(57)【要約】【課題】小流量用途に向く正確な質量流量を測定する質量流量計を提供する。【解決手段】強制平衡質量流量計が開示される。質量流量計１０は内部孔１２ａを有する円筒状のセンサ・ハウジング１２と、センサ・ハウジング１２の内部孔１２ａ内に軸周りの回転のため支持され、流体が流動するときの流体慣性を流動誘導トルクに変換する手段を有する回転翼本体１８と、センサ・ハウジング１２に対する回転翼本体１８の回転角を測定する近接センサ６０と、回転翼本体１８の回転を阻止するためセンサ・ハウジング１２周りに磁場を発生する電磁手段と、流体が回転翼本体１８に対して流動するとき、近接センサ６０から与えられる電気値を決定する電子回路と、電磁手段に供給する電気量を調節する比例−積分−微分コントローラとを備える。【選択図】図３
2009053192.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）内部孔を有する円筒状のセンサ・ハウジングと、
（ｂ）前記センサ・ハウジングの内部孔内に軸周りの回転のため支持され、流体が流動するときの流体慣性を流動誘導トルクに変換する手段を有する回転翼本体と、
（ｃ）前記センサ・ハウジングに対する前記回転翼本体の回転角を測定するセンサ手段と、
（ｄ）前記回転翼本体周りに磁場を発生する電磁手段と、
（ｅ）流体が前記回転翼本体に対して流動するとき、前記センサ手段から与えられる電気値を決定する手段と、
（ｆ）前記回転翼本体の回転を阻止するのに十分な磁場を発生するように、前記センサ手段からの電気値に応じて前記電磁手段に供給される電気量を調節する手段と、
を備える強制平衡質量流量計。
【請求項２】
前記流体慣性を流動誘導トルクに変換する手段が前記回転翼本体を貫いて延びる流体流動経路を備える請求項１記載の強制平衡質量流量計。
【請求項３】
前記流体流動経路が成形タービン出口流路を備える請求項２記載の強制平衡質量流量計。
【請求項４】
さらに、前記流体流動経路の入口端と連通している流動スワーラーを備える請求項２記載の強制平衡質量流量計。
【請求項５】
前記流動スワーラーが縦軸周りにら線状に捩られる楕円横断面を有する管を備える請求項２記載の強制平衡質量流量計。
【請求項６】
前記回転翼本体が細長い軸に軸周りの回転のため支持される請求項１記載の強制平衡質量流量計。
【請求項７】
前記軸が軸方向に向かい合う軸受によって支持される請求項６記載の強制平衡質量流量計。
【請求項８】
前記軸方向に向かい合う軸受が前記センサ・ハウジングに固定される軸方向に向き合う弾性支持体によって保持される請求項７記載の強制平衡質量流量計。
【請求項９】
前記弾性支持体がさらにその内部において前記回転翼本体が前記軸周りに自由に回転できる、スペーサ・スリーブに連結される請求項８記載の強制平衡質量流量計。
【請求項１０】
前記軸方向に向かい合う軸受が前記軸に予荷重を加えるように調整できる請求項８記載の強制平衡質量流量計。
【請求項１１】
前記センサ手段が近接センサを備える請求項１記載の強制平衡質量流量計。
【請求項１２】
前記センサ手段が容量性角位置センサを備える請求項１記載の強制平衡質量流量計。
【請求項１３】
前記容量性角位置センサが前記回転翼本体の外面に備えられる正反対に配置される２つの導電域と、前記センサ・ハウジングの内面に組み合わされる正反対に配置される、対応する２個一組みの電極とを備える請求項１２記載の強制平衡質量流量計。
【請求項１４】
前記回転翼本体の外面に備えられる前記正反対に配置される導電域が導電性フィルムからなる領域を備える請求項１３記載の強制平衡質量流量計。
【請求項１５】
前記容量性角位置センサが前記回転翼本体の外面に備えられるら旋状の導電域と、前記センサ・ハウジングの内面に組み合わされるら旋状の電極とを備える請求項１２記載の強制平衡質量流量計。
【請求項１６】
前記電磁手段が前記回転翼本体の周方向に位置決めされる複数の永久磁石と、前記永久磁石と同心を保って前記センサ・ハウジングを取り囲む固定子コイルとを備える請求項１記載の強制平衡質量流量計。
【請求項１７】
前記センサ手段から与えられる電気値を決定する手段が静電容量ピックオフ電子回路を備える請求項１記載の強制平衡質量流量計。
【請求項１８】
前記電磁手段に供給される電気量を調節する手段が比例−積分−微分コントローラを備える請求項１記載の強制平衡質量流量計。
【請求項１９】
前記比例−積分−微分コントローラが電力増幅器に接続される請求項１８記載の強制平衡質量流量計。
【請求項２０】
前記電磁手段に供給される電流が前記回転翼本体に与えられる流動誘導トルクに比例する請求項１記載の強制平衡質量流量計。
【請求項２１】
（ａ）内部孔を有する円筒状のセンサ・ハウジングと、
（ｂ）前記センサ・ハウジングの内部孔内に軸周りの回転のため支持され、流体誘導トルクを発生するように構成され、内部を貫いて延びる流体流動経路を有する回転翼本体と、
（ｃ）前記センサ・ハウジングに対する前記回転翼本体の回転角を測定する容量性角位置センサと、
（ｄ）前記回転翼本体の周方向に位置決めされる複数の永久磁石と、
（ｅ）前記回転翼本体の回転を阻止するため磁場を発生する前記永久磁石と同心を保って前記センサ・ハウジングを取り囲む固定子と、
（ｆ）流体が前記回転翼本体を通って流動するとき、前記容量性角位置センサから与えられる容量値を決定する手段と、
（ｇ）前記回転翼本体の回転を阻止するのに十分な磁場を発生するため前記角位置センサからの静電容量値に応じて前記固定子に供給される電流を調節する比例−積分−微分コントローラと、
ここで、前記固定子への電流は前記回転翼本体に与えられる流動誘導トルクに比例する、
を備える強制平衡質量流量計。
【請求項２２】
前記流体流動経路が成形タービン出口流路を備える請求項２１記載の強制平衡質量流量計。
【請求項２３】
さらに、前記回転翼本体を貫いて延びる前記流体流動経路の入口端と連通している細長い流動スワーラーを備える請求項２１記載の強制平衡質量流量計。
【請求項２４】
前記流動スワーラーが通過する流体にら旋状の流れを与えるように構成される請求項２３記載の強制平衡質量流量計。
【請求項２５】
前記流動スワーラーが縦軸周りにら旋状に捩られる楕円横断面を有する管を備える請求項２１記載の強制平衡質量流量計。
【請求項２６】
前記回転翼本体が軸方向に向かい合う軸受によって支持される細長い軸に軸周りの回転のため支持される請求項２１記載の強制平衡質量流量計。
【請求項２７】
前記軸方向に向かい合う軸受が前記センサ・ハウジングに固定される弾性支持体によって保持され、前記軸に予荷重を加えるようにした請求項２６記載の強制平衡質量流量計。
【請求項２８】
前記弾性支持体がさらにその内部において前記回転翼本体が前記軸周りに自由に回転できる、スペーサ・スリーブに連結される請求項２７記載の強制平衡質量流量計。
【請求項２９】
前記容量性角位置センサが前記回転翼本体の外面に備えられる正反対に配置される２つの導電域と、前記センサ・ハウジングの内面に組み合わされる正反対に配置される、対応する２個一組みの電極とを備える請求項２１記載の強制平衡質量流量計。
【請求項３０】
前記回転翼本体の外面に備えられる正反対に配置される２つの導電域が導電性フィルムからなる領域を備える請求項２９記載の強制平衡質量流量計。
【請求項３１】
前記容量性角位置センサが前記回転翼本体の外面に備えられるら旋状の導電域と、前記センサ・ハウジングの内面に組み合わされるら旋状の静止電極とを備える請求項２１記載の強制平衡質量流量計。
【請求項３２】
前記比例−積分−微分コントローラが電力増幅器に接続される請求項２１記載の強制平衡質量流量計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は流体の質量流量を特徴づける質量流量計、特にガスタービン・エンジンの質量流量制御用強制平衡回転翼形流量計に向けられる。
【背景技術】
【０００２】
次世代ガスタービン・エンジンはおそらくアクティブ燃料分配装置によって複数の噴射ノズルに送られる燃料を選択的に調節する分配量制御様式を備えることになる。分配量制御様式は各噴射ノズルにおいて質量流量を個別に調節することを必要とする。これは比較的小流量で運転できる、応答時間がより速く、しかもより小形の質量流量センサを必要とする。ある計算によれば、この流量は従来の主流量計の流量よりもさらに一桁少ない流量になることが予想される。
【０００３】
ガスタービンにおける燃料量を正確に測定する、よく知られた従来の主燃料計は米国特許第6.776,055号明細書に開示される。この装置は回転ドラムの内部に配置される回転翼を備える角運動量流量計の形態である。流量計運転ために回転翼は軸受の摩擦効果および流体の粘性を克服するためにある量の質量流量を必要とする。したがって、この装置は分配制御用途で予想される流量のように小流量を扱う用途には不適当である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって、小流量用途に向く正確な質量流量を測定するように適応され、構成される質量流量計を提供することは有益である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、たとえばアクティブ燃料分配制御用分配量制御様式のような小流量用途の質量流量を正確に測定するのによく適する、流体の質量流量を特徴づける、新規で、有用な質量流量計に向けられる。この質量流量計は内部孔を有する円筒状のセンサ・ハウジングと、このセンサ・ハウジングに内部孔内に軸周りの回転のため支持される回転翼本体とを備える。この回転翼本体は流体が回転翼本体に対して流動するときの流体運動量モーメント（ここでは、また流体慣性とも呼ぶ）を固体の回転またはトルクに変換する手段を備える。
【０００６】
本発明の質量流量計はさらにセンサ・ハウジングに対する回転翼本体の回転角を測定する近接センサであるセンサ手段と、回転翼本体の回転を阻止するためセンサ・ハウジング周りに磁場を発生する電磁手段とを備える。これに加えて、質量流量計は流体が回転翼に対して流動するとき、センサ手段から与えられる電気値を決定する手段と、回転翼本体が回転するのを阻止するのに十分な磁場を発生するためセンサ手段からの電気値に応じて電磁手段に供給する電気量を調節する手段とを備える。
【０００７】
好ましくは、流体慣性を固体の回転またはトルクに変換する手段は回転翼本体を貫いて延びる流体流動経路を備える。この流体流動経路は成形タービン出口流路を有するタービン・プレートと連通する旋回室を備える。このタービン出口流路は流動誘導トルクを発生するように適応され、構成される。
【０００８】
本発明の質量流量計はさらに回転翼本体を貫く流体流動経路の入口端と連通している細長い流動スワーラーを備える。この流動スワーラーはそこを通過する流体に軸周りのら旋流動様式を与えるように構成され、軸周りの角速度を増大することができる。これは回転翼本体に与えられる流動誘導トルクを一段と高め、仮に、回転翼本体に運ばれる流体が比較的小流量であるならば、有利である。好ましくは、流動スワーラーは縦軸周りにら旋状に捩じられる楕円横断面を有する薄壁の管を備える。これに代えて、流動スワーラーはそこを通過する流体にら旋流動を与えるら旋状のインサートを有する管、または一対の捩じれた管を備えてもよい。
【０００９】
質量流量計の回転翼本体は細長い軸に軸周りの回転のため支持される。この軸は軸方向に向かい合う低摩擦軸受によって支持される。これらの軸受は宝石軸受、玉軸受または類似する軸受の形態である。どちらの場合でも、軸方向に向かい合う軸受はセンサ・ハウジングの内部孔に固定される弾性支持部材によって保持される。好ましくは、この軸受はねじ動作可能に弾性支持部材によって保持され、軸に作用する軸周りの荷重を変えるために調節することができる。
【００１０】
本発明の好ましい実施例に従って、センサ手段または近接センサは容量性角位置センサを備える。一実施例では、容量性角位置センサは回転翼本体の外面に備えられる正反対に配置される２つの導電域と、センサ・ハウジングの内面に組み合わされる正反対に配置される２個一組みのピックオフ電極とを備える。各ピックオフ電極は作動中のどのような時間でも電極間に存在する重なり合う、または同時に一致する表面積の量に従って静電容量値を発生するために対応する導電域と電気的に相互作用するように位置決めされる。
【００１１】
別の実施例では、容量性角位置センサは回転翼本体の外面に備えられるら旋状の導電域と、センサ・ハウジングの内面に組み合わされるら旋状の電極とを備える。静止しているら旋電極と浮動しているら旋導電域との相互作用は作動中のどのような時間でも双方の間に存在する、重なり合う、または同時に一致する表面積の量に従って静電容量値を発生する。
【００１２】
回転翼本体の回転を阻止するため磁場を発生する電磁手段は、好ましくは回転翼本体の周方向に沿って位置決めされる複数の永久磁石と、この永久磁石と同心を保ってセンサ・ハウジングおよび回転翼本体を取り囲む固定子コイルとを備える。好ましくは、センサ手段から与えられる電気値を決定する手段は静電容量ピックオフ電子回路を備えており、電磁手段の固定子コイルに供給する電気量を調節する手段は、好ましくは電力増幅器と接続する、電流の供給を調節する比例−積分−微分コントローラを備える。
【００１３】
本発明に従って、比例−積分−微分コントローラによって電磁手段の固定子コイルに供給する電流は回転翼本体の流動誘導回転を阻止する一方、磁気的に平衡した位置に回転翼本体を保持するように回転翼本体に与えられる流動誘導トルクに比例する。したがって、本発明に係る質量流量計の容量性角位置センサの出力は回転翼本体のゼロ位置からのずれで生じる偏差値に比例し、回転翼本体を新しいゼロ位置に修正する、固定子コイルに供給される電流の変化を起こす。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
類似する符号が本発明の多様な実施例の構造的特徴または要素を表わす、図面を参照すると、図１に本発明の好ましい実施例に従って構成される符号１０で指定される強制平衡質量流量計が示される。本発明の質量流量計１０は本質的に質量流量または流体密度（たとえば、質量燃料流量または燃料密度）を計算する電気・機械式変換器である。この装置は比較的小流量について精度よく応答するように設計され、特にガスタービン・エンジン用アクティブ燃焼制御装置の分配量制御様式と共に使用するのに都合よく適合する。アクティブ燃焼制御装置は、たとえば米国特許出願第１１／６０１，３０１号に開示され、明細書の開示は参照してここにその全体を取り入れる。
【００１５】
図１および図２を参照すると、本発明の質量流量計１０は向かい合う取り付けフランジ１４ａ、１４ｂに接して配置される円筒状のセンサ・ハウジング１２を備える。この取り付けフランジ１４ａ、１４ｂはそれぞれ締め付けボルト（図示せず）または類似する手段を受け入れる周方向に配置される複数のボルト孔１５ａ、１５ｂを備える。この締め付けボルトにより質量流量計１０を、たとえばガスタービン・エンジンの燃料噴射器と連絡する燃料管のような燃料供給系統に組み込むことができる。当業者はセンサ・ハウジング１２を利用する燃焼制御装置に応じてこのセンサ・ハウジング１２が取り付けフランジ１４ａ、１４ｂ以外の手段によって装着してもよいことを容易に理解する。
【００１６】
取り付けフランジ１４ａ、１４ｂを液密を保ってセンサ・ハウジング１２に組み付けるのを可能にするため取り付けフランジ１４ａはセンサ・ハウジング１２内に延びる中心本体部１１ａを備える。また、取り付けフランジ１４ａの内側の面にセンサ・ハウジング１２の入口端部を受け入れるための環状の凹部１１ｂ（図１０参照）が形成される。凹部１１ｂを囲むようにＯ−リング要素（図１０参照）または類似する手段を収容する環状の溝１１ｃが設けられる。同様に、図２に示されるように、取り付けフランジ１４ｂにセンサ・ハウジング１２の出口端部を受け入れるための段を付けた中心孔１３ａが形成される。中心孔１３ａを囲むようにＯ−リング要素（図１０参照）または類似する手段を収容する環状の溝１３ｃが形成される。
【００１７】
図３を参照すると、センサ・ハウジング１２は回転翼組み立て体１６を収容する内部孔１２ａを有する。下記に形態および機能がより詳しく説明される回転翼組み立て体１６は入口管１７から送られる燃料を受け入れるように適応され、構成される。図２および図１０に示されるように、入口管１７は取り付けフランジ１４ａの中心入口孔１１ｅを貫いて延在する。図１０に示されるように、取り付けフランジ１４ａ中心入口孔１１ｅ内に回転翼組み立て体１６に対して入口管１７の位置を固定し、双方の間を液密に保つ入口管１７の出口端と協働する保持リング１７ａまたはリップ形密封要素またはＶパッキンのような類似するパッキン構造を収容する環状の溝１１ｆが形成される。この入口管１７は回転翼組み立て体１６を通過する流体にら旋流動様式を与えるように構成され、配置される。これは流体の流れに角速度を与え、回転翼組み立て体１６による流体慣性の固体回転運動への変換効率を高めることができる。これは流量計作動中、仮に回転翼組み立て体に分配される流体が比較的小流量であれば、有利である。
【００１８】
図３ないし図５を参照すると、回転翼組み立て体１６は円筒状のスペーサ・スリーブ２０内部に支持される円筒状の回転翼本体１８を備える。スペーサ・スリーブ２０はセンサ・ハウジング１２の内部孔１２ａ内に収容されるように寸法決めされ、構成され、これは下記により詳しく説明される。回転翼本体１８は、好ましくはスペーサ・スリーブ２０内に軸周りの回転に適するように支持される。特に回転翼本体１８は細長いスピンドル軸２４を収容するための軸方向に延びる中心孔２２を備える（図７参照）。このスピンドル軸２４は、好ましくは中心孔２２内にしまり嵌めで押し込まれ、軸方向に向かい合う低摩擦軸受２６ａ、２６ｂによって支持される（図４および図１３参照）。好ましくは、低摩擦軸受２６ａ、２６ｂは宝石軸受の形態である。しかしながら、この軸受が玉軸受またはこれと類似する軸受からなることも予め見通す。
【００１９】
この軸受２６ａ、２６ｂは、好ましくはそれぞれの弾性支持部材２８ａ、２８ｂ内部にねじ動作可能に保持される（図１３参照）。下記により詳しく説明される弾性支持部材２８ａ、２８ｂはねじ動作可能な軸受２６ａ、２６ｂの軸荷重調整、したがって回転翼本体１８を支持しているスピンドル軸２４に加えられる軸周りの予荷重調整を容易にするように寸法決めされ、構成される。これは回転翼本体１８がセンサ・ハウジング１２内において適切な動作可能な位置に拘束されるのを確実にする。これに代えて、ばねを使ってスピンドル軸２４に予荷重を加え、動作可能な位置に回転翼本体１８を保持するように使用することも予め見通す。軸荷重の調整のため、たとえば工具を用いて軸受への接近を果たすようにスペーサ・スリーブ２０内に縦溝３８が設けられる。
【００２０】
図３および図４を参照すると、支持部材２８ａは回転翼組み立て体１６の入口端支持部材として役立つ。支持部材２８ｂは回転翼組み立て体１６の出口端支持部材として役立つ。支持部材２８ａは軸受２６ａを収容するためのハブ部３０ａを備える。このハブ部３０ａは中間薄板部３２ａによって支持される。また、支持部材２８ａはスペーサ・スリーブ２０の入口側で対応するノッチ３６ａと組み合う正反対に配置される係合タブ３４ａを備える。この相互作用により２個の支持部材２８ａとスペーサ・スリーブ２０とを同心を保って回転可能に支持し、また２個の支持部材２８ａとスペーサ・スリーブ２０とを協働して固定することができる。
【００２１】
支持部材２８ｂは軸受２６ｂを収容するためのハブ部３０ｂを備える。このハブ部３０ｂは中間薄板部３２ｂによって支持される。また、支持部材２８ｂはスペーサ・スリーブ２０の出口側で対応するスロット３６ｂと組み合う正反対に配置される係合タブ３４ｂを備える。この相互作用により２個の支持部材２８ｂとスペーサ・スリーブ２０とを同心を保って回転可能に支持し、また２個の支持部材２８ｂとスペーサ・スリーブ２０とを協働して固定することができる。それゆえ、２個の弾性支持部材２８ａ、２８ｂとスペーサ・スリーブ２０とはセンサ・ハウジング１２内のスピンドル軸２４周りで回転翼本体１８の自由な回転に適応させる一体構造を形成する。
【００２２】
続けて、図３を参照すると、軸方向に対峙する固定リング４０ａ、４０ｂはセンサ・ハウジング１２の内部孔１２ａ内部に回転翼組み立て体１６の弾性支持部材２８ａ、２８ｂを固定する（同時に図１０参照）。この固定リング４０ａ、４０ｂは内部孔１２ａの内面に形成される対応する環状の溝４２ａ、４２ｂ内に装着される。弾性支持部材２８ａ、２８ｂとスペーサ・スリーブ２０とはセンサ・ハウジング１２の内部孔１２ａの内面に形成される正反対に配置した縦溝４４ａ、４４ｂと係合させる支持部材２８ａの係合タブ３４ａと、支持部材２８ｂの係合タブ３４ｂとの相互作用によってセンサ・ハウジング１２の内部孔１２ａの内部に軸周りに回転できないように固定される。したがって、２個の弾性支持部材２８ａ、２８ｂと中間スペーサ・スリーブ２０とはスペーサ・スリーブ２０内のスピンドル軸２４周りに回転翼本体１８を自由に回転させる一方、機械的、磁気的拘束を受けてセンサ・ハウジング１２内で静止位置を保持することができる。これについては後により詳しく議論される。
【００２３】
図５に最もよく示されるように、回転翼組み立て体１６の回転翼本体１８は通過する流体から与えられる慣性を固体の回転またはトルクに変換するように寸法決めされ、構成される、角度付きスロット４８ａ、４８ｂを有するタービン出口プレート４６を備える。流体慣性をトルクに変換するため、たとえば回転翼本体１８の外面に旋回ベーンまたは類似する手段のような代替あるいは付加構造を設けることは予め見通す。
【００２４】
このタービン出口プレート４６は回転翼本体１８に出口端面に形成される凹所４５に装着される。タービン出口プレート４６のスロット４８ａ、４８ｂは回転翼本体１８を貫いて延びる通路と結ばれている。特に、回転翼本体１８の入口端には入口流路５０ａ、５０ｂが形成される（図７参照）。これらの入口流路５０ａ、５０ｂは軸方向に入口流路５２ａ、５２ｂにかけて延びており（図６参照）、これは円筒状の旋回室５４に流体を導くことができる。図１３にも示される旋回室５４はタービン出口プレート４６のスロット４８ａ、４８ｂと直接連絡している。
【００２５】
上述したように、回転翼本体１８は、図１０に示されるように、入口管１７からの流体を取り付けフランジ１４ａの中心入口孔１１ｅを通して受け取る。より詳しくは、入口管１７は弾性支持部材２８ａの二股に分かれた中心開口を介して回転翼本体１８の入口流路５０ａ、５０ｂと連通している（図３および図４参照）。上述したように、入口管１７は回転翼本体１８に流入する流体に角速度成分を与えてら旋または渦状の流れを発生させる流動スワーラーとして設計される。この点、流動スワーラーはステンレス鋼または類似する材料から製作される管のような薄壁を持つ管または管状要素から構成される。この管は、好ましくは望ましい流動様式を生じるように縦軸周りにら旋に捩られる楕円横断面を有する。
【００２６】
これに代わる渦巻き管の形状および構造も予め見通す。たとえば、入口管１７によって形が定まる流動スワーラーは共通の、または結合した出口に望ましい流動様式を発生するため互いに絡み合う、ら旋状に配置した２本の管を備える。流動スワーラーは、あるいは、たとえば米国特許第7,043,922号明細書に開示されるような全体にわたって延びる、ら旋経路を備える環状の燃料管として構成される。この明細書の開示は参照してここに取り入れる。
【００２７】
続けて、図１０、図１１および図１２と共に、図２ないし図６を参照すると、本発明の質流量流量計１０はさらに流体が回転翼本体１８を通って流れ、そこにトルクを発生させるとき、センサ・ハウジング１２に対する回転翼本体１８の回転角を測定する近接センサ（すなわち、変換器）６０を備える。後に詳しく説明されるように、近接センサ６０は容量性角位置センサとして説明され、図示される。しかしながら、この近接センサ６０は当業者に容易に理解されるように、自己誘導または電磁気的に発生する渦電流の原理に基づいて作動するものも予め見通す。これは本開示の範囲に含まれる。
【００２８】
ここに説明される容量性角位置センサ６０は回転翼本体１８の外面に設けられる正反対に配置される五角形の２つの導電域６２ａ、６２ｂを備える。当業者には角位置センサの導電域の特定の形状または形態が回転翼本体１８の回転に応じて静電容量の変化が生じるように構成される限り変られることが明らかである。容量性角位置センサ６０はさらにセンサ・ハウジング１２の内部孔１２ａの内面に組み合わせ、または埋め込む導電域と電気的に相互作用する、正反対に配置される２個一組みのピックオフ電極６４ａ、６４ｂおよび６６ａ、６６ｂを備える。
【００２９】
たとえば、図１０に示される磁気的平衡状態では、各ピックオフ電極６４ａ、６４ｂおよび６６ａ、６６ｂは対応する導電域６２ａ、６２ｂと一部重なるように位置決めされる。好ましくは、２つの導電域６２ａ、６２ｂは導電性フィルムまたはフォイルから構成される。この２つの導電域６２ａ、６２ｂは同様に導電性フィルムまたはフォイルから形成される周方向に連続するバンド６８によって導電性を維持して接続されている。ピックオフ電極６４ａ、６４ｂと導電域６２ａとの遮断されない容量性導通は、図５に最もよく示されるように、スペーサ・スリーブ２０の長い開口２５ａを通してなし遂げられる。同様に、ピックオフ電極６６ａ、６６ｂと導電域６２ｂとの容量性導通はスペーサ・スリーブ２０の長い開口２５ｂを通してなし遂げられる。
【００３０】
図１２および図１３と共に、図３を参照すると、角位置センサ６０の各ピックオフ電極６４ａ、６４ｂおよび６６ａ、６６ｂは２つの部分からなる一組みの環状のカバー６５，６７によって覆われ、封入される。環状のカバー６５はピックオフ電極６４ａ、６４ｂおよび６６ａ、６６ｂと組み合わせる電気配線を収容する２個の孔６５ａ、６５ｂを備える。特に、上側ケーブル６９ａは孔６５ａを貫通して延び、ピックオフ電極６４ａ、６４ｂと動作可能に組み合わせる。同様に、下側ケーブル６９ｂは孔６５ｂを貫通して延び、電極６６ａ、６６ｂと動作可能に組み合わせる。当業者はこれ以外の電気配線を提供できることを容易に理解する。たとえば、独立した線を各電極と組み合わせることができる。また、カバー６５、６７がピックオフ電極６４ａ、６４ｂおよび６６ａ、６６ｂに極接近した位置に静電容量値を電圧値に数値変換するように構成されるオンボード式電子回路を収容し、または備えることも予め見通す。
【００３１】
本発明の質量流量計１０はさらに流体誘導される回転翼本体１８の回転またはトルクを阻止（すなわち、トルクが回転翼本体１８に与えられたとき、センサ・ハウジング１２に対して回転翼本体をある角度に保つ）するように適応させる電磁装置または強制平衡モータを備える。図１１に示されるように、電磁装置または強制平衡モータは環状のカバー６５に隣接して配置される環状の固定子コイル７０を備える。この固定子コイル７０はケーブル１３を通して電力を受け取り、センサ・ハウジング１２周りに磁場を発生するように適応される。この磁場は図６に示される方法で回転翼本体１８内に位置決めされる複数の永久磁石７４ａ、７４ｂ、７４ｃ、７４ｄに作用する。特に、複数の各永久磁石７４ａ、７４ｂ、７４ｃ、７４ｄは回転翼本体１８内に形成されるそれぞれの孔７６ａ、７６ｂ、７６ｃ、７６ｄ内部に位置決めされる。永久磁石７４ａ、７４ｂ、７４ｃ、７４ｄは回転翼本体１８の周方向に互いに９０°ずつ離して配置される。
【００３２】
下記により詳しく説明されるように、流体が質量流量計１０を流れないとき、回転翼本体１８はスペーサ・スリーブ２０内の磁気的に平衡した中心位置に移動しようとする。この位置は電流が導電域６２ａ、６２ｂとピックオフ電極６４ａ、６４ｂおよび６６ａ、６６ｂとの重なり量に伴い誘導される静電容量値に比例するので、固定子コイル７０への供給電流に基づいている。
【００３３】
回転翼本体１８が磁気的に平衡した中心位置に移動するので、原位置から軸周りにずれ、もしかして９０°進んだ象限内に新しい原位置を取るのを防ぎ、さらには別の象限内に新しい原位置を得るのを避けなければならず、質量流量計１０は回転リミッタ・ピン８５を備える。この回転リミッタ・ピン８５は、図３ないし図６および図１０に示されるように、回転翼本体１８の前縁端に形成した円弧状スロット７２との位置合わせのためスペーサ・スリーブ２０の円弧状溝７５を通り、半径方向にセンサ・ハウジング１２の内部孔１２ａに延びている。位置合わせスロット７２は約２０°から３０°までの円弧長さを有し、好ましくは隣接している２個の永久磁石の間に延びる。この円弧状スロット７２の限界は回転翼本体１８が磁石の働きで原位置から、回転安定性を得るうえで妨げになる、別の大きく狂った位置を探すのを防ぐ。
【００３４】
図８および図９に模式的に示されるように、本発明の質量流量計１０はまた容量性角位置センサ６０と、固定子コイル７０と協働するフィードバック制御装置８０とを備える。このフィードバック制御装置８０は２個一組みのピックオフ電極６４ａ、６４ｂおよび６６ａ、６６ｂから得る電気信号（たとえば、静電容量）を測定するピックオフ電子回路８２を備える。
【００３５】
特に、回転翼本体１８が図１０に示される磁気的に平衡した状態にあるとき、ピックオフ電極６４ａ、６４ｂの表面積の約４０％が導電域６２ａと一致している。この状態に組み合ったとき、一定の静電容量値が示される。図１０には示されないが、ピックオフ電極６６ａ、６６ｂはその同じ時間導電域６２ｂと同じ表面積で重なり合い、静電容量値を発生する（図１２参照）。
【００３６】
図１１に示されるように、これと対照的に、典型的な目的だけのために流動誘導トルクが回転翼本体１８に加えられ、スピンドル軸２４周りにトルクが回転翼本体を回転させるとき、ピックオフ電極６４ａ、６４ｂの表面積の約８０％が導電域６２ａと一致する。当業者は図１０に示される位置と比べてこのときの相互作用で生じる静電容量値が増大することを容易に理解する。図１１には示されないが、増加した容量値を発生するようにその同じ時間ピックオフ電極６６ａ、６６ｂは同一表面積を保って導電域６２ｂと重なる。
【００３７】
図８および図９を参照すると、質量流量計１０のフィードバック制御装置８０はまた増幅器（図示せず）と電源８６とに接続される比例−積分−微分コントローラ８４を備える。この比例−積分−微分コントローラ８４はピックオフ電子回路８２が検出した静電容量値の変化に応じて固定子コイル７０に供給する電気量（たとえば、電流または電圧）を調節する。比例−積分−微分コントローラ８４はピックオフ電子回路８２で検出される静電容量値が増加するのに応じて固定子コイル７０に供給する電流値を増し、このとき、発生したトルクによって回転翼本体１８が図１０に示される磁気的に平衡した位置から図１１に示される位置まで回転する。
【００３８】
質量流量計操作では、固定子コイル７０がコイルに流れる電流値に基づいて永久磁石７４ａ、７４ｂ、７４ｃ、７４ｄに磁場を発生させる。この磁場は回転翼本体１８に与えられる流体誘導トルクに拘わらず、回転翼本体１８がセンサ・ハウジング１２内で回転するのを阻止するのに十分である。特に、比例−積分−微分コントローラ８４はピックオフ電子回路８２から与えられる検出した静電容量値を得て、これと基準設定値とを比較し、偏差に応じて誤差信号を決定する。この偏差（または“誤差”信号）は設定値に応じたある測定値をもたらす磁場を発生するように固定子コイル７０への電気入力（たとえば、ＤＣ電流）を調節するために使用する。このＤＣ電流値は測定静電容量値（回転翼回転角）を望ましい設定値になるように、たとえば図１０の磁気的に平衡した位置まで戻すように変える。
【００３９】
それゆえ、誘導磁力は永久磁石７４ａ、７４ｂ、７４ｃ、７４ｄと相互作用し、流動誘導トルクを平衡させ、したがって、回転翼本体１８が回転するのを阻止する。本発明に従って、固定子コイル７０に供給されるＤＣ電流は実測される流動誘導トルク（これは質量流量と体積流量との積である）に比例する。したがって、容量性角位置センサ６０の出力は固定子コイル７０に供給されるＤＣ電流に比例する信号である。
【００４０】
当業者はこの比例−積分−微分コントローラが単純なコントローラと違い誤差信号履歴および変化率に基づいてプロセス出力を調節でき、これがより正確で、安定した制御を提供することを容易に理解する。また、本発明の質量流量計を体積流量計と共に使用した場合、質量流量計からの出力が燃料質量流量または燃料密度を計算するために使用できることを理解すべきである。
【００４１】
図１４ないし図１８を参照すると、本発明の好ましい実施例に従って構成される符号１１０で指定される別の質量流量計が示される。この質量流量計１１０は原理に関しては質量流量計１０に類似する。しかしながら、質量流量計の容量性角位置センサは下記により詳しく説明されるように、角位置センサが質量流量計１０内に設けられる点で相違する。図１４および図１５を参照すると、質量流量計１１０は入口管１７からの燃料を受け取る取り付けフランジ１１４ａ、１１４ｂと接するセンサ・ハウジング１１２を備える。このセンサ・ハウジング１１２と取り付けフランジ１１４ａ、１１４ｂとは上述した方法で質量流量計１１０と液密に組み立てられる。
【００４２】
図１６を参照すると、質量流量計１１０はさらにスピンドル軸１２４周りに回転するため支持され、２個の弾性支持部材１２８ａ、１２８ｂの間に装着される回転翼本体１１８を有する回転翼組み立て体１１６を備える。弾性支持部材１２８ａ、１２８ｂはスピンドル軸１２４の回転を支持する低摩擦軸受１２６ａ、１２６ｂをねじ動作可能に保持するように寸法決めされ、構成される（図１７参照）。支持部材１２８ａ、１２８ｂは軸方向に固定リング１４０ａ、１４０ｂによってセンサ・ハウジング１１２内部に保持され、また、支持部材はタブ１３４ａとスロット１３６ａ、そしてタブ１３４ｂとスロット１３６ｂとの係合によってセンサ・ハウジング１１２内に回転するのを阻止するように装着される（図１７参照）。
【００４３】
図１６を参照すると、先に述べたように、質量流量計１１０の容量性角位置センサ１６０は質量流量計１０の角位置センサ６０と相違する。この点、角位置センサ１６０はセンサ・ハウジング１１２の内部孔１１２ａの内面に装着され、ら旋状に配置される静止電極１６４を備える。この静止電極１６４はセンサ・ハウジング１１２を取り囲む環状のカバー１６５に覆われる端子１６４ａ、１６４ｂに電気的に接続される。この端子１６４ａ、１６４ｂは、図８および図９に示されるような方法で導電ケーブル１６７ａ、１６７ｂによってフィードバック制御装置のピックオフ電子回路に動作可能に接続される。容量性角位置センサ１６０はさらに回転翼本体１１８の外面に配置される静止電極１６４と相互作用するように適応され、構成されるら旋状に配置した導電域１６２を備える。
【００４４】
使用においては回転翼本体１１８が流動誘導トルクにさらされると、回転翼本体は、図１７の磁気的に平衡した位置にあるとき、静止電極１６４と、ら旋状の導電域１６２とが部分的に重なり合う。当業者はこのときの相互作用に伴ってある一定の静電容量値が発生することを容易に理解する。図１８の軸周りに回転した位置では、図１７の磁気的に平衡した原位置と比べて静止電極１６４とら旋状の導電域１６２との重なりがより小さくなる。当業者はこのときの相互作用に伴って異なった静電容量値が発生することを容易に理解する。
【００４５】
本発明に従って、上述した静電容量値の変化により比例−積分−微分コントローラからの指令で固定子コイル１７０に供給される電流が変化する。固定子コイル１７０に流れる電流の変化は回転翼本体１１８に埋め込まれた周方向に並ぶ４個の永久磁石と組む対応する磁場を変化させる。図には４個の永久磁石のうち、２組みの永久磁石１７４ａ、１７４ｂだけが示される。この磁場は回転翼本体１１８を図１７の磁気的に平衡した原位置に戻す一方、原位置に保持するように働く。
【００４６】
質量流量計１０に関して先に述べたように、比例−積分−微分コントローラは角位置センサ１６０と組むピックオフ電子回路からの測定値を得て、偏差に応じて“誤差”信号を決定するためにこれと基準設定値とを比較する。この偏差（または“誤差”信号）は設定値に応じたある測定値をもたらす磁場を発生するように固定子コイル１７０への電気入力（たとえば、ＤＣ電流）を調節するために使用する。このＤＣ電流値は測定静電容量値（回転翼回転角）を望ましい設定値になるように、たとえば図１７の磁気的に平衡した位置まで戻すように変える。
【００４７】
それゆえ、誘導磁力は永久磁石１７４ａ、１７４ｂ、１７４ｃ、１７４ｄと相互作用し、流動誘導トルクを平衡させ、したがって、回転翼本体１１８が回転するのを阻止する。本発明に従って、固定子コイル１７０に供給されるＤＣ電流は実測される流動誘導トルク（これは質量流量と体積流量との積である）に比例する。したがって、容量性角位置センサ１６０の出力は固定子コイル１７０に供給されるＤＣ電流に比例する信号である。
【００４８】
本発明の装置が図示され、好ましい実施例を参照して説明されたが、当業者は添付の請求の範囲によって定義される本発明の本質と範囲とから離れることなく、多様な変更および変形をなし得ることを容易に理解する。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】図１は装置に流入する流体にら線状の流れを与える流動スワーラーと共に示される、本発明に係る質量流量計の斜視図である。
【図２】図２は図示の明確化のため軸方向に向き合う取り付けフランジが流量計から取り外された状態の図１に示される質量流量計の斜視図である。
【図３】図３は流量計と組み合わされる静止電極を示すためセンサ・ハウジングが断面で図示され、回転翼本体がセンサ・ハウジングから分離された状態の流量計入口端からみた図１の質量流量計の分解斜視図である。
【図４】図４は図示の明確のため軸方向に向き合う支持体がスペーサ・スリーブから分離された状態の流量計出口端からみた図１の質量流量計の回転翼組み立て体の分解斜視図である。
【図５】図５は図示の明確化のため回転翼本体がスペーサ・スリーブから取り外され、タービン・プレートが回転翼本体から取り外された状態の流量計出口端からみた図１の質量流量計の回転翼組み立て体の分解斜視図である。
【図６】図６は複数の永久磁石を受け入れる孔を示す、図５の６−６線に沿う、質量流量計の回転翼本体の断面図である。
【図７】図７は回転翼本体を貫く流動経路の構造と、流体で生じる運動量を固体の回転に変換する成形タービン出口流路とを示す、図５の７−７線に沿う、質量流量計の回転翼本体の断面図である。
【図８】図８は静止電極と組み合される容量性ピックオフ電子回路と、センサ・ハウジングを取り囲む電磁手段に回転翼本体から与えられる誘導トルクに比例して供給される電流を調節するコントローラとを備えるフィードバック制御ループの模式図と共に示される、図１の８−８線に沿う、本発明の質量流量計の横断面図である。
【図９】図９はフィードバック制御ループの模式図と共に示される、図１の９−９線に沿う、本発明の質量流量計の横断面図である。
【図１０】図１０は静電容量値を発生するように回転翼本体の正反対に配置される導電域がセンサ・ハウジングの内面に組み合わされる対応する静止電極と部分的に重なり合う、磁気的に平衡した位置にある回転翼本体を示すためスペーサ・スリーブが部分的に切断された状態の図１の１０−１０線に沿う、本発明の質量流量計の断面図である。
【図１１】図１１はセンサ・ハウジングの内面に組み合わされる静止電極が導電域を大きく覆い、静止電極と導電域との相互作用で発生する静電容量値がさらに大きくなるように回転翼本体が図１０に示される位置に対して回転して進んだ位置にある、図１の１１−１１線に沿う、本発明の質量流量計の断面図である。
【図１２】図１２は回転翼本体の外面を示すためセンサ・ハウジングおよび回転翼本体が断面で図示され、静止電極用の電気配線の接続状態を示す、図１の１２−１２線に沿う、本発明の質量流量計の断面図である。
【図１３】図１３はスピンドル軸および回転翼を支持する宝石軸受と共に、内部を貫いて延びる流体流動経路の特徴を示すため回転翼本体が断面で図示される、図１２に類似する図１の１２−１２線に沿う、本発明の質量流量計の断面図である。
【図１４】図１４は装置に流入する流体にら旋状の流れを与える流動スワーラーと共に示される、本発明に係る別の質量流量計の斜視図である。
【図１５】図１５は図示の明確化のため軸方向に向き合う取り付けフランジが流量計から取り外された状態の図１４に示される質量流量計の分解斜視図である。
【図１６】図１６は回転翼本体の外面に備えられるら旋状の導電域と、静電容量出力ピンまたは端子と接続される、センサ・ハウジングの内面に組み合わされるら旋状の静止電極とを示すために回転翼組み立て体がセンサ・ハウジングから分離された状態の流量計入口端からみた図１４の質量流量計の分解斜視図である。
【図１７】図１７は部分的に重なり、一定量の静電容量値を発生する、センサ・ハウジングの内面に組み合わされるら旋状の静止電極と回転翼本体のら旋状の導電域とが磁気的平衡した位置に配置される回転翼本体を示すためセンサ・ハウジングが断面で図示される、図１４の質量流量計の断面図である。
【図１８】図１８は図１７に示される相互作用による静電容量値と異なる静電容量値を発生する、センサ・ハウジングの内面に組み合わされるら線状の静止電極と回転翼本体のら旋状の導電域との重なり量が図１７の重なり量よりも少ない、図１７の原位置よりも回転して進んだ位置にある回転翼本体を示すためセンサ・ハウジングが断面で図示される、図１７の質量流量計の断面図である。
【符号の説明】
【００５０】
１０、１１０…  質量流量計
１２、１１２…  センサ・ハウジング
１８、１１８…  回転翼本体
２０…  スペーサ・スリーブ
２６ａ、２６ｂ、１２６ａ、１２６ｂ…  軸受
２８ａ、２８ｂ、１２８ａ、１２８ｂ…  支持部材
６０、１６０…  角位置センサ
６２ａ、６２ｂ、１６２…  導電域
６４ａ、６４ｂ、６６ａ、６６ｂ…  ピックオフ電極
７０、１７０…  固定子コイル
７４ａ、７４ｂ、７４ｃ、７４ｄ、１７４ａ、１７４ｂ…  永久磁石
８０…  フィードバック制御装置
８２…  ピックオフ電子回路
１６４…  静止電極
【図１】
2009053192.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2009053192.tif 000006
【図５】
2009053192.tif 000007
【図６】
2009053192.tif 000008
【図７】
2009053192.tif 000009
【図８】
2009053192.tif 000010
【図９】
2009053192.tif 000011
【図１０】
2009053192.tif 000012
【図１１】
2009053192.tif 000013
【図１２】
2009053192.tif 000014
【図１３】
2009053192.tif 000015
【図１４】
2009053192.tif 000016
【図１５】
2009053192.tif 000017
【図１６】
2009053192.tif 000018
【図１７】
2009053192.tif 000019
【図１８】
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