JPH01110218A

JPH01110218A - 気体流量計及び気体流量制御装置

Info

Publication number: JPH01110218A
Application number: JP26893587A
Authority: JP
Inventors: Someyoshi Arai; 新井　染吉; Naomi Koike; 小池　菜穂美
Original assignee: DKK Corp; Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Denka Co Ltd; DKK Corp
Priority date: 1987-10-24
Filing date: 1987-10-24
Publication date: 1989-04-26

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、容器から流出する気体の流量を測定する気体
流量計及び前記流量を制御する気体流量制御装置に関す
る。

（従来の技術）従来、容器から流出する気体の流量を測定する場合には
、いわゆる面積式流量計、差圧式流量計羽根車式流量計
等を用いるのが一般的であり、特に、微少な流量を測定
する場合には面積式流量計が通常使用されている。

すなわち、第５図に示すように、面積式流量計２１は、
テーパ形状のガラス管２２内にフロート２３を浮かべた
ものであり、この流量計２１の下方から上方へ気体を流
すと、フロート２３は流量の増減に応じてガラス管２２
内を上下に移動し、その変位により流量を測定するもの
である。

この面積式流量計２１は、流量を測定するべき気体が通
過する管路の一部に設けられているものであり、例えば
、第６図に示すような化学発光法を利用したオゾン測定
装置に用いられる。

第６図中、３１はエチレンガスボンベであり、このボン
ベ３１から送り出されたエチレンは、約２０ｍｎ／ｍｉ
ｎの流量をもって圧力メータ３２．バルブ３３及び前記
面積式流量計２１を通過した後、分析セル３４に流入す
る。分析セル３４に流入したエチレンは、図中ａからｂ
の経路で一定流量で流入するオゾンの混入した試料大気
と化学発光反応し、光電子増倍管３５及び検出回路３６
によりオゾン濃度が測定される。

このようなオゾン測定装置では、エチレンガスを正確な
流量で分析セル３４に供給し、この分析セル３４内で大
気中のオゾンと反応させる必要があるので、高精度の流
量測定装置が不可欠である。

また、この種の装置における気体の流量は極めて微少な
ものであり、これを正確に制御することが要請されてい
る。

（発明が解決しようとする問題点）しかし、上記オゾン測定装置におけるように極めて微小
な流量、例えば数＋ｍｊｌ／ｍｉｎの流量を測定する場
合には、従来の面積式流量計等では流量が検出にかから
ないか、あるいは検出にかかっても誤差が大きいなどの
不都合を生じていた。

また、流量制御に際しても、従来では、例えば面積式流
量計２１を目視して確認しながらバルブ３３を開閉制御
する等の手段によらなくてはならず、このバルブ３３が
温度変化等によってドリフトを生じやすいこと等に起因
して、正確な流量制御が不可能であり、またバルブ３３
の操作も煩雑であるという問題があった。

本発明は上記問題点を解決するために提案されたもので
あり、容器内から流出する気体の流量を測定または制御
する場合において、流量の多少に拘らず、特に、その流
量が極めて微少であっても高精度で測定または制御する
ことができる気体流量計及び気体流量制御装置を提供す
ることを目的とする。

（問題点を解決するための手段）上記目的を達成するため、まず、本発明にかかる気体流
量計は、容器内に収容された気体の温度及び圧力を検出
する温度センサ及び圧力センサを設け、これらのセンサ
によって検出した気体の温度及び容器内における気体の
流出前後にわたる単位時間当りの圧力変化と、容器内の
気体の体積と、予め設定された気体の標準状態における
温度及び圧力とを用いてＣＰＵ等にて演算を行うことに
より、容器から流出した気体の流量を算出することを特
徴とする。

更に、本発明にかかる気体流量制御装置は、前記気体流
量計により算出した流量を予め設定された基準流量と比
較する流量比較手段と、この流量比較手段の出力信号に
応じて容器内の気体の最低圧力を調整する最低圧力調整
手段と、圧力センサによって検出された容器内の気体の
圧力と前記最低圧力とを比較して気体流入路に設けられ
たガスポンプや電磁弁等を制御し、もって容器への気体
の流入量を制御する流入量制御手段とを設けたことを特
徴とする。

（作用）本発明にかかる気体流量計によれば、容器から気体が流
出している状態において、まず、ある時刻ｔ１及びこれ
から一定時間経過した時刻ｔｚにおける容器内の気体の
温度及び圧力が温度センサ及び圧力センサによりそれぞ
れ検出され、これらのセンサからの信号はＡ／Ｄ変換等
を行った後、メモリに格納される。

演算手段では、メモリに格納された上記圧力デ−夕から
単位時間あたりの気体の圧力変化を求め、この圧力変化
と、容器内の気体の体積と、標準状態の気体の温度との
積を求め、この積を、メモリ□に格納された温度データ
としての気体の温度と標準状態の気体の圧力との積で除
算することにより、容器から流出した気体の流量を算出
する。

なお、上述した容器内の気体の体積（容器の容積）、標
準状態における気体の温度及び圧力は、例えばメモリに
予め格納されている。

また、本発明にかかる気体流量制御装置によれば、適宜
設定した気体の最低圧力を初期値とし、この初期値と容
器内の気体の圧力とを流入量制御手段において比較する
。その結果、実際の気体の圧力が最低圧力よりも低けれ
ば気体を容器内に送るように流入路のガスポンプ等を制
御する。逆に高ければ、実際の気体の圧力が低下するま
で待つ。

次に、上述した気体流量計により容器からの気体の流量
を求め、この流量と適宜設定した基準流量とを流量比較
手段により比較する。

その結果、実際の流量が基準流量よりも多ければ圧力調
整手段を介して前記最低圧力を下げ、また、実際の流量
が基準流量よりも少なければ最低圧力を上げることによ
り、流入量制御手段を介して容器への気体流入量が制御
され、この繰返しによって流出路からの気体流量が基準
流量に一致することになる。

（実施例）以下、図に沿って本発明の一実施例を説明する。

まず、第１図は、この実施例に係る気体流量計の構成を
示すものである。

同図において、Ａは例えばエチレン等の気体の流出路Ｂ
及び流入路Ｃを有する変形しない容器である。また、１
及び２は、容器Ａに設けられた圧力センサ及び温度セン
サであり、これらのセンサ１．２はそれぞれ圧力検出器
３及び温度検出器４に接続されている。

また、圧力検出器３及び温度検出器４はＣＰＵ等からな
る演算部５に接続され、この演算部５には、圧力検出器
３及び温度検出器４がらの圧力。

温度信号を格納するメモリ６が接続されている。

＝７− ここで、演算部５及びメモリ６はマイクロコンピュータ
にて構成されており、メモリ６には、容器Ａ内に収容さ
れる気体の体積（すなわち容器Ａの容積）と、標準状態
における気体の圧力及び温度（例えば１気圧、２０℃）
とが予め記憶されている。

更に、流出路Ｂには気体抵抗素子７が接続されている。

いま、ある時刻ｔ１における容器Ａ内に収容された気体
の圧力をＰＡｌ、体積をＶＡ、温度をＴ＾１゜気体のモ
ル数をｎＡ１とし、気体定数をＲとすると、容器Ａ内部
における気体の状態方程式は、ＰＡｘＶＡ＝ｎＡｘＲＴ
＾ｔ　　　　　　−−（１）で表される。

また、時刻ｔ１以後、時間ｔが経過した時刻ｔ２におい
て、気体が容器Ａから流出路Ｂに流出することにより容
器Ａ内における気体の圧力、温度。

モル数がそれぞれＰＡ２．　ＴＡ２．　ｎＡ２となった
とすると、状態方程式は、ＰＡ２ＶＡ＝ｎＡｚＲ’ＴＡｚで表される。ここで、気体の流出量が微少である＝８− とすると容器Ａ内の気体温度は一定とみなすことができ
るため、Ｔ＾□”　Ｔ　Ａ　２と近似できる。従って、
上式は、ＰＡ２ＶＡ：ｎＡｚＲＴＡｔ　　　　　　−−（２）で
表されることになる。

また、時刻ｔ１からｔ２に到る間に容器Ａから流出した
気体のモル数をｎｕ、体積をＶａとし、この気体が標準
状態の圧力Ｐａ及び温度ＴＢであるとすると、この気体
の状態方程式は、ＰｎＶｓ＝＝ｎｎＲＴｎ　　　　　　　−（３）で表さ
れる。

ところが、ｎＢ：’：ｎＡｔ　　　　ｎＡｚであるので、（１）及び（２）式より、となる。ゆえに
、（３）、　（Ｑ式より、ＴＡＸ　　　　　　ＰＲとなる。ここで、ＰＡｔ　　ＰＡ２＝ΔＰＡ、ｔｚ−ｔ
ｔ＝ｔとすると、流量Ｑは、で表される。

次に、上述した事項を前提として、この実施例の作用を
以下に説明する。

いま、流入路Ｃを介して容器Ａ内に収容された気体が、
気体抵抗素子１１により抵抗を受けながら時刻ｔ１から
時刻ｔ２にわたって流出路Ｂに流出するとする。

まず、時刻ｔ１における容器Ａ内の気体の圧力Ｐａｔ及
び温度ＴＡＩＬが圧カセンサｌ、温度センサ２により検
出され、圧力検出器３及び温度検出器４による増幅、Ａ
／Ｄ変換等の後、これらのデータがメモリ６に格納され
る。同様に、時刻ｔ２における容器Ａ内の圧力ＰＡ２及
び温度ＴＡ２も前記各検出器３，４を介してメモリ６に
格納される。

演算部５では、メモリ６に格納された圧力データにより
、まず容器Ａ内における単位時間あたりの圧力変化ΔＰ
Ａ（：　Ｐａ１−ＰＡＤ）／ｌを算出する。

そして、前述の（５）式に従い、上記へＰＡ／ｌと、容
器Ａ内の気体の体積Ｖ＾と、標準状態の気体の温度ＴＢ
との積を求め、この積を、時刻ｔ□における気体温度Ｔ
、ｘｔと標準状態の気体の圧力ＰＲとの積で除算する。

これによ・す、時刻ｔ□から時刻ｔ２までの間の気体の
平均流量Ｑａｖを算出することができる。

ここで、容器Ａから流出する流量が極めて微少である場
合（例えば数十ｍρ／ｍｉｎ以下である場合）には（５
）式におけるｔを大きく、流量が比較的大きい場合には
ｔを小さく設定すればよい。

上記処理を何度か行い、演算部５に接続された図示しな
い出力装置によって演算結果をプロットすると、第２図
（Ａ）で示すようなグラフとなる。

また、このグラフを積分することにより、任意の期間に
おける全流量を求めることも可能となる。

流量が比較的大きい場合には上述のようにｔを小さくと
ればよいが、このような場合には、演算部５によりある
時刻における容器内の気体圧力を微分する方法を採用す
ればよい。

すなわち、この場合の演算部５による演算は、前記（５
）式においてｊ　−＋　Ｑとした式、すなわち、に基づ
いて行われる。この場合の時間ｔに対する流量Ｑの関係
は、例えば第２図（Ｂ）に示すとおりとなる。

次に、第３図は、上述した気体流量計を応用した別の発
明としての気体流量制御装置の一実施例を示すものであ
る。

同図において、１〜７及びＡ−Ｃは第１図に示したもの
と同一であり、重複を避ける意味でその説明を省略する
゛。

図中、８は出力のリップルを減少させるためにバッファ
として作用する容器、９は気体流量計により算出された
流量Ｑと流出路Ｂから流出するべき基準流量Ｑｌ′とを
比較する流量比較部、１０は流量比較部９の出力信号に
応じて気体の最低圧力を調整する最低圧力調整部、１１
は前記最低圧力と圧力センサ１により検出された容器Ａ
内の気体の圧力とを比較し、その結果に応じて信号を出
力する＝１２− 圧力比較部、１２は圧力比較部１１の出力信号に応じて
制御されるガスポンプや電磁弁等の流入量調整部、また
１３は圧力比較部１１及び流入量調整部１２により構成
される流入量制御部である。

以下、この実施例における流量制御の手順を第４図のフ
ローチャートに従って詳述する。

まず、流入量調整部１２の動作により容器Ａ内に気体が
充満され、この気体が気体抵抗素子７を介して流出路Ｂ
から流出しているとする。この状態において、最低圧力
調整部１０により圧力比較部１１に最低圧力ＰＬの初期
値としてＰｏがセットされる（ステップＳＬ）。

次に、容器Ａ内の気体の圧力ＰＡを圧力センサ１により
検出しく同Ｓ２）、この圧力ＰＡが最低圧力ＰＬ以下で
あるか否かを圧力比較部１１において判断する（同Ｓ３
）。そして、圧力ＰＡが最低圧力ＰＬよりも高いときに
はステップＳ２に戻る。

圧力ＰＡが最低圧力ＰＬよりも低いときには、圧力比較
部１１の出力信号により、流入路Ｃに設けられた流入量
調整部１２を動作させ、気体を容器Ａ内に流入させて容
器Ａ内の圧力ＰＡを最低圧力ＰＬ以上にする（同Ｓ４）
。

次に、前述した気体流量計により容器Ａから流出路Ｂに
流出する気体の流量Ｑを算出する（同Ｓ５）。この流量
Ｑは流量比較部９に入力され、流量比較部９では、流量
Ｑが予め設定されている基準流量Ｑ１１と等しいか否か
が判断される（同Ｓ６）。

流量Ｑが基準流量Ｑ’と等しい場合には流量比較部９は
信号を出力せず、先のステップＳ２に戻って圧力の監視
を続行する。また、流量Ｑが基準流量Ｑと等しくない場
合には、両者の大小関係が流量比較部９によって引き続
き判定される（同Ｓ７）。

そして、流量Ｑが基準流量Ｑ”よりも多い場合には、最
低圧力調整部１０は最低圧力を現在の値ＰＬよりも低く
設定し直しく同Ｓ８）、ステップＳ２に戻る。逆に、流
量Ｑが基準流量Ｑ１１よりも少ない場合には、最低圧力
を現在の値Ｐｔよりも高く設定し直しく同Ｓ９）、ステ
ップＳ２に戻る。

以下、一定の時間間隔をおいて容器Ａ内の圧力ＰＡと最
低圧力ＰＬとを比較し、圧力ＰＡが最低圧力ＰＬよりも
低いときには容器Ａ内に気体を流入させて気体流量計に
より求めた流量Ｑを基準流量Ｑ８と比較すると共に、流
量Ｑが基準流量Ｑ８に一致するまで最低圧力を逐次変更
していくものである。こうすることにより、流出路Ｂか
ら流出する気体の流量を常時一定に制御することが可能
になる。

なお、本発明にかかる気体流量計及び気体流量制御装置
は、エチレン等ばかりでなくあらゆる気体に対して適用
可能である。

（発明の効果）以上詳述したように、本発明にかかる気体流量計によれ
ば、面積式流量計等に比べて気体流量の多少に拘らず誤
差なく流量を測定できるという効果があり、また、その
主要部はマイクロコンピュータ等によって構成できるた
め小形化が可能である。

更に、本発明にかかる気体流量制御装置によれば、流量
を人為的に確認しながらバルブを操作する従来のものに
比べて正確な流量制御が可能になる。

特に、例えばオゾン測定装置における分析セルへのエチ
レンの供給手段においては、数十ｍΩ／ｍｉｎ以下の微
少流量の測定及び制御が必要であり、本発明の気体流量
計及び気体流量制御装置はこれらの用途に最適である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明にかかる気体流量計の一実施例を示す構
成図、第２図（Ａ）、（Ｂ）は流量と時間との関係を示
すグラフ、第３図は本発明にががる気体流量制御装置の
一実施例を示す構成図、第４図はその動作を示すフロー
チャート、第５図は面積式流量計の説明図、第６図はオ
ゾン測定装置の構成図である。Ａ・・・容器　　　　Ｂ・・・流出路　　　Ｃ・・・流
入路１・・・圧力センサ　　　　　　　　２・・・温度
センサ３・・・圧力検出器　　　　　　　４・・・温度
検出器５・・・演算部　　６・・・メモリ　　７・・・
気体抵抗素子８・・・容器　　　　　　　　　　９・・
・流量比較部１０・・・最低圧力調整部　　　　　１１
・・・圧力比較部１２・・・流入量調整部　　　　　１
３・・・流入量制御部特許出願人電気化学計器株式会社第１図第２図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）気体流出路を有する容器内に収容された気体の温
度及び圧力を検出する温度センサ及び圧力センサと、前記容器内の気体の体積と気体の標準状態における温度
と前記容器内における気体の流出前後にわたる単位時間
当りの圧力変化との積を、前記容器内の気体の温度と気
体の標準状態における圧力との積により除算して前記気
体流出路から流出した気体の流量を算出する演算手段と
、を設けたことを特徴とする気体流量計。
（２）気体流入路と気体流出路とを有する気体収容容器
と、この容器内に収容された気体の温度及び圧力を検出する
温度センサ及び圧力センサと、前記容器内の気体の体積と気体の標準状態における温度
と前記容器内における気体の流出前後にわたる単位時間
当りの圧力変化との積を、前記容器内の気体の温度と気
体の標準状態における圧力との積により除算して前記気
体流出路から流出した気体の流量を算出する演算手段と
、この演算手段により算出された流量を予め設定された基
準流量と比較する流量比較手段と、この流量比較手段の
出力信号に応じて前記気体の最低圧力を調整する最低圧
力調整手段と、前記最低圧力と前記容器内の気体圧力の
検出値とを比較して前記気体流入路から前記容器に流入
する気体の流入量を制御する流入量制御手段と、を設け
たことを特徴とする気体流量制御装置。