KR102561211B1 - 갭을 갖는 진동계 - Google Patents

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Abstract

진동계가 길이방향 및 길이방향에 직교하는 평면의 단면 영역을 갖는 진동 요소를 포함한다. 진동 요소는 진동 요소의 길이방향에 직교하는 평면의 제1 위치와 제2 위치 사이에서 이동한다. 전자기기가 제1 위치와 제2 위치 사이에서 진동 요소를 구동시키기 위해 작동 가능하다. 경계 요소와 진동 요소는 경계 요소와 진동 요소 사이의 평균 갭 거리(average gap distance)를 갖는 유속 부스팅 갭(fluid velocity boosting gap)을 규정한다. 진동 요소는 갭 둘레 길이를 갖는 유속 부스팅 갭을 대면하는 갭-대면 둘레 섹션(gap-facing perimeter section)을 포함한다. 실시예들에서, 평균 갭 거리에 대한 갭 둘레 길이의 비(ratio)는 적어도 160이다. 추가의 실시예들에서, 평균 갭 거리는 0.25 ㎜ 이하이다.

Description

갭을 갖는 진동계
이하에 설명되는 실시예들은 진동계들, 그리고 더 특별하게는, 밀도계 및 점도계에 관한 것이다.
밀도계들 및 점도계들을 포함하는 진동계들은 유체의 밀도 또는 점도를 측정하는데 사용되는 중요한 도구들이다. 진동계들은 테스트 중인 유체에 노출되는 포크(fork), 실린더(cylinder), 또는 평면형 공진기 등과 같은 진동 요소를 포함할 수 있다. 진동계의 일 예는 기존의 파이프 라인(pipeline) 또는 다른 구조물에 결합되는 입구 단부와 자유롭게 진동하는 출구 단부가 장착된 실린더 캔틸레버(cylinder cantilever)를 포함한다. 실린더는 공진 시에 진동될 수 있고 공진 반응 주파수는 측정될 수 있다. 테스트 중인 유체의 밀도는 진동 요소의 감소된 반응 주파수를 측정함으로써 판정될 수 있다. 공지된 원리들에 따르면, 진동 요소의 공진 주파수는 도관에 접촉하는 유체의 밀도와 역비례하여 변할 것이다.
도 1은 종래 기술의 진동계(100)를 묘사한다. 진동계(100)는, 예를 들어, 액체 또는 가스와 같은 유체의 밀도를 측정하기 위해 구성될 수 있다. 진동계(100)는 하우징(housing)(102) 내에 적어도 부분적으로 위치되는 진동 요소(104)를 갖는 하우징(102)을 포함한다. 하우징(102)은 진동 요소(104)가 흔들릴 때 유체 압력을 유지하는 것을 돕는다. 하우징(102)의 일부가 진동 요소(104)를 도시하기 위해 절단된다. 예들에서, 진동계(100)는 기존의 파이프 라인에 인-라인(in-line)으로 배치될 수 있다. 하지만, 추가의 예들에서, 하우징(102)은 유체 샘플을 수용하기 위한 구멍들을 갖는 폐쇄 단부들을 포함할 수 있다. 따라서, 플랜지들이 도시되지 않지만, 많은 예시들에서, 하우징(102) 또는 진동 요소(104)는 유체 기밀 방식으로 파이프 라인 또는 유사한 유체 전달 장치에 진동계(100)를 작동식으로 결합하기 위해 플랜지들 또는 다른 부재들을 포함할 수 있다. 진동계(100)의 예에서, 진동 요소(104)는 제1 단부(106)에서 하우징(102)에 장착되는 캔틸레버이다. 진동 요소(104)는 제2 단부(108)에서 자유롭게 진동한다.
예의 진동계(100)는 몰입형(immersive)이며, 측정 중인 유체는 진동 요소(104)의 주위 전체에서 발견되는 것을 의미한다. 도시된 예에 따르면, 진동 요소(104)는 제1 단부(106) 근처에 복수의 유체 구멍들(110)을 포함할 수 있다. 유체 구멍들(110)은 유체의 일부가 진동계(100)에 유입되어 하우징(102)과 진동 요소(104) 사이에서 흐르는 것을 허용하기 위해 제공될 수 있다. 다른 예들에서, 구멍들은 진동 요소(104)의 외부 표면으로 테스트 중인 유체를 노출시키기 위해 하우징(102)에 제공될 수 있다. 하지만, 추가의 예들에서, 유체는 제1 단부(106) 근처의 금속 가공물의 채널들(channels)을 통해 진동계에 유입될 수 있다. 유체는 하우징(102)과 진동 요소(104) 사이에서 길이방향 길이를 따라 제2 단부(108)로 흐를 수 있고, 여기서 유체는 진동 요소(104)의 내부를 통하여 제1 단부(106)를 향하여 다시 흐를 수 있다. 이러한 방식으로, 유체는 진동 요소(104)의 외측 표면뿐만 아니라 내측 표면과 접촉할 수 있다. 이는 테스트 중인 유체가 가스를 포함할 때 유용한데 더 큰 표면적이 가스에 노출되기 때문이다.
실린더(116) 내에 위치되는 드라이버(driver)(112) 및 진동 센서(sensor)(114)가 도 1에 추가로 도시된다. 드라이버(112) 및 진동 센서(114)는 코일들(coils)을 포함하는 것으로 묘사되지만, 다른 구현들도 또한 가능하다. 전류가 코일에 제공된다면, 자기장이 진동 요소(104)에 유도되어 진동 요소(104)가 진동하는 것을 야기한다. 역으로, 진동 요소(104)의 진동은 진동 센서(114)에 전압을 유도한다. 드라이버(112)는, 예를 들면, 단순한 굽힘, 비틀림, 방사형, 또는 결합형을 포함하는 복수의 진동 모드들 중 하나에서의 그 공진 주파수들 중 하나에서 진동 요소(104)를 진동시키기 위해 계량 전자기기(118)로부터 구동 신호를 수신한다. 진동 센서(114)는 진동 요소(104)가 진동하는 주파수를 포함하는 진동 요소(104)의 진동을 검출하고, 처리를 위해 진동 정보를 계량 전자기기(118)로 전송한다. 진동 요소(104)가 진동할 때, 진동 요소의 벽과 접촉하는 유체 그리고 실린더로부터 근거리의 유체는 진동 요소(104)와 함께 진동할 것이다. 진동 요소(104)에 접촉하는 유체의 추가된 질량은 공진 주파수를 낮춘다. 진동 요소(104)의 새롭고 낮아진 공진 주파수가 유체의 밀도를 판정하는데 사용된다. 공진 반응, 또는 품질 계수가 유체의 점도를 판정하는데 또한 사용될 수 있다.
예의 진동계(100)에서, 예를 들면 유체가 가스일 때와 같이, 측정 중의 유체가 낮은 밀도 또는 낮은 점도를 가질 때, 밀도 감도 및 점도 감도는 불안정할 수 있다. 이러한 문제에 대한 하나의 종래 해법은 진동 요소(104)의 벽 두께를 더 얇게, 따라서 더 가볍게 만드는 것이다. 이는 진동 요소(104)를 제작하는 것은 더 어렵지만 덜 튼튼하게 만들었는데, 이는 더 쉽게 손상될 수 있기 때문이다.
저밀도 유체들을 측정할 때 더 높은 밀도 감도 및/또는 더 낮은 점도 감도를 갖는 진동계가 필요하다.
제1 실시예에서, 진동계가 제공된다. 진동계는: 길이방향 그리고 길이방향에 직교하는 평면에 단면 영역을 포함하는 진동 요소 ― 진동 요소는 길이방향에 직교하는 평면의 제1 위치와 제2 위치 사이에서 이동함 ―; 진동 요소에 인접한 경계 요소; 및 제1 위치와 제2 위치 사이에서 진동 요소를 구동시키기 위해 작동 가능한 전자기기를 포함하고, 경계 요소 및 진동 요소는 길이방향에 직교하는 평면에 유속 부스팅 갭(fluid velocity boosting gap)을 규정하고, 유속 부스팅 갭은 진동 요소가 중립 위치에 있을 때 경계 요소와 진동 요소 사이의 평균 갭 거리를 갖고, 진동 요소는 갭 둘레 길이를 갖는 유속 부스팅 갭을 대면하는 평면의 단면 영역 주위에 갭-대면 둘레 섹션(gap-facing perimeter section)을 갖고, 평균 갭 거리에 대한 갭 둘레 길이의 비(ratio)는 적어도 160이다.
제2 실시예에서, 진동계가 제공된다. 진동계는: 길이방향 그리고 길이방향에 직교하는 평면의 단면 영역을 포함하는 진동 요소 ― 진동 요소는 길이방향에 직교하는 평면의 제1 위치와 제2 위치 사이에서 이동함 ―; 진동 요소에 인접한 경계 요소; 및 제1 위치와 제2 위치 사이에서 진동 요소를 구동시키기 위해 작동 가능한 전자기기를 포함한다. 경계 요소 및 진동 요소는 길이방향에 직교하는 평면에 유속 부스팅 갭을 규정하고, 유속 부스팅 갭은 진동 요소가 중립 위치에 있을 때 경계 요소와 진동 요소 사이의 평균 갭 거리를 갖고, 평균 갭 거리는 0.25 ㎜ 이하이다.
제3 실시예에서, 제1 또는 제2 실시예들에 의해 규정된 진동계를 사용하여 유체의 점도 또는 밀도를 판정하는 방법이 제공된다. 방법은 드라이버 또는 전자기기를 사용하여 제1 위치와 제2 위치 사이에서 진동 요소를 구동하는 단계, 및 센서 및 전자기기를 사용하여 진동 요소의 자연 주파수를 판정하는 단계를 포함한다.
제4 실시예에서, 제1 또는 제2 실시예에 따른 진동계를 조립하는 방법이 제공된다. 방법은: 진동 요소를 제공하는 단계; 경계 요소를 제공하는 단계; 유속 부스팅 갭을 규정하기 위해 경계 요소를 진동 요소에 인접하게 결합하는 단계; 및 진동계에 전자기기를 결합하는 단계를 포함한다.
양태들
양태에 따르면, 평균 갭 거리는 0.2 ㎜ 이하일 수 있다.
양태에 따르면, 진동 요소는 제1 갈래(tine)일 수 있고 경계 요소는 하우징일 수 있다.
양태에 따르면, 진동 요소는 제1 갈래일 수 있고 경계 요소는 제2 갈래일 수 있다.
양태에 따르면, 진동 요소는 실린더일 수 있다.
양태에 따르면, 진동 요소는 평면형 공진기일 수 있다.
양태에 따르면, 진동계의 밀도 감도는 유체가 가스일 때 1,400 ㎱/㎏/㎥보다 더 클 수 있다.
양태에 따르면, 점도 감도는 유체가 가스일 때 1.949 × 10-7 μ㎩.s보다 더 클 수 있다.
양태에 따르면, 평균 갭 거리는 0.2 ㎜ 이하일 수 있다.
양태에 따르면, 진동 요소는 제1 갈래일 수 있고 경계 요소는 하우징일 수 있다.
양태에 따르면, 진동 요소는 제1 갈래일 수 있고 경계 요소는 제2 갈래일 수 있다.
양태에 따르면, 진동 요소는 실린더일 수 있다.
양태에 따르면, 진동 요소는 평면형 공진기일 수 있다.
양태에 따르면, 진동계의 밀도 감도는 유체가 가스일 때 1,400 ㎱/㎏/㎥보다 더 클 수 있다.
양태에 따르면, 점도 감도는 유체가 가스일 때 1.949 × 10-7 μ㎩.s보다 더 클 수 있다.
양태에 따르면, 진동계가 제1 위치와 제2 위치 사이에서 구동될 수 있는 구동 주파수는 600 ㎐ 미만이다.
양태에 따르면, 평균 갭 거리는 0.2 ㎜ 이하일 수 있다.
양태에 따르면, 진동 요소는 제1 갈래일 수 있고 경계 요소는 하우징일 수 있다.
양태에 따르면, 진동 요소는 제1 갈래일 수 있고 경계 요소는 제2 갈래일 수 있다.
양태에 따르면, 진동 요소는 실린더일 수 있다.
양태에 따르면, 진동 요소는 평면형 공진기일 수 있다.
양태에 따르면, 진동계의 밀도 감도는 유체가 가스일 때 1,400 ㎱/㎏/㎥보다 더 클 수 있다.
양태에 따르면, 점도 감도는 유체가 가스일 때 1.949 × 10-7 μ㎩.s보다 더 클 수 있다.
동일한 참조 부호는 모든 도면들에서 동일한 요소를 나타낸다. 도면들은 반드시 축척에 따르지 않는 것이 이해되어야 한다.
도 1은 종래 기술의 진동계(100)를 묘사한다.
도 2는 실시예에 따른 진동계(200)를 묘사한다.
도 3a는 실시예에 따른 진동계(200)를 묘사한다.
도 3b는 실시예에 따른 진동계(200)를 묘사한다.
도 3c는 실시예에 따른 진동계(200)를 묘사한다.
도 4a는 실시예에 따른 진동계(400)를 묘사한다.
도 4b는 실시예에 따른 진동계(400)를 묘사한다.
도 5a는 실시예에 따른 진동 부재(502)를 묘사한다.
도 5b는 실시예에 따른 평면형 공진기(550)를 묘사한다.
도 6은 실시예에 따른 무마찰 스프링(frictionless spring) 및 매스 트롤리 시스템(mass trolley system)(600)을 묘사한다.
도 7a는 실시예에 따른 진동계(700)를 묘사한다.
도 7b는 실시예에 따른 진동계(700)를 묘사한다.
도 7c는 실시예에 따른 진동계(700)를 묘사한다.
도 8a는 실시예에 따른 차트(chart)(800)를 묘사한다.
도 8b는 실시예에 따른 차트(850)를 묘사한다.
도 9a는 실시예에 따른 차트(900)를 묘사한다.
도 9b는 실시예에 따른 차트(950)를 묘사한다.
도 10은 실시예에 따른 진동계(1000)를 묘사한다.
도 11은 실시예에 따른 방법(1100)을 묘사한다.
도 12는 실시예에 따른 방법(1200)을 묘사한다.
도 2 내지 도 12 그리고 이하의 설명은 어떻게 진동계의 실시예들의 최상의 모드를 만들고 사용하는지를 당업자에게 교시하기 위한 구체적인 예들을 묘사한다. 본 발명의 원리들을 교시하기 위한 목적을 위해, 일부 종래의 양태들은 간소화되거나 생략된다. 당업자는 본 설명의 범주 내에 속하는 이러한 예들로부터의 변형예들을 이해할 것이다. 당업자는 이하에 설명된 특징들이 진동계의 다수의 변형예들을 형성하기 위해 다양한 방식들로 조합될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 그 결과, 이하에 설명된 실시예들은 이하에 설명된 구체적인 예들로 제한되는 것이 아니라, 단지 청구 범위들 및 이들의 등가물들에 의해 제한된다.
도 2는 실시예에 따른 진동계(200)의 사시 절단도를 묘사한다. 도 3a, 도 3b, 및 도 3c는 도 2의 라인 표시(231)에서 취해진 진동계(200)의 단면도들을 묘사한다. 진동계(200)는 진동 요소(202), 하우징(204), 경계 요소(232), 및 계량 전자기기(묘사되지 않음)를 포함한다. 진동계(200)는 드라이버, 센서, 하나 이상의 구멍들, 및 다른 특징부들을 더 포함할 수 있지만, 이러한 특징부들은 도면을 간소화하기 위해 묘사되지 않는다.
진동 요소(202)는 길이방향(228) 및 길이방향(228)에 직교하는 평면(231)의 단면 영역(230)을 포함한다. 진동계(200)의 예에서, 진동 요소(202)는 부분 원형 단면 영역(230)을 갖는 2개의 포크 갈래들 중 적어도 하나를 포함한다. 예들에서, 단면 영역(230)은 반원형일 수 있다. 하지만, 추가의 예들에서, 단면 영역(230)은 원의 작은 부분을 포함하는 둘레를 포함할 수 있다.
하지만, 추가의 실시예들에서, 진동 요소(202)는 반면에 상이한 형상을 갖는 포크 갈래를 포함할 수 있다. 예를 들면, 진동 요소(202)는 실질적으로 평면 형상을 포함하는 하나 이상의 갈래들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 실질적으로 평면 형상은 원의 2개의 평행한 코드들(cords) 사이에서 형성되는 단면을 포함할 수 있다.
추가의 실시예들에서, 진동 요소는 하나 이상의 포크 갈래들을 포함하지 않을 수 있다. 예를 들면, 도 4a는 실시예에 따른 진동계(400)의 단면도들을 묘사한다. 진동계(400)는 진동 부재(402) 및 하우징(404)을 포함한다. 진동 부재(402) 및 하우징(404)은 각각, 진동계(100)에서와 매우 유사하게, 실린더 형상을 포함한다.
추가의 실시예들에서, 진동 요소는 대신에 평면형 공진기를 포함할 수 있다. 예를 들면, 도 5a는 진동 요소(502)를 포함하는 평면형 공진기(550)의 상면도(top view)를 묘사하고, 도 5b는, 도 5a에 양방 화살표들을 갖는 라인에 의해 표시된 길이방향(228)에 직교하는 평면(531)에서 취해진 진동계(500)의 단면도를 묘사한다.
진동계(500)는 평면형 공진기(550), 진동 요소(502), 및 하우징(504)을 포함한다. 진동 요소(502)는 실질적으로 편평하고, 구동될 때 결합 단부(503a)(결합은 도시되지 않음)에서 진동계(500)에 결합될 수 있고 흔들리는 단부(503b)에서 자유롭게 진동할 수 있다. 예들에서, 당업자에 의해 이해되는 바와 같이, 흔들리는 단부(503b)는 함께 흔들리거나 서로 대향하여 이동하는 하나 이상의 패들 섹션들(paddle sections)을 추가로 포함할 수 있다.
당업자에 의해 이해되는 바와 같이, 진동 요소(202)의 다른 실시예들이 또한 가능하다.
도 3a 내지 도 3c로 돌아가면, 진동 요소(202)가 길이방향(228)에 직교하는 평면(231)의 제1 위치(302)와 제2 위치(304) 사이에서 흔들리는 것을 볼 수 있다. 도 3a, 도 3b, 및 도 3c는 상이한 위치들에 있는 진동 요소(202)를 갖는 진동계(200)를 묘사한다. 도 3b는, 포크 갈래들 사이의 최대 분리 위치인 제2 위치(304)에 있는 진동 요소(202)를 표사하고, 도 3c는, 포크 갈래들 사이의 최소 분리 위치인 제1 위치(302)에 있는 진동 요소(202)를 묘사한다. 도 3a는 중립 또는 휴지 위치(306), 또는 진동 요소(202)가 흔들리기 위해 구동되지 않을 때에 있는 위치에 있는 진동 요소(202)를 묘사한다.
진동계(200)는 진동 요소에 인접한 경계 요소(232)를 포함한다. 경계 요소(232)는 진동 요소(202)의 길이방향(228)에 직교하는 평면(231)의 단면 영역의 경계 요소(232)와 진동 요소(202) 사이의 유체를 위한 경계를 제공한다. 진동 요소(202)는 경계 요소(232)를 향해 그리고 이로부터 멀어지게 흔들려서 진동 요소(202)와 경계 요소(232) 사이의 거리는 진동 요소의 흔들림에 의해 변한다.
진동계(200)의 실시예에서, 경계 요소(232)는 진동 요소(202)의 외부 반원 윤곽들을 둘러싸는 실린더형 하우징 부재(204)이다. 하지만, 추가의 실시예들에서, 경계 요소는 상이한 형상들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 진동계(500)는 사각형 하우징 부재(504)인 경계 요소(532)를 포함한다. 추가의 예들에서, 경계 요소는 진동 요소(202)의 제2 갈래를 포함할 수 있고, 이는 이하에 추가로 설명될 것이다.
진동 요소(202)가 흔들릴 때, 유체는 진동 요소(202)와 경계 요소(232) 사이의 구역 안으로 그리고 구역 밖으로 이동할 것이다. 종래의 진동계들에서, 진동 요소와 임의의 경계 요소들 사이의 거리는 너무 커서 흔들림들에 반응하여 진동 요소 주위에서 이동하는 유체의 평균 속도는 낮았다. 대조적으로, 경계 요소(232)와 진동 요소(202)는 길이방향(228)에 직교하는 평면(231)에 유속 부스팅 갭(308)을 규정한다. 유속 부스팅 갭(308)은 진동 요소가 흔들릴 때 유체의 평균 속도를 실질적으로 증가시키기 위해 충분히 좁게 구성되며, 이하에 추가로 설명될 것이다. 예를 들면, 도 3a에서 볼 수 있는 바와 같이, 유속 부스팅 갭(308)은 진동 요소(202)와 하우징(204)의 아크들(arc) 사이에 C-형상 단면 영역을 포함한다.
상이하게 구성된 진동 요소들과 하우징들을 포함하는 추가의 예들에서, 유속 부스팅 갭(308)은 하지만 다른 형상들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 진동계(400)는 실린더형 진동 요소(402) 주위 전체에 환형 형상을 형성하는 유속 부스팅 갭(408)을 포함한다. 대조적으로, 진동계(500)는 진동 부재(502) 위 그리고 아래에 사각형을 포함하는 유속 부스팅 갭(508)을 포함한다.
유속 부스팅 갭(308, 408, 508)은 진동 요소(202, 402, 502)가 중립 위치에 있을 때 경계 요소(232, 432, 532)와 진동 요소(202, 402, 502) 사이에 평균 갭 거리(309, 409, 509)를 갖는다. 예를 들면, 진동계(200)가 중립 위치에 있는 도 3a로부터 볼 수 있는 바와 같이, 평균 갭 거리(309)는 진동 요소(202)의 인접한 아크 부분들의 가장 가까운 지점들과 하우징(204) 사이의 거리의 평균을 구함으로써 판정될 수 있다. 예들에서, 유속 부스팅 갭(308, 408, 508)을 따른 평균 갭 거리(309)는 낮은 표준 편차를 가질 수 있다. 다시 말하면, 진동 요소(202, 402, 502)와 경계 요소(232, 432, 532) 사이의 거리는 실질적으로 동일할 수 있다.
예들에서, 유속 부스팅 갭(308, 408, 508)은 진동 요소(202, 402, 502)의 일부 또는 전체 둘레를 둘러쌀 수 있다.
진동 요소(202)가 2개의 갈래들을 포함하는 예에서, 유속 부스팅 갭(308)은 도 3a에 310으로 표시된, 제2 갈래 주위의 제 2 구역을 추가로 포함할 수 있다.
진동 요소(202, 402, 502)는 갭 둘레 길이를 갖는 유속 부스팅 갭(308, 408, 508)을 대면하는 평면(231)의 단면 영역(230) 주위의 갭-대면 둘레 섹션을 포함한다.
예를 들면, 도 3a의 실시예에서, 유속 부스팅 갭(308)을 대면하는 진동 요소(202)의 부분 원형 외형은 갭-대면 둘레 섹션(211)을 포함한다. 갭 둘레 길이는 갭-대면 둘레 섹션의 길이이다. 도 3a의 예에서, 갭 둘레 길이는 갭-대면 둘레 섹션(211)을 포함하는 작은 아크의 길이와 동일하다.
하지만, 추가의 예들에서, 갭-대면 둘레 섹션은 상이한 형상들을 취할 수 있다. 예를 들면, 진동계(400)의 실시예에서, 갭-대면 둘레 섹션(411)은 실린더형 진동 부재(402)의 전체 원주를 포함할 수 있다. 그리고 진동계(500)의 실시예에서, 갭-대면 둘레는, 하우징 요소(504)를 대면하는 더 긴 측들 양자를 따라, 진동 요소(502)의 폭(W)을 따른 둘레를 포함할 수 있다.
종래의 실시예들에서, 진동 요소와 경계 요소 사이의 갭의 크기는 0.5 ㎜ 이상이었다. 포크를 포함하는 진동 요소(202)를 갖는 예의 실시예에 대하여, 통상적인 갈래 직경은 25.4 ㎜이고, 이는 대략 40 ㎜의 갭 둘레 길이에 대응한다. 종래의 포크 진동계들은 따라서 80의 평균 갭 거리에 대한 갭 둘레 길이의 비에 포함되었다. 하지만, 진동 요소(402)가 실린더를 포함하는 예의 실시예에 대하여, 통상적인 실린더 직경은 20 ㎜이고, 이는 대략 63 ㎜의 갭 둘레 길이에 대응한다. 따라서 종래의 실린더 진동계들은 125의 평균 갭 거리에 대한 갭 둘레 길이의 비에 포함되었다.
본 출원의 실시예들에서, 평균 갭 거리에 대한 갭 둘레 길이의 비는 적어도 160이다. 예를 들면, 25.4 ㎜의 직경 및 0.25 ㎜의 갭 크기를 갖는 갈래 스타일(tine-style) 진동 요소(202)에 대하여, 평균 갭 거리에 대한 갭 둘레 길이의 비는 대략 160이다. 20 ㎜의 직경 및 0.25 ㎜의 갭 크기를 갖는 실린더-스타일 진동 요소(402)에 대하여, 평균 갭 거리에 대한 갭 둘레 길이의 비는 대략 251이다.
진동계(200)는 제1 위치(302)와 제2 위치(304) 사이에서 진동 요소를 구동시키기 위해 작동 가능한 전자기기를 더 포함하고, 진동 요소는 제1 위치에서보다 제2 위치에서 경계 요소(232)에 더 가깝다. 진동 요소가 실린더이거나 평면형 공진기인 경우에, 전자기기(118)는 진동 요소를 앞뒤로 구동시킬 수 있다. 하지만, 진동 요소(202)가 포크인 경우에, 하지만 2 개의 갈래들 (도 2, 도 3a, 도 3b, 및 도 3c에 묘사된 바와 같이)이 있을 수 있다. 따라서 전자기기(118)는, 드라이버를 따라서, 도 3a, 도 3b, 및 도 3c에 묘사된 바와 같이, 서로 대향하여 갈래들을 이동시킬 수 있다.
자연 또는 반강제(unforced) 공진기들에 대하여, 거동은 이하의 식 1에 의해 설명될 수 있다:
(식 1)
여기서, ω 는 공진 주파수이고, K 는 유효 강성이며, M 은 유효 질량이다. 600 ㎐ 이하, 또는 500 ㎐ 이하와 같은 비교적 낮은 주파수들에서 작동할 때, 기하학적 형상에 따라서, 진동 요소 주위의 유체는 공진기에 어떠한 강성도 기여하지 않을 수 있다. 하지만, 유체의 변위는 약간의 질량에 기여할 수 있으며, 따라서 유체의 밀도가 증가할수록 공진 주파수(ω)는 감소한다.
식 1은 도 6에 묘사되는 무마찰 스프링 및 매스 트롤리 시스템(600) 상의 힘들을 고려함으로써 유도될 수 있다. 예를 들면, 트롤리의 무마찰 흔들림이 외부 힘들로부터의 간섭 없이 개시되는 이유로 시스템(600)이 구동되지 않을 때, 스프링의 압축은 질량의 가속을 초래하는 구동력을 제공할 수 있다. 시스템(600)의 동작은 따라서 식 2에 의해 표현될 수 있다:
, (식 2)
여기서 x 는 트롤리의 변위이고, 는 트롤리의 가속이고, k 는 스프링들의 강성이며, m 은 트롤리의 질량이다. 식 2에 대한 해법이 x = A sin(ωt) 일 때, 식 2는 식 1로 간단하게 된다.
배치가 무마찰일 때의 경우인, 무마찰 스프링과 매스 트롤리 시스템(600)의 흔들리는 스프링 질량 배치에서의 총 에너지가 시간에 따라 일정하게 유지되는 것으로 가정함으로써 식 1이 또한 유도될 수 있다. 이러한 경우에서, 무마찰 스프링 및 매스 트롤리 시스템(600)은 스프링의 응력이 최대이고 질량의 속도가 0인 100% 포텐셜 에너지(potential energy)로부터 속도가 최대이고 스프링의 응력이 0인 100% 키네틱 에너지(kinetic energy)로의 주기적인 전송을 제공할 것이다.
에너지가 100 % 키네틱인 트롤리 흔들림의 종료 지점 위상, 예를 들면 위상(ωt) = 0, 그리고 에너지가 100% 포텐셜인 종료 지점 위상, 예를 들면, 위상(ωt) = 90, 사이에, 키네틱 에너지가 포텐셜 에너지와 동일하게 될 위상(ωt) = 45 이 있다. 식 3은 키네틱 에너지와 포텐셜 에너지가 동일한 트롤리 변위의 위상(ωt) = 45 을 표현한다:
, (식 3)
여기서, k 는 스프링 상수, x 는 거리, m 은 질량, v 는 속도이다. x = A sin(ωt) 그리고 v = Aω cos(ωt) 이고, 여기서 A 는 흔들리는 질량의 최대 변위이고, ω 는 공진 주파수일 때, 식 3은 식 1로 간단하게 된다.
진동계에서, 하지만 진동 요소에 더하여 유체의 이동 에너지는 반드시 고려되어야 한다. 가스에 의한 경우에서와 같이, 유체가 강성을 갖지 않을 때, 이는 포텐셜 에너지에 어떠한 기여도 하지 않는다. 진동계의 적용에서, 식 3은 이하와 같이 적용된다:
(식 4)
여기서, m 은 진동 요소의 질량이고, v 는 진동 요소의 속도이고, m fluid 는 유체의 질량이고, v fluid 는 유체의 속도이고, k 는 진동 요소의 스프링 상수이며, x 는 진동 요소의 변위이다. x = A sin(ωt) 그리고 v = Aω cos(ωt) 이고, 여기서 A 는 진동 요소(202)의 최대 변위일 때, 진동계(200)는 이하에 의해 설명될 수 있다:
, (식 5)
여기서, δ 는 진동 요소의 질량(m)에 대한 유체의 질량(m fluid )의 비이다. 당업자가 이해할 바와 같이, 비(δ)는 유체의 밀도, 진동 요소의 밀도, 그리고 양자의 기하학적 형상에 또한 의존한다. 유사하게, γ 는 진동 요소의 속도(v)에 대한 유체의 속도(v fluid )의 비이다. 식 5는 또한 이하와 같이 재배열될 수 있다:
(식 6)
x = A sin(ωt), v = Aω cos(ωt), 그리고 Z = (1 + δ)(1 + γ)2 이면, 이하와 같다.
. (식 7)
ωt가 45도(키네틱 에너지는 포텐셜 에너지와 동일함)일 때, 이하의 주파수 관계가 적용된다:
(식 8)
여기서, Zm 은 진동 요소(202) 및 유체의 유효 질량이다. 유효 질량(Zm)은 갭 크기에 의존한다.
식 8을 통하여 이해될 수 있는 바와 같이, 시스템의 유효 질량(Zm)을 증가시킴으로써, 진동계의 공진 주파수를 감소시키는 것이 가능할 수 있다.
점도 감도는 진동계에 얼마나 많은 댐핑(damping)이 있는가를 측정하는 것이다. 댐핑의 양은 유체의 변위 속도에 의존할 수 있다. 이하에 추가로 설명되는 바와 같이, 유체의 평균 변위 속도는 유속 부스팅 갭(308)의 크기를 감소시킴으로써 증가될 수 있다.
진동의 주파수(ω)가 매우 낮을 때 참인, 유체의 압축이 없다고 가정하면, 변위된 유체의 질량(m fluid )은 경계 요소(232)가 진동 요소(202)에 가깝게 위치되어, 이들 사이에 더 협소한 갭을 형성할 때, 또는 경계 요소(232)가 진동 요소(202)로부터 멀리 있어서, 더 넓은 갭을 형성할 때와 동일할 수 있다. 하지만, 변위된 유체의 질량이 양쪽 경우들에서 동일하다고 하더라도, 경계 요소(232)가 진동 요소(202)에 더 가까울 때 유체의 평균 변위 속도는 더 높고, 따라서, 비(γ)도 또한 더 높은데, 이는 이하의 도 7a 내지 도 7c에 관해 설명된 이유들 때문이다.
도 7a는 진동 요소(702) 및 경계 요소(732)를 갖는 진동계(700)의 간소화된 단면 영역을 나타내며, 단면 영역은 진동계(700)의 길이방향에 직교한다. 단면도에서 볼 수 있는 바와 같이, 진동계(500)에 대하여 설명된 것과 매우 유사하게, 진동 요소(702) 및 경계 요소(732)는 실질적으로 평면형인 것으로 묘사되고, 진동 요소(702)는 경계 요소(732)에 대하여 위아래로 흔들린다. 유속 부스팅 갭(754)은 경계 요소(732)와 진동 요소(702) 사이에 규정된다.
진동 요소(702)가 임의의 거리로 위아래로 이동할 때, 비록 미세한 양이더라도, 도 7a에 화살표들에 의해 나타낸 바와 같이, 구역(A)의 가스의 체적이 진동 요소(702)의 2개의 단부들 주위에서, 진동 요소(702)의 둘레의 하나의 길이를 따라, 그리고 진동 요소(702)의 둘레의 제2 길이를 따라서 모두 유동함으로써 구역(B)으로 변위될 것이다. 당업자가 이해할 바와 같이, 구역(A)의 유체의 대략 절반이 왼쪽으로 이동할 것이고, 절반은 오른쪽으로 이동할 것이다. 유체가 가스일 때, 분자들은 높은 키네틱 에너지를 갖고, 가스 변위는 진동계(700)의 모든 가스 분자들 중으로 분산될 수 있다.
경계 요소(732)에 관한 진동 요소(702)의 이동은 도 7a 내지 도 7c에서 과장되어 있다. 당업자가 즉시 이해할 바와 같이, 진동 요소(702)의 이동은 진동 요소(702)와 경계 요소(732) 사이의 유속 부스팅 갭의 거리에 관하여 매우 작을 수 있다. 예를 들면, 진동 요소(702)는 육안으로 보이지 않을 수 있고, 그 변위는 약 1미크론 이하일 수 있다.
도 7a 내지 도 7c의 진동 요소(702) 및 경계 요소(732)는 도시의 목적들을 위해 간소화되지만, 설명된 컨셉들(concepts)이 상이하게 성형된 진동 요소들(예를 들면, 실린더형, 평면형, 또는 포크 갈래의 임의의 형상) 그리고 상이하게 성형된 경계 요소들(732)(예를 들면, 실린더형 또는 타원형 하우징들, 또는 평면형 갈래들)을 갖는 진동계들에 적용될 수 있다는 것을 당업자는 즉시 이해할 것이다.
간소화를 위해, 도 7b 및 도 7c는 진동 부재(702)의 단지 절반을 묘사한다. 도 7b는 진동 요소(702)가, 경계 요소(732)로부터 최소 거리 떨어진, 제2 위치(304)를 향하여 이동할 때를 묘사하고, 도 7c는 진동 요소(702)가, 경계 요소(732)로부터 최대 거리에 있는, 제1 위치(302)를 향하여 이동할 때를 표현한다.
경계 요소(732)와 진동 요소(702) 사이의 거리는 유속 부스팅 갭(754)을 규정하며, 진동 요소(702)가 휴지일 때의 그 길이가 설명된다. 예의 유속 부스팅 갭(754)은 3.5 유닛들(units)의 두께, 그리고 54 유닛들의 폭을 갖는다. 진동 요소(702)가 흔들릴 때, 예에서 1 유닛 × 54 유닛들의 치수들을 갖는 유속 부스팅 갭 단면 영역의 크기에서의 변화와 동일한 유체의 유속 부스팅 갭(754)의 영역이 진동 요소(702)에 의해 변위된다. 이는 도 7b에서 볼 수 있으며, 화살표들에 의해 묘사된 바와 같이, 유체는 열(741)로부터 열(740)로, 그리고 그 후 진동 요소(702) 주위로 푸시된다. 키네틱 이론하에서, 변위된 유체는 실질적으로 다시 한 번 균일한 밀도가 되도록 재분산될 것이다. 도 7b의 열(741)의 유체는 진동 부재(702)의 단부의 주위 그리고 진동 부재(702)의 하측을 따라 유동한다. 도 7c에서, 진동 부재(702)는 제1 위치(302)를 향하여 이동하며, 유체를 열(742)로부터 열(743)로 푸시하고, 그 후 구역(B)으로부터 구역(A)으로 재분산될 수 있다.
도 7a 내지 도 7c에 있어서 설명된 간소화된 진동계(700)는 갭 길이가 감소될 때 밀도 및 점도 감도가 왜 증가하는지의 양질의 설명을 제공하는 것을 의도한다. 단진동(simple harmonic motion)에서, 유체의 변위는 주기적이고 연속적이며, 따라서 당업자는 속도 구배가 존재할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 예를 들면, 진동 요소(702)에 가까운 평균 유속이 가장 높을 수 있고, 평균 유속은 경계 요소로부터의 거리가 증가할수록 줄어들 수 있다.
유체가 비교적 짧은 유속 부스팅 갭(754)에 비하여 진동 요소(702)의 둘레 주위의 긴 거리를 이동해야만 하기 때문에, 유체는 더 긴 갭 거리를 갖는 진동계에 걸쳐 더 큰 평균 변위를 가질 것이다. 유사하게, 유속 부스팅 갭(754)의 길이가 실질적으로 진동 요소(702)의 둘레 주위의 거리 미만일 때 진동계(700) 내의 유체의 평균 변위 속도는 또한 더 클 것이다. 유체의 평균 변위 속도가 증가할수록, 유체의 평균 키네틱 에너지도 또한 증가할 것인데, 이는 키네틱 에너지가 속도 제곱에 비례하기 때문이다. 모델링(modeling) 및 실험실 실험들은 갭이 좁아짐에 따라, 갭(754)이 절반이 되는 지점이 있고, 구역들(A 및 B) 사이의 유체의 평균 변위 속도는, 4배의 키네틱 에너지 증가에 대응하는 대략 2배인 것으로 판정하였다.
진동 요소(702)의 단면 영역의 둘레 주위의 비교적 긴 거리를 이동하는 유체에 있어서 상기 설명된 원리들이 더 작은 유속 부스팅 갭(754)에 비교하여 진동 요소(702)의 길이방향 치수에 또한 적용될 것을 당업자는 또한 이해할 것이다. 따라서, 예들에서, 유속 부스팅 갭(308, 408, 508, 754)에 대한 진동 요소(202, 402, 502, 702)의 길이방향 길이의 비는 또한 160보다 더 클 수 있다.
도 7a 내지 도 7c에 있어서 설명된 물리학은 또한 상이한 유체 유동들을 제공할 수 있는 진동계 조립체들의 다른 실시예들에 또한 적용된다는 것을 당업자는 추가로 이해할 것이다.
예를 들면, 도 4b는 실린더형 진동 요소(402)의 흔들림을 묘사한다. 도 4b에서, 진동 부재(402)에 중심맞춤된 점선에 의해 표현된 바와 같이, 실린더형 진동 부재(402)는, 양극들(anodes)에서 방사상으로 변위된다. 진동 부재(402)의 흔들림 동안의 유체의 유동은 도 4b에서 화살표들에 의해 표현된다. 0.25 ㎜ 이하의 평균 갭 거리, 또는 160 이상인 평균 갭 거리에 대한 갭 둘레 길이의 비를 제공함으로써, 진동 부재(402) 주위의 유속을 증가시키는 것이 가능하다.
진동 요소(702)와 경계 요소(732) 사이의 유속 부스팅 갭(754)을 0.5 ㎜의 갭 크기로부터 0.25 ㎜의 갭 크기로 좁힐 때, 가스의 평균 변위 유속이 적어도 2배인 것이 발견되었다. 하지만, 당업자가 즉시 이해할 바와 같이, 이는 진동계의 기하학적 형상과 어떠한 유체가 테스트 중인가에 근거하여 변할 수 있다.
밀도 감도는 공진 주파수 대 유체 밀도의 변화이고 종종 ㎏/㎥ 당 ㎐ 또는 ㎏/㎥ 당 ㎲로 측정된다. 상기 식 5 내지 식 8에 의해 제공된 바와 같이, 진동계(700)의 좁은 갭에 의해 제공되는 유체의 속도의 평균 증가는 진동계(700)에 걸쳐 유체의 유효 질량의 증가를 제공하고, 따라서 조합된 진동계 및 유체의 공진 주파수의 증가를 제공한다.
도 8a는 밀도 감도 대 갭 크기의 차트(800)를 묘사한다. 차트(800)의 y-축은 정상화된(normalized) 밀도 감도 유닛들이고, x-축은 밀리미터의 갭 크기이다. 정상화된 밀도 감도 유닛은 경계 부재가 없는, 또는 너무 넓어서 속도 부스팅 효과가 없는 갭을 형성하는 경계 부재를 갖는 진동 부재를 갖는 진동계에 대하여 정상화된다.
차트(800)는, 몰입형 밀도계 또는 점도계가 하우징을 갖지 않거나, 예를 들면 진동 요소의 단면 폭과 비교할 때 매우 큰 하우징을 갖는 경우일 수 있는, 경계 요소가 없을 때의 밀도 감도를 표시하는 라인(802)을 포함한다. 라인(804)은 상이한 갭 크기들에 대한 밀도 감도의 실험 결과들을 따른다. 도 8a로부터 볼 수 있는 바와 같이, 0.25 ㎜의 갭 크기를 갖는 진동계는 경계 요소가 없고, 따라서 갭이 없는 진동계보다 10배 더 큰 밀도 감도의 증가를 제공할 수 있다. 경계 요소가 없는 종래의 진동계들은 대략 140 ㎱/㎏/㎥의 밀도 감도를 갖는 것으로 판정되었다. 따라서, 10의 정상화된 밀도 감도 유닛들은 1,400 ㎱/㎏/㎥와 등가이다. 유사하게, 0.15 ㎜의 갭 크기를 갖는 진동계가 경계 요소가 없는 진동계보다 20배 더 큰 밀도 감도를 제공할 수 있다.
점도 감도는 댐핑 대 점도의 변화로서 규정될 수 있다. 댐핑을 판정하는 하나의 방법은 진동계에 대한 공진 피크(resonance peak)의 넓이를 측정하는 것이다. 종래적으로, 이는, 품질 지수(Q)에 의해 규정되며, Q = 공진 주파수/대역폭(bandwidth)이다.
액체를 측정하는 진동계에 대하여, 점도는 대략적으로 1/Q2에 비례한다. 점도(η)를 판정하는데 사용되는 식은 이하와 같다:
, (식 9)
여기서 V0 및 V1은 교정 계수들이고, 점도 감도는 V1이다. 2개의 유체들이 측정될 때, 점도 그리고 각각의 유체 및 로부터 측정되는 Q 지수들을 사용하여 점도 감도(V1)를 판정하는 것이 가능하다. 점도 감도(V1)에 대한 식들의 이러한 시스템을 푸는것에 의해, 식 10에 도달한다:
. (식 10)
이하의 식 11은 품질 지수(Q), 밀도(ρ), 및 진동 요소의 공진 주파수(ω0)에 대한 유체의 점도(η)의 관계를 광범위하게 캡쳐한다:
. (식 11)
유체가 액체일 때, 밀도(ρ) 및 공진 주파수(ω0)를 포함하는 마지막 항은 무시될 수 있다. 볼 수 있는 바와 같이, 식 11에 의해 표현된 액체의 점도는 따라서 식 9에 의해 표현된 액체의 점도와 대략 동일한 형태가 된다. 따라서, 식 10은 또한 액체에 대한 점도 감도의 양호한 근사치일 수 있다.
도 8b는, 점도 감도 대 갭 크기를 묘사하는 차트(850)를 묘사한다. 차트(850)의 y-축은 정상화된 점도 감도 유닛들이고, x-축은 밀리미터의 갭 크기이다. 정상화된 점도 감도 유닛은 경계 부재가 없는, 또는 너무 넓어서 속도 부스팅 효과가 없는 갭을 형성하는 경계 부재를 갖는 진동 부재를 갖는 진동계에 대하여 정상화된다.
차트(850)는 경계 요소가 없을 때의 점도 감도를 표시하는 라인(852)을 포함한다. 도 8b는 상이한 갭 크기들에 대한 점도 감도의 실험 결과들을 따르는 라인(854)을 추가로 묘사한다. 도 8b로부터 볼 수 있는 바와 같이, 0.25 ㎜의 갭 크기를 갖는 진동계는 경계 요소가 없고, 따라서 갭이 없는 진동계보다 1,000배 넘게 더 큰 점도 감도의 증가를 제공할 수 있다. 경계 요소가 없는 종래의 진동계들은 대략 1.949 × 10-10 μ㎩.s의 점도 감도를 갖도록 판정되어서, 0.25 ㎜의 갭에 대한 점도 감도는 1.949 × 10-7 μ㎩.s이다. 유사하게, 0.15 ㎜의 갭 크기를 갖는 진동계가 경계 요소가 없는 진동계보다 16,000배 넘게 더 큰 점도 감도를 제공할 수 있다.
도 9a 및 도 9b는, 본 출원의 실시예들의 유효성을 추가로 나타내는 실험 데이터 차트들(900 및 950)을 묘사한다. 차트(900)는 측정 중인 가스가 대기와 질소(N2) 사이에서 전환될 때 진동계를 사용하여 측정되는 시간 기간(주파수(ω)의 역)의 변화를 묘사한다. 주파수(ω)와 마찬가지로, 측정된 시간 기간은 테스트 중인 유체의 밀도에 비례한다. 종래의 진동계들은 대기와 N2의 밀도들 사이의 차이를 해결할 수 없었지만, 본 출원의 실시예들에 의해 제공되는 개선들은 밀도 감도를 증가시킬 수 있어서 차이들이 이제 검출 가능할 수 있다.
차트(950)는 측정 중인 가스가 대기와 질소(N2) 사이에서 전환될 때 측정되는 품질 지수(Q)의 변화를 묘사한다. 종래의 진동계들은 대기와 질소(N2) 사이의 품질 지수(Q), 또는 점도의 차이를 해결할 수 없었다. 하지만, 본 출원에서 설명된 개선들은 점도 감도를 증가시킬 수 있어서 품질 지수(Q) 또는 점도의 차이들이 이제 검출 가능하다.
따라서, 볼 수 있는 바와 같이, 진동 요소와 경계 요소 사이의 유속 부스팅 갭(308, 408, 508, 754)을 더 좁게 만드는 것에 의해, 유체의 평균 변위 속도가 증가될 수 있고, 진동계의 밀도 감도 및 점도 감도도 또한 증가될 수 있다. 하지만, 갭이 너무 좁아지게 된다면 진동계의 성능이 제한된다. 하나의 이유는 진동 요소와 경계 요소에 대한 기계가공 공차들을 관리하는 것이 매우 어려울 수 있기 때문이다. 게다가, 갭이 너무 좁으면, 진동계의 원치않는 압력 강하를 야기할 수 있다. 마지막으로, 갭이 너무 좁으면, 미립자들이 그 안에 축적될 수 있어서, 유체의 막힘들을 잠재적으로 야기한다. 하지만 갭 크기가 0.1 ㎜ 초과일 때 이러한 문제들은 통상적으로 발생하지 않는 것이 실험실에서 관찰되었다.
실시예에서, 갭은 0.25 ㎜ 이하의 폭일 수 있다. 추가의 실시예에서, 갭은 0.2 ㎜, 또는 0.15 ㎜ 이하일 수 있다. 추가의 실시예에서, 갭은 0.2 ㎜ 내지 0.1 ㎜ 사이일 수 있다. 실시예들에서, 진동계는 제1 및 제2 위치들(302, 304) 사이에서 0.1 ㎜ 만큼 이동할 수 있다. 하지만, 추가의 실시예들에서, 진동계는 제1 및 제2 위치들(302, 304) 사이에서 1 미크론 이하만큼 이동할 수 있다.
실시예들에서, 진동 요소(202)는 제1 갈래(234a)를 포함할 수 있고 경계 요소(232)는 하우징(204)을 포함할 수 있다. 예를 들면, 도 3a 내지 도 3c는 제1 갈래(234a) 및 제2 갈래(234b)를 포함하는 포크를 갖는 진동계(200)를 묘사한다. 갭(308)이 제1 갈래(234a)와 하우징(204) 사이에 규정된다. 예에서, 갭(308)은 제2 갈래(234b)와 하우징 사이에서도 또한 추가로 규정될 수 있다.
추가의 실시예들에서, 진동 요소는 제1 갈래를 포함할 수 있고, 경계 요소는 제2 갈래를 포함할 수 있다. 예를 들면, 도 10은 진동계(1000)를 묘사한다. 진동계(1000)는 진동 요소(1002)의 둘레보다 비례적으로 더욱 크고 이를 둘러싸는 하우징(1004)을 포함하는 것을 제외하고 진동계(200)와 유사하다. 이러한 이유로 인해, 하우징(1004)과 진동 요소(1002) 사이의 유체의 평균 변위 속도는 하우징(1004)과 진동 요소(1002) 사이의 유체의 이동에 의해 현저하게 영향을 받지 않는다.
진동계(1000)는 경계 요소(1032)로서 역할을 하는 제2 갈래(1034b)와 함께, 진동 요소(1002)로서 역할을 하는 제1 갈래(1034a)를 대신 포함하고, 이들은 유체의 평균 변위 속도를 증가시킬 수 있는 갭(1008)을 규정한다. 따라서 진동계(1000)는 상기 진동계들(200 및 700)에 관하여 설명된 바와 같은 유사한 이유들로 밀도 및 점도 감도를 증가시킬 수 있다.
실시예들에서, 진동 요소는 실린더를 포함할 수 있다. 예를 들면, 진동 요소는 도 4a에 묘사된 것과 같은 실린더 공진기를 포함할 수 있다. 추가의 실시예들에서, 진동 요소는 평면형 공진기를 포함할 수 있다. 예를 들면, 도 5a 및 도 5b는 평면형 공진기(550)의 예를 묘사한다.
실시예들에서, 측정되는 유체가 가스일 때 진동계의 밀도 감도는 1,400 ㎱/㎏/㎥보다 더 클 수 있다.
실시예들에서, 상기 설명된 바와 같이, 유체가 가스일 때, 점도 감도는 1.949 × 10-7 μ㎩.s보다 더 클 수 있다.
도 11은 실시예에 따른 방법(1100)을 묘사한다. 방법(1100)은 단계(1102)에 의해 시작된다. 단계(1102)에서, 진동 요소는 드라이버 및 전자기기를 사용하여 제1 위치와 제2 위치 사이에서 구동된다. 예를 들면, 진동계(200)에 관하여 상기 설명된 바와 같이, 진동 요소(202)는 드라이버 및 전자기기를 사용하여 제1 위치(302)와 제2 위치(304) 사이에서 구동된다.
방법(1100)은 단계(1104)에 의해 계속된다. 단계(1104)에서, 진동 요소의 자연 주파수(ω)가 센서 및 전자기기를 사용하여 판정된다. 예를 들면, 진동계(200)에 관하여 상기 설명된 바와 같이, 진동 요소(202)의 자연 주파수(ω)는 센서 및 전자기기를 사용하여 판정될 수 있다.
도 12는 실시예에 따른 방법(1200)을 묘사한다. 방법(1200)은 단계(1202)에 의해 시작된다. 단계(1202)에서, 진동 요소가 제공된다. 예를 들면, 상기 설명된 바와 같이, 진동 요소들(202, 402, 502, 702, 1002)이 제공될 수 있다.
방법(1200)은 단계(1204)에 의해 계속된다. 단계(1204)에서, 경계 요소가 제공된다. 예를 들면, 상기 설명된 바와 같이, 경계 요소들(232, 432, 532, 732, 1032)이 제공될 수 있다.
방법(1200)은 단계(1206)에 의해 계속된다. 단계(1206)에서, 경계 요소는 진동 요소에 인접하게 결합되어 갭을 규정한다. 예를 들면, 상기 설명된 바와 같이, 경계 요소(232, 432, 532, 732, 1032)는 진동 요소(202, 402, 502, 702, 1002)에 결합되어 유속 부스팅 갭(308, 408, 508, 754, 1008)를 규정할 수 있다.
방법(1200)은 단계(1208)에 의해 계속된다. 단계(1208)에서 전자기기는 진동계에 결합된다. 예를 들면, 상기 설명된 바와 같이, 전자기기(118)는 진동계(200, 400, 500, 700, 1000)에 결합될 수 있다.
상기 실시예들의 상세한 설명들은 본 설명의 범주 내에 있는 발명자들에 의해 고려되는 모든 실시예들의 철저한 설명들은 아니다. 실제로, 당업자는 상기 설명된 실시예들의 특정 요소들이 추가의 실시예들을 생성하기 위해 다양하게 조합되거나 삭제될 수 있고, 이러한 추가의 실시예들이 본 설명의 범주 및 교시들 내에 속하는 것을 인지할 것이다. 상기 설명된 실시예들은 본 설명의 범주 및 교시들 내의 부가적인 실시예들을 생성하기 위해 전체로 또는 부분적으로 조합될 수 있다는 것이 당업자에게는 또한 명백할 것이다.
따라서, 당업자에 의해 인지될 바와 같이, 비록 특정한 실시예들이 도시의 목적들을 위해 여기서 설명되지만, 다양한 등가의 수정들이 본 설명의 범주 내에서 가능하다. 여기서 제공되는 교시들은 단지 상기에 설명되고 첨부한 도면들에 도시된 실시예들에 대해서만이 아니라, 다른 진동계들에도 적용될 수 있다. 따라서, 상기에 설명된 실시예들의 범주는 이하의 청구 범위들로부터 판정되어야 한다.

Claims (26)

  1. 진동계(vibrating meter)(200, 400, 500, 700, 1000)로서,
    길이방향(228) 그리고 상기 길이방향(228)에 직교하는 평면(231)에 단면 영역(230)을 포함하는 진동 요소(vibrating element)(202, 402, 502, 702, 1002) ― 상기 진동 요소(202, 402, 502, 702, 1002)는 상기 길이방향(228)에 직교하는 상기 평면(231)의 제1 위치(302)와 제2 위치(304) 사이에서 이동함 ―;
    상기 진동 요소(202, 402, 502, 702, 1002)에 인접한 경계 요소(boundary element)(232, 432, 532, 732, 1032); 및
    상기 제1 위치(302)와 상기 제2 위치(304) 사이에서 상기 진동 요소(202, 402, 502, 702, 1002)를 구동시키기 위해 작동 가능한 전자기기(electronics)(118)를 포함하고,
    상기 경계 요소(232, 432, 532, 732, 1032) 및 상기 진동 요소(202, 402, 502, 702, 1002)는 상기 길이방향(228)에 직교하는 상기 평면(231)에 유속 부스팅 갭(fluid velocity boosting gap)(308, 408, 508, 754, 1008)을 규정하고, 상기 유속 부스팅 갭(308, 408, 508, 754, 1008)은 상기 진동 요소(202, 402, 502, 702, 1002)가 중립 위치에 있을 때 상기 경계 요소(232, 432, 532, 732, 1032)와 상기 진동 요소(202, 402, 502, 702, 1002) 사이의 평균 갭 거리(309, 409, 509)를 갖고, 상기 진동 요소(202, 402, 502, 702, 1002)는 갭 둘레 길이를 갖는 상기 유속 부스팅 갭(308, 408, 508, 754, 1008)을 대면하는 상기 평면(231)의 상기 단면 영역(230) 주위에 갭-대면 둘레 섹션(gap-facing perimeter section)(211)을 갖고, 상기 평균 갭 거리(309, 409, 509)에 대한 상기 갭 둘레 길이의 비(ratio)는 적어도 160이고, 상기 평균 갭 거리(309, 409, 509)는 적어도 0.1 mm인,
    진동계(200, 400, 500, 700, 1000).
  2. 진동계(200, 400, 500, 700, 1000)로서,
    길이방향(228) 그리고 상기 길이방향(228)에 직교하는 평면(231)에 단면 영역(230)을 포함하는 진동 요소(202, 402, 502, 702, 1002) ― 상기 진동 요소(202, 402, 502, 702, 1002)는 상기 길이방향(228)에 직교하는 상기 평면(231)의 제1 위치(302)와 제2 위치(304) 사이에서 이동함 ―;
    상기 진동 요소(202, 402, 502, 702, 1002)에 인접한 경계 요소(232, 432, 532, 732, 1032); 및
    상기 제1 위치(302)와 상기 제2 위치(304) 사이에서 상기 진동 요소(202, 402, 502, 702, 1002)를 구동시키기 위해 작동 가능한 전자기기(118)를 포함하고,
    상기 경계 요소(232, 432, 532, 732, 1032) 및 상기 진동 요소(202, 402, 502, 702, 1002)는 상기 길이방향(228)에 직교하는 상기 평면(231)에 유속 부스팅 갭(308, 408, 508, 754, 1008)을 규정하고, 상기 유속 부스팅 갭(308, 408, 508, 754, 1008)은 상기 진동 요소(202, 402, 502, 702, 1002)가 중립 위치에 있을 때 상기 경계 요소(232, 432, 532, 732, 1032)와 상기 진동 요소(202, 402, 502, 702, 1002) 사이의 평균 갭 거리(309, 409, 509)를 갖고, 상기 평균 갭 거리(309, 409, 509)는 0.25 ㎜ 내지 0.1 mm인,
    진동계(200, 400, 500, 700, 1000).
  3. ◈청구항 3은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 평균 갭 거리(309, 409, 509)는 0.2 ㎜ 이하인,
    진동계(200, 400, 500, 700, 1000).
  4. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 진동 요소(202)는 제1 갈래(tine)(234a)이고, 상기 경계 요소(232)는 하우징(housing)(204)인,
    진동계(200).
  5. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 진동 요소(1002)는 제1 갈래(1034a)이고, 상기 경계 요소(1032)는 제2 갈래(1034b)인,
    진동계(1000).
  6. ◈청구항 6은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 진동 요소(402)는 실린더(cylinder)(116)인,
    진동계(400).
  7. ◈청구항 7은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 진동 요소(502, 702)는 평면형 공진기(planar resonator)(550)인,
    진동계(500, 700).
  8. ◈청구항 8은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 진동계에 의해 측정되는 유체가 가스(gas)일 때, 상기 진동계(200, 400, 500, 700, 1000)의 밀도 감도(density sensitivity)가 1,400 ㎱/㎏/㎥보다 더 큰,
    진동계(200, 400, 500, 700, 1000).
  9. ◈청구항 9은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 진동계에 의해 측정되는 유체가 가스일 때, 점도 감도(viscosity sensitivity)가 1.949 × 10-7 μ㎩.s보다 더 큰,
    진동계(200, 400, 500, 700, 1000).
  10. 제1 항 또는 제2 항에 규정된 바와 같은, 진동계(200, 400, 500, 700, 1000)를 사용하여 유체의 점도 또는 밀도를 판정하는 방법으로서,
    드라이버(driver)(112) 및 전자기기(118)를 사용하여 상기 진동 요소(202, 402, 502, 702, 1002)를 상기 제1 위치(302)와 상기 제2 위치(304) 사이에서 구동하는 단계; 및
    센서(sensor) 및 상기 전자기기(118)를 사용하여 상기 진동 요소(202, 402, 502, 702, 1002)의 자연 주파수(natural frequency)를 판정하는 단계를 포함하는,
    진동계를 사용하여 유체의 점도 또는 밀도를 판정하는 방법.
  11. ◈청구항 11은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제10 항에 있어서,
    상기 평균 갭 거리(309, 409, 509)는 0.2 ㎜ 이하인,
    진동계를 사용하여 유체의 점도 또는 밀도를 판정하는 방법.
  12. ◈청구항 12은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제10 항에 있어서,
    상기 진동 요소(202)는 제1 갈래(234a)이고, 상기 경계 요소(232)는 하우징인,
    진동계를 사용하여 유체의 점도 또는 밀도를 판정하는 방법.
  13. ◈청구항 13은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제10 항에 있어서,
    상기 진동 요소(1002)는 제1 갈래(1034a)이고, 상기 경계 요소(1032)는 제2 갈래(1034b)인,
    진동계를 사용하여 유체의 점도 또는 밀도를 판정하는 방법.
  14. ◈청구항 14은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제10 항에 있어서,
    상기 진동 요소(202, 402, 502, 702, 1002)는 실린더(116)인,
    진동계를 사용하여 유체의 점도 또는 밀도를 판정하는 방법.
  15. ◈청구항 15은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제10 항에 있어서,
    상기 진동 요소(502)는 평면형 공진기(550)인,
    진동계를 사용하여 유체의 점도 또는 밀도를 판정하는 방법.
  16. ◈청구항 16은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제10 항에 있어서,
    상기 유체가 가스일 때, 상기 진동계(200, 400, 500, 700, 1000)의 밀도 감도가 1,400 ㎱/㎏/㎥보다 더 큰,
    진동계를 사용하여 유체의 점도 또는 밀도를 판정하는 방법.
  17. ◈청구항 17은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제10 항에 있어서,
    상기 유체가 가스일 때, 점도 감도가 1.949 × 10-7 μ㎩.s보다 더 큰,
    진동계를 사용하여 유체의 점도 또는 밀도를 판정하는 방법.
  18. ◈청구항 18은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제10 항에 있어서,
    상기 진동 요소(202, 402, 502, 702, 1002)가 상기 제1 위치(302)와 상기 제2 위치(304) 사이에서 구동되는 구동 주파수는 600 ㎐ 미만인,
    진동계를 사용하여 유체의 점도 또는 밀도를 판정하는 방법.
  19. 제1 항 또는 제2 항에 의해 규정된 바와 같은, 진동계(200, 400, 500, 700, 1000)를 조립하는 방법으로서,
    상기 진동 요소(202, 402, 502, 702, 1002)를 제공하는 단계;
    상기 경계 요소(232, 432, 532, 732, 1032)를 제공하는 단계;
    상기 유속 부스팅 갭(308, 408, 508, 754, 1008)을 규정하기 위해 상기 경계 요소(232, 432, 532, 732, 1032)를 상기 진동 요소(202, 402, 502, 702, 1002)에 인접하게 결합하는 단계; 및
    상기 전자기기(118)를 상기 진동계(200, 400, 500, 700, 1000)에 결합하는 단계를 포함하는,
    진동계를 조립하는 방법.
  20. ◈청구항 20은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제19 항에 있어서,
    상기 평균 갭 거리(309, 409, 509)는 0.2 ㎜ 이하인,
    진동계를 조립하는 방법.
  21. 제19 항에 있어서,
    상기 진동 요소(202)는 제1 갈래이고, 상기 경계 요소(232)는 하우징인,
    진동계를 조립하는 방법.
  22. 제19 항에 있어서,
    상기 진동 요소(1002)는 제1 갈래(1034a)이고, 상기 경계 요소(1032)는 제2 갈래(1034b)인,
    진동계를 조립하는 방법.
  23. ◈청구항 23은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제19 항에 있어서,
    상기 진동 요소(202, 402, 502, 702, 1002)는 실린더(116)인,
    진동계를 조립하는 방법.
  24. 제19 항에 있어서,
    상기 진동 요소(502)는 평면형 공진기(550)인,
    진동계를 조립하는 방법.
  25. 제19 항에 있어서,
    상기 진동계에 의해 측정되는 유체가 가스일 때, 상기 진동계(200, 400, 500, 700, 1000)의 밀도 감도가 1,400 ㎱/㎏/㎥보다 더 큰,
    진동계를 조립하는 방법.
  26. ◈청구항 26은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제19 항에 있어서,
    상기 진동계에 의해 측정되는 유체가 가스일 때, 점도 감도가 1.949 × 10-7 μ㎩.s보다 더 큰,
    진동계를 조립하는 방법.
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