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【発明の名称】 ガス状又は蒸気状の流体の質量流量を測定する方法
【発明者】 【氏名】ローマン ヘーベルリ

【氏名】ゲルハルト エッケルト
【要約】 【課題】コリオリ原理によりガス状又は蒸気状の流体の質量流量を測定する方法が、液体の測定の場合に相応するような正確な結果を出し得るようにする。

【解決手段】コリオリの質量流量／密度計の質量流量ケース（１）の少なくとも１つの測定管（４）内を流れるガス状又は蒸気状の流体の質量流量を測定する方法である。測定管には、第１のセンサ信号を発する第１の振動センサ（１７）と第２のセンサ信号を発する第２の振動センサ（１８）とが流動方向で互いに間隔をおいて、かつ励振器（１６）が配置されている。第１のセンサ信号及び第２のセンサ信号から、センサ信号の位相ずれに関連する信号を形成し、この信号に、流体の音速に関連する関数を乗じるようにする。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 コリオリの質量流量／密度計の質量流量ケース（１）の少なくとも１つの測定管（４）内を流れるガス状又は蒸気状の流体の質量流量を測定する方法であって、測定管は、運転中その材料及びその寸法によって前もって定められているが、しかしながら流体の密度によって種々変化せしめられる振動周波数ｆ、それも測定管の機械的な現在共振周波数と等しいかあるいはこれに近い振動周波数で振動し、この測定管には、第１のセンサ信号（ｘ17）を発する第１の振動センサ（１７）と第２のセンサ信号（ｘ18）を発する第２の振動センサ（１８）とが流動方向で互いに間隔をおいて配置されており、かつこの測定管には励振器（１６）が配置されており、かつこの測定管は支持枠又は支持管（１５）によって取り囲まれているか、あるいは支持板に振動可能に保持されている形式のものにおいて、第１のセンサ信号（ｘ17）及び第２のセンサ信号（ｘ18）から、センサ信号の位相ずれに関連する信号ｑfを形成し、この信号に、流体の音速ｃに関連する関数ｆ（ｃ）を乗じるようにする、ガス状又は蒸気状の流体の質量流量を測定する方法。
【請求項２】 位相ずれに関連する信号が、センサ信号のゼロ通過点の間の時間差信号δγであるようにする、請求項１記載の方法。
【請求項３】 位相ずれに関連する信号が角度差δφであり、この角度差を振動周波数ｆの２π倍で除するようにする、請求項１記載の方法。
【請求項４】 関数ｆ（ｃ）が式：ｆ（ｃ）＝｛１＋ｂ・（２π・ｆ・ｄ／ｃ）2｝-1（式中：ｂはキャリブレーションによって調べられた、測定管のすべての規格口径に対して同じ常数であり、ｄは測定管の内径である）を有しているようにする、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
【請求項５】 音速ｃを、測定管（４）の現在温度Ｔmに関連する関数ｆ（Ｔm）によって近似的に表すようにする、請求項３記載の方法。
【請求項６】 関数ｆ（Ｔm）が式：ｃ＝ｃ0＋ｃ1・Ｔm（式中：ｃ0，ｃ1は流体特有の常数である）を有しているようにする、請求項５記載の方法。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、コリオリ原理によりガス状又は蒸気状の流体の質量流量を測定する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】このために役立つコリオリの質量流量／密度計は周知のように、機械的な振動を励起せしめられ流体によって貫流される少なくとも１つの測定管を有しており、この測定管は曲げられているかあるいは直線状であることができる。その詳細については後で図１に関連して説明する。
【０００３】普通は少なくとも１つの励振器並びに少なくとも２つの振動センサが測定管に配置されており、振動センサは流動方向で互いに間隔をおいて配置されている。測定管は、大抵はその材料及びその寸法によって前もって定められているが流体の密度によって種々変化せしめられる機械的な共振周波数で振動する。別の場合には測定管の振動周波数は正確にその機械的な共振周波数ではなく、その近くの周波数である。
【０００４】振動センサはアナログのセンサ信号を発し、これらのセンサ信号の周波数は測定管の振動周波数と同じであり、これらのセンサ信号は、流体が測定管内を流れる場合、互いに位相ずれを有している。これから時間差信号、例えばセンサ信号のゼロ通過点の間の時間差信号を導き出すことができ、この時間差信号は、例えば US-A 41 87 721 に記載されているように、質量流量に対して正比例している。
【０００５】しかし位相ずれからは角度差も形成することができ、この角度差は、 US-A 5648 616 あるいは EP-A 866 319 に記載されているように、測定管の共振周波数ｆの２π倍で除すると、質量流量に対して正比例している。
【０００６】これらの比例性は液体の質量流量の測定の場合には常に正確に前提することができ、したがって今日のコリオリの質量流量／密度計においては０．１％の測定精度を保証することができる。
【０００７】本発明者が確認したところでは、ガス状又は蒸気状の流体を測定する場合には、前述の正確な比例性は大抵は前提することができず、この結果精度がわずかになる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、コリオリ原理によりガス状又は蒸気状の流体の質量流量を測定する方法が、液体の測定の場合に相応するような正確な結果を出し得るようにすることである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】この課題を解決するために、本発明によれば、コリオリの質量流量／密度計の質量流量ケースの少なくとも１つの測定管内を流れるガス状又は蒸気状の流体の質量流量を測定する方法であって、測定管は、運転中その材料及びその寸法によって前もって定められているが、しかしながら流体の密度によって種々変化せしめられる振動周波数、それも測定管の機械的な現在共振周波数と等しいかあるいはこれに近い振動周波数で振動し、この測定管には、第１のセンサ信号を発する第１の振動センサと第２のセンサ信号を発する第２の振動センサとが流動方向で互いに間隔をおいて配置されており、かつこの測定管には励振器が配置されており、かつこの測定管は支持枠又は支持管によって取り囲まれているか、あるいは支持板に振動可能に保持されている形式のものにおいて、第１のセンサ信号及び第２のセンサ信号から、センサ信号の位相ずれに関連する信号を形成し、この信号に、流体の音速に関連する関数を乗じるようにした。
【００１０】
【発明の実施の形態】本発明の第１の有利な実施形態では、位相ずれに関連する信号は、センサ信号のゼロ通過点の間の時間差信号である。
【００１１】本発明の第２の有利な実施形態では、位相ずれに関連する信号は角度差であり、この角度差を振動周波数ｆの２π倍で除するようにする。
【００１２】第１及び第２の実施形態においても適用することのできる本発明の第３の有利な実施形態では、関数ｆ（ｃ）が式：ｆ（ｃ）＝｛１＋ｂ・（２π・ｆ・ｄ／ｃ）2｝-1（式中：ｂはキャリブレーションによって調べられた、測定管のすべての規格口径に対して同じ常数であり、ｄは測定管の内径である）を有しているようにする。
【００１３】本発明の別の有利な実施形態では、音速ｃを、測定管の現在温度Ｔmに関連する関数ｆ（Ｔm）によって近似的に表すようにし、特に関数ｆ（Ｔm）が式：ｃ＝ｃ0＋ｃ1・Ｔm（式中：ｃ0，ｃ1は流体特有の常数である）を有しているようにする。
【００１４】
【発明の効果】本発明の利点は、流体の音速ひいては間接的に流体の圧縮性が測定の際に一緒に考慮され、したがってガス状又は蒸気状の流体の質量流量測定の精度を実際上液体の測定の精度と同じにすることができることである。
【００１５】
【実施例】ところで本発明及び別の利点は図面に示した実施例によって、更に詳細に説明する。
【００１６】図１においては、部分的に断面した鉛直の縦側面図で、本発明の方法のために適したコリオリの質量流量／密度計の質量流量ケース１が示されており、この質量流量ケースは、測定すべきガス状又は蒸気状の流体によって流過される−しかしながら図面を見やすくするために図示されていない−既知の直径の管導管の経過の中に、例えばフランジ２，３を介して挿入することができる。フランジによる代わりに、質量流量ケース１は前述の管導管に別の公知の手段によって、例えばトリクランプ接続部あるいはねじ結合部によって、接続することもできる。
【００１７】図１の質量流量ケース１はただ１つの直線状の測定管４を有しており、この測定管の流体入口側の端部はフランジ２に、例えば流体入口側の端板１３を介して固定されており、その流体出口側の端部はフランジ３に、例えば流体出口側の端板１４を介して固定されている。端板１３，１４内には測定管４は緊密に、特に真空密に、押し込まれており、例えば溶接、ろう接又はロールがけ固定されている（この点については US-A 56 10 342 参照）。
【００１８】本発明の方法は、先願である特願平１１−５５０００３号によるクランプ・オン型のコリオリの質量流量ケースにおいても、あるいは EP-A 849 568 によるただ１つの測定管を有する質量流量ケースにおいても、使用することができる。ただ１つの直線状の測定管の代わりに、コリオリの質量流量／密度計の質量流量ケースは、１つの平面内で曲げられたただ１つの測定管、例えば US-A 57 05 754に記載されているような、例えば円弧形の測定管を有することができる。
【００１９】しかし、US-A 47 93 191 に記載されているような複数の、特に２つの、真っ直ぐな測定管、あるいは US-A 41 27 028 に記載されているような複数の、特に２つの、曲げられた測定管も可能である。
【００２０】更に本発明の方法は、US-A 55 31 126 に記載されているような、１つの測定管と１つのダミー管とを有している質量流量ケースにおいても使用することができる。最後に本発明の方法は、質量流量ケースが US-A 55 57 973 あるいは UA-A 56 75 093 に相応する少なくとも１つのねじ形の測定管を有しているコリオリの質量流量／密度計においても適用可能である。
【００２１】図１においてフランジ２，３及び端板１３，１４は支持管１５に固定され、それもねじによって固定されており、これらのねじのうちの１つのねじ５を右上に断面で完全に見ることができる。端板１３，１４は支持管１５の内壁に緊密に、特に真空密に、溶接又はろう接しておくことができる。しかしながら、支持管１５及び端板１３，１４を一体に構成することも可能である。支持管１５の代わりに、支持枠あるいは支持板を使用することもできる。
【００２２】測定管４を振動、特に共振振動、有利には共振曲げ振動させる手段として、フランジ２，３及び端板１３，１４の間の中央において、また支持管１５と測定管４との間の中間スペース内において配置された、例えば電磁式の励振器１６が役立ち、この励振器は測定管４に固定された永久磁石１６１と支持管１５に固定されたコイル１６２とを有しており、これらのコイル内に永久磁石１６１が突入しており、これらのコイル内で永久磁石が往復に可動である。
【００２３】図１においては励振器１６は測定管４を図平面内で曲げ振動させ、したがってこの平面内では流体が流れている場合でもコリオリ力が生じ、このコリオリ力は測定管４の入口側の区分と出口側の区分との間に位相ずれを生ぜしめる。
【００２４】更に、測定管４と支持管１５との間の中間スペース内には、測定管４の振動のための第１の振動センサ１７と第２の振動センサ１８とが配置されている。振動センサ１７若しくは１８は、端板１３若しくは１４と励振器１６との間に、有利には励振器から、要するに測定管４の中央から、同じ間隔のところにある。
【００２５】振動センサ１７，１８は図１では電磁的な振動センサであって、測定管４に固定された永久磁石１７１若しくは１８１と、支持管１５に固定されたコイル１７２若しくは１８２とを含み、これらのコイル内には永久磁石１７１若しくは１８１が突入していて、これらのコイル内で往復に可動である。振動センサ１７若しくは１８においては第１のセンサ信号ｘ17若しくは第２のセンサ信号ｘ18が生じる。
【００２６】端板１３には温度フィーラ１９が固定されており、この温度フィーラは測定管４の現在温度を表す温度信号ｘ19を出す。温度フィーラとしては有利にはプラチナ抵抗が利用され、このプラチナ抵抗は例えば接着によって端板１３に固定されている。
【００２７】最後に図１においてはなお支持管１５に固定されたケーシング２１が示されており、このケーシングはなかんずく、励振器１６及び振動センサ１７，１８に接続されているが、しかし図面を見やすくするために図示されていない導線の保護のために役立つ。
【００２８】ケーシング２１は首状の移行片２２を備えており、この移行片に、質量流量／密度計の測定回路及び運転回路を収容するために電子装置ケーシング２３が固定されている。移行片２２及び電子装置ケーシング２３が支持管１５の振動特性に不都合な影響を及ぼすような場合には、これらの移行片及び電子装置ケーシングは質量流量ケース１とは別個に配置しておくことができる。その場合には、電子装置と質量流量ケース１との間にはケーブル接続があるに過ぎない。
【００２９】図２はブロック線図の形式で、前述の種々の構造の測定管を有している質量流量／密度計のための本発明の方法を実施するために測定回路を示す。この測定回路は、前述のセンサ信号ｘ18，ｘ19から質量流量信号“ｑf”及び密度信号“σ”を生ぜしめる部分回路３１を含んでいる。部分回路３１としては、適当な規定されているどのような回路でも使用することができ、特に既に最初に述べた US-A 56 48 616 に記載されている回路を使用することができる。
【００３０】液体が測定管４を流れる場合には、質量流量信号“ｑf”は普通は既に液体の質量流量ｑ′、つまり測定結果を表す。このことは物理的に次のことに帰することができる。すなわち液体測定の場合には実際上常に次の条件が満たされていることである： （２π・ｆ・ｄ）／ｃ≪１ （１）
（式中、ｃは流体、この場合液体の音速であり、ｄは測定管４の壁厚であり、ｆは測定管の現在振動周波数である）したがって液体に対しては次式： ｑf＝Ｃ・δγ＝（Ｃ・δφ）／（２πｆ） （２）
（式中、Ｃはキャリブレーションによって調べられた定数、いわゆるキャリブレーション定数であり、δγは最初に述べた時間差、例えばセンサ信号ｘ17，ｘ18のゼロ通過点の間の時間差であり、δφは最初に述べた角度差である）が通用する。
【００３１】これに対し、本発明の方法に相応する図２の回路装置においては、ガス状又は蒸気状の流体の質量流量信号ｑを表す最終的な質量流量信号“ｑ”が生ぜしめられる前に、質量流量信号“ｑf”がいわば付加的に修正される。
【００３２】信号ｑfは流体の音速ｃに関連する関数ｆ（ｃ）で乗ぜられる。この関数は例えば式： ｆ（ｃ）＝｛１＋ｂ・（２π・ｆ・ｄ／ｃ）２｝−１ （３）
（式中：ｂはキャリブレーションによって調べられた、測定管のすべての規格口径に対して同じ常数であり、ｄは測定管の内径である）を有している。
【００３３】図２の実施例では質量流量ｑは次式：【００３４】
【数１】

【００３５】に従う。
【００３６】式（４）においてはｃ0，ｃ1はガスに特有な定数又は蒸気に特有な定数であって、次表に記したガスに対して記入した値を有している。この場合、温度信号ｘ19は摂氏で測定されている温度に比例していることが前提されている。
【００３７】
【表１】

【００３８】部分回路３１からの質量流量信号“ｑf”は第１の除算回路３２の被除数入力点に供給される。第１の除算回路の出力点には質量流量信号“ｑ”が生じる。除算回路の除数入力点には第１の加算回路３３の出力が供給される。この加算回路の第１の入力点には数１を表す信号“１”が供給される。
【００３９】この加算回路の第２の入力点には第１の乗算回路３４の出力が供給される。この乗算回路の第１の入力点には前述の定数ｂを表す信号“ｂ”が供給される。この定数はキャリブレーション中に調べられるので、この信号“ｂ”は、キャリブレーション値に対して普通であるように、電子的なメモリ内に、例えばＥＥＰＲＯＭ内に記憶される。このメモリから信号“ｂ”は乗算回路３４の前述の入力点に供給される。
【００４０】乗算回路３４の第２の入力点には第２の乗算回路３５の出力が供給され、この第２の乗算回路の第１及び第２の入力点には同一の信号が供給され、換言すればこれらの信号は第２の除算回路３６の１つの出力点から供給される。乗算回路３５はしたがって除算回路３６の出力信号のための二乗回路として作用する。この除算回路は第１の被除数入力点を有しており、この被除数入力点には測定管４の現在振動周波数ｆを表す信号“ｆ”が供給される。この信号はセンサ信号ｘ17，ｘ18から普通の形式で形成することができる（例えば前述の US-A 56 48 616 参照）。
【００４１】除算回路３６は更に第２の入力点を有しており、この入力点には、測定管４の壁厚ｄを表す信号“ｄ”が供給される。この信号は、実地において生ずるすべての壁厚ｄの値が記憶されている第１の電子的メモリ３７、例えばＥＥＰＲＯＭからのものである。すなわち壁厚ｄは測定管４の直径に応じて種々に変化し、測定管の直径は質量流量ケースが挿入されている前述の管導管の規格値に応じて種々に変化する。メモリ３７のセレクト入力点には第１のセレクト信号ｓ1が持続的に供給され、このセレクト信号によってコリオリの質量流量／密度計のメーカは各型のために壁厚ｄの値をインプットする。
【００４２】除算回路３６は最後に除数入力点を有しており、この除数入力点に第２の加算回路３８の出力が供給される。この加算回路の第１の入力点は第３の乗算回路３９の出力点に接続されており、この乗算回路の第１の入力点は前述の温度信号ｘ19を供給され、その第２の入力点は第２の電子的メモリ４０の第１の出力点に接続されている。このメモリは例えばやはりＥＥＰＲＯＭであることができる。
【００４３】メモリ４０内には信号“ｃ0”，“ｃ1”が記憶されており、これらの信号は前述の表に記入されている定数ｃ0，ｃ1の値を表す。メモリ４０の第１の出力点には信号“ｃ1”があり、第２の出力点には信号“ｃ0”がある。この第２の出力点は加算回路３８の第２の入力点に接続されている。更にメモリ４０は、第２のセレクト信号ｓ2を供給されるセレクト入力点を有しており、この第２のセレクト信号によってコリオリの質量流量／密度計の利用者は丁度測定しようとする流体に所属する信号“ｃ0”，“ｃ1”の読み出しを調整する。
【００４４】図２の部分回路３２〜４０に供給される信号がデジタル信号である場合には、その機能は相応してプログラミングされたマイクロプロセッサによって実現することができる。部分回路３１が例えば前述の US-A 56 48 616 に記載されている回路の１つのようにアナログ信号を発する場合には、部分回路３１の出力点と除算回路３２の入力点との間にはアナログ／デジタル変換器を設けることができる。
【００４５】これに対し部分回路３１が、例えばUS-A 56 48 616 に記載されている回路のほかの回路あるいは前述の EP-A 866 319 の回路のようにデジタル信号を生ぜしめる場合には、アナログ／デジタル変換器は必要でない。
【００４６】図２においては音速ｃは、音速の温度関連性のために項ｃ０＋ｃ1・ｘ19が利用されることによって、考慮されている。しかしながら例えば次式（５）及び（６）のようなほかの項も温度関連性のために可能である： ｃ＝ｚ0＋ｚ1・Ｔm＋ｚ2・ｐ＋ｚ3・Ｔm′ （５）
（式中、ｚ0，ｚ1，ｚ2，ｚ3は測定すべき流体に特有の定数であり、ｐは圧力センサによって測定される流体圧力である）あるいは ｃ＝ｋ0・（Ｔm）1/2 （６）
（式中、ｋ0はやはり測定すべき流体に特有の常数である）
式（５），（６）が音速ｃの考慮のために使用される場合には、式（５），（６）のそれぞれ右側を式（４）の分母項ｃ0＋ｃ1・ｘ19の代わりに使用することができ、その際Ｔmに対してはやはり温度信号ｘ19を選ぶことができる。
【出願人】 【識別番号】３９１０１５０５２
【氏名又は名称】エンドレス ウント ハウザー フローテック アクチエンゲゼルシャフト
【氏名又は名称原語表記】ＥＮＤＲＥＳＳ ＋ ＨＡＵＳＥＲ ＦＬＯＷＴＥＣ ＡＫＴＩＥＮＧＥＳＥＬＬＳＣＨＡＦＴ
【出願日】 平成１２年５月１７日（２０００．５．１７）
【代理人】 【識別番号】１０００６１８１５
【弁理士】
【氏名又は名称】矢野 敏雄 （外３名）
【公開番号】 特開２０００−３３７９４１（Ｐ２０００−３３７９４１Ａ）
【公開日】 平成１２年１２月８日（２０００．１２．８）
【出願番号】 特願２０００−１４５１０２（Ｐ２０００−１４５１０２）