(第1波長範囲ともいう)の光を透過させ、且つ第1波長範囲とは異なる所定の波長範囲(第2波長範囲ともいう)の光を透過させにくい光学特性を有する。光学フィルタ15には、例えば、誘電体多層膜などを用いたバンドパスフィルタが適用される。例えば、第1波長範囲が、照射光L1の波長である約850nmを含み、第2波長範囲が、可視光線の波長範囲である400nmから700nmを含む態様が考えられる。この構成が採用されれば、例えば、光学フィルタ15の存在によって、測定モジュール1の外部から受光部1112へ光が進入しにくい。これにより、例えば、流路22における流体3の流れの状態についての定量的な測定精度が向上し得る。
図21で示される第6実施形態に係る測定モジュール1の一構成例は、図1で示された第1実施形態に係る測定モジュール1の一構成例がベースとされて、第1状態において流路部21と受光部1112との間に位置している光学フィルタ15が加えられた形態を有する。ここでは、光学フィルタ15は、例えば、センサ部111に取り付けられてもよいし、流路部21に取り付けられてもよい。より具体的には、光学フィルタ15は、例えば、蓋部材1114上に位置していてもよいし、流路部21の表面上に位置していてもよい。
<2-6.第7実施形態>
上記第2実施形態、上記第4実施形態および上記第5実施形態のそれぞれにおいて、測定モジュール1は、例えば、流路22と受光部1112との間に位置している光学フィルタ15を備えていてもよい。ここで、光学フィルタ15が、例えば、発光部1111が発する照射光L1の波長を含む第1波長範囲の光を透過させるとともに、第1波長範囲とは異なる第2波長範囲の光を透過させにくい光学特性を有する。光学フィルタ15には、例えば、誘電体多層膜などを用いたバンドパスフィルタが適用される。例えば、第1波長範囲が、照射光L1の波長である約850nmを含み、第2波長範囲が、可視光線の波長範囲である400nmから700nmを含む態様が考えられる。この構成が採用されれば、例えば、光学フィルタ15の存在によって、測定モジュール1の外部から受光部1112へ光が進入しにくい。これにより、例えば、流路22における流体3の流れの状態についての定量的な測定精度が向上し得る。
図22で示される第7実施形態に係る測定モジュール1の第1構成例は、図10で示された第2実施形態に係る測定モジュール1の一構成例がベースとされて、流路22と受光部1112との間に位置している光学フィルタ15が加えられた形態を有する。ここでは、光学フィルタ15は、例えば、蓋部材1114上に位置していてもよいし、流路部21を構成する光透過部21tの表面上に位置していてもよい。
図23で示される第7実施形態に係る測定モジュール1の第2構成例は、図19で示された第4実施形態に係る測定モジュール1の一構成例がベースとされて、流路22と受光部1112との間に位置している光学フィルタ15が加えられた形態を有する。ここでも、光学フィルタ15は、例えば、蓋部材1114上に位置していてもよいし、流路部21を構成する光透過部21tの表面上に位置していてもよい。
<2-7.第8実施形態>
上記第1実施形態、上記第3実施形態および上記第6実施形態のそれぞれにおいて、例えば、図24から図35で示されるように、第1筐体部112の第1面112fおよび第2筐体部122の第2面122fのそれぞれが、第3状態において流路部21が位置している領域から離れる方向において曲がっている状態となる形状を有していてもよい。この構成が採用されれば、例えば、第3状態において、第1面112fと第2面122fとの間に隙間Gp1が生じていても、測定モジュール1の外部からの光が、流路部21が位置している領域を構成している貫通孔10h内まで到達しにくい。これにより、例えば、流路部21の内部21iに含まれた流路22における流体3の流れの状態を定量的に測定する際に、測定モジュール1の外部から受光部1112へ光が進入しにくい。その結果、例えば、流路22における流体3の流れの状態についての定量的な測定精度が向上し得る。
図24で示される第8実施形態に係る測定モジュール1の第1構成例は、図2で示された第1実施形態に係る測定モジュール1の一構成例がベースとされている。この測定モジュール1は、第1筐体部112の第1面112fおよび第2筐体部122の第2面122fのそれぞれが、第3状態において貫通孔10hから離れる方向に進むと屈曲している面とされた形態を有する。
図25で示される第8実施形態に係る測定モジュール1の第2構成例は、図2で示された第1実施形態に係る測定モジュール1の一構成例がベースとされている。この測定モジュール1は、第1筐体部112の第1面112fおよび第2筐体部122の第2面122fのそれぞれが、第3状態において貫通孔10hから離れる方向に進むと湾曲している面とされた形態を有する。ここで、図25の例のように、第1面112fおよび第2面122fのそれぞれが、複数回曲がっている形状を有していれば、測定モジュール1の外部から受光部1112へ光が進入しにくい。
図26から図30で示される第8実施形態に係る測定モジュール1の第3構成例は、図1から図5で示された第1実施形態に係る測定モジュール1の一構成例がベースとされている。具体的には、第1筐体部112は、サイズが拡大されるとともに、最も奥の部分(底面)を第1溝部112tが構成している凹部(第5凹部ともいう)5rを有する。また、第2筐体部122は、サイズが縮小されるとともに、第2筐体部122の第2面122f側に突起しており且つ先端に第2溝部122tを有する突出部122pが追加された形態を有する。第5凹部5rは、例えば、第1筐体部112の第1面112f側に位置している。第5凹部5rは、例えば、第1溝部112tに沿って延びるように位置している。図26から図30の例では、第5凹部5rは、例えば、-X方向に向かって凹んでいるとともに、第1溝部112tに沿ってZ方向に延びるように位置している。突出部122pは、例えば、第3状態において、第1溝部112tと第2溝部122tとが貫通孔10hを構成するように、第5凹部5rに嵌まり込む形状を有する。これにより、例えば、第3状態において、第1筐体部112が、流路部21よりも+X方向に突出している部分を有する。図26から図30の例では、第5凹部5rは、-X方向に凹んでいる角柱状の内部空間と、第1溝部112t内の半円柱状の内部空間と、が連結された内部空間を有し、突出部122pが、角柱状の部分の-X側に第2溝部122tが位置した形状を有する。また、ここでは、例えば、図26で示されるように、第3状態において、第1面112fは、流路部21が位置している貫通孔10h内の領域から+X方向に延びて屈曲するとともに+Y方向に延びる面と、流路部21が位置している貫通孔10h内の領域から+X方向に延びて屈曲するとともに-Y方向に延びる面と、を有する。また、例えば、図26で示されるように、第3状態において、第2面122fは、流路部21が位置している貫通孔10h内の領域から+X方向に延びて屈曲するとともに+Y方向に延びる面と、流路部21が位置している貫通孔10h内の領域から+X方向に延びて屈曲するとともに-Y方向に延びる面と、を有する。また、ここでは、反射部121は、例えば、第2溝部122tのうちのZ方向における一部の底面(内面)に沿って位置している構成を有する。ここで、反射部121は、例えば、第2溝部122tのうちのZ方向における一部の底面(内面)に沿って位置していれば、種々の構成が適用され得る。例えば、図26から図30の例のように、反射部121が、突出部122pのうちのZ方向における一部の区間を構成しており、第2筐体部122に埋め込まれた形態が考えられる。また、例えば、図31から図33で示される第8実施形態に係る測定モジュール1の第4構成例のように、反射部121が、第2溝部122tのうちのZ方向における一部の底面(内面)に沿って位置している半円筒状の構成を有していてもよい。また、ここで、第5凹部5rの形状は、例えば、突出部122pが嵌まり込む形状であれば、種々の形状が適用され得る。例えば、図34および図35で示されるように、第1溝部112tの長手方向に直交する方向において、第5凹部5rの幅が第1溝部112tの幅よりも大きい場合には、第2溝部122tの長手方向に直交する方向において、突出部122pの幅が、第2溝部122tの幅よりも大きくてもよい。図34で示される第8実施形態に係る測定モジュール1の第5構成例は、図26から図30で示された第8実施形態に係る測定モジュール1の第3構成例がベースとされている。この測定モジュール1は、Y方向において、第5凹部5rおよび突出部122pの幅が第1溝部112tおよび第2溝部122tの幅よりも拡大された形態を有する。また、図35で示される第8実施形態に係る測定モジュール1の第6構成例は、図31から図33で示された第8実施形態に係る測定モジュール1の第4構成例がベースとされている。この測定モジュール1は、Y方向において、第5凹部5rおよび突出部122pの幅が第1溝部112tおよび第2溝部122tの幅よりも拡大された形態を有する。
<2-8.第9実施形態>
上記第1実施形態、上記第3実施形態、上記第6実施形態および上記第8実施形態のそれぞれにおいて、例えば、図36から図40で示されるように、測定モジュール1は、第3状態において第1筐体部112の第1面112fと第2筐体部122の第2面122fとの隙間Gp1を覆うように配置可能に構成されたカバー部16を備えていてもよい。この構成が採用されれば、例えば、第3状態において、第1面112fと第2面122fとの間に隙間Gp1が生じていても、測定モジュール1の外部からの光が、流路部21が位置している領域を構成している貫通孔10h内まで到達しにくい。これにより、例えば、流路部21の内部21iに含まれた流路22における流体3の流れの状態を定量的に測定する際に、測定モジュール1の外部から受光部1112へ光が進入しにくい。その結果、例えば、流路22における流体3の流れの状態についての定量的な測定精度が向上し得る。
図36および図37で示される第9実施形態に係る測定モジュール1の第1構成例は、図1および図2で示された第1実施形態に係る測定モジュール1の一構成例がベースとされている。この測定モジュール1は、第3状態において第1筐体部112の+Y側の面上から第2筐体部122の+Y側の面上にかけて配されるカバー部16と、第3状態において第1筐体部112の-Y側の面から第2筐体部122の-Y側の面にかけて配されるカバー部16と、が追加された形態を有する。ここでは、カバー部16は、例えば、第1筐体部112および第2筐体部122に対して、嵌合、締結または接着などの手法によって固定され得る。
図38で示される第9実施形態に係る測定モジュール1の第2構成例は、図24で示された第8実施形態に係る測定モジュール1の第1構成例がベースとされている。この測定モジュール1は、第3状態において第1筐体部112の+Y側の面上から第2筐体部122の+Y側の面上にかけて配されるカバー部16と、第3状態において第1筐体部112の-Y側の面から第2筐体部122の-Y側の面にかけて配されるカバー部16と、が追加された形態を有する。ここでは、カバー部16は、例えば、第1筐体部112および第2筐体部122に対して、嵌合、締結または接着などの手法によって固定され得る。
図39および図40で示される第9実施形態に係る測定モジュール1の第3構成例は、図1および図2で示された第1実施形態に係る測定モジュール1の一構成例がベースとされている。この測定モジュール1は、第3状態において第1筐体部112の+Z側の面上から第2筐体部122の+Z側の面上にかけて配されるカバー部16と、第3状態において第1筐体部112の-Z側の面上から第2筐体部122の-Z側の面上にかけて配されるカバー部16と、が追加された形態を有する。ここでは、例えば、図40で示されるように、カバー部16は、第3状態において流路部21を挟むように配される第1のカバー部分16aと第2のカバー部分16bとを含んでいてもよい。
ここで、測定モジュール1は、例えば、第3状態において第1筐体部112の+Y側の面から第2筐体部122の+Y側の面にかけて配されるカバー部16、第3状態において第1筐体部112の-Y側の面から第2筐体部122の-Y側の面にかけて配されるカバー部16、第3状態において第1筐体部112の+Z側の面上から第2筐体部122の+Z側の面上にかけて配されるカバー部16、および第3状態において第1筐体部112の-Z側の面上から第2筐体部122の-Z側の面上にかけて配されるカバー部16、のうちの少なくとも1つのカバー部16を備えていてもよいし、2つから4つの何れの数のカバー部16を備えていてもよい。
また、ここで、カバー部16は、例えば、第3状態において第1筐体部112と第2筐体部122との間において開口している隙間Gp1の少なくとも一部を覆うものであれば、如何なるサイズおよび形状を有していてもよい。カバー部16は、例えば、ある程度高い遮光性を有するものであれば、樹脂もしくはパテなどの充填材または粘着テープなどであってもよい。
<2-9.第10実施形態>
上記各実施形態において、例えば、図41から図44で示されるように、センサ部111は、測定モジュール1の外部から第1開口部Op1および第2開口部Op2のうちの少なくとも一方の開口部を介して受光部1112に向かう光の光路を遮るように構成された遮光部111sを有していてもよい。これにより、例えば、流路部21の内部21iに含まれた流路22における流体3の流れの状態を定量的に測定する際に、測定モジュール1の外部から受光部1112へ光が進入しにくい。その結果、例えば、流路22における流体3の流れの状態についての定量的な測定精度が向上し得る。
図41で示される第10実施形態に係る測定モジュール1の第1構成例は、図1で示された第1実施形態に係る測定モジュール1の一構成例がベースとされている。この測定モジュール1は、第3状態において、測定モジュール1の外部から第1開口部Op1および第2開口部Op2を介して受光部1112に向かう光の光路をそれぞれ遮るように構成された遮光部111sが追加された形態を有する。図41の例では、遮光部111sは、例えば、蓋部材1114の表面上に位置している。図41では、測定モジュール1の外部から第1開口部Op1および第2開口部Op2をそれぞれ介して受光部1112に向かう光の光路が太い1点鎖線で描かれている。ここでは、測定モジュール1は、例えば、第3状態において、測定モジュール1の外部から第1開口部Op1および第2開口部Op2のうちの少なくとも一方の開口部を介して受光部1112に向かう光の光路を遮るように構成された遮光部111sを有していてもよい。
図42で示される第10実施形態に係る測定モジュール1の第2構成例は、図1で示された第1実施形態に係る測定モジュール1の一構成例がベースとされて、パッケージ1113の第1凹部1113aおよび第2凹部1113bの深さが大きくされた形態を有する。ここでは、例えば、パッケージ1113の一部が、第3状態において、測定モジュール1の外部から第1開口部Op1および第2開口部Op2を介して受光部1112に向かう光の光路をそれぞれ遮るように構成された遮光部111sとしての役割を有する。図42でも、測定モジュール1の外部から第1開口部Op1および第2開口部Op2をそれぞれ介して受光部1112に向かう光の光路が太い1点鎖線で描かれている。ここでも、測定モジュール1は、例えば、第3状態において、測定モジュール1の外部から第1開口部Op1および第2開口部Op2のうちの少なくとも一方の開口部を介して受光部1112に向かう光の光路を遮るように構成された遮光部111sを有していてもよい。
図43で示される第10実施形態に係る測定モジュール1の第3構成例は、図10で示された第2実施形態に係る測定モジュール1の一構成例がベースとされている。この測定モジュール1は、測定モジュール1の外部から第1開口部Op1および第2開口部Op2を介して受光部1112に向かう光の光路をそれぞれ遮るように構成された遮光部111sが追加された形態を有する。図43の例では、遮光部111sは、例えば、蓋部材1114の表面上に位置している。図43では、測定モジュール1の外部から第1開口部Op1および第2開口部Op2をそれぞれ介して受光部1112に向かう光の光路が太い1点鎖線で描かれている。ここでは、測定モジュール1は、例えば、測定モジュール1の外部から第1開口部Op1および第2開口部Op2のうちの少なくとも一方の開口部を介して受光部1112に向かう光の光路を遮るように構成された遮光部111sを有していてもよい。
図44で示される第10実施形態に係る測定モジュール1の第4構成例は、図10で示された第2実施形態に係る測定モジュール1の一構成例がベースとされている。この測定モジュール1は、パッケージ1113の第1凹部1113aおよび第2凹部1113bの深さが大きくされた形態を有する。ここでは、例えば、パッケージ1113の一部が、測定モジュール1の外部から第1開口部Op1および第2開口部Op2を介して受光部1112に向かう光の光路をそれぞれ遮るように構成された遮光部111sとしての役割を有する。図44でも、測定モジュール1の外部から第1開口部Op1および第2開口部Op2をそれぞれ介して受光部1112に向かう光の光路が太い1点鎖線で描かれている。ここでも、測定モジュール1は、例えば、測定モジュール1の外部から第1開口部Op1および第2開口部Op2のうちの少なくとも一方の開口部を介して受光部1112に向かう光の光路を遮るように構成された遮光部111sを有していてもよい。
図41の例では、遮光部111sは、例えば、流路部21および蓋部材1114よりも高い遮光性を有する。図43の例では、遮光部111sは、例えば、光透過部21tおよび蓋部材1114よりも高い遮光性を有する。遮光部111sは、例えば、黒色などの膜状の部分で構成され得る。黒色などの膜状の部分は、例えば、蒸着もしくはスパッタリングなどの手法による乾式の成膜、または塗布などの手法による湿式の成膜などによって形成され得る。黒色などの膜状の部分は、例えば、接着剤による接着もしくは接着テープによる貼り付けなどによって、蓋部材1114の表面上に配置していてもよい。ここでは、例えば、第1筐体部112および第2筐体部122あるいは筐体部110のサイズおよび形状ならびに遮光部111sの位置および大きさなどを適宜設定する。上記により、遮光部111sが、測定モジュール1の外部から第1開口部Op1および第2開口部Op2のうちの少なくとも一方の開口部を介して受光部1112に向かう光の光路を遮ることができる。
図42の例では、遮光部111sは、例えば、流路部21および蓋部材1114よりも高い遮光性を有する。図44の例では、遮光部111sは、例えば、光透過部21tおよび蓋部材1114よりも高い遮光性を有する。ここでは、例えば、第1筐体部112および第2筐体部122あるいは筐体部110のサイズおよび形状ならびにパッケージ1113における第2凹部1113bの深さおよび開口部の大きさなどを適宜設定する。上記により、パッケージ1113が、測定モジュール1の外部から第1開口部Op1および第2開口部Op2のうちの少なくとも一方の開口部を介して受光部1112に向かう光の光路を遮ることができる。
<2-10.第11実施形態>
上記各実施形態において、測定装置100は、例えば、図45で示されるように、入力部50を有していてもよいし、出力部60を有していてもよい。
入力部50は、例えば、接続部114を介して処理部113に接続され得る。入力部50は、例えば、ユーザの動作に応答して、測定装置100における流れ定量値の測定に関する種々の条件(測定条件ともいう)を処理部113に入力することができる。測定条件は、例えば、演算処理部1132aで算出される周波数スペクトルにおける周波数の範囲などを含む。入力部50には、例えば、キーボード、マウス、タッチパネルまたはスイッチなどの操作部あるいは音声による入力が可能なマイク部などが適用される。これにより、例えば、ユーザは、所望の測定条件を容易に設定することができる。その結果、例えば、測定装置100の利便性が向上し得る。また、測定条件は、例えば、発光部1111が発する照射光L1の光量もしくは強度、受光部1112が信号を出力する周期、AD変換におけるサンプリングレートおよび検量データに係る演算式などを含んでいてもよい。また、入力部50は、例えば、流体3における粘度、濃度または散乱体の大きさなど、流体3に関する種々の情報を入力することができてもよい。
出力部60は、例えば、接続部114を介して処理部113に接続され得る。出力部60は、例えば、流れ定量値の測定に関する種々の情報を可視的に出力する表示部を含んでいてもよいし、流れ定量値の測定に関する種々の情報を可聴的に出力するスピーカ部を含んでいてもよい。表示部には、例えば、液晶ディスプレイまたはタッチパネルなどが適用される。入力部50がタッチパネルを含む場合には、入力部50と出力部60の表示部とが1つのタッチパネルで実現されてもよい。これにより、例えば、測定装置100の構成部材が減り、測定装置100の小型化および製造の容易化が図られ得る。ここで、例えば、表示部が、測定条件、周波数スペクトルまたは測定結果としての平均周波数fmもしくは流れ定量値などを可視的に表示することが可能であれば、ユーザは、流れ定量値の測定に関する種々の情報を容易に認識することができる。ここで、例えば、ユーザが、入力部50を介して出力部60における種々の情報の出力態様を変更させることが可能であってもよい。出力態様の変更には、例えば、表示形式の変更または表示される情報の切り替えなどが含まれ得る。これにより、例えば、ユーザは、流れ定量値の測定に関する種々の情報を容易に認識することができる。その結果、例えば、測定装置100の利便性が向上し得る。
<2-11.第12実施形態>
上記各実施形態において、測定装置100は、例えば、図46で示されるように、外部制御部70をさらに有していてもよい。外部制御部70は、例えば、マイクロコンピュータ(マイコン)などのコンピュータを含み得る。
外部制御部70は、例えば、照射光L1の光量もしくは強度、受光部1112が信号を出力する周期およびAD変換におけるサンプリングレートなどの測定条件を保持しており、この測定条件を処理部113に入力可能であってもよい。これにより、例えば、演算処理部1132aにおいて処理する項目が少なくなり、処理部113における処理速度を向上させることができる。ここで、測定条件には、例えば、入力部50によって入力され得る、測定装置100における流れ定量値の測定に関する種々の条件と同一のものが適用される。
また、外部制御部70は、例えば、入力部50および出力部60の制御を行うことが可能であってもよい。この場合には、例えば、処理部113が制御する種々の機能を有する部分(機能部ともいう)の数が少なくなり、処理部113の処理速度を向上させることができる。また、外部制御部70は、例えば、複数の電子部品によって構成された種々の他の機能部を有していてもよい。種々の他の機能部には、例えば、圧力計または温度計などが適用される。これにより、例えば、測定装置100における設計の自由度が向上し、測定装置100の利便性が向上し得る。
外部制御部70と、処理部113、入力部50および出力部60と、の間における通信は、有線および無線の何れの方式で実現されてもよい。処理部113と外部制御部70との間における通信は、例えば、任意の通信規格に準じた通信が適用される。任意の通信規格は、例えば、IIC(Inter Integrated Circuit)、SPI(Serial Peripheral Interface)、またはUART(Universal Asynchronous Receiver Transmitter)などを含む。
ここで、例えば、センサ部111および信号処理部1131と外部制御部70とが、直接的に通信可能であってもよい。この場合には、例えば、測定装置100が、処理部113を有することなく、外部制御部70が処理部113の機能を有していてもよい。ここでは、例えば、センサ部111と外部制御部70とが、直接通信を行うことで、処理部113と外部制御部70との間で生じる信号の遅延が解消され得る。これにより、例えば、測定装置100の処理速度を向上させることができる。その結果、例えば、測定装置100の利便性が向上し得る。
<2-12.第13実施形態>
上記各実施形態において、測定装置100を構成する少なくとも2つ以上の機能的な部分が、相互に通信可能に接続された、測定システム200が採用されてもよい。例えば、図47で示されるように、第13実施形態に係る測定システム200は、発光部1111、受光部1112、信号処理部1131、および演算処理部1132aを含む情報処理部1132を備えている。図47の例では、例えば、発光部1111と受光部1112との間、発光部1111と情報処理部1132との間、受光部1112と信号処理部1131との間、および信号処理部1131と情報処理部1132との間のそれぞれが通信可能に接続されている状態にある。
<3.その他>
上記第2実施形態、上記第4実施形態、上記第5実施形態および上記第7実施形態のそれぞれにおいて、例えば、流路22内に反射部121を配置してもよい。
上記第1実施形態、上記第3実施形態、上記第6実施形態、上記第8実施形態および上記第10実施形態のそれぞれにおいて、例えば、第2部分12において、反射部121と、第2筐体部122とは、一体的でなく、別体であってもよい。この場合には、例えば、反射部121を、流路部21としての管状体の外面に沿って配置し、第1筐体部112の第1面112fと、第2筐体部122の第2面122fと、を近接または接触させることで、センサ部111と、反射部121と、が流路22を挟んで対向している第1状態とされてもよい。ここで、例えば、貼り付けまたは接着などの方法によって、流路部21としての管状体の外面に沿って反射部121を配置することができる。
上記各実施形態では、例えば、検量データは、平均周波数fmに所定の演算を施した値(流れ計算値ともいう)と、流体3の流れに係る定量的な値(流れ定量値)と、の関係を示すものであってもよい。この場合には、例えば、演算処理部1132aは、平均周波数fmに所定の演算を施した流れ計算値と、予め準備された検量データと、に基づいて、流体3の流れに係る定量的な値(流れ定量値)を算出することができる。
上記各実施形態では、例えば、流路部21には、生体内の血管など、各種装置の配管とは異なる管状体が適用されてもよい。
上記各実施形態において、演算処理部1132aの機能の少なくとも一部の機能は、例えば、専用の電子回路などのハードウェアで構成されてもよい。
上記各実施形態および各種変形例をそれぞれ構成する全部または一部を、適宜、矛盾しない範囲で組み合わせ可能であることは、言うまでもない。
1 測定モジュール
3 流体
15 光学フィルタ
16 カバー部
21 流路部
21i 内部
21t 光透過部
22 流路
100,900 測定装置
110 筐体部
110r 第4凹部
111 センサ部
1111 発光部
1112 受光部
111s 遮光部
112 第1筐体部
112f 第1面
112r 第3凹部
121 反射部
122 第2筐体部
122f 第2面
Gp1 隙間
L1 照射光
L2 干渉光
Op1 第1開口部
Op2 第2開口部
Op3 第3開口部

Claims (12)

  1. 流路部の内部に含まれる流路における流体を測定するものであって、
    発光部および受光部を含むセンサ部と、
    反射部と、を備え、
    前記センサ部および前記反射部は、前記流路を挟んで対向している第1状態で配置可能に構成されており、
    前記第1状態において、前記受光部は、前記発光部による前記流路部に対する光の照射に応じて、前記流路部で散乱した光と、前記流路部を透過して前記流路における前記流体で散乱した光と、前記流路部および前記流路における前記流体を透過して前記反射部で反射した光と、を受光する、測定モジュール。
  2. 光学フィルタ、をさらに備え、
    該光学フィルタは、前記発光部が発する光の波長を含む第1波長範囲の光を透過させ且つ該第1波長範囲とは異なる第2波長範囲の光を透過させにくい光学特性を有するとともに、前記第1状態において前記流路部と前記受光部との間に位置するように配置可能に構成されている、請求項1に記載の測定モジュール。
  3. 前記流路部よりも高い遮光性をそれぞれ有する第1筐体部および第2筐体部、を備え、
    前記第1筐体部および前記第2筐体部は、前記第1状態において前記流路部を挟んで位置している第3状態で配置可能に構成されており、
    前記第1筐体部は、前記第3状態において前記センサ部を前記流路部とは逆側から囲むように構成された凹部と、該凹部の開口部の周囲に位置しており且つ前記第3状態において前記第2筐体部に沿って位置するように構成された第1面と、を有し、
    前記第2筐体部は、前記第3状態において前記第1面に沿って位置するように構成された第2面を有する、請求項1または請求項2に記載の測定モジュール。
  4. 前記第1面および前記第2面は、それぞれ前記第3状態において前記流路部が位置している領域から離れる方向において曲がっている状態となる形状を有する、請求項3に記載の測定モジュール。
  5. カバー部、をさらに備え、
    該カバー部は、前記第3状態において前記第1面と前記第2面との間の隙間を覆うように配置可能に構成されている、請求項3または請求項4に記載の測定モジュール。
  6. 前記第1筐体部および前記第2筐体部は、前記第3状態において、前記流路部の長手方向における第1端部に位置し且つ前記流路部が貫通している第1開口部と、前記流路部の長手方向における前記第1端部とは逆の第2端部に位置し且つ前記流路部が貫通している第2開口部と、を有するように構成され、
    前記センサ部は、遮光部を有し、
    該遮光部は、前記第3状態において、前記測定モジュールの外部から前記第1開口部および前記第2開口部のうちの少なくとも一方の開口部を介して前記受光部に向かう光の光路を遮るように構成されている、請求項3から請求項5の何れか1つに記載の測定モジュール。
  7. 流体が流れる流路を内部に含む流路部と、
    発光部と受光部とを含むセンサ部と、
    前記流路の少なくとも一部を挟んで前記センサ部に対向している反射部と、を備え、
    前記発光部は、前記流路部に光を照射し、
    前記流路部は、前記発光部から発せられた光を透過させる光透過部、を含み、
    前記受光部は、前記発光部から発せられて前記流路部で散乱した光と、前記発光部から発せられて前記光透過部を透過して前記流路内の前記流体で散乱した光と、前記発光部から発せられて前記光透過部および前記流路内の前記流体を透過して前記反射部で反射した光と、を受光する、測定モジュール。
  8. 前記反射部は、前記流路部のうちの前記流路とは逆側に位置している外面上または前記流路部の外側に位置している、請求項7に記載の測定モジュール。
  9. 前記流路と前記受光部との間に位置している光学フィルタ、を備え、
    該光学フィルタは、前記発光部が発する光の波長を含む第1波長範囲の光を透過させ且つ該第1波長範囲とは異なる第2波長範囲の光を透過させにくい光学特性を有する、請求項7または請求項8に記載の測定モジュール。
  10. 前記流路部の少なくとも一部を含み且つ前記流路の周囲を囲むように位置している、もしくは前記流路部の周囲を囲むように位置しているとともに、前記測定モジュールの外部から前記受光部への光の光路を遮る筐体部、を備えている、請求項7から請求項9の何れか1つに記載の測定モジュール。
  11. 前記筐体部は、前記流路の長手方向における第1端部に位置している第1開口部と、前記流路の長手方向における前記第1端部とは逆の第2端部に位置している第2開口部と、を有し、
    前記センサ部は、前記測定モジュールの外部から前記第1開口部および前記第2開口部のうちの少なくとも一方の開口部を介して前記受光部に向かう光の光路を遮る遮光部を有する、請求項10に記載の測定モジュール。
  12. 請求項1から請求項11の何れか1つの請求項に記載の測定モジュールと、
    処理部と、を備え、
    前記受光部は、光を受光して光の強度に応じた信号を出力し、
    前記処理部は、前記受光部が出力した信号に基づいて、前記流体の流れの状態に係る定量的な計算値を算出する、測定装置。
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