JPS592331B2 - 振動線型力検出器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は一般に工業用プロセス計装系に使用される圧力
測定用計測器に関する。

特に、本発明は測定される圧力に比例して張力を加えら
れ、その張力に比例する周波数で振動する振動線を有す
る型式の圧力センサに関する。

緊張した振動線の振動周波数がその振動線の張力の関数
であることは長年の間周知である。

同様に力又は圧力計測器がこの関係を用いて構成しうろ
こと、すなわち、加えた未知の力で張力を加えながら振
動線を振動させ、そしてその周波数を検出して対応する
計測信号を発生させるように構成させることも以前より
周知である。

またこれらの原理に基づく計測器の開発に顕著な努力が
払われて来た。

従来の計測器のうちのあるものは、振動要素を磁性材料
でつくり、駆動コイルその他によって交番磁界を与えて
振動させ、その要素の振動をピックアップコイルで検出
した。

この様な構成では例えば米国特許第３６００６１４号に
開示のごとき比較的離い支柱の振動要素を使用した。

他の方法としては、電気伝導性の振動線を永久磁界の中
に置き、その振動線の両端を電子発振器に接続して振動
線の中に振動電流を発生させ、これによって振動線を共
振周波数で振動するようにしたものがある。

この発振器の周波数が測定信号をあられした。

米国特許第２４５５０２１号及び第３５４３５８５号は
この種の変型を示す。

別の方法としては、振動線を密封された室の内部に取付
け、振動線の一端を緊張状態でこれと同軸の圧力応動性
ダイアフラムに直接結合されるようにしたものがある。

これによりダイアフラムに加えられる圧力は振動線に伝
達されるから、ダイアフラム圧力に従って振動線の張力
を変化させうる。

ビブロトロンゲージの名で知られるこの型式の計測器の
１つは、ある大計測器製造会社が、以前に市販していた
が、現在では市販されていないようである。

米国特許第３５４３５８５号はこの様な特性の新しい型
のものを開示している。

このものは、振動線はダイアフラムの代りに同軸のベロ
ーに結合されるようになっている。

当該技術の先行技術においては、広範な開発努力にも拘
わらず、必ずしも種々の重要な計測応用技術において充
分満足な結果を与えてはいない。

特に、従来の計測器は一般に十分に正確な作動をするも
のでなかった。

特に長時間にわたる作動、また例えば衝撃、振動及び周
囲温度の変動の如き不利な条件の下の作動に問題がある
ものであった。

本発明は高精度の種々の外部要因の影響に耐えうる簡単
な構造の装置を提供することにより、従来の圧力変換器
のもつ制限や不具合を打破するものである。

本発明の好ましい実施例においては、第１次の力検出要
素として非常に薄肉の振動線、好適には薄肉のリボン状
のものを利用した圧力変換器が提供される。

振動線は永久磁石の磁極の間に置かれて振動線を通る交
番電流を発生する電子振動回路に接続される。

振動線を流れる電流は磁界と作用して振動線を運動させ
かくして逆起電力をつくる。

発振器回路における正のフィードバックが振動線の振動
を維持しそして振動線の緊張度が振動周波数を制御する
。

振動線は細長に堅牢な基台と該基台に平行に回動自在に
取付けられたレバーとの間に展張せられている。

それぞれ高低入力圧力を受ける一対のベローが、該基台
とレバーとの間でそれぞれ回動軸受の反対側に配設され
、よって、２個のベローが受ける入力圧力の差の変動に
応じて回動軸受の周りにシーソーの様なレバー運動を生
起させる。

この差入力圧力で振動線に力が生じせしめられ、これに
相当した振動周波数に達する。

この振動数が電子回路により検出されて、振動線に生じ
た力（即ち差圧力）に比例する電気信号に変換される。

全装置は非常に高い測定精度を与え、特に配置方向の変
化、衝撃、振動及び周囲温度の変動の影響をほとんど受
けない。

しかして、本計測器は非常に構造が簡単でありかつ経済
的に製造できる。

振動線を丸い振動線ではなく非常に薄肉の、平担な細長
いリボンとすることによって、非線形のひずみ効果が最
少とされ、よって計測器の精度が更に向上する。

本発明の他の目的、及び利益は、図面を参照しながら以
下実施例について詳細に説明しよう。

第１〜３図において、圧力センサ１０は細長い基台１２
、その縦方向中程に固着された横方向棒１４、それに取
付けられた直立軸受支柱１６を有する。

この支柱の上方端に十字撓みばね１８があってレバー２
０の形をした細長い平衡自在のビームを支持する。

レバーは略々その縦中央部で回動支持され、その縦軸が
実用的に基台の縦方向に平行に向いている。

支柱１６０両側にそれぞれ高低圧ベロー２２゜２４があ
り、慣用の方法で導管２３，２５（第１図に示す）に連
通され、被測定入力圧力を導くようになっている。

ベローの上方の可動端はロンド２６．２８を介して回動
レバー２０に堅固に連結され、圧力に相応する上向きの
力をレバーの下側に加える。

レバー２０の左端と基台１２との間には、これら両者の
間に垂直方向に伸張する電導性の、張力下の振動線３０
が固着される。

この振動線は回動軸受１８からかなりの距離に位置して
いるので、レバーは回動軸受と振動線との間に比較的大
きいモーメント腕をつくる。

レバーの他端において、バイアス引張ばね３２がレバー
と基台との間に連結されて、レバーに時計方向トルクを
与え、２個のベロー２２，２４０間に圧力差のないとき
は振動線を零設定張力に維持する。

ベロー２２，２４０間に差圧が発生すると、対応する時
計方向トルクがレバー２０に加わりバイアスばね３２に
よる零設定張力を超えて振動線の張力を増加する。

差圧が増加するとき、レバー２０は回動軸受１８の周り
に、振動線の材料の弾性の度合の許す範囲内で僅かな分
量だけ時計方向に回転しようとする。

十字撓みばね１８がこのレバーの回転運動を垂直平面即
ち第２図の図面用紙に平行な平面に制限する。

振動線３０に振動を誘発するために、振動線は基台１２
に取付けられた永久磁石３６０ポールピース３４Ａ、３
４Ｂの間の比較的一様で強い横方向磁界を受け、そして
振動線の両端は以下に述べる手段を介して、電子振動回
路（ここでは図示せず）へ接続される。

これは振動線を一次モードで横方向に振動させる（即ち
ノードは振動線の両端のみにある）ようにそれを通って
流れる振動電流を発生する。

振動線の振動電流を発生する電子回路は本発明の部分を
構成しない。

高低圧ベロー２２，２４は同一有効面積を有しかつ回動
軸受１８の中心線から等距離に位置して、この軸受に対
して等しいモーメント腕を有する。

両ベローに同一圧力を加えて、低圧ベロー２４がレバー
２０に力を加える縦方向位置に微調整を行って、２個の
ベローがレバーに及ぼす正味トルクを零に減少させるよ
うにすることができる。

この調整はねじ設定ベロー支持体３８により行い、この
支持体を緩めて手でベローを適当な位置まで移動して再
び締付ける。

バイアスばね３２の調整により、零又は任意の入力差圧
に相応する適当な張力を振動線３０に与えることができ
る。

この張力に関連する振動周波数が、送信器出力信号（慣
用としては４ｍＡのｄ−ｃ信号）に変換され、計測器の
零レベル信号を与える。

第１〜３図に示す装置は２．１〜／２４（３０ｐｓｉ）
程度の圧力差を測定するのに適する。

本発明の独特な設計概念が与える顕著な柔軟性を示す例
として第５及び６図に本発明のもう１つの実施例を示す
が、これはずっと低い差圧測定に適する（例えば水柱２
５．４ｍｍ（１吋）程度）。

この別の設計においては、特に次の点を注意すべきであ
る。

即ち第１図とは対照的に、ベロー２２Ａ、２４Ａはバイ
アスばね３２及び振動線３０の外側に位置し、回動軸受
１８に対して振動線のモーメント腕よりも顕著に大きい
モーメント腕を持っている。

それにも拘わらず、第１図の基本形計測器の本質的な平
衡形状は第５図の実施例にも保持されていることが判る
であろう。

第１図及び第５図の計測器の特殊な全体形状、即ち力発
生ベローが振動線から横方向に偏在していること（即ち
振動線に対して垂直方向に偏在）及びこれらのベローが
振動線及びベローに適選長さのモーメント腕を与える回
動レバーにより振動線と相互に連結されていること、は
特に利益がある。

何故ならば振動線の力反応特性と圧力応動ベローの力作
用特性とに有効な整合を与えて最適変換器作動を達成す
るからである。

なお、中央で枢支されたレバーにその縦軸に垂直な（即
ち２個のベロー間の線に垂直な）平行力を与える多数の
要素の平衡した配置は、計測器の方向が重力の方向に対
して変化したとき、これが意志的なものであれ又は計測
器を支持する構造物の温度変動のごとき外乱の結果生じ
たものであれ、出力信号が本質的に変化を受は無いよう
にさせる。

同様に、この計測器の平衡形状は３垂直平面の任意の面
内の衝撃又は振動の悪影響を最少にする。

かくして本計測器は広範な状態変動の下で高度の性能を
発揮し得る。

加えて、単純で堅牢な構造配置は長期間にわたる信頼性
ある作動を保証するのに役立つ。

計測器で回動支持される部分の、重力に対する空間的方
向ずれに対する平衡は２個のベロー２２゜２４０内部に
ある平衡重錘を使用して行われる。

低圧ベロー２４の中へのロッド２８の延長としての平衡
重錘４０を第２図に示す。

同様な平衡重錘は他のベロー２２の内部にも設けられて
いる。

もし計測器１０がその縦軸が垂直となるように向けられ
るならば（重力に平行な方向）、レバー２０の重さはレ
バーを回動軸受１８の周りに回転して振動線の張力を変
化しようとする追加のトルク成分を発生することは明ら
かである。

しかしながら、２個のベローの内部の平衡重錘がこの追
加のトルクに抗して異なる向きに作用し回動軸の周りに
有効な平衡を維持する役をする。

べ０−２２，２４の中の平衡重錘はまた許容範囲を超え
た圧力状態の場合に、レバー２０の行程の行き過ぎを防
止する物理的停止体としても働く。

第１図の計測器においては、実際には高圧ベロー２２の
中の停止体のみが必要である。

何故ならばレバーの行程の反対方向への行き過ぎは振動
線３０の拘束によって防止されるからである。

一般に振動線の張力Ｔと振動線の振動周波数ｆとの間の
関係は比較的単純な次式で表わされる。

−Ａｆ２ （こ＼でＡは比例定数である）。

然しなから、実際の計測器においては、振動線の張力と
その周波数との間の関係は以上のような比較的単純な式
に正確には従わず、ひずみ効果が導入されて、Ｔ対ｆの
関係を上式と異る複雑なものとする。

これらのひずみ効果は力測定における高精度の達成に重
大な問題となる。

特に力検出器が加えられた力（又はこ＼で開示された実
施例における如き差圧力）に直線的に比例する測定信号
を与えることが重要であるような工業プロセス計測系に
使用されるべき場合はそうである。

これらのひずみ効果は振動線を出来るだけ細くすること
によって顕著に減少されることが判っている。

然しなから、実用的計測器の設計においては、振動線を
非常に細くすることは更にもう１つの問題が生ずる。

即ち信頼性ある作動を保証するのに十分な引張強さを線
に与えて而も振動線が破損しないことという問題がある
。

本発明の重要な特徴によれば、この問題は振動線３０を
略々平担なリボン（第４図参照）とし、リボンの巾広い
面の巾を振動線の全断面積が計測器の作動範囲内で加え
られるべき最大力に対して十分な引張強度特性をそなえ
るごとく寸度を定め、この際リボンを合理的に可能な限
り薄肉にすることにより解決された。

振動線は、その第１次ノード（振動線の両端の間には節
はない）でリボン線の巾広い面に垂直な方向内で振動す
るように配設されるべきである。

加えて、こ＼に図示するごとき計測器においては、リボ
ン線はその巾広い面がレバー２０の縦軸に直角となるよ
うに向けられるべきである。

即ち、リボン線の巾広い面はレバーの回転運動平面に垂
直となる。

第４図から明らかなごとく、永久磁石によりつくられる
磁界はリボンの一端から他端へと通過する。

好ましい実施例においては、リボン線３０はタングステ
ンより成り、その短い寸度（厚さ）は約０．０２５４’
ｍｍ（０，００１” ）でその横寸度（巾）は約
０．５０８ｒＩｒＪＴＬ（０，０２″）であって、その
縦横比は２０：１である。

低い縦横比、即ち約１０：１までの縦横比は、ひずみ効
果を合理的に最少とはするけれど、最適の計測器精度は
比較的高い比によって達成される。

振動線３００両端を振動吸収材料のブロック、好ましく
は比較的軟質の、例えばアルミニウムの如き材料のブロ
ックに固着するのが有利であることが発見された。

かくして、振動線の下方端はアルミニウムブロック５０
に固着され、上方端は同様に比較的どっしりしたアルミ
ニウムよりつくられまたブロック５０と同様に振動吸収
材料として働くレバー２０に固着される。

２個の軟かい、振動吸収アルミニウムブロックの間にタ
ングステン線３０をピンと張った状態では勿論温度変化
に伴って長さ寸度に変化もあり得る。

然しなからとの変化は正確な計測器性質を達成する邪魔
にはならない。

何故ならば、計測器の構造はその支持構造の中にこの様
な温度変動によって振動線の張力が顕著には影響を受け
ないことを保証するように、長さの変化につり合うよう
な手段をそなえているからである。

このために、横棒１４は所定の温度膨張係数をもったス
テンレススチールより成り、そして軸受支柱１６は異る
温度膨張係数をもったアンバーより成る。

回動軸受１８はレバー２０に小さいアルミニウムブロッ
ク５２を介して連結される。

ステンレススチール横棒１４、支柱１６及びアルミニウ
ムブロック５２の垂直方向寸度の比は、所定温度変化に
対し、振動線３０とそのアルミニウムブロック５０の組
合せの全体の長さの変化に等しい正味の変化を支持構造
の垂直の長さにおいて生ずる様に計算によって決定され
る。

これらの長さが適当に設定されると、全体としての長さ
の温度に対する変化は、有効な振動線の長さにおける正
味の変化に実質的に整合する。

かくして、振動線３０の張力には、計測器の温度変化に
基づく顕著な変化は生じない。

振動線３００両端は基台１２に取付けられた変圧器５６
の１次側に接続されて、振動線と電子回路（こ＼では図
示しない）とをインピーダンスマツチングさせて接続す
る。

この電気的接続を行うため、一本の導線６０がアルミニ
ウムブロック５０に連結されその他端が変圧器の１次側
の一端子に接続される。

ブロック５０は電気的絶縁を確実に行うために、マイラ
ー条片（図示せず）を含む絶縁材料によって基台１２か
ら電気的に絶縁されている。

変圧器１次側の他端子は計測器そのものに接続されてア
ースされる。

即ち１次巻線は導線６１によって計測器の基台に接続さ
れ、これは順次軸受１８及びレバー２０を介して、これ
ら材料の導電特性により、振動線３００頂端への電気的
接続を与える。

この配置の利益の１つは、振動線の特性を阻害する怖れ
のある、振動線３０の頂部への導線の接続を何等必要と
しないことである５基台１２の下方にジャックジョンボ
ックス６２があってその中に変圧器５６０２次巻線から
１対の導線６４，６６が伸びている。

これらの導線は立上りコネクタ６８に接続され、これに
は取付フランジγ０のコンジット孔を取って伝送回路が
接続できる。

基台１２には計測器を取付けるのに適した設備をもった
取付フランジ７０を一体にそなえている。

第５図及び第６図に示す、本発明の別の実施例は、非常
に低い圧力差のために設計されたものであって、回動レ
バー２０Ａの両端に取付けられた比較的大きいベロー２
２Ａ、２４Ａを含む。

これらのベローの内部にそれぞれ軸方向ロッド８０（そ
の１つのみを示す）があって、その下方端はベロー支持
部材８２に係合し、範囲を超えた圧力条件に基づくレバ
ー２０Ａの行き過ぎ行程を防止する。

これらのロッド８０は比較的大きい円板の形状の平衡重
錘８４を支えて居り、計測器が図に示す水平位置と異る
方向に傾斜した場合、レバー２０Ａ１その他これに関連
する他の計測器要素に基づく重力を平衡させる。

ねじ調整機構８６が高圧カベロー２４Ａに具備されて、
零差圧力に於ける計測器の静的な心合せを与える。

第５図の実施例において、振動線に対して高圧側の範囲
を超えないような保護機構を設けることが、特に高い静
圧力の存在する場合に有利であることが発見された。

この超範囲保護機構は板ばね９０を含み、これはねじ９
２によりレバー２０Ａに固着される。

板ばねの他端はボルト９４によって曲げの態様に保持さ
れ、ボルト９４は滑らかなジャンクを持ちそしてレバー
２０Ａの透孔中を遊隙をもって貫通する。

ボルトの端はレバーの下方で振動線支持ブロック９６は
ねじにより固着される。

このブロックは他端でレバー２０Ａに固着された撓みば
ね９８の一端に回動自在に取付けられる（第７図参照）
。

計測器の正常運転の間、板ばね９０により与えられる曲
げ力は、振動線支持ブロック９６をレバー２０Ａの下側
に当て＼保持する。

か＜シテ、レバーによって振動線３０に伝達される力は
実際上板ばねにより支持される。

然しなから、振動線に加えられる力が板ばねにより発生
する力を超え始めると、レバーは軸受１８の周りに回転
して振動線支持ブロック９６から持ち上る。

これで振動線が板ばねにより発生する力より大きい力を
受けることを防止する。

もし力が増加し続けると、レバーは行き過ぎ停止体がベ
ロー２２Ａの中で係合するまで回転する。

入力圧力が正常作動範囲まで減少するときは、振動線支
持ブロック及びレバーは撓みばね９８の案内作用によっ
て前と全く同じ点で再び係合するので、測定に誤差を導
入する怖れのあるモーメント腕の如何なる偏位も防止さ
れる。

本発明の好ましい実施例について詳細に説明を行ったが
、これは本発明の詳細な説明するためであって、必ずし
も本発明をそれに限定すべきでないことを強調し度い。

何故ならば当業者は本発明の範囲を逸脱することなく本
発明の多くの改良装置をつくり得ることは明らかである
からである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る一実施例の斜視図、第２図は第１
図の検出器の部分切断正面図、第３図は第１図の平面図
、第４図は磁石ポールピースに隣接する振動リボンを示
す水平断面図、第５図は特に低い差圧に用いる他の実施
例、第６図は第５図の検出器の部分切断正面図であり、
そして第７図は第５図の検出器に対する撓みばね軸受の
垂直断面詳細図である。 １０は圧力センサ、１２は基台、１４は横棒、１６は支
柱、１８は十字撓みばね軸受、２０はレバー、２２，２
２Ａは高圧ベロー、２４，２４Ａは低圧ベロー、２３，
２５は導管、２６，２８はロッド、３０は振動線、３２
はバイアスばね、３４Ａ、３４Ｂはポールピース、３６
は永久磁石、３８はねじ設定ベロー支持体、４０は平衡
重錘、５０．５２はアルミニウムブロック、５６は変圧
器、６０，６１．６４，６６は導線、６２はジャンクシ
ョンボックス、６８はコネクタ、７０は取付フランジ、
８０はロッド、８２はベロー支持部材、８４は平衡重錘
、９０は板ばね、９６は振動線支持ブロック、９８は撓
みばねである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 振動線を通って電流が流れそれが磁界と作用して該
   振動線の張力に比例する振動が該振動線に発生される振
   動線型力検出器であって、縦軸がそれを通っている細長
   い基台１２と、第１及び第２端を有し電導性材料で形成
   された薄い振動線３０と、該基台１２に対して該振動線
   ３０が移動することを阻止するために該振動線３０の該
   第１端を固着するよう該基台１２に強固に装架されてい
   る、比較的柔軟な振動吸収材料で形成された電導性ブロ
   ック５０と、前記縦軸と隔置されていて該縦軸に平行に
   延びており、前記振動線３０の該第２端に連結されてい
   る細長いレバー２０と、前記基台１２に装架され且つ前
   記レバー２０に連結されていて、該レバー２０を前記縦
   軸と該レバー２０とを含む平面内で回動させるように枢
   支する枢支装置１４，１６，１８，５２と、該レバー２
   ０に連結されていて測定されるべき力を該レバー２０に
   適用するとともに前記枢支装置１４，１６，１Ｂ。 ５２が該レバー２０に取付けられている枢支点のまわり
   にトルクを生ぜしめ、該基台１２に対する該振動線３０
   の該第２端の運動によって該振動線３０に相応の張力が
   発生されるようにする力伝達部材２２．２４と、前記基
   台１２に対して前記ブロック５０を電気的に絶縁するた
   めに両者間に挿入された絶縁部材と、前記振動線３０に
   電流を流スタめの、該ブロック５０に接続された第１の
   信号導線６０及び振動線３０の該第２端に電気的に接続
   された第２の信号導線６１とを備え、更に、前記レバー
   ２０は第２ブロツク９６を含み、該第２ブロツク９６は
   該振動線３０の該第２端に接続されており、該第２ブロ
   ツク９６は比較的柔軟な振動吸収材料で形成されている
   ことを特徴とする振動線型力検出器。 ２、特許請求の範囲第１項記載の検出器において、前記
   枢支装置１４，１６，１８，５２及び前記レバー２０は
   すべて電導性材料で成り、前記第２の信号導線６１は該
   枢支装置１４，１８，５２の静止部材１４，１６に電気
   的に接続されていて、これにより、電流が該枢支装置１
   ４，１６，１８゜５２、該レバー２０及び該振動線３０
   を通って流れるようにされていることを特徴とする振動
   線型力検出器。 ３ 特許請求の範囲第１項記載の検出器において、前記
   振動線３０の前記第２端は、前記レバー２０に取付けら
   れた前記枢支装置１４，１６，１８゜５２の枢支点から
   偏倚した位置において前記レバー２０に固定されていて
   、該枢支点と前記レノクー２０に対して該振動線３０を
   有効に接続する点との間に、所定長さの第１モーメント
   腕を確立しており、前記力伝達部材２２，２４は、該振
   動線３０を有効に接続する前記点から変位していて且つ
   該枢支点の位置からも該レバー２０に沿って変位してい
   る位置において、該レバー２０に力を加えるようになっ
   ていて、該枢支点と該力伝達部材２２．２４によって力
   が加えられる位置との間に、前記第１モーメント腕の長
   さに対して予め選択された所定の関係をもった長さの第
   ２モーメント腕を確立しており、前記振動線３０の振動
   周波数は前記第１及び第２モーメント腕の長さの比に従
   い、そして該比の値が前記力伝達部材２２，２４と前記
   振動線３０との特性を効果的に整合させるごとく選定さ
   れていることを特徴とする振動線型力検出器。 ４ 特許請求の範囲第１項記載の検出器において、前記
   枢支装置１４，１６，１８，５２は前記基台１２と前記
   レバー２０との間に連続的に配置された複数の要素１４
   ，１６，１８，５２を含み、該複数の要素１４，１６，
   １８，５２のうちの少なくとも２個１４，１６はそれぞ
   れ特定の膨張温度係数を有する違った材料で形成されて
   おり、前記要素１４，１６，１８，５２の前記振動線３
   ０に対して平行な方向の寸法が、前記枢支装置１４゜１
   ６．１８，５２に対する前記振動線３０及び前記ブロッ
   ク５０の温度／膨張特性を少なくとも実質的に整合する
   ような比になっていることを特徴とする振動線型力検出
   器。 ５ 特許請求の範囲第１項記載の検出器において、前記
   振動線３０は薄い平担なリボン状であり、巾広い面は該
   レバー２０の運動する平面に対して垂直に配置されてお
   り、前記リボンは約０．０２５４圏の厚さを有し、縦横
   比が少なくとも１０：１であり、該リボンの該巾広い面
   に対して垂直な方向に第１次ノードで振動されるように
   なっていることを特徴とする振動線型力検出器。 ６ 特許請求の範囲第１項記載の検出器において、前記
   力伝達部材２２，２４がベローで構成されていることを
   特徴とする振動線型力検出器。