JP2004361392A

JP2004361392A - コリオリ流量計

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Publication number: JP2004361392A
Application number: JP2004119950A
Authority: JP
Inventors: Ryoji Doihara; 良次土井原; Masaki Takamoto; 正樹高本; Yoshiya Terao; 吉哉寺尾
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2003-05-12
Filing date: 2004-04-15
Publication date: 2004-12-24
Anticipated expiration: 2024-04-15
Also published as: WO2004099733A1; JP4565150B2; US7258025B2; US20070034019A1

Abstract

【課題】コリオリ流量計において２つの振動検出センサーの出力を位相差時間として測定する場合、感度を計測できる程度にするためには管を細くしなければならず流速が大きくなり圧力損失が大きくなることや、薄くしなければならないので耐圧を強くしにくい問題があり、特に流量に対する信号の感度を大きくしにくいために低密度の気体流量が精度よく流量測定することができない。
【解決手段】支持基盤２２に固定した強制振動フレーム１９に、Ｕ字管を支持したコリオリ振動フレーム１６を揺動自在に固定することにより、コリオリ振動方向の１自由度に制限する高剛性フレーム構造とする。管路のコリオリ振動数に対する強制振動数の振動数比が少なくとも１倍から１０倍程度になるように、加振器２０で強制振動フレーム１９を振動させる。このときの２個の加速度センサー１７、１８等の振動センサーの信号により強制振動とコリオリ振動との振動振幅比を演算し、管路を流れる流体の質量流量を計測する。
【選択図】図１

Description

本発明は、振動する流路中の流体により発生するコリオリの力の作用による捩り振動を検出することによって、流体の質量流量を測定するコリオリ流量計に関し、特に、超高圧気体や低密度流体に対してより感度を高くして質量流量を計測することができるようにしたコリオリ流量計に関する。

直接的に質量流量を計測する流量計として従来よりコリオリ流量計が用いられている。これは配管内を流れる流体が回転運動させられた場合には流れの速度ベクトルと回転の角速度ベクトルのベクトル積に比例するコリオリの力を受けるが、この慣性力によって生じる配管の弾性変形を何らかの方法で検出して質量流量を計測するものである。

コリオリ流量計は直接型質量流量計であり、質量流量計の中では比較的精度が高く、近年の信号のデジタル処理技術の進歩と共に急速に高精度化されている。また、液体、気体、スラリー、固気液混相流等、ほとんどの流体が計測可能であり、気泡流でも微小で均一な状態なら正確に質量流量を計測でき、且つ配管内に露出物が無く、機械的可動部もなく保守性が高いという特徴を備えている。更に、体積流量、密度粘度、温度も同時に計測できる複合計器であり、密度、粘性等の影響を基本的には受けないという特徴も備えており、広範囲の分野で利用されることが期待されている。

図７には従来より実用化されているコリオリ式質量流量計の一般的な構造及びその作動原理を示している。１は流体が流れるＵ字管でその中央部に加振用電磁コイルが２の位置に設けられていて、Ｕ字管をφ方向または−φ方向に微小な回転振動（強制振動）をさせる。流体はＵ字管に沿って図中ｖの方向に流れており、左右の配管で流れの方向が逆であるためにコリオリの力はＵ字管を捩る方向に働く。

回転方向が−φであるときは逆の方向にねじりトルクが働く。流れが無い場合はＵ字管は平行に振動するが、流れがある場合には±φ方向に振動しながら質量流量に比例した大きさでθ方向（コリオリ振動方向）に捩れ振動を生じる。この捩れ量を３、４の場所で振動の位相差として検知して質量流量を求めている。

より具体的には例えば図８に示すようなコリオリ流量計が用いられる。図示するコリオリ流量計においては、Ｕ字管４１の基端部が壁体４２に支持され、入口４３から出口４４に向けて流体が流れている。Ｕ字管４１の先端に支持板４６を固定し、その下面には下方に向けて永久磁石４７を固定している。この永久磁石４７は図中上下方向に着磁されており、基台４８上にはこの永久磁石４７の下端面に対向して電磁コイル４９を配置し、この電磁コイル４９に正と負の電流を交互に供給することによりＵ字管４１の先端を振動させている。

Ｕ字管４１の両側の直管部５０、５１にはその外側の側面に各々永久磁石５２、５３を固定しており、永久磁石５２の側端面に対向して、基台４８に固定された支持板５４にコイルで形成したピックアップ５５を配置している。同様に永久磁石５３の側端面に対向して、基台４８に固定された支持板５６に前記ピックアップ５５と同様のピックアップ５７を配置している。

上記装置において、前記コリオリ流量計の原理によりＵ字管４１内に流体を流した状態で電磁コイル４９を作動し、前記のように曲管部４５を下方に移動させるとU字管が微小な回転を生じる。流体はＵ字管に沿って図中矢印方向に流れているため、左右の配管で流れの方向が逆であり、直管部５０にはコリオリの力として図中下方に力を生じ、直管部５１には図中上方に力を生じる。逆に曲管部４５を上方に移動させると、直管部５０には上方に力を生じ、直管部５１には下方に力を生じる。そのため、コリオリの力はＵ字管を捩る方向に働く。

上記作用によりこのＵ字管４１は例えば図９に示すような動きを行い、特に左右の直管部については図１０（ａ）の作動状態模式図に示すような動きをなす。即ち、Ｕ字管４１の内部に前記のように流体が流れている状態で、その先端を上下に振動させると、例えば図１０左欄に示すように、Ｕ字管先端の曲管部が白抜き矢印のように下方に移動するとき、図中右側の直管部５０は下方への力を生じているのに対して直管部５１は上方への力を生じているので左側の直管部５１は右側の直管部より遅れて下方に移動する。逆に同図右欄に示すように、Ｕ字管先端が上方に移動するとき、図中右側の直管部５０は上方への力を生じているのに対して図中左側の直管部５１は下方への力を生じているので、左側の直管部５１は右側の直管部より遅れて上方に移動し、以降同様の作動を繰り返す。

Ｕ字管４１の先端における曲管部４５の振動により、各直管部が上記のような相対的移動を行うため、図８及び図９に示すような各直管部に設けた永久磁石５２、５３も同様の移動を行う。それにより、この移動を検出する左右のピックアップ５５、５７からの検出信号は図１０（ｂ）に示すような位相差をもった信号となり、この位相差時間τは管内を流れる質量流量が大きいほど大きくなるため、この位相差時間を検出することにより質量流量を測定している。

実際の装置においては、配管径は１．５mm〜６００mm、流量範囲は０kg／h〜６８０，０００kg／h、密度計測の場合は０kg／m^３〜３，０００kg／m^３の範囲、使用温度範囲は−２４０℃〜２０４℃、使用圧力範囲は０．１２MPa〜３９．３MPa、計測器重量は８kg〜６３５kg、要部の材質はステンレス鋼、ハステロイC、チタニウム、ジルコニウム等が用いられる。このようなコリオリ流量計において、U字管が捩れる角度は０．０１度以下である。

上記のような従来のＵ字管を用いたコリオリ流量計において、そのＵ字管の捩れ量を位相差時間として測定することで非常に高精度に質量流量を計測することができる。１９８０年以前のコリオリ流量計もしくはジャイロ式質量流量計に比べて有利な点となっている。

このようなコリオリ流量計について、特に感度の向上の観点でその特性を検討すると次のようなことがわかる。即ち、上記コリオリ流量計において質量流量Ｑ_ｍを算出する理論式は位相差時間τを使って以下の式のように表される。
（１）
ここで、Q_mは質量流量、Ｋ_θはコリオリ力による捩れ方向（θ方向）のバネ定数、ω_θは同方向の固有振動数（コリオリ固有振動数）、ω_φは強制振動方向（φ方向）の固有振動数（駆動振動数）、ｄは平行配管の間隔、τは二つのピックアップ（ここでは図７の３、４の位置）からの信号間に現れる位相差の時間である。より厳密に表記した場合τのｔａｎ関数が用いられるが、τが非常に小さいので近似して表現している。

上述のようにこれまでの主なコリオリ流量計は時間計測をすることから非常に精度の高い流量計として成功してきた。時間分解能についてはDSPなどを利用したデジタル信号処理等も駆使されており、時間精度の向上についてはある程度限界に近い改良がなされていると考えられる。しかしながら、感度（より正確には、流量に対する位相差時間の感度係数）の向上という点に関しては特に大きな改善はされていない。

感度の向上という点に注目して上記式（１）を考えると、同じＱ_mに対してτ以外の係数が出来るだけ小さくなればτが大きくなる。式（１）をτと振動数比α＝（駆動振動数ω_φ／コリオリ振動数ω_θ）で整理しなおすと以下の式（２）のようになり、横軸を振動数比αで示すと図１１のようになる。
（２）
グラフはＹ切片である２Ｑ_md^２／Ｋ_θを１として描いている。同グラフには振動系に粘性減衰があった場合の感度の線も書き加えている。λは粘性による減衰比であり、通常のコリオリ流量計では減衰比はゼロではないが非常に小さい。

このため、性能の良い流量計とするためには設計の要点として、いかに２Ｑ_md^２／Ｋ_θの値を大きくするかということと、特性の良い、振動数比αの値を決めるかということになる。

感度を向上させるためにはこれらから次のようなことが考えられる。
（1）固有振動数の比であるαを1に近づけて感度を大きくする。
（2）幅dを出来るだけ大きくする。
（3）捩れバネ定数であるＫθを小さくする。（捩れやすくする。）
特許第２７０４７６８号公報特開昭５８−１１７４１６号公報特開昭５４−４１６８号公報

しかしながら、これらは様々な条件で制約を受けるので極端な設定は出来ず、ある限界内に制限されてしまう。実際のコリオリ流量計の上記設計パラメータは次のような制限を受けながら設計されていると考えられる。

まず、前記（1）に関しては、例えば前記特許文献１（特許第２７０４７６８号公報）、特許文献２（特開昭５８−１１７４１６号公報）、特許文献３（特開昭５４−４１６８号公報）などに開示されているような提案もある。しかしながらこれらは固有振動数比を常に制御しなければならないこと、及び図１１（ａ）に示されるようにα≒１付近では感度の変動が激しく僅かなαの変化でも大きく値が変化してしまうこと、外部からの振動ノイズも最も影響を受ける周波数であり、強制振動がコリオリ振動に混入してしまいやすいなどの問題点がある。図１１（ｂ）の位相グラフからも明らかなように、ここは位相も急激に変化する領域であり、α＝１で９０°になる。

したがってそこでは一方だけが大きく振動するようになり、片方の配管は振動せず、位相差時間を検出するための二つ目の振動信号が出力されなくなってしまう問題もある。これらのことから実際の製品ではある程度感度があり、且つ変化の緩やかな領域である固有振動数比α＜１の領域を使用しており、０．２〜０．６程度の値になる配管形状に設定されることが多い。

また、前記（2）に関しては、ｄを大きくすることでグラフ全体を上方へ押し上げることが出来るが、一般的なＵ字管のような形状の場合、幅を広げることでねじり難くなり、同時にＫ_θが大きくなってしまう。また、幅ｄが大きくなると、コリオリ振動方向の慣性モーメントＩ_θが大きくなってしまい、コリオリ振動数が小さくなる。前記のようにαは１以下に制限されてしまうので、コリオリ振動数ωθが小さくなると駆動振動数ω_θを小さくしなければならない。駆動振動数が小さくなりすぎると外部からの振動ノイズに弱くなる上、応答速度が小さくなるためにあまり小さくすることは望ましくない。その結果、幅ｄもある程度の大きさで制限されてしまう。

更に前記（3）に関しては、捩ればね定数Ｋθを小さくするために、配管は出来るだけ細く、肉厚を薄くすることが求められる。そのため、既製品のコリオリ流量計は計測チューブが出来る限り、細く薄いものになっている。しかし、細くすれば圧力損失が大きくなり、実質的に最大流量が制限されてしまう。逆にいうと、計測したい流量に対して許される圧力損失から配管内径が決められてしまう。また、仕様として求められる耐圧から最小肉厚が決まることになる。

現在、燃料電池車が注目され、各種の形式の燃料電池車の開発が進められているが、その一つとして、車両に超水素燃料高圧タンクを搭載する方法の開発が進んでいる。実用的な走行距離のためには水素燃料タンクの許容できる大きさから７００気圧程度で水素を貯蔵する必要があるとされている。この様な用途には様々なところで高圧の水素流量を計測する必要が出てくる。

この流量計としてコリオリ流量計を用いることが考えられるが、コリオリ流量計は前記のような理由により、出来るだけ肉厚を薄くしている。通常のコリオリ流量計で超高圧の流体を計測することは困難となる。耐圧を上げるために肉厚を厚くするとバネ定数が大きくなり感度が小さくなる。

また、気体は密度が低く、同じ質量流量では体積が非常に大きい。そのため中程度の圧力があり密度が十分に大きければ気体も計測可能であるが、圧力が10気圧以下である場合などでは質量流量が十分に大きくなるまで流す前に流速が速くなりすぎ、圧損が大きすぎたり、チョークしてしまい流量を増やすことが出来なかったりする。このように、出来るだけ配管を細くする必要があり、その際には圧損が大きくなるため、大流量の気体をここに流すことが出来なくなる。その結果、常圧の気体などは計測することが出来ない。

超高圧対応にすれば配管肉厚が大きくなり、流量を流すために配管を太くするとバネ定数が大きくなり、それでなくても密度が低く感度が不足する気体計測でさらに感度が悪くなってしまう。

上記のように、従来の位相差時間計測によるコリオリ流量計においては、このコリオリ流量計を高感度にするためには振動数比は０．４程度で振動させることとなるが、このような振動数比の状態では８０Ｈｚ〜２００Ｈｚ程度で駆動したとき外部振動の影響を受けやすくなる。

したがって本発明は、外部からの振動ノイズの影響が少なく、燃料電池車の超高圧水素燃料タンクの水素流量測定等、超高圧流体を測定できるように耐圧を高くしても高感度であり、常圧の流体のように低密度の流体が測定できるように管路を太くしても高感度であり、小型に製作しても高感度であり、ノイズや粘性の影響が少なく、安価に製造することが出来るコリオリ流量計を提供することを主たる目的とする。

以下、上記従来のコリオリ流量計の各種課題を解決するために、コリオリ流量計の特性の検討を行い、本発明に至った過程を説明する。本発明の特徴は、まず振幅比計測法を用いるものである。振幅比計測法とはコリオリ流量計において位相差時間を計測するのではなく、振れの振幅を何らかの方法で計測して質量流量を検出するもので、コリオリ流量計の開発当初から知られている方法である。例えば特公昭６０−３４６８３号公報や特公平８−２０２９５号公報、特表平２−５０１００６号公報などはコリオリ振動の振幅と強制振動の振幅を何らかの方法で検出し、これらの比をとるなどの演算をすることで質量流量を算出している。

この計測原理は以下のとおりである。図７の座標系を使う時、コリオリ捩れ振動方向に対する運動方程式をたてると以下のようになる。
（３）
流速をｖ、微小長さ当たりの流体の質量をδ_mとするとコリオリ力Ｆｃが前記図７において説明したように、流れに対して垂直に働く。

流体が外へ向かう部分と内へ戻る部分では異なる方向にコリオリ力が働くためにＵ字管は図７のようにθ方向に捩れることになる。捩れはコリオリ力によるトルクで生じるが、コリオリ力は前記（３）式のように質量と流速の積に比例する。この捩れを何らかの方法で計測することで質量流量を求めることができる。

流体の密度をρ、チューブの断面積をＡとし、図１０の座標系で考えると、両チューブがθ方向に発生するトルクＴは以下のよう表される。
（４）

一般的な製品はφ方向の固有角振動数ωφにあわせてＵ字管を振動させている。φ方向の振動角の最大をΦ_０とするとφを正弦波で振動させた時、角度と角速度は各々、

（５）
（６）
と表すことができる。また、θに関するＵ字管（内部の流体も含む）の慣性モーメントをＩ_θ、ばね定数をＫ_θとすると（４）式、（６）式を使って捩れ角の運動方程式を得ることができる。
（７）

十分に時間が経過した後にはφの過渡応答は減衰して無くなるとする。また、定常応答に位相差が出る程には減衰が大きくないと簡単化するとφのねじり振動は強制振動と同調する定常応答のみが残ると考えられる。（７）式に特解として下の式を採用すると係数について整理することができる。
（８）

ここで質量流量Ｑ_mはρＡｖと置くことができるので（８）式を代入した（７）式の両辺の係数を質量流量について整理すると次の様に表すことができる。
（９）
このようにコリオリ式質量流量計では右辺の各量について知ることができれば、直接質量流量を計測することができる。

更に振動の様子について考える。ここでは特解として（８）式を使用した。つまり、捩れ角θがφ方向の回転速度と同調している。このため回転速度が最小値になる時に捩れが０になり、この時、Ｕ字管が水平になることを示している。これはＵ字管がφ方向に最大に曲げられているときである。また逆に回転速度が最大値になる時、すなわちＵ字管が中立位置（φ＝０）を通過するときに最大捩れ角になることを示している。これを図で表現すると図１０（ａ）のように描くことができる。

最大捩れ角の大きさについて知るために（９）式を最大捩れ角Θ_０について整理する。
（１０）

これはω_φがＫ_θ＝Ｉθ^２ _φの条件を満たすとき、捩れ振動（θ方向の振動）と共振してしまい捩れ角Θ_０が発散することを示している。この捩れ方向の固有振動数をコリオリ振動数などと呼び、このときの角振動数を以下のように定義することができる。
（１１）

流体の密度が決まればコリオリ振動数は決まるので、慣性モーメントＩθの代わりに代入すると（９）式は
（１２）
とすることができる。（１２）式からではＵ字管のφ方向の最大角Φ_０とθ方向（捩れ）の最大角Θ_０を計測しなければならないが、実際には非常に微小角である。

ここで位相差時間計測法では以下の概念で計測物理量を時間にしている。Ｕ字管がその中立位置を最大捩れ角で通過することを利用することができる。Ｕ字管の左右のチューブの振動をそれぞれ長さＬの位置で検出したとすると、これらの点の中立位置での速度は大まかにＬω_φΦ_０、両チューブの位置の差はΘ_０ｄとおける。中立面の通過時間差τはΘ_０ｄ／Ｌω_φΦ_０と考えることができる。これを使い（１２）式を書き直すと最終的に以下のようになる。
（１３）

この式を利用すれば各振動検出点が中立面を通過する時間差τを計ることで質量流量を知ることができる。ただし、τ以外の係数にはバネ定数のように温度により変化するものも含まれており、温度による補正を行う必要がある。

振幅比計測法ではτに変換する前のΘ_０とΦ_０に関係する量を個別に計測し、割り算することで算出するものである。

本発明は上記のような振幅比計測法を利用して新しい特徴をもったコリオリ流量計を得たものであって、振動計測においては周波数が高ければ高いほど、変位振幅よりも速度振幅、速度振幅よりも加速度振幅を計測するほうが感度が高くなる特性を利用するものである。この特性は変位と速度、加速度の関係が以下の式によるためである。

即ち、θの変位がθ＝Θ_０cos（ω_φｔ）で振動する時、振動速度は１回微分したもの、振動加速度は２回微分したものになるので、
（１４）
したがって、振幅Ｖθ_０、Ａθ_０は
（１５）

式（１３）の振幅項に分母分子にω_φをかけると速度計測、ω^２ _φをかけると加速度計測によって質量流量が計測できることが分かる。
（１６）
（１７）

このように変形すると、コリオリ振動の振動速度Ｖ_θ０と回転加速度Ａ_θ０d＝ω^２ _φdと強制振動の回転加速度Ａ_φ０Ｌ＝ω^２ _φΦ_０Ｌと強制振動の振動数ωφを計測すればこれらを演算することで質量流量が計測できることになる。ここで位相差時間τと同様に横軸振動数比α縦軸にそれぞれの振幅をとって感度係数の表記に書き直す。ここで振動数比αを陽に表示するために
（１８）
として代入すると。
（１９）

同様に速度及び加速度についてまとめると式（１５）の関係から、
（２０）
（２１）

図１のグラフは、各式のαに関係する項の変化を示したものである。各感度はこの関数にそれぞれ前の項をかけたものになる。これからも分かるように、前記位相差時間の計測と異なり、振動数比１以上の領域で感度が大きくなり、加速度センサーを利用した場合には振動数比を大きくすることで感度がより大きくなることを示している。なお、同図から明らかなように、振動数比１の近辺では振動数比の変化による感度に対する影響が大きすぎる部分が存在するため、使用状態によっても異なるが、振動数比が１．３以上、好ましくは１．５以上が選択される。

なお、前記従来の振幅比計測法の特公昭６０−３４６８３号公報や特公平８−２０２９５号公報、特表平２−５０１００６号公報に開示された技術においては、同様に振動数比が１よりも大きい領域で使用することを前提としていることが伺われるが、これらの多くは速度センサーによる計測が行われており、α＝２〜３程度が１以下と比べて比較的に大きいことを利用しているに過ぎない。また、一部に検出手段を加速度センサーに置き換えることも出来る旨の記載も見られるが、本発明のように加速度センサーで計測した場合にはさらに感度が増し、例えば振動数比を２以上のような大きい領域を積極的に利用するという概念は存在しない。

特に本発明では積極的に振動数比１以上の領域を活用するために、コリオリ振動方向に補強フレームを入れる構成を採用している。これは固有振動数１以上の領域で連続体である配管そのものを振動させた場合、高次の振動モードが強くなり、適切な加振や、上記の理論を再現するような振動になりにくいことにある。

また、本発明によるコリオリ流量計は次のようなことに注目して設計することで、これまでのコリオリ流量計よりも優れた特徴をもつことが出来る。即ち、前記式（２１）の最右辺に注目し、感度を増すための設計指針を考察すると次のようになる。この式では分子に強制振動の振幅Φ_０が陽に現れている。そのため、強制振動の振幅はできるだけ大きいほうが良いことが分かる。その点、従来の位相差時間計測法では、強制振動の振幅は感度に影響しない。密度が大きく感度がそれほど必要ない場合には影響を受けないほうが計測精度を向上させやすく位相差時間計測法が有利とされているが、逆に強制振動の振幅を大きくして、角振動数を大きくし、コリオリ力を大きくしても感度を良くすることが出来ない。それはコリオリ力が大きくなり振れが大きくなっても、その分、強制振動の通過速度が大きくなり、それらの効果はキャンセルされ位相差時間計測法では現れないためである。その点上記手法は、感度を大きくすることに着目した時には不利な計測法となる。

また、位相差時間計測法では分母に現れていたコリオリ振動方向のバネ定数Kθが振幅比計測法では分子に現れていることは特筆するべきことである。このため、バネ定数を硬くし、コリオリ振動数を大きくすることが、感度の向上に寄与するという、位相差時間計測法とは逆の関係にある。つまり本発明による計測方法に基づき最適化した設計を行えば感度の向上と同時に耐圧の向上と、配管径の拡大を実現できる。質量流量に対する流体の流速を小さく出来るため、特に気体でも大量に流すことが出来る。したがって特に燃料電池車用の水素充填器などは７００気圧での充填が技術的課題になっており、そのような高圧で気体の質量流量を適切に計測できる流量計は大変に有用であり、本発明によるコリオリ流量計の特徴は特に有利であるといえる。

さらに、分母に慣性モーメントI_θの３／２乗が現れている。これはθ周りについて出来るだけ慣性モーメントを小さくし、コンパクトにすることが有利になるということを示している。従来のコリオリ流量計はｄの増大による感度の向上と、ねじりバネ定数を小さくするために、ある程度の幅を確保していた。このため配管径が大きくなると、コリオリ流量計本体の大きさが非常に大きくなってしまうという欠点を持っていた。これに対して本発明によるコリオリ流量計は上記理由によりコンパクトなものになる。なお、密度が変化した時に慣性モーメントが変化して感度が変化するという特性が出る問題もあるが、計測に影響しない程度にしか密度が変化しない場合には問題とならない。また影響する場合でも配管デザインの工夫でコリオリ方向の慣性モーメントI_θが変化する分を打ち消すような量で強制振動方向の慣性モーメントＩ_φが変化し固有振動数比αが変化しないように設計することも可能である。同様の技術が特表平２−５０４６７１号公報に開示されている。また、強制振動の固有振動数であるω_φの変化は慣性モーメントＩ_φの変化を反映しており、これを計測することで同時に変化している慣性モーメントI_θについても間接的に知ることが出来る。よってω_φを計測することでこの変化から必要な校正係数の補正係数をあらかじめ記憶された補正係数式もしくは補正係数テーブルより演算して補正することも可能である。

また、本発明においてはできるだけコリオリ振動数は高いほうが良く、計測を行う駆動振動数はさらに大きい方がよい。これは前記位相差時間計測法と異なり計測周波数を大きくするように働く。そのためこれまでの６０Hz〜２００Hz程度の駆動周波数に比べ、非常に大きい周波数で計測できることを示している。配管から伝わるノイズ振動は高々２００Hz程度といわれており、これよりも高い周波数で計測することで外部ノイズの影響を小さく出来る。しかも、本発明では振幅を計測するために適切なフィルターを通すことでノイズ振動を除去することが可能である。位相復調器を使えばその周波数の実効振幅のみを抽出できるため耐ノイズ性がより強くなる。これはアナログ回路だけでなくデジタル信号処理によっても高精度に行うことが出来る。

前記特許第２５７５２０３号公報などに開示されたコリオリ流量計の技術は粘性の影響を補正する技術であるが、それに対して本発明ではコリオリ振動数よりもずっと高い周波数で駆動するために、前記図１１（ｂ）の位相図に見られるように、粘性があったり、それが変化したとしても位相はほぼ１８０度へ近づいており大きく変化はしない。そのために粘性が変化した場合でも感度に影響を与えにくくなっている。したがって前記特許公報に開示された技術のような補正の必要性は小さくなる。

また、本発明のコリオリ流量計はコリオリ振動方向についてフレームを持っており、1軸振動に近づけるために振動する変形部は意図的に変形しやすく設計された弾性変形部に集中する。そのためコリオリ振動方向のバネ定数に影響を与えるバネ部分は主に配管ではなくこの弾性変形部になる。このバネ定数は温度による影響を受けるので通常は配管の温度を計測して補正している。そのため、この弾性変形部の温度を使って補正することになるが、本発明によるコリオリ流量計では配管と異なり、液温の影響をすぐには受けない。それは弾性変形部が配管と離れているために液温の直接の影響を受けにくいことや受けたとしても緩やかに変化するからである。

また、本発明のコリオリ流量計において加速度センサーを用いた場合、1本の計測管によっても流量計を構成することは可能であるが、対称2本管にすることも可能である。これは被試験流体が流れる管路が2本あり、それらを平行に同じ方向に流れる管路を備え、管路、強制振動手段、高次振動を抑制する手段のフレーム、振動振幅を求める手段など同様のものが面対称に備えられ、強制振動が音叉のように反対向きに振動するものである。このように設計することで振動状況が改善され、外部振動からの影響や、強制振動が外部へ伝わることを低減することが出来る。

さらに本発明のコリオリ流量計において対称2本管にした場合には、次のような特徴を持つことが出来る。まず、この対称2本管を直列的に配管した場合である。つまり、外部から流入する流体を分流することなく、片側の管路の流入口から流入し、片側の管路を通過して流出した後に戻り流路によりもう一方の管路の流入口へ接続され、もう一方の管路を通過した後に流量計から流出していくように流路を直列に接続される場合である。先に述べたように2本管で反対振動させているが、加速度センサーを使用しているために1本でも流量を算出することが出来る。そのため流量計の校正にはそれぞれ1本ずつに校正係数を決めることが出来る。ここで、それぞれの配管を配管１、配管２とすると、配管１と２を直列に接続した場合にはそれぞれに同じ流量が流れる条件で同時に校正することができる。これは2台の流量計を直列に並べて同時校正したことになる。さらに計測時には同じ流量を同時に2台の流量計で計測したことになり、2本の平均値を流量計測値として出力すれば安定度や精度を向上させることが出来る。また、両配管の計測値に大きな違いが生じた場合には、この違いを元に故障の診断に応用することが出来る。さらにバネ定数などの温度補正が必要な弾性変形部の温度をそれぞれの配管で行うことが出来るため、配管ごとに細かい補正が可能になり精度が向上する。ただし、圧力損失は増大し、最大流量は比較的に制限されることになる。

既に市販のコリオリ流量計でも同様な対称2本管を直列に配管するものは存在するが、2本の配管に磁石とコイルが分けて取り付けられており、配管同士の相対速度を計測している。このため2本で1つの流量計であることには変わらず、一つの流量値しか出力されない。したがって、2つの出力の比較による診断機能や平均値をとることによる精度の向上、温度計測によるバネ定数などの個別補正などは出来ない。

次に流体をほぼ等分に分流する分岐管路を備え、それぞれが2本の管路に別れて流入し、管路を通過した後に再び合流する合流管路を備え、合流して流量計から流出するようになる、分岐と合流の管路を備え、流路を並列にされたコリオリ流量計である。これは流路の断面積を2倍にすることができるので直列型に比べても、1本管に比べても同じ配管径であれば圧力損失は小さくすることが出来る。最大流量も大きくなる。これは流量計を並列にならべた状態であり、それぞれの配管１と２の流量信号の和が計測された流量値となる。

市販のコリオリ流量計の多くが並列型の2本管になっているが、必ずしも配管１と２に等分の流量が流れているとは限らない。分流部に工夫がなされていても上流から強い旋回流や渦流が流れてきた場合には分流比が異なる恐れもある。2本で1つの流量計であるために、分流比が等しくないときでもこれを区別することが出来ない。ところが本発明の並列型コリオリ流量計では、それぞれが流量値を算出することができるので、分流比が変化したときでも正確に計測することが出来る。

ただし、流量計の校正時、それぞれの並列2本管に校正係数を決めるときに問題が生じる。上流条件を整えて等分に流れるような条件下で、等分に流れていると仮定して校正係数を決めることも可能であるが、次のような方法でそれぞれの校正係数を確認し、決めることも可能である。

それぞれの配管１と２に流れる流量をQ₁、Q₂としたときに、それぞれの流量と振幅計測による流量の出力値、校正係数の簡略な関係は以下のようになる。
Q_１＝ A_１ × （X_１− B_１）
Q_２＝ A_２ × （X_２− B_２）
Qは流量、Aはスパンの校正係数、Xは出力値、Bはゼロ流量時の出力値で、添え字はそれぞれ配管１、配管２を表す。配管１と２に分流した場合にはそれぞれの配管の算出値の足し算として
全流量Qは
Q＝ Q₁＋ Q₂
となる。
校正α回目の流量QをQ_αとするとそれぞれの校正結果は
Q_α＝ A₁ × （X_1α − B₁）＋ A₂ × （X_2α − B₂）
同様にβ回目の校正結果の流量Q_βのときには
Q_β＝ A₁ × （X_1β − B₁）＋ A₂ × （X_2β − B₂）
バルブを閉めて流量ゼロにした時、Q₁もQ₂もゼロと考えられるので、その時の出力値X_z とすると、
B₁＝ X_1z、
B₂＝ X_2z
となる。したがって
Q_α ＝ A₁ × （X_1α − X_1z）＋ A₂ × （X_2α − X_2z）
Q_β ＝ A₁ × （X_1β − X_1z）＋ A₂ × （X_2β − X_2z）
となり、式が2つで未知係数が、A₁とA₂の2つになる。この連立方程式を解くことでそれぞれの校正係数を算出することが出来る。この方法で流量の種類を多くした場合、もっとも各流量にわたって適合する係数を決めることも出来る。それぞれの配管に校正係数をもつことができればそれぞれの配管の温度が違ってしまった場合などにそれぞれに補正することが出来るので温度変化などにたして、より精度の高い補正をかけることが出来るようになる。また、並列2本管のそれぞれの値の比較から上流の渦や流れの乱れによる分流異常の診断も可能になる。

以上のように、本発明の計測法に基づいて最適化した設計を行ったコリオリ流量計は、これまでの時間位相差計測法とは全く異なった有利な特徴をもつことが出来る。

また、これら全ての加速度センサーを速度センサーに置き換えた場合、固有振動数比を大きくすることによって得られる感度の向上というメリットはないが、固有振動数比の変化による感度の変化ということは避けることが出来る。また、固有振動数比が高いということはコリオリ振動に混入するノイズ振動が小さいところでフィルターまたは検波復調を行うことになりＳＮ比が向上するという効果もある。速度センサーを使用する場合、式（２０）の右辺で示されるとおり捩れ方向のバネ定数が感度に影響しない。

従来の位相差時間計測法では直接このバネ定数が感度に影響を与えていたために温度の変化による感度の補正を配管温度を計測することで行っていた。また、従来のものにおいては圧力が校正した条件に比べて異なった場合に配管内の応力の変化や、管の膨張による断面２次モーメントの変化、即ちバネ定数の変化の影響を受けやすかった。その点速度センサーを用いた場合にはこの影響も無くなり、長期安定性の面から性能が向上する。したがって対象流体の密度が大きく、感度がある程度確保される場合には、速度センサーを使用したコリオリ流量計においても従来のものでは得られない特有の効果を生じることがわかる。

なお、特表平２−５０１００６号公報に開示された技術においても固有振動数比が１以上のところで計測を行い、同様の効果を得ていると考えられるが、固有振動数比をさらに大きくし、数倍から１０倍などにした場合には更にＳＮ比の改善が期待され、この点は上記公報には示唆されていない。このように大きな固有振動数比の適用時に高次モードの節のある複雑な振動状態を避けることが出来るのは、本発明のようにコリオリ振動方向に補強フレームが無ければ実現できない。その意味で補強フレームを使用して数倍以上の固有振動数比を使用することは、従来は考えられていないことといえる。

上記のような本発明の基本原理に基づき作製した試作機によるセンサーチューブの特性実験を行った。なお、この試作機は中央に強制振動フレームを持ち、コリオリ振動フレームとなる配管を自動調心玉軸受けで保持しており、また、コリオリフレームヘの接続はフレキシブルチューブを使ったこともあり、コリオリ振動方向に非常に捩れやすい構造になっている。コリオリ振動方向と強制振動方向について個別に任意のバネを設置することが可能で、任意の固有振動数比で実験できるようになっている。但し、上記理論で最適化されていないため、コリオリ振動方向についての慣性モーメントが非常に大きい。コリオリ振動数が低いなどの特性から感度は十分には大きくないが、本発明の特徴は現れている。

図６（ａ）はコリオリ固有振動数が１５Hzのバネ定数と慣性モーメントの設定で強制振動数５Hz から５５Hz まで変化させて計測を行い、両速度センサーからの差の出力を、レーザ振動計で計測した強制振動の振幅Φ_０Lにあたる値で除したもので、流量については200kg/hで一定とした計測結果から０kg/hで計測した結果を引いたものである。コリオリ振動が現れるはずの位相角についてだけの成分を表示するために強制振動の信号との位相角から補正を行っている。強制振動の振幅Φ_０Lは制御回路によって一定に保たれている。理論的感度曲線とはここでは式（２２）を表計算で描かせ、大きさをフイツティングしたものである。したがって絶対値についての一致を示したものではない。しかし、曲線の形状については完全に一致しているものと思われる。振動数比３のところに現れている理論曲線に乗らない部分については、コリオリ振動フレームの強度が足りず最適設計されていないため、何らかのフレームの共振振動が起きたものと思われる。
（２２）

図６（ｂ）は上記とほぼ同じ条件で加速度センサーからの差の出力を、レーザ振動計で計測した強制振動の振幅Φ０Lにあたる値で除して、コリオリ振動が現れるはずの位相角についてだけの成分を表示したものである。

図中の理論的感度曲線は式（２３）を表計算ソフトにより描かせ、大きさをフイツティングしたものである。したがって絶対値についての一致を示したものではない。しかし、曲線の形状については完全に一致しているものと思われる。
（２３）

図６(c)はバラストを付加させて慣性モーメントI_θが大きくなるように変化させると同時に駆動振動数を変化させて固有振動数比αは2.7で固定するような条件で感度を計測したものである。このようにバラストを除去しコリオリ固有振動数を大きくしていけばコリオリ固有振動数の3乗に比例して感度が良くなっていることが分かる。コリオリ固有振動数は式（１８）のように慣性モーメントI_θとの関係があり、加速度計測では式（２１）のように慣性モーメントI_θと感度の関係があるので慣性モーメントだけを変化させてコリオリ固有振動数を変化させた場合、固有振動数比αが一定ならば感度は慣性モーメントの平方根の3乗に反比例している。式（２０）の理論的な特性を実験的に証明しているものである。

図６（ｄ）はコリオリ振動方向のバネ定数を変化させてコリオリ固有振動数を変化させると同時に駆動振動数を変化させて固有振動数比αは2.7で固定するような条件で感度を測定したものである。コリオリ固有振動数に比例して感度が大きくなっていることが分かる。これは式（１８）と（２０）からわかるようにコリオリ方向のバネ定数の平方根に比例して感度が大きくなっていることを示している。これも式（２０）の理論的な特性を実験的に証明しているものである。

上記のような観点に基づいて得られる本発明のコリオリ流量計の主要構成は次のようなものとなる。即ち、本発明に係るコリオリ流量計は、被試験流体が流れる管路を外部から振動させ、該流体にコリオリ力を発生させるように微小な回転振動させる強制振動手段と、前記強制振動の振動軸とは異なる振動軸で振動する前記コリオリ力によって誘起されるコリオリ振動を、変形しにくい剛性フレームおよび変形を受け持つ弾性変形部の組み合わせによって、前記コリオリ振動の振動方向については1軸回りに近い振動に制限し、高次振動を抑制する手段と、前記強制振動手段による前記管路の強制振動数が前記コリオリ振動の方向の固有振動数であるコリオリ固有振動数の1倍以上になる駆動振動数で駆動する強制振動制御手段と、前記強制振動手段によって生じた強制振動の振動振幅を求める手段と、前記強制振動により発生するコリオリ力によって生じるコリオリ振動の振動振幅を求める手段と、前記管路における強制振動手段による強制振動振幅とコリオリ力によって生じるコリオリ振動振幅の比と強制振動数の値により管路を流れる流体の流量を演算する質量流量演算手段とを備えたものである。

また、本発明に係る他のコリオリ流量計は、前記コリオリ流量計において、前記強制振動により発生する互いに逆方向のコリオリ力によって生じる管路の振動振幅を検出する２個の振動振幅検出手段を備え、前記強制振動手段の振動振幅を求める手段は、前記２個の振動振幅検出手段の和信号により求めるものであり、前記コリオリ力によって生じる振動振幅を求める手段は、前記２個の振動振幅検出手段の差信号により求めるものであり、前記質量流量演算手段は、前記和信号と差信号の比により、管路を流れる流体の流量を演算するようにしたものである。

また、本発明に係る他のコリオリ流量計は前記強制振動により発生するコリオリ力によって生じる前記コリオリ振動の振動振幅を検出するための2個の振動振幅検出手段を備え、それらは強制振動の振動成分および外部からのノイズ振動および前記コリオリ振動の振動軸の回転振動以外の振動を有効に除去できるように配置され、その差信号を求めることによって前記コリオリ振動の振動軸の周りの振動振幅を求めるものであり、前記強制振動手段の振動振幅を検出するために、さらに2個の振動振幅検出手段を備え、それらは外部からの振動および強制振動の振動軸回りの回転振動以外の振動を有効に除去できるように配置され、その差信号を求めることによって前記強制振動振幅を求めるようにしたものである。

また、本発明に係るほかのコリオリ流量計は前記コリオリ流量計において該流体が流れる管路が2本あり、該流体はそれらを平行に同じ方向に流れる管路を備え、該管路、強制振動手段、高次振動を抑制する手段のフレーム、振動振幅を求める手段など同様のものが面対称に備えられ、強制振動が音叉のように反対向きに振動し、外部振動からの影響や、強制振動が外部へ伝わることを低減したものである。

また、本発明に係る他のコリオリ流量計は前記コリオリ流量計において前記振動振幅検出手段は面対称位置にそれぞれ固定された磁石とコイルの組み合わせからなる相対速度センサーであり、前記質量流量演算手段は前記速度センサーによる速度振幅により質量流量を演算するようにしたものである。

また、本発明に係る他のコリオリ流量計は、前記コリオリ流量計において、前記振動振幅検出手段は角速度センサーであり、前記質量流量演算手段は前記角速度センサーによる速度振幅により質量流量を演算するようにしたものである。

また、本発明に係る他のコリオリ流量計は、前記強制振動手段は、前記振動数比の変化に対して感度の変化が少ない駆動振動数の領域を選択して振動させるようにしたものである。

また、本発明に係る他のコリオリ流量計は、前記コリオリ流量計において、前記振動振幅検出手段は加速度センサーであり、前記質量流量演算手段は前記加速度センサーによる加速度振幅により質量流量を演算するようにしたものである。

また、本発明に係る他のコリオリ流量計は、前記コリオリ流量計において、前記振動振幅の計測時に駆動振動数による位相検波を行い、コリオリ力による振動以外の振動数の影響、コリオリ振動が発生する位相以外の振動位相の影響を除去する信号処理手段を備えたものである。

また、本発明に係る他のコリオリ流量計は、前記コリオリ流量計において、前記被計測流体が流れる管路が両基部が支持されたＵ字型をなすＵ字管であり、前記Ｕ字管の２本の直管部の間において、該直管部と平行に配置し、前記Ｕ字管の先端部を支持する強制振動フレームと、前記強制振動フレームを振動させる強制振動手段と、前記強制振動フレームに支持され、前記２本の直管部を支持するコリオリ振動フレームと、前記コリオリ振動フレームの両端部に設けた振動振幅検出手段とを備えたものである。

また、本発明に係る他のコリオリ流量計は、前記コリオリ流量計において、前記強制振動フレームは、振動方向に切り欠きを備え、該切り欠き部分で強制振動フレームの振動中心を形成するようにしたものである。

また、本発明に係る他のコリオリ流量計は、前記コリオリ流量計において、前記強制振動制御手段において駆動電圧の位相と強制振動の位相の比較と強制振動振幅の値から強制振動方向の固有振動数で共振させるように強制振動を制御する手段を備え該被試験流体の密度が変化したときに変化する強制振動の固有振動数の値をもとに予想される校正係数の変化をあらかじめ記憶された補正係数式もしくは補正係数テーブルより補正する演算手段を備えたものである。

また、本発明に係る他のコリオリ流量計は、前記コリオリ流量計において、前記コリオリ振動方向の慣性モーメントと強制振動の慣性モーメントのそれぞれの変化率が密度の変化に対して同じになるようにフレーム等の重量配分や配管形状が設定されていて、該流体の密度変化に対して強制振動方向の固有振動数とコリオリ振動方向のコリオリ固有振動数の比が変化しないことを特徴とする請求項１記載のコリオリ流量計

また、本発明に係る他のコリオリ流量計は、強制振動数がコリオリ固有振動数の１倍以上の振動数において、検知されたコリオリ振動の方向の振動振幅が、流量ゼロの時に記憶された大きさになるように、コリオリ振動を抑制する手段を備え、その抑制手段に対して投入されたエネルギーの大きさをと強制振動の振動振幅の値、駆動振動数の値を使って流量を演算する手段を備えたものである。

また、本発明に係る他のコリオリ流量計は、前記コリオリ流量計において強制振動の固有振動数とコリオリ振動方向の固有振動数に影響を及ぼす主要な弾性変形箇所に温度計測する手段を備え、計測された温度により、弾性係数を補正し、それにより流量計の校正係数を補正する演算手段を備えたものである。

また、本発明に係る他のコリオリ流量計は、前記コリオリ流量計において、前記コリオリ流量計において、該流体を分流することなく、片側の管路の流入口から流入し、片側の管路を通過して流出した後に戻り流路によりもう一方の管路の流入口へ接続され、もう一方の管路を通過した後に流量計から流出していくように流路を直列に接続されるようにしたものである。

また、本発明に係る他のコリオリ流量計は、前記コリオリ流量計において直列化されたそれぞれの管路の出力を監視し、演算する手段を備え、それぞれの値の関係性を判断することで流量計の異常状態を診断することが出来るようにしたものである。

また、本発明に係る他のコリオリ流量計は、前記コリオリ流量計において該流体をほぼ等分に分流する分岐管路を備え、それぞれが2本の管路に別れて流入し、管路を通過した後に再び合流する合流管路を備え、合流して流量計から流出するようになる、分岐と合流の管路を備え、流路を並列にされたものである。

また、本発明に係る他のコリオリ流量計は、前記コリオリ流量計の校正において該流体の流れを止めたときのゼロ流量時のそれぞれの管路から出力される検出値と流量の異なる複数の流量における校正を行い、その複数の流量校正結果から面対称に存在するそれぞれの管路別の校正係数を算出するために、校正結果と校正係数、計測値との関係式を連立方程式を解くことによって算出するようにしたものである。

また、本発明に係る他のコリオリ流量計は、前記コリオリ流量計の校正において温度計測手段をそれぞれの管路について備え、それぞれの管路の振動数に影響を与える弾性変形部の温度が異なった時に管路１と管路２で個別に温度補正を行うことで補正精度と高めたものである。

また、本発明に係る他のコリオリ流量計は、前記コリオリ流量計において、互いに平行で内部を流れる流体の向きが異なる少なくとも２本の直管部を備えた管路と、両直管部の両端部を各々支持する第１横フレーム及び第２横フレームと、前記第１横フレーム及び第２横フレームの中間部を支持し、両直管部の間に該直管と平行に配置した縦フレームと、前記縦フレームの中間部を固定し、該縦フレームの軸線方向に振動自在に支持するする支持台と、前記縦フレームを振動させる強制振動手段と、前記横フレームの一つの両端に固定した２個の振動振幅検出手段とを備えたものである。

本発明によるコリオリ流量計は、コリオリ方向の固有振動数を高くした方が感度が上がる特性を持っているので、配管を太くし、バネ定数を大きくでき、その結果、非常に耐圧を大きくしながら計測感度を向上できる。そのため、今後急速に発展が予想されている超高圧の水素貯蔵タンクを備えた燃料電池車のシステムにおいて、その圧力に耐え、且つ充分な精度をもった流量計として使用することが出来る。また、配管の肉厚を大きくすることが好ましくなるため、その配管の加工に際して真空レーザ溶接などの高価な加工技術を必要とすることがなく、製造の容易な、安価なコリオリ流量計とすることが出来る。

また、コリオリ方向の慣性モーメントを小さくした方が有利な特性を備えているので、小型な流量計とすることもできる。また、駆動振動数が非常に大きくなるために、外部ノイズの影響を受けにくくなり、更に、振幅測定を行う信号処理なので駆動振動数を中心とするフィルタリングが可能で、駆動周波数による位相検波復調を行うと非常にノイズに強い流量計とすることができ、これらの点でも外乱に強い高精度の流量計とすることが可能となる。

また、振動数比が１よりもかなり大きくとれるため、粘性による位相遅れはほぼ１８０度に近づき、粘性の影響を小さくすることが出来る。更に、配管以外の部分に主要なバネを設置できるため、流体温度の変化によるばね常数への影響が小さいコリオリ流量計とすることが出来る。

また、速度センサーを利用した場合には、温度や圧力等の影響を受けにくく、また、振動数比の変化によるゲインの変化が小さくなる特性領域を備えており、その結果、流体密度が充分に高く、感度が充分であれば、長期安定性の高い流量計を実現することができる。

また、角加速度センサーを用いるもにおいては、現在ＩＣ大の小型で安価な加速度センサーが得られているので、これらを利用することにより極めて安価で小型のコリオリ流量計を製造することが可能となる。

本発明は、外部からの振動ノイズの影響が少なく、燃料電池車の超高圧水素燃料タンクの水素流量測定等、超高圧流体を測定できるように耐圧を高くしても高感度であり、常圧の流体のように低密度の流体が測定できるように管路を太くしても高感度であり、小型に製作しても高感度であり、ノイズや粘性の影響が少なく、安価に製造することが出来るコリオリ流量計を提供するという目的を、被試験流体が流れる管路を外部から振動させ、該流体にコリオリ力を発生させるように微小な回転振動させる強制振動手段と、前記強制振動の振動軸とは異なる振動軸で振動する前記コリオリ力によって誘起されるコリオリ振動を、変形しにくい剛性フレームおよび変形を受け持つ弾性変形部の組み合わせによって、前記コリオリ振動の振動方向については1軸回りに近い振動に制限し、高次振動を抑制する手段と、前記強制振動手段による前記管路の強制振動数が前記コリオリ振動の方向の固有振動数であるコリオリ固有振動数の1倍以上になる駆動振動数で駆動する強制振動制御手段と、前記強制振動手段によって生じた強制振動の振動振幅を求める手段と、前記強制振動により発生するコリオリ力によって生じるコリオリ振動の振動振幅を求める手段と、前記管路における強制振動手段による強制振動振幅とコリオリ力によって生じるコリオリ振動振幅の比と強制振動数の値により管路を流れる流体の流量を演算する質量流量演算手段とを備えることにより解決した。

本発明は上記のような基本的思想によりなされたものであるが、以下、本発明をより具体化した実施の形態、即ち実施例について説明する。図２には本発明の第１実施例を示しており、Ｕ字型１１の直管部１２、１３は２枚の平行な補強板１４、１５からなるコリオリ振動フレーム１６で支持されており、両補強板１４と１５の間にはその両端部に加速度センサー１７、１８を固定している。なお、この加速度センサー１７、１８に代えて速度センサーとすることもできる。また、両補強板１４、１５の中間部でＵ字管の直管部１２、１３の中心位置、即ちＵ字管１１の捩れ中心には、コリオリ振動フレーム１６を振動自在に支持する強制振動フレーム１９を固定している。

この装置において、Ｕ字型の配管１１の捩れ方向に対する補強を行う補強板１４、１５からなるコリオリ振動フレーム１６は、コリオリ振動方向にはある程度のバネ定数（Ｋ_θ）で支え、強制振動フレーム１９は支持基盤２２からこれよりも強いバネ定数（Ｋ_φ）で支えることが出来るようにしている。支持基盤２２からの強制振動方向のバネ定数だけを非常に強くすることにより、振動数比１以上（好ましくは例えば１．５以上、目標としては５以上）を実現することが可能となる。なお、支持基盤は図示するもの以外に、単に配管支持部材のみからなるものや、Ｕ字型の面に対して平行な平面を基準面として面対称に全く同じＵ字型の管路を持ったもの等、種々の態様で実施することができる。この点は以下に述べる種々のコリオリ流量計においても同様である。

強制振動フレーム１９がコリオリ振動フレーム１６を支える方法は強制振動の固有振動数の方がコリオリ振動数よりも数倍以上大きくなればどのような形式でも良く、強制振動フレーム上に固定されたベアリングによって、コリオリ振動フレームに固定された回転軸を支える形式にも置き換えることが出来る。

強制振動フレーム１９と支持基盤２２、もしくは同じ固有振動数を持つカウンターバランスの振動部材もしくは面対称な管路の間に電磁コイルからなる加振器２０をおき、固有振動数で駆動振動させる。それによりＵ字管は強制振動フレーム１９を通して曲げ方向に強制振動させられる。発生したコリオリ力はコリオリ振動フレーム１６を捩る方向に振動させる。

これをコリオリ振動フレーム１６に固定された２つの加速度センサー１７、１８の差動振動によって、コリオリ振動回転の角加速度を計測する。2つの加速度センサーの和の信号は強制振動の加速度の大きさを示している。コリオリ振動に関係する差動信号の駆動振動数における検波復調した実効振幅を和算した強制振動の振動を駆動振動数で検波復調した実行振幅で割り算し、駆動周波数の値、校正補正値などと演算することで質量流量を算出することができるものでありが、その詳細は図５とともに以下に詳述する。

また、強制振動の振幅は厳密に加振振幅を制御し一定に保つことで計測を省略することも可能である。さらに２つの加速度センサーは一つの角加速度センサーに置き換えることも出来る。その際には強制振動の振幅を計測する別個の加速度センサーまたは速度センサーを取り付ける。

従来のＵ字タイブと異なるのは出来るだけθ方向の慣性モーメントを小さくするように幅ｂを出来るだけ小さく取っていること、捩れ方向のバネ定数を小さくする必要がないので配管肉厚が一般の位相差時間計測法のコリオリ流量計と異なり厚くすることが可能であること、通常のＵ字管であれば曲げ（強制振動方向）の固有振動数より、捩れ（コリオリ振動方向）のバネ定数の方が大きくなるところを支持フレームの形状を工夫することで曲げ方向の固有振動数を大きくしているところである。

また、この実施例では支配的なバネを配管以外とするために配管によるバネ定数の影響が小さくなるように、強制振動の曲がり部、（切欠き部）は弾性変形させるコリオリ振動フレームと支持基盤の間の配管の３分の１のところに作られている。このことによりコリオリ振動フレームの配管付け根部分で発生する曲げモーメントの大きさを最小にしている。

上記のようなコリオリ流量計において、両加速度センサー１７、１８からの信号は、例えば図５（ａ）に示される質量流量演算回路によって処理される。図５（ａ）に示す例においては、前記加速度センサーとしての加速度計６１、６２の信号を各々作動増幅器６３と加算器６４に入力し、図示するような波形の信号を得て各々同期復調器としてのロックインアンプ６５、６６に出力する。各ロックインアンプ６５、６６では、コリオリ流量計を強制加振する加振器７２の駆動信号としての加振信号６７を入力しており、これを同期信号として用いている。

各ロックインアンプ６５、６６からの位相情報と振幅信号は質量流量演算部７０に出力し、作動増幅器６３からの差信号はここで、９０度位相での検波出力によってコリオリの捩れ振動に比例する振幅信号が求められる。また、同様に加算器６４からの和信号はここで、０度位相での強制振動に比例する振幅信号が求められ、質量流量演算部７０で図示するような割り算を行うことにより質量流量が演算される。その際、前記ロックインアンプと同様に、加振信号６７の信号を同期信号として用いている。

一方、強制振動を行う加振信号６７は、可変増幅器６９において図示の例では加速度計６２の信号を入力し、その信号により増幅率を調節している。その後パワーアンプ７１で駆動信号として増幅し、加振器７２を駆動してコリオリ流量計の強制振動を行っている。

上記のような信号処理回路を用いることにより、互いに逆方向にコリオリ振動する２カ所に設けた加速度計の信号を用いて、容易に、且つ正確にコリオリ振動の振幅と強制振動の振幅の比を演算することが出来る。

また、図５（ｂ）は一つの配管にコリオリ振動検出用と強制振動検出用にそれぞれ２つずつ、合計４つの加速度センサーを取り付けた場合の信号処理回路の例である。４つ加速度センサーを配置する場合にはコリオリ振動検出用の２つの加速度センサーは加速度センサー１７、１８を強制振動の回転軸０の延長線上に出来るだけ近い場所に設置し、強制振動の影響を出来るだけ受けないように配置される。その信号は図５（ｂ）の加速度計７４、７５として入力され、差信号の振幅をロックインアンプにより計測することでコリオリ振動の振幅を計測する。これにより流量計全体が上下に震動するなどの原因で信号に混入する同相ノイズ信号が除去される。また、強制振動による大きな加速度が生じにくい位置に設置されるため、計測すべきコリオリ振動振幅の大きさに適した小さいレンジの加速度センサーを使用することができ、計測の分解能を良好にすることが出来る。強制振動検出用の加速度センサーは強制振動のフレーム上の２箇所に回転軸０から距離の異なる場所に設置される。これらは図５（ｂ）の加速度計７６、７７として入力され、差信号をとることで同相ノイズを除去した後にロックインアンプで強制振動の振幅が計測される。

図３には第２実施例としての直線型コリオリ流量計の例を示している。この流量計においては、配管の肉厚を変化させて変形しやすい曲がり部とほとんど剛体フレームと考えてよいフレーム部とに分けている。

中央のコリオリ振動部２５はコリオリ振動によって揺動できるように薄肉部となっており、そこで揺動できるようになった支持部材２７からコリオリ振動数よりも高い周波数で加振される。これにより左右の配管が上下に振動させられる。これは前記図１２に示すような従来より用いられている直線型コリオリ流量計と同じ原理であるが、曲がり部とフレーム部を備えているために、配管の固有振動数よりも、また中央部のコリオリ振動フレームの振れ固有振動数よりも高い周波数で加振しても、高次モードの振動を生じにくい。

左右の剛体フレーム２８、２９は揺動運動のため、上下に反対方向のコリオリ力を受ける。そのために中央のコリオリ振動部２５は、管内に流量があるときには揺動しながら上下動することになる。これを図示実施例においてはコリオリ振動部２５に固定した２つの加速度センサー３０、３１の差動で回転角加速度を検出する。また、この２つの加速度センサー３０、３１に代えて側面に角加速度センサーを一つ設けることも可能である。

この実施例においては、直管型なので非常に圧力損失が小さく、配管径が大きくなっても流量計の大きさが大きくなり過ぎない。また、洗浄性が良いなどの性質がある。

図４には第３実施例としての、いわゆる「Ｂ型」のセンサーチューブからなるコリオリ流量計を示している。この流量計は特表平２−５０１０００６号公報に示されるものと一見類似しているが、強制振動させる方向が異なっている。

図４に示すコリオリ流量計においては、基台３３上に固定した揺動用支持台３４上に縦フレーム３５の略中心部を固定し、縦フレーム３５の端部にこの縦フレームに対して直角に延びる第１横フレーム３６を固定し、他端部には第１外側直管３７と第２外側直管３８とを支持する第２横フレーム３９を固定している。更に、第１横フレーム３６と第２横フレーム３９の間には、第１内側直管４０と第２内側直管４１を支持している第３横フレーム４２を固定している。また、図示の例においては、第１内側直管４０と第２内側直管４１は、各々管支持部材４３、４４によって支持されている。なお、この実施例においては基台３３を用いているが、これを用いることなく２本の管路を支持するようにしても良い。

縦フレーム３５における図中第１横フレーム３６寄り部分の下方には、強制振動駆動部材４５を備え、切り欠きによって形成される揺動用支持台３４の揺動中心部４６を中心として、縦フレーム３５を強制振動させる。それにより管路４７において特に第１外側直管３７と第２外側直管３８部分を図中矢印方向に流れる流体によって各管にコリオリ振動の力が発生し、その力によって第１横フレーム３６と第２横フレームが振動する。

この振動によって第１横フレーム３６が振動するため、第１横フレーム３６の左右端部に設けた加速度計４８、４９によってそれぞれ加速度を計測する。これらの加速度計４８及び４９により得られた信号の処理は、前記各実施例と同様であるのでその説明は省略する。このコリオリ流量計においては、強制振動方向の慣性モーメントとコリオリ方向の慣性モーメントの比を調整することが容易である。また、中央の切り欠き部で強制振動方向のバネ定数を決め、その上部の強制振動フレームがコリオリ振動フレームを強制振動の固有振動数よりも小さい固有振動数になるように支える。

以上のように、本発明によるコリオリ流量計においては、従来のものでは計測できなかった低密度流体の質量流量計測を必要とする分野、特に超高圧での質量流量計測が要求される燃料電池車用水素充填器、また今後需要が急速に拡大すると思われる常圧の気体計測分野において、特に水素流量などの密度の低い気体流量計測分野、石油、天然ガスなどの取り引きに関係するような長期安定性が要求され且つ計測精度が高くなければならない流量計側分野、また、環境分析や医療、半導体製造等の分野に有効に利用することが出来る。

本発明の特性を表す周波数比に対する感度特性のグラフと、その特徴を例示した図である。本発明をＵ字型コリオリ流量計に適用した実施例の斜視図である。本発明を直管型コリオリ流量計に適用した実施例の斜視図である。本発明をＢ型コリオリ流量計に適用した実施例の斜視図である。本発明の計測信号の２種類の処理例を示すブロック図である。本発明に基づく実験例を示すグラフである。Ｕ字管を用いたコリオリ流量計の原理を示す図である。Ｕ字管を用いたコリオリ流量計の一例を示す斜視図である。（ａ）は同コリオリ流量計の作動状態における平面図、（ｂ）は同側面図、（ｃ）は同正面図である。（ａ）は同コリオリ流量計の振動状態を順に示した図であり、（ｂ）は振動位相を測定したときの状態を示すグラフである。位相差時間計測法でのコリオリ振動数に対する駆動振動数の振動数比としての固有振動数比と感度の関係を示すグラフである。直管型コリオリ流量計の作動原理を示す図である。

符号の説明

１１Ｕ字型
１２、１３直管部
１４、１５補強板
１６コリオリ振動フレーム
１７、１８加速度センサー
１９強制振動フレーム

Claims

被試験流体が流れる管路を外部から振動させ、該流体にコリオリ力を発生させるように微小な回転振動させる強制振動手段と、
前記強制振動の振動軸とは異なる振動軸で振動する前記コリオリ力によって誘起されるコリオリ振動を、変形しにくい剛性フレームおよび変形を受け持つ弾性変形部の組み合わせによって、前記コリオリ振動の振動方向については1軸回りに近い振動に制限し、高次振動を抑制する手段と、
前記強制振動手段による前記管路の強制振動数が前記コリオリ振動の方向の固有振動数であるコリオリ固有振動数の1倍以上になる駆動振動数で駆動する強制振動制御手段と、
前記強制振動手段によって生じた強制振動の振動振幅を求める手段と、
前記強制振動により発生するコリオリ力によって生じるコリオリ振動の振動振幅を求める手段と、
前記管路における強制振動手段による強制振動振幅とコリオリ力によって生じるコリオリ振動振幅の比と強制振動数の値により管路を流れる流体の流量を演算する質量流量演算手段とを備えたことを特徴とするコリオリ流量計。
前記強制振動により発生する互いに逆方向のコリオリ力によって生じる管路の振動振幅を検出する２個の振動振幅検出手段を備え、
前記強制振動手段の振動振幅を求める手段は、前記２個の振動振幅検出手段の和信号により求めるものであり、
前記コリオリ力によって生じる振動振幅を求める手段は、前記２個の振動振幅検出手段の差信号により求めるものであり、
前記質量流量演算手段は、前記和信号と差信号の比により、管路を流れる流体の流量を演算することを特徴とする請求項１記載のコリオリ流量計。
前記強制振動により発生するコリオリ力によって生じる前記コリオリ振動の振動振幅を検出するための2個の振動振幅検出手段を備え、
それらは強制振動の振動成分および外部からのノイズ振動および前記コリオリ振動の振動軸の回転振動以外の振動を有効に除去できるように配置され、その差信号を求めることによって前記コリオリ振動の振動軸の周りの振動振幅を求めるものであり、
前記強制振動手段の振動振幅を検出するために、さらに2個の振動振幅検出手段を備え、
それらは外部からの振動および強制振動の振動軸回りの回転振動以外の振動を有効に除去できるように配置され、その差信号を求めることによって前記強制振動振幅を求めることを特徴とする請求項１記載のコリオリ流量計。
該流体が流れる管路が2本あり、該流体はそれらを平行に同じ方向に流れる管路を備え、
該管路、強制振動手段、高次振動を抑制する手段のフレーム、振動振幅を求める手段など同様のものが面対称に備えられ、
強制振動が音叉のように反対向きに振動し、外部振動からの影響や、強制振動が外部へ伝わることを低減した請求項１のコリオリ流量計。
前記振動振幅検出手段は面対称位置にそれぞれ固定された磁石とコイルの組み合わせからなる相対速度センサーであり、前記質量流量演算手段は前記速度センサーによる速度振幅により質量流量を演算することを特徴とする請求項４記載のコリオリ流量計。
前記強制振動手段は、前記振動数比の変化に対して感度の変化が少ない駆動振動数の領域を選択して振動させることを特徴とする請求項５記載のコリオリ流量計。
前記振動振幅検出手段は角速度センサーであり、前記質量流量演算手段は前記角速度センサーによる速度振幅により質量流量を演算することを特徴とする請求項１記載のコリオリ流量計。
前記振動振幅検出手段は加速度センサーであり、前記質量流量演算手段は前記加速度センサーによる加速度振幅により質量流量を演算することを特徴とする請求項２または請求項３記載のコリオリ流量計。
前記振動振幅の計測時に駆動振動数による位相検波を行い、コリオリ力による振動以外の振動数の影響、コリオリ振動が発生する位相以外の振動位相の影響を除去する信号処理手段を備えたことを特徴とする請求項２または請求項３のコリオリ流量計。
前記被計測流体が流れる管路は、両基部が支持されたＵ字型をなすＵ字管であり、
前記Ｕ字管の２本の直管部の間において、該直管部と平行に配置し、前記Ｕ字管の先端部を支持する強制振動フレームと、
前記強制振動フレームを振動させる強制振動手段と、
前記強制振動フレームに支持され、前記２本の直管部を支持するコリオリ振動フレームと、
前記コリオリ振動フレームの両端部に設けた振動振幅検出手段とを備えたことを特徴とする請求項１記載のコリオリ流量計。
前記強制振動フレームは、振動方向に切り欠きを備え、該切り欠き部分で強制振動フレームの振動中心を形成することを特徴とする請求項１０記載のコリオリ流量計。
前記強制振動制御手段において駆動電圧の位相と強制振動の位相の比較と強制振動振幅の値から強制振動方向の固有振動数で共振させるように強制振動を制御する手段を備え、
該被試験流体の密度が変化したときに変化する強制振動の固有振動数の値をもとに予想される校正係数の変化をあらかじめ記憶された補正係数式もしくは補正係数テーブルより補正する演算手段を備えた請求項１のコリオリ流量計。
前記コリオリ振動方向の慣性モーメントと強制振動の慣性モーメントのそれぞれの変化率が密度の変化に対して同じになるようにフレーム等の重量配分や配管形状が設定されていて、該流体の密度変化に対して強制振動方向の固有振動数とコリオリ振動方向のコリオリ固有振動数の比が変化しないことを特徴とする請求項１記載のコリオリ流量計。
強制振動数がコリオリ固有振動数の１倍以上の振動数において、検知されたコリオリ振動の方向の振動振幅が、流量ゼロの時に記憶された大きさになるように、コリオリ振動を抑制する手段を備え、その抑制手段に対して投入されたエネルギーの大きさをと強制振動の振動振幅の値、駆動振動数の値を使って流量を演算する手段を備えた請求項１のコリオリ流量計。
強制振動の固有振動数とコリオリ振動方向の固有振動数に影響を及ぼす主要な弾性変形箇所に温度計測する手段を備え、計測された温度により、弾性係数を補正し、それにより流量計の校正係数を補正する演算手段を備えた請求項１のコリオリ流量計。
請求項４のコリオリ流量計で該流体を分流することなく、片側の管路の流入口から流入し、片側の管路を通過して流出した後に戻り流路によりもう一方の管路の流入口へ接続され、もう一方の管路を通過した後に流量計から流出していくように流路を直列に接続された請求項４のコリオリ流量計。
請求項１６のコリオリ流量計で直列化されたそれぞれの管路の出力を監視し、演算する手段を備え、それぞれの値の関係性を判断することで流量計の異常状態を診断することが出来る請求項１６のコリオリ流量計。
請求項４のコリオリ流量計で該流体をほぼ等分に分流する分岐管路を備え、それぞれが2本の管路に別れて流入し、管路を通過した後に再び合流する合流管路を備え、合流して流量計から流出するようになる、分岐と合流の管路を備え、流路を並列にされた請求項４のコリオリ流量計。
請求項１８のコリオリ流量計の校正において該流体の流れを止めたときのゼロ流量時のそれぞれの管路から出力される検出値と流量の異なる複数の流量における校正を行い、その複数の流量校正結果から面対称に存在するそれぞれの管路別の校正係数を算出するために、校正結果と校正係数、計測値との関係式を連立方程式を解くことによって算出する請求項１８のコリオリ流量計を校正する際の校正方法。
請求項４のコリオリ流量計において請求項１５の温度計測手段をそれぞれの管路について備え、それぞれの管路の振動数に影響を与える弾性変形部の温度が異なった時に管路１と管路２で個別に温度補正を行うことで補正精度と高めた請求項４と請求項１５のコリオリ流量計。
互いに平行で内部を流れる流体の向きが異なる少なくとも２本の直管部を備えた管路と、
両直管部の両端部を各々支持する第１横フレーム及び第２横フレームと、
前記第１横フレーム及び第２横フレームの中間部を支持し、両直管部の間に該直管と平行に配置した縦フレームと、
前記縦フレームの中間部を固定し、該縦フレームの軸線方向に振動自在に支持するする支持台と、
前記縦フレームを振動させる強制振動手段と、
前記横フレームの一つの両端に固定した２個の振動振幅検出手段とを備えたことを特徴とする請求項１記載のコリオリ流量計。