JP2005164264A - 振動式測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明はピックアップからの検出信号にノイズが重畳されないことを課題とする。
【解決手段】 質量流量計１０において、センサチューブ１８，２０、加振器２２，２４、ピックアップ２６，２８及びブラケット６２，６４，７０，７２をベース１６の中心を通る軸線Ｏに対して点対称となるように配置した。そのため、質量流量計１０では、センサチューブ１８，２０を加振器２２，２４により振動させる際に不要な振動が発生しにくくなり、コリオリ力による振動成分のみをピックアップ２６，２８によって検出することが可能になるので、例えば、比重（相対密度）の小さい圧縮性流体を計測する場合でも正確に流量計則することが可能になる。
【選択図】 図１

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（位相差）を計測することで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。

また、近年、燃料電池の開発が進むと共に、燃料電池に供給される水素の充填装置にもコリオリ式質量流量計を用いることが検討されている。

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。
特開平２−２６２０１７号公報

上記のように構成された振動式測定装置では、圧縮されたガスの流量を計測する場合、ガスの種類によって比重（相対密度）の差異によって計測時に得られるセンサコイルから出力が変化するため、例えば、比重の小さい流体を計測する場合には、センサチューブの入口側及び出口側の位相差を微小な検出信号から検出することになる。

そのため、比重の小さい圧縮性流体を計測することができるように、センサチューブの剛性を下げたり、ピックアップの検出感度を上げるなどの改良が進められている。

しかしながら、振動式測定装置においては、計測感度を高めることにより、振動するセンサチューブの不要なノイズまで検出してしまい、ピックアップのセンサコイルから出力された信号には、本来検出すべきコリオリ力による変位を検出した検出信号に、センサチューブの不要な振動に伴うノイズが重畳されてしまうため、正確な計測ができなくなるおそれがあった。
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、被測流体の流入口と前記被測流体の流出口とを有するベースと、
一端が前記流入口に連通され、他端が前記流出口に連通され、被測流体が流れる同一形状の一対のセンサチューブと、
前記一対のセンサチューブの夫々を加振する一対の加振器と、
前記一対のセンサチューブの流入側の相対変位を検出する流入側ピックアップと、
前記一対のセンサチューブの流出側の相対変位を検出する流出側ピックアップと、
を有する振動式測定装置において、
前記一対のセンサチューブを、任意の軸線に対して軸方向から見て点対称となるように配置し、該センサチューブに、前記各加振器及び前記各ピックアップも前記軸線に対して点対称となるように配置したことを特徴とするものである。

請求項３記載の発明は、前記一対のセンサチューブが、第１乃至第４の直管部が平行に延在形成され、且つ長さが同一寸法に形成されたことを特徴とするものである。

請求項４記載の発明は、前記第１のセンサチューブの第１の曲げ部に前記第１の加振器のコイルを取り付け、
前記第１のセンサチューブの第３の曲げ部に前記第１の加振器のマグネットを取り付け、
前記第２のセンサチューブの第１の曲げ部に前記第２の加振器のマグネットを取り付け、
前記第２のセンサチューブの第３の曲げ部に前記第２の加振器のコイルを取り付け、
前記第１のセンサチューブの第１の直管に前記流入側ピックアップのマグネットを取り付け、
前記第２のセンサチューブの第１の直管に前記流入側ピックアップのコイルを取り付け、
前記第１のセンサチューブの第４の直管に前記流出側ピックアップのコイルを取り付け、
前記第２のセンサチューブの第４の直管に前記流出側ピックアップのマグネットを取り付けたことを特徴とするものである。

本発明によれば、センサチューブ、加振器、ピックアップの配置によるバランスが取れているので、センサチューブを加振器により振動させる際に不要な振動が発生しにくくなり、コリオリ力による振動成分のみをピックアップによって検出することが可能になるので、例えば、比重（相対密度）の小さい圧縮性流体を計測する場合でも正確に流量計則することが可能になる。

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正面図である。図２はコリオリ式質量流量計の側面図である。図３はコリオリ式質量流量計の平面図である。尚、図１及び図２において、ベース１６の内部が分かるように、一部断面で示してある。

また、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乃至図３に示されるように、質量流量計１０は、流入口１２と流出口１４とを有するベース１６と、一対のセンサチューブ１８，２０と、一対のセンサチューブ１８，２０をＸａ，Ｘｂ方向に加振する一対の加振器２２，２４と、振動するセンサチューブ１８，２０の流入側の変位を検出する流入側ピックアップ２６と、振動するセンサチューブ１８，２０の流出側の変位を検出する流出側ピックアップ２８とを有する。

ベース１６の下面に設けられた流入口１２は、分流路３０，３２を介して流入側接続部材３４，３６に連通されている。また、ベース１６に設けられた流出口１４も同様に、分流路３８，４０を介して流入側接続部材４２，４４に連通されている。

流入側接続部材３４，３６及び流出側接続部材４２，４４は、中空形状の円筒部材により形成されており、ベース１６の上面側に設けられた取付孔１６ａ〜１６ｄに挿入された状態で溶接等により固着されている。

そして、センサチューブ１８，２０の両端部は、流入側接続部材３４，３６及び流出側接続部材４２，４４の内部を貫通する貫通孔３４ａ，３６ａ，４２ａ，４４ａに挿入されており、ベース１６上に固定されると共に、半径方向への振動に耐えられるように補強されている。

ここで、図４を参照してセンサチューブ１８，２０の構成について説明する。図４はセンサチューブ１８，２０の構成を説明するための図であり、（Ａ）は左側面図、（Ｂ）は正面図である。
図４（Ａ）（Ｂ）に示されるように、センサチューブ１８，２０は、夫々同一形状に形成されており、一端が流入口１２に連通されるように流入側接続部材３４，３６に挿入された第１の直管部４６と、第１の直管部４６の他端に連通された第1の曲げ部４８と、一端が第1の曲げ部４８の他端に連通された第２の直管部５０と、第２の直管部５０の他端に連通され、第1の曲げ部４８と直交する方向に曲げられた第２の曲げ部５２と、一端が第２の曲げ部５２の他端に連通された第３の直管部５４と、第３の直管部５４の他端に連通され、第1の曲げ部４８と同じ方向に曲げられた第３の曲げ部５６と、一端が第３の曲げ部５６の他端に連通され、他端が流出口１４に連通されるように流出側接続部材４２，４４の挿入された第４の直管部５８とを有する。

第1の曲げ部４８及び第３の曲げ部５６は、加振器２２，２４による振動方向（Ｘａ，Ｘｂ方向）と直交するＹ方向平面で湾曲されており、第２の曲げ部５２は振動方向（Ｘａ，Ｘｂ方向）のＸ方向平面で湾曲されている。また、第1の曲げ部４８と第３の曲げ部５６は、同一の曲率半径となるように曲げ加工されている。センサチューブ１８，２０は、夫々左右対称な形状に形成されており、且つセンサチューブ１８と２０とは、上方からみて前後方向及び左右方向で共に対称な構成になっている。従って、センサチューブ１８，２０を構成する各部は、ベース１６上に固定されることにより、ベース１６の中心を通る軸線Ｏに対して対称となるように配置される。

ここで、軸線Ｏは、本発明の任意の軸線である。そして、図３に示すように各第１の直管部４６、各第４の直管部５８は、これら４本の直管部が軸線Ｏ中心とする仮想円Ｅ上に配設される。この結果、図３に示すように、センサチューブ１８，２０は、軸線Ｏの軸方向から見て、軸線Ｏに対して点対称となっている。すなわち、一対のセンサチューブ１８，２０は、任意の軸線Ｏに対して軸方向から見て点対称となるように配置され、センサチューブ１８，２０には、各加振器２２，２４、及び各ピックアップ２６，２８も軸線Ｏに対して点対称となるように配置されている。

また、各直管部４６，５０，５４，５８は、ベース１６の上方に横架された支持部材６０に固着されており、この支持部材６０による固着部分が支点となって振動することになる。そして、支持部材６０より上方に延在する長手方向（図４では鉛直方向）の長さが同一寸法になるように形成されている。この支持部材６０は、図３に示されるように、センサチューブ１８と２０との間でＹ方向に延在する第１の支持部６０ａと、第１の支持部６０ａの両端よりＸａ，Ｘｂ方向に延在して各直管部４６，５０，５４，５８の外周に結合された第２、第３の支持部６０ｂ，６０ｃとを有する。

また、内側に配置される第１の直管部４６と第４の直管部５８との間には、ピックアップ２６，２８がブラケット６４，６２を介して取り付けられるため、外側に配置される第２の直管部５０、第３の直管部５４の外周には、振動時にブラケット６２，６４とのバランスを取るため、金属板からなるバランサ６６，６８が固着されている。

ここで、上記加振器２２，２４の構成及び取付構造について説明する。図５は加振器２２，２４の構成及び取付構造を示す拡大図である。尚、図５においては、加振器２２，２４のみを断面で示している。

センサチューブ１８，２０の第1の曲げ部４８と第３の曲げ部５６との間には、ブラケット７０，７２を介して加振器２２，２４がＸａ，Ｘｂ方向に装架されるように取り付けられている。加振器２２，２４は、円筒形状に形成された駆動コイル７４と、駆動コイル７４の中空部分に挿入されたロッド状の駆動マグネット７６とから構成されている。

加振器２２の駆動コイル７４は、ブラケット７０によりセンサチューブ１８の第1の曲げ部４８の中間点（図１中、最上端位置）に支持されており、ブラケット７０は第1の曲げ部４８の中間点の外周に固着されている。また、加振器２２の駆動マグネット７６は、永久磁石からなり、ブラケット７２により第３の曲げ部５６の中間点（図１中、最上端位置）に支持されており、ブラケット７２は第３の曲げ部５６の中間点の外周に固着されている。

また、加振器２４の駆動コイル７４は、ブラケット７０によりセンサチューブ２０の第１の曲げ部４８の中間点（図１中、最上端位置）に支持されており、ブラケット７０は第１の曲げ部４８の中間点の外周に固着されている。また、加振器２４の駆動マグネット７６は、永久磁石からなり、ブラケット７２により第３の曲げ部５６の中間点（図１中、最上端位置）に支持されており、ブラケット７２は第３の曲げ部５６の中間点の外周に固着されている。

すなわち、加振器２２と２４とは、図３に示されるように、１８０度逆向きに設けられており、ベース１６の軸線Ｏに対して点対称となるように配置されている。

従って、駆動コイル７４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、駆動マグネット７６に対して吸引力または反発力を作用させて第1の曲げ部４８、第３の曲げ部５６をＸａ，Ｘｂ方向に加振する。そして、加振器２２，２４は、第1の曲げ部４８と第３の曲げ部５６とを互いに近接する方向、あるいは離間させる方向に駆動力を発生させるため、センサチューブ１８，２０の各直管部４６，５０，５４，５８は、図６中破線で示すように、支持部材６０に固着された部分を支点として第1の曲げ部４８及び第３の曲げ部５６に連続する上端部分がＸａ，Ｘｂ方向に振動する。

この振動状態のセンサチューブ１８，２０に被測流体が流れると、被測流体の質量に応じた大きさのコリオリ力がセンサチューブ１８，２０に作用する。そして、流入側の直管部４６，５０では、振動方向と逆方向にコリオリ力が作用して検出信号の位相が遅れ、流出側の直管部５４，５８では、振動方向にコリオリ力が作用して検出信号の位相が進む。この流入側と流出側との位相差が質量流量に比例しており、位相差に基づいて流量を計測することができる。

ここで、上記ピックアップ２６，２８の構成及び取付構造について説明する。
図３に示されるように、流入側ピックアップ２６は、センサチューブ１８，２０の流入側の直管部４６間に装架されるように取り付けられている。また、流出側ピックアップ２８は、センサチューブ１８，２０の流出側の直管部５８間に装架されるように取り付けられている。

流入側ピックアップ２６は、検出用マグネット８０とセンサコイル８２とから構成されている。センサコイル８２は、垂直状態に支持されており、上方から見るとコ字状に形成された検出用マグネット８０の凹部８０ａに挿入されている。そのため、検出用マグネット８０とセンサコイル８２との間で相対変位が生じると、センサコイル８２に電磁誘導電流が流れ、センサチューブ１８，２０の振幅に応じた大きさの検出信号が出力される。

流入側ピックアップ２６の検出用マグネット８０は、ブラケット６２を介してセンサチューブ１８の直管部４６の上端付近に取り付けられており、ブラケット６２はセンサチューブ１８の直管部４６の外周に固着されている。流入側ピックアップ２６のセンサコイル８２は、ブラケット６４を介してセンサチューブ２０の直管部４６の上端付近に取り付けられており、ブラケット６２はセンサチューブ２０の直管部４６の外周に固着されている。

流出側ピックアップ２８は、上記流入側ピックアップ２６と同様に、検出用マグネット８０とセンサコイル８２とから構成されている。そして、ピックアップ２６，２８の検出用マグネット８０及びセンサコイル８２は、ベース１６の軸線Ｏに対して上方から見て点対称となるように配置されている。すなわち、流出側ピックアップ２８では、検出用マグネット８０は、ブラケット６２を介してセンサチューブ２０の直管部５８の上端付近に取り付けられており、ブラケット６２はセンサチューブ２０の直管部５８の外周に固着されている。流入側ピックアップ２８のセンサコイル８２は、ブラケット６４を介してセンサチューブ１８の直管部５８の上端付近に取り付けられており、ブラケット６２はセンサチューブ１８の直管部５８の外周に固着されている。

さらに、加振器２２，２４の駆動コイル７４及びピックアップ２６，２８のセンサコイル８２は、流量計測制御回路（図示せず）に接続されており、流量計測制御回路は、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、流量計測制御回路によって加振器２２，２４が駆動され、センサチューブ１８，２０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１８，２０の第1の曲げ部４８と第３の曲げ部５６とをＸａ，Ｘｂ方向に加振させる。

このように、振動するセンサチューブ１８，２０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、センサチューブ１８，２０の流入側の直管部４８と流出側の直管部５８で動作遅れが生じ、これにより流入側ピックアップ２６と流出側ピックアップ２８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１８，２０の相対変位がピックアップ２６，２８により検出されると、上記センサチューブ１８，２０の振動に伴う上記位相差が流量計測制御回路により質量流量に変換される。

本実施例の質量流量計１０では、図３に示されるように、センサチューブ１８，２０、加振器２２，２４、ピックアップ２６，２８、各ブラケット６２，６４，７０，７２の配置がベース１６の軸線Ｏに対して点対称に配置されているので、各部のバランスが取れており、センサチューブ１８，２０の振動に伴って不要な振動を極力抑えることができる。そのため、質量流量計１０では、センサチューブ１８，２０を共振状態に加振させているにも拘らず、ピックアップ２６，２８からの検出信号にノイズが重畳することが防止され、計測精度をより高めることが可能になる。従って、例えば、比重の小さい圧縮性流体の質量流量を計測する場合でも、ピックアップ２６，２８からの検出信号を判別することが可能になり、被測流体の質量流量を正確に計測することが可能になる。

尚、上記実施例では、ＣＮＧや水素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。

また、上記実施例では、センサチューブの形状を４本の直管部と３本の曲げ部の組み合わせた構成としたが、これに限らず、他の形状のセンサチューブにも適用することができるのは言うまでも無い。

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正面図である。 コリオリ式質量流量計の側面図である。 コリオリ式質量流量計の平面図である。 センサチューブ１８，２０の構成を説明するための図であり、（Ａ）は左側面図、（Ｂ）は正面図である。 加振器２２，２４の構成及び取付構造を示す拡大図である。 センサチューブの振動状態を示す側面図である。 センサチューブの振動状態を示す平面図である。

符号の説明

１０ 質量流量計
１６ ベース
１８，２０ センサチューブ
２２，２４ 加振器
２６ 流入側ピックアップ
２８ 流出側ピックアップ
４６ 第１の直管部
４８ 第1の曲げ部
５０ 第２の直管部
５２ 第２の曲げ部
５４ 第３の直管部
５６ 第３の曲げ部
５８ 第４の直管部
６０ 支持部材
６２，６４，７０，７２ ブラケット
７４ 駆動コイル
７６ 駆動マグネット
８０ 検出用マグネット
８２ センサコイル

Claims (4)

1. 被測流体の流入口と前記被測流体の流出口とを有するベースと、
   一端が前記流入口に連通され、他端が前記流出口に連通され、被測流体が流れる同一形状の一対のセンサチューブと、
   前記一対のセンサチューブの夫々を加振する一対の加振器と、
   前記一対のセンサチューブの流入側の相対変位を検出する流入側ピックアップと、
   前記一対のセンサチューブの流出側の相対変位を検出する流出側ピックアップと、
   を有する振動式測定装置において、
   前記一対のセンサチューブを、任意の軸線に対して軸方向から見て点対称となるように配置し、該センサチューブに、前記各加振器及び前記各ピックアップも前記軸線に対して点対称となるように配置したことを特徴とする振動式測定装置。
2. 前記一対のセンサチューブは、
   一端が前記流入口に連通される第１の直管部と、
   該第１の直管部の他端に連通された第1の曲げ部と、
   一端が前記第1の曲げ部の他端に連通された第２の直管部と、
   該第２の直管部の他端に連通され、前記第1の曲げ部と異なる方向に曲げられた第２の曲げ部と、
   一端が前記第２の曲げ部の他端に連通された第３の直管部と、
   該第３の直管部の他端に連通され、前記第1の曲げ部と同じ方向に曲げられた第３の曲げ部と、
   一端が前記第３の曲げ部の他端に連通され、他端が前記流出口に連通された第４の直管部と、
   を有することを特徴とする請求項１記載の振動式測定装置。
3. 前記一対のセンサチューブは、第１乃至第４の直管部が平行に延在形成され、且つ長さが同一寸法に形成されたことを特徴とする請求項２記載の振動式測定装置。
4. 前記第１のセンサチューブの第１の曲げ部に前記第１の加振器のコイルを取り付け、
   前記第１のセンサチューブの第３の曲げ部に前記第１の加振器のマグネットを取り付け、
   前記第２のセンサチューブの第１の曲げ部に前記第２の加振器のマグネットを取り付け、
   前記第２のセンサチューブの第３の曲げ部に前記第２の加振器のコイルを取り付け、
   前記第１のセンサチューブの第１の直管に前記流入側ピックアップのマグネットを取り付け、
   前記第２のセンサチューブの第１の直管に前記流入側ピックアップのコイルを取り付け、
   前記第１のセンサチューブの第４の直管に前記流出側ピックアップのコイルを取り付け、
   前記第２のセンサチューブの第４の直管に前記流出側ピックアップのマグネットを取り付けたことを特徴とする請求項２または３記載の振動式測定装置。
   
   

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