JP3200826B2

JP3200826B2 - コリオリ質量流量計

Info

Publication number: JP3200826B2
Application number: JP29050493A
Authority: JP
Inventors: 紀和大沢; 大輔山崎; 仁章田中
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 1993-11-19
Filing date: 1993-11-19
Publication date: 2001-08-20
Anticipated expiration: 2016-08-20
Also published as: JPH07139986A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、振動するチューブ内を
被測定流体が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、特に検出信号に含まれる加振成分とコリオリ
成分を構造的に分離して質の良い信号が得られるように
改良したコリオリ質量流量計に関する。

【０００２】

【従来の技術】図１７は従来の第１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１８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、この角速度を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振動
モードＭ３、Ｍ４が発生する。この振動モードＭ３、Ｍ
４による変形を変位センサ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】これに対して、図１９に示す従来の第２の
コリオリ質量流量計はＵ字状の曲管形として構成されて
おり、これは例えば特公昭６０−３４６８３などに開示
されている。支持部材７にＵ字形のチューブ８が片持梁
状に固定され、このＵ字形の曲管部分に加振装置９を設
けて上下に振動させる。また、このＵ字形のチューブ８
の平行する各直管部分には振動検出器１０Ａ、１０Ｂが
設けられている。

【０００８】上下にＵ字形のチューブ８が振動されてい
るときに、このチューブ８に質量流量Ｑが流されると、
一対のチューブ８の各直管部分はコリオリ力により互に
反対方向に変位して“ねじれ”るので、これにより発生
する変位を振動検出器１０Ａ、１０Ｂで検出することに
より質量流量Ｑを知ることができる。

【０００９】

【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、チューブ８の加振によ
って、支持部材７に加振方向の並進成分の力を受け振動
絶縁が容易ではない。これは、加振に余計なエネルギー
を費やしセンシングに悪影響を及ぼし、外部振動の影響
を受けやすくなるなどの問題が発生することを意味す
る。

【００１０】さらに、図１７、図１９に示す場合も、変
位センサ５、６、或いは振動検出器１０Ａ、１０Ｂは、
加振振動とそこに僅かに重畳したコリオリ振動を同時に
同一センサで検出し、これを電気的に分離して質量流量
Ｑに変換する。

【００１１】そして、コリオリ振動の振幅は、平均流速
が１ｍ／ｓで加振振動の振幅の数百〜千分の一しかない
ので、コリオリ成分を分離するのは容易ではなく、誤差
発生の大きな要因となっている。

【００１２】

【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、加振振動成分とコリオ
リ振動成分を、加振モードの種類、歪ゲージの固定位
置、および歪検出の種類を組み合わせて、構造的に分離
することにより、ノイズの少ないコリオリ信号を得るこ
とを目的とする。

【００１３】そのために、請求項１に記載された構成と
して、コリオリ信号検出手段に剪断歪検出、加振モード
に曲げモード加振を用いるときには、両端が支持部材に
固定され測定流体が内部を流れる曲管形状のチューブ
と、先の支持部材を支点として先のチューブに曲げ振動
をさせる曲げモードで加振させる第１加振手段と、先の
曲げモード加振で生じる曲げ加振剪断歪がほぼゼロにな
る先のチューブの特定位置に設けられ先の測定流体によ
り生じるコリオリ剪断歪を検出する第１歪検出手段とを
具備し、このコリオリ剪断歪に対応する先の測定流体の
質量流量を出力するようにしたものである。

【００１４】第２の構成（請求項２）は、コリオリ信号
検出手段として剪断歪検出、加振モードとして捩れモー
ド加振を用いる。第３の構成（請求項３）は、コリオリ
信号検出手段として剪断歪検出、加振モードとして曲げ
モード加振を用い、さらに加振信号検出手段として剪断
歪検出、加振モードとして曲げモード加振を用いる。

【００１５】第４の構成（請求項４）は、コリオリ信号
検出手段として剪断歪検出、加振モードとして捩れモー
ド加振を用い、さらに加振信号検出手段として剪断歪検
出、加振モードとして捩れモード加振を用いる。

【００１６】第５の構成（請求項５）は、コリオリ信号
検出手段として曲げ歪検出、加振モードとして曲げモー
ド加振を用いる。第６の構成（請求項６）は、コリオリ
信号検出手段として曲げ歪検出、加振モードとして捩れ
モード加振を用いる。

【００１７】第７の構成（請求項７）は、コリオリ信号
検出手段として曲げ歪検出、加振モードとして曲げモー
ド加振を用い、さらに加振信号検出手段として曲げ歪検
出、加振モードとして曲げモード加振を用いる。

【００１８】第８の構成（請求項８）は、コリオリ信号
検出手段として曲げ歪検出、加振モードとして捩れモー
ド加振を用い、さらに加振信号検出手段として曲げ歪検
出、加振モードとして捩れモード加振を用いる。

【００１９】第９の構成（請求項９）は、コリオリ信号
検出手段として剪断歪検出、加振モードとして曲げモー
ド加振を用い、さらに加振信号検出手段として曲げ歪検
出、加振モードとして曲げモード加振を用いる。

【００２０】第１０の構成（請求項１０）は、コリオリ
信号検出手段として曲げ歪検出、加振モードとして曲げ
モード加振を用い、さらに加振信号検出手段として剪断
歪検出、加振モードとして曲げモード加振を用いる。

【００２１】第１１の構成（請求項１１）は、コリオリ
信号検出手段として剪断歪検出、加振モードとして捩れ
モード加振を用い、さらに加振信号検出手段として曲げ
歪検出、加振モードとして捩れモード加振を用いる。

【００２２】第１２の構成（請求項１２）は、コリオリ
信号検出手段として曲げ歪検出、加振モードとして捩れ
モード加振を用い、加振信号検出手段として剪断歪検
出、加振モードとして捩れモード加振を用いる。

【００２３】

【作用】請求項１に記載された発明の作用は、以下の
通りである。すなわち、曲管形状のチューブは両端が支
持部材に固定され測定流体が内部を流れる。第１加振手
段は先の支持部材を支点として先のチューブに曲げ振動
をさせる曲げモードで加振させる。

【００２４】第１歪検出手段は先のチューブの特定方向
に配置されかつ先の曲げモード加振で生じる曲げ加振剪
断歪がほぼゼロになる先のチューブの特定位置に設けら
れ曲げ歪を除去して先の測定流体により生じるコリオリ
剪断歪を検出する。そして、このコリオリ剪断歪に対応
する先の測定流体の質量流量を出力する。

【００２５】さらに、請求項２〜請求項１２は、請求項
１に記載された構成要素の加振モードとしての曲げ加振
と捩れ加振の組み合わせに、歪ゲージの固定位置を各加
振モードに対応する特異点に変更し、さらに歪検出の種
類として曲げ歪検出と剪断歪検出とを選定するが、その
作用は請求項１とほぼ同様である。

【００２６】

【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は主として本発明の第１請求項に対応する
１実施例の構成を示す斜視図である。なお、説明の都合
上、支持部材の面に直角に延長される方向をＸ軸、支持
部材の長手方向をＹ軸、これらの双方に直角な方向をＺ
軸として、以下の説明をする。

【００２７】図１は曲げモードで加振する曲げ加振の状
態において剪断歪を検出する場合の構成を示す。１１は
支持部材であり、この支持部材１１にＵ字状の曲管であ
るチューブ１２の両端１２Ａ、１２Ｂが固定されてい
る。このチューブ１２の中には測定流体Ｑが流される。

【００２８】チューブ１２の頂部１２Ｃの近傍には加振
装置１３が配置され、両端１２Ａ、１２Ｂを結ぶ線を支
点としてＺ軸方向に上下にチューブ１２の頂部１２Ｃが
加振される。

【００２９】一方、チューブ１２には曲げ加振の状態に
おいて生じる曲げ加振剪断歪がほぼゼロになるチューブ
１２の例えば後述する位置に設けられ曲げ歪を除去し
て測定流体Ｑが流れて生じるコリオリ剪断歪を検出する
第１歪検出センサ１４が設けられている。

【００３０】この第１歪検出センサ１４は、後述する複
数の歪ゲージＲ_g1、Ｒ_g2、Ｒ_g3、及びＲ_g4を各辺とする
ブリッジとして構成されている。そして、第１歪検出セ
ンサ１４の位置はのほか後述するように図示の、
などの位置でも良い。

【００３１】図２は捩れモードで加振する捩れ加振の状
態において剪断歪を検出する場合の構成を示す。１１は
支持部材であり、この支持部材１１にＵ字状の曲管であ
るチューブ１２の両端１２Ａ、１２Ｂが固定されている
点については図１に示す場合と同じである。

【００３２】チューブ１２の両端１２Ａと１２Ｂから延
長される平行部分には左右にそれぞれ加振装置１５と１
６が配置され、チューブ１２は両端１２Ａ、１２Ｂと頂
点１２Ｃとを結ぶ線Ｘ−Ｘ´を中心として上下に交互に
チューブ１２を捩じるように加振される。

【００３３】一方、チューブ１２には捩れ加振の状態に
おいて生じる捩れ加振剪断歪がほぼゼロになるチューブ
１２の例えば後述する位置に設けられ曲げ歪を除去し
て測定流体Ｑが流れて生じるコリオリ剪断歪を検出する
第２歪検出センサ１７が設けられている。

【００３４】この第２歪検出センサ１７は、後述する複
数の歪ゲージＲ_g1、Ｒ_g2、Ｒ_g3、及びＲ_g4を各辺とする
ブリッジで構成されている。そして、第２歪検出センサ
１７の位置はのほか後述するように図示の0などの
位置でも良い。

【００３５】図３は歪検出センサ１４、１７を構成する
歪ゲージＲ_g1、Ｒ_g2、Ｒ_g3、及びＲ _g4の具体的な配列を
示す配置図である。図３（Ａ）は側面図、図３（Ｂ）は
断面図である。

【００３６】歪ゲージＲ_g1とＲ_g4、歪ゲージＲ_g2とＲ_g3
は、それぞれの歪ゲージがチューブ１２の軸方向（ｒ方
向）に対して対称、通常は４５ｄｅｇ方向に貼り付けら
れている。

【００３７】これ等の歪ゲージＲ_g1、Ｒ_g2、Ｒ_g3、及び
Ｒ_g4は、図４に示すように互にブリッジ状に接続されて
歪検出センサ１４が構成され、歪ゲージＲ_g1及びＲ_g4の
接続点と歪ゲージＲ_g2及びＲ_g3の接続点には電源電圧Ｅ
_iが印加される。

【００３８】そして、歪ゲージＲ_g1及びＲ_g2の接続点
と、歪ゲージＲ_g3及びＲ_g4の接続点からは一般的には剪
断歪に対応するコリオリ信号ｅ₀₁を取り出すことができ
る。つまり、図４に示すブリッジ構成は剪断歪を検出す
るときの構成である。

【００３９】このような接続により、コリオリ信号ｅ₀₁
はｅ₀₁＝Ｋ_S［（ΔＲ_g1／Ｒ_g1）−（ΔＲ_g4／Ｒ_g4） −（ΔＲ_g2／Ｒ_g2）＋（ΔＲ_g3／Ｒ_g3）］／４＝Ｋ_S（ε₁−ε₄−ε₂＋ε₃）／４として求めることができる。ここで各ε₁〜ε₄は各歪ゲ
ージの歪値を示す。

【００４０】また、歪ゲージはチューブ１２の軸の回り
の剪断歪のみを検出できれば良く必ずしも図４に示す歪
ゲージＲ_g1、Ｒ_g2、Ｒ_g3、及びＲ_g4の４個を必要とする
ものではない。

【００４１】例えば、歪ゲージＲ_g1、Ｒ_g2、Ｒ_g3及びＲ
_g4のうち歪ゲージＲ_g2、Ｒ_g3を省略して、歪ゲージＲ_g1
とＲ_g4の２個を用いても検出できる。歪ゲージＲ_g1とＲ
_g4を用いたときは、ｅ₀₁´＝Ｋ_S［（ΔＲ_g1／Ｒ_g1）−（ΔＲ_g4／Ｒ_g4）］
／４＝Ｋ_S（ε₁−ε₄）／４になるように各歪ゲージを接続すれば良い。

【００４２】次に、図１〜図４に示す構成に基づく実施
例の動作について説明することとなるが、この動作の説
明の前に加振モードとコリオリ振動のモードとの関係に
ついて説明する。

【００４３】図５（Ａ）は図１に対応する曲げ加振のと
きの振動形状を模式的に示した模式図である。チューブ
１２はＭ₂が基準位置であり、Ｍ₁とＭ₃との間で矢印の
ように加振装置１３により振動させる。

【００４４】図５（Ｂ）は図２に対応する捩れ加振のと
きの振動形状を模式的に示した模式図である。チューブ
１２はＭ₅が基準位置であり、加振装置１５、１６によ
りＭ₄とＭ₆との間でＸ−Ｘ´軸を中心として上下に交互
にチューブ１２を捩じるように加振される。

【００４５】図６はチューブ１２に生じる応力関係を説
明する説明図である。図６（Ａ）ではチューブ１２に生
じる最大曲げ歪（応力）σ_mを、図６（Ｂ）ではチュー
ブ１２に生じる捩れによる剪断歪（応力）τ_mをそれぞ
れを定義している。

【００４６】図７は図８〜図１１に示す特性解析のベー
スとなる有限要素法によるチューブの解析モデルの形状
を示す。そして、チューブ１２を全長７６７．７ｍｍと
し、個々の四角は解析モデルの節点を示しており、１〜
１８１の番号が付けられている。

【００４７】図８は図５（Ａ）に示す曲げ加振の状態で
チューブの各点に発生する最大曲げ歪σ_mを、チューブ
の一端Ｓから他端Ｅに至る距離の関数として求めたもの
である。

【００４８】これは、測定流体Ｑを流さないで曲げ加振
を行ってチューブ１２の各点に発生する曲げ歪σ_mを算
定したものであり、との２点で曲げ加振曲げ歪がゼ
ロであることを示している。は頂点１２Ｃに対応す
る。

【００４９】図９は図５（Ｂ）に示す捩れ加振の状態で
チューブの各点に発生する最大曲げ歪σ_mを、チューブ
の一端Ｓから他端Ｅに至る距離の関数として求めたもの
である。

【００５０】これは、測定流体Ｑを流さないで捩れ加振
を行ってチューブ１２の各点に発生する曲げ歪σ_mを算
定したものであり、との２点で捩れ加振曲げ歪がゼ
ロであることを示している。

【００５１】図１０は図５（Ａ）に示す曲げ加振の状態
でチューブの各点に発生する剪断歪τを、チューブの一
端Ｓから他端Ｅに至る距離の関数として求めたものであ
る。これは、測定流体Ｑを流さないで曲げ加振を行って
チューブ１２の各点に発生する剪断歪τを算定したもの
であり、ととの３点で曲げ加振剪断歪がゼロであ
ることを示している。は頂点１２Ｃに対応する。

【００５２】図１１は図５（Ｂ）に示す捩れ加振の状態
でチューブの各点に発生する剪断歪τを、チューブの一
端Ｓから他端Ｅに至る距離の関数として求めたものであ
る。これは、測定流体Ｑを流さないで捩れ加振を行って
チューブ１２の各点に発生する剪断歪τを算定したもの
であり、と0の２点で捩れ加振剪断歪がゼロである
ことを示している。

【００５３】なお、図８から図１１に示す各特性図にお
ける縦軸は、各モードにおいて独立して加振しているの
で、縦軸の絶対値との関係ではこれらの間に直接関連が
ないが、〜0に示す特異点との相互関係は互に対応
している。

【００５４】さらに、これらの図８から図１１に示す各
特性図は、各々単独に各モードで加振を行ったときの曲
げ歪σ_mと剪断歪τとを示しているが、図１及び図２に
示す実際の構成では、これ等の曲げ歪σ_mと剪断歪τと
が混合されて発生する。

【００５５】また、図８から図１１に示すＵ字状のチュ
ーブの各特性図において、一端Ｓから他端Ｅに至るチュ
ーブの全長をＬとすると、各特異点〜0に至る各点
の位置は、が０．４１Ｌ、が０．５９Ｌ、が０．
１７Ｌ、が０．５Ｌ、が０．８３Ｌ、が０．３２
Ｌ、が０．５Ｌ、が０．６８Ｌ、が０．３７Ｌ、
0が０．６３Ｌである。

【００５６】まず、請求項１に対応する図１に示す曲げ
加振モードで剪断歪を検出する構成の動作について説明
する。この場合は測定流体が流れることにより捩れモー
ド状のコリオリ振動を引き起こす。

【００５７】図１に示す曲げ加振の状態では、図５
（Ａ）に示す曲げモードの振動が発生させられるので、
図８に示す曲げ加振曲げ歪σ_mが発生するが、このほか
にこの曲げ加振により図１０に示す曲げ加振剪断歪τが
発生する。

【００５８】さらに、曲げ加振の状態において測定流体
Ｑがチューブ１２に流れると、この測定流体Ｑによりコ
リオリ力が発生して図５（Ｂ）に示す捩れモード振動が
生じるので、これに対応して図９に示す曲げ加振捩れ曲
げ歪の成分を持つコリオリ信号の他に、図１１に示す曲
げ加振剪断歪の成分を持つコリオリ信号が発生する。

【００５９】このように、測定流体Ｑが流れている状態
では、或る１つのモードの加振に対して発生する歪みの
種類は４種類となるので、これらの中から不要な歪を除
去する必要がある。

【００６０】図１に示す場合は、歪検出センサ１４は図
１０に示す、、の位置の何れか又はこれらの組み
合わせ位置に配置する。これにより、曲げ加振において
生じる剪断歪である曲げ加振剪断歪が除去される。

【００６１】このときのコリオリ力により発生する剪断
歪τは図１１の、、の位置で示すようにゼロでな
い値を示すので、この剪断歪τを剪断歪を検出する歪検
出センサ１４で検出する。

【００６２】このときに、、、の位置に対応して
発生する図８、図９に示す曲げ歪σ _mは検出されない。
このようにして、コリオリ力により発生する剪断歪τの
みを検出することができる。この関係は図１２の中欄最
下行に示されている。

【００６３】次に、請求項２に対応する図２に示す捩れ
加振モードで剪断歪を検出する構成の動作について説明
する。この場合は測定流体が流れることにより曲げモー
ド状のコリオリ振動を引き起こす。

【００６４】捩れ加振モードでの剪断歪である捩れ加振
剪断歪は、図１１に示すように、0に示す位置でゼ
ロとなっているので、この位置に剪断歪を検出する歪検
出センサ１４を配置することにより捩れ加振剪断歪を除
去することができる。

【００６５】このときに、、0の位置に対応して発
生する図８、図９に示す曲げ歪σ_mは検出されない。こ
のようにして、コリオリ力により発生する剪断歪τのみ
を検出することができる。この関係は図１２の右欄最下
行に示されている。

【００６６】請求項３は、請求項１に示す信号検出の構
成に、曲げモードでの剪断歪である曲げ加振剪断歪を検
出する歪検出センサを加えたものである。このような加
振信号を検出するには、図１１に示す捩れ剪断歪τがゼ
ロになる、0の位置に対応して歪検出センサ１４を
配置するすれば良い。

【００６７】これらの位置では、図１０に示すように曲
げ加振剪断歪はゼロではなく所定の大きさで得られる。
なお、この場合に、、0の位置に対応して発生する
図８、図９に示す曲げ歪σ_mは、剪断歪を検出する歪検
出センサ１４では検出されない。

【００６８】したがって、請求項３の構成は、加振関係
については図１２の中欄中行に示され、コリオリ信号関
係については中欄最下行に示され、この中欄中行と中欄
最下行の合成として構成される。

【００６９】請求項４は、請求項２に示す信号検出の構
成に、捩れモードでの剪断歪である捩れ加振剪断歪を検
出する歪検出センサを加えたものである。このような加
振信号を検出するには、図１０に示す曲げ剪断歪τがゼ
ロになる、、の位置に対応して歪検出センサ１４
を配置すれば良い。

【００７０】これらの位置では、図１１に示すように捩
れ加振剪断歪はゼロではなく所定の大きさで得られる。
なお、この場合に、、、の位置に対応して発生す
る図８、図９に示す曲げ歪σ_mは、剪断歪を検出する歪
検出センサ１４では検出されない。

【００７１】したがって、請求項４の構成は、加振関係
については図１２の右欄中行に示され、コリオリ信号関
係については右欄最下行に示され、この右欄中行と右欄
最下行の合成として構成される。

【００７２】以上で、剪断歪を検出する歪検出センサ１
４をベースとして用いる構成についての説明は終了す
る。次に、曲げ歪を検出する歪検出センサをベースとし
て用いる構成について説明する。

【００７３】図１３は、曲げ歪を検出する歪検出センサ
の構成を示す構成図である。歪ゲージＲ_g1、Ｒ_g2、
Ｒ_g3、及びＲ_g4は図４に示すものと同一であるが、これ
等の結線が異なっている。

【００７４】これ等の歪ゲージＲ_g1、Ｒ_g2、Ｒ_g3、及び
Ｒ_g4は、図１３に示すように互にブリッジ状に接続され
て歪検出センサ１８が構成され、歪ゲージＲ_g1及びＲ_g3
の接続点と歪ゲージＲ_g2及びＲ_g4の接続点には電源電圧
Ｅ_iが印加される。つまり、図１３に示す構成は、図４
に示す構成と歪ゲージＲ_g3とＲ_g4の位置が互に入れ替え
られてある。

【００７５】歪ゲージＲ_g1及びＲ_g2の接続点と、歪ゲー
ジＲ_g3及びＲ_g4の接続点からは一般的には曲げ歪に対応
するコリオリ信号ｅ₀₁を取り出すことができる。つま
り、図１８に示すブリッジ構成は曲げ歪を検出するとき
の構成である。

【００７６】このような接続により、コリオリ信号ｅ₀₂
はｅ₀₂＝Ｋ_S［（ΔＲ_g1／Ｒ_g1）＋（ΔＲ_g4／Ｒ_g4） −（ΔＲ_g2／Ｒ_g2）−（ΔＲ_g3／Ｒ_g3）］／４＝Ｋ_S（ε₁＋ε₄−ε₂−ε₃）／４として求めることができる。

【００７７】また、歪ゲージはチューブ１２の軸の回り
の剪断歪のみを検出できれば良く必ずしも図１３に示す
歪ゲージＲ_g1、Ｒ_g2、Ｒ_g3、及びＲ_g4の４個を必要とす
るものではない。

【００７８】例えば、歪ゲージＲ_g1、Ｒ_g2、Ｒ_g3及びＲ
_g4のうち歪ゲージＲ_g2、Ｒ_g3を省略して、歪ゲージＲ_g1
とＲ_g4の２個を用いても検出できる。歪ゲージＲ_g1とＲ
_g4を用いたときは、ｅ₀₁´＝Ｋ_S［（ΔＲ_g1／Ｒ_g1）＋（ΔＲ_g4／Ｒ_g4）］
／４＝Ｋ_S（ε₁＋ε₄）／４になるように各歪ゲージを接続すれば良い。

【００７９】次に、請求項５に対応する曲げ加振モード
で曲げ歪を検出する構成の動作について説明する。この
場合は測定流体が流れることにより捩れモード状のコリ
オリ振動を引き起こす。

【００８０】曲げ加振モードでの曲げ歪である曲げ加振
曲げ歪は、図８に示すように、に示す位置でゼロと
なっているので、この位置に曲げ歪を検出する歪検出セ
ンサ１８を配置することにより曲げ加振曲げ歪を除去す
ることができる。

【００８１】このときに、、の位置に対応して発生
する図１０、図１１に示す剪断歪τは検出されない。こ
のようにして、コリオリ力により発生する曲げ歪σ_mの
みを検出することができる。この関係は図１４の中欄最
下行に示されている。

【００８２】請求項６に対応する捩れ加振モードで曲げ
歪を検出する構成の動作について説明する。この場合は
測定流体が流れることにより曲げモード状のコリオリ振
動を引き起こす。

【００８３】捩れ加振モードでの曲げ歪である捩れ加振
曲げ歪は、図９に示すように、、に示す位置でゼ
ロとなっているので、この位置に曲げ歪を検出する歪検
出センサ１８を配置することにより捩れ加振曲げ歪を除
去することができる。

【００８４】このときに、、、の位置に対応して
発生する図１０、図１１に示す剪断歪τは検出されな
い。このようにして、コリオリ力により発生する曲げ歪
σ_mのみを検出することができる。この関係は図１４の
右欄最下行に示されている。

【００８５】請求項７は、請求項５に示す信号検出の構
成に、曲げモードでの曲げ歪である曲げ加振曲げ歪を検
出する歪検出センサ１８を加えたものである。このよう
な加振信号を検出するには、図９に示す曲げ歪σ_mがゼ
ロになる、、の位置に対応して歪検出センサ１８
を配置するすれば良い。

【００８６】これらの位置では、図８に示すように曲げ
加振曲げ歪はゼロではなく所定の大きさで得られる。な
お、この場合に、、、の位置に対応して発生する
図１０、図１１に示す剪断歪τは曲げ歪を検出する歪検
出センサ１８では検出されない。

【００８７】したがって、請求項７の構成は、加振関係
については図１４の中欄中行に示され、コリオリ信号関
係については中欄最下行に示され、この中欄中行と中欄
最下行の合成として構成される。

【００８８】請求項８は、請求項６に示す信号検出の構
成に、捩れモードでの曲げ歪である捩れ加振曲げ歪を検
出する歪検出センサ１８を加えたものである。このよう
な加振信号を検出するには、図８に示す曲げ歪σがゼロ
になる、の位置に対応して歪検出センサ１８を配置
するすれば良い。

【００８９】これらの位置では、図９に示すように捩れ
加振曲げ歪はゼロではなく所定の大きさで得られる。な
お、この場合に、、の位置に対応して発生する図１
０、図１１に示す剪断歪τは曲げ歪を検出する歪検出セ
ンサ１８では検出されない。

【００９０】したがって、請求項８の構成は、加振関係
については図１４の右欄中行に示され、コリオリ信号関
係については右欄最下行に示され、この右欄中行と右欄
最下行の合成として構成される。

【００９１】以上で、曲げ歪を検出する歪検出センサ１
８をベースとして用いる構成についての説明は終了す
る。次に、剪断歪を検出する歪検出センサと曲げ歪を検
出する歪検出センサを混用する構成について説明する。

【００９２】請求項９は、請求項１に示す曲げモードで
剪断歪を検出するコリオリ信号検出手段に、曲げモード
での曲げ歪である曲げ加振曲げ歪を検出する歪検出セン
サ１８を加振信号検出手段として加えたものである。こ
の関係は図１５に例１として示してある。

【００９３】請求項１０は、請求項５に示す捩れモード
で曲げ歪を検出するコリオリ信号検出手段に、曲げモー
ドでの剪断歪である曲げ加振剪断歪を検出する歪検出セ
ンサ１４を加振信号検出手段として加えたものである。
この関係は図１５に例２として示してある。

【００９４】請求項１１は、請求項２に示す曲げモード
で剪断歪を検出するコリオリ信号検出手段に、捩れモー
ドでの曲げ歪である捩れ加振曲げ歪を検出する歪検出セ
ンサ１８を加振信号検出手段として加えたものである。
この関係は図１５に例３として示してある。

【００９５】請求項１２は、請求項６に示す捩れモード
で曲げ歪を検出するコリオリ信号検出手段に、捩れモー
ドでの剪断歪である捩れ加振剪断歪を検出する歪検出セ
ンサ１４を加振信号検出手段として加えたものである。
この関係は図１５に例４として示してある。

【００９６】図１６は信号処理部の構成を示すブロック
図である。この信号処理部２０は、図１或いは図２に示
すセンサ部（各請求項の構成を含む）から出力される各
種のコリオリ信号或いは各種の加振信号を処理する。

【００９７】なお、以下の信号処理は説明の便宜上、加
振信号を用いる場合をベースとして説明するが、加振信
号が一定であれば、加振信号を用いなくてもコリオリ信
号のみで信号処理をして質量流量信号を算出することが
できる。

【００９８】流量計メカ部２１は、例えば、支持部材１
１、チューブ１２、加振装置１３、１５、１６などから
構成され、このチューブ１２の上に歪ゲージＲ_g1、
Ｒ_g2、Ｒ _g3、及びＲ_g4が固定されている。

【００９９】これらの歪ゲージは、図１４或いは図１８
で示すようなブリッジ状に結線され、剪断歪、或いは曲
げ歪を含むコリオリ信号ｅ₀₁、ｅ₀₂を出力する。これを
増幅器２２を介して増幅して振幅比検出回路２３の一方
の入力端にコリオリ信号ｅ_Cとして出力する。

【０１００】また、チューブ１２の上には加振信号検出
用として図１４或いは図１８で示すような結線におい
て、各ゲージがそれぞれの特異点に配置され、各加振モ
ードに対応して、曲げ加振剪断歪、曲げ加振曲げ歪、捩
れ加振剪断歪、及び捩れ加振曲げ歪の何れかを含む加振
信号ｅ_eが出力される。

【０１０１】これを増幅器２４を介して増幅して振幅比
検出回路２３の一方の入力端に加振信号Ｅ_eとして出力
すると共に、この加振信号Ｅ_eは駆動回路２５を介して
流量計メカ部２１の加振装置１３、又は１５、１６を駆
動し、チューブ１２の振幅を一定に制御する。

【０１０２】振幅比検出回路２３は、例えば同期整流回
路と積分回路等を用いて、これらのコリオリ信号ｅ_Cと
加振信号Ｅ_eとの振幅比、或いは位相差を演算して質量
流量信号Ｅ_fとして出力する。

【０１０３】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、通常の歪ゲージを主体として説明し
たが、この歪ゲージには例えば圧電素子を用いて歪（或
いは応力）を検出するゲージなども含まれる。

【０１０４】歪ゲージは上下流の対称な位置に２個所あ
ってもよい。このような対称構造をとることにより振動
系の安定性が増加する。さらに、２つのセンサの出力の
差動をとれば耐振性を向上させることができる。

【０１０５】各実施例では、Ｕ字形の単管をベースとし
て説明したが、２本の平行管を用いるなどの複数管につ
いても、各々のチューブについて指定個所にゲージを設
置することにより単管の場合と同様な効果が得られる。
さらに、複数本での差動の効果でゼロ点の安定性や耐振
性の向上が期待できる。

【０１０６】各実施例では、Ｕ字管をベースとして説明
したが、これらの他に半円形管、Ω形状の管などの各種
の変形が可能である。それぞれの形状に加振モード変形
による加振歪が発生しない点にゲージを設置することに
より実施例と同様な効果が得られる。

【０１０７】

【発明の効果】以上、実施例と共に具体的に説明したよ
うに、本発明の請求項１、２、５、６に記載された発明
によれば、各加振モードにおいて測定流体が流れた状態
で生じる各種歪のうち先ず加振成分の所定形式歪が抑圧
される位置に対応ゲージを配置しコリオリ力による所定
形式歪のみを検出するゲージにより質量流量を算出する
ようにしたので、信号処理が簡単となるとともにコリオ
リ信号検出手段によりコリオリ振動成分を直接検出する
ことができ、しかもＳ／Ｎが良く、簡単な回路で高精
度、高安定な検出ができる。

【０１０８】また、その他の請求項に記載された発明に
よれば、このコリオリ信号検出手段に加えて、加振成分
を検出する構成として各加振モードにおいて測定流体が
流れた状態で生じる各種歪のうちコリオリ成分の所定形
式歪が抑圧される対応ゲージを配置し加振成分による所
定形式歪のみを検出するゲージを用いて信号処理をする
ようにしたので、温度などの環境変化や経年変化でコリ
オリ信号が変動しても、コリオリ成分の所定形式歪と加
振成分による所定形式歪の信号との振幅比または位相差
を演算することにより、より安定な質量流量に比例した
信号を得ることができる。

【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】図１或いは図２に示す実施例における歪ゲージ
の配置を示す配置図である。

【図４】図１或いは図２に示す実施例において剪断歪を
検出するときの結線を示す結線図である。

【図５】加振モードの動作を模式的に示した模式図であ
る。

【図６】チューブに生じる応力関係を説明する説明図で
ある。

【図７】特性解析のベースとなる有限要素法によるチュ
ーブの解析モデルを示す。

【図８】曲げモード加振の状態で生じる曲げ歪の特性を
示す解析図である。

【図９】捩れモード加振の状態で生じる曲げ歪の特性を
示す解析図である。

【図１０】曲げモード加振の状態で生じる剪断歪の特性
を示す解析図である。

【図１１】捩れモード加振の状態で生じる剪断歪の特性
を示す解析図である。

【図１２】各加振モードで歪検出手段として剪断歪を検
出するときのゲージの位置関係を示す配置図である。

【図１３】図１或いは図２に示す実施例において曲げ歪
を検出するときの結線を示す結線図である。

【図１４】各加振モードで歪検出手段として曲げ歪を検
出するときのゲージの位置関係を示す配置図である。

【図１５】各加振モードで歪検出手段として剪断歪と曲
げ歪を混合して検出するときのゲージの位置関係を示す
配置図である。

【図１６】信号処理部の構成を示すブロック図である。

【図１７】従来の第１のコリオリ質量流量計の構成を示
す概念図である。

【図１８】図１７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。

【図１９】従来の第２のコリオリ質量流量計の構成を示
す斜視図である。

【符号の説明】

１、８チューブ２、３固定端４加振器５、６変位センサ９、１３加振装置１０Ａ、１０Ｂ振動検出器１１支持部材１２チューブ１４、１８歪検出センサ２０信号処理部２３振幅比検出回路２５駆動回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭58−120122（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−283827（ＪＰ，Ａ) 特公昭60−34683（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01F 1/84

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】両端が支持部材に固定され測定流体が内部
を流れる曲管形状のチューブと、前記支持部材を支点と
して前記チューブに曲げ振動をさせる曲げモードで加振
させる第１加振手段と、前記曲げモード加振で生じる曲
げ加振剪断歪がほぼゼロになる前記チューブの特定位置
に設けられ前記測定流体により生じるコリオリ剪断歪を
検出する第１歪検出手段とを具備し、このコリオリ剪断
歪に対応する前記測定流体の質量流量を出力することを
特徴とするコリオリ質量流量計。
【請求項２】両端が支持部材に固定され測定流体が内部
を流れる曲管形状のチューブと、前記チューブの両端を
結ぶ軸の中央部と曲管の頂部とを結ぶ捩れ軸を中心とし
て左右のチューブを互に反対方向に捩れ振動をさせる捩
れモードで加振させる第２加振手段と、前記捩れモード
加振で生じる捩れ加振剪断歪がほぼゼロになる前記チュ
ーブの特定位置に設けられ前記測定流体により生じるコ
リオリ剪断歪を検出する第２歪検出手段とを具備し、こ
のコリオリ剪断歪に対応する前記測定流体の質量流量を
出力することを特徴とするコリオリ質量流量計。
【請求項３】両端が支持部材に固定され測定流体が内部
を流れる曲管形状のチューブと、前記支持部材を支点と
して前記チューブに曲げ振動をさせる曲げモードで加振
させる第１加振手段と、前記曲げモード加振で生じる曲
げ加振剪断歪がほぼゼロになる前記チューブの特定位置
に設けられ前記測定流体により生じるコリオリ剪断歪を
検出する第１歪検出手段と、前記コリオリ剪断歪がほぼゼロになる前記チューブの特
定位置に設けられ前記曲げ加振剪断歪を検出する第３歪
検出手段とを具備し、この曲げ加振剪断歪信号と前記コ
リオリ剪断歪の信号との振幅比または位相差を演算して
対応する前記測定流体の質量流量を出力することを特徴
とするコリオリ質量流量計。
【請求項４】両端が支持部材に固定され測定流体が内部
を流れる曲管形状のチューブと、前記チューブの両端を
結ぶ軸の中央部と曲管の頂部とを結ぶ捩れ軸を中心とし
て左右のチューブを互に反対方向に捩れ振動をさせる捩
れモードで加振させる第２加振手段と、前記捩れモード
加振で生じる捩れ加振剪断歪がほぼゼロになる前記チュ
ーブの特定位置に設けられ前記測定流体により生じるコ
リオリ剪断歪を検出する第２歪検出手段と、前記コリオ
リ剪断歪がほぼゼロになる前記チューブの特定位置に設
けられ前記捩れ加振剪断歪を検出する第４歪検出手段と
を具備し、この捩れ加振剪断歪信号と前記コリオリ剪断
歪の信号との振幅比または位相差を演算して対応する前
記測定流体の質量流量を出力することを特徴とするコリ
オリ質量流量計。
【請求項５】両端が支持部材に固定され測定流体が内部
を流れる曲管形状のチューブと、前記支持部材を支点と
して前記チューブに曲げ振動をさせる曲げモードで加振
させる第１加振手段と、前記曲げモード加振で生じる曲
げ加振曲げ歪がほぼゼロになる前記チューブの特定位置
に設けられ前記測定流体により生じるコリオリ剪断歪を
検出する第５歪検出手段とを具備し、このコリオリ曲げ
歪に対応する前記測定流体の質量流量を出力することを
特徴とするコリオリ質量流量計。
【請求項６】両端が支持部材に固定され測定流体が内部
を流れる曲管形状のチューブと、前記チューブの両端を
結ぶ軸の中央部と曲管の頂部とを結ぶ捩れ軸を中心とし
て左右のチューブを互に反対方向に捩れ振動をさせる捩
れモードで加振させる第２加振手段と、前記捩れモード
加振で生じる捩れ加振曲げ歪がほぼゼロになる前記チュ
ーブの特定位置に設けられ前記測定流体により生じるコ
リオリ曲げ歪を検出する第６歪検出手段とを具備し、こ
のコリオリ曲げ歪に対応する前記測定流体の質量流量を
出力することを特徴とするコリオリ質量流量計。
【請求項７】両端が支持部材に固定され測定流体が内部
を流れる曲管形状のチューブと、前記支持部材を支点と
して前記チューブに曲げ振動をさせる曲げモードで加振
させる第１加振手段と、前記曲げモード加振で生じる曲
げ加振曲げ歪がほぼゼロになる前記チューブの特定位置
に設けられ前記測定流体により生じるコリオリ曲げ歪を
検出する第５歪検出手段と、前記コリオリ曲げ歪がほぼゼロになる前記チューブの特
定位置に設けられ前記曲げ加振曲げ歪を検出する第７歪
検出手段とを具備し、この曲げ加振曲げ歪信号と前記コ
リオリ曲げ歪の信号との振幅比または位相差を演算して
対応する前記測定流体の質量流量を出力することを特徴
とするコリオリ質量流量計。
【請求項８】両端が支持部材に固定され測定流体が内部
を流れる曲管形状のチューブと、前記チューブの両端を
結ぶ軸の中央部と曲管の頂部とを結ぶ捩れ軸を中心とし
て左右のチューブを互に反対方向に捩れ振動をさせる捩
れモードで加振させる第２加振手段と、前記捩れモード
加振で生じる捩れ加振曲げ歪がほぼゼロになる前記チュ
ーブの特定位置に設けられ前記測定流体により生じるコ
リオリ曲げ歪を検出する第６歪検出手段と、前記コリオ
リ曲げ歪がほぼゼロになる前記チューブの特定位置に設
けられ前記捩れ加振曲げ歪を検出する第８歪検出手段と
を具備し、この捩れ加振曲げ歪の信号と前記コリオリ曲
げ歪の信号との振幅比または位相差を演算して対応する
前記測定流体の質量流量を出力することを特徴とするコ
リオリ質量流量計。
【請求項９】両端が支持部材に固定され測定流体が内部
を流れる曲管形状のチューブと、前記支持部材を支点と
して前記チューブに曲げ振動をさせる曲げモードで加振
させる第１加振手段と、前記曲げモード加振で生じる曲
げ加振剪断歪がほぼゼロになる前記チューブの特定位置
に設けられ前記測定流体により生じるコリオリ曲げ歪を
検出する第１歪検出手段と、コリオリ曲げ歪がほぼゼロになる前記チューブの特定位
置に設けられ前記曲げ加振曲げ歪を検出する第７歪検出
手段とを具備し、この曲げ加振曲げ歪信号と前記コリオ
リ剪断歪の信号との振幅比または位相差を演算して対応
する前記測定流体の質量流量を出力することを特徴とす
るコリオリ質量流量計。
【請求項１０】両端が支持部材に固定され測定流体が内
部を流れる曲管形状のチューブと、前記支持部材を支点
として前記チューブに曲げ振動をさせる曲げモードで加
振させる第１加振手段と、前記曲げモード加振で生じる
曲げ加振曲げ歪がほぼゼロになる前記チューブの特定位
置に設けられ前記測定流体により生じるコリオリ曲げ歪
を検出する第５歪検出手段と、コリオリ剪断歪がほぼゼロになる前記チューブの特定位
置に設けられ前記曲げ加振剪断歪を検出する第３歪検出
手段とを具備し、この曲げ加振剪断歪信号と前記コリオ
リ剪断歪の信号との振幅比または位相差を演算して対応
する前記測定流体の質量流量を出力することを特徴とす
るコリオリ質量流量計。
【請求項１１】両端が支持部材に固定され測定流体が内
部を流れる曲管形状のチューブと、前記チューブの両端
を結ぶ軸の中央部と曲管の頂部とを結ぶ捩れ軸を中心と
して左右のチューブを互に反対方向に捩れ振動をさせる
捩れモードで加振させる第２加振手段と、前記捩れモー
ド加振で生じる捩れ加振剪断歪がほぼゼロになる前記チ
ューブの特定位置に設けられ前記測定流体により生じる
コリオリ剪断歪を検出する第２歪検出手段と、コリオリ
曲げ歪がほぼゼロになる前記チューブの特定位置に設け
られ前記捩れ加振曲げ歪を検出する第８歪検出手段とを
具備し、この捩れ加振曲げ歪信号と前記コリオリ曲げ歪
の信号との振幅比または位相差を演算して対応する前記
測定流体の質量流量を出力することを特徴とするコリオ
リ質量流量計。
【請求項１２】両端が支持部材に固定され測定流体が内
部を流れる曲管形状のチューブと、前記チューブの両端
を結ぶ軸の中央部と曲管の頂部とを結ぶ捩れ軸を中心と
して左右のチューブを互に反対方向に捩れ振動をさせる
捩れモードで加振させる第２加振手段と、前記捩れモー
ド加振で生じる捩れ加振曲げ歪がほぼゼロになる前記チ
ューブの特定位置に設けられ前記測定流体により生じる
コリオリ曲げ歪を検出する第６歪検出手段と、コリオリ
剪断歪がほぼゼロになる前記チューブの特定位置に設け
られ前記捩れ加振剪断歪を検出する第４歪検出手段とを
具備し、この捩れ加振剪断歪信号と前記コリオリ剪断歪
の信号との振幅比または位相差を演算して対応する前記
測定流体の質量流量を出力することを特徴とするコリオ
リ質量流量計。