JP2976765B2 - コリオリ質量流量計 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、被測定流体が振動する
チューブ内を流れるときにこのチューブに発生するコリ
オリ力を検出して質量流量を測定するコリオリ質量流量
計に係り、特に検出信号の中の励振成分とコリオリ力に
よるコリオリ成分を機構的に分離して検出することがで
きるように改良したコリオリ質量流量計に関する。

【０００２】

【従来の技術】図８は従来のコリオリ質量流量計の概念
図である。このコリオリ質量流量計は直管形である。１
は内部に測定流体を流すことのできるチューブであり、
このチューブ１の両端は固定端２、３で固定されてい
る。

【０００３】これ等の固定端２、３の中央部には加振器
４が設置されており、このチューブ１をチューブの中心
軸に対し垂直方向に加振して、上下に振動させる。この
加振器４と固定端２、３の間には、チューブ１の変位を
測定する変位センサ５、６が設置されている。

【０００４】次に、以上のように構成されたコリオリ質
量流量計の動作について図９を用いて説明する。チュー
ブ１の中に測定流体を流した状態で中央部に設置した加
振器４から振動を与えると、Ｍ１、Ｍ２に示すように中
央部が振動の腹となる１次モードの形状でチューブ１が
振動する。

【０００５】この振動は、チューブ１の上流側と下流側
について考えると、各々固定端２と３付近を中心とする
回転運動をしているとみなせるので、この各速度をω、
測定流体の質量流量をＱとすると、ωとＱの積に比例し
たコリオリ力が各微小区間に発生する。

【０００６】これにより、チューブ１の中央点に対して
上流部分と下流部分ではその撓み振動が対称になる２次
の振動モードＭ３、Ｍ４が発生する。この変形を変位セ
ンサ５、６で測定することにより質量流量Ｑを知ること
ができる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、以上の
ようなコリオリ質量流量計では、励振振動と測定流体が
流れることにより発生する小さなコリオリ振動とを同一
の変位センサ５、６で検出してこれを論理的・電気的に
分離して質量流量に変換しているが、この場合に、コリ
オリ振動の振幅は、フルスケールの流量を流しても励振
振動の振幅に比べて数百〜千分の１しかないので、コリ
オリ成分の分離が容易ではなく、誤差発生の要因を形成
するという問題がある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、以上の課題を
解決するための主な構成として、各一端が各々同一軸上
で一対の固定端に固定され測定流体が流れる所定長の振
動チューブと、この振動チューブを先の軸に対して垂直
方向に１次モード或いは２次モードで加振する励振手段
と、先の振動チューブの各モードの変曲点或いはその近
傍に配置され先の測定流体によって発生する曲げ歪を検
出する歪ゲージとを具備するようにしたものである。

【０００９】

【作 用】先ず、振動チューブが励振手段によりこの振
動チューブの軸に垂直方向に１次モード或いは２次モー
ドで振動された状態にする。この状態で、振動チューブ
に測定流体が流れると、１次モード加振のときはコリオ
リ力により２次モード状の振動が、２次モード加振のと
きはコリオリ力により１次モード状の振動がそれぞれ発
生する。

【００１０】１次モード、或いは２次モード加振の状態
においては、それぞれこれ等の加振モードの変曲点で、
励振成分による振動方向の曲げによる歪（応力）は発生
しない。

【００１１】一方、これらの励振成分による変曲点とコ
リオリ力による変曲点の位置は異なっているので、励振
成分による変曲点に設けられた曲げ歪を検出する歪ゲー
ジはコリオリ成分のみを効率良く検出することができ
る。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の実施例について図を用いて説
明する。図１は本発明の１実施例を示す平面図である。
この場合は、１次モード加振をするときの構成として示
してある。なお、説明の都合上、紙面に対して左右方向
をＸ軸、上下方向をＹ軸として、以下の説明をする。

【００１３】１１、１２は測定流体が内部を流れる長さ
Ｌの直管状の振動チューブ１０の固定端であり、これら
の固定端１１、１２は質量流量計のボデイに固定され
る。この振動チューブ１０の中央部には、励振装置１３
が配置され、励振装置１３は振動チューブ１０を上下方
向（Ｙ軸方向）に１次モードで単振動状に加振させる。

【００１４】一方、この振動チューブ１０の固定端１２
から０．２２Ｌと０．５Ｌの近傍には、曲げ歪を検出す
る歪ゲージ１４、１５がそれぞれ振動チューブ１０の表
面のＹ方向の上部又は下部に配置されている。

【００１５】歪ゲージ１４は測定流体が流れることによ
り生じるコリオリ力に基づく歪を主として検出して第１
信号ｅ_cを出力し、歪ゲージ１５は励振成分に基づく歪
を検出して第２信号ｅ_mを出力する。

【００１６】図２は本発明の第２の実施例を示す平面図
である。この場合は、２次モード加振をするときの構成
として示してある。１６、１７は測定流体が内部を流れ
る長さＬの直管状の振動チューブ１８の固定端であり、
これらの固定端１６、１７は質量流量計のボデイに固定
される。

【００１７】これらの固定端１６、１７から所定距離だ
け離れた位置には、励振装置１９、２０がそれぞれ配置
され、これらの励振装置１９、２０は振動チューブ１８
を上下方向（Ｙ軸方向）に２次モードで単振動状に加振
させる。

【００１８】一方、この振動チューブ１８の固定端１７
から０．１３Ｌ又はその近傍には歪ゲージ２１Ａが振動
チューブ１８の表面のＹ方向の上部又は下部に配置され
ている。さらに、振動チューブ１８の固定端１７から
０．５Ｌ又はその近傍には歪ゲージ２１Ｂが配置されて
いる。なお、これらの歪ゲージ２１Ａ、或いは歪ゲージ
２１Ｂは、通常、そのいずれか一方だけが使用される。

【００１９】歪ゲージ２１Ａ、或いは２１Ｂは測定流体
が流れることにより生じるコリオリ力に基づく歪を主と
して検出して第１信号ｅ_c´を出力する。また、振動チ
ューブ１８の固定端１７から０．２２Ｌ又はその近傍に
は歪ゲージ２２が配置され、この歪ゲージ２２は励振成
分に基づく歪を検出して第２信号ｅ_m´を出力する。

【００２０】次に、以上のように構成された図１、図２
に示す実施例の動作について、図３、図４、図５に示す
特性図を用いて説明する。図３は振動チューブの軸方向
Ｘに対する振動振幅との関係を示す振幅特性を、図４は
振動チューブの軸方向Ｘに対する振動波形の傾きｄＹ／
ｄＸとの関係を示す傾き特性を、図５は振動チューブの
軸方向Ｘに対する振動波形の曲率ｄ²Ｙ／ｄＸ²との関係
を示す曲率特性をそれぞれ示している。

【００２１】これらの特性図において、実線で示す曲線
は１次モード共振の場合を、点線で示す曲線は２次モー
ド共振の場合をそれぞれ示している。以上の図のうち、
図５に示す曲率ｄ²Ｙ／ｄＸ²がゼロの点Ａ、Ｂ、Ｃ、
Ｄ、Ｅは、図３に示す振幅特性では変曲点に相当し、こ
れらの点では加振方向（Ｙ方向）の曲げ歪（応力）は発
生しない。

【００２２】一方、図３に示す１次モード加振（実線）
を行う場合は、コリオリ力により２次モード状の振動
（点線）が生じる。したがって、例えば図５のＢ点に設
けられた歪ゲージ１４は１次モード加振に基づく信号は
検出されず、コリオリ力に基づく２次モード状の振動に
基づく信号のみが検出される。これは、Ｄ点に歪ゲージ
を設けても同様である。

【００２３】逆に、図３に示す２次モード加振（点線）
を行う場合は、コリオリ力により１次モード状の振動
（実線）が生じる。したがって、例えば図５のＡ点に設
けられた歪ゲージ２１Ａは２次モード加振に基づく信号
は検出されず、コリオリ力に基づく１次モード状の振動
に基づく信号のみが検出される。これは、Ｃ点、或いは
Ｅ点に歪ゲージを設けても同様である。

【００２４】このように、１次モードで加振するとコリ
オリ力により２次モード状の振動が、２次モードで加振
するとコリオリ力により１次モード状の振動が発生する
ので、変曲点に歪ゲージを設置することにより、コリオ
リ成分と励振（加振）成分とを分離検出することが可能
となる。

【００２５】なお、理論的には、コリオリ成分と励振成
分とを完全に分離することが可能であるが、振動系に生
じる僅かな非対称性の発生、或いは故意に歪ゲージの位
置をずらすことなどにより、コリオリ成分と多少の励振
成分の和として第１信号ｅ_c、ｅ_c´が歪ゲージ１４、及
び２１Ａ、２１Ｂから出力される。

【００２６】一方、励振信号としての第２信号ｅ_m、ｅ_m
´は第１信号ｅ_c、ｅ_c´の数百〜千倍程度と大きいこと
もあり、殆ど１００％の励振信号成分が出力される。

【００２７】つぎに、このようにして出力される第１信
号ｅ_c、ｅ_c´と第２信号ｅ_m、ｅ_m´に対しては図６、図
７に示す信号処理回路で信号処理される。ここでは、第
１信号ｅ_cと第２信号ｅ_mとを用いる図１に示す構成につ
いて説明するが、第１信号ｅ _c´と第２信号ｅ_m´とを用
いる図２に示す構成についても同様に適用することがで
きる。

【００２８】図６は図１に示すセンサ部２３からの信号
を処理する信号処理部２４の構成を示すブロック図であ
る。なお、以下の信号処理は第２信号で第１信号を割算
する構成として説明するが、第１信号のみで信号処理を
する場合は、必ずしも割算は必要としない。

【００２９】センサ部２３からは、第１信号（コリオリ
信号を含む信号）ｅ_cと第２信号（励振信号）ｅ_mとがそ
れぞれ信号処理部２４の前置増幅器２５、２６に出力さ
れる。

【００３０】前置増幅器２６から出力された励振信号ｅ
_m1は、駆動回路２７に入力され、ここで増幅されて駆動
電流を励振装置１３に流す。この結果は、第２信号ｅ_m
に反映され、前置増幅器２５に出力される。これが繰り
返されて、共振状態で一定振幅の共振周波数で振動チュ
ーブ１０が上下に１次モードで振動される。

【００３１】また、この前置増幅器２６で増幅された励
振信号ｅ_m1は、フエーズロックドループ回路（ＰＬＬ回
路）２８に入力され、ここで位相が９０度ずれたタイミ
ング信号ｅ_T1として生成される。

【００３２】第１信号ｅ_cが前置増幅器２５で増幅され
て出力されたコリオリ信号ｅ_c1は同期整流回路２９に入
力され、ここでタイミング信号ｅ_T1を用いて同期整流さ
れてコリオリ信号ｅ_c2として分離出力される。

【００３３】さらに、第２信号ｅ_mが前置増幅器２６で
増幅されて出力された励振信号ｅ_m1は、実効値回路３０
に出力され、ここで励振信号ｅ_m1の実効値が演算されて
励振信号ｅ_m2として出力される。割算回路３１は、コリ
オリ信号ｅ_c2を励振信号ｅ_m2で割算して、振動チューブ
１０の振動振幅の変動を除去し、測定流体の質量流量Ｑ
に比例した流量信号ｅ_f1として出力する。

【００３４】図７は図１に示すセンサ部２３からの信号
を処理する他の信号処理部３２の構成を示すブロック図
である。以下の説明においては、図６に示す構成要素と
同一の機能を行う部分に付いては同一の番号を付して適
宜にその説明を省略する。

【００３５】センサ部２３からは、第１信号ｅ_cと第２
信号ｅ_mがそれぞれ信号処理部３２の前置増幅器２５、
２６に出力される。前置増幅器２６で増幅された励振信
号ｅ_m1は、ＰＬＬ回路２８に入力され、ここで位相が９
０度ずれたタイミング信号ｅ_T1と同相のタイミング信号
ｅ_T2を生成する。

【００３６】コリオリ信号ｅ_c1は同期整流回路３３に入
力され、これをタイミング信号ｅ_T1とｅ_T2を用いて同期
整流してコリオリ信号ｅ_c3と励振信号ｅ_m3とを分離して
割算回路３１に出力する。

【００３７】割算回路３１は、コリオリ信号ｅ_c3を励振
信号ｅ_m3で割算して、振動チューブ１０の振動振幅の変
動を除去し、測定流体の質量流量Ｑに比例した流量信号
ｅ_f2として出力する。

【００３８】なお、今までの説明では、信号を検出する
検出ゲージとして、歪ゲージを主体として説明したが、
これに限られることはなく、例えば圧電素子を検出ゲー
ジとして用いて応力を検出するようにしても良い。

【００３９】さらに、図１，図２に示す構成では、歪ゲ
ージを１個として説明したが、図１に示す構成では振動
チューブ１０の全長Ｌに対して両側の固定端１１、１２
から０．２２Ｌ近傍にそれぞれ１個を、図２に示す構成
では振動チューブ１８の全長Ｌに対して両側の固定端１
１、１２から０．１３Ｌ近傍にそれぞれ１個を対称的に
配置する構成としても良い。この場合は、対称構造とな
るので、振動系の安定性が増し、さらにこれらの１対の
歪ゲージの出力の差動をとれば、耐震性が向上する。

【００４０】また、図１、図２に示す構成では、単管を
例として説明したが、２本の平行管などの複合管として
も良く、各振動チューブの指定個所に歪ゲージを設置す
ることにより単管と同様の効果が得られる。複数本での
差動効果によりゼロ点の安定や耐振性の向上も期待でき
る。信号処理としては、図６、図７に示す同期整流方式
以外に、例えば時間差方式、位相差方式などの他の方式
を採用することもできる。

【００４１】

【発明の効果】以上、実施例と共に具体的に説明したよ
うに本発明によれば、以下に説明する各種の効果があ
る。

【００４２】請求項１〜３に記載された発明では、歪
ゲージを振動チューブの各モードの変曲点の近傍に配置
して測定流体によって発生する曲げ歪を検出する構成と
したので、加振（励振）成分を抑え、コリオリ振動成分
を優先して検出することができ、ＳＮ比が良く、しかも
簡単な回路で高精度、高安定な信号検出ができる。理想
的には、励振振動成分はゼロになりコリオリ振動成分の
みを検出することができる。

【００４３】 通常、１本式チューブで変位計測をす
るときは、ある基準点、例えばボデイとチューブとの相
対変位を測定するので、チューブの振動だけでなく、変
位センサーの取付台（基準位置）の位置変動の影響を受
ける。これに対して本発明の第１〜第３請求項による振
動チューブ表面の歪み測定では、チューブ振動の絶対的
歪ないし変位の測定ができるので、外部振動に対して安
定である。

【００４４】請求項４、５に記載された発明によれ
ば、第１信号に含まれるコリオリ成分を励振成分を用い
て割算をする構成としたので、励振電圧の影響、温度な
どの環境変化や経年変化による出力変動を除去・軽減す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１実施例の構成を示す構成図である。

【図２】本発明の他の実施例の構成を示す構成図であ
る。

【図３】振動チューブの軸方向Ｘに対する振動振幅との
関係を示す振幅特性図である。

【図４】振動チューブの軸方向Ｘに対する振動波形の傾
きとの関係を示す傾き特性図である。

【図５】振動チューブの軸方向Ｘに対する振動波形の曲
率との関係を示す曲率特性図である。

【図６】図１に示すセンサ部と接続される信号処理部の
構成を示すブロック図である。

【図７】図１に示す信号処理部の他の実施例の構成を示
すブロック図である。

【図８】従来のコリオリ質量流量計の構成を示す概念図
である。

【図９】図８に示すコリオリ質量流量計の動作を説明す
る説明図である。

【符号の説明】

１１、１２、１６、１７ 固定端 １０、１８ 振動チューブ １４、１５、２１Ａ、２１Ｂ、２２ 歪ゲージ １３、１９、２０ 励振装置 ２３ センサ部 ２５、２６ 前置増幅器 ２７ 駆動回路 ２９、３３ 同期整流回路 ３１ 割算回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭58−174814（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−99918（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−120122（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01F 1/84

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】各一端が各々同一軸上で一対の固定端に固
   定され測定流体が流れる所定長Ｌの振動チューブと、こ
   の振動チューブを前記軸に対して垂直方向に１次モード
   或いは２次モードで加振する励振手段と、前記振動チュ
   ーブの各モードの変曲点或いはその近傍に配置され前記
   測定流体によって発生する曲げ歪を検出する歪ゲージと
   を具備することを特徴とするコリオリ質量流量計。
2. 【請求項２】前記１次モードで加振したときの前記変曲
   点を、各固定端から０．２２Ｌとしたことを特徴とする
   請求項１に記載のコリオリ質量流量計。
3. 【請求項３】前記２次モードで加振したときの前記変曲
   点を各固定端から０．１３Ｌ又は０．５０Ｌとしたこと
   を特徴とする請求項１に記載のコリオリ質量流量計。
4. 【請求項４】前記励振手段での加振に関連する振動成分
   を第２信号としてパルス整形し９０度位相のずれたタイ
   ミング信号を生成する第１フエーズロックドループ回路
   と、前記歪ゲージから出力される第１信号を前記タイミ
   ング信号を用いて同期整流する第１同期整流手段と、前
   記第２信号の実効値を演算する実効値演算手段とを具備
   し、前記同期整流手段の出力を前記実効値で割算して質
   量流量を得る請求項１又は２又は３に記載されたコリオ
   リ質量流量計。
5. 【請求項５】前記第２信号をパルス整形し９０度位相の
   ずれた９０度タイミング信号と前記第２信号に同相の同
   相タイミング信号を生成する第２フエーズロックドルー
   プ回路と、前記第１信号を前記９０度タイミング信号を
   用いてコリオリ信号成分に前記第１信号を前記同相タイ
   ミング信号を用いて励振信号成分にそれぞれ同期整流し
   て分離する第２同期整流手段と、前記コリオリ信号成分
   を前記励振信号成分で割算して質量流量を算出する割算
   手段とを具備する請求項１又は２又は３に記載されたコ
   リオリ質量流量計。