JP2016530526A - 通流する媒体の混合比を決定するための装置および方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、通流する媒体の混合比、とりわけ２つのガスの混合比を、特性曲線の異なる２つの通流抵抗体を使用して決定するための装置および方法に関する。【選択図】 図１

Description

本発明は、通流する媒体の混合比を決定するための、とりわけ、特性曲線の異なる２つの通流抵抗体を使用して２つのガスの混合比を決定するための装置および方法に関する。

流体、例えばガス混合気または液体混合物の種々の成分の割合を決定することは多くの技術分野で必要である。そのためには、光学的、音響的または電気化学的方法を使用する多種多様の方法がある。それにもかかわらず、２つの流体、とりわけ２つのガスの混合比を決定するための簡単な方法は存在しない。

したがって本発明の対象は、流体混合物、とりわけガス混合気における２つの成分の相対的割合を決定するための簡単な方法およびそれに適合した装置である。

したがって本発明は、請求項１による装置、およびこの装置によって実施される請求項６による方法を開示する。本発明の有利な構成は、これに関連する従属請求項の対象である。

測定構造を示す図である。 較正構造を示す図である。 空気とＣＯ２に対する特性曲線である。 空気とＣＯ２のｄｐ１／（ｄｐ２）値を決定する際の簡略化を示す図である。 第１の切片定理による簡略化の理由を示す図である。 ホール絞りの断面図である。 （ａ）が焼結鍛造フィルタの外観図であり、（ｂ）が焼結鍛造フィルタの断面図である。

以下に例として記述する装置、およびこの装置によって実施される方法は、ガス混合気の相対的構成成分、例えばＣＯ_２と窒素のガス混合気の割合を正確に指示することができる。本発明は、特性曲線の異なる通流抵抗体（複数）が存在するという事実に基づくものである。ここでは例として焼結鍛造フィルタおよびホール絞りを挙げる。焼結鍛造フィルタの通流抵抗は、近似的に線形特性曲線を有する。すなわち通流抵抗は、通流速度と共に常に近似的に線形に上昇する。これとは反対にホール絞りは近似的に二乗特性曲線を有する。すなわち通流抵抗は、通流速度の２乗に近似して増大する。これらの異なる特性曲線は、おそらくフィルタ通過の際の通流比が異なることによるものである。焼結鍛造フィルタ内では近似的に層状の流れが存在することが前提とされ、したがって通流抵抗は実質的にガス粘性によって規定される。これとは反対にホール絞りでの流れは乱流であって良く、したがって通流抵抗はとりわけガス濃度によって規定される。ここではとりわけ、正当性への要求無しに理論的考察だけが取り扱われる。いずれの場合でも、上に例として挙げたホール絞りも、例えば狭窄、弁、屈曲、ウェッジエレメントまたはベンチュリ管による別の通流抵抗に曝される。焼結鍛造フィルタは、近似的に層状の流れを保証する別の装置によって使用することもできる。

差圧の択一的な測定として、例えば熱的ガス流量センサによって質量流量の測定も行うことができる。

本発明の装置による本方法は、２つのガス、例えば窒素とヘリウム、酸素とＣＯ_２、ＣＯとＨ_２、またはＮＨ_３とＨ_２の混合気の構成成分の測定を可能にすることが判明した。しかしさらに、可能な複雑なガス混合気、例えば「空気」とＣＯ_２の混合気の分析も可能である。ここではとりわけ空気（ないし他のガス混合気）の混合比が一定であることが前提とされる。さらに「空気」とCO₂の混合比の例では、空気の「天然の」ＣＯ_２成分は無視される。

理論的アプローチ
媒体の通流特性に対する通流抵抗の依存性に基づいて、ガス混合気の組成を求めることができる。ガスの通流特性が互いに有意に異なっていることが前提である。基本的にこの関係は、液体にも適用することができる。

測定構造および較正構造
濃度比を検出するために、媒体が２つの通流抵抗体の直列接続を通して導かれる。ここではそれぞれの通流抵抗体を介して降下する差圧が記録され、濃度比の検出のための基礎として用いられる。種々の媒体の割合を区別するための前提は、異なる特性曲線、例えば線形と二乗の特性曲線を備える２つの通流抵抗体を使用することである。このことはここに示した測定構造では、焼結鍛造フィルタ（線形）と絞り（二乗）により実現される。さらに圧力センサを介して絶対圧（ｐ＿ａｂｓ）が記録され、圧力変動により発生する誤差がこの絶対圧により補償される（下記参照）。この構造のさらなる構成部分は、場合による温度変動を補正するための、ガスの温度測定である（下記参照）。

この測定構造を使用するためには、相応の媒体による前もっての較正が必要である。この較正は、それぞれ測定すべき２つの混合成分によって行う必要がある。較正のための例としての構造が図２に示されている。差圧ｄｐ１を差圧ｄｐ２上にプロットすることにより、媒体ごとに特性曲線（図３）が発生し、この特性曲線が濃度割合の後の計算のために用いられる（下記参照）。

質量流を形成するために空気ポンプが使用され、質量流の制御はスロットルバルブ１を介して行われる。スロットルバルブ２は、絶対圧補正のパラメータを求めるために、全測定区間にわたって種々の負圧レベルを形成するために用いられる（下記参照）。

ガス１とガス２から成るここで測定すべきガス混合気の例で、較正は、純粋なガス１ないし純粋なガス２により行われる。この種の測定から求められた特性曲線が図３に、空気（ガス１）とＣＯ_２（ガス２）からなる混合気の例で示されている。

ここでは例として、空気／ＣＯ_２混合気の較正とその後の測定が行われた。ガス管は８〜１０ｍmの直径を有した。３０ｌ／ｍｉｎまでのガス流が実現された。測定区間の前方（図１参照）では、−１ｂａｒから＋１ｂａｒまでの範囲で動作するＳｅｎｓｏｔｒｏｎｉｃｓ社のＨＤＩシリーズからのセンサによって、大気に対して−１５０ｍｂａｒまでの圧力が測定された。通流抵抗体上の差圧センサは、０〜１０ｍｂａｒの測定領域を有していた。さらにＳｅｎｓｏｔｒｏｎｉｃｓ社のＨＤＩシリーズのセンサが使用された（ＨＤＩＭ０１０ＤＵＦ８Ｐ５）。通流抵抗体としてホール絞り（図６）、および３５μｍの穴サイズを有する焼結鍛造フィルタ（図７）が使用された。図７から分かるように、焼結鍛造フィルタは、Ｃｒ−Ｎｉ鋼から成る中空シリンダの形に構成されていた。

多くの目的に対して十分な較正精度が、ただ１つのガスによる較正によってすでに達成でき、第２のガスの特性曲線を計算できることが発見された。このことは、ＣＯ_２に対する特性曲線は計算で、空気に対する特性曲線を決定することにより、例えば空気／ＣＯ_２測定に対する規則的な較正を可能とする。このようにして通常は必要なＣＯ_２特性曲線の決定を省略することができる。

基本式
以下の式ないし条件が当てはまる。

ｉ．） Ｒ＝ｄＰ／Ｑ ；小さな圧力変化ｄｐに対して、あるいは線形の通流抵抗Ｒに対して当てはまる
ｉｉ．）ｃ［ガス１］／ｃ［ＣＯ_２］＝Ｒ_ガス１／Ｒ_ガス１ ；ｃ＝濃度、Ｒ＝通流抵抗
ｉｉｉ．）ｄｐ２_ガス２／Ｒ２_ガス２＝ｄｐ１_ガス２／Ｒ１_ガス２≠ｄｐ２_ガス１／Ｒ２_ガス１＝ｄｐ１_ガス１／Ｒ１_ガス１
すなわち：通流抵抗の特性曲線は媒体濃度に依存して有意に異なる。

ガス１とガス２の例での混合比の計算
以下の計算ではガス２の割合が求めるべき目標量である。ガス１とガス２から成る混合気が存在する場合、通流抵抗は近似的に通流抵抗Ｒ_ガス１とＲ_ガス２から加算的に統合される：
Ｒ１_混合気＝ｎ＊Ｒ１_ガス１＋（１−ｎ）＊Ｒ１_ガス２
Ｒ２_混合気＝ｎ＊Ｒ２_ガス１＋（１−ｎ）＊Ｒ２_ガス２
ｎ：＝ガス１ないしガス２の割合、０≦ｎ≦１
ガス混合気の測定に対して（ｉ．）から：
ｄｐ２／Ｒ２_混合気＝ｄｐ１／Ｒ１_混合気
ｄｐ２／ｄｐ１＝Ｒ２_混合気／Ｒ１_混合気
ｄｐ２／ｄｐ１＝［ｎ＊Ｒ２_ガス１＋（１−ｎ）＊Ｒ２_ガス２］／［ｎ＊Ｒ１_ガス１＋（１−ｎ）Ｒ１_ガス２］
ｄｐ２／ｄｐ１＝［ｎ＊Ｒ２_ガス１＋Ｒ２_ガス２−ｎ＊Ｒ２_ガス２］／［ｎ＊Ｒ１_ガス１＋Ｒ１_ガス２−ｎ＊Ｒ１_ガス２］
Ｒ＝ｄｐ／Ｑにより：
ｄｐ２／ｄｐ１＝（ｎ＊ｄｐ２_ガス１＋ｄｐ２_ガス２−ｎ＊ｄｐ２_ガス２）＊Ｑ／（ｎ＊ｄｐ１_ガス１＋ｄｐ１_ガス２−ｎ＊ｄｐ１_ガス２）＊Ｑ
ｄｐ２／ｄｐ１＝（ｎ＊ｄｐ２_ガス１＋ｄｐ２_ガス２−ｎ＊ｄｐ２_ガス２）／（ｎ＊ｄｐ１_ガス１＋ｄｐ１_ガス２−ｎ＊ｄｐ１_ガス２）
垂直の濃度経過の仮定：
ガス濃度の計算に対しては以下が仮定される：
ｄｐ２＝ｄｐ２_ガス２＝ｄｐ２_ガス１
これは簡略化に相当する。なぜなら一方の特性曲線から他方の特性曲線への真の濃度経過、すなわち例えば１００％のガス２から１００％のガス１への濃度経過は垂直に経過するのではなく、勾配に沿って経過するからである。実験的に発見されたこの作用が図４に示されている。

ガス２成分を検出するためのこの簡略化は許容される。なぜならガス１とガス２の特性曲線は、十分に小さな間隔で互いに平行であると仮定することができるからである。これにより初等幾何学の第１の切片定理が適用される。

共通の点を通って経過する２つの直線であって、これら直線が当該直線の交点を通らない２つの平行線により切断される場合、以下が当てはまる。

直線交点と２つの平行線により形成される１つの直線の２つの部分は、第２の直線上での対応の部分と同じように互いに経過する。

ここに述べる場合に適用すると、これにより図５の関係が得られる（ここでも空気とＣＯ_２の特性曲線に基づく例が示されている）。

したがって
ｄｐ２／ｄｐ１＝（ｎ＊ｄｐ２＋ｄｐ２−ｎ＊ｄｐ２）／（ｎ＊ｄｐ１_ガス１＋ｄｐ１_ガス２−ｎ＊ｄｐ１_ガス２）
ｄｐ２／ｄｐ１＝ｄｐ２／（ｎ＊ｄｐ１_ガス１＋ｄｐ１_ガス２−ｎ＊ｄｐ１_ガス２）
ｄｐ１＝ｎ＊（ｄｐ１_ガス１−ｄｐ１_ガス２）＋ｄｐ１_ガス２
ｎ＝（ｄｐ１−ｄｐ１_ガス２）／（ｄｐ１_ガス１―ｄｐ１_ガス２）
ｎ＝（ｄｐ１−ｄｐ１_ガス２）／ΔＰ１_ｇｅｓ
限界値考察：
ｄｐ１＝ｄｐ１_ガス２⇒ｎ＝０⇒ガス２−含量１００％
ｄｐ１＝ｄｐ１_ガス１⇒ｎ＝１⇒ガス２−含量０％
正規化：
ガス２濃度を直接提示するために以下のように変形される：
ガス２濃度＝（１−ｎ）＊１００％［ガス２］
＝１−（ｄｐ１−ｄｐ１_ガス２）／（ｄｐ１_ガス１−ｄｐ１_ガス２）＊１００％［ガス２］
＝Δｐ１_ｇｅｓ／Δｐ１_ｇｅｓ−（ｄｐ１−ｄｐ１_ガス２）／Δｐ１_ｇｅｓ＊１００％［ガス２］
＝（ｄｐ１_ガス１−ｄｐ１_ガス２）／Δｐ１_ｇｅｓ―（ｄｐ１−ｄｐ１_ガス２）／Δｐ１_ｇｅｓ＊１００％［ガス２］
＝（ｄｐ１_ガス１−ｄｐ１_ガス２）／Δｐ１_ｇｅｓ＋（―ｄｐ１＋ｄｐ１_ガス２）／Δｐ１_ｇｅｓ＊１００％［ガス２］
＝（ｄｐ１_ガス１―ｄｐ１）／Δｐ１_ｇｅｓ＊１００％［ガス２］
ｄｐ１_ガス１とｄｐ１_ガス２は、それぞれの測定値ｄｐ２により較正特性曲線から求めなければ成らない！ ｄｐ１は測定値である。

絶対圧補正
絶対圧変動は、ガス混合気の状態変化に繋がる。これにより通流特性の変化が生じ、これにより測定誤差が引き起こされる。この誤差は相応に補正すべきである。そのために図示の較正構造により、実験によって補正式が決定される。

温度補正
絶対圧変動と同様に温度変動も測定結果に影響する。補正は、実験により決定された補正式で温度を使用して行われる。

方法
したがって本発明による測定方法は、２つの通流抵抗体における液体流の圧力降下を、較正曲線と比較して測定することに基づくものである。したがってこの方法を実施するためには、構築された装置をまず２つの流体、例えば２つの液体または２つのガスによって較正しなければならない。前記流体は、例えば空気を使用する場合のように混合比が一定であるという前提で混合物であって良い。好ましくは流体はガスである。

本方法は種々の技術分野で適用することができる。例えば化学工業におけるプロセスガスの組成を本発明により決定することができる。化学技術の多くの分野における場合のように、非常に大きな流れでも測定が実行される任意の部分流を分岐できることは当業者に、もちろん明白である。本発明の方法の好ましい適用形態は、医学的装置、例えば人工呼吸機器または注入器での空気のＣＯ_２割合の決定である。

Claims (11)

1. 通流する流体混合物の流体濃度の決定装置であって、前記流体混合物は実質的に２つの流体成分を含んでいる、装置において、
   それぞれ差圧センサを備え直列に接続された少なくとも２つの通流抵抗体を含む通流パイプを特徴とし、前記少なくとも２つの通流抵抗体は異なる特性曲線を有する装置。
2. 前記通流抵抗体の一方は線形特性曲線を、他方の通流抵抗体は二乗特性曲線を有する、請求項１に記載の装置。
3. 前記通流抵抗体の一方は焼結鍛造フィルタにより、他方の通流抵抗体はホール絞りにより形成される、請求項１または２に記載の装置。
4. 前記流体混合物はガス状である、請求項１から３のいずれか一項に記載の装置。
5. 前記流体混合物は、ＣＯ_２と空気を含む、請求項４に記載の装置。
6. 通流する流体混合物の流体濃度の決定方法であって、該流体混合物は、実質的に２つの流体成分を含んでいる、方法において、
   前記流体混合物は、少なくとも２つの通流抵抗体を含む通流パイプを通して導かれ、
   少なくとも１つの通流抵抗体は差圧センサを含んでおり、他方の通流抵抗体は差圧センサまたは質量流量センサを含んでおり、当該通流抵抗体は直列に接続されており、
   前記少なくとも２つの通流抵抗体は異なる特性曲線を有しており、
   流体濃度が、当該通流抵抗体における、較正曲線を用いたそれぞれの圧力降下の決定によって決定される、ことを特徴とする方法。
7. 前記通流抵抗体の一方は線形特性曲線を、他方の通流抵抗体は二乗特性曲線を有する、請求項６に記載の方法。
8. 前記通流抵抗体の一方は焼結鍛造フィルタにより、他方の通流抵抗体はホール絞りにより形成される、請求項６又は７に記載の方法。
9. 前記通流抵抗体の一方は熱的質量流量センサを有する、請求項６に記載の方法。
10. 前記流体混合物はガス状である、請求項６から９のいずれか一項に記載の方法。
11. 前記流体混合物は、ＣＯ_２と空気を含む、請求項１０に記載の方法。