(57)【要約】      （修正有）【課題】低流量の測定を感度良く、かつ正確に行う。【解決手段】供給弁４２及び排水弁４４に連結されている収集容器２０と該収集容器２０に液体を供給する堰３６と該収集容器２０に連結されている１つ又は複数のロードセル２４、２８と制御器５０で構成し、該制御器５０は液体供給前の該ロードセル２４、２８の質量信号及び液体供給後の該ロードセル２４、２８の質量信号と液体の供給時間間隔に基づいて質量流量演算及び／又はさらに液体密度を用いて体積流量演算を行う。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体の流量を測定するためのシステムにおいて、
供給弁と排水弁とに連結されている収集容器と、
堰の底部から頂部まで移動して前記収集容器内へと溢れ出る前記液体に経路を提供する堰と、
前記収集容器に連結されており、収集された前記液体を含む前記収集容器の質量を示すロードセル信号を発生させるロードセルと、
前記ロードセル信号を、前記収集容器へ流れ込む液体の流量を示すように変換する制御器と、を備えているシステム。
【請求項２】
前記液体供給弁及び前記排水弁は、前記制御器からの電気信号に応答する作動によって制御できるように構成されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記収集容器に連結されている気体弁を更に備えており、前記制御器は、前記気体弁を作動させて、前記収集容器のガス抜きをするか又は非反応性ガスを前記収集容器に供給するように電子信号を送る、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記収集容器のガス圧を前記制御器に示す電子信号を発生させるガス圧センサーを更に備えている、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記非反応性ガス圧の変化は、前記制御器からの電子信号に応答して前記収集容器内への前記液体の流量を変化させることになる、請求項３に記載のシステム。  
【請求項６】
前記堰は、前記堰の頂部が前記収集容器の底部より上方にある柱又は管を含んでいる、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記液体は、前記堰の底部から一定の圧力で汲み上げられ、煙霧又は滴を形成することなく、重力により、前記堰の頂部において前記収集容器内へ漸次溢れ出す、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記ロードセル信号は、電子アナログ信号又はデジタル信号の何れかである、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記制御器は、安定期間の後、前記ロードセル信号をサンプル採取し、前記ロードセル信号を、前記収集容器への液体流量を示すように変換する、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記制御器は、前記収集容器への前記液体流量を所望の液体流量と比較することによってフィードバック誤差信号を発生させ、前記フィードバック誤差信号は、前記フィードバック誤差信号が所定の誤差限界に入り、前記液体流量が前記所望の液体流量の所定の範囲に入るまで、気体弁、供給弁及び／又は排水弁を作動させる、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
液体の流量を測定する方法において、
収集容器内への経路用の堰を提供する段階と、
前記液体が前記堰から溢れ出て、前記液体が前記収集容器内に集められるように、液体を前記堰に供給する段階と、
前記集められた液体を含む前記収集容器の質量を示すロードセル信号を発生させる段階と、
前記ロードセル信号を、前記収集容器への前記液体の流量を示すように変換する段階と、からなる方法。
【請求項１２】
制御器からの電子信号に応答する作動によって制御可能な液体供給弁及び排水弁を提供する段階を更に含んでいる、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
気体弁を作動させて、前記収集容器のガスを抜くか、又は非反応性ガスを前記収集容器に供給するよう、前記制御器から電子信号を送る段階を更に含んでいる、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記収集容器のガス圧を前記制御器に示す電子信号を発生させる段階を更に含んでいる、請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
前記非反応性ガスの圧力を変化させて、前記収集容器への前記液体流量を変える段階を更に含んでいる、請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
前記堰の底部から一定の圧力で前記液体を供給し、煙霧又は滴を形成することなく、重力により、前記堰の頂部において前記収集容器へ溢れ出すようにする段階を更に含んでいる、請求項１１に記載の方法。
【請求項１７】
安定期間の後で、前記ロードセル信号をサンプル採取する段階と、前記ロードセル信号を、前記収集容器への液体流量を示すように変換する段階と、を更に含んでいる、請求項１１に記載の方法。
【請求項１８】
前記収集容器への前記液体流量を所望の液体流量と比較することによってフィードバック誤差信号を発生させる段階を更に含んでおり、前記フィードバック誤差信号は、前記フィードバック誤差信号が、所定の誤差限界に入り、前記液体流量が前記所望の液体流量の所定の範囲に入るまで、気体弁、供給弁及び／又は排水弁を作動させる、請求項１１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体流量の測定に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造業、健康産業、食品産業などでは、低い液体流量を正確に測定することが求められる。液体流量が低いと、流れが途切れて、小さな体積の滴の連続になりやすい。所望の精度が滴の体積に近付くにつれ、測定値は信頼できなくなる。
【０００３】
米国特許第４，８６９，７２２号は、滴下漏斗１３の先端から反応セル１６の上の液体上に落下する滴を監視することによって、この問題に取り組もうする装置について記載している。反応セル１６は滴の衝撃を感知するが、ユーザーは滴の大きさ又は流量を容易に制御することはできず、測定値は、環境の変化及び些細な物理的摂動の影響を受け易い。漏斗の開口直径を変えずに滴の大きさを変えることはできず、液体の供給高さが変わると液体流量が変わる。滴が、表面張力によって漏斗の開口部にできるか、又は測定と測定の間の衝撃の前に空中に落下する場合、滴のサンプル抽出も正確ではない。この方法は、滴を形成しない高い液体流量を測定するのにも適しておらず、その用途が限られる。
【０００４】
米国特許第４，２４４，２１８号及び同６，０２６，６８３号は、浮力の原理を使って、液体水位及び流量を測定している。それらの方法は、誤差許容範囲が滴又は滴以下の範囲を超えるような、極めて低い流量測定には適していない。浮揚装置は、製造及び保守経費が掛かるだけでなく、較正誤差(calibration errors)及び物理的損傷に結びつき易い精巧な機械部品を有している。
【０００５】
【特許文献１】米国特許第４，８６９，７２２号明細書
【特許文献２】米国特許第４，２４４，２１８号明細書
【特許文献３】米国特許第６，０２６，６８３号明細書
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、液体流量の測定に関する。一の実施形態では、本発明は、制御器と、弁のような流れ制御構成要素と、液体を収集容器に充填する堰を備えた収集容器に連結されている１つ又は複数のロードセルを提供している。堰に供給される液体は、液体が堰から溢れ出すまで、堰内を上昇する。収集容器は、通常は、充填時に背圧を抜くために換気され、加圧されたガスを使用して排水を促進することができる。
【０００７】
もう１つの特徴として、液体が供給され、液圧安定期間の後、制御器が、ロードセル信号を捕捉し、時限ウインドウを開く。制御器は、時限ウインドウの終了時に、もう１つのロードセル信号を捕捉する。制御器は、収集期間に亘って収集された液体の質量と、質量流量及び／又は容積流量のような流量を計算する。時限ウインドウの持続期間は、所望の測定次第である。本システムは、液体が湧き上がり堰から溢れ出るので、低い流量について正確な測定を行うことができる。
【０００８】
もう１つの特徴として、フィードバック制御が、バッチ式一定流量法(batch constant flow method)又は定常状態一定流量法(steady state constant flow method)で実行される。どちらの方法でも、瞬間測定流量が、例えば流量較正から導き出された入力コマンドと比較され、誤差補正フィードバック信号が受容可能な所定の誤差限界内に在るか、及び／又は所望の流量が確立されるようになるまで、液体供給の流量、排水及びガス圧を調整するため、誤差補正フィードバック信号が制御可能な弁に送られる。
【０００９】
本液体流量測定システム及び方法は、感度が良く、低い流量を測定するのに非常に適している。本システム及び方法は、必要であれば、所定の範囲の粘性を含む広範囲の液体流量を測定することができる。本液体流量システムは、簡単で、頑丈で、製造費用も少なく、環境の変化及び僅かな物理的摂動の影響を比較的受けない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下の説明は、本発明を実施する最良の形態を含んでいる。以下の詳細な説明は、本発明の全般的な原理を示すために行うものであって、限定を加えるものではない旨理解頂きたい。本発明の範囲は、特許請求の範囲に定義されるものである。
【００１１】
図１は、低い液体流量を測定するためのシステムの一の実施形態を示している。本システム１０は、収集容器２０内に配置されている堰３６を含んでいる。高さｈの堰３６は、液体供給入口２８から、収集容器２０の床の上方に配置されている堰開口部３２へ供給される液体に経路を提供する。堰３６の底部は、必ずしも図示のように収集容器２０の底部を越えて伸張していなくともよい。収集容器２０の底部から伸張していてもよい。収集容器２０と堰３６は、ポリプロピレン又はテフロンコート材料のように、収集された液体３０に関して表面張力が低く、化学的に非反応性で、及び／又は耐腐食性である軽量材料で作られているのが望ましい。しかしながら、耐久性があり、十分に剛性があり、測定対象の化学薬品と化学的に共存可能なステンレス鋼など他の材料を用いることもできる。
【００１２】
作動時、液体は、供給配管４０を通して収集容器２０へと、堰圧、内部大気圧及び供給配管の摩擦を超える圧力で供給される。これにより、開いている２方向供給弁４２を通過して液体供給入口２８から堰開口部３２に到る液体の流れが生成される。液体は、堰開口部３２で、堰３６から下方向３４に溢れ出し、望ましくは滴又は小滴に割れることなく、収集される液体３０となる。堰３６が、図示のように円筒形状の収集容器２０内に垂直に且つ中心に配置されている柱又は管である場合、装置は、図示している第１及び第２ロードセル２４、４８に、荷重を対称的に分布させる。別の実施形態では、堰３６は、必ずしも収集容器２０の中心に配置しなくともよい。
【００１３】
収集容器２０の底部に配置されている排水管２６は、液体の水位を調整する。液体の水位は、２方向排水弁４４を通して排水配管４６へと続く、手動、周期的又はフィードバック制御式の排水管によって調整することができる。一の実施形態では、収集された液体３０は、排水配管４６を通して重力によって排水される。
【００１４】
測定対象液体の揮発度に依っては、作動時には、加圧された非反応性ガス１２を収集容器２０内に供給することによって、収集容器２０の内部ガス圧３８を大気圧より高く維持する必要がある。３方向弁１４は、ガス入口又は通気孔１８へのガスの供給を制御する。非反応性ガス１２は、低い液体流量測定の精度に影響を及ぼさないように、測定対象液体に対して不活性であるのが望ましい。同じガス入口又は通気孔１８は、３方向弁１４を通して内部ガス圧３８を抜くのにも用いることもできる。
【００１５】
一の実施形態では、収集容器２０は、収集された液体３０と共に、容器支持部２２を介して一式のロードセル２４、４８の上に載っている。代わりに、システムには、１つのロードセルか、又は３つ以上のロードセルを使用してもよい。適切なロードセルとしては、スケーム（Ｓｃａｉｍｅ）・ロードセル・モデル番号Ｆ６０Ｘ１０Ｃ６１０Ｅがある。ロードセル２４、４８は、ロードセルが検出する総質量Ｍｔｏｔａｌを示す電圧のようなアナログ電気信号を出力する。アナログ電気信号は、コンピューターを含み、更に通常は記憶されている較正情報を有するアナログ対デジタル変換機能を含んでいる制御器５０に捕捉され、そこでデジタル信号が、更に処理し、又はデジタル表示を作成するために作り出される。使用される制御器５０の型式は、本発明にとって本質的なものではない。適切な制御器５０としては、既知の従来型アナログ対デジタル変換器を備えている三菱のＦＸ２Ｎプログラム可能論理制御器がある。別の実施形態では、アナログ対デジタル変換器を備えていない制御器が、制御器にデジタル信号を直接出力するロードセルと共に使用されている。
【００１６】
制御器５０は、収集容器２０が空で支持部２２に載っている時に、空の収集容器２０の既知の質量を記憶するか、又はロードセル２４、４８の出力値を読み取ることによって、収集された液体３０の質量Ｍｌｉｑｕｉｄを計算する。空の収集容器の質量を、Ｍｅｍｐｔｙとする。
【００１７】
これが分かると、制御器５０は、ロードセル２４、４８から、収集容器２０に収集された液体３０が入っているときの総質量Ｍｔｏｔａｌを示す出力値を読み取り、引き算をして、Ｍｌｉｑｕｉｄを出すことができる。
【００１８】
Ｍｌｉｑｕｉｄ＝Ｍｔｏｔａｌ−Ｍｅｍｐｔｙ
収集された液体３０の質量流量ｍは、時間間隔ΔＴに亘る質量の変化ΔＭを演算することによって計算される。流量測定に関する詳細な説明を以下に示す。収集された液体３０の体積は、密度の関係によって与えられる。
【００１９】
Ｖ＝Ｍｌｉｑｕｉｄ／ρ
ここに、Ｖは液体の体積であり、Ｍｌｉｑｕｉｄは収集された液体３０の質量であり、ρは液体の密度である。
制御器５０は、密度の関係を使って、収集された液体３０の体積流量Ｑを、時間間隔ΔＴに亘る質量の変化ΔＭの演算と共に計算することができる。
【００２０】
図２は、図１に示したシステムの一部の拡大図である。これは、堰３６の内側の上方向の液体の運動８６を示しており、液体は堰開口部３２で盛り上がっている。液体の盛り上がり８０は、液体の表面張力に勝ち、堰３６から重力によって下方向８８、９０に溢れ出て、堰３６の周囲の壁に沿って流れ、収集される液体３０の表面８４に達する。液体の流れは、収集容器２０内で確立され、収集される。この方法は、液体の流量測定の間に、煙霧及び滴からの液体の損失を低減するか又は無くする。
【００２１】
測定対象液体の揮発度又は引火度次第で、内部ガス圧３８は、加圧された非反応性ガス１２を加えるか、又は、ガス入口又は通気孔１８と３方向弁１４を通してガス抜きすることによって調整される。一の実施形態では、ガス入口又は通気孔１８は、充填プロセスの間は、３方向弁１４を介して通常は通気に使われ、排水処理の間は、加圧された非反応性ガス１２が収集容器２０に送り込まれる。
【００２２】
図３は、図１−２に示すシステムで実施するバッチ方式の流量測定の流れ図である。本方法は、連続して、同時に、平行して、又はパイプライン方式で行われることを理解されたい。簡潔のため、本方法を、連続して行われるものとして説明する。本方法を開始するに当たり、制御器５０は、ステップ２００で、新しい流量測定を開始する。ステップ２０２で、制御器５０は所望の流量Ｑ０を記憶する。ステップ２０８で、収集容器２０内の収集された液体３０は所定の水位以下に排水され、２方向の排水弁４４は、流量測定の期間、閉じられる。ステップ２１０で、制御器５０は、液体が収集容器２０に充填されている間、背圧を抜くために、収集容器２０内のガスがガス出口配管１６を通って抜けるように、制御信号を３方向弁１４へ送る。ステップ２１２で、制御器５０は、収集容器２０を供給配管４０からの液体で満たすように、制御信号を２方向供給弁４２へ送る。ステップ２１４で、短い安定期間の後、制御器５０は、時限ウインドウを開いている１つ又は複数のロードセル２４、４８からの瞬間ロードセル信号を捕捉する（即ち、サンプル採取する）。時限ウインドウの終わりに、制御器５０は、瞬間ロードセル信号を再び捕捉する（即ち、サンプル採取する）。時限ウインドウは、充填プロセスの間に必要な精度次第で、様々な時間周期とすることができる。ステップ２１８で、制御器５０は、時限ウインドウに亘って収集された液体３０の質量を表す捕捉された（即ち、サンプル採取された）ロードセル信号を、瞬間の流量Ｑに変換する。
【００２３】
ステップ２２０で、制御器５０は、瞬間流量Ｑを所望の流量Ｑ０と比較する決定ブロックを実行する。瞬間流量Ｑが所望の流量Ｑ０より高ければ、制御器５０は、ステップ２２４で２方向供給弁４２の開口度を下げて収集容器２０へ供給される液体の量を減じるように制御信号を送る。逆に、瞬間流量Ｑが所望の流量Ｑ０より小さければ、制御器５０は、ステップ２０４で２方向供給弁を開くように制御信号を送る。何れの状態でも、制御器５０は、瞬間流量Ｑが所望の流量Ｑ０に達するまで、ステップ２１４から２２０で、瞬間流量Ｑを測定し、所望の流量Ｑ０と比較する。
【００２４】
瞬間流量Ｑが所望の流量Ｑ０と等しい場合、流量のデータは分かっているので、制御器５０は、ステップ２２８でそのデータをメモリに記憶し、ステップ２３０で、２方向供給弁４２を閉じて収集容器２０への液体の供給を停止するよう制御信号を送る。ステップ２３２で、制御器５０は、３方向弁１４を開き、ガス出口配管１６を通して収集容器２０からガスを抜き、次いで３方向弁１４を閉じるよう制御信号を送る。ステップ２３４で、制御器５０は、３方向弁１４を開き、非反応性ガス１２を収集容器２０内に供給するよう制御信号を送る。ステップ２３６で、制御器５０は、２方向排水弁４４を開き、液体を排水するよう制御信号を送る。ステップ２３８で、別の新しい流量測定が必要であると判断された場合は、ステップ２００で流量測定方法が繰り返され、再度開始され、広範囲の流量に対する一連の較正曲線が確立される。そうでない場合は、ステップ２４０で流量測定方法が終了する。
【００２５】
図４は、液体供給入口２８（図１）から堰３６へ汲み上げられる液体を示す、システム１０の一の実施形態の部分破断斜視図である。液体は、堰３６内を上方向１２２に上昇し、堰開口部３２で盛り上がり、全方向で、堰３６の外壁に沿って収集容器２０の内側の液体表面１１０に向かって下方向１２４に溢れ出す。一の実施形態では、システムは、充填プロセスが終了すると、配水管２６による排水プロセスが堰３２の先端開口部より下の所定の液体水位１１０で始まるバッチ式流量測定環境で作動する。液体水位１１０が下がることによって排水流量が減少し、時間が経過すると漸次真空が生成されるのを相殺するために、加圧された非反応性ガス１２が、ガス入口１８を通して収集容器２０内に送り込まれる。フィードバック制御機構を使用する場合、時間が経過して内部ガス圧３８が高まることによって、排水速度が補償され、実質的に一定の流量を実現することができる。
【００２６】
バッチ式の流れ又は定常状態流れの送出方法で一定の排水流量を実現するフィードバック制御機構の実施形態を図５で論じる。収集された液体又は流量は、容器支持部２２の下のロードセル２４、４８のセットによって監視される。
【００２７】
堰３６は、測定の間に、収集された液体への僅かな物理的摂動を減衰するダンパとしても作用する。柱状堰３６と収集容器２０の直径の比によって、減衰の効果が決まる。システム１０には可動部品がないので、システム１０は比較的頑丈で、誤差又は物理的損傷を受け難い。
【００２８】
堰３６と収集容器２０は、ポリプロピレンのような低表面張力構造材料を使って作ることができる。堰３６が管であれば、以下の関係から堰３６の正確な直径を計算することができる。堰の直径φｃの設計が最適であれば、非常に広範囲な粘性のニュートン流体クラスの液体の流量を測定することができる。ニュートン流体は、一定の温度及び圧力では、全剪断速度で一定の粘性を有しており、１つのパラメーターの流動学モデルで説明することができる。ニュートン流体を記述する式は
τ＝μγ
で与えられ、ここに、τは剪断応力、μは粘性、γは剪断速度である。
【００２９】
ハーゲン−ポアズイユの法則が当てはまると仮定すれば（シー・ヴィー・アースワーレン（Ｃ．Ｖ．Ｅａｓｗａｒａｎ）及びエス・エル・ココール（Ｓ．Ｌ．Ｋｏｋａｌ）、シャム  ジェイ・応用数学（ＳＩＡＭ  Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｍａｔｈ．）、５２、１５０１、１９９２年参照）、堰３６（毛管として作用する）の流量は、
Ｑ＝（πΔΡφｃ４）／（１２８μｈ）
ΔΡ＝ρｇｈ＋Ｐｆ＋Ｐｉ
で与えられ、ここに、ΔΡは、堰圧力ρｇｈ、送出システムの液体摩擦Ｐｆ及び内部大気圧Ｐｉに打ち勝つのに必要な差圧、即ち液体ポンプ圧であり、
ρは液体の密度、
ｇは重力定数、
ｈは堰の高さ、
Ｐｆは送出システムの液体摩擦、
Ｐｉは内部ガス圧、
φｃは堰の内径、
μは液体の粘性、
ｈは堰の高さである。
【００３０】
密度ρ、重力定数ｇ，堰の高さｈ、堰の内径φｃは一定なので、流量Ｑは、ΔΡに正比例し、μに逆比例する。同じ流量Ｑを維持するのに、液体の粘性μが或る要因によって増減する場合、送られる液体がニュートン流体であれば、ポンプ圧ΔΡは、同じ要因によって増減させる必要がある。同様に、流量が、収集された液体３０上のガス内で不適切な煙霧又は滴が形成されない水準に保持されていれば、ポンプ圧ΔΡを増減することによって流量Ｑを増減することができる。
【００３１】
図１に戻るが、本図はバッチ方式の液体流量測定を実行するのに適したシステム１０を示している。蠕動ポンプのような適切なポンプ（図示せず）が、液体を、実質的に一定の圧力で供給配管４０に送り、２方向供給弁４２を介して液体供給入口２８から堰３６の底部へ送り込むのに用いられる。測定の間に２方向排水弁４４が閉じていれば、安定した流れが確立される。容器支持部２２に連結されている一式のロードセル２４、４８は、開始時の液体水位が実線１００で示されている収集された液体３０を含む収集容器２０の瞬間総質量Ｍ１を記録する。この時の液体の瞬間質量は、Ｍｌｉｑｕｉｄ＝（Ｍｔｏｔａｌ−Ｍｅｍｐｔｙ）である。次に、時間Ｔ１における質量Ｍ１がサンプル採取され、制御器５０用にデジタルフォーマットに変換される。次に、収集された液体３０の水位が点線１０２まで上昇したときに、時間Ｔ２における質量Ｍ２がサンプル採取される。この第２質量測定値も、サンプル採取して、制御器５０用のデジタルフォーマットに変換される。質量流量の測定誤差を低減するために、システム１０は、同じ技法を使って、短い期間内に多くのサンプル採取を行うことができる。液体の流量Ｑは、所定の時間間隔に亘ってロードセル２４、４８が記録する質量の変化によって導き出される。
【００３２】
次に、時間に亘る流体の体積変化は、時間に亘る質量変化と液体密度の定数項の積から計算することができる。
ΔＶ＝ΔＭ／ρ＝（Ｍ２−Ｍ１）／ρ
ここに、ΔＭは、時間間隔Ｔ２とＴ１に亘る質量変化で、所定時間間隔に亘る、収集容器２０内の液体が得る正味質量を反映しており、ρは液体密度、Ｍ２、Ｍ１は、時間間隔Ｔ２及びＴ１でのロードセル２４、４８からの実測総質量のデータである。
【００３３】
液体の流量Ｑは、時間間隔に亘る液体体積の変化として定義することができる。
Ｑ＝ΔＶ／ΔＴ＝（Ｖ２−Ｖ１）／（Ｔ２−Ｔ１）
ここに、Ｑは液体の流量、
ΔＶは時間間隔Ｔ２とＴ１に亘る液体体積の変化、
ΔＴは、最終時測定時Ｔ２と開始時測定時Ｔ１の時間間隔である。
【００３４】
代入すると、流量は、
Ｑ＝ΔＭ／（ρΔＴ）＝（Ｍ２−Ｍ１）／（ρ（Ｔ２−Ｔ１））
で求めることができ、ここで、液体の物理的な特性は、測定途上で、実質的に変化しないままであるという前提に立っている。
【００３５】
瞬間体積情報は、先に述べた関係
Ｖ＝Ｍｌｉｑｕｉｄ／ρ
を使って、ロードセル２４、４８によって記録される瞬間質量データによって求めることができ、瞬間時間Ｔで、Ｍｌｉｑｕｉｄ＝Ｍｔｏｔａｌ−Ｍｅｍｐｔｙである。
【００３６】
図５は、フィードバック制御法(feedback control methods)を使った、液体の流量測定システム４１の一の実施形態である。フィードバック制御の理論は周知なので、システムがフィードバック制御をどの様に実行するかについてのみ説明する。
【００３７】
一の実施形態では、液体流量測定システム４１は、バッチ式フィードバック制御の流れの方法を示している。制御器５０は、入力３９、４９及び５１を受信し、フィードバック制御信号５５、５７を出力する。制御器５０は、フィードバック制御信号５５、５７を、対応する３方向弁１４及び２方向排水弁４４へ送る。圧力センサー３７は、収集容器２０内のガス圧を示す入力３９を発生させる。ロードセル２４、４８は、収集された液体を含む収集容器２０の質量を示す入力４９を提供する。入力５１は、所望の流量Ｑ０を示す。フィードバック制御信号５５、５７の大きさは、入力３９、４９の合計と入力５１の間の差に相当する。
【００３８】
バッチ方式で排水配管４６を一定の排水速度に維持するため、フィードバック制御信号５５は、３方向弁１４を作動させ、非反応性ガス１２をガス入口１８に導入することによって収集容器２０内の圧力を調整し、液体水位が下がったことによる流量の減少を補う。フィードバック制御信号５７は、２方向排水弁４４を作動させ、収集された液体３０の排水配管４６を通る排水速度を増減させる。フィードバック制御信号５５、５７がゼロに近づき、指定時間に亘って収集された液体の質量の減少が、所定の誤差の許容範囲内の排水液体流量に達していることを示している場合は、一定の排水速度に達している。
【００３９】
別の実施形態では、液体の流量測定システム４１を使用して、定常状態のフィードバック制御の流れの方法を実施することができる。定常状態の間は、収集容器２０内に供給される液体の量と、収集容器２０から排水される液体の量は、等しいか、又は所定の誤差限界内にある。定常状態方法の間は、時間が経過しても質量の変化がゼロか、又はそれに近く、それが記録される。従って、図６Ａの流れ図に示しているように、定常状態の一定流れの方法が始まる前に、収集容器２０内に所望の流量が確立されるのが望ましい。
【００４０】
図５に示すように、入力３９、４９、５１は、制御器５０に送られる。定常状態の間は、方法全体を通して、２方向供給弁４２を確立された供給流量で開いたままに保つよう、フィードバック制御信号５９が送られることを指摘しておく。制御器５０は、入力３９、４９の合計と入力５１の間の差に基づく誤差の大きさを有するフィードバック制御信号５５及び５７を対応する弁へ送ることによって、排水速度を一定に維持する。
【００４１】
フィードバック制御信号５５は、３方向弁１４を作動させ、収集容器２０内の内部ガス圧３８を増減させる。フィードバック制御信号５７は、２方向排水弁４４を作動させ、収集された液体３０の排水配管４６を通る排水速度を増減させる。フィードバック制御信号５９は、所望の流量に達したときに、２方向供給弁４２を作動させて入口２８へ流れ込む液体の流量を調整するよう新たな流量指令入力５１が制御器５０に送信されなければ、所定の誤差限界内に保持される。新しい流量指令入力５１が実行されると、制御器５０は、３方向弁１４によって内部ガス圧を操作し、２方向排水弁４４を作動させて、液体供給流量の液体を排水する。定常状態では、フィードバック制御信号５５、５７及び５９の全てがゼロに近いとき、均衡状態にある液体の供給と排水の流量が所望の液体流量に達し、時間の経過による総質量変化はゼロか、又は受容可能な誤差限界内にある。
【００４２】
フィードバック制御信号５５、５７、５９は、誤差の大きさを低減する相殺効果(offsetting effects)を発生させる。誤差限界の大きさは、測定の間の液体の特性の安定性、衝撃又は摂動隔離設計、環境の摂動に対して物理的に影響を受けやすい設計、フィードバックループの応答時間対サンプル採取速度、水圧システムの感度、ロードセル２４、４８の感度、収集された液体３０と収集容器２０を含む液体流量測定システム４１の組み合わせ総質量に対する収集された液体３０の質量比、及び、サンプル採取誤差のような要因に依る。
【００４３】
液体送出システムの機能を比較するために、（１）液体の物理的特性は、合理的な範囲の温度変化に亘って実質的に変わらない、（２）フィードバックループの反応時間は、質量サンプル採取速度より何桁も速い、（３）液体供給及び排水汲み出しシステムの水圧状態は、合理的な一定圧力状態に維持される、（４）ロードセルは僅かな質量変化を検出することができる、と仮定する。これらの条件が満たされていると仮定すれば、（１）収集容器に対する収集された液体の質量比に基づくシステム全体の感度は、できるだけ高くなければならない、（２）サンプル採取誤差、及び環境の物理的摂動に対する影響度は最小でなければならない、という考察を最適化すれば、更に本システムの改良につながる。
【００４４】
一の実施形態では、収集容器２０は、ポリプロピレンの様な軽量材料で作られている。従って、収集された液体３０の質量が、低流量の測定では支配的になる。収集容器２０の大きさは、広範囲の液体流量を高精度で測定するために、大きくも小さくもすることができるので、システム全体の感度は高い。流量の測定は、収集容器２０内に小さな滴が形成されないようにする連続流れ方式なので、サンプル採取誤差に寄与する小さな滴は、殆ど無いか、全く無い。最後に、収集容器２０内の堰３６は、いくらかの些細な環境の物理的摂動(physical perturbations)に応答する液体の運動を減衰し、この質量検出法(math detection method)には可動部品は無い。
【００４５】
図６Ａ及び６Ｂは、図５と関連付けて説明した２つのフィードバック制御法、（１）バッチ式一定流れ法と、（２）定常状態一定流れ法、を示している。
図６Ａは、ステップ２２８まで図３と同じである。これは、所望の流量Ｑ０が、図６Ｂに示す両フィードバック制御法のどちらかに進む前に確立されていることを意味している。従って、収集された液体３０は、収集容器２０内で一定の水位に達すると、どちらかのフィードバック法によって、所望の流量Ｑ０で排水され、一定且つ定常に維持される。
【００４６】
図６Ｂは、ステップ２４２で始まる２つのフィードバック制御法を示している。定常状態一定の流れ法２４４とバッチ式一定流れ法２４８は、先に説明したステップ２５２、２５４、２５６、２５８及び２６２のような共通のステップを共有しているが、或る種の違いを有している。第１の違いは、２方向供給弁４２は、ステップ２４６では、定常状態一定流れ法の間、液体に対して開いた状態になっており、一方、ステップ２５０では、バッチ式一定流れ法の間、閉じた状態になっていることである。第２の違いは、定常状態一定流れ法では、排水される液体の量が途切れることなく同じ供給流量Ｑ０で継続して補充されるので、同方法の全体を通して液体の水位が実質的に変化しないのに対し、バッチ式一定流れ法では、収集された液体３０の排水される分が補充されないので、収集容器２０内に収集された全液体３０が完全に無くなるか、又は同方法が終了するまで、液体水位が所望の流量Ｑ０で下がることである。
【００４７】
もう１つの違いは、定常状態一定流れ法が、ロードセルから、ステップ２６４で瞬間流量Ｑが所望の流量Ｑ０に等しい一定流量を示す正味ゼロの質量変化を読み取るのに対し、バッチ式一定流れ法は、ロードセルから、瞬間一定流量Ｑが所望の流量Ｑ０に等しいことを示す質量の減少を読み取ることである。
【００４８】
従って、どちらのフィードバック制御法でも、収集容器２０内の内部ガス圧３８は、ステップ２７４又はステップ２８２で、非反応性ガス１２のようなガスを供給するか又は抜くことによって調整され、２方向排水弁は、ステップ２７０又はステップ２７８で、一定の流量を所望の流量Ｑ０に維持するように操作される。バッチ式一定流れ法又は定常状態一定流れ法のどちらかの間に、新しい流量指令の変更Ｑｎを受信すると、両方の方法は、瞬間流量Ｑが所望の新規流量Ｑｎと受容可能な誤差限界内で一致するまで、図６Ｂに示すステップに従って、収集容器２０向かう流量を操作することによって、摂動に応答する。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】液体流量測定用のシステムの一の実施形態である。一回の時間間隔に亘る開始時及び停止時の液体水位を有するバッチ式方法も示している。
【図２】堰の上部における液体の運動を示す本システムの拡大図である。
【図３】流量測定のバッチ式方法の流れ図である。
【図４】収集容器における液体の経路を示す本システムの一の実施形態の斜視図である。
【図５】液体流量測定用のシステムを示す本システムの一の実施形態である。フィードバック制御機構も示している。
【図６Ａ】図６Ａは、図６Ｂのフィードバック制御方法の前の、液体流量測定のためのバッチ式方法を示す流れ図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、図６Ａの続きであり、実行可能な２つのフィードバック制御方法を示している。
【符号の説明】
【００５０】
２０              収集容器
４２              供給弁
４４              排水弁
１４              気体弁
１２              非反応性ガス
３６              堰
２４、４８        ロードセル
３０              収集された液体
５０              制御器
５５、５７、５９  フィードバック誤差信号
【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６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【外国語明細書】
2005099008000001.pdf