JP2000111380A - コリオリ式質量流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】配管内の圧力変動や外部振動の影響を受けるこ
となく、質量流量を高精度で計量でき、かつ小型化を図
り得るコリオリ式質量流量計を提供する。 【解決手段】配管１１内の軸方向に流体からのコリオリ
力を受ける専用の振動板１２を配置し、この振動板１２
を一次固有振動モードの節に相当する２点で支持部材１
３ａ、１３ｂで支持する。振動板１２の一次固有振動モ
ードの腹に相当する支持点間の中央と外側に磁性体１４
ａ、１４ｂを固定し、励振回路１７により逆位相で励振
する。また、振動板１２の支持点間に振動センサ１６
ａ、１６ｂを配置して振動波形を検出し、その検出
信号の位相差を位相差測定器１８で測定し、演算回路１
９にて流体の質量流量を算出する。また、位相差測定器
１８は、振動センサ１６ａ、１６ｂによる計測信号を励
振回路１７にフィードバックし、センサ出力レベルが常
に最大となるように、励振周波数を変更する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、配管内を流れる流
体の流量を測定するコリオリ式質量流量計に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、質量流量の直接計測手段として、
コリオリ質量流量計がある。これは配管内を流れる流体
に振動が加えられた場合に、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流量計である。通
常は配管自体を振動し、内部流体のコリオリ力の作用に
よって生じる配管の弾性変形を検出する方法を採用して
いる。

【０００３】図４は、従来の実用化されたコリオリ式質
量流量計の最も一般的な構造例を示したものであり、こ
の図によってその動作原理を説明する。

【０００４】１は測定流体が流れるＵ字管で、その中央
部に永久磁石２が固定される。上記Ｕ字管１の両端は、
ベース３に固定されている。４はＵ字管１に対向して設
置された電磁励振用のコイル、５はこの電磁励振用のコ
イル４を支持する支持ビームで、他端はベース３に固定
されている。上記電磁励振用のコイル４と永久磁石２の
間に働く電磁力によって、Ｕ字管１を固有振動数で励振
すると、図５に示すように、Ｕ字管１は支持ビーム５に
対し相対振動し、流れが無い場合は、図５（ａ）のＭ
１、Ｍ２、Ｍ３に示すようなＵ字の平面を保つようなモ
ードで振動する。

【０００５】一方、流れがある場合は、流れの方向とＵ
字管１の振動角速度のベクトル積の方向に、Ｕ字管１内
の流体の質量と速度に比例したコリオリ力が発生する。
従って、Ｕ字管１の入口側と出口側で流れの方向が逆で
ある事によって、捩りトルクがＵ字管１に作用し、図５
（ｂ）のＭ４、Ｍ５、Ｍ６に示すモードの捩り振動が発
生する。この捩り振動の振幅を、変位センサ６ａ、６ｂ
によって信号の位相差として検出することにより質量流
量が求められる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記コリオリ力は、配
管を励振する電磁力と比較して微弱であるため、実用的
な構造とするには、配管を長く柔軟性を高めて変形を大
きくしたり、流路を並列に２本に分岐させ、互いに逆モ
ードで振動させる等により外部振動の影響を防ぐ工夫が
採られる。耐振対象となる配管部分が大きければ、励振
力も大きくする必要があり、計測システムが総じて大型
化する欠点がある。また、流路を分岐する場合は、流れ
に偏りが生じて計測精度に影響したり、構造が複雑にな
って内部洗浄に支障を来すという問題がある。これらの
欠点を避けるために分岐管とせず、直管の二重構造とし
て外部振動の影響をキャンセルする方式もあるが、曲げ
剛性を小さくできないことによる感度不足を補うために
配管を薄肉化したり、コリオリ力を強めるために流速を
上げる等の工夫が必要である。薄肉化の場合は剛性に対
する内圧の影響が大きくなり、配管の固有振動数が変化
して、励振周波数の設定が困難になる。また、流速を上
げる場合は、圧力損失を招くことになる。すなわち、従
来のコリオリ式質量流量計では、質量流量の計量性能向
上に伴い、構造が大型化、複雑化するという欠点があっ
た。

【０００７】また、最近では、直管で構成された流管内
の両端部に整流作用を有する支持整流板を固着し、この
支持整流板により流管を軸方向に２分する振動板を支持
し、該振動板の中央に固着された磁性体を電磁オッシレ
ータで振動板と直角な方向に単振駆動し、この振動板に
より駆動された測定流体により上記振動板に作用するコ
リオリ力を電磁オッシレータの上下流側に配設された位
置検出器で検出して質量流量を求めるようにしたコリオ
リ質量流量計が考えられている。しかし、このコリオリ
質量流量計は、振動板の両端を整流板で支持しているの
で、支持部を通じて外乱の影響を受け易いという欠点が
ある。

【０００８】本発明は上記の課題を解決するためになさ
れたもので、配管内の圧力変動や外部振動の影響を受け
ることなく、質量流量を高精度で計量でき、かつ小型化
を図り得るコリオリ式質量流量計を提供することを目的
とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】第１の発明に係るコリオ
リ式質量流量計は、直管型の配管と、この配管内部に、
その一次固有振動モードの節に相当する２点で支えられ
た振動板と、該振動板を一次曲げ固有振動数で励振させ
る励振手段と、前記支持点間における前記配管の外部に
配置された２つの振動センサとを具備し、前記振動セン
サにより検出される２点の振動波形の位相のずれに基づ
いて質量流量を求めることを特徴とする。

【００１０】第２の発明は、前記第１の発明に係るコリ
オリ式質量流量計において、振動板上に固定した磁性体
と配管外部に設けた電磁加振器とで励振手段を構成し、
前記振動板は、該振動板上に固定した磁性体の質量を含
めて、支持点に対する一次モーメントが零となる質量分
布を有することを特徴とする。

【００１１】第３の発明は、前記第１の発明又は第２の
発明に係るコリオリ式質量流量計において、支持点２点
の中央と支持点の外側のそれぞれに励振手段を構成する
磁性体を固定し、前記中央と前記外側の磁性体を逆位相
で励振することを特徴とする。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の一
実施形態を説明する。

【００１３】図１は本発明に係るコリオリ式質量流量計
の構成を示す平面図、図２は流量計部分の縦断面と共
に、加振器やセンサ類を駆動する電気回路を示す結線図
である。

【００１４】図１及び図２において、１１は測定流体が
流れる直管型の配管で、この配管１１の流路中央に振動
板１２を軸方向に（流れ方向）に設け、この振動板１２
の２点を支持部材１３ａ、１３ｂにより配管１１の内壁
で支える。上記振動板１２には、その一端と中央に磁性
体１４ａ、１４ｂを固定して設ける。また、上記配管１
１の外側には、磁性体１４ａ、１４ｂに対向する位置に
電磁加振器１５ａ、１５ｂを配置すると共に、支持部材
１３ａ、１３ｂ間に、該支持部材１３ａ、１３ｂ各々の
位置から等しい距離に振動センサ１６ａ、１６ｂを配置
する。

【００１５】上記支持部材１３ａ、１３ｂの位置は、振
動板１２を完全に自由な状態においたときの一次固有振
動モードの節に相当する所に設ける。この場合、支持部
材１３ａ、１３ｂは、上記振動板１２の自由振動の２つ
の節点を例えばナイフエッジ、ピボット支持等により回
動自由に支持する。また、振動板１２は、一様な板厚、
幅の平板形であるが、振動板１２上に固定した磁性体１
４ａ、１４ｂの質量を含めて、支持部材１３ａ、１３ｂ
による支持点に対する一次モーメントが零となるような
質量分布を持たせる。

【００１６】そして、図２に示すように上記電磁加振器
１５ａ、１５ｂを励振回路１７により励振し、振動セン
サ１６ａ、１６ｂの出力信号を位相差測定器１８に入力
する。上記励振回路１７は、配管１１内が流体で満たさ
れた状態における振動板１２の一次曲げ固有振動数の周
期で励振する。この場合、励振回路１７は、位相が１８
０°異なる正弦波、若しくはオン／オフの交番信号とす
ることにより、磁性体１４ａ、１４ｂに１８０°異なる
交番力を発生させ、振動板１２に一次曲げ固有振動数、
振動モードのみの振動を選択的に励起させる。

【００１７】上記振動板１２の振動は、振動センサ１６
ａ、１６ｂにより、振動変位若しくは振動速度波形とし
て計測する。位相差測定器１８は、振動センサ１６ａ、
１６ｂによる計測信号を励振回路１７にフィードバック
し、振動センサ１６ａ、１６ｂの出力レベルが常に最大
となるように、励振周波数を変更する。

【００１８】また、位相差測定器１８は、振動センサ１
６ａ、１６ｂの出力信号の位相差を測定し、その測定結
果を演算回路１９に出力する。この演算回路１９は、位
相差測定器１８の測定結果に基づいて測定流体の質量流
量を算出する。

【００１９】次に上記実施形態の動作を説明する。

【００２０】励振回路１７は、位相が１８０°異なる正
弦波、若しくはオン／オフの交番信号で電磁加振器１５
ａ、１５ｂを励振し、磁性体１４ａ、１４ｂに１８０°
異なる交番力を発生させ、振動板１２を振動させる。こ
のとき振動板１２と共に、振動板１２に接する流体も付
加質量として振動する。そこで、励振回路１７、電磁加
振器１５ａ、１５ｂによって、振動センサ１６ａ、１６
ｂの出力信号が常に最大となるように、流体の付加質量
分も合わせた一次曲げ固有振動数で振動板１２を励振す
る。

【００２１】この結果、流体の流れが無い場合、振動板
１２は図３（ａ）に示すように支持部材１３ａ、１３ｂ
間の中央を振動モードの腹とする一次曲げ固有振動モー
ドで振動し、振動センサ１６ａ、１６ｂで計測する２点
の振動波形は同位相、同振幅となる。

【００２２】一方、流体の流れがある場合は、付加質量
が移動速度を持つため、振動板１２にコリオリ力が作用
し、振動板１２の中央を捩るような振動が加わり、振動
センサ１６ａ、１６ｂにおける振動波形に位相のずれが
発生する。この位相のずれを位相差測定器１８で計測
し、その計測結果を演算回路１９に入力することによ
り、演算回路１９で質量流量を求めることができる。

【００２３】すなわち、振動板１２に加わるコリオリ力
Ｆは、付加質量ｍと振動の角周波数ω、流体の移動速度
Ｖによって、次式で表される。

【００２４】［Ｆ］＝−２ｍ［ω］・［Ｖ］ 上記付加質量ｍは、流体密度と振動板１２の平面寸法、
固有振動モードの関数であり、実際の計測システムで
は、密度が既知の流体に関する実験定数に基づき、密度
の関数として表現することができる。また、振動センサ
１６ａ、１６ｂの出力信号を励振回路１７にフィードバ
ックし、常に振動振幅が最大となるように周波数を掃引
するシステムとなっているので、一次固有振動数の絶対
値の計測結果から、未知の流体の密度を求めることがで
きる。従って、計測対象とする流体の密度と質量流量を
同時に求めることができる。

【００２５】上記のように配管１１内の軸方向に流体か
らのコリオリ力を受ける専用の振動板１２を配置し、こ
の振動板１２を自由状態での一次固有振動モードの節に
相当する２点で支持して一次曲げ固有振動数で励振させ
ると共に、上記支持点間に配置した２つの振動センサ１
６ａ、１６ｂにより振動波形を検出し、その位相のずれ
に基づいて質量流量を求めるようにしたので、配管全体
を振動させる必要がなく、応答性に優れた小型の質量流
量計とすることができる。

【００２６】また、振動板１２上に固定した磁性体１４
ａ、１４ｂと配管１１の外部に設けた電磁加振器１５
ａ、１５ｂとで振動板１２を励振し、前記振動板１２
は、該振動板１２上に固定した磁性体の質量を含めて、
支持点に対する一次モーメントが零となるような質量分
布を持たせたので、支持点の振動によって一次固有振動
が励起される事がなく、外部振動の影響を受けにくい質
量流量計とすることができる。

【００２７】更に、上記振動板１２を自由な状態におい
たときの一次固有振動モードの節に相当する所に支持部
材１３ａ、１３ｂを設けて振動板１２を支持し、この振
動板１２の一次固有振動モードの腹に相当する上記支持
点間の中央と外側にそれぞれに励振手段を構成する磁性
体１４ａ、１４ｂを固定し、前記中央と外側の磁性体１
４ａ、１４ｂを逆位相で励振するようにしたので、振動
板１２の振動変位、変形量を大きく取り易い、一次固有
振動モードの振動のみを選択的に励起することが可能と
なり、質量流量を高精度で計測することができる。

【００２８】

【発明の効果】以上詳記したように本発明によれば、直
管型の配管内部に流体からのコリオリ力を受ける専用の
振動板を配置し、この振動板を一次固有振動モードの節
に相当する２点で支持して一次曲げ固有振動数で励振す
ると共に、上記支持点間に配置した２つの振動センサに
より振動波形を検出し、その位相のずれに基づいて質量
流量を求めるようにしたので、直管型で応答性が高く、
且つ配管内圧の影響が無い小型のコリオリ式質量流量計
とすることができる。

【００２９】また、上記振動板上に固定した磁性体と配
管の外部に設けた電磁加振器とで振動板を励振し、該振
動板は、上記磁性体の質量を含めて、支持点に対する一
次モーメントが零となるような質量分布を持たせたの
で、外部振動の影響を受けにくい質量流量計とすること
ができる。

【００３０】更に、上記振動板の支持する２点の中央と
支持点の外側にそれぞれに励振手段を構成する磁性体を
固定し、前記中央と外側の磁性体を逆位相で励振するよ
うにしたので、振動板の振動変位、変形量を大きく取り
易い、一次固有振動モードの振動のみを選択的に励起す
ることが可能となり、質量流量を高精度で計測すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係るコリオリ式質量流量
計の構成を示す平面図。

【図２】同実施形態における流量計部分の縦断面及び加
振器並びにセンサ類を駆動する電気回路を示す結線図。

【図３】同実施形態における振動板の振動モードを示す
図。

【図４】従来のコリオリ式質量流量計の構成図。

【図５】従来のコリオリ式質量流量計の動作説明図。

【符号の説明】

１１ 直管型の配管 １２ 振動板 １３ａ、１３ｂ 支持部材 １４ａ、１４ｂ 磁性体 １５ａ、１５ｂ 電磁加振器 １６ａ、１６ｂ 振動センサ １７ 励振回路 １８ 位相差測定器 １９ 演算回路

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 直管型の配管と、この配管内部に、その
   一次固有振動モードの節に相当する２点で支えられた振
   動板と、該振動板を一次曲げ固有振動数で励振させる励
   振手段と、前記支持点間における前記配管の外部に配置
   された２つの振動センサとを具備し、前記振動センサに
   より検出される２点の振動波形の位相のずれに基づいて
   質量流量を求めることを特徴とするコリオリ式質量流量
   計。
2. 【請求項２】 振動板上に固定した磁性体と配管外部に
   設けた電磁加振器とで励振手段を構成し、前記振動板
   は、該振動板上に固定した磁性体の質量を含めて、支持
   点に対する一次モーメントが零となる質量分布を有する
   ことを特徴とする請求項１記載のコリオリ式質量流量
   計。
3. 【請求項３】 支持点２点の中央と支持点の外側のそれ
   ぞれに励振手段を構成する磁性体を固定し、前記中央と
   前記外側の磁性体を逆位相で励振することを特徴とする
   請求項１又は２記載のコリオリ式質量流量計。