(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体流量に対する現在の動作温度及び圧力の変化による影響を補償して入口流体流量の精確な制御を提供する電子制御式空気圧マニホルドを有する分析装置であって、
流体源と、
現在の動作温度に維持されるよう熱伝導性材料からなるマニホルド体と、
そのマニホルド体に熱接触状態で取り付けられ、圧力調整器と入口との間の流体の圧力に対応する流体圧力信号を生成する、流体圧力センサと、
前記マニホルド体に熱接触状態で取り付けられ、現在の動作圧力に対応する現在動作圧力信号を生成する、圧力センサと、
前記マニホルド体に熱接触状態で取り付けられ、前記マニホルドの温度に対応する温度信号を生成する、温度センサと、
流量センサを通る流体の流量と、前記流体源からの流体の圧力と、前記温度センサの温度と、流体の流量に対する現在の動作圧力による影響とをモデル化する、ファームウェアに記憶された複数の式と、
温度信号と、流体圧力信号と、現在動作圧力信号と、前記ファームウェアに記憶された複数のモデル式とに基づいて制御信号を生成する、コンピュータと、
前記マニホルド体に熱接触状態で取り付けられ、前記制御信号に応じて前記流体源と前記入口との間の流体の圧力を調整する、電子制御弁と
を備えていることを特徴とする分析装置。
【請求項２】
質量流量センサを通る流体の流量をモデル化するための前記式が、次式；
Ｖo＝α＊[1-exp(βｆ)]＋Ｖoffset
(αは加熱ブリッジの温度及び電子利得に比例し、
βは流体の熱拡散係数に関連する)
を含む請求項１に記載の分析装置。
【請求項３】
上流側圧力をモデル化する次式；
Ｃｐ＝Ａ＋Ｃ＊ｔｃ＋(Ｂ＋Ｄ＊ｔｃ)＊ｐ１
（Ｃｐ＝センサ応答(Ａ／Ｄカウント)
Ａ＝０℃及び０psigでのドリフト(Ａ／Ｄカウント)
Ｂ＝圧力感度(カウント/psi)
ｐ１＝流体源ゲージ圧力(psig)＝ｐｓ−[大気圧]
ｔｃ＝サーミスタ温度(℃)）
を更に含む請求項２に記載の分析装置。
【請求項４】
流体の流量をモデル化するための前記式の導関数が、
dＶo/dＴ＝(Ｖon/α)(dα/dＴ)
−α/β＊Ｌn[1-(Ｖon/α)]＊[1-(Ｖon/α)]dβ/dＴ
＋dＶoffset/dＴ
（Ｖo＝センサ出力電圧、Ｖon＝センサ出力電圧−ゼロ流量センサ出力電圧）であり、未知定数dα/dＴ（加熱ブリッジの温度及び電子的利得のドリフトに比例する）と、dβ/dＴ（ガスの熱拡散係数のドリフトに比例する）と、dＶoffset/dＴ（電子的ドリフト電圧）とが、流量ゼロの場合とその他の２つの流量の場合との温度ドリフトを測定することにより計算され、これにより、流量センサのドリフト電圧を計算することが可能となる請求項２に記載の分析装置。
【請求項５】
Ｃｔが、前記流量センサの温度をモデル化するためのＥ＋Ｆ＊Ｔｃに等しく、Ａ／Ｄカウントでのサーミスタ応答Ｃｔ＝Ｅ＋Ｆ＊Ｔｃであり、Ｅ＝０℃でのドリフト(Ａ／Ｄカウント)、Ｆ＝温度感度(Ａ／Ｄカウント/℃)、及びＴｃ＝較正温度である請求項３に記載の分析装置。
【請求項６】
関係式Ｐa=ｊ(Ｃa)に従って大気圧に比例する現在動作圧力信号を生成する現在動作圧力センサを更に備えている請求項１に記載の分析装置。
【請求項７】
Ａ／Ｄ電圧・対・カウントの関係Ｃa＝ｋ(Ｖa)（現在動作圧力センサからのＡ／Ｄカウント）、Ｃp＝ｍ(Ｖp)（流体源圧力センサからのＡ／Ｄカウント)、Ｃt＝ｎ(Ｖt)（温度センサ電圧からのＡ／Ｄカウント)、及びＧ＝流体特性がＲＯＭに記憶されており、Ｐa＝現在の動作圧力及びＰs＝流体源圧力である請求項３に記載の分析装置。
【請求項８】
前記熱伝導性の表面がアルミニウムからなる請求項２に記載の分析装置。
【請求項９】
圧力式の導関数；
dＣｐ/dｔｃ＝Ｃ＋Ｄ＊ｐ１
（Ｃ＝温度感度(Ａ／Ｄカウント/℃）
Ｄ＝温度に関する圧力感度の変化(Ａ／Ｄカウント/psi/℃））
が圧力ドリフト信号を得るために用いられる請求項３に記載の分析装置。
【請求項１０】
前記流量センサが圧力０ｆ、３ｆ、及び９ｆで較正される請求項１に記載の分析装置。
【請求項１１】
加熱ブリッジを有する流量センサの出力を温度及び圧力の変化に関して補償するための方法であって、
前記流量センサを通る流体の流量の特性を流量センサ出力電圧(Ｖo)に関して表し、この場合に流量センサ式が、
Ｖo＝α＊[1-exp(βｆ)]＋Ｖoffset
(αは加熱ブリッジの温度及び電子利得に比例し、
βは流体の熱拡散係数に関連する)
と表され、
空気圧試験台で空気圧マニホルドを複数の既知流量で動作させてそれらに対応する流量センサ出力電圧を決定し、
流量及びそれに対応するセンサ出力電圧を前記流量センサ式に代入することにより定数α,βを計算し、
それらの計算された定数を前記流量センサ式の未知数と置換し、
前記流量センサ式の導関数を求めてそれを空気圧マニホルドに関連するコンピュータのメモリに記憶させ、
現在の温度及び圧力を測定し、
その測定した温度及び圧力を前記流量センサ式の前記導関数に入れてドリフト電圧を生成し、
そのドリフト電圧を流量センサ出力電圧Ｖoに加えて、現在の動作温度及び圧力の変化に関して補償された出力電圧を得る、
という各ステップを有することを特徴とする方法。
【請求項１２】
前記のドリフト電圧を生成するステップが、
流体の流量の出力電圧Ｖoへの関連付け及び出力電圧Ｖoの流体の流量への関連付けを行う流体流量式に基づき複数のルックアップテーブルを生成し、
測定された温度及び圧力を前記ルックアップテーブルに入力してそれらに対応するドリフト電圧を決定する、
という各ステップを更に有する請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記の流量センサ式の導関数を求めるステップが、その導関数を
dＶo/dＴ＝(Ｖon/α)(dα/dＴ)
−α/β＊Ｌn[1-(Ｖon/α)]＊[1-(Ｖon/α)]dβ/dＴ
＋dＶoffset/dＴ
（Ｖo＝センサ出力電圧、Ｖon＝センサ出力電圧−ゼロ流量センサ出力電圧）
と表し、
流量ゼロ及びその他の２つの流量設定で温度ドリフトを測定し、
その測定した温度ドリフトを熱ドリフト式に代入して未知定数dα/dＴ、dβ/dＴ、及びdＶoffset/dＴを求め、
温度センサ出力電圧を前記熱ドリフト式に入れて温度ドリフト電圧を生成し、
熱ドリフト電圧を温度センサ出力電圧に加えることにより温度センサ出力電圧を修正する、
という各ステップを更に有する請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
複数の流体流量が、Ｖdriftを決定するためのゼロ流量と、センサ出力電圧Ｖo1＋Ｖdriftを決定するための流量ｆと、センサ出力電圧Ｖo2＋Ｖdriftを決定するための流量２ｆとを更に含む請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
流量＝ｆ,３ｆでセンサ出力電圧Ｖo1−Ｖdrift,Ｖo2−Ｖdriftが得られる請求項１１に記載の方法。
【請求項１６】
センサ出力電圧Ｖo1−Ｖdrift,Ｖo2−Ｖdriftが、３つの流量０ｆ、３ｆ及び９ｆのセンサ出力電圧を得ることによって２つの別々の範囲０ｆと３ｆ、及び３ｆ〜９ｆで計算される請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
空気圧マニホルドを通る流体の流量を調整するための方法であって、
所望の流体流量を入力し、
現在の動作温度及び圧力で所望の流量を達成するために必要な制御信号の電圧レベルを計算し、
現在の温度及び圧力を測定し、
次式；
Ｖo＝α＊[1-exp(−βｆ)]＋Ｖoffset
(αは加熱ブリッジの温度及び電子利得に比例し、
βは流体の熱拡散係数に関連する)
に従って現在の温度及び圧力で所望の流量を達成するために必要な制御信号の電圧レベルの変化を計算し、この場合、流量センサは、Ｖdriftを決定するための流量ゼロ、センサ出力電圧Ｖo1＋Ｖdriftを決定するための流量ｆ、及びセンサ出力電圧Ｖo2＋Ｖdriftを決定するための流量２ｆの空気圧キャリヤーで較正されており、
センサ出力電圧を流量センサ式に代入して定数α,βを計算する、
という各ステップを有することを特徴とする方法。
【請求項１８】
ドリフト電圧をルックアップするステップが、ルックアップテーブルの項目間で補間を行って一層正確なドリフト電圧を得ることを更に含む請求項１１に記載の電子制御式空気圧マニホルドの質量流量センサ及び圧力センサを較正するための方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願発明は、流体の分配、監視及び調整を提供する方法及び装置に関し、特に、流体の圧力及び流量の正確な検知及び制御を提供するために空気圧マニホルドで使用する温度補償式の質量流量及び圧力センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
流量及び圧力の測定分野では、熱線流速計（ｈｏｔ  ｗｉｒｅ  ａｎｅｍｏｍｅｔｅｒ）を用いて流量を測定することは周知である。流体は、典型的には一本の加熱された線上を通って、その加熱線の温度を降下させる。その加熱線の抵抗値の変化が決定されて、気体の流量と関連付けされる。更に進歩した技術では、熱源から一定の等距離に配置された２つの温度検知素子を用いる。流体はその系を通過し、上流側センサの温度を降下させ且つ下流側センサの温度を上昇させる。次いで、その温度差が出力信号として記録される。
【０００３】
熱線流速計の主な欠点は、その熱線流速計が流体流量に応答する態様が非線形で温度及び流体に依存するものである点にある。かかる流速計の出力信号を線形化する技術及び方法が、本出願人の「Ｍｅｔｈｏｄｓ  ａｎｄ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  ｆｏｒ  Ｆｌｕｉｄ  Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｆｌｏｗ  Ｒａｔｅ  Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ」と題する米国特許出願第０７／６１１，４２５号（１９９０年１１月１１日出願）に開示されており、本引用をもってその開示内容を本書に包含させたものとする。残念なことに、この技術は、動作温度及び圧力（これは一般には周囲温度及び圧力と称されるが、実際の動作温度及び圧力は機器構成によって変化し得る）の変動に伴う出力信号のドリフトを適切に補償しないものである。
【０００４】
分析機器を使用する際には、周囲温度及び圧力、即ち現在の動作温度及び圧力の変化が補償された高精度の流量が必要とされる。ガスクロマトグラフでは、キャリヤーガスの流量は、一般には流量センサの上流側でキャリヤーガスの圧力を調節することにより制御される。図１は、流体源１５からの流体１０の流量を制御するための制御弁５を示すものである（ここで、流体源は加圧流体のシリンダ１５として示されているが、代替的に、流体の流れは制御弁５の下流側の負圧によって生じさせることも可能である）。流体１０は、質量流量センサ２０を通過し、そのセンサにより流体１０の質量流量に対応する出力電圧２５が生成される。その出力電圧２５は、制御弁５の開閉を制御するためのフィードバックを提供するものとなる。フィードバック制御技術の分野で周知のように、質量流量センサが精確に検知をして出力電圧２５を提供する能力は、流量及び圧力を制御する上で極めて重要である。
【０００５】
図２に示す順圧（ｆｏｒｗａｒｄ  ｐｒｅｓｓｕｒｅ）調整式クロマトグラフ装置１０のクロマトグラフ出力の繰り返し精度は、流量センサ１６の出力によって決まる。流量センサ１６は、分析装置上にあってもなくてもよい。次いでコンピュータ又はマイクロプロセッサ２４が、弁１４の開閉を制御してキャリヤー流体の流量を調整するためにフィードバック制御信号２６を生成する。注入口１２は、キャリヤー流体／試料の組み合わせ物の一部をカラム１８に供給し、その残りの部分は非分析出力２０を通過させる。残念なことに、流量センサによるフィードバック信号出力は、温度の変化と共にドリフトし、弁１４の制御並びにそれに対応する流量の制御を精確に制御するのを困難にする。カラム１８の端部の検出器３０により測定した場合よりも一層良好なクロマトグラフ領域の繰り返し精度を提供するために、入口流量を一層安定させ、マニホルドの温度変化を軽減させる必要性が存在する。
【０００６】
温度に関する感受性を解消するための１つの方法として、温度制御が行われた区域内、例えば、断熱材料で構成された「加熱区域」内に流量検知装置を収容する、という方法がある。加熱区域内の温度センサ及びヒータは、フィードバックを行って流量リストリクタ及び圧力センサの温度を一定に維持し、これにより、誤差を生成する変数としての温度が除去される。
【０００７】
残念なことに、加熱区域を組み込むことにより、装置の較正及び部品に関連して製造コストが上昇する。これに加え、加熱区域の調整に必要となる部品が故障する可能性が、周囲温度よりも高いマニホルド温度での連続的な動作により一層高くなるので、装置の信頼性が低下する。更に、加熱区域は、装置の動作に先立ち安定化させるために長い始動時間を必要とするものである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従って、加熱区域を用いることなく、周囲温度及び圧力の変化に対する補償を自動的に行う流量センサが必要とされている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本願発明は、流量の精確な測定のための方法及び装置を提供するものである。流量センサの出力電圧は、その流量センサの出力電圧に対する作動温度及び圧力の変化による影響を補償するように、ドリフト電圧によって修正される。そのドリフト電圧は、先ず、予測される流量センサの出力電圧（Ｖｏ）の特性をその流量センサを通る流体流量に関して表す流体流量式を作成することにより決定される。次いで、その流体流量式の一次導関数（ｄＶｏ／ｄＴ）を用いて温度及び圧力のドリフトによる影響の特性を得ることができる。流量センサの動作中に、測定された流量及び測定された動作温度及び圧力の値がドリフトの特性式に代入されてドリフト電圧が決定される。次いで、そのドリフト電圧が、流量センサの出力電圧と組み合わされて、動作温度及び圧力の変化に関して補償された修正後の流量センサの出力電圧が生成される。流体流量式の導関数への代入、及びそれに次ぐドリフト電圧を得るために必要な計算が頻繁に繰り返されて、センサの出力電圧（Ｖｏ）
Ｖｏ  ＝  α・［１−ｅｘｐ（βｆ）］＋Ｖｏｆｆｓｅｔ
が連続して更新される。ここで、定数αは流量センサ内部の加熱ブリッジ（ｈｅａｔｉｎｇ  ｂｒｉｄｇｅ）の温度及び電子的利得に比例し、定数βは被検知流体の熱拡散係数に関連するものである。
【００１０】
流量センサの動作に先立って作成されたルックアップテーブルを代替実施例として用いて、ドリフト電流を計算する度に流体流量式の導関数に現在の温度及び圧力を入力することも可能である。動作中に、現在の動作温度及び圧力が測定されて、それに対応するドリフト電圧をルックアップテーブルから読み出すために用いられる。
【００１１】
流体の流量は、修正された出力電圧を比例弁（ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ  ｖａｌｖｅ）を開閉するためのフィードバック制御信号として用いることにより制御することができる。例えば、ガスクロマトグラフの入口流量の順圧及び背圧調整は、１つ又は複数の比例弁へのフィードバックを提供する周囲温度及び圧力の補償を有する質量流量センサ、並びに周囲温度及び圧力の補償を有する圧力センサを用いることにより達成することができる。圧力センサのドリフト電圧は、流量センサのドリフト電圧と類似した方法で決定される。
【００１２】
集積回路メモリの設計に関する最近の進歩により、特に、電子的に消去可能なプログラマブルメモリ（ＥＥＰＲＯＭ）により、流量センサに極めて近接してルックアップテーブル値の格納場所を設けることが可能となった。ＥＥＰＲＯＭを流量センサと組み合わせて１つのモジュールとして登載することにより、そのモジュールを工場又は現場で較正することが可能となり、適当な流量センサで確実に正しいドリフト電圧を得ることができる。流量センサを現場で交換する場合には、新たなドリフト電圧を計算及び生成してＥＥＰＲＯＭに記憶させることが可能である。
【００１３】
本願発明の他の態様及び利点は、本発明の原理を例示する添付図面に関連して進められる以下の詳細な説明から明らかとなろう。
【００１４】
【実施例】
本発明は、流量センサ及び圧力センサの両方について周囲温度及び圧力の補償を行うための方法及び装置を提供するものである。補償は、流量センサのドリフト電圧及び圧力センサのドリフト電圧に従って流量及び圧力センサの出力電圧を修正することによって得られる。それらのドリフト電圧は、流量及び圧力センサ応答の特性を表すモデルをファームウェアで生成することにより得られる。そのモデルは、既知の流量及び圧力で較正され、ドリフト電圧を提供するためにセンサの動作中にアクセス可能なものとすることができる。代替的には、そのモデルは、予測される動作範囲にわたるドリフト電圧のルックアップテーブルを生成するためにセンサの動作に先立ってアクセスすることも可能なものである。動作中に、測定された温度及び圧力に従ってそのルックアップテーブルにアクセスすることにより、対応するドリフト電圧が得られる。
【００１５】
図３は、本発明に従ってプロセッサ３４０により生成される温度及び圧力補償用の制御信号３１５に応じて開閉する比例弁３１３を示すブロック図である。流量センサ３１６により提供される出力電圧３１７は、その流量センサに関する予め記憶されている特性式に従って修正されたものである。
【００１６】
図４は、充填カラム４１８のための入口を有するガスクロマトグラフに組み込まれた本発明の好適実施例を示すものである。所与の試料化合物のクロマトグラフ分離を行うために、注入口４１２を通して加圧されたキャリヤー流体中に試料が注入される。注入口４１２に供給されたキャリヤー流体は、先ず、流体源（図示せず）から質量流量制御装置４１１へと供給される。その質量流量制御装置４１１は、比例弁４１４と、総入口流量を調整する温度及び圧力補償式流量センサ４１６とを備えている。キャリヤー流体の入口圧力は、温度及び圧力補償式圧力センサ４２０によって測定される。キャリヤー流体の圧力は、図７に関して説明する制御装置からの適当な信号に応じて弁４１４により制御される。調整器４１９は、セプタムパージ流量を制御するために用いられる。
【００１７】
図５は、順圧調整式ガスクロマトグラフ５１０の入口への流体の流量を制御する比例弁と組み合わせて使用される本発明を示すブロック図である。所与の試料化合物のクロマトグラフ分離を行うために、その試料は注入口５１２を通して加圧キャリヤー流体中に注入される。注入口５１２に供給されるキャリヤー流体は、先ず流体源（図示せず）から質量流量制御装置５１１へ供給される。この質量流量制御装置５１１は、総入口流量を調整する比例弁５１４と温度及び圧力補償式流量センサ５１６とを備えたものである。弁５１８は、背圧調整器であり、温度及び圧力補償式圧力センサ５２０によって測定されるようなキャリヤー流体の入口圧力を制御する働きをする。総キャリヤー流体は、質量流量制御装置５１１から注入口５１２へ直接供給される。キャリヤー流量の圧力は、図７に関して説明する制御装置からの適当な信号に応じて弁５２０により制御される。調整器５２２は、セプタムパージ流量を制御するために使用される。弁５２４は、分割注入（ｓｐｌｉｔ  ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ）中に開放されるオン／オフ弁である。
【００１８】
図６は、ガスクロマトグラフ５１０が非分割注入用に設定されている代替実施例を示すものであり、この場合には、温度及び圧力補償式圧力センサ５２０によって測定されるような圧力を制御するために弁５１４が用いられる。弁５２４は、分割口（ｓｐｌｉｔ  ｖｅｎｔ）からの流出がないように閉鎖される。流量センサ５１６は全流量を測定するが弁５１４を制御することはない。この構成では、注入口５１２への総流量は、カラム流量にセプタムパージ流量を加えたものとなる。注入口５１２は、キャリヤー流体／試料混合物の一部をカラム５１８に供給し、その残りの部分は非分析出力５２２を通過する。出力５２２を出る流量は、セプタムパージ流量として知られるものである。キャリヤー流体の圧力は、センサ５２０からの出力に応じて弁５１４により制御される。そのセンサ５２０は、図７に関して説明するように適当な信号を生成するために用いられるものである。
【００１９】
図５及び図６に示すクロマトグラフを動作させるために本発明の原理に従って利用される電子制御装置について以下に説明する。図７では、この電子制御装置は、３つの主要要素、即ち、キーパッド７１０、コンピュータ７２０、及び制御装置７３０を備えたものとして示されている。コンピュータ７２０は、ガスクロマトグラフ５１０に関する全ての系の制御全体を維持するものである。このコンピュータ７２０は、単一のブロックで示されているが、かかるコンピュータは、中央演算処理装置と全ての関連周辺装置、例えば、ランダムアクセスメモリ、読出し専用メモリ、入出力装置、及び関連部品等を備えたものである、ということが理解されよう。代替的には、そのコンピュータは、装置のキーパッドをユーザインタフェースとして用いるその装置に搭載されたプロセッサ及びメモリとすることも可能である。かかる自立型の装置は、付加的な機能を提供するためにＰＣと共に動作されることが多い。
【００２０】
制御回路７３０は、図５及び図６に示した弁５１４，５１８のいずれかを制御するために用いられる。この制御装置７３０は、第２のコンピュータ７４０を備えたものとして示されている。この好適実施例のコンピュータ７４０は、弁５１４，５１８の制御に用いられる制御信号を生成する。その生成された制御信号はディジタル形式のものなので、その信号は、ディジタルアナログ変換器７４５によりアナログ形式に変換され、弁５１４及び／又は５１８へ送られる前に増幅器７５０により適当に増幅される。流量センサ５１６により検知されたキャリヤー流体流量又は圧力センサ５２０により検知された圧力は、先ずそれらのセンサにより生成されたアナログ信号を変換器７５５によりアナログからディジタルへと変換することにより、コンピュータ７４０に供給される。変換器７５５により生成されたディジタル信号は、コンピュータ７４０へと供給される。
【００２１】
Ｉ．  質量流量、温度ドリフト、及び圧力センサのモデル式の作成
既述のように、現在の動作温度及び圧力の変化に対する補償は、流体の流量の特性を表す式を記憶させ、動作中にそれらにアクセスして、流量及び圧力センサの出力電圧を修正するためのドリフト電圧を提供することにより、達成することができる。
【００２２】
Ａ．  質量流量式
流量センサの出力電圧（Ｖｏ）に関して表した空気圧マニホルドを通る流体の流量についての特性式が生成されてファームウェアに記憶される。詳細には、次式の通りとなる。
【００２３】
Ｖｏ  ＝  α・［１−ｅｘｐ（βｆ）］＋Ｖｏｆｆｓｅｔ
ここで、αは加熱ブリッジの温度及び電子的利得に比例し、βは流体の熱拡散係数に関連するものである。この特性式は、空気圧マニホルド内の各活性成分に関連する３つの未知数を有している。これらの未知の電圧レベルを同定するために、マニホルドは、空気圧試験台において複数の異なる流量で動作される。センサの出力電圧は、流量ゼロで測定してＶｄｒｉｆｔを決定し、流量ｆで測定してセンサ出力電圧Ｖｏ１＋Ｖｄｒｉｆｔを決定し、及び流量３ｆで測定してセンサ出力電圧Ｖｏ３＋Ｖｄｒｉｆｔを決定することにより、２つの範囲で得ることができる。それらセンサ出力電圧を流量センサ式に代入して定数を計算することができる。
【００２４】
Ｂ．  熱ドリフト式
熱ドリフトによる流量感度への影響は、流量センサ式の導関数として熱ドリフトの特性を表すことにより補償することが可能であり、次の通りとなる。
【００２５】
ｄＶｏ／ｄＴ＝（Ｖｏｎ／α）（ｄα／ｄＴ）  −α／β・Ｌｎ［１−（Ｖｏｎ／α）］×［１−（Ｖｏｎ／α）］ｄβ／ｄＴ  ＋ｄＶｏｆｆｓｅｔ／ｄＴ
ここで、Ｖｏはセンサ出力電圧であり、Ｖｏｎはセンサ出力電圧からゼロ流量センサ出力電圧を差し引いたものである。この特性が表されれば、未知の定数ｄα／ｄＴ（加熱ブリッジの温度及び電子的利得のドリフトに比例する）、ｄβ／ｄＴ（ガスの熱拡散係数のドリフトに比例する）、及びｄＶｏｆｆｓｅｔ／ｄＴ（電子的ドリフト電圧）は、流量ゼロの場合とその他の２つの流量設定の場合との温度ドリフトを測定することにより計算することができる。
【００２６】
Ｃ．  圧力センサモデル
Ｃｐ＝（Ａ＋Ｂ＊ｐ１）＋（ｄＣｐ／ｄｔｃ）＊ｔｃ
ここで、Ｃｐ  ＝  センサ応答（Ａ／Ｄカウント）
Ａ    ＝  ０  ℃及び０ｐｓｉｇでのドリフト（Ａ／Ｄカウント）
Ｂ    ＝  圧力感度（カウント／ｐｓｉ）
ｐ１  ＝  流体源ゲージ圧力（ｐｓｉｇ）  ＝  ｐｓ−［大気圧］
ｔｃ  ＝  サーミスタ温度（℃）
ｄＣｐ／ｄｔｃ  ＝  Ｃ＋Ｄ＊ｐ１
ここで、Ｃ  ＝  温度感度（Ａ／Ｄカウント／℃）
Ｄ  ＝  温度に関する圧力感度の変化（Ａ／Ｄカウント／ｐｓｉ／℃）
ＩＩ．  較正
システムの各要素（流量調整器、圧力センサ、マニホルド、温度センサ）は、固有の変数を有しており、従って完成されたシステムも較正することができる。幾つかの温度及び圧力で較正を行うために、実際の動作状態を複製する空気圧キャリヤーが用いられる。この較正により、ファームウェアに記憶されている上記モデルで説明した定数を確認することができる。特に、各圧力センサについては、２つの異なる温度（一方は公称３５℃）でそれぞれ導かれる２つの圧力（一方は０ｐｓｉｇとすることが可能）でのＡ／Ｄカウントに圧力を関連付けるデータを収集しなければならない。各流量調整器については、公称３５℃における２つの点（各々は流量を有する）での「流体流量・対・圧力」を表すデータであってそのチャネルで使用される各流体毎に必要とされるデータを収集しなければならない。サーミスタモデルについては、２つの点における「温度・対・Ａ／Ｄカウント」の特性を表すデータを収集しなければならない。
【００２７】
諸定数を規定するために用いられる複数の流量には、Ｖｄｒｉｆｔを決定するための流量ゼロ、センサ出力電圧Ｖｏ１＋Ｖｄｒｉｆｔを決定するための流量ｆ、及びセンサ出力電圧Ｖｏ３＋Ｖｄｒｉｆｔを決定するための流量３ｆが含まれる。より大きな非線形の流量範囲にわたり精度を維持するために、センサの出力電圧は、３つの流量０ｆ、３ｆ、９ｆでのセンサ出力電圧を得ることにより、２つの別々の範囲、例えば範囲０ｆ，３ｆ、及び３ｆ〜９ｆで計算される。
【００２８】
圧力センサの未知の定数を決定するため、マニホルドが、圧力センサ出力電圧を測定することができるように複数の既知の圧力で空気圧試験台で動作される。各式における定数は、測定された圧力センサ出力電圧及び既知の流量を代入することにより形成された式を用いて、それらの式を解くと同時に未知の定数を得ることにより得られる。この式（定数を含む）の導関数は、圧力センサドリフト電圧（ｄＣｐ／ｄｔｃ＝Ｃ＋Ｄ＊ｐ１）の特性を表すものとなる。測定した周囲温度及び圧力の値を動作中にこの式に代入することにより、圧力センサのドリフト電圧が生成される。このドリフト電圧が圧力センサ出力電圧と結合されて、修正した圧力センサ出力電圧が生成される。代替的には、出力電圧に対する予測される流体圧力並びに圧力に対する出力電圧の範囲に関するルックアップテーブルが、動作に先だって作成されて、現在の周囲温度及び圧力の測定時に動作中にアクセスされる。これらのステップは連続的に繰り返され、これにより所望の流量の圧力の閉ループ制御が提供される。
【００２９】
ＩＩＩ．  ガスクロマトグラフでの実施
ガスクロマトグラフの初期設定時に、複数の流体流量とそれに対応する出力電圧とがファームウェアに記憶されている特性式に入力されて、複数の周囲温度及び圧力状態における流体流量の出力電圧Ｖｏとの関連付け及び出力電圧Ｖｏの流体流量との関連付けを行うルックアップテーブルが生成される。周囲温度及び圧力において所望の流量を達成するのに必要な制御信号の電圧レベルが先ず決定されてメモリに記憶される。装置の動作中は、現在の温度及び圧力が絶えず監視され、所望の流量の要求があった際にルックアップテーブルにアクセスして、周囲の状態の変化により生じた影響を無効にして所望の流量を提供するために入力電圧（Ｖｏ）に加える必要がある適当なドリフト電圧レベルを決定することができる。次いで、そのドリフト電圧がＶｏに加えられて、現在の動作温度及び圧力で所望の流量が得られる。これらのステップが連続的に繰り返されて、所望の検出器の状態についての閉ループ制御が提供される。
【００３０】
ガスクロマトグラフィーの分野における特定の実施例を参照して本発明を説明及び図示してきたが、当業者には理解されるように、流体の供給の測定及び制御のために周囲温度及び圧力の変化に対する補償が必要となる自動車エンジン設計その他の分野に本発明が等しく適用できるように修正及び変更を行うことが可能である。例えば、自動車エンジンの燃料／空気の混合気は、典型的には、インテークマニホルドを通る空気の流量を測定し、次いでインテークマニホルドに注入される燃料の量を制御することにより、制御される。本発明は、この用途に極めて適したものであり、従って、本発明を使用してエンジンの動作効率及び性能を向上させることが可能となる。
【００３１】
以下においては、本発明の種々の構成要件の組み合わせからなる例示的な実施態様を示す。
【００３２】
１．流体流量に対する現在の動作温度及び圧力の変化による影響を補償して入口流体流量の精確な制御を提供する電子制御式空気圧マニホルドを有する分析装置であって、
流体源と、
現在の動作温度に維持されるよう熱伝導性材料からなるマニホルド体と、
そのマニホルド体に熱接触状態で取り付けられ、圧力調整器と入口との間の流体の圧力に対応する流体圧力信号を生成する、流体圧力センサと、
前記マニホルド体に熱接触状態で取り付けられ、現在の動作圧力に対応する現在動作圧力信号を生成する、圧力センサと、
前記マニホルド体に熱接触状態で取り付けられ、前記マニホルドの温度に対応する温度信号を生成する、温度センサと、
流量センサを通る流体の流量と、前記流体源からの流体の圧力と、前記温度センサの温度と、流体の流量に対する現在の動作圧力による影響とをモデル化する、ファームウェアに記憶された複数の式と、
温度信号と、流体圧力信号と、現在動作圧力信号と、前記ファームウェアに記憶されている複数のモデル式とに基づいて制御信号を生成するコンピュータと、
前記マニホルド体に熱接触状態で取り付けられ、前記制御信号に応じて前記流体源と前記入口との間の流体の圧力を調整する、電子制御弁と
を備えていることを特徴とする、分析装置。
【００３３】
２．質量流量センサを通る流体の流量をモデル化するための前記式が、次式；
Ｖｏ＝α＊［１−ｅｘｐ（βｆ）］＋Ｖｏｆｆｓｅｔ
（αは加熱ブリッジの温度及び電子利得に比例し、βは流体の熱拡散係数に関連する）
を含む、前項１に記載の電子制御式空気圧マニホルド。
【００３４】
３．上流側圧力をモデル化する次式；
Ｃｐ＝Ａ＋Ｃ＊ｔｃ＋（Ｂ＋Ｄ＊ｔｃ）＊ｐ１
（Ｃｐ＝センサ応答（Ａ／Ｄカウント）
Ａ  ＝０℃及び０ｐｓｉｇでのドリフト（Ａ／Ｄカウント）
Ｂ  ＝圧力感度（カウント／ｐｓｉ）
ｐ１＝流体源ゲージ圧力（ｐｓｉｇ）＝ｐｓ−［大気圧］
ｔｃ＝サーミスタ温度（℃）
ｄＣｐ／ｄｔｃ  ＝  Ｃ＋Ｄ＊ｐ１）
を更に含む、前項２に記載の電子制御式空気圧マニホルド。
【００３５】
４．流体流量式の導関数が、
ｄＶｏ／ｄＴ＝（Ｖｏｎ／α）（ｄα／ｄＴ）  −α／β＊Ｌｎ［１−（Ｖｏｎ／α）］＊［１−（Ｖｏｎ／α）］ｄβ／ｄＴ  ＋ｄＶｏｆｆｓｅｔ／ｄＴ
（Ｖｏ＝センサ出力電圧、Ｖｏｎ＝センサ出力電圧−ゼロ流量センサ出力電圧）
であり、未知定数ｄα／ｄＴ（加熱ブリッジの温度及び電子的利得のドリフトに比例する）と、ｄβ／ｄＴ（ガスの熱拡散係数のドリフトに比例する）と、ｄＶｏｆｆｓｅｔ／ｄＴ（電子的ドリフト電圧）とが、流量ゼロの場合とその他の２つの流量の場合との温度ドリフトを測定することにより計算され、これにより、流量センサのドリフト電圧を計算することが可能となる、前項２に記載の電子制御式空気圧マニホルド。
【００３６】
５．Ｃｔが、前記流量センサの温度をモデル化するためのＥ＋Ｆ＊Ｔｃに等しく、Ａ／Ｄカウントでのサーミスタ応答Ｃｔ＝Ｅ＋Ｆ＊Ｔｃであり、Ｅ＝０℃でのドリフト（Ａ／Ｄカウント）、Ｆ＝温度感度（Ａ／Ｄカウント／℃）、及びＴｃ＝較正温度である、前項１に記載の電子制御式空気圧マニホルド。
【００３７】
６．関係式Ｐａ＝ｊ（Ｃａ）に従って大気圧に比例する現在動作圧力信号を生成する現在動作圧力センサを更に備えている、前項１に記載の電子制御式空気圧マニホルド。
【００３８】
７．Ａ／Ｄ電圧・対・カウントの関係Ｃａ＝ｋ（Ｖａ）（現在動作圧力センサからのＡ／Ｄカウント）、Ｃｐ＝ｍ（Ｖｐ）（流体源圧力センサからのＡ／Ｄカウント）、Ｃｔ＝ｎ（Ｖｔ）（温度センサ電圧からのＡ／Ｄカウント）、及びＧ＝流体特性がＲＯＭに記憶されており、Ｐａ＝現在の動作圧力及びＰｓ＝流体源圧力である、前項２に記載の電子制御式空気圧マニホルド。
【００３９】
８．前記熱伝導性の表面がアルミニウムからなる、前項２に記載の電子制御式空気圧マニホルド。
【００４０】
９．圧力式の導関数；
ｄＣｐ／ｄｔｃ  ＝  Ｃ＋Ｄ＊ｐ１
（Ｃ  ＝  温度感度（Ａ／Ｄカウント／℃）
Ｄ  ＝  温度に関する圧力感度の変化（Ａ／Ｄカウント／ｐｓｉ／℃））
が圧力ドリフト信号を得るために用いられる、前項２に記載の電子制御式空気圧マニホルド。
【００４１】
１０．前記流量センサが圧力０ｆ、３ｆ、及び９ｆで較正される、前項１に記載の電子制御式空気圧マニホルド。
【００４２】
１１．加熱ブリッジを有する流量センサの出力を温度及び圧力の変化に関して補償するための方法であって、
前記流量センサを通る流体の流量の特性を流量センサ出力電圧（Ｖｏ）に関して表し、この場合に流量センサ式が、
Ｖｏ＝α＊［１−ｅｘｐ（βｆ）］＋Ｖｏｆｆｓｅｔ
（αは加熱ブリッジの温度及び電子利得に比例し、βは流体の熱拡散係数に関連する）
と表され、
空気圧試験台で空気圧マニホルドを複数の既知流量で動作させてそれらに対応する流量センサ出力電圧を決定し、
流量及びそれに対応するセンサ出力電圧を前記流量センサ式に代入することにより定数α，βを計算し、
それらの計算された定数を前記流量センサ式の未知数と置換し、
前記流量センサ式の導関数を求めてそれを空気圧マニホルドに関連するコンピュータのメモリに記憶させ、
現在の温度及び圧力を測定し、
その測定した温度及び圧力を前記流量センサ式の前記導関数に入れてドリフト電圧を生成し、
そのドリフト電圧を流量センサ出力電圧Ｖｏに加えて、現在の動作温度及び圧力の変化に関して補償された出力電圧を得る、
という各ステップを有することを特徴とする、流体流量センサの出力を補償するための方法。
【００４３】
１２．前記のドリフト電圧を発生させるステップが、
流体流量の出力電圧Ｖｏへの関連付け及び出力電圧Ｖｏの流体流量への関連付けを行う流体流量式に基づき複数のルックアップテーブルを生成し、
測定された温度及び圧力を前記ルックアップテーブルに入力してそれらに対応するドリフト電圧を決定する、
という各ステップを更に有する、前項１１に記載の流体流量センサの出力を補償するための方法。
【００４４】
１３．前記の流量センサ式の導関数を求めるステップが、その導関数を
ｄＶｏ／ｄＴ＝（Ｖｏｎ／α）（ｄα／ｄＴ）  −α／β＊Ｌｎ［１−（Ｖｏｎ／α）］＊［１−（Ｖｏｎ／α）］ｄβ／ｄＴ  ＋ｄＶｏｆｆｓｅｔ／ｄＴ
（Ｖｏ＝センサ出力電圧、Ｖｏｎ＝センサ出力電圧−ゼロ流量センサ出力電圧）
と表し、
流量ゼロ及びその他の２つの流量設定で温度ドリフトを測定し、
その測定した温度ドリフトを熱ドリフト式に代入して未知定数ｄα／ｄＴ、ｄβ／ｄＴ、及びｄＶｏｆｆｓｅｔ／ｄＴを求め、
温度センサ出力電圧を前記熱ドリフト式に入れて温度ドリフト電圧を生成し、
熱ドリフト電圧を温度センサ出力電圧に加えることにより温度センサ出力電圧を修正する、
という各ステップを更に有する、前項１１に記載の流体流量センサの出力を補償するための方法。
【００４５】
１４．複数の流体流量が、Ｖｄｒｉｆｔを決定するためのゼロ流量と、センサ出力電圧Ｖｏ１＋Ｖｄｒｉｆｔを決定するための流量ｆと、センサ出力電圧Ｖｏ２＋Ｖｄｒｉｆｔを決定するための流量２ｆとを更に含む、前項１１に記載の流体流量センサの出力を補償するための方法。
【００４６】
１５．流量＝ｆ，３ｆでセンサ出力電圧Ｖｏ１−Ｖｄｒｉｆｔ，Ｖｏ２−Ｖｄｒｉｆｔが得られる、前項１１に記載の流体流量センサの出力を補償するための方法。
【００４７】
１６．センサ出力電圧Ｖｏ１−Ｖｄｒｉｆｔ，Ｖｏ２−Ｖｄｒｉｆｔが、３つの流量０ｆ、３ｆ及び９ｆのセンサ出力電圧を得ることによって２つの別々の範囲０ｆ，３ｆ、及び３ｆ〜９ｆで計算される、前項１４に記載の流体流量センサの出力を補償するための方法。
【００４８】
１７．空気圧マニホルドを通る流体の流量を調整するための方法であって、
所望の流体流量を入力し、
現在の動作温度及び圧力で所望の流量を達成するために必要な制御信号の電圧レベルを計算し、
現在の温度及び圧力を測定し、
次式；
Ｖｏ＝α＊［１−ｅｘｐ（−βｆ）］＋Ｖｏｆｆｓｅｔ
（αは加熱ブリッジの温度及び電子利得に比例し、βは流体の熱拡散係数に関連する）
に従って現在の温度及び圧力で所望の流量を達成するために必要な制御信号の電圧レベルの変化を計算し、この場合、流量センサは、Ｖｄｒｉｆｔを決定するための流量ゼロ、センサ出力電圧Ｖｏ１＋Ｖｄｒｉｆｔを決定するための流量ｆ、及びセンサ出力電圧Ｖｏ２＋Ｖｄｒｉｆｔを決定するための流量２ｆの空気圧キャリヤーで較正されており、
センサ出力電圧を流量センサ式に代入して定数α，βを計算する、
という各ステップを有することを特徴とする、空気圧マニホルドを通る流体の流量を調整するための方法。
【００４９】
１８．ドリフト電圧をルックアップするステップが、ルックアップテーブルの項目間で補間を行って一層正確なドリフト電圧を得ることを更に含む、前項１に記載の空気圧マニホルドの質量流量センサ及び圧力センサを較正するための方法。
【図面の簡単な説明】
【図１】当業界で周知の温度補償を有さない流量調整装置を簡素化して示す説明図である。
【図２】当業界で周知のように圧力センサを使用して入口へと流れるキャリヤーガスを調整するガスクロマトグラフの概要を示すブロック図である。
【図３】本発明の好適実施例で説明した温度補償を有する流量調整装置の概要を示す説明図である。
【図４】充填カラム入口と温度補償を有する流量調整装置とを有するガスクロマトグラフを示すブロック図である。
【図５】温度及び圧力補償を有する流量調整装置を備えた背圧調整式ガスクロマトグラフを示すブロック図である。
【図６】温度及び圧力補償を有する順方向流量検知装置を備えた順圧調整式ガスクロマトグラフを示すブロック図である。
【図７】図５及び図６に示したガスクロマトグラフのための制御システムを示すブロック図である。
【図８】図５及び図６に示した流量センサ及び圧力センサを較正するために用いられる本発明による各ステップを示すフローチャートである。
【符号の説明】
４１１            質量流量制御装置
４１２            注入口
４１４            比例弁
４１６            温度及び圧力補償式流量センサ
４１８            充填カラム
４１９            調整器
４２０            温度及び圧力補償式圧力センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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