(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流管（９０１）及び該流管に実質的に平行な向きのバランスバー（９０２）と、
上記バランスバーの端部を上記流管に連結する受けバー手段（９１３）と、
物質が充満した上記流管及び上記バランスバーの共振振動数に実質的に等しい振動数を有する駆動モードで上記流管及び上記バランスバーを位相が逆になるようにして振動させる駆動源（Ｄ）と、
上記流管及び上記バランスバーに連結されたピックオフ手段と、
上記ピックオフ手段から信号を受け取りコリオリ流量計の出力情報を生成する流量計電子回路と、
を有し、
上記物質の流れが撓みの領域と撓みのない節点とによって特徴づけられる上記流管の周期的なコリオリ撓みを生ずるように上記振動する流管に周期的なコリオリ力を与え、
上記受けバー手段が撓みの領域と撓みのない節点とによって特徴づけられる上記バランスバーにおける周期的なコリオリ状撓みを生ずるように上記流管のコリオリ撓みに応答し、
上記バランスバーのコリオリ状撓みが上記流管の周期的なコリオリ撓みと位相が合っていて、これと同数の節点を有し、上記バランスバーのコリオリ状撓みが上記バランスバー軸方向の中心部分の回転を含む
物質の流れを受けるようにしたコリオリ流量計において、
上記バランスバーに連結された上記バランスバー共振子であって、上記バランスバーの位相の合ったコリオリ状撓みが上記バランスバー共振子手段をその縦方向の中心部分の回転に対して位相の外れた回転モードで振動させるように励振するバランスバー共振子手段（９０８，９１１Ａ，９１１Ｂ）と、
上記回転モードにおける上記バランスバー共振子手段の振動がコリオリ流量計によって生ずる出力情報の精度を高めるトルクを上記バランスバーに与えるための装置（９０９，９０９Ａ，９０９Ｂ）と、
上記バランスバーの振動速度に対する上記流管の振動速度を表す精度の高まった信号（９２２，９２４）を生ずる上記流管に連結されたピックオフ手段（ＬＰＯ，ＲＰＯ）と、
上記ピックオフ手段による上記精度の高まった信号の生成に応じて上記物質の流れに関する情報を取り出す流量計電子回路（９２１）と、
をさらに含むことを特徴とするコリオリ流量計。
【請求項２】
コリオリ流量計の上記出力情報の精度を高める上記装置が上記バランスバーのコリオリ状撓みの振幅を減少させるように上記バランスバーの共振子から上記バランスバーにトルクを与えるバランスバー共振子を含む装置（９０９，９０９Ａ，９０９Ｂ）を含み、上記流管のコリオリ撓みの相対的速度が上記バランスバーの位相の合ったコリオリ状撓みの振幅の減少に応じた上記バランスバーの位相の合ったコリオリ状撓みに対して増大し、コリオリ流量計の感度が上記バランスバーの位相の合ったコリオリ状撓みに対する上記流管のコリオリ撓みの相対的速度の増大に応じて高くなるようにしたことを特徴とする請求項１に記載のコリオリ流量計。
【請求項３】
上記コリオリ力がコリオリ流量計の揺動を生ぜしめるトルクを上記流管に与え、コリオリ流量計の出力情報の精度を高める上記装置が上記バランスバー共振子手段により与えられる上記トルクを上記バランスバーに、また上記受けバーを介して上記流管に伝えて上記流管によりコリオリ流量計の装着部に与えられるトルクを減少させる装置（９０９，９０９Ａ，９０９Ｂ）を含み、上記流管により上記流量計の装着部に与えられる上記トルクの減少が上記コリオリ流量計の揺動を減少させるように作用するようにしたことを特徴とする請求項１に記載のコリオリ流量計。
【請求項４】
コリオリ流量計が上記流れる物質の密度の変化により生ずる上記駆動モードでの上記振動する流管及びバランスバーの共振振動数の変化を検出し上記駆動モードでの上記流管及びバランスバーの振動の振幅比の変化を生ぜしめる時に上記コリオリ流量計の出力情報の精度が高くなり、
上記振動の振幅比の変化に応じてコリオリ流量計の物質の流れに対する感度が第１の方向において変化し、
上記共振振動数の変化に応じて上記バランスバーの共振子の振動の振幅が第２の方向において物質の流れに対する感度を変化させ、
上記第１の方向及び第２の方向における流れ感度の変化が実質的に相互に打ち消し合ってコリオリ流量計の流れ感度の変化をなくすように作用する
ようにしたことを特徴とする請求項１に記載のコリオリ流量計。
【請求項５】
上記バランスバーの位相の合ったコリオリ状撓みを生ずる上記装置が上記受けバー手段を含み、該受けバー手段がそれを介して上記流管から上記バランスバーに上記周期的なコリオリ撓みを示す力を伝えて上記バランスバーに上記位相の合ったコリオリ状撓みを生ずるようにしたことを特徴とする請求項１に記載のコリオリ流量計。
【請求項６】
上記バランスバーの共振子手段を上記バランスバーの縦方向の中心部に連結する装置（９０９，９０９Ａ，９０９Ｂ）を含むようにしたことを特徴とする請求項１に記載のコリオリ流量計。
【請求項７】
上記バランスバー共振子手段が、
コリオリ流量計の静止状態において上記バランスバー（９０２）に実質的に平行な細長いバー（９１１，９１１Ａ，９１１Ｂ）と、
該細長いバーを上記バランスバーの縦方向の中心部分に連結するスタブ（９０９，９０９Ａ，９０９Ｂ）と、
からなり、上記バランスバーの縦方向の中心部分に対する上記バランスバー共振子の振動が上記バランスバーにトルクを与えるようにしたことを特徴とする請求項１に記載のコリオリ流量計。
【請求項８】
上記バランスバーの共振子（９０８）から与えられる上記トルクが上記バランスバーの位相の合ったコリオリ状撓みの振幅を減少させてコリオリ流量計の流れ感度を高めるようにしたことを特徴とする請求項７に記載のコリオリ流量計。
【請求項９】
上記バランスバー共振子（９０８）から与えられる上記トルクが上記バランスバーから上記受けバー（９１３）を介して上記流管（９０１）に伝えられてコリオリ流量計の揺動を減少させるようにしたことを特徴とする請求項８に記載のコリオリ流量計。
【請求項１０】
上記共振子バーが質量要素（Ｍ）を含み、該質量要素（Ｍ）が上記共振子バーの端部に取り付けられるようにしたことを特徴とする請求項７に記載のコリオリ流量計。
【請求項１１】
上記バランスバー共振子手段が上記細長いバーを上記バランスバーの底面において上記バランスバーの縦方向の中心部分に連結する上記スタブ（９０９，９０９Ａ，９０９Ｂ）からなるようにしたことを特徴とする請求項７に記載のコリオリ流量計。
【請求項１２】
上記バランスバー共振子手段が各々スタブ（９０９Ａ，９０９Ｂ）と細長いバー（９１１Ａ，９１１Ｂ）とからなる第１及び第２のバランスバーの共振子（９０８Ａ，９０８Ｂ）からなり、
上記第１のバランスバー共振子のスタブが上記バランスバーの第１の側において上記バランスバーの縦方向の中心部分に連結され、上記第２のバランスバー共振子のスタブが上記バランスバーの第２の側において上記バランスバーの縦方向の中心部分に連結されるようにしたこと特徴とする請求項７に記載のコリオリ流量計。
【請求項１３】
上記流管のコリオリ撓みにより上記周期的なコリオリ撓みに応じて上記流管の端部が屈撓して上記受けバー手段の第１の端部を屈撓させ、  上記第１の端部の屈撓に応じて上記受けバーの第２の端部が屈撓して上記バランスバーに位相の合ったコリオリ状撓みを生ずるようにしたことを特徴とする請求項１に記載のコリオリ流量計。
【請求項１４】
流管及び該流管に実質的に平行に向いたバランスバーを有し物質の流れを受けるようにしたコリオリ流量計を動作させる方法であって、
上記流管を通して物質を流すことと、
上記流管及びバランスバーを、上記物質が充満した流管及び上記バランスバーの共振振動数に実質的に等しい駆動振動数を有する駆動モードで、位相が逆になるように振動させ、上記流れる物質が上記振動する流管に周期的なコリオリ力を与えて撓みの領域と撓みのない節点とにより特徴づけられる上記流管の周期的なコリオリ撓みを生ずるようにすることと、
上記流管のコリオリ撓みに応じて上記バランスバーに上記駆動振動数での位相の合ったコリオリ状撓みを生ぜしめて、上記バランスバーのコリオリ状撓みが上記バランスバーの縦方向の中心部分の回転を生ずるとともに、上記流管の周期的なコリオリ撓みと同じ数の節点を有し位相が合うようにすることと、
の各ステップからなり、上記流管及びバランスバーに取り付けられたピックオフ手段が上記バランスバーの振動速度に対する上記流管の振動速度を表す出力信号を生成し、流量計電子回路が上記ピックオフ手段による上記信号の生成に応じて上記物質の流れに関する情報を取り出すようにしたコリオリ流量計を動作させる方法において、
上記コリオリ流量計が上記バランスバーの縦方向の中心部分に連結されたバランスバー共振子を有し、
上記バランスバーのコリオリ状撓みが上記バランスバー共振子手段を上記バランスバーの縦方向の中心部分の回転に対して位相の外れた回転モードで振動させ、
上記バランスバー共振子手段の回転モードの振動が上記バランスバーにトルクを与えて上記コリオリ流量計により生成される出力情報の精度を高め、
上記ピックオフ手段が上記バランスバーの振動速度に対する上記流管の振動速度を表す精度の高まった信号を生成し、
上記流量計電子回路が精度の高まった上記信号の生成に応じて上記物質の流れに関する精度の高まった情報を取り出す
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コリオリ流量計を動作させる方法。
【請求項１５】
上記コリオリ流量計の出力情報の精度を高めるステップが  上記バランスバーの位相の合ったコリオリ状撓みの振幅を減少させるように上記共振子手段から上記バランスバーにトルクを与えることと、
上記バランスバーの位相の合ったコリオリ状撓みの振幅の減少に応じて上記バランスバーの位相の合ったコリオリ状撓みに対する上記流管のコリオリ撓みの相対的速度を増大させることと、
上記流管のコリオリ撓みに対する上記バランスバーの位相の合ったコリオリ状撓みの減少に応じて上記コリオリ流量計の流れ感度を高めることと、
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１４に記載の方法。
【請求項１６】
上記コリオリ力が上記コリオリ流量計の揺動を生ぜしめるトルクを上記流管に与え、上記コリオリ流量計の出力情報の精度を高めるステップが、
上記流管により上記コリオリ流量計の装着部に与えられるトルクを減少させるように上記バランスバー共振子により与えられるトルクを上記バランスバーから上記流管に伝えて、上記流量計の装着部に与えられるトルクの減少が上記コリオリ流量計の揺動を減少させるように作用するようにしたことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
上記コリオリ流量計の出力情報の精度を高めるステップが
上記流れる物質の密度の変化により生ずる上記駆動モードで振動する流管及びバランスバーの共振振動数の変化を検出することと、
上記物質の密度の変化の検出に応じて上記駆動モードでの上記流管とバランスバーとの振動の振幅比を変化させることと、
上記振動の振幅比の変化に応じて第１の方向における上記コリオリ流量計の物質の流れに対する感度を変化させることと、
上記物質の密度の変化における変化に応じて第２の方向における上記物質の流れに対する感度を変化させるように上記バランスバーの共振子の振動の振幅を変化させることと、
の各ステップを含み、上記第１の方向及び第２の方向における流れ感度の変化が上記コリオリ流量計の一定の流れ感度を得るように作用するようにしたことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１８】
上記バランスバーに与えられるトルクが上記バランスバーの位相の合ったコリオリ状撓みの振幅を減少させて上記コリオリ流量計の流れ感度を高めるようにしたことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１９】
上記バランスバーに与えられたトルクが上記バランスバーから受けバーを介して上記流管に伝えられて上記コリオリ流量計の揺動を減少させるようにしたことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
本発明は単管式コリオリ流量計に関し、より詳細には流れ感度を高めて流れによる望ましくない流量計の揺動を減少させることによって流量計の精度を高めた付加部分を備えたバランスバーを有するコリオリ流量計についての方法及び装置に関する。
【０００２】
【技術的問題点】
単管式コリオリ流量計は複管式コリオリ流量計の分岐管の問題を解消し経費を削減するので望ましい。しかしながら、単管式コリオリ流量計は複管式コリオリ流量計より流れ感度が低いという欠点を有している。単管式コリオリ流量計はまた流管に加わるコリオリ力がアンバランスであって、流管の揺動が生ずるという欠点を有している。この揺動により流れの測定に誤差が生じ得る。
【０００３】
流れ感度は２つの理由で低くなる。第１は、単管式流量計が所定の流量に対してより大きい直径の流管を有していなければならないことである。このために流管が曲げに対してより硬くなり、コリオリ力に対する応答がより小さくなる。第２の理由は、流管とバランスバーとの間の速度差を測定することによって質量流量が決定されバランスバーが直接にはコリオリ力を受けないことである。
【０００４】
複管式流量計がどのように作用するかについての説明は単管式流量計におけるバランスバーの重要性を説明するのに有用であろう。複管式コリオリ流量計において、流管は相互に対して位相が外れるようにして振動する。２本の流管は相互に釣り合って動的にバランスのとれた構造を形成する。流管の間の相対的速度を検出するように流管に沿った２つの位置に速度検出器（ピックオフ）が配置される。ピックオフは通常流管の中間点から上流側及び下流側に等しい距離に配置される。各々のピックオフは一方の流管に取り付けられたマグネットと他方の流管に取り付けられたコイルとからなる。振動する流管の正弦波状の運動により各々のピックオフに正弦波状の電圧が生ずる。物質の流れがない時に、２つのピックオフからの電圧は装備に位相が合っている。物質の流れがあると、振動する流管が運動する物質のコリオリ力によって捩られてピックオフ電圧の正弦波の間に位相差が生ずる。質量流量はこの位相差に比例する。両方の流管が（流れの等しい部分に関して）等しく捩れ、各々の流管は対応する位置において他方の流管と同じ位相シフトを有することに注意することが重要である。上流側のピックオフのマグネットの速度は上流側のコイルの速度と同じ位相を有し、両方とも上流側のピックオフのマグネット−コイル対によって生ずる電圧と同じ位相を有している。下流側のピックオフは上流側のピックオフと異なる位相を有するが、下流側のピックオフのマグネットの速度、コイルの速度及び出力電圧の位相は互いに等しい。
【０００５】
多くの単管式コリオリ流量計において、振動する流管は他の流管ではなくバランスバーによって釣り合わせられる。バランスバーによって釣り合わせられた流量計において、ピックオフのマグネット（あるいはコイル）がバランスバーに、それが第２の流管であるのと同様にして、装着される。しかしながら、バランスバーは、これを通って物質が流れないので、直接的なコリオリ力あるいは直接的なコリオリ力で生じた撓みが生じない。各々のピックオフは位相シフトした流管の速度と位相シフトしていないバランスバーの速度とのベクトル和である電圧信号を生ずる。かくして、単管式流量計の各々のピックオフの出力信号は流管だけ、あるいは複管式流量計よりもずっと小さい、流体の流れによる位相シフトを有する。
【０００６】
バランスバーは直接的なコリオリ力を受けないが、コリオリ力によって生ずる流管の撓みによるある種の力を実際に受ける。具合悪いことに、バランスバーの共振による撓みが生ずることによって流量計の感度がさらに低下する。非常に硬いバランスバーを有する流量計において、共振による撓みとそれ以上の感度の低下は非常に少ない。しかしながら、剛性が大きくなく流管のコリオリ力により生ずる撓みに応じて大きく撓むバランスバーを有することにはいくつかの好適な理由がある。流管のコリオリ撓みに応答するバランスバーを有する流量計は、感度が大きく低下し得る。本発明はこれらの流量計のいくつかに対し感度の低下を少なくし、またより精度の高い流量計を与える。
【０００７】
第２の流管の代りにバランスバーを用いることにより他の問題が生ずる。バランスバーが各々のピックオフの出力信号（位相シフト）をいかに減少させるかについてこれまで論じられている。事態をさらに悪化させるものとして、流体の密度の変化に応じて流管及びバランスバーの振動の振幅比が変化することである。振幅比の変化は流体の密度の変化に対して流量計のバランスを維持するために必要である。しかし、バランスバーの振動の振幅が増大し流管の振動の振幅が減少すると（より密度の大きい流体の場合のように）、流量計の流れ感度が低下する。この感度の低下は、ピックオフからの正弦波の正味の位相シフト（流れ信号）が位相シフトした流管の速度と位相シフトしていない（あるいは共振による撓みで逆に位相シフトした）バランスバーの速度とのベクトル和であるために生ずる。流管の振動の振幅を減少させてバランスバーの振動の振幅を増大させるとより長い位相シフトが０の（あるいは負の）バランスバーのベクトルになり、これがより短い位相シフトした流管のベクトルに加算される。その結果より高い密度の流体の場合でのピックオフの正弦波状の正味の位相シフト及びより低い感度となる。
【０００８】
従来の単管式コリオリ流量計は複管式流量計にはない、さらに他の問題がある。その問題はアンバランスなコリオリ力である。バランスバーは流管の駆動振動に釣り合わせられ、注意深く設計すればある範囲の流体の密度の場合に駆動振動に釣り合わせられる。しかし従来のバランスバーは流体によって流管に加わるコリオリ力に釣り合わせられない。この力は流量によって変化する。流れが０であればコリオリ力がなく、流れが大きければ力も大きくなる。このアンバランスな力は駆動振動数で流管に加わる揺動偶力ないしトルクの形になる。アンバランスなコリオリ力により流量計が駆動振動数で揺動し流れの測定に誤差が生じ得る。
【０００９】
バランスバーの共振による撓みのための流量計の感度低下とより大きい（１本の）流管の直径による感度の低下との組み合わせにより流量計の感度は単管式流量計の精度及び市販可能性が損なわれる程度までになる。アンバランスなコリオリ力による流量計の揺動のためにそれ以上に精度が損なわれる。従来の単管式コリオリ流量計がいくつかの重大な問題を有するのは明らかである。
【００１０】
【解決策】
バランスバー共振子という付加的な動的構造を含むバランスバーを有する単管式コリオリ流量計が与えられる本発明によって上述の、また他の問題が解決され、技術的進歩がなされる。共振子は流量計によって生ずる出力情報の精度を高める３つの作用を行う。
【００１１】
第１のこの作用は、バランスバー共振子がコリオリ力によって流管に加わるトルクに反作用するようにバランスバーを介して流管に加えられるトルクを生ずることである。これによって加えられたコリオリ力により生ずる流量計の揺動が減少する。バランスバー共振子によって行われる第２のこの作用は、バランスバーに共振子のトルクが加わることにより流管のコリオリ撓みによってバランスバーに与えられるコリオリ状撓み（共振による撓み）の振幅が減少することである。この流管の撓みによりバランスバーに位相の合ったコリオリ状撓みが生じ、それによりまた流量計の感度が低下する。バランスバー共振子は位相の合ったコリオリ状撓みを打ち消すようにバランスバーの縦方向の中心に取り付けられる。かくしてバランスバー共振子によるこのコリオリ状撓みの振幅の減少により流量計の感度が高まる。トルクによって行われる第３のこの作用は、以下に説明するようにある範囲の物質の密度に対して一定の流量計の感度を与えることである。
【００１２】
バランスバー共振子はバランスバー平行の向きで、その側方にある比較的剛性の大きいバーからなる。バランスバーの共振子はその端部に錘が取り付けられて（必要であれば）バランスバー共振子の動作モードの共振振動数を減少させるようにされよう。バランスバー共振子はその中心においてストラットという部材によってバランスバーの中心に連結される。バランスバー共振子とストラットとは駆動モードにおける流管及びバランスバーの振動平面内にある。バランスバーの共振子の動作モードはストラットが屈曲する際に剛性の大きい共振子のバーが駆動平面内で回転する振動の回転モードである。バランスバー共振子の動作モードは駆動振動数より低く、間隔をおいた共振振動数を有する。
【００１３】
駆動振動（流れがない場合）は、ストラットが取り付けられているバランスバーの縦方向の中心が回転せず、並進するだけなので、バランスバーの共振子の動作モードを励振しない。バランスバー共振子のバーは剛性が大きくストラットを中心として対称的であるので、バランスバーとともにストラットが並進するとバランスバー共振子の並進が生ずるが、バランスバー共振子に動作モードの回転振動が励振されない。バランスバー共振子に動作モードの振動を励振するのはバランスバーのコリオリ状撓みを必要とする。この撓みによりバランスバーの中心の回転とバランスバー共振子の屈曲とが生ずる。バランスバー共振子の動作モードの共振振動数はコリオリ状撓みを与える振動数（駆動振動数）より低いので、バランスバー共振子はバランスバーのコリオリ状撓みとは位相が外れて振動する。かくしてストラットの屈曲によりバランスバーの中心の回転を減少させバランスバーのコリオリ状撓みの振幅を減少させようとするトルクをバランスバーの中心に与える。バランスバー共振子はその回転モードにおいてバランスバーの動的バランサーのように作用する。バランスバー共振子はまた、それがバランスバーのコリオリ状撓みを減少させる程度が共振子の動作モードの共振振動数からの駆動振動数の間隔に反比例する点において動的バランサーと同様である。非常に近接した間隔ではコリオリ状撓みがほぼ完全に打ち消されることになり、より大きい間隔では打ち消される程度がより低くなる。バランスバーのコリオリ状撓みにより流れに対する流量計感度が低下することになるので、バランスバー共振子による撓みの打ち消しによって流量計の流れ感度が高くなる。
【００１４】
振動数の間隔に応じた打ち消しの程度の変化は物質の密度に応じた流量計の流れ感度の変化をなくすために用いられる。流管／バランスバーの振幅比の変化により流量計の感度が増大する物質の密度に応じてどのように低下するかについてこれまでに示されている。またバランスバー共振子によりバランスバーのコリオリ状撓みが動作モードの共振振動数と駆動振動数との振動数の間隔に反比例する程度でいかに低下するかについても示されている。バランスバー共振子は、物質の密度が増大すると流量計の駆動振動数が低下するということと振動数の間隔の特性とを用いることによって流れ感度を物質の密度によらないようにするために用いられる。
【００１５】
物質の密度が増大すると、振動系の質量が増大するために駆動振動数が低下する。バランスバー共振子の動作モードの共振振動数は駆動振動数より低く物質の密度によらないので、物質の密度の増大により共振子の動作モードの共振振動数と駆動振動数との振動数の間隔の減少が生ずる。振動数の間隔の減少によりバランスバー共振子の振幅の増大とバランスバーのコリオリ状撓みの減少とが生ずる。この減少により物質の密度に応じた流量計の感度が高まる。この流量計の感度が密度に応じて高まることは振幅比の変化によって生ずる密度に応じた流量計の感度の低下をちょうど打ち消すようにされる。高い密度での駆動振動数が共振子の動作モードの共振振動数と等しいか、それよりわずかに大きい時に、バランスバー共振子によって生ずる密度に応じた感度の高まりが最大になる。高い密度の物質での間隔の増大により密度に応じた感度の高まりがより小さくなる。かくしてバランスバー共振子による感度の高まりは共振子の共振振動数と駆動振動数との適切な最初の間隔による感度の低下を打ち消すようにできる。
【００１６】
流管のコリオリ撓みに応じたバランスバーを有することにはいくつかの適切な理由があることについて前述した。ある範囲の流体の密度にわたって一定の流れ感度を有する流量計となることが一つの理由である。共振によるコリオリ状撓みが大きくならない程度にバランスバーが十分に硬ければ、密度に応じた流量計の流れ感度を変化させるのに十分な振幅比の変化となろう。しかしバランスバー共振子の動作モードを励振するものはなく、感度の変化を選択的に打ち消すのに十分なバランスバーのコリオリ状撓みはないであろう。
【００１７】
前述したように、バランスバー共振子は流れ感度を最適化するようにバランスバーにトルクを与える。このトルクは物質の流れにより流管に加わるコリオリトルクに比例し、それとは逆の向きになっている。バランスバー共振子のトルクはバランスバーに加わり物質によるトルクは流管に加わるが、両方とも最終的に流量計のケース及びフランジに加わる。かくしてバランスバー共振子のトルクによりケースに加わる正味のトルクが減少し、流量計の揺動がより小さくなり流量計の揺動に伴う流量計の出力データの誤差がより小さくなる。
【００１８】
本発明の１つの面は、
流管（９０１）及び該流管に実質的に平行な向きのバランスバー（９０２）と、  上記バランスバーの端部を上記流管に連結する受けバー手段（９１３）と、
物質が充満した上記流管及び上記バランスバーの共振振動数に実質的に等しい振動数を有する駆動モードで上記流管及び上記バランスバーを位相が逆になるようにして振動させる駆動源（Ｄ）と、
上記流管及び上記バランスバーに連結されたピックオフ手段と、
上記ピックオフ手段から信号を受け取りコリオリ流量計の出力情報を生成する流量計電子回路と、
を有し、
上記物質の流れが撓みの領域と撓みのない節点とによって特徴づけられる上記流管の周期的なコリオリ撓みを生ずるように上記振動する流管に周期的なコリオリ力を与え、
上記受けバー手段が撓みの領域と撓みのない節点とによって特徴づけられる上記バランスバーにおける周期的なコリオリ状撓みを生ずるように上記流管のコリオリ撓みに応答し、
上記バランスバーのコリオリ状撓みが上記流管の周期的なコリオリ撓みと位相が合っていて、これと同数の節点を有し、上記コリオリ状撓みが上記バランスバー軸方向の中心部分の回転を含む
物質の流れを受けるようにしたコリオリ流量計において、
上記バランスバーに連結された上記バランスバー共振子であって、上記バランスバーの位相の合ったコリオリ状撓みが上記バランスバー共振子手段をその縦方向の中心部分の回転に対して位相の外れた回転モードで振動させるように励振するバランスバー共振子手段（９０８，９１１Ａ，９１１Ｂ）と、
上記回転モードにおける上記バランスバー共振子手段の振動がコリオリ流量計によって生ずる出力情報の精度を高めるトルクを上記バランスバーに与えるための装置（９０９，９０９Ａ，９０９Ｂ）と、
上記バランスバーの振動速度に対する上記流管の振動速度を表す精度の高まった信号（９２２，９２４）を生ずる上記流管に連結されたピックオフ手段（ＬＰＯ，ＲＰＯ）と、
上記ピックオフ手段による上記精度の高まった信号の生成に応じて上記物質の流れに関する情報を取り出す流量計電子回路（９２１）と、
をさらに含むようにしたコリオリ流量計である。
【００１９】
他の面は、コリオリ流量計の上記出力情報の精度を高める上記装置が上記バランスバーのコリオリ状撓みの振幅を減少させるように上記バランスバーの共振子から上記バランスバーにトルクを与えるバランスバー共振子を含む装置（９０９，９０９Ａ，９０９Ｂ）を含み、上記流管のコリオリ撓みの相対的速度が上記バランスバーの位相の合ったコリオリ状撓みの振幅の減少に応じた上記バランスバーの位相の合ったコリオリ状撓みに対して増大し、コリオリ流量計の感度が上記バランスバーの位相の合ったコリオリ状撓みに対する上記流管のコリオリ撓みの相対的速度の増大に応じて高くなるようにしたことである。
【００２０】
さらに他の面は、上記コリオリ力がコリオリ流量計の揺動を生ぜしめるトルクを上記流管に与え、コリオリ流量計の出力情報の精度を高める上記装置が上記バランスバー共振子手段により与えられる上記トルクを上記バランスバーに、また上記受けバーを介して上記流管に伝えて上記流管によりコリオリ流量計の装着部に与えられるトルクを減少させる装置（９０９，９０９Ａ，９０９Ｂ）を含み、上記流管により上記流量計の装着部に与えられる上記トルクの減少が上記コリオリ流量計の揺動を減少させるように作用するようにしたことである。
【００２１】
さらに他の面は、コリオリ流量計が上記流れる物質の密度の変化により生ずる上記駆動モードでの上記振動する流管及びバランスバーの共振振動数の変化を検出し上記駆動モードでの上記流管及びバランスバーの振動の振幅比の変化を生ぜしめる時に上記コリオリ流量計の出力情報の精度が高くなり、
上記振動の振幅比の変化に応じてコリオリ流量計の物質の流れに対する感度が第１の方向において変化し、
上記共振振動数の変化に応じて上記バランスバーの共振子の振動の振幅が第２の方向において物質の流れに対する感度を変化させ、
上記第１の方向及び第２の方向における流れ感度の変化が実質的に相互に打ち消し合ってコリオリ流量計の流れ感度の変化をなくすように作用する
ようにしたことである。
【００２２】
さらに他の面は、上記バランスバーの位相の合ったコリオリ状撓みを生ずる上記装置が上記受けバー手段を含み、該受けバー手段がそれを介して上記流管から上記バランスバーに上記周期的なコリオリ撓みを示す力を伝えて上記バランスバーに上記位相の合ったコリオリ状撓みを生ずるようにしたことである。
【００２３】
さらに他の面は、上記バランスバー共振子手段を上記バランスバーの縦方向の中心部に連結する装置（９０９，９０９Ａ，９０９Ｂ）を含むようにしたことである。
【００２４】
さらに他の面は、上記バランスバーの共振子手段が
コリオリ流量計の静止状態において上記バランスバー（９０２）に実質的に平行な細長いバー（９１１，９１１Ａ，９１１Ｂ）と、
該細長いバーを上記バランスバーの縦方向の中心部分に連結するスタブ（９０９，９０９Ａ，９０９Ｂ）と、
からなり、上記バランスバーの縦方向の中心部分に対する上記バランスバー共振子の振動が上記バランスバーにトルクを与えるようにしたことである。
【００２５】
さらに他の面は、上記バランスバー共振子（９０８）から与えられる上記トルクが上記バランスバーの位相の合ったコリオリ状撓みの振幅を減少させてコリオリ流量計の流れ感度を高めるようにしたことである。
【００２６】
さらに他の面は、上記バランスバー共振子（９０８）から与えられる上記トルクが上記バランスバーから上記受けバー（９１３）を介して上記流管（９０１）に伝えられてコリオリ流量計の揺動を減少させるようにしたことである。
【００２７】
さらに他の面は、上記共振子バーが質量要素（Ｍ）を含むようにしたことである。
【００２８】
さらに他の面は、上記質量要素（Ｍ）が上記共振子バーの端部に取り付けられるようにしたことである。
【００２９】
さらに他の面は、上記バランスバー共振子手段が上記細長いバーを上記バランスバーの底面において上記バランスバーの縦方向の中心部分に連結する上記スタブ（９０９，９０９Ａ，９０９Ｂ）からなるようにしたことである。
【００３０】
さらに他の面は、上記バランスバー共振子手段が各々スタブ（９０９Ａ，９０９Ｂ）と細長いバー（９１１Ａ，９１１Ｂ）とからなる第１及び第２のバランスバーの共振子（９０８Ａ，９０８Ｂ）からなり、
上記第１のバランスバー共振子のスタブが上記バランスバーの第１の側において上記バランスバーの縦方向の中心部分に連結され、上記第２のバランスバー共振子のスタブが上記バランスバーの第２の側において上記バランスバーの縦方向の中心部分に連結されるようにしたことである。
【００３１】
さらに他の面は、上記流管のコリオリ撓みにより上記周期的なコリオリ撓みに応じて上記流管の端部が屈撓して上記受けバー手段の第１の端部を屈撓させ、
上記第１の端部の屈撓に応じて上記受けバーの第２の端部が屈撓して上記バランスバーに位相の合ったコリオリ状撓みを生ずるようにしたことである。
【００３２】
さらに他の面は、流管及び該流管に実質的に平行に向いたバランスバーを有し物質の流れを受けるようにしたコリオリ流量計を動作させる方法であって、
上記流管を通して物質を流すことと、
上記流管及びバランスバーを、上記物質が充満した流管及び上記バランスバーの共振振動数に実質的に等しい駆動振動数を有する駆動モードで、位相が逆になるように振動させ、上記流れる物質が上記振動する流管に周期的なコリオリ力を与えて撓みの領域と撓みのない節点とにより特徴づけられる上記流管の周期的なコリオリ撓みを生ずるようにすることと、
上記流管のコリオリ撓みに応じて上記バランスバーに上記駆動振動数での位相の合ったコリオリ状撓みを生ぜしめて、該コリオリ状撓みが上記バランスバーの縦方向の中心部分の回転を生ずるとともに、上記流管の周期的なコリオリ撓みと同じ数の節点を有し位相が合うようにすることと、
の各ステップからなり、上記流管及びバランスバーに取り付けられたピックオフ手段が上記バランスバーの振動速度に対する上記流管の振動速度を表す出力信号を生成し、流量計電子回路が上記ピックオフ手段による上記信号の生成に応じて上記物質の流れに関する情報を取り出すようにしたコリオリ流量計を動作させる方法において、
上記コリオリ流量計が上記バランスバーの縦方向の中心部分に連結されたバランスバー共振子を有し、
上記バランスバーのコリオリ状撓みが上記バランスバー共振子手段を上記バランスバーの縦方向の中心部分の回転に対して位相の外れた回転モードで振動させ、
上記バランスバーの共振子手段の回転モードの振動が上記バランスバーにトルクを与えて上記コリオリ流量計により生成される出力情報の精度を高め、
上記ピックオフ手段が上記バランスバーの振動速度に対する上記流管の振動速度を表す精度の高まった信号を生成し、
上記流量計電子回路が精度の高まった上記信号の生成に応じて上記物質の流れに関する精度の高まった情報を取り出す
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。
【００３３】
さらに他の面は、上記コリオリ流量計の出力情報の精度を高めるステップが
上記バランスバーの位相の合ったコリオリ状撓みの振幅を減少させるように上記共振子手段から上記バランスバーにトルクを与えることと、
上記バランスバーの位相の合ったコリオリ状撓みの振幅の減少に応じて上記バランスバーの位相の合ったコリオリ状撓みに対する上記流管のコリオリ撓みの相対的速度を増大させることと、
上記流管のコリオリ撓みに対する上記バランスバーの位相の合ったコリオリ状撓みの減少に応じて上記コリオリ流量計の流れ感度を高めることと、
の各ステップを含むようにしたことである。
【００３４】
さらに他の面は、上記コリオリ力が上記コリオリ流量計の揺動を生ぜしめるトルクを上記流管に与え、上記コリオリ流量計の出力情報の精度を高めるステップが
上記流管により上記コリオリ流量計の装着部に与えられるトルクを減少させるように上記バランスバー共振子により与えられるトルクを上記バランスバーから上記流管に伝えて、上記流量計の装着部に与えられるトルクの減少が上記コリオリ流量計の揺動を減少させるように作用するようにしたことである。
【００３５】
さらに他の面は、上記コリオリ流量計の出力情報の精度を高めるステップが
上記流れる物質の密度の変化により生ずる上記駆動モードで振動する流管及びバランスバーの共振振動数の変化を検出することと、
上記物質の密度の変化の検出に応じて上記駆動モードでの上記流管とバランスバーとの振動の振幅比を変化させることと、
上記振動の振幅比の変化に応じて第１の方向における上記コリオリ流量計の物質の流れに対する感度を変化させることと、
上記物質の密度の変化における変化に応じて第２の方向における上記物質の流れに対する感度を変化させるように上記バランスバーの共振子の振動の振幅を変化させることと、
の各ステップを含み、上記第１の方向及び第２の方向における流れ感度の変化が上記コリオリ流量計の一定の流れ感度を得るように作用するようにしたことである。
【００３６】
さらに他の面は、上記バランスバーにおけるコリオリ状撓みを生ずるステップが上記バランスバーにおけるコリオリ状撓みを生ずるように上記流管から上記受けバー手段を介して上記バランスバーに上記周期的コリオリ撓みを示す力を伝えるステップを含むようにしたことである。
【００３７】
さらに他の面は、上記バランスバーの共振子手段を上記バランスバーの底面において上記バランスバーの縦方向の中心部分に連結するステップを含むようにしたことである。
【００３８】
さらに他の面は、上記バランスバーの共振子手段が各々細長いバー及びスタブを有する１対の要素を含み、各々の要素のスタブを上記バランスバーの対向する側面において上記バランスバーの縦方向の中心部分に連結するステップを含むようにしたことである。
【００３９】
さらに他の面は、上記バランスバーに与えられるトルクが上記バランスバーの位相の合ったコリオリ状撓みの振幅を減少させて上記コリオリ流量計の流れ感度を高めるようにしたことである
【００４０】
さらに他の面は、上記バランスバーに与えられたトルクが上記バランスバーから受けバーを介して上記流管に伝えられて上記コリオリ流量計の揺動を減少させるようにしたことである。
【００４１】
さらに他の面は、上記バランスバーを振動させるステップが
上記周期的なコリオリ撓みに応じて上記流管の端部を屈撓させて受けバー手段の第１の端部を屈撓させることと、
上記第１の端部の屈撓上記受けバーの第２の端部を屈撓させて上記バランスバーに上記コリオリ状撓みを生ぜしめることと、
の各ステップを含むようにしたことである。
【００４２】
本発明の上述した、また他の利点及び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。本発明の方法及び装置は、流量計の感度を増幅し流量計の振動を減少させる構造をバランスバーに設けることにより単管式流量計における流量計の振動及び低い流れ感度の問題を解消する。これがいかにしてなされるかを理解するために、流管に加わるコリオリ力の性質、これにより流管に生ずる捩れ、この捩れがいかにして流管に沿って位相の合ったシフトとなるかを理解することが必要である。
【００４３】
〔図１、２及び３の説明〕図１は流管１０２が端部１０１を中心として反時計方向に回転する際に物質が流れて通る流管１０２を示している。流管１０２の単位長さ当たりのコリオリ力はコリオリ加速度Ａｃ及びニュートンの法則についての式から導かれる。コリオリ加速度は
【数１】
0004015852.tif 000002
ω＝角速度、  ｖ＝物質の速度
で表され、コリオリ力Ｆcは
【数２】
0004015852.tif 000003
Ｍ＝物質の質量
で表される。物質の質量は
【数３】
0004015852.tif 000004
ρ＝物質の密度、  Ａt＝流管の断面積、  ｌ＝流管の長さ
であるので、
【数４】
0004015852.tif 000005
【数５】
0004015852.tif 000006
であるが、
【数６】
0004015852.tif 000007
【数７】
0004015852.tif 000008
である。流管１００の各部分は同じ速度で回転し流管全体で質量流量が同じであるので、コリオリ力Ｆcは流管１０２の全長にわたって一様である。
【００４４】
図２は、端部２０１及び２０２を中心として自由に回動するが端部２０１及び２０２において並進移動しないように固定されている直線状流管２００を示している。流管２００は物質がそれを通って流れる際に駆動源Ｄによりギターの弦のようにその共振振動数で、第１の曲げモードで軸２０３を中心として振動する。流管が直線状の軸２０３（ゼロ変位）を通って下方に通過すると、その左側の半分は時計方向に回転し、右側の半分は反時計方向に回転する。流管の中心部に近づくと回転が減少する。中心部は回転せず、単に並進するだけである。流管２００がゼロ変位の軸２０３を通過する際にこれに加わるコリオリ力の空間的分布が図３に示されている。流管の回転が反対方向であるので、コリオリ力は流管の２つの半片において反対の方向になっている。流管の回転が中心部においてゼロになるのでコリオリ力は中心部においてゼロにまで減少する。
【００４５】
図２の振動する流管２００と図１の回転する流管１０２との他の大きな差は振動する流管２００が連続的に回転せず、停止し方向を反転することである。振動方向の反転の際に、回転がゼロになり、流管全体に加わるコリオリ力がゼロになる。その結果、図３に示されるように流管の振動が振幅ゼロ及び最大の速度を通過する際に最大になるように時間とともに正弦波状に変化する。流管が第１の曲げ（駆動）モードにおいて最大の振動の振幅及び速度ゼロに達する際に流管全体でゼロのコリオリ力になる。流管に正弦波状に加わるコリオリ力の振動数は、流管が駆動源Ｄによって振動する際の振動数、すなわち流管の第１の曲げ（駆動）モードの振動の振動数と同じである。
【００４６】
〔図３の説明〕図３はコリオリ力がいかにして流管にアンバランスなトルクを加えるかを示している。拘束がなければ、図３の流管は流管のサイクルで図示された瞬間に時計方向に回転するであろう。流管の振動の方向が変化すると、トルクの方向及び回転の方向も変化する。図７の従来のバランスバーはケース連結リンク及び流管の非作動部分を介してケース及びフランジに伝達されるアンバランスなトルクを釣り合わせるのに寄与するところがない。これにより流量計全体が駆動振動数で振動して流量計の両端部が駆動振動数で相互に位相が外れるように、流量に比例する振幅で振動するようになる。
【００４７】
〔図４の説明〕図４に示されるように流管２００は加わる周期的なコリオリ力に応じて屈撓する。実線は流管が駆動モードにおける変位ゼロの軸２０３を下方に通過する際にコリオリ力に応じてとる形状（誇大された）を示している。点線は流管が駆動モードにおいて変位ゼロの軸を通って上方  に移動する際にとる形状を示している。この瞬間に変位ゼロを実際に通過する流管上の唯一の点は流管の中心点である。図４は第２の曲げモードの形状と同様である。しかしながら、それは単に一致したにすぎない。流管の第２の曲げモードの振動数は図３のコリオリ力が加わる振動数（第１の曲げモードの駆動振動数）よりずっと高い。流管はコリオリ力によりその第２の曲げの共振振動数より十分に低い振動数で励振されるので、このコリオリ力により生じた図４の変形と図３のコリオリ力とは相互に位相が合うようにして生ずる。それゆえ流管２００はその駆動された（第１の曲げの）モードにおける変位ゼロの軸２０３に交差する際に図２の形状となる。
【００４８】
〔図５の説明〕物質の流れが図２の駆動された振動において図４のコリオリ力により生じた振動に重畳される。これが図５に示されている。両方の振動は第１の曲げモードの駆動振動数で生ずるが、それらは相互に９０゜だけ位相がシフトしている。第１の曲げモードが軸２０３に沿って変位ゼロである時にコリオリ力により生ずる最大の変位（実線）になる。第１の曲げモードが最大の変位（点線）になる時にコリオリ変位がゼロになる。図５は流管２００がゼロ軸２０３に交差する時のコリオリ撓みに関する限りにおいて流管の状態を表している点において図３と同様である。この時に、またこの時にだけ、コリオリ力及びコリオリ力により生ずる撓みが最大の振幅になる。図３に関して前述したように、駆動モードにおける流管２００の撓みが上方または下方のいずれかの方向において最大になる時にコリオリ力が減少し、最終的にゼロになる。この時に流管の速度はゼロであり、加わるコリオリ力及びそれによるコリオリ撓みもゼロである。かくして、流管２００が正及び負の最大撓みの間で第１の曲げモードで正弦波状に振動する際に、図４に示される正弦波状のコリオリ応答が駆動振動数で正弦波状の振幅で変化する。図４及び５に示されるコリオリ変位の振幅は明確にするために誇大化されている。この振幅は、第１の曲げモードは流管の共振振動数で駆動されコリオリモードはそのように駆動されないので、実際には流管２００の第１の曲げ（駆動）モードの振幅よりずっと小さい。かくして、全ての図に示されるコリオリ撓みは誇大化されたものである。
【００４９】
従来の流量計における物質の流れに応じた位相の遅れは流管のコリオリ撓み及び第１の曲げ（駆動）モードの重畳の結果である。図４において右側検出器ＳＲが左側検出器ＳＬより前に変位ゼロを通ることがわかる。左側検出器及びその出力電圧が右側検出器及び出力電圧より遅れると言える。逆に右側検出器ＳＲが左側検出器ＳＬより位相が進むとも言える。位相差（あるいは遅延時間）はコリオリ力により生じた変位の振幅に比例し、この変位は質量流量に比例する。
【００５０】
理想的な直線状単管式コリオリ流量計において、バランスバーは第１の曲げモードで振動するだけであり、流管に加わるコリオリ力に対して大きく応答することはない。図５はバランスバー５０２の両端において受けバー５０３及び５０４により連結された流管２００及びバランスバー５０２を有する直線状単管式コリオリ流量計５００を示している。図５の実線は、物質の流れる状態で第１の曲げ（駆動）モードで変位ゼロの軸２０３に交差する際の流管２００及びバランスバー５０２を示している。図５のバランスバー５０２にコリオリ撓みは生じていない。点線は、第１の曲げ（駆動）モードでの振動の外側の範囲における流管及びバランスバーを示している。
【００５１】
〔図６の説明〕図６は、図５の理想的な直線状単管式コリオリ流量計によって生ずる振動速度を説明するベクトルダイアグラムである。ベクトルＶｔｕｂｅ６０３及びＶｂａｌｂａｒ６０６の長さは流管及びバランスバーのピーク速度を表し、ベクトルＶｎｅｔ６０５はバランスバーのベクトル６０６と流管のベクトル６０３と速度ベクトルの和を表している。これらのベクトルは駆動モードにおける１つの流管サイクルを表す１回の回転だけ原点を中心として回転する。ｘ軸上へのベクトルの射影が実の速度（すなわち正味ベクトルの場合の電圧）を表す。ｘ軸に対してベクトルがなす角度はその位相を表す。図６は図５に実線で示される時に図５の流量計の右側のピックオフを表している。右側検出器ＳＲにおける流管の応答はベクトル６０３と実軸６０２との間の角度によって表される進相φtubeを有するベクトル６０３である。駆動源Ｄがゼロの位置を通過する時にピックオフのマグネットＳＲはすでに流管の変位ゼロの位置を通過しているので位相が正になる。バランスバーは流管に生じたコリオリ力に大きく影響を受けずバランスバー５０２全体がこの瞬間に変位ゼロの位置を通過するところであるので、バランスバー５０２の振動速度は軸６０２から位相がシフトしていない。バランスバーのベクトル（６０６）は実軸６０２の方向に示され、Ｖbalbarと称する。流管及びバランスバーの速度のベクトル和はベクトルＶnet６０５である。ベクトル６０５は流管及びバランスバーの加算されたベクトル速度と位相とを表す位相角φnetを有する。この正味の位相角が質量流量が測定される手段になる。右側のピックオフＳＲからの正味の位相角は流管だけの位相角より小さい。位相の合った角度（及び感度）の減少は図５の理想的な単管式流量計にバランスバーの大きな位相シフトがないことによるものである。
【００５２】
〔図７の説明〕図５の従来のバランスバー５０２は、バランスバーが実際には間接的にコリオリ力によって変形するので、理想的なものである。コリオリ力はバランスバーに直接作用するのではないが、受けバー５０３を介してバランスバーの各端部トルクを加える。図７に示されるバランスバー５０２の変形は流管５０１のコリオリ変形と形状及び位相が同様であるように見え、変形がより小さくなっているだけである。しかしながらバランスバーの位相の合ったコリオリ状変形は実際には流管の速度ベクトル（８０３）の位相と反対の符号を有するバランスバーの速度ベクトル（８０６）になる。この見かけ上のパラドックスの理由は、流管５０１とバランスバー５０２とが図７に速度ベクトル８０３で示される駆動モードと反対の方向に運動することである。これらのベクトルは駆動源における流管及びバランスバーの速度を表す。流管とバランスバーとは反対の方向に振動するので、同じ方向の変形（位相の合った変形）は一方の位相に加算されるが、他方の位相から減算される。かくして左側の検出器ＳＬ（流管上の）のマグネットはまだ流管の変位ゼロを表す点線を通っていないが、左側の検出器（バランスバー上の）のコイルはすでにバランスバーの変位ゼロを表す点線を通っている。かくして流管のマグネットは負の（すなわち遅れる）位相を有し、コイルは正の（すなわち進む）位相を有すると言えよう。同じ論法が右側のピックオフＳＲに関しても成り立ち、位相の符号が逆になるだけである。流管上のマグネットはすでに変位ゼロの線を通過して正の位相を有するが、バランスバー上のコイルはまだ変位ゼロの線を通過していず負の位相を有する。かくして位相の合ったバランスバーの変形は、図５の理想的な流量計より大きくピックオフ信号間の位相の遅れを減少させるので、望ましくない。
【００５３】
〔図８の説明〕図８は図７に示される流れのある典型的な従来の流量計の右側のピックオフＳＲの出力信号に関するベクトルダイアグラムである。図８において、バランスバーの速度ベクトル８０６は負の位相を有し（まだ変位ゼロを通っていない）、それが正の位相を有する流管のベクトル８０３（すでに変位ゼロを通っている）に加算される。その結果、正味のベクトル８０５（すなわち出力電圧）が図５または６の理想的な流量計より小さい位相角を有することになる。減少した位相角のため流量計の感度がより低くなり、かくして図５の理想的な流量計より出力信号が小さくなる。
【００５４】
〔図９及び１０の説明〕図９に示されるように、本発明の考えられる一実施例は流管９０１と、流管９０１の中間部分を取り囲む円筒形のバランスバー９０２と、バランスバー９０２の端部を流管９０１に連結する受けバー９１３とを収容する外側ケース９０３を有する直線状単管式コリオリ流量計９００を示している。流管９０１は左右の端側部分９０４を含む。ケースのネック部分９１４における端側リップ部９０５を含む。ネック部９１４の内側の環状開口９１５内に連結リング９０６が配置されている。連結リング９０６は流管９０１の端側部分をケース９０３の端側部分に密封可能に係合させる。流量計９００はまた内側端部９３２においてバランスバー９０２に、外側端部９３３においてケース９０３の内壁９１２に連結されたケース連結リンク９３０を有する。ケース連結リンク９３０はまた平面から外れる屈曲部９３１を有している。
【００５５】
流管９０１は流管９０１とバランスバー９０２との両方に連結された駆動源Ｄによって振動する。流管９０１はまた駆動源Ｄの両側に配置された左側ピックオフＬＰＯ及び右側ピックオフＲＰＯに連結されている。流量計電子回路９２１は流管９０１及びバランスバー９０２が線路９２３を介して駆動源Ｄに信号を供給して流管９０１及びバランスバー９０２を位相が反対になるように駆動する。流管と流れる物質との振動により流管９０１にコリオリ力が加わり流管を捩る。流管の捩れはピックオフＬＰＯ及びＲＰＯによって検出される。ピックオフの出力信号は線路９２２及び９２４を介して流量計電子回路９２１に伝送され、流量計電子回路９２１はそれらの信号を処理して、信号間の位相差を決定し、線路９２５を介して物質の流れを表す情報を使用者に対して出力する。
【００５６】
流れる物質及び振動する流管９０１のコリオリ力により振動する流管の形状を変形する流管におけるコリオリ撓みが生ずる。図４に誇大化して示されたこの変形により流管に沿って異なる位置がわずかに異なる位相で振動するようになる。振動する流管に沿った各点は物質が流れる際に正弦波状のコリオリ運動を行うが、それらの点が同時に最大変位あるいは変位ゼロの位置に達することはない。振動する流管の中心部は物質の流れで何ら変化を受けないが、流管の入口部分は位相が遅れ、流管の出口側端部は進み位相となる。
【００５７】
流管９０１上の２つの位置の間の位相差は流量計電子回路９２１によって流量が決定される手段である。速度（あるいは変位、あるいは加速度）のピックオフＬＰＯ及びＲＰＯが流管９０１に沿った２つの位置に配置されている。ピックオフの出力間の遅延時間（位相差を駆動振動数で除したもの）は振動する流管９０１を通る質量流量に正比例する。
【００５８】
従来の直線状流管の流量計において、バランスバー９０２は主として振動する流管の質量を釣り合わせるために用いられる。バランスのとれた振動の構造は流管９０１、受けバー９１３及びバランスバー９０２からなる。使用時にバランスバー９０２及び流管９０１は物質が充満した流管９０１を含むこの構造の共振振動数で駆動源Ｄにより位相が反対になるように振動する。振動する流管を通って物質が流れる結果として、流管９０１に正弦波状のコリオリ撓みが生ずる。このコリオリ状撓みは振動する物質が充満した流管９０１の駆動振動数で生ずる。バランスバー９０２は、流管９０１のようにそれを物質が流れて通るのではないので、直接コリオリ力を受けることはない。しかしながら受けバー９１３が流管からバランスバー９０２への振動の伝達の経路となる。その結果、コリオリ力により生じた流管９０１の撓みが受けバー９１３を介してバランスバー９０２にトルクを伝える。従来の流量計において、このトルクにより図７に示されるようにバランスバーに小さい振幅のコリオリ状撓み（共振的撓み）が生ずる。この小さいコリオリ状撓みによりピックオフからの正味の位相差が減少する。ピックオフＬＰＯ及びＲＰＯにより生ずる減少したコリオリ信号は線路９２２及び９２４を介して流量計電子回路９２１に供給され、流量計電子回路９２１は検出器ＬＰＯ及びＲＰＯの出力信号間の位相差から物質の流れの情報を決定する。
【００５９】
本発明はバランスバー共振子９０８を含む。これは縦方向の軸が流管の縦方向の軸に平行になったバー９１１である。バランスバー共振子のバーは比較的硬く、その全長にわたって質量を有し、その端部に付加的な質量ｍを有していてもよい。バランスバー共振子のバー９１１はその中間点においてストラット９０９によりバランスバー９０２の中間点に取り付けられている。このストラットはバランスバー共振子の回転モード（図１０における点線）の共振振動数を駆動振動数よりわずかに低く設定するような大きさになっている。流管９０１のコリオリ力により生じた撓みは図７に示されるように受けバー９１３によってバランスバー９０２をわずかに変形させる。図７のコリオリ状撓みにおけるバランスバーの変形は図１０に示されるようにバランスバー共振子の回転モードを励振する。バランスバー共振子の共振振動数は励振（駆動）振動数より低いので、バランスバー共振子の運動はバランスバーのコリオリ状撓みに対して１８０°位相が外れている。回転モードにおけるバランスバー共振子の変形によりバランスバー共振子のストラット９０９を介してバランスバーにトルクが与えられる。このトルクによりバランスバーのコリオリ状撓みが減少し、それによって流量計の流れ感度が図５の理想的な単管式流量計の流れ感度に近くなるまで増大する。
【００６０】
図１０は図９の流量計を、ケース９０３及びその端側部分を除去して示している。また流量計の電子回路及びそれに伴う結線は図の複雑さを少なくするために示されていない。動作時に流管９０１は流管に正弦波状Ｓ形の撓みを生ぜしめるコリオリ力を受ける。これが図７に示されている。流管９０１のこのコリオリ撓みは図９の受けバー９１３を介してバランスバー９０２の各端部にトルクを与えて図７に示されるように流管９０１の撓みと位相が合っているが振幅がより小さいコリオリ状撓みをバランスバーに生ぜしめる。前述したように、バランスバーの位相の合ったコリオリ状撓みはピックオフＬＰＯ及びＲＰＯの各々から得られる有効遅延位相を減少させるので望ましくない。
【００６１】
バランスバー共振子９０８を設けると動的バランサーとして作用することによりバランスバー９０２のコリオリ状撓みが減少する。かくしてバランスバーの中心部分が流管のコリオリ撓みの結果として反時計方向に回転すると、各々の端部に質量Ｍを有する共振子バー９１１は時計方向に回転してバランスバー９０２の反時計方向の回転に抗する。このため受けバー９１３を介して流管９０１から受ける振動の力によりバランスバー９０２を反時計方向に回転させようとする動作が減少する。同様に、バランスバー９０２の中心が時計方向に回転しようとすると、バランスバー共振子９０８は反時計方向に回転してバランスバーの時計方向の回転を減少させる。このバランスバー９０２の回転振動はバランスバー共振子９０８の回転振動により効果的に打ち消される。かくしてバランスバー共振子９０８は動的バランサーとして効果的に作用し、流管９０１によって、また受けバー９１３によってバランスバー９０２に与えられるコリオリ信号によるバランスバー９０２のいかなる回転をも打ち消し、あるいは最少にする。
【００６２】
〔図１１の説明〕図１１は１対のバランスバー共振子９０８Ａ及び９０８Ｂを示していることを除いて図１０と同様である。バランスバー９０８Ｂはバランスバー９０２の軸方向中心部分の一方の側に取り付けられ、バランスバー共振子９０８Ａはバランスバー９０２の反対側に取り付けられている。これは図１０でバランスバー共振子９０８がバランスバー９０２の底部に取り付けられて示されているのと異なっている。図１１の実施例の動作原理は図１０の場合と同じである。すなわち、バランスバー共振子９０８Ａ及び９０８Ｂは共同で動的バランサーとして作用し、それらが図９に示される流管９０１から受けバー９１３を介してバランスバー９０２に与えられるコリオリ振動によるバランスバー９０２の回転を効果的に少なくする。
【００６３】
図１１において、バランスバー共振子をバランスバー連結するストラット９０８Ａ及び９０８Ｂは図９及び１０のストラット９０９のように曲げではなく、捩れによって撓む。２本のバランスバーに図９及び１０の１本だけのバランスバー共振子と同様のトルクを与え、同じ結果となる。
【００６４】
〔図１２及び１３の説明〕バランスバー共振子はまた流れ感度を物質の密度によらないようにするために用いられる。図１２及び１３は図７の従来の流量計の出力信号の位相に変化する物質の密度が及ぼす効果を示している。密度の差は駆動振動数と流管の位相とのシフトになるので、２つの異なる密度の物質について流量計の位相ダイアグラム間で比較するのは通常無意味である。それゆえ、これらのダイアグラムについての位相角は振動数に関して「規格化」されている。これは位相角を駆動振動数で除していることを意味する。規格化された位相角は実際には遅延時間である。コリオリ力と、かくして位相角とは流管の振動数に比例するので、一定の流れ感度を有する流量計の場合、同じ質量流量で異なる密度の場合の流管の規格化された位相角は等しくなるであろう。
【００６５】
図１２は低密度の物質の与えられた流量において従来の流量計のピックオフの出力信号に関する規格化されたベクトルダイアグラムである。ベクトルの長さは速度に比例し、ｘ軸からの角度は流管の中心点が変位ゼロの位置を通る時の成分の位相角を表す。低密度の物質では（運動量を保存して流量計のバランスを維持するように）流管の大きい振幅及びバランスバーの小さい振幅になる。流管のベクトル１２０３とバランスバーのベクトル１２０２とのベクトル和Ｖnetは比較的大きい位相角φnet（規格化された）となる。図１３は、同じ質量流量で密度がずっと高い物質での同じ流量計の規格化されたベクトルダイアグラムである。流管の規格化された位相角φtubeは図１２におけるものと同じであり、バランスバーの位相角φbalancebarは図１２におけるものと同じである。しかしながら、流管の振幅が減少しバランスバーの振幅が増大してベクトル和１３０５の規格化された位相角φnetが減少する結果となる。物質の密度に応じたこの正味の位相角の変化で物質の密度に応じて流量計の流れ感度が低下する結果になる。
【００６６】
〔図１６及び１７の説明〕バランスバー共振子を具体化した本発明は物質の密度の変化により変化する流れ感度の問題を解決する。それによって駆動振動数とバランスバー共振子の共振振動数との振動数の間隔の変化に応じたバランスバー共振子の振幅の変化を用いることにより流れ感度に密度が及ぼす効果が除去される。図１６は典型的な振動数応答曲線である。この図はバランスバー共振子の振動の振幅は駆動振動数とバランスバー共振子の動作モードの共振振動数との比の関数として示している。振動数の比が１．０に非常に近い時にバランスバー共振子の振幅は非常に大きくなることがわかる。図１７は動作モードにおけるバランスバー共振子の撓みとバランスバーのコリオリ状撓みとの位相関係を示している。この図は駆動振動数がバランスバー共振子の動作モードの共振振動数より高い状態で位相角が１８０°であることを示している。
【００６７】
駆動振動数は低密度の物質では高くなり高密度の物質では低くなるが、高密度の物質の場合の駆動振動数より低い振動数ではバランスバー共振子の共振振動数は一定である。これは、高密度の物質の場合低密度の物質の場合より振動数の間隔が小さく（振動数の比はより１に近い）、その結果高密度の物質の場合に与えられた質量流量に関してバランスバー共振子の振動の振幅がより大きくなることを意味する。バランスバー共振子の振幅がより大きくなると低密度の物質より負にならないバランスバーのピックオフのベクトルとバランスバーのコリオリ状撓みとがより小さくなる。
【００６８】
〔図１４及び１５の説明〕図１４及び１５は密度の効果がいかに除去されるかを示している。図１４は低密度の物質についてのピックオフの出力の規格化されたベクトルダイアグラムである。流管の振動の振幅は大きく、その結果大きい流管の速度と長い速度ベクトル１４０３となる。低密度の物質のために駆動振動数も高い。高い駆動振動数である結果としてバランスバー共振子の一定なより低い共振振動数と駆動振動数との大きい振動数の間隔となる。大きい振動数の間隔は、バランスバー共振子の振幅が小さく、バランスバーが受けバーを介して流管のコリオリ撓みによって変形していることを意味している。その結果、バランスバーの速度ベクトル１４０６は比較的大きい負の位相角を有する。
【００６９】
図１５は図１４と同じ流量計及び同じ質量流量で高密度の物質の場合の規格化されたベクトルダイアグラムである。図１４のベクトル１４０６と比較して、流管の振幅は減少するが、バランスバーの振幅は増大する。この結果として図１５において長さの減少した流管のベクトル１４０３及び長さの増大したバランスバーのベクトル１４０６となる。またより高い密度の物質では駆動振動数が低下しその結果バランスバー共振子の共振振動数と駆動振動数との振動数の間隔がより小さくなる。振動数の間隔が減少することによりバランスバー共振子の振幅がより大きくなり（図１６に示されるように）バランスバーのコリオリ状変形が減少する。これはバランスバーのベクトル１４０６がより小さい負の位相角を有することを意味している。バランスバーの負の位相角の減少により図１５の正味のベクトル１４０５が図１４の正味のベクトル１４０５と同じ位相角及び振幅を有することが可能になる。正味のベクトル１４０５は同じ位相角及び振幅を有するので、２種類の異なる密度の物質に関して流量計の流れ感度が同じになる。これにより従来の流量計の密度感応性の問題が解決される。
【００７０】
図９、１０及び１１のバランスバー共振子は流量計のんどをを高め流量計の流れ感度が物質の密度似によらないようにすることのほかにさらに利点を有している。図３からコリオリ力は流管にアンバランスなトルクを与えることがわかる。拘束がなければ、図３の流管は流管のサイクルに図示された瞬間に時計方向に回転するであろう。流管の振動方向が変化すると、トルクの方向及び回転方向も変化する。図７の従来のバランスバーはケース連結リンク及び流管の非作動部分を介してケース及びフランジに伝えられるアンバランスなトルクを釣り合わせるのに寄与するところがない。これにより流量計の両端が駆動振動数で相互に位相が外れるように、また流量に比例した振幅で振動するようにして流管全体が駆動振動数で振動するようになる。
【００７１】
流量計全体の振動は物質のコリオリ加速度に対する加算あるいは減算となるので望ましくない。付加的な加速度は質量流量に比例するが、流量計の装着部の硬さに依存するので、一般的には知られない。流量計の硬い装着部により擬似的な加速度（揺動）が減少するが、柔らかい装着部により増大する。かくして知られていない擬似的な加速度により流量計の誤差が生ずる。
【００７２】
本発明はバランスバー共振子によってアンバランスなコリオリ力によるこの流量計の振動の問題の厳しさを減ずる。バランスバー共振子は、励振の変位をほぼゼロに減少させるのに十分なトルクをバランスバーに与えるまで振動の振幅を増大させるという点において動的バランサーと同様に作用する。バランスバー共振子の励振は２つの振動源から生じ得る。それはバランスバーのコリオリ状撓みから生じ得るとともにコリオリ地からにより生ずる流量計全体の揺動から生じ得る。いずれかの振動源がバランスバー共振子を励振してその回転モードの振幅を増大させる。図１０はバランスバー共振子９０８の曲げを示している。ストラットがバランスバーにトルクを与え、バランスバーは物質のコリオリ加速度によって流管に加わるトルクと反対のトルクを流管に与える。このトルクはバランスバーの変形を減少させるとともに、ケース連結リンク及び流管の非作動領域によってケースの揺動を減少させる。
【００７３】
バランスバー共振子がバランスバーのコリオリ状撓みとコリオリ力により生ずる流量計全体の揺動とを減少させる程度はバランスバー共振子の回転モードの共振振動数と駆動振動数との間隔の関数である。これは図１６の典型的な振動数応答曲線によって明らかになる。２つの振動数が等しければ、バランスバー共振子はバランスバーのコリオリ状撓み及びコリオリ力により生ずる流量計の揺動をほとんど完全になくすことになる。振動数の間隔が増大すると、バランスバー共振子の硬化は減少する。また、バランスバー共振子の共振振動数は駆動振動数より低いことが重要である。図１７は、バランスバー共振子の共振振動数が駆動振動数より高ければ、バランスバー共振子バーがバランスバーの変形と位相を合わせて振動し変形の振幅及び流量計の揺動を増大させることを示している。駆動振動数は物質の密度に反比例するので、バランスバー共振子の共振振動数を、可能な最も高い密度の物質により駆動振動数がバランスバー共振子の共振振動数より低くならないように、駆動振動数より十分に低く設定するのが最もよい。
【００７４】
変形したモードの形状を示す図において、流管のほかにバランスバーを有する流量計が用いられている。この図における形状は理解しやすさを高めるので用いられている。本発明に関する原理は図９、１０及び１１の並置掲示用や同心状の管の形状にも同様に当てはまる。同様に、全ての図では直線状の単管式流量計が用いられているが、この原理は屈曲した単管式流量計にも同様に当てはまる。
【００７５】
本発明は好ましい実施例についての説明したことに限定されず、発明の精神及び範囲内における他の変更、改変を包含することが理解されよう。例えば、本発明は直線状単管式コリオリ流量計の部分からなるものとして説明したが、本発明はこれに限定されず、不規則な、あるいは曲線状の単管式流量計や複数の流管を有するコリオリ流量計を含む他の型のコリオリ流量計にも用いられよう。「物質」という用語はスラリー、シラップ、ある密度の液体、気体、プラズマを含むものと理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【図１】  回転する流管を示す図である。
【図２】  振動する流管を示す図である。
【図３】  流れによる振動する流管のコリオリ力を示す図である。
【図４】  流れによる振動する流管のコリオリ撓みを示す図である。
【図５】  流れによる理想的な流量計のコリオリ撓みを示す図である。
【図６】  図５の流量計のピックオフの出力信号を示すベクトルダイアグラムである。
【図７】  従来の直線状単管式流量計のコリオリ撓みを示す図である。
【図８】  図７の流量計のピックオフの出力信号を示すベクトルダイアグラムである。
【図９】  本発明の実施例の直線状流管のコリオリ流量計を示す図である。
【図１０】  バランスバー共振子として考えられる第１の実施例の切離して示した図である。
【図１１】  バランスバー共振子として考えられる第２の実施例の切離して示した図である。
【図１２】  低密度の物質を測定する従来の流量計のピックオフの信号のベクトルダイアグラムである。
【図１３】  高密度の物質を測定する従来の流量計のピックオフの信号のベクトルダイアグラムである。
【図１４】  低密度の物質を測定する本発明のピックオフの信号のベクトルダイアグラムである。
【図１５】  高密度の物質を測定する本発明のピックオフの信号のベクトルダイアグラムである。
【図１６】与えられた流量についてのバランスバー共振子の共振振動数に対する駆動振動数の比に関してバランスバー共振子の振動の振幅を示すグラフである。
【図１７】  振動数比に関してバランスバー共振子の振動とバランスバーの振動との位相差を示すグラフである。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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