JP2010223805A - 振動式測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】センサチューブの温度が変化して弾性係数が変化すると誤差が生じてしまうという問題があった。
【解決手段】流量計測制御回路４００は、本質安全防爆バリア回路４２０、励振回路４４０、積分回路４６０、流量信号生成部４７０と、発振器５１０とを有する。流量計測制御回路４００は、温度センサ２１０により検出された温度信号Ｔが入力されるバリア回路５２０、温度測定回路５３０、ヤング率演算回路５４０を有する。励振回路４４０は、積分回路４６０により得られた振幅Ｌ２と、発振器５１０から入力されたタイミング信号ｔ１の周波数とに基づき、センサチューブ１４０，１５０が固有振動周波数以外の振動周波数の駆動電圧Ｖを加振器１６０の励振コイル１６０ａに出力する。励振回路４４０からの駆動電圧Ｖは、発振器５１０からのタイミング信号ｔ１の加振周波数（固有振動周波数以外の振動周波数）で励振コイル１６０ａに入力される。
【選択図】図９

Description

本発明は振動式測定装置に係り、特に被測流体が流れるセンサチューブを振動させて質量に応じたセンサチューブの上流側、下流側の変位をピックアップにより検出し、上流側、下流側の変位の位相差（時間差）から被測流体の密度、質量流量を測定するよう構成された振動式測定装置に関する。

被測流体が流れる流路を有するセンサチューブを振動させて被測流体の物理量（質量や密度など）を測定する測定装置として、コリオリ式質量流量計または振動式密度計と呼ばれる振動式測定装置がある。以下では、被測流体の質量流量を測定するコリオリ式質量流量計について説明する。

この振動式測定装置では、例えば、被測流体の質量流量を測定する場合、被測流体が流れるセンサチューブを当該センサチューブの固有振動数（共振周波数）で加振器により管径方向に振動させ、小さな駆動力でセンサチューブの振幅を大きくすることで、質量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に構成されている（例えば、特許文献１参照）。

センサチューブにおける被測流体の流速がゼロ（流量＝ゼロ）のときは、上流側直管部分、下流側直管部分の相対変位が同じであるので、検出信号の時間差がゼロとなる。また、コリオリ力は、センサチューブの振動方向に働き、且つ上流側と下流側とで逆方向に作用するため、センサチューブの中間部分では捩れが生じる。すなわち、センサチューブにおける被測流体の流速がゼロ以上のときは、上流側直管部分における変位量に応じた検出信号は位相が進み、下流側直管部分における変位量に応じた検出信号は位相が遅れる。そのため、センサチューブの捩れ角に応じて得られた両検出信号の時間差が質量流量に比例する。

ところで、センサチューブは、コリオリ力の作用方向と同じ方向に加振されるため、例えば、他の振動成分がセンサチューブに作用した場合、あるいは加振器、ピックアップの取付位置精度やセンサチューブの加工精度のばらつきがあると、ピックアップから出力される検出信号に雑音（ノイズ）が重畳される。そのため、コリオリ力による捩れ角に応じた両検出信号の時間差は、誤差を含んでいるおそれがある。

また、センサチューブは、ステンレス材などの金属パイプからなり、例えば、コリオリ力の検出感度を上げるために、肉薄パイプを使用した場合、温度の影響を受けやすくなる。さらに、センサチューブを流れる被測流体の温度が大幅に上昇したり、低下した場合には、センサチューブの弾性係数（ヤング率）が変化するため、センサチューブの固有振動数も変化する。

特開昭５８−１１７４１６号公報

しかしながら、上記従来の振動式測定装置では、センサチューブ内を流れる被測流体の温度によりセンサチューブ自体の温度が変化して弾性係数が変化すると、センサチューブ自体の共振周波数が変化するため、被測流体の流量が同じでも異なったコリオリ力が発生するため、センサチューブより得られる時間差が異なり、計測結果である質量流量に誤差が生じてしまうという問題があった。

また、センサチューブを所定の振動周波数に固定して加振させる場合、温度変化があっても振動周波数が変動しないので、弾性係数の変化に伴う誤差を防止できるものの、センサチューブの剛性に対抗して強い力で加振することになるので、温度変化によるセンサチューブの固有振動数が上記所定の振動周波数と一致した場合には、加振力が共振現象により増幅された分、より大きな力でセンサチューブを共振させることになるため、センサチューブが破損するおそれがある。

そこで、本発明は上記事情に鑑み、上記課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。

上記課題を解決するため、本発明は以下のような手段を有する。
（１）本発明は、被測流体が流れるセンサチューブと、
前記センサチューブを加振する加振器と、
前記加振器による加振周波数を制御する加振器制御手段と、
前記センサチューブの変位を検出する変位検出器と、
前記変位検出器より得られる前記センサチューブの変位を示す検出信号から時間差を検出する計測手段と、
を備え、
前記加振器制御手段は、前記センサチューブの振動周波数を当該センサチューブの固有振動周波数以外の周波数となるように前記加振器による加振周波数を制御することを特徴とする。
（２）本発明は、（１）の振動式測定装置であって、前記加振器制御手段は、前記センサチューブを流れる被測流体の計測可能範囲として予め設定された上限温度から下限温度における当該センサチューブの固有振動数以外の加振周波数で前記センサチューブを振動させることを特徴とする。
（３）本発明は、（１）または（２）の振動式測定装置であって、前記センサチューブの温度を検出する温度検出器を設けてなり、
前記加振器制御手段は、前記加振器の加振周波数を前記温度検出器により検出された温度に対応する弾性係数に基づき変化させることを特徴とする。
（４）本発明は、（１）乃至（３）の何れかに記載の振動式測定装置であって、前記変位検出器により検出された検出信号のゼロ点を計測するためのゼロ点検出手段を設けてなり、
前記ゼロ点検出手段は、前記加振器制御手段を制御して前記センサチューブの加振周波数を変化させ、当該加振周波数を変化させた際に加振周波数の変化前後において計測手段により検出される時間差からゼロ点を演算することを特徴とする。

本発明によれば、センサチューブの振動周波数を当該センサチューブの固有振動周波数以外の周波数となるように加振器による加振周波数を制御するため、例えば、被測流体の温度変化によるセンサチューブの弾性係数が変動してもセンサチューブの振動周波数が固有振動数と一致させないように加振することができ、センサチューブを過大な力で加振することを防止できる。

本発明による振動式測定装置の一実施例が適用されたガス供給装置を模式的に示す系統図である。 図１に示すガス供給装置の制御装置が実行する制御処理を説明するためのフローチャートである。 本発明による振動式測定装置の一実施例の正面図である。 図３に示す振動式測定装置の側面図である。 加振器１６０がセンサチューブ１４０を振動させる状態を模式的に示す図である。 振動するセンサチューブ１４０に作用するコリオリ力を模式的に示す図である。 ピックアップ１８０，２００のセンサ信号の波形図である。 センサチューブ１４０，１５０に他の振動たとえばねじり振動が発生した場合に検出されたピックアップ１８０，２００のセンサ信号の波形図である。 流量計測制御回路４００の構成を示すブロック図である。 流量計測制御回路４００の変形例１を示すブロック図である。 流量計測制御回路４００の変形例２を示すブロック図である。 流量大の場合の振動周波数、時間差信号の変化を示す波形図である。 流量小の場合の振動周波数、時間差信号の変化を示す波形図である。 流量大の場合の振動周波数と時間差信号との関係からゼロ点を示す波形図である。 流量小の場合の振動周波数と時間差信号との関係からゼロ点を示す波形図である。

以下、図面を参照して本発明を実施するための形態について説明する。

図１は本発明による振動式測定装置の一実施例が適用されたガス供給装置を模式的に示す系統図である。図１に示されるように、ガス供給装置１０は、例えば自動車１２の燃料タンク（被充填タンク）１４に都市ガスを所定圧力に圧縮した圧縮天然ガス（ＣＮＧ）を供給するガス供給ステーションなどに設置されている。

ガス供給装置１０は、大略、都市ガスを所定圧力に圧縮し加圧されたガスを生成する圧力発生ユニット（図示せず）と、圧力発生ユニットにより圧縮されたガスを燃料タンク１４に供給するためのディスペンサユニット１６とを有する。

また、ディスペンサユニット１６のガス供給経路１８には、上流側から順に、ガス供給経路１８を流れるガスの供給量を計測する質量流量計としての振動式測定装置２０と、電磁弁よりなりガス供給経路１８を開又は閉とするガス供給開閉弁２２と、下流側（被充填側）へ供給されるガスの流量・圧力を制御する制御弁２４と、制御弁２４により制御された２次圧力を測定する圧力伝送器（圧力トランスミッタ）２６とが配設されている。

さらに、ガス供給経路１８の下流側端部には、ガス充填ホース２８が連通されており、ガス充填ホース２８の下流側端部には、電磁駆動式の三方弁３０が接続されている。三方弁３０は、ガス充填ホース２８が接続された流入ポートａと、脱圧管路３２が接続された排気ポートｂと、ガス充填カップリング３４が接続された充填ポートｃとを有する。この三方弁３０は、ガス充填時に流入ポートａと充填ポートｃとが連通された開弁状態に切替えられ、ガス充填完了後の脱圧操作を行う際に排気ポートｂと充填ポートｃとが連通するように切替えられてガス充填カップリング３４内の圧力を減圧する。

また、圧力伝送器２６は、ガス供給開閉弁２２、制御弁２４の下流に配置され、三方弁３０を流入ポートａと充填ポートｃとが連通された開弁状態に切替えることにより、燃料タンク１４に連通されたガス供給経路１８の圧力を測定することで、間接的に燃料タンク１４の残留圧力を測定することができる。

さらに、ディスペンサユニット１６には、制御装置４０、充填開始スイッチ釦４２、充填停止スイッチ釦４４、流量表示器４６が配設されている。ディスペンサユニット１６の制御装置４０は、充填開始スイッチ釦４２がオンに操作されると、ガス供給経路１８に設けられたガス供給開閉弁２２の開閉制御、三方弁３０の切替制御を行なうと共に、振動式測定装置２０により測定された流量測定値、及び圧力伝送器２６により測定された圧力測定値に基づいて制御弁２４の弁開度制御を行なうことで、燃料タンク１４に目標圧力のガスを充填する。

また、制御装置４０は、振動式測定装置２０及び圧力伝送器２６から出力された流量及び圧力の検出信号により燃料タンク１４に供給された供給量及び供給圧力を演算する。

上記振動式測定装置２０は、被測流体が流れる流路を有するセンサチューブを振動させ、この振動する流路内を流れるガス流量に応じたコリオリ力による管路の流入側と流出側との時間差が流量に比例することを利用して流量計測を行うコリオリ式質量流量計である。尚、振動式測定装置２０の詳細は、後述する。

また、制御弁２４は、制御装置４０からの指令により弁開度が制御されて燃料タンク１４へ供給されるガス供給量（流量は圧力×時間により求まる）を制御する。

また、自動車１２では、ディスペンサユニット１６のガス充填カップリング３４が連結される被充填側のレセプタクル５０と、レセプタクル５０と燃料タンク１４とを連通する管路５２と、管路５２に配設され、燃料タンク１４に充填されたガスの逆流を防止する逆止弁５４とを有する。

制御装置４０のメモリ（ＲＯＭ）には、ガス供給経路１８の下流端部が燃料タンク１４側に連結された状態で、ガス供給開閉弁２２及び制御弁２４を開としてガス供給経路１８に所定圧力のガスを供給する制御プログラムが格納されている。そして、制御装置４０は、後述するようにメモリに格納された各制御プログラムを読み込んでガス供給開閉弁２２の開閉制御、三方弁３０の切替制御を行なうと共に、振動式測定装置２０により測定された流量、及び圧力伝送器２６により測定された圧力測定値に基づいて制御弁２４の弁開度制御を実行する。

次に上記構成になるガス供給装置１０におけるガス充填作業について説明する。上記自動車１２の燃料タンク１４にガスを充填する際、作業者は、先ず、ディスペンサユニット１５の掛止部（図示せず）からガス充填カップリング３４を外して自動車１２のレセプタクル５０に結合させる。そして、作業者は、充填開始スイッチ釦４２をオンに操作する。

これにより、制御装置４０は、ガス供給開閉弁２２及び制御弁２４を開弁させて三方弁３０より上流のガス供給経路１８を最大供給圧力（目標圧力）に昇圧させる。次に、制御装置４０は、ガス供給開閉弁２２を閉弁させてから三方弁３０を開弁状態（ポートａ−ｃ連通）に切替えてガス供給開閉弁２２より下流のガス供給経路１８に充填されたガスを燃料タンク１４に供給する。尚、上記所定圧力は、燃料タンク１４の上流に設けられた逆止弁５４の閉弁力（弁体を付勢する力）より十分大きい圧力値に設定されている。

そして、制御装置４０は、ガス供給開閉弁２２より下流のガス供給経路１８の圧力が燃料タンク１４の圧力と均衡した状態になったとき、圧力伝送器２６により測定された圧力測定値をメモリに記憶し、この圧力測定値に基づいて燃料タンク１４の容積及び残留ガス量を演算し、この燃料タンク１４の容積及び残留ガス量に応じた制御則（一定圧力制御あるいは一定流量制御）により制御弁２４の弁開度を制御する。

燃料タンク１４へのガス供給が行なわれて圧力伝送器２６により測定された圧力測定値が目標圧力に達すると、ガス供給開閉弁２２及び制御弁２４を閉弁した後、三方弁３０を脱圧状態に切替えてガス充填カップリング３４の圧力を減圧する。これにより、作業者は、軽い力でガス充填カップリング３４を自動車１２のレセプタクル５０から分離させることが可能になる。

その後、作業者は、ディスペンサユニット１６のガス充填カップリング３４を掛止部（図示せず）に掛止させる。そして、充填停止釦４４がオンに操作されると、一連のガス充填作業が完了する。

ここで、上記構成になるガス供給装置１０の制御装置４０が実行するガス供給制御処理につき図２のフローチャートを参照して説明する。

制御装置４０は、図２のＳ１１において、ガス充填カップリング３４が自動車１２のレセプタクル５０に結合されて充填開始スイッチ釦４２がオンに操作されると（ＹＥＳの場合）、Ｓ１２に進み、燃料タンク１４に充填すべき最大供給圧力（目標圧力）Ｐ_０をメモリから読み込む。続いて、Ｓ１３に進み、三方弁３０を脱圧状態（流入ポートａが閉止、排気ポートｂと充填ポートｃとが連通）に切替える。尚、前回のガス供給終了時には、三方弁３０を脱圧状態に切替えているが、本実施例では、三方弁３０より上流側のガス供給経路１８を確実に密閉させるため、三方弁３０の流入ポートａを閉止させる。

次のＳ１４では、ガス供給開閉弁２２及び制御弁２４を開弁させる。これにより、三方弁３０より上流のガス供給経路１８に圧力発生ユニットで生成された高圧ガスが供給される。そのため、三方弁３０より上流のガス供給経路１８を瞬時に最大供給圧力（目標圧力）に昇圧させることができる。

続いて、Ｓ１５に進み、圧力伝送器２６により測定された圧力測定値を読み込み、測定された圧力測定値が最大供給圧力（目標圧力）Ｐ_０に達したか否かをチェックする。このＳ１５において、圧力伝送器２６により測定された圧力測定値が最大供給圧力（目標圧力）Ｐ_０に達したときは（ＹＥＳの場合）、Ｓ１６に進み、ガス供給開閉弁２２を閉弁させてガス供給経路１８へのガス供給を停止させる。続いて、Ｓ１７では、三方弁３０を開弁状態（流入ポートａと充填ポートｃとが連通、排気ポートｂが閉止）に切替える。これにより、ガス供給開閉弁２２と三方弁３０との間のガス供給経路１８に充填されたガスは、ガス充填カップリング３４、レセプタクル５０を介して逆止弁５４を開弁させ、自動車１２の燃料タンク１４に供給される。

次のＳ１８では、圧力伝送器２６により測定された圧力測定値が最大供給圧力（目標圧力）Ｐ_０より低下したか否かをチェックする。このＳ１８において、圧力伝送器２６により測定された圧力測定値が低下した場合（ＹＥＳの場合）、Ｓ１９に進み、圧力伝送器２６により測定された圧力測定値が所定時間一定値を維持するか否かをチェックする。このＳ１９において、圧力伝送器２６により測定された圧力測定値が低下している場合（ＮＯの場合）には、測定された圧力測定値が所定時間一定値を維持するまでＳ１８，Ｓ１９の処理を繰り返して待機状態となる。

そして、圧力伝送器２６により測定された圧力測定値が所定時間一定値を維持した場合には、Ｓ２０に進み、この一定圧力値を燃料タンク１４に残留している充填前タンク圧力値Ｐｔとして記憶する。続いて、Ｓ２１では、燃料タンク１４の容積を上記充填前タンク圧力値Ｐｔから演算する。尚、この燃料タンク１４の容積を求める演算式としては、例えば、ガス供給開閉弁２２と三方弁３０との間のガス供給経路１８の容積と、この容積に充填されたガス量（振動式測定装置２０の流量測定値）との関係式から求まり、既に周知であるので、その詳細な説明は省略する。

次のＳ２２では、ガス供給開閉弁２２を開弁して燃料タンク１４に対するガス供給を開始すると共に、制御弁２４の弁開度を燃料タンク１４の容積に応じた制御則（定圧力上昇制御または定流量制御など）により制御する。これにより、燃料タンク１４へのガス供給が行なわれ、タンク圧力も徐々に上昇する。

Ｓ２３では、振動式測定装置２０によりガス供給経路１８を流れるガス流量を計測しており、振動式測定装置２０から出力された流量パルスを積算して瞬時流量及び積算流量（燃料タンク１４に充填されたガス量）を演算する。Ｓ２３ａでは、現時点での積算流量を流量表示器４６に表示する。これにより、流量表示器４６に表示される積算流量の数値が随時更新される。

次のＳ２４では、現時点での積算流量が予め設定された制御則による目標流量に達したか否かをチェックする。Ｓ２４において、現時点での積算流量が目標流量に達していないときは（ＮＯの場合）、Ｓ２５に進み、積算流量が目標流量に近づくように制御弁２４の弁開度を制御する。その後は、Ｓ２３に戻り、Ｓ２３〜Ｓ２５の処理を繰り返す。また、Ｓ２４において、現時点での積算流量が目標流量に達したときは（ＹＥＳの場合）、Ｓ２６に進む。

次のＳ２６では、圧力伝送器２６により測定された圧力測定値が最大供給圧力（目標圧力）Ｐ_０に達したか否かをチェックする。このＳ２６において、圧力伝送器２６により測定された圧力測定値が最大供給圧力（目標圧力）Ｐ_０に達しないときは（ＮＯの場合）、Ｓ２３に戻り、Ｓ２３〜Ｓ２６の処理を繰り返す。

また、Ｓ２６において、圧力伝送器２６により測定された圧力測定値が最大供給圧力（目標圧力）Ｐ_０に達したときは（ＹＥＳの場合）、Ｓ２７に進み、ガス供給開閉弁２２、制御弁２４を閉弁させてガス供給経路１８へのガス供給を停止させる。そして、次のＳ２８に進み、三方弁３０を脱圧状態（流入ポートａが閉止、排気ポートｂと充填ポートｃとが連通）に切替える。これにより、ガス充填カップリング３４及びレセプタクル５０の圧力が減圧されると共に、逆止弁５４が圧力差により閉弁する。この後、作業者は、ガス充填カップリング３４をレセプタクル５０から分離させてディスペンサユニット１６の掛止部（図示せず）に掛止させる。これで、燃料タンク１４に対するガス供給作業が終了する。

また、上記Ｓ１８において、圧力伝送器２６により測定された圧力測定値が低下しない場合には、ガス供給開閉弁２２が閉弁できない等の異常が発生しているため、Ｓ２９に進み、警報を発した後、Ｓ２８に進み、三方弁３０を脱圧状態（流入ポートａが閉止、排気ポートｂと充填ポートｃとが連通）に切替えてガス供給を中止する。

ここで、振動式測定装置２０の構成について説明する。

図３は本発明による振動式測定装置の一実施例の正面図である。図４は振動式測定装置の側面図である。尚、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３及び図４に示されるように、振動式測定装置２０は、マニホルド１２０と、マニホルド１２０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１４０，１５０と、センサチューブ１４０，１５０の円弧状の中間部分１４０ｃ，１５０ｃ間に取り付けられた加振器１６０と、センサチューブ１４０と１５０との流入側の相対変位を検出する流入側ピックアップ（変位検出器）１８０と、センサチューブ１４０と１５０との流出側の相対変位を検出する流出側ピックアップ（変位検出器）２００を有する。マニホルド１２０は、例えば、直方体形状の金属ブロックからなり、一方の端部に流入口１２０ａが設けられ、他方の端部に流出口１２０ｂが設けられている。そして、センサチューブ１４０，１５０の流入側端部１４０ａ，１５０ａが流入口１２０ａに連通され、センサチューブ１４０，１５０の流出側端部１４０ｂ，１５０ｂが流出口１２０ｂに連通されている。従って、流入口１２０ａに流入された流体は、センサチューブ１４０，１５０を通過して流出口１２０ｂより外部に流出される。

加振器１６０は、センサチューブ１４０の先端に取り付けられた励振コイル１６０ａとセンサチューブ１５０の先端に取り付けられたマグネット１６０ｂからなる。また、ピックアップ２００は、センサチューブ１４０に取り付けられたセンサコイル２００ａと、センサチューブ１５０に取り付けられたマグネット２００ｂとからなる。尚、ピックアップ１８０は、図４において、ピックアップ２００と重なってみえないが、ピックアップ２００と同様に、振動するセンサチューブ１４０に取り付けられたセンサコイル１８０ａと、センサチューブ１５０に取り付けられたマグネット１８０ｂとからなる。

また、センサチューブ１４０，１５０の流入側またはマニホルド１２０の流入口１２０ａ付近の温度を測定する温度センサ２１０が設けられている。

加振器１６０、流入側ピックアップ１８０、流出側ピックアップ２００は、図３に示すように正面からみてセンサチューブ１４０，１５０の中間位置を横切る縦線に対して対称に、且つ加振器１６０を中心に流入側ピックアップ１８０と流出側ピックアップ２００とが対称に設けられている。そして、加振器１６０は流量計測制御回路４００により駆動制御され、流入側ピックアップ１８０、流出側ピックアップ２００により検出された検出信号は、流量計測制御回路４００に入力される。

加振器１６０は、励振コイル１６０ａ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１６０ｂが吸引または反発することで、センサチューブ１４０の中間部分を水平方向（Ｙ方向、図４参照）に振動させる。当然センサチューブ１５０へはその反力として同じ力が働き、反対方向に振動する。

流入側ピックアップ１８０のセンサコイル１８０ａは、センサコイル１８０ａとマグネット１８０ｂの変位量に応じた検出信号（電圧）ｖ１を出力する。また、流出側ピックアップ２００のセンサコイル２００ａは、センサコイル２００ａとマグネット２００ｂの変位量に応じた検出信号（電圧）ｖ２を出力する。

ここで、振動式測定装置２０による計測動作について説明する。

上記構成になる振動式測定装置２０において、流量計測時は流量計測制御回路４００によって加振器１６０が駆動され、センサチューブ１４０および１５０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１４０，１５０の中間部分１４０ｃ，１５０ｃ（図３、図４参照）を振動させる。そして、センサチューブ１４０，１５０は、マニホルド１２０に固定された両端を支点として近接、離間方向（Ｙ方向、図４参照）に振動する。

このとき、振動するセンサチューブ１４０と１５０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１４０，１５０の流入側と流出側で動作遅れが生じ、これにより流入側ピックアップ１８０のセンサ信号と流出側ピックアップ２００のセンサ信号との間に時間差が生じる。

流量計測制御回路４００は、上記流入側センサ信号と流出側センサ信号との時間差が流量に比例するため、当該時間差に基づいて流量を演算する。よって、センサチューブ１４０，１５０の変位が流入側ピックアップ１８０及び流出側ピックアップ２００により検出されると、上記センサチューブ１４０，１５０の振動に伴う上記時間差が流量計測制御回路４００により質量流量に変換される。

ここで、上記センサチューブ１４０を加振器１６０により振動させて被測流体の流量を計測する場合の原理について図５及び図６を参照して説明する。図５は加振器１６０がセンサチューブ１４０を振動させる状態を模式的に示す図である。図６は振動するセンサチューブ１４０に作用するコリオリ力を模式的に示す図である。

図５に示されるように、流量計測時は、加振器１６０の励振コイル１６０ａに対して上記流量計測制御回路４００の励振回路４４０から正負のある交番電圧（交流信号）が交互に出力されることで、励振コイル１６０ａとセンサチューブ１５０に設置されているマグネット１６０ｂに同じ値で反対方向の力が発生するので、センサチューブ１４０，１５０の中間部分とセンサチューブ１５は共振状態で振動する。

図６に示されるように、センサチューブ１４０の流入側と流出側とでは、逆方向のコリオリ力＋Ｆ，−Ｆが作用する。これにより、センサチューブ１４０と１５０は、流入側と流出側とで振動に時間差が生じる。

すなわち、センサチューブ１４０の中間部分１４０ｃが図５中一点鎖線で示すように駆動されるとき、図６中破線で示すようにセンサチューブ１４０の流入側にコリオリ力＋Ｆが作用し、センサチューブ１４０の流出側にコリオリ力−Ｆが作用する。また、センサチューブ１４０が図５中破線で示すように駆動されるとき、図６中実線で示すようにセンサチューブ１４０の流入側にコリオリ力−Ｆが作用し、センサチューブ１４０の流出側にコリオリ力＋Ｆが作用する。

このセンサチューブ１４０の変位は、ピックアップ１８０，２００のセンサコイル１８０ａ，２００ａにより検出され、流量計測制御回路４００において、加振器１６０に入力された励振信号との時間差（位相差）Δｔの信号に変換され、さらに流量パルスに変換される。即ち、流量計測制御回路４００は、次式の演算を用いて質量流量Ｑｍを算出する。
Ｑｍ＝Ａ・Δｔ…（１）
但し、（１）式において、Ａは当該質量流量計固有の定数である。

また、コリオリ力は、センサチューブ１４０の振動周波数と同じ周波数で作用する。しかしながら、外部からの雑音や振動などの外乱によって引き起こされたセンサチューブ１４０の捩れ振動は、センサチューブ１４０の振動周波数と異なった周波数である。そのため、外乱振動がセンサチューブ１４０に入力された場合、時間差Δｔは、質量流量が一定であっても大きくなったり小さくなったりするというような現象が起こる。

ここで、ピックアップ１８０，２００から出力されるセンサ信号（検出信号）の波形による時間差（位相差）について図７、図８を参照して説明する。また、図７、図８において、一定の流量を計測した場合の実験データであり、一定のコリオリ力が発生している。ここでは、正弦波の縦軸中央（センサ信号が０ボルト）の点での時間差Δｔを測定したように図示してある。

図７（Ａ）（Ｂ）はピックアップ１８０，２００のセンサ信号の波形図である。図７（Ａ）に示されるように、流入側のセンサ信号Ｓ１（実線で示す）と流出側のセンサ信号Ｓ２（破線で示す）との時間差Δｔは、コリオリ力によって生じた時間差であり、図７（Ｂ）に示されるように、流量が時間の経過と共に一定であれば、一定値となる。

図８（Ａ）（Ｂ）はセンサチューブ１４０，１５０に他の振動たとえばねじり振動が発生した場合に検出されたピックアップ１８０，２００のセンサ信号の波形図である。図８（Ａ）に示されるように、流入側のセンサ信号Ｓ１（実線で示す）と流出側のセンサ信号Ｓ２（破線で示す）との時間差Δｔは、Ａ領域でプラスであるが、Ｂ領域でほとんどゼロに変化し、Ｃ領域でプラスに戻る。通常の流量計測において、流量が変化した場合には、時間差Δｔが流量変化に比例して増減する。

しかしながら、センサチューブ１４０，１５０に他の振動、例えばねじり振動（外乱）が発生した場合には、時間差Δｔが急速に増減したり、流量があるのにゼロに低下するといった現象が生じる。例えば、図８（Ｂ）に示されるように、領域Ｂの時間差Δｔがゼロに低下した場合は、センサチューブ１４０，１５０に外乱によるねじり振動が発生したものと判定することが可能になる。このような捩れ振動の発生原因としては、センサチューブ１４０，１５０の加工誤差や加振器１６０、ピックアップ１８０，２００の取付け位置のずれなどが考えられる。

また、図８（Ａ）に示すセンサ信号の波形では、ピックアップ１８０のセンサ信号Ｓ１とピックアップ２００のセンサ信号Ｓ２は、時々刻々と時間軸方向の間隔すなわち時間差（位相差）が発生しており、図８（Ｂ）に示されるように、時間差Δｔの測定結果（センサ信号Ｓ１とＳ２の時間差）には１周期ごとにばらつき（階段状に変化）が生じることが分かる。

この時間差Δｔの変動（ばらつき）は、周期的に発生するため、センサチューブ１４０，１５０にねじり振動によって生じているものと考えられる。そして、センサチューブ１４０，１５０にねじり振動が生じた場合、センサチューブ１４０，１５０の流入側と流出側とでは、一方で位相が進み、他方で位相が遅れため、流入側と流出側の時間差の平均値との差をとれば外乱成分が相殺されることになる。

ここで、コリオリ力の演算方法について説明する。

コリオリ力Ｆｃは、次式（２）により求まる。

Ｆｃ＝２ｍｖω・・・（２）
（２）式において、ｍは質量、ｖは速度、ωは角速度であるが、質量流量Ｑｍは質量ｍと速度ｖをかけたものと等しい。

ここで、加振器１６０の加振力Ｆとコリオリ力Ｆｃは、９０度の位相差があり、センサチューブ１４０，１５０の振幅に比例した加振力Ｆが必要となる。しかし、振幅を大きくすると、式（２）の角速度ωがそれに比例して大きくなるので、加振力Ｆとコリオリ力Ｆｃとの比は、振幅に影響されない。

コリオリ力Ｆｃは、センサチューブ１４０，１５０を捩る力として働くが、センサチューブ１４０、１５０が捩じられる量は、ばね定数に反比例するので、温度が上がってヤング率が下がった場合には、励振している加振力Ｆと捩る力Ｆｃとの比が同じでも温度上昇によりセンサチューブ１４０，１５０の剛性が低下して軟らかいので、時間差は増大することになる。また、これとは逆に、温度が下がってヤング率が上がった場合には、励振している加振力Ｆと捩る力Ｆｃとの比が同じでも温度低下によりセンサチューブ１４０，１５０の剛性が増大するので、時間差は減少することになる。

この温度変化に伴う時間差の変化分は、後述するヤング率補正流量換算回路５００においてヤング率の補正により補正する。

しかし、センサチューブ１４０，１５０に取り付けられているピックアップ１８０，２００のセンサコイル１８０ａ，２００ａとマグネット１８０ｂ，２００ｂとの相対位置を厳密に対称に組み付けることが事実上不可能であるため、被測流体が流れていない状態でも時間差がゼロにはならない。

また、センサチューブ１４０，１５０は、完全に垂直に組み立てられることが難しいので、被測流体の温度が変化すると、センサチューブ１４０，１５０の伸縮によりセンサコイル１８０ａ，２００ａとマグネット１８０ｂ，２００ｂとの相対位置にずれが生じる。従って、被測流体が流れていないときでも上記理由により、温度変化に応じてゼロ点（質量流量がゼロのときの時間差）がずれてしまうため、ヤング率以外のゼロ点補正が必要になる。

図９は流量計測制御回路４００を示すブロック図である。図９に示されるように、流量計測制御回路４００は、本質安全防爆バリア回路４２０、励振回路（加振器制御手段）４４０、積分回路４６０、流量信号生成部４７０と、発振器（加振器制御手段）５１０とを有する。さらに、流量計測制御回路４００は、温度センサ２１０により検出された温度信号Ｔが入力されるバリア回路５２０、温度測定回路５３０、ヤング率演算回路５４０を有する。センサチューブ１４０、１５０のばね定数がヤング率に比例するので、同じ質量流量を流したときのコリオリ力は同じであるものの、ばね定数がヤング率に比例しているので、ヤング率演算回路５４０においてヤング率の温度特性の補正を行なう。

積分回路４６０は、センサコイル１８０ａ，２００ａからの検出信号（速度）ｖ１，ｖ２を積分して振幅（変位量）を演算し、センサチューブ１４０，１５０の流入側変位量Ｌ１、流出側変位量Ｌ２を励振回路４４０及び時間差演算回路４８０に出力する。

発振器５１０は、入力される電圧に応じて加振器１６０の発振周波数（加振周波数）を制御する電圧制御発振器（ＶＣＯ：Ｖｏｌｔａｇｅ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）である。また、発振器５１０は、予め設定された一定電圧の入力に応じてセンサチューブ１４０，１５０が固有振動周波数以外の振動周波数のタイミング信号ｔ１を出力する。発振器５１０は、具体的には、センサチューブ１４０、１５０を流れる被測流体の計測可能範囲として予め設定された上限温度から下限温度における当該センサチューブ１４０、１５０の固有振動数以外の振動周波数でセンサチューブ１４０、１５０を振動させるように振動周波数を予め設定されている。

励振回路４４０は、積分回路４６０により得られた振幅Ｌ２と、発振器５１０から入力されたタイミング信号ｔ１の周波数とに基づき、センサチューブ１４０，１５０が固有振動周波数以外の振動周波数の駆動電圧Ｖを加振器１６０の励振コイル１６０ａに出力する。従って、加振器１６０は、励振回路４４０からの駆動電圧Ｖが発振器５１０からのタイミング信号ｔ１の周波数（固有振動周波数以外の振動周波数）で励振コイル１６０ａに入力される。よって、センサチューブ１４０，１５０は、常に発振器５１０からのタイミング信号ｔ１の周波数（固有振動周波数以外の振動周波数）で加振される。

そのため、被測流体の温度が変化してセンサチューブ１４０，１５０の弾性係数（ヤング率）が変動しても加振器１６０による加振周波数が発振器５１０により設定された一定の周波数に保持されるので、センサチューブ１４０，１５０の弾性係数が変動した場合でも共振周波数で振動することがない。よって、加振器１６０の加振力がセンサチューブ１４０，１５０の共振現象によって増幅されることがなく、センサチューブ１４０，１５０が共振周波数によって破損することも防止される。

また、流量信号生成部４７０は、時間差演算回路４８０と、ヤング率補正流量換算回路５００とを有する。

時間差演算回路４８０は、加振器１６０により所定の振動周波数でセンサチューブ１４０，１５０を加振したとき、一対のピックアップ１８０，２００により得られた各検出信号の時間差ａを演算する。

ヤング率補正流量換算回路５００は、ヤング率演算回路５４０及び時間差演算回路４８０に接続されたゲイン可変アンプと、ゲイン可変アンプに接続された流量出力回路（Ｖ／Ｆ）及びフィルタ回路とを備えている。流量出力回路（Ｖ／Ｆ）は、ゲイン可変アンプを介して時間差演算回路４８０から入力を受ける時間差信号ａに基づいて質量流量を求めて、この質量流量を示す流量パルス信号ｃをデジタル信号で出力する。フィルタ回路は、ゲイン可変アンプを介して時間差演算回路４８０から入力を受ける時間差信号ａに基づいて質量流量を求めて、この質量流量を示す流量制御信号ｄをアナログ信号で出力する。

温度センサ２１０により検出された温度データが入力された本質安全防爆バリア回路５２０は、温度センサ２１０からの温度データを温度測定回路５３０に出力する。温度測定回路５３０は、温度センサ２１０からの温度データに対応した温度信号Ｔをヤング率演算回路５４０に出力する。ヤング率演算回路５４０は、温度測定回路５３０からの温度信号Ｔによりヤング率と連動するばね定数を補正する。

また、ヤング率補正流量換算回路５００は、時間差演算回路４８０から出力された時間差信号ａをヤング率演算回路５４０から入力されたばね定数（ヤング率）の補正値ｂに基づいてヤング率・Ｖ／Ｆ変換を行って流量パルス信号ｃ、流量制御用信号ｄを制御装置４０に出力する。そのため、制御装置４０は、流量パルス信号ｃを積算して得られた積算流量を流量表示器４６に表示すると共に、流量制御用信号ｄを積算して得られた流量を目標流量と比較して生成された制御信号により制御弁２４の弁開度を制御することが可能になる。

また、本実施例の発振器５１０からの発振信号により加振器１６０の加振周波数が一定に固定される方式は、センサチューブ１４０，１５０の肉厚が薄く、被測流体の密度や質量、あるいはピックアップ１８０，２００の質量がセンサチューブ１４０，１５０の質量に比べて大きくなりやすく、周波数変動が大きい条件の場合に有効である。

また、被測流体の密度が変わると、振動周波数が変わりやすくなり、センサチューブ１４０，１５０のばね定数だけで振動周波数が決定されないので、被測流体の種類毎にゼロ点が変化してしまうことが多い。これに対し、本実施例の発振器５１０は、入力される電圧によって発振信号を一定の周波数に設定することができるので、例えば、被測流体の密度が小さい場合には、振動周波数を高めてコリオリ力を増大させて流量計測感度を高めることができる。これにより、前述した温度変化に伴うセンサチューブ１４０、１５０の伸縮によるピックアップ１８０，２００の位置ずれ等で生じるゼロ点変動の影響が相対的に小さくなり、ゼロ点変動の影響を抑制することができる。

ここで変形例について説明する。
（変形例１）
図１０は流量計測制御回路４００の変形例１を示すブロック図である。尚、図１０において、前述した実施例とどういつ部分には同一符合を付してその説明を省略する。

図１０に示されるように、流量計測制御回路４００Ａでは、温度測定回路５３０からの温度信号Ｔに応じてヤング率演算回路５４０で生成されたセンサチューブ１４０，１５０のばね定数（ヤング率）の補正値ｂが発振器５１０に入力される。発振器５１０は、補正値ｂに応じてタイミング信号ｔ１の周波数を補正し、補正した加振周波数の信号を励振回路４４０に出力する。

従って、励振回路４４０によって駆動される加振器１６０は、温度センサ２１０により検出された温度に基づいて補正された周波数（固有振動数以外の振動周波数）でセンサチューブ１４０、１５０を振動させる。

例えば、被測流体の温度が上昇すると、センサチューブ１４０，１５０のヤング率が下がるのに比例してセンサチューブ１４０，１５０の振動周波数が低下する。この場合、発振器５１０は、タイミング信号ｔ１の周波数を高めるように補正した加振周波数の信号を励振回路４４０に出力する。

また、センサチューブ１４０，１５０に作用するコリオリ力は、前述した（２）式で求まるため、振動周波数が下がると、角速度ωが比例して下がり、振動周波数に比例するコリオリ力も減少する。

ところが、センサチューブ１４０，１５０のばね定数がヤング率に比例して低下しているので、実際に発生する時間差は、温度によらずほぼ同じ値となる。そのため、流量計測制御回路４００Ａでは、前述した実施例のヤング率補正流量換算回路５００の代わりに検出された時間差ａに基づく質量流量を演算する流量換算回路６００が設けられている。

また、本変形例１では、被測流体の温度変化によらずセンサチューブ１４０，１５０の振動周波数を一定に保つことが可能であるので、同じ質量流量を計測する際は温度に拘わらずセンサチューブ１４０，１５０の変形量が同じになるように制御することができる。そのため、センサチューブ１４０，１５０の変形量の差による時間差の計測誤差が発生しないので、質量流量の計測精度を向上させることができる。
（変形例２）
図１１は流量計測制御回路４００の変形例２を示すブロック図である。尚、図１１において、前述した実施例と同一部分には同一符合を付してその説明を省略する。

図１１に示されるように、流量計測制御回路４００Ｂでは、温度測定回路５３０からの温度信号Ｔに応じてヤング率演算回路５４０で生成されたセンサチューブ１４０，１５０のばね定数（ヤング率）の補正値ｂ及び発振器５５０で生成された周波数信号ｆが流量演算回路７００に入力される。そのため、流量演算回路７００では、周波数信号ｆに基づくゼロ点補正演算を行なうと共に、補正値ｂに基づくヤング率補正演算を行なう。

また、発振器５５０からの周波数信号ｆは、正弦波発振器５１０Ｂにも入力される。そのため、正弦波発振器５１０Ｂは、周波数信号ｆに基づいてタイミング信号ｔ１の加振周波数を変動させる。

尚、ヤング率補正演算は、前述した実施例の流量計測制御回路４００（図９参照）と同様であるので、ここでは、その説明を省略する。

次に、流量演算回路７００で行なうゼロ点補正演算について説明する。図１２（Ａ）（Ｂ）及び図１３（Ａ）（Ｂ）に示されるように、センサチューブ１４０，１５０は、発振器５５０で生成された周波数信号ｆによって一定の周期、振幅で変動する。

振動周波数の最小周波数ｆ１、最大周波数ｆ２に対する時間差Δｔ１，Δｔ２は、センサチューブ１４０，１５０を流れる質量流量の大きい場合（図１２（Ａ）（Ｂ）参照）、センサチューブ１４０，１５０を流れる質量流量の小さい場合（図１３（Ａ）（Ｂ）参照）によって、所定の周期、振幅で変動する。そして、図１２（Ａ）（Ｂ）と図１３（Ａ）（Ｂ）とを比較すると、流量が大きい場合は、時間差Δｔ１，Δｔ２が大きく、流量が小さい場合には、時間差Δｔ１，Δｔ２が小さくなることが分かる。

例えば、周波数の変化を１０％とした場合、コリオリ力は１０％増加するので、この増加したコリオリ力に対して時間差がどのくらい増加したかを計測することで、質量流量を求めることができる。例えば、時間差が１マイクロ秒増えれば、発生している時間差は、１０マイクロ秒となる。この演算方法によれば、質量流量がゼロのときの時間差は含まない。

最小周波数ｆ１と最大周波数ｆ２のときの時間差Δｔ１とΔｔ２が求められたら、振動周波数ｆ１のときの時間差Δｔは、次式で求まる。
Δｔ＝（Δｔ２−Δｔ１）×ｆ１／（ｆ２−ｆ１）・・・（３）
この演算式は、図１４、図１５の破線に示されるように、最大周波数ｆ２のときの時間差Δｔ２、最小周波数Δｔ１のときの時間差Δｔ１の２つの点を結ぶ直線Ｅ，Ｆの延長線が周波数ゼロの縦線と交差するゼロ点を仮想的に演算したのと同じである。すなわち、図１４、図１５のβの位置が本来のゼロ点となる時間差の位置である。直線Ｅ，Ｆの傾きαは次式で求まる。
ｓｉｎα＝（Δｔ２−Δｔ１）／（ｆ２−ｆ１）・・・（４）
また、直線Ｅ，Ｆの延長線が周波数ゼロとなる切片βは次式で求まる。
β＝Δｔ２−α・ｆ２・・・（５）
ゼロ点はβであり、式（４）（５）を変形すると、上式（３）が得られる。

時間差測定方法としては、例えば、１周期で１回の時間差を演算する。流入側ピックアップ１８０がゼロ電圧を出力する時点から流出側ピックアップ２００がゼロ電圧を出力するまでの時間差を計測する方法がある。従って、流量演算回路７００では、時間差演算回路４８０から出力された時間差をヤング率演算回路５４０から出力された補正値ｂに基づいてヤング率補正を行なうと共に、発振器５５０で生成された周波数信号ｆが変動する１周期で最小周波数ｆ１、最大周波数ｆ２に対する時間差Δｔ１，Δｔ２を求め、上記式（３）の演算によりゼロ点βを求めてゼロ点補正を行なう。これにより、流量演算回路７００より出力される流量パルス信号ｃ、流量制御信号ｄは、温度変化によるヤング率及びゼロ点を補正されたより高精度な質量流量の測定値として制御装置４０に出力される。

本変形例２の流量計測制御回路４００Ｂでは、被測流体を流通させながらゼロ点補正を行えるので、燃料供給中でもゼロ点補正することができ、あるいは他の流体供給を停止させることができないような燃料供給装置にも好適である。

尚、上記実施例では、センサチューブ１４０，１５０の形状を逆Ｕ字状に形成した場合を例に挙げて説明したが、これに限らず、他の形状（例えば、直管状、流入側端部と流出側端部との間隔を狭くしたΩ形状、あるいはＪ字状に曲げた形状など）でも良いのは勿論である。

また、上記実施例では、計測される高圧流体として水素やＣＮＧを例示したが、これ以外の高圧ガスを計測する場合にも適用できるのは言うまでもない。

また、上記実施例では、被測流体の質量流量を測定する場合を例に挙げて説明したが、これに限らず、被測流体の密度を測定する密度計にも本発明を適用することができるのは勿論である。

また、上記実施例では、回路動作の説明をアナログ回路を用いて行なったが、全ての演算処理をデジタル値で行なうことも可能である。

１０ ガス供給装置
１２ 自動車
１４ 燃料タンク
１６ ディスペンサユニット
１８ ガス供給経路
２０ 振動式測定装置（質量流量計）
２２ ガス供給開閉弁
２４ 制御弁
２６ 圧力伝送器
２８ ガス充填ホース
３０ 三方弁
３２ 脱圧管路
３４ ガス充填カップリング
４０ 制御装置
４２ 充填開始スイッチ釦
４４ 充填停止スイッチ釦
４６ 流量表示器
５０ レセプタクル
１２０ マニホルド
１４０，１５０ センサチューブ
１４０ａ，１５０ａ 流入側端部
１４０ｂ，１５０ｂ 流入側端部
１４０ｃ，１５０ｃ 中間部分
１６０ 加振器
１６０ａ 励振コイル
１６０ｂ マグネット
１８０ 流入側ピックアップ
２００ 流出側ピックアップ
１８０ａ、２００ａ センサコイル
１８０ｂ、２００ｂ マグネット
４００、４００Ａ、４００Ｂ 流量計測制御回路
４２０ 本質安全防爆バリア回路
４４０ 励振回路
４６０ 積分回路
４７０、４７０Ａ、４７０Ｂ 流量信号生成部
４８０ 時間差演算回路
５００ ヤング率補正流量換算回路
５１０、５１０Ａ、５５０ 発振器
５１０Ｂ 正弦波発振器
５２０ バリア回路
５３０ 温度測定回路
５４０ ヤング率演算回路
６００ 流量換算回路
７００ 流量演算回路

Claims (4)

1. 被測流体が流れるセンサチューブと、
   前記センサチューブを加振する加振器と、
   前記加振器による加振周波数を制御する加振器制御手段と、
   前記センサチューブの変位を検出する変位検出器と、
   前記変位検出器より得られる前記センサチューブの変位を示す検出信号から時間差を検出する計測手段と、
   を備え、
   前記加振器制御手段は、前記センサチューブの振動周波数を当該センサチューブの固有振動周波数以外の周波数となるように前記加振器による加振周波数を制御することを特徴とする振動式測定装置。
2. 前記加振器制御手段は、前記センサチューブを流れる被測流体の計測可能範囲として予め設定された上限温度から下限温度における当該センサチューブの固有振動数以外の加振周波数で前記センサチューブを振動させ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. 前記センサチューブの温度を検出する温度検出器を設けてなり、
   前記加振器制御手段は、前記加振器の加振周波数を前記温度検出器により検出された温度に対応する弾性係数に基づき変化させることを特徴とする請求項１または２に記載の振動式測定装置。
4. 前記変位検出器により検出された検出信号のゼロ点を計測するためのゼロ点検出手段を設けてなり、
   前記ゼロ点検出手段は、前記加振器制御手段を制御して前記センサチューブの加振周波数を変化させ、当該加振周波数を変化させた際に加振周波数の変化前後において計測手段により検出される時間差からゼロ点を演算することを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の振動式測定装置。

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