JP2891549B2 - 質量流量計 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は質量流量計に係り、特に
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
を検出する質量流量計に関する。

【０００２】

【従来の技術】質量流量計の一つとして、一対のセンサ
チューブをこの内部に計測すべく流体が充満している状
態における固有振動数で振動させておき、このセンサチ
ューブ内に流体を流し、センサチューブ内を流れる液体
に生ずるコリオリの力によって生じたセンサチューブの
振動の時間差を検出して、液体の流量を計測する質量流
量計がある。

【０００３】この質量流量計において計測を安定に行な
うためには、センサチューブが上記の固有振動数で安定
に振動していることが重要である。

【０００４】そのため、コリオリ式の質量流量計では、
センサチューブの変位を検出するピックアップからの検
出信号に基づいてセンサチューブの振幅を検出し、セン
サチューブを振動させる加振器の励振コイルに供給され
る電圧値を制御しており、センサチューブが共振周波数
で振動するようにしている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかるに、上記のよう
にセンサチューブを振動させてコリオリ力を利用して流
量を計測する構成とされた質量流量計では、センサチュ
ーブの振幅が大きくなるにしたがい外部振動（ノイズ）
の影響を受けにくくなる反面、センサチューブが振動す
るときの支点となる固定部近傍に応力が集中してセンサ
チューブが破損するおそれがある。このようなセンサチ
ューブの破損を防止するため、質量流量計には、振動す
るセンサチューブの振幅が破損しない程度の一定値とな
るようにする振幅制御回路が組み込まれている。

【０００６】又、センサチューブの固有の共振周波数で
励振させるため、ピックアップからの速度信号を正帰還
して加振器（励振コイル）を駆動し、乗算器を用いて励
振コイルへ供給される電圧値の制御を行っていた。

【０００７】ところで、質量流量計が現場に設定される
ような場合を考えると、回路には外部または内部のバッ
テリより電源が供給される。この場合、回路には例えば
２４Ｖの電圧が印加されるが、上記乗算器の出力電圧は
５Ｖ程度の電圧となり、この差の電圧は乗算器のトラン
ジスタ等の素子で消費される。このため、励振以外に使
用される電力消費量が増大し、外部電源の容量を大きく
したりバッテリの寿命が短くなる要因となっていた。

【０００８】そこで、本発明は加振器以外に供給される
電力消費量を抑えて上記課題を解決した質量流量計を提
供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、被測流体が流
れるセンサチューブを振動させる加振器と、流量に比例
したコリオリ力の発生によるセンサチューブの変位を検
出するピックアップとを有する質量流量計において、前
記加振器に供給される電圧の印加時間を前記センサチュ
ーブの振幅の変化に応じて変更する手段を備えてなる。

【００１０】

【作用】加振器に供給される電圧の印加時間を制御する
ことによりセンサチューブを共振状態に励振させてセン
サチューブの振幅を一定振幅に維持するようにして消費
電力を抑える。

【００１１】

【実施例】図１及び図２に本発明になる質量流量計の一
実施例を示す。

【００１２】両図中、質量流量計１は流体が流れるセン
サチューブ２，３（図２に示す）を振動させ、振動に伴
うコリオリ力によるセンサチューブ２，３の変位を検出
して流量計測を行う流量計測回路４（図１に示す）を有
する。

【００１３】流量計測回路４は、センサチューブ２，３
の変位を検出するピックアップ５，６の検出コイル５
ａ，６ａからの検出信号より速度を算出する速度検出回
路７，８と、この速度検出回路７，８から出力された出
力信号の時間差を検出する時間差検出回路９と、この時
間差検出回路９により求められた時間差にある係数を掛
けて質量流量を算出する流量演算回路１０とを有する。

【００１４】さらに、質量計測回路４はセンサチューブ
２，３を励振する加振器１１，１２を駆動するドライブ
回路１３を有する。このドライブ回路１３は後述するよ
うに速度検出回路７，８からの速度信号に応じたパルス
幅を有するパルス状の電流を加振器１１，１２の励振コ
イル１１ａ，１２ａに流してセンサチューブ２，３を所
定の共振周波数で振動させるよう構成されている。

【００１５】即ち、ドライブ回路１３は大略、振幅検出
回路１４、振幅判断回路１５、速度値検出回路１６、速
度方向検出回路１７、マルチバイブレータ１８、励振回
路１９、フリップフロップ２０、発振器２１とよりな
る。

【００１６】振幅検出回路１４は速度検出回路７，８か
らの出力信号が入力されると、センサチューブ２，３の
振幅を算出、即ち、一度積分してその値の絶対値又は絶
対値の平均値を出力する。又、振幅判断回路１５は振幅
検出回路１４からの出力信号と予め入力された設定値と
を比較してセンサチューブ２，３の振幅が設定値とどの
くらい異なっているかを判断する。

【００１７】振幅判断回路１５は振幅検出回路１４から
の出力信号が設定値より大きい場合、その差が大きいほ
ど０Ｖに近づくマイナスの電圧を出力し、逆に振幅検出
回路１４からの出力信号が設定値より小さいほど０Ｖか
ら離れるようなマイナスの電圧を出力する。即ち、振幅
判断回路１５の出力は例えば振幅検出回路１４からの出
力信号の大きさに応じておよそ−０．１Ｖから−５．０
Ｖの間でリニアに変化する。マルチバイブレータ１８は
パルス幅を決定する回路で振幅判断回路１５からの出力
の大きさに応じてパルス幅を可変したパルス信号をフリ
ップフロップ２０より発生させる。このマルチバイブレ
ータ１８は抵抗２２、アナログスイッチ２３、コンデン
サ２４、オペアンプ２５よりなる三角波発生回路３４
と、オペアンプ２５より出力された出力信号Ｂと速度値
検出回路１６からの出力信号とを比較するコンパレータ
２６とを有する。尚、コンパレータ２６からの出力信号
Ｃがフリップフロップ２０のＲ端子に入力されると、フ
リップフロップ２０のＱ端子から出力されるＱ信号の反
転出力である＊Ｑ信号を出力する＊Ｑ端子からアナログ
スイッチ２３に信号が出力され、アナログスイッチ２３
がオンに切替わる。

【００１８】発振器２１はフリップフロップ２０を介し
てアナログスイッチ２３をオフに切替え、一定間隔でマ
ルチバイブレータ１８の出力をスタートさせる。

【００１９】又、速度検出回路７，８からの出力信号Ａ
は上記振幅回路１４のほか速度値検出回路１６及び速度
方向検出回路１７にも供給される。

【００２０】励振回路１９はインバータ２７、ＮＡＮＤ
ゲート２８、ＡＮＤゲート２９、抵抗３０，３１、ＰＮ
Ｐ形トランジスタ３２、ＮＰＮ形トランジスタ３３より
なる。この励振回路１９は後述するように速度方向検出
回路１７の出力に応じて励振コイル１１，１２に正方向
の電流又は逆方向の電流を流すように動作する。

【００２１】図２に示す如く、質量流量計１では、上方
からみるとＪ字状に曲げられた一対のセンサチューブ
２，３が流出管３５の両側に対称に配設されており、セ
ンサチューブ２，３の基端部はマニホールド３６に接続
されている。従って、流入管３７から流入した流体はセ
ンサチューブ２，３を通過して流出管３５より流出す
る。

【００２２】そして、流量計測時センサチューブ２，３
は、上記一対のセンサチューブ２，３の流入側直管部、
流出側直管部間に設けられた加振器１１，１２の励振コ
イル１１ａ，１２ａによりＸ方向に加振される。このよ
うに振動するセンサチューブ２，３内を流体が流れると
流量に比例したコリオリ力が発生し、センサチューブ
２，３間に設けれらたピックアップ５，６の出力は流入
側に位相が進み、流出側の位相が遅れる。この位相差が
流量に比例しているので、位相差に基づいて流量が求ま
る。

【００２３】ここで、上記のような流量計測時における
流量計測回路４の動作につき説明する。

【００２４】流量計測時は、前述の如くドライブ回路１
３から励振コイル１１ａ，１２ａに電流が供給され、セ
ンサチューブ２，３の直管部が励振される。速度検出回
路７，８は図３（Ａ）に示すようにセンサチューブ２，
３の速度を検出し、ドライブ回路１３はこの速度信号を
積分してセンサチューブ２，３の最大振幅が一定の値と
なるように、即ち振幅判断回路１５への入力が設定値と
一致するようにマルチバイブレータ１８の出力幅（パル
ス幅）を変えて励振回路１９よりセンサチューブ２，３
の速度に応じたパルス幅を有するパルス状の電流を励振
コイル１１ａ，１２ａに供給する。

【００２５】ここで、センサチューブ２，３の振幅が設
定値より小さい場合を考える。この場合、振幅判断回路
１５の出力は０Ｖに近くなり、前述した三角波発生回路
３４により生成される三角波（図３（Ｂ）に示す）の傾
きが小さくなる。

【００２６】即ち、三角波の電流値が速度値検出回路１
６から出力された電圧値に達するまでの時間が長くな
り、その結果コンパレータ２６からの出力信号（図３
（Ｃ）に示す）がフリップフロップ２０へ出力されるま
での時間、即ちリセットするまでの時間が伸びることに
なる。

【００２７】フリップフロップ２０は発振器２１から一
定間隔のパルスが入力してセットされるとＱ端子の出力
がＨになるとともに＊Ｑ端子の出力がＬになる。又、コ
ンパレータ２６からの出力信号ＣがＲ端子に入力される
とリセットされ、Ｑ端子の出力がＬに切替わるとともに
＊Ｑ端子の出力がＨになる。

【００２８】三角波形発生回路３４では、＊Ｑ端子がＨ
になるとアナログスイッチ２３がオンになりコンデンサ
２４が放電され信号Ｂが０Ｖになる。コンパレータ２６
から信号Ｃが出力されてから発振器２１からの信号が出
力されるまでの間、出力信号Ｂは０Ｖを保つ。従って、
発振器２１から信号が出力されてからコンパレータ２６
からの信号Ｃが出力されるまでの時間が三角波の出力幅
となり、振幅が設定値より小さい場合には三角波の出力
幅が伸びる。

【００２９】励振回路１９のＮＡＮＤゲート２８及びＡ
ＮＤゲート２９には上記三角波の出力幅の信号Ｄが入力
される。そのため、励振コイル１１ａ，１２ａに供給さ
れる電流の時間が、上記三角波の出力幅に応じて決めら
れる。

【００３０】従って、センサチューブ２，３を励振させ
る励振コイル１１ａ，１２ａの駆動力が大きくなり、セ
ンサチューブ２，３は振幅を大きくする方向に駆動され
る。励振回路１９ではセンサチューブ２，３の変位方向
に応じた電圧を励振回路１１ａ，１２ａに印加するた
め、トランジスタ３２，３３が速度方向検出回路１７か
らの正方向（Ｈ）又は逆方向（Ｌ）の信号に基づいてオ
ン，オフする。

【００３１】フリップフロップ２０のＱ端子がＨレベル
であるとき速度方向検出回路１７の出力がＨレベルの場
合、ＮＡＮＤゲート２８の出力はＬとなる。一方、ＡＮ
Ｄゲート２９の出力は速度方向検出回路１７の出力Ｈが
インバータ２７によりＬとなるため、Ｌとなる。このよ
うに、ＮＡＮＤゲート２８及びＡＮＤゲート２９の出力
が共にＬになると、トランジスタ３２はオンとなり、ト
ランジスタ３３はオフとなる。その結果、Ｅから励振コ
イル１１ａ，１２ａにプラスの電圧が出力される。

【００３２】又、速度方向検出回路１７の出力がＬの場
合、ＮＡＮＤゲート２８の出力はＨとなり、ＡＮＤゲー
ト２９の出力もＨとなる。この場合、トランジスタ３２
はオフとなり、トランジスタ３３はオンに切替わる。そ
のため、Ｅから励振コイル１１ａ，１２ａにマイナスの
電圧が出力される。

【００３３】又、上記とは逆に、フリップフロップ２０
のＱ端子の出力がＬになると、速度方向検出回路１７の
出力がＨ，ＬにかかわらずＮＡＮＤゲート２８の出力は
Ｈになり、ＡＮＤゲート２９の出力はＬとなる。そのた
め、トランジスタ３２，３３は共にオフになるので、励
振コイル１１ａ，１２ａには電流が流れず、センサチュ
ーブ２，３は加振されない。

【００３４】従って、Ｅから励振コイル１１ａ，１２ａ
に出力される電圧は図３（Ｅ）に示すような三角波形の
パルス幅に対応したパルス状の波形で出力され、且つセ
ンサチューブ２，３の変位方向に応じてプラス，マイナ
スに切替わる。即ち、励振コイル１１ａ，１２ａには１
５Ｖの電圧が断続的に供給されることになり、しかも電
圧印加時間はセンサチューブ２，３の振幅と設定値との
差に基づく三角波形のパルス幅によって決まるため、セ
ンサチューブ２，３を設定値以上の振幅となることがな
く、センサチューブ２，３を固有共振周波数で安定的に
励振しうる。

【００３５】ここで、励振回路１９におけるトランジス
タ３２，３３はオン，オフ切替え駆動を行っているだけ
なので電圧損失はほとんどゼロである。従って、電源か
ら供給された電力はそのほとんどが励振コイル１１ａ，
１２ａで消費されており、センサチューブ２，３を効率
よく励振することになる。

【００３６】そのため、従来の質量流量計のように乗算
器を使用するよりも消費電力が少なくて済み、特にバッ
テリ駆動方式の場合バッテリ寿命を延ばすことができ
る。

【００３７】尚、上記実施例では励振コイル１１ａ，１
２ａに出力される電圧のパルス幅変調方法として、三角
波生成回路３４を使用したが、これに限らず、カウンタ
回路とクロックパルス生成回路との組合せでデジタル的
にパルス幅を変更するようにしても良い。

【００３８】又、上記トランジスタの代わりに電界効果
トランジスタ（ＦＥＴ）やアナログスイッチ、リレー等
によって励振回路を構成するようにしても良い。

【００３９】

【発明の効果】上述の如く、本発明になる質量流量計
は、センサチューブを加振する加振器に供給される電圧
の印加時間をセンサチューブの振幅の大きさに応じて変
更するため、電圧をトランジスタに供給するために小さ
くする必要がなく、電力消費量を減らし、センサチュー
ブを効率良く加振することができる。従って、現場設置
形のように外部電源供給やバッテリ駆動式の場合、特に
電力消費を抑えてバッテリ寿命を延ばしたり、電源ケー
ブルによるドロップを考えなくてもよい等の特長を有す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明になる質量流量計の一実施例の流量計測
回路のブロック図である。

【図２】質量流量計の斜視図である。

【図３】流量計測回路のＡ〜Ｅ点の出力波形図である。

【符号の説明】

１ 質量流量計 ２，３ センサチューブ ４ 流量計測回路 ５，６ ピックアップ ７，８ 速度検出回路 １１，１２ 加振器 １３ ドライブ回路 １４ 振幅検出回路 １５ 振幅判断回路 １６ 速度値検出回路 １７ 速度方向検出回路 １８ マルチバイブレータ １９ 励振回路 ２０ フリップフロップ ２１ 発振器 ３４ 三角波発生回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01F 1/84

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被測流体が流れるセンサチューブを振動
   させる加振器と、流量に比例したコリオリ力の発生によ
   るセンサチューブの変位を検出するピックアップとを有
   する質量流量計において、前記加振器に供給される電圧
   の印加時間を前記センサチューブの振幅の変化に応じて
   変更する手段を備えてなることを特徴とする質量流量
   計。