JP2001502056A

JP2001502056A - 差圧を電気信号へと変換するためのセル

Info

Publication number: JP2001502056A
Application number: JP10517264A
Authority: JP
Inventors: アランザルディアンスキー
Original assignee: シュラムバーガーアンデュストリエソシエテアノニム
Priority date: 1996-10-09
Filing date: 1997-10-08
Publication date: 2001-02-13
Also published as: CN1233324A; FR2754342B1; BR9712282A; HUP9903809A3; EP0931250A1; FR2754342A1; AR011248A1; DE69729875D1; CA2268351A1; AU725694B2; EP0931250B1; RO117288B1; WO1998015808A1; PL332609A1; HUP9903809A2; KR20000049006A; AU4627497A

Abstract

(57)【要約】本発明は、差圧を電気信号に変換するためのセル（２８）において、非圧縮性流体が充てんされ外部圧力の作用下により変形する能力をもつ膜（３２，３４）で各々が限定され、かつ互いから剛性壁（３６；５２；５６）によって分離されている２つのチャンバ（３８，４０）；前記壁に結びつけられこの壁のいずれかの側に及ぼされる圧力差に対する感応性をもちそれに応えて電気信号を送り出すセンサー（４２）；を含んで成るセルに関する。本発明は、２つのチャンバ（３８，４０）の間に少なくとも１つの通路（５０；５４；５８）が具備され、この通路は、低いかさらにはゼロである周波数で壁（３６；５２；５６）のいずれかの側に発生するスプリアス圧力差を少なくとも減衰させるため及び前記センサーがより高い周波数で壁のいずれかの側で及ぼされる圧力差を検出できるようにするため適合された寸法を有していることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】差圧を電気信号へと変換するためのセル本発明は、差圧を電気信号に変換するためのセルにおいて、・非圧縮性流体が充てんされ外部圧力の作用下で変形するのに適したそれぞれの膜で各々が閉じられ、かつ剛性壁によって相互に分離されている２つのチャンバ；及び・前記壁に結びつけられこの壁を横断して及ぼされる圧力差に対する応答性をもちそれに応えて電気信号を送り出すセンサー；を含んで成るセルに関する。このようなセルは、数多くの利用分野、特にフルイディスク発振器流量計において使用される。このタイプの流量計は、長手方向平面について対称であり、その中の流体の流れは、流体の流量に正比例する振動周波数で前記平面との関係において横方向に「振動」チャンバを振動させる流体ジェットへと変換される。上述の長手方向平面のまわりで対称的に流体ジェットが交互にとる２つの位置の間に現われる差圧の変動は、セルにより、その振動周波数を表わす電気信号へと変換される。結びつけられた電子機器がこの電気信号を方形波に変換し、この方形波は、発振器内の流体の流量及びその中を通過し終った体積をも決定するために使用されうる。かくして、それぞれ流体ジェットの２つの対称的位置に対応する２つの圧力取出し点を連結する流路を提供し、差圧を表わす電気信号を得るため流体ジェットの２つの端部対称位置に対応する２つの圧力取出し点の間で溝路内にコンバータセルを設置することが可能である。コンバータセルは、油といったような非圧縮姓流体で充てんされ剛性壁によって分離された２つのチャンバを有し、これらのチャンバの各々は、壁から遠く離れた膜によっても構成されている。膜の各々は流路の流体と接触しており、この流路により直接圧力に付されている。その結果、両方の膜共、ジェットの振動に応じて交互に変動する異なる圧力の作用に連続的に付される。これらの圧力は、チャンバの中に存在する非圧縮性流体を介して分離壁に伝達される。チャンバを分離する壁は、中で得られる圧力に露呈されるべく各々のチャンバと連絡状態にある差圧センサーを支持している。一例を挙げると、センサーは、各々対応するチャンバ内で得られる圧力を受ける２つの変形可能な要素の間に固定した中央要素を含んで成る、文書ＣＨ６８０３９２号の中で記述されたセンサーであってよい。連絡状態にある平行な２つのキャビティがそれそれ、各々の変形可能な要素と中央要素の間に形成されセンサーが作動できるようにしている。中央要素と１方の変形可能な要素を含む各対には、互いに面して配置されかつ変形可能な要素の各々に異なる圧力が加わった時に異なる形で変動するキャパシタンスを形成するそれぞれの電極が具備されている。チャンバに非圧縮性流体が充てんされその後密封された時点で、両方のチャンバで充てん及び密封作業が同一でない可能匪はきわめて高く、従ってチャンバ間で圧力差が生じる危険性が存在する。この圧力差は、チャンバの容積が絶対的に同一でなく膜が正確に同じ剛さをもたない場合、さらに増大する可能性がある。この「寄生」圧力差のため、センサーの変形可能な要素（単複）は、残留変形を受け、自動的にその後の測定値の誤差を発生させることになる。この現象は、コンバータセルを中に収容する媒質の温度が、低い又はゼロの周波数で増大するとき（非反復的現象）、さらに悪化するが、これは、このような状況下ではチャンバの容積がチャンバ毎に異なる形で増大し、かくして変形可能な要素のより大きい残留変形が発生し、かくしていかなる測定も実施しないうちにさらに一層大きい誤差を誘発するからである。以上のことを避けるため、コンバータセルの製造中には特別に注意を払う必要があり、そのため製造プロセスはさらに複雑になりそのコストは増大する。従って、先行技術のセルよりも製造が単純で従って廉価でありながら、同様に温度ドリフトの問題に対し敏感でないコンバータセルを設計することが有利であろう。かくして、本発明は、差圧を電気信号に変換するためのセルにおいて、・非圧縮性流体が充てんされ外部圧力の作用下で変形するのに適したそれぞれの膜で各々が閉じられ、かつ剛性壁によって相互に分離されている２つのチャンバ；及び・前記壁に結びつけられこの壁を横断して及ぼされる圧力差に対する応答性をもちそれに応えて電気信号を送り出すセンサー；を含んで成り、２つのチャンバの間に少なくとも１つの通路が形成され、この通路は、まず第１に、低いか又はゼロである周波数で壁を横断して存在する寄生圧力差を少なくとも減衰させるためかつ第２に前記センサーがより高い周波数で壁を横断して及ぼされる圧力差を検出できるようにするため適切な寸法を有していることを特徴とするセルを提供する。本発明がなければ、差圧センサーにより検出さる作動範囲内の周波数より低い周波数でチャンバを分離する壁のいずれかの側で発生する寄生圧力差は、それでもこのセンサーに対して作用を及ぼす。適切な寸法をもつ通路は、非圧縮性流体が前記通路を通って移動できるようにしチャンバ内の圧力を準静的な形で平衡状態にもっていくことを可能にすることによって、このような寄生圧力差を、低周波数においては減衰させ、又きわめて低い周波数ではこれを無くするのに役立つ。この通路は、寄生差圧の周波数でフルイディクスフィルタとして作用する。通路の寸法は、流体の粘度、それ以下になるとセンサにおける寄生圧力差が著しく減衰する「カットオフ」周波数、及び膜のために用いられる材料における寸法といったパラメータに応じて異なり、従って寸法は、作動周波数範囲及び寄生圧力差の周波数の関数として各々の利用分野について決定される必要がある。作動周波数範囲の低周波数より上で、分離壁のいずれの側においてもチャンバ間の差圧を通路がろ過し除去してはならないが、これは、これにより前記周波数範囲内でのセンサの動作が妨害されるからである。本発明の一実施形態においては適切な寸法の通路は、チャンバを分離する壁の中に形成されている。もう１つの実施形態においては、通路にとって適切な寸法に比べて大きい寸法を有しチャンバを分離する壁を通る１つの開口部が形成され、前記通路は、この通路と開口部が互いに連絡し合うような形で前記分離壁に適用された追加部品の中に形成されている。本発明のさらにもう１つの実施形態においては、チャンバ分離壁を迂回する連絡流路の形で、適切な寸法の通路が実施されている。本発明の１つの特徴に従うと、追加部品は、実質的にシリンダ形の形状を有する。その他の特徴及び利点は、制限的な意味のない単なる−例として、添付図面を参考にして示された以下の記述から明らかになる。なお図面中：・図１は、差圧を電気信号に変換するための本発明のセルの、既知のタイプのフルイディクス発振器内部での場所を示す概略的縦断面図である。・図２は、本発明の第１の実施形態を構成するコンバータセルの概略的断面図である。・図３は、曲線が、膜及び２つのフィルタ間に形成された通路により構成されたフルイディクスフィルタの周波数応答を示している、グラフである。・図４は、図１のフルイディクス発振器を通る流体流量Ｑの変動、フルイディクス発振器に連結されたフィードダクト内の水の温度Ｔの上昇及び、図２に示された差圧コンバータセルの応答Ｓを示す単平衡図である。・図５は、図３に示されているセルのものと異なる１実施形態を構成するコンバータセルの概略的断面図である。・図６は、図２に示されているセルの１変形形態を構成するもう１つのコンバータセルの概略的断面図である。そして、・図７は、本発明のさらにもう１つの実施形態を構成するコンバータセルの概略的断面図である。差圧を電気信号に変換するための本発明のセルは、特に、フルイディクス発振器流量計において使用するのに特に適している。図１に示されているように、１０という番号のついた既知のタイプのフルイディクス発振器は、中に障害物１４が位置づけされているエンクロージャ１２と共に、両方共フルイディクス発振器の長手方向対称平面Ｐ上で心合せされた状態にある流体流フィード１６と流体流ドレーン１８を含んでいる。流体フィードは、スロット１６の形で実現され、このスロットは、エンクロージャ１２の内側でこのスロット１６に面して位置づけられた障害物１４と遭遇する２次元流体ジェットを生成するのに役立つ。障害物１４は、スロット１６に面してかつそこからくる流体ジェットの衝撃を受ける状態で、キャビティ２２が中に形成されている前方壁２０を内含している。自然の不安定さのため、スロット１６から来る流体ジェットは、キャビティ２２の壁を一掃し、フルイディクス発振器の長手方向対称平面Ｐのいずれかの側に対称的に位置づけされた２つの端部位置を占有する。流体ジェットのこの端部位置はＰ１及びＰ２として表わされ、それぞれの流路２４及び２６（図１に破線で示されている）を介して、本発明のコンバータセル２８に連結されている。セル２８は、障害物１４より上又は下に取りつけることもできるし、或いは又、そのサイズからみて可能である場合には、実にその内側に取りつけることもできる。図２に示されている本発明の実施形態においては、コンバータセルは、シリンダ形をしており、シリンダ形の周囲壁３０及び、例えば鋼で作られこのシリンダの２つの端部に位置づけされかくしてこのシリンダを閉じている２つの相１対する膜を含む。膜３２及び３４の各々は、セルの内側及び対応する流路２４又は２６内にある流体の両方と接触した状態にあり、かくして、対応する位置Ｐ１，Ｐ２内にある流体ジェットから来る圧力を受けるようになっている。例えばアルミナといった材料で作られている剛性壁３６が、セルの内部を２つの全く異なるチャンバ３８及び４０に細分する。２つのチャンバ３８及び４０には、例えば油といった非圧縮姓流体が充てんされている。例えば文書ＣＨ６８０３９２又は文書ＦＲ２７０１５６４中に記述されているタイプの差圧センサー４２が分離壁３６の面３６ａのうちの１つの上にとりつけられている。センサ４２の面４２ａの１つは、チャンバ３８の油と接触状態にあり、このセンサーの反対側の面４２ｂは、分離壁３６を通して形成されたオリフィス４４を介してもう１つのチャンバ４０内に存在する油と接触状態にある。かくして、流体ジェットがキャビティ２２（図１）を一掃し位置Ｐ１及びＰ２を交互に占有した時点で、膜３２及び３４の各々はそれぞれの圧力Ｐ’及びＰ”を交互に受ける。かくしてＰ１とＰ２の間の差圧は、本発明のコンバータセルに対し、「振動」周波数で交互に適用され、センサー４２は、チャンバ３８及び４０の中に存在する油によりそれに伝達される前記差圧の変動に応答して、ジェットの振動周波数を表わす電気信号を送り出す。流体流量を決定するためセンサーにより送り出される信号を処理するために必要な電子手段は、分離壁３６上に示されていない。例えば円形開口部である１つの開口部４６が分離壁３６を通して形成される。例えば形がシリンダ形である部品といった部品４８が、ガラスといった材料で作られ、開口部４６に面して取りつけられている。部品４８の半径方向サイズは開口部４６のものより大きく、部品は、開口部４６の周囲に分離壁３６と接触した状態で取りつけられる。この追加部品４８は、例えば接着剤により壁３６上に取りつけられ、その中心には、開口部４６のサイズに比べて小さいサイズの通路５０を有する。通路５０の製造を単純化するために、この部品はシリンダ形をしている。出願人は、通路５０の寸法を決定するために、電子的類推を使用することが有用であり得るということを観察した。この類推において、セルに加えられる圧力差｜Ｐ'−Ｐ"｜は１つの電圧に対応し、通路５０を通過する流体流量Ｑは電流に対応し、単位圧力あたりの各膜３２，３４のたわみによって移動させられる油の量はＣと書かれたキャパシタンスに対応し、油の流れに対する通路５０の対抗は、Ｒと書かれた抵抗に対応する。かくして、ΔＰと書かれた圧力差は、ωが角周波数すなわちω＝2πｆであるものとして仮想上の回転の従来通りの表記法を用いて： ΔＰ＝〔Ｒ＋1/j（C/2）ω〕Ｑというふうに表現される。センサー４２及び通路５０のいずれの側にでも同様に及ぼされる圧力差が、Δ Ｐ_sと書かれるならば、そのとき、通路５０の寸法を決定するためには、ΔＰ_s/ ΔＰ比の値が可能なかぎり１に近くなる周波数を決定することが必要である。実際には、ΔＰ_s/ΔＰ比が１−ε/2に等しくε/2が考慮中の周波数において許容できる誤差（例えば４％）に対応するものと仮定することができる。てのε＝4/Ｒ²Ｃ²ω²という値を求めるよう解くことができる。フィルタの時定数τは、ＲＣ/2に等しく、フィルタの遮断周波数ｆｃは、信号の減衰が、1/πＲＣという作用周波数内の信号の値との関係において1√2である周波数に等しい。周波数の一関数としてのフィルタの作動を表わす関数ΔＰ_s/ΔＰは、図３の曲線により示された外観をもつ。例えばΔＰ_s/ΔＰの比が０.９６（すなわち１−４％）に等しい周波数は、第１にフィルタに起因する減衰なくセンサー４２が検出することが求められている測定すべぎ流体の最小流量と結びつけられた振動信号の周波数、そして第２に、チャンバ３８及び４０内の壁３６のいずれかの側に寄生差圧を現われさせ、できるかぎりの減衰が望ましい緩慢な現象の周波数という２つのパラメータを考慮に入れながら、通路５０の寸法により決定される。一例を挙げると、低い（ｆ<<0.1Hz）かさらにはゼロであるような周波数でチャンバ３８と４０の間の寄生差圧をひき起こす環境に起因する緩慢な現象を回避しながら、０.１Hzより大きな振動周波数を検出することが望まれる場合がある。これは、それにより、フルイディクス発振器を通って流れた流体の計量の妨害をひきおこすことになるセンサー４２の感応性要素が変形することになるからである。例としては、このような現象は、チャンバ３８及び４０の容積が絶対的に同一でないとき、そして測定セルが約４０秒の時間、大気温（２０℃）との関係において２５℃の温度上昇を受けるとき（すなわち0.0２５Hzの周波数）に発生する。適切な寸法の通路５０が、セルのチャンバ３８及び４０内の圧力を平衡状態にすることにより、温度の上昇の結果としてもたらされる寄生差圧を補償することを可能にしている。セルのこの作動モードでは、ΔＰ_s/ΔＰの比率は、１よりもはるかに小さく（周波数ｆｃの左側にある図３中の曲線の一部分）、センサーは実際に影響を受けず、緩慢な妨害現象の持続時間全体を通して壁３６のいずれの側においても圧力は実質的に平衡状態にとどまる。さほど緩慢でない現象（約１０秒〜２０秒の周期）については、ΔＰ_s/ΔＰ比は前述のケースよりも１に近く、従ってセンサーは実際この寄生差圧の出現からの影響をより多く受ける。０.１Hzより上では、センサーは、振動信号を検出する能力を有していなくてはならず、その結果として、通路５０はもはや圧力を平衡状態にしなくてよいものの、差圧変動が完全に伝達されるようにしなくてはならない。図４は、図１のフルイディクス発振器を通る流量Ｑの変動、フルイディクス発振器に連結されたフィードパイプ内の水の温度Ｔの上昇及び図２に示されている差圧コンバータセルの応答Ｓを同時に示す単平衡図である。水の温度が、２０秒以内で２０℃から約４７.５℃になった場合、本発明のコンバータセルにより送り出される平均信号Ｓ（図４中の黒色ゾーン）に、それでもなお、４０秒未満の時点において信号Ｓの左側部分によって示されているようにこの温度上昇による影響を受ける。これとは対照的に、温度変動がはるかに緩慢である場合、図４は、平均信号Ｓがおよそ平均値０Ｖで安定化し、従ってこの変動による影響を受けないということを示しており、かくして本発明の有効性が明らかにされている。図４は同様に、瞬間的信号Ｓが、測定されるべき流量を表わす高周波数発振器（１０Hz〜４０ Hz）を忠実に再現することをも示している。当然のことながら、０.１HZ末満の周波数での現象が上述の例に比べ大幅に減衰させられるような要領で図２の通路５０を寸法決定することが可能である。それでも、このような状況の下では、測定セルは同様に、低い振動周波数で流れの信号に対する感応性が低いものとなる。従って、フルイディクス発振器から来る検出される必要のある信号の最低の周波数と、チャンバ３８及び４０間で寄生圧力差を発生させる低周波数現象の受容可能なレベルの間の妥協点を打ち立てることが必要である。通路５０のための適切な寸法を決定する目的での手順は以下のとおりである。通路５０を通る油の流量Ｑは、以下のようなポアズイユの式から求められる。Ｑ＝ΔＰ_sπｄ⁴/（１２８Ｌη）なお式中ｄは、通路５０の直径に対応し、Ｌは開口部５０の長さに対応し、η は油の動的粘度に対応し、ΔＰ_sは通路５０を横断する圧力である。膜３２及び３４は、変位させられた体積に対する膜に加わる圧力の比率を定義づけされる係数ｋにより特徴づけられる。この比率ｋは以下の通りに表わされる。ｋ＝ΔＰ_s/ΔＶ，及びΔＰ＝２ΔＰ_s＋ΔＰ_s 例えば、平鋼の膜については、比率ｋは０.１１×１０¹²Ｐａ/ｍ³に等しいものでありうる。遮断周波数は次のように表わされる：ｆｃ＝ｋｄ⁴/（１２８Ｌη）遮断周波数ｆｃは、検出可能でなくてはならない最低の周波数に対応する０. １Hzという予め定められた値によって固定されており、ｋ及びηの値はわかっていることから、上述の式を満たすＬ及びｄの値を決定することが可能である。かくして、例えば、通路５０の直径は１２０μｍで、その長さＬは１.６ｍｍと考えられ、このときシリンダ４８の外径は例えば４.５ｍｍに等しい。ガラスシリンダ４８の通路５０の長さは、例えば１ｍｍ〜２ｍｍの範囲内にあり得、その直径ｄは６０μｍ〜１２０μｍの範囲内にありうるというとがわかるはずである。ガラスシリンダは例えば、ＳＣＨＯＴＴ社がＮ１６Ｂという商晶番号で１.６メートル（ｍ）の長さで販売している毛細管を適切な寸法に切断することによって得ることができる。図３の例において、数値は以下の通りである。・膜の直径：２１ｍｍ；・膜の厚み：５０μｍ；・チャンバ３８及び４０の体積：２１０ｍｍ³及び１５ｍｍ³；・使用される油：Dow Coming DC ２００−５；・動的粘度：５ｍｍ²Ｓ^-1 有利にも、適切な寸法の通路５０は、経時的な膜３２及び３４の間の差動的変化を緩和することを可能にし、同様に、これらの膜の剛さ値の間に存在する可能性がありかつ温度上昇を用いてチャンバの容積が構造上正確に等しい場合でさえチャンバ３８及び４０間に寄生圧力差を発生させる可能匪のあるあらゆる差を無視することをも可能にする。本発明のもう１つの実施形態においては、適切な寸法の通路５０は、図５に示されているセルの分離壁５２を通して形成される。図２に示されている本発明の実施形態の一変形形態においては、セルの分離壁３６に適用された部品５５を通って複数の通路５４が形成され（図６）、これらの多数の通路は、図２に示されている通路５０のものと類似の機能を果たしている。これらの通路は、上述の電気的類推を続けて行ないかつ並列に連結された複数の抵抗器として通路５４を処理することにより寸法決定される。図７に示されたもう１つの実施形態では、分離壁５６は、センサー４２と位置合せされた状態で１つのオリフィス４４しか有していない。チャンバ３８及び４０の間の適切な通路は、分離壁５６を迂回するように測定セルの周囲壁３０の上に配置された連絡流路５８の形で実現され、ここでその相対する端部５８ａ及び５８ｂは前記チャンバ３８及び４０のそれぞれの中へと開放している。一例を挙げると、この流路は細い毛細管として実現される。流路の機能は、図２の通路５０の機能と類似しており、その寸法は類似の要領で決定される。又、差圧センサーの中に、チャンバ３８及び４０の間の連絡を提供する通路を例えば感応性要素が位置づけされているゾーンから一定の距離のところでセンサーの壁を通過する流路の形で、直接形成することも可能であるということがわかるはずである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ

Claims

【特許請求の範囲】１．差圧を電気信号に変換するためのセル（２８）において、・非圧縮住流体が充てんされ外部圧力の作用下で変形するのに適したそれぞれの膜（３２，３４）で各々が閉じられ、かつ剛性壁（３６；５２；５６）によって相互に分離されている２つのチャンバ（３８，４０）；及び・前記壁に結びつけられこの壁を横断して及ぼされる圧力差に対する応答住をもちそれに応えて電気信号を送り出すセンサー（４２）；を含んで成り、２つのチャンバ（３８，４０）の間に少なくとも１つの通路（５０；５４；５８）が形成され、この通路は、まず第１に、低いか又はゼロである周波数で壁（３６；５２；５６）を横断して存在する寄生圧力差を少なくとも減衰させるためかつ第２に前記センサーがより高い周波数で壁を横断して及ぼされる圧力差を検出できるようにするため適切な寸法を有していることを特徴とするセル。２．適切な寸法の通路（５０）がチャンバを分離する壁（５２）の中に形成されている請求項１に記載の測定用セル。３．通路にとって適切な寸法に比べて大きい寸法を有しチャンバを分離する壁（３６）を通る１つの開口部（４６）が形成され、前記通路（５０；５４）は、この通路と開口部が互いに連絡し合うような形で前記分離壁（３６）に適用された追加部品（４８；５５）の中に形成されている、請求項１に記載の測定用セル。４．追加部品（４８；５５）が実質的にシリンダ形の形状を有する、請求項３に記載の測定用セル。５．チャンバ分離壁を迂回する連絡流路（５８）の形で、適切な寸法の通路が実施されている、請求項１に記載の測定用セル。