JP4261348B2 - 粘度メーター - Google Patents

Description

本発明は、パイプを流れる流体のための粘度メーター（粘度計）、および流体の粘度を求める方法に関する。

計測および自動化の技術において、パイプを流れる流体、特に液体の粘度は、メーターに接続された振動トランスデューサおよびメーター電子回路を使用し、流体において内部摩擦力を引き起こし、そこから各粘度を表す計測信号を得るメーターによってしばしば求められる。

このような粘度メーターは、例えば米国特許４，５２４，６１０またはＷＯ−Ａ ９５／１６８９７において記述され、これは、
振動トランスデューサと、
メーター電子回路と、
を備え、
該振動トランスデューサは、前記流体を伝えるための、前記パイプと連絡して動作中に振動する直線流管と、前記流管を振動させるための励起部と、前記流管の振動を感知し、少なくとも一つの、前記流管の振動を表すセンサ信号を生成するための信号センサ装置とを備え、
前記振動流管の中心軸は、前記流管が与えられた静止位置を実際に動くことがないような形態と空間的位置に配置され、
前記メーター電子回路は、前記励振部のための励起電流と、少なくとも一つの、前記流体の瞬時粘度を表す計測値とを出力し、
前記メーター電子回路は、前記少なくとも一つのセンサ信号によって前記励起電流を調整し、前記励起電流によって、前記流体における瞬時摩擦を表す内部中間値を生成し、前記内部中間値を使って粘度値を求める。

しかし、一定に保持された粘度と密度にもかかわらず、特に実験室の条件下では、励起電流によって求められる粘度値はかなり不正確であり、流体の実際の粘度の１００倍にもなることがあるということが判明した。

米国特許４，５２４，６１０において、この問題を起こしうる原因が示されている。すなわち、流体の気泡が流管の壁でトラップされる可能性があるという事である。この問題を避けるために、直線流管が本質的に垂直に位置するようにトランスデューサを取り付けることが提案され、その結果、気泡のトラップが防がれる。しかし、これは、特に産業処理計測技術においてのみ条件的に実現可能である、非常に特殊な解決方法である。一方、トランスデューサが挿入される管はトランスデューサに適応するようにされなければならず、逆にはならないので、ユーザに伝達されることができないであろう。また、流管は湾曲した形になることもあるので、設置の位置を変えることによって問題を解決することができない。例え垂直に設置されても、前述した計測粘度値の不正確さを大幅に減じることはできないことが判明したので、直線流管が使用される。移動する流体の計測粘度値のばらつきは、このようにしても防ぐことができない。

したがって、本発明の目的は、特に流体が流れる場合に、一方では流管の設置の位置、他方では流管の振動、特にその振幅に左右されることなく非常に正確で堅固な粘度値を提供する、流体のための粘度メーターを提供することである。

この目的を達成するために、本発明の第一の変形例は、パイプを流れる流体のための粘度メーターを提供し、該粘度メーターは、
振動トランスデューサと、
メーター電子回路と、
を備え、
前記振動トランスデューサは、前記流体を導き前記流体において作用する摩擦力を生成するための少なくとも一つの、前記パイプと連絡し動作中に振動する流管と、該少なくとも一つの流管を振動させるための励起部とを備え、
前記メーター電子回路は、前記励起部のための励起電流と、前記流体の瞬時粘度を表す粘度値とを出力し、
前記メーター電子回路は、前記励起電流に符合し、前記流体において作用する前記摩擦力を表す第一内部中間値と、前記流体の異質部分を表す第二内部中間値とを生成し、
前記メーター電子回路は、前記第一および第二内部中間値を使って前記粘度値を求める、
ことを特徴とする。

本発明の第二の変形例は、パイプを流れる流体のための粘度メーターを提供し、該粘度メーターは、
トランスデューサ、特には曲げモードトランスデューサと、
メーター電子回路と、
を備え、
前記トランスデューサは、前記流体を導き前記流体において作用する摩擦力を生成するための少なくとも一つの、前記パイプと連絡し動作中振動する流管と、該少なくとも一つの流管を振動させるための励起部と、前記流管の振動を感知し、少なくとも、前記振動を表す第一センサ信号を生成するためのセンサ装置とを備え、
前記メーター電子回路は、前記励起部のための励起電流と、前記流体の瞬時粘度を表す粘度値とを出力し、
前記メーター電子回路は、前記少なくとも第一センサ信号から、前記励起電流を調整するために機能する振幅制御信号を得て、前記少なくとも第一センサ信号および前記振幅制御信号によって、前記粘度値を求める、
ことを特徴とする。

さらに、本発明は、パイプを流れる流体の粘度を求める方法を提供し、該方法は、
流管の機械的振動、特には曲げ振動を起こすために、励起電流を、前記流体を導く流管に機械的に結合された励起部に与えるステップと、
前記流体における内部摩擦力を生成するための前記流管を振動させるステップと、
前記流体における摩擦力を表す第一内部中間値を生成するための、前記流管の振動を感知するステップと、
第一内部中間値のサンプリングを生成するステップと、
前記サンプリングを使用して、前記流体における異質部分を表す第二内部中間値を求めるステップと、
前記二つの内部中間値によって計測粘度値を生成するステップと、
を備えることを特徴とする。

本発明の粘度メーターの第一実施形態において、メーター電子回路は、励起電流によって、第二内部中間値を求める。
本発明の粘度メーターの第二実施形態において、流体において作用する摩擦力を生成するための流管は、少なくとも曲げモードにおいて部分的に振動する。

本発明の粘度メーターの第三実施形態において、計測粘度値を生成するために、メーター電子回路は、少なくとも第一センサ信号によって、流体において摩擦力を起こす動きを表す速度値を求める。

本発明の粘度メーターの第四実施形態において、メーター電子回路は、振幅制御信号によって、励起電流に符合し流体において作用する摩擦力を表す、第一内部中間値を求める。

本発明の粘度メーターの第五実施形態において、粘度値を生成するために、メーター電子回路は、第一内部中間値を速度値に正規化する。
本発明の粘度メーターの第六実施形態において、メーター電子回路は、第一内部中間値のサンプリングを保持する揮発性データメモリを備え、前記サンプリングによって、第二内部中間値を生成する。

本発明の粘度メーターの第七実施形態において、サンプリングによって推定された第一内部中間値の標準偏差を使用して、第二内部中間値が生成される。
本発明の方法の第一実施形態において、少なくとも一つの、流管の振動を表すセンサ信号が生成され、前記少なくとも一つのセンサ信号を使って、励起電流が調整される。

本発明の方法の第二実施形態において、流体において作用する摩擦力を起こす動きの速度を表す速度値は、センサ信号を使って求められ、第一内部中間値が速度値に正規化される。

本発明は、流管の振動を保持するためにトランスデューサに与えられた励起力、およびそこから得られた粘度値が、気泡または固体内の閉じ込められた粒子など、流体における異質物によって、不均衡に大きく影響を受ける可能性がある、という認識に基づいている。本発明は、また、励起力が、メーター電子回路内で生成された調整信号または調整値によって、非常に簡単な方法で非常に精密に求められることができ、特に、一定値で規制された振幅を持つ流管振動の場合において、励起力のための調整信号および実際に注入された励起力の両方が、堅固な粘度計測ではあまりに不正確であるという認識にも基づいている。

本発明の基本的な考え方は、特に関与する流体の種類に左右されずに、特に、粘度計測に関連する流体における異質部分を表し計測粘度値に対する効果の大きさである、内部計測値を励気力から得ることである。

本発明の他の基本的な考え方は、メーター電子回路内で生成された励気力のための調整信号または調整値、および実際に注入された励起力によって保持される流管の振動によって、粘度値を求めることである。励起力をこのように間接的に求めることは、粘度値を求めるために、注入された励気力をさらに計測する必要性をなくす利点がある。

したがって、本発明のさらなる利点は、例えば実用化されているコリオリ質量流量・密度計、および具体的な形状と各トランスデューサで使用された流管の数に左右されずに、すなわちトランスデューサの機械的設計において基本的な変更をせずに、本発明を実現できるという事にある。

本発明とさらなる利点は、様々な図において同様の部分が同様の参照符号によって示された添付の図面と共に、実施形態の以下の説明からより明らかになるであろう。既に付された参照符号は、明確になる場合には、その後の図において省略される。

図１は、好ましくはトランスデューサケース１００に収納された振動トランスデューサ１０、および電子回路ケース２００に収納されたメーター電子回路５０を備え、また図２に示されるようにトランスデューサ１０に電気的に接続された、粘度メーターを模式的に示している。この粘度メーターは、特に、（図示されていない）パイプを流れる流体の粘度ηを感知し、この粘度を、粘度ηを表す計測粘度値Ｘ_ηにマッピングするために機能する。メーター電子回路５０によって駆動されるトランスデューサ１０によって、粘度ηに依存し計測可能であるように、すなわち、センサ技術を使って検出可能であり、その後の評価回路のための有用入力信号に変換することのできるように、トランスデューサ１０に反応する摩擦力が、トランスデューサを通る流体において生成される。

粘度メーターがフィールドバスに結合されるように設計された好適な場合において、好ましくはプログラマブルなメーター電子回路５０は、データ通信、例えば、上位レベル格納プログラム制御、または上位レベル処理制御システムへの計測データの送信に適する通信インターフェースを含む。

図３および４は、物理−電気振動トランスデューサ組立体の形態であるトランスデューサ１０の実施形態を示す。このようなトランスデューサ組立体の構築は、例えば米国特許６，００６，６０９に詳細に記述されている。このようなトランスデューサは、例えば“ＰＲＯＭＡＳＳ Ｉ”シリーズを使って出願人によって提供されているように、市販のコリオリ質量流量・密度計において既に使用されている。

計測対象流体を導くために、トランスデューサ１０は、少なくとも一つのあらかじめ決めることのできる流管１３、伸縮自在に変形可能なルーメン（内腔）１３Ａ、および入口端部１１および出口端部１２を持ち、あらかじめ決めることのできる公称直径を備える。ここで使用されるルーメン１３Ａの“伸縮自在変形”とは、流体における反力、すなわち流体を表す力、つまりせん断または摩擦力だけでなく、コリオリ力および／または質量慣性力を生成するために、動作中にルーメン１３Ａの三次元形態および／または空間的位置が、流管１３の弾性範囲内であらかじめ決められた周期的に、特には定期的に変更されることを意味する。例えば、米国特許４，８０１，８９７、米国特許５，６４８，６１６、米国特許５，７９８，０１１および／または米国特許６，００６，６０９を参照のこと。

この点において、図３および４の実施形態によるトランスデューサの代わりに、コリオリ流量計・密度計に関する当業者には公知の任意のトランスデューサ、特には、全体または少なくとも部分的に曲げモードで振動する湾曲または直線流管を持つ曲げモードトランスデューサを、本発明を実現するために使うことができることに留意されたい。トランスデューサ１０に使用することのできるトランスデューサ部のさらに適した実現例は、例えば、この明細書中に参考として盛り込まれた米国特許 ５，３０１，５５７、 ５，３５７，８１１、 ５，５５７，９７３、 ５，６０２，３４５、 ５，６４８，６１６、または５，７９６、０１１に説明されている。

ここでは直線管である流管１３に特に適する素材は、例えばチタニウム合金である。チタニウム合金の代わりに、このような流管、特には湾曲流管に通常使われる他の素材、例えばステンレススチールやジルコニウムなどが使用される。

通常、入口端部および出口端部で流体を導くパイプと連絡する流管１３は、振動性の動きが可能なように、硬質な支持フレーム１４、特には曲げおよびねじれに強いフレームに留め具で固定され、サポートフレームは、好ましくはトランスデューサケース１００によって収納される。

サポートフレーム１４は、入口端部における入口プレート２２３および出口端部における出口プレート２２３によって流管１３に固定され、これら二つのプレートに、流管１３のそれぞれ対応する延長部分が貫通している。サポートフレーム１４は、流管１３に対して平行にまた間隔をあけて延在するように、入口プレート２１３および出口プレート２２３に固定された第一側面プレート２４および第二側面プレート３４を持つ。図３を参照のこと。これにより、二つの側面プレート２４、３４の向かい合う側面も互いに平行である。

便宜的に、流管１３の振動を吸収するためのバランス質量として機能する縦方向バー２５が、流管１３から間隔をあけて側面プレート２４，３４に固定される。図４に示すように、縦方向バーは流管１３の振動可能な全長に平行に延在している。しかし、これは不可欠ではない。必要であれば、縦方向バー２５は、勿論もっと短くても良い。

これにより、二つの側面プレート２４、３４，入口プレート２１３、出口プレート２２３、および選択可能な縦方向バー２５を持つサポートフレーム１４は、入口端部１１および出口端部１２をつなぐ流管中心軸１３Ｂに平行である、重力の縦方向軸を持つ。

図３および４において、前記した側面プレート２４，３４の入口プレート２１３、出口プレート２２３、および縦方向バー２５への固定は、ねじ止めすることによって行えることが、図示されたねじの先端部によって示されている。当業者には周知の、他の適した固定方法の形態を使用することも可能である。

トランスデューサ１０がパイプに非永久的に接続されている場合、流管１３は、好ましくはその上に形成された入口側第一フランジ１９、および出口側第二フランジ２０を備える。図１を参照のこと。フランジ１９、２０の代わりに、図３に示されるように、例えば、いわゆる三クランプ（Triclamp）接続を、パイプとの非永久接続するために使用してもよい。

しかし、必要であれば、流管１３は、例えば溶接あるいは蝋付けによってパイプに直接接続されてもよい。
上記の摩擦力を生成するために、トランスデューサ１０の動作中に、流管に接続された電気機械励起部１６によって駆動される流管１３は、いわゆる有用モードにおいてあらかじめ決定可能な周波数、特には流体の密度ρにも依存する固有共振周波数で振動するようにされることによって、流管はあらかじめ決められたように伸縮自在に変形される。

図示された実施形態では、通常このような曲げモードトランスデューサ部を使うと、振動流管１３は空間的、特には横方向に、静的停止位置からずれを生じる。同じことが、一つあるいはそれ以上の湾曲流管が、各入口および出口端部をつなぐ、対応する縦方向軸に対してカンチレバー（片持梁）振動を行うトランスデューサ部、または一つあるいはそれ以上の直線流管がそれらの縦方向軸に対して平面的曲げ振動を行うトランスデューサ部にも応用される。トランスデューサ１０が放射状モードトランスデューサ部であり、振動流管が、例えばＷＯ−Ａ ９５／１６８９７において上記したように、通常、対称的に変形する他の場合、流管は静止位置でとどまっている。

励起部１６は、メーター電子回路５０から供給される電気励起力Ｐ_ｅｘｃを変換することによって、流管１３に作用する励起力Ｆ_ｅｘｃを生成するために機能する。励起力Ｐ_ｅｘｃは、機械的および流体摩擦のために振動系において失われる力成分を補償するためだけに機能する。できるだけ効率を高めるために、励起力Ｐ_ｅｘｃは、好ましくは、有用モードにおける流管１３の振動、例えば最も低い共振周波数における振動が維持されるように精密に調整される。

励起力Ｆ_ｅｘｃを流管１３に伝達するためには、図５に示されているように、励起部１６は、硬質で、電磁気的におよび／または電気力学的に駆動された、カンチレバー１５４およびヨーク１６３を持つレバー装置１５を備え、カンチレバー１５４は流管１３にしっかりと固定される。ヨーク１６３は、流管１３から離れたカンチレバー１５４の端部にしっかりと固定され、流管１３の上に、流管１３を横切るように配置される。カンチレバー１５４は、例えば孔で流管１３を受ける金属ディスクであってよい。レバー装置１５のさらに適した実施例に関しては、上記した米国特許６，００６，６０９が参考にされる。図２から直ちに分かるように、レバー装置１５、ここではＴ形の装置は、好ましくは、入口端部１１および出口端部１２のほぼ中間で流管１３に作用するように配置され、その結果、動作中、流管１３は中間において一番大きく横方面にずれる。

レバー装置１５を駆動するために、図５に示すように、励起部１６は、第一励起コイル２６およびそれと共同する永久磁石材の第一アーマチャ２７、さらに第二励起コイル３６およびそれと共同する永久磁石材の第二アーマチャ３７を備える。好ましくは直列に電気的に接続された二つの励起コイル２６および３６は、それぞれ共同するアーマチャ２７および３７と動作中に相互作用するために、ヨーク１６３の下の流管１３の両側で、特には非永久的にサポートフレーム１４に固定される。必要であれば、二つの励起コイル２６、３６は勿論、平行に接続してもよい。

図３および５に示すように、二つのアーマチャ２７、３７は、トランスデューサ１０の動作中、アーマチャ２７が励起コイル２６の磁界によって貫通され、一方アーマチャ３７が励起コイル３６の磁界によって貫通されるような互いからの距離においてヨーク１６３に固定され、その結果二つのアーマチャは、対応する電気力学的および／または電磁気力の作用によって、移動される。

励起コイル２６、３６の磁気フィールドによって生成されたアーマチャ２７，３７の動きは、ヨーク１６３とカンチレバー１５４によって流管１３に伝達される。アーマチャ２７，３７のこれらの動きは、ヨーク１６３がその静止位置から交互に側面プレート２４の方向と側面プレート３４の方向に移動されるような動きである。流管１３の上記した中心軸１３Ｂに平行である、レバー装置１５の回転の対応する軸は、例えば、カンチレバー装置１５４を通ってよい。

特に、励起コイル２６、３６、および以下に説明する磁気ブレーキ部２１７の個々の構成部品を保持するために、支持フレーム１４は、電気機械励起組立体１６のためのホールダ２９をさらに備える。ホールダ２９は、好ましくは非永久的に、側面プレート２４、３４に接続される。

実施形態のトランスデューサ１０においては、入口端部１１および出口端部１２にしっかり留め金で固定された振動流管１３の横方向のずれは、ルーメン１３Ａの弾性変形を同時に引き起こす。この弾性変形は、流管１３の全長にわたる。

さらに、レバー装置１５を介して流管１３に作用するトルクのために、横方向のずれと同時に、中心軸１３Ｂに対して流管１３、少なくとも管の部分にねじれが起こり、この管が、有用モードとして機能する混合曲げ・ねじれモードで振動する。流管１３のねじれは、流管１３から離れたカンチレバー１５４の端部の横方向のずれの方向が、流管１３の横方向のずれと同じかまたは反対であるようなねじれである。換言すれば、流管１３は、前者の場合に対応する第一曲げ・ねじれモード、または後者の場合に対応する第二曲げ・ねじれモードでねじれ振動を行うことができる。本実施形態によるトランスデューサ１０においては、第二曲げ・ねじれモードの固有共振周波数、例えば９００Ｈｚは、第一曲げ・ねじれモードの固有共振周波数の約二倍である。

流管１３が第二曲げ・ねじれモードでのみ振動を行う好適な場合においては、励起部は、回転軸の位置を安定させる働きをする渦電流の原理に基づいて、便宜的に磁気ブレーキ部２１７を組み込む。磁気ブレーキ部２１７によって、第二曲げ・ねじれモードで流管１３が常に振動することを確実にすることができ、流管１３に及ぶ如何なる外部干渉の影響も別の曲げ・ねじれモード、特には第一モードへの自然発生的変化をもたらすことはない。このような磁気ブレーキ部の詳細は、例えば米国特許６，００６，６０９に詳しく記述されている。さらに、このような磁気ブレーキ部の使用は、上記した“ＰＲＯＭＡＳＳ Ｉ”シリーズのトランスデューサから公知である。

この点において、第二曲げ・ねじれモードによってこのようにずれを生じた流管１３において、中心軸１３Ｂがわずかに変形しているので、振動している間、この軸は、平面ではなくわずかに湾曲した面に及ぶ。さらに、この面に存在し、流管の中心軸の中間点によって表される軌跡曲線は、この中心軸によって表された全ての軌跡曲線の最小曲率を持つ。

流管１３の変形を検出するために、トランスデューサ１０は、少なくとも、流管１３の振動に呼応して第一、好ましくはアナログセンサ信号ｓ_１を提供する第一センサ１７を持つセンサ装置６０を備える。このようなトランスデューサでは通常のことであるが、センサ１７は、例えば流管１３に固定され、支持フレーム１４によって保持されたセンサコイルと相互作用する、永久磁石材のアーマチャによって形成されてよい。

センサ１７に特に適するセンサの種類は、電気力学の原理に基づいた流管のずれの速度を感知するセンサである。加速度計測用の電気力学センサ、変位計測用の抵抗センサや光センサ、または当業者には周知の、このような振動の検出に適する他のセンサを使うことも可能である。

本発明の実施形態において、センサ装置６０は、第二センサ１８、特には第一センサと同一のセンサをさらに備え、第二センサ１８は、流管の振動を表すセンサ信号ｓ_２を提供する。この実施形態において、二つのセンサ１７、１８は、流管１３に沿った互いからの与えられた距離、特には流管１３の中間からの同距離に位置し、センサ装置６０は流管１３の入口サイドおよび出口サイドの振動の両方を検出し、対応するセンサ信号ｓ_１、ｓ_２をそれぞれ提供する。流管１３の瞬時振動周波数に対応する周波数をそれぞれ持つ第一センサ信号ｓ_１、およびもし存在するのであれば第二センサ信号ｓ_２が、図２に示すようにメーター電子回路５０に与えられる。

流管１３を振動させるために、励起部１６は、メーター電子回路から、同様に発振された調整可能振幅および調整可能周波数ｆ_ｅｘｃの単極性あるいは両極性励起電流ｉ_ｅｘｃ、を供給され、動作中、励起コイル２６，３６をこの電流が横断し、アーマチャ２７、３７を動かすために必要な磁界を生成する。これにより、流管１３を振動させるために必要な励起力Ｆ_ｅｘｃをモニタすることができ、例えば電流および／または電圧調整回路によって振幅を、また例えば位相固定ループによって周波数を、当業者には周知の方法で調整することができる。メーター電子回路５０によって出力された励起電流ｉ_ｅｘｃは、好ましくは正弦波電流であるが、例えば脈動、三角、あるいは矩形波交流電流であってもよい。

ここで記述してきた種類の粘度メーターでは通常のことであるが、励起電流ｉ_ｅｘｃの周波数ｆ_ｅｘｃは流管１３の所定振動周波数に等しく、したがって、好ましくは流体を運搬する流管１３の瞬時の固有共振周波数で設定される。既に示したように、本発明は、励起電流ｉ_ｅｘｃが二つの励起コイル２６，３６を流れるようにされ、その周波数ｆ_ｅｘｃは、横方向に振動する流管１３が、可能であれば、第二曲げ・ねじれモードにしたがって排他的にねじられるように選択されることを、トランスデューサ１０に関して提案している。

励起電流ｉ_ｅｘｃを生成し調整するために、メーター電子回路５０は、調整対象励起周波数ｆ_ｅｘｃを表す周波数制御信号ｙ_ＦＭ、および調整対象励起電流ｉ_ｅｘｃの振幅を表す振幅制御信号ｙ_ＡＭによって制御されるドライバ回路５３を備える。このドライバ回路は、電圧―電流コンバータを後段に配置した電圧制御発振器を使って実現してよい。例えば、アナログ発振器の代わりに、数値的に制御されたデジタル発振器を励起電流ｉ_ｅｘｃを調整するために使用してよい。

振幅制御信号ｙ_ＡＭは、それぞれ瞬時振幅および一定または可変振幅参照値Ｗ_１に基づいて二つのセンサ信号ｓ_１、ｓ_２の少なくとも一つおよび振幅制御信号ｙ_ＡＭを更新する、メーター電子回路５０に組み込まれた振幅制御回路５１を使って生成してよく、さらに励起電流ｉ_ｅｘｃの瞬時振幅は、振幅制御信号ｙ_ＡＭを生成するために使ってよい。このような振幅制御回路は、当業者には周知である。このような振幅制御回路の例として、“ＰＲＯＭＡＳＳ Ｉ”シリーズのコリオリ質量・流量計が再度参考にされる。それらの振幅制御回路は、好ましくは、流管１３の横方向の振動が一定の振幅、すなわち密度ρにも左右されない振幅で保持されるように設計される。

周波数制御信号ｙ_ＦＭは、例えば、少なくともセンサ信号ｓ_１、および調整対象周波数を表し周波数参照値Ｗ_２として機能するＤＣ電圧に基づいてこの信号を更新する、好適な周波数制御回路５２によって提供されてよい。

好ましくは、周波数制御回路５２およびドライバ回路５３は、当業者には周知であるように使用される位相固定ループを形成し、少なくとも一つのセンサ信号ｓ_１、ｓ_２および調整対象励起電流または計測励起電流ｉ_ｅｘｃとの間で計測された位相差に基づいて、流管１３の瞬時共振周波数と同相である周波数制御信号ｙ_ＦＭを保持するように相互接続される。機械的共振周波数の一つにおいて流管を駆動するためのこのような位相固定ループの構成および使用は、例えば米国特許４，８０１，８９７に詳細に述べられている。勿論、例えば米国特許４，５２４，６１０または４，８０１，８９７に記述された、当業者には周知の他の周波数制御ループを使用することもできる。さらに、ここで記述している種類のトランスデューサのためのこのような周波数制御ループの使用に関し、既に述べた“ＰＲＯＭＡＳＳ Ｉ”シリーズが参考にされる。

本発明のさらなる実施形態において、振幅制御回路５１および周波数制御回路５２は、デジタルシグナルプロセッサＤＳＰおよびこのＤＳＰにおいて走るプログラムコードによって実現される。プログラムコードは、例えばシグナルプロセッサＤＳＰを制御および／またはモニタするマイクロコンピュータ５５の不揮発性メモリＥＥＰＲＯＭに格納されてよく、シグナルプロセッサＤＳＰの起動時に、例えばシグナルプロセッサＤＳＰに組み込まれた、メーター電子回路５０の揮発性データメモリＲＡＭにロードされてよい。このようなアプリケーションに適するシグナルプロセッサは、例えば、Ｔｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ Ｉｎｃ．によって市販されているＴＭＳ３２０ＶＣ３３の種類のプロセッサである。

シグナルプロセッサＤＳＰにおける処理のために、センサ信号ｓ_１、およびもし存在するのであれば、センサ信号ｓ_２を、好適なアナログ−デジタルコンバータＡ／Ｄによって対応するデジタル信号に変換する必要があることは言うまでもない。特には、ＥＰ−Ａ ８６６ ３１９を参照のこと。必要であれば、振幅制御信号ｙ_ＡＭまたは周波数制御信号ｙ_ＦＭなどの、シグナルプロセッサによって提供された制御信号は，対応する方法で、デジタルからアナログの形に変換される必要がある。

繰り返し示されているように、このような振動トランスデューサ部は、流体の摩擦力を引き起こす他にも、質量流量依存のコリオリ力および流体密度依存の質量慣性力も引き起こし、例えば、本発明の好適な発展例によれば、粘度メーターは粘度ηだけでなく、密度ρ、さらに流体の質量流量ｍも、特には同時に求め、対応する計測密度値Ｘ_ρ、および計測質量流量値Ｘ_ｍを提供するために機能する。これは、従来のコリオリ質量流量メーター・密度メーター、特には上記した“ＰＲＯＭＡＳＳ Ｉ”シリーズのメーターにおいて、質量流量および／または密度を計測するために採用された方法を使って行ってよく、これらの方法は、当業者には周知である。米国特許４，１８７，７２１、 ４，８７６，８７９、 ５，６４８，６１６、 ５，６８７，１００、 ５，７９６，０１１、または６，０７３，４９５を参照のこと。

計測粘度値Ｘ_ηを生成するために、メーター電子回路５０は励起部１６に与えられた励起力Ｐ_ｅｘｃ、この力は上記したように、特に流体において生成される内部摩擦を補償するために機能するのであるが、から第一中間値Ｘ１、特には流体における振動―ダンピング摩擦力を表すデジタル値を得る。実際に注入された励起力Ｐ_ｅｘｃに加えて、またはその代わりに、メーター電子回路５０によってあらかじめ決められ、例えば、ドライバ回路５０に供給される振幅制御信号ｙ_ＡＭおよび／または周波数制御信号ｙ_ＦＭによって表される励起力は、粘度値Ｘ_η、および特には中間値Ｘ_１を求めるために機能してよい。

本発明の実施形態において、中間値Ｘ_１は、メーター電子回路５０によってあらかじめ決められた励起電流、および／または実際に注入され計測された励起電流ｉ_ｅｘｃ、特にはこの励起電流の振幅または移動平均によって求められる。その場合、励起電流ｉ_ｅｘｃは、振動流管１３のずれの動きに反作用する全ダンピング力の大きさとして機能する。しかし、中間値Ｘ_１を求めるために励起電流ｉ_ｅｘｃを使用する場合、上記したダンピング力は一方で、流体内の粘度依存の摩擦に依存し、他方では励起部１６、および、例えば振動流管における機械的摩擦にも依存するという事を考慮しなければならない。

流体の粘度に関する情報を励起電流ｉ_ｅｘｃから分離するために、この励起電流は、流体摩擦に左右されない無負荷の電流の値によって、メーター電子回路５０において減少され、この無負荷電流は、空にされたか、少なくとも液体で満たされていない流管１３を使って計測される。通常の長期安定無負荷電流は、例えば粘度メーターのキャリブレーション中に、前もって直ちに計測することができ、メーター電子回路５０、例えば不揮発性メモリＥＥＰＲＯＭにデジタル値の形で格納される。

好ましくは、中間値Ｘ_１は、例えば、励起電流ｉ_ｅｘｃの瞬時振幅または瞬時平均値を表す、一つ以上のデジタル励起電流値、およびデジタル無負荷電流値間の数値の差を単に求めることによっても形成される。励起電流値が励起電流ｉ_ｅｘｃの振幅または平均値を表す場合、無負荷電流の振幅または対応する平均値は、勿論、中間値Ｘ_１を求めるために励起電流値から除算されなければならない。励起電流値は、例えば、ドライバ回路５３の出力における単純な電流計測によって得ることができる。しかし、好ましくは、励起電流値、およびこれにより中間値Ｘ_１は、図２に模式的に示されているように、振幅制御回路５１によって提供された振幅制御信号ｙ_ＡＭを使って間接的に求められる。これは、さらなる電流計測および、特にはそのために必要な回路を計測する必要性をなくす利点がある。

次の関係を考慮する

この数式は、米国特許４，５２４，６１０において記述され、少なくとも一定の密度ρにおける励起電流ｉ_ｅｘｃが粘度ηの平方根に非常に相関性を持つこの数式によって、粘度値Ｘ_ηを計測するために、励起電流ｉ_ｅｓｃから得られる中間値Ｘ_１の平方根が最初にメーター電子回路５０内で形成される。

粘度値Ｘ_ηが中間値Ｘ_１によってのみ求められる場合、粘度および密度が一定であり続けるにもかかわらず、多くの産業応用に対してあまりにも不正確であり得るということが判明した。

実験室の条件下、すなわち、公知、特には一定の粘度および密度の流体を使用した現象の調査により、中間値Ｘ_１は、トラップされた気泡だけでなく、移動する流体における異質部分にも非常に敏感であることが分かった。このような異質部分は、流体に導入された気泡、または流体で閉じ込められた固体の粒子であり得る。移動する流体において同質部分をわずかに乱しただけで、流体の実際の粘度ηの最大１００倍のオーダーである、計測粘度値Ｘ_ηにおけるかなり大きなエラーとなり得る。

所定の方法で乱された、異なる液体において行われる計測中に記録された励起電流ｉ_ｅｘｃの多数の波形を評価することによって、発明者は、驚いたことに、一方では、変化しない条件、例えば、一定の密度および粘度の、着実に流れる液体であって、閉じ込められた気泡の一定の含有量を持つ液体の場合にもかかわらず、時間をおくと励起電流ｉ_ｅｘｃがかなり変化するということを発見した。しかし、他方では、事前に決定できないように変化する励起電流ｉ_ｅｘｃ、特にその振幅、およびこれにより中間値Ｘ_１が、経験的標準偏差ｓ_ｉｅｘｃ、または、異質部分の度合いに非常に密接に相関する経験的変動を呈することが確かめられた。

本発明によれば、メーター電子回路５０は、これから、中間値Ｘ_１の形成において考慮されなかった、流体における異質部分の影響を評価するために機能し、中間値Ｘ_１を重み付けするために粘度値Ｘ_ηを求めるのに使用される第二内部中間値Ｘ_２を得る。

中間値Ｘ_２の使用は、一方では流体がほとんど同質である場合にのみ、中間値Ｘ_１だけが流体の粘度ηに関する十分に正確な情報を提供することができ、他方では、上記したように、注入された励起電流ｉ_ｅｘｃの波形に基づいて、流体における瞬時異質部分が、非常に正確にまたほとんど流体に左右されずに評価することができるという認識に基づいている。

本発明のさらなる実施形態において、粘度値Ｘ_ηを求めるために、中間値Ｘ_１が、単純な数値の除算と、特に流管１３の形状に依存する装置定数を用いることとによって中間値Ｘ_２に正規化される。

それにより、それは、実際には電流の平方が、密度および粘度の積に関する情報を提供するという事を考慮する必要がある。米国特許４，５２４，６１０も参照のこと。

さらに、発明者が驚いたことに、上記のように粘度値を求めるにあたり、内部中間値Ｘ_２は以下の直線的関係に従って簡単に求めることができることが判明した。

ここでＫ_２，Ｋ_３はキャリブレーションによって求められる定数であり、直ちに分かるように、直線の単純な数式の傾きおよびオフセットにそれぞれ対応する。図６を参照のこと。

二つの定数Ｋ_２，Ｋ_３を求めるために、公知であり、可能であれば一定である粘度、および異なるが変化しないままの異質部分の二つのキャリブレーション流体のためのキャリブレーション中、瞬時標準偏差が各励起電流、特にその振幅のために推定され、各計測粘度値と各瞬時粘度との割合Ｘ_η／ηが形成される。第一キャリブレーション流体(下付き文字Ｉ)は、例えば導入された気泡を持つ流水でよく、第二キャリブレーション流体（下付き文字ＩＩ）に関しては、できる限り同質な水を使ってよい。

各経験的標準偏差ｓ_ｉｅｘｃは、好ましくは、計測値の経験的標準偏差を求めるための既知の関数に従って、例えば揮発性データメモリＲＡＭにデジタルの形で格納された中間値Ｘ_１のサンプリングＡＦによって計算される。

必要であれば、標準偏差を求めるために機能するサンプリングＡＦは、励起電流ｉ_ｅｘｃの振幅特徴の、それに応じて格納されたサンプリングシーケンス、すなわち励起電流ｉ_ｅｘｃのデジタル化されたエンベロープの一部であってよい。

調査によって、標準偏差ｓ_ｉｅｘｃの十分に正確な見積もりに関しては、かなり小さいサイズｍ、例えば約１００から１０００までの中間値Ｘ_１のサンプリングが必要であり、個々の中間値Ｘ_１は、約１から２秒という非常に狭いウィンドウ内でのみサンプリングされなければならない。したがって、数キロヘルツオーダー、例えば約１から５ｋＨｚのかなり低いサンプリング周波数で十分であろう。

中間値Ｘ_２は、流体の異質部分の度合い、またはそこから得られた、例えば視覚的に感知可能な方法で、その場あるいは遠隔制御室で、流体に含まれる空気の比率、または流体で閉じ込められた固体の粒子の量または質量による含有量などの計測値を知らせることにも便宜的に使用される。

中間値Ｘ _２ に対する中間値Ｘ _１ の正規化によって求められた粘度値Ｘ_ηは、よく知られているように、流体の運動学的粘性と密度ρの積としても求めてよい流体の動的粘性のすぐれた推定値を表している。粘度値Ｘ_ηが運動学的粘性の概算として機能する場合、密度値Ｘ_ρへの好適な正規化がその出力の前に、例えば簡単な数値の除算によって行われなければならない。

このような曲げモードトランスデューサを持つこのような粘度メーターに関しては、特に、振動振幅が一定値で保持される場合、励起電流ｉ_ｅｘｃと内部摩擦およびこれにより流体における摩擦力を起こす動きの、直接計測することができない速度θとの割合ｉ_ｅｘｃ／θは、流管１３のずれを抑制する上記のダンピングのより正確な概算となる。
したがって、粘度値Ｘ_ηの精度をさらに上げるために、特には流管１３の変動する振動振幅に対する感度を減じるために、本発明の他の実施形態において、中間値Ｘ_１は、上記速度θを表す速度値Ｘ_θに最初に正規化される。別の方法では、正規化された中間値Ｘ_１ ^＊ が形成される。

特に、曲げモードトランスデューサ部がトランスデューサ１０に使用される場合、流体において内部摩擦を起こす動きは、センサ１７、またはセンサ１７と１８によって検出される振動流管１３の動きに非常に密接に関連するという認識に基づいて、速度値Ｘ_θは、好ましくはメーター電子回路５０、例えば、内部振幅計測回路５５によって、必要とされる場合に既にデジタル化された少なくとも一つのセンサ信号ｓ_１から得られる。少なくとも一つのセンサ信号ｓ_１の使用は、上記したように、従来のコリオリ質量流量メーターのトランスデューサ部の機械的設計において基本的な変更が実際上必要ないという利点があるだけでなく、変更されない、このようなトランスデューサ部の各センサ装置を使うことも可能であるという利点もある。

正規化された中間値Ｘ_１ ^＊を使用し、粘度値が求められる。

それにより、振動流管１３の瞬時振動周波数を使って密度値Ｘ_ρを重み付けする必要がある。
この点において、センサ信号ｓ_１は、特には振動流管１３の横方向のずれの動きの速度に好ましくは比例するということを再び指摘しておく。センサ信号ｓ_１は、振動流管１３に作用する加速、または振動流管１３の変位に比例してもよい。センサ信号ｓ_１が上記の意味において速度に比例する場合、訂正係数Ｋ_ｆは振動流管１３の振動周波数に対応し、一方変位に比例するセンサ信号ｓ_１の場合には、訂正係数Ｋ_ｆは振動周波数の立方に等しくなる。

粘度値Ｘ_ηを生成するために機能する前記の計算は、図示されたようにシグナルプロセッサＤＳＰ、または例えばマイクロコンピュータ５５によって便宜的に実現される、メーター電子回路５０の評価段５４において少なくとも部分的に実現される。

上記の計算に符合するか、または振幅制御回路５１あるいは周波数制御回路５２の動作をシミュレートする好適なアルゴリズムの作成および実現、またこのようなシグナルプロセッサにおいて実行可能なプログラムコードへのアルゴリズムの変換は、当業者には周知であり、したがって詳細な説明を必要としない。勿論、上記の計算は、全体あるいは部分的に、メーター電子回路５０の好適なアナログおよび／またはデジタルの別個のコンピューティング回路によって表わされてもよい。

本発明による粘度メーターは、流体における異質部分に対して感度がないために、粘度メーターによって提供される粘度値Ｘ_ηが質量流量または密度における変化に対して交差性感度（cross sensitivity）が低いというさらなる利点も持ち合わせている。

図１は、粘度値を生成するための粘度メーターの斜視図である。 図２は、図１の粘度メーターに適したメーター電子回路の好適実施形態を示すブロック図である。 図３は、図１の粘度メーターに適した振動トランスデューサの実施形態を示す部分断面図である、第一の斜視図である。 図４は、図３のトランスデューサの第二の斜視図である。 図５は、図３のトランスデューサのための電気機械励起部の実施形態を示す図である。 図６は、粘度値を求めるためのメーター電子回路において実現されるステップを表す図である。

Claims (6)

1. パイプを流れる流体のための粘度メーターであって、
   トランスデューサ（１０）と、
   メーター電子回路（５０）と、
   を備え、
   前記トランスデューサ（１０）は、前記流体を導き前記流体において作用する摩擦力を生成するための、前記パイプと連絡し動作中振動する少なくとも一つの流管（１３）と、該少なくとも一つの流管（１３）を振動させるための励起部（１６）と、前記流管（１３）の振動を感知し、前記振動を表す少なくとも第一センサ信号（ｓ_１）を生成するためのセンサ装置（６０）とを備え、
   前記メーター電子回路（５０）は、前記励起部（１６）のための励起電流（ｉ_ｅｘｃ）と、前記流体の瞬時粘度を表す粘度値（Ｘ_η）とを出力し、
   前記メーター電子回路（５０）は、前記少なくとも第一センサ信号（ｓ_１）から、前記励起電流（ｉ_ｅｘｃ）を調整するために機能する振幅制御信号（ｙ_ＡＭ）を得、前記少なくとも第一センサ信号（ｓ_１）および前記振幅制御信号（ｙ_ＡＭ）によって、前記粘度値（Ｘ_η）を求める、
   ことを特徴とする粘度メーター。
2. 前記粘度値（Ｘ_η）を生成するために、前記メーター電子回路（５０）は、前記少なくとも第一センサ信号（ｓ_１）によって、前記流体において前記摩擦力を起こす動きを表す速度値（Ｘ_θ）を求める、
   ことを特徴とする請求項１に記載の粘度メーター。
3. 前記粘度値（Ｘ_η）を生成するために、前記メーター電子回路（５０）は、前記振幅制御信号（ｙ_ＡＭ）によって、前記励起電流（ｉ_ｅｘｃ）に対応し前記流体において作用する前記摩擦力を表す第一内部中間値（Ｘ_１）を求める、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の粘度メーター。
4. 前記粘度値（Ｘ_η）を生成するために、前記メーター電子回路（５０）は前記第一内部中間値（Ｘ_１）を前記速度値（Ｘ_θ）に正規化する、
   ことを特徴とする請求項２または３に記載の粘度メーター。
5. 前記流体において作用する摩擦力を生成するために、前記流管（１３）は、その少なくとも一部が曲げモードで振動する、
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の粘度メーター。
6. 前記トランスデューサ（１０）は曲げモードトランスデューサである、
   ことを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の粘度メーター。

Images