JP2014006231A - Coriolis flowmeter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、コリオリ力を利用した質量流量計または密度計に関するものである。 The present invention relates to a mass flow meter or a density meter using Coriolis force.
質量流量を直接求めるコリオリ流量計は、流管内に流れる測定流体に振動を与えた場合に振動した測定流体に作用するコリオリ力が質量流量に比例することを利用した直接質量流量計である。しかしコリオリ力は加振力に対して微少な力であるから、コリオリ流量計には高感度で安定した力計測手段が要求される。 The Coriolis flow meter that directly determines the mass flow rate is a direct mass flow meter that utilizes the fact that the Coriolis force acting on the vibrating measurement fluid is proportional to the mass flow rate when vibration is applied to the measurement fluid flowing in the flow tube. However, since the Coriolis force is a slight force with respect to the excitation force, the Coriolis flowmeter requires a highly sensitive and stable force measuring means.
通常、コリオリの力はコリオリ力による流管の弾性変形またはひずみとして検出される。このため従来、流管は変形量が大きく取れる湾曲した形状にしていた。湾曲形状のコリオリ流量計は、U字状に湾曲してなるため、被測定流体がセンサチューブ内を通過する際、センサチューブの形状による圧力損失が生じ易いう問題点もあった。また、湾曲形状のコリオリ流量計は、一般に形状が大きくなるという欠点もある。そして、被測定流体がスラリーである場合は、U字状の湾曲部にスラリー中の粉体が詰まる虞がある。このため、流管を直管形状とした直管式のコリオリ流量計の開発が行われている。 Normally, Coriolis force is detected as elastic deformation or strain of the flow tube due to Coriolis force. For this reason, conventionally, the flow tube has a curved shape with a large amount of deformation. Since the curved Coriolis flowmeter is curved in a U shape, there is a problem in that pressure loss due to the shape of the sensor tube tends to occur when the fluid to be measured passes through the sensor tube. In addition, the curved Coriolis flowmeter generally has a drawback that the shape becomes large. When the fluid to be measured is slurry, the U-shaped curved portion may be clogged with powder in the slurry. For this reason, straight pipe type Coriolis flowmeters having a straight pipe shape have been developed.
直管式のコリオリ流量計は、加振する流管に単一流管を使用したものと、複数の直管を並列に配置した方式がある。いずれの場合も直管の両端部を支持し、中間部で流管を加振する駆動手段と、駆動手段と支持部との間でコリオリ力による微少な変位またはひずみを検出する手段を有している。 There are two types of straight Coriolis flowmeters, one that uses a single flow tube as the flow tube to be vibrated and the other that has a plurality of straight tubes arranged in parallel. In any case, it has a drive means that supports both ends of the straight pipe and vibrates the flow pipe at the middle part, and a means for detecting minute displacement or strain due to Coriolis force between the drive means and the support part. ing.
このような構成からなる直管式の流管は、通常、駆動手段により支持部を節部とした曲げ基本振動モードとして駆動される。この振動数をω、流速をv、単位体積当りの質量をmとすると、コリオリ力Fは振動数ωと流速vのベクトル積に比例し、−2m〔ω〕×〔v〕であらわされる。ここで、〔ω〕、〔v〕はベクトルである。以上は、非特許文献1に詳しく記述されている。 The straight pipe type flow tube having such a configuration is normally driven in a bending fundamental vibration mode in which a support portion is a node portion by a driving means. When this frequency is ω, the flow velocity is v, and the mass per unit volume is m, the Coriolis force F is proportional to the vector product of the frequency ω and the flow velocity v, and is expressed as −2 m [ω] × [v]. Here, [ω] and [v] are vectors. The above is described in detail in Non-Patent
しかし、両端を節部とした流管は、曲げ基本振動モードの振動数で、コリオリ力により曲げの2次振動モードの振動を発生させる。そのため、駆動振動モードは大きく励起することはできるが、曲げ基本振動モードの固有振動数に比較して通常2倍以上高い固有振動数持つ検出モードの曲げの2次振動モードは、振動変位が小さくなってしまう。 However, a flow tube having nodes at both ends generates a vibration in the bending secondary vibration mode by the Coriolis force at the frequency of the bending fundamental vibration mode. Therefore, the drive vibration mode can be excited greatly, but the detection vibration of the secondary vibration mode of the detection mode, which has a natural frequency that is usually twice or more higher than the natural frequency of the bending fundamental vibration mode, has a small vibration displacement. turn into.
また、コリオリ流量計の計測精度を向上させるには、流量を計測する流管の振動を外部に漏らさないことが必要である。そこで外部に振動が漏れないようにするため、流管の振動と逆位相の振動をするカウンタチューブを設け、流管とカウンタチューブの振動を打ち消し合い振動を外部に漏らさないようにする。しかし流管とカウンタチューブの両方に流体を流す必要があり、流管とカウンタチューブの両方に等しく流体を分流しなければならないが、正確に分流することは困難である。 Moreover, in order to improve the measurement accuracy of the Coriolis flowmeter, it is necessary not to leak the vibration of the flow tube for measuring the flow rate to the outside. Therefore, in order to prevent the vibration from leaking to the outside, a counter tube that vibrates in the opposite phase to the vibration of the flow tube is provided, so that the vibrations of the flow tube and the counter tube are canceled and the vibration is not leaked to the outside. However, fluid needs to flow through both the flow tube and the counter tube, and fluid must be equally distributed through both the flow tube and the counter tube, but it is difficult to accurately distribute the fluid.
本発明は、流体を流す流管に振動を与える振動体が、弾性体に駆動源を有するものであり、振動体の中心部に空間を持つコリオリ流量計とするものである。 The present invention provides a Coriolis flowmeter in which a vibrating body that applies vibration to a flow tube through which a fluid flows has a drive source in an elastic body and has a space in the center of the vibrating body.
本発明はまた、流体を流す流管に振動を与える振動体が、流管と弾性体を接合するものであり、かつ流管または弾性体に駆動源を有し、振動体の中心部に空間を持つコリオリ流量計するものである。 In the present invention, the vibrating body that applies vibration to the flow tube that flows the fluid joins the flow tube and the elastic body, and the flow tube or the elastic body has a drive source, and a space is provided at the center of the vibrating body. A Coriolis flowmeter with a
上記のコリオリ流量計で流管を直線状とするものである。 In the above Coriolis flowmeter, the flow tube is made straight.
上記のコリオリ流量計で流管を湾曲状とするものである。 The flow tube is bent in the above Coriolis flowmeter.
流体を流す流管に振動を印加する振動発生装置による駆動振動モードと、流体が流れることにより発生することコリオリ力による振動の検出振動モードを同一にするコリオリ流量計とするものである。 The Coriolis flowmeter is configured such that the drive vibration mode by the vibration generator that applies vibration to the flow tube through which the fluid flows is the same as the detection vibration mode of the vibration caused by the flow of the fluid caused by the Coriolis force.
駆動振動モードと検出振動モードが互いに1/4波長だけ異なるコリオリ流量計とするものである。 The Coriolis flowmeter is different in driving vibration mode and detection vibration mode from each other by a quarter wavelength.
本発明の直管状のコリオリ流量計は、高精度に流体の質量流量を測定することができる。 The straight tubular Coriolis flowmeter of the present invention can measure the mass flow rate of fluid with high accuracy.
第1の実施の形態である基本的な構成を図1の斜視図を用いて説明する。 A basic configuration according to the first embodiment will be described with reference to the perspective view of FIG.
流管2が直線状であるコリオリ流量計1は、直線状であるステンレス製の流管2と振動体3と支持部5で構成する。そして振動体3は、半円と直線を組み合わせたリング形状の一体のステンレス製の弾性体6と前記一体のステンレス製の弾性体6に圧電素子4をエポキシ樹脂で接合した構成である。 The Coriolis
振動体3を構成する一体のリング状のステンレス製の弾性体6は、図に示すように貫通する穴を持つ。この貫通する穴は、流管2bとなる。そして、両側のステンレス製の流管2a、2cは、弾性体6の貫通する穴(流管2b)位置と合わせて溶接により接合して完成された流管2となる。 The integral ring-shaped stainless steel
流管2aは、支持部5aに溶接され接合される。そして、支持部5aには流管2aの内径と一致する貫通する穴が設けられる。流管2cは、支持部5bに溶接され接合される。そして、支持部5bには流管2cの内径と一致する貫通する穴が設けられる。 The
ステンレス製の弾性体6に接合する圧電素子4について説明する。圧電素子4は鉛系圧電セラミックであり板厚方向に分極されている。図2の斜視図を用いて圧電素子4について詳しく説明する。図2(a)は、流管2を振動させるための駆動用の圧電素子4aである。矢印は分極方向を示し、斜線は電極7aを示す。例えば圧電素子4aは、分極ごとに3分割したものをエポキシ樹脂で接合した後、電極7aを設けることにより作成する。 The piezoelectric element 4 joined to the stainless steel
図2(b)は、コリオリ力による流管2の振動を検出する圧電素子4bである。矢印は分極方向を示す。斜線は電極7b、7cを示す。電極7bと電極7cは、分離されている。また、圧電素子4a、4bとも図4の表側をステンレス製の弾性体6に接合した状態での表側と同じである。以上は、圧電素子4として鉛系圧電セラミックとして説明したが薄膜圧電素子、有機系圧電フィルム、水晶などでもよいことはもちろんである。 FIG. 2B shows a
次にコリオリ流量計1の駆動振動モードと検出振動モードについて図3を用いて説明する。駆動モードを図中に記入した実線で示す。振動体は、実線で示すように直線部で1.5波長、半円部で1.5波長それぞれが2箇所あるので合計6波長分の曲げ振動が紙面と平行方向に励起される振動モードである。 Next, the drive vibration mode and the detection vibration mode of the Coriolis
次にコリオリ流量計1の検出振動モードについても図3を用いて説明する。検出モードを図中の振動体3と流管2に記入した2点鎖線で示す。振動体3は、2点鎖線で示すように合計6波長分の曲げ振動が紙面と平行方向に励起される振動モードである。 Next, the detection vibration mode of the
駆動モードと検出モードの振動モードは同一であり、駆動振動モードと検出振動モードは1/4波長分だけ振動の節または振動の腹の位置差がある。そして駆動振動モードと検出振動モードは1/4波長分だけ振動の時間的位相差がある。 The vibration modes of the drive mode and the detection mode are the same, and the drive vibration mode and the detection vibration mode have a difference in position of vibration nodes or vibration antinodes by a quarter wavelength. The drive vibration mode and the detection vibration mode have a temporal phase difference of vibration by a quarter wavelength.
ここで、コリオリ流量計1の流量測定について説明する。振動体3に6波長の曲げ振動を励起するために圧電素子4aの電極間にリード線を通じて6波長の曲げ振動の固有振動数の電圧を印加する。また、駆動振動モードの固有振動数を検出することにより流体の密度を測定することができる。 Here, the flow measurement of the
流体が図3の実線で示す6波長の曲げ振動モードで振動する流管2中を流れることにより、流体にコリオリ力が発生し、検出モードの振動が発生する。検出の振動モードは駆動振動モードと同一であり、検出振動モードは、駆動振動モードと1/4波長分だけ振動の節または振動の腹の位置差がある。また、駆動振動モードと検出振動モードは1/4波長分だけ振動の時間的位相差がある。 When the fluid flows in the
検出モードの振動を検出するため、検出振動モードの位置に合わせて圧電素子4bを接合されている。図3の2点鎖線で示す検出モードの振動を検出するために圧電素子4bの電極7bと電極7cに接続したリード線とアース線間の電圧を測定する。 In order to detect vibration in the detection mode, the
圧電素子4bの分極方向は同じであり、電極7b部分と電極7c部分の振動方向が逆であるので、電極7b部分の発生電圧から電極7c部分の発生電圧を引くことにより、検出モードの電圧を計測することにより質量流量を検出する。また、電極7b部分と電極7c部分の位置では、駆動振動モードにおいては振動位相が同相であるので、電極7b部分の発生電圧から電極7c部分の発生電圧を引くことにより駆動モードの発生電圧をキャンセルすることができる。このことにより検出電圧のSN比を高めることができる。 Since the polarization direction of the
また、歪みを検出する圧電素子は、コイルと磁石からなる電磁ピックアップに比較して一般に小型、軽量化できるため、流管2に取り付けたときの流管2のメカニカルQの現象を少なくできる。また、コイルと磁石のように2つの部分に分かれることがないので、構造が簡単だけでなく、漏れ磁界によって検出信号が歪むという問題も発生しない。 In addition, since the piezoelectric element for detecting distortion can be generally reduced in size and weight as compared with an electromagnetic pickup composed of a coil and a magnet, the phenomenon of mechanical Q of the
圧電素子では、流管2の曲げモーメントに比例した信号が得られる。したがって、速度を検出する電磁ピックアップとは異なった質量流量に比例した位相差(時間差)が検出される。圧電素子を両端が単純支持構造となっている直管状の流管2を質量流量計の振動検出手段として用いると、得られる質量流量に比例した位相差(時間差)は、電磁ピックアップに比べて大きくなる。したがって、流量計測の精度を高めることができる。 In the piezoelectric element, a signal proportional to the bending moment of the
以上に説明したように、駆動振動モードと検出振動モードが同一であるため感度の大きい質量流量を計測できる。また、検出する信号には、駆動振動モードを検出しない構成になっているため、SN比が高くなる。さらに、振動が、リング状の振動体に閉じ込められるため、外部への振動漏れが小さくなる。 As described above, since the drive vibration mode and the detection vibration mode are the same, a mass flow with high sensitivity can be measured. Further, since the detected signal is configured not to detect the drive vibration mode, the SN ratio becomes high. Furthermore, since the vibration is confined in the ring-shaped vibrating body, vibration leakage to the outside is reduced.
第2の実施の形態である基本的な構成を図4の平面図、図5の側面図を用いて説明する。 A basic configuration according to the second embodiment will be described with reference to a plan view of FIG. 4 and a side view of FIG.
流管2が曲線状のコリオリ流量計1は、チタン合金製の流管2の上下に圧電素子4をエポキシ樹脂により接合して作成した振動体3と、その振動体3を溶接した支持部5により構成される。ここで圧電素子4a、4bは駆動用であり、圧電素子4c、4dと圧電素子4e、4fは検出用である。 The
圧電素子4a、4bは、曲げ振動を励起するために、一方が伸びているとき、他方が縮む。このようにして曲げ振動を励起する。同様に圧電素子4c、4dと圧電素子4e、4fも一方が伸びているとき、他方が縮む。 In order to excite the bending vibration, when one of the
流管2は、曲管である。直管に比較すると、流管2にコリオリ力が作用する割合が大きいため感度が高くなる。 The
コリオリ流量計1の駆動振動モードについて図6を用いて説明する。駆動振動モードを図中の実線で示す。実線がリング状の振動体3の中心線より外側は、紙面に対して垂直に上に変位していることを示す。実線がリング状の振動体3の中心線より内側は、紙面に対して垂直に下に変位していることを示す。つまり、紙面に対して垂直方向に3次の曲げ振動モードである。 The drive vibration mode of the
次にコリオリ流量計1の検出振動モードについて同じく図6を用いて説明する。検出振動モードを図中の点線で示す。点線がリング状の振動体3の中心線より外側は、紙面に対して垂直に上に変位していることを示す。点線がリング状の振動体3の中心線より内側は、紙面に対して垂直に下に変位していることを示す。つまり、紙面に対して垂直方向に3次の曲げ振動モードである。 Next, the detection vibration mode of the
駆動振動モードも検出振動モードも同じ、紙面に対して垂直方向に3次の曲げ振動モードである。そして、駆動振動モードと検出振動モードは、振動位相が1/4波長分だけ異なる。 The driving vibration mode and the detection vibration mode are the same, and the third bending vibration mode is perpendicular to the paper surface. The drive vibration mode and the detection vibration mode are different in the vibration phase by a quarter wavelength.
ここで、コリオリ流量計1の流量測定について説明する。振動体3に3波長の曲げ振動を励起するために圧電素子4aの電極間にリード線を通じて3波長の曲げ振動の固有振動数の電圧を印加する。また、駆動振動モードの固有振動数を検出することにより流体の密度を測定することができる。 Here, the flow measurement of the
流体が図6の実線で示す3波長の曲げ振動モードで振動する流管2中を流れることにより、流体にコリオリ力が発生し、図6の点線で示す検出モードの振動が発生する。検出の振動モードは駆動振動モードと同一であり、検出振動モードは、駆動振動モードと1/4波長分だけ振動の節または振動の腹の位置差がある。また、駆動振動モードと検出振動モードは1/4波長分だけ振動の時間的位相差がある。 When the fluid flows through the
図6の実線で示す駆動モードの振動を励起するために圧電素子4a、4bの電極に接続したリード線とアース線に電圧を印加する。検出モードの振動を検出するため、検出振動モードの位置に合わせて圧電素子4c、4dと圧電素子4e、4fが接合されている。 In order to excite the vibration of the drive mode shown by the solid line in FIG. 6, a voltage is applied to the lead wire and the ground wire connected to the electrodes of the
圧電素子4c、4dと圧電素子4e、4fは、曲げ振動の方向が同じであるなら、同じ位相の電圧を発生するように配置されている。したがって、圧電素子4c、4dと圧電素子4e、4fは、曲げ振動の方向が異なる検出モードにおいては、圧電素子4c、4dの発生電圧から圧電素子4e、4fの発生電圧の差を測定することにより検出モードの電圧を計測する。ことにより質量流量を測定する。また、駆動振動モードにおいては振動位相が同相であるので、圧電素子4c、4dの発生電圧から圧電素子4e、4fの発生電圧の差を測定することにより駆動モードの発生電圧をキャンセルすることができる。 The
以上に説明したように、駆動振動モードと検出振動モードが同一であるため感度の大きい質量流量を計測できる。また、検出する信号には、駆動振動モードを検出しない構成になっているため、SN比が大きくなる。さらに、振動が、リング状の振動体に閉じ込められるため、外部への振動漏れが小さくなる。そして、流管を曲管にすることで感度を高めることができる。 As described above, since the drive vibration mode and the detection vibration mode are the same, a mass flow with high sensitivity can be measured. Further, since the detected signal is configured not to detect the drive vibration mode, the SN ratio is increased. Furthermore, since the vibration is confined in the ring-shaped vibrating body, vibration leakage to the outside is reduced. And sensitivity can be raised by making a flow pipe into a curved pipe.
第3の実施の形態である基本的な構成を図7の平面図、図8の側面図を用いて説明する。今まで、振動発生手段と振動検出手段として圧電素子を用いた例について説明したが、他の手段でもよく、例えばマグネットとコイルを用いる電磁効果を用いることもできる。第1の実施の形態について振動発生手段と振動検出手段に電磁効果を用いたものを図7の平面図と図8の側面図を使用して説明する。 A basic configuration according to the third embodiment will be described with reference to a plan view of FIG. 7 and a side view of FIG. Up to now, the example using the piezoelectric element as the vibration generating means and the vibration detecting means has been described, but other means may be used, for example, an electromagnetic effect using a magnet and a coil can be used. A first embodiment in which an electromagnetic effect is used for vibration generating means and vibration detecting means will be described with reference to a plan view of FIG. 7 and a side view of FIG.
コリオリ流量計1の構成は、図1と振動発生手段と振動検出手段を除いて同一である。振動発生手段は、駆動用マグネット8a、8b、8cと駆動用コイル9a、9b、9cで構成する。駆動用マグネット8bと駆動用コイル9bと、駆動用マグネット8a、8cと駆動用コイル9a、9cは、逆位相の振動を発生させる。 The configuration of the
振動検出手段は、検出用マグネット8d、8eと検出用コイル9d、9eで構成する。検出用コイル9dの発生する電圧または電流と検出用コイル9eの発生する電圧または電流の差を計測することにより質量流量を測定する。 The vibration detection means includes
第4の実施の形態について振動発生手段と振動検出手段に静電効果を用いたものを図9の平面図を使用して説明する。静電効果を用いるものは、小型のものに適する。 A fourth embodiment in which an electrostatic effect is used for vibration generating means and vibration detecting means will be described with reference to the plan view of FIG. Those using the electrostatic effect are suitable for small-sized ones.
流管2が直線状のコリオリ流量計1の構成は、シリコン基板をエッチング、接合することなどにより作成する。シリコン基板10の加工方法、接合方法については、非特許文献2に詳しく記述してある。 The configuration of the
流管2が直線状のコリオリ流量計1の構成は、図1と同様であり、振動発生手段と振動検出手段に静電効果を用いたものである。また、図を簡単にするため振動発生手段と振動検出手段を省略した。 The configuration of the
以上に説明したように、電磁効果、静電効果を用いても、所望の駆動モードと検出モードを実現できる。 As described above, a desired drive mode and detection mode can be realized using the electromagnetic effect and the electrostatic effect.
1 コリオリ流量計
2 流管
3 振動体
4 圧電素子
5 支持部
6 弾性体
7 電極
8 マグネット
9 コイル
10 シリコン基板DESCRIPTION OF
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