JP3555652B2 - コリオリ質量流量計 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、内部振動の絶縁性を向上させることによって、高精度で、安定性、耐振性が向上されたコリオリ質量流量計に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
図9は、従来より一般に使用されている従来例の構成説明図で、例えば、特開平6−109512号の従来例に示されている。図10は図9の動作説明図である。
図において、振動チューブ1はフランジ2に、両端が取付けられている。
フランジ2は管路へ振動チューブ1を取付けるためのものである。
【0003】
励振器3は振動チューブ1の中央部に設けられている。
振動検出センサ4,5は振動チューブ1の両側にそれぞれ設けられている。
ハウジング6には、振動チューブ1の両端が固定される。
【0004】
以上の構成において、振動チューブ1に測定流体が流され、励振器3が駆動される。
励振器3の振動方向の角速度『ω』、測定流体の流速『V』(以下『』で囲まれた記号はベクトル量を表す。)とすると、
【0005】
Fc=―2m『ω』×『V』
のコリオリ力が働く、コリオリ力に比例した振動の振幅を測定すれば、質量流量が測定出来る。
【0006】
図11は従来より一般に使用されている他の従来例の構成説明図、図12は図11の振動動作説明図である。
本従来例では、振動チューブ1を2管式にして、2本の振動チューブを対称に振動させる。
【0007】
2本の振動チューブ1を対称に振動させることで、2本のチューブの分岐(連結)部にて、励振方向の振動がキャンセルしあい、音叉の節のような場所を形成することで、内部の振動を外に漏らさない構造となっている。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図9のような一般的な1本直管式コリオリ質量流量計では、振動チューブを両端で固定しているが、限られた大きさのコリオリ質量流量計では、端点を完全固定にすることはできず、わずかに振動してしまう。
振動が発生する理由として、2つの原因が考えられる。
【0009】
(1)管軸方向の力について。
内部を流体が流れる振動チューブ1を図10のように変形(近似的に1次モード共振状態)させると、変形により振動チューブ1の長さが長くなるので、振動チューブ1の軸方向に引っ張り応力が発生する。
【0010】
例えばステンレスのφ9.6×0.91t、400Lのチューブの中央部分を1mm変形させると、図10のように、軸方向に7.5kgfの大きさの引っ張り力が発生する。
【0011】
振動チューブ1を1次の共振モードで励振させた場合、プラスとマイナスの変形最大の時に引っ張り力も最大になり、変形のない基本形状の時は引っ張り力は最小でゼロである。
【0012】
励振振動の1周期中に、引っ張り力は最大、最小を2回繰り返す。
すなわち、振動チューブ1の軸方向の引っ張り力は、励振周波数の2倍の周波数で発生する。
この引っ張り力による振動により、振動絶縁が不十分になる。
【0013】
(2)加振方向の力について。
図10に示す如く、中央部で加えられた力が、両固定端に加わり、7.2kgfの力が加わる。
【0014】
図12のような2本管式のコリオリ質量流量計でも、振動の絶縁は十分ではない。
2本振動チューブ1を互いに逆方向に振動させることで、加振方向の力F1は互いにキャンセルされる。
【0015】
しかし、振動チューブ1の変形に伴い、振動チューブ1の軸方向にも大きな力F2が加わる。
この成分については、2本平行管でもキャンセルできず、むしろ増幅する傾向である。
このように、2本管式コリオリ流量計でも、振動絶縁が不十分である。
【0016】
振動絶縁が不十分な場合、
(1)Q値が低くなるので、内部の振動が不安定になり、励振振動以外の余計な振動ノイズの影響を受けやすくなる。
【0017】
(2)励振に大きなエネルギーが必要になり、消費電力が増加する。
(3)設置方法や、配管応力、温度等の環境変化や外的要因により、振動の漏れ程度も大きく変わり、振動チューブ1の振動状況も変化し、零点やスパンが変化しやすくなる。
【0018】
すなわち、これらの環境変化や外的要因に対し、不安定で、耐振性、精度が悪いコリオリ流量計になりがちである。
【0019】
本発明は、この問題点を解決するものである。
本発明の目的は、内部振動の絶縁性を向上させることによって、高精度で、安定性、耐振性が向上されるコリオリ質量流量計を提供するにある。
【0020】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために、本発明は、
(1)振動チューブ内に測定流体が流れ、該測定流体の流れと前記振動チューブの角振動によって生じるコリオリ力により、該振動チューブを変形振動させるコリオリ質量流量計において、
上流側固定端と下流側固定端とを結ぶ直線を基準軸としてこの基準軸の一方側にあり基準軸の各点からそれぞれ所定距離の円周線上で単振動をする凸状の一本状の振動チューブと、この振動チューブの両端にそれぞれ端部が固定され前記基準軸の他方側にありこの基準軸に軸対称に前記振動チューブと同様な形状を有し励振された定常振動状態においても常に前記基準軸を中心に前記振動チューブに対称な位置に存在し且つ基準軸の各点からそれぞれ所定距離の円周線上で単振動をする振動補償チューブとを具備したことを特徴とするコリオリ質量流量計。
(2)前記振動チューブと前記振動補償チューブとが単振動をするよう前記基準軸を中心に互いに所定角度をなし前記振動チューブに非接触に配置された少なくとも2個の励振装置を具備したことを特徴とする(1)記載のコリオリ質量流量計。
(3)外部にねじれ振動が漏洩しないように前記振動チューブの両固定端近傍に連結されたねじり剛性を有する剛体を具備したことを特徴とする(1)又は(2)記載のコリオリ質量流量計。
を構成したものである。
【0021】
【作用】
以上の構成において、振動チューブに測定流体が流され、励振器が駆動されると、コリオリ力が働く、このコリオリ力に比例した振動の振幅を測定すれば、質量流量が測定出来る。
【0022】
而して、振動チューブは、上流側固定端と下流側固定端とを結ぶ直線を基準軸として、この基準軸の一方側にあり、基準軸の各点からそれぞれ所定距離の円周線上で単振動をし、凸状で一本状をなす。
【0023】
一方、振動補償チューブは、この振動チューブの両端にそれぞれ端部が固定され、基準軸の他方側にあり、この基準軸に軸対称に、振動チューブと同様な形状を有し、励振された定常振動状態においても、常に基準軸を中心に、振動チューブに対称な位置に存在し、且つ、基準軸の各点からそれぞれ所定距離の円周線上で単振動をする。
以下、実施例に基づき詳細に説明する。
【0024】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明の一実施例の要部構成説明図で、請求項1と請求項2の一実施例である。
図において、図9と同一記号の構成は同一機能を表わす。
以下、図9と相違部分のみ説明する。
【0025】
振動チューブ11は、上流側固定端12と下流側固定端13とを結ぶ直線を基準軸14として、この基準軸14の一方側にあり基準軸14の各点からそれぞれ所定距離の円周線上で単振動をし、凸状で一本状をなす。
【0026】
なお、上下流の固定端12,13間距離Lにたいし、基準軸14と振動チューブ11間の最大距離hは、概ね2割以下の形状(h≦0.2L)であることが望ましい。
【0027】
また、振動チューブ11は、コリオリ質量流量計の入り口(インレット)から出口(アウトレット)まで、分岐や、隙間の無い、一本の貫通構造を構成する。
【0028】
振動補償チューブ15は、この振動チューブ11の両端にそれぞれ端部が固定され、基準軸14の他方側にあり、この基準軸14に軸対称に、振動チューブ11と同様な形状を有し、励振された定常振動状態においても、常に基準軸14を中心に、振動チューブ11に対称な位置に存在し、且つ、基準軸14の各点からそれぞれ所定距離の円周線上で単振動をする。
【0029】
励振器16は、振動チューブ11を、その共振周波数で振動させる、
励振器17は、振動補償チューブ15を、その共振周波数で振動させる、
【0030】
振動検出センサ18,19は、振動チューブ11の振動を検出する。
振動検出センサ21,22は、振動補償チューブ15の振動を検出する。
【0031】
以上の構成において、図2は、図1の振動チューブ11と振動補償チューブ15のb−b断面図、図3は、図1の振動チューブ11と振動補償チューブ15のa−a断面図,c−c断面図である。
【0032】
図2,図3において、非励振状態の時、振動チューブ11と振動補償チューブ15は図2,3のBの位置近傍にある。
振動状態になると、振動チューブ11と振動補償チューブ15の中心は、基準軸14からR(x)離れた円周上を移動する。
【0033】
すなわち、b−b断面では基準軸14から半径R(b)離れた円周上を、a−a断面やc−c断面の位置では、基準軸14から半径R(a)やR(c)離れた円周上を、A→B→C→B→A→B→(繰り返し)のように単振動する。
【0034】
振動チューブ111,112の励振と振動検出については、この場合は、図4に示す如く行う。
図4には、振動チューブ11と振動補償チューブ15と励振器16,17との要部関係断面図が示されている。
【0035】
励振器16,17は、それぞれ2つのコイル161,162,171,172と磁性体163,173から構成されている。
励振器16,17は、図4のコイル161,162,171,172に示した、矢印Bの方向の力を発生する。
振幅角θが小さい場合、以下のような力を発生させることで、円周振動を実現させる。
【0036】
コイル161 F161=A1 sin(ωt)
コイル162 F162=B1 sin(ωt+π/2)+C1
コイル171 F171=A2 sin(ωt)
コイル172 F172=B2 sin(ωt+π/2)+C2
但し、A1,A2,B1,B2,C1,C2は定数
【0037】
なお、円周振動モードの共振周波数で励振させれば、コイル162,172がなくても、更には、1個所だけでも、ほぼ、円周振動と見なせる振動を実現できる。
励振器16,17のコイル数は、少なくても良いし、圧電素子など、コイル以外の手段を用いても良いことは勿論である。
【0038】
振動検出センサ18,19,21,22もコイルと磁性体から成り、図4と同様な構成をとる。コイル181,191,211,221では振動のY方向成分を、コイル182,192,212,222では振動のZ方向成分を検出する。
【0039】
なお、振動検出センサ18,19,21,22についても、コイル181,191,211,221だけで十分であり、コイル181,191だけでも、流量演算は可能である。
他にも、変位センサや、加速度センサなど、他の手段が用いられても良い。
【0040】
なお、信号処理は、一般的な方法を用いれば良く、例えば、上流側センサ18,21の出力と、下流側センサ19,22の出力の位相差を求め、共振周波数や温度補正を行って、質量流量を算出する。
【0041】
振動チューブ11は、基準軸14から等距離にある円周面内のみでの振動なので、振動チューブ11の位置がどこであっても、振動チューブ11の長さが変わることはない。
【0042】
従って、軸方向の引っ張りの力が常に一定である。
すなわち、管軸方向の力が変化することによる、振動の漏れを無くすことができ、管軸方向の振動絶縁を高めることができる。
【0043】
また、振動チューブ11と振動補償チューブ15とが、基準軸14を中心に、常に、対称な位置にあるので、常に振動系全体の重心が移動せず、振動が外部に漏れることが無い。
両端固定端には、基準軸14回りの回転成分力だけで、並進方向成分は発生しないので、振動絶縁性を高める事ができる。
【0044】
具体的には、内部振動のQ値が高くなるので、振動ノイズの影響を受けにくくなり、低消費電力を実現し、振動の漏れ量の変化によるゼロ点やスパン変化を低減できるコリオリ質量流量計が得られる。
【0045】
この結果、
(1)内部振動系は高Q値を実現でき、外部ノイズが加わってもその影響が相対的に少なく、振動が安定なので、外部振動ノイズに強いコリオリ質量流量計が得られる。
【0046】
(2)少ないエネルギで安定した励振を実現できるので、低消費電流のコリオリ質量流量計が得られる。
【0047】
(3)外部への振動エネルギの散逸量が変化したり、上下流で散逸量のバランスが崩れると、内部の振動系に影響が及び、ゼロ点やスパンが変動してしまう。
本発明では、常に内部に振動が閉じこめられるので、その心配がなく、高精度なコリオリ質量流量計が得られる。
【0048】
図5は本発明の他の実施例の要部構成説明図で、請求項3の一実施例である。図6は図5の側断面図である。
【0049】
本実施例において、ねじり剛性を有する剛体31は、外部に、ねじれ振動が漏洩しないように、振動チューブ11の両固定端12,13に連結固定された、剛体である。
この場合は、ハウジング6の機能も兼用する。
【0050】
ねじれ剛性が十分に大きいとは、目安として、1桁以上、剛性が大きいことを言う。
中空丸軸のねじれ剛性=G×π/32×(d2 4−d1 4)
G:横弾性計数
d2:外径
d1:内径
で示される。
【0051】
このようにねじれ剛性は、直径の4乗に効いてくるので、図6に示す如く、振動チューブ11に対して、ねじり剛性を有する剛体31の直径を変えることで、1桁以上剛性の大きいものでも比較的容易に作成できる。
【0052】
この結果、十分にねじれ剛性の高い剛体31を有することで、内部振動系の、基準軸14まわりのねじれ成分を強固に固定し、コリオリ質量流量計の外部に、ねじれ振動が漏れるのを防止する事が出来る。
振動絶縁をより高度に実現することにより、流量計内部の振動が一層安定になり、高精度で安定したコリオリ質量流量計が得られる。
【0053】
なお、前述の実施例においては、ねじれ剛性の高い剛体31は、ハウジング6を兼用すると説明したが、これに限ることはなく、例えば、ねじれ剛性の高い剛体31とハウジング6とは別体でも良い。
【0054】
また、ねじれ剛性の高い剛体31は、1本の円筒でなくても良く、複数本でも、角柱形状でも何でも良い。
要するに、ねじれ剛性の高い剛体31であれば良い。
【0055】
図7は本発明の他の実施例の要部構成説明図で、請求項4の一実施例である。図8は図7の側断面図である。
図において、補償体41は、基準軸14に平行して設けられ、両端が振動チューブ11の両端側にそれぞれ固定支持42,43されている。
【0056】
励振手段445は、振動チューブ11を、基準軸14回りのねじれが主体となるように励振する。
【0057】
一方、励振手段44は、補償体41をこの補償体41の振動が、基準軸14と同じ軸、あるいはこの基準軸14と平行な軸を中心に回転するねじれ振動であり、且つ振動チューブ11の振動とは逆位相で、振動チューブ11と補償体41との固定部42,43では、逆位相で振動することにより、基準軸14回りのねじれ振動が互いに打ち消し合い発生する振動を削減するように励振する。
【0058】
この場合は、励振手段44は、励振器16と励振器17とよりなる。
励振器16、17によって、コイル161,162,171,172と磁石163,173が反発する方向に力が加わった場合、振動チューブ11にはT1で示す方向(図8の右回り)の力を受ける。
【0059】
そして、作用反作用により、補償体41はT2で示す方向(図8の左回り)の力を受ける。
【0060】
T1とT2とは、お互いに、基準軸14を中心に、反対回りの力である。
補償体41と振動チューブ11の固定部42,43とでは、互いに逆回りの逆位相の力が加わり、打ち消し合うことで、発生振動が大幅に削減され、補償体41の外部へ漏れる振動が大幅に削減される。
【0061】
この結果、補償振動体41が設けられたので、基準軸14のまわりのねじれ成分について、振動をキャンセル出来、コリオリ質量流量計の外部に、余計な振動を漏らすことがなくなり、振動の絶縁がより高められる。
【0062】
振動絶縁をより高度に実現することにより、コリオリ質量流量計内部の振動が一層安定になり、高精度で安定したコリオリ質量流量計が得られる。
【0063】
すなわち、
(1)内部振動系は高Q値を実現でき、外部ノイズが加わってもその影響が相対的に少なく、振動が安定なので、外部振動ノイズに強いコリオリ質量流量計が得られる。
【0064】
(2)少ないエネルギで安定した励振を実現できるので、低消費電流のコリオリ質量流量計が得られる。
【0065】
(3)外部への振動エネルギの散逸量が変化したり、上下流で散逸量のバランスが崩れると、内部の振動系に影響が及び、ゼロ点やスパンが変動してしまう。
本発明では、常に内部に振動が閉じこもっているので、その心配がなく、高精度なコリオリ質量流量計が得られる。
【0066】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の請求項1によれば、振動チューブと振動補償チューブとが設けられ、振動チューブと振動補償チューブとが基準軸を中心に、単振動するので、管軸方向の力が変化することによる、振動の漏れを無くすことができ、管軸方向の振動絶縁を高めることができる。
【0067】
また、振動チューブと振動補償チューブとが、基準軸を中心に、常に、対称な位置にあるので、常に重心が変化することがなく、振動が外部に漏れることが無い。
【0068】
具体的には、内部振動のQ値が高くなるので、振動ノイズの影響を受けにくくなり、低消費電力を実現し、振動の漏れ量の変化によるゼロ点やスパン変化を低減できるコリオリ質量流量計が得られる。
【0069】
この結果、
(1)内部振動系は高Q値を実現でき、外部ノイズが加わってもその影響が相対的に少なく、振動が安定なので、外部振動ノイズに強いコリオリ質量流量計が得られる。
【0070】
(2)少ないエネルギで安定した励振を実現できるので、低消費電流のコリオリ質量流量計が得られる。
【0071】
(3)外部への振動エネルギの散逸量が変化したり、上下流で散逸量のバランスが崩れると、内部の振動系に影響が及び、ゼロ点やスパンが変動してしまう。本発明では、常に内部に振動が閉じこもっているので、その心配がなく、高精度なコリオリ質量流量計が得られる。
【0072】
本発明の請求項2によれば、
(1)2つ以上の励振器を、角度を変えて同時に用いることで、円周面内振動を実現出来るコリオリ質量流量計が得られる。
【0073】
(2)電磁力を利用すれば、非接触でありながら十分な力を発生させることが出来るコリオリ質量流量計が得られる。
【0074】
本発明の請求項3によれば、十分にねじれ剛性の高い剛体を有することで、内部振動系の、基準軸まわりのねじれ成分を強固に固定し、コリオリ質量流量計の外部に、ねじれ振動が漏れるのを防止する事が出来る。
振動絶縁をより高度に実現することにより、流量計内部の振動が一層安定になり、高精度で安定したコリオリ質量流量計流量計が得られる。
【0075】
本発明の請求項4によれば、補償振動体が設けられたので、基準軸のまわりのねじれ成分について、振動をキャンセル出来、コリオリ質量流量計の外部に、余計な振動を漏らすことがなくなり、振動の絶縁がより高められる。
【0076】
振動絶縁をより高度に実現することにより、コリオリ質量流量計内部の振動が一層安定になり、高精度で安定したコリオリ質量流量計が得られる。
【0077】
すなわち、
(1)内部振動系は高Q値を実現でき、外部ノイズが加わってもその影響が相対的に少なく、振動が安定なので、外部振動ノイズに強いコリオリ質量流量計が得られる。
【0078】
(2)少ないエネルギで安定した励振を実現できるので、低消費電流のコリオリ質量流量計が得られる。
【0079】
(3)外部への振動エネルギの散逸量が変化したり、上下流で散逸量のバランスが崩れると、内部の振動系に影響が及び、ゼロ点やスパンが変動してしまう。
本発明では、常に内部に振動が閉じこもっているので、その心配がなく、高精度なコリオリ質量流量計が得られる。
【0080】
従って、本発明によれば、内部振動の絶縁性を向上させることによって、高精度で、安定性、耐振性が向上されたコリオリ質量流量計が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例の要部構成説明図である。
【図2】図1の動作説明図である。
【図3】図1の動作説明図である。
【図4】図1の動作説明図である。
【図5】本発明の他の実施例の要部構成説明図である。
【図6】図5の側面図である。
【図7】本発明の他の実施例の要部構成説明図である。
【図8】図7の側面図である。
【図9】従来より一般に使用されている従来例の構成説明図である。
【図10】図9の動作説明図である。
【図11】従来より一般に使用されている他の従来例の構成説明図である。
【図12】図11の動作説明図である。
【符号の説明】
2 フランジ
6 ハウジング
11 振動チューブ
12 上流側固定端
13 下流側固定端
14 基準軸
15 振動チューブ
16 励振器
161 励振コイル
162 励振コイル
163 磁性体
17 励振器
171 励振コイル
172 励振コイル
173 磁性体
18 振動検出センサ
19 振動検出センサ
21 振動検出センサ
22 振動検出センサ
31 捻じり剛性を有する剛体
41 補償体
42 固定部
43 固定部
44 励振手段
Claims (3)
- 振動チューブ内に測定流体が流れ、該測定流体の流れと前記振動チューブの角振動によって生じるコリオリ力により、該振動チューブを変形振動させるコリオリ質量流量計において、
上流側固定端と下流側固定端とを結ぶ直線を基準軸としてこの基準軸の一方側にあり基準軸の各点からそれぞれ所定距離の円周線上で単振動をする凸状の一本状の振動チューブと、
この振動チューブの両端にそれぞれ端部が固定され前記基準軸の他方側にありこの基準軸に軸対称に前記振動チューブと同様な形状を有し励振された定常振動状態においても常に前記基準軸を中心に前記振動チューブに対称な位置に存在し且つ基準軸の各点からそれぞれ所定距離の円周線上で単振動をする振動補償チューブと
を具備したことを特徴とするコリオリ質量流量計。 - 前記振動チューブと前記振動補償チューブとが単振動をするよう前記基準軸を中心に互いに所定角度をなし前記振動チューブに非接触に配置された少なくとも2個の励振装置
を具備したことを特徴とする請求項1記載のコリオリ質量流量計。 - 外部にねじれ振動が漏洩しないように前記振動チューブの両固定端近傍に連結されたねじり剛性を有する剛体
を具備したことを特徴とする請求項1又は請求項2記載のコリオリ質量流量計。
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