JP2003185482A - コリオリ質量流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 安定性、精度、耐振性が向上されたコリオリ
質量流量計を提供する。 【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、上流側固定端と下流側固
定端の中点を中心に点対称で３個の変曲点を有する曲線
形状で前記点対称の曲線形状を保持したまま前記上流側
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、安定性、精度、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１０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６−１０９５
１２号に示されている。

【０００３】図において、１はフランジ２に、両端が取
り付けられた振動チューブである。フランジ２は管路へ
振動チューブ１を取り付けるためのものである。３は振
動チューブ１の中央部に設けられた励振器である。

【０００４】４，５は、振動チューブ１の両側にそれぞ
れ設けられた振動検出センサである。６は、振動チュー
ブ１の両端が固定されるハウジングである。

【０００５】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、

【０００６】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を測定
すれば、質量流量が求められる。

【０００７】図１１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１１−１０８７
２３号に示されている。

【０００８】１１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
の各点から、それぞれ所定距離の円周線上で単振動ある
いは円運動をする振動チューブである。

【０００９】１５は、振動チューブ１１の中央部に設け
られた励振器である。１６，１７は、振動チューブ１１
の両側にそれぞれ設けられた振動検出センサである。

【００１０】以上の構成において、図１２は、図９の振
動チューブ１１のｂ−ｂ断面図、図１３は図９の振動チ
ューブ１１のａ−ａ，ｃ−ｃ断面図、図１４は振動チュ
ーブ１１の振動の様子を示す斜視図である。図１２，図
１３において、非励振状態の時、振動チューブ１１はＡ
の位置近傍にある。

【００１１】励振状態になると、振動チューブ１１の中
心は、基準軸１４から半径Ｒ(x)離れた円周上を移動す
る。断面ｂ−ｂの位置では、基準軸１４から半径Ｒ(b)
離れた円周上を、断面ａ−ａやｃ−ｃ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→Ａ→Ｃ→Ａ→Ｂ→(繰り返し)のように振動する。

【００１２】図１４において、Ａ，Ｂ，Ｃは図１２，図
１３の振動チューブ１１の各位置に一致する。なお、１
２，１３は固定端、１４は基準軸を示す。

【００１３】振動チューブ１１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、振動チューブ１
１の位置がどこであっても、振動チューブ１１の長さが
変わることはない。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな装置においては、図１０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１を両端で固
定しているが、限られた大きさの流量計では端点を完全
固定状態にして、振動を完全に絶縁することは困難であ
る。

【００１５】そのとき、大きく分けて、問題は２つあ
る。一つは、外部からの影響を受けやすいことである。
すなわち、流量計外部から、配管振動や、配管応力が加
わった場合、流量計のハウジング（筐体）ではその影響
を受け止めきれず、内部の振動チューブ１に外部振動
や、応力が加わり、チューブ１の振動状態が変化し、出
力揺動や、ゼロ点変化等の誤差になって現れてしまう。

【００１６】もう一つは、内部の振動チューブ１の振動
が、外部配管に漏れてしまうことである。振動が外に漏
れ、振動絶縁が不十分になると以下のような問題が発生
する。

【００１７】（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。 （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。

【００１８】（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。

【００１９】図１１の例では、振動チューブ１１は、そ
の上流側端部１２と下流側端部１３を結ぶ直線を基準軸
として、この基準軸１４のそれぞれの点から所定距離の
円周線上で単振動を行う。

【００２０】このような励振振動では、両固定端に加わ
る力は基準軸周りの回転成分が中心になり、図１０の場
合に比べ振動の絶縁性は向上しているが、励振振動によ
り、振動チューブの位置が変わることにより、振動系全
体の重心位置が移動してしまう。

【００２１】重心が移動すれば流量計外部に対しても振
動が漏れてしまいがちで、やはり振動絶縁に関して問題
が残る。

【００２２】本発明の目的は、上記の課題を解決するも
ので、安定性、精度、耐振性が向上されたコリオリ質量
流量計が向上されたを提供することにある。

【００２３】即ち、本発明は、分岐がない１本管型のコ
リオリ質量流量計において、緩やかなカーブを有する直
管に近い形状の採用で、コンパクトで圧損が少なく、流
体等の温度変化による熱応力にも強い特徴を有する。

【００２４】更に、流量計内部と外部の振動絶縁性に優
れることで、外部からの振動ノイズに強く、ゼロ点変動
も小さい、高精度を高安定なコリオリ流量計を実現する
ことにある。

【００２５】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明では、請求項１のコリオリ質量流量計
においては、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、上流側固定端と下流側固定
端の中点を中心に点対称で３個の変曲点を有する曲線形
状で前記点対称の曲線形状を保持したまま前記上流側固
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
する振動チューブを具備したことを特徴とする。

【００２６】本発明の請求項２においては、請求項1記
載のコリオリ質量流量計において、前記振動チューブに
設けられた上流側励振器と下流側励振器と、前記基準軸
方向に設けられ一方端が前記上流側励振器に固定され前
記上流側励振器より前記振動チューブと逆位相の前記基
準軸周りの捻じれ力を受け他方端が前記振動チューブの
前記上流側固定端側に固定されこの他方端において前記
逆位相のねじれ力が前記振動チューブの捻じれ力と丁度
打ち消し合うようにされた上流側補償振動体と、前記基
準軸方向に設けられ一方端が前記下流側励振器に固定さ
れ前記下流側励振器より前記振動チューブと逆位相の前
記基準軸周りの捻じれ力を受け他方端が前記振動チュー
ブの前記下流側固定端側に固定されこの他方端において
前記逆位相のねじれ力が前記振動チューブの捻じれ力と
丁度打ち消し合うようにされた下流側補償振動体とを具
備した事を特徴とする。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下図面を用いて本発明を詳しく
説明する。図１は本発明の一実施例の要部構成説明図、
図２，図３、図４、図５は図１の動作説明図である。

【００２８】図において、図１０と同一記号の構成は同
一機能を表す。以下、図１０と相違部分のみ説明する。

【００２９】図において、２０は、内部を測定流体が流
れる振動チューブ、２は外部配管と接続するためのフラ
ンジ、６は流量計を形作るハウジング、１２、１３は振
動チューブの両端の固定端、１４は両固定部を結ぶ基準
軸である。

【００３０】２１，２２は振動チューブ２０を励振させ
る励振器であり、振動チューブ２０を図のＹ方向に力を
加えられる構造になっている。２１と２２とでは、大き
さと方向が等しく、逆位相の力を加えるようになってい
る。

【００３１】２３，２４は、振動を検出する振動検出セ
ンサで、図のＹ方向の振動速度あるいは変形を測定す
る。振動チューブ２０は、図のように上流側端部１２と
下流側端部１３の中点２５を中心に点対称で、変曲点を
３箇所有するＳ字形の曲線形状であり、振動チューブ２
０は両端近傍では、基準軸１４上に存在する。

【００３２】以上の構成において、図２は図１のａａ断
面図、図３は図１のｂｂ断面図、図４は図１のｃｃ断面
図である。

【００３３】分かり易くする為に、ハウジング６や励振
器２１，２２は省略してあり、振動チューブ２０のみを
示した。励振器２１，２２によってＹ方向で逆位相に力
を加えられた振動チューブは、Ａ→Ｂ→Ａ→Ｃ→Ａ→Ｂ
→Ａ→Ｃ（これを繰り返す）のように位置を変えてい
く。

【００３４】両端固定端から等距離にあるｂｂ断面で
は、振動チューブはその位置を変わらずに、基準軸１４
周りの回転振動のみを行う。図５からわかるように、振
動チューブ２０は、常に基準軸１４から所定距離の円周
上あるいはその近傍に位置する。

【００３５】ａａ断面では基準軸から距離Ｒ（ａ）離れ
た円周上、ｃｃ断面では基準軸から距離Ｒ（ｃ）離れた
円周上で単振動を行う。両固定端１２，１３の中心面で
あるｂｂ断面では、Ｒ（ｂ）＝０となり、位置を変えず
に回転振動のみを行うことになる。

【００３６】ここでは、わかりやすくするために、単振
動の振幅を大きくして図示しているが、一般のコリオリ
質量流量計では、振動振幅はごくわずかである。振幅が
小さい場合、円周上の振動は、図のＹ方向成分のみの振
動に近似できる。

【００３７】励振器２１，２２も振動検出器２３，２４
も、本来ならばＹ方向だけでなく、Ｚ方向成分、あるい
は、回転成分にも対応する必要があるが、上記の理由に
より、通常はＹ方向成分のみに対応する機器を使用して
差し支えない。

【００３８】上記振動の様子を模式的に示したのが図５
である。振動チューブはＡ→Ｂ→Ａ→Ｃ→Ａ→Ｂ→ の
ように位置を変えて単振動を続ける。振動振幅は、チュ
ーブ長Lの１／４Ｌ、３／４Ｌ付近で最も大きく、両固
定端１２，１３近傍や、中点２５付近の１／２Ｌでは、
基準軸１４周りの回転振動（ＲｏｔＸ）はあっても、基
準軸方向及び基準軸に直交する方向の成分の位置変化
（ＵＸ, UY,ＵＺ）は殆ど無い。

【００３９】要するに、振動チューブ２０は、点対称の
曲線形状を保持したまま、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。

【００４０】この結果、以上説明したように、本発明の
請求項１によれば、次のような効果がある。 （１）円周上の振動を採用することにより、振動チュー
ブ２０の両固定端１２，１３近傍では、基準軸１４回り
の回転振動成分が主になり、両固定端１２，１３では基
準軸１４方向及び基準軸１４に直交する方向の力の発生
は大幅に抑えることが出来、安定性、精度、耐振性が向
上されたコリオリ質量流量計が得られる。

【００４１】（２）点対称な振動チューブ２０の形状と
振動モードを採用することで、振動チューブ２０の重心
が、常に両固定端１２，１３の中点２５に位置し、重心
が移動することが無くなる。

【００４２】振動系の重心の移動が無くなるので、両固
定端１２，１３を通じて、振動が外に漏れ出すのを防
ぎ、より一層、振動絶縁性を高めることが出来るコリオ
リ質量流量計が得られる。

【００４３】（３）振動絶縁性が高められることで、外
部からの振動ノイズにも影響を受け難く、低消費電力が
可能で、環境変化や外的要因によるゼロ点やスパン変動
を減らし、高精度で高安定なコリオリ流量計を実現でき
る。

【００４４】（４）流体流路が、流量計の入り口から出
口まで、分岐や隙間が無い１本の貫通構造であり、緩や
かなカーブを有する直管に近い形状の振動チューブ２０
の採用で、コンパクトで圧損が少なく、流体等の温度変
化による熱応力にも強い特徴を有するコリオリ質量流量
計が得られる。

【００４５】図６は本発明の他の実施例の要部構成説明
図、図７は図６の動作説明図である。本実施例におい
て、３１は上流側振動補償体、３２は下流側振動補償体
である。上流側振動補償体３１と下流側振動補償体３２
とは、それぞれ、固定端１２，１３の近傍の連結点３
３，３４で振動チューブ２０と結合している。

【００４６】上流側振動補償体３１と下流側振動補償体
３２との先端は、基準軸１４と平行で流量計の中心方向
に伸び、途中に、振動チューブ２０との間に、励振器２
１、２２と、振動検出センサ２３、２４とを有する。

【００４７】上流側の上流側振動補償体３１，励振器２
１，振動検出センサ２３と、下流側の下流側振動補償体
３２，励振器２２，振動検出センサ２４とは、中点２５
を中心に点対称を保つ構造となっている。

【００４８】励振器２１，２２は、例えば電磁コイルと
永久磁石から成り、振動チューブ２０と補償振動体３
１，３２との間に位置するので、振動チューブ２０と補
償振動体３１，３２とは作用反作用により、図のY方向
に、互いに逆位相になるように振動する。

【００４９】要するに、上流側補償振動体３１は、基準
軸１４方向に設けられ、一方端が上流側励振器２１に固
定され、上流側励振器２１より振動チューブ２０と逆位
相の基準軸１４周りの捻じれ力を受け、他方端が振動チ
ューブ２０の上流側固定端１２側に固定され、他方端に
おいて、逆位相のねじれ力が振動チューブ２０の捻じれ
力と丁度打ち消し合うようにされている。

【００５０】下流側補償振動体３２は、基準軸１４方向
に設けられ、一方端が下流側励振器２２に固定され、下
流側励振器２２より振動チューブ２０と逆位相の基準軸
１４周りの捻じれ力を受け、他方端が振動チューブ２０
の下流側固定端１３側に固定され、他方端において、逆
位相のねじれ力が振動チューブ２０の捻じれ力と丁度打
ち消し合うようにされている。

【００５１】以上の構成において、上記構造体の振動の
様子を模式的に示したのが、図７である。振動チューブ
２０と補償振動体３１，３２とは、Ａ→Ｂ→Ａ→Ｃ→Ａ
→Ｂ→ のように位置を変えて単振動を続ける。

【００５２】但し、図７では、振動の一部分であるC→B
→Aと一方向への移動の様子のみを矢印αで示してい
る。

【００５３】ここで上流側の連結点３３付近を見てみ
る。連結点３３より中心部側の振動チューブ２０では、
チューブ２０の振動によりX軸回りに左回りのねじれβ
が発生している。

【００５４】一方、連結点３３付近の振動補償体３１は
Ｘ軸回りに右回りのねじれがβ発生しており、丁度連結
点３３で、左回りと右回りが打ち消しあいＸ軸回りの回
転振動が発生していない。また連結点３３より外側の固
定端１２にも振動は伝達されない。

【００５５】同様な事が下流側の連結点３４についても
成り立つ。連結点３４より中心部側の振動チューブ２０
では、チューブ２０の振動によりＸ軸回りに右回りのね
じれβが発生している。

【００５６】一方、連結点３４付近の振動補償体３２は
Ｘ軸回りに左回りのねじれβが発生しており、丁度連結
点３４で、右回りと左回りが打ち消しあいＸ軸回りの回
転振動が発生していない。

【００５７】また、連結点３４より外側の固定端１３に
も振動は伝達されない。このように、これらの振動系
は、励振振動により位置を変化させても、中点１９を中
心に常に点対称な位置関係を維持する。

【００５８】この結果、振動チューブ２０の両固定端１
２，１３近傍での、基準軸１４回りの回転振動成分も無
くすことが出来るので、より一層振動絶縁性を高めるこ
とが可能になるコリオリ質量流量計が得られる。

【００５９】図８は本発明の他の実施例の要部構成説明
図である。本実施例においては、従来のフランジ２によ
る接続ではなく、図８のようにウエハ構造をとることを
特徴とする。図において、４１は、図１，図６に示され
る構造のコリオリ質量流量計本体、Ｐは外部配管であ
る。

【００６０】４２は、コリオリ質量流量計本体４１と外
部配管Ｐとを挟むウエハ板である。４３は、ウエハ板４
２を締結する固定ボルトである。４４は、コリオリ質量
流量計本体４１の変換器部である。

【００６１】図１，図６に示される構造を採用し、振動
絶縁性が向上することで、配管接続方法の自由度が増
す。従って、従来使用されていたフランジ型ではなく、
より強固に固定出来るウエハ型も採用することが可能に
なる。

【００６２】この結果、設置場所の制限が減り、自由度
が増し、トータルコストの削減につながるコリオリ質量
流量計が得られる。

【００６３】なお、以上の説明は、本発明の説明および
例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎな
い。したがって本発明は、上記実施例に限定されること
なく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、
変形をも含むものである。

【００６４】

【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、次のような効果がある。 （１）円周上の振動を採用することにより、振動チュー
ブの両固定端近傍では基準軸回りの回転振動成分が主に
なり、両固定端では基準軸方向及び基準軸に直交する方
向の力の発生は大幅に抑えることが出来、安定性、精
度、耐振性が向上されたコリオリ質量流量計が得られ
る。

【００６５】（２）点対称な振動チューブの形状と振動
モードを採用することで、振動チューブの重心が、常に
両固定端の中点に位置し、重心が移動することが無くな
る。振動系の重心の移動が無くなるので、両固定端を通
じて、振動が外に漏れ出すのを防ぎ、より一層、振動絶
縁性を高めることが出来るコリオリ質量流量計が得られ
る。

【００６６】（３）振動絶縁性が高められることで、外
部からの振動ノイズにも影響を受け難く、低消費電力が
可能で、環境変化や外的要因によるゼロ点やスパン変動
を減らし、高精度で高安定なコリオリ流量計を実現でき
る。

【００６７】（４）流体流路が、流量計の入り口から出
口まで、分岐や隙間が無い１本の貫通構造であり、緩や
かなカーブを有する直管に近い形状の振動チューブの採
用で、コンパクトで圧損が少なく、流体等の温度変化に
よる熱応力にも強い特徴を有するコリオリ質量流量計が
得られる。

【００６８】本発明の請求項２によれば、次のような効
果がある。振動チューブの両固定端近傍での、基準軸回
りの回転振動成分も無くすことが出来るので、より一層
振動絶縁性を高めることが可能になるコリオリ質量流量
計が得られる。

【００６９】従って、本発明によれば、安定性、精度、
耐振性が向上された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】図１の動作説明図である。

【図６】本発明の他の実施例の要部構成説明図である。

【図７】図６の動作説明図である。

【図８】本発明の他の実施例の要部構成説明図である。

【図９】図８の側面図である。

【図１０】従来より一般に使用されている従来例の要部
構成説明図である。

【図１１】従来より一般に使用されている他の従来例の
要部構成説明図である。

【図１２】図１１の動作説明図である。

【図１３】図１１の動作説明図である。

【図１４】図１１の動作説明図である。

【符号の説明】

１ 振動チューブ ２ フランジ ３ 励振器 ４ 振動検出センサ ５ 振動検出センサ ６ ハウジング １１ 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 １６ 振動検出センサ １７ 振動検出センサ ２０ 振動チューブ ２１ 励振器 ２２ 励振器 ２３ 振動検出センサ ２４ 振動検出センサ ２５ 中点 ３１ 上流側振動補償体 ３２ 下流側振動補償体 ３３ 連結点 ３４ 連結点 ３５ 連結点 ４１ コリオリ質量流量計本体 ４２ ウエハ板 ４３ 固定ボルト ４４ 変換器部 Ｐ 外部配管 ＦＬ 測定流体 α 矢印 β ねじれ

Claims (2)

【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、 上流側固定端と下流側固定端の中点を中心に点対称で３
   個の変曲点を有する曲線形状で前記点対称の曲線形状を
   保持したまま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】前記振動チューブに設けられた上流側励振
   器と下流側励振器と、 前記基準軸方向に設けられ一方端が前記上流側励振器に
   固定され前記上流側励振器より前記振動チューブと逆位
   相の前記基準軸周りの捻じれ力を受け他方端が前記振動
   チューブの前記上流側固定端側に固定されこの他方端に
   おいて前記逆位相のねじれ力が前記振動チューブの捻じ
   れ力と丁度打ち消し合うようにされた上流側補償振動体
   と、 前記基準軸方向に設けられ一方端が前記下流側励振器に
   固定され前記下流側励振器より前記振動チューブと逆位
   相の前記基準軸周りの捻じれ力を受け他方端が前記振動
   チューブの前記下流側固定端側に固定されこの他方端に
   おいて前記逆位相のねじれ力が前記振動チューブの捻じ
   れ力と丁度打ち消し合うようにされた下流側補償振動体
   とを具備した事を特徴とする請求項1記載のコリオリ質
   量流量計。