JP2007041009A - コリオリ質量流量コントローラ - Google Patents

Abstract

【課題】コリオリ質量流量コントローラの案出。
【解決手段】質量流量測定装置のための容量型ピックオフセンサを開示する。質量流量測定装置は、フローセンサチューブと、フローセンサチューブを振動させる駆動装置とを有する。容量型ピックオフセンサは、第１の電圧電位に接続可能な少なくとも１枚の導電板を有し、これは第２の電圧電位に接続されたフローセンサチューブの近傍に配置するのに適している。導電板は、フローセンサチューブに関連して配置し、両者の間のギャップを画定する。導電板とフローセンサチューブの間の静電容量は、フローセンサチューブが振動する際に導電板及びフローセンサチューブの相対運動に起因して変化する。本発明の或る側面において、フローセンサチューブがハウジング内部に配置され、フローセンサチューブを振動させるための駆動装置がハウジング外部に配置される。
【選択図】図１

Description

本発明は質量流量の測定及び制御に関し、特にコリオリ力効果（Coriolis force effect）に基づき、検知、制御及び通信の電気部品を有する統合フローコントロールバルブを有するような質量流量の測定及び制御装置に関する。

本発明は、1999年6月7日に出願された米国特許出願第09/326,949号の一部継続出願である。

コリオリ力効果に基づく質量流量測定は、次のような方法で行うことができる。コリオリ力は、質量をある確立（establish）された方向に動かし、次に方向を通常フローの確立された方向へのベクトル成分に変化させる効果を生じさせる。これは次式で表すことができる。

外１

回転系においては、角速度ベクトルは回転軸に延在するように配置される。「右手の法則」を用いれば、親指以外の指が回転方向を画定し、伸ばした親指が角速度ベクトル方向を画定する。典型的なコリオリフローセンサの場合においては、チューブを振動させ、チューブを通過して流体フローが確立される。しばしばチューブは１個又はそれ以上のループの形状をしている。ループ形状は、ループの異なる点において質量流量ベクトルが逆方向に向くような形状である。チューブループは、例えばＵ字型、長方形、三角形またはΔ（デルタ）型或いはコイル状とすることができる。ストレートチューブでは特別な場合に、質量流量ベクトルの方向が１つであっても、チューブのアンカーポイントに一致する角速度ベクトルは同時に２つ存在する。

振動システムでは回転方向が変化するので、角速度ベクトルの方向が変化する。その結果、あらゆる与えられた時点において、コリオリの力は逆向きに作用し、質量流量ベクトル又は角速度ベクトルが逆方向に向けられる。角速度ベクトルは振動システムに起因して絶えず変化するので、コリオリの力も常に変化する。その結果、チューブの連続往復運動に加えて動的ねじれ運動を発生させる。ねじれの大きさは、与えられた角速度に対する質量流量に比例する。

質量流量の測定は、センサチューブを通過する流体が発生させるコリオリの力に起因するセンサチューブ内のねじれを画定することにより行われる。典型的な公知の装置においては、コリオリの力が誘導する変位が最大になると予測されるフローチューブ上の位置に置かれた磁石とコイルのペアからなるピックオフセンサが用いられる。コイル及び磁石は対向する構造体に取り付けられる。例えば、磁石がチューブに取り付けられ、コイルが固定パッケージ壁に取り付けられる。磁石はコイルに出入りし、コイル内に電流を誘導する。この電流は、コイルに関連する磁石の速度に比例する。これは速度の測定であるので、速度と、従って信号は、フローチューブが静止点を交差する（零交差）時に最大になる。コリオリの力が誘導するねじれは、２個の速度センサの零交差時間の差を測定することにより検出されるような速度信号において位相ずれを引き起こす。実際問題として、位相ずれは時間計測回路に大きな精度負荷を与える。これにより、コリオリ技術を用いた質量流量計測の最大感度を制限することになり得る。

更に、コリオリ技術に基づく公知の装置の流量は、しばしば多くの用途に対して所望の流量よりも大きな流量に限定される。更に、既存のコリオリ質量流量計測装置は、積分フロー制御能力を有しない質量流量検知を与えるに過ぎず、フロー制御手段はユーザに委ねられていた。

本発明は、先行技術に関連する欠点を解決する。

本発明の或る側面において、質量流量測定装置のための容量型ピックオフセンサを開示する。質量流量測定装置は、フローセンサチューブと、フローセンサチューブを振動させる駆動装置とを有する。容量型ピックオフセンサは少なくとも１枚の導電板を有し、導電板は第１の電圧電位に接続可能で、第２の電圧電位に接続されたフローセンサチューブの近傍に配置される。導電板は、導電板間のギャップを画定するべくフローセンサチューブに関係して配置される。導電板とフローセンサチューブの間の導電容量は、フローセンサチューブが振動する際に、導電板とフローセンサチューブの相対運動に起因して変化する。

本発明の更に別の側面において、コリオリの質量流量センサは、フローセンサチューブと、フローセンサチューブが内部に配置されたハウジングと、フローセンサチューブを振動させるための、ハウジング外部に配置された駆動装置と、コリオリの力に起因するフローセンサチューブ内のねじれを測定するためにフローセンサチューブに関係して配置された少なくとも１個のピックオフセンサを有する。例として示すような実施例において、ピックオフセンサはハウジング内に配置されている。更に別の実施例において、磁石はフローセンサチューブに結合され、駆動装置は電磁コイルから構成される。磁石は非希土類磁石であることが好ましく、より具体的にはニッケルめっきされたサマリウムコバルト磁石であるとよい。電磁コイルは、パワーインダクタから構成することができる。

本発明の更に別の側面に基づき、質量流量測定装置は、第１及び第２の端を有するケーシングと、フロー本体と、ケーシングの第１の端とフロー本体をシール結合するようにケーシングの第１の端及びフロー本体に関連して配置された第１のシール部材とを有する。ユーザインターフェースアセンブリ及び第２のシール部材は、ユーザインターフェースアセンブリと第２の端をシール結合するようにケーシングの第２の端に関係して配置される。シール部材は、ユーザインターフェースアセンブリ即ちIP-65/NEMA 4Xコンプライアントを含むマルチタイプのユーザインターフェースアセンブリ間で交換を可能にし、追加流体を保持する。

本発明の実施例について図面を参照して以下に説明する。明快に説明する観点から、ここでは実際に実施した全ての機能を説明することはしない。実際の実施例の開発において、開発者が目標を達成するためにシステム関連及び事業関連の制約に応じて等、実施毎に異なる無数の決定をしなければならなかったことは、当然賞賛に値する。更に、そのような開発努力が複雑且つ時間のかかるものであろうことも理解されようが、しかしそれも本発明を開示することで利益を受ける分野における通常の知識を有する者のために決まりきった手順を踏んでいるにすぎない。

図１は、本発明の或る側面に基づきコリオリ質量流量センサを概略的に示すブロック線図である。コリオリ質量流量センサ１は、フローセンサチューブ２を有し、駆動装置３がチューブ２を振動させるためにフローセンサチューブ２に関係して配置されている。変位ゲージ４は、コリオリの力に起因するチューブ２内のねじれを測定するべくチューブ２に関係して配置されている。

センサチューブ２に用いられる典型的な材料は、３１６Ｌステンレス鋼である。３１６Ｌステンレス鋼を用いる理由は、３１６Ｌステンレス鋼が多数の物質からの化学的攻撃に強く、通常のプロセス圧力による破壊に強く、通常は非汚染であり、コリオリセンサチューブの望ましい形状に容易に加工できるからである。しかしながら、３１６Ｌステンレス鋼が全ての用途に対して好適であるわけではない。従って、３１６Ｌステンレス鋼の不適用途をカバーするような他のチューブ材料が入手可能であることが必要である。公知の装置では、３１６Ｌステンレス鋼に代わる材料としてシリコンが用いられる。３１６Ｌステンレス鋼に対するシリコンの特長は、３１６Ｌステンレス鋼で作るセンサチューブよりも小さな形状のセンサチューブを作ることが可能なことである。

センサチューブ２の材料を選択する際には、応力誘導腐食又は強腐食（enhanced corrosion）に対する耐性も考慮すべきである。応力は、チューブが取り付けられている曲げアームの底部に発生する。多結晶物質では、微結晶粒状領域の間の結晶粒界において応力が物質中の不純物を拡散及び集中させる。多くの場合、このことは微結晶間の結合を弱め、物質を化学的攻撃に対してより脆弱なものとする。シリコン又はサファイアのような単一結晶物質は、多結晶物質と比較するとこのように影響を受けることは少ない。

３１６Ｌステンレス鋼のような金属は通常多結晶体であるので、程度の差こそあれこのようなタイプの化学的攻撃にはより脆弱である。石英ガラスのようなアモルファス物質及び数種のプラスチックも、応力誘導された化学的攻撃に対してより大きな耐性を有するが、それは多結晶物質と異なりこれらの物質は結晶粒構造を有していないからである。基礎をなす材料の使用がその他の点で魅力的であるならば、化学的攻撃に対して脆弱なチューブ材料は、チューブ材料の表面改質をするか、表面に対する腐食または化学的攻撃を最小限にするようにコーティングするとよい。

表面改質は、イオン注入、熱拡散、化学反応又は電気化学反応によって行うことができる。表面改質は、化学的耐性を有する層を表面に残すような電子又は分子の化学種の除去、再分配、或いは導入を行うことを意図したものである。表面コーティングは、高温で表面に衝突する蒸気、液体又は粉末からの熱活性めっき（thermally activated deposition）によって行う。化学反応性の化学種が例えばレーザからの強烈な光子フラックスやプラズマによっても励起或いはイオン化される場合には、表面改質はより低温で行う。化学的攻撃に耐性がある他の物質は、熱ビーム蒸着、電子ビーム蒸着またはイオンスパッタリングによる非反応性の物理蒸着法によってめっきしてもよい。高エネルギーのイオンビームを用いてスパッタリングを行い、スパッタリングされた化学種が化学的に励起或いはイオン化するようにする場合には、表面との化学反応も行われる。これは或る種のめっき物質にとっては望ましいことであろう。また、化学種を加速し、運動エネルギーを用いた化学反応の活性化或いは強化を可能にすることにより、表面における化学反応を行わせることもできる。

本発明の或る実施例において、コリオリフローセンサチューブ２に用いられるチューブ材料は、オーステナイトステンレス鋼、マルテンサイトステンレス鋼、高ニッケル合金、チタニウム、ジルコニウム、チタニウムとジルコニウムの合金、特にチタニウム−バナジウム−アルミニウム合金及びジルカロイ（これらは降伏強さが大きくヤング率が低いため）、シリコン、サファイア、炭化珪素、石英ガラス及びプラスチックである。本発明に基づいて用いられるチューブコーティング材料は、炭化珪素、ニッケル、クロム、ダイヤモンド、耐火カーバイド、耐火窒化金属及び耐火酸化金属等である。

図２Ａ及び図２Ｂは、本発明の或る実施例に基づくコリオリ質量流量センサ１を示す。コリオリ質量流量センサ１は、実施例においては正弦波信号源からなるような信号源（図示せず）によって駆動される電磁石１２を有する電磁駆動装置１０を用いている。電磁石１２は、センサチューブ１６に取り付けられた小さな永久磁石１４の近傍に配置される。センサチューブ１６は、１つの孔１９からフローチューブ１６を介して別の孔１９へ流れる流路を画定するように、第１及び第２の孔１９を有する基礎１８に結合される。ここに開示されている実施例に示されるセンサチューブ１６は、通常Ｕ字型である。尤も他の形状、例えばΔ型、長方形、コイル状またはストレートチューブを用いてもよい。

図３Ａ及び図３Ｂに示す実施例は図２に示すものと同様であるが、静電駆動装置を用いている。静電駆動装置２０は、センサチューブ１６に取り付けられた小さな絶縁板２４の近傍に配置された帯電板２２を有する。チューブ１６が誘電体から製造されている場合は、帯電板２２をチューブ１６の近傍に配置し、絶縁板２４を取り除いてもよい。ここでもまた、正弦波信号源等の信号源（図示せず）によって帯電板が駆動される。帯電板２２に印加される電圧は、帯電板２２と絶縁板２４との間に電界を発生させる。電界は絶縁板２４上に表面電荷を発生させる。電圧極性は帯電板２２上で急速に変化するので、帯電板２２と絶縁板２４の間の抵抗電界はフローチューブ１６を振動させるような引力及び斥力を交互に発生させる。

図４Ａ及び図４Ｂは、新しい音響駆動装置３０を用いたコリオリ質量流量センサの別の実施例を示す。音響駆動装置３０は、チューブ１６の近傍に配置された小さなスピーカ３２を有する。スピーカ３２から発生する圧力波が、チューブ１６を振動させる。

図５Ａ、図５Ｂ及び図５Ｃは、コリオリ質量流量センサ１の更に別の実施例を示す。図５Ａ、図５Ｂ及び図５Ｃのコリオリ質量流量センサ１には圧電駆動装置４０が用いられている。フローチューブの各脚１６には向かい合うように２本の圧電スタック４２が配置され、結果的に図５に示されるように各脚１６上に２個のバイモルフが生成される。チューブ１６の撓みを生じさせ或いは検出するべく圧電効果及び逆圧電効果を用いることができる。

質量流量の測定は、センサチューブ１６を通過する流体が発生させるコリオリの力に起因するセンサチューブ１６内のねじれを画定することにより行われる。典型的な公知の装置においては、コリオリの力が誘導する変位が最大になると予測されるフローチューブ１６上の位置に置かれた磁石とコイルのペアからなるピックオフセンサが用いられる。コイル及び磁石は対向する構造体に取り付けられる。例えば、磁石がチューブ１６に取り付けられ、コイルが固定パッケージ壁に取り付けられる。磁石はコイルに出入りし、コイル内に電流を誘導する。この電流は、コイルに関連する磁石の速度に比例する。これは速度の測定であるので、速度と、従って信号は、フローチューブ１６が静止点を交差する（零交差）時に最大になる。コリオリの力が誘導するねじれは、２個の速度センサの零交差時間の差を測定することにより検出されるような速度信号において位相ずれを引き起こす。実際問題として、位相ずれは時間計測回路に大きな精度負荷を与える。このことはコリオリ技術を用いた質量流量計測の最大感度を制限し得る。

本発明の或る側面は、典型的な時間ベースの信号調整技術と比べてフロー能力が低く、より直接的で、且つ回路においてそれほどの精度が要求されないようなフロー測定技術を与えている。図２から４に示されている実施例を参照すると、振動するセンサチューブの変位は容量型ピックオフセンサを用いて測定される。センサチューブ１６を通過する流体が発生させるコリオリの力に起因するセンサチューブ１６内のねじれを測定するべく、２個の静電容量変位ゲージ５０がチューブ１６の形状に対称をなすようにチューブ１６の近傍に配置されている。本発明の或る実施例において、静電容量変位ゲージ５０は小型化されてセンサパッケージ壁又はフローセンサチューブのループ内に挿入されたセンサブロックに表面取付される。コリオリの力に起因するセンサチューブ１６内のねじれは、静電容量変位ゲージ５０からの２つの信号間で位相ずれを引き起こす。これは変位の測定であるので、信号は変位に正比例する。チューブの各側の相対変位は、位相ずれとして測定される。ゲージドライバ及び信号調整の電気部品は、チューブ１６の相対変位を高レベル信号に変換する。高レベル信号は位相ずれの機能であり、フローがチューブ１６の中を流れる際にコリオリ効果を測定するために用いることができる。

第１の信号処理技術は、一方の変位ゲージ５０から参照信号を受信し、他方の変位ゲージ５０から入力信号を受信するようなロックイン増幅器を用いる。参照信号または入力信号を発信するのはいずれのゲージ５０でもよい。ロックイン増幅器からの位相出力は、フローに比例する。図６はロックイン増幅器５２の機能回路図であり、ロックイン増幅器５２を用いて本発明に基づくコリオリの力に起因する位相ずれを測定するための方法を実施することが可能である。信号は、図６に示すように左から右に伝わる。左入力１００及び右入力１０２の信号は、各々左及び右変位ゲージ５０から伝わる。例えば、左入力１００は参照信号として用いることができる。正弦出力１０３は、左入力１００の信号にフェーズロックされた駆動信号である。これは、フローセンサチューブ１６を共振させる。右入力１０２は、２個の位相検出器（ＰＳＤ）１０６内において、左／参照入力１００の信号及び９０°位相ずれ信号１０４と混合される。機能的には、ＰＳＤ１０６は２つの信号を掛け合わせて高周波成分及び直流成分を生成する。低域フィルタ１０８は、Ｘ出力１１０及びＹ出力１１２において直流電圧を発生させるような高周波成分を除去する。Ｘ出力１１０は参照信号に関係する信号の同相分と呼ばれ、Ｙ出力１１２は直角分と呼ばれる。同相分及び直角分は位相を感知するが、次の関係式によってベクトルの大きさ及び位相成分を分離することが可能である。

ロックイン増幅器５２からの出力信号と変位ゲージ５０からの入力信号との関係は、次のように導かれる。

任意の振幅、任意の位相差を有する正弦波として２つの信号を考える。各信号は次式で表すことができる。

ＰＳＤ１０６の下部では、次のようになる。

この信号は、２倍の周波数で１つの直流電圧成分及び１つの交流成分を有する。低域フィルタ（ＬＰＦ）１０８は、残りの交流成分を除去すると次式の如くなる。

ＰＳＤ１０６の上部では、次のようになる。

ここで、cosωt＝sin(ωt＋90°) より、次式が得られる。

ここで再び直流成分及び交流成分を有する信号が得られたわけであるが、ＬＰＦ１０８を通過した後では次式のようになる。

式１及び式２より、大きさＲ及び位相角θは次のように計算される。

以上の計算は、好適なデジタルまたはアナログの処理装置１２０で実行できる。ベクトル位相は質量流量に比例する。

本発明の実施例に基づく別の方法では、一方の変位ゲージ５０から参照信号及び１つの入力信号を受信し、他方の変位ゲージ５０から第２の入力信号を受信するような２チャンネルロックイン増幅器が必要である。２つの入力信号の差は、参照信号に対照して測定される。ロックイン増幅器からの合成位相出力は、フローに比例する。図７は、２チャンネルロックイン増幅器５４の機能回路図である。図６に示されている回路におけるものと同様の方法で信号が伝わり、同様の明瞭度を有する。左入力１００は、ここでも参照信号として用いられる。図６と同様に、正弦出力１０３は、左入力１００の信号にフェーズロックされた駆動信号である。図７の例では、右入力１０２の信号から左入力１００の信号を減算し、２個の位相検出器（ＰＳＤ）１０６内において左／参照入力１００の信号及び９０°位相ずれ信号１０４と混合する。内部機能は、図６のロックイン増幅器５２と同様である。

ロックイン増幅器５４からの出力信号と変位ゲージ５２からの入力信号との関係は、次に示す式を用いて導くことができる。計算は、好適なデジタルまたはアナログの処理装置１２０で実行できる。

任意の振幅、任意の位相差を有する正弦波として２つの信号を考える。各信号は次式で表すことができる。

ここで、低雑音差動増幅器１１４からの出力は、Ｖ_ref −V_right である。

ＰＳＤ１０６の下部では、次のようになる。

この信号は、２倍の周波数で１つの直流電圧成分及び１つの交流成分を有する。低域フィルタ（ＬＰＦ）１０８は、残りの交流成分を除去して次式の如くする。

ＰＳＤ１０６の上部では、次のようになる。

ここで、cosωt＝sin(ωt＋90°) より、次式が得られる。

ここで再び直流成分及び交流成分を有する信号が得られたわけであるが、ＬＰＦを通過した後では次式のようになる。

式１及び式２より、大きさＲ及び位相角θは次のように計算される。

θはもはや位相角ではないが、左入力信号及び右入力信号の位相角度及び振幅の関数のアークタンジェントである。この式を分析すると、θはφの強力な関数であることが分かる。実際、入力信号の相対振幅によってこの関数の強度を制御することができる。これは図８のグラフで説明することができ、図８のＡ及びＢは、各々左信号及び右信号の振幅である。２つの振幅が近づくにつれて、ロックイン増幅器の出力θに対する感度が高くなる。たとえその差が２％以内であるような振幅に対しても、φに対するθの感度は標準ロックイン増幅器の感度と比べて約１００倍である。

図９は、本発明に基づきコリオリの力が誘導する位相ずれを測定するための別の方法に用いられるデュアルロックイン増幅器５６の機能的回路図である。信号が動く方法及び定義は、既に開示したものと同様である。左入力１００もまた参照信号として用いられる。既に開示したものと同様に、正弦信号１０３は駆動信号であり、左入力１００の信号にフェーズロックされている。この場合、左入力１００の信号は、上部ロックイン増幅器５８における２個の位相検出器（ＰＳＤ）１０６において左入力１００の信号及びその９０度位相ずれした信号と混合される。底部ロックイン増幅器６０では、右入力１０２の信号は、２個の位相検出器（ＰＳＤ）１０６において左入力１００の信号及びその９０度位相ずれした信号と混合される。位相ずれしていないＰＳＤ１０６及び位相ずれしたＰＳＤ１０６からの対をなす出力は、低雑音差動増幅器１１４において微分される。信号の直流成分は、低域フィルタ１０８を通過して通常のロックイン増幅器出力を与える。好適なデジタルまたはアナログの処理装置１２０によって実行される計算は、図７に関連して概説した方法と同様であるが、作動順序は異なる。図７の２チャンネルロックイン技術において、僅かな差がある２個の高レベル信号が減算される。次に低レベル信号が高レベル信号と乗算されるが、この乗算がアナログ回路における雑音或いはデジタル回路における丸め誤差を生じさせ得る。図９のデュアルロックイン技術において、まずハイレベル信号が乗算されて、次に振幅の近似している乗算結果の信号が減算されて低騒音出力が生じる。

極めて大きな振幅の雑音に埋もれた低レベル信号の測定には、ロックイン増幅器を使用することが最も有名である。ロックイン増幅器は、極めて狭い帯域フィルタとして作用し、このような測定をなし遂げている。信号及び騒音は、参照正弦波及び余弦波が乗算され、次に低域フィルタを通過して参照周波数が除去される。乗算及びフィルタ動作の結果、複素数ベクトル（ｘ＋ｉｙ）で表される直流信号が得られる。参照周波数と対象信号（signal of interest）との位相差は、atan（y/x）によって決定することができる。

コリオリの力の測定に関して、同一周波数の２個の信号間の位相差は重要である。これはデュアルロックイン増幅器を用いて行うことができ、各増幅器は図１０に示すように同一の参照周波数で駆動される。図１０に示す機能回路図において、左入力信号１００及び右入力信号１０２は、参照周波数発生装置１１４が与える参照正弦波及び余弦波と乗算される。入力信号１００、１０２は、ＰＳＤ１０６において正弦信号及び余弦信号と混合され、次に図６、図７及び図９に関連して説明したように５次ベッセルＩＩＲ低域フィルタ１４８を通過する。上記の乗算及びフィルタプロセスは、左入力信号１００および右入力信号１０２において実行され、参照周波数に対する各信号の位相差出力Ｘ、Ｙを生じさせる。２個の出力信号ＸとＹの差は、２個の入力信号１００と１０２の位相差を表す。コリオリ質量流量の場合は、この位相差は質量流量１５２の表示を表す。

ロックイン増幅器を用いてコリオリ質量流量に関連する極端に小さな位相差を測定する場合には、参照周波数を対象信号に合うように調整する必要がある。参照信号が対象信号にそれほど近似していなければ、極低周波数の交流信号が低域フィルタ１４８の出力に現れるであろう。コリオリセンサの周波数は、質量流量、温度、密度及び圧力と共に変化し、測定プロセスを更に複雑にしている。

入力信号１００、１０２の１つからの出力ベクトルを処理することによって、参照周波数を正確に調整することができる。まず、出力ベクトルの導関数を計算する。出力ベクトルの導関数は、２つの連続する出力ベクトル間の複素差分を計算することにより算出できる。次に元の出力ベクトルを９０°回転させ、このベクトルのドット積及び導関数を計算すると、参照周波数発生装置１４４に与えられるエラー信号１５０が求められる。参照周波数を下げるか、上げるか、変化させない必要がある場合には、エラー信号１５０は各々負、正、或いはゼロである。

参照周波数の調整量は位相測定の精度によるが、一般に調整が緻密であればあるほど精度は高くなる。精度は、多数の出力サンプルに対する標準偏差を計算して決定される。しかしながら、信号周波数においてステップの変化がある場合には、参照周波数のより緻密な調整（小さなステップの変化）は好ましくない。参照周波数発生装置１４４が目的の周波数を発生させるまでに長時間を要するためである。信号周波数が頻繁にステップを変える場合には、ＰＩＤまたは適応アルゴリズムを用いて、より応答の良い方法で参照周波数を調整することができる。

別の実施例においては、静電容量変位プローブ５０を圧電アクチュエータに取り付けることができる。圧電アクチュエータは、まず静電容量変位プローブ５０を３次元に配列する。更に、本明細書に開示されている２チャンネルロックイン増幅器又はデュアルロックイン増幅器の方法を用いる場合は、圧電アクチュエータがフローセンサの感度を動的に調整することができ、従ってセンサの範囲を拡張させることができる。

このような動的位置決め（dynamic positioning）、特に静電容量変位プローブに関連するフローセンサの位置決めによって、製作のばらつきを埋め合わせることができる。動的位置決めはまた、様々な成分の相対熱膨張に起因する寸法のずれを埋め合わせる。２チャンネルロックイン増幅器又はデュアルロックイン増幅器と組み合わせて用いることにより、動的位置決めは２個の変位信号を非常に近づけてフローに対する可変感度を与えることができる。高いフロー条件に対しては低い感度が用いられ、拡張された低いフロー条件に対しては高い感度が用いられ、従って、フロー測定のダイナミックレンジを広げる。

本発明の実施例は、更に静電容量測定技術を向上させ、特に静電容量変位プローブの新たな幾何学的配列を向上させる。通常或る物体の変位は静電容量変位プローブへの垂直線の寸法として測定される。変位はまた、静電容量変位プローブに対する接線方向の寸法としても測定される。図１１を参照すると、２枚の板１３０を近接して並べ、板１３０の間に一定のギャップ１３２を設け、図１１に示すような運動（矢印１３６で示す）に対して接線方向の平面に、センサチューブ１３４の近傍に配置することによって変位を特定することができる。或る実施例では、板１３０を同じ位置に設置し、センサチューブ１３４を大地電位に設置するものもある。ギャップに対して垂直線方向への運動１３６が予測されるようにして板１３０の間のギャップ１３２を直接覆うようにセンサチューブ１３４を配置すれば、センサチューブ１３４のサイクル運動によってチューブ１３４が２枚の板１３０のいずれか一方に接近するであろう。相対静電容量は、各板１３０とセンサチューブ１３４の間で測定される。センサチューブ１３４が２枚の板１３０の何れか一方またはもう一方に向かって運動するにつれて静電容量に寄与する総面積が変化するので、相対静電容量が測定される。

図１２に示されるように、ギャップ１３２がセンサチューブ１３４の間を斜めに貫く形状のものもある。このような形状では、板１３０の平面に対してセンサチューブ１３４を配置する精度が低下する。センサチューブ１３４のアライメントの不備は、ギャップ１３２が平行である場合と比較すると信号においてより小さな不整合を生じさせる。

或いはギャップ１３２は、図１３に示すように鋸歯形模様である場合もある。鋸歯形は斜めのギャップ１３２に対して改良されたものとなっている。ギャップ１３２が平行であれ斜めであれ、ギャップ１３２に関係するセンサチューブ１３４が角度アライメントの不備により２枚の板１３０の間に静電容量の変化率に差異を生じさせ、このことが２つの信号間の位相において好ましくない変化を生み出すであろう。鋸歯形模様は、センサチューブ１３４のあらゆる角度アライメントの不備を平均させ、より対称的な信号を与える。

図１４、図１５及び図１６は、本発明の１実施例に基づく例として低フローコリオリ質量流量コントローラ２００を示している。コリオリ質量流量コントローラ２００は、フローセンサ部分２０２及びフロー制御部分２０４を有する。質量流量コントローラ２００に対する内部または外部の処理装置は、セットポイントまたは所望の質量流量の表示を受け取る。セットポイント値をフローセンサ部分２０２が示す実際の質量流量と比較し、偏差を求める。フロー制御部分２０４はバルブを有し、バルブを操作することで流量を調整し、偏差を最小にする。特定の制御機構を実行することは、本発明の開示の利益を受ける当業者が行う日常的な作業であるので、ここでは実施の詳細について詳述しない。

フローセンサ部分２０２は、ケーシング２０５により囲まれ、ループ状に曲げられたセンサチューブ２０６、駆動装置２０８、及び２個のピックオフセンサ２１０を有する。ピックオフセンサ２１０は、センサチューブ２０６の逆側に配置され、センサチューブ２０６の側面の変位を測定する。

既存のコリオリ装置のセンサは通常、溶接された金属のハウジング内に設置されていた。ハウジング内のセンサチューブには、変位センサまたは速度センサが取り付けられ、これらのセンサはフィードスルーを介してハウジング外部の電気部品に接続された電線を用いてセンサチューブに取り付けられていた。このような装置におけるセンサチューブは、比較的大型であり、約１００Ｈｚの共振周波数を有する。本発明の実施例のようにより小さなセンサチューブに対する共振周波数は幾分高くなり、２００Ｈｚ以上のオーダーになる。周波数が増大するにつれて、センサケーシングの内部大気条件に起因する粘性減衰効果が大きくなる。ケーシングを排気し、真空に適合する材質を利用することによって、粘性減衰を減少させ或いはゼロにすることが可能である。従って、図で示したような実施例において、センサチューブ２０６が真空センサハウジング２０７内に設置されている。

センサチューブ２０６は、チューブのループの脚を結ぶ線に直交する方向の弾性曲げを可能にするように設計された。ループは、ループの中心線付近で弾性ねじれを生じさせるのに十分な幅を有する。低フローにおけるコリオリの力を測定するため、センサチューブ２０６の質量を最小にする必要がある。チューブを小さくし、しかも拡張圧力において流体を保持できるようにする必要があるので、チューブサイズの決定は重大である。チューブ２０６との接触またはチューブ２０６への質量負荷によってコリオリの力が抑制できるので、ピックオフセンサ２１０を非接触とすることが望ましい。

ピックオフセンサ技術には、容量型、磁気的、圧電性、及び光学的技術がある。圧電ひずみゲージ変位センサは、チューブに接触するが、変位が最小でひずみが最大となるようなループの下部と接触する。こうすることでチューブの振動への影響を最小にするであろう。光学技術には、レーザまたは白光干渉変位技術、三角測量技術、多重内部反射及びビーム掩蔽技術が含まれる。磁気変位技術には、ホール効果、渦電流、可変磁気抵抗及び磁気抵抗技術が含まれる。

容量型ピックオフセンサ技術は、チューブ変位を測定するために必要な感度を有し、非接触で、磁気駆動装置に影響されないので、図に示したような実施例に用いられている。容量型ピックオフセンサ２１０は、各々少なくとも１枚の導電板３００を有し、導電板は与えられた電位に接続され、導電板間のギャップを画定するべくフローセンサチューブ２０６の近傍に配置されている。導電板３００とフローセンサチューブ２０６との間の静電容量は、フローセンサチューブ２０６が振動する際の導電板３００及びフローセンサチューブ２０６の相対運動によって変化する。

図に示したような実施例において、図１１〜１３に関連して説明したように、導電板は第１及び第２の板からなる。或る実施例においては、図１３に示すような鋸歯形の板が用いられている。容量型ピックオフセンサ２０８は、組み込まれたセンサブロック３０１にアセンブルされている。センサブロック３０１は、プレスピン３０２によりケーシング２０７の後壁を寸法的に参照して、ケーシング２０７に合わせてサイズを決定した。容量型ピックオフセンサ２１０の導電板３００は、寄生静電容量を最小にする保護層と、センサブロック３０１にはんだ付けするための裏板とを供給するような多層プリント回路板上で作製される。容量型ピックオフセンサ２１０は、真空で作動することが要求されるので、図で示したような実施例では低ガス放出材料が用いられている。標準繊維ガラス材料は、真空には適合しない。望ましい材料特性は、真空に適合し、はんだ付けが可能で、低ガス放出結合で多層に接着でき、単一保護層デザインに対して一定の低誘電率を有することである。或る実施例では、市販のＤＲＵＯＩＤが用いられている。

容量型ピックオフセンサ２０８を有するセンサブロック３０１は、センサチューブ２０６との間隔を最適化するように調整することが可能である。調整は、放電加工したヒンジ板を用いて行う。テーパ止めネジは、容量型ピックオフセンサの線運動及び角運動を起こすべくギャップを拡げる。更に、容量型ピックオフセンサの導電板３００は接触パッドを有し、接触パッドによって電線をはんだ付けしたり、センサブロックの正面にプリント回路板３０３を電線接続したりすることが可能になる。センサブロックは、センサケーシング２０７外部の容量型変位電気部品と連動する気密封止電気コネクタを用いて、容量型ピックオフセンサ２１０と相互に連結されている。

駆動装置２０８は、チューブ２０６を曲げモード振動に駆動し、振動を生じさせる。図に示したような実施例において、駆動装置２０８は、センサチューブ２０６にはんだ付けされた小さな磁石３０４と、磁石３０４に交互に出入りする小さな電磁コイル３０６を有する。図１６に示す実施例においては、非希土類磁石、特にニッケルめっきされたサマリウムコバルト磁石が用いられている。サマリウムコバルト磁石は、重量比に対して強い磁力を有する。実施例では、磁石の重量は約２０ｍｇである。磁極がチューブの好適な変位方向に平行をなすように、磁石３０４はセンサチューブ２０６の上中心部に配置する。

コイル３０６は、センサケーシング２０７の外部に配置され、回路板２０９に結合される。センサケーシング２０７は非磁性であるので、磁界へ透過する。コイル３０６は、環状デザインとは全く異なり、開路型である。本実施例におけるコイル３０６は、少なくとも１ｍＨのインダクタンスを有する市販のパワーインダクタである。コイル３０６の中心軸は、磁石３０４の表面に垂直になるように調整する。フェーズロックループ（ＰＬＬ）機能を介するコイル駆動回路へのフィードバックとしての、容量型ピックオフセンサの１つからの信号を用いて、センサチューブ２０６を共振させる。ＰＬＬ機能は、電気回路として或いはソフトウエアにおいて実行される。

基礎部分２１２は、フロー入口２１４及びフロー出口２１６を画定する。センサチューブ２０６を基礎部分２１２上に取り付け、フローが入口からセンサチューブ２０６、フロー制御部２０４を介してセンサフロー出口２１６へという流路で流れるようにする。フロー制御部２０２は、バルブコイル２２８及びコイルカバー２３０を内部に配置したメータ本体２２２を含む。バルブ軸（stem）２３２及びプランジャ２３４はバルブコイル２２８内に配置し、バルブ本体２３６はメータ本体２２２にシール２３８で結合する。弁座２４０、ばね２４２及びオリフィス２４４は、バルブ本体２３６内に配置する。端受２２４、２２５は、フロー制御部２０４のいずれかの端に配置する。メータ本体２２２と端受２２４との間、及びバルブ本体２３６と端受２２５との間は、シール２２６で結合する。或る実施例において、シール２２６は電鋳ニッケルシールからなる。

例として示すような実施例において、コリオリ質量流量コントローラ２００は、次のようにアセンブルする。メータ本体２２２及びセンサケーシング２０７は、ベースプレート３１０、中柱３１２及びセンサチューブ２０６と同様、センサチューブ２０６をセンサケーシング２０７の壁に寸法的に参照するような取付具によって所定位置にアセンブルし、保持する。残りの部分は、プレスピン３３０により割り出しする。これらの部分は、単一のユニットとしてロウ付けする。磁石３０４は、センサチューブ２０６にはんだ付けする。センサブロック３０１をアセンブルし、プレスピン３０２を用いてセンサケーシング２０７内に取り付ける。プレスピン３０２は、センサケーシング２０７の背面から約０．５ｍｍ延ばす。気密封止コネクタ３２０は、センサケーシング２０７の裏面の開口３２２に押し込む。センサブロックプレスピン３０２及び気密封止コネクタ３２０は、レーザ溶接してリーク密封を与える。カバー３２４は、真空環境でセンサケーシング２０７の正面を覆うように配置し、所定位置に電子ビーム溶接し、真空密封環境を与える。

次に、残りのバルブ部品及び端受ブロック２２４、２２５をメータ本体２２２にアセンブルする。電鋳ニッケルシール２２６を用いても、エストラマーＯリングを較正に用いた後でニッケルシールに交換してもよい。完全なアセンブリ上で電気部品をアセンブルし、取り付ける。Ｏリング３３２は、ベースプレート３１０上に取り付け、ケーシング２０５はＯリングシール３３２に対して下向きに押し付ける。ベースプレート３１０上のカム錠を回転させ、ケーシング２０５を下にロックする。Ｏリング３３４は、電気部品カバーキャップ３３６上に取り付ける。電気部品キャップ３３６は、ユーザインターフェースコネクタ３３８に被せる。電気部品キャップ３３６は、Ｏリングシールに影響を与えるようなケーシング２０５上の位置に押し込む。次にアセンブルした質量流量コントローラ２００を試験し、較正する。

例として示すようなコリオリ質量流量コントローラ２００は、幾つかの利点を供与するモジュラー設計を有する。上記のように、フロー本体（ケーシング２０５の下端とベースプレート３１０との間）及びユーザインターフェースキャップ（ケーシング２０５の上端と電気部品キャップ３３６との間）においてＯリングシールに影響を与えるように電気部品パッケージを設計する。電気部品キャップ３３６は、電気部品を検知し、制御するべく、コリオリ質量流量コントローラ２００及びその内部のユーザインターフェースボード３４０と相互に接続される。電気部品キャップ３３６及びユーザインターフェースボード３４０は共にユーザの電気部品に接続するためのインターフェースを画定する。このことは、ユーザ装置毎に異なる検知、制御の電気部品及びケーシングを設計する必要がなく、ユーザの要求通りのインターフェースを柔軟に形成する。

例えば種々のインターフェースキャップは、装置即ちIP-65/NEMA 4Xコンプライアントを与えるべくシール及び電線管を有するであろう。そのような装置４００の例を図１８に示す。対照的に、図１４〜１６に示す実施例は、ユーザインターフェースボード３４０に接続されたコネクタ３４２を有する。図１８に示すように、電気部品キャップ３３７を拡張し、特定の用途のために要求される追加部品のための空間を与える。

Ｏリングシールケーシング２０５の別の機能は第３の流体を保持することである。センサチューブ２０６が第１の流体を保持し、センサケーシング２０７が第２の流体を保持する。

制御される気泡が流体内に存在する場合、既存のバルブでは、プランジャ周辺の環状開口がバルブ出口への気泡の通路を制限していた。気泡は、液体のフローが制限されてフロー制御が失われるような場所への環状開口の入口に集まる。環状開口を拡げると、バルブコイルからのプランジャの空間が増加し、それによって磁気回路の磁界強さが弱められ、また流体が生じさせる水力に対してバルブを開閉するために必要な慣性力が弱められる。従って、図示されるコリオリ質量流量コントローラ２００では、プランジャ２３４を通すような丸孔２４６が設けられる。丸孔２４６は、気泡の形状及びサイズに適合するものとし、気泡がより滑らかにバルブを通過するようにする。このようにして、気泡がフローを制限する可能性を最小にする。プランジャ２３４の中心を通過するような孔２４６は、水力に対してバルブを開閉するための力が維持すべく、磁気回路に対するあらゆる影響を最小にする。

典型的な既存のバルブでは、バルブプランジャは、オリフィスのランドに押し付けられた時にフローに対するシールを形成するような変形可能な材料から製造した固定座を有していた。常時閉のソレノイドバルブの場合、ばね釣り合いにより弁座に対して力を生じさせることで、ソレノイド作用によってオリフィスランドから弁座を揚げるようにすることが可能であった。常時開のソレノイドバルブの場合、ソレノイド作用により弁座に対して力を生じさせて均衡を取ることで、磁界が取り除かれた時、ばねによってオリフィスから弁座を揚げるようにすることが可能であった。弁座の材料は、弾性、可塑性、または延性の金属とすることができる。

繰り返し使用可能とすべく、通常シールは塑性変形よりも弾性変形であることが好ましい。或いは、弁座及びランドに硬質材料を用いてもよいが、弁座とランドとの間で表面をぴたりと合わせることを含めて非常に厳格な許容差を以って製造する。この方法は非常に費用がかかる。プランジャにおける磁力は変位に対し線形でないため、弁座とランドの空間はバルブ操作に重大である。常時開のバルブの場合、弁座がランドと逆に動かされる時に最大の力を与え、また開口位置で最大のフローを与えるために、プランジャのノーマル位置と、従ってランドに関係する弁座のノーマル位置とを最適化する必要がある。常時閉のバルブの場合、ランドに対する弁座の力はばねによって与えられる。ばねの力は、水力に対してバルブを閉にするのに十分な力とする必要がある。更に、最大のフローを得るのに十分な距離までは磁力によって弁座をランドから揚げられるように、最小の力にもする必要がある。

既存の装置では、ランドまたは弁座の下にシムを置いたり、オリフィス部品に調整ネジを用いたり等、種々の手段を用いて弁座とランドの間の空間が調整されてきた。しかしながら、図１７Ａに示すように、通常オリフィスの調整ネジはオリフィス本体２５０とバルブ本体２５２との間をシールしておらず、ねじ山２５６の間に漏れ経路２５４を残す。このような調整ネジでは、流体が漏れないようにねじ山２５６をシールする必要がある。Ｏリングやガスケット等の分離シールによりねじ山２５６をシールする。

本発明の或る側面に基づき、オリフィス２４４及びランドの少なくとも一方は、精密オリフィスのねじ部品に機械加工するのに適した、ＶＥＳＰＥＬ（登録商標）等の塑性材料から製造する。図１７Ｂの実施例に示すように、オリフィス本体２５０とバルブ本体２５２との間に締りばめ２５８ができるようにねじ山２５６を大き目に機械加工し、このように分離シール（Ｏリングまたはガスケット）を不要にする。これでオリフィスランドは、弁座２４０及びプランジャ２３４の設計及び製作（図１５及び１６参照）を単純化するような変形可能な部材となった。

しかしながら、本発明は特定のプランジャ構造に限定する必要はない。或る実施例では、バルブに代えてポンプが用いられる。例えば、流体制御の目的で計量型ポンプを用いてもよい。特に、複数の圧電チューブ部分を有する圧電ポンプを用いることができる。異なるチューブ部分を圧縮または膨張させるような方法で圧電チューブ部分を制御するので、圧電チューブ部分は流体のフローを望ましいように制御することを可能にする。

以上に開示した特定の実施例は例証にすぎず、本発明は、本明細書の開示の利益を有する当業者に自明な同等の別の形態で、改変を加えて実施することが可能である。更に、本発明の請求項によって画定される以外の構成またはデザイン等の詳細に、何らかの制限を加えることは意図されていない。従って、本発明の範囲及び精神から逸脱することなく、本明細書に開示した特定の実施例の置換及び部分的な変更が可能であり、様々な改変が考えられることは容易に理解できよう。本発明が保護を求める範囲は、請求項に記載の通りである。

本発明の或る側面に基づきコリオリ質量流量センサを概略的に示すブロック線図である。 本発明に基づき電磁駆動装置を用いたコリオリ質量流量センサを示す図である。 本発明に基づき電磁駆動装置を用いたコリオリ質量流量センサを示す図である。 本発明に基づき静電駆動装置を用いたコリオリ質量流量センサを示す図である。 本発明に基づき静電駆動装置を用いたコリオリ質量流量センサを示す図である。 本発明に基づき音響駆動装置を用いたコリオリ質量流量センサを示す図である。 本発明に基づき音響駆動装置を用いたコリオリ質量流量センサを示す図である。 本発明に基づき圧電駆動装置を用いたコリオリ質量流量センサを示す図である。 本発明に基づき圧電駆動装置を用いたコリオリ質量流量センサを示す図である。 本発明に基づき圧電駆動装置を用いたコリオリ質量流量センサを示す図である。 本発明に基づきコリオリの力が引き起こす位相ずれを測定するためのロックイン増幅器の回路図である。 本発明に基づきコリオリの力に起因する位相ずれを測定するための２チャンネルロックイン増幅器の回路図である。 本発明に基づく信号処理方法を用いたセンサチューブ位置検出器からの入力信号の大きさの関係を示すグラフである。 本発明に基づきコリオリの力が引き起こす位相ずれを測定するためのデュアルロックイン増幅器の回路図である。 本発明に基づきコリオリの力に起因する位相ずれを測定するためのデュアルロックイン増幅器であって、参照周波数の調整を含むデュアルロックイン増幅器の回路図である。 本発明に基づく容量型変位プローブの第１の実施例を示す図である。 本発明に基づく容量型変位プローブの第２の実施例を示す図である。 本発明に基づく容量型変位プローブの第３の実施例を示す図である。 本発明の１実施例に基づくコリオリ質量流量コントローラの斜視図である。 図１４に示すコリオリ質量流量コントローラの断面図である。 図１５に示すコリオリ質量流量コントローラの分解組立図である。 先行技術のねじ込みバルブ接続を示す図である。 本発明に基づくシールねじ込みバルブ接続を示す図である。 本発明の別の側面に基づくコリオリ質量流量コントローラの１実施例の斜視図である。

Claims (6)

1. コリオリ質量流量センサであって、 フローセンサチューブと、前記フローセンサチューブを内部に設置するハウジングと、 前記ハウジングの外に設置された、フローを振動させるための駆動装置と、少なくとも１個のピックオフセンサとから構成され、該少なくとも１個のピックオフセンサが、コリオリの力に起因する前記フローセンサチューブ内のねじれを測定するべく前記フローセンサチューブに関連して配置されていることを特徴とするセンサ。
2. 前記少なくとも１個のピックオフセンサが、前記ハウジング内に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のコリオリ質量流量センサ。
3. 前記フローセンサチューブに接続された磁石を更に有し、また、前記駆動装置が電磁コイルから構成されることを特徴とする請求項１に記載のコリオリ質量流量センサ。
4. 前記電磁コイルが、パワーインダクタからなることを特徴とする請求項３に記載のコリオリ質量流量センサ。
5. 前記磁石が、非希土類磁石からなることを特徴とする請求項３に記載のコリオリ質量流量センサ。
6. 前記磁石が、ニッケルめっきされたサマリウムコバルト磁石からなることを特徴とする請求項５に記載のコリオリ質量流量センサ。

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