JP2012026775A - コリオリ式質量流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】２本の振動チューブの逆相と同相の共振振動周波数を分離し、同相の共振振動を引き起こす外部振動の影響を受け難いコリオリ式質量流量計を実現すること。
【解決手段】 支持部が２本の振動チューブが平行となるように各振動チューブを支持して流体を等流量に分配して流入させ、振動手段により前記各振動チューブを相互に近接および離間する方向に振動させ、前記各振動チューブの相対変位を、振動検出センサにより検出して、前記振動チューブ内を流れる被測定流体の質量流量を測定するコリオリ式質量流量計において、前記支持部は、前記各振動チューブの前記上流側の管部をそれぞれ支持する第１の同相振動キャンセル手段と、前記各振動チューブの前記下流側の管部をそれぞれ支持する第２の同相振動キャンセル手段を備え、前記第１および第２の同相振動キャンセル手段は、弾性を有する部材が前記各振動チューブから振動による力を受けて変形することにより、前記各振動チューブが同相振動する場合に共振振動周波数を低減させることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、支持部が２本の振動チューブが平行となるように各振動チューブを支持して流体を等流量に分配して流入させ、振動手段により各振動チューブを相互に近接および離間する方向に振動させ、各振動チューブの相対変位を振動検出センサにより検出して、振動チューブ内を流れる被測定流体の質量流量を測定するコリオリ式質量流量計に関し、２本の振動チューブの逆相と同相の共振振動周波数を分離し、同相の共振振動を引き起こす外部振動の影響を受け難いコリオリ式質量流量計に関するものである。

図４は、従来のコリオリ式質量流量計の一例を示す構成説明図である。
図４において、従来のコリオリ式質量流量計は、被測定流体が流れる２本の振動チューブ（センサチューブ）１、２を振動手段（励振手段）３により相互に近接および離間する方向に振動（逆相振動）させ、流量に比例したコリオリ力による振動チューブ１、２の相対変位を２つの振動検出センサ４、５により検出する。

振動チューブ１、２は、一端に流入口を、他端に流出口（図示せず）をそれぞれ有するベース（図示せず）上に平行に配列され、流入口および流出口に連通するように両端部が連結されたＵ字形の２本のセンサ用のチューブである。
ベース（図示せず）は、２本の振動チューブが平行となるように各振動チューブを支持する支持部６を備える。

ベース（図示せず）の内部には、流入口から分岐された二股の流入側流路と流出口に集合する二股の流出側流路（図示せず）とが形成されており、２本の振動チューブ１、２の両端部が、これら二股の流入側流路および流出側流路に連通するようにベースに連結される。
したがって、流入口からベース内に供給された被測定流体は、二股の流入側流路により均等に分流されて２本の振動チューブ１、２に流入し、さらに二股の流出側流路から流出口で合流して外部へ流出する。

振動手段３、振動検出センサ１、２は、共にコイルおよびマグネットから構成され、この場合、２本のセンサチューブのうちの一方にコイルが、そのうちの他方にマグネットがそれぞれ取付けられる。

振動手段３は、２本の振動チューブ１、２を相互に近接および離間する方向に振動させる、つまり、対称に振動させる。

上記のように構成したコリオリ式質量流量計１０は、主に、以下のように被測定流体の質量流量を計測する。
（１）被測定流体が、支持部６の流入口を介し２本の振動チューブ１、２内に流入する。
（２）振動手段３の励振コイル等（図示せず）に（交番）電流を供給し、マグネット（図示せず）との電磁作用で２本の振動チューブ１、２を相互に近接および離間する方向に振動させる。

（３）被測定流体の質量に応じた大きさのコリオリ力が振動チューブ１、２に作用する。このとき、２本の振動チューブ１、２の流入側と流出側とでは、それぞれ反対方向に同じ大きさのコリオリ力が作用し、これにより２本の振動チューブ１、２に相対的なよじれが発生する。

（４）振動検出センサ４、５は、２本の振動チューブ１、２の振動（速度）を検出し、その検出信号を信号線（図示せず）を介して制御装置（図示せず）内の演算回路へ送出される。

（５）このとき、各振動検出センサ４、５により検出された振動波形（センサ内の一対の検出コイルに誘起された検出波形）は、一方のセンサチューブ３の振動波形Ａと他方の振動チューブの振動波形Ｂとの合成波形（Ａ＋Ｂ）となる。

（６）制御装置内の演算回路は、振動検出センサ４による検出結果に基づく合成波形と振動検出センサ５からの検出信号に基づく合成波形との位相差（時間差）から被測定流体の質量流量を演算し、その結果を表示手段（図示せず）に表示する。

このように、従来のコリオリ式質量流量計は、振動手段３が２本の振動チューブ１、２を相互に近接および離間する方向に振動させる（対称に振動させる）ため、支持部６に伝達される励振方向の振動がキャンセルしあって音叉の節のような場所を形成することにより、振動エネルギーの漏洩が少なり（内部の振動の外部への漏洩が少なくなり）振動のＱ値が向上する。
なお、振動のＱ値は大きいほど、振動が安定的であることを意味し、Ｑ値が向上すればその分だけ質量流量の計測精度が向上する。

たとえば、従来のコリオリ式質量流量計に関連する先行技術文献として下記の特許文献１がある。

特開２００８−２０９２２３号公報

しかしながら、従来のコリオリ式質量流量計では、振動手段による振動は逆相の共振振動であるが、振動チューブ（または振動検出センサ）そのものが外部振動等で振動することにより、同じ方向に振動する（同相の共振振動をする、以下、同相振動という）ことがあった。また同相振動は、振動チューブの対称性の不完全さ等のために、逆相の共振振動に変換されることもあった。

このため、同相の共振振動の周波数が逆相の共振振動の周波数と同じ、もしくはその近傍であると、逆相に変換された振動は、振動検出センサの出力信号を処理する電子回路（演算制御手段等）のフィルタ等で除去できず、測定誤差を生じさせるという問題点があった。

図５は従来のコリオリ式質量流量計の問題点の説明図である。
図５に示すように、振動手段が２本の振動チューブ１、２を対称に振動させる際に、振動エネルギーの漏洩が発生する（たとえば振動がベース６に漏れる）と、その振動がベース６等を介して振動チューブ１、２に戻ることにより同相の共振振動となってしまう（図５（Ａ））ことがあった。

また、従来例の構造では、逆相と同相の共振振動周波数は、ほぼ同じとなってしまい（図５（Ａ）、（Ｂ））、同相の共振振動を引き起こす外部振動の影響を受け易いという問題があった。

本発明は、このような問題点を解決するものであり、その目的は、２本の振動チューブの逆相と同相の共振振動周波数を分離し、同相の共振振動を引き起こす外部振動の影響を受け難いコリオリ式質量流量計を実現することである。

上記目的を達成するために、本発明のうち請求項１に記載の発明は、
支持部が２本の振動チューブが平行となるように各振動チューブを支持して流体を等流量に分配して流入させ、振動手段により前記各振動チューブを相互に近接および離間する方向に振動させ、前記各振動チューブの相対変位を２つの振動検出センサにより検出して、前記振動チューブ内を流れる被測定流体の質量流量を測定するコリオリ式質量流量計において、
前記支持部は、前記各振動チューブの上流側の管部をそれぞれ支持する第１の同相振動キャンセル手段と、前記各振動チューブの下流側の管部をそれぞれ支持する第２の同相振動キャンセル手段を備え、
前記第１および第２の同相振動キャンセル手段は、弾性を有する部材が前記各振動チューブから振動による力を受けて変形することにより、前記各振動チューブが同相振動する場合に共振振動周波数を低減させることを特徴とするコリオリ式質量流量計。

請求項２記載の発明は、請求項１に記載のコリオリ式質量流量計において、
前記各振動チューブは、前記流体をチューブ内に流入させる上流側管部と、この上流側管部と連結する曲管部と、この曲管部と連結し前記流体をチューブ外に流出させる下流側管部、をそれぞれ具備し、
前記第１の同相振動キャンセル手段は、前記支持部が前記各振動チューブの前記上流側管部をそれぞれ支持し、
前記第２の同相振動キャンセル手段は、前記各振動チューブの前記下流側管部をそれぞれ支持することを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項２に記載のコリオリ式質量流量計において、
前記第１または第２の同相振動キャンセル手段は、
中空部を有するフレーム部材と、
前記中空部を横切る弾性を有する梁部と、
前記中空部内に位置し、前記梁部に装着され、前記各上流側管部又は前記各下流側管部をそれぞれ支持するチューブ支持部を備え、前記梁部が、前記各振動チューブから振動による力を受けて変形することを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項３に記載のコリオリ式質量流量計において、
前記第１または第２の同相振動キャンセル手段は、
前記梁部により前記各振動チューブから振動による力を受けて変形することにより、前記各振動チューブが同相振動する場合の共振振動周波数を、前記各振動チューブが逆相振動する場合の共振振動周波数とは異なる周波数とし、
前記各振動検出センサの検出信号に基づき、被測定流体の質量流量を算出する演算制御手段を備えることを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項２〜４のいずれかに記載のコリオリ式質量流量計において、前記上流側管部および前記下流管部は、直管形状であることを特徴とする。

本発明によれば、支持部が各振動チューブの上流側管部をそれぞれ支持する第１の同相振動キャンセル手段と、各振動チューブの下流側管部をそれぞれ支持する第２の同相振動キャンセル手段を備え、第１および第２の同相振動キャンセル手段は、弾性を有する部材が各振動チューブから振動による力を受けて変形することにより、２本の振動チューブの逆相と同相の共振振動周波数を分離することができ、同相の共振振動を引き起こす外部振動の影響を受け難いという点で有効である。

本発明のコリオリ式質量流量計の一実施例を示す構成説明図である。 図１の第１または第２の同相振動キャンセル手段の作用・効果の説明図である。 図１の第１、第２の同相振動キャンセル手段のその他の構成説明図である。 従来のコリオリ式質量流量計の一例を示す構成説明図である。 従来のコリオリ式質量流量計の問題点の説明図である。

＜第１の実施例＞
以下、図面を参照して、本発明を詳細に説明する。図１は本発明のコリオリ式質量流量計の一実施例を示す構成説明図であり、図４と共通する部分は同一の符号を付し、適宜説明を省略する。（Ａ）はコリオリ式質量流量計全体の構成説明図、（Ｂ）は振動チューブの説明図、（Ｃ）は第１および第２の同相振動キャンセル手段の構成説明図である。

図１と図４との相違点は、支持部は、各振動チューブの上流側をそれぞれ支持する第１の同相振動キャンセル手段と、各振動チューブの下流側をそれぞれ支持する第２の同相振動キャンセル手段を備え、第１および第２の同相振動キャンセル手段は、弾性を有する部材が各振動チューブから振動による力を受けて変形することにより、各振動チューブが同相振動する場合に共振振動周波数を低減させる点である。

（構成の説明）
図１において、本発明に係るコリオリ式質量流量計２０は、主に、被測定流体が流れる２本の振動チューブ（センサチューブ）１、２と、振動チューブ１、２を相互に近接および離間する方向に振動させる振動手段（励振手段）３と、流量に比例したコリオリ力による振動チューブ１、２の相対変位を検出する２つの振動検出センサ（ピックアップ）４、５と、一端に流入口、他端に流出口（図示せず）を有する流体が流れる支持管などのベース（図示せず）を備える。このベースは、２本の振動チューブが平行となるように各振動チューブを支持する支持部７を備える。

また、コリオリ式質量流量計２０は、各振動検出センサ３、４の検出信号に基づき、被測定流体の質量流量を算出する演算制御手段８を備える。

振動チューブ１、２は、一端に流入口を、他端に流出口（図示せず）をそれぞれ有する支持部７上に平行に配列され、流入口および流出口に連通するように支持部７に両端部が連結されたＵ字形の２本のセンサ用のチューブである。

具体的には、振動チューブ１、２は、流体がチューブ内に流れ込む、たとえば直管形状の上流側管部１ａ、２ａと、この上流側管部１ａ、２ａと連結する曲管部１ｂ、２ｂと、この曲管部１ｂ、２ｂと連結し流体がチューブ外に流出する、たとえば直管形状の下流側管部１ｃ、２ｃ、とから構成され、Ｕ次形状、Ｖ次形状などの湾曲形状に形成される。

また、上流側管部１ａ、２ａおよび下流側管部１ｃ、２ｃは、曲管部１ｂ、２ｂの両端にそれぞれ略Ｌ字形を成して連結される。

振動手段３、振動検出センサ４、５は、共にコイルおよびマグネットから構成され、この場合、２本の振動チューブ１、２のうちの一方にコイルが、そのうちの他方にマグネットがそれぞれ取付けられる。

振動手段３のマグネットは、たとえば振動検出センサ４、５と同様に、同磁極が励振コイルに挿入されるように配置されている。
振動手段３の（励振）コイルには、振動チューブ１、２の固有振動数にほぼ等しい振動数の（交番的な）電流が供給されるようになっており、この電流供給によりマグネットに対して吸引力および反発力が作用し、両者の電磁的な相互作用によって２本の振動チューブ１、２が相互に近接および離間する方向へ振動する。

振動検出センサ４、５は、２本の振動チューブ１、２の相対変位を検出するもので、振動検出センサ４は振動チューブ１、２の流体の流入側に設置され、振動検出センサ５は振動チューブ１、２の流体の流出側に設置される。

振動検出センサ４、５は、それぞれ各振動チューブ１、２のＵ字形状の部位のうち直管形状の部分に近接する部分に取付けられた検出コイルとマグネットとから構成される。
各マグネットは、たとえば同磁極が検出コイルに挿入されるように配置されている。振動検出センサ４、５は、検出コイルとマグネットとの間に相対変位が生じると、検出コイルに電磁誘導電流が流れ、各振動チューブ１、２の振動（速度）に応じた大きさの検出信号を出力する。

ベース（図示せず）は、２本の振動チューブ１、２が平行となるように各振動チューブ１、２を支持して流体を等流量に分配して流入させる。

ベース（図示せず）の内部には、流入口から分岐された二股の流入側流路と流出口に集合する二股の流出側流路（図示せず）とが形成されており、２本の振動チューブ１、２の両端部が、これら二股の流入側流路および流出側流路に連通するようにベースに連結される。
したがって、流入口からベース６内に供給された被測定流体は、二股の流入側流路により均等に分流されて２本の振動チューブ１、２に流入し、さらに二股の流出側流路から流出口で合流して外部へ流出する。

支持部７は、各振動チューブ１、２の上流側管部１ａ、２ａをそれぞれ支持する第１の同相振動キャンセル手段８と、各振動チューブ１、２の下流側管部１ｃ、２ｃをそれぞれ支持する第２の同相振動キャンセル手段９を備える。

第１の同相振動キャンセル手段８は、弾性を有する部材が各振動チューブ１、２から振動による力を受けて変形することにより、各振動チューブ１、２が同相振動する場合に共振振動周波数を低減させる。
具体的には、第１の同相振動キャンセル手段８は、中空部を有するフレーム部材８ａと、中空部を横切る弾性を有する梁部８ｂと、中空部内に位置し、梁部８ｂに装着され、各振動チューブ１、２の上流側管部をそれぞれ支持するチューブ支持部８ｃを備え、梁部８ｂが、弾性を有する素材から形成され各振動チューブから振動による力を受けて変形する。

第２の同相振動キャンセル手段９は、弾性を有する部材が各振動チューブ１、２から振動による力を受けて変形することにより、各振動チューブが１、２同相振動する場合に共振振動周波数を低減させる。
具体的には、第２の同相振動キャンセル手段９は、中空部を有するフレーム部材９ａと、中空部を横切る弾性を有する（比較的剛性の低い）梁部９ｂと、中空部内に位置し、梁部９ｂに装着され、各振動チューブ１、２の各下流側管部をそれぞれ支持するチューブ支持部９ｃを備え、梁部９ｂが、弾性を有する素材から形成され、各振動チューブから振動による力を受けて変形する。

チューブ支持部８ｃ、９ｃは、振動チューブ１、２の上流側管部、下流側管部の断面形状と略同一大の孔部をそれぞれ２つ有する。これらの孔部に振動チューブ１、２の上流側管部、下流側管部が挿入されることで振動チューブを支持する。
図１ように、チューブ支持部８ｃの２つの孔部と、チューブ支持部９ｃの２つの孔部とは、互いに平行になるような列状に形成されるものでもよい。

中空部は、振動チューブ１、２の振動による梁部８ｂ、９ｂの変形（ねじれ変形）に伴って、チューブ支持部８ｃ、９ｃが（たとえばフレーム部材８ａ、９ａの内壁に触れないように）振動できる程度に形成されるものでよい。

また、チューブ支持部８ｃは、図１のようにチューブ支持部８ｃの２つ孔部の間の位置からフレーム部材８ａの内壁にそれぞれ伸延する梁部８ｂに装着される。チューブ支持部９ｃは、図１のようにチューブ支持部９ｃの２つ孔部の間の位置からフレーム部材９ａの内壁にそれぞれ伸延する梁部９ｂに装着される。梁部８ｂ、９ｂは、チューブ支持部８ｃ、９ｃよりも細い形状から成るものでもよい。

（作用効果の説明）
これらの第１または第２の同相振動キャンセル手段８、９は、弾性を有する梁部８ｂ、９ｂが、各振動チューブ１、２から振動による力を受けて変形（ねじれ変形等）する。

図２は、図１の第１または第２の同相振動キャンセル手段８、９の作用・効果の説明図であり、（Ａ）は同相振動する場合、（Ｂ）は逆相振動する場合の説明図である。

図２（Ａ）において、振動チューブ１、２が同相振動をする場合は、コリオリ式質量流量計２０は、振動チューブ１、２から振動による力を受けて変形（ねじれ変形等）する。
剛性の梁部８ｂ、９ｂが変形すれば、振動チューブ１、２の同相振動における共振振動周波数を低減することができる。

図２（Ｂ）において、振動チューブ１、２が逆相振動をする場合は、２本の振動チューブ１、２が逆に動くため、梁部８ｂ、梁部９ｂは振動チューブ１、２から振動による力を受けても梁部８ｂ、梁部９ｂにかかる力が打消しあうので、結果として、梁部８ｂ、梁部９ｂは変形しない。
つまり、逆相振動をする場合は、梁部８ｂ、梁部９ｂの変形等の影響を受けないため、従来例と同じ共振周波数となる。

これらのように、コリオリ式質量流量計２０は、第１または第２の同相振動キャンセル手段８、９の弾性を有する梁部８ｂ、梁部９ｂが各振動チューブ１、２から振動による力を受けて変形することにより、各振動チューブ１、２が逆相振動する場合の共振振動周波数とは異なる周波数とすることができる、つまり同相の共振周波数と逆相の共振周波数を分離できる。

このため、演算制御手段８は、各振動検出センサ３、４の検出信号に基づいて、周波数の違いから同相振動か逆相振動かを判断できるので、振動検出センサ３、４の検出信号を処理する電子回路のフィルタ等を用いて測定に不要な振動、ノイズ等を除去することで、従来例よりも測定誤差の少なく被測定流体の質量流量を算出できる。

すなわち、従来例のように、同相の共振振動の周波数が逆相の共振振動の周波数と同じ、もしくは近傍にあると、振動チューブの対称性の不完全さ等のために変換された逆相の共振振動を、振動検出センサの出力信号を処理する電子回路（演算制御手段等）のフィルタ等で除去できず、測定誤差を生じさせるという問題点を解決できる。

この結果、本発明のコリオリ式質量流量計は、支持部が各振動チューブの上流側管部をそれぞれ支持する第１の同相振動キャンセル手段と、各振動チューブの下流側管部をそれぞれ支持する第２の同相振動キャンセル手段を備え、第１および第２の同相振動キャンセル手段は、弾性を有する部材が各振動チューブから振動による力を受けて変形することにより、２本の振動チューブの逆相と同相の共振振動周波数を分離することができ、同相の共振振動を引き起こす外部振動の影響を受け難いという点で有効である。

なお、本発明に係るコリオリ式質量流量計は、第１、第２の同相振動キャンセル手段８、９のチューブ支持部８ｃ、９ｃの梁部８ｂ、９ｂへの装着の位置は特に限定するものではなく、チューブ支持部が梁部を介して中空部内に配置されるものであればどのようなものでもよい。図３は、図１の第１、第２の同相振動キャンセル手段８、９のその他の構成説明図である。

たとえば、図３（Ａ）のように、第１、第２の同相振動キャンセル手段８、９は、チューブ支持部８ｃ、９ｃの２つの孔部が、梁部８ｂ、９ｂがフレーム部材８ａ、９ａの内壁から伸延する方向に列を成すように形成されるものであってもよい。

たとえば、図３（Ｂ）のように、第１、第２の同相振動キャンセル手段８、９は、チューブ支持部８ｃ、９ｃの２つの孔部が、梁部８ｂ、９ｂがフレーム部材８ａ、９ａの内壁から伸延する方向に列を成すように形成されるとともに、チューブ支持部８ｃ、９ｃの２つ孔部の間の位置からフレーム部材８ａ、９ａの内壁にそれぞれ伸延する梁部８ｄ、９ｄに装着されるものであってもよい。

２０ コリオリ質量流量計
１、２ 振動チューブ
１ａ、２ａ 上流側管部
１ｂ、２ｂ 曲管部
１ｃ、２ｃ 下流側管部
３ 振動手段
４、５ 振動検出センサ
７ 支持部
８ 第１の同相振動キャンセル手段
８ａ フレーム部材
８ｂ 梁部
８ｃ チューブ支持部
９ 第２の同相振動キャンセル手段
９ａ フレーム部材
９ｂ 梁部
９ｃ チューブ支持部

Claims (5)

1. 支持部が２本の振動チューブが平行となるように各振動チューブを支持して流体を等流量に分配して流入させ、振動手段により前記各振動チューブを相互に近接および離間する方向に振動させ、前記各振動チューブの相対変位を２つの振動検出センサにより検出して、前記振動チューブ内を流れる被測定流体の質量流量を測定するコリオリ式質量流量計において、
   前記支持部は、前記各振動チューブの上流側の管部をそれぞれ支持する第１の同相振動キャンセル手段と、前記各振動チューブの下流側の管部をそれぞれ支持する第２の同相振動キャンセル手段を備え、
   前記第１および第２の同相振動キャンセル手段は、弾性を有する部材が前記各振動チューブから振動による力を受けて変形することにより、前記各振動チューブが同相振動する場合に共振振動周波数を低減させることを特徴とするコリオリ式質量流量計。
2. 前記各振動チューブは、前記流体をチューブ内に流入させる上流側管部と、この上流側管部と連結する曲管部と、この曲管部と連結し前記流体をチューブ外に流出させる下流側管部、をそれぞれ具備し、
   前記第１の同相振動キャンセル手段は、前記支持部が前記各振動チューブの前記上流側管部をそれぞれ支持し、
   前記第２の同相振動キャンセル手段は、前記各振動チューブの前記下流側管部をそれぞれ支持することを特徴とする請求項１記載のコリオリ式質量流量計。
3. 前記第１または第２の同相振動キャンセル手段は、
   中空部を有するフレーム部材と、
   前記中空部を横切る弾性を有する梁部と、
   前記中空部内に位置し、前記梁部に装着され、前記各上流側管部又は前記各下流側管部をそれぞれ支持するチューブ支持部を備え、
   前記梁部が、前記各振動チューブから振動による力を受けて変形することを特徴とする請求項２記載のコリオリ式質量流量計。
4. 前記第１または第２の同相振動キャンセル手段は、
   前記梁部により前記各振動チューブから振動による力を受けて変形することにより、前記各振動チューブが同相振動する場合の共振振動周波数を、前記各振動チューブが逆相振動する場合の共振振動周波数とは異なる周波数とし、
   前記各振動検出センサの検出信号に基づき、被測定流体の質量流量を算出する演算制御手段を備えることを特徴とする請求項３記載のコリオリ式質量流量計。
5. 前記上流側管部および前記下流管部は、直管形状であることを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載のコリオリ式質量流量計。

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