JP2014006230A - コリオリ流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】 測定精度が高いコリオリ流量計を提供すること。
【解決手段】 流管２が直線状であるコリオリ流量計１は、直線状である流管２とそれに平行である直線状の振動体３を持つ。振動体３は断面が矩形状であるステンレス製の弾性体６に圧電素子４ａ、４ｂを接合した構成である。ステンレス製の流管２は、断面が矩形状でありその中心に円形の流路がある。流管２には、コリオリ力による歪を検出するための圧電素子４ｃ、４ｄ、４ｅ、４ｆを接着する。流管２への圧電素子４ｃ、４ｄ、４ｅ、４ｆの接着は、コリオリ力により最も歪を大きくする流管２の位置に接着する。またステンレス製の弾性体６の振動変位を最も大きくできる位置に圧電素子４ａ、４ｂを接着することにより振動体３を構成する。流管２と振動体３は両端がステンレス製の支持部５ａ、５ｂに溶接で接合されている。さらに支持部５ａ、５ｂはステンレス製のベース部７に溶接で接合されている。
【選択図】図１

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。そして、被測定流体がスラリーである場合は、Ｕ字状の湾曲部にスラリー中の粉体が詰まる虞がある。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の開発が行われている。

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。

コリオリ流量計の計測精度を向上させるには、流量を計測する流管の振動が外部に漏らさないことが必要である。このために特許文献１のコリオリ流量計を本発明者が提案した。特許文献１のコリオリ流量計は以下のようなものである。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。

湾曲型のコリオリ流量計についても特許文献２に示す構成を本発明者が提案した。これは、被測定流体を流通させる１本の湾曲状のフローチューブとこの両側にほぼ平行に配置した２本の湾曲状のカウンタチューブを有する構成であるが、フローチューブ及びカウンタチューブに振動発生手段と振動検出手段を有している。

特開２００１−２８９６８３号公報 特開２００２−３９８３０号公報

しかし、直線型そして湾曲型のコリオリ流量計のどちらも流管に振動発生手段と振動検出手段の両方を持つ。流管に振動発生手段を設けると、振動発生手段が発生する電気的ノイズが振動検出手段により検出されることによりＳＮ比を悪化させる恐れがある。

また、流管に設ける振動発生手段は、流管を振動させるための流管に設けられるものであり、コリオリ力を検出する振動モードには、不要であるという問題もある。

本発明は、流体が流れる流管にコリオリ力を検出する検出手段のみを設け、かつ振動体のみに振動発生手段を設けるコリオリ流量計とするものである。

本発明はまた、流体が流れる流管にコリオリ力を検出する検出手段のみを設け、かつ振動体が、流体が流れる流管に振動発生手段を設けるコリオリ流量計とするものである。

本発明はまた、振動発生手段と振動検出手段に圧電素子を用いる上記に記載のコリオリ流量計とするものである。

本発明はまた、流管が直線状である上記に記載のコリオリ流量計とするものである。

本発明はまた、流管が湾曲状である上記に記載のコリオリ流量計とするものである。

本発明のコリオリ流量計は、高精度に流体の質量流量を測定することができる。

本発明の第１の実施の形態のコリオリ流量計の斜視図である。 図１の駆動振動モードを説明する図である。 図１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斜視図である。 図４の駆動振動モードを説明する図である。 図４の検出振動モードを説明する図である。 本発明の第３の実施の形態のコリオリ流量計の平面図である。 図７の側面図である。 図７の駆動振動モードを説明する図である。 図７の検出振動モードを説明する図である。

第１の実施の形態である基本的な構成を図１の斜視図を用いて説明する。

流管２が直線状であるコリオリ流量計１は、直線状である流管２とそれに平行である直線状の振動体３を持つ。振動体３は断面が矩形状であるステンレス製の弾性体６に圧電素子４ａ、４ｂを接合した構成である。ステンレス製の流管２は、断面が矩形状でありその中心に円形の流路がある。

流管２には、コリオリ力による歪を検出するための圧電素子４ｃ、４ｄ、４ｅ、４ｆを接着する。流管２への圧電素子４ｃ、４ｄ、４ｅ、４ｆの接着は、コリオリ力により最も歪を大きくする流管２の位置に接着する。またステンレス製の弾性体６の振動変位を最も大きくできる位置に圧電素子４ａ、４ｂを接着することにより振動体３を構成する。

流管２と振動体３は両端がステンレス製の支持部５ａ、５ｂに溶接で接合されている。さらに支持部５ａ、５ｂはステンレス製のベース部７に溶接で接合されている。流管２と支持部５ａ、５ｂそしてベース部７は、流体が流れる孔８が連続して形成してあることはもちろんである。支持部５とベース部７は一体の構成でもよい。

次にコリオリ流量計１の駆動振動モードと検出振動モードについて図２と図３を用いて説明する。駆動モードを図２中の実線で示すが、振動体３と流管２が、互いに逆位相の基本曲げ振動である。検出振動モードを図３中の破線で示すが、振動体３と流管２が、互いに逆位相の２次曲げ振動である。

ここで、コリオリ流量計１の測定方法について説明する。振動体３に基本の曲げ振動を励起するために圧電素子４ａの電極間にリード線、圧電素子４ｂの電極間にリード線を通じて基本曲げ振動の固有振動数の電圧を印加する。なお、圧電素子４ａ、４ｂの分極方向と電圧の印加は、曲げ振動を励起する構成となっている。

流体が図２の実線で示す基本曲げ振動モードで振動する流管２中を流れることにより、流体にコリオリ力が発生し、流管２は、図３の破線で示すように２次曲げ振動モードで振動する。流管２は、２次曲げ振動モードの最大の電圧を検出できる位置に圧電素子を接合している。駆動振動用の質量を持たないため、いわゆる慣性が小さくできるので流量が変化時の検出振動の反応速度が向上する。コリオリ力により流管２は、２次曲げ振動モードで振動する。このコリオリ力による振動により圧電素子４ｃ、４ｄの出力電圧Ｖ１と圧電素子４ｅ、４ｆの出力電圧Ｖ２の差を測定することにより流量を測定する。

以上に説明したように、流管２には駆動振動を発生させるための駆動振動用の質量を持たないため、いわゆる慣性が小さくできるので流量が変化時の検出振動の立ち上がりが早い。そして、所望の検出モード以外の振動の発生が困難になっている。いわゆる検出モードだけを励起できる機械的フィルターとして検出用の圧電素子の質量が作用している。

また、歪みを検出する圧電素子は、コイルと磁石からなる電磁ピックアップに比較して一般に小型、軽量化できるため、流管２に取り付けたときの流管２のメカニカルＱの減少を少なくできる。また、コイルと磁石のように２つの部分に分かれることがないので、構造が簡単だけでなく、漏れ磁界によって検出信号が歪むという問題も発生しない。

圧電素子では、流管２の曲げモーメントに比例した信号が得られる。したがって、速度を検出する電磁ピックアップとは異なった質量流量に比例した位相差（時間差）が検出される。圧電素子を両端が単純支持構造となっている直管状の流管２を質量流量計の振動検出手段として用いると、得られる質量流量に比例した位相差（時間差）は、電磁ピックアップに比べて大きくなる。したがって、流量計測の精度を高めることができる。

両端が固定端となっている直管式の流管２を持つ質量流量計では、その固定端近傍では、流管２の振動振幅はほとんど零であるが曲げモーメントは発生する。したがって、振動の検出手段として歪み検出素子を固定端近傍に取り付けても、質量流量に比例した位相差（時間差）を得ることができる。そして、固定端近傍では流管２の振動振幅はほとんど零なので、ここに歪み検出素子を取り付けても、歪み検出素子が流管２の振動に与える影響は少ない。したがって、より高い流管２のメカニカルＱを得ることができる。

以上の説明では流管２の断面が矩形状のものを用いたが円環状でもよい。また振動体の断面形状は、いわゆる管形状でも中身のある中実形状でもよい。

第２の実施の形態である基本的な構成を図４の斜視図を用いて説明する。

流管２が直線状のコリオリ流量計１の構成は、チタン合金製の流管２の中心軸を含む対称面を持つように２個のチタン合金製の振動体３ａ、３ｂを配置する。そして流管２と振動体３ａ、３ｂの両端をチタン合金製の支持部５ａ、５ｂに溶接により接合する。支持部５は、流管２、振動体３ａ、３ｂが一体の振動体となることを目的としたものである。支持部５ａ、５ｂは、さらにチタン合金製のベース部７ａ、７ｂに接合され、ステンレス製のケース板９に図示しないねじで固定する。

振動体３ａは弾性体にエポキシ樹脂により駆動用の圧電素子４ａ、４ｂを接合したものであり、振動体３ｂは弾性体にエポキシ樹脂により駆動用の圧電素子４ｃ、４ｄを接合したものである。圧電素子４の接合位置は、弾性体の長さ方向の中央部であり、この位置は基本曲げ振動モードにおいて最も弾性体の歪の大きい位置である。

流管２には、エポキシ樹脂により検出用の圧電素子４ｅと検出用の圧電素子４ｆを接合する。検出用の圧電素子４ｅ、４ｆは、２次曲げ振動モードにおいて、互いに逆位相であるが最も弾性体の歪の大きい位置である。

コリオリ流量計１の駆動振動モードについて図５を用いて説明する。所望の駆動モードは、図中の破線で示す振動体３ａ、３ｂと流管２が互いに逆位相となる基本曲げ振動である。なお、図の破線は図面の都合上、紙面方向に変位しているが、実際は紙面と直交方向に変位している。

次にコリオリ流量計１の検出振動モードについて図６を用いて説明する。所望の検出モードは、図中の破線で示す振動体３ａ、３ｂと流管２が互いに逆位相となる２次曲げ振動である。なお、図の破線は図面の都合上、紙面方向に変位しているが、実際は紙面と直交方向に変位している。

ここで、コリオリ流量計１の測定方法について説明する。振動体３ａ、３ｂに基本の曲げ振動を励起するために圧電素子４ａの電極間にリード線、圧電素子４ｂの電極間にリード線、圧電素子４ｃの電極間にリード線そして圧電素子４ｄの電極間にリード線を通じて基本曲げ振動の固有振動数の電圧を印加する。なお、圧電素子４ａ、４ｂそして圧電素子４ｃ、４ｄの分極方向と電圧の印加は、曲げ振動を励起する構成となっている。

流体が図５の実線で示す基本曲げ振動モードで振動する流管２中を流れることにより、流体にコリオリ力が発生し、流管２は、図６の破線で示すように２次曲げ振動モードで振動する。流管２は、２次曲げ振動モードの最大の電圧を検出できる位置に圧電素子を接合している。駆動振動用の質量を持たないため、いわゆる慣性が小さくできるので流量が変化時の検出振動の反応速度が向上する。コリオリ力により流管２は、２次曲げ振動モードで振動する。このコリオリ力による振動により圧電素子４ｃ、４ｄの出力電圧Ｖ１と圧電素子４ｅ、４ｆの出力電圧Ｖ２の差を測定することにより流量を測定する。

以上に説明したように、流管２には駆動振動を発生させるための付加質量がないため、当然検出感度が高くなる。また、質量が小さいため立ち上がり特性が向上する。そして、所望の検出モード以外の振動の発生が困難になっている。いわゆる検出モードだけを励起できる機械的フィルターとして検出用の圧電素子の質量が作用している。

さらに流管２の中心軸を通る対称面を持つため、不要なねじり振動の発生が抑制されるためコリオリ信号のＳＮ比が大きくなる。

以上の説明では流管２の断面が矩形状のものを用いたが円環状でもよい。また振動体の弾性体の断面形状は、いわゆるパイプ形状でも中身のある中実形状でもよい。ただし左右の弾性体の形状は同じであることが必要である。

第３の実施の形態である基本的な構成を図７の平面図と図８の側面図を用いて説明する。

流管２がＵ字形状のコリオリ流量計１の構成は、流れ方向と平行方向の対称面と、流れ方向に直交する対称面を持つ形状である。チタン合金製の流管２ａ、チタン合金製の流管２ｂは、溶接によりチタン合金製の支持部５ａ、５ｂに接合される。支持部５ａは内部に流管２ａと流管２ｂに流体を等しく流すための分流部１０ａを内蔵する。同様に支持部５ｂは内部に流管２ａと流管２ｂに流体を等しく流すための分流部１０ｂを内蔵する。そして支持部５ａ、５ｂはチタン合金製のベース部７に接合される。

流管２ａは駆動振動用の圧電素子４ａ、４ｂをエポキシ樹脂により接合している。流管２ｂはコリオリ振動を検出するための圧電素子４ｃ、４ｄをエポキシ樹脂により接合している。対称面に対して対称であるから圧電素子の形状はすべて同じである。
図７の説明では、流管２の断面が矩形状のものを用いたが環状でもよい。また、このような構成は直線状の流管２（従来の音さ型コリオリ流量計）においても可能である。

流管２ａにエポキシ樹脂により圧電素子４ａ、４ｂを接合することにより振動体３ａを構成する。流管２ｂにエポキシ樹脂により圧電素子４ｃ、４ｄを接合することにより振動体３ｂを作成する。振動体３ｂは、コリオリ力を検出する流管２ｂとしても作用する。

次にコリオリ流量計１の駆動振動モードと検出振動モードについて図９と図１０を用いて説明する。駆動モードを図９中の破線で示すが、振動体と流管２が、互いに逆位相の基本曲げ振動である。検出振動モードを図１０中の破線で示すが、基本ねじり振動モードである。

ここで、コリオリ流量計１の測定方法について説明する。流管２ａに基本の曲げ振動を励起するために圧電素子４ａと圧電素子４ｂの電極間にリード線を通じて基本曲げ振動の固有振動数の電圧を印加すると、中心線を含む対称面に対して曲げ振動が流管２ａ、流管２ｂに励起される。また、基本曲げ振動の固有振動数を測定することにより流体の密度を測定することができる。

流体が図９の破線で示す基本曲げ振動モードで振動する流管２ａ、流管２ｂ中を流れることにより、流体にコリオリ力が発生し、流管２ａ、流管２ｂは、図１０の破線で示すように基本ねじり振動モードで振動する。流管２ｂは、基本ねじり振動モードを最も効率よく検出できる圧電素子を接合しているだけであり、余分な質量を持たないため、いわゆる検出振動の立ち上がりが早い。このコリオリ力による振動により圧電素子４ｃの出力電圧Ｖ１と圧電素子４ｄの出力電圧Ｖ２の差を測定することにより流量を測定する。

以上に説明したように、流体も含めたコリオリ流量計は、対称構造であり駆動振動、検出振動も対称面１１において対称であるので外部へ漏れる振動をキャンセルすることができる。そして流管２ｂには駆動振動を発生させるための付加質量がないため、当然検出感度が高くなる。また、質量が小さいため不要な慣性運動がないため立ち上がり特性が向上する。

以上は、振動を発生させる手段として、振動を検出する手段として圧電効果を用いた説明したが、電磁効果、静電効果を用いても所望の駆動モードと検出モードを実現できる。

１ コリオリ流量計
２ 流管
３ 振動体
４ 圧電素子
５ 支持部
６ 弾性体
７ ベース部
８ 孔
９ ケース板
１０ 分流部
１１ 対称面

Claims (6)

1. 流体が流れる流管にコリオリ力を検出する検出手段のみを設け、かつ振動体のみに振動発生手段を設けることを特徴とするコリオリ流量計。
2. 振動体が、流体が流れる流管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。
3. 振動発生手段と振動検出手段が圧電素子を用いるものであることを特徴とする請求項１、２に記載のコリオリ流量計。
4. 流管が直線状であることを特徴とする請求項１、２に記載のコリオリ流量計。
5. 流管が湾曲状であることを特徴とする請求項１、２に記載のコリオリ流量計。
6. 振動体と流管の振動位相が逆である固有振動モードを励起する固有振動数を振動発生手段に与えることを特徴とする請求項１、２に記載のコリオリ流量計。

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