JP2965241B2

JP2965241B2 - コリオリ流量計

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Publication number: JP2965241B2
Application number: JP31140294A
Authority: JP
Inventors: 大一北見
Original assignee: OOBARU KK
Current assignee: OOBARU KK
Priority date: 1994-12-15
Filing date: 1994-12-15
Publication date: 1999-10-18
Anticipated expiration: 2014-10-18
Also published as: JPH08166272A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、コリオリ流量計に関
し、より詳細には、直管式のコリオリ流量計において流
体の温度と外気温度および温度差に応じて変化する質量
流量、密度を前記温度および温度差に応じて補正する計
測装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】流体の質量流量および密度を計測する計
測手段として、最近はコリオリ流量計が使用される。コ
リオリ流量計は、質量流量ｍで流体が流れる流管を支持
点まわりに角速度ωで交番駆動したとき、質量流量ｍと
角速度ωとのベクトル積に比例したコリオリの力ｆが発
生することを利用した質量流量計であり、角速度ωを一
定とすると質量流量ｍはコリオリの力ｆに比例する。角
速度ωを流体が流れる流管の固有振動数ω₀と等しい角
度速度に選ぶと、固有振動数ω₀は流管のばね定数Ｋと
流体密度ρの関数で与えられ、流管のばね定数Ｋが一定
であれば流体密度ρが求められる。

【０００３】コリオリの力は、交番駆動される両端支持
された流管の対称位置における位相差信号として検知さ
れるが、この位相差信号は極めて小さく、高精度にコリ
オリの力を検知するためには位相差信号を大きくとれる
ような流管形状として位相差信号の感度を高めることが
条件となる。このため多くの流管の形状は湾曲形状のも
のが選ばれている。しかし、湾曲形状にすることは、流
管が大きくなり、流体に含まれるスラリー等の異物が湾
管形状の底部に堆積したりする不都合が生じ易い。

【０００４】このため、流管形状を感度を犠牲にして単
純な直管形状とすることが試みられている。しかし、コ
リオリの力の検出感度の小さい直管は、外乱影響を受け
易い。すなわち、直管形状の流管をもつコリオリ流量計
は直管形状のまま配管に取り付けられることはなく、配
管にフランジ結合される外側チューブ内に同軸に支持さ
れ、外側チューブと直管形状の流管（以後、内側チュー
ブと記す）との間に内側チューブを交番駆動する駆動手
段と位相差信号を検出する検出手段等が設けられてい
る。

【０００５】しかし、流量計においては、温度、密度等
が異なる多くの流体が計測され、直管形状のコリオリ流
量計においては内側チューブにはこれらの流体が流れ
る。この結果、内側チューブは流体の温度に応じて膨張
又は収縮する。外側チューブも流体の温度影響を受ける
が、外気温度に近い温度に保たれ、内側チューブとの間
に温度差が生じ、その結果、外側チューブと内側チュー
ブとの間には熱応力が発生し、内側チューブ自体の固有
振動数ω₀が変化することにより、質量流量ｍおよび密
度ρが共に変化して計測精度を低下させる。

【０００６】このような問題を解決する手段として、従
来の直管式のコリオリ流量計においては、内側チューブ
に生ずる熱膨張を吸収するため、該内側チューブの端部
と中間部とを異径にして該端部と中間部とを円環状の板
ばねにより弾性結合したり、あるいは、内側チューブの
中央部でベローズ等により弾性結合して軸方向に弾性変
形し易い部材を設けるなどの手段を採用していた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、従来の
直管式のコリオリ流量計においては、外側チューブに対
しては何の温度対策はなされず内側チューブ側のみに熱
膨張吸収対策を施していた。しかし、従来のような、内
側チューブに対する熱膨張対策をとると、内側チューブ
自体に段差が生じ、この段差部分に応力が集中して疲労
破断が生じたり、計測流体自体による応力腐蝕が発生す
るなど、信頼性が低下することや、流体中に含まれるス
ラリーが段差近傍に堆積したり、単純な直管でないため
の課題が生じた。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するために、（１）流体が流れる直管の内側チューブ
と、該内側チューブの外側に設けられ、両端が該内側チ
ューブに支持された直管形状の外側チューブと、前記内
側チューブを前記支持位置まわりに該内側チューブの固
有振動数で駆動する駆動手段と、前記内側チューブと外
側チューブの温度を検出する温度検出素子を有し、前記
支持位置近傍対称位置における位相差に比例した質量流
量および固有振動数に応じた密度を求め、求められた該
質量流量および密度を、前記内側チューブおよび外側チ
ューブの温度に応じて補正するコリオリ流量計におい
て、前記コリオリ流量計を防爆危険区域で使用する場合
に、前記温度検出素子からの信号を切換える切換え手段
と、該切換え手段からの信号を増幅する一個の増幅回路
と、該増幅回路と外部出力との間に接続されたツェナー
バリアユニットとを有し、該ツェナーバリアユニットを
介して出力された信号に基づいて前記質量流量および密
度を補正する温度補正手段を有すること、更には、
（２）前記（１）において、前記温度検出素子の切換え
手段を、前記温度差が所定値以内のときは、内側チュー
ブの温度を持続して検出し、前記温度差が所定値を越え
たときは、前記内側チューブの温度と外側チューブの温
度とを交互に検出するように切換えるようにしたことを
特徴としたものである。

【０００９】

【作用】外側チューブの両端部で、流体が流れる内側チ
ューブを支持し、外側チューブには外側温度検出素子
を、内側チューブには内側温度検出素子を設けて、外気
に露出している外側チューブと流体が流れる内側チュー
ブの温度を各々測定する。内側チューブの固有振動数
は、内側チューブと外側チューブの温度により変化する
ので、誤差を含んで質量流量及び密度が計測される。こ
の誤差を内側チューブと外側チューブの温度および時間
経過において生ずる温度差に応じて質量流量および密度
を補正する。

【００１０】

【実施例】〔実施例１〕図１は、本発明による質量流量および密度測定装置の一
例を説明するための構成図で、図中、１はコリオリ流量
計、２は温度補正演算器、３は内側チューブ、４は外側
チューブ、５は側板、６は駆動部、７，８は検出部、９
は内側温度検出素子、１０は外側温度検出素子である。

【００１１】図１において、コリオリ流量計１は、直管
形状の内側チューブ３と、該内側チューブ３の外側に直
管形状の外側チューブ４が配置され、内側チューブ３と
外側チューブ４とは外側チューブ４の両端に固着された
円環状の側板５により同軸に支持されている。内側チュ
ーブ３の中央には、駆動部６が設けられている。駆動部
６の左右対称位置に検出部７，８が設けられている。更
に、内側チューブ３の外側壁には内側温度検出素子９
が、外側チューブ４の内周壁には外側温度検出素子１０
が設けられている。

【００１２】内側チューブ３の支持位置５ａ，５ｂまわ
りの曲げ剛性に対し、外側チューブ４の曲げ剛性は充分
大きく、内側チューブ３に対して等価的に剛体と見なす
ことができるようになっている。駆動部６は、例えば、
コイル６ａとコア６ｂとからなる電磁駆動部であり、検
出部７，８は、例えば、コイル７ａ，８ａと永久磁石７
ｂ，８ｂとからなり、速度変換形の検出器である。ま
た、内側および外側温度検出素子９，１０は、例えば、
白金測温抵抗体である。

【００１３】以上の構成からなる直管式のコリオリ流量
計１は、内側チューブ３に流体が流れ、該内側チューブ
３が駆動部６により固有振動数で、流れと直角方向に交
番駆動されると、コリオリの力が発生し、該コリオリの
力は検出部７，８の位置で互いに位相が異なる方向で、
各々の検出信号は該位相に従った信号となる。

【００１４】温度補正演算器２は、内側および外側温度
検出素子９，１０の検出温度および温度差を入力し、質
量流量および密度の温度を補正するための変換器であ
る。なお、コリオリ流量計１の駆動部６、検出器７，８
および内側、外側温度検出素子９，１０との間は各々導
線６ｃ，７ｃ，８ｃ，９ｃ，１０ｃで接続されている。

【００１５】内側チューブ３に流入する流体は、流体の
使用目的に応じて温度、密度、圧力等が異なる。特に、
流体の温度に伴って内側チューブ３の温度が変化し、内
側チューブ３自体が膨張又は収縮し、更に、ヤング率
（剛性率）も変化を受ける。一方、外側チューブ４は外
気に接して内側チューブ３から離間しているので内側チ
ューブ３に温度変化が生じても、この影響を受けること
は少なく、内側チューブ３との間に温度変化を受ける。
当然ながらこの変化量は、流体温度と環境温度との温度
差が大きい程大きい。

【００１６】内側チューブ３と外側チューブ４との材質
が同じであっても、両者間に熱膨張差が生じ、その結
果、内側チューブ３には軸方向、周方向に熱応力が発生
し、内側チューブ３自体の固有振動数ω₀が変化する。
この変化は、当然計測された質量流量ｍにも影響を与え
る。一方、流体の密度ρは、内側チューブ３の質量およ
びばね定数と、流体の質量の関数として与えられるの
で、計測された密度値ρは、同様に誤差を含んでいる。

【００１７】温度補正演算器２は、内側、外側温度検出
素子９，１０の検出温度および温度差を算出して、ＣＰ
Ｕに予め内側チューブ３と外側チューブ４との間の温度
差に基づく質量流量演算誤差および密度誤差とを記憶し
ておいた記憶値に基づいて温度影響誤差を含まない質量
流量ｍ及び密度ρを端子２ａから出力する。

【００１８】この補正を施すことにより、内側チューブ
３の形状を最も単純な直管とすることができ、計測を簡
略化して低コストで精度の高い変換器を提供することが
できる。

【００１９】〔実施例２〕実施例１においては、外側チューブ４の剛性を内側チュ
ーブ３に対し、充分大きくして、実質的に剛体と見なし
て内側チューブ３を駆動したが、外側チューブ４の剛性
を小さくし、更に、重鍾等を付加して、内側チューブ３
の固有振動数と等しい固有振動数にして、外側チューブ
４と内側チューブ３とを共振させることにより、より効
率的で高感度のコリオリ流量計とすることができる。な
お、実施例２におけるコリオリ流量計は、図１に示した
コリオリ流量計の内側チューブ３に重鍾を取り付けた点
が異なるだけであるから、図示することを省略した。

【００２０】〔実施例３〕図２は、本発明のコリオリ流量計に適用される変換器の
一例を示す回路ブロックであり、図中、２０は信号処理
部、２１，２２はスイッチ、２３はインバータ、２４は
演算増幅器、２５，２６はツェナーバリアユニット、２
７，２８はヒューズ、２９は（Ａ／Ｄ）（アナログ−デ
ィジタル）変換部、３０はＣＰＵであり、図１と同様な
作用をする部分には、図１の場合と同じ参照番号が付し
ている。ここで、ＰＴＲ９は内側温度検出素子９、ＰＴ
Ｒ１０は外側温度検出素子１０である。

【００２１】内側抵抗ＰＴＲ９と外側抵抗ＰＴＲ１０と
は、例えば、１００Ωの白金測温抵抗体でコリオリ流量
計１内の前述した位置に設けられて切換可能に接続さ
れ、各々が、後述するブリッジ回路の１辺をなしてい
る。内側抵抗ＰＴＲ９は端子Ａ_１，Ｂに、外側抵抗ＰＴ
Ｒ１０は端子Ｂ，Ａ_２に接続され、接続点Ｂから他の端
子ｂを有して、変換器２０の端子Ａ₁，Ｂ，ｂ，Ａ₂に３
線式の測温抵抗体として接続され、端子ｂ₁は接地され
る。なお、この他に、コリオリ流量計１と信号処理部２
０との間は、駆動部６、検出器７，８との導線６ｃ，７
ｃ，８ｃで接続されているが、図２においては、煩雑を
避けるため図示を省いてある。実際には、コリオリ流量
計１と信号処理部２０との間は特殊ケーブル（多芯）で
接続されている。信号処理部２０には、（Ｄ／Ａ）変換
部２９とＣＰＵ３０が接続されている。

【００２２】ブリッジ回路は、抵抗Ｒ₁，ＰＴＲ９又は
ＰＴＲ１０，および抵抗Ｒ₂，Ｒ₃で構成され、抵抗
Ｒ₁，Ｒ₂の一端は、定電圧源Ｖ_REFに接続され、Ｒ₁＝Ｒ
₂となっており、また、抵抗Ｒ₃＝ＰＴＲ９＝ＰＴＲ１０
＝１００Ωとなっている。内側抵抗ＰＴＲ９と外側抵抗
ＰＴＲ１０とは、ＣＰＵ３０から端子Ｅより出力される
コントロール信号により切換えられるスイッチ２１又は
２２により切換えられる。スイッチ２１と２２との間に
は、インバータ２３が介在され、スイッチ２１と２２と
は開閉が逆動作するようになっている。

【００２３】温度信号は、ブリッジ回路の接続点Ａ₃，
Ｂ₃の間に生じ、該温度信号は同一の入力抵抗Ｒ₄，Ｒ₅
を介して演算増幅器２４に入力され増幅される。該増幅
回路２４から出力されたアナログ温度信号は、（Ａ／
Ｄ）変換部２９によってディジタル信号に変換されＣＰ
Ｕ３０に入力される。ＣＰＵ３０からはコントロール信
号が出力されて内側チューブ３の温度と外側チューブ４
の温度信号を切換え、各々の温度信号がＣＰＵ３０に取
り込まれる。ＣＰＵ３０は各々の温度に従ってコリオリ
流量計１で計測された質量流量および密度値の補正が行
われ出力される。

【００２４】本発明においては、信号処理部２０は本質
安全防爆となるため、図２に示す変換器回路を構成して
スイッチ２１，２２を設け、内側抵抗ＰＴＲ９又は外側
抵抗ＰＴＲ１０を切換えることにより、１つの演算増幅
器２４と、１つのツェナーバリアユニット２５およびヒ
ューズ２７を設けることができる。このとき、ＣＰＵ３
０から出力されるコントロール信号に対してもツェナー
バリアユニット２６，ヒューズ２８が取り付けられる。
Ｖ_REFにもツェナーバリアが取り付けられているが、煩
雑を避けるため省いている。

【００２５】一般的な電気回路構成によれば、センサ毎
にそれぞれ演算増幅回路、Ａ／Ｄ変換器およびツエナー
バリアを必要とし、それに伴って配線を要し、その結
果、部品数の増大とシステム全体の繁雑化を招いてしま
う。そこで、本発明では、上述のように、スイッチ２
１，２２を設けることにより高価な演算増幅回路とツェ
ナーバリアユニットの数を削減することができ、安価な
変換器が構成される。また、スイッチ２１，２２は、任
意に切換えることができるが、被計測の流体温度、環境
温度は常に一定とは限らない。このため、スイッチ２
１，２２の切換えのタイミングを設定する必要がある。
本発明においては、温度変化を勘案して温度測定の切換
え手順が設定されている。

【００２６】〔実施例４〕図３は、本発明におけるコリオリ流量計のスイッチ切換
えタイムチャートの一例を説明するための図であり、図
３（ａ）は、安定状態、図３（ｂ）は所定以上の温度差
が生じた場合のタイムチャートであり、（１）は内側抵
抗ＰＴＲ９側のスイッチ２１を駆動するパルスＰ、
（２）は外側抵抗ＰＴＲ１０側のスイッチ２１を駆動す
るパルスＱであらわし、ＯＮの状態を斜線で示してお
り、（３）は内側チューブ３のサンプリング温度計測時
間ｔ_ｘ１を、（４）は外側チューブ４のサンプリング温
度計測時間ｔ_ｘ２を示す。パルスＰ，Ｑのパルス幅は、
内側チューブ３と外側チューブ４の計測された温度差に
従ってＣＰＵ３０内で処理された任意の時間が設定さ
れ、例えば、パルスＰがＯＮのとき、パルスＱはＯＦＦ
となり、パルスＰがＯＦＦのとき、パルスＱはＯＮとな
る。

【００２７】図３（ａ）は、内側チューブ３と外側チュ
ーブ４との温度差が、予め定められた温度差以内の温度
をもって安定している状態の場合であり、温度変動が生
じ易い内側チューブ３側のスイッチ２１の切換え時間
（パルス幅Ｐ₁）を、外側チューブ４側のスイッチ２２
の切換え時間（パルス幅Ｑ₁）よりも長することによ
り、もっぱら内側チューブ３の温度計側のサンプリング
回数を多くして、内側チューブ３の温度に依存した計測
を行う。例えば、内側のパルスＰ₁の期間において、時
間Ｔ_m毎の時間ｔ_x1（Ｔ_m＞ｔ_x1）内に（Ｎ−１）回のサ
ンプリングによる温度計測がなされたとすれば、最終の
切換えにて外側のパルスＱ₁の期間Ｔ_xに１回の温度計測
が期間ｔ_x2（Ｔ_x＞ｔ_x2）内でなされる。例えば、内側
パルスＰ₁の期間に９回の時間Ｔ_m毎のサンプリング温度
計測がなされたとき、外側のパルスＱ₁の期間（時間
Ｔ_x）に１回の温度計測がなされ、内側と外側のサンプ
リング温度計測を計１０回行い、内側チューブ３と外側
チューブ４との温度差が設定された値以内であれば、こ
れを１つの温度計測サイクルとしてこれを繰返す。

【００２８】図３（ｂ）は、内側チューブ３と外側チュ
ーブ４との温度差が、予め定められた温度差を越えた場
合であり、スイッチ２１と２２とは各々、パルスＰ₂，
Ｑ₂のパルス幅の時間Ｔ_m，Ｔ_x毎に交互に切換えて各々
時間ｔ_x1，ｔ_x2内で温度計測がなされ、各々の測定温度
差と比較されるが、比較された内側チューブ３と外側チ
ューブ４との温度差が設定温度差以内になると、直ち
に、図３（ａ）に示した温度差安定時の内側のパルスＰ
₁，外側のパルスＱ₁の温度計測に戻してもよいが、温度
変動があるときは温度差異常時の切換えに戻るという、
所謂、計測のハンチングを起こすので、これを避けるた
めスイッチ２１と２２の切換回数をＭ回継続することと
し、この間の時間を、例えば、２５秒としている。この
時間経過したとき、温度差が設定温度差以内であると、
再び、図３（ａ）の温度差安定時の温度計測に戻され
る。なお、上記切換回数Ｍは整数であり、内側チューブ
３の切換えの回数Ｎ₁と外側チューブ４の切換回数Ｎ₂と
の比（Ｎ₁／Ｎ₂）に等しいか、又は、差（Ｎ₁−Ｎ₂）に
等しい。

【００２９】設定された内側チューブ３と外側チューブ
４の温度差に基づいたアルゴリズムにより温度計測手段
が選ばれるので、常に正確な内側チューブ３、外側チュ
ーブ４の温度が計測でき、この温度差に基づいて正確な
質量流量および密度が計測できる。

【００３０】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によると、以下に示す効果がある。請求項１に対応する
効果：防爆用の流量計として、本発明においては、複数
の検出信号を切換えるので、１個のツェナーバリアユニ
ットと一個の演算増幅器とすることができ、しかも伝送
線も削減されるので、変換器を安価とすることができ
る。請求項２に対応する効果：請求項１の効果に加え、
設定された所定の温度差が発生したときと定常状態にお
ける温度計測のタイミングを変えたので常に正確な温度
計測が可能となり常に正確な温度補正が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による質量流量および密度測定装置の
一例を説明するための構成図である。

【図２】本発明の質量流量および密度測定装置に適用
される変換器の一例を示す回路ブロックである。

【図３】本発明における質量流量および密度計測装置
のスイッチ切換えタイムチャートの一例を説明するため
の図である。

【符号の説明】

１…コリオリ流量計、２…温度補正演算器、３…内側チ
ューブ、４…外側チューブ、５…側板、６…駆動部、
７，８…検出部、９…内側温度検出素子、１０…外側温
度検出素子、２０…信号処理部、２１，２２…スイッ
チ、２３…インバータ、２４…演算増幅器、２５，２６
…ツェナーバリアユニット、２７，２８…ヒューズ、２
９…（Ａ／Ｄ）（アナログ−ディジタル）変換部、３０
…ＣＰＵ。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】流体が流れる直管の内側チューブと、該
内側チューブの外側に設けられ、両端が該内側チューブ
に支持された直管形状の外側チューブと、前記内側チュ
ーブを前記支持位置まわりに該内側チューブの固有振動
数で駆動する駆動手段と、前記内側チューブと外側チュ
ーブの温度を検出する温度検出素子を有し、前記支持位
置近傍対称位置における位相差に比例した質量流量およ
び固有振動数に応じた密度を求め、求められた該質量流
量および密度を、前記内側チューブおよび外側チューブ
の温度に応じて補正するコリオリ流量計において、前記
コリオリ流量計を防爆危険区域で使用する場合に、前記
温度検出素子からの信号を切換える切換え手段と、該切
換え手段からの信号を増幅する一個の増幅回路と、該増
幅回路と外部出力との間に接続されたツェナーバリアユ
ニットとを有し、該ツェナーバリアユニットを介して出
力された信号に基づいて前記質量流量および密度を補正
する温度補正手段を有することを特徴とするコリオリ流
量計。
【請求項２】前記温度検出素子の切換え手段を、前記
温度差が所定値以内のときは、内側チューブの温度を持
続して検出し、前記温度差が所定値を越えたときは、前
記内側チューブの温度と外側チューブの温度とを交互に
検出するように切換えるようにしたことを特徴とする請
求項１に記載のコリオリ流量計。