JPH0567907B2

JPH0567907B2 -

Info

Publication number: JPH0567907B2
Application number: JP63240522A
Authority: JP
Inventors: Tomoshige Hori; Kensuke Ito
Original assignee: Snow Brand Milk Products Co Ltd
Current assignee: Snow Brand Milk Products Co Ltd
Priority date: 1988-09-26
Filing date: 1988-09-26
Publication date: 1993-09-27
Also published as: EP0361278A3; DE68914762D1; US5017875A; EP0361278A2; DE68914762T2; JPH0288955A; CA1315850C; EP0361278B1

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、流体の物性、状態等を測定するため
の、使い捨て可能に構成されたデイスポーザブル
センサーに関するものである。

（従来の技術）流体の比重、粘度などの物性や、流体の温度、
流速、流量などの状態を知ることは、各種産業や
学術の分野などにおいて重要なことであり、従来
これらを測定するためのセンサーとして種々のも
のが知られている。

例えば、本出願人が先に開示した特開昭62−
185146号の流体の状態の測定方法においては、流
体と発熱体の境界面における熱伝達率を計測して
その値から流体する粘度等を知るようにしてお
り、これに使用するセンサーとして、ステンレス
棒に白金線を巻き付け、それをテフロンで被覆し
たものが記載されている。

また、特開昭61−210959号公報に示されたよう
に、液体中の化学成分の検出等を行うものにおい
て、液体標本を流入させる流路を形成して、その
流路内で成分の検出等を行うようにし、その流路
及び流路内にある検出センサー、ポンプなどをカ
ートリツジ式にして使い捨てにするようにしたも
のである。

（発明が解決しようとする課題）流体の物性、状態等を正確に測定するために
は、流体と接触するセンサー表面が清潔なもので
なければならない。

しかしながら、上記したものは、センサーがテ
フロンで被覆されているとはいつても、流体がゲ
ル化物質や血液、或は人体に有害な物質などであ
ると、センサー表面に付着したものが取りづらく
完全な洗浄は困難であり、また、洗浄が充分でな
いために次の測定が正しく行われない恐れもあ
る。

しかも、流体が溶鉱炉中の鋳鉄などの場合に
は、使用済みのセンサーを再利用することが不可
能である。

また、カートリツジ式のものは、その内部にポ
ンプなどを備えているために、カートリツジ自体
がかなり高価なものとならざるを得ず、結局ある
程度の回数は洗浄して再利用するという使用方法
が採られており、このものもセンサーの洗浄にか
かる手間が煩雑である上、洗浄が不十分なために
次の測定に及ぶ悪影響があるなどの問題を解決す
るには至つていない。

（課題を解決するための手段）従つて、本発明はかかる技術的課題を解決する
ことを目的とするものであり、そのための手段と
して、発熱体に接続したリード線を保持体に固定
し、その固定されたリード線で端子を形成すると
共に、保持体を容器状に形成し、もしくは保持体
に容器を取り付け、発熱体を該容器内に配置した
デイスポーザブルセンサーを構成し、センサーを
容器ごと使い捨て可能にした。

（作用）以上のように構成されたセンサーの容器内に流
体をサンプリングして、発熱体を流体に接触させ
る。

そして、リード線を介して通電した電流で発熱
体を発熱させ、これら発熱体と流体との間で熱伝
達を行わせる。

保持体に固定されたリード線で形成された端子
には電流源と電圧計を接続して、電流源からリー
ド線を介して発熱体に一定の電流を通電し、その
時に印加されている電圧を電圧計で計測する。

そして、通電せしめた電流値と計測された電圧
値から、発熱体の温度と発熱量を算出し、これら
と流体の温度から流体の種々の物性の変化を測定
する。

一度流体をサンプリングして測定を行つたセン
サーは、これを洗浄等して改めて使用することは
せず、使用済みのセンサーを取り外して廃棄し新
しいセンサーと付け替える。

（実施例）以下本発明の実施例を説明する。

先ず、流体の物性値を知る一例として、発熱体
の温度と発熱量及び流体温度から流体の物性値で
ある動粘性率νを得る手順を説明する。

流体中に固定された発熱体の表面の熱伝達率α
は次式で表される。

α＝Ｑ／Ｓ（θ_s−θ∞） …… ［Ｑ：発熱体の発熱量、Ｓ：発熱体の表面積、 θ_s：発熱体の表面温度 θ∞：流体の温度］また先に本出願人によつて開示されている特開
昭63−132149号に示すように、発熱体の表面温度
θ_sは、発熱体の平均温度θ_wを用いると次式で表さ
れることが知られている。

θ_s＝θ∞＋k₁（θ_w−θ∞）^k2 …… ［k₁，k₂：発熱体固有の定数］従つて、発熱体の表面から放出される発熱量Ｑ
及び発熱体の表面積Ｓが既知であれば、上記温度
差θ_s−θ∞から熱伝達率が算出できる。

一方、発熱体を、物性値が既知である流体、例
えば蒸溜水中にセツトして、該発熱体に種々の値
の定電流、例えば直流定電流を通じて蒸留水と
（加熱される）発熱体表面との温度差θ_s−θ∞を
測定すると、熱伝達率の無次元量であるヌツセル
ト（Nusselt）数Nuと、動粘性率の無次元量であ
るプラントル（Prandlt）数Pr及び温度差の無次
元量であるグラスホツフ（Grashof）数Grとの関
係式、即ち、上記発熱体周囲における自由対流熱
伝達現象を一般的に表示する方程式、例えば Nu＝C〓Gr^C1Pr^C2 …… ［C〓、C₁、C₂：定数］が求められる。

なお、Nu、Gr及びPrは下記の関係式で表され
る。

Nu＝αL／λ …… Gr＝L³gβ（θ_s−θ∞）／ν² …… Pr＝ν／ａ …… ［Ｌ：流れの代表長さ、 λ：熱伝達率、ｇ：動力加速率、 β：体積膨張率、 ν：動粘性率、ａ：温度伝導率］従つて、被測定物質の動粘性率νは、上記式
〜より下記式で表される。

ν^2C1-C2＝C〓g^C1SL^3C1-1Q^-1λβ^C1a^-C2（θ_s−θ∞
）^C1
^＋１ …… ここで、発熱体に電流ｉを通電加熱した場合Ｑ＝Ri² …… ［Ｒ：発熱体（白金線）の電気抵抗、ｉ：発熱体に通電された電流値］上記式(7)において、ｇ，Ｓ，Ｌは定数であり、
さらにλ、β及びａについては、その変化がνの
変化幅に比べて十分に小さい多くの系では、結
局、動粘性率νは発熱量Ｑとθ_s−θ∞のみの関数
として、次式(9)で表される。

ν^2C1-C2＝C₃Q^-1（θ_s−θ∞）^C1+1 …… ［C₃：定数］従つて、例えば流体中に固定した発熱体に発熱
量Ｑが一定になるように電流を通電し、流体温度
と発熱体の平均温度もしくは表面温度を求めるこ
とによつて、動粘性率νが求められるのである。

次に、図面をもとにして本発明デイスポーザブ
ルセンサーを説明する。

先ず、第１図をもとにしてセンサーＳの基本構
成を説明すると、１は白金線からなる発熱体、２
ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄは発熱体１の両端に接続さ
れたリード線、３はこれらリード線２ａ，２ｂ，
２ｃ，２ｄを固定する保持体であつて絶縁材から
なるものである。

なお、発熱体１及び保持体３の上面３′から露
出したリード線２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄは、後述
するように流体と接触する部分であるので、これ
らには電流が流体中にリークするのを防止するた
めの被覆ａが施されている。

保持俟３の下面３″には、リード線２ａ，２ｂ，
２ｃ，２ｄが適当な配列で突出しており、これら
突出したリード線２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄによつ
て、次に説明するコネクターに接続される端子４
が形成されている。

第２図において、５はコネクターであつて、こ
のコネクター５には保持体３下面に設けられた端
子４のリード線２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄにそれぞ
れ嵌合し合うソケツト６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄが
配設されている。

ソケツト６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄは、リード線
７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄによつて測定機本体Ａ側
の定電流源８及び電圧計９に接続されている。

１０は定電流源８及び電圧計９の制御装置、１
０ａはGP−IBケーブル（通信線）である。

以上のようなセンサーＳをコネクター５に接続
し、第３図のように、発熱体１を水槽１１内の流
体Ｆに浸漬せしめて、リード線２ａ，２ｃもしく
は２ｂ，２ｄ及びリード線７ａ，７ｃもしくは７
ｂ，７ｄを介して定電流源８で通電し、発熱体１
から流体Ｆ中に熱量Ｑを電導及び対流熱伝達によ
つて拡散する。そして、その時に印加されている
電圧をリード電流２ｂ，２ｄもしくは２ａ，２ｃ
及びリード線７ｂ，７ｄもしくは７ａ，７ｃを介
して電圧計９で計測する。

なお、制御装置１０によつて熱量Ｑが常に一定
となるように制御することが好ましいが、実用上
はｉ＝一定で代替しても利用できる場合が多い。

そうして、計測された値をもとに発熱体の表面
温度θ_sを求め、このθ_sと図示しない側温計で計測
された流体の温度から、例えば動粘性率νなどの
流体の物性値の大きさを測定することができる。

なお、側温計は何れの手段によるものでもよい
が、センサーＳと同様の構成のものを流体Ｆ中に
装置し、これに1mA程度の微少電流を通じて、
その抵抗値の大きさから流体温度を知ること、あ
るいは、センサーＳを電流値の切り替え操作によ
つて発熱体と側温計の双方に用いることが可能で
ある。

しかして、本発明は以上のような基本構成から
なるセンサーＳにおいて、保持体を容器状に形成
し、もしくは保持体に容器を取り付けた構成とす
ることにより、センサーの容器内に流体をサンプ
リングして測定できるようにしたものである。

第５図イ，ロは、本発明の実施例にかかるセン
サーＳ１，Ｓ２を示している。

第５図イに示すセンサーＳ１は、方形状をなす
保持体３に円筒容器１２を取り付け、この容器１
２内に鉛直方向の発熱体１を張つて両端を板状の
リード線２ａ…で支持するようにしたものであ
る。

容器１２内に流体Ｆをサンプリングして測定が
できるので、便利である。

なお、容器１２には蓋体１３やシートフイルム
等を取り付けておくと、測定を行う前に容器１２
内に汚れが進入して測定に悪影響を及ぼすことが
なく、またサンプリングした流体を容器１２内に
いれたまま持ち運んでもこぼれる心配がないので
都合がよい。

第５図ロに示すセンサーＳ２も同様に保持体３
に容器１４を取り付けたものである。このもの
は、容器１４内に水平に発熱体１が張られている
ので、サンプリングされた流体が非常に少量でも
測定ができるという利点がある。

１５は、センサーＳをコネクター５に取り付け
た際に、その取り付け部分に外装して嵌合を確実
ならしめるとともに、その部分に流体が入り込ん
で電流がリークしたりするのを防止するためのカ
バーである。

センサー端子４がリード線２ａ…で形成されて
それほど強いものでないことや、端子には絶縁被
覆が施されていないことを考慮したものである。

なお、このセンサーＳにも蓋体１６等を取り付
けて、容器１４内への汚れの進入などを防ぐこと
ができる。

以上のようにして、流体を容器１２，１４の中
にサンプリングして、流体の物性を測定した後、
コネクター５から使用済みのセンサーS′を取り外
して廃棄し、新しいセンサーS″をコネクター５
に取り付けて次の流体の測定等を行う（第４図参
照）。

しかして、困難で手間のかかるセンサーＳの洗
浄作業の必要や、洗浄が不充分なため次の測定が
正しく行われないといつた心配が皆無となる。

なお、以上の実施例では白金線から成る発熱体
を用いて説明したが、発熱体の材料としてその他
任意の金属等を使用できるものであり、白金の
他、例えば白金ロジウム、ニツケル、タングステ
ン、コバルト、モリブデン等が使用できる。

発熱体表面の被覆材料としては、セラミツクス
や各種高分子物質、樹脂等が利用できる。

また、これらの代わりに、もしくはこれらの上
に更に坑体や坑原として機能する物質を固定し
て、流体中の発熱体表面近傍で坑体坑原反応を進
行させ、流体の特殊条件下における特性を検出す
ることにも応用できる。

また、発熱体の大きさは特に限定されるもので
はないが、発熱体の外径と長さの比が大体１対
1000程度であると、発熱体端部から長手方向へ逃
げる熱量を無視できので、測定誤差が少なくなつ
て都合が良いが、実用上はその比が１対10程度で
良く、具体的には直径５〜100μｍで長さ１〜100
mmの白金線を用いると、測定誤差が少なくて感度
が良く、しかも強度的にも充分なセンサーを構成
できるという利点がある。

第６図は、センサーＳを中間コネクター１７を
介して測定機本体Ａ側のコネクター５に取り付け
るようにしたものである。

本発明デイスポーザブルセンサーは使い捨てに
されるため、センサーの取り外しが頻繁に行わ
れ、測定機本体Ａ側のコネクター５との接触抵抗
に支障をきたしやすい。

そこで、センサーと測定機本体Ａ側のコネクタ
ー５との間に中間コネクター１７を介在させて、
測定機本体Ａ側のコネクター５に対する直接の取
り外し回数を減らすようにしたものである。

この中間コネクター１７は１個だけでも良い
が、図示のように２個以上重ねて取り付けると、
より測定機本体側コネクター５に対する直接の取
り外し回数を減らすことができるものである。

第７図は、定電流源や電圧計などを備えた測定
機本体Ａの側方にコネクター５を複数配設し、そ
の測定結果をデイスプレイ１８に表示するように
したものである。

複数配設されたコネクター５…に取り付けられ
たセンサーＳ…によつて、一度に多種多様の流体
の物性を測定することが可能である。

なお、リード線及び発熱体に施す被覆が絶縁性
を有する場合は電流リークによる短絡を防止する
ものであるが、その必要性は使用条件によつて変
わるものであり、このような被覆加工は必要性に
応じて必要な部分に施せば良い。

（発明の効果）以上のように構成された本発明によれば、容器
内に流体をサンプリングして測定できるので、大
変便利である。

そして、測定機本体と個別に形成されたセンサ
ーを使い捨てにすることにより、センサーの洗浄
作業という面倒な作業をする必要が無くなると共
に、被測定液の毒性による操作者の危険性を小さ
くすることができる。

また、常に清潔なセンサーで測定が行われるの
で、センサー表面の汚れによつて測定誤差を生ず
ることがなく、流体も汚さない。

しかも、センサーを再利用する必要がないの
で、溶鉱炉中の鋳鉄などをサンプリングして測定
するようなこともできる。

そして、センサー自体は、白金細線等の発熱体
とリード線とその保持体とで構成されるものであ
つて、非常に低廉で、しかも簡易に製造できるの
で、使い捨てにしても費用がかさむ心配がない。

また、発熱体の短い小型のセンサーとすること
によつて、流体中のあらゆる位置の物性値などを
測定することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はセンサーの基本構成を示す斜視図、第
２図は測定機本体の説明図、第３，４図はセンサ
ーの測定原理の説明図、第５図イ，ロは本発明の
実施例にかかるセンサーの斜視図、第６図は中間
コネクターを使用した場合の説明図、第７図は複
数のコネクターが配設された測定機本体の斜視図
である。Ａ……測定機本体、Ｆ……流体、Ｓ１，Ｓ２…
…センサー、１……発熱体、２ａ〜２ｄ，７ａ〜
７ｄ……リード線、３……保持体、４……端子、
５……コネクター、６ａ〜６ｄ……ソケツト、８
……定電流源、９……電圧計、１０……制御装
置、１０ａ……GP−IBケーブル（通信線）、１
１……水槽、１２，１４……容器、１３，１６…
…蓋体、１５……カバー、１７……中間コネクタ
ー、１８……デイスプレイ。

Claims

【特許請求の範囲】

１発熱体に接続したリード線を保持体に固定
し、該固定されたリード線で端子を形成すると共
に、上記保持体を容器状に形成し、もしくは保持
体に容器を取り付け、上記発熱体を該容器内に装
置した流体の状態変化を測定するデイスポーザブ
ルセンサー。