JP6556709B2 - サンプリング機器の正常機能を確認する方法 - Google Patents

Description

本発明は、サンプリング機器の正常機能を確認する方法に関する。より詳細には、本発明は、請求項１、４及び５に記載のサンプリング機器の正常機能を確認する方法に関する。

大気中の化学物質は、それに曝された人々の健康に影響することがあり、そのモニタリングが明確に要望されている。そのような化学物質が充分低いレベルであることを保証するために行政機関が定める職業曝露限界値を有する化学物質に大きな関心が寄せられている。多くの場合、大気汚染物質が何で構成されているのかわからないため、これら“未確認”化学物質の性質をより詳細に知ることと、最も主要な化学物質の実体を解明することに関心が寄せられている。関心のある他もう１つの分野は、これらの化学物質の空気中レベルを減らす目的での測定効果の調査及び検査、例えば“正しい”換気効率又は他の測定を検査して空気濃度をコントロールすることである。この目的の装置を、圧縮空気及び呼吸用保護具内の空気の質をモニタリングするのに用いることができる。このような装置を適用するその他の分野は、例えば食品に含まれる様々な揮発性化学物質のコントロールである。このような化学物質は、ある食品成分の劣化の指標として、又は原材料をモニタリングして充分な品質を保証することに用いられる。このような装置は、食品に他の化学物質の混入がないことを保証することにも用いることができる。病院においては、例えば麻酔用ガスの空気中濃度をチェックして、職員、患者、又はその他の者が有毒レベルに曝されていないことを保証するのにこのような装置が用いられる。化学兵器剤は、その存在を顕在化して人々が曝露されていないことを保証するために検査する必要がある。

環境解析では、都市、公共の場、及び自然界の空気の質をモニタリングする必要がある。１つの目的は、統計的調査用のバックグラウンドデータを得ることと、そのレベルが国家機関及び国際機関が定めるレベルを下回っているかどうかを検査することである。それらのデータは、自然界又は居住地域が産業汚染物質の排出に曝されていないかどうかの検査にも用いられる。得られたデータには、特定状況における判定と解釈についてのインパクトがある。それゆえに、充分に質の高いデータが求められている。

気相及び粒子相の中に生じる大気汚染には、数多くの例がある。下気道に届き得る粒群に、特に関心が寄せられている。これらの粒子はこのような化学的性質のみならず人体における様々な標的臓器への分布に依存して毒性が異なると信じる理由がある。空気中に存在する呼吸可能粒子画分への曝露についてもっと知る必要がある。

大気中の化学物質をモニタリングする装置は数多くあり、多様な技術が用いられている。その装置は原則的に選択的装置と非選択的装置に分けることができる。非選択的装置は、数種類の化学物質に反応するが、２種類又は数種類の化学物質を区別せず、偽陽性が生じることもある。そのような装置が、おそらく価格が安いという理由で現在も使用されている。無効のデータから費用の高い測定をすると、多くのアプリケーションにおいて、偽陽性結果は、使用者にかえって高コストとなってしまう。

選択的装置は、選択した化学物質又は化学物質群に特定の反応をする。存在する他の化学物質は結果を妨げない。偽陽性結果を生じる頻度は非選択的モニタリングに比べてより少ない。得られるデータの質は本質的である。データの質を表す一般的な因子は：繰り返し性、再現性、線形性（切片とバックグラウンド値を用いたキャリブレーショングラフ特性）、検出限界、及び定量限界である。さらに、他の化学物質からの妨げに関する知識が必要である。ある化学物質自体が反応するものでないとしても、その化学物質が結果に影響することがある旨には言及しておく必要がある。

現行の器械にはいくつかの欠点がある。光イオン化検出器（Ｐｈｏｔｏ Ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ；ＰＩＤ）及び水素炎イオン化検出器（Ｆｌａｍｅ Ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ；ＦＩＤ）は、個々の化学物質を特定することはできない。ＰＩＤ及びＦＩＤ検出器は、揮発性有機化合物（Ｖｏｌａｔｉｌｅ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ；ＶＯＣ）の総量を測定する。赤外線検出器（ＩＲ検出器）は推論処理に問題を抱えている。他の阻害化学物質の存在下で低濃度のＶＯＣをモニタリングする時にＩＲ検出器は使用できない。

ＧＣ−ＰＩＤ（例えば、Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｓ．ａ．社製のＶＯＣ７１Ｍ；ｗｗｗ．ｅｎｖｉｒｏｎｎｅｍｅｎｔｓａ．ｃｏｍ）及びＧＣ−ＤＭＳ器械（例えば、Ｓｉｏｎｅｘ Ｉｎｃ．，Ｂｅｄｆｏｒｄ，ＭＡ，ＵＳＡ）を用いた直接的モニタリングには限界があり、被分析物の不正確な特定と定量を導き、外部から補完する前又は後キャリブレーションが必要となる。既に存在する製品については、現場で自動的にキャリブレーションすることは不可能である。さらに、サンプリング時間と測定した濃度との間に非線形的関係性が発生する問題があり、これによってその量がキャリブレーション範囲を超えると、長時間のサンプリングができなくなる。さらに、ある容量が回収されると、これを体積容量に補正する必要があり、おそらく周囲温度と気圧の修正も必要となる。定容量サンプリングコンテナ中の又は吸収媒体上の容量をサンプリングして、加熱脱離（吸収媒体の場合）を行い、その後集めた化学物質をＧＣにインジェクションすることで、クロマトグラフィー分析が影響を受けるようにクロマトグラムピークが広くなる。

大気汚染物質、より詳細にはポリウレタン製品の分析に用いるサンプリング装置が、国際公開第００／７５６２２号に公開されており、その更なる発展型が国際特許２０１１／１０８９８１及び国際特許２００７／１２９９６５に開示されている。これらの文献に開示されているサンプラーとも呼ばれるサンプリング装置は、探索する化学物質を２段階プロセスで集める。化学物質の量を測定する流体は、調節された流量でサンプリング装置に通される。流体の気相に含まれる目的の化学物質は、吸収チューブに、そのチューブ内の表面にコーティングされた試薬によって集められる。その流体流量は、更に吸収チューブから同じ試薬をしみ込ませたフィルタへ送り込まれ、そのフィルタを通される。固体状の化学物質又は流体中の粒子に付着した化学物質が、そのフィルタに集められる。

このエリアにおける重要なパラメーターは、検出に用いる装置内における、検出する化合物、すなわち被分析物を含む気体流量である。空気中の化合物をサンプリングする間に、サンプリング装置を通して集めた空気の流量と体積を調節できて記録できることが重要である。なぜなら検体の内容と集めた空気の体積との間には直接的相関関係があるからである。いくつかの検体を同時に集めることもまた３つの理由から重要であり、より詳細には、ある種の検体の精度を上げること、誤検体を検出すること、及び同時に様々な化合物を取得することである。サンプリング結果を処理する時に、検体の採集方法、時間、流量、温度、気圧、及び湿度が後から追跡できることも重要である。

サンプリング中に安定した流量を保つための従来の解決方法は、長時間に渡って安定した流量を保つことを示しておらず、現場でのキャリブレーションが必要となる。サンプリング速度が正しくて長時間に渡って変化しないことを保証するには、サンプリング前後に流速の補正が必要となる。ログ機能が欠落していることもよくある。

流動システムの背圧に変化が生じたかどうかを差圧センサーが表示するといった、現在あるいくつかの解決方法では、ポンプ制御シグナルを調節してこの変化を補う。しかし、この解決方法では長時間に渡ってドリフトエラーが発生することが分かっており、そのポンプの特定の流量の設定に外付けのフローセンサーでキャリブレーションをする必要がある。

現在ある別の解決方法には、ログ機能、パソコンへのログデータの転送機能、及びディスプレーとボタンによる流量を制御する機能を有するものがある。そのポンプは、一定の背圧を誘導するサンプラーがポンプに取り付けてあるため、ポンプが安定した流量を保つことができず、そのようなポンプについての検査はその仕様と一致しなかった。

現在あるポンプシステムの問題点は、ポンプに組み込まれたフローセンサーが、そのフローセンサー電子装置の温度にともなって変動することである。ほとんどのフローセンサーは、気体流量の実際の測定に別の技術を用いており、測定流量に対応する出力電圧シグナルを有する。しかし、その出力シグナルは、フローセンサー内の電子部品の温度によって容易に影響を受ける。

従来技術におけるサンプリングを目的としたポンプの更なる問題点は、ポンプマスフローセンサーのキャリブレーション及びそのマスフローセンサーによる測定結果が、ポンプのセンサーとポンプエンジンの摩耗とダメージによって比較的早く低下することである。このポンプは、工場及び屋外で荒い条件でよく使用される。

この観点から、上述した大気中の化合物を検出するモニタリング装置のための改良されたポンプ装置が求められており、正確な測定に必要とされる適切なポンプ性能を発揮できるポンプが大いに求められている。

その意味で、サンプリング機器、例えばポンプ装置とサンプリング装置、又はサンプリングに使用するその他の装置における故障を自動的に検出することが更に求められている。

本発明の目的は、従来技術を改良して、上述した問題点を解決し、サンプリング機器における故障を検出する改良方法を提供することである。これらの目的及び他の目的は、サンプリング機器の正常機能を確認する方法によって達成できて、その方法は、
ａ）吸気口と排気口、その吸気口と排気口との間に延在する流路と、その流路に沿って配置されてその流路に気体流を通すように構成されたポンプと、前記流路の内側に配置された第１マスフローセンサーと、そのマスフローセンサーの近傍に配置されて前記流路内の第１の圧力を測定するように構成された第１圧力センサーと、前記流路の外側に配置された第２圧力センサーであって、周囲の大気圧である第２圧力を測定するように構成された第２圧力センサーと、を具えるポンプ装置を提供するステップと；
ｂ）前記第１圧力と前記第２圧力との圧力差を算出するステップと；
ｃ）その圧力差とマスフロー出力シグナル値の事前較正表の値とを比較して、マスフローセンサーからの出力シグナルのエラーを前記圧力差に応じて算出するステップと；
ｄ）その算出するエラー値が既定閾値を上回る場合に、その算出するエラー値を含むエラーシグナルを提供するステップと；
を具える方法である。

流路の圧力と周囲気圧との差を測定することで、マスフロー測定におけるこの差によって誘発されたエラーを算出する。ポンプ装置に機器を取り付けておらず、従って、背圧が既知であれば、算出するエラー値が前記既定閾値を下回っていれば、第１マスフローセンサー（６）からの出力シグナルを調節できる。得られるマスフローシグナルは、第１マスフローセンサーからのマスフローシグナルと、前記圧力差の関係、例えば荷重平均の関係として算出するマスフロー、との組み合わせとなる。ポンプ装置内のマスフローセンサーが特定圧力に補正されていると、エラーが生じる。しかし、ポンプ装置を外付け機器と共に使用する場合、接続した機器からの背圧がポンプ装置の流路内圧力を変化させることがある。本発明による方法を用いることで、このエラーを測定することができ、エラーシグナルを介してそのエラー値が提供される。エラー値と共にエラーシグナルは、算出したエラー値を補うために、マスフローセンサーからの出力シグナルの調節に用いられる。これによって、ポンプ装置は正確なマスフローを測定し、マスフローセンサーに影響する背圧値に関わらず、それを接続した機器を通して正確な体積流量をくみ上げることができる。ポンプ装置がサンプリング装置に接続され、ポンプ装置を用いてそのサンプリング装置を通して気体流量を吸引するときに、正確な流量測定をすることは特に重要である。

サンプリング装置は、気体流量内の被分析物のサンプリングに用いる。気体流量内の気体及び粒子の両方に効率的で制御されたサンプリングが必要であり、例えば、職場又は公共の場における空気中の汚染化学物質濃度を制御する。サンプリング装置は気体流量内の気相及び／又は粒子相に存在する被分析物を区別できる。このような区別することができるサンプリング装置は、国際公開第００／７５６２２号及び米国特許第２００６／０２３９８５７号に開示されており、その内容は本明細書に引用として組み込んでいる。

測定してポンプに通すべき気体は、例えば、呼吸空気、変質呼吸空気、ヘリウム、水素、窒素、酸素、アルゴン、又はそれらの混合物である。

本発明の一態様によれば、サンプリング機器の正常機能を確認する方法を提供し、その方法は：
ａ）吸気口（２）と排気口（３）、その吸気口（２）と排気口（３）との間に延在する流路（４）、流路（４）に沿って配置されその流路（４）に気体流を入れるように構成されたポンプ、ポンプ運転速度センサー（１１）、前記流路（４）の内側に配置された第１マスフローセンサー（６）、マスフローセンサー（６）の近傍に配置されて前記流路（４）の内側に第１の圧力を測定するように構成された第１圧力センサー（７）、前記流路（４）の外側に配置された第２圧力センサー（８）であり、周囲の大気圧である第２圧力を測定するように構成された第２圧力センサー（８）、を具えるポンプ装置（１）を提供するステップと；
ｂ）第１マスフローセンサー（６）を用いて測定するマスフロー、前記第１圧力センサーと前記第２圧力センサーを用いて測定した圧力差、及び前記ポンプ運転速度センサー（１１）を用いて測定したポンプ運転速度、の３つの特性のうちのいずれか１つを第１の特性として測定するステップと；
ｃ）これら３つの特性のうち、第１の特性と異なる第２の特性を測定するステップと；
ｄ）ステップｂ）及びｃ）で測定した特性から、ステップｂ）及びｃ）で測定していない第３の特性の近似値を算出するステップと；
ｅ）ステップｂ）及びｃ）で測定していない第３の特性を測定するステップと；
ｆ）第３の特性の近似値と第３の特性の測定値との差を算出するステップと；
ｇ）この算出した差が予め決められた値を越える場合に、サンプリング機器が正常に機能していないことを表示するエラーシグナルを提供するステップと；
を具える。それゆえ、このエラーシグナルは、マスフロー、圧力差、又はポンプ運転速度を測定するセンサーの少なくとも１つが正常に機能していないことを示し、すなわち、流量（Ｆｌｏｗ）、圧力差（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ）、ポンプ運転速度（ｐｕｍｐ ｏｐｅｒａｔｉｎａｌ Ｓｐｅｅｄ）との間の関係（別称、ＦＰＳ関係）を示す。測定時間内の事前に測定した値、例えば１秒乃至１０分前の測定値から約５％を超える急な誤差値は正常に機能していないことを示す。エラーシグナルが工場設定のキャリブレーション値から１０％以上の逸脱誤差のエラー値を示すが、最近の測定値から５％以下の誤差がある場合、そのエラーはポンプ装置の摩耗や裂け目が原因である可能性がある。いずれのエラータイプもポンプ装置の操作者に対して表示されることが好ましい。ポンプ運転速度を利用して流量を測定する性能によって、マスフローセンサーの結果が期待値に近いことを確認する機会が得られる。この確認は測定前のポンプを起動する時に行われることが好ましく、それによって、正常に機能していないマスフローセンサーを測定が行われる前に検出できる。上述したように、例えば気体汚染測定用のサンプリング装置を用いた測定には、気体中の汚染濃度を算出できるようにサンプラーを通る正確な流量値が必要である。正常に機能していないフローセンサーが取り付けてあるポンプを使用して行われた測定は、それゆえ役に立たない。ゆえに、時間のかかる測定を行う前に、このようなエラーを検出することが不可欠である。

ポンプ運転速度センサーを用いたポンプ装置は、マスフローの測定が可能であるため、第１マスフローセンサーで測定した圧力と同じ値を提供する理想的なケースでは、周囲気圧と比較した流路内の測定圧力偏差で補正が行われる。第１マスフローセンサーが修正されなければ、流量測定間の偏差は流路と周囲大気との間の圧力差に起因する。従って、ポンプ運転速度センサーを用いて推定した流量と第１マスフローセンサーで測定した流量との間の差により、圧力差の値を算出できる。周囲気圧センサーと流路内の第１圧力センサーとで測定した測定圧力値が、算出した圧力差と異なる場合、圧力センサーの１つがおそらく故障している。この時、ポンプ装置の操作者に対して警告を出すことができる。運転速度は、ポンプエンジンの回転速度であってもよい。回転式ポンプの場合、回転速度はポンプローターの回転速度であってもよい。

本発明の更なる態様によれば、サンプリング機器の正常機能を確認する方法が提供されており、その方法は：
ａ）吸気口（２）及び排気口（３）と、吸気口（２）と排気口（３）との間に延在する流路（４）と、流路（４）に沿って配置されて流路（４）に気体流を押し入れるように構成されたポンプと、ポンプ運転速度センサー（１１）と、ポンプの消費電力を測定するポンプ消費電流センサー（１６）と、流路（４）の中に配置された第１マスフローセンサー（６）と、マスフローセンサー（６）の近傍に配置されて前記流路（４）内に第１の圧力を測定するように構成された第１圧力センサー（７）と、前記流路（４）の外側に配置された第２圧力センサー（８）であり、周囲の大気圧である第２圧力を測定するように構成された第２圧力センサー（８）と、を具えるポンプ装置（１）を提供するステップと；
ｂ）前記ポンプ消費電流センサー（１６）を用いて測定したポンプ消費電流と、前記第１圧力センサーと前記第２圧力センサーを用いて測定した圧力差と、ポンプ運転速度センサー（１１）を用いて測定したポンプ運転速度と、の３つの特性のうちのいずれか１つである第１の特性を測定するステップと；
ｃ）３つの特性のうち、第１の特性と異なる第２の特性を測定するステップと；
ｄ）ステップｂ）及びｃ）で測定した特性から、ステップｂ）及びｃ）で測定しなかった第３の特性の近似値を算出するステップと；
ｅ）ステップｂ）及びｃ）で測定してなかった第３の特性を測定するステップと；
ｆ）第３の特性の近似値と第３の特性の測定値との差を算出するステップと；
ｇ）算出した値が規定の値を上回る場合に、サンプリング機器が正常に機能していないことを表示するエラーシグナルを提供するステップと；
を具える。

このように、このエラーシグナルは、圧力差、ポンプ消費電流、又はポンプ運転速度を測定するセンサーの少なくとも１つが正常に機能していないこと、すなわち、ポンプ消費電力（ｐｕｍｐ Ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ）、圧力差（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ）、ポンプ運転速度（ｐｕｍｐ ｏｐｅｒａｔｉｎａｌ Ｓｐｅｅｄ）の間の関係（別称、ＣＰＳ関係）を示す。測定期間中における、例えば１秒乃至１０分前に測定した以前の測定値から約５％を超える急な偏差は正常に機能していないことを示す。エラーシグナルが工場設定のキャリブレーション値から１０％を越える偏差のエラー値を示していて、そのエラー値の直近の測定値からの偏差が５％以下であれば、そのエラーはポンプ装置の摩耗や裂け目が原因である可能性がある。いずれのエラータイプもポンプ装置の操作者に対して表示されることが好ましい。

本発明の更なる態様によれば、上述した方法（ＦＰＳ関係及びＣＰＳ関係に関連する方法）は更に、：
ａ）ＦＰＳ関係に関連する方法がエラーシグナルを提供し、ＣＰＳ関係に関連する前記方法もエラーシグナルを提供する場合に、圧力センサー又はポンプが故障していることを表示する第３のエラーシグナルを提供するステップと；
ｂ）ＦＰＳ関係に関連する方法がエラーシグナルを提供するが、ＣＰＳ関係に関連する方法はエラーシグナルを提供しない場合、不確実な流量測定であることを表示する第４のエラーシグナルを提供するステップと；
ｃ）ＦＰＳ関係に関連する方法がエラーシグナルを提供しないが、ＣＰＳ関係に関連する方法がエラーシグナルを提供する場合、ポンプに故障があることを表示する第５のエラーシグナルを提供するステップと；
を具える。

マスフローセンサーを用いてマスフローを測定し、ポンプ運転速度によって流量を推測し、圧力差を測定し、ポンプ消費電流を用いて圧力差を推測することによって、測定エラーの検出のみならず、どのセンサーが正常に機能していないかを決定することができる。すなわち、ＦＰＳ関係とＣＰＳ関係を組み合わせることでエラーの元となっているセンサーを決定することができて、使用者へ表示したり、又は後評価のために記録できる。

本発明の更なる態様によれば、ポンプ装置は吸気口フィルタと排気口フィルタを更に具え、前記方法は、算出した圧力差が既定値を下回る場合にエラーシグナルを提供するステップを更に具えており、これによって、ポンプ装置の吸気口フィルタ又は排気口フィルタが破損していることを表示する。測定期間中における例えば１秒乃至１０分前の測定値といった以前の測定値からの約５％を超える急な偏差値は正常に機能していないことを示す。エラーシグナルが工場設定キャリブレーション値から３０％以上の偏差のエラー値を示していて、そのエラー値が直近の測定値からの偏差が５％以下である場合、そのエラーはポンプ装置の摩耗や裂け目が原因である可能性がある。いずれのエラータイプもポンプ装置の操作者に対して表示されることが好ましい。測定開始前にフィルタ破損を検出することで、ポンプ装置の摩耗と余分な修理を回避することができる。これによって、コストを削減できる。

サンプリング装置はポンプ装置に接続されている本発明の態様に関して、本発明による方法は、算出した圧力差が既定値を上回る場合にエラー信号を提供してサンプリング装置の詰まり又は閉塞を表示するステップと、算出した圧力差が所定値を下回る場合にエラーシグナルを提供してサンプリング装置の破損及び／又は漏れを表示するステップを更に含む。圧力差が予期した圧力差よりも１０％以上低い場合に、サンプリング装置に漏れがあることの表示が提供される。この特性によって、サンプリング装置の破損の検出が可能となる。この特性は、例えば費用が高く付いたり、失敗した測定のやり直しや再測定が不可能であったりするといった、遠隔位置での測定を行う場合、不可欠な特性である。異なる型のサンプリング装置はポンプ装置に対して異なる背圧を示すため、算出した圧力差の値は、どの型のサンプリング装置がポンプ装置に接続されているかを推定することに使用できる。サンプリング装置の型が判定可能な場合、使用するサンプリング装置の型に特有の流量及び測定時間のプリセット値をポンプ装置に使用してもよい。

サンプリング装置がポンプ装置に接続されている本発明の更なる態様に関して、前記方法は、サンプリング装置によって誘発される背圧を測定するステップと、その背圧の制限値を算出してサンプリング装置の状態を評価するステップと、制限値と評価状態を情報及び診断用の記憶媒体に記録するステップを更に具えている。その記録値は、後のステップで読み出してサンプリング装置を用いた測定に関する更なる情報を提供できる。

本発明の更なる態様によれば、ポンプ装置が周囲温度センサーを具え、前記方法は、周囲温度センサーによって周囲温度を測定するステップと、マスフローセンサーが提供する基準温度計測を用いて流路内の温度を測定するステップと、測定周囲温度と測定流路内の基準温度との間の温度差を算出するステップと、算出した温度差が既定閾値を上回る場合にエラーシグナルを提供するステップと、を更に含む。周囲温度センサーを用いて、例えばマスフローを体積流量に変換する時に、流量測定値の修正についての正確性を上げることができる。上記方法によれば、周囲温度センサー又はマスフローセンサーの基準温度センサーのいずれかの故障を検出できる。この方法は、周囲温度を所定の値に手動で設定するオプションを提供するステップを更に具えていてもよい。上記方法が周囲温度センサーが故障していることを示す場合に、算出に用いられる温度値は、ポンプ装置の操作者が、例えば手近の通常の温度計を見て、又は天気予報を参照して、手動で設定してもよい。

本発明の更なる態様によれば、ポンプ装置が周囲温度センサーを具え、前記方法は、測定したマスフロー及び測定した周囲温度から理想気体の法則を用いて体積流量を算出するステップを更に具える。このステップは気体汚染濃度のサンプリング工程において重要なステップである。なぜなら測定体積値（体積流量×測定時間に一致）がなければ濃度の算出が不可能であるからである。

本発明の更なる態様によれば、排気口又は吸気口に第２マスフローセンサーが着脱可能に接続されている。次いで、第１マスフローセンサーによる第１マスフローの測定と第２マスフローセンサーによる第２マスフローの測定、第１マスフロー値と第２マスフロー値との差の算出、及び、その算出した差を表す出力シグナルの提供を行う。この基準測定によってエラーシグナルが生じる場合に、ポンプ装置の第１マスフローセンサーを再キャリブレーションしなければならない。しかし、第１マスフローセンサーの出力シグナルを調節することで自動的に再キャリブレーションを行い、算出した差を補償することができる。ポンプ装置内のＵＳＢポートを介して外付けマスフローセンサーを接続してもよく、これによって、外付けマスフローセンサーをポンプ装置のＣＰＵで制御できる。選択的に、外付けマスフローセンサーをポンプ装置に作り付けて、第１マスフローセンサーのキャリブレーションを確認するためだけに使用してもよい。

上述した方法の更なる態様によれば、周囲温度、第１マスフロー、第２マスフロー、第１圧力、第２圧力、基準温度、及び、算出エラーのうち少なくとも１つが、前記ポンプ装置内にある記憶媒体にその時間と値を書き込むことによって記録される。ポンプ動作に関連する値を記録することで、例えば大気汚染のサンプリングにおいて妥当でない結果が得られた場合に、読み返すことができる。ポンプ装置の記録ファイルは偏差値の確認に用いられてもよい。そのような偏差値が見つかった場合、エラーを補償して、再測定することなくそのサンプリングを使用できる。

上述した方法の更なる態様によれば、制御装置に１つ又は複数のポンプ装置が通信可能に接続されている。それらのポンプ装置は、同様に又は代替的に連通して相互に接続されていてもよい。この時、ポンプ装置のセンサーが正常に機能しているかどうかを検出する更なる可能性を示す異なるポンプ装置間で測定結果を比較してもよい。通信可能な接続は、例えばＷＬＡＮ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、又はＺｉｇｂｅｅ（登録商標）のように無線で行ってもよく、又は、例えばＵＳＢ又はＥｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）のように有線で行ってもよい。

本発明の更なる態様によれば、ポンプ装置は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）と記憶媒体を更に具え、全ての方法ステップがこの記憶媒体に保存したコンピュータープログラム内の命令であり、このコンピュータープログラムがＣＰＵによって実行されて、全ての算出ステップがそのＣＰＵを用いて実行される。

他に明確に定義されない限り、通常、本明細書に添付の特許請求の範囲に用いる全ての用語は、本発明の属する分野の当業者によって一般的に理解されるのと同じ意味を有する。他に明確に指示されない限り、“ａ／ａｎ／ｔｈｅ ［要素、装置、部品、手段、ステップ、等］”の全ての意味するところは、ｅｌｅｍｅｎｔ、ｄｅｖｉｓｅ、ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ、ｍｅａｎｓ、ｓｔｅｐ、等が意味する少なくとも１例の広い意味を有する。他に明確に指示されない限り、本明細書に添付の特許請求の範囲に記載のいずれの方法のステップも、記載された通りの順番で行われなくてもよい。

本明細書に添付の特許請求の範囲に用いる用語“具える”及びその用語の変形は、他の添加物、構成要素、整数、又はステップを排除するものではない。

前述の本発明の目的、同様に付加的な目的、特性、及び利点は、後述する本発明の好ましい実施形態の例証となる非限定的かつ詳細な説明を、添付の図と併せて参照することで、より充分に理解できる。
図１は、本発明によるポンプ装置の概略図である。 図２は、流路と周囲大気圧との間の圧力差を認識することによって、マスフローセンサーの測定を修正する方法を示すフローチャートである。このチャートは、更に、この方法を用いてポンプ装置上の壊れたフィルタを決定し、ポンプ装置に接続されたサンプリング装置の詰まり又は破損を検出し、サンプリング装置内の漏れを検出する方法を示す。 図３は、ポンプの運転速度センサー、第１及び第２圧力センサーとの間の圧力差の測定、及びマスフローセンサーとの間の関係を、マスフロー検出器内のエラーの検出に使用する方法を示すフローチャートである。 図４は、ポンプ消費電流、第１及び第２圧力センサーとの間の圧力差の測定、及び運転速度センサーとの間の関係を用いて、測定についてのエラーを検出する方法を示すフローチャートである。 図５は周囲温度センサーを、圧力センサーと、ポンプ装置のマスフローセンサーによって提供される流路内に配置された内部温度センサーとを共に用いて、温度測定についてのエラーを検出する方法を示すフローチャートである。 図６は、追加の外付けマスフローセンサーを用いて、ポンプ装置内のマスフローセンサーのキャリブレーションエラーを検出する方法と、必要な場合にそのキャリブレーションを修正する方法とを示すフローチャートである。 図７は、ポンプ装置内のセンサーを用いて、測定値についてのエラーを発見する方法を示すフローチャートである。 図８は、図３と図４に記載した関係との相関を示す主要なスケッチである。

本発明によるポンプ装置１は、例えば回転式ベーンポンプ又は膜ポンプのようなポンプ５で規定されるが、いかなるポンプも適しており、そのポンプと、サンプリング測定用として必要な正確に決められた流量を作り出すための装具４、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５とで規定される。図１は、本発明の一実施形態によるポンプ装置１の概略図である。ポンプ装置１は、吸気口２と排気口３が設けられた流路４を有する。例えば呼吸空気や改質呼吸空気の形態の気体が、ポンプ５によって流路４を通って吸引される。ポンプは、接続した装具の背圧に耐え得るものであればいかなるものでもよく、例えば回転式ベーンポンプ又は膜ポンプである。流路４を流れて通る気体のマスフローは、マスフローセンサー６で測定される。第１圧力センサー７が、マスフローセンサー６に隣接しており、流路４内の圧力を測定する。第２圧力センサー８は、流路４とポンプ装置１の外側に設置されている。従って、第２圧力センサー８は、周囲圧力を測定する。ポンプ装置はＣＰＵ９によって制御され、このＣＰＵ９は記憶媒体１０を用いて制御アルゴリズムとデータを保存する。運転速度センサー１１が、ポンプ５に取り付けられており、ポンプのモーター速度を測定する。周囲温度センサー１２が、ポンプ装置１に更に取り付けられており、周囲温度を測定する。ポンプ装置は、ポンプ装置の操作者に情報やオプションを提示するディスプレー１３を更に有する。このディスプレーは、ポンプ装置に相互作用を提供するタッチディスプレーであることが好ましい。非タッチディスプレーの場合には、ディスプレーの近傍にボタン（図示していない）が存在する。ポンプ装置１の流路４は、吸気口フィルタ１４と排気口フィルタ１５を更に有する。

図１に示すポンプ装置には通信ユニット１６が更に設けられており、例えば他のポンプ装置、コンピューター、又はポンプ装置に接続して使用できるその他の装具のような他のユニットとの通信する手段を提供する。その通信は、ＵＳＢ、有線ネットワーク、又はＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）やＷＬＡＮのような無線ネットワークを介してもよい。

図２に示すフローチャートは、流路４と周囲大気圧との間の圧力差を知ることによって、マスフローセンサー６の測定をどのように修正するかを示しており、例えば空気のサンプリング中における測定時の正確性を向上させる。このチャートは、ポンプ装置上の破損したフィルタ１４、１５の決定する方法を更に示している。ポンプ装置１を始動してポンプ装置１にサンプリング装置（図示していない）のような装具を取り付ける前に、吸気口１４又は排気口１５に問題がないことを確認する選択が操作者に提示される。これは、例えばポンプ装置１を立ち上げる時に使用者に提示してもよい。ＣＰＵ９は、ポンプを始動させて、２つの圧力センサーの間の圧力差を算出する。この圧力差が予期していたよりも低い場合、すなわち既定の閾値よりも低い場合に、フィルタに破損の可能性があることをディスプレーに提示してポンプ装置１の操作者に警告する。

サンプリング装置内の漏れの検出に、同じ原理を用いることができる。使用しているサンプラーの形式がポンプ装置に既知であれば、ポンプ装置にサンプリング装置を取り付けた後に、操作者に対してディスプレー１３に、サンプリング装置の漏れをテストする選択が提示されてもよい。圧力差が測定され、その値が予期していたよりも低い場合、すなわち既定の閾値よりも低い場合に、サンプリング装置又はそのポンプ装置１の連結装具の中に漏れがあることが操作者に警告される。同様に、ポンプ装置は、サンプリング中に背圧の急な低下が生じた場合に、漏れがあることを操作者に示す。

ポンプ装置１にそのような装置を取り付けた後のサンプリング装置の詰まり又は破損の検出に、同じ原理を同じ方法で用いることができる。サンプラーを取り付けた後に、ポンプ装置１内のＣＰＵ９は、高すぎる圧力差を常に監視している。予期せぬ高い圧力差又は背圧が検出された場合に、フィルタの詰まりの可能性、又はフィルタへのダメージの可能性があることをディスプレー１３に提示して操作者に伝える。

サンプリング装置における制限の算出及び状態の評価にもサンプラーによって誘発される背圧の測定を用いてもよい。サンプリング装置におけるその制限と推定した状態は、サンプリングの情報及び診断の一部として記憶媒体に保存する。

図３は、ポンプ５の運転速度センサー１１を用いて、ポンプ装置１の圧力センサーとマスフローセンサーと共に、これらのセンサーのうちのいずれか１つに生じるエラーを検出する方法を示すフローチャートである。これは３つの方法によって行うことができる。

ＣＰＵ９は、運転速度を用いて流量を算出して、２つの圧力センサー７、８の間の測定温度差を検証する。これによって、ＣＰＵ９は、マスフローセンサー６からの期待値を認識する（この期待値は圧力差を修正していない）。マスフローセンサー６によって測定された期待マスフローが予想からある閾値を上回って異なる場合に、少なくとも１つのセンサーが破損していること及び／又は再キャリブレーションの必要があることが操作者に警告される。エラーメッセージは、検出したエラーの大きさによって決まる。

ＣＰＵ９は、ポンプ運転速度を用いて流量を算出する。圧力差を修正する時に、その流量は、マスフローセンサー６によって測定した測定マスフローと等しくなくてはならない。従って、運転速度センサー１１から得た算出流量とマスフローセンサー６によって測定されたマスフローとの間の差を用いて、圧力差測定が適切であるかどうかをチェックできる。圧力差が予期していた値から外れている場合、すなわち既定閾値を上回る場合に、少なくとも１つのセンサーの破損を示すエラーメッセージが操作者に提供される。

ＣＰＵ９は、マスフローセンサー６からのシグナルと圧力差の測定から修正マスフローを算出することができる。その値は、運転速度センサー１１を用いて算出する算出流量に等しくなくてはならない。算出流量が修正マスフローセンサーの読み込み値から既定量を上回って異なる場合に、少なくとも１つのセンサーの破損を示すエラーシグナルが操作者に提示される。

図４は、ポンプ消費電流、第１及び第２圧力センサーの間の圧力差の測定、及び運転速度センサーとの間の関係をどのように用いて、これらの測定内のエラーの検出に使用するかを示すフローチャートである。図３で説明した方法と同様に、他の２つの測定から第３の特性を算出して、その算出特性とその特性用のセンサーを用いる測定とを比較することによって、正常に機能していないセンサーが検出できる。第３の特性の算出値が第３の特性の測定値から既定値を上回って異なる場合に、３つの特性のセンサーのうち少なくとも１つが正常に機能していないこととメンテナンス又は再キャリブレーションの必要があることが提示される。

図５は、圧力センサー７、８と、周囲温度センサー１２を、ポンプ装置１のマスフローセンサー６によって提供される流路内に設けられた内部温度センサーと共に、温度測定時のエラーの検出に使用する方法を示すフローチャートである。エラーを検出すると、ポンプ装置１の操作者にその旨を提示する。

図６は、追加の外付けマスフローセンサー（図示せず）を用いて、ポンプ装置１内のマスフローセンサー６のキャリブレーションエラーを検出する方法を、また必要な時にどのようにしてキャリブレーションを修正することができるかを示すフローチャートである。外付けマスフローセンサーは、ポンプ装置１の吸気口２又は排気口３に取り付けて、第１マスフローセンサー６と同じ流量を測定できる。外付けマスフローセンサー（図示せず）は、好ましくはポンプ装置１のＵＳＢポート（１７）に接続してＣＰＵ９で制御する。

図７は、測定エラーを見つけてどのセンサーがエラーを生じているかを更に判断するために、図３及び図４に記載した方法の関係を組み合わせて使用する方法を示すフローチャートである。３つの特性、すなわち、ポンプ消費電流、第１及び第２圧力センサーによって測定される圧力差、及びポンプ運転速度との間の関係（ＣＰＳ関係）を利用するその方法を、３つの特性、すなわち、マスフロー、第１及び第２圧力センサーによって測定される圧力差、及びポンプ運転速度との間の関係（ＦＰＳ関係）と併せて利用する。ＣＰＳ及びＦＰＳ関係を使用するいずれの方法もセンサーエラーを示していない場合、システムは良好な状態であると考えられる。ＣＰＳ関係を使用する方法のみがエラーを示す場合、そのエラーはおそらくポンプ内に生じている。ＦＰＳ関係を使用する方法のみがエラーを示す場合、そのエラーはおそらくマスフローセンサー内に生じている。ＣＰＳ及びＦＰＳ関係を使用する両方法がエラーを示す場合、圧力センサー又はポンプセンサーがおそらく正常に機能していない。しかし、マスフローセンサー内のエラーは除外できない。他のセンサーを使用して算出した値から測定した全特性がどの程度逸脱しているのか、またその値がどの方向に逸脱しているのかを比較することによって、ほとんどの場合故障状態の出所を特定し得る。

図８は、ＦＰＳ及びＣＰＳが互いにどのような相互関係を持つかを示す主要な描画である。ＦＰＳトライアングルセンサーの１つにエラーを検出した場合、ＣＰＳトライアングルを使用して、そのセンサーのどれにエラーがあるのかを見つけ出すことができる。同様に、ＣＰＳトライアングルセンサーの１つにエラーを検出した場合、図７に記載する方法に従って、ＣＰＳトライアングルを使用して、どのセンサーにエラーがあるのかを見つけ出すことができる。

なお、本発明における他の変形例が考えられ、いくつかの例は、本発明のいくつかの特徴は他の特徴の対応する使用なしに使用することができることが理解される。従って、添付の特許請求の範囲が本発明の範囲と一致するように広く解釈されることが適当である。

Claims (15)

1. サンプリング機器の正常機能を確認する方法において、前記方法が：
   ａ）吸気口（２）及び排気口（３）と、
   前記吸気口（２）と排気口（３）との間に延在する流路（４）と、
   前記流路（４）に沿って配置されて前記流路（４）に気体流を通すように構成されたポンプと、
   前記流路（４）の内側に配置された第１マスフローセンサー（６）と、
   前記流路（４）の内側で第１の圧力を測定するように構成された前記マスフローセンサー（６）の近傍に配置した第１圧力センサー（７）と、
   前記流路（４）の外側に配置された第２圧力センサー（８）であり、周囲の大気圧である第２圧力を測定するように構成された第２圧力センサー（８）と、
   を具えるポンプ装置（１）を提供するステップと；
   ｂ）前記第１圧力と前記第２圧力との間の圧力差を算出するステップと；
   ｃ）前記圧力差と出力シグナルの事前較正表の値とを比較して、前記第１マスフローセンサー（６）からの出力シグナルについてのエラー値を、前記圧力差に応じて算出するステップと；
   ｄ）算出した前記エラー値が既定の閾値を上回る場合に、前記算出したエラー値を含むエラーシグナルを提供するステップと；
   を具え、
   前記ポンプ装置（１）がサンプリング装置に接続されており、当該サンプリング装置を通って、前記ポンプ装置（１）を用いて前記気体流を吸引し、
   前記方法が、前記算出する圧力差が既定値を上回る場合に、サンプリング装置の詰まり又は閉塞を示すエラーシグナルを提供して、前記算出する圧力差が既定値を下回る場合に、前記サンプリング装置の破損及び／又は漏れを示すエラーシグナルを提供するステップを更に含むことを特徴とする方法。
2. 請求項１に記載の方法が更に、前記算出したエラー値が前記既定の閾値を下回る場合に、前記第１マスフローセンサー（６）からの前記出力シグナルを調節するステップを具えることを特徴とする方法。
3. サンプリング機器の正常機能を確認する方法において、前記方法が：
   ａ）吸気口（２）と排気口（３）と、
   前記吸気口（２）と排気口（３）との間に延在する流路（４）と、
   前記流路（４）に沿って配置されて前記流路（４）に気体流を通すように構成されたポンプと、
   ポンプ運転速度センサー（１１）と、
   前記流路（４）内側に配置された第１マスフローセンサー（６）と、
   前記マスフローセンサー（６）の近傍に配置されて前記流路（４）の内側の第１の圧力を測定するように構成された第１圧力センサー（７）と、
   前記流路（４）の外側に配置された第２圧力センサー（８）であり、周囲の大気圧である第２圧力を測定するように構成された第２圧力センサー（８）と、
   を具えるポンプ装置（１）を提供するステップと；
   ｂ）第１マスフローセンサー（６）を用いて測定するマスフローと、
   前記第１圧力センサーと前記第２圧力センサーを用いて測定する圧力差と、
   前記ポンプ運転速度センサー（１１）を用いて測定するポンプ運転速度と、
   の３つの特性のうちのいずれか１つを第１特性として測定するステップと；
   ｃ）前記３つの特性の第２特性であって、前記第１特性と異なる第２特性を測定するステップと；
   ｄ）ステップｂ）及びｃ）で測定した特性から、ステップｂ）及びｃ）で測定しなかった第３特性の近似値を算出するステップと；
   ｅ）ステップｂ）及びｃ）で測定していない第３特性を測定するステップと；
   ｆ）前記第３特性の近似値と前記第３特性の測定値との差を算出するステップと；
   ｇ）前記算出した差が規定値を上回る場合に、前記サンプリング機器が正常に機能していないことを表示するエラーシグナルを提供するステップと；
   を具えることを特徴とする方法（ＦＰＳ関係）。
4. サンプリング機器の正常機能を確認する方法において、前記方法が：
   ａ）吸気口（２）と排気口（３）と、
   前記吸気口（２）と排気口（３）との間に延在する流路（４）と、
   前記流路（４）に沿って配置されて前記流路（４）に気体流を通すように構成されたポンプと、
   ポンプ運転速度センサー（１１）と、
   前記ポンプの消費電流を測定するポンプ消費電流センサー（１６）と、
   前記流路（４）の内側に配置された第１マスフローセンサー（６）と、
   前記マスフローセンサー（６）の近傍に配置されて前記流路（４）の内側の第１の圧力を測定するように構成された第１圧力センサー（７）と、
   前記流路（４）の外側に配置された第２圧力センサー（８）であり、周囲の大気圧である第２圧力を測定するように構成された第２圧力センサー（８）と、
   を具えるポンプ装置（１）を提供するステップと；
   ｂ）前記ポンプ消費電流センサー（１６）を用いて測定するポンプ消費電流と、
   前記第１圧力センサーと前記第２圧力センサーを用いて測定する圧力差と、
   前記ポンプ運転速度センサー（１１）を用いて測定するポンプ運転速度と、
   の３つの特性のうちのいずれか１つを第１特性として測定するステップと；
   ｃ）前記３つの特性の第２特性であって、前記第１特性と異なる第２特性を測定するステップと；
   ｄ）ステップｂ）及びｃ）で測定した特性から、ステップｂ）及びｃ）で測定しなかった第３特性の近似値を算出するステップと；
   ｅ）ステップｂ）及びｃ）で測定していない第３特性を測定するステップと；
   ｆ）前記第３特性の近似値と前記第３特性の測定値との差を算出するステップと；
   ｇ）前記算出した差が規定値を上回る場合に、前記サンプリング機器が正常に機能していないことを表示するエラーシグナルを提供するステップと；
   を具えることを特徴とする方法（ＣＰＳ関係）。
5. 請求項３及び４に記載の方法を用いてサンプリング機器の正常機能を確認する方法であって、
   ａ）請求項３に記載の前記方法（ＦＰＳ関係）がエラーシグナルを提供しており、請求項４に記載の前記方法（ＣＰＳ関係）もエラーシグナルを提供している場合に、前記圧力センサー（７）又はポンプ（５）が故障していることを表示する第３のエラーシグナルを提供するステップと；
   ｂ）請求項３に記載の前記方法（ＦＰＳ関係）はエラーシグナルを提供しているが、請求項４に記載の前記方法（ＣＰＳ関係）はエラーシグナルを提供していない場合に、不確定な流量測定を表示する第４のエラーシグナルを提供するステップと；
   ｃ）請求項３に記載の前記方法（ＦＰＳ関係）はエラーシグナルを提供していないが、請求項４に記載の前記方法（ＣＰＳ関係）がエラーシグナルを提供している場合に、ポンプ（５）のエラーを表示する第５のエラーシグナルを提供するステップと；
   を具えることを特徴とする方法。
6. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載の方法において、前記ポンプ装置（１）が吸気口フィルタ（１４）と排気口フィルタ（１５）を更に具え、前記方法が、
   前記算出した圧力差が既定値を下回る場合に、前記ポンプ装置（１）の吸気口フィルタ（１４）又は排気口フィルタ（１５）の破損を表示するエラーシグナルを提供するステップを更に具えることを特徴とする方法。
7. 請求項１乃至６のいずれか一項に記載の方法において、前記ポンプ装置（１）が周囲温度センサー（１２）を更に具え、前記方法が更に：
   周囲温度センサー（１２）によって周囲温度を測定するステップと、
   マスフローセンサーが提供する基準温度測定値を用いて前記流路（４）の中の温度を測定するステップと、
   測定した周囲温度と測定した流路（４）の中の基準温度との間の温度差を、ＣＰＵ（９）を用いて算出するステップと、
   前記算出した温度差が既定閾値を上回る場合に、エラーシグナルを提供するステップと、
   を具えることを特徴とする方法。
8. 請求項７に記載の方法が更に、算出に用いる周囲温度値を、所定の値に手動で設定するオプションを提供するステップを具えることを特徴とする方法。
9. 請求項１乃至６のいずれか一項に記載の方法において、前記ポンプ装置（１）が周囲温度センサー（１２）を更に具え、前記方法が、測定したマスフローと測定した周囲温度とから理想気体の法則を用いて体積流量を算出するステップを更に具えることを特徴とする方法。
10. 請求項７又は８に記載の方法において、前記方法が：
    前記排気口（３）又は吸気口（２）に第２マスフローセンサーを着脱可能に接続するステップと；
    前記第１マスフローセンサー（６）によって第１マスフロー値を、前記第２マスフローセンサーによって第２マスフロー値を測定するステップと；
    前記第１マスフロー値と第２マスフロー値との間の差の算出をするステップと；
    前記算出差値を表す出力シグナルを提供するステップと；
    を更に具えることを特長とする方法。
11. 請求項１０に記載の方法が更に、前記第１マスフローセンサーの前記出力シグナルを調節して前記算出差値を補正するステップを具えることを特徴とする方法。
12. 請求項１０又は１１に記載の方法において、前記ポンプ装置が記憶媒体（１０）を更に具え、前記周囲温度、第１マスフロー値、第２マスフロー値、第１圧力、第２圧力、基準温度、及び、算出したエラーの少なくとも１つの値が、前記記憶媒体（１０）にその時間と値を書き込むことによって記録されることを特徴とする方法。
13. 請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の方法において、制御装置に１つ又は複数のポンプ装置（１）が連通して接続されていることを特徴とする方法。
14. 請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の方法において、１つ又は複数のポンプ装置（１）が、互いに連通して接続されていることを特徴とする方法。
15. 請求項１乃至１４のいずれか一項に記載の方法において、前記ポンプ装置が：
    ＣＰＵ（９）（中央演算処理装置）と、
    記憶媒体（１０）とを更に具え、
    前記記憶媒体（１０）に全ての方法ステップがコンピュータープログラム内の命令として保存されており、当該コンピュータープログラムが前記ＣＰＵ（９）で実行され、
    全ての算出ステップが前記ＣＰＵ（９）を用いて実行されることを特徴とする方法。