(57)【要約】配管内を流れる流体の物理的パラメータのうち少なくとも一つに対応する測定信号を生成する変換器。該変換器は、入口端および出口端で配管に通じており、流体を導くための予め決められた内腔からなる流管から構成される。動作中、励振部は、非侵襲的方法で、反作用、特には反作用力を、少なくとも一つの流管内の流体中に生じさせる。反作用力は、感知され、センサ配列手段によって代表測定信号に変換される。流体中にできるだけ軸対称の密度分布を生成するために、変換器の入口部分または少なくともその周辺に、流入する流体中に渦を生じさせる、すなわち流体の方向に位置する回転軸に関する流管内腔内の流体中に回転を生じさせる、手段を備える。そのようにして軸対称の密度分布が生成された結果、不均一流体、特には多相流である流体である場合においても、変換器は正確かつロバストな測定信号を提供することができ、流管を取り付ける場所にも依存せず測定することができる。
2005520129.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
配管中を流れる流体の少なくとも一つの物理的パラメータ、特には質量流量ｍかつ／または密度ρかつまたは粘性度η、を測定するための方法であって、
渦軸に関してできるだけ対称な密度分布を流体中に作るために、流体の流れの方向とそろった渦軸に関する渦を流体中に生じさせるステップと、
測定するパラメータに対応する反作用力を流体中に生成する、前記配管に挿入された非侵襲的変換器の少なくとも一つの流管を通って、前記渦軸の回りに回転する流体を流すステップと、
流体中の反作用力を感知して、測定するパラメータに影響される少なくとも一つの測定信号を生成するステップと、
を備えることを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１記載の方法であって、
測定される流体内に、測定されるパラメータに関係し、かつ振動する流管に影響を及ぼす反作用力を生じさせるための流体導管を振動させるステップと、
少なくとも一つの測定信号を生じるための流管の振動を感知するステップと、
を更に備えることを特徴とする方法。
【請求項３】
配管中を流れる流体の少なくとも一つの物理パラメータに関わる測定信号を生成する変換器であって、
入口端と出口端で配管と通じており、流体を導くための予め決められた内腔を備える少なくとも一つの流管と、
該少なくとも一つの流管内の流体に、非侵襲的方法によって生じる反作用力を起こすための励振組立体と、  
流体中の反作用力を感知し、測定信号を生成するセンサ配列と、
を備え、
該変換器は、流入する流体中に渦を生じさせて、流体の流れの方向に位置する回転軸の回りに、流管に対して、流管内腔内を流れる流体中に回転運動を生じさせる手段を、該変換器の入口部または少なくともその周辺に更に備えることを特徴とする変換器。
【請求項４】
請求項３記載の変換器であって、
前記少なくとも一つの流管は、入口管部と出口管部を経て配管と繋がっており、
前記渦を生じさせる手段は、少なくともその一部が入口管部内に配置されていることを特徴とする変換器。
【請求項５】
請求項３記載の変換器であって、
前記渦を生じさせる手段は、流体中に伸びる少なくとも一つの攪拌器、特には固定攪拌器、を備えることを特徴とする変換器。
【請求項６】
請求項５記載の変換器であって、
前記攪拌器は、流体中に伸びる少なくとも一つのバッフルを備えることを特徴とする変換器。
【請求項７】
請求項５記載の変換器であって、
前記攪拌器はプロペラ状であることを特徴とする変換器。
【請求項８】
請求項５記載の変換器であって、
前記攪拌器はらせん状、特にはらせん形をしていることを特徴とする変換器。
【請求項９】
請求項３記載の変換器であって、
動作中、流体内で作用する反作用力を生じさせるために、前記少なくとも一つの流管は前記励振組立体によって振動させられ、該流管の振動は前記センサ配列によって感知されることを特徴とする変換器。
【請求項１０】
配管内を流れる流体の少なくとも一つの物理的パラメータを測定するための計測器、特には請求項１記載の方法を実現するのに適した計測器であって、請求項３記載の変換器を備えることを特徴とする計測器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、配管を流れる流体、詳しくは多相流体の、少なくとも一つの物理的なパラメータ、詳しくは質量流量かつ／または密度かつ／または粘性度を非侵襲的方法（non-invasive manner）で計測するための変換器及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
計測処理およびオートメーション技術において、配管を流れる流体の物理的パラメータ、例えば質量流量、密度かつ／または粘性度は、しばしば計測器により決定される。この計測器は、流体によって振動される振動型変換器とそれに接続される計測制御回路を用いて、非侵襲的に、流れる流体中に、反作用力、すなわち質量流量に対応するコリオリの力と密度に対応する慣性力または粘性度に対応する摩擦力とを生じる。そして、流体の各々の質量流量、粘性度かつ／または密度を示す計測信号を取得する。
【０００３】
このような振動型変換器は例えば、WO-A 01/33174, WO-A00/57141, WO-A98/07009, WO-A95/16897, WO-A88/03261, 米国特許6,006,609, 米国特許5,796,011, 米国特許5,301,557, 米国特許4,876,898, 米国特許4,524,610, EP-A 553 939, EP-A 1 001 254に開示されている。
【０００４】
流体を計測するために、各変換器は、支持フレームに支えられた少なくとも一本の流管を備え、そしてその流管は動作中に電気機械振動部によって駆動される、曲がっているかまたは真っ直ぐな管セグメントを備え、前述の反作用力を生じるための振動を生成する。管セグメントの振動、詳しくは入口と出口の振動を検出するために、変換器は管セグメントの動きに反応するセンサ配列をそれぞれ備える。
【０００５】
そのような振動型変換器に加えて、電磁型変換器または超音波を流体の流れの方向に伝達し、その伝播時間を測定する変換器、詳しくはドップラーの原理に基づいた変換器は、しばしばプロセス計測やインライン計測のためのオートメーション技術において用いられる。電磁型変換器の基本構成及び動作は、例えばEP-A 1 039 264, 米国特許6,031,740, 米国特許5,540,103, 米国特許5,351,554, 米国特許4,563,904に詳細に記載されており、超音波型変換器の基本構成と動作は、例えば米国特許6,397,683, 米国特許6,330,831, 米国特許6,293,156、米国特許6,189,389, 米国特許5,531,124, 米国特許5,463,905, 米国特許5,131,279, 米国特許4,787,252に詳細に記載されているので、これらの測定原理の詳しい説明は、ここでは割愛する。
【０００６】
本発明の範囲においては、“非侵襲的変換器”とは、流体中に沈められて、測定結果を生じさせる目的で流体の流れに影響を及ぼすようなフローボディー（flow bodies）を何ら備えていない変換器を意味する。それとは対照的に、本発明の範囲においては、流体を計測するために、流体中に渦を生じさせたり、バッフル（baffle）、ブラッフボディ（bluff body）、浮き、またはオリフィスプレート(orifice plate)を用いる変換器を“侵襲的変換器”という。そのような侵襲的変換器は、当業者にはよく知られた技術で、例えば、WO-A 01/20282, WO-A 97/22855, 米国特許6,352,00, 米国特許6,003,384, 米国特許5,939,643, 米国特許5,922,970, 米国特許5,458,005, 米国特許4,716,770, 米国特許4,476,728, 米国特許4,445,388, 米国特許4,437,350, 米国特許4,339,957, EP-A 690 292, EP-A 684 458, DE-A 39 04 224, DE-A 38 10 889, DE-A 17 98 360, DE-A 100 01 165に詳細に記載されている。
【０００７】
非侵襲の、インライン型の変換器を使用中に、異質物のある流体、詳しくは多相流体において、粘性度および密度が一定に保たれている、特に実験室条件の下にもかかわらず、生成される測定信号は再生産不可能なほど、相当にばらつくため、測定信号は、実際にそれぞれの物理的パラメータを測定するのには使用できない、ということが明らかになった。
【０００８】
米国特許4,524,610において、振動型変換器の動作におけるこの問題の原因が示されている。すなわち、流体が流管に取り込む寄生の異質物、例えば気体の泡などが管の内壁に存在するという事実が、その問題の原因である可能性がある。この問題を解決するために、真っ直ぐな流管が垂直になるように変換器を設置することを提案しており、それによってそのような寄生物、特にガスの異質物を防ぐことができる。
【０００９】
しかしながら、これは特に産業用プロセス測定技術において条件付で実現可能な特別な解決法である。一方、変換器が挿入されるパイプは変換器に適合させなければならなく、その逆はない。このことはおそらくユーザに伝えることができない。一方、流管は、前述のように、曲がった形状であるかもしれないため、設置場所によって問題を解決することもできない。また、前述の測定信号ひずみは、たとえ真っ直ぐな流管を垂直に設置されても、縮小することはできないことがわかった。この方法では、流体中の測定信号のばらつきは避けられない。
【発明の開示】
【００１０】
したがって、本発明の目的は、不均一流体、特には多相流体である場合でさえ、接続する配管の流体内における瞬間密度分布、寄生する異質物の集積、流管の設置場所、に関係なく、正確で、少なくとも簡単に再生でき、高いロバスト性のある（highly robust）測定信号を生成する方法と変換器を提供することである。
【００１１】
この目的を果たすために、本発明は、配管の中で流れる流体の少なくとも一つの物理的なパラメータ、特には、質量流量かつ／または、密度かつ／または粘性度を測定する方法を提供する。この方法は、渦軸に関しできるだけ対称な密度分布を流体中に作るために、流体の流れの方向に沿った渦軸に関する渦を流体中に生じさせるステップと、測定するパラメータに対応する反作用力を流体中に生成する、前記配管に挿入された非侵襲的変換器の少なくとも一つの流管を通って、前記渦軸の回りに回転する流体を流すステップと、流体中の反作用力を感知し、測定するパラメータに影響される少なくとも一つの測定信号を生成するステップとを備える。
【００１２】
更に、本発明は、配管中を流れる流体の少なくとも一つの物理的パラメータに関わる測定信号を生成する変換器を提供する。この変換器は、
入口端と出口端で配管と通じており、流体を導くための予め決められた内腔（lumen）を備える少なくとも一つの流管と、該
少なくとも一つの流管内の流体中に、非侵襲撃的方法によって反作用力を起こすための励振組立体と、
流体中の反作用力を感知し、測定信号を生成するセンサ配列と
を備え、更に、
流入する流体中に渦を生じさせて、流体の流れの方向に延びる回転軸の回りに、流管に対して、流管内腔内を流れる流体中に回転運動を生じさせる手段（渦生成手段）を、該変換器の入口部または少なくともその周辺に備える。
【００１３】
本発明によれば、配管中を流れる流体の少なくとも一つの物理的パラメータを測定する測定器を実現できる。特には、本発明の方法を実現するのに適した測定器は、本発明に基づいた変換器を備える。
【００１４】
本発明の方法の実施例において、流体導管は、
測定される流体中に反作用力を生成するために振動させられ、振動する流管に影響を及ぼす。そして、流管の振動は、感知され、少なくとも一つの測定信号が生成される。
【００１５】
本発明第１の実施例の変換器において、少なくとも一つの流管が、入口管部と出口管部によって配管に通じ、渦生成手段は、入口管部内に少なくとも部分的に配置される。
本発明第２の実施例の変換器において、渦生成手段は、少なくとも一本の流管内に、少なくとも部分的に配置される。
【００１６】
本発明第３の実施例の変換器において、渦生成手段は配管内部に少なくとも部分的に配置される。
本発明第４の実施例の変換器において、渦生成手段は、流体へ伸びる少なくとも一つの攪拌器、特には固定攪拌器を備える。
【００１７】
本発明第５の実施例の変換器において、攪拌器は、流体へ伸びる少なくとも一つのバッフルを備える。
本発明第６の実施例の変換器において、攪拌器は、プロペラ状である。
【００１８】
本発明第７の実施例の変換器において、攪拌器は、らせん状（form of a helix）である。
本発明第８の実施例の変換器において、攪拌器は、らせん形（helicoidal）である。
【００１９】
本発明第９の実施例の変換器において、渦生成手段は、入口管部の内壁かつ／または流管の内壁に固定される。
本発明第１０の実施例の変換器において、渦生成手段は、入口管部の内壁かつ／または流管の内壁に対して設置される。
【００２０】
本発明第１１の実施例の変換器において、渦生成手段は、入口管部の内壁かつ／または流管の内壁に形成された旋条（rifling）である。
本発明第１２の実施例の変換器において、渦生成手段は、配管の公称直径に少なくとも等しい、流れ方向の有効長を持つ。
【００２１】
本発明第１３の実施例において、変換器は、原則的に水平な配管に取り付けられる。
本発明第１４の実施例において、変換器は、原則的に垂直な配管に取り付けられる。
本発明第１５の実施例の変換器において、流体中で機能する反作用力を生成するために、少なくとも一本の流管は励振手段によって振動させられ、流管の振動は、センサ配列によって感知される。
【００２２】
本発明第１の実施例の計測器において、測定される物理パラメータは質量流量である。
本発明第２の実施例の計測器において、測定される物理パラメータは密度である。
本発明第３の実施例の計測器において、測定される物理パラメータは粘性度である。
【００２３】
本発明についての、基本的な考えは、渦軸に関する回転運動手段によって、少なくとも流管内腔内の流体中に遠心力を引き起こすことである。そして、密度分布は、回転する“流体柱（fluid column）”の渦軸に関して軸対称になる。したがって、概ね再生可能である。上述の再生可能でない例と比較して、遠心力の結果、流管内腔の中心にガス閉塞（gas occlusions）がおこるため、主として寄生するガスの異質物がある液体の場合には、可能性のあるわずかの誤差、特には測定密度値のわずかな誤差、は無視してよいほどに小さくなる。
【００２４】
上述の測定信号のばらつきは、例えば流管の壁内部に補足されたガスの泡だけでなく、無秩序状態で起こる、すなわち、再生不可能かまたは予測不能な状態で起こる、ということができる。すなわち真っ直ぐかまたはわずかにカーブした流管を備える変換器を、不均一流体、特には多相流体の計測に使用する場合、測定信号のばらつきは、流体中に、異質物が無秩序に分布することに起因している可能性があり、実際は流管内腔内の流体内の密度分布は測定不可能である。
【００２５】
本発明、とくに本発明による方法における長所は、本方法を実際に、知られているすべての変換器、特にはすべての流体測定原理、を利用している変換器に利用できるということである。すなわち、電磁型または超音波型の両振動型変換器に本発明を使用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
本発明には様々な改良や代替の余地があるが、その典型的な具体例を図面によってここに詳細に示す。しかしながら、本願発明はこれに限定されるものではなく、本発明の精神と範囲内において、すべての変形、均等物、代替案に及ぶものである。
【００２７】
図１は、好ましくは変換器ケース１００に内蔵された変換器１０と、電子ケース２００に内蔵されて変換器１０に電気的に接続された計測器電子回路（不図示）とを備えた計測器を概略的に示している。この計測器は、具体的には、配管（不図示）中の流体の物理的パラメータ、特に質量流量ｍ、かつ／または密度ρ、かつ／または粘性度ηを感知し、このパラメータを表す測定値にマッピングする。計測器は、また、例えば流体の体積流量を測定するのに用いることもできる。
【００２８】
そのためには、動作中、反作用力は、変換器１０の測定駆動電子回路の手段によって、非侵襲的方法で流体中に生成される。その反作用力は、測定されるパラメータに依存し、測定可能な程度に変換器に影響を与える。すなわち、反作用力は、センサ技術を用いて検知され、それに続く測定電子回路への有用な入力信号に変換される。そのような反作用力は、例えば、体積流量依存の電磁的電圧、質量流量に依存したコリオリ力、密度に依存した質量慣性力かつ／または粘性度に依存した摩擦力またはダンピング力などである。既にはじめに示したように、“流体中で非侵襲的に反作用力を生成する”とは、ここでは、測定するパラメータに対応する、感知された反作用力が、流体の流れ中に更に浸されて流体の流れを変化させるフローボディー（flow bodies）を用いることなしに、生成されることを意味する。
【００２９】
計測器がフィールドバス（Fieldbus）に繋がるように設計されている場合のために、できればプログラム可能な、計測器電子回路は、データ通信に適した通信インタフェースを含ことが望まれる。これにより例えば、測定データを、高いレベルの、格納されているプログラム制御や、高いレベルの処理制御システムに送ったりすることができる。
【００３０】
図２と図３は、物理的振動を電気的振動にする変換器の形式である変換器１０の実施例を示す。そのような変換器部品の構築は、例えば米国特許6,006,609に詳細に記述されている。そのような変換器は、例えば出願人によって“ＰＲＯＭＡＳＳ  Ｉ”シリーズとして提供されている市販のコリオリ質量流量密度計に既に用いられている。
【００３１】
測定する流体を導くために、変換器１０は、事前に決定することができ、伸縮自在に変形可能な内腔１３Ａおよび事前に決定することができる公称直径から成る、すくなくとも一本の流管１３を含む。そして、その流管は、入口端１１と出口端１２を持つ。内腔１３Ａの“伸縮自在の変形”は、反作用力を流体内で発生するために用いられる。すなわち、流体の反作用力は、ずれまたは摩擦力、だけでなくコリオリ力かつ／または質量慣性力であり、変換器１０の動作中に、内腔１３Ａの３次元の形かつ／または、空間的な位置は、事前に決定できる周期的な方法において、特に、周期的に配管１３の伸縮自在な範囲内で、変形する。例えば、米国特許4,801,897、米国特許5,648,616、米国特許5,796,011、かつ／または米国特許6,006,609を参照。
【００３２】
以下の点において、注目されるべきである。
図２及び３の実施例による変換器の代わりに、事実上、当業者に知られているコリオリ流量計比重計用の変換器のうちどんな変換器でも本発明を実現するのに用いることができる。すなわち、たわみモードで独占的または少なくとも部分的に振動する、曲がっているかまたは真っ直ぐな流管を備えるたわみモード変換器は、本発明を実現するのに用いることができる。更に、変換器１０として用いるのに適した変換器部品は、例えば米国特許5,301,557, 米国特許5,357,811, 米国特許5,557,973, 米国特許5,602,345、米国特許5,648,616、米国特許5,796,011に記述されている。これらは参照のために明細書に添付する。また、従来の例えば、電磁また超音波変換器を用いることもできる。流管１３、ここでは基本的真っ直ぐな管、に適した材料は、例えばチタニウム合金である。チタニウム合金の代わりに、一般的に流管、特に曲がった管、に用いられるほかの金属は、ステンレス、タンタル、ジルコニウムである。
【００３３】
流管１３は、通常の方法で入口管部１３+および出口管部１３＃を経て流体導管に通じており、振動運動を可能にするために、硬い支持枠１４に、特には、屈曲していてねじれた硬い枠に固定されている。上記支持枠は、変換器ケース１００に入れられるのが望ましい。入口管部１３+および出口管部１３＃と同様に流管１３は、全体的に、単一の管状の半仕上げ製品から形成されることが望ましい。必要ならば、もちろん、多くの部分に分かれた構成でもよい。
【００３４】
支持枠１４は、入口管部１３＋には入口プレート２１３によって、出口管部１３＃には出口プレート２２３によって固定される。これらの二つのプレートは、流管１３の拡張部によって突き通っている。支持枠１４は、第１の側板２４と第２の側板３４を備え、それらは、基本的に流管１３に対して平行かつ離隔して伸びるように入口プレート２１３と出口プレート２２３に固定される。図２および３参照。このように、二つの側板２４，３４の側面は、互いに平行になる。
【００３５】
流管１３の振動を吸収するためのバランス質量（balancing mass）として働く軸方向の棒２５は、流管１３から離れて側板２４、３４によって固定されている。図３に示すように、軸方向の棒２５は、基本的に流管１３の振動軸全体に対して平行に伸びる。必要であれば、軸方向の棒２５は、もちろんより短くてもよい。
【００３６】
したがって、二つの側板２４、３４を備える支持枠１４、入口プレート２１３、出口プレート２２３、任意の軸方向の棒２５は、入口端１１と出口端１２とを連結する中心流管軸１３Bと基本的に平行な重力の縦の軸を持っている。
【００３７】
図２および３に示しされたねじの頭部分は、前述の側板２４、３４を入口プレート２１３、出口プレート２２３、軸方向の棒２５への固定はねじで取り付けられる可能性があることを示している。固定するにはほかの適当な方式を用いてもよい。
【００３８】
もし、変換器１０が取り外せるように、配管と接続する場合、第１のフランジ（flange）１９と第２のフランジ２０はそれぞれ入口管部１３＋と出口管部１３＃の上に形成される（図１参照）のが望ましい。図２、３に示すように、フランジ１９、２０の代わりに、いわゆる例えばトリクランプ（Triclamp）接続を用いて、配管との取り外し可能な接続を提供するようにしてもよい。しかしながら、必要であれば、流管１３は、配管に例えば溶接またはろう付けで直接接続してもよい。
【００３９】
流体中に上述の反作用力を生じさせるために、変換器１０の動作中、流管に連結された電気機械振動部１６によって駆動される流管１３は、事前に決められた周波数、特に流体の密度ρに依存し、流管が前述の方法で伸縮自在に変形する、固有共振周波数の、いわゆる有用モード（useful mode）で振動する。
【００４０】
図示された実施例において、屈曲モードの変換器組立体では通常のことであるが、振動する流管１３は、空間的に、特には側面に沿って静止位置からそれる。一本以上の曲がった流管が、それぞれの入口および出口端を連結する対応する縦の軸についてカンチレバー振動を起こす変換器組立体または、一本以上の真っ直ぐな流管が縦軸について平面の屈曲振動を起こす変換器組立体についても同じである。変換器１０が放射モードの変換器組立体で、通常の方法で振動する流管が対称的に変形する場合、例えばWO-A 95/16897に記載されているように、流管は、基本的に静止位置に静止している。
【００４１】
励振部１６は、計測器電子回路から供給される電気的励振力を変換することによって、流管１３上に作用する励振力を生じさせる。励振力は、事実上は、機械的及び流体摩擦のために振動系内で失われるパワー成分を補償するだけである。できるだけ高い効率を得るために、励振力は、基本的に流管１３の有用モードでの振動、例えば最低共振周波数での振動、を維持できるように調整されるのが望ましい。
【００４２】
流管１３に励振力を伝達するために、励振部１６は、図４に示すように、堅く、電磁的かつ／または電気力学的に駆動されるレバー配列１５を備える。レバー配列１５は、流管１３にしっかりと固定されたカンチレバー（cantilever）１５４とヨーク（yoke）１６３を備える。ヨーク１６３は、流管１３から離れて、カンチレバー１５４の端にしっかりと固定される。これにより、ヨーク１６３は、流管１３の上かつ横に存在する。カンチレバー１５４は、例えば流管１３を穴で支える金属板であってもよい。更に、レバー配列１５の適した実施例として、上述の米国特許6,006,609を参考とする。図２から明らかなように、ここではＴ字配列をしているレバー配列１５は、流管１３上の入口端１１と出口端１２の間のほぼ中央に、動作中に流管１３がその中心で最大のたわみに耐えられるように配置されればよい。
【００４３】
レバー配列１５を駆動するために、図４に示すように、励振部１６は、第１の励磁コイル２６とそれに結びついた永久磁石材でできた第１の電機子２７と、同様に第２の励磁コイル３６とそれに結びついた永久磁石材でできた第２の電機子３７から成る。電気的に連続して接続する、二つのコイル２６、３６は、動作中に、それらに結びついた電機子２７、３７とそれぞれ相互作用するように、ヨーク１６３下の流管１３の両側面上の支持枠１４に固定される。必要であれば、二つの励磁コイル２６、３６は、平行に接続される。
【００４４】
図２及び図４に示すように、二つの電機子２７、３７は、変換器１０の動作中、お互いに距離をもってヨーク１６３に固定される。励磁コイル２６の電界は、基本的に電機子２７を通り抜け、励磁コイル３６の電界は、基本的に電機子３７を取りぬける。これにより、二つの電機子は、電気力学的かつ／または電気磁気学的力に対応する作用によって動作する。
【００４５】
励磁コイル２６、３６の電界によって生じる電機子２７、３７の動きは、ヨーク１６３とカンチレバー１５４によって流管１３に伝達される。これらの電機子２７、３７の動きは、ヨーク１６３が、側板２４の方向および側板３４の方向と互い違いになるように配置される。上述の流管１３の中心軸１３Ｂと平行であるレバー配列１５の回転軸は、例えば、カンチレバー１５４を貫通する。
【００４６】
特に励磁コイル２６、３６と後述する磁気ブレーキ部２１７を保持するために、支持枠１４は、さらに電気機械的な励振部１６のためのホルダー２９を備える。ホルダー２９は、取り外しができるように、側板２４、３４に接続する。
【００４７】
本発明の変換器１０において、入口端１１及び出口端１２にしっかりと固定された振動流管１３の横方向のたわみは、同時に内腔１３Ａの伸縮変形を引き起こす。この伸縮変形は、事実上流管１３の全体の長さに渡って広がる。
【００４８】
さらに、レバー配列１５を経た流管１３に作用するトルクのせいで、横方向のたわみと同時に、少なくとも流管１３部分において、中心軸１３Ｂに対するねじれを生じる。それゆえ、流管は、有用モードとしての機能を果たす、屈曲とねじれの混合モードで振動する。流管１３のねじれは、流管１３から離れたカンチレバー１５４の端の横変位方向が流管１３の横方向のたわみに対して同じか反対であるようなねじれであるかもしれない。すなわち、流管１３は、先の場合第１の屈曲ねじれモードにおいてねじれ振動することができ、また、後の場合第２の屈曲ねじれモードにおいて、ねじれ振動することができる。本発明によれば、変換器１０において、第２の屈曲ねじれモードの固有共振周波数、例えば９００Ｈｚ，は第１の屈曲ねじれモードのおおよそ２倍である。
【００４９】
流管１３が第２の屈曲ねじれモードにおいてのみ振動する場合、励振部１６は、渦電流理論に基づいて、磁気ブレーキ２１７を組み入れる。磁気ブレーキは、回転軸の位置を安定させる。磁気ブレーキ２１７によって、流管１３は、常に第２の屈曲ねじれモードにおいて振動することが保証される。それゆえ、流管１３におけるどんな外部の妨害効果も、他の屈曲ねじれモード、とくに第１のモードに、自然に変えることはない。例えば、磁気ブレーキの詳細な説明は、米国特許6,006,609に記載されている。更に、そのような磁気ブレーキを用いることは、上述の“ＰＲＯＭＡＳＳ  Ｉ”シリーズの変換器からも知ることができる。
【００５０】
これにより、第２の屈曲ねじれモードによれば、流管１３において、中心軸１３Ｂはわずかに変形する。それゆえ、振動の間、この軸は、平面というよりはむしろわずかに曲がっている。さらに、この表面にあり、流管の中心軸の中心によって記述されるパスカーブ（path curve）は、中心管軸によって記述されるすべてのパスカーブの中で最も小さい曲率となる。
【００５１】
流管１３の変形を検出するために、変換器は、少なくとも第１のセンサを備えるセンサ配列を備える。そのセンサは、流管１３の振動に反応して、センサ信号、とくにアナログのものを生じる。そのような変換器には通例として、センサ１７は、例えば流管１３に固定された、永久磁石でできた電機子によって形成され、支持枠１４によって支えられるセンサコイルと相互作用する。
【００５２】
特にセンサ１７に適したセンサの種類は、電気力学的理論に基づいて流管の変形の速度を感知するものである。電気力学的加速度計測または、抵抗変位計測または光センサまたは振動を感知するのに適したセンサを用いてもよい。
【００５３】
本実施例では、センサ配列は、さらに第２のセンサ１８を備える。該センサ１８は、第１のセンサ１７と同一のセンサで、流管の振動を表す別のセンサ信号を提供する。本実施例では、二つのセンサ１７，１８は、流管１３に沿ってお互いに規定の距離、特に流管の中間点から同じ距離、に位置する。これにより、センサ配列は、流管１３の入口側と出口側の両方の振動を検出し、対応するセンサ信号を提供する。
【００５４】
第１のセンサ信号と、もしあるのであれば第２のセンサ信号は、通常、それぞれが流管１３の瞬間振動周波数に対応する周波数を備えており、計測器電子回路（不図示）に送り込まれる。
【００５５】
流管１３を振動させるために、励振部１６には、計測器電子回路から、振幅と周波数が調整可能な、単極または双極の振動励磁電流が供給される。これにより、動作中、励磁コイル２６、３６は、この電流によって、電機子２７、３７を動かすのに必要な電界を作るのが妨害される。このように、流管１３を振動させるのに必要な励振力は監視され、例えば、少なくとも一つのセンサ信号を用いる電流かつ／または電圧調整回路によって、振幅が調整され、例えば当業者によく知られている位相ロックループによって、周波数が調整される。計測器電子回路によって供給される励磁電流は、例えば正弦波電流が望ましいが、パルス波、三角波、方形波電流でもかまわない。
【００５６】
通常ここに記述した振動計において、励磁電流の周波数は流管１３の予め決められた振動周波数と等しく、それゆえ、流体を運ぶ流管１３の瞬間固有共振周波数に設定されるのが望ましい。
【００５７】
以下のことは言及されるべきことである。もし変換器が上述の励振部でなく、非侵襲的電磁流量センサであるなら、コイル組立体の形式の励振部は、当業者によく知られている方法で使用されるだろう。それは、励磁電流によって妨害されたときに、流管内の流体中に電界を作る。センサ配列は、前述の磁界によって流体に引き起こされた測定電圧を精選する電極配置となる。
【００５８】
もし、変換器が非侵襲的超音波流量センサであるなら、励振部は超音波変換器の形式になるであろう。それは、励磁電流によって妨害されたときに、流管内の流体中に超音波を伝達する。すると、超音波変換器は、超音波を流体から取り出し、対応する測定電圧に変換する、センサ配列としても用いられる。
【００５９】
図１から４に示した変換器１０は、多変量変換器であるため、交互にまたは同時に、２つのセンサ信号によって流体の質量流量ｍを、かつ／または、励振周波数によって密度ρを、かつ／または、励磁電流によって粘性度ηを、検出する。また、本発明をより説明するために、センサ信号、励磁電流または、上述の測定電圧は、これからは、“測定信号”という言葉で分類する。
【００６０】
上述のように、測定されるパラメータに対応する測定信号、例えば、第１のセンサ信号すなわち、励磁電流、は、流管１３内の流体における瞬間密度分布、特に可能性のある寄生の異質物の凝縮と分散によって、相当な影響をうけるであろう、という事実を示している。
【００６１】
本発明では、測定信号を改善する、特にそのような異質物に対してロバスト性を高めるために、変換器１０の入口領域または少なくともその周辺に、そこに流れ込む流体中に渦を生じさせて、流体の流れの方向に位置する仮想の回転軸の回りに流管体積内の流体中に回転運動を生じさせる手段が、設けられている。流管が真っ直ぐな場合に、仮想の回転軸は、中心流管軸１３Ｂと一致する。
【００６２】
本発明の実施例において、渦を生じさせる流れ調節手段は、流体中に伸びる少なくとも一つの攪拌器３０からなる。この攪拌器３０は、好ましくは管内腔内に設置されており、例えば、図５ａから５ｄに示したように、少なくとも入口管部１３＋内の少なくとも一部分、または、流管１３内の少なくとも一部分に直接配置される、別個のプロペラ状、らせん状（helical）、らせんの形（helicoidal）をしたコンポーネントであってもよい。特に、もし渦生成手段が図５ａ及び５ｂに示したようにらせん状またはらせん形のコンポーネントであるなら、圧力の影響を受けやすいのだが、入口管部１３＋かつ／または流管１３に挿入可能であり、よってそれぞれの壁の内側に対してスプリング力によって保持され得る。
【００６３】
ここで、渦生成手段、特には分離したコンポーネントの形状である攪拌器３０は、流体を変換器１０に供給する配管内の少なくとも一部分内に配置されてもよい。例えば、攪拌器３０は、変換器１０の配管上流部に離れて挿入された短い配管部内に設置されるかもしれない。更に、渦生成手段は、例えば、角が多く存在する配管の形をしているかもしれない。
【００６４】
更に、本発明の実施例において、攪拌器３０は、流体中に斜めに伸びる、少なくとも一つのバッフル３０ａ、特に渦タービンブレード（turbine swirl blade）の形状をしているバッフル、を備える。できれば、攪拌器は、二つまたはそれ以上のそのようなバッフル３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、から構成されるのが望ましい。図５ｄに示したように、攪拌器３０が、例えばタービンステータ（turbine stator）のようなガイド車（guide wheel）の形状を取るように配置される。少なくとも一つのバッフル３０ａは、入口管部１３＋の内側の壁に固定されるのが望ましいが、必要であれば、流体供給配管内側の壁に固定されてもよい。
【００６５】
本発明の更なる実施例として、渦生成手段が、入口管部１３＋かつ／または流管１３の内壁を、ライフルの弾が回転しながら進むようならせん状の溝のものである、というふうにすることができる。
【００６６】
研究によると、渦生成手段の流れ方向における効果的な長さは、少なくとも配管の公称直径と等しいということである。特に、攪拌器３０を設置することによる入口管部１３＋かつ／または配管の有効な断面積の減少が、とても小さいかまたは、それぞれの公称断面積の増加によって補償される場合に、良い測定結果が得られた。
【００６７】
本発明の長所は、渦生成手段を備える変換器は、事実上どんな設置場所においても、特に配管が水平であっても、測定精度を変えることなく測定することが可能である、ということである。
【００６８】
本発明のさらなる長所は、本発明が振動型変換器に用いられた場合、流管１３を振動させるために必要な励磁電流の量、すなわち必要な電力は、特に測定する流体がガスの異質物を高い割合で含んでいる場合に、従来の変換器に比べて大幅に減少するということである。
【００６９】
以上、本願発明を図面を参照し詳細に説明したが、図面および記述は例であって、その特徴を限定するものではない。また、典型的な具体例だけを示し、記述したが、ここに記述した発明の精神および範囲内における変更及び修正すべてが本願によって保護されることを望む。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】配管中を流れる流体の少なくとも１つの物理的パラメータを測定するための計測器の透視図を示す。
【図２】図１の計測器に適した振動型変換器の第１の実施例の透視図を示す。
【図３】図２の変換器の第２の透視図を示す。
【図４】図２および図３の変換器に適した電磁機械振動部の具体例を示す。
【図５】測定される流体中に渦を生成するための本発明の手段の具体例を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図５ｃ】
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【図５ｄ】
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【国際調査報告】
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