JPS6034683B2 - 質量流量測定装置 - Google Patents

質量流量測定装置

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JPS6034683B2
JPS6034683B2 JP53090048A JP9004878A JPS6034683B2 JP S6034683 B2 JPS6034683 B2 JP S6034683B2 JP 53090048 A JP53090048 A JP 53090048A JP 9004878 A JP9004878 A JP 9004878A JP S6034683 B2 JPS6034683 B2 JP S6034683B2
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は大体において流れ計測装置、とくに片持ちレバ
ー式にビーム状に取付けられ導管内の流体材料の密度、
導管を通る流量の割合また従ってその他の従属的流れパ
ラメータを測定するように配置されたU字形の流れ計測
装置に関する。
従来本発明が関係のある一般型の流れ計測装置はジャイ
。スコープ式流量計またはコリオリの力による流量計と
して知られていた。重要な点においてはこれら両型の流
量計の機能は同じ原理に基いている。簡単にいえばそれ
はコリオリの力は回転体の第1の点から第2の点への質
量の半径方向運動を伴うということである。このような
運動の結果として質量の周速度は変化する。すなわち質
量は加速される。この質量の加速は回転の平面において
瞬間的な半径方向運動に垂直な1つの力を生ずる。この
ような力はジヤィロスコープの前進にとって重要なもの
である。この要領で流量を計測しようとする従来の試み
は圧力に敏感なべローズまたは他の同様な機械的旋廻装
置を必要とした。流量を計測するのにコリオリの力を利
用する場合数種の特別な工夫がなされた。
たとえば、古くはロス(Ro比)の米国特許第2865
201号及び3132512号‘こ連続回転し(DC型
)または揺動する(AC型)の完全ループを使うジャィ
ロスコープ流量計が記載してある。もう1つの流量計で
実質的に同じ力を利用してはいるが1800よりも小さ
いループを使って流れの逆行を避けるようにしたものが
シピン(Sipin)の米国特許第3485098号に
記載してある。
どちらの側においても装置はいわゆるAC型のものであ
って、導管は1つの軸のまわりに揺動させられこの導管
を経て流れる流体は先づ回転の中心から流れ去りそれか
ら回転の中心に向って流れる。このようにしてループを
通じての流体の流量割合の函数としてコリオリの力を発
生する。コリオリの力を発生する手段は1つしかないか
り、ジャィロスコープとコリオリの力に基〈従来型の装
置はすべて同じ力を発生するのであるが、この力を計測
するためには種々の手段を規定している。このようにし
て概念的に簡単で直裁的であるが、正確な流量計測とい
う点で実際の成果はなかなかわかりにくい。たとえば、
ロスの流量計は読取り装置として変換器式または回転式
カップリングを使う。
この回転式カップリングはロスの特許では複雑なように
述べてあり、変換器式カップリングはべローズのような
高度のたわみ性の導管が必要であると規定している。ロ
ス特許のこの後者は主としてそのようなたわみ性のべロ
ーズの配置に関するものである。流量に比例する力の計
測に関するもう1つの古い試みは先づ導管構造をある鞄
心のまわりの回転運動によって駆動しまたは揺動させる
それから流体がこの導管を通って流れるときにこの導管
を駆動するのに必要な附加的ェネルギを計測する。残念
ながらコリオリの力は駆動力に比べては極めて小さいの
で、大きな駆動力に関連してこのような小さな力を正確
に計測するのは全くむずかしい。さらに別の計測手段が
シピンの米国特許第3485098号の第7欄第1−2
3行に記載してある。
この装置では駆動装置とは無関係な速度感知器が設けて
あって、コリオリの力による導管の擬れの結果としての
導管の速度を計測する。このような計測によってよい情
報が得られるであろうけれども、速度感知器は非常に大
きな管の揺動速度に重なり合った微細な差動速度を計測
する必要がある。従って回転力の全く正確な測定は以下
述べるような限定され特定された状況のもとでの速度計
側と取組まなければならない。数学的分析によると、速
度計側はうまくいっても有効でない結果を生ずることが
たしかである。本発明は従来の流量計測装置以上に今ま
で得られなかった改善をなしとげたものであって、支持
部片と、U字形の導管であってこのU字形の開いた端部
を前記の支持部片に固く取付けられ、この支持部片から
関節ないこ片持しバー式に延びる連続した導管と、この
導管を前記支持部片に相対的にU字形導管の静止時の平
面のいづれの側にも第1の揺動軸線のまわりにおいて揺
動させる揺動装置と、U字形導管をこの導管の両側脚の
間のほぼ中央に位置しかつ前記の揺動軸線を通ずる第2
の偏向軸線のまわりに弾性的に換るようにしてコリオリ
の力を計測する計測装置とを備えている。
揺動装置は固有振動数、実質的にはU字形導管の振動数
を持つ別の腕部片に取付けるのがよい。従ってこれら2
つの部片は丁度音叉の歯が揺動するように互いに相対向
する位置を以て揺動しかつ音叉のように支持部片のとこ
ろでは振動をなくする。特に好適な実施例では、U字形
導管の振れは導管の本体と脚との交点に隣接して位置さ
せた感知器によって計測される。この感知器は揺動のほ
ぼ中心点を通ずる導管の先行縁部および後続緑部の間の
時差をコリオリの力による擬れの結果として計測する。
この装置は揺動の振動数または振幅あるいはその両者を
制御する必要がない。U字形導管を片持しバ一式にビー
ム状態に取付けることはとくに重要なことである。
涙れ計測を例にとって見れば、このような取付けをする
ことによってコリオリの力に基く涙れを導管内部の弾性
変形によってほぼ全面的に相殺し導管のたわみ以外の機
械的な枢動装置の影響を受けないようにする。このよう
にして、相対向する力の1つだけを計測することによっ
て流量メータの精度を損うのではないこ、本発明の装置
はとくに2つの計測しない相対向する力すなわち質量の
速度のおくれと加速とによって生ずる力を最少に止めま
たは無くするように構成してある。この努力の果上記の
ような力は振れによる反綾力の0.2%よりも少し、量
にまで低下した。また導管をビームの曲がりによって枢
動するビーム状に取付けることによって導管と周囲との
間の圧力差に対して反作用するべローズとかその他同様
な装置の必要を全くなくすことができた。枢動は圧力に
敏感な別個の枢動装置とは関係なく自由にできる。従っ
て本発明の利点は簡単な経費の安い構造でL以てきわめ
て高い精度を持つ新しくて改善された流量計測装置を提
供できることである。
本発明の別の利点は、周囲の圧力と被計測流体との間の
圧力差にほぼ不感の新しくて改善された計測装置を提供
できることである。
以下本発明の好適とする実施例を図面について詳細に説
明する。
以下の説明中で第1図の線W−Wまたは第9図の線W′
−W′の各軸線は「第1の轍線」または「振動軸線」と
称する軸線である。
すなわち、これは実質上支持部材に対する導管の固設部
位において該導管の両端部分を通る軸線を言う。また、
第1図の線○−○の位置における鞠線は「第2の軸線」
、「たわみ鯛線」さらには「対称軸線」と称する軸線で
ある。すなわち、これは第1の軸線に直交していて、第
1図の軸線○−0のように導管を実質上対称的に二分す
るような鞠線を言う。第1図に示す実施例において流量
計装置は参照数字10で示してある。流量計10には固
定の支持部片12とこれに片持しバー式ビーム状に取付
けたU字形導管14とを備えている。U字形導管14は
べりリュウム、銅、なましたアルミニューム、鋼、プラ
スチックのような材料に通常見られる弾性を持つ管状材
料で作るのがよい。U字形導管といっているけれども導
管14は収数する脚、末広がりの脚または実質的に斜に
なった胸を持つものでもよい。要は連続的な曲線を持つ
ことである。U字形導管14は入口15と出口16とを
備えそれらを入口脚18、ベース脚19および出口脚2
川こよって互に連結してある。入口胸18と出口脚20
とは互に平行でベース脚19がそれらに垂直であるのが
最も好ましい。しかし、上述の最善の形状よりかなり偏
椅した形すなわち50位の収赦や末広がりは著しく悪い
結果をもたらさない。有効な結果は総体偏椅30o ま
たは400程度になっても得られる。しかし、ここに述
べている実施例ではこのような偏椅を持たせても得ると
ころは殆どないので、一般的には入口胸18と出口脚2
0とをほぼ平行な関係に保つのが好ましい。導管14は
便利なように連続したまたは部分的な曲線の形にするこ
とができる。U字形導管14の物理的形状は臨界的なも
のではないが、その周波数特性は重要である。
第1図の実施例は涙れを許すものであって軸線W−Wの
まわりの共振振動数が鞠線○−○のまわりのそれとは異
ることが臨界的であり、轍線W−Wのまわりの共振振動
数が低い共振振動数であることが最も好ましい。ばね腕
部片22が入口脚18と出口脚20とに取付けてあって
フオースコィル24とセンスコイル23とをベース脚に
隣接する端部に支承している。
磁石25はフオースコイル24とセンスコイル23との
中にはまり込んでいて本体脚19によって支承されてい
る。駆動回路27がセンスコイル22に応答してU字形
導管14を鞠線W−Wのまわりに固有振動数で揺動的に
駆動する増幅した力を生ずるように設けてある。U字形
導管14は支持部片12にビーム状に取付けてあるけれ
ども、事実上それが共振振動数で揺動するので、鞠線W
−Wのまわりのビーム状揺動には大きな振幅を生じさせ
る。U字形導管14は入口15出口16のところで鼠線
W−Wのまわりに枢動することが大切である。好適な実
施例としては、第1の感知器43と第2の感知器44と
がそれぞれベース脚19と入口脚18および出口脚20
との交点に支えてある。
感知器43,44は光学式のものがよいのであるが、一
般には近接型感知器で、ビーム揺動のほぼ中点にあるい
わゆる基準平面をU字形導管14が通過するときに作動
させられる。謙取り回路33は流量計測値を感知器44
および43によって生じた信号の時差の函数として指示
するように設けてある。流量メータ10の作動は第2,
3および4図によって一層容易に理解できる。
これらの図は本発明の基本原理を簡単に示している。導
管14が流れのない状態で揺動させられると、入口脚1
8と出口脚20とは樋線W−Wのところで純粋なビーム
の形態で、すなわち振れなしで曲る。従って、第2図に
見られるように、ベース脚19は揺動中を通じて鞠線○
−○のまわりに一定の角位置を保つ。しかし、流体の流
れが初まると、入口脚18を経て軸線W−Wから半径方
向に動く流体は流れの方向に垂直で軸線W−Wに垂直な
第1のコリオリの力を生ずる。一方出口脚20内の流れ
はやはり流れの半径方向に垂直な第2のコリオリの力を
生ずる。但し第2のコリオリの力の方向は流れの方向が
第1の力の場合と反対であるから第1の力とは反対の向
きである。従って第3図に見られるように、ベース脚1
9が揺動の中点を通過するときには出口脚18および出
口脚20内に生ずるコリオリの力はU字形導管14に力
の偶力を生じこれによってベース胸を軸線○−○のまわ
りに角度旋回をさせる。この握れはいづれもビームを曲
げる湊れであり、しかも入口脚18および出口脚20‘
こおける顕著な湊れである。U字形導管14の周波数と
形状の選択の結果、コリオリの力の偶力に抵抗する力の
殆どすべては弾性的なばねの振れの性格を持っており、
従って速度お〈れを復原させる力や初めに抵抗する力を
計測する必要やその煩わしさを除くことができる。ほぼ
一定の振動数や振幅が与えられているので、揺動のいわ
ゆる中点におけるベース脚19の軸線○−○のまわりの
角度的振れを計測することにより流量の正確な指示が得
られる。これは従来技術に優る大きな改善である。しか
し、本発明の最も顕著な部面としては、先行脚(第3図
の場合入口脚)が中点平面を通過する瞬間と後続胸(第
3図の場合出口脚)が同じ平面を通過する瞬間との間の
時差に基〈ベース脚19の、涙れを生じない中点平面に
関係的な振れを測定することにより、一定の振動数や振
幅を維持する必要が避けられることである。振幅の変化
はベース脚19の速度の変化を補償することによって達
成できるからである。従って、単にU字形導管14をそ
の共振振動数で駆動することによって以下述べるような
要領で振幅の同時調整を考えることなしに時間計測を行
うことができる。しかし、計測が唯1つの方向すなわち
第3図において上向きの方向にだけ計測が行われる場合
は本体脚19のいわゆる中点平面に対する正確な角度的
整合を維持する必要がある。但しこの要求も第3図の上
向き方向における時間計測および第4図の下向き方向に
おけるそれを減ずることによって避けることができる。
当業者には容易に理解できることであるが、第4図のよ
うに下向き方向の運動はコリオリの力の偶力の方向を逆
転し、従って同図に示すようにコリオリの力の偶力に基
〈擦れの方向を逆転する。これを要するに、大雑把にい
って、U字形導管14は単に物理的形態上の特性に過ぎ
ないとはいえ特定の振動数特性を持って単に軸線W−W
のまわりに揺動するだけである。
U字形導管14を通過する流れはこの導管内にばね型嫁
れを誘発しその結果、便利な計測装置として、初めに揺
動の一時相中にべ−ス脚19の第1の角度方向における
角運動を鞠線W−Wのまわりにもたらし、次いで揺動の
他の時相中に反対方向の角連動を起す。振幅を制御する
ことによって、擦れの直接計測で流量計測をすることも
できる、すなわち揺動の中点においてベース脚19をス
トローブで、たとえばベース脚19の端部部分に隣接し
て固定したアナログ計尺およびベース脚19によって支
承した指針を持つストローブである。しかし好適な計測
方式はベース脚19のそれぞれ先行緑部と後続緑部とが
中点平面を通過する瞬間の時差測定を伴う。これによっ
て振幅を制御する必要がなくなる。さらにこの時間計測
方式において上向き揺動涙れと下向き揺動湊れとを計測
することによって、U字形導管14の中点平面に対する
物理的不整合から来る異常は計測結果から除去される。
本発明の目的のところで前述した本発明の通常の電子関
係部面は第5図ないし第8図を参照することによって容
易に理解できる。
第5図に示すように、駆動回路27はセンスコイル23
内の磁石25の運動によって生ずる信号を検知する簡単
な装置である。
検知器39はセンスコイル23によって生ずる基準電圧
電源を電圧37と対比する。その結果、フオースコィル
増幅器41の利得はセンスコイル23内の磁石25の電
圧の函数である。従ってU字形導管の揺動の振幅は容易
に制御される。導管14とばね腕22とはその共振振動
数で揺動させられるから振動数の制御は必要がない。第
5図の回路は附加的な情報を提供するものである。
フオースコィル増幅器41の出力はU字形導管14の共
振振動数における正弦波信号である。共振振動数はばね
定数と揺動装置の質量とによって決まり、またばね定数
は固定で質量は導管を通って流れる流体の密度変化によ
ってのみ変る(導管自体の質量が変らないのは明らかで
ある)という事実があるから、振動数のいかなる変化も
導管を通って流れる流体の密度変化の函数であることが
判る。このようにして、揺動の周期を決めることができ
るから、密度係数を測定するために該周期中に固定振動
数揺動装置の計数を行うことは簡単なことである。密度
計数は一旦測定されるとこれはたとえばチャートまたは
グラフによって流体密度に変換することができる。この
流体密度では上記の周期は密度の線形函数ではなくて、
密度の1つの測定可能な函数にすぎない。直綾読取りが
望ましいならば、マイクロプロセッサを密度係数を流体
密度に直接変換するように容易に段取りすることができ
る。読取り回路33の性格と機能とは第6図の論理回路
と第7,8図のタイミングダイヤグラムを参照するとよ
く判る。
読取り回路33は感知器43と感知器44とに連結して
ある。これらの感知器43,44はベース脚19に支承
されたフラグ45,46がU字形導管14の揺動の平面
A−Aの中点近くでそれぞれの感知器のそばを通るとき
に信号を発する。図示のように入口側感知器43は反転
増幅器47および変流器48に連結されており、他方感
知器44は変流増幅器49および反転器50‘こ連結さ
れている。変流器50からの出力側の導線52は2重反
転の結果としてフリツプ・フロップ54のセット側に正
の信号を送り、同様に導線56は反転器48からの出力
側となってフリツプ・フロツプ54のセット側に同じく
正の信号を送る。従ってフリップ・フロップ54は感知
器44からの正の信号の出力でセットされかつ次いで生
ずる感知器43からの正の信号の出力にリセツトされる
。同様な要領で、導線58は感知器43からの反転信号
を反転増幅器47を経てフリップ・フロツプ60のセッ
ト側に送り、他方導線62は反転増幅器49の出力をフ
リップ・フロップ60のリセット側に送る。
このようにして、フリツプ・フロツプ6川ま感知器43
からの負の信号の出力でセットされ次いで生ずる感知器
44からの負の信号の出力でリセットされる。フリツプ
・フロツプ54の出力は導線63を介してANDゲート
64のような論理ゲートに連結してある。ANDゲート
64,66はいづれも発振器67の出力側に連結されて
おり、従ってフリツプ・フロップ54からの出力がある
と発振器67からの信号はANDゲート64を経て導線
68にそしてアップダウン計数器70のダウン計数側に
ゲートされる。同様にして、フリップ・フロツプ60か
らの信号の出力があると、発振器67の出力はANDゲ
ート66を経てアップダウン計数器70のアップ計数側
に連結された導線69にゲートされる。従って作動にお
いては、読取り回路33はU字形導管14の下降運動中
感知器43の作動に先だって感知器44が作動している
期間中発振器67の振動数でダウン計数信号をアップ・
ダウン計数器70‘こ送る。
一方U字形導管14の上昇運動中感知器44の作動に先
だって感知器43が作動している期間中アプ計数信号が
アップ・ダウン計数器7川こ送られる。読取り回路33
の顕著な点は第7図および第8図にタイミングダイヤグ
ラムで一層よく判る。
第7図において、U字形導管14が流体流れのない状態
で揺動しているがフラグ45,46は平面A−Aと正確
にかつ静的には整合していない状態の波形が示してある
。このタイミングダイヤグラムでは、感知器44が初め
に、上昇行程に竪線で表わした理想的時限に対しては早
く正に切換わり、そしてフラグ46の整合外れの結果下
降行程ではお〈れて負に切換わる。他方感知器43は上
昇行程でおそく正に切換わり下降行程で早く負に切換わ
る。しかし、フリツプ・フロツプ54および60からの
出力を分析すると、そしてまたこれらのフリツプ・フロ
ツプがそれぞれアップ・ダウン計数器701こダウン計
数信号かあるいはアップ計数信号かのいづれかを送るこ
とを考えると、フリップ・フロップ54は感知器43,
44の信号の正のすなわち先行の緑で作動して上昇行程
で出力を出し、一方フラグ45,46の向きは変らない
ということから、フリップ・フoップ6川ま下降行程で
同様な出力を出すことが判る。従って、サイクル全体に
わたって、アップ・ダウン計数器は最初にフリツブ・フ
ロツプ54の出力によってゲ−ト64を経て計数のある
一定数だけダウン計数され、それからフリツプ・フロツ
プ60の出力によってゲート66を経てアップ計数され
る。また従って、アップ・ダウン計数器における最後の
計数は零であってこれは流体流れのない状態を表わすも
のである。第8図は流体の流動状態即ち流体の流れが前
記導管の右側から左側に行なわれている状態の正弦波形
のタイミングダイヤグラムを示す。
第8図では、第1図に示すような導管内を流れが右側か
ら左側に向って流動しており、従ってこの第8図に関連
して言えば流れが左側から右側に流動することになると
きには感知器44が感知器43よりも先に作動すること
になる。感知器43は流体流れに基くコリオリの力の偶
力によって生ずるベース脚19の嫁れの結果として第7
図におけるよりも早く作動させられる。これは上述した
とおりである。同様にして感知器44は上記と同じ理由
によっておそく作動させられる。こうして上昇行程では
、フリップ・フロップ54は第7図の状態におけるより
もかなり長い期間にわたって作動させられる。これは上
昇運動においてベース脚19のコリオリの力の偶力によ
る振れの上にフラグ45,46の不整合が加わるからで
ある。これに反し下降行程になると、すなわち感知器4
3,44からの信号の負のすなわち後続緑ができると、
コリオリの力の偶力は逆転して感知器43をより早く非
作動状態にしかつ感知器44をよりおそく非作動状態に
する。従ってフリップ・フロップ60は短縮した時間だ
け作動させられる。2つのフリップ・フロップの相対作
動時間から明らかなようにアップ・ダウン計数器70の
ダウン計数の期間はフリップ・フロップ60の作動の結
果によるアップ計数期間よりかなり長い。
その結果アップ・ダウン計数器70のダウン計数側に生
ずる増大した計数は揺動期間にわたっての流れの正確な
指示になる。ある与えられた数の揺動の後のアップ・タ
ウン計数器70の計数はその期間中におけるU字形導管
14内の流量に正比例する。揺動の数はたとえば代表的
な例として、フリップ・フロップ54の出力側に導線7
2によって連結したダウン計数器71でのフリップ・フ
ロツプ54の作動回数を計数することによって測定でき
る。このようにして、フリツプ・フロツプ54から「N
」出力が出ると、ダウン計数器71が作動させられ惹て
は論理順序装置74を作動させる。この順序装置74は
発振器67に連結されており、発振器67の振動数で先
づ導線78を介して掛け止め式の解読器駆動装置を掛け
止め、それから導線75を介してアップ・ダウン計数器
70をリセットする。こうしてフリツプ・フロツプ54
から「N」が出た後論理順序装置74が再び作動させら
れるまで表示器80がアップ・ダウン計数器の呼掛けの
時にこの計数器の集計した計数を示す。従って「N」揺
動の期間に対する流量を表示することになる。ある選定
されたりセット期間に対する全流量は同様にして提供さ
れる。
すなわち、アップ・ダウン計数器70からの出力は水晶
発振器84に連結されたデジタル積算器82に供給され
る。こうしてアップ・ダウン計数器70からの計数は時
間すなわち発振器84の固定し安定した振動数および掛
止め式の解読器駆動装置85に送られる積算値について
積算される。駆動装置85は表示器87にも連結されて
セット装置88すなわちデジタル積算器82に連結した
スイッチのこの前の作動時からの期間に対する全流量の
読取りができるようにする。以上述べたように、密度係
数はまたフリップ・フロップ90を導線92を介してフ
リップ・フロップ54の出力のクロツク振動数で作動さ
せることによって流量計測とは別に測定することもでき
る。
フリツプ・フロツプ90の出力はANDゲート94に送
られる。このゲート94はフリツプ・フロップ90の作
動時に水晶発振器84の計数を計算器掛け止め駆動装置
96に送る。このようにして、水晶発振器84からの計
数で表わした時間情報とフリップ・フロップ90から揺
動のデータが得られる期間と共に計数器掛け止め駆動装
置96における計数はU字形導管内の流体の密度の1つ
の函数であって、従って表示器98における読取りは上
述の密度計数を提供するものである。密度係数はU字形
導管14の揺動周期の線形函数ではないから、表示器9
8における読取りはグラフによって手動でするか或いは
マイクロプロセッサを使うかしてさらに処理して密度ま
たは比重そのものを出さなければならない。前述したと
ころを要約すると、本発明の流量メーター0の最も好適
な実施例は所望に応じ瞬間的な流量割合、与えられた期
間にわたっての集計流量割合、流体に関する密度情報お
よび若し所望ならば流量割合を密度で除することによっ
て容積による流量割合をも提供する。
実験的試験によれば上記のことは0.1〜0.2%の精
度を以て達成でき、たとえばかなり低い流量で流れるガ
ス量でも正確に計測できる。好適な実施例では流量計1
0の振動数や振幅を調整する必要はない。すなわち一方
の感知器の出力から他方の感知器の出力までの時間間隔
を計る場合に振幅などを調整する必要はないのである。
本発明の他の実施例を第9図に示す。
この実施例においては、質量流量計100は、多くの点
において前記した流量計10‘こ類似している。図示す
るように質量流量計10川ま、台102と、U字形の導
管104を備えている。このU字形の導管104は、台
102から延び、この台に実質的に固定的に取り付けら
れており、すなわち松動装置には拘束されない。U字形
の導管104は、入口脚108と出口脚109とにそれ
ぞれ連通する入口105と出口106とを備えている。
ベース脚116は、入口脚108と、出口脚109とを
締結し、したがってU字形の導管104を完成する。流
量計10の好適な構成とは反対に、U字形の導管104
は、振動の軸線W′−W′のまわりよりも、コリオリの
力のゆがみ軸線のまわりの屈曲に対する一層少ない抵抗
を持つのが有利である。
その理由はコリオリの力のゆがみは無効にされるからで
ある。支持部村119によってベース胸116上に支え
られた磁石118は駆動コイル120と相互に作用して
U字形の導管104を振動させる。できれば駆動コイル
120を、軸線W′−W′に隣接して枢動自在に取り付
けた片持ばり状の板はね122上に支持し、この板ばね
の固有振動数を、意図する流体を内部に納めたU字形の
導管104の固有振動数に実質的に等しくする。もちろ
ん、磁石118と駆動コイル120とのそれぞれ導管1
04の板ばね122上への取り付けを逆にしてもよい。
また、台02が、U字形の導管104の質量及びこれを
流通する流動物質の質量に比べてかな大きい質量である
ときには、板ばね122を完全に除いてもよい。しかし
多くの場合、U字形の導管104と板ばね122とを共
通の振動数であるが、1800位相をずらせて振動させ
、流量計100内の力を内部的につり合わせて台102
の振動を避けることが好適である。ベース胸116は、
これから下向きに垂下している磁石125,126を支
えている。磁石125を、台102に取り付けたセンス
コイル(sensecoil)1 28内に配置すると
共に、同様に磁石126を、台102に取り付けたセン
スコイル129内に配する。
磁石125は、センスコイル128と対称的に配置した
フオースコィル(brcecoil)内に延ばすと共に
、磁石126を、センスコイル129に対して同様に取
り付けたフオースコィル132内に延ばす。たわみ感知
(sensing)手段133,134〔第9図には簡
略化して示してあるが、第11図ないし第13図には一
層詳細に示してある〕を、入口胸108及び出口脚10
9と、ベース脚116との交さ箇所に隣接して配置する
。第10図には、第9図に示していない回路の細部が示
されており、磁石125,126のセンスコイル128
,129内への移動により、U字形の導管104の速度
に比例する振幅を待つ正弦波信号Aを発生するように、
センスコイル128,129を直列に接続する。
この正弦波信号の大きさは、磁石125,126の移動
速度に比例し、したがってU字形の導管104の振動の
振幅の関数であって、この正弦波信号はAC増幅器1
35及びダイオード136に供給され、このダイオード
により、正弦波信号の正部分だけがコンデンサ137を
充電する。したがってダイオード136及びコンデンサ
ー37から差動増幅器138への入力は、正弦波信号A
の大きさによって定められる。差動増幅器138は、こ
のような入力を基準電圧VR,と比較する。したがって
、コンデンサ137の電圧が基準電圧VR,を越えるな
らば、差動増幅器138は一層強い信号出力を出す。A
C増幅器135からの出力は、もちろんU字形の導管1
04の振動と位相を合わせた正弦波信号であって、差動
増幅器138により生じる利得制御により定まる大きさ
を持っており、AC増幅器1 35からの出力は、駆動
コイル120を駆動してU字形の導管104の所望の振
動を保持する。また正弦波信号Aは、抵抗器140,1
41,142とホトレジスタ(photoresist
or)143とから成るブリッジに加られる。抵抗器1
44は、抵抗器140,142の間の帰還ループ内にあ
って、抵抗器140,142,144の相互接続からの
出力は、たとえば、蓋動増幅器145の負入力に接続さ
れる。LEDのような可変光源147を、抵抗器148
を経てサーボ増幅器150の出力に接続する。サーボ補
償器152は、西暦1966王マグローヒル(McGr
awHill〉により出版されたディー・アゾ(D.A
zo)及びホーピュイ(Hopuis)毒害「フイード
バツク・コントロール・システムズ、アナリシス、アン
ド、シンセシス」(Feedback Control
S$temS,A岬lySjS AndS飢thes
is)に記載されたサーボ系における周知の手段であっ
て、サーボ増幅器150の一方の入力と、これからの出
力との間の帰還ループを構成する。
信号Bは、第11図、第12図及び第13図に関して後
述するように生ずるU字形の導管の小さいが零ではない
ゆがみに比例するDC信号である。この信号Bは、抵抗
器153を経てサーボ増幅器150の入力に接続される
。サーボ増幅器の出力は、電圧VR2に関連しており、
抵抗器148を経てLED147に接続される。したが
ってサーボ増幅器150を駆動する電圧VR2に関係的
な信号Bの大きさの関数として、LED1 47の強さ
が調整される。たとえば、ホトレジスタ143の抵抗率
はLED147の強さの増加に伴なって減少することに
より、差動増幅器145の正の入力に供給される信号を
、抵抗器140,142を経てその負の入力に供給され
る信号に相対的に減少させる。したがって、差動増幅器
145の出力は、信号Aと1800位相がずれている。
その理由は、差動増幅器145への正の入力は減少させ
られるが、負の入力は減少させられないからである。要
するに、信号Bが増大するときは、LED147は薄暗
くなり、ホトジスタ14の抵抗率が増加し、この結果信
号Aと同相の差動増幅器145の出力が増加する。差動
増幅器145の出力をフォースコイル131,132に
接続する。前述したように、フオースコイル131,1
32は、/台102上に支持され、直列にではあるが位
相をずらして接続される。したがってフオースコィル1
31,132を通る電流は、たとえば第9図において磁
石125を引きつけ、磁石126を反発することによっ
てトルクを生じさせる。これら磁石はベース脚116に
連結されている。ベース脚116を横切るこのトルクは
、U字形の導管104を通る流れによって生ずるコリオ
リの力の結果として、べ−ス脚116のゆがみを無効に
する。スイッチ159によって、抵抗器155,156
,157をフオースコィル131,132に接続自在に
することにより、スケールフアクタを調整するように選
択自在な負荷を供給し、ベース脚116により大きいま
たはより少ないトルクが加えられる。また直列接続のフ
オースコィル131,132からの出力は、同期式復調
器162に1つの入力として接続される。同期式復調器
は、第14図に関して一層詳細に説明される。この同期
式復調器162の出力は質量流量に比例するDC信号で
あり、したがって質量流量の大きさを提供する。図示し
てないDCボルトメータ(voltmeter)を、同
期式復調器162の出力に接続して、U字形の導管10
4を通る質量流量の可視読み取りを行なうようにしても
よいし、またはDC信号を、直接に、たとえば他の装置
の制御ループに使用してもよい。第11図に示すように
、たわみセンサ133,134は、たとえば導管104
から垂下している左側のプラグ(flag)164及び
右側のフラグ165を備えている。
左側のフラグ166及び右側のフラグ167を台102
に固定する。したがって、ベース胸116が振動すると
き、フラグ164,165は光源169,170からの
光が、それぞれホトセンサ181,182に達するのを
妨げる。できれば、フラグ164一166,165−1
67が光を阻止するように交さする箇所をベース脚11
6の振動のほぼ中央の点にするが、1組のフラグを、こ
の干渉点に関係的に他方の組のフラグから幾分か片寄せ
てもよい。U字形の導管104を通る流れにより生ずる
コリオリの力の結果として台102に相対的なべース脚
116の角度的なゆがみの場合に、時間経過に伴なう変
化が、フラグ164,166及びフラグ165,167
によるおおし、隠しの間に存在することは明らかである
。この時間差及び向きは、ベース脚116の一定の振動
速度において、発生するコリオリの力及び振動の方向に
依存する。ホトセンサ181をフリツプ・フロツプ18
5,186のリセットに接続し、フリップフロップ18
6に対してはィンバータ反転器188を経て接続する。
同機にホトセンサ182を、フリツプフロツプ185の
セット側に接続すると共にィンバータ189を経てフリ
ップフロップ186のセット側に接続し、差動コンデン
サー93,194を同様に入力回路に取り付ける。した
がってフラグ164,166が閉じるときは、正信号が
ホトセンサ181により発生し、フリツプフロツプ18
5のリセット側を動作させ、フラグ165,167が閉
じるときは、同様に正信号がホトセンサ182により発
生し、フリップフロップ185のセット側を動作させる
。したがってフリツプフoツプ185は、このような各
組のフラグの閉鎖の間の期間にわたって動作させられる
。他方において、フラグ164−166,165−16
7の開放によって、それぞれホトセンサ181,182
からの立下り緑(fallingedge)すなわち負
信号が発生し、同様にしてインバータ188,189を
経てフリツプフロップ186を動作させる。したがって
フリップフロップ186は、このような一方の組のフラ
グの開放と、他方の組のフラグの開放との間の期間にわ
たって動作させられる。フリップフロップ185,18
6からの出力は、それぞれ抵抗器195,196を経て
差動積算器198の入力に供給される。積算容量を生ず
るような入力側において積分コンデンサ200を、抵抗
器195に関連して設けると共に積分コンデンサ201
を、抵抗器196に関連して設ける。したがって差動積
算器198からの出力信号Bは、フリップフロップ18
5,186の動作期間に依存する。
ベース脚116がゆがみなしで振動するにすぎない場合
には、フラグの開放と閉鎖との間の時間差は実質的に一
定であり、差動積算器198への入力は本質的に同一で
あるから、信号Bは生じない。他方において、コリオリ
の力が発生する場合には、ベース脚116は、振動の一
方の行程においては時計の針と同じ方向にゆがめられ、
振動の他方の行程においては時計の針と反対の方向にゆ
がめられる。したがって、フラグの一方の組の閉鎖は振
動の一方の行程においては早くなり、他の行程において
は遅くなるが、他方の粗の閉鎖は、一方の行程において
は遅くなり、他方の行程においては早くなる。それゆえ
フリップフロップ185,186の動作は、等しい長さ
の時間にわたって行なわれるのではなく、差動積算器1
98は、アップーダウン行程に関係的なべース脚116
のゆがみの位相に依存する所望の正または負の向きの適
当なDC信号Bを生じさせる。同じ結果を生ずる他の構
成を第12図に示す。図示するように、ひずみ計204
,205を、入口脚108とベース脚116との交さ箇
所及び出口脚109とベース脚116との交さ箇所にそ
れぞれ隣接して取り付ける。ひずみ計204,205を
、U字形の導管104の隣接部分のゆがみに依存する可
変抵抗器として示してあるが、これらひずみ計204,
205を抵抗器207,208に接続して、図示するよ
うに電圧源と通じるブリッジ回路を構成し、さらにこれ
らひずみ計204,205を、AC差動増幅器2 1
0に接続する。U字形の導管104の簡単な振動の場合
には、ひずみ計204,205の抵抗率は等しく変化す
ることにより、本質的に同一の入力をAC差動増幅器2
10に供給する。しかし、コリオーJの力に基づくゆが
みの生ずる場合には、ひずみ計204,205のうちの
一方の抵抗率は増大するが他方の抵抗率は減少すること
により、異なる入力をAC差動増幅器210に供給し、
ひずみ計204,205に加えられる異なるひずみに、
大きさ及び向きが比例するAC信号の形の出力を生ずる
。AC差動増幅器210からの出力は、同期式復調器2
11に供給され、信号Aと関連して、コリオリの力の結
果として生ずるU字形の導管104のゆがみに、大きさ
及び向きが比例するDC出力を生ずる。同期式復調器2
11は、前述した同期式復調器162に類似しているが
、第14図に関してはさらに詳細に説明する。信号Bを
発生する幾分か類似した構成を、第13図に図示する。
しかしこの場合、ピボット部片215をべ−ス脚116
の中央に取り付け、このピボット部片により慣性榛21
7を支持する。慣性棒217は、ピボット部片215の
まわりを自由に回動し、つりあいを保つ。水晶219,
220を、慣性綾217と台脚116との間に連結する
。したがって、ベース脚116が単純な振動を受ける場
合は、慣性棒217は、ピポット部片215のまわりに
回動しようとしないで単に振動に追従するにすぎない。
しかし、コリオリの力の結果として生ずるU字形の導管
104のゆがみの生ずる場合には、ベース脚116は、
慣性綾217に相対的に回動しようとする傾向が生ずる
ことにより、水晶219,220‘こ反対方向の力が加
えられ、それゆえ圧電効果の結果、水晶219,220
から信号が発生する。水晶219,220からの出力を
AC差動増幅器222に接続し、次いで同期式復調器2
24に接続し、信号Aと関連して、U字形の導管104
のゆがみに比例する大きさ及び向きを持つDC信号Bを
生ずる。電圧源及びひずみ計を、水晶219,220の
代りに都合のよいように使用できるのはもちろんである
。第10図に関連して前述した、したがって同期式復調
器211,224に類似の同期式復調器162を第14
図に示す。図示するように、AC信号の形の入力信号が
、入力線路225において変圧器の一次巻線227に供
給される。共通接地の二次巻線228を、極性によって
示されるように反対の方向に巻く。したがって二次巻線
228の反対端部からの出力は、位相が1800ずれて
いる。FETトランジスタ230,231の形のスイッ
チング手段を、二次巻線228からの出力に設ける。信
号Aに接続した比較器233により、信号Aと基準電圧
VR3の関係に依存する正または負の信号を生ずる。し
たがって比較器233の出力は、正または負の向きの方
形波信号であって、その信号は反転するィンバータ23
5に供給される。したがって方形波信号の一部分は、ス
イッチング手段230をターンオンするが、スイッチン
グ手段231はターンオフされる。そして方形波信号の
他の部分は、スイッチング手段231はターンオンする
が、スイッチング手段230はターンオフされる。した
がって、信号Aと同相の入力信号225の一部分は、抵
抗器238とコンデンサ239とにより構成されるRC
回路237に供給され、このRC回路すなわちフィル夕
237は、これへの入力の平均平方根に比例するDC信
号を出す。このDC信号出力は、前述したように読み取
りを行なうことができる。すなわちDC信号は、U字形
導管104を通る質量流量に比例する。要約すれば、前
述した流量計100は、たわみセンサ133,134を
利用して、コリオリの力に起因するU字形の導管104
の小さい初期のたわみの大きさ及び向きを検出し、この
ようなたわみに比例する大きさ及び向きを持つDC信号
を発生する。
このDC信号、信号Bは、本質的には帰還信号であって
、フオースコィル131,132により生ずる無効化力
(nullingforce)を調整して、初期の検出
されたゆがみを越えた目につくほどのゆがみを防止する
反対の力を生じさせる。センスコイル128,129は
、前述した駆動回路を介してU字形の導管104の振動
の振動数を保持すると共に、信号A、コリオリの力と同
相の信号を生ずることにより、フオースコィル131,
132の適当な変調、U字形の導管104を駆動するた
めのAC増幅器135の出力の適当な同期及び質量流量
に比例するDC出力を生ずるためのフオースコィル13
1,132の同期信号の適当な復調を行なうために設け
られている。コリオリの力を測定する好適な2つの手段
すなわち導管の弾性的なたわみを許容し、このたわみを
妨げるように力を無効化し、この無効化力を測定する好
適な2つの手段を前述したけれども、多数の他の一般的
にはあまり所望でない手段も使用できる。
いずれの手段においても、圧力感応継手(pressu
resensitivePint)またはピポット手段
に本質的に拘束されない固定的に取り付けたU字形の導
管を使用することによって、振動及びたわみを容易に完
成させ、広い圧力範囲にわたって質量流れを測定するこ
とができる。以上本発明の好適な実施例を詳細に説明し
たが、本発明はその精神を逸脱することなく各種の変化
変型を行なうことができるのは明らかである。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例による流体流量メータの斜視
図、第2図は流体流れ状態で中央における揺動を示す第
1図の流量メータの正面図、第3図は第2図に示した流
量メータの中点における上向き揺動を示す正面図、第4
図は同じく下向き揺動を示す正面図、第5図は第1図の
流量メータの駆動回路を示すブロックダイヤグラム、第
6図は第1図の流量メータの読取り回路の論理ダィヤグ
ラム、第7図は流体流れのない状態での流量〆−夕の読
取り信号のタイミングダイヤグラム、第8図は流体が導
管内を左側から右側に流動する第1図に対して流体が右
側から左側へ流動する。 流体流れ状態での上記のタイミングダイヤグラム、第9
図は本発明の別の実施例による流量メータを簡単に示す
斜視図、第1図は第9図の流量メータの駆動および議取
り部分を示す回路図−但し回路の擬れ感知部分は除いて
ある。第11図は第10図においてラベルBの信号を発
生するのに通した涙れ感知装置の回路ダイヤグラム、第
12図は第11図と同一目的のための別の回路ダイヤグ
ラム、第13図は同じ目的のさらに別のダイヤグラム、
第14図は第10,12および13図の同期復調器の代
表的回路ダイヤグラムである。Fi9.lFig.2 Fig.3 Fi9.4 Fig.5 Fig.6 Fig.7 Fi9.8 Fig.9 FIG.10 Fiq.11 Fig.12 Fiq.13 Fig.14

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 下記の要素から成ることを特徴とする流動可能な物
    質の質量流量測定装置:(1)支持部材、 (2)二つの開端を有する湾曲形状の連続した導管であ
    つて、該導管が(i)圧力による変形に感応する継手を
    具備せず、(ii)前記両方の開端において前記支持部材
    に固設され、(iii)前記支持部材から片持ばり状に延
    びており、これによつて事実上前記支持部材への固設部
    位において前記導管の両方の開端を通る第1の軸線のま
    わりを前記支持部材に対して前記導管が振動可能であり
    、(iv)前記導管の対称軸線である第2の軸線のまわり
    に弾性変形し得ること、(v)前記第1および第2の軸
    線のそれぞれの軸線のまわりに異なる固有共振振動数を
    有すること、(3)前記第1の軸線のまわりの前記導管
    の固有共振振動数に実質的に等しい該第1の軸線のまわ
    りの固有共振振動数を有する往復動部材、(4)流動可
    能な物質が前記導管を通つて流れて該導管及び前記往復
    動部材が前記第1の軸線のまわりに振動している時、導
    管を前記対称軸線のまわりに弾性的に歪めようとするコ
    リオリ力の大きさを測定する検知手段、(5)前記検知
    手段の出力を質量流量に変換するための手段、および、
    (6)前記導管および前記往復動部材に作用して該導管
    と前記往復動部材とを前記第1の軸線のまわりにたがい
    に逆位相に駆動し得るドライバ。 2 前記第1の軸線のまわりの前記導管の固有共振振動
    数を、前記第2の軸線のまわりの前記導管の固有共振振
    動数より低くして成る特許請求の範囲第1項記載の流量
    計。 3 前記導管を振動させるドライバは、前記導管または
    前記往復動部材に取り付けた磁石と、前記往復動部材ま
    たは前記導管に取り付けたセンサコイル及びフオースコ
    イルと、前記磁石を前記センサコイルを通過して運動さ
    せることによつて定まる信号に応答して前記フオースコ
    イルに電流を供給する電源と、を具備して成る特許請求
    の範囲第1項または第2項記載の装置。 4 前記ドライバがさらに増幅器およびピーク振幅検出
    器を具備して成る特許請求の範囲第3項記載の装置。 5 前記検知手段が前記導管に隣接して対称的な位置に
    取り付けられた複数のセンサから成り、各センサは前記
    導管の隣接部分がその振動経路の所定点を通過するとき
    に信号を発生するようになされており、さらに、上記セ
    ンサによる信号出力間の時間遅れを測定するタイマを具
    備することにより、質量流量を前記時間遅れに正比例す
    る関数として測定されるようにした特許請求の範囲第1
    項ないし第4項のいずれかに記載の装置。 6 一方向への導管振動中になされた前記時間遅れが他
    方向への前記振動の時間遅れから減算されるようにした
    特許請求の範囲第5項記載の装置。 7 前記導管および前記往復動部材が一定の振動数及び
    振幅で前記第1の軸線のまわりを振動せしめられるとと
    もに、コリオリ力の大きさを測定するための前記検知手
    段が前記第2の軸線のまわりの前記導管の弾性変形の結
    果としての該導管の角度のたわみを測定する少なくとも
    一の検出器からなり、これによつて前記第2の軸線のま
    わりの前記導管の弾性変形の大きさにより流動可能な物
    質の質量流量を測定するようにして成る特許請求の範囲
    第1項記載の装置。 8 前記第1の軸線のまわりの前記導管の固有共振振動
    数を前記第2の軸線のまわりの前記導管の固有共振振動
    数より高くして成り、又前記ドライバが前記導管と前記
    往復動部材とを一定の振動数及び振幅でかつ逆位置で振
    動せしめるようにして成り、さらに、前記検知手段が前
    記第2の軸線のまわりの前記導管の初期ゆがみを検知す
    るとともに該検知手段に応答して前記導管の前記第2の
    軸線のまわりの変形を実質的に抑止し制限するための対
    抗力を発生せしめる手段を具備して成り、これによつて
    前記対抗力の大きさから前記流動可能な物質の質量流量
    を測定するようにしたことを特徴とする特許請求の範囲
    第1項記載の装置。 9 下記の要素から成ることを特徴とする流動可能な物
    質の質量流量測定装置:(1)支持部材、 (2)二つの開端を有する湾曲した形状の連続した導管
    であつて、該導管が(i)圧力による変形に感応する継
    手を具備せず、(ii)前記両方の開端において前記支持
    部材に固設され、(iii)前記支持部材から片持ばり状
    に延びており、これによつて事実上前記支持部材への固
    設部位において前記導管の両方の開端を通る第1の軸線
    のまわりを前記支持部材に対して前記導管が振動可能で
    あり、(iv)前記導管の対称軸線である第2の軸線のま
    わりに弾性変形し得ること、(v)前記第1および第2
    の軸線のそれぞれの軸線のまわりに異なる固有共振振動
    数を有すること、(vi)流動可能な物質で満たされた導
    管の質量が前記支持部材の質量に比してかなり小さい導
    管であること、(3)流動可能な物質が前記導管を通つ
    て流れて該導管が前記第1の軸線のまわりに振動してい
    る時、前記導管を前記第2の軸線のまわりに弾性的に歪
    めようとするコリオリ力の大きさを測定するための検知
    手段であつて、該検知手段が前記導管に隣接して対称的
    な位置に取り付けられた複数のセンサから成り、各セン
    サが前記導管の隣接部分がその振動経路の所定点を通過
    するときに信号を発生するようになされており、さらに
    、上記センサによる信号出力間の時間遅れを測定するタ
    イマを具備して成る前記検知手段、(4)前記検知手段
    の出力を質量流量に変換するための手段、(5)前記導
    管を前記第1の軸線のまわりに振動させるドライバ。
JP53090048A 1977-07-25 1978-07-25 質量流量測定装置 Expired JPS6034683B2 (ja)

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