JP2506118B2 - 質量流量計 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は質量流量計に係り、特に被測流体の質量流量
を直接計測する構成とされた質量流量計に関する。

従来の技術 被測流体の流量は流体の種類，物性（密度，粘度な
ど）、プロセス条件（温度，圧力）によって影響を受け
ない質量で表わされることが望ましい。従来、被測流体
の質量流量を計測する質量流量計としては、例えば被測
流体の体積流量を計測しこの計測値を質量に換算するい
わゆる間接型質量流量計と、間接型質量流量計よりも誤
差が小さく被測流体の質量流量を直接計測するいわゆる
直接型質量流量計とがある。この種の質量流量計では特
に流量をより高精度に計測できる直接型質量流量計とし
て各々異なった原理に基づいた種々の流量計が提案され
つつある。また、その中の一つとして振動するセンサチ
ューブ内に流体を流したときに生ずるコリオリの力を利
用して質量流量を直接計測する流量計がある。

また、このコリオリ力を利用する質量流量計として
は、例えばＵ字状に形成された一対のセンサチューブを
流入口，流出口を有する流量計本体に接続し、一対のセ
ンサチューブを互いに近接，離間する方向に振動させ質
量流量に比例するコリオリ力の発生に伴うセンサチュー
ブの変位を検出して質量流量を得る構成のものがある。

発明が解決しようとする問題点 しかるに、上記コリオリの力を利用する質量流量計で
は、一対のセンサチューブを全く同一な寸法形状に製造
することが難しいので、一対のセンサチューブを振動さ
せたとき一対のセンサチューブの両者間の固有振動数に
バラツキが生じ易く、センサチューブの変位検出精度の
向上を図ることが難しいという問題点がある。又、この
質量流量計ではセンサチューブを片持ち状態で振動させ
ているので、センサチューブのつけ根部分に応力が集中
しやすく疲労破壊を招くおそれがあるという問題点があ
る。さらに、上記質量流量計では一対のセンサチューブ
をＵ字状に湾曲させてなるため、被測流体がセンサチュ
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
いう問題点もある。

そこで、本発明は上記諸問題点を解決した質量流量計
を提供することを目的とする。

問題点を解決するための手段 本発明は、被測流体が通過する管路を直線状に延在さ
せてなるセンサチューブと、 少なくとも３個のマグネットと該マグネットに対向し
てこれを吸引するコイルとからなり、各マグネット及び
コイルが前記センサチューブの周方向に略等間隔で配設
され、各コイルが順次励磁されて前記コイルの電磁力に
より対向する前記マグネットを吸引して前記センサチュ
ーブを延在方向と直交する方向に撓ませて前記センサチ
ューブの中間部分を円運動させる駆動部と、 該駆動部により駆動されて前記センサチューブが円運
動するとき、被測流体の流量に応じた前記センサチュー
ブの変位を検出するピックアップと、 からなることを特徴とするものである。

作用 本発明によれば、少なくとも３個のマグネットとマグ
ネットに対向してこれを吸引するコイルとからなる駆動
部によりセンサチューブを延在方向と直交する方向に撓
ませてセンサチューブの中間部分を円運動させると共
に、センサチューブの変位を検出するため、構成の簡略
化及び検出精度の向上を図ることができ、さらにセンサ
チューブの耐久性を高めることができる。また、センサ
チューブの動作範囲が小さくなりコンパクトな構成にで
きるとともに、センサチューブを駆動する駆動力が小さ
くて済み駆動部の小型化及び省力化を図ることができ
る。

実施例 第１図及び第２図に本発明になる質量流量計の第１実
施例を示す。両図中、質量流量計１は被測流体を給送す
る配管２の途中に配設され、配管２に接続される直線状
に延在するセンサチューブ３を有する。

尚、配管２内を給送される被測流体は、矢印で示す方
向に流れており、流体はセンサチューブ３の一端の流入
口４より流入し、他端の流出口５から流出する。

センサチューブ３はその両端部3a,3bを上ベース６と
下ベース７との間で垂立する支持板8,9の貫通孔8a,9aに
挿通固定されている。又、センサチューブ３は延在方向
の中間位置を上，下ベース6,7より垂立する支持部材10
a,10bにより支持される。

尚、センサチューブ３は例えばステンレス製等の金属
パイプにより形成されている。そのため、センサチュー
ブ３は流入口４から流出口５まで間の肉厚の均一性及び
直線性が高精度なものとなっている。又、センサチュー
ブ３を直線状とすることにより質量流量計１の構成が一
層簡略化することが可能となり、質量流量計１をより小
型に製作できる。

11はセンサチューブ３を後述するように駆動する駆動
部で、センサチューブ３の流入口４と支持部材10a,10b
との略中間位置に設けられている。12はセンサチューブ
３の変位を検出する検出部で、センサチューブ３の流出
口５と支持部材10a,10bとの間に設けてある。そのため
センサチューブ３は流入口４と支持部材10a,10bとの間
を駆動管路3cとされ、支持部材10a,10bと流入口５との
間を検出管路3dとされている。

第３図に示す如く、駆動部11は、大略センサチューブ
３の駆動管路3c外周に固着された８個のマグネット13a
〜13hと、マグネット13a〜13bより所定距離離間した位
置に45度間隔で放射状に配設されたコイル部（実質電磁
ソレノイドと同様な構成）14a〜14hとよりなる。マグネ
ット13a〜13hは夫々断面を円弧状に形成され、センサチ
ューブ３の外周を８分割するように取付けられている。
なお、各マグネット13a〜13hは例えば外周側をＮ極、内
周側をＳ極とされている。

又、コイル部14a〜14hは夫々マグネット13a〜13hの外
周側に対向するよう取付部材15,16に取付けられてい
る。即ち、取付部材15はマグネット13a〜13cに対向する
円弧状の取付面15aを有しており、取付面15aにはコイル
部14a〜14cが取付けられている。又、取付部材16はマグ
ネット13d〜13hに対向する円弧状の取付面16aを有して
おり、取付面16aにはコイル部14d〜14hが取付けられて
いる。

なお、取付部材15,16は夫々ボルト17の締付けにより
上，下ベース6,7に固定されている。

第４図に示す如く、検出部12はセンサチューブ３の検
出管路3dの上方向変位を検出するピックアップ12aと、
検出管路3dの下方向変位を検出するピックアップ12bと
よりなる。

ピックアップ12a,12bはセンサチューブ検出管路3d外
周の上，下位置に固着されたマグネット18a,18bと、マ
グネット18a,18bに対向するコイル部19a,19bとよりな
る。マグネット18aと18bとは夫々180度の位置に設けら
れ、センサチューブ３と一体に変位する。又、コイル部
19a,19bは夫々ボルト20の締付けにより上，下ベース6,7
に固定された取付部材21,22の取付面21a,22aに取付けら
れている。

次に、上記構成になる質量流量計１の流量計測動作に
つき、第５図乃至第10図を併せ参照して説明する。

第５図中、例えばセンサチューブ３の上方に位置する
駆動部11のコイル部14bに電流を所定時間通電したもの
とする。コイル部14bには通電により磁界が発生し、コ
イル部14bはマグネット13bに対向する先端部がＳ極とな
り、取付面15a側の基端部がＮ極となる。従って、マグ
ネット13bがコイル部14bに吸引される。よって、センサ
チューブ３はマグネット13bとともに中心位置（第５図
中、一点鎖線で示す）より矢印Ｘ方向に寸法ｌ変位す
る。

次の瞬間、右側に隣接するコイル部14cに電流が所定
時間通電される。その結果、コイル部14cに対向するマ
グネット13cが励磁されたコイル部14c側に吸引される。
そのため、矢印Ｘ方向に変位していたセンサチューブ３
は中心位置より寸法ｌ変位した状態のまま時計方向に45
度回動する。さらに、駆動部11のコイル部14c,14d,14e
…の順に順次所定時間ごとの通電が行なわれる。従っ
て、各コイル部14a〜14hへの通電は、所定時間間隔ごと
に第５図中時計方向に回転するように、各コイル部14a,
14b…14h,14a…の順に電流を供給してなる。

各コイル部14a〜14hが順次励磁されるとともに、セン
サチューブ３に固着されたマグネット13a〜13hが夫々対
向するコイル部14a〜14hに近接する方向に順次変位す
る。その結果、第６図に示すようにセンサチューブ３の
マグネット13a〜13hを有する部分が中心位置より寸法ｌ
変位した状態のまま、即ち、寸法ｌを半径として時計方
向に角速度ωで円運動する。

そのため、センサチューブ３の駆動管路3cは、第７図
及び第８図に示すように、支持板８の貫通孔8a及び支持
部材10a,10bを支点としてマグネット13a〜13hを有する
部分が外周方向に変位する。よって、駆動管路3cは円弧
状に撓んだ状態となり、この状態のまま各コイル部14a
〜14hの励磁動作に応じて上記円運動を行なう。

このように、質量流量計１では、センサチューブ３の
中間部分を撓ませて円運動させることができるので、セ
ンサチューブ３の動作範囲が小さくなりコンパクトな構
成にできるとともに、センサチューブ３を駆動する駆動
力が小さくて済み駆動部11の小型化及び省力化を図るこ
とができる。

さらに、直線状に延在するセンサチューブ３の中間部
分を円運動させながら計測できるので、センサチューブ
３を上下流側の配管（図示せず）と同一方向に延在させ
ることが可能となり、センサチューブ３における圧力損
失やセンサチューブ３の寸法的なバラツキの影響を受け
ずに計測することができ、計測精度の向上が図られてい
る。

又、センサチューブ３の検出管路3dでは、駆動管路3c
が上記のように円弧状に撓みながら円運動するのに伴っ
て、支持部材10a,10b及び支持板９の貫通孔9aを支点と
して円弧状に撓みながら円運動を行なう。尚、検出管路
3dは駆動管路3cの変位に対して逆方向に撓むように変位
する。

第９図に示すように、上記の如く、センサチューブ３
の駆動管路3cを駆動部11のコイル部14a〜14hにより円運
動させるとき、駆動管路3c及び検出管路3dには被測流体
の質量流量計に応じたコリオリの力が発生する。

従って、上記のように円運動とともに円弧状に撓む駆
動管路3cにおいては、流入口４のａ点（第９図に示す）
とコイル部14a〜14hに対向する中間位置Ｏ点（第９図に
示す）との間で第９図中破線で示すように−δの変位が
発生し、上記中間位置Ｏ点と支持部材10a,10b（ｂ点、
第９図参照）との間で＋δの変位が発生する。この変位
−δ，＋δは駆動管路3c内を流れる流体の流量に比例し
て発生するものであり、流量がゼロのときには変位−
δ，＋δは生じない。

また、コリオリ力Fcは、Fc＝２ωmv（但し、ωは角速
度、ｖは流速、ｍは流体の質量）で表わされるため、セ
ンサチューブ３内を流れる質量流量（mv）は角速度ω及
びコリオリ力Fcを求めることにより得られる。

なお、センサチューブ３の検出管路3dが駆動管路3cの
上記円運動とともに対称に動作するため、検出管路3dに
も上記駆動管路3cと同様なコリオリ力が発生する。従っ
て、検出管路3dでも上記駆動管路3cの如くコリオリ力の
発生による変位−δ，＋δが生ずる。駆動管路3cが角速
度ωで円運動するときの検出管路3dの変位−δ，＋δは
検出部12のピックアップ12a,12bにより検出される。

なお、ピックアップ12a,12bのコイル部19a,19bは検出
管路3dの変位を理論値に対する時間差の信号として出力
する。

第10図中、線図Ｉは駆動部11のコイル14a〜14hの励磁
により、検出管路3dの理論的な変位を示す。また、線図
IIはピックアップ12a,12bにより検出された検出管路3d
の変位を示す。この線図Ｉに対する線図IIの遅れαがコ
リオリ力Fcに比例する。即ち、この遅れαが流量に比例
する。

又、ピックアップ12a,12bの信号は整形，増幅された
のち、時間積分により質量流量に比例した電圧信号とな
る。さらに、この電圧信号は周波数信号に変換され、出
力回路（図示ぜす）より電圧パルス信号及びアナログ信
号として出力される。

なお、質量流量計１では直線状のセンサチューブ３を
延在方向とは直交する方向に撓ませながら円運動させて
いるので、Ｕ字状のセンサチューブを振動させるよりも
センサチューブに無理な応力が作用せずセンサチューブ
の強度が向上する。

第11図乃至第15図に本発明の第２実施例を示す。第１
図中、質量流量計31は、直線状のセンサチューブ32の中
央部にセンサチューブ32を駆動する駆動部33と、センサ
チューブ32の変位を検出する検出部34とを配してなるセ
ンサユニット31aと、センサユニット31aと同一な構成と
されたセンサユニット31bとよりなる。

まず、センサユニット31aと31bとは同一構成なので、
センサユニット31aの構成につき説明する。

センサチューブ32は一端をベース35上の流入側マニホ
ールド36の貫通孔36aに貫通させ流入口37に連通してお
り、他端は流出側マニホールド38の貫通孔38aに貫通し
流出口39に連通する。

第12図に示す如く、センサチューブ32の中央部外周に
は断面を円弧形状とされた４個のマグネット40a〜40dが
90度ごとに固着されている。マグネット40a〜40dの外周
方向には各マグネット40a〜40dと所定距離離間した位置
で対向するコイル部41a〜41dが配設されている。このコ
イル部41a〜41dはベース35上に設けられた取付部材42及
び取付台43に固定される。

例えばマグネット40a〜40dが外周面をＮ極、内周面を
Ｓ極に磁化されているものとする。そして、電流が通電
されてコイル部41a〜41dが励磁されるとコイル部41a〜4
1dの先端側がＳ極、基端側がＮ極となる。従って、マグ
ネット40a〜40dは励磁されたコイル部41a〜41dに近接す
るように変位する。

そのため、各コイル部41a〜41dが周期的に反時計方向
に回転する向きのコイル部に順次励磁されると、各コイ
ル部41a〜41dに対向するマグネット40a〜40dが励磁され
たコイル部側に吸引される。その結果、マグネット40a
〜40dを固着されたセンサチューブ32は、コイル部41a〜
41dに駆動されて、反時計方向に円運動する。

その際、センサチューブ32の変位は駆動部33近傍に配
された検出部43のピックアップ34aにより検出される。
なお、ピックアップ34aはベース35上より垂立する支柱3
4b上に配置されている。ピックアップ34aとしては光反
射型等の光センサが考えられ、又電磁ピックアップを用
いるようにしても良い。

なお、ピックアップ34aはベース35上の支柱34bに設け
られているので、ベース35に振動が伝達されると、その
影響を受けてしまうが、第11図中１点鎖線で示すように
センサチューブ32に直接取付けておくことにより、セン
サチューブ32を変位させるときの振動ノイズがキャンセ
ルされる。

上記、ピックアップ34aからの出力を得ることによ
り、質量流量に比例したコリオリ力の発生に伴うセンサ
チューブ32の変位を検出でき、流量が計測される。即
ち、一方のセンサユニット31aだけでも流量を計測する
ことは可能である。

質量流量計31は上記構成になるセンサユニット31aと
同一構成とされたセンサユニット31bを夫々平行に配設
してなる。よって、流入口37より流入した被測流体はセ
ンサチューブ32と32′とに等しい分流比で分流し、セン
サチューブ32,32′を通過した後流出口39の直前に合流
して流出する。

流量計測時には、第13図（Ａ）に示すように例えば右
側のセンサユニット31aのコイル部41cを励磁させると
き、左側のセンサユニット31bのコイル部41a′を励磁さ
せる。そのため、一方のセンサチューブ32は第13図
（Ａ）中、２点鎖線で示すように矢印で示す下方向に変
位し、他方のセンサチューブ32′は逆方向（上方向）に
変位する。

そして、右側のセンサユニット31aでは所定時間間隔
ごと反時計方向に隣接するコイル部41d,41a,41b…を順
次励磁する。又、左側のセンサユニット31bでは上記各
コイル部41d〜41bが励磁されるのと同時に、各コイル部
41b′,41c′,41d′が励磁される。

その結果、第13図（Ｂ）に示す如く、一方のセンサチ
ューブ32が右方へ変位するとき、他方のセンサチューブ
32′は逆の左方に変位する。又、第13図（Ｃ）に示す如
く、一方のセンサチューブ32が上方向に変位するとき、
他方のセンサチューブ32′は下方向に変位する。又、第
13図（Ｄ）に示すように、一方のセンサチューブ32が左
方に変位するとき、他方のセンサチューブ32′は右方に
変位する。

このように、一対のセンサチューブ32,32′は第13図
（Ａ）乃至（Ｄ）中、２点鎖線で示すように180度の位
相差でもって円運動を行なう。従って、一対のセンサチ
ューブ32,32′には通過する流量に比例したコリオリ力
が発生する。

そのため、第14図に示す如く、センサチューブ32は各
速度ωａで回転運動するとき、流体が流れるのに伴い、
円弧状に撓むとともに回転方向の変位が生ずる。即ち、
流入側マニホールド36側のａ点（第14図中に示す）とコ
イル部41a〜41dが位置する中間位置Ｏ点（第14図に示
す）との間で実線で示すように＋δの変位が発生し、上
記中間位置Ｏ点とマニホールド38側のｂ点（第14図に示
す）との間で−δの変位が発生する。この変位−δ，＋
δはセンサチューブ32内を流れる流量に比例して発生す
る。

又、他方のセンサチューブ32′においても、円弧状に
撓むとともに実線で示す如く変位−δ，＋δが発生す
る。なお、センサチューブ32,32′には夫々２分された
等しい流量が流れるため夫々の流速はva＝vbであり、又
各コイル41a〜41dと41a′〜41d′とが同じ周期で励磁さ
れるため角速度もωａ＝ωｂである。従ってセンサチュ
ーブ32と32′で生ずるコリオリ力は向きが逆であるが同
じ大きさである。

ここで、第15図に示すように、各コイル部41a〜41dへ
の通電周期の位相に対応した撓みを一つの基準面Ａ（第
15図中、２点鎖線で示す）として考えるとき、コリオリ
力による撓みの変化角をθとする。即ち、一方のセンサ
チューブ32では基準面Ａに対しコリオリ力による撓みの
変化角θａが生ずる。また、他方のセンサチューブ32′
では基準面Ａ′に対してコリオリ力による撓みの変化角
−θｂが生ずる。

従って、一対のセンサチューブ32,32′のその差は２
θとなる。このセンサチューブ32,32′の撓み変化はピ
ックアップ34a,34a′により検出される。このように、
各センサチューブ32,32′の２平行面を基準面A,A′を決
めて、各コイル41a〜41dの通電による駆動基準時間と、
ピックアップ34a,34a′との比較により変化角θa,θｂ
が求まる。

即ち、変化角θa,θｂはコリオリ力に比例しているた
め、この変化角θa,θａを求めることにより質量流量が
得られる。

上記実施例の質量流量計31では直線状のセンサチュー
ブ32により流量計測を行なうため、その構成が簡略化さ
れ、きわめてコンパクトな構成となっている。又、セン
サチューブ32を曲げ加工せずに直管のまま用いているの
で、一対のセンサチューブ32,32′間の寸法精度のバラ
ツキがほとんどなく、一対のセンサチューブ32,32′の
流量計測値の差を極めて小さく抑えられるので高精度な
流量計測が可能である。しかも、質量流量計31では一対
のセンサチューブ32,32′の両端をマニホールド36,38で
保持することにより、センサチューブ32,32′が安定に
保持でき、流量検出精度の向上が図られるとともに振動
ノイズが低減されている。

尚、上記実施例ではセンサチューブの外周にマグネッ
トを固着して説明したが、例えばセンサチューブそれ自
体が磁性材よりなる場合にはマグネットを設けなくても
よい。又、上記実施例では、センサチューブの中間部分
を円運動させるコイル及びマグネットの数を８個又は４
個としたが、これに限らず、少なくとも３個のコイル及
びマグネットを周方向に略等間隔で配設する構成であれ
ば良いのは言うまでもない。

発明の効果 上述の如く、本発明になる質量流量計は、センサチュ
ーブの中間部分を撓ませて円運動させることができるの
で、センサチューブの動作範囲が小さくなりコンパクト
な構成にできるとともに、センサチューブに無理な応力
がかからずセンサチューブの耐久性を高めることができ
る。また、センサチューブを駆動する駆動力が小さくて
済み、駆動部の小型化及び省力化を図ることができる。
さらに、直線状に延在するセンサチューブの中間部分を
円運動させながら計測できるので、センサチューブを上
下流側の配管と同一方向に延在させることが可能にな
り、センサチューブにおける圧力損失やセンサチューブ
の寸法的なバラツキの影響を受けずに計測することがで
き、計測精度の向上を図ることができる。しかも、流量
計測時の振動ノイズを低減することができる等の特長を
有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明になる質量流量計の第１実施例の縦断面
図、第２図は第１図に対応する横断面図、第３図は駆動
部を配管方向より見た図、第４図は検出部を配管方向よ
り見た図、第５図及び第６図はセンサチューブを駆動す
るときの状態を説明するための図、第７図及び第８図は
夫々センサチューブが回転運動するときの撓み具合を説
明するための縦断面図及び横断面図、第９図はセンサチ
ューブの撓みとともに発生する変位を説明するための斜
視図、第10図はセンサチューブの撓みによる遅れを示す
線図、第11図は本発明の第２実施例を示す斜視図、第12
図は駆動部を配管方向より見た図、第13図は一対のセン
サチューブを駆動するときの各センサチューブの変位方
向を説明するための図、第14図及び第15図はセンサチュ
ーブを円運動させた際に生ずる力を説明するための図で
ある。 1,31……質量流量計、３……センサチューブ、3c……駆
動管路、3d……検出管路、8,9……支持板、10a,10b……
支持部材、11……駆動部、12……検出部、13a〜13h……
マグネット、14a〜14h……コイル部、15,16……取付部
材、18a,18b……マグネット、19a,19b,34a,34a′……ピ
ックアップ、32,32′……センサチューブ、33……駆動
部、34……検出部、40a〜40d……マグネット、41a〜41d
……コイル部。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被測流体が通過する管路を直線状に延在さ
   せてなるセンサチューブと、 少なくとも３個のマグネットと該マグネットに対向して
   これを吸引するコイルとからなり、各マグネット及びコ
   イルが前記センサチューブの周方向に略等間隔で配設さ
   れ、各コイルが順次励磁されて前記コイルの電磁力によ
   り対向する前記マグネットを吸引して前記センサチュー
   ブを延在方向と直交する方向に撓ませて前記センサチュ
   ーブの中間部分を円運動させる駆動部と、 該駆動部により駆動されて前記センサチューブが円運動
   するとき、被測流体の流量に応じた前記センサチューブ
   の変位を検出するピックアップと、 からなることを特徴とする質量流量計。