JPH03500206A - 揺動ビーム渦センサー - 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】 発明の名称 揺動ビーム渦センサー 発明の背景 １、発明の分野 本発明は渦流量計に関し、より詳細には、渦に起因して検知ダイヤフラム上に生 ずる差圧に応じてピボット運動又は揺動（ｒｏｃｋｉｎｇ）　Ｌ、流れに関連す る出力を発生するビームを用いる渦流量計に用いられるセンサーに関する。

２、従来技術の説明 流体の流れ中に配置されたブラフ体（ｂｌｕｆｆ’　ｂｏｄｙ）又はバーがブラ フ体の両側に交互に渦を発生させ、バーの下流に圧力振動を起こさせるという原 理に基づいて作動する、種々の差圧感知渦流量計が提案されている。渦放出の周 波数は、個々のバーの形状特性に対して流れ中の流速に正比例することが分って いる。

米国特許第４，４７５，４０５号に示されているように、渦放出ブラフ体と共に 用いられるツインダイヤフラム差圧センサーが提案されている。ダイヤフラムの 偏向は、次に検知ビームを屈曲させる。ツインダイヤフラムセンサーは、ダイヤ フラムが正確に調和（マツチング）し、かつ、静圧の影響下においても調和を維 持しない限り、静的なライン圧力の変動に感応することが見出だされた。これは 実施上の制約となる。中間に流体を充填したダブルダイヤフラムシステムが使用 されたが、高温動作に伴う問題が性能を制限している。

今までのシングルダイヤフラムは、シングルダイヤフラム上で使用するセンサー を、検知されている流体に露出する必要があり、大抵の工業プロセス流体はセン サーを損傷するので、非実用的であった。

静圧中の変動を除去するセンサーの性能の一つの尺度は、コモンモード除去比（ ｃｏｍｍｏｎ　ｌｌ１ｏｄｅ　ｒｅｊｅｃｔｉｏｎ　ｒａｔｉｏ）と呼ばれてい る。これは、単位の差圧に対するセンサー出力と単位のコモンモード（静）圧力 に対するセンサーの出力との比として定義される。この比は非常に大きくなけれ ばならず、好適には２０００以上である。

発明の概要 本発明は、その両側に渦を形成するブラフ体又はバーを流体ストリーム中に有す る渦流量計のためのセンサーに関し、特にバーの下流側にシングルダイヤフラム 差圧センサーを位置させ、バーからの渦の放出によって起こる、その両側の圧力 変動を検知するセンサーに関する。

シングル検知ダイヤフラムは、流量計のシール璧の一部をなすマウント構造体上 でピボットレバーのようにピボット運動するようにマウントされている検知ビー ムに結合されている。チャンバー内部の表面は、検知ビームがピボット運動する とき偏向する。その表面は、ビームの隔離されたアクチュエータ部分である。こ のアクチュエータ部分は、差圧がそこに作用してシングル検知ダイヤフラムが横 方向に運動するような、検知ビームのピボット運動の間中、左右に運動する。流 れストリームの外部にあるアクチュエータ部分の運動は都合のよい方法で検知さ れ、ビームの基準位置からの両方向へのビーム偏向の周波数が、流れストリーム 中の流れの速度を表わす。

本発明のセンサーは広範な流量の検知に特に適し、非常に小さな差圧しか発生し ない低流量の検知に特に有用である。

このセンサーの構造は高いコモンモード除去比を示す。すなわち、静圧の変動に は比較的鈍感であるが、渦の発生する小さな差圧は容易に検知する。

精密な検知手段及び電気コネクターはプロセス流体から隔離されており、また検 知手段は、プロセスラインを閉塞・停止させることなく、較正、交換、及びその 他の保守をすることができる。

検知ビームの揺動又はピボット運動、もしくはそれによって発生された力の測定 に、他の方法又は検知要素も適用できるのではあるが、好適には、圧電検知要素 が、流体の流れストリーム中の揺動ビームによって付勢された表面の運動検知手 段として用いられる。そのような検知要素にはストレンゲージ、光学的センサー 、磁場センサー、又は静電容量センサーが含まれる。圧電デバイスは単純で、作 動のための動力を必要とせず、かつ、非常に小さな運動を検出する能力を有する とともに、高温でも動作可能である。

このセンサーは加速度補償をすることができ、また、感知材料は検知されている 流体に直接は接触していないので、高温動作のためにも、わずかな高温材料しか 必要としない。

センサーの位置は遮蔽が比較的簡単であるので、電気的雑音の問題が回避される 。センサーはラインを停止／閉塞させることなく交換又は保守できる。というの も、センサーが液体に浸漬されておらず（ｎｏｎ−ｗｅｔｔｅｄ）　、保守のた めに圧力ラインシールを一つも開ける必要がないからである。

使用されている部品数は最少限度に押えられており、またダイヤフラム及び他の 運動要素は低応力レベルで作動するので、長寿命及び信頼性をもたらす。さらに 、このシングルダイヤフラムは広いダイナミックレンジに渡って作動する能力を 有し、従って広範な流量を検知できる。センサーはワンピースの無溶接組立体と して製作することができるので、腐蝕及び応力の問題が最少になる。

図面の簡単な説明 第１図は、大略第２図の線１−１に沿って下流に面している、本発明に従って製 作されたセンサーを有する渦流量計の、一部を断面で、また一部を破断して示し た正面図；第２図は、本発明に従って製作されたセンサーの第１図の線２−２に そった断面図； 第３図は、本発明のセンサーの細部を示す、第２図と実質的に同一の線にそった 拡大断面図： 第４図は、第３図の線４−４にそった断面図；第５図は、第３図の線５−５にそ った断面図；第６図は、第３図の線６−６にそった断面図：第７図は、第３図の 線７−７にそった断面図：第８図は、異なるタイプのマウンティングを示す、本 発明のセンサーの変形した態様の垂直断面図；第９図は、加速度感度を減少する ための配置を示す、本発明のさらに変形した態様の垂直断面図；第１０図は、揺 動ビームからセンサーへ運動を伝達するための運動結合部材の、第９図の線１Ｏ −１０にそった側面図：そして 第１１図は、センサーの第９図の線１１−１１にそった図である。

好適実施例の詳細な説明 流体の流量を指示する出力を発生する渦放出流量計は、全体的に符号１０で示さ れている。流量計１０は流れ導管の一部分を構成するスプール１１中に配置され 、体積を測定すべきプロセス流体が流れているライン又はバイブ１２に結合され ている。流体はバイブの中心導管通路１３を通って流れる。スプール１１は同等 又は少し小さなサイズの流路１４を存し、その両端で、ガスケット１５を用いて 通常の方法でバイブ１２に結合されている。バイブ１２のフランジ１６は、第１ 図に大略１７で示されているボルトなどの適当な締め具を使用して、スプール１ １を適所に固定するために用いることができる。

ハウジング組立体２０は流量計１０の一部をなし、大略１９で示されており、導 管開口１４を横切って延びる渦発生ブラフ体（ｂｌｕｆｆ　ｂｏｄｙ）又はバー をマウントするために用いられる。渦発生ブラフ体又はバー１９は、第４図に示 されているように、第２図に矢印２３によって示されている流れの方向に大略垂 直な、大略平面の、すなわち切立ったブラフ前面（ｂｌｕｆｆ　ｆａｃｅ）　２ ２を有するヘッドセクション２１を含む。渦放出バーは、さらに中心ウェブ又は 本体部分２４、及びテール２５を含む。本体は、線２６によって表わされている 一連の安定した、流れに関係する渦を発生させるように設計されている。

渦は、バー１９のヘッド２１の横、すなわち側縁から交互に放出される。発生さ れる渦は、周知のように、バー１９を通り過ぎる流体流の速度の関数である周波 数でヘッド２１の両側から交互に生起される。渦はウェブ、すなわち中心本体部 分を通り過ぎて下流に流れる。

渦が入替わるとき、中心ウェブ、すなわち本体セクション２４の両側の圧力は、 交互に高くなったり低くなったりするので、中心本体部分の両側には渦の通過に 起因して圧力差が発生する。

ハウジング２０はその遠方の端部で支持プラグ３０に当接している。この支持プ ラグ３０は、セクション２１，２４゜及び２５を含む本体１９を流管、すなわち スプール１１中に支持するために用いられ、適当な締め具３１によって適所に保 持されている。ハウジング２０は、また、スプール１１の支持プラグ３０とは反 対側にあるヘッド部材３２を含み、そのためハウジングは通路１４の中、従って 流れの中に非常に安定に支持される。適当なシール３２Ａ、３０Ａがハウジング 及びスプールをシールするために用いられる。あるいは、シール３２Ａ、３０Ａ の代りに溶接を用いてもよい。

ヘッド３２に隣接する中心ウェブ、すなわち本体２４の上部３４は、その先端で バー１９のヘッド２１と一体になり、周縁で本体の部分と一体になった薄い検知 ダイヤフラム３５に形作られている。検知ダイヤフラム３５は、中心ウェブ部分 ２４の主要部よりも相当に薄い。渦を放出させながら、流体がヘッド２１を通り 過ぎて流れると、その通路の両側に振動する差圧が付与され、検知ダイヤフラム ３５が影響を受ける。検知ダイヤフラム３５はブラフ体１９から交互に放出され る渦２６（第４図）に起因する圧力差の作用を受け、第５図に二方向矢印２７で 指示されているように、ダイヤフラム３５の側面が偏向させられる。

揺動又はピボット検知ビーム３６は、第３．４．及び５図に最もよく示されてい るように、偏向検知ダイヤフラム３５の中心部分に一体に結合されている。図示 されているように、検知ビーム３６は、流体の流れ方向に直交し、検知ダイヤフ ラム３５の平面に平行な長手軸又は縦軸３８を有する。検知ダイヤフラム３５は 、検知ビーム３６を本体２１のヘッド部分に結合させるとともに、テール部分２ ５を検知ビーム３６の下端で中心ウェブ部分２４に結合させる前後の部分３５Ａ 及び３５Ｂを有する。

検知ビーム３６は導管通路１４内に位置し、従ってプロセス流体にさらされてい る第１の浸漬された（Ｗｅｔｔｅｄ）ビーム部分３６Ａ１及び隔離ダイヤフラム ４０に対して検知ダイヤフラムとは反対側に位置する、隔離されたビーム部分３ ６Ｂを有する。検知ダイヤフラム３５の縁部は隔離ダイヤフラム４０と一体化さ れており、また検知ビーム３６もハウジング２０中に形成された隔離ダイヤフラ ム４０と一体的に形成されている。

ハウジング２０のヘッド３２は、隔離ダイヤフラム４０に対してスプール通路１ ４とは反対側に位置するチャンバー４２を有する。従って、チャンバー４２は、 隔離ダイヤフラム４０によって導管中を流れる流体から隔離されている。

チャンバー４２は種々のセクションを有するが、隔離されたビーム部分３６Ｂは この隔離されたチャンバー４２中に位置し、かつその壁から離間していて、それ に対して隔離ダイヤフラム４０によって支持されている。

隔離ダイヤフラム４０は比較的堅く、検知ビーム３６が第１及び５図に４４で示 されている軸の回りにピボット運動するとき、ビーム部分３６Ａが第５図に二方 向矢印２７Ａで指示されているように運動できるように、検知ビーム３６に対す るピボットを構成する。隔離ダイヤフラム４０は、導管開口１４中の圧力に耐え るように十分な強度がなければならない。一方、検知ダイヤフラム３５は、ブラ フ体、すなわちバー１９のヘッド２１からの渦の発生に起因する、その両側の圧 力差に耐えることが必要なだけである。

隔離されたチャンバー４２は、大略４８で示される運動センサー又は検知手段が 内部にマウントされている拡大セクション４６を有する。運動センサー４８は検 知ビーム３６の隔離されたビーム部分３６Ｂに結合されている。検知ビームの隔 離されたビーム部分３６Ｂの上端部は、軸方向にフレキシブルなダイヤフラム５ ０に結合されている。ダイヤフラム５０は軸３８の方向に沿ってはフレキシブル であるが、十分堅牢であって横方向の運動は伝達する。ダイヤフラム５０は、さ らに、第３図に図示されているように、外壁５３を有する運動伝達管５１に結合 されている。壁５３の下端は、ダイヤフラム５０の周縁に機械的に結合されてい る。

管５１は上方に延び、第６図に大略図示されているような形状をした運動伝達ヘ ッド５４（第３図）に結合されている。

ヘッド５４は、中心部分５５及び外縁部分５６．５６を有する。外縁部分５６は 、幅狭のヒンジウェブ５８によって、センサー組立体４８のマウンティングヘッ ド６０にヒンジ結合されている。図示されているように２つのヒンジウェブ５８ があり、これらのヒンジウェブは、運動伝達ヘッド５４がピボット軸４４に平行 な軸の回りにピボット運動できるように作られている。

ヘッド５４がヒンジウェブ５８の軸の回りに揺動すると、第５図に大きく誇張し て破線で示されているように、ヘッド５４が傾く。ヘッド５４が動くと、その中 心部分５５の上面が傾斜する。中心部分５５の上面６４の運動は、大略７０で示 されている一組の圧電検知結晶ウェハー又はディスクの圧縮負荷を変えようとす る。これらのウェハー又はディスクは、第６及び７図に示されているように、２ 層からなり、各層は実質的に半円形の２枚のディスクである。個々のセンサーデ ィスクは、第７図の７ＯＡ及び７０Ｂに、また第６図の７０Ｃ及び７０Ｄに示さ れている。

反作用ブロック７４はディスク７０の上面に対抗して保持され、マウンティング ヘッド６０に対して固定されている。

センサーディスクは、表面６４が傾斜するとき、ピボット軸の片側の圧電センサ ーディスクがさらに圧縮され、一方、ピボット軸の反対側では予備圧縮負荷が解 放されるように、十分な予備圧縮負荷がかけられている。この予備圧縮負荷は十 分大きく、ヘッド５４のピボット運動の間、センサーディスクには常に幾分かの 圧縮負荷がかかっている。

位置決めピン７３を用いて、センサーディスク７０は反作用ブロック７４に対し て所望の位置に保持される。運動により、隔離したビーム部分３６Ｂの偏向方向 に依存する特定の方向の負荷が圧電センサーディスク７０にかかる。表面６４は 隔離したビーム部分３６Ｂに直結しており、揺動検知ビーム３６の運動の関数と して偏向し、電気的出力を発生する。

４個の圧電センサーディスクは、４個のディスク全ての出力が加算されて合計出 力となるように適当な極性で配置されている。センサーディスクからの出力は、 センサーディスクからの電圧信号を測定するためにディスクに電気的に結合され ている、リード線７５を介して検知することができる。

この電圧信号は、次に、適当なフィードスルー７８を通して、離れた位置にある センサーに伝達され、８０で指示される適当な出力回路を介して信号出力を発生 するように用いられる。

圧電ディスク７０を含む運動検知手段は、ダイヤフラム５０を介して検知ビーム ３６の隔離した部分３６Ｂに結合している。ダイヤフラム５０は、検知ビームの 隔離したビーム部分３６Ｂの上端の直径よりわずかに小さな中心穴を有する薄い ダイヤフラムである。管５１及び検知手段を所定位置に押込むとき、すなわち、 部品を押えねじによって隔離したビーム部分３６Ｂ上の所定位置に保持するとき 、ダイヤフラム５０は隔離したビーム部分３６Ｂの円柱端部３６Ｃ上にスライド してかぶさり、開口の回りにわずかに円錐形をなしてビーム部分３６Ｂの端部に 適合する。

この結合は横方向、すなわち揺動検知ビーム３６の軸３８に垂直な方向には非常 に堅牢であるが、検知ビームの軸方向の運動には弱い。このダイヤフラム結合は 、渦放出の間に、検知ビームが左右に動くときの揺動運動に起因する軸方向力を 軽減し、またダイヤフラム５０は、ライン中の静圧変化に起因する軸方向の力を 検知ディスク又はウェハー７０に伝えない。ダイヤフラム５０とビーム端部３６ Ｃの間の結合は、主流体ラインのいずれのシールをも開放することなく、検知手 段の除去及び交換を許容する。管５１を含む検知手段が取除かれると、ダイヤフ ラム５０は通常の形に戻り、ダイヤフラム又は検知ビームの隔離されたビーム部 分３６Ｂの上端３６Ｃを損傷することなく取り外すことができる。

第８図には本発明の′変形された態様が示されており、これは第１−７図に示さ れている態様と同一の原理に基づいて作動する。第８図は、本質的には第１及び 第５図に対応するが、本発明に利用可能な一つのタイプの応力隔離マウントを示 す。

本発明のこの態様においては、９０で部分的に図示されている導管は、流体が流 れている内部流路９２に通じる開口９１を有する。流体は図の紙面に垂直な方向 に流れている。

全体に９４で示されている渦センサー組立体は、開口９１中にマウントされて流 路９２中に延びている。渦センサー組立体９４は、渦放出バー８９の一部をなす 。放出バー８９は、例えば、第４図に示されている渦放出バーのヘッドと同様に して位置付けられたヘッド部分を有する。

本発明のこの態様においては、ハウジング９５は単一のブロック材料で作られた 円筒状スリーブ９６を含む。スリーブ９６は開口９１中に嵌め込まれる。渦を形 成するために用いられるバー８９は、スリーブ９６と一体の部分として、同一の ブロック材料から作ることができる。図示されているように、スリーブ９５は導 管の表面９７上に支持される外側フランジ９８を有する。スリーブ９６の外側表 面は、開口９１を定める表面から離間している。フランジ９８は、押えねじ９９ によって適所に非常に堅固に保持することができる。

検知ダイヤフラム組立体１００は前述のものと同様に形成され、また、揺動検知 ビーム１０１はダイヤフラム組立体１００と一体に形成されていて、検知ダイヤ フラム組立体１００に作用する圧力差に応じて、二方向矢印１０２によって示さ れるように前後に動こうとする。検知ビーム１０１はまた、スリーブ９６の内側 端部に位置する堅固な隔離ダイヤフラム１０４にもマウントされており、ダイヤ フラム１０４及びスリーブ９６は、隔離ダイヤフラムの上側に隔離されたチャン バー１０５を形成する。検知ビーム１０１は、検知ビーム部分１０１Ａを有し、 さらにダイヤフラム１０４に対してプロセス流体を通す通路９２とは反対の側に 隔離されたビーム部分１０１Ｂをも有する。

隔離されたチャンバー１０５は、円筒状スリーブ９６から応力解放環状隔離溝１ １２で分離された内側スリーブ１１０によって囲まれている。応力解放環状隔離 溝１１２は、スリーブ９６の底部表面１１３から上方にダイヤフラム１０４の厚 みより大きな距離だけ離れた内側表面１１２Ａを有する。チャンバー１０５は導 管通路９２から、従って導管中を輸送されていることがある腐蝕性流体から隔離 されており、揺動検知ビームの隔離されたビーム部分１０１Ｂはバイモルフ（圧 電）屈曲ビーム１１５に適当に結合している。

この結合は凹所１１６によって定められる界面（インターフェイス面）を含むこ とができ、スプリング・スリップばめ（ｓｐｒｉｎｇ　５ｌｉｐ　ｆ’ｉｔ）な どの適昌な結合手段によって、又は図示されているように、凹所を満たしてパー ツを一緒に固定する樹脂充填材１１７年１こ浸漬することによって、バイモルフ ビーム１１５の端部を所定位置に保持する。バイモルフビーム１１５はその他端 でダイヤフラム１１８上に支持されており、ダイヤフラム１１８はリング１１９ 上に支持されている。リング１１９はさらに、応力隔離されたスリーブ１１０の 上端１２０に固定されている。

ダイヤフラム１１８は、その結合点でビーム１１５に接着されている。バイモル フビーム１１５は、検知ビームがその下端で矢印１０２によって示された方向に ピボット運動するのに伴なって隔離されたビームセクション１０１Ｂが動くとき 、屈曲して出力電気信号を発生する。

検知ビームは隔離ダイヤフラムに対して１２１で示されたピボット軸の回りにピ ボット運動するのであるから、検知ビームの下端が運動すればその上端も運動す る。ピボット軸は堅固な隔離ダイヤフラム１０４の中心に位置し、バイモルフ圧 電ビーム１１５からなる検知手段との結合表面を含む隔離されたビームセクショ ン１０１Ｂの運動は、バイモルフビームを屈曲させて適当なリード線１２５上に 出力を発生させる。

リード線１２５は、離れて位置する回路でバイモルフビームの出力を検知するの に必要な電気的結合を与えるフィードスルー組立体１２６に結合させることがで きる。ダイヤフラム１１８は検知ビームの軸方向にフレキシブルであり、使用中 に検知ビーム１０１がピボット運動するとき、隔離されたビームセクションｌ０ ＩＢの軸方向運動がバイモルフ出力に与える影響を軽減する。

渦センサー組立体９４は導管に取付けられたフランジ９７によってマウントされ ており、また、渦放出バー及び検知手段は溝１１２によって隔離されているので 、ハウジング９５をマウントするためのマウンティング応力は、堅固な隔離ダイ ヤフラム１０４に直接影響を及ぼさない。従って、マウンティング応力が堅固な 隔離ダイヤフラム１０４の片方を不平衡にすることはなく、検知ビームのピボッ ト運動はその軸１２１に対して対称になる。隔離ダイヤフラム１０４は片側又は その反対側が薄くなるように削って平衡させることができ、なおかつ、揺動検知 ビーム１０１に対して必要な支持機能をもたせることができる。

センサーがマウンティング応力から隔離されているので、非常に高い値のコモン モード除去比を得ることができる。

使用される検知手段のタイプは特に重要ではなく、ここに示されているバイモル フ型のビーム検知手段は十分な周波数信号出力を発生する。ここでも、また、バ イモルフビーム１１５がエポキシ以外の、例えば軽いしまりばめ、又は機械的な ばねマウントによって、検知ビームの隔離された部分１０１Ｂの表面に結合され ている場合には、検知手段は容易に取外して交換することができる。

第９，１０及び１１図には、加速度、例えば流量計がマウントされている導管中 の振動に起因するような加速度を補償する構造を与え、揺動ビームのピボット軸 の回り、及び揺動ビームからセンサー要素への結合リンクの軸の回りにも釣り合 わされた質量を有するセンサーの変形された態様が示されている。

第９図に示された断面図は、第１及び５図に示されている断面と本質的に同一の 平面に沿うものであり、前述のように導管内に適合する渦流量計ハウジング１７ ０を含む。渦発生　゛バー組立体又はブラフ体１７１は部分的にのみ示されてお り、ヘッドセクション２１に対応する渦発生ヘッドセクション１７２から下流側 が図示されている。従って、第９図は流れ導管に沿って上流側を見た図である。

この場合、第９図に断面で示されている中心本体部分１７３がある。本体１７３ の断面は、ヘッド１７２を第４図のヘッド２１の位置に置くと、第４図に示され ている断面と本質的に同一である。ブラフ体１７１は、計器ハウジング１７０に 適当な方法でマウントされている支持へラド１フ４中に支持されている。中心本 体１７３の上部、すなわち、支持へラド１７４に隣接する部分は、ダイヤフラム ３５に対応する、全体的に１７５で示されている薄い検知ダイヤフラムを有する ように構成されている。

ダイヤフラム１７５は、ブラフ体１７１によって発生された渦が検知ダイヤフラ ム１７５の両側に圧力差をもたらすとき、二方向矢印１７６で示されるように前 後に動こうとする検知ダイヤフラムを構成する。揺動又はピボット検知ビーム１ ７７は、検知ダイヤフラム１７５の中心部分に一体に結合されている。揺動ビー ム１７７は検知ダイヤフラム１７５の中心に位置付けられ、検知ダイヤフラムを 二等分する延長された中心縦軸１７８を有する。検知ダイヤフラムは破線で示さ れた部分１７５Ａを有し、この部分は、例えば第４及び５図中で先に図示したよ うに、揺動ビーム１７７を渦発生ヘッド１７２、本体１７３、及びテール（第４ 図のテール２５に類似している）に結合させる。

揺動ビーム１７７は流れ導管中にある第１の浸漬部分１７７Ａ、及び第２の隔離 されたビーム部分１７７Ｂを有する。隔離ダイヤフラム１８０は揺動ビーム１７ ７と一体に形成されていて、隔離された部分１７７Ｂを浸漬されたビーム部分１ ７７Ａから分離する。浸漬された部分は流体流と接触している。隔離ダイヤフラ ム１８０は、揺動ビームが点１８１で表わされ、かつ第９図の断面平面に垂直な ピボット軸の回りで、前後にピボット運動できるように揺動ビームをマウントす る。

隔離グイタフラム１８０は、ビーム支持ヘッド１７４中１．：内部チャンバー１ ８２を形成する。揺動ビームの隔離された部分１７７Ｂはチャンバー１８２中に 位置する。センサー組立体１８５もまた、チャンバー１８２の外方部分中に位置 し、図示されているように、チャンバー１８２はその外側すなわち開放端に向か って段階的に拡大すなわち直径が大きくなっている。

チャンバー１　ｓ　２の内部ショルダー１８６はチャンバーの開放端に大きな直 径の穴を形成し、センサー組立体１８５は表面１８６に載るショルダーを有する 。センサー組立体は、さらに、センサー支持組立体を支持へラド１フ４中に固定 するボルトのために用いられる外側キャップ組立体を有する。

センサー組立体１８５は、揺動ビーム１７７の隔離された部分１７７Ｂの横方向 の揺動運動を、実際のセンサー要素に伝達するように作られているので、その揺 動運動によって、ビーム１７７のそのピボット軸１８１の廻りでの振動又は揺動 の周波数を指示する信号が発生される。センサー組立体１８５は、表面１８６を 覆っているが、その上にわずかに離間して配置される下部表面１９０Ａを有する 管状支持スリーブ１９０を含む。支持スリーブ１９０は穴１８８の開放端に向か って延びており、センサー組立体の一部を構成するリング又はスリーブ１９４の 大部分１９３内にはまる外側リム１９２を有する。

スリーブ１９０はまた、支持スリーブ１９０の端部の中心開口１９６の周囲の環 状表面を形成する外向きショルダー表面１９５を形成する内側穴を有する。中心 開口１９６は、運動結合スリーブ１９７がそこを貫通するような寸法を有する。

運動結合スリーブ１９７は、スリーブ１９７及び揺動ヘッド１９９（第１０図も 参照）を含む揺動運動伝達組立体１９８の一部をなす。ヘッド１９９は平面図で は円形ヘッドであり、スリーブ１９７はヘッドの中心軸上に心合せされている。

ヘッドの中心軸は、センサー組立体が支持へラド１フ４上にマウントされたとき のビームの軸１７８と一致する。

ヘッド１９９の下部表面は、第９図の破断部分に示され、また第１０図にも示さ れているように、スリーブ１９７の両側に整列した一対のピボットリブ２０２を 有する。ピボットリブ２０２は管１９７の壁から外側に向かって延びると共に、 丸くなった底面を有し、リブの下端上にあって表面１９５に沿って静止している ピボット軸の回りに、ヘッド１９９が傾くことができるように、ピボット又は揺 動支持部を形成する。リブ２０２及び運動伝達又は結合組立体１９８は、こうし て軸１８１に平行な軸上にピボット可能にマウントされている。

ヘッド１９９は、リブ２０２の下方のピボット軸に平行であり、従って表面１９ ５に平行な、平坦な上部表面２０４を有する。この表面２０４は、大略２０５で 示されているセンサーを構成する４個の圧電検知結晶を支持するために用いられ る。センサーは、第９図に示されているように、ディスク２０５Ａ、２０５Ｂ、 ２０５Ｃ及び２０５Ｄからなるセンサーディスク又は結晶の２つの積重ね層を含 む。

ディスクは第１１図に平面図が示されており、そこかられかるように、ダイヤフ ラム１７５の三等分面の各々の側に一対の積重ねられたディスクがある。三等分 面は第１１図中に線２０７で表わされている。一対のディスクは、ヘッド１９９ の中心で離間している。適当なビン２１０がヘッド１９９中に設けられていてデ ィスク２０５Ａ−２０５Ｄを位置決めし、ディスクは、スリーブ１９０の内部開 口内にはまるエンドボス部分２１３を有するキャップ２１２を用いて、ヘッド１ ９９の表面２０４に対して圧縮保持されている。

キャップ２１２は、ボス２１３を取囲むショルダー表面２１４を有する。ショル ダー表面２１４は、管１９０のリム１９２上に載っている。表面２１４は、表面 間にわずかなギャップがあるように、上部表面１９２Ａから離間されている。

キャップ２１２は、さらに、支持リング１９４上に載る外側周縁リム２１６を有 し、リム２１６は通常はそこから離間しているリング１９４の上部表面に載る表 面２１７を有する。従って、キャップ２１２に負荷をかけてボス２１３の下面２ １３Ａを圧電センサーディスク２０５に押付け、これらのディスクをヘッド１９ ９の表面２０４に対して圧縮し、さらにリブ２０２を表面１９５に対して押圧す ることができる。

組立てに際し、表面１９０Ａは支持体上に配置され、運動伝達組立体１９８はリ ブ２０２を表面１９５に接触させて置かれる。圧電センサーディスク２０５はビ ン２１０を用いて表面２０４上に配置され、スリーブ１９０はリング１９４内に 配置され、そしてキャップ２１２はディスク２０５上に配置される。

次に、矢印２２０で示されているように、キャップ２１２の上部表面に圧縮負荷 がかけられ、それは表面１９０Ａ上の支持負荷によって対抗される。ウェハー又 は結晶２０５には所望レベルまで圧縮負荷がかけられ、そしてキャップ２１２及 び支持リング１９４は、図示されているように溶接部２２１によって、周縁部で 一体に溶接される。両表面は、２１７において依然として離間していてもよく、 表面　２１４及び１９２Ａ間には依然としてギャップがあるが、　リム１９２は リング１９４中に定められた内部ショルダー表面１９１Ａ上に押圧支持されてい る。

従って、圧電センサーディスク２０５は圧縮状態で、所望量の予備負荷がかけら れており、使用時に満足がいくように作動することが保証される。組立体１９５ は、使用のために支持ヘッド１７４上に配置され、かつ、所望位置に保持された とき表面１９０Ａ及び１８６間にギャップが存在する。

このセンサー組立体１８５の構造は、また後述のように、圧電センサーディスク ２０５と、一般にステンレス鋼で作られる支持スリーブ及びリングとの間の熱膨 張率の差を補償できる。

運動結合管１９７の下端は、２２６で示されているその外縁部で管１９７の下縁 部に固定されている薄いダイヤフラム２２５を有する。このダイヤフラムは、揺 動ビーム１７７の隔離された部分１７７Ｂの円柱状上部ヘッドよりわずかに小さ な直径の中心開口を有する。前述のように、検知組立体１９５が支持ヘッド１７ ４上の規定位置に配置されると、ダイヤフラム２２５はその開口の周りがわずか に変形し、ダイヤフラム２２５及び揺動ビーム間が摩擦結合される。

本発明のこの態様においては、揺動ビームの上端部分１７７Ｃはダイヤフラム２ ２５の上方に選択されたサイズの質量１７７Ｄを有し、これが、ピボット軸１８ １の下方に位置する揺動ビームの下部浸漬部分１７７Ａを平衡させるための釣合 い重りを構成する。容易に理解できるように、運動伝達又は結合管１９７内に位 置する部分１７７Ｄの質量を適正に選定することにより、下部浸漬部分１７７Ａ を正確に釣合わせて揺動ビームに作用する加速力の影響を補償することができる 。

同様に、運動伝達又は結合組立体１９８の質量は、結合管１９７上にあるリブ２ ０２の下縁部によって定められるピボット軸の両側における、ヘッド部材１９９ の質量を選定することによって補償することができる。

リブ２０２上のピボット軸の下方に位置する管１９７の質量は、このピボット軸 の上方に位置するヘッド１９９の質量によって補償されなければならない。ピボ ット軸はヘッド１９９の下側のリブ２０２を用いてセンサーの下方に位置付けら れているので、外部重り又は付加的重りは必要がない。

というのも、ヘッド１９９の質量を適切に選択することによりユニットは自己平 衡が可能であるからである。

本発明のこの態様の作動は、検知に関するかぎり、前述したのと同一である。適 当なリード線２３０が圧電ディスク又は結晶２０５Ａ−２０５Ｄに結合されてい て、リブ２０２によって形成されたピボット軸の片側で、圧電ディスクにより大 きな圧縮負荷がかかり、このピボット軸の反対側で圧縮負荷が減ぜられるとき電 気的出力が発生される。圧電ディスク又は結晶２０５Ａ−２０５Ｄの極性は、前 述のように、それらの出力が加算的であるように選択されている。

本発明の渦センサーは大きく異なる温度で動作しなければならないので、圧縮負 荷をかけられたパーツ間の熱膨張差の問題が生じる。圧電結晶材料は、例えば、 １度Ｆの温度変化当り百万分の−のレンジの非常に小さな膨張率を有するが、一 方、その結晶をマウントしているステンレス鋼製の管及びスリーブは相当に大き な熱膨張率を有する。異なる膨張率を有する他のタイプのステンレス鋼を得るこ とはできるが、それらは全て圧電材料の熱膨張率より大きな熱膨張率を有する。

従って、広範に変化する温度下での使用に際し、熱膨張の差が圧電ディスク又は 結晶上の初期圧縮負荷を、問題を引起こすほど、大きく減少させることがありう る。ここで再度注意すべきことは、センサーディスクは常に、たとえ揺動ビーム が最大にピボット運動しているときであっても、いくらかの圧縮状態にあること が予定されているということである。

第９図に示されている本発明の態様においては、スリーブ１９０をキャップ２１ ２及び運動伝達組立体１９８のヘッド１９９よりも小さな膨張率を有する材料で 作り、かつ、スリーブの有効軸方向長をセンサーディスクの厚みに対して適当な 比になるように選択することにより、この効果を少なくとも部分的に補償するこ とができる。キャップ２１２のボス２１３は温度が高まるときある割合いで膨張 し、ボスの軸方向の伸張又は収縮はボスの長さに比例する。

支持スリーブ１９０の軸方向の寸法変化はそれとは異なり、その長さに比例する 。スリーブ１９０の表面１９１Ａ及び１９５間の軸方向長さは、圧電ディスク又 は結晶２０５のより小さな膨張を相殺すなわち補償するように選択されるである 。う。この寸法は、ディスク上の予備負荷を設計レベルに維持するように選択す ることができる。キャップ２１２は、補償を達成するためにスリーブ１９０より 大きな膨張率を有するように選択される。ディスク２０５の膨張率は相当に小さ い。リング１９４及び運動伝達組立体１９８は、キャップ２１２と同一の材料に 選択される。

支持ヘッド部材１７４は流量計ハウジング１７０中に溶接することができ、また 、ユニットを適所に保持する溶接２２１Ａがされるので、ユニット中には故障を 起こすようなシールが一箇所もない。センサー組立体１８５は、センサー組立体 １８５を支持ヘッド１７４中にねじ止めしている押えねじを取外し、またダイヤ フラム２２５を、揺動ビームの隔離された、非浸漬部分である円柱部分１７７Ｃ から引き外すだけで、保守のために取外すことができる。

低流量からゼロまでの流量で、このセンサーは静圧の変動に大きな感度を有する ことなく十分な出力を発生する。静圧変動は低流量で顕著である。なぜなら、静 圧変化は、例えばポンプの近くなど、大きな圧力脈動が発生されている場所のラ イン中に、パルスとして現われることがあるからである。

ダブルダイヤフラムの従来技術の装置は、そのような条件下では、本発明のシン グルダイヤフラムセンサーよりずっと多く誤った指示を発生し易い。流量計は流 量が非常に小さな分岐ライン中に位置されるので、主ラインの流量が大きい場合 には、差圧に対する静圧変化からの影響が非常に大きくなることがある。

用いられている堅固な隔離ダイタフラムは、検知ダイヤフラムによって２つの接 合点で支持されているので、検知ビームの軸方向には非常に堅固である。従って 、この堅固な隔離ダイヤフラムは、その隔離ダイタフラムに対するコモンモード 圧力効果（ｃｏｍｍｏｎ　ｍｏｄｅ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｅｆＴｅｃｔ）を解析 するときは、あたかも実際に２つの分離したダイヤフラム（その各々は半円）で あるかのように応答する。面に垂直な方向での剛性が、検知ダイヤフラムに較べ て隔離ダイタフラムの方がずっと大きいということは、検知ダイヤフラムに比較 して、隔離ダイタフラムは渦形成に起因する圧力の差による影響を実質的に受け ないということを意味する。

静圧変化のために隔離ダイタフラムにも若干の運動が導入されるが、隔離ダイタ フラムへの影響とは対照的な、検知ダイヤフラムを介しての揺動検知ビームへの 影響の機械的優位性のために、隔離ダイタフラムの運動の問題は大幅に減ぜられ て重大な欠点とはならない。隔離ダイタフラムの堅さ及び面積の影響は、隔離ダ イタフラムの一方の側又は他方の側を研削して隔離ダイタフラムの片側を薄くし 、面積及び堅さの比の影響をバランスさせることによって修正することができる 。このようにして、隔離ダイヤフラム°半体（ｈａｌｖｅｓ）は非常に精密に調 和させることができ、２つの異なる部分の静圧変動に応答する望ましくない異な る運動（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｍｏｔｉｏｎｓ）が回避される０検知ダイヤフラ ムは、渦発生に起因する差圧に耐えることが必要なだけであるので、非常に薄く できる。逆に、隔離ダイタフラムは、それが配置されているラインの静圧に耐え なければならない。従って、隔離ダイタフラムは検知ダイヤフラムより小さくて 厚い。

本発明の他の重要な利点は、このセンサーが高温で作動するということである。

圧電結晶を用いているため、例えば、７００から１０００”Ｆに耐えることがで き、また、渦放出バー及び揺動検知ビームを溶接しなくてもよいので、（ユニッ トをワンピースに作ることができ）それらには溶接に起因する強度の低下又は腐 蝕の増大がない。使用される材料の数を減らすことができ、構造が簡単になる。

高温での使用を考慮するとき、このこともまた利点である。

揺動ビームセンサーは、もし必要なら、隔離及び検知ダイヤフラムに結合する交 換可能なモジュールとすることができる。そして、これはある状況においては有 利であるが、揺動ビーム及び中心本体部分２４、渦放出バー、及びダイヤフラム ２５の界面のシールの問題が困難であれば、コストがよけいにかかる。

圧電結晶あるいは圧縮、屈曲、又は剪断に感応する他の検出手段を、本発明と共 に用いることができる。

渦流量計が回転振動すると、揺動ビーム及びセンサー組立体は夫々ハウジングに 対して回転的に振動しようとする。

これはセンサー出力中に望ましくないノイズを発生させる。

しかしながら、回転振動の影響は、センサーの機械的パラメーターを力の相殺が 起こるように選択することにより減することができる。揺動ビームはそのピボッ ト軸ＰＬの回りに振動して、揺動ビームとセンサー組立体間の結合に第１の力Ｆ １を及ぼす。センサー組立体はそのピボット軸Ｐ２の回りに振動して、揺動ビー ムとセンサー組立体間の結合に第２の力Ｆ２を及ぼす。

しかし、力Ｆ１及びＦ２が実質的に等しくかつ逆向きになって平衡しているなら ば、センサー出力のノイズは減ぜられる。力Ｆ１は、揺動ビームの回転慣性モー メントをピボット軸Ｐ１と結合軸２３間のモーメント腕Ｒ１で割ったものに比例 する。力Ｆ２は、センサー組立体の回転慣性モーメントをピボット軸Ｐ２と結合 軸２３間のモーメント腕Ｒ２で割ったものに比例する。モーメント腕Ｒ１，Ｒ２ の長さは、力を平衡させるために機械的寸法を変化させて調整することができる 。

前述のように、揺動ビーム及びセンサー組立体は、揺動ビーム又はセンサー組立 体上の選択された位置で材料を付加又は除去することにより並進的（非回転的） 振動に対しても平衡させることができる。このようにして、材料の量並びにピボ ット軸Ｐｉ、Ｐ２及び結合軸２３間の間隔を選択することにより、流量計の回転 的及び並進的振動の両方に対する補償が達成される。

本発明を好適実施例に関して説明したが、この技術に熟練した者は、本発明の精 神及び範囲を逸脱することなくその態様及び細部に変更を加えることができるこ とを理解するであろう。

田際調査報告

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. １．流体中に流量の関数として渦を誘発する本体を含み、その内部に隔離チャン バーを有するハウジングと；上記本体によって形成された渦に応答して偏向する ように、上記本体中に形成され、流体と結合される検知ダイヤフラムと； 上記検知ダイヤフラムに結合し、隔離チャンバー中に位置する隔離されたビーム 表面まで延びているビームであって、上記検知ダイヤフラムの偏向を該隔離され たビーム表面に結合させるためのビームと； 上記隔離されたビーム表面に結合されてその偏向を検知し、流量を指示する出力 を発生するための検知手段と；上記検知手段が流体と接触しないように、流体か ら隔離チャンバーを隔離するための、ハウジング中に形成されてビームにシール 状態で結合された隔離ダイタフラムとを含む、流体の流量を指示する出力を発生 する装置。
2. ２．検知ダイヤフラムは隔離ダイタフラムに結合されている請求項１記載の装置 。
3. ３．ビームは隔離ダイタフラムに一体に結合され隔離ダイタフラム上でピボット 運動する請求項１記載の装置。
4. ４．偏向は、ビームをピボット接合部の回りに揺動させることによりビームを介 して結合される請求項３記載の装置。
5. ５．隔離ダイタフラムは流体中のコモンモード圧力の関数として可動であり、検 知手段はその運動に実質的に不感応であるようにマウントされている請求項４記 載の装置。
6. ６．隔離ダイタフラム及び検知ダイヤフラムは互いに実質的に垂直な平面を有し 、隔離ダイタフラムは隔離チャンバーの一つの壁部を形成している請求項２記載 の装置。
7. ７．隔離ダイタフラムの検知ダイヤフラムとは反対側において、上記ハウジング にマウントされた運動検知手段を有し、上記ビームは隔離ダイタフラムの該検知 手段と同じ側に隔離されたビーム表面を有し、該検知手段は該隔離されたビーム 表面と結合され、検知ダイヤフラムが偏向するとき該隔離されたビーム表面とと もに運動する手段を含み、かつ検知手段の一部を構成する圧電手段が隔離された ビーム表面の運動に応じた出力を発生する請求項６記載の装置。
8. ８．上記ビームは検知ダイヤフラムに一体的に取付けられ、かつ検知ダイヤフラ ムの平面にほぼ平行な軸の回りにピボット運動するように、隔離ダイタフラムの 位置でハウジング中に支持された揺動ビームを含み、 該揺動ビームは隔離ダイタフラムに対して検知ダイヤフラムとは反対側にある隔 離されたビーム部分を有し、傾斜部材が上記検知ダイヤフラムから隔離され、か つ隔離されたビーム部分から離れて上記ハウジング中にマウントされ、該傾斜部 材は検知ダイヤフラムの平面にほぼ平行で、かつそれと整列した軸の回りにヒン ジ運動可能であり、傾斜部分とビーム部分を結合させる手段は、中心に開口を有 する薄いダイヤフラムと、隔離されたビームの両側の離間した位置で傾斜部材に 結合されている外周部分とを含み、上記隔離されたビーム部分は大略円柱形であ り、また、薄いダイヤフラム中の上記開口の直径は隔離されたビーム部分の寸法 より小さく、 従って、センサーが組立てられるとき薄いダイヤフラムは隔離されたビーム部分 の上に押付けられ、薄いダイヤフラムと隔離されたビーム部分の間に、運動を傾 斜部材に伝達するためのプレスばめを形成する請求項６記載の装置。
9. ９．内部に流体流れから流体的に隔離された隔離チャンバーを定める壁手段手段 を有し、該手段壁は隔離ダイタフラムを構成する部分を含むハウジングと； 流体の流れ中に突出するようにハウジングにマウントされ、流れの関数として流 体中に渦を誘起するためのヘッドを有する本体と； 上記本体のヘッドの下流側で該本体中に形成され、ヘッドによって形成された渦 に応じて偏向するようにマウントされたシングル検知ダイヤフラムと； 上記隔離ダイタフラムに固定され、検知ダイヤフラムの偏向を隔離チャンバー中 の少なくとも−表面に伝達するために、検知ダイヤフラムに結合された第１のビ ーム部分を有するビーム手段と； 上記流体流れから隔離されて上記表面に結合され、上記表面の偏向を検知して上 記本体を通過する流れを指示する出力を発生する、検知手段とを含む流体の流れ を指示する出力を発生するための装置。
10. １０．上記表面は第１のビーム部分と整列して隔離ダイタフラムと一体をなす第 ２のビーム部分上に位置し、検知手段を第２のビーム部分に結合させるための手 段は、隔離ダイタフラムの平面にほぼ平行な平面を有するフレキシブルダイヤフ ラムを含み、該フレキシブルダイヤフラムは隔離ダイタフラムの平面にほぼ垂直 な軸に沿う運動に対しては実質的に抵抗とならない請求項９記載の装置。
11. １１．上記検知手段は第２のビーム部分から離れた位置にマウントされた圧電結 晶手段を含み、また結合手段は、表面部分を有し、かつ上記第２のビーム部分に 結合されているピボットレバーを含み、該ピボットレバーは、第２のビーム部分 が運動するとき運動し、該ピボットレバーのピボット軸の両側にある圧電結晶上 への負荷を変化させるように上記表面部分を駆動する請求項１０記載の装置。
12. １２．上記検知手段は少なくとも第１，第２及び第３の部分を含み、該第１の部 分は支持体を含み、該第２の部分は該支持体に対してピボット運動するピボット レバーを含み、かつ、該第３の部分は該第１の部分に対して保持されたキャップ 部材を含み、上記圧電結晶手段は該第１及び第３の部分が互いに圧縮されるとき 、該第２の部分及び該第３の部分間で圧縮負荷がかけられる請求項１１記載の装 置。