JP2008129012A - コリオリ型質量流量計 - Google Patents

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Abstract

【課題】コリオリ型質量流量計を小型化することを課題とする。
【解決手段】コリオリ型質量流量計1は、流管3と、光源及び該光源からの光を受ける光検出器を有する少なくとも一つの位置センサ11a,11bと、流管3を軸線に対して移動せしめるマグネットヨーク6,7,8,12とを有し、上記光源と光検出器との間の流管3が上記光路で光源そして光検出器に対して非接触で移動可能となっており、第一光透過開口を有する第一スクリーンが光源側に配されそして第二光透過開口を有する第二スクリーンが光検出器側に配され、第一光透過開口と第二光透過開口とが同じ形状で対向して位置しており、両光透過開口が互いに平行で光路上で一致して位置していて検出器への光ビームが柱状をなしている。
【選択図】図1

Description

本発明は、流管と、光源そしてこの光源からの光を受ける光検出器が設けられた少なくとも一つの管位置センサと、軸線について流管に変位を生じさせる駆動手段とを有し、光源と光検出器との間の光路に対する流管の変位に応じた信号を光検出器が発するように、上記流管、管位置センサ、駆動手段が配置されているコリオリ型質量流量計に関する。
このような質量流量計は特許文献1にて知られている。この公知のコリオリ型質量流量計は、光源と光検出器とを備える光学的な管位置センサを有し、光源の前には大きなレンズが配置されている。光ビームを横切るように動く管は、光源と光検出器との間の光路上にあって、管の瞬時の位置によって、検出器に入射する光ビームの大きな部分あるいは小さな部分を遮る。
独国特許出願公開第4226391号
かかる構造の装置での測定精度は、実際には、最良という具合にはいかず、これに加え、公知のコリオリ型質量流量計は大幅に小型化することができない。
本発明によるコリオリ型質量流量計は、かかる問題を解決する冒頭で述べた種の質量流量計を提供するものであり、光源と光検出器が互いに所定距離をもって対向して位置していると共に干渉空間をもって離間して位置しており、流管もしくは流管に取り付けられた突出部、例えば、羽根、中空管、バー材、ダミー管が隙間をもって上記干渉空間を移動でき、第一光透過開口を有する第一スクリーンが光源側に設けられ、第二光透過開口を有する第二スクリーンが光検出器側に設けられ、第一光透過開口と第二光透過開口が同一形状で対応し、両光透過開口が互いに平行で一致して位置(すなわち、第一そして第二光透過開口の光軸が一致)していることを特徴としている。
本発明によるコリオリ型質量流量計は非常にコンパクトになる。光源と光検出器は所定距離をもって互いに対向して位置して干渉空間を形成し、この所定距離は干渉空間内で流管あるいは流管に取り付けられた突出部が隙間をもって移動できる程度となっている。
第一形態では、光源と光検出器とを互いに小さな所定距離をもって対向配置している支持部材としてPCBを使用している。光透過開口(「窓」)が形成されているスクリーンは光源と光検出器との間でPCBに設けられている。さらに、好ましい形態では光学的なマイクロモジュールを用いている。後者は、いわゆるフォトマイクロセンサと称され、二つの脚部を有するU字形ハウジングの一方の脚部に光源(例えばLEDあるいはレーザダイオード)を配し、他方の脚部に光検出器(例えばフォトトランジスタ)を配して形成される。光源と光検出器の光軸は互いに一致しており、その結果、光源からの光は直接に光検出器に達する。
本発明のコリオリ型質量流量計においては、第一光透過開口が形成されている第一スクリーンが光源側に配置されており、第二光透過開口が形成されている第二スクリーンが光路上で光検出器側に配されていて、第一そして第二スクリーンの光軸が一致している。両光透過開口は同じに作られていて同様に位置づけられている。
したがって、第一そして第二光透過開口の間で、角柱状の部分ビームで、流管あるいは流管に取り付けられている突出部の変位のみが光検出器で検出される。光検出器で発生する信号は、かくして、流管あるいは流管に取り付けられた突出部での光のビームを横切る方向での変位のみに依存し、光のビームに沿う方向での流管の変位には依存しない。
光透過開口を有するスクリーンはハウジングの壁部で形成することができ、あるいは開
孔を有する壁部の前に開孔を有するプレートを配することによっても形成できる。後者の場合、開孔を有するプレートは、好ましくは、二つの脚部とこれらを結ぶ連結部を有する形態のU字状脚を形成していることが好ましい。その場合、脚部と連結部が一体をなし、両脚部が連結部の面から屈曲されて形成されていると有利である。こうすると、光透過開口同士を正確に一線上に位置させることが容易となる。
一つの形態では、光透過開口は流管の動きの方向に平行な一辺をもつ矩形状に形成される。この場合、透過開口の幅は一定である。流管は、例えば、正方形、矩形、楕円あるいは円形の断面を有するようにすることができる。もし、光透過開口の高さが流管の直径よりも小さくできれば、実用的である。流管あるいはこれに取り付けられた突出部は、一方の側で、光のビーム中で部分的に存在するようになる。
本発明のコリオリ型質量流量計の一つの形態では、少なくとも一つの管位置センサは、流管の動きの方向で、光検出器の連続せる部分領域で、光検出器への入射光量を単調に変化させる手段が設けられている。これは種々の方法で実現できる。
第一の方法は部分領域の寸法を変化させることである。
第二の方法は、同じ面積の部分領域での入射光の強度を変化させることである。
部分領域の大きさが変化している形態では、流管の動きの方向で、流管の動きの方向に横切る光透過開口の大きさが連続して変化(例えば広い部分から狭い部分へ変化)している。これは、流管の動きに伴って得られる信号が増大あるいは減小することを確実とする。しかしこれは矩形状の光透過開口のときは不可能である。この目的の達成のための簡単な形状は、流管の動きの方向に高さ方向が平行となる三角形である。このようなテーパ状の窓が用いられるときには、窓の高さは流管の直径より大きいことが必要で、こうすることにより、流管は光ビームの高さ内に完全に入ることとなる。これは流管に取り付けられた突出部についても、必要に応じて変更を加えるが、同じことである。
又、羽根にテーパ状光透過開口が形成されている場合についても、上記と同様の効果が得られ、光透過開口は矩形の光ビームの高さよりも高く、テーパ状の窓内にビームの全高さが入るように配置される。
部分領域への入射光の強度が変化する形態においては、同じ面積の部分領域でも、光源と光検出器との間の光路に配された流管の動きの方向で、透光度が次第に変化するフィルタを有することにより実現できる。このようなフィルタは、後述するがごとく、種々の方法で構成できる。
流管は上述した形式の一つの位置センサと協働するようにできる。位置センサが流管の動きの回転の中心となる軸線上に配置されると、この動きは測定できない。コリオリ動の回転の軸線は励起による動きの軸線に対して直角であるので、センサはコリオリ動のみを測定する。これに対する例外は、二つの回転軸線の交点に位置センサを配したときである。最も好ましいセンサの配置位置は、コリオリ動の回転軸線から、できるだけ遠くにある励起の回転軸線上での流管の点である。
好ましくは、流管の動きにおける回転軸線の両側で(好ましくは対称に)小さな間隔となる位置に配された少なくとも二つの位置センサと流管が協働するように設けることである。
第三の位置センサは、第一そして第二位置センサの一方に隣接してこれらと一線上に配
されることができる。一線上に三つのセンサを配することによる位置の測定の方法には、いくつかあるが、二つのセンサを回転の軸線に対して両側に位置するように設け、第三のセンサを上記二つのセンサの一方に隣接して設けることである。
二つもしくは三つの位置センサが用いられる場合には、U字状形態をなし、その脚部に光透過開口が設けられていて、すべて(二つもしくは三つ)の位置センサについて一体となっているようにすることが好ましい。
さらなる形態では、流管が非接触ローレンツ力あるいはトルク励起により影響を受けることを特徴とする。流管は直管でも曲管でもよい。後者の場合は、U字型(開ループ)が好適である。又、これに代えて、一つの面で機械的に閉ループを形成する流管としても、この場合、流管の両端はループの中心を通るように曲げられてループが弾性的に支持されるように互いに機械的に接続される。
本発明は、流管の壁に突出部(ダミー管あるいは羽根の形態)が設けられているコリオリ型質量流量計にも関しており、この突出部は光路外での流管の動きのもとに光路内で動く。この突出部は二つもしくは三つの位置センサ用として一部材とすることができる。好ましい形態では、この突出部は流管に接線方向に設けられた羽根とすることを特徴とする。
本発明では、光源と光検出器は所定距離をもって互いに対向して位置しそして干渉空間によって離間されていて、該干渉空間で流管あるいは流管に取り付けられた突出部が上記光路で光源そして光検出器に対して非接触で移動可能となっており、第一光透過開口を有する第一スクリーンが光源側に配されそして第二光透過開口を有する第二スクリーンが光検出器側に配され、第一光透過開口と第二光透過開口とが同じ形状で対向して位置していて、両光透過開口が互いに平行で光路上で一致して位置しているので、流管中の流体の流量に応じたコリオリ力による該流管の変位あるいは流管に取り付けられた突出部の変位を光学的に直接読み取り、これを流量に対応する信号として得る結果、装置が大幅に小型化する。
以下、添付図面にもとづき、本発明の実施の形態を説明する。
図1は本発明の一実施形態のコリオリ型流量計1を示している。この流量計は動作中に流れ媒体が流れる流管3を支持する基板2をもったフレームを有している。流管3は、ループ状をなし、図示の例では半周回してU字状をなしているが、これに代えて、例えば、直管あるいは、全周回(閉じたループ)をなすループ状の流管でもよい。ループ状の流管は直管よりも可撓性があるので好ましい。流管3は取付手段4,5により基板2へ取り付けられている。取付手段4,5は、流管3が動けるようにクランプ位置を定めている。流管3は、例えば、ステンレス鋼で作られ、厚さが約0.1mmそして直径が約0.75mmで、非常に軽くできていて、小さなエネルギで共振状態となるようになっている。流管3のループの外形寸法と流管が耐えるべき圧力(例えば100bar)にもよるが、流管の外径は、通常、2mm以下で、壁厚は0.2mmもしくはそれ以下である。
軽量構造の実現は、流管3の励起の目的のために、流管3に追加的質量となるような、さらなる部材が流管3に取り付けられないようにする。これはローレンツ力が流管を励起、すなわち振動させるような構造で、可能となる(ローレンツ力:磁界中を移動する電子が磁界の方向と電子の移動方向の両者に対して直角な方向の力を受ける)。(導電性の)流管3の壁を通して電流が流れると共に、中央開口が形成された永久磁石のマグネットヨーク6,7,8,12(12は、一方の極がマグネットヨーク6に向き、反対の他方の極がマグネットヨーク7に向いている永久磁石をあらわしている)が、電流の方向を横切って、流管3の面で、対向する二つの磁界を空隙9,10に発生するので、上記の力が図1の流量計に生ずる。電流Iは、接続ターミナルを経て流管3の端部に電流源(例えば、AC電源)を接続することによって、導電材料の(U字状)流管3に直接流れるようにしてもよい。
しかしながら、好ましくは、電流は誘導手段で流管の管内で生ずる。U字状の流管3の管部はトランスフォーマーのコア内にまで延びている。一次コイルがこのコアに巻回されていて、このコイルが電流源からエネルギの供給を受ける。管部は、電流が一次コイルに流れたとき電流Iが誘導される二次コイルとして機能する。一つの一次コイルを有する大型の一個のトランスファオーマーコアに代えて、二つの小さなトランスフォーマーコアを用い、各コアに、一次コイルを巻回し、これらのコイルを、例えば、U字状の流管3の
両脚の管部に対して巻回してもよい。
コリオリ力の影響下での流管の動きは、この場合、本発明による形式の二つの非接触型の位置センサ11aと11bによって検出される。これらは、さらに、以下に説明する。
図2は機械的に閉じたループ状(本例の場合、矩形)の流管18の斜視図であるが、他の形態としては、例えば、三角形のような他の形のループ状をなしていてもよい。ここで用いられている「機械的に閉じた」とはループの両端が機械的につなげられていることを意味している。ループ状の流管18の第一端19は、流れ媒体Φを供給する可撓な流入管20に接続され、第二端21は流れ媒体Φを排出する可撓な流出管22に接続されている。流管18そして流入管20と流出管22は、好ましくは一つの管を曲げて形成される。流管18は二つの側管部25,26の第一端側に接続されている第一連絡管部24を有している。これらの側管部はそれらの第二端側で第二連絡管部27,28に接続されており、これらの第二連絡管部のそれぞれは第一連絡管部24の約半分の長さとなっている。この構造で、上記流入管20と流出管22は、ループ状の流管18のループの中心線に対称な位置で互いに近接あるいは当接して配設され、例えば、鑞接あるいは溶接によって符号bにより示される位置で機械的につなげられている。これらは、互いに隣接してあるいは当接して、フレーム(図示せず)に固定された取付手段23で保持されている。流管18は、流入管20と流出管22(そして取付手段23)によって流量計のフレーム(図示せず)から弾性的に懸吊されている。ループ状の流管18は、図1に図示されたマグネットヨークのような励起のための永久磁石のマグネットヨークと協働可能であり、該マグネットヨークは該マグネットヨークの磁路に位置する二つの空隙9と10そしてマグネット12を含むようにして下側のマグネットヨーク8と対向して配されたマグネットヨーク6,7を有している。例えば、第二連絡管部27,28がマグネットヨーク(上方に位置する第二連絡管部に対して配されたマグネットヨーク)の空隙を貫通するように延びていてもよい。交番電流が流管18を流れると、ループ状の流管は、電流そして対向せる磁界によるマグネットヨークの空隙で発生するローレンツ力(トルク励起)の影響のもとで、流管のループを含む面で延びる軸線31(励起軸線)について振動をするようになる。流管18内に流れ媒体が流れると、コリオリ効果を生ずるコリオリ力が発生する。コリオリ力は(図2で破線により示された)ループを含む面で軸線31に直角なコリオリ応答軸線についての振動を流管18に生じさせる。コリオリ力を検出するセンサがマグネットヨークの中央開口部に配設されていてもよい(そして、したがって、動作中、上方の第二連絡管部と協働するようになる)。
上述の構成に代えて、センサは、動作中にこれらセンサが下側の第一連絡管部と協働するように配されていてもよい。例示の方法によって、軸線31に関して対称に両側に配された、以下に示す形式の(光学)センサ29と30が図2に示されている。図2の矩形状ループの流管に対してのマグネットヨークの位置によっては、流管は揺動モードあるいは回転(捩り)モードで振動してもよい。すなわち、流入管と流出管の間にある対称中心軸線まわりの捩り振動でもよいし、連絡管部とマグネットヨークとが協働する場合、対称中心軸線を横切る非対称励起軸線についての揺動であってもよい。
図3Aは、一体型の永久磁石のマグネットヨーク40の斜視図である。一体型のマグネットヨーク40は、互いに対向する第一の磁極対41a,41bと、互いに対向する第二の磁極対42a,42bとを有している。空隙43,44がそれぞれの磁極対の磁極同士間に形成されている。U字状の流管47の管部46がこれらの空隙を貫通している。永久磁石45は、マグネットヨーク40の磁路に位置し、そのN極とS極が互いに逆向きで同じ強さの磁界B,B’を空隙43,44にそれぞれ形成するように位置づけられている。図3Aのアセンブリの正面図である図3Bに示されているように、与えられた電流Iの方向では、同じ大きさのローレンツ力F(後方向き)とF’(前方向き)が管部46に作用し、この力は管部46での電流の方向が逆になると逆になる。このトルク励起は、U字状の流管47の対称主軸線と一致する対称軸48について、流管47を往復回転運動(振動)させる。二つの空隙をもったトルク励起のための永久磁石のマグネットヨーク40は、力FとF’が同じ値で逆向きである。力同士が異なる値であると、理想的でないトルク励起が生ずる。両者が正確に同じである理想的な場合には、純粋なトルク(力のモーメント)が力Fと、力FとF’の間の距離との積として得られる。トルクベクトル(通常Tで表わされる)が図3Bにてマグネットヨーク40の対称軸48について生ずる。
本発明では、好ましい形態として、図1のごとく、一つあるいは複数の光学の位置センサ11a,11bが用いられる。この図1の装置では、位置センサは流管と非接触で協働するようにマグネットヨーク6,7,8,12の中央開口部に配されている。
図4Aは用いられている複数の光学の位置センサのうちの一つを示しており、これは、この場合、詳しくは、光学−電子式の位置センサ11aである。このセンサはU字状ハウジング51を有し、U字状をなす一方の脚部の内側に光源49(例えばLED)を、そしてU字状をなす他方の脚部の内側に光測定セル50(例えばフォトトランジスタ)を備えている。位置センサ11aは、U字状ハウジングの両脚部の間を管部52が移動できるような位置に配設されている。動作中、管部52は、光源49と光測定セル50との間で光路を大きくあるいは小さく遮る。流管が突出部(例えば、図21参照)を有している形態では、両脚部間でこの突出部が移動するものの、流管自体はハウジングから遠く離れていてもよい。
図4Bは、管部がその動きによって、光源49から光測定セル50へ向かう光ビーム53を大きく(符号52)あるいは小さく(符号52’)遮る様子を詳しく示している。光測定セル50は計測器により測定される信号u(V)を発する。
図5は二つの位置センサ11a,11bにより検出を行う様子を示している。本発明の一つのアスペクトによると、これらのセンサは、流管を回転させる方向で励起させるときの回転軸線が管部52(流管3)と交差する位置に関して、両側、好ましくは、対称的な両側に位置している。この交差する位置は回転中心Pで示されている。位置センサ11a,11bは、好ましくは、上記回転中心Pから短い距離だけ離れている。この距離は、励起の測定での寄与がコリオリ力の測定での寄与と同じオーダの大きさである程度となるように、十分に小さい。センサは、電圧により、時間(秒)の関数として管部の測定点についての(正弦波状)変位(mm)を測定する。
図6の上図は、流管内を流れ媒体が流れていないとき(流量ゼロ)の位置センサ11a,11bの出力信号を示しており、矢印Aで示される曲線は位置センサ11aの測定信号で、矢印Bで示される曲線は位置センサ11bの測定信号である。位相差は180°である。
図6の下図は流管内を流れ媒体が流れているときの様子を示している。位相差は180°よりも小さくなっている。回転中心Pが上記第一センサと第二センサの間で正確に中心にないときは、測定の結果が不正確になる。もし、第三センサが図5の二つのセンサの一方に隣接してこれらのセンサを結ぶ線上に位置して配されるならば、もっと正確な測定が可能である。回転中心のずれによる位置センサ11aと11bの間の位相差は第三センサからの測定信号により修正できる。流れがないときのこの位相差は、対称なセンサの配置の場合に、180°であるのに対し、センサが回転中心上にある極端な場合は、90°以上にはならない。三つのセンサが三つの測定値を提供するが、三つの未知の要素、すなわち、二つの、第一及び第二センサの異なる位相角と、第一そして第二センサの間の回転中心の位置が未知である。第三センサでの測定値は、回転中心の位置を決定するプロセス装置に用いられ、ここでは、第一そして第二センサの等位相角が第一そして第二センサの間の中央に位置する仮想回転中心位置のために決定される。
ここに説明される測定そして検出システムは増幅器を必要とせず、その結果、好ましくない位相ずれが生じなく、コリオリ型流量計に好適に用いられる。
図7は、コリオリ管60の変位の測定がどのようになされるかを理解されるように、光学位置センサ(光学センサ)55とコリオリ管60を概略的に示している。光学位置センサ55は、光源57(実際にはしばしば、すぐ前にレンズが配されたLEDが用いられる)と光検出器58(実際にはしばしば、フォトダイオードやフォトトランジスタが用いられる)とを有している。光源57は光ビーム59を発する。その光ビーム59は、できる限り多く、光検出器58に向けられている。光源57と光検出器58との間に配された流管60(あるいは流管に取り付けられた羽根等の部材)は光ビーム59の一部を遮断する。流管60が移動すると、光ビーム59の遮断部分の大きさが変化する。光検出器58は入射光の量に対応した電気信号を発する。これについては以下に説明する。
異なる方向への光源からの光の放射は、結果として反射によりその光が光検出器に達しなければ、光検出器による測定に支障はない。流管の位置に伴って変わる反射は特に乱れる。これを防止するためには、光ビームの周囲を反射しないようにすればよい。
図8は、流管60と、ここでは矩形状として示されている、高さpそして幅qの光ビーム61との組み合わせとして図7の流管60を示している。光ビーム61の斜線部分62は流管により遮断されている。矩形の光ビームは光源の前に矩形窓を配することにより得られる。最適な特性を得るためには、発光側と受光側とが同じ形状の窓を有していることが望ましく、その結果、柱状の部分光ビームが光検出器に受光される。このようにして、光ビームに平行な流管の移動はセンサでの受光量に影響をもたらさず、光ビームに直角な方向での移動のみが影響をもたらすようになる。特殊な矩形窓にすると、流管の位置に対して線型比例する量の光を得ることができるという利点がある。これは、矩形の側幅が流管の長手方向軸に平行であるとう前提である。矩形窓を有する実施形態では、移動方向における窓の寸法は流管(あるいは流管に取り付けられた突出部)の寸法よりも小さいことが望ましい。流管(あるいは流管に取り付けられた突出部)は、図8に示されるように、一方の側で光ビームに部分的に存在していることが好ましい。
発光側あるいは受光側のみにおける窓付の移動検出センサも、流管の変位量の関数として光量の変化を示す。この場合、しかし、直角方向での変位のみについての正確な測定はできない。
光検出器への入射光の量を電気信号へ変換する方法は次のごとくである。フォトトランジスタとして構成された光検出器は光にもとづく電流源として作動する。受光ビームの光子はフォトトランジスタの電子を放出させ、この電子が電流を生ずる。発生した電流Iの値は光学移動センサの出力として使用される。しかし、勿論、フォトトランジスタと共に直列に抵抗Rを接続することも可能であり、このときは、オームの法則にしたがい、V=IRとして抵抗における電圧Vとなる。
図9は光検出器における受光量とこの検出器で発生する電圧Vとの関係の特性曲線を示している。同図において、X,Y,Zは、位置Sの変化に伴う異なるレベルの電圧を示している。
実際には、フォトトランジスタは図9に示されているように非線形の特性を有している。流管が純粋な正弦波移動をしても、純粋でない正弦波の電圧を生ずる。これは、電圧の高次高周波ともみなせる。これが問題となるかどうかは、信号処理の方法によるが、高次高周波は原則としてフィルタにかけることができる。
必須とされることは、特性が単調に増加することであり、さもないと、センサが同じ電
圧を発生する位置が二つ存在してしまうこととなる。これは、窓の高さが流管の直径よりも大きく選定されたときに生ずる。これは、図10に見られるような信号Vをもたらし、ここでS1,S2,S3そしてS4は縦長(上下に長い)矩形窓65に関して流管の種々の異なる位置を示している。図10で見られるように、S1とS2との間の曲線の勾配は窪み部分となっており、異なる二つの位置S1とS2における電圧が同じとなってしまうので、このような特性曲線をもつセンサは不適である。また、検出器の特性によるが、例えば、S軸に平行な部分を有する特性曲線である場合も同様に不適である。
特定の応用分野では、窓の高さが移動体たる流管の直径よりの小さくあるべき、ということが問題となる。
例えば、
−流管が非常に薄く、高さの正確な調整を必要とするとき、
−ゼロ点が、例えば重力により、ずれてしまうとき、
−複数の流管位置センサが共通の支持部材(PCB)上に配されていて、これらが同時 に縦方向に調整されるとき、
である。
窓の高さが流管の直径よりも大きいことが許容されるような可能性を有する実施形態もある。そのときの必須な特性は窓がテーパ状の形をしているということである。図11はその最も簡単な実施形態としての三角形窓67を示している。
流管(あるいは、もし流管に突出部が設けられているときには突出部)が光ビーム70に対して上方移動するにつれて、光の遮断部分が単調に増加する。流管(あるいは、突出部)がその作動範囲で光ビームの高さ内に留まっていなければならないということに注意しなければならない。三角形窓67を用いての単調増加特性は図12の左半部に示されており、ここでは三角形窓を用いたときの特性が実線で示されている。三角形窓を用いた移動量カバー範囲R2は明らかに矩形窓を用いたときの移動量カバー範囲R1よりも大きい。
大きい移動量カバー範囲の有利な点は、
−高さ精度調整の必要性が低いこと
−ゼロ点シフトによる干渉が小さいこと
である。
不利な点は、
−光ビームが十分にカバーされることがないので分解度(電圧範囲)が低いこと
である。
電子回路(アナログ)で追加的測定を行なうことでこの不利な点を低く抑えることができる。すなわち、
−ゼロ点オフセットの電気的除去
−最大値の拡大
である。
窓の本質的な特質は、上述したごとく、幅がテーパ状であるということである。これは、図13でも明らかであり、h2>h1のときb2>b1を維持する。したがって三角形の側辺は直線である必要はなく、二等辺三角形である必要もない。又、テーパ形状を有している限り、角が三つ以上あってもよい。角が二つしかないほぼ半円形も可能である。
図14は可能な窓の形をaからgまでを示している。電圧対移動量の函数の特性はこのような形により影響される。ここで、流管の移動方向で、低部に一番狭い部分あるいは頂部に一番狭い部分をもつようにして、流管の移動の終端によって限定される作動範囲にお
いて、少なくともこの作動範囲で窓の形がテーパ状になっている、ということが重要である。
図15は縦方向脚部74と75そして連結脚部76で形成されるU字型ハウジングをもった光学位置センサ72の斜視図である。コリオリ流管77は縦方向脚部74と75の間の空間で、脚部と隙間をもって移動可能である。その移動において、一方の脚部に設けられた光源(図示せず)から発せられる光ビーム82の中を流管が通過する。他方の脚部に設けられた光センサで受光された光ビームは、この場合、縦方向脚部74の壁80における開口(窓)81と縦方向脚部75の壁78における開口79によって形状づけられる。開口79と81は同形であり、(静止せる)コリオリ流管77に対して同じ位置にある。開口79と81はテーパ形状(広い部分から狭い部分に向けて単調に変化している形状)となっている。
流管の移動の方向は二つの矢印で示されている。光学位置センサ72から若干離れた位置に、光学位置センサ72のハウジングと同様にU字状構成の光学位置センサ73が配置されている。又、コリオリ流管77が光学位置センサ73のハウジングの二つ脚部の間で延びている。光学位置センサ72と光学位置センサ73は、例えば、位相差を測定するために用いられることができ、この位相差から流管77の瞬時の位置が得られる。
図15のセンサ72の概要断面図である図16は光源83(例えばLED)と光検出器84を示している。光源83は開口81へ直接に光ビームを送っている。光ビームの光線は、一方から他方へ向け少なくとも実質的に平行である。これは、(同一の)レンズの焦点に点光源を配することにより達成される。しかし、通常のLEDは点光源とはならない。したがって、これらは、しばしば、非点光源からの光線について、より平行性をもたらす(集光)レンズが用いられる。検出面積が投影面積よりも小さい場合には、光検出器の側にもレンズが配置されるようにしてもよい。十分に大きい面積をもつ光センサならば、明らかに十分である。
図17は折曲線88と89とにより区分される三つの領域85,86,87を有する平板状の光検出器184を示している。領域90,91,92そして93が部分的に区分されている。三角形窓94,95,96そして97,98,99が、例えば打抜きで形成され、互いに所定距離をもって正確に二列に並んでいる。折曲線88と89で折曲すると、図18のような構成のものが得られる。これは、互いに隣り合う位置センサの三つのU字状ハウジングの脚部同士の間の空間に配置されるように作られており、光検出器184の三角形窓がセンサハウジングの脚部の開口と対向する。図18における三角形窓は、流管の移動の方向と平行な方向に高さをもつ縦型となっている。U字状センサハウジングの両脚部の開口は、通常矩形であり、三角形窓に対して水平もしくは好ましくは縦方向位置をとることもできる。一つの形態では、プレートにおける開口はセンサハウジングの壁における開口よりも小さい。折曲された領域90,91、そして92,93は三つのセンサ(図示せず)へのしっかりした取付けを可能とする。三角形窓96,99;95,98;そして94,97は同じ縦方向レベルで一つの線に位置し、その結果、三つのU字状センサハウジングをもつセンサユニットの配置後に、一線上での配置が最適になされる。
上述のような構造のようなものは、三つのセンサハウジングの場合に有利に用いられるのみならず、二つのセンサハウジングあるいは一つのセンサハウジングの場合でも用いられる。三角形開口の形は、応用技術分野によって適宜決められる。高さよりも幅の広い三角形開口はノイズの影響が少ない。幅よりも高さの方が大きい三角形開口はゼロ位置が安定する。
他の形態では、三角形開口が形成されたプレートがセンサハウジングの開口の前方もしくは後方に配置される。
図19は、光源102の前にレンズ103が配置されていて光ビーム106を形成するハウジング部分101と、光検出器105をもつハウジング部分104とを有するセンサ100付の光学センサを示している。光路上に配されて高さ方向で透過度が単調に変化する「フィルタ」107によって光ビームの高さにわたり透過度が単調に変化するように構成することができるようになる。コリオリ流管108は光ビーム106の中で振動可能に懸吊されている。一つの形態では、遊び状態で光ビームの縁に位置して懸吊される。換言すれば、フィルタは光ビームの高さ方向で光強度を単調に変化させる手段となる。
図20は高さhに対して透過度Tが単調に変化するフィルタ107の一例を示している。種々の原因の中で、主として非点光源であることによりそしてレンズの欠陥により散乱光109(図19)を生じる。これは、可能性のある反射を除けば、大して重大な問題ではない。フィルタは二つの(矩形)窓と組み合わされることなく用いることがでいる。目的が流管の方向での流管の変位に対する感度を最小に抑えることにあるならば、「用いられている」光ビームができるだけ多くの平行ビームを含むようにすることが好ましい。この目的のためには、既述のごとく、例えば、二つの(矩形で)同じ形状の窓が光路上で一致した位置に配されることができる。
[実施例]
「フィルタ」107について、二つの実施例を示す。
−高さhについて透過度Tが単調に変化する平坦なプレート、例えば、コーティング度 合が変化する塗料あるいはインクの層を有しているプレートである。その変形例とし ては、光の透過度の変化は、対向して配された二つの偏光フィルタの一方を直線偏光 そして他方を円偏光とすることによっても得られる。
−限定透過度をもつ材料(多くの場合、合成樹脂)で作られて底部から上部に向けて厚 みを減ずる楔状ブロック110である。光は楔状のブロック110で屈折する(図 21A)。これは、光源が角度(図21B)をもって配されること、あるいは同じ屈 折率をもつ透明ガラスの楔状ブロック111が追加して配されることにより、補償さ れる。
レーザダイオードはLEDよりもさらに優れた光源である。その理由は、高エネルギ密度で、より点光源に近いものを提供するからである。これは、レンズとの組合せにおいて、さらに良好な平行ビームを可能とする。焦点距離は長いほど良い。レーザダイオードとレンズとの組合せは、レーザポインタあるいはCDプレーヤのレーザと同様である。これはLEDと概ね大きさは同じである。
実用的な理由で、検出器の表面積はレンズ(主ビームと同じ)の面積と概ね同じであることが好ましい。これは、同時に、ビーム外での散乱光に対する感度を減ずる。
[変形例]
−上述のような原理のもとでの設定は、種々の変更が可能である。
−平行ビームを作る他の方法は、自動車に用いられる触媒のような、多数の小孔が形成 されたプレートをレンズに代えて用いることができる。ただし、これは光の損失を伴 う。
−他の方法としては、LED(あるいはレーザダイオード)の前にフィルタを配するの ではなく、検出器の面に角度をもった光源102を有するハウジング部分101を配 する(図22)ことにより、単調に光密度を増加させることができる。この目的に は、放射された光ビームの横部112だけが用いられ、光検出器105の方向に放射 された光の光強度は視野角に依存する。
−凹状放射面114をもつ楔状のブロック113を用いると、底部での低い透過のみな らず、屈折して、もっと大きい光傾斜をもつようになる(図23)。
図24は、開口116が形成され後方に光源(図示せず)が配されたU字状センサハウジング115の前面を示す図である。この光源は後方に光検出器(図示せず)が配された開口117へ光ビームを送る。この例において、羽根状の突出部120が流管119に取り付けられている。この突出部の他の形態としては流れのない中空管あるいは中実バーとすることもできる。突出部120は、流管119が移動したときに、開口117の少なくとも一部を上下に通過するように取り付けられる。突出部(羽根あるいは他の部材)120は、鑞付け、半田付け、接着等により流管119へ直接、あるいは一つもしくは複数のタグを用いて間接的に取り付けることができる。この側では、光源の側で、図24における流管119の中心に関して対称的に接線方向の突出部120が設けられている。もし、羽根、多くの場合、流管へ取り付けられた突出部が流管の検出側に取り付けられているようにすれば、実用的形態としては有利である。
他の変形例として、三角形羽根123が流管122の中心に対して対称に設けられた、図25のような管と羽根によって形成されることもできる。羽根123は、光ビームが流管122を決して見ることができない程十分に長くすることができる。短い羽根(質量の点では好ましいが)のときには、光ビーム118が管119を見ることができる。
図26は、三つのU字状センサハウジング115,115’そして115”をもつセンサユニットの斜視図である。各センサハウジングが図24におけるセンサハウジング115と同様に構成されており、流管119に接線方向の突出部120が、三つのセンサハウジングと共に、一体的に取り付けられている。他の形態では、流管は、例えば、一つあるいは二つのセンサハウジングと協働する(接線方向)羽根を有している。
図27Aは流管126と光ビーム125に対して移動する半径方向の二つの羽根127a,127bとを有するセンサハウジング124を示し、図27Bは流管130と光ビーム129に対して移動する一つの羽根131とを有するセンサハウジング128を示しており、一方、図28には、流管132に半径方向と接線方向との間に位置して取り付けられた羽根133をもった流管132が示されている。
図29は光ビーム135に対して移動する横方向羽根137を有する流管136とセンサハウジング134が示されている。ここで横方向羽根137はハウジングの上方で矢印の方向に上下移動する。
図30は、光ビーム141に対して移動する横羽根140を有する流管139とセンサハウジング138が示されている。流管139はセンサハウジング138の側面側で矢印の方向に上下移動する。
二つの固定テーパ窓(V窓)が同じ形で流管の直径よりも高さ寸法が大きい場合が上述されてきた。この場合の流管は影を形成した。この場合の利点は、縦方向位置範囲が増大するということであった。後者は、可能性の高い静的垂下の故に、薄い管に有効である。テーパ窓に代わる解決策は、突出部(羽根あるいはダミー管、さらには脚部)が取り付けられる部分を局部的に厚くした管を用いることである。その場合、振動と垂下を加味しても十分の高さをもつ通常の矩形窓が一番良い信号を発する。この信号は、位置に対して比例し、大きい光出力を出す。これは光ビームが突出部の縁にあるときに、正に当てはまる。
変形例としては、流管に取り付けられた羽根がテーパ状の開口を有しているものを用いることであり、その場合、該開口は二つの矩形な光透過開口で得られた光ビームの高さよりも高さ寸法が大きく、光ビームの全高さがテーパ開口内に在るようにする。
一つの例が図31に示されており、流管141は三つのセンサと協働する矩形羽根142が設けられている。矩形羽根142は各センサに対して三つの開口144a,144b,144cを有し、比較的狭い光ビーム143a,143b,143c(破線で示されている)と組み合わされる。
図32は流管145に取り付けられた接線方向羽根146の下端縁にまで延びて開口せる三角形開口148a,148b,148cを有している形態を示している。ここでは、センサの光ビームは147a,147b,147cで示されている。この羽根における三角形開口と比較的平らな光ビームとの組合せは、流管の縦方向位置範囲を大きくする。既述したような、流管に固定された突出部や三角形窓を有しない細い流管では、検出器に狭い影しか生じなかったが、この検出器の細い影がここでも描かれている。
図33は、三つのセンサの前に位置するように三角形開口150’,150”,150'''を有する半径方向羽根151が取り付けられた流管149の斜視図である。U字状のセンサ152が一つだけ用いられている。三角形開口から出てくる光ビームは半径方向羽根151に到達するビームよりも狭い。三角形(テーパ状)開口は、接線方向羽根(図31,32)や半径方向羽根(図33)に形成されることができるだけでなく、既述の横方向羽根、軸方向羽根、半径方向と接線方向の中間に位置する羽根等にも形成されることができる。羽根は一つのセンサに対しては一つの開口、二つのセンサに対しては図31から図33におけるごとく二つの開口、三つのセンサに対しては三つの開口を有することができる。
結論として、本発明はコリオリ型質量流量計に関し、この流量計は、流管と、光源及び該光源からの光を受ける光検出器が設けられた少なくとも一つの管位置センサと、流管を軸線に対して移動せしめる駆動手段とを有し、これらが上記光源と光検出器との間の光路に対しての流管の変位に対応して上記光検出器が信号を発するように配置されており、光源と光検出器は所定距離をもって互いに対向して位置しそして干渉空間によって離間されていて、該干渉空間で流管あるいは流管に取り付けられた突出部が上記光路で光源そして光検出器に対して非接触で移動可能となっていること、光源側に第一光透過開口を有する第一スクリーンが配されそして光検出器側に第二光透過開口を有する第二スクリーンが配されていること、第一光透過開口と第二光透過開口とが同じ形状で対向して位置していること、両光透過開口が互いに平行で光路上で一致して位置していることを特徴とする。
U字状流管を有するコリオリ型流量計の斜視図である。 機械的に閉じられてループ状を形成する流管であって、該流管の入口部と出口部によって可撓性をもって懸吊されている該流管を示している。 管部のトルク励起がどのように行なわれるかを示す、管部が通るための二つの窓隙をもつ永久磁石のマグネットヨークの斜視図である。 管部のトルク励起がどのように行なわれるかを示す、管部が通るための二つの窓隙をもつ永久磁石のマグネットヨークの正面図である。 図1の流量計に用いられる、光透過形式の光学センサの概要図である。 図1の流量計に用いられる、光透過形式の光学センサの概要図である。 二つの光学センサと流管の配置を示す図である。 流れがないときの測定時における図5のセンサの信号同士間に生ずる位相差を示す図を上図とし、流管に流れがあるときの信号の様子を示す図を下図とする説明図である。 コリオリ流管と光学位置センサの断面図である。 位置センサにより生ずる光ビームと図7のコリオリ流管を示す平面図である。 光学センサの検出移動量と電圧との関係を示す図である。 光ビームの高さが流管の直径よりも大きい場合における、光学センサの検出移動量と出力電圧との関係を示す図である。 コリオリ流管とテーパ状(三角形)断面の光ビームとを示す図である。 テーパ状(三角形)断面の光ビームが用いられたときの、光学センサの検出移動量と出力電圧との関係を示す図である。 テーパ状の光ビームの一形態を示す図である。 テーパ状の光ビームの他の各種形態を示す図である。 テーパ状の光ビームを生ずる一組の光学位置センサを示す斜視図である。 図15の位置センサの一つを示す断面図である。 三つの光学位置センサを形成するように、光ビームの形状を決める開口が設けられた、平坦なプレートを示す図である。 図17のプレートが二箇所で上方に向け折曲されたものを示す図である。 光透過度が増加あるいは減少するフィルタが光ビーム内に配されている光センサを示す図である。 高さの函数として図19のフィルタの透過度を示す図である。 楔状ブロックが光学センサと光ビーム内に配されている各種形態をA〜Cに示す。 光源に対して角度をもって配された光学センサを示す図である。 光学センサの光ビーム中に配された凹曲面をもつ楔状ブロックを示す図である。 対称的に接線方向羽根を有する流管と光学センサの組合せを示す正面図である。 接線方向羽根が非対称に設けられた流管を示す図である。 三つの光学センサのために一体的に形成された接線方向羽根をもつ流管の斜視図である。 半径方向羽根を有する流管の正面図で、異なる形態をA,Bに示す。 半径方向と接線方向の間に設けられた羽根を有する流管の正面図である。 横方向羽根を有する流管の正面図である。 図29に対し90°回転した位置に横方向羽根を有する流管と横方向羽根が移動できる光学センサとを示す斜視図である。 三つのセンサのために三つの開口が形成された接線方向羽根を有する流管の側面図である。 三つのセンサのために側縁まで延びて形成された三つの開口を有する接線方向羽根が設けられた流管の側面図である。 図31に示される形式であって、三つの開口を有する半径方向羽根を備える流管と、半径方向羽根が移動できるようになっている三つの光学センサのうちの一つを示す斜視図である。
符号の説明
1 コリオリ型流量計 117 開口
3 流管 118 光ビーム
11a 位置センサ 119 流管
11b 位置センサ 120 突出部
18 流管 122 流管
29 (光学)センサ 123 三角形羽根
30 (光学)センサ 124 センサハウジング
46 管部 125 光ビーム
47 流管 126 流管
49 光源 127a 羽根
50 光測定セル 127b 羽根
52 管部 129 光ビーム
53 光ビーム 130 流管
60 流管 131 羽根
61 光ビーム 132 流管
65 矩形窓 135 光ビーム
67 三角窓 136 流管
70 光ビーム 137 横方向羽根
72 光学位置センサ 139 流管
73 光学位置センサ 140 横羽根
74 縦方向脚部 141 光ビーム
75 縦方向脚部 142 矩形羽根
77 コリオリ流管 143a 光ビーム
79 開口 143b 光ビーム
81 開口 143c 光ビーム
82 光ビーム 144a 開口
83 光源 144b 開口
84 光検出器 144c 開口
94 三角形窓 145 流管
95 三角形窓 146 接線方向羽根
96 三角形窓 147a 光ビーム
97 三角形窓 147b 光ビーム
98 三角形窓 147c 光ビーム
99 三角形窓 148a 三角形開口
100 センサ 148b 三角形開口
102 光源 148c 三角形開口
105 光検出器 149 流管
106 光ビーム 150’ 三角形開口
107 フィルタ 150” 三角形開口
108 コリオリ流管 150''' 三角形開口
110 楔状ブロック 151 半径方向羽根
111 楔状ブロック 152 センサ
113 楔状ブロック 184 光検出器
116 開口

Claims (21)

  1. 流管と、光源及び該光源からの光を受ける光検出器が設けられた少なくとも一つの管位置センサと、流管を軸線に対して移動せしめる手段とを有し、上記光源と光検出器との間の光路に対しての流管の変位に対応して上記光検出器が信号を発するように上記流管、管位置センサ、駆動手段が配置されているコリオリ型質量流量計において、光源と光検出器は所定距離をもって互いに対向して位置しそして干渉空間によって離間されていて、該干渉空間で流管あるいは流管に取り付けられた突出部が上記光路で光源そして光検出器に対して非接触で移動可能となっていること、第一光透過開口を有する第一スクリーンが光源側に配されそして第二光透過開口を有する第二スクリーンが光検出器側に配されていること、第一光透過開口と第二光透過開口とが同じ形状で対向して位置していること、両光透過開口が互いに平行で光路上で一致して位置していることを特徴とするコリオリ型質量流量計。
  2. 少なくとも一つの管位置センサは互いに対向せる二つの脚部を備えるU字状ハウジングを有し、一方の脚部に光源が、そして他方の脚部に光検出器が配設されていることとする請求項1に記載のコリオリ型質量流量計。
  3. 第一と第二スクリーンがU字状ハウジングの脚部同士の対向壁により形成されていることとする請求項2に記載のコリオリ型質量流量計。
  4. 脚部同士の対向壁に開口が形成されていること、第一スクリーンが一方の脚部の壁での開口に対向した光透過開口を有して配置され、第二スクリーンが他方の脚部の壁での開口に対向した開口を有して配置されていることとする請求項2に記載のコリオリ型質量流量計。
  5. 第一そして第二スクリーンが、二つの脚部と連結リムを有するU字状構造の脚部に形成されていることとする請求項1又は請求項4に記載のコリオリ型質量流量計。
  6. 第一そして第二光透過開口が流管の移動方向に対して平行な矩形の一辺を有する矩形をなしていることとする請求項1に記載のコリオリ型質量流量計。
  7. 少なくとも一つの管位置センサは、流管の移動方向で連続せる、検出面の連続的部分域に、検出器の受光量を単調に変化させる手段を備えていることとする請求項1に記載のコリオリ型質量流量計。
  8. 第一そして第二光透過開口の大きさは、流管の移動方向を横切る方向で流管の移動方向から見て、広い部分から狭い部分へ単調に減小していることとする請求項1に記載のコリオリ型質量流量計。
  9. 第一そして第二スクリーンにおける第一そして第二光透過開口の大きさは、流管の移動方向を横切る方向で流管の移動方向から見て、広い部分から狭い部分へ単調に減小していることとする請求項4に記載のコリオリ型質量流量計。
  10. 流管の移動方向で単調に変化する透過度勾配をもったフィルタが光源と光検出器との間の光路に配されていることとする請求項1に記載のコリオリ型質量流量計。
  11. 上記手段が光源と光検出器との間の光路に配された光学楔状部材を有していることとする請求項7に記載のコリオリ型質量流量計。
  12. 流量計が第一そして第二位置センサを有し、各位置センサが干渉空間により離間配置されている光源と光検出器を有し、流管あるいは流管に取り付けられた突出部が上記干渉空間内を可動となっていること、上記第一そして第二位置センサが流管の動きの中心となる軸線の両側で互いに小さな距離をおいて配置されていることとする請求項1に記載のコリオリ型質量流量計。
  13. 流量計が第一、第二そして第三位置センサを有し、各位置センサが干渉空間により離間配置されている光源と光検出器を有し、流管あるいは流管に取り付けられた突出部が上記干渉空間内を可動となっていること、上記第一そして第二位置センサが流管の動きの中心となる軸線の両側で互いに小さな距離をおいて配置されていること、第三位置センサが第一そして第二位置センサと同一線上で第一そして第二位置センサの一方に隣接して配置されていることとする請求項1に記載のコリオリ型質量流量計。
  14. 各管センサは互いに対向せる二つの脚部を備えるU字状ハウジングを有し、一方の脚部に光源が、そして他方の脚部に光検出器が配設され、第一光透過開口を有する第一スクリーンが光源側に配されそして第二光透過開口を有する第二スクリーンが光検出器側に配されていること、すべての位置センサについて一体型U字状構造の脚部が対応位置センサのスクリーンが形成されていて、各位置センサの第一そして第二光透過開口の光軸が一致しそれぞれの独立の位置センサの光軸が互いに平行であることとする請求項12又は請求項13に記載のコリオリ型質量流量計。
  15. 流管が一つの面で機械的に閉じられたループを形成し、両端がループの中心を通るようにて屈曲されていて、ループの両端が弾性懸吊部となっていることとする請求項1に記載のコリオリ型質量流量計。
  16. 流量計は、流管の移動のために該流管に力あるいはトルクを非接触で励起する手段を有していることとする請求項1に記載のコリオリ型質量流量計。
  17. 突出部が流管の壁に取り付けられており、流管が光路外で移動したときに、上記突出部が光路内で移動可能となっていることとする請求項1に記載のコリオリ型質量流量計。
  18. 突出部が流管の壁に取り付けられており、流管が光路外で移動したときに、上記突出部が第一そして第二位置センサの光路内で移動可能となっていることとする請求項12に記載のコリオリ型質量流量計。
  19. 突出部が流管の壁に取り付けられており、流管が光路外で移動したときに、上記突出部が第一、第二そして第三位置センサの光路内で移動可能となっていることとする請求項13に記載のコリオリ型質量流量計。
  20. 突出部に少なくとも一つの窓部が形成されており、流管の移動方向に見たときに、流管の移動方向を横切る方向での該窓部の大きさが広い部分から狭い部分へ減小していることとする請求項17、請求項18そして請求項19のうちの一つに記載のコリオリ型質量流量計。
  21. 突出部が流管に対し接線方向に設けられていることとする請求項17、請求項18、請求項19そして請求項20のうちの一つに記載のコリオリ型質量流量計。
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