KR20150058497A - 개선된 진동 부재를 갖는 진동 농도계 - Google Patents

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Abstract

진동 농도계(800)용 진동 부재(500)가 제공된다. 진동 부재(500)는 하나 또는 그 초과의 아치형 부분(730)들을 갖는 내부 표면(531)을 포함한다. 진동 부재(500)의 내부 표면(531)은 바람직한 진동 구동 모드의 공진 주파수와 하나 또는 그 초과의 바람직하지 않은 진동 모드들의 공진 주파수 사이의 주파수 분리를 증가시키기 위한 크기와 위치를 갖는 하나 또는 그 초과의 상승 부분(530)들을 또한 포함한다.

Description

개선된 진동 부재를 갖는 진동 농도계 {A VIBRATING DENSITOMETER WITH AN IMPROVED VIBRATING MEMBER}
이하에 설명된 실시예들은 진동 농도계들, 더 구체적으로는 개선된 진동 모드 분리(separation)를 갖는 진동 농도계용 진동 부재를 갖는 진동 농도계에 관한 것이다.
농도계들은 당업계에 일반적으로 공지되며 유체의 농도를 측정하는데 사용된다. 유체는 액체, 가스, 부유되는 입자들 및/또는 수반되는 가스를 갖는 액체 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 상이한 원리들에 따라 작동하는 다양한 타입들의 농도계들이 있지만, 대단한 상업적 성공을 거둔 농도계 중 하나의 타입은 진동 농도계이다. 진동 농도계들은 시험 하의 유체에 노출되는 실린더, 도관, 파이프 튜브 등과 같은 진동 부재를 포함할 수 있다. 진동 농도계의 하나의 예는 기존의 파이프 라인 또는 다른 구조물에 커플링되는 입구 단부 및 진동이 없는 출구 단부에 의해 장착되는 도관 캔틸레버를 포함한다. 대안적으로, 입구 및 출구 모두는 진동하는 출구와 입구 사이의 도관의 부분에 고정될 수 있다. 도관은 공진시 진동될 수 있고 공진 주파수가 측정될 수 있다. 당업계에 일반적으로 공지된 것과 같이, 시험 하의 유체의 농도는 도관의 감소된 공진 주파수를 측정함으로써 판정될 수 있다. 주지된 원리들에 따르면, 도관의 공진 주파수는 도관과 접촉하는 유체의 농도와 반대로 변화할 것이다. 따라서, 몇몇 진동 농도계들이 액체의 농도를 측정할 수 있지만, 실린더의 외측의 액체에 의해 야기되는 점도 감쇠가 진동 농도계들의 측정 능력들을 감소시킬 수 있다. 따라서 액체 진동 농도계들은 단지 내측에만 유체를 갖는 진동 파이프들 또는 튜브들을 사용하는 반면, 가스 진동 농도계들은 통상적으로 유체 내에 침지되어서, 실린더의 내측 및 외측 모두에 가스를 갖는다. 따라서, 통상적으로 진동 농도계들은 가스의 농도를 측정하는데 사용된다.
도 1은 종래 기술의 침지식 농도계(10)를 도시한다. 종래 기술 농도계(10)는, 예컨대 액체 또는 가스와 같은 유체의 농도를 측정하도록 구성될 수 있다. 농도계(10)는 하우징(11)을 포함하며 진동 부재(12)가 적어도 부분적으로 하우징(11) 내에 위치된다. 하우징(11)의 일부가 진동 부재(12)를 도시하기 위해 절단된다. 농도계(10)는 예컨대 기존 파이프 라인과 일직선으로 놓일 수 있다. 대안적으로, 하우징(11)은 예컨대 유체 샘플을 수용하기 위해 구멍들을 갖는 폐쇄 단부들을 포함할 수 있다. 따라서, 플랜지들이 도시되지 않았지만, 많은 예들에서, 하우징(11) 또는 진동 부재(12)는 파이프 라인 또는 유사한 유체 전달 장치에 유체 기밀 방식으로 농도계(10)를 작동식으로 커플링하기 위해 플랜지들 또는 다른 부재들을 포함할 수 있다. 도시된 예에 따르면, 진동 부재(12)는 하우징(11)에 캔틸레버 장착된다. 진동이 없는 출구 단부(14)에 의해 입구 단부(13)에서 하우징(11)에 커플링되는 진동 부재(12)가 도시된다.
도시된 예에 따르면, 진동 부재(12)는 입구 단부(13) 근처에 복수의 유체 구멍(15)들을 또한 포함한다. 유체 구멍(15)들은 농도계(10)에 들어가는 유체의 일부가 하우징(11)과 진동 부재(12) 사이에서 유동하는 것을 가능하게 하기 위해 제공될 수 있다. 따라서, 유체는 진동 부재(12)의 내측뿐만 아니라 외측 표면들과 접촉한다. 이는 시험 하의 유체가 가스를 포함할 때 특히 유용한데 더 큰 표면적이 가스에 노출되기 때문이다. 다른 예들에서, 구멍들이 시험 하의 유체를 진동 부재(12)의 외부 표면에 노출시키기 위해 하우징(11) 내에 제공될 수 있고, 따라서 틈(15)들은 진동 부재(12)에서 요구되지 않는다.
도 1에는 실린더(50) 내에 위치되는 구동기(16) 및 진동 센서(17)가 또한 도시된다. 구동기(16) 및 진동 센서(17)는, 당업계에서 주지된 자석/코일 조합들을 포함하는 것으로 도시된다. 전류가 코일에 제공된다면, 자기장이 진동 부재(12)에 유도되고 이는 진동 부재(12)가 진동하는 것을 야기한다. 역으로, 진동 부재(12)의 진동은 진동 센서(17) 내의 전압을 유도한다. 구동기(16)는, 예컨대 간단한 굽힘, 비틀림, 반경 방향 또는 커플링된 타입을 포함하는 복수의 진동 모드들 중 하나의 그의 공진 주파수들 중 하나에서 진동 부재(12)를 진동시키기 위해 계량 전자기기(18)로부터 구동 신호를 수신한다. 진동 센서(17)는 진동 부재(12)가 진동하는 주파수를 포함하여, 진동 부재(12)의 진동을 검출하고 프로세싱을 위해 진동 정보를 계량 전자기기(18)로 전송한다. 진동 부재(12)가 진동할 때, 진동 부재의 벽과 접촉하는 유체가 진동 부재(12)와 함께 진동한다. 진동 부재(12)와 접촉하는 유체의 첨가된 질량은 공진 주파수를 낮춘다. 진동 부재(12)의 새로운, 더 낮은 공진 주파수는, 예컨대 이전에 판정된 계수에 따라 일반적으로 당업계에 공지된 것과 같이 유체의 농도를 판정하는데 사용된다.
일반적으로 공지된 것과 같이, 정확한 농도 측정들을 얻기 위해, 유체의 농도를 측정하는데 사용되는 공진 주파수는 매우 안정적이어야만 한다. 이는 유체가 가스를 포함할 때 공진 주파수가 액체와 비교하여 더 작은 양에 의해서 변하기 때문에 특히 그러하다. 바람직한 안정성을 달성하기 위한 하나의 종래 기술의 접근법은 진동 부재(12)를 반경방향 진동 모드로 진동시키는 것이다. 예컨대, 진동 부재의 길이방향 축이 그의 휴지 위치로부터 병진 및/또는 회전하는 굽힘 진동 모드와 대조적으로, 반경방향 진동 모드에서, 진동 부재의 벽의 적어도 일부가 그의 휴지 위치로부터 병진 및/또는 회전하는 반면 진동 부재의 길이방향 축이 본질적으로는 고정된 채로 남아있다. 반경방향 진동 모드들은 도 1에 도시된 종래 기술 농도계(10)와 같은 직선 도관 농도계들에서 바람직한데 이는 반경방향 진동 모드들이 자체 균형맞춤하고 따라서 진동 부재의 장착 특징들이 몇몇 다른 진동 모드들과 비교하여 치명적이지 않기 때문이다. 하나의 예시적인 반경방향 진동 모드는 3-엽(three-lobed) 반경방향 진동 모드이다. 3-엽 반경방향 진동 모드 동안 진동 부재의 벽의 형상의 변경의 예가 도 3에 도시된다.
진동 부재(12)가 완벽한 원형 횡단면 형상을 갖고 완벽하게 균일한 벽 두께를 갖는다면, 단지 하나의 3-엽 반경방향 진동 모드만이 있다. 하지만, 디자인 공차들로 인하여, 이는 보통은 비현실적이다. 결과적으로, 제작자가 완벽하게 균일한 벽 두께를 갖는 완벽하게 둥근 진동 부재(12)를 만들기 위해 시도할 때, 작은 결함들이, 서로 매우 유사한 2 개의 상이한 공진 주파수들에서 진동하는 2 개의 3-엽 반경방향 진동들을 초래한다. 더 낮은 공진 주파수를 갖는 3-엽 반경방향 진동 모드는 더 얇은 벽 부분들과 정렬된 도 3에 도시된 것과 같은 피크들 및 밸리들(peaks and valleys)로 진동할 것인 반면 더 높은 주파수는 더 두꺼운 벽 부분들에서의 피크들 및 밸리들로 진동할 것이다. 2 개의 모드들 사이의 주파수 분리는 통상적으로 매우 작고 헤르츠(hertz) 미만일 수 있다. 2 개의 공진 주파수들이 함께 매우 유사한 경우에, 농도 판정은 비현실적인데 이는 작동자가 어떠한 모드가 진동으로 구동되고 있으며, 따라서 정확한 농도를 판정하기 위해 진동 주파수들을 구별하는 것이 종종 가능하지 않을 수 있기 때문이다.
몇몇 종래 기술 농도계들에서, 이러한 문제는 반경방향 모드를 조정함으로써 처리되어서 농도계는 2 개의 3-엽 반경방향 진동 모드들 사이에서 뿐만 아니라 2-엽 모드들 또는 4-엽 모드들과 같은 다른 진동 모드들로부터 적어도 최소한의 주파수 분리를 갖게 된다. 조정이 다양한 기술들에 따라 달성될 수 있는 반면, 하나의 종래 기술 접근법의 조정 방법은 축방향으로 정렬된 스트립들 내의 진동 부재의 벽을 연마함으로써 진동 부재가 상이한 둘레 영역들에서 상이한 두께들을 갖게 되는 것이다. 이는 도 1에 도시되며, 도 2 에 더 상세하게 도시된다.
도 2는 도 1의 라인 2-2 을 따라 취해진 진동 부재(12)를 도시한다. 도 2는 마찬가지로 기준 각도들로 도시된다. 구동기(16) 및 진동 센서(17)가 0°에 위치되는 기준 각도들이 취해진다. 하지만, 각도들은 단지 예로서 도시된 것이며 다른 기준 좌표 각도들이 사용될 수 있다.
도시된 것과 같이, 진동 부재(12)는 도관의 둘레 주위의 변화하는 벽 두께들을 포함한다. 예컨대, 진동 부재(12)는 본래는 두께(T1)를 포함할 수 있다. 구동기(16) 및 진동 센서(17)는 이러한 두께의 벽 영역들 중 하나에 중심맞춤된다. 대략 15°에서 시작하여 대략 30°간격들로 진동 부재(12)의 둘레 주위에 균일하게 이격되어, 진동 부재(12)의 벽의 6 개의 영역들이 T1 미만인 두께(T2)로 연마된다. 통상적으로, 벽의 두께는 유압에 의해 제 위치로 이동되는 이동 가능한 세그먼트들을 갖는 맨드릴(mandrel)을 사용하여 감소된다. 맨드릴이 가압될 때, 이동 가능한 세그먼트들은 진동 부재(12)와 접촉하기 위해 요구되는 양으로 이동되고 더 얇은 영역들이 연마된다. 다양한 둘레 영역들의 진동 부재 벽 두께를 연마함으로써, 2 개의 3-엽 반경방향 진동 모드들의 공진 주파수들은 서로 분리된다. 대략 30°인 얇은 영역들 사이의 공간으로 인해, 더 높은 주파수 3-엽 반경방향 모드는 대략 15°만큼 더 낮은 주파수 3-엽 반경방향 모드로부터 오프셋될 것이다. 일 예에서, 더 낮은 주파수 3-엽 진동 모드는 얇고 두꺼운 부분들에 중심맞춤된 피크들 및 밸리들로 진동하는 반면 더 높은 주파수 3-엽 진동 반경방향 모드는 얇고 두꺼운 영역들 사이의 절반의 피크들 및 밸리들을 가질 것이다.
상기 언급된 프로세스는 몇몇 문제들을 갖는다. 유압 맨드릴은 그의 치수적 능력의 한계가 있다. 다시 말하면, 연마가 극도로 정밀할 필요가 있으며 유압식으로 작동되는 맨드릴의 디자인 능력들에 종종 근접하거나 또는 심지어 초과한다. 또한, 연마 작업의 반복성은 거의 불가능하다. 예컨대, 고객이 미리 정해진 양만큼 다음의 가장 가까운 모드 주파수로부터 또한 분리되는 특정 공진 주파수를 갖는 진동 튜브를 갖기를 소망한다면, 제작자는 진동 튜브의 얇은 영역들을 연마하고 주파수를 체크해야만 한다. 주파수가 소망하는 것과 다르다면, 추가의 연마가 요구된다. 이러한 프로세스는 소망하는 주파수들이 달성될 때까지 계속된다. 하지만, 종종 연마 작업 동안, 튜브의 과도한 연마로 인해 소망하는 주파수를 건너뛰게 된다. 이 부분은 그 후 폐기되어야만 하며 프로세스는 다시 시작되어야 한다. 이해될 수 있는 바와 같이, 연마 작업은 이상적인 제작 상황을 제공하지 않는다.
따라서, 진동 농도계들을 개선하기 위한 방법 및 장치에 대한 필요가 존재한다. 구체적으로, 더 높은 제품 수율을 유지하면서 증가된 공진 주파수 진동 모드 분리를 갖는 진동 농도계에 대한 필요가 존재한다. 본 발명은 이러한 그리고 다른 문제들을 해결하며 당업계의 진보가 달성된다.
실시예에 따라 진동 농도계용 진동 부재가 제공된다. 진동 부재는 하나 또는 그 초과의 아치형 부분들을 갖는 내부 표면을 포함한다. 실시예에 따르면, 내부 표면은 바람직한 진동 구동 모드의 공진 주파수와 하나 또는 그 초과의 바람직하지 않은 진동 모드들의 공진 주파수 사이의 주파수 분리를 증가시키기 위한 크기와 위치를 갖는 하나 또는 그 초과의 상승 부분들을 더 포함한다.
실시예에 따라 진동 농도계가 제공된다. 실시예에 따르면, 진동 농도계는 하우징 및 적어도 부분적으로 이 하우징 내에 위치되는 진동 부재를 포함한다. 실시예에 따르면, 진동 부재는 바람직한 진동 구동 모드의 공진 주파수와 하나 또는 그 초과의 바람직하지 않은 진동 모드들의 공진 주파수 사이의 주파수 분리를 증가시키기 위한 크기와 위치를 갖는 하나 또는 그 초과의 상승 부분들 및 하나 또는 그 초과의 아치형 부분들을 갖는 내부 표면을 포함한다.
실시예에 따라 하나 또는 그 초과의 공진 주파수들에서 진동하도록 구성되는 진동 부재를 포함하는 진동 농도계를 형성하는 방법이 제공된다. 이 방법은 바람직한 진동 구동 모드의 공진 주파수와 하나 또는 그 초과의 바람직하지 않은 진동 모드들의 공진 주파수 사이의 주파수 분리를 증가시키기 위한 크기와 위치를 갖는 하나 또는 그 초과의 상승 부분들 및 하나 또는 그 초과의 아치형 부분들을 갖는 진동 부재의 내부 표면을 형성하는 단계를 포함한다.
일 양태에 따르면, 진동 농도계용 진동 부재는 :
내부 표면을 포함하고; 이 내부 표면은
하나 또는 그 초과의 아치형 부분들; 및
바람직한 진동 구동 모드의 공진 주파수와 하나 또는 그 초과의 바람직하지 않은 진동 모드들의 공진 주파수 사이의 주파수 분리를 증가시키기 위한 크기와 위치를 갖는 하나 또는 그 초과의 상승 부분들을 포함한다.
바람직하게는, 바람직한 구동 모드는 제 1의 3-엽 반경방향 진동 모드를 포함하고 바람직하지 않은 진동 모드는 제 2의 3-엽 반경방향 진동 모드를 포함한다.
바람직하게는, 하나 또는 그 초과의 상승 부분들은 진동 부재의 전체 길이로 연장한다.
바람직하게는, 하나 또는 그 초과의 아치형 부분들은 제 1 두께(D1)를 포함하고, 하나 또는 그 초과의 상승 부분들은 제 2 두께(D2)를 포함하며, D1 은 D2 미만이다.
다른 양태에 따르면, 진동 농도계는 :
하우징;
적어도 부분적으로 이 하우징 내에 위치되는 진동 부재를 포함하며,
상기 진동 부재는 바람직한 진동 구동 모드의 공진 주파수와 하나 또는 그 초과의 바람직하지 않은 진동 모드들의 공진 주파수 사이의 주파수 분리를 증가시키기 위한 크기와 위치를 갖는 하나 또는 그 초과의 상승 부분들 및 하나 또는 그 초과의 아치형 부분들을 갖는 내부 표면을 포함한다.
바람직하게는, 진동 부재는 제 1 단부에 대향하는 제 2 단부가 진동이 없도록 하우징에 캔틸레버 장착되는 제 1 단부를 포함한다.
바람직하게는, 진동 농도계는 하우징에 대하여 진동 부재를 진동시키도록 구성되는 하나 또는 그 초과의 센서들 및 구동기를 더 포함한다.
바람직하게는, 바람직한 진동 구동 모드는 제 1의 3-엽 반경방향 진동 모드를 포함하고 바람직하지 않은 진동 모드는 제 2의 3-엽 반경방향 진동 모드를 포함한다.
바람직하게는, 하나 또는 그 초과의 상승 부분들이 진동 부재의 전체 길이로 연장한다.
바람직하게는, 하나 또는 그 초과의 아치형 부분들은 제 1 두께(D1)를 포함하고, 하나 또는 그 초과의 상승 부분들은 제 2 두께(D2)를 포함하며, D1 은 D2 미만이다.
일 양태에 따르면, 하나 또는 그 초과의 공진 주파수들에서 진동하도록 구성되는 진동 부재를 포함하는 진동 농도계를 형성하는 방법은 :
바람직한 진동 구동 모드의 공진 주파수와 하나 또는 그 초과의 바람직하지 않은 진동 모드들의 공진 주파수 사이의 주파수 분리를 증가시키기 위한 크기와 위치를 갖는 하나 또는 그 초과의 상승 부분들 및 하나 또는 그 초과의 아치형 부분들을 갖는 진동 부재의 내부 표면을 형성하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 바람직한 진동 구동 모드는 제 1의 3-엽 반경방향 진동 모드를 포함하고 바람직하지 않은 진동 모드는 제 2의 3-엽 반경방향 진동 모드를 포함한다.
바람직하게는, 내부 표면을 형성하는 단계는 하나 또는 그 초과의 상승 부분들을 진동 부재의 전체 길이로 연장시키는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 내부 표면을 형성하는 단계는 제 1 두께(D1)를 갖는 하나 또는 그 초과의 아치형 부분들을 형성하고 제 2 두께(D2)를 갖는 하나 또는 그 초과의 상승 부분들을 형성하는 단계를 포함하며, D1 은 D2 미만이다.
바람직하게는, 상기 방법은 진동 부재의 적어도 일부가 하우징 내에 위치되도록 하우징에 진동 부재의 제 1 단부를 커플링하는 단계를 더 포함한다.
바람직하게는, 커플링하는 단계는 제 1 단부에 대향하는 진동 부재의 제 2 단부가 진동이 없도록 하우징에 제 1 단부를 캔틸레버 장착하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 방법은 진동 부재의 진동들을 유도하고 감지하기 위해 구동기 및 하나 또는 그 초과의 진동 센서들을 진동 부재에 근접하게 위치시키는 단계를 더 포함한다.
바람직하게는, 내부 표면을 형성하는 단계는 와이어 방전 가공을 사용하여 하나 또는 그 초과의 아치형 부분들 및 하나 또는 그 초과의 상승 부분들을 절단하는 단계를 포함한다.
도 1은 종래 기술 진동 농도계를 도시한다.
도 2는 종래 기술 진동 부재를 도시한다.
도 3은 3-엽 반경방향 진동을 도시한다.
도 4는 실시예에 따른 실린더를 도시한다.
도 5는 실시예에 따른 농도계용 진동 부재를 도시한다.
도 6은 진동 부재를 형성하기 위해 실린더로부터 제거되는 내부 코어를 도시한다.
도 7은 실시예에 따른 진동 부재의 횡단면도를 도시한다.
도 8은 실시예에 따른 농도계를 도시한다.
도 4 내지 도 8 및 이후의 설명은 진동 농도계의 실시예의 최적의 모드를 어떻게 만들고 사용하는지를 당업자에게 교시하기 위해 특정한 예들을 설명한다. 본 발명의 원리들의 교시의 목적을 위해, 몇몇 종래의 양태들은 간소화되거나 생략되었다. 당업자는 본 설명의 범주 내에 속하는 이러한 예들로부터의 변형예들을 이해할 것이다. 당업자는 이하에 설명된 특징들이 진동 농도계의 다수의 변형예들을 형성하기 위해 다양한 방식들로 조합될 수 있는 것을 이해할 것이다. 그 결과, 이하에 설명된 실시예들은 이하에 설명되는 특정 예들로 제한되지 않으며, 단지 청구항들 및 이들의 등가물들에 의해 제한된다.
도 4는 실시예에 따른 실린더(400)를 도시한다. 실린더(400)는 진동 농도계(800)(도 8 참조)에서 사용되는 진동 부재(500)의 시작 스테이지로서 형성된다(도 5 참조). 실린더(400)는 진동 농도계(800)의 부품을 형성하기 위해 하우징(801)에 커플링되도록 디자인되는 입구 단부(413), 및 하우징(801)에 일단 설치되면 진동이 없는 출구 단부(414)를 포함한다. 실시예에 따르면, 실린더(400)는 대략적으로 균일한 두께(416)를 갖는 진동 튜브 부분(415)을 포함한다. 진동 튜브 부분(415)은 사용 동안 진동이 없고 하우징(801)에 커플링되지 않는 실린더(400)의 부분이다. 진동 튜브 부분(415)은 일반적으로 원형 외부 횡단 표면 및 일반적으로 원형 내부 횡단 표면을 포함한다.
상기 논의된 것과 같이, 제작자들이 튜브 부분의 두께(416)를 완벽하게 고르게 생성하려고 시도하지만, 기계 공차들은 통상적으로 실린더(400)의 전체 둘레 주위로 완벽하게 고른 두께를 제공할 수 없다. 결과적으로, 진동의 2 또는 그 초과의 반경방향 모드들이 종종 겹치고 농도 계산들을 비현실적이게 한다. 부가적으로, 실린더(400)는 농도 측정을 위한 준비가 되지 않는데 이는 평균 두께(416)가 소망한 것보다 더 크기 때문이다. 따라서, 더 얇은 실린더가 농도 측정들을 위해 바람직하다.
도 5는 실시예에 따른 진동 부재(500)를 도시한다. 진동 부재(500)는 예컨대 진동 농도계(800)에 사용될 수 있다. 실시예에 따르면, 진동 부재(500)는 실린더(400)의 적어도 일부를 제거함으로써 형성될 수 있다. 진동 부재(500)가 실린더(400)로부터 형성되는 것으로 도시되고 설명되지만, 진동 부재(500)는 예컨대 정사각형 또는 직사각형과 같은 다른 횡단면 형상들을 포함할 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 실시예에 따르면, 내부 코어(600)(도 6 참조)가 실린더(400)로부터 제거되고, 이에 의해 진동 부재(500)를 형성하기 위해 실린더(400)의 벽들을 얇아지게 한다.
실시예에 따르면, 내부 코어(600)는 와이어 방전 가공(EDM)을 사용하여 제거될 수 있다. 와이어 EDM 은 일반적으로 공지되며 극도의 정밀함이 필요한 다양한 전도성 재료들의 반복 가능한 절단을 위해 사용될 수 있다. 와이어 EDM 은 통상적으로, 연마, 밀링, 드릴링 등과 같은 전통적인 절단 기술들이 정밀함 또는 소망하는 형상들을 달성할 수 없을 때 이용된다. 비록 다른 절단 기술들이 사용될 수 있지만, 와이어 EDM 은 극도로 정밀하고 반복 가능한 절단을 제공할 수 있다. 현재 절단 정확도는 단지 사용되는 와이어의 직경에 의해 제한되는 절단 경로에 의해 0.004 ㎜(0.00016 인치) 내인 것으로 공지된다.
도 5 및 도 6을 참조하여, 실시예에 따르면, 와이어 EDM 프로세스는, 당업계에 일반적으로 알려진 바와 같이 제어기(도시되지 않음)에 모두가 커플링되는 2 개의 가이드(551, 552)들에 의해 유지되는 와이어(550)를 사용한다. 일반적으로, 실린더(400) 및 와이어(550)는, 전도성을 보조하는 탈이온화된 물과 같은 유전 재료(dielectric material)에 침지된다. 실린더(400)의 축방향 중심을 통하여 이송되는 와이어(550)에 의해, 실린더(400)의 내부 코어(600)는 진동 부재(500)를 떠나는 와이어(550)에 의해 절단될 수 있다. 도 6에서 볼 수 있는 바와 같이, 내부 코어(600)는 갭(601)을 포함하고 여기서 와이어(550)는 중공형 중심부(602)로부터 실린더(400)를 최초로 관통한다. 내부 코어(600)는 와이어(550)와 전도성 재료 사이, 이러한 경우 실린더(400)와 내부 코어(600) 사이의 전기 아크로 인해 절단될 수 있다. 이러한 아킹(arcing)은 유전 유체에 의해 씻겨지는 전도성 재료의 매우 작은 피스들을 제거한다. 부분적으로는, 때때로 분리되는 전도성 재료의 매우 작은 피스들로 인해, 다른 절단 기술들을 사용하여 통상적으로 실현 가능하지 않은 매우 정밀한 절단들이 이루어질 수 있다. 종종, 절단들의 공차들은 와이어(550)의 직경보다 단지 약간 더 크다.
주지된 바와 같이, 와이어 EDM 의 사용은 원통형 절단으로 제한되지 않는다. 오히려, 복잡한 형상들이, 반복 가능하고 정밀하게 형상들을 만들도록 프로세싱 시스템에 프로그램될 수 있는 와이어 EDM 을 사용하여 형성될 수 있다. 따라서, 내부 코어(600)가 단지 더 작은 실린더를 포함하기 보다는, 하나 또는 그 초과의 상승 부분(530)들이 진동 부재(500)의 내부 표면(531)에 형성될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 하나 또는 그 초과의 상승 부분(530)들은 실질적으로 진동 부재(500)의 전체 길이로 연장할 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 하나 또는 그 초과의 상승 부분(530)들은 진동 부재(500)의 길이를 따라 단지 부분적으로 연장할 수 있다. 이러한 구성은 상승 부분(530)들을 테이퍼링함으로써 가능하게 될 수 있고 여기서 상승 부분(530)의 최대 두께는 예컨대 출구 단부(514)일 수 있는 반면 상승 부분(530)은 예컨대 이 상승 부분이 입구 단부(513)에 접근할 때 0 의 두께로 테이퍼진다. 하지만, 다른 실시예들에서, 배향은 역전될 수 있다는 것이 이해되어야 하며, 여기서 최대 두께는 입구 단부(513) 근처이다. 하지만, 이러한 배향은 입구 단부(513)가 하우징(801)에 커플링될 때 상승 부분(530)들의 효과를 제한할 것이다(도 8 참조).
실시예에 따르면, 하나 또는 그 초과의 상승 부분(530)들은 진동 부재(500)에서 증가된 두께의 영역들을 포함한다. 이는 도 7을 참조함으로써 더 양호하게 볼 수 있다.
도 7은 도 5의 라인 7-7 을 따라 취해진 실시예를 따른 진동 부재(500)의 횡단면도를 도시한다. 이해될 수 있는 바와 같이, 와이어(550)가 실린더(400)로부터 내부 코어(600)를 절단할 때, 와이어(550)는 진동 부재(500)의 균일한 내부 둘레를 형성하기 위해 일반적으로 아치형 경로를 따라 이동할 수 있다. 하지만, 실시예에 따르면, 단지 아치형 경로로 이동하기보다는, 진동 부재(500)의 내부 표면(531) 주위의 와이어의 이동 동안, 와이어(550)는 하나 또는 그 초과의 상승 부분(530) 및 하나 또는 그 초과의 아치형 부분(730)을 절단할 수 있다. 도 7에서, 6 개의 상승 부분(530)들이 도시되며, 이들은 중심에서 대략 60°이격된다. 하지만, 일부 실시예들에서, 6 개 미만의 상승 부분(530)들이 제공될 수 있다. 볼 수 있는 바와 같이, 상승 부분(530)은 아치형 경로로부터 박리하고 진동 부재(500)의 내부 표면(531)의 직선 섹션 또는 내부 표면(531)의 돌출하는 범프를 절단하는 와이어(550)로 인해 증가된 두께의 영역들을 포함하는 반면 외부 표면(529)은 실질적으로 원통형 형상(원형 횡단면 형상)으로 남아 있는다. 정상의 5 개의 상승 부분(530)들은 직선 섹션들로서 도시되지만 바닥의 상승 부분(530)은 진동 부재(500)의 반경방향 중심을 향하여 내향으로 연장하는 돌출 범프를 포함하는 것으로 도시된다. 이러한 상황에서, 상승 부분(530)들은 폭(w), 최대 두께(D2)를 갖는 상승 부분(530)을 초래하는 반면 진동 부재(500)의 아치형 부분(730)들은 D2 미만인 평균 두께(D1)를 포함한다. 실시예에 따르면, 상승 부분(530)은 바람직한 구동 모드 진동의 공진 주파수와 적어도 제 2 진동 모드의 공진 주파수 사이의 주파수 분리를 증가시키기 위한 크기와 위치를 가질 수 있다. 상기 논의된 바와 같이, 일 예로서, 상승 부분(530)들은 더 낮은 주파수의 3-엽 반경방향 모드와 더 높은 주파수의 3-엽 반경방향 모드 사이의 주파수 분리를 증가시키기 위한 크기와 위치를 가질 수 있다. 상승 부분(530)의 크기 및 위치는, 예컨대 최초 시험 과정 동안 또는 유한 요소 분석을 사용하여 판정될 수 있다.
도 6에서 볼 수 있는 바와 같이, 아치형 경로로부터의 분기부는 또한 편평한 부분(630)들로서 내부 코어(600)의 외부 표면에서 볼 수 있다. 상승 부분(530)들 및 편평한 부분(630)들의 폭들 및 두께들은 도면에서 축척대로 그려지지 않은 것이 이해되어야 한다. 상승 부분(530)들 및 편평한 부분(630)들의 특별한 크기들은 변할 수 있으며 일부 실시예들에서는 너무 작아서 이들은 사람의 눈으로 거의 볼 수 없을 수 있다. 따라서, 도면들에 도시된 구성요소들의 크기들은 본 실시예의 범주를 결코 제한하지 않는다.
실시예에 따르면, 진동 부재(500)의 증가된 두께를 초래하는 상승 부분(530)들은 하나 또는 그 초과의 바람직하지 않은 진동 모드 주파수들로부터 의도된 구동 모드 주파수를 분리할 수 있다. 예컨대, 하나 또는 그 초과의 상승 부분(530)들 및 하나 또는 그 초과의 아치형 부분(730)들은 더 높은 주파수의 3-엽 반경방향 진동 모드로부터 더 낮은 주파수의 3-엽 반경방향 진동 모드를 분리할 수 있다. 상승 부분(530)들의 증가된 두께(D2)는 상승 부분(530)들의 더 낮은 주파수의 3-엽 반경방향 진동 모드의 피크들 및 밸리들을 중심맞춤할 수 있는 반면 더 높은 주파수의 3-엽 반경방향 진동 모드는 상승 부분(530)들과 아치형 부분(730)들의 중심들 사이의 중간에 피크들 및 밸리들을 가질 것이다. 실시예에 따르면, 폭(w) 및 두께(D2)는 바람직한 주파수 분리를 제공하기 위해 조절될 수 있다. 실시예에 따르면, 의도된 구동 모드와 의도되지 않은 모드들 사이의 주파수 분리는 적어도 역치 양일 것이다. 예컨대, 일부 실시예들은 더 낮은 주파수의 3-엽 반경방향 진동 모드가 다음의 가장 가까운 진동 모드로부터 10 ㎐ 이상 분리된다. 하지만, 이 10 ㎐ 는 단지 하나의 예이며 특별한 주파수 분리가 분야마다 변할 것이며 이후의 청구항들을 결코 제한해서는 안되는 것이 이해되어야 한다.
도 8은 실시예에 따른 진동 농도계(800)를 도시한다. 진동 농도계(800)는 가스, 액체, 수반된 가스를 갖는 액체, 부유된 입자들을 갖는 액체 또는 이들의 조합과 같은 유체의 농도를 판정하도록 구성될 수 있다. 점도 감쇠로 인해, 진동 농도계(800)가 액체의 농도보다는 가스의 농도를 측정하는데 통상적으로 사용된다.
실시예에 따르면, 진동 농도계(800)는 내부 표면(531)에 형성된 하나 또는 그 초과의 상승 부분(530)들 및 하나 또는 그 초과의 아치형 부분(730)들을 포함하는 진동 부재(500)를 포함한다. 도 8에 도시된 것과 같이, 입구 단부(513)는 하우징(801)에 커플링될 수 있는 반면 출구 단부(514)는 진동이 없다. 진동 부재(500)의 외부 표면에 도달하기 위해 시험 하의 유체를 위한 유체 연통 경로들을 제공할 수 있는 복수의 구멍(515)들을 도 8에서 더 볼 수 있다. 구멍(515)들은 선택적인 것이 이해되어야 한다.
실시예에 따르면, 진동 농도계(800)는, 중앙 타워(550)에 커플링될 수 있는 하나 또는 그 초과의 구동기(516)들 및 하나 또는 그 초과의 진동 센서(517)들을 더 포함할 수 있다. 구동기(516)는 하나 또는 그 초과의 진동 모드들에서 진동 부재(500)를 진동시키도록 구성될 수 있다. 진동 부재 내에 위치된 중앙 타워(550) 내에 위치된 구동기(516)가 도시되지만, 일부 실시예들에서, 구동기(516)는 예컨대 하우징(801)과 진동 부재(500) 사이에 위치된다. 또한, 제 1 단부(513)에 근접하여 위치된 구동기(516)가 도시되지만, 구동기(516)는 임의의 바람직한 위치에 위치될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 실시예에 따르면, 구동기(516)는 리드(519)들을 통하여 계량 전자기기(518)로부터 전기 신호를 수신할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 구동기(516)는 예컨대 상승 부분(530)들 중 하나에 중심맞춤될 수 있다.
실시예에 따르면, 진동 농도계(800)는 또한 진동 센서(517)를 포함할 수 있다. 구동기(516)와 동축으로 정렬된 진동 센서(517)가 도시되지만, 다른 실시예들에서, 진동 센서(517)는 다른 위치들에서 진동 부재(500)에 커플링될 수 있다. 진동 센서(517)는 리드(519)를 통하여 계량 전자기기(518)로 신호를 전달할 수 있다. 계량 전자기기(518)는 진동 부재(500)의 공진 주파수를 판정하기 위해 진동 센서(517)에 의해 수신되는 신호들을 프로세스할 수 있다. 시험 하의 유체가 존재한다면, 진동 부재(500)의 공진 주파수는 당업계에 공지된 것과 같이 유체 농도에 반비례하게 변할 것이다. 비례적인 변화는 예컨대 최초의 교정 동안 판정될 수 있다. 도시된 실시예에서, 진동 센서(517)는 또한 코일을 포함한다. 진동 센서(517)는 구동기(516)와 유사하지만, 구동기(516)가 진동 부재(500)에 진동을 유도하기 위해 전류를 수신하는 반면, 진동 센서(517)는 전압을 유도하기 위해 구동기(516)에 의해 생성되는 진동 부재(500)의 동작을 사용한다. 코일 구동기들 및 센서들이 당업계에 주지되어 있고 이들 작동의 추가의 논의는 설명의 간결함을 위해 생략된다. 또한, 구동기(516) 및 진동 센서(517)는 코일들로 제한되지 않으며, 오히려 예컨대 압전 센서들과 같은 다양한 다른 주지된 진동 구성요소들을 포함할 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 따라서, 본 실시예는 코일들로 결코 제한되지 않는다. 또한, 당업자는 본 실시예의 범주 내에 남아있으면서 구동기(516) 및 센서(517)의 특별한 배치가 바뀔 수 있다는 것을 즉시 인지할 것이다.
상기 설명된 실시예들은, 바람직한 구동 모드 공진 주파수와 하나 또는 그 초과의 바람직하지 않은 주파수들 사이의 주파수 분리를 개선하는 진동 농도계(800)용 진동 부재(500)를 제공한다. 제공된 예에서, 바람직한 구동 모드 주파수는 3-엽 반경방향 모드 진동 주파수를 포함하지만; 실시예들은 다른 진동 모드들에 동등하게 적용 가능하다. 주파수 분리를 달성하기 위한 시도에서 진동 부재의 외부 표면을 연마하는 종래 기술 진동 부재들과 달리, 상기 설명된 실시예들은 하나 또는 그 초과의 상승 부분(530)들을 진동 부재(500)의 내부 표면(531)으로 정밀하게 절단한다. 따라서, 외부 표면(529)은 실질적으로 원통형 형상으로 남아있는 반면, 내부 표면(531)은 하나 또는 그 초과의 상승 부분(530)들 및 하나 또는 그 초과의 아치형 부분(730)들을 포함한다. 하나 또는 그 초과의 상승 부분(530)들은 상기 설명된 것과 같이 하나 또는 그 초과의 바람직하지 않은 주파수들로부터 구동 주파수를 분리하기 위한 크기와 위치를 가질 수 있다.
상기 실시예들의 상세한 설명들은 본 설명의 범주 내에 있는 발명자들에 의해 고려되는 모든 실시예들의 포괄적인 설명들은 아니다. 사실, 당업자는 상기 설명된 실시예들의 특정 요소들이 다른 실시예들을 생성하기 위해 다양하게 조합되거나 제거될 수 있고, 이러한 다른 실시예들이 본 설명의 범주 및 교시들 내에 속하는 것을 인지할 것이다. 상기 설명된 실시예들은 본 설명의 범주 및 교시들 내의 부가적인 실시예들을 생성하기 위해 전체적으로 또는 부분적으로 조합될 수 있다는 것이 당업자에게는 또한 자명할 것이다.
따라서, 비록 특정 실시예들이 본원에 예시의 목적들을 위해 설명되었지만, 관련 당업자에 의해 인지될 것과 같이, 다양한 동등한 수정들이 본 설명의 범주 내에서 가능하다. 본원에 제공된 교시들은, 단지 상기 설명되고 첨부된 도면들에 도시된 실시예들에 대해서만이 아니라 다른 진동 부재들에 적용될 수 있다. 따라서, 상기 설명된 실시예들의 범주는 이후의 청구항들로부터 판정되어야 한다.

Claims (18)

  1. 진동 농도계(800)용 진동 부재(500)로서 :
    내부 표면(531)을 포함하고; 상기 내부 표면은 :
    하나 또는 그 초과의 아치형 부분(730)들; 및
    바람직한 진동 구동 모드의 공진 주파수와 하나 또는 그 초과의 바람직하지 않은 진동 모드들의 공진 주파수 사이의 주파수 분리를 증가시키기 위한 크기와 위치를 갖는 하나 또는 그 초과의 상승 부분(530)들을 포함하는,
    진동 농도계용 진동 부재.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 바람직한 구동 모드는 제 1의 3-엽(three-lobed) 반경방향 진동 모드를 포함하고 바람직하지 않은 진동 모드는 제 2의 3-엽 반경방향 진동 모드를 포함하는,
    진동 농도계용 진동 부재.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나 또는 그 초과의 상승 부분(530)들은 진동 부재(500)의 전체 길이로 연장하는,
    진동 농도계용 진동 부재.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나 또는 그 초과의 아치형 부분(730)들은 제 1 두께(D1)를 포함하고, 하나 또는 그 초과의 상승 부분(530)들은 제 2 두께(D2)를 포함하며, D1 은 D2 미만인,
    진동 농도계용 진동 부재.
  5. 진동 농도계(800)로서 :
    하우징(801);
    적어도 부분적으로 상기 하우징(801) 내에 위치되는 진동 부재(500)를 포함하며,
    상기 진동 부재는 바람직한 진동 구동 모드의 공진 주파수와 하나 또는 그 초과의 바람직하지 않은 진동 모드들의 공진 주파수 사이의 주파수 분리를 증가시키기 위한 크기와 위치를 갖는 하나 또는 그 초과의 상승 부분(530)들 및 하나 또는 그 초과의 아치형 부분(730)들을 갖는 내부 표면(531)을 포함하는,
    진동 농도계.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 진동 부재(500)는 제 1 단부(513)에 대향하는 제 2 단부(514)가 진동이 없도록 하우징(801)에 캔틸레버 장착되는 제 1 단부(513)를 포함하는,
    진동 농도계.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 하우징(801)에 대하여 진동 부재(500)를 진동시키도록 구성되는 하나 또는 그 초과의 센서(517)들 및 구동기(516)를 더 포함하는,
    진동 농도계.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 바람직한 진동 구동 모드는 제 1의 3-엽 반경방향 진동 모드를 포함하고 바람직하지 않은 진동 모드는 제 2의 3-엽 반경방향 진동 모드를 포함하는,
    진동 농도계.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 하나 또는 그 초과의 상승 부분(530)들은 진동 부재(500)의 전체 길이로 연장하는,
    진동 농도계.
  10. 제 5 항에 있어서,
    상기 하나 또는 그 초과의 아치형 부분(730)들은 제 1 두께(D1)를 포함하고, 하나 또는 그 초과의 상승 부분(530)들은 제 2 두께(D2)를 포함하며, D1 은 D2 미만인,
    진동 농도계.
  11. 하나 또는 그 초과의 공진 주파수들에서 진동하도록 구성되는 진동 부재를 포함하는 진동 농도계를 형성하는 방법으로서 :
    바람직한 진동 구동 모드의 공진 주파수와 하나 또는 그 초과의 바람직하지 않은 진동 모드들의 공진 주파수 사이의 주파수 분리를 증가시키기 위한 크기와 위치를 갖는 하나 또는 그 초과의 상승 부분들 및 하나 또는 그 초과의 아치형 부분들을 갖는 진동 부재의 내부 표면을 형성하는 단계를 포함하는,
    진동 농도계를 형성하는 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 바람직한 진동 구동 모드는 제 1의 3-엽 반경방향 진동 모드를 포함하고 바람직하지 않은 진동 모드는 제 2의 3-엽 반경방향 진동 모드를 포함하는,
    진동 농도계를 형성하는 방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 내부 표면을 형성하는 단계는 하나 또는 그 초과의 상승 부분들을 진동 부재의 전체 길이로 연장시키는 단계를 포함하는,
    진동 농도계를 형성하는 방법.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 내부 표면을 형성하는 단계는 제 1 두께(D1)를 갖는 하나 또는 그 초과의 아치형 부분들을 형성하고 제 2 두께(D2)를 갖는 하나 또는 그 초과의 상승 부분들을 형성하는 단계를 포함하며, D1 은 D2 미만인,
    진동 농도계를 형성하는 방법.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 진동 부재의 적어도 일부가 하우징 내에 위치되도록 하우징에 진동 부재의 제 1 단부를 커플링하는 단계를 더 포함하는,
    진동 농도계를 형성하는 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 제 1 단부를 커플링하는 단계는 제 1 단부에 대향하는 진동 부재의 제 2 단부가 진동이 없도록 하우징에 제 1 단부를 캔틸레버 장착하는 단계를 포함하는,
    진동 농도계를 형성하는 방법.
  17. 제 11 항에 있어서,
    상기 진동 부재의 진동들을 유도하고 감지하기 위해 구동기 및 하나 또는 그 초과의 진동 센서들을 진동 부재에 근접하게 위치시키는 단계를 더 포함하는,
    진동 농도계를 형성하는 방법.
  18. 제 11 항에 있어서,
    상기 내부 표면을 형성하는 단계는 와이어 방전 가공을 사용하여 하나 또는 그 초과의 아치형 부분들 및 하나 또는 그 초과의 상승 부분들을 절단하는 단계를 포함하는,
    진동 농도계를 형성하는 방법.
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