JP5932768B2

JP5932768B2 - ガス流希釈装置を較正する方法

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Publication number: JP5932768B2
Application number: JP2013505560A
Authority: JP
Inventors: ブライアンアーサーグッディ
Original assignee: エルエヌアイシュミドリンソシエテアノニム
Priority date: 2010-04-19
Filing date: 2011-04-18
Publication date: 2016-06-08
Anticipated expiration: 2031-04-18
Also published as: CN102859459A; JP2013525780A; US20130041611A1; GB201006530D0; WO2011132049A1; US9229456B2; KR101832926B1; KR20130064047A; EP2561420A1; CN102859459B; EP2561420B1

Description

本発明は、ガス流希釈装置を較正するための方法及び装置に関する。

標準ガス混合物は、マトリックスガス（例えば、窒素）中に一定濃度の検体ガス（例えば、一酸化炭素）を含有するガスシリンダで利用できる。ガス流希釈装置は、標準ガス混合物の流れを追加の関連マトリックスガス（希釈ガスと呼ぶ）の流れと組み合わせて、希釈物をもたらすようになっている。２つの流量比の調整は、複合ガスの検体の濃度を調整する手段をもたらす。

本発明は、さまざまな組み合わせで、多数の標準ガス混合物及び希釈ガスの一定流量を「オン」又は「オフ」することで機能する形式のガス希釈装置の改良された較正を提供しようとするものである。このようなガス希釈装置の形式は公知であり、一定流量の制御構成要素としてキャピラリ、オリフィス、又は臨界オリフィスを使用する。

一般に、ガス希釈装置は、外部参照基準の流量に対する流量制御構成要素の実際の流量を測定することによって較正される。このような市販のガス希釈装置の較正は、較正研究所で毎年行われることが多い。これには費用や時間がかかり、この期間を通して精度を維持できない。

しかしながら、希釈は流量比の関数であり実際の流量値の情報は必要ないので実際の流量の較正は必要ない。英国特許第２，３３３，６１４号明細書には、多数の流量制御デバイスの較正方法が開示されており、一連の流量の組み合わせを調整して共通流量計において同じ測定値にすることで、正確にこれらの流量比を設定するようになっている。ＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ１３（２００２）１１３８−１１４５に発表された「ｈｉｇｈ−ａｃｃｕｒａｃｙｇａｓｆｌｏｗｄｉｌｕｔｏｒｕｓｉｎｇｍａｓｓｆｌｏｗｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓｗｉｔｈｂｉｎａｒｙｗｅｉｇｈｔｅｄｆｌｏｗｓ」の詳細な説明はこの方法を利用している。この方法は、使用時に実質的に周期的な較正を行うために使用できる。英国特許第２，３３３，６１４号明細書の方法は、所望の流量に調整可能な質量流量制御デバイス等の流量制御構成要素を使用する希釈装置だけに適用できる。質量流量制御デバイスは大型で高価であり、これら流量の調整に対して安定するまで時間がかかる。従って、各流量を同一に調整することに依存する正確な較正は長期化する場合がある。

英国特許第２，３３３，６１４号明細書

「ｈｉｇｈ−ａｃｃｕｒａｃｙｇａｓｆｌｏｗｄｉｌｕｔｏｒｕｓｉｎｇｍａｓｓｆｌｏｗｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓｗｉｔｈｂｉｎａｒｙｗｅｉｇｈｔｅｄｆｌｏｗｓ」、ＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ１３（２００２）１１３８−１１４５

本発明は、ガス流希釈装置を較正する改良された方法及びシステムを提供するものである。

本発明の１つの態様によれば、ガス流希釈装置を較正する方法が提供され、本方法は、所望の流量をもたらすように選択された複数の定流量流体構成要素を準備する段階と、前記構成要素の１つ又はそれ以上から共通の計量計を介して流れを供給し、流量構成要素を通る流量を測定し、これに基づいて流量比を決定することで、複数の定流量構成要素を通る流体流量の測定値を取得する段階とを含み、構成要素を通る流量測定値を得るようになっている。

本発明の別の態様によれば、ガス流希釈装置を較正するための装置は、所望の流量をもたらすように作動可能な複数の定流量流体構成要素と、流体流量構成要素からの流体流を受け入れるように結合され、複数の定流量流体構成要素を通る流体流量の測定値を取得するように作動可能な共通の流量計と、これらから流量比を求める手段とを備え、構成要素を通る流量を測定するようになっている。

本明細書で説明する好ましい実施形態は、安価で早急に定常流に安定させる臨界オリフィス等の定流量構成要素の使用を可能にする。これらは同じ流量を得るように調整できないが、所望の流量値に非常に近い流量になるように選択される。本実施形態では、全ての流量制御構成要素の正確な流量比を求める。実際の流量は測定しないが、ほぼ等しい流量はそれぞれ共通の流量計に送り込まれ、表示された流量計読み値は流量比と同じとして取得される。次に、２つのほぼ等しい流量は組み合わされてほぼ同じ値の単一流量と比較される。流量計は、ほぼ等しい流量を比較するためだけに使用されるので、較正又は広範囲に線形化する必要はない。

本発明の実施形態は、例示的に図面を参照して以下に説明する。

特にガス流希釈装置を較正するための流量制御デバイスの実施形態を概略的に示す。

図１を参照すると、図１は例示的に流量制御構成要素として臨界オリフィスを用いるガス流希釈装置の実施形態を示す。全体的なデザインは公知であるが、追加の構成要素７Ａ、８Ａ、及び１１は、改良された較正方法を可能にするために組み込まれている。較正精度を高めるために構成要素６を設けることが好ましい。

標準ガスは、入力１から三方向タップ３を経由して圧力調整装置４に供給され、タップ７Ａから７Ｆに送り込まれる。希釈ガスは入力２から圧力調整装置５に供給され、タップ７Ａから７Ｆに送り込まれる。これらのタップにより、標準ガス又は希釈ガスのどちらか一方が臨界オリフィス８Ａから８Ｆに流れ込むことができる。更に、各タップは、両方のガスの流れを同時に遮断するように位置付けることができる。

臨界オリフィスからの複合流は、タップ１０へ流れ、出口ポート９へ向かうか、又は流量計１１を通って排気ポート１２へ向かうことができる。
タップ３によって、希釈ガスは、較正時に標準ガスを節約するために標準ガスの代わりに圧力調整装置４に好都合に送り込むことができる。
タップ７Ａから７Ｆの設定の組み合わせを変更することで、異なる標準ガスの希釈物を得ることができる。
臨界オリフィス８Ａから８Ｆは、それぞれ１、２、４、８、及び１６の流量単位の公称（例えば、±３％以内の値の）流量を与えるように選択される（流量単位は、出口から所望の流量をもたらすように選択される）。調整装置４及び５からの出力圧力は等しく、臨界オリフィスの正確な作動を保証するのに十分であることが好ましい。

差圧計６により、２つの調整装置４及び５の出力圧力を好都合に等しく設定できる。また、流量変化に起因する場合がある出力圧力の変化をモニタして補償することができる。
流量計１１は、ほぼ等しい対の流量を比較するためだけに使用されるので正確に較正する又は高度に線形化する必要はない。好ましい較正方法は以下の通りである。
１）希釈ガスをポート２に接続して、ガス圧を調整装置４及び５に供給するのに十分なように調整する。
２）タップ３を希釈ガスが両方の調整装置に供給されるように設定する。
３）タップ７Ｂから７Ｆをオフに設定する（流れない）。
４）タップ７Ａを希釈ガスが臨界オリフィス８Ａに供給されるように設定する。
５）タップ１０を流れが流量計１１を通って流れるように設定する。

６）希釈調整装置５からオリフィス８Ａへの流量は以下ではＦＤ（８Ａ）と呼び、好都合には他の全ての流量が比較される基準流量として使用される。対応する流量計１１の流量指示値は以下ではＩＤ（８Ａ）と呼ぶ。
７）タップ７Ａをオフにしてタップ７Ｂを調整装置５からオリフィス８Ｂへの流れをもたらすように設定する。流量ＦＤ（８Ｂ）は指示値ＩＤ（８Ｂ）を与え、
８）近似式は以下のようになる。
ＦＤ（８Ｂ）＝ＦＤ（８Ａ）＊ＩＤ（８Ｂ）／ＩＤ（８Ａ）

９）両方のタップ７Ａ及び７Ｂを調整装置５からガスを流すように設定する。同様の用語を用いて、複合流ＦＤ（８Ａ＋８Ｂ）は流量計１１上でＩＤ（８Ａ＋８Ｂ）として示される。
１０）タップ７Ａ及び７Ｂをオフにする。タップ７Ｃを調整装置５から流れるように設定して流量ＦＤ（８Ｃ）及び指示値ＩＤ（８Ｃ）を得て、
１１）近似式は以下のようになる。
ＦＤ（８Ｃ）＝ＦＤ（８Ａ＋８Ｂ）＊ＩＤ（８Ｃ）／ＩＤ（８Ａ＋８Ｂ）
１２）流量を組み合わせて類似の流量を比較すると近似式は以下のようになる。
ＦＤ（８Ｄ）＝ＦＤ（８Ａ＋８Ｂ＋８Ｃ）＊ＩＤ（８Ｄ）／ＩＤ（８Ａ＋８Ｂ＋８Ｃ）
ＦＤ（８Ｅ）＝ＦＤ（８Ａ＋８Ｂ＋８Ｃ＋８Ｄ）＊ＩＤ（８Ｅ）／ＩＤ（８Ａ＋８Ｂ＋８Ｃ＋８Ｄ）
ＦＤ（８Ｆ）＝ＦＤ（８Ａ＋８Ｂ＋８Ｃ＋８Ｄ＋８Ｅ）＊ＩＤ（８Ｆ）／ＩＤ（８Ａ＋８Ｂ＋８Ｃ＋８Ｄ＋８Ｅ）

これは調整装置５から供給される場合の臨界オリフィス８Ｂから８Ｆの、調整装置５から供給される場合のオリフィス８Ａを通る流量に対する相対流量を決定するための十分な情報を与える。
１３）次にステップ４）から１２）を繰り返すが、タップは調整装置５からではなく圧力調整装置４からガスを供給するように設定される。これらの流量及び指示値は以下ではそれぞれＦＳ及びＩＳと呼び、以下の近似式を求めることができる。
ＦＳ（８Ｂ）＝ＦＳ（８Ａ）＊ＩＳ（８Ｂ）／ＩＳ（８Ａ）
ＦＳ（８Ｃ）＝ＦＳ（８Ａ＋８Ｂ）＊ＩＳ（８Ｃ）／ＩＳ（８Ａ＋８Ｂ）
ＦＳ（８Ｄ）＝ＦＳ（８Ａ＋８Ｂ＋８Ｃ）＊ＩＳ（８Ｄ）／ＩＳ（８Ａ＋８Ｂ＋８Ｃ）
ＦＳ（８Ｅ）＝ＦＳ（８Ａ＋８Ｂ＋８Ｃ＋８Ｄ）＊ＩＳ（８Ｅ）／ＩＳ（８Ａ＋８Ｂ＋８Ｃ＋８Ｄ）
ＦＳ（８Ｆ）＝ＦＳ（８Ａ＋８Ｂ＋８Ｃ＋８Ｄ＋８Ｅ）＊ＩＳ（８Ｆ）／ＩＳ（８Ａ＋８Ｂ＋８Ｃ＋８Ｄ＋８Ｅ）

これは調整装置４から供給される場合の臨界オリフィス８Ｂから８Ｆの、調整装置４から供給される場合のオリフィス８Ａを通る流量に対する相対流量を決定するための十分な情報を与える。
１４）流量計１１を用いて、調整装置４から供給される場合のオリフィス８Ａを通る流量は、調整装置５から供給される場合に得られる流量と比較する。つまり以下の式のようになる。
ＦＳ（８Ａ）＝ＦＤ（８Ａ）＊ＩＳ（８Ａ）／ＩＤ（８Ａ）
１５）各々のオリフィスを通る希釈ガス又は標準ガスの相対流量を計算できる。

作動時、タップ７Ａから７Ｆは組み合わせて使用され、標準ガス及び希釈ガスの流量を設定するようになっている。２つのガスの相対流量は希釈を規定する。

実際には、２つの調整装置４及び５の出力圧力は、そこを通る流量が増大するにつれて減少する場合がある。これはオリフィスを通る流量の減少につながり、求めた相対流量、従って希釈における必然的な誤差につながる場合もある。この影響は、無視できるほど小さいが、圧力計６は圧力と流量との関係を測定して補償を行うために使用できる。

前述の実施形態には種々の変形例が可能である。例えば、キャピラリ又は非臨界オリフィス等の流量制御デバイスを使用できる。流量制御デバイスの数は増減できる。流量制御デバイスの公称流量は、２値重み付け関係（例えば、１、１、１、３、５、及び１０の流量単位）に従う必要はない。流量計は、測定レンジを広げるために２つ又はそれ以上から選択できる。各調整圧力は個別にモニタできる。較正測定を行う順番は様々とすることができる。較正データの処理は様々とすることができる。システムは単一ガスの線形流量制御を得るために使用できる。本明細書に記載の較正方法及び装置は、既存のガス流希釈装置に組み込むことができるので、ユーザは定期的に（例えば、毎日）再較正でき、長期ドリフトの影響を排除できる。これにより、より正確な希釈装置（０．１％相対不確定性を得ることができる）がもたらされ、定期的な再較正のために希釈装置を研究所に送ることに関連するコスト及び停止時間が削減される。

Claims

ガス流希釈装置を較正する方法であって、該ガス流希釈装置は、希釈ガス入力（２）及び標準ガス入力（１）と、タップ（７Ａ）によって較正定流量流体構成要素（８Ａ）に、タップ（７Ｂ・・・７Ｆ）によって複数の定流量流体構成要素（８Ｂ・・・８Ｆ）の各々に結合される希釈ガス圧力調整装置（５）及び標準ガス圧力調整装置（４）とを備え、前記複数の定流量流体構成要素の第１の定流量流体構成要素（８Ｂ）は、実質的に前記較正定流量流体構成要素（８Ａ）と同じ流量であり、全ての定流量流体構成要素（８Ａ・・・８Ｆ）の出口は相互接続され、前記ガス流希釈装置の出口を形成し、
１−前記希釈ガス圧力調整装置（５）を経由して希釈ガスを前記較正定流量流体構成要素（８Ａ）だけに供給する段階と、
２−前記ガス流希釈装置の共通出力を流量計（１１）に接続して前記流量ＦＤ８Ａに関する指示値を読み込む段階と、
３−前記較正定流量流体構成要素（８Ａ）を通る希釈ガス流量を他の全ての流量が比較されることになる基準流量ＩＤ８Ａとして使用する段階と、
４−希釈ガスを、前記希釈ガス圧力調整装置を経由して前記複数の定流量流体構成要素の第１の定流量流体構成要素（８Ｂ）だけに供給して、前記第１の定流量流体構成要素（８Ｂ）を通る流量ＦＤ８Ｂに関する前記流量計（１１）の指示値ＩＤ８Ｂを読み込む段階と、
５−近似ＦＤ８Ｂ＝ＦＤ８Ａ＊ＩＤ８Ｂ／ＩＤ８Ａの近似を行う段階と、
６−希釈ガスを、前記希釈ガス圧力調整装置を経由して前記較正定流量流体構成要素（８Ａ）及び前記複数の定流量流体構成要素（８Ｂ・・・８Ｆ）の前記第１の定流量流体構成要素（８Ｂ）へ供給し、前記複合流量ＦＤ（８Ａ＋８Ｂ）に対応する前記流量計（１１）の指示値ＩＤ（８Ａ＋８Ｂ）を読み込む段階と、
７−希釈ガスを、前記希釈ガス圧力調整装置を経由して前記複数の定流量流体構成要素（８Ｂ・・・８Ｆ）の第２の定流量流体構成要素（８Ｃ）だけに供給して、前記流量計（１１）の対応する指示値ＩＤ（８Ｃ）を読み込む段階と、
８−近似ＦＤ（８Ｃ）＝ＦＤ（８Ａ＋８Ｂ）＊ＩＤ８Ｃ／ＩＤ（８Ａ＋８Ｂ）を行う段階と、
９−以下の近似式によって決定される、近似式類似の流量を組み合わせて比較する類似の処理により、
ＦＤ（８Ｄ）＝ＦＤ（８Ａ＋８Ｂ＋８Ｃ）＊ＩＤ（８Ｄ）／ＩＤ（８Ａ＋８Ｂ＋８Ｃ）
ＦＤ（８Ｅ）＝ＦＤ（８Ａ＋８Ｂ＋８Ｃ＋８Ｄ）＊ＩＤ（８Ｅ）／ＩＤ（８Ａ＋８Ｂ＋８Ｃ＋８Ｄ）
ＦＤ（８Ｆ）＝ＦＤ（８Ａ＋８Ｂ＋８Ｃ＋８Ｄ＋８Ｅ）＊ＩＤ（８Ｆ）／ＩＤ（８Ａ＋８Ｂ＋８Ｃ＋８Ｄ＋８Ｅ）
希釈ガスが前記希釈ガス圧力調整装置を通って供給される場合の定流量流体構成要素８Ｂから８Ｆの、希釈ガスが希釈ガス圧力調整装置から供給される場合の較正定流量流体構成要素（８Ａ）を通る流量に対する相対流量をこれらの近似から決定する段階と、
１０−次に段階１から９を繰り返すが、定流量流体構成要素（８Ａ・・・８Ｆ）は前記標準ガス圧力調整装置（４）から希釈ガスが供給され、これらの流量及び指示値はそれぞれＦＳ及びＩＳと呼び、以下の近似式を求めることができ、
ＦＳ（８Ｂ）＝ＦＳ（８Ａ）＊ＩＳ（８Ｂ）／ＩＳ（８Ａ）
ＦＳ（８Ｃ）＝ＦＳ（８Ａ＋８Ｂ）＊ＩＳ（８Ｃ）／ＩＳ（８Ａ＋８Ｂ）
ＦＳ（８Ｄ）＝ＦＳ（８Ａ＋８Ｂ＋８Ｃ）＊ＩＳ（８Ｄ）／ＩＳ（８Ａ＋８Ｂ＋８Ｃ）
ＦＳ（８Ｅ）＝ＦＳ（８Ａ＋８Ｂ＋８Ｃ＋８Ｄ）＊ＩＳ（８Ｅ）／ＩＳ（８Ａ＋８Ｂ＋８Ｃ＋８Ｄ）
ＦＳ（８Ｆ）＝ＦＳ（８Ａ＋８Ｂ＋８Ｃ＋８Ｄ＋８Ｅ）＊ＩＳ（８Ｆ）／ＩＳ（８Ａ＋８Ｂ＋８Ｃ＋８Ｄ＋８Ｅ）
希釈ガスが標準ガス圧力調整装置から供給される場合の定流量流体構成要素（８Ｂから８Ｆ）の、希釈ガスが標準ガス圧力調整装置から供給される場合の較正定流量流体構成要素（８Ａ）を通る流量に対する相対流量をこれらの近似から決定する段階と、
１１−流量計１１を用いる段階であって、希釈ガスが標準ガス圧力調整装置から供給される場合の較正定流量流体構成要素（８Ａ）を通る流量を、希釈ガスが希釈ガス圧力調整装置から供給される場合に得られる流量と比較する、つまり以下の式のようになる、段階と、ＦＳ（８Ａ）＝ＦＤ（８Ａ）＊ＩＳ（８Ａ）／ＩＤ（８Ａ）
１２−前記定流量流体構成要素の各々を通る希釈ガス又は標準ガスの相対流量を計算する段階、とを含む方法。
前記定流量流体構成要素の少なくとも１つは、結合されて前記ガス流希釈装置に希釈ガスをもたらすようになっており、前記定流量流体構成要素の少なくとも１つの他のものは、結合されて希釈されることになる標準ガスをもたらすようになっている、請求項１に記載の方法。
前記定流量流体構成要素は、臨界オリフィス、キャピラリ、又は非臨界オリフィスを備える、請求項１又は２に記載の方法。
前記定流量流体構成要素は、それぞれ少なくとも１、１、及び２の流量単位の容量を有する、請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。
希釈ガス圧力調整装置及び標準ガス圧力調整装置を通して前記ガス流希釈装置に標準流体及び希釈流体を供給する段階を含み、前記希釈ガス圧力調整装置及び標準ガス圧力調整装置は同じ容量を有する、請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。
前記希釈ガス圧力調整装置及び標準ガス圧力調整装置の間の差圧を測定して、その間の差圧を補償する段階を含む、請求項５に記載の方法。
前記定流量流体構成要素の他のものを通る流体の相対流量、及び前記ガス流希釈装置の１つ又はそれ以上の前記定流量流体構成要素の他のものの組み合わせに基づいて、他の定流量流体構成要素を較正する段階を含む、請求項１から６のいずれか１項に記載の方法。
前記定流量流体構成要素の１つ又はそれ以上を通る較正された流体流量は、前記ガス流希釈装置の１つ又はそれ以上の圧力調整装置を較正するために使用される、請求項１から７のいずれか１項に記載の方法。
前記流量計による長期ドリフトを補償するために定期的な較正を行う段階を含む、請求項１から８のいずれか１項に記載の方法。