JP2012529651A - 振動式フローメーター用のバランスシステム - Google Patents

Abstract

本発明によれば、振動式フローメーターおよび当該振動式フローメーターを動作させる方法が提供されている。振動式フローメーターは、導管（２１０）と、少なくとも１つのピックオフ（２３０，２３１）と、被駆動部材（２５０）と、少なくとも１つのドライバー（２２０）と、ベース（２６０）とを備えている。導管（２１０）は流体流路を形成している。少なくとも１つのピックオフ（２３０，２３１）は導管の運動を測定する。少なくとも１のドライバー（２２０）は、導管（２１０）および被駆動部材（２５０）を互いに逆位相で振動させる。ベース（２６０）は、導管（２１０）および被駆動部材（２５０）と結合され、導管（２１０）および被駆動部材（２５０）の運動のバランスを取るため、実質的に静止状態、導管と実質的に同位相で運動する状態、または被駆動部材（２５０）と実質的に同位相で運動する状態の間で切り替わるように構成されている。

Description

本発明は、振動式フローメーター用のバランスシステムに関するものである。

たとえばデンシトメーターおよびコリオリフローメーターの如き振動式フローメーターは、密度、質量流量、体積流量、総合質量流量、温度、他の情報などの如き流動物質の特性を測定するために用いられている。振動式フローメーターは、１つ以上の導管を備えている。１つ以上の導管は、たとえば直線形状、Ｕ字形状または異形形状の如きさまざまな形状を有することが可能である。

１つ以上の導管は、たとえば単純曲げモード、ねじれモード、ラジアルモードおよび結合モードを含む一組の固有の振動モードを有している。また、１つ以上の導管は、流動物質の特性を求めるために、これらのモードのうちの一つのモードで、少なくとも１つのドライバーにより共振周波数で振動される。１つ以上のメーター電子機器は、正弦波ドライバー信号を少なくとも１つのドライバーへ送信するようになっている。このドライバーは、通常マグネット／コイルを組み合わせたものであり、マグネットは導管に固定され、コイルは取付け構造体または他の導管に固定されている。ドライバー信号により、ドライバーがドライブモードでかつドライブ周波数で１つ以上の導管を振動させる。たとえば、ドライバー信号はコイルに送信される周期的な電流であってもよい。

少なくとも一つのピックオフが、導管の振動を検出し、振動する導管の運動を表す正弦波ピックオフ信号を生成する。通常、ピックオフはマグネット／コイルを組み合わせたものである。通常、このマグネットは導管に固定され、コイルは取付け構造体または他の導管に固定されている。ピックオフ信号は、１つ以上の電子機器へ送信される。１つ以上の電子機器は、周知の原理に従って、流動物質の特性を求めるためにまたは必要ならばドライバー信号を調節するために、これらのピックオフ信号を用いてもよい。

通常、振動式フローメーターには、本来的にバランスのとれたシステムを形成するために、互いに反対方向に振動する２つの振動導管が設けられている。したがって、各導管からの振動は、接続される構造体に振動力またはトルク力が伝達されるのを防止するように互いに相殺しあう。同様に、２つの振動する導管が用いられる場合、取付け構造体の振動はフローメーター内で相殺される。というのは、通常ピックオフはフローチューブ間の相対運動しか測定せず、また、外部から誘発される振動は両方のチューブを等しく振動させる傾向があるからである。しかしながら、圧力降下または詰まりなどの問題によりデュアル（２重）導管型が望ましくないような用途も存在する。このような状況では、シングル（単一）導管型が望ましい場合もある。

しかしながら、シングル導管型システムが望ましいかもしれないが、シングル導管型システムには固有のインバランス（不均衡）問題が存在する。この問題を解決する試みは、たとえばダミーチューブまたはバランス棒を含むバランス構造体およびこのバランス構造体の運動を用いてシステムのバランスを取ることが必要となる。しかしながら、チューブ内の流体を含むチューブの総質量は、チューブ内の流体の密度が変わるにしたがって変わっていくため、これらの技術は、それ自体では、インバランス問題をなくす上で限られた成功しかおさめていない。

図１には、従来のシングル導管型振動式フローメーターが示されている。図示されているように、このフローメーターはバランス棒１０２を取り囲むケース１０３を備えている。バランス棒１０２は、シリンダ形状であり、導管１０１を取り囲んでいる。ケース１０３は、ネックエレメント１０５よって入力フランジ１０６および出力フランジ１０６に結合されている端部エレメント１０４を有している。エレメント１０７はフローメーターへの入力部であり、エレメント１０８は出力部である。導管１０１は入力端部１０９を有しており、この入力端部１０９は、ケース端部１０４のブレースバー部分であるエレメント１１２においてケース端部１０４の開口部に接続されている。ブレースバー部分１１２はネックエレメント１０５と結合されている。また右側では、ケース端部１０４がネックエレメント１０５に接合されている位置１１２において、導管１０１の出力端部１１０がケース端部１０４と結合されている。

使用時、導管１０１とバランス棒１０２とはドライバー（図示せず）により互いに逆位相で振動される。物質が流れている場合、この具体例に記載の導管１０１が振動すると、導管１０１内にコリオリ応答を誘発し、この応答は、ピックオフセンサーによって検出される。ピックオフセンサー間の位相変位は、流動物質に関する情報を表わしている。速度センサーの信号出力は、メーター電子機器回路に加えられ、このメーター電子機器回路は、信号を処理し、たとえば質量流量、密度、粘度などの如き流動物質に関する所望の情報を導出するようになっている。

振動式フローメーターは、異なる密度、温度および粘度の物質を含む広範囲の動作条件にわたって正確な情報を提供することが必要である。このことを達成するため、フローメーターはさまざまな状態で安定して動作することが望ましい。このような安定性を達成するために、フローメーターの振動を導管およびバランスシステムに特定化（制限）することが望ましい。というのは、振動システムの外部からの振動は、それがフローメーターの振動によって引き起こされたものであろうとまたはポンプの如き他のソースからのものであろうと、流動物質のフロー特性を求めるために用いられるコリオリ加速度以外にさらなる加速度を流動物質に与えてしまうからである。外部振動は、導管の有効長さを特徴づけるノード（運動を受けない領域）の位置も変えてしまう。このような影響は、補償することが難しく、メーターが接続されている構造体の剛性の如き不可知のパラメーターに依存する。したがって、不必要な振動は、流動物質に関する正確な出力情報を提供するフローメーターの能力の妨げとなる。

図１に記載のフローメーターの場合、振動システムは、互いに逆位相で振動するバランス棒１０２および導管１０１を備えている。これらの２つのエレメントは動的にバランスの取れたシステムを構成しており、このシステムでは、バランス棒の端部１１１および導管１０１の端部１０９、１１０がケース端部１０４のブレースバー部分１１２によって結合されている。このことは望ましいことではない。というのは、さまざまな密度の物質の処理により、ケースおよびフランジの振動が引き起こされてしまう恐れがあるからである。ケース１０３およびフランジ１０６の振動振幅が、メーターを取り付ける構造体の剛性に依存しているので、未知の大きさの誤差が流量測定値に生じることがある。

流体の密度の変化に起因するインバランス問題を解決する従来の良好な試みには、カウンタバランス構造体の振動振幅に対する導管の振動振幅の比を調節することが含まれる。換言すれば、バランスを取る対象は運動量であり、運動量は質量と速度との積であり、速度は振動振幅に比例する。たとえば導管（内部に流体を有している）の質量およびカウンタバランス構造体の質量が最初は等しく、その後、導管の質量が２倍になった場合（たとえば、導管内の流体の密度が上昇した結果）、導管の振動振幅を半分だけ小さくすると、導管／カウンタバランスシステムのバランスが戻る。実際問題として、カウンタバランス構造体と導管とを含む組み合わせ（総合）振幅をメーター電子機器によって制御することができる。したがって、導管の振動振幅を僅かに小さくし、バランス構造体の振動振幅を、上述の具体例の場合、導管の振動振幅に対するカウンタバランスの振動振幅の比が２：１となるまである程度大きくするようにしてもよい。

従来の方法における振動振幅の調節は、結果的に振動構造体の軸線に沿って存在する静止ノードの再配置となるという重大な欠点を有している。フローメーターにおいて、ノードの再配置は問題である。というのは、ノードは、導管における、バランス構造体が当該導管に接合される部分に通常位置するからである。したがって、これらのノード間の領域により通常導管の有効長さが規定される。この有効長さは測定感度に影響を与える。さらに、ノードが再配置されると、チューブの端部が振動し、このことによりフランジが振動するようになる。これらの望まれない振動はさらに測定感度に影響を与えてしまう恐れがある。

振幅比を変更する従来の方法は、振動構造体（導管、バランス棒および接続構造）を高柔軟性を有する取付け部材（ソフトマウント）を用いて隔離することである。空間で隔離されている振動構造体は常にバランスが取られているという考え方である。たとえば、バネが空間内で２つの等しい質量を有する対象物を結合して互いに逆位相で振動させる場合、これらの対象物は等しい振幅で振動し、バネは、これらの対象物と対象物との間の中間点に静止ノードを有する。一方の対象物の質量を増やし、二つの対象物が再び振動させられると、質量を増やした対象物の振動振幅は自動的に減少し、他方の対象物の振動振幅は自動的に増大して運動量のバランスが保たれ維持される。しかしながら、結果として、バネのノードの新しい位置は大きな質量を有する対象物のより近くに再配置されることになる。振動式フローメーターの振動構造体も同様であり、ノードの再配置が問題となる。

本発明は、振動式フローメーター用のバランスシステムに関する。

本発明の技術範囲は、添付の特許請求の範囲のみにより規定され、この課題を解決するための手段の内容によりいかなる程度であっても影響されることはない。

本発明の１つの実施形態によれば、振動式フローメーターは、流体流路を形成する導管と、導管の運動を測定する少なくとも１つのピックオフと、被駆動部材と、導管および被駆動部材を互いに逆位相で振動させる少なくとも１つのドライバーと、導管および被駆動部材と結合されているベースとを備えており、このベースが、導管および被駆動部材の運動のバランスを取るために、実質的に静止状態、導管と実質的に同位相で運動する状態、または被駆動部材と実質的に同位相で運動する状態の間で切り替わるように構成されている。

本発明の他の態様によれば、振動式フローメーターを作動する方法は、流動物質を受ける流路を形成する導管を提供するステップと、導管の運動を測定する少なくとも１つのピックオフを提供するステップと、被駆動部材を提供するステップと、導管および被駆動部材を互いに逆位相で振動させる少なくとも１つのドライバーを提供するステップと、導管および被駆動部材と結合されているベースを提供するステップと、導管および被駆動部材の運動のバランスを取るために、ベースを、実質的に静止状態、導管と実質的に同位相で運動する状態、または被駆動部材と実質的に同位相で運動する状態の間で切り替えるステップとを有している。
態様
本発明の１つの態様によれば、振動式フローメーターは、流体流路を形成する導管と、導管の運動を測定する少なくとも１つのピックオフと、被駆動部材と、導管および被駆動部材を互いに逆位相で振動させる少なくとも１つのドライバーと、導管および被駆動部材と結合されているベースとを備えており、ベースが、導管および被駆動部材の運動のバランスを取るために、実質的に静止状態、導管と実質的に同位相で運動する状態、または被駆動部材と実質的に同位相で運動する状態の間で切り替わるように構成されている。

好ましくは、被駆動部材は、ベースに対しておおむね直角に延びるカンチレバーアームである。

好ましくは、ベースは、一対のコネクターを通じて、導管の端部と結合されている。

好ましくは、ベースは、被駆動部材の質量よりも少なくとも５倍の質量を有する。

好ましくは、ベースは、導管の質量よりも少なくとも３倍大きいベースである。

好ましくは、少なくとも１つのピックオフは、ベースから延びている少なくとも１つのピックオフアームに設けられている。

好ましくは、振動式フローメーターは、ケースと、導管と結合されている第一の部分およびケースと結合されている第二の部分を有しているケースコネクトとをさらに備えている。

好ましくは、振動式フローメーターは、ケースと、導管と結合されている第一の部分およびケースと結合されている第二の部分を有しているケースコネクトと、ベースを導管の端部と結合する一対のコネクターと、導管と結合されている一対のフランジとを備えており、ケースコネクトが、導管における、フランジとコネクターとの間に位置する部分を支える唯一の構造体である。

好ましくは、振動式フローメーターは、ケースと、導管と結合されている第一の部分およびケースと結合されている第二の部分を有しているケースコネクトと、ベースを導管の両端部と結合する一対のコネクターと、導管と結合されている一対のフランジとを備えており、ケースコネクトは、導管における、フランジとコネクターとの間に位置する部分を支える唯一の構造体であり、端部は、コネクターとフランジとの間に延設され、フランジに加えられるトルクを削減するような長さを有している。

本発明の他の態様によれば、フローメーター作動させる方法は、流動物質を受ける流路を形成する導管の提供するステップと、導管の運動を測定する少なくとも１つのピックオフを提供するステップと、 被駆動部材を提供するステップと、導管および被駆動部材を互いに逆位相で振動させる少なくとも１つのドライバーを提供するステップと、導管および被駆動部材と結合されるベースを提供するステップと、導管および被駆動部材の運動のバランスを取るために、ベースを、実質的に静止状態、導管と実質的に同位相で運動する状態、または被駆動部材と実質的に同位相で運動する状態の間で切り替えるステップとを有している。

好ましくは、ベースは、流動物質の密度に応じて、導管と同位相で運動する状態、被駆動部材と同位相で運動する状態との間で切り替わる。

好ましくは、ベースは、流動物質が第一の比重を有している場合、実質的に静止状態であり、流動物質が、第一の比重よりも大きな第二の比重を有している場合、被駆動部材と同位相で運動し、流動物質の第一の比重未満である第三の比重を有している場合、導管と同位相で運動する。

好ましくは、流動物質が１０００ｋｇ／ｍ^３に実質的に等しい比重を有している場合、ベースは実質的に静止状態である。

好ましくは、導管が実質的に空である場合、ベースは実質的に静止状態である。

好ましくは、流動物質が１０００ｋｇ／ｍ^３を超える比重を有している場合、ベースは、被駆動部材と同位相で運動する。

好ましくは、流動物質が１０００ｋｇ／ｍ^３未満の比重を有している場合、ベースは、導管と同位相で運動する。

好ましくは、被駆動部材は、ベースに対しておおむね直角に延びているカンチレバーアームである。

好ましくは、ベースは、一対のコネクターを通じて、導管の端部と結合されている。

好ましくは、ベースは、被駆動部材の質量よりも少なくとも５倍大きな質量を有している。

好ましくは、ベースは、導管の質量よりも少なくとも３倍大きなベースである。

好ましくは、少なくとも１つのピックオフは、少なくとも１つのピックオフアームに設けられている。

好ましくは、かかる方法は、ケースを提供するステップと、導管と結合されている第一の部分およびケースと結合されている第二の部分を有しているケースコネクトを提供するステップとをさらに有している。

好ましくは、かかる方法は、ケースを提供するステップと、導管と結合されている第一の部分およびケースと結合されている第二の部分を有しているケースコネクトを提供するステップと、ベースを導管の端部と結合する一対のコネクターを提供するステップと、導管と結合されている一対のフランジを提供するステップとを有しており、ケースコネクトは、フランジとコネクターとの間に位置する唯一の構造体である。

好ましくは、かかる方法は、ケースを提供するステップと、導管と結合されている第一の部分およびケースと結合されている第二の部分を有しているケースコネクトを提供するステップと、ベースを導管の端部と結合する一対のコネクターを提供するステップと、導管と結合されている一対のフランジを提供するステップとを有しており、ケースコネクトは、フランジとコネクターとの間に位置する唯一の構造体であり、端部は、コネクターとフランジとの間に延設され、フランジに加えられるトルクを削減するような長さを有している。

従来のシングル導管型振動式フローメーターを示す図である。 本発明のある実施形態にかかる振動式フローメーターを示す図である。 本発明のある実施形態にかかる振動式フローメーターを示す図である。 本発明のある実施形態にかかる振動式フローメーターを示す図である。 本発明のある実施形態にかかる振動式フローメーターを示す図である。

図２〜図５および下記の記載には、本発明を最良のモードで実施および使用するための方法を当業者に教示するための具体的な実施形態が示されている。本発明の原理を教示するために、従来技術の一部が単純化または省略されている。当業者にとって明らかなように、これらの実施形態の変形例もまた本発明の技術範囲内に含まれる。また、当業者にとって明らかなように、下記の記載の構成要素をさまざまな方法で組み合わせて本発明の複数の変形例を形成することもできる。したがって、本発明は、下記に記載の特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲およびその均等物によってのみ限定されるものである。

図２〜図５には、センサー組立体２０６と、バランス構造体２０８とを有しているコリオリ流量計の形態をとる振動式フローメーター２０５の一例が示されている。１つ以上の電子機器２０７は、リード線１１０、１１１、１１１’を介して、センサー組立体２０６へ接続され、たとえば密度、質量流量、体積流量、総合質量流量、温度および他の情報の如き流動物質の特性を測定するようになっている。メーター電子機器２０７は、リード線２６を介して、ユーザーまたは他のプロセッサーに情報を送信することができる。

センサー組立体２０６は、流動物質を受け入れるための流路を形成する導管２１０を有している。図示されているように、導管２１０は、湾曲していてもよいし、または直線形状もしくは異形形状の如き他の形状を有していてもよい。流動物質を運んでいる配管の中にセンサー組立体２０６が挿入されると、物質は、流入口フランジ（図示せず）からセンサー組立体２０６の中に流入し、次いで、導管２１０を流れ、この導管において、流動物質の特性が測定される。この後、流動物質は、導管２１０から流出し、流出口フランジ（図示せず）を通り抜ける。当業者にとって明らかなように、さまざまな適切な手段を介して、図１に示されているフランジ１０６の如きフランジに導管２１０を接続することができる。本実施形態では、導管２１０には、おおむねコネクター２７０、２７１から延出し、外側末端部でフランジに接続される端部２１１、２１２が設けられている。

本実施形態にかかるセンサー組立体２０６は少なくとも１つのドライバー２２０を備えている。このドライバー２２０は、バランス構造体２０８の被駆動部材２５０に接続されている第一の部分２２０Ａと、導管２１０に接続されている第二の部分２２０Ｂとを有している。第一の部分２２０Ａおよび第二の部分２２０Ｂは、それぞれ、たとえばドライブコイルおよびドライブマグネットに相当しうる。本実施形態では、ドライバー２２０は被駆動部材２５０および導管２１０を互いに逆位相で振動させることが好ましい。図３に示されているように、被駆動部材２５０および導管２１０は、コネクター２７０、２７１により部分的に規定される曲げ軸線を中心として振動されることが好ましい。本発明のある実施形態によれば、曲げ軸線Ｘは、流入口−流出口チューブ軸線に相当する。被駆動部材２５０は、ベース２６０から曲がるので、固定した曲げ軸線を有していない。ドライバー２２０は、限定するわけではないがたとえば圧電素子構成または電磁気コイル／マグネット構成を含む複数の周知の構成うちの１つを有しうる。

図２に示されているように、センサー組立体２０６は、少なくとも１つのピックオフを有している。本実施形態では、センサー組立体２０６には一対のピックオフ２３０、２３１が設けられていることが示されている。本実施形態の１つの態様によれば、ピックオフ２３０、２３１は導管２１０の運動を測定するものである。本実施形態では、ピックオフ２３０、２３１は、それぞれ対応するピックオフアーム２８０、２８１に位置する第一の部分と、導管２１０に位置する第二の部分とを有している。ピックオフは、限定するわけではないがたとえば圧電素子構成、容量素子構成または電磁気コイル／マグネット構成を含む複数の周知の構成のうちの１つの構成であってもよい。したがって、ドライバー２２０のように、ピックオフの第一の部分がピックオフコイルであり、ピックオフの第二の部分がピックオフマグネットであってもよい。当業者にとって明らかなように、導管２１０の運動は、導管２１０を流れる物質のたとえば質量流量または密度を含む流動物質のなんらかの特性に関連している。

当業者にとって明らかなように、一つ以上の電子機器２０７は、ピックオフ２３０、２３１からピックオフ信号を受信し、ドライバー２２０にドライブ信号を送信するようになしてある。一つ以上の電子機器２０７は、たとえば密度、質量流量、体積流量、総合質量流量、温度および他の情報の如き流動物質の特性を測定することができる。また、１つ以上の電子機器２０７は、たとえば１つ以上の温度センサー（図示せず）および１つ以上の圧力センサー（図示せず）から１つ以上の他の信号を受信し、この情報を用いて流動物質の特性を測定するようになしてあってもよい。当業者にとって明らかなように、センサーの数およびタイプは測定される個々の特性に応じて異なるものである。

また、図２〜図５には、本実施形態のバランス構造体２０８がさらに示されている。本実施形態の１つの態様によれば、バランス構造体２０８は、導管２１０の振動のバランスを少なくとも部分的に取るように構成されている。また、本実施形態の１つの態様によれば、バランス構造体２０８は、導管２１０の運動量のバランスを少なくとも部分的に取るように構成されている。

図２〜図５に示されているように、バランス構造体２０８は、被駆動部材２５０に接続されているベース２６０を有している。図示されているように、被駆動部材２５０は、ベース２６０に対しておおむね直角に延びるカンチレバーアームであることが好ましい。本実施形態に記載のベース２６０には、被駆動部材２５０と比較して相対的に重いことかつ固定されていることが好ましい。限定するわけではないがたとえば、ベース２６０は、被駆動部材２５０の質量よりも少なくとも５倍の質量を有するようになっていてもよい。限定するわけではないがたとえば、ベース２６０は、導管２１０の質量よりも少なくとも５倍の質量を有するようになっていてもよい。実施形態によっては、これらの数値は、それぞれ対応して、被駆動部材２５０および導管２１０よりもたとえば１４倍および８倍大きなものであってもよい。

本実施形態に記載のバランス構造体２０８は導管２１０と結合されている。図示されているように、ベース２６０は、一対のコネクター２７０、２７１を有している。これらは、図示されているようなプレートの形態をしていてもよいし、または他の形状を有していてもよい。本実施形態では、コネクター２７０、２７１は、導管２１０の端部２１１、２１２の内側にベース２６０を保持している。図示されている実施形態では、この一対のコネクター２７０、２７１は、それぞれ対応して、導管２１０の端部２１１、２１２と、ベース２６０の両側の端面２６１、２６２とに結合されている。

本実施形態の１つの態様によれば、導管２１０、被駆動部材２５０およびベース２６０はバランスの取れたシステムとなるように構成されている。いうまでもなく、このシステムは完全にバランスの取れたものでなくともよい。しかしながら、このシステムは、バランス構造体２０８を有していない従来のシステムと比較してよりバランスの取れたものとなるように設計されている。本実施形態では、導管２１０および被駆動部材２５０は、２つの別個の振動システムとして働くようになっている。これらのシステムは、軸線Ｘを中心とし、互いに逆位相で、同一の共振周波数で振動させられるようになっている。図３に示されているように、被駆動部材２５０はベース２６０において曲げ振動するために、その共振振動数で振動するようになっている。当業者にとって明らかなように、本実施形態の技術思想をうまく伝えるために、図３には、発生する運動が誇張して表わされている。図３に示されているように、導管２１０は、被駆動部材２５０に対して逆位相となるように振動する。

導管２１０が軸線Ｘを中心として運動すると、トルクがコネクター２７０、２７１に加えられる。当業者にとって明らかなように、被駆動部材２５０の軸線Ｘを中心とした運動も、ベース２６０を通じて、コネクター２７０、２７１にトルクを加える。分かり易いように、流動物質の質量を含む導管２１０の質量および被駆動部材２５０の質量が等しいと仮定すると、被駆動部材２５０および導管２１０は、互いに逆位相で、同一の周波数で、かつ等しい振幅で振動させられ、よって、バランスの取れたシステムを提供すると考えられる。

この具体例では、導管２１０および被駆動部材の両方のバランスが取られる。というのは、運動量というのが質量と速度との積であり、速度というのが振動振幅に比例しているからである。したがって、コネクター２７０、２７１に加えられるトルクは、実質的に等しく、符号が逆となっているので、相殺されることになる。さらに、静止ノードは、実質的に端部２１１、２１２の軸線に沿って、かつ実質的にコネクター２７０、２７１が導管２１０に接続される位置にある。したがって、全体的にバランスの取れたシステムが実現されており、また、トルクおよび振動が実質的に相殺されるようになっている。さらに、導管２１０の端部２１１、２１２の外側末端およびフランジにトルクが加えられることはまずないと考えられる。

本実施形態の１つの態様によれば、導管２１０およびバランス構造体２０８は、接続される構造体への運動の伝達を制限するように設計されている比較的柔軟な取付け部材（ソフトマウント）によって、接続される構造から隔離されるようになっていることが好ましい。したがって、導管２１０およびバランス構造体２０８は、２つの質量体が同一の振動数かつ逆位相で振動することにより自己バランスが達成されるようになっている、隔離された振動構造体として機能する。したがって、２つの振動システム、すなわち振動導管システムと振動被駆動部材システムとが存在する。振動導管システムは、導管２１０を備えていてもよいし、または導管２１０、コネクター２７０、２７１およびベース２６０を備えていてもよい。振動被駆動部材システムは、被駆動部材２５０を有していてもよいし、または被駆動部材２５０、コネクター２７０、２７１およびベース２６０を備えていてもよい。このことについては以下で説明する。これらの２つの振動システムは共通の静止ノードによって分離されている。また、これらの共通の静止ノードは、導管２１０の端部２１１、２１２の軸線における、コネクター２７０、２７１に近い部分に位置していることが好ましい。

好都合には、導管２１０の質量が変わる場合、本構成はさらに複数の利点を提供する。たとえば、導管２１０の質量は、たとえば導管２１０内の流動物質の質量が増大したとき、または導管２１０自体の質量がたとえば物質の堆積に起因して増大したときに増大する。このことが生じた場合、導管２１０の振動周波数および振動振幅が減少する。このことは、質量の増大および組み合わせ振動構造体の柔軟な取り付けの結果として自動的に生じる。さらに、自然な応答として、被駆動部材２５０の振動振幅が増大する。このように振幅比が変化するとノードの再配置が引き起こされる。しかしながら、これらのノードは、導管の運動が純粋な回転（すなわち、回転のみ）である領域では、導管軸線Ｘに沿って内側にしか移動しない。純粋な回転は、下記に記載されているようにケースコネクト２９０、２９１を用いて担保されるようになっていてもよい。導管の軸線Ｘを中心とした純粋な回転ではコリオリ力は生じないので、軸線Ｘに沿ったノードの運動によって出力信号が影響を受けることはない。

本実施形態では、被駆動部材２５０の振動振幅の増大は、被駆動部材２５０がベース２６０を中心として曲げ振動する振動の範囲の広がりとして反映されている。この運動の増大は僅かではあるものの、さらなるトルクがベース２６０に対して加えられ、また、このトルクがコネクター２７０、２７１へトルクとしてさらに伝達されることになる。このさらなるトルクにより、コネクター２７０、２７１およびベース２６０が、被駆動部材２５０と同位相で、導管２１０の端部２１１、２１２ の軸線を中心として非常に僅かであるが回転するようになる。図４に示されているように、この回転により、ベース２６０が、被駆動部材２５０と同位相で、僅かに揺動（ｒｏｃｋｉｎｇ）するようになる。図面では説明のために誇張されているものの、当業者にとって明らかなように、ベース２６０の質量および被駆動部材２５０の柔軟性のために、ベースの揺動運動は僅かなものである。

したがって、ベース２６０およびコネクター２７０、２７１は、端部２１１、２１２を貫通して延びている軸線Ｘを中心として被駆動部材２５０と同位相で回転することにより、振動システムを形成している。導管２１０の周波数は質量の初期段階での増大に起因して減少するものの、被駆動部材２５０の運動をベース２６０およびコネクター２７０、２７１と結合（カップリング）すると同一の効果を奏する：質量が増大し、周波数が減少する。したがって、被駆動部材２５０の周波数は下がり、導管２１０の周波数と実質的に一致する。同様に、ベース２６０とコネクター２７０、２７１の質量を結合すると、被駆動部材２５０の振動振幅が増大し、被駆動部材２５０およびベース２６０の運動量がフローチューブ２１０の運動量と等しくなり、よって、バランスが回復される。

同様に、たとえば導管２１０内の流動物質の質量が減少する場合、導管２１０の質量が減少する。このことが生じると、導管２１０の振動数および振動振幅が増大する。このことは、質量の減少の結果自動的に生じる。さらに、自然な応答として、被駆動部材２５０の振動振幅が減少する。先の場合と同様に、このように振幅比が変わると、メーターの出力に対して実質的になんの影響を及ぼすことなく、ノードが流入口−流出口チューブ軸線Ｘに沿って再配置される。

本実施形態では、導管の振動振幅の増大は、導管２１０が端部２１０、２１１の軸線Ｘを中心として曲げ振動する運動範囲の広がりとして反映される。先の場合と同様に、この運動の増大は僅かではあるものの、さらなるトルクがコネクター２７０、２７１に加えられ、また、このトルクがベース２６０へトルクとしてさらに伝達されることになる。このさらなるトルクにより、コネクター２７０、２７１およびベース２６０が、導管２１０の端部２１１、２１２の軸線Ｘを中心としてほんの僅かだけ回転する。図５に示されているように、この回転により、ベース２６０が、導管２５０と同位相で、僅かに揺動（ｒｏｃｋｉｎｇ）するようになる。説明のために図面において誇張されているものの、当業者にとって明らかなように、ベース２６０の質量および導管２１０の柔軟性のため、ベースの揺動運動は僅かなものである。

したがって、ベース２６０およびコネクター２７０、２７１は、端部２１１、２１２を貫通して延びている軸線Ｘを中心として導管２１０と同位相で回転し、振動システムを形成する。流体質量の減少のために導管２１０の周波数は上昇するものの、ベース２６０とコネクター２７０、２７１の質量を結合すると、周波数を下げるという逆効果を奏することになる。正味の影響は、周波数が僅かに上昇するということである。同様に、フロー導管２１０と共にベース２６０とコネクター２７０、２７１の質量を回転すると、被駆動部材２５０の振動振幅が減少し、その周波数が僅かに上昇して、フロー導管２１０のものと等しくなる。したがって、導管２１０および被駆動部材２５０の振幅比は、被駆動部材２５０およびベース２６０の運動量がフロー導管２１０の運動量と実質的に等しくなるように変化するため、バランスが回復される。

ベース２６０が比較的大きな質量を有していることが好ましいため、ほんの僅かな変化をベース２６０の振動振幅に加えるだけで、導管２１０および被駆動部材２５０の振動特性を比較的大きく変化させることができる。低密度の流体が流れている場合、ベース２６０は、フロー導管２１０と共に僅かに回転し、その質量をフロー導管２１０に加える。高密度の流体が流れている場合、ベース２６０は、被駆動部材２５０と共に回転し、その質量を被駆動部材２５０に加える。したがって、ベース２６０は、軽い部材（フロー導管２１０または被駆動部材２５０）にその質量を加える。バランスは、軽い部材がその振動振幅を増大させ、重い部材がその振動振幅を減少させように振動振幅を変えることによりよってさらに維持される。また、ベース２６０の小さな振動振幅は、導管２１０の端部２１１、２１２の内側端部に加えられる小さなトルクしかもたらさない。したがって、高密度または低密度の流体の場合、ほんの少量のトルクしかケース３００には加えられない。

したがって、本実施形態では、ベース２６０は、フロー導管２１０の質量に応じて、もっと具体的には流動物質の密度に応じて、導管２１０と同位相での動作と被駆動部材２５０と同位相での動作との間で切り替わるようになしてある。好ましくは、流動物質が約１０００ｋｇ／ｍ^３の比重を有している状態では、ベース２６０と端部２１１、２１２の内側端部とは静止状態である。好ましくは、物質が約１０００ｋｇ／ｍ^３未満ある比重を有している状態では、導管２１０はより高い振動振幅を有し、被駆動部材２５０はより低い振動振幅を有し、ベース２６０およびコネクター２７０、２７１は導管２１０と共にほんの僅かに回転する。導管の端部２１１、２１２も、導管２１０と共にほんの僅かに回転する。好ましくは、物質が約１０００ｋｇ／ｍ^３より大きな比重を有している状態では、導管２１０はより低い振動振幅を有し、被駆動部材２５０はより高い振動振幅を有し、ベース２６０およびコネクター２７０、２７１は被駆動部材２５０と共にほんの僅かに回転する。この場合、導管の端部２１１、２１２は、ベース２６０およびコネクター２７０、２７１と共にほんの僅かに回転する。導管２１０の純粋な回転は流動物質にコリオリ加速度を与えないので、メーターの感度はほとんど影響を受けない。いうまでもなく、上述の具体的な流体密度は例示のみを意図したものであって、この具体的な流体密度が異なる値であってもよい。本発明の他の実施形態によれば、バランス構造体２０８のサイズは、導管２１０内に流体がない（追加密度がゼロである）ときにはベース２６０が実質的に静止するように選択されてもよい。この場合、ベース２６０は、流体の流れがある場合には常に、被駆動部材２５０と共に僅かに動いて回転する。さらに他の実施形態では、ベース２６０のサイズは、すべての予測される流体密度の範囲にわたってベース２６０が導管２１０と共に回転するように選択されてもよい。換言すれば、フローメーターが流体と動作すると予測される最大流体密度が選択されてもよい。したがって、予側される実質的にすべての運転条件下において、流体密度が最大流体密度未満であり、ほぼいつでもベース２６０が導管２１０と共に回転する。しかしながら、ベースの回転の振幅は流体の密度に応じて変わる。いうまでもなく、流体密度が最大流体密度を超えた場合、上述のように、ベース２６０は被駆動部材２５０と共に回転する。また、流体密度が最大流体密度である場合、ベース２６０は実質的に静止状態のまま留まる。

なお、大部分の説明が流体密度の変化に応じてベース２６０が動くことに関するものであるが、たとえば腐食、浸食、堆積などの如き、導管２１０の質量を変えうる他の状況が生じる可能性があることはいうまでもないことである。したがって、ベース２６０は、フロー導管の質量を変えうるさまざまな状況を補償することができる。

本実施形態では、端部２１１、２１２は、限定するわけではないがたとえば十分に長いことが好ましく、ねじれに対して実質的に柔軟であるように少なくともチューブの直径の３倍であることが好ましい。また、このことにより、フランジ、および端部２１１、２１２の外側末端に加えられるトルクが削減されることになる。

図２に示されているように、センサー組立体２０６は、ケース３００と、ケースコネクト２９０、２９１とをさらに備えていてもよい。図示されているケースコネクト２９０、２９１は、導管２１０と結合されている第一の部分２９５と、ケース３００と結合されている第二の部分２９６とを有している。図示されているように、ケースコネクト２９０、２９１は、導管２１０における、フランジとコネクター２７０、２７１との間に位置する、部分を支える唯一の構造体であることが好ましい。

本実施形態の１つの態様によれば、ケースコネクト２９０、２９１は、軸方向および横軸方向の並進運動に対しては剛性を示すもののねじれ運動に対しては柔軟性を示す振動システムの支えを提供するように構成されていることが好ましい。このことは、ケースコネクト２９０、２９１に、たとえば導管２１０の端部２１１、２１２の軸線に対して半径方向に延びる変形可能部材２９２、２９３、２９４を設けることにより達成されてもよい。３つの変形可能部材２９２、２９３、２９４が設けられているが、いうまでもなく、いかなる数の変形可能部材２９２、２９３、２９４が用いられてもよい。また、どのような数の変形可能部材が用いられるかということにより本発明の技術範囲が限定されるべきではない。変形可能部材は、たとえば中央ハブ２９５を導管２１０に接続することを含むいかなる方法で導管２１０に取り付けられてもよい。並進運動には剛性を示すもののねじれ運動には柔軟性を示すカップリング（結合）は少なくとも２つの機能を提供する。１番目は、端部２１１、２１２をねじれ運動に制限し、ノードを端部の軸線に制限することにより、ノードの再配置に関連する測定誤差を抑制すること。２番目は、端部２１１、２１２の自由回転を可能とすることにより、振動構造体がねじれに対して非常に柔軟に支えること。柔軟な取り付け（ソフトマウント）とすることで、振幅比が流体密度に応じて変わることを可能とするとともに、本発明にかかる自己バランス機能を可能とすることができる。

本明細書には、本発明の最良の形態を実施または利用する方法を当業者に教示するための具体的な実施形態が記載されている。本発明の原理を教示するために、従来技術の一部が単純化または省略されている。当業者にとって明らかなように、これらの実施形態の変形例もまた本発明の技術範囲内に含まれる。上述の実施形態の詳細な記載は、本発明の技術範囲内に含まれるものとして本発明者が考えているすべての実施形態を完全に網羅するものではない。もっと正確にいえば、当業者にとって明らかなように、上述の実施形態のうちの一部の構成要素をさまざまに組み合わせてまたは除去してさらなる実施形態を作成してもよいし、また、このようなさらなる実施形態も本発明の技術範囲内および教示範囲内に含まれる。また、当業者にとって明らかなように、本発明の技術および教示の範囲に含まれるさらなる実施形態を作成するために、上述の実施形態を全体的にまたは部分的に組み合わせてもよい。

以上のように、本発明の特定の実施形態または実施励形態が例示の目的で記載されているが、当業者にとって明らかなように、本発明の技術範囲内において、さまざまな変さらが可能である。本明細書に記載の教示を上述のかつそれに対応する図に記載の実施形態とは異なる実施形態に適用されてもよい。したがって、本発明の技術範囲は添付の請求項によって決まるものである。

Claims (24)

1. 流体流路を形成する導管（２１０）と、
   前記導管の運動を測定する少なくとも１つのピックオフ（２３０，２３１）と、
   被駆動部材（２５０）と、
   前記導管（２１０）および前記被駆動部材（２５０）を互いに逆位相で振動させる少なくとも１のドライバー（２２０）と、
   前記導管（２１０）および前記被駆動部材（２５０）と結合されているベース（２６０）とを備えており、
   前記導管（２１０）および前記被駆動部材（２５０）の運動のバランスを取るために、前記ベースが、実質的に静止状態、前記導管と実質的に同位相で運動する状態、または前記被駆動部材（２５０）と実質的に同位相で運動する状態の間で切り替わるように構成されてなる、振動式フローメーター（２０５）。
2. 前記被駆動部材（２５０）が、前記ベース（２６０）に対してほぼ直角に延びているカンチレバーアームである、請求項１に記載の振動式フローメーター（２０５）。
3. 前記ベース（２６０）が、一対のコネクター（２７０，２７１）を通じて、前記導管（２１０）の端部（２１１，２１２）と結合されてなる、請求項１に記載の振動式フローメーター（２０５）。
4. 前記ベース（２６０）が、前記被駆動部材（２５０）の質量よりも少なくとも５倍大きな質量を有してなる、請求項１に記載の振動式フローメーター（２０５）。
5. 前記バース（２６０）が、前記導管（２１０）の質量よりも少なくとも５倍大きいなベースである、請求項１に記載の振動式フローメーター（２０５）。
6. 前記少なくとも１つのピックオフが、前記ベース（２６０）から延びている少なくとも１つのピックオフアーム（２８０，２８１）に設けられてなる、請求項１に記載の振動式フローメーター（２０５）。
7. ケース（３００）と、
   前記導管（２１０）と結合されている第一の部分および前記ケース（３００）と結合されている第二の部分を有しているケースコネクト（２９０，２９１）と
   をさらに備えてなる、請求項１に記載の振動式フローメーター（２０５）。
8. ケース（３００）と、
   前記導管（２１０）と結合されている第一の部分および前記ケース（３００）と結合されている第二の部分を有しているケースコネクト（２９０，２９１）と、
   前記ベースを前記導管（２１０）の端部（２１１，２１２）と結合する一対のコネクター（２７０，２７１）と、
   前記導管（２１０）と結合されている一対のフランジ（１０６）とをさらに備えており、
   前記ケースコネクト（２９０，２９１）が、前記導管（２１０）における、前記フランジ（１０６）と前記コネクター（２７０，２７１）との間に位置する部分を支える唯一の構造体である、請求項１に記載の振動式フローメーター（２０５）。
9. ケース（３００）と、
   前記導管（２１０）と結合されている第一の部分および前記ケース（３００）と結合されている第二の部分を有しているケースコネクト（２９０，２９１）と、
   前記ベースを前記導管（２１０）の両端部（２１１，２１２）と結合する一対のコネクター（２７０，２７１）と、
   前記導管（２１０）と結合されている一対のフランジ（１０６）とをさらに備えており、
   前記ケースコネクト（２９０，２９１）が、前記導管（２１０）における、前記フランジ（１０６）と前記コネクター（２７０，２７１）との間に位置する部分を支える唯一の構造体であり、
   前記両端部（２１１，２１２）が、前記コネクター（２７０，２７１）と前記フランジ（１０６）との間に延設され、前記フランジ（１０６）に加えられるトルクを削減するような長さを有してなる、請求項１に記載の振動式フローメーター（２０５）。
10. 振動式フローメーターを動作させるための方法であって、
    流動物質を受ける流路を形成する導管の提供するステップと、
    前記導管の運動を測定する少なくとも１つのピックオフを提供するステップと、
    被駆動部材を提供するステップと、
    前記導管および前記被駆動部材を互いに逆位相で振動させる少なくとも１つのドライバーを提供するステップと、
    前記導管および前記被駆動部材に結合されるベースを提供するステップと、
    前記導管および前記被駆動部材の運動のバランスを取るために、ベースを、実質的に静止状態、前記導管と実質的に同位相で運動する状態、または前記被駆動部材と実質的に同位相で運動する状態の間で切り替えるステップと
    を有する、方法。
11. 前記流動物質の密度に応じて、前記ベースが、前記導管と同位相で運動する状態、前記被駆動部材と同位相で運動する状態の間で切り替わる、請求項１０に記載の振動式フローメーターを動作させる方法。
12. 前記ベースは、前記流動物質が第一の比重を有している場合、実質的に静止状態であり、前記流動物質が前記第一の比重よりも大きな第二の比重を有している場合、前記被駆動部材と同位相で運動し、前記流動物質の前記第一の比重未満である第三の比重を有している場合、前記導管と同位相で運動する、請求項１０に記載の振動式フローメーターを動作させる方法。
13. 前記流動物質が実質的に１０００ｋｇ／ｍ^３に等しい比重を有している場合、前記ベースが実質的に静止状態である、請求項１０に記載の振動式フローメーターを動作させる方法。
14. 前記導管が実質的に空である場合、前記ベースが実質的に静止状態である、請求項１０に記載の振動式フローメーターを動作させる方法。
15. 前記流動物質が１０００ｋｇ／ｍ^３を超える比重を有している場合、前記ベースが前記被駆動部材と同位相で運動する、請求項１０に記載の振動式フローメーターを動作させる方法。
16. 前記流動物質が１０００ｋｇ／ｍ^３未満の比重を有している場合、前記ベースが前記導管と同位相で運動する、請求項１０に記載の振動式フローメーターを動作させる方法。
17. 前記被駆動部材が、前記ベースに対してほぼ直角に延びているカンチレバーアームである、請求項１０に記載の振動式フローメーターを動作させる方法。
18. 前記ベースが、一対のコネクターを通じて、前記導管の端部と結合される、請求項１０に記載の振動式フローメーターを動作させる方法。
19. 前記ベースが、前記被駆動部材の質量よりも少なくとも５倍大きな質量を有している、請求項１０に記載の振動式フローメーターを動作させる方法。
20. 前記ベースが、前記導管の質量よりも少なくとも５倍大きなベースである、請求項１０に記載の振動式フローメーターを動作させる方法。
21. 前記少なくとも１つのピックオフが、前記ベースから延びている少なくとも１つのピックオフアームに設けられている、請求項１０に記載の振動式フローメーターを動作させる方法。
22. ケースを提供するステップと、
    前記導管と結合されている第一の部分および前記ケースと結合されている第二の部分を有しているケースコネクトを提供するステップと
    をさらに有している、請求項１０に記載の振動式フローメーターを動作させる方法。
23. ケースを提供するステップと、
    前記導管と結合されている第一の部分および前記ケースと結合されている第二の部分を有しているケースコネクトを提供するステップと、
    前記ベースを前記導管の端部と結合する一対のコネクターを提供するステップと、
    前記導管と結合されている一対のフランジを提供するステップとを有しており、
    前記ケースコネクトが、前記フランジと前記コネクターとの間に位置する唯一の構造体である、請求項１０に記載の振動式フローメーターを動作させる方法。
24. ケースを提供するステップと、
    前記導管と結合されている第一の部分および前記ケースと結合されている第二の部分を有しているケースコネクトを提供するステップと、
    前記ベースを前記導管の端部と結合する一対のコネクターを提供するステップと、
    前記導管と結合されている一対のフランジを提供するステップとを有しており、
    前記ケースコネクトが、前記フランジと前記コネクターとの間に位置する唯一の構造体であり、
    前記端部が、前記コネクターと前記フランジとの間に延設され、前記フランジに加えられるトルクを削減するような長さを有している、請求項１０に記載の振動式フローメーターを動作させる方法。

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