JP2013036751A - 体積測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】短時間で効率良く測定できる上に精度の高い体積測定装置を提供する。
【解決手段】被測定物２を収納して密閉空間を形成する密閉空間形成手段３と、密閉空間の容積を変化させる容積変化手段４と、密閉空間内の気体の圧力を測定する圧力測定手段５と、容積変化手段４を動作させ、容積変化の前後に圧力測定手段５より得られる圧力測定値を基にして被測定物２の体積値を決定する制御部１２とを備えた体積測定装置１であって、密閉空間形成手段３が開口部を形成された容器３１と、開口部をシール部材３３を介して閉止する閉止部材３２とを具備し、制御部１２が容積変化手段４によって密閉空間の容積を複数段階に分けて増加させ、第１段階の容積変化による密閉空間内の圧力低下後に行う第２段階以降の容積変化の前後で得られた圧力測定値を基にして被測定物２の体積値を決定するように構成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、被測定物を入れた密閉容器の容積を変化させ、その際の内部の圧力変化を検出することで被測定物の体積を測定する体積測定装置に関するものである。

従来より、野菜や果物等の品質評価を行うための指標の一つとして密度が用いられている。こうした密度を測定するための方法として、被測定物を液体に浸けて浮力の程度を評価するアルキメデスの方法がある。

しかしながら、この方法を用いる場合には、液体量の管理を行うため測定に時間がかかることや、測定後に被測定物の表面に付着した液体を拭き取るために手間がかかること、あるいは被測定物の種類によっては腐敗等の品質低下が生じやすくなること等が問題になる。

そのため、液体を用いることなく密度を得るための手法として、被測定物の体積と質量を各々求めて密度を算出することが考えられる。例えば、下記特許文献１においては、液体を用いることなく、気体の圧力変化を利用して被測定物の体積を求める方法が開示されている。

このものは、容積一定である測定容器内に存在する固体または液体の体積を測定するため、実質的に密閉状態で気体を測定容器内に挿入または除去することで生じる圧力変化に基づいて固体または液体の体積を測定する方法と、その方法を実現するための測定装置について述べたものである。この装置によれば、簡単な構成でありながら被測定物を液体に浸けることなく体積の測定が可能となり、別途重量を測定すれば密度を求めることができる。

そして、この特許文献１において開示されている体積測定装置は、上述した密閉状態を形成するために、表面にシール材を設けたシール機構部をスプリングによる付勢力を利用して測定容器の開口部に対し当接させるように構成している。このような測定容器内の気体の圧力変化を利用した体積測定装置においては、測定容器の内部を確実に密閉状態として外部との間で気体が遮断された状態となっていることが必要とされ、この点が測定精度を向上させるために非常に重要となる。

特開平６−２６９０６号公報

しかしながら、上記の体積測定装置は、測定容器の開口部を閉じるためのシール機構が上述したような簡単なものであって、実際に密閉状態が実現できているか否かが不確実なものになってしまう。例えば、測定容器の開口部とシール機構部との間にゴミを噛み込んでいた場合には、その分隙間が生じて外部に気体が流出または外部より流入可能になってしまう場合が考えられる。

また、測定の開始前には密閉状態が形成できていたとしても、測定に際して測定容器の内部に気体を挿入しようとした場合には内部の圧力が上昇するため、スプリングによる付勢力が不十分であると、測定容器の開口部とシール機構部との間に隙間が生じて外部に気体が流出するおそれがある。

上記のように、特許文献１にかかる体積測定装置は被測定物を収める測定容器の密閉を確実に行うことができない構成であるために、測定容器の内部の気体の圧力変化を正確に測定することができず測定精度が低くなるとの問題がある。

また、上記の問題を避け正確な測定を実施しようとした場合には、測定者は装置準備の際に測定容器の開口部とシール機構部との間に隙間が生じないように、注意深く作業を進めることが必要になるとともに、測定中には測定容器内から外部に対する気体の流出あるいは外部から測定容器内への気体の流入の有無を絶えず注意していなければならない。そのため、準備および測定作業に時間を要することになり、作業効率が落ちるとの問題も生じる。

本発明は、このような課題を有効に解決することを目的としており、具体的には、測定作業を短時間で効率良く進めることができる上に、測定精度の高い体積測定装置を提供することを目的とする。

本発明は、かかる目的を達成するために、次のような手段を講じたものである。

すなわち、本発明の体積測定装置は、被測定物を内部に収めた状態で密閉空間を形成することが可能な密閉空間形成手段と、前記密閉空間の容積を変化させる容積変化手段と、前記密閉空間内の気体の圧力を測定する圧力測定手段と、前記容積変化手段を動作させ、当該容積変化手段による容積変化の前後において前記圧力測定手段より得られる圧力測定値を基にして前記被測定物の体積値を決定する制御部とを備えたものであって、前記密閉空間形成手段が開口部を形成された容器と、前記開口部をシール部材を介して閉止する閉止部材とを具備しており、前記制御部が前記容積変化手段によって前記密閉空間の容積を複数段階に分けて増加させるとともに、第１段階の容積変化によって前記密閉空間内の圧力を低下させた後に行う第２段階以降の容積変化の前後で得られた圧力測定値を基にして前記被測定物の体積値を決定するように構成されていることを特徴とする。

このように構成すると、容器の開口部とシール部材および閉止部材との間の密着性が不十分な状態であっても、第１段階の容積変化に伴う密閉空間内の圧力の低下によって、開口部とシール部材および閉止部材との密着性が高まり、密閉空間内部の気体を外部の気体との間でほぼ確実に遮断した状態とすることができる。そして、それ以後に行われる第２段階以降の容積変化の前後で測定された圧力測定値を基にして体積値を決定するようにしているため、体積測定の精度を向上させることができる。また、測定作業の準備段階において、特段、開口部とシール部材および閉止部材との間の密着状態に注意を払うことなく作業を行っても精度の高い測定を行うことができるため、測定に要する時間を短縮することが可能となる。

また、測定作業の効率および測定精度を向上させるとの上記の効果をより高めるためには、密閉空間内部の気体と外部の気体との間で適切に遮断が行われているかどうかを判定し、遮断ができておらず適切に測定が行えない場合には操作者に再測定を促すようにすることが好ましく、前記第１段階の容積変化の後から第２段階の容積変化が開始されるまでの間に前記圧力測定手段によって得られる前記密閉空間内の気体の圧力測定値が所定値を越える場合、または各段階の容積変化から所定時間が経過するまでに前記圧力測定手段によって得られる前記密閉空間内の気体の圧力測定値の変化量が所定値を越える場合に測定エラー信号を出力する測定エラー判定部を前記制御部が備えるようにして構成することが好適である。

また、体積測定値は内部の圧力変化に伴う容器や配管等の変形などの機器特性要因や、大気圧や気温、湿度等の外的要因によって影響を受けるために、それらの影響を排除すべくあらかじめ既知の条件で校正用データを取得しておくことが望ましいため、前記圧力測定手段による圧力測定値と被測定物の体積値との関係が機器特性や環境に応じた所定の関係となるように補正を行うための校正用データを得る校正モードを備えているとともに、前記制御部が前記密閉空間内に被測定物を収めていない状態、または既知の体積値を有する校正用部材を収めた状態における前記圧力測定手段による圧力測定値を基にして校正用データを作成する校正用データ作成部と、当該校正用データ作成部によって作成された校正用データを記憶する校正用データ記憶部とを備えており、前記体積決定部が前記圧力測定手段より得られる圧力測定値に加えて前記校正用データ記憶部に記憶された校正用データを基にして前記被測定物の体積値を決定するように構成することが好適である。

さらに、より一層測定精度を高めるためには、校正用データを取得する際の圧力測定においても、実際の測定時と同一の動作で行わせるようにすることが好ましいため、前記校正用データ作成部が、前記容積変化手段を通じて前記密閉空間の容積を複数段階に分けて増加させた際に、第１段階の容積変化以降に行う容積変化の前後で得られた圧力測定値を基にして、前記体積決定部に前記校正用データを作成するように構成されていることがなお好適である。

また、簡単かつ精度良く密閉空間内の容積を変化させることを可能とするためには、前記容積変化手段が、前記容器または前記閉止部材に取り付けられて前記密閉空間内と連通する配管に接続されたシリンダと、当該シリンダを構成するピストンを往復動させるためのモータとを備えているように構成することが好適である。

以上説明した本発明によれば、測定作業を効率良く進めることができる上に、測定精度の高い体積測定装置を提供することが可能となる。

本発明の一実施形態に係る体積測定装置のシステム構成図。 同体積測定装置を構成する容器の内部に被測定物を収める際の模式図。 同体積測定装置を用いて測定を行う際の動作を示す模式図。 同体積測定装置を用いて測定を行う際の処理手順を示すフローチャート。 同体積測定装置を用いて測定を行う際の容器内の気体の圧力変化の例を示したグラフ。 本発明の体積測定装置の機器部を変形した例を示す模式図。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。

図１に示すように、この実施形態の体積測定装置１は、大きくは機器部１１と、機器部１１の動作を制御するとともに機器部１１によって得られた測定データを基にして体積値の演算を行う制御部１２から構成されている。また、制御部１２には、測定者との間で情報を授受するための入力部７０、表示部７５および報知部７７が接続されている。

そして、機器部１１は、被測定物２を収めた状態で密閉空間を形成する密閉空間形成手段３と、その密閉空間の内部の容積を変化させる容積変化手段４と、密閉空間内の気体である空気１３の圧力を測定するための圧力測定手段５とから構成されている。

さらに、密閉空間形成手段３は、プレート状に構成された閉止部材としてのベース３２と、ベース３２の上に設けられたシール部材３３と、直方体状に構成され被測定物２に被せるようにして設けられた容器３１とから構成される。

図２に示したように、体積の測定のため被測定物２を機器部１１の内部に収める際には、被測定物２をベース３２の上面３２ａの上に載置させた状態で、下側に開口部３１ａを形成された容器３１を上側より被せていき、シール部材３３を介してベース３２の上面３２ａに当接させた状態とする。容器３１には容積変化手段４および圧力測定手段５が連結するようにして設けられているために、これらは一体化された状態となって移動できるように構成されている。

また、シール部材３３はシリコンゴム等の弾性体によって形成されるとともに、容器３１の開口部３１ａの全周に渡って密着できる形状とされていることで、ベース３２と合わせて容器３１の開口部３１ａ全体を閉止することができるように構成されている。そのため、上記のようにして容器３１をベース３２の上面３２ａに、シール部材３３を介して当接させるようにすることで、ベース３２はシール部材３３を介して容器３１の開口部３１ａを閉止するための閉止部材として機能して、内部に気体としての空気１３を閉じ込めた密閉空間が形成される。

図１にもどって、機器部１１の構成要素としての容積変化手段４は、シリンダ４１と、そのシリンダ４１を構成するピストンを往復動させるためのモータ４２と、シリンダ４１の内部と容器３１の内部とを連通するシリンダ用配管４３とから構成されている。モータ４２にはステッピングモータが用いられ、制御部１２からの指令によって動作し、シリンダ４１のピストンを動かして細かくシリンダ４１の内容積を変更することができるようになっている。シリンダ４１はシリンダ用配管４３を通じて容器３１の内部と連通された状態となっているため、シリンダ４１を動かすことによって、容器３１の内部に空気１３を送り込んだり、容器３１の内部より空気１３を吸引したりすることが可能となっている。

さらに、機器部１１の構成要素としての圧力測定手段５は圧力計５１と、その圧力計５１と容器３１の内部とを連通する圧力計用配管５２とから構成されている。圧力計５１は容器３１の内部の空気１３の圧力を測定することができるように構成されており、図示しない電源部より電源を供給されるとともに、アナログもしくはデジタルの電気信号で圧力の測定値を制御部１２に向けて出力できるようにされている。

上述したように、容器３１の開口部３１ａ（図２参照）が閉止部材としてのベース３２によって閉止されている状態となった場合に密閉空間が形成されるが、詳細には、ここでいう密閉空間とは容器３１とベース３２との間で形成される空間に、シリンダ４１、シリンダ用配管４３、圧力計５１および圧力計用配管５２の内容積を加えたものになる。これらのうちシリンダ用配管４３、圧力計５１および圧力計用配管５２の内容積は、ほぼ一定値とみることができるが、シリンダ４１の内容積は上記の通りピストンの動作によって変更されるものであるため、その分密閉空間の内容積は変更されることになる。

なお、本発明において述べる密閉空間とは、上記のようにして形成される空間そのものをいい、完全に外部との遮断がなされて真の意味での密閉が実現できているか否かを問題とするものではない。

本体積測定装置１は、上述のように容器３１等によって形成された密閉空間の容積を、容積変化手段を構成するシリンダ４１の動作によって変化させ、その容積変化の前後における容器３１内部の空気１３の圧力を測定することによって、内部の被測定物２の体積を測定しようとするものである。

そのため、入力部７０から与えられる測定者からの命令に基づいて、上記の機器部１１を動作させるとともに、測定値から適宜演算を行った結果を出力するため、制御部１２は次のように構成されている。

まず制御部１２と接続されている入力部７０を通じて、適宜動作モード変更にかかる指令や、測定や演算に必要な情報および具体的な動作命令が基本指令部７１に与えられる。基本指令部７１では、入力部７０より与えられた指令に基づき、校正モードまたは測定モードのいずれかの動作モードで、各部に対して動作命令や、測定値に基づく演算、表示を行わせる命令を与えるように構成されている。校正モードと測定モードの選択は測定者によって行い、入力部７０を通じて指定することができるように構成されており、基本指令部７１ではモードに応じた動作指令を各部に与える。

校正モードとは、実際の体積測定に先駆けて、室温、大気圧、湿度、機器部１１の経時変化等の要因による影響分を把握して、測定誤差を排除するためのものであり、圧力測定値と被測定物の体積値との関係を機器特性や環境に応じた所定の関係となるように補正を行うための校正用データを得るための動作モードということができる。

この校正モードを使用する場合には、容器３１の内部に被測定物２を入れない状態、あるいは、被測定物２の代わりに既知の体積値を有するアルミブロックで形成した校正用部材を入れた状態で、体積測定時と同様の動作および測定を行わせることによって校正用データを作成する。測定者は、内部に収容させる対象物がない場合にはその旨、校正用部材を収容させる場合には、その体積値を入力部７０より入力する。なお、使用する校正用部材が限定されている場合には、それらの体積値を内部メモリに保存しておき、その中から選択して呼び出すようにして構成しても良い。

測定モードにおける体積測定にあたっては、基本指令部７１からは密閉空間内の容積を変化させるためにモータ制御部７２に命令を出力する。モータ制御部７２はその命令に合致するように具体的な指令値を定めてモータ４２の動作を制御する。

また、基本指令部７１からは、圧力測定が必要となるタイミングでもって圧力測定部７３に対して命令を出力し、圧力測定部７３においてはその際に得られた圧力計５１による圧力測定値を体積決定部７４に対して出力できるようになっている。

体積決定部７４は、圧力測定部７３より入力された圧力測定値に加えて、基本指令部７１から与えられる容積変化量のデータおよび校正用データ記憶部７９に記憶された校正用データを与えられて、被測定物２の体積値を演算して決定し、出力できるように構成されている。なお、演算を行わせることなく、圧力測定値に応じてデータテーブルから選択するようにして被測定物２の体積値を決定するように構成することも可能である。

また、基本指令部７１から得られる容積変化の時間データと、圧力測定部７３から得られる圧力測定値とから、適切に密閉状態が形成できているかを判別し、密閉状態が形成できていないと判断した際には、測定エラー信号を出力する測定エラー判定部７６を備えており、測定エラー信号が出力された際には、制御部１２に接続されている表示部７５では測定エラー表示がなされるとともに、同様に制御部１２に接続されている報知部７７ではエラー音、エラーランプの点灯等の手段によって報知される。これらの手段によって、測定者に対してエラーの発生を通知することができるようになっている。

なお、上記の表示部７５は、エラー表示だけではなく、体積決定部７４より得られる体積値や、基本指令部７１からの得られる種々の動作状況を表示できるように構成されている。

校正用データを取得する際には、入力部７０より校正モード実行の命令が与えられ、基本指令部７１よりそれに合致した命令が各部に出力されるとともに、校正用データ作成部７８に対して必要なデータを取り込んで校正用データを作成するように命令される。この際にも、通常の体積測定と同様に、モータ制御部７２によってモータ４２を通じてシリンダ４１が動作され、その時の圧力測定結果が圧力測定部７３を通じて校正用データ作成部７８に対して入力される。

校正用データ作成部７８は、基本指令部７１から得られる校正用部材の体積データと、圧力測定部７３を通じて得られた圧力測定値を基にして、校正用データを作成する。質量の異なる校正用部材を用いて同様の測定を繰り返すことによって、より精度の高い校正用データを作成する場合もある。

上記のようにして作成された校正用データは校正用データ記憶部７９に出力されて、ここで記憶される。校正用データは上述したように実際の体積測定の際に体積決定部７４より呼び出されて使用されることで、より高精度に体積値を求めることができるようになっている。

ここで、上記のように気体の圧力の変化を利用して、被測定物２の体積を測定する原理について説明する。

まず、図１のように内容積がＶ０である密閉空間の中に、体積Ｖｘの被測定物２を収容させた状態とする。このとき、密閉空間内に閉じ込められる空気１３の体積は（Ｖ０−Ｖｘ）で表される。また、この際の密閉空間内の空気１３の圧力はＰ０で表され、圧力計５１によって測定される。

この後、図３（ａ）のようにシリンダ４１を動作させ密閉空間内の内容積をＶ１に増加させる。このとき、密閉空間内に閉じ込められる空気１３の体積は（Ｖ１−Ｖｘ）で表される。また、この際の密閉空間内の空気１３の圧力はＰ１で表される。

このようにして、密閉空間内の容積が変化した際において、容器３１の内部の密閉状態が完全に保たれて外部との空気の授受がないものであり、かつ、温度変化が無いとの条件では、一般によく知られているボイルの法則より次の関係が導かれる。
Ｐ０（Ｖ０−Ｖｘ）＝Ｐ１（Ｖ１−Ｖｘ） ………………………………数式（１）

さらに、密閉空間内の容積の増加量は、シリンダ４１の内容積の増加量ΔＶａとしてモータ４２を駆動することで正確に与えることができるため、
Ｖ１＝Ｖ０＋ΔＶａ …………………………………………………………数式（２）
の関係がある。

以上の数式（１）、数式（２）より、下記の関係式が得られる。
Ｐ０（Ｖ０−Ｖｘ）＝Ｐ１（Ｖ０＋ΔＶａ−Ｖｘ） ……………………数式（３）

これを変形することで次のようにして、Ｖｘが求められる。
Ｖｘ＝Ｖ０−ΔＶａ・Ｐ１／（Ｐ０−Ｐ１） ……………………………数式（４）

また、上記の関係は、図３（ａ）の状態を基準として、図３（ｂ）のようにさらにシリンダ４１の内容積をΔＶｂ増加させて、密閉空間の内容積をＶ２に増加させた場合にも当てはまる。そのため、この時の内部の空気１３の圧力をＰ２として測定すると、次式の関係が得られる。
Ｖｘ＝Ｖ１−ΔＶｂ・Ｐ２／（Ｐ１−Ｐ２） ……………………………数式（５）

密閉空間内に閉じ込められる空気１３が、外部との間でほぼ確実に遮断された状態であれば、数式（４）によっても数式（５）によっても同様に、被測定物２の体積Ｖｘを求めることが可能である。また、この数式（４）や数式（５）と同じような容積変化の関係は、シリンダ４１のストロークが許す限り、何段階においても得ることができ、容積の変化量および内部の圧力が分かれば、どの段階の容積変化の関係を用いても被測定物２の体積Ｖｘを求めることが可能である。こうした性質を利用して、同一の被測定物２を容器３１の内部にセットしたままの状態で、複数の段階に分けて同一の被測定物２に関して測定を繰り返して行い、それぞれの段階で得られた体積Ｖｘを平均化するなどして、誤差を少なくすることも可能である。

なお、被測定物２の体積Ｖｘを求めるにあたり、密閉空間内の容積を増加させつつ、その際の圧力変化を利用する手法について述べたが、原理的には密閉空間内と外部との遮断が十分にできている限りボイルの法則による関係は成立するため、密閉空間内の容積を減小させながら、同様にして被測定物２の体積Ｖｘを求めることが可能である。

しかしながら、密閉空間内の容積を減小させながら測定を行う場合には、当該密閉空間内の圧力が上昇していくため、外部との間のシールが不十分になる傾向にある。本実施形態における体積測定装置１では、図１のように、容器３１を利用してシール部材３３を介してベース３２に当接させることで密閉空間を形成しており、初期段階では容器３１およびこれに連結された部材による自重によってシールされる構成となっている。

そのため、装置準備を簡便に行うことはできるが、ボルト締めなどによって外圧を作用させて強力にシールを行わせる構成とはなっていないために、測定条件によってはシールが不十分となってしまう場合が想定される。例えば、上記のように密閉空間内の容積を減小させる方向で測定を行わせようとすると、容器３１に対して上向きの力が作用してシール部材３３との間で隙間が生じ、内部の空気１３が漏れ出す可能性がある。

そのため、本実施形態の圧力測定装置１は、測定開始前にはシリンダ４１の内容積を小さくしておき、測定の開始とともに、シリンダ４１の内容積をΔＶａ増加させる方向に動作させるようにしてある。こうすることで、容器３１の内部の圧力が低下して容器３１に対して下向きの力が作用するため、より容器３１とシール部材３３との密着力を高めて、強力にシールができるようになる。

このように動作させることで、測定準備の段階で容器３１とベース３２との間のシールが不十分であった場合にも、自動的にシール力が増加してほぼ確実に外部との遮断がなされた密閉状態を形成することができる。例えば、初期段階でゴミの噛み込みや、部材間の位置ズレによって測定者が判別できないような隙間が生じていた場合にも、僅かな空気の流入はあるものの、内部の圧力の低下に伴ってほぼ確実に密閉状態が形成できるようになる。

従って、本実施形態の体積測定装置１においては、測定にあたって、シリンダ４１の内容積を増加させるように構成することで、密閉空間内の圧力を減少させるようにするとともに、シリンダ４１の内容積の増加を複数段階で行えるようにして、第１段階の内容積の増加によって適切な密閉状態を形成し、第２段階以降の内容積の増加に伴う圧力の変化によって体積の測定を行うようにしてある。このようにしているために、測定者は特段、装置準備の段階で、密閉状態が適切に形成できているかについて注意を払うことなく作業を進めることができるため、作業効率が高くなる。

具体的には、図４に示すフローチャートに従って、測定を進めるように構成してある。この際の、密閉空間内の気体の圧力の変化を図５に示す。

以下、図４および図５を基にして具体的な測定動作について説明を行う。

まず、測定者は装置内部に被測定物２（図１参照）を収めた状態とした上で動作命令を与える。

そうすると、最初に、初期状態における密閉空間内の圧力（Ｐ０）を測定する（ＳＴ００１）。この圧力（Ｐ０）はほぼ大気圧に等しいものである。

測定完了後に、第１段階の体積変化としてシリンダ４１（図１参照）を動作させて、密閉空間内の容積をΔＶａ増加させる（ＳＴ００２）。このとき、密閉空間内の圧力は図５における図中の点Ａから点Ｂのように減少していく。点Ｂにおいては、シリンダ４１（図１参照）に与える動作命令は停止しているものの、各部材の変形および安定化のために圧力は若干上昇する。

このとき、シールが不十分である場合には、内部の圧力は不安定な状態となり、大気圧とほぼ等しい初期の圧力Ｐ０に向けて増加するように変化している。そのため、当該圧力の変化量が、事前に所定値として定めてある閾値以内となっているかを判定し（ＳＴ００３）、当該閾値を越えている場合には、エラー判定がなされてエラーの報知が行われる（ＳＴ０１２）。具体的には、図５における図中の点Ｂでの圧力値を基準として、刻々と変化する圧力値との間の圧力差を変化量として求めて、当該変化量が所定値以下となっているかを判定し、これを越えた場合にはエラー判定を行うようにしてある。

圧力の変化量が所定値以内であるかの判定は、シリンダ４１（図１参照）の動作完了から所定時間ｔ１が経過するまで繰り返し行い（ＳＴ００４）、所定時間ｔ１が経過した時点の圧力をＰ１として測定し、記録する（ＳＴ００５）。

この時、初期の時点との圧力差（Ｐ０−Ｐ１）が、事前に所定値として定めてある閾値以上になっているかを判定する（ＳＴ００６）。圧力差（Ｐ０−Ｐ１）が小さいということは、ほとんどシールができていない状態を意味するため、圧力差（Ｐ０−Ｐ１）が閾値より小さいときにもエラー判定がなされて、エラーの報知が行われる（ＳＴ０１２）。なお、Ｐ０は大気圧とほぼ等しいために、圧力差（Ｐ０−Ｐ１）が所定値以上であるかとの判定は、実際にはＰ１が所定値以下となっているかとの判定とほぼ等しいものといえる。そこで、これらは同義のものとして、総じて所定時間ｔ１経過時点で測定された圧力Ｐ１が所定値を越える場合にはエラー判定を行うものとして扱う。

ここでエラー判定がなされなければ、測定を継続するべく第２段階の体積変化として、シリンダ４１（図１参照）を動作させて、密閉空間内の容積をΔＶｂ増加させる（ＳＴ００７）。この場合においても、第１段階の体積変化後の場合と同様に、圧力の変化量が所定値として事前に定めている閾値以内となっているかを判定し（ＳＴ００８）、その閾値を越えている場合にはエラーを報知（ＳＴ０１２）するようになっている。また、このエラー判定も、シリンダ４１（図１参照）の動作完了から所定時間ｔ２が経過するまで繰り返し行い（ＳＴ００９）、所定時間ｔ２が経過した時点の圧力をＰ２として測定し、記録する（ＳＴ０１０）。

このようにして、密閉状態が適切に形成できているかについて、装置の側で自動的に判別し、不適当な状態であれば測定エラー信号が発せられるために、装置準備に特段、注意を払うことなく作業を進めたとしても、測定に問題は生じずより作業効率が高くなる。

このようにして得られたＰ１、Ｐ２のデータおよび、事前に入力されたＶ１、ΔＶｂのデータを基にして、数式（５）によって体積Ｖｘを求める（ＳＴ０１１）。

体積Ｖｘの算出は、上記のようにして適切に密閉状態が形成できていると判断できた場合の圧力測定値を利用して行うために、測定精度を向上させることができる。

なお、上述した校正モードによって校正用の計算式を事前に得ている場合には、Ｖ１、ΔＶｂのデータを入力することなく、さらに精度良く体積Ｖｘを求めることが可能である。

すなわち、理想状態の式である数式（５）を基にして、実際の気温、大気圧、湿度、密閉空間の内容積の誤差、シリンダ内容積の誤差、および各部の変形を考慮した現実の式として、次のように近似することができる。
Ｖｘ＝ａ＋ｂ・Ｐ２／（Ｐ１−Ｐ２） ……………………………………数式（６）
ここで、ａおよびｂはそれぞれ、校正モードによって求めることが必要な係数である。

上述したように、校正モードでは被測定物を挿入しない状態、あるいは、既知の体積値を有するアルミブロックで形成した校正用部材を被測定物のかわりに用いた状態で複数回測定動作を行わせて、数式（６）における係数ａ、ｂを求める。このようにして、事前にａ、ｂの係数を求めておけば、同じ動作を再現させてＰ１、Ｐ２を測定するのみで、数式（６）により体積Ｖｘを求めることが可能となる。

また、数式（６）よりも、より精度が要求される際には、次のようにＰ１、Ｐ２に比例する項を増やした近似式を用いることも考えられる。
Ｖｘ＝ａ＋ｂ・Ｐ２／（Ｐ１−Ｐ２）＋ｃ・Ｐ１＋ｄ・Ｐ２……………数式（７）

ここで、ａ〜ｄは校正モードによって求めることが必要な係数である。

この場合には、未知の係数が数式（６）の場合に比べて多いために、校正モードで要する時間が長くなるとの短所があるものの、係数ａ〜ｄが決定された後には、より精度の高い測定ができるとの長所がある。

なお、上述の校正モードによる測定は、実際の測定と同じ動作とすることが高い精度を得るために必要である。そのため、実際の測定と同じ体積変化を行わせるためにシリンダ４１への制御指令を同一にし、同じ回数の段階に分けた動作を行わせるとともに、圧力値の測定タイミングも同じようにすることが肝要である。

上記のようにして、図１におけるシリンダ４１の内容積を２段階で変化させて、その２段階目の体積変化の前後における密閉容器内の圧力をそれぞれ測定して、これを用いた演算を行うことで精度良く被測定物２の体積Ｖｘを求めることができる。

また、上述したように、シリンダ４１（図１参照）の内容積を３段階以上に増加させることによって、２段階目の体積変化前後の圧力より体積Ｖｘを求めるだけではなく、３段階目の体積変化前後、４段階目の体積変化前後等、各段階の体積変化における前後での圧力を測定することで、各々体積Ｖｘを求めることが可能となる。さらに、これらを平均化することで、より精度良く体積Ｖｘを求めることが可能となる。

以上のように、本実施形態の体積測定装置１は、被測定物２を内部に収めた状態で密閉空間を形成することが可能な密閉空間形成手段３と、前記密閉空間の容積を変化させる容積変化手段４と、前記密閉空間内の気体の圧力を測定する圧力測定手段５と、前記容積変化手段４を動作させ、当該容積変化手段４による容積変化の前後において前記圧力測定手段５より得られる圧力測定値を基にして前記被測定物２の体積値を決定する制御部１２とを備えたものであって、前記密閉空間形成手段３が開口部３１ａを形成された容器３１と、前記開口部３１ａをシール部材３３を介して閉止する閉止部材３２とを具備しており、前記制御部１２が前記容積変化手段４によって前記密閉空間の容積を複数段階に分けて増加させるとともに、第１段階の容積変化によって前記密閉空間内の圧力を低下させた後に行う第２段階以降の容積変化の前後で得られた圧力測定値を基にして前記被測定物２の体積値を決定するように構成されていることを特徴とするものである。

このようにして構成されているため、装置の準備段階において容器３１の開口部３１ａとシール部材３３および閉止部材であるベース３２との間の密着性が不十分な状態であっても、第１段階の容積変化に伴う密閉空間内の圧力の低下によって、開口部３１ａとシール部材３３およびベース３２との密着性が高まり、密閉空間内部の気体を外部の気体との間でほぼ確実に遮断した状態とすることができる。そして、それ以後に行われる第２段階以降の容積変化の前後で測定された圧力測定値を基にして体積値を出力することで、体積測定の精度を向上させることができる。また、特段、開口部３１ａとシール部材３３およびベース３２との間の密着状態に注意を払うことなく作業を行っても精度の良い測定を行うことができるため、測定に要する時間を短縮することが可能となる。

さらに、前記第１段階の容積変化の後から第２段階の容積変化が開始されるまでの間に前記圧力測定手段５によって得られる前記密閉空間内の気体１３の圧力測定値が所定値を越える場合、または各段階の容積変化から所定時間が経過するまでに前記圧力測定手段５によって得られる前記密閉空間内の気体１３の圧力測定値の変化量が所定値を越える場合に測定エラー信号を出力する測定エラー判定部７６を前記制御部１２が備えているように構成してあるため、密閉空間内部の気体１３と外部の気体との間でほぼ確実に遮断が行われているかどうかを判定し、遮断ができていないため適切に測定が行えない場合には操作者に再測定を促すことが可能となるため、結果として測定精度を向上させることが可能となる。

また、前記圧力測定手段５による圧力測定値と被測定物２の体積値との関係が機器特性や環境に応じた所定の関係となるように補正を行うための校正用データを得る校正モードを備えているとともに、前記制御部１２が前記密閉空間内に被測定物２を収めていない状態、または既知の体積値を有する校正用部材を収めた状態における前記圧力測定手段５による圧力測定値を基にして校正用データを作成する校正用データ作成部７８と、当該校正用データ作成部７８によって作成された校正用データを記憶する校正用データ記憶部７９とを備えており、前記体積決定部７４が前記圧力測定手段５より得られる圧力測定値に加えて前記校正用データ記憶部７９に記憶された校正用データを基にして前記被測定物２の体積値を決定するように構成しているため、内部の圧力変化に伴う容器３１や配管４３、５２等の変形などの機器特性要因や、大気圧や気温、湿度等の外的要因による影響を排除するための校正用データを事前に取得しておき、そのデータを用いることで圧力測定値の補正を行うことができ、より体積測定の精度を向上させることができる。

また、前記校正用データ作成部７８が、前記容積変化手段４を通じて前記密閉空間の容積を複数段階に分けて増加させた際に、第１段階の容積変化以降に行う容積変化の前後で得られた圧力測定値を基にして、前記体積決定部７４に前記校正用データを作成するように構成されているため、校正用データを取得する際の圧力測定を実際の測定時と同様の動作で行わせることができ、より一層測定精度を高めることが可能となる。

さらに、前記容積変化手段４が、前記容器３１または前記閉止部材３２に取り付けられて前記密閉空間内と連通する配管４３に接続されたシリンダ４１と、当該シリンダ４１を構成するピストンを往復動させるためのモータ４２とを備えるようにして構成してあるため、簡単かつ精度良く密閉空間内の容積を変化させることが可能となり、体積測定の精度を向上させることが可能となる。

なお、各部の具体的な構成は、上述した実施形態のみに限定されるものではない。

例えば、密閉空間内に収められている気体である空気１３の代わりとして、窒素等の不活性ガスなど別の気体を用いることも可能であり、被測定物の種類に応じて適宜選択して使用することができる。

また、上述の実施形態においては、測定によって得られた圧力データを基に、その都度体積値を求めるための演算を行うように構成していたが、圧力値に対応する体積値が分かるようにデータテーブル化して記憶しておくようにすれば、圧力測定値に対応したデータを読み取ることで演算を行わせることなく素早く体積値を把握して表示させるようにすることもできる。

また、上述の実施形態においては、容積変化手段４および圧力測定手段５を容器３１の側に連結するようにして構成していたが、これらをベース３２の側に設けるようにして構成することも可能である。また、シリンダ用配管４３や圧力計用配管５２を弾性のある長いタイプのものとして、容器３１等の移動に伴ってシリンダ４１や圧力計５１を移動させないように構成することも可能である。

さらには、図６に示す体積測定装置２０１のように、上向きに開口部２３１ａを有する容器２３１と、その開口部２３１ａシール部材２３３を介して閉止する閉止部材としての蓋２３２として構成することも可能である。この場合においても、上述の実施形態と同様に、容積変化手段２０４としてシリンダ２４１と、これを動作させるモータ２４２と、シリンダ用配管２４３とを設け、圧力測定手段２０５として圧力計２５１と、圧力計用配管２５２とを設ける。そして、シリンダ用配管２４３と、圧力用配管２５２とは、各々容器２３１の下側より容器内部に連通するように構成する。こうした構成であっても、上述した実施形態と同じ動作を行わせて、同じ作用効果を得ることが可能である。

その他の構成も、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

１…体積測定装置
２…被測定物
３…密閉空間形成手段
４…容積変化手段
５…圧力測定手段
１１…機器部
１２…制御部
３１…容器
３２…ベース（閉止部材）
３３…シール部材
４１…シリンダ
４２…モータ
４３…シリンダ用配管
５１…圧力計
５２…圧力計用配管

Claims (5)

1. 被測定物を内部に収めた状態で密閉空間を形成することが可能な密閉空間形成手段と、
   前記密閉空間の容積を変化させる容積変化手段と、
   前記密閉空間内の気体の圧力を測定する圧力測定手段と、
   前記容積変化手段を動作させ、当該容積変化手段による容積変化の前後において前記圧力測定手段より得られる圧力測定値を基にして前記被測定物の体積値を決定する制御部と
   を備えた体積測定装置であって、
   前記密閉空間形成手段が開口部を形成された容器と、
   前記開口部をシール部材を介して閉止する閉止部材とを具備しており、
   前記制御部が前記容積変化手段によって前記密閉空間の容積を複数段階に分けて増加させるとともに、第１段階の容積変化によって前記密閉空間内の圧力を低下させた後に行う第２段階以降の容積変化の前後で得られた圧力測定値を基にして前記被測定物の体積値を決定するように構成されていることを特徴とする体積測定装置。
2. 前記第１段階の容積変化の後から第２段階の容積変化が開始されるまでの間に前記圧力測定手段によって得られる前記密閉空間内の気体の圧力測定値が所定値を越える場合、または各段階の容積変化から所定時間が経過するまでに前記圧力測定手段によって得られる前記密閉空間内の気体の圧力測定値の変化量が所定値を越える場合に測定エラー信号を出力する測定エラー判定部を前記制御部が備えていることを特徴とする請求項１に記載の体積測定装置。
3. 前記圧力測定手段による圧力測定値と被測定物の体積値との関係が機器特性や環境に応じた所定の関係となるように補正を行うための校正用データを得る校正モードを備えているとともに、
   前記制御部が前記密閉空間内に被測定物を収めていない状態、または既知の体積値を有する校正用部材を収めた状態における前記圧力測定手段による圧力測定値を基にして校正用データを作成する校正用データ作成部と、
   当該校正用データ作成部によって作成された校正用データを記憶する校正用データ記憶部とを備えており、
   前記体積決定部が前記圧力測定手段より得られる圧力測定値に加えて前記校正用データ記憶部に記憶された校正用データを基にして前記被測定物の体積値を決定することを特徴とする請求項１または２に記載の体積測定装置。
4. 前記校正用データ作成部が、前記容積変化手段を通じて前記密閉空間の容積を複数段階に分けて増加させた際に、第１段階の容積変化以降に行う容積変化の前後で得られた圧力測定値を基にして、前記体積決定部に前記校正用データを作成するように構成されていることを特徴とする請求項３に記載の体積測定装置。
5. 前記容積変化手段が、前記容器または前記閉止部材に取り付けられて前記密閉空間内と連通する配管に接続されたシリンダと、当該シリンダを構成するピストンを往復動させるためのモータとを備えていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の体積測定装置。

Images