(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
微小重力下において体積を計測するものにおいて、２以上の容器を管で連結するとともに容器内に、気相、液相、固相からメッシュ、グルーブなどの表面張力を利用して液相を分離する手段と固相を固定する手段および圧力変動源、温度計、圧力変動信号受信器を設け、圧力変動源、温度計、圧力変動信号受信器を信号解析ユニットに接続し、前記管で連結された容器内の閉鎖系空間でヘルムホルツ共鳴現象を誘起させたことを特徴とする微小重力用体積計測装置。
【請求項２】
微小重力下において体積を計測するものにおいて、２以上の容器を管で連結するとともに容器内に、メッシュ、グルーブなどの表面張力を利用して気相、液相を分離する手段および音響源、音響受信器、温度計、圧力計を設け、前記音響源を信号発生器に、音響受信器を信号処理装置にそれぞれ接続するとともに、信号処理装置、温度計および圧力計を体積解析装置に接続し、前記管で連結された容器内の閉鎖系空間でヘルムホルツ共鳴現象を誘起させたことを特徴とする微小重力用体積計測装置。
【請求項３】
微小重力下において体積を計測するものにおいて、２以上の容器を管で連結するとともに容器内に、メッシュ、グルーブなどの表面張力を利用して気相、液相を分離する手段および圧力変動源、温度計、圧力計を設け、前記圧力変動源を信号発生器に、温度計および圧力計を信号解析装置にそれぞれ接続し、前記管で連結された容器内の閉鎖系空間でヘルムホルツ共鳴現象を誘起させたことを特徴とする微小重力用体積計測装置。
【請求項４】
メッシュ、グルーブなどの表面張力を利用して気相、液相を分離する手段に代えて固相を固定する手段を容器内に設けたことを特徴とする請求項２または請求項３記載の微小重力用体積計測装置。
【請求項５】
容器をパーティションで仕切ることにより２以上の室を形成し、該仕切られた室を管で接続したことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の微小重力用体積計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、広くは宇宙環境技術分野に属するものであり、微小重力下における液体あるいは固体の体積計測に関し、特に、人工衛星の軌道上のような周囲が真空状態の環境下においても応用可能なものである。
【０００２】
【従来の技術】
音響を利用した液体の体積計測に関する技術は、例えば、特開平08-327429号公報、特開平07-83730号公報に見られるように、既に知られている。これらの公知のものは共通して容器と片側が開放空間に連なる管から構成されている。計測はスピーカー等で音を発生させ、管と容器中の気相部のばね作用で引き起こされるヘルムホルツ共鳴音をマイクロフォンで収集し、その共鳴周波数から液体の体積を求める方法をとっている。また、２つの容器を連結させて閉鎖空間を形成し、圧力変動を捉えることにより液体の体積を計測する装置は、例えば、特開平06-201433号公報、特開平06-201434号公報に示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、人工衛星の軌道上に置かれた容器内の液体等の体積を計測する場合、周囲は真空のため、まず閉鎖空間をつくらなければならない。ヘルムホルツ共鳴現象を利用した従来技術では開放空間でしか使用できない致命的な欠点がある。また、圧力変動を捉えることにより液体等の体積を計測する従来技術は閉鎖空間で利用できるが、微小重力下では気体と液体が混在するため、これを制御する装置が必要不可欠となるという問題があった。
【０００４】
本発明は、人工衛星の軌道上に置かれた容器内の液体、固体の体積を計測する場合のように閉鎖系空間で使用可能であり、且つ、気相、液相、固相との混在のない状態で液体、固体の体積計測を可能にした体積計測装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明による微少重力用体積計測装置は、微小重力下において体積を計測するものにおいて、２以上の容器を管で連結するとともに容器内に、気相、液相、固相からメッシュ、グルーブなどの表面張力を利用して液相を分離する手段と固相を固定する手段および圧力変動源、温度計、圧力変動信号受信器を設け、圧力変動源、温度計、圧力変動信号受信器を信号解析ユニットに接続し、前記管で連結された容器内の閉鎖系空間でヘルムホルツ共鳴現象を誘起させたことを特徴とする。また、本発明による微少重力用体積計測装置は、微小重力下において体積を計測するものにおいて、２以上の容器を管で連結するとともに容器内に、メッシュ、グルーブなどの表面張力を利用して気相、液相を分離する手段および音響源、音響受信器、温度計、圧力計を設け、前記音響源を信号発生器に、音響受信器を信号処理装置にそれぞれ接続するとともに、信号処理装置、温度計および圧力計を体積解析装置に接続したことを特徴とする。また、本発明による微少重力用体積計測装置は、微小重力下において体積を計測するものにおいて、２以上の容器を管で連結するとともに容器内に、メッシュ、グルーブなどの表面張力を利用して気相、液相を分離する手段および圧力変動源、温度計、圧力計を設け、前記圧力変動源を信号発生器に、温度計および圧力計を信号解析装置にそれぞれ接続し、前記管で連結された容器内の閉鎖系空間でヘルムホルツ共鳴現象を誘起させたことを特徴とする。また、本発明による微少重力用体積計測装置は、容器内に固相を固定する手段を設けたことを特徴とする。また、本発明による微少重力用体積計測装置は、容器をパーティションで仕切ることにより２以上の室を形成し、該仕切られた室を管で接続したことを特徴とする。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による実施の形態を図面に基づき説明する。
図１は、本発明の原理を液体の体積計測を例にとって説明するためのものである。
本発明の特徴は、２つ又はそれ以上の容器１，２を管３で連結させることにより閉鎖系空間を形成し、容器内に後述する気相、液相を分離する装置を設けることにより、気相部３０と液相部４０を分け、微小重力下での音響による液相部４０の体積の測定を可能にするものである。
【０００７】
今、簡略化のため等温変化、非圧縮を仮定し、ノズル部補正を考慮しないとすると、運動方程式は以下のようになる。
【数１】
0004905619.tif 000002
ここで、変動圧力ｐ１，ｐ２はそれぞれ
【数２】
0004905619.tif 000003
【数３】
0004905619.tif 000004
と表すことができ、γは比熱比、Ｐ０は基準圧力、Ｌは管の長さ、Ａは管の断面積、ｕは速度、Ｖ１，Ｖ２は容器１と容器２の気相部３０の体積をそれぞれ表す。これら圧力変動を計測することにより、Ｖ１，Ｖ２を求めることができる。
【０００８】
次に、式（２）（３）を式（１）に代入することにより、以下の式を導くことができる。
【数４】
0004905619.tif 000005
ここでｕ＝Ｕｅｉωｔとし、これを式（４）に代入すると、角速度ωについて以下の式を導くことができる。
【数５】
0004905619.tif 000006
【０００９】
音速Ｃは
【数６】
0004905619.tif 000007
で表されることから、この場合のヘルムホルツ共鳴周波数ｆは以下のようになる。
【数７】
0004905619.tif 000008
２πは定数であり、管の断面積Ａ，管の長さＬ，容器１の気相部の体積Ｖ１は既知の値である。音速Ｃは温度と圧力から求めることができる。
よって、Ｖ２の変化量が周波数ｆの変化として現れることから、この周波数を解析することにより容器２の液体量を求めることが可能となる。その際、微小重力下においては気相、液相が混在することから容器内に、例えば、メッシュ、もしくはグルーブ等からなる表面張力を利用した気液相分離装置を設置することにより、初めて微小重力下での音響による液体の体積計測が実用化できる。
【００１０】
図２は、本発明の第１の実施例を示したものであり、上方に配置した容器１と下方に配置した容器２とはサポート柱８で一体的にサポートされ、容器１および容器２の内部は管３で接続されている。なお、容器は２つ以上配置し、それらを管で接続しても良い。
容器１と容器２のそれぞれの内部には、例えば、表面張力を利用して気体と液体を分離するための気相・液相分離装置６が設けられている。この気相・液相分離装置６は、気体と液体を分離するものであれば良く、例えば、メッシュ材、スチールウール、スポンジ、ウイック材などの多孔質部材を容器内壁に沿って適当な厚さで設けたり、あるいは、容器内壁にグルーブを形成して構成する。
【００１１】
４、４は、容器１および容器２の内部に設けられた音響源としてのマイクロフォンであり、マイクロフォン４、４はそれぞれ音響信号解析ユニット９の信号処理装置１２に接続されている。５、５は、容器１および容器２の内部に設けられた音響受信器としてのスピーカであり、スピーカ５、５は音響信号解析ユニット９の信号発生器１０の増幅器１１に接続されている。  また、容器１および容器２内部には、圧力調整弁７，７がそれぞれ設けられ容器内の圧力を調整するとともに、温度計２３，２３および圧力計２４，２４がそれぞれ設けられている。
音響信号解析ユニット９は、信号発生器１０，増幅器１１，信号処理装置１２，体積解析装置１３からなっており、体積解析装置１３には、正確な音速を求めるための、温度計２３および圧力計２４からの信号が入力される。容器１および容器２にそれぞれ対応して２つの音響信号解析ユニット９，９が設けられている。
上記した装置は閉鎖系となっており、人工衛星の軌道上のような特殊な環境下で使用可能となっている。
【００１２】
音響信号解析ユニット９における信号発生器１０から周波数をスイープさせた信号を増幅器１１で増幅させ、スピーカ５に伝えることにより、容器１，２内でヘルムホルツ共鳴現象を誘起させる。なお、スピーカは２つ同時に駆動させる必要は特になく、どちらか一方のスピーカを駆動すれば良い。
その音響信号をマイクロフォン４で収集し、信号処理装置１２を用いてＦＦＴ（ｆａｓｔ  Ｆｏｕｒｉｅｒ  ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）解析を行い共鳴周波数ｆを求め、体積解析装置１３で共鳴周波数ｆ、音速Ｃから測定対象物の体積を求める。
【００１３】
図３は、本発明の第２の実施例を示したものであり、１つの容器１４をパーティション１５で仕切り、管３で接続したものである。なお、図２で示した符号と同じ符号は図２の場合と同じ部材を表しており、計測手順も図２の場合と同じである。
【００１４】
図４は、本発明の第３の実施例を示したもので、閉鎖空間で利用可能な圧力変動を利用して計測するものである。すなわち、高精度圧力計を用い、２つの容器における変動圧力の比から液量の検出を行う方法と気相・液相分離装置を組み合わせることにより微小重力下での液体の体積計測の実用化を図ったものである。
図４において、上下に配置された容器１および容器２の内部にはそれぞれ気相・液相分離装置６が設けられている。５，５は容器１および容器２にそれぞれ設けられた圧力変動源としてのスピーカで、圧力信号解析ユニット２１の信号発生器１０とアッテネータ１７を介して接続した２つの増幅器１１，１１とそれぞれ接続している。１６，１６は容器１および容器２内部に設けられた高精度圧力計で、スピーカ５により容器１および容器２内の圧力を変動させ、その圧力波を高精度圧力計１６，１６で検出する。そして、それらの圧力信号を圧力信号解析ユニット２１のバンドパスフィルタ１８に通した後、増幅し、信号解析装置１９に入力する。その後、信号解析装置１９で２つの信号の圧力変動の比から液体の体積を求める。ここで、両容器内の比熱比の影響を考慮、補正するため、温度計２３からの温度信号も信号解析装置１９に入力される。なお、補正回路２０は参照側であるどちらか一方の圧力計の捉える圧力振幅を一定に保つよう、スピーカ出力をコントロールするための装置である。
圧力信号解析ユニット２１は、信号発生器１０，増幅器１１，アッテネータ１７，バンドパスフィルタ１８，信号解析装置１９および補正回路２０から構成されている。容器は図３で示したようなパーティションで仕切ったタイプでも使用可能である。また、極低温寒剤が容器内に納められている場合は、その冷熱を利用し、スキッドなどの超電導センサーを応用した高精度圧力計を用いることも可能である。
【００１５】
図５は、図２あるいは図４の液体の体積計測に関する技術を固体の体積計測に応用した第４の実施例を示したものである。
横方向に配置した２つの容器１，２の内部を管３で接続し、サポート柱８で両容器を一体的に固定する。容器１，２の内部には、固相、例えば氷５０を固定するための固相固定装置２２が設けられている。この固相固定装置２２は、氷のような固体を容器の一方の端部に固定し、固体の存在しない連続した空間を形成するようにして音響あるいは圧力変動による体積計測に支障を来すことがないようにするためのものであり、例えば、凹凸を連続して形成した部材を容器内壁に固着しておくか、あるいは、容器内壁を連続した凹凸に形成したものでも良い。
なお、図２で示した符号と同じ符号は図２の場合と同じ部材を表しており、計測手順も図２の場合と同じである。
【００１６】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、２以上の容器を用いることにより閉鎖系空間において音響を利用した体積計測を可能とするとともに気相、液相、固相を分離または固定する装置を組み合わせることにより、微小重力下での音響を利用した液体、固体の体積計測を可能にしたものである。
また、圧力変動を利用した体積計測において、気相、液相、固相を分離または固定する装置を設けることにより、微小重力下での体積計測の実用化を実現できる。
また、簡単な装置であるため、メンテナンスフリーで長寿命、且つ、低コストで計測を実現できる。例えば、特開2001-66175号公報に記載された発明と比較すると、本発明は１つの容器に複数の振動発生源および検出器を必要としないため、低コストで装置を得ることができる。
【００１７】
また、深宇宙探査における赤外線ディテクターの冷却用寒剤として軌道上で超流動ヘリウム（Ｈｅｌｌ）が使用されているが、液体の体側を計測する際は、冷却の必要があるにも関わらず、ヒーターで加熱を行い、温度上昇と比熱の関係から体積を推算する方法がとられている。本発明により、このような非効率的な計測法も改善することができる。
【００１８】
また、本発明の計測手段によれば、液体のみならず、固体の体積測定に対しても適応可能である。米国のＮＡＳＡと日本の宇宙科学研究所（ＩＳＡＳ）が共同で進めるＡｓｔｒｏ−Ｅ計画ではＸ線ディテクターを固体ネオンで冷却する手法がとられるが、本発明を応用すると、このような固体冷媒の残量も計測することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理を説明する図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態を示す正面図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態を示す正面図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態を示す正面図である。
【図５】本発明の第４の実施の形態を示す正面図である。
【符号の説明】
１  容器
２  容器
３  管
４  マイクロフォン
５  スピーカー
６  気相・液相分離装置
７  圧力調整弁
８  サポート柱
９  音響信号解析ユニット
１０  信号発生装置
１１  増幅器
１２  信号処理装置
１３  体積解析装置
１４  容器
１５  パーティーション
１６  高精度圧力計
１７  アッテネータ
１８  バンドパスフィルタ
１９  信号解析装置
２０  補正回路
２１  圧力信号解析ユニット
２２  固体固定装置
２３  温度計
２４  圧力計
【図１】
0004905619.tif 000009
【図２】
0004905619.tif 000010
【図３】
0004905619.tif 000011
【図４】
0004905619.tif 000012
【図５】
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