(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）流体を流路に沿って流すステップと、（ｂ）流路を制限することによって、流体の流れを変位部材を備える変換器に向けるステップと、（ｃ）流路が制限されている間に、変換器から流体流による変位を表す信号を発生するステップと、（ｄ）変換器の信号を利用して、流量を求めるステップと、（ｅ）制限を取り除くことによって、再び、流体が流路に沿って流れるようにするステップから構成される、流路に沿って流れる流体の流量を測定する方法において、前記信号利用ステップ（ｄ）に、
（ｉ）アナログ基準信号を発生するステップと、
（ｉｉ）所定の期間にわたってアナログ基準信号を積分するステップと、
（ｉｉｉ）積分放電信号値がしきい値に達するまで、変換器の信号によって積分基準信号の積分放電を行うステップと、
（ｉｖ）積分放電信号がしきい値に達するのに必要な時間を利用して、流量を計算するステップが含まれることを特徴とする、
流路に沿って流れる流体の流量を測定する方法。
【請求項２】
さらに、計算された流量値を調整するために温度補正信号を発生するステップが含まれることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
制御可能弁を含む流路における流体の流量を測定するためのアコスティック容積流量計において、
前記流路に結合されるようになっている流体ポート、変位部材、前記ポートに流体が流れることによって生じる前記変位部材の移動を表した信号を送り出すための信号出力を備えた変位変換器と、
その入力が前記変位変換器の信号出力に結合されて、流体の流量値を計算するようになっている計算手段から構成され、前記計算手段が、前記流路を制限することによって流体の流れを前記流体ポートに向けるよう前記制御可能弁を動作させるための制御信号を発生する手段と、アナログ基準信号を発生する手段と、所定の期間にわたってアナログ基準信号の積分を行う手段と、積分放電信号値が、しきい値に達するまで、変換器の信号によって積分基準信号の積分放電を行う手段と、積分放電信号がしきい値に達するのに要する時間をカウントする手段と、カウントした時間から流量を計算する手段と、所定の測定期間が済むと、制御信号を終了する手段から構成されることを特徴とする、
流量計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本特許文書の開示の一部には、著作権保護を受ける素材が含まれている。著作権の所有者は、特許商標庁の特許ファイルまたは記録に現れる特許文書または特許開示の何人かによる複写による再製に異議を唱えるものではないが、それ以外については、いかなるものであれ、全ての著作権を留保するものである。
【０００２】
本発明は、流体の流量測定装置に関するものである。とりわけ、本発明は、流体の流量を表した電気信号を発生する流体の流量測定装置に関するものである。
【０００３】
先行技術には、流体の流量を電子的に測定するための技法が数多く存在する。一般に、こうした技法は、測定器の較正を可能にするため、測定される流体の物理的特性に関する事前の知識を必要とする。こうした物理的パラメータの典型的な例には、流体の比熱、圧縮率、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、それ自体、流体の組成に依存している。流体の組成が、未知であるか、あるいは、予測不能に変化する適用例の場合、こうした技法は、不正確かつ不適性である。
【０００４】
先行技術による技法の多くに固有のその他の欠点には、「ターン・ダウン・レシオ」と呼ばれるている、正確な測定を確実に行うことが可能な流量範囲が制限されること、及び、流量計が接続され、動作状態において、流路に発生する許容できない背圧がある。
【０００５】
先行技術に関する上述の欠点を克服しようと試みて、流体の物理的パラメータに対する感度の低い流量計が開発されている。こうしたクラスの流量計の１つは、一般に容積式流量計と呼ばれる。容積式流量計の場合、流量の測定を受ける流体は、ぴったりと合うピストンを備えたシリンダのような、その容積が流体の流量に等しい割合で増大する（例えば、ピストンの変位によって）定期的に独立した密閉室に集積する。密閉容積の増大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した信号を発生することによって）、流体流量を計算することが可能になる。特定の流量計の細部（密閉容積の規定方法、及び、容積の変化率を変換する技法）は、所与の容積流量計のスタイル及び用途によって異なるが、こうした流量計は、全て、測定される流体の物理的パラメータとは無関係な、流体流量測定において妥当な精度の望ましい特性を備えている。しかし、既知の大部分の容積流量計における重大な欠点は、測定信号を発生するため、密閉室の可動表面を変位させる必要があるために生じる流体流の乱れである。このため、定期的に導入される流体流の背圧に対して鋭敏な用途への上記した流量計の利用を不適切なものにする背圧特性が導入される。
【０００６】
有害な背圧効果を低減するために開発された容積タイプのガス流量計の１つが、ソープ・フィルム・タイプの容積流量計である。このタイプの流量計の場合、密閉容積は、一般に、透明ガラスから製造される、平滑な壁面を有する円筒形の管によって決まる。この管の入口端は、流量測定を受けるガスに接続され、出口は、周囲に対して開放されている。ガス流が進むことによって、管の内容積に沿って一掃されるソープ・フィルムを導入するための装置が、入口端に隣接して設けられている。管に沿って所定の位置に配置された光センサが、管の内部に沿って移動するソープ・フィルムの移動時間を測定し、この時間値が、既知のアルゴリズムを用いて、流体流量に変換される。粘度及び表面張力効果の比較的小さい力だけしか、ソープ・フィルムの移動、従って、ガス流の流れを妨げるものがないので、このタイプの流量計によって発生する背圧は、一般に、十分に許容可能な低さである。さらに、ソープ・フィルム流量計は、動的測定範囲が他の容積流量計よりもかなり広い（一般に、約０．５〜約５００Ｍｌ／分の範囲）。また、このタイプの流量計は、製造及び保守コストが比較的低い。ソープ・フィルム流量計の主たる欠点は、ソープ・フィルムを定期的に発生させて、流体流中に送り込み、それを排出しなければならないということである。このソープ・フィルムの発生は、一般に、人間のオペレータの存在を必要とし、自動または無人操作の妨げとなる手動操作式バブル発生装置によって実施される。また、ガス流に湿ったフィルムが導入されるので、ガス流が水蒸気で汚染されるが、これは、ガスを伴う多くのインライン用途には適さない。さらに、ソープ・フィルム・タイプ流量計は、液体を伴う流量計用途には全く適していない。
【０００７】
上述のフィルム流量計に対する改良が、その開示が参考までに本書に組み込まれている、１９９２年１月２８日に提出された、譲渡先が同一である、ＡＣＯＵＳＴＩＣ  ＤＩＳＰＬＡＣＥＭＥＮＴ  ＦＬＯＷＭＥＴＥＲと題する、同時係属の米国特許出願第０７／８２７，１７６号に開示されている。引用した出願には、流体の物理的パラメータに関する事前の知識を必要とせず、流体の流路にほとんど背圧を導入することがなく、流路に汚染を導入することがなく、測定可能な流量の動的範囲が広く、多種多様なガス及び液体の流体流用途に適合し、完全な自動操作が可能な、容積タイプ流量計が開示されている。この容積流量計は、変位部材を備え、流体の流路に結合する流体ポート、及び、ポートに流体が進入することによって生じる変位部材の移動を表した信号を送り出す信号出力が設けられた、コンプライアンスの高いアコスティックタイプの変位変換器と、変位変換器の信号出力に結合されて、ある測定期間にわたる流体の流量の平均値を計算する手段から構成される。計算手段には、流体の流路内に配置された可制御弁が、流体の進路を変えて、変換器の流体ポートに送り込むことができるようにするための制御信号を発生する手段と、制御信号の発生に応答して、変換器の出力信号の初期部分にマスキングを施す手段と、初期部分以降の変換器出力信号を積分する手段と、積分手段の値についてサンプリングを行う手段と、サンプル値を合計する手段と、（ａ）サンプル値の大きさが、所定の最大値に達するという条件と、（ｂ）測定期間が所定の最大値に達するという条件のうち一方が生じれば、制御信号を終了させる手段が設けられている。計算手段は、式Ｆ＝２Ｓ／［ｂｎ（ｎ＋１）］から流体の流量値を求めるが、ここで、Ｆは求められる流量、Ｓは合計されるサンプルの合計値、ｎは得られるサンプル数、及び、ｂは所定の較正定数である。マスキング手段は、下記のアルゴリズムを利用してマスキングすべき初期部分の長さＴを求める手段を具備することが望ましい：
ｉｆ  Ｆ  ｉｓ≧Ｋ，ｔｈｅｎ  Ｔ＝０
ｉｆ  Ｆ  ｉｓ＜Ｋ，ｔｈｅｎ  Ｔ＝Ａ［（Ｋ−ｆ）／Ｋ］
ここで、Ｆは、以前の測定によって求められた流体の流量、Ｋは、測定すべき値の所望の範囲内に含まれる、あらかじめ選択された一定の流量値、Ａは、あらかじめ選択された一定の持続時間である。該計算手段には、オプションで、流量計を始動させるための手動操作式スイッチ、所定の時間期間が経過すると流量計の動作を終了させるタイマ、及び、サンプリング手段が、所定の時間期間が経過する前に、手動操作式スイッチが動作したことを示す場合には、必ず、流量計の動作を延長させるための手段も設けられる。
【０００８】
アコスティック容積流量計の動作時、まず、流体の流路に沿って流体が流され、その後、流体の流れは、流路内の弁を動作させて、一時的に流路が制限されるようにするやり方で流路を制限し、この結果、流体を変位部材を備えた変換器に流れるように変換器に向ける。変換器から発生する、流路の制限中に生じる流体の流れによる変位を表した信号を利用し、その信号を測定期間にわたって積分し、積分信号値のサンプリングを行い、サンプル値を合計し、Ｆに関する上述の式から流量を求めることによって、流体の流量が求められる。その式から流量が求められた後、流量信号の積分値が所定の最大値に達するか、あるいは、測定期間が所定の最大値に達すると、弁を動作させて、流路の制限を解除することによって、流体を再び流路に沿って流す。
【０００９】
上述のアコスティック容積流量計は、多くの用途において有効に機能することが明らかになっているが、その装置は、一方向のみの流量測定に限定される。従って、順方向と逆方向の流量測定が望ましい用途の場合、流量計を流路から外して、流路の接続を逆にしなければならないが、これは、停止時間による遅延をもたらすことになるので望ましくない。さらに、アコスティック容積流量計は、流量が極めて広い範囲にわたって変動する場合、実際の流量と流量測定結果との関係に生じる不一致の影響を考慮するようには設計されていない。さらに、アコスティック流量計は、絶対温度及び絶対圧力の変化に起因する、流量を測定中であるガスの体積の変動を考慮するようには設計されていない。最後に、アコスティック容積流量計に必要な初期較正プロセスは、比較的労働集約型であり、計器が十分に信頼できるとみなすことが可能になる前に、既知の正確さを備えた流量基準の参照を伴うテスト手順を必要とする。
【００１０】
上記欠点のないアコスティック容積流量計を設計しようとするこれまでの努力は、これまでの成果によって報われていない。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は従来の欠点を除いたアコスティック容積流量計を実現することを目的とするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ガスの組成、及び、付加仕様により、周囲温度及び大気圧にも左右されない、双方向のガス流量測定方法及び装置から構成される。さらに、本発明によれば、従来のアコスティック容積流量計の場合に比べて、さらにダイナミック・レンジの広い流量信号の変換が可能になる。本発明には、さらに、製造中に、生産変量と流量変換器の非線形性の両方を補償する、流量測定装置の自動較正技法が含まれる。
【００１３】
プロセスの観点からすれば、本発明は、（ａ）流体が流路に沿って流れるようにするステップと、（ｂ）流路を制限することによって、流体の流れを流路と変位部材を備える変換器の間に向けるステップと、（ｃ）流路が制限されている間に、変換器から流体流による変位を表す信号を発生するステップと、（ｄ）変換器の信号を利用して流量を求めるステップと、（ｅ）制限を取り除くことによって、再び、流体が流路に沿って流れるようにするステップから構成される、流路に沿って流れる流体の流量を測定する方法に対する改良に相当するものである。この改良は、（ｉ）アナログ基準信号を発生するステップと、（ｉｉ）所定の時間期間にわたってアナログ基準信号を積分するステップと、（ｉｉｉ）積分基準信号値がしきい値に達するまで、変換器の信号によって積分基準信号の積分放電を行うステップと、（ｉｖ）積分基準信号がしきい値に達するのに必要な時間を利用して、流量を計算するステップが含まれる、前記信号利用ステップ（ｄ）に対する修正から構成される。利用ステップ（ｉｖ）には、積分放電ステップ（ｉｉｉ）の間に生じる基本サンプリング周期数Ｎをカウントすることによって、時間を累算するステップと、式Ｖ＝Ａ／Ｎ−Ｂから流量を求めるステップ（ここで、Ｖは、体積流量、Ａ及びＢは定数である）が含まれる。
【００１４】
改良された方法には、さらに、その比が温度を表す第１と第２のセンサ信号を発生するステップと、第２の所定の時間期間にわたって、第１のセンサ信号を積分するステップと、第１の積分信号値が、第２のしきい値に達するまで、第２の信号によって、第１の積分信号を積分放電するステップと、第１の積分信号が第２のしきい値に達するのに必要な時間を利用して、温度補正信号を計算するステップから成る、計算済みの流量値に調整を加える温度補正信号を発生するステップも含まれている。第１と第２のしきい値の両方の値とも、ゼロであることが望ましい。
【００１５】
装置の観点からすると、本発明は、流路に結合されるようになっている流体ポート、変位部材、前記ポートに流体が流れることによって生じる変位部材の移動を表した信号を送り出すための信号出力を備えた変位変換器と、その入力が前記変位変換器の信号出力に結合されて、流体の流量値を計算するようになっている手段から構成され、その計算手段が、可制御弁が流路と流体ポートの間において流体の進路を切り換えることができるようにするための制御信号を発生する手段と、アナログ基準信号を発生する手段と、所定の時間期間にわたってアナログ基準信号の積分を行う手段と、積分基準信号値がしきい値に達するまで、変換器の信号によって積分基準信号の積分放電を行う手段と、積分基準信号がしきい値に達するのに要する時間をカウントする手段と、カウントした時間から流量を計算する手段と、所定の測定期間が済むと制御信号を終了する手段から構成されることを特徴とする、可制御弁を含む流路における流体の流量を測定するためのアコスティック容積流量計に相当する。
【００１６】
計算手段には、さらに、その比が温度を表す第１と第２のセンサ信号を発生するセンサ手段と、第２の所定の時間期間にわたって、第１のセンサ信号を積分手段に結合するための手段と、第１の積分信号値が第２のしきい値に達するまで、第２のセンサ信号を積分放電手段に結合するための手段と、第１の積分信号が第２のしきい値に達するのに必要な時間をカウントするための手段と、カウント手段によって得られたカウントから温度補正信号を計算するための手段から成る、計算済みの流体の流量を調整するための温度制御信号を計算する手段が設けられていることが望ましい。
【００１７】
【実施例】
次に、図面を参照すると、図１は、本発明の望ましい実施例を構成する主要装置を示す概略ブロック図である。この図から明らかなように、流路の一部には、流体（通常は、ガス）が送り込まれる入口１０と流体の流路の下流部分に結合された流れの出口１１が含まれている。出口１２の上流で、入口１０の下流に当たる位置に、電動式流量制限弁１４が配置されている。後述の目的のため、分岐路１６のすぐ上流にあたる流路の入り口部分には、流量制限器１５が設けられている。流体流路の分岐路部分は変位変換器１７の入口ポートに結合されている。
【００１８】
流量制限弁１４は、コネチカット州ウエストブルックのＬｅｅ  Ｃｏｍｐａｎｙから入手可能なＬＦＤＸ０５１０２５０Ａ型の弁のような、通常は開いている電動式弁が望ましい。この弁は、マイクロコンピュータ装置４０からバルブオンと称する制御信号を受信する弁制御装置１８によって制御される。弁１４は、図３に示すバルブオン信号が活動状態になる毎に、弁制御装置１８によって動作して閉じた状態になる。
【００１９】
変位変換器１７は、ニュージャージ州ランドルフのＭｏｕｓｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  Ｃｏ．から入手可能な２５ＳＴ５００型変換器のような、高コンプライアンスのアコスティックタイプ変位変換器から構成されるのが望ましい。変換器１７には、Ｍｙｌａｒ製ダイヤフラム部材が含まれており、ガスが、ダイヤフラムと剛性プレートによって囲まれた室に送り込まれるように、取り付けられている。変換器１７は、極性逆転回路２１に結合された一対の出力リード１９、２０に変位を表した電気信号を発生する。極性逆転回路は、流れの方向に基づいて、信号の極性を反転することが可能であり、従って、流路に沿ったいずれの方向の流れから生じた信号であっても、極性逆転回路２１がリード２２を介して結合されている、アナログ・デジタル変換器２５によって正確に処理することが可能である。基準電圧発生器２６は、導体２７によって、極性逆転回路２１、さらに、アナログ・デジタル変換器２５に対しても、基準電圧Ｖｒを供給する。
【００２０】
周囲圧力／温度センサ３０は、導体３２及び３４を介して周囲圧力及び温度の測定値に関連した一対の信号をアナログ・デジタル変換器２５に供給する。センサ３０によって供給される２つの信号は、それぞれ、「ＡＭＢＩＥＮＴ  ＳＥＮＳＯＲ」及び「ＡＭＢＩＥＮＴ  ＥＸＣＩＴＡＴＩＯＮ」と表示される。周囲センサ３０は、本質的に、小形空気だめに接続されたピエゾ抵抗ゲージ圧センサからなる、日本の東京にあるフジクラから入手可能なＦＰＭ−０５ＰＧ型センサによって構成するのが望ましい。このセンサは、入口ポートを密封して、密封された内部空気だめを形成することにより、修正が施されている。この装置は、その比が、流量計の雰囲気と密封したセンサの空気だめに捕獲した空気サンプルの圧力との間における差圧を表すことになる２つの電気信号、ＡＭＢＩＥＮＴ  ＳＥＮＳＯＲ及びＡＭＢＩＥＮＴ  ＥＸＣＩＴＡＴＩＯＮを発生する。
【００２１】
「自動ゼロ」及び「入力選択」と呼ばれる一対の制御信号がマイクロコンピュータ４０からリード３７、３８を介して、アナログ・デジタル変換器に供給される。「ゼロクロス」と呼ばれるアナログ・デジタル変換器の出力が、生データ信号として導体３９を介してマイクロコンピュータ４０に供給される。オペレータ・インターフェイス４２には、一対の手動操作スイッチ４３、４４が設けられており、オペレータが、スイッチ４３を操作して、流量計の動作を開始させ、また、スイッチ４４を操作して、流量測定を中断し、流量計の現在の動作モード（体積、質量流量、線形速度等）を示すプロンプト・メッセージをディスプレイ４５に表示させることが可能になっている。引き続き、スイッチ４４の動作によって、利用可能なモード・リストにおける次の項目が表示される。
【００２２】
マイクロコンピュータ４０は、カリフォルニア州キャンベルのＺｉｌｏｇ  Ｉｎｃ．から入手可能な２８４Ｃ０００４ＰＥＣ型マイクロプロセッサから構成される。
【００２３】
ディスプレイ４５は、カリフォルニア州バーリンガムのＡＮＤから入手可能なＡＮＤ６７１型ディスプレイから構成されるのが望ましい。
【００２４】
マイクロコンピュータ４０の出力ポートの１つは、端子４８にＲＳ２３２タイプの直列データ出力を送り出す出力ドライバ４６に結合されている。
【００２５】
動作時、測定すべき流れが、流路に通され、マイクロコンピュータ４０からのバルブオン信号の受信に応答して、弁制御装置１８が制御信号を発生し、弁１４を閉じることによって、変位変換器１７に進路が切り換えられる。流量制限器１５は、流路におけるガス流に対する各種抵抗源のために、変位変換器の入力における流量が大きい場合に生じる可能性のある、望ましくない加圧を軽減するか、あるいは、除去する働きをする。流れが変換器のダイヤフラムによって密閉された容積内に進路転換されると、こうして累積されたガスによって、ダイヤフラムが変位し、累積率、すなわち流量容積に比例した電気信号が端子１９、２０から送り出される。
【００２６】
極性逆転回路２０は、マイクロコンピュータ４０からの制御信号に応答して、導体１９、２２における変位信号の極性を調整し、アナログ・デジタル変換器２５に適した極性のアナログ信号が得られるようにする。
【００２７】
アナログ・デジタル変換器２５は、導体２７によってＶｒ基準信号を受信し、導体３２、３４によって周囲センサ３０から２つの信号を受信し、導体２２によって極性逆転器２１からの変位信号を受信し、導体５８によってアナログ・アース基準を受信する。図２を参照すると、アナログ・デジタル変換器２５は上記５つの異なる入力端子を備えた入力マルチプレクサ５０を備えている。入力マルチプレクサ５０は、入力選択ライン３８によってマイクロコンピュータ４０から結合される入力選択信号の制御を受ける。
【００２８】
変換器２５には、さらに、入力抵抗器５１、自動ゼロ記憶コンデンサ５２、積分コンデンサ５３、積分増幅器５４、限流抵抗器５５、コンパレータとして構成された演算増幅器５６、及び、自動ゼロスイッチ５７が含まれている。増幅器５４、５６は、テキサス州ダラスのＴｅｘａｓ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓから入手可能なＴＬＣ２７Ｍ４型カッド演算増幅回路の１／２から構成される。自動ゼロスイッチ５７は、カリフォルニア州サンタ・クララのＮａｔｉｏｎａｌ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒから入手可能なＣＤ４０５３型ＣＭＯＳマルチプレクサの一部から構成される。アナログ・デジタル変換器２５は下記のように機能する。
【００２９】
図３を参照すると、マイクロコンピュータ４０は、まず、バルブオン指令を送り出し、これに続いて、自動ゼロスイッチ５７を閉じる自動ゼロ指令を出す。これによって、積分増幅器５４の出力が限流抵抗器５５を介して自動ゼロ記憶コンデンサ５２に結合される。その後、コンデンサ５２に蓄積される電圧は、積分器のオフセット・エラーをゼロにする働きをする。この初期段階は、「自動ゼロ段階」と呼ばれる。導体３７における自動ゼロ制御信号がデアサートされて、自動ゼロ・スイッチ５７が停止されると、「基準積分段階」と呼ばれる第２段階が開始される。同時に、マイクロコンピュータ４０がマルチ・プレクサ５０への導体３８に入力選択信号を送り出し、増幅器５４とコンパレータ５６の結合入力にアナログ・アース信号を接続する。また、基準電圧Ｖｒは、選択された所定の時間期間Ｔｒにわたって積分器に結合される。この時間に、積分コンデンサには、基準電圧Ｖｒを積分コンデンサ５３及び入力抵抗器５１の値で割った値のＴｒ倍に等しい電荷が蓄積される。Ｔｒの終了時、マルチプレクサ５０に対する基準入力Ｖｒを切断し、導体２２の変位信号入力を選択することによって、積分放電段階と呼ばれる第３の段階が開始される。極性逆転回路２１によって、変換器２５に提示される変位信号の極性は、常に、基準電圧Ｖｒと逆になることが保証されるので、積分コンデンサ５３の電荷は、この時点で、変位変換器１７からの信号の大きさ、従って、測定を受ける流量に比例した割合で減少し始める。この電荷がゼロまで減少するのに要する時間（Ｔｄ）は、変換器信号に比例する：
Ｔｄ＝Ｔｒ・Ｖｒ／（Ｓｆ＋Ｖｏ）
ここで、Ｔｄ＝積分放電時間
Ｔｒ＝基準積分時間
Ｖｒ＝基準電圧
Ｓｆ＝流量信号値
Ｖｏ＝最長変換時間を制限する低バイアス電圧
Ｔｄの間、マイクロコンピュータ４０は、マイクロコンピュータ４０の内部命令実行速度による制限を受ける周波数Ｆで、コンパレータ５６によって発生し、導体３９に生じるゼロ・クロス信号のレベルについてサンプリングを実施する。最終デジタル変換結果Ｎは、下記によって得られる：
Ｎ＝Ｆ・Ｔｒ・Ｖｒ／（Ｓｆ＋Ｖｏ）
サンプル数Ｎは、ゼロ・クロス信号が逆の状態に遷移する時間まで、マイクロコンピュータ４０のレジスタに累算される。これによって、標準的な温度及び圧力条件に関して補正されていない流量測定値が得られる。
【００３０】
標準的な温度及び圧力条件からの偏差を補正するため、流量サンプリング・サイクルが完了すると、センサ３０からの信号は、上述の３段階の変換アルゴリズムを利用して同様に評価され、下記のように修正が加えられる。段階１において、変換器２５は、自動ゼロ段階の動作をする。段階２において、所定の時間期間にわたる積分のため、導体３２のＡＭＢＩＥＮＴ  ＳＥＮＳＯＲ出力信号が選択される。最後に、段階３において、段階２においてコンデンサ５３に蓄積された電荷は、導体３４に生じるＡＭＢＩＥＮＴ  ＥＸＣＩＴＡＴＩＯＮセンサ信号の値に比例する割合で積分放電される。センサ３０は、導体３２の出力周囲センサ信号が、センサに供給される励起電流に比例するタイプであるため、センサ出力のアナログ・デジタル変換は、本質的に、センサ出力とセンサ励起との比に等しい数値結果を生じるように実施される。コンデンサ５３に蓄積された電荷の積分放電は、センサ励起に正比例する割合で行われるので、積分放電を完了するのに必要な時間は励起に反比例する。
【００３１】
センサ３０からの周囲圧力の測定値を利用して、下記の関係式で体積流量測定の変換が行われる：
Ｆｍ＝Ｆｖ・Ｐａ／Ｔａ
ここで、Ｆｍ＝質量流量
Ｆｖ＝体積流量
Ｐａ＝周囲圧力（気圧）
Ｔａ＝周囲絶対温度（゜Ｋ／２９３、すなわち、周囲温度と標準温度の比を単位とする）
ガスの密封された剛性容器の中身とそれを包囲する周囲空気の圧力差について考察する。容器の密封時に、容器内のガスが標準温度及び圧力であれば、気圧で表す圧力差は、次のようになる：
ｐｄ＝Ｐａ−Ｔａ
ここで、Ｐａ＝周囲圧力
Ｔａ＝周囲温度（上述の単位で表示）
質量流量Ｆｍの良好な近似式は、下記のように表すことができる：
Ｆｍ＝Ｆｖ・（１＋ｐｄ）＝Ｆｖ・（１＋Ｐａ−Ｔａ）
実際、結果生じる補正は、圧力の変化に関して正確であるが、温度変化に関しては近似値でしかない。しかし、温度変化の影響は、約−１０゜Ｃ〜約＋１５゜Ｃの温度範囲にわたって１％程度と、比較的わずかである。すなわち、周囲圧力Ｐａが１気圧と仮定する。正確な関係式Ｆｍ＝Ｆｖ・Ｐａ／Ｔａと近似関係式Ｆｍ＝Ｆｖ・（１＋Ｐａ−Ｔａ）の比は：
（１／Ｔａ）／（１＋Ｐａ−Ｔａ）＝１／（２・Ｔａ−Ｔａ2）
この比が１．０から１％異なると、Ｔａは、１（２９３゜ケルビンの温度に相当）から１０％（２９゜Ｃに相当）異ならなければならない。
【００３２】
上述のように、流路における分岐路１６の上流には、流量制限器１５が設けられている。流量制限器１５は、流路内に不可避的に存在するガス流に対する各種抵抗源によって生じる、入力流量が大きい場合の望ましくない加圧を大幅に減少させるか、あるいは、完全に除去する抽出器の働きをする。
【００３３】
留意すべきは、流量制限器１５によって導入される圧力降下が、絶対的に極めて少なく（１ｐｓｉをかなり下回る）、流量計には、ガスの進路を転換する代替流路が存在しないので、流量制限器１５によって、システムを通る正味流量が大幅に変化することはない。
【００３４】
制限器１５を用いる特定の理由は、次の通りである。弁１４を開き、ガスを自由に排出させようとしている間に、流路の構成要素によって被る流体抵抗から、流量が大きい場合には、かなりの静圧（変換器１７の極めて高いコンプライアンスに対して）が生じることが観測された。この静圧は、ゼロ流量の静止位置から他の位置へ変位変換器１７のダイヤフラムを変位させようとする。これは、後続の流量測定サイクルにおけるダイヤフラムの量的応答に悪影響を及ぼすことになる。静圧、従って、変換器の摂動の大きさは、ガス流の密度によって決まる。
【００３５】
流量制限器１５の位置の選択は、実験に基づき、最良となるように決定することが可能であり、制限器１５を取り付けると、制圧の影響が大幅に除去されることが明らかになっている。正確には分からないが、この改良は、流体流の標準モデルで解説の流体流の狭窄点における流体速度の局部的上昇に起因する流体流の動圧の降下（例えば、ベルヌーイ効果）によって生じる、「抽出器」またはベンチュリ効果による公算が高い。この流れの動圧降下は、変位変換器１７の入口における静加圧を相殺する働きをし、従って、ガス組成に対する流量測定の望ましくない依存性が解消される。
【００３６】
実験により、もとの加圧の不正確さによって生じるエラーは、わずかに、±５％のオーダにしかならないので、制限器１５にとって満足のゆく寸法は、比較的厳密でないことが明らかになっている。単純な、内径１／８インチの、プラスチック製Ｔ型管継ぎ手が、図１に示すように配置された流路の場合、流量制限器１５は、Ｔ型管継ぎ手の入口スタブに押し込まれた、長さの短い（およそ１ｃｍ程度）、内径１／３２インチのＴ型管継ぎ手として実現される。
【００３７】
上述のように、極性逆転回路２１は、流れの方向に従って、変位変換器１７の出力信号の極性を逆にする働きをするので、流路に沿ったいずれの方向の流れから生じる信号であっても、アナログ・デジタル変換器２５によって正確に処理することが可能である。必要な場合、信号極性のテスト及び逆転の方法は、次の通りである。測定サイクルの段階３における変換器１７からの信号の積分放電の間、マイクロコンピュータ４０は、導体３９のゼロ・クロス信号が状態を変更するのに必要な時間を測定する。この時間が、望ましい実施例の場合、約−１５ｍｌ／分に相当する所定の限界を超えると、流量計のソフトウェアによって、実際の流れの方向が、極性逆転回路２１の状態の現在の設定に適合する方向と逆であると判定される。この結果、マイクロコンピュータ４０は、逆転回路の状態を逆にする信号を発生し、現在の測定は無視する。その後、逆転回路の設定を正確にした状態で、引き続き、流量測定が行われる。手動オーバライドとして、オペレータは、マイクロコンピュータ４０によるディスプレイ４５のプロンプトに応答し、オペレータ・インターフェイス４２のスイッチ４３、４４の一方を操作して、逆転回路２１の現在の設定をオーバライドすることが可能である。
【００３８】
流量信号処理のダイナミック・レンジは、主として、変位変換器１７の感度の変動に起因する、流量計のコンポーネントにおける±２０％の製造公差に適応するのに十分な広さに設計されている。最大流量（１Ｌ／分）対最小流量（１ｍｌ／分）の所望の割合、１０００対１の１％の分解能が、アナログ・デジタル変換器２５によって得られる。従って、流量信号処理経路のダイナミック・レンジは、流量信号自体のダイナミック・レンジでコンボルブされると、変換器の応答範囲に適応するのに十分な広さである。この要件は、信号処理経路が必要とするダイナミック・レンジの１．４４の増加率を課す。すなわち、アナログ・デジタル変換器２５は、流量計の仕様において要求される１００，０００：１のダイナミック・レンジに対する分布のロー・サイドまで降下する流量計の１／１．２＝０．８３３．．．の応答を分解するのに十分な感度を備えていなければならない。同時に、分布のハイ・エンドまで降下する流量計の１．２の応答によって、オーバ・レンジ状態が生じないように、アナログ・デジタル変換器２５は、十分なヘッド・ルームを備えていなければならない。この組み合わせ要件は、正味ダイナミック・レンジ（１．２）2 ×  １００，０００＝１４４，０００として説明することができる。
【００３９】
望ましい実施例で示される流量計は、表示値の１／１００の分解能で、１〜１，０００ｍｌ／分の範囲のガス流量をデジタル化することが必要になるため、また、前述の変位変換器１７の予備較正の不確実性のため、１４４，０００：１の最小ダイナミック・レンジが必要とされる。実施の経済性及び簡単さを犠牲にすることなく、この広いダイナミック・レンジを実現するため、要約したように、変位変換器信号の逆数に比例したその信号の数値表現を生じる上述の変換方法が用いられる。
【００４０】
基準積分時間Ｔｒの選択がいくつかの要素によって左右されるという点に留意されたい。レンジの最小端におけるＴｒの値は、信号のデジタル化以前に、積分コンデンサ５３に蓄積される基準電荷の必要とされる正確さ、及び、積分増幅器５５の帯域通過特性が課す実現化能なタイミング分解能の限界によって制限される。Ｔｒの最大値は、漏洩電流及び同様のアナログ・エラーに関連した制約によって制限される。望ましい実施例の場合、３ミリ秒の値が、満足のゆくものであることが分かっている。
【００４１】
動作時、アナログ・デジタル変換器２５の積分セクションは、基準積分時間（段階２）及び積分放電時間（段階３）を除いて、通常は、自動ゼロモードにある。望ましい実施例の場合、流量サンプリング間隔は、５００ミリ秒であり、積分セクションが自動ゼロモードにある遊休期間は、この５００ミリ秒の流量サンプリング間隔の大部分を構成する。
【００４２】
周囲センサ信号サンプリング期間は、流量測定に要する時間よりもかなり短く、センサ信号の基準積分時間Ｔｒは、望ましい実施例の場合、１ミリ秒になるように選択されている。周囲センサ積分放電時間Ｔｄは、一般に、０〜６ミリ秒の範囲内である。
【００４３】
図３に示す変換器信号において明らかなように、変位変換器１７からの信号は、測定プロセスの開始時に初期リンギング部分を有する可能性がある。所望の場合、リンギングが、上述の米国特許出願第０７／８２７，１７６号に開示のマスキング技法を利用することによって静まるまで、アナログ・デジタル変換器の積分サイクルの初期動作を遅延させることによって、この初期リンギング部分をマスキングすることが可能である。
【００４４】
アナログ・デジタル変換器２５において用いられる信号処理によって得られる分解能の向上は、（Ｓｆ＋Ｖｏ）の関数としてのＮの変化率、すなわち、変位変換器の流量信号測定の関数としての測定流量信号の変化率を検査することによって、認識することが可能である。この合計に対するＮの導関数の大きさは、その合計の逆二乗として増大する。従って、Ｎ＝Ｆ．Ｔｒ．Ｖｒ／（Ｓｆ＋Ｖｏ）の場合の式の定数が、１，０００ｍｌ／分あたりの流量が１０ｍｌ／分の分解能で分解されるように調整されると、１ｍｌ／分における０．０１ｍｌ／分の分解能に対応するＮの値は、３２（すなわち、１０００のほぼ平方根）倍の大きさになりさえすればよく、１，０００倍の大きさになる必要はない。従って、ＡＤＣの結果が流量に線形に比例する場合に必要とされる分解能に比べて、ＡＤＣの分解能が３０倍も向上するということは、アナログ・デジタル変換器２５のコスト及び複雑さを低減する上において極めて重要である。
【００４５】
図１、２に示すシステムのアセンブリが済むと、システムは、下記のようにして較正される。較正プロセスを開始するため、テストを受ける流量計の入口ポートは、一般に１Ｌ／分の、正確に分かっているガス流源に接続される。応答の際、マイクロコンピュータ４０によって計算される流量計の値は、出力ドライバ４６及び直列データ出力端子４８を介して、マスター・コンピュータに送られ、較正テーブルが生成される。式
Ｎ＝Ｆ．Ｔｒ．Ｖｒ／（Ｓｆ＋Ｖｏ）
は、Ｎ＝Ａ／（Ｖ＋Ｂ）に簡略化することが可能であり、
ここで、Ｖは、体積ガス流量、Ａ及びＢは、実験に基づいて求められる定数である。Ｎが与えられると、これは、次のように整理することが可能である：
Ｖ＝Ａ／Ｎ−Ｂ
【００４６】
これらの実験による較正定数のテーブルをコンパイルするタスクは、コンピュータで実行するソフトウェアによって実施される。１Ｌ／分のガス流源に接続されている間に、テストを受ける流量計によって送り出されるＮ値から始めて、ゼロ流量を含む、あらかじめ正確に決められたガス流源の集団からの同様の読み取りを継続し、コンピュータは、いくつかの流れ（望ましい実施例の場合、７つ）に対する流量計の応答に関するリストをコンパイルする。さらに、所定のフロー・シンクの集団から、等しい数の読み取り値の集合が得られる（図１の逆方向の場合）。この集団における各流量のサンプリングが済むと、コンピュータは、各流れの方向毎に、５０の分子定数Ａと、１つのゼロ・オフセット定数Ｂから構成される較正テーブルを生成する。補間を利用して、測定流量値に直接対応しない、テーブル項目が生成される。
【００４７】
結果得られる、較正を受ける個々の流量計に固有のテーブルは、コンピュータによって、流量計のマイクロプロセッサ・ソフトウェアのコピーと組み合わせられて、プログラマブル読み取り専用メモリ装置に書き込まれ、そのメモリ装置は、結果として、較正された流量計の一部となる。従って、較正情報は、流量計自体の結果に永久に組み込まれることになる。
【００４８】
周囲圧力／温度センサの標準化に適した定数が、ＰＲＯＭに記憶された較正データにも組み込まれる。このプロセスを容易にするため、較正プロセスの開始時に、オペレータによって、周囲温度及び気圧データがコンピュータに提供される。コンピュータで実行する較正ソフトウェアが、流量計から送られてくる周囲センサのＡＤＣ結果と周囲温度／気圧データを相関させて、そのセンサに関する較正定数を発生する。
【００４９】
実際の流量測定時、変位センサのＡＤＣ結果は、較正テーブルからの補間された分子定数Ａ及びゼロ・オフセット定数Ｂに関して関係式Ｖ＝Ａ／Ｎ−Ｂを適用することによって、補正体積流量データに変換される。
【００５０】
結果得られる体積流量値はｍｌ／分の単位で直接表示することもできるし、あるいは、再スケーリングを施して、ユーザの選択によるさまざまな単位で表示することも可能である。これらの単位には、下記が含まれる：
（ａ）体積（ｍｌ／分）
（ｂ）質量流量（標準的な立方ｃｍ／分）
（ｃ）比率流量（ｎ.ｎｎ：１ ）  −  まず、オペレータの指令により、オペレータ・インターフェイスを介して、基準流量が捕捉される。後続の流量測定結果は、その基準に対する比率として表示される。
（ｄ）線形速度（ｍ／秒）  −  体積流量を、一般に、ガス・クロマトグラフィに用いられるいくつかのシリカ毛細管ゲージのうち任意の１つ（オペレータが標準的なシリンダ・ゲージのメニューから選択する）の断面積で割った商が、線形速度として表示される。こうして正規化された流量表示は、ガス・クロマトグラフ計器の初期調整及びセット・アップ時における、クロマトグラファにとって有益である。
【００５１】
この明細書の付録１は、望ましい実施例に用いられるプログラムの１０進（基数１０）フォーマットによるオブジェクト・コード・プログラムである。任意の行に関して、最初の数は、ＰＲＯＭアドレスであり、第２〜第８の数は、バイト値である。アドレス２３０４〜２６６１には、その特定の流量計に固有の較正／線形化テーブルが含まれている。
【００５２】
以上によって、本発明の望ましい実施例に関する十分かつ完全な開示が得られるが、さまざまな修正、代替構成、及び、同等物を用いることも可能である。例えば、特定の回路要素について既述のところであるが、特定の用途の要件に基づいて、他の特定の回路要素を用いることも可能である。従って、以上の説明及び例示は、本発明の範囲を制限するものと解釈すべきではなく、その範囲は特許請求の範囲の各請求項によって規定される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の望ましい実施例を示すブロック図である。
【図２】本発明の望ましい実施例のアナログ・デジタル変換器を示す部分概略図である。
【図３】図１及び２の実施例の動作を示すタイミング図である。
【符号の説明】
１０    入口、１２    出口、１４    流量制限弁、１５    流量制限装置、１６    分岐路、１７    変位変換器、１８    弁制御装置、２１    極性逆転回路、２５    アナログ・デジタル変換器、２６    基準電圧発生器、３０    周囲圧力／温度センサ、４０    マイクロコンピュータ。
【図１】
0003540860.tif 000002
【図２】
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【図３】
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