(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体特性測定装置であって、
（ａ）第１の質量体と、前記第１の質量体に対してバランスをとられ、かつ、ねじりばねによって前記第１の質量体に連結された第２の質量体と、を有するとともに、前記第１の質量体と前記第２の質量体との間にノーダル支持体を有する対称共振要素と、
（ｂ）少なくとも１つの開口を有するとともに、前記第１の質量体を機械的に拘束せずに収容するチャンバと、
（ｃ）前記第１の質量体をねじりで駆動するとともに、前記第１の質量体の結果として生ずるねじれ運動を検知するように構成された、駆動および検知組立体と、
を含み、
（ｄ）前記ねじりばねは前記開口を通過し、前記開口は前記ノーダル支持体のところで前記ねじりばねの周りが封止され、
（ｅ）前記第２の質量体が、流体特性測定のための流体中に自由に置かれ、
前記ねじりばねが、外側表面を有する半径方向中心要素と内側表面を有する半径方向外側要素とを含み、前記半径方向中心要素および前記半径方向外側要素が、前記外側表面および前記内側表面によって画定された空隙で互いに隔てられ、前記空隙の長手方向端部で互いに接合される、
流体特性測定装置。
【請求項２】
前記開口は、前記ノーダル支持体の周りが弾性変形可能な材料で封止される、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記ねじりばねの断面が円形である、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記第１の質量体および前記第２の質量体の断面が円形である、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記半径方向中心要素が中空である、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記半径方向中心要素が固体である、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記対称共振要素が円筒形であり、それによって円筒を画定し、前記第１の質量体および前記第２の質量体が前記円筒の一部として画定される、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記第１の質量体および前記第２の質量体が、前記ねじりばねに対する横断寸法で拡張される、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記駆動および検知組立体が、前記対称共振要素に取り付けられた少なくとも１つの永久磁石と、前記少なくとも１つの永久磁石に力を加えるように配置された少なくとも１つの電磁コイルとを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
流体特性測定装置であって、
（ａ）第１の質量体と、前記第１の質量体に対してバランスをとられ、かつ、ねじりばねによって前記第１の質量体に連結された第２の質量体と、を有するとともに、前記第１の質量体と前記第２の質量体との間にノーダル支持体を有する対称共振要素と、
（ｂ）前記第１の質量体をねじりで駆動するとともに、前記第１の質量体の結果として生ずるねじれ運動を検知するように構成された、駆動および検知組立体と、
を含み、
（ｃ）前記対称共振要素は、前記第２の質量体の長手方向端部付近から、前記第１の質量体からの出口点までの、長手方向通路を画定し、
（ｄ）前記通路を通り前記出口点から出る導電体
をさらに含み、
（ｅ）電気式温度測定装置が、前記第２の質量体内に置かれ、前記導電体に接続され、それによって前記出口点を通じて温度を反映した電気信号を与え、
前記ねじりばねが、外側表面を有する半径方向中心要素と内側表面を有する半径方向外側要素とを含み、前記半径方向中心要素および前記半径方向外側要素が、前記外側表面および前記内側表面によって画定された空隙で互いに隔てられ、前記空隙の長手方向端部で互いに接合される、
流体特性測定装置。
【請求項１１】
前記電気式温度測定装置が熱電対である、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記電気式温度測定装置が抵抗温度計要素である、請求項１０に記載の装置。
【請求項１３】
第１の共振周波数をもつ、好ましい反対称モードで共振することができる共振器を備える流体特性測定装置であって、
前記装置が、前記共振器を前記第１の共振周波数前後の第１の周波数帯域で共振するように駆動するが、前記共振器が、いくつかの負荷状況では対称モードで共振することがあり、
前記対称モードが、前記第１の共振周波数とは有意に異なる第２の共振周波数を有し、前記装置が、前記第２の共振周波数前後の第２の周波数帯域内の周波数を検出し、前記第２の周波数帯域内の周波数が検出されると、前記共振器の前記駆動を停止し再開するようになっており、
前記共振器が対称形であるとともに、第１の質量体と、前記第１の質量体に対してバランスをとられ、かつ、ねじりばねによって前記第１の質量体に連結された第２の質量体と、を有し、前記第１の質量体と前記第２の質量体との間にノーダル支持体を有し、
前記ねじりばねが、外側表面を有する半径方向中心要素と内側表面を有する半径方向外側要素とを含み、前記半径方向中心要素および前記半径方向外側要素が、前記外側表面および前記内側表面によって画定された空隙で互いに隔てられ、前記空隙の長手方向端部で互いに接合される、
流体特性測定装置。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
機械的共振器の減衰に基づく粘度計は、理論的に非常に正確であるが、未知であり、測ることのできない固有の減衰量（すなわち、粘度計が真空中で受けるはずの減衰量）を導く固定場所に設置すると、その知ることのできない固有減衰量は精度を制限する。本質的な問題は、粘度計の共振器の振動が、粘度計を保持する構造体、例えば管またはタンク壁に漏れ、それによって固有減衰のレベルに影響を及ぼすのを防止することである。
【０００２】
いくつかの従来技術のシステムは、粘度計構造体への振動を分離するために、エラストマーＯリングなどの柔軟性のある要素に依存している。不都合なことに、このようなＯリングを使用すると粘度計使用の圧力および温度範囲が制限され、それによってこのような粘度計が使用されうる環境が制限される。最後に、環境（タンク壁、管、または他の保持構造）に関するすべてのことが知られておりかつ広範囲の温度および圧力に適合できるＯリングが利用可能であるとしても、設置プロセスを完全に繰り返し可能にするのは非常に困難である。ねじ山が締め付けられなければならないときに、測ることのできない差分量を導きうる変動が起きる可能性がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
以下の諸実施形態およびそれらの態様は、例示および説明のためのものであり、システム、ツールおよび方法に関連して記述され図示されるが、範囲を限定するものではない。種々の実施形態では、上述の問題のうちの１つまたは複数が削減または解消されるが、他の実施形態は他の改良を対象とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
第１の個別の態様では、本発明は、第１の質量体と、第１の質量体に対してバランスをとられ、かつねじりばねによって第１の質量体に連結された第２の質量体と、を有するとともに、第１の質量体と第２の質量体との間にノーダル支持体を有する対称共振要素を含む、流体特性測定装置の形をとることができる。また、少なくとも１つの開口を有するチャンバが、第１の質量体を機械的に拘束せずに収容し、駆動および検知組立体が、第１の質量体をねじりで駆動するとともに、第１の質量体の結果として生ずるねじれ運動を検知するように構成される。ねじりばねは開口を通過し、開口はノーダル支持体のところでねじりばねの周りが封止され、第２の質量体は、流体特性測定のための流体中に自由に置かれる。
【０００５】
第２の個別の態様では、本発明は、第１の質量体と、第１の質量体に対してバランスをとられかつねじりばねによって第１の質量体に連結された第２の質量体と、を有するとともに、第１の質量体と第２の質量体との間にノーダル支持体を有する対称共振要素を含む流体特性測定装置の形をとることができる。駆動および検知組立体が、第１の質量体をねじりで駆動するとともに、第１の質量体の結果として生ずるねじれ運動を検知するように構成される。対称共振要素は、第２の質量体の長手方向端部付近から前記第１の質量体からの出口点までの長手方向通路を画定し、導電体が通路を通り出口点から出る。最後に、電気式温度測定装置が、第２の質量体内に置かれ、導電体に接続され、それによって出口点を通じて温度を反映した電気信号を与える。
【０００６】
第３の個別の態様では、本発明は、第１の共振周波数をもつ、好ましい反対称モードで共振することができる共振器を備える、流体特性測定装置の形をとることができる。流体特性測定装置は、共振器を第１の共振周波数前後の第１の周波数帯域で共振するように駆動する。しかし、共振器は、いくつかの負荷状況では対称モードで共振させることができ、その対称モードは、第１の共振周波数とは有意に異なる第２の共振周波数を有する。流体特性測定装置は、第２の共振周波数前後の第２の周波数帯域内の周波数を検出し、第２の周波数帯域内の周波数が検出されると、共振器の駆動を停止し再開する。
【０００７】
上述した例示的な態様および実施形態に加えて、さらなる態様および実施形態が、図面を参照するとともに、以下の詳細な説明を検討することにより明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明による共振器組立体の好ましい一実施形態の斜視図である。
【図２】図１の共振器組立体の垂直断面図である。
【図３】共振器組立体の他の実施形態の垂直断面図である。
【図４】共振器組立体の追加の他の実施形態の垂直断面図である。
【図５】共振器組立体のさらなる他の実施形態の垂直断面図である。
【図６】共振器組立体のさらなる他の実施形態の垂直断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
例示的な諸実施形態が参照図面に示されている。本明細書で開示される実施形態および図は、限定的ではなく例示的なものと見なされることが意図されている。
【００１０】
図１および図２を参照すると、好ましい一実施形態において、粘度計などの流体特性測定装置の物理的部分を形成している共振器組立体１０は、チャンバ１４を画定するハウジング１２を備える。共振要素１５は、上部の密閉された質量体１６および下部の露出した質量体１８から形成され、質量体１６および質量体１８は、ねじりばね２０によって接合されている。ねじりばね２０は、上部ねじりばね２２、ノーダル支持体２４、および下部ねじりばね２６で構成される。ハウジング１２は、ねじ付き要素３０で終端しており、ノーダル支持体２４は、ねじ付き要素３０の内面上の所定の位置に、１対のＯリング３２によって保持される。上部質量体１６は偏極ベクトル４２（図１）を画定する磁石４０を含み、磁石４０は、１対の電磁コイル４４が偏極ベクトル４６（図１）を画定することによってねじり駆動される。共振器組立体全体は壁５０（図２）のねじ孔に嵌入することができる。
【００１１】
組立体１０は、共振要素１５を滑り出すことにより共振要素１５を取り除くことができ、次いで別の類似の部材を取り付けることができるという利点がある。いくつかの用途、例えば、腐食性粒子または研磨粒子を多く含む環境で使用すると、露出した質量体１８がすり減り、交換が必要になる。
【００１２】
図３〜図６の場合、同じ要素に対するすべての参照番号には図２と同じ番号が与えられているが、（図の番号−２）×１００の数式によって１００、２００、３００または４００が加算されている。設計変更の影響の一般的な議論では、図１の参照番号は、関連する実施形態におけるすべての同様の要素のための参照番号に適用されることとする。図３に示されている共振器組立体１１０は、組立体１０とほとんど同じであるが、この例では、共振要素１１５はハウジング１１２から取り外すことができない。したがって、Ｏリング３２は、所定の位置に永久に取り付けられる、環状の弾性変形可能な材料で作られた、より強固な封止部材１３２に置き換えられる。組立体１０は、すべて一体のものとして機械加工された共振要素１５で、あるいはねじりばね２０に追加されたノーダル２４、上部質量体１６および下部質量体１８で、作ることができる。
【００１３】
図４を参照すると、共振器組立体２１０は、チャンバ２１４の密封の一部を形成するノーダル支持体２２６を介してねじりを可能にする自由度が、共振要素２１５の物理的設計によって与えられることを除けば、組立体１０および１１０とほぼ同じである。ねじりばねとして働く内部ロッド２２２が、上部質量体２１６および下部質量体２１８に取り付けられる。さらに、質量体２１６および２１８は、ノーダル要素２２６内に封止されている外管２２４の中に取り付けられる。ロッド２２２および管２２４のねじりたわみ性は、質量体２１６および２１８の連成ねじり曲げを可能にする。すなわち、管２２４は、剛性ノーダル要素２２６の内側に堅く取り付けられる。
【００１４】
図５を参照すると、共振器組立体３１０は組立体２１０とよく似ているが、組立体３１０は、中心ロッド２２２の代わりに中心管または内管３２２を有する。管３２２はロッド２２２よりも自然にたわむ傾向があり、管３２２の特性は所望の効果を達成するように選択することができる。また、外部質量体３６０および３７０が所望の効果を達成するように選択されてもよい。
【００１５】
円筒の回転慣性は円筒の半径の４乗に比例する。したがって、質量体１６および１８が原因で半径方向に拡張された円筒を有する諸実施形態はこれらの円筒で占められ、共振周波数は、ねじりばね２０のばね定数と端部の質量体１６および１８の回転慣性とで決定される。この種のシステムは「集中定数」システムと呼ばれる。集中定数システム１０、１１０、３１０および４１０は、より大きな設計自由度を与え、比較的低い共振周波数をもつように作ることができる。実施形態２１０は「分布定数」システムであり、対照的に、同等に低い共振周波数をもつように同様の集中定数システムより長く作られなければならない。ねじり共振器による流体のせん断が境界層で起こり、境界層の厚みは振動数に逆相関することがよく知られている。乳濁液や懸濁液などの不均一流体の特性を測定するには、より厚い境界層が有利となりうる。
【００１６】
図６に示されている共振器組立体４１０は、組立体３１０とほぼ同じであるが、磁石組立体４４２および質量体４１６の中に画定された長手方向空間４５０と、底部質量体４１８の中に画定された別の空間４５２とを有し、それによって、電気式温度測定装置４６２に接続された撚線対４６０を収容している。好ましい一実施形態では、装置４６２は白金抵抗温度計であり、別の好ましい実施形態では、装置４６２は質量体４１８の端部内に溶接された熱電対である。密封要素４６４は、チャンバ４１４に流体が入らないようにしながら、線対４６０が出て行くのを可能にする。
【００１７】
測定される流体にさらされる外管２２４および類似の要素は、通常、腐食による損傷を回避するために、３１６ステンレス鋼などのステンレス鋼で作られる。内装部品は、ステンレス鋼、黄銅、セラミック、または低いかつ特徴のはっきりした固有減衰特性値を有する任意の材料で作ることができる。
【００１８】
組立体１０などの組立体は、第２の質量体１８が第１の質量体１６と１８０度逆位相で振動する反対称モードで共振することが好ましい。反対称モードの場合、ノーダル支持体２４は共振器の自然の共振の節部分に位置する。しかし、第１の質量体１６および第２の質量体１８が互いに同位相で振動する縮退した対称モードがある。対称モードでは、ノーダル支持体２４は共振器の自然の共振の節部分にはなく、ハウジングへの連結が共振要素１５を減衰させるように働いて誤った読取りにつながる。組立体１０は、対称モードの周波数が反対称モードの周波数から十分に離れていて、流体の影響で対称モードの偶発的な励振を引き起こす可能性が極めて低くなるように、注意深く設計される。システムをさらに保護するためには、周波数が定期的に検査され、周波数が対称モード付近に定義された帯域に入った場合、共振要素１５の振動を反対称モードに戻すために、システムの励振が停止され、再開される。
【００１９】
これらの実施形態１０、１１０、２１０、３１０および４１０の利点の１つに、実施形態１０、１１０、２１０、３１０および４１０は、バランスのとれた共振要素１５のために、取付け用のねじ部３０を通るエネルギー漏れがほとんどない、うまく収容された共振システムをもたらすことが挙げられる。したがって、設置の詳細は、共振組立体の動作、したがって精度にほとんど影響を及ぼさない。
【００２０】
いくつかの例示的な態様および実施形態について上述してきたが、当業者なら、特定の修正、置換、追加、およびこれらの部分的組合せを認識するであろう。したがって、以下の添付の特許請求の範囲および以後導入される請求項は、それらの真の趣旨および範囲内にあるものとして、すべてのそのような修正、置換、追加、および部分的組合せを含むと解釈されることが意図されている。
【図１】
0005888330.tif 000002
【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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