JP2005274254A - 三次モード振動式コリオリ流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】 単純な形状構成で安価になるのは勿論のこと、振動漏洩を軽減することが可能な三次モード振動式コリオリ流量計を提供する。
【解決手段】 流出入口を有する両端部で支持される少なくとも一本のフローチューブ３と、そのフローチューブ３を交番駆動させる駆動装置４と、フローチューブ３に作用するコリオリの力に比例した位相差を検出する一対の振動検出センサ５、５と、を備えてコリオリ流量計１を構成する。また、一つの駆動装置４でフローチューブ３を三次モード振動させるために、駆動装置４を三次モード振動により生じる三つの腹Ｈ１〜Ｈ３のうち、中央の腹Ｈ２に位置するように配置するとともに、振動検出センサ５、５を腹Ｈ１、Ｈ３に配置し、さらには、駆動装置４の変位極性と振動検出センサ５、５の変位極性とを互いに逆相の関係となるようにするとともに、励振回路部９をその正帰還ループ上で上記逆相の関係となった各変位極性を互いに同相の関係となるように変換する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、少なくとも一本のフローチューブを備えて構成した三次モード振動式コリオリ流量計に関する。

コリオリ流量計は、被測定流体の流通する流管の一端又は両端を支持し、その支持点回りに流管の流れ方向と垂直な方向に振動を加えたときに、流管（以下、振動が加えられるべき流管をフローチューブという）に作用するコリオリの力が質量流量に比例することを利用した質量流量計である。コリオリ流量計は周知のものであり、コリオリ流量計におけるフローチューブの形状は直管式と湾曲管式とに大別されている。

直管式のコリオリ流量計は、両端が支持された直管の中央部直管軸に垂直な方向の振動を加えたとき、直管の支持部と中央部との間でコリオリの力による直管の変位差、すなわち位相差信号が得られ、その位相差信号に基づいて質量流量を検知するように構成されている。このような直管式のコリオリ流量計は、シンプル、コンパクトで堅牢な構造を有している。しかしながら、高い検出感度を得ることができないという問題点もあわせ持っている。

これに対して、湾曲管式のコリオリ流量計は、コリオリの力を有効に取り出すための形状を選択できる面で、直管式のコリオリ流量計よりも優れており、実際、高感度の質量流量を検出することができている。尚、湾曲管式のコリオリ流量計としては、一本のフローチューブを備えるもの（例えば特許文献１参照）や、並列二本のフローチューブを備えるもの（例えば特許文献２参照）、或いは一本のフローチューブをループさせた状態に備えるもの（例えば特許文献３参照）などが知られている。
特公平４−５５２５０号公報 特許第２９３９２４２号公報 特許第２９５１６５１号公報

ところで、一本のフローチューブを備えるコリオリ流量計にあっては、最も単純な形状構成で安価に質量流量計を提供することができるという利点を有する反面、フローチューブを一次モード振動や偶数モード振動で振動させた場合に、流量計外部へ振動が漏洩してしまうという問題点を有している。

尚、振動漏洩の軽減のために、三つの駆動装置を用いてフローチューブを三次モード振動させることが上記問題点の対策として考案されてきた。しかしながら、三つの駆動装置に対する配線が複雑になったり、製造コストがアップしたりする等の幾つかの問題点が新たに生じてしまうことになる。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされるもので、単純な形状構成で安価になるのは勿論のこと、振動漏洩を軽減することが可能な三次モード振動式コリオリ流量計を提供することを課題とする。

上記課題を解決するためなされた請求項１記載の本発明の三次モード振動式コリオリ流量計は、流出入口を有する両端部で支持される少なくとも一本のフローチューブと、該フローチューブを交番駆動させる駆動装置と、前記フローチューブに作用するコリオリの力に比例した位相差を検出する一対の振動検出センサと、を備えたコリオリ流量計であって、前記駆動装置一つで前記フローチューブを三次モード振動させるに於いて、前記駆動装置を前記三次モード振動により生じる三つの腹のうち、中央の腹に位置するように配置するとともに、前記振動検出センサを前記中央の腹を除く前後の腹に配置し、さらには、前記駆動装置の変位極性と前記振動検出センサの変位極性とを互いに逆相の関係となるようにするとともに、前記三次モード振動を励振する励振回路部をその正帰還ループ上で前記逆相の関係となった各前記変位極性を互いに同相の関係となるように変換する構成としたことを特徴としている。このような特徴を有する本発明によれば、最も振幅が大きく駆動効率のよい中央の腹のみでフローチューブに対する駆動を行うことができる。

請求項２記載の本発明の三次モード振動式コリオリ流量計は、請求項１に記載の三次モード振動式コリオリ流量計において、前記正帰還ループ上で各前記変位極性を前記同相の関係とするため、入力線、信号線等の電線を逆に結線又はインバータを介する構成としたことを特徴としている。このような特徴を有する本発明によれば、互いに逆相の関係であった各変位極性が、正帰還ループ上で電線を逆に結線又はインバータを介することにより、同相の関係となる。

請求項３記載の本発明の三次モード振動式コリオリ流量計は、請求項１又は請求項２に記載の三次モード振動式コリオリ流量計において、前記駆動装置及び前記振動検出センサの構成をコイルとマグネットとを備えるものとするとともに、前記コイルを前記フローチューブとは別の静止部材に配置し、さらには前記マグネットを前記フローチューブに配置したことを特徴としている。このような特徴を有する本発明によれば、配線の必要なコイルをフローチューブに取り付けずにすむことから、フローチューブの振動に及ぼす影響が極力軽減される。

請求項１に記載された本発明によれば、フローチューブを三次モード振動で振動させることから、振動漏洩を軽減することができる。従って、信頼性の高い三次モード振動式コリオリ流量計を提供することができるという効果を奏する。また、少なくとも一本のフローチューブを備える三次モード振動式コリオリ流量計であることから、単純な形状構成であって比較的安価な提供を実現することができるという効果を奏する。

請求項２に記載された本発明によれば、励振回路部をよりよい構成とすることができるという効果を奏する。

請求項３に記載された本発明によれば、フローチューブとは別の静止部材に配線の必要なコイルを配置し、フローチューブにはマグネットを配置することから、フローチューブの振動に及ぼす影響を極力軽減することができるという効果を奏する。

以下、図面を参照しながら説明する。図１は本発明の三次モード振動式コリオリ流量計の一実施の形態を示す構成図である。また、図２は三次モード振動式コリオリ流量計のセンサ部、信号演算処理部、及び励振回路部に係るブロック図である。

図１及び図２において、本発明の三次モード振動式コリオリ流量計１は、筐体２と、その筐体２内に収納される一本のフローチューブ３と、駆動装置４、一対の振動検出センサ５、５、及び温度センサ６を有するセンサ部７と、センサ部７からの信号に基づいて質量流量等の演算処理を行う信号演算処理部８と、駆動装置４を励振するための励振回路部９とを備えて構成されている。以下、各構成部材について説明する。

上記筐体２は、曲げやねじれに強固な構造を有している。また、筐体２は、フローチューブ３と、そのフローチューブ３自身が形成する面に対して平行に配置される静止部材１０とを収納することができる大きさに形成されている。さらに、筐体２は、フローチューブ３等の流量計要部を保護することができるように形成されている。このような筐体２の内部には、アルゴンガス等の不活性ガスが充填されている。不活性ガスの充填により、フローチューブ３等への結露が防止されるようになっている。

静止部材１０は、例えば図示のような平板状に形成されており、その一部が筐体２に対して固着されている。静止部材１０には、フローチューブ３の流入口側及び流出口側を支持固定するための支持部１１が適宜手段で取り付けられている。

上記フローチューブ３は、第一軸Ｓ１に対して対称形状となるＵ字状の湾曲管からなり、支持部１１に支持固定される一方の端部１２には流入口が、また、他方の端部１３には流出口が形成されている。上記流入口には、流入口側接続部１４が取り付けられており、上記流出口には、流出口側接続部１５が取り付けられている。流入口側接続部１４を介して流入口からフローチューブ３に流入した測定流体は、順に流入口側の脚部、中間の湾曲部、流出口側の脚部を流通し、流出口を介して流出口側接続部１５に流出するようになっている。フローチューブ３の材質は、ステンレス、ハステロイ、チタン合金等のこの技術分野において通常のものが用いられている。

上記センサ部７を構成する上記駆動装置４は、フローチューブ３を三次モード振動で振動させるためのものであって、コイル１６とマグネット１７とを備えて構成されている。このような駆動装置４は、第一軸Ｓ１上であってフローチューブ３の上記湾曲部中央に配置されている。言い換えれば、駆動装置４は、三次モード振動により生じる三つの腹Ｈ１〜Ｈ３のうち、中央の腹Ｈ２の範囲内に位置するように配置されている。

駆動装置４のコイル１６は、静止部材１０に取り付けられている。また、コイル１６からは、特に図示しないが、ＦＰＣ（フレキシブル・プリント・サーキット）又は電線が引き出されている。駆動装置４のマグネット１７は、専用の取付具を用いてフローチューブ３に取り付けられている。

駆動装置４において吸引作用が生じると、マグネット１７がコイル１６に差し込まれるような状態になり、その結果、フローチューブ３が静止部材１０に対して近接するようになる。これに対し、反発作用が生じると、フローチューブ３が静止部材１０に対して離間するようになる。駆動装置４は、フローチューブ３がその両端部において支持部１１に支持固定されることから、フローチューブ３を、三次モード振動で振動させながら、第二軸Ｓ２や第三軸Ｓ３を中心にして回転方向に交番駆動するように構成されている。

上記センサ部７を構成する上記振動検出センサ５、５は、フローチューブ３の振動を検出するとともに、フローチューブ３に作用するコリオリの力に比例した位相差を検出するセンサであって、それぞれコイル１８とマグネット１９とを備えて構成されている（これに限らず、加速度センサ、光学的手段、静電容量式、歪み式（ピエゾ式）等の変位、速度、加速度のいずれかを検出する手段であればよいものとする）。

このような構成の振動検出センサ５、５のうち、一方の振動検出センサ５は、流入口側の上記腹Ｈ１の範囲内であって、コリオリの力に比例した位相差を検出することが可能な位置に配置されている。また、他方の振動検出センサ５は、流出口側の上記腹Ｈ３の範囲内であって、コリオリの力に比例した位相差を検出することが可能な位置に配置されている。振動検出センサ５、５は、フローチューブ３を三次モード振動で振動させたときに生じる節に対して、ずれた位置となるように配置されている。

振動検出センサ５、５の各コイル１８は、静止部材１０に取り付けられている。また、各コイル１８からは、特に図示しないが、ＦＰＣ（フレキシブル・プリント・サーキット）又は電線が引き出されている。振動検出センサ５、５の各マグネット１９は、専用の取付具を用いてフローチューブ３に取り付けられている。

本形態において、駆動装置４及び振動検出センサ５、５の各コイル１６及び１８は、適度な重量があり図示しないＦＰＣ（フレキシブル・プリント・サーキット）又は電線の配線（配線系の図示は省略する）も必要であることから、上述の如く、静止部材１０の所定位置に取り付けられている。これにより、フローチューブ３の振動に及ぼす影響が極力軽減されている。

尚、本発明においては、コイル１６及び１８とマグネット１７及び１９の取り付けを逆にしたりする（コイル１６及び１８をフローチューブ３に取り付け、マグネット１７及び１９を静止部材１０に取り付ける）ことを妨げないものとする。

本発明の三次モード振動式コリオリ流量計１の内部には、特に図示しないが、基板等が設けられている。また、その基板には、三次モード振動式コリオリ流量計１の外部に引き出されるワイヤハーネスが接続されている。

上記センサ部７の一部を構成する温度センサ６は、三次モード振動式コリオリ流量計１の温度補償をするためのものであって、適宜手段でフローチューブ３に取り付けられている。具体的には、例えば流入口側であって支持部１１に支持固定された部分の近傍、すなわち端部１２の近傍に取り付けられている。尚、温度センサ６から引き出される図示しないＦＰＣ（フレキシブル・プリント・サーキット）又は電線は、図示しない上記基板に接続されている。

上記信号演算処理部８には、一方の振動検出センサ５からの、フローチューブ３の変形に関する検出信号ＤＡ、他方の振動検出センサ５からの、フローチューブ３の変形に関する検出信号ＤＢ、及び温度センサ６からの、フローチューブ３の温度に関する検出信号ＤＴがそれぞれ入力されるように配線及び接続がなされている。このような信号演算処理部８では、センサ部７より入力された検出信号ＤＡ、ＤＢ、及びＤＴに基づいて質量流量Ｑｍ及び密度ρの演算がなされるように構成されている。また、信号演算処理部８では、演算により得られた質量流量Ｑｍ、密度ρが図示しない表示器に対して出力されるように構成されている。

上記励振回路部９は、平滑部２０と比較部２１と目標設定部２２と可変増幅部２３と駆動出力部２４とを備えて構成されている。また、励振回路部９は、フローチューブ３を三次モード振動で振動させるに於いて、正帰還ループが構成されている。平滑部２０は、一方の振動検出センサ５（又は他方の振動検出センサ５）からの検出信号ＤＡを取り出すように配線されている。また、平滑部２０は、入力された検出信号ＤＡを整流平滑するとともに、その振幅に比例した直流電圧ＶＡを出力することができるような機能を有している。比較部２１は、平滑部２０からの直流電圧ＶＡと目標設定部２２から出力される目標設定電圧Ｖｍとを比較するとともに、可変増幅部２３の利得を制御して共振振動の振幅を目標設定電圧に制御することができるような機能を有している。

尚、上記平滑部２０〜駆動出力部２４までの構成は、従来の正帰還ループで振動を制御する場合の構成と同じであるが、本発明の三次モード振動式コリオリ流量計１においては、三次モード振動を得るために、正帰還ループの信号波形を逆相に変換するように構成されている。すなわち、図２中のＡ部において、駆動出力部２４から送出される出力線を逆に結線して出力波形を逆相に変換するように構成されている。又は、図２中のＢ部において、励振回路部９に入力される検出信号ＤＡの信号線を逆に結線して信号波形を逆相に変換するように構成されている。又は、図２中のＣ部において、可変増幅部２３から送出される配線を逆に接続して増幅波形を逆相に変換するように構成されている。又は、図２中のＡ部において、駆動出力部２４から送出される出力をインバータを用いて逆相に変換するように構成されている。又は、図２中のＢ部において、励振回路部９に入力される検出信号ＤＡをインバータを用いて逆相に変換するように構成されている。又は、図２中のＣ部において、可変増幅部２３から送出される出力をインバータを用いて逆相に変換するように構成されている（もう少し詳しく説明すると、駆動装置４を中央の腹Ｈ２に位置するように配置するとともに、振動検出センサ５、５を腹Ｈ１、Ｈ３に配置し、さらには、駆動装置４の変位極性と振動検出センサ５、５の変位極性とを互いに逆相の関係となるようにするとともに、励振回路部９をその正帰還ループ上で上記逆相の関係となった各変位極性を互いに同相の関係となるように変換する）。

上記構成において、フローチューブ３に測定流体を流すとともに、駆動装置４を駆動させてフローチューブ３を三次モード振動で振動させると、振動検出センサ５、５の点でのコリオリの力によって生じるフローチューブ振動の位相差分により、質量流量Ｑｍが信号演算処理部８で算出される。また、本形態においては密度ρも算出される。

以上、図１及び図２を参照しながら説明してきたように、本発明の三次モード振動式コリオリ流量計１は、フローチューブ３を三次モード振動で振動させることから、振動漏洩を軽減することができるという利点を有している。従って、信頼性の高い三次モード振動式コリオリ流量計を提供することができるという利点を有している。また、本発明の三次モード振動式コリオリ流量計１は、三次振動モードで駆動させるため、外乱振動に対しても強いという利点を有している。さらに、本発明の三次モード振動式コリオリ流量計１は、最も振幅が大きくなる中央の腹Ｈ２でフローチューブ３に対する駆動を行うようにしていることから、効率よく駆動させることができるという利点を有している。さらにまた、本発明の三次モード振動式コリオリ流量計１は、上述の如く、駆動装置４を中央の腹Ｈ２に位置するように配置するとともに、振動検出センサ５、５を腹Ｈ１、Ｈ３に配置し、さらには、駆動装置４の変位極性と振動検出センサ５、５の変位極性とを互いに逆相の関係となるようにするとともに、励振回路部９をその正帰還ループ上で上記逆相の関係となった各変位極性を互いに同相の関係となるように変換する構成であることから、三次モード振動を一つの駆動装置４で生じさせることができるという利点を有している。さらにまた、本発明の三次モード振動式コリオリ流量計１は、単純な形状構成であって比較的安価に提供することができるとい利点を有している。さらにまた、本発明の三次モード振動式コリオリ流量計１は、振動検出センサ５、５を介して安定した信号を得ることができるという利点を有している。

次に、図３を参照しながら本発明による三次モード振動式コリオリ流量計の他の一実施の形態を説明する。図３は他の一実施の形態を示す構成図である。

図３において、引用符号１′で示される本発明の三次モード振動式コリオリ流量計は、上述の三次モード振動式コリオリ流量計１の一対の振動検出センサ５、５に替えて、一対の振動検出センサ５′ａ、５′ａと、一対の位相差検出センサ５′ｂ、５′ｂとを設けた点のみが異なっている。

一対の振動検出センサ５′ａ、５′ａは、フローチューブ３の振動を検出するセンサであって、そのうちの一方の振動検出センサ５′ａは、腹Ｈ１の最も振幅が大きい位置に対応するように配置されている。また、他方の振動検出センサ５′ａも同様に、腹Ｈ３の最も振幅が大きい位置に対応するように配置されている。一対の位相差検出センサ５′ｂ、５′ｂは、フローチューブ３に作用するコリオリの力に比例した位相差を検出するセンサであって、中央の腹Ｈ２の範囲内、且つ駆動装置４の左右両側の対称位置となるように配置されている。

尚、三次モード振動式コリオリ流量計１′の作用効果は上述と同様であるので、ここではその説明を省略する。

その他、本発明は本発明の主旨を変えない範囲で種々変更実施可能なことは勿論である。すなわち、上述ではフローチューブ３の形状をＵ字状としていたが、図４に示されるような各種の湾曲管（図４（ａ）〜（ｅ））や直管（図４（ｆ））となる形状のフローチューブ３′に形成してもよいものとする（図４中の○印は三次モード振動の際の振動の腹部を、×印は振動の節部を示している）。また、上述ではフローチューブ３の本数を一本としていたが、対称的な二本の流管で対向振動させてもよく、更には対称的な三本の流管で連成振動させてもよいものとする。

本発明による三次モード振動式コリオリ流量計の一実施の形態を示す構成図である。 三次モード振動式コリオリ流量計のセンサ部、信号演算処理部、及び励振回路部に係るブロック図である。 本発明による三次モード振動式コリオリ流量計の他の一実施の形態を示す構成図である。 フローチューブの他の例に関する説明図である。

符号の説明

１ 三次モード振動式コリオリ流量計
２ 筐体
３ フローチューブ
４ 駆動装置
５ 振動検出センサ
６ 温度センサ
７ センサ部
８ 信号演算処理部
９ 励振回路部
１０ 静止部材
１１ 支持部
１２、１３ 端部
１４ 流入口側接続部
１５ 流出口側接続部
１６、１８ コイル
１７、１９ マグネット
２０ 平滑部
２１ 比較部
２２ 目標設定部
２３ 可変増幅部
２４ 駆動出力部
Ｈ１〜３ 腹
Ｓ１ 第一軸
Ｓ２ 第二軸
Ｓ３ 第三軸

Claims (3)

1. 流出入口を有する両端部で支持される少なくとも一本のフローチューブと、該フローチューブを交番駆動させる駆動装置と、前記フローチューブに作用するコリオリの力に比例した位相差を検出する一対の振動検出センサと、を備えたコリオリ流量計であって、
   前記駆動装置一つで前記フローチューブを三次モード振動させるに於いて、前記駆動装置を前記三次モード振動により生じる三つの腹のうち、中央の腹に位置するように配置するとともに、前記振動検出センサを前記中央の腹を除く前後の腹に配置し、さらには、前記駆動装置の変位極性と前記振動検出センサの変位極性とを互いに逆相の関係となるようにするとともに、前記三次モード振動を励振する励振回路部をその正帰還ループ上で前記逆相の関係となった各前記変位極性を互いに同相の関係となるように変換する構成とした
   ことを特徴とする三次モード振動式コリオリ流量計。
2. 請求項１に記載の三次モード振動式コリオリ流量計において、
   前記正帰還ループ上で各前記変位極性を前記同相の関係とするため、入力線、信号線等の電線を逆に結線又はインバータを介する構成とした
   ことを特徴とする三次モード振動式コリオリ流量計。
3. 請求項１又は請求項２に記載の三次モード振動式コリオリ流量計において、
   前記駆動装置及び前記振動検出センサの構成をコイルとマグネットとを備えるものとするとともに、前記コイルを前記フローチューブとは別の静止部材に配置し、さらには前記マグネットを前記フローチューブに配置した
   ことを特徴とする三次モード振動式コリオリ流量計。
   
   

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