JPS61223616A - 質量流量の連続的計量の為の装置及び方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （発明の分野及び背景） 本発明は、一般に質量流量計量技術に関し、特には、各
々が流量のおよそ半分を流す離間した２回転を付与する
為に固定点同志間で揺動せしめられる。

質量流量を直接的に計量する為、流動する流体の角運動
の作用効果を利用する装置が知られている。例えば米国
特許第２．８６５．２０１号及び米国特許第１３５５．
９４４号及び米国特許第４４８翫０９８号を参照された
い。

米国特許第４．１０９．５２４号には、導管の一部の区
分が長手方向に角回転する様、該区分を往復動する事に
よって、導管を通過する質量流量を計量する為の装置及
び方法が記載されている。該区分には、これを往復運動
させる為、また該区分に行使される力にして、該区分を
通過する質量流量によって発生する見掛は上の力に基く
力を測定する為のリンク１構が連結される。斯くしてこ
うした態様において質量流量の直接計量が得られる。

こうした力を使用しての質量流量の計量方法を第１図を
参照して説明する。第１図は、ＸＳＹ。

２の座標系でのベクトル配列を示す。

速度ベクトル７でもって流動する質量流量ｍに、成る軸
を中心とする角速度；をもたらす力Ｆｅが作用する時、
力Ｆｅは、Ｖ　ｃ　＝　２　ｍｗ×Ｍとして観測される
。

第１図に番号１０で示される流体搬送用の管が、もしｐ
　ｃ　−ｖ平面内で矢印１２で示される時計回り方向に
回転されると、第１図に示す如き角速度；が生じる。し
かし、仮に導管１０を矢印１２で示される一方向に回転
せずに番号１６で示すピボットを中心として前後に揺動
させると、角速度−の大きさと方向も又揺動し、従って
力Ｆｅの大きさと方向は比例的に揺動する。

管に沿った任意の点、例えば点１４での変位ベクトルは
、小振幅に対してはＹ軸だけに泊って存在するものとし
て表し得る。従って、管１０が、自らのピボット点１６
を中心として正弦−動的な駆動体によって極く小さい振
幅で揺動せしめられる時、ピボット点１６より遠方の点
１４でのその変位速度及び加速度ベクトルの大きさは、
第２図に示されるグラフによって表される。Ｙ軸に沿っ
ての点１４での変位は実１ｌＡ２０によって示される。

点１４の速度マは２点鎖線２２によって示される。

ここでの単位はインチ７秒でありこれはｄｙ／ａｔを表
す。

加速変人は実線２６で示され、これは時間に４１！する
変位の二次微分係数を表す。この単位はインチ７秒！で
ありこれはｄ″ｙ／ｄ　ｔ”を表す。

管内を流体が流通すると、質量流量に作用する力Ｆ　ｅ
＝２ｍｗＸｖも又発生する。ニュートンの第３法則によ
れば、管自体に作用し且つ加速度ｘ１に関連して大きさ
の等しい逆方向の力が発生する。

−Ｆｅ及びＸ′はＹ軸に涜って発生する力で−ある。

加速度ｘ１の大きさは破線２日によって示される。

前述したカーＦｅの定義から、この力が導管に加えられ
る駆動力に基く加速度とは位相が９０°異って点１４の
速度に比例する事が理解されよう。

点１４に作用する合成力は、位相が９０°異るこうした
駆動力及びカーＦｅの２つを合計したものとなる。一点
鎖＠２４は、駆動力及びカーＰｃの和に比例する加速度
Ｘ及びＡＩの合計値を表わす。

従って、本来の駆動力の加速度と合成された加速度との
間の位相差φは、質量流量に直接的に比例するカーｖｅ
の直接のめやすとなる。

もし駆動力が正弦曲線的であれば、その変位、速度及び
加速度も同様に正弦曲線的となり、その位相は夫々９０
°及び１８０°相違する。これによって位相差φは、そ
れが駆動力にカーＶｅを加えた合成力に対する駆動力の
変位、速度或いは加速度関数のいずれに関して測定され
るに拘らず等いものとなる。

（発明の概要） 本発明に従えば、平行状態の一対の導管が、両端を固定
支持され横に相並んだ関係で配設される。

導管の中央で且つそれらの間部分には、導管を互いに繰
り返し引寄せそして遠ざける横方向の揺動を導管に加え
る為の駆動手段が設けられ墨。こうした揺動は導管の柔
軟性及び導管の両端が固定位置に保持されている事によ
って可能とされるものである。

駆動手段の各側で且つ駆動手段と各側の支持体とのおよ
そ中間の位置にセンサが設けられる。これらセンサは、
センサの位置における導管の速度に対応する信号を発生
する。質量流量を供給する為の継手及び通路が支持体に
配設される。質量流量は一方の支持体を貫き２本の導管
に概略均等に分流され、次いで再合流され他方の支持体
から送出される。

導管内を流体が流通しない場合、駆動手段の揺動の振動
数は２つのセンサによって検出される揺動の振動数と正
確に一致し且つ同位相となる。しかしながら、質量流量
が導管を流通する場合、全てのセンサは、駆動振動数と
同一の振動数を検出し続ける事となり、質量流量の方向
に於て上流側のセンサでの駆動振動数の位相が遅れ、−
ガニ流側のセンサでの駆動振動数の位相が進む。こうし
た位相の進み及び遅れは、導管を流通する質量流量のめ
やすとして直接使用する事が出来る。

（発明の目的）　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　−従って、本発明の目的は、流体の質量流量を計量す
る為の装置にして、両端及び長手方向長さ及び中心点を
有する平行状態の一対の導管と、前記両端を黄質的に固
定状態に支持する為の支持体と、導管の両端の中間部分
を長手方向を横断する方向に揺動する為の駆動手段とに
よって成立ち、導管に流体を供給し且つ流体流れを各導
管に実質的に均等に分流する為に継手手段が支持手段に
設けられ、更に中心点から離間し且つ両癩部から離間し
た位置に少くとも一つの変動量検出センサが配設される
ような装置を提供する事に有る。該変動量を検出するセ
ンサが変位、速度或いは′ＭＪ速度のいずれかを検出し
つる。検出された運動値と駆動運動値との位相差が導管
を貫流する流体の質量流量のめやすである。

本発明の他の目的は、導管の中心点に駆動手段が備えら
れ且つ中心点の各側に一対のセンサが設けられ、上流側
のセンサで駆動力の位相が遅れ、そして下流側のセンサ
で駆動力の位相が進み、こうした位相の進み及び遅れが
質量流量の測定値の基礎となる様な装置を提供する事に
有る。

本発明の他の目的は、簡潔な形状で堅牢且つ製造コスト
の安価な質量流量を計量する為の装置を提供する事に有
る。

本発明の他の目的は、揺動する平行状態の導管の検出さ
れた変動と導管の中心点付近に加えられた揺動力との間
の位相差を利用する、質量流量を計量する為の方法を提
供する事に有る。

（好ましい実施例の説明） 第３図を参照されたい。ここに示す本発明の具体例は、
入口継手３０に供給される質量流量計量の為の装置より
成立っている。入口継手３０は、一対の導管３６及び３
７の端部３４及び５５を固定する第１の支持体３２に連
結される。丁字形通路３８が、入口継手３０に流入する
質量流れを２つの概略等しい分流へと分割する為の第１
の支持体３２内に画成される。質量流量の半分は導管３
６に供給され、残余の半分は導管５７に配分される。

導管Ｓ６及び３７は、出口継手４４を担持する第２の支
持体４０に夫々連結された他方の端部４２及び４３を備
えている。丁字形の別の通路４６が、導管３６及び３７
の流量を再合流し出口継手４４へと送流する為第２の支
持体４０内に画成される。

駆動機構４Ｂが、導管５６及び３７の間で且つそれら導
管の中央付近に設けられる。駆動機構４８は、例えば導
管３６に固定されたソレノイドコイル５４と、ソレノイ
ドコイル５４内を往復動し且つ導管３７に固定された永
久磁石５２とを含んでいる。ソレノイドコイル５４に選
択された周波数の電流を付加する事によって、導管３６
及び３７に上下方向に於て互いに近づきそして離れる揺
動を起こす事が出来る。

第３図の概略模式図である第４図では、導管３６及び３
７は直線で表わされている。導管が相互に離間する最大
の振幅が実線３６＆及びＳ７ａで示される。導管が互い
に最も接近する振幅は点線Ｓ６ｃ及び３７ｃで示され、
そして静止位置は一点鎖線３６ｂ及び３７ｂで示される
。

再び第３図を参照するに、導管３６及び３７には、互い
に離間し且つ駆動機構４８の各側に位置づけられた一対
のセンサ５６及び５８が設けられている。センサ５６は
、夫々導管５７及び３６に結合されたコイル６６に磁気
的に連結された永久磁石６２を具備している。同様に、
センサ５８は、夫々導管５７及び３６に結合されたフィ
ル７６内を往復動しうる永久磁石７２を有している。

導管３６及び３７を第４図に示す態様で揺動する事によ
り、コイル６６及び７６に正弦電流が誘起される。これ
らの信号は、夫々のセンサ位置での互いに近づきそして
離れ合う・導管の速度に比例する。

導管３６及び３７内も流体が流通しない詩は、導管３６
及び３７の中心点に駆動機構４８によって加えられた揺
動は、センサ５６及び５８に於て互いに同相で且つ駆動
機構４８の速度と同相の信号を発生する。

しかし、導管３６及び３７を流体が流通する時は、セン
サ５６及び５８の間に位相差が生じる。

センサ５６は、駆動機構４８の速度から遅れた速度信号
を発生し、センサ５８は駆動機構４８の速度信号より進
んだ速度信号を発生する。

第３図に番号８０で概略示される装置が、夫々の速度信
号の遅進を計測する為に、センサ５６及び５８のみなら
ず駆動機構４８或いは少くともその電源に結合される。

駆動機構の速度に関する位相の遅進は、導管３６及び３
７を貫流する質量流ｔに直接関連している。

第５図は導管の一方の概略図である。センサの一つの位
置が点ＩＯ″で示される。この位置は、導管の為の最も
近い支持体からの距離がｒの地点である。

この点１０″では、導管の上方への最大振幅は＋Ａであ
り、また下方への最大振幅は−Ａである。

以下に述べる解析に於ては点＠０１からの変位は記号ｙ
で示される。

流体の流通する導管が最大振幅Ａと単純調和状態に共振
して揺動せしめられる間の、導管の任意の点に対する静
止位置からの変位ｙは、以下の様に与えられる。

ｙ＝Ａ　ｓｉｎ　ｗｔ　　−−−−−一−−−−−−−
−−−−−（１）ここで、ｙ＝静止位置からの変位 Ａ＝最大振幅 ｗ＝　　２πｆ ｆ＝共振振動数 ｔ＝時間（ｔは揺動開始時点ではθである。）を表わす
。

導管は両端を固定され、その長手方向軸の横断方向だけ
に可動であることから、変位ｙは上下方向に生ずる。従
って点１０１での上下方向への速度は、 マ＝　Ａｌ−＝　ＷＡ　ｅｏｍ　ｖｔ　　−−−−−−
−−−−−−−−−（２１ｔ で表わされ、そして加速度は、 ｄマー身＝ニーｖ”Ａ市ｗｔ　、−−−−−（３）ｄｔ
　　　　ｄｔ で表わされる。

点″０１に作用するカー７６（ベクトル）は、誘起され
る揺動と同様に、以下の等式に従って上下動する。

−Ｆｃ＝−２ｍｖｃＸマ、　−−−−−−−−−−−−
−−−−（４）ここで、−１’ｃ＝流動する流体上の角
度効果から生じる見掛は上の力。

ｍｃｗ　点１０″を流通する流体質量 ｗ、＝　点“０１の角速度＝１マ／ｒｌ即ち（Ｖ＝ｖＸ
？　）マ８＝　点Ｉ０１を流通する流体の速度を表わす
。

点１０１での導管のバネ定数をｋとすれば、誘起される
揺動力の振幅は、 １ｉ；”ｌ＝　−ｋｙ　＝　−ｋＡ　＠ｌｎ　ｗｔ　−
−−−−−ｍ−−−−−（５１と表わされる。

２つの力は同一方向に於て作用する事から、それらの大
きさは Ｆ　−Ｆｃ１＝ｌ″Ｆｌ＋　１−Ｐｅｌ　＝　（−２ｍ
ｅｖｅｖ／ｒ　）　＋（−ｋ　Ａ　ｓｉｎ　ｖｔ　）　
　−−−−−−−−−−−−＝−−−−−−（６）とし
て直接的に合計される。

ｖ　＝　ＷＡ　ｃｏｓ　ｗｔから、 −−〜−−−−−−−−−−＋７１ となる。

ｍｅｓ　ｒｓ　ｖｅ％Ｗ％ｗ”そしてＡは全て一定の質
量Ｂ、＝−ｋＡとすれば、 Ｆ−Ｆ　６−−Ｂｌ　ｃｏｇ　ｗｔ十Ｂ１　ｓｉｎ　ｖ
ｔ・−−−−−−−ｆ８）となる。

式（８）に示されたＢｌ　ｃｏｓ　ｗｔ＋Ｂｔｓｉｎ　
ｗｔの合計値は、 γ＝（ＢＦ＋Ｂ？）、β＝　”ｎ−’　（４）　トｆ　
しｉｄ’、Ｊ　　ｅｏｓ　　ｗｔ＋Ｊ　　ａｌｎ　　ｖ
ｔ＝ｒ　　ｓｉｎ（ｗｔ＋β）−＋９１となる。

式（９）は、点”０１での合成力が、Ｋ６動用の２つの
共振振幅Ｊ　ｃｏｓ　ｖｔ及びＢ！ｓｉｎ　ｗｔ　　と
同一であるが、位相差がβである事を数学的に表わして
いる。

ここで。

或いは β＝ｔａ、−１（Ｍ）　　、−−−−−一−−−−−−
−−−−Ｑｌｌｒ である。

ｖ　＝　２πｆであり、ｆは導管の自然共振撮動数に於
て一定値とされた揺動の振動数であり、そしてｒ ｒは固定距離、ｋは定数であるから、α＝１１とすれば
、 β＝　ｔａｎ−’　（−”−’）　　・−−−一−−−
−−−−−−−−−−−ＦＡ’！Ｊα となり、従って、ｍｅｒｅ−’ｊｅ！流量とすると、ｍ
ｅｖ（＝−αｔａｎ（β）−−−−−−−−−−−−−
−−−−−−−−α３となる。

従って、点ａ０１に作用する力は、駆動力と同様に正弦
曲線状であり、同じ振動数であり、位相がβ相違するだ
けである。変位、速度或いは加速度の関数（これらの任
意の尚次の導関数も同様に）の位相も又、相当する駆動
力に対し同じ大きさ、即ちｎを整数とすれば、 β±ｎπ／２　−−−−−−−−−−−−−−−−−−
−−−−−−　ｔｔ荀だけ相違する。

僅かな位相差に対しては、式■は、 β＝ｔａｎ″″’　（ｍｃＹ　６　／αｋ　ｍ　ｃＶ　
６　／α＝ｍｅｖｃ（４πｆ／−ｋｒ）−−−−−−−
−−−−−−−ＵＳ とする。

振動数に依存因子ｆを消去する為に、第６図の時間グラ
フの関数としての振幅で表わされた位相がφ異なるだけ
の２つの信号を検討する必要が有る。

それらの振動数は等しく、またその周期は、Ｔ　＝　１
７　ｔ　　−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−
−−−−−−−ｕｅここでＴ＝周期＝　２　（ｔ、　＋
　ｔ、　）−−−−−−一任ηである。そして関連する
位相角βは、 β＝”１／（ｔｔ＋　ｔｔ）＝２πｔｔ　ｆ　・−−−
−−−−−ＣｌＩＣとして重縮される。

式餞を式０１に代入すれば、 β＝＝ｍ６ｖｃ（４πｆ／ｋｒ）＝２πｔ、　ｔ　−−
−−−−−−−Ｃ１鎌となる。従って、 ｍ６ｖｃ＝質量流量＝　（ｋ　ｒ／　２　）　ｔ＋　−
−−−−−−−−Ｃ’ＵＩとなる。

弐■では振動数に従属する値が消去され、既知のバネ定
数、長さｒ及び時間差ｔ、だけが要求される。時間差ｔ
、は、オシロスコープ及び標準的な実験器具を使用して
測定可能である。

任意の設定状況に於て、ｋ及びｒは定数であり、従って
時間差ｔ１の度合は質量流量に直接的に比例する。時間
差ｔ、が、第６図に示す様に信号波形を横切る任意の直
線に沿って測定可能であり、座標の原点には陰型されな
い事が明らかである。

時間差ｔ、は、利得、即ち直流の残留偏差に拘らず２つ
の信号の任意の一周期の間の、等しい一次及び二次微分
係数を使用して任意の２時点間に於て求める事が出来る
。

この実施例に於ては、第３図の平行状態の導管の一方側
の点１　ａ”に於て上記測定が為される。

質量流量は、誘起された信号の点ｌｕ″及び質量流量が
起こした信号の点１　ａ　１間の時間差ｔ１を計測する
事によって直接的に計量する事が出来る。

第３図の実施例に於ては、信号は点１ａ＠では点−ｕ−
より遅れる。同様に、点ｌｂ＠では点“Ｘ”より遅れ、
点ｌｃ″では点＠ｕ１より辿み、そして点１ｄ１では点
“Ｘ”より進む。（位相角振幅はこれら全ての点に於て
等しく、進む点では正数、遅れる点では負数となる。）
斯くして、信号の遅れる点１ａ＠及び点Ｉｂ′と、信号
の進む点１Ｃ″及び点Ｉｄ＠との間の全位相差φは、双
方の導管の２倍の重量平均としての全質量流量をサンプ
リングする信号を提供する。従って、位相角の進み及び
遅れの和は相殺され、圧力、密度或いは温度の変化に拘
らず、導管をそれらの自然共振振動数に維持するに要す
る共振振動数データが提供される。

第５図に示される平行状態の導管構成に於ては、駆動機
構４８の両半分及び両センサ６６．７６を導管３６及び
３７に直接取付け、共通モードの振動ノイズを減少せし
め能率を改善する事も出来る。

（点１ａ１、′　＠、１Ｃ１及び＠ｄ１　でのばね上す 重量は等しく、また点１　ｕ　Ｉ及びＩ　ｘｍでのばね
上重量も等しい。） 第３図の平行導管の利点を以下に述べると；２つの等し
い振動数信号の任意の一周期間の等しい一次及び二次微
分係数を使用しての２点間の時間差の測定値に比例する
質量流量の直接計量である事、簡単且つ堅牢な構造であ
る皐、組立てが簡単な事、全体に小型な事、組込みが簡
単な事、流体密度に無関係な事、湿度との係りが僅かな
事、大きさの変更が簡単な事、流体の粘度に無関係な事
、そして液体、気体及びスラリに適用可能な事、である
。

別態様に於ては、第３図に番号８０で示される位相測定
装置が配設される。−例としてはヒユーレットバッカー
トモデル３５７５Ａがある。駆動位置から導管の中心付
近の且つ中心から離間した検出点にかけての位相差が質
量流量の計量に利用され得る。駆動機溝の両側にセンサ
を配設する事で精度が向上する。

以上、本発明を実施例に基づき説明したが、本発明の内
で多くの変更を為し得る事を銘記されたい。

【図面の簡単な説明】

第１図は、力ｖｃの発生を例示する、質量流量を担持す
る為の導管が回転可能な座標系の概略図である。 第２図は、第１図の導管が成る点に於て受ける変動及び
力の種々の特性を示すグラフである。 第３図は、本発明の一実施例の断面図である◎第４図は
、本発明の導管の受ける変動の概念図である。 第５図は、揺動する導管の最大振幅を示す概略図である
。 第６図は、振動数は等しいが時間差ｔ１に於て位相の相
違する２つの正弦曲線を示すグラフである。 図中主な部分の名称は以下の通りである。 ３０：入口継手 ３２：第１の支持体 ３６．３７：導管 ４０：第２の支持体 ４４：出口継手 ４８：駆動手段 ５６：第１のセンサ ５８：第２のセンサ ＦＩＧ、５

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、流体流れの質量流量を計量する為の装置にして、各
   々両端並びに長手方向長さ及び前記両端間の中心点とを
   有する一対の平行状態の導管にして、各々の導管が流体
   流れの概略半分を受容する導管と、前記両端を実質的に
   固定位置に於て保持する為、前記導管に連結された支持
   手段と、前記一対の平行状態の導管に質量流量を計量す
   るべき流体を供給する為に前記支持手段に連結された継
   手手段と、前記導管をそれら各々の長手方向を横断する
   方向に於て実質的にそれらの中心点を選択された振動数
   で揺動する為の、前記導管に関連する駆動手段と、前記
   導管の振動を、各々の中心点及び両端から離間した第１
   の検出点に於て検出する為の少くとも一つの第１のセン
   サとを包含する装置。 ２、導管の振動を、各々の中心点から離間し且つ各々の
   中心点の一方側の第１の検出点とは反対側の第２の検出
   点に於て検出する為の第２のセンサを具備し、前記第１
   の検出点が流体流れの方向に関して各々の中心点の上流
   側に有り、前記第２の検出点が、前記流体流れの方向に
   関し前記各々の中心点の下流側にあり、前記第１の検出
   点での変動の位相が選択された振動数より遅れ、前記第
   ２の検出点での変動の位相が選択された振動数より進み
   、該位相の遅進が流体流れの質量流量に一致する特許請
   求の範囲第１項記載の装置。 ３、駆動手段は、一対の導管の一方の中心点に結合され
   たソレノイドコイルと、前記一対の導管の他方の中心点
   に結合され且つ前記ソレノイドコイル内で可動の永久磁
   石と、前記導管を揺動する為、前記ソレノイドコイルに
   選択された振動数の電流を付加する為の、前記ソレノイ
   ドコイルに結合された電流手段とによつて成立つ特許請
   求の範囲第２項記載の装置。 ４、第１のセンサが、一対の導管の一方の前記第１の検
   出点に結合された第１の検出用コイルと、前記一対の導
   管の他方に結合された第１のセンサ永久磁石とを具備し
   、第２のセンサが、一対の導管の一方の前記第２の検出
   点に結合された第２の検出用コイルと、前記一対の導管
   の他方に結合された第２のセンサ永久磁石とを具備して
   成る特許請求の範囲第３項記載の装置。 ５、各々の導管の第１及び第２の検出用コイルとソレノ
   イドコイルとに結合された位相測定手段にして、第１及
   び第２の検出点での振動の、選択された振動数に対する
   位相の遅進を測定する為の手段を備えて成る特許請求の
   範囲第４項記載の装置。 ６、支持手段が、流体流れを受容する為の入口継手を具
   備する第１の支持体と、各導管に流体を分流する為の、
   前記入口継手と各導管の第１の端部との間に結合された
   前記第１の支持体内のＹ字形通路とを有して成る特許請
   求の範囲第５項記載の装置。 ７、支持手段は、導管からの流体流れを受容する為の出
   口継手を有する第２の支持体と、導管の第２の端部と前
   記出口継手との間に結合された前記第２の支持体内に画
   成された別のＹ字形通路とを有して成る特許請求の範囲
   第６項記載の装置。 ８、検出点で検出された変動と、導管を実質的に夫々の
   中心点に於て揺動する為の選択された振動数との間の位
   相差にして、流体流れの質量流量の計量値に一致する位
   相差を測定する為の検出手段を含んで成る特許請求の範
   囲第１項記載の装置。 ９、流体流れの質量流量を計量する為の方法にして、一
   対の平行状態の導管の中心点を、導管の両端を実質的に
   固定しつつ選択された振動数に於て導管を横断方向に揺
   動する段階と、質量流量を計量するべき流体流れの約半
   分を各々の導管に流通させる段階と、各々の導管の変動
   を、導管の中心点及び導管の両端から離間した第１の検
   出位置に於て検出する段階と、そして、前記中心点での
   揺動の選択された振動数と前記第１の検出位置に於て測
   定された変動との間の位相差を測定する段階、とを包含
   し、該測定値が流体流れの質量流量に一致する事を特徴
   とする方法。 １０、導管の中心点から離間し且つ該中心点の、第１の
   検出位置とは反対側の第２の検出位置にして、導管の両
   端からも又離間した第２の検出位置に於て導管の変動を
   検出する事と、前記第２の検出位置での変動と、前記中
   心点での揺動の選択された振動数との間の位相差の測定
   とを含み、該位相差が流体流れの質量流量にも又一致す
   る特許請求の範囲第９項記載の方法。