KR20030060960A - 자이로 질량 유량계 - Google Patents

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KR20030060960A KR10-2003-7007199A KR20037007199A KR20030060960A KR 20030060960 A KR20030060960 A KR 20030060960A KR 20037007199 A KR20037007199 A KR 20037007199A KR 20030060960 A KR20030060960 A KR 20030060960A
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Abstract

본 발명은 물질 유동에 대한 질량 유량과 같은 물질 유동 정보를 결정하기 위해 코리올리력이 아닌 자이로스코프힘을 이용하는 제 1 실시예(1500)를 가지는 질량 유량계를 개시한다. 흐름관(400)의 내부는 흐름관 안에서의 물질 유동에 스핀을 부여하는 나선형 요소(300)를 형성한다. 흐름관은 구동기(D)에 의해 횡방향으로 진동된다. 이러한 횡방향 진동과 물질 유동에 부여된 스핀은 함께 흐름관 안에 자이로스코프힘을 발생시킨다. 이 자이로스코프힘에 기인한 흐름관 편향의 크기는 유량계 내에서의 물질 유동의 크기와 연관되며, 물질 유동 정보를 결정하기 위해 측정된다. 유량계의 제 2 실시예(1600)는 진동하는 흐름관 상의 코리올리력을 검출하는 추가의 기능을 하며, 검출된 코리올리력으로부터 물질 유동 정보를 발생시킨다. 코리올리 기반(based) 물질 유동 정보 및 자이로스코프 기반 물질 유동 정보는 모두 연결된 계측 전자부품에 인가되는데, 이러한 계측 전자부품은 비교 및 에러 체크와 보상과 같은 다른 목적을 위해 2개의 세트의 정보를 사용한다.

Description

자이로 질량 유량계{GYROSCOPIC MASS FLOWMETER}
질량 유량계는 물질의 체적 유량이 아닌 질량 유량을 측정한다. 화학 반응, 처방, 보관 이송 및 기타 다른 응용 분야를 위해 질량 측정이 종종 필요하기 때문에 이들 질량 유량계가 바람직하다. 또한, 질량 유량계의 정확성은 물질 밀도, 온도 또는 점도의 변화에 의해 부여되지 않는다. 코리올리 효과 질량 유량계는 적어도 20년 동안 시판되어 왔다. 질량과 밀도를 측정하는데 있어서 정확성 및 능력때문에 이들 유량계가 선호되고 있다. 그러나, 코리올리 유량계의 고비용은 시장에서의 이들 유량계의 허용을 제한하고 있다.
종래의 하나의 곧은관 코리올리 질량 유량계에서, 흐름관은 평행한 밸런스 바에 양 단부가 연결되어 있다. 흐름관은 공진 주파수에서 밸런스 바에 대해 구동 평면에서 이위상(out of phase)으로 진동된다. 전자기 구동기는 원하는 진동의 진폭을 유지시킨다. 흐름관 및 밸런스 바는 서로에 대해 카운터밸런스(counterbalance)로서 기능하여, 동역학적으로 균형잡힌 구조물을 만든다. 흐름관을 따라 2개의 위치에 속도 센서가 배치되어, 흐름관 및 밸런스 바 사이에서 상대 속도를 측정한다. 이 속도 센서는 대개 흐름관의 중점으로부터 상류 및 하류로 대개 일정한 거리에 위치한다.
진동하는 흐름관은 흐름관의 상류 절반과 하류 절반 상에 회전을 부여한다. 이러한 회전은 흐름관의 진동 방향을 따라 정지 및 변화한다. 흐름관의 고정 단부는 회전용 피봇 지점이고, 흐름관의 종축 중심은 최대 진폭 지점이다. 흐름관의 회전 세그먼트를 통과해서 이동하는 물질은 코리올리 힘을 생성시키는데, 이 코리올리 힘은 흐름관을 변형시키고, 속도 센서에 의해 신호 출력 사이에 위상 딜래이(phase delay)를 발생시킨다. 이러한 속도 센서 출력 신호 사이의 위상 딜래이는 물질의 질량 유량에 비례한다.
종래의 하나의 곧은관 코리올리 질량 유량계는 굽힘에 상당히 강성(stiff)인 짧은 곧은 흐름관을 가진다. 높은 강성도(stiffness)로 인해, 흐름관 진동의 보다 높은 모드에 대해 높은 주파수가 된다. 진동의 종동 모드(driven mode)는 대개 최하의 주파수를 가지는 모드 즉, 제 1 굽힘 모드이다. 이러한 모드에서, 흐름관 및 밸런스 바 모두는 구동 평면으로 서로에 대해 이위상을 진동시킨다. 이러한 진동 모드의 형상은 진동하는 기타 스프링의 형상과 동일하다. 최대 진동 진폭은 중심에 있고, 노드(node)(고정점)는 단부상에 있다. 구동기는 흐름관 및 밸런스 바가 진동하는 것을 유지시키고, 흐름관 및 밸런스 바의 중앙에 위치한다.
곧은 흐름관 구조를 가지면, 코리올리 힘은 흐름관을 제 2 굽힘 모드의 형상으로 굽어지게 한다. 이 제 2 굽힘 모드는 연장된 S자 형상이며 3개의 노드를 가진다. 2개의 노드는 흐름관 단부 상에 위치하고, 세번째 노드는 중앙에 위치한다. 흐름관이 제 2 굽힘 모드로 진동하는 경우, 흐름관의 2개의 절반부(중앙의 구동기의 양쪽상에 위치)는서로에 대해 이위상으로 진동한다. 제 2 굽힘 모드는 제 1 굽힘 모드의 거의 3배인 공진 주파수를 가진다. 흐름관이 상당히 강성이고 제 2 굽힘 모드의 형상으로 흐름관을 굽히는 것이 상당히 어렵기 때문에, 이것은 높은 공진 주파수이다.
구동 주파수(제 1 굽힘 모드의 공진 주파수)에서 흐름관에 코리올리 힘이 가해진다. 흐름관은 수평이며 제 1 굽힘 모드에서 수직 구동 평면으로 진동한다고 가정한다면, 흐름관의 코리올리 변형도 구동 평면에 있고, 제 2 굽힘 모드의 형상을 가진다. 물질이 좌측으로부터 우측으로 유동한다면, 그리고 흐름관 중심이 제로 변위 지점을 통과하면서 아래로 이동한다면, 흐름관의 좌측 절반 상의 코리올리 힘은 위쪽 방향에 있는 한편, 흐름관의 우측 절반 상의 코리올리 힘은 아래 방향에 있다. 흐름관이 제로 변위를 통과하며 위로 이동하는 경우, 코리올리 힘의 방향은 반대가 된다. 구동 주파수에서 사인파식(sinusoidal manner)(시간에 대해)으로 흐름관에 코리올리 힘이 인가된다. 이 코리올리 힘은 흐름관 속도가 정점에 있는 경우 최고가 되고, 방향이 변해서 흐름관 속도가 제로가 되면 최하가 된다.
코리올리 힘은 제 1 모드 (구동) 주파수가 아니라 제 2 굽힘 모드에서 흐름관을 편향시킨다. 이 구동 주파수는 아직까지 제 2 굽힘 모드의 공진 주파수 이하인데, 이 공진 주파수는 코리올리 힘으로 인한 흐름관의 최대 편향이 매우 낮다. 코리올리 편향은 진폭에서, 코리올리 힘의 정적 적용으로부터 기인하게 되는 정적편향에 필적된다. 따라서, 물질 유동으로 인한 코리올리 힘은 제 1 굽힘 모드 공진 주파수로부터 멀리 제거된 주파수(제 1 굽힘)에서의 상당히 강성 모드 형상( 제 2 굽힘)으로 강성의 흐름관을 변형시킨다. 이 결과, 상당히 작은 흐름관의 코리올리 편향과, 2개의 속도 센서에 의해 발생된 신호들 사이의 상당히 작은 위상차가 발생한다. 종래의 유량계를 통해 최대 유량에 기인한 2개의 신호 사이의 종래의 시간 딜래이(주파수에 의해 분리된 위상차)는 10마이크로초(microseconds)이다. 유량계가 최대 유동의 10퍼센트에서 0.15%에러만을 가진다면, 이후 시간 딜래이 측정의 정확성은 1.5나노초(1.5×10-9초) 이상을 가진다. 이러한 작은 시간 증분(increment)을 정확하게 측정하는 것은 매우 정교하고 고가의 전자장치를 유규한다.
본 발명은 유량계에 관한 것이며, 보다 상세하게는 진동하는 흐름관 내부의 물질 유동에 스핀을 부여하고, 이 물질 유동에 관한 정보를 결정하도록 발생된 자이로스코프 힘을 측정하는 유량계에 관한 것이다.
도 1은 세차운동 스핀 축선을 가지는 자이로스코프의 도면이다.
도 2는 세차운동이 방지된 자이로스코프의 도면이다.
도 3은 나선형 배플을 개시한다.
도 4는 흐름관에 내장된 나선형 배플을 개시한다.
도 5는 트위스팅된 한 쌍의 흐름관을 개시한다.
도 6은 함께 트위스팅된 흐름관과 고형체 막대를 도시한다.
도 7은 일직선 막대 둘레로 트위스팅된 흐름관을 도시한다.
도 8은 코일 형상을 가지는 흐름관을 도시한다.
도 9, 도 10 및 도 11은 스핀형 물질 유동을 가지는 진동하는 외팔보 흐름관을 개시한다.
도 10 및 도 11은 유동을 가지는 흐름관의 운동과 유동을 가지지 않는 흐름관의 운동을 각각 나타내는 도 9의 흐름관의 단부도이다.
도 12는 개념적인 진동하는 흐름관을 도시한다.
도 13은 한 쌍의 진동하는 흐름관을 도시한다.
도 14는 스핀형 물질 유동을 가지는, 양 단부가 고정된 진동하는 흐름관을 개시한다.
도 15는 자이로스코프형 유량계의 횡단면의 하나의 가능한 바람직한 예시적인 실시예를 개시한다.
도 16은 혼합형 자이로스코프형/코리올리형 유량계의 횡단면의 가능한 바람직한 예시적인 실시예를 개시한다.
도 17은 커넥팅 링의 세부도를 개시한다.
도 18은 밸런스 바의 세부도를 개시한다.
도 19는 계측 전자부품(1520)의 가능한 제 1 실시예를 개시한다.
도 20은 계측 전자부품(1520)의 가능한 제 2 실시예를 개시한다.
도 21은 계측 전자부품(1620)의 가능한 제 1 실시예를 개시한다.
본 발명은 물질 유동 측정에 코리올리 힘이 아닌 자이로스코프 힘(gyroscopic force)을 사용함으로써 종래의 코리올리 질량 유량계의 문제를 극복한다. 본 발명의 하나의 가능한 예시적인 실시예에 따르면, 물질 유동이 흐름관을 통과할 때 흐름관의 종축선을 중심으로 물질 유동에 스핀을 부여하는 내부 나선형 배플(helical baffle)이 흐름관 내부에 배치된다는 것을 제외하고는 상술한 코리올리 유량계와 거의 유사한 하나의 곧은관 자이로스코프 유량계를 제공한다. 이러한 스핀하는 물질은 흐름관이 자이로스코프로서 작동하게 한다. 속도 센서가 코리올리 유량계와 같이 중앙으로부터 상류 및 하류에 있는 것이 아니라, 흐름관의 종축방향 중앙에 있다는 점에서 자이로 유량계는 코리올리 유량계와 상이하다.
스핀이 부여된 물질의 자이로스코프 힘이 유동을 측정하는데 어떻게 사용되는지를 이해하기 위해서, 자이로스코프 거동(behavior) 및 힘의 본성이 먼저 2개의 실예를 통해 설명될 것이다. 제 1 실예는 액슬이 구속되지 않은 경우 자이로스크로 액슬에 인가되는 토크로 인한 운동(세차운동)을 설명한다. 제 2 실예는 제 1 실예의 자이로스코프 운동(세차운동)이 구속물에 의해 제한되는 경우 그 장착물에 인되는 토크의 계산이 가능하다. 이러한 생성된 토크는 본 발명의 흐름관을 변형시키고, 질량 유량의 측정을 가능하게 한다.
자이로스코프는 각 운동량을 자신에게 부여하는 축선을 중심으로 스핀하는 질량을 가지는 장치이다. 종래의 자이로스코프는 얇은 액슬 상에 장작되는 원형 디스크형 질량을 가진다. 스핀하는 디스크의 각 운동량의 보존은 자이로스코프에게 유일한 특성을 부여한다. 본 발명의 이해에 있어서, 자이로스코프가 어떻게 거동하는지, 왜 자이로스코프가 그런 방식으로 거동하지 않는지를 이해하는 것만이 필요하다. 따라서, 다음은 본 발명의 자이로스코프와 관련된 자이로스코프 거동의 상세한 설명에 한정된다.
수직으로부터 30도인 액슬 상에서 스핀하는 플라이휠을 가지는 종래의 토이(toy) 자이로스코프를 고려해 본다. 고려되는 제 1 장착 상태 즉, 실예 1에서, 자이로스코프 액슬의 상단부는 모든 방향으로 자유롭게 이동하지만, 액슬의 바닥부는 병진운동 할 수 있지만 모든 방향으로 자유롭게 회전 또는 피벗될 수 있는 지점에서 고정된다. 플라이휠이 스핀하지 않는다면, 자이로스코프는 액슬 바닥 지점으로부터 질량의 중심의 수평 오프셋×질량의 토크의 오버터닝(overturning)으로 인해 즉시 넘어진다. 그러나, 플라이휠의 스핀은 자이로스코프에 오버터닝 토크를 지탱하는 각 운동량을 부여한다. 대신에, 오버터닝 토크는 액슬의 상단부가 수직 축선을 원형을 그리며 회전하게 한다. 세차운동이라고 하는 이러한 원형 운동의 속도는 자이로스코프 액슬이 와선으로 늦어짐에 따라 증가한다. 요약컨대, 오버터닝 토크는 수직 축선을 중심으로 둘레 방향으로 액슬의 상단부의 각 가속도를 발생시킨다. 이러한 세차운동의 증가하는 속도는 토이가 스핀할 때 토이 상부 축선의 증가하는 요동과 유사하다.
제 2 장착 상태 즉 실예 2에서, 시핀하는 자이로스코프의 액슬은 초기에는 좌표계의 Y축선 상에 있고, 액슬의 바닥 단부는 액슬이 모든 방향으로 회전할 수 있지만 병진운동 할 수 없는 병진운동 상태로 다시 구속된다. 액슬의 상단부의 운동은 X-Y 평면에 한정되어, Z방향으로 이동할 수 있다. 이러한 액슬의 상단부의 구속은 액슬의 상단부가 자유롭게 이동할 수 있는 X축과 정렬되는 슬롯으로서 가시화될 수 있다. 액슬의 상단부에 X축 방향으로(슬롯을 따라) 힘을 인가함으로써, 액슬 바닥 단부(스핀 축선을 중심으로 하지 않고)를 중심으로 X-Y 평면에서 액슬이 회전하게 하고, 슬롯 내에서 액슬 상단부가 이동하게 한다. 이러한 X-Y 평면으로의 액슬의 회전은 슬롯이 회전을 방해하는 것을 제외하고 액슬의 세차운동을 가져온다. 대신에, 액슬 상단부는 Z축의 음의 방향으로 슬롯의 측면에 자이로스코프 힘(GF)을 인가한다. 자이로스코프의 각 운동량과, 액슬이 X-Y 평면으로 회전되는각 속도의 함수이기 때문에 이러한 자이로스코프 힘은 계산될 수 있다. 본 발명에 대해, X-Y 평면에서의 액슬의 각 속도가 X-Y 평면에 대해 직각으로 그리고 자이로스코프 축선에 대해 직각으로 액슬에 자이로스코프 힘(GF)을 야기시킨다는 것을 주지하는 것이 중요하다.
본 발명의 흐름관 내의 스핀하는 물질은 흐름관이 한 쌍의 자이로스코프처럼 거동하게 한다. 하나의 유량계-자이로스코프는 흐르관 입구로부터 흐름관 중점으로 연장되는 한편, 다른 유량계-자이로스코프는 흐름관 중점으로부터 흐름관 출구로 연장된다. 이러한 자이로스코프 스핀 축선은 흐름관 축선에 대응하고, 플라이휠은 유동의 각 절반에서 스핀하는 물질에 대응한다. 구동기에 의해 흐름관에 인가된 힘은 실예 2의 슬롯에서 액슬의 상단부에 인가된 힘에 대응한다. 구동 평면으로의 흐름관 진동은 흐름관 중앙선, 또는 스핀 축선이 슬롯 방향에 대응하는 각각의 방향으로 변경되어 구동 평면으로 회전하게 한다. 흐름관의 고정 단부는 2개의 유량계-자이로스코프 스핀 축선의 피봇 지점이다. 흐름관 중점은 각각의 자유(또는 슬롯) 단부인 것으로 고려될 수 있다. 그러나, 실예 2에서 자이로스코프 액슬 단부를 구속하는 이러한 슬롯은 유량계에는 존재하지 않는다. 유량계-자이로스코프의 단부(흐름관 중앙)는 실예 1에서와 마찬가지로 자유롭지 않다. 대신에, 흐름관 강성도는 구동 평면 외부로의 흐름관 중앙의 운동을 견디지만, 그것을 방해하지 않는다. 유량계-자이로스코프의 거동은 실예 1의 거동과 실예 2의 거동 사이에 해당한다. 자이로스코프 힘은 자이로스코프 힘(GF)에 비례하는 구동 평면 외부로의흐름관의 편향을 야기시킨다. 자이로스코프 힘(GF)은 차례로 질량 유량에 비례한다. 따라서, 구동 평면 외부로의 흐름관의 편향은 다음 물질의 질량 유량을 결정하는데 사용될 수 있다.
자이로스코프 힘(GF) 및 이 자이로스코프 힘(GF)에 응답하는 흐름관의 편향의 방향은 구동 방향 및 흐름관 축선 모두에 수직하다. 자이로스코프 방향에서의 편향은 구동 진동에 반대인 방향으로 사인을 바꾼다. 자이로스코프 방향에서의 최대 흐름관 편향은 구동 방향에서의 흐름관 편향이 제로를 통과하고 구동 방향에서의 속도가 최대에 있는 경우에 발생한다. 구동 평면 외부로의 흐름관 편향은 각 운동량을 보존하는 사인이다. 단부로부터 보았을 때, 흐름관 내에서의 물질 회전이 시계 방향이라면, 조합된 구동 및 자이로스코프 진동은 흐름관 절반들에게 시계방향 타원형 운동을 부여한다. 흐름관내의 질량의 회전 속도(유량에 비례하는)는 자이로스코프 방향으로의 흐름관 편향의 크기를 결정한다. 이러한 유속은 생성된 타원이 얼마나 협소(낮은 유동)한지 또는 넓은(상당한 유동)지 결정한다. 구동 및 자이로스코프 힘이 동일한 경우, 흐름관은 단부에서 보았을 때 원형 경로를 그린다.
자이로스코프 힘(GF) 및 자이로스코프 방향으로의 흐름관 편향은 스핀하는 물질 유동의 각 운동량에 비례한다. 이 각 운동량은 스핀 축선을 중심으로 질량의 속도×질량에 비례한다. 질량과 속도의 곱(product)은 자이로스코프 힘과 자이로스코프 편향을 결정하기 때문에, 이러한 편향은 체적 유량보다는 질량 유량에 비례한다. 물질 밀도가 낮다면, 이때 주어진 질량 유량에 대해 물질 속도가 높다. 반대로, 동일한 질량 유량으로 높은 밀도의 물질에 대해서, 물질 속도는 낮아야 한다. 밀도와 속도의 곱은 주어진 질량 유량에 대한 밀도와 무관하다. 따라서, 물질 밀도는 질량 유량의 정확한 측정과 무관하다.
자이로스코프 힘(GF)은 3가지 중요한 면에서 코리올리 힘과 상이하다. 첫째로, 상술한 바와 같이, 자이로스코프 힘은 구동 평면에 수직한 반면, 코리올리 힘은 구동 평면 내에 있다. 둘째로, 자이로스코프 힘은 흐름관의 전체 길이에 대해 동일한 방향에 있지만(아래에 설명할 것임), 코리올리 힘은 흐름관의 중심에서 사인을 변경한다. 흐름관을 따라 자이로스코프 힘의 사인의 균일성은 자이로스코프 유량계에 대한 흐름관 변형이 제 1 굽힘 모드 형상이지만, 코리올리 유량계에 대한 변형은 제 1 굽힘 모드 형상이다. 흐름관은 제 2 굽힘 모드 즉, 주어진 힘에 대해서 보다 제 1 굽힘 모드에서 보다 용이하게 굽어지고, 흐름관은 자이로스코프 유량계에서 보다 변형된다. 세째로, 자이로스코프 변형은 그 모드(제 1 굽힘 모드) 형상에 대한 공진 주파수에서 또는 그 근처에서 구동되는 한편, 코리올리 변형은 제 2 굽힘 모드 형상의 공진 주파수로부터 멀리 떨어진 주파수에서 구동된다. 따라서, 자이로스코프 변형은 그 공진 주파수 근처에서 구동되므로 상당한 크기를 감당하지만, 코리올리 변형은 상당히 적게 감당한다. 이들 세가지 차이점은 보다 적은 비용의 신호 프로세싱을 위해 코리올리 변형보다는 자이로스코프 변형이 보다 유리하게 만든다.
자이로스코프 힘의 크기는 질량 유량, 나선형 배플에 의해 이루어진 회전의수, 구동 평면에서의 진동의 크기에 비례한다. 유량계를 위한 최대 유량은 최대 유량에서의 자이로스코프 힘이 구동기가 흐름관에 적용하는 힘에 대략 동일하도록 설정될 수 있다. 따라서, 흐름관은 구동기 및 자이로스코프 힘에 의해 최대 유량에서 회전된다. 보다 적은 유량에서, 자이로스코프 힘은 보다 적고, 회전은 평탄해진다. 유량을 결정하기 위해, 속도 센서가 자이로스코프 방향에서의 속도를 감지하고, 구동 방향에서의 속도를 감지한다. 정점 속도의 비(정점 자이로스코프/정점 구동)는 유동하는 최대 유량의 분율(fraction)이다. 이러한 속도 비 방법은 쉽게 실시되고, 나노초의 시간을 측정하는 어려움과 비용 모두를 극복한다.
본 발명의 다른 가능한 예시적인 실시예에 따르면, 흐름관에 내장된 나선형체(helix)가 사용된다. 대신에, 흐름관은 강성체 둘레로 나선형으로 감겨있어서, 나선형체 및 로드(rod)는 공통의 종축선을 가진다. 이것은 종축선을 중심으로 물질 유동에 스핀을 부여한다. 흐름관 및 로드 모두는 구동기에 의해 구동 평면으로 진동해서, 수직 평면으로 자이로스코프 편향을 발생시킨다. 대안으로, 한 쌍의 흐름관이 함께 트위스트되어, 공통의 나선형(종축)축선을 가지는 한 쌍의 나선형 부재를 형성한다. 이것은 공통 축선을 중심으로 흐름관 모두에 물질 유동이 스핀하게 한다. 이러한 트위스트된 쌍의 흐름관은 구동기에 의해 진동하고, 물질 유동은 상술한 바와 같은 자이로스코프 힘을 발생할 것이다. 대안으로, 하나의 흐름관이 나선형을 형성하도록 감겨서, 흐름관의 나선형 축선을 중심으로 물질 유동에 스핀을 발생하게 한다. 이후, 흐름관은 구동기에 의해 진동되어, 물질 유동에 의한 자이로스코프 변형을 발생시킨다.
본 발명의 또 다른 가능한 예시적인 실시예에 따르면, 속도 센서는 흐름관 중심의 상류 및 하류에 위치해서, 흐름관의 코리올리 변형을 검출한다. 이들 센서로부터의 출력 신호는 자이로스코프 센서의 신호와 함께 사용되어, 물질 유동 출력 정보를 위한 자이로스코프 신호 및 코리올리 신호 모두를 발생시키는 유량계를 제공한다.
본 발명의 일 양상에 따른 유량계는, 물질 입구, 물질 출구, 상기 입구 및 상기 출구에 연결된 흐름관 수단을 구비하며, 상기 입구에서 물질 유동을 수용하고 상기 흐름관 수단을 통해 상기 출구로 상기 물질 유동을 보내고, 상기 흐름관 수단의 종축선을 포함하는 구동 평면에서의 구동 진동 모드의 구동 주파수에서 상기 흐름관 수단을 진동시키는 구동기를 더 포함하는 유량계에 있어서,
상기 진동하는 흐름관 수단의 종축선을 중심으로 상기 물질 유동에 스핀을 부여하기 위한, 상기 흐름관 수단을 포함하는 수단과,
상기 흐름관 수단은 상기 흐름관 수단의 구동 진동 모드에 응답하고, 상기 구동 평면에 대해 수직한 자이로스코프 평면에서 상기 흐름관 수단의 자이로스크포 모드 진동을 발생시키기 위한 상기 물질 유동의 상기 스핀에 응답하며,
상기 자이로스코프 모드 진동의 발생에 응답해서, 상기 물질 유동의 크기를 지시하는 자이로스코프 출력 신호를 발생시키기 위한 픽오프 수단과, 그리고
상기 출력 신호의 발생에 응답해서, 상기 물질 유동에 관련된 출력 정보를 발생시키기 위한 계측 전자부품을 더 포함한다.
본 발명의 다른 양상에서, 상기 픽오프 수단은 상기 자이로스코프 모드 진동의 진폭을 나타내는 신호들을 발생시키는 제 1 픽오프를 포함하며,
상기 유량계는 상기 픽오프 수단으로부터 상기 계측 전자부품으로 상기 신호들을 보내는 컨덕터 수단을 더 포함하며,
상기 계측 전자부품은 상기 물질 유동에 관련된 상기 정보(1526)를 발생시키기 위해 상기 제 1 픽오프에 의해 발생된 상기 신호들의 수신에 응답한다.
본 발명의 다른 양상에서, 상기 픽오프 수단은,
상기 구동 평면에서 상기 흐름관 구동 진동의 진폭을 나타내는 신호를 발생시키기 위한 제 2 픽오프를 더 포함하며, 그리고
상기 계측 전자부품은,
상기 제 1 및 제 2 픽오프에 의해 발생된 상기 신호들의 수신에 응답해서, 상기 구동 평면에서의 상기 흐름관 구동 모드 진동의 진폭에 대한 상기 자이로스코프 평면에서의 상기 흐름관 자이로스코프 모드 진동의 진폭의 비를 결정하기 위한 수단과, 그리고
상기 비의 결정에 응답해서, 상기 물질 유동에 관련된 상기 출력 정보를 발생시키기 위한 수단을 포함한다.
본 발명의 다른 양상에서, 상기 출력 정보는 상기 물질 유동의 질량 유량을 포함한다.
본 발명의 다른 양상에서, 상기 유량계는,
상기 자이로스코프 평면에서의 상기 흐름관의 상기 자이로스코프 모드 진동의 진폭을 측정하기 위한 픽오프를 더 포함하며,
상기 계측 전자부품은,
상기 구동 평면에서의 상기 흐름관 구동 모드 진동의 진폭을 제어하기 위한 수단과, 그리고
상기 자이로스코프 평면에서의 상기 흐름관의 상기 자이로스코프 모드 진동의 진폭의 상기 결정에 응답해서, 상기 물질 유동의 질량 유량을 결정하기 위한 수단을 포함한다.
본 발명의 다른 양상에서, 상기 구동 주파수는 상기 자이로스코프 평면에서의 상기 자이로스코프 모드 진동을 최대화하기 위해 상기 자이로스코프 진동 모드의 공진 주파수와 동일하다.
본 발명의 다른 양상에서, 상기 구동 주파수는, 상기 물질 유동 밀도와 상기 자이로스코프 평면에서의 상기 자이로스코프 모드 진동의 진폭 사이의 관계를 변경시키기 위해 상기 자이로스코프 진동 모드의 상기 공진 주파수와 동일하지 않다.
본 발명의 다른 양상에서, 상기 흐름관 수단은,
하나의 곧은 흐름관과,
상기 자이로스코프 평면에서 상기 자이로스코프 모드 진동을 발생시키도록, 상기 흐름관의 상기 종축선을 중심으로 상기 물질 유동에 상기 스핀을 부여하는, 상기 흐름관 내부의 나선형체를 포함한다.
본 발명의 다른 양상에서, 상기 흐름관 수단은,
상기 흐름관의 상기 종축선을 중심으로 상기 물질 유동에 상기 스핀을 부여하는 코일 스프링 형상을 가지는 하나의 흐름관을 포함한다.
본 발명의 다른 양상에서, 상기 흐름관 수단은,
공통의 종축선을 중심으로 상기 물질 유동에 상기 스핀을 부여하는 기다란 형상을 가지도록 상기 공통의 종축선을 중심으로 함께 트위스트된 복수의 흐름관을 포함한다.
본 발명의 다른 양상에서, 상기 흐름관 수단은,
바와, 코일을 형성하도록 상기 바에 감긴 흐름관을 포함하여,
상기 코일은 상기 흐름관 및 상기 바의 공통의 종축선을 중심으로 상기 물질 유동에 상기 스핀을 부여한다.
본 발명의 다른 양상에서, 기다란 상기 바는 거의 일직선이다.
본 발명의 다른 양상에서, 상기 바(702) 및 상기 흐름관(701)은 상기 공통의 종축선을 중심으로 함께 트위스트되어 있다.
본 발명의 다른 양상에서, 상기 물질 유동은 상기 진동하는 흐름관 상에 상기 구동 평면으로 코리올리 힘을 발생시키고, 상기 코리올리 힘은 상기 구동 평면에 상기 흐름관 수단의 코리올리 편향을 발생시키며,
상기 유량계는,
상기 코리올리 편향을 검출하고, 상기 물질 유동에 관련된 정보를 포함하는 코리올리 출력 신호들을 발생시키는, 상기 흐름관 수단 상의 픽오프 수단(LPO, RPO)을 더 포함하며,
상기 계측 전자부품은 상기 물질 유동에 관련된 출력 정보를 발생시키기 위해 상기 코리올리 신호 및 상기 자이로스코프 신호의 발생에 응답한다.
본 발명의 다른 양상에서, 상기 흐름관 수단에 평행한 밸런스 바와,
상기 흐름관 수단에 상기 밸런스 바의 단부들을 연결시키는 커넥팅 링 수단을 더 포함하며,
상기 구동기는 상기 물질이 충진된 흐름관 수단 및 상기 밸런스 바의 공진 주파수로 상기 구동 평면에서의 구동 진동 모드로 역 동위상으로 상기 흐름관 수단 및 상기 밸런스 바를 진동시키고,
상기 자이로스코프 모드 진동은 상기 물질이 충진된 흐름관 수단 및 상기 밸런스 바의 자이로스코프 모드 진동의 공진 주파수로 상기 자이로스코프 평면에서 상기 물질이 충진된 흐름관 수단 및 상기 밸런스 바를 진동시킨다.
본 발명의 다른 양상에서, 상기 밸런스 바 및 상기 흐름관 수단을 둘러싸는 케이스와,
상기 케이스의 단부에 연결된 케이스 단부와,
상기 케이스의 상기 케이스 단부를 통해 돌출하고 플랜지에 연결된 상기 흐름관 수단의 단부를 더 포함하며,
상기 플랜지 중 제 1 플랜지는 물질 공급원으로부터 상기 물질 유동을 수용하고, 상기 유량계를 통해 상기 물질 유동을 연장시키고,
상기 플랜지 중 제 2 플랜지는 상기 흐름관 수단의 출력 단부상에 위치하며, 상기 흐름관 수단으로부터 상기 물질 유동을 수용하고, 상기 물질 유동을 목적지까지 연장시킨다.
본 발명의 다른 양상에서, 상기 커넥팅 링 수단은,
상기 흐름관 수단에 상기 밸런스 바의 각각의 단부를 연결시키는 제 1 및 제 2 커넥팅 링과,
상기 흐름관 수단 및 상기 밸런스 바의 상기 자이로스코프 모드 진동과 상기 구동 모드 진동의 공진 주파수 세퍼레이션을 변경시키기 위해 상기 흐름관 수단의 측면벽에 부착되는 상기 커넥팅 링상의 측면 방사상 돌출부를 포함한다.
본 발명의 다른 양상에서, 상기 흐름관 수단 및 상기 밸런스 바의 상기 자이로스코프 모드 진동과 상기 구동 모드 진동의 공진 주파수의 세퍼레이션을 변경하는, 상기 밸런스 바의 벽 내의 개구부를 더 포함한다.
본 발명의 다른 양상에서, 상기 유량계를 작동하는 방법에 있어서,
상기 구동 평면에서 상기 흐름관 수단을 진동시키는 단계와,
상기 흐름관 수단의 상기 종축선을 중심으로 상기 물질 유동에 상기 스핀을 부여하는 단계와,
상기 스핀에 의해 상기 자이로스코프 평면에서 상기 흐름관 수단의 상기 자이로스코프 모드 진동이 발생되는 단계와,
상기 자이로스코프 모드 진동의 상기 발생에 응답해서, 상기 물질 유동의 크기를 나타내는 출력 신호를 발생시키는 단계와
상기 물질 유동에 관련된 출력 정보를 발생시키기 위해 상기 계측 전자부품을 작동시키는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 다른 양상에서, 상기 출력 신호를 발생시키는 단계는 상기 자이로스코프 평면에서 상기 자이로스코프 모드 진동의 진폭을 나타내는 신호들을 발생시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 양상에서, 상기 구동 평면에서 상기 흐름관 수단 구동 모드 진동 의 진폭을 결정하는 단계와,
상기 구동 평면에서의 상기 흐름관 수단 구동 모드 진동의 진폭에 대한 상기 자이로스코프 평면에서의 상기 자이로스코프 모드 진동의 진폭의 비를 결정하는 단계와,
상기 비의 상기 결정에 응답해서, 상기 물질 유동에 관련된 상기 출력 정보를 발생시키는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 다른 양상에서, 상기 구동 평면에서의 상기 흐름관 수단 구동 모드 진동의 진폭을 제어하는 단계와,
상기 자이로스코프 평면에서의 상기 흐름관 수단의 상기 자이로스코프 모드 진동의 진폭을 측정하는 단계와,
상기 물질 유동에 관련된 상기 출력 정보를 발생시키기 위해 상기 측정에 응답해서 상기 계측 전자부품을 작동시키는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 다른 양상에서, 상기 구동 평면 진동 모드 공진 주파수가 상기 자이로스코프 진동 모드 공진 주파수와 동일해서 상기 자이로스코프 평면에서 상기 자이로스코프 모드 진동의 진폭을 최대화하도록 상기 유량계를 작동하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 양상에서, 상기 자이로스코프 평면에서의 상기 자이로스코프 모드 진동의 진폭과 상기 물질 유동의 밀도 사이의 관계를 변경하기 위해, 상기 구동 진동 모드 주파수가 상기 모드 진동의 자이로스코프 모드 공진 주파수와 동일하지 않도록 상기 유량계를 작동하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 양상에서, 상기 흐름관 수단은 하나의 곧은 흐름관을 포함하며,
상기 방법은, 상기 흐름관 내부의 나선형체을 삽입하여, 상기 흐름관의 종축선을 중심으로 상기 스핀을 상기 물질 유동에 부여하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 양상에서, 상기 흐름관 수단은 하나의 흐름관을 포함하며,
상기 방법은, 상기 흐름관의 종축선을 중심으로 상기 물질 유동에 상기 스핀을 부여하는 코일 스프링 형상을 한정하도록 상기 흐름관이 형성된 상기 유량계를 작동시키는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 다른 양상에서, 상기 흐름관 수단은 복수의 흐름관을 포함하며,
상기 방법은, 상기 물질 유동에 상기 스핀을 부여하는 기다란 형상을 한정하도록 공통의 종축선을 중심으로 상기 복수의 흐름관을 함께 트위스트하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 다른 양상에서, 상기 흐름관 수단은 하나의 흐름관을 포함하고,
상기 방법은, 상기 흐름관 및 상기 바에 공통인 종축선을 중심으로 상기 물질 유동에 상기 스핀을 부여하는 코일을 형성하도록 상기 기다란 바 상에 상기 흐름관을 감는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 다른 양상에서, 상기 물질 유동은 상기 진동하는 흐름관 수단 상의 상기 구동 평면으로 코리올리 힘을 발생시키고, 상기 코리올리 힘은 상기 구동평면에서 상기 흐름관 수단의 주기적 코리올리 편향을 발생시키는 방법에 있어서,
상기 코리올리 편향을 검출하고 상기 물질 유동에 관련된 출력 신호들을 발생시키는, 상기 흐름관 상의 픽오프를 작동시키는 단계;
상기 코리올리 신호 및 상기 자이로스코프 신호의 발생에 응답해서, 상기 물질 유동과 관련된 출력 정보를 발생시키기 위해 상기 계측 전자부품을 작동시키는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 다른 양상에서, 상기 유량계는 상기 흐름관에 평행한 밸런스 바와,
상기 흐름관 수단에 상기 밸런스 바의 단부를 연결시키는 커넥팅 링 수단을 포함하며,
상기 방법은,
상기 물질이 충진된 흐름관 수단 및 상기 밸런스 바의 공진 주파수에서 상기 구동 평면의 역 동위상으로 상기 흐름관 수단 및 상기 밸런스 바를 진동시키도록 상기 구동기를 작동시키는 단계와,
상기 자이로스코프 진동의 모드에서 상기 물질이 충진된 흐름관 수단 및 상기 밸런스 바의 공진 주파수에서 상기 자이로스코프 평면에서 상기 물질이 충진된 흐름관 수단 및 상기 밸런스 바를 상기 자이로스코프 힘이 진동시키도록, 상기 유량계를 작동시키는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 특징의 상술한 장점 및 다른 장점들은 다음의 도면과 관련하여 기술된 다음의 상세한 설명을 읽으면 보다 용이하게 이해될 것이다.
도 1 및 도 2
본 발명에 사용되어 유동을 측정하는 수단들을 보다 용이하게 이해하기 위해, 자이로스코프힘과 이 자이로스코프힘이 진동하는 흐름관에 어떻게 인가되는가를 이해할 필요가 있다. 도 1은 플라이휠(101) 및 길이(L)를 가지는 액슬(102)을 갖춘 자이로스코프(100)를 도시한다. 플라이휠 및 액슬은 액슬(102)의 중심선과 일치하는 스핀 축선(013)을 중심으로 각 스핀 속도(ω)로 스핀한다. 액슬(!02)은 좌표계(104)의 Y 축선(105)(수직 방향)에 대해 경사지게 배향되는 길이(L)를 가진다. 플라이휠(101)은 자이로스코프의 질량이 플라이휠(101) 및 액슬(102)의 연장된 질량과 동일한 회전 관성을 부여하도록 집중될 수 있는 반경인 나선의 반경(r)을 가진다. 자이로스코프의 바닥은 임의의 방향으로 병진 운동할 수 없지만 모든 방향으로 자유롭게 회전할 수 있는 지점(P)에 고정된다. 도 1의 자이로스코프는 자이로스코프를 오버턴하도록 토크를 인가하는 중력(도시되지 않은 힘)에 의해 작동된다. 오버턴하는 토크는 자이로스코프가 경로(108)로 도시된 바와 같이 Y 축선을 선회하게 한다. 이러한 Y 축선의 선회는 세차운동으로 알려져 있다.
도 2의 자이로스코프(200)는 수직 액슬로서 도시되어 있다. 액슬(102)의 상단부는 블록(210)내의 슬롯(209)을 통해 돌출된다. 이 블록(210)은 이동할 수 없도록 공간 내에 고정되어 있다. 슬롯(209)은 X축 방향으로 연장되고 액슬(102)의 상단부를 구속하여 X축 방향으로만 이동시킨다. 액슬의 바닥 단부는 도 1의 액슬과 마찬가지로 고정되어, 회전할 수 있지만 병진 운동할 수 없다.
도 2의 액슬(102)의 상단부에는 X축 방향으로 힘이 인가되어, 속도(V)가 부여된다. 액슬의 바닥이 지점(P)에서 고정되므로, 이 결과 액슬은 X-Y 평면으로 각속도(V/L)를 가진다. 자이로스코프 축선의 각속도는 액슬이 도 1에서와 같이 세차운동하게 하지만, 슬롯(209)이 세차 운동하는 것을 막는다. 대신에, 액슬(102)은 자이로스코프 힘(GF)을 Z축의 음의 방향으로 슬롯(209)의 측면에 인가한다. 자이로스코프 힘(GF)은 액슬(102)의 상부의 속도 방향과 스핀 축선(103)에 대해 수직하다는 것을 다시 주지해야 한다.
기계의 동역학에 관한 어떤 우수한 텍스트북에서 토크(GL)에 대한 방정식을 알 수 있는데, 이는 '켄트의 기계 엔지니어의 핸드북(Kent's mechanical engineer's handbook'(12판)의 7-18페이지에 기재된 식을 포함한다. 이러한 토크에 대한 식은 식 (1)로서 주어진다.
식 (1)
여기서,
GL = 액슬상의 토크
m = 플라휠의 질량
r = 회전의 반경
N = 플라이휠의 RPM
V = 액슬의 상부의 속도
L = 액슬의 길이
자이로스코프의 거동(behavior) 및 자이로스코프 힘 방정식의 상술한 실예는, 회전하는 물질을 포함하는 진동하는 흐름관에 자이로스코프 힘이 인가될 때 자이로스코프 힘을 보다 용이하게 이해하기 위해 제공된다. 그러나, 본 발명의 흐름관과 자이로스코프 사이에는 상당한 차이점이 있으며, 이들 차이점은 발생될 때 논의할 것이다.
도 3
흐름관내의 물질 유동이 자이로스코프 특성(properties)을 나타내기 위해서는, 물질 유동에 스핀이 부여되어야 한다. 도 3은 물질이 유동할 때 물질을 스핀시키도록 흐름관 안으로 삽입되는 장치(300)의 바람직한 하나의 가능한 실시예를 나타낸다. 이 장치(300)는 금속 리본(301)인데, 이 금속 리본은 흐름관의 내부에 트위스팅되고 삽입되며 납땜된다. 이 금속 리본(301)은 물질 유동이 흐름관을 횡단할 때 종축선(310)을 중심으로 공지된 수로 회전하는 것을 보장한다. 물질 유량이 증가함에 따라, 물질 유속 및 물질 스핀 속도가 증가하며 증가된 자이로스코프특성을 나타낸다.
도 4
도 4는 흐름관(401) 안으로 납땜된 후의 금속 리본(301)을 나타낸다. 이러한 구조는 흐름관 및 나선형체(helix)의 조합체를 형성하도록 원하는 형상 안으로 적합한 물질을 바로 압출함으로써 달성될 수도 있다. 이러한 압출 프로세스는 플라스틱 자이로스코프 계기에 대해 이상적이다. 구동기(D)가 흐름관(401)을 구동 평면으로 진동시키는 한편, 나선형 리본(405)은 물질 유동이 흐름관 길이를 횡단할 때 종축선(410)을 중심으로 물질 유동이 공지된 수의 회전을 하는 것을 보장한다.
도 5 내지 도 8
도 5는 다른 흐름관 장치(500)를 도시하는데, 이러한 흐름관 장치는 물질 유동이 흐름관 길이를 횡단할 때 종축선(510)을 중심으로 물질 유동이 공지된 수의 회전을 하는 것을 보장한다. 이러한 흐름관 장치(500)는 보다 작은 직경의 복수의 흐름관(501,502)을 함께 복합 흐름관(500)으로 트위스팅하고 납땜함으로써 형성된다. 흐름관(500)은 단순하고 저렴한 툴링(tooling)의 장점을 가지지만, 물질이 유량계를 횡단할 때 물질에 대한 높은 압력 강하의 단점을 가진다. 이러한 높은 압력 강하는 복수의 흐름관에 의해 요구되는 보다 작은 흐름관 직경때문이다. 구동기(D)는 구동 평면에서 장치(500)를 진동시킨다.
도 6은 다른 흐름관 장치(600)를 도시하는데, 이러한 흐름관 장치(600)는 물질 유동이 유량계를 횡단할 때 물질 유동이 종축선(610)을 중심으로 공지된 수의 회전을 하는 것을 보장한다. 흐름관 장치(600)는 함께 트위스팅된 중공(hollow)흐름관(601) 및 기다란 고형체 로드(solid rod; 602)를 포함한다. 흐름관 장치(600)는 흐름관이 충분하게 큰 직경을 가져서 원하는 물질 유동 용량을 제공한다는 장점을 가지는 한편, 흐름관 장치(600)의 흐름관(601)에 충분한 강성(rigidity)을 제공하는 로드(602)와 인터와인(interwined)된다. 구동기(D)는 지면의 평면에 수직하게 구동 평면으로 흐름관 장치(600)를 진동시킨다.
도 7은 또 다른 흐름관 장치(700)를 제공하며, 이 흐름관 장치(700)는 물질이 유량계를 횡단할 때 물질 유동이 종축선(710)을 중심으로 공지된 수의 회전을 하는 것을 보장한다. 흐름관 장치(700)는 흐름관(701)에 강성을 부여하는 곧은 로드(702) 둘레로 감긴 코일형 흐름관(701)을 나타낸다. 흐름관(701)은 충분한 직경으로 이루어질 수 있어서 필요한 물질 유동 용량을 제공한다. 로드와 흐름관의 좌측단은 요소(706, 705)로서 구성되는 한편, 우측단은 요소(703, 704)로서 구성된다. 구동기(D)는 흐름관 장치(700)를 수직으로 진동시킨다.
도 8은 또 다른 흐름관 장치(800)를 제공하는데, 이 흐름관 장치(800)는 물질이 유량계를 횡단할 때 물질 유동이 종축선(810)을 중심으로 공지된 수의 회전을 하는 것을 보장하며, 개시된 흐름관 장치(800)는 이 유량계의 일부분이다. 흐름관 장치(800)는 구동기(D)에 의해 수직으로 진동한다. 흐름관 장치(800)는 좌측단(803) 및 우측단(802)을 갖춘 코일형 유량계(801)를 포함한다.
도 9 내지 도 11
도 9는 회전하는 물질을 포함하는 진동하는 외팔보 흐름관(901) 상에서의 자이로스코프 힘을 도시한다. 이러한 구조는 유량계로서 사용될 수 있지만, 여기서는 주로, 그 흐름관의 양 단부가 고정되는 본 발명의 유량계와 도 2의 자이로스코프 사이의 갭(gap)을 이해하고 가교(bridge)시키기 위한 조력물(aid)로서 사용된다. 흐름관(901)은 X축 상에 배향되며, 그 자유단(908)은 구동기(D)에 의해 Y축 방향 또는 수직 방향에서 공진으로(at resonance) 진동된다. 고정 단부(904)는 고정 블록(stationary block)에 연결된다. 흐름관(901)은 나선형 배플(helical baffle; 905)(도면부호 301과 유사함)를 포함하는데, 이러한 나선형 배플(905)은 종축선(910)에 대해 경로(903)로 나타낸 운동으로 물질 유동이 회전할 수 있게 한다. 흐름관(901)은 실선으로 나타낸 아래 방향의 제로(zero) 변위를 통과하는 것으로서 도시된다. 흐름관(901)은 아래 방향(-Y축 방향)으로 속도(V)를 가진다. 점선(906, 907)은 Y축 방향의 양의 방향 및 음의 방향에서 최대 변위에 있는 흐름관(901)을 나타낸다. Y축 방향으로의 흐름관 진동은 고정 단부(904)를 중심으로 X-Y (구동)평면으로 교번 회전을 흐름관(및 스핀 축선)에 부여한다. 물질 스핀 축선의 회전에 부여된 이러한 진동은 도 2의 자이로스코프 스핀 축선의 각 속도(V/L)에 대응한다. 힘(GF)은 흐름관(901)이 아래로 굽혀짐에 따라 회전하는 물질이 외팔보 흐름관(901)에 인가하는 자이로스코프 힘이다. 이러한 힘(GF)은 속도(V) 및 흐름관 축선 모두에 수직하다. 이러한 이동의 상한 및 하한에서, 흐름관은 정지하고 방향을 반대로 바꾼다. 이것은 고정 단부(904)을 중심으로 한 X-Y 평면으로의 흐름관 축선 회전이 방향을 반대로 바꾸게 한다. 따라서, 이러한 힘(GF)은 흐름관 (V)과 동위상(in phase)인 사인곡선 힘으로서 나타낼 수 있지만, 흐름관 속도(V)및 흐름관 축선 모두에 수직한 방향을 가진다.
도 9의 외팔보 흐름관은 여러 면에서 도 2의 자이로스코프와 상이하다. 도 2의 자이로스코프의 전체 액슬은 도 2와 동일한 양만큼 회전하는 한편, 구동 평면에서의 흐름관 축선의 회전은 길이를 따라 변화한다. 외팔보 흐름관 회전은 고정 단부(904)에서의 제로로부터 자유단(908)에서의 최대값까지 증가한다. 진동하는 흐름관에 대한 도 9의 자이로스코프 힘은 또한 흐름관을 따라 축방향으로 분포되며, 고정 단부에서는 제로 힘을 그리고 자유단에서의 최대의 힘을 가진다. 자이로스코프의 방정식 즉, 식 (1)은 그 전체 축선이 동일한 양으로 회전하는 강성 액슬에 제공된 토크를 해석한다. 따라서, 식 (1)은 굽힘 흐름관에 바로 적용되지 않는다.
굽힘 흐름관 상의 자이로스코프 토크에 대한 방정식은 계산에 의해 용이하게 결정된다. 이 굽힘 흐름관은 점차 감소하는 작은 길이 및 질량을 가지는 작은 피스로 분할된다. 각각의 작은 피스는 곡률이 너무 작기 때문에 흐름관의 곧은 피스로서 취급될 수 있다. 그러나, 전체 번형된 흐름관의 곡률은 각각의 흐름관 세그먼트가 회전하는 양을 결정하는데 필요하다. 다행스럽게도, 진동하는 흐름관의 변형된 형상은 균일 하중식(uniformly loaded) 외팔보 비임의 변형된 형상과 거의 동일하다. 균일 하중식 비임에 대해, 변형(수평으로부터의 편향(deflection))은 고정 단부로부터의 거리의 큐브와 정비례한다. 사인곡선 진동에 대해, 속도는 변위에 정비례한다. 따라서, 흐름관을 따라 속도 분포는 고정 단부로부터의 거리의 흐름관에 비례한다. 이것은 도 1에서 사용되는 각각의 흐름관 세그먼트의정점(peak) 진동 속도가 흐름관의 고정 단부로부터의 거리의 큐브에도 비례하며, 또한, 각각의 세그먼트 상의 자이로스코프 힘(GF)이 고정 단부로부터의 거리의 큐브에 비례한다는 것을 의미한다. 진동하는 흐름관을 따라 이러한 자이로스코프 힘(GF)의 분포는 화살표(GF)로 도시되어 있다. 순(net) 자이로스코프 토크(GFL)는 흐름관의 길이를 따라 토크를 통합함으로써 결정된다. 정점 자이로스코프 토크에 대해 생성된 방정식은 식 (2)에 나타내었다.
식 (2)
여기서,
V최대= 흐름관 단부의 정점 속도
식 (2)는 진동하는 외팔보 흐름관 상의 정점 토크가 식 (1)의 회전하는 자이로스코프 상의 토크의 1/3임을 보여준다. 이러한 값의 차이는 흐름관의 굽힘 대(versus) 자이로스코프 액슬의 일정한 회전 때문이다. 구동 평면(X-Y 평면) 밖으로 흐름관을 굽히고 물질 유동의 측정을 제공하기 때문에, 식 (2)로부터의 토크는 중요하다.
시간에 대해 흐름관에 적용된 자이로스코프 힘(GF)에 대한 방정식은 단지, 정점 토크×진동 주파수 시간×시간이다.
식 (3)
도 10 및 도 11은 도 9의 진동하는 외팔보 흐름관(901)의 단부도이다. 도 10은 진동하는 흐름관(901)의 단부도이며, 여기에는 물질 유동이 없어서 물질 회전이 없다. 단부(908)의 실선 원형은 제로 변위를 가지는 흐름관을 나타낸다. 점선은 양의 방향 및 음의 방향으로 최대 변위를 나타낸다. 흐름관 진동은 물질 유동이 없어서 구동 평면으로 평면을 유지한다. 도 11은 물질 유동을 가지는 진동하는 흐름관(901)의 단부도이다. 자이로 효과(gyroscopic effect)는 흐름관(901) 진동이 수직면에서 벗어나고 타원형 운동을 하게 한다. 정상 및 바닥의 점선 원형(1101, 1102)은 양의 구동 방향 및 음의 구동 방향으로 최대 변위를 나타낸다. 좌측 및 우측 점선 원형(1103)은 양의 자이로 방향 및 음의 자이로 방향으로 흐름관의 최대 변위를 나타낸다. 중앙의 실선 원형은 정지 상태의 흐름관의 위치를 나타내며, 내부의 화살표는 물질 스핀의 방향을 나타낸다. 원형(1103-1104)에 의해 형성된 타원의 폭(W)은 흐름관(901) 상의 자이로스코프 토크에 비례한다. 이러한 폭(W)은 또한, 물질 유동의 질량×물질의 회전 속도(식 (1)~식 (3) 참조)에 비례하며, 따라서 물질의 질량 유량에 비례한다. 타원형은 순 자이로스코프 토크가 구동기가 흐름관에 인가하는 토크에 동일한 경우 원형이 된다. 구동 변위 및 자이로스코프 변위는 서로에 대해 수직하며, 어느 하나가 최대에 있는 경우, 다른 하나는 제로임을 주지해야 한다. 2개의 평면 진동의 합(sum)으로 인해 도 11에 도시된 타원형 운동이 생성된다.
도 9, 도 10 및 도 11의 외팔보 흐름관(901)은 구동기(D)로부터의 사인파형 힘에 의해 진동한다. 이러한 사인파형 힘의 주파수는 에너지 효율의 동기(reason)를 위한 흐름관의 제 1 굽힘 모드 공진 주파수와 동일하게 설정된다. 공진에서는, 커다란 진동 진폭(vibration amplitude)을 유지시키기 위해 상당히 작은 구동력이 요구된다. 흐름관의 대칭성으로 인해, 굽힘 상태의 흐름관의 공진 주파수는 구동기 및 자이로스코프 방향과 동일하다. 구동력과 같은 사인파형 자이로스코프 힘은 공진 (구동) 주파수로 유동하는 물질에 의해 흐름관에 인가된다. 이로 인해, 자이로스코프 방향으로 흐름관의 진동 진폭이 크게 된다.
도 12 및 도 13
자이로스코프 유량계의 하나의 바람직한 실시예는 양 단부가 고정된 흐름관을 구비한다. 도 12 및 도 13은 외팔보형 흐름관 상에서의 자이로스코프 힘 분포와 양 단부가 고정된 흐름관 상에서의 자이로스코프 힘 분포 사이의 차이를 설명하는데 사용된다. 도 12에서, 흐름관(1201)은 양 단부(1202, 1203)가 고정되어 있다. 외팔보 흐름관(901)과 같은 흐름관(1201)은 나선형 배플(도시 안됨)을 포함하는데, 이러한 나선형 배플은 물질 유동이 스핀하게 한다. 흐름관(1201)은 구동 방향으로 최대 편향 상태에 있는 것으로 점선(1204)으로 도시되어 있다. 도 13은 도 9 내지 도 11의 외팔보형 흐름관(910)에 각각 유사한 한 쌍의 외팔보 흐름관(1308L, 1308R)을 도시한다. 외팔보 흐름관(1308L, 1308R)은 또한 구동 방향으로 최대 편향 상태에 있는 것으로 점선(1205L, 1205R)으로 도시되어 있다.
도 12 및 도 13의 편향된 흐름관의 형상을 비교해 보면 중요한 차이가 드러난다. 외팔보 흐름관(1305L, 1395R)의 축선의 기울기(slope)는 양 흐름관의 자유(중앙) 단부를 향해 연속적으로 증가한다. 그러나, 연속하는 흐름관(1201)의 축선의 기울기는 초기에는 증가하지만, 이후 흐름관의 중앙에서 제로가 된다. 변형된 모드 형상에서의 이러한 차이는 진동하는 동안 구동 평면으로의 회전의 양에서의 차이를 생성시킨다. 이러한 연속하는 흐름관은 중앙 세그먼트를 가지는데, 이 중앙 세그먼트는 구동 평면으로의 진동에 의해 회전하지 않고, 단지 위 아래로 병진 운동한다. 중앙 세그먼트의 회전의 부족은, 중앙 세그먼트 내에서 물질을 유동시키고 회전시킴으로써 자이로스코프 힘이 발생되지 않는다는 것을 의미한다. 반대로, 외팔보 흐름관은 기울기를 가지고 있어서, 자유단에서 자이로스코프 힘과 최대 회전을 가진다.
도 14
도 14는 양 단부가 고정된, 나선형 배플(도시 안됨)을 갖춘 흐름관 상에 자이로스코프 힘의 분포를 도시한다. 흐름관(1401)은 구동 운동이 지면의 안쪽 미 바깥쪽(Y 방향)이도록 배향된다. 흐름관 중앙에는 구동 자석(D)이 있는 것으로 도시되어 있다. 흐름관은 제 1 굽힘 공진 주파수에서 구동된다. 흐름관 중앙 아래에는 속도 센서(1405)가 도시되어 있는데, 여기에서 자이로스코프 방향으로의 흐름관 속도를 측정할 수 있다. 실선으로 도시된 흐름관은 자이로스코프 방향(Z)에서 제로 변위를 통과한다. 점선으로 도시된 흐름관은 자이로스코프 방향(Z)에서 최대 변위에 있다. 구동 평면으로의 흐름관(1401)의 진동(도시되지 않음)으로 인해, 흐름관 축선의 좌측 절반이 흐름관의 좌측단(1402)을 중심으로 회전하는 한편, 흐름관 축선의 우측 절반이 우측단(1403)을 중심으로 회전한다. 흐름관 중심은 회전하지 않지만 병진 운동한다. 흐름관 구동 평면 진동과 관련되어 스핀하는 물질 유동은 구동 평면에 대해 그리고 흐름관 축선에 대해 90도로 자이로스코프 힘이 흐름관에 인가되게 한다. 흐름관이 자이로스코프 방향에서 제로 편향 지점을 통과할 때, 자이로스코프 힘(GF)의 분포(화살표)는 흐름관(1401)을 따라 도시되어 있다. 자이로스코프 힘은 흐름관의 길이를 따라 대략 25% 내지 75%에서 정점에 있다. 이들 위치에서의 구동 모드 흐름관 축선의 부족때문에, 이러한 자이로스코프 힘은 흐름관의 단부 및 중앙에서 제로로 간다.
비균일한 힘 분포에도 불구하고, 흐름관(1401)은 자이로스코프 평면에서 제 1 굽힘 모드(구동 모드와 같은)로 편향된다. 이 제 1 굽힘 모드는 동일한 방향(모든 음의 방향 또는 모든 양의 방향)에서 모두 있게 되는 편향을 가지는 유일한 모드이기 때문에 여기된다. 또한, 자이로스코프 힘은 구동 주파수에서 물질에 의해 흐름관에 인가된다. 구동 주파수는 또한 자이로스코프 방향에서 제 1 굽힘 모드의 공진 주파수이다. 흐름관이 자이로스코프 힘에 의해 공진에서 또는 공진 근처에서 구동되기 때문에, 제 1 굽힘 모드에서의 자이로스코프 응답은 크다.
도 15
도 15는 본 발명의 하나의 바람직한 예시적인 실시예를 도시한다. ㅇ러한 실시예는 양 단부에서 커넥팅 링(1503, 1504)에 의해 흐름관(1501)에 연결되는 밸런스 바(1502)를 포함한다. 도 15의 이러한 밸런스 바(1502) 및 흐름관은 구동기(D)에 의해 역-동위상(in phase-opposition)으로 구동되며, 이 구동기(D)는 구동 평면(지면의 평면에 수직한)에서 상호 공진 주파수로 밸런스 바 및 흐름관을 구동시킨다. 밸런스 바(1502)는 구동 방향 및 자이로스코프 방향 모두에서 흐름관(1501)을 평형시켜서, 흐름관이 커넥팅 링(1503, 1504)에 결합되는 흐름관의 활성 부분의 단부에서 영역(노드(nodes))을 고정시키도록 구성된다. 밸런스 바(1502) 제 1 굽힘 모드의 공진 주파수는 흐름관(1501) 제 1 굽힘 모드의 공진 주파수와 동일하거나 다소 적다. 밸런스 바(1502)는 추가된 질량 및 컷아운(1514)에 의해 낮추어진 공진 주파수를 가지는 관형 부재일 수 있다. 컷아웃의 위치 및 영향은 도 18과 관련하여 후에 설명된다. 도 15의 밸런스 바는 또한 4-웨이 대칭(구동 및 자이로스코프 힘 평면에서 모든 방향)을 가질 수 있어서, 구동 및 자이로스코프 방향에서 동이랗ㄴ 공진 주파수를 가진다. 이렇게 동일한 공진 주파수를 가짐으로써, 자이로스코프 진동 진폭을 최대화하고, 따라서 유량계의 유동 감응도(flow sensitivity)를 최대화 한다.
물질 유동이 있다면, 자이로스코프 힘은 흐름관(1501)을 여기시켜서, 동일한 (구동) 주파수에서 자이로스코프 방향(지면의 평면)으로 진동시킨다. 자이로스코프 방향에서의 흐름관(1501)의 운동은 구동 방향에 대해 90도로, 커넥팅 링(1503, 1504)을 통해 자이로스코프 방향으로 밸런스 바를 여기시키는데, 이러한 커넥팅 링은 흐름관(1501)의 활성 부분의 단부에 밸런스 바(1502)의 단부를 단단히 조인다. 밸런스 바는 공진 주파수에서 또는 그 근처에서 구동되기 때문에, 흐름관의 자이로스크포 운동을 균형맞출 때 까지 그 진폭을 증가시키고 자이로스코프 방향으로 흐름관을 이위상(out of phase)으로 진동시킨다. 따라서, 흐름관(1501)은 구동 평면 및 자이로스코프 평면 모두에서 진동하고, 밸런스 바(1502)에 의해 모든 방향에서 동역학적으로 균형맞추어진다.
반대로, 하나의 흐름관 코리올리 유량계는 구동 모드에서만 동역학적으로 균형이 맞추어진다. 가장 상업적인 코리올리 유량계는 코리올리 힘을 위한 카운터밸런스가 없다. 코리올리 힘은 구동 주파수와 구동 평면으로 흐름관에 인가되지만, 코리올리 힘은 구동기의 어느 한 쪽상에서 반대 사인(sign)을 가진다. 이러한 코리올리 힘 분포는 밸러스 바의 제 2 굽힘 모드를 여기시키고 코리올리 힘을 균형맞춘다. 그러나, 밸런스 바 제 2 굽힘 모드 공진 주파수는 구동 주파수의 거의 3배이다. 따라서, 밸런스 바는 제 2 굽힘 모드에서 여기되지 않고, 코리올리 힘은 완전히 균형 맞추어지지 않는다. USP 5,987,999에 개시된 향상된 감응도를 갖춘 밸런스 바는 이러한 문제를 제기하므로 예외이다. USP 5,987,999에 개시된 밸런스 바는 구동 주파수 근처가 되도록 낮추어진 제 2 굽힘 모드를 위한 밸런스 바 공진 주파수를 가진다. 다른 상업적인 유량계에 대해, 주파수 세퍼레이션(separation) 때문에, 밸런스 바의 제 2 굽힘 모드는 충분히 여기되지 않으며, 코리올리 유량계는 균형 맞추어 지지 않는다. 카운터밸런스의 부족은 유량계를 요동하게 하고 이에 따라 유량계가 부정확해 지기 때문에 코리올리 유량계에 대해 문제점이 된다. 자이로 유량계는 흐름관의 자이로스코프 진동이 밸런스 바에 의해 균형 맞추어지기 때문에 상술한 문제점을 발생되지 않는다.
코리올리 힘은 자이로 유량계의 진동하는 흐름관 내에 발생된다. 그러나, 이들 코리올리 힘은, 코리올리 힘 및 생성된 흐름관의 코리올리 편향이 구동 평면 내에 있으며, 중앙에 위치한 자이로스코프 속도 센서에 의해 보이지 않게 되기 때문에, 자이로 계측에 영향을 주지 않는다. 또한, 구동/코리올리 평면내에서의 언밸런스한 진동은 자이로스코프 평면내의 자이로스코프 진폭 측정에 영향을 주지 않는다.
도 15의 유량계는 흐름관 및 밸런스 바의 종축방향 중앙에 구동 자석(D) 및 구동 코일(도시 안됨)을 구비한다. 구동 진폭 픽오프(pickoff)(속도 센서)(1508)는 구동 자석에 대한 흐름관의 반대편 상에 위치한다. 구동 진폭 픽오프는 구동 방향에서 밸런스 바(1502)에 대해 흐름관(1501)의 속도 또는 진동 진폭에 비례하는 출력을 가진다. 이 구동 진폭 픽오프는 진동하는 흐름관의 구동 진폭을 제어하는데 사용된다.
자이로스코프 진폭 픽오프(속도 센서)(1511)는 흐름관(1501)의 중앙에 그리고 구동기(D)에 대해 90도로 위치한다. 이러한 속도 센서는 자이로스코프 방향에서 밸런스 바에 대해 흐름관의 진동 진폭 또는 속도에 비례하는 출력을 가진다. 자이로스코프 방향으로의 흐름관 진동 진폭은 구동 평면 및 질량 유량 모두에 대해 비례하기 때문에, 자이로스코프 속도 센서 출력은 질량 유량의 표시자로서 단독으로 사용될 수 없다. 구동 진동 진폭은 알려져 있어야 한다. 바람직한 방법은 구동 진동 진폭을 정밀하게 제어하지 않고, 대신에 구동 진동 진폭을 측정하는 것이다. 구동 픽오프(1508)의 정밀하게 측정된 진폭 출력에 의해 구분된 자이로스코프속도 픽오프(1511)의 진폭 출력의 비율은 질량 유량을 결정하는데 사용된다. 이러한 방법은 흐름관에 의해 취해지는 타원형 경로의 종횡비를 반드시 측정한다. 차원의 종횡비는 질량 유량에 비례하고, 구동 진폭 및 타원 크기와 무관하다.
도 15의 유량계(1500)는 흐름관(1501) 및 밸런스 바(1502)를 구비하며, 밸런스 바(1502)의 양 단부는 커넥팅 링(1503, 1504)에 의해 흐름관(1501)에 연결된다. 흐름관(1501)의 비활성 흐름관 부분(1501L, 1501R)은 커넥팅 링(1503, 1504)을 넘어 케이스(1505)의 단부(1509)를 통과해서 축방향 외부로 돌출한다. 흐름관은 플랜지(1506, 1507)에서 종결된다. 케이스 커넥트 링크(1512)는 밸런스 바(1502)의 양 단부를 케이스(1505)의 내벽(1519)과 연결시킨다.
계측 전자부품(1520)은 유량계(1500)의 작동을 제어한다. 이렇게 함으로써, 계측 전자부품(1520)은 경로(1521)를 통해 신호를 전파시켜, 구동기(D)를 작동시키고, 이 구동기(D)는 지면의 평면에 대해 수직한 평면으로 역-동위상으로 흐름관(1501) 및 밸런스 바(1502)를 진동시킨다. 구동 진동의 진폭은 구동 픽오프(1508)에 의해 측정되며, 구동 진동 신호는 계측 전자부품(1520)에 의해 경로(1522)를 따라 전송된다. 진동하는 흐름관을 통과하는 물질 유동이 있다면, 상술한 바와 같은 자이로스코프 힘이 생성된다. 이들 자이로스코프 힘은 지면의 평면으로 역-동위상으로 흐름관 및 밸런스 바를 진동시킨다. 이들 자이로스코프 진동은 픽오프(1511)에 의해 검출되며, 픽오프(1511)에 의해 발생된 신호들은 경로(1523)를 통해 계측 전자부품(1520)에 도달된다. 계측 전자부품은 경로(1522, 1523) 위로 수신된 정보를 프로세싱하고, 물질 유동에 관련된 정보를 포함하는 출력 신호를 경로(1526) 위로 발생시킨다. 구성요소(1501)는 플랜지(1507, 1506)의 넥(neck)을 포함한다.
자이로스코프 유량계(1500)는 자이로스코프 방향에서의 공진 주파수와 상이한 구동 방향에서의 공진 주파수를 가지는 흐름관 및 밸런스 바를 포함할 수 있다. 구도 및 자이로스코프 방향에 대해 상이한 공진 주파수를 가지는 실시예는 공진 주파수가 동일한 실시예에 보다 우수한 장점을 가질 수 있다. 예컨대, 동일하지 않은 공진 주파수를 가지는 유량계는 유동하는 물질 밀도에 의한 유량계 유동 감응도에서의 변화를 보상하는데 사용될 수 있다.
밀도에 의한 감응도에서의 변화는 코리올리 유량계에서는 통상적이며, 구동 및 자이로스코프 평면에서 동일한 공진 주파수를 가지는 자이로 유량계에도 존재한다. 감응도에서의 변화는 구동 모드에서 밸런스 바와 흐름관 사이의 진폭비의 밀도에 의한 변화때문이다. 이러한 진폭비의 변화는 물질 밀도가 증가함에 따라 흐름관 구동 진폭을 감소시킴으로써, 그리고 밸런스 바 구동 진폭을 증가시킴으로써 유량계를 균형상태로 유지시키도록 돕고, 따라서 동일한 조합된 진동 진폭을 유지시킨다. 이러한 진폭비 변화는 운동량을 유지시킴으로써 구동 평면에서 유량계 밸런스를 유지한다. 중량의 흐름관은 보다 덜 이동되고, 증가된 밀도에 의해, 변화되지 않은 밸런스 바는 보다 더 이동한다. 밀도에 의한 진폭비 변화는 우수한 유량계 구성의 구조에서는 고유한 특성이다. 그러나, 흐름관 진폭의 감소로 인해, 동일한 유량에 대해 발생된 자이로스코프 힘은 보다 낮아진다. 자이로스코프 힘이 보다 낮다는 것은, 자이로스코프 방향으로의 흐름관 진동 진폭이 낮은 밀도 물질보다 높은 밀도 물질에 대해 낮다는 것을 의미한다. 순(net) 결과는 자이로 유량계가 보다 낮은 밀도의 물질에 대해서 보다 보다 높은 밀도의 유동 물질에 대해 보다 낮은 유동 감응도를 가진다. 이러한 효과는 USP 5,969,265에 상세히 기재되어 있다.
밀도에 의한 유량계 유동 감응도의 변화를 보상하기 위한 한가지 방법은, 구동 방향에서의 공진 주파수가 자이로스코프 방향에서의 공진 주파수보다 높도록 유량계를 구성하는 것이다. 보다 높은 밀도의 물질은 구동 진동 주파수가 감소하게 한다. 자이로스코프 방향에서의 공진 주파수가 충분하게 구동 주파수 아래에 있다면, 구동 주파수를 낮추는 것은 자이로스코프 공진 주파수에 보다 근접한 주파수에 자이로스코프 힘이 인가되게 한다. 구동 주파수가 진동하는 부재의 공진 주파수에 근접함에 따라 진동의 진폭이 증가하기 때문에, 이러한 구동 주파수를 낮추는 것은 자이로스코프 방향에서의 진동의 진폭이 증가하게 하고, 물질 밀도에서의 증가에 의해 야기된 진폭에서의 감소를 제거한다.
구동 및 자이로스코프 평면에서의 공진 주파수는 자이로스코프 방향에서 보다 구동 방향에서 동역학적 구조물을 보다 뻗뻗하거나 보다 유연하게 함으로써 용이하게 분리된다. 예컨대, 도 15의 밸런스 바는 밸런스 바(1514) 내에 슬롯을 구비하는데, 이러한 슬롯(1514)은 진동의 구동 모드에서 낮은 굽힘 응력을 가지며, 진동의 자이로스코프 모드에서 높은 굽힘 응력을 가지는 위치에 있다. 이러한 위치의 구멍(hole)은 자이로스코프 공진 주파수를 낮추는 한편, 구동 공진 주파수는 변하지 않고 남는다.
도 16
도 16은 도 15의 유량계(1500)에 관해 거의 모든 점에서 유사한 유량계(1600)를 도시한다. 유량계(1600)는 1500 시리즈에서 도면부호를 가지는 도 15의 대응하는 구성 요소와의 대응물을 나타내는 방식으로 1600 시리즈 내에 도면부호를 가지도록 구성된다. 유량계(1600)는 유량계(1500)와 마찬가지로 동일한 방식으로 자이로스코프 힘의 발생에 응답하고, 자이로스코프 및 구동 진동 진폭을 나타내고 유량계(1600) 내부의 물물질 유량을 나타내는 신호들을 경로(1622, 1623) 위로 전파한다. 도 15 및 도 16의 유량계 사이의 한 가지 차이점은, 도 15의 유량계는 밸런스 바 내의 슬롯을 사용하여 자이로스코프 공진 주파수를 구동 주파수 아래로 낮추는 반면, 도 16의 유량계는 커넥팅 링(1604) 상의 연장부(1616)를 사용하여, 구동 주파수를 상승시킨다. 두 방법 모두 구동 및 자이로스코프 방향에서의 공진 주파수를 분리하여, 유량계 감응도가 물질 밀도와 무관하게 하는 동일한 기능을 한다. 커넥팅 링(1616)은 도 17에서 상세히 설명한다.
도 15 및 도 16의 유량계 사이의 다른 차이점은, 유량계(1600)는 흐름관(1601)에 부착된 픽오프(LPO, RPO)를 더 포함한다는 것이다. 이들 픽오프는 물질 유동에 의한 흐름관(1601)의 진동에 의해 발생된 코리올리 힘에 응답한다. 코리올리 힘은 픽오프(LPO, RPO)에 의해 검출되고 경로(1624, 1625)를 통해, 코리올리 신호 입력을 사용하여 유량을 결정하는 계측 전자부품(1620)에 전달된다. 따라서, 계측 전자부품(1620)은 2가지 별도의 방법 즉, 코리올리 및 자이로스코프 힘을 사용하여 유량을 결정한다. 독립적인 센서 입력 및 방법으로부터 계산된 2개의유량은 애버리징(averaging) 및 에러 체킹을 통해 정확성을 향상시키는데 사용될 수 있다. 예컨대, 극한 온도 상황과 같은 일부 작동 환경에서, 2개의 세트의 정보는 일치하지 않으며, 이러한 경우에, 1개의 세트의 출력 정보는 다른 세트의 정보의 배제에 사용된다. 다른 작동 환경에서, 2개의 세트의 출력 정보는 조합될 수도 있고 평균낼 수도 있어서, 향상된 정확성의 물질 유량 정보를 경로(1626)에 제공한다. 또한, 유동 측정의 2가지 방법을 사용하는 것은 1개의 측정 수단의 실패에 대한 백업을 제공함으로써 유량계의 신뢰성을 증가시킬 수 있다.
도 17
도 17은 도 15 및 도 16의 유량계(1500, 1600)의 커넥팅 링(1503, 1504)과 커넥팅 링(1603, 1604)에 대해 유리하게 사용될 수 있는 커넥팅 링(1700)을 개시한다. 이 커넥팅 링(1700)은 필수적으로, 중앙 개구부(1706) 및 측면 돌출부(1616)를 갖춘 원형 외부면(1701)을 구비하는 원형 부재이다. 이 커넥팅 링(1700)은 흐름관(1501, 1601) 위로 고정되며, 흐름관은 원형 개구부(1706)를 통해 연장된다. 내부면(1707)은 흐름관의 외부면에 납땜 등에 의해 고정된다. 커넥팅 링(1700)의 외부면(1701)은 납땜 등에 의해 밸런스 바(1502, 1602)의 내벽(1519, 1619)에 결합된다. 커넥팅 링(1700)의 주요 기능은 밸런스 바의 단부의 진동을 흐름관에 연결하기 위한 경로를 제공하는 것이다.
커넥팅 링(1700)은 흐름관 상에 삽입되어, 측면 돌출부(1616)가 도 16에 도시된 바와 같은 흐름관의 상부 및 바닥 상에 있다. 측면 돌출부는 구동 진동 공진 주파수에 관한 한 흐름관의 진동 길이를 짧게 하지만, 자이로스코프 방향에서의 진동 길이와 공진 주파수에는 영향을 주지 않는다. 이것은 자이로스코프 진동의 공진 주파수에 대해 구동 진동의 공진 주파수 세퍼레이션을 변화시킨다. 주파수 세퍼레이션은 유량계가 밀도에 의한 유동 감응도에서의 변화를 보상하게 한다. 자이로스코프 주파수에 대해 구동 주파수를 상승시키고자 할 경우, 커넥팅 링의 돌출부는 도 16에 도시된 바와 같이 흐름관의 상부 및 바닥에 고정된다. 반대로, 구동 주파수에 대해 자이로스코프 주파수를 상승시키고자 할 경우, 커넥팅 링(1700)은 측면 돌출부(1703)가 도 15에 도시된 바와 같이 흐름관의 상부 및 바닥에 고정된다.
도 18
도 18은 낮춰진 공진 주파수를 가지는 밸런스 바(1800)를 개시한다. 이 밸런스 바의 종방향 중앙에는 자이로스코프 방향 및 구동 방향 모두에서 구멍(holes)이 있다. 구멍(1805, 1809, 1811)을 볼 수 있지만, 반대편에 2개의 보이지 않는 구멍(1805, 1809)이 있음을 이해한다. 이러한 4-웨이 대칭은 구동 방향 및 자이로스코프 방향 모두에서 동일하게 공진 주파수를 낮춘다.
구멍(1805)은 구동 방향에 축선을 가지고 있고, 다른 2 쌍의 구멍(1810, 1806, 1808, 1807)은 자이로스코프 방향에 축선을 가지면서 위치한다. 이러한 위치는 구멍들을 구동 진동 모드에서 중립 축선상에 놓는다. 이로써, 구동 모드 진동 주파수에는 작은 영향이 있다. 그러나, 이들 2쌍의 구멍은 자이로스코프 진동 모드에서 정점 응력을 가지는 밸런스 바의 측면들 상에 있다. 이들의 위치는 자이로스코프 진동 모드에서 공진 주파수를 감소시킨다. 이들 구멍들을 사용함으로써자이로스코프 방향에서의 밸런스 바 주파수를 낮추는 것은 자이로스코프 방향 공진 주파수로부터 구동 방향 공진 주파수를 분리하며, 이 와중에, 밀도에 의한 유동 감응도에서의 변화를 보상하도록 유량계의 성능을 향상시킨다.
도 19
도 18의 계측 전자부품(1900)은 도 15의 계측 전자부품(1520)의 실시예를 보다 상세히 도시한다. 실시예(1900)는 구동 신호를 경로(1521)를 통해 도 15의 구동기(D)에 인가하여, 흐름관(1501) 및 밸런스 바(1502)가 역-동위상으로 진동하게 한다. 이러한 구동 신호는 구동기 진폭 제어 요소(1901)에 의해 발생된다. 실시예(1900)는 또한 경로(1522, 1523)를 통해 픽오프 신호들을 수신한다. 경로(1522)상으로 수신된 신호는 구동기 픽오프(1508)의 출력으로부터 수신되고 구성요소(1902)에 인가된다. 이러한 구성요소(1902)는 경로(1522) 상으로 수신된 신호를 구동기 진폭 제어 요소(1901)에 경로(1905)를 통해 전송한다. 구성요소(1902)는 또한 경로(1522)상의 구동기 픽오프 출력 신호를 경로(1904)를 통해 구성요소(1907)에 전송한다.
구성요소(1903)는 경로(1523)를 통해 구성요소(1511)의 자이로스코프 픽오프 출력을 수신한다. 이러한 신호는 자이로스코프 방향에서의 흐름관(1501)의 자이로스코프 모드 편향의 진폭을 나타낸다. 구성요소(1903)는 이러한 신호를 경로(1906)를 통해 구성요소(1907)에 송신하는데, 이러한 구성요소(1907)는 경로(1522)상의 구동기 픽오프 신호에 대한 경로(1523)상의 자이로스코프 픽오프 신호의 비(ratio)를 결정한다. 구성요소(1907)는 경로(1908)를 통해구성요소(1909)에 이렇게 결정된 비를 전송하는데, 이러한 구성요소(1909)는 직사각형(1909)으로 도시된 식을 사용하여 유동 물질의 질량 유량을 발생시키며, 여기서은 질량 유량이다. 이후, 계산된 질량 유량은 경로(1526) 위로, 도시되지 않은 응용 회로에 전송된다.
도 20
도 20은 도 15의 계측 전자부품(1520)의 가능한 예시적인 제 2 실시예를 개시한다. 도 19에 도시된 게측 전자부품의 실시예(1900)가 구동기의 진동 진폭에 대한 자이로스코프의 진동 진폭의 비의 결정을 사용하여 질량 유량을 어떻게 계산하는가를 설명하였다. 계측 전자부품(1520)을 위한 도 20의 실시예(2000)는 실시예(1900)를 위한 경우에서와 같이 구동 진폭의 결정을 필요로 하지 않는 방식으로 질량 유량 정보를 발생시킨다. 도 20의 구동기 픽오프 레지스터(2003)는 구동기 픽오프 요소(1508)로부터 경로(1522)상으로 신호를 수신하고, 이렇게 수신된 신호를 경로(2002) 상으로 구동기 진폭 제어(2001)에 전송하며, 구동기 진폭 제어(2001)는 경로(1521)상으로 도 15의 구동기(D)에 정밀하게 제어된 진폭의 신호를 전송한다. 구성요소(2001)에 의해 발생된 구동 신호의 신호 진폭이 정밀하게 제어된다는 점에서, 구동기 진폭 제어(2001)는 도 19의 대응 구성요소(1901)와 상이하다. 따라서, 구성요소(2000)는 질량 유량을 계산하기 위해 구동 모드 신호에 대한 자이로스코프 모드 신호의 진폭비를 필요로 하지 않는다. 구동기 진폭 제어(2001)의 진폭이 정밀하게 제어되기 때문에, 미리 알려지며, 구성요소(2007)에 의해 내부적으로 사용될 수 있어서 흐름관(1501)의 자이로스코프 모드의 진폭을 나타내는 신호만을 사용하여 질량 유량을 계산한다. 이러한 정보는 도 15의 자이로스코프 픽오프(1511)로부터 수신되고, 경로(1523)를 통해 자이로스코프 픽오프 요소(2004)에 도달한 후, 경로(2006)를 통해 구성요소(2007)에 더 전송된다. 구성요소(2007)는 자이로스코프 모드 진동 진폭을 수신하고, 질량 유량의 계산에 바로 사용한다. 이러한 질량 유량 정보는 경로(1526) 상으로, 도시되지 않은 응용 회로에 전송된다.
도 21
도 21은 도 16의 계측 전자부품(1620)의 가능한 예시적인 바람직한 실시예를 도시한다. 도 16의 유량계는 흐름관(1601)의 코리올리 편향을 나타내는 신호를 사용하여, 그리고 자이로스코프 평면에서의 흐름관(1601)의 편향을 나타내는 신호를 사용함으로써 물질 유량 정보를 발생시킨다는 것을 다시 고려해 본다. 코리올리 신호는 픽오프(LPO, RPO)에 의해 발생되며, 경로(1624, 1625)를 통해 계측 전자부품 특히 구성요소(2114)에 전송된다. 자이로스코프 모드 물질 유동 정보는 도 16의 픽오프(1611)에 의해 발생되며, 경로(1623)을 통해 구성요소(2106)에 전송된다. 실시예(2100)는 또한 도 16의 구동기(D)용 구동 신호를 발생시킨다. 이 신호는 구동기 진폭 제어(2101)에 의해 발생되며, 경로(1621)를 통해 구동기(D)에 연장된다. 경로(1622)는 도 16의 구동기(D)의 진동하는 진폭을 나타내는 신호를 수신한다. 이러한 신호는 경로(1622)를 통해 구동기 픽오프 레지스터(2103)에 도달하며, 이 구동기 픽오프 레지스터(2103)는 경로(2102, 2104)를 통해 구성요소(2101, 2108)에 상기 신호를 전송한다. 경로(2101) 상의 신호는 구성요소(2101)에 의해 발생된 구동 신호의 진폭을 제어한다. 경로(2104)상의 신호는 구동기 진폭 정보를 구성요소(2108)에 인가한다. 흐름관(1601)의 자이로스코프 모드 진동의 진폭을 나타내는 신호는 자이로스코프 픽오프 출력 요소(1611)에 의해 경로(1623)에 인가된다. 경로(1623) 상의 신호는 구성요소(2106)에 경로(2107)를 통해 구성요소(2108)에 전송된다. 구성요소(2108)는 도 19의 구성요소(1907)에 대해 설명한 방식으로 기능하여, 구동 모드 신호에 대한 자이로스코프 모드 신호의 진폭비를 결정한다. 이렇게 결정된 진폭비는 경로(2109)를 통해 구성요소(2111)에 전송되고, 이 구성요소(2111)는 구성요소(1909)와 동일한 방식으로 질량 유량을 발생시킨다. 이후, 자이로스코프 질량 유량 정보는 경로(2112)를 통해 구성요소(2113)으로 전송되며, 이 구성요소(2113)의 기능은 아래에 설명한다.
코리올리 모드 출력 신호는 경로(1624, 1625)를 통해 구성요소(2114)에 의해 수신된다. 이들 신호들은 이후 경로(2116)를 통해 구성요소(2117)로 전송되며, 이 구성요소(2117)은 도 16의 픽오프(LPO)로부터 그리고 픽오프(RPO)로부터의 코리올리 실호들 사이의 시간차(Δt)를 측정한다. 이러한 시간차 정보는 경로(2118)를 통해 구성요소(2119)에 전송되는데, 이 구성요소(2119)는, 시간차(Δt)의 크기가 질량 유량()의 크기에 비례하는 표시된 식을 사용하여 질량 유랴을 계산한다. 구성요소(2119)로부터의 질량 유량 정보는 경로(2121)를 통해 구성요소(2113)으로 전송된다.
구성요소(2113)는 2개의 상이한 공급원으로부터 물질의 질량 유량을 나타내는 정보를 수신한다. 경로(2121)상으로 수신된 정보는 흐름관(1601)의 코리올리모드 편향의 사용에 의해 결정된 질량 유량을 나타낸다. 경로(2112)상의 신호는 흐름관(1601)의 자이로스코프 모드 편향의 진폭의 사용에 의해 결정된 질량 유량을 나타낸다. 구성요소(2113)는 2개의 세트의 질량 유량 데이타를 수신하고, 이들 데이타를 비교하여, 이들 데이타에 대응하는 것을 결정한다. 구성요소(2113)는 또한 이러한 데이타의 비-대응물(non-correspondence)의 경우에, 보상 기술을 사용하여 데이타를 보정하고 에러를 체킹한다.
본 발명의 자이로 유량계는, 유량이 2개의 전압 사이의 비(속도 센서의 출력)에 비례하며, 이러한 전압은 간단한 전자장치에 의해 정확한 유동 측정이 가능하기에 충분히 크게 될 수 있다는 장점이 있다. 전자장치는 코리올리 유량계에 필요한 것들 보다 상당히 저렴하고 단단할 수 있다. 또한, 자이로 유량계는 물질 밀도와 무관한 유량 감응도를 가지도록 용이하게 구성된다.
클레임되는 발명은 상술한 바람직한 실시예의 상세한 설명에 한정되지 않으며, 본 발명의 개념의 범위 및 요지 내에서 다른 변경 및 변화를 완전히 포함한다는 것을 분명히 이해해야 한다. 예컨대, 본 발명은 하나의 곧은관 유량계의 일부분을 포함하는 것으로서 개시되었지만, 본 발명은 여기에 한정되지 않고, 복수의 흐름관의 유량계 뿐만 아니라, 불규칙 또는 곡선형 구성의 하나의 관의 유량계를 포함하는 다른 유형의 유량계를 사용할 수도 있다.

Claims (30)

  1. 물질 입구(1500, 1606), 물질 출구(1507, 1607), 상기 입구 및 상기 출구에 연결된 흐름관 수단(1501, 1601)을 구비하며, 상기 입구에서 물질 유동을 수용하고 상기 흐름관 수단을 통해 상기 출구로 상기 물질 유동을 보내고, 상기 흐름관 수단의 종축선을 포함하는 구동 평면에서의 구동 진동 모드의 구동 주파수에서 상기 흐름관 수단을 진동시키는 구동기(D)를 더 포함하는 유량계(1500, 1600)에 있어서,
    상기 진동하는 흐름관 수단의 종축선(310, 410, 510, 610, 710, 810)을 중심으로 상기 물질 유동에 스핀을 부여하기 위한, 상기 흐름관 수단을 포함하는 수단(300, 400, 500, 700, 800)과,
    상기 흐름관 수단은 상기 흐름관 수단의 구동 진동 모드에 응답하고, 상기 구동 평면에 대해 수직한 자이로스코프 평면에서 상기 흐름관 수단의 자이로스크포 모드 진동을 발생시키기 위한 상기 물질 유동의 상기 스핀에 응답하며,
    상기 자이로스코프 모드 진동의 발생에 응답해서, 상기 물질 유동의 크기를 지시하는 자이로스코프 출력 신호를 발생시키기 위한 픽오프 수단(1511, 1611)과, 그리고
    상기 출력 신호의 발생에 응답해서, 상기 물질 유동에 관련된 출력 정보를 발생시키기 위한 계측 전자부품(1520, 1620)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유량계.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 픽오프 수단은 상기 자이로스코프 모드 진동의 진폭을 나타내는 신호들을 발생시키는 제 1 픽오프를 포함하며,
    상기 유량계는 상기 픽오프 수단으로부터 상기 계측 전자부품으로 상기 신호들을 보내는 컨덕터 수단(1523)을 더 포함하며,
    상기 계측 전자부품은 상기 물질 유동에 관련된 상기 정보(1526)를 발생시키기 위해 상기 제 1 픽오프에 의해 발생된 상기 신호들의 수신에 응답하는 것을 특징으로 하는 유량계.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 픽오프 수단은,
    상기 구동 평면에서 상기 흐름관 구동 진동의 진폭을 나타내는 신호를 발생시키기 위한 제 2 픽오프(1508, 1608)를 더 포함하며, 그리고
    상기 계측 전자부품은,
    상기 제 1 및 제 2 픽오프에 의해 발생된 상기 신호들의 수신에 응답해서, 상기 구동 평면에서의 상기 흐름관 구동 모드 진동의 진폭에 대한 상기 자이로스코프 평면에서의 상기 흐름관 자이로스코프 모드 진동의 진폭의 비를 결정하기 위한 수단(1907, 1208)과, 그리고
    상기 비의 결정에 응답해서, 상기 물질 유동에 관련된 상기 출력 정보를 발생시키기 위한 수단(1909, 2111)을 포함하는 것을 특징으로 하는 유량계.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 출력 정보는 상기 물질 유동의 질량 유량을 포함하는 것을 특징으로 하는 유량계.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 유량계는,
    상기 자이로스코프 평면에서의 상기 흐름관의 상기 자이로스코프 모드 진동의 진폭을 측정하기 위한 픽오프(1511, 1611)를 더 포함하며,
    상기 계측 전자부품은,
    상기 구동 평면에서의 상기 흐름관 구동 모드 진동의 진폭을 제어하기 위한 수단(2001)과, 그리고
    상기 자이로스코프 평면에서의 상기 흐름관의 상기 자이로스코프 모드 진동의 진폭의 상기 결정에 응답해서, 상기 물질 유동의 질량 유량을 결정하기 위한 수단(2007)을 포함하는 것을 특징으로 하는 유량계.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 구동 주파수는 상기 자이로스코프 평면에서의 상기 자이로스코프 모드 진동을 최대화하기 위해 상기 자이로스코프 진동 모드의 공진 주파수와 동일한 것을 특징으로 하는 유량계.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 구동 주파수는, 상기 물질 유동 밀도와 상기 자이로스코프 평면에서의 상기 자이로스코프 모드 진동의 진폭 사이의 관계를 변경시키기 위해 상기 자이로스코프 진동 모드의 상기 공진 주파수와 동일하지 않은 것을 특징으로 하는 유량계.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 흐름관 수단은,
    하나의 곧은 흐름관(400)과,
    상기 자이로스코프 평면에서 상기 자이로스코프 모드 진동을 발생시키도록, 상기 흐름관의 상기 종축선(310)을 중심으로 상기 물질 유동에 상기 스핀을 부여하는, 상기 흐름관 내부의 나선형체(300)를 포함하는 것을 특징으로 하는 유량계.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 흐름관 수단은,
    상기 흐름관의 상기 종축선(810)을 중심으로 상기 물질 유동에 상기 스핀을 부여하는 코일 스프링 형상을 가지는 하나의 흐름관(800)을 포함하는 것을 특징으로 하는 유량계.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 흐름관 수단은,
    공통의 종축선(510)을 중심으로 상기 물질 유동에 상기 스핀을 부여하는 기다란 형상을 가지도록 상기 공통의 종축선을 중심으로 함께 트위스트된 복수의 흐름관(500)을 포함하는 것을 특징으로 하는 유량계.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 흐름관 수단은,
    바(604, 704)와, 코일을 형성하도록 상기 바에 감긴 흐름관(601, 701)을 포함하여,
    상기 코일은 상기 흐름관 및 상기 바의 공통의 종축선(610, 710)을 중심으로 상기 물질 유동에 상기 스핀을 부여하는 것을 특징으로 하는 유량계.
  12. 제 11 항에 있어서, 기다란 상기 바(704)는 거의 일직선인 것을 특징으로 하는 유량계.
  13. 제 11 항에 있어서, 상기 바(702) 및 상기 흐름관(701)은 상기 공통의 종축선을 중심으로 함께 트위스트되어 있는 것을 특징으로 하는 유량계.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 물질 유동은 상기 진동하는 흐름관 상에 상기 구동 평면으로 코리올리 힘을 발생시키고, 상기 코리올리 힘은 상기 구동 평면에 상기 흐름관 수단(1601)의 코리올리 편향을 발생시키며,
    상기 유량계는,
    상기 코리올리 편향을 검출하고, 상기 물질 유동에 관련된 정보를 포함하는 코리올리 출력 신호들을 발생시키는, 상기 흐름관 수단 상의 픽오프 수단(LPO, RPO)을 더 포함하며,
    상기 계측 전자부품(1620)은 상기 물질 유동에 관련된 출력 정보를 발생시키기 위해 상기 코리올리 신호 및 상기 자이로스코프 신호의 발생에 응답하는 것을 특징으로 하는 유량계.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 흐름관 수단에 평행한 밸런스 바(1502, 1602)와,
    상기 흐름관 수단에 상기 밸런스 바의 단부들을 연결시키는 커넥팅 링 수단(1503, 1603)을 더 포함하며,
    상기 구동기는 상기 물질이 충진된 흐름관 수단 및 상기 밸런스 바의 공진 주파수로 상기 구동 평면에서의 구동 진동 모드로 역 동위상으로 상기 흐름관 수단 및 상기 밸런스 바를 진동시키고,
    상기 자이로스코프 모드 진동은 상기 물질이 충진된 흐름관 수단 및 상기 밸런스 바의 자이로스코프 모드 진동의 공진 주파수로 상기 자이로스코프 평면에서 상기 물질이 충진된 흐름관 수단 및 상기 밸런스 바를 진동시키는 유량계.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 밸런스 바 및 상기 흐름관 수단을 둘러싸는 케이스(1505, 1605)와,
    상기 케이스의 단부에 연결된 케이스 단부(1509, 1609)와,
    상기 케이스의 상기 케이스 단부를 통해 돌출하고 플랜지(1506, 1606, 1507, 1607)에 연결된 상기 흐름관 수단의 단부(1501L, 1601L, 1501R, 1601R)를 더 포함하며,
    상기 플랜지 중 제 1 플랜지(1506, 1606)는 물질 공급원으로부터 상기 물질 유동을 수용하고, 상기 유량계를 통해 상기 물질 유동을 연장시키고,
    상기 플랜지 중 제 2 플랜지(1507, 1607)는 상기 흐름관 수단의 출력 단부상에 위치하며, 상기 흐름관 수단으로부터 상기 물질 유동을 수용하고, 상기 물질 유동을 목적지까지 연장시키는 유량계.
  17. 제 15 항에 있어서, 상기 커넥팅 링 수단은,
    상기 흐름관 수단에 상기 밸런스 바의 각각의 단부를 연결시키는 제 1 및 제 2 커넥팅 링(1503, 1603, 1504, 1604)과,
    상기 흐름관 수단 및 상기 밸런스 바의 상기 자이로스코프 모드 진동과 상기 구동 모드 진동의 공진 주파수 세퍼레이션을 변경시키기 위해 상기 흐름관 수단의 측면벽에 부착되는 상기 커넥팅 링상의 측면 방사상 돌출부(1616)를 포함하는 것을 특징으로 하는 유량계.
  18. 제 15 항에 있어서, 상기 흐름관 수단 및 상기 밸런스 바의 상기 자이로스코프 모드 진동과 상기 구동 모드 진동의 공진 주파수의 세퍼레이션을 변경하는, 상기 밸런스 바의 벽 내의 개구부(1805, 1806, 1807, 1808, 1809, 1810, 1811)를 더 포함하는 밸런스 바.
  19. 제 1항의 장치를 작동하는 방법에 있어서,
    상기 구동 평면에서 상기 흐름관 수단을 진동시키는 단계와,
    상기 흐름관 수단의 상기 종축선을 중심으로 상기 물질 유동에 상기 스핀을 부여하는 단계와,
    상기 스핀에 의해 상기 자이로스코프 평면에서 상기 흐름관 수단의 상기 자이로스코프 모드 진동이 발생되는 단계와,
    상기 자이로스코프 모드 진동의 상기 발생에 응답해서, 상기 물질 유동의 크기를 나타내는 출력 신호를 발생시키는 단계와
    상기 물질 유동에 관련된 출력 정보를 발생시키기 위해 상기 계측 전자부품을 작동시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 출력 신호를 발생시키는 단계는 상기 자이로스코프 평면에서 상기 자이로스코프 모드 진동의 진폭을 나타내는 신호들을 발생시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제 19 항에 있어서, 상기 구동 평면에서 상기 흐름관 수단 구동 모드 진동 의 진폭을 결정하는 단계와,
    상기 구동 평면에서의 상기 흐름관 수단 구동 모드 진동의 진폭에 대한 상기 자이로스코프 평면에서의 상기 자이로스코프 모드 진동의 진폭의 비를 결정하는 단계와,
    상기 비의 상기 결정에 응답해서, 상기 물질 유동에 관련된 상기 출력 정보를 발생시키는 단계를 더 포함하는 방법.
  22. 제 19 항에 있어서, 상기 구동 평면에서의 상기 흐름관 수단 구동 모드 진동의 진폭을 제어하는 단계와,
    상기 자이로스코프 평면에서의 상기 흐름관 수단의 상기 자이로스코프 모드 진동의 진폭을 측정하는 단계와,
    상기 물질 유동에 관련된 상기 출력 정보를 발생시키기 위해 상기 측정에 응답해서 상기 계측 전자부품을 작동시키는 단계를 더 포함하는 방법.
  23. 제 19 항에 있어서, 상기 구동 평면 진동 모드 공진 주파수가 상기 자이로스코프 진동 모드 공진 주파수와 동일해서 상기 자이로스코프 평면에서 상기 자이로스코프 모드 진동의 진폭을 최대화하도록 상기 유량계를 작동하는 단계를 포함하는 방법.
  24. 제 19 항에 있어서, 상기 자이로스코프 평면에서의 상기 자이로스코프 모드 진동의 진폭과 상기 물질 유동의 밀도 사이의 관계를 변경하기 위해, 상기 구동 진동 모드 주파수가 상기 모드 진동의 자이로스코프 모드 공진 주파수와 동일하지 않도록 상기 유량계를 작동하는 단계를 포함하는 방법.
  25. 제 19 항에 있어서, 상기 흐름관 수단은 하나의 곧은 흐름관을 포함하며,
    상기 방법은, 상기 흐름관 내부의 나선형체을 삽입하여, 상기 흐름관의 종축선을 중심으로 상기 스핀을 상기 물질 유동에 부여하는 단계를 포함하는 방법.
  26. 제 19 항에 있어서, 상기 흐름관 수단은 하나의 흐름관을 포함하며,
    상기 방법은, 상기 흐름관의 종축선을 중심으로 상기 물질 유동에 상기 스핀을 부여하는 코일 스프링 형상을 한정하도록 상기 흐름관이 형성된 상기 유량계를 작동시키는 단계를 더 포함하는 방법.
  27. 제 19 항에 있어서, 상기 흐름관 수단은 복수의 흐름관을 포함하며,
    상기 방법은, 상기 물질 유동에 상기 스핀을 부여하는 기다란 형상을 한정하도록 공통의 종축선을 중심으로 상기 복수의 흐름관을 함께 트위스트하는 단계를 더 포함하는 방법.
  28. 제 19 항에 있어서, 상기 흐름관 수단은 하나의 흐름관을 포함하고,
    상기 방법은, 상기 흐름관 및 상기 바에 공통인 종축선을 중심으로 상기 물질 유동에 상기 스핀을 부여하는 코일을 형성하도록 상기 기다란 바 상에 상기 흐름관을 감는 단계를 더 포함하는 방법.
  29. 제 19 항에 있어서, 상기 물질 유동은 상기 진동하는 흐름관 수단 상의 상기 구동 평면으로 코리올리 힘을 발생시키고, 상기 코리올리 힘은 상기 구동 평면에서 상기 흐름관 수단의 주기적 코리올리 편향을 발생시키는 방법에 있어서,
    상기 코리올리 편향을 검출하고 상기 물질 유동에 관련된 출력 신호들을 발생시키는, 상기 흐름관 상의 픽오프를 작동시키는 단계;
    상기 코리올리 신호 및 상기 자이로스코프 신호의 발생에 응답해서, 상기 물질 유동과 관련된 출력 정보를 발생시키기 위해 상기 계측 전자부품을 작동시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  30. 제 19 항에 있어서, 상기 유량계는 상기 흐름관에 평행한 밸런스 바와,
    상기 흐름관 수단에 상기 밸런스 바의 단부를 연결시키는 커넥팅 링 수단을 포함하며,
    상기 방법은,
    상기 물질이 충진된 흐름관 수단 및 상기 밸런스 바의 공진 주파수에서 상기 구동 평면의 역 동위상으로 상기 흐름관 수단 및 상기 밸런스 바를 진동시키도록 상기 구동기를 작동시키는 단계와,
    상기 자이로스코프 진동의 모드에서 상기 물질이 충진된 흐름관 수단 및 상기 밸런스 바의 공진 주파수에서 상기 자이로스코프 평면에서 상기 물질이 충진된 흐름관 수단 및 상기 밸런스 바를 상기 자이로스코프 힘이 진동시키도록, 상기 유량계를 작동시키는 단계를 더 포함하는 방법.
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