JPH05501310A - 密度計 - Google Patents
密度計Info
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- JPH05501310A JPH05501310A JP3510835A JP51083591A JPH05501310A JP H05501310 A JPH05501310 A JP H05501310A JP 3510835 A JP3510835 A JP 3510835A JP 51083591 A JP51083591 A JP 51083591A JP H05501310 A JPH05501310 A JP H05501310A
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- G01N11/10—Investigating flow properties of materials, e.g. viscosity, plasticity; Analysing materials by determining flow properties by moving a body within the material
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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】
密度計
発明の背景
本発明は、密度の測定に向けたものであり、特に、流体の密度の測定に向けたも
のである。本発明は、簡略化が望ましく、スペース的制限が1つのファクタとな
り得る産業用途で特に有益である。
流体密度を特定する方法は多(のものが提案され、用いられてきた。理論的観点
から比較的優れている1つの方法は、ソビエット発明者証第1.300.333
号に記載されている方法である。その密度計は、1つのチャンバ内に配置した磁
性ボブを使用しており、このチャンバの上下の壁面に圧電式センサが設けである
。電気コイルがチャンバの頂部へボールを引きつ1九頂部に到達したとき、それ
を圧電式センサで検知する。ポールは、次に、チャンバの底部へ落下させられ、
底部に到達したとき、それも同様に検知される。コイルを駆動する電流は、チャ
ン/くの頂部に到達するに要する時間が、底部に到達するに要する時間と等しく
なるように調節され、演算回路が、その電流レベルと、既知の密度の流体で同様
に到達したときの電流レベルとの比から流体密度を推定する。この方法は、比較
的速度が遅いので、プロセス制御用途よりも実験室作業に向いている。すなわち
、上昇、下降の通過時間が等しくなる電流レベルに到達するように何回も流体を
通過させなければならないのである。
プロセス制御用途に向いている方法としては、放射性物質からの放射能を流体サ
ンプルに通し、流体サンプルを通過した放射能の割合を流体密度の指標として採
用する方法である。この方法は、外部振動に特に鈍感であるが、作業員の安全に
対する訓練と、健康、安全問題が生じたときにそれを処理する能力が必要である
。
別の方法では、測定しようとしている流体に確実に浮くように設計したおもりを
使用する。負の浮力を有する鎖がこのおもりと、流体を入れたチャンノく内の基
準点とを連結している。すなわち、チャンバ壁面が各鎖の一端を支持し、各鎖の
反対端がおもりに支持されており、それによって、おもりが鎖の重量で押えつけ
られるのである。鎖のおもり側端がチャンバによって保持されるレベルに関して
保持されているレベルは、おもりとチャンバ壁面との間における鎖の重量の分布
を決定する。これは、順次に、おもりの浮力によって決定される。その結果、流
体の密度はおもりの高さによって決めることができる。この構成は、簡単である
という利点を有するが、反復性、精度を低下させる可能性のある振動、流れの影
響、静摩擦の影響に対する最適な抵抗を得るには物理的に大きく作らなければな
らない。
より広(用いられている方法の1つでは、測定しようとしている流体がチューブ
を流れ、このチューブが、その材質、寸法、それが収容している流体、すなわち
、測定しようとしている流体から生じる固有振動数で振動させられる。この固有
振動数は、流体密度に依存し、したがって、チューブ振動の振動数を測定するこ
とによって決定することができる。このような構成は原理的に簡単であり、それ
について報告された精度、反復性は良好であった。
発明の概要
本発明の密度計は、特に融通性の点で、従来の密度計とは区別される。従来装置
と同様に、本発明の装置は、流体の密度を得ることのできる測定を行う。しかし
ながら、測定値は、密度ばかりでなく粘度も決定するのに使用することができ、
したがって、密度および粘度の両方が該当変数である用途で2つの機器を使用す
る必要がない。
上記のソビエット発明者証に関連して説明した構成と同様に、本発明の密度計は
、測定しようとしている流体を貫く経路に沿って互いに反対の方向へ交互に動か
されるボブを用いる。しかしながら、本発明では、1989年9月12日にHu
bertんfrightに発行された米国特許第4.864.849号に粘度計
として説明されているものと同様のハードウェアを用いることができる。fri
ghtの粘度計は、ボブを磁気的に互いに反対の方向へ駆動し、測定しようとし
ている流体を通る所定の経路に沿って前後方向へ動かす。この構成では、通過時
間の合計がボブの移動する流体の粘度の指標として採用されている。
本発明によれば、決定されるのは2回の通過時間の差であり、流体の密度はこの
差の関数から推定される。本装置を、流体の密度をボブの密度に等しい値に維持
することを意図しているフィードバック・ループで使用しようとしている場合、
必要な指標を与えるのは差そのものである。正の差は、密度が一方向に変える必
要があることを意味し、負の差は、反対方向へ密度を変えなければならないこと
を意味する。差のサイズは、実際の密度値を与えるだけでない場合でも、比例制
御を行うのに使用できる。この方法は、所望の流体密度がボブ密度に等しくない
ときにも使用できる。コイル電流の不均衡が生じ、流体が所望の密度を有すると
きに2回の通過時間が等しくなる。他の目的に用いようとしている密度測定値の
場合、普通は、時間差を全時間で割って密度の指標とする。
この構成は、密度と濃度を同時に決定するのに同じハードウェア、実際には、同
じ測定値を使用できる。これにより、別体の粘度計に必要なコスト、スペースを
排除できる。さらに、本発明の密度計は、振動に対して比較的鈍感にすることが
できる。上記のフィードバック構成では、流体密度は、ボブが中立的に浮くレベ
ルに維持するように制御される。したがって、機器の振動がボブを流体に対して
移動させることがない。
図面の簡単な説明
本発明のこれらおよび他の特徴、利点を添付図面に関連して説明する。図面にお
いて、
第1図は、本発明の教示を用いている密度計の機械的部分の横断面図である。
第2A図および第2B図は、密度計コイルを駆動し、ボブ位置を検知し、通過時
間を測定し、そこから密度指示値を発生させる回路のブロック図である。
第3A図、第3B図は、ボブ移動および回路が時間を測定する移動の部分を説明
する図である。
lOの横断面を示す。この機械的部分は、円周方向にねじ山14を設けたほぼ円
筒形のボデー12を包含する。これらのねじ山は、粘度を測定しようとしている
流体を運ぶパイプの壁面に設けたねじ山と螺合するようになっている。使用時、
シェルは水平面に対して垂直あるいは成る角度αの軸線(垂直成分となる)を持
つような向きとされる。ボデー12の端に取り付けた端キャップ16は開口17
.18を包含し、これらの開口は機器内の流体が装置に出入りできるようにして
いる。
ボデー内に形成されたチャンバ24内にはボブ27が配置してあり、チャンバ壁
面がこのボブのためのガイドとして作用する。ボブは相互に溶接した2つのボブ
半部分28.29からなり、内部は液密となっている。ボブ半部分のうち少なく
とも1つは、透磁率が比較的高い材料、たとえば、400シリーズ(すなわち、
優先的にマルテンサイト的な)ステンレス鋼のうちの1つで作られる。2つのコ
イル32.34かチャンバ壁面まわりに間隔を置いて配置しである。これらのコ
イルは、電流で付勢されたときにチャンバ24内に磁界を生じさせるように配置
しである。コイル32.34を交互に付勢することによって、ボブ27をチャン
バ24内で往復動させることができる。ボブが往復動するとき、端キャップ16
の円錐形バッフル36が流体の流れに影響を与えて、チャンバ24の内容物を新
しくする。
高透過性材料で作ったピストンがコイル32.34間の相互インダクタンスに影
響を与える。したがって、この相互インダクタンスを検知することによってボブ
位置をモニタすることができる。ボブ経路の向きが垂直成分を持っている場合、
ボブ行程に必要な時間はボブと流体の相対密度に依存し、流体密度は最終的には
相互インダクタンスの観察から推定され得る。本発明によれば、互いに反対方向
における通過時間の差から密度が決定される。
特に、慣性力および非ニユートン粘性の影響を無視するならば、一定の磁力の下
での左のA点から右のB点までのボブ行程に要する時間は次の通りである。
TATB =Lalk)A (l/[1−(S 5ina)/M]) (1)こ
こで、TATB =A点からB点までの通過時間、L =A点からB点までの距
離、
σ =流体粘度、
k =主としてボブのサイズ、形状に依存する比例定数、M=磁力、
S =ボブ重量−ポブ浮力、すなわち、浸水重量、α =ボブ経路が水平面とな
す角度。
反対方向の移動に要する時間T BTAは、次の式で与えられる。
TBTA ” (LσAM) fl/[1+(S sinα)/Mll (2)
式(1)に式(2)を代入すると、
(TATB−TeTA)/(TArB+T++tA)”(S sinα)/M
(3)浸水重量Sは、次の式で与えられる。
S=gV (d、−d、) (4)
ここで、g =重力の加速度、
■ =ボブ体積、
d、=平均ボブ密度、すなわち、ボブ質量÷ボブ体積、d、=流体密度。
式(3)に式(4)を代入すると、
d+−db −M(TArs−TerA)/(TAt+++TmtA)gVsi
n a (5)したがって、経路の角度、ボブの密度、体積およびそれの受ける
磁力を知るこ粘度について成る程度の感度を与えるが、このような影響を許せる
ときには便利な方法である。
コイル32.34はケーブル48に接続しており、このケーブルは第2A、2B
11に示す駆動・検知回路に接続している。この回路は、コイル32.34を交
互に付勢する駆動回路62を包含する。この駆動回路32は、方向選択回路64
の発生するATB信号に応答する。この方向選択回路64は、駆動回路67がボ
ブ27を駆動しようとしている方向を指示する。方向選択回路64は次に方向回
路66に応答する。この方向回路は、コイル32.34間の相互インダクタンス
をモニタし、ボブ27がその移動終端に達したときにそれを決定する。方向回路
66の出力は、時間測定回路68によっても用いられる。時間測定回路68は、
各行程の時間を測定し、それから密度指示値を発生する。
駆動回路62は、周期的に出力を発生するクロック70を包含する。図示実施例
では、この周期出力は方形波であるが、三角形波あるいは正弦波のような他の波
形も用い得る。低域フィルタ72が、方形波から高周波成分を除去し、はぼ正弦
AC成分を重ねたDCレベルを含む出力を発生する。DC成分の目的は、コイル
32.34のための主駆動電流を与えるためであり、AC成分の目的は、一方の
コイルに流れる電流で他方のコイルに起電力を誘導させ、コイル32.34間の
相互インダクタンスをモニタすることができる。
ATB信号にスイッチ74が応答して、スイッチ74がフィルタ72の出力を送
ろうとしているコイルを選ぶ。スイッチ74は、その出力を、2つの電流ドライ
バ76.78のいずれか一方に送り、その電流ドライバがコイル32.34をそ
れぞれ付勢する。ATB信号は高レベルと低レベルの間で切り替わり、その結果
として、コイル32.34が交互に付勢される。コイル32が付勢されつつある
とき、コイル34は付勢されておらず、コイル34が付勢されているときには、
コイル32は付勢されていない。ドライバ76.78は、高出力インピーダンス
回路であり、それらの発生する電流の大きさが入力ポートのところの電圧によっ
て決まり、コイル32.34におけるインピーダンス変化あるいはケーブル48
における抵抗変化によってそれほど影響されない。ドライバ76.78の相互コ
ンダクタンスは、通過時間差を無効にすることができるように個々に調整できる
ものとして示しである。この能力は、小さい機械的な非対称性にもかかわらず中
立浮力ボブに対して通過時間が両方向において同じとなるように初期較正に使用
できる。また、磁力を意図的に不均衡にして、意図した密度がボブ密度と異なっ
ているフィードバック用途で通過時間差を無効にするのにも使用できる。
ATB信号の補数はBTA信号であり、このBTA信号は方向選択回路64によ
って方向回路66のスイッチ80に送られる。スイッチ80の2つの入力はコイ
ル32.34を横切る電圧であり、スイッチ80は、BTA信号に従って、これ
らの入力のうちの一方を選び、付勢コイルが非付勢コイルに誘導する信号をフィ
ルタ82に与える。フィルタ82は、帯域フィルタであり、クロック70の固定
基本周波数のみを通すことによってシステムの信号対ノイズ比を高める。この回
路の目的は、ボブ27が各移動方向における所定点に達したときにそれを知るこ
とにある。
゛ ボブ27がその左−右行程を開始すると、コイル32.34間の相互インダ
クタンスは比較的低くなる。ボブが右に移動すると、コイル間の電磁結合が増大
し、ボブ27が移動距離の中間付近のどこかにあるときに相互インダクタンスが
最大となり、その後、右に移動し続けるにつれて相互インダクタンスは低下する
。第2図の方向回路は、相互インダクタンスがピーク相互インダクタンスの所定
のパーセンテージになったときにそれを決定することによって、右方移動の終端
に向かってボブ27が所定位置に達した時点を検出する。これは、非付勢コイル
上のAC信号の大きさがピーク値の所定パーセンテージに入ったときにそれを決
定することによって行われる。
特に、フィルタ82はその出力をピーク検出器84に与え、このピーク検出器8
4は、行程の開始時に最後にリセットされたときから、フィルタ82から受け取
った最高瞬間電圧を出力として保持する。分圧器86がピーク検出器出力を受け
取り、たとえば、ピーク検出器のピーク出力の90%である出力を発生する。
比較器88がこの90パーセント・ピーク信号をフィルタ出力から引き、フィル
タ出力の大きさがそれが先に電流行程中に達成した最大値の少なくとも90%に
留まるかぎり矩形波を発生する。すなわち、相互インダクタンスが右方移動に応
じて増大するにつれて比較器出力は矩形波に留まり、ピーク値の90%になるま
でインダクタンスが増大した後も矩形波は続く。90%に達した時点で、矩形波
は止まり、それが所定の位置にボブが達したことを示す。
ゲート90が比較器出力を再トリガ可能な単安定マルチバイブレーク92に送り
、この単安定マルチバイブレークの目的は、矩形波が存在するかどうかを示すこ
とにある。すなわち、その出力は、比較器出力の低から高への移行によってトリ
ガ作用の間高レベルに留まっていなければならないが、矩形波が止んだときには
最終的に低レベルに移行しなければならない。したがって、その期間は、クロッ
ク期間よりも長く、比較器88の矩形波出力の期間よりも長くなる。
実際において、単安定マルチバイブレータ92の時間が少なくともいくつかのク
ロック期間であると好ましい。これは、方向回路を比較器88の出力からパルス
を失わせる可能性のあるノイズに対して比較的免疫にするからである。このよう
なパルスの喪失は方向を早期に切り換えることになる。
矩形波が存在するかぎり、単安定マルチバイブレータ92はその安定状態に戻る
ことは決してない。しかしながら、ボブ27が所定の位置に到達し、矩形波が止
むと、単安定マルチバイブレーク92のトリガ作用が停止し、その出力が特性遅
延の後に低レベルに移行する。以下に説明するように、この低レベル移行エツジ
は電流ボブ行程のタイミングを停止させる。それは、また、第2の単安定マルチ
バイブレーク94もトリガし、単安定マルチバイブレータ94の上方出力部に生
じたパルスの立ち上がり区間がピーク検出器をリセットし、その出力がゼロにな
り、他の90%位置を検出すべく戻り行程で使用され得る。相補的なより低い出
力の立ち上がり区間はスイッチ74.80の状態に直ちに変化を生じさせ、それ
によって、駆動、検知両方のためのコイル選択が逆転させられる。したがって、
ボブ駆動力は、最後の行程のタイミングが停止すると直ちに逆転する。
単安定マルチバイブレーク94は、説明のために、単安定マルチバイブレーク9
2の2倍と仮定する期間を有する。その期間にわたって、単安定マルチバイブレ
ーク94の低い方の出力がゲート90を使用禁止とする。以下に説明するように
、これは、矩形波の実際の終了と、単安定マルチバイブレーク92が行程終了指
示を行う時点との間の遅延から生じるエラーを補正する。
ボブ行程を時間測定するために、時間測定回路68のディジタル除算器96がク
ロック70の出力を受け取り、クロック期間の積分数に等しい期間を有する方形
波を発生する。単安定マルチバイブレーク92の出力が高レベルにあるかぎり、
ANDゲート98が徐算器出力をカウンタ100に送る。このカウンタの目的は
ボブ通過時間を測ることにある。すなわち、ANDゲート98は、ボブ26が9
0%点まで移動するにつれてカウントパルスを送り、90%点に達した後に比較
器出力がもやはトリガしなくなる単安定マルチバイブレーク92がタイムアウト
し、低レベル出力を発生するまで、ボブが90%点を通過した後も、aルスを送
り続ける。この出力はゲート98を使用禁止とし、カウンタ100が7(ルスの
受け取りを停止する。
第3A、3B図に関連して以下により詳しく説明するように、このことは、この
密度計が既知の距離についての通過時間を測定する原理に基づいて作動している
が、時間測定回路64が時間測定を行なう各ボブ行程の部分が厳密に言って一定
距離ではなく、ボブが単安定マルチバイブレーク92の一周期について90%点
を越えて移動したときに到達する点にボブが到達するのに要した時間を時間測定
回路64が測定するということを意味する。しかしながら、明らかなように、こ
の一定距離からの逸脱量は、必要な精度に合わせて任意に小さくすることができ
、通過時間を測定する距離は一定と考えることができる。
カウンタ100がパルスの受け取りを停止した後、別の単安定マルチ/くイブレ
ーク+02が、以下に説明するように、成るパルスを発生する。このlマルスの
立ち上がり区間は演算回路104(普通は、マイクロプロセッサ、メモリおよび
関連した入出力回路の形をしている)をしてカウンタ出力を読み込ませる。この
演算回路は、また、ATB信号も受信する。このATB信号は、以下に説明する
ように、読み込まれた測定値がAからBへ、あるいは、BからAへの通過時間を
表わしているかどうかを示すものである。
明らかなように、所与の通過時間についてのカウンタ100の出力はプログラマ
ブル除算器96に依存する。したがって、除算器96は利得セレクタとして用い
ることができる。
単安定マルチバイブレーク102のパルスの立ち上がり区間が演算回路104を
してカウンタ100の内容を読み込ませた後、このl匂しスの立ち下がり区間力
(別の単安定マルチバイブレーク108をトリガする。この単安定マル升くイブ
レークの出力はカウンタ100をリセットし、新しいかうんと作用を開始させる
ことができる。
A−B行程の測定が完了したとき、回路はB−A測定に転換する。方向選択回路
64は、NANDゲート110の1入力として、単安定マルチバイブレーク94
の下方出力を受け取る。単安定マルチバイブレーク94は、上述したように、相
互インダクタンスがピーク値の90%より低いときにトリガされている。NAN
Dゲー[10の他の入力は、タイムアウト・カウンタ112の出力である。
このカウンタの機能は、以下に説明するが、その出力が普通は高レベルにあると
仮定することができる。したがって、NANDゲート110の出力は通常は低レ
ベルであるが、ボブ行程の終了を示す、単安定マルチバイブレータ102の出力
の下降する立ち上がり区間では高レベルに移行する。ゲート110の出力の上昇
する立ち上がり区間は、単安定マルチバイブレーク102をしてカウンタ100
からの行程持続期間の演算回路104へのラッチ作用をトリガさせるものである
。
この立ち上がり区間は、また、J−に方向選択フリップフロップ114をクロッ
クする。先に述べた相補的なATB、BTA下方出力流行程の方向を表わす。
すなわち、ボブ27が現在AからBへか、あるいは、BからAへかどちらに移動
しているかを示す。フリップフロップ114のJ、に入力ボートはロジックlに
つなげられている。したがって、フリップ70ツブはそれが受け取る各クロック
パルス毎にトグル作用を行う。ボブが先にAからBへ移動しているので、ATB
信号は高レベルであり、クロック移行の受領で、低レベルに移行し、BTAが高
レベルに移行する。先に述べたように、これにより、駆動回路62がコイルを切
り換え、方向回路をしてそれがモニタしているコイルを切り換えさせる。
タイムアウト・カウンタ112は、最長と予想されるボブ行程時間よりも普通は
20%長い所定の時間間隔を表わすカウント数に達したときに低レベル移行/マ
ルスを発生するようにセットされている。しかしながら、単安定マル%z<イブ
レータ94の上方出力が各行程の終端でカウンタ112をリセットし、したがっ
て、タイムアウト・カウンタ112は、通常、その出力が低レベルへ移行する機
会を持つ前にリセットされる。したがって、方向選択フリップ70ツブ114を
普通にトグル作用させるのは方向回路であって、タイムアウト・カウンタ112
ではない。しかしながら、システムを初めてオンにしたとき、最初のトグル・パ
ルスを発生するのはタイムアウト・カウンタ11.2であり、このタイムアウト
・カウンタは、方向回路66がなんらかの理由のためにボブ26の検出点の通過
を検出し損なった場合にシステムを回復させるトグル・パルスも発生する。
第2A、2B図の回路の動作を、ボブ27の動きを表わしている第3A、3B図
に関連して説明する。検出点116.118は、相互インダクタンスがピーク値
の90%より下にあり、比較器88の方形波出力が止まっている、ボブ26の2
つの移動点を表わしている。これら2つの点の距離をLとし、原則として、密度
計はこの距離を移動するのに要する時間を測定する。本発明の教示は、したがっ
て、ボブが検出点116に到達するとすぐに時間測定を停止する具体例に実施す
ることができる。しかしながら、図示の実施例が方形波が止まったことを決定す
る方法であるために、ボブ26が検出点116または118に到達したときにカ
ウンタ100がそのカウント作用を停止することはない。
特に、ボブが90%点116を通って左へ(B−A方向)移動すると、比較器8
8の発生する方形波が止まり、単安定マルチバイブレーク92のトリガ作用が生
じる。しかしながら、行程時間カウンタ100はカウント信号を受信し続け、し
たがって、増分し続ける。回路が矩形波が止まったと決定するのは、比較器から
なんらそれ以上のパルスを受け取ることなく単安定マルチバイブレーク92の時
間が経過したときだけであり、それ故、単安定マルチバイブレータ92の低レベ
ル移行出力はANDゲート98を使用禁止とし、その結果、行程時間カウンタが
パルスの受け取りを停止し、増分を停止する。単安定マルチバイブレーク92の
出力における同じ信号推移が単安定マルチバイブレータ94をトリガし、それに
よって、コイル・ドライブを上述したように切り換えさせる。また、B−A行程
が終わったばかりなので、演算回路104がカウンタ100の出力を読み込み、
単安定マルチバイブレーク108のタイムアウト期間の後にカウンタ100がリ
セットされる。
単安定マルチバイブレーク92がタイムアウトするのに要する時間、したがって
、駆動回路をしてコイルを切り換えさせるに要する時間において、ボブ26は距
離DIだけ点116を越えて移動してしまう。したがって、ボブは、第3A図に
示すように、点116を越えて点DiからそのA−B (左−右)行程を開始す
る。しかしながら、この時点で時間測定が始まることはない。行程時間カウンタ
104ヘカウント信号を送るカウント・イネーブル・ゲート98は、それを使用
可能とするためにトリガされなければならない再トリガ可能な単安定マルチバイ
ブレーク92が最初はなんらトリガ信号を受け取らないために使用禁止の状態に
留まる。単安定マルチバイブレーク94のトリガ作用がピーク検出器84をリセ
ットし、比較器88が普通は再トリガ可能な単安定マルチバイブレーク94をト
リガする矩形波を発生するようにするけれども、ブランキング・ゲート90は最
初は再トリガ可能な単安定マルチバイブレーク92に矩形波を送らない。これは
、単安定マルチバイブレータ94がその非安定状態にあるとき、ゲート90が使
用禁止状態にあるからである。
単安定マルチバイブレーク94の期間は単安定マルチバイブレーク92の2倍で
あり、したがって、単安定マルチバイブレーク94の下方出力がゲート90を使
用禁止とし、最終的には、パルスが(現在リセットされている)カウンタ100
に到達するのを肚する時間は、ボブが距離D1を移動する時間の2倍である。こ
の時間の長さにおいて、ボブは第3A図に示すように右へ距離2D、戻り、カウ
ンタ100はボブの移動中にカウント・パルスをまったく受け取らない。
したがって、ボブか点116の右へ距離2Dt DIのところへ達するまで、時
間測定は始まらない。
カウント作用が開始すると、それは、ボブが点118の右へ点り、に達するまで
継続し、この時点で、単安定マルチバイブレータ92が再びタイムアウトし、カ
ウンタ100を停止させ、演算回路が再び行程時間カウンタの出力を読み取り、
これが再びリセットされる。こうして、演算回路104は、第3A図に示すよう
に、ボブがL+Dt−(2Dt−DI )4+D+−Dtに等しい距離移動する
に要した時間を表わすカウント数を読み取ったことになる。
第3B図は、B−A行程を示し、ボブが検出点118の左へ点2D+ Dtに到
達したとぎ行程を開始するタイミングをカウンタ100が開始することを示して
いる。タイミングは、ボブが検出点116の左へ距離D1のところに位置する点
に達するまで継続する。したがって、カウンタ110は、ボブが距離L+D、−
(2Dこれらの単安定マルチバイブレータの動作によって生じる精度上の不利な
条件はM = gV SiM(db−d+XTAtn+T+rA)/(TArs
−Tllra) (6)ことができる。式(1)、(2)の操作して粘度σにつ
いて以下の式を得ることよって決定することができる。すなわち、k = (2
Lα)/M(TAAiB+TsTA)[1−(sM’)sin’αlこの比例定
数値の場合、式(7)は未知の流体の粘度を決定するのに用いることができる。
上記の式を検討すると、それらの式が、ボブが終末速度に達するのに要する時間
が無視できるという暗黙の仮定に基づいていることがわかる。しかしながら、比
較的粘性のない流体の場合、この仮定は現実を正確に示しておらず、機器の精度
は、粘度が成るレベルより下に低下した後に、低下する傾向がある。装置が使用
できる粘度範囲を広げるために、単安定マルチバイブレーク94によってセット
される初期ブランキング間隔の長さを調節するとよい。
この調節の背後にある理論は、初期ブランキング中にボブ移動量が2D、である
こと、すなわち、行程の反対端で遭遇するドロップアウト遅延Dfの2倍である
ことを示す上記の分析が、ボブが瞬間的に方向転換し、その終末速度をとるとい
う仮定に基づいているということを認識することによって理解できる。もちろん
、この仮定は厳密には真実ではないが、たいていの動作条件に付いては合理的な
近似値を与える。しかしながら、流体がもつと粘性がないときには、この近似値
の精度は低下することになる。それに伴う速度が大きくなり、初期ブランキング
一時間移動と2D、の差が2Dtの一部として意味を持つようになるからである
。さらに、距離D+、Dtも機器が時間測定を行おうとしている行程りに比べて
大きくなるので、慣性によって生じるエラーが意味を持つようになる。上述した
ように、駆動電流周波数を高めることによって距離D+ 、Dtを意図的に小さ
くすることはできるが、これは、粘性の低い流体で生じるより高いボブ速度で意
−夕94のブランキング期間が行程終端検出単安定マルチバイブレーク92の期
間の2倍となる。次に、比較的粘性のない流体でさらなるステップを実行する。
このステップにおいて、初期較正で決定されたパラメータM、kを用いて、粘度
が拡張範囲の下端に近い既知流体の粘度を測定し、測定値と既知の値との間の誤
差を観察する。単安定マルチバイブレータ94の期間を、次に、測定値が既知の
値に等しくなるまで、再トリガ可能な単安定マルチバイブレータ92の期間の2
倍から上方へ調節する。この期間は、未知の流体の続く測定で用いる。
この期間は、単安定マルチバイブレータ94が再トリガ可能単安定マルチバイブ
レータ92の遅延のみならず、低い較正粘度レベルで意味を持つようになる慣性
効果をも最も良く補正する期間である。より高い粘度レベルでは適切な補正は行
わないが、その粘度レベルでの単安定マルチバイブレーク92.94によって生
じる遅延は比較的意味を持たない。全行程に要する時間がもっとかなり長いから
である。したがって、この方法を用いることによって、装置の使用可能粘度範囲
をかなり拡張することができる。
演算回路104は計算モードを備え、このモードにおいて、M、kを決定し、通
常の測定作業のために適当な内部レジスタにそれらを格納する。あるいは、これ
らのレジスタの内容を外部的に実施された較正演算から得てもよい。いずれにし
ても、上述の較正作業は、本発明をさらに改善するために、式(5)、(7)の
結果を調節して上述した理論的な記述から省かれた非線形性の影響を減らす直線
化ファクタを決定する較正ステップとして追加することができる。
本発明の1実施例を説明してきたが、本発明の原理は図示したものとかなり異な
る回路でも具体化できる。たとえば、ボブが中立浮力に維持されるフィードバッ
ク配置の場合、期間カウンタ100を、他のすべての行程でのみリセットされ、
ATBまたはBTA信号の状態に応じて決定されるモードを有するアップ/ダウ
ン・カウンタであってもよい。演算は不要となり、演算回路の代わりに簡単なラ
ッチを用いることができる。
前記の説明かられかるように、本発明の密度計は、簡単であるばかりでなく、振
動に対して比較的鈍感であるように配置することもできる。さらに、本発明の密
度計は、密度の測定のみならず、同時に粘度の測定も行うことができ、高価な別
の機器を必要とせず、広範囲の具体例で実施することができる。したがって、本
技術分野において意味のある進歩に貢献している。
新しいものとして請求され、合衆国のレターパテントによって保証されることが
望まれるものは次の通りである。
FfG、1
FIG、3A
FIG、3B
要 約 書
度を決定する。
第1図
国際調査報告
III+snm1m愈IAMIIL−〜@oMン11(OI7nlC?)国際調
査報告
Claims (13)
- 1.A)強磁性材料からなるボブと、 B)密度を測定しようとしている流体を貫くボブ経路に沿ってボブを案内するガ イド手段と、 C)ボブ経路に沿った互いに反対の方向に交互にボブを駆動するボブ駆動手段で あり、(i)ボブ経路に隣接して配置してあり、通電されたときに、ボブを互い に反対の方向へ駆動する磁界をボブ経路に生じさせる第1、第2のコイル、およ び(ii)第1、第2のコイルを通して交互に通電する電流ドライバ回路を包含 するボブ駆動手段と、 D)ボブ位置をモニタし、ボブ経路に沿って互いに反対の方向へ既知の距離をボ ブが移動するのに要する移動時間を測定し、測定時間の差の指標を発生し、密度 を測定しようとしている流体の相対密度を指示する検知・測定手段とを包含する 密度計。
- 2.請求の範囲第1項記載の密度計において、A)第1、第2のコイルが、それ らの相互インダクタンスがボブ位置の関数となるような向きとなっており、B) 検知・測定手段が、コイルの相互インダクタンスをモニタし、モニタされたイン ダクタンスが所定のボブ位置に対応する位置関数の点に到達した時間によって定 められる時間間隔を測定することによって移動時間を測定する手段 を包含することを特徴とする密度計。
- 3.請求の範囲第1項記載の密度計において、A)電流駆動回路が、それに付与 されたコイル選択制御信号に応答して選択コイルを通して電流を流し、それによ って、ボブが互いに反対方向の行程でボブ経路に沿って前後に駆動され、 B)検知・測定手段が、 i)コイルに接続してあって、非選択コイルに生じた瞬間電圧の、(b)現行ボ ブ行程中に生じた電圧によって達成されるピーク値の所定の部分との比較を表わ す比較信号を発生する位置検知回路であり、比較信号が、誘導電圧がピーク値の 所定の部分より大きな値に振幅が留まるAC信号であるかぎり、第1、第2の方 向転換を有する方形波を包含する位置検知回路と、ii)遅延回路であり、 a)第1期間を有し、比較信号の第1方向転換によってトリガされるように接続 してある再トリガ可能な第1単安定マルチバイブレータと、b)第1期間よりも 長い第2期間を有し、第1単安定マルチバイブレータの安定状態を表わす第1単 安定マルチバイブレータの出力の変換によってトリガされるように接続してある 第2単安定マルチバイブレータとを有する遅延回路と、 iii)この遅延回路に応答して、第2単安定マルチバイブレータがその安定状 態をとったときに開始し、第1単安定マルチバイブレータが安定状態をとったと きに終了する時間間隔を測定するタイミング回路であり、測定した時間の指標を 発生するタイミング回路と、iv)測定時間の指標に応答して測定時間の差の指 標を発生する差回路と を包含し、 C)ボブ駆動手段が、また、コイル・ドライバに制御信号を付与できるようにこ のコイル・ドライバに接続してあり、第1単安定マルチバイブレータがその安定 状態をとったときにそれに応答してコイル・ドライバに、それによってコイル選 択を切り換える制御信号を付与する方向制御回路を包含することを特徴とする密 度計。
- 4.請求の範囲第3項記載の密度計において、A)第2単安定マルチバイブレー タの状態に応答するゲートを包含し、このゲートが位置検知回路と第1単安定マ ルチバイブレータとの間に挿設してあって第2単安定マルチバイブレータがその 非安定状態にあるときに第1単安定マルチバイブレータが比較信号転換によって トリガされるのを阻止するが、第2単安定マルチバイブレータがその安定状態に あるときには比較信号転換によって第1単安定マルチバイブレータがトリガされ るのを許すようになっており、B)タイミング回路か第1単安定マルチバイブレ ータが非安定状態にある時間間隔を測定する ことを特徴とする密度計。
- 5.請求の範囲第4項記載の密度計において、測定時間の差の指標が測定時間の 差対その合計の比に比例する量を表わしていることを特徴とする密度計。
- 6.請求の範囲第3項記載の密度計において、測定時間の差の指標が測定時間の 差対その合計の比に比例する量を表わしていることを特徴とする密度計。
- 7.請求の範囲第2項記載の密度計において、測定時間の差の指標が測定時間の 差対その合計の比に比例する量を表わしていることを特徴とする密度計。
- 8.請求の範囲第1項記載の密度計において、測定時間の差の指標が測定時間の 差対その合計の比に比例する量を表わしていることを特徴とする密度計。
- 9.請求の範囲第8項記載の密度計において、検知・測定手段が、さらに、測定 時間の合計の指標を発生し、それによって、流体の粘度を示す手段を包含するこ とを特徴とする密度計。
- 10.請求の範囲第1項記載の密度計において、検知・測定手段が、さらに、測 定時間の合計の指標を発生し、それによって、流体の粘度を示す手段を包含する ことを特徴とする密度計。
- 11.請求の範囲第1項記載の密度計において、電流ドライバ回路が第1、第2 のコイルを通して流す電流を個別に調節して、密度がボブの密度と異なっている 流体を通しての互いに反対方向の移動時間の差を無効にすることができることを 特徴とする密度計。
- 12.流体の密度を測定する方法であって、A)強磁性材料からなるボブを用意 する段階と、B)ボブ経路に沿って互いに反対方向へ交互に流体を通して磁気的 にボブを駆動する段階と、 C)ボブ経路に沿った両方向における既知距離をボブが移動するに要した移動時 間の測定を行う段階と、 D)測定した時間の差の指標を発生し、流体の密度を知る段階とを包含すること を特徴とする方法。
- 13.密度を測定する方法であって、 A)強磁性材料からなり、密度を測定しようとしている流体を通るボブ経路に沿 って前後に駆動されるようになっているボブを用意する段階と、B)相互インダ クタンスがボブ経路に沿ったボブの位置の関数となるようにボブ経路に隣接して 第1、第2のコイルを配置する段階と、C)ボブ経路に沿った行程で前後にボブ を駆動する段階と、D)ボブが駆動されているときにコイルの一方に交流を流す 段階と、E)他方のコイルに生じた電圧を検知し、非選択コイルに生じた瞬間電 圧と、現行ボブ行程中に生じた電圧によって達成されたピーク値の所定の部分と の比較を行い、それによって、生じた電圧がピーク値の所定部分より上に留まっ ている大きさのAC信号であるかぎり、2つの値の間の比較値を変化させる段階 と、 F)比較値が所定の値に変化した後にボブが第1期間駆動される方向を変え、そ の問いその値に留まるようにし、そして、第1期間がAC信号の期間よりも長い ようにした段階と、 G)方向転換後に第2月間を開始し、次の方向転換時に終了する時間間隔を測定 し、この第2期間が第1期間よりも長くなっている段階と、H)測定した時間間 隔の長さの差の指標を発生し、流体の密度を知る段階と を包含することを特徴とする方法。
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