JP2003227741A - コリオリ質量流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 安価で、密度測定性能向上と流量スパン安定
化が図れて高精度な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、第1のリードと第２のリ
ードとにより円筒状に巻回形成されたコイルとこのコイ
ルに対応して配置されたマグネットと前記第1のリード
が接続される励振装置本体と前記第２のリードが接続さ
れる振動検出装置本体と前記コイル又はマグネットの一
方が接続される振動チューブとを有する励振振動検出ユ
ニットを少なくとも１個具備し、前記コイル又はマグネ
ットの他方が接続され前記振動チューブの両端が固定さ
れるハウジングと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、流量計内部の振動
チューブを励振振動させる励振用のコイル及びマグネッ
トと、振動チューブの振動速度を検出するセンサ用のコ
イル及びマグネットに関する発明である。更に、詳述す
れば、安価で、密度測定性能向上と流量スパン安定化が
図れて高精度な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３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号に示されている。図４は図３の動作説明図である。

【０００３】図において、１は、フランジ２に両端が取
り付けられ、内部を測定流体ＦＬが流れる振動チューブ
である。フランジ２は外部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】５，６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。７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。８，９は、
振動チューブ１を固定し、振動の節となる上流側と下流
側の固定端である。

【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４は、図３のコリオリ質量流量計の振動
説明図である。両端８，９を固定され、中央部の振幅が
大きい１次モードの振動形状になるように、励振器３に
よって、その共振周波数で励振される。

【０００８】図５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で、２次モード励振を利用した、
１本直管式コリオリ質量流量計の構成図である。２次モ
ード励振にする為には、通常上下流の対称な位置に、上
流側励振器３と、下流側励振器４を設置し、Ｚ方向に同
一の振幅、周波数で、位相が１８０°異なる力を加え
る。

【０００９】図６は図５の流量計の振動説明図である。
振動チューブ１は、図のような２次モードの振動形状に
なるように、その共振周波数で励振される。

【００１０】図７は、一般的な、コイルを利用した、励
振器部分あるいは振動センサ部分の従来例である。１１
はコイル、１２はマグネットで、コイル１１あるいは永
久磁石１２のいずれかを振動チューブ１に固定し、他方
側をハウジング７等の不動箇所、あるいは他の振動体
（２本管タイプでは、もう一方の振動チューブになる）
に固定する。

【００１１】図７では、マグネット１２を振動チューブ
１に、コイル１１をハウジング７に固定した例を示す。
励振器３，４として用いる場合は、コイル１１に交流電
流を流すことで、コイル１１とマグネット１２には、Ｚ
方向に逆向きの力が発生し、振動チューブ１を振動させ
る。

【００１２】振動センサ５，６として用いる場合は、コ
イル１１とマグネット１２のＺ方向相対位置が変化する
ことで、変化速度に応じた起電力が発生し、それを測定
することで振動チューブ１の振動状況を測定できる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うなコイル１１やマグネット１２を利用した振動センサ
５，６や励振器３，４においては、それなりの質量及び
大きさをもっている。それらが振動チューブ１に固定さ
れると、以下のような問題が生じる。

【００１４】（１）振動系全体の質量が増加するので、
測定流体ＦＬの密度変化による、振動系全体の質量変化
の割合が小さくなり、共振周波数の変化も小さくなり、
密度測定性能が低下する。

【００１５】（２）それなりの大きさと熱容量をもつ付
属物は、流体の温度変化に、すぐに追随できない。一様
な温度分布でなくなると、余計な熱応力が生じ、振動に
悪影響を及ぼす可能性がある。

【００１６】（３）流体密度が変化すると、１次、２
次、あるいは、更に高次の共振周波数が変化する。コイ
ル１１やマグネット１２があると一様な質量分布が崩
れ、これら共振周波数の比、例えば、（１次モード共振
周波数／２次モード共振周波数）も密度変化に伴い変化
する。

【００１７】共振周波数比の変動は、動倍率の変動にな
り、流量計のスパン変動として表れてしまう。一般的
に、コイル１１やマグネット１２の大きさの小型化には
限界があるので、振動チューブ１と比べ、相対的に付属
物の質量が大きくなる。これは小口径のコリオリ質量流
量計ほど、これらの問題は大きくなる。

【００１８】本発明の目的は、上記の課題を解決するも
ので、本発明は、コリオリ質量流量計の振動チューブ１
の励振装置３，４と振動検出装置５，６に、コイル１１
とマグネット１２とを利用したタイプに関して、励振装
置と振動検出装置とを共用化させることで、振動チュー
ブ１に付属する構造物の数を減らして、安価で、密度測
定性能向上と流量スパン安定化が図れて高精度なコリオ
リ質量流量計を提供することにある。

【００１９】

【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、第1のリードと第２のリー
ドとにより円筒状に巻回形成されたコイルとこのコイル
に対応して配置されたマグネットと前記第1のリードが
接続される励振装置本体と前記第２のリードが接続され
る振動検出装置本体と前記コイル又はマグネットの一方
が接続される振動チューブとを有する励振振動検出ユニ
ットを少なくとも１個具備し、前記コイル又はマグネッ
トの他方が接続され前記振動チューブの両端が固定され
るハウジングとを具備したことを特徴とする。

【００２０】本発明の請求項２においては、請求項1記
載のカルマンコリオリ質量流量計において、前記振動チ
ューブの振動を検出する振動検出センサが少なくとも一
対設けられこの一対の振動検出センサの出力信号の和と
差とを求めることを特徴とする。

【００２１】

【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で
ある。図において、図５と同一記号の構成は同一機能を
表す。以下、図５と相違部分のみ説明する。

【００２２】図において、１１，１３はコイル、１２，
１４はマグネットで、コイルとマグネットのペア１１，
１２、１３，１４を、振動チューブ１の上流側と下流側
の対称な位置に設置する。

【００２３】本実施例ではマグネット１２，１４を振動
チューブ１に固定し、コイル１１，１３をハウジングに
固定し、コイル１１，１３とマグネット１２，１４とは
同心で接触しない程度に近接されている。

【００２４】コイル１１，１３コイルボビンには、それ
ぞれの２本の異なるリード３１，３２，３３，３４が巻
かれていて、３１と３３は励振装置本体３５に、３２と
３４は振動検出装置本体３６につなげている。

【００２５】以上の構成において、励振装置本体３５か
らは、励振電流Ｉ_up ，Ｉ_downがケーブル３１，３３に
流れる。 Ｉ_up＝Ａ sinωt Ｉ_down＝Ａ sinωt

【００２６】電流によってコイルに発生する磁束密度B
は、 Ｂ_up＝μＨ＝μｎＩ_３１＝ｋ₁ sinωt Ｂ_down＝μＨ＝μｎＩ_３２＝ｋ₁ sinωt ここで、 μ：透磁率 H：磁界の強さ ｎ：コイルの巻き数 ｋ：比例定数 とする。

【００２７】コイルに電流が流れることで、コイルとマ
グネットの間に力が働く。 Ｆ_up＝BＩｌ＝ｋ_２・(Ｂ_magnet＋Ｂ_up)・Ｉ_up Ｆ_down＝BＩｌ＝ｋ_２・(Ｂ_magnet＋Ｂ_down)・Ｉ_down ここで、 Ｉ：流れる電流 ｌ：力を受ける導体の長さ

【００２８】振動チューブ１に加わる力はきれいな正弦
波ではないが、振動チューブ１は自身の共振周波数で励
振されるので、振動チューブ１は、ほぼきれいな正弦波
で励振振動を行う。但し、共振状態なので、位相がπ／
２遅れる。また発生するコリオリ力によっても、僅かな
位相ずれが生じる。

【００２９】振動チューブ１の変形Ｚは、 Ｚ_up＝ ｋ₃・ sin(ωt−π/2＋δ) Ｚ_down＝ ｋ₃・ sin(ωt−π/2−δ) ここで、 δ：コリオリ力による位相シフト、質量流量に比例す
る。

【００３０】振動チューブ１の変形速度Ｖｚ Ｖｚ_up＝ k₄・ sin(ωt＋δ) Ｖｚ_down＝ k₄・ sin(ωt−δ) チューブの変形による発生起電力 Ｅｚ_up＝ｋ₅・Ｖｚ_up＝ｋ₆・ sin(ωt＋δ) Ｅｚ_down＝ｋ₅・Ｖｚ_down＝ｋ₆・ sin(ωt−δ)

【００３１】励振電流変化による発生起電力 Ｅｉ_up＝M ・∫s Ｂ_up・ds＝k₇・Ｉ_３１＝k₈ sinωt Ｅｉ_down＝M ・∫s Ｂ_down・ds＝k₇・Ｉ_３１＝k₈ sinωt

【００３２】３２，３４のリードには、上記振動チュー
ブ１の変形によって発生する起電力と、３１、３３のリ
ードに流れてくる励振電流変化によって発生する起電力
の両方が発生する。

【００３３】振動検出装置本体３６では、これらの起電
力の和を測定する。 測定起電力 E_up =Ｅｚ_up＋Ｅｉ_up =ｋ₆・ sin(ωt＋δ)+ k₈ sinωt E_down =Ｅｚ_down＋Ｅｉ_down =ｋ₆・ sin(ωt−δ)+ k₈ sinωt E_up ＝Ｅｚ_up＋Ｅｉ_up =ｋ₆・ sin(ωt＋δ)+ k₈ sinωt ＝ｋ₆ sinωt・cosδ＋ｋ₆ cosωt・sinδ+ k₈ sinωt ＝(ｋ₆・cosδ＋k₈)sinωt＋ｋ₆ sinδ・cosωt ＝√((ｋ₆・cosδ＋k₈)²+(ｋ₆ sinδ)²)・sin(ωt＋Δ) tanΔ＝((ｋ₆ sinδ)／(ｋ₆・cosδ＋k₈))

【００３４】 E_down ＝Ｅｚ_down＋Ｅｉ_down =ｋ₆・ sin(ωt−δ)+ k₈ sinωt ＝ｋ₆ sinωt・cosδ−ｋ₆ cosωt・sinδ+ k₈ sinωt ＝(ｋ₆・cosδ＋k₈)sinωt−ｋ₆ sinδ・cosωt ＝√((ｋ₆・cosδ＋k₈)²+(ｋ₆ sinδ)²)・sin(ωt−Δ) tanΔ＝((ｋ₆ sinδ)／(ｋ₆・cosδ＋k₈))

【００３５】コリオリ力によって発生する位相差δは十
分に小さいので、上式は tanΔ＝ｋ₆δ／(ｋ₆＋ｋ₈) δ＝tanΔ・(ｋ₆＋ｋ₈)／ｋ₆ ｋ₆,ｋ₈は、振動チューブ１やコイル１１，１３の形状
によって決まる定数なので、E_up とE_down の位相差２
Δを測定すれば、コリオリ力に比例する位相差δを求
め、質量流量を求めることができる。

【００３６】この結果、 （１）コイルとマグネットの数を減らすことができる。 １次モード励振では、通常３組、２次モード励振では、
通常４組とコイルとマグネットを、励振器あるいは、振
動検出器として使用する。しかし、本発明では、励振器
と振動検出器の機能を一つにまとめることで、２組に減
らすことが出来るコリオリ質量流量計が得られる。

【００３７】（２）数を減らすことで、以下の効果が得
られる。 材料費、組立工数の削減により、コストダウンが可能
なコリオリ質量流量計が得られる。

【００３８】振動系全体の質量を低減することで、測
定流体ＦＬの密度変化による共振周波数の変化の割合を
大きくして、密度測定性能が向上するコリオリ質量流量
計が得られる。

【００３９】付属物が少ないので、測定流体ＦＬの温
度変化に振動系全体の温度も早めに追随して変化する。
早く一様な温度分布になることで、余計な熱応力が発生
しにくいコリオリ質量流量計が得られる。

【００４０】一様な質量分布に近づけることで、測定
流体ＦＬの密度変化による、共振周波数の比、例えば、
（１次モード共振周波数／２次モード共振周波数）、の
変化を少なく出来るコリオリ質量流量計が得られる。 共振周波数比の変化を少なくすることで、動倍率の変
化も少なくし、流量計のスパン変動を低減することが可
能なコリオリ質量流量計が得られる。

【００４１】図２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、検出器部分の構成は図
１と同じである。振動検出装置本体４１の信号処理部に
特徴があり、その仕組みを図２に示す。振動検出装置本
体４１において、上流側コイル１２からの出力信号Ｓ
_３２の起電力E_upと、下流側コイル１３からの出力Ｓ
_３４の起電力E_downの和と差を求めるように構成した。

【００４２】以上の構成において、 出力の和E_up ＋E_down ＝２k₈ sinωt＋ｋ₆・(sinωt・cosσ+cosωt・sinσ＋sinωt・cosσ−cosωt・ sinσ) ＝２k₈ sinωt＋２ｋ₆・sinωt・cosσ＝(2 k₈+2ｋ₆・cosσ)sinωt ≒２(k₈＋k₆)・sinωt

【００４３】 出力の差E_up −E_down ＝ｋ₆・ sin(ωt＋δ) −ｋ₆・ sin(ωt−δ) ＝ｋ₆・(sinωt・cosσ+cosωt・sinσ−sinωt・cosσ＋cosωt・sinσ) ＝２ｋ₆・cosωt・sinσ ≒２ｋ₆δcosωt

【００４４】ｋ₆は定数なので、差信号（E_up −E_down）
を求めれば、振幅情報から、コリオリ力に比例する位相
差δを求めることが可能で、質量流量を求めることがで
きる。一方、和信号（E_up ＋E_down)を求めることで、コ
リオリ成分Ｂに依存しない周波数Ａを得ることにより、
正確な流体密度を求めることができる。

【００４５】この結果、２個のコイル出力の差を求める
ことで、質量流量に比例した成分のみを振幅情報として
直接求めることが出来るコリオリ質量流量計が得られ
る。微小な位相差を苦労して求めなくても良いので、信
号処理回路が大幅に単純化出来、コストの削減も可能な
コリオリ質量流量計が得られる。

【００４６】なを、前述の実施例においては、振動チュ
ーブ１はシングルのストレートチューブの例について説
明したが、これに限る事は無く、たとえば、２本平行管
の場合でも良く、要するに、様々な形状の曲管にも適用
できる。

【００４７】励振モードも、１次モード、２次モード、
あるいは、更に高次モードの場合にも適用可能である。
すなわち、振動チューブ１を励振させ、その振動を測定
する通常のコリオリ流量計であれば、いずれの場合にも
適用可能である。

【００４８】なを、前述の実施例においては、コイルと
マグネットのペア１１，１２、１３，１４を２ペア使用
する例について説明したが、これに限る事は無く、たと
えば、コイル１１とマグネット１２のペア１個のみを使
用し、他方のコイル１３とマグネット１４のペアの代わ
りに、振動チューブ１の振動のみを検出する振動検出器
５を使用しても良いことは勿論である。

【００４９】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。

【００５０】

【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）コイルとマグネットの数を減らすことができる。 １次モード励振では、通常３組、２次モード励振では、
通常４組とコイルとマグネットを、励振器あるいは、振
動検出器として使用する。しかし、本発明では、励振器
と振動検出器の機能を一つにまとめることで、２組に減
らすことが出来るコリオリ質量流量計が得られる。

【００５１】（２）数を減らすことで、以下の効果が得
られる。 材料費、組立工数の削減により、コストダウンが可能
なコリオリ質量流量計が得られる。

【００５２】振動系全体の質量を低減することで、測
定流体の密度変化による共振周波数の変化の割合を大き
くして、密度測定性能が向上するコリオリ質量流量計が
得られる。

【００５３】付属物が少ないので、測定流体の温度変
化に振動系全体の温度も早めに追随して変化する。早く
一様な温度分布になることで、余計な熱応力が発生しに
くいコリオリ質量流量計が得られる。

【００５４】一様な質量分布に近づけることで、測定
流体の密度変化による、共振周波数の比、例えば、（１
次モード共振周波数／２次モード共振周波数）、の変化
を少なく出来るコリオリ質量流量計が得られる。

【００５５】共振周波数比の変化を少なくすること
で、動倍率の変化も少なくし、流量計のスパン変動を低
減することが可能なコリオリ質量流量計が得られる。

【００５６】本発明の請求項２によれば、次のような効
果がある。２個のコイル出力の差を求めることで、質量
流量に比例した成分のみを振幅情報として直接求めるこ
とが出来るコリオリ質量流量計が得られる。微小な位相
差を苦労して求めなくても良いので、信号処理回路が大
幅に単純化出来、コストの削減も可能なコリオリ質量流
量計が得られる。

【００５７】従って、本発明によれば、安価で、密度測
定性能向上と流量スパン安定化が図れて高精度なコリオ
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】本発明の他の実施例の要部構成説明図である。

【図３】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４】図３の動作説明図である。

【図５】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６】図５の動作説明図である。

【図７】図５の要部構成説明図である。

【図８】図７の斜視図である。

【符号の説明】

１ 振動チューブ ２ フランジ ３ 励振器 ４ 励振器 ５ 振動検出センサ ６ 振動検出センサ ７ ハウジング ８ 上流側固定端 ９ 下流側固定端 １１ コイル １２ マグネット １３ コイル １４ マグネット ３１ リード ３２ リード ３３ リード ３４ リード ３５ 励振装置本体 ３６ 振動検出装置本体 ４１ 振動検出装置本体 ＦＬ 測定流体

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、 第1のリードと第２のリードとにより筒状に巻回形成さ
   れたコイルとこのコイルに対応して配置されたマグネッ
   トと前記第1のリードが接続される励振装置本体と前記
   第２のリードが接続される振動検出装置本体と前記コイ
   ル又はマグネットの一方が接続される振動チューブとを
   有する励振振動検出ユニットを少なくとも１個具備し、 前記コイル又はマグネットの他方が接続され前記振動チ
   ューブの両端が固定されるハウジングとを具備したこと
   を特徴とするコリオリ質量流量計。
2. 【請求項２】前記振動チューブの振動を検出する振動検
   出センサが少なくとも一対設けられこの一対の振動検出
   センサの出力信号の和と差とを求めることを特徴とする
   請求項1記載のコリオリ質量流量計。