JP2000503770A - 質量流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は測定パイプ中を流れる流体の質量および密度を測定する質量流量計に関する。この質量流量計では、コリオリの原理を使用して質量および密度を確立する。この質量流量計は、少なくとも１本、好ましくは２本の測定パイプを含む。各測定パイプは振動発生器と、第１振動検出器と、第２振動検出器とを備える。振動発生器は、測定パイプを振動させるためのものであり、振動検出器は、流体が測定パイプ中を流れるときの測定パイプ中の振動を検出するためのものである。振動検出器は、環状コイル中に延びる棒磁石の形状をした電機子からなる。コイルは、直列に接続され、縦軸に沿って互いに間隔を空けて配列された、第１巻線および第２巻線を備える。第１巻線は縦軸の周りで１方向に巻かれ、第２巻線は縦軸の周りで、別の方向、第１巻線に関して逆方向に巻かれる。これは、測定精度が高まり、同時に取付け許容誤差についての要求が低くなることを意味する。

Description

【発明の詳細な説明】 質量流量計 本発明は、パイプ中を流れる流体の質量および密度をコリオリの原理によって 測定し、これらのパイプ中で振動を確立する質量流量計に関する。この質量流量 計は、流体の入口および出口を含み、これらの間には少なくとも１本の測定パイ プが配列されている。その測定パイプは、測定パイプを通る流体の流れの形態を した、測定パイプ中の運動を検出するセンサを備え、前記センサは、測定パイプ に固定された少なくとも１つの磁石、およびコイル支持板に固定された少なくと も１つのコイルからなる。 米国特許第５３４９８７２号に、この種の装置が記載されている。磁石は第１ 測定パイプおよび第２測定パイプ上に配列され、コイルは質量流量計のフレーム に配列される。磁石およびコイルを配列する様々な方法、ならびに様々なコイル のタイプがこの文書には記載されている。この文書に記載された、この装置によ って行う測定は、測定パイプ上に磁石を配列する方法および使用するコイルのタ イプに依存している。一般に、信号の大きさは磁石の強さおよびコイルのサイズ に依存し、したがって、所与の信号の大きさを得るのに、磁石が強ければ小さな コイルしか必要でなくなり、その逆もまた同様である。この文書に示された実施 形態は全て磁石を測定パイプに固定して実現され、測定パイプの質量を低減させ 、コイルにつながるケーブルの取付けを容易にする。磁石の質量は、通常はコイ ルの質量より小さい。 しかし、上述の文書に示された全ての装置の実施形態には、無視できない欠点 がある。その測定精度は、とりわけ記載の運動センサの線形性に依存する。線形 性は、コイルおよび磁石の構成に依存する。示された実施形態のコイルは全て、 １つの単巻線で作成される。このことは、線形信号を得るためには、その磁石が コイルに影響を及ぼす点で均一な磁場を生み出すようにしなければならないこと を意味する。これにより磁石の複雑さが増し、重量が増加し、磁石およびコイル の位置決めについての要求が高まる。さらに、コイル中で誘導される電圧の線形 性が、たわみの制限された測定パイプにわたって及ぶのみであるので、この装置 は振動の制限された測定パイプでしか正確な測定を行うことができない。 したがって、本発明の目的はそれらの欠点のない装置を生み出すことである。 すなわち、単純な磁石を使用しても、測定パイプが大きく振動しても所与の測定 精度が維持されること、およびコイル中で誘導された電圧の線形性が、測定パイ プの大きなたわみにも及ぶことである。この目的は、取付け許容誤差についての 要求を増すことなく、したがってこの装置を取り付けるコストを既知の装置と比 較して増すことなく、達成されなければならない。 この目的は、少なくとも１つのコイルが第１巻線および第２巻線を有し、第１ 巻線が縦軸の周りで１方向に巻かれ、第２巻線が縦軸の周りで、異なる方向、第 １巻線に関して逆方向に巻かれ、第１巻線および第２巻線が縦軸に沿って互いに 軸方向に配列され、かつ第１巻線が第２巻線に直列に接続されることを特徴とす る質量流量計によって達成される。 こうした特徴を有する、質量流量計で使用されるコイルは、たわみの大きな測 定パイプでも質量流量計の所与の測定精度が維持され、同時に取付け許容誤差に ついての要求が維持され、その要求が増加しないことを意味する。 本発明による好ましい実施態様の質量流量計は、この質量流量計が第１測定パ イプおよび第２測定パイプを含み、少なくとも第１および第２コイルが質量流量 計のフレームに固定され、少なくとも第１磁石が第１測定パイプに固定され、少 なくとも第２磁石が第２測定パイプに固定され、第１測定パイプの第１磁石が、 第１測定パイプから外向きに延び、かつフレームの第１コイルの内側に向かって 延び、ならびに第２測定パイプ上の第２磁石が、第２測定パイプから外向きに延 び、フレームの第２コイルに向かって延びていることを特徴とする。 本発明は主に測定パイプの寸法が小さい質量流量計のためのものであり、この 質量流量計の測定精度については、磁石および／または測定パイプに固定された コイルの質量が重大になる。本発明の測定パイプは、１０ｍｍ²未満、好ましく は３ｍｍ²未満の断面積を有する。上述の磁石／コイル構成を有する本発明によ る装置は、好ましい実施態様ではコイルの重量が３．５ｇ、磁石の重量が０．３ ５ｇとなり、この重量の大部分がコイルおよびコイル本体から生じたものとなる ので、より大きな質量流量計の２本のパイプ間の作用を検出するセンサとして有 利に使用することもできる。 前述の本発明による好ましい実施態様の装置により、最高程度の質量低下、お よびたわみの大きな測定パイプの最高程度の測定精度が可能になる。通常は、磁 石の質量はコイルの質量より小さい。コイルを質量流量計のフレームに固定すれ ば、測定精度を低下させることなく、コイルの質量を大きくしながら磁石の質量 を小さくすることができる。同時に、取付け許容誤差についての要求も低くなる 。 個別の磁石の、個別のコイル上の第１巻線および第２巻線に対する位置決めは 、可能な限りたわみの大きな測定パイプ内で、可能な限り高い程度の測定精度を 得るために重要である。 磁石およびコイルの好ましい実施態様では、磁石は棒磁石であり、コイルは環 状コイルである。環状コイルは、第１巻線および第２巻線をコイル本体の周りに 巻き付けることによって作成される。第１巻線および第２巻線は、環状コイルの 縦軸に沿って互いに離れている。磁石は、磁極を縦軸に沿った方向に向けた状態 で、第１巻線と第２巻線の間に配置される。 第１巻線と第２巻線の間で縦軸に沿って磁石を変位させると、両方の巻線中で 電圧の誘導が引き起こされる。第１巻線および第２巻線が縦軸の周りで逆方向に 巻かれているので、第１巻線と第２巻線の間の磁石の変位と、これにより誘導さ れた電圧とは同じ極性を有する。 以下に、添付の図面に基づいて本発明について説明する。 第１図は、本発明による質量流量計の実施形態を示す、測定パイプに対して直 角な概略図である。 第２図は、本発明による質量流量計の実施形態を示す、測定パイプと平行な概 略図である。 第３図は、本発明の好ましい実施形態の測定パイプ、磁石、およびコイルを示 す詳細図である。 第４図は、コイル中の誘導電圧を電機子の変位の関数として示すグラフである 。 第５図は、コイルの両巻線中の誘導電圧を電機子の変位の関数として示すグラ フである。 第１図は、折れ曲がってループになった、入口２と出口３の間に延びる測定パ イプ１を示す図である。振動発生器４は、測定パイプ１を振動させるためのもの である。第１振動検出器５および第２振動検出器６は、測定パイプ１の振動を検 出するためのものである。振動検出器５、６は、振動発生器４の前後の一定間隔 の位置に配置される。振動検出器５、６は、環状コイル中に変位可能に配列され た、棒磁石の形状をした電機子を含む（第２図および第３図参照）。 測定パイプ１が振動すると、コイルに対する電機子の変位が引き起こされ、コ イル中で電圧が誘導される。この誘導電圧は測定パイプの振動に依存し、測定値 に変換される。測定パイプ１の振動、および特に２つの測定パイプの個別の振動 の間の位相差は、パイプを流れる流体の質量を決めるとき、非常に高い精度を与 える。これは、コリオリの原理に基づいて行われる測定、ならびに測定パイプ１ のパイプ壁面中のサージが役割を果たす測定、および測定パイプの振動に依存す るそのほかの方法を使用する測定に適用される。 振動発生器４からの影響と、振動検出器５、６が検出した振動の測定値とを使 用して測定値を電気回路７中で処理し、測定パイプ１を流れる流体の質量を決め る。 排気され、大気と比較して低い圧力の内部９を有するハウジング８中に、振動 発生器４と振動検出器５、６と一緒に測定パイプ１が配列される。内部９の圧力 は基本的に０．１バール未満である。測定パイプ１は、１０ｍｍ²未満、好まし くは３ｍｍ²未満の非常に小さな内側断面積を有する。ハウジング８の内部９の 圧力が低いこと、および測定パイプ１の内側断面積が非常に小さいことを組み合 わせると、測定パイプ１を流れる流体の非常に小さな質量の測定でも、高い精度 で実施することができることが分かる。 測定パイプ１は固定点１１、１２でハウジング８の底部１０を通る。固定点１ １、１２は、測定パイプ１の振動の節の中心が固定点１１、１２にくるように選 択される。したがって、振動エネルギーは、固定点１１、１２を介してハウジン グ８に伝達されない。プラグ接続１３はハウジング８の壁面中に配置される。図 示では、電気回路７は振動検出器６に接続されるが、図示はしていないが、振動 発生器４および振動検出器５にも接続される。 第２図は、ハウジング８中に、測定パイプ１と同じ設計のもう１本の測定パイ プ１０１が配列されることを示す図である。測定パイプ１、１０１は接続板１４ を介して互いに接続される。振動発生器４、１０４は、ＡＣ電流が供給される誘 導コイル１５、１１５、および磁石の形状をした電機子１６、１１６を有する電 気モータである。誘導コイル１５、１１５中のＡＣ電流は、測定パイプ１、１０ １の作動周波数に対応する周波数を有する。測定パイプ１、１０１に固定された 電機子１６、１１６は、振動運動を測定パイプに伝達する。 さらに、振動検出器５、６と同じ設計を有する、その他の振動検出器１０５、 １０６が設けられる。測定パイプ１、１０１上に配列された電機子１７、１１７ は、コイル１８、１１８に影響を及ぼし、その結果、伝達された振動周波数に対 応する電圧が誘導される。第２測定パイプ１０１では、測定する流体は測定パイ プ１と同じ方向に流れるが、振動は測定パイプ１とは逆の位相で生成される。こ れにより、起こりうる不均衡がなくなるので、より良好な測定結果が得られる。 ハウジング８は鋼または別の金属で作成される。ハウジング８に固定されたプ ラグ接続１３は様々な設計を有することができ、例えば、気密格納式小型冷凍機 の電気差込口と同様に作成することができる。 第３図は、本発明による質量流量計の振動検出器５、１０５、あるいは６、１ ０６を示す詳細図である。振動検出器は電機子１７、１１７およびコイル１８、 １１８を含む。図示の実施形態では、コイル１８、１１８は、コイル本体１９、 １１９を有する環状コイルであり、電機子１７、１１７は棒磁石である。 コイル１８、１１８は、第１巻線２０、１２０、および第２巻線２１、１２１ を備える。第１巻線２０、１２０、および第２巻線２１、１２１は、縦軸Ａに沿 って互いに一定間隔を空けて配列される。第１巻線２０、１２０は縦軸Ａの周り で第１の回転方向に巻かれる。第２巻線２１、１２１も縦軸の周りで巻かれるが 、第１巻線２０、１２０と比較して、逆の回転方向に巻かれる。 電機子１７、１１７は、測定パイプ１に固定され、外向きにコイル１８、１１ ８中に向かって延びる。電機子１７、１１７は、第１巻線２０、１２０と第２巻 線２１、１２１の間に、電機子１７、１１７の極性を縦軸Ａに沿った方向に向け て配列される。北極２２は第１巻線２０、１２０の方向を向き、南極２３は第２ 巻線２１、１２１の方向を向く。前述のように、コイル１８、１１８中の電圧の 誘導は、測定パイプ１が振動を開始し、流体が測定パイプ１中を流れたときに、 電機子１７、１１７が縦軸Ａに沿って変位することによって起きる。 第４図は、コイル１８、１１８の単巻線中の電機子の変位Ｓの関数として、誘 導電圧Ｕを示すグラフである。このグラフは、第１巻線２０、１２０、または第 ２巻線２１、１２１のいずれかの１つの巻線中で、コイル１８、１１８中で縦軸 Ａに沿って電機子１７、１１７を変位させることによって誘導される電圧Ｕを示 す。このグラフから、０ｍｍから約１ｍｍまでの電機子の変位によって誘導電圧 Ｕが線形に増加することが分かる。約１．５ｍｍの変位に対応する電機子１７、 １１７の位置で、誘導電圧Ｕのグラフはピークを有する。ピークの後、誘導電圧 Ｕのグラフは、電機子１７、１１７が縦軸Ａに沿ってさらに変位すると一様に低 下する。約２．５ｍｍの変位に対応する電機子１７、１１７の位置で、誘導電圧 Ｕのグラフは偏向接線（deflection tangent：変曲点での接線）を有する。誘導 電圧の測定精度は、この偏向接線付近の位置で最高となる。したがって、電機子 １７、１１７が振動発生器４および測定パイプ中を流れる流体による振動の影響 を受けないときには、電機子１７、１１７のコイル１８、１１８中への導入位置 決めは、約２．５ｍｍの変位と一致して行わなければならない。測定パイプ１の 振動によって起こる変位により、電機子は、位置２．５ｍｍ付近で縦軸に沿って 変位することになる。 誘導電圧Ｕのグラフは、２．５ｍｍ付近の位置にもマルチオーダー・リンク（ muti-order link）を有する。所与の測定精度を維持するためには、可能な限り 偏向接線の近くで測定を行い、マルチオーダー・リンクによる影響を最大限に低 下させる必要がある。縦軸Ａの周りで逆方向に巻かれた第１巻線２０、１２０お よび第２巻線２１、１２１を有するコイル１８、１１８を使用することによって 、マルチオーダー・リンクによる影響を相当に低下させることができる。これに より、特に偏向接線付近の位置で測定精度が相当に高まる。 第５図は、コイル１８、１１８の両巻線中の電機子の変位Ｓの関数として、誘 導電圧Ｕを示すグラフである。このグラフは、コイル１８、１１８中での縦軸Ａ に沿った電機子１７、１１７の変位によってコイル１８、１１８中で全体として 誘導された電圧を示す。このグラフは、巻線間の間隔ａが４．８ｍｍである最初 のコイル、巻線間の間隔ａが５．０ｍｍである二番目のコイル、巻線間の間隔ａ が５．２ｍｍである三番目のコイル中で誘導される電圧Ｕを示す。 このグラフから、最初のコイル中の誘導電圧Ｕのグラフが、−２ｍｍから０ｍ ｍ、すなわち左側巻線の位置からコイル中央の位置までの電機子の変位では一様 に増加することが分かる。０ｍｍの変位に対応する電機子１７、１１７の位置、 すなわちコイル中央で、誘導電圧Ｕのグラフはピークを有する。ピークの後、誘 導電圧Ｕのグラフは、電機子１７、１１７が縦軸Ａに沿って０ｍｍから＋２ｍｍ 、すなわちコイル中央から右側巻線の位置までさらに変位すると、一様に低下す る。 二番目のコイル中の誘導電圧Ｕのグラフは、−２ｍｍから約−０．８ｍｍ、す なわち左側巻線の位置から左側巻線とコイル中央との間の位置までの電機子の変 位では一様に増加する。−０．８ｍｍから＋０．８ｍｍ、すなわち左側巻線とコ イル中央との間の位置からコイル中央と右側巻線との間の位置までの変位に対応 する電機子１７、１１７の位置で、誘導電圧Ｕのグラフは約０．２７５Ｖのほぼ 一定の値を有する。この一定値の過程後、誘導電圧Ｕのグラフは、電機子１７、 １１７が縦軸Ａに沿って＋０．８ｍｍから＋２ｍｍ、すなわちコイル中央と右側 巻線との間の位置から右側巻線の位置までさらに変位すると、一様に低下する。 三番目のコイル中の誘導電圧のグラフは、−２ｍｍから約−１．４ｍｍ、すな わち左側巻線の位置から左側巻線とコイル中央との間の位置までの電機子の変位 では一様に増加する。−１．４ｍｍから０ｍｍ、すなわち左側巻線とコイル中央 との間の位置からコイル中央の位置までのさらなる変位に対応する電機子１７、 １１７の位置で、誘導電圧Ｕのグラフは低下する。０ｍｍから＋１．４ｍｍ、す なわちコイル中央からコイル中央と右側巻線との間の位置までの変位に対応する 電機子１７、１１７の位置で、誘導電圧Ｕのグラフは増加する。＋１．４ｍｍか ら＋２ｍｍ、すなわちコイル中央と右側巻線との間の位置から右側巻線の位置ま でのさらなる変位に対応する電機子１７、１１７の位置で、誘導電圧Ｕのグラフ は低下する。 誘導電圧の測定の精度はコイル中央付近の位置で最高となる。したがって、コ イル１８、１１８中での電機子１７、１１７の初期の位置決めは、電機子１７、 １１７が振動発生器４または測定パイプ中を流れる流体からの影響を受けない場 合には、約０ｍｍに対応する変位の位置で行わなければならない。 測定パイプ１の振動によって起こる変位は、電機子１７、１１７が、位置２． ５ｍｍ付近で縦軸に沿って変位することを意味する。巻線間の最適な間隔は、試 験を通じて確立される。 上記では、本発明による質量流量計の特定の実施形態に関連して本発明につい て説明した。そのほかの実施形態を生み出すこともできる。電機子１７、１１７ をハウジングに固定し、コイルを測定パイプに固定することもできる。電機子１ ７、１１７は第１測定パイプ１に固定することもでき、コイル１８、１１８は第 ２測定パイプ１０１に固定することもできる。１つの測定パイプ、例えば第１測 定パイプ１はハウジング８に固定し、第２測定パイプ１０１は固定点１１、１２ に固定することもできる。測定パイプ１、１０１を折り曲げ、示した実施形態と は異なる形状を有するループにすることもできる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＵＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＭ，ＡＴ ，ＡＵ，ＢＡ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ， ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，Ｈ Ｕ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ ，ＭＤ，ＭＫ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ， ＲＵ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＲ，ＵＡ，ＵＳ，Ｕ Ｚ，ＶＮ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．流体の入口および出口を含み、これらの間に少なくとも１本の測定パイプが 配列され、測定パイプが、測定パイプを通る流体の流れの、測定パイプ中の運動 を検出するセンサを備え、前記センサが、測定パイプに固定された少なくとも１ つの磁石、およびコイル支持具に固定された少なくとも１つのコイルからなる、 パイプ中を流れる流体の質量および密度を両方ともコリオリの原理によって測定 し、これらのパイプ中で振動を確立する質量流量計であって、少なくとも１つの コイルが、少なくとも１つの第１巻線および１つの第２巻線を含み、第１巻線が 、縦軸の周りで１方向に巻かれ、第２巻線が、縦軸の周りで、別の方向、第１巻 線に関して逆方向に巻かれ、第１巻線および第２巻線が縦軸に沿って互いに軸方 向に離れて配列され、ならびに第１巻線が第２巻線に直列に接続されることを特 徴とする質量流量計。 ２．質量流量計が２本の測定パイプを含み、測定パイプが円形の内側断面を有し 、および測定パイプの断面積が１０ｍｍ²未満、好ましくは３ｍｍ²未満であるこ とを特徴とする請求項１に記載の質量流量計。 ３．少なくとも１つの測定パイプ、好ましくは両方の測定パイプが、主に３角形 の輪状に延び、その第１辺が入口の第１コーナから斜め上に向かって第２コーナ まで延び、その第２辺が第２コーナからほぼ水平に第３コーナまで延び、その第 ３辺が第３コーナから斜め下に向かって第１コーナまで延びることを特徴とする 請求項１または２に記載の質量流量計。 ４．少なくとも１本の測定パイプが、第１辺に固定された第１磁石と、第２辺に 固定された第２磁石と、第３辺に固定された第３磁石とを備えることを特徴とす る請求項３に記載の質量流量計。 ５．質量流量計が第１測定パイプおよび第２測定パイプを含み、コイルの少なく とも一方が第１測定パイプに固定され、少なくとも１つの磁石が第２測定パイプ に固定され、ならびに第２測定パイプの磁石が、第２測定パイプから外向きに延 び、第１測定パイプ上のコイル中に延びることを特徴とする請求項１ないし４の いずれか一項に記載の質量流量計。 ６．少なくとも１つのコイルが質量流量計のフレームに固定され、少なくとも１ つの磁石が測定パイプに固定され、および測定パイプ上の磁石が、この測定パイ プから外向きに延び、フレームのコイル中に延びることを特徴とする請求項１な いし４のいずれか一項に記載の質量流量計。 ７．少なくとも第１磁石および第２磁石が質量流量計のフレームに固定され、少 なくとも第１コイルが第１測定パイプに固定され、少なくとも第２コイルが第２ 測定パイプに固定され、フレームの第１磁石が、フレームから外向きに、第１測 定パイプの第１コイル中に延び、ならびにフレームの第２磁石が、フレームから 外向きに、第２測定パイプの第２コイル中に延びることを特徴とする請求項１な いし４のいずれか一項に記載の質量流量計。 ８．質量流量計が、第１測定パイプおよび第２測定パイプを含み、少なくとも１ つの第１コイルおよび１つの第２コイルが、質量流量計のフレームに固定され、 少なくとも１つの第１磁石が第１測定パイプに固定され、少なくとも第２磁石が 第２測定パイプに固定され、第１測定パイプ上の第１磁石が第１測定パイプから 外向きに延び、フレームの第１コイル中に延び、ならびに第２測定パイプの第２ 磁石が第２測定パイプから外向きに延び、フレームの第２コイル中に延びている ことを特徴とする、請求項１ないし４のいずれか一項に記載の質量流量計。 ９．少なくとも１つのコイルが、コイル本体に巻き付けられた環状コイルであり 、少なくとも１つの磁石が円形円筒形状を有し、および磁石が、第１巻線と第２ 巻線との間に配置されるようにコイル中に延びていることを特徴とする請求項１ ないし８のいずれか一項に記載の質量流量計。 １０．コイル本体が第１端面および第２端面を有する円柱を含み、少なくとも第 １トラックおよび第２トラックが縦軸の周りでこの円柱の表面に沿って延び、な らびに第１トラックが第２トラックに対して縦軸に沿って変位していることを特 徴とする請求項９に記載の質量流量計。