JP7238133B2

JP7238133B2 - 平面的振動部材、粘度計、及び振動式粘度計を動作させる方法

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Publication number: JP7238133B2
Application number: JP2021533588A
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Inventors: ジョージアレクサンダーマクドナルド，
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Priority date: 2018-12-12
Filing date: 2018-12-12
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Description

本発明は、振動式計測器に関し、より詳細には、平面的部材を用いて粘度を測定するための方法及び装置に関する。

粘度は、流動抵抗を表す流体特性である。粘度の一般的な定義は、流体の内部摩擦の尺度である。特に、この内部摩擦は、流体の層が別の層に対して移動するように形成される場合に明らかになる。これ故、粘度は、材料のある部分が当該材料の別の部分を越えて移動することによって生じる抵抗として説明されることが多い。粘度は一般に、燃料、オイル、及び潤滑油等の石油流体を特徴付けるために使用され、石油流体は、石油製品の取引及び分類において特定されることが多い。例えば、石油製品の動粘度は一般に、米国材料試験協会（ＡＳＴＭ）Ｄ４４５規格によって記載されているような標準的な方法によって毛管粘度計で測定される。このような測定は、一定量の液体が所与の温度で反復可能な力の下で校正済みのガラスの細管を通って重力下で流れる時間を測定することを含む。毛細管粘度計は、特にニュートン流体の場合、ハーゲン・ポアズイユ（Hagen-Poiseuille）の式によって主に定義されてきた。ニュートン流体では、せん断応力はせん断速度に比例し、比例定数は粘度と呼ばれる。毛細管粘度計を用いて粘度を測定するために、圧力降下及び流速が、独立して測定され、既知の粘度の標準流体と相互に関連付けられる。従って、この方法論は液体については正確であると考えられるが、気体粘度は異なる手段を介して測定されなければならない。

パイプ又は導管内を流れる気体の粘度を測定することが望まれることが多くある。この測定は、多くの工業プロセスにおいて、流動材料が特定の粘度に維持されることが必要であるために行われる。気体粘度の測定は非常に有用であり、当該気体粘度は、レイノルズ数を決定し且つこれによりオリフィス式気体流量計及びタービン式気体流量計の補正因子を決定するために、直接的に使用されることができる。また、当該気体粘度は、気体圧縮率又は気体エネルギーのような有用な特性を、推論的計算法を用いて決定するために、気体密度、音の速度、又は熱伝導率のような他のパラメータと共に使用されることもできる。気体の密度は圧力が増加するにつれて増加し、一方、平均自由行程は圧力が増加することにつれて減少し、これ故、気体の粘度は、気体圧力に実質的に依存しない。

振動音叉のような機械的な共振体を利用する計測器は、粘度測定の分野で何らかの成功を見出してきた。機械的な共振体を用いる液体粘度の測定は、ナビエ・ストークス方程式とニュートンの運動法則とのバランスをとることによって導き出されることができ、次の式が得られる。

ここで、ηは流体粘性であり、ρは流体濃度であり、ω₀は減衰されていない共振角周波数（２πｆ₀）であり、Ａは真空中の共振体のＱ値に関連する定数であり、Ｂはセンサの剛性、質量及びジオメトリに関連する定数である。Ｑ値は無次元パラメータであり、振動子又は共振体がどのように不足減衰されるか（underdamped）を表す。

密度と共振周波数とは次の式により関係付けられる。

ここで、Ｃ及びＤは共振体の剛性、質量及びジオメトリに関する定数であり、これ故、次式が与えられる。

簡単にするために、共振周波数は、減衰されていない共振周波数であるｆ₀と同じと見なすことができる。多くの実際の適用のために、粘度センサは、現場で測定された流体と類似する流体上で校正されることになり、これにより、周波数は変わりがないことになり、そのため、周波数は一定とみなすことができ、これ故、上記式は、以下の式に類似する形をとることができる。

ここで、Ｅは、基本的に、センサの剛性、質量及びジオメトリ、並びに公称共振周波数に基づいた定数である。提供されるこれら複数の式は、非限定的な例として提供される。

液体粘度の測定に振動センサを使用する原理は周知である。その一例がマイクロモーションフォーク型粘度計（ＦＶＭ）であり、当該粘度計は、振動要素の原理に基づいており、当該原理によって共振特性は流体の密度及び粘度により影響を受ける。ＦＶＭは、この動作原理を利用して液体粘度を決定する。特に、粘度は、共振の品質係数（Ｑ値）を測定することによって、これ故、共振体の減衰を測定することによって決定される。例えば、限定されるものではないが、式５は粘度（Viscosity）を決定するための１つの可能な方法を表す。

ここで、Ｖ₀及びＶ₂は校正定数である。

上記の式は、ほとんどの液体粘度測定用途に対して良好に機能することが示されている。

気体測定に関する状況はわずかに異なり、これは、気体がはるかに高い圧縮性を有し、これにより、気体の密度が圧力に多かれ少なかれ比例するという事実に起因する。例えば、５バールの気体は、程度の差はあるが、１バールの同じ気体の密度のおおよそ５倍の密度を有する。これ故、式（３）は、式（５）よりも気体粘度センサにより適用可能なものであり、そのため、気体粘度の測定値を得るためには、Ｑ値及び周波数の測定値が必要である。

適正な水準の精度で粘度を測定するためには、共振体内の減衰又はエネルギー損失は、気体内のエネルギー損失と比較して非常に小さいことが望ましい。即ち、共振体は真空中で高いＱ値を有していなければならない。これを達成するためには、本明細書で提供される実施形態によって明らかなように、共振体は、反対方向に移動する共振体の異なる複数の領域と良好にバランスがとられることで、いかなる慣性力も取付ポイントにおいて本質的に打ち消されなければならない。従来技術のバランス化された共振体の一例は、振動シリンダ共振体である。

気体粘度センサの設計の重要な態様は、機械的な共振体の通常の動作範囲内に不要な共振が存在しないことを確実にすることである。図２は、従来技術の振動シリンダセンサのＱ値対周波数の関係を示す。粘度の正確な決定を困難にする顕著な非線形性が複数存在することが明らかであることになる。

実施形態によると、気体粘度を測定するためのバランス化された機械的な共振体が提供される。望まれない機械的共振及び／又は音響的共振は、器具の動作範囲の外に押し出され、そのため、共振体の減衰と気体の粘度との間のより単純な関係が、達成され、これ故、従来技術のセンサよりも優れた精度をもたらす。従って、当該技術分野における進歩が実現される。

一実施形態によると、振動式気体粘度計で使用する動作可能な平面的振動部材が提供される。平面的振動部材は、本体と、本体から発する振動可能な部分とを備え、振動可能な部分は、複数の振動可能な突出部を含み、複数の振動可能な突出部は、片持ち支持される。振動可能な部分は、ドライバによって振動されるように動作可能である。

一実施形態によると、内部の気体の粘度を決定するように動作可能である粘度計が提供される。粘度計は、ドライバと、ドライバによって振動可能である平面的振動部材とを備え、平面的振動部材は、本体と、本体から発する振動可能な部分とを含み、振動可能な部分は複数の振動可能な突出部を含み、複数の振動可能な突出部は片持ち支持される。少なくとも１つのピックオフセンサが、振動部材の振動を検出するように構成される。計測電子機器が設けられ、当該計測電子機器は、励起信号をドライバに送り且つ少なくとも１つのピックオフセンサから振動応答を受け取るように構成されるインタフェースを含み、平面的振動部材のＱ値を測定し、平面的振動部材の共振周波数を測定し、測定されたＱ値及び測定された共振周波数を使用して、粘度計の内部の気体の粘度を決定するためのものである。

一実施形態によると、振動式粘度計を動作させる方法が提供される。少なくとも１つのコイルと通信する計測電子機器を備える振動式粘度計が提供される。振動部材が、少なくとも１つのコイルにより振動される。励起信号が、少なくとも１つのコイルによって受け取られる。検出信号が、少なくとも１つのコイルから出力され、少なくとも１つのコイルが、ドライバ又はピックオフのいずれかとして交互に作用するように動作可能である。振動部材のＱ値が、測定される。振動部材の共振周波数が測定され、振動式粘度計に導入された気体の粘度が、測定されたＱ値及び測定された共振周波数を使用して決定される。

［態様］
一態様によると、振動式気体粘度計で使用する動作可能な平面的振動部材が提供される。平面的振動部材は、本体と、本体から発する振動可能な部分とを備え、振動可能な部分は、複数の振動可能な突出部を含み、複数の振動可能な突出部は、片持ち支持される。振動可能な部分は、ドライバによって振動されるように動作可能である。

好ましくは、複数の振動可能な突出部は、３つの振動可能なビーム部を含む。

好ましくは、３つの振動可能なビーム部は、同じサイズ及び寸法である。

好ましくは、３つの振動可能なビーム部は、互いに実質的に平行である。

好ましくは、３つの振動可能なビーム部は、隣り合うビーム部とは異なる寸法を有する中央のビーム部を含む。

好ましくは、複数の振動可能な突出部は、外側櫂状部内に入れ子になる内側櫂状部を含む。

好ましくは、本体の縁部は、振動可能な部分を取り囲む。

好ましくは、振動可能な部分は、磁気によって駆動可能である。

一態様によれば、内部の気体の粘度を決定するように動作可能である粘度計が提供される。粘度計は、ドライバと、ドライバによって振動可能である平面的振動部材とを備え、平面的振動部材は、本体と、本体から発する振動可能な部分とを含み、振動可能な部分は複数の振動可能な突出部を含み、複数の振動可能な突出部は片持ち支持される。少なくとも１つのピックオフセンサが、振動部材の振動を検出するように構成される。計測電子機器が設けられ、当該計測電子機器は、励起信号をドライバに送り且つ少なくとも１つのピックオフセンサから振動応答を受け取るように構成されるインタフェースを含み、平面的振動部材のＱ値を測定し、平面的振動部材の共振周波数を測定し、測定されたＱ値及び測定された共振周波数を使用して、粘度計の内部の気体の粘度を決定するためのものである。

一態様によると、振動式粘度計を動作させる方法が提供される。少なくとも１つのコイルと通信する計測電子機器を備える振動式粘度計が提供される。振動部材が、少なくとも１つのコイルにより振動される。励起信号が、少なくとも１つのコイルによって受け取られる。検出信号が、少なくとも１つのコイルから出力され、この場合、少なくとも１つのコイルが、ドライバ又はピックオフのいずれかとして交互に作用するように動作可能である。振動部材のＱ値が、測定される。振動部材の共振周波数が測定され、振動式粘度計に導入された気体の粘度が、測定されたＱ値及び測定された共振周波数を使用して決定される。

好ましくは、少なくとも１つのコイルが、第１コイル及び第２コイルを含み、第１コイル及び第２コイルは、同時励起信号を受け取ることと、振動部材を駆動することと、振動部材から信号を検出することと、同時検出信号を供給することとを行うように動作可能である。

好ましくは、第１コイルと第２コイルとが磁気的に反対である。

好ましくは、少なくとも１つのコイルが単一のコイルを含み、単一のコイルは、励起信号を受け取ることと、振動部材を駆動することと、振動部材から信号を検出することと、検出信号を供給することとを行うように動作可能である。

好ましくは、Ｑ値は、位相シフト及び位相同期ループの回路を用いて測定される。

図１は、従来技術の振動シリンダを示す。図２は、従来技術の振動シリンダセンサのＱ値の関数として周波数応答における沈み込み部を示す。図３ａは、粘度計用の振動部材の実施形態を示す。図３ｂは、粘度計用の振動部材の実施形態を示す。図４ａは、粘度計用の振動部材の別の実施形態を示す。図４ｂは、粘度計用の振動部材の別の実施形態を示す。図５は、一実施形態による粘度計の一部分を示す。図６は、一実施形態による粘度計の別の部分を示す。図７は、一実施形態による計測電子機器を示す。図８は、駆動周波数決定の一実施形態のフローチャートである。

図１～図８及び以下の説明は、本発明の最良の形態をどのように作製し且つ使用するかを当業者に教示するための特定の例を示す。本発明の原理を教示する目的で、一部の従来の態様が単純化又は省略されている。当業者は、本発明の範囲内に包含されるこうした例からの変形形態を理解することであろう。当業者は、以下で説明される特徴が本発明の複数の変形形態を形成するために様々な方法で組み合わされることができるということを理解することであろう。その結果、本発明は、以下に説明される特定の例に限定されず、特許請求の範囲及びその均等物によってのみ限定される。

実施形態では、機械的な共振体を使用して気体粘度を決定するための方法及び装置が提供される。

望まれない共振は振動要素の共振と干渉し、これ故、計算される粘度の精度に影響を及ぼす減衰の増加を引き起こす可能性があることが、上述された。それ故、提供される気体粘度センサの振動要素の実施形態の設計は、振動要素の共振と干渉することになる望まれない共振が存在しないことを確実にする。望まれない共振は、２つの主要なカテゴリーに該当し、即ち、機械的な共振と、振動要素を取り囲む空洞内での音響的な共振とに該当する。

一般に、機械的な共振は、例えば有限要素モデル化のような解析手法によって検証される慎重な設計によって回避されることができる。図１によって図示されるような円筒状部材センサの従来技術の設計において、スプール状本体の剛性は変化する可能性があり、時にはスプール状本体のたわみ共振周波数が円筒の共振を超えて交差する可能性があることが、既知である。しかしながら、スプール状本体のたわみ共振周波数は、スプール状本体の剛性を増加することによって増加することができる。これは、たわみが円筒の共振と干渉しないことを確実にする１つの可能な方法である。従来技術の円筒状部材センサは、図２に図示されるように、Ｑ値の関数として周波数応答における沈み込み部を表す。この場合、「沈み込み部」が窒素及びアルゴンにおいて異なる周波数で生じるため、「沈み込み部」は、スプール状本体のたわみに起因するものではない可能性があり、これ故、これらの異常な差異が音響的な影響に起因するものであることを示唆する。

音響的な影響又は共振は、「パイプオルガン共鳴」に類似する縦共振、又は、円筒状部材の首部を越えて吹き付ける場合に一般に観察されるヘルムホルツ共鳴のいずれかに分類され得る。一端閉鎖且つ他端開放のパイプ構成の場合、共振の波長は、約λ／４、３λ／４、５λ／４等である。そして、両端開放又は両端閉鎖のパイプ構成の場合、共振の波長は、約２λ／４、４λ／４、６λ／４等である。

一例として、説明のためだけであるが、アルゴンについては、音響的な主共振は、約３００ｋｇ／ｍ³で生じる。この共振がλ／４の共振であると仮定すると、これには、約８５ｍｍの特徴的な円筒の長さが必要であることを示すことができる。従来技術の円筒状部材では、このことを試みる又は適合する可能な流体経路が存在するものもあるが、実際には、気体は、縦共振を妨げる狭いチャネルを通過しなければならず、そのため、この共振の形態は特に強くはならないことになる。加えて、駆動される音響モードが、円筒の共振よりも２倍高い周波数であることが見られる。これは、円筒の運動が、円筒内の容積がサイクル毎に２回膨張するような運動であるからであり、即ち、円筒の運動が、円筒の振動のサイクル毎に２回、ある体積の気体を押し出すような運動であるからである。実際には、周波数を２倍にする特性と組み合わされる、このような円筒状部材の複雑なジオメトリは、全ての音響モードを正確に予測することを困難又は不可能にする。ヘルムホルツ共鳴も存在しており、このことは、音響モデルを正確に予測することの困難性を付加する。

ヘルムホルツ共鳴は、バネのように挙動する円筒状部材の内部空洞の容積内の気体が圧縮を受ける結果生じるものであり、それにより、開口部の首部内の気体の運動エネルギーは移動する質量体のような挙動をし、これ故、気体は、刺激を受けた場合に特定の周波数で共振することができる。設計によって、ヘルムホルツ共鳴は、空洞の容積及び開口部の首部の長さを減少することによって、及び、広い開口部（例えば、気体の入口又は出口のための広い開口部）を有することによって、より高い周波数にすることができる。

本実施形態では、望まれない音響的共振を回避することによって、従来技術を超える利点を示す平面的共振体が提供される。提供される振動部材の実施形態が振動すると、このことは、振動部材の周囲の気体の移動を引き起こす。気体の付加的な質量は、振動部材の共振周波数をシフトさせ、これ故、周波数は、気体の密度の指標を提供することができる。密度と周波数とを関連付ける非限定的な例の式は、以下に示される形式のものである。

ここで、Ａ及びＢは共振体の剛性、質量及びジオメトリに関する定数であり、ρは密度であり、ｆは周波数である。

気体の剪断は、気体の粘度に起因して振動の減衰をもたらす。共振の品質係数（Ｑ値）は、減衰の程度の尺度を与え、これにより、Ｑ値は、気体の粘度に関係付けられることができる。ナビエ・ストークス方程式及びニュートンの運動法則を考慮することによって、非限定的な例の以下に示す形式の式が、導き出されることができる。

ここで、Ｋは振動部材の剛性、質量及びジオメトリに関する定数であり、ω₀は減衰を伴わない共振角周波数であり、ηは流体の粘性である。式（６）及び式（７）を組み合わせると、気体の粘度は、Ｑ値及び周波数の測定値を使用して決定され得ることが示されることができる。式（７）は、Ｑ値、周波数及び粘度の間の関係を表す一般的な式として与えられる。

図３ａ、図３ｂ、図４ａ及び図４ｂは、実施形態による気体粘度計７００（図６参照）用の振動部材５００，６００を示す。振動部材５００，６００は、固有周波数（即ち、共振周波数）で、又はこの周波数に近い周波数で振動され得る。当業者によって理解されるように、気体の存在下で振動部材５００，６００のそのような周波数を測定することによって、流体の粘度が決定されることができる。振動部材５００，６００は、金属で形成されてもよく、振動部材５００，６００は、部材の壁の変化及び／又は不完全性が振動部材５００，６００の共振周波数に及ぼす影響が最小限であるように、均一な厚さで構築されてもよい。

図３ａ及び図３ｂは、３つ組みのビーム構造を備える振動部材５００の実施形態を示す。振動部材５００の本体５０２は、振動可能な部分５０４を支持する。振動可能部分５０４は、片持ち式であり、単一の端部５０６によってのみ支持される。複数の振動可能なビーム部５０８が、端部５０６から突出し、振動励起時に自由に揺動することができる。複数の振動可能なビーム部５０８は、少なくとも２つのビーム部を備える。本明細書では、３つのビーム部が例として示されている。複数のビーム部のサイズは、一致したものであってよく、複数のビーム部は、形状及び／又は寸法で異なっていてもよい。図示の実施形態では、端部５０６は、本体の縁境界部５１２から突出する部材を含む。一実施形態では、本体５０２の端部５０６及び境界部５１２が同じ部分を含む。図示の実施形態では、複数のビーム部５０８は、縁境界部５１２とビーム部５０８との間に位置する共通領域５１４から突出する。図示のように、共通領域５１４は、共通領域５１４とは異なるサイズ及び寸法を有する端部領域５０７（図３ａ参照）から突出している。しかしながら、差動可能な端部領域５０７は、実施形態において存在しなくてもよく、共通領域５１４のみが存在してもよいことが理解されるであろう。別の実施形態では、複数のビーム部５０８が端部５０６領域から直接突出する。図３ｂは、振動運動を受ける複数のビーム部５０８を示す。

複数の取り付け穴５１０が、振動部材５００が粘度計７００（図６参照）の一部に留め付けられることを可能にするように与えられることができる。穴、切り込み、ビーム、インデックス特徴部、又は任意の他の特徴が、振動部材５００を粘度計７００の一部に固定するために使用されてもよく、実施形態によっては、例えば、振動部材５００が粘度計７００の部分同士の間に挟まれ得る場合等では、取り付け特徴部は全く必要とされない場合もあることが、理解されるであろう。

図４ａ及び図４ｂは、バランスがとられた櫂状構造を備える振動部材６００の実施形態を示す。振動部材６００の本体６０２は、振動可能部分６０４を支持する。振動可能部分６０４は、片持ち式であり、単一の端部６０６によってのみ支持される。複数の振動可能な櫂状部６０８が、端部６０６から突出し、振動励起時に自由に揺動することができる。図示の実施形態では、端部６０６は、本体の縁境界部６１２から突出する部材を含む。一実施形態では、本体６０２の端部６０６及び境界部６１２が同じ部分を含む。図示の実施形態では、複数の櫂状部６０８は、共通領域６１４から突出する。別の実施形態では、共通領域６１４は、共通領域６１４とは異なるサイズ及び寸法を有する端部領域６０７から突出する。しかしながら、差動可能な端部領域６０７は、実施形態において存在しなくてもよく、共通領域６１４のみが存在してもよいことが理解されるのであろう。一実施形態では、複数の櫂状部６０８は、端部６０６から直接的に突出する。内側櫂状部６１６が、外側櫂状部６１８内に入れ子になっていてもよい。図４ｂは、振動運動を受ける櫂状部６０８を示す。

複数の取り付け穴６１０が、振動部材６００が粘度計７００の一部に留め付けられることを可能にするように与えられることができる。穴、切り込み、ビーム、インデックス特徴部、又は任意の他の特徴が、振動部材６００を粘度計７００の一部に固定するために使用されてもよく、実施形態によっては、例えば、振動部材６００が粘度計７００の部分同士の間に挟まれ得る場合等では、取り付け特徴部は全く必要とされない場合もあることが、理解されるであろう。

振動部材５００，６００はそれぞれ、単一端型（即ち、片持ち式）の構造を示す。単一端型構造の利点は、単一端型構造が本体５０２，６０２の取付構成部に生じ得る応力に実質的に反応しないことであるが、片持構造を欠いている両端型構造は、取り付け又は温度勾配の影響に起因する引張応力を受け得る。一方、両端型構造は、共振体への地球の引力から生じる向きの影響に対して、より堅牢で且つ感度が低くなり得、そのため、図示されていないが、両端型構造は、振動部材の実施形態として考えられる。

バランス化された櫂状振動部材６００は、内側櫂状部の表面積が、相対的に比例的に大きく、そのため、特に振動部材６００が物理的に相対的に小さい実施形態では、振動の励起及び検出がより容易になり得るという利点を提供する。バランス化された櫂状振動部材６００はまた、比例的により低い動作周波数を達成することができるという利点も有する。

図５は、ハウジング（明確にするために図示せず）内に少なくとも部分的に位置する振動部材５００，６００を有する粘度計７００を示す。振動部材５００，６００の平面的な設計により、振動部材５００，６００を囲む空洞７０１の容積は、非常に小さくすることができ、音響的共振は、動作周波数と比較して、より高い周波数であるように構成可能である。共振体の上方及び下方においてハウジングに対して狭い間隙を有する典型的な状況では、空洞７０１の容積は、従来技術の振動シリンダによって必要とされる容積の１０分の１の大きさにすることが容易であり、これ故、ヘルムホルツ共鳴は、周波数のほぼ３倍に高くなる。ハウジングの間隙が狭いことが、粘度計７００を通る気体の加速度が結果的に増加することに起因して、より高い密度感度及びより高い粘度感度をもたらすという理由によっても、ハウジングの間隙が狭いことは有利となり得ることに留意されたい。

図面では、振動部材５００が一例として示されている。しかしながら、任意の他の振動部材のジオメトリ又は構成が与えられてもよい。一実施形態によれば、粘度計７００は、ハウジングの内側に振動部材５００を含む。振動部材５００，６００は、ベース７０２に永久的に又は取り外し可能に取り付けられてもよい。一実施形態では、境界部５１２，６１２の領域は、実質的に剛性を有するかたちでベースに固定される。一実施形態では、ベース７０２の複数の部分が、境界部５１２，６１２の近くで当該部分の間で振動部材を挟持するが、依然として、振動可能部分５０４，６０４が振動することを可能にする。数量化されるべき流体は、供試流体が振動部材５００，６００の振動可能部分５０４，６０４と接触するように、ベース内の複数の導管（図示せず）に導入されてもよく、又は当該導管を通過してもよい。ベース７０２は、粘度計７００を管路又は同様の流体送達デバイスに流体密封様式で動作可能に連結するためのフランジ又は他の部材を含んでもよい。気体は気体ポート７０８を介して粘度計７００に入ることができ、出口ポート（図示せず）を介して、又は単一の気体ポート７０８を介して、同様の様式で出ることができる。

ドライバ７０４及び振動センサ（ピックオフ）７０６（図６参照）が、振動部材５００，６００の近くに配置される。ドライバ７０４は、計測電子機器から駆動信号を受信し、共振周波数又は共振周波数の近傍で振動部材５００，６００を振動させる。振動センサ７０６は、振動部材５００，６００の振動を検出し、その振動情報を処理のために計測電子機器に送信する。計測電子機器は、振動部材５００，６００の共振周波数を決定し、測定されたＱ値及び周波数を利用して粘度測定値を生成する。

気体粘度が既知であり且つ一定である実施形態では、共振体のＱ値及び周波数は、気体圧力の尺度を与えるために使用されることができる。

振動部材５００，６００の励起及び検出は、特に共振体のサイズが小さくなるにつれて困難になる可能性がある。理想的には、励起及び検出は非接触である。というのは、圧電素子のような変換器を取り付けることは、共振を低下させる効果しか有し得ないからである。静電的な励起及び検出、又は電磁的な励起及び検出を使用することは、励起変換器及び検出変換器が互いに接近しており、その結果、２つの間に直接的な容量結合又は直接的な変圧器結合が存在するため、一般に困難である。このクロスカップリングは、検出信号を劣化させる可能性があり、最悪の場合、検出信号を完全に抑えてしまい、それにより、計測電子機器が共振を識別することができない。このクロスカップリングを回避するために、一実施形態では、励起及び検出のための異なる方法が利用される。例えば、一実施形態では、電磁的励起及び光学的検出が利用されるか、又はその逆の光学的励起及び電磁的検出が利用される。

図６は、振動部材５００，６００の周りのドライバ７０４及びピックオフ又は振動センサ７０６の向きを図示する。ベース７０２及び密度計７００全般は、明確にするために省略されている。ドライバ７０４は、振動部材５００，６００を１つ以上の振動モードで振動させるように適応する。ドライバ７０４は、振動可能部分５０４，６０４に近接する任意の所望の位置に配置されてもよい。一実施形態によると、ドライバ７０４は、計測電子回路から電気信号を受信することができる。図示の実施形態では、少なくとも１つの振動センサ７０６は、ドライバ７０４と同軸上に整列される。他の実施形態では、少なくとも１つの振動センサ７０６は、他の場所で振動部材５００，６００に結合されてもよい。例えば、少なくとも１つの振動センサ７０６は、振動部材５００，６００の外面上に配置されてもよい。

少なくとも１つの振動センサ７０６は、計測電子機器に信号を送信することができる。計測電子機器は、少なくとも１つの振動センサ７０６によって受信された信号を処理することで、振動部材５００，６００の共振周波数を決定することができる。一実施形態では、ドライバ７０４及び振動センサ７０６は、振動部材５００，６００に磁気的に結合され、これ故、ドライバ７０４は、磁場を介して振動部材５００，６００に振動を励起し、振動センサ７０６は、近接磁場内の変化を介して振動部材５００，６００の振動を検出する。供試流体が存在する場合、振動部材５００，６００のＱ値は、当該技術分野で既知であるように、流体粘度に反比例して変化することになる。

比例的変化は例えば、初期キャリブレーション中に決定されてもよい。図示の実施形態では、少なくとも１つの振動センサ７０６はコイルを含む。ドライバ７０４は、電流を受け取ることで、振動部材５００，６００に振動を励起し、少なくとも１つの振動センサ７０６は、ドライバ７０４によって生成される振動部材５００，６００の運動を使用することで、電圧を誘起する。コイルのドライバ及びセンサは当技術分野で周知であり、当該ドライバ及びセンサの動作のさらなる説明は、説明を簡潔にするために省略される。さらに、ドライバ７０４及び少なくとも１つの振動センサ７０６は、コイルに限定されず、むしろ、例えば、圧電センサ、歪みゲージ、光学センサ又はレーザセンサ等の種々の他の周知の振動構成要素を備えてもよいことを理解されたい。従って、本実施形態は、電磁的なドライバ及びセンサに、決して限定されるものではない。さらに、ドライバ７０４及び少なくとも１つの振動センサ７０６の特定の配置は、本実施形態の範囲内に留まりながら変更することができることを、当業者は容易に認識するであろう。

図７は、一実施形態による計測電子機器９００のブロック図である。動作の際、粘度計７００は、種々の測定値を提供し、当該測定値は、密度の測定値又は平均値、及び粘度のうちの１つ以上を含んで出力され得る。

粘度計７００は、振動応答を生成する。振動応答は、１つ以上の流体測定値を生成するために、計測電子機器９００によって受信され且つ処理される。当該流体測定値は、監視される、記録される、保存される、合計される、及び／又は出力されることができる。

計測電子機器９００は、インタフェース９０１と、インタフェース９０１と通信する処理システム９０３と、処理システム９０３と通信するストレージシステム９０４とを含む。これらの構成要素は区別されたブロックとして示されているが、計測電子機器９００は、統合された構成要素及び／又は別々の構成要素の種々の組み合わせで構成されることができることを理解されたい。

インタフェース９０１は、リード線に連結し、例えば、ドライバ７０４、ピックオフ７０６、温度センサ及び圧力センサ（図示せず）と信号を交換するように構成されてもよい。インタフェース９０１は、外部装置への通信経路を介して通信するようにさらに構成されてもよい。

処理システム９０３は、任意のかたちの処理システムを含むことができる。処理システム９０３は、粘度計７００を動作させるために、記憶されたルーチンを読み出し、実行するように構成される。ストレージシステム９０４は、全体的な計測ルーチン９０５を含むルーチンを記憶することができる。ストレージシステム９０４は、測定結果、受信された値、作動値、及び他の情報を記憶することができる。いくつかの実施形態では、ストレージシステムは、質量流量（ｍ）９２１、密度（ρ）９２５、粘度（μ）９２３、温度（Ｔ）９２４、圧力９０９、駆動ゲイン９０６、振動可能ビーム帯域幅９２７、Ｑ値９２９、駆動ゲインルーチン９１３等のルーチン、及び当技術分野で既知の任意の他の変数又はルーチンを記憶する。他の測定／処理ルーチンも考えられ、本明細書及び特許請求の範囲の範囲内である。

全体計測ルーチン９０５は、流体の数量化されたもの及び流動の測定値を生成及び記憶することができる。全体計測ルーチン９０５は、例えば、粘度測定値を生成し、粘度測定値をストレージシステム９０４の粘度９２３ストレージに記憶することができる。粘度９２３の値は、前述したように且つ当技術分野で既知であるように、Ｑ値９２９から決定されることができる。

振動部材５００，６００の振動振幅は、共振周波数でピークに達するが、共振周波数は、振動部材５００，６００自体の質量及び剛性によって大きく影響を受ける。共振のピーク（又はピークの近く）において、振動部材の変位は、π／２又は９０°毎の駆動力を伝える。一実施形態では、位相同期ループ回路が設けられ、当該回路では、駆動信号の周波数は、ピックアップ信号と駆動信号との間で位相を比較する位相比較器の出力によって支配される。位相同期ループは、変位と駆動信号との間で９０°の位相差を常に維持するように構成され、これ故、共振周波数で振動部材５００，６００を常に駆動するように構成されてもよい。これにより、駆動信号が共振から外れた場合、位相比較器の出力信号は、設定された位相条件が満たされるまで駆動周波数を変化させることになる。一実施形態では、出力周波数が位相比較器からの電圧によって駆動される電圧制御型発振器（ＶＣＯ）が、設けられる。

一実施形態では、図８に移ると、共振周波数にロックするために、走査状態、ロック状態、及びリセット状態に至ることがなされてもよい。走査状態１０００では、ランプ信号は、共振を見つけるために「走査」するように駆動信号の周波数を動かす（１００２）。ランプ信号がピックアップ信号を検出した場合（１００４）、ランプ信号はロック状態に移動してもよい（１００６）。ロック状態に入ると、ランプ信号は、オフ状態にされ（１００８）、位相比較器からの信号が、駆動信号の周波数を決定する（１０１０）。説明されるフィードバック機構のため、位相比較器の出力信号は、変位と駆動信号との間で９０°の位相差である共振での駆動を、ＶＣＯに強いることになる。それ故、振動部材５００，６００は、常に共振周波数で駆動されることになる。共振が移動した場合、駆動信号は移動に追従することになり、それ故、駆動信号は、共振へロックされていると言える。リセット状態では、上記で共振周波数が見つからない場合、共振周波数を見つける処理は、「リセット」され、高い周波数で再び開始される。

一実施形態では、共振のＱ値が位相同期ループ回路と共同して測定されてもよい。共振の品質係数（Ｑ値）は、実施形態では、以下のように定義されてもよい。

記載するように、位相設定条件が９０°であり且つ位相同期ループ回路が共振のピークに「ロック」する位相同期ループのスキームが実施されてもよい。一実施形態では、位相同期ループは、周波数応答曲線上の減衰が３ｄＢの点に対応する４５°又は１３５°の位相設定条件を伴って構成されることができる。４５°又は１３５°は単なる例であり、当業者によって理解されるように、他の位相設定点が利用されてもよい。一実施形態では、Ｑ値を測定するために、位相設定点は切り換えられてもよく、それにより、振動部材５００，６００は、共振のピーク及び３ｄＢの点（又は、３ｄＢよりも上又は下の他の位相設定点）で順次動作することができ、これにより、Ｑ値は、共振周波数及び帯域幅から算出されることができる。

別の実施形態では、粘度は、校正定数、Ｑ値、及び周波数を使用して算出される。

粘度９２３及び他の測定結果は、実質的に瞬間的な値を含むことができ、サンプルを含むことができ、時間間隔にわたる平均値を含むことができ、又は時間間隔にわたる累積値を含むことができる。時間間隔は、特定の流体状態が検出される間の１ブロックの時間に対応するように選択されてもよく、例えば、特定の流体状態は、気体のみの流体状態である。加えて、他の質量流量及び体積流量並びに関連する数量化されたものも考慮され、それらは本明細書及び特許請求の範囲の範囲内である。

振動可能なビーム部の固有周波数の帯域幅が周囲の流体の粘度と共に変化するため、粘度９２３は、振動可能なビーム部の帯域幅９２７を測定することから決定されてもよい。それ故、帯域幅の測定値は、計測校正係数を利用することによって、粘度に変換されてもよい。

計測電子機器９００は、パスリンク又は他の通信リンクに結合されてもよい。計測電子機器９００は、当該パスを介して密度測定値を通信してもよい。計測電子機器９００はまた、いかなるかたちの他の信号、測定結果、又はデータも当該パスを介して送信してもよい。さらに、計測電子機器９００は、当該パスを介して、命令、プログラミング、他のデータ、又はコマンドを受信してもよい。

上記の実施形態の詳細な説明は、本発明の範囲内にあると本発明者が考える全ての実施形態の網羅的な説明ではない。実際に、当業者は、上述の実施形態の特定の要素がさらなる実施形態を生成するために様々に組み合わされ又は除去されてもよく、そのようなさらなる実施形態が本発明の範囲及び教示に含まれることを、認識するであろう。また、上述の実施形態が本発明の範囲及び教示内でさらなる実施形態を生成するために全体的に又は部分的に組み合わされてもよいことも、当業者には明らかであろう。

これ故、本発明の特定の実施形態及び本発明のための例は、例示の目的のために本明細書に記載されるが、関連技術分野の当業者が認識するように、本発明の範囲内で、様々な均等的なモディファイが可能である。本明細書で提供される教示は、他の振動システムに適用されることができ、上記で説明され且つ添付の図面に示される実施形態にだけ適用されることができるものではない。従って、本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲から決定されるべきである。

Claims

振動式気体粘度計（７００）で使用する動作可能な平面的振動部材（６００）であって、
本体（６０２）と、
前記本体（６０２）から発する振動可能な部分（６０４）であって、前記振動可能な部分（６０４）は複数の振動可能な突出部を含み、前記複数の振動可能な突出部は片持ち支持され、前記複数の振動可能な突出部は、外側櫂状部（６１８）内に入れ子になる内側櫂状部（６１６）を含む、振動可能な部分（６０４）とを備え、
前記振動可能な部分（６０４）は、ドライバ（７０４）によって振動されるように動作可能である、平面的振動部材（６００）。
前記本体（６０２）の縁部（６１２）は、前記振動可能な部分（６０４）を取り囲む、請求項１に記載の平面的振動部材（６００）。
前記振動可能な部分（６０４）は、磁気によって駆動可能である、請求項１に記載の平面的振動部材（６００）。
内部の気体の粘度を決定するように動作可能である粘度計（７００）であって、
ドライバ（７０４）と、
前記ドライバ（７０４）によって振動可能である平面的振動部材（６００）であって、本体（６０２）と、前記本体（６０２）から発する振動可能な部分（６０４）とを含み、前記振動可能な部分（６０４）が複数の振動可能な突出部を含み、前記複数の振動可能な突出部が片持ち支持され、前記複数の振動可能な突出部が、外側櫂状部（６１８）内に入れ子になる内側櫂状部（６１６）を含む、平面的振動部材（６００）と、
前記平面的振動部材（６００）の振動を検出するように構成される少なくとも１つのピックオフセンサ（７０６）と、
励起信号を前記ドライバ（７０４）に送り、前記少なくとも１つのピックオフセンサ（７０６）から振動応答を受け取るように構成されるインタフェース（９０１）を含む計測電子機器（９００）であって、前記平面的振動部材（６００）のＱ値を測定し、前記平面的振動部材（６００）の共振周波数を測定し、測定されたＱ値及び測定された共振周波数を使用して、前記粘度計（７００）の内部の気体の粘度（９２３）を決定するための計測電子機器（９００）とを備える、粘度計（７００）。
振動式粘度計を動作させる方法であって、
少なくとも１つのコイルと通信する計測電子機器を備える振動式粘度計を提供することと、
外側櫂状部内に入れ子になる内側櫂状部を含む複数の振動可能な突出部を、備える振動部材を、前記少なくとも１つのコイルにより振動させることと、
前記少なくとも１つのコイルにより励起信号を受け取ることと、
前記少なくとも１つのコイルから検出信号を出力することであって、前記少なくとも１つのコイルが、ドライバ又はピックオフのいずれかとして交互に作用するように動作可能である、前記検出信号を出力することと、
前記振動部材のＱ値を測定することと、
前記振動部材の共振周波数を測定することと、
測定されたＱ値及び測定された共振周波数を使用して、前記振動式粘度計に導入された気体の粘度を決定することとを含む、方法。
前記少なくとも１つのコイルが、第１コイル及び第２コイルを含み、前記第１コイル及び前記第２コイルは、
同時励起信号を受け取ることと、
前記振動部材を駆動することと、
前記振動部材から信号を検出することと、
同時検出信号を供給することとを行うように動作可能である、請求項５に記載の振動式粘度計を動作させる方法。
前記少なくとも１つのコイルが、第１コイル及び第２コイルを含み、
前記第１コイルと前記第２コイルとが磁気的に反対である、請求項５又は６に記載の振動式粘度計を動作させる方法。
前記少なくとも１つのコイルが単一のコイルを含み、前記単一のコイルは、
励起信号を受け取ることと、
前記振動部材を駆動することと、
前記振動部材から信号を検出することと、
検出信号を供給することとを行うように動作可能である、請求項５に記載の振動式粘度計を動作させる方法。
前記Ｑ値は、位相シフト及び位相同期ループの回路を用いて測定される、請求項５に記載の振動式粘度計を動作させる方法。