(57)【要約】      （修正有）【課題】質量流量計測の感度が向上するようにチューブ変位の測定方法を改善する。【解決手段】フローチューブ６０２と、フローチューブ６０２の第１の側に近接して設置された光源６０６と、フローチューブ６０２の第２の側に近接して設置されるとともにフローチューブ６０２の直径より大きい活性表面を画定する光検出器６０８とを有し、前記第２の側が前記第１の側と概ね反対側に位置しており、光源６０６と光検出器６０８が互いに固定され、フローチューブ６０２が光源６０６及び光検出器６０８に対して相対的に変位可能にされ、更に、フローチューブ６０２が光源６０６及び光検出器６０８間に画定された経路を通って変位するように、フローチューブ６０２を振動させるために、フローチューブ６０２に配置した磁石６０４をコイル６１６で駆動する。【選択図】図２４
2010160159.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コリオリ質量流量センサであって、
フローチューブと、
前記フローチューブの第１の側に近接して設置された光源と、
前記フローチューブの第２の側に近接して設置されるとともに前記フローチューブの直径より大きい活性表面を画定する光検出器とを有し、
前記第２の側が前記第１の側と概ね反対側に位置しており、前記光源と前記光検出器が互いに固定され、前記フローチューブが前記光源及び前記光検出器に対して相対的に変位可能にされ、
更に、前記フローチューブが前記光源及び前記光検出器間に画定された経路を通って変位するように、前記フローチューブを振動させるために、前記フローチューブに対して設置された駆動装置を含むことを特徴とするコリオリ質量流量センサ。
【請求項２】
前記光源が、赤外線を放射することを特徴とする請求項１に記載のコリオリ質量流量センサ。
【請求項３】
前記光源が、赤外線ＬＥＤからなることを特徴とする請求項２に記載のコリオリ質量流量センサ。
【請求項４】
前記検出器が、フォトダイオードからなることを特徴とする請求項３に記載のコリオリ質量流量センサ。
【請求項５】
前記光源が、前記フローチューブの振動変位が最大になる点に設置されていることを特徴とする請求項１に記載のコリオリ質量流量センサ。
【請求項６】
前記フローチューブが中立位置にあるときに、前記フローチューブが、前記光源と前記光検出器間で画定された経路内に部分的に配置されるように、前記光源が、前記フローチューブに対して設置されていることを特徴とする請求項１に記載のコリオリ質量流量センサ。
【請求項７】
前記フローチューブが取り付けられたフレームを更に含み、
前記駆動装置が、前記フレームを振動させるために前記フレームに対して設置されていることを特徴とする請求項１に記載のコリオリ質量流量センサ。
【請求項８】
前記フレームがチューブを含み、該チューブ内に前記フローチューブが設置されていることを特徴とする請求項７に記載のコリオリ質量流量センサ。
【請求項９】
前記フローチューブ及び前記フレームが、互いに異なる材料から製造されていることを特徴とする請求項７に記載のコリオリ質量流量センサ。
【請求項１０】
前記フローチューブが、ステンレス鋼から製造されていることを特徴とする請求項９に記載のコリオリ質量流量センサ。
【請求項１１】
前記フローチューブが、プラスチックから製造されていることを特徴とする請求項９に記載のコリオリ質量流量センサ。
【請求項１２】
前記フレームが、シリコンから製造されていることを特徴とする請求項９に記載のコリオリ質量流量センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は質量流量の測定及び制御に関し、特にコリオリ力効果に基づき、関連するセンサ、制御及び通信電気部品を有する積分フロー制御弁を有するような、質量流量の測定及び制御装置に関する。
【０００２】
本出願は、1999年11月1日に出願された米国特許出願第09/430,881号の一部継続出願であり、米国特許出願第09/430,881号は1999年6月7日に出願された米国特許出願第09/326,949号の一部継続出願であり、米国特許出願第09/326,949号は1998年12月8日に出願された米国仮特許出願通し番号第60/111,504号の優先権を主張する。
【背景技術】
【０００３】
コリオリ力効果に基づく質量流量測定は、次のような方法で行うことができる。コリオリ力は、質量をある確立された方向に動かし、次に方向を通常フローの確立された方向へのベクトル成分に変化させる効果を生じさせる。これは次式で表すことができる。
【０００４】
【数１】
2010160159.tif 000003
【数２】
2010160159.tif 000004
【０００５】
回転系においては、角速度ベクトルは回転軸に延在するように配置される。「右手の法則」を用いれば、親指以外の指が回転方向を画定し、伸ばした親指が角速度ベクトル方向を画定する。典型的なコリオリフローセンサの場合においては、チューブを振動させ、チューブを通過して流体フローが確立される。しばしばチューブは１個又はそれ以上のループの形状をしている。ループ形状は、ループの異なる点において質量流量ベクトルが逆方向に向くような形状である。チューブループは、例えばＵ字型、長方形、三角形またはΔ（デルタ）型或いはコイル状とすることができる。ストレートチューブでは特別な場合に、質量流量ベクトルの方向が１つであっても、チューブのアンカーポイントに一致する角速度ベクトルは同時に２つ存在する。
【０００６】
振動系では回転方向が変化するので、角速度ベクトルの方向が変化する。その結果、あらゆる与えられた時点において、コリオリの力は逆向きに作用し、質量流量ベクトル又は角速度ベクトルが逆方向に向けられる。角速度ベクトルは振動系に起因して絶えず変化するので、コリオリの力も常に変化する。その結果、チューブの連続往復運動に加えて動的ねじれ運動を発生させる。ねじれの大きさは、与えられた角速度に対する質量流量に比例する。
【０００７】
質量流量の測定は、センサチューブを通過する流体が発生させるコリオリの力に起因するセンサチューブ内のねじれを画定することにより行われる。典型的な公知の装置においては、コリオリの力が誘導する変位が最大になると予測されるフローチューブ上の位置に置かれた磁石とコイルのペアからなるピックオフセンサが用いられる。コイル及び磁石は対向する構造体に取り付けられる。例えば、磁石がチューブに取り付けられ、コイルが固定パッケージ壁に取り付けられる。コイルは磁界全体を動き、コイル内に電流を誘導する。この電流は、コイルに関連する磁石の速度に比例する。これは速度の測定であるので、速度と、従って信号は、フローチューブが静止点を交差する（零交差）時に最大になる。コリオリの力が誘導するねじれは、２個の速度センサの零交差時間の差を測定することにより検出されるような速度信号において位相ずれを引き起こす。実際問題として、位相ずれは時間計測回路に大きな精度負荷を与える。これにより、コリオリ技術を用いた質量流量計測の最大感度を制限することになり得る。
【０００８】
更に、コリオリ技術に基づく公知の装置の流量は、しばしば多くの用途に対して所望の流量よりも大きな流量に限定される。更に、既存のコリオリ質量流量計測装置は、積分フロー制御能力を有しない質量流量検出を与えるに過ぎず、フロー制御手段はユーザに委ねられていた。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、先行技術に関連する欠点を解決する。
本発明は上記の事情に鑑みて成されたものであり、その目的は、質量流量計測の感度が向上するようにチューブ変位の測定方法を改善したコリオリ質量流量計測装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するための本発明に係る一の実施例であるコリオリ質量流量センサは、フローチューブと、前記フローチューブの第１の側に近接して設置された光源と、前記フローチューブの第２の側に近接して設置されるとともに前記フローチューブの直径より大きい活性表面を画定する光検出器とを有し、前記第２の側が前記第１の側と概ね反対側に位置しており、前記光源と前記光検出器が互いに固定され、前記フローチューブが前記光源及び前記光検出器に対して相対的に変位可能にされ、更に、前記フローチューブが前記光源及び前記光検出器間に画定された経路を通って変位するように、前記フローチューブを振動させるために、前記フローチューブに対して設置された駆動装置を含むことを特徴とする。
【００１１】
好ましくは、前記光源が、赤外線を放射することを特徴とする。
また好ましくは、前記光源が、赤外線ＬＥＤからなることを特徴とする。
また好ましくは、前記検出器が、フォトダイオードからなることを特徴とする。
また好ましくは、前記光源が、前記フローチューブの振動変位が最大になる点に設置されていることを特徴とする。
【００１２】
また好ましくは、前記フローチューブが中立位置にあるときに、前記フローチューブが、前記光源と前記光検出器間で画定された経路内に部分的に配置されるように、前記光源が、前記フローチューブに対して設置されていることを特徴とする。
【００１３】
また好ましくは、前記フローチューブが取り付けられたフレームを更に含み、前記駆動装置が、前記フレームを振動させるために前記フレームに対して設置されていることを特徴とする。
【００１４】
また好ましくは、前記フレームがチューブを含み、該チューブ内に前記フローチューブが設置されていることを特徴とする。
また好ましくは、前記フローチューブ及び前記フレームが、互いに異なる材料から製造されていることを特徴とする。
また好ましくは、前記フローチューブが、ステンレス鋼から製造されていることを特徴とする。
【００１５】
また好ましくは、前記フローチューブが、プラスチックから製造されていることを特徴とする。
また好ましくは、前記フレームが、シリコンから製造されていることを特徴とする。
【００１６】
本発明の或る側面において、コリオリ質量流量センサは、フローチューブと、フローチューブの第１の側面に隣接して配置された光源と、フローチューブの第２の側面に隣接して配置された光検出器と、フローチューブを振動させるための、フローチューブに関連して運転可能に配置された駆動装置を有し、フローチューブが光源と光検出器の間で画定された経路を通って運動するようにしている。或る実施例では光源は赤外線を放射し、例えば赤外線フォトダイオードと共に用いられる赤外線ＬＥＤを放射する。
【００１７】
本発明の別の側面においては、フレキシブルチューブコリオリ質量流量センサは、第１及び第２の端部を有するフレキシブルチューブを有する。フローチューブは通常線形のフロー経路を画定し、駆動装置はフローチューブを始動させるように配置されている。第１及び第２のピックオフセンサは、フレキシブルチューブの第１及び第２の端部に各々配置されている。第１及び第２のピックオフセンサは各々、フローチューブの運動に応じて信号を出力する。フローチューブ内では、フローチューブ内を流れる物質のフローによって確立されるコリオリの力が、第１と第２のピックオフセンサから出力される信号間の位相ずれを引き起こす。
【００１８】
本発明の別の側面においては、コリオリ質量流量センサは、フローチューブと、フローチューブを取り付けるフレームと、フレームを振動させるための、フローチューブに関連して運転可能に配置された駆動装置と、コリオリの力に起因するフローチューブ内のねじれを測定するためにフローチューブに関連して配置された少なくとも１個のピックオフセンサとを有する。フレームは例えばシリコンフレームからなり、ステンレス鋼フローセンサチューブが取り付けられている。
【発明の効果】
【００１９】
本発明のコリオリ質量流量計測装置においては、チューブの運動による位相差を検出して質量流量を決定することから、位相ずれによる精度負荷を減らすとともに質量流量計測の感度が向上する。更に、フラットばね等を用いて変位を調整し得ることから、フロー制御も可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は（ａ）及び（ｂ）からなり、共に本発明の或る側面に基づきコリオリ質量流量センサを概略的に示すブロック線図である。
【図２】本発明に基づき電磁駆動装置を用いたコリオリ質量流量センサを示す図である。
【図３】本発明に基づき静電駆動装置を用いたコリオリ質量流量センサを示す図である。
【図４】本発明に基づき音響駆動装置を用いたコリオリ質量流量センサを示す図である。
【図５】本発明に基づき圧電駆動装置を用いたコリオリ質量流量センサを示す図である。
【図６】本発明に基づきコリオリの力が引き起こす位相ずれを測定するためのロックイン増幅器の回路図である。
【図７】本発明に基づきコリオリの力に起因する位相ずれを測定するための２チャンネルロックイン増幅器の回路図である。
【図８】本発明に基づく信号処理方法を用いたセンサチューブ位置検出器からの入力信号の大きさの関係を示すグラフである。
【図９】本発明に基づきコリオリの力が引き起こす位相ずれを測定するためのデュアルロックイン増幅器の回路図である。
【図１０】本発明に基づきコリオリの力に起因する位相ずれを測定するためのデュアルロックイン増幅器であって、参照振動数の調整を含むデュアルロックイン増幅器の回路図である。
【図１１】本発明に基づく容量型変位プローブの第１の実施例を示す図である。
【図１２】本発明に基づく容量型変位プローブの第２の実施例を示す図である。
【図１３】本発明に基づく容量型変位プローブの第３の実施例を示す図である。
【図１４】本発明の１実施例に基づくコリオリ質量流量コントローラの斜視図である。
【図１５】図１４に示すコリオリ質量流量コントローラの断面図である。
【図１６】図１５に示すコリオリ質量流量コントローラの分解組立図である。
【図１７】図１７は（ａ）及び（ｂ）からなり、（ａ）は先行技術のねじ込みバルブ接続を、（ｂ）は本発明に基づくシールねじ込みバルブ接続を示す図である。
【図１８】本発明の別の側面に基づくコリオリ質量流量コントローラの１実施例の斜視図である。
【図１９】本発明の１実施例に基づく光学ピックオフセンサを用いたコリオリ質量流量装置を示す図である。
【図２０】図１９に示す光学ピックオフセンサを用いたコリオリ質量流量装置を示すブロック線図である。
【図２１】本発明の或る側面に基づきセンサピックオフ・駆動回路の一部を示すブロック線図である。
【図２２】本発明の或る側面に基づきアプリケーション・制御回路の一部を示すブロック線図である。
【図２３】本発明に基づきコリオリ質量流量コントローラのためのＨＡＲＴインターフェースの一部を概念的に示すブロック線図である。
【図２４】図２４は（ａ）及び（ｂ）からなり、（ａ）は本発明の１実施例に基づくコリオリ質量流量コントローラのフロー検出部分の正面図、（ｂ）は側面図である。
【図２５】本発明の１実施例に基づくハイブリッドコリオリ質量流量検出チューブを示す図である。
【図２６】図２６は（ａ）及び（ｂ）からなり、図２５に示すハイブリッドチューブ構造のための圧電抵抗センサとして機能するホイートストンブリッジを示す図である。
【図２７】本発明に基づきストレートチューブフローセンサを概略的に示すブロック線図である。
【図２８】本発明に基づき別のストレートチューブフローセンサを概略的に示すブロック線図である。
【図２９】図２９は（ａ）及び（ｂ）からなり、本発明に基づき例として示す傾斜型圧電アクチュエータを概略的に示す図である。
【実施例】
【００２１】
本発明の実施例について図面を参照して以下に説明する。明快に説明する観点から、ここでは実際に実施した全ての機能を説明することはしない。実際の実施例の開発において、開発者が目標を達成するためにシステム関連及び事業関連の制約に応じて等、実施毎に異なる無数の決定をしなければならなかったことは、当然賞賛に値する。更に、そのような開発努力が複雑且つ時間のかかるものであろうことも理解されようが、しかしそれも本発明を開示することで利益を受ける分野における通常の知識を有する者のために決まりきった手順を踏んでいるにすぎない。
【００２２】
図１（ａ）は、本発明の実施例に基づくコリオリベースの質量流量センサ及びコントローラを示している。事実上２つの別個の作動システム即ちコリオリセンサピックアップ・駆動システムＡとアプリケーション・制御システムＢから構成されている。コリオリセンサピックアップ・駆動システムは、コリオリセンサ１とインターフェースをとっている。アプリケーション・制御システムＢは、ユーザ５に対するインターフェースを与え、バルブ６等のフロー制御装置へ制御信号を与える。
【００２３】
センサピックアップ・駆動システムＡの目的は、相対質量流量をコリオリ力の関数として決定し、相対密度を共振振動数の関数として決定する目的のためにコリオリセンサ１の運動を制御及び検出することである。例に挙げるセンサピックアップ・駆動システムＡは、以下の３つのデータ値をアプリケーション・制御システムＢへ与える。
１．「ΔＴ」− 相対質量流量を示すセンサチューブの一方の側面から他方への位相ラグに関連する時間差。
２．「振動数」− 測定される物質の相対密度に関連するセンサチューブの共振振動数。
３．「温度」− センサチューブの温度を決定するためのＲＴＤが測定される。
アプリケーション・制御システムＢでは、較正定数と併せて「ΔＴ」が用いられ、ユーザ５への所望の質量流量が示される。アプリケーション・制御システムＢではまた、較正定数と併せて「振動数」が用いられ、ユーザ５への所望の密度、体積或いはその両方が示される。「温度」は、質量流量計算及び密度計算の両方を補正するために用いられる。アプリケーション・制御システムＢは、ユーザの設定値入力に照らして質量流量または体積流量の単位出力を用い、フローを所望の設定値に調整するようなバルブ６を制御する。
図１（ｂ）は、本発明の或る側面に基づきコリオリ質量流量センサを概略的に示すブロック線図である。コリオリ質量流量センサ１は、フローセンサチューブ２を有し、駆動装置３がチューブ２を振動させるためにフローセンサチューブ２に関係して配置されている。変位ゲージ４は、コリオリの力に起因するチューブ２内のねじれを測定するべくチューブ２に関係して配置されている。
【００２４】
センサチューブ２に用いられる典型的な材料は、３１６Ｌステンレス鋼である。３１６Ｌステンレス鋼を用いる理由は、３１６Ｌステンレス鋼が多数の物質からの化学的攻撃に強く、通常のプロセス圧力による破壊に強く、通常は非汚染であり、コリオリセンサチューブの望ましい形状に容易に加工できるからである。しかしながら、３１６Ｌステンレス鋼が全ての用途に対して好適であるわけではない。従って、３１６Ｌステンレス鋼の不適用途をカバーするような他のチューブ材料が入手可能であることが必要である。公知の装置では、３１６Ｌステンレス鋼に代わる材料としてシリコンが用いられている。３１６Ｌステンレス鋼に対するシリコンの特長は、３１６Ｌステンレス鋼で作るセンサチューブよりも小さな形状のセンサチューブを作ることが可能なことである。
【００２５】
センサチューブ２の材料を選択する際には、応力誘導腐食又は強腐食（enhanced corrosion）に対する耐性も考慮すべきである。応力は、チューブが取り付けられている曲げアームの底部に発生する。多結晶物質では、微結晶粒状領域の間の結晶粒界において応力が物質中の不純物を拡散及び集中させる。多くの場合、このことは微結晶間の結合を弱め、物質を化学的攻撃に対してより脆弱なものとする。シリコン又はサファイアのような単一結晶物質は、多結晶物質と比較するとこのように影響を受けることは少ない。
【００２６】
３１６Ｌステンレス鋼のような金属は通常多結晶体であるので、程度の差こそあれこのようなタイプの化学的攻撃にはより脆弱である。石英ガラスのようなアモルファス物質及び数種のプラスチックも、応力誘導された化学的攻撃に対してより大きな耐性を有するが、それは多結晶物質と異なりこれらの物質は結晶粒構造を有していないからである。基礎をなす材料の使用がその他の点で魅力的であるならば、化学的攻撃に対して脆弱なチューブ材料は、チューブ材料の表面改質をするか、表面に対する腐食または化学的攻撃を最小限にするようにコーティングするとよい。
【００２７】
表面改質は、イオン注入、熱拡散、化学反応又は電気化学反応によって行うことができる。表面改質は、化学的耐性を有する層を表面に残すような電子又は分子の化学種の除去、再分配、或いは導入を行うことを意図したものである。表面コーティングは、高温で表面に衝突する蒸気、液体又は粉末からの熱活性めっき（thermally activated deposition）によって行う。化学反応性の化学種が例えばレーザからの強烈な光子フラックスやプラズマによっても励起或いはイオン化される場合には、表面改質はより低温で行う。化学的攻撃に耐性がある他の物質は、熱ビーム蒸着、電子ビーム蒸着またはイオンスパッタリングによる非反応性の物理蒸着法によってめっきしてもよい。高エネルギーのイオンビームを用いてスパッタリングを行い、スパッタリングされた化学種が化学的に励起或いはイオン化するようにする場合には、表面との化学反応も行われる。これは或る種のめっき物質にとっては望ましいことであろう。また、化学種を加速し、運動エネルギーを用いた化学反応の活性化或いは強化を可能にすることにより、表面における化学反応を行わせることもできる。
【００２８】
本発明の或る実施例において、コリオリフローセンサチューブ２に用いられるチューブ材料は、オーステナイトステンレス鋼、マルテンサイトステンレス鋼、高ニッケル合金、チタニウム、ジルコニウム、チタニウムとジルコニウムの合金、特にチタニウム−バナジウム−アルミニウム合金及びジルカロイ（これらは降伏強さが大きくヤング率が低いため）、シリコン、サファイア、炭化珪素、石英ガラス及びプラスチックである。本発明に基づいて用いられるチューブコーティング材料は、炭化珪素、ニッケル、クロム、ダイヤモンド、耐火カーバイド、耐火窒化金属及び耐火酸化金属等である。
【００２９】
別の実施例においては、検出チューブは異なる材料組成のハイブリッド構造から構成され、構造各部分の最高の材料特性を利用するために機械的に取り付けられているようなものがある。センサ構造は、例えばウェット部分と非ウェット部分に分けられる。ウェット部分はチューブを流れる流体に適合した材料のチューブとすることができ、金属チューブ、セラミックチューブ、シリカチューブ等がこれに含まれる。このようなチューブはフレーム等の振動構造に取り付けられ、振動構造はコリオリの力を誘導する固有振動モードでチューブを運ぶ。振動構造は、振動構造自体をウェットチューブが中に嵌め込まれるようなチューブとするか、チューブが取り付けられるフレームとすることができる。振動構造は、ウェットチューブを支持するための形状の梁に形成することができるような材料から製造し得る。一例としては、ウェットチューブを支持する形状をなすようにウェーハからエッチングされたシリコンが挙げられよう。ウェットチューブは、フローを運ぶチューブを形状し得るステンレス鋼、塑性材料その他の材料から構成し得る。
【００３０】
図２は、本発明の或る実施例に基づくコリオリ質量流量センサ１を示す。コリオリ質量流量センサ１は、実施例においては正弦波信号源からなるような信号源（図示せず）によって駆動される電磁石１２を有する電磁駆動装置１０を用いている。電磁石１２は、センサチューブ１６に取り付けられた小さな永久磁石１４の近傍に配置した。センサチューブ１６は、１つの孔１９からフローチューブ１６を介して別の孔１９へ流れる流路を画定するように、第１及び第２の孔１９を有する基礎１８に結合した。ここに開示されている実施例に示されるセンサチューブ１６は、通常Ｕ字型である。尤も他の形状、例えばΔ型、長方形、コイル状またはストレートチューブを用いてもよい。代替チューブについて以下に説明する。更に別の実施例も考えられ、そこでは複数の並列検出チューブが用いられ、冗長性、制御範囲（選択されたチューブがこの範囲内でバルブにより調節される）、より高度な精度等が与えられる。
【００３１】
図３に示す実施例は図２に示すものと同様であるが、静電駆動装置を用いている。静電駆動装置２０は、センサチューブ１６に取り付けられた小さな絶縁板２４の近傍に配置された帯電板２２を有する。チューブ１６が誘電体から製造されている場合は、帯電板２２をチューブ１６の近傍に配置し、絶縁板２４を取り除いてもよい。ここでもまた、正弦波信号源等の信号源（図示せず）が帯電板を駆動する。帯電板２２に印加される電圧は、帯電板２２と絶縁板２４との間に電界を発生させる。電界は絶縁板２４上に表面電荷を発生させる。電圧極性は帯電板２２上で急速に変化するので、帯電板２２と絶縁板２４の間の抵抗電界はフローチューブ１６を振動させるような引力及び斥力を交互に発生させる。
【００３２】
図４は、新しい音響駆動装置３０を用いたコリオリ質量流量センサの別の実施例を示す。音響駆動装置３０は、チューブ１６の近傍に配置された小さなスピーカ３２を有する。スピーカ３２から発生する圧力波が、チューブ１６を振動させる。
【００３３】
図５は、コリオリ質量流量センサ１の更に別の実施例を示す。図５のコリオリ質量流量センサ１には圧電駆動装置４０が用いられている。フローチューブの各脚１６には向かい合うように２本の圧電スタック４２が配置され、結果的に図５に示されるように各脚１６上に２個のバイモルフが生成されている。チューブ１６の撓みを生じさせ或いは検出するべく圧電効果及び逆圧電効果を用いることができる。
【００３４】
質量流量の測定は、センサチューブ１６を通過する流体が発生させるコリオリの力に起因するセンサチューブ１６内のねじれを画定することにより行われる。例えば、よく知られたコリオリ質量流量センサにおいては、ピックオフセンサは、コリオリの力が誘導する変位が最大になると予測されるフローチューブ１６上の位置に置かれた磁石とコイルのペアからなる。コイル及び磁石は対向する構造体に取り付けられている。例えば、磁石がチューブ１６に取り付けられ、コイルが固定パッケージ壁に取り付けられている。コイルは磁界に出入りし、コイル内に電流を誘導する。この電流は、コイルに関連する磁石の速度に比例する。これは速度の測定であるので、速度と、従って信号は、フローチューブ１６が静止点を交差する（零交差）時に最大になる。コリオリの力が誘導するねじれは、２個の速度センサの零交差時間の差を測定することにより検出されるような速度信号において位相ずれを引き起こす。実際問題として、位相ずれは時間計測回路に大きな精度負荷を与える。このことはコリオリ技術を用いた質量流量計測の最大感度を制限し得る。
【００３５】
米国特許第5,555,190号は本出願の譲受人に譲渡されたものであり、本明細書中で開示しているコリオリ質量流量装置と関連して開示されたチューブのような振動センサチューブの振動数と位相の関係を決定するためのデジタル信号処理方法及び装置について開示している。米国特許第5,555,190号全体の引用を以って本明細書の一部となす。
【００３６】
本発明の或る側面は、典型的な時間ベースの信号調整技術と比べてフロー能力が低く、より直接的で、且つ回路においてそれほどの精度が要求されないようなフロー測定技術を与えている。図２から４に示されている実施例を参照すると、振動するセンサチューブの変位は容量型ピックオフセンサを用いて測定される。センサチューブ１６を通過する流体が発生させるコリオリの力に起因するセンサチューブ１６内のねじれを測定するべく、２個の静電容量変位ゲージ５０がチューブ１６の形状に対称をなすようにチューブ１６の近傍に配置されている。本発明の或る実施例において、静電容量変位ゲージ５０は小型化してセンサパッケージ壁又はフローセンサチューブのループ内に挿入されたセンサブロックに表面取付した。コリオリの力に起因するセンサチューブ１６内のねじれは、静電容量変位ゲージ５０からの２つの信号間で位相ずれを引き起こす。これは変位の測定であるので、信号は変位に正比例する。チューブの各側の相対変位は、位相ずれとして測定される。ゲージドライバ及び信号調整の電気部品は、チューブ１６の相対変位を高レベル信号に変換する。高レベル信号は位相ずれの機能であり、フローがチューブ１６の中を流れる際にコリオリ効果を測定するために用いることができる。
【００３７】
第１の信号処理技術は、一方の変位ゲージ５０から参照信号を受信し、他方の変位ゲージ５０から入力信号を受信するようなロックイン増幅器を用いる。参照信号または入力信号を発信するのはいずれのゲージ５０でもよい。ロックイン増幅器からの位相出力は、フローに比例する。図６はロックイン増幅器５２の機能回路図であり、ロックイン増幅器５２を用いて本発明に基づくコリオリの力に起因する位相ずれを測定するための方法を実施することが可能である。信号は、図６に示すように左から右に伝わる。左入力１００及び右入力１０２の信号は、各々左及び右変位ゲージ５０から伝わる。例えば、左入力１００は参照信号として用いることができる。正弦出力１０３は、左入力１００の信号にフェーズロックされた駆動信号である。これは、フローセンサチューブ１６を共振させる。右入力１０２は、２個の位相検出器（ＰＳＤ）１０６内において、左／参照入力１００の信号及びその９０°位相ずれ信号１０４と混合される。機能的には、ＰＳＤ１０６は２つの信号を掛け合わせて高周波成分及び直流成分を生成する。低域フィルタ１０８は、Ｘ出力１１０及びＹ出力１１２において直流電圧を発生させるような高周波成分を除去する。Ｘ出力１１０は参照信号に関係する信号の同相分と呼ばれ、Ｙ出力１１２は直角分と呼ばれる。同相分及び直角分は位相を感知するが、次の関係式によってベクトルの大きさ及び位相成分を分離することが可能である。
【００３８】
【数３】
2010160159.tif 000005
【００３９】
ロックイン増幅器５２からの出力信号と変位ゲージ５０からの入力信号との関係は、次のように導かれる。
任意の振幅、任意の位相差を有する正弦波として２つの信号を考える。各信号は次式で表すことができる。
【００４０】
【数４】
2010160159.tif 000006
【００４１】
ＰＳＤ１０６の下部では、次のようになる。
【００４２】
【数５】
2010160159.tif 000007
【００４３】
この信号は、２倍の振動数で１つの直流電圧成分及び１つの交流成分を有する。低域フィルタ（ＬＰＦ）１０８は、残りの交流成分を除去して次式の如くする。
【００４４】
【数６】
2010160159.tif 000008
【００４５】
ＰＳＤ１０６の上部では、次のようになる。
【００４６】
【数７】
2010160159.tif 000009
【００４７】
ここで、cosωt＝sin(ωt＋90°) より、余弦乗数が得られる。
【００４８】
【数８】
2010160159.tif 000010
【００４９】
ここで再び直流成分及び交流成分を有する信号が得られたわけであるが、ＬＰＦ１０８を通過した後では次式のようになる。
【００５０】
【数９】
2010160159.tif 000011
【００５１】
式１及び式２より、大きさＲ及び位相角θは次のように計算される。
【００５２】
【数１０】
2010160159.tif 000012
【００５３】
以上の計算は、好適なデジタルまたはアナログの処理装置１２０で実行できる。ベクトル位相は質量流量に比例する。
本発明の実施例に基づく別の方法では、一方の変位ゲージ５０から参照信号及び１つの入力信号を受信し、他方の変位ゲージ５０から第２の入力信号を受信するような２チャンネルロックイン増幅器が必要である。ロックイン増幅器は、ハードウエア、ソフトウエア、または両者の組合せによって実現される。２つの入力信号の差は、参照信号に対照して測定される。ロックイン増幅器からの合成位相出力は、フローに比例する。図７は、２チャンネルロックイン増幅器５４の機能回路図である。信号は図６に示されている回路におけるものと同様の方法で伝わり、同様の明瞭度を有する。左入力１００は、ここでも参照信号として用いられる。図６と同様に、正弦出力１０３は、左入力１００の信号にフェーズロックされた駆動信号である。図７の例では、右入力１０２の信号から左入力１００の信号を減算し、２個の位相検出器（ＰＳＤ）１０６内において左／参照入力１００の信号及びその９０°位相ずれ信号１０４と混合する。内部機能は、図６のロックイン増幅器５２と同様である。
【００５４】
ロックイン増幅器５４からの出力信号と変位ゲージ５２からの入力信号との関係は、次に示す式を用いて導くことができる。計算は、好適なデジタルまたはアナログの処理装置１２０で実行できる。
【００５５】
任意の振幅、任意の位相差を有する正弦波として２つの信号を考える。各信号は次式で表すことができる。
【００５６】
【数１１】
2010160159.tif 000013
【００５７】
ここで、低雑音差動増幅器１１４からの出力は、Ｖref −Vright である。
ＰＳＤ１０６の下部では、次のようになる。
【００５８】
【数１２】
2010160159.tif 000014
【００５９】
この信号は、２倍の振動数で１つの直流電圧成分及び１つの交流成分を有する。低域フィルタ（ＬＰＦ）１０８が残りの交流成分を除去し、次式が得られる。
【００６０】
【数１３】
2010160159.tif 000015
【００６１】
ＰＳＤ１０６の上部では、次のようになる。
【００６２】
【数１４】
2010160159.tif 000016
【００６３】
ここで、cosωt＝sin(ωt＋90°) より、余弦乗数が得られる。
【００６４】
【数１５】
2010160159.tif 000017
【００６５】
ここで再び直流成分及び交流成分を有する信号が得られたわけであるが、ＬＦＰ１０８を通過した後では次式のようになる。
【００６６】
【数１６】
2010160159.tif 000018
【００６７】
式１及び式２より、大きさＲ及び位相角θは次のように計算される。
【００６８】
【数１７】
2010160159.tif 000019
【００６９】
θはもはや位相角ではないが、左入力信号及び右入力信号の位相角度及び振幅の関数のアークタンジェントである。この式を分析すると、θはφの強力な関数であることが分かる。実際、入力信号の相対振幅によってこの関数の強度を制御することができる。これは  図８のグラフで説明することができ、図８のＡ及びＢは、各々左信号及び右信号の振幅である。２つの振幅が近づくにつれて、ロックイン増幅器の出力θに対する感度が高くなる。たとえその差が２％以内であるような振幅に対しても、φに対するθの感度は標準ロックイン増幅器の感度と比べて約１００倍である。
【００７０】
図９は、本発明に基づきコリオリの力が誘導する位相ずれを測定するための別の方法に用いられるデュアルロックイン増幅器５６の機能的回路図である。信号が動く方法及び定義は、既に開示したものと同様である。左入力１００もまた参照信号として用いられる。既に開示したものと同様に、正弦信号１０３は駆動信号であり、左入力１００の信号にフェーズロックされている。この場合、左入力１００の信号は、上部ロックイン増幅器５８における２個の位相検出器（ＰＳＤ）１０６において左入力１００の信号及びその９０°位相ずれした信号と混合される。底部ロックイン増幅器６０では、右入力１０２の信号は、２個の位相検出器（ＰＳＤ）１０６において左入力１００の信号及びその９０°位相ずれした信号と混合される。位相ずれしていないＰＳＤ１０６及び位相ずれしたＰＳＤ１０６からの対をなす出力は、低雑音差動増幅器１１４において微分される。信号の直流成分は、低域フィルタ１０８を通過して通常のロックイン増幅器出力を与える。好適なデジタルまたはアナログの処理装置１２０によって実行される計算は、図７に関連して概説した方法と同様であるが、作動順序は異なる。図７の２チャンネルロックイン技術において、僅かな差がある２個の高レベル信号が減算される。次に低レベル信号が高レベル信号と乗算されるが、この乗算がアナログ回路における雑音或いはデジタル回路における丸め誤差を生じさせ得る。図９のデュアルロックイン技術において、まずハイレベル信号が乗算されて、次に振幅の近似している乗算結果の信号が減算されて低騒音出力が生じる。
極めて大きな振幅の雑音に埋もれた低レベル信号の測定には、ロックイン増幅器を使用することが最も有名である。ロックイン増幅器は、極めて狭い帯域フィルタとして作用し、このような測定をなし遂げている。信号及び騒音は、参照正弦波及び余弦波が乗算され、次に低域フィルタを通過して参照振動数が除去される。乗算及びフィルタ動作の結果、複素数ベクトル（ｘ＋ｉｙ）で表される直流信号が得られる。参照振動数と対象信号（signal of interest）との位相差は、atan（y/x）によって決定することができる。
【００７１】
コリオリの力の測定に関して、同一振動数の２個の信号間の位相差は重要である。これはデュアルロックイン増幅器を用いて行うことができ、各増幅器は図１０に示すように同一の参照振動数で駆動される。図１０に示す機能回路図において、左入力信号１００及び右入力信号１０２は、参照振動数発生装置１１４が与える参照正弦波及び余弦波と乗算される。入力信号１００、１０２は、ＰＳＤ１０６において正弦信号及び余弦信号と混合され、次に図６、図７及び図９に関連して説明したように５次ベッセルＩＩＲ低域フィルタ１４８を通過する。上記の乗算及びフィルタプロセスは、左入力信号１００および右入力信号１０２において実行され、参照振動数に対する各信号の位相差出力Ｘ、Ｙを生じさせる。２個の出力信号ＸとＹの差は、２個の入力信号１００と１０２の位相差を表す。コリオリ質量流量の場合は、この位相差は質量流量１５２の表示を表す。
【００７２】
ロックイン増幅器を用いてコリオリ質量流量に関連する極端に小さな位相差を測定する場合には、参照振動数を対象信号に合うように調整する必要がある。参照信号が対象信号にそれほど近似していなければ、極低振動数の交流信号が低域フィルタ１４８の出力に現れるであろう。コリオリセンサの振動数は、質量流量、温度、密度及び圧力と共に変化し、測定プロセスを更に複雑にしている。
【００７３】
入力信号１００、１０２の１つからの出力ベクトルを処理することによって、参照振動数を正確に調整することができる。まず、出力ベクトルの導関数を計算する。出力ベクトルの導関数は、２つの連続する出力ベクトル間の複素差分を計算することにより算出できる。次に元の出力ベクトルを９０°回転させ、このベクトルのドット積及び導関数を計算すると、参照振動数発生装置１４４に与えられるエラー信号１５０が求められる。参照振動数を下げるか、上げるか、変化させない必要がある場合には、エラー信号１５０は各々負、正、或いはゼロである。
【００７４】
参照振動数の調整量は位相測定の精度によるが、一般に調整が緻密であればあるほど精度は高くなる。精度は、多数の出力サンプルに対する標準偏差を計算して決定される。しかしながら、信号振動数においてステップの変化がある場合には、参照振動数のより緻密な調整（小さなステップの変化）は好ましくない。参照振動数発生装置１４４が目的の振動数を発生させるまでに長時間を要するためである。信号振動数が頻繁にステップを変える場合には、ＰＩＤまたは適応アルゴリズムを用いて、より応答の良い方法で参照振動数を調整することができる。
【００７５】
別の実施例においては、静電容量変位プローブ５０を圧電アクチュエータに取り付けることができる。圧電アクチュエータは、まず静電容量変位プローブ５０を３次元に配列する。更に、本明細書に開示されている２チャンネルロックイン増幅器又はデュアルロックイン増幅器の方法を用いる場合は、圧電アクチュエータがフローセンサの感度を動的に調整することができ、従ってセンサの範囲を拡張させることができる。
【００７６】
このような動的位置決め（dynamic positioning）、特に静電容量変位プローブに関連するフローセンサの位置決めによって、製作のばらつきを埋め合わせることができる。動的位置決めはまた、様々な成分の相対熱膨張に起因する寸法のずれを埋め合わせる。２チャンネルロックイン増幅器又はデュアルロックイン増幅器と組み合わせて用いることにより、動的位置決めは２個の変位信号を非常に近づけてフローに対する可変感度を与えることができる。高いフロー条件に対しては低い感度が用いられ、拡張された低いフロー条件に対しては高い感度が用いられ、従って、フロー測定のダイナミックレンジを広げる。
本発明の実施例は、更に静電容量測定技術を向上させ、特に静電容量変位プローブの新たな幾何学的配列を向上させる。通常或る物体の変位は静電容量変位プローブへの垂直線の寸法として測定される。変位はまた、静電容量変位プローブに対する接線方向の寸法としても測定される。図１１を参照すると、２枚の板１３０を近接して並べ、板１３０の間に一定のギャップ１３２を設け、図１１に示すような運動（矢印１３６で示す）に対して接線方向の平面に、センサチューブ１３４の近傍に配置することによって変位を特定することができる。或る実施例では、板１３０を同じ位置に設置し、センサチューブ１３４を大地電位に設置するものもある。ギャップに対して垂直線方向への運動１３６が予測されるようにして板１３０の間のギャップ１３２を直接覆うようにセンサチューブ１３４を配置すれば、センサチューブ１３４のサイクル運動によってチューブ１３４が２枚の板１３０のいずれか一方に接近するであろう。相対静電容量は、各板１３０とセンサチューブ１３４の間で測定される。センサチューブ１３４が２枚の板１３０の何れか一方またはもう一方に向かって運動するにつれて静電容量に寄与する総面積が変化するので、相対静電容量が測定される。
【００７７】
図１２に示されるように、ギャップ１３２がセンサチューブ１３４の間を斜めに貫く形状のものもある。このような形状では、板１３０の平面に対してセンサチューブ１３４を配置する精度が低下する。センサチューブ１３４のアライメントの不備は、ギャップ１３２が平行である場合と比較すると信号においてより小さな不整合を生じさせる。
或いはギャップ１３２は、図１３に示すように鋸歯形模様である場合もある。鋸歯形は斜めのギャップ１３２に対して改良されたものとなっている。ギャップ１３２が平行であれ斜めであれ、ギャップ１３２に関係するセンサチューブ１３４が角度アライメントの不備により２枚の板１３０の間に静電容量の変化率に差異を生じさせ、このことが２つの信号間の位相において好ましくない変化を生み出すであろう。鋸歯形模様は、センサチューブ１３４のあらゆる角度アライメントの不備を平均させ、より対称的な信号を与える。
図１４、図１５及び図１６は、本発明の１実施例に基づく例として容量ピックオフセンサを備えた低フローコリオリ質量流量コントローラ２００を示している。コリオリ質量流量コントローラ２００は、フローセンサ部分２０２及びフロー制御部分２０４を有する。質量流量コントローラ２００に対する内部または外部の処理装置は、設定値または所望の質量流量の表示を受け取る。設定値をフローセンサ部分２０２が示す実際の質量流量と比較し、偏差を求める。フロー制御部分２０４はバルブを有し、バルブを操作することで流量を調整し、偏差を最小にする。特定の制御機構を実行することは、本発明の開示の利益を受ける当業者が行う日常的な作業であるので、ここでは実施の詳細について詳述しない。
フローセンサ部分２０２は、ケーシング２０５により囲まれ、ループ状に曲げられたセンサチューブ２０６、駆動装置２０８、及び２個のピックオフセンサ２１０を有する。ピックオフセンサ２１０は、センサチューブ２０６の逆側に配置され、センサチューブ２０６の側面の変位を測定する。
【００７８】
既存のコリオリ装置のセンサは通常、溶接された金属のハウジング内に設置されていた。ハウジング内のセンサチューブには、変位センサまたは速度センサが取り付けられ、これらのセンサはフィードスルーを介してハウジング外部の電気部品に接続された電線を用いてセンサチューブに取り付けられていた。このような装置におけるセンサチューブは、比較的大型であり、約１００Ｈｚの共振振動数を有する。本発明の実施例のようにより小さなセンサチューブに対する共振振動数は幾分高くなり、２００Ｈｚ以上のオーダーになる。振動数が増大するにつれて、センサケーシングの内部大気条件に起因する粘性減衰効果が大きくなる。ケーシングを排気し、真空に適合する材質を利用することによって、粘性減衰を減少させ或いはゼロにすることが可能である。従って、図で示したような実施例において、センサチューブ２０６が真空センサケーシング２０７内に設置されている。
【００７９】
センサチューブ２０６は、チューブのループの脚を結ぶ線に直交する方向の弾性曲げを可能にするように設計された。ループは、ループの中心線付近で弾性ねじれを生じさせるのに十分な幅を有する。低フローにおけるコリオリの力を測定するため、センサチューブ２０６の質量を最小にする必要がある。チューブを小さくし、しかも拡張圧力において流体を保持できるようにする必要があるので、チューブサイズの決定は重大である。チューブ２０６との接触またはチューブ２０６への質量負荷によってコリオリの力が抑制できるので、ピックオフセンサ２１０を非接触とすることが望ましい。
【００８０】
ピックオフセンサ技術には、容量型、磁気的、圧電性、及び光学的技術がある。圧電ひずみゲージ変位センサは、チューブに接触するが、変位が最小でひずみが最大となるようなループの下部と接触する。こうすることでチューブの振動への影響を最小にするであろう。光学技術には、レーザまたは白光干渉変位技術、三角測量技術、多重内部反射及びビーム掩蔽技術が含まれる。磁気変位技術には、ホール効果、渦電流、可変磁気抵抗及び磁気抵抗技術が含まれる。
【００８１】
容量型ピックオフセンサ技術は、チューブ変位を測定するために必要な感度を有し、非接触で、磁気駆動装置に影響されないので、図１４〜１６に示したような実施例に用いられている。容量型ピックオフセンサ２１０は、各々少なくとも１枚の導電板３００を有し、導電板は与えられた電位に接続され、導電板間のギャップを画定するべくフローセンサチューブ２０６の近傍に配置されている。導電板３００とフローセンサチューブ２０６との間の静電容量は、フローセンサチューブ２０６が振動する際の導電板３００及びフローセンサチューブ２０６の相対運動によって変化する。
【００８２】
図１４〜１６に示したような実施例において、図１１〜１３に関連して説明したように、導電板は第１及び第２の板からなる。或る実施例においては、図１３に示すような鋸歯形の板が用いられている。容量型ピックオフセンサ２１０は、組み込まれたセンサブロック３０１にアセンブルされている。センサブロック３０１は、プレスピン３０２によりケーシング２０７の後壁を寸法的に参照して、ケーシング２０７に合わせてサイズを決定した。容量型ピックオフセンサ２１０の導電板３００は、寄生静電容量を最小にする保護層と、センサブロック３０１にはんだ付けするための裏板とを供給するような多層プリント回路板上で作製される。容量型ピックオフセンサ２１０は、真空で作動することが要求されるので、図で示したような実施例では低ガス放出材料が用いられている。標準繊維ガラス材料は、真空には適合しない。望ましい材料特性は、真空に適合し、はんだ付けが可能で、低ガス放出結合で多層に接着でき、単一保護層デザインに対して一定の低誘電率を有することである。或る実施例では、市販のＤＲＵＯＩＤが用いられている。
【００８３】
容量型ピックオフセンサ２０８を有するセンサブロック３０１は、センサチューブ２０６との間隔を最適化するように調整することが可能である。調整は、放電加工したヒンジ板を用いて行う。テーパ止めネジは、容量型ピックオフセンサの線運動及び角運動を起こすべくギャップを拡げる。更に、容量型ピックオフセンサの導電板３００は接触パッドを有し、接触パッドによって電線をはんだ付けしたり、センサブロックの正面にプリント回路板３０３を電線接続したりすることが可能になる。センサブロックは、センサケーシング２０７外部の容量型変位電気部品と連動する気密封止電気コネクタを用いて、容量型ピックオフセンサ２１０と相互に連結されている。
【００８４】
駆動装置２０８は、チューブ２０６を曲げモード振動に駆動し、振動を生じさせる。図に示したような実施例において、駆動装置２０８は、センサチューブ２０６にはんだ付けされた小さな磁石３０４と、磁石３０４に交互に出入りする小さな電磁コイル３０６を有する。図１６に示す実施例においては、非希土類磁石、特にニッケルめっきされたサマリウムコバルト磁石が用いられている。サマリウムコバルト磁石は、重量比に対して強い磁力を有する。実施例では、磁石の重量は約２０ｍｇである。磁極がチューブの好適な変位方向に平行をなすように、磁石３０４はセンサチューブ２０６の上中心部に配置する。
コイル３０６は、センサケーシング２０７の外部に配置され、回路板２０９に結合される。センサケーシング２０７は非磁性であるので、磁界へ透過する。コイル３０６は、環状デザインとは全く異なり、開路型である。本実施例におけるコイル３０６は、少なくとも１ｍＨのインダクタンスを有する市販のパワーインダクタである。コイル３０６の中心軸は、磁石３０４の表面に垂直になるように調整する。フェーズロックループ（ＰＬＬ）機能を介するコイル駆動回路へのフィードバックとしての、容量型ピックオフセンサの１つからの信号を用いて、センサチューブ２０６を共振させる。ＰＬＬ機能は、電気回路として或いはソフトウエアにおいて実行される。
【００８５】
基礎部分２１２は、フロー入口２１４及びフロー出口２１６を画定する。センサチューブ２０６を基礎部分２１２上に取り付け、フローが入口からセンサチューブ２０６、フロー制御部２０４を介してセンサフロー出口２１６へという流路で流れるようにする。フロー制御部２０４は、バルブコイル２２８及びコイルカバー２３０を内部に配置したメータ本体２２２を含む。バルブ軸（stem）２３２及びプランジャ２３４はバルブコイル２２８内に配置し、バルブ本体２３６はメータ本体２２２にシール２３８で結合する。弁座２４０、ばね２４２及びオリフィス２４４は、バルブ本体２３６内に配置する。端受２２４、２２５は、フロー制御部２０４のいずれかの端部に配置する。メータ本体２２２と端受２２４との間、及びバルブ本体２３６と端受２２５との間は、シール２２６で結合する。或る実施例において、シール２２６は電鋳ニッケルシールからなる。
【００８６】
例として示すような実施例において、コリオリ質量流量コントローラ２００は、次のようにアセンブルした。メータ本体２２２及びセンサケーシング２０７は、ベースプレート３１０、中柱３１２及びセンサチューブ２０６と同様、センサチューブ２０６をセンサケーシング２０７の壁に寸法的に参照するような取付具によって所定位置にアセンブルし、保持した。残りの部分は、プレスピン３３０により割り出した。これらの部分は、単一のユニットとしてロウ付けした。磁石３０４は、センサチューブ２０６にはんだ付けした。センサブロック３０１をアセンブルし、プレスピン３０２を用いてセンサケーシング２０７内に取り付けた。プレスピン３０２は、センサケーシング２０７の背面から約０．５ｍｍ延在させた。気密封止コネクタ３２０は、センサケーシング２０７の裏面の開口３２２に押し込んだ。センサブロックプレスピン３０２及び気密封止コネクタ３２０は、レーザまたは電子ビーム溶接してリーク密封を与えた。カバー３２４は、真空環境でセンサケーシング２０７の正面を覆うように配置し、所定位置にレーザまたは電子ビーム溶接し、真空密封環境を与えた。
【００８７】
次に、残りのバルブ部品及び端受ブロック２２４、２２５をメータ本体２２２にアセンブルした。電鋳ニッケルシール２２６を用いても、エストラマーＯリングを較正に用いた後でニッケルシールに交換してもよい。完全なアセンブリ上で電気部品をアセンブルし、取り付けた。Ｏリング３３２はベースプレート３１０上に取り付け、ケーシング２０５をＯリングシール３３２に下向きに押し付けた。ベースプレート３１０上のカム錠を回転させ、ケーシング２０５を下にロックした。Ｏリング３３４は、電気部品カバーキャップ３３６に取り付けた。電気部品キャップ３３６は、ユーザインターフェースコネクタ３３８に被せた。電気部品キャップ３３６は、ケーシング２０５上からＯリングシールに影響を与えるような位置に嵌めた。次にアセンブルした質量流量コントローラ２００を試験し、較正した。
【００８８】
例として示すようなコリオリ質量流量コントローラ２００は、幾つかの利点を供与するモジュラー設計を有する。上記のように、フロー本体（ケーシング２０５の下端とベースプレート３１０との間）及びユーザインターフェースキャップ（ケーシング２０５の上端と電気部品キャップ３３６との間）においてＯリングシールに影響を与えるように電気部品パッケージを設計した。電気部品キャップ３３６は、電気部品を検出し、制御するべく、コリオリ質量流量コントローラ２００及びその内部のユーザインターフェースボード３４０と相互に接続されている。電気部品キャップ３３６及びユーザインターフェースボード３４０は共にユーザの電気部品に接続するためのインターフェースを画定する。このことは、ユーザ装置毎に異なる検出、制御の電気部品及びケーシングを設計する必要がなく、ユーザの要求通りのインターフェースを柔軟に形成する。
【００８９】
例えば種々のインターフェースキャップは、装置即ちIP-65/NEMA 4Xコンプライアントを与えるべくシール及び電線管を有し得る。そのような装置４００の例を図１８に示す。対照的に、図１４〜１６に示す実施例は、ユーザインターフェースボード３４０に接続されたコネクタ３４２を有する。図１８に示すように、電気部品キャップ３３７を拡張し、特定の用途のために要求される追加部品のための空間を与えている。
Ｏリングシールケーシング２０５の別の機能は、第３の流体を保持することである。センサチューブ２０６が第１の流体を保持し、センサケーシング２０７が第２の流体を保持する。
【００９０】
制御される気泡が流体内に存在する場合、既存のバルブでは、プランジャ周辺の環状開口がバルブ出口への気泡の通路を制限していた。気泡は、液体のフローが制限されてフロー制御が失われるような場所への環状開口の入口に集まる。環状開口を拡げると、バルブコイルからのプランジャの空間が増加し、それによって磁気回路の磁界強さが弱められ、また流体が生じさせる水力に対してバルブを開閉するために必要な慣性力が弱められる。従って、図示されるコリオリ質量流量コントローラ２００では、プランジャ２３４を通すような丸孔２４６が設けられる。丸孔２４６は、気泡の形状及びサイズに適合するものとし、気泡がより滑らかにバルブを通過するようにする。このようにして、気泡がフローを制限する可能性を最小にする。プランジャ２３４の中心を通過するような孔２４６は、水力に対してバルブを開閉するための力が維持すべく、磁気回路に対するあらゆる影響を最小にする。
【００９１】
典型的な既存のバルブでは、バルブプランジャは、オリフィスのランドに押し付けられた時にフローに対するシールを形成するような変形可能な材料から製造した固定座を有していた。常時閉のソレノイドバルブの場合、ばね釣り合いにより弁座に対して力を生じさせることで、ソレノイド作用によってオリフィスランドから弁座を揚げるようにすることが可能であった。常時開のソレノイドバルブの場合、ソレノイド作用により弁座に対して力を生じさせて均衡を取ることで、磁界が取り除かれた時、ばねによってオリフィスから弁座を揚げるようにすることが可能であった。弁座の材料は、弾性、可塑性、または延性の金属とすることができる。
【００９２】
繰り返し使用可能とすべく、通常シールは塑性変形よりも弾性変形であることが好ましい。或いは、弁座及びランドに硬質材料を用いてもよいが、弁座とランドとの間で表面をぴたりと合わせることを含めて非常に厳格な許容差を以って製造する。この方法は非常に費用がかかる。プランジャにおける磁力は変位に対し線形でないため、弁座とランドの空間はバルブ操作に重大である。常時開のバルブの場合、弁座がランドと逆に動かされる時に最大の力を与え、また開口位置で最大のフローを与えるために、プランジャのノーマル位置と、従ってランドに関係する弁座のノーマル位置とを最適化する必要がある。常時閉のバルブの場合、ランドに対する弁座の力はばねによって与えられる。ばねの力は、水力に対してバルブを閉にするのに十分な力とする必要がある。更に、最大のフローを得るのに十分な距離までは磁力によって弁座をランドから揚げられるように、最小の力にもする必要がある。
【００９３】
既存の装置では、ランドまたは弁座の下にシムを置いたり、オリフィス部品に調整ネジを用いたり等、種々の手段を用いて弁座とランドの間の空間が調整されてきた。しかしながら、図１７（ａ）に示すように、通常オリフィスの調整ネジはオリフィス本体２５０とバルブ本体２５２との間をシールしておらず、ねじ山２５６の間に漏れ経路２５４を残す。このような調整ネジでは、流体が漏れないようにねじ山２５６をシールする必要がある。Ｏリングやガスケット等の分離シールによりねじ山２５６をシールする。
本発明の或る側面に基づき、オリフィス２４４及びランドの少なくとも一方は、精密オリフィスのねじ部品に機械加工するのに適した、ＶＥＳＰＥＬ（登録商標）等の塑性材料から製造する。図１７（ｂ）の実施例に示すように、オリフィス本体２５０とバルブ本体２５２との間に締りばめ２５８ができるようにねじ山２５６を大き目に機械加工し、このように分離シール（Ｏリングまたはガスケット）を不要にする。これでオリフィスランドは、弁座２４０及びプランジャ２３４の設計及び製作（図１５及び１６参照）を単純化するような変形可能な部材となった。
【００９４】
しかしながら、本発明は特定のプランジャ構造に限定する必要はない。或る実施例では、バルブに代えてポンプが用いられる。例えば、流体制御の目的で計量型ポンプを用いてもよい。特に、複数の圧電チューブ部分を有する圧電ポンプを用いることができる。異なるチューブ部分を圧縮または膨張させるような方法で圧電チューブ部分を制御するので、圧電チューブ部分は流体のフローを望ましいように制御することを可能にする。
【００９５】
図１９は、本発明の更に別の側面に基づき、例として示されるようなコリオリ質量流量検出装置を示している。図に示すコリオリ質量流量検出装置５００は、チューブの変位を測定して、チューブを流れる質量流量に起因するコリオリの力を検出するための代替構造を有する。光源５１０は、変位が最大になると予測されるフローチューブ５０２上部または上部付近に配置した。そしてフォトダイオード或いは他の光検出器５１２は、チューブ５０２の逆側に光源５１０と向き合うように配置した。光検出器５１２は、光検出器５１２から受信した信号を処理するようなセンサ電子部品に接続されている。センサ電子部品はデジタル信号処理装置を備えることができ、そのようなデジタル信号処理装置としては例えば米国特許第5,555,190号に開示されている信号処理方法や図６〜１１に示した実施例に照らして本明細書中で開示されているロックイン増幅器が挙げられる。別の実施例も考えられ、例えば受信した信号を最小２乗法による位相決定を用いて対照と比較するような、モード検出または正弦波カーブフィッティングが用いられる。
【００９６】
或る実施例において、光源５１０及び光検出器５１２は、光学検出プリント回路板（ＰＣＢ）上に実現された光学検出回路の一部である。光源５１０及び光検出器５１２は、センサチューブ５０２の運動を検出するための赤外線ＬＥＤ及びフォトダイオードからなる。図１９に示すように、２セットのＬＥＤ５１０及びフォトダイオード５１２があり、１セットがセンサチューブ５０２の片側を検出する。
【００９７】
図２０は、図１９に示す光学コリオリ質量流量検出装置５００を備えたコリオリ質量流量コントローラの一部を概略的に示すブロック線図である。光学コリオリ質量流量検出装置５００は、光学検出ＰＣＢ５２０の一部を構成する。光学検出ＰＣＢ５２０は、光学駆動ＰＣＢを介してマザーボードＰＣＢ５２６上のセンサピックオフ・駆動回路５２４へ左出力信号５２１及び右出力信号５２２（センサチューブ５０２の左及び右部分に対応する）を与える。アプリケーション・制御回路５２８もマザーボードＰＣＢ５２６上で実行される。デジタル信号処理（ＤＳＰ）ＰＣＢ５３０は、ＤＳＰ処理装置５３２と、フラッシュＥＥＰＲＯＭ５３４と、高速ＳＲＡＭ５３６と、論理・監視回路５３８とを有する。本発明の１実施例においては、５０ＭＨｚで作動するテキサスインスツルメント社のTMS320C32処理装置がＤＳＰ処理装置５３２として機能している。ＲＴＤ５４２は、センサチューブ温度を測定するために光学駆動ＰＣＢを介してセンサピックオフ・駆動回路５２４へ出力を与える。センサピックオフ・駆動回路５２４は、センサチューブ５０２の振動を制御するための駆動コイル５１３へも出力信号を与える。
【００９８】
チューブ５０２の共振振動数で正弦波によって駆動されるコイル５１３を用いて、チューブを振動させる（図１９に示すように紙面に出し入れする）。コイル５１３が作り出す磁力（例えば図１４〜１６に関連して既述した実施例に用いられているような１ｍＨインダクタ）は、センサチューブ５０２に取り付けられた磁石５１４上でプッシュプルを行い、運動させる。チューブ５０２が振動する際、ＬＥＤ５１０からフォトダイオード５１２に達する赤外線の光の量は、センサチューブ５０２が光路を往復運動するにつれて増減する。光学検出回路が光の振動をチューブの位置を表す電圧に変換する。
【００９９】
チューブ５０２が振動するにつれて、センサチューブ５０２の左側及び右側の運動を表す２つの正弦波として光学検出回路の出力が現れる。センサチューブ５０２を流れる質量流量がない場合、センサチューブ５０２の左側及び右側は同位相であるので、２つの正弦波はゼロフローを示す同位相である。センサチューブ５０２を流れる質量流量が増加するにつれて、センサチューブ５０２の左側と右側の運動間の位相差は（質量流量に線形に）増加する。
【０１００】
センサピックオフ・駆動回路５２４は、光学検出ＰＣＢ出力５２１、５２２からセンサ駆動信号を生成する。従って、センサチューブ５０２、光学ピックオフ５１０、５１２及び駆動コイル／磁石システム５１３、５１４は、センサチューブ５０２の機械特性によって決定される振動数で振動するような閉じた系を構成する。この概念は、機械的物体（センサチューブ５０２）の代わりにクリスタルを用いた高周波発生器に類似している。
センサピックオフ・駆動回路５２４のＤＳＰ ＰＣＢ４３０及び関連する電子部品は、左及び右センサチューブ出力５２１、５２２を、センサチューブ５０２の左側と右側間の実際の位相差を表す数値に変換する。この位相差は質量流量を表す。
【０１０１】
図２１に示すように、センサピックオフ・駆動回路５２４は、ステレオＡ／Ｄ変換器５５０を有する。センサチューブ５０２の左側と右側間の実際の位相差を測定し、センサチューブ５０２の振動数を測定し、固有センサチューブ５０２の駆動レベルを決定するために、ステレオＡＤ変換器５５０を用いて光学検出ＰＣＢ５２０から左出力５２１及び右出力５２２のサンプルを取る。ＲＴＤ Ａ／Ｄ変換器５５２は、ＲＴＤ５４２からの出力を受信し、ＲＴＤによってセンサチューブ５０２の温度を測定する。乗算Ｄ／Ａ変換器を用いてセンサチューブの駆動レベルを調整する。ステレオＡＤ変換器５５０、ＲＴＤ Ａ／Ｄ変換器５５２及び乗算Ｄ／Ａ変換器は、ＤＳＰ ＰＣＢ４３０によって制御される。
再び図２０を参照されたい。光学駆動ＰＣＢ５４０は、光学検出ＰＣＢ５２０の左出力５２１及び右出力５２２を減衰し、ＡＣ結合させると同時に、駆動信号出力の位相を９０°ずらすように機能する。更に、光学駆動ＰＣＢ５４０は、ＲＴＤ５４２とマザーボードＰＣＢ５２６上のセンサピックオフ・駆動回路５２４との電気接続を与える。
信号フローについて考察することによって、光学駆動ＰＣＢ５４０の目的が更に分類され、センサチューブ５０２が共振振動数でどのように駆動されるかが説明される。センサチューブ５０２の運動は、光学検出ＰＣＢ５２０によって２つの正弦波（左出力５２１及び右出力５２２）を生成する。これらの信号は、光学駆動ＰＣＢ５４０へ送られ、そこでＤＣオフセットを除去するためにＡＣ結合され、マザーボードＰＣＢ５２６上のセンサピックオフ・駆動回路５２４のステレオＡ／Ｄ変換器５５０の入力に適した振幅まで減衰されて振幅を減らされる。
【０１０２】
センサピックオフ・駆動回路５２４はこれらの信号の緩衝増幅器として働き、ステレオＡ／Ｄ変換器５５０を用いてこれらの信号のサンプルを取り、更に駆動ゲインを調整するために乗算Ｄ／Ａ変換器５５４によって左出力５２１も与える。乗算Ｄ／Ａ変換器５５４を通過した後に信号は光学駆動ＰＣＢ５４０へフィードバックされる。光学駆動ＰＣＢ５４０では、センサ駆動コイル５１３へ信号が与えられる前に９０°位相遅れが誘導される。機械的発振器は共振において（コイル５１３及び磁石５１４を経由して）システムへのエネルギーフィードバックがチューブ５０２の運動から位相が９０°ずれていることを必要とするので、９０°位相シフト回路が必要である。
【０１０３】
当業者に自明なように、減衰、ＡＣ結合及び９０°位相ずれは光学検出ＰＣＢ５２０またはマザーボードＰＣＢ５２６に組み込むことが可能である。しかしながら、別個のＰＣＢにおいてこれらの機能を実行することによって、光学検出ＰＣＢ５２０及び光学駆動ＰＣＢ５４０はシステムから除去され、別の質量流量センサがマザーボードＰＣＢ５２６に直結され得る。マザーボードＰＣＢ５２６におけるピックオフ入力及び駆動出力は、実行される特定の質量流量センサの対応する入力及び駆動系と互換性がなければならず、或いは好適なインターフェースを与えなければならない。
【０１０４】
典型的な先行技術コリオリセンサピックオフは速度を検出する磁石及びコイルを用いていた（ピックオフ出力振幅は零交差において最大になる）ので、公知のコリオリ質量流量センサは駆動出力において９０°位相ずれを必要としなかった。それに対して、本明細書中で開示している光学または容量ピックオフセンサは位置を検出する（ピックオフ出力振幅はピークにおいて最大になる）。速度は位置から導かれるものであり、正弦関数からは余弦関数が導かれるものであり、正弦関数は９０°位相ずれした余弦関数であるので、速度を検出するピックオフにおける９０°位相ずれは当然発生する。
【０１０５】
センサチューブ５０２の振動を開始させるために、駆動ゲインは通常よりかなり多く増加される。通常存在する暗振動は、センサチューブ５０２を主として共振振動数において振動させる。この小さな運動は光学ピックオフ５１０、５１２によって検出され、センサチューブ５０２をより大きな振幅で（高ゲイン駆動回路を経由して）駆動するために用いられる。センサチューブ５０２の振動が所望の振幅に達したら、駆動回路は正常ゲインに切り換えられ、ＤＳＰ ＰＣＢ５３０は乗算ＤＡ変換器５５４を経由してセンサチューブの振幅制御を引き継ぐ。センサチューブ５０２は、センサチューブ駆動振幅の能動制御がない場合には、振動を止めるか制御不能で振動するかのいずれかであろう。
【０１０６】
ＤＳＰ ＰＣＢ５３０によって計算される位相差、センサチューブ振動数及びセンサチューブ温度は、図の例では４８００ボーの直列リンクを経由してアプリケーション・制御回路５２８へ伝送される。
【０１０７】
図２２は、アプリケーション・制御回路の側面を概略的に示す図である。マザーボードＰＣＢ５２６には、アプリケーション・制御回路５２８のための回路構成が含まれている。ユーザインターフェース（ＵＩ）ＰＣＢ５６０は、マザーボードＰＣＢ５２６へプラグ接続することができる。マザーボードＰＣＢ５２６は、マイクロコントローラ５６２と、フラッシュＥＥＰＲＯＭ５６４と、高速ＳＲＡＭ５６６と、論理・監視回路５６８とを有する。或る実施例では、モトローラ68LC302マイクロコントローラを用いて、２５ＭＨｚで実行している。マイクロコントローラ５６２は、１．アナログ設定値入力及びアナログバルブオーバーライド入力５７０を検出するために用いるＡ／Ｄ変換器と、２．アナログフロー信号５７２を出力するために用いるＤ／Ａ変換器と、３．バルブ制御信号５７４を出力するために用いるＤ／Ａ変換器とを制御する。
【０１０８】
図２２に示すユーザインターフェースＰＣＢ５６０はマザーボードＰＣＢ５２６にオプションで追加されるものであり、マザーボードＰＣＢ５２６は様々な交信プロトコルを規定する。ここまでで説明した電子部品は全て交信に特異的なものではない。様々な交信プロトコルとの互換性を得るために、マザーボードＰＣＢ５２６へプラグ接続し得る共通ユーザインターフェースＰＣＢ形成要素を用いて、一意のユーザインターフェースＰＣＢ５６０が各所望のプロトコルに与えられる。
【０１０９】
例えば、共通交信プロトコルはＨＡＲＴプロトコルである。アナログ／ＨＡＲＴユーザインターフェースＰＣＢは、マザーボードＰＣＢ５２６上に既に存在する０（１）〜５Ｖ入力及び出力に加えて０（４）〜２０ｍＡの設定値入力及びフロー出力を与える。ＨＡＲＴ物理層もこのバージョンに存在し、１３ＶＤＣから３０ＶＤＣ主電力入力の容量を有する独立供給電力が与えられる。
【０１１０】
図２３は、ＨＡＲＴインターフェース５８０を示す図である。好適なキャリアを用いてフロー出力信号（０（４）〜２０ｍＡ）５８２を変調し、ＨＡＲＴ交信プロトコルを出力信号上で伝送及び受信できるようにする。ＨＡＲＴプロトコルは、データを監視する目的のため、また装置を較正及び構成するためのコリオリ質量流量コントローラとのデジタルインターフェースを与える。フロー出力信号５８２（０（４）〜２０ｍＡ）は、電流に加えて電圧のフローを監視するための０（１）〜５Ｖ信号５８４にも変換される。
設定値入力は、電流５８６または電圧５８８の入力間で選択するためのジャンパ線を与える。設定値入力は、電圧に変換され（電流入力が選択された場合）、マザーボードＰＣＢ５２６へ送られ、マザーボードＰＣＢ設定値入力５７０へ直結される。マザーボードＰＣＢ５２６専用コンフィギュレーション上でフロー出力信号５７２のために用いられる信号は、ＨＡＲＴインターフェース５８０上で変換され、密度出力信号５９０として解読される。バルブオーバーライド入力５７０は、マザーボードＰＣＢ５２６のバルブオーバーライド入力へも直結される。
【０１１１】
マザーボードＰＣＢ５２６専用コンフィギュレーションは、供給電力の戻りと全ての信号の戻り間で共通接地を共有する。電力は、＋１５ＶＤＣ及び接地を用いて供給される。入力出及び力信号のためのマザーボードＰＣＢコネクタ上に接地接続が別々に存在するが、これらは電気的には同じ点である。
【０１１２】
マザーボードＰＣＢ５２６への＋１５ＶＤＣ入力電圧５７６は、＋１５ＶＤＣを必要とする全ての部品上で直接用いられる。＋１５ＶＤＣは、２台のＤＣ-ＤＣ切換変換器を駆動するためにも用いられる。１台は＋１５ＶＤＣを＋５ＶＤＣに変換するために、もう１台は＋１５ＶＤＣを−９ＶＤＣに変換するために用いられる。例として挙げた本発明に基づくコリオリ質量流量コントローラにおいて、全ての電気・電子回路（バルブを含む）は３つの電圧源（＋１５ＶＤＣ、−９ＶＤＣ、＋５ＶＤＣ）を用いて動力が供給される。シャシ接地と電力／信号接地間の唯一の接続は、並列の１Ｍ抵抗器及び０．０１ｕＦコンデンサである。
【０１１３】
ＨＡＲＴインターフェース５８０を追加することによって、供給電力入力５７６を分離する。ＨＡＲＴインターフェースの入力電圧範囲は＋１３〜３０ＶＤＣであり、内部電圧源及び接地から完全に分離されている。１３〜３０ＶＤＣ（図中の符号５９２）を１５ＶＤＣに変換するＤＣ-ＤＣ変換器は、絶縁を与える。絶縁は、ガルヴァーニ電気（主電力移動）または光学的（フィードバック）絶縁である。ＤＣ-ＤＣ変換器の出力は、電気的に絶縁された＋１５ＶＤＣ及び接地である。
【０１１４】
図２４（ａ）及び（ｂ）は、光学ピックオフセンサを備えた本発明に基づくコリオリ質量流量コントローラのフローセンサ部分６００である。図２４（ａ）及び（ｂ）に示すフローセンサ部分６００は、図１４〜１６に示したコントローラ２００のような質量流量コントローラにおいて使用するのに適している。事実上図２４（ａ）及び（ｂ）のフローセンサ部分６００は、図１４〜１６のフローセンサ部分２０２の位置で実行され得る。フローセンサ部分６００は、磁石６０４が取り付けられたフローセンサチューブ６０２を含む。赤外線ＬＥＤ６０６及びフォトダイオード６０８は、光学検出ＰＣＢ６１０へ結合し、フローセンサチューブ６０２のいずれかの側面に配置した。フローセンサチューブ６０２、磁石６０４、ＬＥＤ６０６、フォトダイオード６０８及びＰＣＢ６１０は全てハウジング６１２内に配置し、ハウジング６１２にはカバー６１４を取り付けてある。１ｍＨインダクタはコイル６１６として機能し、チューブを駆動する。コイル６１６はハウジング６１２の外部に配置した。
【０１１５】
或いは、センサチューブ、駆動装置及びピックオフセンサを全てエンクロージャ内に含めるか、コイルに加えて或いはコイルの代わりに選択された部品をエンクロージャの外部に配置してもよい。例えば或る実施例では、エンクロージャを画定する窓を有するエンクロージャを備えている。これによって、光源、フォトダイオード、またはその両方をエンクロージャの外部に配置することができる。また別の実施例では、例えば光ファイバーケーブルを用いてセンサ電子部品がエンクロージャから離隔した。これは例えばコリオリ質量流量検出器が危険環境下で用いられている場合に望ましいものとなり得る。
上記に開示したように、赤外線フォトダイオードに適合した赤外線ＬＥＤ光源から光源及び検出器を構成しうる。フォトダイオード活性表面のサイズはチューブの直径に近似しているが、それより僅かに大きい。チューブが振動するにつれてＬＥＤとフォトダイオード間の経路を通って動き、ＬＥＤから光を明滅する。チューブが静止している時にＬＥＤと検出器間の光の径路が部分的に破壊されるようにチューブを配置することができる。チューブが振動しながら静止点付近を動くにつれて、検出器に届く光は検出器からの正弦波出力を最大または最小で与えることになる。コリオリ力に誘導されるフロー効果に起因する位相差のために、チューブの各側からの相対出力を測定することが可能である。
本明細書において示したように、フロー検出チューブは様々な材料から製造することができる。更に、フロー検出チューブは材料のハイブリッドからなることもある。そのようなハイブリッド構造の一例を図２５に示す。シリコンフレーム７０２及びステンレス鋼チューブ７０４を有するコリオリ質量流量センサ７００の図で示してある。コリオリ質量流量センサ７００は更にクランプ７０６及びセンサ７０８も有し、これらも全てシリコンで製造されている。補助的な材料を用いることもでき、例えばクランプ７０６を金属、ガラス、塑性材料、セラミック等から製造することができる。薄いシリコンアーム７１０がフレーム７０２から延びており、センサチューブ７０４の両側に取り付けられている。
センサ７０８は圧電抵抗器であり、センサチューブ７０４の両側に取り付けられた各シリコンアーム７１０の底部にあるホイートストンブリッジに実装されている。センサ７０８は事実上歪みゲージであり、シリコンアーム７１０の曲げによって誘導される歪みを測定する。第１のホイートストンブリッジ７２０を図２６（ａ）に示す。ホイートストンブリッジ７２０は、各アーム７１０の底部に実装されている。ホイートストンブリッジ７２０は通常シリコンでも実装されており、シリコンフレーム７０２に付着させたか或いは埋め込んだものである。ホイートストンブリッジ７２０は、４つのブリッジ抵抗器Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４を有し、このうちＲ１及びＲ４は可変圧電抵抗器である。ホイートストンブリッジ７２０は、励起供給接続Ｖsと、シングルリターンＧＮＤと、センサ出力信号接続−Ｖout及び＋Ｖoutを更に有する。
【０１１６】
図２６（ｂ）は第２のホイートストンブリッジ７２２を示す図であり、ホイートストンブリッジ７２２は２つのアーム７１０間に実装され、２つのアーム７１０間の差歪みを決定する。ホイートストンブリッジ７２２においては、抵抗器Ｒ１及びＲ２が可変圧電抵抗器である。フローは差歪みに正比例する。２個の分離信号から位相を抜き出す必要はない。
【０１１７】
本発明の別の側面は、ストレートセンサチューブを備えたコリオリフロー測定装置に関与し、フローチューブは通常線形のフロー経路を画定する。図２７は、本発明に基づくストレートチューブフローセンサ４５０を概略的に示した図である。先ず、圧電駆動装置４５４をチューブ４５２の各端部に取り付けることによって、通常の垂直偏極モードでチューブ４５２を始動させることが可能である。或る実施例において、圧電駆動装置は圧電ユニモルフからなり、圧電層がチューブ４５２の片側に取り付けられている。別の実施例では、これ以外の圧電駆動装置、例えば圧電バイモルフを用いることも考えられる。
逆側は、センサ４５６として作用する圧電抵抗層または圧電層のいずれかを取り付けることができる。同期に始動される１組のユニモルフ４５４は、共振モードにおいてチューブを駆動する。フローはチューブ４５２を通って確立されるので、コリオリの力は圧電センサ４５６上で相対歪みをシフトさせ、出力信号中に位相ずれを生成する。
【０１１８】
別のストレートチューブコリオリセンサ４５１を図２８に概略的に示す。２人縄跳びと同様に円偏極モードでストレートチューブ４５２を始動させることが可能である。コリオリの力を誘導する質量流量ベクトルの成分は、チューブ４５２のラインに垂直である。チューブ４５２の各端部は、回転方向または回転の逆方向に向いたコリオリの力を受けることになる。これがチューブ４５２の逆の端部において位相ずれを引き起こすことになる。チューブは、例えばチューブ４５２の中心に磁石４６０を配置し、２個の直交する電磁石コイル４６２を用いて磁石４６０を円振動させることによって始動させ得る。各駆動信号は９０°の位相差を有する。センサ４５６は、チューブ４５２のいずれかの端部に配置する。或いは、チューブ４５２の３分の１の位置における駆動コイル４６２及び磁石４６０と同様に、直交してセンサ４５６を配置することもできる。センサ４５６は、ある程度はチューブ材料によって、事実上光学センサ、容量型センサまたは電磁石センサとすることができる。
【０１１９】
磁石４６０及びコイル４６２で駆動する装置に代わるものとして、別の実施例ではチューブの各端部に取り付けられた傾斜型圧電アクチュエータがこのモードのための駆動装置として働く。公知の傾斜型圧電アクチュエータは通常、光学鏡の位置を動的に調整するために用いられる。チューブを円偏極で駆動するために圧電スタックは３つの正弦波信号によって駆動され、各々が隣接する正弦波信号から１２０°進めた位相を有する。これは３相モータ駆動に類似したものとなり得る。傾斜型圧電アクチュエータは任意の鏡と比較して通常高価で大きいので、本発明においては以下の代替装置を用いている。
フラット圧電ユニモルフは、上記の３スタックアクチュエータよりかなり廉価である。フラット圧電ユニモルフは通常低い電位で等価変位に到達することができ、スタックアクチュエータよりもかなり小さい。例として傾斜型アクチュエータ４７０、４７１を図２９（ａ）、（ｂ）に概念的に示す。傾斜型アクチュエータ４７０は３アームのフラット渦巻ばね４７４を、傾斜型アクチュエータ４７１は４アームのフラット渦巻ばね４７５を備えている。圧電装置は、フラット渦巻ばね４７４、４７５の各アーム４７６上に構成した。図の例でばね４７４は、ばね４７４、４７５の外部環状構造４７８付近の各アーム４７６上に構成された圧電ユニモルフ４７２を有する。圧電または圧電抵抗センサは、ばね４７４の、圧電抵抗アクチュエータ４７２と逆側に取り付けた。センサは、チューブ各端部のセンサ間の相対位相を検出する。
【０１２０】
従って、ユニモルフ４７２に電圧を印加することによって各アーム４７６の変位が生じる。上記の３スタック傾斜型アクチュエータを用いて行うのと同様に３アームのばね４７４を用いてユニモルフ４７２を３相の正弦波によって駆動し、結果的に通常円駆動運動を生じさせる。４アームのばね４７５は構造がより複雑であるが、始動は更に簡単である。４アーム構造には、３相駆動装置に代えて２相駆動装置が必要とされる。各駆動信号は、２つの対向するアーム４７６に与えられる。運動は、信号をアナログオシロスコープへのｘ、ｙ入力へ与えること及びリサジュー図形を観察することと相似である。２つの信号が同一振幅で、９０°位相ずれしている場合には、結果的に円になる。
【０１２１】
フラット渦巻ばね４７４、４７５には、図２７に関連して開示したシート型ユニモルフ４５４にはない利点がある。ばね４７４は、シート型ユニモルフ４５４において必要とされるような直径の変更を必要としないで垂直変位を調節し得るのである。チューブの遠心力の増加によって駆動されるようなセンサ信号振幅の増加によって更に密度を測定することが可能である。このモードの始動によって、より柔軟にチューブ材料が選択できる。チューブを共振構造とする必要はない。ちょうど２人縄跳びをする如く連続して振動させるようにすることが可能であるので、システムは共振である必要はない。
【０１２２】
以上に開示した特定の実施例は例証にすぎず、本発明は、本明細書の開示の利益を有する当業者に自明な同等の別の形態で、改変を加えて実施することが可能である。更に、本発明の請求項によって画定される以外の構成またはデザイン等の詳細に、何らかの制限を加えることは意図されていない。従って、本発明の範囲及び精神から逸脱することなく、本明細書に開示した特定の実施例の置換及び部分的な変更が可能であり、様々な改変が考えられることは容易に理解できよう。本発明が保護を求める範囲は、請求項に記載の通りである。
【符号の説明】
【０１２３】
１、５００、７００ コリオリ質量流量センサ
２、１６、１３４、２０６、４５２、５０２、６０２、７０４ チューブ
３、１０、２０、３０、４０、２０８、４５４ 駆動装置
４、５０ 変位ゲージ
５ ユーザ
６、２３６ バルブ
１２ 電磁石
１４、３０４、４６０、５１４、６０４ 磁石
１８ 基礎
１９、２４６ 孔
２２ 帯電板
２４ 絶縁板
３２ スピーカ
４２ 圧電スタック
５２、５４、１１４ 増幅器
１００、１０２、１０３、１０４、１１０、１１２、１５０、５２１、５２２、５７０、５７２、５７４、５８２、５８４、５９０ 信号
１０６ 位相検出器
１０８、１４８ 低域フィルタ
１２０ 処理装置
１３０ 板
１３２ ギャップ
１３６ 運動方向
１４４ 参照振動数発生装置
２００ コリオリ質量流量コントローラ
２０２、６００ フローセンサ部分
２０４ フロー制御部分
２０５ ケーシング
２０７ センサケーシング
２０８、２１０ ピックオフセンサ
２１２ 基礎部分
２１４ フロー入口
２１６ フロー出口
２２２ メータ本体
２２４、２２５ 端受
２２６ シール
２２８、３０６、４６２、５１３、６１６ コイル
２３０ コイルカバー
２３２ バルブ軸
２３４ プランジャ
２３８ シール
２４０ 弁座
２４２、４７４、４７５ ばね
２４４、２５０ オリフィス
２５２ バルブ
２５４ 漏れ経路
２５６ ねじ山
２５８ 締りばめ
３００ 導電板
３０１ センサブロック
３０２、３３０ プレスピン
３０３、４３０、５２０、５２６、５３０、５４０、５６０、６１０ プリント回路板
３１０ ベースプレート
３１２ 中柱
３２０ 気密封止コネクタ
３２４、６１４ カバー
３３２、３３４ Ｏリング
３３６、３３７ 電気部品キャップ
３３８ ユーザインターフェースコネクタ
３４０ ユーザインターフェースボード
３４２ コネクタ
４００ 装置
４５０、４５１ ストレートチューブフローセンサ
４５４、４７２ ユニモルフ
４５６、７０８ センサ
４７０、４７１ 傾斜型アクチュエータ
４７６、７１０ アーム
４７８ 外部環状構造
５１０、６０６ 光源（ＬＥＤ）
５１２、６０８ 光検出器（フォトダイオード）
５２４ センサピックオフ・駆動回路
５２８ アプリケーション・制御回路
５３２ ＤＳＰ処理装置
５３４、５６４ フラッシュＥＥＰＲＯＭ
５３６、５６６ 高速ＳＲＡＭ
５３８、５６８ 論理・監視回路
５４２ ＲＴＤ
５５０ ステレオＡ／Ｄ変換器
５５２ ＲＴＤ Ａ／Ｄ変換器
５５４ 乗算Ｄ／Ａ変換器
５６２ マイクロコントローラ
５７６、５８８、５９２ 電圧
５８０ ＨＡＲＴインターフェース
５８６ 電流
６１２ ハウジング
７０２ フレーム
７０６ クランプ
７２０、７２２ ホイートストンブリッジ
Ａ コリオリセンサピックアップ・駆動システム
Ｂ アプリケーション・制御システム
【図１】
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【図１４】
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【図１８】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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