(57)【要約】  システムは、それ自体を通る流路を提供するように構成された流れ管を備える。そのシステムは、流れ管の周りで放射状に分散された複数のアクチュエータも備え、複数のアクチュエータのうちの第1のアクチュエータが第1の平面において第1の振動を駆動するように構成され、複数のアクチュエータのうちの第2のアクチュエータが第2の平面において第2の振動を駆動するように構成される。さらに、システムは、流れ管に配置された複数のセンサセットを備え、各々のセンサセットは、第1の振動、第2の振動、またはそれら両方を感知するように構成されたセンサを2つ以上備える。
2021522482.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
それ自体を通る流路を提供するように構成された流れ管と、
前記流れ管の周りで放射状に分散された複数のアクチュエータであって、前記複数のアクチュエータのうちの第1のアクチュエータが第1の平面において第1の振動を駆動するように構成され、前記複数のアクチュエータのうちの第2のアクチュエータが第2の平面において第2の振動を駆動するように構成された、複数のアクチュエータと、
前記流れ管に配置された複数のセンサセットであって、各々のセンサセットは、前記第1の振動、前記第2の振動、またはそれら両方を感知するように構成されたセンサを2つ以上備える、複数のセンサセットと
を備えるシステム。
【請求項２】
前記複数のアクチュエータのうちの第3のアクチュエータが第3の平面において第3の振動を駆動するように構成される、請求項1に記載のシステム。
【請求項３】
前記第2のアクチュエータは前記第1のアクチュエータから放射状に約45度ずれており、前記第3のアクチュエータは前記第1のアクチュエータから放射状に約90度ずれている、請求項2に記載のシステム。
【請求項４】
前記第1のアクチュエータは、前記流れ管を中心として、前記複数のアクチュエータのうちの別のアクチュエータと反対側に配置される、請求項1に記載のシステム。
【請求項５】
各々のアクチュエータによって駆動される各々の振動の周波数が異なる、請求項1に記載のシステム。
【請求項６】
各々のセンサセットは、前記流れ管の長さに沿って第2のセンサから離間された第1のセンサを備える、請求項1に記載のシステム。
【請求項７】
前記流れ管は、前記流れ管と同軸である加圧された流れ管外殻によって少なくとも一部が包囲される、請求項1に記載のシステム。
【請求項８】
前記流れ管および前記複数のセンサの各々のセンサは、流体流れ組立体に可逆的に結合されるように構成される、請求項1に記載のシステム。
【請求項９】
各々の振動は前記流れ管の中心部分において駆動される、請求項1に記載のシステム。
【請求項１０】
流れ管を第1の平面において振動させるために前記流れ管を第1のアクチュエータで作動させるステップであって、前記流れ管は流路に沿って流れる流体を有する、作動させるステップと、
前記第1の平面において前記流れ管の第1の振動を測定するステップと、
前記流れ管を第2の平面において振動させるために前記流れ管を第2のアクチュエータで作動させるステップと、
前記第2の平面において前記流れ管の第2の振動を測定するステップと、
前記測定された第1の振動および前記測定された第2の振動に基づいて前記流体の特性を決定するステップと
を含む方法。
【請求項１１】
前記第1の平面は前記第2の平面から放射状にずれている、請求項10に記載の方法。
【請求項１２】
前記流れ管を第3の平面において振動させるために前記流れ管を第3のアクチュエータで作動させるステップと、
前記第3の平面において前記流れ管の第3の振動を測定するステップと
をさらに含み、
前記流体の前記特性を決定する前記ステップは、前記測定された第3の振動に部分的に基づく、請求項10に記載の方法。
【請求項１３】
前記流体の前記特性を決定する前記ステップは、前記第1の振動の振幅および前記第2の振動の振幅に少なくとも部分的に基づく、請求項10に記載の方法。
【請求項１４】
前記第1の振動は前記第2の振動に対して異なる周波数である、請求項10に記載の方法。
【請求項１５】
主管および副管を備え、前記主管を通る流路を提供するように構成された流体流れ組立体であって、前記主流れ管は概して前記流路に沿って真っ直ぐであり、前記副管は前記主管と同軸であり、前記主管と隙間を形成する、流体流れ組立体と、
前記流れ管の周りで放射状に分散された複数のアクチュエータであって、前記複数のアクチュエータのうちの第1のアクチュエータが第1の平面において第1の振動を駆動するように構成され、前記複数のアクチュエータのうちの第2のアクチュエータが第2の平面において第2の振動を駆動するように構成された、複数のアクチュエータと、
前記副管の中に配置され、前記第1の振動または前記第2の振動の一方または両方を感知するように構成された複数のセンサと
を備えるシステム。
【請求項１６】
前記複数のセンサは前記流れ管に配置される、請求項15に記載のシステム。
【請求項１７】
前記隙間は前記流路に沿って前記主管の少なくとも一部分を包囲する、請求項15に記載のシステム。
【請求項１８】
前記隙間は気体で加圧される、請求項15に記載のシステム。
【請求項１９】
前記隙間は液体で加圧される、請求項15に記載のシステム。
【請求項２０】
前記主管は前記副管より薄い壁を有するかまたは剛性がより低い、請求項15に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は概してコリオリ流量センサに関する。より詳細には、本開示は、各々が振動を駆動する複数のアクチュエータを有するコリオリ流量センサ組立体に関し、特定の実施形態では、組立体は、コリオリ流量センサによって実施される測定の精度を向上させるために流れ管外殻を備え得る。
【背景技術】
【０００２】
流れシステムを通じて搬送される流体の特性の正確な測定は、バイオプロセスシステム、石油パイプライン、およびガスパイプラインなどの様々な用途にとって重要である。流体の特性を測定するための1つの技術は、流量を使用することによるものである。これは、流体の搬送または流れの間に測定を実施させることができ、これは、関連する動作コストを低減させるのに有利である。つまり、能動的な流れシステムが測定の間に動作可能であり得る。流量は体積流量または質量流量のいずれかとして測定され得る。体積流量は、流体の密度が一定である場合に正確であるが、これは、密度が温度、圧力、または組成によって相当に変化し得るため、いつも当てはまるわけではない。そのため、一般には、質量流量の方が、流体の流れを測定するのに信頼できる。質量流量を測定するための1つの方法は、コリオリ流量センサ(例えば、流量計)を用いることである。概して、コリオリ流量センサは、流体が振動する管を通じて移動するときに流体から生じるコリオリの力を介して質量流量を測定する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
本来請求されている主題による範囲と同等の特定の実施形態が以下にまとめられている。これらの実施形態は、請求される主題の範囲を限定するようには意図されておらず、むしろこれらの実施形態は、可能な実施形態の簡潔なまとめを提供することのみを意図されている。実際、本開示は、以下に述べられた実施形態と同様であってもよいし異なってもよい様々な形態を包含し得る。本明細書において提供されるのは、それ自体を通る流路を提供するように構成された流れ管を有するシステムである。そのシステムは、流れ管の周りで放射状に分散された複数のアクチュエータも備え、複数のアクチュエータのうちの第1のアクチュエータが第1の平面において第1の振動を駆動するように構成され、複数のアクチュエータのうちの第2のアクチュエータが第2の平面において第2の振動を駆動するように構成される。さらに、システムは、流れ管に配置された複数のセンサセットを備え、各々のセンサセットは、第1の振動、第2の振動、またはそれら両方を感知するように構成されたセンサを2つ以上備える。
【０００４】
本明細書において提供されるのは、流れ管を第1の平面において振動させるために流れ管を第1のアクチュエータで作動させるステップを含む方法であり、流れ管は流路に沿って流れる流体を有する。方法は、第1の平面において流れ管の第1の振動を測定するステップも含む。次に、方法は、流れ管を第2の平面において振動させるために流れ管を第2のアクチュエータで作動させるステップを含む。さらに、方法は、第2の平面において流れ管の第2の振動を測定するステップを含む。なおもさらには、方法は、測定された第1の振動および測定された第2の振動に基づいて流体の特性を決定するステップを含む。
【０００５】
本明細書において提供されるのは、流体流れ組立体を有するシステムであって、流体流れ組立体は主管および副管を備え、流体流れ組立体は、主管を通る流路を提供するように構成され、主流れ管は概して流路に沿って真っ直ぐであり、副管は主管と同軸であり、主管と隙間を形成する。そのシステムは、流れ管の周りで放射状に分散された複数のアクチュエータも備え、複数のアクチュエータのうちの第1のアクチュエータが第1の平面において第1の振動を駆動するように構成され、複数のアクチュエータのうちの第2のアクチュエータが第2の平面において第2の振動を駆動するように構成される。さらに、システムは、副管の中に配置され、第1の振動または第2の振動の一方または両方を感知するように構成された複数のセンサを備える。
【０００６】
本開示のこれらおよび他の特徴、態様、および利点は、同様の符号が全体を通じて同様部品を表している添付の図面を参照して以下の詳細な記載が読まれるとき、より良く理解される。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本開示によるコリオリ流量センサシステムのブロック図である。
【図２】本開示による複数のセンサと複数のアクチュエータとを有するコリオリ流量センサ組立体の流れ管の図である。
【図３】本開示によるコリオリ流量センサを動作させるための方法の流れ図である。
【図４】本開示によるコリオリ流量センサシステムのブロック図である。
【図５】本開示によるコリオリ流量センサの流れ管の振動の様々な軸の図である。
【図６】本開示によるコリオリ流量センサ組立体の流れ管および流れ管外殻の振動の図である。
【図７】本開示によるコリオリ流量センサ組立体の流れ管および流れ管外殻の断面図である。
【図８】本開示による流れ管の複雑な振動の図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本開示の1つまたは複数の特定の実施形態が以下において説明される。これらの実施形態の簡潔な記載を提供するために、実際の実施のすべての特徴が本明細書において説明されない可能性がある。任意の工学または設計プロジェクトなどの任意のこのような実際の実施の発展において、システムに関連する制約およびビジネスに関連する制約の順守など、ある実施と別の実施とでは異なり得る開発者の特定の目標を達成するために、数多くの実施特有の決定が行われなければならないことは、理解されるべきである。さらに、このような発展の試みは複雑で時間がかかるが、本開示の便益を有する当業者にとって、設計、製作、および製造の平常の仕事であることは、理解されるべきである。
【０００９】
本開示の様々な実施形態の要素を導入するとき、冠詞「1つ」、「その」、および「前記」は、その要素が1つまたは複数あることを意味するように意図されている。「備える」、「含む」、および「有する」という用語は、包括的であることを意図されており、列記された要素以外の追加の要素があってもよいことを意味している。
【００１０】
コリオリ流量センサは、バイオプロセスシステムなど、流体流れを伴う数多くの用途において有用である。概して、コリオリ流量センサは、管の内部を流れる流体によって引き起こされるコリオリの力から生じる1つまたは複数の振動する流れ管の位相変化を測定することで動作する。コリオリの力の効果を増加させ、それが増加した質量流れの感度および感知振幅(例えば、大きな信号対雑音の比)をさらにもたらすコリオリ流量センサの設計を提供することは有益である。つまり、本明細書において提供されるようなセンサ組立体の構成要素の配置および構造的な特徴は、測定の感度に影響を与え得る。
【００１１】
配管の幾何学的形態を変更することに対する多くの取り組みは、外乱も大きくされる(それがさらにセンサの精度を低下させる)ため、ゼロ点の安定性において利点のない大きな配管のループをしばしばもたらす。また、高圧の流体の流れのために設計されるコリオリ流量センサについての多くの取り組みは、より剛性の高い材料を使用するか、または、管の壁厚を増加させる可能性があり、これは、コリオリ流量センサの感度の低下をもたらす。流れ管の構造と、流れ管を通って流れる流体の動作圧力との間の関係は、以下のバーロウの式によって示される。
【００１２】
【数１】
2021522482.tif 000003
【００１３】
ここで、tは壁厚であり、Pは流れ管の内側と外側との間の相対的な圧力であり、Sは許容応力(例えば、流れ管の適切な動作圧力)であり、Dは流れ管の外径である。壁厚が増加するにつれて、流れ管の曲げ剛性は増加し、それがコリオリの効果を駆動する振動振幅を低減させ、それがさらに、センサの感度を低下させ、信号対雑音の比を増加させる。さらに、これらの構成は、流体流れシステムにおいて追加的な空間をも占め、ループ状の幾何学的形態は流体流路を変更し、これは圧力損失、流速、せん断速度、捕獲、排出、および摩耗に影響を与える。
【００１４】
本開示は、感度が向上し、信号対雑音の比が小さいコリオリ流量センサ組立体を対象にしている。組立体は、流れ管(例えば、使い捨ての流れ管)と、複数のアクチュエータと、センサの複数のセットとを備え得る。各々のアクチュエータは、それぞれの平面内において流れ管の振動を駆動し、センサの各々のセットは、振動から生じる位相変化と、所与の平面におけるコリオリの力とを測定するように構成される。複数の異なる平面/次元において振動を測定することは、測定の確実性を高めることができる。
【００１５】
ここで図を見ると、図1は、コリオリ流量センサシステム10の実施形態を示す図である。コリオリ流量センサシステム10は、1つまたは複数のアクチュエータ14および1つまたは複数のセンサ16に結合された電子回路12を備える。1つまたは複数のアクチュエータ14およびセンサ16は流れ管18に結合されている。
【００１６】
電子回路12は、1つまたは複数のアクチュエータ14を起動させて、流れ管18において所望の周波数および規模の振動を発生させるために、駆動回路20を備える。コリオリ流量センサシステム10は、コリオリの応答を流れ管18から受信するために、センサ回路22をさらに備える。電子回路12は、センサ16から受信されたコリオリの応答の信号を処理し、流体の1つまたは複数の特性を表す1つまたは複数の測定結果を生成するために、処理装置24をさらに備える。これらの測定結果はユーザーインターフェース26を介して表示される。電子回路12は、測定結果をさらなる使用および通信のために保存して、駆動回路20およびセンサ回路22にとって有用なデータを保存するために、記憶装置27も備える。
【００１７】
動作中、流体28の流れが流れ管18に提供される。電子回路12は、1つまたは複数のアクチュエータ14を起動させて、流れ管18において振動を発生させ、その振動は流体28へと伝達される。1つまたは複数のアクチュエータ14は、流体28において、必要とされる周波数範囲にわたって適切な振幅の振動を誘導するために使用される。これらの振動および流れ管18を通じた流体28の流れのために、コリオリの応答(振動の振幅および位相)が流体内で発生し、流れ管18を通じてセンサ16によって感知される。センサ16からの感知されたコリオリの応答の信号は、流体の流れを含む流体の1つまたは複数の特性の測定を得るためのさらなる処理のために、電子回路12に送信される。1つまたは複数のセンサ16は、流れ管18を通じて流れる流体28によって引き起こされるコリオリの応答を指示する信号を提供するように構成されている。1つまたは複数のセンサ16は、例えば、電磁センサまたは光学センサと、関連する構成要素とを備え得る。さらに、センサ16は、センサ16の一部分が流れ管18に配置されており、センサ16の一部分が流れ管18から離間されている分離した感知構成要素を備えてもよく、それによってセンサ16は、構成要素同士の間の物理的距離における変化を、流れ管18の振動の測定として測定するように構成されている。
【００１８】
システム10は、任意の流体流れシステムにおいて流体特性を評価するために使用できる。開示されるように、流体特性は、様々な製造および/または流体流れの過程の動作の間に評価できる。本明細書に記載されたシステム10のための一部の用途には、半導体産業におけるウェーハの製作、および、有機流体の使用を伴う医療用途がある。これらのうちの一部は高い純度の用途であり、例えばポリマまたは他の化学的に不活性の材料から作られた流れ管18の使用は、このような用途において有利である。一部の他の用途では、ガラスなどの電気的に不活性で低い熱伝導性の材料から形成された流れ管18が有利である。
【００１９】
コリオリ流量センサシステムの1つまたは複数の構成要素が使い捨て部品として構成され得ること、および他の構成要素が再使用可能な固有の部品として構成され得ることは、当業者によって理解されよう。そのために、特定の構成要素が使い捨てである実施では、使い捨ての構成要素は(例えば、適切な器具を用いる作業者によって、または、手作業によって)固有の部品から分離可能であり得る。例えば、流れ管18のうちの少なくとも1つ、1つもしくは複数のアクチュエータ14、または1つもしくは複数のセンサ16は使い捨ての部品とすることができ、他の部品は再使用可能な固有の部品として構成される。使い捨ての部品が、具体的な処理の必要性によって決まる間隔で、非常に安いコストで交換できることは、当業者によって理解されよう。また、一部の実施では、流れ管18は取り替えることが可能であり、コリオリ流量センサ全体の交換の必要がない。使い捨ての部品の下位システムは、高い精度の測定を得ることを可能にし、コリオリ流量センサシステム10の部品の再使用は、1回の使用の用途への柔軟性を提供し、コストおよび材料の節約を実現する。
【００２０】
流れ管18は、流体の流れを許容する内部通路を伴う導管として構成でき、限定されることはないが、1つ、2つ、または複数のループ構成、分割された流れ、真っ直ぐな管、対向流または並行流の構成を含む形で形成できる。一部の実施では、流れ管18は、例えば、機械的な振動子の振動モードにおける影響(調和振動数)が支配的でないポリマから作られる。一部の他の例では、流れ管18は金属から作られる。なおも他の例では、流れ管18はガラスから作られる。流れ管の材料は、一部の例では、温度、圧力、および測定される流体の特性(例えば、腐食性)など、バイオプロセスの用途の特定の要件に合わせて調整される。さらに、流れ管18は、本明細書に提供されるようにその長さに沿って可変の剛性を促進するための壁厚または材料の特徴で実施され得る。流れ管18は、流体処理システムについて直列の流体流れの感知を可能とするように配置され得る。したがって、流れ管は、より大きな流体処理システムの流体導管と流体連通してもよい。
【００２１】
一部の実施形態では、流れ管18は、流れ管18の性能を安定化および向上させることができる追加の構造的特徴を含んでもよい。そのため、流れ管18および任意の追加の構造的特徴は、まとめて流体流れ組立体31として言及され得る。例えば、流体流れ組立体31は、流れ管18、アクチュエータ14、および/またはセンサ16を収容するように構成された基部または筐体を備えてもよい。また、流れ管18が使い捨てである実施形態では、流体流れ組立体は、流れ管18の端を取り付けることができる結合点であって、直列の流体流れを可能とするために流れ管18を流体流れシステム10に流体的に結合する結合点を備え得る。さらに、描写された実施形態は真っ直ぐな流れ管18に関するものであるが、流体流れ組立体31は湾曲またはループした流れ管18に適応することもできる。
【００２２】
図2は、複数のアクチュエータ14および複数のセンサ16に結合された流れ管18を示している。本明細書において考察されるように、流れ管18は流路30または流れ軸(例えば、矢印によって示された方向における)を提供する。概して、アクチュエータ14は、それぞれの平面32において流れ管18の振動を駆動し、流体28が流路30に沿って流れ管18を通じて流れているとき、コリオリの効果が観察される。センサ16は流れ管18の振動における位相差を検出し、これは後でより詳細に考察される。
【００２３】
図示されているように、流れ管18は6つのアクチュエータ14a、14b、14c、14d、14e、および14fを備える。各々のアクチュエータ14は、流れ管18またはその近くに配置され、少なくとも1つの平面32において振動を駆動する。例えば、動作中のアクチュエータ14aは平面32aにおいて流れ管18の振動を駆動する。アクチュエータ14による流れ管18の振動は主に単一の平面に沿って起こり得るが、振動の性質に応じて他の平面において検出可能にもなり得ることは理解されるべきである。
【００２４】
別のアクチュエータ14bは、アクチュエータ14aから放射状にずれており(例えば、おおよそ45度)、平面32bにおいて振動を駆動することができる。さらに、別のアクチュエータ14cがアクチュエータ14bおよび14aから放射状にずれている(例えば、それぞれおおよそ45度および90度)。そのため、アクチュエータ14cは第3の平面32cにおいて流れ管の振動を駆動することができる。流体流れ組立体は、図示されている実施形態に対して、より少ないまたはより多くのアクチュエータ14と、より少ないまたはより多くのセンサ16とを備えてもよいことは理解されるべきである。
【００２５】
各々のアクチュエータ14は45度の増分ずつ放射状にずれているとして考察されるが、放射状のずれは任意の適切な大きさであり得る。さらに、各々のアクチュエータ14は流れ軸30に対して比較的流れ管18の中心に位置決めされているが、アクチュエータ14の位置決めは、流れ管18の物理的特性と、振動の種類(例えば、モードの順番)とに依存し得ることは、当業者によって理解されるものである。1つだけのアクチュエータ14がそれぞれの平面について図示されているが、一部の実施形態では、2つのアクチュエータ14が同じ平面32において振動を駆動してもよい。
【００２６】
図示されているように、流れ管18は、流れ管18の外面34に配置された6つのセンサ16a、16b、16c、16d、16e、および16fを備える。図示されているように、センサ16aおよび16bは平面32a内に配置され(例えば、同一平面上である)、センサ16cおよび16dは平面32b内に配置され、センサ16eおよび16fは平面32c内に配置されている。概して、平面32内の各々のセンサ16は、流路30に沿って流れる流体と、1つまたは複数のアクチュエータ14によって駆動される振動とから生じるコリオリの位相変化を感知する。例えば、平面32aに沿った流れ管18の振動を駆動する振動子14aと、流路30に沿って流れる流体とにおいて、コリオリの効果のため振動における位相変化がある。振動の検出は、センサセット36として言及され得る2つ以上の離間したセンサ16の間の流れ管の振動の比較を伴い得る。センサセット36は、流れ管18の長さに沿って(例えば、軸30に沿って)離間された、および/または、周方向に離間されたセンサを備え得る。
【００２７】
大まかな動作において、各々のアクチュエータ14は、最も大きい信号対雑音の比を得るのに適すると考えられる任意の順番(例えば、順番に、組み合わせて、等)で流れ管18の振動を駆動することができる。図3は、本開示によるコリオリ流量センサ10を動作させるための処理40の実施形態を示す流れ図である。本明細書において考察されているステップは単なる例であり、特定のステップが省略されてもよく、または、以下に記載されている順番と異なる順番で実施されてもよい。一部の実施形態では、処理40は、不揮発性の記憶装置27に保存され、電子回路12の処理装置24によって実行され得るか、または、他の適切な記憶装置に保存され、コリオリ流量センサシステム10と関連付けられた他の適切な処理回路によって、もしくは、別体の適切な処理回路によって実行され得る。
【００２８】
図3の図示された実施形態に示されているように、ブロック42において、処理装置24は、第1の平面32において検出可能である手法でアクチュエータ14に流れ管18を振動させる信号(例えば、駆動信号)を送る。例えば、アクチュエータ14aは平面32aにおいて流れ管18の振動を駆動することができる。流体28が流れ管18を通じて流れているとき、振動する流れ管18に沿って位相変化を誘導するコリオリの位相の効果が生じる。そのため、ブロック44において、処理装置24は、第1の平面32(例えば、平面32a)における振動と関連する第1のコリオリの位相変化を測定する。つまり、センサ16は、第1の平面32における位相変化を測定するように構成され、流れ管18を通じて流れる流体の特性を指示する信号またはデータを測定できる。時間に伴うコリオリの位相効果における変化は、流体の特性における変化を指示できる。
【００２９】
ブロック46において、処理装置24は、アクチュエータ14に流れ管18を第2の平面32において振動させる適切な信号を送る。例えば、アクチュエータ14bは平面32bにおいて流れ管18の振動を駆動することができる。流体28が流れ管18を通じて流れているとき、振動する流れ管18に沿って位相変化を誘導するコリオリの位相の効果が生じる。そのため、ブロック48において、処理装置24は、第2の平面32(例えば、平面32b)における振動と関連する第2のコリオリの位相変化を測定する。つまり、第2の平面32における位相変化を測定するように構成されたセンサ16は、流体の特性を指示する信号またはデータを測定できる。
【００３０】
ブロック50において、処理装置24は、第1および第2の平面32(例えば、符号32aおよび32b)における振動から生じたコリオリの位相変化に基づいて、流体の特性を決定する。一部の実施形態では、処理装置24は、ブロック50に到達する前に、第3のアクチュエータ14(例えば、アクチュエータ14c)に第3の平面32cにおいて振動を駆動させる適切な信号を送ることができる。さらに、ブロック42および46において言及された流れ管における振動は、それぞれ第1および第2の周波数であり得る。なおもさらには、振動は同じ平面32にあってもよいが、異なる周波数を有し得る。
【００３１】
このように、本開示の一実施形態は、感度が向上し、信号対雑音の比が小さいコリオリ流量センサ組立体を対象にしている。組立体は、流れ管(例えば、使い捨ての流れ管)と、複数のアクチュエータと、センサの複数のセットとを備え得る。各々のアクチュエータは、平面内において流れ管の振動を駆動し、センサの各々のセットは、振動から生じる位相変化と、所与の平面におけるコリオリの力とを測定するように構成される。
【００３２】
別の実施形態では、本開示は、振動の力の損失を低減する流れ管外殻を伴う流れ管を対象にしている。実施形態では、コリオリ流量センサシステムは、流れ管を包囲する流れ管外殻を備え得る。流れ管外殻は、流れ管と、流れ管のための圧力閉じ込めおよび障壁として作用し得る流れ管外殻との間に、加圧された容積または隙間を備える。つまり、加圧された隙間は、本明細書において議論されるバーロウの式に示されるような相対圧力Pを低下させる。さらに、加圧された隙間は、アクチュエータによって駆動される方向における振動以外の方向における振動など、望ましくない振動を最小限にすることができる。望ましくない振動は、性能に干渉し、コリオリ流量センサのSNRを低下させる。例えば、干渉は、同じく振動となる質量流れによって作り出されない位相変化信号を作り出し、大きなデータ分散およびヒステリシスをもたらす可能性がある。流れ管外殻は、死容積または使用されない容積を導入するループ状の構成など、コリオリ流量センサの性能を向上させるために実施される多くの構造的な変更も減らすことができる。さらに、本技術は、流れ管の壁をより薄くすること、または、流れ管におけるより小さい剛性を可能にすることを容易にすることができ、これは感度およびSNRの増加をもたらす。
【００３３】
図4は、コリオリ流量センサシステム10の実施形態を示す図である。コリオリ流量センサシステム10は、1つまたは複数のアクチュエータ14および1つまたは複数のセンサ16に結合された電子回路12を備える。1つまたは複数のアクチュエータ14およびセンサ16は流れ管18に結合されている。流れ管18は、コリオリ流量センサ組立体53を形成するためにアクチュエータ14およびセンサ16も収容する流れ管外殻52内に封じ込められている。
【００３４】
電子回路12は、1つまたは複数のアクチュエータ14を起動させて、流れ管18において所望の周波数および規模の振動を発生させるために、駆動回路20を備える。コリオリ流量センサシステム10は、コリオリの応答を流れ管18から受信するために、センサ回路22をさらに備える。電子回路12は、センサ16から受信されたコリオリの応答の信号を処理し、流体の1つまたは複数の特性を表す1つまたは複数の測定結果を生成するために、処理装置24をさらに備える。これらの測定結果はユーザーインターフェース26を介して表示される。電子回路12は、測定結果をさらなる使用および通信のために保存して、駆動回路20およびセンサ回路22にとって有用なデータを保存するために、記憶装置27も備える。
【００３５】
動作中、流体28の流れが流れ管18に提供される。電子回路12は、1つまたは複数のアクチュエータ14を起動させて、流れ管18において振動を発生させ、その振動は流体28へと伝達される。流れ管18における振動は、本質的に静止したままである流れ管外殻52に対してである。1つまたは複数のアクチュエータ14は、流体28において、必要とされる周波数範囲にわたって適切な振幅の振動を誘導するために使用される。流れ管外殻52は、液体または気体のいずれかで加圧され、振動の意図されている方向以外の方向または平面における流れ管18の振動を概して防止する。つまり、流れ管18の振動モードの特定の周波数は部分的に重なることができ、これらの他の周波数は、意図されている振動の振幅を小さくすることができる。そのため、アクチュエータ14によって誘導(例えば、駆動)される振動は、望ましくないモードを部分的に引き起こす可能性がある。後でより詳細に考察されるように、加圧された流れ管外殻52は望ましくない振動を低減または防止し、これは、意図されている振動のSNRを小さくすることができる。
【００３６】
これらの振動および流れ管18を通じた流体28の流れのために、コリオリの応答(振動の振幅および位相)が流体内で発生し、流れ管18を通じてセンサ16によって感知される。センサ16からの感知されたコリオリの応答の信号は、流体の流れを含む流体の1つまたは複数の特性の測定を得るためのさらなる処理のために、電子回路12に送信される。1つまたは複数のセンサ16は、流れ管18を通じて流れる流体28によって引き起こされるコリオリの応答を指示する信号を提供するように構成されている。1つまたは複数のセンサ16は、例えば、電磁センサまたは光学センサと、関連する構成要素とを備え得る。
【００３７】
システム10は、任意の流体流れシステムにおいて流体特性を評価するために使用できる。開示されるように、流体特性は、様々な製造および/または流体流れの過程の動作の間に評価できる。本明細書に記載されたシステム10のための一部の用途には、半導体産業におけるウェーハの製作、および、有機流体の使用を伴う医療用途がある。これらのうちの一部は高い純度の用途であり、例えばポリマまたは他の化学的に不活性の材料から作られた流れ管18の使用は、このような用途において有利である。一部の他の用途では、ガラスなどの電気的に不活性で低い熱伝導性の材料から形成された流れ管18が有利である。
【００３８】
センサ組立体53の1つまたは複数の構成要素が使い捨て部品として構成され得ること、および他の構成要素が再使用可能な固有の部品として構成され得ることは、当業者によって理解されよう。そのために、特定の構成要素が使い捨てである実施では、使い捨ての構成要素は(例えば、適切な器具を用いる作業者によって、または、手作業によって)固有の部品から分離可能であり得る。例えば、流れ管18のうちの少なくとも1つ、1つもしくは複数のアクチュエータ14、または1つもしくは複数のセンサ16は使い捨ての部品とでき、他の部品は再使用可能な固有の部品として構成される。使い捨ての部品が、具体的な処理の必要性によって決まる間隔で、非常に安いコストで交換できることは、当業者によって理解されるよう。また、一部の実施では、流れ管18は取り替えることが可能であり、コリオリ流量センサ全体の交換の必要がない。使い捨ての部品の下位システムは、高い精度の測定を得ることを可能にし、コリオリ流量センサシステム10の部品の再使用は、1回の使用の用途への柔軟性を提供し、コストおよび材料の節約を実現する。
【００３９】
本明細書において考察されるように、流れ管18は、流体の流れを許容する内部通路を伴う導管として構成でき、限定されることはないが、1つ、2つ、または複数のループ構成、分割された流れ、真っ直ぐな管、対向流または並行流の構成を含む形で形成できる。一部の実施では、流れ管18は、例えば、機械的な振動子の振動モードにおける影響(調和振動数)が支配的でないポリマから作られる。一部の他の例では、流れ管18は金属から作られる。なおも他の例では、流れ管18はガラスから作られる。流れ管の材料は、一部の例では、温度、圧力、および測定される流体の特性(例えば、腐食性)など、バイオプロセスの用途の特定の要件に合わせて調整される。さらに、流れ管18は、本明細書に提供されるようにその長さに沿って可変の剛性を促進するための壁厚または材料の特徴で実施され得る。流れ管18は、流体処理システムについて直列の流体流れの感知を可能とするように配置され得る。したがって、流れ管は、より大きな流体処理システムの流体導管と流体連通してもよい。
【００４０】
先に考察されたように、図4に示されている流れ管外殻52は、望ましくない振動の効果を概して低減させる。図5は、流れ管18に沿う縦軸54および横軸56の概略図である。図示されているように、振動58が、縦軸54および流れ軸30で広がる平面60において生じる。望ましくない調和モード(例えば、構造的なモード)が軸54および56に沿って生じ、振動58の振幅を小さくさせ得るコリオリの撓みの形に寄与し得る。流れ管18の望ましくない調和モードの周波数を減衰または変化させるために、追加の構造的な特徴が加えられ得る。中心軸(例えば、符号54および56)に沿った構造的な特徴は、望ましくない調和モードの効果が無視できるようになるまで、望ましくない調和モードを調節する(例えば、調和モードの周波数を上に変化させる、周波数を下に変化させる、または振幅を低下させる)可変断面によって異なる振動モードに独立した影響を提供し、コリオリ流量センサ組立体の感度およびロバスト性の増加をもたらす。望ましくない調和モード(例えば、モード特徴)を変える特徴は、異なるモードに対処するために様々な設計、構造、および特性を有し得る。
【００４１】
図6は、コリオリ流量センサシステム10の流れ管18(例えば、主管)および流れ管外殻52(例えば、副管)を備えるコリオリ流量センサ組立体53の部分的な切取図である。流れ管は、流れ管の外面34に配置され、本明細書に記載されているように動作できる複数のセンサ16を備える。図示されているように、流れ管外殻52は、例えば流れ管18の流路30について、同軸である。さらに、流れ管外殻52は、流れ管外殻52と流れ管18との間に隙間62が形成されるように流れ管18を包囲している。本明細書で考察されるように、隙間62は流体(例えば、液体または気体)で加圧され得る。
【００４２】
図示されているように、隙間62は、流路30に沿って流れ管18の一部分64を概して包囲している。概して、隙間62によって包囲されている一部分64は、流れ管18が動作下において振動できる流れ管18の一部分64を適切な長さ(例えば、管の全長の20%、40%、60%、80%、100%未満)で有する。一実施形態では、流れ管外殻52は流れ管18の端66と接触しており(例えば、端66に取り付けられる)、または、流れ管18をシステム10に結合する結合継手67に結合し、端66における流れ管18と流れ管外殻52との間の連結は、隙間62内の圧力を維持できる。流れ管18は流れ管外殻52より柔軟な材料から成り得る。特定の実施形態では、流れ管組立体53はシステム10から分離可能とでき、単一の組立体として提供され得る。
【００４３】
図示されているように、送信器68が、流れ管18および流れ管外殻52の中心軸70に概して位置合わせされている。送信器68は、本明細書において考察されるように、流れ管の振動をある周波数において駆動するアクチュエータ14に信号を送る。また、送信器68はセンサ16から信号を受信することができる。さらに、送信器68は、センサ16およびアクチュエータ14へと(例えば、信号を送ること)を管理するための回路を備え得る。なおもさらには、送信器68は、視覚的表示を通じて、または、電子的なインターフェース(例えば、RS-232)においてのいずれかで、インターフェースを使用者に提供することができる。
【００４４】
図6に示されているように、アクチュエータ14は中心軸70の近くに配置されており、アクチュエータ14の場所が振動のモードに依存してもよいことは、当業者によって理解されよう。例えば、アクチュエータ14の適切な位置は、流れ管18の一部分64に沿う一部であってもよい。さらに、本明細書で考察されるように、コリオリの流れシステム10は、ある周波数/場所における振動を各々が駆動する複数のアクチュエータ14を備えてもよい。
【００４５】
図7は、図6に示されているような流れ管外殻52によって包囲されている流れ管18の流路30に沿った断面を示している。図示されているように、流れ管18の外面34は加圧された隙間62と接触している。流れ管18の外面34と流れ管外殻52との間の距離69は、流れ管18の振動を規制しない任意の適切な距離69であり得る。図7は、流れ管18の一方の端66と流れ管外殻52との間の移行領域72も示している。移行領域72は、流れ管18が流れ管外殻52と接触している端66と、隙間62を有する一部分64との間に、任意の適切な形を有し得る。
【００４６】
このように、本開示の別の実施形態は、流れ管と流れ管外殻とを有するコリオリ流量センサシステムを対象にしている。概して、流れ管と流れ管外殻との間の加圧された隙間は、望ましくない振動の効果を低減する。1つまたは複数のアクチュエータおよび1つまたは複数のセンサが流れ管外殻の中に配置され得る。センサは流れ管に配置されてもよく、アクチュエータは、流路の周りの流れ管の周りで放射状に配置され得る。
【００４７】
本明細書において考察されるように、コリオリ流量センサシステム10は複数のアクチュエータ14と複数のセンサ16とを備え得る。このようにして、複数のアクチュエータ14は複数の振動を駆動することができる。一部の実施形態では、複雑な振動が様々な周波数において駆動され得る。図8は、3つの異なる振動周波数76、78、および80を伴う振動位置74(例えば、時間の関数として、図5に示されている軸54および56において駆動される振動)を示している。つまり、流れ管18の振動は複数の振動の組み合わせであり得る。
【００４８】
この記載された説明は、任意の装置またはシステムを作って使用することと、任意の組み込まれた方法を実施することとを含め、すべての当業者に本開示の実施形態を実施させることができるように、最良の態様を含む例を使用している。特許可能な範囲は、請求項によって定められており、当業者が想到する他の例を含む可能性がある。このような他の例は、請求項の文字通りの文言と違わない構造的な要素を有する場合、または、請求項の文字通りの文言との間に実質的な違いがない等価な構造的要素を含む場合、請求項の範囲内にあるように意図されている。
【符号の説明】
【００４９】
10  コリオリ流量センサシステム、流体流れシステム
12  電子回路
14、14a、14b、14c、14d、14e、14f  アクチュエータ
16、16a、16b、16c、16d、16e、16f  センサ
18  流れ管
20  駆動回路
22  センサ回路
24  処理装置
26  ユーザーインターフェース
27  記憶装置
28  流体
30  流路、流れ軸
31  流体流れ組立体
32、32a、32b、32c  平面
34  外面
36  センサセット
52  流れ管外殻
53  コリオリ流量センサ組立体、流れ管組立体
54  縦軸
56  横軸
58  振動
60  平面
62  加圧された隙間
64  一部分
66  端
67  結合継手
68  送信器
69  距離
70  中心軸
72  移行領域
74  振動位置
76、78、80  振動周波数
【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５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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