JP2009150671A

JP2009150671A - 質量流量計

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Publication number: JP2009150671A
Application number: JP2007326761A
Authority: JP
Inventors: Akira Kosaka; 亮小阪
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2007-12-19
Filing date: 2007-12-19
Publication date: 2009-07-09
Anticipated expiration: 2027-12-19
Also published as: JP4936392B2

Abstract

【課題】弾性管の中を流れる各種の流体の流量を、簡単な手法により、小型で軽量、且つ安価な装置によって確実に質量流量を測定することができる質量流量計とする。
【解決手段】内部に流体が流通する弾性管と、弾性管を収納し且つ弾性管の収納状態で所定の曲がり形状を維持可能とする硬質曲がり管プローブと、硬質曲がり管プローブの曲がり部外周部分に形成した貫通穴によって形成される弾性管の開放面に貼付した曲管外側ストレインゲージと、硬質曲がり管プローブの直管部分に形成した貫通穴によって形成される弾性管の開放面に貼付した直管ストレインゲージ、または、硬質曲がり管プローブの曲がり部内周部分に形成した貫通穴によって形成される弾性管の開放面に貼付した曲管内側ストレインゲージとを備え、これらのストレインゲージの信号をブリッジ回路に導き、質量流量を計測する。
【選択図】図１

Description

この発明は例えば心肺補助循環路において血液流量を測定する場合等において、簡易に質量流量を測定することができる質量流量計に関する。

従来より各種流体の流量を測定するため、種々の技術が開発され、また提案されている。この種の技術において、比較的簡単な装置で流量を計測する手法として、曲がり管を流れる流体の各種作用を測定することにより流量を測定する手法が提案されている。例えば特開平９−７９８８１号公報には、曲がり管の内側と外側にそれぞれ濃度測定部を設け、両濃度測定部で測定した濃度により曲がりパイプの内側及び外側における流体の濃度差を測定し、体積流量を測定する手法が提案されている。

また、特開平４−２７６５１９号公報には、管路において水平面内にＵ字管を接続し、Ｕ字管と管路との接続部に曲げモーメント測定用歪ゲージと、軸力測定用歪ゲージとを設け、Ｕ字管に作用する鉛直下向きの流体重量を継ぎ手に作用する曲げ歪として、また水平面内に作用する流体の慣性力を軸歪として測定することによって、流体の質量流量を測定する手法が提案されている。なお、曲管で連結した平行な管路に作用するコリオリ力を検出することによって質量流量を計測する技術はコリオリ力流量計として広く用いられている。
特開平９−７９８８１号公報特開平４−２７６５１９号公報特開２００７−２１８７７５号公報

流体の流量を測定する前記従来の技術において、特開平９−７９８８１号公報に開示されている技術においては、濃度変化が生じにくい流体では計測が困難であり、例えば血液流の流量測定には不向きである。また、特開平４−２７６５１９号公報に開示されている技術においては、静圧補償手段がないため、流路抵抗が変化した場合の流量を計測することが困難である、という欠点がある。またコリオリ流量計はＵ字管を振動させる装置が必要となり、大型の装置となる問題がある。

それに対して本願発明者等により、前記特許文献３として示すような特開２００７−２１８７７５号公報に開示している質量流量計を提案している。この技術においては、曲がり管における管路内の流体の遠心力ないし向心力が作用する部分にストレインゲージを貼付し、その信号をブリッジ回路に導いて質量流量を計測するものであり、更に静圧及び温度補償用のストレインゲージを用い、その信号もブリッジ回路に導いて容易に静圧補償及び温度補償を行い、正確な流量の測定を可能としている。

先に本発明者等が提案した前記のような質量流量計においては、上記のような構成を採用することにより、グラムオーダーで計量できる超軽量な質量流量計とすることができるものであるが、先に提案した曲がり管を用いた質量流量計では、曲がり管が弾性を有する場合にはその管に貼付するストレインゲージからは、曲がり管に作用する流体流量に基づく力を正確に測定することができないので、この部分の管を硬質の管とし、且つこの硬質の管を用いて管に作用する流体の遠心力による力を正確に検出するために、薄肉部を形成してストレインゲージを貼付する必要があった。

また、例えば血液流量の測定に際して、通常用いられている弾性管に対して硬質管を接続する必要があり、両管の確実な接続構造、及び硬質管が血液と接触して血液に不適切な反応を起こさせない材質の管を選択しなければならず、全体として高価なものとならざるを得ない、という問題もあることがわかった。

したがって本発明は、弾性管の中を流れる各種の流体の流量を、簡単な手法により、小型で軽量、且つ安価な装置によって確実に質量流量を測定することができる質量流量計を提供することを主たる目的とする。

本発明に係る質量流量計は上記課題を解決するため、硬質曲がり管プローブ内に装着した弾性管に貼りつけた遠心力検出用のストレインゲージと静圧・温度補償用のストレインゲージから導いたブリッジ回路の出力により流量を測定する。それにより流体が流れる弾性管とセンサプローブが別体となるため製作が容易となり、既存の弾性管に外部から取り付けることも可能となる。さらに、弾性管を利用することで、金属管に流すことが困難な流体の流量の計測も可能になるほか、硬質管に比べ遠心力による歪量を大きく検出することができる。また、硬質曲がり管プローブには、弾性管の歪量を大きくするため、歪検出部には貫通穴を開け、局所的な歪を捉えるため、弾性管を穴に押し付けるようにする。

上記のような本発明について、より具体的には次のような質量流量計とする。即ち、本発明にかかる室料流量計は、内部に流体が流通する弾性管と、前記弾性管を収納し、且つ弾性管の収納状態で所定形状を維持可能とする硬質曲がり管プローブと、前記硬質曲がり管プローブの曲がり部の外周部分に形成した貫通穴が開口する部分における弾性管外周面に貼付した曲管外側ストレインゲージと、前記硬質曲がり管プローブの直管部分に形成した貫通穴が開口する部分の弾性管外周面に貼付した直管ストレインゲージとを備え、前記曲管外側ストレインゲージの信号と、前記直管ストレインゲージの信号をブリッジ回路に導き、質量流量を計測することを特徴とする。

また、本発明にかかる他の質量流量計は、内部に流体が流通する弾性管と、前記弾性管を収納し、且つ弾性管の収納状態で所定形状を維持可能とする硬質曲がり管プローブと、前記硬質曲がり管プローブの曲がり部の外周部分に形成した貫通穴が開口する部分における弾性管外周面に貼付した曲管外側ストレインゲージと、前記硬質曲がり管プローブの曲がり部の内周部分に形成した貫通穴が開口する部分における弾性管外周面に貼付した曲管内側ストレインゲージとを備え、前記曲管外側ストレインゲージの信号と、前記曲管内側ストレインゲージの信号をブリッジ回路に導き、質量流量を計測することを特徴とする。

また、本発明にかかる他の質量流量計は、前記質量流量計において、前記硬質曲がり管プローブを２分割可能とし、前記弾性管の外側から被せることにより一体化して弾性管に装着可能としたことを特徴とする。

また、本発明にかかる他の質量流量計は、前記質量流量計において、前記弾性管及び硬質曲がり管プローブを透明材料により形成したことを特徴とする。

また、本発明にかかる他の質量流量計は、前記質量流量計において、前記ストレインゲージを貼付する弾性管外周部分は、硬質曲がり管プローブの前記貫通穴の開口によって形成されることを特徴とする。

また、本発明にかかる他の質量流量計は、前記質量流量計において、前記硬質曲がり管プローブの両端により前記弾性管を拘束して弾性管の所定の曲がり形状を維持し、前記両端以外の部分には弾性管外周面と硬質曲がり管内周面との間に隙間を形成したことを特徴とする。

また、本発明にかかる他の質量流量計は、前記質量流量計において、前記硬質曲がり管プローブを高剛性とし、外力の影響を低減させることを特徴とする。

本発明は上記のように構成したので、下記のような種々の効果を奏する。
１．弾性を持つ直管を単に硬質曲がり管プローブで曲げ固定するのみで、曲がり部に生じる遠心力を利用した質量流量計として使用することが可能となり、簡単な手法により、小型で軽量、且つ安価な装置によって確実に質量流量を測定することができる。
２．各種流体を流している既存の弾性管をそのまま用いて、外部より硬質曲がり管プローブを装着することが可能であり、取り付けが容易な質量流量計とすることができる。
３．弾性管を使用しているため、前記特許文献３に提案している質量流量計よりも、質量流量による管路の変化量を大きくすることができ、より正確な質量流量を計測可能となる。
４．耐薬性を持つ高分子材料を用いた弾性管を使用することができるので、血液或いは特殊な薬品等の、通常の金属管には流すことのできない流体の質量流量計測が可能となる。
５．透明な弾性管、更には透明な硬質曲がり管プローブを使用することにより、内部の流体の流れを観察しながら質量流量の計測が可能となる。
６．前記特許文献３で提案したような質量流量計と異なり、金属の曲げ加工や薄肉加工の必要が無いため、加工が容易になる。
７．前記特許文献３で提案したような質量流量計と異なり、質量流量計に加わる外力の影響を低減させることが可能となる。

本発明にかかる質量流量計は、弾性管の中を流れる各種の流体の流量を、簡単な手法により、小型で軽量、且つ安価な装置によって確実に質量流量を測定することができるようにするという課題を、内部に流体が流通する弾性管と、前記弾性管を収納し、且つ弾性管の収納状態で所定形状を維持可能とする硬質曲がり管プローブと、前記硬質曲がり管プローブの曲がり部の外周部分に形成した貫通穴が開口する部分における弾性管外周面に貼付した曲管外側ストレインゲージと、前記硬質曲がり管プローブの直管部分に形成した貫通穴が開口する部分における弾性管外周面に貼付した直管ストレインゲージ、または、前記硬質曲がり管プローブの曲がり部の内周部分に形成した貫通穴が開口する部分における弾性管外周面に貼付した曲管内側ストレインゲージとを備え、これらのストレインゲージの信号をブリッジ回路に導き、質量流量を計測することにより解決した。

本発明の実施例を図面に沿って説明する。図１及び図２には本発明の第１実施例を示し、内部に例えば流入口１から流出口２に向けて流体が流通する弾性管３を、屈曲部４で屈曲させた例を示している。なお、弾性管３としては、この質量流量計を血液の循環量を検出するために用いる際には、血液の凝固性がないことが保証されている例えばシリコンチューブやタイゴンチューブ等の高分子材料が用いられるが、そのほか耐薬性の樹脂等の各種用途に応じて任意の弾性材料からなる管を用いることができる。

特に本発明においては、管内を流れる流体の圧力により管が容易に変形して屈曲形状が変化することにより、後述するように管壁に貼付するストレインゲージで正確に曲管部分を流れる遠心力の変化を検出することができないことを考慮している技術であるので、所定の屈曲状態を維持することができるか否かの弾性の程度は、管内の流体圧力、管の材質、厚さ等により、各用途及び環境によって異なる。

図示実施例においては、屈曲部４において弾性管３に所定の屈曲形状を維持させるため、図示するような硬質曲がり管プローブ５を用い、弾性管３の外側を覆っている。この硬質曲がり管プローブ５は弾性管３の変形を確実に防止することができる程度の剛性を有するものであり、前記弾性管と同様に管内の流体圧と管の弾性の関係のほか、弾性管の屈曲のし易さ等により異なるものであるが、金属、あるいは硬質樹脂等により任意の厚さ、屈曲度、外周形状に製作することができる。その際には、弾性管の屈曲形状を所定の形状に維持することができるならば、弾性管に対する支持構造も任意に設計することができる。

硬質曲がり管プローブ５は図示実施例においては上下に半割とし、その接合部６において両者は密着できるようにする。それにより、例えば血液を流している弾性管３の一部を、下側曲がり管プローブ７の上側に開口している半円形の溝内に屈曲させて嵌入し、上側曲がり管プローブ８の下側に開口している半円形の溝を弾性管３の上側に被せることにより、容易に硬質曲がり管プローブ５を取り付けることができる。このとき、特に硬質曲がり管プローブ５の両端部において弾性管３を強く押さえ、弾性管内を流れる流体により弾性管全体が硬質曲がり管プローブ内に引きずり込まれることを防止するようにしても良い。

なお、図示実施例では硬質曲がり管プローブ５を半割にして着脱自在にした例を示したが、分割可能とせずに、弾性管より幾分大きな内径の貫通穴を形成し、予め弾性管をその貫通穴に通した状態としておいても良い。但し、弾性管に後述するようなストレインゲージを貼付するため、予め弾性管にストレインゲージを貼付することが好ましく、そのためには前記のように硬質曲がり管プローブ５を半割とする方が好ましい。また、この硬質曲がり管プローブ５を透明材料で形成し、更に弾性管３も透明材料とすることにより、質量流量計部分を流れる流体の様子を観察しながら流量計測を行うことができるようになる。

硬質曲がり管プローブ５の略屈曲中心部には、屈曲部４の外側に円形の貫通穴９を設け、それにより貫通穴９の内部において、弾性管３は円形の開放面１０が形成される。また、直管部分１２の外側に、前記貫通穴９と同様の貫通穴１３を設け、それによりこの貫通穴１３の内部において弾性管３には円形の開放面１４が形成される。

弾性管３における貫通穴９による開放面１０には曲管外側ストレインゲージ１５を接着剤等により貼付し、同様に貫通穴１３による開放面１４には直管ストレインゲージ１６を貼付する。各ストレインゲージの信号はブリッジ回路１７に導き、その出力をアンプ回路１８で増幅し、流量出力装置１９から外部に質量流量として出力する。

これらのストレインゲージのうち曲管外側ストレインゲージ１５は、曲がり管部分１１の外側に貼付しているので、弾性管３内を流れる流体の流量に応じた遠心力がこの部分に作用し、その遠心力を検出することにより質量流量を測定する。なお、上記のような遠心力が生じると同時に向心力が生じるものであるが、ここでは遠心力の作用のみについて述べる。一方、直管ストレインゲージ１６は弾性管の直管部分に設けているので、流体の遠心力が作用しない、流体の静圧を測定することによる静圧補償、及び温度補償を行う。各ストレインゲージ１５、１６が貼付される弾性管３の開放面１０、１４の大きさは、ストレインゲージが貼付できる大きさで、且つ開放面部分において内部の流体の圧力により弾性管３が局所的に膨出し、部分的に大きな歪みを検出できる程度に設定する。

各ストレインゲージの信号を処理する回路構成は、先に本件発明者等が提案している前記特許文献３に詳細に記載しているところであるが、本発明においては例えば図３に示すような回路構成により実施することができる。即ち図３に示す例においては、曲管外側ストレインゲージ１５の検出信号としての抵抗値をブリッジ回路１７のＡ部分に入力し、また直管ストレインゲージ１６の検出信号としての抵抗値をブリッジ回路１７の前記Ａ部分に隣接するＣ部分に入力し、他は固定抵抗とする。

それにより、曲がり管部分における曲管外側ストレインゲージ１５による、流体の流量に応じた遠心力の信号をブリッジ回路１７のＡ部分に入力し、遠心力が作用しない直管部分における直管ストレインゲージ１６の信号をＢ部分に入力して、前記曲管外側ストレインゲージ１５で検出している静圧及び温度の値を補償できるようにしている。なお、このブリッジ回路においても、先に提案している前記特許文献３に記載したような合計４個のストレインゲージを用い、その信号をブリッジ回路に入力する手法を採用することもできる。

このブリッジ回路１７の信号は従来のブリッジ回路と同様にプリアンプ１８で信号増幅し、流量出力装置１９においてブリッジ回路の電圧バランス信号を処理して流量の演算を行う。これらの処理により、流体の遠心力と静圧の合計圧力を検出しているストレインゲージＡの信号に対して、流体の静圧と温度に関連した圧力を検出しているストレインゲージＣの信号により、ストレインゲージＡの検出値の補償を行う処理を行うことができる。この測定装置においては、特にブリッジ回路に対する電源２０により流量信号を得ることができ、僅かの電流により正確な測定を行うことができる。

以上は１個のブリッジ回路を用いて質量流量計を構成するものであるが、軽量であれば遠心力検出用ストレインゲージと補償用ストレインゲージの検出信号を別個のブリッジ回路に導き、遠心力検出用ストレインゲージの出力と補償用ストレインゲージの出力を比較演算する比較演算回路を付加して構成することも可能である。

本発明の第２実施例を図４に示している。なお、図４において前記第１実施例の図２と同様の部分には同じ符号を付している。図４に示す例においては、前記の例と同様に弾性管３を所定の屈曲形状を備えた硬質曲がり管プローブ５内に収納し、屈曲部４の外周部に貫通穴９を形成し、それにより生じる弾性管３周面の開放表面１０に曲管外側ストレインゲージ１５を貼付している。

特に図４に示す実施例においては、前記曲管外側ストレインゲージ１５が貼付される貫通穴９に対向する、硬質曲がり管プローブ５における屈曲部４の内側部分に貫通穴２１を形成しており、この貫通穴２１によって生じる弾性管３周面の開放表面２２に曲管内側ストレインゲージ２３を貼付している。

曲管外側ストレインゲージ１５は前記実施例１と同様に、弾性管３内を流れる流体が曲管部分で生じる遠心力を、開放表面１０部分で生じる弾性管の歪みとして検出し、流量に関連する信号を得る。それに対して曲管内側ストレインゲージ２３は前記曲管部分の遠心力に応じた圧力低下を生じるので、これを曲管内側ストレインゲージ２３で検出することにより、曲管外側ストレインゲージ１５の遠心力信号との差圧を検出することができ、それにより、遠心力の作用をより明瞭に検出することが可能となる。

曲管外側ストレインゲージ１５と曲管内側ストレインゲージ２３の信号は、実施例１と同様にブリッジ回路１７に導き、その出力信号をアンプ回路１８で増幅して流量出力装置１９から外部に出力する。ブリッジ回路１７においては前記実施例と同様に入力し、両信号の差圧検出、及び温度補償を行うことができる。

前記実施例においては、弾性管を所定形状に維持する硬質曲がり管プローブを、弾性管の曲がり部分及びその近傍の直管部分を含めてその外周面と硬質曲がり管内周面と密着させ、ストレインゲージを貼付する弾性管外周の開放面は、硬質曲がり管プローブの前記貫通穴によって形成した例を示したが、そのほか、例えば図５に示すような硬質曲がり管５を用いても本発明を実施することができる。なお、同図において前記実施例と同様の部分には同じ符号を付し、その説明は省略する。

図５に示す硬質曲がり管プローブ５においては、第１の端部２５において弾性管３を拘束し、同様に他の端部である第２の端部２６においても弾性管３を拘束することにより、前記実施例と同様に弾性管３を所定の曲がり形状に維持し、硬質曲がり管の前記両端部以外の部分には弾性管３の外周面と硬質曲がり管５の内周面との間に隙間２７を形成している。この硬質曲がり管５においても前記実施例と同様に、曲がり管部分１１に貫通穴９を設け、この部分から弾性管外周面にストレインゲージ９を貼付する。また、直管部分１２にも貫通穴１３を設けて、この部分から弾性管外周面にストレインゲージ１６を貼付する。

なお、図示実施例においては前記図１の例と同様に直管部分にストレインゲージを貼付した例を示したが、それ以外に図４の例のように、曲がり管部分の内側にストレインゲージを貼付しても、同様に実施することができる。

このような硬質曲がり管を用いても、本発明者等が先に提案した前記特許文献３に開示した質量流量計のように硬質の曲がり管を用いる必要がなくなり、また例えば人工心臓のポンプの血液吐出流量を測定するときのように、所定性状の材質からなる弾性管を用いているときに、その弾性管をそのまま用いて質量流量を測定することができるようになることは前記実施例と同様である。

前記のような本発明による質量流量計の原理に基づいて、簡易な装置を作成して実験した結果を図６に示す。図中三角マークは本発明による質量流量計の実測結果であり、四角マークは同実験流路中に直列に設けた市販の精密質量流量計で計測した結果を示す。同図に示すように、一部にばらつきは生じているものの、例えば人工心臓ポンプの流量測定等の分野では、前記のような本発明の特徴を生かして十分に使用可能な質量流量計をうることができ、また計測機器、信号処理ソフトウエア等の更なる研究開発によって、より精密な質量流量測定を行うことができる可能性を見いだすことができた。

上記のような本発明は種々の分野の質量流量計として用いることができるものであるが、特に、短期間の心肺補助循環回路（ＰＣＰＳやＥＣＭＯ）における流量計測、更には、耐薬性を持つ弾性管が必要な医薬品開発の流量計測に有効に利用することができる。

本発明の第１実施例の斜視図、及び信号処理機能ブロックを示す図である。同実施例の断面図、及び信号処理機能ブロックを示す図である。同実施例の信号処理部の説明図である。本発明の第２実施例の断面図、及び信号処理機能ブロックを示す図である。本発明の第３実施例の断面図、及び信号処理機能ブロックを示す図である。本発明の質量流量計により計測した結果と、市販の精密質量流量計で計測した結果を比較して示すグラフである。

符号の説明

１流入口
２流出口
３弾性管
４屈曲部
５硬質曲がり管プローブ
６接合部
７下側曲がり管プローブ
８上側曲がり管プローブ
９貫通穴
１０開放面
１１曲がり管部分
１２直管部分
１３貫通穴
１４開放面
１５曲管外側ストレインゲージ
１６直管ストレインゲージ
１７ブリッジ回路
１８アンプ回路
１９流量出力装置
２０電源
２１貫通穴
２２開放面
２３曲管内側ストレインゲージ

Claims

内部に流体が流通する弾性管と、
前記弾性管を収納し、且つ弾性管の収納状態で所定形状を維持可能とする硬質曲がり管プローブと、
前記硬質曲がり管プローブの曲がり部の外周部分に形成した貫通穴が開口する部分における弾性管外周面に貼付した曲管外側ストレインゲージと、
前記硬質曲がり管プローブの直管部分に形成した貫通穴が開口する部分における弾性管外周面に貼付した直管ストレインゲージとを備え、
前記曲管外側ストレインゲージの信号と、前記直管ストレインゲージの信号をブリッジ回路に導き、質量流量を計測することを特徴とする質量流量計。
内部に流体が流通する弾性管と、
前記弾性管を収納し、且つ弾性管の収納状態で所定形状を維持可能とする硬質曲がり管プローブと、
前記硬質曲がり管プローブの曲がり部の外周部分に形成した貫通穴が開口する部分における弾性管外周面に貼付した曲管外側ストレインゲージと、
前記硬質曲がり管プローブの曲がり部の内周部分に形成した貫通穴が開口する部分における弾性管外周面に貼付した曲管内側ストレインゲージとを備え、
前記曲管外側ストレインゲージの信号と、前記曲管内側ストレインゲージの信号をブリッジ回路に導き、質量流量を計測することを特徴とする質量流量計。
前記硬質曲がり管プローブは２分割可能とし、前記弾性管の外側から被せることにより一体化して弾性管に装着可能としたことを特徴とする請求項１または２に記載の質量流量計。
前記弾性管及び硬質曲がり管プローブを透明材料により形成したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の質量流量計。
前記ストレインゲージを貼付する弾性管外周部分は、硬質曲がり管プローブの前記貫通穴の開口によって形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の質量流量計。
前記硬質曲がり管プローブの両端により前記弾性管を拘束して弾性管の所定の曲がり形状を維持し、前記両端以外の部分には弾性管外周面と硬質曲がり管内周面との間に隙間を形成したことを特徴とする請求項１または２に記載の質量流量計。
前記硬質曲がり管プローブを高剛性とし、外力の影響を低減させることを特徴とする請求項１または２に記載の質量流量計。