JP3312346B2 - ボイルの法則を利用した気体流量を決定する方法及び装置 - Google Patents
ボイルの法則を利用した気体流量を決定する方法及び装置Info
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- G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
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- G01F1/05—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects
- G01F1/34—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects by measuring pressure or differential pressure
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、気体流量計に関するも
のである。特に、本発明は、気体の流量を表す電気信号
を発生する気体流量計に関するものである。
のである。特に、本発明は、気体の流量を表す電気信号
を発生する気体流量計に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】気体の流量を電子的に測定するための様
々な技法が従来からある。一般的にそのような技法で
は、測定装置を校正できるようにするため、測定する気
体の物理的特性が予めわかっていることが必要である。
そのような物理的特性の典型的な例として、気体の比
熱、密度、粘度及び熱伝導率がある。これらの物理的パ
ラメータの多くは、気体の組成によって決まる。気体組
成がわからないか、予測不能に変化する用例では、その
ような技法は不正確であり、不適切である。多くの従来
技法に伴う他の問題点として、「ターンダウン比」と呼
ばれることもある、正確な測定を高い信頼度で実施でき
る流量範囲に制限があり、また流量計を連結して作動さ
せた時に気体通路に不都合な背圧が発生する。
々な技法が従来からある。一般的にそのような技法で
は、測定装置を校正できるようにするため、測定する気
体の物理的特性が予めわかっていることが必要である。
そのような物理的特性の典型的な例として、気体の比
熱、密度、粘度及び熱伝導率がある。これらの物理的パ
ラメータの多くは、気体の組成によって決まる。気体組
成がわからないか、予測不能に変化する用例では、その
ような技法は不正確であり、不適切である。多くの従来
技法に伴う他の問題点として、「ターンダウン比」と呼
ばれることもある、正確な測定を高い信頼度で実施でき
る流量範囲に制限があり、また流量計を連結して作動さ
せた時に気体通路に不都合な背圧が発生する。
【０００３】従来技術の上記欠点を克服するため、気体
の物理的パラメータによる影響を少なくした流量計が開
発されている。この形式の流量計は、一般的に容積流量
計と呼ばれている。容積流量計では、流量を測定しよう
とする気体が、密接状のピストンを設けたシリンダ等の
別個の密閉室内に定期的に蓄圧されると、（例えばピス
トンの変位によって）密閉室の容積が気体の流量に等し
い割合で増加するようになっている。密閉容積の増加率
を測定することによって（例えばピストンの変位量を表
す信号を発生することによって）、気体の流量が計算さ
れる。流量計の詳細仕様（例えば密閉容積を定める方法
及び容積変化率を変換する技術）は各容積流量計の形式
及び用途によって異なるが、そのような流量計は全て測
定気体の物理的パラメータに影響されないで気体流量を
妥当な正確度で測定できるという望ましい特性を備えて
いる。しかし、公知の容積流量計の重大な問題点とし
て、測定信号を発生するために密閉室の可動表面を移動
させる必要から気体流に外乱が発生する。これによって
背圧特徴が導入されるため、そのような流量計は、気体
流の背圧の周期的な発生の影響を受ける用例に使用する
には不適切である。
の物理的パラメータによる影響を少なくした流量計が開
発されている。この形式の流量計は、一般的に容積流量
計と呼ばれている。容積流量計では、流量を測定しよう
とする気体が、密接状のピストンを設けたシリンダ等の
別個の密閉室内に定期的に蓄圧されると、（例えばピス
トンの変位によって）密閉室の容積が気体の流量に等し
い割合で増加するようになっている。密閉容積の増加率
を測定することによって（例えばピストンの変位量を表
す信号を発生することによって）、気体の流量が計算さ
れる。流量計の詳細仕様（例えば密閉容積を定める方法
及び容積変化率を変換する技術）は各容積流量計の形式
及び用途によって異なるが、そのような流量計は全て測
定気体の物理的パラメータに影響されないで気体流量を
妥当な正確度で測定できるという望ましい特性を備えて
いる。しかし、公知の容積流量計の重大な問題点とし
て、測定信号を発生するために密閉室の可動表面を移動
させる必要から気体流に外乱が発生する。これによって
背圧特徴が導入されるため、そのような流量計は、気体
流の背圧の周期的な発生の影響を受ける用例に使用する
には不適切である。
【０００４】背圧の悪影響を軽減できるように開発され
た１つの容積流量計は、石鹸膜形の容積流量計である。
この形式の流量計では、密閉容積が、一般的に透明ガラ
スからなる滑らかな壁面の円筒管で定められている。管
の入口端部が流量を測定しようとする気体に連結され、
出口端部は雰囲気に開放している。入口端部付近に、進
入気体流によって管の内部容積に沿って押し進められる
石鹸膜を発生させるための装置が設けられている。管に
沿った所定位置に配置された光学センサが、管の内部に
沿って並進移動する石鹸膜の通過時間を測定し、この時
間値が既知のアルゴリズムによって気体流量に変換され
る。石鹸膜の移動、従って気体流の流れに逆らうように
作用する粘度及び表面張力の力が比較的小さいことか
ら、この形式の流量計によって発生する背圧は一般的に
容認できる程度に低い。また、石鹸膜流量計の動的測定
範囲は、他の容積流量計の場合よりも相当に広い（一般
的に約0.5〜約500ml／分）。また、この形式の流量計
は、製造及び維持管理の費用が比較的少ない。石鹸膜流
量計の主な欠点は、石鹸膜を定期的に発生させて気体流
内へ導入し、何らかの方法で排出しなければならないこ
とである。石鹸膜の発生は、一般的に手動式泡発生装置
によって実施され、このために作業員が必要になるた
め、作業の自動化すなわち無人化ができなくなる。ま
た、湿潤膜が気体流内へ導入されるため、気体流が水蒸
気で汚染され、このことは気体を包含する多くのインラ
イン装置には不適切である。
た１つの容積流量計は、石鹸膜形の容積流量計である。
この形式の流量計では、密閉容積が、一般的に透明ガラ
スからなる滑らかな壁面の円筒管で定められている。管
の入口端部が流量を測定しようとする気体に連結され、
出口端部は雰囲気に開放している。入口端部付近に、進
入気体流によって管の内部容積に沿って押し進められる
石鹸膜を発生させるための装置が設けられている。管に
沿った所定位置に配置された光学センサが、管の内部に
沿って並進移動する石鹸膜の通過時間を測定し、この時
間値が既知のアルゴリズムによって気体流量に変換され
る。石鹸膜の移動、従って気体流の流れに逆らうように
作用する粘度及び表面張力の力が比較的小さいことか
ら、この形式の流量計によって発生する背圧は一般的に
容認できる程度に低い。また、石鹸膜流量計の動的測定
範囲は、他の容積流量計の場合よりも相当に広い（一般
的に約0.5〜約500ml／分）。また、この形式の流量計
は、製造及び維持管理の費用が比較的少ない。石鹸膜流
量計の主な欠点は、石鹸膜を定期的に発生させて気体流
内へ導入し、何らかの方法で排出しなければならないこ
とである。石鹸膜の発生は、一般的に手動式泡発生装置
によって実施され、このために作業員が必要になるた
め、作業の自動化すなわち無人化ができなくなる。ま
た、湿潤膜が気体流内へ導入されるため、気体流が水蒸
気で汚染され、このことは気体を包含する多くのインラ
イン装置には不適切である。
【０００５】
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明による方法は、入
口及び出口を設けた通路を通る気体の流量を決定するた
め、気体を入口から密閉容積部内へその密閉容積部内の
気体圧力が最大値に達するまで送り込む段階と、入口か
ら容積部への気体の流れを遮断して、容積部内の気体圧
力が最小値に達するまで気体圧力を容積部から出口を介
して逃がす段階と、容積部内の気体圧力の最大値から最
小値までの変化を表す信号を発生する段階と、発生した
信号から気体流量を決定する段階とを有している。気体
流は、通路の入口及び出口間に配置された弁によって制
御され、測定サイクルの第１部分では弁の作用によって
入口から密閉容積部までの一時的な流路が形成される一
方で、容積部から出口までの流路が遮断され、また測定
サイクルの後続部分では弁の作用によって容積部から出
口までの一時的な流路が形成される一方で、入口から容
積部までの流路が遮断される。通路の入口及び出口間の
部分に蓄圧容積部を設けることによって、測定サイクル
の後続部分における入口及び容積部間の閉鎖通路内での
圧力上昇が制限される。発生した信号は、容積部内の気
体圧力を表す信号であり、最大値及び最小値を決定する
ためにこの信号が標本化される。流量信号は、ボイルの
法則の原理を用いて引き出された式を利用して圧力信号
の最大値及び最小値から決定される。
口及び出口を設けた通路を通る気体の流量を決定するた
め、気体を入口から密閉容積部内へその密閉容積部内の
気体圧力が最大値に達するまで送り込む段階と、入口か
ら容積部への気体の流れを遮断して、容積部内の気体圧
力が最小値に達するまで気体圧力を容積部から出口を介
して逃がす段階と、容積部内の気体圧力の最大値から最
小値までの変化を表す信号を発生する段階と、発生した
信号から気体流量を決定する段階とを有している。気体
流は、通路の入口及び出口間に配置された弁によって制
御され、測定サイクルの第１部分では弁の作用によって
入口から密閉容積部までの一時的な流路が形成される一
方で、容積部から出口までの流路が遮断され、また測定
サイクルの後続部分では弁の作用によって容積部から出
口までの一時的な流路が形成される一方で、入口から容
積部までの流路が遮断される。通路の入口及び出口間の
部分に蓄圧容積部を設けることによって、測定サイクル
の後続部分における入口及び容積部間の閉鎖通路内での
圧力上昇が制限される。発生した信号は、容積部内の気
体圧力を表す信号であり、最大値及び最小値を決定する
ためにこの信号が標本化される。流量信号は、ボイルの
法則の原理を用いて引き出された式を利用して圧力信号
の最大値及び最小値から決定される。
【０００７】本発明装置は、気体が流れる入口及び出口
を備えた気体通路と、気体入口を備えた第１タンクと、
弁機構とを有している。弁機構には、気体入口ポート、
気体出口ポート、第１タンクの気体入口に連結している
共通ポート、及び第１位置にある時に気体入口ポートと
共通ポート間を、第２位置にある時に共通ポートと気体
出口ポート間を気体連通させる制御可能な部材が設けら
れている。本装置はさらに、気体入口を気体入口ポート
に連結する手段と、気体出口ポートを気体出口に連結す
る手段とを有している。
を備えた気体通路と、気体入口を備えた第１タンクと、
弁機構とを有している。弁機構には、気体入口ポート、
気体出口ポート、第１タンクの気体入口に連結している
共通ポート、及び第１位置にある時に気体入口ポートと
共通ポート間を、第２位置にある時に共通ポートと気体
出口ポート間を気体連通させる制御可能な部材が設けら
れている。本装置はさらに、気体入口を気体入口ポート
に連結する手段と、気体出口ポートを気体出口に連結す
る手段とを有している。
【０００８】制御可能な弁部材に接続した制御手段が、
制御可能な部材を気体流量測定サイクル中の第１所定時
間だけ第１位置に、第２所定時間だけ第２位置に位置さ
せる制御信号を発生する。第１所定時間は、制御可能な
部材が第１位置にある時に密閉容積部に最大圧力を充填
できる長さである。同様に、第２所定時間は、制御可能
な部材が第２位置にある時に密閉容積部を大気圧まで排
気できる長さである。制御可能な弁部材が第２位置にあ
る時に装置内の気体流路内での圧力上昇を制限するた
め、気体入口と弁機構の気体入口ポートとの間に蓄圧容
積部が設けられている。
制御可能な部材を気体流量測定サイクル中の第１所定時
間だけ第１位置に、第２所定時間だけ第２位置に位置さ
せる制御信号を発生する。第１所定時間は、制御可能な
部材が第１位置にある時に密閉容積部に最大圧力を充填
できる長さである。同様に、第２所定時間は、制御可能
な部材が第２位置にある時に密閉容積部を大気圧まで排
気できる長さである。制御可能な弁部材が第２位置にあ
る時に装置内の気体流路内での圧力上昇を制限するた
め、気体入口と弁機構の気体入口ポートとの間に蓄圧容
積部が設けられている。
【０００９】密閉容積部と連通した圧力センサがその内
部の圧力を表す信号を発生する。圧力センサ手段に接続
した処理手段がセンサ信号を気体流量信号に変換する。
好ましくは処理手段には、センサ出力部に接続した信号
入力部、気体流量信号を送り出す信号出力部、及び制御
手段に接続した制御入力部を備えたサンプル及びホール
ド回路を設ける。処理手段は、ボイルの法則の原理に従
った式によって気体流量信号を発生し、これには密閉容
積部の大きさ、測定サイクルの頻度及びセンサ信号によ
って示された最大及び最小気体圧力値間の差が用いられ
る。
部の圧力を表す信号を発生する。圧力センサ手段に接続
した処理手段がセンサ信号を気体流量信号に変換する。
好ましくは処理手段には、センサ出力部に接続した信号
入力部、気体流量信号を送り出す信号出力部、及び制御
手段に接続した制御入力部を備えたサンプル及びホール
ド回路を設ける。処理手段は、ボイルの法則の原理に従
った式によって気体流量信号を発生し、これには密閉容
積部の大きさ、測定サイクルの頻度及びセンサ信号によ
って示された最大及び最小気体圧力値間の差が用いられ
る。
【００１０】制御手段には、多段階測定サイクルを特定
するタイミング回路が設けられており、タイミング回路
には弁機構のための制御タイミング信号を表す第１出力
端子と、処理手段のための制御タイミング信号を送り出
す第２出力端子とが設けられている。処理手段の出力部
は、アナログディスプレイ、チャートレコーダまたはア
ナログ／デジタル変換器及びデジタルディスプレイ等の
適当な後続装置に接続している。
するタイミング回路が設けられており、タイミング回路
には弁機構のための制御タイミング信号を表す第１出力
端子と、処理手段のための制御タイミング信号を送り出
す第２出力端子とが設けられている。処理手段の出力部
は、アナログディスプレイ、チャートレコーダまたはア
ナログ／デジタル変換器及びデジタルディスプレイ等の
適当な後続装置に接続している。
【００１１】本発明は、一定温度では気体の圧力と体積
の積が一定であるという気体のボイルの法則の原理に基
づいている。従って、気体流がある一定の容積内に蓄圧
された時、捕らえられた気体の圧力が流量に比例した割
合で上昇する。本発明では測定すべき流れが既知容積の
タンク内に既知時間長さに渡って蓄圧される。容器内の
圧力上昇がセンサによって正確に自動的に測定されて、
処理手段によって流量測定値に変換され、その正確度
は、測定流を構成している気体がボイルの法則に従う程
度に左右されるだけである。この物理法則は公知の普遍
性を備えているため、本発明の正確度は気体組成に影響
されない。また、多くの用途では大きい気体流路に生じ
る背圧が非常に小さくなる。さらに本発明は構造が比較
的簡単で、設置及び維持管理が容易である。本発明は、
添付の図面を参照した本発明の好適な実施例の以下の詳
細な説明からさらに明らかになるであろう。
の積が一定であるという気体のボイルの法則の原理に基
づいている。従って、気体流がある一定の容積内に蓄圧
された時、捕らえられた気体の圧力が流量に比例した割
合で上昇する。本発明では測定すべき流れが既知容積の
タンク内に既知時間長さに渡って蓄圧される。容器内の
圧力上昇がセンサによって正確に自動的に測定されて、
処理手段によって流量測定値に変換され、その正確度
は、測定流を構成している気体がボイルの法則に従う程
度に左右されるだけである。この物理法則は公知の普遍
性を備えているため、本発明の正確度は気体組成に影響
されない。また、多くの用途では大きい気体流路に生じ
る背圧が非常に小さくなる。さらに本発明は構造が比較
的簡単で、設置及び維持管理が容易である。本発明は、
添付の図面を参照した本発明の好適な実施例の以下の詳
細な説明からさらに明らかになるであろう。
【００１２】
【実施例】図１は、本発明の好適な実施例を構成してい
る主要装置を説明する概略ブロック図である。図１にお
いて、流れ入口11が第１タンク12に連結している。タン
ク12の出口端部は、流路導管13を介して制御可能弁15の
第１ポート14に連結している。弁15の第２ポート17が第
２タンク20の気体入口に連結している。弁15の第３ポー
ト18が流れ出口22に連結している。流れ出口22は適当な
下流側装置、例えばガスクロマトグラフに連結すること
ができる。
る主要装置を説明する概略ブロック図である。図１にお
いて、流れ入口11が第１タンク12に連結している。タン
ク12の出口端部は、流路導管13を介して制御可能弁15の
第１ポート14に連結している。弁15の第２ポート17が第
２タンク20の気体入口に連結している。弁15の第３ポー
ト18が流れ出口22に連結している。流れ出口22は適当な
下流側装置、例えばガスクロマトグラフに連結すること
ができる。
【００１３】弁15には、３つのポート14、17及び18間を
気体連通させる可動部材19が設けられている。弁が以下
に説明する適当な制御信号によって作動している図１に
示された作動位置にある時、タンク20は中央ポート17、
可動弁部材19及び出口ポート18を介して流れ出口22と気
体連通している。弁の通常の不作動位置（図示せず）で
は、可動部材19及び中央ポート17を介してその可動弁部
材19によって入口ポート14（従って流れ入口11）とタン
ク20との間が気体連通されて、タンク20及び出口22間の
気体の流れは遮断される。すなわち通常の休止位置で
は、気体は入口11からタンク20へ流れることができる
が、タンク20から出口22への流れは可動部材19によって
遮断される。
気体連通させる可動部材19が設けられている。弁が以下
に説明する適当な制御信号によって作動している図１に
示された作動位置にある時、タンク20は中央ポート17、
可動弁部材19及び出口ポート18を介して流れ出口22と気
体連通している。弁の通常の不作動位置（図示せず）で
は、可動部材19及び中央ポート17を介してその可動弁部
材19によって入口ポート14（従って流れ入口11）とタン
ク20との間が気体連通されて、タンク20及び出口22間の
気体の流れは遮断される。すなわち通常の休止位置で
は、気体は入口11からタンク20へ流れることができる
が、タンク20から出口22への流れは可動部材19によって
遮断される。
【００１４】励起レギュレータ26を設けた圧力センサ25
が、タンク20内の圧力を感知できるように配置されてい
る。好適な実施例の圧力センサ25は、ほぼ17mV／psigの
差電圧を与えることができるフジクラ形Fpm-05PG圧力セ
ンサである。圧力センサ25は励起レギュレータ26によっ
て駆動され、その回路が図２に詳細に示されている。
が、タンク20内の圧力を感知できるように配置されてい
る。好適な実施例の圧力センサ25は、ほぼ17mV／psigの
差電圧を与えることができるフジクラ形Fpm-05PG圧力セ
ンサである。圧力センサ25は励起レギュレータ26によっ
て駆動され、その回路が図２に詳細に示されている。
【００１５】圧力センサ25の出力部は、センサ25からの
電気出力信号を初期増幅する前置増幅器30に接続してい
る。前置増幅器30は、2N5087形トランジスタ及び図２に
詳細に示されている関連素子を有する低雑音差動形前置
増幅器である。好適な実施例にこの前置増幅器30を設け
るのは、低い流量を測定する時にセンサ25が発生する電
気圧力信号の振幅が非常に小さいためである。好適な実
施例では、所望分解能の0.01ml／分が最小検出可能信号
の 340nVに対応する。これは公知のジョンソン処理で発
生する回路雑音の基本限界に比較的近いため、前置増幅
器30が必要であると考えた。この前置増幅器30の利得は
約24であり、これはセンサ25の出力信号の振幅を図２に
示されている構造の LMC660FET形増幅器である後置増幅
器32の雑音閾値以上に増加させるには十分である。増幅
器32がさらに約24の利得を与える結果、正味感度が5.71
V／psiになる。好適な実施例では、前置増幅器30及び後
置増幅器32の両方が交流連結されているため、センサ25
に発生した出力信号の直流オフセットの影響を受けな
い。その結果、圧力変化だけが素子30及び32によって増
幅される。
電気出力信号を初期増幅する前置増幅器30に接続してい
る。前置増幅器30は、2N5087形トランジスタ及び図２に
詳細に示されている関連素子を有する低雑音差動形前置
増幅器である。好適な実施例にこの前置増幅器30を設け
るのは、低い流量を測定する時にセンサ25が発生する電
気圧力信号の振幅が非常に小さいためである。好適な実
施例では、所望分解能の0.01ml／分が最小検出可能信号
の 340nVに対応する。これは公知のジョンソン処理で発
生する回路雑音の基本限界に比較的近いため、前置増幅
器30が必要であると考えた。この前置増幅器30の利得は
約24であり、これはセンサ25の出力信号の振幅を図２に
示されている構造の LMC660FET形増幅器である後置増幅
器32の雑音閾値以上に増加させるには十分である。増幅
器32がさらに約24の利得を与える結果、正味感度が5.71
V／psiになる。好適な実施例では、前置増幅器30及び後
置増幅器32の両方が交流連結されているため、センサ25
に発生した出力信号の直流オフセットの影響を受けな
い。その結果、圧力変化だけが素子30及び32によって増
幅される。
【００１６】増幅器32の出力部は、サンプル及びホール
ド装置35のサンプル入力部に接続している。サンプリン
グのタイミングはシステムタイミング装置40の制御を受
け、この装置はソレノイドコイル44を駆動する電力増幅
器42を介して弁15の可動部材19の作動も制御する。弁15
はバイアスばね45によって図１に示された位置の反対の
位置へ常時付勢されていることに注意されたい。弁15
は、米国オハイオ州、シンシナチ、コールレインロード
7390に所在のクリッパード・インスツルメント・ラボラ
トリ(Clippard Instrument Laboratory)社が販売してい
るクリッパード形ETO-3Hソレノイド作動式弁であること
が好ましい。
ド装置35のサンプル入力部に接続している。サンプリン
グのタイミングはシステムタイミング装置40の制御を受
け、この装置はソレノイドコイル44を駆動する電力増幅
器42を介して弁15の可動部材19の作動も制御する。弁15
はバイアスばね45によって図１に示された位置の反対の
位置へ常時付勢されていることに注意されたい。弁15
は、米国オハイオ州、シンシナチ、コールレインロード
7390に所在のクリッパード・インスツルメント・ラボラ
トリ(Clippard Instrument Laboratory)社が販売してい
るクリッパード形ETO-3Hソレノイド作動式弁であること
が好ましい。
【００１７】サンプル及びホールド装置35の出力部は、
サンプル及びホールド装置35から発生するサンプル信号
出力を緩衝し、ゼロ基準レベルを供給する出力装置45に
接続している。装置45から出た信号出力は、一般的な後
続電子機器類、例えばアナログメータ、チャートレコー
ダ、ディスプレイ等に送られる。オプションの自動遮断
器を設けた電力制御装置50がバッテリ52から様々な装置
構成部材へ電力を供給している。
サンプル及びホールド装置35から発生するサンプル信号
出力を緩衝し、ゼロ基準レベルを供給する出力装置45に
接続している。装置45から出た信号出力は、一般的な後
続電子機器類、例えばアナログメータ、チャートレコー
ダ、ディスプレイ等に送られる。オプションの自動遮断
器を設けた電力制御装置50がバッテリ52から様々な装置
構成部材へ電力を供給している。
【００１８】システムタイミング装置40は、可変周期オ
シレータとデコーダを有しており、これは図２に示され
ているように、増幅器61、4013形フリップフロップ62及
び4052形マルチプレクサを含む様々な素子で構成されて
いる。３つの可変抵抗器65〜67が、マルチプレクサ63の
４つの出力端子で定められる４段階測定サイクルの４段
階のうちの３段階の持続時間を制御する。４段階のうち
の１つが活動中である時はいつも、＋12ボルト直流の使
用可能電圧が対応の出力端子に現れる。このため、段階
Ｓ0 は、出力端子Ｓ0 が12ボルト活動レベルであること
によって定められ、段階Ｓ1 は端子Ｓ1 に12ボルト出力
があることによって、また以下同様にして定められられ
る。端子Ｓ0 は、サンプル及びホールド装置35のゲート
71を活動化するために用いられる。端子Ｓ1 は、弁制御
装置の電力増幅器42を初期動作させるために用いられ、
端子Ｓ2 は、弁15を動作状態に維持する一方、サンプル
及びホールド装置35のゲート73を使用可能にするために
用いられる。好適な実施例では、全測定サイクルの所要
時間は 0.4秒に選択されており、各段階のそれぞれの所
要時間は 298ミリ秒（Ｓ3 ）、２ミリ秒（Ｓ2 ）、98ミ
リ秒（Ｓ1 ）及び２ミリ秒（Ｓ0 ）である。
シレータとデコーダを有しており、これは図２に示され
ているように、増幅器61、4013形フリップフロップ62及
び4052形マルチプレクサを含む様々な素子で構成されて
いる。３つの可変抵抗器65〜67が、マルチプレクサ63の
４つの出力端子で定められる４段階測定サイクルの４段
階のうちの３段階の持続時間を制御する。４段階のうち
の１つが活動中である時はいつも、＋12ボルト直流の使
用可能電圧が対応の出力端子に現れる。このため、段階
Ｓ0 は、出力端子Ｓ0 が12ボルト活動レベルであること
によって定められ、段階Ｓ1 は端子Ｓ1 に12ボルト出力
があることによって、また以下同様にして定められられ
る。端子Ｓ0 は、サンプル及びホールド装置35のゲート
71を活動化するために用いられる。端子Ｓ1 は、弁制御
装置の電力増幅器42を初期動作させるために用いられ、
端子Ｓ2 は、弁15を動作状態に維持する一方、サンプル
及びホールド装置35のゲート73を使用可能にするために
用いられる。好適な実施例では、全測定サイクルの所要
時間は 0.4秒に選択されており、各段階のそれぞれの所
要時間は 298ミリ秒（Ｓ3 ）、２ミリ秒（Ｓ2 ）、98ミ
リ秒（Ｓ1 ）及び２ミリ秒（Ｓ0 ）である。
【００１９】本発明の作用は、一定温度では気体の圧力
と体積の積が一定であるという気体のボイルの法則の原
理に基づいている。従って、気体流がある一定の容積内
に蓄圧された時、捕らえられた気体の圧力が流量に比例
した割合で上昇する。本発明による流量計では、測定す
べき流れが既知容積(56ml)のタンク20内に既知時間長さ
に渡って蓄圧される。圧力上昇（大きな背圧の発生を避
けるために気体通路内の圧力に較べて比較的小さくなっ
ている）が圧力センサ25及び後続の電子機器類によって
正確に自動的に測定されて、流量測定値に変換され、そ
の正確度は、測定流を構成している気体がボイルの法則
に従う程度に左右されるだけである。この物理法則は公
知の普遍性を備えているため、流量計の正確度は気体組
成に影響されない。
と体積の積が一定であるという気体のボイルの法則の原
理に基づいている。従って、気体流がある一定の容積内
に蓄圧された時、捕らえられた気体の圧力が流量に比例
した割合で上昇する。本発明による流量計では、測定す
べき流れが既知容積(56ml)のタンク20内に既知時間長さ
に渡って蓄圧される。圧力上昇（大きな背圧の発生を避
けるために気体通路内の圧力に較べて比較的小さくなっ
ている）が圧力センサ25及び後続の電子機器類によって
正確に自動的に測定されて、流量測定値に変換され、そ
の正確度は、測定流を構成している気体がボイルの法則
に従う程度に左右されるだけである。この物理法則は公
知の普遍性を備えているため、流量計の正確度は気体組
成に影響されない。
【００２０】流量の測定は、合計で約 0.4秒になる４段
階サイクルで進む。第１段階（システムタイミング装置
40の状態Ｓ3 によって示されている）では、弁15が不作
動状態（図１に示されている状態の反対の状態）にあ
る。この状態では、出口ポート18が閉鎖され、入口ポー
ト14が中央ポート17と気体連通状態にあり、気体が入口
通路11に流入してから、タンク12、気体通路部分13、入
口ポート14及び中央ポート17を通ってタンク20に入る。
この段階では、タンク20内の圧力が最大値まで上昇す
る。加えられた圧力に応じて、圧力センサ25が約17mV／
psigの差電圧を発生する。この信号の変動は、タンク20
内の圧力の変化に一致しているが、低騒音差動式前置増
幅器30によって増幅される。前置増幅器30から送り出さ
れた増幅信号は、次に増幅器32で増幅されて、サンプル
及びホールド装置35へ送られる。第２段階（システムタ
イミング装置40の状態Ｓ２によって示されている）で
は、Ｓ2信号がシステムタイミング装置40から増幅器42
内の電力トランジスタのベースへ加えられることによっ
て弁15が励起される。弁15には５ミリ秒という有限の作
動遅れが設けられているので、この時点では機械的運動
は発生しない。しかし、タンク20内が最大圧力である間
にサンプル及びホールド装置35内のアナログスイッチ73
（図２を参照）が閉じて、サンプル及びホールドコンデ
ンサ75の右側プレートを抵抗器76の上側端子に接続す
る。この動作によって、最大圧力基準信号が捕捉され
る。
階サイクルで進む。第１段階（システムタイミング装置
40の状態Ｓ3 によって示されている）では、弁15が不作
動状態（図１に示されている状態の反対の状態）にあ
る。この状態では、出口ポート18が閉鎖され、入口ポー
ト14が中央ポート17と気体連通状態にあり、気体が入口
通路11に流入してから、タンク12、気体通路部分13、入
口ポート14及び中央ポート17を通ってタンク20に入る。
この段階では、タンク20内の圧力が最大値まで上昇す
る。加えられた圧力に応じて、圧力センサ25が約17mV／
psigの差電圧を発生する。この信号の変動は、タンク20
内の圧力の変化に一致しているが、低騒音差動式前置増
幅器30によって増幅される。前置増幅器30から送り出さ
れた増幅信号は、次に増幅器32で増幅されて、サンプル
及びホールド装置35へ送られる。第２段階（システムタ
イミング装置40の状態Ｓ２によって示されている）で
は、Ｓ2信号がシステムタイミング装置40から増幅器42
内の電力トランジスタのベースへ加えられることによっ
て弁15が励起される。弁15には５ミリ秒という有限の作
動遅れが設けられているので、この時点では機械的運動
は発生しない。しかし、タンク20内が最大圧力である間
にサンプル及びホールド装置35内のアナログスイッチ73
（図２を参照）が閉じて、サンプル及びホールドコンデ
ンサ75の右側プレートを抵抗器76の上側端子に接続す
る。この動作によって、最大圧力基準信号が捕捉され
る。
【００２１】５ミリ秒の作動遅れ後の第３段階（システ
ムタイミング装置40の状態Ｓ1 によって示されている）
で、弁15は図１に示されている活動状態になり、タンク
20が弁ポート17及び18を介して流れ出口22へ気体連通し
ており、弁入口ポート14が閉鎖されてタンク20へ通じる
入口通路を遮断している。この段階では、タンク12がア
キュムレータとして作用して、入口通路内での圧力上昇
（従って気体源が受ける背圧）を制限する。また、タン
ク20内の圧力が降下した時、圧力センサ25が対応の信号
変化を発生する。この信号変化が前置増幅器30及び増幅
器32によって増幅され、これによってサンプル及びホー
ルドコンデンサ75の右側プレートの正電圧変化が発生す
る。この変化の最終的な大きさは、以下のようにして気
体流量に直接的に関連している。
ムタイミング装置40の状態Ｓ1 によって示されている）
で、弁15は図１に示されている活動状態になり、タンク
20が弁ポート17及び18を介して流れ出口22へ気体連通し
ており、弁入口ポート14が閉鎖されてタンク20へ通じる
入口通路を遮断している。この段階では、タンク12がア
キュムレータとして作用して、入口通路内での圧力上昇
（従って気体源が受ける背圧）を制限する。また、タン
ク20内の圧力が降下した時、圧力センサ25が対応の信号
変化を発生する。この信号変化が前置増幅器30及び増幅
器32によって増幅され、これによってサンプル及びホー
ルドコンデンサ75の右側プレートの正電圧変化が発生す
る。この変化の最終的な大きさは、以下のようにして気
体流量に直接的に関連している。
【００２２】つりあい状態では、この段階中に排出され
る気体は、（他に気体の出口がないので）先行の 400ミ
リ秒サイクル中に蓄圧された気体全体でなければならな
い。従って、気体のその量は測定長さ（0.00667分）と
流量Ｆとの積になる。従って、サイクルの第３段階での
排出によって生じたタンク20内の圧力変化は（ボイルの
法則によって）次式で表される。
る気体は、（他に気体の出口がないので）先行の 400ミ
リ秒サイクル中に蓄圧された気体全体でなければならな
い。従って、気体のその量は測定長さ（0.00667分）と
流量Ｆとの積になる。従って、サイクルの第３段階での
排出によって生じたタンク20内の圧力変化は（ボイルの
法則によって）次式で表される。
【００２３】Ｄｐ＝0.00667Ｆ／Ｖ（気圧／ml／分）＝
0.00175Ｆ（psi/ml/分） 但し、Ｄｐは圧力変化、Ｖはタンク20の容積である。圧
力センサ25及び増幅器30、32の圧力／電圧利得は、5.71
ボルト／psi の変化が発生するように選択される。従っ
て、 Ｄｖ＝5.71Ｄｐ＝5.71ｘ0.00175Ｆ＝0.01Ｆ／ボルト／m
l／分である。
0.00175Ｆ（psi/ml/分） 但し、Ｄｐは圧力変化、Ｖはタンク20の容積である。圧
力センサ25及び増幅器30、32の圧力／電圧利得は、5.71
ボルト／psi の変化が発生するように選択される。従っ
て、 Ｄｖ＝5.71Ｄｐ＝5.71ｘ0.00175Ｆ＝0.01Ｆ／ボルト／m
l／分である。
【００２４】測定サイクルの、所要時間が２ミリ秒であ
る最後の段階（システムタイミング装置40の状態Ｓ0 に
よって示されている）では、弁15が消勢される。機械的
遅れによって、弁15が図１に示されている状態の反対の
不作動状態へ直ちに閉じることが防止される。この時点
でのタンク20内の最小圧力によって、サンプル及びホー
ルドコンデンサ75が発生した信号のピーク正変化が発生
する。この値が、Ｓ0信号で閉じたアナログスイッチ71
を介してサンプリングされ、そのサンプル値が出力ホー
ルドコンデンサ77に一時的に記憶される。コンデンサ77
の電圧が単位利得増幅器79によってバッファに入れら
れ、最終流れ信号として正の出力端子80へ送られる。
る最後の段階（システムタイミング装置40の状態Ｓ0 に
よって示されている）では、弁15が消勢される。機械的
遅れによって、弁15が図１に示されている状態の反対の
不作動状態へ直ちに閉じることが防止される。この時点
でのタンク20内の最小圧力によって、サンプル及びホー
ルドコンデンサ75が発生した信号のピーク正変化が発生
する。この値が、Ｓ0信号で閉じたアナログスイッチ71
を介してサンプリングされ、そのサンプル値が出力ホー
ルドコンデンサ77に一時的に記憶される。コンデンサ77
の電圧が単位利得増幅器79によってバッファに入れら
れ、最終流れ信号として正の出力端子80へ送られる。
【００２５】最終流れ信号のゼロオフセット調整が、負
出力端子83に接続している電位差計82によって行われ
る。流量／電圧換算係数の正確な校正が電位差計67の調
整によって行われ、これを利用してサイクルの第１段階
の持続時間が、従ってタンク20に気体を蓄圧する時間が
調節される。電位差計65及び66によって全測定サイクル
のうちの第２段階及び第４段階の持続時間の微調整が行
われる。励起レギュレータ装置26が、タンク20内の圧力
変化に対する反応を感知するためにセンサ25が必要とす
る正確な調整電流を与える。センサ25は、感知すべき圧
力がシリコンダイアフラムに作用するという原理に基づ
いて作動し、それによって得られたひずみが図２に示さ
れている圧電抵抗ひずみ計のブリッジによって感知され
る。励起レギュレータ装置26には、増幅器91、基準電圧
を与えるLM385形ダイオード93及び図２に示されている
様々な部材が設けられており、これらが協働して1.25mA
の圧力センサ励起電流を調整する。基準電圧ダイオード
93は、電位差計82によって与えられたゼロオフセット機
能を補助するためにも用いられ、システムタイミング装
置40に安定性を与えることができる。
出力端子83に接続している電位差計82によって行われ
る。流量／電圧換算係数の正確な校正が電位差計67の調
整によって行われ、これを利用してサイクルの第１段階
の持続時間が、従ってタンク20に気体を蓄圧する時間が
調節される。電位差計65及び66によって全測定サイクル
のうちの第２段階及び第４段階の持続時間の微調整が行
われる。励起レギュレータ装置26が、タンク20内の圧力
変化に対する反応を感知するためにセンサ25が必要とす
る正確な調整電流を与える。センサ25は、感知すべき圧
力がシリコンダイアフラムに作用するという原理に基づ
いて作動し、それによって得られたひずみが図２に示さ
れている圧電抵抗ひずみ計のブリッジによって感知され
る。励起レギュレータ装置26には、増幅器91、基準電圧
を与えるLM385形ダイオード93及び図２に示されている
様々な部材が設けられており、これらが協働して1.25mA
の圧力センサ励起電流を調整する。基準電圧ダイオード
93は、電位差計82によって与えられたゼロオフセット機
能を補助するためにも用いられ、システムタイミング装
置40に安定性を与えることができる。
【００２６】図２に示されているオプションの自動遮断
回路は、押しボタンスイッチの作動時にセンサ25に電力
を加える自動電源操作機能を持っている。スイッチ 101
が最後に作動してから少なくとも２分が経過し、表示さ
れた流量が 1.5ml／分より少ない時、電源が自動的にオ
フになる。
回路は、押しボタンスイッチの作動時にセンサ25に電力
を加える自動電源操作機能を持っている。スイッチ 101
が最後に作動してから少なくとも２分が経過し、表示さ
れた流量が 1.5ml／分より少ない時、電源が自動的にオ
フになる。
【００２７】アナログ／デジタル変換器及びＬＣＤディ
スプレイを備えた本発明の変更実施例が図３の論理回路
図に示されている。以上に本発明の好適な実施例を説明
したが、本発明の精神の範囲内において様々な変更を加
えることができるであろう。例えば、特定の回路素子を
以上に説明したが、特定の用途の要件に従って他の素子
を用いることもできる。また、用途によっては他のセン
サ及び弁が適していることがわかるであろう。従って、
以上の説明は請求項によって定義される本発明の範囲を
制限するものではない。
スプレイを備えた本発明の変更実施例が図３の論理回路
図に示されている。以上に本発明の好適な実施例を説明
したが、本発明の精神の範囲内において様々な変更を加
えることができるであろう。例えば、特定の回路素子を
以上に説明したが、特定の用途の要件に従って他の素子
を用いることもできる。また、用途によっては他のセン
サ及び弁が適していることがわかるであろう。従って、
以上の説明は請求項によって定義される本発明の範囲を
制限するものではない。
【００２８】
【発明の効果】本発明の教示に従って構成された流量計
は、低価格の石鹸膜形流量計よりもはるかに正確であ
り、設置及び作動が比較的簡単で清潔である。さらに本
装置は、多くの用途での石鹸膜形流量計の重大な問題点
である作動の完全な自動化が可能となる。また、本発明
は流量測定の動的範囲が比較的幅広い流量計を提供して
おり、（気体がボイルの法則に従っている限り）気体流
組成の変化に影響されず、気体流源に加わる背圧負荷が
非常に低い。本発明に従って構成された流量計は、気体
クロマトグラフィの化学的分析技術におけるキャリア気
体流の測定に特に有益である。
は、低価格の石鹸膜形流量計よりもはるかに正確であ
り、設置及び作動が比較的簡単で清潔である。さらに本
装置は、多くの用途での石鹸膜形流量計の重大な問題点
である作動の完全な自動化が可能となる。また、本発明
は流量測定の動的範囲が比較的幅広い流量計を提供して
おり、（気体がボイルの法則に従っている限り）気体流
組成の変化に影響されず、気体流源に加わる背圧負荷が
非常に低い。本発明に従って構成された流量計は、気体
クロマトグラフィの化学的分析技術におけるキャリア気
体流の測定に特に有益である。
【図１】本発明の好適な実施例の概略ブロック図であ
る。
る。
【図２】図１の実施例の詳細な回路図である。
【図３】図４と図５との関係を示す図である。
【図４】本発明の変更実施例の詳細な回路図の一部であ
る。
る。
【図５】本発明の変更実施例の詳細な回路図の一部であ
る。
る。
１１ 流れ入口 １２ 第１タンク １３ 流路導管 １４ 入口ポート １５ 弁 １７ 共通ポート １８ 出口ポート １９ 可動弁部材 ２０ 第２タンク ２２ 流れ出口 ２５ 圧力センサ ３０ 前記増幅器 ３２ 増幅器 ３５ サンプル及びホールド装置
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01F 3/36 - 3/38 G01F 1/34
Claims (3)
- 【請求項１】 入口及び出口を設けた通路を通る気体の
流量を決定する方法において、 （ａ）気体を入口から密閉容積部内へ、その密閉容積部
内の気体圧力が第１の値に達するまで送り込む段階と、 （ｂ）入口から容積部への気体の流れを遮断して、容積
部内の気体圧力が第２の値に達するまで気体圧力を容積
部から出口を介して逃がす段階と、 （ｃ）前記密閉容積部内の気体圧力の前記第１の値から
第２の値までの変化を表す信号を発生する段階と、 （ｄ）段階（ｃ）で発生した信号から気体流量を決定す
る段階とを有していることを特徴とする流量を決定する
方法。 - 【請求項２】 通路入口及び通路出口を設けた通路を通
る気体の流量を決定する流量計において、 気体流入口を設けた密閉容積部と、 前記容積部内の気体圧力と連通してその気体圧力を表す
出力信号を発生するセンサと、 前記密閉容積部に連結されて、第１位置にあるときに気
体通路入口と前記気体流入口との間を、第２位置にある
ときに前記気体流入口と気体通路出口との間を気体連通
させる弁手段と、 前記センサに接続してセンサ信号を気体流量信号に変換
する処理手段と、 前記弁手段及び前記処理手段に接続して、前記弁手段が
一定の測定サイクルで気体通路入口と前記気体流入口と
の間、及び前記気体流入口と気体通路出口との間を交互
に連結して、前記密閉容積部の最大圧力までの充填及び
最小圧力への排気を交互に実現させる制御手段とを有し
ており、前記制御手段に設けられたタイミング手段によ
って前記処理手段が測定サイクル中の最大と最小気体圧
力値との間の差を表す前記気体流量信号をセンサ信号か
ら発生させることを特徴とする装置。 - 【請求項３】 通路の入口から出口へ流れる気体の流量
を測定することができる装置であって、 通路入口及び通路出口を備えた気体通路と、 気体入口を備えた第１タンクと、 気体入口ポート、気体出口ポート、前記気体入口に連結
している共通ポート、及び第１位置にある時に前記気体
通路入口と前記共通ポートとの間を、第２位置にある時
に前記共通ポートと前記気体出口ポートとの間を気体連
通させる制御可能な部材を設けた弁機構と、 前記通路入口を前記気体入口ポートに連結する手段と、 前記気体出口ポートを前記気体通路出口に連結する手段
と、 前記制御可能な部材に接続して、前記制御可能な部材を
気体流量測定サイクル中の第１所定時間だけ前記第１位
置に、第２所定時間だけ前記第２位置に位置させる制御
信号を発生する制御手段とを有しており、前記第１所定
時間は、前記制御可能な部材が前記第１位置にある時に
前記密閉容積部に最大圧力を充填できる長さであり、前
記第２所定時間は、前記制御可能な部材が前記第２位置
にある時に前記密閉容積部を大気圧まで排気できる長さ
であることを特徴とする装置。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US849859 | 1992-03-12 | ||
| US07/849,859 US5367910A (en) | 1992-03-12 | 1992-03-12 | Method and apparatus for measuring gas flow using Boyle's law |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06288801A JPH06288801A (ja) | 1994-10-18 |
| JP3312346B2 true JP3312346B2 (ja) | 2002-08-05 |
Family
ID=25306695
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP07747193A Expired - Fee Related JP3312346B2 (ja) | 1992-03-12 | 1993-03-12 | ボイルの法則を利用した気体流量を決定する方法及び装置 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5367910A (ja) |
| EP (1) | EP0560571B1 (ja) |
| JP (1) | JP3312346B2 (ja) |
| CA (1) | CA2090162C (ja) |
| DE (1) | DE69310252T2 (ja) |
Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| WO2006075406A1 (ja) * | 2005-01-17 | 2006-07-20 | Tokyo Meter Co., Ltd. | 流量測定方法および流量測定装置 |
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| US6544192B2 (en) * | 1998-02-25 | 2003-04-08 | Respironics, Inc. | Patient monitor and method of using same |
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| US20070240578A1 (en) * | 2006-04-12 | 2007-10-18 | Dileo Anthony | Filter with memory, communication and temperature sensor |
| US20070243113A1 (en) * | 2006-04-12 | 2007-10-18 | Dileo Anthony | Filter with memory, communication and concentration sensor |
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