JP4842384B2 - コリオリ質量流量センサ - Google Patents
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Description
本発明は上記の事情に鑑みて成されたものであり、その目的は、質量流量計測の感度が向上するようにチューブ変位の測定方法を改善したコリオリ質量流量計測装置を提供することにある。
また好ましくは、前記光源が、赤外線LEDからなることを特徴とする。
また好ましくは、前記検出器が、フォトダイオードからなることを特徴とする。
また好ましくは、前記光源が、前記フローチューブの振動変位が最大になる点に設置されていることを特徴とする。
また好ましくは、前記フローチューブ及び前記フレームが、互いに異なる材料から製造されていることを特徴とする。
また好ましくは、前記フローチューブが、ステンレス鋼から製造されていることを特徴とする。
また好ましくは、前記フレームが、シリコンから製造されていることを特徴とする。
1.「ΔT」− 相対質量流量を示すセンサチューブの一方の側面から他方への位相ラグに関連する時間差。
2.「振動数」− 測定される物質の相対密度に関連するセンサチューブの共振振動数。
3.「温度」− センサチューブの温度を決定するためのRTDが測定される。
アプリケーション・制御システムBでは、較正定数と併せて「ΔT」が用いられ、ユーザ5への所望の質量流量が示される。アプリケーション・制御システムBではまた、較正定数と併せて「振動数」が用いられ、ユーザ5への所望の密度、体積或いはその両方が示される。「温度」は、質量流量計算及び密度計算の両方を補正するために用いられる。アプリケーション・制御システムBは、ユーザの設定値入力に照らして質量流量または体積流量の単位出力を用い、フローを所望の設定値に調整するようなバルブ6を制御する。
図1(b)は、本発明の或る側面に基づきコリオリ質量流量センサを概略的に示すブロック線図である。コリオリ質量流量センサ1は、フローセンサチューブ2を有し、駆動装置3がチューブ2を振動させるためにフローセンサチューブ2に関係して配置されている。変位ゲージ4は、コリオリの力に起因するチューブ2内のねじれを測定するべくチューブ2に関係して配置されている。
任意の振幅、任意の位相差を有する正弦波として2つの信号を考える。各信号は次式で表すことができる。
本発明の実施例に基づく別の方法では、一方の変位ゲージ50から参照信号及び1つの入力信号を受信し、他方の変位ゲージ50から第2の入力信号を受信するような2チャンネルロックイン増幅器が必要である。ロックイン増幅器は、ハードウエア、ソフトウエア、または両者の組合せによって実現される。2つの入力信号の差は、参照信号に対照して測定される。ロックイン増幅器からの合成位相出力は、フローに比例する。図7は、2チャンネルロックイン増幅器54の機能回路図である。信号は図6に示されている回路におけるものと同様の方法で伝わり、同様の明瞭度を有する。左入力100は、ここでも参照信号として用いられる。図6と同様に、正弦出力103は、左入力100の信号にフェーズロックされた駆動信号である。図7の例では、右入力102の信号から左入力100の信号を減算し、2個の位相検出器(PSD)106内において左/参照入力100の信号及びその90°位相ずれ信号104と混合する。内部機能は、図6のロックイン増幅器52と同様である。
PSD106の下部では、次のようになる。
極めて大きな振幅の雑音に埋もれた低レベル信号の測定には、ロックイン増幅器を使用することが最も有名である。ロックイン増幅器は、極めて狭い帯域フィルタとして作用し、このような測定をなし遂げている。信号及び騒音は、参照正弦波及び余弦波が乗算され、次に低域フィルタを通過して参照振動数が除去される。乗算及びフィルタ動作の結果、複素数ベクトル(x+iy)で表される直流信号が得られる。参照振動数と対象信号(signal of interest)との位相差は、atan(y/x)によって決定することができる。
本発明の実施例は、更に静電容量測定技術を向上させ、特に静電容量変位プローブの新たな幾何学的配列を向上させる。通常或る物体の変位は静電容量変位プローブへの垂直線の寸法として測定される。変位はまた、静電容量変位プローブに対する接線方向の寸法としても測定される。図11を参照すると、2枚の板130を近接して並べ、板130の間に一定のギャップ132を設け、図11に示すような運動(矢印136で示す)に対して接線方向の平面に、センサチューブ134の近傍に配置することによって変位を特定することができる。或る実施例では、板130を同じ位置に設置し、センサチューブ134を大地電位に設置するものもある。ギャップに対して垂直線方向への運動136が予測されるようにして板130の間のギャップ132を直接覆うようにセンサチューブ134を配置すれば、センサチューブ134のサイクル運動によってチューブ134が2枚の板130のいずれか一方に接近するであろう。相対静電容量は、各板130とセンサチューブ134の間で測定される。センサチューブ134が2枚の板130の何れか一方またはもう一方に向かって運動するにつれて静電容量に寄与する総面積が変化するので、相対静電容量が測定される。
或いはギャップ132は、図13に示すように鋸歯形模様である場合もある。鋸歯形は斜めのギャップ132に対して改良されたものとなっている。ギャップ132が平行であれ斜めであれ、ギャップ132に関係するセンサチューブ134が角度アライメントの不備により2枚の板130の間に静電容量の変化率に差異を生じさせ、このことが2つの信号間の位相において好ましくない変化を生み出すであろう。鋸歯形模様は、センサチューブ134のあらゆる角度アライメントの不備を平均させ、より対称的な信号を与える。
図14、図15及び図16は、本発明の1実施例に基づく例として容量ピックオフセンサを備えた低フローコリオリ質量流量コントローラ200を示している。コリオリ質量流量コントローラ200は、フローセンサ部分202及びフロー制御部分204を有する。質量流量コントローラ200に対する内部または外部の処理装置は、設定値または所望の質量流量の表示を受け取る。設定値をフローセンサ部分202が示す実際の質量流量と比較し、偏差を求める。フロー制御部分204はバルブを有し、バルブを操作することで流量を調整し、偏差を最小にする。特定の制御機構を実行することは、本発明の開示の利益を受ける当業者が行う日常的な作業であるので、ここでは実施の詳細について詳述しない。
フローセンサ部分202は、ケーシング205により囲まれ、ループ状に曲げられたセンサチューブ206、駆動装置208、及び2個のピックオフセンサ210を有する。ピックオフセンサ210は、センサチューブ206の逆側に配置され、センサチューブ206の側面の変位を測定する。
コイル306は、センサケーシング207の外部に配置され、回路板209に結合される。センサケーシング207は非磁性であるので、磁界へ透過する。コイル306は、環状デザインとは全く異なり、開路型である。本実施例におけるコイル306は、少なくとも1mHのインダクタンスを有する市販のパワーインダクタである。コイル306の中心軸は、磁石304の表面に垂直になるように調整する。フェーズロックループ(PLL)機能を介するコイル駆動回路へのフィードバックとしての、容量型ピックオフセンサの1つからの信号を用いて、センサチューブ206を共振させる。PLL機能は、電気回路として或いはソフトウエアにおいて実行される。
Oリングシールケーシング205の別の機能は、第3の流体を保持することである。センサチューブ206が第1の流体を保持し、センサケーシング207が第2の流体を保持する。
本発明の或る側面に基づき、オリフィス244及びランドの少なくとも一方は、精密オリフィスのねじ部品に機械加工するのに適した、VESPEL(登録商標)等の塑性材料から製造する。図17(b)の実施例に示すように、オリフィス本体250とバルブ本体252との間に締りばめ258ができるようにねじ山256を大き目に機械加工し、このように分離シール(Oリングまたはガスケット)を不要にする。これでオリフィスランドは、弁座240及びプランジャ234の設計及び製作(図15及び16参照)を単純化するような変形可能な部材となった。
センサピックオフ・駆動回路524のDSP PCB430及び関連する電子部品は、左及び右センサチューブ出力521、522を、センサチューブ502の左側と右側間の実際の位相差を表す数値に変換する。この位相差は質量流量を表す。
再び図20を参照されたい。光学駆動PCB540は、光学検出PCB520の左出力521及び右出力522を減衰し、AC結合させると同時に、駆動信号出力の位相を90°ずらすように機能する。更に、光学駆動PCB540は、RTD542とマザーボードPCB526上のセンサピックオフ・駆動回路524との電気接続を与える。
信号フローについて考察することによって、光学駆動PCB540の目的が更に分類され、センサチューブ502が共振振動数でどのように駆動されるかが説明される。センサチューブ502の運動は、光学検出PCB520によって2つの正弦波(左出力521及び右出力522)を生成する。これらの信号は、光学駆動PCB540へ送られ、そこでDCオフセットを除去するためにAC結合され、マザーボードPCB526上のセンサピックオフ・駆動回路524のステレオA/D変換器550の入力に適した振幅まで減衰されて振幅を減らされる。
設定値入力は、電流586または電圧588の入力間で選択するためのジャンパ線を与える。設定値入力は、電圧に変換され(電流入力が選択された場合)、マザーボードPCB526へ送られ、マザーボードPCB設定値入力570へ直結される。マザーボードPCB526専用コンフィギュレーション上でフロー出力信号572のために用いられる信号は、HARTインターフェース580上で変換され、密度出力信号590として解読される。バルブオーバーライド入力570は、マザーボードPCB526のバルブオーバーライド入力へも直結される。
上記に開示したように、赤外線フォトダイオードに適合した赤外線LED光源から光源及び検出器を構成しうる。フォトダイオード活性表面のサイズはチューブの直径に近似しているが、それより僅かに大きい。チューブが振動するにつれてLEDとフォトダイオード間の経路を通って動き、LEDから光を明滅する。チューブが静止している時にLEDと検出器間の光の径路が部分的に破壊されるようにチューブを配置することができる。チューブが振動しながら静止点付近を動くにつれて、検出器に届く光は検出器からの正弦波出力を最大または最小で与えることになる。コリオリ力に誘導されるフロー効果に起因する位相差のために、チューブの各側からの相対出力を測定することが可能である。
本明細書において示したように、フロー検出チューブは様々な材料から製造することができる。更に、フロー検出チューブは材料のハイブリッドからなることもある。そのようなハイブリッド構造の一例を図25に示す。シリコンフレーム702及びステンレス鋼チューブ704を有するコリオリ質量流量センサ700の図で示してある。コリオリ質量流量センサ700は更にクランプ706及びセンサ708も有し、これらも全てシリコンで製造されている。補助的な材料を用いることもでき、例えばクランプ706を金属、ガラス、塑性材料、セラミック等から製造することができる。薄いシリコンアーム710がフレーム702から延びており、センサチューブ704の両側に取り付けられている。
センサ708は圧電抵抗器であり、センサチューブ704の両側に取り付けられた各シリコンアーム710の底部にあるホイートストンブリッジに実装されている。センサ708は事実上歪みゲージであり、シリコンアーム710の曲げによって誘導される歪みを測定する。第1のホイートストンブリッジ720を図26(a)に示す。ホイートストンブリッジ720は、各アーム710の底部に実装されている。ホイートストンブリッジ720は通常シリコンでも実装されており、シリコンフレーム702に付着させたか或いは埋め込んだものである。ホイートストンブリッジ720は、4つのブリッジ抵抗器R1、R2、R3、R4を有し、このうちR1及びR4は可変圧電抵抗器である。ホイートストンブリッジ720は、励起供給接続Vsと、シングルリターンGNDと、センサ出力信号接続−Vout及び+Voutを更に有する。
逆側は、センサ456として作用する圧電抵抗層または圧電層のいずれかを取り付けることができる。同期に始動される1組のユニモルフ454は、共振モードにおいてチューブを駆動する。フローはチューブ452を通って確立されるので、コリオリの力は圧電センサ456上で相対歪みをシフトさせ、出力信号中に位相ずれを生成する。
フラット圧電ユニモルフは、上記の3スタックアクチュエータよりかなり廉価である。フラット圧電ユニモルフは通常低い電位で等価変位に到達することができ、スタックアクチュエータよりもかなり小さい。例として傾斜型アクチュエータ470、471を図29(a)、(b)に概念的に示す。傾斜型アクチュエータ470は3アームのフラット渦巻ばね474を、傾斜型アクチュエータ471は4アームのフラット渦巻ばね475を備えている。圧電装置は、フラット渦巻ばね474、475の各アーム476上に構成した。図の例でばね474は、ばね474、475の外部環状構造478付近の各アーム476上に構成された圧電ユニモルフ472を有する。圧電または圧電抵抗センサは、ばね474の、圧電抵抗アクチュエータ472と逆側に取り付けた。センサは、チューブ各端部のセンサ間の相対位相を検出する。
2、16、134、206、452、502、602、704 チューブ
3、10、20、30、40、208、454 駆動装置
4、50 変位ゲージ
5 ユーザ
6、236 バルブ
12 電磁石
14、304、460、514、604 磁石
18 基礎
19、246 孔
22 帯電板
24 絶縁板
32 スピーカ
42 圧電スタック
52、54、114 増幅器
100、102、103、104、110、112、150、521、522、570、572、574、582、584、590 信号
106 位相検出器
108、148 低域フィルタ
120 処理装置
130 板
132 ギャップ
136 運動方向
144 参照振動数発生装置
200 コリオリ質量流量コントローラ
202、600 フローセンサ部分
204 フロー制御部分
205 ケーシング
207 センサケーシング
208、210 ピックオフセンサ
212 基礎部分
214 フロー入口
216 フロー出口
222 メータ本体
224、225 端受
226 シール
228、306、462、513、616 コイル
230 コイルカバー
232 バルブ軸
234 プランジャ
238 シール
240 弁座
242、474、475 ばね
244、250 オリフィス
252 バルブ
254 漏れ経路
256 ねじ山
258 締りばめ
300 導電板
301 センサブロック
302、330 プレスピン
303、430、520、526、530、540、560、610 プリント回路板
310 ベースプレート
312 中柱
320 気密封止コネクタ
324、614 カバー
332、334 Oリング
336、337 電気部品キャップ
338 ユーザインターフェースコネクタ
340 ユーザインターフェースボード
342 コネクタ
400 装置
450、451 ストレートチューブフローセンサ
454、472 ユニモルフ
456、708 センサ
470、471 傾斜型アクチュエータ
476、710 アーム
478 外部環状構造
510、606 光源(LED)
512、608 光検出器(フォトダイオード)
524 センサピックオフ・駆動回路
528 アプリケーション・制御回路
532 DSP処理装置
534、564 フラッシュEEPROM
536、566 高速SRAM
538、568 論理・監視回路
542 RTD
550 ステレオA/D変換器
552 RTD A/D変換器
554 乗算D/A変換器
562 マイクロコントローラ
576、588、592 電圧
580 HARTインターフェース
586 電流
612 ハウジング
702 フレーム
706 クランプ
720、722 ホイートストンブリッジ
A コリオリセンサピックアップ・駆動システム
B アプリケーション・制御システム
Claims (10)
- コリオリ質量流量センサにおいて、
フローチューブと、
前記フローチューブの第1の側に近接して配置された光源と、
前記フローチューブの第2の側に近接して配置されるとともに前記フローチューブの直径より大きい活性表面を画定する光検出器であって、前記第2の側が前記第1の側と概ね反対側にあり、前記光源が、振動する前記フローチューブの変位が最大になる位置において、前記フローチューブに対して配置されており、前記フローチューブが静止しているときに、前記フローチューブが、前記光源と前記光検出器間で画定された経路内に部分的に配置されるように、前記光源が、前記フローチューブに対して配置されており、前記光源と前記光検出器が互いに対して固定され、前記フローチューブが前記光源及び前記光検出器に対して可動であり、前記光検出器がフローチューブの振動に反応して正弦波出力を提供する、前記光検出器と、
前記フローチューブが前記光源及び前記光検出器間に画定された経路を通って動くように、前記フローチューブを振動させるために前記フローチューブに対して配置された駆動装置とを備えることを特徴とする、コリオリ質量流量センサ。 - 前記光源が、赤外線を放射することを特徴とする、請求項1に記載のコリオリ質量流量センサ。
- 前記光源が、赤外線LEDを備えることを特徴とする、請求項2に記載のコリオリ質量流量センサ。
- 前記光検出器が、赤外線フォトダイオードを備えることを特徴とする、請求項3に記載のコリオリ質量流量センサ。
- 前記コリオリ質量流量センサは、前記フローチューブが取り付けられたフレームを更に備え、
前記駆動装置が、前記フレームを振動させるために前記フレームに対して配置されていることを特徴とする、請求項1に記載のコリオリ質量流量センサ。 - 前記フレームがチューブを備え、該チューブ内に前記フローチューブが配置されていることを特徴とする、請求項5に記載のコリオリ質量流量センサ。
- 前記フローチューブ及び前記フレームが、異なる種類の材料から製造されていることを特徴とする、請求項5に記載のコリオリ質量流量センサ。
- 前記フローチューブが、ステンレス鋼から製造されていることを特徴とする、請求項7に記載のコリオリ質量流量センサ。
- 前記フローチューブが、プラスチックから製造されていることを特徴とする、請求項7に記載のコリオリ質量流量センサ。
- 前記フレームが、シリコンから製造されていることを特徴とする、請求項7に記載のコリオリ質量流量センサ。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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