JP7271044B2

JP7271044B2 - コリオリ流量センサアセンブリ

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Publication number: JP7271044B2
Application number: JP2020530586A
Authority: JP
Inventors: フィリップ・ラング; イェンス・ルエッテン; チャールズ・イー・シーリー
Original assignee: Amersham Bioscience AB
Current assignee: Cytiva Sweden AB
Priority date: 2017-12-05
Filing date: 2018-12-04
Publication date: 2023-05-11
Anticipated expiration: 2038-12-04
Also published as: EP3721181A1; CN111492208A; WO2019110622A1; JP2021505873A; US10422678B2; US20210215520A1; CN111492208B; US20190170553A1

Description

本開示は、一般に、コリオリ流量センサに関する。より詳細には、本開示は、コリオリ流量センサによって実行される測定の感度を改善する構造的修正を伴うコリオリ流量センサアセンブリに関する。

流動システムを通して送達される流体の特性の正確な測定は、バイオプロセッシングシステムおよび石油ガスパイプラインなどにおける様々な用途に重要である。流体の特性を測定するための一技術は、流量を使用するものである。これは、流体送達時に測定が実行されることを可能にし、関連する運転費を低減するのに有利である。すなわち、能動的流動システムは測定しながら運転可能であるものとしてよい。流量は、体積流量または質量流量のいずれかとして測定され得る。体積流量は、流体の密度が一定の場合に正確であるが、しかしながら、密度は温度、圧力、または組成とともに著しく変化し得るので、これはいつでも当てはまるわけではない。そのようなものとして、質量流量は、典型的には、流体流動を測定する上で信頼性が高い。質量流量を測定するための一方法は、コリオリ流量センサ（たとえば、流量計）を用いるものである。一般に、コリオリ流量センサは、振動チューブを通って移動するときに流体から結果として生じるコリオリの力を介して質量流量を測定する。

元々請求されていた主題と、範囲に関して釣り合いが取れているいくつかの実施形態が以下に要約されている。これらの実施形態は、請求されている主題の範囲を制限することを意図されず、むしろ、これらの実施形態は、可能な実施形態の概要を提示することのみを意図されている。実際、本開示は、以下で述べられている実施形態に類似するか、または異なり得る様々な形態を包含し得る。

本明細書で提供されるのは、フローチューブを受け入れるように構成されている構造支持コンポーネントを備えるアセンブリであり、フローチューブは流体のための流路を提供するように構成される。さらに、アセンブリは、流体が流路を通って流れている間にフローチューブおよび構造支持コンポーネントの振動を駆動するように構成されている機械駆動アセンブリを含み、少なくとも１つの平面内のフローチューブの振動は、フローチューブが構造支持コンポーネントに結合されたときに減少する。

本明細書において提供されるのは、フローチューブを通る流路を提供するように構成されているフローチューブを備えるアセンブリであり、フローチューブは、第１の領域と第２の領域とを有し、第１の領域および第２の領域は両方とも第３の領域より大きい剛性を有する。さらに、アセンブリは、流体が流路を通って流れている間にフローチューブの振動を駆動するように構成されている機械駆動アセンブリを含む。

本明細書において提供されるのは、流体流動アセンブリを備えるシステムであり、流体流動アセンブリはフローチューブを備え、流体流動アセンブリは、フローチューブを通る流路を提供するように構成され、フローチューブは、第１の配置において第１の剛性を、第２の配置において第２の剛性を有する材料から形成され、第１の剛性は第２の剛性と異なる。さらに、システムは、流体が流路を通って流れている間にフローチューブの振動を駆動するように構成されている機械駆動アセンブリを含む。なおもさらに、システムは、フローチューブの振動を感知し、振動を示す信号を発生するように構成されているセンサを備える。

本開示のこれらのおよび他の特徴、態様、および利点は、類似の文字は図面全体を通して類似の部分を表す添付図面を参照しつつ次の詳細な説明を読んだときによりよく理解されるであろう。

本開示によるコリオリ流量センサシステムのブロック図である。本開示による動作しているコリオリ流量センサアセンブリの振動を示す概略図である。均一な剛性を有するフローチューブのコリオリ位相シフトを示す図である。本開示による均一な剛性または可変剛性を有するフローチューブの位相シフトの比較を示す図である。本開示による均一または可変剛性を備えるフローチューブを有するコリオリ流量センサアセンブリの位相シフトを示す図である。本開示による可変剛性を有するコリオリ流量センサアセンブリのフローチューブの実装形態を示す図である。本開示によるコリオリ流量センサアセンブリのフローチューブの横および縦振動を示す概略図である。本開示によるドーサルフィンを有する構造支持コンポーネントの位相シフトを示す図である。本開示によるドーサルフィンを有する構造支持コンポーネントの横および駆動振動モードを示す図である。本開示によるコリオリ流量センサのフローチューブの様々な振動モードを示す図である。本開示による横および縦フィンを有する構造支持コンポーネントに結合されているフローチューブのコリオリ位相シフト感度を示す図である。本開示による二重フィンを有する構造支持コンポーネントを備えるフローチューブのコリオリ位相シフト感度を示す図である。本開示による構造支持特徴部の図である。

本開示の１つまたは複数の特定の実施形態が以下で説明される。これらの実施形態について簡潔に説明するために、本明細書では、実際の実装形態のすべての特徴が説明されない場合がある。任意のエンジニアリングまたは設計プロジェクトの場合のように、そのような実際の実装形態の開発において、実装形態毎に異なり得る、システム関係および事業関係の制約条件への適合など、開発者の特定の目標を達成するために多数の実装形態特有の決定が下されなければならないことは理解されるべきである。さらに、そのような開発努力は複雑で時間がかかる可能性もあるが、それにもかかわらず、本開示を利用する当業者にとって設計、加工、および製造の日常業務であることは理解されるべきである。

本開示の様々な実施形態の要素を紹介するときに、「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」、「その（ｔｈｅ）」、および「前記（ｓａｉｄ）」は、これらの要素の１つまたは複数があることを意味することが意図されている。「備える、含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む、備える（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、および「有する、持つ（ｈａｖｉｎｇ）」という言い回しは、包含的であることが意図されており、列挙されている要素以外に追加の要素があり得ることを意味する。

コリオリ流量センサは、バイオプロセッシングシステムなどの、流体送達を伴う多数の用途において有用である。一般に、コリオリ流量センサは、コリオリの力の結果生じる１つまたは複数の振動するフローチューブの位相シフトを測定することによって動作する。コリオリの力の効果を高め、次いで結果として質量流量感度および感知振幅（高信号対雑音比：ＳＮＲ）を高める、コリオリ流量センサ設計を提供することが有益である。いくつかのコリオリ流量センサは、長さに沿って均一な連続チュービングと併せて使用されることが多い。

コリオリ流量センサを実装するいくつかのアプローチは、チュービング、および対応する流体流路を、都合のよい幾何学的形態に成形することによって流量感度を増幅することを目指す。しかしながら、コリオリ流量センサの測定感度を改善することに加えて、コリオリ流量センサは、また、センサ読み取り値の精度に影響を及ぼし得る環境外乱に対してロバストであるべきである。チュービングの幾何学的形態を修正する多くのアプローチは、結果として、大きなチュービングループを形成し、これは外乱も増幅される（次いで、センサ精度を低下させる）のでゼロ点安定性における有利な点を有しない。したがって、有効信号対雑音比は同じままであり得る。さらに、これらの構成は、流体流動システム内に追加の領域をも占有し、ループした幾何学的形態は流体流路を修正し、これは圧力損失、流速、剪断速度、トラッピング、排出、および摩耗に影響を及ぼす。

本開示は、信号対雑音比が改善されたコリオリ流量センサアセンブリを対象とする。アセンブリは、振動力の損失を低減する特徴部を有するフローチューブ（たとえば、使い捨てフローチューブ）を備え得る。一実施形態において、コリオリ流量センサアセンブリは、長さに沿って可変剛性を有するフローチューブを備え得る。以下で詳しく説明されているように、フローチューブに沿った可変剛性は、振動チューブのコリオリ位相シフトを高めることによって、および他の振動モード（たとえば、構造振動モード）からの寄与分を機械駆動アセンブリによってもたらされる振動まで低減することによってコリオリ流量センサアセンブリの性能を改善する。いくつかの実施形態において、フローチューブに沿って可変剛性であることは、フローチューブの修正の結果である（たとえば、内壁厚さを変える、またはフローチューブの材質をその長さに沿って変える）。他の実施形態において、フローチューブに沿った可変剛性は、センサ雑音に寄与する傾向のある振動モードを含むいくつかの軸に剛性を付与する外部構造支持コンポーネントの結果である。さらに、可変剛性特徴部を組み込むことで、ループした、または他の幾何学的形状のフローチューブ構造なしでコリオリ流量センサアセンブリが使用され得る。たとえば、開示されている技術は、真っ直ぐな、またはループしていないフローチューブを備えるコリオリ流量センサアセンブリに適用されてよく、それにより、従来のループしたセンサフローチューブに関連するいくつかの不利点（たとえば、領域を占有する、流体流路を修正する効果）を減らすか、またはなくす。すなわち、開示されている技術を介して達成される信号対雑音比の改善は真っ直ぐな、またはループしていないフローチューブで達成される。しかしながら、開示されている技術は、そのようなアセンブリにおいて信号対雑音比を高めるためにループまたは他の幾何学的形状を有するフローチューブと併せても使用され得ることが理解されるべきである。

次に図を参照すると、図１はコリオリ流量センサシステム１０の一実施形態を例示する図である。コリオリ流量センサシステム１０は、センサアセンブリ１４に結合されている電子回路１２を備える。センサアセンブリ１４は、フローチューブおよびフローチューブの剛性を高める１つまたは複数の特徴を備え得る。

一実施形態において、センサアセンブリ１４は、流体流路を提供するフローチューブに沿って可変剛性をもたらす流体流動アセンブリ１８を備える。たとえば、センサアセンブリは、流体２２を保持するための可変剛性フローチューブ２０を備え得る。別の実施形態において、可変剛性フローチューブ２０は、いくつかの軸においてフローチューブ２０の移動を制約することによって可変剛性を付与し、および／または高める構造支持コンポーネント２４に結合され得る。いくつかの実施形態において、可変剛性は、フローチューブ２０それ自体と一体の特徴を介して達成されるものとしてよく、フローチューブ２０は、構造支持コンポーネント２４あり、またはなしで、システム１０と併せて使用され得る。本明細書において提供される他の実施形態において、構造支持コンポーネントは、均一剛性フローチューブ（すなわち、本明細書において開示されている可変剛性特徴部を備えないフローチューブまたは図２に示されているようなフローチューブ１７などの長さに沿って概して一定の剛性を有するフローチューブ）と併せて使用されてよい。

それに加えて、センサアセンブリ１４は、いくつかの実施形態において、１つまたは複数のセンサ２６と１つまたは複数のアクチュエータ１６とを備え得る。当業者であれば、センサアセンブリ１４の１つまたは複数のコンポーネントは、使い捨て部品として構成されてよく、他のコンポーネントは、再利用可能な常駐部品として構成されてよいことを理解するであろう。その目的のために、いくつかのコンポーネントが使い捨てである実装形態において、使い捨てコンポーネントは、常駐部品から分離されていてよい（たとえば、適切なツールを使用して、または手で操作者によって）。たとえば、フローチューブ２０、１つもしくは複数のアクチュエータ１６、または１つもしくは複数のセンサ２６のうちの少なくとも１つは使い捨て部品であってよく、他の部品は再利用可能な常駐部品として構成される。当業者であれば、使い捨て部品は、特定のプロセス必要条件で定められた間隔で非常に低いコストにより交換され得ることを理解するであろう。それに加えて、いくつかの実装形態において、フローチューブ２０は、コリオリ流量センサを丸ごと交換しなくても、変更され得る。使い捨て部品サブシステムは、高精度測定結果を取得すること、コリオリ流量センサシステム１０の一部を再利用することを可能にし、１回限り使用する用途への柔軟性を提供し、コストおよび材料の節約を達成する。

図１を参照すると、いくつかの実施形態において、フローチューブ２０は、機械的振動子２８と結合されるか、または機械的振動子２８とともにアセンブリを形成し、それにより、機械的振動子２８の動作中に振動する剛体チュービングの形態をとり得る。１つまたは複数のアクチュエータ１６は、機械的振動子２８およびフローチューブ２０を通る流体２２内の要求された振動数範囲にわたって適切な振幅の振動を誘起するために使用される。機械的振動子２８およびアクチュエータ１６は、機械駆動アセンブリ３０と総称される。１つまたは複数のセンサ２６は、フローチューブ２０を通って流れる流体２２によって引き起こされるコリオリ応答を示す信号を提供するように構成される。１つまたは複数のセンサ２６は、たとえば、電磁センサ、または光学センサ、および関連するコンポーネントを含み得る。

フローチューブ２０は、流体の流れを可能にする内部通路を備える導管として構成されるものとしてよく、限定はしないが、単一の、二重もしくは多重ループ構成、分流、ストレートチューブ、向流または並行流構成を含む形状に形成され得る。いくつかの実装形態において、フローチューブ２０は、たとえば、機械的振動子の振動モード（調和振動数）に対する影響が支配的ではないポリマーから作られる。他のいくつかの例において、フローチューブ２０は金属から作られる。さらに他のいくつかの例において、フローチューブ２０はガラスから作られる。フローチューブ材料は、いくつかの例において、温度、圧力、測定されるべき流体の特性（たとえば、腐食性）などの、バイオプロセッシングアプリケーションの特定の要件に合わせて手直しされる。さらに、フローチューブ２０は、本明細書において提示されているように長さに沿って可変剛性を促進する壁厚さまたは材料特徴を持つように実装され得る。フローチューブ２０は、流体処理システムに対するインライン流体流感知を可能にするように配置され得る。したがって、フローチューブは、より大きい流体処理システムの流体導管と流体的に連通し得る。

コリオリ流量センサシステム１０は、センサアセンブリ１４に結合されている電子回路１２も備える。電子回路１２は、所望の振動数および大きさの振動をフローチューブ２０内に発生させるために１つまたは複数のアクチュエータ１６をトリガーする駆動回路３２を備える。コリオリ流量センサシステム１０は、フローチューブ２０からのコリオリ応答を受け取るためのセンサ回路３４をさらに備える。電子回路１２は、センサ２６から受信したコリオリ応答信号を処理して流体の１つまたは複数の特性を表す１つまたは複数の測定結果を生成するためのプロセッサ３６をさらに備える。これらの測定結果は、ユーザインターフェース３８を介して表示される。電子回路１２は、さらなる使用および通信のために測定結果を記憶し、駆動回路３２に使用するデータを記憶するためのメモリ４０と、センサ回路３４も備える。

動作時に、電子回路１２は、流体２２に伝えられる、フローチューブ２０内の振動を発生するように１つまたは複数のアクチュエータをトリガーする。これらの振動により、コリオリ応答（振動の振幅および位相）は流体中に生成され、フローチューブ２０を通じてセンサ２６によって感知される。センサ２６からの感知されたコリオリ応答信号は、さらに処理を行って流体流を含む流体の１つまたは複数の特性の測定結果を取得するために電子回路１２に伝送される。

システム１０は、任意の流体流動システムにおける流体特性を評価するために使用され得る。開示されているように、流体特性は、多様な製造および／または流体流動プロセスの運転中に評価され得る。本明細書において説明されるシステム１０のいくつかの用途は、半導体産業におけるウェハの加工、および有機物流体の使用を伴う医療用途を含む。これらのうちのいくつかは高純度用途であり、たとえばポリマー、または他の化学的に不活性な材料から作られているフローチューブ２０の使用は、そのような用途に有利である。いくつかの他の用途では、ガラスのような電気的に不活性で、熱伝導率の低い材料から形成されたフローチューブ２０が有利である。

図２は、例示的な振動モードの振動図４２、４４、および４６を示している。振動図４２は、振動図４４および４６に関する均一剛性フローチューブ１７を示しており、これは本明細書で提示されているようなコリオリ流量センサシステム１０と併せて使用され得る可変剛性を有するフローチューブ２０とともに流体流動アセンブリ１８を示す。図示されているように、各フローチューブ２０は、各フローチューブ２０の振動を駆動する機械的振動子２８に結合され得る。システム１０は、振動を感知する２つのセンサ２６を備え得る。

振動図４４および４６に示されているフローチューブ２０は、フローチューブ２０に沿って位置決めされている剛性を高めた１つまたは複数の領域２３を備える。剛性を高めた領域は、剛性の低い領域２５に相対的である。いくつかの実施形態において、フローチューブ２０の１つまたは複数が剛性の低い領域２５と比べて１つまたは複数の領域２３内で異なる材料から形成され、剛性の低い領域２５内のフローチューブ２０の壁厚さと比べて領域２３内のフローチューブ２０の壁厚さが大きい結果として、またはフローチューブに結合される１つまたは複数の構造支持コンポーネント２４（たとえば、図７に示されているように）を介して、剛性が高められ得る。

動作時に、力４８が、機械駆動アセンブリ３０の機械的振動子２８によって、長さまたは流体流動軸に沿って測定されるような（たとえば、流動矢印５２によって示されているような）、またフローチューブ２０の流体入口点２７と流体出口点２９との間の距離の半分に対応し得る、フローチューブ２０のほぼ中心３１に加えられる。力４８は、典型的な駆動偏向形状５０をもたらす。流れ５２（たとえば、矢印５２の方向に流れるように示されている、流体２２の）において、コリオリの力の分布５４がフローチューブ２０に加えられ、その結果、フローチューブの回転５６が生じる。コリオリの力の分布５２と駆動偏向形状５０との組合せは、コリオリ偏向形状５８である。

コリオリ偏向形状ｗは、コリオリの力の分布５２およびフローチューブの曲げ剛性に依存する。コリオリ位相シフトΔｔは、フローチューブの駆動偏向形状４８、ｖと特定の振動数ｆにおけるコリオリ偏向形状５８、ｗとの関係によって決定される。すなわち、

である。

上で説明されているように、コリオリ位相シフトは、流体の特性および流体の流量を測定するために使用される。一般に、コリオリ位相シフトが大きければ大きいほど結果として測定感度が高くなる。コリオリ位相シフトは、駆動変位とコリオリ変位との関係により決定することができる。

振動子軸に沿った（たとえば、力４８の方向の）可変曲げ剛性は、駆動偏向形状４８とコリオリの力の分布の両方に影響し、その結果、コリオリ偏向形状が修正される。さらに、可変曲げ剛性は、振動子軸に沿ってコリオリの力の分布をシフトさせ、これはコリオリの力の分布５４を振動最大値の方へシフトする。振動図４４および４６は、コリオリ偏向形状５２が剛性が高くなっている領域２３によって付与される可変剛性分布とともにどのように変化するかを例示している。概略図４４は、振動子軸の端部（すなわち、流体入口点２７および流体出口点２９）のところで剛性が大きいことで、コリオリの力の分布６４の最大値は振動子の中心の方へシフトすることを例示している。したがって、コリオリの力は、感知された領域におけるより高いコリオリ運動を引き起こし、その結果位相シフトが大きくなる。概略図４８に示されているように、剛性の高い１つまたは複数の領域２３がフローチューブの中心３１に位置しているときに、駆動偏向形状４８は、中心のところで平坦になっているものとしてよい。したがって、コリオリの力の分布５２およびコリオリ偏向形状はピンぼけであり、回転軸の方へシフトされ、その結果、回転軸の近くでの均一な曲げ剛性または高い曲げ剛性と比べてコリオリ位相シフトが小さくなる。したがって、いくつかの実施形態において、フローチューブ２０は、フローチューブ２０の流体入口点２７および／または流体出口点２９に隣接して位置決めされている剛性の高い１つまたは複数の領域２３を備える。さらに、フローチューブ２０は、フローチューブ２０の中点３１（たとえば、流体入口点２７と流体出口点２９との間の中点）を回避または除外するように位置決めされている剛性の高い１つまたは複数の領域２３を有するものとしてよい。フローチューブ２０は、剛性の高い１つ、２つ、または任意の数の領域２３を有し得る。

図３は、一定の剛性を有する均一剛性フローチューブ１７と併せてコリオリ位相シフトを評価することに対する実験結果およびコリオリ位相シフト感度の対応するグラフ７０を示している。画像７２は、フローチューブが機械駆動アセンブリ３０に結合されているコリオリ位相シフト感度（たとえば、流量に基づくコリオリ位相シフト）を決定するための実験装置を示している。グラフ７０は、スケール流量（ｋｇ／分）に対するコリオリ位相シフトを表示している。点７４は、画像７２に例示されているフローチューブ２０を有するコリオリ流量センサの繰り返される測定を表す。この構成に対して、測定されたコリオリ位相シフトは、最大１０ｋｇ／分までの流量で約２から１０μｓの範囲内である。画像７２に示されているフローチューブの測定されたコリオリ位相シフトは、４．７ｋｇ／分の流量および１５０Ｈｚの駆動振動に基づき４μｓである。

図４は、本開示による、均一剛性フローチューブ１７と可変剛性を（たとえば、軸７８に沿って）有する可変剛性フローチューブ２０との間の位相シフトを比較する概略図である。フローチューブ１７は、連続剛性分布を有し、有限要素解析（ＦＥＡ）法を使用して計算された、４．７ｋｇ／分の流量および１５０Ｈｚの駆動振動に基づく４μｓの位相シフトを有する。フローチューブ２０の位相シフトは、４．７ｋｇ／分の流量に基づいて３７μｓであり、１５０Ｈｚの駆動振動は、ＦＥＡ法を使用して計算される。

図５は、有限要素解析（ＦＥＡ）法を使用して計算された対応するコリオリ位相シフト感度を有する、可変曲げ剛性分布を伴う可変剛性フローチューブ２０（フローチューブ８２、８４、８６、および８８として例示されている）の様々な実装形態に対して、均一剛性フローチューブ１７を示している。各フローチューブ１７、２０は、長さ９０（たとえば、流動軸９１）を横切る可変曲げ剛性を有する。各フローチューブ１７、２０の曲げ剛性の大きさは、軸９４（たとえば、縦軸）に沿って高さ９２に関係する。たとえば、フローチューブ８２は、各フローチューブの長さの先頭の約２５％および末尾の約２５％の範囲内でより大きな曲げ剛性の２つの領域を有する。フローチューブ８４、８６、および８８は、各フローチューブの長さに沿って可変（たとえば、段階的）剛性を示す。

各フローチューブ１７、２０（８２、８４、８６、および８８）の位相差Δｔは、４．７ｋｇ／分の一定流量および６．３ｍｍのフローチューブ内径（ＩＤ）に基づき有限要素解析（ＦＥＡ）シミュレーションを使用して計算された。各矢印９６の長さ（いくつかが図４において注釈付きである）は、フローチューブ１７、２０（８２、８４、８６、および８８）にかかるコリオリの力の大きさを表す。フローチューブ１７、２０（８２、８４、８６、および８８）の計算された位相差は、それぞれ４．５、８．１、１４．３、１２．４、４．４、２．９μｓである。各計算された位相差は、各フローチューブに対して同じ位置で測定される。フローチューブ８２は、本明細書で表されているフローチューブの最高の位相差（たとえば、１４．３μｓの位相差）を有しており、これは最高の感度を有していることを示している。したがって、図５は、結果として最大の性能（たとえば、高流量感度）をもたらす剛性の分布がフローチューブ２０上にあることを示す。図５に示されているフローチューブ１７、２０（８２、８４、８６、および８８）は、すべて概して流動軸の周りで真っ直ぐであるが、当業者であれば、フローチューブ２０の修正された剛性による改善された性能の効果は、本明細書で提示されているように他の幾何学的形状のフローチューブに及ぶことを理解すべきである。したがって、本明細書で提示されているように、中点３１を横切り、比較的高いまたは大きい剛性の領域２３の間に挟まれているより低い（たとえば、最小の）剛性の領域２５を有するフローチューブ２０が形成され得る。フローチューブ２０の剛性を高めた領域２３は段付きのまたは一定でない厚さを有するものとしてよく、これにより、剛性を高めた１つまたは複数の領域２３内の個別の配置は、剛性の低い領域２５と比べて剛性を高められているが、剛性を高めた１つまたは複数の領域２３内の他の配置とは異なる剛性を有し得る。他の実装形態も企図されることは理解されるべきである。たとえば、間を挟む剛性を高めた領域２３ａおよび２３ｂは、互いに同じ剛性を有し得るか、または互いに対して異なる剛性を有し得るがそれにもかかわらず剛性の低い領域２５より剛性は高い。さらに、剛性を高めた領域２３ａおよび２３ｂは、同じ長さであるか、または異なる長さであり得る。それに加えて、剛性を高めた領域２３ａまたは２３ｂは、いくつかの実装形態においてなくされてもよい。一実施形態において、剛性を高めた領域２３（たとえば、２３ａおよび／または２３ｂ）は、流体入口点２７から流体出口点２９まで測定したときに、フローチューブ２０の全長の約５～３０％であるものとしてよい。剛性が最低である領域２５は、流体入口点２７から流体出口点２９まで測定したときに、フローチューブ２０の全長の約２０～８０％（たとえば、２０～３０％、２０～４０％、２０～５０％、３０～６０％）であるものとしてよい。それに加えて、剛性が最低である領域２５は中点３１に関して対称的であり得るか、または中点３１に関して非対称であり得る。具体的な構成に関係なく、フローチューブ２０は、フローチューブ上の第１の配置が流体流路に沿って第１の配置から離間する第２の配置と異なる剛性（たとえば、幾何学的形状、調和運動、またはヤング率から決定される）を有するように構成され得る。

図６は、本明細書に提示されているようなコリオリ流量センサシステム１０と併せて使用するためのフローチューブ２０の長さに沿って可変剛性を有する可変剛性フローチューブ２０のいくつかの例示的な実装形態の断面図を示している。フローチューブ１００は、高い剛性を付与する長さ９０に沿って徐々に変化する壁厚さ１０２を有する。フローチューブ１００は、厚さ１０２の直線的変化を例示しているが、厚さの段階的変化は許容可能である。一般に、フローチューブは、配置１０６と比べて配置１０４および１０８における厚さが大きい。フローチューブ１０９は、周期的間隔で増大する厚さの領域１１２、たとえば、配置に分布する厚さが増大するリブから結果として生じる高い剛性を端部１１０において有し、それにより、より高い信号対雑音比を促進する。フローチューブ１１４は、フローチューブの可変材料組成により達成される可変剛性を例示している。たとえば、フローチューブの中心は、材料１１８と材料１２０の間に挟まれている第１の材料１１６から作られる。材料１１８および１２０は、同じまたは異なる材料であってよい。材料１１６、１１８、および１２０の相対的剛性は、所望の可変剛性に関して異なり得る。たとえば、材料１１８および１２０は、端部において剛性を高めるように材料１１６より高い剛性を有するものとしてよい。厚さまたは材料のそのような変化は、フローチューブ２０を製造するときに適切な押し出しパラメータを使用して達成され得る。さらに、フローチューブ２０の可変剛性は、剛性の低い領域２５ではなく剛性を高めた領域２３内で添加剤または補強材（たとえば、添加粒子、ワイヤ）をフローチューブ２０の材料に供給することによって達成され得る。いくつかの実施形態において、厚さまたは材料組成の変化はフローチューブ２０の全周について生じることがあり、他の実施形態では、厚さまたは材料組成の変化は、厚さを大きくした領域または配置におけるフローチューブの周の一部のみに適用され得る。

本明細書において一般的に説明されているように、フローチューブの流動軸（たとえば、軸９１）に沿って振動軸の方向に剛性を変化させることで、振動軸（たとえば、縦軸９４）に沿って振動（たとえば、モード）を修正する。それに加えて、結果としてコリオリ位相シフトを大きくする振動を調節することに対する要因が他にもある。図７は、フローチューブ２０に沿った縦軸１２２および横軸１２４の概略図である。図示されているように、振動１２６は、縦軸１２２および流動軸９１上に広がる平面１２５内で生じる。不要な調和モード（たとえば、構造モード）は、軸１２２および１２４に沿って生じ、コリオリ偏向形状（たとえば、コリオリ偏向形状５８、図２）に寄与し得る。チュービング流体流動アセンブリ１８の不要な調和モードの振動数を減衰またはシフトするために、追加の構造特徴が、図示されているような、均一剛性フローチューブ１７、または可変剛性フローチューブ２０（たとえば、モーダル特徴）のいずれかに加えられ得る。いくつかの軸（たとえば、１２２および１２４）に沿った構造特徴は、不要な調和モードの効果が無視できるくらい小さくなり、その結果、コリオリ流量センサアセンブリの感度およびロバスト性が高められるまで不要な調和モードを調整する（たとえば、調和モードの振動数を上にシフトする、振動数を下にシフトする、または振幅を減少させる）可変断面を有する異なる振動モードに対して独立した影響をもたらし得る。不要な調和モードを変える特徴（たとえば、モーダル特徴）は、異なるモードに対処するための様々な設計、構造、および特性を有し得る。

たとえば、モーダル特徴は、縦軸１２２の剛性を高める縦フィン構造１２７を含むものとしてよく、その結果、コリオリ偏向形状をより適切に制御できるようになる。それに加えて、モーダル特徴は、横軸１２４に沿ってモードを調整する（たとえば、防ぐ、シフトする、または減少させる）横フィン構造１２８（たとえば、ペクトラルフィン）を含み得る。横フィン構造１２８は、縦軸１２２に沿ってモードに悪影響をほとんどまたはまったく及ぼさずに横平面内の剛性を高める。一実施形態において、縦フィン構造１２７は、フローチューブの壁の伸長または可変厚さを介してフローチューブ２０の構造と一体形成され得る。いくつかの実施形態において、本明細書において提示されているような縦フィン構造または他の構造は、フローチューブ２０に結合される構造支持コンポーネント２４として実装されてよい。一実施形態において、構造支持コンポーネント２４は、センサアセンブリ１４（図１）の再利用可能なコンポーネントを保持しながら使用済みフローチューブを入れ替えまたは交換することができるようにフローチューブ１７またはフローチューブ２０に可逆的に結合される。当業者であれば、構造支持コンポーネント２４を加えることで図５で説明されているようなフローチューブの剛性を修正することを理解するであろう。さらに、当業者であれば、取り付け可能な構造支持コンポーネントは使い捨て（たとえば、取り付け可能および取り外し可能）または再利用可能フローチューブに好適であり得ることを理解するであろう。フローチューブ（たとえば、フローチューブ１７またはフローチューブ２０）に結合されたときに、構造支持コンポーネント２４は、結合されているフローチューブの振動を許容するように構成される。いくつかの実施形態において、構造支持コンポーネントはフローチューブと一緒に振動する。

図８および図１１～図１３は、コリオリ流量センサの異なる実施形態を例示している。特に、図８および図１１～図１３は、異なる特徴（たとえば、フィン）および関連するコリオリ位相シフト感度測定を有する構造支持コンポーネント２４に結合されているフローチューブを示している。一般に、以下で説明されている実施形態は、流量に基づき測定されたコリオリ位相シフトの範囲によって例示される、コリオリ位相シフト感度の増大を示す。

図８は、本開示によるフローチューブに結合されている縦フィン構造支持コンポーネント２４を示している。画像１２８は、可変流量に基づきコリオリ位相シフト感度を決定するために使用される実験装置を示している。画像１２８は、フローチューブ、振動子２８、および縦フィン構造支持コンポーネント２４を示している。グラフ１３０は、画像１２８内のフローチューブの流量に対するコリオリ位相シフトを示している。流量に対する測定されたコリオリ位相シフトからの点１３２は概して直線に適合する。

図９は、構造支持コンポーネント２４の一実装形態の横モード１３６および駆動または動作モード１３８を示している。ＦＥＡシミュレーションは、横モードが１５０Ｈｚの動作モード振動数に近い、９７Ｈｚの振動数を有することを示している。当業者であれば、コリオリ流量センサアセンブリがうまく働いているが（たとえば、所与の流量に対する測定された位相シフトは一次方程式に当てはめられるが）、修正（たとえば、モーダル特徴）を加えることでいくつかの条件（たとえば、流量）に関してコリオリ流量センサアセンブリの性能を改善し得ることを理解すべきである。例示されている構造支持コンポーネント２４は、フローチューブ端部（たとえば、流体入口点２７および出口点２９）と対応し、フローチューブから距離ｄ_１だけ離れて延在する領域に概して位置決めされている伸長するフィン部分１２７を備える本体部１２５を有し得る。本体部は、中心部分１３５において細く、たとえば、ｄ_１より小さい距離ｄ_２まで延在する。フローチューブに結合するために、本体部１２５は、受入領域１３９を形成し、たとえば、操作者がフローチューブを挿入しおよび／または取り出すことを可能にする部分的環状部をフローチューブの周りに形成することによって、フローチューブ（たとえば、フローチューブ１７またはフローチューブ２０）に結合するサイズおよび形状を有する複数のリブ１３７を備える。フローチューブは、構造支持コンポーネント２４に結合されたときに、横モード矢印１３６から外向きに延在する横平面に沿って振動の減少を受ける。

図１０は、駆動振動１４０、横モード１４２、および曲げモード１４４の振動数のプロットを示している。これらのモードの図解は、それぞれ、各モード１４０、１４２、および１４４について１４１、１４３、および１４５に示されている。構造支持コンポーネントは、調和モードを調整する（たとえば、モードの振動数を上もしくは下にシフトするか、または不要なモードが無視できるくらいに小さくなるまで振幅を小さくする）。たとえば、駆動振動と横モードとの間の少なくとも１．５の振動数マージンは、横モードの動的応答を著しく減少させることがわかった。それに加えて、駆動振動と曲げモードとの間の少なくとも２．０の振動数マージンにより、コリオリ流量センサアセンブリの性能をさらに改善する結果となった。

図１１は、本開示による縦フィンおよび横フィンを有する構造支持コンポーネント２４の一実装形態に結合されているフローチューブ２０を備えるコリオリ流量センサアセンブリのコリオリ位相シフト感度を示している。画像１４８は、フローチューブ２０、振動子３０、および構造支持コンポーネント１４６を備える可変流量に基づくコリオリ位相シフト感度を決定するために使用される実験装置を示している。概略図１５０に示されているように、フローチューブは、流路に垂直である方向１５２に振動する。グラフ１５４は、概略図１５０に例示されている構造支持コンポーネント２４を有する画像１４６に示されているフローチューブの流量に対するコリオリ位相シフトを示している。構造支持コンポーネント２４に結合されているフローチューブ２０の流量に対する測定されたコリオリ位相シフトは一次方程式に当てはめられる（たとえば、直線１５６として表される）。縦フィンおよび横フィンを有する構造支持コンポーネント２４を備えるコリオリ流量センサアセンブリの測定されたコリオリ位相シフトは１９μｓであり、一定の剛性を有するコリオリ流量センサアセンブリの４μｓの位相シフトより大きい。

図１２は、本開示による二重フィン構造支持コンポーネント２４の一実装形態に結合されているフローチューブ２０のコリオリ位相シフト感度を示している。画像１６０は、フローチューブ２０、振動子３０、および二重フィン構造支持コンポーネント２４を備える可変流量に基づくコリオリ位相シフト感度を決定するために使用される実験装置を示している。二重フィン構造支持コンポーネント２４は、フィン構造の間に内部空間１５８を備える。例示されているように、内部空間１５８は中空であるが、しかしながら、他の実施形態では、内部空間１５８は中実であるか、または部分的に中実（たとえば、多孔質）であってよく、二重フィン構造支持コンポーネント２４の残りの部分と異なる材料から構成され得る。第１の概略図１６２は、矢印１６４として例示されているコリオリの力とともに二重フィン構造支持コンポーネント２４を例示している。第２の概略図１６６は、二重フィン構造支持コンポーネント２４の側面斜視図である。グラフ１６８は、概略図１６２、１６６、および画像１６０に示されているフローチューブの流量に対するコリオリ位相シフトを示している。二重フィン構造支持コンポーネント２４を備えるコリオリ流量センサアセンブリの測定されたコリオリ位相シフトは２２μｓであり、一定の剛性を有するコリオリ流量センサアセンブリの４μｓの位相シフトより大きい。

図１３は、本開示による構造支持特徴部２４を示している。上で説明されているように、構造支持特徴部は、機械駆動アセンブリ３２から結果として生じる駆動振動に対する不要な調和振動の効果を低減するためにコリオリフローチューブに加えられ得る。一般に、構造支持コンポーネントは、１つの軸（たとえば、縦または横のいずれか）における不要な調和振動に対処する特徴を有し得る。たとえば、図８に示されている縦フィンを有する構造支持コンポーネントはコリオリ流量センサアセンブリのコリオリ位相シフト感度を改善したけれども、コリオリ流量センサアセンブリは、いくつかの条件の下で（たとえば、点１１０において）感度が低いことを示した。図１０に示されている、横フィンおよび縦フィンを有する構造支持コンポーネント１１６は、結果として、コリオリ位相シフト感度の増大を引き起こしたが、しかしながら、いくつかの実施形態において、当業者であれば、特徴（たとえば、モーダル特徴）が追加されるとフローチューブの嵩を増やしあまり望ましくない可能性のあることを理解するであろう。図１３は、いくつかの軸に沿った不要な調和特徴に対処する特徴を有する構造支持コンポーネント２４を例示している。一般に、構造支持コンポーネント２４は、フローチューブの異なる領域が可変曲げ剛性、横剛性、および縦剛性を有することを許す。フローチューブに結合されたときに、構造支持コンポーネント２４は、フローチューブの長さの全体に沿って、またはいくつかの実施形態では、フローチューブの長さの一部に沿って、フローチューブと直接接触するものとしてよい。

図１３に例示されている構造支持コンポーネント２４は、構造支持コンポーネント２４がフローチューブ２０に結合することを可能にするリブ構造１８０を有するバックボーン構造１７８に沿って第１の領域１７２、第２の領域１７４、および第３の領域１７６を有する。バックボーン構造１７８は、距離１８６によって隔てられた第１のバックボーン１８２と第２のバックボーン１８４とを有する。第１の領域１７２および第２の領域１７４は、類似の構造特徴を有する。さらに、第１のバックボーン１８２と第２のバックボーン１８４との間の距離１８６は類似している。画像１８８は、第３の領域１７６内の構造支持コンポーネント２４の長さに沿った代表的断面図を例示している。画像１９０は、第１の領域１７２および第２の領域１７４内の構造支持コンポーネント２４の長さに沿った代表的断面図を例示している。図示されているように、第１の領域１７２および第２の領域１７４内の第１のバックボーン１８２と第２のバックボーン１８４との間の距離１８６（たとえば、リブ構造１８０の周りのより大きい円弧長）は、画像１９０に示されている第１のバックボーン１８２と第２のバックボーン１８４との間の距離１８６より大きい。距離１８６が大きければ大きいほど結果として横剛性は大きくなる。したがって、フローチューブ２０に沿った横剛性は、バックボーン１８２と１８４との間の距離に基づき調節され得る。

図１３にさらに例示されているように、第１のバックボーン１８２および第２のバックボーン１８４は可変厚さを有する。第１の領域１７２および第２の領域１７４において、バックボーンは、第３の領域に比べて大きい厚さ１９２を有する。構造支持コンポーネント１７０がフローチューブ２０に結合されたときに、バックボーン厚さ１９２が大きければ大きいほど、結果として、フローチューブ２０の縦剛性は大きくなる。構造支持コンポーネントがフローチューブ２０に結合されたときに、第３の領域１７６のバックボーン厚さ１９２が薄くなると、フローチューブ２０に対する縦剛性は低くなる。したがって、構造支持コンポーネント１７０は、可変横剛性に加えてフローチューブ２０に可変縦剛性を付与し得る。

本開示は、機械駆動アセンブリから結果として生じる振動への不要な調和モードの寄与を低減する特徴を備えるコリオリ流量センサに関するものである。本明細書において説明されているように、特徴は可変剛性を有するフローチューブを含むものとしてよく、これはフローチューブの可変壁厚さなどのフローチューブそれ自体の特徴を通じて、またはフローチューブの材料組成を変化させることで、実装され得る。それに加えて、可変剛性は、フローチューブに結合されている外部構造支持コンポーネントと一体形成されるか、またはそれを介する構造支持特徴部を備えることによって達成され得る。構造支持コンポーネントは、振動子によって付与される振動の振動数から不要振動の振動数を減衰するか、またはシフトする異なる軸に沿ってフローチューブの剛性に影響を及ぼすサブコンポーネント（たとえば、フィンおよびバックボーン）を備え得る。

本明細書では、例を使用して、当業者がデバイスまたはシステムを製作し、使用すること、および組み込まれている方法を実行することも含めて本開示の実施形態を実施することを可能にする。特許可能な範囲は、請求項によって定められ、当業者であれば思い付く他の例を含むものとしてよい。このような他の例は、これらの例が請求項の文言と異ならない構造要素を有している場合、またはこれらの例が請求項の文言との違いがわずかである同等の構造要素を含む場合に、請求項の範囲内にあることが意図される。

１０コリオリ流量センサシステム
１２電子回路
１４センサアセンブリ
１６アクチュエータ
１７フローチューブ
１８流体流動アセンブリ
２０可変剛性フローチューブ
２２流体
２３領域
２４構造支持コンポーネント
２５領域
２６センサ
２７流体入口点
２８機械的振動子
２９流体出口点
３０機械駆動アセンブリ
３１中心
３２駆動回路
３４センサ回路
３６プロセッサ
３８ユーザインターフェース
４０メモリ
４８力
５０駆動偏向形状
５２流れ
５２コリオリ偏向形状
５４コリオリの力の分布
５６回転
５８コリオリ偏向形状
６４コリオリの力の分布
７０グラフ
７２画像
７４点
７８軸
８２、８４、８６、および８８フローチューブ
９０長さ
９１流動軸
９２高さ
９４軸
１００フローチューブ
１０２壁厚さ
１０４、１０６、１０８配置
１０９フローチューブ
１１０端部
１１２領域
１１４フローチューブ
１１６、１１８、１２０材料
１１６構造支持コンポーネント
１２２縦軸
１２４横軸
１２５平面
１２６振動
１２７縦フィン構造
１２８横フィン構造
１３６横モード
１３７リブ
１３８駆動または動作モード
１３９受入領域
１４０駆動振動
１４２横モード
１４４曲げモード
１４６構造支持コンポーネント
１５２方向
１５８内部空間
１６０画像
１６２第１の概略図
１６４矢印
１６６第２の概略図
１６８グラフ
１７２第１の領域
１７４第２の領域
１７６第３の領域
１７８バックボーン構造
１８０リブ構造
１８２第１のバックボーン
１８４第２のバックボーン
１８６距離
１８８、１９０画像
１９２厚さ

Claims

フローチューブを受け入れるように構成されている構造支持コンポーネントであって、前記フローチューブは流体のための流路を提供するように構成される、構造支持コンポーネントと、
流体が前記流路を通って流れている間に前記フローチューブおよび前記構造支持コンポーネントの振動を駆動するように構成されている機械駆動アセンブリであって、少なくとも１つの平面内の前記フローチューブの振動は、前記フローチューブが前記構造支持コンポーネントに結合されたときに減少する、機械駆動アセンブリと
を備え、
前記構造支持コンポーネントは、その長さに沿って分布する複数のリブを備え、前記複数のリブは、前記フローチューブを受け入れるように構成され、
前記複数のリブは、互いに距離が離れたバックボーン構造を構成するアセンブリ。
前記構造支持コンポーネントは、前記フローチューブが前記構造支持コンポーネントに結合されたときに、前記フローチューブから離れて延在する本体部を備え、前記本体部の第１の部分は前記フローチューブから第１の距離だけ離れて延在し、前記本体部の第２の部分は前記フローチューブから第２の距離だけ離れて延在し、前記第１の距離は前記第２の距離より大きい、請求項１に記載のアセンブリ。
前記構造支持コンポーネントは、前記フローチューブに結合されたときに、前記フローチューブの周りに部分的環状部を形成する、請求項１または２に記載のアセンブリ。
前記構造支持コンポーネントは、前記フローチューブに結合されたときに前記フローチューブの全長に沿って、前記フローチューブが前記全長に沿って前記構造支持コンポーネントの少なくとも一部と直接接触するように延在する、請求項１、２、または３に記載のアセンブリ。
前記構造支持コンポーネントは、第１および第２の領域において、第３の領域に対して異なっており、前記第３の領域は両側に前記第１の領域および前記第２の領域がある、請求項１から４のいずれか一項に記載のアセンブリ。
前記フローチューブは、前記構造支持コンポーネントに可逆的に結合されるように構成される、請求項１から５のいずれか一項に記載のアセンブリ。
前記構造支持コンポーネントは、前記フローチューブから離れて横方向に延在する少なくとも１つのフィンを備える、請求項１から６のいずれか一項に記載のアセンブリ。
前記フローチューブは、前記構造支持コンポーネントに結合される、請求項１から７のいずれか一項に記載のアセンブリ。
前記フローチューブは、前記フローチューブの第２の配置と比べて高められた剛性を有する第１の配置を備える、請求項８に記載のアセンブリ。