JP3251368B2 - 質量流量計 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【技術分野】本発明は、質量流量計に関し、より詳細に
は、断面が半径方向に多次元モードで振動する測定管内
を流れる流体が該測定管から与えられる流体振動のコリ
オリ力に基づいて測定管に変位を与える変位量から質量
流量を求める直管式の質量流量計に関する。

【０００２】

【従来技術】最近、直接質量流量計としてコリオリの力
を利用したコリオリ流量計が多用されている。コリオリ
流量計は単位質量ｍで流速Ｖで流れる流体に角速度ωの
振動を与えたとき角速度ωと速度Ｖのベクトル積に比例
したコリオリの力が発生することを利用した質量流量計
である。従来、多用されているコリオリ流量計は、所定
の区間を挟んで２点で支持する測定管と、該測定管の中
央部で、測定管軸と直角方向に加振する駆動部と、該加
振部を挟んだ測定管の対称位置で、コリオリの力に基づ
く測定管の変位量の差を求める一対の変位センサと、該
変位センサ出力の差信号から質量流量を検知する質量流
量変換器とから構成されている。

【０００３】このような、従来形式の質量流量計は、発
生するコリオリの力は非常に小さく、これに基づく測定
管の変位量も小さいので外部振動影響を受け易かった。
このため、コリオリの力に基づく変位量が大きくなるよ
うな測定管の形状や測定管の支持方式あるいは検出回路
等に関し、従来多くの提案がなされた。

【０００４】また、測定管の形状を高感度でコリオリの
力を検出できるようにすると管路長が長くなり圧損が大
きくなるだけでなく大形になるという欠点があり、更に
は、測定管の振動は測定管自体の重心移動を伴ない、こ
れが測定管から外部配管への振動発生源になる等の欠点
があった。

【０００５】特開平１−２５９２２１号公報において
は、上述の節点まわりに測定管全体を駆動するコリオリ
質量流量計の欠点を解決するために、測定管の横断面
を、相互に直径を挟んで相対する管壁部分が相互に反対
又は同じ方向に流体の流れの方向を横断するように、周
期的に変形させることにより、コリオリの力による測定
管の流入側と流出側との変位間の位相ずれから質量流量
を求める流量測定方法が開示された。

【０００６】しかし、上述の特開平１−２５９２２１号
公報に開示された流量測定方法における測定管は、測定
流体が流れる両端固定された一本の管体であった。この
ような測定管に測定流体が流れた場合、測定管は、測定
流体の圧力変化に従って、弾性変形を伴なう。この弾性
変形は、コリオリの力に基づく流管壁の変位量の変化を
もたらし、変位センサ間の位相ずれ信号に測定流体の圧
力依存性が生ずる。すなわち、計測された質量流量が流
体圧力により変化するという問題点がある。

【０００７】また、圧力影響を小さくするため測定管を
厚肉にすることが考えられるが、厚肉な測定管では管壁
を駆動するための駆動エネルギが増加しても検出感度が
小さくなる。更には、両端固定された測定管では固定端
における反力のため薄肉な測定管にしても駆動エネルギ
が大きくなり、エネルギ効率のよい測定は不可能であ
る。

【０００８】

【目的】本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたもの
で、小さい駆動エネルギでも高感度で測定流体の圧力影
響を受けない小形な質量流量計を提供することを目的と
する。

【０００９】

【構成】本発明は、上記目的を達成するために、（１）
両端が測定流体の流れる流管に接続される外筒と、該外
筒より小径で測定流体が流れる薄肉な測定管と、該測定
管を前記外筒に同軸で該測定管内外の静圧が等しく該測
定管と外筒との間で流れがないように支持する支持手段
と、前記外筒中央部に配設され、前記測定管が断面半径
方向に多次元モードで変形するように該測定管を駆動す
る駆動手段と、前記外筒の前記駆動手段の対象位置に配
設され前記測定管の変位を検出する一対の変位センサ
と、測定流体が流れる前記測定管が駆動されたとき前記
一対の変位センサから出力されるコリオリの力に基づく
位相差信号から質量流量を検知する質量流量測定手段と
からなり、前記支持手段は、前記測定管の流入側端部に
おいて前記外筒に固着する流入側支持部と、該測定管の
流出側端部において該測定管と前記外筒との間に測定流
体を連通する連通孔を有し、軸方向にのみ移動可能に支
持するばね材からなる流出側支持部とで構成したこと、
更には、（２）前記（１）において、測定管の少なくと
も一部を磁性材とし、該測定管を電磁駆動することを特
徴とするものである。以下、本発明の実施例に基づいて
説明する。

【００１０】図１は、本発明における質量流量計の一例
を説明するための縦断面図で、図中、１は外筒、２はフ
ランジ、３は測定管、４は流入側固定フランジ、５は流
出側支持フランジ、６は導圧孔、７ａ，７ｂは加振器、
８，９は変位センサ、１０は環状室、１１，１２は外部
流管である。

【００１１】図１において外筒１は厚肉の円筒体で、両
端面に測定流体が流れる外部流管１１，１２と接続する
フランジ２−２を有している。該外筒１内には、薄肉管
からなる測定管３が配設されている。該測定管３は、外
筒１に対し流入側固定フランジ４と流出側支持フランジ
５とで同軸に固着されている。特に、流入側固定フラン
ジ４は、流入側に絞り面４ｂと絞り面４ｂ外周に鍔部４
ａを有し、フランジ２の環状凹部２ａ内にボルト等で固
着される。測定管３を外筒１内に嵌挿するため流出側支
持フランジ５の外径は外筒１の内径より僅かに小さく選
んでいる。しかし、流出側支持フランジ５は後述する管
壁の変位検出精度を高めるために半径方向には移動でき
ないように外筒１内で固定されるように支持される必要
がある。

【００１２】後流側支持フランジ５には、測定管３の軸
方向に少くとも１個の導圧孔６が貫通しており、外筒１
と測定管３とで形成される環状室１０と測定管３内を流
れる流体とは同じ静圧が保たれている。このため、測定
管３は肉厚が薄いものでも測定流体の圧力の大きさによ
り変形することはない。

【００１３】また、外筒１の測定管３に対する中間位置
に測定管３を半径方向に加振する加振器７ａ，７ｂが対
向して配設され、一方の加振器７ａを挟んだ外筒１の対
称位置に変位センサ８，９が取り付けられている。加振
器７ａ，７ｂは発振器（図示せず）により駆動される。
例えば、電磁コイルからなる。この場合、測定管３は磁
性材（例えば、ニッケルスパンＣ等の不銹鋼）又は非磁
性管に対し電磁力の及ぶ箇所にのみ磁性材が固着され
る。

【００１４】更に、外筒１の管壁には、測定管３の管壁
の変位を測定するため一対の変位センサ８，９が加振器
７ａに関する対称位置に配設される。変位センサ８，９
は同一のもので、例えば、磁性体を芯としたコイルと該
コイルと対向して測定管３の管壁に取り付けられた磁石
８ａ，９ａとからなり管壁変位に応じたコイルのリアク
タンス変化から信号を取り出す。また、光学的又は、静
電的に検出することも可能である。

【００１５】次に、図１に基づいて動作を説明する。ま
ず、以上のように構成された質量流量計内に測定流体が
流管１１から矢印Ｆｌｏｗ方向に流入すると、測定流体
は導圧孔６から環状室１０内にも導入され、測定管３の
内外の静圧は等しくなる。このため測定管３は薄肉管で
も変形することはない。

【００１６】図２（ａ）,（ｂ）は、流れのないときの
測定管断面半径方向の振動を説明するための図で、
（ａ）図と（ｂ）図とは位相が１８０°異なる場合のも
ので２次の振動モードのフープ振動モードのものであ
る。このとき、加振器７ａ，７ｂは共通の発振器により
同位相の共振周波数で駆動される。（ａ）,（ｂ）図
は、共に変位センサ８の位置Ａにおける振動を示すもの
であり、同様に加振器７ａの位置Ｂ、変位センサ９の位
置Ｃの位置における振動はＢ，Ｃで示した振動を示す。
これらの２次のフープ振動モードでは点線で示した測定
管の円形静止断面に対して４ケ所の節部Ｎで交わる楕円
状の振動が生ずる。

【００１７】図３（ａ）,（ｂ）は、流れのある場合の
コリオリの力を説明するための図で、（ａ）図は位相が
０，２πのとき、（ｂ）図はπのときのものである。

【００１８】図１において測定流体が矢印の方向に流
れ、測定管が（ａ）図の位相が０，２πのＹ−Ｙ方向に
長軸を有する楕円状になる場合は、流入側フランジ４側
で等流速分布の正規流れの測定流体は、測定管３の長軸
Ｙ−Ｙ方向への変形のため測定流体も、この変形に従っ
た半径方向のベクトル方向に流れる。同様に短軸Ｘ−Ｘ
軸方向では中心軸方向のベクトルをもった流れが生ず
る。このため、外向の力をプラス内向きの力をマイナス
とすると、コリオリの力は、上記ベクトルを打ち消す方
向の力、すなわち長軸Ｙ−Ｙでは中心軸方向の力（−Ｆ
ｙ）、短軸Ｘ−Ｘでは半径方向の力（＋Ｆｘ）が生ず
る。

【００１９】反対に、Ｃ位置の下流側では測定流体の流
れは楕円状の流れから正規分布の流れに戻されるので、
コリオリの力は長軸方向で上流側とは反対方向の力が生
ずる。すなわち、長軸方向のＹ−Ｙ軸方向（＋Ｆｙ）、
短軸Ｘ−Ｘ軸方向で（−Ｆｘ）の力が生じ、測定管３の
管壁は、Ｙ−Ｙ軸方向で（±Ｆｙ）に比例した変位が生
ずる。

【００２０】（ｂ）図の位相がπの場合、Ａ位置では測
定管３はＸ−Ｘ軸方向に長軸を有する横長の楕円形状と
なる。このとき、測定管３の上流側に作用するコリオリ
の力は、正規流れから横長の楕円流れを打ち消す方向の
力である。Ｙ−Ｙ軸では（＋Ｆｙ）、Ｘ−Ｘ軸では（＋
Ｆｘ）である。反対に測定管３の下流に作用するコリオ
リの力は、Ｙ−Ｙ軸では（−Ｆｙ）、Ｘ−Ｘでは（＋Ｆ
ｘ）である。

【００２１】上述のコリオリの力による測定管３の管壁
の変位は、変位センサ８，９で計測され、このときの質
量流量は、変位センサ８と９との差信号に比例した量と
して求められる。

【００２２】図４（ａ）,（ｂ）は、本発明に係る測定
管後流端支持部を説明するための図であり、（ａ）図は
部分縦断面図、（ｂ）図は後流測からみた図で、図中、
１３は支持ばねで、図１と同じ作用をする部分には図１
と同一の参照番号を付している。

【００２３】図４に示した測定管後流端支持部は、測定
管３の後流端を半径方向に変位することなく、軸方向の
みに移動可能に支持するためのものである。後流端３ａ
は、図１に示した後流測支持フランジ２の外周部を削除
した部分であり外筒１に接することのない間隙を与え
る。

【００２４】支持ばね１３は、測定管３の後流端３ａを
外筒１に支持させるためのもので測定流体を環状室１０
に流通させるための透孔１３ａと測定管３の内面積と等
しい透孔１３ｂを有し支持ばね部１３ｃで支持する。支
持ばね１３は透孔１３ｂを測定管３の流路面と合せて電
子ビーム等により固着し、外筒１とはフランジ２の接合
面に形成された環状凹部２ｂ内に嵌挿しビス孔１３ｄに
おいてビス等で固着する。

【００２５】外筒１に対し測定管３の両端を固定した場
合、外筒１と測定管３とは材質の相異による熱膨張差の
ため薄肉の測定管３に対して圧縮応力が作用しフープ振
動の共振周波数が変化する。支持ばね１３は、矢印Ｓ方
向に変位し熱膨張差を吸収し、測定管３が半径方向に移
動しないようにする。

【００２６】なお、以上、フープ振動の振動モードを２
次として説明したが、２以上の多次の振動モードの場合
も同様に利用できる。

【００２７】

【効果】以上の説明から明らかなように、本発明による
と、以下のような効果がある。 （１）外筒内に測定管を流入側で完全固着し後流側で外
筒とで形成される環状室内に測定流体が流入する透孔を
有して支持したので、測定管が配管ストレスや測定流体
の圧力の変化によるストレスを受けることがないので薄
肉管であってもよく、薄肉測定管では駆動エネルギが小
さくてもコリオリ力による管壁の変位が大きくとれるの
で、高感度とすることができる。更には、測定管の外径
は外筒内径との差異がない程度に大口径とした方が高感
度とすることができるから大口径で圧損が小さく小形な
質量流量計とすることができる。 （２）測定管の支持方式として流入側を完全固定し、後
流側を軸方向に移動可能で半径方向に剛性を高く支持し
たので熱膨張の影響を受けることなく安定して測定でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明における質量流量計の一例を説明する
ための縦断面図である。

【図２】 流れのないときの測定管断面半径方向の振動
を説明するための図である。

【図３】 流れのある場合のコリオリの力を説明するた
めの図である。

【図４】 本発明に係る測定管後流端支持部を説明する
ための図である。

【符号の説明】

１…外筒、２…フランジ、３…測定管、４…流入側固定
フランジ、５…流出側支持フランジ、６…導圧孔、７
ａ，７ｂ…加振器、８，９…変位センサ、１０…環状
室、１１，１２…外部流管、１３…支持ばね。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平６−174515（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−158419（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−259221（ＪＰ，Ａ) 米国特許4420983（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01F 1/84

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 両端が測定流体の流れる流管に接続され
   る外筒と、該外筒より小径で測定流体が流れる薄肉な測
   定管と、該測定管を前記外筒に同軸で該測定管内外の静
   圧が等しく該測定管と外筒との間で流れがないように支
   持する支持手段と、前記外筒中央部に配設され、前記測
   定管が断面半径方向に多次元モードで変形するように該
   測定管を駆動する駆動手段と、前記外筒の前記駆動手段
   の対象位置に配設され前記測定管の変位を検出する一対
   の変位センサと、測定流体が流れる前記測定管が駆動さ
   れたとき前記一対の変位センサから出力されるコリオリ
   の力に基づく位相差信号から質量流量を検知する質量流
   量測定手段とからなり、前記支持手段は、前記測定管の
   流入側端部において前記外筒に固着する流入側支持部
   と、該測定管の流出側端部において該測定管と前記外筒
   との間に測定流体を連通する連通孔を有し、前記測定管
   を軸方向にのみ移動可能に支持するばね材からなる流出
   側支持部とで構成したことを特徴とする質量流量計。
2. 【請求項２】 測定管の少なくとも一部を磁性材とし、
   該測定管を電磁駆動することを特徴とする請求項１に記
   載の質量流量計。