JP2013536945A - 改良された振動部材を備えた振動式デンシトメーター - Google Patents

Abstract

振動部材（４０２）を備えている装置が提供されている。振動部材（４０２）は振動式デンシトメーター（４００）用である。振動部材（４０２）は１つ以上のアパーチャ（４２０）を有している。１つ以上のアパーチャ（４２０）は、望ましい振動ドライブモードの共振周波数と１つ以上の望ましくない振動モードの共振周波数との間の周波数分離を大きくするようなサイズおよび振動部材（４０２）の部位に形成されている。

Description

本発明は、デンシトメーターに関するものであり、特に、改良された振動部材を備えた振動式デンシトメーターに関するものである。

デンシトメーターは、当該技術分野において広く知られており、流体の密度を測定するために用いられる。流体は、液体、気体、浮遊粒子および／もしくは混入された気体を含む液体、またはこれらを組み合わせたものである。異なる原理に従って動作するさまざまなタイプのデンシトメーターが存在するが、商業上大きな成功をおさめている１つのタイプのデンシトメーターは振動式デンシトメーターである。振動式デンシトメーターは、シリンダ、導管、パイプ、チューブなどの、試験流体に露出される振動部材を備えることができる。振動式デンシトメーターの１つの例は、流入口端部が既存の配管または他の構想体と結合され、流出口端部が自由に振動することができるようになっている片持ばり状にマウントされた導管を備えている。それに代えて、導管の流入口と流出口との間の部分が振動するように流入口と流出口との両方が固定されてもよい。導管を共振点で振動させ、この共振周波数を測定することができる。当該技術分野において広く知られているように、試験流体の密度を、導管の共振周波数の減少を測定することにより求めることができる。周知の原理によれば、導管の共振周波数は、当該導管と接触する流体の密度に反比例して変化する。したがって、振動式デンシトメーターは液体の密度を測定することができるものの、シリンダの外部の液体によって引き起こされる粘性減衰により振動式デンシトメーターの測定能力が低下される場合がある。それ故に、液体用の振動式デンシトメーターは、内部にのみ流体を有する振動パイプまたはチューブを用いており、気体用の振動式デンシトメーターは、通常、流体に浸かっており、シリンダの内部および外部両方に気体を有している。したがって、通常、振動式デンシトメーターは気体の密度を測定するために用いられる。

図１には、浸漬式の従来のデンシトメーター１０が示されている。この従来のデンシトメーター１０は、例えば液体または気体の如き流体の密度を測定するように構成されている。デンシトメーター１０は、ハウジング１１と、ハウジング１１内に少なくとも部分的に配置される振動部材１２とを備えている。ハウジング１１の一部分は振動部材１２を示すために切り取られている。例えば、デンシトメーター１０は既存の配管にインラインで配置されてもよい。それに代えて、ハウジング１１は、例えば流体サンプルを受け取るためのアパチャーを備えている閉じた端部を有していてもよい。したがって、フランジが図示されていないが、多くの場合、ハウジング１１または振動部材１２は、デンシトメーター１０を配管またはそれと同様の流体移送デバイスと作用可能にかつ流体密封可能に結合させるためのフランジまたは他の部材を有していてもよい。図示されている例によれば、振動部材１２はハウジング１１に片持ばり状にマウントされている。振動部材１２の流入口端部１３は、流出口端部１４が自由に振動することができる状態で、ハウジング１１と結合されているように示されている。

図示されている例では、振動部材１２は、流入口端部１３の近傍に複数の流体用アパチャー１５を有している。これらの流体用アパチャー１５は、デンシトメーター１０に流入する流体の一部がハウジング１１と振動部材１２との間を流れ得るように設けることができる。したがって、流体は、振動部材１２の外面と内面とに接触する。このことは、試験流体が気体である場合に特に有用である。というのは、より大きな表面積が気体に露出されることになるからである。他の例では、アパチャーをハウジング１１に設けて振動部材１２の外面に試験流体を露出させるようにしてもよい。したがって、アパチャー１５は振動部材１２には必要でなくなる。

図１には、シリンダ５０内に位置するドライバ１６および振動センサー１７がさらに示されている。ドライバ１６および振動センサー１７がコイルであるように図示されているが、このことは、当該技術分野では周知のことである。電流がコイルに流されると、振動部材１２に磁界が誘発されて振動部材１２を振動させるようになる。逆にいえば、振動部材１２が振動すると、振動センサー１７に電圧を誘発する。ドライバ１６は、単純曲げタイプ、ねじれタイプ、放射状タイプ、またはそれらを組み合わせたタイプを含む複数の振動モードのうちの１つ振動モードにおける共振周波数のうちの１つの共振周波数で振動部材１２を振動させるために、メーター電子機器１８からドライブ信号を受け取る。振動センサー１７は、振動部材１２が振動する周波数を含む振動部材１２の振動を検出し、その振動情報を処理のためにメーター電子機器１８へ送る。振動部材１２が振動するとき、振動部材の壁と接触している流体は振動部材１２と共に振動する。振動部材１２と接触している流体の付加的な質量により共振周波数が低下する。振動部材１２の新しい、低い共振周波数は、当該技術分野において広く知られているように、例えば前に求められた相関関係に基づいて流体の密度を求めるために使用される。

一般的に知られているように、正確な密度測定結果を得るためには、流体密度の測定に使用される共振周波数は非常に安定していなければならない。このことは、流体が気体である場合にとくに当てはまる。とういのは、液体と比較してその共振周波数がわずかしか変化しないからである。所望の安定性を達成するための従来の１つのアプローチは、半径方向振動モードを用いて振動部材１２を振動させることである。例えば、振動部材の長手方向の軸線がその静止位置から平行移動および／または回転移動する曲げ振動モードとは対照的に、半径方向振動モードでは、振動部材の長手方向の軸線は実質的に静止したままであり、振動部材の壁の少なくとも一部がその静止位置から平行移動および／または回転移動する。半径方向振動モードが自己均衡型なので、図１に示されている従来のデンシトメーター１０の如き真っ直ぐな導管を用いるデンシトメーターでは、半径方向振動モードが好ましい。したがって、他のいくつかの振動モードと比較して、振動部材のマウント特性は重要ではなくなる。１つの例示的な半径方向振動モードは３葉状半径方向振動モードである。図３には、３葉状半径方向振動モード中の振動部材の壁形状の変化の一例が示されている。

振動部材１２が、完全に円形で、完全に均一な壁厚を有している場合、３葉状半径方向振動モードは１つしかない。しかしながら、設計公差により、このことは通常現実的ではない。したがって、製造業者が、完全に円形でかつ完全に均一な壁厚を有した振動部材１２を製造しようとした場合に小さな欠陥でも存在してしまうと、互いに非常に近い２つの異なる共振周波数で振動する２つの３葉状半径方向振動が引き起こされる。共振周波数の低い３葉状半径方向振動モードは、図３に示されているピークおよび谷が薄い壁厚の部分と一致して振動し、共振周波数の高い３葉状半径方向振動モードは、ピークおよび谷が厚い壁厚の部分と一致して振動する。これらの２つのモード間の周波数分離は、通常非常に小さく、１ヘルツ未満である場合もある。これらの２つの共振周波数が非常に接近している場合、密度を求めるのは非実用的である。というのは、どのモードで振動がなされているか、ひいては正確な密度を決定するために、オペレータがこれらの振動周波数を識別することができないことが多いからである。

従来のデンシトメーターでは、この問題は、少なくとも最小周波数分離を、２つの３葉状半径方向振動モード間に有するとともに、２葉状半径方向振動モードまたは４葉状半径方向振動モードの如き他のモードから有するように、半径方向モードをチューニングすることにより対処されている。このチューニングをさまざまな技術によって達成することができるが、従来のチューニング方法の１つのアプローチは、振動部材が異なる半径方向領域において異なる厚みを有するように、振動部材の壁を研磨して軸方向に沿って並行に並べられるストリップを形成することである。これは、図１に示されているが、図２にはさらに詳細に示されている。

図２には、図１の２−２線に沿って切断された振動部材１２が示されている。図２には、基準角度も共に示されている。これらの基準角度はドライバ１６および振動センサー１７の位置が０度に来るように決められている。しかしながら、これらの角度は単に一例として示されており、他の基準座標角度が用いられてもよい。

図示されているように、振動部材１２はその導管の周面のまわりの壁厚が変わっている。例えば、振動部材１２がもともと約０．００５インチ（０．１２５ｍｍ）の厚みを有している。ドライバ１６および振動センサー１７はこれらの厚い壁の領域のうちの１つに集中している。約１５度からスタートし、振動部材１２の周面のまわりに約３０度の間隔で均一に並べるように、振動部材１２の壁の６つの領域が約０．００４インチ（０．１００ｍｍ）まで削られる。通常、油圧によって適切な位置へ移動される移動可能セグメントを有したマンドレルを用いて、壁が薄く切削されていく。マンドレルが加圧されると、移動可能セグメントは、振動部材１２と接触するために必要な量だけ移動し、厚みの薄い領域が切削により形成される。振動部材のさまざまな周面領域の壁厚を切削により形成することにより、２つの３葉状半径方向振動モードの共振周波数が互いに分離される。厚みの薄い領域の間隔が約３０度であると、周波数の高い３葉状半径方向モードが周波数の低い３葉状半径方向モードから約１５度だけオフセットされる。一例では、周波数の低い３葉状半径方向振動モードではピークおよび谷が厚みの薄い部分および厚みの厚い部分に集中する状態で振動し、周波数の高い３葉状半径方向振動モードでは、ピークおよび谷は厚みの薄い部分と厚みの厚い部分との間の中間に位置する。

上述のプロセスはいくつかの問題を有している。油圧式マンドレルはその寸法能力の限界点にある。換言すれば、切削が、非常に厳格で、油圧駆動式マンドレルの設計能力に近いまたは設計能力を越えてさえいることが多い。さらに、振動部材の壁厚を非破壊的に測定することは非常に困難である。したがって受諾可能な製品歩度まりは低く、チューニング方法に関連するコストが増大する。それに加えて、周波数が低い３葉状半径方向振動モードで振動させるためには、ドライバ１６は、厚みの厚い部分の対向側に位置する必要がある。しかしながら、厚みの厚い部分と厚みの薄い部分との間の差は、非常に小さく、０．００１インチ（０．０２５ｍｍ）であるのが一般的である。したがって、適切な配置は非常に困難である。さらに、図２に示されているように、壁の厚みの厚い部分の切削を相互に一致させるのは非常に困難である。

したがって、振動式デンシトメーターを改良するための方法および装置の必要性が存在する。詳細にいえば、高い製品歩留りを維持しながら振動モードの分離を大きくした振動式デンシトメーターの必要性が存在する。本発明によって、この問題および他の問題が克服され、当該技術分野における技術進歩が達成される。

本発明のある実施形態によれば、振動式デンシトメーター用の振動部材を有する装置が提供される。本発明のある実施形態によれば、振動部材は１つ以上のアパチャーを有しており、この１つ以上のアパチャーは、望ましい振動ドライブモードの共振周波数と１つ以上の望ましくない振動モードの共振周波数との間の周波数分離を増大させるようなサイズおよび振動部材の部位に形成される。

本発明のある実施形態によれば、振動式デンシトメーターを形成するための方法が提供される。本発明のある実施形態によれば、振動式デンシトメーターは、１つ以上の共振周波数で振動するように構成された振動部材を有している。かかる方法は、望ましい振動ドライブモードの共振周波数と少なくとも第二の望ましくない振動モードの共振周波数との間の周波数分離を増大させるために振動部材に１つ以上のアパチャーを形成するステップを有している。

態様
本発明のある態様によれば、装置は、１つ以上のアパチャーを有する振動式デンシトメーター用の振動部材を備えており、この１以上のアパチャーは、望ましい振動ドライブモードの共振周波数と１つ以上の望ましくない振動モードの共振周波数との間の周波数分離を増大させるようなサイズおよび振動部材の部位に形成されている。

好ましくは、かかる装置はハウジングをさらに備えており、振動部材は、ハウジングの内部に少なくとも部分的に配置されている。

好ましくは、振動部材は第一の端部をさらに有しており、第一の端部は、当該第一の端部の反対側の第二の端部が自由に振動することができるようにハウジングに片持ばり状にマウントされている。

好ましくは、１つ以上のアパチャーは、振動部材の第二の端部まで延びている。

好ましくは、１つ以上のアパチャーは、第二の端部の近傍に形成され、第二の端部を貫通するものではない。

好ましくは、かかる装置は、ドライバと、１つ以上の振動センサーとをさらに備えている。

好ましくは、望ましい振動ドライブモードは第一の３葉状半径方向振動モードであり、１つ以上の望ましくない振動モードのうちの１つの望ましくない振動モードは第二の３葉状半径方向振動モードである。

本発明の他の態様によれば、１つ以上の共振周波数で振動するように構成された振動部材を有する振動式デンシトメーターを形成するための方法であって、望ましい振動ドライブモードの共振周波数と少なくとも第二の望ましくない振動モードの共振周波数との間の周波数分離を増大させるために振動部材に１つ以上のアパチャーを形成するステップを有している。

好ましくは、かかる方法は、望ましい振動ドライブモードおよび少なくとも第二の望ましくない振動モードで振動部材を振動させるステップと、 振動ドライブモードの共振周波数と少なくとも第二の望ましくない振動モードの共振周波数との間の周波数分離を求めるステップとをさらに有している。

好ましくは、１つ以上のアパチャーは、望ましいサイズよりも小さなサイズを有する予備アパチャーであり、かかる方法は、振動部材に１つ以上のアパチャーを形成するステップの後、望ましいドライブモードで振動部材を振動させるステップと、望ましいドライブモードの共振周波数を求めるステップと、 アパチャーサイズと周波数との間の相関関係に基づいて望ましいアパチャーサイズを求め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、振動部材の少なくとも一部分がハウジング内に配置されるように、振動部材の第一の端部をハウジングと結合するステップをさらに有している。

好ましくは、振動部材の第一の端部をハウジングと結合するステップが、第一の端部とは反対側にある振動部材の第二の端部が自由に振動可能となるように、第一の端部をハウジングに片持ばり状にマウントすることを含んでいる。

好ましくは、１つ以上のアパチャーは、第二の端部の近傍に形成され、第二の端部を貫通するものではない。

好ましくは、１つ以上のアパチャーは、振動部材の第二の端部を貫通している。

好ましくは、かかる方法は、振動部材の振動を誘発および感知するために、振動部材の近傍にドライバと１つ以上の振動センサーとを配置するステップをさらに有している。

好ましくは、望ましいドライブモードは第一の３葉状半径方向振動モードであって、１つ以上の望ましくない振動モードのうちの１つの望ましくない振動モードは第二の３葉状半径方向振動モードである。

従来の振動式デンシトメーターを示す図である。 従来の振動部材を示す図である。 ３葉状半径方向振動を示す図である。 本発明のある実施形態にかかる振動式デンシトメーターを示す図である。 アパチャー深さ対周波数を示すグラフである。 アパチャー幅対周波数を示すグラフである。 本発明の他の実施形態にかかる振動式デンシト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デンシトメーター用の振動部材を形成するためのプロセスを示す図である。

図４〜図８および以下の記載には、本発明を最良のモードで実施および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場合もある。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範囲内に含まれる。また当業者にとって明らかなように、以下に記載の特徴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、以下の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４には、本発明のある実施形態にかかる振動式デンシトメーター４００が示されている。振動式デンシトメーター４００は、気体、液体、混入気体を含む液体、浮遊粒子を含む液体、またはこれらを組み合わせたものの如き流体の密度を求めるように構成されていてもよい。振動式デンシトメーター４００は、粘性減衰のため、液体の密度ではなく気体の密度を測定するために用いられるのが一般的である。図示されている実施形態によれば、振動式デンシトメーター４００は、ハウジング４０１と、ハウジング４０１内に少なくとも部分的に配置される振動部材４０２とを備えている。振動部材４０２はシリンダ形状のチューブとして図示されている。しかしながら、振動部材４０２は、例えば長方形状に形成された導管の如き他の形状を有していてもよい。振動部材４０２は片持ちばり状にマウントされている。すなわち、振動部材４０２は、第一の端部４０３でハウジング４０１と結合され、第二の端部４０４は、ハウジング４０１内で自由に振動できるようになっている。実施形態によっては、振動部材４０２の第一の端部４０３の一部分がハウジング４０１から延出するようになっている場合もある。このことにより、振動部材４０２を配管または他の液体移送システムと流体密封可能に結合することが可能となる。それに代えて、図示されている実施形態では、ハウジング４０１は、流体密封可能な状態を実現するためにフランジ（図示せず）などを備えるようになっていてもよい。さらに、実施形態によっては、ハウジング４０１における第二の端部４０４に近い部分を密封してハウジング４０１内に試験サンプル流体を保持するようになっている場合もある。本発明のある実施形態によれば、試験サンプル流体は、第一の端部４０３で振動式デンシトメーター４００内へ入り込むようになっていてもよい。例えば、試験流体は、振動部材４０２の内部に流入してもよいし、または流体用アパチャー４０５を介して振動部材４０２の外部に沿って流れてもよい。それに代えて、試験サンプル流体は、ハウジング４０１に形成されている１つ以上の任意選択的な流体用アパチャー４０６を通じて振動式デンシトメーター４００内へ入り込むようになっていてもよい。１つの流体用アパチャー４０６が示されているが、ハウジング４０１は、１を超える数の流体用アパチャー４０６を有していてもよいし、または、流体用アパチャー４０６を有していなくてもよい。流体用アパチャーにより、ハウジング４０１の第一の端部および第二の端部の両方を流体密封可能にシールすることが可能となる。他の実施形態では、液体は第二の端部４０４で振動式デンシトメーター４００内へ入り込むようになっていてもよい。

本発明のある実施形態によれば、振動式デンシトメーター４００は１つ以上のドライバ４０７を有することができる。ドライバ４０７は、１つ以上の振動モードで振動部材４０２を振動させるように構成することができる。ドライバ４０７が第一の端部４０３に接近した位置に設けられているように示されているが、いうまでもなく、ドライバ４０７は、振動部材４０２に沿ったいかなる所望の位置に設けられてもよい。さらに、ドライバ４０７は、振動部材４０２の内部に位置する中央タワー４５０内に設けられているように示されているが、実施形態によっては、ドライバ４０７は、例えばハウジング４０１と振動部材４０２との間に位置している場合もある。図示されている実施形態では、ドライバ４０７はコイルである。コイルは、パス１１０上のドライブ信号の形態でメーター電子機器２０から電気的信号を受け取り、望ましい振動ドライブモードで振動部材４０２を振動させることができる。

本発明のある実施形態によれば、振動式デンシトメーター４００は振動センサー４０８をさらに含むことができる。振動センサー４０８がドライバ４０７と同軸上に配置されているように示されているが、他の実施形態では、振動センサー４０８は、振動部材４０２の他の場所に結合されてもよい。振動センサー４０８は、パス１１１を介してメーター電子機器２０に信号を送ることができる。メーター電子機器２０は、振動センサー４０８によって受け取られた信号を処理して振動部材４０２の共振周波数を求めることができる。当該技術分野において知られているように、試験流体が存在している場合、振動部材４０２の共振周波数は流体密度に逆比例して変化する。この逆比例変化は、例えば初期校正時に求められてもよい。図示されている実施形態では、振動センサー４０８もコイルである。振動センサー４０８は、ドライバ４０７と類似している。しかし、ドライバ４０７は電流を受け取って振動部材４０２に振動を誘発するようになっているが、振動センサー４０８はドライバ４０７によって引き起こされた振動部材４０２の運動を用いて電圧を誘発するようになっている。コイル式のドライバおよびセンサーは当該技術分野において周知であるので、説明を簡潔にするために、ドライバおよびセンサーの作用についてはこれ以上説明しない。さらに、いうまでもなく、ドライバ４０７および振動センサー４０８がコイルに限定されるわけではなく、圧電センサーの如きさまざまな他の周知の振動要素であってもよい。したがって、本発明をコイルに限定するべきではない。さらに、当業者にとって明らかなように、ドライバ４０７およびセンサー４０８の配置を変更することもできるが、それらもまた本発明の範囲内に含まれる。

本発明のある実施形態によれば、振動部材４０２は１つ以上のアパチャー４２０をさらに有していてもよい。本発明のある実施形態によれば、アパチャー４２０は、振動部材４０２の壁を実質的に完全に貫通する。これは、従来の振動部材１２に存在する厚みの薄い領域と対照的である。本発明のある実施形態によれば、アパチャー４２０はレーザー切断手法を用いて形成することができるが、当業者にとって明らかなように、アパチャー４２０の形成に用いることができる方法は他にもあり、どのような方法が用いられるかということにより本発明の範囲が制限されるべきではない。図示されている実施形態では、アパチャー４２０は、振動部材４０２の第二の端部４０４に形成されている。しかしながら、いうまでもなく、他の実施形態では、アパチャー４２０は第二の端部４０４の近傍に形成されてもよいが、第二の端部４０４にまでずっと延びていなくともよい（例えば図７を参照）。図７に示されているアパチャー４２０は、第二の端部４０４の近傍に形成されているが、第二の端部４０４にまでずっと延びていないので、第二の端部４０４は、振動部材４０２の周面に沿って実質的に連続している。

図４に戻って、本発明のある実施形態によれば、アパチャー４２０は、振動部材４０２の望ましい振動ドライブモードの共振周波数を１つ以上の望ましくない振動周波数から分離するために形成されている。例えば、従来の振動式デンシトメーター１０に関して先に述べられているように、１つの望ましい振動モードは３葉状半径方向振動モード（three-lobed radial vibration mode）である。さらに具体的にいえば、望ましい振動モードの共振周波数は、周波数の低い３葉状半径方向振動モードである。したがって、本発明のある実施形態によれば、アパチャー４２０は、２つの３葉状半径方向振動モードの共振周波数を分離するために設けられている。しかしながらいうまでもなく、他の実施形態では、望ましい振動モードは、周波数の低い３葉状半径方向振動モードでない場合もあるので、本発明はこの特定の振動モードに制限されるべきではない。しかしながら、３葉状半径方向振動周波数が１つの具体的例として本出願では用いられている。他の望ましい振動モードの共振周波数を分離するためにどのように本出願を変更するかは当業者にとって明らかである。さらに、アパチャー４２０は、周波数の高い３葉状半径方向振動モードだけでなく、曲げモードの如き他の振動モードから望ましいドライブモード周波数を分離してもよい。

本発明のある実施形態によれば、振動部材４０２は６つのアパチャー４２０を有している。一実施形態では、アパチャー４２０は、その中心から中心まで６０度の間隔をおいて振動部材４０２の周面に配置されている。本発明のある実施形態によれば、６つのアパチャー４２０は、振動部材４０２の周面のまわりに実質的に等間隔で配置されている。例えば図２に記載の角度を参照すると、アパチャー４２０は、１５度から開始して６０度毎に形成され、ドライバ４０７および／または振動センサー４０８は振動部材４０２における０度の反対側の部分の近傍に設けられる。本発明のある実施形態によれば、アパチャー４２０は、望ましいドライブモード振動周波数と少なくとも第二の振動周波数との間の周波数分離を増大させるようなサイズおよび部位に形成されている。上述のように、１例としては、アパチャー４２０は、周波数の低い３葉状半径方向モードと周波数の高い３葉状半径方向モードとの間の周波数分離を増大させるようなサイズおよび位置に形成される。有利には、振動部材４０２は、その壁厚が実質的に均一になるように（または、製造公差に従って実現可能な均一さにできるだけ近いものになるように）形成することができ、アパチャー４２０は、従来のシリンダ１２に見られたような厚みの薄い軸方向ストリップに取って代わることができる。

本発明のある実施形態によれば、アパチャー４２０は実質的に長方形である。したがって、図示されている実施形態では、アパチャー４２０は深さＤと、幅Ｗとを有している。アパチャー４２０は高さをさらに有しているが、この高さは、振動部材の壁の厚さに明らかに依存する。本発明のある実施形態によれば、アパチャー深さＤは、振動部材４０２の長手方向の軸線Ｌと実質的に平行に延びている。本発明のある実施形態によれば、アパチャー４２０幅Ｗは、振動部材４０２の周面に沿って実質的に延びている。他の向きが用いられてもよいが、本出願において用いられている向きは、本発明のある実施形態に従って所望の周波数分離を達成するための１つ以上のアパチャー４２０をどのように形成するかを理解する助けとなると考えられる。

下記に説明されているように、アパチャー深さおよびアパチャー幅を形成する際に周波数分離とメーター感度との間にトレードオフが存在することが多い。アパチャー深さが増大するにつれて、振動部材４０２の共振周波数は減少するとともに、２つの３葉状半径方向振動の周波数間の分離が増大する。しかしながら、アパチャー深さが増大するにつれて、振動部材４０２の表面積が減少する。この表面積の減少により振動式デンシトメーターの感度が減少する。というのは、より少量の試験流体しか振動部材４０２の表面と接触することができないからである。同様に、アパチャー幅が増大するにつれて、周波数は当初は減少し、いったんアパチャー幅が閾値幅に到達すると、周波数は増大する。このことについては、下記の図６に関する説明のところでさらに詳細に説明されている。

図５には、本発明のある実施形態にかかるアパチャー深さ対周波数のグラフが示されている。図５に示されているグラフは、約０．０３インチ（０．７５ｍｍ）のアパチャー幅を用いて作成されている。図５および図６では、ｆ１は、低い３葉状半径方向振動周波数（この例では、望ましいドライブモード）であり、ｆ２は、高い３葉状半径方向振動周波数である。しかしながら、同様のグラフを他のアパチャー幅を用いて生成することもできる。さらに、いうまでもなく、グラフ上に記載されている値は、限定するわけではないが例えばシリンダ４０２の材料、厚さ、長さ、半径などを含むさまざまな変数に依存する。したがって、図示されている特定の値によって本発明の範囲が制限されるべきではない。

図５から分かるように、アパチャー深さが増大するにつれて、低い３葉状半径方向振動周波数と高い３葉状半径方向振動周波数との間の周波数分離が増大する。したがって、望ましい周波数分離が達成されるようにアパチャー深さを設定することができる。それに代えて、例えば低い３葉状半径方向振動周波数が望ましい公称振動ドライブ周波数に位置するように、アパチャー深さを設定することもできる。この場合、公称ドライブ周波数は約１９５０Ｈｚに設定されている。この望ましいドライブ周波数では、アパチャー深さは約０．１４インチ（３．６ｍｍ）となる。このアパチャー深さの場合、２つのモードは約６５Ｈｚだけ分離されることとなる。

図６には、本発明のある実施形態にかかるアパチャー幅対周波数のグラフが示されている。いうまでもなく、図６のグラフは、望ましいアパチャー幅を求めるために図５のグラフと同じように用いることができる。図６のグラフは、約０．１４インチ（３．６ｍｍ）のアパチャー深さを用いて作成されているものの、異なるアパチャー深さを用いて同様のグラフを作成することができる。確認できるように、２つの３葉状半径方向振動モード間の周波数分離は、約０．０３インチ（０．７５ｍｍ）まで減少し、このポイントでは、周波数分離は、周波数の低い３葉状半径方向振動モードが増大するにつれて減少する。この周波数分離の減少は、当初はアパチャー４２０の広がりにより周波数の低い３葉状半径方向振動モードの最大の曲げ位置における剛性が減少するという事実に起因するものである。しかしながら、アパチャー４２０の位置は、最大振動振幅のポイントにも近い。したがって、結局のところ、アパチャー４２０の広がりにより、振動質量が減少され、それによって振動周波数が増大する。本発明のある実施形態によれば、アパチャー幅は、低い３葉状半径方向振動周波数と高い３葉状半径方向振動周波数との間の周波数分離を最大化するように選択することができる。

上述のように、図５および図６に示されているチャートは、アパチャー４２０の深さおよび幅と周波数との間で作成可能な考えうる相関関係の一例にすぎない。例えば、他の相関関係が、ルックアップテーブルまたは式の形態で格納されていてもよい。したがって、望ましいドライブ周波数が分かっている場合、アパチャー４２０の相関する深さおよび幅を予め得られた相関関係に基づいて求めることができる。このことは複数の理由から有利である。１つの理由は、受諾可能な製品歩留まりが従来のアプローチと比べて劇的に高くなるということである。従来のアプローチでは、前もって壁厚が薄くされていないかぎりは振動部材１２の試験を行うことができなかった。それに対して、本発明のある実施形態によれば、予備アパチャーを振動部材４０２に形成してもよい。本発明のある実施形態によれば、予備アパチャーは、アパチャー４２０の予定されている最終的なサイズよりも小さくてよい。したがって、予備アパチャーが振動部材４０２に形成される場合、振動部材４０２がアパチャー穿孔ツール（図示せず）内にある間に、振動部材４０２は、望ましい振動ドライブモードおよび望ましくない振動モードで共振周波数に加振することができる。１つ以上の望ましくないモードから共振周波数および周波数分離が求められると、最終的なアパチャーの深さおよび幅は、予め求められた相関関係から望ましい周波数または周波数分離を推定することによって求めることができる。したがって、最終的なアパチャーサイズをより正確に求めることができる。

図８には、本発明のある実施形態にかかる振動部材を形成するためのプロセス８００が示されている。プロセス８００はステップ８０１から開始される。このステップでは、１つ以上のアパチャー４２０が振動部材４０２に形成される。アパチャー４２０は例えばレーザー穿孔手法を用いて形成されてもよい。本発明のある実施形態によれば、アパチャー４２０は、振動部材４０２の第二の端部４０４の近傍に形成される。アパチャー４２０は、第二の端部４０４にまでずっと延びていてもよいが、必ずしも第二の端部にまでずっと延びている必要はない。１つ以上のアパチャーが形成されると、プロセス８００は、アパチャー４２０が予備アパチャーであるかまたは最終的なアパチャーであるかを判断する。予備アパチャーとは、意図する最終的なサイズよりも小さく形成されるアパチャーのことである。アパチャー４２０が予備アパチャーではない場合、したがって最終的なアパチャーサイズである場合、プロセス８００はステップ８０２へ進む。このステップでは、望ましいドライブモードと少なくとも第二の振動モードとの間の周波数分離が求められる。

本発明のある実施形態によれば、周波数分離を求めるために、振動部材４０２が望ましいドライブモードで振動させられる。望ましいドライブモードの共振周波数は測定することができる。次いで、ドライバ４０７および振動センサー４０８をアパチャー４２０と第二の端部４０４の一部の中心との中間の位置に再配置することができる。一実施形態では、再配置は約１５度である。ドライバ４０７および振動センサー４０８が再配置されると、振動部材４０２を少なくとも第二の振動モードで振動させることができる。例えば、ドライバ４０７および振動センサー４０８を約１５度だけ回転させると、メーター電子機器２０は、振動部材４０２を周波数が高い３葉状半径方向振動モードで振動させることができる。望ましい周波数分離に基づいて前もって決められ得る閾値レベルに周波数分離が到達したたか否かを判断するために、望ましくない振動モードの共振周波数を求めることができる。

本発明のある実施形態によれば、ステップ８０１で形成されるアパチャーが予備アパチャー（意図するアパチャーのフルサイズではないアパチャー）である場合、当該プロセスはステップ８０３へ進む。このステップでは、振動部材４０２は望ましいモードで振動される。振動部材４０２が望ましいモードで振動すると、この振動モードの共振周波数はステップ８０４で求められる。

ステップ８０５では、予備アパチャー、振動モードの共振周波数、および、アパチャーサイズと周波数との間の予め求められた相関関係に基づいて、望ましいアパチャーサイズが求められる。予め求められた相関関係は、図５および図６の如きチャート、ルックアップテーブル、式などの形態を有していてもよい。例えば、予備アパチャーが、約０．０３インチ（０．７５ｍｍ）の幅と、約０．１２インチ（３ｍｍ）の深さのサイズを有している場合、図５に示されている相関関係によれば、望ましいドライブ周波数が１９５０Ｈｚであるならば、アパチャー深さは０．０２インチ（０．６ｍｍ）だけさらに大きくされるべきである。予備アパチャーを備えている振動部材４０２の周波数測定値が相関関係に正確に対応してないような場合、周波数測定値に基づいて相関関係を推定することができる。例えば、周波数測定値が、予め作成された相関関係に基づく予側周波数に近い場合、図５のラインの傾斜を用いて、望ましいドライブ周波数における望ましいアパチャー深さを求めることができる。

ステップ８０６では、アパチャー４２０が、ステップ８０５で求められたような望ましい深さおよび幅に形成される。

ステップ８０７では、周波数分離が、ステップ８０２で概説されたステップと同様の方法で求められる。

本発明により、望ましいドライブモード周波数と１つ以上の望ましくない振動モード周波数との間の周波数分離が増大された、振動式デンシトメーター４００用の振動部材４０２が提供される。部品の製造が困難であり、受諾可能な製品歩留まりが低い、振動部材４０２の複数の振動周波数を分離するための従来のアプローチとは対照的に、本発明では、振動部材４０２の自由端部の近傍に１つ以上のアパチャー４２０が形成される。１つ以上のアパチャー４２０により、望ましい振動モードで振動部材４０２を振動させるためにドライバ４０７および振動センサー４０８の位置をどこにするのかがはっきりと分かるようになる。さらに、１つ以上のアパチャー４２０により、当該アパチャー４２０の完成以前に振動部材４０２の振動特性の試験を行うことが可能となる。このことにより、受諾可能な製品歩度まりを高くすることができる。

上述の実施形態の詳細な記載は、本発明の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。さらに正確にいえば、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範囲および教示内に含まれる。また、当業者にとって明らかなように、本発明の範囲および教示内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、本明細書には本発明の具体的な実施形態または実施例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、本発明の範囲内において、さまざまな均等な変更が可能である。本明細書に記載の教示は、上述されかつそれに対応する図面に例示されている実施形態だけでなく、他の振動式デンシトメーターにも適用することができる。したがって、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲から決定されるべきである。

Claims (16)

1. １つ以上のアパーチャ（４２０）を有している、振動式デンシトメーター（４００）用の振動部材（４０２）を備えており、
   前記１以上のアパーチャ（４２０）が、望ましい振動ドライブモードの共振周波数と１つ以上の望ましくない振動モードの共振周波数との間の周波数分離を増大させるようなサイズおよび前記振動部材（４０２）の部位に形成されている、装置。
2. ハウジング（４０１）をさらに備えており、前記振動部材（４０２）が前記ハウジング（４０１）の内部に少なくとも部分的に配置されている、請求項１に記載の装置。
3. 前記振動部材（４０２）が第一の端部（４０３）をさらに有しており、前記第一の端部（４０３）の反対側の第二の端部（４０４）が自由に振動することができるように、前記第一の端部（４０３）が前記ハウジング（４０１）に片持ばり状にマウントされている、請求項２に記載の装置。
4. 前記１つ以上のアパーチャ（４２０）が前記振動部材（４０２）の前記第二の端部（４０４）まで延びている、請求項３に記載の装置。
5. 前記１つ以上のアパーチャ（４２０）が、前記第二の端部（４０４）の近傍に形成されてはいるが、前記第二の端部（４０４）を貫通してはいない、請求項３に記載の装置。
6. ドライバ（４０７）と、１つ以上の振動センサー（４０８）とをさらに備えている、請求項１に記載の装置。
7. 前記望ましい振動ドライブモードが第一の３葉状半径方向振動モードであり、前記１つ以上の望ましくない振動モードのうちの１つの望ましくない振動モードが第二の３葉状半径方向振動モードである、請求項１に記載の装置。
8. １つ以上の共振周波数で振動するように構成された振動部材を有する振動式デンシトメーターを形成するための方法であって、
   望ましい振動ドライブモードの共振周波数と少なくとも第二の望ましくない振動モードの共振周波数との間の周波数分離を増大させるために前記振動部材に１つ以上のアパチャーを形成するステップを有する、方法。
9. 前記望ましい振動ドライブモードおよび前記少なくとも第二の望ましくない振動モードで前記振動部材を振動させるステップと、
   前記振動ドライブモードの共振周波数と前記少なくとも第二の望ましくない振動モードの共振周波数との間の周波数分離を求めるステップと、をさらに有する、請求項８に記載の方法。
10. 前記１つ以上のアパチャーが、望ましいサイズよりも小さなサイズを有する予備アパチャーであり、前記振動部材に１つ以上のアパチャーを形成するステップの後、前記方法が、
    前記望ましいドライブモードで前記振動部材を振動させるステップと、
    前記望ましいドライブモードの共振周波数を求めるステップと、
    アパチャーサイズと周波数との間の相関関係に基づいて前記望ましいアパチャーサイズを求めるステップと、をさらに有する、請求項８に記載の方法。
11. 前記振動部材の少なくとも一部分が前記ハウジング内に配置されるように、前記振動部材の第一の端部をハウジングと結合するステップをさらに有する、請求項８に記載の方法。
12. 前記振動部材の第一の端部をハウジングと結合するステップが、前記第一の端部とは反対側にある前記振動部材の第二の端部が自由に振動可能となるように、前記第一の端部を前記ハウジングに片持ばり状にマウントする、請求項１１に記載の方法。
13. 前記１つ以上のアパチャーが前記第二の端部の近傍に形成されてはいるが、前記第二の端部を貫通してはいない、請求項１２に記載の方法。
14. 前記１つ以上のアパチャーが、前記振動部材の前記第二の端部を貫通している、請求項１２に記載の方法。
15. 前記振動部材の振動を誘発および感知するために、前記振動部材の近傍にドライバと１つ以上の振動センサーとを配置するステップをさらに有する、請求項８に記載の方法。
16. 前記望ましいドライブモードが第一の３葉状半径方向振動モードであり、前記１つ以上の望ましくない振動モードのうちの１つの望ましくない振動モードが第二の３葉状半径方向振動モードである、請求項８に記載の方法。

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