JP2004532411A - 質量流量計システムおよび方法 - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
本発明は、質量流量を計測および制御するためのシステムおよび方法に関し、さらに詳しく言えば、流量絞り(flow-restriction)と圧力センサおよび温度センサとを用いて質量流量の正確な計測を可能とするシステムおよび方法に関する。
なお、本特許出願は、2001年4月13日になされた仮特許出願:U.S.60/283,596号に基づく優先権を主張し、当該仮特許出願はその全体が、ここでの参照により本発明の開示内容に含まれるものとする。
【背景技術】
【0002】
流体の質量流量を高い水準の正確さで計測することは、多くの分野において必要とされている。例えば、医学や半導体製造の分野では、所望の結果を得るために、供給する気体や流体の量を厳密に量ることが必要とされる場合が多くある。実際に供給される流体の質量を計測するために、計量器が使用される。
従来の圧力ベース(pressure-based)の質量流量計は、流量絞り、温度センサ、そして圧力センサを用いて、流量絞りの上流における絶対圧力、ならびに、流量絞りをはさんでの差圧を検出するものである。質量流量は、圧力および温度の表示値と所定の質量流量速度とを対応付けたテーブルから求められる。こうしたシステムでは、異なる温度条件や上流圧力および下流圧力の下での流体濃度、流体速度そして流体粘度を示すために、少なくとも2つの圧力センサと1つの温度センサとが必要となる。
【0003】
そこで、構成がさらに簡単で、正しい質量流量を求めるための計算も従来ほど複雑でない、という質量流量計が求められている。
・関連技術
米国特許公報:5,791,369号(Nishino 他)には、機能的圧力変換器を1つしか必要としない(とされる)流量速度制御装置が開示されている。しかしながら、5,791,369号特許が示す制御装置は、音速流量体系(sonic flow regime)でしか動作せず、しかも、当該制御装置が適正に機能を果たすには、入口圧力が出口圧力の2倍であることが必要とされる。従って、5,791,369号特許の流量制御装置は、流量レートが非常に低い場合で、しかも気体に関してしか動作しない。そして、上流に有効な圧力調整部を有する必要がある。加えて、5,791,369号特許には、下流での圧力が入口圧力の半分を超えるタイミングを判定するために第2の圧力変換器を使用し、この条件が満たされると制御装置が閉じる、という内容が述べられている、
米国特許公報:No. 6,152,162号(Balazy 他)には、圧力計測が2ヶ所(すなわち、制限器(restrictor)の上流および下流)で必要とされる流体流量制御装置が開示されている。この6,152,162号の発明では、質量流量は計測されない。また、6,152,162号の発明は、流量絞りとしてフィルタ要素を採用している。気体流の中の粒子がフィルタを詰まらせてしまい、その結果、それらの流量絞りの流量特性と圧力降下との関係が変化したり、初期の調整設定から外れてしまったりするおそれがある。
【0004】
米国特許公報:6,138,708号(Waldbusser)には、圧力補償質量流量制御装置が開示されている。この6,138,708号特許で説明されているシステムは、熱質量流量制御装置を、ドーム充填(dome loaded)圧力調整器に結合された熱計測器(thermal meter)と組み合わせたものである。独立した気体供給源を用いる別のパイロット圧力調整器が、熱質量流量制御装置の上流にある圧力調整器のドームを充填する。これらパイロット調整器および質量流量制御装置は、入口圧力が流量速度に一致するようにマイクロプロセッサによって制御され、その結果、入口圧力に依存しない流量制御装置となる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
本発明は、従来に比べて構成がさらに簡単で、正しい質量流量を求めるための計算も従来ほど複雑でない、という質量流量計を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
上記の目的を達成するために本発明が提供するのは、径を有する入口、および、径を有する出口と、絞りチャンバ、および、入口と出口との間に配置された圧力等化システムを有する流量制限器であって、絞りチャンバが、入口および出口の径よりも小さい径を有する円筒形の制限壁を備える、という流量制限器と、流量制限器から見て上流の位置にあり、調整用データを有する計測器回路に入力値を提供する圧力センサおよび温度センサであって、計測器回路は調整用データと圧力センサおよび温度センサからの入力値とに基づいて流量出力信号を生成する、という圧力センサおよび温度センサと、を有することを特徴とする質量流量計である。
【発明の効果】
【0007】
このように構成される本発明の質量流量計には、構成が従来よりも簡単で、正しい質量流量を求めるための計算も従来ほど複雑でない、という効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【0008】
・好適な実施の形態に関する詳細な説明
以下の説明は、いくつかのセクションに分かれる。第1のセクションにおいては、本発明の基本的な動作および理論とについて、質量流量計システムとの関連で説明する。第2のおよび第3セクションでは、本発明の実装に用いることのできる典型的な機械システムおよび電気システムについて述べる。第4セクションでは、本発明の原理に従って構成された質量流量計システムを調整するための1方法について述べる。第5のセクションでは、第1のセクションから第4セクションで述べた、質量流量制御装置の一部として使われる質量流量計について述べる。第6のセクションでは、質量流量制御装置システムに関する別の実施の形態について述べる。そして、最後のセクションでは、本発明の具体的な実装を設計および構成する際に一般に考慮すべき、補足的な考察について述べる。
1.質量流量計システム
[2]先ず、図面のうち図1を参照する。同図において参照番号20で示すのが、本発明の原理に従って構成され、これを具体化している、典型的な質量流量計システムである。質量流量計システム20は、機械システム22と電気システム24とから成る。機械システム22は、絞りチャンバ32が形作られた流量制限器30と圧力等化システム34とを有する。電気システム24は、圧力センサ40、温度センサ42そして計量器回路44を有する。
【0009】
[3]機械システム22には、流体入口50と流体出口52とが作られている。入口50、出口52は、それぞれ、加圧流体の源(source)または供給源54、流体の送り先56に接続されている。
[4]上の説明からも明らかであろうが、具体的な供給源54および送り先56は、計量器システム20が使われる現場によって、全く変わってしまうこともありうる。例えば、医療現場では、供給源54は加圧気体のボンベであり、送り先56は、その気体と空気とを混合して、混合気体を従前の手段で患者に供給するミキサーである、という形になりうる。また、製造現場では、供給源54は、供給する気体を原料から生成する変換器であり、送り先56は、この気体を工業プロセスの一部として用いる反応室である、という形になりうる。多くの場合、供給源54における供給圧力、および送り先56における逆圧は、未知および/または可変である。
【0010】
[5]このように、本発明の計量器システム20は、さらに規模の大きいシステムの一部としての使用を意図されており、当該大規模システムにおいて、供給源54から出た加圧流体は、機械システム22を通って送り先56にまで流れる。圧力等化システム34は、絞りチャンバ32をはさんで差圧を一定に保つ。
[6]図1に示すように、典型的な流量制限器30は可変である。特に、計量器システム20を調整する場合、流量制限器30は、絞りチャンバ32に関して、あらかじめ決められた幾何学形状および有効断面積を規定している。典型的なシステム20では、流量制限器30を変えることによって、絞りチャンバ32の幾何学形状、特に有効断面積を変更できるであろう。本発明に関する他の実施の形態では、流量制限器30を可変とする必要はなく、むしろ、予め定められた幾何学形状と有効断面積とを備える形で製造することができる。なお、標準的な開口部、音速(sonic)開口部、各種形状の層流要素、または面積可変の絞りについては、含むことにしてもよいし、含まないことにしてもよい。これ以降の部分で説明するように、使用する流量制限器を予め定められたものとするか、可変とするかによって、計量器システム20の調整プロセスが左右される場合がある。
【0011】
[7]圧力等化システム34については、供給源と送り先とで圧力が未知または可変である場合でも、機械的調節システムを利用して絞りチャンバ32をはさんでの差圧を一定に保つ、という流量制御装置とするのが好ましい。そのような機械的流量制御装置は、たとえば、1999年12月2日発行の米国特許:6,026,849号や、2001年3月13日になされた同時係属中の米国特許出願:09/805,708号(本出願と譲受人が共通するもの)に開示されている。しかし、圧力等化システム34については、09/805,708号の出願に開示されたような、電気機械的流量制御装置とすることもできる。6,026,849号特許や、09/805,708号出願が示す内容は、ここでの参照によって開示に含まれるものとする。
【0012】
[8]圧力センサ40および温度センサ42については、圧力値や温度値を電気信号に変換する電気機械的変換器とするのが好ましい。これらのセンサ40、42は、有効な形で機械システム22に接続されて、それぞれ、機械システム22の中を流れる流体の圧力、温度を示す電気信号を生成する。
[9]計量器回路44は、所定の流体に関して質量流量を圧力および温度と関係づけた調整用データを保持しているか、こうしたデータにアクセス可能な状態となっている。調整用データは、所定の制限器30用に算出された調整係数と、質量流量計システム20の中を流れる気体の特性によって決定される気体定数とを含む。気体定数は、温度変化に関連する特定の気体の密度または粘性に基づく。
【0013】
[10]調整用データと圧力信号および温度信号とに基づいて、計量器回路44は、機械システム22を通る流体の質量流量に対応する流量出力信号を生成する。この流量出力信号は、供給源54から送り先56までの流体流量を制御するために、記録または表示されるか、あるいは、より規模の大きい回路の一部として使用される。
[11]次いで、図2を参照する。同図において参照番号60で示されるのは、圧力等化システム34が上述したように制限器30をまたぐ形で接続された場合の、制限器30を通る「圧力」対「質量流量」のプロット図である。同図に見られるように、質量流量出力は出口圧力と共に直線的に増加する。この曲線60は、理想気体の法則(体積、質量、温度に関するもの)および非線形圧縮効果の組み合せの結果であり、以下の方程式(式1)によって表される:
【式1】
【0014】
【0015】
上記の式1において、
P=圧力、
m=質量、
V=体積、
R=気体定数(普遍的な値)、
T=温度、
Z=気体圧縮率
(注)以下の説明において、これらの記号のいずれかの上に“・”が付加されている場合、それは、体積流量の質量を意味する。
[12]理想気体の法則を示す方程式の両辺を時間で割ると、以下の速度方程式(式2)が得られる:
【式2】
【0016】
【0017】
[13]質量流量速度に関して速度方程式(式2)を解くと、以下の質量流量速度方程式(式3)が得られる:
【式3】
【0018】
【0019】
[14]質量流量速度方程式の項を再編成すると、以下の勾配方程式(式4)が得られる:
【式4】
【0020】
【0021】
[15]勾配方程式(式4)が示すのは、所定のシステムおよび気体に関する質量流量速度と圧力との関係である。温度が一定を保つ場合、圧力が高くなるにつれ、所定体積あたりの質量(すなわち密度)もこれに比例して増加する。実験データが示すところによれば、実験全体を通して、温度だけが非常に小幅に変化した。プロットの勾配が一定を保ったため、最終結果は、差圧(入口圧力から出口圧力を差し引いた値)が臨界値に接近するまで、圧力の範囲全体にわたって、本装置に関する体積流量速度は一定を保つ、というものとなった。
【0022】
[16]対照的に、圧力計測に依存する従来型の流量計測装置では、3つの要因を考慮しなければならない。すなわち、入口圧力、入口温度、そして、開口部をはさんでの差圧である。開口部をまたいでの流量速度は(あるいは、流量絞りをまたいでの速度も同様に)、一般的な項を用いて、以下の流量速度方程式(式5)で表現される:
【式5】
【0023】
【0024】
上記の式5において、
p1=絞りの上流における気体圧力
p2=絞りの下流における気体圧力
T1=絞りの上流における温度
D=流れ通路の直径
d=絞りの水力直径(有効絞り直径)
G=気体の比重または標準化分子量
Z=気体の圧縮係数
[17]この流量速度方程式(式5)における項Kは、与えられた絞りの調整の間に実験によって決定される要素である。項Kは、絞りの幾何学形状やJoule−Thompson冷却/加熱(すなわち、圧力の突然の変化に起因する温度変化)のような気体の膨張要因に依存している。この流量速度方程式(式5)は、流量が小さい場合、あるいは、内部での気体流速が大きくならない絞りに対してのみ有効である。気体の速度が音の速度に接近すると、気体分子のバルク速度(bulk speed)は、圧力が媒体中を通過する際に達しうる速度よりも高くなる。流れ特性はかなり異なる関係を取り、圧縮性流、音速流、あるいはチョーク流と呼ばれる。
【0025】
[18]そのため、圧力降下に依存する従来の流量制御装置は、2つの圧力センサと1つの温度センサとを使用する。そうした従来型の流量制御装置はまた、比較的精巧な、流量速度を計算する能力を持つ電子機器を持つ必要があり、その電子機器は、その計算のために、両方の圧力を計測し、カスタムオペアンプ(アナログ)を用いて、あるいは、プログラムされたデジタルマイクロプロセッサと必要なA/Dコンバータとによって圧差を計算する。そして、これが最も重要なのだが、項Kを見出すために装置の調整を行う。
【0026】
[19]本発明の手法では、流量を得るために解く方程式は、以下の示す方程式(式6)または(式7)のようなものとなる。
【式6】
【0027】
【式7】
【0028】
【0029】
[20]上記の式において、Kは調整係数であって、以下の部分で述べるように、調整処理の間に決定される。なお、方程式(式6〜式10)における定数Rが、方程式(式1〜式4)における普遍定数Rとは別のものである、という点に留意する必要がある。これは気体依存の定数であり、層流絞りか開口部型の絞りかによって異なる。
[21]非理想の圧縮率を考慮しなければならない、いくつかの気体の場合、以下に示す方程式(式8)および(式9)を用いることができる。
【式8】
【0030】
【式9】
【0031】
【0032】
[22]上記の式において、Z(P,T)は、圧力および温度に依存する圧縮係数である。
[23]方程式(5)を方程式(6)、(7)、(8)または(9)のいずれかと比較すれば分かるように、本発明は、質量流量の圧力および温度に対する関係を大幅に単純化するものである。ほとんどの場合、圧縮率を直接得る必要はない。なぜなら、制御装置は調整され、圧縮率はその調整の過程で求められているからである。
【0033】
[24]気体は、与えられた温度および圧力において既に、いくらかの非理想的な圧縮率を示している場合があり、それは、調整の間の流量標準(flow standard)によってなされる計測に内在するものとなる。加えて、項Rは気体に固有のものであるため、高い精度の質量流量計測を行うためには、調整の前あるいは調整中に、気体特有の定数だけを入力する必要がある。調整手順については、図6を参照しながら後述するようので、その通りに実行すればよい。
【0034】
[25]調整手順を用いて調整係数Kを算出してしまえば、質量流量は、図2に示すプロット60の勾配を規定する以下の線形勾配方程式(式10)を使うだけで計測できる。
【式10】
【0035】
【0036】
[26]以上の方程式において、y=質量流量、x=計測された圧力、m=K/RT、そして、bはゼロオフセットである。
[27]計量器システム20に関する上述の基本的知識を心に留めた上で、本システムを構成する各要素について、これ以降、更に詳細に説明していく。
2.機械システム
[28]ここで、図面のうち図3を参照する。同図に詳細に示してあるのは、典型的な流量計システム20の機械システム22である。機械システム22の制限器30は、本体アセンブリ120によって形成されている。本体アセンブリ120には主通路130が形作られており、当該主通路は入口132と出口134とを有し、絞りチャンバ32を形作っている。絞りチャンバ32は、入口132と出口134との間に位置する部分である。
【0037】
[29]上の概要説明でも述べたが、質量流量計システム20は、圧力センサ40および温度センサ42が生成した圧力信号および温度信号を用いて、入口132から出口134まで主通路130を通って流れる流体の質量流量を計測する。計量器システム20の中を流れる流体については、本文中では、「計測対象流体」と呼ぶことにする。機械システム22を形成している各種部品の接続箇所には、シール処理が施されており、その結果、計測対象流体は、ここに示す経路だけに沿って流れることになる。これらのシール処理は、従前通りのものでよいため、詳しい説明はしない。
【0038】
[30]典型的な本体アセンブリ120は本体部材140を有し、さらに、必須ではないが、可変開口部アセンブリ142を有する。本体部材140は、主通路130、入口132、そして出口134の少なくとも一部を形作っている。本体部材は、入口セクション144、出口セクション146、そして中央セクション148に分けられる。
[31]本体部材140にはさらに、可変開口部アセンブリ142の上流および下流の位置に、それぞれ、第1および第2の等化ポート150、152が形作られている。第1および第2の等化ポート150、152によって、圧力等化システム24と、主通路130の入口セクション144、出口セクション146それぞれとの間に流体連通が実現されている。第1の等化ポート150、第2の等化ポート152はそれぞれ、圧力等化システム34の入力ポート154、出力ポート156に接続されている。
【0039】
[32]計量器システム20によって用いられる典型的な圧力センサ40および温度センサ42は、主通路130の中を流れる計測対象流体の圧力および温度を検知するように配置されている。具体的には、本体部材140に、第1および第2のテストポート160、162が形作られており、これらテストポートは、本体部材140のうち出口セクション146に配置されている。ただし、テストポート160、162については、本発明の別の実施の形態として、本体部材140の入口セクション144、および/または、中央セクション148の中に配置することもできる。
【0040】
[33]センサ40、42は従前通りのものとし、テストポート160、162内に挿入するかネジではめるか、すればよい。また、ここでも従来どおり、センサ40、42とテストポート160、162との間にはシール処理が施される。このように本体部材140に取り付けられた、センサ40およびセンサ42は、テストポート160、162に隣接する位置での計測対象流体の圧力および温度に対応する、電気的な圧力信号および温度信号を生成する。
【0041】
[34]本体部材140の入口セクション144、出口セクション146、そして制限セクション148は、異なる機能を果たすものであり、そのため、幾何学形状も異なっている。入口セクション144および出口セクション146は、ネジによって、あるいは他の形で調節されて、本体部材140と計測対象流体の供給源54および送り先56との間に、流体を漏らさない様態での接続を実現する。流体の送り先56に向かう計測対象流体の流れが、あらかじめ定められたシステム条件を満たさなければならないという点を除けば、入口セクション144および出力セクション146の有効断面積は、本発明の実装にとっては重要なものではない。典型的な本体アセンブリ120において、入口セクション144および出口セクション146には、円筒形の入口内壁面170および出口内壁面172が形作られている。また、これらセクションは、直径および有効断面積が実質的に同じである。
【0042】
[35]本体部材140の中央セクション148は、主通路130を通る計測対象流体の流量を制限する働きをする一方で、さらに、計測対象流体の流れがシステム条件を満たすことを可能にする。主通路130の中央セクション148の少なくとも一部については、有効断面積が入口セクション144および出口セクション146のそれよりも小さくなっている。具体的には、中央セクション148は、少なくとも部分的には、本体部材140の内部制限壁180によって形作られている。制限壁180は実質的に円筒形であり、その直径は、入口壁面170および出口壁面172のそれよりも小さい。
【0043】
[36]本発明の計量器システム20については、オプションの可変開口部アセンブリ142を持たない形で製造してもよい。その場合は、本体部材140の制限壁180が、絞りチャンバ32を形作るものとする。絞り部分(可変開口部アセンブリが使用されない場合には各本体部材によって形作られる)における変化を求めるためには、(1)公差を小さくする形で本体部材40を製造しなければならない、および/または、(2)本体部材140ごとに調整データを算出すればよい。
【0044】
[37]可変開口部アセンブリ142を使用する場合、与えられた本体部材140につながる絞りチャンバ32に変更を加えることで、与えられた本体部材140を調整することも可能である。絞りチャンバ32の幾何学形状の変更に用いることのできるメカニズムは数多くある。
[38]計量器システム20において、典型的な可変開口部アセンブリ142は、内表面222を有するチューブ部材220を有する。チューブ部材220の内表面222は、絞りチャンバ32の有効断面積を規定する。
【0045】
[39]状況によっては、チューブ部材220を、何らかの金属やポリマーなど、堅い素材から製造することもできる。この場合、チューブ部材220は、予め異なる断面積を有するように定められた絞りチャンバ32にそれぞれ対応する形で、複数の予め決められた形状で作られる。これらの予め決められた形状のうちの1つを選択することで、所望の幾何学形状を有する絞りチャンバ32が得られる。
【0046】
[40]ただし、典型的なチューブ部材220は変形可能な素材で作られ、その場合、チューブ部材220が変形すると、絞りチャンバ32の有効断面積も変化する。また、典型的なチューブ部材220は金属製であるが、状況に応じて、ポリマー、天然ゴム、あるいは、その他の材料を使用することもできる。この点で、チューブ部材220は、弾性素材(例えば、ポリマーまたは天然ゴム)からでも非弾性素材(例えば、金属)からでも製造できる。
【0047】
[41]典型的な計量器システム20によって使用される可変開口部アセンブリ142はさらに、圧縮ウェッジ224、圧縮シム226、第1および第2のシェブロン(chevron)部材228、230、そして、ネジきり面234を有する圧縮ナット232、を有する。
[42]この可変開口部アセンブリ142を収容するために、典型的な本体部材140の中央セクション148は、制限壁180に加えて、以下に示す内部壁を有する。すなわち、チューブシート壁240、圧縮壁242、間隔壁244、そしてネジ切り壁246である。チューブシート壁240は、上で述べた制限壁180の上流に位置し、一般に円筒形である。圧縮壁242はチューブシート壁の上流に位置し、一般に円錐形である。間隔壁244は圧縮壁の上流に位置し、一般に円筒形である。ネジ切り壁246は間隔壁の上流に位置し、圧縮ナット232のネジ切り面234とかみ合う形でネジが切られている。
【0048】
[43]そうして、圧縮ナット232については、これを本体部材140に対して軸回転させることで、本体部材140の縦軸Aに沿って制限壁180の方向へ移動させることができる。ナット232が制限壁180の方向へ進むと、ナット230から圧縮ウェッジ224に対し、シェブロン部材228、230および圧縮シム226を介して、力が加わることになる。圧縮ウェッジ224の外面250は円錐形をしている。圧縮ウェッジ224の外面250は圧縮壁242と連動し、その結果、ウェッジ224は、径方向内向き、縦軸Aに向かって移動する。圧縮ウェッジ224が内向きに移動することで、すでに概要を説明した通り、チューブ部材220が変形し、絞りチャンバ32の有効断面積も変化することになる。
【0049】
3.電気システム
[44]次いで、図面のうち図4を参照する。動図が詳細に示すのは、典型的な流量計システム20の電気システム24の一部として用いられる計量器回路44に関する、1つの典型的な実施の形態である。計量器回路44は、第1、第2、そして第3の集計・調整システム320、322、324を有する。第1の集計・調整システム320は、調整係数と未処理の圧力信号とを結合して調整済み圧力信号を得る。第2の集計・調整システム322は、未処理の温度信号と気体定数入力とを結合して、補償済み温度信号を得る。第3の集計・調整システム324は、調整済み圧力信号と補償済み温度信号とを結合して、流量出力信号を得る。
【0050】
[45]集計・調整システム320〜324の設計の詳細は、計量器システム20が使用される特定の環境によって決定される。典型的構成として、これらのシステム320〜324は、信号に特定の複数構成要素と1つの集計・調整アンプとを有する。信号特定の構成要素は、アナログまたはデジタル形式の未処理の入力信号を、信号特定の構成要素につながれた集計・調整アンプでの使用に適した、デジタルまたはアナログの調節済み信号に変換する。一方、集計・調整アンプは、調節済み入力信号に基づく調整信号を生成するように設計されている。
【0051】
[46]計量器回路44については、ディスクリート回路構成要素、用途特定集積回路(ASIC:application specific integrated circuit)、多目的マイクロコンピュータまたはデジタル信号プロセッサなどの統合プロセッサで動作するソフトウェア、あるいは、これらの手法の組み合せを用いて実装すればよい。電気システム24をどのような形で実装するにしろ、その本質は、製造コスト、設計者の背景および経験、そして、計量器システム20の動作環境、などの要因によって決まる。例えば、デジタル信号プロセッサ(DSP)を用いて本発明の実施の形態を実装する場合、DSPは、好ましい構成として、ルックアップテーブルを記憶する記憶ユニットを有し、当該テーブルには、計量器の本来の調整条件を含む(ただし、これに限定はされない)調整条件が格納されている。このデータは、圧力センサおよび/または温度センサにドリフトが生じて、本来の条件を再び参照しなければならない、という場合に役立つ。また、本データは、計量器が調整またはその他のサービスを必要とするか否かを判定する判断手順の実行にも役立つ。加えて、好ましい構成として、DSPメモリユニットは、1つ以上の流体についての「流体粘性」対「温度」ルックアップテーブルを有する。このデータは、流体温度の変化を補償する際に用いれば有用である。
【0052】
[47]次いで、図5を参照する。同図に示すのは、アナログ入力信号に基づいて流量出力信号を生成するように作られた、1つの典型的な計量器回路44である。図5に示すように、第1の集計・調整システム320は、信号調節モジュール330、算術論理演算装置332(任意)、線形化アンプ334(任意)、そして、第1および第2の集計・調整アンプ336、338を有する。
【0053】
[48]未処理の圧力信号は先ず、信号調節モジュール330によってフィルタ処理されてから増幅される。必要であれば、フィルタ処理後の圧力信号は、その後、算数論理演算装置332および線形化アンプ334の一方または両方に、さらには第1の集計・調整アンプ336へと入力される。算数論理演算装置332および線形化アンプ334が必要でない場合、フィルタ処理後の圧力信号は、直接、第1の集計・調整アンプ336に送られる。第2の集計・調整アンプ338は、調整係数に基づいて調整信号を生成する。圧力信号および調整信号は、その後、第1の集計・調整アンプ336に入力され、その結果、処理済み圧力信号が得られる。
【0054】
[49]第2の集計・調整システム322は、信号調節モジュール340、調整およびゲイン用アンプ342、そして集計・調整アンプ344を有する。信号調節モジュール340は、温度信号をフィルタ処理したうえで増幅し、フィルタ処理済み温度信号を得る。調整およびゲイン用アンプ342は、気体定数入力に基づいて気体定数信号を生成する。集計・調整アンプ344は、フィルタ処理済み温度信号と気体定数信号とに基づいて、処理済み温度信号を生成する。
【0055】
[50]第3の集計・調整システム324は、集計・調整アンプ350とバッファアンプ352とを有する。集計・調整アンプは、すでに概要を説明したように、調整済み圧力信号と補償済み温度信号とに基づいて流量信号を生成する。バッファアンプ352は、流量信号に基づいて流量出力信号を生成する。
4.調整プロセス
[51]ここで、図面のうち図6を参照する。同図において参照番号360で示すのは、上述の計量器システム20を調整するための1つの典型的なプロセスを表すフロー図である。以下の解説では、調整対象の特定の計量器システム20について、DUTとして言及する。
【0056】
[52]調整プロセスにおける最初のステップ362は、DUTの流量制限器30を、調整済み計量器システムに直列接続する処理である。その後、ステップ364において、負のゲージ圧または真空が、DUTの流量制限器30の出口に入力され、計量器システム20の電子機器はゼロ設定される。
[53]次のステップ366は、DUTの上流で圧力を加え、DUTを通る流れを作り出す処理である。この流れが、調整済み計量器システムを用いた計測の対象となる。その後、ステップ368において、気体特有の気体定数入力が電子機器部分24に対して入力される。その際には、デジタル直列入力および/または1以上のスイッチの組など、適切な気体定数入力を生成するように構成することが可能な、従前からの手段を使用する。
【0057】
[54]そして、ステップ370においては、上述した手法のいずれか1つによって絞り空洞32の幾何学形状を適切に選択することで、最大流量範囲が得られる。
[55]その後、ステップ372において、流量は、DUTの最大流量設定値の10パーセントに下げられる。その後、当該流量に関する圧力信号および温度信号が読み取られ、保存される。そして、ステップ374において、流量速度は、100パーセントになるまで、増分10パーセントずつ上げられる。そして、流量速度が増分ずつ上げられるたびに、これに応じて圧力信号および温度信号が計測され、保存される。ステップ378において調整済み計量器システムが計測する「圧力信号」対「質量流量速度」のプロットの勾配が、トリムポットやデジタル直列入力などの従来型の手段を用い、調整係数として計測され保存される。
【0058】
[56]ここで図7を参照する。同図において、参照番号380a、380b、そして380cで示されるのは、何通りかの温度に対する、「圧力信号」対「質量流量速度」の典型的なプロットである。計量器回路44は、調整係数と気体定数入力とによって生成された圧力/質量流量のプロットに基づいて、流量信号出力信号を生成する。
[57]次いで、図8を参照する。同図に示すのは、圧力信号と質量流量速度との関係が非線形的である場合の、「圧力信号」対「質量流量速度」のプロット382である。例えば、この関係は、開口部の場合に非線形的になりうる。
【0059】
[58]圧力/質量流量速度の関係が非線形的である場合、フィルタ処理後の圧力信号は、算術論理演算装置332および線形化アンプ334の一方または両方を通ることになる。算術論理演算装置332および線形化アンプ334は、圧力/質量流量速度の関係の非線形性を補償する機能を果たす。例えば、信号調整回路が、フィルタ処理後の圧力信号に対して「区分的線形化」関数または平方根関数の一方または両方を実行して補償後圧力信号を得る、とすればよい。さらに詳しく説明するために、ここで再び図8を参照する。同図に参照番号384で示すのは、非線形曲線382の逆関数に対応する曲線である。曲線386は、2つの曲線382、384の中間点を表し、上記の線形勾配方程式(式10)において利用できる。
【0060】
[59]実際問題として、計量器回路44については、算術論理演算装置332および線形化アンプ334を両方とも備え、さらに、図5に示すように、これらの回路要素332、334のいずれかを回路44から外すように構成されたスイッチ390、392を備える、という形で製造するのが好ましい。このようにスイッチ390、392を使用すれば、特定の環境に対応してカスタマイズすることが容易な、標準的な計量器回路44を製造することが可能となる。
【0061】
5.質量流量制御システム
[60]すでに概要を説明したように、上述した本発明の質量流量計には、多数の用途がある。単に、多種多様な流体について多種多様な流量速度で質量流量速度を計測するためだけに使用することもできる。また、質量流量速度が正確であることが重要となるような、より大規模な流体処理用または流体管理用のシステムの一部として使用することもできる。他の構成要素と組み合わせて、より複雑なスタンドアローンの装置を作ることも可能である。
【0062】
[61]本セクションからは、図9を参照しながら、上述の典型的な質量流量計20が組み込まれた、典型的な質量流量制御システム420について説明する。質量流量制御システム420は、スタンドアローンの装置であり、質量流量を計測するだけではなく、この流量速度を、多種多様な流体および流量速度に対して、高い精度で制御することを可能とする。
【0063】
[62]質量流量制御システム420に組み込まれた流量計システム20は、すでに説明済みのものであるため、流量制御システム420の計量器部分についての説明は繰り返さない(流量制御システム420の完全な理解のために必要な範囲を除く)。
[63]流量計システム20に加えて、流量制御システム420は、弁制御フィードバックループシステム422と流量制御装置システム424とを有する。流量制御装置システム424は流量計システム20に直列に配置されており、流量計システム20を通る流体の質量流量を流量制御装置システム424が決定するようになっている。
【0064】
[64]流量制御装置システム420については、先に引用した6,026,849号特許や09/805,708号出願で説明されているような、機械的または電気機械的な流量制御装置とするのが好ましい。しかしながら、流量制御装置システム424については、電気的または機械的な制御の下でシステム420内を流れる流体の流量を増減させることのできる流量制御装置システムであれば、どのようなものでもよい。
【0065】
[65]本発明では、第3の集計・調整システム324が有する集計・調整アンプ350によって生成された流量信号は、弁制御フィードバックループシステム422に入力される。弁制御フィードバックループシステム422は、流量信号を希望の流量速度の信号と比較する。希望流量速度信号については、状況の必要とするところに応じて、予め設定しておいてもよいし、変更してもよい。たとえば、医学の現場では、予め定められた流量速度で気体が患者に加えられるように、医師が規定することが考えられる。その場合、医者が決定した「予め定められた」流量速度は、所望の流体速度の信号に変換されることになる。
【0066】
[66]希望の流量速度の信号と流量計システム20によって生成される流量信号との差分に基づいて、弁制御フィードバックループシステム422は、流量制御装置システム424を制御する流量制御信号を生成する。流量制御装置システム424が機械的システムであれば、流量制御信号は、システム424を通る流体の流量速度を増減させるように流量制御装置信号を操作する機械的な運動(回転運動、並進運動)の形を取るであろう。一方、システム424が電気機械システムであれば、流量制御信号は、システム424における機械的運動に変換されるような電気信号の形を取るであろう。
【0067】
[67]流量制御装置システム424と流量計システム20との組み合せによって、システム420の流体出力が高い精度で制御可能となる、という結果が得られる。
6.質量流量制御システムに関する他の実施の形態
[68]上述の、そして図9にも示した質量流量制御システムの代替となる実施の形態を図10に示す。具体的には、流量制御装置524は、弁528につながれた、圧電式アクチュエータ制御またはソレノイド式アクチュエータ制御526を有する。アクチュエータ制御526は、計量器回路44に信号530を送る。アクチュエータ制御526がソレノイド式アクチュエータ制御である場合、信号530は電流信号であり、電圧信号に変換される。アクチュエータ制御526が圧電式アクチュエータ制御である場合、信号530は、集積ひずみゲージからの電圧信号となる。いずれの例においても、信号530はVpm(すなわち、電圧(原動力))として認識できる。
【0068】
[69]信号530は、駆動装置制御526で発生させられるローレンツ力と弁528における圧力変化との関係を表す。そのため、信号530については、図1に示す圧力変換器40を代替、増補、および/または調整する間接的な圧力インジケータとして用いることができる。たとえば、図10の場合、圧力変換器40は存在せず、その代わりに信号530が用いられる。信号530は、また、与えられた流量絞りに関してRの値が変化していないことを確かめるための診断用インジケータとして用いることもできる。
【0069】
[70]また、図10に示す質量流量制御システム用の計量器回路44については、EEPROMを用いた、少なくとも128キロバイトのメモリを有するもの、とするのが好ましい。計量器回路44用のメモリには、各種の気体および/または流量絞りに関する質量流量速度増分に対するVpmの値を示すルックアップ表を格納しておくべきである。このルックアップ表が、以下の方程式に対する値を示す、とするのが好ましい。
【式11】
【0070】
【0071】
[71]このように、以上説明した別の実施の形態は、信号530(Vpm)を用いてシステムにおける圧力の変化を計測し、質量流量制御システムにおける弁528を制御するものである。
7.補足的な考察
[72]一般論として、設計者は、流量計システムが用いられる予定の動作環境を初めに決定してから、本発明の特定の実装形態を設計する。動作環境とは、流体それ自体の特性、流体の入力圧および出力圧の予想範囲、環境条件、エラー許容性、などを含む。設計者はさらに、原価などの商業的な要因まで考慮するかもしれない。
【0072】
[73]本発明の機械的構成要素および電気的構成要素の多くについては、その特性を状況に応じて変更することで、特定の用途のための特定の流量計システムを「チューニングする」ことができる。
[74]例えば、絞りチャンバや入口および出口の開口部については、流体の種類、予想される入口圧力、そして所望の流量速度に基づいて選択すればよい。
【0073】
[75]加えて、各種構成要素に用いられる素材は、予想される流体の圧力や種類に基づいて選択しなければならない。例えば、低圧の空気の場合、多くの構成要素に関してプラスチックが使用できるであろう。流体が腐食性である場合や、圧力がさらに高い場合は、鋼またはステンレス鋼を用いればよい。
[76]エレクトロニクスについても、特定の環境に応じてカスタマイズされる。例えば、上述した各種集計・調整システムの実装の詳細は、特定の動作環境が規定されたうえで決定される。
【0074】
[77]すなわち、本発明については、発明の思想や本質的特長から逸脱しない形で、これまでの説明したのとは異なる形で実施することもできる。つまり、本実施の形態は、あらゆる点において例示的なものであり、これらに限定されるものではない。本発明は、これまでの説明によってではなく、添付の特許請求の範囲によって示され、従って、特許請求の範囲に均等な意味や範囲におさまる限り全ての変更は本発明に含まれると考える。
【図面の簡単な説明】
【0075】
【図1】本発明の質量流量計の典型例を示すブロック図である。
【図2】「質量流量計内の質量流量」対「流体圧力」の関係を示す典型的なプロット図であり、本発明の動作を表す図である。
【図3】図1に示すような質量流量計の実装に利用することのできる機械システムの典型例を示す、一部概略的な断面図である。
【図4】図1の質量流量計に用いられる計測器回路を示すブロック図である。
【図5】本発明の原理を採用する質量流量計に用いることのできる計測器回路の典型例を示す詳細ブロック図である。
【図6】図1の質量流量計の調整方法の典型的な一例を示すフロー図である。
【図7】いくつかの異なる流体温度に関して「質量流量計内の質量流量」対「流体圧力」の関係を示すプロット図であり、異なる流体温度に対する補償を示す図である。
【図8】「質量流量計内の質量流量」対「流体圧力」の関係を示す典型的なプロット図であり、非線形の質量流量出力に適用された場合の、本発明の動作の基本原理を示す図である。
【図9】本発明の質量流量計システムを用いる流量制御システムの典型例を示すブロック図である。
【図10】流量制御システムの別の実施の形態を示すブロック図である。
Claims (28)
- 径を有する入口、および、径を有する出口と、
絞りチャンバ、および、入口と出口との間に配置された圧力等化システムを有する流量制限器であって、絞りチャンバが、入口および出口の径よりも小さい径を有する円筒形の制限壁を備える、という流量制限器と、
流量制限器から見て上流の位置にあり、調整用データを有する計測器回路に入力値を提供する圧力センサおよび温度センサであって、計測器回路は調整用データと圧力センサおよび温度センサからの入力値とに基づいて流量出力信号を生成する、という圧力センサおよび温度センサと、
を有することを特徴とする質量流量計。 - 制限壁が絞りチャンバを形作っていること、
を特徴とする請求項1に記載の質量流量計。 - 絞りチャンバは、さらに、
制限壁の上流に位置する円錐形の圧縮壁と、
可変開口部アセンブリであって、絞りチャンバの有効断面積を規定する内側面を有する変形可能管状部材、圧縮ウェッジ、圧縮シム、第1および第2のシェブロン(chevron)部材、そして圧縮ナットを有する可変開口部アセンブリと、を有し、
圧縮ナットの軸方向回転によってナットが制限壁方向へ移動させられ、さらに、ナットの制限壁方向への移動につれて、ナットは、第1および第2のシェブロン部材および圧縮シムを介して圧縮ウェッジに力を加えて、圧縮ウェッジを径方向内側に押し込み、それによって、変形可能管状部材を変形させ、絞りチャンバの有効断面積を小さくすること、
を特徴とする請求項1に記載の質量流量計。 - 計測器回路はさらに、
調整用データと圧力信号とを結びつけて調整済み圧力信号を得る第1の集計および調整システムと、
温度信号と気体定数とを結びつけて補償済み温度信号を得る第2の集計および調整システムと、
調整済み圧力信号と補償済み温度信号とを結びつけて流量出力信号を得る第3の集計および調整システムと、を有すること、
を特徴とする請求項1に記載の質量流量計。 - 計測器回路は、特定用途向け集積回路上に実装されていること、
を特徴とする請求項4に記載の質量流量計。 - 計測器回路は、デジタル信号プロセッサ上に実装されていること、
を特徴とする請求項4に記載の質量流量計。 - 計測器回路はさらに、調整条件を格納しておくためのメモリユニットを有すること、
を特徴とする請求項6に記載の質量流量計。 - 第1の集計および調整システムは、
信号調節モジュールと、
算術演算ユニットと、
任意の線形化アンプと、
第1および第2の集計および調整アンプと、を有すること、
を特徴とする請求項4に記載の質量流量計。 - 第2の集計および調整システムは、
信号調節モジュールと、
調整およびゲイン用アンプと、
集計および調整乗数器と、を有すること、
を特徴とする請求項4に記載の質量流量計。 - 第3の集計および調整システムは、
集計および調整アンプと、
流量出力信号を生成するバッファアンプと、を有すること、
を特徴とする請求項4に記載の質量流量計。 - 計測器回路がさらに、算術演算ユニットまたは線形化アンプを回路から除外するためのスイッチを有すること、
を特徴とする請求項8に記載の質量流量計。 - 質量流量制御システムであって、
質量流量制御システムを介して流量レートを制御することが可能な流量制御装置を有し、当該制御装置は質量流量計に直列に接続されており、
前記質量流量計は、径を有する入口、および、径を有する出口と、絞りチャンバ、および、入口と出口との間に配置された圧力等化システムを有する流量制限器であって、絞りチャンバが、入口および出口の径よりも小さい径を有する円筒形の制限壁を備える、という流量制限器と、流量制限器から見て上流の位置にあり、調整用データを有する計測器回路に入力値を提供する圧力センサおよび温度センサであって、計測器回路は調整用データと圧力センサおよび温度センサからの入力値とに基づいて流量出力信号を生成する、という圧力センサおよび温度センサと、を有し、
前記質量流量計は、弁制御フィードバックループシステムに接続されており、それによって、質量流量計が流量出力信号を弁制御フィードバックループシステムに送り、前期フィードバックシステムは流量出力信号を予め定められた流量速度と比較して流量制御信号を生成し、
前記弁制御フィードバックループシステムは、流量制御装置に接続されており、前記フィードバックシステムは流量制御信号を流量制御装置に送って、流量速度を変更させる形で流量制御装置を動作させること、
を特徴とする前記質量流量制御システム。 - 制限壁が絞りチャンバを形作っていること、
を特徴とする請求項12に記載の質量流量制御システム。 - 絞りチャンバは、さらに、
制限壁の上流に位置する円錐形の圧縮壁と、
可変開口部アセンブリであって、絞りチャンバの有効断面積を規定する内側面を有する変形可能管状部材、圧縮ウェッジ、圧縮シム、第1および第2のシェブロン部材、そして圧縮ナットを有する可変開口部アセンブリと、を有し、
圧縮ナットの軸方向回転によってナットが制限壁方向へ移動させられ、さらに、ナットの制限壁方向への移動につれて、ナットは、第1および第2のシェブロン部材および圧縮シムを介して圧縮ウェッジに力を加えて、圧縮ウェッジを径方向内側に押し込み、それによって、変形可能管状部材を変形させ、絞りチャンバの有効断面積を小さくすること、
を特徴とする請求項12に記載の質量流量制御システム。 - 計測器回路はさらに、
調整用データと圧力信号とを結びつけて調整済み圧力信号を得る第1の集計および調整システムと、
温度信号と気体定数とを結びつけて補償済み温度信号を得る第2の集計および調整システムと、
調整済み圧力信号と補償済み温度信号とを結びつけて流量出力信号を得る第3の集計および調整システムと、を有すること、
を特徴とする請求項12に記載の質量流量制御システム。 - 計測器回路は、特定用途向け集積回路上に実装されていること、
を特徴とする請求項12に記載の質量流量制御システム。 - 計測器回路は、デジタル信号プロセッサ上に実装されていること、
を特徴とする請求項15に記載の質量流量計。 - 第1の集計および調整システムは、
信号調節モジュールと、
算術演算ユニットと、
任意の線形化アンプと、
第1および第2の集計および調整アンプと、を有すること、
を特徴とする請求項15に記載の質量流量計。 - 第2の集計および調整システムは、
信号調節モジュールと、
調整およびゲイン用アンプと、
集計および調整乗数器と、を有すること、
を特徴とする請求項15に記載の質量流量計。 - 第3の集計および調整システムは、
集計および調整アンプと、
流量出力信号を生成するバッファアンプと、を有すること、
を特徴とする請求項15に記載の質量流量計。 - 流量計の調整方法であり、対象の前記流量計は、径を有する入口、および、径を有する出口と、
絞りチャンバ、および、入口と出口との間に配置された圧力等化システムを有する流量制限器であって、絞りチャンバが、可変開口部アセンブリ、入口および出口の径よりも小さい径を有する円筒形の制限壁を備える、という流量制限器と、
流量制限器から見て上流の位置にあり、調整用データを有する計測器回路に入力値を提供する圧力センサおよび温度センサであって、計測器回路は調整用データと圧力センサおよび温度センサからの入力値とに基づいて流量出力信号を生成する、という圧力センサおよび温度センサと、を有するものであって、
流量計を流量参照標準に接続するステップと、
負のゲージ圧を出口に加えるステップと、
計測器回路上に零点(zero-point)を設定するステップと、
計測器の上流で圧力を加えるステップと、
流量を計測するステップと、
計測器回路が有する調整用データに特定の気体定数を入れるステップと、
与えられた入口圧力に合わせて可変開口部アセンブリを調整することによって最大流量の範囲を得るステップと、
流量を最大流量の10%に下げるステップと、
圧力および温度を計測し、結果を計測器回路の中に格納するステップと、
10%の増分ずつ、流量を最大流量まで増加させるステップと、
10%増加させるたびに圧力および温度を計測し、結果を計測器回路の中に格納するステップと、
計測器回路の中に格納された結果から、圧力対質量流量速度のグラフの勾配を算出するステップと、
勾配を用いて計測器回路を設定するステップと、を有すること、
を特徴とする前記方法。 - 計測器回路はさらに、算術演算ユニットおよび線形化アンプを有し、
グラフが非線形である場合には、前期方法がさらに、
フィルタ処理済み圧力信号に区分的線形化機能を実行して、計測器回路を設定するステップに用いるための補償済み圧力信号を得るステップを有すること、
を特徴とする請求項21に記載の方法。 - 電流を計測し、結果を圧力として計測器回路の中に格納するステップ、
をさらに有すること、
を特徴とする請求項21に記載の方法。 - 質量流量計であって、
入口および出口と、
入口と出口との間に配置された流量制限器および圧力等化システムであって、システムは、流量制限器を通る体積流量を一定に維持する、という流量制限器および圧力等化システムと、
流量制限器から見て上流の位置にあり、格納調整係数K、格納気体定数R、そして零オフセットを有する計測器回路に、それぞれの入力値P、Tを提供する圧力センサおよび温度センサとを有し、計測器回路は、格納調整係数、格納気体定数、零オフセット、そして、圧力センサおよび温度センサからの入力値に基づき、y=mx+b、ただし、yは質量流量、xはP、mはKR/T、そして、bは零オフセット、という式に従って流量出力信号を生成すること、
を有することを特徴とする質量流量計。 - 質量流量制御システムであって、
質量流量制御システムを介して流量速度を制御することが可能な流量制御装置を有し、当該制御装置は質量流量計に直列に接続され、計測器回路に対して電圧信号を発生させ、
前記質量流量計は、径を有する入口、および、径を有する出口と、
絞りチャンバ、および、入口と出口との間に配置された圧力等化システムを有する流量制限器であって、絞りチャンバが、入口および出口の径よりも小さい径を有する円筒形の制限壁を備える、という流量制限器と、
流量制限器から見て上流の位置にあり、調整用データを有する計測器回路に入力値を提供する温度センサであって、計測器回路は調整用データ、温度センサからの入力値、そして電圧信号に基づいて流量出力信号を生成する、という圧力センサおよび温度センサと、を有し、
前記質量流量計は、弁制御フィードバックループシステムに接続されており、それによって、質量流量計が流量出力信号を弁制御フィードバックループシステムに送り、前期フィードバックシステムは流量出力信号を予め定められた流量速度と比較して流量制御信号を生成し、
前記弁制御フィードバックループシステムは、流量制御装置に接続されており、前記フィードバックシステムは流量制御信号を流量制御装置に送って、流量速度を変更させる形で流量制御装置を動作させること、
を特徴とする前記質量流量制御システム。 - 流量制御装置は圧電アクチュエータ制御と弁とを有すること、
を特徴とする請求項25に記載の質量制御システム。 - 流量制御装置はソレノイドアクチュエータ制御と弁とを有すること、
を特徴とする請求項25に記載の質量制御システム。 - 流量制御装置は、電圧信号に変換される電流信号を発生させること、
を特徴とする請求項25に記載の質量制御システム。
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