JPS6191540A - 空気試料採取ポンプ装置 - Google Patents

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】 本発明は、空気試料採取ポンプ装置に関し、そして特に
、個人により使用されるように設計された改良された空
気試料採取ポンプ装置、に関する。

作業員が暉される空気を監視するために、空気流量が一
定である空気試料採取ポンプ装置が使用される。これら
のポンプ装置は、この技術分野においてよく知られてい
る。このようなポンプ装置の代表的な例は、１９１１年
１２月２０日に発行された米国特許第４．０６３．８２
４号、１９７８年１１月７日に発行された米国特許第４
．１２３．９３２号および１９８１年３月２４日に発行
された米国特許第４，２！１７，７４６号および１９８
１年５月２６日に発行された米国特許第４．２６９，０
５９号の各明細書に示されている。これらのポンプ装置
は、それらが設計された特定の用途において優れている
。しかしながら、空気を非常に高い流量、例えば、５０
０．０ｃｃ／分で正確に送出することができる用途の広
いポンプを開発する必要がある。また、ポンプ装置が次
の特徴、すなわち、使用者によりプログラミング可能な
開始時間、実行時間おＪ：び許容されたｉｉｌ限された
空気の流れ時間を有し、空気温度を測定し、プログラム
を記憶保持し、ポンプ装置がオフにされた後にも記憶を
保持し、流量、時間および温度の数値を示す液晶表示装
置を有し、かつデータをコンピュータにロードしかつ操
作データをポンプ装置にロードすることができるコンピ
ュータインタフェースを有することが望ましい。

上記の先行技術の空気試料採取ポンプ装はの操作におい
ては、ポンプは空気流量の変化により惹き起こされたオ
リフィスにおける圧力降下を監視するためにオリフィス
に並列に配置された圧力スイッチを介して制御される。

例えば、もしも空気の流れが閉塞されるとすれば、圧力
スイッチが閉じ、そして積分回路および増幅回路を介し
てポンプを駆動するモータに印加される電圧を高め、そ
してそれにより空気の流量を増大する。オリフィスにお
ける圧力降下が通常の値に戻ると、圧力スイッチが開き
、モしてポンプが通常の状態で作動Ｊ゛る。圧力スイッ
チは、また、ポンプの脈動によつて惹き起こされた空気
の流量の脈動により絶えず開閉する。極めて厳しい作動
状態、例えば、スイッチが毎分数１００回開閉する状態
では、圧力スイッチの電極が電極間に発生づる電弧のた
めに迅速に劣化する。必要な改良は、電気信号を発生さ
せるために圧力スイッチの両端に一定の電圧を印加しな
いで圧力スイッチが開閉したか否かを決定することにな
ろう。

本発明の改良された空気試料採取ポンプ装置は、空気を
非常に低い流量および非常に高い流量において正確に圧
送し、始動しかつ所定の時間間隔中ランさせるために使
用者によりプログラミング可能であり、温度を測定し、
記憶保持し、液晶表示装置を有し、圧力スイッチの両端
に一定の電圧を印加しないで圧ｈスイッチのオン・オフ
位置を測定し、空気ポンプをコンピュータにより制御し
、かつデータをロードしかつアンロードすることができ
る。

本発明は、空気取入口と、前記空気取入口に管により連
結された空気から粒子または蒸気を除去するためのフィ
ルタ装置と、ポンプ装置を通して空気の流れを圧送する
ために前記フィルタ装置に連結された可変駆動空気ポン
プと、前記空気ポンプに連結された可変速電動截と、前
記電動機のための電源と、前記空気ポンプに連結された
連結管中に配置されかつポンプ装置を通して圧送される
空気の流れに空気の圧力降下を惹き起こすオリフィスと
、前記オリフィスに平行な関係に管の中に配置されかつ
ポンプ装置を通る空気の流けの変化により惹き起こされ
た空気の流れの空気圧力降下の変化により作動せしめら
れる開閉位置を有する差圧スイッチと、前記オリフィス
および差圧スイッチに管により連結された排出１］とを
右する空気の流量が一定に保たれるように構成された空
気の試料を採取するための改良されたポンプ装置におい
て、前記圧力スイッチに電気的に接続されたディジタル
回路と、前記ディジタル回路に電気的に接続された閉じ
たループ制御装置とを漏え、前記ディジタル回路が設定
された時間間隔にわたってディジタル低デユーティサイ
クルパルス信号を送つで前記設定時間中圧力スイッチの
支配的な開いた位置または閉じた位置を決定し、前記圧
力スイッチが支配的な問いた位置にあるときに、前記制
御装置が前記電源から前記電動機に印加される電圧を漸
次高めてそれにより前記電動機を増大した速度で駆動し
それにより前記空気ポンプを増大した速度で駆動してポ
ンプ装置を通る空気の流ｍを増大させ、前記圧力スイッ
チが支配的な閉ざされた位置にあるときに、前記制御装
置が前記電源から前記電動医に印加される電圧を漸次降
下させてそれにより前記電動機を低下した速度で駆動し
、それにより前記空気ポンプを低下した速度で駆動して
ポンプ装置を通る空気の流量を減少させそれによりポン
プ装置を通る空気の流れが一定の流量に保たれることを
特徴とする空気の試料を採取するための改良されたポン
プ装置を提供するものである。

この空気試料採取ポンプ装置は、コンパクトなサイズで
あり、個々に使用されるように設８１されている。この
ポンプ装置のサイズは、はぼ５．７ｃｍｘｌｏ、２αＸ
１２．７ｃｍであり、そして該ポンプ装置に使用された
バッテリーパックの重過の如何により約ａｏｏ　ｇない
し１，１００ｙの重量を有している。

、流量が一定であるという特徴を有しかつ優れた精度を
有するこの空気試料採取ポンプ装置は、個人が曝される
可能性がある環境障害をはらんでいる空気を監視するた
めに使用することができる。

例えば作業場において塩化ビニルの蒸気を監視すること
ができ、鉱山における有毒なラドンガスおよび関連した
ガスを監視することができ、また鉱山およびピット中の
炭塵を監視することができる。

空気試料採取ポンプ装置のフィルタは、作業期間、例え
ば、−日あたり８時間の作業の終りに、その中に捕集さ
れた物質について分析され、そしてその結果が作業員の
ファイルに記録される。もしも作業員が指定された量を
超える障害にざらされていれば、その作業員は別の作業
を割り当てられる。

第１図のブロック線図について述べると、空気は可変速
雷動匹５により駆動される可変駆動空気ポンプ４によっ
て取入口１の中に吸引され、そしてフィルタ２を通って
好ましくはアギュムレータ３の中に流入する。可変駆動
空気ポンプ４は、バイパスおよびバイパス弁を備えない
で作動することができるが、低流量に対しては、バイパ
スおよび弁を協えていることが好ましい。管６の中には
、バイパス弁７がポンプ４に並列に配置されている。

このバイパス弁７は、通常、調節可能な針弁であり、そ
して所望された空気流量を供給するように調節される。

弁７を開くことにより、より多量の空気が最循環されそ
れによりポンプ装置を通る空気の流量を減少させる。こ
の空気ポンプは、低い空気流量に対してバイパスが使用
されなかった場合に低速度で作動しそして故障しかつい
１着するよりもむしろバイパスが開かれた状態で通常の
速度で円滑に作動して低い空気流量を供給することがで
きる。

空気溜めを使用する必要はないが、空気溜めを使用する
ことは極めて好ましい。ポンプ４番オリフィス１１に連
結する管またはチャンネルには、空気溜め８が配置され
ている。空気溜め８は、ポンプにより惹き起こされた脈
動を減少することを助りかつ一般的にはポンプ装置を通
して円滑４【空気の流れを供給する助けをする。

空気溜め８と排出口１７との間には、通常、調節可能な
針弁または固定オリフィスであるＡリフイス１１が配置
されている。オリフィス１１は、空気の圧力降下を惹き
起こし、そしてこの圧力降下は、圧力降下の変化と共に
開閉する圧力スイッチ１２により監視される。オリフィ
ス１１に対して管またはチャンネル９を備えたバイパス
を並列に接続することが好ましく、管またはチャンネル
９には、例えば、調節可能な針弁、である弁１０が配置
されている。弁１０および１１の機能は、類似している
。弁１１、すなわら、オリフィスはコース制御装置とし
てのＬ１能をはたし、そして弁１０、すなわち、バイパ
ス弁は精密制御装置としての機能をはたす。

圧力スイッチ１２が配置されたチャンネルまたは管３８
には、通常、フオームラバーからなるフィル゛り１９が
配置されている。このフィルタは、圧力スイッチに伝わ
るポンプの脈動を減少さけかつ：ｌ！Ｊ節する。

空気取入口または空気フィルタの部分的な閉塞または完
全な閉塞によりまたはポンプの作動により惹き起こされ
た脈動により惹き起こされるポンプ装置を通しての空気
の流量の変化は空気の圧力降下の変化を惹き起こし、そ
して圧力スイッチ１２を聞きまたは閉じる。圧力スイッ
チ１２には閉ざされたループ制御装置１３が電気的に接
続されている。

閉ざされたループ制御装置１３は、コンピュータおよび
電動機により駆動される回路であることが好ましい。

このコンピュータは、設定された時間間隔にわたってデ
ィジタル低デユーティサイクルパルス信号を圧力スイッ
チ１２に送ってその設定時間間隔中のスイッチの支配的
な聞いた位ｎまたは閉ざされた位置を決定する。圧力ス
イッチ１２が支配的な開いた位置にある場合には、コン
ピュータの制御装置が電源からの電圧を漸次高め、その
高められた電圧により電動機駆動回路を介して電動機を
増大した速度で駆動する。電動機が増大した速度で駆動
されると、ポンプが増大した速度で駆動されてポンプ装
置を通る空気の流量を増大させる。圧力スイッチ１２が
支配的な閉ざされた位置にある場合には、制御装置が電
源からの電圧を漸次降下させそれにより電動機駆動回路
を介して電動機およびポンプの速度を低下させてポンプ
装置を通る空気の流０を減少させる。

先行技術のポンプ装置の場合と異なり、一定の電圧が圧
ノコスイッチ１２の電極の両端に直接に印加されない。

これらの先行技術ポンプ装置においては、圧力スイッチ
の開閉時に電極間にアークが発生するので、圧力スイッ
チの開閉回数が過大になると、圧力スイッチが非常に迅
速に摩損した。電極は比較的に短い時間で焼損しかつあ
ばｌζ状になった。本発明においては、電圧は圧力スイ
ッチの両端に印加されない。コンピュータから送られた
ディジタル信号が圧力スイッチが支配的に閉ざされてい
るかまたは間かれているか否かを決定する。

信号電圧が非常に短い時間印加され、そして圧力スイッ
チの電極間の実質的にすべてのアークの発生をなくす。

ＬＣＤ（液晶表示装置）励振装置がコンピュータに電気
的に接続されてＬＣＤに信号を送ることが好ましい。Ｌ
ＣＤはポンプ装置のコンピュータにより蓄積されたデー
タを表示する。

ポンプ装置のフィルタ２は、殆どすべての型式の物質、
例えば、気体、液体または固体を１Ｉｔｉ捉するように
なっている。もしも、例えば、作業員がさらされる叩埃
粒子を収集するために様械的な濾過のみが必要であると
すれば、０．０１ミクロンまたはそれ以上のサイズの粒
子を捕捉するフィルタが使用される。もしもフィルタが
亜硫酸ガスのようなガスを捕捉すべきであれば、このガ
スを捕捉する化学フィルタが使用される。もしも蒸気を
捕捉すべきであれば、蒸気を捕捉するフィルタ、例えば
、木炭フィルタが使用される。個人がこのポンプ装置を
着用している期間、例えば、−日あたり８時間の作業時
間の終りに、フィルタが取り外され、そして物質または
個人がさらされていた種々の物質の検査が行われる。顕
微鏡下で単に粒子を計ＩＪｌするかまたはガスクロマト
グラフィーによりフィルタを分析することができる。

アキュムレータ３は、通常、ポンプ装置のフレームと一
体に構成され、そして弾性体シートをフライス削りし、
成形しまたは切断して一方の壁部を遮蔽しかつ適当な開
口部を右づるフレームを構成する。代表的なアキュムレ
ータは約２〜２０ｃｃの容積を有しており、ポンプによ
り発生したザージを減少しかつ軽減し、そしてポンプの
吸入側に空気を蓄積させる。

線量計には、可変駆動空気ポンプが使用される。

一般的には、毎分、約５ｃＩＲ３ないし５００００ｍ３
の空気を圧送するダイアフラム型ポンプが使用されてい
る。その池のポンプ、例えば、ピストンポンプ装買、回
転ポンプｖ装置および遠心ポンプ装置もまた使用するこ
とができる。

このポンプは、約ｏ、　ｏｏｏｉ〜０．０２馬力の慣用
の直流電動機に電気的に接続されている。この電１Ｆ７
１機は可変速電動機であり、そして毎分的８０〜８００
０回転で作動する。ある状況では、電動機とポンプとの
間に減速歯Φを使用することができる。

空気溜め８は、通常、ポンプ装置に使用される種々の構
成部分が装着された任意の枠構体と一体に構成されてい
る。空気溜め８の一部分は、薄い弾性体シートで囲繞し
それによりポンプにより発生せしめられた空気の流れの
いがなる脈動も脈動を吸収する弾性体により容易に減衰
させることができる。

空気溜め８の目的は、空気の流れがオリフィスを通過す
る前にポンプの行程により発生せしめられた空気の流れ
の脈動を少くともある程度まで軽減することである。空
気溜め８の容積は可能なかぎり小さくしであるが、空気
の流れの脈動を減少させるために十分な大きさになって
おり、通常、アキュムレータの容積と同様な容積になっ
ている。

空気溜めを排出口に連結する管の中には、代表的には、
調節可能な針弁であるオリフィスが配置されている。水
柱的０．．４−、４．０インチの圧力降下を生ずるオリ
フィスが使用される。通常、水柱２．５−．３．５イン
チの圧力降下が使用される。

比較的に感度の高い差圧スイッチが使用されており、こ
の差圧スイッチは水柱的０．１・−０５インチの空気の
流れの圧力降下の変化に敏感である。

一つの有用な閉ざされたループ制御装置は、圧力スイッ
チおよび電源に接続された積分回路に電気的に接続され
たディジタル回路を備えており、前記積分回路はディジ
タル回路から送られた信号を積分し、そしてこの積分さ
れた信号を増幅回路に送る。この増幅回路は電源に接続
されかつ積分回路および電動機に並列に接続され、そし
て増幅された信号を電動機に送って電動機をポンプ装置
を通して均一な空気流量が得られる適当な速度で駆動す
る。

ディジタル回路は、毎秒５０〜１０００パルスの範囲の
パルスを圧力スイッチに送る。これらのパルスハ０．１
〜５％のデユーティサイクルを有している。

これは圧力スイッチに送られる実効電流の範囲を約０．
１−、５．０ミリアンペアに制限する。

電動機を制御するための別の一つの閉ざされたループ制
御装置は、圧力スイッチに電気的に接続されたディジタ
ル回路と、ディジタル回路に接続されたディジタル積分
回路とを備えている。この積分回路は、ディジタル回路
から信号を受信し、そして受１言した信号を積分する。

ディジタル・アナログ変換器が積分回路に接続されてお
り、信号をアナログ信号に変換する。アナログ信号は電
動撮に接続された増幅回路に送られて電！ＦＪＩＩｎを
ポンプ装置を通して均一な空気流産を保つための適当な
速度で駆動する。

一つの好ましい閉ざされたループ制御装置においては、
ディジタル回路がディジタル積分回路に接続されている
。ディジタル積分回路は、圧力スイッチから受信したデ
ィジタル信号を積分する。

次いで、この積分された信号は、ディジタル積分回路に
接続されたディジタルパルス幅変換スイッチ装置に送ら
れる。このスイッチ装置は、電源および電ｆｆｉ＋［に
接続されており、そして電流を電動殿に供給して電動機
を作動させ、それにより空気ポンプを作動さけて空気が
均一な流量でポンプ装置を流れるようにする。

第２図について述べると、上記の好ましい制御装置がコ
ンピュータ１３Ａに組み込まれている。コンピュータ＋
３Ａは、モータ駆動回路１３Ｂに電気的に接続されてい
る。モータ駆動回路１３Ｂは、コンピュータ１３Ａから
の信号を増幅し、そして電動機５を駆動する。ディジタ
ル回路およびディジタル積分３　Ｌよ、」ンピュータ回
路の一部分である。コンピュータ１３Ａからのディジタ
ルパルス信号が圧力スイッチ１２に送られる。パルス変
換スイッチ装置は、電動機を駆動する電動機駆動回路１
３Ｂの一部分を構成している。データを入力しかつプロ
グラム制限パラメータを選択するために、キーボード１
８が使用され、そしてコンピュータ１３Ａ　Ｉ、：接続
されている。コンピュータ１３Ａには、ＬＥＤ２Ｇ（発
光ダイオード）が電気的に接続されている。

Ｌ　Ｅ　Ｄ　’ＩＧは、ポンプが保持位置にあって作動
していないときに動作ポンプを通る流れが制■されると
き、第２１ＥＤ２りが動作する。

」ンピュータ１３Ａに取りつけられたＬＣＤＣ振励１５
が信号をｌ−ＣＤ１４に送る。ＬＣＤ１４は、コンピュ
ータ１３Ａにより蓄積されたデータを表示する。

１１０Ｈ置（入出力装置）は、データバスをコンピュー
タに取りつけかつデータを記録用第２コンビ１−夕にア
ンロード可能ならしめる装置である。このＩ１０装置は
、また、演算パラメータ、実行時間、低流量時間のよう
なデータをコンピュータにロードすることができる。こ
れは、この技術において知られているプロゲラ′：？装
置により行うことができる。このローディング技術は、
同じ情報のために複数のポンプ装置をプログラミングし
なければならない場合に特に有用である。例えば、鉱山
または工場で作業している５０人のシフトの各々には、
そのシフト中に着用するポンプ装置が惇えられる。各々
のユニットを別個にプログラミングするには、可成りの
時間を要する。プログラマを使用することにより、各々
のユニットに１０分以内またはそれよりも短い時間で所
望のプログラムをロードすることができる。

このユニットは、電池ＢＡＴＴ２２およびコンピュータ
１３Ａに電気的に取りつけられたオン・オフスイッチ２
１により動作ｕしめられる。電池２２に取りつけられた
電池充電回路ＣＨＧ２３が電池２２を充電するが、また
電！Ｉ７１機駆動回路１３１３を介して電導機を駆動す
るために使用することができる。

Ｃｌ−ｌＧ２３に取りつけられるように示したＩ／Ｃは
、電池充電回路に電力を供給する外部電源である。

温度センザ２４がアナログ・ディジタル変換器△／Ｄ２
５に接続されている１１次いで、Ａ／Ｄ２５は、」ンビ
ュータ１３Ａに接続されている。Ａ／Ｄ２５は、温度信
号およびその他の機能のために受信される任意のその他
のアナログ信号をディジタル信号に変換する。これらの
ディジタル信号は、コンピュータ１３Ａにより処理する
ことができる。

第２図に示したポンプ装置の構成部分の）幾能を以上に
さらに詳細に説明する。

コンピュータ コンピュータ１３Δは、代表的には、８０Ｃ４ＱＣＨＯ
Ｓシングルチップマイクロコンビ１〜りであり、ポンプ
装置のための中央制御装置である。このマイクロコンピ
ュータの主な機能は、定期的な試料採取時に圧力スイッ
チの状態に基づいてポンプ電動機の閉じたループ制御を
行うことである。電動機の制御は、パルス幅の変更を介
して電動機制御回路に対して行われる。マイクロコンピ
ュータは、この電動機の制御に加えて、準喝別能、例え
ば、実行時間、低流量時間の保持、表示データの提示、
局部的な制御スイッチの監視および応答、電池充電時限
および制御、温度の監視および外部との連絡を行う。

マイクロコンピュータはＣＰＵ、Ｉｌｏ、データＲＡＭ
およびプログラム記憶装置を内蔵しているので、その操
作を支持するために必要な外部回路は最小でよい。外部
回路は、代表的には、６Ｍｆ−１ｚのクリスタルと２個
のコンデンサを備えており、コンピュータの命令サイク
ルタイミンク時間ベースを設定する。１個のコンデンサ
が電力増大リセット機能をはたす。コンピュータにより
制御されるターンオフを行うために、コンデンサに並列
に接続される代表的にはＶ　Ｎ　２２２２Ｌであるトラ
ンジスタが必要である。

キーボード１８ならびにＬＥＤ指示器２Ｇおよび２７は
マイクロコンピュータにより直接に制御される。

オペレータは、局部的な制御を行いかつプログラム制限
パラメータを選択するためにキーボード１８を使用する
。パラメータが局部的に選択される最も簡単な操作方式
においては、ポンプは三つの状態を有している１、オン
・オフキーを押し下げて電源入力を開始したとき、コン
ピュータは保留モードになる。この保留モードにおいて
、実行時間、低流量時間および始動の遅延を含む実行時
間パラメータを選択することができる。これは、ＰＩＳ
Ｐ　　５ＣＲＯＬＬを使用して変更しようとするパラメ
ータを選択しかつＳＥＴ　　ＦＬＩＮＣキーを押して使
用可能なパラメータをスクロールすることによって行わ
れる。ＲＬＩＮ／）ＩＯＬＤキーを押すと、ポンプがＲ
４ＪＮ状態になり、電動機がコンピュータにより制御さ
れる。コンピュータが−たんＲＬＪＮ状態に入ると、コ
ンピュータがＨＯＬＤ状態に戻されてポンプ電動機を停
止することができる。しかしながら、プログラミングし
たパラメータを変更することはできない、最後の状態は
、オン・オフキーにより選択される。このボタンが押さ
れたとぎに、コンピュータがＯＦＦ状態になり、そして
２０分タイマーが始動せしめられる。もしもこのタイマ
ーが切れるまでポンプがＯＦＦ状態に保たれているとす
れば、コンピュータが機能停止パルスを発生し、それに
よりコンピュータへの電力が取り去られる。ＯＦＦ状態
において、ＲＥＳＥＴキーを連続して押すと、コンピュ
ータが最初のパワーアップＨＯＬＤ状態に強制的に戻さ
れる。

表示装置のインタフェース（Ｌ　ＣＤ ポンプ装置が始動し、そして数字を表示しかつ限定され
た英字を表示することができるしＣＤ表示装置１５によ
りオペレータにパラメータが提示される。ＬＣＤ表示装
置１５は、ＬＣＤＣ振励１４を介してマイクロプロごツ
サとインタフェースを有している。ＬＣＤＣ振励１４は
、代表的には、Ｍ　Ｍ　５４５３直列人力ＬＣＤインタ
フェースチップである。この励振器インタフェースは、
コンピュータからデータおよびクロック入力を必要とす
る。

これらの二つの出力は、また、外部のインタフェースを
介して利用可能になる。

ポンプ装置の通常の作動においては、ＬＣＤは使用名に
は観察できない。使用者に操作に関する最小の情報を与
えるために、２個のＬＥ０２６．２７が設けられている
。コンピュータがＨＯＬＤまたはＯＦＦ状態であるどき
にＨＯＬＤ　　ＬＥＤがオンになってポンプがｖ４極的
に試料を採取していないことを指示する。流れの状態を
指示するために、ＦＬＯＷ　　ＬＥＤが使用される。し
、ＥＤが連続してオンになることは、ポンプがフィクロ
コンピュータにより制御されることを示している。

ＬＥＤが点滅すると、低流量状態が存在していることを
示している。

ターンオン“理　置および１薦 前述したように、ポンプはキーボードのオン・オフキー
を押すことにより作動１土しめられるが、−たん回路に
電力が供給されると、ターンオフはマイクロブ１コセツ
サにより制御される。ターンオンちまた電池充電器２３
が接続されたときに行われる。ターンオン論理低能は、
マイクロコンピュータと共に別個のディジタル回路によ
り行われる。

停止機能は、このディジタル回路およびアイクロプロセ
ッサにより制御される。電池充電器が電源に接続される
間、ラッチが強制的にオンの状態にされ、そして殿能停
止が除かれる。

虱肱且里方旦１ 電動機駆動回路は、別個のトランジスタ、抵抗および演
算増幅器を備えている。電動機はパルス幅技術を使用し
たマイクロコンピュータにより制御される。パルス幅は
、はぼ３％ないし９７％のデユーティサイクルの範囲に
わたって０．１％の段階で変更することができる。

電１１１１１に接続された電流制限回路がポンプを電池
充電器から連続して作動させると共にポンプが作動して
いる時間中マイクロコンピュータに対して最小の電圧を
確立するためのかぎである。最°大電流の大きさは、電
動機の通常の運転時の電流、電池の中の電流制限抵抗に
おける電圧降下および電池を充電するために必要な電流
によって設定された。電動機に供給される電流のうち、
ピーク電流のみが制限されることに留意されたい。電動
機が逆起電力を発生するために十分な速度で回転してい
るどきに、ピーク電流は電流制限回路によってではなく
、電動機によって決定される。非常に低い流量において
は、電流制限回路が作用して制御ループのパルス幅変更
に対して電動機をより良好に応答させる。

アナ口　・−イジタルインタフェース 電池の電圧の監視および）温度測定を可能にするために
、第２図のアナログ・ディジタルインタフェース回路お
よびＡ／Ｄ変Ｍｋ器２５が設けられている。この機能は
、マイクロプロセッサの制御の下に、湿度センサにより
はたされる。Ａ／Ｄ変挽器２５は、代表的には、４チヤ
ンネル、８ビツト、直列アナログ・ディジタル変換器で
ある。温度を測定するために、Ｕ６のチャンネルＯおよ
び１が異なるモードで使用され、一方ヂｌシンネル２は
電池の電圧を監視するために使用される。ブヤンネル３
はテスト入力として実行されてきた。

すべてのアナログ・ディジタル変換は、ポンプ駆動電動
別のパルス幅制御に適合しており、そしてパルスがオフ
になるサイクルの終りに行われる。

これにより、アナログ・ディジタル回路の排流を最小に
とどめ、そしてまた温度の読取りに誤差を生ずることが
ある温度センサの自己加熱を最小にとどめることができ
る。

この温度センサは、代表的には、１０ミリボルト１０Ｋ
　（ケルビン）の出力電圧を発生する１Ｍ３３５バンド
ギヤツプ基準である。従って、温度は−２８’ないし＋
９９．５＠（ｔ’ルシウス）の範囲にわたって０．５”
刻みに走過表示することができる。

ポンプに最初に電力が供給されたとき、ポンプ駆１Ｆｌ
ｌ電動ぼが始動されるまで、温度は周囲温度の値でオペ
レータに示される。プログラムが−たん開始され（電動
機が始動すると）その運転時の平均温度が計０され、そ
して表示される。

電動数の休止（オフ）時間中、電池の電圧もまた測定さ
れる。電池の電圧が測定されるときは、電動機は作動で
きないので、電池１７ｉ１回路電位の精密な見積圃がマ
イクロ」ンピュータに送られる。

この測定は、二つの臨界電圧を決定するために、マイク
ロ」ンピュータにより使用される。５．５■ＤＣにおい
て、ポンプ回路が自動的に使用禁止されそれによりマイ
クロコンピュータの記憶能力を節減する。この状態は、
ＬＣＤ表示装置において少数点を閃光させることにより
使用者に指示される。５．０ＶＤＣにおいて、マイクロ
コンピュータが機能を停止して電池パックのセルの反転
を阻止する。

ご−タインタフエース 第２図にｌ１０２０として示した外部データインタフェ
ースが設けられている。このインタフェースの主な目的
は、データを外部コンピュータ装置により読み取りかつ
プログラムパラメータ、例えば、始動時間実行時間、低
流量時間およびタイム・オフ・ディをより高いレベルの
装置によりポンプにロード可能にすることである。外部
からプログラミングした場合には、ポンプは前面パネル
制御装置か、ら１７られない特徴を持っている。これら
の特徴は、ポンプをオンし、プログラマ装置を接続し、
そして所望のプログラムパラメータをローディングする
ことにより発揮せしめられる。

このようにプログラミングした場合には、ポンプは、特
定の日の時間において、時分で示した実行時間、分秒で
示した低流量時間を始動する能力と、間欠的なグラブ基
ＦＬを供給する能力とを有することになる。後者の特徴
においては、ポンプを毎時所定の数分間運転するように
プログラミングすることができる。

外部のインタフェースは、また、遠隔の表示装置を並列
にする手段として、臨界電圧を監視しかつ電池以外の電
源からポンプに電力を供給する。

１１丘１遅Ｉ 第２図にＣＨＧ２３として示した電池充電回路はマイク
ロコンピュータにより直接に制御される。

外部の電池充電電源がポンプ装置に接続されたときに、
ポンプは自動的にオンにされかつオフの状態にされる。

マイクロコンピュータは、充電ジヤツキとマイクロプロ
セッサとの間に接続された外部の回路を介して外部の充
電電圧の存在を検出することができる。電池の充電は、
１０時間で行われ、そして電池の過充電は、マイクロコ
ンビ１−夕のタイマにより阻止される。１４時間の充電
４ノイクルの終りに、マイクロコンピュータは細流充電
方式に戻る。このマイクロコンピュータは、２ｆｔ＋Ｉ
ｔの異なる電池パック装置を充電リーる能力を有してい
る。

マイクロコンピュータへの入力は、どの型式の電池パッ
ク、５ＵＢ−Ｃパックまたは１／２Ｄパツクのいずれが
ポンプ装置に接続されているかを示す。

電池パックの充電は、二つの型式の電池パックのために
適正な充電電流を設定するためにデユーティ４Ｊイクル
がマイクロコンピュータにより制御される定電流型直流
・直流変換器を使用して行われる。直流・直流変換器は
、演算増幅器のまわりに構成された自己オシレーテイン
グの設計のものであり、代表的には、ＣＡ　３１３０で
ある。この演算増幅器の出力は、誘導子の中に電流が連
続して流れることを保証するために必要な所要のパルス
繰返し数でトランジスタにゲートする。このパルス繰返
し数は１００〜１５０１（ｚの範囲内で可変である。

通常の操作においては、電流レベルは、演算増幅器の逆
入力に対する基準電圧を設定する電位差計を調節するこ
とにより設定される。ダイオードがパルスのオフ時間中
に電流を誘導子に連続して流すためのフライバック機能
をはたす。その他の２個のダイオードが充電器が接続さ
れていないときに電池パックの放電を阻止し、そしてツ
ェナーダイオードが゛電池の端子の両端間の電圧を制限
して電池を接続しないで充電器からの操作を可能ならし
める。

充電中、マイクロコンピュータが外部のトランジスタを
制御することにより充電回路をオンに入力する。１０時
間の割合で充電するとき、５ｔＪＦ３−Ｃ電池および１
／２Ｄ電池は、それぞれ、４０％および８０％のデユー
ティサイクルで入力される。細流充電中、デユーティサ
イクルは、それぞれ、１０％および２０％に低下する。

電池の充電は、マイクロコンビコータがオフの状態にあ
るどきのみに行われ、そして電動機がオンにされた後に
マイクロコンピュータがその状態に戻されたときはいつ
でも１４時間の最大充電時間が再び開始される。充電器
に接続されたとぎに、ポンプ装置へのすべての電力は充
電器の電源により供給され、電池からのエネルギーは利
用されない。電動機が作動しているとき、充電回路は電
動機駆動信号と同期して入力される。充電回路は常に＝
　ａ　′ｒａを流れる電流よりも高いので、電流が電池
から外部に流れることはありえない。別個に設けた外部
の回路がフィクロコンピュータおよび論理殿能の電力も
また電池充電器から供給されることを保証している。

匪り１皿り笠蚕上ガ１汐 前述し）Ｃように、ポンプには、５ｔＪＢ−Ｃまたは１
／２Ｄ電池パツクのいずれかから電力を供給することが
できる。これらの両方の電池パックは、５個の直列に接
続されたニッケル・カドミウムセルおよび１，５オーム
の電流制限抵抗ならびにＰＴＣ（正の温度係数を有する
）装置を隔えている。これらの構成部分は、厳しい安全
に関する必艮条件に合致することを保証するために電池
パックに含められている。電池には３個の端子が必要で
あり、そのうちの２個の端子は電池の電位差を測定する
ために設けられ、その他の１個の端子は電池パックの型
式を指示するために設けられている。この第３の端子の
ビンは、１／２Ｄ電池の場合には、負の端子に接続され
、そして５ＵＢ−Ｃ電池パックの場合には開いている。

ポンプ＄ ポンプの空気流量は、パルス幅変調技術を使用してマイ
クロコンピュータにより制御される。空気の流量は、圧
力スイッチの状態の関数として検出される。圧力スイッ
チの接点の間におけるアークの発生を阻止するために、
電圧は毎秒５００個の試料を採取する１ナンプリング割
合で１０マイクロ秒の間圧力スイッチのみに印加される
。この技術は、８０４９双方向出力ピン回路に固有の設
計の利点を有している。試料が採取されない時間中、こ
の出力ピンは大地電位に保持され、そして圧力スイッチ
の状態をサンプリングすることが必要であるときのみに
使用可能になる。ナンプルパルスのオン時間中、電流が
２フィクロ秒以下の間約２ミリアンペアに制限され、そ
の後残りの１０フィクロ秒のザンブル採取時間間隔中５
０マイクロアンペアの電流レベルに戻る。

制御アルゴリズムは、所望の流量を持続するように所要
のパルス幅を最大限に確保づ°るために可変の閉ざされ
たループ利得の精度がイ」加されたディジタルによる完
全な積分二次制御ループの実行である。閉ざされたルー
プ制御システムは、本質的に、圧力スイッチのオンおよ
びオフ時間を平均し、そしてその平均値を強制的に５０
％にする。所要のパルス幅が１７られた後、閉ざされた
ループ制御の下で「ハンチング」の発生を阻止するため
に、ループの利得は最小値に減少ｕしめられる。ポンプ
の負荷の変化によりまたはパワーアップにより惹き起こ
される迅速な所要パルス幅の取１７のために、ポンプは
最大のループ利得に戻る。この最大のループ利得は、電
動機に対するデユーティサイクルを変更しうる割合を効
果的に高める。電動機の速度が制御値に近い値になった
とき、絶対的な制御状態が得られるまで、ループ利得は
中間のレベルに低下せしめられる。デユーティサイクル
が９７％に強制的にされ、そしてループ制御が依然とし
て検出されていない場合には、低流量状態になっている
。

このポンプは、ある低流量運転経過後に機能を停止する
ようにプログラミングすることができる。

この期間は１秒から９°９分までの範囲内でプログラミ
ング可能であり、そして代表的には２分である。

インテリジェントディジタルループにおいて得られる特
徴の−・つは、実行の割込み後にも電動機の状態を記憶
していることである。もしもターンオフのときに電動機
が制御されていたとすれば、所望の流量のデユーティサ
イクルが記憶され、そし　　４てこのデユーティサイク
ルはポンプが再びオンにされるときに使用される。これ
により、ポンプはターンオン過渡状態を最小に保って再
び始動することが可能になる。もしも電動機に電力を再
び供給した後に、短い時間間隔以内でループの安定化が
１７られなければ、マイクロ」ノビ１−夕は取得シーケ
ンス（ａｃｑＷｓｉｔｉｏＩＩ　Ｓ（！ｑｕｅｎｃｅ　
）に戻る。

ポンプ駆動電動機に対するデユーティサイクルは、３％
から９７％まで０．１％のステップ毎に可変である。パ
ルス繰返し数は２０１−１ｚであるが、これは最小のス
テップサイズが５０フィクロ秒であることを意味してい
る。

このグラニユールおよび繰返し数に付は加えて、制御ア
ルゴリズムに関する制約条件は、リアルタイムベースを
正確に保たなければならないことと、圧力スイッチにお
ける試料採取を２ミリ秒毎に行わなければならないこと
であった。これらの必要条件番、１、また、８０４９時
間割込みサブシステムの制限に良好に適合された。

【図面の簡単な説明】

第１図はポンプ装置のブロック線図、第２図は４ｚンプ
装置の電気回路のためのブロック線図である。 １・・・空気取入口　　　２・・・フィルタ３・・・ア
キュムレータ　４・・・空気ポンプ５・・・電　！ＩＪ
　　殿　　　６・・・管７・・・バイパス弁　　　８・
・・空　気　溜　め９・・・管　　　　　　　１０・・
・弁１１・・・オリフィス　　　１２・・・几−力スイ
ッチ１３・・・閉ざされたループ制ｉｌ＋装置１３Δ・
・・コンピュータ　１３３・・・電動機駆動回路１４・
・・液晶表示装冒　　１５・・・液晶表示装置励振器１
７・・・排　気　口　　　１８・・・キーボード１９・
・・フィルタ　　２０・・・入出力装置２１・・・オン
・オフスイッチ ２２・・・電　池　　　　　２３・・・電池充電回路２
４・・・温度センサ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）空気取入口と、前記空気取入口に管により連結され
   た空気から粒子または蒸気を除去するためのフィルタ装
   置と、ポンプ装置を通して空気の流れを圧送するために
   前記フィルタ装置に連結された可変駆動空気ポンプと、
   前記空気ポンプに連結されそして前記空気ポンプを駆動
   する可変速電動機と、前記電動機のための電源と、前記
   空気ポンプに連結された連結管の中に配置されかつポン
   プ装置を通して圧送される空気の流れに空気の圧力降下
   を惹き起こすオリフィスと、前記オリフィスに平行な関
   係に管の中に配置されかつポンプ装置を通る空気の流量
   の変化により惹き起こされた空気の流れの空気圧力降下
   の変化により作動せしめられる開閉位置を有する差圧ス
   イッチと、前記オリフィスおよび差圧スイッチに管によ
   り連結された排出口とを有する空気の流量が一定に保た
   れるように構成された空気の試料を採取するための改良
   されたポンプ装置において、前記圧力スイッチに電気的
   に接続されたディジタル回路と、前記ディジタル回路に
   電気的に接続された閉ざされたループ制御装置とを備え
   、前記ディジタル回路が設定された時間間隔にわたって
   ディジタル低デューティサイクルパルス信号を送って前
   記設定時間中圧力スイッチの支配的な開いた位置または
   閉じた位置を決定し、前記圧力スイッチが支配的な開い
   た位置にあるときに、前記制御装置が前記電源から前記
   電動機に印加される電圧を漸次高めてそれにより前記電
   動機を増大した速度で駆動し、それにより前記空気ポン
   プを増大した速度で駆動してポンプ装置を通る空気の流
   量を増大させ、前記圧力スイッチが支配的な閉ざされた
   位置にあるときに、前記制御装置が前記電源から前記電
   動機に印加される電圧を漸次降下させてそれにより前記
   電動機を低下した速度で駆動し、それ により前記空気ポンプを低下した速度で駆動してポンプ
   装置を通る空気の流量を減少させ、それによりポンプ装
   置を通る空気の流れが一定の流量に保たれることを特徴
   とする空気の試料を採取するための改良されたポンプ装
   置。 ２）特許請求の範囲第１項に記載のポンプ装置において
   、前記の閉ざされたループ制御装置が前記電源および前
   記ディジタル回路に電気的に接続された積分回路を備え
   、前記ディジタル回路からの信号を使用し、この信号を
   積分し、そしてさらに、前記電源に電気的に接続されか
   つ前記積分回路および前記電動機に直列に接続された増
   幅回路を備え、前記増幅回路が前記積分回路により発信
   された信号を増幅し、そしてその増幅された信号を前記
   電動機に送るようになっていることを特徴とするポンプ
   装置。 ３）特許請求の範囲第１項に記載のポンプ装置において
   、前記ディジタル回路が毎秒５０〜１０００パルスの範
   囲のパルスを前記圧力スイッチに送り、そして前記パル
   スが０．１〜５％のデューティサイクルを有し、かつ前
   記圧力スイッチに流れる有効電流が０．１ミリアンペア
   ないし　５．０ミリアンペアに制限されることを特徴と
   するポンプ装置。 ４）特許請求の範囲第１項に記載のポンプ装置において
   、前記閉ざされたループ制御装置が前記ディジタル回路
   に接続されたディジタル積分回路と、前記積分回路に接
   続されたディジタル・アナログ変換器と、前記ディジタ
   ル・アナログ変換器および前記電動機に接続された増幅
   回路とを備え、前記ディジタル積分回路が前記ディジタ
   ル回路から前記圧力スイッチの位置に関する信号を受信
   し、そして前記信号が積分され、そして前記ディジタル
   ・アナログ変換器に送られ、前記ディジタル・アナログ
   変換器が受信した信号を変換し、そして変換された信号
   を前記増幅回路に送り、そしてその信号が増幅されかつ
   前記電動機を駆動し、それにより前記空気ポンプを所望
   された速度で駆動してポンプ装置を通して一定の空気の
   流量を保つことを特徴とするポンプ装置。 ５）特許請求の範囲第１項に記載のポンプ装置において
   、前記閉ざされたループ制御装置が前記ディジタル回路
   に接続されたディジタル積分回路と、前記積分回路、前
   記電動機および前記電源に接続されたディジタル幅変換
   スイッチ装置とを備え、前記ディジタル積分回路が前記
   ディジタル回路から前記圧力スイッチの位置に関する信
   号を受信し、そしてその信号が積分されかつ前記ディジ
   タル幅変換スイッチ装置に送られ、前記ディジタル幅変
   換スイッチ装置が電流を前記電動機に供給して前記電動
   機および空気ポンプを作動させてそれによりポンプ装置
   を通して一定の空気の流量を保つことを特徴とするポン
   プ装置。 ６）特許請求の範囲第５項に記載のポンプ装置において
   、前記ディジタル回路および前記の閉ざされたループ制
   御装置がコンピュータ回路の一部分であることを特徴と
   するポンプ装置。 ７）特許請求の範囲第５項に記載のポンプ装置において
   、電流制限回路が前記電動機と前記ディジタルパルス幅
   変換スイッチ装置との間および前記電動機に電気的に接
   続され、前記電流制限回路が前記電動機に送られる最大
   電流パルスを制限し、そして高い電流パルスのためのパ
   ルス時間を増大することを特徴とするポンプ装置。 ８）特許請求の範囲第６項に記載のポンプ装置であって
   、前記コンピュータに接続された温度測定回路を有して
   いることを特徴とするポンプ装置。 ９）特許請求の範囲第６項に記載のポンプ装置において
   、励振装置がコンピュータに電気的に接続されかつ液晶
   表示装置に接続され、前記液晶表示装置がコンピュータ
   により得られたデータを表示しかつ操作パラメータを入
   力するためにコンピュータに接続されたキーボードを有
   していることを特徴とするポンプ装置。 １０）特許請求の範囲第１項に記載のポンプ装置であっ
   て、前記空気取入口と前記空気ポンプとの間に配置され
   た空気アキュムレータを有していることを特徴とするポ
   ンプ装置。 １１）特許請求の範囲第１項に記載のポンプ装置におい
   て、空気溜めが前記空気ポンプと前記オリフィスとの間
   に管により連結されていることを特徴とするポンプ装置
   。 １２）特許請求の範囲第１項に記載のポンプ装置であっ
   て、前記空気ポンプに並列に接続されかつ前記空気ポン
   プを通る空気の流れを調節するために使用される調節可
   能なバイパスを有していることを特徴とするポンプ装置
   。 １３）特許請求の範囲第１２項に記載のポンプ装置にお
   いて、前記空気ポンプがダイアフラムポンプであること
   を特徴とするポンプ装置。 １４）特許請求の範囲第１項に記載のポンプ装置であっ
   て、前記圧力スイッチの前方の平行な管の中に配置され
   たフィルタを有していることを特徴とするポンプ装置。 １５）特許請求の範囲第１項に記載のポンプ装置におい
   て、前記電源が電池パックであることを特徴とするポン
   プ装置。 １６）特許請求の範囲第１５項に記載のポンプ装置であ
   って、電池充電回路を有していることを特徴とするポン
   プ装置。 １７）特許請求の範囲第１２項に記載のポンプ装置にお
   いて、前記オリフィスに並列に管により接続されたバイ
   パスを有していることを特徴とするポンプ装置。 １８）特許請求の範囲第１７項に記載のポンプ装置にお
   いて、前記電動機のためのバイパスおよび前記オリフィ
   スのためのバイパスの各々が調節可能な針弁を有し、か
   つ前記オリフィスが調節可能な針弁であることを特徴と
   するポンプ装置。 １９）特許請求の範囲第９項に記載のポンプ装置であっ
   て、データをロードしかつアンロードするためのデータ
   バスを取りつけるための装置を有していることを特徴と
   するポンプ装置。 ２０）特許請求の範囲第１９項に記載のポンプ装置にお
   いて、データをロードするためのデータバスのための装
   置にプログラマ−ユニットを取りつけることができるこ
   とを特徴とするポンプ装置。 ２１）特許請求の範囲第１８項に記載のポンプ装置であ
   って、空気の低流量を検知する回路を有していることを
   特徴とするポンプ装置。