JP2012184994A - コリオリ流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】フローチューブの加工、調整が容易で、高い計測精度を実現することができる低コストのコリオリ流量計を提供する。
【解決手段】コリオリ流量計は、被測定流体が流入および流出する流管であるフローチューブ２Ａ，２Ｂと、フローチューブ２Ａ，２Ｂを、被測定流体の流れと垂直方向に別々に励振駆動する駆動装置３Ａ，３Ｂと、フローチューブ２Ａ，２Ｂの振動を検出する振動センサ４Ａ，４Ｂ，５Ａ，５Ｂと、振動センサ４Ａ，４Ｂ，５Ａ，５Ｂの出力信号から被測定流体の質量流量を演算する演算部７とを備える。フローチューブ２Ａ，２Ｂの捩れ振動の固有振動数は略同一で、かつフローチューブ２Ａ，２Ｂの流れと垂直方向の振動の固有振動数が異なる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、流体の質量流量を計測するコリオリ流量計に関するものである。

被測定流体が流通するフローチューブ（流管）を被測定流体の流れ方向と垂直な方向に振動させたとき、フローチューブに作用するコリオリの力が被測定流体の質量流量に比例することを利用したコリオリ流量計は周知である（例えば特許文献１、特許文献２参照）。特許文献１に開示されたコリオリ流量計では、湾曲管から構成される２本のフローチューブを並列に設置し、２本のフローチューブを互いに逆位相で共振駆動し、被測定流体に生じるコリオリの力に比例した位相差を検出して微小流量を検出するようにしていた。

また、特許文献２に開示されたコリオリ流量計では、特許文献１と同様に２本のフローチューブを用いる構成において、Ｘ軸方向（フローチューブの振動方向）およびＹ軸方向（フローチューブの管軸方向）と直交するＺ軸方向の振動を規制するために、フローチューブ固定部材を設けることで、微小流量の計測を可能にしていた。

特許第２９３９２４２号公報 特開２００９−８６９５号公報

Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の外部振動は、フローチューブの入口と出口間で発生するコリオリの力による位相差には影響を与えない。例えばＸ軸方向の振動が外部から加わったとしても、振動そのものは大きくなるが、フローチューブの入口と出口間の位相差は振動振幅に依らないので、位相差が影響を受けることはない。

一方、フローチューブを捩るモードの振動の場合には、流量に比例するため計測に大きな影響を与える。流量が０の場合、捩れ振動は本来発生しない。しかし、捩れ振動と同種の振動ノイズが外部から加わると、被測定流体の流れによる捩れ振動として検出してしまうため、誤差が生じる。そこで、特許文献１，２に開示された従来のコリオリ流量計では、２本のフローチューブを逆位相で駆動することで捩れ振動ノイズをキャンセルし、計測精度の低下を防ぐようにしている。

しかしながら、すべての振動モードをキャンセルするフローチューブを作るためには、２本のフローチューブの特性を合わせなければならず、調整が必要となり、コストがかかるという問題点があった。また、無調整の場合には、２本のフローチューブの特性のばらつきにより、計測精度が落ちるという問題点があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、フローチューブの加工、調整が容易で、高い計測精度を実現することができる低コストのコリオリ流量計を提供することを目的とする。

本発明のコリオリ流量計は、並列に設置され、被測定流体が流入および流出する流管である第１、第２のフローチューブと、被測定流体が流れる前記第１、第２のフローチューブを、流れと垂直方向に別々に励振駆動する駆動手段と、前記第１、第２のフローチューブの入口側において前記第１、第２のフローチューブの振動を検出する第１、第２の振動センサと、前記第１、第２のフローチューブの出口側において前記第１、第２のフローチューブの振動を検出する第３、第４の振動センサと、前記第１乃至第４の振動センサの出力信号から被測定流体の質量流量を演算する演算手段とを備え、前記第１、第２のフローチューブの捩れ振動の固有振動数が略同一で、かつ前記第１、第２のフローチューブの前記垂直方向の振動の固有振動数が異なることを特徴とするものである。

また、本発明のコリオリ流量計は、並列に設置され、被測定流体が流入および流出する流管である第１、第２のフローチューブと、被測定流体が流れる前記第１、第２のフローチューブのうち一方のフローチューブを、流れと垂直方向に励振駆動する駆動手段と、前記第１、第２のフローチューブの入口側において前記第１、第２のフローチューブの振動を検出する第１、第２の振動センサと、前記第１、第２のフローチューブの出口側において前記第１、第２のフローチューブの振動を検出する第３、第４の振動センサと、前記第１乃至第４の振動センサの出力信号から被測定流体の質量流量を演算する演算手段とを備え、前記第１、第２のフローチューブの捩れ振動の固有振動数が略同一で、かつ前記第１、第２のフローチューブの前記垂直方向の振動の固有振動数が異なり、前記励振駆動されない側のフローチューブの前記垂直方向の振動の固有振動数は略零であることを特徴とするものである。

また、本発明のコリオリ流量計の１構成例において、前記第１、第２のフローチューブのうち、一方のフローチューブの前記垂直方向の振動の固有振動数は、他方のフローチューブの前記垂直方向の振動の固有振動数の１．５倍以上であることを特徴とするものである。

本発明によれば、第１、第２のフローチューブの捩れ振動の固有振動数が略同一で、かつ第１、第２のフローチューブの垂直方向の振動の固有振動数が異なるようにして、第１、第２のフローチューブを別々に励振駆動するか、あるいは一方のフローチューブを励振駆動することにより、外部からの振動ノイズを除去することができ、高い計測精度を実現することができる。本発明では、すべての振動モードをキャンセルできるように２本のフローチューブの特性を合わせる必要がないので、従来と比べてフローチューブの加工、調整が容易となる。したがって、本発明では、フローチューブの加工、調整が容易で、高い計測精度を実現することができる低コストのコリオリ流量計を提供することができる。

本発明の実施の形態に係るコリオリ流量計の概略構成図である。 本発明の実施の形態における２本のフローチューブの振動状態の例を示す図である。 本発明の実施の形態における２本のフローチューブの入口側の振動の差分および出口側の振動の差分の例を示す図である。 本発明の実施の形態における２本のフローチューブの入口側の振動の差分および出口側の振動の差分の例を示す図である。 本発明の実施の形態における２本のフローチューブの振動状態の他の例を示す図である。 本発明の実施の形態における２本のフローチューブの入口側の振動の差分および出口側の振動の差分の他の例を示す図である。 本発明の実施の形態における２本のフローチューブの入口側の振動の差分および出口側の振動の差分の他の例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の実施の形態に係るコリオリ流量計の概略構成図である。コリオリ流量計は、被測定流体が流入および流出する配管１と、並列（平行）に設置され、配管１から被測定流体が流入および流出する湾曲管であるフローチューブ２Ａ，２Ｂと、フローチューブ２Ａ，２Ｂを励振駆動する駆動装置３Ａ，３Ｂと、フローチューブ２Ａ，２Ｂの入口側に設けられ、フローチューブ２Ａ，２Ｂの振動（変位）を検出する振動センサ４Ａ，４Ｂと、フローチューブ２Ａ，２Ｂの出口側に設けられ、フローチューブ２Ａ，２Ｂの振動（変位）を検出する振動センサ５Ａ，５Ｂと、駆動装置３Ａ，３Ｂに電流を供給してフローチューブ２Ａ，２Ｂを励振させる励振制御部６と、被測定流体の質量流量等の演算を行う演算部７とから構成される。

図１では、駆動装置３Ａ，３Ｂの駆動方向（フローチューブ２Ａ，２Ｂの振動方向）をＸ軸方向とし、フローチューブ２Ａ，２Ｂの振動の腹位置（駆動装置３Ａ，３Ｂによる駆動点）における管軸方向（被測定流体の流れの方向）をＹ軸方向とし、Ｘ軸方向およびＹ軸方向と直交する方向をＺ軸方向としている。

被測定流体は、図１の左側から配管１に流入し、配管１の点線の箇所８内に設けられている入口側マニフォールド（不図示）により２本のフローチューブ２Ａ，２Ｂに等しく分岐され、フローチューブ２Ａ，２Ｂ内を流れる。そして、被測定流体は、フローチューブ２Ａ，２Ｂの出口側では、配管１の点線の箇所９内に設けられている出口側マニフォールド（不図示）で合流して配管１から外部の流管に流出する。

本実施の形態では、２本のフローチューブ２Ａ，２Ｂの長さが異なっており、フローチューブ２Ｂよりもフローチューブ２Ａの方が長くなっている。２本のフローチューブ２Ａ，２Ｂは、Ｘ軸方向の振動の固有振動数が異なる。フローチューブ２ＡのＸ軸方向の振動の固有振動数をθ_A、フローチューブ２ＢのＸ軸方向の振動の固有振動数をθ_Bとすると、θ_A＜θ_B、すなわちフローチューブ２Ａよりもフローチューブ２Ｂの方がＸ軸方向の振動の固有振動数が高くなっている。また、２本のフローチューブ２Ａ，２Ｂの軸周りの捩れ振動の固有振動数は略同一である。すなわち、フローチューブ２Ａの軸周りの捩れ振動の固有振動数をω_A、フローチューブ２Ｂの軸周りの捩れ振動の固有振動数をω_Bとすると、ω_A≒ω_Bとなる。

駆動装置３Ａ，３Ｂは、それぞれフローチューブ２Ａ，２Ｂを別々に励振駆動する。駆動装置３Ａ，３Ｂは、例えばコイルと磁石とからなる。駆動装置３Ａ，３Ｂのそれぞれの磁石は、フローチューブ２Ａ，２Ｂに配設され、駆動装置３Ａ，３Ｂのそれぞれのコイルは、駆動装置３Ａ，３Ｂの磁石と対向するようにフローチューブ２Ａ，２Ｂの周囲に配設されている。励振制御部６は、駆動装置３Ａ，３Ｂのコイルに電流を供給する。この電流供給によりコイルとフローチューブ２Ａ，２Ｂの磁石との間に吸引力または反発力が発生する。その結果、フローチューブ２Ａ，２Ｂは、Ｘ軸方向に振動する。

このとき、フローチューブ２Ａ，２ＢのＸ軸方向の振動の固有振動数が近いと、フローチューブ２Ａ，２Ｂが同相で振動する時間が長くなり、計測精度に影響を与える。そこで、本実施の形態では、２本のフローチューブ２Ａ，２ＢのＸ軸方向の振動の固有振動数を大きく変えて、同相振動によって位相差信号が小さくなる時間を短くすることにより、計測精度を確保する。フローチューブ２ＡのＸ軸方向の振動の固有振動数θ_Aとフローチューブ２ＢのＸ軸方向の振動の固有振動数θ_Bとは、１．１θ_A≦θ_B、すなわちθ_Bがθ_Aの１．１倍以上であればよく、θ_Bがθ_Aの１．２倍以上であればより好ましい。

振動センサ４Ａ，４Ｂは、それぞれフローチューブ２Ａ，２Ｂの入口側におけるＸ軸方向の振動（変位）を検出する。振動センサ５Ａ，５Ｂは、それぞれフローチューブ２Ａ，２Ｂの出口側におけるＸ軸方向の振動（変位）を検出する。振動センサ４Ａ，４Ｂ，５Ａ，５Ｂは、例えばコイルと磁石とからなる。振動センサ４Ａ，４Ｂの磁石は、それぞれフローチューブ２Ａ，２Ｂの入口側に配設され、振動センサ４Ａ，４Ｂのコイルは、それぞれ振動センサ４Ａ，４Ｂの磁石と対向するようにフローチューブ２Ａ，２Ｂの周囲に配設されている。振動センサ５Ａ，５Ｂの磁石は、それぞれフローチューブ２Ａ，２Ｂの出口側に配設され、振動センサ５Ａ，５Ｂのコイルは、それぞれ振動センサ５Ａ，５Ｂの磁石と対向するようにフローチューブ２Ａ，２Ｂの周囲に配設されている。

また、振動センサ４Ａ，５Ａのそれぞれの磁石は、フローチューブ２Ａの駆動装置３Ａが取り付けられている駆動点に対して左右両側の対称位置に配置されている。同様に、振動センサ４Ｂ，５Ｂのそれぞれの磁石は、フローチューブ２Ｂの駆動装置３Ｂが取り付けられている駆動点に対して左右両側の対称位置に配置されている。フローチューブ２Ａ，２Ｂの振動に伴って各センサのコイルと磁石との距離が変化することにより、フローチューブ２Ａ，２Ｂの振動を検出できるようになっている。なお、振動センサ４Ａ，４Ｂ，５Ａ，５Ｂは、以上のような電磁式のセンサに限るものではなく、例えば静電容量式などの他のセンサを用いてもよい。

演算部７は、振動センサ４Ａ，４Ｂ，５Ａ，５Ｂの検出結果から被測定流体の質量流量を演算する。まず、演算部７は、振動センサ４Ａの出力信号と振動センサ４Ｂの出力信号との差分、すなわちフローチューブ２Ａと２Ｂの入口側の振動の差分を演算すると共に、振動センサ５Ａの出力信号と振動センサ５Ｂの出力信号との差分、すなわちフローチューブ２Ａと２Ｂの出口側の振動の差分を演算し、入口側の振動の差分と出口側の振動の差分との差を演算することにより、入口側と出口側の振動の位相差を演算する。入口側と出口側の振動の位相差は、フローチューブ２Ａ，２Ｂを流れる被測定流体の質量流量に比例する。したがって、演算部７は、位相差から被測定流体の質量流量を演算することができる。

上記のとおり、２本のフローチューブ２Ａ，２ＢはＸ軸方向の振動の固有振動数が異なるので、振動センサ４Ａ，５Ａの出力信号に含まれる成分と振動センサ４Ｂ，５Ｂの出力信号に含まれる成分とでは周波数が異なる。そこで、演算部７は、振動センサ４Ａ，４Ｂ，５Ａ，５Ｂの出力信号をそれぞれＦＦＴ（Fast Fourie Transform）処理して周波数成分を分解し、振動センサ４Ａ，５Ａの出力信号からフローチューブ２Ａの固有振動数θ_Aと一致する周波数の成分を抽出すると共に、振動センサ４Ｂ，５Ｂの出力信号からフローチューブ２Ｂの固有振動数θ_Bと一致する周波数の成分を抽出し、抽出した成分を対象として上記のような演算処理を行えばよい。これにより、異なる周波数の組み合わせであっても、位相差を演算することができる。

演算部７は、例えばＣＰＵ、記憶装置およびインタフェースを備えたコンピュータと、これらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。ＣＰＵは、記憶装置に格納されたプログラムに従って上記のような処理を実行する。

図２はフローチューブ２Ａ，２Ｂの振動状態の例を示す図である。ここでは、フローチューブ２Ａ，２ＢのＸ軸方向の振動の固有振動数θ_A，θ_Bをそれぞれ４８０Ｈｚ、６００Ｈｚとしている。図２における２０はフローチューブ２Ａの入口側の振動を示し、２１はフローチューブ２Ａの出口側の振動を示している。また、２２はフローチューブ２Ｂの入口側の振動を示し、２３はフローチューブ２Ｂの出口側の振動を示している。

被測定流体がフローチューブ２Ａを流れることにより、フローチューブ２Ａの入口側は、駆動装置３Ａが励振駆動するフローチューブ２Ａ上の駆動点に対して４度遅れ、フローチューブ２Ａの出口側は、駆動点に対して４度進んでいる。また、被測定流体がフローチューブ２Ｂを流れることにより、フローチューブ２Ｂの入口側は、駆動装置３Ｂが励振駆動するフローチューブ２Ｂ上の駆動点に対して６度遅れ、フローチューブ２Ｂの出口側は、駆動点に対して６度進んでいる。

図３は図２に示した振動の状態から得られた、フローチューブ２Ａ，２Ｂの入口側の振動の差分および出口側の振動の差分を示す図、図４は図３の一部を拡大した図である。図３、図４における３０はフローチューブ２Ａの入口側とフローチューブ２Ｂの入口側の振動の差分を示し、３１はフローチューブ２Ａの出口側とフローチューブ２Ｂの出口側の振動の差分を示している。この３０と３１の差が入口側と振動の位相差を示している。図３、図４によると、被測定流体の質量流量に応じた一定の位相差が得られており、計測精度が確保できていることが分かる。

図５はフローチューブ２Ａ，２Ｂの振動状態の他の例を示す図である。フローチューブ２Ａ，２ＢのＸ軸方向の振動の固有振動数θ_A，θ_Bは、図２の場合と同じである。ここでは、被測定流体がフローチューブ２Ａを流れることにより、フローチューブ２Ａの入口側は、駆動装置３Ａが励振駆動するフローチューブ２Ａ上の駆動点に対して２度遅れ、フローチューブ２Ａの出口側は、駆動点に対して２度進んでいる。また、被測定流体がフローチューブ２Ｂを流れることにより、フローチューブ２Ｂの入口側は、駆動装置３Ｂが励振駆動するフローチューブ２Ｂ上の駆動点に対して３度遅れ、フローチューブ２Ｂの出口側は、駆動点に対して３度進んでいる。

図６は図５に示した振動の状態から得られた、フローチューブ２Ａ，２Ｂの入口側の振動の差分および出口側の振動の差分を示す図、図７は図６の一部を拡大した図である。図６、図７によると、被測定流体の質量流量に応じた一定の位相差が得られており、計測精度が確保できていることが分かる。

以上のように、本実施の形態では、２本のフローチューブ２Ａ，２Ｂの捩れ振動の固有振動数ω_A，ω_Bが略同一で、かつＸ軸方向の振動の固有振動数θ_A，θ_Bが異なるようにして、２本のフローチューブ２Ａ，２Ｂを別々に励振駆動することにより、外部からの振動ノイズを除去することができ、高い計測精度を実現することができる。本実施の形態では、すべての振動モードをキャンセルできるように２本のフローチューブ２Ａ，２Ｂの特性を合わせる必要がないので、従来と比べてフローチューブ２Ａ，２Ｂの加工、調整が容易となる。したがって、本実施の形態では、フローチューブ２Ａ，２Ｂの加工、調整が容易で、高い計測精度を実現することができる低コストのコリオリ流量計を提供することができる。

なお、本実施の形態では、２本のフローチューブ２Ａ，２Ｂの長さを変えているが、これに限るものではなく、ほぼ同じ形状のフローチューブ２Ａ，２Ｂを用いてもよい。この場合には、例えば重りなどを用いて固有振動数θ_A，θ_Bを調整すればよい。また、駆動装置３Ａ，３Ｂや振動センサ４Ａ，４Ｂ，５Ａ，５Ｂを重りとして用いてもよい。

また、本実施の形態では、フローチューブ２Ａ，２ＢのＸ軸方向の振動の固有振動数θ_A，θ_Bを４８０Ｈｚ、６００Ｈｚとしたが、どちらか一方のフローチューブの固有振動数を略零（例えば数Ｈｚ程度）としてもよい。この場合には、固有振動数が略零のフローチューブを励振駆動する必要はない。このフローチューブは、振動ノイズの検出専用と言うことになる。振動センサ４Ａ，４Ｂ，５Ａ，５Ｂ以降の処理は、上記で説明したとおりでよい。従来のコリオリ流量計においては、変位の検出や位相差の計算能力の低さから、フローチューブの大きな変位を必要とし、分岐させた被測定流体の両方を振動（円運動）させることで、流量を分割したことによる変位量の低減分を補っていたが、現在では信号処埋精度が上がっているので、２本のフローチューブ２Ａ，２Ｂの両方を振動させることは必須の要件ではない。

本発明は、流体の質量流量を計測するコリオリ流量計に適用することができる。

１…配管、２Ａ，２Ｂ…フローチューブ、３Ａ，３Ｂ…駆動装置、４Ａ，４Ｂ，５Ａ，５Ｂ…振動センサ、６…励振制御部、７…演算部。

Claims (3)

1. 並列に設置され、被測定流体が流入および流出する流管である第１、第２のフローチューブと、
   被測定流体が流れる前記第１、第２のフローチューブを、流れと垂直方向に別々に励振駆動する駆動手段と、
   前記第１、第２のフローチューブの入口側において前記第１、第２のフローチューブの振動を検出する第１、第２の振動センサと、
   前記第１、第２のフローチューブの出口側において前記第１、第２のフローチューブの振動を検出する第３、第４の振動センサと、
   前記第１乃至第４の振動センサの出力信号から被測定流体の質量流量を演算する演算手段とを備え、
   前記第１、第２のフローチューブの捩れ振動の固有振動数が略同一で、かつ前記第１、第２のフローチューブの前記垂直方向の振動の固有振動数が異なることを特徴とするコリオリ流量計。
2. 並列に設置され、被測定流体が流入および流出する流管である第１、第２のフローチューブと、
   被測定流体が流れる前記第１、第２のフローチューブのうち一方のフローチューブを、流れと垂直方向に励振駆動する駆動手段と、
   前記第１、第２のフローチューブの入口側において前記第１、第２のフローチューブの振動を検出する第１、第２の振動センサと、
   前記第１、第２のフローチューブの出口側において前記第１、第２のフローチューブの振動を検出する第３、第４の振動センサと、
   前記第１乃至第４の振動センサの出力信号から被測定流体の質量流量を演算する演算手段とを備え、
   前記第１、第２のフローチューブの捩れ振動の固有振動数が略同一で、かつ前記第１、第２のフローチューブの前記垂直方向の振動の固有振動数が異なり、
   前記励振駆動されない側のフローチューブの前記垂直方向の振動の固有振動数は略零であることを特徴とするコリオリ流量計。
3. 請求項１または２記載のコリオリ流量計において、
   前記第１、第２のフローチューブのうち、一方のフローチューブの前記垂直方向の振動の固有振動数は、他方のフローチューブの前記垂直方向の振動の固有振動数の１．５倍以上であることを特徴とするコリオリ流量計。

Images