JP2003529051A - ガス流量測定装置およびそれに適用可能な信号処理方法 - Google Patents

ガス流量測定装置およびそれに適用可能な信号処理方法

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Abstract

(57)【要約】 ガス流量受容器は、流管に取り付けられた非対称流動誘発ダイアフラムを有し、上流オリフィス付近では流管の対応する断面で感知されるより強調された高い圧力を持ち、下流オリフィス付近では強調された低い圧力を持つ、非対称な流動を流管内で引き起こす。上流オリフィスからガス流を受け取るサーモアネモメータ(thermoanemometer)型トランスデューサを使用するガス流量計は、例えばガス流が連続的に、ただし反対方向に通過する１対のトランスデューサを相互に平行に配設することによって、振動または加速に影響されないように作られる。トランスデューサ出力は、ＡＤＣを用いてデジタル変換する前に２次信号を注入する、雑音の多い増幅器によって増幅される。デジタル信号はサンプリング期間全体にわたって平均化され、ＡＤＣの最小量子化値より高い精度レベルを持つ標本を得る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の技術分野】
本発明は一般的に、ガス通路内部に配置された流動抵抗要素での圧力降下を測
定する１つまたはそれ以上の差圧トランスデューサを含むガス流量計に関する。
さらに詳しくは、本発明は、ガス通路の特殊設計により、振動に対するその不感
受性を高めることにより、かつ流量計または他の類似のトランスデューサ信号に
適用可能な特殊信号処理および線形化方法を提供することにより、肺活量測定に
使用される流量計の精度を改善することに関する。
【０００２】
【背景技術】
一般的に、ガス流量計はガス流受容器（ＧＦＲ）（ガス通路とも呼ばれる）、
ガス流が通過する管、およびしたがってＧＦＲに接続される差圧トランスデュー
サを含む。トランスデューサは、管内に配置された流動抵抗要素によって生じる
差圧を測定する。肺活量測定など特定の用途にとって、単純な形状を持ち、容易
な清掃および／または廃棄性を提供するＧＦＲはこの上なく魅力的である。工業
および医学で使用されるＧＦＲの中に、平面ダイアフラム（流動を可能にしなが
ら局所的差圧を生じるように設計された流動障害物）の形に作られた流動抵抗素
子を持つ管を見出だすことができる。肺活量測定に使用される最も近いプロトタ
イプは、山形の流動抵抗素子を持つＧＦＲである［米国特許５０３８７７３］。
【０００３】 肺活量測定で使用されるＧＦＲの特定の設計は、流量計のより高い感度を得る
ために流動抵抗素子によって生じる差圧を増加する必要性と、肺活量測定標準に
よって規定された最大許容背圧を超えないという要求事項との間の妥協の結果で
ある。例えば、米国胸部協会肺活量測定標準（１９９４年）は、背圧が全動作範
囲で１５０Ｐａ・ｓ／ｌを超えないことを要求している。したがって、この特定
の用途には、最高比（差圧）／（背圧）を持つＧＦＲが好ましい。
【０００４】 記載した流量計で解決すべき別の問題は、流量−差圧変換を画定するＧＦＲの
変換特性の再現性に関係する。この目的のため、より単純な形状のＧＦＲがより
製造しやすく、管の内部の特徴および表面の寸法の再現性がより優れ、それが結
局、変換の再現性を保証する。管の形状の単純化の別の結果は製造コストの低減
であり、それは特に使い捨て管にとっては非常に重要である。
【０００５】 平面ダイアフラムの形に作られた流動抵抗素子を持つＧＦＲは、本質的に非線
形の流量−差圧変換特性を有することが示されている［米国特許５０３８７７３
］。一般的に、この型のＧＦＲによって発生する差圧は流量の二乗関数に近く、
それは結果的に次の問題を生じる。１０3のダイナミックレンジ、例えば１５ｍ
ｌ／ｓから１５ｌ／ｓ（肺活量測定）の流量を測定する要件は、ＧＦＲによって
生成される１０6＝（１０3）2のダイナミックレンジの差圧の測定を必要とする
。他方、現代の肺活量測定標準（米国胸部協会肺活量測定標準）によって確立さ
れた約１５０Ｐａ・ｓ／ｌのＧＦＲの最大フローインピーダンスの制限は、最大
発生背圧を（１５０Ｐａ・ｓ／ｌ）×（１５ｌ／ｓ）≒２ｋＰａに制約する。し
たがって圧力トランスデューサの最小検出可能差圧は数ｍＰａのレベルとすべき
である。この要件は、６桁の大きさのダイナミックレンジで動作する必要性と併
せて、差圧トランスデューサの重大な課題である。メディカル・グラフィックス
・コープは、低流量で作動する特殊センサを有する、６桁の大きさの重複する動
作範囲を持つ２つの差圧センサを含む流量計を提案した［米国特許５０３８７７
３］。この肺活量測定器の電子モジュールは精巧な構造を持ち、アナログデジタ
ル変換器（ＡＤＣ）によってデジタル化される前にアナログ信号変換を提供する
サブモジュールを含む。
【０００６】 流量測定用のＧＦＲに平行に接続されたサーモアネモメータ(thermoanemomete
r)型トランスデューサの利用は以前に報告されている［U.Bonne, K.Fritsch, "M
ikroanemometer fur die Durchflussmessung von Gasen," Technisches Messen,
1994, v.61, n.7, pp.285-294; T.R.Ohnsten, R.G.Johnson, R.E.Higashi, D.W
.Burns, J.O.Holmen, E.A.Satren, G.M.Johnson, R.E.Bicking, S.D.Johnson, "
Environmentally Rugged, Wide Dynamic Range Microstructure Airflow Sensor
," Proceedings on Solid-State Sensors and Actuators Conference (1990), p
p.158-160］。ある特定のサーモアネモメータ(thermoanemometer)型トランスデ
ューサは、約４桁の大きさの線形動作範囲および６桁を超える大きさの総動作範
囲を有する［Frolov G.A., Gendin A.V., Grudin O.M., Katsan I.I., Krivoblo
tskiy S.N., Lupina B.I., "Micromechanical thermal sensors for gas parame
ters measurements," Proceedings of 1996 ASME International Engineering C
ongress and Exposition, DSC-Vol.59, Micro-electro-mechanical systems, pp
.61-65］。本特定のトランスデューサは、それを流量計に利用するのに魅力的に
する全動作範囲を網羅する。サーモアネモメータ(thermoanemometer)型センサの
別の利点は、その動的特性を低減することなく、その分解能を数ｍＰａもの微細
なレベルにまで改善できることである。例えば、上記の分解能を持つ、ハネウェ
ル社によって製造された質量流量ＡＷＭシリーズセンサの応答時間は約３ｍｓで
ある。
【０００７】 サーモアネモメータ(thermoanemometer)型トランスデューサは、特殊設計され
たガス流組立体を通過するガス流量を感知する機能素子を含む［米国特許４５４
８０７８］。このガス流量はトランスデューサでの圧力降下に比例し、それはま
た、それを差圧測定にも使用することをも可能にする。ガス流量測定の物理的原
理は、加熱器の周りのガスの対称的温度分布の流動誘発外乱に基づく。ガスの加
熱容積の流動方向の移動によって引き起こされるこの外乱は通常、１対の温度感
知素子によって検出される。一般的に流動感知素子は、流路の特定領域のガスを
加熱する１つまたは２つの加熱器を含む。それはまた、ガスの加熱容積における
温度分布の歪みを検出する少なくとも２つの温度感知素子をも含む。ガス加熱お
よび温度感知の機能は、例えば中央加熱器および該加熱器の両側の２つの温度感
知素子を持つセンサの場合のように、分離することができる［米国特許４５４８
０７８］。他の設計では、この流量センサは、ガスを加熱し、かつ同時に温度差
を測定する、２個の自己加熱温度感知素子だけを使用することができる［H-E.de
Bree, P.Leussink, T.Korthorst, H.Jansen, T S J.Lammerink, M.Elwenspoek,
"The μ-flown: A novel device for measuring acoustic flows," Sensors an
d Actuators A (1996), v.54, n.1, pp.552-557］。そのような設計間の相違は
、本書におけるこの後の考察にとって充分でない。
【０００８】 サーモアネモメータ(thermoanemometer)型流量または差圧トランスデューサは
、トランスデューサ流路内のガス流に平行な方向に作用する加速を感知する。周
囲のより低温のガスより低い密度を有する加熱容積のガスの移動によって生じる
この効果は結果的に、２つの温度感知素子によって感知される温度差を生じる。
ガス流に直角の方向に加えられる加速もまた加熱容積のガスの移動をも引き起こ
すが、この移動は、２つの温度感知素子で測定される温度差を有意に変化させな
い方向である。したがって、トランスデューサはガス流に直角の加速に対する感
度が低い。一般に、単一センサでは、加速度誘導出力信号は流量誘導信号と区別
不能である。考慮する差圧トランスデューサの加速度に対する感度はトランスデ
ューサの精度、ならびにしたがって振動、回転、および変位などの機械的外乱に
さらされるガス流量計の精度に悪影響を及ぼす。
【０００９】 線形ＧＦＲ（例えば肺活量測定におけるフライシュ(Fleisch)またはユリ型管
）によって生成されるより約１０００分の１の低さの差圧信号を検出して処理す
る必要性によって、別の問題も生じる。流量計の動作（例えば肺活量検査）中に
、ＧＦＲを差圧センサと接続するニューマチックホースなどの装置部品の多少の
振動または衝撃が発生することがある。これらの寄生信号は、線形ＧＦＲによっ
て生成される差圧信号に対して無視できるほど小さいが、それにもかかわらず、
非線形ＧＦＲによって生成される有用な信号に比較して有意となることがある。
これらのようなスプリアス信号による干渉は、流量計の精度を低下させる。これ
らの振動に対する不感受性は、特に小型の手持ちバージョンの機器用の流量計の
重要な特徴と考えられる。寄生信号を抑制する信号濾波技術は、それらが適用分
野の標準を侵さない限り、使用することができる。例えば、肺活量測定標準は、
患者の呼吸の流量パラメータを測定するために必要な応答の速度を定めており、
どの肺活量計もそれを守らなければならない。
【００１０】 ＧＦＲおよびサーモアネモメータ(thermoanemometer)型センサなど、２つの非
線形機能素子を含む流量計は、流量から出力電圧への複雑かつ本質的に非線形の
変換特性を持ち、それを線形化しなければならない。流量計を線形化するために
は、流量Ｆと測定電圧Ｖとの間の対応を特定するその校正曲線Ｆ（Ｖ）を定義し
なければならない。本発明は、流動抵抗素子付きＧＦＲを含み、流量の二乗に近
い差圧を生成する、本質的に非線形流量計の線形化をも扱う。
【００１１】 現代の肺活量計は一般的にアナログデジタル変換器（ＡＤＣ）を含み、トラン
スデューサからのアナログ信号をその後の処理のためにデジタル化する。上記の
ほとんど６桁の大きさの幅広い動作範囲で要求される分解能を提供するために、
１６〜１８ビットより高い分解能のＡＤＣを使用しなければならない。一方、比
較的安価で単純かつ普及した１２ビットのＡＤＣが好ましい。したがって、（非
線形ＧＦＲを持つ流量計で）低流量を解決する問題は、差圧トランスデューサの
制限された感度からだけなく、好ましい電子回路機構の限定された分解能からも
引き起こされる。
【００１２】
【発明の概要】
本発明の目的は、次の解決策を提供することである。 ・ＧＦＲの（差圧）対（背圧）比を高めることによって、ＧＦＲの効力を向上す
る。 ・より優れた再現性とより簡単な製造のために、ＧＦＲの形状を単純化する。 ・サーモアネモメータ(thermoanemometer)型差圧および流量トランスデューサを
含め、装置およびその部品の振動または衝撃に対する流量計の不感受性を改善す
る。 ・低流量における流量計の分解能およびしたがって精度を改善する。 ・ガス流量計の正確な線形化。
【００１３】 １．本発明の目的の１つは、ＧＦＲの流動抵抗素子の新しい設計によって解決さ
れる。その流動抵抗素子は、ＧＦＲ管の長軸に沿って見たとき非対称な形状を有
する、ガス流に対する障害物の形で作られる。流動抵抗素子は、ＧＦＲ内部の２
つの点間で測定して低い総背圧および高い局所的差圧が同時に得られるように設
計される。局所的差圧はＧＦＲに障害物を、差圧が測定されるＧＦＲ内の２点間
に直接、一般的に、双方向流量測定の場合、これらの２点を結ぶ線の中間にでき
るだけ近接して配置することによって生成される。
【００１４】 この特徴の広い側面では、側壁を有し最小限の抵抗を誘発しながらその中の流
動を案内する流管と、側壁を介して流管と連通する上流オリフィスを有する上流
感知管と、側壁を介して流管と連通する下流オリフィスを有する下流感知管とを
備えたガス流受容器を提供する。該受容器はまた、上流オリフィスと下流オリフ
ィスとの間で流管に取り付けられて、上流オリフィス付近では流管の対応する断
面で感知されるより強調される高い圧力を持ち、下流オリフィス付近では流管の
対応する断面で感知されるより強調される低い圧力を持つ非対称な流動を流管に
引き起こす非対称流動誘発ダイアフラムをも有し、このオリフィスは、ダイアフ
ラムによって誘発されるいかなる外乱による圧力振動をも実質的に感知すること
なく、強調された圧力を感知するように、ダイアフラムに対して相対的に配置さ
れる。
【００１５】 ダイアフラムはオリフィス間の側壁に取り付けることが好ましい。ダイアフラ
ムは、高い抵抗を示しかつそのサイズに対し最大限の強調圧力を生成するように
賦形することができる。流管は、オリフィス間でより小さい断面を持つことがで
き、かつ該小断面の両側で同様のテーパを付けることができる。
【００１６】 ２．サーモアネモメータ(thermoanemometer)型差圧トランスデューサの振動に対
する不感受性を改善するために、信号の寄生加速誘発成分を流動誘発成分から分
離して消去することができ、こうして流動誘発信号の識別が可能となるように、
２つまたはそれ以上のサーモアネモメータ型流動感知素子を接続して使用する。
【００１７】 一般的に、これは、流動および加速が異なる流動感知素子で異なる方向（角度
）に作用するように接続された複数の流動感知素子を使用することによって、達
成することができる。多くの異なる実施形態が可能である。例えば２つのサーモ
アネモメータ(thermoanemometer)型流動感知素子を、ガスが各々の素子内を反対
方向に流れるように、特定の仕方で接続する。２つの流動感知素子の出力信号は
、信号の加速誘発成分が消去される一方、信号の流動誘発成分が二倍になるよう
に、電子的に処理する。
【００１８】 別の組合せは、ガスが流れない少なくとも１つの流動感知素子を含むことがで
きる。加えられる加速にさらされて、この基準素子は、ガスが流れる素子の加速
誘発成分を消去するために使用される出力信号を発生する。
【００１９】 この特徴の幅広い側面では、振動または加速に対する不感受性を持つガス流量
トランスデューサ装置であって、各々が少なくとも一方向の振動または加速を感
知して、ガス流量および振動または加速から結果的に生じる摂動成分に比例する
出力信号を発生する複数のガス流量トランスデューサを備えたガス流量トランス
デューサ装置を提供する。このトランスデューサ素子は共通支持体、および入口
からトランスデューサ素子の少なくとも１つを通して出口までガス流を導く複数
のガス流通路に配設される。素子は、摂動成分およびガス流の少なくとも一方が
トランスデューサ素子によって別々に測定されるように、共通支持体に配設され
、通路に接続される。各々のトランスデューサ素子の出力信号を受け取り、摂動
成分を実質的に消去してガス流量に対応する振動または加速不感受出力信号を出
力する回路機構を設ける。
【００２０】 ガス流通路は、トランスデューサ素子を通過するガス流量を均等にすることが
でき、ガス流をトランスデューサ素子間で分割することができ、ガス流量はトラ
ンスデューサ素子間で分割することができ、あるいはトランスデューサ素子内を
連続的に通過することができる。一方の軸だけに沿って振動または加速度を感知
し、相互に平行に配置された２つのトランスデューサ素子を設け、ガス流がトラ
ンスデューサ素子内を反対方向に流れるようにガス流通路を配設することが好ま
しい。
【００２１】 ガス流はトランスデューサ素子の少なくとも１つで遮断することができ、トラ
ンスデューサ素子の少なくとも１つは摂動成分だけを測定することができる。
【００２２】 トランスデューサ素子の少なくとも１つは、該少なくとも１つのトランスデュ
ーサ素子が他のトランスデューサ素子と同一ガス組成および温度にさらされるよ
うに、ガス流と連通することが好ましい。
【００２３】 トランスデューサ素子は、サーモアネモメータ(thermoanemometer)型トランス
デューサを備えることが好ましい。
【００２４】 ３．ＡＤＣの量子化雑音によって制限される低流量での流量計の分解能を向上す
るために、次の信号処理を提案する。
【００２５】 〔選択肢１〕 ３．１）差圧トランスデューサの出力アナログ信号は周波数ｆ＞１／Δｔの高周
波成分を持つ必要があり、ここでΔｔはＡＤＣサンプリング速度であり、これら
の高周波成分の振幅はＡＤＣの１量子化単位を超えなければならない。 ３．２）差圧トランスデューサの出力アナログ信号がＡＤＣの１量子化単位を超
える振幅を持つ周波数ｆ＞１／Δｔの高周波成分を持たない場合には、ＡＤＣに
よってデジタル化する前に、この基準を満たす人工的に発生した発振信号を信号
と混合する必要がある。 ３．３）Ｎ＞２として、時間τ＝Ｎ・Δｔ中に、ＡＤＣの出力から数個の標本の
算術平均によって平均出力信号電圧を計算し、結果的にＡＤＣの量子化単位より
優れた分解能を生じる。 ３．４）流量計の校正曲線から、３．３）からの平均信号電圧に対応する流量を
計算する。
【００２６】 〔選択肢２〕 ３．１）〜３．２）で上記の差圧トランスデューサの出力アナログ信号はさらに
次の通り処理することができる。 ３．５）流量計の校正曲線から、デジタル化出力信号電圧標本に対応する流量を
計算する。 ３．６）Ｎ＞２として、時間τ＝Ｎ・Δｔ中に、平均流量を計算する。
【００２７】 この特徴の広い態様では、アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）を使用して、Ａ
ＤＣの最小量子化値より高い精度レベルでアナログ信号の値を推定する方法を提
供する。該方法は、 零ＤＣ成分、実質的に均等かつ対称な振幅分布、および最小量子化値より高い
ピークピーク振幅を持つ２次信号をアナログ信号に加えるステップと、 ＡＤＣのデジタル出力値を記録して格納するステップと、 サンプリング期間にわたって記録されたデジタル出力値を平均化して、デジタ
ル出力値の精度より高い精度で推定高精度デジタル値を得るステップと、を含む
。
【００２８】 ２次信号は、アナログ信号を増幅するために使用する増幅器回路機構で発生す
る雑音によって提供されることが好ましく、アナログ信号は、他の型の信号に加
えてガス流量トランスデューサ信号とすることができる。
【００２９】 サンプリング期間はアナログ信号の振幅の関数として変化し、サンプリング期
間は、より低い振幅値の場合には長く、より高い振幅値の場合には短いことが好
ましい。
【００３０】 ４．装置の周波数応答を低下することなく、流量計またはその部品の振動または
衝撃による寄生信号を抑制するために、３．１）〜３．２）で示したように高周
波成分で調整した差圧トランスデューサの出力アナログ信号を次のように処理す
ることができる。 ４．１）流量計の全動作範囲を少なくとも２つ（好ましくはそれ以上）の非重複
部分範囲に分割する。部分範囲の数は理論的に、ＡＤＣにおける量子化単位の数
までとすることができる。その場合、平均化時間は各部分範囲で異なることがで
きる。 ４．２）流量を上記の３．３）、３．４）または３．５）に従って測定する場合
、平均化時間は低流量部分範囲から高流量部分範囲へ単調に減少しなければなら
ない。
【００３１】 この特徴の幅広い側面では、信号の振幅を測定するステップと、より低い値の
振幅ではτは長く、より高い値の振幅ではτが短くなるように、平均化期間τを
振幅の関数として決定するステップと、期間全体にわたって振幅を平均化して濾
波出力信号を提供するステップとを含む、信号濾波方法を提供する。
【００３２】 関数は階段関数とすることができる。振幅が予め定められた閾値より上である
場合、濾波出力信号は振幅の瞬時値とすることができる。測定のステップは、ア
ナログガス流量トランスデューサ信号をデジタル信号に変換して振幅を提供する
ステップを含むことが好ましい。
【００３３】 ５．流量の二乗に近い差圧を発生する流動抵抗素子を含む流量計の校正関数Ｆ（
Ｖ）の一般的な型：
【数２】 を創案する。ここでＮは３に等しいかそれ以上であり、パラメータαi＞１であ
り（αiの好適な値は２に近い）、Ａiは最良の線形化結果を出すように特定の流
量計に対して実験的に決定される係数である。より高い精度のために、流量計の
全動作範囲は幾つか（少なくとも２つ）の部分範囲に分割され、校正関数は同じ
方法によって部分範囲の各々に対して別個に見出される。
【００３４】 この特徴の広い側面では、所与の尺度で物理パラメータを表わす校正出力信号
を得るために、測定される物理パラメータに対して非線形であるトランスデュー
サ出力信号を処理する方法を提供する。この方法は、 トランスデューサを多数の校正物理パラメータ条件にさらすステップと、 各々の条件下における出力の値を記録するステップと、 出力値を物理パラメータに関連させる非線形関数の解析解を得るステップであ
って、解は
【数３】 と表わされ、ここでＶはトランスデューサ出力信号であり、Ｎは３より大きいか
等しく、パラメータＡiは記録値から決定される係数であり、αiは実数である、
ステップと、 該解析解を用いてトランスデューサ出力信号に対する校正出力信号を決定する
ステップと、を含む。
【００３５】 αiは１より大きいことが好ましく、非整数とすることができる。
【００３６】 決定するステップは、 解析解を使用してトランスデューサ出力信号の各々の可能な値に対して物理パ
ラメータの値を計算するステップと、 デジタル出力値によって指標付けされた物理パラメータ値の表を作成するステ
ップと、 トランスデューサ出力信号をデジタル出力値に変換するステップと、 デジタル出力値を用いて表から校正出力信号の値を得るステップと を含むことができる。
【００３７】 記録された値の各々に対して解析解を厳密にすることができ、解析関数は部分
範囲に分割することができる。
【００３８】 トランスデューサ出力信号は二乗変換関数を持つガス流量トランスデューサ信
号から導出することができ、ガス流量トランスデューサはサーモアネモメータ(t
hermoanemometer)型トランスデューサ装置であることが好ましい。
【００３９】 本発明は、添付の図面に関連する好適な実施形態および代替実施形態について
の以下の制限ではない詳細な説明によって、いっそうよく理解されるであろう。
【００４０】
【好適な実施形態の詳細な説明】
好適な実施形態では、ガス流受容器は、流管に取り付けられた非対称流動誘発
ダイアフラムを有し、上流オリフィス付近では流管の対応する断面で感知される
より強調された高い圧力を持ち、下流オリフィス付近では強調された低い圧力を
持つ、非対称な流動を流管内で引き起こす。上流オリフィスからガス流を受け取
るサーモアネモメータ(thermoanemometer)型トランスデューサを使用するガス流
量計は、例えばガス流が連続的に、ただし反対方向に通過する１対のトランスデ
ューサを相互に平行に配設することによって、振動または加速に影響されないよ
うに作られる。結果的に生じるトランスデューサ信号を処理して、振動または加
速の影響を打ち消す。このトランスデューサ出力は、ＡＤＣを用いてデジタル変
換する前に２次信号を注入する雑音の多い増幅器によって増幅される。デジタル
信号はサンプリング期間全体にわたって平均化され、ＡＤＣの最小量子化値より
高い精度レベルを持つ標本を得る。サンプリング期間は、より低い振幅値ではサ
ンプリング期間が長くなり、より高い振幅値では短くなるように、トランスデュ
ーサのアナログ信号振幅の関数として変化する。サンプリング期間の変化は信号
濾波をもたらす。流量計は非線形応答を持つので、多数の校正流量の下で標本を
記録し、非線形関数に対する解析解を得て、解析解を用いて全ての標本値の校正
値を得、動作中に、標本値に対応する校正値を探索することによって、流量を表
わす校正出力信号が得られる。好適な実施形態の特徴をまとめて簡単に説明した
が、今から以下で個々の特徴をより詳しく説明する。
【００４１】 本願は、ガス流量計に適用できる種々の独創的な特徴を記載する。これらの特
徴は、流量計の特性を改善する。改善の最大の効果は、以下で述べる発明が合同
で実現され、したがってここで一緒に提示される場合に達成することができる。
【００４２】 〔ガス流量から差圧への変換のための管〕 図１は、ＧＦＲ１、差圧トランスデューサ２、アナログ電子モジュール３、お
よびＡＤＣモジュール４を含む流量計の略図を示す。本発明のガス流受容器（Ｇ
ＦＲ）１の流動抵抗素子５は、例えば肺活量測定における双方向流量測定のため
に、低い総背圧およびＧＦＲ１内部の２点間で測定される高い局所的差圧を同時
に得るように設計される。局所的差圧は、ＧＦＲ１に障害物５を、差圧を測定す
るＧＦＲ１内部の２点間に直接、これらの２点を結ぶ線の中心点にできるだけ近
接して配置することによって生成される。状況によっては、障害物またはダイア
フラムを中心点からずらして配置することが望ましいかもしれない。
【００４３】 本発明の考案を立証するために、２つの実験用ＧＦＲを作成した。星形の対称
なダイアフラム７および本発明の非対称なダイアフラム５の各々を、２１ｍｍの
内径および１９ｍｍの内径を持つ長さ１２０ｍｍの同一管の真ん中で管の中心に
配置した（図２および３）。流動抵抗素子の形状は、１５０Ｐａ／ｓ／ｌ（肺活
量測定のＡＴＳ標準によって要求される）より低い背圧を発生するように選択し
た。星形ダイアフラム７の６つのビームは各々１ｍｍの幅を有する。ダイアフラ
ムの中心スポットは４ｍｍの直径を有する。非対称なダイアフラム５は高さ４ｍ
ｍの弓形の形状を有する。星形ダイアフラム７は１ｍｍの厚さを有する一方、弓
形ダイアフラム５は０．１〜０．２ｍｍの厚さを有する。
【００４４】 各々のＧＦＲを同一差圧トランスデューサ２に接続し、個別に校正した。追加
圧力センサによって背圧を測定した。実験中に、バーディック社（米国ウィスコ
ンシン州ミルトン）によって製造された「スピロキャル(SpiroCal)」と呼ばれる
３リットル校正シリンジを使用して、ガス流を発生させた。図４は、２つのＧＦ
Ｒの空気流量に対する背圧の依存性を示す。図５は、流量の関数としての比η＝
ΔＰ1／ΔＰ2を示す。ここでΔＰ1およびΔＰ2は、それぞれ本発明の非対称なダ
イアフラム５および対称な星形ダイアフラム７を持つＧＦＲによって発生する差
圧である。本発明のＧＦＲは、対称なダイアフラム７を持つＧＦＲより低い背圧
および高い差圧を発生する。
【００４５】 管の断面におけるガス速度分布に対する２つの管の感度を検査するために、次
の２段階の実験を実行した。第１段階で、各管（校正後）をシリンジに接続し、
異なる流量のピストン工程によってガスを周囲から管を通してシリンジ内に「吸
息」した−−「吸息」。経時的に流量測定値を積分することによって吸息容積を
測定し、シリンジの実際の容量と比較した。第２段階で、各管をその流動方向が
逆転するように１８０度回転し、その反対側の端をシリンジに接続し、「呼息」
ピストン工程によってガスをシリンジから排気する以外は同じ実験を行なった。
したがって管内のガス流の方向は同一であったが、接続およびしたがってフラッ
クスにおけるガス流の速度分布は異なった。第１段階で、ＧＦＲ入力は無限容積
の周囲ガスに直接接続され、第２段階でＧＦＲに流入するガスフラックスは、３
０ｍｍの内径を持つ４０ｍｍ長さの接続管によって形作られる。実験的に測定さ
れたシリンジ容積の「呼息」および「吸息」期間に異なる平均流量で得られたそ
の実値からの偏差（％単位）を、２つの試験ＧＦＲについて、図６および７に提
示する。星形ダイアフラム７を持つＧＦＲは、その向きの変化のため最高８．５
％までの測定容積の矛盾を実証した。それは、管の断面におけるガス速度分布に
対するその感受性を確認するものである。本発明の管の場合、これらの矛盾は１
％を超えなかった。それは、管の断面におけるガス速度分布に対する実質的に低
い感受性を実証している。
【００４６】 本発明のＧＦＲは、対称な星形ダイアフラムまたは山形流動抵抗素子より単純
な形状を有する。これはその製造を単純化し、かつ変換特性の再現性を向上させ
ることができる。
【００４７】 上記の実施形態は、本発明の解決策の利点を確認する。ところで、本発明に従
って他の形状の非対称な流動抵抗素子を使用することができる。３ｍｍおよび５
ｍｍの高さを持つ非対称な弓形の形の本発明の流動抵抗素子を含むＧＦＲをも試
験した。それぞれ円形および三角形の記号で表わした実験結果を、図４および５
に示す。これらの変形は、管の断面にわたるガス速度分布に対する低い感受性を
も実証した。
【００４８】 ０．２ｍｍから１〜２ｍｍに弓形障害物の厚さを増加しても、ＧＦＲの変換特
性に有意の変化は生じない。背圧および局所的差圧の観察された偏差は５％を超
えなかった。
【００４９】 図８および９はＧＦＲの幾つかの可能な設計を示すが、それらはＧＦＲの全て
の可能な形状を網羅するものではない。ＧＦＲの特定の選択は、所与の用途およ
び製造技術に対する最適な適応をもたらすように行なうべきである。図８に、Ｇ
ＦＲ１の内部の流動抵抗素子８、９、１０の様々な断面図を示す。ＧＦＲ１はま
た、特定の角度に取り付けられた配管１１をも含む。流動抵抗素子として使用さ
れる平面ダイアフラム１２，１３，１４の正面図を図９に示す。
【００５０】 好適な実施形態では、測定される流動は双方向である。流動が一方向である場
合、非対称なダイアフラムは感知管オリフィス間の中心点とは異なる位置に配置
することが好ましいかもしれない。
【００５１】 〔振動／加速に対する不感受性を持つ差圧およびガス流量トランスデューサ〕 図１０および１１は、２つの流動抵抗素子１５が直列（図１０）および並列（
図１１）に接続されている、本発明のトランスデューサの２つの可能な構成を示
す。どちらの場合も、チャネルを流れるガスは流動抵抗素子内を反対方向に通過
する。したがって、両方に流動抵抗素子１５内の加熱器１７付近のガス１６の加
熱容積（斜線の円として示される）もまた反対方向に移動して、反転出力信号成
分を生じる。図１２に示すように、ガス流に平行な方向に加速が加えられると、
ガス１６の加熱容積は、どちらの流動抵抗素子１５の場合も同一方向に移動して
、どちらのセンサでも同一出力信号の増分を生じる。２つの流動抵抗素子１５の
出力信号Ｖsensor1およびＶsensor2は次いで電子回路機構３によって、一方の信
号が他方から減算されるように処理される。次の３つの方程式はこの状況を要約
する。
【数４】 ここで、ＶflowおよびＶaccelerationは、それぞれガス流量および加えられた加
速によって生じるセンサ出力電圧成分である。
【００５２】 ２つの線形流量感知素子１５が同一である場合、トランスデューサ全体の加速
に対する感度は理論的に零に低減することができる。実際には、加速に対する不
感受性は、２つのセンサ素子１５およびそれらの感度の校正の不一致によって限
定されるかもしれない。
【００５３】 図１０および１１に提示された方式の選択は、特定の用途に依存する。直列に
接続された２つの流動抵抗素子１５を持つトランスデューサは、単一素子より２
倍高いフローインピーダンスを持ち、第２トランスデューサ（図１１）は２分の
１のフローインピーダンスを有する。
【００５４】 本発明の概念の実験的検証のために、プラスチックホースで直列に接続された
２つのＡＷＭ２２００質量流量センサ（ハネウェル）を基にして、トランスデュ
ーサのプロトタイプを組み立てた。組み立てられたプロトタイプの性能を、単一
ＡＷＭ２２００センサの性能と比較した。トランスデューサの電子回路機構は、
差圧に対して同一感度を提供した。次いで両方の装置を地球の重量で回転させた
。単一ＡＷＭ２２００センサは１４ｍＶ／ｇの加速を感知するが、本発明のトラ
ンスデューサのプロトタイプは、電子回路機構の分解能（１ｍＶ未満）内で同一
加速に全く反応しなかった。試験したトランスデューサは両方ともガス流量に対
しては同一感度を持つ。
【００５５】 加速に反応しない本発明の校正のトランスデューサ２は、様々な方法によって
実現することができる。最良の結果は、同一流動抵抗素子の利用によって得るこ
とができる。これらの流動抵抗素子は、上記の通り市販されているセンサまたは
特別に設計した機能感知素子とすることができる。
【００５６】 他の可能な構成の中で、３つの流量感知素子を同一平面内に配設し、三角形の
形状に接続したものを図１３に示す。この場合、各流量感知素子の出力信号は次
の通り書くことができる。
【数５】 ここでβは、図１３に示す通り加速の有効角である。
【００５７】 ３つの未知のパラメータＶflow、Ｖacceleration、およびβを持つこの３つの
方程式系を解いて、信号の加速誘発成分の影響を打ち消すことができる。
【００５８】 図１４は、２つの流量感知素子の別の可能な組合せを示す。一端が主ガス通路
に開いているガス通路１８は、基準センサがガス流を経験することなく同一ガス
組成、圧力および温度を経験することを可能にする。ガス組成、圧力および温度
の状態が一定である場合、センサ２は通路１８を使用せずに分離することができ
る。この場合、次の３つの方程式がセンサ出力信号および流量信号の獲得を要約
する。センサの出力信号は次の通りである。
【数６】
【００５９】 したがって出力信号の処理により、信号の加速誘発組成を打ち消すことができ
る。
【００６０】 次の点が注目される。
【００６１】 記載した加速補償に加えて、温度、ガス組成、および大気圧の変化の補償も、
質量流量コントローラで一般的に使用される方法で実現することができる。とこ
ろで、本発明の加速抑制は図１０、１１、１３、１４に示した特定の実施形態か
ら独立して有効であり、ガス温度、ガス組成、および大気圧の可能な補償の方法
から独立している。
【００６２】 〔流量計精度の改善のための信号処理〕 特殊信号処理によって（それ以外では、高分解能ＡＤＣをすぐにも使用するこ
とができない限り、ＡＤＣの量子化雑音によって限定される）低流量での流量計
の分解能を改善する本発明の方法を、上記の非線形ＧＦＲ１およびハネウェル社
によって製造され２つのプラスチックホース６によってＧＦＲ１に接続された質
量流量センサＡＷＭ２２００を含む流量計により、実験的に検査した。製造者が
推薦する回路機構によって、センサの励起および信号の増幅を実行した。低流量
での流量計感度の厳しい低下は、ＧＦＲ１によって発生する差圧対流量の近二乗
依存性（near-square-law dependence）の結果生じる。ＡＤＣ４の限定された分
解能は最小検出可能流量を制限する。同時に、寄生振動誘発信号は充分に大きく
、低流量での流量計の精度を低下させる。一例として、図１５ａは意図的に発生
させたニューマチックホース６の振動の影響を示す。ＡＤＣ４の分解能によって
画定される最小検出可能流量（ＡＤＣの量子化単位である＋１ｍＶまたは−１ｍ
Ｖに対応する流量）は、約５０ｍｌ／ｓであることが明らかになった（本発明の
信号処理無しで）。記載した実験では、電子モジュールは典型的な１２ビットＡ
ＤＣ４（ＡＤ７８９０−４）を含んでいた。サンプリング速度Δｔ＝２ｍｓのデ
ジタル化信号は、可視化、格納、および処理のためにパーソナルコンピュータに
転送した。
【００６３】 ＡＴＳ標準によって規定された可変流量の検出のための電子モジュールの適度
の有用な周波数帯域幅は、１００〜１５０Ｈｚを超える必要はない。本発明に従
って（上で３．２）で指定したように）アナログ出力信号の高周波雑音成分を人
工的に増加するために、電子モジュールの周波数帯域を意図的に１０ｋＨｚまで
増加した。回路機構の演算増幅器のおおよその白色雑音によって決定されたアナ
ログ出力信号の増加した高周波雑音成分は、ＡＤＣ４の３量子化単位に相当する
約±３ｍＶの振幅を持っていた。この追加雑音を図１５ａに示す。装置の略ブロ
ック図を図６に示す。記載した実験で検査した実施形態では、アナログ回路機構
モジュール内部で追加雑音を発生させた。
【００６４】 マイクロプロセッサに基づくモジュールにおける信号処理を記述した流れ図を
、図１７および１８に示す。流量計の動的特性を低下することなくホース６の振
動による信号を抑制するために、次の濾波パラメータを使用した。流量計の動作
流量範囲を次の４つの部分範囲に分割した。
【数７】
【００６５】 平均化時間τは、第１部分範囲に対しては７２ｍｓ（Ｎ1＝３６）、第２部分
範囲に対しては３０ｍｓ（Ｎ2＝１５）、第３部分範囲に対しては１２ｍｓ（Ｎ3 ＝６）、第４部分範囲に対しては６ｍｓ（Ｎ4＝３）となるように選択した。第
１好適実施形態（図１７）では、トランスデューサのアナログ電圧出力をＡＤＣ
によってデジタル形式に変換した後、流量計の校正曲線から対応する流量を見つ
ける。次いで、少なくとも最後のＮ1個の読取値がバッファ内にあるように、流
量読取値をバッファに格納する。現在の流量を解析して、それが４つの部分範囲
のどれに属するかを見出す。解析の結果に応じて、現在の流量が部分範囲ｉ（ｉ
＝１．．．４）に属するならば、バッファに格納された最後のＮi個の読取値か
ら流量を平均化する。
【００６６】 提示した信号処理の効果を図１５ｂに示す。信号の平均化は、５０ｍｌ／ｓか
ら約５ｍｌ／ｓへの流量分解能の向上を可能にした。振動生成信号の抑制係数は
約７〜８である。
【００６７】 別の可能な濾波シーケンスを図１８に示す。この信号処理と前の処理との相違
は次の通りである。 −電圧（流量でなく）に関して４つの部分範囲が定義されている。 −電圧をデジタル形式に変換して平均化が行なわれる。 −平均電圧に対応する結果的流量が流量計の校正曲線から見出される。
【００６８】 低流量では非常に重要であるが、流量のほぼ二乗に比例する急激な信号上昇の
ため、記述した濾波手順は、高流量では冗長であるかもしれない。例えば、５０
ｍｌ／ｓから２ｌ／ｓへの流量の上昇は結果的に１６００＝４０2倍の信号増加
を生じ、これは振動による通常の寄生信号より２桁以上高い。他方、主に高流量
（例えば肺活量測定）では流量計の高周波応答が要求され、それは長い平均化時
間τによって低下する。したがって、高流量では低い平均化時間を持つ幾つかの
部分範囲の利用が、中および高流量時の充分な応答速度を維持する。図１９は、
「スピロキャル(SpiroCal)」３リットルシリンジによって生成される流量インパ
ルスに対する流量計の反応を示す。高流量で、濾波信号（ｂ）は非濾波信号（ａ
）と同一形状を持つ。その立下り時間は１０ｍｓ未満と推定される。低流量での
濾波の効果は、ピストンがシリンジ底に衝突することによって発生する振動音響
信号の効果的抑制によって認識することができる。
【００６９】 本濾波方法のパラメータ、すなわち流量部分範囲の数、平均化時間、およびア
ナログ信号雑音成分の振幅は、特定の用途の流量計の動作を最適化するように選
択することができる。この選択を結果的にもたらす調査した物理的プロセスのパ
ラメータは、流量計の所用周波数応答および流量動作範囲、ならびに抑制すべき
寄生信号の強さおよび周波数スペクトルである。
【００７０】 〔流量計線形化の方法〕 一般的に、流量計の校正は次のステップを含む。 −幾つかの基準流量での流量計の出力電圧を測定する。 −流量計の実際の校正曲線に当てはまる解析関数を計算する。 −解析関数を次のように格納する。 −全ての可能なＡＤＣの読取値と流量のあいまいな対応を与える表として。 −流量計の動作中に各ＡＤＣ読取値の流量の計算を可能にする解析関数のパラ
メータとして。
【００７１】 通常、高精度流量発生器を使用して、幾つかの基準流量で流量計が校正される
。これらの基準流量の数は１０〜２０を超えるべきではない。そうでなければ校
正手順が受け入れられないほど長くなる。他方、流量計で一般的に使用される１
２ビットＡＤＣさえも、装置の動作範囲の４０９６個の電圧レベルを測定する。
したがって、流量計の実際の校正曲線に正確に当てはまり、全ての可能なＡＤＣ
読取値に対応する流量の決定を可能にする解析関数を見出すことが極めて重要で
ある。曲線当てはめの方法はよく知られており、ここでは考慮しない。
【００７２】 記載した流量計の最適当てはめをもたらす解析関数Ｆ（Ｖ）の形は、次のよう
に開示される。
【数８】 ここでＶは流量計の出力電圧であり、Ｎは３より大きいか等しく、パラメータＡi は実験的に決定される係数であり、αiは一般的に１より大きい実数（必ずしも
整数ではない）である。
【００７３】 本発明の線形化方法の検証のために、プロトタイプ流量計を使用した。該流量
計は、２１ｍｍの入力内径および管の中心で１９ｍｍの内径を持つ１２０ｍｍ長
さの管を含む、上記のＧＦＲ１に基づくものであった。高さが４ｍｍの弓形の形
状を有する平面非対称ダイアフラム５（図３）を流動抵抗素子として使用した。
厚さが０．２ｍｍのこのダイアフラムを管の中心に配置し、流量の二乗に近い差
圧を発生させた（二乗伝達関数）。２つのプラスチックホース６で質量流量セン
サＡＷＭ２２００（ハネウェル）をＧＦＲ１に接続して、流量誘発差圧を測定し
た。該流量計はまた、±１０Ｖ範囲で動作する１２ビットＡＤＣ ＡＤ７８９０
−１０をも含んでいた。
【００７４】 本発明に従って、流量計の動作流量範囲を２つの部分範囲、０〜２ｌ／ｓおよ
び２〜１５ｌ／ｓに分割した。Ｎ＝５およびαi＝２に対して校正曲線Ｆ（Ｖ）
の係数Ａiを見出した。２つの部分範囲に対して別個に定義した２つの関数を図
２０にグラフ化する。校正後、校正曲線を表の形でコンピュータファイルに格納
した。
【００７５】 流量計の精度を検査するために、そのＧＦＲを「スピロキャル(Spiroal)」３
リットル校正シリンジに接続した。次いで、ピストン行程によって様々な流速で
空気をシリンジに出し入れした。呼気および吸気の量を流量計によって測定し、
シリンジの実際の容積と比較した。図７に示したこれらの２つの量の偏差（％単
位）は２％を超えない。これは、流量計の精度が２％以内またはそれより優れて
いることを意味し、肺活量測定に対してＡＴＳ標準で規定されている要求事項を
超える。
【００７６】 実際には、パラメータＮおよびαiの選択は、用途によって、ここで提示した
例で使用したものとは異なるかもしれない。例えば、該線形化手順はＮ＝６でも
試験して成功したが、係数Ａiを見出すアルゴリズムはより複雑であった。
【００７７】 パラメータαiは、計算された校正曲線が流量計の実際の流量応答によく当て
はまるように選択することができる。低流量では、和：
【数９】 の第１要素によって卓越した貢献が得られる。本方程式を変形すると、
【数１０】 が得られる。この場合、パラメータα1は低流量時の流量から出力電圧への変換
を定義し、それは主としてＧＦＲ１の校正に依存する。通常、ダイアフラム型流
動抵抗素子５を持つＧＦＲ１は、流量の二乗近くに変化する差圧を発生する（二
乗伝達関数）。これらの型のＧＦＲ１の場合、α1＝２で校正曲線の適当な近似
が得られる。それにもかかわらず、パラメータαi（１＜ｉ＜Ｎ）と同様、パラ
メータα1の値２からの多少のずれも本発明の線形化方法に含まれる。
【００７８】 精度要件および流量動作範囲によって、部分範囲の数も１から３以上の数まで
変化することができる。この選択は特定の用途によって異なる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ガス流受容器、差圧トランスデューサ、アナログ電子モジュール、およびＡＤ
Ｃモジュールを含む流量計の略図である。
【図２】 星形ダイアフラムを持つガス流受容器（先行技術）の略図である。
【図３】 本発明の非対称な流動抵抗素子を持つガス流受容器の略図である。
【図４】 両型のＧＦＲの測定背圧対流量を示すグラフである。
【図５】 非対称および対称な流量抵抗素子によって生成される差圧対流量の測定比ηを
示すグラフである。
【図６】 対称な星形障害物を持つＧＦＲの異なる平均流量で実験的に測定されたシリン
ジ容積の「呼息」および「吸息」中に得られた実値からの偏差を示すグラフであ
る。
【図７】 本発明の非対称な流動抵抗素子を持つＧＦＲの異なる平均流量で実験的に測定
されたシリンジ容積の「呼息」および「吸息」中に得られたその実値からの偏差
を示すグラフである。
【図８】 ＧＦＲの略側面図である。
【図９】 （管の長軸に沿って見た）ＧＦＲ管内の流動抵抗素子の略正面図である。
【図１０】 ２つのサーモアネモメータ(thermoanemometer)型流量感知素子を含む本発明の
差圧および流量トランスデューサの構成を、流動ガス用のチャネルが２つの素子
を直列に接続する場合について示す略図である。
【図１１】 ２つのサーモアネモメータ(thermoanemometer)型流量感知素子を含む本発明の
差圧および流量トランスデューサの構成を、流動ガス用のチャネルが２つの素子
を並列に接続する場合について示す略図である。
【図１２】 加速が加えられた状態の単一流動感知素子の略図である。
【図１３】 三角形に接続された３つの流動感知素子を含む、より複雑な構成の一例を示す
略図である。
【図１４】 ２つの同様に整列した流動感知素子の一方にだけ流れが通過する構成を示す略
図である。
【図１５】 低流量の流量計の（ａ）非濾波出力信号および（ｂ）濾波出力信号を示すグラ
フである。
【図１６】 流量計の電子モジュールのブロック図である。
【図１７】 本発明の信号処理を記述する流れ図である。
【図１８】 本発明の信号処理を記述する流れ図である。
【図１９】 流量インパルスに対する流量計の反応を示すグラフである。
【図２０】 流量計の校正曲線を示すグラフである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０１Ｆ 7/00 Ｇ０１Ｆ 7/00 (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ， ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ， ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＢＺ，Ｃ Ａ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ， ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，Ｋ Ｅ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ， ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，Ｒ Ｕ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ， ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者 グルディン、オレグ カナダ、ケベック Ｈ３Ｈ ２Ｎ７、モン トリオール、デュ フォート ストリート 1411、アパートメント 2404 (72)発明者 ジェンディン、アレクサンダー カナダ、ケベック Ｈ３Ｈ ２Ｎ７、モン トリオール、デュ フォート ストリート 1411、アパートメント 812 (72)発明者 フロロフ、ゲナディ カナダ、ケベック Ｈ３Ｈ ２Ｎ７、モン トリオール、デュ フォート ストリート 1411、アパートメント 812 Ｆターム(参考） 2F030 CA04 CA10 CB10 CC20 CD04 CD13 CD15 CD17 CD20 CE02 CE04 CF09 2F035 AA06 EA09

Claims (32)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 振動または加速に対する不感受性を持つガス流量トランスデ
    ューサ装置であって、 少なくとも一方向の振動または加速を各々感知し、ガス流量および前記振動ま
    たは加速の結果生じる摂動成分に比例する出力信号を発生する複数のガス流量ト
    ランスデューサ素子であって、共通支持体上に配設された素子と、 入口から前記素子の少なくとも１つを介して出口にガス流を導く複数のガス流
    通路と、 前記共通支持体上に配設され、前記摂動成分および前記ガス流の少なくとも１
    つが前記素子によって別々に測定されるように前記通路に接続された前記素子と
    、 前記素子の各々の前記出力信号を受け取り、前記摂動成分を実質的に消去して
    、前記ガス流量に対応する振動または加速度不感受出力信号を出力する回路機構
    と、を備えた装置。
  2. 【請求項２】 前記ガス流通路が前記ガス流量を前記素子で均等にする、請
    求項１に記載の装置。
  3. 【請求項３】 前記ガス流が前記素子間で分割される、請求項２に記載の装
    置。
  4. 【請求項４】 前記ガス流が前記素子を連続的に通過する、請求項２に記載
    の装置。
  5. 【請求項５】 １軸のみに沿った振動または加速を感知する、相互に平行に
    配設した２つの前記素子を設け、前記ガス流通路を前記素子の前記ガス流が反対
    方向になるように配設した、請求項４に記載の装置。
  6. 【請求項６】 前記素子の少なくとも１つにおけるガス流を防止するガス貫
    流遮断部材をさらに備え、前記素子の前記少なくとも１つが前記摂動成分だけを
    測定する、請求項１に記載の装置。
  7. 【請求項７】 前記素子の前記少なくとも１つが他の前記素子と同一ガス組
    成および温度にさらされるように、前記素子の前記少なくとも１つが前記ガス流
    と連通する、請求項６に記載の装置。
  8. 【請求項８】 前記素子が１軸のみに沿って振動または加速を感知する、請
    求項１ないし４、６および７のいずれか一つに記載の装置。
  9. 【請求項９】 前記装置が２つの前記素子を備えている、請求項１ないし４
    、および６ないし８のいずれか一つに記載の装置。
  10. 【請求項１０】 前記素子がサーモアネモメータ型トランスデューサを備え
    ている、請求項１ないし９の一つに記載の装置。
  11. 【請求項１１】 側壁を有し、最小限の抵抗を誘発しながらその中の流動を
    案内する流管と、 前記側壁を介して前記流管と連通する上流オリフィスを有する上流感知管と、 前記側壁を介して前記流管と連通する下流オリフィスを有する下流感知管と、 前記流管の前記上流および前記下流オリフィス間に取り付けられ、前記上流オ
    リフィス付近では前記流管の対応する断面で感知されるより強調された高い圧力
    を持ち、かつ前記下流オリフィス付近では前記流管の対応する断面で感知される
    より強調された低い圧力を持つ非対称な流動を前記流管に引き起こす非対称流動
    誘発ダイアフラムであって、前記ダイアフラムによって誘発される外乱による圧
    力振動を実質的に感知することなく、強調された圧力を感知するように、前記オ
    リフィスが前記ダイアフラムに対して相対的に配置されるようにしたダイアフラ
    ムと、を備えたガス流受容器。
  12. 【請求項１２】 前記ダイアフラムを前記オリフィス間の前記側壁に取り付
    けた、請求項１１に記載のガス流受容器。
  13. 【請求項１３】 前記ダイアフラムが高い抵抗を示し、かつその大きさに対
    し最大限の強調圧力を発生するように形作られた、請求項１１または１２に記載
    のガス流受容器。
  14. 【請求項１４】 前記流管が前記オリフィス間により小さい断面を持ち、前
    記小断面の両側に同様にテーパを付けた、請求項１１、１２または１３に記載の
    ガス流受容器。
  15. 【請求項１５】 アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）を使用して、ＡＤＣの
    最小量子化値より高い精度レベルでアナログ信号の値を推定する方法であって、 零ＤＣ成分、実質的に均等かつ対称な振幅分布、および最小量子化値より高い
    ピークピーク振幅を持つ２次信号を前記アナログ信号に加えるステップと、 前記ＡＤＣのデジタル出力値を記録して格納するステップと、 サンプリング期間にわたって記録されたデジタル出力値を平均化し、デジタル
    出力値の精度より高い精度で推定高精度デジタル値を得るステップと、を含む方
    法。
  16. 【請求項１６】 前記２次信号が雑音信号によって提供される、請求項１５
    に記載の方法。
  17. 【請求項１７】 前記アナログ信号を増幅するために使用される増幅器回路
    機構で前記雑音信号が生成される、請求項１６に記載の方法。
  18. 【請求項１８】 前記アナログ信号がガス流量トランスデューサ信号であり
    、前記ガス流量トランスデューサがサーモアネモメータ(thermoanemometer)型ト
    ランスデューサ装置である、請求項１５、１６または１７に記載の方法。
  19. 【請求項１９】 前記サンプリング期間が前記アナログ信号の振幅の関数と
    して変化し、前記サンプリング期間がより低い振幅値に対してはより長く、より
    高い振幅値に対してより短い、請求項１５ないし１８のいずれか一つに記載の方
    法。
  20. 【請求項２０】 信号の振幅を測定するステップと、 より低い値の前記振幅に対してはτが長く、より高い値の前記振幅に対しては
    τが短くなるように、平均化期間τを前記振幅の関数として決定するステップと
    、 前記期間全体にわたって前記振幅を平均化して濾波出力信号を提供するステッ
    プと、を含む信号濾波方法。
  21. 【請求項２１】 前記関数が階段関数である、請求項２０に記載の方法。
  22. 【請求項２２】 前記振幅が予め定められた閾値より高い場合、前記濾波出
    力信号は前記振幅の瞬時値である、請求項２０または２１に記載の方法。
  23. 【請求項２３】 前記測定ステップがアナログガス流トランスデューサ信号
    を、前記振幅を提供するデジタル信号に変換するステップを含む、請求項２０、
    ２１または２２に記載の方法。
  24. 【請求項２４】 前記ガス流トランスデューサがサーモアネモメータ(therm
    oanemometer)型トランスデューサ装置である、請求項２３に記載の方法。
  25. 【請求項２５】 測定される物理パラメータに対して非線形であるトランス
    デューサ出力信号を処理して、所与の尺度で物理パラメータを表わす校正出力信
    号を得る方法であって、 前記トランスデューサを多数の校正物理パラメータ条件にさらすステップと、 各々の前記条件下での前記出力の値を記録するステップと、 前記出力値を前記物理パラメータに関連付ける非線形関数の解析解を得るステ
    ップであって、前記解が、 【数１】 で表わされ、ここでＶはトランスデューサ出力信号であり、Ｎは３より大きいか
    等しく、パラメータＡiは前記記録値から決定される係数であり、αiは実数であ
    るステップと、 前記解析解を用いて前記トランスデューサ出力信号に対する前記校正出力信号
    を決定するステップと、を含む方法。
  26. 【請求項２６】 αiが１より大きい、請求項２５に記載の方法。
  27. 【請求項２７】 αiが非整数である、請求項２６に記載の方法。
  28. 【請求項２８】 前記決定ステップが、 前記解析解を用いて前記トランスデューサ出力信号の各々の可能な値に対して
    前記物理パラメータの値を計算するステップと、 デジタル出力値によって指標付けされた前記物理パラメータ値の表を作成する
    ステップと、 前記トランスデューサ出力信号をデジタル出力値に変換するステップと、 前記デジタル出力値を用いて前記表から前記校正出力信号の値を得るステップ
    と を含む、請求項２５、２６または２７に記載の方法。
  29. 【請求項２９】 前記解析解が前記記録値の各々に対して正確である、請求
    項２５ないし２８の一つに記載の方法。
  30. 【請求項３０】 前記解析関数が部分範囲に分割される、請求項２５ないし
    ２９の一つに記載の方法。
  31. 【請求項３１】 前記トランスデューサ出力信号が、二乗および近二乗変換
    関数の少なくとも１つを有するガス流トランスデューサ信号から導出される、請
    求項２５ないし３０の一つに記載の方法。
  32. 【請求項３２】 前記ガス流トランスデューサがサーモアネモメータ(therm
    oanemometer)型トランスデューサ装置である、請求項３１に記載の方法。
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