JPH10500217A - 節に近接したセンサを用い感度が増したコリオリ効果流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 感度を増したコリオリ流量計（３１０）は、１つの流管（１３０）又はそれ以上の流管（１３０、１３０’）を所定の周波数で振動させる１つ又はそれ以上のドライバ（Ｄ）を有し、それによって、活動節（ＡＮ）及び／又は静止節（ＳＮ）を含む節（Ｎ）を流管（１３０、１３０’）に沿った点で発生させる。本発明の流量計（３１０）の増した感度は、静止節（ＳＮ）及び／又は活動節（ＡＮ）に近接して制御可能に配置されたセンサ（Ｓ）によって提供される。第１の実施の形態においては、流管（１３０、１３０’）は単一の活動節（ＡＮ）が発生するように振動され、センサ（Ｓ）は活動節（ＡＮ）に近接し且つ該節の対向する側に配置される。第２の実施の形態においては、流管（１３０、１３０’）は複数の活動節（ＡＮ）が発生するように振動され、センサ（Ｓ）は活動節（ＡＮ）の対向する側に配置されるか、又は対向する流管（１３０、１３０’）上に配置され、１つのセンサ（Ｓ）は一方の脚の活動節（ＡＮ）の上側に配置され、第２のセンサ（Ｓ）は反対側の脚の活動節（ＡＮ）の下側に配置される。別の実施の形態においては、上述した活動節（ＡＮ）に対するセンサ位置に加えて、センサ（Ｓ）が静止節（ＳＮ）に近接して配置される。すべての実施の形態において、センサ（Ｓ）は、センサ電子回路が生成する信号の信号対雑音比を最大化するように、回路節（ＡＮ）及び／又は静止節（ＳＮ）に近接して制御可能に配置される。

Description

【発明の詳細な説明】 節に近接したセンサを用い感度が増したコリオリ効果流量計 発明の背景 本発明はコリオリ効果流量計に関し、特に、流量計の管の１つ又はそれ以上の 振動の節に近接したピックオフ・センサを有するコリオリ効果流量計に関する。 問題 導管を通って流れる材料の質量流量及びその他の情報を測定するためにコリオ リ効果流量計を用いることが知られている。そのような流量計は、Ｊ．Ｅ．スミ スその他に付与された１９７８年８月２９日の米国特許第４,１０９,５２４号、 １９８５年１月１日の第４,４９１,０２５号及び１９８２年２月１１日の第Ｒｅ .３１,４５０号に開示されている。これらの流量計は真っすぐな又は曲がった形 の１つ又はそれ以上の流管を持つ。コリオリ質量流量計の各流管の構成は、単純 な屈曲タイプ、捩れタイプ又は結合タイプという１組の固有振動モードを持つ。 各流管はこれら固有振動モードのうちの１つにおいて共振状態で振動するように 駆動される。材料は流量計の入口側に接続された導管から流量計に流れ込み、１ つの又は複数の流管に送られ、出口側を通って流量計から出る。流体が充填され た振動する流管の固有振動モードは、流管と該流管内の材料の質量との組み合わ せによって部分的に定められる。 流量計内に流れがない場合、流管に沿ったすべての点が、与えられた駆動力に 起因して同一の位相で振動する。材料が流れ始めると、コリオリの加速度によっ て、振動する流管に沿った各点は異なる位相を持つようになる。流管の入口側の 位相はドライバよりも遅れ、出口側の位相はドライバよりも進む。センサは、流 管の運動を表す正弦波を生成するよう流管に配置される。２つのセンサ信号の間 の位相差は、流管を流れる材料の質量流量速度に比例する。 この測定における複雑な要因は、典型的な処理流体の密度が変化するというこ とである。密度の変化により固有モードの周波数が変化する。流量計の制御シス テムは共振状態を維持するので、振動周波数は密度の変化に応答して変化する。 この状況における質量流量速度は位相差と振動周波数との比に比例する。 スミスに付与された上述の米国特許第Ｒｅ.３１,４５０号は、位相差及び振動 周波数の両方を測定する必要はないコリオリ流量計を開示する。位相差は、流量 計の２つの正弦波信号のレベル交差間の時間遅延を測定することによって決定さ れる。この方法が用いられる場合、振動周波数の変化が相殺され、質量流量速度 は測定された時間遅延に比例する。この測定方法を、以下、時間遅延測定又はΔ ｔ測定という。 ２つのセンサ出力信号の間の位相差は１つ又は複数の流管を通る材料の質量流 量速度に比例するため、質量流量が減少すると、或る点の位相差が時には測定不 可能になる。これは、装置の感度に制限があり且つノイズを考慮しなければなら ないからである。低圧力で低密度の材料、例えば、気体の質量流量を測定するこ とが必要なとき、流量計の出力信号によって表される非常に小さい位相差を検出 するためには、非常に高い位相測定感度が要求される。多くの従来のコリオリ流 量計は、低圧の又は低流量の気体を測定するのに適切な位相測定感度を持ってい ない。 従って、低流量で低圧の気体のような材料の質量流量を測定する、感度を増し た流量計が必要である。 解決手段 コリオリ流量計に一層高い材料流量感度を提供する問題は、節に近接するセン サの制御可能な配置を提供する本発明の流量計によって解決される。本発明の流 量計においては、節は、感度を増すために流管の或る静止節（static node）と 或る振動節（以下、「活動節」（active node）という）とを含む。節は、振動 する流管に沿った振動振幅がゼロの点である。静止節は流管の固定棒又は流管の 固定された他の端部に位置した節であり、その位置では、振動振幅がゼロの点を 作るよう流管の振動が機械的に禁止される。活動節は、振動する流管に沿った静 止節の位置以外の任意の位置で自由に発生する少なくとも１つの節であり、活動 節の位置は、管に材料が流れていないときの振動周波数、ドライバの配置及び結 果的な流管の振動によって決定される。 本発明は、導管を流れる材料の質量流量を測定するための改善された方法及び 装置を提供する。開示する装置及び方法は、低圧の気体のような低密度の流体の 質量流量を測定することを可能にするよう、高い測定感度を提供する。動作にお いては、本発明を実施する流量計の管が振動され、１つ又はそれ以上の節に近接 して制御可能に配置された一対のセンサの出力信号から時間差（Δｔ）測定値が 求められる。測定感度の向上は、一対のセンサを流管に沿った節に実現可能な限 りに近接して配置することによって与えられる。 本発明の流量計は、所望の活動節を作る周波数で流管（又は平行に配置された ２つの流管）を振動させる１つ又はそれ以上のドライバを用いる。これらのドラ イバは、波腹で又はその近くで、又は流管の振動の固有周波数の節を除く任意の 他の位置で、流管に接触する。 ２つの下側且つ内側に傾斜した流管の「脚」に接続する実質的に直線状の上部 区間を有する２つの平行な「修正Ｕ形状」の流管を用いる、本発明の２つの実施 の形態が開示される。１つの実施の形態においては、流管は、該流管の脚に接続 する上部区間の中間点に位置する単一の活動節を発生するように振動する。流管 の運動を感知する２つのセンサは、活動節に近接して且つ対向する側に配置され る。 代わりの実施の形態では、複数の活動節を発生させるために流管を（第１の実 施の形態よりも）高い周波数で振動させる。これら代わりの実施の形態において は、２つのピックオフ・センサが管の対向する脚に配置される。一方のセンサは 管の一方の脚の活動節の上側に配置され、他方のセンサは管の他方の脚の対応す る活動節の下側に配置される。対向する流管の脚へセンサをこのように配置する ことによって、センサの物理的寸法に制限されることなく、センサを対応する活 動節に必要なだけ近接して配置することが可能となる。 すべての振動モードにおいて、センサ電子回路によって生成される信号の信号 対雑音比を最大にするように、ピックオフ・センサは活動節又は静止節に十分に 近接して制御可能に配置される。 本発明の流量計は、実質的に真っすぐな又は屈曲した管や他の形状の管と共に 用いることができる。 図面の説明 本発明の上記の及び他の利点及び特徴は、図面と関連して以下の説明を読むこ とによって、より良く理解されるであろう。 図１は従来技術のコリオリ流量計を示す。 図２は、活動節に対するセンサの出力信号振幅、位相及び流管の位置と、それ に関連する装置の雑音レベルとの間の関係を示すグラフである。 図３は、修正Ｕ形状の流管の配置が用いられる本発明の流量計の実施の形態を 示す。 図４及び図５は、それぞれ、一般の場合の屈曲モードと捩れモードとに対する ピックオフ・センサ及びドライバの位置を示す。 図６は、屈曲モードで動作する流量計に対するセンサ及びドライバの位置を示 す。 図７及び図８は、それぞれ、第１の逆相捩れモードと第２の逆相捩れモードと に対しての種々のセンサ及びドライバの位置を示す。 図９は、直線的流管が用いられる本発明の別の代わりの実施の形態を示す。 図１０は、図９の流管の種々の点の変位を示す。 詳細な説明 従来技術 図１はコリオリ計器組立体１０と計器電子回路２０とを示す。計器電子回路２ ０はリード線１００を介して計器組立体１０に接続され、密度、質量流量、体積 流量、及び全体的な質量流量情報を経路２６に提供する。 計器組立体１０は、一対のマニホールド１１０、１１０’、管状エレメント１ ５０、１５０’、一対の平行な流管１３０、１３０’、駆動機構１８０及び一対 の速度センサ１７０Ｌ、１７０Ｒを含む。流管１３０、１３０’は２つの本質的 に真っすぐな入口側の脚１３１、１３１’と出口側の脚１３４、１３４’とを有 し、それらの脚はマニホールド・エレメント１２０、１２０’の所で互いの方へ 集束する。固定棒１４０、１４０’は、各管がそれに関して振動する軸Ｗ、Ｗ’ を規定する。 流管１３０、１３０’の側脚１３１、１３４は流管取り付けブロック１２０、 １２０’に固定され、該ブロックはマニホールド・エレメント１５０、１５０’ に固定される。これによって、コリオリ計器組立体１０を通る連続的な閉じた材 料経路が提供される。 穴１０２を備えるフランジ１０３を有する計器組立体１０が入口端部１０４’ 及び出口端部１０１’を経て、被測定処理材料を運ぶ流管システム（図示せず） に接続されると、処理材料は入口マニホールド１１０の端部１０４のフランジ１ ０３の開口部１０１を通って計器に入り、計器内の徐々に変化する断面を持つ経 路を通って、面１２１を持つマニホールド・エレメント１２０に送られる。材料 はそこで分割され、脚１３１、１３１’、流管１３０、１３０’及び脚１３４、 １３４’を通る。処理材料は脚１３４、１３４’を出るとマニホールド・エレメ ント１５０’内で再び１つの流れとなり、その後、出口マニホールド１１０’に 送られる。出口マニホールド１１０’内で、材料は入口マニホールド１１０のも のと類似の徐々に変化する断面を有する経路を通り、出口端部１０４’の開口部 １１０’に流れる。出口端部１０４’はボルト穴１０２’を備えるフランジ１０ ３’によって導管システム（図示せず）に接続される。 流管１３０、１３０’は、屈曲軸Ｗ−Ｗ、Ｗ'−Ｗ'のそれぞれに関して実質的 に同じ質量分布、慣性モーメント及び弾性係数を有するように選択され、エレメ ント１２０、１２０’に適切に取り付けられる。これらの屈曲軸は静止節であり 、個々の流管の固定棒１４０、１４０’及びエレメント１２０、１２０’の近く に位置している。流管は本質的に平行に取り付けブロックから外側に伸長し、且 つ個々の屈曲軸に関して実質的に等しい質量分布、慣性モーメント及び弾性係数 を持つ。 両方の流管１３０は、ドライバ１８０によって個々の屈曲軸Ｗ、Ｗ’に関して 反対方向に、流量計の第１の逆相固有周波数で駆動される。この振動モードはま た、逆相屈曲モードと呼ばれる。両方の流管１３０、１３０’は音叉の先端のよ うに逆相で振動する。駆動機構１８０は、例えば、流管１３０’に取り付けられ た磁石と、流管１３０に取り付けられ且つ両方の流管を振動させるために交流電 流が流れる対向するコイルとのような、多くの公知の装置のうちの任意のものか ら構成される。駆動機構１８０には、リード線１８５を経て計器電子回路２０に よって適切な駆動信号が印加される。 流管１３０には、駆動機構１８０と発生したコリオリの力とによって、軸Ｗ、 Ｗ’に関して周期的な振動が発生する。流管１３０の振動期間の前半の間に、近 接する側脚１３１、１３１’の方が反対側の側脚１３４、１３４’よりも互いに 近付くように強制され、運動の端点に達して速度がゼロとなってから該反対側の 脚が同様に動作する。コリオリの振動期間の後半において、反対の相対的動作が 流管１３０に起こる。即ち、隣接する側脚１３４、１３４’の方がその反対側の 脚１３１、１３１’よりも互いに近付くように強制され、従って、脚１３４は運 動の端点に達して速度がゼロとなってから脚１３１、１３１’が同様に動作する 。一対の隣接する側脚がそれらの運動の端点に達する時から、反対側の側脚の対 （即ち、離されるように強制される脚の対）がそれぞれの端点に達する時までに 経過するこの時間間隔（ここでは、特定の周波数での位相差、又は時間差、又は 単に「Δｔ」値とも呼ばれる）は、計器組立体１０中を流れる処理材料の質量流 量に実質的に比例する。 時間間隔Δｔを測定するために、センサ１７０Ｌ、１７０Ｒが流管１３０、１ ３０’の上端付近に取り付けられる。センサは公知の形式の任意のものでよい。 センサ１７０Ｌ、１７０Ｒによって生成された信号は、流管の全運動の速度のプ ロフィールを提供し、公知の方法のうちの何れかの方法で計器電子回路２０によ って処理されて時間間隔Δｔが計算され、計器を通過する材料の質量流量が計算 される。 センサ１７０Ｌは左速度信号をリード線１６５Ｌに与え、センサ１７０Ｒは右 速度信号をリード線１６５Ｒに与える。時間差、即ち、Δｔの測定は、左速度セ ンサの信号と右速度センサの信号との間に起こる位相差を表示する。しかしなが ら、これらのセンサ１７０Ｌ、１７０Ｒは、それぞれ、固定棒１４０、１４０’ に位置する静止節からかなり離れて配置されていることに注目すべきである。以 下に説明するように、静止節とセンサとの間の距離を増加すると、材料の流量測 定の分解能が低下する。 計器電子回路２０はリード線１６５Ｌ上の左速度信号及びリード線１６５Ｒ上 の右速度信号を受信する。計器電子回路２０はまた、流管１３０、１３０’を振 動させるエレメント１８０を駆動するために、リード線１８５上に駆動信号を生 成する。計器電子回路２０は受信した左及び右の速度信号を処理し、計器組立体 １０を通過する材料の質量流量、体積流量及び密度を計算する。 図２の説明 図２は、流管１３０、１３０’上のセンサＳの配置に関してのコリオリ流量計 ３１０の種々のパラメータの間の関係を示す。図２に示すパラメータは、異なる 可能なセンサ位置に対する振動した流管の位相及び変位振幅と、流管上の種々の 位置におけるセンサの配置に対する獲得可能なセンサの出力信号と、種々のセン サ位置に対する２つのセンサの出力信号間で得られ得る位相ずれと、センサの出 力信号のノイズ・レベルとを含む。図２は、動作の屈曲モード及び捩れモードの 両方に適用可能であり、図１、図３、及び図９の流量計及びそれ以外の流量計を も含むすべての形状のコリオリ流量計に適用される。 「出力信号振幅」という用語は図３のピックオフ・センサＳＬ、ＳＲから出力 される信号の振幅を示す。出力信号振幅は流管の中央位置からの変位に比例する 。ｙ軸はタンジェントと名付けられ、このタンジェントは２つのセンサの出力信 号間の位相ずれである。ｘ軸は、１つの活動節ＡＮと、図２の中央に垂直線で表 され且つ活動節ＡＮの何れかの側にセンサが制御可能に配置される種々の位置と の間の距離を表す。左の垂直線ＢＬは、図３に示す固定棒ＢＬのような左の固定 棒の位置を表す。最も右にある垂直線ＢＲは、活動節ＡＮに関する図３の右の固 定棒ＢＲの位置を表す。活動節ＡＮの左の垂直線ＤＬは図３のドライバＤＬの位 置を表し、右の垂直線ＤＲはドライバＤＲの位置を表す。 曲線２０１は、左センサＳＬが左の固定棒ＢＬから右の活動節ＡＮまでの範囲 内の可能な任意の位置の間を移動するときに獲得可能な位相ずれを表す。このセ ンサ出力信号の位相ずれは垂直線ＢＬ付近で適度な振幅であり、そこから減少し 、垂直線２０６の領域で減少し続ける。この位相ずれは、垂直線２０７に関連す る領域に達するまでは雑音レベルが減少した状態を続ける。そこから右へ進むと 、 位相ずれはセンサ位置が活動節ＡＮに近づくにつれ顕著に増加する。図２の右下 部に示すように、右センサＤＲの位相ずれは負であり、垂直線ＢＲの位置付近で は適度なレベルから変化する。位相ずれはそこから減少し、垂直線２１４、２１ ３で表される領域において減少し続ける。位相ずれは、センサ位置が活動節ＡＮ に近づくにつれ、負の方向に顕著に増加する。 流管の種々の部分の変位は曲線２０３で表される。曲線２０３はまた、曲線２ ０３の各位置に対するセンサ出力信号の相対振幅を示す。センサ出力信号２０３ は、左右の垂直線ＢＬ、ＢＲの付近で、及び垂直線２０９と２１１の間の位置で 表される活性節ＡＮの付近で、雑音床（noise floor）より下にある。垂直線２ ０６と２０７の間の流管の位置は、得られる位相ずれ２０１が比較的小さいので 、左センサＳＬの変位には不適切な位置である。右センサＳＲの位置に関しても 、垂直線２１３と２１４の間で同様の状態となる。垂直線２０７と２０９の間の 位置は、左センサＳＬの出力からの出力信号の振幅及び位相ずれが比較的大きい ので、左センサＳＬの変位に最適の状態である。同様に、垂直線２１１と２１３ の間の右センサＳＲに対する位置は、該センサから得られる信号の振幅及び位相 ずれが比較的大きいので、右センサＳＲに最適の位置である。 本発明の教示に従うと、左センサＳＬは、雑音レベルの問題を避け且つ適切な 振幅及び位相ずれの出力信号を得るために、線２０７、２０９と関連する流管位 置の間に制御可能に配置される。同様に、右センサＳＲは、適切な振幅及び位相 ずれと最小の雑音レベルとを持つ信号を得るために、垂直線２１１と２１３の間 に制御可能に配置される。 本発明は、用いる流管の形式に関係なく、節が活動節ＡＮであろうと静止節Ｓ Ｎであろうと、センサＳを節Ｎに実現可能な限り近接して配置するという原理を 教示するものである。センサＳは固定棒又は他の支持点に位置していない節であ る活動節ＡＮを跨ぐことができ、また、固定棒Ｂに位置する静止節ＳＮに実現可 能な限り近接して配置され得る。センサＳは、図５で以下に説明するように、２ つの活動節ＡＮを跨ぐことも可能である。センサを節Ｎに接近して配置するほど Δｔの値が大きくなり、従って、質量流量の測定感度が向上する。しかしながら 、流管の出力信号振幅はΔｔの値に反比例する。本発明は、センサＳを節Ｎに可 能 な限り近接して、しかし、使用可能な信号対雑音比を持つ出力信号振幅を生成す るように、節Ｎから十分離れた位置に制御可能に配置する。 図３の説明 図３は、本発明の流量計３１０の実施の形態を示し、修正「Ｕ」形状の流管の 配置が用いられている。「修正Ｕ形状の流管」という用語は、実質的にＤ形状の 流管や、実質的に直線の部分を持つ流管や、本質的に非線形又は曲線形の部分を 持つ流管を含むことを意図している。図３の実施の形態の構造及び機能は、ドラ イバＤＬ、ＤＲの位置とピックオフ・センサＳＬ、ＳＲとを除いて、図１を用い て説明したものと同じである。ドライバＤＬ、ＤＲもまた、図１の装置と比較し て流管１３０、１３０’の異なる位置に配置されているが、この実施の形態の説 明は、主に、流管１３０、１３０’の上部の中間点に位置する１つの活動節に近 接して配置されるセンサの種々の配置の検討に向けられる。この実施の形態は例 示のみを目的とするものであり、特許請求される本発明の概念の範囲を制限する ものではない。他の実施の形態も本発明の範囲内にあるものとする。 図３の流量計は逆相捩れモードで動作し、軸ＮＰと流管１３０、１３０’の中 心によって規定される面の中心との交点に位置する活動節ＡＮを発生する。ドラ イバＤＬ、ＤＲは流管１３０、１３０’の直線部分の対向する端部に配置される 。以下、この直線部分を流量計３１０の上部区間と言う。ドライバＤＬ、ＤＲは 駆動信号３２２、３２４によって逆相で動作し、流管１３０、１３０’の上部を 軸ＮＰに関して捩る。コリオリ流量計３１０は、流量計の装置の信号対雑音比の 制限内でΔｔ信号の値を最大化するために、活動節ＡＮに近接して配置されたピ ックオフ・センサＳＬ、ＳＲを有する。質量流量装置３２０は経路３２６、３２ ８によってセンサＳＬ、ＳＲに接続され、且つ経路３２２、３２４によってドラ イバＤＬ、ＤＲにそれぞれ接続される。質量流量装置３２０は、図１に示され且 つ説明された計器電子回路２０と同じ機能を効果的に行う。 動作モード 開示する流量計の対象となる動作の２つの形式の振動モードがある。それらは 「屈曲」モードと「捩れ」モードである。流管は、「屈曲モード」及び種々の「 逆相捩れモード」を含む幾つかのモードのうちの任意のモードで駆動され得る。 屈曲モードは、図１の計器に関して示したように、流管を軸Ｗ、Ｗ’に関して逆 相で比較的低い共振周波数で駆動することによって生じる。次に、静止節が固定 棒１４０、１４０’で生成される。固定棒１４０、１４０’はまた、流管の逆相 振動に対するピボット点である。逆相捩れモードは、屈曲モードで用いる周波数 よりも通常高い周波数で捩るように流管の側部を駆動することによって達成され る。１つの典型的な捩れモードにおける流管の振動によって、１つの活動節ＡＮ を流管の上部に（中間点に）位置させる。このことは図３に示される。 図１に関して上記で説明した従来技術では、流管の脚１３１、１３１’及び１ ３４、１３４’を接続する該流管１３０、１３０’の上部区間上の駆動機構１８ ０を用いる。この配置においては、流管は第１の逆相「屈曲」モードで作動され 、静止節が固定棒１４０、１４０’に生成される。従来のコリオリ流量測定装置 は、十分に大きい出力信号振幅が生成されるようにセンサを配置する。しかしな がら、それら従来のコリオリ流量測定装置は、出力信号の位相差を最大化するよ うにセンサを節に近接して配置してはいない。 図３に示すような流管の脚１３１、１３１’及び１３４、１３４’が第１の逆 相「捩れ」モードで駆動されるとき、静止節ＳＮは固定棒ＢＲ、ＢＬの位置に又 はその付近にそれぞれ位置し、活動節ＡＮは流管１３０、１３０’の上部中央に 生成される。しかしながら、従来のシステムは、活動節ＡＮも静止節ＳＮも、セ ンサを配置するための「焦点」として利用していない。 本発明は、測定精度を向上させるために、単一の上部中央の活動節ＡＮに近接 したセンサＳの配置に制限されるものではない。本発明はまた、従来のコリオリ 流量計よりも測定精度を向上させるために、他の「捩れ」モードを使用すること をも意図する。本発明は２つ又はそれ以上の活動節ＡＮを発生させるために、捩 れモードの動作で高い駆動周波数を用いるようにしてもよい。活動節ＡＮの数及 び位置は、周波数と流管１３０、１３０’に沿ったドライバＤＬ、ＤＲの配置と によって決定される。 捩れモードの動作において、図３に示すように、ドライバＤＬ、ＤＲは、流管 １３０、１３０’の脚の対向する端部の任意の節でない位置に配置される。何れ の動作モード（屈曲又は捩れ）においても、センサＳＬ、ＳＲは、許容可能な信 号対雑音比内で動作しつつ、Δｔの値を最大化するために活動節ＡＮ（又は反対 側の活動節）に近接して制御可能に配置される。 図４及び図５の説明 図４及び図５は、直線状、Ｕ形状又は変則の構成であり得る「一般的な」流量 計の節の位置に対するセンサ及びドライバの位置を示す。図４は（単一の）活動 節ＡＮに関して流管ＦＴに沿って位置するセンサＳ１、Ｓ２とドライバＤＬ、Ｄ Ｒとの位置に対する流管の変位振幅を示す。本発明の好適な実施の形態は一対の 平行な流管ＦＴを用いるが、図３及び図４では明瞭化のために１つの流管のみが 示されている。図３に示す実施の形態に従う流量計の管が捩れモードで動作する とき、図４のセンサＳ１、Ｓ２は、信号対雑音比の制限内で、活動節ＡＮに図２ に関して説明したのと同じ程度近接して配置される。或る場合には、センサＳの 物理的寸法がそれらセンサを互いに近接して活動節ＡＮの近傍に配置する妨げと なり得るが、図５に示す実施の形態はこの問題に対する他の解決法を提供する。 静止節ＳＮは固定棒ＢＬ、ＢＲの位置に又はその近くに位置する。 図５は以下に詳細に説明する第２の逆相捩れモードで動作する流管を示す。こ の捩れモードにおいては、２つの活動節ＡＮ１、ＡＮ２と２つのドライバＤＬ、 ＤＲがある。明瞭化するために１つの流管のみが示されているが、２つの流管が 用いられ得る。２つの活動節ＡＮ１、ＡＮ２が存在するので、４つの可能な位置 のうちの任意の位置においてセンサＳ１、Ｓ２の対とセンサＳ３、Ｓ４の対を用 いることが可能となる。つまり、対のセンサを位置Ｓ１とＳ２、Ｓ３とＳ４、Ｓ １とＳ４、又はＳ２とＳ３に配置することができる。２つの活動節ＡＮ１、ＡＮ ２が存在するため、センサを流管の対向する側に配置できるので、センサを所望 の節に実現可能な限り近接して配置することが可能となり、両方のセンサを所与 の節の対向する側に配置することが必要な場合においても物理的近接という制限 を除くことができる。図５の実施の形態では、必要な場合には、ドライバＤＬ、 ＤＲに加えて中央ドライバＤＣを設けてもよい。静止節ＳＮは固定棒ＢＬ、ＢＲ の位置に又はそれらの近くに位置する。 図６の説明 本発明の原理に従って、図６は、第１の逆相屈曲モードで動作する流量計に対 するセンサ及びドライバの位置を示す。図６は流量計のエレメントの流れゼロ状 態を示す。点線はゼロ偏差状態を示す。実線は偏差状態を示す。図１に示す従来 技術と同様に、図６においてドライバＤ１は、固定棒ＢＬ、ＢＲの位置でそれぞ れ静止節ＳＮを発生するように流管を振動させるために、流管１３０、１３０’ の上部の中間点付近に配置される。しかしながら、図６の実施の形態において、 センサＳＬ及びＳＲは従来技術のセンサ１７０Ｌ及び１７０Ｒと比較して、固定 棒ＢＬ、ＢＲにそれぞれ位置する静止節ＳＮに一層近接した下方の位置へ移動さ れている。センサのこうした節近接配置によって流量の測定精度が向上する。 図７及び図８の説明 図７は第１の逆相捩れモードに対するセンサ及びドライバの位置を示し、図８ は第２の逆相捩れモードに対するセンサ及びドライバの位置を示す。 図７に示すように、ドライバＤＬ、ＤＲは第１の逆相捩れモードで流管１３０ 、１３０’を駆動する。ゼロ偏差状態を点線ＦＴ０、ＦＴ０’で示す。名目流れ 状態（nominal flow condition）を線ＦＴ１、ＦＴ１’で示す。この特定の捩れ モードにおいて、センサＳＬ、ＳＲは活動節ＡＮに近接して配置される。センサ ＳＬ、ＳＲの活動節ＡＮへの近接度は、上記の図２の説明で示したガイドライン に従って決定される。 図８は、本発明に従う第２の逆相捩れモードを示す。図８は図５と類似であり 、センサの配置の自由度をより大きくするために２つの活動節ＡＮ１、ＡＮ２が 発生される。点線ＦＴ０、ＦＴ０’は流れのない状態を示す。実線ＦＴ１、ＦＴ ２は名目流れ状態を示す。この特定のモードにおいては、３つのドライバＤＬ、 ＤＣ及びＤＲが用いられる。このドライバのシステムは、流管１３０、１３０’ の上部に活動節ＡＮ１、ＡＮ２を作り出す。同様の節を作り出すのに２つのドラ イバを用いることもでき、その場合には、一方のドライバを流管の上部に配置し 、他方のドライバを２つの側のうちの一方の側に配置しなければならない。セン サＳＬ１、ＳＬ２は活動節ＡＮ１に近接して配置され、センサＳＲ１、ＳＲ２は 活動節ＡＮ２に近接して配置される。 図９の直管型流量計 本発明の他の可能な実施の形態を図９に示す。この実施の形態では管部がエレ メント９１２、９１４によって支持される。これらのエレメントの間の距離によ って、管９１０を振動させる周波数が決定される。なぜなら、この距離は駆動周 波数の少なくとも１波長であるからである。管９１０の長さが流量計を現実的に 作動させるには長すぎる場合、エレメント９１２、９１４に加えて、該エレメン ト間に支持部が管９１０に取り付けられる。本発明の流量計エレメントは、管内 を送られる材料の質量流量の測定に必要な管を実質的に修正、変更することなく 、管９１０上に固定される。管９１０は実質的に直線状であり且つ一定の断面を 有するものとして示されている。本発明の流量計は種々の形状及び構成の管に使 用可能であることが理解されるべきである。 図９の実施の形態はドライバ９２０を含み、該ドライバは、固有周波数の第２ 高調波の波腹又はその近傍で、又は固有周波数の第２高調波の節を除く他の任意 の位置で、管９１０に直接に固定される。対称性を増すために、又は管への負荷 を均等にするために、ドライバ９２０と類似の別のドライバを管９１０上に固定 することもできる。しかしながら、本発明のシステムは、図示するように、１つ のドライバのみで動作可能である。ドライバ９２０はフィードバック回路に接続 され得、該回路は動きセンサ９３０を含み、該センサは管のドライバ９２０の反 対側で又はドライバ９２０の近傍で取り付けられ、又はドライバ９２０上に固定 される。 流量計エレメントは、点線９３１で示すように、活動節の位置に実現可能な限 り近接して管９１０に取り付けられた動きセンサ９３２Ｌ、９３２Ｒを更に含む 。ドライバ９２０によって与えられる負荷のバランスを取るために、管９１０の 固有振動周波数の高調波の波腹のような所定の位置で、管９１０に釣合い重り９ ４０を取り付けてもよい。必要であれば、第２のドライバをこの位置に取り付け てもよく、釣合い重り９４０又は第２のドライバ９２０を除いてもよい。 図１０のシステムの動作 図１０は、動作時の流管９１０の種々の部分の変位を示す。図１０の振幅曲線 １０００は、第２高調波周波数で振動する管９１０の流れゼロ状態を表す。 曲線１０００の振幅は、管が支持部９１２、９１４によって固定される各端部 で、及び流れが無いときの活動節の位置１００２でゼロである。曲線１０００の 振幅のピークは波腹１００４、１００６で発生する。ドライバ９２０は管９１０ に横の力を与え、次にその力を緩めて管９１０を振動させる。これを、サイクル の力が加わる期間の振幅曲線１０００及びサイクルの力が加わらない期間の振幅 曲線１０００’で示す。波腹１００４、１００６はサイクル毎に振幅が反転し、 サイクルの力が加わらない期間には１００４’、１００６’の位置にある。 材料が中を流れるときの管９１０の振動によって、管の各エレメントにコリオ リの力が発生される。流体が流れる管の振幅曲線１０１０、１０２０は図２に示 されている。図２では、システムの動作を説明するために管９１０の偏差の振幅 が誇張されている。管９１０のコリオリの力の影響によって、振幅曲線１０１０ （駆動サイクルの第１部分に対応する）は、流れゼロ状態の振幅曲線１０００と 比較して左にシフトされる。管９１０を流れる材料は、振動する管によって与え られる影響に抵抗する。曲線１０１０の最初の部分の振幅は、管９１０の壁面に 向かって作用する材料のコリオリの力の影響によって、曲線１０００と比較して 減少する。これによって、振幅曲線１０１０の活動節（振幅がゼロの位置）が位 置１０１２にシフトされる。同様に、サイクルの第２部分の間の管９１０のコリ オリの力の影響の結果、管の振幅曲線１０２０が生じる。曲線１０２０の節１０ ２２（振幅がゼロの点）は曲線１０００の節１００２に先行する。 節１０１２、１０２２の周期的な長さ方向の変位は、管９１０の位置１００２ の周期的な横方向の振幅変位を作り出す。図１０に示すように、この横方向の変 位は、活動節の位置１００２からの曲線１０１０の変位を示す曲線１０１０の点 １０１８と、活動節位置１００２からの曲線１０２０の変位を示す曲線１０２０ の点１０２８との間で発生する。活動節位置のこの周期的な横方向の変位は、振 動する管９１０を流れる流体のコリオリの力の影響に起因するものである。コリ オリの力の影響は管９１０を流れる材料の質量に起因するので、測定された横方 向の加速度及びそれから導出された変位は、材料の質量流量を直接に表す。 特許請求される発明は、説明した好適な実施の形態に限定されるべきではなく 、本発明の概念の範囲及び精神内にあるその他の修正、変更を含むものと理解す べきである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 レヴィエン，アンドリュー・ケイス アメリカ合衆国コロラド州80439，エバー グリーン，ソーダ・クリーク・ロード 170 【要約の続き】 は、上述した活動節（ＡＮ）に対するセンサ位置に加え て、センサ（Ｓ）が静止節（ＳＮ）に近接して配置され る。すべての実施の形態において、センサ（Ｓ）は、セ ンサ電子回路が生成する信号の信号対雑音比を最大化す るように、回路節（ＡＮ）及び／又は静止節（ＳＮ）に 近接して制御可能に配置される。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 内部を流れる処理材料の特性を測定するコリオリ流量計（３１０）であ って、前記処理材料を流すための流管手段（１３０）と、前記流管手段（１３０ ）を振動させるための駆動手段（Ｄ）と、前記流管手段（１３０）の振動及び前 記流量計（３１０）の中を流れる前記処理材料に応答し、前記流管手段（１３０ ）内を流れる前記処理材料によって発生されたコリオリの力に起因する前記の振 動する流管手段（１３０）の運動を表すセンサ出力信号を生成するためのセンサ 手段（Ｓ）と、前記センサ出力信号の生成に応答し、前記流量計（３１０）中を 流れる前記処理材料を表す情報を生成するための信号処理手段（３２０）とを有 する流量計（３１０）において、 前記駆動手段（Ｄ）は、前記流管手段（１３０）を振動させて少なくとも１つ の節を前記流管手段（１３０）上に発生させるものであり、 一対の前記センサ手段（Ｓ）はそれぞれ、前記少なくとも１つの節（Ｎ）に近 接して前記流管手段（１３０）に固定されており、 前記センサ出力信号間に最大の位相差が存在し且つ前記センサ出力信号が所定 の信号対雑音比を有することが可能である適切な信号の振幅が存在するように、 前記センサ手段（Ｓ）は前記少なくとも１つの節（Ｎ）に対して前記流管手段（ １３０）上に制御可能に配置される、 ことを特徴とする流量計。 ２． 請求項１に記載の流量計（３１０）において、前記流管手段（１３０） は一対の実質的に平行な流管（１３０、１３０’）であることを特徴とする流量 計。 ３． 請求項２に記載の流量計（３１０）において、 前記流管（１３０、１３０’）は、上部（１３０、１３０’）と、固定棒（Ｂ ）に接続された下部をもつ一対の側脚（１３４、１３４’、１３１、１３１’） とを有し、 前記駆動手段（Ｄ）は、静止節（ＳＮ）として動作する前記固定（Ｂ）に関し て前記流管（１３０、１３０’）を回動させる逆相屈曲モードで振動させる ことを特徴とする流量計。 ４． 請求項３に記載の流量計（３１０）において、前記流管（１３０、１３ ０’）は前記固定棒（Ｂ）と一致する一対の静止節（ＳＮ）を有し、前記センサ 手段（Ｓ）は前記固定棒（Ｂ）に近接していることを特徴とする流量計。 ５． 請求項３に記載の流量計（３１０）において、前記流管（１３０、１３ ０’）はまた前記固定棒（Ｂ）から離れた一対の活動節（ＡＮ）を有し、一対の 前記センサ手段（Ｓ）は前記一対の活動節（３３６）のうちの異なる１つに近接 していることを特徴とする流量計。 ６． 請求項３に記載の流量計（３１０）において、前記流管（１３０、１３ ０’）はまた前記固定棒（Ｂ）から離れた一対の活動節（ＡＮ）を有し、一対の 前記センサ手段（Ｓ）は前記一対の活動節（ＡＮ）のうちの１つに近接し且つ異 なる側にあることを特徴とする流量計。 ７． 請求項３に記載の流量計（３１０）において、前記駆動手段（Ｄ）は前 記流管（１３０、１３０’）の上部に固定されることを特徴とする流量計。 ８． 請求項３に記載の流量計（３１０）において、前記駆動手段（Ｄ）は前 記流管（１３０、１３０’）に配置された一対の間隔を隔てられたドライバであ ることを特徴とする流量計。 ９． 請求項２に記載の流量計（３１０）において、 前記流管（１３０、１３０’）は上部と一対の側脚（１３１、１３１’、１３ ４、１３４’）とを有し、 前記駆動手段（Ｄ）は、前記少なくとも１つの節（Ｎ）が前記流管（１３０、 １３０’）に位置する単一の活動節（ＡＮ）を有するよう、前記流管（１３０、 １３０’）を第１の逆相捩れモードで振動させる ことを特徴とする流量計。 １０． 請求項９に記載の流量計（３１０）において、前記単一の活動節（Ａ Ｎ）は前記流管（１３０、１３０’）の前記上部の中央に位置することを特徴と する流量計。 １１． 請求項９に記載の流量計（３１０）において、前記センサ手段は前記 単一の活動節（ＡＮ）の第１の側に配置された第１のセンサ（Ｓ）と、前記単一 の活動節（ＡＮ）の第２の側に配置された第２のセンサ（Ｓ）とを有することを 特徴とする流量計。 １２． 請求項９に記載の流量計（３１０）において、 前記流管（１３０、１３０’）は上部と一対の側脚（１３１、１３１’、１３ ４、１３４’）とを有し、 前記駆動手段（Ｄ）は、前記少なくとも１つの節（Ｎ）が前記流管（１３０、 １３０’）上の一対の活動節であるように、前記流管（１３０、１３０’）を第 ２の逆相捩れモードで振動させる ことを特徴とする流量計。 １３． 請求項９に記載の流量計（３１０）において、 前記流管（１３０、１３０’）は上部と一対の側脚（１３１、１３１’、１３ ４、１３４’）とを持つ修正Ｕ形状の構成を有し、 前記駆動手段（Ｄ）は、前記少なくとも１つの節（Ｎ）が前記流管（１３０、 １３０’）の上部の一対の活動節であるように、前記流管（１３０、１３０’） を第２の逆相捩れモードで振動させる ことを特徴とする流量計。 １４． 請求項１２に記載の流量計（３１０）において、前記センサ手段（Ｓ ）は前記一対の活動節（ＡＮ）の第１の節の第１の側に配置された第１のセンサ （Ｓ）と、前記一対の活動節（ＡＮ）の第２の節の第２の側に配置された第２の センサ（Ｓ）とを有することを特徴とする流量計。 １５． 請求項１２に記載の流量計（３１０）において、前記センサ手段（Ｓ ）は前記一対の活動節（ＡＮ）の第１の節の第１の側に配置された第１のセンサ （Ｓ）と、前記一対の活動節（ＡＮ）の前記第１の節の第２の側に配置された第 ２のセンサ（Ｓ）とを有することを特徴とする流量計。 １６． 請求項１に記載の流量計（３１０）において、前記流管手段（１３０ ）は実質的に真っすぐの管（９１０）であることを特徴とする流量計。 １７． 請求項１に記載の流量計（３１０）において、前記流管手段（１３０ ）は、変則の構成を有する一対の流管であることを特徴とする流量計。 １８． 流管手段（１３０）を有するコリオリ流量計（３１０）を動作させる 方法において、 前記流管手段（１３０）を振動させて前記流管手段（１３０）上に少なくとも １つの節（Ｎ）を発生させ、 一対のセンサ手段（Ｓ）の各々を、出力信号間に最大の位相差が発生するよう に且つ前記出力信号が所定の信号対雑音比を有するような適切な信号の振幅を発 生するように、前記少なくとも１つの節（Ｎ）に近接して前記流管手段（１３０ ）に制御可能に固着し、 前記流管手段（１３０）の振動に応答して前記センサ手段（Ｓ）から出力信号 （３２６、３２８）を受信して、前記流管手段（１３０）内を流れる材料によっ て発生したコリオリの力に起因した振動する前記流管手段（１３０）の運動を表 す信号を生成し、 前記出力信号の生成に応答して信号処理手段（３２０）を動作させ、前記流管 手段（１３０）内を流れる前記材料を示す情報を生成する、 ことを特徴とする方法。 １９． 請求項１８に記載の方法において、 前記流管手段（１３０）は、上部と一対の側脚とを有する修正Ｕ形状の構成の 一対の流管（１３０、１３０’）を有し、 駆動手段は（Ｄ）は、静止節（ＳＮ）として動作する固定棒手段（Ｂ）に関し て互いに逆相の屈曲モードで前記流管（１３０、１３０’）を振動させるように 前記上部に固着される、 ことを特徴とする方法。 ２０． 請求項１８に記載の方法において、 一対の流管（１３０、１３０’）を、上部と一対の側脚とを有する修正Ｕ形状 に構成し、 ドライバ（Ｄ）を前記脚に固定し、互いに逆相の捩れモードで前記流管（１３ ０、１３０’）を振動させるように、且つそれによって前記少なくとも１つの節 （Ｎ）が前記流管（１３０、１３０’）の前記上部の活動節（ＡＮ）であるよう にする、 ことを特徴とする方法。 ２１． 請求項１８に記載の方法において、 一対の流管（１３０、１３０’）を、上部と一対の側脚とを有する修正Ｕ形状 の構成し、 ドライバ（Ｄ）を前記脚に固定し、前記流管（１３０、１３０’）の前記上部 に２つの活動節（ＡＮ）を発生するように、互いに逆相の捩れモードで前記流管 （１３０、１３０’）を振動させる ことを特徴とする方法。 ２２． 実質的に互いに平行に配置された第１及び第２の流管（１３０、１３ ０’）を有するコリオリ流量計（３１０）を動作させる方法において、 前記第１及び第２の流管（１３０、１３０’）を第１の逆相捩れモードで振動 させて、前記流管（１３０、１３０’）の各々に少なくとも１つの振動活動節（ ＡＮ）を発生させ、 出力信号間に最大の位相差を有し且つ前記出力信号に対しての所定の信号対雑 音比を提供するのに適切な信号振幅を有するセンサ出力信号を発生するように、 一対のセンサ（Ｓ）の各々を前記少なくとも１つの振動活動節（ＡＮ）に近接し て前記流管手段（１３０）に固着し、 前記出力信号は、振動する前記流管（１３０、１３０’）が該流管内を流れる 材料によって発生するコリオリの力によって捩られたときに、該流管の相対運動 を表し、 前記出力信号の生成に応答して信号処理手段（３２０）を動作させ、前記流管 （１３０、１３０’）内を流れる前記材料を示す情報を生成する ことを特徴とする方法。