JP2709618B2 - 揺動ビーム渦センサー - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 1.発明の分野 本発明は渦流量計に関し、より詳細には、渦に起因し
て検知ダイヤフラム上に生ずる差圧に応じてピボット運
動又は揺動（rocking）し、流れに関連する出力を発生
するビームを用いる渦流量計に用いられるセンサーに関
する。

2.従来技術の説明 流体の流れ中に配置されたブラフ体（bluff body）又
はバーがブラフ体の両側に交互に渦を発生させ、バーの
下流に圧力振動を起こさせるという原理に基づいて作動
する、種々の差圧感知渦流量計が提案されている。渦放
出の周波数は、個々のバーの形状特性に対して流れ中の
流速に正比例することが分っている。

米国特許第4,475,405号に示されているように、渦放
出ブラフ体と共に用いられるツインダイヤフラム差圧セ
ンサーが提案されている。ダイヤフラムの偏向は、次に
検知ビームを屈曲させる。ツインダイヤフラムセンサー
は、ダイヤフラムが正確に調和（マッチング）し、か
つ、静圧の影響下においても調和を維持しない限り、静
的なライン圧力の変動に感応することが見出だされた。
これは実施上の制約となる。中間に流体を充填したダブ
ルダイヤフラムシステムが使用されたが、高温動作に伴
う問題が性能を制限している。

今までのシングルダイヤフラムは、シングルダイヤフ
ラム上で使用するセンサーを、検知されている流体に露
出する必要があり、大抵の工業プロセス流体はセンサー
を損傷するので、非実用的であった。

静圧中の変動を除去するセンサーの性能の一つの尺度
は、コモンモード除去比（common mode rejection rati
o）と呼ばれている。これは、単位の差圧に対するセン
サー出力と単位のコモンモード（静）圧力に対するセン
サーの出力との比として定義される。この比は非常に大
きくなければならず、好適には2000以上である。

発明の概要 本発明は、その両側に渦を形成するブラフ体又はバー
を流体ストリーム中に有する渦流量計のためのセンサー
に関し、特にバーの下流側にシングルダイヤフラム差圧
センサーを位置させ、バーからの渦の放出によって起こ
る、その両側の圧力変動を検知するセンサーに関する。

シングル検知ダイヤフラムは、流量計のシール壁の一
部をなすマウント構造体上でピボットレバーのようにピ
ボット運動するようにマウントされている検知ビームに
結合されている。チャンバー内部の表面は、検知ビーム
がピボット運動にするとき偏向する。その表面は、ビー
ムの隔離されたアクチュエータ部分である。このアクチ
ュエータ部分は、差圧がそこに作用してシングル検知ダ
イヤフラムが横方向に運動するような、検知ビームのピ
ボット運動の間中、左右に運動する。流れストリームの
外部にあるアクチュエータ部分の運動は都合のよい方法
で検知され、ビームの基準位置からの両方向へのビーム
偏向の周波数が、流れストリーム中の流れの速度を表わ
す。

本発明のセンサーは広範な流量の検知に特に適し、非
常に小さな差圧しか発生しない低流量の検知に特に有用
である。このセンサーの構造は高いコモンモード除去比
を示す。すなわち、静圧の変動には比較的鈍感である
が、渦の発生する小さな差圧は容易に検知する。

精密な検知手段及び電気コネクターはプロセス流体か
ら隔離されており、また検知手段は、プロセスラインを
閉塞・停止させることなく、較正、交換、及びその他の
保守をすることができる。

検知ビームの揺動又はピボット運動、もしくはそれに
よって発生された力の測定に、他の方法又は検知要素も
適用できるのではあるが、好適には、圧電検知要素が、
流体の流れストリーム中の揺動ビームによって付勢され
た表面の運動検知手段として用いられる。そのような検
知要素にはストレンゲージ、光学的センサー、磁場セン
サー、又は静電容量センサーが含まれる。圧電デバイス
は単純で、作動のための動力を必要とせず、かつ、非常
に小さな運動を検出する能力を有するとともに、高温で
も動作可能である。

このセンサーは加速度補償をすることができ、また、
感知材料は検知されている流体に直接は接触していない
ので、高温動作のためにも、わずかな高温材料しか必要
としない。センサーの位置は遮蔽が比較的簡単であるの
で、電気的雑音の問題が回避される。センサーはライン
を停止／閉塞させることなく交換又は保守できる。とい
うのも、センサーが液体に浸漬されておらず（non−wet
ted）、保守のために圧力ラインシールを一つも開ける
必要がないからである。

使用されている部品数は最少限度に押えられており、
またダイヤフラム及び他の運動要素は低応力レベルで作
動するので、長寿命及び信頼性をもたらす。さらに、こ
のシングルダイヤフラムは広いダイナミックレンジに渡
って作動する能力を有し、従って広範な流量を検知でき
る。センサーはワンピースの無溶接組立体として製作す
ることができるので、腐蝕及び応力の問題が最少にな
る。

図面の簡単な説明 第１図は、大略第２図の線１−１に沿って下流に面し
ている、本発明に従って製作されたセンサーを有する渦
流量計の、一部を断面で、また一部を破断して示した正
面図； 第２図は、本発明に従って製作されたセンサーの第１
図の線２−２にそった断面図； 第３図は、本発明のセンサーの細部を示す、第２図と
実質的に同一の線にそった拡大断面図； 第４図は、第３図の線４−４にそった断面図； 第５図は、第３図の線５−５にそった断面図； 第６図は、第３図の線６−６にそった断面図； 第７図は、第３図の線７−７にそった断面図； 第８図は、異なるタイプのマウンティングを示す、本
発明のセンサーの変形した態様の垂直断面図； 第９図は、加速度感度を減少するための配置を示す、
本発明のさらに変形した態様の垂直断面図； 第10図は、揺動ビームからセンサーへ運動を伝達する
ための運動結合部材の、第９図の線10−10にそった側面
図； そして 第11図は、センサーの第９図の線11−11にそった図で
ある。

好適実施例の詳細な説明 流体の流量を指示する出力を発生する渦放出流量計
は、全体的に符号10で示されている。流量計10は流れ導
管の一部分を構成するスプール11中に配置され、体積を
測定すべきプロセス流体が流れているライン又はパイプ
12に結合されている。流体はパイプの中心導管通路13を
通って流れる。スプール11は同等又は少し小さなサイズ
の流路14を有し、その両端で、ガスケット15を用いて通
常の方法でパイプ12に結合されている。パイプ12のフラ
ンジ16は、第１図に大略17で示されているボルトなどの
適当な締め具を使用して、スプール11を適所に固定する
ために用いることができる。

ハウジング組立体20は流量計10の一部をなし、大略19
で示されており、導管開口14を横切って延びる渦発生ブ
ラフ体（bluff body）又はバーをマウントするために用
いられる。渦発生ブラフ体又はバー19は、第４図に示さ
れているように、第２図に矢印23によって示されている
流れの方向に大略垂直な、大略平面の、すなわち切立っ
たブラフ前面（bluff face）22を有するヘッドセクショ
ン21を含む。渦放出バーは、さらに中心ウエブ又は本体
部分24、及びテール25を含む。本体は、線26によって表
わされている一連の安定した、流れに関係する渦を発生
させるように設計されている。

渦は、バー19のヘッド21の横、すなわち側縁から交互
に放出される。発生される渦は、周知のように、バー19
を通り過ぎる流体流の速度の関数である周波数でヘッド
21の両側から交互に生起される。渦はウエブ、すなわち
中心本体部分を通り過ぎて下流に流れる。

渦が入替わるとき、中心ウエブ、すなわち本体セクシ
ョン24の両側の圧力は、交互に高くなったり低くなった
りするので、中心本体部分の両側には渦の通過に起因し
て圧力差が発生する。

ハウジング20はその遠方の端部で支持プラグ30に当接
している。この支持プラグ30は、セクション21,24,及び
25を含む本体19を流管、すなわちスプール11中に支持す
るために用いられ、適当な締め具31によって適所に保持
されている。ハウジング20は、また、スプール11の支持
プラグ30とは反対側にあるヘッド部材32を含み、そのた
めハウジングは通路14の中、従って流れの中に非常に安
定に支持される。適当なシール32A,30Aがハウジング及
びスプールをシールするために用いられる。あるいは、
シール32A,30Aの代りに溶接を用いてもよい。

ヘッド32に隣接する中心ウエブ、すなわち本体24の上
部34は、その先端でバー19のヘッド21と一体になり、周
縁で本体と部分と一体になった薄い検知ダイヤフラム35
に形作られている。検知ダイヤフラム35は、中心ウエブ
部分24の主要部よりも相当に薄い。渦を放出させなが
ら、流体がヘッド21を通り過ぎて流れると、その通路の
両側に振動する差圧が付与され、検知ダイヤフラム35が
影響を受ける。検知ダイヤフラム35はブラフ体19から交
互に放出される渦26（第４図）に起因する圧力差の作用
を受け、第５図に二方向矢印27で指示されているよう
に、ダイヤフラム35の側面が偏向させられる。

揺動又はピボット検知ビーム36は、第3,4,及び５図に
最もよく示されているように、偏向検知ダイヤフラム35
の中心部分に一体に結合されている。図示されているよ
うに、検知ビーム36は、流体の流れ方向に直交し、検知
ダイヤフラム35の平面に平行な長手軸又は縦軸38を有す
る。検知ダイヤフラム35は、検知ビーム36を本体21のヘ
ッド部分に結合させるとともに、テール部分25を検知ビ
ーム36の下端で中心ウエブ部分24に結合させる前後の部
分35A及び35Bを有する。

検知ビーム36は導管通路14内に位置し、従ってプロセ
ス流体にさらされている第１の浸漬された（wetted）ビ
ーム部分36A、及び隔離ダイヤフラム40に対して検知ダ
イヤフラムとは反対側に位置する、隔離されたビーム部
分36Bを有する。検知ダイヤフラム35の縁部は隔離ダイ
ヤフラム40と一体化されており、また検知ビーム36もハ
ウジング20中に形成された隔離ダイヤフラム40と一体的
に形成されている。

ハウジング20のヘッド32は、隔離ダイヤフラム40に対
してスプール通路14とは反対側に位置するチャンバー42
を有する。従って、チャンバー42は、隔離ダイヤフラム
40によって導管中を流れる流体から隔離されている。チ
ャンバー42は種々のセクションを有するが、隔離された
ビーム部分36Bはこの隔離されたチャンバー42中に位置
し、かつその壁から離間していて、それに対して隔離ダ
イヤフラム40によって支持されている。

隔離ダイヤフラム40は比較的堅く、検知ビーム36が第
１及び５図に44で示されている軸の回りにピボット運動
するとき、ビーム部分36Aが第５図に二方向矢印27Aで指
示されているように運動できるように、検知ビーム36に
対するピボットを構成する。隔離ダイヤフラム40は、導
管開口14中の圧力に耐えるように十分な強度がなければ
ならない。一方、検知ダイヤフラム35は、ブラフ体、す
なわちバー19のヘッド21からの渦の発生に起因する、そ
の両側の圧力差に耐えることが必要なだけである。

隔離されたチャンバー42は、大略48で示される運動セ
ンサー又は検知手段が内部にマウントされている拡大セ
クション46を有する。運動センサー48は検知ビーム36の
隔離されたビーム部分36Bに結合されている。検知ビー
ムの隔離されたビーム部分36Bの上端部は、軸方向にフ
レキシブルなダイヤフラム50に結合されている。ダイヤ
フラム50は軸38の方向に沿ってはフレキシブルである
が、十分堅牢であって横方向の運動は伝達する。ダイヤ
フラム50は、さらに、第３図に図示されているように、
外壁53を有する運動伝達管51に結合されている。壁53の
下端は、ダイヤフラム50の周縁に機械的に結合されてい
る。

管51は上方に延び、第６図に大略図示されているよう
な形状をした運動伝達ヘッド54（第３図）に結合されて
いる。ヘッド54は、中心部分55及び外縁部分56,56を有
する。外縁部分56は、幅狭のヒンジウエブ58によって、
センサー組立体48のマウンティングヘッド60にヒンジ結
合されている。図示されているように２つのヒンジウエ
ブ58があり、これらのヒンジウエブは、運動伝達ヘッド
54がピボット軸44に平行な軸の回りにピボット運動でき
るように作られている。

ヘッド54がヒンジウエブ58の軸の回りに揺動すると、
第５図に大きく誇張してう破線で示されているように、
ヘッド54が傾く。ヘッド54が動くと、その中心部分55の
上面が傾斜する。中心部分55の上面64の運動は、大略70
で示されている一組の圧電検知結晶ウエハー又はディス
クの圧縮負荷を変えようとする。これらのウエハー又は
ディスクは、第６図及び第７図に示されているように、
２層からなり、各層は実質的に半円形の２枚のディスク
である。個々のセンサーディスクは、第７図の70A及び7
0Bに、また第６図の70C及び70D示されている。

反作用ブロック74はディスク70の上面に対抗して保持
され、マウンティングヘッド60に対して固定されてい
る。センサーディスクは、表面64が傾斜するとき、ピボ
ット軸の片側の圧電センサーディスクがさらに圧縮さ
れ、一方、ピボット軸の反対側では予備圧縮負荷が解放
されるように、十分な予備圧縮負荷がかけられている。
この予備圧縮負荷は十分大きく、ヘッド54のピボット運
動の間、センサーディスクには常に幾分かの圧縮負荷が
かかっている。

位置決めピン73を用いて、センサーディスク70は反作
用ブロック74に対して所望の位置に保持される。運動に
より、隔離したビーム部分36Bの偏向方向に依存する特
定の方向の負荷が圧電センサーディスク70にかかる。表
面64は隔離したビーム部分36Bに直結しており、揺動検
知ビーム36の運動の関数として偏向し、電気的出力を発
生する。

４個の圧電センサーディスクは、４個のディスク全て
の出力が加算されて合計出力となるように適当な極性で
配置されている。センサーディスクからの出力は、セン
サーディスクからの電圧信号を測定するためにディスク
に電気的に結合されている、リード線75を介して検知す
ることができる。この電圧信号は、次に、適当なフィー
ドスルー78を通して、離れた位置にあるセンサーに伝達
され、80で指示される適当な出力回路を介して信号出力
を発生するように用いられる。

圧電ディスク70を含む運動検知手段は、ダイヤフラム
50を介して検知ビーム36の隔離した部分36Bに結合して
いる。ダイヤフラム50は、検知ビームの隔離したビーム
部分36Bの上端の直径よりわずかに小さな中心穴を有す
る薄いダイヤフラムである。管51及び検知手段を所定位
置に押込むとき、すなわち、部品を押えねじによって隔
離したビーム部分36B上の所定位置に保持するとき、ダ
イヤフラム50は隔離したビーム部分36Bの円柱端部36C上
にスライドしてかぶさり、開口の回りにわずかに円錐形
をなしてビーム部分36Bの端部に適合する。

この結合は横方向、すなわち揺動検知ビーム36の軸38
に垂直な方向には非常に堅牢であるが、検知ビームの軸
方向の運動には弱い。このダイヤフラム結合は、渦放出
の間に、検知ビームが左右に動くときの揺動運動に起因
する軸方向力を軽減し、またダイヤフラム50は、ライン
中の静圧変化に起因する軸方向の力を検知ディスク又は
ウエハー70に伝えない。ダイヤフラム50とビーム端部36
Cの間の結合は、主流体ラインのいずれのシールをも開
放することなく、検知手段の除去及び交換を許容する。
管51を含む検知手段が取除かれると、ダイヤフラム50は
通常の形に戻り、ダイヤフラム又は検知ビームの隔離さ
れたビーム部分36Bの上端36Cを損傷することなく取り外
すことができる。

第８図には本発明の変形された態様が示されており、
これは第１−７図に示されている態様と同一の原理に基
づいて作動する。第８図は、本質的には第１及び第５図
に対応するが、本発明に利用可能な一つのタイプの応力
隔離マウントを示す。

本発明のこの態様においては、90で部分的に図示され
ている導管は、流体が流れている内部流路92に通じる開
口91を有する。流体は図の紙面に垂直な方向に流れてい
る。全体に94で示されている渦センサー組立体は、開口
91中にマウントされて流路92中に延びている。渦センサ
ー組立体94は、渦放出バー89の一部をなす。放出バー89
は、例えば、第４図に示されている渦放出バーのヘッド
と同様にして位置付けられたヘッド部分を有する。

本発明のこの態様においては、ハウジング95は単一の
ブロック材料で作られた円筒状スリーブ96を含む。スリ
ーブ96は開口91中に嵌め込まれる。渦を形成するために
用いられるバー89は、スリーブ96と一体の部分として、
同一のブロック材料から作ることができる。図示されて
いるように、スリーブ95は導管の表面97上に支持される
外側フランジ98を有する。スリーブ96の外側表面は、開
口91を定める表面から離間している。フランジ98は、押
えねじ99によって適所に非常に堅固に保持することがで
きる。

検知ダイヤフラム組立体100は前述のものと同様に形
成され、また、揺動検知ビーム101はダイヤフラム組立
体100と一体に形成されていて、検知ダイヤフラム組立
体100に作用する圧力差に応じて、二方向矢印102によっ
て示されるように前後に動こうとする。検知ビーム101
はまた、スリーブ96の内側端部に位置する堅固な隔離ダ
イヤフラム104にもマウントされており、ダイヤフラム1
04及びスリーブ96は、隔離ダイヤフラムの上側に隔離さ
れたチャンバー105を形成する。検知ビーム101は、検知
ビーム部分101Aを有し、さらにダイヤフラム104に対し
てプロセス流体を通す通路92とは反対の側に隔離された
ビーム部分101Bをも有する。

隔離されたチャンバー105は、円筒状スリーブ96から
応力解放環状隔離溝112で分離された内側スリーブ110に
よって囲まれている。応力解放環状隔離溝112は、スリ
ーブ96の底部表面113から上方にダイヤフラム104の厚み
より大きな距離だけ離れた内側表面112Aを有する。チャ
ンバー105は導管通路92から、従って導管中を輸送され
ていることがある腐蝕性流体から隔離されており、揺動
検知ビームの隔離されたビーム部分101Bはバイモルフ
（圧電）屈曲ビーム115に適当に結合している。

この結合は凹所116によって定められる界面（インタ
ーフェイス面）を含むことができ、スプリング・スリッ
プばめ（spring slip fit）などの適当な結合手段によ
って、又は図示されているように、凹所を満たしてパー
ツを一緒に固定する樹脂充填材117中に浸漬することに
よって、バイモルフビーム115の端部を所定位置に保持
する。バイモルフビーム115はその他端でダイヤフラム1
18上に支持されており、ダイヤフラム118はリング119上
に支持されている。リング119はさらに、応力隔離され
たスリーブ110の上端120に固定されている。

ダイヤフラム118は、その結合点でビーム115に接着さ
れている。バイモルフビーム115は、検知ビームがその
下端で矢印102によって示された方向にピボット運動す
るのに伴なって隔離されたビームセクション101Bが動く
とき、屈曲して出力電気信号を発生する。

検知ビームは隔離ダイヤフラムに対して121で示され
たピボット軸の回りにピボット運動するのであるから、
検知ビームの下端が運動すればその上端も運動する。ピ
ボット軸は堅固な隔離ダイヤフラム104の中心に位置
し、バイモルフ圧電ビーム115からなる検知手段との結
合表面を含む隔離されたビームセクション101Bの運動
は、バイモルフビームを屈曲させて適当なリード線125
上に出力を発生させる。

リード線125は、離れて位置する回路でバイモルフビ
ームの出力を検知するのに必要な電気的結合を与えるフ
ィードスルー組立体126に結合させることができる。ダ
イヤフラム118は検知ビームの軸方向にフレキシブルで
あり、使用中に検知ビーム101がピボット運動すると
き、隔離されたビームセクション101Bの軸方向運動がバ
イモルフ出力に与える影響を軽減する。

渦センサー組立体94は導管に取付けられたフランジ97
によってマウントされており、また、渦放出バー及び検
知手段は溝112によって隔離されているので、ハウジン
グ95をマウントするためのマウンティング応力は、堅固
な隔離ダイヤフラム104に直接影響を及ぼさない。従っ
て、マウンティング応力が堅固な隔離ダイヤフラム104
の片方を不平衡にすることはなく、検知ビームのピボッ
ト運動はその軸121に対して対称になる。隔離ダイヤフ
ラム104は片側又はその反対側が薄くなるように削って
平衡させることができ、なおかつ、揺動検知ビーム101
に対して必要な支持機能をもたせることができる。

センサーがマウンティング応力から隔離されているの
で、非常に高い値のコモンモード除去比を得ることがで
きる。使用される検知手段のタイプは特に重要ではな
く、ここに示されているバイモルフ型のビーム検知手段
は十分な周波数信号出力を発生する。ここでも、また、
バイモルフビーム115がエポキシ以外の、例えば軽いし
まりばめ、又は機械的なばねマウントによって、検知ビ
ームの隔離された部分101Bの表面に結合されている場合
には、検知手段は容易に取外して交換することができ
る。

第9,10及び11図には、加速度、例えば流量計がマウン
トされている導管中の振動に起因するような加速度を補
償する構造を与え、振動ビームのピボット軸の回り、及
び揺動ビームからセンサー要素への結合リンクの軸の回
りにも釣り合わされた質量を有するセンサーの変形され
た態様が示されている。

第９図に示された断面図は、第１及び５図に示されて
いる断面と本質的に同一の平面に沿うものであり、前述
のように導管内に適合する渦流量計ハウジング170を含
む。渦発生バー組立体又はブラフ体171は部分的にのみ
示されており、ヘッドセクション21に対応する渦発生ヘ
ッドセクション172から下流側が図示されている。従っ
て、第９図は流れ導管に沿って上流側を見た図である。

この場合、第９図に断面で示されている中心本体部分
173がある。本体173の断面は、ヘッド172を第４図のヘ
ッド21の位置に置くと、第４図に示されている断面と本
質的に同一である。ブラフ体171は、計器ハウジング170
に適当な方法でマウントされている支持ヘッド174中に
支持されている。中心本体173の上部、すなわち、支持
ヘッド174に隣接する部分は、ダイヤフラム35に対応す
る、全体的に175で示されている薄い検知ダイヤフラム
を有するように構成されている。

ダイヤフラム175は、ブラフ体171によって発生された
渦が検知ダイヤフラム175の両側に圧力差をもたらすと
き、二方向矢印176で示されるように前後で動こうとす
る検知ダイヤフラムを構成する。揺動又はピボット検知
ビーム177は、検知ダイヤフラム175の中心部分に一体に
結合されている。揺動ビーム177は検知ダイヤフラム175
の中心に位置付けられ、検知ダイヤフラムを二等分する
延長された中心縦軸178を有する。検知ダイヤフラムは
破線で示された部分175Aを有し、この部分は、例えば第
４及び５図中で先に図示したように、揺動ビーム177を
渦発生ヘッド172、本体173、及びテール（第４図のテー
ル25に類似している）に結合させる。

揺動ビーム177は流れ導管中にある第１の浸漬部分177
A、及び第２の隔離されたビーム部分177Bを有する。隔
離ダイヤフラム180は揺動ビーム177と一体に形成されて
いて、隔離された部分177Bを浸漬されたビーム部分177A
から分離する。浸漬された部分は流体流と接触してい
る。隔離ダイヤフラム180は、揺動ビームが点181で表わ
され、かつ第９図の断面平面に垂直なピボット軸の回り
で、前後にピボット運動できるように揺動ビームをマウ
ントする。

隔離ダイヤフラム180は、ビーム支持ヘッド174中に内
部チャンバー182を形成する。揺動ビームの隔離された
部分177Bはチャンバー182中に位置する。センサー組立
体185もまた、チャンバー182の外方部分中に位置し、図
示されているように、チャンバー182はその外側すなわ
ち開放端に向かって段階的に拡大すなわち直径が大きく
なっている。

チャンバー182の内部ショルダー186はチャンバーの開
放端に大きな直径の穴を形成し、センサー組立体185は
表面186に載るショルダーを有する。センサー組立体
は、さらに、センサー支持組立体を支持ヘッド174中に
固定するボルトのために用いられる外側キャップ組立体
を有する。

センサー組立体185は、揺動ビーム177の隔離された部
分177Bの横方向の揺動運動を、実際のセンサー要素に伝
達するように作られているので、その揺動運動によっ
て、ビーム177のそのピボット軸181の廻りでの振動又は
揺動の周波数を指示する信号が発生される。センサー組
立体185は、表面186を覆っているが、その上にわずかに
離間して配置される下部表面190Aを有する管状支持スリ
ーブ190を含む。支持スリーブ190は穴188の開放端に向
かって延びており、センサー組立体の一部を構成するリ
ング又はスリーブ194の穴部分193内にはまる外側リム19
2を有する。

スリーブ190はまた、支持スリーブ190の端部の中心開
口196の周囲の環状表面を形成する外向きショルダー表
面195を形成する内側穴を有する。中心開口196は、運動
結合スリーブ197がそこを貫通するような寸法を有す
る。運動結合スリーブ197は、スリーブ197及び揺動ヘッ
ド199（第10図も参照）を含む揺動運動伝達組立体198の
一部をなす。ヘッド199は平面図では円形ヘッドであ
り、スリーブ197はヘッドの中心軸上に心合せされてい
る。ヘッドの中心軸は、センサー組立体が支持ヘッド17
4上にマウントされたときのビームの軸178と一致する。

ヘッド199の下部表面は、第９図の破断部分に示さ
れ、また第10図にも示されているように、スリーブ197
の両側に整列した一対のピボットリブ202を有する。ピ
ボットリブ202は管197の壁から外側に向かって延びると
共に、丸くなった底面を有し、リブの下端上にあって表
面195に沿って静止しているピボット軸の回りに、ヘッ
ド199が傾くことができるように、ピボット又は揺動支
持部を形成する。リブ202及び運動伝達又は結合組立体1
98は、こうして軸181に平行な軸上にピボット可能にマ
ウントされている。

ヘッド199は、リブ202の下方のピボット軸に平行であ
り、従って表面195に平行な、平坦な上部表面204を有す
る。この表面204は、大略205で示されているセンサーを
構成する４個の圧電検知結晶を支持するために用いられ
る。センサーは、第９図に示されているように、ディス
ク205A,205B,205C及び205Dからなるセンサーディスク又
は結晶の２つの積重ね層を含む。

ディスクは第11図に平面図が示されており、そこから
わかるように、ダイヤフラム175の二等分面の各々の側
に一対の積重ねられたディスクがある。二等分面は第11
図中に線207で表わされている。一対のディスクは、ヘ
ッド199の中心で離間している。適当なピン210がヘッド
199中に設けられていてディスク205A−205Dを位置決め
し、ディスクは、スリーブ190の内部開口内にはまるエ
ンドボス部分213を有するキャップ212を用いて、ヘッド
199の表面204に対して圧縮保持されている。

キャップ212は、ボス213を取囲むショルダー表面214
を有する。ショルダー表面214は、管190のリム192上に
載っている。表面214は、表面間にわずかなギャップが
あるように、上部表面192Aから離間されている。

キャップ212は、さらに、支持リング194上に載る外側
周縁リム216を有し、リム216は通常はそこから離間して
いるリング194の上部表面に載る表面217を有する。従っ
て、キャップ212に負荷をかけてボス213の下面213Aを圧
電センサーディスク205に押付け、これらのディスクを
ヘッド199の表面204に対して圧縮し、さらにリブ202を
表面195に対して押圧することができる。

組立てに際し、表面190Aは支持体上に配置され、運動
伝達組立体198はリブ202を表面195に接触させて置かれ
る。圧電センサーディスク205はピン210を用いて表面20
4上に配置され、スリーブ190はリング194内に配置さ
れ、そしてキャップ212はディスク205上に配置される。

次に、矢印220で示されているように、キャップ212の
上部表面に圧縮負荷がかけられ、それは表面の190A上の
支持負荷によって対抗される。ウエハー又は結晶205に
は所望レベルまで圧縮負荷がかけられ、そしてキャップ
212及び支持リング194は、図示されているように溶接部
221によって、周縁部で一体に溶接される。両表面は、2
17において依然として離間していてもよく、表面214及
び192A間には依然としてギャップがあるが、リム192は
リング194中に定められた内部ショルダー表面191A上に
押圧支持されている。

従って、圧電センサーディスク205は圧縮状態で、所
望量の予備負荷がかけられており、使用時に満足がいく
ように作動することが保証される。組立体195は、使用
のために支持ヘッド174上に配置され、かつ、所望位置
に保持されたとき表面190A及び186間にギャップが存在
する。

このセンサー組立体185の構造は、また後述のよう
に、圧電センサーディスク205と、一般にステンレス鋼
で作られる支持スリーブ及びリングとの間の熱膨脹率の
差を補償できる。

運動結合管197の下端は、226で示されているその外縁
部で管197の下縁部に固定されている薄いダイヤフラム2
25を有する。このダイヤフラムは、揺動ビーム177の隔
離された部分177Bの円柱状上部ヘッドよりわずかに小さ
な直径の中心開口を有する。前述のように、検知組立体
195が支持ヘッド174上に規定位置に配置されると、ダイ
ヤフラム225はその開口の周りがわずかに変形し、ダイ
ヤフラム225及び揺動ビーム間が摩擦結合される。

本発明のこの態様においては、揺動ビームの上端部分
177Cのダイヤフラム225上方に選択されたサイズの質量1
77Dを有し、これが、ピボット軸181の下方に位置する揺
動ビームの下部浸漬部分177Aを平衡させるための釣合い
重りを構成する。容易に理解できるように、運動伝達又
は結合管197内に位置する部分177Dの質量を適正に選定
することにより、下部浸漬部分177Aを正確に釣合わせて
揺動ビームに作用する加速力の影響を補償することがで
きる。

同様に、運動伝達又は結合組立体198の質量は、結合
管197上にあるリブ202の下縁部によって定められるピボ
ット軸の両側における、ヘッド部材199の質量を選定す
ることによって補償することができる。

リブ202上のピボット軸の下方に位置する管197の質量
は、このピボット軸の上方に位置するヘッド199の質量
によって補償されなければならない。ピボット軸はヘッ
ド199の下側のリブ202を用いてセンサーの下方に位置付
けられているので、外部重り又は付加的重りは必要がな
い。というのも、ヘッド199の質量を適切に選択するこ
とによりユニットは自己平衡が可能であるからである。

本発明のこの態様の作動は、検知に関するかぎり、前
述したのと同一である。適当なリード線230が圧電ディ
スク又は結晶205A−205Dに結合されていて、リブ202に
よって形成されたピボット軸の片側で、圧電ディスクに
より大きな圧縮負荷がかかり、このピボット軸の反対側
で圧縮負荷が減ぜられるとき電気的出力が発生される。
圧電ディスク又は結晶205A−205Dの極性は、前述のよう
に、それらの出力が加算的であるように選択されてい
る。

本発明の渦センサーは大きく異なる温度で動作しなけ
ればならないので、圧縮負荷をかけられたパーツ間の熱
膨脹差の問題が生じる。圧電結晶材料は、例えば、１度
Ｆの温度変化当り百万分の一のレンジの非常に小さな膨
脹率を有するが、一方、その結晶をマウントしているス
テンレス鋼の管及びスリーブは相当に大きな熱膨脹率を
有する。異なる膨脹率を有する他のタイプのステンレス
鋼を得ることはできるが、それらは全て圧電材料の熱膨
脹率より大きな熱膨脹率を有する。

従って、広範に変化する温度下での使用に際し、熱膨
脹の差が圧電ディスク又は結晶上の初期圧縮負荷を、問
題を引起こすほど、大きく減少させることがありうる。
ここで再度注意すべきことは、センサーディスクは常
に、たとえ揺動ビームが最大にピボット運動していると
きであっても、いくらかの圧縮状態にあることが予定さ
れているということである。

第９図に示されている本発明の態様においては、スリ
ーブ190をキャップ212及び運動伝達組立体198のヘッド1
99よりも小さな膨脹率を有する材料で作り、かつ、スリ
ーブの有効軸方向長をセンサーディスクの厚みに対して
適当な比になるように選択することにより、この効果を
少なくとも部分的に補償することができる。キャップ21
2のボス213は温度が高まるときある割合いで膨脹し、ボ
スの軸方向の伸張又は収縮はボスの長さに比例する。

支持スリーブ190の軸方向の寸法変化はそれとは異な
り、その長さに比例する。スリーブ190の表面191A及び1
95間の軸方向長さは、圧電ディスク又は結晶205のより
小さな膨脹を相殺すなわち補償するように選択されるで
あろう。この寸法は、ディスク上の予備負荷を設計レベ
ルに維持するように選択することができる。キャップ21
2は、補償を達成するためにスリーブ190より大きな膨脹
率を有するように選択される。ディスク205の膨脹率は
相当に小さい。リング194及び運動伝達組立体198は、キ
ャップ212と同一の材料に選択される。

支持ヘッド部材174は流量計ハウジング170中に溶接す
ることができ、また、ユニットを適所に保持する溶接22
1Aがされるので、ユニット中には故障を起こすようなシ
ールが一箇所もない。センサー組立体185は、センサー
組立体185を支持ヘッド174中にねじ止めしている押えね
じを取外し、またダイヤフラム225を、揺動ビームの隔
離された、非浸漬部分である円柱部分177Cから引き外す
だけで、保守のために取外すことができる。

低流量からゼロまでの流量で、このセンサーは静圧の
変動に大きな感度を有することなく十分な出力を発生す
る。静圧変動は低流量で顕著である。なぜなら、静圧変
化は、例えばポンプの近くなど、大きな圧力脈動が発生
されている場所のライン中に、パルスとして現われるこ
とがあるからである。ダブルダイヤフラムの従来技術の
装置は、そのような条件下では、本発明のシングルダイ
ヤフラムセンサーよりずっと多く誤った指示を発生し易
い。流量計は流量が非常に小さな分岐ライン中に位置さ
れるので、主ラインの流量が大きい場合には、差圧に対
する静圧変化からの影響が非常に大きくなることがあ
る。

用いられている堅固な隔離ダイタフラムは、検知ダイ
ヤフラムによって２つの接合点で支持されているので、
検知ビームの軸方向には非常に堅固である。従って、こ
の堅固な隔離ダイヤフラムは、その隔離ダイタフラムに
対するコモンモード圧力効果（common mode pressure e
ffect）を解析するときは、あたかも実際に２つの分離
したダイヤフラム（その各々は半円）であるかのように
応答する。面に垂直な方向での剛性が、検知ダイヤフラ
ムに較べて隔離ダイタフラムの方がずっと大きいという
ことは、検知ダイヤフラムに比較して、隔離ダイタフラ
ムは渦形成に起因する圧力の差による影響を実質的に受
けないということを意味する。

静圧変化のために隔離ダイタフラムにも若干の運動が
導入されるが、隔離ダイタフラムへの影響とは対照的
な、検知ダイヤフラムを介しての揺動検知ビームへの影
響の機械的優位性のために、隔離ダイタフラムの運動の
問題は大幅に減ぜられて重大な欠点とはならない。隔離
ダイタフラムの堅さ及び面積の影響は、隔離ダイタフラ
ムの一方の側又は他方の側を研削して隔離ダイタフラム
の片側を薄くし、面積及び堅さの比の影響をバランスさ
せることによって修正することができる。このようにし
て、隔離ダイタフラム半体（halves）は非常に精密に調
和させることができ、２つの異なる部分の静圧変動に応
答する望ましくない異なる運動（different motions）
が回避される。

検知ダイヤフラムは、渦発生に起因する差圧に耐える
ことが必要なだけであるので、非常に薄くできる。逆
に、隔離ダイタフラムは、それが配置されているライン
の静圧に耐えなければならない。従って、隔離ダイタフ
ラムは検知ダイヤフラムより小さくて厚い。

本発明の他の重要な利点は、このセンサーが高温で作
動するということである。圧電結晶を用いているため、
例えば、700から1000゜Fに耐えることができ、また、渦
放出バー及び揺動検知ビームを溶接しなくてもよいの
で、（ユニットをワンピースに作ることができ）それら
には溶接に起因する強度の低下又は腐蝕の増大がない。
使用される材料の数を減らすことができ、構造が簡単に
なる。高温での使用を考慮するとき、このこともまた利
点である。

揺動ビームセンサーは、もし必要なら、隔離及び検知
ダイヤフラムに結合する交換可能なモジュールとするこ
とができる。そして、これはある状況においては有利で
あるが、揺動ビーム及び中心本体部分24、渦放出バー、
及びダイヤフラム25の界面のシールの問題が困難であれ
ば、コストがよけいにかかる。

圧電結晶あるいは圧縮、屈曲、又は剪断に感応する他
の検出手段を、本発明と共に用いることができる。

渦流量計が回転振動すると、揺動ビーム及びセンサー
組立体は夫々ハウジングに対して回転的に振動しようと
する。これはセンサー出力中に望ましくないノイズを発
生させる。しかしながら、回転振動の影響は、センサー
の機械的パラメーターを力の相殺が起こるように選択す
ることにより減ずることができる。揺動ビームはそのピ
ボット軸PLの回りに振動して、揺動ビームとセンサー組
立体間の結合に第１の力F1を及ぼす。センサー組立体は
そのピボット軸P2の回りに振動して、振動ビームとセン
サー組立体間の結合に第２の力F2を及ぼす。

しかし、力F1及びF2が実質的に等しくかつ逆向きにな
って平衡しているならば、センサーの出力のノイズは減
ぜられる。力F1は、揺動ビームの回転慣性モーメントを
ピボット軸P1と結合軸P3間のモーメント腕R1で割ったも
のに比例する。力F2は、センサー組立体の回転慣性モー
メントをピボット軸P2と結合軸P3間のモーメント腕R2で
割ったものに比例する。モーメント腕R1,R2の長さは、
力を平衡させるために機械的寸法を変化させて調整する
ことができる。

前述のように、揺動ビーム及びセンサー組立体は、揺
動ビーム又はセンサー組立体上の選択された位置で材料
を付加又は除去することにより並進的（非回転的）振動
に対しても平衡させることができる。このようにして、
材料の量並びにピボット軸P1,P2及び結合軸P3間の間隔
を選択することにより、流量計の回転的及び並進的振動
の両方に対する補償が達成される。

本発明の好適実施例に関して説明したが、この技術に
熟練した者は、本発明の精神及び範囲を逸脱することな
くその態様及び細部に変更を加えることができることを
理解するであろう。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 実開 昭56−138371（ＪＰ，Ｕ) 特公 昭56−17608（ＪＰ，Ｂ１) 米国特許4475405（ＵＳ，Ａ) 米国特許4627295（ＵＳ，Ａ) 米国特許4926695（ＵＳ，Ａ)

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】流体中に流量の関数として渦を誘発する本
   体を含み、その内部に隔離チャンバーを有するハウジン
   グと； 上記本体によって形成された渦に応答して偏向するよう
   に、上記本体中に形成され、流体と結合される検知ダイ
   ヤフラムと； 上記検知ダイヤフラムに結合し、隔離チャンバー中に位
   置する隔離されたビーム表面まで延びているビームであ
   って、上記検知ダイヤフラムの偏向を該隔離されたビー
   ム表面に結合させるためのビームと； 上記隔離されたビーム表面に結合されてその偏向を検知
   し、流量を指示する出力を発生するための検知手段と； 上記検知手段が流体と接触しないように、流体から隔離
   チャンバーを隔離するための、ハウジング中に形成され
   てビームにシール状態で結合された隔離ダイタフラムと
   を含む、流体の流量を指示する出力を発生する装置。
2. 【請求項２】検知ダイタフラムは隔離ダイタフラムに結
   合されている請求項１記載の装置。
3. 【請求項３】ビームは隔離ダイタフラムに一体に結合さ
   れ隔離ダイタフラム上でピボット運動する請求項１記載
   の装置。
4. 【請求項４】隔離ダイタフラム及び検知ダイヤフラムは
   互いに実質的に垂直な平面を有し、隔離ダイタフラムは
   隔離チャンバーの一つの壁部を形成している請求項２記
   載の装置。
5. 【請求項５】上記ビームは検知ダイヤフラムに一体的に
   取付けられ、かつ検知ダイヤフラムの平面にほぼ平行な
   軸の回りにピボット運動するように、隔離ダイタフラム
   の位置でハウジング中に支持された揺動ビームを含み、 該揺動ビームは隔離ダイタフラムに対して検知ダイヤフ
   ラムとは反対側にある隔離されたビーム部分を有し、傾
   斜本体が上記検知ダイヤフラムから隔離され、かつ隔離
   されたビーム部分から離れて上記ハウジング中にマウン
   トされ、該傾斜本体は検知ダイヤフラムの平面にほぼ平
   行で、かつそれと整列した軸の回りにヒンジ運動可能で
   あり、 傾斜部分とビーム部分を結合させる手段は、中心に開口
   を有する薄いダイヤフラムと、隔離されたビームの両側
   の離間した位置で傾斜本体に結合されている外周部分と
   を含み、上記隔離されたビーム部分は大略円柱形であ
   り、また、薄いダイヤフラム中の上記開口の直径は隔離
   されたビーム部分の寸法より小さく、 従って、センサーが組立てられるとき薄いダイヤフラム
   は隔離されたビーム部分の上に押付けられ、薄いダイヤ
   フラムと隔離されたビーム部分の間に、運動を傾斜本体
   に伝達するためのプレスばめを形成する請求項４記載の
   装置。
6. 【請求項６】内部に流体流れから流体的に隔離された隔
   離チャンバーを定める壁手段手段を有し、該手段壁は隔
   離ダイタフラムを構成する部分を含むハウジングと； 流体の流れ中に突出するようにハウジングにマウントさ
   れ、流れの関数として流体中に渦を誘起するためのヘッ
   ドを有する本体と； 上記本体のヘッドの下流側で該本体中に形成され、ヘッ
   ドによって形成された渦に応じて偏向するようにマウン
   トされたシングル検知ダイヤフラムと； 上記隔離ダイタフラムに固定され、検知ダイヤフラムの
   偏向を隔離チャンバー中の少なくとも一表面に伝達する
   ために、検知ダイヤフラムに結合された第１のビーム部
   分を有するビーム手段と； 上記流体流れから隔離されて上記表面に結合され、上記
   表面の偏向を検知して上記本体を通過する流れを指示す
   る出力を発生する、検知手段とを含む流体の流れを指示
   する出力を発生するための装置。
7. 【請求項７】上記表面は第１のビーム部分と整列して隔
   離ダイタフラムと一体をなす第２のビーム部分上に位置
   し、検知手段を第２のビーム部分に結合させるための手
   段は、隔離ダイタフラムの平面にほぼ平行な平面を有す
   るフレキシブルダイヤフラムを含み、該フレキシブルダ
   イヤフラムは隔離ダイタフラムの平面にほぼ垂直な軸に
   沿う運動に対しては実質的に抵抗とならない請求項６記
   載の装置。
8. 【請求項８】上記検知手段は第２のビーム部分から離れ
   た位置にマウントされた圧電結晶手段を含み、また結合
   手段は、表面部分を有し、かつ上記第２のビーム部分に
   結合されているピボットレバーを含み、該ピボットレバ
   ーは、第２のビーム部分が運動するとき運動し、該ピボ
   ットレバーのピボット軸の両側にある圧電結晶上への負
   荷を変化させるように上記表面部分を駆動する請求項７
   記載の装置。