JP5193185B2 - 単一の流れ導管を備えるコリオリ流量計、動作させる方法、及び、製造する方法 - Google Patents

単一の流れ導管を備えるコリオリ流量計、動作させる方法、及び、製造する方法 Download PDF

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Description

本発明は、流量計の分野に、具体的にはコリオリ流量計に関する。
コリオリ流量計は、通常は、1つ又は複数の流れ導管を振動させ、流れ導管を通過する材料からのコリオリ力によって誘発される、振動している流れ導管の撓み又は位相差を測定することによって作動する。コリオリ流量計は、数多くの異なる流れ導管設計を有している。真っ直ぐな流れ導管を有する流量計もあるし、湾曲した流れ導管を有するものもある。流れ導管が1つの流量計もあるし、2つのものもある。各型式のコリオリ流量計は、流量計の作動における様々な問題に取り組むために開発されてきた。取り組んできた問題の内の1つは、流量計の、配管系との接続点の振動である。通常、流量計には、流量計を配管系に連結できるようにするため、流量計の各端部にフランジが設けられている。
二重管設計は、通常、マニホルドを使って材料の流れを2つのストリームに分け、2つのストリームの材料を2つの流れ導管に送る。流れは2つのストリームに分けられるので、流れ導管の直径は、配管系の直径と同じである必要はない。2つの管は、通常、対称形状であり、互いに平行に取り付けられている。2つの管は、通常、同じ周波数で振動するが、位相は逆である。管は対称であり、互いに反対方向に振動するので、2つの管が接合されているところでは、振動は通常相殺される。これにより、平衡のとれた流量計ができる(即ち、マニホルドでは流量計の振動は殆ど又は全く無い)。2つの管を通過する材料の密度が変わると、両方の管の質量が同じ様に変わるので、二管設計は、広範な材料密度に亘って平衡のとれた状態を保つ。2つの管は、通常、マニホルドで一つに接合されている。二重管設計では、広範な異なる材料を2つの等しい流れに分けるのは難しい作業である。流れを分けることで、流量計の前後で大きな圧力低下が生じることもある。更に、マニホルド内側の分岐点で、材料が詰まることもある。
単一管設計では、流れを2つのストリームに分けない。これは、流れを2つの等しいストリームに分けることに付帯する問題を解消する。単一の振動管が在るだけなので、フランジにおける流量計の振動を取り除くには、別の方法を用いる必要がある。真っ直ぐな単一管設計は、振動している流れ導管の少なくとも一部分を取り囲む釣合錘部材を用いる。1つのその様な流量計は、米国特許第6,401,548号「コリオリ質量流量/密度センサー」に開示されている。湾曲した単一流れ導管設計は、流量計のマニホルドにおける振動を取り除くために、数多くの技法を使用してきた。1つの技法は、振動している管の質量より相当大きい質量を有する支持プレートを組み込む方法であり、例えば、米国特許第5,705,754号「単一測定管を備えたコリオリ型式質量流量計」に記載されている。別の技法は、互いに平行な2つの管を設けながら、一方の管だけに材料を流す方法である。第2の「ダミー管」は、釣合錘として用いられ、測定管とは逆の位相で振動する。この技法の例は、米国特許第6,666,098号「振動変換器」に示されている。別の技法は、振動している管と逆位相で振動する部材を有する構造をつくり、単一管に取り付ける方法であり、例えば、米国特許第6,484,591号「単一の湾曲測定管を備えた質量流量/密度センサー」に記載されている。これらの方法は、所与の密度の単一材料では、平衡の取れた計器を作り出す。材料の密度が変わったり、密度が異なる別の材料を測定する場合は、残念ながら、流量計は、通常、平衡が取れない。
従って、或る範囲の材料密度に亘って単一湾曲管式コリオリ流量計の平衡を取るシステム及び方法が求められている。
米国特許第6,401,548号 米国特許第5,705,754号 米国特許第6,666,098号 米国特許第6,484,591号
捩り部材の撓みを利用して、単一湾曲流れ導管の振動の平衡を取るコリオリ流量計が開示されている。捩り部材の2つの端部は、単一の流れ導管の中央区画に取り付けられ、それと共に振動する。平衡部材は、捩り部材の中央区画に取り付けられており、単一の流れ導管と逆位相で振動し、捩り部材を、捩り方向に撓ませる。
態様
本発明の1つの態様は、単一の流れ導管を備えたコリオリ流量計を含んでおり、
単一の流れ導管は、
軸方向に整列している入口区画及び出口区画と、
入口区画に取り付けられている第1曲げ区画、及び出口区画に取り付けられている第2曲げ区画と、
第1曲げ区画と第2曲げ区画の間に伸張している接続区画であって、接続区画の中心は単一の流れ導管の対称軸を画定しており、単一の流れ導管は対称軸に関して対称であり、単一の流れ導管は基本的に1つの面内に形成されている、接続区画と、
第1端部及び第2端部を有する捩り部材であって、第1端部は、単一の流れ導管の接続区画に第1曲げ区画近くで取り付けられており、第2端部は、単一の流れ導管の接続区画に第2曲げ区画近くで取り付けられている、捩り部材と、
捩り部材に取り付けられ、単一の流れ導管の接続区画の中心に向かって伸張しており、捩り部材に概ね垂直である、平衡部材と、
平衡部材に取り付けられており、駆動装置を搭載するように構成されている少なくとも1つの駆動ブラケットであって、駆動装置は、単一の流れ導管に対して力を加えるように構成されている、駆動ブラケットと、を備えており、
捩り部材は中央区画を有しており、捩り部材の第1端部と第2端部は、単一の流れ導管と同位相で振動するように構成され、中央区画は、単一の流れ導管と逆位相で振動するように構成されていて、捩り部材を、捩り振動軸に沿って捩り方向に変形させる。
第1マニホルドは、単一の流れ導管の入口区画に連結され、第2マニホルドは、単一の流れ導管の出口区画に連結されており、
マニホルドスペーサーは、第1及び第2マニホルドの間を伸張しており、外側表面を有しており、更に、第1マニホルド近くで外側表面を貫通する第1開口部と、第2マニホルド近くで外側表面を貫通する第2開口部とを有しており、単一の流れ導管の接続区画の第1端部は、第1開口部を通って伸張し、単一の流れ導管の接続区画の第2端部は、第2開口部を通って伸張しており、
可撓性部材は、捩り振動軸と整列しており、マニホルドスペーサーの外側表面に連結されており、捩り部材の中央区画の第2表面に連結されている、のが望ましい。
マニホルドスペーサーは、単一の流れ導管の入口区画及び出口区画と、単一の流れ導管の第1曲げ区画及び第2曲げ区画と、を取り囲んでいるのが望ましい。
マニホルドスペーサーは、基本的に円筒形であるのが望ましい。
捩り振動軸は、単一の流れ導管によって画定される面内にあるのが望ましい。
平衡部材に取り付けられているピックオフ支持部材は、捩り部材と平行であり、単一の流れ導管の対称軸に関して互いに反対側に位置する、単一の流れ導管の接続区画の2つの区分の間を伸張しており、ピックオフ支持部材の第1端部に第1センサー装置を、ピックオフ支持部材の第2端部に第2センサー装置を保持するように構成されているのが望ましい。
捩り部材に取り付けられているドングルは、捩り部材に垂直であり、捩り部材から下方に、単一の流れ導管から離れる方向に伸張し、単一の流れ導管の対称軸と整列しており、第1及び第2マニホルドの残留運動を取り除くように構成されているのが望ましい。
ドングルは、略長方形の平坦なプレートであり、長方形の長軸が捩り部材に垂直であるのが望ましい。
捩り部材は、捩り振動軸と平行な、概ね平坦なプレートであり、捩り部材の第1端部は、捩り部材の第1端部が単一の流れ導管の接続区画に連結されている場所で、第1端部が単一の流れ導管の接続区画に垂直になるように曲がっており、捩り部材の第2端部は、捩り部材の第2端部が単一の流れ導管の接続区画に連結されている場所で、第2端部が単一の流れ導管の接続区画に垂直になるように曲がっているのが望ましい。
単一の流れ導管の接続区画は、更に、
単一の流れ導管の第1曲げ区画に取り付けられている第1直線区画、及び第2曲げ区画に取り付けられている第2直線区画と、
第1直線区画及び第2直線区画に取り付けられ、それらの間を伸張している湾曲頂上区画と、を備えているのが望ましい。
単一の流れ導管の平衡部材は、台形の概ね平坦なプレートであり、台形の幅広の端部は、捩り振動軸に沿って捩り部材に取り付けられているのが望ましい。
平衡部材は、単一の流れ導管の対称軸に沿って高い曲げ剛性を有するように構成されているのが望ましい。
流れ導管の剛性と捩り部材及び平衡部材の剛性は、流れ導管と捩り部材及び平衡部材の、位相外れ振動の固有周波数が、同相の固有周波数より遙かに高くなるように調節されているのが望ましい。
本発明の別の態様は、単一の湾曲流れ導管を有するコリオリ流量計の平衡を取る方法を含んでおり、本方法は、
単一の湾曲流れ導管を、コリオリ流量計の両端の間に懸垂する段階であって、単一の湾曲流れ導管の2つの曲げ区画は、支持されておらず、2つの曲げ区画は、単一の湾曲流れ導管の対称軸に関して互いに反対側にある、単一の湾曲流れ導管を懸垂する段階と、
捩り部材の両端を、単一の湾曲流れ導管に、単一の湾曲流れ導管の対称軸に関して対称に位置している、単一の湾曲流れ導管の2つの曲げ区画より対称軸に近い2つの点で、取り付ける段階と、
単一の湾曲流れ導管と釣合錘構造の間に、釣合錘構造と単一の湾曲流れ導管が同じ周波数で但し逆位相で振動するように、力を生成する段階であって、釣合錘構造は、捩り部材の中央区画に取り付けられていて、捩り部材の中央区画は、捩り方向に、回転の捩り軸に沿って、平衡構造と同相で撓み、捩り部材の両端は、捩り方向に、回転の捩り軸に沿って、単一の湾曲流れ導管と同相で撓む、力を生成する段階と、を含んでいる。
本方法は、捩り部材がマニホルドスペーサーに可撓性部材によって取り付けられ、可撓性部材は捩り回転軸と整列している、ことを更に含んでいるのが望ましい。
本方法は、ドングルが捩り部材の釣合錘構造の反対側に取り付けられ、2つのマニホルドの残留運動を取り除くように構成されている、ことを更に含んでいるのが望ましい。
本発明の別の態様は、単一の湾曲流れ導管を有するコリオリ流量計の平衡を取る方法を備えており、本方法は、
単一の湾曲流れ導管を振動させる段階と、
第1密度を有する材料を、振動している単一の湾曲流れ導管を通して流す段階と、
捩り部材を捩り方向に撓ませる段階であって、捩り部材の第1端部と第2端部は、単一の湾曲流れ導管の振動と同相で撓み、捩り部材の中央区画は、捩り方向に単一の湾曲流れ導管の振動とは逆位相で撓み、第1振動軸は、捩り部材の第1端部と中央区画の間の第1位置に形成され、第2振動軸は、捩り部材の第2端部と中央区画の間の第2位置に形成される、捩り部材を撓ませる段階と、を含んでいる。
本方法は、更に、第2密度を有する材料を、単一の湾曲流れ導管を通して流す段階であって、第1密度と第2密度は異なっており、第1振動軸は第1位置には形成されず、第2振動軸は第2場所には形成されない、第2密度を有する材料を流す段階を含んでいるのが望ましい。
本発明の別の態様は、コリオリ流量計を製造する方法を備えており、本方法は、
単一の流れ導管を設ける段階であって、単一の流れ導管は、
軸方向に整列している入口区画及び出口区画と、
入口区画に取り付けられている第1曲げ区画及び出口区画に取り付けられている第2曲げ区画と、
第1曲げ区画と第2曲げ区画の間を伸張している接続区画であって、接続区画の中心は単一の流れ導管の対称軸を画定しており、単一の流れ導管は対称軸に関して対称であり、単一の流れ導管は基本的に1つの面内に形成されている、接続区画と、を備えている、単一の流れ導管を設ける段階と、
捩り部材の第1端部を単一の流れ導管の接続区画に第1曲げ区画近くで取り付け、捩り部材の第2端部を単一の流れ導管の接続区画に第2曲げ区画近くで取り付ける段階と、
平衡部材を捩り部材の第1側に取り付ける段階であって、平衡部材は単一の流れ導管の接続区画の中央に向かって伸張しており、平衡部材は流れ導管の面内に向けられている、平衡部材を取り付ける段階と、
少なくとも1つの駆動ブラケットを平衡部材に取り付ける段階であって、少なくとも1つの駆動ブラケットは駆動装置を搭載するように構成されており、駆動装置は単一の流れ導管に力を加えるよう構成されている、駆動ブラケットを取り付ける段階と、から成り、
捩り部材は、中央区画を有しており、捩り部材の第1端部と第2端部は、単一の流れ導管と同相で振動するよう構成されており、中央区画は、単一の流れ導管とは逆位相で振動するように構成されていて、捩り部材を、捩り振動軸に沿って捩り方向に変形させるようになっている。
本方法は、更に、第1マニホルドを単一の流れ導管の入口区画に連結させ、第2マニホルドを単一の流れ導管の出口区画に連結させる段階と、
マニホルドスペーサーを、第1と第2のマニホルドの間に取り付ける段階であって、マニホルドスペーサーは、外側表面を有しており、マニホルドスペーサーは、第1マニホルド近くで外側表面を貫通する第1開口部と、第2マニホルド近くで外側表面を貫通する第2開口部を有しており、単一の流れ導管の接続区画の第1端部は、第1開口部を通って伸張し、単一の流れ導管の接続区画の第2端部は、第2開口部を通って伸張している、マニホルドスペーサーを取り付ける段階と、
可撓性部材を、マニホルドスペーサーの外側表面及び捩り部材に取り付ける段階であって、可撓性部材は捩り振動軸と整列している、可撓性部材を取り付ける段階と、を含んでいるのが望ましい。
本方法は、マニホルドスペーサーは、単一の流れ導管の入口区画及び出口区画と、単一の流れ導管の第1曲げ区画及び第2曲げ区画とを取り囲んでいる、ことを更に含んでいるのが望ましい。
本方法は、マニホルドスペーサーは、基本的に円筒形である、ことを更に含んでいるのが望ましい。
本方法は、捩り振動軸は、単一の流れ導管の接続区画の第1曲げ区画近くと、単一の流れ導管の接続区画の第2曲げ区画近くの間を、捩り部材の中央区画の長さに沿って走っている、ことを更に含んでいるのが望ましい。
本方法は、ピックオフ支持部材を平衡部材に取り付ける段階であって、ピックオフ支持部材は、捩り部材と平行であり、単一の流れ導管の接続区画の、単一の流れ導管の対称軸に対して反対側の2つの区分の間を伸張しており、ピックオフ支持部材は、第1センサー装置をピックオフ支持部材の第1端部に、第2センサー装置をピックオフ支持部材の第2端部に、保持するように構成されている、ピックオフ支持部材を取り付ける段階を、更に含んでいるのが望ましい。
本方法は、ドングルを捩り部材に取り付ける段階であって、ドングルは、捩り部材に垂直であり、捩り部材から下向きに、平衡部材から離れる方向に伸張し、単一の流れ導管の面内に整列しており、ドングルは、第1及び第2マニホルド内の残留運動を取り除くように構成されている、ドングルを取り付ける段階を、更に含んでいるのが望ましい。
本方法は、ドングルは、略長方形の平坦なプレートであり、長方形の長軸は捩り部材に垂直である、ことを更に含んでいるのが望ましい。
本方法は、捩り部材は、捩り振動軸に平行な概ね平坦なプレートであり、捩り部材の第1端部は、捩り部材の第1端部が単一の流れ導管の接続区画に連結されている場所で、第1端部が単一の流れ導管の接続区画に垂直になるように曲がっており、捩り部材の第2端部は、捩り部材の第2端部が単一の流れ導管の接続区画に連結されている場所で、第2端部が単一の流れ導管の接続区画に垂直になるように曲がっている、ことを更に含んでいるのが望ましい。
本方法は、単一の流れ導管の接続区画が、更に、
単一の流れ導管の第1曲げ区画に取り付けられている第1直線区画、及び第2曲げ区画に取り付けられている第2直線区画と、
第1直線区画と第2直線区画に取り付けられ、それらの間を伸張している湾曲頂上区画と、を備えている、ことを更に含んでいるのが望ましい。
本方法は、単一の流れ導管の平衡部材は、台形の概ね平坦なプレートであり、台形の幅広の端部が、捩り振動軸に沿って捩り部材に取り付けられている、ことを更に含んでいるのが望ましい。
本方法は、平衡部材は、単一の流れ導管の対称軸に沿って高い曲げ剛性を有するように構成されている、ことを更に含んでいるのが望ましい。
本方法は、流れ導管の剛性と、捩り部材及び平衡部材の剛性は、管と捩り部材及び平衡部材の位相外れ振動の固有周波数が、同相の固有周波数より遙かに高くなるように調節されている、ことを更に含んでいるのが望ましい。
図1から図7と以下の説明は、当業者に、本発明の最良の様式を作成及び使用する方法を教示する具体例を示している。本発明の原理を教示するために、幾つかの従来からの態様を単純化又は省略している。当業者には理解頂けるように、これらの例の変形例も本発明の範囲に含まれる。当業者には理解頂けるように、以下に述べる特徴を様々な方法で組み合わせると、本発明の多数の変型例を形成することができる。つまり、本発明は、以下に述べる具体例ではなく、特許請求の範囲とそれらの等価物によってのみ限定される。
図1は、本発明の例示的な実施形態のコリオリ流量計100の等角図である。コリオリ流量計100は、入口フランジ102、出口フランジ104、入口マニホルド154、出口マニホルド152、マニホルドスペーサー106、単一の湾曲流れ導管108、及び平衡構造110を備えている。入口及び出口フランジ(102と104)は、コリオリ流量計100を配管系(図示せず)に連結するのに用いられる。入口及び出口フランジ(102と104)は、通常、ボルト穴を有しているが、簡潔にするためボルト穴を図示していない。入口及び出口マニホルド(152と154)は、マニホルドスペーサー104の何れかの端部に固定されている。マニホルドスペーサー106は、通常、円筒形であるが、他の断面、例えば長方形断面に形成してもよい。単一の流れ導管108の各端部は、入口及び出口マニホルド(152と154)の開口部に嵌め込まれている。単一の湾曲流れ導管108の両端を2つのマニホルド(152と154)に接合するのに、軟接続(図示せず)を使用してもよい。単一の流れ導管108の湾曲区画は、マニホルドスペーサー106の各端部の開口部を通って、マニホルドスペーサー106の外側表面より上方に伸張している。平衡構造110は、2つの接続点で、単一の流れ導管108に取り付けられている。2つの接続点は、単一の流れ導管108がマニホルドスペーサー106の外側に伸張している場所に近い、単一の流れ導管108の何れかの端部近くに配置されている。平衡構造110は、単一の流れ導管108上の2つの接続点の間に懸垂されており、単一の流れ導管108とマニホルドスペーサー106の間に配置されている。作動時には、保護カバーをマニホルドスペーサーに取り付け、単一の湾曲流れ導管と平衡構造を損傷から防護する。図2は、本発明の例示的な実施形態によるコリオリ流量計200の等角図である。コリオリ流量計200は、入口フランジ202、出口フランジ204、入口マニホルド254、出口マニホルド252、マニホルドスペーサー206、及びケース212を備えている。
図3は、本発明の例示的な実施形態による単一の湾曲流れ導管308の等角図である。単一の湾曲流れ導管308は、入口区画312、出口区画314、第1曲げ区画316、第2曲げ区画318、第1直線区画320、第2直線区画322、及び湾曲頂上区画324で構成されている。入口区画312と出口区画314は、軸方向に整列しており、入口及び出口マニホルド(図示せず)それぞれに接合されている。第1曲げ区画316は、入口区画312に連結されている。第2曲げ区画318は、出口区画314に連結されている。第1直線区画320は、第1曲げ区画316に連結されている。第2直線区画322は、第2曲げ区画318に連結されている。湾曲頂上区画324は、第1及び第2直線区画(320と322)に連結されている。湾曲頂上区画324は、区画の形状が、円形であってもよいし、他の曲線形状でもよい。本発明の1つの例示的な実施形態(図示せず)では、湾曲頂上区画が、第1及び第2曲げ区画(316と318)に直接連結し、2つの直線区画(320と322)を無くしている。単一の湾曲流れ導管は、基本的に1つの面内に形成されている。単一の湾曲流れ導管は、軸AAに関して対称であり、従って、軸AAが、単一の流れ導管の対称軸になっている。
図4は、本発明の例示的な実施形態による、コリオリ流量計400の或る区画の等角図である。コリオリ流量計400は、マニホルドスペーサー406、流れ導管408、及び平衡構造410を備えている。平衡構造410は、捩り部材430、平衡部材432、ピックオフ支持部材434、及び駆動ブラケット438を備えている。平衡構造410と流れ導管408は、自由−自由二体ばねマス系として挙動する力学システムとして働く。
捩り部材430の各端部は、流れ導管408に取り付けられている。端部は、蝋付け、溶接、糊付け、締め付けなどによって取り付けられている。本発明の1つの例示的な実施形態では、捩り部材430の両端は、流れ導管408がマニホルドスペーサー406の外側表面の上方に伸張する場所近くで流れ導管408に取り付けられている。捩り部材430は、概ね平坦なプレートであり、2つの端部は、2つの端部が、捩り部材430が流れ導管408に取り付けられている2つの場所で流れ導管に垂直になるように、上向きに傾斜している。捩り部材430は、上面と下面を有している。上面は、流れ導管408の湾曲頂上区画に面している。下面は、マニホルドスペーサー406に面している。第1振動ノード(即ち、ゼロ運動の軸)は、捩り部材の長さに沿って伸張しており、捩り部材が流れ導管に取り付けられている場所近くで流れ導管の対称軸と交差している。第1振動ノードは、捩り振動ノード又は捩り振動軸とも呼ばれる。捩り部材は、概ね平坦なプレートとして示されているが、他の形状、例えば管、方形の棒などのであってもよい。
平衡部材432は、捩り部材430の上面に取り付けられており、捩り部材430の2つの端部の間の中心に配置されている。平衡部材432は、基本的に1つの面内に形成されている平坦なプレートである。平衡部材432は、捩り部材430の上面に垂直である。平衡部材432によって画定される面は、第1振動ノードと整列している。平衡部材432は、図4では台形として示されているが、長方形などの他の形状でもよい。平衡部材432は、単一の流れ導管によって画定される面の内外で、高い曲げ剛性を有するように作られている。
本発明の1つの例示的な実施形態では、ピックオフ支持部材434は、平衡部材432の頂部に取り付けられている。ピックオフ支持部材は、概略、1つの面内に形成されている平坦なプレートであり、各端部にはピックオフブラケット436が設けられている。ピックオフ支持部材434は、平衡部材432に垂直である。ピックオフ支持部材は、平衡部材432の左右及び前後方向の中央に配置されている。ピックオフ支持部材434の各端部のピックオフブラケット436は、ピックオフブラケットと流れ導管の間の相対的な位置又は速度を測定するセンサー(図示せず)を搭載するように作られている。磁石とコイルの対、光学センサーなどのどの様な型式のセンサーを使用してもよい。本発明の1つの例示的な実施形態では、磁石が流れ導管に取り付けられており、コイルがピックオフブラケットに取り付けられている。ピックオフ支持部材434は、低質量高剛性の構造として構成されており、ピックオフ支持部材の何れの振動モードの固有周波数も、管/平衡構造の駆動周波数とは遙かに離れている。固有周波数がこの様に離れているので、駆動周波数と他の振動モードの間の連成は最小になる。本発明の別の実施形態(図示せず)では、ピックオフセンサーは、平衡構造に搭載されていない。ピックオフセンサーは、コリオリ流量計の他の部分、例えばマニホルドスペーサーに搭載してもよい。
本発明の1つの例示的な実施形態では、駆動ブラケット438は、ピックオフ支持部材434の上に取り付けられている。駆動ブラケット438は、平衡構造と流れ導管の間に力を加えるのに用いられる駆動システム(図示せず)を搭載するように作られている。力は、通常は、流れ導管の湾曲区画の中央の管の対称軸で、流れ導管に加えられる。本発明の1つの例示的な実施形態(図示せず)では、駆動ブラケットが1つだけピックオフ支持部材に搭載されている。本発明の別の実施形態(図示せず)では、駆動ブラケットは、平衡部材に直接搭載することができる。
図5は、本発明の例示的な実施形態によるコリオリ流量計500の部分等角断面図である。コリオリ流量計500は、マニホルドスペーサー506、流れ導管508、及び平衡構造510を備えている。マニホルドスペーサー506の断面図は、ドングル540とヒンジ542を露出させるために示されている。図4で説明した様に、捩り部材530は、流れ導管508に取り付けられている。ドングル540は、捩り部材530の下面に取り付けられており、マニホルドスペーサー506の開口部を通してマニホルドスペーサー506の内部へと伸張している。本発明の1つの例示的な実施形態では、ドングルは、略長方形の平坦なプレートであり、長軸は、捩り部材530の下面に垂直である。ドングル540は、他の形状、例えばドングルの先端に質量を取り付けて長さを短くしたものでもよい。ドングル540は、流れ導管508の湾曲頂上区画の中央と交差する流れ導管508の対称軸を中心にして、その周りに対称に配置されている。ヒンジ542は、捩り部材530の下面をマニホルドスペーサー506の上面に連結する薄い部材である。ヒンジは、通常、2つの部品で形成されており、マニホルドスペーサー506のドングル開口部の各側に1つずつ配置されている。ヒンジ542は、捩り部材530の第1又は捩り振動ノードと整列する面を形成している。ヒンジ542は、捩り振動ノードと整列しているので、ヒンジは、流れ導管及び平衡構造の周波数を上げる効果は殆ど又は全く無い。ヒンジ542は、可撓性部材とも呼ばれる。
図6aと図6bは、本発明の例示的な実施形態による、コリオリ流量計600の単純化した端面図である。コリオリ流量計600は、入口フランジ602と、流れ導管608と、平衡構造を備えており、平衡構造は、可撓性部材642、捩り部材630、平衡部材632、ピックオフ支持部材634、ピックオフブラケット636、駆動ブラケット638、及びドングル640を備えている。流量計の作動について説明するに際し分かり易いように、コリオリ流量計600の幾つかの部分を単純化しており、例えば、捩り部材630を、1つの平坦なプレートとして示し、端部が上向きに傾斜していることを図示していない。図6aは、停止しているか、又は変位していない位置にある流れ導管と平衡構造を示している。作動時には、駆動ブラケットに取り付けられているドライバ(図示せず)が、流れ導管を矢印BBに沿って振動させる。平衡構造は、同じ周波数で、但し逆位相で振動する。
図6bは、本発明の例示的な実施形態による、振動中のピーク変位を誇張して示しているコリオリ流量計600の端面図である。流れ導管608は反時計回りに回転し、平衡部材632、ピックオフ支持部材634、及びドングル640は時計回りに回転して、流れ導管608の運動の平衡を取っている。捩り部材630は捩り方向に変形しており、捩り部材630の端部区画は流れ導管608と連動して動き、捩り部材630の中間区画は平衡部材632、ドングル640、及びピックオフ支持部材634と連動して動いている。捩り回転軸は、基本的に、可撓性部材642と捩り部材630の交差点に沿っている。
図7aと図7bは、本発明の例示的な実施形態による、捩り部材730の単純化した等角図である。捩り部材730は、両端が上向きに傾斜していない平坦なプレートとして示すことによって単純化されている。図7aは、撓んでいない状態の捩り部材730を示している。流量計の作動中は、流れ導管と平衡部材は、同じ周波数で但し逆位相で振動し、流れ導管と平衡部材を常に反対方向に動かす。図7bは、流れ導管と平衡構造が振動している間に現われる、捩り部材の形状の1つを示している。流れ導管(図示せず)に取り付けられている捩り部材730の両端部は、流れ導管の運動に追従して、軸BBの回りに反時計回り方向に捻られ又は回転されている。平衡構造(図示せず)に取り付けられている捩り部材730の中間又は中央区画は、平衡構造の運動に追従して、軸BBの回りに反対即ち時計回り方向に捻られ又は回転されている。流れ導管と平衡構造(図示せず)の反対の振動位置では、捩り部材の両端部は、軸BBの回りに時計回りに捩り方向に撓み、捩り部材730の中間区画は、軸BBの回りに反対即ち反時計回りに捩り方向に撓む。
軸CCと軸DDは、捩り部材730に形成される2つの振動ノード又は振動軸の場所を示している。捩り部材730の軸CCと軸DDの間の全ての部分は、軸BBの回りに平衡構造と共に回転する。捩り部材730の軸CCの左側と軸DDの右側の全ての部分は、軸BBの回りに流れ導管と共に回転する。軸CCと軸DDの位置又は場所は、流れ導管を通って流れる材料の密度の変化に応じて変わる。流れ導管を通って流れる材料の密度が高くなると、振動している管の質量が増え、2つの振動ノードは互いに離れていく。流れ導管を通って流れる材料の密度が低くなると、振動している管の質量が減り、2つの振動ノードは互いに近付く。流れ導管の振動振幅を平衡構造の振動振幅で割ったものを、振幅比と呼ぶ。振幅比も、流れ導管を通って流れる材料の密度の変化によって変わる。流体密度が高くなると、振幅比は小さくなる。
図8は、本発明の例示的な実施形態による、コリオリ流量計の一端の断面図である。図8は、出口マニホルド852、出口フランジ804、マニホルドスペーサー806、流れ導管の出口区画814、流れ導管の第2曲げ区画818、流れ導管の第2直線区画820、及び捩り部材830を備えている。出口マニホルド852は、マニホルドスペーサー806の端部に装着されている。流れ導管の出口区画814は、出口フランジ804に組み込まれている。この実施形態では、流れ導管は、マニホルド852に接触すること無くマニホルドを通過している。代わりに、流れ導管の端部は、フランジ804に取り付けられている。管が振動方向に動くのを防ぐために、管は、ケース接続リンク856に取り付けられている。流れ導管の第2曲げ区画818は、支持されていない。捩り部材830は、流れ導管がマニホルドスペーサー806から出てくる場所近くで流れ導管の第2直線区画に連結されている。流れ導管の第1曲げ区画(図示せず)も、支持されていない。
本発明の平衡構造及び流れ導管は、自由−自由二体ばねマス系として挙動する力学システムとして働く。システムは、外部の力無しに、システムの運動量が合計ゼロになる自己平衡システムである。システムは、流量計を通って流れる材料の密度の変化に応じて自身で平衡を取る。自己平衡は、振幅比の変化によって自動的に達成され、流体密度が高くなると、流れ導管の振幅が小さくなり、平衡構造の振幅が大きくなる。振幅比が変化するだけでなく、それに対応して、捩り部材を、平衡構造と共に動く部分と、流れ導管と共に動く部分とに分ける、2つの振動ノードの位置も変化する。管と平衡構造の固有振動周波数又は駆動周波数は、流量計の他の構造の固有振動周波数より遙かに高い。他の構造の周波数と流れ導管/平衡構造の周波数が大きく離れているので、流れ導管/平衡構造は、自由−自由二体系として挙動できるようになる。流れ導管の2つの曲げ区画は、支持されずに(図8に示すように)いるので、マニホルドに軟接続されている。流れ導管/平衡構造とマニホルドの間に軟接続を使用することにより、流れ導管/平衡構造の力学的構造は、自由−自由二体系として働く。
流れ導管と平衡構造の剛性は、管と平衡構造の位相外れ振動の固有周波数が同相の固有周波数より遙かに高くなるように調節される。これは、流れ導管と平衡構造の振動の2つのモードの間の連成を最小にする。本発明の1つの例示的な実施形態では、同相の固有周波数は247Hzであり、位相外れ固有周波数は408Hzである。流量計の設計は、更に、他の振動モードの固有周波数を、駆動周波数から少なくとも100Hz離して設定するように構成されている。
ドングルは、流れ導管/平衡構造の力学的構造の外側の、流れ導管の曲げ区画(316と318)の運動の平衡を取るのに用いられる。ドングルの長さ、形状、及び質量は、フランジ(102と104)内の残留運動を取り除くように調節される。
本発明の例示的な実施形態による、ケースを取り外した状態のコリオリ流量計100の等角図である。 本発明の例示的な実施形態による、ケースを取り付けた状態のコリオリ流量計200の等角図である。 本発明の例示的な実施形態による、単一の湾曲流れ導管308の等角図である。 本発明の例示的な実施形態による、コリオリ流量計400の或る区画の等角図である。 本発明の例示的な実施形態による、コリオリ流量計500の部分等角断面図である。 図6aは、本発明の例示的な実施形態による、撓んでいない状態のコリオリ流量計600の単純化した端面図である。 図6bは、本発明の例示的な実施形態による、振動中のピーク変位を誇張して示しているコリオリ流量計600の単純化した端面図である。 図7aは、本発明の例示的な実施形態による、捩り部材730の撓んでいない状態の単純化した等角図である。 図7bは、本発明の例示的な実施形態による、捩り部材730の撓んだ状態の単純化した等角図である。 本発明の例示的な実施形態による、コリオリ流量計の一端の断面図である。

Claims (31)

  1. 単一の流れ導管を備えているコリオリ流量計において、
    前記単一の流れ導管は、
    軸方向に整列している入口区画(312)及び出口区画(314)と、
    前記入口区画(312)に取り付けられている第1曲げ区画(316)、及び前記出口区画(314)に取り付けられている第2曲げ区画(318)と、
    前記第1曲げ区画(316)と前記第2曲げ区画(318)の間に伸張している接続区画(324)であって、前記接続区画の中心によって画定される対称軸のまわりに対称であり、前記単一の流れ導管は基本的に1つの面内に形成されている、接続区画(324)と、
    中央区画、第1端部及び第2端部を有する捩り部材(430)であって、前記第1端部は、前記単一の流れ導管の前記接続区画(324)に前記第1曲げ区画(316)近くで取り付けられており、前記第2端部は、前記単一の流れ導管の前記接続区画(324)に前記第2曲げ区画(318)近くで取り付けられている、捩り部材と、
    前記捩り部材(430)に取り付けられ、前記単一の流れ導管の前記接続区画の中心に向かって伸張しており、前記捩り部材(430)に概ね垂直である、平衡部材(432)と、
    前記平衡部材(432)に取り付けられており、駆動装置を搭載するように構成されている少なくとも1つの駆動ブラケット(438)であって、前記駆動装置は、前記単一の流れ導管に対して力を加えるように構成されている、駆動ブラケットと、を備えており、さらに、
    前記捩り部材(430)の前記第2端部は、前記単一の流れ導管と同相で振動するように構成され、前記捩り部材の前記中央区画は、前記単一の流れ導管と逆位相で振動するように構成されており、これにより、前記捩り部材を、捩り振動軸に沿って捩り方向に変形させる、コリオリ流量計。
  2. 前記単一の流れ導管の前記入口区画(312)に連結されている第1マニホルド、及び前記単一の流れ導管の前記出口区画(314)に連結されている第2マニホルドと、
    前記第1及び第2マニホルド(152、154)の間を伸張し、外側表面を有しているマニホルドスペーサー(106)であって、前記マニホルドスペーサー(106)は、前記第1マニホルド(154)近くで前記外側表面を貫通する第1開口部と、前記第2マニホルド(152)近くで外側表面を貫通する第2開口部とを有しており、前記単一の流れ導管の前記接続区画の第1端部は、前記第1開口部を通って伸張し、前記単一の流れ導管の前記接続区画の第2端部は前記第2開口部を通って伸張している、マニホルドスペーサーと、さらに、
    前記捩り振動軸と整列しており、前記マニホルドスペーサーの外側表面、及び前記捩り部材の前記中央区画に連結されている可撓性部材(542)と、を更に備えている、請求項1に記載のコリオリ流量計。
  3. 前記マニホルドスペーサー(106)は、前記単一の流れ導管の前記入口区画(312)及び前記出口区画(314)と、前記単一の流れ導管の前記第1曲げ区画(316)及び前記第2曲げ区画(318)とを取り囲んでいる、請求項2に記載のコリオリ流量計。
  4. 前記マニホルドスペーサー(106)は基本的に円筒形である、請求項2に記載のコリオリ流量計。
  5. 前記捩り振動軸は、前記単一の流れ導管によって画定される面内にある、請求項1に記載のコリオリ流量計。
  6. 前記平衡部材(432)に取り付けられているピックオフ支持部材(434)であって、前記捩り部材(430)と平行であり、前記単一の流れ導管の対称軸に関して互いに反対側に位置する、前記単一の流れ導管の前記接続区画(324)の2つの区分の間を伸張しており、前記ピックオフ支持部材(434)の第1端部に第1センサー装置を、前記ピックオフ支持部材の第2端部に第2センサー装置を保持するように構成されている、ピックオフ支持部材を更に備えている、請求項1に記載のコリオリ流量計。
  7. 前記捩り部材(530)に取り付けられているドングル(540)であって、前記捩り部材(530)に垂直であり、前記捩り部材(530)から下方に、前記単一の流れ導管から離れる方向に伸張し、前記単一の流れ導管の対称軸と整列しており、前記第1及び前記第2マニホルドの残留運動を取り除くように構成されている、ドングルを更に備えている、請求項2に記載のコリオリ流量計。
  8. 前記ドングル(540)は、略長方形の平坦なプレートであり、前記長方形の長軸は前記捩り部材(530)に垂直である、請求項7に記載のコリオリ流量計。
  9. 前記捩り部材(430)は、前記捩り振動軸と平行な、概ね平坦なプレートであり、前記捩り部材の前記第1端部は、前記捩り部材の前記第1端部が前記単一の流れ導管の前記接続区画に連結されている場所で、前記第1端部が、前記単一の流れ導管の前記接続区画に垂直になるように曲がっており、前記捩り部材の前記第2端部は、前記捩り部材の前記第2端部が前記単一の流れ導管の前記接続区画に連結されている場所で、前記第2端部が、前記単一の流れ導管の前記接続区画に垂直になるように曲がっている、請求項1に記載のコリオリ流量計。
  10. 前記単一の流れ導管の前記接続区画は、
    前記単一の流れ導管の前記第1曲げ区画(316)に取り付けられている第1直線区画(320)、及び前記第2曲げ区画(318)に取り付けられている第2直線区画(322)と、
    前記第1直線区画及び前記第2直線区画に取り付けられ、それらの間を伸張している湾曲頂上区画と、を更に備えている、請求項1に記載のコリオリ流量計。
  11. 前記単一の流れ導管の前記平衡部材(410)は、台形の概ね平坦なプレートであり、前記台形の幅広の端部は、前記捩り振動軸に沿って前記捩り部材(430)に取り付けられている、請求項1に記載のコリオリ流量計。
  12. 前記平衡部材(410)は、前記単一の流れ導管の対称軸に沿って高い曲げ剛性を有するように構成されている、請求項1に記載のコリオリ流量計。
  13. 前記単一の流れ導管(308)の剛性と前記捩り部材(430)及び前記平衡部材(432)の剛性は、前記流れ導管と前記捩り部材及び前記平衡部材の、位相外れ振動の固有周波数が、同相の固有周波数より遙かに高くなるように調節されている、請求項1に記載のコリオリ流量計。
  14. 単一の湾曲流れ導管を有するコリオリ流量計を動作させる方法であって
    前記単一の湾曲流れ導管(308)を前記コリオリ流量計の両端の間に懸垂する段階であって、当該単一の湾曲流れ導管(308)の2つの曲げ区画支持されておらず、当該2つの曲げ区画が当該単一の湾曲流れ導管の対称軸に関して互いに反対側にある、前記単一の湾曲流れ導管(308)を懸垂する段階と、
    捩り部材(430)の両端を、前記単一の湾曲流れ導管(308)に、当該単一の湾曲流れ導管(308)の対称軸に関して対称に位置している、当該単一の湾曲流れ導管の前記2つの曲げ区画より前記対称軸に近い2つの点で、取り付ける段階と、
    前記単一の湾曲流れ導管(308)と平衡部材(432)との間に、当該平衡部材(432)と当該単一の湾曲流れ導管(308)が同じ周波数で但し逆位相で振動するように力を生成する段階であって、当該平衡部材(432)は前記捩り部材(430)の中央区画に取り付けられ、当該捩り部材(430)の当該中央区画は捩り方向に捩り振動軸に沿って当該平衡部材と同相で撓み、当該捩り部材の前記両端捩り方向に前記捩り振動軸に沿って当該単一の湾曲流れ導管(308)と同相で撓む、力を生成する段階と、から成る方法。
  15. 前記捩り部材(430)は、マニホルドスペーサー(406)に可撓性部材(542)によって取り付けられており、
    前記可撓性部材(542)は、前記捩り振動軸と整列している、請求項14に記載の方法。
  16. 前記コリオリ流量計が前記単一の湾曲流れ導管(308)の入口区画(312)に接合されている第1のマニホルド(154)、前記単一の湾曲流れ導管(308)の出口区画(314)に接合されている第2のマニホルド(152)、及び前記第1のマニホルド(154)と前記第2のマニホルド(152)との間に延びるマニホルドスペーサー(106)を具備しており、
    ドングル(540)は、前記捩り部材(430)の前記平衡部材(432)の反対側に取り付けられ、前記2つのマニホルドの残留運動を取り除くように構成されている、請求項14に記載の方法。
  17. 第1密度を有する材料を、前記振動している単一の湾曲流れ導管を通して流す段階、を更に含んでいる請求項14に記載の方法。
  18. 第2密度を有する材料を、前記単一の湾曲流れ導管(308)を通して流す段階であって、前記第1密度と前記第2密度は異なっており、前記第1振動軸は前記第1位置に形成されず、前記第2振動軸は前記第2位置に形成されない、第2密度を有する材料を流す段階を更に含んでいる、請求項17に記載の方法。
  19. コリオリ流量計を製造する方法において、
    単一の流れ導管を設ける段階であって、前記単一の流れ導管は、
    軸方向に整列している入口区画(312)及び出口区画(314)と、
    前記入口区画(312)に取り付けられている第1曲げ区画(316)及び前記出口区画(314)に取り付けられている第2曲げ区画(318)と、
    前記第1曲げ区画(316)と前記第2曲げ区画(318)の間を伸張している接続区画(324)であって、前記単一の流れ導管は、前記接続区画の中心によって画定される対称軸のまわりに対称であり、前記単一の流れ導管は、基本的に1つの面内に形成されている、接続区画とを備えている、単一の流れ導管を設ける段階と、
    捩り部材(430)の第1端部を、前記単一の流れ導管の前記接続区画に前記第1曲げ区画(316)近くで取り付け、前記捩り部材(430)の第2端部を、前記単一の流れ導管の前記接続区画に前記第2曲げ区画(318)近くで取り付ける段階と、
    平衡部材(432)を前記捩り部材(430)の第1側に取り付ける段階であって、前記平衡部材(432)は、前記単一の流れ導管の前記接続区画の中央に向かって伸張しており、前記平衡部材(432)は、前記流れ導管の面内に向けられている、平衡部材(432)を取り付ける段階と、さらに、
    少なくとも1つの駆動ブラケット(438)を前記平衡部材(432)に取り付ける段階であって、前記少なくとも1つの駆動ブラケット(438)は駆動装置を搭載するように構成されており、前記駆動装置は前記単一の流れ導管に力を加えるよう構成されている、駆動ブラケット(438)を取り付ける段階と、から成り、
    前記捩り部材(430)は、中央区画を有しており、前記捩り部材(430)の前記第1端部と前記第2端部は、前記単一の流れ導管と同相で振動するよう構成されており、前記捩り部材(430)の前記中央区画は、前記単一の流れ導管とは逆位相で振動するように構成されていて、前記捩り部材を、捩り振動軸に沿って捩り方向に変形させる、コリオリ流量計を製造する方法。
  20. 第1マニホルド(154)を前記単一の流れ導管の前記入口区画(312)に連結させ、第2マニホルド(152)を前記単一の流れ導管の前記出口区画(314)に連結させる段階と、
    マニホルドスペーサー(406)を、前記第1と前記第2のマニホルド(154、152)の間に取り付ける段階であって、前記マニホルドスペーサー(406)は、外側表面を有しており、前記マニホルドスペーサーは、前記第1マニホルド(154)近くで外側表面を貫通する第1開口部と、前記第2マニホルド(152)近くで外側表面を貫通する第2開口部を有しており、前記単一の流れ導管の前記接続区画の第1端部は、前記第1開口部を通って伸張し、前記単一の流れ導管の前記接続区画の第2端部は、前記第2開口部を通って伸張している、マニホルドスペーサー(406)を取り付ける段階と、
    可撓性部材(542)を、前記マニホルドスペーサー(406)の外側表面及び前記捩り部材に取り付ける段階であって、前記可撓性部材は前記捩り振動軸と整列している、可撓性部材(542)を取り付ける段階と、を更に含んでいる、請求項19に記載のコリオリ流量計を製造する方法。
  21. 前記マニホルドスペーサー(406)は、前記単一の流れ導管の前記入口区画(312)及び前記出口区画(314)と、前記単一の流れ導管の前記第1曲げ区画(316)及び前記第2曲げ区画(318)とを取り囲んでいる、請求項20に記載のコリオリ流量計を製造する方法。
  22. 前記マニホルドスペーサー(406)は、基本的に円筒形である、請求項20に記載のコリオリ流量計を製造する方法。
  23. 前記捩り振動軸は、前記単一の流れ導管の前記接続区画の前記第1曲げ区画近くと、前記単一の流れ導管の前記接続区画の前記第2曲げ区画近くの間を、前記捩り部材の前記中央区画の長さに沿って走っている、請求項19に記載のコリオリ流量計を製造する方法。
  24. ピックオフ支持部材(434)を前記平衡部材(432)に取り付ける段階であって、前記ピックオフ支持部材(434)は、前記捩り部材(430)と平行であり、単一の前記流れ導管の前記接続区画の、前記単一の流れ導管の対称軸に対して反対側の2つの区分の間を伸張しており、前記ピックオフ支持部材は、第1センサー装置を前記ピックオフ支持部材の第1端部に、第2センサー装置を前記ピックオフ支持部材の第2端部に、保持するように構成されている、ピックオフ支持部材(434)を取り付ける段階を更に含んでいる、請求項19に記載のコリオリ流量計を製造する方法。
  25. ドングル(540)を前記捩り部材(430)に取り付ける段階であって、前記ドングル(540)は、前記捩り部材(430)に垂直であり、前記捩り部材(430)から下向きに、前記平衡部材(432)から離れる方向に伸張し、前記単一の流れ導管の面内に整列しており、前記ドングル(540)は、前記第1及び前記第2マニホルド内の残留運動を取り除くように構成されている、ドングル(540)を取り付ける段階を更に含んでいる、請求項19に記載のコリオリ流量計を製造する方法。
  26. 前記ドングル(540)は、略長方形の平坦なプレートであり、前記長方形の長軸は前記捩り部材に垂直である、請求項24に記載のコリオリ流量計を製造する方法。
  27. 前記捩り部材(430)は、前記捩り振動軸に平行な概ね平坦なプレートであり、前記捩り部材(430)の前記第1端部は、前記捩り部材(430)の前記第1端部が前記単一の流れ導管の前記接続区画に連結されている場所で、前記第1端部が前記単一の流れ導管の前記接続区画に垂直になるように曲がっており、前記捩り部材(430)の前記第2端部は、前記捩り部材(430)の第前記2端部が前記単一の流れ導管の前記接続区画に連結されている場所で、前記第2端部が前記単一の流れ導管の前記接続区画に垂直になるように曲がっている、請求項19に記載のコリオリ流量計を製造する方法。
  28. 前記単一の流れ導管の前記接続区画は、
    前記単一の流れ導管の前記第1曲げ区画(316)に取り付けられている第1直線区画(320)、及び前記第2曲げ区画(318)に取り付けられている第2直線区画と、
    前記第1直線区画と前記第2直線区画に取り付けられ、それらの間を伸張している湾曲頂上区画と、を更に備えている、請求項19に記載のコリオリ流量計を製造する方法。
  29. 前記単一の流れ導管の前記平衡部材(432)は、台形の概ね平坦なプレートであり、前記台形の幅広の端部は、前記捩り振動軸に沿って前記捩り部材(430)に取り付けられている、請求項19に記載のコリオリ流量計を製造する方法。
  30. 前記平衡部材(430)は、前記単一の流れ導管の対称軸に沿って高い曲げ剛性を有するように構成されている、請求項19に記載のコリオリ流量計を製造する方法。
  31. 前記単一の流れ導管の剛性と、前記捩り部材(430)及び前記平衡部材(432)の剛性は、前記単一の流れ導管と前記捩り部材及び前記平衡部材の位相外れ振動の固有周波数が、同相の固有周波数より遙かに高くなるように調節されている、請求項19に記載のコリオリ流量計を製造する方法。
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