JP2009020084A - コリオリ流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】 測定精度が高く、温度特性が優れかつ超小型のコリオリ流量計を提供すること。
【解決手段】 チタン合金製のベース台７にコイル４を挿入したプラスチック製のコイルケース１２を図示しないボルトにより接合する。また支持台６に取付けるためのネジ穴１３を設ける。チタン合金製の支持台６にチタン製の流管２と流管２の両側に配置した磁石５を取付けた振動体３ａ、３ｂであるチタン合金製の管が通る穴を設け、そして支持台６に流管２および振動体３ａ、３ｂをロウ付けにより接合する。チタン合金製の上カバー８には、支持台６に取付けるための孔１０を設ける。
【選択図】図３

Description

本発明は、コリオリ力を利用した質量流量計または密度計に関するものである。

質量流量を直接求めるコリオリ流量計は流管内に流れる測定流体に振動を与えた場合に振動した測定流体に作用するコリオリ力が質量流量に比例することを利用した直接質量流量計である。しかしコリオリ力は加振力に対して微少な力であるから、コリオリ流量計には高感度で安定した力計測手段が要求される。

通常、コリオリの力はコリオリ力による流管の弾性変形またはひずみとして検出される。このため、従来、流管は変形量が大きく取れる湾曲した形状にしていた。湾曲形状のコリオリ流量計は、Ｕ字状に湾曲してなるため、被測定流体がセンサチューブ内を通過する際、センサチューブの形状による圧力損失が生じ易く、計測精度を向上させることが難しいという問題点もあった。また、湾曲形状のコリオリ流量計は、一般に形状が大きくなるという欠点もある。このため、流管を直管形状とした直管式のコリオリ流量計が試みられている。

直管式のコリオリ流量計は、加振する流管に単一流管を使用したものと、複数の直管を並列に配置した方式がある。いずれの場合も直管の両端部を支持し、中間部で流管を加振する駆動手段と、駆動手段と支持部との間でコリオリ力による微少な変位またはひずみを検出する手段を有している。

このような構成からなる直管式のフローチューブは、通常、駆動手段により支持部を節部とした曲げ一次振動モードとして駆動される。この振動数をω、流速をｖ、単位体積当りの質量をｍとすると、コリオリ力Ｆは振動数ωと流速ｖのベクトル積に比例し、−２ｍ〔ω〕×〔ｖ〕であらわされる。ここで、〔ω〕、〔ｖ〕はベクトルである。

特許文献１のコリオリ流量計について詳しく説明する。被測定流体を流通させる１本のフローチューブとこの両側にほぼ平行に配置した２本のカウンタチューブを有し、これら３本の直管の軸方向の両側に基部の長さをフローチューブの軸方向に沿ってフローチューブの長さの３／１０以上としているものである。直管状のフローチューブには被測定流体が流れる。そして、基部はケース板に固定されている。

ここでフローチューブとカウンタチューブの共振周波数はほぼ等しくなるように調整されている。さらに、フローチューブとカウンタチューブの中央部には、これらのチューブに曲げ一次振動モードを励起するための駆動装置が設置されている。そして、駆動装置の両側の対称位置に１対のセンサが設置されコリオリ力によるフローチューブの変位を検出する。このような平行カウンタバランスを備えた従来のコリオリ流量計は、マスバランスを取るように共振周波数はほぼ等しくなるように調整されている。

特開２００１−２８９６８３号公報

しかし、フローチューブとカウンタチューブを基部に接合した構成をケース板にボルトなどにより固定しているが、取り付け誤差によりフローチューブに応力が生じる虞がある。また、フローチューブ、カウンタチューブを基部に溶接などで接合する際、フローチューブ、カウンタチューブの剛性が小さいため変形し易く正確な形状を達成することが困難である。さらに、温度が変化したとき基部とケースの接合部に応力が生じる虞がある。

本発明の目的は、超高精度でかつ温度特性の非常に優れたコリオリ流量計を提供するものである。

本発明は、流管の両側に振動を与えるコイルと、流管の両側に流管と平行に管または棒を配置しているコリオリ流量計において、支持台が枠体状であるものとすることである。

本発明はまた、流管の振動方向と垂直である面を持つ支持台において、支持台の幅Ｗは、少なくとも流管の外径Ｄの２倍以上であり、そして支持台の長さＬは流管の外径Ｄの３倍以上であり、ベース台の厚さＨｂと上ケースの厚さＨｕが流管の外径Ｄの２倍以上であるコリオリ流量計とするものである。

本発明はまた、流管の振動方向と平行である面を持つ支持台において、支持台の厚さＴは、少なくとも流管の外径Ｄの２倍以上であり、そして支持台の長さＬは流管の外径Ｄの３倍以上であり、側面板の厚さＴｓが流管の外径Ｄの２倍以上であるコリオリ流量計とするものである。

本発明の直管状のコリオリ流量計は、超高精度に液体、気体の質量流量を測定することができる。

第１の実施の形態である基本的な構成を図１の正面図と図２の側面図で示す。

流管２の軸方向と垂直である方向の対向する位置に磁石５を接合し、そして流管２の両側に流管２を振動させるためにコイル４を配置した構成は、流管２を振動させる力の反作用としてコイル４に対して磁石５から力が作用しコイル４が振動する。そしてコイル４を取付けたベース台７にコイル４の振動が伝播する。

ベース台７に取り付けたコイル４に振動を発生する力を与えない構成として、コイル４の両側にサマリウム−コバルト製の磁石５を配置して、コイル４に両側より方向が互いに逆である等しい力を与えることによりコイル４に加わる力を相殺して、コイル４に振動する力を発生させない。

もし、コイル４に加わる力が存在するとベース台７に振動が発生する。ベース台７の振動は、ベース台７を固定する取付け状態により変化する。例えば、振動が伝播し易い取り付け状態では、振動が外部に漏れることになるので、コリオリ力を検出する感度が小さくなる。また、振動が伝播し難い取り付け状態では、振動が外部に漏れることが小さくなるので、コリオリ力を検出する感度は相対的に大きくなる。しかし、振動が伝播し難い取り付け状態でも、ベース台７と外部の接触状態により変化するため感度が変化する虞がある。つまり、ベース台に振動を与える力が発生することが問題点である。

チタン合金製の流管２に接合した磁石５と対向する磁石５を取付けたチタン合金製の振動体３ａ、３ｂがある。そして振動体３ａ、３ｂの形状は管である。振動体３の形状は、管に限らず棒など様々な形状がある。磁石５を取付けた振動体３ａ、３ｂは当然、流管２の両側に配置する。

流管２と流管２の両側に配置した磁石５を取付けた振動体３ａ、３ｂを取付けるチタン合金製の支持台６の構成としては、流管２と振動体３ａ、３ｂの合計の質量に対して、３０倍以上の質量を持つ支持台６であることが、流管２と振動体３ａ、３ｂの振動を外部に漏らさないために望ましい。また、支持台６は枠体状であることが望ましい。このような構成にすることで振動を閉じ込める構造となる。

支持台６の形状としては、支持台６の幅Ｗは流管２の外径Ｄの２倍以上、支持台の長さＬが流管の外径Ｄの３倍以上であることが望ましい。このような構成にすることで、流管２と流管２の両側に配置した磁石５を取付けた振動体３ａ、３ｂの剛性に比較して支持台６の剛性を大きくすることができる。そのことにより、流管２と流管２の両側に配置した磁石５を取付けた振動体３ａ、３ｂの振動を外部に漏らさないことができる。

ここで詳細な構成を図３に示す分解斜視図を用いて説明する。チタン合金製のベース台７にコイル４を挿入したプラスチック製のコイルケース１１を図示しないボルトにより接合する。また支持台６に取付けるためのネジ穴１３を設ける。

チタン合金製の支持台６にチタン製の流管２と流管２の両側に配置した磁石５を取付けた振動体３ａ、３ｂであるチタン合金製の管が通る穴を設け、そして支持台６に流管２および振動体３ａ、３ｂをロウ付けにより接合する。また、ベース台７と上カバー８を取付けるための孔１０を設ける。

そして、ベース台７の高さＨｂと上カバー８の高さＨｕは、流管２の外径の２倍以上あることが望ましい。このような構成にするとことで流管と振動体の振動を外部に漏らさないことができる。

チタン合金製の上カバー８には、支持台６に取付けるための孔１０を設ける。また、上カバー８、支持台６そしてベース台７を接合するボルトは図示しない。また、コイル４からの配線についても図面を簡単にするため省略した。

流管２、振動体３ａ、３ｂ、支持台６、ベース台７そして上カバー８を同じ材料にすることで、温度が変化しても、流管に熱膨張に起因する応力を与えない構成にできる。

さらにコリオリ流量計１の駆動の振動モードについて図４の平面図を用いて説明する。流体が流れる流管２に振動を与えるために流管２に１次の曲げ振動を励起するコイル４ａ、４ｂに電流を流す。コイル４ａ、４ｂに反作用として磁石５ａ、５ｂから力が加わるがこれをキャンセルするために振動体３ａ、３ｂに磁石５ｃ、５ｄを配置する。この磁石５ｃ、５ｄにもコイル４ａ、４ｂからの力が加わるので２点鎖線で示すように振動体３ａ、３ｂが振動変位する。

コリオリ流量計１の検出の振動モードについて図５の平面図を用いて説明する。流管２には、コリオリ力により図の２点鎖線で示す２次の曲げ振動モードが励起される。そして流管２に接合された磁石５ｅ、５ｆ、５ｇ、５ｈが振動する。この振動によりコイル４ｃ、４ｄ、４ｅ、４ｆに電流が発生する。この電流を検出することによりコリオリ力を検出する。そしてこのコリオリ力より流量を算出する。このコリオリ力により励起される振動変位は、駆動変位に比較して非常に小さい。このため、外部に伝播させないことが望ましい。そしてそのためコイル４ｃ、４ｄ、４ｅ、４ｆに反作用として磁石から力が加わるがこれをキャンセルするために振動体３ａ、３ｂに磁石５ｉ、５ｊ、５ｋ、５ｌを配置する。この磁石５ｉ、５ｊ、５ｋ、５ｌにもコイル４ｃ、４ｄ、４ｅ、４ｆからの力が加わるので２点鎖線で示すように振動体３ａ、３ｂが振動変位する。

第２の実施の形態である基本的な構成を図６の正面図と図７の側面図で示す。

ステンレス製の流管２と、流管２の両側に配置した磁石５を取付けた振動体３ａ、３ｂであるステンレス製の棒の振動方向と平行である面を持つ枠状のステンレス製の支持台６に、流管２と振動体３ａ、３ｂの通る孔を設ける。そして、この孔に流管２と振動体３ａ、３ｂを通し、ロウ付けして接合する。

支持台６の形状としては、支持台６の厚さＴは流管の外径Ｄの２倍以上、支持６台の長さＬが流管の外径Ｄの３倍以上であることが望ましい。このような構成にすることで、流管と流管の両側に配置した磁石を取付けた振動体の剛性に比較して支持台の剛性を大きくすることができる。そのことにより、流管と流管の両側に配置した磁石を取付けた振動体の振動を外部に漏らさないことができる。

また、側面板９ａ、９ｂの厚さＴｓを流管２の外径Ｄの２倍以上にすることが望ましい。このような構成にすることで、流管２と流管２の両側に配置した磁石５を取付けた振動体３ａ、３ｂの剛性に比較して支持台６の剛性を大きくすることができる。そのことにより、流管２と流管２の両側に配置した磁石５を取付けた振動体３ａ、３ｂの振動を外部に漏らさないことができる。

ここで詳細な構成を図８に示す分解斜視図を用いて説明する。ステンレス製の支持台６にコイル４を挿入したプラスチック製のコイルケース１１をボルトにより接合する。ここで、コイル４、コイルケース１１そしてボルトは、図面を簡略化するため図示しない。

支持台６にステンレス製の流管２と流管２の両側に配置した磁石５を取付けた振動体３ａ、３ｂであるステンレス製の棒が通る穴を設け、そして支持台６に流管２および振動体３ａ、３ｂをロウ付けにより接合する。またステンレス製の側面板９ａ、９ｂを取付けるためのネジ穴１３を設ける。

側面板９ａ、９ｂには、支持台６に取付けるための孔１０を設ける。また、側面板９ａ、９ｂと支持台６を接合するボルトは図示しない。また、コイル４からの配線についても図面を簡単にするため省略した。

流管２、振動体３ａ、３ｂ、支持台６そして側面板９ａ、９ｂを同じ材料にすることで、温度が変化しても、流管２に熱膨張に起因する応力を与えない構成にできる。

ここでコリオリ流量計の駆動、検出の振動モードは、第１の実施の形態と同様であるので省略する。

支持台の作成方法は、切削により一体で作成する方法、部材をボルトで接合して作成する方法そして部材を溶接して作成する方法などがある。

また振動体の作用は、コイルに作用する反力を中和するための磁石を取付けるためのものであり、振動体の理想的な特性は、振動体内で振動をすべて吸収してしまうことである。したがって、ダンピング効果の高い炭素繊維複合材料および制振金属などを用いても良い。

さらに、支持台は流管と支持体を正確な位置に取付けることができる構成であり、かつ外部に振動を漏らさない構成になっている。

本発明は、微少流量を測定する流量計に用いることができる。

本発明の第１の実施の形態のコリオリ流量計の平面図である。 本発明の第１の実施の形態のコリオリ流量計の側面図である。 図１の分解斜視図である。 図１に示すコリオリ流量計の駆動振動モードを説明する図である。 図１に示すコリオリ流量計の検出振動モードを説明する図である。 本発明の第２の実施の形態のコリオリ流量計の平面図である。 本発明の第２の実施の形態のコリオリ流量計の側面図である。 図６の分解斜視図である。

符号の説明

１ コリオリ流量計
２ 流管
３ 振動体
４ コイル
５ 磁石
６ 支持台
７ ベース台
８ 上カバー
９ 側面板
１０ 孔
１１ コイルケース
１２ 接続管
１３ ネジ穴

Claims (3)

1. 流管の両側に振動を与えるコイルを持ち、流管の両側に流管と平行に管または棒を配置しているコリオリ流量計において、支持台が枠体状であることを特徴とするコリオリ流量計。
2. 流管の振動方向と垂直である面を持つ支持台において、支持台の幅Ｗは、少なくとも流管の外径Ｄの２倍以上であり、そして支持台の長さＬは流管の外径の３倍以上であり、ベース台の厚さＨｂと上ケースの厚さＨｕが流管の外径Ｄの２倍以上ことを特徴とする請求項１に記載のコリオリ流量計。
3. 流管の振動方向と平行である面を持つ支持台において、支持台の厚さＴは、少なくとも流管の外径Ｄの２倍以上であり、そして支持台の長さＬは流管Ｄの外径の３倍以上であり、側面板の厚さＴｓが流管Ｄの外径の２倍以上であることを特徴とする請求項１に記載のコリオリ流量計。

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