JP6735854B2 - 振動式キャビティ密度計 - Google Patents

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Description

以下に説明する実施形態は振動式センサに関し、より詳細には振動式キャビティ密度計に関する。
流体の密度を測定する振動計にはいくつかの種類がある。各タイプの密度計には、通常は構成に固有の長所と短所がある。１つのタイプの密度計は密度を測定するために二重管コリオリ計のような１つ以上の管を使用する。密度を測定する管密度計は通常、現在市販されている他の密度計よりも正確である。管密度計はまた、プロセス材料が非常に粘性である場合でさえも非常に高い品質（または減衰）係数Ｑを有するため、影響を受けにくい(immune)、または少なくともほとんどのプロセス条件効果を処理することができる傾向がある。しかしながら、管密度計はまた、その指定されたサイズ範囲外のいかなる用途においてもバイパス装置として必然的に使用される。更に、管密度計は、プロセス材料が管密度計を通って流れて、材料を循環させることを必要とする。これは、特にタンク内の流体の密度を測定しようとしているときに、管密度計を多くのシステムに統合することを幾分か困難にする可能性がある。
もう１つのタイプの密度計は、密度を測定するための音叉に似たフォーク計である。フォーク計は、バイパスループ内、タンク内、フローチューブ内のプロセス材料に直接またはわずかに埋め込まれ、またはその他のさまざまな設置タイプのプロセス材料に直接挿入される。フォーク計の柔軟性は、他の測定技術が極めて高価であるかまたは他のタイプの振動計を設置するのが困難である多くの用途において使用され得るので、その主要な属性である。フォーク計は、高粘度、高い流量、多相流体などの不安定なプロセス条件に非常に反応する。
管とフォークの両方の密度計は、プロセス材料を測定するために振動部材の固有振動数を使用するという原理に基づいて動作するが、材料とセンサの相互作用の仕方が異なる。管密度計は、１つまたは複数の管にプロセス材料を充填し、得られたシステムの固有振動数を測定することによって動作し、密度を測定する。フォーク計は、プロセス材料内に直接配置されているフォークの歯を振動させる。
これら２つの方法の違いは、フォーク計は、材料で充填されているのではなく、プロセス材料に浸漬されているため、測定値が可成り高いレベルで減衰することである。フォーク計に見られる余分な減衰は、フォーク計がプロセス条件に非常に反応し易く、チューブメーターよりも正確性が低い理由の１つである。従って、以下に記載する振動式キャビティ密度計のような、市販されている振動計の幾つかの不利益を伴わずに、流体の密度を測定する振動計が必要とされている。
概要
振動式キャビティ密度計が提供される。実施形態に従って、振動式キャビティ密度計は第１の端部から第２の端部に延びるパイプを備える。第１の端部は容器から材料を受け取るように構成された開口部を含み、第２の端部はパイプ内に材料を収容するように自己封入されている。振動式キャビティ密度計はまた、パイプに結合された少なくとも１つのトランスデューサ(送受波器)を含む。少なくとも１つのトランスデューサは、材料の特性を測定すべく、パイプ内の振動を誘発及び感知するように構成されている。
振動式キャビティ密度計を動作させる方法が提供される。実施形態に従って、振動式キャビティ密度計を動作させる方法は、第１の端部から第２の端部まで延びるパイプを提供するステップと、第１の端部の開口部を通して容器から材料を受け取るステップと、自己封入される第２の端部を用いて材料をパイプ内に保持するステップと、材料の特性を測定するためにパイプを振動させるステップを含む。
振動式キャビティ密度計が提供される。実施形態に従って、振動式キャビティ密度計は第１の端部から第２の端部に延びるパイプを備える。第１の端部は容器から材料を受け取るように構成された開口部を含み、第２の端部はパイプ内に材料を収容するように自己封入されている。システムはまた、振動式キャビティ密度計に通信可能に結合されたメータ電子機器を含み、メータ電子機器は、パイプを振動させて材料の特性を測定するように構成される。
態様
一態様に従って、振動式キャビティ密度計(100-300)は第１の端部(110a-310a)から第２の端部(110b-310b)に延びて、第１の端部(110a-310a)は容器(10)から材料を受け取るように構成された開口部(114-314)を含み、第２の端部(110b-310b)はパイプ内に材料を収容するように自己封入されているパイプ(110-310)を備える。振動式キャビティ密度計(100-300)はまた、パイプ(110-310)に結合された少なくとも１つのトランスデューサ(変換器(118,218)を含む。少なくとも１つのトランスデューサ(118,218)は、材料の特性を測定すべく、パイプ(110-310)内の振動を誘発及び感知するように構成されている。
好ましくは、パイプ(110-310)は、第１の端部(110a-310a)が振動的に固定され、第２の端部(110b-310b)が振動的に自由であるように片持ち構成で容器(10)から延びる。
好ましくは、少なくとも1つのトランスデューサ(118,218)は、第２の端部(110b-310b)に近接して配置される。
好ましくは、振動式キャビティ密度計(100-300)はさらに封入管(20)を含み、少なくとも１つのトランスデューサ(118)はパイプ(110、310)と封入管(20)との間に配置され、パイプ(110、310)と封入管(20)に結合される。
好ましくは、振動式キャビティ密度計(200)は、第２のパイプ(220)をさらに備え、少なくとも１つのトランスデューサ(218)は、パイプ(210)と第２のパイプ(220)との間に配置され、パイプ(210)と第２のパイプ(220)に結合される。
好ましくは、振動式キャビティ密度計(100-300)は、容器(10)とパイプ(110-310)との間に配置されかつ容器(10)とパイプ(110-310)に結合されたベース(130、230)をさらに備える。
好ましくは、振動式キャビティ密度計(300)は、パイプ(310)内に形成されたキャビティ(302)をさらに含み、キャビティ(302)は、材料を容器(10)内に排出するように構成された傾斜部を含む。
一態様に従って、振動式キャビティ密度計を動作させる方法は、第１の端部から第２の端部まで延びるパイプを提供するステップと、第１の端部の開口部を通して容器から材料を受け取るステップと、自己封入される第２の端部を用いて材料をパイプ内に保持するステップと、材料の特性を測定するためにパイプを振動させるステップを含む。
好ましくは、第１の端部から第２の端部まで延びるパイプを提供するステップは、第１の端部が振動的に固定され、第２の端部が振動的に自由であるように片持ち構成であるパイプを提供するステップを含む。
好ましくは、材料の特性を測定するためにパイプを振動させるステップは、第２の端部に近接して配置された少なくとも1つのトランスデューサを用いてパイプの第２の端部を振動させるステップを含む。
好ましくは、材料の特性を測定するためにパイプを振動させるステップは、パイプと封入管との間に配置され、パイプと封入管に結合される少なくとも１つのトランスデューサを用いて、パイプを振動させるステップを含む。
好ましくは、方法は更に、第２のパイプを提供するステップと、パイプと第２のパイプの間に少なくとも１つのトランスデューサを配置するステップを含む。
好ましくは、方法は更に、容器とパイプとの間にベースを配置し、ベースを容器とパイプとに結合するステップを含む。
好ましくは、方法は更に、材料を容器内に排出するように構成された傾斜部を含むキャビティをパイプ内に形成するステップを含む。
一態様に従って、システム(700)は、第１の端部(110a-310a)から第２の端部(110b-310b)に延びるパイプ(110-310)を備えた振動式キャビティ密度計(100-300)を備え、第１の端部(110a-310a)は容器(10)から材料を受け取るように構成された開口部(114-214)を含み、第２の端部(110b-310b)はパイプ(110-310)内に材料を収容するように自己封入されている。システム(700)はまた、振動式キャビティ密度計(100-300)に通信可能に結合されたメータ電子機器(710)を含み、メータ電子機器(710)は、パイプ(110-310)を振動させて材料の特性を測定するように構成される。
同じ参照番号は、全ての図面上の同じ要素を表す。図面は必ずしも縮尺通りではないことを理解すべきである。
実施形態に従った振動式キャビティ密度計を示す。 振動式キャビティ密度計100の断面図を示す。 図１に示す振動式キャビティ密度計100の他の断面図を示す。 実施形態に従った他の振動式キャビティ密度計200の断面図を示す。 実施形態に従った他の振動式キャビティ密度計300の断面図を示す。 実施形態に従った矩形断面を有する振動式キャビティ密度計400の断面図を示す。 実施形態に従った三角形断面を有する振動式キャビティ密度計500の断面図を示す。 実施形態に従った長方形断面を有する振動式キャビティ密度計600の断面図を示す。 以前の図１-図１Ｂに記載された振動式キャビティ密度計100を備えたシステム700を示す。 実施形態に従った振動式キャビティ密度計を動作させる方法800を示す。
図１-図８及び以下の説明は特定の実施例を記載して、振動式キャビティ密度計の実施形態における最良の形態を創出かつ使用する方法を当業者に教示する。本発明の原理を教示することを目的として、いくつかの従来の態様を簡略化または省略している。当業者は、これらの実施例の変形例が本明細書の範囲内にあることを理解する。当業者であれば、以下に説明する特徴を様々な方法で組み合わせて、振動式キャビティ密度計の複数の変形例を形成できることを理解する。結果として、以下に説明する実施形態は後述する特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲およびその均等物によってのみ限定される。
振動式キャビティ密度計は、第１の端部から第２の端部に延びるパイプを含む。第１の端部は容器から材料を受け取るように構成された開口部を含む。第２の端部はパイプ内に材料を収容するように自己封入されている。少なくとも１つのトランスデューサ(送受波器)がパイプに結合される。少なくとも１つのトランスデューサは、材料の特性を測定すべく、パイプ内の振動を誘発及び感知するように構成されている。パイプは、パイプ及びパイプ内に保持される材料の固有振動数ｆにて振動するように構成されている。従って、指定されたサイズ範囲外で使用される管密度計とは異なり、材料の特性を容器をバイパス(迂回)することなく測定することができる。その結果、材料を測定するように構成された振動式キャビティ密度計は、異なる大きさおよび構成を有する様々な容器とともに、流体の流れの有無にかかわらず使用することができる。
図１は、実施形態に従った振動式キャビティ密度計100を示す。図１に示すように、振動式キャビティ密度計100は容器10に結合される。容器10は振動式キャビティ密度計100によって測定される流体のような材料で充填される。図１に示すように、振動式キャビティ密度計100はパイプ110を含む。パイプ110は容器10に結合されたベース130に結合される。示されるように、ベース130は容器10の外壁に固定される。パイプ110はベース130を介して容器10に結合される封入管20に囲まれる。明瞭化の為に、トランスデューサは示されないが、図１Ａを参照して記載される。
容器10は、流動していない材料を保持する円筒として示されている．しかし、代替の実施形態において、容器10は、材料が流れる導管等である。更に又はこれに代えて、容器10は、例えば、長方形、楕円形、三角形などのような異なる形状を有することができる。また図示のように、容器10は上部に１つの開口部を有するように示されている。しかしながら、例えば、流体の流れを伴う導管では、容器10は容器の底部にある開口部のような更なる開口部を含むことができる。更なる開口部はまた、容器、更なる導管等の外壁にあるオリフィスを含み得る。
封入管20は大凡同心の管として示される。封入管20は、パイプ110と封入管20との間に励起があるときに、振動式キャビティ密度計100が封入管20よりも振動するように十分な剛性または剛性を有する必要がある。従って、図１Ａ及び図１Ｂを参照して以下により詳細に示すドライバは、振動式キャビティ密度計100を封入管20よりも振動させる傾向があり、測定可能な振動が生じる。封入管20の剛性または硬さは、パイプ110よりもいくらか大きくてもよい。
ベース130は、溶接、ろう付け、取り外し可能な手段（例えば、ボルト、ねじなど）などの任意の適切な手段によって容器に結合するように構成されたフランジなどであり得る。ベース130はまた、ガスケット又は他の材料を含む。ベース130は、容器に対して嵌合する相補的な表面を有する矩形を有するように示されているが、代替の実施形態では任意の適切な形状および表面が使用され得る。
振動式キャビティ密度計100は、容器10の外壁から垂直方向に延びるとして示される。振動式キャビティ密度計100はまた、ベース130と共に容器に固定されているように示されている。しかしながら、他の実施形態では、振動式キャビティ密度計100は、別の方向に延びてもよく、及び/又はベース130を含まなくてもよい。振動式キャビティ密度計100はまた、容器10の別の位置に固定されてもよい。パイプ110は、第１の端部110ａから第２の端部110ｂまで延びる円筒形として示されている。第１の端部110ａは、材料がパイプ110を満たすことを可能にするように構成された開口部を含み、これは図１Ａを参照してより詳細に説明される。第２の端部110bは、パイプ110が振動したときにベース130に対して横方向に変位するように構成されている。第２の端部110bは、パイプ110の弾性変形により変位する。パイプ110は、パイプ110のパラメータ及びパイプ110内の材料に基づく固有振動数で振動する。従って、パイプ110のパラメータは既知であるから、パイプ110内の材料の特性は、パイプ110の共振周波数を測定することにより決定され得る。
図１Ａは、振動式キャビティ密度計100の断面図を示す。図１Ａに示すように、振動式キャビティ密度計100は、パイプ110とベース130を含む。パイプ110は、それぞれ容器10に近接している第１の端部110ａと容器10から遠位にある第２の端部110ｂを夫々含む。パイプ110は、第１の端部110ａでベース130に連結される基端部を有する導管112を含む。導管112及びベース130は、導管112の内側部分を容器10内の材料に露出させる開口部114を形成する。パイプ110はまた、導管112の先端部に結合されている第２の端部110bに端部キャップ116を含む。少なくとも１つのトランスデューサ118が導管112及び封入管20に結合されている。図１Ａに示すように、少なくとも１つのトランスデューサ118は、導管112の先端部に近接して導管112に結合されたドライバ118a及びピックオフセンサ118bを含む。理解されるように、導管112及び端部キャップ116はキャビティ102を形成する。
図１Ｂは、図１Ａに示す振動式キャビティ密度計100の他の断面図を示す。明瞭化の為に、容器10、封入管20、少なくとも１つのトランスデューサ118及びベース130は示されていない。図１Ｂに示すように、振動式キャビティ密度計100は、パイプ110の内径ri及び外径rOの寸法を含む。パイプ110の厚さＴは、パイプ110の外径rOと内径riとの差である。理解されるように、振動式キャビティ密度計100の固有振動数は、導管112のパラメータならびにパイプ110内の材料の特性と相関する。振動式キャビティ密度計100の固有振動数ｆを決定するために使用することができる例示的なモデルが、以下に説明される。
以下の表1は、振動式キャビティ密度計100の例示的な数学モデルで使用されるパイプ110のパラメータ及びパイプ110内に含まれる処理材料の特性を列挙する．
表1 変数の記載
Figure 0006735854
振動式キャビティ密度計100に含まれる処理材料の特性は、処理材料の密度Ｄｍを含む。理解され得るように、プロセス材料の密度Ｄｍは、プロセス材料を構成する単一の流体成分の密度、流体成分の混合物、固体、及び/又は気体などの正味密度であり得る。
パイプ110の特性及びパラメータに関して、表１は、パイプ110の弾性係数(弾性率)Ｅおよびパイプ材料の密度Ｄｐ、内側の半径及び外側の半径ri及びro、ならびにキャビティ102の長さＬを含む。弾性係数Ｅは、パイプ110の特性であり、パイプ材料の応力と弾性歪みとの比として定義することができる。パイプ材の密度Ｄｐは、パイプの単位体積当たりの質量である。パイプ110の内側半径ri、外側半径roは、パイプが円形である故にパイプ110の断面寸法である。他の実施形態では、他の断面寸法を有する他の形状（例えば、矩形、三角形、楕円形、長方形など）を用いることができる。
パイプ110及びプロセス材料の前述の特性及びパラメータは、以下の式（１）を使用して振動式キャビティ密度計100の固有振動数ｆを決定するために使用され得る。
Figure 0006735854
理解されるように、パイプ110の断面慣性モーメントＩ及びパイプ110の単位長さ当たりの質量μのような表１に列挙された他のパラメータが、振動式キャビティ密度計100の固有振動数ｆを決定すべく、前述の式（１）を使用するために計算される必要がある。理解されるように、式（１）ではなく他の方法を用いて固有振動数ｆを決定することができる。例えば、較正方法又は有限要素解析（ＦＥＡ）方法を使用することができる。
断面慣性モーメントＩは、以下の式(２)を用いて決定される。
Figure 0006735854
断面慣性モーメントＩは、導管の断面形状に関係し、回転軸周りの所望の角加速度に必要なトルクを決定する。断面慣性モーメントＩが大きくなるほど、導管112を曲げるのに必要なトルクが大きくなる。キャビティの単位長さ当たりの質量μは、以下の式（３）から求めることができる。
Figure 0006735854
同様に、キャビティの端部における点質量Ｍもまた決定される必要があり、それは以下の式（４）を使用して計算され得る。
Figure 0006735854
 キャビティの単位長さ当たりの質量μ及びキャビティの端部における点質量Ｍは、振動中に移動する質量の量を示す。
理解されるように、代替の実施形態において、様々な材料および寸法が採用され得る。例示的な実施形態にて、パイプ110は、長さ６インチのキャビティ102を有する２インチのスケジュール１０(schedule10)のステンレス鋼パイプであり得る。以下の記載において、パイプ110は空気または水で満たされ、結果として生じる固有振動数ｆが計算されるが、パイプ110は任意の適切な材料で満たされてもよい。表２は水又は空気で満たされるパイプ110のパラメータ及び特性の値を列挙する。
表２ 例示的な材料特性
Figure 0006735854
前述の値を使用して、断面慣性モーメントＩなどの他のパラメータは、以下の計算（５）が示すように、式（２）を使用して計算することができる。
Figure 0006735854
 同様に、空気及び水で満たされたキャビティの単位長さ当たりの質量μは、以下の計算式（６）および（７）に示される式（３）を用いて計算することができる。
Figure 0006735854
更に、キャビティ１０２の端部における点質量Ｍは、以下の式（８）が示すように、前述の式（４）を使用して計算することもできる。
Figure 0006735854
 一旦、式（２）-（３）が決定されると、振動式キャビティ密度計100の固有振動数fは、以下の計算（９）及び（１０）が示すように、式（１）を使用して計算することができる。
Figure 0006735854
計算（９）及び（１０）は、単一のパラメータ（単位長さ当たりの質量μ）のみが、水で満たされたキャビティ、又は空気で満たされたキャビティの固有振動数の間で異なることを示している。これは、振動式キャビティ密度計100の固有振動数の周りに較正された線形化を適用し、所定のプロセス材料の密度を測定するために線形化を使用することが可能であることを示している。
前述の説明は、硬い外面に関連して振動する単一の振動式キャビティ密度計100に関するものである。１つの可能な代替構成は、互いに差動的に振動する整合した一対のキャビティであり、これはバランスを取り易い特性を提供することができる。整合した一対のキャビティが硬い表面に接続されていると仮定すると、整合した一対のキャビティの数学的解析は、単一の振動式キャビティ密度計100と本質的に同じである。以下は、キャビティの例示的な整合した対を説明する。
整合した一対のキャビティ
図２は、実施形態に従った他の振動式キャビティ密度計200の断面図を示す。図２に示すように、振動式キャビティ密度計200は、図１を参照して上述したパイプ110およびベース130と同様の第１および第２のパイプ210、220およびベース230を含む。第１および第２のパイプ210、220は夫々、容器10に夫々近接する第１の端部210a、220a、及び容器10から遠位にある第２の端部210b、220bを夫々含む。第１および第２のパイプ210、220はまた、夫々第１の端部210a、220aでベース230に連結される基端部を有する第１および第２の導管212、222を含む。導管212、222およびベース230は、導管212、222の内側部分を容器10内の材料に露出させる第１および第２の開口部214、224を形成する。第１および第２のパイプ210、220はまた、導管212、222の先端部に結合されている第１および第２の端部キャップ216、226を第２の端部210b、220bに含む。少なくとも１つのトランスデューサ218が、導管212、222の先端部に近接して導管212、222に結合されている。導管212、222ならびに第１および第２の端部キャップ216、226は、第１および第２のキャビティ202a、202bを形成する。
図２に示すように、振動式キャビティ密度計200は、差動的に振動する整合した一対のパイプである。即ち、第１のパイプ210と第２のパイプ220とは、差動的にまたは反対方向に駆動される。例えば、少なくとも１つのトランスデューサ218は、振動サイクルにおいて、第１のパイプ210の第２の端部210bを第１の方向（例えば、重力に対して上方）に変位させ、第２のパイプ220の第２の端部220bを第１の方向とは反対の第２の方向に（例えば、重力に対して下方に）変位させることができる駆動装置であり得る。１つではなく２つのパイプ210、220を使用する前述の構成に加えて、以下の説明が示すように、実施形態は様々な断面を含むこともできる。
傾斜したキャビティ
図３は、実施形態に従った他の振動式キャビティ密度計300の断面図を示す。図３に示すように、振動式キャビティ密度計300はパイプ310を含み、これは図１を参照して説明したパイプ110と同様であり得る。図３に示されたパイプ310は、第１の端部310aおよび第２の端部310bを含み、第１の端部310aは容器10に接近し、第２の端部310bは容器10から遠位にある。パイプ310は、第１の端部310aでベース130に連結されている基端部を有する導管312を含む。導管312およびベース130は、導管312の内側部分を容器10内の材料に露出させる開口部114を形成する。パイプ310はまた、導管312の先端部に結合された第２の端部310bに端部キャップ116を含む。図１を参照して説明したドライバ118ａとピックオフセンサ118bは、導管312に連結されて、導管312の先端部に隣接する。導管312と端部キャップ116はキャビティ302を形成する。
図３に示す振動式キャビティ密度計300は、キャビティ302が上部および下部（重力に対して）に傾斜部を有する円錐形状を有する点で、図１に示す振動式キャビティ密度計100とは異なる。キャビティ302の上部は、第２の端部310bから第１の端部310aに向かって上方に傾斜している。キャビティ302の下部は、第２の端部310bから第１の端部310aに向かって下方に傾斜している。
キャビティ302の下部の傾斜によって利益が実現され得る。例えば、理解されるように、容器10内の材料のレベルが振動式キャビティ密度計300を下回ると、キャビティ302の下部の傾斜によって振動式キャビティ密度計300内の材料が容器10内に流れ込む。傾斜部は、例えば、振動式キャビティ密度計300を空気、水などの較正流体で較正するのに必要な時間を短縮することによって粘性材料を使用する用途において有益であり得る。傾斜部は様々な流体に対して最適化されてもよい（例えば、より粘性の高い流体に対してはより大きい勾配が採用されてもよい）。理解されるように、例えば、較正に使用された水が振動式キャビティ密度計300内にかなりの量の残留材料を有していなかった場合、較正はより正確であり得る。
キャビティ302の上部の傾斜によって利益が実現され得る。例えば、キャビティ302の上部の傾斜により、材料を測定する前に、気泡のような密度の低い流体をキャビティ302から容器10内に流すことができる。即ち、浮力により、気泡がキャビティ302内に存在しないようになる。従って、材料の特性が測定されるとき、密度がより低い流体が振動式キャビティ密度計300内に存在せず、それによって材料の特性の測定がより正確になることを保証する．
振動式キャビティ密度計100-300内のパイプ110-310は、容器10から延びる。図１-図５に示すように、パイプ110-310は、片持ち梁構成で容器10から第１の端部110a-310aから第２の端部110b-310bまで延びる。片持ち梁構成により、第１の端部110a-310aは振動的に固定され、第２の端部110b-310bは振動的に自由である。例えば、トランスデューサ118、218がパイプ110-310を振動させると、第１の端部110a-310aは実質的に振動しないが、第２の端部110b-310bは振動することができる。
パイプ110-310は円形の断面を有する。しかしながら、代替の断面は、幅及び/又は高さに沿って異なる形状も含み得る。即ち、断面はまた、振動式キャビティ密度計の端面斜視図とは異なる。以下の説明は、端面斜視図から見たいくつかの異なる例示的な断面形状を示している。
図４は、実施形態に従った矩形断面を有する振動式キャビティ密度計400の断面図を示す。図４に示すように、振動式キャビティ密度計400は、ベース430に結合されたパイプ410を含む。パイプ410は導管412からなる。パイプ410は第１の端部に開口部を含み、開口部は容器に近接し、容器内の材料に露出している。示されていないが、パイプ410はまた、容器から遠位の第２の端部で自己封入されている。明瞭化のために容器は示されていないが、図１に示される容器10と同様であり得る。第１の端部に開口部を含み、第２の端部が自己封入されているパイプ410は、キャビティ402を形成する。
図５は、実施形態に従った三角形断面を有する振動式キャビティ密度計500の断面図を示す。図５に示すように、振動式キャビティ密度計500は、ベース530に結合されたパイプ510を含む。パイプ510は導管512からなる。パイプ510は第１の端部に開口部を含み、開口部は容器に近接し、容器内の材料に露出している。示されていないが、パイプ510はまた、容器から遠位の第２の端部で自己封入されている。明瞭化のために容器は示されていないが、図１に示される容器10と同様であり得る。第１の端部に開口部を含み、第２の端部が自己封入されているパイプ510は、キャビティ502を形成する。
図１を参照して記載したように、円形断面の内側半径ri及び外側半径roは、断面慣性モーメントIのようなパイプ110の種々のパラメータを決定するのに用いられる。矩形断面のような断面形状が異なることによる代替の外形寸法が用いられる。
図６は、実施形態に従った三角形断面を有する振動式キャビティ密度計500の断面図を示す。図６に示すように、振動式キャビティ密度計600は、ベース630に結合されたパイプ610を含む。パイプ610は導管612からなる。パイプ610は第１の端部に開口部を含み、開口部は容器に近接し、容器内の材料に露出している。示されていないが、パイプ610はまた、容器から遠位の第２の端部で自己封入されている。明瞭化のために容器は示されていないが、図１に示される容器10と同様であり得る。第１の端部に開口部を含み、第２の端部が自己封入されているパイプ610は、キャビティ602を形成する。矩形断面故に、パイプ610の寸法は内側高さ及び外側高さhi,hoであり、内側幅及び外側幅wi,woであり、これらは以下の表３に示される。
表３．矩形の管の断面の寸法
Figure 0006735854
断面慣性モーメントIは、式(１１)を用いて決定され、これは円形断面に用いられる式(２)とは異なる。
Figure 0006735854
 キャビティ602の単位長さ当たりの質量μおよびキャビティの端部における点質量Ｍは、式（１２）および（１３）に示されるように、内側および外側の高さおよび幅hi、ho、wi、woを使用して計算される。
Figure 0006735854
式(１２)及び(１３)を用いて、断面慣性モーメントＩは、長方形断面に対して決定される。例示として、例示的な実施形態では、パイプ610は、１.５インチの内側幅wiおよび３インチの内側高さhiを有することができる。パイプ610は、０.１インチの厚みを有する。これらの値を用いて、パイプ610の断面慣性モーメントＩは、式(１１)を用いて決定され、これは以下の計算式(１４)に示される。
Figure 0006735854
矩形断面について、断面慣性モーメントＩを用いて、水または空気で満たされたときのキャビティ602の単位長さ当たりの質量μ、ならびにキャビティ602の端部における点質量Ｍなどの他のパラメータは、以下の計算式(１５)-(１７)に示すように計算することができる。
Figure 0006735854
計算式(１５)-(１７)にて決定された値を用いて、のキャビティ602が水または空気で満たされたときの振動式キャビティ密度計600の固有周波数は、以下の計算式(１８)及び(１９)に示すように決定される。
Figure 0006735854
 理解されるように、固有周波数及び密度のような材料の特性は、関連付けられる。図７を参照して記載されたシステム700はそのような関連付けが如何に成されるかを示している。
図７は、図１-図１Ｂに記載された振動式キャビティ密度計100を備えたシステム700を示す。図１を参照して記載した振動式キャビティ密度計100が用いられるが、代替の実施形態では任意の適切な振動式キャビティ密度計が用いられ得る。振動式キャビティ密度計100は、図１に示す容器10のような容器に結合するように構成された第１の端部110aを有するパイプ110を含む。パイプ110はまた、第２の端部110bを有し、この第２の端部110bはその中に材料を収容するように自己封入されている。図７に示すように、システム700は、振動式キャビティ密度計100内の少なくとも１つのトランスデューサ118に通信可能に結合されたメータ電子機器710を含む。特に、メータ電子機器710は、パイプ110の第２の端部110bに近接しているドライバ118aおよびセンサ118bに通信可能に結合されている。
メータ電子機器710はドライバ118aに駆動信号を供給する。センサ信号は、センサ118bによってメータ電子機器710に供給される。メータ電子機器710に提供されるセンサ信号は、パイプ110の振動周波数を含む。メータ電子機器710は、１つまたは複数の信号プロセッサ714および１つまたは複数のメモリ716に通信可能に結合されたプロセッサ712を含む。プロセッサ712はマイクロプロセッサであり得るが、任意の適切なプロセッサが用いられ得る。例えば、プロセッサ712は、マルチコアプロセッサなどのサブプロセッサ、シリアル通信ポート、周辺機器インターフェース（例えば、シリアル周辺機器インターフェース）、オンチップメモリ、I/Oポートなどを含み得る。これら及び他の実施形態において、プロセッサ712は、デジタル化信号などの受信および処理された信号に対して動作を実行するように構成される。
プロセッサ712は、１つまたは複数の信号プロセッサ714からデジタル化されたセンサ信号を受信する。プロセッサ712はまた、振動周波数、パイプ110内の材料の特性などの情報を提供するように構成されている。プロセッサ712は、通信ポート（図示せず）を介して情報をホストに提供する。プロセッサ712はまた、１つ以上のメモリ716と通信し、情報を１つ以上のメモリ716から受信し、及び/又は情報を１つ以上のメモリ716に記憶するように構成される。例えば、プロセッサ712は、例えば、１つまたは複数のメモリ716から、固有周波数の周りの較正された線形化のための較正データを受け取る。プロセッサ712は、１つまたは複数の信号プロセッサ714から受信したデジタル化されたセンサ信号を処理するために較正係数を使用する。
１つまたは複数の信号プロセッサ714は、アナログ信号を調整し、調整されたアナログ信号をデジタル化し、及び/又はデジタル化された信号を提供する。実施形態にて、１つまたは複数の信号プロセッサ714は、センサ118bからのセンサ信号を受信して符号化するCODEC(コーデック)から構成される。１つまたは複数の信号プロセッサ714はまた、駆動回路を含み、該駆動回路はプロセッサ712から周波数を受け取り、プロセッサ712によって提供された周波数の信号を含む駆動信号をドライバ118aに提供するように構成される。従って、信号プロセッサは、例えばセンサ信号が最大になるまで、提供された駆動信号の周波数を調整する。センサ及び/又は駆動信号の周波数は、１つまたは複数のメモリ716に格納される。
１つ又は複数のメモリ716は、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、強誘電体ランダムアクセスメモリ（ＦＲＡＭ（登録商標））などから構成される。しかし、他の実施形態にて、１つ以上のメモリ716は、より多いまたはより少ないメモリから構成されてもよい。加えて又はこれに代えて、１つまたは複数のメモリ716は、異なるタイプのメモリ（たとえば、揮発性、不揮発性など）から構成されてもよい。例えば、ＦＲＡＭ（登録商標）の代わりに、例えば消去可能プログラマブルリードオンリーメモリ（ＥＰＲＯＭ）等のような異なるタイプの不揮発性メモリが使用され得る。
理解されるように、図７に示すメータ電子機器710は、振動式キャビティ密度計100を動作させる実施方法に用いられ、また図８を参照して以下の記載に示すような他の振動式キャビティ密度計に用いられる。
図８は、実施形態に従った振動式キャビティ密度計を動作させる方法800を示す。図８に示すように、方法800は、第１の端部から第２の端部まで延びるパイプを提供するステップ810を含む。パイプは、図１を参照して前述したパイプ110である。ステップ820において、方法800は、第１の端部の開口部を通して容器から材料を受け取る。ステップ830において、材料は第２の端部を有するパイプ内に保持される。ステップ840において、パイプは材料の特性を測定するために振動される。
ステップ810にて、パイプは様々な方法で設けることができる。例えば、図１を参照して、パイプ110は、材料を含む容器10から延びるように容器10に結合されてもよい。従って、方法800に用いられるパイプは、1つだけのキャビティを有する。これに代えて、図２に示す第１及び第２のパイプ210,220のような1以上のパイプが使用され得る。パイプは、異なる断面形状などの異なる形状を有する。例えば、矩形断面を有するパイプ610が使用され得る。
ステップ820において、材料は、第１の端部の開口部を通して容器からパイプの中に受け取られる。例えば、図1を参照して、材料はパイプ110が材料で充填されるまで、開口部114を通ってパイプ110内に受け入れられる。開口部114を通って材料を受け入れるステップは、開口部114を通って導管112及び端部キャップ116によって形成されたキャビティ102内に流体を流すステップを含む。材料は、単一成分、例えば気体、液体及び/又は固体を含み得る多相流体などの複数の成分からなる。
ステップ830にて、材料は第２の端部を備えたパイプ内に保持される。例えば、図１に示すパイプ110を参照して、パイプ110は第２の端部110bで自己封入されて、材料が導管112に流れ込んだときに材料は端部キャップ116によって保持される。従って、導管112内の材料は、実質的に静止していて止まっている。他の実施形態において、図３に示す振動式キャビティ密度計300のように、材料は測定されるべき材料ではない他の構成要素をパイプ310から流出させることによって保持されてもよい。例えば、パイプ310内に保持されている材料中にある気泡は、キャビティ302の傾斜部によりパイプ310から流出する。
ステップ840にて、パイプを振動させて、材料の密度などの特性を測定する。パイプを振動させて、特性を測定するステップは、共振周波数でパイプを振動させて、共振周波数を測定するステップを含む。例えば、図１に示す振動式キャビティ密度計100は、最大周波数が得られるまで、周波数を増加及び/又は減少させて振動させる（例えば、或る周波数範囲にわたって掃引される）。最大周波数は、振動式キャビティ密度計100の固有振動数fである。固有振動数fは、式（１）-（４）の前述の説明が示すように、材料の密度と相関する。材料の特性を測定する為に代替の方法が用いられ得る。
上記の実施形態は、振動式キャビティ密度計100-300を提供する。振動式キャビティ密度計100-300は、第１の端部110a-310a及び第２の端部110b-310bから延びるパイプ110-310を含む。パイプ110-310は、パイプ110-310及びパイプ110-310内に保持されている材料の固有振動数fで振動するように構成されている。固有振動数fは、パイプ110-310内に保持されている材料の密度などの流体特性と相関している。材料は、容器10によってパイプ110-310に提供される。材料は、容器10を通って流れても流れなくてもよい。更に、キャビティ102-302は傾斜部を含んで、測定される材料が例えば気泡なしで測定が行われ得ることを確実にする。また、キャビティ102-302の傾斜部により、材料が比較的短時間でキャビティ102-302から流出することが可能になる。
従って、指定されたサイズ範囲外で使用される管密度計とは異なり、パイプ110-310によって保持される材料の特性は、容器10を迂回することなく測定され得る。その結果、材料を測定するように構成された振動式キャビティ密度計100-300は、異なるサイズ及び構成を有し、流体の流れがあってもなくても、多種多様な容器10と共に使用され得る。更に、振動式キャビティ密度計100-300は、例えば流体に浸されたフォーク計よりも感度が高いであろう。また振動式キャビティ密度計100-300は流体に挿入する必要がないので、容器10の設計の自由度が増す。振動式キャビティ密度計100-300はまた、フォーク計とは対照的に、不安定なプロセス条件に対してそれほど敏感ではないであろう。
上記の実施形態の詳細な説明は、本出願の範囲内にあるべき、本発明者らによって企図されているすべての実施形態の包括的な説明ではない。事実、当業者であれば、上述した実施形態の特定の要素は、さらなる実施形態を作成するために様々に組み合わせ、又は、なくすことができ、そのようなさらなる実施形態が本出願の範囲及び教示の中に入ることは認識されよう。上述した実施形態は、本発明の範囲及び教示内の追加の実施形態を作成するために全体的に又は部分的に組み合わせることができることも、当業者には諒解されよう。
このように、特定の実施形態が説明の目的で記載されているが、関連技術の熟練者が認識するように、種々の均等な修正が本記載の範囲内で可能である。ここに付与された開示は他の振動式キャビティ密度計に適用され得て、上記の記載及び添付の図面に示す実施形態に適用されるのではない。従って、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲から決定されるべきである。

Claims (15)

  1. 第１の端部(110a-310a)から第２の端部(110b-310b)に延びたパイプ(110-310)であって、
    第１の端部(110a-310a)は容器(10)に連結されるように構成され、且つ第１の端部(110a-310a)は容器(10)から材料を受け取るように構成され、容器(10)内の材料のレベルがパイプ(110-310)内の材料のレベルを下回ると、材料が容器(10)内に流れ込むことを許す開口部(114-314)を含み、
    第２の端部(110b-310b)はパイプ内に材料を収容するように自己封入されているパイプ(110-310)と、
    パイプ(110-310)に結合された少なくとも１つのトランスデューサ(118,218)を含み、
    少なくとも１つのトランスデューサ(118,218)は、材料の特性を測定すべく、パイプ(110-310)内の振動を誘発又は感知するように構成されている、振動式キャビティ密度計(100-300)。
  2. 前記パイプ(110-310)は、第１の端部(110a-310a)が振動的に固定され、第２の端部(110b-310b)が振動的に自由であるように片持ち構成で容器(10)から延びる、請求項1に記載の振動式キャビティ密度計(100-300)。
  3. 少なくとも1つのトランスデューサ(118,218)は、第２の端部(110b-310b)に近接して配置される、請求項1又は２に記載の振動式キャビティ密度計(100-300)。
  4. 更に封入管(20)を含み、少なくとも１つのトランスデューサ(118)はパイプ(110、310)と封入管(20)との間に配置され、パイプ(110、310)と封入管(20)に結合される、請求項1乃至３の何れかに記載の振動式キャビティ密度計(100-300)。
  5. 更に、第２のパイプ(220)を備え、少なくとも１つのトランスデューサ(218)は、パイプ(210)と第２のパイプ(220)との間に配置され、パイプ(210)と第２のパイプ(220)に結合される、請求項1乃至４の何れかに記載の振動式キャビティ密度計(100-300)。
  6. 更に、容器(10)とパイプ(110-310)との間に配置されかつ容器(10)とパイプ(110-310)に結合されたベース(130、230)を備える、請求項1乃至５の何れかに記載の振動式キャビティ密度計(100-300)。
  7. 更に、パイプ(310)内に形成されたキャビティ(302)を含み、該キャビティ(302)は材料を容器(10)内に排出するように構成された傾斜部を含む、請求項1乃至６の何れかに記載の振動式キャビティ密度計(100-300)。
  8. 振動式キャビティ密度計を動作させる方法であって、
    第１の端部から第２の端部まで延びるパイプを提供するステップであって、第１の端部は容器に連結されるように構成されたステップと、
    第１の端部の開口部を通して前記容器から材料を受け取るステップと、
    自己封入される第２の端部を用いて材料をパイプ内に保持するステップと、
    材料の特性を測定するためにパイプを振動させるステップと、
    容器内の材料のレベルがパイプ内の材料のレベルを下回ると、材料が容器内に流れ込むステップを、含む、方法。
  9. 第１の端部から第２の端部まで延びるパイプを提供するステップは、第１の端部が振動的に固定され、第２の端部が振動的に自由であるように片持ち構成であるパイプを提供するステップを含む、請求項８に記載の方法。
  10. 材料の特性を測定するためにパイプを振動させるステップは、第２の端部に近接して配置された少なくとも1つのトランスデューサを用いてパイプの第２の端部を振動させるステップを含む、請求項８又は９に記載の方法。
  11. 材料の特性を測定するためにパイプを振動させるステップは、パイプと封入管との間に配置され、パイプと封入管に結合される少なくとも１つのトランスデューサを用いて、パイプを振動させるステップを含む、請求項８乃至１０の何れかに記載の方法。
  12. 更に、第２のパイプを提供するステップと、パイプと第２のパイプの間に少なくとも１つのトランスデューサを配置するステップを含む、請求項８乃至１１の何れかに記載の方法。
  13. 更に、容器とパイプとの間にベースを配置し、ベースを容器とパイプとに結合するステップを含む、請求項８乃至１２の何れかに記載の方法。
  14. 更に、材料を容器内に排出するように構成された傾斜部を含むキャビティをパイプ内に形成するステップを含む、請求項８乃至１３の何れかに記載の方法。
  15. 振動式キャビティ密度計(100-300)とメータ電子機器(710)を備えたシステム(700)であって、
    振動式キャビティ密度計(100-300)は、第１の端部(110a-310a)から第２の端部(110b-310b)に延びるパイプ(110-310)を備え、
    第１の端部(110a-310a)は容器(10)に連結されるように構成され、且つ第１の端部(110a-310a)は容器(10)から材料を受け取るように構成され、容器(10)内の材料のレベルがパイプ(110-310)内の材料のレベルを下回ると、材料が容器(10)内に流れ込むことを許す開口部(114-214)を含み、
    第２の端部(110b-310b)はパイプ(110-310)内に材料を収容するように自己封入され、
    メータ電子機器(710)は、振動式キャビティ密度計(100-300)に通信可能に結合されて、パイプ(110-310)を振動させて材料の特性を測定するように構成される、システム(700)。
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