(57)【要約】物質の流れについて質量流量等の物質の流れの情報を決定するためコリオリ力ではなくジャイロ力を用いる第１の実施例（１５００）を有する質量流量計である。流管（４００）の内側は流管内の物質の流れにスピンを与える螺旋体要素（３００）をなしている。流管は駆動源（Ｄ）によって横方向に振動する。流管に与えられた横方向の振動とスピンとにより流管内にジャイロ力が生ずる。ジャイロ力で生ずる流管の撓みの大きさは流量計内の物質の流れの大きさに関連しており、物質の流れの情報を決定するために測定される。流量計の第２の実施例（１６００）はさらに振動する流管のコリオリ力を検出するように作用し検出されたコリオリ力から物質の流れの情報を生ずる。コリオリ力に基づく物質の流れの情報とジャイロ力に基づく物質の流れの情報はともに比較、誤差チェック及び補償等の他の目的で２組の情報を用いる流量計電子回路に供給される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
物質の入口（１５０６，１６０６）と、物質の出口（１５０７，１６０７）と、該入口と出口との間に連結された流管手段（１５０１，１６０１）とを有し、上記入口において物質を受け入れ上記流管手段を通じて物質の流れが上記出口に達するように流量計（１５００，１６００）であって、
上記流管手段をその縦方向の軸を含む駆動平面内において駆動振動モードで駆動振動数で振動させる駆動源（Ｄ）と、
上記物質の流れに上記振動する流管手段の縦方向の軸（３１０，４１０，５１０，６１０，７１０，８１０）の周りのスピンを与えるための上記流管手段を含む手段（３００，４００，５００，６００，７００，８００）と、
上記物質の流れの大きさを示すジャイロ出力信号を生ずるように上記ジャイロモードの振動の発生に応答するピックオフ手段（１５１１，１６１１）と、
上記物質の流れに関する出力情報を生ずるように上記出力信号の発生に応答する流量計電子回路（１５２０，１６２０）と、
をさらに含み、上記流管手段が上記駆動平面に垂直なジャイロ平面内において上記流管手段のジャイロモードの振動を生ずるように上記流管手段の駆動モードの振動と上記物質の流れのスピンとに応答し、上記ジャイロモードの振動が上記物質の流れの大きさに関連した振幅を有する
ようにしたことを特徴とする流量計。
【請求項２】
上記ピックオフ手段が上記ジャイロモードの振動の振幅を表す信号を生ずる第１のピックオフを含み、
上記流量計が上記信号を上記ピックオフ手段から上記流量計電子回路に伝送する導線手段（１５２３）をさらに含み、
上記流量計電子回路が上記物質の流れに関する情報（１５２６）を生ずるように上記ピックオフ手段により生ずる信号の受け取りに応答する
ようにしたことを特徴とする請求項１に記載の流量計。
【請求項３】
上記ピックオフ手段が上記駆動平面内における上記流管の駆動振動の振幅を表す信号を生ずるための第２のピックオフ（１５０８，１６０８）をさらに含み、上記流量計電子回路が
上記駆動平面内における上記流管の駆動モードの振動の振幅に対する上記ジャイロ平面内における上記流管のジャイロモードの振動の振幅の比を決定するように上記第１及び第２のピックオフによって生ずる上記信号の受け取りに応答する手段（１９０７，２１０８）と、
上記物質の流れに関する出力情報を生ずるように上記比の決定に応答する手段（１９０９，２１１１）と、
を含むようにしたことを特徴とする請求項２に記載の流量計。
【請求項４】
上記出力情報が上記物質の流れの質量流量を含むようにしたこと特徴とする請求項３に記載の流量計。
【請求項５】
上記流量計が上記ジャイロ平面内における上記流管のジャイロモードの振動の振幅を測定するためのピックオフ（１５１１，１６１１）をさらに含み、上記流量計電子回路が
上記駆動平面内における上記駆動モードの振動の振幅を制御するための手段（２００１）と、
上記物質の流れの質量流量を決定するように上記ジャイロ平面内における上記流管のジャイロモードの振動の振幅の測定に応答する手段（２００７）と、
をさらに含むようにしたことを特徴とする請求項１に記載の流量計。
【請求項６】
上記駆動振動数が上記ジャイロ振動モードの共振振動数に等しくなるようにして上記ジャイロ平面内におけるジャイロモードの振動を最大にするようにしたことを特徴とする請求項１に記載の流量計。
【請求項７】
上記駆動振動数が上記ジャイロ振動モードの共振振動数に等しくならないようにして上記ジャイロ平面内におけるジャイロモードの振動の振幅と上記物質の流れの密度との関係を変えるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の流量計。
【請求項８】
上記流管手段が
１本の直線状の流管（４００）と、
上記物質の流れに対して上記流管の縦方向の軸（３１０）の周りのスピンを与えて上記ジャイロ平面内におけるジャイロモードの振動を生ずるようにする上記流管の内側の螺旋体（３００）と、 からなるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の流量計。
【請求項９】
上記流管手段が上記物質の流れに対して上記流管の縦方向の軸（８１０）の周りのスピンを与えるコイルばね形状を有する１本の流管（８００）からなるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の流量計。
【請求項１０】
上記流管手段が、共通の縦方向の軸の周りに捩り合わされて上記物質の流れに対して上記共通の縦方向の軸（５１０）の周りのスピンを与える細長い形状を有するようにした複数の流管（５００）からなるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の流量計。
【請求項１１】
上記流管手段が１本のバー（６０４，７０４）と該バーに巻かれた流管（６０１，７０１）とからなっていて、上記物質の流れに対して上記流管と上記バーとの共通な縦方向の軸（６１０，７１０）の周りのスピンを与えるコイル体を形成するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の流量計。
【請求項１２】
上記細長いバー（７０４）が実質的に直線状であるようにしたことを特徴とする請求項１１に記載の流量計。
【請求項１３】
上記バー（７０２）と上記流管（７０１）とが上記共通の縦方向の軸の周りに捩り合わされるようにしたことを特徴とする請求項１１に記載の流量計。
【請求項１４】
上記物質の流れにより上記振動する流管手段に上記駆動平面内におけるコリオリ力が生じ、該コリオリ力により上記駆動平面内における上記流管手段（１６０１）のコリオリ撓みが生じ、
上記流量計が上記コリオリ撓みを検出し上記物質の流れに関する情報を含むコリオリ出力信号を生ずる上記流管手段に取り付けられたピックオフ手段（ＬＰＯ，ＲＰＯ）をさらに含み、
上記流量計電子回路が上記物質の流れに関する出力情報を生ずるように上記コリオリ信号及びジャイロ信号の発生に応答する
ようにしたことを特徴とする請求項１に記載の流量計。
【請求項１５】
上記流量計が
上記流管手段と平行なバランスバー（１５０２，１６０２）と、
該バランスバーの端部上記流管手段に連結する連結リング手段（１５０３，１６０３）と、
をさらに含み、
上記駆動源が上記流管手段及びバランスバーを、上記駆動平面内における駆動振動モードで上記物質で満たされた流管とバランスバーとの共振振動数で位相が反対になるように振動させ、
上記ジャイロモードの振動により上記物質で満たされた流管手段及びバランスバーが上記ジャイロ平面内において上記物質で満たされた流管手段及びバランスバーのジャイロモードの振動の共振振動数で振動する
ようにしたことを特徴とする請求項１に記載の流量計。
【請求項１６】
上記バランスバー及び流管手段を収容するケース（１５０５，１６０５）と、
該ケースの端部に連結されたケース端部（１５０９，１６０９）と、
をさらに含み、
上記流管手段の端部（１５０１Ｌ，１６０１Ｌ，１５０１Ｒ，１６０１Ｒ）が上記ケースのケース端部を通って突出してフランジ（１５０６，１６０６，１５０７，１６０７）に連結され、
第１の上記フランジ（１５０６，１６０６）が物質源から上記物質の流れを受け入れ該物質の流れを上記流量計に移送し、
上記流管手段の出力端における第２の上記フランジ（１５０７，１６０７）が上記流管手段から上記物質の流れを受け入れ該物質の流れを所定位置に到達させる
ようにしたことを特徴とする請求項１５に記載の流量計。
【請求項１７】
上記連結リング手段が
上記バランスバーの各端部を上記流管手段に連結する第１及び第２の連結リング（１５０３，１６０３，１５０４，１６０４）と、
上記流管手段及びバランスバーの上記ジャイロモードの振動と駆動モードの振動との共振振動数の間隔を変えるように上記流管手段の横方向側壁に取り付けられた上記連結リングにおける横方向半径方向の突出部（１６１６）と、
からなるようにしたことを特徴とする請求項１５に記載の流量計。
【請求項１８】
上記流管手段及びバランスバーの上記ジャイロモードの振動及び駆動モードの振動の共振振動数の間隔を変える上記バランスバーの壁部における開口（１８０５，１８０６，１８０７，１８０８，１８０９，１８１０，１８１１）を含むようにしたことを特徴とする請求項１５に記載の流量計。
【請求項１９】
請求項１に記載の流量計を動作させる方法であって、
上記流管手段を上記駆動平面内で振動させることと、
上記物質の流れに上記流管手段の縦方向の軸の周りのスピンを与え該スピンにより上記ジャイロ平面内における上記流管手段のジャイロモードの振動が生ずるようにすることと、
上記ジャイロモードの振動の発生に応じて上記物質の流れの大きさを表す出力信号を生ずることと、
上記物質の流れに関する出力情報を生ずるように上記流量計電子回路を動作させることと、
の各ステップからなるようにしたことを特徴とする流量計を動作させる方法。
【請求項２０】
上記出力信号を生ずるステップが上記ジャイロ平面内における上記ジャイロモードの振動の大きさを表す信号を生ずるステップを含むようにしたことを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
上記駆動平面内における上記流管手段の駆動モードの振動の振幅を決定することと、
上記駆動平面内における上記流管手段の駆動モードの振動の振幅に対する上記ジャイロ平面内における上記ジャイロモードの振動の振幅の比を決定することと、
上記比の決定に応答して上記物質の流れに関する出力情報を生ずることと、
の各ステップを含むようにしたことを特徴とする請求項１９に記載の方法。
である。
【請求項２２】
上記駆動平面内における上記流管手段の駆動モードの振動の振幅を制御することと、
上記ジャイロ平面内における上記流管手段のジャイロモードの振動の振幅を測定することと、
上記物質の流れに関する出力情報を生ずるように上記測定に応じて上記流量計電子回路を動作させることと、
の各ステップを含むようにしたことを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２３】
上記駆動平面振動モードの共振振動数がジャイロ振動モードの共振振動数に等しくなるようにして上記ジャイロ平面内におけるジャイロモードの振動の振幅を最大にするように上記流量計を動作させるステップを含むようにしたことを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２４】
上記駆動振動モードの共振振動数が上記ジャイロモードの共振振動数に等しくならないようにして上記ジャイロ平面内における上記ジャイロモードの振動の振幅と上記物質の流れの密度との関係を変えるように上記流量計を動作させるステップを含むようにしたことを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２５】
上記流管手段が１本の直線状の管からなり、上記物質の流れに上記流管の縦方向の軸の周りのスピンを与えるように上記流管の内側の螺旋体を挿入するステップを含むようにしたことを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２６】
上記流管手段が１本の流管からなり、上記方法が上記物質の流れに上記流管の縦方向の軸の周りのスピンを与えるコイルばね形状をなすように形成された上記流管で上記流量計を動作させるステップをさらに含むようにしたことを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２７】
上記流管手段が複数本の流管からなり、上記方法が上記物質の流れに上記スピンを与える細長い形状をなすように上記複数本の流管を共通な縦方向の軸の周りに捩り合わせるステップをさらに含むようにしたことを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２８】
上記流管手段が１本の流管からなり、上記方法が上記流管を細長いバーに巻き付けて上記物質の流れに上記流管とバランスバーとに共通な縦方向の軸の周りのスピンを与えるコイルを形成するようにするステップをさらに含むようにしたことを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２９】
上記物質の流れにより上記振動する流管手段に上記駆動平面内におけるコリオリ力が生じ、該コリオリ力により上記駆動平面内における上記流管手段の周期的なコリオリ撓みが生じ、
上記コリオリ撓みを検出して上記物質の流れに関する出力信号を生ずる上記流管手段に取り付けられたピックオフを動作させることと、
上記物質の流れに関する出力情報を生ずるように上記コリオリ信号及びジャイロ信号の発生に応答して上記流量計電子回路を動作させることと、
の各ステップをさらに含むようにしたことを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項３０】
上記流量計が上記流管手段と平行なバランスバーと、該バランスバーの端部を上記流管手段に連結する連結リング手段とを含み、
上記流管手段及びバランスバーを上記物質で満たされた流管手段とバランスバーとの共振振動数で上記駆動平面内において位相が反対になるように振動させるように上記駆動源を動作させることと、
上記ジャイロ力により上記物質で満たされた流管手段及びバランスバーが上記ジャイロモードの振動での上記物質で満たされた流管手段とバランスバーとの共振振動数で上記ジャイロ平面内において振動するように上記流量計を動作させることと、
の各ステップをさらに含むようにしたことを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
本発明は、流量計に関するものであり、特に物質の流れに関する情報を決定するために振動する流管内の物質の流れにスピンを与えて生じたジャイロ力を測定する流量計に関する。
【０００２】
【技術的問題点】
質量流量計は物質の体積流量ではなく質量流量を測定するものである。化学反応、レシピ、保管上の移送、他の多くの用途に関して質量測定が必要なことが多くあるので、質量流量計が望ましい。さらに、質量流量計の精度は物質の密度、温度あるいは粘度の変化により損なわれることがない。コリオリ効果による質量流量計は少なくとも２０年は市場に出回っている。質量流量計は密度と質量とを測定するその能力ゆえに非常に好まれている。しかしながら、コリオリ式流量計の高い経費のために市場での受容性が制限されていた。
【０００３】
従来の直管型の単管コリオリ式質量流量計において、流管は両端において平行なバランスバーに連結されている。流管はバランスバーに対して駆動平面内において位相が外れるように共振振動数で振動する。電磁駆動源により振動の所望の振幅が維持される。流管とバランスバーとが相互に釣り合わせあうように作用して動的バランス構造体を形成している。流管とバランスバーとの間の相対的速度を測定するために流管に沿った２つの位置に速度検出器が配置されている。速度検出器は通常流管の中間点から上流側及び下流側に等距離の位置に配置される。
【０００４】
流管の振動により流管の上流側及び下流側の半片に回転が与えられる。この回転は流管の振動方向とともに停止し方向を変える。流管の固体端が回転の軸点であり、流管の縦方向中心が最大振幅点になる。流管の回転する部分を通って進む物質によりコリオリ力が生じ、この力で流管が変形し速度検出器によって出力される信号の位相遅れが生ずる。速度検出器の出力信号の間の位相遅れは物質の質量流量に比例する。
【０００５】
従来技術の直管型の単管コリオリ式質量流量計は曲げに際して非常に剛性の大きい短い直線状の管を有している。剛性が大きいと高次モードの流管の振動では高い振動数となる。駆動される振動のモードは通常最も低い振動数の第１の曲げモードを有するモードである。このモードでは、流管とバランスバーとがともに駆動平面内で相互に位相が外れるように振動する。振動モードの形状は振動するギターの弦の形状と同じである。振動の最大の振幅は中心にあり、節点は両端にある。駆動源は流管とバランスバーとの振動を持続させ、流管及びバランスバーの中心に配置される。
【０００６】
直線状の流管の形状では、コリオリ力により流管が第２の曲げモードの形状で曲げられる。第２の曲げモードは伸ばしたＳ字状の形状であり、３つの節点を有する。２つの節点が流管の端部にあり、第３の節点が中心にある。流管が第２の曲げモードで振動すると、流管の２つの半片（中心の駆動源のいずれかの側にある）は相互に位相が外れて振動するように見える。第２の曲げモードは第１の曲げモードのほぼ３倍の共振振動数を有する。流管は非常に剛性が大きく流管を第２のモードの形状で曲げるのは困難であるので、高い共振振動数を有する。
【０００７】
コリオリ力は駆動振動数（第１の曲げモードの共振振動数）で流管に加わる。流管が水平であり垂直な駆動平面内において第１の曲げモードで振動するものとすると、流管のコリオリ変形もまた駆動平面内にあり第２の曲げモードの形状を有する。物質が左から右に向かって流れ流管の中心が変位０の点を通り下方に移動すれば、流管の左側半片に加わるコリオリ力は上向きであるが、流管の右側半片に加わるコリオリ力は下向きである。流管が上方に移動しながら変位０の地点を通過するときに、コリオリ力の向きが逆転する。コリオリ力は駆動振動数で（時間に対して）正弦波状に流管に加わる。流管の速度がピークになっているときに、コリオリ力がそのピークにあり、流管の速度がその向きを変えながら０になるときに、コリオリ力は０である。
【０００８】
コリオリ力により流管が第１のモード（駆動）の振動数で第２の曲げモードの形状で撓む。駆動振動数は第２の曲げモードの共振振動数よりずっと低いので、コリオリ力による流管の最大の撓みは非常に小さい。コリオリ撓みはコリオリ力が静的に加わることにより生ずる静的撓みと同程度の振幅である。かくして物質の流れによるコリオリ力が剛性の大きい流管を第２の曲げの共振振動数から大きく離れた振動数（第１の曲げ）で非常に剛性の大きいモードの形状（第２の曲げ）で撓ませなければならない。その結果流管のコリオリ撓みがきわめて小さくなり、２つの速度検出器により生ずる信号の位相差が非常に小さくなる。典型的な流量計での最大の物質の流れにより生ずる２つの信号の典型的な遅延時間（位相差を振動数で除したもの）は１０マイクロ秒である。流量計が最大の流量の１０％において０．１５％以下の誤差とならなければならない場合、遅延時間の測定精度は１．５ナノ秒（１．５×１０−９秒）よりよくしなければならない。このように短い時間間隔を正確に測定するのにはきわめて精巧で高価な電子回路装置が必要とされる。
【０００９】
【解決手段】本発明は、物質の流量の測定においてコリオリ力でなく、ジャイロ力を用いることによって従来のコリオリ式質量流量計の問題を解消する。本発明により考えられる１つの実施例によれば、流管が、物質が流管を通って流れる際に物質を流管の縦方向の軸を中心としてスピンさせる、内部の螺旋状バッフルを有することを除いて前述したコリオリ流量計と同様に見える単管の直管型ジャイロ式流量計が与えられる。スピンする物質により流管がジャイロスコープとして作用するようになる。ジャイロ式流量計は速度検出器が流管の縦方向中心にあって、コリオリ式流量計のように中心から上流側及び下流側にあるのとは異なる。
【００１０】
スピンする物質のジャイロ力が流量を測定するのにどのように用いられるかを理解するために、最初に２つの例でジャイロ力及びそのふるまいの特性について調べる。第１の例は、ジャイロスコープの軸心が拘束されていない時にジャイロスコープに加わるトルクにより生ずる運動（歳差運動）を示すものである。第２の例は、第１の例のジャイロスコープ運動（歳差運動）が拘束により妨げられるときにジャイロスコープの軸心がその装着部に加えるトルクを計算できるようにするものである。本発明の流管を変形させて質量流量を測定できるようにするのはこの合成的なトルクである。
【００１１】
ジャイロスコープは軸を中心としてスピンして角運動量を与える質量を有する装置である。典型的なジャイロスコープは細い軸心に装着された円形板状の質量を有する。スピンする円板の角運動量の保存によりジャイロスコープに独特な特性が与えられる。本発明を理解する上では、ジャイロスコープがどのように作用するかを理解することが必要とされるだけであり、なぜジャイロスコープがそのようにふるまうかを理解することは必要でない。それゆえ、以下では本発明のジャイロ式流量計に関してのジャイロスコープのふるまいについての説明に限定する。
【００１２】
垂直方向に対して３０度をなす軸心上にスピンするフライホィールを有する典型的な玩具のジャイロスコープを考えよう。例１として、考えられる第１の載置条件において、ジャイロスコープの軸心の上端が全ての方向に自由に動けるが、軸心の下端は並進移動できず全ての方向に自由に回転ないし枢動できるように１点で固定されている。フライホィールがスピンしていないとすれば、軸心底部の地点からの質量中心の水平方向の偏倚と重量との積としての転倒傾向のトルクのためにフライホィールはただちに倒れようとするであろう。しかし、フライホィールのスピンにより転倒傾向のトルクに抗するジャイロスコープの角運動量がフライホィールに与えられる。転倒傾向のトルクで倒れるのではなく軸心の上端が垂直な軸を中心とする円を描くようになる。歳差運動と呼ばれるその円運動の速度は、ジャイロスコープの軸心の上端が低速で旋回し下降するに従って増大する。要するに、転覆傾向のトルクにより垂直方向の軸を中心とする周方向への軸心上端の角加速度が生ずる。この歳差運動の速度の増大は玩具ジャイロスコープがスピンを低下する際に知られている揺れの増大である。
【００１３】
第２の載置状態において、例２として、スピンするジャイロスコープの軸心が最初に座標系のＹ軸（垂直方向）にあり、軸心の下端がやはり全ての方向に回転できて並進移動はできないように並進移動が拘束されている。軸心の上端はＺ方向に動けないようにその運動がＸ−Ｙ平面内に限られている。この軸心上端の拘束は軸心の上端が自由に動けるＸ軸に合わせたスロットとみることができる。軸心の上端にＸ方向に（スロットに沿って）力を加えるとスロットにおける軸心上端の移動と軸心下端を中心とした（スピンの軸を中心とするのではなく）Ｘ−Ｙ平面内での軸心の回転とが生ずる。Ｘ−Ｙ平面内でのこの軸心の回転によりスロットが妨げなければ軸心の歳差運動が生ずるであろう。歳差運動の代りに軸心上端はスロットの側部にＺの負方向にジャイロ力ＧＦを加える。このジャイロ力はジャイロスコープの角運動量と軸心がＸ−Ｙ平面内で回転する角速度との関数であるので、計算することができる。本発明では、Ｘ−Ｙ平面内での軸心の角速度により軸心にＸ−Ｙ平面に対し直角でまたジャイロスコープの軸に対して直角な力ＧＦが生ずることに注意するのが重要である。
【００１４】
本発明の流管における物質のスピンにより流管が１対のジャイロスコープのようにふるまう。一方の流量計ジャイロスコープが流管入口から流管中間点まで延び、他方の流量計ジャイロスコープが流管中間点から流管出口まで延びる。ジャイロスコープのスピン軸は流管の軸に相当し、フライホィールは流管の各半片におけるスピンする物質に相当する。駆動源により流管に加わる力は例２のスロットにおける軸心の上端に加わる力に相当する。駆動平面内での流管の振動により流管の中心線、すなわちスピン軸が駆動平面内でスロットの方向に相当する各方向に交互に回転するようになる。流管の固定端は２つの流量計ジャイロスコープのスピン軸の枢動点である。流管の中間点はそれぞれの自由端（あるいはスロット端）であると考えられる。しかしながら例２におけるジャイロスコープの軸心端部を拘束するスロットは流量計にはない。また例１のように自由な流量計ジャイロスコープの端部（流管の中心）もない。その代りに流管の剛性が駆動平面から外れる流管中心の動きに抗するが、これを防止することはない。流量計ジャイロスコープのふるまいは例１と例２との中間のものに該当する。ジャイロ力ＧＦによりそれに比例した駆動平面から外れる流管中心の撓みが生ずる。ジャイロ力ＧＦはまた質量流量に比例する。かくして駆動平面から外れる流管の撓みが流れる物質の質量流量を決定するために用いられる。
【００１５】
ジャイロ力ＧＦ及び力ＧＦに応じた流管の撓みの方向は駆動方向と流管の軸との両方に垂直である。ジャイロ方向における撓みは駆動振動の方向反転とともに符号反転する。ジャイロ方向における流管の最大の撓みは、駆動方向における流管の撓みが０点を通過し駆動方向における速度が最大になるときに生ずる。駆動平面から外れる流管の撓みは角運動量を保存するような符号のものである。端側から見たときの流管内の物質の回転が時計方向であれば、駆動振動とジャイロ振動とを合せたものにより両方の流管半片に時計方向の楕円運動が与えられる。流管内の質量の回転速度（流量に比例する）によりジャイロ方向における流管の撓みの大きさが決定される。生成された楕円がどの程度に幅が狭い（流量が小さい）か幅が広い（流量が大きい）かが流量により決定される。駆動力とジャイロ力とが等しければ、流管は端側から見て円形の経路となる。
【００１６】
ジャイロ力ＧＦ及びジャイロ方向の流管の撓みはスピンする物質の流れの角運動量に比例する。角運動量はスピン軸の周りの質量の速度と質量との積に比例する。質量と速度との積によりジャイロ力と、またジャイロ撓みとが決定されるので、この撓みは体積流量でなく質量流量に比例する。物質の密度が小さければ、与えられた質量流量に関して物質の速度が大きくなるはずである。逆に同じ質量流量で大きい密度の物質では物質の速度が小さくなるはずである。質量流量が与えられた場合に密度と速度との積は密度には依存しない。かくして、物質の密度は質量流量の正確な測定に関係しない。
【００１７】
ジャイロ力ＧＦはコリオリ力とは大きく３つの点で異なる。第１に、上述したようにジャイロ力は駆動平面に垂直であるが、コリオリ力は駆動平面内にある。第２に、ジャイロ力は流管の全長にわたって同じ方向である（これは後述する）が、コリオリ力は流管の中心で符号を変える。流管に沿ってジャイロ力の符号が一様であることは、ジャイロ式流量計の場合流管の変形は第１の曲げモードの形状であるが、コリオリ式流量計の場合には変形が第２の曲げモードであることを意味する。流管は第２の曲げモードより第１の曲げモードの方がずっと曲げ易く、かくして与えられた力でジャイロ式流量計において流管がより大きく撓む。第３に、ジャイロ撓みはそのモード形状（第１の曲げモード）での共振振動数で、あるいはその近くで駆動されるが、コリオリ撓みはそのモード形状（第２の曲げモード）の共振振動数から大きく離れた振動数で駆動される。それゆえ、ジャイロ撓みは共振振動数近くで駆動されるために大きく増幅されるが、コリオリ撓みはほとんど増幅されない。これらの３つの差異によりジャイロ撓みがコリオリ撓みより大きくなり、より少ない経費での信号処理が用いられるようになる。
【００１８】
ジャイロ力の大きさは質量流量、螺旋状バッフルにより形成される回転数、駆動平面内の振動の振幅に比例する。流量計での最大の流量は、最大の流量でのジャイロ力が駆動源が流管に与える力にほぼ等しくなるように設定することができる。かくして、流管は最大の流量において駆動力及びジャイロ力により円形状に駆動される。より小さい流量ではジャイロ力の方が小さくなり、円が扁平になる。流量を決定するために、１つの速度検出器がジャイロ方向の速度を検出し、他の速度検出器が駆動方向の速度を検出する。ピーク速度の比（ジャイロ速度のピーク／駆動速度のピーク）は流れの最大流量の分数となろう。この速度比の方法は容易になされるものであり、ナノ秒の時間を測定する困難や経費が避けられる。
【００１９】
本発明の他の考えられる実施例によれば、流管の内側の螺旋が用いられない。その代りに流管が剛性のある棒の周りに螺旋体の形状に巻かれて螺旋体と棒とが共通の縦方向の軸を有するようにする。これにより物質の流れに縦方向の軸の周りにスピンが与えられる。駆動源により流管と棒との両方が駆動平面内で振動して垂直な平面内でジャイロ撓みが生ずる。あるいは、１対の流管が一体的に捩られて共通の螺旋の（縦方向の）軸を有する１対の螺旋部材を形成するようにする。これにより両方の流管に共通の軸の周りの物質の流れに対するスピンが与えられる。それからこの捩られた流管の対が駆動源により振動して物質の流れにより前述のようにジャイロ力が生ずるであろう。あるいは、１本の流管が螺旋体を形成するように巻かれて物質の流れに対し流管の螺旋軸の周りのスピンを生ずるようにする。それから流管が駆動源で振動して物質の流れのスピンによりジャイロ撓みを生ずるようにする。
【００２０】
さらに他の考えられる実施例によれば、流管のコリオリ撓みを検出するために流管の中心の上流側及び下流側に速度検出器が配置される。これらの検出器の出力がジャイロ検出器の信号とともに用いられて物質の流れの出力情報を決定するためのジャイロ信号とコリオリ信号との両方を生ずる流量計を与える。
【００２１】
本発明の１つの面は、物質の入口と、物質の出口と、該入口と出口との間に連結された流管手段とを有し、上記入口において物質を受け入れ上記流管手段を通じて物質の流れが上記出口に達するようにする流量計であって、
上記流管手段をその縦方向の軸を含む駆動平面内において駆動振動モードで駆動振動数で振動させる駆動源と、
上記物質の流れに上記振動する流管手段の縦方向の軸の周りのスピンを与えるための上記流管手段を含む手段と、
上記物質の流れの大きさを示すジャイロ出力信号を生ずるように上記ジャイロモードの振動の発生に応答するピックオフ手段と、
上記物質の流れに関する出力情報を生ずるように上記出力信号の発生に応答する流量計電子回路と、
をさらに含み、上記流管手段が上記駆動平面に垂直なジャイロ平面内において上記流管手段のジャイロモードの振動を生ずるように上記流管手段の駆動モードの振動と上記物質の流れのスピンとに応答し、上記ジャイロモードの振動が上記物質の流れの大きさに関連した振幅を有する
ようにしたことである。
【００２２】
他の面は、上記ピックオフ手段が上記ジャイロモードの振動の振幅を表す信号を生ずる第１のピックオフを含み、
上記流量計が上記信号を上記ピックオフ手段から上記流量計電子回路に伝送する導線手段をさらに含み、
上記流量計電子回路が上記物質の流れに関する情報を生ずるように上記ピックオフ手段により生ずる信号の受け取りに応答する
ようにしたことである。
【００２３】
さらに他の面は、上記ピックオフ手段が上記駆動平面内における上記流管の駆動振動の振幅を表す信号を生ずるための第２のピックオフをさらに含み、上記流量計電子回路が
上記駆動平面内における上記流管の駆動モードの振動の振幅に対する上記ジャイロ平面内における上記流管のジャイロモードの振動の振幅の比を決定するように上記第１及び第２のピックオフによって生ずる上記信号の受け取りに応答する手段と、
上記物質の流れに関する出力情報を生ずるように上記比の決定に応答する手段と、
を含むようにしたことである。
【００２４】
さらに他の面は、上記出力情報が上記物質の流れの質量流量を含むようにしたことである。
【００２５】
さらに他の面は、上記流量計が上記ジャイロ平面内における上記流管のジャイロモードの振動の振幅を測定するためのピックオフをさらに含み、上記流量計電子回路が
上記駆動平面内における上記駆動モードの振動の振幅を制御するための手段と、
上記物質の流れの質量流量を決定するように上記ジャイロ平面内における上記流管のジャイロモードの振動の振幅の測定に応答する手段と、
をさらに含むようにしたことである。
【００２６】
さらに他の面は、上記駆動振動数が上記ジャイロ振動モードの共振振動数に等しくなるようにして上記ジャイロ平面内におけるジャイロモードの振動を最大にするようにしたことである。
【００２７】
さらに他の面は、上記駆動振動数が上記ジャイロ振動モードの共振振動数に等しくならないようにして上記ジャイロ平面内におけるジャイロモードの振動の振幅と上記物質の流れの密度との関係を変えるようにしたことである。
【００２８】
さらに他の面は、上記流管手段が
１本の直線状の流管と、
上記物質の流れに対して上記流管の縦方向の軸の周りのスピンを与えて上記ジャイロ平面内におけるジャイロモードの振動を生ずるようにする上記流管の内側の螺旋体と、 からなるようにしたことである。
【００２９】
さらに他の面は、上記流管手段が上記物質の流れに対して上記流管の縦方向の軸の周りのスピンを与えるコイルばね形状を有する１本の流管からなるようにしたことである。
【００３０】
さらに他の面は、上記流管手段が、共通の縦方向の軸の周りに捩り合わされて上記物質の流れに対して上記共通の縦方向の軸の周りのスピンを与える細長い形状を有するようにした複数の流管からなるようにしたことである。
【００３１】
さらに他の面は、上記流管手段が１本のバーと該バーに巻かれた流管とからなっていて上記物質の流れに対して上記流管と上記バーとの共通な縦方向の軸の周りのスピンを与えるコイル体を形成するようにしたことである。
【００３２】
さらに他の面は、上記細長いバーが実質的に直線状であるようにしたことである。
【００３３】
さらに他の面は、上記バーと上記流管とが上記共通の縦方向の軸の周りに捩り合わされるようにしたことである。
【００３４】
さらに他の面は、上記物質の流れにより上記振動する流管手段に上記駆動平面内におけるコリオリ力が生じ、該コリオリ力により上記駆動平面内における上記流管手段のコリオリ撓みが生じ、上記流量計が上記コリオリ撓みを検出し上記物質の流れに関する情報を含むコリオリ出力信号を生ずる上記流管手段に取り付けられたピックオフ手段をさらに含み、
上記流量計電子回路が上記物質の流れに関する出力情報を生ずるように上記コリオリ信号及びジャイロ信号の発生に応答する
ようにしたことである。
【００３５】
さらに他の面は、上記流量計が
上記流管手段と平行なバランスバーと、
該バランスバーの端部上記流管手段に連結する連結リング手段と、
をさらに含み、
上記駆動源が上記流管手段及びバランスバーを、上記駆動平面内における駆動振動モードで上記物質で満たされた流管とバランスバーとの共振振動数で位相が反対になるように振動させ、
上記ジャイロモードの振動により上記物質で満たされた流管手段及びバランスバーが上記ジャイロ平面内において上記物質で満たされた流管手段及びバランスバーのジャイロモードの振動の共振振動数で振動する
ようにしたことである。
【００３６】
さらに他の面は、上記流量計が
上記バランスバー及び流管手段を収容するケースと、
該ケースの端部に連結されたケース端部と、
をさらに含み、
上記流管手段の端部が上記ケースのケース端部を通って突出してフランジに連結され、
第１の上記フランジが物質源から上記物質の流れを受け入れ該物質の流れを上記流量計に移送し、
上記流管手段の出力端における第２の上記フランジが上記流管手段から上記物質の流れを受け入れ該物質の流れを所定位置に到達させる
ようにしたことである。
【００３７】
さらに他の面は、上記連結リング手段が
上記バランスバーの各端部を上記流管手段に連結する第１及び第２の連結リングと、
上記流管手段及びバランスバーの上記ジャイロモードの振動と駆動モードの振動との共振振動数の間隔を変えるように上記流管手段の横方向側壁に取り付けられた上記連結リングにおける横方向半径方向の突出部と、
からなるようにしたことである。
【００３８】
さらに他の面は、上記流管手段及びバランスバーの上記ジャイロモードの振動及び駆動モードの振動の共振振動数の間隔を変える上記バランスバーの壁部における開口を含むようにしたことである。
【００３９】
さらに他の面は、上記流量計を動作させる方法であって、
上記流管手段を上記駆動平面内で振動させることと、
上記物質の流れに上記流管手段の縦方向の軸の周りのスピンを与え該スピンにより上記ジャイロ平面内における上記流管手段のジャイロモードの振動が生ずるようにすることと、
上記ジャイロモードの振動の発生に応じて上記物質の流れの大きさを表す出力信号を生ずることと、
上記物質の流れに関する出力情報を生ずるように上記流量計電子回路を動作させることと、
の各ステップからなるようにしたことである。
【００４０】
さらに他の面は、上記出力信号を生ずるステップが上記ジャイロ平面内における上記ジャイロモードの振動の大きさを表す信号を生ずるステップを含むようにしたことである。
【００４１】
さらに他の面は、
上記駆動平面内における上記流管手段の駆動モードの振動の振幅を決定することと、
上記駆動平面内における上記流管手段の駆動モードの振動の振幅に対する上記ジャイロ平面内における上記ジャイロモードの振動の振幅の比を決定することと、
上記比の決定に応答して上記物質の流れに関する出力情報を生ずることと、
の各ステップを含むようにしたことである。
【００４２】
さらに他の面は、
上記駆動平面内における上記流管手段の駆動モードの振動の振幅を制御することと、　 上記ジャイロ平面内における上記流管手段のジャイロモードの振動の振幅を測定することと、
上記物質の流れに関する出力情報を生ずるように上記測定に応じて上記流量計電子回路を動作させることと、
の各ステップを含むようにしたことである。
【００４３】
さらに他の面は、上記駆動平面振動モードの共振振動数がジャイロ振動モードの共振振動数に等しくなるようにして上記ジャイロ平面内におけるジャイロモードの振動の振幅を最大にするように上記流量計を動作させるステップを含むようにしたことである。
【００４４】
さらに他の面は、上記駆動振動モードの共振振動数が上記ジャイロモードの共振振動数に等しくならないようにして上記ジャイロ平面内における上記ジャイロモードの振動の振幅と上記物質の流れの密度との関係を変えるように上記流量計を動作させるステップを含むようにしたことである。
【００４５】
さらに他の面は、上記流管手段が１本の直線状の管からなり、上記方法が上記物質の流れに上記流管の縦方向の軸の周りのスピンを与えるように上記流管の内側の螺旋体を挿入するステップを含むようにしたことである。
【００４６】
さらに他の面は、上記流管手段が１本の流管からなり、上記方法が上記物質の流れに上記流管の縦方向の軸の周りのスピンを与えるコイルばね形状をなすように形成された上記流管で上記流量計を動作させるステップをさらに含むようにしたことである。
【００４７】
さらに他の面は、上記流管手段が複数本の流管からなり、上記方法が上記物質の流れに上記スピンを与える細長い形状をなすように上記複数本の流管を共通な縦方向の軸の周りに捩り合わせるステップをさらに含むようにしたことである。
【００４８】
さらに他の面は、上記流管手段が１本の流管からなり、上記方法が上記流管を細長いバーに巻き付けて上記物質の流れに上記流管とバランスバーとに共通な縦方向の軸の周りのスピンを与えるコイルを形成するようにするステップをさらに含むようにしたことである。
【００４９】
さらに他の面は、上記物質の流れにより上記振動する流管手段に上記駆動平面内におけるコリオリ力が生じ、該コリオリ力により上記駆動平面内における上記流管手段の周期的なコリオリ撓みが生じ、上記方法が
上記コリオリ撓みを検出して上記物質の流れに関する出力信号を生ずる上記流管手段に取り付けられたピックオフを動作させることと、
上記物質の流れに関する出力情報を生ずるように上記コリオリ信号及びジャイロ信号の発生に応答して上記流量計電子回路を動作させることと、
の各ステップをさらに含むようにしたことである。
【００５０】
さらに他の面は、上記流量計が上記流管手段と平行なバランスバーと、該バランスバーの端部を上記流管手段に連結する連結リング手段とを含み、上記方法が
上記流管手段及びバランスバーを上記物質で満たされた流管手段とバランスバーとの共振振動数で上記駆動平面内において位相が反対になるように振動させるように上記駆動源を動作させることと、
上記ジャイロ力により上記物質で満たされた流管手段及びバランスバーが上記ジャイロモードの振動での上記物質で満たされた流管手段とバランスバーとの共振振動数で上記ジャイロ平面内において振動するように上記流量計を動作させることと、
の各ステップをさらに含むようにしたことである。
【００５１】
本発明の上述した、また他の特徴は、添付の図面を参照して以下の詳細な説明からよりよく理解されよう。
【００５２】
【実施例の詳細な説明】
〔図１及び２〕本発明により流量が測定される手段をよりよく理解するために、ジャイロ力と、それが流管を振動させるのにどのように加わるかを理解する必要がある。図１はフライホィール１０１及び長さＬの軸心１０２を有するジャイロスコープ１００を示している。フライホィール及び軸心は軸心１０２の中心線と一致するスピン軸１０３を中心としてスピン角速度ωでスピンしている。軸心１０２は座標系１０４のＹ軸１０５（垂直方向）に対してある角度の向きに長さＬを有する。フライホィール１０１はジャイロスコープの質量がフライホィール１０１と軸心１０２との拡張した質量と同じ慣性モーメントを与えるように集中したとする場合の半径である回転半径ｒを有する。ジャイロスコープの下端は、全ての方向に回転できるがいずれの方向にも並進移動できないように点Ｐにおいて固定されている。図１のジャイロスコープはジャイロスコープを転倒させようとするトルクを与える重力（図示せず）が作用している。転倒傾向のトルクによりジュイロスコープの軸が経路１０８で示されるようにＹ軸を旋回するようになる。このＹ軸に対する旋回は歳差運動として知られている。
【００５３】
図２のジャイロスコープ２００は垂直な軸心を有するように示されている。軸心１０２の上端はブロック２１０のスロット２０９を通り抜けている。このブロックは動けないように空間的に固定されている。スロットはＸ方向に延びていて、軸心１０２の上端をＸ方向だけに動けるように拘束する。軸心の下端は図１の軸心と同様に回転できるが並進移動できないように固定されている。
【００５４】
図２の軸心１０２の上端はＸ方向に力（図示せず）が加わって速度Ｖを与える。軸心の下端はＰで固定されているので、結果としてＸ−Ｙ平面における軸心の角速度がＶ／Ｌとなる。ジャイロスコープの軸の角速度により、スロット２０９が歳差運動を妨げることを除いて、軸心が図１のように歳差運動しようとするであろう。その代りに軸心１０２はＺの負の方向にスロットの側方にジャイロ力ＧＦを加える。ここでもジャイロ力ＧＦがスピン軸１０３と軸心１０２の上端の速度方向とに垂直であることがわかるであろう。
【００５５】
トルクＧＬについての式は、ケント著「力学技術者ハンドブック」（第１２版、第７〜１８頁）を含む、機構の力学のいずれの適当な教科書にも示されている。トルクは式（１）で与えられる。
【数１】
2004514896.tif 000003
ここで、ＧＬ＝軸心のトルク
ｍ＝フライホィールの質量
ｒ＝回転半径
Ｎ＝フライホィールの毎分回転数
Ｖ＝軸心上端の速度
Ｌ＝軸心の長さ
である。
【００５６】
上述したジャイロ力の式及びジャイロスコープのふるまいの例は、回転する物質を内包する振動する流管に加わる際のジャイロ力についてより理解し易くするために示したものである。しかしながら、ジャイロスコープと本発明の流量計とには大きな差があり、それがどのように生ずるかについて説明する。
【００５７】
〔図３〕流管内の物質の流れがジャイロ特性を示すにはスピンが生じなければならない。図３は、物質が流れる際にこれにスピンを生ずるように流管内に挿入される装置３００の考えられる好ましい例を示している。装置３００は流管の内側に捩られて挿入されろう接された金属のリボン３０１である。リボン３０１により物質の流れが流管を通過する際に縦方向の軸３１０の周りにある回数の回転を行うようになる。物質の流量が増大すると、物質の流れの速度と物質のスピン速度とが増大してジャイロ特性が増強される。
【００５８】
〔図４〕図４は流管４０１内にろう接された後の図３のリボン３０１を示している。この形態はまた流管と螺旋体とを結合したものを形成するように適当な材料を直接所望の形状押し出し成形することによっても得られよう。押し出し成形工程はプラスチックのジャイロ型流量計として理想的なものである。駆動源Ｄにより流管４０１が駆動平面内で振動し、螺旋状のリボン４０５により物質の流れが流管を全長にわたって通過する際に縦方向の軸４１０の周りのある回数の回転を行うようになる。
【００５９】
〔図５〜８〕図５は物質の流れが流管の全長にわたって通過する際に縦方向の軸５１０の周りにある回数の回転を行うようにする他の流管装置５００を示している。装置５００はより小さい径の複数本の流管５０１及び５０２を捩り合わせろう接して複合的な流管５００とすることによって形成される。流管５００は単純で経費の少ない加工となる利点はあるが、物質が流量計を通過する際に圧力低下が大きくなる欠点を有する。この大きい圧力低下は複数本の流管とするのにより小さい流管の径が必要となるためである。駆動源Ｄにより装置５００が駆動平面内で振動する。
【００６０】
図６は物質の流れが流量計を通過する際に縦方向の軸６１０の周りにある回数の回転を行うようにする他の流管装置６００を示している。装置６００は捩り合わされた中空の流管６０１と中実の細長い棒６０２とからなる。装置６００はその流管６０１に十分な剛性を与える棒６０２に巻き合わされていて所望の物質の流れの容量を与えるのに十分大きい径を有するという利点を有する。駆動源Ｄにより装置６００が紙面に垂直な駆動平面内で振動する。
【００６１】
図７は物質の流れが流量計を通過する際に縦方向の軸７１０の周りにある回数の回転を行うようにする他の流管装置７００を示している。装置７００は流管７０１に剛性を与える直線状の棒７０２の周りに巻かれたコイル状の流管７０１を示している。流管７０１は所望の物質の流れの容量を与えるのに十分な径となるように形成されよう。流管及び棒の左端は要素７０６及び７０５として示され、右端は要素７０３及び７０４として示されている。駆動源Ｄにより装置７００が垂直方向に振動する。
【００６２】
図８は物質の流れが流管装置８００が一部となっている流量計を通過する際に縦方向の軸８１０の周りにある回数の回転を行うようにする他の流管装置８００を示している。装置８００は駆動源Ｄにより垂直方向に振動する。装置８００は左端８０３及び右端８０２を有するコイル状の流管８０１からなる。
【００６３】
〔図９〜１１〕図９は回転する物質を内包する振動するカンチレバー状の流管９０１に加わるジャイロ力を示している。この形態は流量計としても用いられるが、ここでは主として図２のジャイロスコープと流管の両端が固定されている本発明の流量計との差異を理解し、橋渡しする補助のために用いている。流管９０１はＸ軸方向の向きであり、その自由端９０８が駆動源Ｄにより垂直方向すなわちＹ軸方向に共振振動する。固定端９０４は固定ブロック９０２に連結されている。流管９０１は縦方向の軸９１０の周りの経路９０３によって示される動きをするように物質の流れを回転させる螺旋状のバッフル９０５（３０１と同様な）を収容している。流管９０１は実線により変位０の点を下方に通過する場合で示されている。流管は下向き（Ｙ）方向に速度Ｖを有する。点線９０６及び９０７は正及び負のＹ方向に最大の変位となる流管９０１を示している。Ｙ方向の流管の振動により流管（及びそのスピン軸）にその固定端９０４の周りにＸ−Ｙ平面（駆動平面）内における交互の回転が生ずる。物質のスピン軸の振動が与える回転は図２におけるジャイロスコープの軸の角速度Ｖ／Ｌに相当する。力ＧＦはカンチレバー状の流管９０１が下方に曲がる際に回転する物質が流管に与えるジャイロ力である。力ＧＦは速度Ｖと流管の軸との両方に垂直である。その行程の上下の限界点で流管が停止し方向を反転する。これにより固定端９０４の周りのＸ−Ｙ平面内における流管の軸の回転が方向を反転する。Ｘ−Ｙ平面内における流管の回転が反転するとジャイロ力ＧＦはまたその方向が反転する。かくして力ＧＦは流管の速度Ｖと位相が合った正弦波状の力とみることができるが、流管の速度Ｖと流管の軸との両方に垂直な方向を有する。
【００６４】
図９のカンチレバー状の流管はいくつかの点で図２のジャイロスコープと異なる。図２のジャイロスコープの軸心全体は図２において同じ量だけ回転するが、駆動平面内における流管の軸の回転はその長さ方向に変化する。カンチレバー状の流管の回転は固定端９０４における０から自由端９０８における最大値まで増大する。振動する流管に関しての図９のジャイロ力はまた流管の軸方向に、固定端において力が０になり自由端において力が最大になるように分布する。ジャイロトルクの式（１）は軸全体が同じ量だけ回転する剛性の軸心に与えられるトルクについて解くものである。かくして式（１）は屈曲する流管には直接あてはまらない。
【００６５】
屈曲する流管に加わるジャイロトルクについての式は計算により容易に決定される。流管はきわめて小さい長さ及び質量の小片に分割される。各小片は曲率がわずかなので直線状の流管片として扱うことができる。しかしながら、変形した流管全体の曲率が各流管素片が回転する量を決定するために必要である。都合よいことに、振動する流管の変形した形状は一様な荷重を受けるカンチレバー状ビームの変形した形状とほぼ同じである。一様な荷重を受けるビームに関して、変形量（水平方向からの撓み）は固定端からの距離の３乗に比例する。正弦波状の振動の場合、速度は変位に比例する。かくして、流管に沿った速度の分布は固定端からの距離の３乗に比例する。このことは式１で用いられる各流管素片のピーク振動速度はまた流管の固定端からの距離の３乗に比例すること、また各素片に加わるジャイロ力ＧＦは固定端からの距離の３乗に比例することを意味する。振動する流管に沿ったジャイロ力の分布ＧＦが矢印ＧＦで示されている。正味のジャイロトルクＧＦＬは流管の全長にわたるトルクの積分により決定される。ピークのジャイロトルクについての結果の式は式（２）により与えられる。
【数２】
2004514896.tif 000004
ここで、Ｖｍａｘ＝流管端のピーク速度である。式（２）は振動するカンチレバー状の流管に加わるピークのトルクが単に式（１）の回転するジャイロスコープに加わるトルクの１／３であることを示している。この値の差はジャイロスコープの軸の一様な回転に対して流管の屈曲によるものである。式（２）によるトルクは、流管を駆動平面（Ｘ−Ｙ平面）から外れるように曲げて物質の流量の測定を可能にするので重要である。
【００６６】
時間に応じて流管に加わるジャイロ力ＧＦについての式は単にピークのトルクと、振動数と時間の積のコサイン（余弦）との積である。
【数３】
2004514896.tif 000005
【００６７】
図１０及び１１は図９の振動するカンチレバー状の流管９０１の端面図である。図１０は物質の流れがなく、かくして物質の回転がない場合の振動する流管９０１の端面図である。端部９０８の実線の円は変位０の流管を表している。点線は正負の方向での最大の変位を表している。流管の振動は物質の流れがない場合駆動平面内において平面状のままである。図１１は物質の流れがある場合の振動する流管の端面図である。ジャイロ効果により流管９０１の振動が垂直平面から外れて楕円状の運動になる。上側及び下側の点線の円１１０１及び１１０２は正負の駆動方向における最大の変位を表している。左側及び右側の点線の円１１０３及び１１０４は正負のジャイロ方向における流管の最大の変位を表している。中心の実線の円は静止した流管の位置を表し、内側の矢印は物質のスピンの方向を示している。円１１０３−１１０４により形成される楕円の幅Ｗは流管９０１に加わるジャイロトルクに比例する。幅Ｗはまた流れる物質の質量と物質の回転速度との積に比例し（式１〜３参照）、かくして物質の質量流量に比例する。正味のジャイロトルクが駆動源が流管に与えるトルクに等しいときに楕円が円になる。駆動変位とジャイロ変位とが相互に垂直であること、一方が最大のときに他方が０であることがわかるであろう。２つの平面内の振動の和が図１１に示される楕円運動となる。
【００６８】
図９、図１０及び図１１のカンチレバー状の流管９０１は駆動源Ｄからの正弦波状の力によって振動する。正弦波状の力の振動数はエネルギー効率の理由から流管の第１の曲げモードの共振振動数に等しくなるように設定される。共振状態では大きい振動の振幅を維持するのにほとんど力が必要でない。曲げの際の流管の共振振動数は、流管の対称性により駆動方向及びジャイロ方向の両方で同じである。正弦波状のジャイロ力が駆動力と同様に流れる物質により共振（駆動）振動数で流管に加わる。これはジャイロ方向における流管の大きい振動の振幅となる。
【００６９】
〔図１２及び１３〕ジャイロ式流量計の１つの好ましい実施例は流管が両端で固定されている。図１２及び１３はカンチレバー状の流管と両端が固定された流管とのジャイロ力の分布の差を示すために用いられる。図１２において、流管１２０１は両端１２０２及び１２０３の両方で固定されている。流管１２０１はカンチレバー状の流管９０１と同様に物質の流れをスピンさせる螺旋状のバッフル（図示せず）を含む。流管１２０１は点線１２０４により駆動方向における最大の撓みとなるように示されている。図１３はそれぞれ図９〜１１のカンチレバー状の流管９０１と同様な１対のカンチレバー状の流管１３０８Ｌ及び１３０８Ｒを示している。カンチレバー状の流管１３０８Ｌ及び１３０８Ｒはまた点線１２０５Ｌ及び１２０５Ｒにより駆動方向における最大の撓みとなるように示されている。
【００７０】
図１２と図１３との撓んだ流管の形状を比較すると大きな差異がわかる。カンチレバー状の流管１３０５Ｌ及び１３９５Ｒの軸の傾斜は両方の流管の自由端（中心）に向かって連続的に増大する。しかしながら、連続的な流管１２０１の軸の傾斜は最初増大するが、流管の中心で０まで減少する。この変形モードの形状の差異は振動の際の駆動平面内における流管の回転量の差となる。連続的な流管は駆動平面内における振動では回転せず単に上下に並進移動する中心部分を有する。中心部分の回転がないことは中心部分において流れて回転する物質によりジャイロ力が生じないことを意味する。これに対し、カンチレバー状の流管は傾斜を有し、かくして自由端における最大の回転及びジャイロ力となる。
【００７１】
〔図１４〕図１４は螺旋状のバッフル（図示せず）を有し両端が固定されている流管に加わるジャイロ力の分布を示している。流管１４０１は駆動運動が紙面（Ｙ方向）内にあり、また外れるような向きになっている。駆動マグネットＤは流管の中心に示されている。流管は第１の曲げの共振振動数で駆動される。速度検出器１４０５はジャイロ方向における流管の速度を検出できる流管の中心の下側に示されている。実線の流管はジャイロ方向（Ｚ）における変位０の点を通過する状態を示してる。点線で示された流管はジャイロ方向（Ｚ）における最大変位の状態で示されている。駆動平面（図示されていない）内における流管１４０１の振動により流管の軸の左半片が左側端部１４０２の周りに回転することになり、流管の軸の右半片は右側端部１４０３の周りに回転する。流管の中心は回転せず、並進移動する。流管の駆動平面内の振動とスピンする物質の流れとの組み合わせによりジャイロ力が駆動平面と流管の軸との両方に対して９０度をなして流管に加わる。流管がジャイロ方向における変位０の点を通過する際のジャイロ力ＧＦ（矢印）の分布が流管１４０１に沿って示されている。ジャイロ力は流管の長さ方向の約２５％及び７５％の位置でピークになる。これらの位置では駆動モードの流管の軸の回転がないので、流管の端部及び中心において力が０になる。
【００７２】
力の分布が一様でないにもかかわらず、流管１４０１がジャイロ平面内における第１の曲げモードで（駆動モードのように）撓む。第１の曲げモードは全て同じ方向（全て正または全て負の方向）となる変形を有する唯一のモードであるために生ずる。さらにジャイロ力は物質により駆動振動数で流管に加えられる。駆動振動数はまたジャイロ方向における第１の曲げモードの共振振動数でもある。流管はジャイロ力により共振状態またはその近くで駆動されるので、第１の曲げモードにおけるジャイロ応答が大きい。
【００７３】
〔図１５〕図１５は本発明の１つの好ましい実施例を示している。これはバランスバー１５０２の端部において連結リング１５０３及び１５０４により流管１５０１に連結されたバランスバー１５０２を含む。図１５のバランスバー及び流管はそれらを駆動平面（紙面に垂直）内で相互の共振振動数で駆動する駆動源Ｄにより位相が反対になるように駆動される。バランスバー１５０２は駆動方向とジャイロ方向との両方で流管を釣り合わせそれによって流管が連結リング１５０３及び１５０４に接合された流管の動作点の端部における領域（節点）を固定するようにされている。バランスバー１５０２の第１の曲げモードの共振振動数は流管１５０１の第１の曲げモードの共振振動数に等しいか、あるいはわずかに低くなっている。バランスバー１５０２は付加された質量あるいは切り取り部分１５１４により共振振動数が低下した筒状部材とすることができる。切り取り部分の位置及びその作用は図１８に関連して後述する。図１５のバランスバーはまた駆動方向及びジャイロ方向において等しい共振振動数を有するように４方向の対称性（駆動平面及びジャイロ力の平面での両方向の）を有するようにできる。共振振動数を等しくするとジャイロ振動の振幅と、また流量計の流れに対する感度が最低になる。
【００７４】
物質の流れがあると、ジャイロ力が流管１５０１を同じ（駆動）振動数でジャイロ方向（紙面の平面内の）において振動するように励振される。駆動方向に対して９０度をなすジャイロ方向における流管１５０１の運動によりバランスバー１５０２を流管１５０１の動作部分の端部に取り付ける連結リング１５０３、１５０４を介してジャイロ方向にバランスバーが励振さる。バランスバーは共振振動数で、またはその近くの振動数で駆動されているので、流管とともに駆動方向に位相が外れるように振動し、流管のジャイロ運動を釣り合わせるまで振幅を増大させる。かくして、流管１５０１は駆動平面とジャイロ平面との両方で振動し、バランスバー１５０２により両方向に動的に釣り合わされる。
【００７５】
これに対して、単管型のコリオリ式流量計は駆動モードでだけ動的に釣り合わされる。多くの市販のコリオリ式流量計はコリオリ力を釣り合わせていない。コリオリ力は駆動振動数で駆動平面内で流管に加わるが、コリオリ力は駆動源のいずれかの側で反対の符号になる。コリオリ力の分布はバランスバーの第２の曲げモードを励振してコリオリ力を釣り合わせようとする。しかしながら、バランスバーの第２の曲げモードの共振振動数は駆動振動数のほぼ３倍である。かくして、バランスバーは第２の曲げモードで励振されず、コリオリ力は十分には釣り合わされない。米国特許第５９８７９９９号に開示されている感度を高めたバランスバーはこの問題を扱っており例外的なものである。米国特許第５９８７９９９号で扱われるバランスバーはその第２の曲げモードの共振振動数を駆動振動数に近くなるように低下させている。他の市販の流量計では、周波数の分離のために、バランスバーの第２の曲げモードは十分に励起されず、コリオリ力が釣り合わされない。コリオリ力が釣り合わされないことは、流量計が揺動し流量計が不正確になるので、コリオリ式流量計には問題となる。ジャイロ式流量計は、流管のジャイロ振動がバランスバーで釣り合わされるので、この問題が生じない。
【００７６】
ジャイロ式流量計の振動する流管においてコリオリ力が生ずる。しかしながら、このコリオリ力は、それ自体及びその結果による流管のコリオリ撓みが駆動平面内にあり中心に配置されたジャイロ速度検出器には感受されないので、ジャイロ式の測定には作用を与えない。さらに、振動／コリオリ平面内における釣り合わされていない振動はジャイロ平面内におけるジャイロ振幅の測定には作用を与えない。
【００７７】
図１５の流量計は流管及びバランスバーの縦方向中心における駆動マグネットＤ及び駆動コイル（図示せず）を有する。流管の駆動マグネットとは反対側に駆動振幅ピックオフ（速度検出器）１５０８が配置されている。駆動振幅ピックオフは駆動方向におけるバランスバー１５０２に対する流管１５０１の速度ないし振動の振幅に比例する出力を有する。これは振動する流管の駆動振幅を制御するために用いられる。
【００７８】
流管１５０１の中心に駆動源Ｄに対し９０度をなしてジャイロ振幅ピックオフ（速度検出器）１５１１が配置されている。この速度検出器はジャイロ方向におけるバランスバーに対する流管の振動の振幅の速度に比例する出力を有する。ジャイロ方向における流管の振動の振幅は駆動振幅と質量流量との両方に比例するので、ジャイロ速度検出器だけを質量流量の指示器として用いることはできない。駆動振動の振幅も知られなければならない。好ましい方法は駆動振動の振幅を正確に制御せず、その代りに駆動振動の振幅を正確に測定する。ジャイロ速度ピックオフ１５１１の振幅出力を駆動ピックオフ１５０８の正確に測定された振幅出力で除した比が質量流量の決定に用いられる。この方法は実質的に流管のたどる楕円経路のアスペクト比を測定するものである。楕円のアスペクト比は質量流量に比例し、楕円の大きさや駆動振幅にはよらない。
【００７９】
図１５の流量計１５００は流管１５０１と、両端が連結リング１５０３及び１５０４により流管１５０１に連結されているバランスバー１５０２とからなる。流管１５０１の非動作流管部分１５０１Ｌ及び１５０１Ｒはケース１５０５の端部１５０９を通って連結リング１５０３及び１５０４より突出している。筒体の末端はフランジ１５０６及び１５０７となっている。ケース連結リンク１５１２はバランスバー１５０２の端部をケースの内壁１５１９と連結する。
【００８０】
流量計電子回路１５２０は流量計１５００の動作を制御する。動作制御の際に、流量計電子回路１５２０は流管１５０１とバランスバー１５０２とを紙面に垂直な平面内において位相が反対になるように振動させる駆動源Ｄを動作させるように線路１５２１を介して信号を伝送する。駆動振動の振幅がピックオフ１５０８により測定されて駆動振動の信号が線路１５２２を介して流量計電子回路１５２０に移送される。振動する流管を通る物質の流れがあると、前述したようにジャイロ力が生ずる。この力により流管とバランスバーとが紙面の平面内において位相が反対になるように振動する。このジャイロ振動がピックオフ１５１１により検出され、それにより生じた信号が線路１５２３を介して流量計電子回路１５２０に伝送される。流量計電子回路は線路１５２２及び１５２３を介して受け取った情報を処理し、線路１５２６を介して物質の流れに関する情報を含む出力信号を生ずる。要素１５１０はフランジ１５０７及び１５０６のネック部をなしている。
【００８１】
ジャイロ式流量計１５００ハジャイロ方向における共振振動数とは異なる駆動方向における共振振動数を有する流管及びバランスバーの対を有するようにしてもよい。駆動方向とジャイロ方向とで異なる共振振動数を有する実施例は共振振動数が等しい実施例に対して利点を有し得る。例えば、等しくない共振振動数を有する流量計は流れる物質の密度による流量計の流れ感度の変化を補償するために用いられる。
【００８２】
密度による感度の変化はコリオリ流量計には一般的なことであり、また駆動方向及びジャイロ方向において等しい共振振動数を有するジャイロ式流量計の場合にも存在する。感度の変化は密度による駆動モードでの流管とバランスバーとの振幅比の変化よる。振幅比の変化は同じ結合した振動の振幅を維持するように物質の密度が増大するに従って流管の駆動振幅を減少させバランスバーの駆動振幅を増大させることによって流量計の釣り合いを維持するのに寄与する。この振幅比のシフトにより駆動平面内における流量計の釣り合いが運動量の保存によって維持される。より重くなった流管はより動きが少なく、変化のないバランスバーは密度が増大するとより動きが多くなる。密度による振幅比のシフトは良好な流量計の設計による形態に固有なことである。しかし、流管の振幅が減少すると同じ流量でより小さいジャイロ力が生ずることになる。ジャイロ力がより小さくなることは、密度の小さい物質より密度の大きい物質の場合にジャイロ方向における流管の振動の振幅が小さくなることを意味する。正味の結果として、ジャイロ式流量計は密度のより小さい流れる物質の場合より密度のより大きい流れる物質の場合により流れ感度が低くなることになる。この結果は米国特許第５９６９２６５号において詳細に説明されている。
【００８３】
密度による流量計の流れ感度の変化を補償するための１つの方法は駆動方向における共振振動数がジャイロ方向における共振振動数より高くなるように流量計を設計することである。より大きい密度の物質では駆動振動の振動数が低下する。ジャイロ方向における共振振動数が駆動振動数より十分に低ければ、駆動振動数の低下によりジャイロ力がよりジャイロ共振振動数に近い振動数で加わる。駆動振動数が振動する部材の共振振動数に近づくと振動の振幅が増大するので、駆動振動数の低下によりジャイロ方向における振動の振幅が上昇して物質の密度の増大によって生ずる振幅の減少を打ち消すようになる。
【００８４】
駆動方向及びジャイロ平面における共振振動数はジャイロ方向よりも駆動方向においてより剛性の大きい、あるいはより柔軟性のある動的構造とすることによって容易に分離される。例えば、図１５のバランスバーは、駆動モードの振動において小さい曲げ応力を有しジャイロモードの振動において大きい曲げ応力を有する位置にバランスバーのスロット１５１４を有している。この位置に孔があるとジャイロ共振振動数が低下して駆動共振振動数は実質的に不変のままである。
【００８５】
〔図１６〕図１６はほとんど全ての点に関して図１５の流量計１５００と同様な流量計１６００を示している。流量計１６００は１５００番代の番号を有する図１５の対応する要素に相当することを示すようにしてＱ６００番代の参照番号で示されている。流量計１６６は流量計１５００と同じようにしてジヤイロ力の発生に応答し、線路１６２２及び１６２３を介して、流量計１６００内の物質の流量を表すことになるジャイロ振動及び駆動振動の振幅を表す信号を伝送する。図１５と図１６との１つの差は、図１５の流量計がジャイロ共振振動数を駆動共振振動数より低くするためにバランスバーにおけるスロットを用いているのに対し、図１６の流量計は駆動振動を上昇させるために連結リング１６０４における突出部１６０６を用いていることである。両方の方法とも、駆動方向とジャイロ方向との共振振動数を分離しそれによって流量計の感度が物質の密度によらないようにするという、同じ作用を行う。連結リング１７は図１７において詳細に説明される。
【００８６】
図１５と図１６との他の差は、流量計１６００が流管１６０１に取り付けられたピックオフＬＰＯ及びＲＰＯをさらに有することである。これらのピックオフは物質の流れがある流管１６０１の振動により生ずるコリオリ力に応答する。コリオリ力はピックオフＬＰＯ及びＲＰＯによって検出され、コリオリ信号入力を用いて流量を決定する流量計電子回路１６２０に線路１６２４及び１６２５を介して伝送される。かくして、流量計電子回路１６２０によりコリオリ力及びジャイロ力という別個の２つの方法を用いて流量が決定される。独立した検出器入力及び方法で計算された２つの流量が、平均化あるいは誤差チェックにより精度を高めるように用いられる。例えば、極端な温度条件のような動作環境において２組の情報は一致しないことがあり、このような場合に一方の組の出力情報が他方の組の情報を除外するために用いられることもある。他の動作条件において、２組の出力情報が組み合わされ平均化され精度の向上した物質の流れの情報を線路１６２６に送出する。さらに、２つの流量測定の方法を用いると、１つの測定手段が失敗してもバックアップにより流量計の信頼性が高められる。
【００８７】
〔図１７〕図１７は、図１５及び１６の流量計１５００及び１６００の連結リング１５０３及び１５０４と１６０３及び１６０４として好適に用いられる連結リング１７００を示している。連結リング１７００は中心の開口１７０６と突出する側方の要素１６１６とを備え円形の外側の面１７０１を有する実質的に円形の部材である。連結リング１７００は流管が円形の開口１７０６を通り抜けるようにして流管１５０１及び１６０１上に嵌合する。内側の面１７０７はろう接等により流管の外側の面に取り付けられている。連結リング１７００の外側の面１７０１はろう接等によりバランスバー１５０２及び１６０２の内側の壁部１５１９及び１６１９に連結されている。連結リング１７００の主たる作用はバランスバー端部の振動を流管に結合する経路を与えることである。
【００８８】
連結リング１７００は図１６に示されるように突出する側方部分１６１６が流管の上端及び下端にあるようにして流管上に挿入される。突出する部分により駆動振動の共振振動数に関する限り流管振動するの長さが短くなるが、ジャイロ方向においては振動の長さと、また共振振動数は影響を受けていない。これによりジャイロ振動の共振振動数に対する駆動振動の共振振動数の間隔が変化する。振動数の間隔により流量計は密度による流れ感度の変化を補償できるようになる。ジャイロ振動数に対して駆動振動数を上昇させるのが望ましいときに、図１６に示されるように連結リングの突出部が流管の上端及び下端に取り付けられる。逆に、駆動振動数に対してジャイロ振動数を上昇させるのが望ましいときに、図１５に示されるように突出部分１７０３が流管の側方に取り付けられるように連結リング１７００が回転される。
【００８９】
〔図１８〕図１８は低下した共振振動数を有するバランスバー１８００を示している。バランスバーの縦方向中心にジャイロ方向と駆動方向との両方の孔がある。孔１８０５、１８０９及び１８１１だけが示されているが、孔１８０５及び１８０９の反対側の、図では見えない２つの孔があることが理解されよう。この４方向対称性により駆動方向とジャイロ方向との両方で等しく共振振動数が低下する。
【００９０】
孔１８０５が駆動方向の軸を有するものとすると、他の２対の孔１８１０，１８０６及び１８０８，１８０７はジャイロ方向の軸を有する。それらの孔はその位置により駆動振動モードの中立軸上にある。この結果駆動モードの共振振動には小さい作用が与えられることになる。しかしながら、この２対の孔はジャイロ振動モードにおけるピーク応力を有するバランスバーの側にある。それらの位置によりジャイロ振動モードにおける共振振動数が低下する。これらの孔を用いることによるジャイロ方向におけるバランスバーの振動数の低下により駆動方向の共振振動数がジャイロ方向の共振振動数から分離し、そのようにして流量計が密度による流れ感度の変化を補償する能力が高まる。
【００９１】
〔図１９〕図１９の流量計電子回路１９００は図１５の流量計電子回路１５２０の実施例をさらに詳細に示したものである。実施例１９００は線路１５２１を介して駆動信号を図１５の駆動源Ｄに与えて流管１５０１とバランスバー１５０２とを位相が反対になるように振動させる。この駆動信号は駆動振幅制御要素１９０１により生ずる。実施例１９００はまた線路１５２２及び１５２３を介してピックオフ信号を受け取る。線路１５２２で受け取られる信号は駆動ピックオフ１５０８から受け取られ、要素１９０２に供給される。要素１９０２は線路１５２２を介して受け取られた信号を線路１９０５を介して駆動振幅制御要素１９０１に伝送する。この信号により要素１９０１が図１５の駆動源Ｄに必要な信号を生ずることができるようになる。要素１９０２はまた要素１５２２の駆動ピックオフの出力信号を線路１９０４を介して要素１９０７に伝送する。
【００９２】
要素１９０３は線路１５２３を介して要素１５１１のジャイロピックオフの出力を受け取る。この信号はジャイロ平面内における流管１５０１のジャイロモードの撓みの振幅を表す。要素１９０３はこの信号を、線路１５２２の駆動ピックオフ信号に対する線路１５２３のジャイロピックオフ信号の比を決定する要素１９０７に線路１９０６を介して伝送する。要素１９０７は決定された比を、枠１９０９内に示される式を用いて流れる物質の質量流量を生ずる要素１９０９に線路１９０８を介して伝送し、ここで
【数４】
2004514896.tif 000006
は質量流量である。それから計算された質量流量は線路１５２６を介して図示されない利用回路に伝送される。
【００９３】
〔図２０〕図２０は図１５の流量計電子回路１５２０の第２の考えられる実施例を示している。図１９に示される流量計電子回路１５２０の実施例１９００がどのように駆動源の振動の振幅に対するジャイロ振動の振幅の比の決定を用いて質量流量を計算するかについては説明した。図２０の流量計電子回路１５２０の実施例２０００は実施例１９００の場合のように駆動振幅の決定を必要としないようにして質量流量の情報を生ずる。図２０の駆動ピックオフレジスター２００３は線路１５２２を介して駆動ピックオフ要素１５０８から信号を受け取り、受け取った信号を線路２００２を介して駆動振幅制御部２００１に伝送し、駆動信号制御部２００１はまた線路１５２１を介して正確に制御された振幅の信号を図１５の駆動源Ｄに移送する。駆動振幅制御部２００１は、要素２００１によって生ずる駆動信号の振幅が正確に制御されるという点で図１９の対応する要素１９０１とは異なっている。それゆえ要素２０００は質量流量を計算するために駆動モードの信号に対するジャイロモードの信号の振幅比を決定することを必要としない。駆動振幅制御部２００１の振幅は正確に制御されるので、それは予め知られており、流管１５０１のジャイロモードの振動の振幅を表す信号だけを用いて質量流量を計算するために要素２００７により内部的に用いられよう。この情報は図１５のジャイロピックオフ１５１１から受け取られ、線路１５２３を介してジャイロピックオフ要素２００４に伝送され、それからさらに線路２００６を介して要素２００７に伝送される。要素２００７はジャイロモードの振動の振幅を受け取り、それを直接質量流量の計算に用いる。それからこの質量流量の情報は線路１５２６を介して図示されない利用回路に伝送される。
【００９４】
〔図２１〕図２１は図１６の流量計電子回路１６２０の考えられる好ましい実施例を示している。図１６の流量計は流管１６０１のコリオリ撓みを表す信号を用い、またジャイロ平面内における流管１６０１の撓みを表す信号を用いることにより、物質の流れの情報を生ずる。コリオリ信号はピックオフＬＰＯ及びＲＰＯにより生じて、線路１６２４及び１６２５を介して流量計電子回路１６２０に、特に要素２１１４に伝送される。ジャイロモードの物質の流れの情報は図１６のピックオフ１６１１により生じて、線路１６２３を介して要素２１０６に移送される。実施例２１００はまた図１６の駆動源Ｄへの駆動信号を生ずる。この信号は駆動振動制御部２１０１により生じて、線路１６２１を介して駆動源Ｄに伝送される。線路１６２２は図１６の駆動源Ｄの振動の振幅を表す信号を浮けとる。この信号は線路１６２２を介して駆動ピックオフのレジスター２１０３に伝送され、レジスター２１０３はこの信号を線路２１０２及び２１０４を介して要素２１０１及び２１０８に伝送する。線路２１０１の信号は要素２１０１により生ずる駆動信号の振幅を制御する。線路２１０４の信号は駆動振幅の情報を要素２１０８に与える。流管１６０１のジャイロモードの振動の振幅を表す信号はジャイロピックオフの出力要素１６１１により線路１６２３に与えられる。線路１６２３の信号は要素２１０６に伝送され線路２１０７を介して要素２１０８に伝送される。要素２１０８は図１９の要素１９０７について説明したように作用して駆動モードの信号に対するジャイロモードの信号の振幅比を決定する。この決定された比は、要素１９０９と同じようにして質量流量の情報を生ずる要素２１１１に、線路２１０９を介して伝送される。それからジャイロによる質量流量の情報は線路２１１２を介して要素２１１３に伝送されるが、要素２１１３の作用については後述する。
【００９５】
コリオリモードの出力信号は線路１６２４及び１６２５を介して要素２１１４に受け取られる。それからこれらの信号は線路２１１６を介して、図１６のピックオフＬＰＯからのコリオリ信号とピックオフＲＰＯからのコリオリ信号との間の時間差Δｔを測定する要素２１１７に伝送される。この時間差の情報は線路２１１８を介して示された式を用いて質量流量を計算する要素２１１９に伝送され、ここで時間差Δｔの大きさは質量流量
【数５】
2004514896.tif 000007
に比例する。要素２１１９からの質量流量の情報は線路２１２１を介して要素２１１３に伝送される。
【００９６】
要素２１１３は物質の質量流量を表す２つの異なる情報源からの情報を受け取る。線路２１２１で受け取った情報は流管１６０１のコリオリモードの撓みを用いることによって決定された質量流量を表す。線路２１１２の信号は流管１６０１のジャイロモードの撓みの振幅を用いることによって決定された質量流量を表す。要素２１１３は２組の質量流量データを受け取り、それらを比較してそれらのデータが一致することを決定する。要素２１１３はまたこのデータが一致しない場合にエラーのチェックを行い、また補償の手法を用いてデータの修正を行うようにも作用する。
【００９７】
本発明のジャイロ式流量計は、単純な電子回路で正確に流量の測定が可能になるように十分に大きくできる２つの電圧（速度検出器の出力）間の比に流量が比例するという点で有利であることがわかる。電子回路はコリオリ流量計に必要とされたものより格段に安価でまた堅牢にできる。また、ジャイロ式流量計は物質の密度によらない流れ感度を有するように容易に設計される。
【００９８】
本発明は好ましい実施例の説明に限定されることはなく、本発明の精神及びその範囲内において他の変更や変形がなされることがわかるであろう。例えば、本発明は単管の直管型流離養鶏の部分を有するものとして説明したが、本発明はそのように限定されることはなく、単管の不規則な形状あるいは曲線形状の流量計にも、また複数の流管を有する流量計にも用いられることが理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【図１】
歳差運動のスピン軸を有するジャイロスコープのダイアグラムである。
【図２】
歳差運動のスピン軸を有するジャイロスコープのダイアグラムである。
【図３】
螺旋状バッフルを説明する図である。
【図４】
流管の内側の螺旋状バッフルを示す図である。
【図５】
捩り合わされた対をなす流管を示す図である。
【図６】
捩り合わされた流管及び剛性の棒を示す図である。
【図７】
直線状の棒の周りに捩り合わされた流管を示す図である。
【図８】
コイル形状を有する流管を示す図である。
【図９】
スピンする物質の流れを有する振動するカンチレバー状の流管を示す図である。
【図１０】
物質の流れがない場合の流管の運動を示す図９の流管の端面図である。
【図１１】
物質の流れを有する流管の運動を示す図９の流管の端面図である。
【図１２】
振動する流管の概念図である。
【図１３】
１対の振動するカンチレバー状流管を示す図である。
【図１４】
スピンする物質の流れを有する両端が固定された振動する流管を示す図である。
【図１５】
ジャイロ式流量計の１つの好ましい実施例の断面図である。
【図１６】
結合したジャイロ＝コリオリ式流量計の好ましい実施例の断面図である。
【図１７】
連結リングの詳細を示す図である。
【図１８】
バランスバーの詳細を示す図である。
【図１９】
流量計電子回路１５２０の第１の実施例を示す図である。
【図２０】
流量計電子回路１５２０の第２の実施例を示す図である。
【図２１】
流量計電子回路１６２０の第１の実施例を示す図である。
【図１５】
2004514896.tif 000008
【図１６】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【国際公開パンフレット】
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2004514896.tif 000014
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【手続補正書】
【提出日】平成15年3月13日(2003.3.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【書類名】明細書
【発明の名称】ジャイロ式質量流量計
【特許請求の範囲】
【請求項１】物質の入口（１５０６，１６０６）と、物質の出口（１５０７，１６０７）と、該入口と出口との間に連結された流管装置（１５０１，１６０１）とを有し、上記入口において物質を受け入れ上記流管装置を通じて物質の流れが上記出口に達するように流量計（１５００，１６００）であって、
上記流管装置をその縦方向の軸を含む駆動平面内において駆動振動数で振動させることにより上記流管装置を周期的に変形させる駆動源（Ｄ）と、
上記流管装置における物質の流れに上記振動する流管装置の縦方向の軸（３１０，４１０，５１０，６１０，７１０，８１０）の周りの回転を与える上記流管装置を含む装置と、
を含み、
上記流管装置がジャイロ平面内において上記流管装置の周期的なジャイロモードの変形を生ずるように上記駆動源による上記流管装置の周期的な変形と上記物質の流れの回転とに応答し、上記ジャイロモードの変形が上記物質の流れの大きさに関連した振幅を有するようにし、
上記物質の流れの大きさを示すジャイロ信号を生ずるように上記ジャイロモードの周期的変形に応答し、上記周期的なジャイロモードの変形の振幅を表す信号を生ずる第１のピックオフと上記駆動平面内における流管の周期的な変形の振幅を表す信号を生ずる第２のピックオフ（１５０８，１６０８）とを含むピックオフ装置（１５１１，１６１１）と、
上記上記駆動平面内における流管の周期的な変形の振幅に対する上記ジャイロ平面内における流管の周期的なジャイロモードの変形の振幅の比を決定するように上記第１及び第２のピックオフにより生ずる信号の受け取りに応答する流量計電子回路（１５２０，１６２０）を含む装置（１９０７，２１０８）と、
上記物質の流れに関する出力情報を生ずるように上記比の決定に応答する上記流量計電子回路を含む装置（１９０９，２１１１）と、
をさらに含むようにしたことを特徴とする流量計。
【請求項２】上記出力情報が上記物質の流れの質量流量を含むようにしたこと特徴とする請求項１に記載の流量計。
【請求項３】上記ジャイロ平面内における上記流管の周期的なジャイロモードの変形の振幅を表す信号を生ずる第１のピックオフ（１５１１，１６１１）をさらに含み、上記流量計電子回路が
上記駆動平面内における上記流管の周期的な変形の振幅を制御するための手段（２００１）と、
上記物質の流れの質量流量を決定するように上記ジャイロ平面内における上記流管の周期的なジャイロモードの変形の振幅を表す信号の発生に応答する装置（２００７）と、
からなることを特徴とする請求項１に記載の流量計。
【請求項４】上記駆動振動数が上記周期的なジャイロモードの変形の共振振動数に等しくなるようにして上記ジャイロ平面内における上記周期的なジャイロモードの変形の振幅を最大にするようにしたことを特徴とする請求項１に記載の流量計。
【請求項５】上記駆動振動数がジャイロモードの変形の共振振動数に等しくならないようにして上記ジャイロ平面内における上記周期的なジャイロモードの変形の振幅と物質の流れの密度との関係を変えるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の流量計。
【請求項６】上記流管装置が
１本の直線状の流管（４００）と、
上記物質の流れに対して上記流管の縦方向の軸（３１０）の周りのスピンを与えて上記ジャイロ平面内における周期的なジャイロモードの変形を生ずるようにする上記流管の内側の螺旋体（３００）と、からなるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の流量計。
【請求項７】上記流管装置が上記物質の流れに対して上記流管の縦方向の軸（８１０）の周りの回転を与える螺旋形状部を有する１本の流管（８００）からなるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の流量計。
【請求項８】上記流管装置が、共通の縦方向の軸の周りに捩り合わされて上記物質の流れに対して上記共通の縦方向の軸（５１０）の周りの回転を与える細長い形状を有するようにした複数の流管（５００）からなるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の流量計。
【請求項９】上記流管装置が１本のバー（６０４，７０４）と該バーに巻かれた流管（６０１，７０１）とからなっていて、上記物質の流れに対して上記流管と上記バーとの共通な縦方向の軸（６１０，７１０）の周りの回転を与えるコイル体を形成するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の流量計。
【請求項１０】上記細長いバー（７０４）が実質的に直線状であるようにしたことを特徴とする請求項９に記載の流量計。
【請求項１１】上記バー（７０２）と上記流管（７０１）とが上記共通の縦方向の軸の周りに捩り合わされるようにしたことを特徴とする請求項１１に記載の流量計。
【請求項１２】上記物質の流れにより上記振動する流管装置に上記駆動平面内におけるコリオリ力が生じ、該コリオリ力により上記駆動平面内における上記流管装置（１６０１）のコリオリ撓みが生じ、
上記コリオリ撓みを検出し上記物質の流れに関する情報を含むコリオリ信号を生ずる上記流管装置に取り付けられたピックオフ装置（ＬＰＯ，ＲＰＯ）をさらに含み、
上記流量計電子回路（１６２０）が上記物質の流れに関する出力情報を生ずるように上記コリオリ信号及びジャイロ信号の発生に応答する
ようにしたことを特徴とする請求項１に記載の流量計。
【請求項１３】上記流管装置と平行なバランスバー（１５０２，１６０２）と、
該バランスバーの端部上記流管装置に連結する連結リング手段（１５０３，１６０３）と、
をさらに含み、
上記駆動源が上記流管装置及びバランスバーを、上記駆動平面内において上記物質で満たされた流管装置とバランスバーとの共振振動数で位相が反対になるように周期的に変形させ、
上記ジャイロモードの変形により上記物質で満たされた流管装置及びバランスバーが上記ジャイロ平面内において周期的なジャイロモードの変形の共振振動数で振動する
ようにしたことを特徴とする請求項１に記載の流量計。
【請求項１４】上記ジャイロ平面が上記駆動平面及び上記流管の縦方向の軸に垂直であるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の流量計。
【請求項１５】上記バランスバー及び流管装置を収容するケース（１５０５，１６０５）と、
該ケースの端部に連結されたケース端部（１５０９，１６０９）と、
をさらに含み、
上記流管装置の端部（１５０１Ｌ，１６０１Ｌ，１５０１Ｒ，１６０１Ｒ）が上記ケースのケース端部を通って突出してフランジ（１５０６，１６０６，１５０７，１６０７）に連結され、
第１の上記フランジ（１５０６，１６０６）が物質源から上記物質の流れを受け入れ該物質の流れを上記流量計に移送し、
上記流管手段の出力端における第２の上記フランジ（１５０７，１６０７）が上記流管装置から上記物質の流れを受け入れ該物質の流れを所定位置に到達させる
ようにしたことを特徴とする請求項１３に記載の流量計。
【請求項１６】上記連結リング装置が
上記バランスバーの各端部を上記流管装置に連結する第１及び第２の連結リング（１５０３，１６０３，１５０４，１６０４）と、
上記駆動平面内における上記流管装置の変形及び上記バランスバーの変形と上記ジャイロ平面内における上記流管装置の周期的なジャイロモードの変形との共振振動数の間隔を変えるように上記流管装置の横方向側壁に取り付けられた上記連結リングにおける上記駆動平面内で横方向半径方向の突出部（１６１６）と、からなるようにしたことを特徴とする請求項１３に記載の流量計。
【請求項１７】上記駆動平面内における上記周期的な変形と上記ジャイロ平面内における上記流管装置及びバランスバーの上記周期的なジャイロモードの変形との共振振動数の間隔を変える上記バランスバーの壁部における開口（１８０５，１８０６，１８０７，１８０８，１８０９，１８１０，１８１１）を含むようにしたことを特徴とする請求項１３に記載の流量計。
【請求項１８】請求項１に記載の流量計を動作させる方法であって、
上記流管装置を上記駆動平面内で周期的に変形させることと、
上記物質の流れに上記物質の流れに応じた上記流管装置の縦方向の軸の周りの回転を与え該回転により上記ジャイロ平面内における上記流管装置の周期的なジャイロモードの変形が生ずるようにすることと、
上記ジャイロ平面内における上記周期的なジャイロモードの変形の振幅を生ずることと、
上記駆動平面内における上記流管装置の周期的な変形の振幅を決定することと、
上記駆動平面内における上記流管装置の周期的な変形の振幅に対する上記ジャイロ平面内における上記流管装置の周期的なジャイロモードの変形の振幅の比を決定することと、
上記物質の流れに関する出力情報を生ずるように上記比の決定及び上記信号の発生に応答して上記流量計電子回路を動作させることと、
の各ステップからなるようにしたことを特徴とする流量計を動作させる方法。
【請求項１９】上記駆動平面内における上記流管装置の周期的な変形の振幅を制御するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】上記駆動平面内における上記流管装置の周期的な変形の共振振動数がジャイロモードの変形の共振振動数に等しくなるようにして上記ジャイロ平面内における周期的なジャイロモードの変形の振幅を最大にするように上記流量計を動作させるステップを含むようにしたことを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】駆動駆動平面内における上記流管装置の周期的な変形の共振振動数がジャイロモードの変形の共振振動数に等しくならないよして上記ジャイロ平面内における上記周期的なジャイロモードの変形の振幅と上記物質の流れの密度との関係を変えるように上記流量計を動作させるステップを含むようにしたことを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項２２】上記流管装置が１本の直線状の管からなり、上記物質の流れに上記流管の縦方向の軸の周りの回転を与えるように上記流管の内側の螺旋体を挿入するステップを含むようにしたことを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項２３】上記流管手段が１本の流管からなり、上記方法が上記物質の流れに上記流管の縦方向の軸の周りの回転を与えるコイルばね形状をなすように形成された上記流管で上記流量計を動作させるステップをさらに含むようにしたことを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項２４】上記流管手段が複数本の流管からなり、上記方法が上記物質の流れに上記回転を与える細長い形状をなすように上記複数本の流管を共通な縦方向の軸の周りに捩り合わせるステップをさらに含むようにしたことを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項２５】上記流管装置が１本の流管からなり、上記方法が上記流管を細長いバーに巻き付けて上記物質の流れに上記流管とバランスバーとに共通な縦方向の軸の周りの回転を与えるコイルを形成するようにするステップをさらに含むようにしたことを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項２６】上記物質の流れにより上記振動する流管装置に上記駆動平面内におけるコリオリ力が生じ、該コリオリ力により上記駆動平面内における上記流管装置の周期的なコリオリ撓みが生じ、
上記コリオリ撓みを検出して上記物質の流れに関する出力信号を生ずる上記流管装置に取り付けられたピックオフを動作させることと、
上記物質の流れに関する出力情報を生ずる上記コリオリ信号及びジャイロ信号の発生に応答して上記流量計電子回路を動作させることと、
の各ステップをさらに含むようにしたことを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項２７】上記流量計が上記流管装置と平行なバランスバーと、該バランスバーの端部を上記流管装置に連結する連結リング手段とを含み、
上記流管装置及びバランスバーを上記物質で満たされた流管装置とバランスバーとの共振振動数で上記駆動平面内において位相が反対になるように振動させるように上記駆動源を動作させることと、
上記ジャイロ力により上記物質で満たされた流管装置及びバランスバーが上記ジャイロモードの振動での上記物質で満たされた流管装置とバランスバーとの共振振動数で上記ジャイロ平面内において振動するように上記流量計を動作させることと、
の各ステップをさらに含むようにしたことを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
本発明は、流量計に関するものであり、特に物質の流れに関する情報を決定するために振動する流管内の物質の流れに回転を与えて生じたジャイロ力を測定する流量計に関する。
【０００２】
【技術的問題点】
質量流量計は物質の体積流量ではなく質量流量を測定するものである。化学反応、レシピ、保管上の移送、他の多くの用途に関して質量測定が必要なことが多くあるので、質量流量計が望ましい。さらに、質量流量計の精度は物質の密度、温度あるいは粘度の変化により損なわれることがない。コリオリ効果による質量流量計は少なくとも２０年は市場に出回っている。質量流量計は密度と質量とを測定するその能力ゆえに非常に好まれている。しかしながら、コリオリ式流量計の高い経費のために市場での受容性が制限されていた。
【０００３】
従来の直管型の単管コリオリ式質量流量計において、流管は両端において平行なバランスバーに連結されている。流管はバランスバーに対して駆動平面内において位相が外れるように共振振動数で振動する。電磁駆動源により振動の所望の振幅が維持される。流管とバランスバーとが相互に釣り合わせあうように作用して動的バランス構造体を形成している。流管とバランスバーとの間の相対的速度を測定するために流管に沿った２つの位置に速度検出器が配置されている。速度検出器は通常流管の中間点から上流側及び下流側に等距離の位置に配置される。
【０００４】
流管の振動により流管の上流側及び下流側の半片に回転が与えられる。この回転は流管の振動方向とともに停止し方向を変える。流管の固体端が回転の軸点であり、流管の縦方向中心が最大振幅点になる。流管の回転する部分を通って進む物質によりコリオリ力が生じ、この力で流管が変形し速度検出器によって出力される信号の位相遅れが生ずる。速度検出器の出力信号の間の位相遅れは物質の質量流量に比例する。
【０００５】
従来技術の直管型の単管コリオリ式質量流量計は曲げに際して非常に剛性の大きい短い直線状の管を有している。剛性が大きいと高次モードの流管の振動では高い振動数となる。駆動される振動のモードは通常最も低い振動数の第１の曲げモードを有するモードである。このモードでは、流管とバランスバーとがともに駆動平面内で相互に位相が外れるように振動する。振動モードの形状は振動するギターの弦の形状と同じである。振動の最大の振幅は中心にあり、節点は両端にある。駆動源は流管とバランスバーとの振動を持続させ、流管及びバランスバーの中心に配置される。
【０００６】
直線状の流管の形状では、コリオリ力により流管が第２の曲げモードの形状で曲げられる。第２の曲げモードは伸ばしたＳ字状の形状であり、３つの節点を有する。２つの節点が流管の端部にあり、第３の節点が中心にある。流管が第２の曲げモードで振動すると、流管の２つの半片（中心の駆動源のいずれかの側にある）は相互に位相が外れて振動するように見える。第２の曲げモードは第１の曲げモードのほぼ３倍の共振振動数を有する。流管は非常に剛性が大きく流管を第２のモードの形状で曲げるのは困難であるので、高い共振振動数を有する。
【０００７】
コリオリ力は駆動振動数（第１の曲げモードの共振振動数）で流管に加わる。流管が水平であり垂直な駆動平面内において第１の曲げモードで振動するものとすると、流管のコリオリ変形もまた駆動平面内にあり第２の曲げモードの形状を有する。物質が左から右に向かって流れ流管の中心が変位０の点を通り下方に移動すれば、流管の左側半片に加わるコリオリ力は上向きであるが、流管の右側半片に加わるコリオリ力は下向きである。流管が上方に移動しながら変位０の地点を通過するときに、コリオリ力の向きが逆転する。コリオリ力は駆動振動数で（時間に対して）正弦波状に流管に加わる。流管の速度がピークになっているときに、コリオリ力がそのピークにあり、流管の速度がその向きを変えながら０になるときに、コリオリ力は０である。
【０００８】
コリオリ力により流管が第１のモード（駆動）の振動数で第２の曲げモードの形状で撓む。駆動振動数は第２の曲げモードの共振振動数よりずっと低いので、コリオリ力による流管の最大の撓みは非常に小さい。コリオリ撓みはコリオリ力が静的に加わることにより生ずる静的撓みと同程度の振幅である。かくして物質の流れによるコリオリ力が剛性の大きい流管を第２の曲げの共振振動数から大きく離れた振動数（第１の曲げ）で非常に剛性の大きいモードの形状（第２の曲げ）で撓ませなければならない。その結果流管のコリオリ撓みがきわめて小さくなり、２つの速度検出器により生ずる信号の位相差が非常に小さくなる。典型的な流量計での最大の物質の流れにより生ずる２つの信号の典型的な遅延時間（位相差を振動数で除したもの）は１０マイクロ秒である。流量計が最大の流量の１０％において０．１５％以下の誤差とならなければならない場合、遅延時間の測定精度は１．５ナノ秒（１．５×１０−９秒）よりよくしなければならない。このように短い時間間隔を正確に測定するのにはきわめて精巧で高価な電子回路装置が必要とされる。
米国特許第５５５７９７３号は流体が流れる管路に設置された流量計を開示している。この質量流量計は管路への装着のためのフランジ、１本の測定用管、外部の指示管、内部の支持要素を含む。測定用管は端部でフランジに取り付けられ、円形の一定ピッチの螺旋体の形状を有している。外部の支持管は測定用管あるいはフランジに取り付けられた外部のの支持管端部を含む。内部の支持要素はフランジに近接した測定用管に取り付けられた内部の支持要素端部を含む。質量流量検出器は、さらに測定用管の振動する部分に沿って一様に分布し、測定用管ま振動する部分と内側の支持要素とを相互に連結し、震度する部分の中心線ができるだけ実質的にモードの静止位置円筒展開面上にする測定用管の振動する部分のモードだけを可能にする連結要素を含む。質量流量計はまた測定用管の振動する部分を中心線に垂直な共振振動をするように励振させるための機構を含む。
フランス特許第１１３９０４８号は受け取った物質の流れに回転を与えるための剛性螺旋流管を有する概念的なジャイロ式流量計を開示している。物質の流れを有する流管に力を加えるとジャイロ力が生じ、その大きさが物質の流れに関連している。この特許では詳細は示されていず、単にジャイロ力を用いていかに物質の流れの情報を生ずるように流量計が動作するかについて推測しているだけである。
【０００９】
【解決手段】本発明は、物質の流量の測定においてコリオリ力でなく、ジャイロ力を用いることによって従来のコリオリ式質量流量計の問題を解消する。本発明により考えられる１つの実施例によれば、流管が、物質が流管を通って流れる際に物質を流管の縦方向の軸を中心としてスピンさせる、内部の螺旋状バッフルを有することを除いて前述したコリオリ流量計と同様に見える単管の直管型ジャイロ式流量計が与えられる。スピンする物質により流管がジャイロスコープとして作用するようになる。ジャイロ式流量計は速度検出器が流管の縦方向中心にあって、コリオリ式流量計のように中心から上流側及び下流側にあるのとは異なる。
【００１０】
スピンする物質のジャイロ力が流量を測定するのにどのように用いられるかを理解するために、最初に２つの例でジャイロ力及びそのふるまいの特性について調べる。第１の例は、ジャイロスコープの軸心が拘束されていない時にジャイロスコープに加わるトルクにより生ずる運動（歳差運動）を示すものである。第２の例は、第１の例のジャイロスコープ運動（歳差運動）が拘束により妨げられるときにジャイロスコープの軸心がその装着部に加えるトルクを計算できるようにするものである。本発明の流管を変形させて質量流量を測定できるようにするのはこの合成的なトルクである。
【００１１】
ジャイロスコープは軸（スピン軸と呼ばれる）を中心として回転して角運動量を与える質量を有する装置である。典型的なジャイロスコープは細い軸心に装着された円形板状の質量を有する。回転する円板の角運動量の保存によりジャイロスコープに独特な特性が与えられる。本発明を理解する上では、ジャイロスコープがどのように作用するかを理解することが必要とされるだけであり、なぜジャイロスコープがそのようにふるまうかを理解することは必要でない。それゆえ、以下では本発明のジャイロ式流量計に関してのジャイロスコープのふるまいについての説明に限定する。
【００１２】
垂直方向に対して３０度をなす軸心上にスピンするフライホィールを有する典型的な玩具のジャイロスコープを考えよう。例１として、考えられる第１の載置条件において、ジャイロスコープの軸心の上端が全ての方向に自由に動けるが、軸心の下端は並進移動できず全ての方向に自由に回転ないし枢動できるように１点で固定されている。フライホィールがスピンしていないとすれば、軸心底部の地点からの質量中心の水平方向の偏倚と重量との積としての転倒傾向のトルクのためにフライホィールはただちに倒れようとするであろう。しかし、フライホィールの回転により転倒傾向のトルクに抗するジャイロスコープの角運動量がフライホィールに与えられる。転倒傾向のトルクで倒れるのではなく軸心の上端が垂直な軸を中心とする円を描くようになる。歳差運動と呼ばれるその円運動の速度は、ジャイロスコープの軸心の上端が低速で旋回し下降するに従って増大する。要するに、転覆傾向のトルクにより垂直方向の軸を中心とする周方向への軸心上端の角加速度が生ずる。この歳差運動の速度の増大は玩具ジャイロスコープが回転を低下する際に知られている揺れの増大である。
【００１３】
第２の載置状態において、例２として、スピンするジャイロスコープの軸心が最初に座標系のＹ軸（垂直方向）にあり、軸心の下端がやはり全ての方向に回転できて並進移動はできないように並進移動が拘束されている。軸心の上端はＺ方向に動けないようにその運動がＸ−Ｙ平面内に限られている。この軸心上端の拘束は軸心の上端が自由に動けるＸ軸に合わせたスロットとみることができる。軸心の上端にＸ方向に（スロットに沿って）力を加えるとスロットにおける軸心上端の移動と軸心下端を中心とした（回転の軸を中心とするのではなく）Ｘ−Ｙ平面内での軸心の回転とが生ずる。Ｘ−Ｙ平面内でのこの軸心の回転によりスロットが妨げなければ軸心の歳差運動が生ずるであろう。歳差運動の代りに軸心上端はスロットの側部にＺの負方向にジャイロ力ＧＦを加える。このジャイロ力はジャイロスコープの角運動量と軸心がＸ−Ｙ平面内で回転する角速度との関数であるので、計算することができる。本発明では、Ｘ−Ｙ平面内での軸心の角速度により軸心にＸ−Ｙ平面に対し直角でまたジャイロスコープの軸に対して直角な力ＧＦが生ずることに注意するのが重要である。
【００１４】
本発明の流管における物質の回転により流管が１対のジャイロスコープのようにふるまう。一方の流量計ジャイロスコープが流管入口から流管中間点まで延び、他方の流量計ジャイロスコープが流管中間点から流管出口まで延びる。ジャイロスコープのスピン軸は流管の軸に相当し、フライホィールは流管の各半片におけるスピンする物質に相当する。駆動源により流管に加わる力は例２のスロットにおける軸心の上端に加わる力に相当する。駆動平面内での流管の振動により流管の中心線、すなわちスピン軸が駆動平面内でスロットの方向に相当する各方向に交互に回転するようになる。流管の固定端は２つの流量計ジャイロスコープのスピン軸の枢動点である。流管の中間点はそれぞれの自由端（あるいはスロット端）であると考えられる。しかしながら例２におけるジャイロスコープの軸心端部を拘束するスロットは流量計にはない。また例１のように自由な流量計ジャイロスコープの端部（流管の中心）もない。その代りに流管の剛性が駆動平面から外れる流管中心の動きに抗するが、これを防止することはない。流量計ジャイロスコープのふるまいは例１と例２との中間のものに該当する。ジャイロ力ＧＦによりそれに比例した駆動平面から外れる流管中心の撓みが生ずる。ジャイロ力ＧＦはまた質量流量に比例する。かくして駆動平面から外れる流管の撓みが流れる物質の質量流量を決定するために用いられる。
【００１５】
ジャイロ力ＧＦ及び力ＧＦに応じた流管の撓みの方向は駆動方向と流管の軸との両方に垂直である。ジャイロ方向における撓みは駆動振動の方向反転とともに符号反転する。ジャイロ方向における流管の最大の撓みは、駆動方向における流管の撓みが０点を通過し駆動方向における速度が最大になるときに生ずる。駆動平面から外れる流管の撓みは角運動量を保存するような符号のものである。端側から見たときの流管内の物質の回転が時計方向であれば、駆動振動とジャイロ振動とを合せたものにより両方の流管半片に時計方向の楕円運動が与えられる。流管内の質量の回転速度（流量に比例する）によりジャイロ方向における流管の撓みの大きさが決定される。生成された楕円がどの程度に幅が狭い（流量が小さい）か幅が広い（流量が大きい）かが流量により決定される。駆動力とジャイロ力とが等しければ、流管は端側から見て円形の経路となる。
【００１６】
ジャイロ力ＧＦ及びジャイロ方向の流管の撓みはスピンする物質の流れの角運動量に比例する。角運動量はスピン軸の周りの質量の速度と質量との積に比例する。質量と速度との積によりジャイロ力と、またジャイロ撓みとが決定されるので、この撓みは体積流量でなく質量流量に比例する。物質の密度が小さければ、与えられた質量流量に関して物質の速度が大きくなるはずである。逆に同じ質量流量で大きい密度の物質では物質の速度が小さくなるはずである。質量流量が与えられた場合に密度と速度との積は密度には依存しない。かくして、物質の密度は質量流量の正確な測定に関係しない。
【００１７】
ジャイロ力ＧＦはコリオリ力とは大きく３つの点で異なる。第１に、上述したようにジャイロ力は駆動平面に垂直であるが、コリオリ力は駆動平面内にある。第２に、ジャイロ力は流管の全長にわたって同じ方向である（これは後述する）が、コリオリ力は流管の中心で符号を変える。流管に沿ってジャイロ力の符号が一様であることは、ジャイロ式流量計の場合流管の変形は第１の曲げモードの形状であるが、コリオリ式流量計の場合には変形が第２の曲げモードであることを意味する。流管は第２の曲げモードより第１の曲げモードの方がずっと曲げ易く、かくして与えられた力でジャイロ式流量計において流管がより大きく撓む。第３に、ジャイロ撓みはそのモード形状（第１の曲げモード）での共振振動数で、あるいはその近くで駆動されるが、コリオリ撓みはそのモード形状（第２の曲げモード）の共振振動数から大きく離れた振動数で駆動される。それゆえ、ジャイロ撓みは共振振動数近くで駆動されるために大きく増幅されるが、コリオリ撓みはほとんど増幅されない。これらの３つの差異によりジャイロ撓みがコリオリ撓みより大きくなり、より少ない経費での信号処理が用いられるようになる。
【００１８】
ジャイロ力の大きさは質量流量、螺旋状バッフルにより形成される回転数、駆動平面内の振動の振幅に比例する。流量計での最大の流量は、最大の流量でのジャイロ力が駆動源が流管に与える力にほぼ等しくなるように設定することができる。かくして、流管は最大の流量において駆動力及びジャイロ力により円形状に駆動される。より小さい流量ではジャイロ力の方が小さくなり、円が扁平になる。流量を決定するために、１つの速度検出器がジャイロ方向の速度を検出し、他の速度検出器が駆動方向の速度を検出する。ピーク速度の比（ジャイロ速度のピーク／駆動速度のピーク）は流れの最大流量の分数となろう。この速度比の方法は容易になされるものであり、ナノ秒の時間を測定する困難や経費が避けられる。
【００１９】
本発明の他の考えられる実施例によれば、流管の内側の螺旋が用いられない。その代りに流管が剛性のある棒の周りに螺旋体の形状に巻かれて螺旋体と棒とが共通の縦方向の軸を有するようにする。これにより物質の流れに縦方向の軸の周りに回転が与えられる。駆動源により流管と棒との両方が駆動平面内で振動して垂直な平面内でジャイロ撓みが生ずる。あるいは、１対の流管が一体的に捩られて共通の螺旋の（縦方向の）軸を有する１対の螺旋部材を形成するようにする。これにより両方の流管に共通の軸の周りの物質の流れに対するスピンが与えられる。それからこの捩られた流管の対が駆動源により振動して物質の流れにより前述のようにジャイロ力が生ずるであろう。あるいは、１本の流管が螺旋体を形成するように巻かれて物質の流れに対し流管の螺旋軸の周りの回転を生ずるようにする。それから流管が駆動源で振動して物質の流れのスピンによりジャイロ撓みを生ずるようにする。
【００２０】
さらに他の考えられる実施例によれば、流管のコリオリ撓みを検出するために流管の中心の上流側及び下流側に速度検出器が配置される。これらの検出器の出力がジャイロ検出器の信号とともに用いられて物質の流れの出力情報を決定するためのジャイロ信号とコリオリ信号との両方を生ずる流量計を与える。
【００２１】
本発明の１つの面は、物質の入口と、物質の出口と、該入口と出口との間に連結された流管装置とを有し、上記入口において物質を受け入れ上記流管装置を通じて物質の流れが上記出口に達するように流量計であって、
上記流管装置をその縦方向の軸を含む駆動平面内において駆動振動数で振動させることにより上記流管装置を周期的に変形させる駆動源と、
上記流管装置における物質の流れに上記振動する流管装置の縦方向の軸の周りの回転を与える上記流管装置を含む装置と、
を含み、
上記流管装置がジャイロ平面内において上記流管装置の周期的なジャイロモードの変形を生ずるように上記駆動源による上記流管装置の周期的な変形と上記物質の流れの回転とに応答し、上記ジャイロモードの変形が上記物質の流れの大きさに関連した振幅を有するようにし、
上記物質の流れの大きさを示すジャイロ信号を生ずるように上記ジャイロモードの周期的変形に応答し、上記周期的なジャイロモードの変形の振幅を表す信号を生ずる第１のピックオフと上記駆動平面内における流管の周期的な変形の振幅を表す信号を生ずる第２のピックオフとを含むピックオフ装置と、
上記上記駆動平面内における流管の周期的な変形の振幅に対する上記ジャイロ平面内における流管の周期的なジャイロモードの変形の振幅の比を決定するように上記第１及び第２のピックオフにより生ずる信号の受け取りに応答する流量計電子回路を含む装置と、
上記物質の流れに関する出力情報を生ずるように上記比の決定に応答する上記流量計電子回路を含む装置と、
をさらに含むようにしたことである。
【００２２】
上記出力情報が上記物質の流れの質量流量を含むようにするのが好ましい。
【００２３】
上記ジャイロ平面内における上記流管の周期的なジャイロモードの変形の振幅信号を生ずる第１のピックオフをさらに含み、上記流量計電子回路が
上記駆動平面内における上記流管の周期的な変形の振幅を制御するための手段と、
上記物質の流れの質量流量を決定するように上記ジャイロ平面内における上記流管の周期的なジャイロモードの変形の振幅を表す信号の発生に応答する装置と、
からなるよにするのが好ましい。
【００２４】
上記駆動振動数が上記周期的なジャイロモードの変形の共振振動数に等しくなるようにして上記ジャイロ平面内における上記周期的なジャイロモードの変形の振幅を最大にするようにする。
【００２５】
上記駆動振動数はジャイロモードの変形の共振振動数に等しくならなる必要はなく、上記ジャイロ平面内における上記周期的なジャイロモードの変形の振幅と物質の流れの密度との関係を変えるようにする。
【００２６】
上記流管装置は
１本の直線状の流管と、
上記物質の流れに対して上記流管の縦方向の軸の周りのスピンを与えて上記ジャイロ平面内における周期的なジャイロモードの変形を生ずるようにする上記流管の内側の螺旋体とからなるようにしてもよい。
【００２７】
上記流管装置は上記物質の流れに対して上記流管の縦方向の軸の周りの回転を与える螺旋形状部を有する１本の流管からなるようにしてもよい。
【００２８】
上記流管装置は、共通の縦方向の軸の周りに捩り合わされて上記物質の流れに対して上記共通の縦方向の軸の周りの回転を与える細長い形状を有するようにした複数の流管からなるようにしてもよい。
【００２９】
上記流管装置は１本のバーと該バーに巻かれた流管とからなっていて、上記物質の流れに対して上記流管と上記バーとの共通な縦方向の軸の周りの回転を与えるコイル体を形成するようにしてもよい。
【００３０】
上記細いバーは実質的に直線状であるようにしてもよい。
【００３１】
上記バーと上記流管とが上記共通の縦方向の軸の周りに捩り合わされるようにしてもよい。
【００３２】
上記物質の流れにより上記振動する流管装置に上記駆動平面内におけるコリオリ力が生じ、該コリオリ力により上記駆動平面内における上記流管装置のコリオリ撓みが生じ、
上記コリオリ撓みを検出し上記物質の流れに関する情報を含むコリオリ信号を生ずる上記流管装置に取り付けられたピックオフ装置をさらに含み、
上記流量計電子回路が上記物質の流れに関する出力情報を生ずるように上記コリオリ信号及びジャイロ信号の発生に応答する
ようにしてもよい。
【００３３】
上記流管装置と平行なバランスバーと、
該バランスバーの端部上記流管装置に連結する連結リング手段と、
をさらに含み、
上記駆動源が上記流管装置及びバランスバーを、上記駆動平面内において上記物質で満たされた流管装置とバランスバーとの共振振動数で位相が反対になるように周期的に変形させ、
上記ジャイロモードの変形により上記物質で満たされた流管装置及びバランスバーが上記ジャイロ平面内において周期的なジャイロモードの変形の共振振動数で振動する
ようにするのが好ましい。
【００３４】
上記ジャイロ平面が上記駆動平面及び上記流管の縦方向の軸に垂直であるようにする。
【００３５】
上記流量計は
上記バランスバー及び流管装置を収容するケースと、
該ケースの端部に連結されたケース端部と、
をさらに含み、
上記流管装置の端部が上記ケースのケース端部を通って突出してフランジに連結され、
第１の上記フランジが物質源から上記物質の流れを受け入れ該物質の流れを上記流量計に移送し、
上記流管手段の出力端における第２の上記フランジが上記流管装置から上記物質の流れを受け入れ該物質の流れを所定位置に到達させる
ようにしてもよい。
【００３６】
上記連結リング装置は
上記バランスバーの各端部を上記流管装置に連結する第１及び第２の連結リングと、
上記駆動平面内における上記流管装置の変形及び上記バランスバーの変形と上記ジャイロ平面内における上記流管装置の周期的なジャイロモードの変形との共振振動数の間隔を変えるように上記流管装置の横方向側壁に取り付けられた上記連結リングにおける上記駆動平面内で横方向半径方向の突出部と、
からなるようにしてもよい。
【００３７】
助企バランスバーは上記駆動平面における上記周期的な変形と上記ジャイロ平面内における上記流管装置及びバランスバーの上記周期的なジャイロモードの変形との共振振動数の間隔を変える上記バランスバーの壁部における開口を含むようにしてもよい。
【００３８】
他の面は、流量計を動作させる方法であって、
上記流管装置を上記駆動平面内で周期的に変形させることと、
上記物質の流れに上記物質の流れに応じた上記流管装置の縦方向の軸の周りの回転を与え該回転により上記ジャイロ平面内における上記流管装置の周期的なジャイロモードの変形が生ずるようにすることと、
上記ジャイロ平面内における上記周期的なジャイロモードの変形の振幅を生ずることと、
上記駆動平面内における上記流管装置の周期的な変形の振幅を決定することと、
上記駆動平面内における上記流管装置の周期的な変形の振幅に対する上記ジャイロ平面内における上記流管装置の周期的なジャイロモードの変形の振幅の比を決定することと、
上記物質の流れに関する出力情報を生ずるように上記比の決定及び上記信号の発生に応答して上記流量計電子回路を動作させることと、
の各ステップからなるようにしたことである。
【００３９】
上記駆動平面内における上記流管装置の周期的な変形の振幅を制御するのが好ましい。
【００４０】
上記駆動平面内における上記流管装置の周期的な変形の共振振動数がジャイロモードの変形の共振振動数に等しくなるようにして上記ジャイロ平面内における周期的なジャイロモードの変形の振幅を最大にするように上記流量計を動作させる。
【００４１】
上記流管は、駆動平面内における上記流管装置の周期的な変形の共振振動数がジャイロモードの変形の共振振動数に等しくならないよして上記ジャイロ平面内における上記周期的なジャイロモードの変形の振幅と上記物質の流れの密度との関係を変えるように動作させるようにしてもよい。
【００４２】
上記流管装置が１本の直線状の管からなり、上記物質の流れに上記流管の縦方向の軸の周りの回転を与えるように上記流管の内側の螺旋体を挿入するようにしてもよい。
【００４３】
上記流管手段が１本の流管からなり、上記方法が上記物質の流れに上記流管の縦方向の軸の周りの回転を与えるコイルばね形状をなすように形成された上記流管で上記流量計を動作させるようにしてもよい。
【００４４】
上記流管手段が複数本の流管からなり、上記方法が上記物質の流れに上記回転を与える細長い形状をなすように上記複数本の流管を共通な縦方向の軸の周りに捩り合わせるステップをさらに含むようにしてもよい。
【００４５】
上記流管装置が１本の流管からなり、上記方法が上記流管を細長いバーに巻き付けて上記物質の流れに上記流管とバランスバーとに共通な縦方向の軸の周りの回転を与えるコイルを形成するようにしてもよい。
【００４６】
上記物質の流れにより上記振動する流管装置に上記駆動平面内におけるコリオリ力が生じ、該コリオリ力により上記駆動平面内における上記流管装置の周期的なコリオリ撓みが生じ、
上記コリオリ撓みを検出して上記物質の流れに関する出力信号を生ずる上記流管装置に取り付けられたピックオフを動作させることと、
上記物質の流れに関する出力情報を生ずる上記コリオリ信号及びジャイロ信号の発生に応答して上記流量計電子回路を動作させることと、
の各ステップをさらに含むようにしてもよい。
【００４７】
上記流量計が上記流管装置と平行なバランスバーと、該バランスバーの端部を上記流管装置に連結する連結リング手段とを含み、
上記流管装置及びバランスバーを上記物質で満たされた流管装置とバランスバーとの共振振動数で上記駆動平面内において位相が反対になるように振動させるように上記駆動源を動作させることと、
上記ジャイロ力により上記物質で満たされた流管装置及びバランスバーが上記ジャイロモードの振動での上記物質で満たされた流管装置とバランスバーとの共振振動数で上記ジャイロ平面内において振動するように上記流量計を動作させることと、
の各ステップをさらに含むようにしてもよい。
【００４８】
さらに他の面は、上記流管手段が１本の流管からなり、上記方法が上記流管を細長いバーに巻き付けて上記物質の流れに上記流管とバランスバーとに共通な縦方向の軸の周りのスピンを与えるコイルを形成するようにするステップをさらに含むようにしたことである。
【００４９】
さらに他の面は、上記物質の流れにより上記振動する流管手段に上記駆動平面内におけるコリオリ力が生じ、該コリオリ力により上記駆動平面内における上記流管手段の周期的なコリオリ撓みが生じ、上記方法が
上記コリオリ撓みを検出して上記物質の流れに関する出力信号を生ずる上記流管手段に取り付けられたピックオフを動作させることと、
上記物質の流れに関する出力情報を生ずるように上記コリオリ信号及びジャイロ信号の発生に応答して上記流量計電子回路を動作させることと、
の各ステップをさらに含むようにしたことである。
【００５０】
さらに他の面は、上記流量計が上記流管手段と平行なバランスバーと、該バランスバーの端部を上記流管手段に連結する連結リング手段とを含み、上記方法が
上記流管手段及びバランスバーを上記物質で満たされた流管手段とバランスバーとの共振振動数で上記駆動平面内において位相が反対になるように振動させるように上記駆動源を動作させることと、
上記ジャイロ力により上記物質で満たされた流管手段及びバランスバーが上記ジャイロモードの振動での上記物質で満たされた流管手段とバランスバーとの共振振動数で上記ジャイロ平面内において振動するように上記流量計を動作させることと、
の各ステップをさらに含むようにしたことである。
【００５１】
本発明の上述した、また他の特徴は、添付の図面を参照して以下の詳細な説明からよりよく理解されよう。
【００５２】
【実施例の詳細な説明】
〔図１及び２〕本発明により流量が測定される手段をよりよく理解するために、ジャイロ力と、それが流管を振動させるのにどのように加わるかを理解する必要がある。図１はフライホィール１０１及び長さＬの軸心１０２を有するジャイロスコープ１００を示している。フライホィール及び軸心は軸心１０２の中心線と一致するスピン軸１０３を中心としてスピン角速度ωでスピンしている。軸心１０２は座標系１０４のＹ軸１０５（垂直方向）に対してある角度の向きに長さＬを有する。フライホィール１０１はジャイロスコープの質量がフライホィール１０１と軸心１０２との拡張した質量と同じ慣性モーメントを与えるように集中したとする場合の半径である回転半径ｒを有する。ジャイロスコープの下端は、全ての方向に回転できるがいずれの方向にも並進移動できないように点Ｐにおいて固定されている。図１のジャイロスコープはジャイロスコープを転倒させようとするトルクを与える重力（図示せず）が作用している。転倒傾向のトルクによりジュイロスコープの軸が経路１０８で示されるようにＹ軸を旋回するようになる。このＹ軸に対する旋回は歳差運動として知られている。
【００５３】
図２のジャイロスコープ２００は垂直な軸心を有するように示されている。軸心１０２の上端はブロック２１０のスロット２０９を通り抜けている。このブロックは動けないように空間的に固定されている。スロットはＸ方向に延びていて、軸心１０２の上端をＸ方向だけに動けるように拘束する。軸心の下端は図１の軸心と同様に回転できるが並進移動できないように固定されている。
【００５４】
図２の軸心１０２の上端はＸ方向に力（図示せず）が加わって速度Ｖを与える。軸心の下端はＰで固定されているので、結果としてＸ−Ｙ平面における軸心の角速度がＶ／Ｌとなる。ジャイロスコープの軸の角速度により、スロット２０９が歳差運動を妨げることを除いて、軸心が図１のように歳差運動しようとするであろう。その代りに軸心１０２はＺの負の方向にスロットの側方にジャイロ力ＧＦを加える。ここでもジャイロ力ＧＦがスピン軸１０３と軸心１０２の上端の速度方向とに垂直であることがわかるであろう。
【００５５】
トルクＧＬについての式は、ケント著「力学技術者ハンドブック」（第１２版、第７〜１８頁）を含む、機構の力学のいずれの適当な教科書にも示されている。トルクは式（１）で与えられる。
【数１】
2004514896.tif 000062
ここで、ＧＬ＝軸心のトルク
ｍ＝フライホィールの質量
ｒ＝回転半径
Ｎ＝フライホィールの毎分回転数
Ｖ＝軸心上端の速度
Ｌ＝軸心の長さである。
【００５６】
上述したジャイロ力の式及びジャイロスコープのふるまいの例は、回転する物質を内包する振動する流管に加わる際のジャイロ力についてより理解し易くするために示したものである。しかしながら、ジャイロスコープと本発明の流量計とには大きな差があり、それがどのように生ずるかについて説明する。
【００５７】
〔図３〕流管内の物質の流れがジャイロ特性を示すにはスピンが生じなければならない。図３は、物質が流れる際にこれにスピンを生ずるように流管内に挿入される装置３００の考えられる好ましい例を示している。装置３００は流管の内側に捩られて挿入されろう接された金属のリボン３０１である。リボン３０１により物質の流れが流管を通過する際に縦方向の軸３１０の周りにある回数の回転を行うようになる。物質の流量が増大すると、物質の流れの速度と物質のスピン速度とが増大してジャイロ特性が増強される。
【００５８】
〔図４〕図４は流管４０１内にろう接された後の図３のリボン３０１を示している。この形態はまた流管と螺旋体とを結合したものを形成するように適当な材料を直接所望の形状押し出し成形することによっても得られよう。押し出し成形工程はプラスチックのジャイロ型流量計として理想的なものである。駆動源Ｄにより流管４０１が駆動平面内で振動し、螺旋状のリボン４０５により物質の流れが流管を全長にわたって通過する際に縦方向の軸４１０の周りのある回数の回転を行うようになる。
【００５９】
〔図５〜８〕図５は物質の流れが流管の全長にわたって通過する際に縦方向の軸５１０の周りにある回数の回転を行うようにする他の流管装置５００を示している。装置５００はより小さい径の複数本の流管５０１及び５０２を捩り合わせろう接して複合的な流管５００とすることによって形成される。流管５００は単純で経費の少ない加工となる利点はあるが、物質が流量計を通過する際に圧力低下が大きくなる欠点を有する。この大きい圧力低下は複数本の流管とするのにより小さい流管の径が必要となるためである。駆動源Ｄにより装置５００が駆動平面内で振動する。
【００６０】
図６は物質の流れが流量計を通過する際に縦方向の軸６１０の周りにある回数の回転を行うようにする他の流管装置６００を示している。装置６００は捩り合わされた中空の流管６０１と中実の細長い棒６０２とからなる。装置６００はその流管６０１に十分な剛性を与える棒６０２に巻き合わされていて所望の物質の流れの容量を与えるのに十分大きい径を有するという利点を有する。駆動源Ｄにより装置６００が紙面に垂直な駆動平面内で振動する。
【００６１】
図７は物質の流れが流量計を通過する際に縦方向の軸７１０の周りにある回数の回転を行うようにする他の流管装置７００を示している。装置７００は流管７０１に剛性を与える直線状の棒７０２の周りに巻かれたコイル状の流管７０１を示している。流管７０１は所望の物質の流れの容量を与えるのに十分な径となるように形成されよう。流管及び棒の左端は要素７０６及び７０５として示され、右端は要素７０３及び７０４として示されている。駆動源Ｄにより装置７００が垂直方向に振動する。
【００６２】
図８は物質の流れが流管装置８００が一部となっている流量計を通過する際に縦方向の軸８１０の周りにある回数の回転を行うようにする他の流管装置８００を示している。装置８００は駆動源Ｄにより垂直方向に振動する。装置８００は左端８０３及び右端８０２を有するコイル状の流管８０１からなる。
【００６３】
〔図９〜１１〕図９は回転する物質を内包する振動するカンチレバー状の流管９０１に加わるジャイロ力を示している。この形態は流量計としても用いられるが、ここでは主として図２のジャイロスコープと流管の両端が固定されている本発明の流量計との差異を理解し、橋渡しする補助のために用いている。流管９０１はＸ軸方向の向きであり、その自由端９０８が駆動源Ｄにより垂直方向すなわちＹ軸方向に共振振動する。固定端９０４は固定ブロック９０２に連結されている。流管９０１は縦方向の軸９１０の周りの経路９０３によって示される動きをするように物質の流れを回転させる螺旋状のバッフル９０５（３０１と同様な）を収容している。流管９０１は実線により変位０の点を下方に通過する場合で示されている。流管は下向き（Ｙ）方向に速度Ｖを有する。点線９０６及び９０７は正及び負のＹ方向に最大の変位となる流管９０１を示している。Ｙ方向の流管の振動により流管（及びそのスピン軸）にその固定端９０４の周りにＸ−Ｙ平面（駆動平面）内における交互の回転が生ずる。物質のスピン軸の振動が与える回転は図２におけるジャイロスコープの軸の角速度Ｖ／Ｌに相当する。力ＧＦはカンチレバー状の流管９０１が下方に曲がる際に回転する物質が流管に与えるジャイロ力である。力ＧＦは速度Ｖと流管の軸との両方に垂直である。その行程の上下の限界点で流管が停止し方向を反転する。これにより固定端９０４の周りのＸ−Ｙ平面内における流管の軸の回転が方向を反転する。Ｘ−Ｙ平面内における流管の回転が反転するとジャイロ力ＧＦはまたその方向が反転する。かくして力ＧＦは流管の速度Ｖと位相が合った正弦波状の力とみることができるが、流管の速度Ｖと流管の軸との両方に垂直な方向を有する。
【００６４】
図９のカンチレバー状の流管はいくつかの点で図２のジャイロスコープと異なる。図２のジャイロスコープの軸心全体は図２において同じ量だけ回転するが、駆動平面内における流管の軸の回転はその長さ方向に変化する。カンチレバー状の流管の回転は固定端９０４における０から自由端９０８における最大値まで増大する。振動する流管に関しての図９のジャイロ力はまた流管の軸方向に、固定端において力が０になり自由端において力が最大になるように分布する。ジャイロトルクの式（１）は軸全体が同じ量だけ回転する剛性の軸心に与えられるトルクについて解くものである。かくして式（１）は屈曲する流管には直接あてはまらない。
【００６５】
屈曲する流管に加わるジャイロトルクについての式は計算により容易に決定される。流管はきわめて小さい長さ及び質量の小片に分割される。各小片は曲率がわずかなので直線状の流管片として扱うことができる。しかしながら、変形した流管全体の曲率が各流管素片が回転する量を決定するために必要である。都合よいことに、振動する流管の変形した形状は一様な荷重を受けるカンチレバー状ビームの変形した形状とほぼ同じである。一様な荷重を受けるビームに関して、変形量（水平方向からの撓み）は固定端からの距離の３乗に比例する。正弦波状の振動の場合、速度は変位に比例する。かくして、流管に沿った速度の分布は固定端からの距離の３乗に比例する。このことは式１で用いられる各流管素片のピーク振動速度はまた流管の固定端からの距離の３乗に比例すること、また各素片に加わるジャイロ力ＧＦは固定端からの距離の３乗に比例することを意味する。振動する流管に沿ったジャイロ力の分布ＧＦが矢印ＧＦで示されている。正味のジャイロトルクＧＦＬは流管の全長にわたるトルクの積分により決定される。ピークのジャイロトルクについての結果の式は式（２）により与えられる。
【数２】
2004514896.tif 000063
ここで、Ｖｍａｘ＝流管端のピーク速度である。式（２）は振動するカンチレバー状の流管に加わるピークのトルクが単に式（１）の回転するジャイロスコープに加わるトルクの１／３であることを示している。この値の差はジャイロスコープの軸の一様な回転に対して流管の屈曲によるものである。式（２）によるトルクは、流管を駆動平面（Ｘ−Ｙ平面）から外れるように曲げて物質の流量の測定を可能にするので重要である。
【００６６】
時間に応じて流管に加わるジャイロ力ＧＦについての式は単にピークのトルクと、振動数と時間の積のコサイン（余弦）との積である。
【数３】
2004514896.tif 000064
【００６７】
図１０及び１１は図９の振動するカンチレバー状の流管９０１の端面図である。図１０は物質の流れがなく、かくして物質の回転がない場合の振動する流管９０１の端面図である。端部９０８の実線の円は変位０の流管を表している。点線は正負の方向での最大の変位を表している。流管の振動は物質の流れがない場合駆動平面内において平面状のままである。図１１は物質の流れがある場合の振動する流管の端面図である。ジャイロ効果により流管９０１の振動が垂直平面から外れて楕円状の運動になる。上側及び下側の点線の円１１０１及び１１０２は正負の駆動方向における最大の変位を表している。左側及び右側の点線の円１１０３及び１１０４は正負のジャイロ方向における流管の最大の変位を表している。中心の実線の円は静止した流管の位置を表し、内側の矢印は物質のスピンの方向を示している。円１１０３−１１０４により形成される楕円の幅Ｗは流管９０１に加わるジャイロトルクに比例する。幅Ｗはまた流れる物質の質量と物質の回転速度との積に比例し（式１〜３参照）、かくして物質の質量流量に比例する。正味のジャイロトルクが駆動源が流管に与えるトルクに等しいときに楕円が円になる。駆動変位とジャイロ変位とが相互に垂直であること、一方が最大のときに他方が０であることがわかるであろう。２つの平面内の振動の和が図１１に示される楕円運動となる。
【００６８】
図９、図１０及び図１１のカンチレバー状の流管９０１は駆動源Ｄからの正弦波状の力によって振動する。正弦波状の力の振動数はエネルギー効率の理由から流管の第１の曲げモードの共振振動数に等しくなるように設定される。共振状態では大きい振動の振幅を維持するのにほとんど力が必要でない。曲げの際の流管の共振振動数は、流管の対称性により駆動方向及びジャイロ方向の両方で同じである。正弦波状のジャイロ力が駆動力と同様に流れる物質により共振（駆動）振動数で流管に加わる。ジャイロ力はジャイロ方向に流管の共振振動数で流管に加わるので、その結果としてジャイロ方向において流管の変形の大きい振幅になる。
【００６９】
〔図１２及び１３〕ジャイロ式流量計の１つの好ましい実施例は流管が両端で固定されている。図１２及び１３はカンチレバー状の流管と両端が固定された流管とのジャイロ力の分布の差を示すために用いられる。図１２において、流管１２０１は両端１２０２及び１２０３の両方で固定されている。流管１２０１はカンチレバー状の流管９０１と同様に物質の流れをスピンさせる螺旋状のバッフル（図示せず）を含む。流管１２０１は点線１２０４により駆動方向における最大の撓みとなるように示されている。図１３はそれぞれ図９〜１１のカンチレバー状の流管９０１と同様な１対のカンチレバー状の流管１３０８Ｌ及び１３０８Ｒを示している。カンチレバー状の流管１３０８Ｌ及び１３０８Ｒはまた点線１２０５Ｌ及び１２０５Ｒにより駆動方向における最大の撓みとなるように示されている。
【００７０】
図１２と図１３との撓んだ流管の形状を比較すると大きな差異がわかる。カンチレバー状の流管１３０５Ｌ及び１３９５Ｒの軸の傾斜は両方の流管の自由端（中心）に向かって連続的に増大する。しかしながら、連続的な流管１２０１の軸の傾斜は最初増大するが、流管の中心で０まで減少する。この変形モードの形状の差異は振動の際の駆動平面内における流管の回転量の差となる。連続的な流管は駆動平面内における振動では回転せず単に上下に並進移動する中心部分を有する。中心部分の回転がないことは中心部分において流れて回転する物質によりジャイロ力が生じないことを意味する。これに対し、カンチレバー状の流管は傾斜を有し、かくして自由端における最大の回転及びジャイロ力となる。
【００７１】
〔図１４〕図１４は螺旋状のバッフル（図示せず）を有し両端が固定されている流管に加わるジャイロ力の分布を示している。流管１４０１は駆動運動が紙面（Ｙ方向）内にあり、また外れるような向きになっている。駆動マグネットＤは流管の中心に示されている。流管は第１の曲げの共振振動数で駆動される。速度検出器１４０５はジャイロ方向における流管の速度を検出できる流管の中心の下側に示されている。実線の流管はジャイロ方向（Ｚ）における変位０の点を通過する状態を示してる。点線で示された流管はジャイロ方向（Ｚ）における最大変位の状態で示されている。駆動平面（図示されていない）内における流管１４０１の振動により流管の軸の左半片が左側端部１４０２の周りに回転することになり、流管の軸の右半片は右側端部１４０３の周りに回転する。流管の縦方向の中心は回転せず、並進移動する。流管の駆動平面内の振動とスピンする物質の流れとの組み合わせによりジャイロ力が駆動平面と流管の軸との両方に対して９０度をなして流管に加わる。流管がジャイロ方向における変位０の点を通過する際のジャイロ力ＧＦ（矢印）の分布が流管１４０１に沿って示されている。ジャイロ力は流管の長さ方向の約２５％及び７５％の位置でピークになる。これらの位置では駆動モードの流管の軸の回転がないので、流管の端部及び中心において力が０になる。
【００７２】
力の分布が一様でないにもかかわらず、流管１４０１がジャイロ平面内における第１の曲げモードで（駆動モードのように）撓む。第１の曲げモードは全て同じ方向（全て正または全て負の方向）となる変形を有する唯一のモードであるために生ずる。さらにジャイロ力は物質により駆動振動数で流管に加えられる。駆動振動数はまたジャイロ方向における第１の曲げモードの共振振動数でもある。流管はジャイロ力により共振状態またはその近くで駆動されるので、第１の曲げモードにおけるジャイロ応答が大きい。
【００７３】
〔図１５〕図１５は本発明の１つの好ましい実施例を示している。これはバランスバー１５０２の端部において連結リング１５０３及び１５０４により流管１５０１に連結されたバランスバー１５０２を含む。図１５のバランスバー及び流管はそれらを駆動平面（紙面に垂直）内で相互の共振振動数で駆動する駆動源Ｄにより位相が反対になるように駆動される。バランスバー１５０２は駆動方向とジャイロ方向との両方で流管を釣り合わせそれによって流管が連結リング１５０３及び１５０４に接合された流管の動作点の端部における領域（節点）を固定するようにされている。バランスバー１５０２の第１の曲げモードの共振振動数は流管１５０１の第１の曲げモードの共振振動数に等しいか、あるいはわずかに低くなっている。バランスバー１５０２は付加された質量あるいは切り取り部分１５１４により共振振動数が低下した筒状部材とすることができる。切り取り部分の位置及びその作用は図１８に関連して後述する。図１５のバランスバーはまた駆動方向及びジャイロ方向において等しい共振振動数を有するように４方向の対称性（駆動平面及びジャイロ力の平面での両方向の）を有するようにできる。共振振動数を等しくするとジャイロ振動の振幅と、また流量計の流れに対する感度が最低になる。
【００７４】
物質の流れがあると、ジャイロ力が流管１５０１を同じ（駆動）振動数でジャイロ方向（紙面の平面内の）において振動するように励振される。駆動方向に対して９０度をなすジャイロ方向における流管１５０１の運動によりバランスバー１５０２を流管１５０１の動作部分の端部に取り付ける連結リング１５０３、１５０４を介してジャイロ方向にバランスバーが励振さる。バランスバーは共振振動数で、またはその近くの振動数で駆動されているので、流管とともに駆動方向に位相が外れるように振動し、流管のジャイロ運動を釣り合わせるまで振幅を増大させる。かくして、流管１５０１は駆動平面とジャイロ平面との両方で振動し、バランスバー１５０２により両方向に動的に釣り合わされる。
【００７５】
これに対して、単管型のコリオリ式流量計は駆動モードでだけ動的に釣り合わされる。多くの市販のコリオリ式流量計はコリオリ力を釣り合わせていない。コリオリ力は駆動振動数で駆動平面内で流管に加わるが、コリオリ力は駆動源のいずれかの側で反対の符号になる。コリオリ力の分布はバランスバーの第２の曲げモードを励振してコリオリ力を釣り合わせようとする。しかしながら、バランスバーの第２の曲げモードの共振振動数は駆動振動数のほぼ３倍である。かくして、バランスバーは第２の曲げモードで励振されず、コリオリ力は十分には釣り合わされない。米国特許第５９８７９９９号に開示されている感度を高めたバランスバーはこの問題を扱っており例外的なものである。米国特許第５９８７９９９号で扱われるバランスバーはその第２の曲げモードの共振振動数を駆動振動数に近くなるように低下させている。他の市販の流量計では、周波数の分離のために、バランスバーの第２の曲げモードは十分に励起されず、コリオリ力が釣り合わされない。コリオリ力が釣り合わされないことは、流量計が揺動し流量計が不正確になるので、コリオリ式流量計には問題となる。ジャイロ式流量計は、流管のジャイロ振動がバランスバーで釣り合わされるので、この問題が生じない。
【００７６】
ジャイロ式流量計の振動する流管においてコリオリ力が生ずる。しかしながら、このコリオリ力は、それ自体及びその結果による流管のコリオリ撓みが駆動平面内にあり中心に配置されたジャイロ速度検出器には感受されないので、ジャイロ式の測定には作用を与えない。さらに、振動／コリオリ平面内における釣り合わされていない振動はジャイロ平面内におけるジャイロ振幅の測定には作用を与えない。
【００７７】
図１５の流量計は流管及びバランスバーの縦方向中心における駆動マグネットＤ及び駆動コイル（図示せず）を有する。流管の駆動マグネットとは反対側に駆動振幅ピックオフ（速度検出器）１５０８が配置されている。駆動振幅ピックオフは駆動方向におけるバランスバー１５０２に対する流管１５０１の速度ないし振動の振幅に比例する出力を有する。これは振動する流管の駆動振幅を制御するために用いられる。
【００７８】
流管１５０１の中心に駆動源Ｄに対し９０度をなしてジャイロ振幅ピックオフ（速度検出器）１５１１が配置されている。この速度検出器はジャイロ方向におけるバランスバーに対する流管の振動の振幅の速度に比例する出力を有する。ジャイロ方向における流管の振動の振幅は駆動振幅と質量流量との両方に比例するので、ジャイロ速度検出器だけを質量流量の指示器として用いることはできない。駆動振動の振幅も知られなければならない。好ましい方法は駆動振動の振幅を正確に制御せず、その代りに駆動振動の振幅を正確に測定する。ジャイロ速度ピックオフ１５１１の振幅出力を駆動ピックオフ１５０８の正確に測定された振幅出力で除した比が質量流量の決定に用いられる。この方法は実質的に流管のたどる楕円経路のアスペクト比を測定するものである。楕円のアスペクト比は質量流量に比例し、楕円の大きさや駆動振幅にはよらない。
【００７９】
図１５の流量計１５００は流管１５０１と、両端が連結リング１５０３及び１５０４により流管１５０１に連結されているバランスバー１５０２とからなる。流管１５０１の非動作流管部分１５０１Ｌ及び１５０１Ｒはケース１５０５の端部１５０９を通って連結リング１５０３及び１５０４より突出している。筒体の末端はフランジ１５０６及び１５０７となっている。ケース連結リンク１５１２はバランスバー１５０２の端部をケースの内壁１５１９と連結する。
【００８０】
流量計電子回路１５２０は流量計１５００の動作を制御する。動作制御の際に、流量計電子回路１５２０は流管１５０１とバランスバー１５０２とを紙面に垂直な平面内において位相が反対になるように振動させる駆動源Ｄを動作させるように線路１５２１を介して信号を伝送する。駆動振動の振幅がピックオフ１５０８により測定されて駆動振動の信号が線路１５２２を介して流量計電子回路１５２０に移送される。振動する流管を通る物質の流れがあると、前述したようにジャイロ力が生ずる。この力により流管とバランスバーとが紙面の平面内において位相が反対になるように振動する。このジャイロ振動がピックオフ１５１１により検出され、それにより生じた信号が線路１５２３を介して流量計電子回路１５２０に伝送される。流量計電子回路は線路１５２２及び１５２３を介して受け取った情報を処理し、線路１５２６を介して物質の流れに関する情報を含む出力信号を生ずる。要素１５１０はフランジ１５０７及び１５０６のネック部をなしている。
【００８１】
ジャイロ式流量計１５００ハジャイロ方向における共振振動数とは異なる駆動方向における共振振動数を有する流管及びバランスバーの対を有するようにしてもよい。駆動方向とジャイロ方向とで異なる共振振動数を有する実施例は共振振動数が等しい実施例に対して利点を有し得る。例えば、等しくない共振振動数を有する流量計は流れる物質の密度による流量計の流れ感度の変化を補償するために用いられる。
【００８２】
密度による感度の変化はコリオリ流量計には一般的なことであり、また駆動方向及びジャイロ方向において等しい共振振動数を有するジャイロ式流量計の場合にも存在する。感度の変化は密度による駆動モードでの流管とバランスバーとの振幅比の変化よる。振幅比の変化は同じ結合した振動の振幅を維持するように物質の密度が増大するに従って流管の駆動振幅を減少させバランスバーの駆動振幅を増大させることによって流量計の釣り合いを維持するのに寄与する。この振幅比のシフトにより駆動平面内における流量計の釣り合いが運動量の保存によって維持される。より重くなった流管はより動きが少なく、変化のないバランスバーは密度が増大するとより動きが多くなる。密度による振幅比のシフトは良好な流量計の設計による形態に固有なことである。しかし、流管の振幅が減少すると同じ流量でより小さいジャイロ力が生ずることになる。ジャイロ力がより小さくなることは、密度の小さい物質より密度の大きい物質の場合にジャイロ方向における流管の振動の振幅が小さくなることを意味する。正味の結果として、ジャイロ式流量計は密度のより小さい流れる物質の場合より密度のより大きい流れる物質の場合により流れ感度が低くなることになる。この結果は米国特許第５９６９２６５号において詳細に説明されている。
【００８３】
密度による流量計の流れ感度の変化を補償するための１つの方法は駆動方向における共振振動数がジャイロ方向における共振振動数より高くなるように流量計を設計することである。より大きい密度の物質では駆動振動の振動数が低下する。ジャイロ方向における共振振動数が駆動振動数より十分に低ければ、駆動振動数の低下によりジャイロ力がよりジャイロ共振振動数に近い振動数で加わる。駆動振動数が振動する部材の共振振動数に近づくと振動の振幅が増大するので、駆動振動数の低下によりジャイロ方向における振動の振幅が上昇して物質の密度の増大によって生ずる振幅の減少を打ち消すようになる。
【００８４】
駆動方向及びジャイロ平面における共振振動数はジャイロ方向よりも駆動方向においてより剛性の大きい、あるいはより柔軟性のある動的構造とすることによって容易に分離される。例えば、図１５のバランスバーは、駆動モードの振動において小さい曲げ応力を有しジャイロモードの振動において大きい曲げ応力を有する位置にバランスバーのスロット１５１４を有している。この位置に孔があるとジャイロ共振振動数が低下して駆動共振振動数は実質的に不変のままである。
【００８５】
〔図１６〕図１６はほとんど全ての点に関して図１５の流量計１５００と同様な流量計１６００を示している。流量計１６００は１５００番代の番号を有する図１５の対応する要素に相当することを示すようにしてＱ６００番代の参照番号で示されている。流量計１６６は流量計１５００と同じようにしてジヤイロ力の発生に応答し、線路１６２２及び１６２３を介して、流量計１６００内の物質の流量を表すことになるジャイロ振動及び駆動振動の振幅を表す信号を伝送する。図１５と図１６との１つの差は、図１５の流量計がジャイロ共振振動数を駆動共振振動数より低くするためにバランスバーにおけるスロットを用いているのに対し、図１６の流量計は駆動振動を上昇させるために連結リング１６０４における突出部１６０６を用いていることである。両方の方法とも、駆動方向とジャイロ方向との共振振動数を分離しそれによって流量計の感度が物質の密度によらないようにするという、同じ作用を行う。連結リング１７は図１７において詳細に説明される。
【００８６】
図１５と図１６との他の差は、流量計１６００が流管１６０１に取り付けられたピックオフＬＰＯ及びＲＰＯをさらに有することである。これらのピックオフは物質の流れがある流管１６０１の振動により生ずるコリオリ力に応答する。コリオリ力はピックオフＬＰＯ及びＲＰＯによって検出され、コリオリ信号入力を用いて流量を決定する流量計電子回路１６２０に線路１６２４及び１６２５を介して伝送される。かくして、流量計電子回路１６２０によりコリオリ力及びジャイロ力という別個の２つの方法を用いて流量が決定される。独立した検出器入力及び方法で計算された２つの流量が、平均化あるいは誤差チェックにより精度を高めるように用いられる。例えば、極端な温度条件のような動作環境において２組の情報は一致しないことがあり、このような場合に一方の組の出力情報が他方の組の情報を除外するために用いられることもある。他の動作条件において、２組の出力情報が組み合わされ平均化され精度の向上した物質の流れの情報を線路１６２６に送出する。さらに、２つの流量測定の方法を用いると、１つの測定手段が失敗してもバックアップにより流量計の信頼性が高められる。
【００８７】
〔図１７〕図１７は、図１５及び１６の流量計１５００及び１６００の連結リング１５０３及び１５０４と１６０３及び１６０４として好適に用いられる連結リング１７００を示している。連結リング１７００は中心の開口１７０６と突出する側方の要素１６１６とを備え円形の外側の面１７０１を有する実質的に円形の部材である。連結リング１７００は流管が円形の開口１７０６を通り抜けるようにして流管１５０１及び１６０１上に嵌合する。内側の面１７０７はろう接等により流管の外側の面に取り付けられている。連結リング１７００の外側の面１７０１はろう接等によりバランスバー１５０２及び１６０２の内側の壁部１５１９及び１６１９に連結されている。連結リング１７００の主たる作用はバランスバー端部の振動を流管に結合する経路を与えることである。
【００８８】
連結リング１７００は図１６に示されるように突出する側方部分１６１６が流管の上端及び下端にあるようにして流管上に挿入される。突出する部分により駆動振動の共振振動数に関する限り流管振動するの長さが短くなるが、ジャイロ方向においては振動の長さと、また共振振動数は影響を受けていない。これによりジャイロ振動の共振振動数に対する駆動振動の共振振動数の間隔が変化する。振動数の間隔により流量計は密度による流れ感度の変化を補償できるようになる。ジャイロ振動数に対して駆動振動数を上昇させるのが望ましいときに、図１６に示されるように連結リングの突出部が流管の上端及び下端に取り付けられる。逆に、駆動振動数に対してジャイロ振動数を上昇させるのが望ましいときに、図１５に示されるように突出部分１７０３が流管の側方に取り付けられるように連結リング１７００が回転される。
【００８９】
〔図１８〕図１８は低下した共振振動数を有するバランスバー１８００を示している。バランスバーの縦方向中心にジャイロ方向と駆動方向との両方の孔がある。孔１８０５、１８０９及び１８１１だけが示されているが、孔１８０５及び１８０９の反対側の、図では見えない２つの孔があることが理解されよう。この４方向対称性により駆動方向とジャイロ方向との両方で等しく共振振動数が低下する。
【００９０】
孔１８０５が駆動方向の軸を有するものとすると、他の２対の孔１８１０，１８０６及び１８０８，１８０７はジャイロ方向の軸を有する。それらの孔はその位置により駆動振動モードの中立軸上にある。この結果駆動モードの共振振動には小さい作用が与えられることになる。しかしながら、この２対の孔はジャイロ振動モードにおけるピーク応力を有するバランスバーの側にある。それらの位置によりジャイロ振動モードにおける共振振動数が低下する。これらの孔を用いることによるジャイロ方向におけるバランスバーの振動数の低下により駆動方向の共振振動数がジャイロ方向の共振振動数から分離し、そのようにして流量計が密度による流れ感度の変化を補償する能力が高まる。
【００９１】
〔図１９〕図１９の流量計電子回路１９００は図１５の流量計電子回路１５２０の実施例をさらに詳細に示したものである。実施例１９００は線路１５２１を介して駆動信号を図１５の駆動源Ｄに与えて流管１５０１とバランスバー１５０２とを位相が反対になるように振動させる。この駆動信号は駆動振幅制御要素１９０１により生ずる。実施例１９００はまた線路１５２２及び１５２３を介してピックオフ信号を受け取る。線路１５２２で受け取られる信号は駆動ピックオフ１５０８から受け取られ、要素１９０２に供給される。要素１９０２は線路１５２２を介して受け取られた信号を線路１９０５を介して駆動振幅制御要素１９０１に伝送する。この信号により要素１９０１が図１５の駆動源Ｄに必要な信号を生ずることができるようになる。要素１９０２はまた要素１５２２の駆動ピックオフの出力信号を線路１９０４を介して要素１９０７に伝送する。
【００９２】
要素１９０３は線路１５２３を介して要素１５１１のジャイロピックオフの出力を受け取る。この信号はジャイロ平面内における流管１５０１のジャイロモードの撓みの振幅を表す。要素１９０３はこの信号を、線路１５２２の駆動ピックオフ信号に対する線路１５２３のジャイロピックオフ信号の比を決定する要素１９０７に線路１９０６を介して伝送する。要素１９０７は決定された比を、枠１９０９内に示される式を用いて流れる物質の質量流量を生ずる要素１９０９に線路１９０８を介して伝送し、ここで
【数４】
2004514896.tif 000065
は質量流量である。それから計算された質量流量は線路１５２６を介して図示されない利用回路に伝送される。
【００９３】
〔図２０〕図２０は図１５の流量計電子回路１５２０の第２の考えられる実施例を示している。図１９に示される流量計電子回路１５２０の実施例１９００がどのように駆動源の振動の振幅に対するジャイロ振動の振幅の比の決定を用いて質量流量を計算するかについては説明した。図２０の流量計電子回路１５２０の実施例２０００は実施例１９００の場合のように駆動振幅の決定を必要としないようにして質量流量の情報を生ずる。図２０の駆動ピックオフレジスター２００３は線路１５２２を介して駆動ピックオフ要素１５０８から信号を受け取り、受け取った信号を線路２００２を介して駆動振幅制御部２００１に伝送し、駆動信号制御部２００１はまた線路１５２１を介して正確に制御された振幅の信号を図１５の駆動源Ｄに移送する。駆動振幅制御部２００１は、要素２００１によって生ずる駆動信号の振幅が正確に制御されるという点で図１９の対応する要素１９０１とは異なっている。それゆえ要素２０００は質量流量を計算するために駆動モードの信号に対するジャイロモードの信号の振幅比を決定することを必要としない。駆動振幅制御部２００１の振幅は正確に制御されるので、それは予め知られており、流管１５０１のジャイロモードの振動の振幅を表す信号だけを用いて質量流量を計算するために要素２００７により内部的に用いられよう。この情報は図１５のジャイロピックオフ１５１１から受け取られ、線路１５２３を介してジャイロピックオフ要素２００４に伝送され、それからさらに線路２００６を介して要素２００７に伝送される。要素２００７はジャイロモードの振動の振幅を受け取り、それを直接質量流量の計算に用いる。それからこの質量流量の情報は線路１５２６を介して図示されない利用回路に伝送される。
【００９４】
〔図２１〕図２１は図１６の流量計電子回路１６２０の考えられる好ましい実施例を示している。図１６の流量計は流管１６０１のコリオリ撓みを表す信号を用い、またジャイロ平面内における流管１６０１の撓みを表す信号を用いることにより、物質の流れの情報を生ずる。コリオリ信号はピックオフＬＰＯ及びＲＰＯにより生じて、線路１６２４及び１６２５を介して流量計電子回路１６２０に、特に要素２１１４に伝送される。ジャイロモードの物質の流れの情報は図１６のピックオフ１６１１により生じて、線路１６２３を介して要素２１０６に移送される。実施例２１００はまた図１６の駆動源Ｄへの駆動信号を生ずる。この信号は駆動振動制御部２１０１により生じて、線路１６２１を介して駆動源Ｄに伝送される。線路１６２２は図１６の駆動源Ｄの振動の振幅を表す信号を浮けとる。この信号は線路１６２２を介して駆動ピックオフのレジスター２１０３に伝送され、レジスター２１０３はこの信号を線路２１０２及び２１０４を介して要素２１０１及び２１０８に伝送する。線路２１０１の信号は要素２１０１により生ずる駆動信号の振幅を制御する。線路２１０４の信号は駆動振幅の情報を要素２１０８に与える。流管１６０１のジャイロモードの振動の振幅を表す信号はジャイロピックオフの出力要素１６１１により線路１６２３に与えられる。線路１６２３の信号は要素２１０６に伝送され線路２１０７を介して要素２１０８に伝送される。要素２１０８は図１９の要素１９０７について説明したように作用して駆動モードの信号に対するジャイロモードの信号の振幅比を決定する。この決定された比は、要素１９０９と同じようにして質量流量の情報を生ずる要素２１１１に、線路２１０９を介して伝送される。それからジャイロによる質量流量の情報は線路２１１２を介して要素２１１３に伝送されるが、要素２１１３の作用については後述する。
【００９５】
コリオリモードの出力信号は線路１６２４及び１６２５を介して要素２１１４に受け取られる。それからこれらの信号は線路２１１６を介して、図１６のピックオフＬＰＯからのコリオリ信号とピックオフＲＰＯからのコリオリ信号との間の時間差Δｔを測定する要素２１１７に伝送される。この時間差の情報は線路２１１８を介して示された式を用いて質量流量を計算する要素２１１９に伝送され、ここで時間差Δｔの大きさは質量流量
【数５】
2004514896.tif 000066
に比例する。要素２１１９からの質量流量の情報は線路２１２１を介して要素２１１３に伝送される。
【００９６】
要素２１１３は物質の質量流量を表す２つの異なる情報源からの情報を受け取る。線路２１２１で受け取った情報は流管１６０１のコリオリモードの撓みを用いることによって決定された質量流量を表す。線路２１１２の信号は流管１６０１のジャイロモードの撓みの振幅を用いることによって決定された質量流量を表す。要素２１１３は２組の質量流量データを受け取り、それらを比較してそれらのデータが一致することを決定する。要素２１１３はまたこのデータが一致しない場合にエラーのチェックを行い、また補償の手法を用いてデータの修正を行うようにも作用する。
【００９７】
本発明のジャイロ式流量計は、単純な電子回路で正確に流量の測定が可能になるように十分に大きくできる２つの電圧（速度検出器の出力）間の比に流量が比例するという点で有利であることがわかる。電子回路はコリオリ流量計に必要とされたものより格段に安価でまた堅牢にできる。また、ジャイロ式流量計は物質の密度によらない流れ感度を有するように容易に設計される。
【００９８】
本発明は好ましい実施例の説明に限定されることはなく、本発明の精神及びその範囲内において他の変更や変形がなされることがわかるであろう。例えば、本発明は単管の直管型流量計の部分を有するものとして説明したが、本発明はそのように限定されることはなく、単管の不規則な形状あるいは曲線形状の流量計にも、また複数の流管を有する流量計にも用いられることが理解されよう。ここで用いられた「軸（ａｘｉｓ）」という用語は、
物体が実際に、あるいは仮想的に回転する際の中心となる想像上の、あるいは実際の直線であると理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】
歳差運動のスピン軸を有するジャイロスコープのダイアグラムである。
【図２】
歳差運動のスピン軸を有するジャイロスコープのダイアグラムである。
【図３】
螺旋状バッフルを説明する図である。
【図４】
流管の内側の螺旋状バッフルを示す図である。
【図５】
捩り合わされた対をなす流管を示す図である。
【図６】
捩り合わされた流管及び剛性の棒を示す図である。
【図７】
直線状の棒の周りに捩り合わされた流管を示す図である。
【図８】
コイル形状を有する流管を示す図である。
【図９】
スピンする物質の流れを有する振動するカンチレバー状の流管を示す図である。
【図１０】
物質の流れがない場合の流管の運動を示す図９の流管の端面図である。
【図１１】
物質の流れを有する流管の運動を示す図９の流管の端面図である。
【図１２】
振動する流管の概念図である。
【図１３】
１対の振動するカンチレバー状流管を示す図である。
【図１４】
スピンする物質の流れを有する両端が固定された振動する流管を示す図である。
【図１５】
ジャイロ式流量計の１つの好ましい実施例の断面図である。
【図１６】
結合したジャイロ＝コリオリ式流量計の好ましい実施例の断面図である。
【図１７】
連結リングの詳細を示す図である。
【図１８】
バランスバーの詳細を示す図である。
【図１９】
流量計電子回路１５２０の第１の実施例を示す図である。
【図２０】
流量計電子回路１５２０の第２の実施例を示す図である。
【図２１】
流量計電子回路１６２０の第１の実施例を示す図である。
【国際調査報告】
2004514896.tif 000067
2004514896.tif 000068
2004514896.tif 000069