JP2008064544A - 振動式測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】計測精度の向上を図ることができる振動式測定装置を提供する。
【解決手段】センサチューブの配置部分の環境温度を検出する温度センサ３０と、温度センサ３０が得た温度データに基づいて振幅制御回路４８が出力する目標振幅信号を変更する目標振幅変更回路６０と、を備えた。温度センサ３０が検出した温度データが、所定値より大きい場合には、目標振幅信号に基づいて振幅が大きくされた電流が励振コイル１６ａに供給されるように振幅制御回路４８が、励振回路４４を制御する。この制御により、マグネットの温度低下に伴う磁力線の発生数の低下にかかわらず、センサチューブ１４，１５が発生する実振幅を所定の大きさにでき、これにより、環境温度の上昇に伴い従来技術で起こり得たゼロ点の変化を回避でき、計測精度の向上を図ることができる。
【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振動させてセンサチューブに作用するコリオリ力に応じた変位を検出するように構成された振動式測定装置に関する。

流体が供給されたセンサチューブ（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などがある。
コリオリ式質量流量計では、被測定流体が通過するセンサチューブを加振器により管径方向に振動させ、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定流体の密度に応じた周波数で振動することを利用して、被測定流体の密度を検出するようにしている。

コリオリ式質量流量計では、例えば、一対のセンサチューブに流体を流し、加振器（励振コイル）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が採用されている（特許文献１参照）。
また、コリオリ式質量流量計では、例えば、加振器及びピックアップについて、夫々、マグネットとコイルとから構成し、加振器の励振コイルに駆動パルス又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付けられた駆動用マグネットに対して吸引力又は反発力が作用してセンサチューブが振動し、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。

このコリオリ式質量流量計では、上述したようにコリオリ力によるセンサチューブの変位（検出用マグネットの変位）を検出することにより被測定流体の質量流量を検出するようにしているが、前記コリオリ力は、センサチューブの振動方向に働き、かつセンサチューブの流入側と流出側とで逆方向である。
そのため、センサチューブには、コリオリ力による捩れが生じ、この捩れ角がセンサチューブ内を流れる流体の質量流量に比例する。従って一対のセンサチューブの流入側と流出側の夫々の捩れる位置に振動及びコリオリ力による変位を検出する一対のピックアップ〔コイル（センサコイル）とマグネット（検出用マグネット）とを組合わせた振動センサ〕を設け、上記センサチューブの捩れによって生じる両センサの検出信号の時間差（位相差）を計測して、質量流量を計測している。

ところで、コリオリ式質量流量計では、上述したようにマグネットを用いているが、そのマグネットは、高温になると、外部に流出する磁力線の本数が減り、これに伴い、図６に示すように、磁束密度が温度上昇に伴い小さくなる、すなわち、周囲の磁束密度が小さくなる現象を呈する。この場合、センサチューブの変位量は、同等であるにもかかわらず、温度上昇に伴うマグネットの発生磁力線の減少により、ピックアップ（センサコイル）の検出信号の振幅電圧が変化する（この場合、小さくなる）。

ここでコリオリ式質量流量計としては、センサチューブの破損を防ぐために振幅制御回路があり、センサチューブの振幅（変位）が一定となるようにするため、センサコイルから得られた回路振幅の信号を一定値となるように振幅が制御される。そのためマグネットが高温となったことにより磁力線の本数が減ると、ピックアップコイルの信号が小さくなった分を、センサチューブの振幅を増大させるので、回路振幅が一定値となるような点で安定となる。すなわち、温度上昇によって、センサチューブの振幅変位は増大する。従って、マグネットとコイルの位置関係が変わって、センサコイルから得られる信号電圧は正弦波から逸脱し、そのためにコリオリ力による位相差（時間差）検出に多大な影響を与えることになる。
実際にコリオリ力による時間差検出を行うと、２つのセンサコイルの信号の正弦波の変化や実振幅の変化などで、コリオリ力がゼロすなわち流量がゼロの状態でも、時間差が発生しているように見えることがある。これはゼロ点の変化と呼ばれ、流量検出精度への影響が大きい
特開平６−３３１４０６号公報

ところで、上述した検出信号調整の従来技術では、時間差の検出に用いる信号は、温度変化にかかわらず振幅の最大値が同等に設定されている。しかしながら、環境温度ひいてはマグネットの温度上昇に伴い、同等流量であっても、マグネットの発生磁力線の減少により、ピックアップの検出信号の振幅は変化する（この場合、小さくなる）ことになり、ゼロ点の変化として観測され、計測精度の低下を招くことになる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、計測精度の向上を図ることができる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、被測定流体が流れるセンサチューブと、該センサチューブを振動させるように設けられた励振コイル及びマグネットからなる加振器と、前記励振コイルに電流を供給して前記励振コイルを駆動する駆動回路と、目標振幅信号を前記駆動回路に出力することにより前記目標振幅信号に基づいて前記センサチューブの振動振幅を制御する振幅制御回路と、前記センサチューブが振動している際に前記センサチューブの変位を検出する一対の変位検出手段と、該一対の変位検出手段が得る一対の検出信号の時間差を測定する時間差測定回路と、を備え、前記一対の検出信号の時間差に基づいて被測定流体の流量を求める振動式測定装置において、前記センサチューブの配置部分の環境温度を検出する環境温度検出手段と、該環境温度検出手段が得た温度データに基づいて前記振幅制御回路が出力する前記目標振幅信号を変更する目標振幅信号変更回路と、を設けたことを特徴とする。
請求項２記載の発明は、請求項１に記載の振動式測定装置において、前記環境温度検出手段は、前記センサチューブ又はその近傍に配置されて前記センサチューブの環境温度を検出する温度センサであることを特徴とする。
請求項３記載の発明は、請求項１に記載の振動式測定装置において、前記環境温度検出手段は、励振コイルヘの電流供給時に生じる励振電圧の振幅を検出する励振電圧検出回路と、予め求められている温度−励振電圧振幅特性を用いて前記励振電圧検出回路が得た検出データに基づいて温度データを得る温度算出回路と、からなることを特徴とする。

請求項１〜３に記載の発明によれば、環境温度検出手段が得た温度データに基づいて、目標振幅信号変更回路が、振幅制御回路が出力する目標振幅信号を変更するので、目標振幅信号に基づいて振幅が大きくされた電流を励振コイルに供給することが可能となり、これによりマグネットの温度低下に伴う磁力線の発生数の低下にかかわらず、センサチューブが発生する実振幅を所定の大きさにでき、ひいては、環境温度の上昇に伴い従来技術で起こり得たゼロ点の変化を回避でき、計測精度の向上を図ることができる。

以下、本発明の第１実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の第１実施形態に係る振動式測定装置を模式的に示す正面図であり、図２は、図１の矢印Ａ方向に沿う側面図である。尚、振動式測定装置は、被測流体の密度を求めること、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、本実施形態ではコリオリ式質量流量計（以下、適宜、質量流量計とも言う。）として用いた場合について説明する。

図１及び図２に示されるように、質量流量計１０は、マニホルド１２と、マニホルド１２の上面に接続され、平行に形成された逆U字状のセンサチューブ１４、１５と、センサチューブ１４の円弧状の中間部分１４ｃ及びセンサチューブ１５の円弧状の中間部分１５ｃの間に取り付けられた加振器１６と、センサチューブ１４，１５の流入側の相対変位(相対速度)を検出する流入側振動ピックアップ１８と、センサチューブ１４，１５の流出側の相対変位(相対速度)を検出する流出側振動ピックアップ２０と、を有する。マニホルド１２は、直方体形状の金属ブロックからなり、一方の端部（図１左側）に流入口１２ａが設けられ、他方の端部（図１右側）に流出口１２ｂが設けられている。なお、マニホルド１２は、上記形状（直方体形状）に限られない。
センサチューブ１４、１５の各流入側端部１４ａ、１５ａが流入口１２ａに連通され、センサチューブ１４、１５の各流出側端部１４ｂ、１５ｂが流出口１２ｂに連通されている。従って、流入口１２ａに流入された流体は、センサチューブ１４、１５を通過して流出口１２ｂより外部に流出される。

加振器１６は、図２に示すように、センサチューブ１４の先端に取り付けられた励振コイル１６ａと、センサチューブ１５の先端に取り付けられたマグネット１６ｂと、からなる。また、流入側振動ピックアップ１８は、センサチューブ１４における中間部分１４ｃより流入側端部１４ａ側部分に取り付けられたセンサコイル１８ａと、センサチューブ１５におけるにおける中間部分１５ｃより流入側端部１５ａ側部分に取り付けられたマグネット１８ｂと、からなる。また、流出側振動ピックアップ２０は、センサチューブ１４における中間部分１４ｃより流出側端部１４ｂ側部分に取り付けられたセンサコイル２０ａと、センサチューブ１５における中間部分１５ｃより流出側端部１５ｂ側部分に取り付けられたマグネット２０ｂと、からなる。
また、質量流量計１０には、図３に示すように、センサチューブ１４、１５の流入側またはマニホルド１２の流入口１２ａ付近の温度（センサチューブの配置部分の環境温度）を測定する温度センサ（環境温度検出手段）３０が設けられている。

流入側振動ピックアップ１８、流出側振動ピックアップ２０は、図１に示すように正面からみてセンサチューブ１４、１５の中間部分１４ｃ，１５ｃを横切る縦線に対して加振器１６を中心にして対称に配置されている。そして、加振器１６は、図３に示す流量計測制御回路４０により駆動制御され、流入側振動ピックアップ１８、流出側振動ピックアップ２０により検出された検出信号は、流量計測制御回路４０に入力される。加振器１６は、励振コイル１６ａ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１６ｂ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１４ｃを横方向(図２Y方向)に振動させる。当然センサチューブ１５の中間部分１５ｃへはその反力として同じ力が働き、反対方向に振動する。

流入側振動ピックアップ１８は、上記センサコイル１８ａと、マグネット１８ｂと、から構成されており、かつ、センサコイル１８ａ、マグネット１８ｂが流入側のセンサチューブ１４とセンサチューブ１５とともに近接・離間するため、センサコイル１８ａからはセンサコイル１８ａとマグネット１８ｂの変位量(変位速度)に応じた検出信号を出力される。また、流出側ピックアップ２０は、上記コイル２０ａと、マグネット２０ｂから構成されており、かつ、コイル２０ａ、マグネット２０ｂが流出側のセンサチューブ１４とセンサチューブ１５とともに近接・離間するため、センサコイル２０ａからはセンサコイル２０ａとマグネット２０ｂの変位量(変位速度)に応じた検出信号が出力される。

図３は質量流量計１０の流量計測制御回路４０を示すブロック図である。図３に示されるように、流量計測制御回路４０は、センサコイル１８ａ，２０ａに接続された本質安全防爆バリア回路４２と、バリア回路４２を介して励振コイル１６ａに接続された駆動回路を構成する励振回路（ゲイン可変アンプ）４４と、を有する。流量計測制御回路４０は、さらに、バリア回路４２を介してセンサコイル１８ａ，２０ａに接続された振幅検出・時間差検出回路（時間差測定回路）４６と、励振回路４４に接続され、励振コイル１６ａへの供給電流の振幅を制御するための振幅制御回路４８と、を有する。

センサコイル１８ａ，２０ａから得られた速度信号を、振幅検出・時間差検出回路４６に含まれる積分回路(図示省略)に入力すると、センサチューブ１４，１５の実位置に比例した信号となる。マグネット１８ｂ，２０ｂの強さによってセンサコイル１８ａ，２０ａから得られた信号の大きさは変化するので、前記積分回路の出力もマグネット１８ｂ，２０ｂの強さによって大きさが変化する信号である。そのため、振幅検出・時間差検出回路４６の振幅出力は、回路振幅と記載した。ここで、回路振幅として出力されるものは、振幅検出・時間差検出回路４６に含まれる積分回路の出力電圧のピーク値（プラスマイナス）もしくは実効値を求めれば、センサチューブ１４，１５の振幅に相当（比例）する信号が得られる。

つぎに、センサコイル１８ａ，２０ａから得られた速度信号は、ゲイン可変アンプ４４に入力される。ゲイン可変アンプ４４の出力は、励振コイル１６ａに接続され、そのままセンサチューブ１４，１５を加振する信号となる。センサコイル１８ａ，２０ａから得られる信号は、速度に比例しているため、励振コイル１６ａへ速度に比例した電圧が供給されるので、ゲインをある値に固定すれば、センサチューブ１４，１５は共振状態で安定して振動することになる。ここで、ゲインを変えれば、センサチューブ１４，１５の振幅は変化することになる。そのゲインを変えることで、目標とする振幅に制御するための回路が、振幅制御回路４８である。

振幅検出・時間差検出回路４６からセンサチューブ１４，１５の振幅に比例する電圧（回路振幅）と、目標振幅変更回路６０からセンサチューブ１４，１５の目標とする振幅が、振幅制御回路４８に供給される。ゲイン可変アンプ４４には、回路振幅と目標振幅の大きさに応じてゲインが供給される。回路振幅が大きい場合にはゲインを下げ、回路振幅が小さい場合にはゲインを上げるように、振幅制御回路４８は動作する。振幅制御回路４８は、目標振幅から回路振幅を減算する回路と、その信号を積分する回路から容易に実現できる。
従って、センサチューブ１４，１５の速度に比例するセンサコイル１８ａ，２０ａの信号と、ゲイン可変アンプ４４から構成されるフィードバックで、センサチューブ１４，１５の振幅制御の回路構成をとることで、目標振幅と回路振幅とが一致したポイントでセンサチューブ１４，１５の振幅は安定することになる。ここで、センサチューブ１４，１５の速度信号は、マグネット１８ｂ，２０ｂの強さによって変化するので、回路振幅の安定点もマグネット１８ｂ，２０ｂの強さによって変化している。

振幅制御回路４８は、目標振幅信号を励振回路４４に出力することにより目標振幅信号に基づいて励振コイル１６ａに対する供給電流の振幅、ひいてはセンサチューブ１４，１５の振動振幅を制御する。振幅検出・時間差検出回路４６は、入力を受けた信号に基づいて振幅データを振幅制御回路４８に出力し、かつ流量検出に用いられるセンサコイル１８ａ，２０ａの検出信号の時間差を算出し、これを時間差出力信号として後述するゲイン可変アンプ５０に出力する。

なお、ゲイン可変アンプ４４のゲインは、センサチューブ１４，１５のＱ値とセンサコイル１８ａ，２０ａの感度によって決まる。Ｑ値とは、振動の状態を表す値で、振動系に蓄えられるエネルギーを、振動系から散逸するエネルギーで割ったものに相当し、共振周波数近傍での強制振動における最大振幅が静的強制力による変位のＱ倍となることから振幅増大係数と呼ばれる場合もある。振動系に蓄えられるエネルギーはセンサチューブ１４，１５のばね定数と振幅と振動周波数によって決まり、振幅が一定の条件では振動系に蓄えられるエネルギーはほぼ一定となる。振動系から散逸するエネルギーは、ゲイン可変アンプ４４から供給されるエネルギーに相当するので、Ｑ値、ばね定数の変化（ヤング率）、位置振幅（絶対振幅）、振動周波数変化（ばね定数や質量変化：流体の密度変化によって引き起こされる）などが変化すれば、ゲインは変化せざるを得ない。

流量計測制御回路４０は、さらに、温度センサ３０に接続され、温度センサ３０により検出された温度データが入力される本質安全防爆バリア回路３２と、バリア回路３２を介して温度センサ３０に接続されて温度センサ３０からの温度データに対応した温度信号を出力する温度測定回路３４と、温度測定回路３４に接続されて温度測定回路３４からの温度信号によりヤング率と連動するばね定数（ヤング率）を補正するヤング率計算回路３６と、を有する。

振幅制御回路４８及び温度測定回路３４には目標振幅変更回路（目標振幅信号変更回路）６０が接続されている。目標振幅変更回路６０は、目標振幅信号を設定する目標振幅設定部７１と、目標振幅設定部７１で設定された目標振幅信号を直接に、また、温度測定回路３４からの温度信号に基づいて前記目標振幅信号を変更しこの変更により得られた信号（変更目標振幅信号。以下、単に目標振幅信号とも言う。）を、振幅制御回路４８に入力する目標振幅調整部７２と、を有する。

流量計測制御回路４０は、さらに、ヤング率計算回路３６及び振幅検出・時間差検出回路４６に接続されたゲイン可変アンプ５０と、ゲイン可変アンプ５０に接続された流量出力回路（Ｖ／Ｆ）５２及びフィルタ回路５４と、を備えている。流量出力回路（Ｖ／Ｆ）５２は、ゲイン可変アンプ５０を介して振幅検出・時間差検出回路４６から入力を受ける時間差出力信号に基づいて質量流量を求めて、この質量流量を示す流量出力信号をパルス信号で出力する。フィルタ回路５４は、ゲイン可変アンプ５０を介して振幅検出・時間差検出回路４６から入力を受ける時間差出力信号に基づいて質量流量を求めて、この質量流量を示す流量出力信号をアナログ信号で出力する。

上述したように構成した質量流量計１０では、目標振幅設定部７１で設定された目標振幅信号を、温度センサ３０が得た温度データに基づいて目標振幅調整部７２が変更し、新たな目標振幅信号を得てこれを振幅制御回路４８に入力し、振幅制御回路４８が、目標振幅信号に基づいた振幅の電流が励振コイル１６ａに供給されるように励振回路（駆動回路）４４を制御する。

ここで、マグネットが高温となったことにより磁力線の本数が減った場合には、その本数の減少分だけ目標振幅信号（図４破線）を減少させれば、ピックアップコイル（センサコイル１８ａ，２０ａ）の信号（図４実線）が小さくなった点で安定する。そのピックアップコイル（センサコイル１８ａ，２０ａ）の減少分は磁力線の本数の減少分であるので、実際には、センサチューブ１４，１５の振幅を増大させずに一定値（図４実振幅値）が実現できる。
また、温度が低い場合には、振幅設定値が大きくなるので、マグネット１８ｂ，２０ｂの磁力線の本数がふえて、感度が高くなっているので、これも同じ実振幅値を実現できる。
このため、図４に示すように、センサチューブ１４，１５の実振幅値を所定の大きさ（図４に示す例では１ｍｍ）にでき、これにより、環境温度の上昇に伴い従来技術（検出信号調整の従来技術）で起こり得たマグネットとコイルの位置関係が変わったことによるセンサコイルから得られる信号電圧が正弦波から逸脱する現象や、またそのために発生したコリオリ力による位相差（時間差）検出誤差は発生しなくなる。そのため、ゼロ点の変化を回避でき、計測精度の向上を図ることができる。

次に、本発明の第２実施形態に係る質量流量計１０Ａについて、図５に基づいて説明する。
この質量流量計１０Ａは、第１実施形態に係る質量流量計１０（図３）に比して、図５に示すように、第１実施形態が有する温度センサ３０、バリア回路３２及び温度測定回路３４を廃止したこと、励振コイル１６ａに供給される励振電圧を検出する励振電圧検出回路８１と、励振電圧検出回路８１が検出する励振電圧に基づいて温度を検出する温度検出回路８２と、を設けたこと、目標振幅調整部７２が温度測定回路３４に代えて温度検出回路８２から温度信号の入力を受けることが主に異なっており、他の部分は、第１実施形態に係る質量流量計１０と同等に構成されている。なお、質量流量計１０の流量計測制御回路４０に対応する流量計測制御回路を４０Ａで示す。

温度検出回路８２は、当該質量流量計１０Ａのモデル機を対象にして予め温度−励振電圧振幅特性を求めこのデータを予め格納しており、この格納データに、励振電圧検出回路８１が検出する励振電圧を照らして対応する温度信号（センサチューブ１４，１５の配置部分の環境温度）を求めるようにしている。
この第２実施形態によれば、第１実施形態と同様に、温度データが、所定値より大きい場合には、目標振幅信号に基づいて振幅が大きくされた電流が励振コイル１６ａに供給されるように励振回路４４を制御し、センサチューブ１４，１５の実振幅値を所定の大きさにするので、計測精度の向上を図ることができる。
また、第２実施形態によれば、第１実施形態に比して、温度センサ３０を廃止しており、上記計測精度の向上と共に、装置の簡易化を合せて果すことができる。

本発明の第１実施形態に係るコリオリ式質量流量計（振動式測定装置）を模式的に示す正面図である。 図１の質量流量計を模式的に示す側面図である。 図１の加振器及びピックアップに接続される流量計測制御回路を示す回路図である。 同質量流量計の作用を説明するための図であり、振幅検出・時間差検出回路の出力信号、目標振幅変更回路の出力信号とセンサチューブの実振幅との対応関係を示す特性図である。 本発明の第２実施形態に係る質量流量計を図３に対応して示す回路図である。 磁束密度と温度との対応関係を示す特性図である。

符号の説明

１０…コリオリ式流量計（振動式測定装置）、３０…温度センサ（環境温度検出手段）、４６…振幅検出・時間差検出回路（時間差測定回路）、４８…振幅制御回路、６０…目標振幅変更回路（目標振幅信号変更回路）、８１…励振電圧検出回路、８２…温度検出回路。

Claims (3)

1. 被測定流体が流れるセンサチューブと、該センサチューブを振動させるように設けられた励振コイル及びマグネットからなる加振器と、前記励振コイルに電流を供給して前記励振コイルを駆動する駆動回路と、目標振幅信号を前記駆動回路に出力することにより前記目標振幅信号に基づいて前記センサチューブの振動振幅を制御する振幅制御回路と、前記センサチューブが振動している際に前記センサチューブの変位を検出する一対の変位検出手段と、該一対の変位検出手段が得る一対の検出信号の時間差を測定する時間差測定回路と、を備え、前記一対の検出信号の時間差に基づいて被測定流体の流量を求める振動式測定装置において、
   前記センサチューブの配置部分の環境温度を検出する環境温度検出手段と、
   該環境温度検出手段が得た温度データに基づいて前記振幅制御回路が出力する前記目標振幅信号を変更する目標振幅信号変更回路と、
   を設けたことを特徴とする振動式測定装置。
2. 前記環境温度検出手段は、前記センサチューブ又はその近傍に配置されて前記センサチューブの環境温度を検出する温度センサであることを特徴とする請求項１に記載の振動式測定装置。
3. 前記環境温度検出手段は、励振コイルヘの電流供給時に生じる励振電圧の振幅を検出する励振電圧検出回路と、予め求められている温度−励振電圧振幅特性を用いて前記励振電圧検出回路が得た検出データに基づいて温度データを得る温度算出回路と、からなることを特徴とする請求項１に記載の振動式測定装置。

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