(57)【要約】      （修正有）【課題】磁気位置検知は、フロート内の磁性材料を必要とする。腐食性流体は、そのような磁性材料を侵食することがある。【解決手段】フローメータは、流量判定すべき流体が流れる可変面積型の垂直配向導管を有する。導管内のフロートは、導管内の流体流量に依存する導管内の位置をとる。窓は、導管の長手方向の軸上において導管の端部に配置される。変換器ユニットは、紫外光、可視光、赤外視スペクトル光、あるいは超音波エネルギのいずれかからなる信号ビームを投影する。信号ビームは、窓を通りかつフロートに向かう軸に沿ってビームを伝播する。変換器は、反射またはその他の機構によってフロートから変換器ユニットに戻される信号エネルギを検出するセンサを含む。戻り信号エネルギの強度および遅延時間は、導管内のフロートの位置を示し、この位置から流体流量が判定される。【選択図】図１
2008224674.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フローメータを通じた流体の流量を示す信号を供給するフローメータであって、導管の長さに沿って延在する軸と、その流量が測定される流体の流れを受け入れる第１の開口と、流体が導管から出る第２の開口とを有し、導管壁によって画定されるとともに垂直方向に沿ってテーパ形状に形成された導管と、前記導管内の導管軸に沿って位置変化するフロートとを有し、前記導管内におけるフロートの垂直方向の位置によって前記流体の流量が示される、当該フローメータは、
ａ）前記導管軸上にて前記導管壁の一部を形成する窓であって、信号ビームを通過させ、前記導管の１つの開口に隣接して配置される窓と、
ｂ）前記導管の外部に位置し、かつ前記窓に隣接する信号ビーム源であって、前記窓を通過する前記信号ビームを前記フロートに向かって送る信号ビーム源と、
ｃ）前記フロートに衝突する前記信号ビームの一部を前記窓に反射する前記フロートの機能と、
ｅ）前記導管の外部に位置し、前記フロートから反射された前記信号ビームの少なくとも一部を前記窓を通して受け取る信号ビーム・センサであって、当該センサで受け取られた光のレベルを示すセンサ信号を供給する信号ビーム・センサと、
を備える、フローメータ。
【請求項２】
前記センサ信号を受け取り、その信号を処理する回路を含む請求項１に記載のフローメータ。
【請求項３】
ａ）流体の流れとセンサ出力との間の線形関係に対応する複数のエントリを有する線形化テーブルを記録するメモリ・デバイスと、
ｂ）前記信号ビーム・センサの出力を受け取り、その信号ビーム・センサ出力のデジタル値を提供するＤ／Ａ変換器と、
ｃ）前記Ｄ／Ａコンバータの出力を受け取り、そのＤ／Ａコンバータ出力に応じて前記メモリ・デバイスから１つのエントリを選択し、その選択されたエントリに記録された値を符号化して出力信号を供給する計算要素と、
ｄ）前記選択されたエントリ値を受け取り、前記選択されたエントリ値に対応するレベルを有するアナログ信号を供給するＡ／Ｄコンバータと、
をさらに含む請求項２に記載のフローメータ。
【請求項４】
前記信号ビーム源が光源であり、前記信号ビーム・センサがフォトダイオードである、請求項１に記載のフローメータ。
【請求項５】
前記導管が、
各導管開口に隣接し、光ビームを通過させる窓と、
前記導管の外部に位置する一対の光源であって、その各々が１つの窓に隣接しており、その隣接する窓を通じて前記フロートに向かって光ビームを送る、一対の光源と、
前記導管の外部に位置する一対の光センサであって、その各々が１つの窓に隣接しており、その隣接する窓を通じて、前記フロートから戻されかつ前記フロートに向けて以前に送られた前記光ビームの一部を受け取り、当該光センサで受け取られた光ビームのレベルを示すセンサ信号を供給する、一対の光センサと、
を含む請求項４に記載のフローメータ。
【請求項６】
前記フロートは、前記フロートに当たる前記光ビームの一部を反射によって戻す材料からなる、請求項４に記載のフローメータ。
【請求項７】
前記フロートは、前記フロートに当たる前記光ビームの一部を拡散によって戻す材料からなる、請求項４に記載のフローメータ。
【請求項８】
前記フロートは、前記フロートに当たる光を反射によって戻す材料からなる、請求項４に記載のフローメータ。
【請求項９】
前記フロートは、前記フロートに当たる光を拡散によって戻す材料からなる、請求項４に記載のフローメータ。
【請求項１０】
前記フロートは、前記フロートに当たる光を回折によって戻す材料からなる、請求項４に記載のフローメータ。
【請求項１１】
前記導管の断面積が前記導管軸に沿って線形的に変化する、請求項４に記載のフローメータ。
【請求項１２】
２つの異なる流体流量に関して前記一対の光センサから前記センサ信号を受け取り、各流量に関する前記センサ信号の比を計算し、その比から第３の流体流量を決定するコントローラを含む請求項１１に記載のフローメータ。
【請求項１３】
前記信号ビーム源が超音波源であり、前記信号ビーム・センサが超音波検出器である、請求項１に記載のフローメータ。
【請求項１４】
前記導管が、
各導管開口に隣接し、超音波ビームを通過させる窓と、
前記導管の外部に位置する一対の超音波ビーム源であって、その各々が１つの窓に隣接しており、その隣接する窓を通じて前記フロートに向かって超音波ビームを送る、一対の超音波ビーム源と、
前記導管の外部に位置する一対の超音波センサであって、その各々が１つの窓に隣接しており、その隣接する窓を通じて、前記フロートから戻されかつ前記フロートに向けて以前に送られた前記超音波ビームの一部を受け取り、当該センサで受け取られた前記超音波ビームのレベルを示すセンサ信号を供給する、一対の超音波センサと、
を含む請求項１３に記載のフローメータ。
【請求項１５】
前記フロートは、前記フロートに当たる前記超音波ビームの一部を反射によって戻す材料からなる、請求項１３に記載のフローメータ。
【請求項１６】
同一の変換器が、信号源および信号検出器として機能する、請求項１３に記載のフローメータ。
【請求項１７】
前記導管の断面積が前記導管軸に沿って線形的に変化する、請求項１３に記載のフローメータ。
【請求項１８】
コントローラが、前記超音波源から前記超音波検出器まで移動する超音波パルスの通過時間を測定するためのタイマを含む、請求項１３に記載のフローメータ。
【請求項１９】
前記フロートが、前記フロート全体を通って軸方向に延在する孔を有するとともに、前記導管の長さに沿ってかつ前記フロート内の前記孔を通って軸方向に延在する案内ロッドを含む、請求項１に記載のフローメータ。
【請求項２０】
ａ）前記センサ信号を受け取り、その信号を処理する回路と、
ｂ）前記回路に温度信号を供給する前記導管内の温度センサと、
を含む請求項１に記載のフローメータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
以下でＶＡフローメータと便宜上称する可変面積型の容積測定流量計は、垂直検知導管を使用し、容積流量が測定される流体は、この垂直検知導管を通過して流れる。検知導管は、検知孔の長さに沿ってなだらかに増大する断面積、一般には上方に向かって増大する断面積を有する。ただし断面積が、下方に向かって増大する場合もある。一般に流体は、より小さい断面積を有する導管の端部において流れ込み、より大きな断面積において導管の外に流れ出るが、この設計は変更可能である。
【背景技術】
【０００２】
断面積が変化する導管では、導管内を流れる流体の導管に沿った各位置での速度は、その点での断面積に対して逆に変化する。そのような導管内での圧縮可能な気体の流れは、状況によっても異なるが、流速が低い場合においては、一般に導管面積が増大するにつれて速度も低減する。
【０００３】
このようなフローメータのための検知導管は、その導管面積の一部を占めるフロートを含む。通常、フロートの比重は、導管内を流れる流体よりも若干高い。このため、「フロート」の用語は幾分誤解を招く。しかしながら、液体を取り扱う場合、浮かぶフロートを実際に使用することは可能である。この場合、フロートの浮力は、下方へ向かう液体の流れと反対に作用する。以下の説明では、検知導管を通って流れる流体よりもわずかに重いフロートを仮定する。
【０００４】
導管を通り、かつフロートを通過して流れる流体は、導管の底部からフロートの位置を変化させる上昇力をフロートに与える。この上昇力は、粘性抗力および運動量成分を有する。また、この上昇力は、流れ速度の増大にしたがって増大するフロート周囲の流体速度に依存する。
【０００５】
フロートは、フロートを通って流れる隣接流体の速度によって生じる抗力が、導管内の流体によってフロートに加えられる浮力よりも小さいフロートの重力に正確に等しくなる場所で上昇または降下する。フロートは、導管内の容積測定流量によらず、隣接する流体の速度が、フロートの浮力より小さい正味のフロート重量と正確に平衡する導管内の位置に常に達する。フロートが平衡を見出す導管の面積と、フロートに隣接する流体の速度との積は、導管を通る流体の容積測定流量に等しい。
【０００６】
流体が気体の場合、浮力は非常に小さく実際に無視することができ、重力が支配的となる。流体が液体の場合、浮力は非常に顕著となる。液体が流れる導管が、上方に向かって広がっている場合、液体およびフロートの相対比重は、所定の流量に関してフロート位置を決定する上で重要となる。導管が下方に向かって広がり、かつフロートの比重が導管内の液体よりも小さい場合、その導管は少量の液体流量を計測するのに最も有用となる。この理由は、浮力と重力とが対抗して比較的小さい正味の力を生成するからである。通常、フロートの比重は流体の比重よりも大きく、流体が気体である場合には、それはおそらく相当に大きい。
【０００７】
上方に向かって広がる導管によって流体の流れが測定される場合、通常、フロートの比重は流体の比重より大きい。流体自体や、フロートの比重、形状、サイズ、および全重量や、導管の幾何形状は全て、導管内のフロートの垂直方向位置の利用可能な範囲において、予測される範囲の流量が測定可能となるように選択されるべきである。
【０００８】
流量を正確に示すために、フロート位置に対し流量を較正することができる。最も簡単な例では、オペレータがフローメータに対していくつかの異なる既知の流体流量を与え、各流量に対するフロートの位置を記録する。このため、オペレータが良好な精度で流量を決定するために補間することができるテーブルが設けられる。
【０００９】
これらのフローメータに関するいくつかの適用は、フローメータを通過して流れる流体を汚染することなく、それらが腐食性流体を取り扱うことを必要とする。ほとんどのこれらのタイプの流体に関して、流体に対して不活性である材料が存在する。流体と接触する全てのフローメータの表面は、流体の汚染を避けるためにそのような不活性材料から構成されていなければならない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
検知導管内のフロート位置を決定することが困難となる場合がある。磁気位置検知は、フロート内の磁性材料を必要とする。腐食性流体は、そのような磁性材料を侵食することがある。磁性材料が、フロート内に完全に埋め込まれていても、ユーザは、腐食性流体がフロートを浸透し汚染することがあることを心配する。
【００１１】
別の構成として、光学センサまたは他のセンサを検知導管の長さ方向に配置することもできるが、そのようなセンサは非常に大きくかつ複雑である。また、そのような検知は、透明材料からなる検知導管を必要とし、または検知導管の長さ方向に透明窓が少なくとも必要となり検知導管構造を複雑にする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
フローメータを通じた流体の流量を示す信号を供給するフローメータは、導管壁によって画定され、かつ垂直方向に沿ってテーパ形状に形成された導管を有する。軸は、流体の流れに沿った導管の長さに沿って延在する。導管内の第１の開口は、その流量が測定される流体の流れを受け入れる。流体は、第２の開口を通って導管を出る。導管内のフロートの位置は導管軸に沿って変化する。導管内のフロートの垂直方向位置が流体流量を示す。
【００１３】
フローメータは更に、導管軸上にて上記導管壁の一部を形成する窓を備える。窓は、信号ビームを通過させ、導管の１つの開口に隣接して配置される。信号ビームは、可視、赤外、紫外、または可視スペクトルの光、あるいは超音波エネルギとすることができる。導管の外部に位置し、かつ窓に隣接する信号ビーム源は、窓を通過する信号ビームをフロートに向かって送る。
【００１４】
フロートは、フロートを照らす信号ビームの一部を窓に向かって戻す機能を有する。この機能は、フロート上のビーム反射表面とすることができる。ここで、ビームが光である場合、上記機能は、ビームを拡散または回折して窓に戻すことを可能ならしめるフロート材料の特性とすることができる。フロートは、光を反射する金属板などの埋込み要素を含むこともできる。
【００１５】
信号ビーム・センサは、導管の外部に位置し、信号ビーム源が以前にフロートに向かって送ったフロートから戻る信号ビームエネルギを窓を通して受ける。信号ビーム・センサは、同信号ビーム・センサにより受け取られた信号ビームエネルギのレベルを示すセンサ信号を供給する。超音波信号ビームの場合は、同一の変換器（transducer）が信号源とセンサの両方を含むこともできる。
【００１６】
コントローラは、センサ信号を受け取り、センサ信号からフロートの位置を計算する。導管内の流体の流れをフロート位置で較正することによって、コントローラは、導管内の流体流量を示す信号を供給することができる。現在、戻り光信号ビームの強度は最も有効にフロート位置を示すものと考えられる。音響は比較的遅い速度であるため、コントローラは、センサに戻る個別のパルスの超音波エネルギに関する時間を測定することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１は、本発明の一形態による可変面積フローメータ１０の概略的な断面を示す。フローメータ１０は、壁２２によって画定される導管３５を有する。導管３５は、流体の流れが導管３５へ入る入口ポート３９と、流体が導管３５を出る出口ポート５５とを有する。導管３５は、出口ポート５５に隣接する導管の断面積が入口ポート３９に隣接する導管の断面積よりも実質的に大きくなるように上方に向かって広がっている。導管３５は、流体が流れる方向において導管に沿って延在する長手方向軸を有する。
【００１８】
フロート３０は、導管３５内に存在する。先に説明した理由のように、「フロート」の用語は幾分誤解を招くが、フロート３０は通常、導管３５内を流れる流体よりも実質的に大きい比重を有しており、したがって導管３５の頂部で浮遊しない。図１のフロート３０に関して示される円錐台形状は、様々なフローメータ設計に適している。
【００１９】
フロート３０の寸法は、フロート３０の軸を導管３５の軸に沿って実質的に一直線上に維持するために、導管３５の直径に対して十分に大きくあるべきである。別の構成として、導管３５の一方または両方の端部（図示されるように）に取り付けられた案内ロッド３６は、フロート３０の軸を導管３５の軸に沿ってほぼ平行に一直線上に維持するのに有用である。
【００２０】
図１に示されるＶＡフローメータ１０は、変換器（transducer）ユニット５０を使用して、導管３５内のフロート３０の位置を検出する。図２により詳細に示されるように、ユニット５０は、信号ビーム源６１および信号ビーム検出器６０を含む。本発明の一つの形態において、信号ビームは光である。この場合、信号ビーム源６１は、導管３５の軸に略平行にフロート３０へ向けて、可視ビーム、ＩＲビーム、またはＵＶビームのうちのいずかのビーム４３を供給する、好ましくはレーザダイオードまたはＬＥＤである。
【００２１】
信号ビームは、超音波エネルギでもよく、信号ビーム源６１は、超音波信号を生成する圧電変換器などの音響変換器でもよい。そのような変換器デバイスは現在、エコー心電図検査デバイスに広く使用されている。
【００２２】
生成されるビームの種類に関わらず、信号ビーム源６１は、経路４５上の電源／信号プロセッサ２０から動作電力を受ける。信号ビーム検出器６０は、フロート３０から戻された信号ビーム４２のエネルギ強度を示す信号を経路４６上に供給する。信号ビームが光である場合、検出器６０は、好ましくはフォトダイオードである。
【００２３】
信号ビームが超音波エネルギからなる場合、検出器６０は圧電変換器からなる。超音波源６１の好ましい形態では、図２ａに示されるように、同一の構成要素が、源６１およびセンサ６０の両方を含む。
【００２４】
超音波を生成する源６１を有するシステム１０は、パルスモードで動作することが可能である。反射された信号ビームに関する遅延時間は、変換器６１からフロート３０までの間隔が数インチである場合、超音波信号ビームに関して数百μ秒程度である。この時間間隔は、現在の電子構成要素を用いて容易に測定される。
【００２５】
源６１によって供給される信号ビームを通過させる窓５２は、導管３５の軸上において導管３５の一方の端部に位置する。図１では、窓５２は、出口ポート５５の近くに位置しているが、入口ポート３９の近くに好適に位置させてもよい。変換器５０は、源６１からのエネルギが、窓５２および導管３５内の流体を通過してフロート３０に当たるように、窓５２の外側表面上に設けられる。超音波ビームに関しては、０．０１〜０．１０インチの厚さで硬質プラスチックからなる窓が適している。
【００２６】
光信号ビームに関するいくつかの構成では、センサ６０は導管３５の一方の端部に設けられ、源６１は他方の端部に設けられる。そのような構成は、信号ビーム源６１およびセンサ６０の各々に関して信号ビームを通過させる窓を有する。
【００２７】
矢印４２は、フロート３０で反射し、または他の方法でフロート３０から戻り、導管３５内の流体を通って検出器６０へ至る、源６１からの信号ビームを表す。光信号ビームに関して、戻り信号ビームの強度は、予測可能かつ繰り返し可能な方法で、フロート３０の頂部と変換器ユニット５０との間の距離が低減すると増大する。
【００２８】
単一の超音波信号ビーム源・センサ６１／６０を使用するシステム１０は、好ましくはパルス式距離測定モード（pulsed range-finding mode ）で動作する。この場合、パルスがセンサ６０へ戻る時間は、源・センサ６１／６０からフロート３０までの距離の正確な測定値である。そのようなシステム１０において、プロセッサ２０は、１ｍｓ〜２５ｍｓにつきおよそ２００μ秒〜４００μ秒長さの駆動パルスを発する。もちろん、フロート３０の位置測定は、導管３５内を流れる流体内の音響速度に大きく依存する。プロセッサ２０は、タイマ要素２１、あるいは、超音波エネルギの各パルスの放出とセンサ６０で受信されたそのパルスの戻りまたはエコーとの間の時間を測定するための信号移相シフトなどの他の手段を含む。
【００２９】
コントローラ２０は、経路４５上に周期的に電力を供給して信号ビーム源６１を作動させる。光信号ビームの場合、フロート３０から検出器６０へ戻るエネルギにより、検出器６０が経路４６上に信号を供給する。経路４６上の信号は、検出器６０における信号ビームエネルギ強度を示し、通常、所定のフロート位置および流体種類に関して極めて一定である。すなわち、所定の光信号ビームエネルギレベルおよびフロート位置に関する経路４６上の信号は、通常、特定の流体に関して時間にわたって著しく変化しない。
【００３０】
したがって、経路４６上の信号は、実験的に流量と相関付けされる。一般に、信号は、使用前に処理されかつデジタル化される。検知管内のフロート３０の位置は、戻された光または超音波に情報を与え、この情報からフロート３０の位置を導出することができる。フロート位置と、戻り光ビームの強度あるいは超音波パルスの戻りにおける遅延の大きさとは、較正工程の間に相関付けされる。戻りエネルギにおける強度または遅延は、次に、流量を示すフロート位置を示すために使用される。コントローラ２０は、経路４７に送られる流量信号において流量を規定する。流量信号は、流量の可視指示を、例えば工程制御のための閉ループ・システム内で提供するために使用される。
【００３１】
フロート３０の位置の精度は、導管３５内の流体の温度を計算に使用することによって改善される。例えば、流体内の音響速度は、流体の温度にある程度依存する。導管３５内に取り付けられた温度センサ５４は、プロセッサ２０に経路５５上の流体温度信号を供給する。
【００３２】
フローメータ１０は、腐食性流体の使用に特に良好に適している。金属材料を導管３５内を流れる流体と接触させる必要が無い。システム内のいかなる構成要素も、含まれる特定の流体に関して非反応性であり得る。導管３５の長さ方向に沿った複雑なフロート位置検知は必要無い。壁２２は、透明である必要も無い。
【００３３】
光に基づくフロート３０の検知の場合、信号ビーム源６１は、検知導管に沿って軸方向に透明窓を通してコリメートされたコヒーレントビームを投影するレーザダイオード光源とすることができる。他の選択として、高強度の複数波長の白熱光源を使用することもできるが、時間経過とともに強度ドリフトに起因する不十分な結果を有することがある。フロート３０上の反射性の頂部２５は、光源６１から窓５２を通って検出器６０へ戻るビームの一部を反射することができる。
【００３４】
光信号ビームをセンサ６０へ戻すフロート３０の構造に関して、多数の代替形態が存在する。フロート３０が、フロート３０’内に埋め込まれた反射性要素３１（図４）を有していてもよい。フロート３０が、源６１に対面する表面２５上に回折格子を有していてもよく、この回折格子は、フロート３０に当たる光ビームを回折する。
【００３５】
有用となり得る他の選択肢は、信号ビームを部分的に通過、即ち半通過させる材料からフロート３０を形成することである。そのような種類の材料は、ある量の信号ビームエネルギを、反射よりむしろ拡散および後方散乱を介してセンサ６０に戻す。
【００３６】
信号ビームが光エネルギからなる場合には、テフロン（Teflon、デュポン社（Dupont Corp.）の登録商標）、ＰＦＡ、ＰＴＦＥ、ＦＥＰ、およびＴＦＭ、サファイヤ（多くの適用に関して高価過ぎる可能性がある）、様々なセラミックス、および非テフロンＣＴＦＥが、適切な量の半通過性を有すると考えられ、かつ広範な腐食性材料に対して不活性および非汚染でもあるいくつかの材料である。この場合、検知導管は、戻り光の強度を増大するために、反射外側表面を有していてもよい。
【００３７】
本発明の一つの形態において、フロート頂部表面２５は、他のフロート頂部形状も同様に適切とされるが、わずかに凸状であり、発散する反射光ビーム４２を生成する。発散するビームは、ビーム反射がフロートの角度向きに関わらず検出器６０上に信頼性良く当たることを可能にする。反射性のフロート頂部の曲率半径は２．５ｃｍ程度が適切である。任意の場合に、フロート頂部表面２５は、フロートの回転が戻り光の強度に影響を及ぼさないように、好ましくは均一に仕上げられる。凸状、凹状、平坦、および溝状に形成されたフロート表面でも、フロート位置を正確に示す戻り光を提供することができる。
【００３８】
光ビームの波長、強度、およびサイズに関する適切な値は、流体の特徴に依存する。例えば、腐食性水性液体および有機溶剤などの流体の流れを測定する場合は、８５０ｎｍの波長、１．２５ｍｗの強度、および４．６ｍｍの断面直径を有する光ビームが適している。
【００３９】
流体を通って進むビーム距離によっても、ビーム強度が低減する。実際の実施においては、フロート距離に基づく減衰および流体減衰の両方が協働して、正確なフロート位置の検知を可能にする方法でビームを減衰する。
【００４０】
フロート位置検知では、圧電要素６１／６０を使用して、フロート３０から要素６１／６０へ反射して戻る超音波パルスを生成することもできる。反射音響に関する遅延時間は、検知管内のフロート位置、ならびに流体の特徴に依存する。音響は、光が進むより非常に遅く進むので、時間遅延の測定がはるかに容易であり、このため、より正確なフロート位置検知を行うことが可能である。音響ビームが通過する窓は、その音響を通過させる、または少なくとも実質的に音響を減衰しないタイプでなければならない。
【００４１】
源６１／センサ６０として機能するのに適した一つの変換器デバイスは、カリフォルニア州サンタバーバラのＩＴＣ社（International Transducer Corp.）から入手可能なモデル番号ＩＴＣ−９０７２である。ＩＴＣ−９０７２デバイスは、超音波に関する源およびセンサの両方として機能することができる。それは、１５０ｋＨｚの動作周波数を有する。他のデバイスは、異なる動作周波数を有する。現時点での最良の判断は、４０ｋＨｚ〜５０００ｋＨｚの範囲の周波数が、良好な結果を提供することを提案する。信号ビームは、容易に窓５２を通過できなければならず、しかもフロート３０で強く反射しなければならない。同時に、導管３０を通過して流れる流体は、著しく信号を減衰してはならない。強く超音波を反射する要素３１の使用は、性能を改善することができる。
【００４２】
図３は、図１に示されるフローメータ１０と多くの方法で類似し、かつ光からなる信号ビームを使用するフローメータ１０’のさらなる形態を示す。類似する要素は、類似するまたは同一の参照符号を有する。
【００４３】
入口ポート６９は、導管３５へ流体を供給する。第２の窓７２は、導管３５の小さな端部に配置される。変換器ユニット８０は、変換器ユニット５０の設計と本質的に同一設計である。この変換器ユニット８０は、ビーム６３によって示されるように、フロート３０の底部端部に向かって光を投影するように配置された光源を有する。光は、ビーム６２によって示されるようにフロート３０から戻り、変換器ユニット８０内の検出器によって検出される。
【００４４】
フィンガまたはアーム７０は、導管３５を通る流体の流れがわずかである、または流体の流れが無い時間の間にフロート３０を支持する。フィンガ７０は、非常に狭く、それによって、流体の流れ、または光ビーム６２，６３が干渉されることを避ける。
【００４５】
コントローラ２０’は、経路６５上の変換器ユニット８０内の光源を動作するための電力を供給する。経路６６上を運ばれる信号は、変換器ユニット８０内部の検出器によって検出される光レベルを示す。
【００４６】
コントローラ２０’は、第２の変換器８０によって供給される追加の情報のために、コントローラ２０のモードとは幾分異なるモードで動作する。図５は、単純なコントローラ２０’の構成を示す。マイクロプロセッサ８０は、図６および図７に記載される機能を実施するソフトウェアまたはファームウェア、即ちフローメータ１０’を動作するファームウェアを記載するフローチャートを実行するように設計される。
【００４７】
キーパッド８４は、オペレータによるマイクロプロセッサ８２への入力を可能にする。キーパッド８４は、数値入力のための０〜９のキーを有し、かつ較正キーおよびエントリキーを有する。
【００４８】
ディスプレイ８７は、オペレータに数値情報を提供する。マイクロプロセッサ８２による計算は、ディスプレイ８７上に表示される数値を生成する。マイクロプロセッサ８２は、ディスプレイ８７にキーパッド８４のエントリを示す。
【００４９】
マイクロプロセッサ８２は、光源ドライバ９０から経路４５上に電力を供給して光源６０を照明させるために経路８８上に信号を供給する。光信号増幅器９４は、経路４６上の光センサ信号を増幅し、その増幅信号を経路９２上でマイクロプロセッサ８２に送る。
【００５０】
図６および図７によって規定されるファームウェアは、マイクロプロセッサによりフローメータ１０’の動作を制御するための一つの方法を示す。図６および図７の実施では、その断面積がフィンガ７０からの距離とともに線形に上方に増大する導管３５が使用されている。図６における計算では、便宜上、ビーム４２，６２の強度が、フィンガ７０からフロート５０の距離とともに線形に変化することを仮定する。導管３５内を流れる流体は液体である。多くの他のコンピュータ制御された動作モードが同様に使用可能であることを理解し得る。
【００５１】
図６は、フローメータ１０’を制御するための連続して動作する動作ループである。図７は、フローメータ１０’の較正を制御しかつ単純化するファームウェアを示す。
図６において、コネクタ符号Ａ１００は、ループの始まりおよび終わりを示す。較正キーが操作される場合、判定要素は、図７におけるコネクタ要素Ｂ１４０へ、命令の実行を移す。
【００５２】
較正が命令されない場合、アクティビティ要素１０４により、光源６０が１００ｍｓにわたってフロート３０を照明させる。フロート３０が、導管３５内の位置に全く安定していないことがあるので、この要素１０４により、マイクロプロセッサ８２はフロート３０の位置を平均化する。アクティビティ要素１０６により、フロート３０からの光強度が、典型的には数回サンプリングされる。アクティビティ要素１１０により、光センサ６０からの信号が処理される。この要素１１０は、フロート３０の平均位置を正確に測定するために複数の検知例を含むことができる。フロート３０からの戻り光に関する強度値は、Ｉ５０として記録される。
【００５３】
アクティビティ要素１１３により、光源ドライバが、光源６１を動作するためのタイマ機能を提供する場合には、１００ｍｓにわたって後続処理が遅延される。アクティビティ要素１１７，１２０，１２３は、変換器ユニット８０に関する類似する機能を実行する。変換器８０における光センサへの戻り光の強度はＩ８０として記録される。次に、アクティビティ要素１２４により、ＩＩ＝Ｉ５０／Ｉ８０として２つの強度の比が計算される。
【００５４】
流量を判定するために、計算要素１２６は、図示された式を計算する。計算要素１２６における式は、図７に示される較正によって判定されるパラメータに基づく補間である。補間は、フィンガ７０からの上方に向かう距離にしたがって導管面積が線形に増大するという要件の精度と、ビーム４２，６２における光の強度が変換器ユニット５０，８０からのフロート３０の距離に線形に変化するという仮定の精度とに依存する。
【００５５】
流量値は、経路４７上またはディスプレイ８７上のいずれかの信号として提供される。マイクロプロセッサ８２は、流量を計算し、使用のために流量値を提供した後、アクティビティ要素１３０によって示されるように１００ｍｓにわたってさらなる実行を遅延し、次に図６のループを再実行する。
【００５６】
図７は、マイクロプロセッサ８２によって実行されるファームウェアが、どのようにシステムを較正するためにオペレータと協働するかを示す。キーパッド８４上の較正キーをオペレータが押すことによって較正が要求されると、アクティビティ要素１５０により、ディスプレイ・ユニット８７は、フローメータ１０’を通る流量を、フィンガ７０からフロート３０を僅かに持ち上げる割合に調整するようにオペレータに促す。アクティビティ要素１５０のさらなる指示により、オペレータが出口ポート５５から流れる流体を受けるために目盛り付き容器を保持する１分間の時間間隔の始まりが、ディスプレイ８７上に示される。流量が大きい場合、より小さい時間間隔、例えば１０秒が好適である。
【００５７】
好適には、マイクロプロセッサ８２は、アクティビティ要素１５６の指示との時間間隔を計時可能である。１分の時間間隔が経過すると、オペレータが、流れを停止し、または容器を取り除いて、次に、容器内に保持させる流体の量をマイクロプロセッサ８２にキーパッド８４を使用して入力すべきであることをディスプレイ・ユニット８７に示すように指示が与えられる。アクティビティ要素１６０の指示により、マイクロプロセッサ８２は、容器内の液体の量を被測定最小流量に変換してＦＲＭとして記録する。一つの形態では、容器は、容積よりむしろ１分の時間間隔に基づく流量で目盛り付けられる。この場合、マイクロプロセッサ８２は、直接ＦＲＭを入力する。
【００５８】
次に、アクティビティ要素１６３の指示により、変換器ユニット５０，８０内の光源が順次作動する。ユニット５０，８０は、一方の光ビーム４２または６２の他方による干渉を避けるべく順次作動する必要がある。変換器ユニット５０，８０によって検知される光強度は、それぞれＩ５０，Ｉ８０として記録される。次に、アクティビティ要素１６３により、これらＩ５０，Ｉ８０の値の比（Ｉ５０／Ｉ８０）ＭＩＮが、ＩＭとして計算され記録される。
【００５９】
次に、アクティビティ要素１６７は、フロート３０の位置を変化させて導管３５の頂部に接近するレベルのほぼ近くまで流体流量を増大させ、１分間にわたって容器内に流体を再び流すようにオペレータに促す。
【００６０】
次に、アクティビティ要素１７０は、キーパッド８４を使用して容器内の液体量を入力するようにオペレータに促す。アクティビティ要素１７３の指示により、マイクロプロセッサ８２は、容器内の液体の容積をほぼ最大値流量に変換してＦＲＬとして記録する。
【００６１】
次に、アクティビティ要素１７６の指示により、変換器ユニット５０，８０内の光源が順次作動する。変換器ユニット５０，８０によって検知される光強度は、それぞれＩ５０，Ｉ８０として記録される。次に、アクティビティ要素１６３により、これらＩ５０，Ｉ８０の値の比（Ｉ５０／Ｉ８０）ＬＲＧが、ＩＬとして計算されかつ記録される。
【００６２】
指示実行は、次に、流量を計算するためにコネクタＡ１００へ戻る。計算要素１２６における式は、図７のファームウェアによって計算されたパラメータおよび図７に記載されたオペレータのアクティビティを使用して、図７のファームウェアによって使用された２つの流量間の補間を実行する。計算の精度は、システムにおける線形性に依存する。これらは、第１に、導管３５の線形的に増大する面積、第２に、変換器ユニット５０，８０で検知される光ビーム４２，６２の強度における線形変化、およびフロート３０と変換器ユニット５０，８０との間の距離の変化である。
【００６３】
信号データを解釈するためのこの工程は、センサ信号の線形応答に依存するので、センサ６０の信号をデジタル的に線形化することが可能である。図８は、この機能を達成するための可能なシステムを示す。図８の機能は、信号プロセッサ２０に組み込むことができる。
【００６４】
図８は、経路４６上でセンサ６０の未加工データを受けるＡ／Ｄコンバータ９３を示す。このデータは、超音波システムに関する時間遅延データ、または光ベースシステムに関する光強度データのいずれかとすることができる。Ａ／Ｄコンバータ９３が、例えば８ビット出力を有する場合、これは、２５６の異なる出力値に対応する。２５６値は、導管３５内の５インチの移動範囲を有するフロート３０の位置の特定において、ほぼ０．０２インチの精度を与えることができる。
【００６５】
Ａ／Ｄコンバータ９３のデジタル出力は、マイクロプロセッサ８２内のテーブル・ルックアップ機能に提供される。ＥＰＲＯＭまたは他の不揮発性メモリ・デバイス９５は、２５６個のエントリを有する線形化テーブルを保持する。エントリは、１〜２５６に及ぶアドレスを有する。メモリ・デバイス９５内のエントリの値は、導管３５内の流れに関する線形値を集合的に特定するために予め設定される。
【００６６】
マイクロプロセッサ８２は、Ａ／Ｄコンバータ９３の出力によって特定されるアドレスを有するメモリ・デバイス９５の値を読み取る。コンバータ９３の出力によって特定されるメモリ・デバイス９５のエントリの値は、Ｄ／Ａコンバータ９７に供給される。コンバータ９７の電圧出力は、導管３５内の流れに対して線形である。
【００６７】
メモリ・デバイス９５内の値は、典型的に流体とフローメータ１０との各組み合わせに関して異なる。メモリ・デバイス９５の線形化されたテーブル・エントリは、通常実験的に決定される。
【００６８】
本発明の一つの形態において、メモリ・デバイス９５は、マイクロプロセッサ８２内にて接続されるモジュールであり得る。このモジュールは、多数の線形化テーブルを含むことができる。フローメータシステム１０が稼動する間、設置者は、これらのテーブルのうち、予測される流体に適していると以前において確認された特定のテーブルを選択する。この選択工程は、その作動時にメモリ・デバイス９５が差し込まれるＵＳＢポートを有するパーソナルコンピュータを使用して行うことができる。選択ソフトウェアは、メモリ・デバイス９５に設けることができる。そのようなソフトウェアは、導管３５によって運ばれる流体のタイプを設置者に確認することを促し、この促しに対する返答が、マイクロプロセッサ８２による使用のための正しい線形化テーブルを選択する。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明の一つの形態の概略を示す図。
【図２】ＶＡフローメータ内のフロート位置の測定に有用な信号ビームを生成するための変換器のブロック図。
【図２ａ】ＶＡフローメータ内のフロート位置の測定に有用な信号ビームを生成するための変換器のブロック図。
【図３】本発明の二変換器バージョンの図。
【図４】本発明によって使用されるフロートの一構造の詳細図。
【図５】フローメータを動作するのに適したコントローラのブロック図。
【図６】流量の現在値を計算するためのファームウェアの流れ図。
【図７】流量の現在値を計算するためのパラメータ決定を支援するファームウェアのフローチャート。
【図８】センサ出力を線形化するためのマイクロプロセッサベースのハードウェアのブロック図。
【図１】
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【図２】
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【図２ａ】
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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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【外国語明細書】
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