JP2007248125A

JP2007248125A - 振動方向規制手段を有するコリオリ流量計

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Publication number: JP2007248125A
Application number: JP2006069282A
Authority: JP
Inventors: Yuichi Nakao; 雄一中尾
Original assignee: Oval Corp
Current assignee: Oval Corp
Priority date: 2006-03-14
Filing date: 2006-03-14
Publication date: 2007-09-27
Anticipated expiration: 2026-03-14
Also published as: JP4254966B2; US20090038411A1; EP1995572B1; EP1995572A1; WO2007105507A1; EP1995572A4; US7698956B2

Abstract

【課題】極微小流量を計測するのに好適な高感度のコリオリ流量計を提供する。
【解決手段】振動方向規制手段を有するコリオリ流量計１１は、フローチューブ１３、１３と、このフローチューブ１３、１３を駆動する駆動手段１４と、コリオリの力に比例した位相差を検出する位相差検出手段１５、１５とを備えて構成されている。また、振動方向規制手段として機能する板バネ１６、１６と、同じく振動方向規制手段として機能し且つフローチューブ１３、１３に対する固定用の部材としてのフローチューブ固定部材１７とを備えて構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、湾曲管状の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及び／又は振動周波数を検出することにより、フローチューブ内を流れる被測定流体の質量流量及び／又は密度を得る構成のコリオリ流量計に関し、特に、微小流量計測に好適な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フローチューブの一端又は両端を支持し、その支持点回りにフローチューブの流れ方向と垂直な方向に振動を加えたときに、フローチューブ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号公報特公平５−６９４５３号公報

湾曲管式のコリオリ流量計において極微小流量を計測するためには、高感度のチューブ構造が必要であると本願発明者は考えている。耐振動性確保のために通常５０〜６０Ｈｚ以下の振動でフローチューブを駆動することはないことから、このような制約の中で位相差を確保するためには、コリオリの力を受け取るモードに対して剛性の低いチューブ構造が高感度を実現するために求められることになる。剛性の低いチューブ構造としては、トライアングル形状や小判形状にフローチューブを湾曲させることが挙げられるが、更なる感度アップを図るためには、図８に示すような横方向に十分な長さを有する長円形状にフローチューブを湾曲形成することが良いと本願発明者は考えている。

しかしながら、このような図８の形状であると、図中のＺ軸方向の振動（同相、逆相）がフローチューブの駆動周波数に一致、若しくは低くなってしまうこととなり、駆動手段による駆動によってＺ軸方向の振動が励起される可能性がある。Ｚ軸方向の振動が励起されると、本来駆動すべきでない方向の振動が生じてしまうことから、器差が悪化したり振動漏洩が大きくなってゼロ点が安定しなかったりするという問題点を有している。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、極微小流量を計測するのに好適な高感度の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になされた請求項１記載の本発明のコリオリ流量計、すなわち振動方向規制手段を有するコリオリ流量計は、少なくとも１本からなるフローチューブを駆動し、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及び／又は振動周波数を検出することにより、前記フローチューブ内を流れる被測定流体の質量流量及び／又は密度を得る構成のコリオリ流量計において、前記フローチューブの振動方向をＸ軸、前記フローチューブの振動の腹位置における管軸方向をＹ軸、前記Ｘ軸及び前記Ｙ軸に直交する方向をＺ軸と定義するとき、前記Ｙ軸及び前記Ｚ軸方向の剛性よりも前記Ｘ軸方向の剛性が低くなる弾性体を設け、該弾性体の一端を前記フローチューブの前記振動の腹位置若しくはこの近傍に固定するとともに、前記弾性体の他端を前記フローチューブに比べて剛性を有する剛体に固定することを特徴としている。

このような特徴を有する請求項１記載の本発明によれば、剛体に固定される弾性体がフローチューブに連結するという構造になる。フローチューブは、弾性体の存在によってチューブ固定端部以外の位置でも支えられる。フローチューブは、駆動手段により駆動されると、弾性体の剛性特性によって駆動方向以外の振動が規制されつつ振動する。本発明において、剛体とこの剛体に固定される弾性体とが振動方向規制手段に相当する。振動方向規制手段を有しフローチューブを剛性の低いチューブ構造にすることにより、極微小流量を計測するのに好適な高感度のコリオリ流量計が提供される。

請求項２記載の本発明の振動方向規制手段を有するコリオリ流量計は、請求項１に記載の振動方向規制手段を有するコリオリ流量計において、前記フローチューブを前記Ｙ軸方向に長い略長円形状に形成することを特徴としている。また、請求項３記載の本発明の振動方向規制手段を有するコリオリ流量計は、請求項１又は請求項２に記載の振動方向規制手段を有するコリオリ流量計において、前記フローチューブを薄肉細管のものとすることを特徴としている。

このような特徴を有する請求項２、３記載の本発明によれば、高感度のチューブ構造が得られることになる。

本発明によれば、本来駆動すべきでない方向の振動発生を阻止し、器差の悪化防止やゼロ点の安定化を図ることができる。従って、極微小流量を計測するのに好適な高感度の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。

以下、図面を参照しながら説明する。図１は本発明の振動方向規制手段を有するコリオリ流量計の一実施の形態を示す斜視図である。また、図２は図１の要部拡大図である。

図１において、本発明の振動方向規制手段を有するコリオリ流量計１１（以下、単にコリオリ流量計１１と略記する）は、筐体１２と、この筐体１２内に収納されるフローチューブ１３、１３と、フローチューブ１３、１３を駆動する駆動手段１４と、コリオリの力に比例した位相差を検出する位相差検出手段１５、１５と、温度センサ（図示省略）と、質量流量等の演算処理を行う信号演算処理部（図示省略）と、駆動手段１４を励振するための励振回路部（図示省略）とを備えて構成されている。

また、本発明のコリオリ流量計１１は、振動方向規制手段として機能する板バネ１６、１６（特許請求の範囲に記載した弾性体に相当）と、同じく振動方向規制手段として機能し且つフローチューブ１３、１３に対する固定用の部材としてのフローチューブ固定部材１７（特許請求の範囲に記載した剛体に相当）とを備えて構成されている。

以下、図１及び図２を参照しながら各構成部材について説明する（説明の中で、駆動手段１４の駆動方向（フローチューブ１３、１３の振動方向に相当）をＸ軸、フローチューブ１３、１３の振動の腹位置（図中では被駆動位置にあたる）における管軸方向をＹ軸、Ｘ軸及びＹ軸に直交する方向をＺ軸と定義する。各方向は図中に示す通りである）。

上記筐体１２は、曲げやねじれに強固な構造を有している。また、筐体１２は、フローチューブ固定部材１７に固定された状態のフローチューブ１３、１３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１２は、フローチューブ１３、１３等からなる流量計本体を外部から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１２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１３、１３等への結露が防止されている。

上記フローチューブ１３、１３は、ステンレス、ハステロイ、チタン合金、金属ガラス等のこの技術分野において通常の材料を用いて形成されている。フローチューブ１３、１３は、本形態において薄肉細管のものであって、Ｙ軸方向に長い略長円形状に形成されている（Ｙ軸方向の幅がＺ軸方向の高さに比べて十分に大きくなるように形成されている。尚、特に限定するものではないが、本形態においてはＹ軸方向の長さ（幅）とＺ軸方向の長さ（高さ）との比が８．５：１となっている）。フローチューブ１３、１３は、所定の間隔をあけて並ぶように配置されている。フローチューブ１３、１３は、この固定端部がフローチューブ固定部材１７に対して固定されている。

ここで本形態のフローチューブ１３、１３の各部分について説明する。フローチューブ１３、１３は、管軸がＹ軸方向に沿って真っ直ぐにのびる駆動側の直管部分１８、１８と、この駆動側の直管部分１８、１８に平行でフローチューブ固定部材１７に対し固定される固定側の直管部分１９、１９と、駆動側の直管部分１８、１８及び固定側の直管部分１９、１９を連結する半円弧状の流入側湾曲管部分２０、２０及び流出側湾曲管部分２１、２１とを有している。また、フローチューブ１３、１３は、この固定端部がフローチューブ固定部材１７の内部において流入側のマニフォールド２２、流出側のマニフォールド２３に連通するようになっている。図中の矢印は図示しない被測定流体の流れ方向を示している。

尚、フローチューブ１３、１３の形状は一例であり（例えば一本のチューブを湾曲させてなる特開２００５−２２１２５１に開示された形状等でも可能）、剛性の低いチューブ構造のものであればこの限りでないものとする。更には、フローチューブ固定部材１７の内部に対向するフローチューブを上流側計測管部、下流側計測管部とし、互いの管の終端と始端を接続した流路を内在させ、１本のフローチューブをループさせた状態と同等な、いわゆるデュアルループタイプの形態にしても良い。

上記駆動手段１４は、フローチューブ１３、１３の主に駆動側の直管部分１８、１８を対向振動させるためのものであって、コイル２４とマグネット２５とを備えて構成されている。駆動手段１４は、駆動側の直管部分１８、１８の中央に、且つこれらによって挟まれるような状態で配置されている。駆動手段１４は、フローチューブ１３、１３の振動方向（駆動方向）に対して極力オフセットしないような位置に取り付けられている。

駆動手段１４において吸引作用が生じると、マグネット２５がコイル２４に対して差し込まれるような状態になり、この結果、フローチューブ１３、１３の駆動側の直管部分１８、１８同士が近接するようになっている。これに対し、反発作用が生じると、駆動側の直管部分１８、１８同士が離間するようになっている。駆動手段１４は、フローチューブ１３、１３が上述の如くフローチューブ固定部材１７に対して固定されていることから、このフローチューブ１３、１３を、フローチューブ固定部材１７を中心にして回転方向に交番駆動させるように構成されている。

上記位相差検出手段１５、１５は、フローチューブ１３、１３の振動を検出するとともに、フローチューブ１３、１３に作用するコリオリの力に比例した位相差を検出するためのセンサであって、それぞれコイル２６とマグネット２７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）。位相差検出手段１５、１５は、例えばフローチューブ１３、１３の流入側湾曲管部分２０、２０及び流出側湾曲管部分２１、２１に挟まれる範囲内の位置、且つ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。

上記図示しない温度センサは、コリオリ流量計１１の温度補償をするためのものであって、適宜手段で一方のフローチューブ１３の固定端部近傍に固定されている。図示しない温度センサや、位相差検出器１５のコイル２６や、駆動手段１４のコイル２４から引き出される配線は、筐体１２の内部に収納される基板（図示省略）に接続されている。この基板には、ワイヤハーネス（図示省略）が接続されている。ワイヤハーネスは、筐体１２の外部へ引き出されている。

上記図示しない信号演算処理部には、位相差検出器１５、１５からの、フローチューブ１３、１３の変形に関する検出信号、及び温度センサからの、フローチューブ１３の温度に関する検出信号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。信号演算処理部では、入力された各検出信号に基づいて質量流量、密度の演算がなされるように構成されている。また、信号演算処理部では、演算により得られた質量流量、密度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。

上記板バネ１６、１６は、振動方向規制手段として機能する弾性体であって、例えば図示のような短冊状の形状に形成されている（他の形状としては例えば図３に示すような引用符号１６′や１６″の形状も挙げられる。次に説明する剛性特性を有することができれば形状は特に限定されないものとする）。板バネ１６、１６は、Ｙ軸及びＺ軸方向の剛性よりもＸ軸方向の剛性が低くなるように形成されている。

板バネ１６、１６は、ステンレス等の板バネ材として適した板材等により形成されている。板バネ１６、１６の一端は、フローチューブ１３、１３の駆動側の直管部分１８、１８の中央に固定されている（駆動手段１４の反対側に固定されている。被駆動位置であり、この近傍に固定することでも良いものとする）。また、板バネ１６、１６の他端は、フローチューブ固定部材１７に固定されている。板バネ１６、１６の固定方法としては、例えばロー付けが挙げられるものとする。専用の小形ブラケットを用いたり、端部を固定し易いように加工しても良いものする。

板バネ１６、１６は、フローチューブ１３、１３の固定端部以外の位置でもフローチューブ１３、１３を支えるようになっている。また、板バネ１６、１６は、この剛性特性によって、駆動手段１４の駆動方向以外の振動を規制するようにもなっている。板バネ１６、１６は、Ｙ軸方向及びＺ軸方向にフローチューブ１３、１３を振動させないようにするために有用な部材となっている。

上記構成において、フローチューブ１３、１３に被測定流体を流すとともに、駆動手段１４を駆動させてフローチューブ１３、１３を対向振動させると、位相差検出器１５、１５の位置でのコリオリの力によって生じる位相の差分により、質量流量が上記信号演算処理部で算出される。また、本形態においては、振動周波数から密度も算出される。駆動手段１４の駆動中においては、板バネ１６、１６の作用により本来駆動すべきでない方向の振動発生が阻止されることから、算出される質量流量や密度は信頼性のあるデータとして出力される。

次に、図４を参照しながら振動方向規制手段として機能する剛体及び弾性体の他の例を説明する。図４は剛体及び弾性体の他の例を示す斜視図である。尚、上述の形態の構成と基本的に同じものには同一の符号を付して説明を省略するものとする。

図４において、振動方向規制手段として機能し且つフローチューブ１３、１３に対する固定用の部材としてのフローチューブ固定部材１７には、台座２８が一体に設けられている。また、フローチューブ固定部材１７とフローチューブ１３、１３の振動の腹（被駆動位置）との間には、振動方向規制手段として機能する板バネ１６、１６が固定されている。台座２８は、振動方向規制手段として機能する剛体であって、ここではコ字状の形状に形成されている。具体的には、フローチューブ１３、１３の間でＺ軸方向にのび、一端がフローチューブ固定部材１７に連続する脚部２９、２９と、この脚部２９、２９の各他端に連続する、Ｙ軸方向の連結部３０とを有している。

脚部２９、２９は、板バネ１６、１６の約２倍の長さを有するように形成されている。連結部３０は、この側部中間がＸ軸方向に突出する一対の凸部分を有している。この一対の凸部分とフローチューブ１３、１３の振動の腹（被駆動位置）との間には、板バネ３１、３１が固定されている。板バネ３１、３１は、振動方向規制手段として機能する弾性体であって、板バネ１６、１６と同様に形成及び固定されている。

上記構成において、フローチューブ１３、１３が駆動手段１４により駆動されると、このフローチューブ１３、１３は板バネ１６、１６及び板バネ３１、３１の剛性特性によって駆動方向（Ｘ軸方向）以外の振動が規制されつつ振動する。従って、本来駆動すべきでない方向の振動発生が阻止される。

図５ないし図７は、振動方向規制手段として機能する剛体及び弾性体の他の例を示している。図中において、引用符号４１はフローチューブを示している。また、引用符号４２は剛体を示している。さらに、引用符号４３は弾性体を示している。尚、図中の破線はこの部分に剛体や弾性体が存在しても良いことを示している。図５ないし図７の振動方向規制手段を適用することによっても上述同様の作用効果を奏するものとする。

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。

本発明の振動方向規制手段を有するコリオリ流量計の一実施の形態を示す斜視図である。図１の要部拡大図である。板バネの他の例を示す斜視図である。振動方向規制手段として機能する剛体及び弾性体の他の例を示す斜視図である。振動方向規制手段として機能する剛体及び弾性体の他の例を示す模式図である。振動方向規制手段として機能する剛体及び弾性体の他の例を示す模式図である。振動方向規制手段として機能する剛体及び弾性体の他の例を示す模式図である。従来例の長円形状のフローチューブを示す斜視図である。

符号の説明

１１振動方向規制手段を有するコリオリ流量計（コリオリ流量計）
１２筐体
１３フローチューブ
１４駆動手段
１５位相差検出手段
１６板バネ（弾性体）
１７フローチューブ固定部材（剛体）
１８駆動側の直管部分
１９固定側の直管部分
２０流入側湾曲管部分
２１流出側湾曲管部分
２２流入側のマニフォールド
２３流出側のマニフォールド
２４、２６コイル
２５、２７マグネット
２８台座（剛体）
２９脚部
３０連結部
３１板バネ（弾性体）
４１フローチューブ
４２剛体
４３弾性体

Claims

少なくとも１本からなるフローチューブを駆動し、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及び／又は振動周波数を検出することにより、前記フローチューブ内を流れる被測定流体の質量流量及び／又は密度を得る構成のコリオリ流量計において、
前記フローチューブの振動方向をＸ軸、前記フローチューブの振動の腹位置における管軸方向をＹ軸、前記Ｘ軸及び前記Ｙ軸に直交する方向をＺ軸と定義するとき、
前記Ｙ軸及び前記Ｚ軸方向の剛性よりも前記Ｘ軸方向の剛性が低くなる弾性体を設け、該弾性体の一端を前記フローチューブの前記振動の腹位置若しくはこの近傍に固定するとともに、前記弾性体の他端を前記フローチューブに比べて剛性を有する剛体に固定する
ことを特徴とする振動方向規制手段を有するコリオリ流量計。
請求項１に記載の振動方向規制手段を有するコリオリ流量計において、
前記フローチューブを前記Ｙ軸方向に長い略長円形状に形成する
ことを特徴とする振動方向規制手段を有するコリオリ流量計。
請求項１又は請求項２に記載の振動方向規制手段を有するコリオリ流量計において、
前記フローチューブを薄肉細管のものとする
ことを特徴とする振動方向規制手段を有するコリオリ流量計。