JP3923330B2

JP3923330B2 - 流体温度の音響測定アレンジメントおよび方法

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Publication number: JP3923330B2
Application number: JP2002031161A
Authority: JP
Inventors: ワレンラース; スコッグイェラン
Original assignee: Maquet Critical Care AB
Current assignee: Maquet Critical Care AB
Priority date: 2001-02-07
Filing date: 2002-02-07
Publication date: 2007-05-30
Anticipated expiration: 2022-02-07
Also published as: JP2002286559A; US6786633B2; EP1231456A1; US20020105999A1; SE0100379D0; EP1231456B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体の温度、特に組成が不明な気体の温度を音響的に測定するアレンジメントおよび方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の、熱電対、サーミスタおよび抵抗温度計等の非音響的な温度センサは、自らの温度をモニターすること、例えば、温度により誘導された、それらが製造されている材料の電気的特性の変化を監視することによって動作するため、一般に、温度を監視しようとしている気体の組成に対しては感度が低い。しかし、一般に、従来の温度センサの時間定数は比較的に長い（数秒のオーダ）ため、一般的に急激な温度変化に対して感度が低い。
【０００３】
音響温度センサは、音波、典型的には超音波が、組成が既知の流体を通過する伝搬時間を測定する方法に従って動作することが知られており、その流体中の音響速度は伝搬時間ｔと伝搬長Ｌとの間の既知の関係に従って得られる。この関係は以下の式ににより表すことができる。
【０００４】
Ｖ＝Ｌ／ｔ（１）
次に、例えば以下の式（２）により表される周知の関係を用いてこの流体の温度が求められる。音響温度センサの時間定数は比較的に短い（約数ミリ秒のオーダ）ため、流体の瞬間的な温度を効果的に測定する。これによりこの種のセンサは、例えば流体内の相応する急激かつ一時的な圧力のゆらぎにより誘発される流体系の急激かつ一時的な変化を測定するのに十分適したものとなる。しかし、音響速度はそれが伝搬する流体の組成に左右されることも知られているため、音響温度センサは温度を監視しようとしている流体の組成に対して感度が高い。
【０００５】
知られている音響測定センサは機能的には、温度が測定される流体内の音響速度を監視する手段と、モニターされた速度に関連する出力信号を発生する手段とから構成されている。プロセッサがこの手段に接続され、前記出力信号を受信し、流体の温度Ｔと音響速度（例えば、前記の式（１）を用いて得られる）との間の周知の関係に基づいてその流体の温度が算出される。この関係は以下の式により表すことができる。
【０００６】
Ｔ＝ｋＶ^２（２）
ここで、ｋは流体の組成に関連する定数を表している。
【０００７】
典型的には、出力信号を生成する手段は、音響信号トランスミッタと、該トランスミッタに関連して設置され、音響信号が流体を介して所定の距離伝搬した後にこのトランスミッタから音響信号を受信する相補形音響信号レシーバと、該レシーバによる音響信号の受信に応答してトランスミッタとレシーバとの間の音響信号の伝搬時間を測定し、かつこの伝搬時間を表す信号を前記プロセッサに供給する、前記レシーバに接続されたタイミング装置とから構成されており、プロセッサでこの信号が流体温度の算出に使用される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従来の技術に比べて一層改善された、瞬間的な流体温度を音響測定するためのアレンジメントおよび方法を提供することである。
【０００９】
【問題を解決するための手段】
本発明の第１のカテゴリーによれば、請求項１の上位概念において規定されかつ請求項の特徴部分において特徴付けられている瞬間的な流体温度を音響測定するためのアレンジメントが提供される。
【００１０】
急激な温度の変動に対して感度の低い従来の非音響的温度センサを用い、流体温度を直接感知することによって温度が提供され、監視された音響速度に基づいてその流体の組成に関する情報が引き出され、かつ瞬間的な流体温度の測定に使用される。このため、流体の組成が不明であるか、時間と共に変化する（従来の温度センサの時間定数を超える）という状況において、本発明のアレンジメントを使用することができる。
【００１１】
【外３】

【００１２】
本発明の第２のカテゴリーによれば、本発明の請求項１に記載されかつ特徴付けられた瞬間的な流体温度の音響測定の方法が提供されており、この方法を用いることにより本発明の請求項１に記載されかつ特徴付けられたアレンジメントが動作する。このようにして、流体中の音響速度の値を得て、従来の温度センサを用いて測定された流体温度の値を得ることによって、流体の組成が不明な場合であっても、得られた音響速度の値および測定された流体温度に基づいて瞬間的な流体温度を求めることが可能になる。
【００１３】
測定された流体温度は、上記の式（２）を用いて、流体の組成に関する情報および好適には得られた温度の時間平均値を得るのに使用され、続いて、得られた音響速度に従って瞬間的な流体温度を測定するのに使用される。
【００１４】
【実施例】
次に、本発明のアレンジメントの模範的な実施例について、添付図面を参照して説明する。
【００１５】
ここで図１を参照すると、瞬間的な流体温度の音響測定のためのアレンジメントが示されており、信号処理プロセッサ４に作用接続された音響速度モニタ２と、温度が音響的に測定される流体１０の流路を定める導管８内に設けられかつ信号処理プロセッサ４と作用接続された従来の温度センサ６とから構成されている。この信号処理プロセッサ４は便宜的に、パーソナル・コンピュータ内に従来のプロセッサを備えてよく、このコンピュータは適切にプログラムされ、ここに記載した外部装置との通信を可能にするようにインタフェース・カードを備えている。
【００１６】
本発明の実施例では、従来の温度センサ６は、電気的出力をその温度に直接関連付ける知られている抵抗型の温度計から構成されているが、その代わりに、動作が流体の組成に依存しないが、流体の温度を感知するために使用されているサーミスタまたは熱電対等の知られている従来のセンサを使用してもよい。
【００１７】
音響速度モニタ２は音響温度センサの技術では周知のタイプのものであるため、その動作原理がわかる程度にだけ説明する。このモニタは送信トランスデューサ１２を備え、これは信号発生器から供給される所望の周波数の電気的信号を相応する音波、典型的には超音波に変換して導管８の流体１０に送ることができる。また、流体１０から入ってくる音響信号を相応する電気的信号に変換可能な受信トランスデューサ１６は検出器１８に接続されるようにもなっている。この検出器１８は受信トランスデューサ１６に存在する信号を表す出力を供給し、周知の零交差形検出器（ゼロクロッシング）であってよく、好適には、トランスデューサ１２が送信した１つの周波数または複数の周波数以外の受信された音響信号を区別するための弁別器回路が設けられてよい。従来のタイマ２０は信号発生器１４と検出器１８とに作用接続されていて、本実施例では信号発生器１４からタイマ２０に出力されるタイミング信号として表す、信号発生器１４による電気的信号の供給と、本実施例では検出器１８からタイマ２０に出力される検出信号として表す、受信トランスデューサ１６による信号の受信との間の経過時間を測定する。このタイマ２０は、例えば経過時間を直接示するものか、またはさらなる処理の後に算出された音響速度を直接示すものとしてのいずれかの形の、測定された経過時間に関連する出力信号を生成する。以下にさらなる詳細を示すように、タイマ２０および温度センサ６からの出力信号は信号処理プロセッサ４によって受信され、このプロセッサはこれらの信号から瞬間的な流体温度の値を測定するように適合されている。本実施例に示すように、この信号処理プロセッサは、表示装置２２を作動させて測定された瞬間的な流体温度を表示するようにさらに適合されてよい。
【００１８】
この実施例では、送信トランスデューサ１２および受信トランスデューサ１６は、この送信トランスデューサ１２から入射する音響放射線を受信トランスデューサ１６に向けて反射するように、このトランスデューサ１２および１６と対向して位置するリフレクタ要素２４に関して平行にされているトランスデューサ１２および１６は、相互間隔が実質的にはリフレクタからの距離未満になるように設けられている。このことは送信された音および反射された音が同じ経路（矢印線２６ａおよび２６ｂによりそれぞれ示されているように）に沿って効果的に伝搬することを意味している。このことは流体１０の動きの測定された速度に及ぼす影響を低減する点で重要である。これはこれで有用であるが、トランスデューサ１２および１６が導体８を介して互いに対向して設けられてもよいことは当業者には自明である。
【００１９】
さらに図１を参照して、本発明のアレンジメントを作動させる方法について図２〜図４のフローチャートも参照して説明することにする。
【００２０】
図２には基本的方法が示されている。ステップ２８は流体１０の中の音響速度を得る。このステップ２８では、流体１０を通る音響信号の通過（transit）時間ｔがモニタ２によって測定され、次に信号処理プロセッサ４まで送られて、前述の式（１）から速度Ｖの値が求められる。
【００２１】
Ｖ＝Ｌ／ｔ
ここでＬは流体１０を通る伝搬経路２６ａおよび２６ｂの長さを表し、これは所定の値であり信号処理プロセッサ４に格納されている。
【００２２】
ステップ３０では流体１０の感知された温度Ｔ_Ｓが得られる。このＳテップ３０では、従来の温度センサ６からの出力は感知された温度Ｔ_Ｓの測定値として信号処理プロセッサ６に供給される。
【００２３】
ステップ３２は瞬間的な流体温度ＴＡを測定する。このステップ３２では、信号処理プロセッサ６は前述の式（２）：
Ｔ_Ａ＝ｋＶ^２
から瞬間的な流体の温度Ｔ_Ａを測定するように動作する。
【００２４】
信号処理プロセッサ６はさらに、次式（２）に従って定数ｋの値を算出するように適合されて動作するように構成されている：
ｋ＝Ｔ_Ｓ／Ｖ^２
ステップ３２において瞬間温度Ｔ_Ａの測定に用いられる定数ｋの値は、感知された温度Ｔ_Ｓの得られた値および速度Ｖに基づいて種々の方法で算出することができる。例えば、定数ｋは、対応する前述のステップ２８および３０で得られた値である速度Ｖおよび感知された温度Ｔ_Ｓを用いて単純に計算されてよい。定数ｋの値は、例えば図３の方法ステップで示されるようなローリング値（rolling value）として算出されてよい。
【００２５】
【外４】

【００２６】
このような手法で瞬間的な温度Ｔ_Ａを測定する場合には流体の組成（故に、ｋの値）は平均化する時間間隔内では一定であるあるいは僅かしか変化しないものと仮定される。また、温度センサ６によって監視される温度Ｔ_Ｓが周期的に変動する状況において、および平均化の時間が温度センサ６の時間定数を超える場合には、平均化の時間および前記の第１の時間間隔は、好適には検知ないし測定された温度Ｔ_Ｓの周期の全数と一致するように選択される必要がある。これは、較正段階で温度Ｔ_Ｓを監視することによって容易に定めることができる。
【００２７】
ここで、図３を参照すると、図２に関して説明された方法ステップが同じ参照番号を用いて示されている。ここでは、図１のアレンジメントは、定数ｋを次の瞬間温度Ｔ_Ａの測定に用いるローリング値として算出するような構成になっている。
【００２８】
ステップ２８では、図２に関して前述したように流体１０内の音響速度Ｖが得られる。
【００２９】
ステップ３０では、図２に関して前述したように流体１０の測定された温度Ｔ_Ｓが得られる。温度センサ６の時間定数が比較的長いために、温度センサ６により出力される温度を音響速度Ｖを得る毎に獲得する必要がないことは当業者には明白であろう。
【００３０】
ステップ３４では次に使用するために定数の値を次式（２）：
ｋ＝Ｔ_Ｓ／Ｖ^２
に従って算出する。
【００３１】
ステップ３６では先のステップ３４で算出された定数ｋの値が、対応する先のステップ２８および３０でそれぞれ得られた音響速度Ｖおよび測定された温度Ｔ_Ｓの値を用いて得られる。
【００３２】
ステップ３２では瞬間的な気体の温度Ｔ_Ａが測定される。このステップ３２では、信号処理プロセッサ４は、本発明のステップ２８で得られた音響速度Ｖおよび本発明のステップ３６で得られた定数ｋの値を用いて、次式（２）から瞬間的な気体の温度Ｔ_Ａを測定するように動作する。
【００３３】
Ｔ_Ａ＝ｋＶ^２
【００３４】
【外５】

【００３５】
ステップ２８では、図２および図３に関して前述したように、流体１０の音響速度Ｖの値が信号処理プロセッサ４で得られる。
【００３６】
ステップ３０では、図２および図３に関して前述したように、流体１０の測定された温度Ｔ_Ｓの値が信号処理プロセッサ４で得られる。
【００３７】
【外６】

【００３８】
ステップ４０では経過時間ｔが所定の第１の時間間隔Ｐ_Ｔ１より小さいかどうかが決定される。この本発明の実施例では、信号処理プロセッサ４はその内部クロックの周波数に基づき当該技術では一般的な方法で、経過時間ｔの測定値としてタイミング信号を生成するように構成されている。
【００３９】
他の実施例では、このタイミング信号は、付属の装置から生成されるかトリガーされるようにしてもよい。例えば本発明のアレンジメントが知られている患者用のベンチレータシステムにおける気体温度の測定に使用される場合、時間間隔Ｐ_Ｔ１は有効的にはこのベンチレータが発生する呼吸サイクルの吸息段階または呼息段階でありかつタイミング信号はこの適切な段階でベンチレータによってトリガーされるか生成される。
【００４０】
経過時間ｔが第１の時間間隔Ｐ_Ｔ１の範囲内にある場合、経過時間がステップ４０により測定されたＰ_Ｔ１の値を上回るまでステップ２８、３０および３８が繰り返される。
【００４１】
【外７】

【００４２】
【外８】

【００４３】
【外９】

【００４４】
【外１０】

【００４５】
【外１１】

【００４６】
本発明によるアレンジメントの別の実施例を図５に示す。
【００４７】
１対の超音波トランシーバ４８および４８′が、互いに対向し、かつ流体媒質が流れる導管５０を挟んで離間して設けらており、これは流量測定の技術においては一般的なアレンジメントである。超音波フローメータによって、それぞれのトランシー４８，４８′は交互に相補的な超音波トランスミッタおよびレシーバとして動作することができるので、トランスミッタとして動作する一方のトランシーバ（例えば４８′）により送信された超音波信号はレシーバとして動作する他方のトランシーバ（例えば４８）によって検出され、かつ２つのトランシーバ４８，４８′の間の反対方向の音響速度を得ることができ、この得られた音響速度から、流体流によって影響を受けない音響速度Ｖを、以下に説明するようにして得ることができる。
【００４８】
動作の点で図１の回路１８に類似する検出器回路５４は、両トランシーバ４８および４８′と作用接続され、一方のトランシーバから送信された超音波信号の到着を他方のトランシーバにて検出する。この検出器回路５４は、信号の検出を示す出力信号を適切にプログラムされたパーソナル・コンピュータ５６で使用されるように供給する。従来の温度センサ５８が導管５０内に設けられており、導管５０内の流体５２の測定された温度Ｔ_Ｓの測定値をパーソナル・コンピュータ５６に供給する。
【００４９】
パーソナル・コンピュータ５６は、適切なプログラミングおよび標準的なインタフェース・カードを用いて、動作の点で図１の要素１４、２０および４とそれぞれ類似する信号発生器６０、タイマ６２および信号処理プロセッサ６４の機能を果たせるように適合されている。したがって、パーソナル・コンピュータ５６は、流体５６が、例えば、矢印６８により示された、第２のトランシーバ４８の方向に向かって流れる経路６６に沿って伝搬する超音波信号をトランシーバ４８′に生成させる電気パルスを出力するように動作する。タイマ６２はパーソナルコンピュータ５６の内部クロック周波数で動作する増分カウンタを備えてよい。このカウンタは、コンピュータ５６が電気信号をトランシーバ４８′に出力するとスタートし、トランシーバ４８が超音波信号を受信したことを示す検出回路５４からの出力がコンピュータ５６によって受信されると停止する。したがって、この計数された値は、経路６６に沿った一方向の超音波信号の移動時間ｔ_１の測定値を表している。続いて、コンピュータ５６は超音波信号を他方のトランシーバ４８に生成させる電気パルスを出力するように動作し、経路６６に沿って反対方向の第２の移動時間ｔ_２が、この超音波信号によって前述した時間ｔ_１と同様の方法で得られる。
【００５０】
次に、移動時間ｔ_１およびｔ_２に関連する超音波信号Ｖ１およびＶ２の速度は、前述の式（１）に従って信号処理位プロセッサ６４によって算出される。本実施形例では、流体５２は４８から４８′方向の音響経路６６に沿って、矢印６８により示された方向に速度成分Ｖ_ｆで流れている。このようにして得られた音響速度Ｖ_１およびＶ_２は、流体の速度Ｖ_ｆに関連する以下の式で表される成分を有している。
【００５１】
Ｖ_１＝Ｖ−Ｖ_ｆ（５）
Ｖ_２＝Ｖ＋Ｖ_ｆ（６）
ここでＶは気体中の音響速度を表す。
【００５２】
式（５）および（６）からは、図２〜図４のステップ２８のように、得られた速度Ｖ_１およびＶ_２を引くようにコンピュータ５６の信号処理プロセッサ６４をプログラムすれば、流体の流れ（流量）Ｖ_ｆの値が得られ、速度Ｖ_１およびＶ_２を加えるようにコンピュータ５６をプログラムすれば、音響速度Ｖが得られることが分かる。コンピュータ５６はさらに、図１のアレンジメントに関し記載しかつ図３および図４に示した方法の１つまたは他の方法に従って、瞬間的な気体温度Ｔ_Ａを測定するようにプログラムされる。この温度Ｔ_Ａを表す信号は、瞬間的な温度Ｔ_Ａを目で見えるように表示するために表示装置７０を起動させるのに適した形式で出力されるか、または外部の付属装置を制御するため、または容積補正をするため、あるいは流体測定の技術では一般的な補正方法のために適した形式でアクセス可能な外部のインタフェースに出力されてよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第1のアレンジメントを示す略図である。
【図２】瞬間的温度を測定するための本発明のアレンジメントのオペレーションを示すフローチャートである。
【図３】本発明のアレンジメントにおいて定数ｋの値を算出するための選択的オペレーションを示すフローチャートである。
【図４】本発明のアレンジメントにおいて定数ｋの値を算出するための選択的オペレーションを示すフローチャートである。
【図５】本発明の第２のアレンジメントを示す略図である。
【符号の説明】
２４リフレクタ要素、１０流体、２音響速度モニタ、１２，１６トランスデューサ、６温度センサ、８導管、１８検出器、１４信号発生器、２０タイマ、４信号処理プロセッサ、２２表示装置、４８、４８′ 超音波トランシーバ、５０溝、６０経路、５２流体、５８温度センサ、５４検出器回路、５６パーソナル・コンピュータ、６０信号発生器、６２タイマ、６４信号処理プロセッサ、
７０表示装置

Claims

瞬間的な流体温度を音響測定するためのアレンジメントであって、
瞬時の温度を有する流体領域内の流体中へ音響的エネルギーを放出し、該流体領域内の流体中の音響速度を監視しかつ該音響速度に関する音響速度出力信号を生成するように構成された手段（１２、１４、１６、１８、２０；４８、４８'、６０、５４、６２）と、
前記出力信号を受信しかつ瞬間的な流体温度（Ｔ_Ａ）を該受信に基づいて測定するように構成された信号処理プロセッサ（４；４６）と
から成っているアレンジメントにおいて、
該流体領域内の流体の流体温度（Ｔ_Ｓ）を測定しかつ該温度に関する流体温度出力信号を生成するように構成された従来の温度センサ（６；５８）がさらに設けられたことと、
前記信号処理プロセッサ（４；６４）が、前記従来の温度センサ（６；５８）からの出力信号を受信し、かつ音響的エネルギーが放出された該流体領域内の前記瞬間的な流体温度（Ｔ_Ａ）をさらに該音響速度出力信号と流体温度出力信号に基づいて求めるような構成にさらに成っていることと
を特徴とする音響測定アレンジメント。
前記信号処理プロセッサ（４；６４）が、前記センサ（６；５８）からの流体温度出力信号を処理して、該流体領域内の前記流体の組成に関する情報を引き出し、かつ該引き出された情報に基づいて前記瞬間的な流体温度（Ｔ_Ａ）を測定するように構成された
請求項１記載の流体温度の音響測定アレンジメント。
前記信号処理プロセッサ（４；６４）が、前記手段（１２、１４、１６、１８、２０；４８、４８'、６０、５４、６２）からの音響速度出力信号と前記センサ（６、５８）からの流体温度出力信号とを処理し、かつ関係式ｋ＝Ｔ_Ｓ／Ｖ^２に基づいて定数ｋを前記引き出された情報として算出し、
前記定数ｋの算出された値に基づいて、前記瞬間的な流体温度（Ｔ_Ａ）を計算するように構成されており、
ここでＴ_Ｓは前記センサ（６；５８）により測定された測定された流体温度であり、Ｖは前記手段（１２、１４、１６、１８、２０；４８、４８′、６０、５４、６２）により監視された音響速度である
請求項２記載の流体温度の音響測定アレンジメント。
請求項３記載の流体温度の音響測定アレンジメント。
瞬間的な流体温度の音響測定方法であって、
音響的エネルギーを、流体領域内に存在する瞬時の温度を有する流体内へ放出するステップと、
流体中の音響速度を監視する手段（１２、１４、１６、１８、２０；４８、４８′、６０、５４、６２）から得られた該流体領域内の音響速度を信号処理プロセッサ（４；６４）において処理するステップと、
前記流体の測定された温度（Ｔ_Ｓ）を信号処理プロセッサ（４；６４）において従来の温度センサ（６；５８）から受信するステップと、
前記信号処理プロセッサ（４；６４）を操作して、前記得られた音響速度の値（Ｖ）および前記測定された温度の値（Ｔ_Ｓ）に基づいて、該流体領域内の前記瞬間的な流体温度（Ｔ_Ａ）を測定するステップと
から構成されたことを特徴とする流体温度の音響測定方法。
前記信号処理プロセッサ（４；６４）を操作するステップが、前記瞬間的な流体温度（Ｔ_Ａ）の測定に用いられる、流体領域内の前記流体の組成に関する前記感知された温度の値（Ｔ_Ｓ）から情報を引き出すステップを含む
請求項５記載の流体温度の音響測定方法。
前記信号処理プロセッサ（４；６４）を操作して情報を引き出す前記ステップが、前記関係ｋ＝Ｔ_Ｓ／Ｖ^２に基づいて定数ｋを算出するステップを含み、
ここでＴ_Ｓは前記センサにより感知された流体領域内の流体の測定された温度の値であり、Ｖは前記手段によって得られた音響速度の値である
請求項６記載の流体温度の音響測定方法。
請求項７に記載の流体温度の音響測定方法。