JP5490069B2 - コリオリ質量流量測定器を用いて媒体の粘度を検出するための方法 - Google Patents

Description

本発明は、コリオリ質量流量測定器を用いて媒体の粘度を検出するための方法に関する。コリオリ質量流量測定器は、媒体が流れる少なくとも２つの測定管と測定装置とを有し、測定装置は少なくとも２つのアクチュエータユニットを有し、測定管中心軸によって測定管平面が規定されており、またアクチュエータユニットは測定管平面の両側に配置されている。

従来技術からは、種々の形態のコリオリ質量流量測定器が公知である。それら種々のコリオリ質量流量測定器は、一方では測定器の測定管の個数によって区別されるか、他方では測定管が湾曲しているか、または直線状であるかによって区別される。質量流量を測定するために測定管に振動が励起される。測定管の入口側の端部および出口側の端部は流量の無い状態で、すなわち媒体が流れることなく、相互に同相で振動する。質量流量でもって、コリオリ加速度による慣性力は、測定管の振動における位相シフトを惹起する。この位相シフトをセンサ装置によって検出し、流量測定に関する測定信号として評価することができる。

さらには、従来技術、例えばUS 6,006,609からは、測定管を１つだけ備えた質量流量測定器が公知である。この質量流量測定器では、一方では、測定管がその軸方向に対して垂直の方向に振動し、また（流量測定のために）振動平面においても振動することによって、測定管を流量の検出に使用することができる。しかしながら他方では、測定管はねじれ振動し、このねじれ振動を評価することによって、測定管内を流れる媒体の粘度を推量することができる。このために必要とされる数式上の物理的な関係は従来から公知であるので、本願明細書においては考察の主要な対象ではない。いずれにせよ、ねじれ振動の作用によって、測定管壁は流れる媒体において周方向に作用する剪断力を形成し、この剪断力によってねじれ振動から振動エネルギが取り出され、取り出された振動エネルギは媒体において消失する。測定管のねじれ振動を維持するために、付加的な励起エネルギを測定管に供給することが必要となる。ねじれ振動を維持するために付加的に供給される励起エネルギの大きさから、質量センサを用いて媒体の粘度を検出することができる。

しかしながら、例えばUS 6,006,609に記載されているような従来技術から公知である、媒体の粘度の検出に適したコリオリ質量流量測定器は、ねじれ振動を検出するために高価な測定装置が必要であるという欠点を有する。

US 6,006,609

前述の従来技術から出発して、本願発明が基礎とする課題は、コリオリ質量流量測定器における構造的に費用の掛かる措置を省略することができる、コリオリ質量流量測定器を用いて粘度を検出するための方法を提供することである。

前述の課題は、本発明による方法においては以下のようにして解決される。すなわち、測定装置を用いて、相互に逆方向に向いた、かつ、周波数Ｆ₁を有するねじれ振動を測定管に励起し、ただし、ねじれ振動を、アクチュエータユニットが相互に逆方向の作用方向でもって交互に駆動制御されることによって励起し、測定装置の測定値の評価によって少なくとも媒体の粘度を検出することによって解決される。

アクチュエータユニットは有利には、測定管の長手方向の延在方向に関して、測定管の中央に固定されており、アクチュエータユニットの第１の部分が一方の測定管に固定されており、アクチュエータユニットの第２の部分が他方の測定管に固定されている。アクチュエータユニットは測定管平面の両側に固定されているので、一方のアクチュエータユニットは測定管平面に対し一方の側において測定管に固定されており、他方のアクチュエータユニットは測定管平面に対し他方の側において測定管に固定されている。換言すれば、アクチュエータユニットは測定管平面の外側に配置されている。有利には、２つのアクチュエータユニットは測定管平面について対称的に配置されている。

測定管平面は測定管中心軸によって規定されており、また２つの測定管が位置している平面であり、通常の場合、質量流量を検出するために測定管が主として振動する平面である。ここで「主として」とは、前述の平面から僅かに外れた位置においても振動が常に存在する可能性があることを意味する。もっとも、その程度の振動は考慮すべきものではない。

測定管平面の上側ないし下側のそれぞれの側において交互に異なる作用方向でアクチュエータユニットが駆動制御されることによって、すなわち、測定管平面の上側および下側においてその都度異なる作用方向でのアクチュエータユニットの駆動制御が繰り返されることによって、関与する測定管をそれぞれねじれ振動させることができるので、測定管は相互に逆位相で回転するように振動する。２つの測定管において生じているねじれ振動が逆位相であることは有利である。何故ならば、測定管が振動状態にある間も、コリオリ質量流量測定器の質量中心は実質的に同じ位置に留まっているので、コリオリ質量流量測定器における構造的な変更を必要とすることなく、検出される測定値への影響は比較的少なくなり、したがって測定値の質が向上するからである。

アクチュエータユニットの前述の駆動制御によって、それぞれの測定管周囲の対向する位置において測定管は相互に離れるように振動するか、相互に接近するように振動するので、ねじれ振動が非常に厳密に生じ、また、測定結果に不所望な影響を及ぼす妨害的な振動が阻止される。測定管の上側または下側のいずれかの側にある単一のアクチュエータを用いた励起では、測定管においては回転性の振動に加えて、測定管平面においても振動が励起される可能性があり、そのような振動はねじれ振動のみの評価に悪影響を及ぼす。

測定管のねじれ振動は、有利には、もっぱら２つの結合プレート間で行われる。それらの結合プレートは測定管の端部領域において測定管を相互に結合させ、また、測定器を包囲する管路系へと振動が伝播することを阻止する。２つの測定管を備えた質量流量測定器では、それらの測定管において、実質的にそれぞれの測定管中心軸を中心としたねじれ振動が励起される。例えば４つの測定管を備えた質量流量測定器の場合、２つの測定管の間に位置する軸を中心にして、それぞれ２つの測定管が一緒に振動する。しかしながら、測定管を２つだけ備えた質量流量測定器の使用が有利である。

粘度は測定装置の測定値の評価によって検出される。このことは、一方では、粘度が振動測定値ないし減衰から検出されること、他方では、粘度は必要とされる励起エネルギの評価によって検出されることを意味していてもよい。ねじれ振動に関する周波数Ｆ₁は例えば７２０Ｈｚである。

媒体の質量流量および粘度を同時に検出するために、本発明による方法の有利な実施形態によれば、測定装置によって、２つの測定管にはねじれ振動が励起されるのと同時に、共通の測定管平面においては、周波数Ｆ₁とは異なる周波数Ｆ₂を有する平面振動もさらに励起される。「平面振動」とは、複数の測定管の振動が共通の平面において行われ、それらの測定管が有利には平面振動時にも相互に逆位相で振動することを意味する。測定装置を用いて求められた測定値から、少なくとも、媒体の質量流量および粘度が検出される。ねじれ振動と平面振動が異なる周波数を有することによって、それらの振動を測定装置によって原理的には相互に独立して評価することができるので、一方の振動による他方の振動の測定値への影響を排除することができる。

測定管には、アクチュエータユニットからの共通の励起信号によって、ねじれ振動および平面振動が異なる周波数で同時に励起される。測定管はアクチュエータユニットによって、測定管平面の両側において相互に接近し、次いで、相互に離れる。この運動が繰り返されることによって、周波数Ｆ₁を有するねじれ振動が生じる。それと同時に、共通の励起信号でもって、少なくとも、相互に突き合わされる運動と相互に引き離される運動が測定管において行われることによって、測定管の測定管平面においては周波数Ｆ₂を有する平面振動が励起される。２つの周波数および異なる測定結果に関する検出および評価は相互に別個に行われる。

前述の実施形態とは異なる、本発明による方法の１つの実施形態によれば、測定管には測定装置によって、異なる時点において、周波数Ｆ₁を有するねじれ振動、または、周波数Ｆ₁とは異なる周波数Ｆ₂を有する平面振動が励起される。このために測定管には例えば、先ずねじれ振動が励起され、このねじれ振動が完全に消失する前か、または、ねじれ振動が完全に消失した後に、平面振動が励起される。ねじれ振動および平面振動が異なる周波数で励起されることによって、質量流量および粘度を検出するための測定値の評価が、相互に影響受けることなく別個に行われる。ねじれ振動の測定値から粘度が検出され、また平面振動の測定値から質量流量が検出される。

振動の相互的な影響が排除されていることを保証するために、周波数Ｆ₁およびＦ₂は相互に十分な間隔を有していなければならない。有利には、周波数Ｆ₁およびＦ₂として、それぞれの振動タイプでの測定管の固有周波数が選択され、殊に、相互に最小周波数間隔を有する周波数が選択される。有利な実施形態によれば、ねじれ振動の周波数Ｆ₁と平面振動の周波数Ｆ₂との間には、ねじれ振動の周波数の少なくとも２％、有利には３．５％、殊に有利には５％の差がある。この種の周波数間隔によって、ねじれ振動の測定結果が平面振動の測定結果に影響及ぼすことなく、また、平面振動の測定結果がねじれ振動の測定結果に影響及ぼすことなく、すなわち、２つの測定結果が最大限に相互に影響を及ぼすことなく、別個に評価できることが保証されている。有利には、周波数に依存せずに、周波数間隔は少なくとも２５Ｈｚである。

ねじれ振動の測定結果から粘度を検出するために種々の方式が公知であるが、本発明による方法の１つの実施形態は、測定装置の測定値から、２つの測定管のねじれ振動の減衰率が検出され、減衰率から媒体の粘度が算出されることを特徴とする。媒体によって惹起される剪断力はねじれ振動を著しく減衰させるので、アクチュエータユニットによる励起が停止された場合には、減衰率を検出することができる。減衰率の逆数は媒体の粘度に直接的に比例する。

媒体の粘度を検出するための別の可能性は、本発明による方法の１つの発展形態によって得られる。すなわち、測定装置の固定の励起エネルギにおいて達したねじれ振動の振幅が、測定媒体の粘度を検出するために評価される。励起エネルギが媒体内で消失し、消失した励起エネルギの大きさを介して媒体の粘度を推量できることによって、本発明による方法のこの発展形態では、粘度を検出するための別の可能性も得られ、この算出方式を単独でも実施することができるが、減衰率を介する粘度の検出に付加的に実施することもできる。

固定の励起エネルギにおける振幅の検出の代わりに、本発明による方法の別の発展形態によれば、ねじれ振動の振幅を固定した場合に励起に必要とされる励起エネルギが、測定媒体の粘度を検出するために評価される。原則的に、この方式も剪断応力によって消失するエネルギを評価するので、消失したエネルギから管路内を流れる媒体の粘度を推量することができる。

測定管の振動を殊に有利に評価するために、本発明による方法の別の実施形態によれば、測定装置が少なくとも４つのセンサユニットを有し、測定管平面の上側と下側にそれぞれ２つのセンサユニットが配置されており、また測定管平面の一方の側に配置されているそれぞれ２つのセンサユニットを用いてねじれ振動が検出され、また測定管平面の他方の側に配置されているそれぞれ２つのセンサユニットを用いて平面振動が検出される。有利には、それぞれが相互的に配属されているセンサユニットは、相互的に対称的に配置されている。センサユニットは常に振動平面の外側に位置しているので、ねじれ振動もセンサユニットを用いて検出することができる。測定管の長手方向にわたり、アクチュエータユニットの右側と左側にそれぞれ２つのセンサユニットが配置されているので、測定管の長手方向にわたっても、有利には対称的な配置構成が生じている。

アクチュエータユニットもセンサユニットも有利には保持装置を用いて測定管に固定されている。またセンサユニットに関しては以下のことも当てはまる。すなわち、１つのセンサユニットが２つの部分から構成されており、センサユニットのそれぞれの第１の部分が固有の保持装置を用いて一方の測定管に固定されており、センサユニットのそれぞれの第２の部分が固有の保持装置を用いて他方の測定管に固定されているので、センサユニットの第１の部分およびセンサユニットの第２の部分が相互作用することができる。

本発明による方法の１つの有利な発展形態によれば、ねじれ振動の測定値から、質量流量測定器の保守状態に関する診断情報を導出することができる。ねじれ振動に由来する診断情報に付加的に、例えば、平面振動の減衰率も診断のために評価することができる。つまり、例えば、媒体を流すことなく測定管を規則的な間隔でねじれ振動および／または平面振動させ、実際の測定値と先行の測定値とを比較することによって、または、測定自体から直接的に、測定器の保守状態に関する診断情報を取得することができる。

本発明による方法の最後の実施形態によれば、測定管にねじれ振動および／または平面振動を励起させた後に、アクチュエータユニットが測定値を検出するためのセンサユニットとして使用される。技術的に見て、アクチュエータユニットおよびセンサユニットは相互に実質的に異なる構成を有していることは少ない。何故ならば、アクチュエータユニットもセンサユニットも、一方の側にはユニットの第１の部分としてメタルコアが設けられており、他方の側にはコイルが設けられていることが多いので、アクチュエータユニットはセンサユニットとしても使用でき、またセンサユニットは基本的にアクチュエータユニットとしても使用できるからである。アクチュエータユニットはこのために、先ずアクチュエータユニットとして使用され、ねじれ振動および／または平面振動を生じさせるために使用される。続いて振動の励起が停止され、一緒に振動している、センサユニットとして使用されるアクチュエータユニットを用いて振動が検出され、測定値が評価される。もちろん、継続的な動作においてはセンサユニットとしてのアクチュエータユニットの使用を手動で、または自動的に交互に切り替えることができるので、測定管は規則的に励起されるが、測定値を一時的に検出することもできる。

詳細には、本発明による方法を構成し発展させるための多数の可能性が存在する。これに関しては、請求項１に従属する請求項、また図面と関連させて説明する有利な実施例の以下の説明も参照されたい。

本発明による方法を用いてねじれ振動が励起される、コリオリ質量流量測定器の２つの測定管を示す。 ねじれ振動ならびに平面振動が励起される、コリオリ質量流量測定器の２つの測定管を示す。 ２つのアクチュエータユニットおよび２つのセンサユニットを備えたコリオリ質量流量測定装置の実施例を示す。 ２つのアクチュエータユニットおよび４つのセンサユニットを備えたコリオリ質量流量測定装置の実施例を示す。 本発明による方法の実施例のフローチャートを示す。 本発明による方法の実施例のフローチャートを示す。

図１は、媒体を流すことができる、コリオリ質量流量測定器のための２つの測定管１を示す。このコリオリ質量流量測定器を用いて、媒体の粘度を検出するための方法が実施される。測定管１には測定装置２の一部が固定されており、測定装置２は少なくとも２つのアクチュエータユニット３を有する。各アクチュエータユニット３は第１の部分３ａおよび第２の部分３ｂを含む。測定管１の測定管中心軸４は測定管平面５を規定する。測定管は媒体の質量流量を測定するために、主としてこの測定管平面５において振動する。アクチュエータユニット３は、それらのアクチュエータユニット３が測定管平面５の両側に配置されているように、すなわち測定管平面５の上側と下側にそれぞれ１つのアクチュエータユニット３が配置されているように、保持装置６を用いて測定管１に固定されている。図１に示されている実施例においては、アクチュエータユニット３が測定管平面５について相互に対称的に配置されている。

本発明による方法を実施するために、２つの測定管１においては、測定装置２を用いて、ここでは殊にアクチュエータユニット３を用いて、相互に逆方向に向いた、かつ、周波数Ｆ₁を有するねじれ振動７が励起される（図５ａおよび図５ｂにおけるステップ８も参照されたい）。この励起はアクチュエータユニット３が相互に逆方向の作用方向９でもって交互に駆動制御されることによって行われる。つまり、例えば図１において上側に示されているアクチュエータユニット３の第１の部分３ａおよび第２の部分３ｂが相互に逆方向の作用方向９ａでもって相互に離れる方向に運動し、その一方ではそれと同時に、図１において下側に示されているアクチュエータユニット３の第１の部分３ａおよび第２の部分３ｂが相互に逆方向の作用方向９ｂでもって相互に接近する方向に運動するようアクチュエータユニット３が駆動制御されると、測定管１には測定管中心軸４を中心としたねじれ振動７が励起される（図５ａおよび図５ｂにおけるステップ８を参照されたい）。したがってアクチュエータユニット３は交番的に駆動制御されるので、測定管１の測定管中心軸４を中心とした均等なねじれ振動７が生じる。測定管１のねじれ振動７は測定装置２を用いて検出され、測定装置２の測定値の評価（図５ａおよび図５ｂにおけるステップ１０も参照されたい）によって、少なくとも媒体の粘度が検出される。

図２は、コリオリ質量流量測定器のための２つの測定管１を示す。アクチュエータユニット３は測定管平面５の両側において、保持装置６を用いて測定管１に固定されている。測定装置２を用いることにより、周波数Ｆ₁を有するねじれ振動が測定管１に励起され（図５ｂにおけるステップ８を参照されたい）、それと同時に共通の測定管平面５においては、周波数Ｆ₂を有する平面振動１１が測定管１に励起される（図５ｂにおけるステップ１２を参照されたい）。測定装置２を用いて求められた測定値から、少なくとも、測定管１を流れる媒体の質量流量および粘度が検出される。

図３は、コリオリ質量流量測定器のための２つの測定管１を示す。測定装置２は２つのアクチュエータユニット３を有し、測定管平面５の上側と下側にそれぞれ１つのアクチュエータユニット３が、それらのアクチュエータユニット３のそれぞれ１つの部分のための保持装置６を用いて測定管１に固定されている。１つの保持装置６には、２つのアクチュエータユニット３の２つの第１の部分３ａまたは２つの第２の部分３ｂが固定されている。この実施例においては、測定装置２がさらに２つのセンサユニット１３を有している。それらのセンサユニット１３は第１の部分１３ａおよび第２の部分１３ｂから構成されており、また測定管平面５の上側において保持装置６を用いて固定されている。この実施例においては、測定管平面５のセンサユニット１３が設けられている側とは反対側では、保持装置６に釣り合いおもり１４が固定されており、この釣り合いおもり１４は振動期間中にセンサユニット１３の重量のバランスを取る。測定管１にはアクチュエータユニット３を用いることにより、周波数Ｆ₁を有するねじれ振動が励起され（図５ｂにおけるステップ８を参照されたい）、またそれと同時に、共通の測定管平面５において、周波数Ｆ₂を有する平面振動が励起される（図５ｂにおけるステップ１２を参照されたい）。

測定管１の両端部領域には結合プレート１５が配置されており、それらの結合プレート１５は測定管１の測定領域（すなわち内側の２つの結合プレートの間）を規定し、また、コリオリ質量流量測定器を包囲する（図示していない）管路系へと振動が伝播することを阻止する。

図４は、測定装置２を備えたコリオリ質量流量測定器のための２つの測定管１を示す。この実施例において測定装置２は、測定管平面５の上側と下側にそれぞれ１つずつ配置されている２つのアクチュエータユニット３と、全部で４つのセンサユニット１３とを有する。センサユニット１３およびアクチュエータユニット３はそれぞれ保持装置６を用いて測定管１に固定されており、センサ装置の第１の部分１３ａおよびアクチュエータユニット３の第１の部分３ａはそれぞれ一方の測定管１に固定されており、またセンサ装置１３の第２の部分１３ｂおよびアクチュエータユニット３の第２の部分３ｂはそれぞれ他方の測定管１に固定されている。測定管１はアクチュエータユニット３を用いることにより、周波数Ｆ₁を有するねじれ振動が励起され（図５ｂにおけるステップ８を参照されたい）、それと同時に共通の測定管平面５においては、周波数Ｆ₁とは異なる周波数Ｆ₂を有する平面振動が励起される（図５ｂにおけるステップ１２を参照されたい）。測定管１の振動（ねじれ振動７および平面振動１１）の検出はセンサユニット１３を用いて行われる。図４において測定管１の上側に配置されているそれぞれのセンサユニット１３を用いて平面振動１１が検出され、図４において測定管１の下側に配置されているそれぞれのセンサユニット１３を用いてねじれ振動７が検出される。したがって、測定装置２の測定値の評価（図５ａおよび図５ｂにおけるステップ１０を参照されたい）によって、流れる媒体の粘度も質量流量も検出することができる。測定管１の端部領域には結合プレート１５が配置されており、これらの結合プレート１５は（図示していない）管路系へと振動が伝播することを阻止する。

図５ａは本発明による方法の１つの実施例のフローチャートを示す。測定管１においては測定装置２、殊にアクチュエータユニットを用いて、相互に逆方向に向いた、かつ、周波数Ｆ₁を有するねじれ振動７が励起される（ステップ８）。このねじれ振動７は、アクチュエータユニット３が相互に逆方向の作用方向９でもって交互に駆動制御されることによって行われる。測定装置２を用いて検出された測定値の評価（ステップ１０）によって少なくとも媒体の粘度が検出される。

図５ｂは、コリオリ質量流量測定器を用いて媒体の粘度を検出するための本発明による方法の実施例の別のフローチャートを示す。測定管１においては測定装置２、殊にアクチュエータユニット３を用いて、相互に逆方向に向いた、かつ、周波数Ｆ₁を有するねじれ振動が励起され（ステップ８）、さらには、ねじれ振動７と同時に、付加的に平面振動１１もアクチュエータユニット３において励起される（ステップ１２）。測定装置２を用いて検出された測定値の評価（ステップ１０）によって、媒体の粘度および質量流量が検出される。

Claims (8)

1. コリオリ質量流量測定器を用いて媒体の粘度を検出するための方法であって、
   前記コリオリ質量流量測定器は、媒体が流れる少なくとも２つの測定管（１）と測定装置（２）とを有し、
   前記測定装置（２）は少なくとも２つのアクチュエータユニット（３）を有し、
   測定管中心軸（４）によって測定管平面（５）が規定されており、
   前記アクチュエータユニット（３）は前記測定管平面（５）の両側かつ前記測定管平面（５）の外側に配置されており、
   前記測定装置（２）を用いて、相互に逆方向に向いた、かつ、周波数Ｆ₁を有するねじれ振動（７）を前記測定管（１）に励起（８）し、ただし、前記アクチュエータユニット（３）が相互に逆方向の作用方向（９）でもって交互に駆動制御されることによって前記ねじれ振動（７）を励起（８）し、
   前記測定装置（２）の測定値の評価（１０）によって少なくとも前記媒体の粘度を検出する、方法において、
   前記測定装置（２）の固定の励起エネルギにおいて達した前記ねじれ振動（７）の振幅を評価し、前記媒体の粘度を検出することを特徴とする、方法。
2. 前記測定装置（２）が、前記ねじれ振動（７）の励起（８）と同時に、前記周波数Ｆ₁とは異なる周波数Ｆ₂を有する平面振動（１１）を共通の前記測定管平面（５）において、２つの測定管（１）にさらに励起（１２）させる、請求項１記載の方法。
3. 前記測定装置（２）が、異なる時点において、周波数Ｆ₁を有する前記ねじれ振動（７）、または、前記周波数Ｆ₁とは異なる周波数Ｆ₂を有する平面振動（１１）を前記測定管（１）に励起（８，１２）させる、請求項１記載の方法。
4. 前記ねじれ振動（７）の周波数Ｆ₁と前記平面振動（１１）の周波数Ｆ₂との間には、前記ねじれ振動（７）の周波数の少なくとも２％、有利には３．５％、殊に有利には５％の差がある、請求項２または３記載の方法。
5. 前記測定装置（２）の測定値から、２つの前記測定管（１）の前記ねじれ振動（７）の減衰率を検出し、該減衰率から前記媒体の粘度を算出する、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 前記測定装置（２）は少なくとも４つのセンサユニット（１３）を有し、
   前記測定管平面（５）の上側と下側にそれぞれ２つのセンサユニット（１３）が配置されており、
   前記測定管平面（５）の一方の側に配置されているそれぞれ２つのセンサユニット（１３）を用いて前記ねじれ振動（７）を検出し、前記測定管平面（５）の他方の側に配置されているそれぞれ２つのセンサユニット（１３）を用いて前記平面振動（１１）を検出する、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 前記ねじれ振動（７）の測定値から、前記コリオリ質量流量測定器の保守状態に関する診断情報を導出する、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
8. 前記測定管（１）に前記ねじれ振動（７）および／または前記平面振動（１１）を励起させた後に、前記アクチュエータユニット（３）を、測定値を検出するためのセンサユニット（１３）として使用する、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。

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