JP2005106573A - 振動式測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明はセンサチューブと収納ケースとの熱膨張率の差違によりセンサチューブに荷重が付与されることを課題とする。
【解決手段】 センサチューブ１４は、センシング領域Ｌａと、センシング領域Ｌａより流入側となる流入側非センシング領域Ｌｂと、センシング領域Ｌａより流出側となる流出側非センシング領域Ｌｃとを有する。流入側非センシング領域Ｌｂ及び流出側非センシング領域Ｌｃには、熱膨張による引張り力または圧縮力を吸収するための曲げ部７２，７４が設けられている。そのため、センサチューブ１４と収納ケース１２との熱膨張率の差によってセンサチューブ１４に軸方向の引張り荷重あるいは圧縮荷重が作用した場合、曲げ部７２，７４の曲率半径が変化することにより引張り荷重あるいは圧縮荷重が吸収されてセンサチューブ１４の振動部分の振動特性が変化せず、温度変化による計測誤差を防止することができる。
【選択図】 図３

Description

本発明は振動式測定装置に係り、特にセンサチューブを加振してコリオリ力によるセンサチューブの変位を検出して流量または密度を計測するよう構成した振動式測定装置に関する。

流体が供給された管路を振動させて流体の物理量を測定する振動式測定装置として、例えばコリオリ式質量流量計又は振動式密度計がある。以下、コリオリ式質量流量計について説明する。

このコリオリ式質量流量計では、被測流体が通過するセンサチューブを加振器により半径方向に振動させ、流量に比例したコリオリ力によるセンサチューブの変位をピックアップにより検出するよう構成されている。また、振動式密度計も上記コリオリ式質量流量計と同様な構成になっており、センサチューブが被測流体の密度に応じた周波数で振動する。

従来の振動式測定装置としては、例えば、コリオリ式質量流量計の場合、一対のセンサチューブに流体を流し、加振器（駆動コイル）の駆動力により一対のセンサチューブを互いに近接、離間する方向に振動させる構成とされている（例えば、特許文献１参照）。

また、加振器及びピックアップは、マグネットとコイルとから構成されており、加振器の駆動コイルに駆動パルスまたは正負のある交番電圧（交流信号）が入力されると、センサチューブに取り付けられた駆動用マグネットに対して吸引力または反発力を作用させてセンサチューブを振動させ、振動するセンサチューブに取り付けられた検出用マグネットの変位をピックアップのセンサコイル（検出部）から出力される検出信号により検出するようになっている。

そして、コリオリの力は、センサチューブの振動方向に働き、かつ入口側と出口側とで逆向きであるのでセンサチューブに捩れが生じ、この捩れ角が質量流量に比例する。従って、一対のセンサチューブの入口側及び出口側夫々の捩れる位置に振動を検出するピックアップ（振動センサ）を設け、両センサの出力検出信号の時間差を計測して上記センサチューブの捩れ、つまり質量流量を計測している。

ところが、例えば自動車の燃料として使用されるＣＮＧ（Compressed Natural Gas）等の高圧に加圧された圧縮性天然ガスを給送するガス供給系路に上記質量流量計を設けて流量計測を行う場合、センサチューブの耐圧強度を高める必要がある。

しかしながら、センサチューブの肉厚を厚くすると、センサチューブを振動させる加振器の駆動力を大きくしなければならず、且つセンサチューブの剛性が高くなった分、計測時の共振振幅が小さくなって外乱の影響を受けやすくなったり、流量計測時、流入側及び流出側の振動センサの位相差（ねじれ角）が小さくなったりして、計測精度が低下するといった課題が生じる。

そこで、従来の振動式測定装置では、センサチューブの圧力供給孔から収納ケース内に被測流体を供給することにより、センサチューブの内部と外部との圧力をバランスさせて、センサチューブの耐圧強度を高めなくても高圧流体を計測することができるようにしている。（例えば、特許文献１参照）。
特開平６−３３１４０６号公報

また、従来の振動式測定装置では、上記のように収納ケースの内部に被測流体を充填させて高圧流体を計測する場合、加振器及びピックアップが収納ケースの内部に収納されているため、被測流体が燃料等の可燃性流体である場合には、加振器の駆動コイル及びピックアップのセンサコイルを被測流体に接触しないように防爆ケースなどで覆う必要があり、電気信号によるスパークが生じない構成とする必要があった。

さらに、被測流体によっては、加振器のマグネットやコイルの材質や絶縁被覆に影響を与える場合や、電気配線を内部まで通過させるために収納ケースに貫通端子を設けたりする必要があった。

このような問題を解消するため、電気信号が入出力される加振器の駆動コイルやピックアップのセンサコイルを収納ケースの外部に設けることが検討されている。

しかも、センサチューブに取り付けられるマグネットには、希土類の材料が使われる場合が多いが、希土類の金属は、水素と化合しやすく、水素雰囲気中では、磁力の低下や破壊される場合があり、被測流体に接触する場所での使用が難しかった。

そのため、燃料電池車の燃料タンクに高圧水素を充填する充填装置の燃料供給経路に質量流量計を設ける場合、センサチューブの耐圧強度を小さくして計測精度を高めるため、センサチューブを収納する収納ケース内にも被測流体が充填させる構成が採用されると、センサチューブに取り付けられたマグネットが水素に接触してしまいマグネットの磁力の低下や破壊を招くおそれがあったので、水素が浸透しにくい材質（例えば、ステンレス材）でマグネットを覆う必要があった。

さらに、センサチューブの計測感度を上げるため、被測流体の圧力脈動に耐えうる限界までセンサチューブを薄肉化している。そのため、薄肉化されたセンサチューブは、収納ケース内に収納された状態で直線状に延在する部分を振動させて計測が行われるが、両端が収納ケースあるいは収納ケースに結合されるフランジなどに保持されて外力の影響を受けないように取り付けられている。

しかしながら、薄肉化されたセンサチューブは、温度上昇による膨張を生じた場合、収納ケースの熱膨張との差違によって、軸方向の引張り荷重あるいは圧縮荷重がセンサチューブに付与される。このように、センサチューブに軸方向の引張り荷重あるいは圧縮荷重が作用した状態では、センサチューブの振動特性（固有振動数）が変化してしまい、例えば、水素などのような質量の小さい気体の流量を計測する際の誤差の原因となっていた。
そこで、本発明は上記問題を解決した振動式測定装置を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、内部に密閉された空間が形成された収納ケースと、前記空間内に挿通され、被測流体が流れるセンサチューブと、前記センサチューブに取り付けられた駆動用磁石と、前記収納ケースの外壁に設けられ、前記駆動用磁石を振動方向に駆動する駆動コイルとからなる加振器と、前記センサチューブに取り付けられた検出用磁石と、前記収納ケースの外壁に設けられ、前記検出用磁石の変位を検出する検出部とからなるピックアップと、を有する振動式測定装置において、
前記センサチューブの端部近傍に加振方向と直交する方向に湾曲した曲げ部を形成したことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、前記曲げ部が、前記センサチューブの両端部近傍に形成されたことを特徴とする。

請求項３記載の発明は、前記曲げ部がＳ字状に湾曲するように形成されたことを特徴とする。

本発明によれば、例えば、収納ケースとの熱膨張率の差によってセンサチューブに軸方向の引張り荷重あるいは圧縮荷重が作用しても曲げ部の曲率半径が変化することにより引張り荷重あるいは圧縮荷重が吸収され、さらに、加振方向が、湾曲の方向と直行しているので、曲率が変化しても直行方向の剛性変化の影響が少なく、センサチューブの振動部分の振動特性が変化を最小限に留め、温度変化による計測誤差を減らすことができる。

以下、図面と共に本発明の一実施例について説明する。

図１は本発明になる振動式測定装置の一実施例としてのコリオリ式質量流量計の縦断面図である。図２は図１中Ａ−Ａ線に沿う縦断面図である。

尚、振動式測定装置は、被測流体の密度、及び密度を利用して質量流量を求めることができるため、振動式密度計及びコリオリ式質量流量計として用いられる。振動式密度計とコリオリ式質量流量計とは、同様な構成であるので、本実施例では質量流量計として用いた場合について詳細に説明する。

図１及び図２に示されるように、質量流量計１０は、密閉された収納ケース１２の内部に挿入された１本のセンサチューブ１４と、センサチューブ１４の長手方向の中間部分を加振する加振器ユニット１６と、振動するセンサチューブ１４の流入側の変位を検出する流入側ピックアップユニット１８と、振動するセンサチューブ１４の流出側の変位を検出する流出側ピックアップユニット２０とを有する。

収納ケース１２は、流入側ケース２２と、流出側ケース２４と、流入側ケース２２と流出側ケース２４との間に介在するセンサ部ケース２６とを有する。流入側ケース２２は、オーステナイト系からなる非磁性のステンレス材（ＳＵＳ３１６Ｌ）により形成されており、一端に流入側管路（図示せず）が接続される流入側継手２８が螺入されるめねじ部２２ａが設けられ、他端にセンサ部ケース２６の端部が螺入されるめねじ部２２ｂが設けられている。

流入側ケース２２は、めねじ部２２ａとめねじ部２２ｂとの間を貫通する貫通孔２２ｃが中心線に沿って延在するように設けられている。この貫通孔２２ｃは、センサチューブ１４の一端に固定されたフランジ３０が嵌合されてセンサチューブ１４の取付位置を規制する。フランジ３０は、貫通孔２２ｃの壁面に固定される固定板３２にボルト３４によって締結される。

また、固定板３２には、センサチューブ１４の端部に連通する中央孔３２ａが設けられている。さらに、フランジ３０には、貫通孔２２ｃ内に被測流体を供給するための微小な通路３２ｂ(図３（Ａ）参照)が軸方向に貫通している。

また、流入側継手２８の端部には、Ｌ状に曲げられたブラケット３０が嵌合しており、ナット２９により締結されている。このブラケット３１は、流入側ケース２２を所定高さ位置に支持するための支持脚である。

流出側ケース２４は、上記流入側ケース２２と同様に、オーステナイト系からなる非磁性のステンレス材（ＳＵＳ３１６Ｌ）により形成されており、一端に流出側管路（図示せず）が接続される流出側継手３６が螺入されるめねじ部２４ａが設けられ、他端にセンサ部ケース２６の他端が螺入されるめねじ部２４ｂが設けられている。

流出側ケース２４は、めねじ部２４ａとめねじ部２４ｂとの間を貫通する貫通孔２４ｃが中心線に沿って延在するように設けられている。この貫通孔２４ｃは、センサチューブ１４の他端に固定されたフランジ３８が嵌合されてセンサチューブ１４の取付位置を規制する。また、フランジ３８は、貫通孔２４ｃの壁面に固定される固定板４０にピン４２によって回転が規制される。また、固定板４０には、センサチューブ１４の流出側端部に連通する中央孔４０ａが設けられている。

また、流出側継手３６の端部には、Ｌ状に曲げられたブラケット４４が嵌合しており、ナット４６により締結されている。このブラケット４４は、流出側ケース２４を所定高さ位置に支持するための支持脚である。

センサ部ケース２６は、オーステナイト系からなる非磁性のステンレス材（ＳＵＳ３１６Ｌ）により形成されており、中心線に沿うように延在形成されたセンサチューブ挿通孔５０を有する。センサチューブ挿通孔５０の中心には、センサチューブ１４が装架される。

また、センサ部ケース２６の一端には、流入側ケース２２のめねじ部２２ｂに螺入されるおねじ部２６ａが設けられ、センサ部ケース２６の他端には、流出側ケース２４のめねじ部２４ｂに螺入されるおねじ部２６ｂが設けられている。そして、センサ部ケース２６には、加振器５２，５４、流入側ピックアップ５６，５８、流出側ピックアップ６０，６２が設けられている。加振器５２，５４は、センサチューブ１４の長手方向（Ｘ方向）の中間位置に対向するように取り付けられており、流入側ピックアップ５６，５８と流出側ピックアップ６０，６２とは、加振器５２，５４より所定距離離間した流入側、流出側に対称に配置されている。

センサ部ケース２６の上面２６ｃ及び下面２６ｄに設けられた凹部２６ｅ，２６ｆには、加振器５２，５４の駆動コイル５２ａ，５４ａ、及び流入側ピックアップ５６，５８、流出側ピックアップ６０，６２のセンサコイル５６ａ，５８ａ，６０ａ，６２ａが嵌合されている。そのため、駆動コイル５２ａ，５４ａ及びセンサコイル５６ａ，５８ａ，６０ａ，６２ａは、マグネット５２ｂ，５４ｂ，５６ｂ，５８ｂ，６０ｂ，６２ｂに近接するように取り付けられている。さらに、駆動コイル５２ａ，５４ａ、及びセンサコイル５６ａ，５８ａ，６０ａ，６２ａが収納ケース１２の外部に設けられているので、収納ケース１２の内部にＣＮＧあるいは水素のような可燃性ガスが充填されても電気系統からのスパークが引火する可能性が無いので、安全性が確保されている。

また、加振器５２，５４、流入側ピックアップ５６，５８、流出側ピックアップ６０，６２のマグネット５２ｂ，５４ｂ，５６ｂ，５８ｂ，６０ｂ，６２ｂは、センサチューブ１４の外周に取り付けられている。従って、駆動コイル５２ａ，５４ａからの電磁力によってセンサチューブ１４の長手方向の中間部分がＺ方向に駆動される。そして、Ｚ方向に振動するセンサチューブ１４の流入側と流出側との位相差は、流量に比例しており、マグネット５６ｂ，５８ｂ，６０ｂ，６２ｂの変位に伴ってセンサコイル５６ａ，５８ａ，６０ａ，６２ａにより検出信号が出力される。

ここで、センサチューブ１４の構成について説明する。
図３はセンサチューブ１４の形状を示す図であり、(Ａ)は平面図、（Ｂ）は側面図である。
図３（Ａ）（Ｂ）に示されるように、センサチューブ１４は、マグネット５２ｂ，５４ｂ，５６ｂ，５８ｂ，６０ｂ，６２ｂが取り付けられたセンシング領域Ｌａと、センシング領域Ｌａより流入側となる流入側非センシング領域Ｌｂと、センシング領域Ｌａより流出側となる流出側非センシング領域Ｌｃとを有する。

センシング領域Ｌａは、加振器５２，５４によりＺ方向に振動する振動領域でもあり、センサチューブ１４の内部を流れる流量に応じた変位量で流入側と流出側とで位相差を生じるため、外部からの力が作用しないようにして計測精度を維持する必要がある。

一方、流入側非センシング領域Ｌｂと流出側非センシング領域Ｌｃは、外部からの力を緩衝する緩衝領域として機能させることも可能である。本実施例では、流入側非センシング領域Ｌｂ及び流出側非センシング領域Ｌｃに熱膨張による引張り力または圧縮力を吸収するための曲げ部７２，７４が設けられている。この曲げ部７２，７４は、上方からみると、振動方向（Ｚ方向）と直交する水平方向（Ｙ方向）に湾曲しており、前方向に湾曲した第１の湾曲部７２ａ，７４ａと後方向に湾曲した第２の湾曲部７２ｂ，７４ｂとを有するＳ字状に形成されている。また、センサチューブ１４のＸ方向（長手方向）中心を通るＹ方向の線に線対象となる形状となっている。

センサチューブ１４は、比較的比重の小さい流体（例えば、水素等）でも計測感度を維持するように、薄肉化され、且つ長手方向（Ｘ方向）に延在するように形成されているため、温度変化に対して比較的熱膨張量が大きくなってしまう傾向にある。これに対し、センサチューブ１４の両端を保持する収納ケース１２は、流体圧力に耐えるように耐圧強度が高められており、温度変化に対して比較的熱膨張量が小さくなっている。

そのため、センサチューブ１４と収納ケース１２との熱膨張率の差によってセンサチューブ１４に軸方向の引張り荷重あるいは圧縮荷重が作用した場合、曲げ部７２，７４の曲率半径が変化することにより引張り荷重あるいは圧縮荷重が吸収されてセンサチューブ１４の振動部分の振動特性が変化せず、温度変化による計測誤差を防止することができる。このように、温度変化に伴ってセンサチューブ１４と収納ケース１２との伸縮量に差が生じた場合、上記曲げ部７２，７４が軸方向（Ｘ方向）に伸縮してセンシング領域Ｌａに不要な圧縮荷重あるいは引っ張り荷重が付与されないようにしている。よって、センシング領域Ｌａでは、熱膨張率の差違による計測誤差が生じないので、高温流体や低温流体でも正確に流量計側することが可能になる。

再び、図１及び図２に戻って説明する。
加振器５２，５４は、駆動コイル５２ａ，５４ａとマグネット５２ｂ，５４ｂとを組み合わせた構成であり、駆動コイル５２ａ，５４ａに交互に正負のある交番電圧（交流信号）が印加されて生じる磁界に対してマグネット５２ｂ，５４ｂが吸引または反発することで、センサチューブ１４の中間部分を横方向（Ｚ方向）に振動させる。また、流入側ピックアップ５６，５８、流出側ピックアップ６０，６２も、加振器５２，５４と同様にセンサコイル５６ａ，５８ａ，６０ａ，６２ａとマグネット５６ｂ，５８ｂ，６０ｂ，６２ｂとを組み合わせた構成であり、センサコイル５６ａ，５８ａ，６０ａ，６２ａとマグネット５６ｂ，５８ｂ，６０ｂ，６２ｂとの間で相対変位が生じると、（変位速度）に応じた検出信号を出力する。

各コイル５２ａ，５４ａ，５６ａ，５８ａ，６０ａ，６２ａは、コイルホルダ６４に保持されており、各コイルホルダ６４は、ボルト６６によりセンサ部ケース２６に固定される。さらに、センサ部ケース２６の上面２６ｃ及び下面２６ｄには、コイル５２ａ，５４ａ，５６ａ，５８ａ，６０ａ，６２ａを保護するカバー部材６８，７０が取り付けられている。

また、流入側ケース２２、流出側ケース２４、センサ部ケース２６は、夫々高圧流体が供給されても圧力に耐えられるように耐圧強度が確保されている。さらに、センサチューブ１４が挿通された貫通孔２２ｃ，２４ｃ、センサチューブ挿通孔５０の内部には、高圧流体が導入されており、センサチューブ１４の内側と外側の圧力差が殆どないようになっている。

従って、質量流量計１０では、上記のようにセンサチューブ１４の外周側の空間にも被測流体が充填されてセンサチューブ１４の内側と外側との圧力差が小さくなるので、センサチューブ１４の肉厚を小さくすることで、加振器１６の駆動力を小さくすることが可能になり、加振器５２，５４の駆動コイル５２ａ，５４ａに流れる電流値を小さくして消費電力を節約することができる。また、センサチューブ１４は、加振器５２，５４の加振力によりＺ方向に振動する。しかしながら、センサチューブ１４の曲げ部７２，７４は、振動方向（Ｚ方向）と直交する水平方向（Ｙ方向）に湾曲しているので、流量計側時の振動特性（固有振動数）に影響しないように設けられている。

さらに、センサチューブ１４は、肉薄形状の金属パイプからなるため、コリオリ力によるセンサチューブ１４の変形・変位が大きくなり、流入側ピックアップ５６，５８、流出側ピックアップ６０，６２より大きな出力が得られ、ＳＮ比を改善することができると共に、計測精度が向上する。

駆動コイル５２ａ，５４ａ及びセンサコイル５６ａ，５８ａ，６０ａ，６２ａは、流量計測制御回路８０に接続されており、流量計測制御回路８０は、本質安全防爆バリア回路、励振・時間差検出回路、ヤング率・Ｖ／Ｆ変換回路、出力回路、電源回路、減衰率検出回路、判別回路、制御回路（夫々図示せず）等を有する。

流量計測時、上記構成になる質量流量計１０において、流量計測制御回路８０によって加振器５２，５４が駆動され、センサチューブ１４の振動特性（固有振動数）に応じた周期、振幅でセンサチューブ１４の中間部分を縦方向（Ｚ方向）に加振させる。

このように、振動するセンサチューブ１４に流体が流れると、その流量に応じた大きさのコリオリ力が発生する。そのため、直管状のセンサチューブ１４の流入側と流出側で動作遅れが生じ、これにより流入側ピックアップ５６，５８と流出側ピックアップ６０，６２との出力信号に位相差が生じる。

流量計測制御回路８０は、上記流入側の出力信号と流出側の出力信号との位相差が流量に比例するため、当該位相差に基づいて流量を演算する。よって、センサチューブ１４の変位が流入側ピックアップ５２，５４及び流出側ピックアップ５６，５８により検出されると、上記センサチューブ１４の振動に伴う上記位相差が流量計測制御回路８０により質量流量に変換される。

以上のような実施例によれば、例えば、収納ケース１２との熱膨張率の差によってセンサチューブ１４に軸方向の引張り荷重あるいは圧縮荷重が作用しても曲げ部７２、７４の曲率半径が変化することにより引張り荷重あるいは圧縮荷重が吸収され、さらに、加振方向（Ｚ方向）が、湾曲の方向（Ｙ方向）と直行しているので、曲率が変化しても直行方向の剛性変化の影響が少なく、センサチューブの振動部分の振動特性が変化を最小限に留め、温度変化による計測誤差を減らすことができる。

尚、上記実施例では、ＣＮＧのような可燃性ガスを被測流体として流量計測する場合を例に挙げたが、これに限らず、他の高圧、高温の流体を計測するのにも適用できるのは勿論である。

本発明になる振動式測定装置の一実施例としてのコリオリ式質量流量計の縦断面図である。 図１中Ａ−Ａ線に沿う縦断面図である。 センサチューブ１４の形状を示す図であり、(Ａ)は平面図、（Ｂ）は側面図である。

符号の説明

１０ 質量流量計
１２ 収納ケース
１４ センサチューブ
１６ 加振器ユニット
１８ 流入側ピックアップユニット
２０ 流出側ピックアップユニット
２２ 流入側ケース
２４ 流出側ケース
２６ センサ部ケース
２８ 流入側継手
３６ 流出側継手
５０ センサチューブ挿通孔
５２，５４ 加振器
５２ａ，５４ａ 駆動コイル
５２ｂ，５４ｂ，５６ｂ，５８ｂ，６０ｂ，６２ｂ マグネット
５６，５８ 流入側ピックアップ
５６ａ，５８ａ，６０ａ，６２ａ センサコイル
６０，６２ 流出側ピックアップ
６８，７０ カバー部材
７２，７４ 曲げ部
７２ａ，７４ａ 第１の湾曲部
７２ｂ，７４ｂ 第２の湾曲部
８０ 計測制御回路

Claims (3)

1. 内部に密閉された空間が形成された収納ケースと、
   前記空間内に挿通され、被測流体が流れるセンサチューブと、
   前記センサチューブに取り付けられた駆動用磁石と、前記収納ケースの外壁に設けられ、前記駆動用磁石を振動方向に駆動する駆動コイルとからなる加振器と、
   前記センサチューブに取り付けられた検出用磁石と、前記収納ケースの外壁に設けられ、前記検出用磁石の変位を検出する検出部とからなるピックアップと、
   を有する振動式測定装置において、
   前記センサチューブの端部近傍に加振方向と直交する方向に湾曲した曲げ部を形成したことを特徴とする振動式測定装置。
2. 前記曲げ部は、前記センサチューブの両端部近傍に形成されたことを特徴とする請求項１記載の振動式測定装置。
3. 前記曲げ部は、Ｓ字状に湾曲するように形成されたことを特徴とする請求項１記載の振動式測定装置。

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