JP2000046615A - コリオリ質量流量計 - Google Patents

コリオリ質量流量計

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JP2000046615A
JP2000046615A JP10215180A JP21518098A JP2000046615A JP 2000046615 A JP2000046615 A JP 2000046615A JP 10215180 A JP10215180 A JP 10215180A JP 21518098 A JP21518098 A JP 21518098A JP 2000046615 A JP2000046615 A JP 2000046615A
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vibration
reference axis
tube
vibrating tube
coriolis mass
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JP10215180A
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Norikazu Osawa
紀和 大沢
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Yokogawa Electric Corp
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Yokogawa Electric Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 内部振動の絶縁性を向上させることによっ
て、高精度で、安定性、耐振性が向上されるコリオリ質
量流量計を実現する。 【解決手段】 振動チューブ内に測定流体が流れ、該測
定流体の流れと前記振動チューブの角振動によって生じ
るコリオリ力により、該振動チューブを変形振動させる
コリオリ質量流量計において、上流側固定端で分岐され
下流側固定端で合流され前記上流側固定端と下流側固定
端とを結ぶ直線を基準軸としてこの基準軸に対して互い
に軸対称な形状を有し励振された定常振動状態において
も常に前記基準軸を中心に互いに対称な位置に存在し且
つ常に基準軸の各点からそれぞれ所定距離の円周線上で
単振動をする第1振動チューブと第2振動チューブとを
有する振動チューブを具備したことを特徴とするコリオ
リ質量流量計である。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、内部振動の絶縁性
を向上させることによって、高精度で、安定性、耐振性
が向上されたコリオリ質量流量計に関するものである。
【0002】
【従来の技術】図9は、従来より一般に使用されている
従来例の構成説明図で、例えば、特開平6−10951
2号の従来例に示されている。図10は図9の動作説明
図である。図において、振動チューブ1はフランジ2
に、両端が取付けられている。フランジ2は管路Aへ振
動チューブ1を取付けるためのものである。
【0003】励振器3は振動チューブ1の中央部に設け
られている。振動検出センサ4,5は振動チューブ1の
両側にそれぞれ設けられている。ハウジング6は、振動
チューブ1の両端が固定される。
【0004】以上の構成において、振動チューブ1に測
定流体が流され、励振器3が駆動される。励振器3の振
動方向の角速度『ω』、測定流体の流速『V』(以
下『』で囲まれた記号はベクトル量を表す。)とする
と、
【0005】Fc=―2m『ω』×『V』 のコリオリ力が働く、コリオリ力に比例した振動の振幅
を測定すれば、質量流量が測定出来る。
【0006】図11は従来より一般に使用されている他
の従来例の構成説明図、図12は図11の振動動作説明
図である。本従来例では、振動チューブ1を2管式にし
て、2本の振動チューブを対称に振動させる。
【0007】2本の振動チューブ1を対称に振動させる
ことで、2本のチューブの分岐(連結)部にて、励振方
向の振動がキャンセルしあい、音叉の節のような場所を
形成することで、内部の振動を外に漏らさない構造とな
っている。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図9の
ような一般的な1本直管式コリオリ質量流量計では、振
動チューブを両端で固定しているが、限られた大きさの
コリオリ質量流量計では、端点を完全固定にすることは
できず、わずかに振動してしまう。振動が発生する理由
として、2つの原因が考えられる。
【0009】(1)管軸方向の力について。内部を流体
が流れる振動チューブ1を図10のように変形(近似的
に1次モード共振状態)させると、変形により振動チュ
ーブ1の長さが長くなるので、振動チューブ1の軸方向
に引っ張り応力が発生する。
【0010】例えばステンレスのφ9.6×0.91t、
400Lのチューブの中央部分を1mm変形させると、
図10のように、軸方向に7.5kgfの大きさの引っ張り
力が発生する。
【0011】振動チューブ1を1次の共振モードで励振
させた場合、プラスとマイナスの変形最大の時に引っ張
り力も最大になり、変形のない基本形状の時は引っ張り
力は最小でゼロである。
【0012】励振振動の1周期中に、引っ張り力は最
大、最小を2回繰り返す。すなわち、振動チューブ1の
軸方向の引っ張り力は、励振周波数の2倍の周波数で発
生する。この引っ張り力による振動により、振動絶縁が
不十分になる。
【0013】(2)加振方向の力について。図10に示
す如く、中央部で加えられた力が、両固定端に加わり、
7.2kgfの力が加わる。
【0014】図12のような2本管式のコリオリ質量流
量計でも、振動の絶縁は十分ではない。2本振動チュー
ブ1を互いに逆方向に振動させることで、加振方向の力
1は互いにキャンセルされる。
【0015】しかし、振動チューブ1の変形に伴い、振
動チューブ1の軸方向にも大きな力F2が加わる。この
成分については、2本平行管でもキャンセルできず、む
しろ増幅する傾向である。このように、2本管式コリオ
リ流量計でも、振動絶縁が不十分である。
【0016】振動絶縁が不十分な場合、 (1)Q値が低くなるので、内部の振動が不安定にな
り、励振振動以外の余計な振動ノイズの影響を受けやす
くなる。
【0017】(2)励振に大きなエネルギーが必要にな
り、消費電力が増加する。 (3)設置方法や、配管応力、温度等の環境変化や外的
要因により、振動の漏れ程度も大きく変わり、振動チュ
ーブ1の振動状況も変化し、零点やスパンが変化しやす
くなる。
【0018】すなわち、これらの環境変化や外的要因に
対し、不安定で、耐振性、精度が悪いコリオリ流量計に
なりがちである。
【0019】本発明は、この問題点を解決するものであ
る。本発明の目的は、内部振動の絶縁性を向上させるこ
とによって、高精度で、安定性、耐振性が向上されるコ
リオリ質量流量計を提供するにある。
【0020】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、本発明は、 (1)振動チューブ内に測定流体が流れ、該測定流体の
流れと前記振動チューブの角振動によって生じるコリオ
リ力により、該振動チューブを変形振動させるコリオリ
質量流量計において、上流側固定端で分岐され下流側固
定端で合流され前記上流側固定端と下流側固定端とを結
ぶ直線を基準軸としてこの基準軸に対して互いに軸対称
な形状を有し励振された定常振動状態においても常に前
記基準軸を中心に互いに対称な位置に存在し且つ常に基
準軸の各点からそれぞれ所定距離の円周線上で単振動を
する第1振動チューブと第2振動チューブとを有する振
動チューブを具備したことを特徴とするコリオリ質量流
量計。 (2)前記振動チューブが単振動をするよう前記基準軸
を中心に互いに所定角度をなし前記振動チューブに非接
触に配置された少なくとも2個の励振装置を具備したこ
とを特徴とする請求項1記載のコリオリ質量流量計。 (3)外部にねじれ振動が漏洩しないように前記振動チ
ューブの両固定端に連結されたねじり剛性を有する剛体
を具備したことを特徴とする請求項1又は請求項2記載
のコリオリ質量流量計。 (4)前記基準軸に平行して設けられ両端が前記振動チ
ューブの両端側にそれぞれ固定支持される補償体と、前
記振動チューブを前記固定端近傍では前記基準軸回りの
ねじれが主体となるように励振すると共に前記補償体を
この補償体の振動が前記基準軸と同じ軸あるいはこの基
準軸と平行な軸を中心に回転するねじれ振動であり且つ
前記振動チューブの振動とは逆位相で前記振動チューブ
と前記補償体との固定部では逆位相で振動することによ
り前記基準軸回りのねじれ振動が互いに打ち消し合い発
生する振動を削減するように励振する励振手段とを具備
したことを特徴とする請求項1乃至請求項3の何れかに
記載のコリオリ質量流量計。を構成したものである。
【0021】
【作用】以上の構成において、振動チューブに測定流体
が流され、励振器が駆動されると、コリオリ力が働く、
このコリオリ力に比例した振動の振幅を測定すれば、質
量流量が測定出来る。
【0022】而して、第1振動チューブと第2振動チュ
ーブとは、上流側固定端で分岐され下流側固定端で合流
され、上流側固定端と下流側固定端とを結ぶ直線を基準
軸として、この基準軸に対して互いに軸対称な形状を有
する。
【0023】第1振動チューブと第2振動チューブと
は、励振された定常振動状態においても、常に基準軸を
中心に互いに対称な位置に存在し、且つ、常に基準軸の
各点からそれぞれ所定距離の円周線上で単振動をするこ
とで、外部との振動絶縁が高められる。以下、実施例に
基づき詳細に説明する。
【0024】
【発明の実施の形態】図1は、本発明の一実施例の要部
構成説明図で、請求項1と請求項2の一実施例である。
図において、図9と同一記号の構成は同一機能を表わ
す。以下、図9と相違部分のみ説明する。
【0025】振動チューブ11は、上流側固定端12で
分岐され、下流側固定端13で合流された、第1振動チ
ューブ111と第2振動チューブ112とを有する。第
1振動チューブ111と第2振動チューブ112とは、
上流側固定端12と下流側固定端13とを結ぶ直線を基
準軸14として、この基準軸14に対して、互いに軸対
称な形状を有する。
【0026】第1振動チューブ111と第2振動チュー
ブ112とは、励振された定常振動状態においても、常
に、基準軸14を中心に互いに対称な位置に存在し、且
つ、常に、基準軸14の各点から、それぞれ所定距離の
円周線上で単振動をする。
【0027】励振器15,16は、それぞれ振動チュー
ブ111,112を、その共振周波数で振動させる、振
動検出センサ17,18,19,21は、それぞれ振動
チューブ111,112の振動を検出する。
【0028】以上の構成において、図2は、図1の振動
チューブ111,112のb−b断面図、図3は、図1
の振動チューブ111,112のa−a断面図,c−c
断面図である。
【0029】図2,図3において、非励振状態の時、振
動チューブ111,112は図2,3のBの位置近傍に
ある。振動状態になると、振動チューブ111,112
の中心は、基準軸14からR(x)離れた円周上を移動す
る。
【0030】すなわち、b−b断面では基準軸14から
半径R(b)離れた円周上を、a−a断面やc−c断面の
位置では、基準軸14から半径R(a)やR(c)離れた円周
上を、A→B→C→B→A→B→(繰り返し)のように
単振動する。
【0031】振動チューブ111,112の励振と振動
検出については、この場合は、図4に示す如く行う。図
4には、振動チューブ111,112と励振器15,1
6との要部関係断面図が示されている。
【0032】励振器15,16は、それぞれ2つのコイ
ル151,152,161,162と磁性体153,1
63から構成されている。励振器15,16は、図4の
コイル151,152,161,162に示した、矢印
Bの方向の力を発生する。振幅角θが小さい場合、以下
のような力を発生させることで、円周振動を実現させ
る。
【0033】 コイル151 F151=A1 sin(ωt) コイル152 F152=B1 sin(ωt+π/2)+C1 コイル161 F161=A2 sin(ωt) コイル162 F162=B2 sin(ωt+π/2)+C2 但し、A1,A2,B1,B2,C1,C2は定数
【0034】振動検出センサ17,18,19,21も
コイルと磁性体から成り、図4と同様な構成をとる。コ
イル171,181,191,211では振動のY方向
成分を、コイル172,182,192,212では振
動のZ方向成分を検出する。
【0035】なお、信号処理は、一般的な方法を用いれ
ば良く、例えば、上流側センサ17,19の出力と、下
流側センサ18,21の出力の位相差を求め、共振周波
数や温度補正を行って、質量流量を算出する。
【0036】第1、第2の振動チューブ111,112
は、基準軸14から等距離にある円周面内のみでの振動
なので、第1、第2の振動チューブ111,112の位
置がどこであっても、第1、第2の振動チューブ11
1,112の長さが変わることはない。
【0037】従って、軸方向の引っ張りの力が常に一定
である。すなわち、管軸方向の力が変化することによ
る、振動の漏れを無くすことができ、管軸方向の振動絶
縁を高めることができる。
【0038】また、第1,第2の振動チューブ111,
112が、基準軸14を中心に、常に、対称な位置にあ
るので、常に重心が変化することがなく、振動が外部に
漏れることが無い。
【0039】具体的には、内部振動のQ値が高くなるの
で、振動ノイズの影響を受けにくくなり、低消費電力を
実現し、振動の漏れ量の変化によるゼロ点やスパン変化
を低減できるコリオリ質量流量計が得られる。
【0040】この結果、 (1)内部振動系は高Q値を実現でき、外部ノイズが加
わってもその影響が相対的に少なく、振動が安定なの
で、外部振動ノイズに強いコリオリ質量流量計が得られ
る。
【0041】(2)少ないエネルギで安定した励振を実
現できるので、低消費電流のコリオリ質量流量計が得ら
れる。
【0042】(3)外部への振動エネルギの散逸量が変
化したり、上下流で散逸量のバランスが崩れると、内部
の振動系に影響が及び、ゼロ点やスパンが変動してしま
う。本発明では、常に内部に振動が閉じこもっているの
で、その心配がなく、高精度なコリオリ質量流量計が得
られる。
【0043】図5は本発明の他の実施例の要部構成説明
図で、請求項3の一実施例である。図6は図5の側断面
図である。
【0044】本実施例において、ねじり剛性を有する剛
体31は、外部に、ねじれ振動が漏洩しないように、振
動チューブ11の両固定端12,13に連結固定され
た、剛体である。この場合は、ハウジング6の機能も兼
用する。
【0045】ねじれ剛性が十分に大きいとは、目安とし
て、1桁以上、剛性が大きいことを言う。 中空丸軸のねじれ剛性=G×π/32×(d2 4−d1 4) G:横弾性計数 d2:外径 d1:内径 で示される。
【0046】このようにねじれ剛性は、直径の4乗に効
いてくるので、図6に示す如く、振動チューブ11に対
して、ねじり剛性を有する剛体31の直径を変えること
で、1桁以上剛性の大きいものでも比較的容易に作成で
きる。
【0047】この結果、十分にねじれ剛性の高い剛体3
1を有することで、内部振動系の、基準軸14まわりの
ねじれ成分を強固に固定し、コリオリ質量流量計の外部
に、ねじれ振動が漏れるのを防止する事が出来る。振動
絶縁をより高度に実現することにより、流量計内部の振
動が一層安定になり、高精度で安定したコリオリ質量流
量計が得られる。
【0048】なお、前述の実施例においては、ねじれ剛
性の高い剛体31は、ハウジング6を兼用すると説明し
たが、これに限ることはなく、例えば、ねじれ剛性の高
い剛体31とハウジング6とは別体でも良い。
【0049】また、ねじれ剛性の高い剛体31は、1本
の円筒でなくても良く、複数本でも、角柱形状でも何で
も良い。要するに、ねじれ剛性の高い剛体31であれば
良い。
【0050】図7は本発明の他の実施例の要部構成説明
図で、請求項4の一実施例である。図8は図7の側断面
図である。図において、補償体41は、基準軸14に平
行して設けられ、両端が振動チューブ11の両端側にそ
れぞれ固定支持42,43されている。
【0051】励振手段44は、振動チューブ11を、基
準軸14回りのねじれが主体となるように励振する。
【0052】一方、励振手段44は、補償体41をこの
補償体41の振動が、基準軸14と同じ軸、あるいはこ
の基準軸14と平行な軸を中心に回転するねじれ振動で
あり、且つ振動チューブ11の振動とは逆位相で、振動
チューブ11と補償体41との固定部42,43では、
逆位相で振動することにより、基準軸14回りのねじれ
振動が互いに打ち消し合い発生する振動を削減するよう
に励振する。
【0053】この場合は、励振手段44は、励振器15
と励振器16とよりなる。励振器15、16によって、
コイル151,152,161,162と磁石153,
163が反発する方向に力が加わった場合、振動チュー
ブ11にはT1で示す方向(図8の右回り)の力を受け
る。
【0054】そして、作用反作用により、補償体41は
T2で示す方向(図8の左回り)の力を受ける。
【0055】T1とT2とは、お互いに、基準軸14を
中心に、反対回りの力である。補償体41と振動チュー
ブ11の固定部42,43とでは、互いに逆回りの逆位
相の力が加わり、打ち消し合うことで、発生振動が大幅
に削減され、補償体41の外部へ漏れる振動が大幅に削
減される。
【0056】この結果、補償振動体41が設けられたの
で、基準軸14のまわりのねじれ成分について、振動を
キャンセル出来、コリオリ質量流量計の外部に、余計な
振動を漏らすことがなくなり、振動の絶縁がより高めら
れる。
【0057】振動絶縁をより高度に実現することによ
り、コリオリ質量流量計内部の振動が一層安定になり、
高精度で安定したコリオリ質量流量計が得られる。
【0058】すなわち、 (1)内部振動系は高Q値を実現でき、外部ノイズが加
わってもその影響が相対的に少なく、振動が安定なの
で、外部振動ノイズに強いコリオリ質量流量計が得られ
る。
【0059】(2)少ないエネルギで安定した励振を実
現できるので、低消費電流のコリオリ質量流量計が得ら
れる。
【0060】(3)外部への振動エネルギの散逸量が変
化したり、上下流で散逸量のバランスが崩れると、内部
の振動系に影響が及び、ゼロ点やスパンが変動してしま
う。本発明では、常に内部に振動が閉じこもっているの
で、その心配がなく、高精度なコリオリ質量流量計が得
られる。
【0061】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の請求項1
によれば、振動チューブは、上流側固定端で分岐され、
下流側固定端で合流された、第1振動チューブと第2振
動チューブとを有し、単振動するので、管軸方向の力が
変化することによる、振動の漏れを無くすことができ、
管軸方向の振動絶縁を高めることができる。
【0062】更に、励振変形(円周の半径方向)に関し
ては、第1,第2の振動チューブが対称な方向に変形す
るので、その分岐点では、互いに逆向きの変形が、音叉
の節のようにキャンセルすることが出来る。
【0063】また、第1,第2の振動チューブが、基準
軸14を中心に、常に、対称な位置にあるので、常に重
心が変化することがなく、振動が外部に漏れることが無
い。
【0064】具体的には、内部振動のQ値が高くなるの
で、振動ノイズの影響を受けにくくなり、低消費電力を
実現し、振動の漏れ量の変化によるゼロ点やスパン変化
を低減できるコリオリ質量流量計が得られる。この結
果、 (1)内部振動系は高Q値を実現でき、外部ノイズが加
わってもその影響が相対的に少なく、振動が安定なの
で、外部振動ノイズに強いコリオリ質量流量計が得られ
る。
【0065】(2)少ないエネルギで安定した励振を実
現できるので、低消費電流のコリオリ質量流量計が得ら
れる。
【0066】(3)外部への振動エネルギの散逸量が変
化したり、上下流で散逸量のバランスが崩れると、内部
の振動系に影響が及び、ゼロ点やスパンが変動してしま
う。本発明では、常に内部に振動が閉じこもっているの
で、その心配がなく、高精度なコリオリ質量流量計が得
られる。
【0067】本発明の請求項2によれば、 (1)2つ以上の励振器を、角度を変えて同時に用いる
ことで、円周面内振動を実現出来るコリオリ質量流量計
が得られる。 (2)電磁力を利用すれば、非接触でありながら十分な
力を発生させることが出来るコリオリ質量流量計が得ら
れる。
【0068】本発明の請求項3によれば、十分にねじれ
剛性の高い剛体を有することで、内部振動系の、基準軸
まわりのねじれ成分を強固に固定し、コリオリ質量流量
計の外部に、ねじれ振動が漏れるのを防止する事が出来
る。振動絶縁をより高度に実現することにより、流量計
内部の振動が一層安定になり、高精度で安定したコリオ
リ質量流量計流量計が得られる。
【0069】本発明の請求項4によれば、補償振動体が
設けられたので、基準軸のまわりのねじれ成分につい
て、振動をキャンセル出来、コリオリ質量流量計の外部
に、余計な振動を漏らすことがなくなり、振動の絶縁が
より高められる。
【0070】振動絶縁をより高度に実現することによ
り、コリオリ質量流量計内部の振動が一層安定になり、
高精度で安定したコリオリ質量流量計が得られる。
【0071】すなわち、 (1)内部振動系は高Q値を実現でき、外部ノイズが加
わってもその影響が相対的に少なく、振動が安定なの
で、外部振動ノイズに強いコリオリ質量流量計が得られ
る。
【0072】(2)少ないエネルギで安定した励振を実
現できるので、低消費電流のコリオリ質量流量計が得ら
れる。
【0073】(3)外部への振動エネルギの散逸量が変
化したり、上下流で散逸量のバランスが崩れると、内部
の振動系に影響が及び、ゼロ点やスパンが変動してしま
う。本発明では、常に内部に振動が閉じこもっているの
で、その心配がなく、高精度なコリオリ質量流量計が得
られる。
【0074】従って、本発明によれば、内部振動の絶縁
性を向上させることによって、高精度で、安定性、耐振
性が向上されるコリオリ質量流量計を実現することが出
来る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例の要部構成説明図である。
【図2】図1の動作説明図である。
【図3】図1の動作説明図である。
【図4】図1の動作説明図である。
【図5】本発明の他の実施例の要部構成説明図である。
【図6】図5の側面図である。
【図7】本発明の他の実施例の要部構成説明図である。
【図8】図7の側面図である。
【図9】従来より一般に使用されている従来例の構成説
明図である。
【図10】図9の動作説明図である。
【図11】従来より一般に使用されている他の従来例の
構成説明図である。
【図12】図11の動作説明図である。
【符号の説明】
2 フランジ 6 ハウジング 11 振動チューブ 111 第1振動チューブ 112 第2振動チューブ 12 上流側固定端 13 下流側固定端 14 基準軸 15 励振器 151 励振コイル 152 励振コイル 153 磁性体 16 励振器 161 励振コイル 162 励振コイル 163 磁性体 17 振動検出センサ 18 振動検出センサ 19 振動検出センサ 21 振動検出センサ 31 捻じり剛性を有する剛体 41 補償体 42 固定部 43 固定部

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】振動チューブ内に測定流体が流れ、該測定
    流体の流れと前記振動チューブの角振動によって生じる
    コリオリ力により、該振動チューブを変形振動させるコ
    リオリ質量流量計において、 上流側固定端で分岐され下流側固定端で合流され前記上
    流側固定端と下流側固定端とを結ぶ直線を基準軸として
    この基準軸に対して互いに軸対称な形状を有し励振され
    た定常振動状態においても常に前記基準軸を中心に互い
    に対称な位置に存在し且つ常に基準軸の各点からそれぞ
    れ所定距離の円周線上で単振動をする第1振動チューブ
    と第2振動チューブとを有する振動チューブを具備した
    ことを特徴とするコリオリ質量流量計。
  2. 【請求項2】前記振動チューブが単振動をするよう前記
    基準軸を中心に互いに所定角度をなし前記振動チューブ
    に非接触に配置された少なくとも2個の励振装置を具備
    したことを特徴とする請求項1記載のコリオリ質量流量
    計。
  3. 【請求項3】外部にねじれ振動が漏洩しないように前記
    振動チューブの両固定端に連結されたねじり剛性を有す
    る剛体を具備したことを特徴とする請求項1又は請求項
    2記載のコリオリ質量流量計。
  4. 【請求項4】前記基準軸に平行して設けられ両端が前記
    振動チューブの両端側にそれぞれ固定支持される補償体
    と、 前記振動チューブを前記固定端近傍では前記基準軸回り
    のねじれが主体となるように励振すると共に前記補償体
    をこの補償体の振動が前記基準軸と同じ軸あるいはこの
    基準軸と平行な軸を中心に回転するねじれ振動であり且
    つ前記振動チューブの振動とは逆位相で前記振動チュー
    ブと前記補償体との固定部では逆位相で振動することに
    より前記基準軸回りのねじれ振動が互いに打ち消し合い
    発生する振動を削減するように励振する励振手段とを具
    備したことを特徴とする請求項1乃至請求項3の何れか
    に記載のコリオリ質量流量計。
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JP2006201170A (ja) * 2005-01-21 2006-08-03 Krohne Ag 質量流量計
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