JP2009300462A - コリオリ質量流量センサ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】フレキシブルフローチューブと、前記フローチューブを変位させるために第1及び第2の圧電ユニモルフを含む駆動装置とを有し、前記駆動装置が、複数のアームを画定するフラット渦巻ばねと、複数の圧電素子とを有し、更に、第1及び第2のピックオフセンサを含み、前記フローチューブを通過する物質のフローによって確立されるコリオリの力が、前記第1及び第2のピックオフセンサによって出力される信号間の位相ずれを生じさせることを特徴とするコリオリ質量流量センサ。
【選択図】図27
Description
本発明は上記の事情に鑑みて成されたものであり、その目的は、質量流量計測の感度が向上するようにチューブ変位の測定方法を改善したコリオリ質量流量計測装置を提供することにある。
また好ましくは、前記駆動装置が、前記フローチューブを円振動で変位させることを特徴とする。
また好ましくは、隣接する圧電装置と互いに120°位相が異なる正弦波信号によって前記各圧電スタックが駆動されるように、前記圧電装置が各々電源に接続されることを特徴とする。
本発明の或る側面において、コリオリ質量流量センサは、フローチューブと、フローチューブの第1の側面に隣接して配置された光源と、フローチューブの第2の側面に隣接して配置された光検出器と、フローチューブを振動させるための、フローチューブに関連して運転可能に配置された駆動装置を有し、フローチューブが光源と光検出器の間で画定された経路を通って運動するようにしている。或る実施例では光源は赤外線を放射し、例えば赤外線フォトダイオードと共に用いられる赤外線LEDを放射する。
2.「振動数」− 測定される物質の相対密度に関連するセンサチューブの共振振動数。
3.「温度」− センサチューブの温度を決定するためのRTDが測定される。
アプリケーション・制御システムBでは、較正定数と併せて「ΔT」が用いられ、ユーザ5への所望の質量流量が示される。アプリケーション・制御システムBではまた、較正定数と併せて「振動数」が用いられ、ユーザ5への所望の密度、体積或いはその両方が示される。「温度」は、質量流量計算及び密度計算の両方を補正するために用いられる。アプリケーション・制御システムBは、ユーザの設定値入力に照らして質量流量または体積流量の単位出力を用い、フローを所望の設定値に調整するようなバルブ6を制御する。
図1(b)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。
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。
米国特許第5,555,190号は本出願の譲受人に譲渡されたものであり、本明細書中で開示しているコリオリ質量流量装置と関連して開示されたチューブのような振動センサチューブの振動数と位相の関係を決定するためのデジタル信号処理方法及び装置について開示している。米国特許第5,555,190号全体の引用を以って本明細書の一部となす。
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。
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。ロックイン増幅器は、ハードウエア、ソフトウエア、または両者の組合せによって実現される。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。信号は図6に示されている回路におけるものと同様の方法で伝わり、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の信号及びその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。
PSD106の下部では、次のようになる。
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振動数が除去される。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。参照振動数と対象信号(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。
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。
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。
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。
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。
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。
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17(b)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。
センサピックオフ・駆動回路524のDSP PCB430及び関連する電子部品は、左及び右センサチューブ出力521、522を、センサチューブ502の左側と右側間の実際の位相差を表す数値に変換する。この位相差は質量流量を表す。
再び図20を参照されたい。光学駆動PCB540は、光学検出PCB520の左出力521及び右出力522を減衰し、AC結合させると同時に、駆動信号出力の位相を90°ずらすように機能する。更に、光学駆動PCB540は、RTD542とマザーボードPCB526上のセンサピックオフ・駆動回路524との電気接続を与える。
信号フローについて考察することによって、光学駆動PCB540の目的が更に分類され、センサチューブ502が共振振動数でどのように駆動されるかが説明される。センサチューブ502の運動は、光学検出PCB520によって2つの正弦波(左出力521及び右出力522)を生成する。これらの信号は、光学駆動PCB540へ送られ、そこでDCオフセットを除去するためにAC結合され、マザーボードPCB526上のセンサピックオフ・駆動回路524のステレオA/D変換器550の入力に適した振幅まで減衰されて振幅を減らされる。
センサ708は圧電抵抗器であり、センサチューブ704の両側に取り付けられた各シリコンアーム710の底部にあるホイートストンブリッジに実装されている。センサ708は事実上歪みゲージであり、シリコンアーム710の曲げによって誘導される歪みを測定する。第1のホイートストンブリッジ720を図26(a)に示す。ホイートストンブリッジ720は、各アーム710の底部に実装されている。ホイートストンブリッジ720は通常シリコンでも実装されており、シリコンフレーム702に付着させたか或いは埋め込んだものである。ホイートストンブリッジ720は、4つのブリッジ抵抗器R1、R2、R3、R4を有し、このうちR1及びR4は可変圧電抵抗器である。ホイートストンブリッジ720は、励起供給接続Vsと、シングルリターンGNDと、センサ出力信号接続−Vout及び+Voutを更に有する。
逆側は、センサ456として作用する圧電抵抗層または圧電層のいずれかを取り付けることができる。同期に始動される1組のユニモルフ454は、共振モードにおいてチューブを駆動する。フローはチューブ452を通って確立されるので、コリオリの力は圧電センサ456上で相対歪みをシフトさせ、出力信号中に位相ずれを生成する。
2、16、134、206、452、502、602、704 チューブ
3、10、20、30、40、208、454 駆動装置
4、50 変位ゲージ
5 ユーザ
6、236 バルブ
12 電磁石
14、304、460、514、604 磁石
18 基礎
19、246 孔
22 帯電板
24 絶縁板
32 スピーカ
42 圧電スタック
52、54、114 増幅器
100、102、103、104、110、112、150、521、522、570、572、574、582、584、590 信号
106 位相検出器
108、148 低域フィルタ
120 処理装置
130 板
132 ギャップ
136 運動方向
144 参照振動数発生装置
200 コリオリ質量流量コントローラ
202、600 フローセンサ部分
204 フロー制御部分
205 ケーシング
207 センサケーシング
208、210 ピックオフセンサ
212 基礎部分
214 フロー入口
216 フロー出口
222 メータ本体
224、225 端受
226 シール
228、306、462、513、616 コイル
230 コイルカバー
232 バルブ軸
234 プランジャ
238 シール
240 弁座
242、474、475 ばね
244、250 オリフィス
252 バルブ
254 漏れ経路
256 ねじ山
258 締りばめ
300 導電板
301 センサブロック
302、330 プレスピン
303、430、520、526、530、540、560、610 プリント回路板
310 ベースプレート
312 中柱
320 気密封止コネクタ
324、614 カバー
332、334 Oリング
336、337 電気部品キャップ
338 ユーザインターフェースコネクタ
340 ユーザインターフェースボード
342 コネクタ
400 装置
450、451 ストレートチューブフローセンサ
454、472 ユニモルフ
456、708 センサ
470、471 傾斜型アクチュエータ
476、710 アーム
478 外部環状構造
510、606 光源(LED)
512、608 光検出器(フォトダイオード)
524 センサピックオフ・駆動回路
528 アプリケーション・制御回路
532 DSP処理装置
534、564 フラッシュEEPROM
536、566 高速SRAM
538、568 論理・監視回路
542 RTD
550 ステレオA/D変換器
552 RTD A/D変換器
554 乗算D/A変換器
562 マイクロコントローラ
576、588、592 電圧
580 HARTインターフェース
586 電流
612 ハウジング
702 フレーム
706 クランプ
720、722 ホイートストンブリッジ
A コリオリセンサピックアップ・駆動システム
B アプリケーション・制御システム
Claims (8)
- コリオリ質量流量センサであって、
概ね線形のフロー経路を画定するような、第1及び第2の端部を有するフレキシブルフローチューブと、
前記フローチューブを変位させるために前記フローチューブの前記第1及び第2の端部に各々接続された第1及び第2の圧電ユニモルフを含む駆動装置とを有し、
前記駆動装置が、複数のアームを画定するフラット渦巻ばねと、複数の圧電素子とを有し、前記各アームに前記圧電装置のうちの1つが取り付けられ、
更に、前記フローチューブの前記第1及び第2の端部に各々設置された、前記フローチューブの動きに応じて信号を出力する第1及び第2のピックオフセンサを含み、
前記フローチューブを通過する物質のフローによって確立されるコリオリの力が、前記第1及び第2のピックオフセンサによって出力される信号間の位相ずれを生じさせることを特徴とするコリオリ質量流量センサ。 - 前記駆動装置が、前記フローチューブを垂直偏波モードで変位させ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。
- 前記駆動装置が、前記フローチューブを円振動で変位させ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。
- コリオリ質量流量センサであって、
概ね線形のフロー経路を画定するような、第1及び第2の端部を有するフレキシブルフローチューブと、
前記フローチューブを円偏波モードで変位させるために前記フレキシブルフローチューブの第1及び第2の端部に各々接続された第1及び第2の圧電ユニモルフを含む駆動装置と、
前記フローチューブの前記第1及び第2の端部に各々設置された、前記フローチューブの動きに応じて信号を出力する第1及び第2のピックオフセンサとを有し、
前記フローチューブを通過する物質のフローによって確立されるコリオリの力が、前記第1及び第2のピックオフセンサによって出力される信号間の位相ずれを生じさせることを特徴とするコリオリ質量流量センサ。 - 前記駆動装置が、
複数のアームを画定するフラット渦巻ばねと、
複数の圧電装置とを有し、
前記各アームに前記圧電装置のうちの1つが取り付けられていることを特徴とする請求項4に記載のコリオリ質量流量センサ。 - 前記複数のアームが、3本のアームを含む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。
- 隣接する圧電装置と互いに120°位相が異なる正弦波信号によって前記各圧電スタックが駆動されるように、前記圧電装置が各々電源に接続されることを特徴とする請求項6に記載のコリオリ質量流量センサ。
- 前記複数のアームが、4本のアームを含む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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