(57)【要約】  本発明は、上流から下流へと、フローダクト内を流れる液体の流量を測定するための装置および方法に関し、シャットオフ部材（４）は、前記フローダクト（３）を閉鎖／開放することができ、変形可能な膜（５）は、前記フローダクトの壁を貫通して作られた開口部（６）をふさぎ、前記シャットオフ部材の上流に位置し、電子装置（１００）は、前記変形可能な膜（５）の変形を検出し、変形信号を送達することができる検出手段（１０１）、前記シャットオフ部材（４）を制御する手段（１１２）、電磁弁（４）が閉じているときに確立される、所定の時間間隔だけ分離された少なくとも２つの変形信号の値の読み取りを行う手段（１１２）、読み取られた変形信号に依拠する液体体積を計算し、前記計算された体積および所定の時間間隔に依拠して流量を計算するための計算手段、を備える。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上流から下流へと、フローダクト内を循環する液体の流量を測定するための装置であって、
前記フローダクト（３）を閉鎖／開放することができるシャットオフ部材（４）と、
前記フローダクトの壁を貫通して形成された開口部（６）を閉鎖し、前記シャットオフ部材の上流に位置する変形可能な膜（５）と、
電子装置（１００）であって、
前記変形可能な膜（５）の変形を検出し、変形信号（Ｓｄ）を送達することができる検出手段（１０１）と、
前記シャットオフ部材（４）を制御するための手段（１１２）と、
前記電磁弁（４）が閉じているときに確立される、所定の時間間隔（ΔＴ）だけ分離された、少なくとも２つの変形信号の値（Ｓｄ１、Ｓｄ２）の読み取りを行うための手段（１１２）と、
前記読み取られた変形信号（Ｓｄ１、Ｓｄ２）に基づいて液体体積（Ｖ）を計算し、前記計算された体積（Ｖ）および前記所定の時間間隔（ΔＴ）に基づいて流量（Ｄ）を計算するための計算手段（１１２）と、を備えることを特徴とする、電子装置（１００）と、
を備える、装置。
【請求項２】
前記電子装置（１００）は、前記変形信号と体積との間の対応のチャートを記憶するための記憶手段（１１１）を有し、前記記憶手段（１１１）は前記計算手段（１１２）に接続されている、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記変形可能な膜（５）が、ピエゾ抵抗材料、特にシリコンでできている、請求項１または請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記検出手段（１０１）は、ホイートストンブリッジ（１０２）を有し、その４つの脚（１０３、１０４、１０５および１０６）がひずみゲージ（５ａ、５ｂ、５ｃおよび５ｄ）を含み、前記フローダクト（３）の前記開口部（６）に接する前記変形可能な膜（５）の部分にこれらのひずみゲージが設けられている、
請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項５】
前記フローダクト（３）は、上流流路（８）、下流流路（１０）、および前記流路を接続する中間チャンバ（１２）を有し、
前記シャットオフ部材（４）は、前記下流流路（１０）を閉じることができ、
前記変形可能な膜（５）が、前記中間チャンバ（１２）の前記壁の開口部（６）を閉鎖している、
請求項１〜４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項６】
前記フローダクト（３）を閉鎖／開放することができる第２のシャットオフ部材を備え、それにより、前記変形可能な膜（５）が、前記シャットオフ部材とこの第２のシャットオフ部材との間に位置し、かつ、この第２のシャットオフ部材を制御するための手段を備える、請求項１〜５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項７】
液体の供給源（２００）と前記液体を利用するための部材（２０１）とを備えるとともに、
請求項１〜６のいずれか１項に記載の流量を測定するための装置を備え、
前記フローダクト（３）が前記利用部材の出口に接続されている、
システム。
【請求項８】
上流から下流へと、フローダクト（３）内を循環する液体の流量を測定するための方法であって、シャットオフ部材（４）と、前記フローダクトの壁を貫通して形成された開口部（６）を閉鎖し、前記遮断手段の上流に位置する変形可能な膜（５）とが備えられ、
前記方法は、
前記遮断手段を閉状態にして、それにより前記フローダクトを閉じるステップと、
前記変形可能な膜（５）の変形を検出し、前記変形可能な膜（５）の変形を表す少なくとも２つの変形信号の値（Ｓｄ１、Ｓｄ２）の読み取りを行うステップであって、前記信号は所定の時間間隔（ΔＴ）だけ分離されているステップと、
前記遮断手段を開状態にするステップと、を含み、さらに、
前記変形信号の前記値（Ｓｄ１、Ｓｄ２）に基づいて液体の体積を計算するステップと、
前記計算された体積および前記所定の時間間隔（ΔＴ）に基づいて前記液体の流量を計算するステップと、
を含むことを特徴とする、方法。
【請求項９】
前記変形信号の前記値（Ｓｄ１、Ｓｄ２）および前記変形信号の値（Ｓｄ）と前記変形可能な膜（５）の変形に関連付けられた体積（Ｖ）値との間の対応のチャートに基づいて前記液体体積（Ｖ）を計算するステップを含む、請求項８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、ダクト内を循環する液体の流量の測定に関する。
【背景技術】
【０００２】
液体の流量を測定するための方法は数多くある。
【０００３】
液体の流量を測定するための従来の方法は、ダクトから放出された液体をコンテナに収集し、所定の量の液体を収集するのに必要な時間を測定するか、または所定の期間に収集された液体の量を測定することであった。
【０００４】
液体の流量を連続的に測定するための侵入型の方法は、液体の流れに障害物を置くこと、流れの影響下で障害物の変位を測定すること、または液体の流れによって障害物に及ぼされる力を測定することである。
【０００５】
液体の流量を連続的に測定するための非侵入型の方法は、液体の流れが通過するベンチュリまたはダイヤフラムによって引き起こされる圧力の変動を測定することである。
【０００６】
液体の流量を連続的に測定するための他の方法は、局所的に加熱された液体の熱慣性を測定することである。
【０００７】
液体の流量を連続的に測定するための他の方法は、トレーサが液体中に存在する場合のドップラー効果の使用、または蛍光分子が液体中に存在する場合の蛍光の使用に基づいている。
【０００８】
液体が導電性であるとき、液体の流量を連続的に測定するための他の方法は、液体の流れによって引き起こされる電位差を測定することである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記の方法は、低流量の測定に適合できるが、感度が制限される。
【００１０】
本発明の目的は、特に、非常に低い分解能で、非常に低い流量を測定することができる、特に、毎分１ピコリットルのオーダの精度で毎分１ナノリットル未満の流量を測定できる、液体の流量を測定するための装置を提案することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上流から下流へと、フローダクト内を循環する液体の流量を測定するための装置が提案され、以下を含む：
前記フローダクトを閉鎖／開放することができるシャットオフ部材、
前記フローダクトの壁を貫通して形成された開口部を閉鎖し、前記シャットオフ部材の上流に位置する変形可能な膜、および
電子装置であって、
前記変形可能な膜の変形を検出し、変形信号を送達することができる検出手段、
前記シャットオフ部材を制御するための手段、
電磁弁が閉じているときに確立される、所定の時間間隔だけ分離された、少なくとも２つの変形信号の値の読み取りを行うための手段、および
読み取られた変形信号に基づいて液体体積を計算し、前記計算された体積および所定の時間間隔に基づいて流量を計算するための計算手段、を備える、電子装置。
【００１２】
電子装置は、変形信号と体積との間の対応のチャートを記憶するための記憶手段を備えることができ、前記記憶手段は、前記計算手段に接続されている。
【００１３】
変形可能な膜は、ピエゾ抵抗材料、特にシリコンでできていてもよい。
【００１４】
前記検出手段は、ホイートストンブリッジを備えることができ、その４つの脚はひずみゲージを含み、前記フローダクトの前記開口部に接する変形可能な膜の部分には、これらのひずみゲージが設けられている。
【００１５】
フローダクトは、上流流路、下流流路、および前記流路を接続する中間チャンバを備えてもよく、前記シャットオフ部材は、下流流路を閉じることができ、変形可能な膜は、中間チャンバの壁の開口部を閉鎖している。
【００１６】
装置はまた、前記フローダクトを閉鎖／開放することができる第２のシャットオフ部材を備え、それにより、前記変形可能な膜が前記シャットオフ部材とこの第２のシャットオフ部材との間に位置し、かつ、この第２のシャットオフ部材を制御するための手段を備え得る。
【００１７】
また、液体の供給源および液体を利用するための部材を備え、流量を測定するための前記装置を備え、前記フローダクトが利用部材の出口に接続されているシステムが提案される。
【００１８】
また、シャットオフ部材と、フローダクトの壁を貫通して形成された開口部を閉鎖し、前記遮断手段の上流に位置する変形可能な膜とを備えた、上流から下流へと、フローダクト内を循環する液体の流量を測定するための方法が提案されており、
遮断手段を閉状態にして、それによりフローダクトを閉じるステップと、
変形可能な膜の変形を検出し、変形可能な膜の変形を表す少なくとも２つの変形信号の値の読み取りを行い、前記信号は所定の時間間隔だけ分離されている、検出し読み取りを行うステップと、
遮断手段を開状態にするステップと、を含み、
かつ、
前記変形信号の前記値に基づいて液体の体積を計算するステップと、
前記計算された体積および前記所定の時間間隔に基づいて液体の流量を計算するステップと、を含む。
【００１９】
方法は、前記変形信号の前記値および変形信号の値と変形可能な膜の変形に関連付けられた体積値との間の対応のチャートに基づいて前記液体体積を計算するステップを含んでもよい。
【００２０】
次に、液体の流量を測定するための装置および動作モードを、図面に示された例示的な実施形態によって説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】測定装置の機械的部分の概略断面図を示す。
【図２】図１の測定装置を下から見た外観図を示す。
【図３】測定装置の電子回路図を示す。
【図４】測定装置の動作図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１および図２は、流量を測定するための装置１の機械的部分を示し、これは、液体が上流から下流へ、すなわち一方向に流れることができるフローチャネル３を区切るダクト２を備えている。
【００２３】
流量を測定するための装置１は、フローダクト３を閉鎖／開放することができる、例えば電磁弁によって形成されたシャットオフ部材（遮断部材）４を備えている。
【００２４】
測定装置１は、シャットオフ部材４の上流に形成されたフローダクト３の開口部６を密封する変形可能な膜５を備えている。
【００２５】
変形可能な膜５の周囲は、開口部６の周りでダクト２の壁の部分に固定され、それにより、液体は、フローチャネル３の側に面している膜５の内面の中央部分と接触し、かつ、それにより、ダクト内の液体の圧力がこの中央部分を外側に向かって変形させることができる。
【００２６】
一実施形態では、ダクト２は、液体が到達する上流流路８を形成する上流管７と、液体が排出され、シャットオフ部材４が設けられた下流流路１０を形成する下流管９と、および上流流路と下流流路との間に位置してそれらを接続する中間チャンバ１２を形成する中間エンクロージャ１１とを有している。
【００２７】
中間エンクロージャ１１の平坦部１１ａには開口部６が設けられている。変形可能な膜５の周囲は、例えば接着結合によって、この部分１１ａに固定されている。例えば、開口部６および変形可能な膜５は、正方形であり、平行な側面を有する。
【００２８】
測定装置１は、図３に示された、フローチャネル３を循環する液体の流量を計算することができる電子装置１００を備える。
【００２９】
電子装置１００は、変形可能な膜５の変形を検出するための検出手段１０１を備え、液体によって加えられる圧力の影響下で変形可能な膜５の変形に基づいて変形信号Ｓｄを送達することができる。
【００３０】
代替の一実施形態では、検出手段１０１は、ホイートストンブリッジ１０２を含み、その４つの脚１０３、１０４、１０５、および１０６は、ピエゾ抵抗材料で作られた、ストリップ５ａ、５ｂ、５ｃおよび５ｄによって形成されたひずみゲージを含み、それらは、開口部６に接する変形可能な膜５の部分の外面に設けられている。ストリップ５ａ、５ｂ、５ｃおよび５ｄの電気接続点１０３、１０４、１０５、１０６の間隔を空けた対は、電気接続ワイヤによってホイートストンブリッジ１０２の頂点１０７、１０８、１０９および１１０にそれぞれ接続されている。
【００３１】
有利には、一方の部分については、ストリップ５ａおよび５ｃならびにこれらのストリップ５ａおよび５ｃの電気接続点は、変形可能な膜５の中線に、変形可能な膜５の中心に関して対称に位置しており、そして、他方の部分については、ストリップ５ｂおよび５ｄならびにこれらのストリップ５ｂおよび５ｄの電気的接続点は、変形可能な膜５の他の中線のいずれかの側に、変形可能な膜の中心に関して対称的に位置している。「中線」という用語は、変形可能な膜５の２つの対向する平行な側面に垂直に延び、これらの側面の中央を通過する線を意味すると理解される。
【００３２】
ストリップ５ａ、５ｂ、５ｃおよび５ｄは、ピエゾ抵抗材料であり、すなわち、それを変形させる機械的応力に応じて電気抵抗が変化する材料である。例えば、ストリップ５ａ、５ｂ、５ｃおよび５ｄは、特にシリコンをベースとする金属である。例えば、変形可能な膜５は、特にシリコンをベースとする金属性である。特に、導電性であるストリップ５ａ、５ｂ、５ｃおよび５ｄが、導電性ではない変形可能な膜５上、または変形可能な膜５の誘電体層上に配置することによって生成される。
【００３３】
次に、信号Ｓｄが、ホイートストンブリッジ１０２の不平衡電圧によって形成される。
【００３４】
電子装置１００は、検出手段１０１によって出力された変形信号Ｓｄの値と変形可能な膜５の変形に関連付けられた体積Ｖ値との間の対応のチャートまたは計算表が予め記録されたメモリ１１１を備える。
【００３５】
このチャートは、例えば次の方法で実行されたキャリブレーション測定の結果である。
【００３６】
中間チャンバ１２を完全に満たして脱気するために、フローチャネル３内で液体を循環させる。この目的のために、中間エンクロージャ１１は、任意選択的に、通気流路１４を形成し、電磁通気弁１５を備える通気管１３を備えることができる。
【００３７】
下流流路１０を閉じるために、電磁弁４が閉じられ、通気流路１４を閉じるために、電磁弁１５が閉じられる。
【００３８】
液体は大気圧下に置かれる。このとき、変形可能な膜５は、変形可能な膜５が概して平坦である基準位置として知られている位置にある。
【００３９】
次に、決定された追加量の液体が、上流流路８を介して中間チャンバ１２内に連続的に導入され、液体の圧力の影響下で変形可能な膜５の対応する外向きの変形を連続的にもたらし、信号Ｓｄの対応する値が読み取られる。
【００４０】
キャリブレーション測定の１つの代替実施形態では、液体は、所定の可変流量でフローチャネル３内を循環するようにさせられ、適切な手段によって測定され、時間ごとに検出手段１０１によって出力される変形信号Ｓｄの対応する値が読み取られ、それにより、メモリ１１１内に対応するチャートを確立し、保存する。
【００４１】
変形可能な膜５は、中間チャンバ１２への液体の入口を妨害しない。
【００４２】
図１に破線で示されているのは、開口部６に接して位置する変形可能な膜５の部分の変形である。チャンバ１２の内側から見ると、この変形の形状は凹状であり、その周囲が凸状の凹状ドームに似ている。
【００４３】
有利には、変形可能な膜５の変形の第１の領域において、その上述の基準位置から、信号Ｓｄの値はほぼ直線上にあり、その結果、メモリ１１１に保存されたチャートは、そのような直線であると判断することができる。
【００４４】
電子回路１００は、検出手段１０１、メモリ１１１、電磁弁４、および任意選択で電磁弁１５に接続されているプログラムされたマイクロコントローラ１１２を備える。
【００４５】
有利には、プログラムされたマイクロコントローラ１１２を使用して、上述のチャートを作成することができる。
【００４６】
次に、特に図４を参照して、測定装置１の動作を説明する。
【００４７】
電磁弁４が開状態「Ｏ」であり、電磁弁１５が閉状態であると、供給源からの液体がフローチャネル３内を上流から下流に循環する。中間チャンバ１２は、それを通過する液体で満たされる。
【００４８】
液体の流量を決定するために、制御命令Ｓｃを受け取ったマイクロコントローラ１１２は、図４に示すように、以下のステップを実行する。
【００４９】
マイクロコントローラ１１２は、下流流路１０を閉鎖し、液体が電磁弁４の下流に流れるのを防止するために、電磁弁４の閉鎖を命令する。
【００５０】
電磁弁４が閉状態「Ｆ」にあると、液体はチャンバ１２に到達し続け、変形可能な膜５の連続的な変形を引き起こす。
【００５１】
時間Ｔ１において、マイクロコントローラ１１２は、信号Ｓｄの値Ｓｄ１を読み取る。この時間Ｔ１は、電磁弁４が閉状態になった瞬間であってもよいし、または直後であってもよい。
【００５２】
続く予めプログラムされた所定の期間ΔＴに、マイクロコントローラ１１２は、時間Ｔ２で、信号Ｓｄの値Ｓｄ２を読み取る。
【００５３】
したがって、値Ｓｄ１およびＳｄ２の読み取り値は、電磁弁４が閉じているときに確立される時間間隔ΔＴだけ離れている。
【００５４】
信号Ｓｄ２の値が読み取られると、マイクロコントローラ１１２は、事前に記録されたチャートから、信号Ｓｄ１の値に対応する体積Ｖ１の値と、信号Ｓｄ２の値に対応する体積Ｖ２の値とを取得し、体積Ｖ２およびＶ１の値の間の差ΔＶの値を計算する。
【００５５】
次に、マイクロコントローラ１１２は、差ΔＶの値と所定の期間ΔＴの値との間の比Ｄの値を計算し、比Ｄの値を出力し、この値は、上流流路８を介して到達する液体の流量の所望の値を構成する。
【００５６】
読み取られた信号Ｓｄ２の値を用いて、マイクロコントローラ１１２は、フローチャネル３内の液体の循環を再確立するために、電磁弁４の開放を命令する。
【００５７】
並行しておよび任意選択で、マイクロコントローラ１１２は、測定に起因するチャンバ１２内の過剰な液体の排出を容易にするために、ソレノイドバルブ１５に短期間開くように命令する。
【００５８】
有利には、所定の期間ΔＴは、推定される液体の流量に基づいて固定され、その結果、値Ｓｄ１およびＳｄ２は、上で定義されたように、チャートの直線上にある。
【００５９】
測定装置１は、毎分１ナノリットルのオーダであり得、数ピコリットルのオーダの精度を有し、値Ｓｄ１およびＳｄ２の読み取りの間の期間ΔＴが数分のオーダの、非常に低い流量の測定を行うのに特に適している。
【００６０】
例示的な一実施形態では、流路８および１０は、約百分の２５平方ミリメートル（０．２５ｍｍ２）の断面積を有することができ、中間チャンバ１２は、平行六面体であることができ、約３ミリメートル（３ｍｍ）の側面および約１４ミリメートル（１４ｍｍ）の高さ（変形可能な膜５は中間チャンバ１２の一端に配置されている）を有することができ、変形可能な膜５は、約２．５ミリメートル（２．５ｍｍ）の側面を有することができ、変形可能な膜５は、約１３ミクロン（３マイクロメートル）の厚さを有することができる。
【００６１】
中間チャンバ１２の壁１１は、外気温の影響を低減するように設計されている。例えば、中間チャンバ１２の壁１１は、その温度を調節するための手段を備えていてもよい。
【００６２】
図１に示された１つの特定の使用例では、流量を測定するための装置１は、液体の上流源２００と、上流源２００からの液体を利用するための部材２０１とを含むシステムに含めることができ、測定装置１は、測定装置１のフローチャネル３を上流から下流に通過することによって、液体が利用部材２０１から排出されるように、利用部材２００の出口に接続されている。
【００６３】
例えば、供給源２００は、加圧ガスによって加圧された数ミリリットルの液体のリザーバであり、利用部材２０１は、長さが数ミクロンで、直径が約１００ナノメートル（１００ｎｍ）の円形断面のチャネルを有するナノ流体回路である。
【００６４】
代替的な一実施形態では、検出手段１０１は、変形可能な膜５の中心点の変位を検出する光学検出器を備えることができる。
【００６５】
代替的な一実施形態では、流量を測定するための装置１は、上記の方向と反対方向で、チャネル３内を循環する液体の流量を測定することができるように、管７上に配置された、フローダクト３を閉鎖／開放することができる第２の電磁遮断弁を備えることができる。この場合、チャネル１０は上流チャネルになり、チャネル７は下流チャネルになる。液体の流量は、上述の方法と同等の方法で測定され、今度はマイクロコントローラ１１２がこの第２の電磁弁を作動させる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
2021528626.tif 000007
2021528626.tif 000008
2021528626.tif 000009
2021528626.tif 000010
2021528626.tif 000011