JP3658322B2 - 振動管路を励振するための駆動源 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の背景】本発明は振動管路を振動させるための駆動源を用い制御する方法及び装置に関する。より詳細には本発明は多振動モードが駆動源の操作により適切な作用を受けるように駆動源を最適に配置することに関する。
【０００２】
【技術的問題】管路を流れる物質の質量流量及び他の情報を測定するためにコリオリ効果質量流量計を用いることが知られている。その例としてのコリオリ流量計がＪ・Ｅ・スミスらに与えられた１９７８年８月２９日の米国特許第４１０９５２４号、１９８２年２月１１日の再発行特許第３１４５０号に開示されている。これらの流量計は直線状あるいは曲線状の１本またはそれ以上の管路を有している。コリオリ質量流量計における各管路の形状は１組の自然振動モードを有するが、これは単純な曲げ、捩れ、半径方向、あるいは結合型のものでもよい。各々の管路はこれらの自然モードの内の１つで共振するように駆動される。物質は流量計の入口側に連結された管路から流量計に流入し、１本または複数本の管路を通り、出口側を通って流量計から流出する。物質を充填された振動系の自然振動モードは部分的には管路及び管路内を流れる物質の質量と硬さとの結合した特性によって規定される。
【０００３】
流量計を通る流れがない時に、管路に沿った全ての点は加えられた駆動力によって、駆動による振動のモードに応じて一致した位相あるいはゼロフロー位相で振動する。物質が流れ始めると、コリオリ力が管路に沿ったいずれかの２点の間の位相差の変化を生ぜしめる。管路の入口側の位相は駆動源よりも遅れ、出口側の位相は駆動源よりも進む。管路の運動を表す正弦信号を生ぜしめるように管路にピックオフセンサーが配置される。ピックオフセンサーの間の位相差の変化を決定するためにピックオフセンサーから出力された信号が処理される。２つのピックオフセンサーの信号の間の位相差の変化は管路を通る物質の質量流量に比例する。
【０００４】
あらゆるコリオリ流量計及びあらゆる振動管密度計の典型的な部分は駆動ないし励振装置である。駆動装置は管路を振動させる周期的な物理的力を管路に加えるように動作する。駆動装置は流量計の管路に装着された駆動源を含む。駆動源の機構は典型的には磁石が一方の管路に装着され他方の管路に磁石に対向するようにしてコイル卷線が装着されたボイスコイルのような周知の装置のいずれかを含むが、これに限られることはない。駆動源の回路は駆動コイルに周期的な、典型的には正弦状あるいは方形状の駆動信号を連続的に供給する。周期的駆動信号に応じてコイルにより生ずる連続的交番磁界と磁石により生ずる定常的磁界との相互作用により、両方の管路が最初に対向する正弦状パターンで振動し始め、それ以後このパターンが維持される。電気的信号を機械的力に変換することができるいかなる装置でも駆動源として利用するのに適合することが当業者に理解される（カーペンターに対して付与されマイクロ・モーション・インコーポレーテッドに権利譲渡されている米国特許第４７７７８３３号を参照）。また正弦状信号を用いる必要はなく、何らかの周期的信号でも駆動源として適当であろう（カロテイ等に付与されマイクロ・モーション・インコーポレーテッドに権利譲渡されている米国特許第５００９１０９号を参照）。
【０００５】
２本管型コリオリ流量計が駆動される典型的なモードは、ただ１つのモードではないが、第１の位相の外れた曲げモードである。駆動源を注意して配置することにより第１の移送のはずれた曲げモードを最大にすることが知られている。これについてはダーリンの米国特許第４８２３６１４号を参照するとよい。しかしながら第１の位相の外れた曲げモードはこのモードで駆動されるコリオリ流量計の振動する構造に現れる唯一の振動モードではない。もちろんより高いモードも励振されよう。また振動する管路を通って流れる流体及びそれにより生ずるコリオリ力の結果として第１の位相の外れたモードのようなコリオリ応答モードもある。さらに位相の合った横方向の振動モードもある。コリオリ流量計に付加的な望ましくないモードが時々励振される他の理由は、駆動源要素が管路に対称的に配置されていず、あるいは駆動源が管の平面に垂直な考えられている方向の純粋に１つの軸方向の力を生ぜしめないようような製造の公差になっている時である。これは駆動源が管路に偏心した力を加え、そのために複数振動モードを励振させることになる。管路の励振駆動によって複数のモードが励振されるのに加えて、流量計外の振動によるモードが励振され得る。例えば処理ラインのどこかに配置されているポンプがコリオリ流量計に振動モードを励振するような振動を配管系に生ぜしめることがあろう。最後にコリオリ流量計には第１の位相の外れた曲げモードのような１つのモードだけで振動するものと考えられる数百の振動モードがある。駆動されるモードの近くの比較的狭い振動数の範囲内でも典型的にはさらに少なくとも数個のモードがある。かくして１つのモードで振動ないし共振するように駆動されるコリオリ流量計は実際には考えられているモードのほかに他の多くのモードで振動する１本または複数本の管路を有する。
【０００６】
振動する１本または複数本の管路に取付けられたピックオフセンサーは管路の振動を表すフィードバック信号を生ぜしめる。かくして管路が多数のモードで振動していれば、振動する管路に取付けられたピックオフセンサーからのいかなるフィードバック信号も多数の振動モードを表すモードの内容を有するであろう。これは望ましくない振動モードが駆動信号自体によって補強され得るので駆動信号フィードバックループの問題となり得る。例えばポンプはコリオリ流量計が取付けられる配管系に振動を生ぜしるであろう。コリオリ流量計はポンプの振動のためにあるモードで振動せしめられる。この振動モードは（１つのピックオフからの）駆動フィードバック信号のあるモードの内容によって表される。駆動フィードバック信号は駆動信号を生ぜしめるように処理される。ポンプの振動によって生ずる振動モードにモードの内容を有している駆動信号はコリオリ流量計を振動するように駆動するために用いられる。かくして流量計は望ましくないモードで振動するように駆動される。
【０００７】
他の例示的な問題は固有の安全性の要件に関するものである。認可官庁によって設定されている固有の安全性の要件に合致するために、コリオリ流量計の駆動源で利用される動力全体が制限される。動力の制限はコリオリ流量計に対して特により大型の流量計に関する、さらには気体が混入する流体を測定するより大型の流量計に関する問題となり得る。それゆえただ望ましいモードの振動だけが励振され、そのために望ましいモードでエネルギーを与え望ましくないモードにエネルギーを「浪費」しないようにして流量計にエネルギーを与えることが重要である。
【０００８】
さらに他の問題は、第１の位相が外れた曲げモードで駆動される歴史的なコリオリ流量計の問題において、駆動源の位置がやはり第２の位相が外れた曲げモードの最大振幅の位置となることである。それゆえ第１の位相が外れた曲げモードで振動するように駆動されるコリオリ流量計において第２の位相が外れた曲げモードが確実に励振される。駆動フィードバック信号と、またそれにより駆動信号とが第２の位相が外れたモードに対する強い応答を含む。
【０００９】
１９９４年４月１２日にケージらに付与されマイクロ・モーション・インコーポレーテッドに権利譲渡されている米国特許第５３０１５５７号（５５７特許）はコリオリ流量計の管路にヒックオフセンサーを配置する方法を開示している。「５５７特許」は管路の望ましくない振動モードの節の近くの位置にピックオフセンサーを装着することを開示している。それゆえピックオフセンサーは望ましくないモードの強い成分を有する信号を生ぜしめる可能性が少なくなる。「５５７特許」は望ましくないモードが抑止されるような駆動源の配置あるいは駆動信号の使用については何も示していない。
【００１０】
不要なモードが最小になるように振動する管に駆動源を最適に配置する必要性がある。さらにコリオリ流量計で用いられる駆動力を増大させて固有の安全性の要件に従う必要性がある。２つのモードを励振させ、あるいは１つのモードを励振させて他のモードを抑止するように流量計の振動する管の複数のモードに作用させる必要性がある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前述した問題及び他の問題は本発明の駆動装置によって解決され、この分野での技術的進歩が達せられる。本発明は振動モードが適切な作用を受けるように流量計の振動する管に駆動源を最適に配置するためのモード分析手法を用いる方法及び装置を提供する。所望の振動モードを励振し望ましくない振動モードを励振しない振動構造にエネルギーが与えられるような管路の位置に１つまたはそれより多くの駆動源が配置される。望ましくないモードの励振は最少になり、望ましい振動モードでの駆動力が最大になり、それによって管路が望ましいモードでより効果的に駆動される。
【００１２】
多数の振動モードの作用が制御されるように振動する管路に駆動源を最適に配置する方法が与えられる。あるモードに作用するというのはそのモードを励振するかあるいは抑止することである。振動する管路の限定部分（ＦＥ）のモデルが形成される。問題となるモードの固有ベクトル係数がＦＥモデルから導かれる。あるいは問題となるモデルの固有ベクトル係数を決定するためにモード分析手法が用いられる。問題となるモデルの固有ベクトル係数がグラフに示されて、例えば１つの所望のモードが最大振幅の点に近く１つの望ましくないモードが最小振幅の点に近いような振動する管に沿った領域を確認する。この領域内に駆動源が配置される。この領域に配置される駆動源は望ましくないモードを励振する可能性が少なくなり望ましいモードを適切に励振する。複数の望ましいモードが最も効果的に励振されるように駆動源を配置し、あるいは複数の望ましくないモードが励振されないようにするために同じ手法が用いられる。
【００１３】
あるいは問題となるモードの固有ベクトル係数は振動する管路の振動数応答関数（ＦＲＦ）を与えるために用いられる。ＦＲＦは１つの位置の構造に加わる力と他の位置の構造に生ずる運動との間の力学的関係を特徴づける。ＦＲＦは前述したグラフによる方法に代わるものとして振動する管での最適な駆動源の位置を数量的に決定するために用いられる。
【００１４】
Ｕ形の振動する管路が駆動源を最適に配置する本発明の例を与える。歴史的にはＵ形の管路の湾曲の端部の中心に１つだけの駆動源が配置されている。第１の位相の外れた曲げモードの振動数の正弦波状信号がその１つだけの駆動源に伝えられて管路を振動させる。管路の湾曲の端部の中心はＵ形の管路の第１及び第２の位相の外れた曲げモードの両方の最大振幅となる点である。かくして駆動源の位置は望ましい第１の位相の外れた曲げモードとともに望ましくない第２の位相の外れた曲げモードを励振する傾向にある。本発明は第１の位相の外れた曲げモードが励振されるが第２の位相の外れた曲げモードの励振が最小になるようにした位置に駆動源が配置されている流量計を提供する。本発明によればこれは望ましい第１の位相の外れた曲げモードの最大振幅の位置の近くで望ましくない第２の位相の外れた曲げモードの最小振幅の位置の近くの位置少なくとも１つの駆動源を配置することによって達せられる。
【００１５】
本発明の他の例は第１の位相の外れた曲げモードと第１の位相の外れた捩れモードとの両方を励振させ第２の位相の外れた曲げモードを励振させないようにしたい場合である。歴史的にはこれはＵ形の管路の例で第１の位相の外れた曲げモードを励振するように管路の湾曲の端部の中心に１つだけの駆動源を配置し、第１の位相の外れた捩れモードを励振するように管路の対向する脚部に１対の駆動源を配置することによって達せられていた。本発明によれば全く異なる手法及び構造となる。振動する構造のＦＥモデルが形成される。第１の位相の外れた曲げモード、第１の位相の外れた捩れモード及び第２の位相の外れた曲げモードの固有ベクトル係数がＦＥモデルから導かれる。固有ベクトル係数は管路に沿った距離に関してグラフで示され、駆動源の位置が選択される。選択された駆動源の位置は第１の位相の外れた曲げモード及び第１の位相の外れた捩れモードが最大振幅の点の近くであり第２の位相の外れた曲げモードが最小振幅の点の近くであるような管路に沿った位置である。かくして駆動源に与えられる適切な位相をもったエネルギーが第１の位相の外れた曲げモード及び第１の位相の外れた捩れモードを励振しまた第２の位相の外れた曲げモードを励振しないようにする。
【００１６】
望ましいモードではより多くの利用可能な動力が伝えられるので駆動源の最適な配置は振動する管に与えられる動力を増大させることを可能にする。これは限定的ではないが固有の安全性の要件が問題となる高い駆動動力が必要な場合に有利である。さらに本発明によれば、適切に配置され各々が別個の駆動回路で制御される複数の駆動源を用いることにより駆動動力のゲインが得られる。
【００１７】
【図１のコリオリ流量計全体】
図１はコリオリ流量計組立体１０と流量計の電子回路２０とからなるコリオリ流量計５を示している。流量計の電子回路２０は経路２６を通じて密度、質量流量、体積流量及び全体的な物質の流れの情報を与えるように結線１００を介して流量計組立体１０に接続されている。図１−８はコロラド州ボールダーのマイクロ・モーション・インコーポレーテッドにより製造されているモデルＣＭＦ３００のコリオリ質量流量計の構造及び動作を示している。本発明はコリオリ質量流量計によって与えられる付加的な測定能力がなくても振動管比重計と組合せて実施されることは当業者に明らかであるが、あるコリオリ流量計について説明する。またここであるコリオリ流量計の形態を図示及び説明するが、本発明は振動する管の数及び形状にかかわらずいかなる振動管型の流量計あるいは比重計にも同様に適用し得ることが振動管型センサーの技術に関する当業者にはわかる。本質的に本発明は振動する管の数及び形状にかかわらずいかなる振動管型の流量計及び比重計にも適用し得る。本質的に本発明は振動する管路を用いるいかなるプロセスパラメータ測定装置にも適用し得る。
【００１８】
流量計組立体１０は１対のフランジ１０１及び１０１′、マニホルド１０２、１０２′、スペーサ１０７及び管路１０３Ａ及び１０３Ｂを含む。管路１０３Ａ及び１０３Ｂに駆動源１０４及びピックオフセンサー１０５及び１０５′が連結されている。受けバー１０６及び１０６′は各々の管路が振動する際の軸Ｗ及びＷ′を規定する作用をなす。
【００１９】
流量計１０が測定されるプロセス材料を搬送する配管系（図示せず）に挿入されると、物質がフランジ１０１′を通って流量計組立体１０に入り、マニホルド１０２を通過しここで物質が管路１０３Ａ及び１０３Ｂに入るように向けられ、管路１０３Ａおよび１０３Ｂを通って流れてマニホルド１０２に戻り、ここからフランジ１０１′を通って流量計組立体１０を出てゆく。
【００２０】
管路１０３Ａ及び１０３Ｂはそれぞれ曲げの軸Ｗ−Ｗ及びＷ′及びＷ′を中心として実質的に同じ質量分布、慣性モーメント、弾性係数を有するように選択されマニホルド１０２に適切に装着されている。管路はマニホルドから実質的に平行に外方に延びている。
【００２１】
管路１０３Ａ−１０３Ｂは駆動源１０４によりそれぞれの曲げの軸Ｗ及びＷ′を中心として反対の方向へ、流量計の第１の位相の外れた曲げモードで駆動される。駆動源１０４は管路１０３Ａに装着された磁石とこれに対向して管路１０３Ｂに装着され両方の管路を振動させるために交流電流が通るコイルとのような多くの周知の装置のいずれからなるものでもよい。流量計の電子回路２０により結線１１０を介して駆動源１０４に適当な駆動信号が供給される。
【００２２】
流量計の電子回路２０はそれぞれ結線１１１′及び１１１′に生ずる左右の速度信号を受取る。流量計の電子回路２０は結線１１０に駆動信号を生ぜしめ、駆動源１０４が管１０３Ａ及び１０３Ｂを振動させるようにする。流量計の電子回路２０は流量計組立体１０を通る物質の質量流量及び比重を計算するため左右の速度信号を処理する。この情報は流量計の電子回路２０により経路２６を介して適用手段（図示せず）に供給される。
【００２３】
コリオリ流量計５が振動管型比重計と同様の構造のものであることは当業者に知られている。振動管型比重計はまた流体が流れて通る、あるいは例示の型の比重計の場合流体が内側に保持される振動する管を用いる。振動管型比重計はまた管路を励振させるための駆動系を用いる。比重の測定は振動数の測定だけを必要とし、位相の測定は必要でないので、計振動管型比重計は典型的には１つだけのフィードバック信号を用いる。ここでの本発明の説明は振動管型比重計に同様にあてはまる。
【００２４】
【図２−３のモード形状係数】
図２は図１に示された流量計１０の管路１０３Ａ−１０３Ｂの限定的要素モデルを図示するものである。本発明を説明するためには流量計の振動する部分だけを論ずればよく、かくして図２は管路１０３Ａ−１０３Ｂだけを示している。このモデルは物理的流量計で流量計のマニホルドに連結する流管の端部を地面に固定する。限定的要素モデリングの手法は当業者には周知であり、本発明の一部をなすものであはない。例示的な限定的要素のモデルはＳＤＲＣの考えを用いて形成され、マックニールシュヴェンドラー（ＭａｃＮｅａｌＳｃｈｗｅｎｄｌｅｒ）から出されている限定的要素コードであるＭＳＣ／ＮＡＳＴＲＡＮにより分析されている。限定的要素モデリングの手法に関する当業者にはそれに代わっていかなる限定的要素コードでも用いられることがわかる。ピックオフセンサーの位置は右側のピックオフセンサー、駆動源及び左側のピックオフセンサーに応じた流管における磁石の位置とコイルの位置との間の相対的運動を表す出力を生ぜしめるようなモデルとされた。これらの「スカラー点」は進歩した運動分析には標準的な手法である。コリオリ流量計の限定的要素モデリングについてのより多くの情報に関しては流体移送ティメシェンコ・ビームの振動解析に関する限定的要素」（ＡＩＡＡ報告書９３−１５５２）を参照するとよい。各々のスカラー点は図２で節点番号Ｎ１０１−Ｎ１１７を付されている。節点Ｎ１０１−１１７は管路１０３Ａ、１０３Ｂの長さ方向に沿ったモードの形状及びその相互作用についてさらに議論することを可能にする。駆動源１０４及びピックオフセンサー１０５−１０５′は図１に示されるのと同じ位置に示されている。駆動源１０４及びピックオフセンサー１０５−１０５′は図２及び以下の図で各管路の要素として示されている。これは駆動源及びピックオフセンサーが典型的には１本の管路に取付けられたコイルと第２の管路あるいは流量計のケースに取付けられた磁石とからなるためである。節点Ｎ１０９における駆動源１０４の位置は曲げモードで駆動される曲線状管型のコリオリ流量計に関し典型的なものとして知られている。
【００２５】
図３はある振動モードに関しての管路１０３Ａ−Ｂに沿った位置の関数としての正規化された固有ベクトル係数のグラフである。グラフ３００の垂直方向の軸は正規化された固有ベクトル係数である。グラフ３００の水平方向の軸は節点Ｎ１０１−Ｎ１１７で示される管路１０３Ａ−Ｂに沿った位置である。グラフ３００は節点Ｎ１０１−Ｎ１１７の位置に対する第１の位相の外れた曲げモードの固有ベクトル係数からなる曲線３０２を含む。グラフ３００はまた節点Ｎ１０１−Ｎ１１７の位置に対する第２の位相の外れた曲げモードの固有ベクトル係数からなる曲線３０４を含む。グラフ３００をなす第３の組のデータは節点Ｎ１０１−Ｎ１１７の位置に対する第１の位相の外れた捩れモードの固有ベクトル係数からなる曲線３０６である。
【００２６】
図３は振動する管路に見られるモードの形状を特徴づける定性的手法を表す。曲線３０２−３０６を形成するために用いられる固有ベクトル係数は少なくとも２つの方法のうちの１つで生ずる。１つの手法は問題となるモードの固有ベクトル係数が導かれる問題となる振動する構造の限定的要素モデルを形成することである。他の手法は振動する構造の物理的モデルから固有ベクトル係数を決定するために実験的モード分析の手法を用いることである。限定的要素モデリング及び実験的モード分析の手法は複合的力学系に関する当業者には周知のことである。
【００２７】
節点Ｎ１０１−Ｎ１１７はそれぞれ受けバー１０６及び１０６′の近くにある。受けバー１０６、１０６′は管路１０３Ａ−Ｂを一体的に連結し、それゆえ管路１０３Ａ−Ｂの間にほとんど相対的運動が生じないその長さ方向に沿った拘束の位置である。かくして３本の曲線は全て節点Ｎ１０１及びＮ１１７において０の振幅に近づく。管路１０３Ａ−Ｂは節点Ｎ１０１とＮ１１７との間では自由に振動する。各々のモードで各節点Ｎ１０１−Ｎ１１７における振動の最大振幅が曲線３０２−３０６で示される。
【００２８】
図２は節点Ｎ１０９に配置された駆動源１０４を示している。節点Ｎ１０９は管路１０３Ａ−Ｂの中心であり、それは各受けバー１０６及び１０６′から等距離にある位置であることを意味する。これは曲線状管路型コリオリ流量計を第１の位相の外れたモードで駆動するために歴史的に用いられている典型的な駆動位置を表す。曲線３０２で示される第１の位相の外れた曲げモード管路１０３Ａ−Ｂの中心点である節点Ｎ１０９において最大値に達することに注意すべきである。かくして節点Ｎ１０９は第１の位相の外れた曲げモードを励振するのに効果的な位置である。ここでの「効果的」は比較的小さい力を受けて比較的大きい管路の運動が生ずることを意味する。節点Ｎ１０９は管路１０３Ａ−Ｂに沿って、第１の位相の外れた曲げモードを励振するのに最も効果的な位置である。しかしながら図３で節点Ｎ１０９はまた曲線３０４によって示される第２の位相の外れた曲げモードの最大振幅の位置でもあることに注意すべきである。かくして節点Ｎ１０９において管路１０３Ａ−Ｂに与えられるエネルギーは第１及び第２の位相の外れた曲げモードの両方を励振しようとする。これは典型的には第２の位相の外れた曲げモードを励振したくないので望ましくない状況である。振動管センサーの当業者によく知られているように、駆動源によって励振されるいかなるモードでもピックオフセンサーで検出され、あるモードが物質の流量、あるいは比重の測定、あるいは効果的な駆動信号の発生に有害な作用を及ぼすことがある。
【００２９】
【図４−６Ｂの本発明による駆動源の配置】
図４は本発明の示すところによる管路１０３Ａ−Ｂに沿って配置された駆動源４０１を有する管路１０３Ａ−Ｂを示している。図３のモードの形状係数のグラフ３００に関して、第２の位相の外れた曲げモード（曲線３０４）が節点Ｎ１０７の近くの最小振幅位置の近くであるが、第１の位相の外れた曲げモードは節点Ｎ１０７における最大振幅の近くであることに注意すべきである。それゆえ節点Ｎ１０７において、またはその近くで管路１０３Ａ−Ｂに与えられるエネルギーは第１の位相の外れた曲げモードを励振するが、第２の位相の外れた曲げモードを励振しないようにする。図４は節点Ｎ１０７の近くに配置された駆動源４０１を示す。駆動源４０１は管路１０３Ａ−Ｂを振動させるように動作する時に第１の位相の外れた曲げモードを励振するが、第２の位相の外れた曲げモードを励振しないか最小の励振を行う。それゆえ１つの駆動源を有する本発明による流量計は望ましい１つまたは複数のモードだけが励振されるように駆動源を最適に配置するように振動する構造に見られる種々の振動モードについての知識を利用する。
【００３０】
駆動源４０１の偏心した位置はある問題を生ぜしめる。１つの問題は偏心した駆動源の位置のためにエネルギーが振動する構造に非対称的に与えられることである。また節点Ｎ１０７は第１の位相の外れた捩れモードの最大振幅の位置の近くにある。かくして節点Ｎ１０７（あるいは対応する節点Ｎ１１１における１つだけの駆動源は第１の位相の外れた捩れモードを偏心状態で励振しようとするが、これは管路１０３Ａ−Ｂに沿った２つの点の間に生じた位相シフトとされる。管路に沿った点の間の位相シフトはコリオリ流量計による質量流量測定の基本となるので、これは問題となり得る。
【００３１】
図５はそれぞれ節点Ｎ１０７及びＮ１１１における２つの駆動源５０１−５０２を示している。駆動源５０１−５０２の位置、すなわちＮ１０７及びＮ１１１は偏心して配置された１つだけの駆動源の場合について図４に関して前述したのと同じ理由で選択される。第１の位相の外れた曲げモードで振動するように駆動される流量計の場合、駆動源５０１−５０２によって生ずる力は等しい振幅及び位相である。図３のモードの形状係数のグラフ３００に関しては、節点Ｎ１０７及びＮ１１１は第１の位相の外れた曲げモードの最大振幅の位置と第２の位相の外れた曲げモードの最小振幅の位置との近くにある。かくして第１の位相の外れた曲げモードが励振され、第２の位相の外れた曲げモードはわずかに励振されるにすぎない。さらに駆動源５０１−５０２は管路１０３Ａを等しい振幅及び等しい位相で駆動するので第１の位相の外れた捩れモードは励振されない。それゆえコリオリ流量計の質量流量測定は図４に示される実施例の場合にあり得るように作用を受けることはない。
【００３２】
図３に示されるような固有ベクトル係数をグラフに示すのではなく、その代りに固有振動数及び振動減衰の構造と組合せて固有ベクトル係数を用いて振動する構造にＦＲＦを生ぜしめるようにすることができる。ＦＲＦは振動する構造のある位置において加わる力（ポンド）に対する、振動する構造の別の位置における物理的応答（インチ／秒）を決定するために用いられる。これは最適な駆動源の位置を確認するための定量的手法を与える。振動数応答関数の計算及び扱いは振動する構造の研究に関する当業者には周知のことである。
【００３３】
構造のある点における入力に対する構造の別の点における応答を計算できるようにするＦＲＦマトリックスは式（１）で与えられ、
【数１】

ここでＨ（ω）は単位励振で正規化された応答単位における振動数の関数としてのＦＲＦマトリックスである。典型的な単位はインチ／秒／ポンドである。ＦＲＦマトリックス指数は応答及び励振の物理的位置に対応する。すなわちＨｉｊは位置ｊにおける単位励振に対する位置ｉにおける応答である。加算の指数ｒは固有ベクトルマトリックスΦにおける行の数によって規定される望ましいモードの数に対応する。Φにおける各列は物理的位置の固有ベクトル係数に対応し、この位置での応答が望ましいものであるか、あるいはこの位置に力が加わる。固有ベクトルマトリックスΦは限定的要素分析で導かれるか実験的に測定されるのがよい。ｉωの項（ｉ＝√−１）は応答が速度の項にあることを示す。分子及び分母におけるωの項は励振の振動数をラジアン／秒で表したものである。Φ^<r>はモードの単位質量に規格化されたｒ番目の固有ベクトル（固有ベクトルマトリックスの行）である。ζは臨海減衰の分数としてｒ番目のモードのモード減衰であり、ωｎはラジアン／秒で表したｒ番目のモードの減衰していない固有振動数である。
【００３４】
与えられた力Ｆに対する物理的応答Ｘは式（１）及び（２）から計算される。この線形系での多数の力に対する応答は個々の応答を１つの力に加え合せることによって重畳され得る。
【数２】

【００３５】
式（１）及び（２）は第２の点、すなわち駆動源の位置において加えられる力に応じた、例えば図２及び図５の節点Ｎ１１３におけるピックオフセンサー１０５′のような第１の点の物理的速度を計算するために用いられる。図２に示される従来の駆動源の場合、力は管路１０３Ａの中心点、節点Ｎ１０９に加わる。図５に示される２つの駆動源の場合、力は節点Ｎ１０７及びＮ１１１の両方に対称的に加わる。「対称的に」加わる力は等しい大きさで相互に位相が合って加えられる力である。
【００３６】
図６Ａ及び６Ｂは１つ及び２つの駆動源の場合でピックオフセンサー１０５′の物理的速度の大きさ及び位相を比較して示している。図６Ａ及び６Ｂのデータは１つ及び２つの駆動源の両方の場合のに流量計モデルＣＭＦ３００のＦＲＦから生ずる。図６Ａのグラフ６０１はピックオフセンサー１０５′（節点Ｎ１１３）での振動数に対する管路の速度の位相を示している。図６Ｂのグラフ６０２はピックオフセンサー１０５′（節点Ｎ１１３）での振動数に対する管路の速度の大きさを示している。グラフ６０１の曲線６０３は節点Ｎ１０９に配置された１つの駆動源の場合における節点Ｎ１１３での管路の速度の位相である。グラフ６０１の曲線６０４はそれぞれ節点Ｎ１０７及びＮ１１１に配置された２つの駆動源の場合における節点Ｎ１１３での管路の速度の位相である。１つの中心の駆動源の場合と２つの駆動源の場合との間の管路の速度の位相に差がないことに注意すべきである。グラフ６０２の曲線６０５は節点Ｎ１０９に配置された１つの駆動源の場合における節点Ｎ１１３での管路の速度の大きさである。グラフ６０２の曲線６０６はそれぞれ節点Ｎ１０７及びＮ１１１に配置された２つの駆動源の場合における節点Ｎ１１３での管路の速度の大きさである。両方の場合の応答が７３Ｈｚでの第１の位相の外れた曲げモードで同じになることに注意すべきである。また４６６Ｈｚでの第２の位相の外れた曲げモードの応答は従来の１つの駆動源の場合と比較して２つの駆動源の場合に約５倍程度小さい。これは図３に示されるように第２の曲げモードにおける節点Ｎ１０７及びＮ１１１の応答がＮ１０９での応答よりも小さいがＮ１０９の応答より小さいが完全に０ではないためである。節点Ｎ１０７及びＮ１１１の位置をこのモードの固有ベクトル係数がより０に近くなる点まで移動させることによって第２の曲げモードの応答がさらに減少するであろう。この場合それは例えば図３に関して節点Ｎ１０７における駆動源を節点Ｎ１０６の方へ、また節点Ｎ１１１における駆動源を節点Ｎ１１２の方へ移動させることを意味するであろう。また２つの駆動源の場合の曲線６０６の下側の面積となる全応答は１つの駆動源の場合の曲線６０５の下側の面積の約半分であることに注意すべきである。２つの駆動源の場合のの全応答がより低くなることは、考えているモード、すなわち第１の位相の外れた曲げモードが１つの駆動源の場合より２つの駆動源の場合により効率的に励振されることを示している。振動数応答関数そのと結果としての図６のグラフは本発明の駆動系の利点を理解するための定量的手法を示している。
【００３７】
【図８の付加的な駆動源】
特に図５の駆動源の図式に関して前述したような２つの駆動源の他の利点はより多くの駆動動力を管路１０３Ａに伝える能力である。実際にはコリオリ質量流量計の駆動源は固有の安全性の理由から約５ワットの動力に制限される。工業プロセス制御の技術に関する当業者は固有の安全性の要件をよく知っている。本質的にこの要件はコリオリ流量計のようなプロセス制御装置は爆発の環境に対し点火がなされるのに十分なエネルギーを蓄積状態で、あるいは即時的に放出しないようにするためのものである。コリオリ流量計の設計者は適当な駆動力を得るために駆動電流、磁場の強度及びコイル卷線の巻き数のトレードオフ（電磁的駆動源の場合）することになじんでいる。しかしながら駆動源が流量計を適切に作動させるのに十分だけ管路を振動させるように駆動源に力を伝えるのが困難なことがある。これは特により大きい寸法の管路や気体が入り混んだ管路を通って流体が流れる場合の管路に言える。本発明の装置は管路を振動させるために付加的な駆動動力を与えるような状況で用いられる。２つの駆動源が各々分離された駆動回路の一部となるように２つの駆動源装置が形成されていれば、各々が管路に約０．５ワットの駆動動力を供給でき、さらに必要な固有の安全性の要件を満たす。
【００３８】
図８は図５に示される駆動装置を流量計の電子回路２０とともに示している。流量計の電子回路２０は駆動回路Ａ８０２及び駆動回路Ｂ８０４を含む。駆動回路８０２−８０４は相互に電気的に分離されており、それゆえ固有の安全性の計算のために別個の回路として扱われる。駆動回路Ａ８０２は結線８０６を介して駆動源５０１に接続されている。駆動回路Ｂ８０４結線８０８を介して駆動源５０２に接続されている。各々の駆動回路８０２−８０４はそれぞれの駆動源５０１−５０２に応じた固有の安全性の要件の下で可能な最大になるまでの動力を供給する。かくして各々の駆動源５０１−５０２は管路１０３Ａに例えば０．５ワットの駆動動力を供給し得る。
【００３９】
【図７Ａ及び７Ｂ交互のモードの励振】
本発明の他の２つの駆動装置の適用例は交互のモードの励振である。前述したように、第１の位相の外れた曲げモードは従来のコリオリ質量流量計に関して最も一般的に駆動されるモードである。しかしながら本発明はいかなる管路の形状のものにも、どのように駆動される１つまたは複数のモードの使用にも適用し得る。例えば本発明の駆動装置により第１の位相の外れた第１の位相の外れた捩れモードが効率的に励振されよう。
【００４０】
図６に示されるデータを生ぜしめるために用いられる駆動源の構成は第１の位相の外れた捩れモードを励振するのに用いられる。流量計のモデルＣＭＦ３００は１８４Ｈｚにおける第１の位相の外れた捩れモードを有し、第６図に示されるようにこの振動数では１つの駆動源も２つの駆動源系も大きな振幅を生ぜしめることはない。１つの中心で駆動される構成は捩れモードを励振することはできない。しかしながら２つの駆動源の構成がこれに代わるものとなる。各々の駆動源での力を等しい振幅で逆の位相になるようにすることができる。言い換えると２つの駆動源は相互に１８０゜だけ位相が外れている。２つの駆動源の位相が外れていると第１の位相の外れた曲げモードは励振されず、第１の位相の外れた捩れモードが励振される。
【００４１】
図７Ａ及び７Ｂは駆動源が相互に１８０°だけ位相が外れている２つの駆動源の場合のピックオフセンサー１０５′の物理的速度の大きさ及び位相を示している。図７Ａのグラフ７０１はピックオフセンサー１０５′（節点Ｎ１１３）における振動数に対する管路の速度の位相を示している。図７Ｂのグラフ７０２はピックオフセンサー１０５′（節点Ｎ１１３）における振動数に対する管路の速度の大きさを示している。グラフ７０１の曲線７０３はそれぞれ駆動源が等しい振幅で逆の位相となる節点Ｎ１０７及びＮ１１１における２つの駆動源の場合の節点Ｎ１１３における管路の速度の位相である。グラフ７０２の曲線７０４はそれぞれ駆動源が等しい振幅で逆の位相となる節点Ｎ１０７及びＮ１１１における２つの駆動源の場合の節点Ｎ１１３における管路の速度の大きさである。第１の位相の外れた捩れモードでの１８４Ｈｚにおける強い応答、第１あるいは第２の位相の外れた曲げモードで応答がなくなることに注意すべきである。かくして本発明は曲げモードでなく捩れモードを励振するように駆動源が配置された第１の位相の外れた捩れモードで駆動するためのコリオリ流量計を提供する。
【００４２】
【図９−１０の交互の管路の形状の例】
本発明の示すところは２本の曲線状管路の振動センサーに限られない。いかなる形状の１本またはそれより多くの管路でもも本発明の駆動源により利点が得られる。図９−１０は本発明の示す他の例を与える。
【００４３】
図９は２本の直線状管のコリオリ流量計の限定的要素モデル９００を示している。節点Ｓ１０１−Ｓ１１７は管路９０２Ａ−Ｂの長さ方向に沿って示されている。管路９０２Ａ−Ｂは受けバー９０４及び受けバー９０４′によって各々の端部で拘束されている。図１０は流量計９００のモード形状係数１０００を示している。流量計９００を第１の位相の外れた対称的な曲げモードで駆動したい時に、第１の位相の外れた対称的な曲げモード極大の振幅に近く第２の位相の外れた対称的な曲げモードが極小の振幅に近くなる位置を決定するためにグラフ１０００が検討される。曲線１００２は流量計９００の第１の位相の外れた対称的な曲げモードの固有ベクトル係数を表している。曲線１００４は流量計９００の第２の位相の外れた非対称的な曲げモードの固有ベクトル係数を表している。曲線１００６は流量計９００の第１の位相の外れた非対称的な曲げモードの固有ベクトル係数を表している。
【００４４】
グラフ１０００のモード形状係数を検討すると、節点Ｎ１０６と節点Ｎ１０７と概略中間で第１の位相の外れた対称的な曲げモードが最大振幅の位置の近くにあり、第２の位相の外れた対称的な曲げモードが最小の振幅の位置の近くにあることがわかる。同じことが付し点Ｎ１１１と節点Ｎ１１２との間についても言える。かくして図１０に示されるように、駆動源９０８が節点Ｎ１０６とＮ１０７との間に配置され、駆動源９０８′が節点Ｎ１１１とＮ１１２との間に配置される。駆動源９０８及び９０８′が等しい振幅及び位相で励振される時には第１の位相の外れた対称的な曲げモードは励振され、第２の位相の外れた対称的な曲げモードは励振されないか、あるいはわずかに励振されるだけである。
【００４５】
図９−１０は本発明の示すとこの広さを示している。図５及び９に示される物理的構造は全く異なるけれども、対応する図３及び図１０のグラフのモード形状係数のグラフは本発明の示すところが両方の場合に適用されることを示している。ここに示される構造は本発明示すところの単なる例示である。本発明はいかなる振動管型の流量計あるいは比重計に適用される。
【００４６】
１つより多くのモードを意図的に励振するのが望ましいことがある。例えばマイクロ・モーション・インコーポレーテッドに権利譲渡されている１９９６年８月１４日の関連米国出願第０８／６８９８３９号を参照すると、２つのモードが励振され、２つの励振されたモード共振振動数の比の変化は振動する管路内の流体圧力に関係する。図１１は駆動回路１１００のブロックダイアグラムを示している。駆動回路１１００は図１あるいは図８を参照すると流量計電子回路２０内にある。
【００４７】
駆動回路１１００はモードＡ駆動回路１１０２、モードＢ駆動回路１１０４及び合算ステージ１１０６からなる。モードＡ駆動回路１１０２は結線１１０８を介して駆動フィードバック信号を受取り、結線１１１０を介して第１のモード（モードＡ）の振動数の駆動信号を生ぜしめる。モードＢ駆動回路１１０４は結線１１０８を介してフィードバック信号を受取り、結線１１１２を介して第２のモード（モードＢ）の振動数の駆動信号を生ぜしめる。結線１１１０を介してのモードＡ駆動回路からの駆動信号と結線１１１２を介してのモードＢ駆動回路からの駆動信号とが合算ステージ１１０６に入力される。合算ステージ１１０６は入力された２つの駆動信号を線形結合して供給された駆動信号を結線１１１４を介して生ぜしめる。結線１１１４を介して供給された駆動信号は振動する管路の駆動源に供給される。
【００４８】
ここで図９−１１を参照し、第１の位相の外れた曲げモード（曲線１００２）と第１の位相の外れた捩れモード（曲線１００６）との両方で図９の流量計を励振させたいものとする。モードＡ駆動回路１１０２は第１の位相の外れた曲げモードの振動数で第１の駆動信号を生ぜしめるような形状になっている。モードＢ駆動回路１１０４は第１の位相の外れた捩れモードの振動数で第２の駆動信号を生ぜしめるような形状になっている。第１及び第２の駆動信号は合算ステージ１１０６で合算されて結線１１１４を介して供給される駆動信号を生ぜしめる。供給された駆動信号は流量計９００の駆動源９０８及び９０８′に供給される。図１０を検討すると、駆動源９０８及び９０８′は第１の位相の外れた曲げモード及び第１の位相の外れた捩れモードを励振するように適切に配置されていることが示される。駆動源９０８及び９０８′はそれぞれ節点Ｓ１０６と節点Ｓ１０７との間、Ｓ１１１とＳ１２との間に配置されている。これは図１０について記したように第１の位相の外れた捩れモードと第１の位相の外れた曲げモードちの両方の最大振幅の領域であり、また第２の位相の外れた曲げモード最小振幅の領域である。かくして図１１の多モード駆動回路は第１の位相の外れた曲げモード及び第１の位相の外れた捩れモードを励振するが、第２の位相の外れた曲げモードを励振しない。
【００４９】
コリオリ質量流量計に関する当業者は駆動回路１１０２及び１１０４によって駆動信号を発生させるための多くの他の方法を知っている。例えば１９９１年４月２３日に発行されマイクロ・モーション・インコーポレーテッドに権利譲渡されている米国特許第５００９１０９号と出願人ティモシー・ジェー・カニンガムにより１９９７年７月１１日に出願された関連米国出願第０８／８９０７８５号はここで十分に説明したのと同じように参照すべきものとしてあげられる。ここでは特定の実施例について説明したが、当業者には文言上本発明の範囲内にある、あるいはそれと均等のものとなる多数の駆動源及びその配置を用いて他の形のコリオリ流量計の駆動装置を形成し得るであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 コリオリ質量流量計を示す図である。
【図２】 図１のコリオリ質量流量計の振動する管路を表す限定的要素モデルを示している。
【図３】 図２の管路に沿った位置に対するモード形状係数のグラフである。
【図４】 本発明による駆動源及びフィードバック要素を含むコリオリ質量流量計を表す限定的要素モデルを示す図である。
【図５】 本発明の他の実質例による駆動源及びフィードバック要素を含むコリオリ質量流量計を表す限定的要素モデルを示す図である。
【図６】 図６Ａ−Ｂは、２つの異なる駆動源構成に関する管路の速度の位相及び大きさのグラフである。
【図７】 図７Ａ−Ｂは、等しい振幅で逆の位相を有する力を伝える２つの駆動源を用いた駆動源構成に関する管路の速度大きさ及び位相のグラフである。
【図８】 各々の駆動源要素の電気的に分離された駆動回路を有する２つの駆動源による装置を示す図である。
【図９】 本発明による直線状管のコリオリ質量流量計を限定的要素モデルで表した図である。
【図１０】 図９の管路に沿った位置に対するモード形状係数のクラフである。
【図１１】 多モードの駆動信号を生ぜしめる駆動回路のブロックダイアグラムである。

Claims (10)

1. 物質が流れる少なくとも１本の管路（１０３Ａ−１０３Ｂ）と、該少なくとも１本の管路（１０３Ａ−１０３Ｂ）を通って上記物質が流れる際にこれを振動させるための上記少なくとも１本の管路に取付けられた駆動手段（１０４）と、前記駆動手段を前記少なくとも１本の管路（１０３Ａ−１０３Ｂ）に取り付ける際該駆動手段（１０４）を、前記少なくとも１本の管路（１０３Ａ−１０３Ｂ）の少なくとも１つの望ましいモードにおける振動振幅が事実上最大ならしめるように選択された位置（Ｎ１０９）に取り付けてなること、上記少なくとも１本の管路（１０３Ａ−１０３Ｂ）及び上記物質が上記駆動手段（１０４）によって振動せしめられる際にコリオリ力により生ずる上記少なくとも１本の管路（１０３Ａ−１０３Ｂ）の振動を表す出力信号を生ぜしめ該出力信号を信号処理装置（２０）に伝えるための上記少なくとも１本の管路（１０３Ａ−１０３Ｂ）に取付けられたセンサー（１０５−１０５′）とを有し、上記物質の特性の測定値を生ぜしめるための信号処理装置が上記センサー（１０５−１０５′）からの出力信号を受取るように応ずるようにした流れて通る物質の特性を測定するための装置（５）であって、
   上記駆動手段に電流を供給するための駆動制御回路（１１００）と、
   上記駆動手段（１０４）に上記少なくとも１本の管路（１０３Ａ−１０３Ｂ）を第１の望ましいモードの振動数で振動させる第１の電流を生ぜしめるための上記駆動制御回路（１１００）における第１のモード回路（１１０２）と、
   上記駆動手段（１０４）に上記少なくとも１本の管路（１０３Ａ−１０３Ｂ）を第２の望ましいモードの振動数で振動させる第２の電流を生ぜしめるための上記駆動制御回路における第２のモード回路（１１０４）と、
   上記第１のモード回路（１１０２）からの第１の電流と上記第２のモード回路（１１０４）からの第２の電流とを合算して上記駆動手段に供給される駆動電流とするための上記駆動制御回路（１１００）における合算回路（１１００）を有すること、
   前記位置（Ｎ１０９）は、前記駆動手段（１０４）を前記少なくとも１つの望ましいモードで前記管路（１０３Ａ−１０３Ｂ）の振動振幅を事実上最大ならしめると共に少なくとも１つの望ましくないモードで前記管路（１０３Ａ−１０３Ｂ）の振動振幅を事実上最小ならしめるように、前記少なくとも１つの管路（１０３Ａ−１０３Ｂ）に沿った複数の節点での前記少なくとも１つの望ましいモードにおける固有ベクトル係数及び前記少なくとも１つの望ましくないモードにおける固有ベクトル係数により決定すること、
   を特徴とする流れて通る物質の特性を測定するための装置。
2. 上記駆動手段（１０４）が上記少なくとも１本の管路（１０３Ａ−１０３Ｂ）に沿った複数の節点における固有ベクトル係数から上記管路（１０３Ａ−１０３Ｂ）及び上記物質の少なくともの１つの望ましいモードでの振動の振幅を最大にするように決定された複数の位置（Ｎ１０７，Ｎ１１１）の１つに各々取付けられた複数の駆動源（５０１−５０２）をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の装置（５）。
3. 各々上記複数の駆動源（５０１，５０２）の１つに駆動電流を供給する複数の駆動回路（８０２，８０４）をさらに有することを特徴とする請求項２に記載の装置（５）。
4. 上記複数の駆動回路（８０２，８０４）の各々が相互に電気的に分離されていることを特徴とする請求項３に記載の装置（５）。
5. 上記複数の駆動回路（８０２，８０４）が実質的に等しい振幅及び位相を有する駆動電流を上記複数の駆動源（５０１，５０２）に供給することを特徴とする請求項３に記載の装置（５）。
6. 上記複数の駆動回路（８０２，８０４）の少なくとも一部が実質的に異なる振幅及び位相を有する駆動電流を上記複数の駆動源（５０１，５０２）に供給することを特徴とする請求項３に記載の装置（５）。
7. 少なくとも１本の管路（１０３Ａ−１０３Ｂ）を通って流れる物質の特性を測定するための装置（５）の上記管路（１０３Ａ−１０３Ｂ）に駆動手段手段（１０４）を取付けるための方法であって、
   少なくとも１つの望ましいモード及び少なくとも１つの望ましくないモードに関する上記装置の限定的要素モデルから上記少なくとも１本の管路（１０３Ａ−１０３Ｂ）に沿った節点の固有ベクトル係数を導くことと、
   上記節点の固有ベクトル係数から上記少なくとも１つの望ましいモードにおける上記少なくとも１本の管路の振動の振幅を最大にし上記少なくとも１つの望ましくないモードにおける振動の振幅を最小にする位置（Ｎ１０９））を選択することと、
   該位置（Ｎ１０９）に上記駆手段（１０４）を配置することと、
   の各ステップを有することを特徴とする管路（１０３Ａ−１０３Ｂ）に駆動手段（１０４）を取付けるための方法。
8. 上記少なくとも１つの望ましいモードにおける振幅を最大にし上記少なくとも１つの望ましくないモードにおける振幅を最小にする複数の位置を選択する
   ステップをさらに有することを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 上記選択するステップが
   上記固有ベクトル係数を１つのグラフに適用することと、
   上記少なくとも１つの望ましいモードについての上記グラフでの最大値と上記少なくとも１つの望ましくないモードについての最小値とを決定することと、
   の各ステップを有することを特徴とする請求項７に記載の方法。
10. 上記選択するステップが
    ＦＲＦを生ぜしめることと、
    該ＦＲＦに基づいて上記位置を決定することと、
    の各ステップを有することを特徴とする請求項７に記載の方法。

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