JP2004538449A - 振動型トランスデューサ - Google Patents

Abstract

パイプ内を流れる流体のための振動型トランスデューサは、流体を通すための曲がったフローチューブを備える。フローチューブは、入り口側チューブ部と出口側チューブ部を介してパイプと接続する。反振動子は、入り口側で第１のカプラで、出口側で第２のカプラで、フローチューブに機械的に接続される。トランスデューサの動作中、フローチューブと反振動子は、逆位相で振動する。フローチューブと反振動子を駆動するため、トランスデューサは、励起システムを有し、フローチューブの入り口側と出口側振動を検出するために、トランスデューサは、センサシステムを備える。入り口側チューブ部と本質的に平行なトランスデューサの縦軸回りに振動する、少なくとも前記フローチューブ、前記反振動子、前記励起システム及び前記センサシステムで形成される内部システムは、縦軸回りに第１と第２のカプラにねじれを与え、入り口側及び出口側チューブ部の少なくとも一部の本質的にねじれ的な弾性変形を与える。内部システムのねじれ的に緩やかな振動を達成するために、少なくとも、入り口側チューブ部のねじれ硬さにチューニングされた第１のカプラと、少なくとも、出口側チューブ部のねじれ硬さにチューニングされた第２のカプラが、第１のカプラと入り口側チューブ部の入り口側内在ねじれ固有モードが、励起周波数に略等しい自然周波数を持ち、第２のカプラと出口側チューブ部の出口側内在ねじれ固有モードが、入り口側内在ねじれ固有モードの自然周波数と本質的に同じ自然周波数を持つような大きさに構成されている。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、コリオリ質量流量計に使用するのに特に適している振動トランスデューサに関する。
【背景技術】
【０００２】
パイプを流れる流体、特に液体の質量流量を決定するために、流体にコリオリ力を誘導し、振動トランスデューサとこれにつながれた制御評価電子部品によって、質量流量を示す測定信号をこれから導き出す測定装置がしばしば利用される。
【０００３】
このようなトランスデューサ及び特に、これらをコリオリ質量流量計に使用することは、知られており、長い間工業界において使用されてきた。米国特許５，５４９，００９は、例えば、パイプを流れる流体の質量流量に応答する振動型トランスデューサを内蔵したコリオリ質量流量計を開示しており、
−動作中振動し、入り口側チューブ部と出口側チューブ部を介して上記パイプに接続される、流体を流す曲がったフローチューブと、
−フローチューブと実質的に平行に伸び、逆位相で振動し、
−−少なくとも入り口側の第１のカプラによって、
−−少なくとも出口側の第２のカプラによって、
フローチューブと機械的に接続された反振動子と、
−励起周波数でフローチューブと反振動子を駆動する励起システムと、
−フローチューブの入り口側と出口側振動を検出するセンサシステムとを備え、
−入り口側チューブ部のねじり硬さと出口側チューブ部のねじり硬さが、互いに調整され、かつ、これら２つのチューブ部によって支持され、少なくともフローチューブ、反振動子、励起システム及びセンサシステムによって形成された内部システムに対して調整されることで、この内部システムが実質的に「ねじりやわらかに」、すなわち、ねじりに対して硬くないように、吊り下げられる。
【０００４】
良く知られているように、振動フローチューブ、例えば、Ｕ−、Ｖ−、Ω−形状チューブが、第１の固有モードにおいてカンチレバー（片持梁）振動に励起されたならば、その中を通る流体内にコリオリ力を発生させる。そのようなトランスデューサにおいては、フローチューブの第１の固有振動モードは、通常、フローチューブが最低の固有共鳴周波数でトランスデューサの縦軸回りに振動するモードである。
【０００５】
流体内にこのようにして生成されたコリオリ力は、有用モードとよばれる励起された振り子状カンチレバー振動に重畳された少なくとも第２の固有モードのカンチレバー振動を引き起こす。第２のモードの振動は、有用モードのそれと同じ振動数である。記載したような種類のトランスデューサにおいては、コリオリ力によって起こされたこれらカンチレバー振動は、コリオリモードとよばれるが、通常、フローチューブが、縦軸に垂直な垂直軸回りのねじり振動も伴う固有モードに対応する。有用モードとコリオリモードの重ね合わせの結果、センサシステムによって、チューブの入り口と出口側で検出されるフローチューブ振動は、質量流量に依存する測定可能な位相差を有している。
【０００６】
しばしば、例えば、コリオリ質量流量計に使用されるこのようなトランスデューサのフローチューブは、動作中、特に、振動振幅を一定に保ちながら、第１の固有モードの瞬間の共鳴周波数に励起される。特に、この共鳴周波数は、流体の瞬間の密度にも依存するので、市販のコリオリ質量流量計は、移動する流体の密度を測定することに使用することもできる。
【０００７】
曲がったチューブ形状の１つの利点は、特に、高い膨張係数のフローチューブにおいて、熱的に誘起される膨張が、フローチューブそのもの、及び／あるいは、接続されたパイプにおいて、ほぼ全くか、ほんの少しだけの機械的応力しか生じない。曲がったフローチューブの他の利点は、フローチューブを比較的長くすることが出来、比較的短い搭載長と比較的少ない励起エネルギーで測定されるべき質量流量へのトランスデューサの高いセンシティビティを達成することができる。これらの状況では、特殊鋼などの高い膨張係数及び／あるいは、高い弾性率を有する材料でフローチューブを作ることができる。
【０００８】
まっすぐのフローチューブを持つ振動トランスデューサでは、そのフローチューブは、一般に、軸方向の応力を避け、十分な測定精度を達成するために、少なくとも小さな膨張係数を持ち、また、特殊鋼より低い弾性率を持つ材料で作られる。したがって、そのようなまっすぐのフローチューブは、好ましくは、チタンやジルコニウムで作られるが、材料が高価で、一般に機械加工も高価になるので、そのようなチューブは、特殊鋼で作られるものより、ずっと高価なものとなる。
【０００９】
米国特許５，５４９，００９に開示されたような種類のトランスデューサ、すなわち、１つの曲がったフローチューブを持ち、反振動子、特に、フローチューブに平行に伸びるものを持つトランスデューサは、測定されるべき流体が実質的に一定、あるいは、わずかにしか変わらない密度を有している場合の応用に特に効果的であることが証明されている。そのような応用においては、振動するフローチューブの交互の横の動きの結果としてのトランスデューサに誘導される横の力をほぼ完全に中和するために、動作中、フローチューブと同じ周波数であるが、逆位相で振動する反振動子によって簡単に可能となり、横の力を接続されたパイプからほぼ取り除く。
【００１０】
大きく密度が変わる流体に使用した場合、そのようなトランスデューサは、実際には、特に、２つの平行なフローチューブを持つトランスデューサと比較して、反振動子を持たないトランスデューサと同じ欠点を持っている。
【００１１】
トランスデューサに誘起される前記力は、このように反振動子は完全にはバランスできないことが分かった。結果として、トランスデューサの縦軸の回りに全体として振動する前述の内部システムは、横方向にも振動を始めるであろう。したがって、内部システムのこれらの横振動は、入り口側と出口側のチューブ部の更なる弾性変形を引き起こし、結果として、接続されたパイプに曲げ振動を発生させる。更に、このような横振動は、空のフローチューブに励起されるべきコリオリモードに非常に似た、したがって、実質的に区別できないカンチレバー振動を発生させ、今度は、これが、流体の質量流量を表すべき測定信号を使えないものとする。
【００１２】
他方、良く知られているように、２つの平行フローチューブを持つトランスデューサに対する１つのチューブのみのトランスデューサの重要な利点は、フローチューブをパイプに接続するのに、多岐管を必要としない。このような多岐管は、一方で、製造が高く付き、他方で、沈殿や目詰まりの大きな可能性を有しながら流れる物体となる。
【００１３】
密度依存横方向力を減らす１つの方法は、例えば、米国特許５，２８７，７５４あるいは米国特許５，７０５，７５４に記載されている。これらに開示されたトランスデューサにおいては、中あるいは高周波数で振動する１つのフローチューブの振動によって生成される横の力は、フローチューブに比べ重たい反振動子と、フローチューブをパイプに比較的緩やかに接続することで、例えば、実際には、機械的ローパスフィルタによってパイプから排除される。しかし、残念なことに、これにより、横方向の力を十分減少させるために必要とされる反振動子の質量は、フローチューブの公称直径とは比例しない形で増加する。
【００１４】
これは、このように重い部品を使用することは、常に、製造時の組み立てコストの増加及びパイプへの測定装置の取り付け時のコストの増加を招くので、このようなトランスデューサの大きな欠点を表している。更に、質量が増えるに従い減少するトランスデューサの最低固有周波数が、接続されたパイプの同様にかなり低い固有周波数からかなり離すことを確実にするのは難しい。したがって、工業用のコリオリ質量流量計におけるトランスデューサの使用は、約１０ｍｍまでの比較的小さな公称フローチューブ直径に限定されている。
【発明の開示】
【００１５】
したがって、本発明の目的は、コリオリ質量流量計に特に適しており、動作中、１つのまっすぐなフローチューブしか使わなくても、広い流体密度範囲にわたって動的に良くバランスし、しかも、比較的小さな質量をもつ、トランスデューサを提供することである。
【００１６】
この目的を達成するために、本発明は、パイプ内を流れる流体のための振動トランスデューサを提供し、このトランスデューサは、
−動作中振動し、入り口側チューブ部と出口側チューブ部を介してパイプに接続される、流体を通す曲がったフローチューブと、
−動作中、フローチューブと逆位相で振動し、機械的にフローチューブに
−−入り口側の第１のカプラと、
−−出口側の第２のカプラによって、
接続された反振動子と、
−フローチューブと反振動子を励起周波数で振動させる励起システムと、
−フローチューブの入り口側と出口側の振動を検出するセンサシステムとを備え、
−少なくともフローチューブ、反振動子、励起システム及びセンサシステムによって形成され、入り口側チューブ部と実質的に一直線上にあるトランスデューサの縦軸の回りに振動する内部システムにより、
−−縦軸回りの第１及び第２のカプラのねじれ、
−−入り口側と出口側チューブ部の少なくとも一部の本質的にねじれである弾性変形が生じ、
−内部システムがねじれの弱い振動を達成するために、
−−少なくとも第１のカプラは、入り口側チューブ部のねじれ硬さにチューニングされ、
−−少なくとも第２のカプラは、出口側チューブ部のねじれ硬さにチューニングされ、
−−−第１のカプラと入り口側チューブ部の入り口側内在ねじれ固有モードは、励起周波数と略同じ固有周波数を持ち、
−−−第２のカプラと出口側チューブ部の出口側内在ねじれ固有モードは、入り口側内在ねじれ固有モードの固有周波数と本質的に同じ固有周波数を持っている。
【００１７】
本発明の第１の好適実施形態では、入り口側内在ねじれ固有モードの固有周波数は、励起周波数より低い。
本発明の第２の好適実施形態においては、反振動子は、フローチューブに本質的に平行に伸びる。
【００１８】
本発明の第３の好適実施形態においては、反振動子は、フローチューブと少なくとも似た質量分布を持っている。
本発明の第４の好適実施形態では、反振動子はチューブ状である。
【００１９】
本発明の第５の好適実施形態においては、反振動子は、本質的にフローチューブと同軸である。
本発明の第６の好適実施形態においては、反振動子は、本質的にフローチューブと同じ形状である。
【００２０】
本発明の第７の実施形態では、反振動子の質量分布を調整するために、カウンターバランス体が反振動子に取り付けられている。
本発明の第８の好適実施形態においては、反振動子は、フローチューブより重い。
【００２１】
本発明の第９の好適実施形態では、第１の回転質量カウンターバランス体が、入り口側ねじれ固有モードを調整するために、入り口側チューブ部に固く固定されており、第２の回転質量カウンターバランス体が、出口ねじれ固有モードを調整するために、出口側チューブ部に固く固定されている。
【００２２】
本発明の第１０の好適実施形態においては、トランスデューサは、入り口側チューブ部と本質的に同軸である第１のねじれ吸収体と、出口側チューブ部と本質的に同軸な第２のねじれ吸収体とを備えている。
【００２３】
本発明の第１１の好適実施形態においては、トランスデューサは、入り口側チューブ部と出口側チューブ部に固定され、励起周波数より少なくとも２０％大きい最低固有周波数を持つトランスデューサケースを備えている。
【００２４】
本発明は、更に、上述のようなトランスデューサを備えたコリオリ質量流量計を提供する。
本発明の基本的アイデアは、コリオリモードに対して全く重要ではない、したがって、質量流量測定に全く重要ではない、そして、コリオリモードの発生に非常に悪影響のある、したがって質量流量の測定に非常に悪影響のある横方向の力を中和するために本質的にフローチューブとマルチバイブレータの同相振動によって引き起こされる、前述のように吊り下げられた内部システムのねじれ振動を使用することである。これは、これらの今まで好ましくなかったねじれ振動は、減衰消滅されるのではなくて、これらのパイプへの機械的接続を選択的に調整することによって、トランスデューサへの干渉効果を低減して、トランスデューサの測定特性を改良するように生成されることを意味する。
【００２５】
本発明によれば、これを達成するために、入り口側カプラと入り口側チューブ部に形成される入り口側ねじれ振動子と、出口側カプラと出口側チューブ部に形成される出口側ねじれ振動子が、振動する内部システムと実質的に共鳴するように振動させるように、機械的に調整される。これにより、内部システムが入り口側と出口側チューブ部から実質的に完全に隔離されるように、可能ならば、外部応答トルクから影響を受けないように内部システムを振動させる。この隔離の結果、内部システムの全角運動量は実質０となる。全角運動量と同じ度合いで、内部システムの全横運動量と、したがってこれから生じ、外部に伝わる横の力が、この隔離によって０に減少させられる。
【００２６】
本発明の１つの利点は、トランスデューサが、内部全質量の動作変化に関係なく、特に、広い流体密度の範囲にわたって、機械的な複雑さを比較的少し加えただけで、とてもよくバランスするということである。
【００２７】
本発明によるトランスデューサは、更に、入り口側及び出口側チューブ部が短く、トランスデューサの搭載長が、実質的に減らされ、同時に、動的振動隔離の高特性が本質的に変わらないという事実に特徴をもつ。搭載長が短いにもかかわらず、トランスデューサは、非常に軽く作ることができる。
【００２８】
本発明と更なる利点は、添付の図面と共に、以下の実施形態の記載を参照することによってより明らかになるであろう。さまざまな図面において、同様な参照文字は、同様に部品を示すために使用される。既に示された参照文字は、明確になるならば、後の図面において省略される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
本発明は、さまざまな変形や別の形態が可能であるが，図に例として例示的実施形態を示し、詳細に説明する。しかし、本発明を特定の開示された形態に限定する意図はなく、むしろ、意図されたクレームに規定される本発明の思想及び範囲に入る全ての変形、同等物及び別形態をカバーする意図である。
【００３０】
図１ａ及び１ｂは、振動型トランスデューサを持つ、移動流体のメータの模式図を示す。
トランスデューサにより、トランスデューサに応答し、特にセンサ技術により測定可能な質量流量依存コリオリ力、密度依存慣性力、及び／あるいは、粘性依存摩擦力などの機械的応答力をそれを通る流体に生じさせる。これらの応答力から導くことにより、流体の質量流量ｍ、密度ρ、及び／あるいは、粘性ηなどは、当業者に良く知られた方法で測定が可能である。
【００３１】
測定されるべき流体を通すため、トランスデューサは、入り口側チューブ部１１と出口側チューブ部１２を介して、流体を供給し、運び去るパイプ（不図示）に接続された曲がったフローチューブ１０、特に１つのチューブを備えている。フローチューブ１０、入り口側チューブ部１１、及び出口側チューブ部１２は、互いにかつ縦軸Ａ₁と一列であり、好ましくは一体成形されており、例えば、必要ならば、フローチューブ１０、入り口側チューブ部１１及び出口側チューブ部１２は、例えば、互いに溶接するなど、後にいっしょに接合される別個の半完成製品から構成することができるように、１つのチューブ状の半完成の製品から作られる。フローチューブ１０については、ほぼ、そのようなトランスデューサに通常使用される、スチール、ハステロイ、チタン、ジルコニウム、タンタルなどの材料も使用可能である。
【００３２】
トランスデューサが、パイプから切り離し自在である好ましい場合については、第１のフランジ１３は、入り口側部１１の入り口端に形成されており、第２のフランジ１４は、出口側チューブ部１２の出口端に形成されており、必要ならば、入り口側、及び出口側チューブ部１１，１２は、例えば、溶接や蝋着によって、直接パイプに接続されても良い。
【００３３】
更に、図１ａに示されるように、トランスデューサケース１００、例えば、箱型ケースあるいは中空円筒状のケースなどは、入り口側チューブ部１１の入り口端と出口側チューブ部１２の出口端に好ましくはしっかりと固定される。トランスデューサケース１００は、メータの電子ケース２００を搭載するためにも使われる。
【００３４】
図１ａ及び１ｂに示されるように、トランスデューサは、更に、フローチューブ１０のための反振動子２０を備えており、この反振動子は、振動が可能なように、入り口側第１カプラ３１によってフローチューブ１０の入り口端へ、また、出口側第２カプラ３２によってフローチューブ１０の出口端に固定されており、第２カプラ３２は好ましくは第１カプラ３１と同じ形状である。カプラ３１は、例えば、フローチューブ１０と反振動子２０に入り口端で固定される１つの、あるいは、図１ａに示されるように２つのノードプレート（node plate）と共に実装され、同様に、カプラ３２は、フローチューブ１０と反振動子２０に出口端で固定されるノードプレートとともに実装される。
【００３５】
好ましくは、同様のチューブ状反振動子２０は、フローチューブ１０から離れ、フローチューブ１０に本質的に平行に伸びる。フローチューブ１０と反振動子２０は、好ましくは、同じあるいは少なくとも同様の質量分布を持つように設計され、特に質量分布は、互いに比例しており、可能ならば、同じ表面形状を持つ。しかし、反振動子２０をフローチューブ１０と異なるように形成するのも利点がある。例えば、反振動子２０は、必要ならば、フローチューブ１０と同軸である。
【００３６】
好ましくは、反振動子２０は、フローチューブ１０より重量がある。
反振動子２０をフローチューブに効果的な質量分布に容易にすることができるようにするには、本発明の更なる実施形態では、反振動子２０に好ましくは、はずせるように、個々の追加質量となるカウンタバランス体２１を搭載する。カウンタバランス体２１は、例えば、フローチューブ１０に設けられるひかえボルトにねじ込まれるディスク、あるいは、フローチューブにすべり付けられる短いチューブ部材である。更に、反振動子２０にわたる対応する質量分布は、例えば、縦方向あるいは、円管状の溝を形成することにより実現できる。各応用に適した質量分布は、当業者によれば、例えば、有限要素法及び／あるいは、適切なカリブレイション測定を用いて容易に決定されるであろう。
【００３７】
動作中においては、フローチューブ１０は、そのような振動型トランスデューサのように、トランスデューサの縦軸Ａ₁の回りにいわゆる有用モードで振動しているフローチューブが、第１の固有振動モード形状にしたがって、本質的に屈曲するように、励起周波数ｆ_excでカンチレバー振動に励起される。同時に、反振動子２０は、有用モードで振動しているフローチューブ１０と逆位相で、本質的に同じモードで振動するよう、カンチレバー振動に励起される。言い換えれば、フローチューブ１０と反振動子２０は、振動している音叉の歯のように動く。
【００３８】
本発明の他の好ましい実施形態では、励起あるいは、有用モード周波数ｆ_excは、フローチューブ１０の好ましくは最低の固有周波数にできるだけ正確に対応するように選択される。公称直径が２９ｍｍの特殊鋼のフローチューブを使うと、壁の厚さは約１．５ｍｍ、直線長は、約４２０ｍｍ、コード長は、入り口端から出口端へ計って３０５ｍｍ、０密度でのチューブの最低共鳴周波数は、約４９０Ｈｚである。
【００３９】
流体がパイプ内を流れるとき、質量流量ｍが０でないために、コリオリ力は、流れる流体内に、振動するフローチューブ１０によって誘導される。コリオリ力は、フローチューブ１０に応答し、したがって、第２の固有振動モード形状に本質的にしたがって、フローチューブを更に変形させ、この変形は、センサ技術によって検出可能である。励起された有用モードに重畳され、同じ周波数を持つ、このいわゆるコリオリモードの瞬間的な形状は、瞬間的な質量流量ｍ、特に、その振幅に依存する。このようなトランスデューサによくあるように、第２の固有振動モードは、非対称ねじりモード、例えば、すなわち、前述したように、フローチューブ１０が縦軸Ａ₁に垂直で、図示されたトランスデューサの１つの対称面内にある垂直軸Ａ₂の回りのねじり振動を行う固有モードである。
【００４０】
フローチューブ１０の機械的振動を生成するために、トランスデューサは、励起システム４０、特に、電気力学的システムを備えている。この励起システムは、電子ケース２００に格納された制御電子回路（不図示）から供給される、例えば、整流された電流及び／あるいは整流された電圧を伴う、電気励起エネルギーＥ_excをフローチューブ１０に例えば、パルス的にあるいは正弦波的に作用する励起力Ｆ_excに変換し、前述したようにチューブをゆがませる。励起エネルギーＥ_excを調整するために適した制御電子回路が、例えば、米国特許４，７７７，８３３、４，８０１，８９７、４，８７９，９１１あるいは５，００９，１０９に開示されている。
【００４１】
そのようなトランスデューサによくあるように、励起力Ｆ_excは、両方向あるいは単方向であり、当業者でよく知られた方法で、例えば、電流及び／あるいは電圧整流回路によって、振幅が調整され、例えば、フェーズロックドループによって、周波数が調整される。例えば、励起システムは、反振動子４０に搭載され、動作中に適切な励起電流が流れる円筒励起コイル及びフローチューブ１０の外部に固定され、特に、その中間点であり、一部が少なくとも励起コイルに乗っかる永久磁石アーマチャからなる単純なソレノイド構造体である。励起システム４０は、例えば、電磁石と共に実装される。
【００４２】
フローチューブ１０の振動を検出するために、トランスデューサは、センサシステム５０を備えている。センサシステム５０については、特に、入り口と出口側でフローチューブ１０の動きを検出し、これらを対応するセンサ信号に変換する、このようなトランスデューサのために通常使われるほぼすべてのセンサシステムを使用できる。センサシステム５０は、例えば、当業者に知られているように、入り口側にフローチューブ１０に搭載された、第１のセンサと、出口側にフローチューブ１０に搭載された第２のセンサによって形成される。センサは、例えば、相対的振動測定を行う電気力学的速度センサあるいは、電気力学的変位センサあるいは、加速度センサである。電気力学的センサシステムの代わりに、抵抗型あるいは圧電型の歪みゲージを用いたセンサシステムあるいは、オプトエレクトロニックセンサシステムを用いる。
【００４３】
必要ならば、トランスデューサの測定及び／あるいは動作に適用されたセンサには、当業者に良く知られているような、反振動子２０及び／あるいはトランスデューサ１００に搭載された追加の振動センサ（米国特許５，７３６，６５３参照）や、フローチューブ１０、反振動子２０及び／あるいはトランスデューサケース１００に搭載された温度センサ（米国特許４，６８，３８４あるいはＷＯ−Ａ ００／１０２８１６参照）が設けられる。
【００４４】
前述の説明から容易に明らかなように、反振動子２０は、励起システム４０及びセンサシステム５０の支持系としても作用する。
しかし、反振動子２０は、所定の流体密度値、例えば、トランスデューサの動作中最も頻繁に予測される値あるいは、特に重要な値のためのトランスデューサを、振動するフローチューブ１０によって生成され、縦軸および垂直軸Ａ₁、Ａ₂に本質的に垂直に作用する横方向の力が反振動子２０によって生成される逆方向の力によって完全に相殺される点に、動的にバランスさせる作用もする（米国特許５，５４９，００９参照）。特殊鋼で、約０．０３ｍｍの振動振幅でのフローチューブ１０については、例えば、チューブが第１の固有振動モードでカンチレバー振動に励起されたときの質量の加速の結果として生成されるフローチューブ１０のそのような横方向の力は、４５Ｎの範囲にある。
【００４５】
しかし、例えば米国特許５，５４９，００９に開示されているようなトランスデューサにおいてかなり可能性があるが、前述のフローチューブ１０の横方向の力がつりあわない場合、フローチューブ１０、カウンタバランス体２１の取り付けられた反振動子２０、励起システム４０、及びセンサシステム５０によって形成され、入り口側チューブ部１１および出口側チューブ部１２から吊り下げられた内部システムと、この内部システムに固定されたカプラ３１、３２とが、所定の静的搭載位置から横方向にゆがめられる。このように、横方向の力は、少なくとも一部は、入り口側及び出口側チューブ部１１、１２を介して、接続されたパイプに作用し、したがって、後者も振動させる。更に、例えば、ほぼ避けられない製造誤差のための内部システムあるいは全体トランスデューサの不均衡な取付の結果として、このような横方向の力によって、フローチューブ１０は、センサでは適切なコリオリモードからもはや区別できない第２の固有モードでカンチレバー振動に更に励起されるという結果となる。
【００４６】
繰り返し述べたように、フローチューブ１０は、反振動子２０によって独立して動的にバランスを取ることができるが、良くても、１つの流体密度値に対してのみ、及び、非常に狭い流体密度範囲に対してのみである。
【００４７】
好ましくは、フローチューブ１０と形状が同じ反振動子２０の質量が、流体を流しているフローチューブ１０の質量より小さい場合、振動しているフローチューブ１０と反振動子２０は、図１ｂに示されてるように、少なくとも流体が静止しているとき、互いに同相で、反振動子２０のカンチレバー振動とも同相の縦軸Ａ₁の回りの共通振動動作を更に行う。流体を流しているフローチューブ１０の質量が、反振動子２０の質量より小さいとき、これらの共通、あるいは、非局在の振動動作は、フローチューブ１０のカンチレバー振動と同相である。言い換えれば、フローチューブ及び反振動子２０間のアンバランスの結果として、特に、密度依存アンバランスでは、全内部システムは、フローチューブ１０のカンチレバー振動と同相、あるいは、反振動子２０のそれと同相である、縦軸Ａ₁の回りのねじれ振動を行う。
【００４８】
内部システムのこれらのねじれ振動の結果として、内部システムと理想的には堅固に接続された、２つのカプラ３１、３２は、縦軸Ａ₁回りの対応するねじれを受ける。すなわち、これらも振動し、特に、内部システム及び互いに同相である。同じ度合いで、振動動作を可能とするためにトランスデューサケース１００及びフローチューブ１０に固定された入り口側及び出口側部１１、１２の本質的にねじれの弾性変形は、その部分に少なくとも与えられる。
【００４９】
発明者は驚いたのであるが、前述のねじれ振動子を、特に、入り口側チューブ部１１と共にカプラ３１を、及び出口側チューブ部１２と共にカプラ３２を、適切にチューニングするだけで、トランスデューサは、流体の密度ρとほとんど独立に動的にバランスさせることが出来、内部で生成された横方向の力に対するセンシティビティは、かなり減少できる、ということがわかった。
【００５０】
これを達成するために、本発明では、ここでは、少なくともカプラ３１で調整される、縦軸Ａ₁回りの入り口側の慣性モーメント、及び、入り口側チューブ部１１のねじれ硬さは、縦軸Ａ₁の回りのカプラ３１と入り口側チューブ部１１の入り口側内在ねじれ固有モード、すなわち、計算されるべき固有モードが、励起周波数ｆ_excと本質的に同じ、あるいは、それよりも小さい固有周波数ｆ₁を有しているようにたがに適用される。
【００５１】
更に、ここでは、少なくともカプラ３２で調整される、縦軸Ａ₁回りの出口側の慣性モーメント、及び、出口側チューブ部１２のねじれ硬さは、縦軸Ａ₁の回りのカプラ３２と入り口側チューブ部１２の出口側内在ねじれ固有モードが、固有周波数ｆ₁と本質的に同じ固有周波数ｆ₂を有しているようにたがに適用される。図１ａに示されるトランスデューサにおいては、実質振動しない、カプラ３１の２つのノードプレート間のチューブ部は、入り口側ねじれ固有モードを調整するための慣性モーメントの選択において、考慮されなくてはならない。同様に、カプラ３２の２つのノードプレート間のチューブ部は、出口側ねじれ固有モードを調整するにおいて、カプラ３２の慣性モーメントを追加しなくてはならない。
【００５２】
説明したように有用モードとねじれ固有モードを調整することによって、励起周波数ｆ_excで振動するフローチューブ１０と同じ周波数で動作中振動する内部システムは、実質的に正確に入り口側と出口側ねじれ固有モードで励起される。この場合、内部システムのねじれ振動は、固有周波数ｆ₁とｆ₂で、内部システムと同相で振動する２つのねじれ振動子の応答トルクが全くないか、または、ほんの少しだけであることにより、妨害されない。したがって、動作中、内部システムは、ねじれ的にやわらかに搭載されているので、入り口側と出口側チューブ部１１，１２からほとんど完全に隔離されているとみなすことができる。
【００５３】
実質完全な隔離にもかかわらず、内部システムは、縦軸Ａ₁の回りを振動するが、回転しないという事実により、内部システムには、全角運動量が存在しない。しかし、結果として、特に、フローチューブ１０と反振動子２０の同様な質量分布によって、全角運動量にほぼ直接に依存する全横運動量、したがって、この全横運動量から誘引される、内部システムから外部に伝えられるであろう横横断力も０である。あるいは、本発明のトランスデューサにおいては、密度依存アンバランスは、ほぼ完全に内部システムのねじれ振動の瞬間的振幅の変化となるが、内部システムを与えられた搭載位置からぜんぜん、あるいは、全く移動させない。
【００５４】
特殊鋼の上記フローチューブを備えたトランスデューサの研究により、このようなトランスデューサに典型であり、０〜２０００ｋｇｍ^-3の範囲の流体密度に略対応する約１００Ｈｚの範囲にわたる励起周波数ｆ_excの振動にもかかわらず、フローチューブ１０と反振動子２０の逆位相動作によってカプラ３１、３２に生成される最大内部力に規格化された、内部システムに働く、最大横断力Ｑ^*は、５％より十分低く、すなわち、約２Ｎに維持される。図２及び３参照。
【００５５】
この前述の場合であって、例えば、約１７０ｍｍの入り口チューブ部１１の長さＬ₁₁において、これは、前述のように、入り口側慣性モーメントは、励起周波数ｆ_excにおいて、関連するねじれ固有モード設定するために、約１．５・１０^-3ｋｇ・ｍ²でなければならないといっている。図２参照。入り口側と出口側ねじれ固有モードを有用モードに最適に調整するために、実際のトランスデューサを設定するためにパラメータ、例えば、適切な質量分布、慣性モーメント、ねじれ硬さ、これらから導かれる、フローチューブ１０、反振動子２０、入り口側及び出口側チューブ部１１，１２及びカプラ３１、３２の幾何学的大きさは、適切なカリブレーション測定と共に、有限要素法あるいは、他のコンピュータを使ったシミュレーション計算を使った当業者に既知の方法によって決定可能である。
【００５６】
入り口側ねじれ固有モードをできるだけ正確に調整させるためには、特に、トランスデューサの搭載長が特定されたなら、本発明の更なる実施形態においては、少なくとも第１の回転質量カウンタバランス体３３は、入り口チューブ部１１に硬く固定され、好ましくは、カプラ３１の近くに固定され、対応して、出口側ねじれ固有モードを調整するため、少なくとも第２の回転質量カウンタバランス体４３は、出口チューブ部１２に硬く固定され、好ましくは、カプラ３２の近傍に取り付けられる。回転質量カウンタバランス体３３、３４は、好ましくは、同じ形状のディスクであり、入り口側チューブ部１１及び出口側チューブ部１２にそれぞれ搭載され、縦軸Ａ₁上に各重心がくるように、図１ａ、１ｂに示されるように同心状に、あるいは、離心的に搭載される。図示のトランスデューサにおいては、１．５・１０^-3ｋｇ・ｍ²の上記慣性モーメントは、直径が約１００ｍｍで、厚さが１５ｍｍの特殊鋼の環状ディスクの形で、２つの回転質量カウンタバランス体３３、３４を使って、非常に簡単に実現できる。
【００５７】
入り口側及び出口側ねじれ振動子の逆位相ねじれ振動を確実に避けるために、さらに、２つのカプラ３１、３２からの、あるいは、２つの回転質量カウンタバランス体３３，３４からの内部サポートフレームへの接続をすることは、利点が多い、ということもわかった。更に、励起周波数ｆ_excは、好ましくは、上記の意味で外部サポートフレームとして働くトランスデューサケース１００の最低固有周波数の８５％より高くない値に設定されるべきである。
【００５８】
本発明の更なる好適実施形態では、トランスデューサは、入り口側第１ねじれ吸収体６０及び、第１のねじれ吸収体６０と形状が本質的に同じ出口側第２ねじれ吸収体７０を備える。第１のねじれ吸収体６０は、特に、振動する内部システムによって引き起こされ、入り口側チューブ部１１を介して、入り口端に固定された、接続パイプ及び／あるいは、トランスデューサケース１００へ伝えられるねじれモーメントを抑える効果を有する。
【００５９】
ねじれ吸収体６０は、入り口側チューブ部１１の入り口端あるいは、少なくとも、例えば、その端の近傍に、トランスデューサ１００へ直接に固定される。同様に、接続パイプ及び／あるいはトランスデューサケース１００のねじれモーメントを避けるために効果的な第２のねじれ吸収体は、出口側チューブ部１２の出口端に取り付けられる。
【００６０】
図４に示されているように、ねじれ吸収体６０は、好ましくは、チューブ状で、本質的に入り口側チューブ部１１に同軸で、ねじれ振動できる、すなわち、入り口側チューブ部１１に対し、少なくとも一部がねじれることができるように、入り口端に固定されるねじれバネ６１を備えている。更に、ねじれ吸収体６０は、入り口側チューブ部１１の入り口端から離れた側のねじれバネに取り付けられている好ましくはディスク状の回転質量体６２を備えている。ねじれバネ６１と回転質量体６２は、動作中、入り口側チューブ部１１をねじることによって及び／あるいは、縦軸Ａ₁の回りのねじれ振動にトランスデューサケース１００を同様にわずかに変形することによって、励起されるねじれ吸収体６０が、カプラ３１と入り口側チューブ部１１からなる上記入り口側ねじれ振動子に対し、異なる位相で、特に、逆位相で振動するように、互いに調整されている。ねじれ吸収体６０の励起を支持するために、ねじれバネ６１は、好ましくは、もしあれば、回転質量カウンタバランス体３３まで、あるいは、カプラ３１まで、伸び、２つの内の１つに固定される。これにより、ねじれ吸収体６０の横屈曲振動を減らすことができる。
【００６１】
流れる流体の密度ρが変化しても、うまく動的にバランスを取ることにより、本発明のトランスデューサは、特に、コリオリ流量計、コリオリ質量流量−密度計あるいは、コリオリ質量流量−密度−粘度計における使用に適している。
【００６２】
本発明は、図面や前述の記載により詳細に図示し、説明したが、そのような図示及び記載は、性質上例であり、限定的でないと考えられるべきであり、例示的実施形態のみが示され、記載され、ここに記載した思想と範囲内にある全ての変更と変形を保護しようとするものである。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】（ａ）は、振動型トランスデューサの概観側面図であり、（ｂ）は、図１（ａ）のトランスデューサの軸方向の正面図である。
【図２】図１のトランスデューサの第１のグラフィックプロットである。
【図３】図１のトランスデューサの第２のグラフィックプロットである。
【図４】トランスデューサのねじれ吸収体を示す図である。

Claims (13)

1. パイプを流れる流体のための振動型トランスデューサであって、
   動作中に振動し、入り口側チューブ部と出口側チューブ部を介して前記パイプと接続する、流体を流す曲がったフローチューブと、
   動作中、前記フローチューブと逆位相で振動し、入り口側で第１のカプラで、出口側で第２のカプラで前記フローチューブに機械的に接続された反振動子と、
   前記フローチューブと前記反振動子を励起周波数で振動させる励起システムと、
   前記フローチューブの入り口側と出口側の振動を検出するセンサシステムとを備え、
   入り口側チューブ部と本質的に一直線上にあるトランスデューサの縦軸の回りに振動する、少なくとも前記フローチューブ、前記反振動子、前記励起システム及び前記センサシステムによって形成された内部システムは、前記第１と第２のカプラの前記縦軸の回りのねじれと、前記入り口側及び出口側チューブ部の少なくとも一部の本質的にねじれ的な弾性変形を引き起こし、
   前記内部システムのねじれ的に緩やかな振動を達成するために、前記入り口側チューブ部のねじれ硬さにチューニングされた少なくとも前記第１のカプラと、前記出口側チューブ部のねじれ硬さにチューニングされた少なくとも第２のカプラとは、前記第１のカプラと前記入り口側チューブ部の入り口側内在ねじれ固有モードが前記励起周波数と略同じ固有周波数を持ち、前記第２のカプラと前記出口側チューブ部の出口側内在ねじれ固有モードが前記入り口側内在ねじれ固有モードの固有周波数と本質的に同じ固有周波数を持つような大きさに作られていることを特徴とするトランスデューサ。
2. 前記入り口側内在ねじれ固有モードの前記固有周波数は、前記励起周波数より低いことを特徴とする請求項１に記載のトランスデューサ。
3. 前記反振動子は、本質的に前記フローチューブと平行に伸びていることを特徴とする請求項１に記載のトランスデューサ。
4. 前記反振動子は、前記フローチューブと少なくとも似通った質量分布を持つことを特徴とする請求項１に記載のトランスデューサ。
5. 前記反振動子は、チューブ状であることを特徴とする請求項１に記載のトランスデューサ。
6. 前記反振動子は、本質的に前記フローチューブと同軸であることを特徴とする請求項１に記載のトランスデューサ。
7. 前記反振動子は、本質的に前記フローチューブと同じ形であることを特徴とする請求項１に記載のトランスデューサ。
8. カウンタバランス体が、前記反振動子の質量分布を調整するために該反振動子に取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載のトランスデューサ。
9. 前記反振動子は、前記フローチューブより重いことを特徴とする請求項１に記載のトランスデューサ。
10. 第１の回転質量カウンタバランス体が、前記入り口側ねじれ固有モードを調整するために、前記入り口側チューブ部に硬く固定され、第２の回転質量カウンタバランス体が、前記出口側ねじれ固有モードを調整するために、前記出口側チューブ部に固く固定されていることを特徴とする請求項1に記載のトランスデューサ。
11. 前記トランスデューサは、前記入り口側チューブ部と本質的に同軸な第１のねじれ吸収体と、前記出口側チューブ部と本質的に同軸な第２のねじれ吸収体とを備えることを特徴とする請求項１に記載のトランスデューサ。
12. 前記トランスデューサは、前記入り口側チューブ部と前記出口側チューブ部とに固定され、前記励起周波数より少なくとも２０％上の最低固有周波数を持つトランスデューサケースを備えることを特徴とする請求項１に記載のトランスデューサ。
13. 請求項１に記載のトランスデューサを備えるコリオリ質量流量計。