JP2708250B2 - マスフロー感知器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 本発明は、マスフロー感知器、特にコリオリス原理に
従って動作するマスフロー感知器に関するものである。

「従来の技術、発明が解決しようとする課題」 先行技術の公知の形のコリオリス型フロー感知器は、
直線状の管を有し、マスフローが感知されるべき流体が
それを通過するときに、横方向に振動させられる。管は
典型的に、その第３調波モードに共振して振動させら
れ、従来のマスフローを表わす信号は、管の長さに沿う
間隔を置いて配置された２つの点における振動の位相差
を感知することにより得られる。そのような感知器は、
英国特許出願No.8617415（2192714）、8804804（226263
1）および8727100に開示されている。

しかしながら、この先行技術の感知器は、マスフロー
速度と圧力との広い範囲に亘って、可成り精密なマスフ
ロー測定を与えるために充分に大きい位相差を得るよう
に、管が比較的長くて丈夫であることを必要とし、航空
宇宙用には長過ぎるし、また重過ぎるという欠点があ
る。

公知の先行技術の他の形のコリオリス型マスフロー感
知器は、英国特許出願No.2071848および2131950に記載
されているが、平らな細長い羽根または条片を有してい
て、それは、感知されるべきマスフローを持つ液体中に
沈められて流れの方向に沿って延びされており、一方の
端から振動させられて流れの方向に進行するたわみ波を
起こすようになっている。

しかしながら、この第２の形の先行技術の感知器は、
初めに述べた感知と同様の欠点を持ち、空宇宙関係に通
常利用できる空間において有用な位相差信号を得るため
には、羽根または条片を著しく薄く、しなやかであるこ
とが必要である。このことは、液体環境から、必要とさ
れる範囲にまで離される駆動およびピック・アップ手段
に有効な振動を与えることを非常に困難にする。

従って、本発明の目的は、航空宇宙利用に使用するの
に適し、先行技術の感知器の欠点が殆んど無くされてい
るマスフロー感知器を提供することである。

「課題を解決するための手段、作用」 本発明によれば、 マスフローが感知されるべき流体内に沈ませるのに適
した共振して振動できる構成部を有する感知素子と、 前記構造部の共振振動を励振させる手段と、 流体の流れの方向に沿って間隔を置いて配置された前
記構造部上の対応する点における振動を感知する手段
と、 を有するマスフロー感知手段において、 その構造部は、少なくとも１対のほヾ類似した羽根を
有しており、それらの羽根は、流体の流れの方向に延長
されて、整列させられていて、共通のヨークにより一緒
に結合され、ヨークからほヾ対称的に突出し、流体の流
れの方向にほヾ直角に、共通の振動数ではあるが互いに
反対位相で振動することを特徴としている。

ヨークは、完全に流体中に沈められてもよく、この場
合には、感知器はヨークから突出する２つまたは３つの
似た羽根の対を有し、それらの対はヨークの周りに対称
的に配置され、各対の羽根は共通の振動数において、反
対の位相で共振するように振動する。羽根はすべてヨー
クと一体に作られると都合がよい。

ヨークは、中空であって、その内側に励振および感知
手段が配置されていてもよい。

別のやり方で、感知器は管を有し、この管を通して流
体が流れるように配置され、ヨークは管の壁の部分を作
るように配置され、羽根はそれから管の中に突出すよう
にしてもよい。

何れの場合にも、励振手段はヨークの長さに沿うほヾ
中央部に配置されてもよく、感知手段は励振手段の両側
に配置された対応する感知装置を有してもよい。

「実施例」 以下図面により、本発明を実施例について説明する。

図１〜３の航空宇宙マスフロー感知器は、10に示さ
れ、全長に沿って対照的に突出している２つのほヾ同じ
の平行な羽根14を持つ細長いヨーク12を有し、このよう
にして感知器10は、歯を含んでいる平面に直角な方向に
延長された音又に似ている。典型的に、ヨークは、幅約
1cmで長さ15cmまでであるが、羽根14はヨークから1.5cm
突出し、その根元では厚さ約0.3cmである。この後で判
るように、感知器10は、流体導管（図示されない）、特
に航空機エンジン燃料制御システム内の主燃料供給導管
内に、ヨーク12の長手軸線、従って流体の流れの方向に
整列された羽根の長手軸線に取付けられるのに適合させ
られ、流体が根板14の間および両側に流れる。

ヨーク12は、２つの部分に作られ、第１の部分16は羽
根板14と一体であり、羽根の間の空間から向合っている
方形凹所18を含んでおり、第２の部分20はほぼ固い方形
ブロックを有し、このブロックは凹所18の全周の周りで
第１の部分に電子溶接で取付けられて凹所を閉ざしてい
る。ヨーク12の両部分16,20および羽根14は、典型的に
ステンレス鋼で作られているが、必要ならNiSpan Cを使
用してもよい。

圧縮の下に、凹所18の内側には、５つまでの圧電駆動
装置22と、２つの圧電ピック アップ装置24,26とが配
置されていて、装置22は相互に溶接に隣接し、ヨーク12
の長さの中点の周りにほヾ対称的に位置させられ、装置
24,26は、装置22の各側に対照的に、ヨーク12の相互す
る端に接近して位置されている。装置22,24,26の各々
は、凹所18の基礎28に、電気的に絶縁されて接着されて
いるが、この基礎は比較的厚く（0.2cm）、羽根14の根
元から延びている。さらに、装置22,24,26の各々は、予
め定められた圧縮の下に、ねじを付けられた埋金（また
はグラブねじ）39により、凹所18の基礎28に対して保持
されているが、この埋金はブロック20全体を通過し、圧
縮を調節するようにねじ込まれ、または出される。これ
らの埋金の１つだけが、明らかにするために示されてい
る（図３）。実用においては、各装置22,24,26は、２つ
のテーパーされたワッシャの間にはさまれ、この組立体
がユニットして作られ、グラブねじ39のためのタップを
付けられた穴を経て凹所18に差込まれ、それからグラブ
ねじ内へねじ込むことにより、その位置に固定される。

装置22は、1988年12月21日出願英国特許出願No.88298
25、“Combined Output and Drive Circuit for Mass F
row Tansducer"に開示され、その優先権は欧州特許出願
89313162（特許No.375300）にクレームされているもの
に開示されている。組合された出力および駆動回路によ
り与えられる、交流電気信号により付勢される。この交
流信号は、装置を交番して膨張および収縮させ、凹所18
の基礎28を羽根14の間でたわませて、羽根が流体の流れ
の方向に直角に反対位相で共振するように振動させる。

羽根14の振動はピック アップ装置24および26により
感知されるが、この装置の電気出力信号は、前記の組合
わされた出力および駆動回路への入力信号を形成する。
組合された出力および駆動回路により与えられる正フィ
ード バックは、羽根14の共振振動を維持するが、ピッ
ク アップ24および26により感知される対応する振動の
間の位相差は、羽根を越えて流れる流体のマスフローを
示す（実際に、この位相差、振動の振動数により除算さ
れたものは、マスフローに比例する）。上記の寸法を待
つ感知器10に対しては、流量m/sec当り約３゜までの位
相差が得られることが判っている。

導管内に感知器10に取付けるために、ブロック20に
は、間隔を置いて配置された２つの取付け柱30,32を設
けられていて、一方は、装置22と装置24との間の中央
に、他方は、装置24と26との間の中央に位置させられて
いる。柱30,32は、導管の壁内に設けられた対応するオ
リフィスを密封して通過するのに適合させられている
が、例えばこれらのオリフィスの対応する周囲に溶接さ
れている。この場合に、感知器10は、永久的に導管の短
かい区間に取付けられているが、この区間は、流体マス
フローが感知されるべき道管内に流れのシリーズに従っ
て接続のために各端においてフランジ付けされていると
都合がよい。さらに、柱30,32は中空であるので、装置2
2,24,26への電子接続を作るために必要な電気配線がそ
れを通過できる。最後に、柱30,32は、ベローズまたは
他の可撓区間を一体としていて、外部振動から感知器10
を少なくとも部分的に分離するようにしているが、この
外部振動が、若しそうでないと、それが取付けられてい
る導管から伝えられるようになる。しかしながら、若し
感知器10の羽根14が精密に平衡化されていれば、このこ
とは必要でない。

図４は、感知器10の５つの可能な共振振動のモードを
示している。このようにして、図４（ａ）は、モード１
を示しているが、第１の数はヨーク12の長手軸線に直角
な羽根４内の軸線に直角な振動の次数（または調波）を
指し、第２の数字はヨークの長手軸に平行な羽根内の軸
線に直角な振動の次数（または調波）を指す。図４
（ｂ）および図４（ｃ）はそれぞれモード1.1および1.2
を示するが、図４（ｄ）および図４（ｅ）はそれぞれモ
ード2.0および2.1を示す。

感知器10に対する都合のよい振動モードはモード1.0
である。種々の変動モードの振動数を示す図５から、二
次モード1.1、1.2等の振動数は、モード1.0の振動数に
近いことが認られるであろう。しかしながら、駆動およ
びピック アップ装置22,24,26の注意深い配置、および
図示されたように分配された５つの駆動装置22の使用
は、モード1.0が優先的に励振されることを保証する。

幾つかの変形が感知器10に作られる。例えば、５つの
駆動装置22は、３つの駆動装置に置換えるか、駆動エネ
ルギが羽根14に与えられる限りは、単一駆動装置にして
もよい。また２つの部分16,20は、それらを押出し、ま
たは他の方法で１つの片として、一体にされてもよい。

図６および７の航空宇宙マスフロー感知器は50におい
て示されていて、実際おいて、図１〜３の感知器10を有
し、それらブロック20が取除かれ、第１の部分16が背中
合せに一緒に溶接されている。このようにして、感知器
50は２つの同じ半部52aおよび52bに作られたヨーク52を
有し、それぞれの半部は、これと一体に作られて、これ
から対称的に突出する１対の同様の羽根54a,54bを持
ち、対応する羽根54aおよび54bが突出している方向から
向合っている凹所56a,56bを含んでいる。ヨーク52の２
つの半部52aおよび52bは、それらの対応する凹所56a,56
bの周囲の周りに一緒に溶接されているので、羽根54aは
羽根54bから反対方向に突出するが、凹所56a,56bは一緒
に１つの単一共通凹所を形成する。各対54aおよび54bの
羽根は、相互にほヾ平行であるか、または図示されてい
るように90゜まで発散してもよい。重要なことは、それ
らがヨーク52から対称的に突出することである。感知器
50は、再びステンレス鋼、またはNiSpan Cで作られ、ヨ
ーク52および各羽根54a,54bの寸法は、ヨーク12および
感知器10の羽根14に対して前に示されたものに似てい
る。

各対54a,54bの羽根は、感知器10の装置22に似て分布
され、それに似た５つの圧電駆動装置により、共通の周
波数で、相互に反対位相で振動するように励振される
が、これらの装置は、凹所56a,56bの一方の基礎58aまた
は58bに対して、他方の凹所の基礎58bまたは58aを連通
するねじを付けられた埋金により圧縮して保持されてい
る。この場合には、振動は２つの圧電ピック アップ装
置により感知されるが、この装置は同様に５つの駆動装
置に取付けられ、感知器10のピック アップ装置24,26
に似て配置されている。

別の都合よいやり方で、各単一圧電装置およびピック
アップ装置は、対応する接触面を有する、順次に取付
けられた１対の装置に置換えてもよい。これらの装置の
対は、図６および７に、62において（駆動装置の５つの
対に）、また64および66において（ピック アップ装置
の２つの対に）示されていて、それは再び感知器10につ
いて述べられているように、テーパを付けられたワッシ
ャとして形成される。

何れの場合にも、共振振動は維持され、マスフロー出
力信号は、前に示された、組合わされた出力および駆動
回路により作られる。

“二重”感知器50は、完全に対称的で平衡化された構
造であり、従ってその取付け構造の減衰を受けることが
ない（この減衰は振動数誤差を起こす）という点で、感
知器10よりも勝れた利点を待っている。

感知器50を作る別の方法においては、ほヾ円形で中空
のヨーク56と、その周りに均一に分布されて、その隣り
からそれぞれ90゜に配置されている羽根54a,54bを有す
る単一片として、押出しまたは他の方法で作られる。

図８および９は、感知器50をその短かい導管区間に取
付ける都合より方法を示している。（感知器10に関して
前に述べられたようにフランジを付けられていると都合
よい）。このようにして、感知器50は、短かい中空の低
い支持部72によりヨーク52の各端に支持されているが、
それらの支持部はヨークのそれらの対応する端に溶接さ
れて、それから軸方向に突出している。各低い支持部72
は、またほヾ十字形支持部材74の中心に溶接されてい
て、この支持部材の４つの脚76は、羽根54a,54bにほヾ
配列させられて、導管区間70のほヾ半径方向に延びてお
り、導管区間の壁に溶接されている。脚76の羽根54a,54
bとの整列は、羽根の前縁を保護する役目をしている。

各支持部材74の脚76の少なくとも１つは、中空であっ
て、導管区間70の外側と、低い支持部72の内部とに連通
しているが、低い支持部72の内部はヨーク52内の組合わ
された凹所56a,56bに連通して、圧電装置62,64,66の対
に電気的接続を与えている。

低い支持部72は、感知器10の柱30,32に関して述べら
れているように、ベローズ等の振動分離区間を含んでも
よい。

図８および９の実施形態の変形においては、十字形部
材74は、低い支持部72から直角に、一体となって延びて
いる単一半径方向の柱と置換えてもよい。

図10および11は、ヨーク52の外側に溶接された、感知
器10の柱30,32にほヾ等しい中空柱80を使用して、感知
器50を取付ける別の方法を示している。

本発明の別の実施形態においては、感知器は、共通の
ヨークの周りに対照的に分布された３対の羽根を持ち、
各対の羽根は共通の振動数で反対の位相において共振し
て振動するように駆動されてもよい。

図12および13の航空宇宙マスフロー感知器は110にお
いて示され、マスフローを感知されるべき流体が通って
流れる管と一体に作られている。感知器10の羽根14に似
ている平行な羽根114が、管112の円筒状壁116と一体に
作られて、管の中に突入し、羽根114の対応する根元の
間の部分116aが感知器10のヨーク12に相当するヨークを
効果的に構成しているが、この部分は図112に118におい
て示されているように薄くされて、外方を平たくされて
いる。

壁部分またはヨーク116aは、羽根114の対応するもの
と整列させられた半径方向外方に延び、羽根の全長に亘
って管112に長手方向に沿って延びる１対の突起または
フランジ120,121を持ち、羽根の根元に延長部を効果的
に作っている。感知器10の装置22,24,26に似た圧電駆動
およびピック アップ装置122,124,126は、フランジ12
0,121の間の間隙を長さに沿って分布され、感知器10の
装置22,24,26の取付け部にほヾ似たやり方で、間隙内に
圧縮して取付けられている。これらの装置の１つ、特に
装置122が図12に示されているが、ボルトまたはグラブ
ねじ124がフランジ120を通過して、これとねじでかみ合
わされて、フランジ120,121の間に入れ、フランジ121に
対して装置122を圧縮し、装置122は再び、感知器10に関
係して述べられたように、テーパを付けられたワッシャ
（図示されない）の間にはさまれている。感知器10に関
係して述べられている種類の交流信号により装置122を
付勢することは、交番してフランジ120,121を離すよう
に押して、それから、それらを一緒になるように戻し、
それらの間の壁部分またはヨーク116aをたわませて、羽
根114を反対位相において振動させる。

図14および15に示された発明の実施形態は、それぞれ
210および310に示されていて、基本的には図12および13
の感知器110に似ていて、それらはそれぞれ、管の壁216
および316に一体して作られた、１対のほヾ平行な羽根2
14および314を持つ、円筒状の管212および312の短かい
区間を有している。しかしながら、羽根214および314
は、反対位相に駆動され、振動は、感知器110の圧電装
置122,124,126に似て配置された、対応するコイル220お
よび320、磁石222および322によりそれぞれ電磁的に感
知される。このことを容易にするために、平行な溝、22
4および324が、それぞれ管の外側から露出された根元部
分226および326を離れて、対応する管212,312の外側か
ら羽根214,314の根元の中に切込まれる。対応する永久
磁石228および238は、根元部分226および326のチップに
固定され、対応するそれらのコイル220および320により
駆動または感知される。コイル220は、それらの対応す
る羽根214に整列させられた軸線を待つが（すなわち、
管212のほヾ半径方向に延びる）、コイル320は、互いに
整列させられ、管312のほヾ切線方向に延びている。

感知器110,210および310は、すべて金属、すなわくNi
Span Cまたはステンレス鋼の単一片から機械仕上げされ
ると都合がよい。

【図面の簡単な説明】 第１図は、本発明による航空宇宙マスフロー感知の１つ
の実施形態の斜視図、 第2,3図は、第１図の感知器の断面図、 第４図は、第１〜３図の感知器の共振振動の幾つかの可
能なモードを示す斜視図、 第５図は、第４図の種々の振動モードに対する駆動の共
振振動数を示すグラフ、 第6,7図は、本発明による航空宇宙マスフロー感知器の
別の実施形態の断面図、 第８〜11図は、航空機エンジン燃料システム内の燃料流
溝における第6,7図の感知器を取付けの別の方法を示す
斜視図および断面図、 第12,13図は、本発明による航空宇宙マスフロー感知器
のさらに別の実施形態の断面図、 第14,15図は、本発明による航空宇宙感知器のさらに別
の２つの実施形態の断面図である。 10……マスフロー感知器、 12……ヨーク、 14……羽根、 16……第１の部分、 18……凹所、 20……第２の部分、 22……圧電駆動装置、 24,26……ピック アップ、 30,32……柱。

Claims (12)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】マスフローが感知されるべき流体内に沈ま
   せるのに適した共振して振動できる構成部を有する感知
   素子と、 前記構造部の共振振動を励振させる手段と、 流体の流れの方向に沿って間隔を置いて配置された前記
   構造部上の対応する点における振動を感知する手段と、 を有するマスフロー感知手段において、 その構造部は、少なくとも１対のほヾ類似した羽根を有
   しており、それらの羽根は、流体の流れの方向に延長さ
   れて、整列させられていて、共通のヨークにより一緒に
   結合され、 ヨークからほヾ対称的に突出し、流体の流れの方向にほ
   ヾ直角に、共通の振動数ではあるが、互いに反対位相で
   振動することを特徴とする、マスフロー感知器、
2. 【請求項２】ヨークから突出する２つの対のそのような
   羽根を有し、それらの対がヨークの周りに対称的に配置
   され、各対の羽根が共通の振動数において反対位相で共
   振して振動することを特徴とする、請求項１記載のマス
   フロー感知器。
3. 【請求項３】羽根はすべてヨークと一体にされているこ
   とを特徴とする、請求項１または２記載のマスフロー感
   知器。
4. 【請求項４】羽根とヨークとは、例えば押出しにより、
   単一片として作られていることを特徴とする、請求項
   １、２、又は３記載のマスフロー感知器。
5. 【請求項５】ヨークは中空で、励振および感知手段がそ
   の中に配置されていることを特徴とする、請求項１、
   ２、３、又は４記載のマスフロー感知器。
6. 【請求項６】さらに、使用時に、流体が流れるように配
   置されている管を有し、前記ヨークは管の壁の部分によ
   り作られ、前記羽根はそこから管内に突出していること
   を特徴とする、請求項１記載のマスフロー感知器。
7. 【請求項７】前記管と羽根とは互いに一体にされている
   ことを特徴とする、請求項６記載のマスフロー感知器。
8. 【請求項８】励振手段がヨークの長さに沿ってほヾ中央
   に配置されており、感知手段が励振手段の両方の側に配
   置された対応する感知手段を有することを特徴とする、
   請求項１〜７のうちいずれか１項に記載のマスフロー感
   知器。
9. 【請求項９】励振および感知手段が、圧電式であること
   を特徴とする、請求項１〜８のうちいずれか１項に記載
   のマスフロー感知器。
10. 【請求項１０】励振および感知手段が、磁気式であるこ
    とを特徴とする、請求項１〜９のうちいずれか１項に記
    載のマスフロー感知器。
11. 【請求項１１】羽根の前および（または）後縁が流体の
    流れの方向に直角に対応する平面に対して傾斜させられ
    て、そこから破片を落すことを容易にしていることを特
    徴とする、請求項１〜10のうちいずれか１項に記載のマ
    スフロー感知器。
12. 【請求項１２】前および後縁は、それぞれ根元からチッ
    プへ、チップから根元へ流体の流れの方向に傾斜させら
    れていることを特徴とする、請求項11記載のマスフロー
    感知器。