WO2020121944A1 - 測定装置、測定システムおよび測定方法 - Google Patents

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WO2020121944A1
WO2020121944A1 PCT/JP2019/047710 JP2019047710W WO2020121944A1 WO 2020121944 A1 WO2020121944 A1 WO 2020121944A1 JP 2019047710 W JP2019047710 W JP 2019047710W WO 2020121944 A1 WO2020121944 A1 WO 2020121944A1
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WO
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range
unit
fluid
light
measurement
Prior art date
Application number
PCT/JP2019/047710
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English (en)
French (fr)
Inventor
優志 長坂
Original Assignee
京セラ株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/66—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P5/00—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
    • G01P5/26—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring the direct influence of the streaming fluid on the properties of a detecting optical wave

Definitions

  • the present disclosure relates to a measuring device, a measuring system, and a measuring method.
  • Patent Document 1 describes a device that optically measures a flow rate.
  • the measuring device includes a light emitting unit, a light receiving unit, and a calculating unit.
  • the light emitting unit can emit light toward an irradiation target including a fluid.
  • the light receiving unit can receive light including light scattered by the irradiation target.
  • the calculation unit can detect the change in the flow rate or the flow velocity of the fluid based on the calculation result calculated based on the frequency intensity for each of the plurality of frequency ranges among the frequencies of the output of the light receiving unit.
  • the measurement system includes a light emitting device, a light receiving device, and a computing device.
  • the light emitting device can emit light toward an irradiation target including a fluid.
  • the light receiving device can receive light including light scattered by the irradiation target.
  • the calculation device can detect the flow rate of the fluid or the change of the fluid based on the calculation result calculated based on the frequency intensity of each of the plurality of frequency ranges among the frequencies of the output of the light receiving device.
  • a measuring method prepares a sensor having a light emitting unit capable of emitting light toward an irradiation target including a fluid and a light receiving unit capable of receiving light including light scattered by the irradiation target.
  • FIG. 1 is a block diagram showing an outline of a measuring device according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a part of the measuring device shown in FIG.
  • FIG. 3 is a diagram relating to the frequency of the interference light acquired by the measuring device shown in FIG.
  • FIG. 4 is an example of a process executed by the calculation unit according to the measurement device shown in FIG.
  • FIG. 5 is a block diagram showing an embodiment different from the measuring apparatus shown in FIG.
  • FIG. 6 is a block diagram showing an embodiment different from the measuring apparatus shown in FIG.
  • FIG. 7 is a block diagram showing an outline of the measurement system according to the embodiment.
  • FIG. 1 is a block diagram showing functional units included in a measuring device 1 according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a sectional view schematically showing a part of the measuring device 1 shown in FIG.
  • the measuring apparatus 1 can calculate a value (measured value) related to the flow of a flowing object (fluid). Moreover, the measuring apparatus 1 can detect the change in the flow of the fluid based on the change in the calculated measurement value. Specifically, the measuring apparatus 1 irradiates the irradiation target including the fluid to be measured with light from the light emitting unit 11, and the light receiving unit 12 receives the light including the light scattered by the irradiation target. be able to. Then, the measuring device 1 can calculate the measured value of the fluid based on the output of the light receiving unit 12.
  • the measurement value calculated by the measuring device 1 is the flow rate or flow velocity of the fluid.
  • the flow rate is the volume or mass of the fluid flowing per unit time
  • the flow velocity is the distance traveled by the fluid per unit time.
  • the measuring device 1 can calculate the measured value of the fluid by utilizing the Doppler effect of light.
  • the light irradiated on the fluid is scattered by the fluid, and the frequency shifts (Doppler shift) according to the moving speed of the fluid due to the Doppler effect. Therefore, the measurement value can be calculated by using the Doppler effect.
  • the measuring device 1 can be manufactured by a conventionally known method.
  • the fluid to be measured is not particularly limited as long as the measured value can be calculated using the Doppler effect of light.
  • the fluid may be, for example, one that itself scatters light, one that causes a substance that scatters light (scattering substance) to flow, or one that contains a scattering substance and flows together with the scattering substance.
  • the fluid may be, for example, liquid such as water, blood, beverage, ink for inkjet printer, or gas containing powdered solid such as powder medicine, toner, and metal powder.
  • the measuring apparatus 1 regards the flow rate or flow velocity of the scattering substance or powder as the flow rate or flow velocity of the fluid. It may be calculated by Further, in this case, the measurement apparatus 1 may calculate the flow rate or flow rate of the gas or liquid containing the scattering substance or the powder as the flow rate or flow rate of the fluid. That is, the "flow rate or flow rate of fluid” may be interpreted as "flow rate or flow rate of scattering substances or powders contained in the fluid" or "flow rate or flow rate of gas or liquid containing them”. May be interpreted.
  • following means that the scattering substance, powder, or the like works in conjunction with the liquid or gas containing them. That is, the scattering substance or powder and the liquid or gas containing them need not necessarily have the same flow rate or flow velocity. That is, it is sufficient that there is a certain correlation between the former flow rate or flow velocity and the latter flow rate or flow velocity.
  • the measuring device 1 includes a sensor unit 10 that transmits and receives an optical signal, and a control unit 20 that controls the measuring device 1.
  • the sensor unit 10 includes a light emitting unit 11 and a light receiving unit 12.
  • the control unit 20 has a calculation unit 21. As a result, the measurement device 1 can calculate the measurement value via the calculation unit 21 from the output based on the light received by the light receiving unit 12.
  • the light emitting unit 11 can irradiate an object to be irradiated (fluid and flow path) with light.
  • the light emitting unit 11 only needs to be able to emit light having a wavelength according to the measurement target.
  • the wavelength of the light emitting unit 11 may be, for example, 600 nm to 900 nm.
  • the wavelength of the light emitting unit 11 may be, for example, 700 nm to 1000 nm.
  • the light emitting unit 11 may be a semiconductor laser device such as a VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting LASER).
  • the light receiving unit 12 can receive the light including the light scattered by the fluid among the light emitted from the light emitting unit 11.
  • the light receiving unit 12 can convert the received optical signal into an electric signal.
  • the light receiving unit 12 may be any photodiode such as a silicon photodiode, a GaAs photodiode, an InGaAs photodiode, or a germanium photodiode.
  • the light receiving unit 12 may be one that can receive light having a wavelength according to the purpose of measurement. Further, the light receiving unit 12 may be capable of receiving interference light generated by light that is not Doppler-shifted, such as scattered light from a stationary object, and scattered light that is Doppler-shifted by a fluid.
  • the light receiving unit 12 can output the beat of the interference light as a beat signal (also referred to as a beat signal).
  • the beat signal has a relationship between beat intensity and time, but the light receiving unit 12 of the present disclosure may have, for example, a time resolution capable of following the fluctuation of the beat intensity.
  • a stationary object when measuring blood flow, a stationary object is skin and the fluid is blood. Further, for example, when measuring the flow of ink in the pipe, the stationary object is the pipe or the like, and the fluid is the ink.
  • the stationary object is a fluid passage such as a pipe
  • the passage may be made of a translucent member.
  • the translucent member may be, for example, glass or polymer resin.
  • the sensor unit 10 further includes a package 13.
  • the package 13 accommodates the light emitting unit 11 and the light receiving unit 12.
  • the measuring apparatus 1 further includes a mounting board 30 on which the package 13 and the control unit 20 are mounted.
  • the sensor unit 10 and the control unit 20 are electrically connected via the package 13 and the mounting substrate 30.
  • the package 13 may have a cubic or rectangular parallelepiped outer shape, for example.
  • the package 13 has a plurality of recesses R opened on the upper surface, and the light emitting section 11 and the light receiving section 12 are mounted in the plurality of recesses R. The light of the light emitting unit 11 and the scattered light returning to the package 13 pass through the opening of the recess R.
  • the package 13 may be, for example, a laminated body of wiring boards formed of a ceramic material or an organic material.
  • the ceramic material may be, for example, an aluminum oxide sintered body or a mullite sintered body.
  • the organic material may be, for example, epoxy resin or polyimide resin.
  • a translucent member may be located at the opening of the recess R. That is, the package 13 may be hermetically sealed as long as it can receive and emit light.
  • the translucent member may be glass or the like.
  • the control unit 20 can control the measuring device 1.
  • the control unit 20 has the calculation unit 21 as described above. Further, the control unit 20 has a storage unit 22 in addition to the calculation unit 21.
  • the calculation unit 21 can execute a calculation for calculating the measured value of the fluid based on the output of the light receiving unit 12.
  • the storage unit 22 can store a program or the like for the calculation unit 21 to calculate.
  • the measuring device 1 has a plurality of electronic components 23 and a circuit. As a result, the measuring apparatus 1 can form each component such as the control unit 20, the calculation unit 21, and the storage unit 22. For example, the measuring apparatus 1 may integrate a plurality of electronic components 23 to form at least one IC (Integrated Circuit) or LSI (Large Scale Integration). Further, the control unit 20 may further integrate a plurality of ICs or LSIs to form at least one unit. As a result, the measuring device 1 can configure each functional unit such as the control unit 20.
  • IC Integrated Circuit
  • LSI Large Scale Integration
  • the plurality of electronic components 23 are mounted on the mounting board 30. As a result, the control unit 20 is electrically connected to the package 13.
  • the plurality of electronic components 23 may be, for example, active elements such as transistors or diodes, or passive elements such as capacitors.
  • the calculation unit 21 has, for example, a processor.
  • the processor is, for example, one or more processors, a controller, a microprocessor, a microcontroller, an application-specific integrated circuit (ASIC), a digital signal processing device, a programmable logic device, or a device or any of these components. Combinations, or combinations of other known devices or configurations may be included.
  • the storage unit 22 has, for example, a RAM (Random Access Memory) or a ROM (Read-Only Memory). Firmware is stored in the storage unit 22. As a result, the processor of the calculation unit 21 can execute one or more data calculation procedures or processes according to the firmware of the storage unit 22.
  • control unit 20 may perform various processes as a pre-process of the calculation process.
  • the control unit 20 may perform a process of converting the electric signal of the light receiving unit 12 into a voltage value.
  • the control unit 20 may perform a process of separating an AC (Alternating Current) component and a DC (Direct Current) component of the signal.
  • the control unit 20 may perform processing for amplifying the AC signal.
  • the control unit 20 may perform a process of converting an analog signal into a digital signal. That is, the control unit 20 may include an IV conversion unit, an AC-DC decoupling unit, an AC amplification unit, or an AD conversion unit.
  • the pre-process executed by the control unit 20 is not particularly limited to these examples as long as it is a process necessary for the calculation process or a process for improving the efficiency of the calculation process.
  • the control unit 20 may perform various processes for controlling the light emission pattern of the light emitting unit 11.
  • the measuring device 1 can calculate a value (calculation result) corresponding to the measured value of the fluid. Then, the measurement value can be calculated from the calculation result based on the calibration data prepared in advance showing the relationship between the known measurement value and the calculation result.
  • the measuring apparatus 1 may measure a fluid having a known measurement value in advance and approximate the relationship between the known measurement value and the calculation result. By doing so, the measuring apparatus 1 can derive an arithmetic expression (calibration curve) using the calculation result as a parameter. Then, the measuring apparatus 1 can calculate the measurement value of the measurement target fluid by measuring the measurement target fluid and substituting the obtained calculation result into the arithmetic expression.
  • the calculation result is calculated by the calculation unit 21 of the measuring device 1.
  • the calculation unit 21 first obtains the frequency spectrum of the interference light based on the beat signal acquired by the sensor unit 10. Then, the calculation unit 21 can calculate the calculation result by performing an arbitrary calculation based on the frequency spectrum.
  • the frequency spectrum can be obtained by Fourier transforming the beat signal. Therefore, the measuring apparatus 1 can acquire the relationship between the frequency of the output of the light receiving unit 12 and the value weighted with the frequency (frequency intensity) as a frequency spectrum.
  • the frequency range of the frequency spectrum may be set based on the sampling rate of the AD conversion unit of the control unit 20.
  • the frequency and frequency intensity of the output of the light receiving unit 12 depend on the Doppler effect. That is, the frequency spectrum changes according to the flow rate or flow velocity of the fluid. Therefore, the measuring device 1 can calculate the calculation result based on the frequency spectrum. Specifically, the calculation unit 21 can use the value obtained from the following integration formula (1) as the calculation result.
  • Q is the calculation result
  • f is the frequency
  • P is the frequency strength.
  • a and b have shown the lower limit and upper limit of the frequency used for calculation. That is, the calculation result is the sum of the product of the frequency and the frequency intensity (fP value) in an arbitrary frequency range.
  • FIG. 3 shows a distribution (frequency distribution) regarding the frequency intensity of the output of the light receiving unit 12.
  • the vertical axis of the frequency distribution is the fP value, and the horizontal axis is the frequency f.
  • the frequency spectrum has a frequency range in which the frequency intensity tends to decrease with a change in the flow (for example, an increase in the flow rate or the flow velocity), and a frequency range in which the frequency intensity tends to increase. Therefore, the frequency distribution also has a frequency range in which the fP value tends to decrease and a frequency range in which the fP value tends to increase. Therefore, for example, when the calculation result is obtained in the entire frequency range of the frequency distribution, the calculation result is the sum of the increasing fP value component and the decreasing fP value component. The values will cancel each other out. As a result, the fluctuation range of the calculation result becomes small depending on the range of the measurement value to be measured, so that the resolution of the measurement range cannot be improved and it is difficult to improve the measurement accuracy.
  • the measuring apparatus 1 calculates the measured value of the fluid based on the frequency intensity for each of the plurality of frequency ranges. As a result, the measuring device 1 can improve the resolution of the measurement range and the measurement accuracy.
  • the measuring apparatus 1 determines the frequency intensity in the frequency range (first range) in the frequency spectrum in which the frequency intensity tends to decrease with an increase in the flow rate or the flow velocity, and with the increase in the flow rate or the flow velocity.
  • the calculation result can be calculated based on the frequency intensity of the frequency range (second range) in which the frequency intensity tends to increase.
  • the measuring apparatus 1 can improve the resolution in the range where the measurement value can be calculated and improve the accuracy.
  • the first range is a frequency range in which the frequency intensity tends to increase as the flow rate or flow velocity decreases.
  • the second range is a frequency range in which the frequency intensity tends to decrease as the flow rate or flow velocity decreases.
  • the measuring device 1 can set the first range and the second range according to the range of measured values to be measured. For example, the measurement device 1 can set the first range and the second range such that the calculation result monotonically increases or monotonically decreases with an increase in the flow rate or the flow velocity in the range of measurement values to be measured. As a result, the measuring device 1 can calculate the calculation result for each range of measurement values to be measured, and thus the resolution of the measurement range can be improved.
  • the measuring device 1 can set the first range and the second range based on the correlation coefficient of the frequency intensity.
  • the fluctuation of the frequency intensity is opposite, so the correlation coefficient increases in the negative direction. Therefore, for example, when the first range and the second range are set so that the correlation coefficient has a negative maximum value in the range of measurement values to be measured, the measuring apparatus 1 changes the frequency intensity with changes in the flow.
  • the measured value can be calculated in a frequency range with a large value. As a result, the measuring device 1 can improve the measurement accuracy.
  • the correlation coefficient can be calculated, for example, by dividing the covariance of the first calculated value and the second calculated value by the product of the standard deviation of the first calculated value and the standard deviation of the second calculated value. Good.
  • the difference between the upper and lower limits of the first range and the second range does not have to be the same.
  • the measuring apparatus 1 can set the second range to be wider than the first range, for example, when the range in which the frequency intensity tends to increase is wider than the range in which the frequency intensity tends to decrease.
  • the fluctuation range of the calculation result is larger than that when the difference between the upper and lower limit values is the same, so that the measuring apparatus 1 can improve the measurement accuracy.
  • the measuring device 1 can set the first range and the second range so as not to overlap. As a result, it is possible to reduce the possibility that the range in which the frequency intensity increases and the range in which the frequency intensity decreases coexist, so that the measuring apparatus 1 can improve the measurement accuracy.
  • the measuring device 1 can calculate the calculation result by performing an arbitrary calculation based on the first range and the second range.
  • the measuring apparatus 1 can calculate the first calculated value from the first range and the second calculated value from the second range based on the above formula, for example. Then, the calculation result can be calculated based on the first calculated value and the second calculated value.
  • the number of samplings is smaller than the calculation result of only the first calculation value or the second calculation value. Will increase.
  • the calculation result easily reflects the fluctuation of the frequency intensity due to the change of the flow, so that the measurement device 1 can improve the measurement accuracy.
  • the measuring device 1 can calculate the ratio of the first calculated value and the second calculated value as the calculation result.
  • the fluctuation of the calculation result with respect to the fluctuation of the first calculated value and the second calculated value becomes larger than the sum of the first calculated value and the second calculated value, for example. Therefore, even when the fluctuations in the first calculated value and the second calculated value are small, or even when one of the first calculated value and the second calculated value is larger than the other, the fluctuation of the frequency intensity due to the change in the flow is
  • the calculation result that reflects the characteristics can be calculated. As a result, the measuring apparatus 1 can improve the responsiveness of the calculation result to the change in the flow, and thus can improve the measurement accuracy.
  • the ratio of the second calculated value to the first calculated value is the calculation result
  • the fluctuation of the calculation result will follow the change of the flow. Specifically, for example, as the flow rate or flow velocity of the fluid increases, the calculation result also increases.
  • the user of the measuring device 1 can easily intuitively understand the change in the flow due to the change in the calculation result, so that the measuring device 1 can improve convenience.
  • the measuring device 1 can calculate the difference between the first calculated value and the second calculated value as the calculation result. As described above, in the frequency distribution, the fP value in the first range decreases and the fP value in the second range increases, so that the difference between the first calculated value and the second calculated value has an absolute value larger than the sum. .. Therefore, even when the fluctuations of the first calculated value and the second calculated value are small, it is possible to calculate the calculation result that reflects the characteristic of the fluctuation of the fP value. As a result, the measurement device 1 can improve the resolution of the measurement range.
  • the calculation result is not limited to the above example as long as it can reflect the characteristic of the fluctuation of the frequency intensity due to the change of the flow.
  • the measuring device 1 may be a value obtained by squaring one of the first calculated value and the second calculated value. As a result, the fluctuation of the calculation result with respect to the change of the flow becomes large, so that the measuring apparatus 1 can improve the resolution of the measurement range.
  • the measuring device 1 can store the arithmetic expression of the calibration curve in the storage unit 22 in advance. As a result, the measuring device 1 can calculate the measured value of the fluid based on the arithmetic expression stored at the time of the measurement, so that the measuring time can be shortened.
  • FIG. 4 shows a flow of processing executed by the calculation unit 21 related to the measurement device 1 shown in FIG.
  • the flow executed by the calculation unit 21 of the control unit 20 according to the present disclosure when calculating the calculation result will be described based on FIG. 4.
  • the calculation unit 21 first generates a frequency distribution based on the output of the light receiving unit 12 (step S001). Next, the calculation unit 21 sets the first range and the second range (step S002). Next, the calculation unit 21 calculates a first calculated value from the first range and a second calculated value from the second range (step S003). Next, the calculation unit 21 calculates a calculation result based on the first calculated value and the second calculated value (step S004). Then, the calculation unit 21 calculates the measured value of the fluid from the calculated calculation result using the arithmetic expression stored in the storage unit 22 (step S005).
  • FIG. 5 is a block diagram showing functional units included in the measuring apparatus 1 according to another embodiment.
  • the measuring device 1 may further include the input unit 40.
  • the input unit 40 can output various settings relating to measurement to the control unit 20 as input signals. Therefore, the calculation unit 21 can determine the first range and the second range based on the measurement-related settings input to the input unit 40. For example, the user inputs the frequency ranges of the first range and the second range that the user wants to use for the measurement of the measuring device 1 into the input unit 40, and the calculation unit 21 determines the frequency ranges as the first range and the second range, respectively. It is possible to calculate the measured value.
  • the input unit 40 may be, for example, a keyboard, a mouse, a touch panel, a switch, or a combination thereof. As a result, the condition that the user wants to perform the measurement can be easily set, so that the measuring apparatus 1 can improve convenience.
  • the input unit 40 is not limited to the above example as long as the user can input the setting.
  • the input unit 40 may be a microphone.
  • the input unit 40 may be a sensor capable of sensing the movement of the user, such as an infrared sensor.
  • various settings related to the measurement include, for example, the light amount of the light emitting unit 11, the update period of the output of the light receiving unit 12, the rate of the AD conversion unit, the number of samples, the pipe diameter, the calculation formula of the calibration curve, and the coefficient of the calculation formula,
  • the upper and lower limit values of the first range and the second range may be used.
  • the input unit 40 may be capable of inputting various settings relating to the measurement target such as the viscosity, the concentration, or the size of the fluid.
  • the measurement device 1 may further include a display unit 50 that displays various information regarding measurement.
  • the display unit 50 can display, for example, a frequency spectrum, a selected frequency range, a measurement result, or the like.
  • the user can input various settings regarding the measurement to the input unit 40 based on the information displayed on the display unit 50.
  • the display unit 50 may change the display according to the set value of the input unit 40. As a result, the measuring apparatus 1 can improve the convenience because the conditions can be easily set.
  • the display unit 50 may be, for example, a liquid crystal display or a touch panel.
  • the input unit 40 of the measuring device 1 of the present embodiment is a touch panel
  • the input unit 40 and the display unit 50 may be one.
  • the measuring device 1 can reduce the number of constituent members, and thus can improve convenience.
  • the present disclosure is not limited to the examples of the above-described embodiments, and includes various modifications as long as the contents are not inconsistent. Further, the configurations included in the embodiments according to the present disclosure can be appropriately combined.
  • FIG. 6 is a block diagram showing functional units included in the measuring apparatus 1 according to still another embodiment.
  • the measuring apparatus 1 according to another embodiment may further include an external control unit 60, as shown in FIG. 6, for example.
  • the external control unit 60 can hold the measurement conditions executed by the control unit 20, such as the light emission amount of the light emitting unit 11 and/or the update period of the light receiving unit 12, and input the measurement conditions to the control unit 20. As a result, the number of items processed by the control unit 20 is reduced, and the processing speed of the control unit 20 can be improved.
  • the measurement conditions may be the same as various settings related to measurement that can be input to the input unit 40.
  • the external control unit 60 can control the input unit 40 and the display unit 50. As a result, the number of functional units controlled by the control unit 20 is reduced, so that the processing speed of the control unit 20 can be improved.
  • the external control unit 60 may have various other functional units configured by a plurality of electronic components 23.
  • the external control unit 60 may have a functional unit having a function such as a pressure gauge or a thermometer.
  • the measuring device 1 can be more convenient because the degree of freedom in design is improved.
  • the external control unit 60 may be capable of wired or wireless communication with the control unit 20, the input unit 40, and the display unit 50.
  • the control unit 20 and the external control unit 60 only need to be able to communicate according to any communication standard.
  • the communication standard may be, for example, IIC (Inter Integrated Circuit), SPI (Serial Peripheral Interface), or UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter).
  • the sensor unit 10 and the external control unit 60 may be capable of direct communication.
  • the measuring device 1 may not include the control unit 20. Direct communication between the sensor unit 10 and the external control unit 60 makes it possible to avoid a signal delay between the control unit 20 and the external control unit 60. As a result, the processing speed of the measuring device 1 can be improved, and convenience can be improved.
  • the calculation result is calculated by the first range and the second range.
  • the measurement apparatus 1 may select three or more frequency ranges and calculate the calculation result.
  • the measuring apparatus 1 further sets, for example, in addition to the first range and the second range, the third range from the frequency range in which the frequency intensity tends to increase with the change of the flow, and the first calculated value,
  • the calculation result may be calculated based on the second calculated value and the third calculated value based on the third range.
  • the calculation result may be calculated by dividing the sum of the second calculated value and the third calculated value by the first calculated value.
  • the third calculated value may be calculated based on the above formula.
  • the measuring device 1 can set the first range, the second range, and the third range according to the range of measurement values to be measured. For example, the measuring device 1 sets the first range, the second range, and the third range so that the calculation result monotonically increases or monotonously decreases with an increase in the flow rate or the flow velocity in the range of measurement values to be measured. can do. As a result, the measuring device 1 can calculate the calculation result for each range of measurement values to be measured, and thus the resolution of the measurement range can be improved.
  • the measuring apparatus 1 can set the first range, the second range, and the third range based on the correlation coefficient of the frequency intensity. As a result, the measuring device 1 can improve the measurement accuracy.
  • the method of calculating the correlation coefficient is the same as above.
  • the difference between the upper and lower limit values of the first range, the second range, and the third range may not be the same. ..
  • the measuring apparatus 1 can set the first range, the second range, and the third range so that they do not overlap, as in the case of calculating the calculation result based on the first range and the second range. ..
  • the storage unit 22 may store a plurality of objects to be irradiated and frequency ranges set according to these objects to be irradiated. Then, the calculation unit 21 may select an irradiation target object stored in advance in the input unit 40 and calculate based on the frequency range set according to the selected irradiation target object. As a result, the measurement apparatus 1 can set the measurement conditions according to the irradiation target, and thus the measurement accuracy can be improved.
  • the measuring apparatus 1 may calculate the measured value without using a calculation formula such as a calibration curve.
  • the measurement device 1 may calculate the measurement value of the fluid to be measured based on the calculation result (reference) obtained by measuring the fluid having the known measurement value.
  • the measurement device 1 may acquire a correspondence table (table) in which the reference and the known measurement values correspond one-to-one, and derive the measurement values based on the table.
  • the measuring apparatus 1 first selects from the table a reference that corresponds to or is close to the calculation result of the fluid to be measured. Then, the measuring apparatus 1 can use the measurement value corresponding to the selected reference as the measurement value of the fluid to be measured. As a result, the measuring apparatus 1 can reduce the calculation load of the calculation unit 21, and thus can shorten the measurement time.
  • the table may be acquired for each type of fluid to be measured. Further, the storage unit 22 may store a table.
  • the measurement apparatus 1 does not have to calculate the measurement value. Specifically, the user can recognize that the flow has changed due to a change in the frequency strength or the calculation result. As a result, the measuring apparatus 1 can reduce the time required to acquire the calibration data or the time required to calculate the measurement value, and thus the measurement time.
  • the frequency ranges of the first range and the second range selected by the calculation unit 21 may be determined based on the power fluctuation for each frequency (for example, CV value: Coefficient of Variation). Specifically, the actual fluid is measured in the assumed flow rate range, and the power fluctuation for each frequency is monitored. Then, when the CV values are sorted in descending order of frequency, frequencies having CV values equal to or higher than an arbitrary threshold may be set as the upper limit or the lower limit of the frequency range. As a result, the measuring device 1 can reduce the error in the calculation result.
  • CV value Coefficient of Variation
  • the measurement apparatus 1 is described as one embodiment according to the present disclosure, but one embodiment according to the present disclosure may be implemented as a measurement system. That is, the functional units that implement the respective functions of the measuring device 1 described in the above embodiment may function as independent devices. That is, the present invention does not necessarily have to be realized as one device as long as the measured value of the measurement target can be calculated by the entire function of each device that constitutes the measurement system.
  • FIG. 7 is a block diagram showing functional units included in the measurement system according to the embodiment.
  • the measurement system 2 includes a light emitting device 70, a light receiving device 80, and a computing device 90.
  • the light emitting device 70 can emit light toward an irradiation target including a fluid.
  • the light receiving device 80 can receive the interference light including the light scattered by the irradiation target.
  • the calculation device 90 can detect the change in the measured value of the fluid based on the calculation result calculated based on the frequency intensity for each of the plurality of frequency ranges among the frequencies of the output of the light receiving device 80.
  • each device of the measurement system 2 may be connected by any method.
  • each device may be connected to other necessary devices by wire or wirelessly.
  • a measuring method includes a sensor unit including a light emitting unit 11 capable of irradiating an irradiation target including a fluid with light and a light receiving unit 12 capable of receiving light including light scattered by the irradiation target. 10, a step of calculating a calculation result based on frequency intensities of a plurality of frequency ranges among frequencies output from the light receiving section 12, and a change in the measured value of the fluid is detected based on the calculation result. And a process.
  • the frequency of the output of the light receiving unit 12 has a first range in which the frequency intensity tends to decrease and a second range in which the frequency intensity tends to increase with a change in the fluid flow. You may have.
  • the measurement method may further include a step of calculating a calculation result based on the frequency intensity in the first range and the frequency intensity in the second range.
  • the above-mentioned measurement method calculates the calculation result from the step of calculating the first calculated value based on the first range and the second calculated value based on the second range, and the difference or ratio between the first calculated value and the second calculated value. And a step of calculating.
  • the measurement method may further include a step of setting the first range and the second range so that the calculation result monotonically increases or monotonically decreases as the measurement value increases.
  • the measurement method may further include a step of storing data of calculation results for known measurement values of fluid as calibration data. And the said measuring method may calculate the measured value of the fluid based on the calibration data from the acquired calculation result.

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Abstract

一実施形態に係る測定装置は、発光部、受光部および計算部を備える。発光部は、流体を含む被照射物に向けて光を照射することができる。受光部は、被照射物で散乱した光を含む光を受光することができる。計算部は、受光部の出力の周波数のうち、複数の周波数範囲ごとの周波数強度に基づいて算出した計算結果に基づいて、流体の流量または流速の変化を検出することができる。

Description

測定装置、測定システムおよび測定方法 関連出願の相互参照
　本出願は、２０１８年１２月１２日に日本国に特許出願された特願２０１８－２３２８１４の優先権を主張するものであり、この先の出願の開示全体を、ここに参照のために取り込む。
　本開示は、測定装置、測定システム、および測定方法に関する。
　特許文献１には、光学的に流量を計測する装置が記載されている。
特開２０１６－２７３３７号公報
　一実施形態に係る測定装置は、発光部、受光部および計算部を備える。発光部は、流体を含む被照射物に向けて光を照射することができる。受光部は、被照射物で散乱した光を含む光を受光することができる。計算部は、受光部の出力の周波数のうち、複数の周波数範囲ごとの周波数強度に基づいて算出した計算結果に基づいて、流体の流量または流速の変化を検出することができる。
　一実施形態に係る測定システムは、発光装置、受光装置、および計算装置を備える。発光装置は、流体を含む被照射物に向けて光を照射することができる。受光装置は、被照射物で散乱した光を含む光を受光することができる。計算装置は、受光装置の出力の周波数のうち、複数の周波数範囲ごとの周波数強度に基づいて算出した計算結果に基づいて、流体の流量または流体の変化を検出することができる。
　一実施形態に係る測定方法は、流体を含む被照射物に向けて光を照射可能な発光部、および被照射物で散乱した光を含む光を受光可能な受光部、を有するセンサを準備する工程と、受光部の出力の周波数のうち、複数の周波数範囲ごとの周波数強度に基づいて計算結果を算出する工程と、計算結果に基づいて流体の流量または流速の変化を検出する工程と、を含む。
図１は、一実施形態に係る測定装置の概要を示すブロック図である。 図２は、図１に示した測定装置の一部を模式的に示す断面図である。 図３は、図１に示した測定装置が取得する干渉光の周波数に関する図である。 図４は、図１に示した測定装置に係る計算部が実行する処理の一例である。 図５は、図１に示した測定装置とは異なる実施形態を示すブロック図である。 図６は、図１に示した測定装置とは異なる実施形態を示すブロック図である。 図７は、一実施形態に係る測定システムの概要を示すブロック図である。
　（測定装置）
　（一実施形態）
　図１は、一実施形態に係る測定装置１が有する機能部を表すブロック図を示している。図２は、図１に示した測定装置１の一部を模式的に表した断面図を示している。
　一実施形態に係る測定装置１は、流れる物体（流体）の流れに関する値（測定値）を算出することができる。また、測定装置１は、算出した測定値の変化に基づいて流体の流れの変化を検出することができる。具体的には、測定装置１は、測定対象の流体を含む被照射物に向けて発光部１１から光を照射し、当該被照射物で散乱された光を含む光を受光部１２で受光することができる。そして、測定装置１は、受光部１２の出力に基づいて、流体の測定値を算出することができる。測定装置１が算出する測定値は、流体の流量または流速である。ここで、流量は、単位時間あたりに流れる流体の体積または質量であり、流速は、単位時間あたりに流体が進む距離である。
　一実施形態に係る測定装置１は、光のドップラー効果を利用して流体の測定値を算出することができる。流体に照射される光は、流体によって散乱し、ドップラー効果によって、流体の移動速度に応じて周波数がシフト（ドップラーシフト）する。そのため、ドップラー効果を利用すれば、測定値を算出することができる。測定装置１は、従来周知の方法によって、製造することができる。
　測定対象の流体は、光のドップラー効果を利用して測定値を算出可能なものであれば特に限定されない。流体は、例えば、それ自体が光を散乱するもの、光を散乱する物質（散乱物質）を流動させるもの、または散乱物質を含み、散乱物質とともに流動するものであればよい。具体的には、流体は、例えば、水、血液、飲料、インクジェットプリンター用のインクなどの液体、または粉薬、トナー、金属粉などの粉末状の固体を含む気体などであってもよい。
　ここで、散乱物質または粉体などが、これらを含む液体または気体などに追従して流動する場合、測定装置１は、散乱物質または粉体などの流量または流速を、流体の流量または流速とみなして算出してもよい。また、この場合、測定装置１は、散乱物質または粉体などを含む気体または液体などの流量または流速を、流体の流量または流速とみなして算出してもよい。すなわち、「流体の流量または流速」とは、「流体に含まれる散乱物質または粉体などの流量または流速」と解釈されてもよいし、「これらを含む気体および液体などの流量または流速」と解釈されてもよい。
　ここで、「追従」とは、散乱物質または粉体などが、これらを含む液体または気体などと連動することをいう。すなわち、散乱物質または粉体などと、これらを含む液体または気体などとが、必ずしも同じ流量または流速でなくともよい。つまり、前者の流量または流速と、後者の流量または流速との間に一定の相関性があればよい。
　測定装置１は、光信号を送受信するセンサ部１０と、測定装置１を制御する制御部２０を備えている。センサ部１０は、発光部１１と、受光部１２とを備えている。制御部２０は、計算部２１を有している。その結果、測定装置１は、受光部１２が受光した光に基づく出力から、計算部２１を介して、測定値を算出することができる。
　発光部１１は、被照射物（流体および流路）に光を照射することができる。発光部１１は、測定対象に応じた波長の光を照射可能であればよい。例えば、血流を測定する場合、発光部１１の波長は、例えば、６００ｎｍ～９００ｎｍであればよい。また、プリンター用のインクの流れを測定する場合、発光部１１の波長は、例えば、７００ｎｍ～１０００ｎｍ、であればよい。発光部１１は、例えばＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting LASER）などの半導体レーザ素子であればよい。
　受光部１２は、発光部１１から照射した光のうち、流体で散乱した光を含む光を受光することができる。受光部１２は、受光した光信号を電気信号に変換することができる。受光部１２は、例えば、シリコンフォトダイオード、ＧａＡｓフォトダイオード、ＩｎＧａＡｓフォトダイオードまたはゲルマニウムフォトダイオード等の各種フォトダイオードであればよい。
　受光部１２は、測定目的に応じた波長の光を受光可能であるものを用いればよい。また、受光部１２は、静止した物体からの散乱光などのドップラーシフトしていない光と、流体によってドップラーシフトした散乱光とによって生じる干渉光を受光できるものであればよい。受光部１２は、干渉光のうなりをうなり信号（ビート信号ともいう）として出力することができる。うなり信号は、うなりの強度と時間の関係であるが、本開示の受光部１２は、例えば、このうなりの強度の変動を追従可能な時間分解能を持っていればよい。
　例えば、血流を測定する場合、静止した物体は皮膚などであり、流体は血液である。また、例えば、配管内のインクの流れを測定する場合、静止した物体は配管などであり、流体はインクである。静止した物体が、配管などの流体の流路である場合、流路は透光性を有する部材によって構成されていればよい。透光性を有する部材は、例えば、ガラス、またはポリマー樹脂などであればよい。
　センサ部１０は、パッケージ１３をさらに備えている。パッケージ１３は、発光部１１および受光部１２を収容するものである。また、測定装置１は、パッケージ１３および制御部２０が実装される実装基板３０をさらに備えている。センサ部１０および制御部２０は、パッケージ１３および実装基板３０を介して電気的に接続される。
　パッケージ１３は、例えば立方体または直方体の外形を有していればよい。パッケージ１３は、上面に開口した複数の凹部Ｒを有しており、複数の凹部Ｒに、発光部１１および受光部１２が実装されている。発光部１１の光およびパッケージ１３に戻ってくる散乱光は、凹部Ｒの開口を通過する。
　パッケージ１３は、例えば、セラミック材料または有機材料で形成された配線基板の積層体であればよい。セラミック材料は、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であればよい。有機材料は、例えば、エポキシ樹脂またはポリイミド樹脂などであればよい。
　また、パッケージ１３は、凹部Ｒの開口に、透光性の部材が位置してもよい。すなわち、パッケージ１３は、受発光が可能であれば、密閉されてもよい。透光性の部材は、ガラスなどであればよい。
　制御部２０は、測定装置１を制御することができる。制御部２０は、上述のとおり計算部２１を有している。また、制御部２０は、計算部２１の他にも記憶部２２を有している。計算部２１は、受光部１２の出力に基づいて、流体の測定値を算出するための演算を実行することができる。記憶部２２は、計算部２１が演算するためのプログラムなどを記憶することができる。
　測定装置１は、複数の電子部品２３および回路を有している。その結果、測定装置１は、制御部２０、計算部２１および記憶部２２などの各構成要素を形成することができる。例えば、測定装置１は、複数の電子部品２３を集積して、少なくとも１つのＩＣ（Integrated Circuit）またはＬＳＩ（Large Scale Integration）などを形成してもよい。また、制御部２０は、複数のＩＣまたはＬＳＩなどをさらに集積して少なくとも１つのユニットを形成してもよい。それらの結果、測定装置１は、制御部２０などの各機能部を構成することができる。
　複数の電子部品２３は、実装基板３０上に実装されている。その結果、制御部２０は、パッケージ１３と電気的に接続されている。複数の電子部品２３は、例えば、トランジスタまたはダイオードなどの能動素子、あるいはコンデンサなどの受動素子であればよい。
　計算部２１は、例えば、プロセッサを有している。プロセッサは、例えば、１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：Application Specific Integrated Circuit）、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、または他の既知のデバイスもしくは構成の組み合わせを含んでよい。
　記憶部２２は、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）またはＲＯＭ（Read-Only Memory）を有している。記憶部２２には、ファームウェアが記憶されている。その結果、計算部２１のプロセッサは、記憶部２２のファームウェアに従って、１以上のデータ計算手続きまたは処理を実行することができる。
　ここで、制御部２０は、計算処理の前処理として、種々の処理を行なってもよい。例えば、制御部２０は、受光部１２の電気信号を電圧値に変換する処理を行なってもよい。制御部２０は、信号のＡＣ（Alternating Current）成分とＤＣ（Direct Current）成分を分離する処理を行なってもよい。制御部２０は、ＡＣ信号を増幅する処理を行なってもよい。制御部２０は、アナログ信号をデジタル信号に変換する処理を行なってもよい。すなわち、制御部２０は、ＩＶ変換部、ＡＣ－ＤＣデカップリング部、ＡＣ増幅部、またはＡＤ変換部を有していてもよい。制御部２０が実行する前処理は、計算処理に必要な処理または計算処理の効率を向上させるための処理であれば、これらの例に特に限定されるものではない。例えば、制御部２０は、発光部１１の発光パターンを制御するための種々の処理を行なってもよい。
　測定装置１は、流体の測定値に相当する値（計算結果）を算出することができる。そして、既知の測定値と計算結果との関係を示す予め準備した検量データに基づいて、計算結果から測定値を算出することができる。
　具体的には、まず検量データとして、測定装置１は、既知の測定値の流体を予め測定し、既知の測定値と計算結果との関係を近似してよい。このようにすることで、測定装置１は、計算結果を媒介変数とする、演算式（検量線）を導出することができる。そして、測定装置１は、測定対象の流体を測定し、取得した計算結果を演算式に代入することで、測定対象の流体の測定値を算出することができる。
　計算結果は、測定装置１の計算部２１によって算出される。計算部２１は、まず、センサ部１０が取得したうなり信号に基づいて、干渉光の周波数スペクトルを求める。そして、計算部２１は、周波数スペクトルに基づいて任意の演算を行なうことで、計算結果を算出することができる。
　周波数スペクトルは、うなり信号をフーリエ変換して求めることができる。したがって、測定装置１は、受光部１２の出力の周波数と、周波数を重み付けした値（周波数強度）との関係を、周波数スペクトルとして取得することができる。周波数スペクトルの周波数範囲は、制御部２０のＡＤ変換部のサンプリングレートに基づいて設定されてもよい。
　受光部１２の出力の周波数および周波数強度は、ドップラー効果に依存する。すなわち、周波数スペクトルは、流体の流量または流速に応じて変化する。したがって、測定装置１は、周波数スペクトルに基づいて計算結果を算出することができる。
　具体的には、計算部２１は、下記の積分式（１）から求めた値を計算結果とすることができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　実際に得られる出力値は離散的であることから、積分式（１）に相当する演算として、下記の数式（２）に基づいて計算を行なう。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　上式では、Ｑは計算結果、ｆは周波数、Ｐは周波数強度を示している。また、ａとｂは、演算に用いる周波数の下限および上限を示している。すなわち、計算結果は、任意の周波数範囲において、周波数と周波数強度との積（ｆＰ値）を足し合わせたものである。
　図３は、受光部１２の出力の周波数強度に関する分布（周波数分布）を示している。周波数分布の縦軸はｆＰ値であり、横軸は周波数ｆである。
　ここで、周波数スペクトルは、流れの変化（例えば、流量または流速の増加）に伴い周波数強度が減少する傾向を示す周波数範囲と、増加する傾向を示す周波数範囲とを有している。そのため、周波数分布も、ｆＰ値が減少する傾向を示す周波数範囲と、増加する傾向を示す周波数範囲とを有している。したがって、例えば、周波数分布の全周波数範囲で計算結果を求めた場合、計算結果は、増加するｆＰ値成分と減少するｆＰ値成分の足し合わせとなるため、流れの変化に伴うｆＰ値の変動を打消し合った値となってしまう。その結果、測定したい測定値の範囲によっては、計算結果の変動幅が小さくなってしまうため、測定範囲の分解能を向上できず、測定精度を向上させることが難しかった。
　これに対して、一実施形態に係る測定装置１は、複数の周波数範囲ごとの周波数強度に基づいて、流体の測定値を算出している。その結果、測定装置１は、測定範囲の分解能を向上し、測定精度を向上させることができる。
　具体的には、測定装置１は、周波数スペクトルのうち、流量または流速の増加に伴い周波数強度が減少する傾向を示す周波数範囲（第１範囲）の周波数強度、および、流量または流速の増加に伴い周波数強度が増加する傾向を示す周波数範囲（第２範囲）の周波数強度に基づいて、計算結果を算出することができる。その結果、測定装置１は、測定値を算出することができる範囲の分解能を向上し、精度を向上させることができる。
　言い換えれば、第１範囲は、流量または流速の減少に伴い周波数強度が増加する傾向を示す周波数範囲である。また、第２範囲は、流量または流速の減少に伴い周波数強度が減少する傾向を示す周波数範囲である。
　測定装置１は、測定したい測定値の範囲に応じて第１範囲および第２範囲を設定することができる。例えば、測定装置１は、測定したい測定値の範囲において、計算結果が、流量または流速の増加に伴って単調増加または単調減少するように、第１範囲および第２範囲を設定することができる。その結果、測定装置１は、測定したい測定値の範囲ごとに計算結果を算出することができるため、測定範囲の分解能を向上させることができる。
　また、測定装置１は、周波数強度の相関係数に基づいて第１範囲および第２範囲を設定することができる。第１範囲と第２範囲は、周波数強度の変動が逆であるため、相関係数は負の方向に大きくなる。したがって、例えば、測定したい測定値の範囲において、相関係数が負の最大値となるように第１範囲と第２範囲を設定した場合、測定装置１は、流れの変化に伴う周波数強度の変動が大きい周波数範囲で測定値を算出することができる。その結果、測定装置１は、測定精度を向上させることができる。
　ここで、相関係数は、例えば、第１計算値と第２計算値の共分散を、第１計算値の標準偏差と第２計算値の標準偏差との積で、割ることで算出すればよい。
　第１範囲および第２範囲の上下限値の差（周波数範囲の広さ）は、同一でなくてもよい。測定装置１は、例えば、周波数強度が増加する傾向を示す範囲の広さが、減少する傾向を示す範囲の広さよりも広い場合、第２範囲を第１範囲よりも広く設定することができる。その結果、上下限値の差を同一とするよりも計算結果の変動幅が大きくなるため、測定装置１は、測定精度を向上させることができる。
　また、測定装置１は、重複しないように第１範囲および第２範囲を設定することができる。その結果、周波数強度が増加する範囲と、周波数強度が減少する範囲とが混在する可能性を低減することができるため、測定装置１は、測定精度を向上させることができる。
　測定装置１は、第１範囲および第２範囲に基づいて任意の演算を行なうことで、計算結果を算出することができる。測定装置１は、例えば、上式に基づいて、第１範囲から第１計算値、および第２範囲から第２計算値を算出することができる。そして、第１計算値および第２計算値に基づいて計算結果を算出することができる。この場合、第１計算値および第２計算値の２つの変数に基づいて計算結果を算出することで、第１計算値のみ、または第２計算値のみを計算結果とするよりも、サンプリング数が多くなる。その結果、計算結果は、流れの変化に伴う周波数強度の変動を反映させやすくなるため、測定装置１は、測定精度を向上させることができる。
　測定装置１は、第１計算値および第２計算値の比を、計算結果として算出することができる。比を取ることによって、例えば第１計算値と第２計算値の和よりも、第１計算値および第２計算値の変動に対する計算結果の変動が大きくなる。したがって、第１計算値および第２計算値の変動が小さい場合、または第１計算値および第２計算値の一方が他方よりも大きい場合であっても、流れの変化に伴う周波数強度の変動の特性を反映した計算結果を算出することができる。その結果、測定装置１は、流れの変化に対する計算結果の応答性を向上させることができるため、測定精度を向上させることができる。
　また、第１計算値に対する第２計算値の比が計算結果であれば、流れの変化に対して、計算結果の変動も追従することになる。具体的には、例えば、流体の流量または流速が大きくなると、計算結果も大きくなる。その結果、測定装置１のユーザは、計算結果の変動によって、流れの変化を直感的に理解しやすくなるため、測定装置１は、利便性を向上させることができる。
　測定装置１は、第１計算値と第２計算値との差を、計算結果として算出することができる。上記の通り、周波数分布において、第１範囲のｆＰ値は減少し、第２範囲のｆＰ値は増加するため、第１計算値および第２計算値の差は、和よりも絶対値が大きくなる。したがって、第１計算値および第２計算値の変動が小さい場合であっても、ｆＰ値の変動の特性を反映した計算結果を算出することができる。その結果、測定装置１は、測定範囲の分解能を向上させることができる。
　計算結果は、流れの変化に伴う周波数強度の変動の特性を反映させることができるものであれば、上記の例に限られない。例えば、測定装置１は、第１計算値および第２計算値の一方を二乗した値であってもよい。その結果、流れの変化に対する計算結果の変動が大きくなるため、測定装置１は、測定範囲の分解能を向上させることができる。
　測定装置１は、検量線の演算式を、予め記憶部２２に記憶しておくことができる。その結果、測定装置１は、測定時に記憶した演算式に基づいて、流体の測定値を算出することができるため、測定時間を短縮することができる。
　図４は、図１に示した測定装置１に係る計算部２１が実行する処理のフローを示している。図４に基づいて、本開示に係る制御部２０の計算部２１が、計算結果を算出する場合に実行するフローを説明する。
　計算部２１は、まず、受光部１２の出力に基づいて周波数分布を生成する（工程Ｓ００１）。次に、計算部２１は、第１範囲および第２範囲を設定する（工程Ｓ００２）。次に、計算部２１は、第１範囲から第１計算値、および第２範囲から第２計算値をそれぞれ算出する（工程Ｓ００３）。次に、計算部２１は、第１計算値および第２計算値に基づいて計算結果を算出する（工程Ｓ００４）。そして、計算部２１は、記憶部２２に記憶した演算式を用いて、算出した計算結果から流体の測定値を算出する（工程Ｓ００５）。
（他の実施形態）
　図５は、他の実施形態に係る測定装置１が有する機能部を表すブロック図を示している。
　他の実施形態において、測定装置１は、さらに入力部４０を有していてもよい。入力部４０は、測定に関する種々の設定を入力信号として制御部２０に出力することができる。したがって、計算部２１は、入力部４０に入力された測定に関する設定に基づいて第１範囲と第２範囲を決定することができる。例えば、ユーザが測定装置１の測定に使用したい第１範囲と第２範囲の周波数範囲を入力部４０に入力し、計算部２１は、その周波数範囲をそれぞれ第１範囲および第２範囲として決定して測定値の算出を行なうことができる。
　入力部４０は、例えば、キーボード、マウス、タッチパネル、スイッチ、またはこれらの組合せなどであればよい。その結果、ユーザが測定を行ないたい条件を簡易に設定することができるため、測定装置１は、利便性を向上させることができる。入力部４０は、ユーザが設定を入力することができるものであれば、上記の例に限られない。例えば、音声によって設定を入力する場合は、入力部４０はマイクであってもよい。また、例えば、ユーザの指先の動きによって設定を入力する場合、入力部４０は例えば赤外線センサなどのユーザの動きを感知することができるセンサであってもよい。
　ここで、測定に関する種々の設定は、例えば、発光部１１の光量、受光部１２の出力の更新周期、ＡＤ変換部のレート、サンプリング数、配管径、検量線の演算式および演算式の係数、第１範囲および第２範囲の上下限値などであってもよい。また、入力部４０は、流体の粘度、濃度、または大きさなどの測定対象に関する種々の設定を入力可能であってもよい。
　他の実施形態において、測定装置１は、測定に関する種々の情報を表示する表示部５０を、さらに有していてもよい。表示部５０は、例えば、周波数スペクトル、選択した周波数範囲、または測定結果等を表示することができる。その結果、ユーザは、表示部５０に表示された情報に基づいて、入力部４０に測定に関する種々の設定を入力することができる。また、表示部５０は、入力部４０の設定値に応じて、表示を変化させてもよい。その結果、測定装置１は、条件の設定が容易になるため、利便性を向上させることができる。
　表示部５０は、例えば、液晶ディスプレイまたはタッチパネルであればよい。本実施形態の測定装置１の入力部４０がタッチパネルの場合、入力部４０と表示部５０を１つのものとしてもよい。その結果、測定装置１は、構成部材を減らすことができるため、利便性を向上させることができる。
　ここで、本開示は上述の実施形態の例に限定されるものではなく、その内容に矛盾をきたさない限り、種々の変形を含むものである。また、本開示に係る実施形態に含まれる構成は、適宜、組合せ可能である。
　図６は、さらに他の実施形態に係る測定装置１が有する機能部を表すブロック図を示している。他の実施形態に係る測定装置１は、例えば、図６に示すように、外部制御部６０をさらに有していてもよい。
　外部制御部６０は、発光部１１の発光量、および／または受光部１２の更新周期などの制御部２０が実行する測定条件を保持し、制御部２０に入力することができる。その結果、制御部２０が処理する項目が少なくなり、制御部２０の処理速度を向上させることができる。ここで、測定条件は、入力部４０に入力可能な、測定に関する種々の設定と同一のものであってもよい。
　また、外部制御部６０は、入力部４０、および表示部５０を制御することができる。その結果、制御部２０が制御する機能部の数が少なくなるため、制御部２０の処理速度を向上させることができる。
　外部制御部６０は、複数の電子部品２３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。例えば、外部制御部６０は、圧力計または温度計などの機能を有する機能部を有していてもよい。その結果、測定装置１は、設計の自由度が向上するため、利便性を向上させることができる。
　外部制御部６０は、制御部２０、入力部４０、および表示部５０と有線または無線通信が可能であればよい。制御部２０と外部制御部６０は、任意の通信規格によって通信可能であればよい。通信規格は、例えば、ＩＩＣ（Inter Integrated Circuit）、ＳＰＩ（Serial Peripheral Interface）、またはＵＡＲＴ（Universal Asynchronous Receiver Transmitter）などであればよい。
　ここで、センサ部１０と外部制御部６０とが直接通信可能であってもよい。この場合、測定装置１は、制御部２０を備えていなくてもよい。センサ部１０と外部制御部６０とが、直接通信することによって、制御部２０と外部制御部６０との間で生じる信号の遅延を回避することができる。その結果、測定装置１の処理速度を向上させることができるため、利便性を向上させることができる。
　また、上記の実施形態に係る測定装置１では、第１範囲および第２範囲によって計算結果を算出しているが、流れの変化に伴う計算結果の変動が大きくなるような演算であれば、これに限られない。すなわち、一実施形態に係る測定装置１は、３つ以上の周波数範囲を選択し、計算結果を算出してもよい。
　測定装置１は、例えば、第１範囲および第２範囲に加えて、流れの変化に伴い周波数強度が増加する傾向を示す周波数範囲から、さらに第３範囲を設定して、第１計算値、第２計算値、および第３範囲に基づく第３計算値に基づいて計算結果を算出してもよい。具体的には、例えば、第２計算値と第３計算値の和を、第１計算値で割ることで、計算結果を算出してもよい。その結果、流れの変化に伴う計算結果の変動がより大きくなることから、測定装置１は、測定範囲の分解能をより向上させることができる。この場合、第３計算値は、上式に基づいて算出すればよい。
　測定装置１は、測定したい測定値の範囲に応じて第１範囲、第２範囲、および第３範囲を設定することができる。例えば、測定装置１は、測定したい測定値の範囲において、計算結果が、流量または流速の増加に伴って単調増加または単調減少するように、第１範囲、第２範囲、および第３範囲を設定することができる。その結果、測定装置１は、測定したい測定値の範囲ごとに計算結果を算出することができるため、測定範囲の分解能を向上させることができる。
　また、測定装置１は、周波数強度の相関係数に基づいて第１範囲、第２範囲、および第３範囲を設定することができる。その結果、測定装置１は、測定精度を向上させることができる。相関係数の算出方法は、上記と同様である。
　ここで、第１範囲と第２範囲とに基づいて計算結果を算出する場合と同様に、第１範囲、第２範囲、および第３範囲の上下限値の差は、同一でなくてもよい。
　また、測定装置１は、第１範囲と第２範囲とに基づいて計算結果を算出する場合と同様に、重複しないように第１範囲、第２範囲、および第３範囲を設定することができる。
　一実施形態において、記憶部２２には複数の被照射物およびこれらの被照射物に応じて設定された周波数範囲が記憶されていてもよい。そして、計算部２１は、入力部４０に予め記憶されている被照射物を選択して、選択された被照射物に応じて設定された周波数範囲に基づいて計算してもよい。その結果、測定装置１は、被照射物に応じた測定条件を設定することができるため、測定精度を向上させることができる。
　また、上記の測定装置１では、検量線を用いて測定値を算出する例について記載しているが、測定装置１が測定値を算出することができるのであれば、測定値の算出に係る手法はこの例に限られない。すなわち、測定装置１は、検量線などの演算式によらず測定値を算出してもよい。例えば、測定装置１は、既知の測定値の流体を測定して取得した計算結果（リファレンス）に基づいて、測定対象の流体の測定値を算出してもよい。具体的には、測定装置１は、リファレンスと既知の測定値が一対一に対応する対応表（テーブル）を取得し、テーブルに基づいて測定値を導出してもよい。この場合、まず、測定装置１は、測定対象の流体の計算結果に対応する、または近似しているリファレンスをテーブルから選択する。そして、測定装置１は、選択したリファレンスに対応する測定値を、測定対象の流体の測定値とすることができる。その結果、測定装置１は、計算部２１の演算の負荷を低減することができるため、測定時間を短縮することができる。テーブルは測定対象の流体の種類ごとに取得してもよい。また、記憶部２２は、テーブルを記憶してもよい。
　また、上記の測定装置１では、測定値として流体の流量または流速を算出する例について記載しているが、算出する測定値はこれらの例に特に限定されるものではない。すなわち、ユーザが流体の流れの変化を把握するだけで十分であれば、一実施形態に係る測定装置１は、測定値を算出しなくてもよい。具体的には、ユーザは、周波数強度または計算結果の変動によって、流れが変化したことを把握することができる。その結果、測定装置１は、検量データを取得する時間、または測定値を算出する時間を削減することができるため、測定時間を短縮することができる。
　また、計算部２１が選択する第１範囲および第２範囲の周波数範囲は、周波数ごとのパワーのブレ（例えば、ＣＶ値：Coefficient of Variation）に基づいて決定してもよい。具体的には、想定される流量域において実際の流体を測定し、周波数ごとのパワーの変動をモニタする。そして、周波数が大きい順にＣＶ値を整理したときに、任意の閾値以上のＣＶ値を有する周波数を周波数範囲の上限または下限として設定すればよい。その結果、測定装置１は、計算結果の誤差を低減することができる。
（測定システム）
　上記の説明では、本開示に係る一実施形態として測定装置１を説明したが、本開示に係る一実施形態は測定システムとして実施されてもよい。すなわち、上記の実施形態で説明した測定装置１の各機能を実現する機能部は、それぞれ独立した装置として機能してもよい。つまり、測定システムを構成する各装置の機能全体で測定対象の測定値を算出することができれば、本発明は必ずしも一つの装置として実現されなくてもよい。
　図７は、一実施形態に係る測定システムが有する機能部を表すブロック図を示している。
　一実施形態に係る測定システム２は、発光装置７０、受光装置８０、および計算装置９０を備える。発光装置７０は、流体を含む被照射物に向けて光を照射することができる。受光装置８０は、被照射物で散乱した光を含む干渉光を受光することができる。計算装置９０は、受光装置８０の出力の周波数のうち、複数の周波数範囲ごとの周波数強度に基づいて算出した計算結果に基づいて、流体の測定値の変化を検出することができる。
　測定システム２の各構成には、上記の測定装置１の構成が適用されればよい。また、測定システム２の各装置は、任意の方法で接続していればよい。例えば、各装置は有線または無線で他の必要な装置に接続されていればよい。
（測定方法）
　上記の測定装置１において実行される各工程は、測定方法の発明として実施されてもよい。一実施形態に係る測定方法は、流体を含む被照射物に向けて光を照射可能な発光部１１、および被照射物で散乱した光を含む光を受光可能な受光部１２、を有するセンサ部１０を準備する工程と、受光部１２の出力の周波数のうち、複数の周波数範囲ごとの周波数強度に基づいて計算結果を算出する工程と、計算結果に基づいて流体の測定値の変化を検出する工程と、を備える。
　また、上記測定方法において、受光部１２の出力の周波数は、流体の流れの変化に伴って、周波数強度が減少する傾向を示す第１範囲と周波数強度が増加する傾向を示す第２範囲とを有していてもよい。そして、上記測定方法は、第１範囲の周波数強度、および第２範囲の周波数強度に基づいて計算結果を算出する工程、をさらに備えていてもよい。
　また、上記測定方法は、第１範囲に基づく第１計算値、および第２範囲に基づく第２計算値を算出する工程と、第１計算値および第２計算値の差または比から計算結果を算出する工程と、をさらに備えていてもよい。
　また、上記測定方法は、測定値の増加に伴って、計算結果が単調増加または単調減少するように、第１範囲および第２範囲を設定する工程、をさらに備えていてもよい。
　また、上記測定方法は、流体の既知の測定値に対する計算結果のデータを、検量データとして記憶する工程、をさらに備えていてもよい。そして、上記測定方法は、取得した計算結果から検量データに基づいて、流体の測定値を算出してもよい。
１　測定装置
１０　センサ部
１１　発光部
１２　受光部
１３　パッケージ
２０　制御部
２１　計算部
２２　記憶部
２３　電子部品
Ｒ　凹部
３０　実装基板
４０　入力部
５０　表示部
６０　外部制御部
２　測定システム
７０　発光装置
８０　受光装置
９０　計算装置
　　　 

Claims (13)

  1. 　流体を含む被照射物に向けて光を照射可能な発光部と、
    　前記被照射物で散乱した光を含む光を受光可能な受光部と、
    　前記受光部の出力の周波数のうち、複数の周波数範囲ごとの周波数強度に基づいて算出した計算結果に基づいて、前記流体の流量または流速の変化を検出する計算部と、を備える測定装置。
  2. 　請求項１に記載の測定装置であって、
    　前記周波数は、流体の流れの変化に伴って、前記周波数強度が減少する傾向を示す第１範囲と前記周波数強度が増加する傾向を示す第２範囲とを有しており、
    　前記計算部は、前記第１範囲の前記周波数強度と前記第２範囲の前記周波数強度とに基づいて前記計算結果を算出する、測定装置。
  3. 　請求項２に記載の測定装置であって、
    　前記計算部は、前記第１範囲に基づいて第１計算値を算出し、かつ前記第２範囲に基づいて第２計算値を算出するとともに、前記第１計算値および前記第２計算値の差または比から、前記計算結果を算出する、測定装置。
  4. 　請求項２または３に記載の測定装置であって、
    　前記計算部は、前記流体の流量または流速の増加に伴って、前記計算結果が単調増加または単調減少するように、前記第１範囲および前記第２範囲を設定する、測定装置。
  5. 　請求項１～４のいずれかに記載の測定装置であって、
    　前記流体の既知の流量または流速に対する前記計算結果のデータを、検量データとして記憶した記憶部、をさらに備え、
    　前記計算部は、取得した前記計算結果から前記検量データに基づいて前記流体の流量または流速を算出する、測定装置。
  6. 　請求項２もしくは３または請求項２を引用する請求項４もしくは５のいずれかに記載の測定装置であって、
    　ユーザが測定に関する設定を入力し、前記測定に関する設定を前記計算部に出力する入力部、をさらに備え、
    　前記計算部は、前記測定に関する設定に基づいて第１範囲と第２範囲を決定し、前記流体の流量または流速の変化を検出する、測定装置。
  7. 　請求項６に記載の測定装置であって、
    　前記測定に関する設定は、
    　　前記発光部の光量、
    　　前記受光部の出力の更新周期、ＡＤ変換のレート、およびサンプリング数、
    　　前記発光部および前記受光部が取付けられる配管の径、
    　　前記計算部の演算式および演算式の係数、
    　　前記第１範囲および前記第２範囲の上下限値、
    の少なくとも一つである、測定装置。
  8. 　流体を含む被照射物に向けて光を照射可能な発光装置と、
    　前記被照射物で散乱した光を含む光を受光可能な受光装置と、
    　前記受光装置の出力の周波数のうち、複数の周波数範囲ごとの周波数強度に基づいて算出した計算結果に基づいて、前記流体の流量または流速の変化を検出する計算装置と、を備える測定システム。
  9. 　流体を含む被照射物に向けて光を照射可能な発光部、および前記被照射物で散乱した光を含む光を受光可能な受光部、を有するセンサを準備する工程と、
    　前記受光部の出力の周波数のうち、複数の周波数範囲ごとの周波数強度に基づいて計算結果を算出する工程と、
    　前記計算結果に基づいて、前記流体の流量または流速の変化を検出する工程と、を含む測定方法。
  10. 　請求項９に記載の測定方法であって、
    　前記受光部の出力の周波数は、流体の流れの変化に伴って、前記周波数強度が減少する傾向を示す第１範囲と前記周波数強度が増加する傾向を示す第２範囲とを有しており、
    　前記第１範囲の前記周波数強度と前記第２範囲の前記周波数強度とに基づいて前記計算結果を算出する工程、をさらに含む測定方法。
  11. 　請求項１０に記載の測定方法であって、
    　前記第１範囲に基づく第１計算値と前記第２範囲に基づく第２計算値とを算出する工程と、
    　前記第１計算値および前記第２計算値の差または比から前記計算結果を算出する工程と、を含む、測定方法。
  12. 　請求項１０または１１に記載の測定方法であって、
    　前記流量または前記流速の増加に伴って、前記計算結果が単調増加または単調減少するように、前記第１範囲および前記第２範囲を設定する工程、をさらに含む測定方法。
  13. 　請求項９～１２のいずれかに記載の測定方法であって、
    　前記流体の既知の流量または流速に対する前記計算結果のデータを、検量データとして記憶する工程、をさらに含み、
    　取得した前記計算結果から前記検量データに基づいて、前記流体の流量または流速を算出する、測定方法。
    　　　 
    　　
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