JP3640426B2

JP3640426B2 - 多種測定用の互換式渦センサー

Info

Publication number: JP3640426B2
Application number: JP01790895A
Authority: JP
Inventors: ダブリュ．カリノスキーリチャード
Original assignee: インベンシスシステムズインコーポレイテッド
Priority date: 1994-02-04
Filing date: 1995-02-06
Publication date: 2005-04-20
Anticipated expiration: 2020-04-20
Also published as: EP0666468A3; US5447073A; DE69523649D1; DE69523649T2; JPH07270203A; EP0666468A2; EP0666468B1

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は流量測定装置に関する。更に詳しくは、渦流量計のセンサー及び圧電抵抗圧力センサーに関する。
【０００２】
【従来の技術】
長年にわたり渦は非流線形の障害物を超えて流れる流体に発生することが知られてきた。或る構成によれば渦は障害物の反対両縁から規則的な間隔で交互に発生して形成されて、対応する渦列を形成することも知られてきた。このような渦は所謂カルマンの「渦列」を形成するのであり、これは流れによって移動する２個の大体平行な等しい間隔の渦の列で構成される安定した渦構成である。
【０００３】
カルマン渦列に於いて、１つの列の渦は他の列の渦に対して同列の連続する渦の間隔距離のほぼ半分の距離で食い違うようにされる。各列に於ける連続する渦の間隔距離は流速全域にわたって極めてほぼ一定しており、従って渦構成は流体の速度に比例することになる。このようにして渦形成周波数を検出することで流体の流量を測定することが可能となる。このための装置はしばしば渦メーターと称される。
【０００４】
様々な形式の渦メーターが長年にわたり商業的に入手可能であった。典型的にこれらの渦メーターは流れチューブ内に取付けられた渦発生本体及び渦形成周波数を検出するセンサーを含む。渦を検出する為に使用されるセンサーはダイヤフラムを含み、このダイヤフラムは渦で発生される交互の差圧変化に応答して波動する。例えば、カーラン氏他に付与された米国特許第４０８５６１４号明細書には、ダイヤフラムに付与される圧力が圧電センサーに伝達され、このセンサーがダイヤフラムに付与された差圧に応答する電気信号を発生する。この差圧測定値は渦形成周波数を測定することに使用され、結局は流体流量又は速度の測定に使用される。
【０００５】
この形式のセンサーの限界は、１つの測定点でたった１つの測定、特に流速を計算するために使用される差圧変動周波数の測定しかできないことである。追加の測定値、例えば処理流体圧力又は温度を得るには、追加の機器及び測定点が必要となる。このことは流出性放出物の解放及び流体損失の危険性を高め、又追加の機器の購入及び取付けのための費用の増大を生む。追加される測定点の他の欠点はサンプリング位置が変化することによる測定値の精度の喪失である。流体の物理的な性質は流れの中で変化するので、正確な測定は１つの測定点の中にサンプル採取が行われる共通の源点を必要とする。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は特に渦流量計内に使用する為の、１つの測定点で共通源点にて複数の測定を可能にするセンサーを提供することである。
【０００７】
本発明の更に特別な目的は多種測定できる手段を備えることで流体密度のより正確な計算を提供することである。発生渦により作られる交互の差圧信号の周波数及び振幅、処理流体圧力及び温度、処理流体の圧力及び温度は、１つのセンサーにより、１つの処理通過に於いて共通の源点にて全てを測定できる。
【０００８】
本発明の他の特別な目的は複数の測定を行うことのできる圧電物質を有するセンサーの使用を採用することである。
【０００９】
本発明の更に他の目的は密度、絶対及び動的粘性、レイノルズ数、及び液体及びガスの両方の質量流量のような他の計算値を導き出すために多種測定を使用することである。
【００１０】
本発明の他の一般的及び特別な目的は添付図面及び以下の説明から明白且つ明確になろう。
【００１１】
【課題を達成するための手段】
本発明は流体の流れの物理的な性質の正確な多種測定は、共通する源点から１つの測定点で渦流量計で行えることが実現されることでなされた。本発明の目的はこのようなセンサーを作り出すことである。
【００１２】
本発明の手段の説明の前に、本願では処理流体圧力は圧力として参照され、処理流体温度は温度として参照され、発生バーから発生した渦により発生される交互の差圧は差圧として参照され、又多結晶シリコンはポリシリコンとして参照されることに注意しなければらない。
【００１３】
本発明は流体流を有し且つ又渦を発生させる発生バーを備えた流れパイプに於いて使用されるセンサーを特徴とする。このセンサーは流れパイプの外側に流体連結されて物理的に配置される。圧電抵抗を有する検出ダイヤフラムは、２個の高耐食性の隔離ダイヤフラムを有するセンサーハウジングの内部に流体密に密閉される。検出ダイヤフラムの何れかの側の空間が不活性流体で充満され、この流体は電気的絶縁材でもある。この流体が交互の差圧、処理流体圧力及び温度を処理ダイヤフラムから検出ダイヤフラムへ伝達する。
【００１４】
第１の実施例では、センサーは２個の検出ダイヤフラムを含み、各検出ダイヤフラムはホイートストーンブリッジ形状に配列された圧電抵抗を有する。１つの検出ダイヤフラムは処理隔離ダイヤフラムの１つに対して内部の流体で充満された空間により連結される。この検出ダイヤフラムの他側は、排出され密閉された、又は第２の実施例では大気解放された空間を覆って配置される。この検出ダイヤフラムは処理流体の絶対又はゲージ圧力の何れかを測定することに使用される。第２の検出ダイヤフラムは片側にて流体の充満された空間を経て１つの処理ダイヤフラムに連結され、又他側にて第２の流体を充填された空間を経て他の処理ダイヤフラムに連結される。この２つの流体の充満された空間は、本質的に互いから隔離されている。この検出ダイヤフラムは発生渦により発生される差圧変動の振幅及び周波数を測定するのに使用される。又は、検出ダイヤフラムは処理流体温度を同様に測定できる。
【００１５】
第３の実施例では、センサー部材は１つの検出ダイヤフラムを含み、このダイヤフラムはホイートストーンブリッジの形状に配置された圧電抵抗を含む。この検出ダイヤフラムは上述で説明したのと同様に両方の処理ダイヤフラムに連結され、渦により発生される差圧変動の振幅及び周波数を測定するのに使用され、又温度を測定するのにも使用される。
【００１６】
第４及び第５の実施例に於いて、センサーは処理流体圧力及び差圧変動を測定するために使用された２個の検出ダイヤフラムを含み、これらは前述の第１及び第２の実施例に於けるのと同様に構成されるとともに、ダイヤフラム上に取付けられない追加の検出部材を含む。追加の検出部材は処理流体温度の測定のための唯１つの手段であり、２個の検出ダイヤフラムからこの測定を排除する。温度検出部材は直列状に配置されて半導体チップの前側に配置された２個の圧電抵抗を含み、このチップは流体で充満された空間を経て１つの処理ダイヤフラムに連結されている。
【００１７】
第６の実施例では、センサーは差圧変動を測定するために使用された１つの検出ダイヤフラムを含み、このダイヤフラムは前述した第３の実施例に於けるのと同じ方法で構成されるとともに、ダイヤフラム上に取付けられない追加の検出部材を含む。この追加の検出部材は処理流体温度の測定のための唯１つの手段であり、検出ダイヤフラムからこの測定を排除する。温度検出部材は前述した第３の実施例に於けるのと同じ方法で構成されている。
【００１８】
全ての実施例において、センサーはポリシリコン又はシリコン半導体チップで作られる。このチップは回路トレースを有する積層基体に結合される。極細ワイヤーが圧電抵抗と回路トレースとの間を連結する。更に、この連結はトレースから多種ピンの流体密に密閉された給電部へ行われ、これを通してガラスから金属、又はセラミックから金属の構造とされることができる。ケーブル組立体はケーブル信号を給電部から信号処理装置へ運ぶ。
【００１９】
センサーの機能性は従来技術に対する改良であり、同じ処理流れに於ける共通の源点で圧力測定、差圧振幅及び周波数測定、及び温度測定が可能になる。これらの測定に加えて、計算部材は密度、質量流量、絶対及び動粘性、及びレイノルズ数のような流体を示す更に他の測定量を導き出す。レイノルズ数を計算できることは流速測定の精度を改善するのに使用される。
【００２０】
本発明の前述及び他の目的、特徴及び利点は、添付図面に示されるようにその好ましい実施例の更に特別な説明に従って明白となろう。添付図面に於いては、様々な図面を通じて同じ部品は同じ記号で参照している。図面は縮尺される必要はなく、むしろ本発明の原理を図示するために強調されている。
【００２１】
【実施例】
１つの測定点以内の共通した源点で多種測定できる渦流量計に使用される圧電抵抗センサーが以下に説明される。
【００２２】
本発明による流量計が図１に斜視図で示されている。
【００２３】
図１及び図２を参照すれば、本発明は渦発生計１０を含み、この渦発生計はメーター本体１２、センサー１４、発生本体１６、及びハウジング７６に収容された信号処理電極を主として含んでなる。渦センサー１４はメーター本体１２の円筒形開口１８を通して渦発生部材１６へ延在する。センサー１４はキャップ２１で所定位置に固定され、キャップはボルト２３、２５でメーター本体１２にボルト止めされる。この構造はセンサー１４が損傷したならば容易に交換できるようになす。センサー１４はガスケット２２とともに、開口１８で形成される流体空間２０を２つの半体圧力室３２及び３４に分割する。適当な耐熱性材料で作られることが好ましいガスケット２２は流体空間２０の壁面と発生部材１６との間に圧力シールを形成する。
【００２４】
図２及び図３を参照すれば、センサー１４は圧力室３２及び３４の間に取付けられる。このセンサーはその検出方向が発生部材１６に直角（頭部の２つある矢印２４で示されるように）且つメーター本体１２を通る流体の流れ方向（例えば図１に示されるようにパイプの中へ向かう方向）に沿うように配向される。この配向はセンサー１４が渦２６ａ及び２８ａで発生される交互の圧力信号２６ｂ及び２８ｂを検出できるようになす。実線矢印２６ａ及び２６ｂ及び点線矢印２８ａ及び２８ｂで示唆されるように、差圧信号はそれぞれの圧力室３２及び３４に交互に伝達され、又位相は互いに１８０°ズレる。更に、処理流体圧力及び温度は流体を経て室３２及び３４へ伝達される。耐熱性材料で作られることが好ましい第２のガスケット３０がセンサー１４及びメーター本体１２の間に固定されて流体が外部へ漏れるのを防止する。
【００２５】
図３及び図４を参照すれば、センサー１４は全体的に四角形であり、可撓性金属の処理ダイヤフラム３８及び４０をそれぞれ圧力室３２、３４に向けて（図２を参照）嵌合されるのであり、これらのダイヤフラムは変換器５０ａが処理流体と直接に接触しないように隔離するとともに、差圧変動、圧力及び温度を変換器５０ａに伝達するために使用される。
【００２６】
図２及び図３を参照すれば、センサー１４の上部には丸いシールフランジ４４が固定されており、このフランジは取付け部４２を通る給電部を担持している。剛性チューブ４６がこの取付け部に溶接されて、電気信号をセンサーからケーブル組立体４８へ伝えるために使用される連結部材（図示せず）を保護するようになされている。このケーブルは器具ハウジング７６（図１を参照）内に見られる処理部材８２（図８を参照）へ導かれており、この部材は工業的処理制御に於いて使用されるようになされる通常の測定信号８４を周知の方法で発生するように機能する。好ましい実施例では、取付け部４２はプラグを貫通する流体密の複数の給電ピンであり、センサー１４を自己内蔵ユニットとなし、又較正、交換、浄化等の為に容易に取外し可能にしている。
【００２７】
図４及び図５はセンサー１４の更に詳細な図面を与える。処理ダイヤフラム３８及び４０の間に空間６４が位置され、その空間内部に検出変換器５０ａが配置されており、この検出変換器は渦の圧力変動、同様に流体の圧力及び温度を検出する為に使用される。この検出変換器はポリシリコン又はシリコン半導体材料で作られた四角い半導体チップである。チップの少なくとも１側が実質的に平坦とされるならば、他の幾何学形状が本発明で使用できる。検出変換器５０ａは２個の検出ダイヤフラム５２及び５４を含み、これらのダイヤフラムは差圧変動、圧力及び温度に応答した電気出力信号を発生させる為に使用される。検出ダイヤフラム５２、５４は積層基体５６上に取付けられる。積層基体５６は出力信号を検出ダイヤフラムから伝達する為の導電性トレースの層を含む。検出変換器５０ａは多数の電気ワイヤー６０で連結されており、これらのワイヤーは検出変換器の外側端縁から導電性トレース５８へ取付けられている。積層基体のこれ以外の構造及び検出変換器から積層型への電気的連結に関する詳細は、米国特許出願第８２５６２０号に見られ、その開示内容は参照することでここに組み入れられる。
【００２８】
図４及び図５を参照すれば、センサー１４は非腐蝕性の不活性充填流体を導入する充填ポート７４を含む。充満流体は充填ポート７４を通して空間６４を充満し、狭いスリット６８を通して空間３５を充満する。更に、穴６７及び空間７０を充満する。スリット６８は空間６４及び空間７０の間に機械的又は流体的な高インピーダンスを形成する。従って充填通路は、正常な渦検出作動時に遭遇する周波数よりも低い周波数に於ける場合を除いて、処理ダイヤフラム３８、４０に於ける差圧に関して検出ダイヤフラム５２で体験する差圧変動を低減することはない。検出変換器５０ａの両側の充満流体は、処理流体及び発生本体１６で発生された渦の通過によって処理ダイヤフラム３８、４０の外面に付与された圧力変動、処理流体圧力及び温度を検出ダイヤフラムへ伝達するように作用する。充満流体は不適当な流体から検出変換器５０ａを保護することでその望ましい適した環境を形成する。
【００２９】
スリット６８は充満流体がそれを通して滲み出ることを可能にするように十分に大きいが、空間６４及び空間７０の間に明白な圧力バリヤを形成するように十分に小さい。このスリットは比較的高い流体インピーダンスを測定される渦周波数に与えるように寸法決めされる。更に、温度変化の結果として検出変換器５０ａの各側の流体に等しくない圧力が蓄積されると、流体がスリット６８を通して一方の区画から他方の区画へ流れることで等しくされる。
【００３０】
図４を参照すれば、検出ダイヤフラム５２は流体流の交互の差圧を検出し、又対応する電気信号を発生する。検出ダイヤフラム５４は処理流体の圧力を検出して、対応する電気信号を発生する。ダイヤフラム５２又は５４は処理流体の温度を検出するのに使用できる。検出ダイヤフラム５２、５４はポリシリコン又はシリコン材料で作られるのが好ましいダイヤフラムチップの同じ実質的に平坦な面で形成される。圧電抵抗の歪ゲージがホイートストーンブリッジ形状（図７を参照）に各検出ダイヤフラム上に配置される。更に、誘導層がシリコン又はポリシリコンダイヤフラムと圧電抵抗との間に介在できる。これは抵抗部材を電気的に隔離して、望ましくない漏れ電流及び高い処理流体温度での抵抗部材の劣化の両方を最少限になす。
【００３１】
図７を参照すれば、４個の圧電抵抗部材で構成されるホイートストーンブリッジ８８は検出ダイヤフラム５２、５４の前面に配置される。４個の圧電抵抗９０、９２、９４、９６は各検出ダイヤフラム上に配置され、これによりそれらが圧力による検出ダイヤフラムの移動の作用を受けた時、圧電抵抗９０及び９６の両方が圧縮又は引張の何れかの歪を生じる一方、圧電抵抗９２及び９４は同時に反対の歪を生じる。従って、圧電抵抗９２及び９４が抵抗を増大すると、圧電抵抗９０及び９６は抵抗を減少する。これは、ブリッジを横断する不釣り合いを生み、従って電流１０２がブリッジを通してターミナル９８ａから９８ｂへ流れ、電圧Ｖ₂がターミナル１００ａ、１００ｂを横断して発生し、この電圧は以下に説明するように検出される圧力に対するダイヤフラムの移動に関係する。
【００３２】
温度測定も圧電抵抗部材８８から行われる。圧電抵抗９０、９２、９４、９６の抵抗値は温度の関数である。一定の駆動電流１０２がホイートストーンブリッジ回路に供給された時、駆動ターミナル９８ａ、９８ｂを横断する電圧は以下に説明するように駆動ターミナル間の４個の抵抗部材の直列−並列の組合せの等価抵抗に関係する。この等価抵抗は主として温度の関数であり、従って温度の計算に使用される。
【００３３】
再び図４及び図５を参照すれば、検出ダイヤフラム５２は流体を充満された空間３５のある後側を有する。この充満流体は発生バー１６により発生された渦の通過によって処理ダイヤフラムに付与された圧力変動を検出ダイヤフラムに伝達するように作用する。検出ダイヤフラム５２は、交互の渦により発生されて処理ダイヤフラム３８、４０から充満流体を経て伝達された差圧によって撓む。この撓みは内部のホイートストーンブリッジ回路で検出される抵抗に変化を生じ、この回路は対応する電気出力信号を発生する。この出力信号は処理部材８２（図８を参照）に伝達され、処理部材はその信号の振幅及び周波数を決定し、これは流体速度及び密度の計算に使用される。
【００３４】
検出ダイヤフラム５４は処理流体の絶対又はゲージ圧力を測定する。検出ダイヤフラム５４は密閉された空間３６を有する後側を有し、この空間は絶対圧力の測定に使用される時は真空圧を充満される。ゲージ圧力測定の為の第２の実施例では、空間３６は大気解放口６６（図６を参照）を通して大気に連通される。検出ダイヤフラム５４では、圧力に起因するそのダイヤフラムの撓みが内部のホイートストーンブリッジ回路により検出される抵抗の変化を生じ、対応する電気出力信号を発生する。更に、検出ダイヤフラム５４は渦により発生される圧力変動に起因しても撓み、処理ダイヤフラム４０に影響を及ぼす。この撓みは内部のホイートストーンブリッジ回路により検出される抵抗の変化も生じる。得られたブリッジの電圧出力はそれ故に流体圧力に小さなａ．ｃ．成分が重ね合わされた複合となる。この流体圧力は何れの箇所に於ても約１．４ｋｇ／ｍｍ²〜１４１ｋｇ／ｍｍ²（２０ｐｓｉ〜２０００ｐｓｉ）となり得る一方、渦により発生される交互の差圧は約０．００７ｋｇ／ｍｍ²〜１．０７ｋｇ／ｍｍ²（．０１ｐｓｉ〜１５ｐｓｉ）で変化できる。処理部材は平均的な流体圧力をこの複合信号から計算する。
【００３５】
更に、検出ダイヤフラム５２又は５４の何れかは流体温度の測定に使用できる。流体温度は検出ダイヤフラム５２、５４の圧電抵抗部材で検出され、これらは対応する出力信号を発生する。温度測定は処理部材８２に於いて、圧力及び差圧の測定に於いて広範囲に温度が変化して生じる繰り返され得る誤差を補償することにも使用される。
【００３６】
図９は本発明の第３の実施例を示す。この第３の実施例では、検出変換器５０ｃは差圧変動及び温度に応答した電気出力信号を発生するために使用される検出ダイヤフラム５２を含んでなる。この実施例に於いて検出変換器５０ｃの内部に使用される検出ダイヤフラム５２は他の全ての構造及び作動の細部で第１の実施例と同様である。
【００３７】
図１０は本発明の第４の実施例を示す。この第４の実施例では、検出変換器５０ｄは２個の検出ダイヤフラム５２及び５４、及び検出部材１０６を含んでなる。検出ダイヤフラム５２は流体流の交互の差圧の測定に使用されており、検出ダイヤフラム５４は第１の実施例に於いて上述で詳述したように且つ又図４と同様に、処理流体の絶対圧力を測定する。検出部材１０６は処理流体の温度を測定するだけのために使用される。検出ダイヤフラム５２又は５４は何れも処理流体温度の測定には使用されない。図１１に示されるように第５の実施例は、第２の実施例と同様に且つ又図６に示されるように検出ダイヤフラム５４が大気圧測定ゲージ圧力に解放されていることを除き、第４の実施例と同様である。
【００３８】
第４及び第５の実施例は特にポリシリコンセンサーに好適であるが、シリコンセンサーにも使用できる。不純物の混ざったポリシリコン抵抗部材はシリコンに比べて非常に小さい温度係数を有する。正確な温度測定を達成するためには、温度センサーを圧力検出ダイヤフラムに作用する機械的歪から物理的に隔離することが強く望まれる。図１３を参照すれば、検出部材１０６は直列状に配置されて電圧分割器として使用される２個の圧電抵抗部材１０８及び１１０を含んでなる。圧電抵抗部材１０８及び１１０はドープ処理されて、それらが温度差係数を有すること、即ち１つは負の、他は正の抵抗温度係数を有することが好ましい。電圧比Ｖ₁／Ｖ₂は温度の関数である。
【００３９】
図１２は本発明の第６の実施例を示し、検出変換器５０ｆは差圧変動だけを測定するために使用された検出ダイヤフラム５２、及び温度を測定するために使用された検出部材１０６を含む。第４及び第５の実施例に於けるのと同様に、この実施例は前述の理由でポリシリコンセンサーに特に好適であるが、シリコンにも使用できる。
【００４０】
この形態で設計されたセンサーは、より正確な温度測定を行わせる利点を有する。何故ならば、検出部材１０６は総合的に機械的歪に対して鈍感であり、これにより差圧変動又は処理流体圧力に影響されない。検出変換器５０ｄ、５０ｅ、５０ｆがポリシリコン半導体チップから作られる場合、温度測定は正確な測定値を得るためにこの形態で行われることは必須である。ポリシリコン抵抗は小さな抵抗温度係数を有しており、これが差圧又は処理流体圧力の影響と組合された時に温度の影響の隔離を困難にしている。
【００４１】
センサー１４の作動即ち可動部分、即ち検出ダイヤフラム５２、５４、処理ダイヤフラム３８、４０、及び充満流体は非常に小さな質量を有する。また、検出ダイヤフラム５２、５４は極度に剛性的である。このようにして構成されたセンサーは２つの利点を有する。それは横方向のパイプ振動のような機械的振動に対して本来的に鈍感なことである。第２に、パイプに典型的に生じる振動周波数よりも実質的に高く、又最大発生周波数よりも実質的に高い共鳴周波数を有する。それ故に、共鳴でセンサーを励起して生じる測定誤差は発生せず、共鳴でカードに運動してセンサーが疲労することもない。
【００４２】
図１及び図８を参照すれば、支持部材７８によりメーター本体１２に結合された機器ハウジング７６は、ケーブル４８を経て伝達されたセンサー１４からの伝達信号により導き出される測定信号８４を発生する為に使用された処理部材８２を含む。処理部材はマイクロプロセッサであるが、本発明はこの使用に限定されず、他の型式の処理部材も使用できる。
【００４３】
図８を参照すれば、処理部材８２はセンサー１４から伝達された入力信号４８を受入れる。入力信号４８は作動圧力変動、流体の流れの温度及び圧力の周波数及び振幅を示す。入力信号４８から、処理部材８２は付随的な流体の流れの物理的な性質を計算する。これらの物理的な性質には、限定するわけではないが、流体の速度、密度、粘性、レイノルズ数、及び質量流量が含まれる。如何にしてこれらの計算が行われるかに関する詳細は以下に説明される。これらの付随的な測定量は、工業的な処理制御装置に使用される測定信号８４とされて処理部材８２から伝達される。
【００４４】
渦流量計及びセンサーの作動をここで詳細に説明する。処理流体が流れパイプを通して流れる時、発生部材１６により渦が発生され、これは更に交互の渦圧力変動を発生する。これらの圧力変動、並びに流体圧力及び温度は圧力室３２、３４を経てセンサー１４へ伝達される。処理ダイヤフラム３８、４０は処理流体を検出変換器から隔離するように作用する一方、交互の渦圧力変動、流体の圧力及び温度を充満流体を経て検出ダイヤフラム５２、５４へ伝達する。
【００４５】
交互の渦は圧力変動を生じ、これは充満流体を経て検出ダイヤフラム５２の両側に伝達されて、得られた交互の圧力に応答して検出ダイヤフラムを撓ませる。この結果、検出ダイヤフラム５２の圧電抵抗は交互の歪を受け、抵抗にシヌソイダル振動を発生して、ａ．ｃ．電圧信号を発生する。この信号は検出ダイヤフラム５２から導電性トレース５８へ伝達され、取付け部４２を経てケーブル４８へ伝達されて、処理部材８２へ到る。このａ．ｃ．電圧信号は自然な状態でシヌソイダル形であり、その周波数及び振幅は処理部材８２により周知の方法で計算される。検出ダイヤフラム５２は差圧だけを検出するとともに、流体圧力には比較的に影響されないので、センサー１４は優れた固有の共通モードノイズ排除性及びポンプ脈動に対する非影響性を有する。それ故に、処理部材８２がポンプ脈動を渦発生圧力変動であると解釈して誤った流速を計算する可能性は殆どない。
【００４６】
渦発生により生じる交互の圧力は、処理ダイヤフラム３８、４０から充満流体を経て検出ダイヤフラム５２の２つの側へ伝達される。この処理流体圧力は処理ダイヤフラム４０から充満流体を経て検出ダイヤフラム５４の頂部側へ伝達される。典型的に交互の差圧の振幅は、流速及び処理流体密度に応じて＋／−０．００１４ｋｇ／ｍｍ²〜＋／−１．０５ｋｇ／ｍｍ²（＋／−０．０２ｐｓｉ〜＋／−１５ｐｓｉ）の間である。処理流体圧力は何れに於てもゲージ圧で１．４ｋｇ／ｍｍ²〜１４０．６ｋｇ／ｍｍ²（２０ｐｓｉｇ〜２０００ｐｓｉｇ）である。それ故に、検出ダイヤフラム５４が受ける圧力は主として基本的に安定した処理流体圧力に、発生渦により発生される小さなシヌソイダル成分を加えたものである。この処理電子装置は平均圧力を引き出す。
【００４７】
独立的に、温度測定は更に検出ダイヤフラム５２又は５４から行われる。ターミナル１０２にてホイートストーンブリッジ回路に付与される一定の駆動電流がある。温度測定は一定駆動電流にて駆動ターミナル９８ａ、９８ｂを横断する電圧を測定することで行われる。駆動ターミナル９８ａ、９８ｂからの電圧は結果として流体温度を示すｄ．ｃ．電圧を生じる。好ましい実施例で、温度測定は検出ダイヤフラム５２又は５４の何れかから行われる。しかしながら、本発明はこの実施例に限定されない。代替実施例に於いて、温度測定は検出ダイヤフラムの何れか一方、又は圧電抵抗を有するがダイヤフラムは有さない半導体チップ上の第３の位置から行える。
【００４８】
第４、第５及び第６の実施例に於いて、処理流体の温度測定は処理ダイヤフラム４０からの処理流体温度の影響を受ける半導体チップの前面に配置された直列状に配置された２個の圧電抵抗１０８、１１０から行われる。電流は圧電抵抗１０８、１１０にターミナル１１６にて付与される。この温度測定は以下に詳細に説明するようにターミナル１１４ａ及び１１４ｎを横断する電圧に比例してターミナル１１２ａ及び１１２ｂを横断する電圧を測定して行われる。
【００４９】
それ故に、センサー１４からの出力は発生渦の周波数及び差圧振幅、流体のゲージ又は絶対圧力Ｐ及び温度Ｔを示す電気信号である。これら及び他の測定は、以下のように処理部材８２によって計算される。
【００５０】
１．流速Ｖｆは以下の関係により演算される。
【数１】
Ｖｆ＝Ｃ₁＊ｆｓ
ここで、Ｃ₁は知られた較正定数であり、これは流量計の内径及び発生バーの幾何学形状の関数であり、
ｆｓは渦発生周波数である。
【００５１】
２．第１及び第２実施例で行われた温度Ｔの測定は、主に、ホイートストーンブリッジの駆動ターミナル９８ａ、９８ｂ（図７を参照）を横断する電圧Ｖ₁の関数であり、これはこれらのターミナルに於ける等価抵抗に比例する。この等価抵抗は検出ダイヤフラム５４が温度測定に使用されたならば圧力の、又は検出ダイヤフラム５２が温度測定に使用されたならば差圧の影響を多少受ける。従って一定の駆動電流では、温度は一般的な形式の次式から計算される。
【数２】

ここで、ａ_qrは計算定数、及び
Ｖ₁、Ｖ₂は測定された電圧
【００５２】
３．第４、第５及び第６の実施例で行われた代替温度測定Ｔは、圧電抵抗１０８、１１０を横断する電圧１１２及び１１４に比例する。圧電抵抗１０８及び１１０は異なる温度係数を有するようになされる。この測定は上述した温度測定と異なり、処理流体圧力又は差圧変動に影響されない。一般的な温度測定の方法は、次式から計算される。
【数３】
Ｔ＝１＋Ａ₁（Ｖ₁／Ｖ₂）＋Ａ₂（Ｖ₁／Ｖ₂）²＋・・・＋Ａ_n（Ｖ₁／Ｖ₂）ⁿ
ここで、Ｖ₁及びＶ₂は測定電圧、及び
Ａ₁、Ａ₂、・・・、Ａ_nは較正定数である。
【００５３】
４．圧力測定Ｐは、主に、検出ダイヤフラム５４（図７を参照）上のブリッジ回路のターミナル１００ａ、１００ｂを横断する電圧Ｖ₂の関数である。この測定は検出ダイヤフラムの温度で僅かに影響される。従って、一定の駆動電流に於いて、圧力は一般的な形式の次式の等式から計算される。
【数４】

ここで、ｂ_nmは較正定数、及び
Ｖ₁、Ｖ₂は測定された電圧
【００５４】
５．同様に交互の差圧の振幅の測定は、主に、検出ダイヤフラム５２（図７を参照）上のブリッジ回路のターミナル１００ａ、１００ｂを横断する電圧Ｖ₂の関数である。この測定も検出ダイヤフラムの温度で影響される。従って、一定の駆動電流に於いて、差圧は上述した４．に記載の圧力と同様に一般的な形式の等式から計算される。
【００５５】
６．処理流体密度ｄは以下のように本発明の第１、第２、第４及び第５の実施例に記載したセンサーに関する以下の関係により計算できる。即ち
ａ）理想ガスに関しては、
【数５】
ｄ＝Ｐ／（Ｒ＊Ｔ）
ここで、Ｒは知られたガス定数、及びＰ及びＴは（２）、（３）及び（４）に示されたように計算された測定圧力及び温度信号である。
ｂ）液体に関しては、
【数６】
ｄ＝ｄ₀＊（１＋Ｂ₁＊（Ｐ−Ｐ_a））／（１＋Ｂ₂＊（Ｔ−Ｔ₀））
ここで、Ｔ₀は参照温度、Ｐ_aは参照圧力、ｄ₀は参照温度Ｔ₀及び参照圧力Ｐ_aでの密度、Ｂ₁及びＢ₂は周知の圧縮及び膨張係数、及びＰ及びＴは（２）、（３）及び（４）に示されたように計算された圧力及び温度である。
【００５６】
７．あらゆる実施例に関して処理流体密度ｄを計算するための代替方法は、センサーを横断する発生渦により作り出された平均的な交互の差圧及び流速測定値からである。この関係は以下の通りである。即ち
【数７】
ｄ＝差圧／（Ｃ₂＊Ｖｆ²）
ここで、Ｃ₂は知られた定数、及びＶｆは上述の（１）に示されたように計算された。
【００５７】
８．差圧検出ダイヤフラム５２のブリッジ回路のターミナル１００ａ、１００ｂを横断する予想されるセンサー信号Ｖ₂の計算は、センサー及びその組合わされた電子装置が正しく機能するか否かを決定するための診断として使用できる。予想される信号Ｖ₂は流体密度に流速の２乗を乗じた積に比例する。例えば、流体密度が６．ａ又は６．ｂで計算され、流速が上述の１．で計算されるならば、予想される信号は、次式で示される。即ち
【数８】
Ｖ₂＝Ｃ₃＊ｄ＊Ｖｆ²
ここで、Ｃ₃は較正定数である。
【００５８】
９．処理流体の絶対粘性Ｖは処理流体温度の関数であり、又温度と、特定の処理流体に関して知られているに違いない絶対粘性との間の関係から計算される。
【００５９】
１０．流体の動粘性ｋｖは次式から決定される。即ち
【数９】
ｋｖ＝ｖ／ｄ
ここで、ｖは上述の（９）に示されたように計算された絶対粘性、及びｄは上述の（６）、（７）から示されるように計算された密度である。
【００６０】
１１．レイノルズ数Ｒは次式で決定される。即ち
【数１０】
Ｒ＝（Ｖｆ＊Ｄ）／ｋｖ
ここで、Ｖｆは（１）に示されるように計算された速度、Ｄは流量計の内径、及びｋｖは上述した（１０）に示されたように計算された動粘性である。
【００６１】
流速の計算精度はレイノルズ数が知られたならば、改善できる。これは発生渦バーの幾何学形状Ｃ₁は一定しておらずに、むしろ知られた状態でレイノルズ数により変化されるという事実に起因する。
【００６２】
１２．液体及びガスの両方の質量流量は次式で決定される。即ち
【数１１】
ＭＦＲ＝ｄ＊ａ＊Ｖｆ
ここで、ｄは上述した（６）及び（７）に示されたように計算された密度であり、Ｖｆは（１）に示されるように計算された流速であり、ａは流量計の穴の面積である。
【００６３】
上述で説明された多種測定の可能なことは圧電抵抗の特性に寄与する。圧電抵抗は渦発生により発生されるａ．ｃ．圧力変動、並びにしばしば全く安定した処理流体圧力及び温度を測定する為に応用できる。これは圧電結晶を使用する従来技術を超えた改良であり、その圧電結晶はそれらの特性によりａ．ｃ．圧力変動のみを測定できることに限られる。
【００６４】
更に、本発明は有利な改良である。何故ならば、１つの流れの通過に於いて流体の差圧、温度及び圧力を測定する能力を有し、これにより他の物理的な流れの特性が計算できるからである。このような他の特性には、限定するものではないが、流体の密度、絶対粘性、レイノルズ数、及び質量流量が含まれる。測定に於ける精度を高める付随的な利点がある。何故ならば、それらは共通のサンプル採取位置から測定されるからである。
【００６５】
好ましい実施例の前述の説明は抵抗検出を考えてきたが、他の周知の検出技術も使用できる。例えば、通常の抵抗歪ゲージ、キャパシタンス検出、又は光学的検出が本発明で使用した圧電検出技術に代えて使用できる。
【００６６】
本発明の好ましい実施例を前述で詳細に説明したが、これは本発明の図示する目的の為であり、これにより当業者には本発明を上述にて説明した装置に改良を施すことが必要となる様々な異なる応用例に適用できるのであり、従ってここに開示した特定の細部が本発明にとって適当な従来技術で必要とされる以外に本発明の範囲に必要な制限であるとは意図されないとの強調が望まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】流れパイプの中に取付けられた本発明による流れセンサーを有する渦流量計の部分的に点線で示された斜視図。
【図２】交互の渦を発生させる為に流体流の中に配置される渦発生部材、及び本発明の原理により構成された交換可能な渦センサーを有する渦流量計の横断面図。
【図３】図２に示された交換可能な渦センサーの斜視図。
【図４】図３の断面４−４に沿う渦センサーの拡大した断面図。
【図５】図３の断面５−５に沿う渦センサーの拡大した断面図。
【図６】図３の断面４−４に沿う渦センサーの第２の実施例の拡大した横断面図。
【図７】本発明によるホイートストーンブリッジ形状の検出抵抗の連結の概略線。
【図８】本発明に使用される処理部材及びその入力及び出力を示すブロック線図。
【図９】図３の断面４−４に沿う渦センサーの第３の実施例の横断面図。
【図１０】図３の断面５−５に沿う渦センサーの第４の実施例の横断面図。
【図１１】図３の断面５−５に沿う渦センサーの第５の実施例の横断面図。
【図１２】図３の断面５−５に沿う渦センサーの第６の実施例の横断面図。
【図１３】第５及び第６の実施例による直列状の検出抵抗の連結の概略線図。
【符号の説明】
１０渦発生メーター
１２メーター本体
１４センサー
１６発生本体
２０空間
３２、３４圧力室
３８、４０処理ダイヤフラム
５０ａ〜５０ｄ検出変換器
５２、５４検出ダイヤフラム
５６積層基体
５８導電性トレース
６４、７０空間
６８スリット
７４充填ポート
７６ハウジング
８２処理部材
８８ホイートストーンブリッジ
９８ａ、９８ｂ、１００ａ、１００ｂターミナル
１０６検出部材
１０８、１１０圧電部材

Claims

ａ）流体流導管に結合されるようになされる流れパイプ部分、
ｂ）前記流れパイプ部分の中に取付けられる渦発生本体、
ｃ）密閉された内部空間を形成するセンサーハウジング、
ｄ）流動流体に接触して、前記渦発生本体で発生された渦の圧力変動及び流体温度を前記密閉された内部空間の中に伝達する為の、前記センサーハウジングの一部を形成している第１及び第２処理ダイヤフラム手段、
ｅ）前記第１及び第２処理ダイヤフラムからの前記圧力変動及び温度変化にそれぞれさらされる対向両側を有し、前記センサーハウジングの内部に配置されたセンサー手段、
ｆ）前記処理ダイヤフラムを経て付与された前記圧力変動及び流体温度を前記密閉された内部空間の中で伝達する為に前記密閉内部空間に充填されて前記センサー手段を包囲する液体、
ｇ）前記圧力変動及び流体温度の変化に対応する信号を導く為の前記センサー手段に連結された電気的伝達手段、及び
ｈ）前記電気的伝達手段から伝達された出力信号を処理する為に使用され、又物理的な流量測定値を示す電気信号を発生する為に使用される前記電気的伝達手段に連結されている計算手段、を含み、更に、
前記センサー手段が、前記第１及び第２処理ダイヤフラム手段の対向両側の間に位置された第１及び第２検出ダイヤフラムを含み、前記第１検出ダイヤフラムは前記圧力変動の変化で変化し、前記第２検出ダイヤフラムは流体圧力及び温度の変化で変化するようにされていることを特徴とする渦発生式の流量測定装置。
前記センサー手段が、前記流れパイプ部分の外側に配置されるがそれに流体連結されたセンサー本体を含む請求項１に記載の渦発生式の流量測定装置。
前記センサー手段がポリシリコン半導体チップ又はシリコン半導体チップで構成された群から作られた請求項１に記載の渦発生式の流量測定装置。
前記センサー手段が前記圧力変動及び温度変化による変化を感知する抵抗部材を含む請求項１に記載の渦発生式の流量測定装置。
ａ）流体流導管に結合されるようになされる流れパイプ部分、
ｂ）前記流れパイプ部分の中に取付けられる渦発生本体、
ｃ）密閉された内部空間を形成しているセンサーハウジング、
ｄ）流動流体に接触して、前記渦発生本体で発生される渦の圧力変動、及び処理流体圧力及び流体温度を前記密閉された内部空間の中に伝達する為に、前記ハウジングの部分を形成している第１及び第２処理ダイヤフラム手段、
ｅ）前記第１及び第２処理ダイヤフラムからの前記圧力変動、処理流体圧力及び温度変化にそれぞれさらされる対向両側を有する前記センサーハウジングの内部に配置されたセンサー手段、
ｆ）前記処理ダイヤフラムを経て付与された前記圧力変動、処理流体圧力及び温度を前記密閉された内部空間の中で伝達する為に前記密閉内部空間に充填された前記センサー手段を包囲する液体、
ｇ）前記圧力変動、処理流体圧力及び温度に対応する信号を導く為の前記センサー手段に連結された電気的伝達手段、及び
ｈ）前記電気的伝達手段から伝達された出力信号を処理する為に使用され、又物理的な測定量を示す電気信号を発生する為に使用される前記電気的伝達手段に連結されている計算手段、を含み、更に、
前記センサー手段が、前記第１及び第２処理ダイヤフラム手段の対向両側の間に位置された第１及び第２検出ダイヤフラムを含み、前記第１検出ダイヤフラムは前記圧力変動の変化で変化し、前記第２検出ダイヤフラムは流体圧力の変化で変化するようにされていることを特徴とする渦発生式の流量測定装置。
前記第１検出ダイヤフラムは前記圧力変動の変化で変化し、
前記第２検出ダイヤフラムは前記処理流体圧力及び温度の変化で変化する請求項５に記載の渦発生式の流量測定装置。
前記第１検出ダイヤフラムは前記圧力変動及び温度の変化で変化し、
前記第２検出ダイヤフラムは前記処理流体圧力の変化で変化する請求項５に記載の渦発生式の流量測定装置。
前記センサー手段が第１及び第２検出ダイヤフラムと第１検出素子とを含み、
前記第１検出ダイヤフラムは前記第１及び第２処理ダイヤフラム手段の対向両側の間に現れる前記圧力変動の変化で変化し、
前記第２検出ダイヤフラムは前記第１及び第２処理ダイヤフラム手段の対向両側の間に現れる前記処理流体圧力の変化で変化し、
前記第１検出素子は、前記処理流体温度の変化で変化し、前記第１処理ダイヤフラムからの前記温度変化に片側をさらされ、前記第１及び第２検出ダイヤフラムから隔てている請求項５に記載の渦発生式の流量測定装置。
前記センサー手段がポリシリコン半導体チップ又はシリコン半導体チップで構成された群から作られた請求項５に記載の渦発生式の流量測定装置。
前記センサー手段が前記圧力変動、処理流体圧力及び温度による変化を感知する抵抗部材を含む請求項５に記載の渦発生式の流量測定装置。
前記センサー手段が、前記流れパイプ部分の外側に配置されるがそれに流体連結されたセンサー本体を含む請求項５に記載の渦発生式の流量測定装置。
ａ）前記流れパイプの中に渦発生本体を取付けることで流れの中に一連の交互の圧力渦を発生させる、
ｂ）前記渦発生本体により発生された前記交互の圧力渦流を第１及び第２処理ダイヤフラムでセンサーハウジング内に収容されたセンサー手段に伝達する、
ｃ）前記第１及び第２処理ダイヤフラムからの前記交互の圧力渦に対向両側がさらされた第１検出ダイヤフラムを使用して前記センサー手段にて前記渦発生本体により発生された前記交互の圧力渦を測定する、
ｄ）前記センサー手段の測定時、前記センサー手段からの渦で発生される差圧変動の振幅を計算する、及び
ｅ）前記センサー手段で前記処理流体温度を測定する、
諸段階を含み、前記処理流体温度を測定する段階が、前記第１処理ダイヤフラム及び第２処理ダイヤフラムからの前記処理流体温度に対向両側をさらされたダイヤフラム上に配置された抵抗手段によって前記センサー手段にて行われる、流れパイプの中の処理流れの差圧及び温度を決定する方法。
前記処理流体温度を測定する段階が、前記第１処理ダイヤフラムからの前記処理流体温度に片側をさらされたダイヤフラム上に配置された抵抗手段によって前記センサー手段にて行われる請求項１２に記載の方法。
前記処理流体温度を測定する段階が、前記第１処理ダイヤフラムからの前記流体温度に片側をさらされかつ前記第１検出ダイアフラムから隔置され、前記処理流体温度の変化で変化する第１接触部材によって前記センサー手段にて行われる請求項１２に記載の方法。
ａ）流れパイプ部分の中に渦発生本体を取付けて流れの流動に一連の交互の圧力渦を発生させる、
ｂ）前記渦発生本体で発生された前記交互の圧力渦を液体が充満する密閉内部空間を有するとともに前記処理流体と接触する第１及び第２処理ダイヤフラムで一部を形成されたセンサーハウジングの内部に収容されたセンサー手段に伝達し、前記交互の圧力渦を前記センサー手段を包囲する前記充満液体を経て前記センサー手段へ伝達する、
ｃ）前記第１及び第２処理ダイヤフラムからの前記交互の圧力渦に対向両側がさらされた第１検出ダイヤフラムにより、前記渦発生本体で発生された前記交互の圧力渦を前記センサー手段にて測定する、
ｄ）測定されるときの前記センサー手段からの渦で生じる差圧変動の振幅を計算する、
ｅ）前記センサー手段に処理流体圧力を伝達する、
ｆ）前記第１処理ダイヤフラムから伝達された前記処理流体圧力に片側をさらされた第２検出ダイヤフラムによって前記処理流体圧力を前記センサー手段にて測定する、及び
ｇ）前記温度の変化で変化する前記処理流体温度を前記センサー手段にて測定する、
諸段階を含む、流体流導管内に結合されるようになされた流れパイプ部分の中に収容される渦量計に使用する為の差圧、処理流体圧力及び処理流れの温度を決定する方法。
前記処理流体温度の測定段階が前記温度の変化で変化する前記第１検出ダイヤフラムによって前記センサー手段にて行われる請求項１５に記載の方法。
前記処理流体温度の測定段階が前記温度の変化で変化する前記第２検出ダイヤフラムによって前記センサー手段にて行われる請求項１５に記載の方法。
前記処理流体温度の測定段階が、前記第１処理ダイヤフラムからの前記温度変化にさらされ且つまた前記第１及び第２検出ダイヤフラムから隔てられた片側を有する前記処理流体温度の変化で変化する第１検出部材によって前記センサー手段にて行われる請求項１５に記載の方法。
ａ）測定されるときに前記センサー手段からの前記交互の圧力渦の関数として流速Ｖ _f を計算する、
ｂ）決定されるときに前記センサー手段からの前記処理流体圧力及び温度の関数として処理流体密度ｄを決定する、及び
ｃ）流れパイプの流量計の内部横断面積ａを計算し、これにより質量流量ＭＦＲが次式、即ち
ＭＦＲ＝ｄ＊ａ＊Ｖ _f
で決定する、
諸段階を含む請求項１５に記載の方法。
流体流導管内に結合されるようになされ且つ処理流れの中に交互の圧力変動を発生させる為にそれ自体の内部に取付けられた渦発生本体を有する流れパイプ部分の一部を形成する渦流量計に使用される検出変換器であって、
ａ）前記検出変換器の内部に取付けられ、電気的伝達手段を含む積層された基体、
ｂ）前記積層基体の片側に取付けられた固体半導体チップを含み、前記圧力変動及び処理流体温度の変化を検出する為に少なくとも１つの検出ダイヤフラムを含むセンサー手段、及び
ｃ）前記センサー手段に前記圧力変動及び処理流体温度を伝達する手段、を含み、前記検出ダイヤフラムが流体通路を含む後側を有し、前記流体通路は前記積層基体を貫通して延在しており、前記後側は前記伝達手段から伝達された前記圧力変動及び処理流体温度に流体連結され、前記センサー手段が温度変化を検出する為に使用された検出部材を更に含み、前記検出部材は前記検出ダイヤフラムから隔てられるとともにその片側が前記伝達手段からの前記温度変化にさらされる検出変換器。
前記センサー手段が前記圧力変動及び温度による検出変化に係わる抵抗部材を収容した請求項２０に記載の検出変換器。
前記センサー手段はポリシリコン半導体チップ及びシリコン半導体チップを含む群から作られた請求項２０に記載の検出変換器。
流体流導管内に結合されるようになされ且つ処理流れの中に交互の圧力変動を発生させる為にそれ自体の内部に取付けられた渦発生本体を有する流れパイプ部分の一部を形成する渦流量計に使用される検出変換器であって、
ａ）前記検出変換器の内部に取付けられ、電気的伝達手段を含む積層された基体、
ｂ）前記積層基体の片側に取付けられた固体半導体チップを含み、前記圧力変動、処理流体圧力及び処理流体温度の変化を検出する為に少なくとも２つの検出ダイヤフラムを含むセンサー手段、及び
ｃ）前記センサー手段に前記圧力変動、処理流体圧力及び処理流体温度を伝達する手段、
を含む検出変換器。
前記センサー手段が流体通路を含む後側を有する第１検出ダイヤフラムを含み、前記流体通路は前記積層基体を通して延在しており、前記後側は前記伝達手段から伝達された前記圧力変動及び処理流体温度に流体連結された請求項２３に記載の検出変換器。
前記検出手段が流体通路を含む後側を有する第２検出ダイヤフラムを更に含み、前記流体通路は前記積層基体を通して延在して大気に解放しており、前記第２検出ダイヤフラムは前記伝達手段から伝達された処理流体圧力及び処理流体温度を検出する為に使用される請求項２４に記載の検出変換器。
前記検出手段が温度変化を検出する為に前記伝達手段からの前記温度変化に片側をさらされた前記第１及び第２検出ダイヤフラムから隔てられた検出部材を更に含む請求項２４に記載の検出変換器。
前記センサー手段が前記圧力変動及び温度変化を検知する抵抗部材を収容した請求項２３に記載の検出変換器。
前記センサー手段はポリシリコン半導体チップ及びシリコン半導体チップを含む群から作られた請求項２３に記載の検出変換器。