JPH02501594A - 流体の特性の調査 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、流体の特性を調査するための装置及び方法に関するものであり、そし て最も重要な例では、流体媒質中に懸濁した微生物及びその他の生物学的物質を 調査するための装置及び方法に関するものである。

本発明の目的は、機構が簡単で、頑丈であり、信頼性が高く、しかもコンパクト である改良した装置を提供することである。このような性質は、生物学的反応装 置もしくはこれと類似の処理プラントで使用する装置にとっては特に大切なもの である。

従って、本発明は、その１つの相においては、流体の諸特性を調査するための装 置から放るものであり、この装置は、イ）前記流体のサンプルを受けるように適 合された音響空洞と、口）前記空洞の壁の少なくとも１部分を形成する少なくと も１つの導電性トランスジューサ素子であって、この素子または１つのその素子 の振動性運動が前記空洞内の音響波伝搬により影響を受けるように配置された前 記のトランスジューサ素子と、及びノ１）前記振動性運動を励起しモニタする電 磁的結合手段であって、前記のトランスジューサ素子またはその各トランスジュ ーサ素子に隣接した誘導コイル手段と、前記のトランスジューサ素子またはその 各トランスジューサ素子において磁界を確立するための手段と、前記誘導コイル において時間的に変動する電流を駆動するための発振器手段と、及び前記誘導コ イル内の電流の流れをモニタするだめの検出器手段と、を備えた前記の電磁的結 合手段と、を備えている。

前記のトランスジューサ素子は、円筒形状のものが有利である。

前記の音響空洞は、その境界が前記トランスジューサ素子の内側の円筒状表面に より定められるのが好ましい。

あるいはその代わりとして、同軸の反射シリンダを円筒状トランスジューサ素子 の回りに配置して、それらの間に環状の音響空洞を定めるようにできる。

本発明の別の形態においては、前記のトランスジューサ素子は、平らなものであ る。

別の相においては、本発明は、流体中に懸濁した微生物もしくはその他の生物学 的物質のサンプルを調査する方法から成り、この方法は、イ）堅い導電性のトラ ンスジューサ素子の少なくとも１部分により境界を定められた音響空洞の中に前 記サンプルを配置する段階と、口）前記トランスジー−サに磁界を印加す゛る段 階と、／・）前記トランスジューサ素子に電流の流れを誘起して前記サンプル内 の音響波伝搬をもたらす前記トランスジューサ素子の振動を励起する段階と、二 ）前記のトランスジューサ素子または同様なトランスジューサ素子においてこれ への前記音響波の衝突の結果として誘起される電流をモニタする段階と、及びホ ）前記のモニタした電流のパラメータから前記サンプルの特性に関する情報を得 る段階と、から成っている。

次に、本発明について、その１例を、添付の図面を参照して説明する。

第１図は、既に知られている技法を示した図。

第２図は、本発明の１実施例を示す概略図。

第３図は、本発明に従って使用する検出器を示した、１部ブロックで描いた回路 図。

第４図は、第３図の検出器が用いる技法を示す一連のグラフ。

第５図は、第２図の実施例に対する変更例を示した概略図。及び 第６図、第７図、及び第８図は、本発明による別の実施例を夫々示した概略図。

本発明を理解し易くするため、表面弾性波を金属サンプルに生成しこれを電磁的 に検出して金属サンプルを調べる周知の技法について、言及するのが役立つと思 われる。

第１図において、磁界Ｂが金属サンプルの表面に確立されている。この例におい ては、この磁界は、接線方向であるが、他の構成においてはその表面に直交する 磁界が用いられている。送信器コイルＴの交流電流は、エディ−電流をそのサン プル表面に流れさせ、これらの電流は、その印加された磁界の作用の下で、機械 的な変位をもたらしサンプルに沿って表面弾性波として伝搬される。これとは逆 の電磁的結合により、その表面弾性波は、受信器コイルＲでその誘起電圧を測定 することにより検出される。

この作用は、１９３９年に最初に気付かれたものであり（ＰＥＹＳ、ＲＥＶ、Ｓ ６　Ｐａｇｅｓ　３４３　＋９３９）　、メーソン編、アカブミック・プレス１ ９７９のフィジカル・アコースティックスの第１４巻（ｖｏｌＩＩｍｅ　１４　 ｏｆ　Ｐｈｙｓｉｅｓｌムｃｏｕｓｌｉｃｓｔｄｉｔｅｄ　ｂｙ　Ｗ、Ｐ、Ｍｓ ｓｏ３　Ａｃｓｄｅｍｉｃ　Ｐｒｅｓｓ　１９７９）に有益な考察がみられる。

この技法は、理論的な制限により限定された低い結合効率を有するものであり、 従って、その見い出した使い道は、主として、金属サンプルとの物理的接触を必 要とする代替技術が可能でないような場合、もしくは、在来のセラミックまたは クリスタルのトランスジューサにとって温度が高すぎる場合である。この技術の 代表的な応用例は、非破壊検査、及びホット・メタルのビレットの品質管理であ る。その低効率の結果、大電流を短いパルスの形態で使用するのが通例である。

この装置は、必然的に大形で高価となり、そしてその測定精度は、欠陥検出には 十分であるが、それほど高くない。

本発明に拠れば、その超音波の電磁的生成及び検出の既知技術の変更したものを 、例えば、流体媒質内のバクテリア懸濁の濃度を調査するため巧妙な方法で用い る。

次に、第２図には、本発明による装置の１実施例を示しである。金属性パイプｌ Ｏは、テストするその懸濁液を通すものである。銅線のフィル１２は、そのパイ プの周囲に、これとの間に小さな空気ギャップを残した状態で配置しである。こ のコイルの両側の端部には、リング磁石１４をパイプと同軸で設けてあり、これ らリング磁石は、反対の極が向かい合うように配置して、パイプの外側表面上に おいてパイプの軸と平行の磁界を設けるようにしである。上記コイル及びリング 磁石は、保護スリーブ１６で覆っである。パイプ１０の内側は、所望ならば、サ ンプルとの間の音響エネルギーの伝達が必要以上に妨げられないことを条件に、 適当に被覆してもよい。

コイル１２には交流電流を印加して、金属性パイプ１０にエディ−電流を誘起す るようにし、このエディ−電流は、パイプの軸の回りにその外側表面で円形状に 流れることになる。この誘起された電流の密度Ｊは、Ｈを磁界とすると、ＶＸＨ に比例する。静的磁界Ｂの存在する場合、ロレンツ力ＪＸＢは、それら電流を介 してその金属のイオン格子に結合し、そして圧縮音響波がサンプルを通してパイ プの軸に向かって伝搬する。理解されるように、これとは逆の作用により、パイ プに入射する音響波は、コイルに電流の流れを生起する。この電流は、これがサ ンプルに関し含んでいる情報と共に、検出し分析することができる。

上述のように、電磁的結合の効率は、非常に低く、コイルの検出器電流はその駆 動電流と比べ小さい。しかし、この例では、駆動コイル電流の周波数は、パイプ に定在波共振を生ずるのが予想される周波数レンジに渡って掃引する。これらの 共振において、表面の音響波の振幅は、Ｑ倍で、コイル・インピーダンスの同等 の低下により、増大する。これは依然として小さいが、このインピーダンスの低 下は、ＲＦ測定技法により検出できる。

次に第３図において、コイル１２のＬＣＲ等価回路をライン５０と接地との間に 接続して示しである。ライン５０は、定電流発振器５２とＲＦ増幅器５４の入力 との間に延びている。この発振器５２の周波数は、周波数走査ユニット５８の制 御の下で、ＦＭ変調器基準５６により制御されるようになっている。ＲＦ増幅器 の出力は、ＡＭ検出されそして位相感応検出器６０に運ばれ、この検出器は、こ れの外に、位相比較のため基準発振器５６からの入力を受け取る。位相感応検出 器６０の出力は、第２高調波零点検出器６２にモニタされ、この零点検出器６２ は、出力をプロセッサ６４に送る。以下により詳しく説明するが、プロセッサ６ ４は、サンプル内の密度、音速、減衰又は消散の値について、連続した共振周波 数の間の周波数間隔を、並びに液体とパイプの組み合わされた系の運動の式に関 する知識と共に用いて判定することができる。

定電流発振器５２の周波数がこの系の共振周波数を通過するとき、その振幅変調 された信号と基準４６が発生する周波数変調との間の位相関係に変化が生ずる。

この位相変化は、高い精度で位相感応検出器６０で検出でき、検出器６０は正確 な共振周波数を識別するようプロセッサを付勢する。

サンプリング内の音響波の減衰もまた、共振の近くの周波数で送られる電力Ｐが 以下のように与えられること、に注目することにより正確に測定できる。

但し、Ｗは角周波数であり、Ｗ　は共振における角周波数である。

０・ｖＲ／２ｃである弱く結合された系においては、減衰αは、次のように見積 もることができる。

ここで、Ｃはサンプル内の音速であり、！、及びｗ２は第４図に示した応答カー ブの屈曲点での周波数である。その図を見ると解るように、その応答カーブの屈 曲点は、位相感応検出器出力の第１及び第２の導関数を用いて最も正確に判定さ れる。位相感応検出器出力の第２導関数における零点は、判定し、そして好まし い実施例においては、第２帰還ループにおける誤差信号として使用し、それによ って発振器をその零点のいずれかにロックする。このようにして、正確な測定を サンプル内の音波の減衰から定めることができる。

実際には、プロセッサ６０の制御の下で、この検出器システムは、上記の位相変 化または第２導関数零点の方法のいずれかを用いて＆２つの屈曲点周波数及び１ つのピーク共振周波数を読み取るよう順次機能する。このプロセスは、密度、音 速、及び減衰を計算するために、一連の（代表的には５から２０）の連続した共 振について反復する。

測定した共振周波数から密度値を、従って微生物の濃度の値を得るためには、パ イプ１０とこれの中に含まれたサンプルとから成る複合の系の音響インピーダン スを考慮する必要がある。円筒座標系を用いれば、固体部分は、半径ｒの関数と してインピーダンスＺ　を有しており、これは以下の通りである。

そして、液体部分のインピーダンスＺ１は次で与太られる。

但し、ｋ　は（振幅マ／Ｃの）固体内の波ベクトルであり、Ｃは固体内の音速で あり、そしてｄ。

は固体の密度である。ｋ　、ｃ　及びｄ＋は、液体に対し対応した値を有してい る。

パラメータ　Ｂ／Ａは、次で与えられる。

但し、Ｓは、固体内の横波音速の縦波音速に対する二乗した比であり、以下に与 えられる。

但し、ａと　ｂは、管の内側表面及び外側表面の位置ベクトルであり、そしてＪ 、、　Ｊ、、　Ｙ、、　Ｙ、は、ベッセル関数である。

共振周波数においては、固体及び液体のインピーダンスはその境界（ｒ−２）で マツチしていなければならないという事実を用いれば、次のことを示すことがで きる。

分かるように、これらの関数は、振動性のものであり、多数の共振周波数を意味 している。この式を多くの共振に関して解くことにより、ｃｌ及びｄｌ　を定め ることができる。

例えば、懸濁液中のバクテリアの濃度を判定するためには、密度の測定値は、第 １にその懸濁液からそして第２にバクテリアを除いたその流体から得ることがで きる。第５図を参照すると、パイプｌＯの端部を細孔フィルタ・キャップ１８で 覆っｌ；変更例を示しである。これは、流体のみの密度から測定ができるように するものであり、そしてその２つの測定値から微生物の濃度に関する値を得るこ とができる。

本発明による代替実施例は、第６図に示しである。

この実施例においては、ソレノイド・フィル１２°をパイプ１０’内に配置して あり、このパイプはもはやサンプルを運ばない。磁石１４″は、円盤として形成 しそしてパイプ１０’内に同様に配置している。同軸の反射シリンダ１７は、パ イプ１０の回りに配置し、環状の音響空洞１９をパイプ１０とその反射シリンダ １７との間に定めるようにしである。

第６図に示した実施例を使用する際、サンプルは、その環状音響空洞１９を通過 させる。パイプ１０内で発生される音響波は、そのサンプルを通して伝達し、シ リンダ１９により反射され、それによってパイプ１０に入射する前に再びサンプ ルを通過する。この実施例で共振周波数を検出する方法は、前述のものと全く類 似のものである。

次に第７図において、別の実施例を示してあり、これにおいて、第６図に示した 生成コイルの幾何はそのままであるが、その反射シリンダは、別個の受信コイル ・アッセンブリで置き換えである。従って、環状音響空洞１９′は、その外側の 境界が、コイル２２を担持した導電性シリンダ２０により定められている。その 検出回路において、コイル１２′及び２２は、直列であれ並列であれ、同じタン ク回路の１部として接続するようにすることができる。

更に別の変更例について第８図を参照して説明する。

これに示しであるのは、プローブ・デバイスの円筒状端部分２４である。このプ ローブの自由端は、音響円盤２６で閉ざされており、そしてこの円盤の少し内側 には、トランスジューサ円盤２９を設けである。音響空洞は、これら２つの円盤 の間に定められており、そして円筒状監部３０内に設けた孔を通してプローブの 外側と連通している。

環状の及び円盤の磁石３２及び３４は夫々、トランスジューサ円盤の後方の裏板 ３６上に配置してあり、モして電気コイル（図示せず）は、該コイルとトランス ジューサ素子との間に小さな空気ギャップを残した状態で、それら磁石の間に巻 回しである。

このプローブ形態の構造は、バルク容器内の流体からその密度もしくはその他の 特性について判定する場合ｔこ、特に有利である。このプローブは、その容器の 壁を貫通して簡単に差し込むようにすることができる。プローブのサンプルと接 触する要素は、その洗浄、そして必要ならば消毒を容易に行えるようにするもの である。もし複合懸濁液と流体媒質の両方の密度測定を得ることを希望する場合 、２つの同様なグローブを用い、これら２つのプローブの壁部３０内の孔を、そ の１つのプローブにおいては細胞が音響空洞へ自由に入ることができる一方で、 他方のプローブにおいては細胞が有効にフィルタされその流体媒質のみが音響空 洞内に残るように、選定することができる。

このプローブ実施例の動作の形態は、第６図のものと類似している。

本発明について、例でもって説明したが、各種の変更例が本発明の範囲から離れ ずに可能であることは、理解されるべきである。従って、例えば、記述した金属 性パイプは、その他の導電性トランスジューサ素子で置き換えるようにすること ができる。これらは、それ自体でサンプルを包含する音響空洞を定める必要はな く、そのような空洞の壁の１部分を形成するようにしてもよい。

当業者には明らかなように、多種多様な幾何形状を採用することができる。もし 希望なら、流体サンプル内に懸濁したバクテリアその他の粒子の濃度に関する情 報は、適当なケースにおいては、説明したようにサンプル内の音響的減衰に関す る情報をもたらす共振パルス幅、から得るようにすることができる。

記述した装置は、微生物の濃度の測定並びにそれと類似の測定において特に利益 のあるものと考えられるが、それに限定して解釈されるべきものではなく、諸流 体におけるＶ、度、音速、音響的減衰、もしくはその他のパラメータの測定に応 用が見い出されるものである。

浄書（内容に変更なし） 立１１芥Ｔ　ＳＡＷパルス　・ｔ１△春Ｒス？ 浄書（内容に変更なし） 手続補正書（方力 平成　２年　３月　１日嘆 特許庁長官　吉　１）文　毅　殿 １、事件の表示 ＰＣＴ／ＧＢ８８１００８０２ ２、発明の名称 流体の特性の調査 ３、補正をする者 名　称　パブリック・ヘルス・ラボラトリ−・サーヴイス・ボード ４、代理人 住所　東京都千代田区大手町二丁目２番１号新大手町ビル　２０６区 別紙の通り（尚、（３）の書面の内容には変更ない国際調査報告 国際調査報告 ρＣＴ／１．８８Ｂ１００Ｂ０２

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. １．流体の特性を調査するための装置であって、前記流体のサンプルを受けるよ うに適合された音響空洞と、 前記音響空洞の壁の少なくとも１部を形成する少なくとも１つの導電性トランス ジューサ素子であって、前記のまたは１つの前記トランスジューサ素子の振動性 運動が前記音響空洞内の音響波伝搬により影響を受けるように配置された、前記 の少なくとも１つのトランスジューサ素子と、及び 前記振動性運動を励起しかつモニタするための電磁的結合手段であって、該電磁 的結合手段は、前記のまたは各々のトランスジューサ素子に隣接した誘導コイル 手段と、 前記のまたは各々のトランスジューサ素子において磁界を確立するための手段と 、前記誘導コイル手段において時間的に変動する電流を駆動するための発振器手 段と、及び前記誘導コイル手段の電流の流れをモニタするための検出器手段と、 を含んだ前記の電磁的結合手段と、 を備えた流体の特性を調査するための装置。
2. ２．請求の範囲第１項記載の装置において、前記トランスジューサ素子は、円筒 形状であること、を特徴とする装置。
3. ３．請求の範囲第２項記載の装置において、前記音響空洞は、その境界が前記ト ランスジューサ素子の内側の円筒状表面により定められていること、を特徴とす る装置。
4. ４．請求の範囲第２項記載の装置において、同軸の反射シリンダを前記円筒状ト ランスジューサ素子の周囲に配置して、それらの間に環状の音響空洞を定めるニ と、を特徴とする装置。
5. ５．請求の範囲第１項から第４項のいずれかに記載の装置において、前記発振器 手段は、前記時間変動電流の周波数を連続的に変化させるための手段から成るニ と、を特徴とする装置。
6. ６．請求の範囲第５項記載の装置において、前記検出器手段は、前記発振器手段 から位相比較入力を受ける位相感応振幅検出器から成ること、を特徴とする装置 。
7. ７．流体中に懸濁した微生物またはその他の生物学的物質のサンプルを調査する 方法であって、堅くかつ導電性のトランスジューサ素子により少なくとも部分的 に境界を定められた音響空洞の中に前記サンプルを配置する段階と、 前記トランスジューサ素子に磁界を印加する段階と、前記トランスジューサ素子 内に電流の流れを誘起して前記サンプル内の音響波伝搬をもたらす該素子の振動 を励起する段階と、 前記のまたは類似のトランスジューサ素子への前記音響波の衝突の結果として前 記素子に誘起された前記電流をモニタする段階と、及び 前記モニタした電流のパラメータから前記サンプルの特性に関する情報を得る段 階と、 から成る方法。
8. ８．請求の範囲第７項記載の方法において、前記トランスジューサ素子の振動の 周波数は、音響的共振が前記音響空洞内に励起されるように選択した周波数レン ジに渡って掃引し、前記のまたは各々の共振が生起する周波数をモニタすること 、を特徴とする方法。
9. ９．請求の範囲第７項記載の方法において、前記サンプルから前記徽生物または その他の生物学的物質を取り除いた後で前記の判定を繰り返す段階、を含むこと を特徴とする方法。