JPH07104191B2

JPH07104191B2 - 流速測定装置

Info

Publication number: JPH07104191B2
Application number: JP2056407A
Authority: JP
Inventors: 邦雄堀内
Original assignee: Terumo Corp
Current assignee: Terumo Corp
Priority date: 1990-03-09
Filing date: 1990-03-09
Publication date: 1995-11-13
Anticipated expiration: 2010-11-13
Also published as: JPH03259718A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、管路内の液体の流速を測定する流速測定装置
に関するものである。

［従来の技術］従来より、管路内を流れる液体（例えば血液等）の流速
を超音波のドツプラー効果を利用して測定する装置があ
る。

計測機の回路構成を簡略化させる目的で連続波方式を用
いる場合、超音波の送信側と受信側のセンサ（振動子）
は第８図或いは第９図における符号1,2に示すように同
一直線上に配置され、それぞれのセンサの指向性領域の
交差する斜線部分の液体４の流速（図示の符号７で示さ
れている）を検出している。

［発明が解決しようとする課題］しかしながら、液体の通過している管路３内において、
管路３の内壁付近の流れは乱れが生じやすく、測定の安
定性を妨げる原因になりやすい。

そのため、安定して流れる管路中心部分の流速を選択的
に検出して、それを流れを知るための代表値としたい
が、第８図及び第９図に示すように管路３が比較的細く
センサの大きさに近い場合には中心部分のみの測定が困
難であると言わねばならない。

また、センサ自体をより小さくすることも考えられる
が、センサ外形を小さくすると感度特性が劣化してしま
い、これにも限界がある。

本発明はかかる問題に鑑みなされたものであり、管路内
の液体の流速を高精度に測定することを可能ならしめる
流速測定装置を提供しようとするものである。

［課題を解決するための手段］この課題を解決するため、本発明の流速測定装置は以下
に示す構成を備える。すなわち、超音波によるドツプラー効果を利用し、管路内の液体の
流速を測定する装置において、超音波を発生させる第１
の振動子と超音波を受信する第２の振動子とが、それぞ
れの振動子の指向方向が前記管路の軸方向に対して直交
する断面上でほぼ直交し、かつ、前記軸方向に対しては
所定の角度になるように配置することを特徴とする。

また、本発明の実施態様に従えば、第１の振動子を含む
送信センサ部と第２の振動子を含む受信センサ部は前記
管路に対して着脱自在にあることが望ましい。

また、本発明の実施態様に従えば、測定対象の管路が変
形しやすい軟質性を有するときには、その管路を硬質の
コネクタを介して接続し、前記送信センサ部と受信セン
サ部は該コネクタに装着することが望ましい。

［作用］かかる本発明の構成において、管路の軸方向から見て略
直角になるように送信用超音波振動子と受信用超音波振
動子をそれぞれ配置されている。従つて、受信用超音波
振動子の検出する対象は管路中央部になる。

［実施例］以下、添付図面に従つて本発明に係る実施例を詳細に説
明する。

＜概要の説明＞先ず、実施例における流速測定装置の概要を説明する。

第６図（Ａ）に実施例における測定対象の液体が流れる
管路とセンサ部の関係を示す。

図中、１は超音波を発生する送信用超音波振動子、２は
超音波を受信する受信用超音波振動子である。３は管路
であり、図面に対して垂直方向に延びている。４は管路
３内を流れる液体である。

送信用超音波振動子１及び受信用超音波振動子２は、管
路３の進行方向に対してそれぞれ所定角度傾くように、
しかも各々は管路３の軸方向から見て（軸方向に直交す
る断面上で）略90度をなすような間隔で管路３に取り付
けられている。

さて、送信用超音波振動子１から発生した超音波はその
指向性エリア５内を伝播していき、液体４の不均一部
分、例えば液体４が血液であれば血球等で反射される。
液体４が或る程度の流速を持つている場合、反射した超
音波の周波数はドツプラー効果により流速に比例して変
化する。反射した超音波のうちで、受信用超音波振動子
２の指向エリア内より発生したものは、その受信用超音
波振動子２により受信され、電圧信号に変換され、第７
図に示す測定機の電気回路部分に伝達される。そして、
この測定機内で、液体４の流速、流量、流れ方向等が演
算され、その結果を走査者が把握できるように出力（例
えば表示）する。

＜センサの説明＞上述した実施例の流速測定装置におけるセンサの構造及
びその配置位置を第１図（Ａ），（Ｂ）を用いて更に詳
しく説明する。

第１図（Ａ）は管路３の軸方向に対して真横から見た場
合の断面図であり、同図（Ｂ）は管路３の軸方向から見
た場合の断面図である。

被測定物である液体４は管路３内を流れており、管路３
には送信用超音波振動子１を内蔵する送信センサ部14a
と受信用超音波振動子２を内蔵する受信センサ部14bと
が一体構造的に取り付けられている。

送信センサ14a内の送信用超音波振動子１を振動させる
電気信号と受信センサ14bの受信用超音波振動子２より
の検出信号はケーブル21を介して測定機22へ伝達され
る。

送信センサ部14a、受信センサ部14b内のそれぞれ送信用
超音波振動子１と受信用超音波振動子２は、図示の様
に、管路３の中心軸27に対し一定角度例えば45゜傾いて
いる。更に、それぞれの振動子はそれぞれの指向方向が
管路３の軸方向に対して直交する断面上でほぼ直交する
ように取り付けられている。振動子の取付けられている
部分は、超音波が効率よく伝導するため、管路３の構成
部材とは別のアクリル等の超音波の減衰の少ない材料で
作られた伝達媒体18により構成されている。伝達媒体18
への振動子の固定方法は、アクリル系又はエポキシ系の
接着材を用いて相互間に気泡の混入がないように接着す
るか、或いは伝達媒体と振動子間にオイルを塗布し、振
動子を止めネジにより固定することが好ましい。

送信用超音波振動子１は、その指向性エリア５を有して
おり（受信用超音波振動子２も同様）、図示の如く、伝
達媒体18と液体４の界面で屈折している。更に、各々の
振動子1,2はそれぞれの指向方向が管路３の軸方向に対
して直交する断面上でほぼ直交するように取り付けらて
いるので、それぞれの指向性エリアは管路３の中心付近
で交差する。つまり、この交差部分（図示の斜線領域）
が検出エリア６になる。従つて検出エリア６内を液体４
の不均一部分、例えば液体が血液であれば血球等が通過
すると送信側超音波振動子１より送出された超音波が反
射しドツプラーシフトを受けて受信側超音波振動子２を
振動させる。これにより、受信側超音波振動子２の電極
間に振動に比例した電圧が発生する。

こうして得られた電圧信号（周波数スペクトル）の一例
を第６図（Ｂ）に示す。横軸が周波数、縦軸が強度であ
る。尚、この図は送信用超音波振動子１を5MHzで振動さ
せた場合の例を示していおり、横方向のレンジとしては
4.998〜5.006MHzをとつている。図示の如く、２つの大
きなピーク10,11がある。

ピーク10はケーブル21等よりの洩れや管路３等の固定物
からの反射信号を受信用超音波振動子２が拾つてしまつ
たもの等であり、送信用超音波振動子１で発生するもと
もとの超音波の振動数である。ピーク11が本来求めよう
としている信号のピークであり、その周波数を検出する
ことで管路内を流れる流速等が検出できるようになる。

第５図（Ａ）に従来の送信用超音波振動子と受信用超音
波振動子の関係を、そして同図（Ｂ）にその結果得られ
た周波数スペクトルを示す。

実施例の周波数スペクトルと従来の周波数スペクトルと
を比較するとわかるが、先ず、第１に本来検出しないほ
うが良い5MHz周波数のピークレベルは、実施例の方が小
さい。換言すれば、実施例の振動子1,2の配置位置にし
たほうが、管路３等の固定物からの反射信号の影響が少
ないことになる。加えて、低流速スペクトル12の位置で
のレベルは、実施例の方式によるものの方が低くなつて
いるのがわかる。これは実施例における受信用振動子２
の指向性エリアには、管路３の内壁付近が除かれている
ことからもわかる。いずれにしても第５図（Ｂ）と第６
図（Ｂ）のピーク11のレベルが略同じであり、低流速ス
ペクトル12のレベルは実施例（第６図（Ｂ））の方が低
い。つまり、S/N比が向上するため、問題のピーク11の
周波数を検出しやすくなる。

＜測定装置の説明＞第７図に実施例における測定装置22の回路構成を示す。

受信用超音波振動子２よりの信号は増幅器103、バンド
パスフイルタ104、オートマチツクゲインコントローラ1
05によるフイードバツク回路により常に一定レベルまで
増幅されダブルバランスドミキサー106a,106bにより検
波される。更に、ローパスフイルタ107a,107bを介して
ゼロクロスコンパレータ108a,108bで矩形波に変換され
る。尚、ゼロクロスコンパレータ108aとゼロクロスコン
パレータ108bの信号は90゜位相がずれており、どちらの
信号が先行しているかを方向判別器110により検出する
ことにより、流れ方向が超音波の送信方向に対しどちら
を向いているかが判別できる。

更に、カウンタ109により波形をカウントし、そのカウ
ント値をコンピュータ111に入力し、流路断面積や流路
内の流速パターン、センサ部分構造による補正係数と定
数を乗算することにより、流速，流量等を演算し表示部
112により値として表示する。また演算結果をあらかじ
めテーブルとしておき、それを検索することにより結果
を表示してもよい。

＜他の実施例の説明＞第２の実施例を第２図及び第３図を用いて説明する。
尚、第２図（Ａ），（Ｂ）はセンサ部近傍のそれぞれの
方向の断面図であり、第３図（Ａ）〜（Ｃ）はセンサ部
と管路との接続を示す図である。

先の第１の実施例と異なるのは、送信センサ部14aと受
信センサ部14bがそれぞれ測定位置と分離できる構造に
なつている点である。しかも、測定位置が軟質塩化ビニ
ール（図示の符号15）等の材料からなる場合には、変形
による流路断面形状が変形してしまうため、本第２の実
施例では、それを２つに切断し、それらを硬質のコネク
タ上の管路３′で接続する。

それぞれのセンサ部14a,14bを管路３′に取り付ける際
は、管路３′とそれらセンサ部の間に超音波ゼリーを塗
布する。そして、管路３′側に設けられたフツク25に、
センサ部側に設けられたリング24と取り付けレバー16を
かみ合せることで取付け、そして固定する（第３図
（Ｃ）参照）。

また、管路３′の流路側には隔壁26が設けられているた
め、センサ部14a,14bを取りはずした場合でも流体４が
管路３′外に洩れることが無い。

第２の実施例では各センサ部を取り付けレバー16を用い
て取り付けたが、ネジ式でセンサ部を固定するようにし
ても良いことは勿論である。

例えば第４図（Ｂ）に示す様に、各々のセンサ部を挿入
する挿入孔40,41を予め設けられた管路３″を用意して
おく。各挿入孔40,41の先端部にはネジ溝19が形成され
ていて、各々にセンサ部を固定できるようになつてい
る。各センサ部を接続した状態は同図（Ａ）に示す如く
である。各センサ部側には管路３″側のネジ溝に螺合す
るためのナツト20が設けられている。尚、説明が前後す
るが、同図において、挿入孔40,41は当然のこととして
管路３″の円周方向に略90゜離れた位置に設けられてい
る。

尚、上述した第１〜第３の実施例において、例えば第１
図（Ｂ）を参照して説明すると、管路の内径を“D"と
し、送受信センサ部14a,14bの振動子における管路の進
行方向に垂直な部分の代表的な径を“d"としたとき、D/
dは“1"であつても、従来と比較して精度良く測定する
ことができる。好ましくは、この値は1.25〜４の間にあ
ることが望ましい。

［発明の効果］以上説明したように本発明によれば、送信側の超音波振
動子と受信側の超音波振動子を、それぞれの振動子の指
向方向が管路の軸方向に対して直交する断面上で、ほぼ
直交するように、つまり、管路の軸方向から見た場合に
略垂直になるように配設したので、受信側の超音波振動
子の検出対象エリアは管路中心部分とすることが可能と
なる。従つて、不安定状態にある管路内壁近傍を流れる
液体を測定対象から外すことになるので流速を高精度に
測定することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ），（Ｂ）は第１の実施例における流速測定
装置における管路近傍の側面及び正面の断面図、第２図（Ａ），（Ｂ）は第２の実施例における管路近傍
の側面及び正面の断面図、第３図（Ａ），（Ｂ）は第２の実施例におけるセンサ部
の取り付ける様子を側面及び正面から見た図、第３図（Ｃ）は第２の実施例においてセンサ部を取り付
けた状態を側面から見た図、第４図（Ａ）は第３の実施例におけるセンサ部を取り付
けた状態を側面から見た図、第４図（Ｂ）は第３の実施例における管路を側面から見
た図、第５図（Ａ）は従来のセンサの位置関係を示す図、第５図（Ｂ）は受信用超音波振動子で検出したスペクト
ルを示す図、第６図（Ａ）は実施例のセンサの位置関係を示す図、第６図（Ｂ）は実施例における受信用超音波振動子で検
出したスペクトルを示す図、第７図は実施例における測定装置の回路構成を示す図、第８図（Ａ），（Ｂ）及び第９図（Ａ），（Ｂ）は、従
来のセンサの配置位置を示す図である。図中、１……送信用超音波振動子、２……受信用超音波
振動子、3,3′及び３″……管路、４……液体、９……
周波数スペクトル、10……ゼロドツプラースペクトル、
11……流速スペクトル、12……低流速スペクトル、14a
……送信センサ部、14b……受信センサ部、27……中心
軸、100……発振器、101……バツフア、102……位相分
配器、103……増幅器、104……バンドパスフイルタ、10
5……オートマチツクゲインコントローラ、106a及び106
b……ダブルバランスドミキサー、107a及び107b……ロ
ーパスフイルタ、108a及び108b……ゼロクロスコンパレ
ータ、109……カウンタ、110……方向判別器、111……
コンピュータ、112……表示・出力部である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】超音波によるドツプラー効果を利用し、管
路内の液体の流速を測定する装置において、超音波を発生させる第１の振動子と超音波を受信する第
２の振動子とが、それぞれの振動子の指向方向が前記管
路の軸方向に対して直交する断面上でほぼ直交し、か
つ、前記軸方向に対しては所定の角度になるように配置
することを特徴とする流速測定装置。
【請求項２】第１の振動子を含む送信センサ部と第２の
振動子を含む受信センサ部を有し、各々のセンサ部は前
記管路に対して着脱自在にあることを特徴とする請求項
第１項に記載の流速測定装置。
【請求項３】測定対象の管路が変形しやすい軟質性を有
するときには、その管路を硬質のコネクタを介して接続
し、前記送信センサ部と受信センサ部は該コネクタに装
着することを特徴とする請求項第１または２項に記載の
流速測定装置。