JPH02504670A - 改良された平行流路形コリオリ質量流量計の振動する流管の駆動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 改良された平行流路形コリオリ質量流量計の振動する流管の駆動装置 〔発明の背景〕 本発明は平行流路形コリオリ質量流量計に関し、より詳細には水素を含む多様な 種類の危険性のある環境の中で用いられるようにしたこのような質量流量計の改 善された駆動手段に関する。

コリオリ質量流量計は周知であり、１９８３年１１月２９日付のＪ。

Ｅ、スミスの米国再発行特許第３１４５０号、１９８３年１２月２７日付のＪ、 Ｅ、スミスの米Ｉ１１特許第４４２２３３８号に開示されている。平行流路形コ リオリ質量流量計は１９８５年１月１日付のＪ、Ｅ、スミスの米国特許第４４９ １０２５号に開示されており、これらの米国特許は全て本出願人マイクロ・モー ション・インコーホレーテッドに権利譲渡されている。平行流路形質量流量計の 詳細な構造及び動作は１９８５年１２月付のマイクロ・モーション・モデル「Ｄ 」の質量流量計の取扱い説明書に示されている。−Ｒ的にコリオリ質量流量計に 用いられている駆動手段はコイルと永久磁石とによる装置を含む。磁石を近接し て受入れるための孔を有する梁に円筒形のアルニコ（＾ＬＮＩＣＯ）磁石が装着 される。それから梁が溶接やはんだ付は等の従来の手法によって流量計の一方の 流管に取付けられる。磁石の縦方向の軸は他方の平行な流管に設けられた第二の 梁に装着されたコイルの中心線と一致する。磁石の一方の端部はコイルの内側の 開口内に達している。磁石の大きさ、コイルの直径及び巻数は駆動すべき流管の 大きさによる。

コイルは方形波ないし正弦波駆動増幅回路で駆動される。駆動回路は開ループ型 サーボ回路の形のものである。コイルのエネルギーのレベルを低く抑えて本来の 安全な量を維持するようにコイルの誘導放電スパイクを制限するためにバック・ トウ・バック・ツェナーダイオードを用いることができる。しかしながらこのダ イオードはコイルへの駆動電流の大きさを制限するであろう。

前述の質量流量計の構造では、流管の減衰が増大しまた駆動回路が流管を振動状 態に保持しないことがあるので、流管を通る粘性液体の流れが問題となり得る。

かくして利用可能な駆動動力を増大させるための手段を有するのが有利になろう 。駆動動力を増大させるために、駆動コイルでより巻数の多いもの、あるいは駆 動部におけるより大きい永久磁石を用いることができるが、これらは十分な解決 にはならない。磁石の大きさを増大させると流管に付加される全質量が増大し、 それにより装置のバランスが減ぜられる。付加された質量はまた装置の運動量を 増大させ、これによって流管のコリオリカへの応答性が低下する。付加された質 量はまた装置に他の振動モードをもたらす。

駆動装置の増大した質量を補償するために、装着部の硬化や駆動装置の装着部の 中心線からさらに外れて付加される質量が必要となるが、これはまた装置の全重 量を増大させることになり、以下同様となる。

巻数をさらに増大させると駆動コイルのインダクタンスが増大し、インダクタン スは線の長さの２乗として増大する。抵抗は線形状に増大する。コイルの抵抗が より大きくなることはコイルを駆動するためには必要となる電流がより少ないこ とを意味するが、インダクタンスが２乗の割合で増大するのでコイルはずっと大 きいエネルギー蓄積能力を有する。蓄積されたエネルギーは流量計が設置され得 る用途を制限する。この点に間しては以下に言及する米ｒ５電気法（ＮＥＣ）の 第５００条を参照のこと。流量計が以下に言及するクラスＩ、グループＡ及びＢ （水素の環境）として認可されるために、駆動コイルの全蓄積エネルギーがある 限度を超えることができない。

駆動コイルの蓄積エネルギーを制限することは意図的に非効率的であるように設 定されることを意味し、これは効率を強調する通常の設計手法に反する。さらに 課せられた質量の制約で使用される鉄及び磁石の量が制限され、これが空隙の容 積及びコイルの巻線の量に影響することにもなる。

かくしてこの技術においてコリオリ質量流量計に実質的に質量を付加せずあるい は駆動コイルの抵抗及びインダクタンスの大きさを増大させずに増大した駆動能 力を良好に付与する、流量計に用いるための改善された駆動手段の必要性がある 。従ってこのような駆動手段を用いればコリオリ質量流量計がこれを取扱い上面 側なく水素等の）環境に配置されることを必要とする粘性液体の質量流量と測定 するような、従来の技術では可能でなかったある種の用途に用いられるようにで きる。

〔発明の概略〕

平行流路形コリオリ質量流量計に組合せて改善された駆動手段が提供される。基 本的な流量計は入口側マニホルド及び出口側マニホルドを含むハウジング部材か らなる。、はぼ平行な２本の連続した流管が近接する端部を入口側マニホルド及 び出口側マニホルドに液密性を有するように装着されて入口側マニホルドに流入 する流管を通って平行に流れこれから出口側マニホルドに出るようになる。各々 の流管は振動の軸を有し、その軸を中心として流管が音叉の分校のように振動で きる。各々の流管はまた捩れの軸を有し、この軸を中心として流管が振動時にこ れを通る流体の流れによって生ずるコリオリカにより運動する。

流管はそれぞれ振動の軸を中心として実質的に等しい慣性モーメント及び実質的 に等しいばね定数と、捩れの軸を中心として実質的に等しい慣性モーメント及び ばね定数とを有している。

さらに流管は振動の軸を中心とする振動の共振振動数とその倍振動数との両方と 異なる捩れの軸を中心とした振動の共振振動数を有している。１対の検出手段が 振動の軸及び捩れの軸を中心とする流管の動きを検出する作用をなし、流管の実 際の動きを表わす出力信号が生ずる。また時間差が流管を通過する流体の質量流 量を示すようにした出力信号の間の時間差を決定するための時間差測定手段が設 けられる。駆動手段は振動の軸を中心として流管を振動させる作用をなし、一方 の流管の回りに装着された保持手段及び永久磁石と他方の流管の回りに装着され た環状のコイル手段とからなる。永久磁石及び保持手段はコイル手段に嵌入する 。コイルに連結された駆動回路手段が流管をその振動の軸を中心として共Ｓ振動 数で振動させるために用いられる。

本発明による改善された駆動手段はサマリウム・コバルト鉄あるいはネオジム鉄 の希土類の磁石からなり円錐形状の永久磁石からなる。カップ形の保持部材が円 錐形の磁石に対してこれを中心として同心状に配置され、これとともに所定の大 きさの環状に応じた間隔をなしている。永久磁石及び保持部材は一方の流管に環 状に応じた間隔が他方の流管に面するようにしてその中点に近接して取付けられ ている。コイル手段は環状に巻付けられた所定の巻数を有する絶縁された導体の 線からなる。コイル手段は永久磁石と保持部材との間に形成された環状に応じた 空間に嵌合する。コイル手段は他方の流管にその中点に近接して取付けられ、環 状に応じた空間の部分内に嵌入する。コイルの大きさ及び巻数を変えることによ りそのインダクタンスは約３２０マイクロヘンリーから約９ミリヘンリーまでの 範囲で変化する。コイル手段はまた金属やセラミックまたはプラスチック等の絶 縁性材料で形成され環状の形状を有するボビンに巻付けることもできる。コイル 手段及びボビンは環状に応じた空間部分内に嵌入するようにしである。駆動回路 はコイルに連結されて流管を振動させるようになっている。駆動回路及びコイル の抵抗は約５０ｍＡから約２５０ｍＡまでの範囲の駆動電流を与える。

付勢されたときに駆動手段により所定の最大の駆動力が生じ得る。

〔図面の簡単な説明〕

本発明をよりよく理解するために添附の図面を参照して説明する。

第１図は平行流路形コリオリ質量流量計の部分的に破断した等角投影図である。

な流管の一方に取付けられるようにした、梁に取付けられた磁石及び保持部材を 示す部分的に断面にした平面図である。

第３ｒＩ！Ｊは第２図に示した磁石、保持部材及び梁の立面図である。

第４図は検出器のコイルが梁の端部に近接して取付けられるようにして他方の平 行な流管に取付けられる梁部材に取付けられたボビン及びコイルの平面図である 。

第５図は第４図に示されたボビン、コイル及び梁の立面図で第６区は本発明の駆 動手段を作動させるための駆動回路をブロック国で示したものである。

第７図は流量計の可能な動作のために組分けを訛定する、一連の曲線を記入した コイルのインダクタンス−コイルの電流のグラフである。

第８図は巻数１００の特殊なコイルのカーミリアンペアのグラフである。

第９区は巻数５００の特殊なコイルのカーミリアンペアのグラフである。

〔詳細な説明〕

図面に示された本発明の形態を詳細に見ると、第１図に破断した外側クーリング １２を有するコリオリ質量流量計１０が示されている。この流量計１０は入口側 マニホルド１６及び出口側マニホルド１８を含むハウジング部材１４を有してい る。２本のほぼ平行な連続した流管２０及び２２は入口側マニホルド１６内に流 入する流体が流管２０．２２を通って平行に流れこれから出口側マニホルド１８ に出るように入口側マニホルド及び出口側マニホルドに液密性を有するように装 着固定された近接する端部２４．２６及び２８．３０を有している。

流管２０．２２の各々は振動の軸ｗ−ｗ、ｗ’−ｗ’を有し、この軸を中心とし て流管が磁石・コイルの組立て体からなる駆動手段によって音叉の分校のように 振動できる。各々の流管はまた捩れの軸Ｔ−Ｔ、Ｔ’−Ｔ’を有し、この軸を中 心として流管が振動時にこれを通る流体の流れによって生ずるコリオリカにより 運動する。流管はそれぞれ振動の軸を中心として実質的に等しい慣性モーメント 及び実質的に等しいばね定数と、また捩れの軸を中心として実質的に等しい慣性 モーメント及び実質的に等しいばね定数とを有している。捩れの軸を中心とする 振動の共Ｓ振動数は振動の軸を中心とする振動の共振振動数ともその倍振動数と も異なっている。

梁部材３２及び３４は流管２０及び２２の各々に取付けられ、振動の軸及び捩れ の軸を中心とした流管の動きを検出するための検出手段３６及び３８を取付けで ある。各検出ユニットは流管の実際の動作を示す出力信号を与え、この信号が導 ！！４０及び４２を通じて伝達される。この信号は流管を通過する流体の質量流 量を示す出力信号間の時間差を決定するための４４のようなブロック形で示され た時間差測定手段に供給される。一般的に各検出手段は一方の流管に配置された コイルを含み、このコイルはこれに近接した他方の流管に配置された永久磁石に よって生ずる一様な磁場内に配置されている。流管が駆動手段によって振動する と磁場内で動くコイルによって信号が生ずる０通常検出手段のコイル及び駆動手 段は一方の流管に装着されてそれぞれの磁石が他方の流管に装着される。検出ユ ニット及びこれとともに用いられる回路のより詳細な説明は「発明の背景」の項 で言及した取扱い説明書を参照するとよい０時間差の測定値はコリオリカによっ て生ずる出力信号の間の位相差を示す。かくして時間差回路はまた位相差回路と も呼ばれる。

第２〜５図は振動の軸を中心として流管を振動させるための駆動手段の詳細な図 である。第２図を参照すると、円錐の形状を有する磁石４６が断面図で示されて いる９この磁石はサマリウム・コバルト鉄（通常サマリウム・コバルトとして知 られている）あるいはネオジム鉄のような希土類の磁石からなる。この材料はい ずれも従来知られているものである。２つの磁石のうちサマリウム・コバルトは その温度率がより高いので好ましい。

比較的低い温度ではネオジム鉄がサマリウム・コバルトと比較してより高い相対 的磁力強度（約２倍の強さ）のために好ましい。

サマリウム・コバルトは現在用いられているアルニコく＾ＬＮＩＣＯ）磁石の約 ３倍の強さである。

カップ形の保持部材４８が冷間圧延鋼または軟鉄で形成され、第３図に示される ように磁石４６に対して同心状に配置されてその間に所定の大きさの環状の間隔 ４９が形成されるようにしである。磁石４６及び保持部材４Ｂは適当なばね座金 ５２、止め座金、保持ナツト５６とともに非透磁性のボルト部材５１により極部 材５０と一体的に梁部材３４の中点に取付けられている。梁部材３４は流管をそ の端部に近接した位置で受けるようにしてあり、流管は溶接あるいははんだ付は 等の従来の手段によりこれに取付けられている。典型的には磁石のような検出部 材３６及び３８の一方の半分も梁３４の端部に近接して取付けられている。保持 部材４８及び極部材５０は間隔４９において磁石４６の磁束の高い透磁性の通路 を与えるために用いられる。磁石４６の磁場に分路を生ぜしめないように非透磁 性のボルト部材が用いられる。磁石４６、保持部材４８及び極部材５０の間の熱 膨張の差のために、部材片の間のｍ頭蓋を吸収するようにばね座金が用いられる 。これと磁気吸引力及び静摩擦力を合せたものでこれらの部材片の間の並進移動 が防止される。さらにこの組立て体をさらに一体的に保持するためにボルト部材 ５１に保持ナツト５６を接着ないし溶接することができる。

第４及び５図に梁部材３２にその中点に近接して取付けられたコイル・ボビン部 材５８に関しての詳細が示されている。ボビン６０は環状の形状のプラスチック 、セラミック、あるいは金属で形成され、点溶接支持部材６１等により梁３２に 取付けられている。

以下に説明する所定の巻数を有する絶縁された導体の線からなるコイル６２がボ ビン６０に巻付けられている。ボビン６０及びコイル６２は永久磁石４６と保持 部材４８との間に形成された環状に応じた間隔４９に嵌入する大きさになってい る。梁３２は流管をその端部に近接した位置で保持するようにしてあり、他の、 検出部材３６及び３８のコイル等の部分はその端部に近接して取付けられている 。コイルの大きさ及び保持部材の大きさはコイル・ボビン部材のいずれかの平面 と磁石及び保持部材との間に約０．０８９ＪＦｌ（０，０３５インチ）の間隙が 形成されるようなものである。ユニットの動作の際にコイル６２の一部が磁石４ ６と保持部材４８との間の環状に応じた間隔４９に嵌入する。

コイルが環状の形状を維持できる場合ボビン６０は必要でない。

ボビン６０が用いられるときにはこれは非磁性で非導電性であるのが好ましい。

例えば１５０℃のような高温で用いる際には金属製のボビンが好ましい。またコ イルを巻付けるときに電気的に短絡した巻線を生ザしぬるような巻線の絶縁の破 壊を起こさないように注意する。他の周知の種類の絶縁材も用いられるけれども 、典型的には巻線の絶縁材としてはフェスが用いられる。

第６図にブロック図で示される単純化した駆動回路は流管を振動させるためコイ ル６２に連結されるようにしである。駆動回路は１５ボルトのピーク振幅及び３ ０Ｈｚ〜１００１−（Ｚの間の振動数を有する方形波出力を発生させる。振動の 振動数は流管がそれぞれの振動の軸を中心としてその固有振動数で駆動されるよ うに選択される６駆動回路はまた「発明の背景」の項で言及した取扱い説明書に も説明されており、使用可能である。駆動回１＠６４は間ループ型サーボとして 作用する。流管の動作は流管の移動を検出するために用いられる２つの検出手段 の一方を用いて検出される。検出手段３６は例示のために選択されている。速度 信号としての検出信号は増幅器７４で増幅され、その出力信号が駆動コイル６２ の駆動増幅器８０の同期信号として作用する。この同期信号はまたゼロ交差検出 器７６によって処理されて流管が負の進行方向から速度０に接近する時を決定す る９流管の０の速度は以下に頂点及びバレイ（谷）点と称する検出器の速度信号 に正及び負のピークにおいて生ずる。検出器の速度信号はまたそれぞれ積分回路 ６６、増幅回路６８及びインバータ７０により９０°の位相シフト、増幅及び逆 転がなされる。検出器の信号の積分によりピーク点及びバレイ点の位置の大きさ を表わす信号を与えるために用いられる位置信号を生ぜしめる。バレイ点及びピ ーク点の速度Ｏの点はいずれも検出されよう。しかしながら対象性が仮定される ので速度Ｏの点の一方の発生のみを決定すればよい。

ここではバレイ点の位置を選択している。

速度０のバレイ点が決定されるとバレイ点の位置信号■、かに比較される。バレ イ点基準信号は最大の駆動ゲイン限界として作用する。増幅器７２の出力である これら２つの限界として作用する。増幅器７２の出力であるこれら２つの信号の 差信号が増幅器７８によって増幅されて駆動増幅器８０の正のゲイン限界として 作用する。増幅された差信号がインバータ８２で逆転されて駆動増幅器８０の負 のゲイン限界として作用する。駆動コイル６２への駆動信号は検出器３６からの 速度信号と同期している。駆動信号の振幅が増大すると検出器の速度信号の振幅 も増大し、かくして差信号が減小するであろう。これによりまた駆動信号のゲイ ン限界が減小するであろう。差信号がＯまで減小するときに駆動信号はそのとき の大きさのままであろう。

流量計が最初に付勢され流管が動いていないときに、理論的には速度信号がない はずである。しかしながら検出器３６のコイルがアンテナとして作用して漂遊信 号を拾い、この信号が駆動回路６４をトリガーして駆動増幅器８０が駆動信号を 発生させられるようにするであろう。さらに機械的な漂遊振動がいくつかの流管 の動きを誘起して流管が振動を始めるのを助長することがある、流管が振動を始 めると回路は前述のように作用するであろう。

本発明の流量計が水素を含む危険な環境で動作するために、クラス■、グループ Ａ及びＢ［米国電気法（Ｎ　Ｅ　Ｃ”）第５００条参照コに関する認可を受けな ければならない。この認可を受けるために駆動コイルの全蓄積エネルギーは前述 の条項に示された限界を超えることができない、第７図は種々のクラス及び環境 での誘導回路のこのようなＮＥＣの一連の設定用曲線を示している。

所定の電流でのインダクタンスが曲線の左方にあればその曲線によって表わされ るグループに関しては安全であると考えられる。

第７図を参照するとグループＡ及びＢに関して認可されるために本発明の駆動コ イルはその蓄積ポテンシャル・エネルギーを制限するように点線で示されるよう に約３２０マイクロヘンリーから約９ミリヘンリーまでのインダクタンスを有す るように設定される。さらに駆動回路、駆動コイルの抵抗及び附随する抵抗は点 線で示されるように約５０＋ｅＡから約２５０ｍＡまでの範囲の駆動電流を与え るようにすべきである。所定の駆動電流の範囲に関して、コイルが発生し得る最 大の駆動力が約６４０グレインに、好ましくは約５００グレインに制限されれば 、コイルの動作点は通常グループＡ及びＢを規定する曲線の左方にくるであろう 、また第７図にはそれぞれ５００グレインの一定な力及び６４０グレインの一定 な力に関してのｔｔ！Ａ及びＢが示されている。

さらに他の要因は電流を制限するために駆動コイルに直列に３５オームの抵抗が 配置される点にある。比較的小さい抵抗を有する巻数１００のコイルでこのよう な抵抗の効果がかなりあるが、ずっと大きい抵抗を有する巻数５００のコイルで は付加された抵抗の効果は水径く小さい、この抵抗の効果は回路中での動作曲線 としての線Ｃによって示されている。線Ａ及び線Ｃを比較すると３２０マイクロ ヘンリー（μＨ）のインダクタンスを有しまた２５６ｍＡの電流で一定の力の直 線Ａで５００グレインの力を生ぜしめる同じ巻数１００のコイルが駆動回路中に 配置されたときにわずか３５６グレインの力を生ぜしめるに過ぎない、これは３ ５オームの抵抗の電流制限効果によるものである０回路中での動作曲線としての 線Ｃは一定の力の線に漸近的に接近し、３５オームの抵抗によって生ずるオフセ ットによりその左方にあって平行になるであろう。検査される駆動コイルに関し て約６４０グレインで一定の力の線の漸近線が生ずるであろう。

以下の表に巻数１００．２００．３００．４００．５００の種々のコイルの形態 に関して実施したデータが示されている。コイルのインダクタンスは測定したも のである。表１の第２例に示された電流値は１５ボルトの動作電圧を仮定しそれ をコイルの抵抗で除したものによって決定されている０表１の第５列に示された 電流値は回路中での動作点を表わし、コイルの抵抗と３５オームの電流制限抵抗 との和で１５ボルトを除したものによって決定されている。表１の最後の列に示 された力の値はコイルが電流制限抵抗を含む動作回路中にあるときに得られたも のである。より小さいコイルではグレインで表わした最大の力が３５オームの抵 抗の効果によりかなり減小している。

表Ｉ コイル　Ｉ　　ＩＩＪＬＸ　　インダク　Ｒコイル　１動作　Ｆ　＋＊ａｘ巻　 数　　−＾　　　タンス　　オーム　　論＾　グレイン１００　　２５６　　　 ３２０μＢ　　　４７．５　　　１８２　　　３５６２００　　１１８　　　１ ．６７ｍＨ９１，１１１９４６５３００８５３，２６餉Ｈ１３７８７５１０４０ ０６４５，７ｍＨ１８６６８５３２５００５１８，９ｍＨ２３１５６５４７６４ ０レインの−の コイル巻数　　輸Ａ　　インダクタンス　　Ｆグレイン１００　　　　３２６　 　　　３２０μＨ６４０２００１６３１，６７ｍＨ６４０ ３００１０８、３，２６１１）１　　　　　６４０４００　　　　　８１　　　 　５．７　　ｍＨ６４０５００６５８，９ｄ　　　　　　６４０５００グレイン の一定の力の線は例示のために選択したものである。４００グレインあるいは３ ００グレインのような他の一定の力の線も第７図に示されよう。５００グレイン 及び６４０グレインの一定の力の線の両方に関して計算を行う際に電流の値は最 初にンの力で一定の力の値を除することによって決定されている。

それからこの値は電流値に達するように巻数で除される。それからこれらの電流 及びインダクタンスの点が図示されて一定の力の線を与える。表■は第７図の６ ４０グレインの一定の力の線である線Ｂを図示するために用いられた電流及びイ ンダクタンスの値を示している。

コイルの所定の定数は間隙、形状、材料の関数であって、間隙はこの定数の大き さに最も大きい効果を有している。ｍＡ回数当り０．０１９６グレインの定数は 所定の間隙、平均のコイル直径、磁石に関するものである０間隙、形状、あるい は材料に何らかの変化でこの定数の値が変化するであろう、コイルと磁石との間 の間隙の大きさを減小させ、あるいは磁石の強度を増大させるとこの定数の値が 増大するであろう。同様に磁石の直径を減小させ、あるいは間隙を増大させると この定数の値が減小するであろう、一般的にこの定数は次式 ％式％ から決定され、ここでＦは力、工は電流、Ｌはコイルの巻線の長さ、Ｂは磁束密 度である。これを磁束密度Ｂについて解くとと書きなおされ：ＩＩＡ回数当りの グレインの単位が得られよう９「回数ｊの単位はコイルの平均直径に基づいてお り、かくして回数は巻線の長さに直接間傷し、Ｌの項に代入される。

第８及び８図に巻数１００のコイル及び巻数５００のコイルでいずれも４４ゲー ジの巻線を用いたものに関しカーＩＩＩＡの曲線が示されている。予想されるよ うに巻数５００のコイルの曲線の傾斜は巻数１００のコイルよりずっと大きい、 実際には本発明のコイルの巻数は約１００から約５００までに制限される。例え ば巻数１００のコイルの場合コイルが発生させ得る最大の駆動力は表１に示され るように約６４０ダレインであり、第７図に示される所望の動作領域内にある。

しかしながら直列の抵抗が含まれるときに得られる最大の力が減小するであろう 。巻数が約５００より大きいコイルの場合コイルが非常に大形のものになる。

従来の駆動形態のものに比較して、本発明によるものは約５０％の重量の削減を なし、形状パラメータにより同じ駆動電流が用いられるときに約２７％〜約６０ ％の最大の駆動力の増大が得られる。本発明の駆動手段はＵ字形の流管に装着さ れているものとして示されているけれどもこの流管の形状はいかなる意味でも発 明の適用を制限するものと考えるべきでないことがわかるであろう、直線状の流 管、ループ状の流管、Ｓ字形の流管を駆動手段によって振動させることができる 。これまでの説明から考えれば本発明について他の実施例は当業者には明らかで あろう。ここでの説明は単に例示的なものとして考えているものであり、本発明 の思想及び範囲は請求の範囲に示されるものである。

ＦＩＧ７ 刀　（プレイン） 力　（クルイン） 補正書の翻訳文提出書 平成　元年３月３７日 特許庁長官　　吉　１）文教　殿 １、特許出願の表示 ＰＣＴ／ＵＳ８７１０２２７２ ２、発明の名称 改良された平行流路形コリオリ質量流量計の振動する流管の駆動装置３、特許比 願人 住　所　　アメリカ合衆国コロラド用８０３０１．ボールダー。

ウィンチェスタ−・サークル　７０７０名　称　　マイクロ・モーション・イン コーホレーテッド４、代理人 住　所　　東京都千代田区大手町二丁目２番１号新大手町ビル　２０６区 ５、補正書の提出日 昭和６３年　４月２９日 （英文５頁乃至１４頁の補正） 一方の流管の回りに装着された保持手段及び永久磁石と他方の流管の回りに装着 された環状のコイル手段とからなる。永久磁石及び保持手段はコイル手段に嵌入 する。コイルに連結された駆動回路手段が流管をその振動の軸を中心共振振動数 で振動させるために用いられる。

本発明による改善された駆動手段はサマリウム・コバルト鉄あるいはネオジム鉄 の希土類の磁石がらなり環状の形状の永久磁石からなる。カップ形の保持部材が 環状の磁石に対してこれを中心として同心状に配置され、これとともに所定の大 きさの環状に応じた間隔をなしている。永久磁石及び保持部材は一方の流管に環 状に応じた間隔が他方の流管に面するようにしてその中点に近接して取付けられ ている。コイル手段は環状に巻付けられた所定の巻数を有する絶縁された導体の 線からなる。コイル手段は永久磁石と保持部材との間に形成された環状に応じた 空間に嵌合する。コイル手段は他方の流管にその中点に近接して取付けられ、環 状に応じた空間の部分内に嵌入する。コイルの大きさ及び巻数を変えることによ りそのインダクタンスは約３２０マイクロヘンリーから約９ミリヘンリーまでの 範囲で変化する。コイル手段はまた金属やセラミックまたはプラスチック等の絶 縁性材料で形成され環状の形状を有するボビンに巻付けることもできる。コイル 手段及びボビンは環状に応じた空間に部分内に嵌入するようにしである。駆動回 路はコイルに連結されて流管を振動させるようになっている。駆動回路及びコイ ルの抵抗は約５０−Ａから約２５０ｍＡまでの範囲の駆動電流を与える。付勢さ れたときに駆動手段により所定の最大の駆動力が生じ得る。

〔図面の簡単な説明〕

本発明をよりよく理解するために添附の図面を多照して説明する。

第１図は平行流路形コリオリ質量流量計の部分的に破断した等角投影図である。

第２図は動作検出器が梁の端部に近接して取付けられた平行な流管の一方に取付 けられるようにした、梁に取付けられた磁石及び保持部材を示す部分的に断面に した平面図である。

第３図は第２図に示した磁石、保持部材及び梁の立面図である。

第４図は検出器のコイルが梁の端部に近接して取付けられるようにして他方の平 行な流管に取付けられる梁部材に取付けられたボビン及びコイルの平面図である 。

第５図は第４図に示されたボビン、コイル及び梁の立面図である。

第６図は本発明の駆動手段を作動させるための駆動回路をブロック図で示したも のである。

第７図は流量計の可能な動作のために組分けを設定する、一連の曲線を記入した コイルのインダクタンス−コイルの電流のグラフである。

第８図は巻数１００の特殊なコイルのカーミリアンペアのグラフである。

第９図は巻数５００の特殊なコイルのカーミリアンペアのグラフである。

第１０図は第６図に示される回路において種々の標記を有する点で生ずる波形を 示す図である。

〔詳細な説明〕

図面に示された本発明の形態を詳細に見ると、第１図に破断した外側ケーシング １２を有するコリオリ質量流量計１０が示されている。この流量計１０は入口側 マニホルド１６及び出口側マニホルド１８を含むハウジング部材１４を有してい る。２本のほぼ平行な連続した流管２０及び２２は入口側マニホルド１６内に流 入する流体が流管２０．２２を通って平行に流れこれから出口側マニホルド１８ に出るように入口側マニホルド及び出口側マニホルドに液密性を有するように装 着固定された近接する端部２４．２６及び２８．３０を有している。

流管２０．２２の各々は振動の軸ｗ−ｗ、ｗ’−ｗ’を有し、この軸を中心とし て流管が磁石・コイルの組立て対からなる駆動手段によって音叉の分校のように 振動できる。各々の流管はまた捩れの軸Ｔ−Ｔ、Ｔ’−Ｔ’を有し、この軸を中 心として流管が振動時にこれを通る流体の流れによって生ずるコリオリカにより 運動する。流管はそれぞれ振動の軸を中心として実質的に等しい慣性モーメント 及び実質的に等しいばね定数と、また捩れの軸を中心として実質的に等しい慣性 モーメント及び実質的に等してばね定数とを有している。捩れの軸を中心とする 振動の共振振動数は振動の軸を中心とする振動の共振振動数ともその倍振動数と も異なっている。

梁部材３２及び３４は流管２０及び２２の各々に取付けられ、振動の軸及び捩れ の軸を中心とした流管の動きを検出するための検出手段３６及び３８を取付けで ある。各検出ユニットは流管の実際の動作を示す出力信号を与え、この信号が導 ！４０及び４２を通じて伝達される。この信号は流管を通過する流体の質量流量 を示す出力信号間の時間差を決定するための４４のようなブロック形で示された 時間差測定手段に供給される。一般的に各検出手段は一方の流管に配置されたコ イルを含み、このコイルはこれに近接した他方の流管に配置された永久磁石によ って生ずる一様な磁場内に配置されている。流管が駆動手段によって振動すると 磁場内で動くコイルによって信号が生ずる０通常検出手段のコイル及び駆動手段 は一方の流管に装着されてそれぞれの磁石が他方の流管に装着される。検出ユニ ット及びこれとともに用いられる回路のより詳細な説明は「発明の背景」の項で 言及した取扱い説明書を参照するとよい０時間差の測定値はコリオリカによって 生ずる出力信号の間の位相差を示す、かくして時間差回路はまた位相差回路とも 呼ばれる。

第２〜５図は振動の軸を中心として流管を振動させるための駆動手段の詳細な図 である。第２図を多照すると、環状の形状を有する磁石４６が断面図で示されて いる。この磁石はサマリウム・コバルト鉄（通常サマリウム・コバルトとして知 られている）あるいはネジラム鉄のような希土類の磁石からなる。この材料はい ずれも従来知られているものである。２つの磁石のうちサマリウム・コバルトは その温度率がより高いので好ましい。

比較的低い温度ではネオジム鉄がサマリウム・コバルトと比較してより高い相対 的磁力強度（約２倍の強さ）のために好ましい。

サマリウム・コバルトは現在用いられているアルニコ（ＡＬＮＩＣＯ）磁石の約 ３倍の強さである。

カップ形の保持部材４８が冷間圧延鋼または軟鉄で形成され、第３図に示される ように磁石４６に対して同心状に配置されてその間に所定の大きさの環状の間隔 ４９が形成されるようにしである。磁石４６及び保持部材４８は適当なばね座金 ５２、止め座金、保持ナツト５６とともに非透磁性のボルト部材５１により極部 材５０と一体的に梁部材３４の中点に取付けられている。梁部材３４は流管をそ の端部に近接した位置で受けるようにしてあり、流管は溶接あるいははんだ付は 等の従来の手段によりこれに取付けられている。典型的には磁石のような検出部 材３６及び３８の一方の半分も梁３４の端部に近接して取付けられている。保持 部材４８及び極部材５０は間隔４９において磁石４６の磁束の高い透磁性の通路 を与えるために用いられる。磁石４６の磁場に分路を生ぜしめないように非透磁 性のボルト部材が用いられる。磁石４６、保持部材４８及び極部材５０の間の熱 膨張の差のために、部材片の間の膨張差を吸収するようにばね座金が用いられる 。これと磁気吸引力及び静幸擦力を合せたものでこれらの部材片の間の並進移動 が防止される。さらにこの組立て体をさらに一体的に保持するためにボルト部材 ５１に保持ナツト５６を接着ないし溶接することができる。

第４及び５図に梁部材３２にその中点に近接して取付けられたコイル・ボビン部 材５８に関しての詳細が示されている。ボビン６０は環状の形状のプラスチック 、セラミック、あるいは金属で形成され、点溶接支持部材６１等により梁３２に 取付けられている。

以下に説明する所定の巻数を有する絶縁された導体の線からなるコイル６２がボ ビン６０に巻付けられている。ボビン６０及びコイル６２は永久磁石４６と保持 部材４８との間に形成された環状に応じた間隔４９に嵌入する大きさになってい る。梁３２は流管をその端部に近接した位置で保持するようにしてあり、他の、 検出部材３６及び３８のコイル等の部分はその端部に近接して取付けられている 。コイルの大きさ及び保持部材の大きさはコイル・ボビン部材のいずれかの平面 と磁石及び保持部材との間に約０．０８９ｍｍ（０，０３５インチ）の間隙が形 成されるようなものである。ユニットの動作の際にコイル６２の一部が磁石４６ と保持部材４８との間の環状に応じた間隔４９に嵌入する。

コイルが環状の形状を維持できる場合ボビン６０は必要でない。

ボビン６０が用いられるときにはこれは非磁性で非導電性であるのが好ましい０ 例えば１５０℃のような高温で用いる際には金属製のボビンが好ましい、またコ イルを巻付けるときに電気的に短絡した巻線を生ぜしめるような巻線の絶縁の破 壊を起こさないように注意する。他の周知の種類の絶縁材も用いられるけれども 、典型的には巻線の絶縁材としてはワニスが用いられる。

第１０図に示される種々の標記を有する点で生ずる波形を有する、第６図にブロ ック図で示された、単純化した駆動回路は流管を振動させるためコイル６２に連 結されるようにしであるる駆動回路は１５ボルトのピーク振幅及び３０Ｈｚ〜１ ００Ｈｚの間の振動数を有する方形波出力を発生させる。振動の振動数は流管が それぞれの振動の軸を中心としてその固有振動数で駆動されるように選択される 。駆動回路はまた「発明の背景」の項で言及した取扱い説明書にも説明されてお り、使用可能である。駆動回路６４は開ループ型サーボとして作用する。ｆＬ管 の動作は流管の移動を検出するために用いられる２つの検出手段の一方を用いて 検出される。検出手段３６は例示のために選択されている。速度信号としての検 出信号は増幅器７４で増幅され、その出力信号が駆動コイル６２の駆動増幅器８ ０の同期信号として作用する。この同期信号はまたゼロ交差検出器７６によって 処理されて流管が負の進行方向から速度Ｏに接近する時を決定する。流管のＯの 速度は以下に頂点及び各点と称する検出器の速度信号に正及び負のピークにおい て生ずる。検出器の速度信号はまたそれぞれ積分回路６６、増幅回路６８及びイ ンバータ７０により９０”の位相シフト、増幅及び逆転がなされる。検出器の信 号の積分によりピーク点及びバレイ点の位置の大きさを表わす信号を与えるため に用いられる位置信号を生ぜしめる。バレイ点及びピーク点の速度０の点はいず れも検出されよう、しかしながら対称性が仮定されるので速度０の点の一方の発 生のみな決定すればよい、ここではバレイ点の位置を選択している。

速度０のバレイ点が決定されると、第１０図に示されるようなバレイ点の位置信 号Ｖｔがサンプリングされ作動増幅回７２で所定のバレイ点基準信号ＶＬＲに比 較される。バレイ点基準信号は最大の駆動ゲイン限界として作用する。増幅器７ ２の出力であるこれら２つの信号の差信号が増幅器７２によって増幅されて駆動 増幅器８０の正のゲイン限界として作用する。増幅された差信号がインバータ８ ２で逆転されて駆動増幅器８０の負のゲイン限界として作用する。駆動コイル６ ２への駆動信号は検出器３６からの速戻信号と同期している。駆動信号の振幅が 増大すると検出器のこれによりまた駆動信号のゲイン限界が減小するであろう、 差信号が０まで減小するときに駆動信号はそのときの大きさのままであろう。

流量計が最初に付勢され流管が動いていないときに、理論的には速度信号がない はずである。しかしながら検出器３６のコイルがアンテナとして作用して漂遊信 号を拾い、この信号が駆動回ｎ６４をトリガーして駆動増幅器８０が駆動信号を 発生させられるようにするであろう。さらに機械的な漂遊振動がいくつかの流管 の動きを誘起して流管が振動を始めるのを助長することがある。流管が振動を始 めると回路は前述のように作用するであろう。

本発明の流量計が水素を含む危険な環境で動作するために、クラスＩ、グループ Ａ及びＢ［米国電気法（ＮＥＣ）第５００条参照コに関する認可を受けなければ ならない。この認可を受けるために駆動コイルの全蓄積エネルギーは前述の条項 に示された限界を超えることができない。第７図は種々のクラス及び環境での誘 導回路のこのようなＮＥＣの一連の設定用曲線を示している。

所定のｔｉでのインダクタンスが曲線の左方にあればその曲線によって表わされ るグループに関しては安全であると考えられる。

第７図を参照するとグループＡ及びＢに関して認可されるために本発明の駆動コ イルはその蓄積ポテンシャル・エネルギーを制限するように点線で示されるよう に約３２０マイクロヘンリーから約９ミリヘンリーまでのインダクタンスを有す るように設定される。さらに駆動回路、駆動コイルの抵抗及び附随する抵抗は点 線で示されるように約５０−Ａから約２５０＋＊Ａまでの範囲の駆動電流を与え るようにすべきである。所定の駆動電流の範囲に関して、コイルが発生し得る最 大の駆動力が約６４０グレインに、好ましくは約５００グレインに制限されれば 、コイルの動作点は通常グループＡ及びＢを規定する曲線の左方にくるであろう 。また第７図にはそれぞれ５００グレインの一定な力及び６４０グレインの一定 な力に関しての直ａ！Ａ及びＢが示されている。

さらに他の要因は電流を制限するために駆動コイルに直列に３５オームの抵抗が 配置される点にある。比較的小さい抵抗を有する巻数１００のコイルでこのよう な抵抗の効果がかなりあるが、ずっと大きい抵抗を有する巻数５００のコイルで は付加された抵抗の効果は掻く小さい。この抵抗の効果は回路中での動作曲線と しての線Ｃによって示されている。線Ａ及び！ＩＣを比較すると３２０マイクロ ヘンリー（μＨ）のインダクタンスを有しまた２５６＋ｎＡの電流で一定の力の 直線Ａで５００グレインの力を生せしめる同じ巻数１００のコイルが駆動回路中 に配置されたときにわずが３５６ダレインの力を生ぜしめるに過ぎない９これは ３５オームの抵抗の電流制限効果によるものである０回路中での動作曲線として の線Ｃは一定な力の線に漸近的に接近し、３５オームの抵抗によって生ずるオフ セットによりその左方にあって平行になるであろう。検査される駆動コイルに間 して約６４０ダレインで一定の力の線の漸近線が生ずるであろう。

以下の表に巻数１００．２００．３００．４００．５００の種々のコイルの形態 に間して実施したデータが示されている。コイルのインダクタンスは測定したも のである。表１の第２列に示された電流値はニーボルトの動作電圧を仮定しそれ をコイルの抵抗で除したもＣ５】・によって決定されている０表１の第５列に示 された電流値は回路中での動作点を表わし、コイルの抵抗と３５オームの電流制 限抵抗との和で１５ボルトを除したものによって決定されている０表１の最後の 列に示された力の値はコイルが電流制限抵抗を含む動作回路中にあるときに得ら れたものである。より小さいコイルではグレインで表わした最大の力が３５オー ムの抵抗の効果によりかなり減小している。

表１ コイル　Ｉ　　ｗａｘ　　インダン　Ｒコイル　Ｉ動作　Ｆ　　ｗａｘ巻　数　 　粕＾　　　タンス　　オーム　　　論＾　グレイン１００　　２５６　　３２ ０　　μＦｌ　　　４７．５　　　１８２　　　３５６２００　　　　　１１８ 　　　　１．６７ｍＨ９１，１１１９４６５３００８５３，２６Ｊ　　　１３７ 　　　　８７　　　５１０４００　　　６４　　５．７　　ＴＩＩＨ１８６６８ ５３２５００５１８，９ｄ　　　２３１　　　　５６　　　５４７（英文１９頁 乃至２０頁の補正） 上記出力信号の間の時間差を決定し該時間差が上記流管を通過する流体の質量流 量を示すようにするための時間差測定手段と、 上記流管の一方の周囲に装着された永久磁石及び保持組立て体と上記流管の他方 の周囲に装着されたコイル手段とからなり、上記永久磁石及び保持組立て体が上 記コイル手段に嵌入するようにした上記振動の軸を中心として上記流管を振動さ せるための駆動手段と、 上記振動の軸を中心として上記共振振動数で上記流管を振動させるように上記コ イルに連結され所定の振動数の周期的な波を発生させる駆動回路手段と、 からなり、上記駆動回路手段及び上記コイルの抵抗が約５０−Ａから約２５０ｗ １Ａまでの範囲の駆動電流を発生させるようにした流体の質量流量を測定するた めの平行流路形コリオリ質量流量計において、上記駆動手段が実質的に サマリウム・コバルト鉄またはネオジム鉄の希土類の磁石からなり環状の形状を 有する上記永久磁石と、該永久磁石との間に所定の大きさの環状に応じた空間を 形成する上記環状の磁石に対してこれを中心として同心状に配置されたカップ形 の保持部材と、 環状の形状に巻かれた所定の巻数を有する絶縁された導電性の巻線からなり上記 永久磁石と保持部材との間に形成された環状に応じた空間内に嵌入するような大 きさの上記コイル手段と、からなり、上記永久磁石及び保持部材が上記流管の一 方にその中点に近接して取付けられて上記環状に応じた空間が上記他方の流管に 面するようにされ、上記コイル手段が上記環状に応じた空間内に嵌入するように 上記他方の流管にその中点に近接して取付けられ、上記コイル手段はそのインダ クタンスが約３２０マイクロヘンリーから約９ミリヘンリーまでであるような巻 数及び大きさを有するようにしたことを特徴とする平行流路形コリオリ質量流量 計の流管の駆動装置。

２、上記所定のコイルの巻数が約１００から約５００の巻数となるようにしたこ とを特徴とする請求の範囲第１項に記載の駆動装置。

３、上記駆動手段が発生させ得るダレインで表わした最大の駆動力が上記コイル の巻数によって上記駆動手段の供給し得るミリアンペアで表わした最大の電流を 定数０．０１９６倍することによって計算されるようにしたことを特徴とする請 求の範囲第１項に記載の駆動装置。

４、上記コイル手段がさらに、環状の形状を有し所定の巻数の巻線を巻付けであ るボビン部を含むようにしたことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の駆動装 置。

５、上記ボビン部が非導電性で非磁性の材料からなることを特徴とする請求の範 囲第１項に記載の駆動装置。

インを超えないようにしたことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の駆動装置 。

７、上記駆動手段が発生させ得る最大の駆動力が約５００ダレインを超えないよ うにしたことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の駆動装置。

国際調査報告 ＳＡ１８７４０

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. １．入口側マニホルド及び出口側マニホルドと、２本のほぼ平行な連続した流管 とを含み、上記流管は上記入口側マニホルドに流入する流体が上記流管を通って 平行に流れてこれから上記出口側マニホルドに流出するように上記入口側マニホ ルド及び出口側マニホルドに液密状態とで固着された近接する端部を有し、上記 流管の各々が振動の軸を有し該軸を中心として上記流管が音叉の分枝のように振 動でき、上記流管の各々が捩れの軸を有し該軸を中心として上記流管が振動時に これを通る流体の流れによって生ずるコリオリカにより動き、上記流管がそれぞ れ上記振動の軸を中心として実質的に等しい慣性モーメント及び実質的に等して ばね定数を有しまた上記捩れの軸を中心として実質的に等して慣性モーメント及 び実質的に等してばね定数を有し、上記流管が上記振動の軸を中心とする振動の 共振振動数ともその倍振動数とも異なる上記捩れの軸を中心とする振動の共振振 動数を有するようにしたハウジング部材と、各々上記流管の実際の動きを表わす 出力信号を発生させるようにした上記振動の軸及び振れの軸を中心とする上記流 管の動作を検出するための１対の検出器手段と、上記出力信号の間の時間差を決 定し該時間差が上記流管を通過する流体の質量流量を示すようにするための時間 差測定手段と、 上記流管の一方の周囲に装着された永久磁石及び保持組立て体と上記流管の他方 の周囲に装着されたコイル手段とからなり、上記永久磁石及び保持組立て体が上 記コイル手段に嵌入するようにした上記振動の軸を中心として上記流管を振動さ せるための駆動手段と、 上記振動の軸を中心として上記共振振動数で上記流管を振動させるように上記コ イルに連結され所定の振動数の周期的な波を発生させる駆動回路手段と、 からなり、上記駆動回路手段及び上記コイルの抵抗が約５０ｍＡから約２５０ｍ Ａまでの範囲の駆動電流を発生させるようにした流体の質量流量を測定するため の平行流路形コリオリ質量流量計において、上記駆動手段が サマリウム・コバルト鉄またはネジウム鉄の希土類の磁石からなり円錐の形状を 有する上記永久磁石と、該永久磁石との間に所定の大きさの環状に応じた空間を 形成する上記円錐形の磁石に対してこれを中心として同心状に配置されたカップ 形の保持部材と、 環状の形状に巻かれた所定の巻数を有する絶縁された導電性の巻線からなり上記 永久磁石と保持部材との間に形成された環状に応じた空間内に嵌入するような大 きさの上記コイル手段と、からなり、上記永久磁石及び保持部材が上記流管の一 方にその中点に近接して取付けられて上記環状に応じた空間が上記他方の流管に 面するようにされ、上記コイル手段が上記環状に応じた空間内に嵌入するように 上記他方の流管にその中点に近接して取付けられ、上記コイル手段はそのインダ クタンスが約３２０マイクロヘンリーから約９ミリヘンリーまでであるような巻 数及び大きさを有するようにしたことを特徴とする平行流路形コリオリ質量流量 計の流管の駆動装置。
2. ２．上記所定のコイルの巻数が約１００から約５００の巻数となるようにしたこ とを特徴とする請求の範囲第１項に記載の駆動装置。
3. ３．上記駆動手段が発生させ得るグレインで表わした最大の駆動力が上記コイル の巻数によって上記駆動手段の供給し得るミリアンペアで表わした最大の電流を 定数０．０１９６倍することによって計算されるようにしたことを特徴とする請 求の範囲第１項に記載の駆動装置。
4. ４．上記最大の駆動力が約５００グレインを超えないようにしたことを特徴とす る請求の範囲第１項に記載の駆動装置。
5. ５．上記コイル手段がさらに、環状の形状を有し所定の巻数の巻線を巻付けてあ るボビン部を含むようにしたことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の駆動装 置。
6. ６．上記ボビン部が非導電性で非磁性の材料からなることを特徴とする請求の範 囲第１項に記載の駆動装置。