JPH05113359A - 流体流量を測定する方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】現存するコリオリ質量流メータによってはえら
れない流体流量に関する情報を提供する。 【構成】流体流量は振動システム１１を、システムの自
然振動数に対応するサイン状駆動力によつて励起すると
ともにシステムを流体流によつて誘導された振動に露出
することによつて、たとえば流体を振動システムの一部
を構成するダクト１１を通過させることによつて測定さ
れる。システム振動のスペクトル表示はシステムの仮の
ノードに設置された検出器１８、たとえばノード板１４
ａによつて得られ、信号は解析され基本的振動数成分お
よびシステムの構造によつて発生される高調波成分、通
常第１偶数次高調波を与える。高調波成分と基本的振動
数成分の比率は計算され、システムが露出される流体流
量の測定値を得る。この技術はコリオリ質量流メータの
チエツク機能として使用される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】本発明は流体流量測定に関する。流体流量
メータの最近開発された型式は測定される流れが二重ル
ープ管システムを流されるコリオリ質量流メータであ
り、そのループは一緒にノード点に連結されループの間
に取付けられ単一振動数の駆動力をループに加えるよう
に配置されたトランスジユーサによつて振動され、駆動
力の振動数は通常静止流体が充満したときの非流動状態
の二重ループ管システムの自然振動数にほヾ対応する。
ループを流れる流体流から生ずるコリオリ力はトランス
ジユーサにより加えられる振動の位相に影響し、これは
ループを橋絡するセンサによつて検出される。コリオリ
力したがつて振動の位相変化はループを通る質量流量に
依存し、位相変化は流体流量の測定値として使用するこ
とができる。センサによつて発生された信号は流れが通
される管路および／または流体回路に設けられたポン
プ、弁、攪拌器またはモータから偽の振動を排除するた
め濾波される。そのような質量流メータは別のモードで
作用することができ、この発見はコリオリ質量流メータ
においてまたはそれと無関係に使用しうる流体流量を測
定する新しい方法および装置の基礎をなしている。コリ
オリ質量流メータのチエツク機能に加えて、本発明の方
法は、現存するコリオリ質量流メータ以上の利点、たと
えばコストおよび簡単さの利点を有し、そのようなコリ
オリ質量流メータが適していない場合にも有用な、新し
い型式のコリオリ質量流メータの基礎をなしている。さ
らに、新しい方法がある種のモードで作動されるとき、
現存するコリオリ質量流メータによつてはえられない流
体流量に関する情報を提供することができる。

【０００２】本発明の一特徴によれば、振動をうけると
き少くとも一つの高調波成分が発生されるような構造を
有する振動システムを励起すること、前記発生した高調
波成分を他の高調波成分および／またはシステム振動の
基本的振動数成分と比較して流量の測定を実施すること
を含む流体流量を測定する方法が提供される。通常振動
システムはトランスジユーサのような適当な駆動装置に
よつて加えられる駆動振動数によつて励起され、同時に
システムに流体流によつて誘起された振動を加えられ、
システムは前記駆動振動数および前記流体流によつて振
動されるとき少なくとも一つの高調波成分を発生し、前
記発生した高調波成分および／またはシステム振動の基
本的振動数成分は比較され流量の測定値をえる。励起は
ある用途において、流体流が強い乱流でエネルギに富み
（本質的にまたは特殊な手段がこのため実施される）流
体がシステムの自然機械的共振、とくに基本的および特
殊な高調波を励起することができる場合は、完全に流体
自体から与えられる。そのような流体流における乱流
は、発生する乱流が作動流体として流体を使用する液圧
回路内にうけ入れられるとすれば、または乱流がうけ入
れられない場合回路の一部に侵入する前に減少または解
消しうるとすれば、たとえば流体流量中に一つ以上の管
状要素を有することによつて乱流が発生する。しかしな
がら、さらに普通にはシステムの励起はトランスジユー
サによつて実施されかつ通常層流である流体流によつて
変更される。

【０００３】米国特許第４６８０９７４号から、直線管
コリオリ質量流メータにおいて基本的および高調波振動
成分を比較することが公知である。この場合、比較は管
内の軸方向応力を補償するための修正係数をえるために
実施され、この修正係数は測定された流量を変更するた
めに使用される。この公知の装置において、高調波成分
は基本的および高調波振動成分とくに基本的および第１
奇数次高調波振動成分を含む位相ロツク複合駆動成分に
よつて駆動されるオシレータによつてシステムに加えら
れる。これに対して、本発明は成分（その一方は基本的
振動とすることもできる）間の比較を使用して流体流の
測定値を与え、また高調波振動成分が本質的に外部駆動
力によつて加えられるよりも振動システムによつて発生
される意味において受動的システムを含んでいる。した
がつて本発明は比較的簡単な、単一振動数の駆動源を使
用することができる。主として、本発明の方法を基本的
成分（またはゼロ次高調波成分）より異なつた次数の高
調波成分を比較することによつて実施することが可能で
あるが、好ましくは比較は基本的成分と高次の高調波成
分の間、一層好ましくは基本的成分と基本的成分の偶数
倍の第１次高調波成分の間でなされる。

【０００４】本発明の一層特別の特徴によれば、システ
ムの基本的自然振動数にほゞ対応する駆動振動数によつ
て振動するシステムを励起するのと同時にシステムに流
体流により誘起された振動を加えることを含み、前記シ
ステムは前記駆動振動数および流体流による振動を加え
られるとき非直線性およびシステムにおけるコリオリ力
効果の結果として第１偶数次高調波が発生するような構
造を有し、またシステムの第１次高調波成分をシステム
振動の基本的振動数成分と比較して流量の測定を実施す
ることを含む流体流量を測定する方法が提供される。比
較のために選択された成分は、選択された成分の比率が
単調に流体流量に関連し、すなわち流体流量が増加する
ときには前記比率も増加する（さもなくば減少する）よ
うなものであるのが有利である。前記単調な関係は、前
記範囲の上下の限界の差において少くとも一つの大きさ
の順序で（とくに好ましいのは二つの順序で）含む流体
流量の予定範囲に亘つて適用されるのが好ましい。通常
単調な関係は装置の有効測定範囲の少くとも７０％、好
ましくは９０％に亘つて適用される。

【０００５】適当な高調波を発生するためのシステムの
構造は、振動システムのモード特性を変更するこの技術
に通じた人々には公知の種々の手段によつて、容易に達
成することができる。たとえばノード板のような補強要
素は所要の高調波成分を発生させしたがつてそれを容易
に検出しうるように設計されかつ設置される。システム
のモード特性を変化するのに使用される他の手段は、シ
ステムの適当な位置で方式に補助的質量を取付けること
を含んでいる。比較される成分は検出装置から得られた
システム振動のスペクトル表示の解析によつてえられ
る。望ましくは、システム振動の高調波成分および／ま
たは基本的成分は振動の大きさが小さい場所たとえば仮
のノードにおいて検出され、すなわち検出装置はシステ
ムがほゞ静止している位置に設置されるのが便利であ
る。

【０００６】システムは通常流体が流れ、そのためシス
テムに振動を与える導管を有する。導管はコリオリ質量
流メータのループまたは二重ループの形式のものとす
る。この場合、本発明の方法は流体流量を別に測定する
ことによりコリオリメータの正確な機能のチエツク装置
として使用することができる。たとえば、コリオリメー
タの感知手段が誤作動するかまたは感知手段に関連した
電気回路に故障が発生すると、これは本発明の方法によ
つて検出される。これに関連して通常のコリオリ質量流
メータの感知手段は比較的大きい振幅の振動をうけ易
く、一方本発明は流体流量測定がシステムがほゞ静止し
ている偽ノードにおいて高調波および基本振動を検出す
ることができる。通常、テムは流体が直列にまたは並列
に流れる一対の導管を有し、導管は一つ以上の位置にお
いて振動を拘束する手段によつて連結することができ、
高調波および／または基本振動の検出はそれらの位置に
おいて実施される。たとえば、導管は別の位置でそれら
の長さ方向に一つ以上の補強またはノード板によつて連
結することができ、高調波および基本振動成分はそれら
の各板に関連したセンサにによつて検出される。

【０００７】システムは流体流を流す一対の導管を備え
るのが好ましいが、それは必要ではなく、本発明は単一
の導管を使用して設置することができ、たとえば完全ま
たは部分的ループもしくは、導管が作用中すなわち測定
される流体を流すとき動的曲げ力をうけるとすれば、弧
状または直線とさえすることもできる。導管がコリオリ
質量流メータの二重ループによつて構成される場合、二
重ループはループを連結するノード板を備えることがで
き、振動は一つ以上のノード板で検出される。たとえ
ば、二つのノード板が設けられ、その場合二つのノード
板上の検出器の位相は逆にされそれらの信号は複合され
出力を増強される。システム振動の高調波および基本振
動成分は迅速フーリエ変換を使用することにより検出装
置からえられる信号によつて与えられ、流れの“リアル
タイム”指示がえられる。検出装置は少くとも一つのピ
エゾ電気、電磁または光学的検出器または少くとも一つ
の広振動数マイクロホンまたは他の通常の装置を備える
ことができる。

【０００８】以下本発明を図面に基づいて単なる例示と
して説明する。図１において、線図的に示されたように
コリオリ質量流メータは、流体流用入口１２および出口
１３を有し、かつ測定される流れに直列または並列に接
続されるようになつた二重ループ管装置１１を有する。
後の場合、二重ループ管装置１１は主流から側路した流
体流の一部を輸送するに過ぎず、液体質量流量は側路し
た流体流の一部を測定してこの測定値から主流量を推定
することにより決定される。二重ループ装置は（図示し
ない）密閉ハウジング内に収容される。ノード板１４
ａ、１４ｂは二つのループをマニホルド装置１５上で接
続し、そこを入口１２および出口１３が通過しまた二つ
のループを連結している。ノード板はマニホルド１５付
近におけるループの振動を抑制しマニホルドへの接続点
におけるループの応力を減少する。ノード板は実際に
“仮ノード”すなわちループの振動が比較的小さいほヾ
静止点を画定する。

【０００９】板１４ａ、１４ｂから離れて二つのループ
を橋絡する電磁力トランスジユーサ１７および電磁力検
出器１６が設置されている。トランスジユーサ１７およ
び電磁力検出器１６はループに加えられる振動が大きい
ほヾ対称的に関連した位置に設置される。通常の使用に
おいて、ほヾサイン状駆動力（すなわち単一の振動を有
する）が、トランスジユーサにより二重ループ装置に加
えられ、二重ループ装置を有するシステムを振動させ、
振動は検出器１６によつて検出される。駆動力の振動数
は静止状態の液体を充填されるときすなわち質量流がゼ
ロであるとき二重管システムの自然振動数（または多分
その適当な高調波）に対応するように選択される。駆動
力は検出器１６から与えられる信号によつて制御され、
振動の大きさは二重管を通過する質量流量に関わりなく
ほぼ一定に維持される。作用において、ループを通る循
環流の結果生ずるコリオリ力は、決定論的方法で検出さ
れた信号に影響し、検出器１６の出力信号は公知の方法
で処理され質量流量の測定値を与える。

【００１０】前記のようにメータは公知の構造で公知の
ように作用する。本発明によれば、流量は振動システム
に関連した振動数スペクトルのある成分の検出により異
なった方法で決定される。基本的振動数成分は容易に検
出可能であり、たとえばノード板およびコリオリ力効果
によつて導入されたシステム内の非直線性のため、駆動
力の高調波ひずみは検出される高調波成分の発生によつ
て発生される。あるシステムに対し、少なくとも一つ以
上の高調波成分は、そのような高調波成分が問題の流体
流範囲内に放出されないという意味において好ましい。
とくに適した高調波成分は、しばしば第１偶数次高調波
すなわち基本波の二倍の振動数となる。もしシステムの
基本構造がこの特定の高調波を抑制するようなものであ
れば、システムのモードの特性は第１偶数次高調波成分
を露出すなわち発生することができる。前記のように、
そのような変更はノード板の位置および／または大きさ
の変更のような手段の適用により、および／またはシス
テムへの質量の付加により実施される。たとえば、ノー
ド板は選択された高調波成分の局部的共振器として作用
するように構成される。

【００１１】第１偶数次高調波は流体流によるコリオリ
力の発生が管振動の振幅をコリオリ力誘導自由回転ノー
ドの一側において増加し同時に他側において減少するた
め、しばしば好ましい。この効果は、管システムの振動
ノード数（自由および一定）に関わりなく、コリオリ効
果に基づく流量メータの各型式に、事実上存在する。管
の一部における基本的駆動周波数振動の大きさおよび反
対側部分における制動の同時の適用は、振動モードに局
部的非対称性を発生する傾向があり、そのような重複す
る非対称性は共振振動の基本的駆動周波数の高調波ひず
みを生ずる。高調波ひずみはとくに第１偶数次高調波成
分において顕著である。さらに、振動システムを通る流
体流量が多くなればなるほど、高調波ひずみも大きくな
り、流体流量もしたがつて第１偶数次高調波および基本
的振動数成分のスペクトルの大きさの比率によつて特徴
付けられる。もし一定のシステムに対し、第１偶数次高
調波成分がそのような手段によつて露出されるように修
正しえないならば、基本的システム構造によつて発生さ
れるかまたは前記のような手段によつて容易に露出しう
る他の高調波成分を使用することができる。

【００１２】図示の実施例において、ピエゾ電気検出器
１８および１９は、すなわち駆動トランスジユーサおよ
びシステムを通る流体流によつて誘導されるような、基
本的振動数およびシステム振動の少なくとも一つの選択
された高調波成分を検出するため、二重ループ装置の反
対側のノード板１４ａおよび１４ｂに取付けられる。図
２ないし図４は検出器１８，１９の一方の出力から与え
られるスペクトルを示す。基本的振動数（この場合約８
０Hz）および第１偶数次高調波が背景に対して鋭く立上
がつているのが分かる。また図２ないし図４から第１偶
数次高調波成分Ｈと基本的振動数Ｆとの高さの比率は流
量変化に伴つていちじるしくかつ決定的に変化している
ことが分かる。とくに、この比率は液体流量の増加に対
して単調に増加している。三つの流量の０，10.5，20.2
Kg／分における（基本的振動数と第１偶数高調波成分の
スペクトルの大きさに基づく）比率は、それぞれ0.23，
1.55および2.5 である。比率が基本的振動数と第１偶数
次高調波成分に対応する追跡によつて囲まれた区域によ
つて示された動力値とするならば、比率は特殊な器具を
使用すため一層直線的関係に成ることが分かるであろ
う。特定の比率および流量の関係が直線でない場合でさ
えも、較正曲線はシステムから与えられ、未知の流体流
に対して得られる比率を較正曲線に関連して使用しその
比率値に対応する流体流を推定しうることが分かるであ
ろう。

【００１３】二つの検出器１８および１９を使用するこ
とにより、信号増強および外部の影響除去が達成され、
もし検出器の位相が逆にされそれらの信号が加えられる
ならば、位相のずれた信号は重複され共通位相信号は打
消される。しかしながら、個々の検出器１８，１９によ
つて発生された広い、信号のバンド幅はメータ外部の要
素に関する有用な情報を提供し、作動流体として流体を
使用する液圧回路における、例えばパイプライン、ポン
プおよび弁の作動もしくは他の液圧現象を監視するため
使用することができる。検出器１８，１９の信号は適当
にプログラムされたコンピユータ２１に適した何等かの
方法で解析され、コンピユータ２１は迅速フーリエ変形
ルーテインによつてプログラムされ、デイスプレーまた
プリンタ２２に与えられる結果を表示する。信号のフー
リエ解析の代わりに、他の適当な濾波解析手段たとえば
バンドパス濾波を使用することができる。コリオリ質量
流メータの検出器１８，１９のような一つ以上の検出器
の追加はメータ作動および、それらの位置のため、検出
器１８，１９より一層大きい振幅の振動をうけしたがつ
て信号導線の故障または分離の可能性が一層大きい、そ
の検出器１６の誤作動をチエツクする手段を提供するこ
とができる。

【００１４】上記のように、流体流量の測定は基本的お
よび第１偶数高調波を比較することにより与えられる
が、本発明はこれらの特殊な成分を使用することに限定
されるものでなく、たとえばシステム構造に露出されま
たは発生される（その一つを基本的振動数とするかまた
はしない）二つの成分の間で比較をすることができる。
また本発明はコリオリ質量流メータのチエツク機能に基
づいて記載されたが、本発明はそれ自体の権利における
流量測定システムの基本を構成し、また必然的に振動シ
ステムがループであることを必要としない。実際、その
流量に影響される振動の振動数成分の間の流量依存関係
の寄与を可能にするいかなる振動部材も使用可能であ
る。しかして、本発明によるメータは直線管、ロツド、
板または流体が貫流し、その周りまたはその上を流れる
他の物体を備えることができる。

【００１５】ブルエル−クジヤール(Bruel−Kjaer)ピエ
ゾ電気アクセロメータのような、適当に広いバンド幅の
検出器を使用する本発明によるメータは、流れの位相変
化を検出するのに使用することができ、またたとえば動
力スペクトルの高周波部分の観察に基づいてキヤビテー
シヨンの早期開始を検出することができる。この例にお
いては、検出器は約200KHzまでの振動数ならびに基本的
振動数および低次高調波を検出しうることが好ましい。
通常のコリオリメータは、それらが流れの位相の変化が
起こるとき誤つた読みを生じないように作用を停止する
ように構成されているため、そのような検出はできな
い。そのようなメータは、信号に狭いバンドパス濾波を
適用しそれによりキヤビテーシヨンのような流体流量特
性を決定するのに適した振動数を除去する、処理用エレ
クトロニクスを使用する。本発明によるメータの作用は
疲労の開始およびキヤビテーシヨンによる損傷、ある形
式の流れの汚染および検出器信号のスペクトルの解析に
よる振動システムの誤作動を早期に警告するように、内
部の実質的変化に対する自己監視が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による測定装置に適用されるコリオリ質
量流メータの線図である。

【図２】流量ゼロの液体質量流に対応するスペクトルを
示す線図である。

【図３】流量１０kg／分の液体質量流に対応するスペク
トルを示す線図である。

【図４】流量２０kg／分の液体質量流に対応するスペク
トルを示す線図である。

【符号の説明】

１１ 二重ループ管装置 １２ 流体入口 １３ 流体出口 14ａ ノード板 14ｂ ノード板 １５ マニホルド １６ 検出器 １７ トランスジユーサ １８ 検出器 １９ 検出器 ２１ コンピユータ ２２ デイスプレーまたはプリンタ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ステフアン・ステイスト イギリス国．エム16・８デイピー．マンチ エスター．ビクトリア・ロード．28

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 振動をうけるとき少くとも一つの高調波
   成分が発生されるような構造を有する振動システムを励
   起すること、前記発生した高調波成分を他の高調波成分
   および／またはシステム振動の基本的振動数成分と比較
   して流量の測定を実施することを含む流体流量を測定す
   る方法。
2. 【請求項２】 前記システムは駆動装置によつて励起さ
   れ同時に前記システムは流体流によつて誘起された振動
   をうける請求項１に記載の方法。
3. 【請求項３】 前記発生した高調波は偶数次のもので前
   記比較は前記基本的振動数と前記偶数次高調波の間で実
   施される請求項１または２に記載の方法。
4. 【請求項４】 前記偶数次高調波は第１偶数次高調波で
   ある請求項３に記載の方法。
5. 【請求項５】 前記比較は二つの高調波の間で実施され
   る請求項１または２に記載の方法。
6. 【請求項６】 システムの基本的自然振動数にほゞ対応
   する駆動振動数によつて振動するシステムを励起するの
   と同時にシステムに流体流により誘起された振動を加え
   ることを含み、前記システムは前記駆動振動数および流
   体流による振動を加えられるとき非直線性およびシステ
   ムにおけるコリオリ力効果の結果として第１偶数次高調
   波が発生するような構造を有し、またシステムの前記第
   １次高調波は成分をシステム振動の基本的振動数成分と
   比較して流量の測定を実施することを含む流体流量を測
   定する方法。
7. 【請求項７】 前記高調波成分および／または前記基本
   的振動数成分をシステムの仮ノードにおいて検出するこ
   とを含む請求項１ないし６のいずれか一項に記載の方
   法。
8. 【請求項８】 前記システムは前記流体がシステムの前
   記流れ誘起振動を生ずるように流体が伝達されうる少く
   とも一つの導管を含む請求項１ないし７のいずれか一項
   に記載の方法。
9. 【請求項９】 前記導管はコリオリ質量流量メータの二
   重ループを有する請求項８記載の方法。
10. 【請求項１０】 流体流路内に浸漬され前記流路に沿う
    流体の流れが振動運動を与えるように画定されまたは構
    成されたシステム、使用中システムがそれによつてまた
    流体流によつて同時に振動を加えられるシステムを振動
    する手段を有し前記システムは前記駆動振動数によつて
    また前記流体流によつて振動をうけるとき、少くとも一
    つの高調波成分が発生するものであり、また前記発生し
    た高調波振動を互いにまたはシステムの基本振動数成分
    と比較して流量測定を実施する手段を有する流体流量測
    定装置。
11. 【請求項１１】 前記成分を比較する手段は前記成分を
    システムの仮ノードに対応する位置において検出するよ
    うに配置された少くとも一つのセンサを有する請求項１
    ０に記載の装置。