JPH06294382A - 流量制御サンプリング用ポンプ装置 - Google Patents

流量制御サンプリング用ポンプ装置

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JPH06294382A
JPH06294382A JP5303871A JP30387193A JPH06294382A JP H06294382 A JPH06294382 A JP H06294382A JP 5303871 A JP5303871 A JP 5303871A JP 30387193 A JP30387193 A JP 30387193A JP H06294382 A JPH06294382 A JP H06294382A
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pump
flow
control sampling
signal
flow control
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JP5303871A
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Clayton J Bossart
クレイトン・ジェイ・ボサート
Charles H Etheridge
チャールズ・エッチ・エサリジ
Craig D Gestler
クレーグ・ディー・ゲストラー
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MSA Safety Inc
Original Assignee
Mine Safety Appliances Co
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B49/00—Control, e.g. of pump delivery, or pump pressure of, or safety measures for, machines, pumps, or pumping installations, not otherwise provided for, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B47/00
    • F04B49/06—Control using electricity
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B2205/00—Fluid parameters
    • F04B2205/09—Flow through the pump

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Sampling And Sample Adjustment (AREA)
  • Control Of Positive-Displacement Pumps (AREA)
  • Measuring Volume Flow (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 流量制御サンプリング用ポンプ装置のポンプ
を通る実際の容量流量を直接測定し又は表示する。 【構成】 ポンプ１４の容積流量の正確な読出しとポン
プ電動機１６のフィードバック制御を行う層流計１９を
有する流動制御装置を含む個人使用サンプリングポンプ
装置２は、電動機１６と、電動機１６で駆動されるポン
プ１４と、ポンプ１４の流動通路内に配置された層流発
生装置２０と、層流発生装置２０の前後の圧力降下を感
知すると共に、ポンプ１４を通る容積流量に直接かつ直
線状に比例する電気信号を発生する圧電トランスデュー
サ２２とを含む。電気信号を使用する電動機制御回路１
８は電動機１６に印加される電圧を制御してポンプ１４
の流動を調整する。前記電気信号によって、使用者に対
してポンプ１４の容積流動状態を表示することもでき
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は一般にポンプ装置、特に
個人使用又は空気中の汚染物質を捕集する地域的空気サ
ンプリング装置に関連する。
【０００２】
【従来の技術】有毒な煙霧、ごみ、粒状物質、ガス及び
蒸気等の空気中の汚染物質を捕集するサンプリング装置
は公知である。通常、この種の装置はポンプ等の真空源
又は低圧発生装置に接続され、空気中の汚染物質はポン
プの吸引作用でサンプリング装置内に吸引される。サン
プリング装置に連結されるポンプは、個人使用のサンプ
リングポンプと通常呼ばれ、軽量で可搬式であり、工業
衛生技師その他の作業員が携帯して、周辺空気の汚染度
又は有害性の環境調査活動を行う。
【０００３】周辺空気を調査する上記サンプリングに現
在最も多く使用されている個人使用サンプリングポンプ
は、適当な型式の電子式流量制御装置を利用してポンプ
電動機に加えられる電圧を変化してほぼ一定の空気流量
を維持するものである。このサンプリングポンプでは、
流量と印加電圧との間の関係は「推理的」関係である。
推理的制御システムでは、ポンプ電動機の電気的パラメ
ータ（電圧と電流）と空気負荷による流量との間の瞬間
的関係は予め設定されて不変である。この固定的関係は
給電促進型電動機電圧制御回路の設計に使用され、空気
負荷変化又は電動機温度変化などの補償に利用される。
この型式のシステムを使用する装置の一例はペンシルベ
ニア州ピッッバーグのマイン・セイフティー・アプライ
アンセス（ＭＳＡ）社で製造されているフローライト
（Ｆｌｏｗ - Ｌｉｔｅ：商標名）ポンプである。
【０００４】アメリカ合衆国特許第４,０６３,８２４号
に開示された空気サンプリング用ポンプ装置では、圧力
スイッチと適当な回路によって、ニードル弁の前後の圧
力降下はポンプ電動機に加えられる電圧を決定する信号
に変換される。この直接制御システムはポンプを通る容
積流量を直接測定し又は表示しない。他の型式の制御シ
ステムの一例は、米国特許第４,３８９,９０３号に開示
されている。このシステムは容積流動の代りに質量流動
を使用し、熱線風速計の温度変化は適当な回路によって
電圧信号に変換されてポンプ電動機を制御する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】間接式かつ推理式制御
システムは概して良好に機能するが、ポンプを通る実際
の容量流量を直接測定し又は表示しない。
【０００６】また、前記推理式制御システムは流動制御
精度に影響する固有の制限がある。例えば、前記推理式
制御システムはポンプの経年変化に伴うポンプ特性の変
化を自動的に補償することができない。この場合、経年
変化に伴うポンプ特性の変化に対する所要の補償を達成
するため、ポンプの適当な補償制御装置を物理的にリセ
ットしなければならない。ポンプ部品の通常の経年変化
と摩耗に起因する流動変化に加えて、軸受又はポンプ弁
内にごみ若しくは異物が侵入し又は機械的衝撃に伴うク
ランクアーム等の不整列化が発生することがある。前記
推理的かつ間接的制御方式は、負荷要求の変化で発生す
る流動変化を特殊化することをはできない。従ってポン
プ電動機に印加される電圧は、所望の電圧レベルとはか
なり異なり、このため負荷に起因する流量の変動に無関
係な影響によって歪む流量になる。
【０００７】従ってポンプの容量流動を直接測定しかつ
表示する流動センサを有する電子式流動制御装置を個人
使用サンプリングポンプ装置に設けることは明らかに有
利である。次にポンプ流量を表示する信号はポンプ電動
機の制御に使用され、電子式流動制御装置はポンプの動
作特性の変動によって妨害されずに動作する。
【０００８】そこで、本発明はポンプを通る実際の容量
流量を直接測定し又は表示する流量制御サンプリング用
ポンプ装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明による流量制御サ
ンプリング用ポンプ装置は、電動機と、電動機で駆動さ
れてガス流路内に流量を発生するポンプと、ポンプのガ
ス流路内に配置されかつポンプの流量に比例する圧力降
下をガス流路内に発生する層流発生装置と、層流発生装
置内に発生する圧力降下を感知しかつポンプの流量を表
示する第１信号を発生する圧電トランスデューサと、第
１信号を受信して第１信号に応答する第２信号を電動機
に送り、電動機を制御してポンプの流量を調整する電動
機制御回路とを含む。本発明の実施例では、流量制御サ
ンプリング用ポンプ装置は、第１信号を処理してポンプ
の流量を表示する読出回路を備えている。ガス流路はポ
ンプの出口通路で、層流発生装置は約１６００以下のレ
イノルズ数を有する流れを発生し、層流発生装置は円筒
形状を有する有孔部材を含む。層流発生装置は、ポンプ
のガス流路内に配置されかつポンプの流量と直線関係の
流動信号を供給する層流計である。電動機制御回路は、
層流計からの流動信号を受信し、流動信号に応答する制
御信号を発生し、電動機を制御してポンプの流量を調整
する。ポンプの出口通路内に脈動ダンパが設けられる。
読出回路は、層流計からの流動信号を処理しかつポンプ
の流量を表示する。流量制御サンプリング用ポンプ装置
は可搬式である。
【００１０】
【作用】空中汚染物質を捕集する本発明による可搬式の
流量制御サンプリング用ポンプ装置は、ポンプを通る容
積流量に比例した電気信号を発生する流動センサとして
の層流計と、ポンプにフィードパックを与える電動機制
御回路とを含む流動制御装置を備え、流動制御装置はポ
ンプ特性の変動に無関係に正確に機能する。好適には層
流計で発生される電気信号はポンプを通る容積流量に直
接かつ線形に比例する。この電気信号は電動機制御回路
に送出され、ポンプの電動機電圧を制御すると共に使用
者に対して表示される。
【００１１】層流計と称する流動センサは、圧電トラン
スデューサと共に動作する層流発生装置を含み、圧電ト
ランスデューサは層流発生装置の前後の圧力降下を測定
する。現在入手できる流動計装置、例えば熱線風速計、
差動熱センサ及びオリフィス流量計に関連する上記の装
置の利点は高精度、急速反応、低い圧力降下、優れた直
線性、比較的低い温度バイアス（通常華氏１度当り０.
１５％）、事実上絶対圧力感度がないこと、設計上の単
純性（可動部品がない）、広い流動範囲（低圧での差動
圧力測定の精度によってのみ制限される）及び使用の容
易性である。
【００１２】
【実施例】本発明による流量制御サンプリング用ポンプ
装置の実施例を図１〜図４について以下説明する。本発
明の他の目的及び利点は本発明の好適実施例を示す添付
図面による下記の説明から明らかであろう。
【００１３】図１に示すように、正常動作間では矢印４
の方向に空気流を流量制御サンプリング装置６内に吸引
する。流量制御サンプリング装置６は衝撃機、木炭サン
プリング管、集じんフィルタ又は特定の空気サンプリン
グの要求に対応して変更できかつ工業衛生士その他の検
査員が使用する種々の装置を使用できる。流量制御サン
プリング装置６を通過後、空気流は相互連結管８によっ
て可搬式で個人使用の流量制御サンプリング用ポンプ装
置２のハウジング１０に送られる。流量制御サンプリン
グ装置６で捕集されかつ空中の汚染物質が除去された空
気流は、ハウジング１０内で可変容積型ポンプ１４の取
入通路９内に設けられた任意のフィルタ１２を通る。可
変容積型ポンプ１４は、例えばピストンポンプ又はダイ
ヤフラムポンプ等の任意型式のポンプでよいが、効率、
性能及び円滑な流動特性の点で有利な二重ヘッドダイヤ
フラムポンプが好適である。電動機制御回路１８及び後
述の層流計１９を含む流動制御装置によって入力電圧が
調整される電動機１６によって可変容積型ポンプ１４が
駆動される。
【００１４】詳記すれば、層流計１９は電子式差動圧電
トランスデューサ２２と連結されて動作される層流発生
装置（層流素子）２０を備え、圧電トランスデューサ２
２は層流発生装置２０の前後の圧力降下を測定する。
【００１５】本発明の層流計１９の直線性は、層流発生
装置２０で発生されるレイノルズ数を１６００以下、好
適には５００以下に維持することが必要である。層流計
の一型式は毛細管の束である。一般法則として毛細管の
通路長は流動通路の直径の少なくとも１００倍でなけれ
ばならない。可搬式個人使用サンプリングポンプ（５０
００ｍｌ／分）に対する上記の制限を達成するために
は、通常多数の毛細管が必要である。このためポンプ装
置が不当に大型になる。
【００１６】しかし本発明の開発によって、適当なハウ
ジング２３内の多孔性部材２１は流量と可搬式個人使用
サンプリングポンプとの間の上記の直線関係をシミュレ
ートできることが判明した。本発明の好適実施例では、
図２及び図３に示すように、層流量素子２０はハウジン
グ２３内に配置された多孔性部材２１を有する。好適に
は、ハウジング２３はプラスチック等の合成材料で作ら
れる。任意のポンプパルスに対する脈動ダンパとして作
用するゴム等の可撓性材料でハウジング２３の一部を作
ることもできる。
【００１７】組合せ型式のステンレス鋼で形成した多孔
性部材による実験によれば、小型のものに対して所望の
直線性で優れた結果が得られることが判明した。これら
の多孔性部材は、直径１３ｍｍ〜２５ｍｍ（１／２イン
チ〜１インチ）、厚さ１.５９ｍｍ〜４.７６ｍｍ（１／
１６インチ〜３／１６インチ）及び公称多孔度２０％〜
８０％で、気孔径２０〜１００ミクロンの粉末金属円板
である。他の型式の試験材料は種々の直径の多孔性円
筒、好適には外径：６.３５ｍｍ（１／４インチ）、×
内径：３.１７ｍｍ（１／８インチ）×長さ：２５.４ｍ
ｍ（１インチ）の形状である。扁平円板及び筒型形状の
もので類似の結果が得られたが、円筒形の多孔性部材２
１を使用すると、機械的に概ね有利であることが判明し
た。図２に示す多孔性部材２１は好適にはレイノルズ数
１５０のものである。本実施例では、円筒径多孔性部材
２１について説明するが、多孔性プラグ、毛細管束又は
他の適当な素子等の層流発生装置２０の特定形状に本発
明を限定するものではない。
【００１８】層流発生装置２０のポンプ流動通路内への
配置は選択事項である、例えば、層流発生装置２０は可
変容積型ポンプ１４の取入通路９（真空側）内に配置さ
れ、電子式圧電トランスデューサ２２を層流発生装置２
０の高圧側のポートと低圧側のポートにそれぞれ接続す
ることが必要である。この構成では実際の真空負荷は、
適当な補償信号を供給するために第２圧電トランスデュ
ーサによって周辺圧力に対して測定しなければならな
い。この構成では第２センサによって負荷状態で測定さ
れた容積流動は周辺状態の測定に変換される。
【００１９】図１に示す本発明の好適実施例を反映する
簡単な研究方法では、層流発生装置２０の入口ポート３
１を可変容積型ポンプ１４の出口通路１１内に配置す
る。この配置では真空負荷補正は必要ではない。圧電ト
ランスデューサ２２の高圧側のポート２４は層流発生装
置２０の高圧側のポート２６に接続しなければならな
い。好適には、ハウジング１０の内部（周辺）圧力効果
を除去するために、圧電トランスデューサ２２と層流発
生装置２０の低圧側のポート２８と３０をそれぞれ接続
しなければ（しかし前から接続する必要はないが）なら
ない。図１のように、層流発生装置２０の出口ポート３
３はハウジング１０内に排気するか又は他の設計によっ
ては外部に排気する。
【００２０】圧電トランスデューサ２２からの出力信号
は電動機制御回路１８に送出され、電動機制御回路１８
から電動機１６に印加すべき可変電圧出力を発生して、
機械電機的フィードバック回路を形成する。図４は電動
機制御回路１８の好適な回路例を示す。電動機制御回路
１８は更に温度補償可能出力を供給し、温度感知用トラ
ンスデューサ３２を経て対称範囲内の温度に直接比例す
る粘性変化を補正する。電動機制御回路１８は電池から
電力が投入され、トランジスタ、コンデンサ、抵抗器、
ダイオード及び増幅器で構成されるが、これらの部品の
機能は当業者には公知であろう。従って説明の簡素化の
ため、図４内の波線で区切った主要サブ回路の相互関係
について電動機制御回路１８を主として以下説明する。
【００２１】圧電トランスデューサ２２の一部を構成す
るブリッジ回路３４は、層流発生装置２０の前後で検出
した圧力降下に比例した信号を発生し、ブリッジ回路３
４の信号は電動機制御回路１８内の高入力インピーダン
ス型の差動増幅回路３６に付与される。差動増幅回路３
６からの増幅された信号は加算増幅回路３８に送られ、
加算増幅回路３８は圧電トランスデューサ２２のブリッ
ジ回路３４に固有のオフセット電圧を除去する。流動が
存在せず、圧電トランスデューサ２２の前後に圧力差が
ない場合には、ゼロポット回路４０を調整して、加算増
幅回路３８からゼロ電圧出力を発生する。
【００２２】次に加算増幅回路３８からの信号は温度補
償回路４２からの信号と結合され、ドライバ増幅回路４
４の非反転入力端子に付与される。同時に、基準電圧回
路４６の分圧器から発生する調整可能な固定点信号はド
ライバ増幅回路４４の反転入力端子に付与される。固定
点信号を調整して、ポンプの流量を変えることができ
る。前記固定点信号は、加算増幅回路３８と温度補償用
回路４２とから送られた温度補償圧力信号に対してドラ
イバ増幅回路４４内で比較される。ドライバ増幅回路４
４は比較量に対応する信号を発生し、この信号によって
ドライブ回路４８を駆動する。トランジスタによって構
成されるドライブ回路４８は電動機１６への入力電圧を
調整して、電動機１６の速度を制御することによって、
可変容積型ポンプ１４の出力量を制御する。
【００２３】更に、ドライバ増幅回路４４の非反転入力
端子に付与される温度補償圧力信号は信号制限用回路５
０にも送られ、実際の容量流動単位の直接流動読出しを
行うデジタル又はアナログ表示装置５２で例えば毎分の
ミリリットル等が表示される。
【００２４】前記電子式流動制御装置を使用して行なっ
た試験では、７６.２ｃｍ（３０インチ）の水柱の真空
負荷変化が起こった場合でも固定点値の±０.５％で流
動制御が可能であることが判明した。
【００２５】電動機制御回路１８はＡ／Ｄ変換器とマイ
クロコントローラをベースとしたシステムを利用してデ
ジタル方式に構成し、パルス幅変調等の任意数の公知装
置を通る電動機電圧を制御することが可能であろう。
【００２６】
【発明の効果】流動制御装置はポンプ特性の変動に無関
係に正確に機能し、層流計で発生される電気信号はポン
プを通る容積流量に直接かつ線形に比例する。このた
め、高精度、急速反応、低い圧力降下、優れた直線性、
比較的低い温度バイアス、事実上絶対圧力感度がないこ
と、設計上の単純性、広い流動範囲及び使用の容易性で
ある流量制御サンプリング用ポンプ装置が得られ、的確
な汚染状態を観測することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による個人使用流量制御サンプリング
ポンプ装置の実施例を示すブロック図
【図２】 層流発生装置の一実施例を断面で示す斜視図
【図３】 圧電トランスデューサに接続される図２の層
流発生装置の断面図
【図４】 本発明のポンプ装置の使用に適合したポンプ
電動機の回路図
【符号の説明】
２．．．サンプリングポンプ装置、 ６．．．空気流量
制御サンプリング装置、 １２．．．フィルタ、 １
４．．．ポンプ、 １６．．．電動機、 １８．．．電
動機制御回路、 １９．．．層流計、 ２０．．．層流
発生装置、 ２１．．．多孔性部材、 ２２．．．圧電
トランスデューサ、 ２３．．．ハウジング
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 チャールズ・エッチ・エサリジ アメリカ合衆国15221ペンシルベニア州ピ ッッバーグ、エッジウッド・ロード 326 (72)発明者 クレーグ・ディー・ゲストラー アメリカ合衆国15202ペンシルベニア州ピ ッツバーグ、アパートメント １、ノー ス・ハリソン・アベニュー 49

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 電動機と、 電動機で駆動されてガス流路内に流量を発生するポンプ
    と、 ポンプのガス流路内に配置されかつポンプの流量に比例
    する圧力降下をガス流路内に発生する層流発生装置と、 層流発生装置内に発生する圧力降下を感知しかつポンプ
    の流量を表示する第１信号を発生する圧電トランスデュ
    ーサと、 圧電トランスデューサの第１信号を受信して第１信号に
    応答する第２信号を電動機に送り、電動機を制御してポ
    ンプの流量を調整する電動機制御回路と、 を含むことを特徴とする流量制御サンプリング用ポンプ
    装置。
  2. 【請求項２】 第１信号を処理してポンプの流量を表示
    する読出回路を含む「請求項１」に記載の流量制御サン
    プリング用ポンプ装置。
  3. 【請求項３】 ガス流路はポンプの出口通路である「請
    求項１」に記載の流量制御サンプリング用ポンプ装置。
  4. 【請求項４】 層流発生装置は約１６００以下のレイノ
    ルズ数を有する流量を発生する「請求項１」に記載の流
    量制御サンプリング用ポンプ装置。
  5. 【請求項５】 層流発生装置は有孔部材を有する「請求
    項１」に記載の流量制御サンプリング用ポンプ装置。
  6. 【請求項６】 電動機と、 電動機によって駆動されてガス流路内に流量を発生する
    ポンプと、 ポンプのガス流路内に配置されかつポンプの流量と直線
    関係の流動信号を供給する層流計と、 層流計からの流動信号を受信し、流動信号に応答する制
    御信号を発生し、電動機を制御してポンプの流量を調整
    する電動機制御回路と、 を含むことを特徴とする流量制御サンプリング用ポンプ
    装置。
  7. 【請求項７】 ガス流路はポンプの出口通路である「請
    求項６」に記載の流量制御サンプリング用ポンプ装置。
  8. 【請求項８】 層流発生装置はレイノルズ数１６００以
    下の流れを発生する「請求項６」に記載の流量制御サン
    プリング用ポンプ装置。
  9. 【請求項９】 層流発生装置は有孔部材を有する「請求
    項６」に記載の流量制御サンプリング用ポンプ装置。
  10. 【請求項１０】 有孔部材は円筒形の形状を有する「請
    求項９」に記載の流量制御サンプリング用ポンプ装置。
  11. 【請求項１１】 有孔部材は円筒形の形状を有する「請
    求項５」に記載の流量制御サンプリング用ポンプ装置。
  12. 【請求項１２】 ポンプの出口通路内に設けられた脈動
    ダンパを含む「請求項３」に記載の流量制御サンプリン
    グ用ポンプ装置。
  13. 【請求項１３】 ポンプの出口通路内に設けられた脈動
    ダンパを含む「請求項７」に記載の流量制御サンプリン
    グ用ポンプ装置。
  14. 【請求項１４】 層流計からの流動信号を処理しかつポ
    ンプの流量を表示する読出回路を含む「請求項６」に記
    載の流量制御サンプリング用ポンプ装置。
  15. 【請求項１５】 流量制御サンプリング用ポンプは可搬
    式である「請求項１」に記載の流量制御サンプリング用
    ポンプ装置。
  16. 【請求項１６】 流量制御サンプリング用ポンプは可搬
    式である「請求項６」に記載の流量制御サンプリング用
    ポンプ装置。
JP5303871A 1992-12-21 1993-12-03 流量制御サンプリング用ポンプ装置 Pending JPH06294382A (ja)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
US07/994,532 US5295790A (en) 1992-12-21 1992-12-21 Flow-controlled sampling pump apparatus
US994532 1992-12-21

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JPH06294382A true JPH06294382A (ja) 1994-10-21

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ID=25540766

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP5303871A Pending JPH06294382A (ja) 1992-12-21 1993-12-03 流量制御サンプリング用ポンプ装置

Country Status (5)

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US (1) US5295790A (ja)
EP (1) EP0604020B1 (ja)
JP (1) JPH06294382A (ja)
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DE (1) DE69319560T2 (ja)

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