JP4545365B2 - 寸法を減少させた大きい流量のためのコリオリ流量計 - Google Patents

Description

【０００１】
【技術分野】
本発明はコリオリ流量計に関する。より詳細には、本発明は実質的に半円形の弧を有する流管と１組の受けバーとを用いることによってコリオリ流量計のフラッグ寸法を小さくすることに関する。さらに詳細には、本発明はゼロ安定性を維持し振動する流管の振幅を減少させて受けバーに加わる応力を減少さる構成部分の形状に関する。
【０００２】
【技術的問題】
１９８５年１月１日にＪ．Ｅ．スミスらに対して発行された米国特許第４４９１０２５号及び１９８２年２月１１日のＪ．Ｅ．スミスへの再発行特許第３１４５０号に開示されるように、配管を通って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の質量流量計を用いることが知られている。これらの流量計は曲線状の１本またはそれより多くの流管を有する。コリオリ質量流量計における各々の流管の形状は、単純な曲げ捩れの型あるいは結合型の１組の固有振動モードを有する。物質を充填された振動系の固有振動モードは部分的には流管と流管内の物質との併せた質量によって決定される。物質は連結された配管から流量計の入口側に流入する。それから物質は１本または複数本の流管を通って流れ、出口側で流量計から連結された配管に出てゆく。
【０００３】
流管を所望の振動モードで振動させるため駆動源が流管に力を加える。典型的には所望の振動モードは第１の位相が外れた曲げモードである。流管を通って物質が流れない時に、流管上の全ての点は一致した位相で振動する。物質が流れ始めると、コリオリ加速度により流管上の各点が流管上の他の点に対して異なる位相を有するようになる。流管の入口側の位相は駆動源より遅れるが、出口側の位相は駆動源より進む。流管の運動を表す正弦波信号を生ずるように流管に検出器が配置される。２つの検出器の信号の間の位相差は１本または複数本の流管を通って流れる物質の質量流量に比例する。そのから検出器に連結された電子回路部分は物質の質量流量及び他の特性を決定するため信号の振動数及び位相差を用いる。
【０００４】
コリオリ流量計が他の質量流量計に対して有する利点は、流量計が典型的には計算された物質の質量流量における誤差が０．１％より小さくなることである。オリフィス流量計、タービン流量計、渦流量計等の他の従来の型の質量流量測定装置は、典型的には流量測定において０．５％またはそれ以上の誤差を有する。コリオリ質量流量計は他の型の質量流量測定装置より精度が高いけれども、コリオリ流量計はまた製造により多くの経費がかかる。流量計の利用者は精度より経費の節約を選んでより経費の少ない型の流量計を選択することが多い。それゆえコリオリ流量計の製造者は、他の質量流量測定装置に匹敵する製品を製造するため、製造の経費が少なく、実際の質量流量の０．５％以内の精度で質量流量を決定するコリオリ流量計を望んでいる。
【０００５】
コリオリ流量計が他の装置より経費を要する１つの理由は、流管に加わる多くの望ましくない振動を減少させる部品が必要なことである。１つのこのような部品として流管を配管に取り付けるマニホルドがある。２本管式コリオリ流量計において、マニホルドはまた配管から受け入れた物質の流れを２つの別個の流れに分割しその流れを別個の流管に向ける。配管に連結されたポンプ等の外的要因によって生ずる振動を減少させるために、マニホルドは振動を吸収するのに十分な剛性を有していなければならない。多くの従来のマニホルドは十分な質量を有するように鋳造金属で形成されている。さらに入口側マニホルドと出口側マニホルドとの間隔を維持するマニホルド間のスペーサがある。このスペーサはまた外部の力が流管を振動させないようにするために金属あるいは他の剛性の材料で形成される。これらの鋳造物を形成するために用いられる多量の金属のため流量計の製造経費が増大する。しかしながら望ましくない振動をなくすことにより流量計の精度が非常に高まる。
【０００６】
コリオリ流量計の当業者にとって第２の問題は、流量計がある種の用途に用いられるのに大きすぎるフラッグ寸法を有することである。これを論ずる場合、フラッグ寸法は流管が配管から外方に延びる長さである。空間が制限されたり高価になる環境がある。典型的なフラッグ寸法を有する流量計はこの制限された面積には適合しないであろう。
【０００７】
大きい流量を扱うコリオリ流量計においてフラッグ寸法を減少させることが特に問題になる。これを論ずる場合、大きい流量は３１８ｋｇ／分（７００ｌｂｓ．／分）またはそれ以上である。より大きい流量を扱う流量計においてフラッグ寸法を減少させることが問題になる１つの理由は、流管がより大きい径にならなければならないことである。より大きい径の流管はより小さい径の流管より高い駆動振動数を有し、フラッグ寸法を減少させると設計がより難しくなる。より大きい径の流管はまたより小さいフラツグ寸法になった時にゼロ安定性の問題を生ずる。これらの理由により、大きい流量を扱うことができる２本管式コリオリ流量計を製造することは特に問題になる。
【０００８】
【解決手段】
前述した、また他の問題は、本発明において減少したフラッグ寸法を有するコリオリ流量計を提供することにより解決され、技術的進歩がなされる。本発明のコリオリ流量計は大きい質量流量を扱うことができる流管を有する。本発明のコリオリ流量計は従来のマニホルド及びスペーサを有していず、その代りにスペーサが実質的にマニホルドを取り囲んでいる。この形状は流量計の製造経費を減少させる。本発明のコリオリ流量計はまた減少したフラッグ寸法を有するが、それにより空間が高価になり従来のフラッグ寸法を有するコリオリ流量計を用いることができない領域で本発明のコリオリ流量計が用いられるようになる。
【０００９】
流管を入口側端部と出口側端部との間で実質的に半円形の弧となるように形成することによって流管のフラッグ寸法が減少する。半円形の弧により流管の隆起が減少しフラッグの高さが減少する。流量計の精度を高めるため、半円形の弧の全長が振動しなければならない。
【００１０】
流管の入口側端部と出口側端部とを含む平面に実質的に垂直な各々の流管の半円形の弧上の位置で流管に駆動源が取り付けられる。駆動源は流管を振動させるように駆動源によって流管に加わるエネルギーの量を最大にするためこの位置に配置される。駆動源が流管を低い振幅で振動させて流管に取り付けられた受けバーに加わる応力を減少させるようにするため駆動源に駆動信号が供給される。
【００１１】
流管が振動する際に流管の振動モードを分離するため、第１の受けバーが流管の入口側端部近くに取り付けられ、第２の受けバーが流管の出口側端部近くに取り付けられる。受けバーは流管の実質的に同じ位置で各々の流管に取り付けられた金属製の部分である。
【００１２】
振動する流管におけるコリオリ力を検出するため、ピックオフセンサーが低い振幅の振動での最大のコリオリ力の大きさを検出できるようにする位置で流管に取り付けられなければならない。これにより受けバーに加わる応力を減少させるために低い振幅の振動が用いられるようになる。
【００１３】
流管を配管に連結するように入口側のマニホルド及び出口側のマニホルドが流管の入口側及び出口側の端部に取り付けられよう。各々のマニホルドは材料の経費を減少させるため別個に鋳造された別個の部分である。各々のマニホルドは半円形の弧状の入口側及び出口側の端部を配管に連結するように実質的に９０°屈曲する流路を有するであろう。
【００１４】
マニホルドの間の距離を維持するために各々のマニホルドにスペーサが取り付けられる。このスペーサは４つの辺を有していて対向する端側が入口側及び出口側のマニホルドに取り付けられる。スペーサは中空の空所を包囲している。これによりマニホルドとスペーサーとの両方の鋳造に用いられる材料の量が減少する。スペーサの上側の開口によりマニホルドがスペーサから外方に突出する半円形弧状の流管に連結させられるようになる。
【００１５】
流管を包囲するようにスペーサの上側にケーシングが取り付けられよう。このケーシングが振動する流管の振動数に近い振動数で共振することが問題になる。これは流管を通って流れる物質の特性の読み取りに誤差を与えることになろう。ケーシングの共振振動数を変えるために、ケーシングに質量体が取り付けられてケーシングの共振振動数を変化させることになろう。
前述の、また他の特徴は、以下の詳細な説明及び添付の図面から理解される。
【００１６】
【図１のコリオリ流量計全体】
図１は流量計１０及び流量計電子回路２０からなるコリオリ流量計５を示している。流量計電子回路２０は線路２６を通じて密度、質量流量、全質量、温度及び他の情報を与えるようにリード線１００を介して流量計センサー１０に連結されている。本発明は駆動源の数、ピックオフセンサーの数、振動の動作モードにかかわらずいずれの型のコリオリ流量計にも用いられることが当業者にわかるであろう。さらに本発明は、物質が流管を通って流れる際にコリオリ効果を測定するため２本の流管１０３Ａ−１０３Ｂを振動させ、それから物質の特性を測定するためコリオリ効果を用いるいすれのシステムにも用いられよう。
【００１７】
流量計センサー１０は１対のフランジ１０１及び１０１′、マニホルド１０２―１０２′、流管１０３Ａ及び１０３Ｂ、受けバー１２０−１２１、駆動源１０４、及びピックオフセンサー１０５及び１０５′を含む。フランジ１０１−１０１′はマニホルド１０２−１０２′に取り付けられている。マニホルド１０２−１０２′は流管１０３Ａ−１０３Ｂの対向する端部に取り付けられている。後述するように流管１０３Ａ−１０３Ｂに受けバー１２０―１２１が取り付けられている。駆動源１０４は流管１０３Ａ−１０３Ｂを相互に反対の方向に振動させられる位置で流管１０３Ａ−１０３Ｂに取り付けられている。流管１０３Ａ−１０３Ｂの対向する端部に、その位置での振動の位相差を検出するようにピックオフセンサー１０５−１０５′が取り付けられている。
【００１８】
フランジ１０１及び１０１′がマニホルド１０２−１０２′に取り付けられ流管１０３Ａ及び１０３Ｂを配管（図示せず）に連結している。流量計センサー１０が測定される物質を移送する配管系（図示せず）に挿入されると、物質が入口側フランジ１０１を通って流量計センサー１０に入り、全体の量の物質が入口側マニホルド１０２によって２つの流れに分割され、等量ずつ流管１０３Ａ及び１０３Ｂに入るように向けられる。それから物質は出口側フランジ１０１′を通って流れ、ここで流量計センサー１０を出てゆく。マニホルド１０２及び１０２′は最少の量の材料で形成される。
【００１９】
流管１０３Ａ及び１０３Ｂはそれぞれの曲げ軸Ｗ−Ｗ及び曲げ軸Ｗ′−Ｗ′を中心として実質的に同じ質量分布、慣性モーメント、弾性計数を有するように選択されて入口側マニホルド１０２及び出口側マニホルド１０２′に適切に装着されている。流管は実質的に平行になってマニホルドから外方に突出する。
【００２０】
流管１０３Ａ−１０３Ｂはそれぞれの曲げ軸Ｗ−Ｗ及び曲げ軸Ｗ′−Ｗ′を中心として位相が逆になって、流量計の第１の位相の外れた曲げモードという状態になるようにして駆動源１０４によって駆動される。駆動源１０４は流管１０３Ａに装着されたマグネット及び流管１０３Ｂに装着された対向するコイルのような多くの周知の装置の１つからなるものでもよい。両方の流管１０３Ａ−１０３Ｂを振動させるように対向するコイルに交流電流が流れる。流量計の電子回路２０によってリード線１３０Ａ−１３０Ｂを介して駆動源１０４に適当な駆動信号が供給される。図１の説明は単にコリオリ流量計の動作の一例としてなされたものであり、本発明の考え方を制限するものではない。
【００２１】
流量計電子回路２０はそれぞれリード線１１１及び１１１′に生ずる右及び左の速度信号を受け取る。流量計電子回路２０はまた駆動源１０４に流管１０３Ａ及び１０３Ｂを振動させる駆動信号をリード線１１０に与える。本発明はここに説明したように複数の駆動源に対して複数の駆動信号を与えることができる。流量計電子回路２０は左及び右の速度信号を処理して質量流量を計算する。線路２６は流量計電子回路２０が操作者とのインタフェースをとれるようにする入出力手段を与える。流量計電子回路２０の内部構成部分は従来のものである。それゆえ簡略にするため、流量計電子回路の完全な説明は省略される。
【００２２】
コリオリ流量計センサー１０の形状により実際の質量流量の５％以内の読み取り精度を維持しながら流管１０３Ａ−１０３Ｂがより小さいフラッグ寸法を有することができるようになる。フラッグ寸法は流管のループがそのループに垂直で連結されている配管を含む面から外方に突出する長さである。コリオリ流量計センサ１０の形状の第２の利点はより経費の少ないマニホルド及びスペーサが用いられることである。
【００２３】
フラッグ寸法を減少させるために、流管１０３Ａ−１０３Ｂは入口端部１５１−１５１′と出口側端部１５２−１５２′との間に実質的に半円形の弧１５０−１５０′を有する。実質的に半円形の弧１５０−１５０′は流管１０３Ａ−１０３Ｂに連続的な曲線を形成することによってフラッグ寸法を減少させる。流管１０３Ａ−１０３Ｂがコリオリ流量計５を通って大きい流量の物質を流れ易くするのに十分な直径とするこができるように実質的に半円形の弧１５０を用いなければならない。流管１０３Ａ−１０３Ｂを配管に直列状に連結するために、入口側マニホルド１０２及び出口側マニホルド１０２′は流れを配管から実質的に半円形の弧１５０−１５０′に向けるように流路内で実質的に９０°の屈曲部を有するであろう。
【００２４】
ゼロ安定性を達成し流管１０３Ａ−１０３Ｂの振動モードを分離するために、流管１０３Ａ及び１０３Ｂに第１の受けバー１２０及び第２の受けバー１２１が取り付けられる。第１の受けバー１２０は流管１０３Ａ−１０３Ｂの振動を制御するように流管１０３Ａ及び１０３Ｂを連結するため流管１０３Ａ−１０３Ｂにその入口側端部の近くで取り付けられる。第２の受けバー１２１は流管１０３Ａ−１０３Ｂの振動を制御するように流管１０３Ａ及び１０３Ｂを連結するため流管１０３Ａ−１０３Ｂにその出口側端部の近くで取り付けられる。好ましい実施例において、第１の受けバー１２０及び第２の受けバー１２１は流管１０３Ａ−１０３Ｂに、実質的に半円形の弧１５０上で相互に実質的に１８０°離れて取り付けられる。
【００２５】
駆動源１０４は流管入１０３Ａ−１０３Ｂの入口側１５１と出口側１５２との実質的に中心点となる半円形の弧１５０上の位置で流管１０３Ａ−１０３Ｂに取り付けられる。この位置は駆動源１０４が最小量の電力を用いて流管１０３Ａ−１０３Ｂに最大の力を与えられるようにするものである。駆動源１０４は所望の振幅及び振動数で振動できるようにする流量計電子回路２０からの信号を線路１１０を介して受け取る。好ましい実施例において、振動の振動数は従来のコリオリ流量計より高い振動数となる流管１０３Ａ−１０３Ｂの第１の位相の外れた曲げモードと実質的に同等である。より高い振動数からの応力を減少させるために、好ましい実施例において小さい振動振幅を維持するのが望ましい。
【００２６】
流管１０３Ａ−１０３Ｂを高い振動数及び及び小さい振幅で振動させるために、ピックオフセンサー１０５−１０５′が流管１０３Ａ−１０３Ｂに、その最大量の振動が検出される位置に取り付けられなければならない。これによりピックオフセンサー１０５−１０５′が流れる物質によって生ずる最大量のコリオリ力の効果を検出することができるようになる。好ましい実施例において、ピックオフセンサーは軸Ｗ−Ｗ、軸Ｗ′−Ｗ′から実質的に３０°の位置に配置されよう。しかしながら、流量計を駆動するために従来の電子回路が用いられる時にピックオフセンサーは軸Ｗ−Ｗ′から２５°と５０°との間のいずれの位置に配置されてもよい。
【００２７】
【図２のマニホルド１０２及び１０２′に取り付けられたスペーサ】
図２は流量計センサー１０に取り付けられたスペーサ２００を示している。スペーサ２００は入口側マニホルド１０２と出口側マニホルド１０２′との間に一定の間隔を維持する。コリオリ流量計における従来のスペーサと異なって、スペーサは最少の材料で形成される。スペーサ２００は対向する側に方形の端部１９０−１９１を有する。好ましい実施例において、方形の端部１９０−１９１はマニホルド１０２−１０２′における方形の板として鋳造される。壁部２０１−２０２によって表される４つの壁部が方形の台部１９０−１９１の各々の縁部を連結して包囲体を形成する。開口２１０により流管１０３Ａ−１０３Ｂの実質的に半円形の弧１５０−１５０′がスペーサ２００から突出できるようになる。
【００２８】
【図３の流管１０３Ａ−１０３Ｂのケーシング】
図３は流管１０３Ａ−１０３Ｂ（図１に示される）を包囲するケーシング３００を示している。ケーシング３００は流管１０３Ａ−１０３Ｂ上に嵌合して溶接あるいはボルト及びナット等の手段によってスペーサ２００に取り付けられた中空の内側になった構造体である。
【００２９】
ケーシング３００は流管１０３Ａ−１０３Ｂの所望の振動モードの振動数に実質的に等しい振動数で共振するであろう。この場合には、流管１０３Ａ−１０３Ｂの振動の読み違いを防止するためにケーシング３００の共振振動数を変えるのが望ましい。１つの解決策はケーシング３００の実質的に平坦な部分３０２に重り３０１を取り付けることである。重りはケーシング３００の一部として付加されることが当業者にはわかるであろう。
【００３０】
前述したのは最少のフラッグ寸法を有するコリオリ流量計についての説明である。本発明の範囲に文言上、あるいは均等的に入る他の形のコリオリ流量計とすることができるのが当業者にはわかるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 減少したフラッグ寸法を有するコリオリ流量計を示す部である。
【図２】 スペーサに取り付けられた本発明のコリオリ流量計を示す図である。
【図３】 スペーサに取り付けられケーシングに包囲されたコリオリ流量計を示す図である。

Claims (11)

1. 入口側端部と出口側端部を有し、上記入口側端部に始まり上記出口側端部で終わるほぼ半円形をなしている第１の流管（１０３Ａ）と、
   入口側端部と出口側端部を有し、上記入口側端部に始まり上記出口側端部で終わるほぼ半円形をなしている第２の流管（１０３Ｂ）と、
   上記第１の流管の曲げ軸にほぼ垂直な上記第１の流管（１０３Ａ）上の点において該第１の流管（１０３Ａ）に取り付けられ、上記第２の流管の曲げ軸にほぼ垂直な上記第２の流管上の点において該第２の流管に取り付けられ、上記第１の流管及び上記第２の流管を相互に反対の方向に振動させるようにした駆動源（１０４）と、
   上記第１の流管（１０３Ａ）の上記入口側端部に近接しての該第１の流管に取り付けられるとともに上記第２の流管（１０３Ｂ）の入口側端部に近接して該第２の流管に取り付けられた第１の受けバー（１２０）と、
   上記第１の流管（１０３Ａ）の上記出口側端部に近接して該第１の流管に取り付けられるとともに上記第２の流管の出口側端部に近接して該第２の流管に取り付けられた第２の受けバー（１２１）であって、上記第１の受けバー（１２０）と第２の受けバー（１２１）とが上記半円形をなしている流管（１０３Ａ，１０３Ｂ）上の点においてほぼ１８０°離れて配置されている第２の受けバー（１２１）と、
   上記駆動源（１０４）を上記受けバー（１２０，１２１）との間で上記第１の流管（１０３Ａ）及び上記第２の流管（１０３Ｂ）に、小さい振幅の振動で所望の大きさのコリオリ力を検出できるようにする位置に取り付けられた複数のピックオフと、
   からなることを特徴とする減少したフラッグ寸法を有するコリオリ流量計。
2. 上記第１の流管（１０３Ａ）及び第２の流管（１０３Ｂ）を配管に取り付けるため上記第１の流管（１０３Ａ）の入口側端部及び第２の流管（１０３Ｂ）の入口側端部に取り付けられた入口側マニホルド（１０２）をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のコリオリ流量計。
3. 上記入口側マニホルドを通る流路におけるほぼ９０°の屈曲部をさらに含むことを特徴とする請求項２に記載のコリオリ流量計。
4. 上記第１の流管（１０３Ａ）及び第２の流管（１０３Ｂ）を配管に連結するため上記第１の流管（１０３Ａ）の上記出口側端部及び第２の流管（１０３Ｂ）の出口側端部に取り付けられた出口側マニホルド（１０２′）をさらに含むことを特徴とする請
   求項１に記載のコリオリ流量計。
5. 上記出口側マニホルドを通る流路におけるほぼ９０°の屈曲部をさらに含むことを特徴とする請求項４に記載のコリオリ流量計。
6. 上記第１の流管（１０３Ａ）及び第２の流管（１０３Ｂ）を配管に取り付けるため上記第１の流管（１０３Ａ）の入口側端部及び第２の流管（１０３Ｂ）の入口側端部に取り付けられた入口側マニホルド（１０２）と、
   上記第１の流管（１０３Ａ）及び第２の流管（１０３Ｂ）を上記配管に連結するため上記第１の流管（１０３Ａ）の上記出口側端部及び第２の流管（１０３Ｂ）の出口側端部に取り付けられた出口側マニホルド（１０２′）と、
   上記入口側マニホルドと出口側マニホルドとの間の一定の間隔を維持するため上記入口側マニホルド及び出口側マニホルドに取り付けられたスペーサ（２００）と、
   をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のコリオリ流量計。
7. 上記スペーサが
   上記入口側マニホルド（１０２）に取り付けられた入口側端部（１９０）と、
   上記出口側マニホルド（１０２′）に取り付けられた出口側端部（１９１）と、
   上記スペーサの上記入口側端部と該スペーサの出口側端部との間にそれぞれ延在して矩形体を形成する上側の辺（２０２）、底側の辺（２０４）、前側の辺（２０１）及び後側の辺（２０３）と、
   上記第１の流管（１０３Ａ）及び第２の流管（１０３Ｂ）が上記入口側マニホルド及び上記出口側マニホルドに取り付けられる際に通り抜ける上記スペーサ（２００）の上側の辺（２０２）の開口（２１０）と、
   からなることを特徴とする請求項６に記載のコリオリ流量計。
8. 上記スペーサの上側の辺に取り付けられた上記第１の流管及び第２の流管を包囲するケーシング（３００）をさらに含むことを特徴とする請求項７に記載のコリオリ流量計。
9. 上記ケーシングが
   前側の壁部と、
   後側の壁部と、
   上記ケーシングの振動モードを変化させるように上記前側の壁部及び後側壁部に取り付けられた重りと、
   からなることを特徴とする請求項８に記載のコリオリ流量計。
10. 上記複数のピックオフの位置が上記第１及び第２の流管の曲げ軸からほぼ２５―５０°になっていることを特徴とする請求項１に記載のコリオリ流量計。
11. 上記複数のピックオフの位置が上記第１及び第２の流管の曲げ軸から３０°になっていることを特徴とする請求項１０に記載のコリオリ流量計。

Images