JPH0820295B2 - コリオリ効果質量流量計 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 1.発明分野 本発明は、コリオリ効果質量流量計の分野に関する。
また、本発明は、チューブやパイプ内の流体の質量流量
を計測するコリオリ効果質量流量計の装置に関する。更
に、本発明は、既設のチューブやパイプに取り付けてコ
リオリ効果質量流量計として機能させるための流量計測
装置に関する。

2.課題の説明 コリオリ力効果を利用した質量流量計測装置は本分野
で広く知られている。振動する配管（conduit）中を流
れる流体や他の物質が、配管中の物質の移動速度と配管
の振動の角速度との両方のベクトルに垂直なコリオリ力
を発生することが知られている。このコリオリ力の大き
さは、物質の質量流量と配管の角速度の関数になる。

従来技術の流量計は、一般に、パイプ中の物質の流れ
を導くために１つ又は２つのフローチューブを用いてい
る。上記のチューブは、連続的に湾曲しており、配管系
に、または相当に剛性の高い重い支持部材に装着されて
いる。また、これらのチューブは通常、電磁的駆動装置
により振動される。振動するチューブ内を流れる物質の
質量により生じるコリオリ力は、上記チューブに捩じれ
方向の運動を生じさせる。チューブの捩じれはチューブ
上の対称な点において位置または速度センサによって計
測され、互いに離れた位置のチューブの部分の間の運動
の時間差から質量流量が決定される。また、振動の位相
のずれにより生じる他のパラメータも上記の決定に使用
される。

上記従来技術による流量計は多くの欠点を有してい
る。すなわち、これらの流量計は全て、物質の流れを特
別に設けたフローチューブ内に迂回させることを必要と
する。このことは、流体に圧力降下を生じさせ、流量計
がその一部を構成する配管内での物質の流量を低下させ
ることになる。また、従来技術の多くの流量計はフロー
チューブの捩じれ若しくは振動の位相のずれを計測する
ようになっているが、通常このためにはフローチューブ
を外部の振動から絶縁することが必要となる。二重管を
使用することで、外部からの振動による誤差を低減する
ことにより測定精度を向上させることは可能だが、チュ
ーブを外部支持構造上に取り付けることは、例えば船舶
や他の振動する構造物においては、構造物自身を通って
チューブに振動とノイズとが伝達されることになる。

現在、計測器を取り付けるために必要とされるパイプ
や配管の改変が最小限に抑えることのできる、パイプや
他の配管中の物質の質量流量を計測する流量計が必要と
されている。また、配管中に余分な圧力降下を生じたり
物質の流れを低下させたりすることがなく、さらに外部
からのノイズや振動に大きな影響をうけることのない流
量計が必要とされている。

発明の概要 本発明によれば、パイプや他の配管中を流れる物質の
質量流量を計測するための改良された方法と装置とが提
供される。本発明による流量計は、振動を受けながら流
動する物質のコリオリ力効果を計測することにより質量
流量を測定するものである。本発明の流量計からなる装
置は既設の配管系に直接クランプ留めすることができ
る。また、本装置は既設の配管系に組み込むことにより
即流量系として機能する市販の流量計として供給するこ
ともできる。本発明の流量計は、流量計を外部の振動か
ら絶縁する外部支持部材を必要としない。しかし、配管
部分の長さが実際の流量計が効率的に作動するためには
長すぎるような場合には、流量計に外部支持部材を付加
することもできる。これらの場合には付加的な外部支持
部材を組み込むことも可能である。これらの付加的な外
部支持部材は目的とする特定の用途の詳細に合わせて設
計される。

本発明の流量計は、パイプの一部を調和振動数、例え
ば当該パイプの部分の固有振動数の２次の調和振動数で
振動させる、例えば磁歪式加振器を使用する。配管部分
の２次の調和振動数の振動を生じさせる加振器は配管上
の、固有振動数の２次高調波の腹にあたる部分またはそ
の近傍、若しくは固有振動数の２次高調波の節以外の任
意の部分にクランプ留めされる。加振器を取り付ける際
に支持部材は使用されず、加振器は所望の振幅と周波数
を維持するためにフィードバック回路を介して制御され
る。運動センサ、例えば加速度計が加振器の近傍に取り
付けられ、加振器を制御するフィードバック回路の一部
を構成する。別の実施例では、外部支持部材に支持され
た電磁コイルがパイプを振動させるのに用いられる。

別の運動センサ、好ましくは加速度計が、パイプ中の
物質のゼロ流量を計測するためにパイプの固有振動数の
２次調和振動の節に相当する位置に取り付けられる。上
記の節を以下の説明では「ゼロフローノード」と称す
る。好ましい一実施例では、上記センサを取り付けるた
めに外部支持部材を必要としない。

振動するパイプ中を流れる物質により生じるコリオリ
力は、上記ゼロフローノードを物質の流れの方向に垂直
な方向に変位させる。パイプ中を流れる物質の角速度の
ベクトル成分はパイプ壁に対向する力を発生する。上記
の力はパイプのゼロフローノードの位置を、物質の流れ
がない状態の上記ノードの位置に対して横方向に変位さ
せる。パイプは、各振動サイクル中に両極端の位置、す
なわち加振時の位置と非加振時の位置とをとるため、上
記ゼロフローノードの位置は各振動サイクル中に２回ず
つ横方向に移動する。ゼロフローノードに取り付けられ
たセンサは、上記横方向の変位を質量流量に比例する位
置信号、速度信号、加速度信号等に変換し、上記の横方
向変位から振動するパイプ中の物質の質量流量が決定さ
れる。

上記センサはゼロフローノードの加速度のみ、従って
ゼロフローノードの位置の振動数に依存する振幅のみを
計測するため、流量の計測は従来技術の構成でしばしば
行われるように２つの信号の位相差に依存するものでは
ない。これにより、上記運動センサの外部振動やノイズ
に対する感度を低減する電気フィルタを使用することが
可能となる。従って、本流量計の部品は絶縁する必要が
ないためパイプ上に直接取り付けることができる。これ
により、パイプ中の余分な圧力損失が生じたり、流量計
を取り付けるために複雑な取付け部を用いる必要がなく
なる。

本発明の流量計は既設のパイプ上に直接取り付けるこ
とが可能である一方、予め流量計を製作しておいて、配
管系の一部を切り取って、流量計をこの切り取った部分
に装着することにより配管系に組み込むことも可能であ
る。さらに、本流量計の部品を外部支持部材を用いて取
り付けて、パイプを電磁コイルを用いて加振することに
より質量流量を計測するようにすることもできる。

本発明の流量計は、略直線状のパイプにも湾曲したパ
イプにも使用することができる。本発明によれば、必要
に応じてパイプの支持部材に付加的なセンサを取り付け
て、外部ノイズの検出と除去とを行うことにより、さら
に正確な計測を行うことが可能である。

本発明は、従来技術の問題を解決し、従来技術に対す
る進歩を示すものである。詳細には、ヨーロッパ特許出
願第EP−Ａ−0282217号にはセンサをゼロフローノード
に配置することが開示されていない。

また、1984年３月16日の日本国特許抄録第８巻、＃5
8、（ｐ−261）（1945）とJP,A,5826926号も、センサを
ゼロフローノードに配置することを開示していない。

本発明の上記の、そして他の特徴は以下の好ましい典
型例の説明と添付図面とから明らかとなろう。

図面の簡単な説明 図１は、本発明の好ましい典型的な実施例の一つを示
す略示図である。

図２は、パイプ部分の固有振動数の２次の調和振動カ
ーブの基本ゼロフローノード振幅と、パイプ中を物質が
流動したときのコリオリ効果力による振動カーブの振幅
を示す図である。

図３は、本発明の好ましい典型的一実施例における、
磁歪式加振器の断面図である。

図４は、本発明の、他の好ましい典型的実施例におけ
る、電磁式加振器の断面図である。

図５及び図６は、本質量流量計の２つの異なる実施例
を示す図である。

図７は、加振器20の制御回路の別の実施例を示す図で
ある。

好ましい実施例の詳細な説明 本発明は、パイプやチューブ等の配管中の物質の質量
流量を計測する流量計からなる装置とその操作方法を提
供するものである。提供される流量計は、物質の流れを
迂回させたり制限したりすることなく、また複雑な取付
け工程を必要とすることなく既設のパイプに取り付ける
ことができる。また、本発明の流量計は既設の配管系に
組み込むためのユニットとして製作することができる。
さらに、本発明の流量計は種々のサイズと形状のパイプ
と、ほとんどの作動条件下で作動可能である。本流量計
が使用される配管は以下の説明ではパイプと呼ぶが、本
発明はこの表現に限定されるわけではない。他の閉鎖配
管、例えばチューブや同種のものも本発明概念に含まれ
る。

図１には好ましい典型的実施例１の１つが示されてい
る。しかし、この記述的な実施例は本発明の説明の目的
のためのみに示したものであり、本発明概念の範囲を制
限するものではないことを理解されたい。従って、他の
実施例も同様に本発明の範囲に含まれるものである。

開示された流量計は、振動とコリオリ力との組合せに
より生じる応力に耐えることのできるパイプまたはチュ
ーブに取り付けられている。このような材質は本技術分
野では広く知られている。

装置の概要 図１においてパイプ10の１つの区間は部材12、14によ
り支持されている。上記部材間の距離は当該振動数にお
ける１波長となるため、これらの部材間の距離によりパ
イプ10が振動する振動数が決定される。パイプ10の長さ
が実際的に流量計が作動するためには長すぎるような場
合には、部材12と14とに加えて、これらの中間に区間長
さを画定する１つまたはそれ以上の支持部材を取り付け
ることも可能である。本発明の流量計の部品は、パイプ
内を輸送される物質の質量流量を計測するためにパイプ
10上にクランプ留めされ、パイプの大きな修正や改変を
必要とすることはない。図１では、パイプ10は略直線状
の断面一様なチューブとして示されているが、本発明の
流量計は種々の形状と配置のチューブに適用可能である
ことを理解されたい。パイプ10と支持部材12、14は、例
えばパイプラインや他の産業用の用途に用いられる既存
のものであっても良い。

図１の流量計は、パイプ10の固有振動数に対して２次
の高調波の腹の部分の近く、または固有振動数に対して
２次の高調波の節の部分以外の任意の位置に、パイプ10
上に直接クランプ留めされた加振器20を備えている。対
称性を維持するため、またはパイプに加わる負荷を均一
化するために、加振器20と同様な追加の加振器をパイプ
10上にクランプ留めすることも可能である。しかし、本
発明の装置は、図示したように１つの加振器のみで作動
可能である。加振器20は、パイプの加振器20と正反対の
側、または加振器20の近傍のパイプ上、若しくは加振器
20上に取り付けられた運動センサ30を含むフィードバッ
ク回路を備えている。

本流量計の要素は、さらにパイプ10のゼロフロー振動
ノード位置に取り付けられた第２の運動センサ32を含ん
でいる。第３の運動センサ34を支持部材の１つ、例えば
支持部材14に取り付けるようにしても良い。運動センサ
30と32はパイプ10に直接取り付けられる。加振器20によ
り生じる負荷をバランスさせるために、パイプ10上の所
定の位置、例えばパイプ10の固有振動数の調波における
腹の位置にカウンタウエイト40を取付けても良い。この
位置には、必要に応じて第２の加振器を取付けても良
く、またカウンタウエイト40や第２の加振器を使用しな
いようにしても良い。第２の好ましい実施例では、流量
計は専用のパイプ部材として予め製作され、このパイプ
部材を既設の配管系に組み込むようにする。すなわち、
既設のパイプの一部を取り去って、予め図１の流量計の
各要素を取り付けて製作したパイプを、取り去ったパイ
プ部分の代わりにはめ込むのである。この実施例によれ
ば、即取付け可能な完成品として流量計をストックして
おくことが可能となる。この流量計の作用は前述のもの
と同様である。

他の実現可能な典型的実施例は、上述の装置と同様に
作動するが、パイプ10に直接クランプ留めする代わりに
外部支持された加振器を備えている。また、加振器を図
１に示したようにパイプ上にクランプ留めして、センサ
を外部支持部材を用いて取り付けるようにすることもで
きる。

本発明の流量計は、支持されていない長い区間を有す
るパイプの一部長さを絶縁するための支持部材を備える
ようにすることもできる。このことは、流量計を外部ノ
イズから絶縁したり、パイプ部分の共振振動数を低減す
るために必要となる場合がある。追加する支持部材は公
知の形状とすることができる。しかし、好ましい実施例
では、本発明の流量計は追加の支持部材を用いずに、既
設のパイプラインに直接クランプ留めされる。

本装置の作用 支持部材12と14との中間のパイプ10、は加振器20によ
りパイプ区間10の固有振動数の調和振動数、例えば２次
の振動数で振動させられる。上記振動数は、パイプの長
さ、質量、物理的性質等のパイプの固有の性質の関数と
なっている。図２の振幅カーブ200は、パイプ10の２次
の高調波におけるゼロ流量の状態を表している。この振
動数は、後述するようにフィードバック回路を介して加
振器20と加速度計30とにより維持される。

上記カーブ200は、パイプが支持部材12と14とにより
固定された両端部と、流れがない場合のゼロフローノー
ド位置202とに振幅ゼロとなる部分を有している。図１
の運動センサ32はパイプ10上の位置202に取り付けられ
ている。図１にはセンサ32はパイプ10の支持部材12と14
の間の中央の部分に描かれている。しかし、ゼロフロー
ノード位置202とセンサ32は支持部材12と14との間の種
々の位置を取り得る。上記はパイプ10の荷重の非対称性
やパイプの物理的性質、追加の加振器の使用の有無や他
の要因により生じ得る。

前記カーブ200の最大振幅は、腹204、206の部分で生
じる。加振器20は、好ましくは腹204の部分またはその
近傍に、またカウンタウエイト40または第２の加振器は
加振力とパイプ負荷を均一化するために、腹206の部分
またはその近傍に取り付けられる。加振器20は、ゼロフ
ローノード位置202以外であればどの位置に取り付けて
も良い。作動効率を増大するためには加振器を腹の部分
に取り付けることが好ましい。

加振器20はパイプ10に横方向の力を加え、次いでこの
力を解除してパイプ10を振動させる。上記の作用は、サ
イクル中の加振力付加期間の振幅カーブ200と、サイク
ル中の加振力解除期間の振幅カーブ200′とにより示さ
れる。腹204、206の振幅は各サイクル毎に反転し、サイ
クルの加振力解除期間では204′、206′の位置になる。

その中を物質が流れるパイプ10の振動は、パイプの各
部分にコリオリ力を発生させる。流体の流れが存在する
場合のパイプ10の振幅カーブ210、220が図２に示されて
いる。図１の装置に作動を説明するために、図２ではパ
イプ10の変位の振幅を拡大して図示している。パイプ10
に作用するコリオリ力の効果により、振幅カーブ210
（加振サイクルの最初の期間に対応する）は流量がゼロ
の状態の振幅カーブ200に較べて左側に移行している。
パイプ10に流入する物質は振動するパイプにより受ける
効果に対して抵抗する。従って、カーブ210の最初の部
分はパイプ10の壁面に作用する物質のコリオリ力の影響
により、カーブ200に較べて振幅が減少する。このた
め、振幅カーブ210の節（振幅がゼロになる点）は位置2
12に移動する。また、同様にサイクルの第２の期間中に
パイプ10に作用するコリオリ力の影響によりパイプの振
幅カーブは220になる。カーブ220の節（振幅がゼロにな
る点）222はカーブ200の節202より先になる。

節212と222の長手方向の周期的な変位は、パイプ10の
流量ゼロ時の節の位置の部分202（この部分にセンサ32
が位置している）の周期的な横方向振動変位を生じさせ
る。図２において、上記横方向変位は、ゼロフローノー
ド位置202のカーブ210における変位を示すカーブ210上
の点218と、ゼロフローノード位置202のカーブ220にお
ける変位を示すカーブ220上の点228とによって示され
る。上記周期的なゼロフローノード位置の横方向変位は
振動するパイプ10内を流れる流体のコリオリ力効果によ
り生じる。コリオリ力効果はパイプ10内を流れる物質の
質量により生じるため、計測された、上記コリオリ力効
果による横方向の加速度と変位とは、直接物質の質量流
量を示している。

運動センサ32は、パイプ10の上記周期的な横方向変位
を測定するためにパイプ10上のゼロフローノード位置20
2に取付けられている。好ましい実施例の１つでは、セ
ンサ32は上記ゼロフローノード202での物質質量の加速
度を計測する加速度計とされる。加速度計32は、パイプ
10に直接取り付けられ、従来技術における運動検出器と
は異なり、不動の外部基準点を必要としない。加速度計
32の信号出力を処理することにより質量流量、合計質量
や他の計測情報を得ることができる。この信号は加速度
計を取り付けたゼロフローノード位置202の横方向変位
の振幅のみに依存し、位相差を計測することを必要とし
ない。これにより、正確で信頼性のある測定が可能とな
るとともに、測定が外部ノイズや振動の影響を受けにく
くなる。センサ32の信号出力のノイズを排除するため
に、センサ32と支持部材14に取り付けたセンサ34とを協
働させるようにしても良い。センサの作動と、関連する
回路については後述する。センサ32により計測された振
幅は質量流量に直接比例するものではなく、質量流量を
示すものに過ぎないことを明確に理解されたい。この理
由は、加速度計32は加速度に比例した信号を発生するの
に対して、質量流量は変位に比例するからである。変位
は加速度の２回積分となる。従って、任意のパイプ振動
数（この振動数はパイプ内の物質の密度に応じで変化す
る）において質量流量を計測するために、センサ32によ
り計測された加速度はパイプの振動数に基づいて修正さ
れる。

駆動機構20 加振器20はパイプ10を、例えばパイプ10の固有振動数
に対して２次の調和振動数で振動させる。以下に、この
作用を行うための幾つかの機構について説明する。加振
器20の実施例の１つを図３に示す。加振器300は、パイ
プ10上に直接クランプ留めされてパイプ10を振動させる
のに充分な力を発生する磁歪式変換器とされている。ま
た、後述するように加振器300はセンサとして使用する
こともできる。加振器の正確な仕様は操作に必要とされ
る動力、力、振動数、変位などにより異なる。しかし、
本実施例の加振器の設計は全ての場合において略同一で
ある。

加振器300は例えば、市販のターフェノール−Ｄ（TER
FENOL−Ｄ）のような合金製の円柱状ロッド302を備えて
いる。また、管状の永久磁石304がロッド302を取り囲ん
でバイアス磁場を発生している。本実施例の加振器の可
逆的性質により加振器は振動に起因する力を測定するセ
ンサとして機能させることも可能である。また、加振器
300にはダイスプリング（DIE SPRING）322により予圧力
が加えられている。また、ソレノイドコイル306がロッ
ド302を取り囲む永久磁石304に内蔵され、駆動磁場を発
生するようになっている。磁気回路は軟鉄製のキャップ
308、310によって完結する。ソレノイドコイル306と磁
石304とは両方とも上部ポールキャップ310に接合されて
いる。

加振器300はクランプ装置312によりパイプ10上に取り
付けられる。クランプ装置312は、それぞれパイプ10の
寸法に合致する円弧状の部分を有する。上部装着板314
と下部装着板316とを備えている。上記装着板304と306
とはボルト318によりパイプ10上にクランプ留めされ
る。

質量体320が加振器300に固定されており、加振器によ
り発生するエネルギの大部分がパイプ10に伝達されるよ
うに、パイプ10に対抗する質量として機能する。前記ス
プリング322の作動を垂直方向に限定するための連結ロ
ッド324が設けられている。また、外部シェル326は、加
振器の内部構造を収納するとともにエンドプレート328
と協働してスプリング322を圧縮状態に保持する。リテ
イニングリング330はエンドプレート328をシェル326の
所定位置に保持している。

コイル306には図５、図６、または図７に示す回路に
より交流電流が印加され、ニッケル合金製のロッド302
に磁場を加える。永久磁石304のバイアス磁場に加えて
印加された上記磁場はロッド302を伸長させる。コイル3
06に交流電流が印加されると、ロッド302は交流電流の
周波数に等しい周波数で伸長と通常長さへの復帰とを繰
り返す。ロッド302の伸長により力が発生し、この力は
ガイドロッド324とクランプ装置312とを介してパイプ10
に伝達される。質量体320は、ロッド302の伸長による上
記の力がパイプ10に伝達されるように、ロッド302に反
力を加える。交流電流サイクルの第２半周期に電流の方
向が変化すると、コイル306の駆動磁場が減少してロッ
ド302は通常の長さに復帰する。これにより、パイプ10
に加わる力が除去される。ロッド302のこの周期的な伸
長変化はパイプ10に対してパイプを振動させる加振力を
生じさせる。パイプ10の振動は、コイル306に印加され
る駆動電流の振幅と周波数とを調整することにより制御
される。パイプ10の上記振動を適正な周波数と必要とさ
れる振幅とに維持するためにフィードバック回路が使用
される。磁歪式加振器300は加振力の振幅と周波数とを
制御するためのフィードバック用のセンサとしても使用
することができる。本実施例ではコイル306の駆動電流
は定期的に、例えば５から10サイクル毎に中断され、そ
れぞれの中断時に加振器300は信号検出器として使用さ
れる。この時、ロッド302は振動するパイプとカウンタ
ウエイト320とにより圧縮され、この圧縮によりコイル3
06には電磁場が発生する。これにより発生する電圧は、
加振器300がセンサとして機能しているときにサンプリ
ングされ、パイプ10の振動の周波数と振幅とを制御する
ために用いられる。

加振器の第２の好ましい実施例 加振器20の第２の好ましい典型的な実施例を図４に示
す。加振器400は、パイプ10を振動させるために電磁コ
イル406を使用している。加振器400は、外部支持部材40
1上のボビン404に支持されたフィードバックコイル403
を備えている。また、永久磁石409がパイプ10上に取り
付けられており、前期ボビン404はこの永久磁石上にス
ライド可能に装着されている。ソレノイドを形成するた
めにボビン404の周囲にはコイル線403が螺旋状に巻かれ
ている。コイル線403はソレノイドから増幅器405の入力
部に配線される。第２の組のコイル線406が増幅器405の
出力部に接続され、ボビン407の周囲に螺旋状に巻かれ
ている。ボビン407は、同様にパイプ10に固定された永
久磁石408上にスライド可能に装着され駆動ソレノイド
を形成している。また、ボビン408は外部支持部材402に
より支持されている。フィードバックコイル403からの
信号は増幅器405に入力され、増幅器405からはコイル40
6に磁場を発生させるための駆動信号が出力される。コ
イル406に交流駆動電流を印加することにより、ソレノ
イドはパイプ10を振動させる。フィードバックコイル40
3と増幅器405とは、上記回路をパイプ10の固有振動数に
対して２次の調和振動数の振動に維持する。

図５の説明 図５は、加速度計30、32、及び34、そして加振器20と
協働して、図１のパイプ10をその固有振動数に対して２
次の調和振動数で振動させるとともに、パイプ10内の物
質の流れに関する情報を生成する回路を開示している。
加速度計30、32、及び34は図１に示したのと同じもので
ある。図５の回路に信号を供給するために使用される。
図１の加振器20は、図５の右上の隅に図示されている。
上記回路は、加速度計32から、パイプ10がその固有振動
数の調和振動数で振動するときに、パイプ10内を流れる
物質の発生するコリオリ力によるパイプ10のゼロフロー
ノード位置の運動を表す信号を受信する。そして、上記
回路はこの信号を処理して電圧信号から周波数信号に変
換する。この周波数信号は一定期間の間にパイプ中を流
れる物質の質量を決定するのに使用することができる。
また、上記回路はさらに、パイプ10内の物質の質量流量
を表示するために上記電圧信号を変調電流信号に変換す
る。

図５の上側の要素の列は、加振器20により生じたパイ
プ10の振動を検出するために加速度計30を用いる自動調
節発振器を構成する。加速度計30の出力により加振器20
に供給される信号の周波数と振幅とが制御される。図１
に示したように、加速度計30は加振器20が取着されるの
と同じパイプ10の部分に取着されている。加速度計30の
出力は線502を通じて増幅器503に供給され、増幅器503
の出力は線504を通じて可変ゲイン増幅器506に供給され
る。増幅器506は、線507を通じて出力される出力信号の
最大振幅を表す内部基準電位を有している。増幅器506
は増幅器503の出力を受信して線57に、調節された所望
の振幅の出力信号を供給する。上記調節された信号は増
幅器508に供給され、増幅器508は線509を通じて加振器2
0にパイプ10を、その固有振動数に対して調和振動数で
振動させるために必要とされる振幅の信号を出力する。
図５の、左側の加速度計32と34から始まり右側の要素54
0と541とに向けて延びる中間の要素の列は、加速度計32
に関連したパイプ10のゼロフローノード位置の運動の振
幅を検出して、変調電流信号を線524に、電流変調信号
を線527にそれぞれ出力する。加速度計32は線511を通じ
て増幅器513を駆動し、増幅器513は線515を通じて増幅
された信号を増幅器536の非反転入力端子に供給する。
加速度計34は、パイプ10に伝達される外部ノイズを検出
するために外部環境、例えば図１のクランプ14が装着さ
れる基礎等に接続される。加速度計34の出力は線531を
通じて増幅器533に供給され、増幅器533は線537を通じ
てその出力を増幅器536の反転入力端子に供給する。増
幅器533のゲインは、増幅器534の反転入力端子に供給さ
れるノイズ信号の振幅が、加速度計32により検出され線
515を通じて供給されるノイズ信号成分の振幅と合致す
るように調節される。増幅器536は線515を通じて供給さ
れる信号から上記ノイズ成分を差し引いて線538を通じ
て信号をバンドパスフィルタ516に供給する。バンドパ
スフィルタ516は、他の好ましくない周波数を除去し
て、線517に出力する信号が所期の、かつ有用な、加速
度計32により当初出力された周波数成分のみになるよう
にする。上記線517のフィルタ信号は、同期復調器518の
入力端子に供給される。また、この復調器518には、線5
07の駆動信号が入力される。同期復調器518は、線507の
駆動信号と、線517のフィルタ信号との両方を入力し
て、パイプ10の固有振動数に関連した周波数のみを含む
出力信号を生成する。増幅フィルタ521は線519の信号を
増幅するとともに更にフィルタする、そして増幅フィル
タ519の出力信号522は質量流量信号を表し、この信号は
電圧−周波数変換器523と電圧−電流変換器526とに供給
される。要素523は線522の信号を電圧から比例周波数信
号に変換して線524を通じてトータライザ（TOTALIZER）
540に出力し、トータライザ540は入力した信号を積分す
る。線524の信号を外部装置にも供給するようにするこ
とも可能である。信号522は、電圧−電流変換器526にも
供給され、この変換器526の出力527は表示器541に供給
される。信号527は質量流量に比例する電流からなり、
この信号を入力することにより要素541は線543を通じて
パイプ10内の物質の質量流量を表示することができる。

図６の説明 図６は、図５の回路と同等な別の回路を示している。
図６の回路は、加速度計30、32、34からの出力信号を入
力して、加振器20にパイプ10をその固有振動数の調和振
動数で振動させる信号を発生するとともに、トータライ
ザ540にある期間の合計質量流量を表示させ、かつ、要
素541にパイプ10内の質量流量を表す信号を生成させる
信号を発生する。図６の回路は、図５のバンドパスフィ
ルタ516と同期検出器518との代わりに、位相ロックルー
プ（PLL）651とともに切換コンデンサフィルタ（SWITCH
ED CAPACITOR FILTERS）（SCF）650及び658を使用して
いる。

図６では、図５と図６の回路の比較を容易にするため
に、図５の要素と同一のものは図５の番号に対応した50
0番台の番号を用いて示し、図５に示されていない要素
は600番台の番号を用いて示している。加速度計30、3
2、34と加振器20は、図５と図６において同一の番号で
示されており、これらの要素は既に説明したのと同じ働
きをする。

加速度計30と増幅器503は、図５と同様に機能して加
振器20により振動するパイプ10の運動を示す信号を検出
し、増幅する。上記信号は、線504を通じて切換コンデ
ンサフィルタ650の入力端子と位相ロックループ651の入
力端子とに供給される。切換コンデンサフィルタ650は
後述の作用を行い、線663を通じて帯域濾波された信号
を増幅器506の入力端子に供給する。また、増幅器506
は、図５に可変ゲイン増幅器として説明した作用を行
い、加振器20に供給される信号の振幅を制御するととも
に制限する。増幅器506の出力は線407を通じてパワー増
幅器508に供給され、パワー増幅器508は線509を通じて
加振器20に駆動信号を供給する。

図５について説明したように、加速度計34と、それに
付随するノイズ除去増幅器536を含む回路は、線538を通
じて切換コンデンサフィルタ658に信号を供給する。信
号538は、パイプ10がその固有振動数の調和振動数で振
動するときの、加振器20とパイプ10内の物質の流れによ
るコリオリ力とが組合わさった影響による、加速度計32
が取り付けられたパイプ10のゼロフローノード部分で検
出された運動を表す。信号538は切換コンデンサフィル
タ658に供給され、切換コンデンサフィルタ658はこの信
号を濾波して、帯域濾波された信号を線659を通じて増
幅フィルタ521に供給する。要素521は、図５で既に説明
したのと同様の作用を行い、電圧−周波数変換器523と
電圧−電流変換器526とを駆動する。これらの要素は、
トータライザ540に線524の合計質量流量を表す出力と、
表示器541に線543の質量流量を表す出力とをそれぞれ出
力させる。

SCF650とPLL651とは電圧制御発振器653と協働して、
切換コンデンサフィルタ650が線504を通じて入力した信
号を効率的に濾波することができるようにする。上記の
ために、切換コンデンサフィルタ650には、線504からの
入力信号周波数の倍数に調節されたクロック信号を入力
する必要がある。線504の信号は、SCF650とPLL651との
両方に供給される。PLL651は線504の信号の周波数と位
相とを検出して、その電圧制御発振器（VCO）653により
必要とされる線504の信号周波数の倍数のクロック信号
を線657に出力する。PLL651は、線504と654の信号に対
して90度ずれた信号にロックされる。SCF650が線657の
クロック信号によって線504の信号の周波数に正確に同
調すると、切換コンデンサフィルタのローパス出力654
は上記の90度位相がずれた所期の状態になる。PLL651は
線657を通じて所期のクロック周波数信号を供給するこ
とによりこのループを閉じるとともに、入力信号504の
周波数のいかなる変化が生じても、流量計の全作動範囲
にわたって上記の関係を維持する。線655を通じてPLL65
1から供給される信号はローパスフィルタ652により濾波
され、線504の入力信号の周波数信号を表す入力信号と
して線656を通じてVCO653に供給される。SCF650、PLL65
1、及びローパスフィルタ652を備えた図６の回路は、19
89年１月12日付けの「電子設計（Electronic Design）
の131頁にマーカスジュリアン氏により発表された「ク
ロックトラックスイッチキャップフィルタ」（“Clock
Tracks Switch−Cap Filter"）と題する論文に記載され
たものと同様のものである。

図７の説明 図７は、図５及び図６とは別の発振、駆動回路を示
す。この回路は加振器20のコイルを、前述したように駆
動コイルと検出器との両方に機能させることができるも
のである。これにより、加速度計30が不要となる。図７
の駆動回路700は、パルス発生器701、マルチプレクサ70
3、加振器20、サンプル・ホールド回路705、タイミング
回路706を備えている。マルチプレクサ703の作動位置は
タイミング回路706により線711を介して制御されてい
る。上記回路は、駆動コイル20の入力712を線709を介し
て増幅器702の出力端子に、または線710を介して増幅器
704の入力端子のいずれかに制御可能に接続する。

サンプル・ホールド回路705は、タイミング回路706に
より作動を制御される回路を備えており、増幅器704か
ら出力される信号を入力する。上記サンプル・ホールド
回路は、線707を通じて、パルス発生器701に定期的に制
御信号を送信し、所定の振幅と幅とのパルスを発生させ
る。上記により発生したパルスは線708に出力され、増
幅器702により増幅されて、マルチプレクサ703が図７の
位置にあるときに線709を通じて駆動コイル20に供給さ
れる。このパルスは駆動コイル20が取り付けされたパイ
プを振動させる。

上記パルスの発生に続いて、サンプル・ホールド回路
は線711を通じて信号を送信し、マルチプレクサの作動
位置を駆動コイル20が線710に接続される位置に切り換
える。この位置では、コイル20に最初に印加された駆動
パルスにより生じたパイプの動きは、この状態で検出器
として作用しているコイル20に電圧を発生させる。上記
により検出された信号は、線710に出力され、増幅器704
により増幅されるとともに、線714を通じてサンプル・
ホールド回路705に入力される。この回路は、入力した
信号の特性を分析して、パイプが適正な振幅と振動数と
で振動しているか否かを判定する。

パイプの振動の振幅と振動数とが適正な場合には、サ
ンプル・ホールド回路705はマルチプレクサを図１に示
す作動位置に復帰させ、線707を通じてパルス発生器701
に制御信号を送信して、最初に発生した上記パルスと同
じ特性を有する第２のパルスをパルス発生器701に発生
させる。この第２のパルスは増幅器702とマルチプレク
サ703とを通じて駆動コイル20に印加され、パイプ10の
振動を適正な振動数と振幅とに維持する。

一方、サンプル・ホールド回路705が線714の信号か
ら、パイプが適正な振幅と振動数とで振動していないと
判定した場合には、サンプル・ホールド回路705は線707
に出力する信号の特性を変更して、パルス発生器701に
駆動コイル20に出力するパルスの特性を変更するように
指示する。これにより、パイプ10は適正な振動数と振幅
とで振動するようになる。

上述の説明から判るように、図７の回路は加振器20の
駆動回路のためのフィードバック要素として別途加速度
計30を設ける必要がない点で有利である。上記は、加振
器20を、ある期間マルチプレクサ703により駆動信号に
接続して所期の振幅と振動数とでパイプ10を振動させる
二重の機能を有する要素として使用することにより達成
されている。また、上記とは別の期間に、マルチプレク
サの作動位置が切換られて加振器20のコイルがサンプル
・ホールド回路と加振器20への駆動信号の振幅と周波数
とを制御する信号処理器とに接続されると、加振器20は
信号検出器として使用される。

上記により、加振器20に印加する駆動信号を発生する
ために、図５、図６及び図７の回路がどのように使用さ
れるかを説明した。

所望であれば、ポールカロテイ氏等に1991年４月23日
に発行された米国特許第5,009,109号に記載された装置
と回路とを、非連続的なパルスを発生し、加振器20に供
給するために使用することが可能である。

上記に本発明の特定の実施例を示したが、本技術分野
に知識を有する者であれば、添付した請求の範囲から逸
脱することなく本発明の実施例に改変を施すことが可能
であることを予期されたい。

Claims (21)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】パイプ区間10内を流れる物質の質量流量を
   含む情報を検出する方法であって、 前記パイプ区間の固有振動数の、調和振動数におけるゼ
   ロフローノード位置からなる第１の位置に第１の運動検
   出器32を取り付ける工程と、 前記パイプ区間の第２の位置に加振器20を配置する工程
   と、 前記加振器を作動させて、前記パイプ区間を前記調和振
   動数で振動させる工程と、 前記第１の運動検出器を用いて、前記パイプ区間の前記
   第１の位置の、前記パイプ区間の長手方向軸線に対して
   垂直方向の横変位の振幅を計測することにより、前記パ
   イプ区間内を流れる前記物質の質量流量を決定する工
   程、 とを含む方法。
2. 【請求項２】前記物質の質量流量を決定する工程は、 前記運動検出器32を用いて、前記物質の流れと前記パイ
   プ区間の振動との両方により生じる前記パイプ区間の第
   １の位置の前記横変位の振幅を計測する工程と、 前記により計測した振幅を表す前記検出器の出力信号を
   計測装置540、541に供給する工程と、 前記計測装置を作動させて前記パイプ区間内の前記物質
   の質量流量を決定する工程、 とを含む請求の範囲第１項に記載の方法。
3. 【請求項３】前記パイプ区間を振動させる工程は、 第２の運動検出器30を、前記パイプ区間の前記第２の位
   置に配置する工程と、 前記第２の運動検出器30を作動させて前記パイプ区間の
   前記第２の位置の振動の振幅を検出する工程と、 前記第２の運動検出器からの出力信号を制御回路504、5
   07、508に供給して、前記パイプ区間の固有振動数の前
   記調和振動数で略一定の振幅の駆動信号509を生成する
   工程と、 前記略一定の振幅の信号を加振器に供給して、前記加振
   器が前記パイプ区間を固有振動数の前記調和振動数で略
   一定の振幅で振動させるようにする工程、 とを含む請求の範囲第１項または第２項に記載の方法。
4. 【請求項４】さらに、 前記パイプ区間の外部環境のノイズ振動を検出するため
   に第３の運動検出器34を配置する工程と、 前記第３の検出器の出力を、減算回路536に供給する工
   程と、前記第１の運動検出器の出力を前記減算回路に供
   給する工程とを含み、 前記減算回路は、前記第１の運動検出器の出力信号中の
   外部環境ノイズ信号を有効に除去して、前記パイプ区間
   の前記振動と振動する前記パイプ区間中を流れる物質に
   よるコリオリ運動との両方により生じる前記パイプ区間
   の位置の運動の振幅を表すフィルタ信号を出力する、 請求の範囲第１項から第３項のいずれか１項に記載の方
   法。
5. 【請求項５】請求の範囲第１項から第４項のいずれか１
   項に記載の方法であって、 前記加振器20は前記パイプ区間を振動させる磁歪式変換
   器300を備え、前記加振器を作動させる前記工程は、 前記磁歪式変換器に駆動電流を供給して、前記変換器内
   の磁歪要素を前記駆動電流の周波数に応じて伸長と通常
   長さへの復帰とを行わせる工程と、 前記駆動電流の周波数を調節して前記加振器を作動さ
   せ、前記調和振動数で前記パイプ区間を振動させる工程
   とを含み、 さらに、 前記駆動電流の前記磁歪式変換器への供給を定期的に中
   断する工程と、 前記パイプ区間の振動の力による前記磁歪要素の長さの
   変化により生じる起電力を測定して前記パイプ区間の振
   動の周波数を判定する工程と、 前記測定した起電力から生じる信号を制御回路に供給し
   て、前記磁歪式変換器を前記パイプ区間の固有振動数の
   前記調和振動モードで作動させる工程と、 を含む方法。
6. 【請求項６】請求の範囲第１項に記載の方法であって、 前記加振器は、外部支持部材に支持された、前記パイプ
   区間を振動させるための電磁コイル306を備え、 前記加振器の作動は外部支持部材に支持されたフィード
   バックコイルにより制御される方法。
7. 【請求項７】請求の範囲第１項から第６のいずれか１項
   に記載の方法であって、さらに、 前記パイプの一区間を、互いに離間した第３の位置12と
   第４の位置14とでクランプ留めして、前記第３の位置と
   第４の位置とにおける前記パイプの横方向の動きを防止
   する工程を含み、 前記第１の運動検出器32は、前記パイプ区間に、前記パ
   イプ区間の前記第３の位置と前記第４の位置との中間の
   第１の位置で取り付けられ、前記第１の位置は前記パイ
   プ区間の固有振動数の調和振動数におけるゼロフロー振
   動ノードをなし、 前記加振器20は、前記パイプに、前記パイプの前記第１
   の位置と第２の位置との中間の位置で取り付けられ、前
   記第２の位置は、前記パイプ区間の前記調和振動数にお
   けるゼロフローノード以外の部分である方法。
8. 【請求項８】前記検出器と前記加振器とは、前記パイプ
   区間のみに取着され、その他の不動部分に取り付けられ
   た部分を有さない請求の範囲第７項に記載の方法。
9. 【請求項９】パイプ区間内を流れる物質の質量流量を測
   定する流量計であって、 前記パイプ区間に取付けられ、前記パイプ区間の横変位
   を検出する運動センサ手段32と、 前記パイプ区間に取り付けられた加振手段20と、 前記加振手段20を作動させ、前記パイプ区間を、前記パ
   イプ区間の固有振動数の調和振動数で振動させる手段3
   0、503、507、508と、 前記運動センサ手段により検出された前記パイプ区間の
   横変位運動から、前記パイプ区間を流れる前記物質の質
   量流量を決定する手段540、541、 とを備えた流量計。
10. 【請求項１０】前記パイプ区間を振動させる手段は、前
    記加振手段の近傍に取り付けられた第２のセンサ30と、
    前記センサと前記加振手段との間に接続され、前記調和
    振動数を制御するフィードバック回路503、506、508と
    を含む請求の範囲第９項に記載の流量計。
11. 【請求項１１】前記加振手段を前記パイプ区間に取り付
    ける手段312は、外部支持部材を用いることなく前記加
    振手段を前記パイプ区間上に直接クランプ留めする手段
    を備えた請求の範囲第９項または第10項に記載の流量
    計。
12. 【請求項１２】前記パイプ区間を振動させる前記手段
    は、供給される駆動電流の周波数により決定される振動
    数で前記パイプ区間を振動させる磁歪式加振器（図３）
    を備え、 前記磁歪式加振器と前記流量計は、 円柱状のニッケル合金製ロッド302と、 前記ロッドに駆動電磁場を印加し、前記ロッドを前記電
    磁場が印加された時に伸長させ、前記電磁場が除去され
    たときに通常の長さに復帰させるソレノイドコイル306
    と、 前記コイルに交流電流を供給する手段508と、 前記コイルをの周囲を囲み、前記コイルとロッドとにバ
    イアス磁場を供給する管状の永久磁石304と、 前記磁石の両端に配置され、磁気回路を完結させる分流
    路（SHUNT）310、308と、 前記ロッドに予圧力を付加して前記加振器の電力効率を
    向上させる弾性手段322と、 前記加振器に対抗する力を供給する質量320、 とを備えた請求の範囲第９項から第11項のいずれか１項
    に記載の流量計。
13. 【請求項１３】前記運動センサ手段は、加速度計を備え
    た請求の範囲第９項から第12項のいずれか１項に記載の
    流量計。
14. 【請求項１４】請求の範囲第９項から第13項のいずれか
    １項に記載の流量計であって、さらに、前記パイプ区間
    に取り付けられ、前記パイプ区間を外部振動から絶縁す
    る支持手段12、14を備えた流量計。
15. 【請求項１５】請求の範囲第９項から第14項のいずれか
    １項に記載の流量計であって、さらに、 前記パイプ区間を振動させるために前記パイプ区間に取
    り付けられる複数の加振手段を備えた流量計。
16. 【請求項１６】請求の範囲第９項から第13項のいずれか
    １項に記載の流量計であって、さらに前記パイプの、互
    いに離間した第３と第４の位置の部分で前記パイプの１
    つの区間をクランプ留めして、前記第３と第４の位置に
    おける前記パイプの横方向の運動を防止する手段12、14
    とを備え、 前記第１の運動検出器32は、前記第３と第４の位置との
    中間の、前記パイプ区間の固有振動数の調和振動数にお
    けるゼロフロー振動ノードをなす、前記パイプ区間の第
    １の位置で前記パイプ区間に取り付けられ、 前記加振手段20は、前記第１の位置と前記第３の位置と
    の中間の、前記パイプ区間の前記調和振動数における振
    動の節以外の部分である第２の位置で前記パイプに取り
    付けられる流量計。
17. 【請求項１７】前記パイプ区間は、実質的に直線状であ
    り、湾曲部を含まない請求の範囲第16項に記載の流量
    計。
18. 【請求項１８】前記検出手段と前記加振器とは、前記パ
    イプ区間のみに取着され、その他の不動部分に取り付け
    られた部分を有さない請求の範囲第16項に記載の流量
    計。
19. 【請求項１９】前記パイプ区間は、前記パイプ区間の両
    端に接続される物質入口パイプと物質出口パイプとの内
    側断面積と等しい内側断面積を有する請求の範囲第16項
    に記載の流量計。
20. 【請求項２０】前記物質の質量流量を決定する手段は、 前記運動検出器32を用いて、前記物質の流れと前記振動
    との両方により生じるパイプの前記第１の位置の横変位
    の振幅を計測する手段と、 前記計測された振幅を表す前記検出器の出力信号を計測
    装置に供給する手段511と、 前記計測装置を作動させて前記パイプ区間内を流れる物
    質の質量流量を決定する手段540、511、 とを備えた請求の範囲第16項に記載の流量計。
21. 【請求項２１】前記加振手段は、さらに前記パイプ区間
    の振動数を検出する手段30を備えた請求の範囲第16項に
    記載の流量計。