JPH07280606A

JPH07280606A - 流量を測定する方法及び流量計

Info

Publication number: JPH07280606A
Application number: JP7082081A
Authority: JP
Inventors: William Stephen Woodward; ウィリアム・スティーブン・ウッドワード
Original assignee: CURTIN MATHESON SCIENT Inc; KAATEIN MASESON SAIANTEIFUITSUKU Inc
Current assignee: CURTIN MATHESON SCIENT Inc; KAATEIN MASESON SAIANTEIFUITSUKU Inc
Priority date: 1994-03-15
Filing date: 1995-03-15
Publication date: 1995-10-27
Anticipated expiration: 2019-07-07
Also published as: CA2144251C; EP0672893B1; AU1482295A; JP3540860B2; US5723783A; EP0672893A2; DE69530880D1; DE69530880T2; CA2144251A1; AU689196B2; EP0672893A3

Abstract

(57)【要約】【目的】従来の欠点を除去した音響容積流量計を提供
する。【構成】流体が流路に沿って流れるようにし、流路を
制限することによって、流体の流れを変位部材を備える
変換器に向け、流路が制限されている間に変換器から流
体流による変位を表す信号を発生し、変換器を利用し
て、流量を求め、制限を取り除いて、再び、流体が流路
に沿って流れるようにすることによって、音響容積流量
計による、可制御弁を含む流路における流体の流量測定
が行われる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本特許文書の開示の一部には、著
作権保護を受ける素材が含まれている。著作権の所有者
は、特許商標庁の特許ファイルまたは記録に現れる特許
文書または特許開示の何人かによる複写による再製に異
議を唱えるものではないが、それ以外については、いか
なるものであれ、全ての著作権を留保するものである。

【０００２】本発明は、流体の流量測定装置に関するも
のである。とりわけ、本発明は、流体の流量を表した電
気信号を発生する流体の流量測定装置に関するものであ
る。

【０００３】先行技術には、流体の流量を電子的に測定
するための技法が数多く存在する。一般に、こうした技
法は、測定器の較正を可能にするため、測定される流体
の物理的特性に関する事前の知識を必要とする。こうし
た物理的パラメータの典型的な例には、流体の比熱、圧
縮率、密度、粘度、及び、熱伝導率がある。これらの物
理的パラメータの多くは、それ自体、流体の組成に依存
している。流体の組成が、未知であるか、あるいは、予
測不能に変化する適用例の場合、こうした技法は、不正
確かつ不適性である。

【０００４】先行技術による技法の多くに固有のその他
の欠点には、「ターン・ダウン・レシオ」と呼ばれるて
いる、正確な測定を確実に行うことが可能な流量範囲が
制限されること、及び、流量計が接続され、動作状態に
おいて、流路に発生する許容できない背圧がある。

【０００５】先行技術に関する上述の欠点を克服しよう
と試みて、流体の物理的パラメータに対する感度の低い
流量計が開発されている。こうしたクラスの流量計の１
つは、一般に容積式流量計と呼ばれる。容積式流量計の
場合、流量の測定を受ける流体は、ぴったりと合うピス
トンを備えたシリンダのような、その容積が流体の流量
に等しい割合で増大する（例えば、ピストンの変位によ
って）定期的に独立した密閉室に集積する。密閉容積の
増大率を測定することによって（例えば、ピストンの変
位量を表した信号を発生することによって）、流体流量
を計算することが可能になる。特定の流量計の細部（密
閉容積の規定方法、及び、容積の変化率を変換する技
法）は、所与の容積流量計のスタイル及び用途によって
異なるが、こうした流量計は、全て、測定される流体の
物理的パラメータとは無関係な、流体流量測定において
妥当な精度の望ましい特性を備えている。しかし、既知
の大部分の容積流量計における重大な欠点は、測定信号
を発生するため、密閉室の可動表面を変位させる必要が
あるために生じる流体流の乱れである。このため、定期
的に導入される流体流の背圧に対して鋭敏な用途への上
記した流量計の利用を不適切なものにする背圧特性が導
入される。

【０００６】有害な背圧効果を低減するために開発され
た容積タイプのガス流量計の１つが、ソープ・フィルム
・タイプの容積流量計である。このタイプの流量計の場
合、密閉容積は、一般に、透明ガラスから製造される、
平滑な壁面を有する円筒形の管によって決まる。この管
の入口端は、流量測定を受けるガスに接続され、出口
は、周囲に対して開放されている。ガス流が進むことに
よって、管の内容積に沿って一掃されるソープ・フィル
ムを導入するための装置が、入口端に隣接して設けられ
ている。管に沿って所定の位置に配置された光センサ
が、管の内部に沿って移動するソープ・フィルムの移動
時間を測定し、この時間値が、既知のアルゴリズムを用
いて、流体流量に変換される。粘度及び表面張力効果の
比較的小さい力だけしか、ソープ・フィルムの移動、従
って、ガス流の流れを妨げるものがないので、このタイ
プの流量計によって発生する背圧は、一般に、十分に許
容可能な低さである。さらに、ソープ・フィルム流量計
は、動的測定範囲が他の容積流量計よりもかなり広い
（一般に、約０．５〜約５００Ｍｌ／分の範囲）。ま
た、このタイプの流量計は、製造及び保守コストが比較
的低い。ソープ・フィルム流量計の主たる欠点は、ソー
プ・フィルムを定期的に発生させて、流体流中に送り込
み、それを排出しなければならないということである。
このソープ・フィルムの発生は、一般に、人間のオペレ
ータの存在を必要とし、自動または無人操作の妨げとな
る手動操作式バブル発生装置によって実施される。ま
た、ガス流に湿ったフィルムが導入されるので、ガス流
が水蒸気で汚染されるが、これは、ガスを伴う多くのイ
ンライン用途には適さない。さらに、ソープ・フィルム
・タイプ流量計は、液体を伴う流量計用途には全く適し
ていない。

【０００７】上述のフィルム流量計に対する改良が、そ
の開示が参考までに本書に組み込まれている、１９９２
年１月２８日に提出された、譲渡先が同一である、ＡＣ
ＯＵＳＴＩＣＤＩＳＰＬＡＣＥＭＥＮＴＦＬＯＷＭ
ＥＴＥＲと題する、同時係属の米国特許出願第０７／８
２７，１７６号に開示されている。引用した出願には、
流体の物理的パラメータに関する事前の知識を必要とせ
ず、流体の流路にほとんど背圧を導入することがなく、
流路に汚染を導入することがなく、測定可能な流量の動
的範囲が広く、多種多様なガス及び液体の流体流用途に
適合し、完全な自動操作が可能な、容積タイプ流量計が
開示されている。この容積流量計は、変位部材を備え、
流体の流路に結合する流体ポート、及び、ポートに流体
が進入することによって生じる変位部材の移動を表した
信号を送り出す信号出力が設けられた、コンプライアン
スの高いアコスティックタイプの変位変換器と、変位変
換器の信号出力に結合されて、ある測定期間にわたる流
体の流量の平均値を計算する手段から構成される。計算
手段には、流体の流路内に配置された可制御弁が、流体
の進路を変えて、変換器の流体ポートに送り込むことが
できるようにするための制御信号を発生する手段と、制
御信号の発生に応答して、変換器の出力信号の初期部分
にマスキングを施す手段と、初期部分以降の変換器出力
信号を積分する手段と、積分手段の値についてサンプリ
ングを行う手段と、サンプル値を合計する手段と、
（ａ）サンプル値の大きさが、所定の最大値に達すると
いう条件と、（ｂ）測定期間が所定の最大値に達すると
いう条件のうち一方が生じれば、制御信号を終了させる
手段が設けられている。計算手段は、式Ｆ＝２Ｓ／［ｂ
ｎ（ｎ＋１）］から流体の流量値を求めるが、ここで、
Ｆは求められる流量、Ｓは合計されるサンプルの合計
値、ｎは得られるサンプル数、及び、ｂは所定の較正定
数である。マスキング手段は、下記のアルゴリズムを利
用してマスキングすべき初期部分の長さＴを求める手段
を具備することが望ましい：ｉｆＦｉｓ≧Ｋ，ｔｈｅｎＴ＝０ｉｆＦｉｓ＜Ｋ，ｔｈｅｎＴ＝Ａ［（Ｋ−ｆ）／
Ｋ］ここで、Ｆは、以前の測定によって求められた流体の流
量、Ｋは、測定すべき値の所望の範囲内に含まれる、あ
らかじめ選択された一定の流量値、Ａは、あらかじめ選
択された一定の持続時間である。該計算手段には、オプ
ションで、流量計を始動させるための手動操作式スイッ
チ、所定の時間期間が経過すると流量計の動作を終了さ
せるタイマ、及び、サンプリング手段が、所定の時間期
間が経過する前に、手動操作式スイッチが動作したこと
を示す場合には、必ず、流量計の動作を延長させるため
の手段も設けられる。

【０００８】アコスティック容積流量計の動作時、ま
ず、流体の流路に沿って流体が流され、その後、流体の
流れは、流路内の弁を動作させて、一時的に流路が制限
されるようにするやり方で流路を制限し、この結果、流
体を変位部材を備えた変換器に流れるように変換器に向
ける。変換器から発生する、流路の制限中に生じる流体
の流れによる変位を表した信号を利用し、その信号を測
定期間にわたって積分し、積分信号値のサンプリングを
行い、サンプル値を合計し、Ｆに関する上述の式から流
量を求めることによって、流体の流量が求められる。そ
の式から流量が求められた後、流量信号の積分値が所定
の最大値に達するか、あるいは、測定期間が所定の最大
値に達すると、弁を動作させて、流路の制限を解除する
ことによって、流体を再び流路に沿って流す。

【０００９】上述のアコスティック容積流量計は、多く
の用途において有効に機能することが明らかになってい
るが、その装置は、一方向のみの流量測定に限定され
る。従って、順方向と逆方向の流量測定が望ましい用途
の場合、流量計を流路から外して、流路の接続を逆にし
なければならないが、これは、停止時間による遅延をも
たらすことになるので望ましくない。さらに、アコステ
ィック容積流量計は、流量が極めて広い範囲にわたって
変動する場合、実際の流量と流量測定結果との関係に生
じる不一致の影響を考慮するようには設計されていな
い。さらに、アコスティック流量計は、絶対温度及び絶
対圧力の変化に起因する、流量を測定中であるガスの体
積の変動を考慮するようには設計されていない。最後
に、アコスティック容積流量計に必要な初期較正プロセ
スは、比較的労働集約型であり、計器が十分に信頼でき
るとみなすことが可能になる前に、既知の正確さを備え
た流量基準の参照を伴うテスト手順を必要とする。

【００１０】上記欠点のないアコスティック容積流量計
を設計しようとするこれまでの努力は、これまでの成果
によって報われていない。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本発明は従来の欠点を
除いたアコスティック容積流量計を実現することを目的
とするものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、ガスの組成、
及び、付加仕様により、周囲温度及び大気圧にも左右さ
れない、双方向のガス流量測定方法及び装置から構成さ
れる。さらに、本発明によれば、従来のアコスティック
容積流量計の場合に比べて、さらにダイナミック・レン
ジの広い流量信号の変換が可能になる。本発明には、さ
らに、製造中に、生産変量と流量変換器の非線形性の両
方を補償する、流量測定装置の自動較正技法が含まれ
る。

【００１３】プロセスの観点からすれば、本発明は、
（ａ）流体が流路に沿って流れるようにするステップ
と、（ｂ）流路を制限することによって、流体の流れを
流路と変位部材を備える変換器の間に向けるステップ
と、（ｃ）流路が制限されている間に、変換器から流体
流による変位を表す信号を発生するステップと、（ｄ）
変換器の信号を利用して流量を求めるステップと、
（ｅ）制限を取り除くことによって、再び、流体が流路
に沿って流れるようにするステップから構成される、流
路に沿って流れる流体の流量を測定する方法に対する改
良に相当するものである。この改良は、（ｉ）アナログ
基準信号を発生するステップと、（ｉｉ）所定の時間期
間にわたってアナログ基準信号を積分するステップと、
（ｉｉｉ）積分基準信号値がしきい値に達するまで、変
換器の信号によって積分基準信号の積分放電を行うステ
ップと、（ｉｖ）積分基準信号がしきい値に達するのに
必要な時間を利用して、流量を計算するステップが含ま
れる、前記信号利用ステップ（ｄ）に対する修正から構
成される。利用ステップ（ｉｖ）には、積分放電ステッ
プ（ｉｉｉ）の間に生じる基本サンプリング周期数Ｎを
カウントすることによって、時間を累算するステップ
と、式Ｖ＝Ａ／Ｎ−Ｂから流量を求めるステップ（ここ
で、Ｖは、体積流量、Ａ及びＢは定数である）が含まれ
る。

【００１４】改良された方法には、さらに、その比が温
度を表す第１と第２のセンサ信号を発生するステップ
と、第２の所定の時間期間にわたって、第１のセンサ信
号を積分するステップと、第１の積分信号値が、第２の
しきい値に達するまで、第２の信号によって、第１の積
分信号を積分放電するステップと、第１の積分信号が第
２のしきい値に達するのに必要な時間を利用して、温度
補正信号を計算するステップから成る、計算済みの流量
値に調整を加える温度補正信号を発生するステップも含
まれている。第１と第２のしきい値の両方の値とも、ゼ
ロであることが望ましい。

【００１５】装置の観点からすると、本発明は、流路に
結合されるようになっている流体ポート、変位部材、前
記ポートに流体が流れることによって生じる変位部材の
移動を表した信号を送り出すための信号出力を備えた変
位変換器と、その入力が前記変位変換器の信号出力に結
合されて、流体の流量値を計算するようになっている手
段から構成され、その計算手段が、可制御弁が流路と流
体ポートの間において流体の進路を切り換えることがで
きるようにするための制御信号を発生する手段と、アナ
ログ基準信号を発生する手段と、所定の時間期間にわた
ってアナログ基準信号の積分を行う手段と、積分基準信
号値がしきい値に達するまで、変換器の信号によって積
分基準信号の積分放電を行う手段と、積分基準信号がし
きい値に達するのに要する時間をカウントする手段と、
カウントした時間から流量を計算する手段と、所定の測
定期間が済むと制御信号を終了する手段から構成される
ことを特徴とする、可制御弁を含む流路における流体の
流量を測定するためのアコスティック容積流量計に相当
する。

【００１６】計算手段には、さらに、その比が温度を表
す第１と第２のセンサ信号を発生するセンサ手段と、第
２の所定の時間期間にわたって、第１のセンサ信号を積
分手段に結合するための手段と、第１の積分信号値が第
２のしきい値に達するまで、第２のセンサ信号を積分放
電手段に結合するための手段と、第１の積分信号が第２
のしきい値に達するのに必要な時間をカウントするため
の手段と、カウント手段によって得られたカウントから
温度補正信号を計算するための手段から成る、計算済み
の流体の流量を調整するための温度制御信号を計算する
手段が設けられていることが望ましい。

【００１７】

【実施例】次に、図面を参照すると、図１は、本発明の
望ましい実施例を構成する主要装置を示す概略ブロック
図である。この図から明らかなように、流路の一部に
は、流体（通常は、ガス）が送り込まれる入口１０と流
体の流路の下流部分に結合された流れの出口１１が含ま
れている。出口１２の上流で、入口１０の下流に当たる
位置に、電動式流量制限弁１４が配置されている。後述
の目的のため、分岐路１６のすぐ上流にあたる流路の入
り口部分には、流量制限器１５が設けられている。流体
流路の分岐路部分は変位変換器１７の入口ポートに結合
されている。

【００１８】流量制限弁１４は、コネチカット州ウエス
トブルックのＬｅｅＣｏｍｐａｎｙから入手可能なＬ
ＦＤＸ０５１０２５０Ａ型の弁のような、通常は開いて
いる電動式弁が望ましい。この弁は、マイクロコンピュ
ータ装置４０からバルブオンと称する制御信号を受信す
る弁制御装置１８によって制御される。弁１４は、図３
に示すバルブオン信号が活動状態になる毎に、弁制御装
置１８によって動作して閉じた状態になる。

【００１９】変位変換器１７は、ニュージャージ州ラン
ドルフのＭｏｕｓｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＣ
ｏ．から入手可能な２５ＳＴ５００型変換器のような、
高コンプライアンスのアコスティックタイプ変位変換器
から構成されるのが望ましい。変換器１７には、Ｍｙｌ
ａｒ製ダイヤフラム部材が含まれており、ガスが、ダイ
ヤフラムと剛性プレートによって囲まれた室に送り込ま
れるように、取り付けられている。変換器１７は、図４
に詳細が示されている、極性逆転回路２１に結合された
一対の出力リード１９、２０に変位を表した電気信号を
発生する。極性逆転回路は、流れの方向に基づいて、信
号の極性を反転することが可能であり、従って、流路に
沿ったいずれの方向の流れから生じた信号であっても、
極性逆転回路２１がリード２２を介して結合されてい
る、アナログ・デジタル変換器２５によって正確に処理
することが可能である。基準電圧発生器２６は、導体２
７によって、極性逆転回路２１、さらに、アナログ・デ
ジタル変換器２５に対しても、基準電圧Ｖｒを供給す
る。

【００２０】周囲圧力／温度センサ３０は、導体３２及
び３４を介して周囲圧力及び温度の測定値に関連した一
対の信号をアナログ・デジタル変換器２５に供給する。
センサ３０によって供給される２つの信号は、それぞ
れ、「ＡＭＢＩＥＮＴＳＥＮＳＯＲ」及び「ＡＭＢＩ
ＥＮＴＥＸＣＩＴＡＴＩＯＮ」と表示される。周囲セ
ンサ３０は、本質的に、小形空気だめに接続されたピエ
ゾ抵抗ゲージ圧センサからなる、日本の東京にあるフジ
クラから入手可能なＦＰＭ−０５ＰＧ型センサによって
構成するのが望ましい。このセンサは、入口ポートを密
封して、密封された内部空気だめを形成することによ
り、修正が施されている。この装置は、その比が、流量
計の雰囲気と密封したセンサの空気だめに捕獲した空気
サンプルの圧力との間における差圧を表すことになる２
つの電気信号、ＡＭＢＩＥＮＴＳＥＮＳＯＲ及びＡＭ
ＢＩＥＮＴＥＸＣＩＴＡＴＩＯＮを発生する。

【００２１】「自動ゼロ」及び「入力選択」と呼ばれる
一対の制御信号がマイクロコンピュータ４０からリード
３７、３８を介して、アナログ・デジタル変換器に供給
される。「ゼロクロス」と呼ばれるアナログ・デジタル
変換器の出力が、生データ信号として導体３９を介して
マイクロコンピュータ４０に供給される。オペレータ・
インターフェイス４２には、一対の手動操作スイッチ４
３、４４が設けられており、オペレータが、スイッチ４
３を操作して、流量計の動作を開始させ、また、スイッ
チ４４を操作して、流量測定を中断し、流量計の現在の
動作モード（体積、質量流量、線形速度等）を示すプロ
ンプト・メッセージをディスプレイ４５に表示させるこ
とが可能になっている。引き続き、スイッチ４４の動作
によって、利用可能なモード・リストにおける次の項目
が表示される。

【００２２】マイクロコンピュータ４０は、カリフォル
ニア州キャンベルのＺｉｌｏｇＩｎｃ．から入手可能
な２８４Ｃ０００４ＰＥＣ型マイクロプロセッサから構
成される。

【００２３】ディスプレイ４５は、カリフォルニア州バ
ーリンガムのＡＮＤから入手可能なＡＮＤ６７１型ディ
スプレイから構成されるのが望ましい。

【００２４】マイクロコンピュータ４０の出力ポートの
１つは、端子４８にＲＳ２３２タイプの直列データ出力
を送り出す出力ドライバ４６に結合されている。

【００２５】動作時、測定すべき流れが、流路に通さ
れ、マイクロコンピュータ４０からのバルブオン信号の
受信に応答して、弁制御装置１８が制御信号を発生し、
弁１４を閉じることによって、変位変換器１７に進路が
切り換えられる。流量制限器１５は、流路におけるガス
流に対する各種抵抗源のために、変位変換器の入力にお
ける流量が大きい場合に生じる可能性のある、望ましく
ない加圧を軽減するか、あるいは、除去する働きをす
る。流れが変換器のダイヤフラムによって密閉された容
積内に進路転換されると、こうして累積されたガスによ
って、ダイヤフラムが変位し、累積率、すなわち流量容
積に比例した電気信号が端子１９、２０から送り出され
る。

【００２６】極性逆転回路２０は、マイクロコンピュー
タ４０からの制御信号に応答して、導体１９、２２にお
ける変位信号の極性を調整し、アナログ・デジタル変換
器２５に適した極性のアナログ信号が得られるようにす
る。

【００２７】アナログ・デジタル変換器２５は、導体２
７によってＶｒ基準信号を受信し、導体３２、３４によ
って周囲センサ３０から２つの信号を受信し、導体２２
によって極性逆転器２１からの変位信号を受信し、導体
５８によってアナログ・アース基準を受信する。図２を
参照すると、アナログ・デジタル変換器２５は上記５つ
の異なる入力端子を備えた入力マルチプレクサ５０を備
えている。入力マルチプレクサ５０は、入力選択ライン
３８によってマイクロコンピュータ４０から結合される
入力選択信号の制御を受ける。

【００２８】変換器２５には、さらに、入力抵抗器５
１、自動ゼロ記憶コンデンサ５２、積分コンデンサ５
３、積分増幅器５４、限流抵抗器５５、コンパレータと
して構成された演算増幅器５６、及び、自動ゼロスイッ
チ５７が含まれている。増幅器５４、５６は、テキサス
州ダラスのＴｅｘａｓＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓから入
手可能なＴＬＣ２７Ｍ４型カッド演算増幅回路の１／２
から構成される。自動ゼロスイッチ５７は、カリフォル
ニア州サンタ・クララのＮａｔｉｏｎａｌＳｅｍｉｃ
ｏｎｄｕｃｔｏｒから入手可能なＣＤ４０５３型ＣＭＯ
Ｓマルチプレクサの一部から構成される。アナログ・デ
ジタル変換器２５は下記のように機能する。

【００２９】図３を参照すると、マイクロコンピュータ
４０は、まず、バルブオン指令を送り出し、これに続い
て、自動ゼロスイッチ５７を閉じる自動ゼロ指令を出
す。これによって、積分増幅器５４の出力が限流抵抗器
５５を介して自動ゼロ記憶コンデンサ５２に結合され
る。その後、コンデンサ５２に蓄積される電圧は、積分
器のオフセット・エラーをゼロにする働きをする。この
初期段階は、「自動ゼロ段階」と呼ばれる。導体３７に
おける自動ゼロ制御信号がデアサートされて、自動ゼロ
・スイッチ５７が停止されると、「基準積分段階」と呼
ばれる第２段階が開始される。同時に、マイクロコンピ
ュータ４０がマルチ・プレクサ５０への導体３８に入力
選択信号を送り出し、増幅器５４とコンパレータ５６の
結合入力にアナログ・アース信号を接続する。また、基
準電圧Ｖｒは、選択された所定の時間期間Ｔｒにわたっ
て積分器に結合される。この時間に、積分コンデンサに
は、基準電圧Ｖｒを積分コンデンサ５３及び入力抵抗器
５１の値で割った値のＴｒ倍に等しい電荷が蓄積され
る。Ｔｒの終了時、マルチプレクサ５０に対する基準入
力Ｖｒを切断し、導体２２の変位信号入力を選択するこ
とによって、積分放電段階と呼ばれる第３の段階が開始
される。極性逆転回路２１によって、変換器２５に提示
される変位信号の極性は、常に、基準電圧Ｖｒと逆にな
ることが保証されるので、積分コンデンサ５３の電荷
は、この時点で、変位変換器１７からの信号の大きさ、
従って、測定を受ける流量に比例した割合で減少し始め
る。この電荷がゼロまで減少するのに要する時間（Ｔ
ｄ）は、変換器信号に比例する：Ｔｄ＝Ｔｒ・Ｖｒ／（Ｓｆ＋Ｖｏ）ここで、Ｔｄ＝積分放電時間Ｔｒ＝基準積分時間Ｖｒ＝基準電圧Ｓｆ＝流量信号値Ｖｏ＝最長変換時間を制限する低バイアス電圧Ｔｄの間、マイクロコンピュータ４０は、マイクロコン
ピュータ４０の内部命令実行速度による制限を受ける周
波数Ｆで、コンパレータ５６によって発生し、導体３９
に生じるゼロ・クロス信号のレベルについてサンプリン
グを実施する。最終デジタル変換結果Ｎは、下記によっ
て得られる：Ｎ＝Ｆ・Ｔｒ・Ｖｒ／（Ｓｆ＋Ｖｏ）サンプル数Ｎは、ゼロ・クロス信号が逆の状態に遷移す
る時間まで、マイクロコンピュータ４０のレジスタに累
算される。これによって、標準的な温度及び圧力条件に
関して補正されていない流量測定値が得られる。

【００３０】標準的な温度及び圧力条件からの偏差を補
正するため、流量サンプリング・サイクルが完了する
と、センサ３０からの信号は、上述の３段階の変換アル
ゴリズムを利用して同様に評価され、下記のように修正
が加えられる。段階１において、変換器２５は、自動ゼ
ロ段階の動作をする。段階２において、所定の時間期間
にわたる積分のため、導体３２のＡＭＢＩＥＮＴＳＥ
ＮＳＯＲ出力信号が選択される。最後に、段階３におい
て、段階２においてコンデンサ５３に蓄積された電荷
は、導体３４に生じるＡＭＢＩＥＮＴＥＸＣＩＴＡＴ
ＩＯＮセンサ信号の値に比例する割合で積分放電され
る。センサ３０は、導体３２の出力周囲センサ信号が、
センサに供給される励起電流に比例するタイプであるた
め、センサ出力のアナログ・デジタル変換は、本質的
に、センサ出力とセンサ励起との比に等しい数値結果を
生じるように実施される。コンデンサ５３に蓄積された
電荷の積分放電は、センサ励起に正比例する割合で行わ
れるので、積分放電を完了するのに必要な時間は励起に
反比例する。

【００３１】センサ３０からの周囲圧力の測定値を利用
して、下記の関係式で体積流量測定の変換が行われる：Ｆｍ＝Ｆｖ・Ｐａ／Ｔａここで、Ｆｍ＝質量流量Ｆｖ＝体積流量Ｐａ＝周囲圧力（気圧）Ｔａ＝周囲絶対温度（゜Ｋ／２９３、すなわち、周囲温
度と標準温度の比を単位とする）ガスの密封された剛性容器の中身とそれを包囲する周囲
空気の圧力差について考察する。容器の密封時に、容器
内のガスが標準温度及び圧力であれば、気圧で表す圧力
差は、次のようになる：ｐｄ＝Ｐａ−Ｔａここで、Ｐａ＝周囲圧力Ｔａ＝周囲温度（上述の単位で表示）質量流量Ｆｍの良好な近似式は、下記のように表すこと
ができる：Ｆｍ＝Ｆｖ・（１＋ｐｄ）＝Ｆｖ・（１＋Ｐａ−Ｔａ）実際、結果生じる補正は、圧力の変化に関して正確であ
るが、温度変化に関しては近似値でしかない。しかし、
温度変化の影響は、約−１０゜Ｃ〜約＋１５゜Ｃの温度
範囲にわたって１％程度と、比較的わずかである。すな
わち、周囲圧力Ｐａが１気圧と仮定する。正確な関係式
Ｆｍ＝Ｆｖ・Ｐａ／Ｔａと近似関係式Ｆｍ＝Ｆｖ・（１
＋Ｐａ−Ｔａ）の比は：（１／Ｔａ）／（１＋Ｐａ−Ｔａ）＝１／（２・Ｔａ−
Ｔａ²）この比が１．０から１％異なると、Ｔａは、１（２９３
゜ケルビンの温度に相当）から１０％（２９゜Ｃに相
当）異ならなければならない。

【００３２】上述のように、流路における分岐路１６の
上流には、流量制限器１５が設けられている。流量制限
器１５は、流路内に不可避的に存在するガス流に対する
各種抵抗源によって生じる、入力流量が大きい場合の望
ましくない加圧を大幅に減少させるか、あるいは、完全
に除去する抽出器の働きをする。

【００３３】留意すべきは、流量制限器１５によって導
入される圧力降下が、絶対的に極めて少なく（１ｐｓｉ
をかなり下回る）、流量計には、ガスの進路を転換する
代替流路が存在しないので、流量制限器１５によって、
システムを通る正味流量が大幅に変化することはない。

【００３４】制限器１５を用いる特定の理由は、次の通
りである。弁１４を開き、ガスを自由に排出させようと
している間に、流路の構成要素によって被る流体抵抗か
ら、流量が大きい場合には、かなりの静圧（変換器１７
の極めて高いコンプライアンスに対して）が生じること
が観測された。この静圧は、ゼロ流量の静止位置から他
の位置へ変位変換器１７のダイヤフラムを変位させよう
とする。これは、後続の流量測定サイクルにおけるダイ
ヤフラムの量的応答に悪影響を及ぼすことになる。静
圧、従って、変換器の摂動の大きさは、ガス流の密度に
よって決まる。

【００３５】流量制限器１５の位置の選択は、実験に基
づき、最良となるように決定することが可能であり、制
限器１５を取り付けると、制圧の影響が大幅に除去され
ることが明らかになっている。正確には分からないが、
この改良は、流体流の標準モデルで解説の流体流の狭窄
点における流体速度の局部的上昇に起因する流体流の動
圧の降下（例えば、ベルヌーイ効果）によって生じる、
「抽出器」またはベンチュリ効果による公算が高い。こ
の流れの動圧降下は、変位変換器１７の入口における静
加圧を相殺する働きをし、従って、ガス組成に対する流
量測定の望ましくない依存性が解消される。

【００３６】実験により、もとの加圧の不正確さによっ
て生じるエラーは、わずかに、±５％のオーダにしかな
らないので、制限器１５にとって満足のゆく寸法は、比
較的厳密でないことが明らかになっている。単純な、内
径１／８インチの、プラスチック製Ｔ型管継ぎ手が、図
１に示すように配置された流路の場合、流量制限器１５
は、Ｔ型管継ぎ手の入口スタブに押し込まれた、長さの
短い（およそ１ｃｍ程度）、内径１／３２インチのＴ型
管継ぎ手として実現される。

【００３７】上述のように、極性逆転回路２１は、流れ
の方向に従って、変位変換器１７の出力信号の極性を逆
にする働きをするので、流路に沿ったいずれの方向の流
れから生じる信号であっても、アナログ・デジタル変換
器２５によって正確に処理することが可能である。必要
な場合、信号極性のテスト及び逆転の方法は、次の通り
である。測定サイクルの段階３における変換器１７から
の信号の積分放電の間、マイクロコンピュータ４０は、
導体３９のゼロ・クロス信号が状態を変更するのに必要
な時間を測定する。この時間が、望ましい実施例の場
合、約−１５ｍｌ／分に相当する所定の限界を超える
と、流量計のソフトウェアによって、実際の流れの方向
が、極性逆転回路２１の状態の現在の設定に適合する方
向と逆であると判定される。この結果、マイクロコンピ
ュータ４０は、逆転回路の状態を逆にする信号を発生
し、現在の測定は無視する。その後、逆転回路の設定を
正確にした状態で、引き続き、流量測定が行われる。手
動オーバライドとして、オペレータは、マイクロコンピ
ュータ４０によるディスプレイ４５のプロンプトに応答
し、オペレータ・インターフェイス４２のスイッチ４
３、４４の一方を操作して、逆転回路２１の現在の設定
をオーバライドすることが可能である。

【００３８】流量信号処理のダイナミック・レンジは、
主として、変位変換器１７の感度の変動に起因する、流
量計のコンポーネントにおける±２０％の製造公差に適
応するのに十分な広さに設計されている。最大流量（１
Ｌ／分）対最小流量（１ｍｌ／分）の所望の割合、１０
００対１の１％の分解能が、アナログ・デジタル変換器
２５によって得られる。従って、流量信号処理経路のダ
イナミック・レンジは、流量信号自体のダイナミック・
レンジでコンボルブされると、変換器の応答範囲に適応
するのに十分な広さである。この要件は、信号処理経路
が必要とするダイナミック・レンジの１．４４の増加率
を課す。すなわち、アナログ・デジタル変換器２５は、
流量計の仕様において要求される１００，０００：１の
ダイナミック・レンジに対する分布のロー・サイドまで
降下する流量計の１／１．２＝０．８３３．．．の応答
を分解するのに十分な感度を備えていなければならな
い。同時に、分布のハイ・エンドまで降下する流量計の
１．２の応答によって、オーバ・レンジ状態が生じない
ように、アナログ・デジタル変換器２５は、十分なヘッ
ド・ルームを備えていなければならない。この組み合わ
せ要件は、正味ダイナミック・レンジ（１．２）² ×
１００，０００＝１４４，０００として説明することが
できる。

【００３９】望ましい実施例で示される流量計は、表示
値の１／１００の分解能で、１〜１，０００ｍｌ／分の
範囲のガス流量をデジタル化することが必要になるた
め、また、前述の変位変換器１７の予備較正の不確実性
のため、１４４，０００：１の最小ダイナミック・レン
ジが必要とされる。実施の経済性及び簡単さを犠牲にす
ることなく、この広いダイナミック・レンジを実現する
ため、要約したように、変位変換器信号の逆数に比例し
たその信号の数値表現を生じる上述の変換方法が用いら
れる。

【００４０】基準積分時間Ｔｒの選択がいくつかの要素
によって左右されるという点に留意されたい。レンジの
最小端におけるＴｒの値は、信号のデジタル化以前に、
積分コンデンサ５３に蓄積される基準電荷の必要とされ
る正確さ、及び、積分増幅器５５の帯域通過特性が課す
実現化能なタイミング分解能の限界によって制限され
る。Ｔｒの最大値は、漏洩電流及び同様のアナログ・エ
ラーに関連した制約によって制限される。望ましい実施
例の場合、３ミリ秒の値が、満足のゆくものであること
が分かっている。

【００４１】動作時、アナログ・デジタル変換器２５の
積分セクションは、基準積分時間（段階２）及び積分放
電時間（段階３）を除いて、通常は、自動ゼロモードに
ある。望ましい実施例の場合、流量サンプリング間隔
は、５００ミリ秒であり、積分セクションが自動ゼロモ
ードにある遊休期間は、この５００ミリ秒の流量サンプ
リング間隔の大部分を構成する。

【００４２】周囲センサ信号サンプリング期間は、流量
測定に要する時間よりもかなり短く、センサ信号の基準
積分時間Ｔｒは、望ましい実施例の場合、１ミリ秒にな
るように選択されている。周囲センサ積分放電時間Ｔｄ
は、一般に、０〜６ミリ秒の範囲内である。

【００４３】図３に示す変換器信号において明らかなよ
うに、変位変換器１７からの信号は、測定プロセスの開
始時に初期リンギング部分を有する可能性がある。所望
の場合、リンギングが、上述の米国特許出願第０７／８
２７，１７６号に開示のマスキング技法を利用すること
によって静まるまで、アナログ・デジタル変換器の積分
サイクルの初期動作を遅延させることによって、この初
期リンギング部分をマスキングすることが可能である。

【００４４】アナログ・デジタル変換器２５において用
いられる信号処理によって得られる分解能の向上は、
（Ｓｆ＋Ｖｏ）の関数としてのＮの変化率、すなわち、
変位変換器の流量信号測定の関数としての測定流量信号
の変化率を検査することによって、認識することが可能
である。この合計に対するＮの導関数の大きさは、その
合計の逆二乗として増大する。従って、Ｎ＝Ｆ．Ｔｒ．
Ｖｒ／（Ｓｆ＋Ｖｏ）の場合の式の定数が、１，０００
ｍｌ／分あたりの流量が１０ｍｌ／分の分解能で分解さ
れるように調整されると、１ｍｌ／分における０．０１
ｍｌ／分の分解能に対応するＮの値は、３２（すなわ
ち、１０００のほぼ平方根）倍の大きさになりさえすれ
ばよく、１，０００倍の大きさになる必要はない。従っ
て、ＡＤＣの結果が流量に線形に比例する場合に必要と
される分解能に比べて、ＡＤＣの分解能が３０倍も向上
するということは、アナログ・デジタル変換器２５のコ
スト及び複雑さを低減する上において極めて重要であ
る。

【００４５】図１、２、及び、４に示すシステムのアセ
ンブリが済むと、システムは、下記のようにして較正さ
れる。較正プロセスを開始するため、テストを受ける流
量計の入口ポートは、一般に１Ｌ／分の、正確に分かっ
ているガス流源に接続される。応答の際、マイクロコン
ピュータ４０によって計算される流量計の値は、出力ド
ライバ４６及び直列データ出力端子４８を介して、マス
ター・コンピュータに送られ、較正テーブルが生成され
る。式Ｎ＝Ｆ．Ｔｒ．Ｖｒ／（Ｓｆ＋Ｖｏ）は、Ｎ＝Ａ／（Ｖ＋Ｂ）に簡略化することが可能であ
り、ここで、Ｖは、体積ガス流量、Ａ及びＢは、実験に
基づいて求められる定数である。Ｎが与えられると、こ
れは、次のように整理することが可能である：Ｖ＝Ａ／Ｎ−Ｂ

【００４６】これらの実験による較正定数のテーブルを
コンパイルするタスクは、コンピュータで実行するソフ
トウェアによって実施される。１Ｌ／分のガス流源に接
続されている間に、テストを受ける流量計によって送り
出されるＮ値から始めて、ゼロ流量を含む、あらかじめ
正確に決められたガス流源の集団からの同様の読み取り
を継続し、コンピュータは、いくつかの流れ（望ましい
実施例の場合、７つ）に対する流量計の応答に関するリ
ストをコンパイルする。さらに、所定のフロー・シンク
の集団から、等しい数の読み取り値の集合が得られる
（図１の逆方向の場合）。この集団における各流量のサ
ンプリングが済むと、コンピュータは、各流れの方向毎
に、５０の分子定数Ａと、１つのゼロ・オフセット定数
Ｂから構成される較正テーブルを生成する。補間を利用
して、測定流量値に直接対応しない、テーブル項目が生
成される。

【００４７】結果得られる、較正を受ける個々の流量計
に固有のテーブルは、コンピュータによって、流量計の
マイクロプロセッサ・ソフトウェアのコピーと組み合わ
せられて、プログラマブル読み取り専用メモリ装置に書
き込まれ、そのメモリ装置は、結果として、較正された
流量計の一部となる。従って、較正情報は、流量計自体
の結果に永久に組み込まれることになる。

【００４８】周囲圧力／温度センサの標準化に適した定
数が、ＰＲＯＭに記憶された較正データにも組み込まれ
る。このプロセスを容易にするため、較正プロセスの開
始時に、オペレータによって、周囲温度及び気圧データ
がコンピュータに提供される。コンピュータで実行する
較正ソフトウェアが、流量計から送られてくる周囲セン
サのＡＤＣ結果と周囲温度／気圧データを相関させて、
そのセンサに関する較正定数を発生する。

【００４９】実際の流量測定時、変位センサのＡＤＣ結
果は、較正テーブルからの補間された分子定数Ａ及びゼ
ロ・オフセット定数Ｂに関して関係式Ｖ＝Ａ／Ｎ−Ｂを
適用することによって、補正体積流量データに変換され
る。

【００５０】結果得られる体積流量値はｍｌ／分の単位
で直接表示することもできるし、あるいは、再スケーリ
ングを施して、ユーザの選択によるさまざまな単位で表
示することも可能である。これらの単位には、下記が含
まれる：（ａ）体積（ｍｌ／分）（ｂ）質量流量（標準的な立方ｃｍ／分）（ｃ）比率流量（ｎ.ｎｎ：１） − まず、オペレー
タの指令により、オペレータ・インターフェイスを介し
て、基準流量が捕捉される。後続の流量測定結果は、そ
の基準に対する比率として表示される。（ｄ）線形速度（ｍ／秒） − 体積流量を、一般に、
ガス・クロマトグラフィに用いられるいくつかのシリカ
毛細管ゲージのうち任意の１つ（オペレータが標準的な
シリンダ・ゲージのメニューから選択する）の断面積で
割った商が、線形速度として表示される。こうして正規
化された流量表示は、ガス・クロマトグラフ計器の初期
調整及びセット・アップ時における、クロマトグラファ
にとって有益である。

【００５１】この明細書の付録１は、望ましい実施例に
用いられるプログラムの１０進（基数１０）フォーマッ
トによるオブジェクト・コード・プログラムである。任
意の行に関して、最初の数は、ＰＲＯＭアドレスであ
り、第２〜第８の数は、バイト値である。アドレス２３
０４〜２６６１には、その特定の流量計に固有の較正／
線形化テーブルが含まれている。

【００５２】以上によって、本発明の望ましい実施例に
関する十分かつ完全な開示が得られるが、さまざまな修
正、代替構成、及び、同等物を用いることも可能であ
る。例えば、特定の回路要素について既述のところであ
るが、特定の用途の要件に基づいて、他の特定の回路要
素を用いることも可能である。従って、以上の説明及び
例示は、本発明の範囲を制限するものと解釈すべきでは
なく、その範囲は特許請求の範囲の各請求項によって規
定される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の望ましい実施例を示すブロック図で
ある。

【図２】本発明の望ましい実施例のアナログ・デジタ
ル変換器を示す部分概略図である。

【図３】図１及び２の実施例の動作を示すタイミング
図である。

【図４】本発明の望ましい実施例の細部の略図であ
る。

【符号の説明】

１０入口、１２出口、１４流量制限弁、１
５流量制限装置、１６分岐路、１７変位変
換器、１８弁制御装置、２１極性逆転回路、２
５アナログ・デジタル変換器、２６基準電圧発
生器、３０周囲圧力／温度センサ、４０マイクロコ
ンピュータ。

【手続補正書】

【提出日】平成７年４月１９日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１９

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１９】変位変換器１７は、ニュージャージ州ラン
ドルフのＭｏｕｓｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＣ
ｏ．から入手可能な２５ＳＴ５００型変換器のような、
高コンプライアンスのアコスティックタイプ変位変換器
から構成されるのが望ましい。変換器１７には、Ｍｙｌ
ａｒ製ダイヤフラム部材が含まれており、ガスが、ダイ
ヤフラムと剛性プレートによって囲まれた室に送り込ま
れるように、取り付けられている。変換器１７は、極性
逆転回路２１に結合された一対の出力リード１９、２０
に変位を表した電気信号を発生する。極性逆転回路は、
流れの方向に基づいて、信号の極性を反転することが可
能であり、従って、流路に沿ったいずれの方向の流れか
ら生じた信号であっても、極性逆転回路２１がリード２
２を介して結合されている、アナログ・デジタル変換器
２５によって正確に処理することが可能である。基準電
圧発生器２６は、導体２７によって、極性逆転回路２
１、さらに、アナログ・デジタル変換器２５に対して
も、基準電圧Ｖｒを供給する。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００４５

【補正方法】変更

【補正内容】

【００４５】図１、２に示すシステムのアセンブリが済
むと、システムは、下記のようにして較正される。較正
プロセスを開始するため、テストを受ける流量計の入口
ポートは、一般に１Ｌ／分の、正確に分かっているガス
流源に接続される。応答の際、マイクロコンピュータ４
０によって計算される流量計の値は、出力ドライバ４６
及び直列データ出力端子４８を介して、マスター・コン
ピュータに送られ、較正テーブルが生成される。式Ｎ＝Ｆ．Ｔｒ．Ｖｒ／（Ｓｆ＋Ｖｏ）は、Ｎ＝Ａ／（Ｖ＋Ｂ）に簡略化することが可能であ
り、ここで、Ｖは、体積ガス流量、Ａ及びＢは、実験に
基づいて求められる定数である。Ｎが与えられると、こ
れは、次のように整理することが可能である：Ｖ＝Ａ／Ｎ−Ｂ

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】図面の簡単な説明

【補正方法】変更

【補正内容】

【図面の簡単な説明】

【符号の説明】１０入口、１２出口、１４流量制限弁、１
５流量制限装置、１６分岐路、１７変位変
換器、１８弁制御装置、２１極性逆転回路、２
５アナログ・デジタル変換器、２６基準電圧発
生器、３０周囲圧力／温度センサ、４０マイク
ロコンピュータ。

【手続補正４】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図４

【補正方法】削除

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】（ａ）流体を流路に沿って流すステップ
と、（ｂ）流路を制限することによって、流体の流れを
流路と変位部材を備える変換器の間に向けるステップ
と、（ｃ）流路が制限されている間に、変換器から流体
流による変位を表す信号を発生するステップと、（ｄ）
変換器の信号を利用して、流量を求めるステップと、
（ｅ）制限を取り除くことによって、再び、流体が流路
に沿って流れるようにするステップから構成される、流
路に沿って流れる流体の流量を測定する方法において、
前記信号利用ステップ（ｄ）に、（ｉ）アナログ基準信号を発生するステップと、（ｉｉ）所定の時間期間にわたってアナログ基準信号を
積分するステップと、（ｉｉｉ）積分放電信号値がしきい値に達するまで、変
換器の信号によって積分基準信号の積分放電を行うステ
ップと、（ｉｖ）積分放電信号がしきい値に達するのに必要な時
間を利用して、流量を計算するステップが含まれること
を特徴とする、流路に沿って流れる流体の流量を測定する方法。
【請求項２】さらに、計算された流量値を調整するた
めに温度補正信号を発生するステップが含まれることを
特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】可制御弁を含む流路における流体の流量
を測定するためのアコスティック容積流量計において、前記流路に結合されるようになっている流体ポート、変
位部材、前記ポートに流体が流れることによって生じる
前記変位部材の移動を表した信号を送り出すための信号
出力を備えた変位変換器と、その入力が前記変位変換器の信号出力に結合されて、流
体の流量値を計算するようになっている手段から構成さ
れ、前記計算手段が、可制御弁が前記流路と前記流体ポ
ートの間において流体の進路を切り換えることができる
ようにするための制御信号を発生する手段と、アナログ
基準信号を発生する手段と、所定の時間期間にわたって
アナログ基準信号の積分を行う手段と、積分放電信号値
が、しきい値に達するまで、変換器の信号によって積分
基準信号の積分放電を行う手段と、積分放電信号がしき
い値に達するのに要する時間をカウントする手段と、カ
ウントした時間から流量を計算する手段と、所定の測定
期間が済むと、制御信号を終了する手段から構成される
ことを特徴とする、流量計。