JP3593513B2

JP3593513B2 - Bow-shaped coriolis meter and method for determining its shape

Info

Publication number: JP3593513B2
Application number: JP2001288260A
Authority: JP
Inventors: 雄一中尾; 誠司小林; 典郎助村; 胖小川; 信吾五味
Original assignee: Oval Corp
Current assignee: Oval Corp
Priority date: 2001-09-21
Filing date: 2001-09-21
Publication date: 2004-11-24
Anticipated expiration: 2021-09-21
Also published as: JP2003097991A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、並列２本の弓形フローチューブを用いるタイプの弓形管式コリオリメータ及びその形状決定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
被測定流体の流通する流管の両端を支持し、該支持点回りに流管を該流管の流れ方向と垂直な方向に振動したとき、流管（以下振動が加えられるべき流管を、フローチューブという）に作用するコリオリの力が質量流量に比例することを利用した質量流量計（コリオリメータ）は周知である。
【０００３】
さらに、このようなフローチューブは、並列２本のチューブにして、この２本のフローチューブを互いに反対位相で共振駆動すると共に、２本のフローチューブに等しく測定流体を流すことにより、流体の種類が変わっても、温度の変動があっても、常に２本のフローチューブの固有振動数を等しくし、これによって、効率よく安定に駆動することができると共に、外部振動や温度影響の無いコリオリメータを構成できることが知られている。
【０００４】
このような従来の並列２本のコリオリメータのフローチューブは、中央部でコイルとマグネットから構成されている駆動装置によって、この２本のフローチューブを互いに反対位相で共振駆動している。また、コイルとマグネットから構成されている一対の振動検出センサが、駆動装置の取付位置に対して左右両側の対称位置に設置され、コリオリの力に比例した位相差を検知している。
【０００５】
測定流体は、入口側のフランジを介して接続される外部流管より流入し、２本のフローチューブに等しく分岐される。そしてフローチューブの出口側で合流して、出口側のフランジを介して接続される外部流管に流出する。このような並列２本のコリオリメータには、湾曲管型のものと直管型のものが知られている。
【０００６】
湾曲管型の並列２本のコリオリメータは、本体から横方向に伸びるフローチューブ脚部の振動を利用しかつ測定するものであるから、この横方向脚部に必要な長さを確保する必要がある。即ち、形状的にサイズが大きくなるという問題がある。
【０００７】
これに対して、直管式のコリオリメータは、外部流管ライン方向に直管構成のフローチューブを配置し、両端を支持された直管の中央部で直管軸に垂直な方向に振動したとき、直管の支持部と中央部との間でコリオリの力による直管の変位差、即ち位相差信号として質量流量を検知するものであるから、このような直管式のコリオリメータは、シンプル、コンパクトで堅牢な構成にすることが可能になる。
【０００８】
しかし、直管式のコリオリメータのフローチューブは、その両側で固定支持される必要があるために温度影響を受ける。即ち、測定流体の温度が変わると、フローチューブは直ちに追随して温度が変わるのに対して、フローチューブを固定する外筐のような固定構造体の温度変動には遅れが生じる。このため、フローチューブと固定構造体とは伸びに差を生じて、長手方向に応力が発生し、これによるバネ定数の変化によりチューブの固有振動数が変化する。それ故、直管式のコリオリメータは、その対策のため、ダイヤフラム、ベローズ等の別途の応力吸収手段が必要になる。
【０００９】
このような温度変動による長手方向の伸びに対する問題は、フローチューブを弓形に構成することにより解決できる。米国特許第５，７９６，０１１号は、このような弓形構成のフローチューブを開示する。図７は、従来の弓形構成のフローチューブを有するコリオリメータの動作を説明するための概念図である。弓形構成のフローチューブは、応力を分散させることができ、耐震性に優れている。しかし、従来構成の弓形チューブは、マニフォールドとフローチューブの接続が管軸方向であった。そのため、図７の上側の図に、中央のＲと、その両側の２つのｒで示すように、フローチューブの曲げの工数が３回以上必要となり、特に、対称性が求められる二本管チューブにおいては不利であった。また、図７の下側の図は、上下振動中のフローチューブの２つの状態を示しているが、そこに示されているように、基板で固定された振動の節自体が、振動の際に上下動してしまうことがあり、精度のよい計測を行うことができなかった。
【００１０】
また、上記米国特許第５，７９６，０１１号は、図８に示されるような円弧構成のフローチューブも開示する。しかし、このような単純な円弧構成のフローチューブは、入口導管或いは出口導管と一直線になった滑らかな接続をすることができない。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述の観点で、弓形構成のフローチューブは、一方向の単純な曲げ構成にするだけでなく、入口導管及び出口導管と一直線にして滑らかに接続する必要がある。そのためには、弓形構成のフローチューブを、図６に示すように、中央の円弧部とその両側の直線部により構成して、入口導管及び出口導管を、所定立ち上がり角度にして、フローチューブと同一方向にして結合することが望まれる。ただ、その際には、フローチューブをコンパクトに設計するだけでなく、熱影響についても考慮した形状にする必要がある。
【００１２】
そこで、本発明は、かかる観点から、フローチューブを円弧セグメントと直線セグメントから構成して、応力分散、耐震性に優れたものとした並列２本の弓形管式のコリオリメータにおいて、計測流体が温度突変を起こしたときに、応力を所定の値に低く抑え、かつ、最もコンパクトになるようにチューブ形状を決定することを目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の弓形管式コリオリメータ、及びその形状決定方法は、並列２本のフローチューブと、測定流体流入口より２本のフローチューブに分岐する入口側マニフォールドと、２本のフローチューブに流れる測定流体を合流して測定流体流出口より流出させる出口側マニフォールドと、一方のフローチューブを他方のフローチューブに対して互いに反対位相で共振駆動させる駆動装置と、該駆動装置の取付位置に対して左右両側の対称位置に設置されてコリオリの力に比例した位相差を検出する一対の振動検出センサとを備えている。この２本のフローチューブはそれぞれ、中央の円弧部とその両側のそれぞれの直線部からなる弓形形状に形成される。最大流量におけるマニフォールドと弓形形状フローチューブを含む目標圧力損失と、最大流量における振動検出センサーからのサイン波出力の目標時間位相差と、チューブの目標固有振動数とに基づいてチューブ内径とチューブ端点間の直線長さを決定する。直線部の長さを計測流体の突変温度による熱応力が少なくなるように選択し、かつ前記直線部の長さを変化させても熱応力が略一定となる範囲内ではフローチューブの垂直方向高さを小さくなるようにしてフローチューブ形状を決定する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の並列２本の弓形フローチューブを用いる弓形管式のコリオリメータを例示に基づき説明する。図１は、本発明を適用するコリオリメータを例示する図であり、入口配管及び出口配管を水平にして取り付けたと仮定して、その正面から見た部分的断面図（左側図）と、中央部で切断した側面図（右側図）である。図示のコリオリメータは、使用に際して、水平方向に取り付けること或いは垂直方向に取り付けることのいずれも可能であり、さらに水平方向に取り付ける際にも、図１に示したようにフローチューブ中央の湾曲凸部を上にして取り付けること、或いは逆に下にして取り付けることのいずれも可能である。ただ、ガス計測の場合には、液体がフローチューブ中央の湾曲凸部に滞留しないように、湾曲凸部を、図示したように上にすることが望ましく、また、逆に液体計測の場合には、気泡が滞留しないように、湾曲凸部を下にして取り付けることが望ましい。
【００１５】
例示したコリオリメータのフローチューブ１、２は、弓形に湾曲した同一形状の流管であり、各々の両端部は、入口側及び出口側マニフォールド２５に溶接などにより結合されている。なお、以下の説明において、測定流体は、図１の左側より流入し、右側に流出すると仮定している。測定流体は、フランジ１８を介して接続されている外部流管より流入し、入口側マニフォールドで２本のフローチューブ１、２に等しく分岐される。そしてフローチューブ１、２の出口側では、出口側マニフォールド２５で合流して、フランジ１９を介して接続されている外部流管に流出する。
【００１６】
流入側と流出側は対称に構成されているので、図示した流出側について説明すると、マニフォールド２５は、その流出口（フランジ１９との接続部）から円弧を描いて滑らかに上方の所定角度方向に転向して、フローチューブ１、２との接続口に至る。このように、マニフォールドのチューブ接続口をチューブ立ち上がり角度とすることで、フローチューブ自体は単純な一方向の湾曲をさせるのみで、接続されたフローチューブとマニフォールドは、全体として滑らかな弓形形状を構成する。また、マニフォールドは、１つの流出口から、２本のフローチューブ１、２に分岐するよう２つの流路を形成する。
【００１７】
このように、振動測定のために重要な機能を果たすフローチューブ１、２自体は、一方向の単純な湾曲をさせた構成を有するのみであって、流路を２本のフローチューブから外部配管方向に向ける複雑な流路変更は、マニフォールドで対応している。フローチューブ１、２は、マニフォールドと溶接などにより固着することができ、可撓部は必要なく、熱ストレスはフローチューブを弓形形状にしたことにより吸収し、また配管ストレスにも強い構造となる。
【００１８】
また、フローチューブ１、２の両端近傍には、駆動したとき振動の節部を形成させるための基板２８が設けられ、かつこれは、フローチューブ１、２が並列に維持されるように相互固着している。この基板２８は、これを備えるときには、基板２８による固着点が振動の第１の支点になると共に、フローチューブ１、２と入口側及び出口側マニフォールド２５の上端との結合端が第２の支点となって振動する。
【００１９】
駆動装置１５は、弓形フローチューブの中央部において、駆動装置コイルが一方のフローチューブ１に、駆動装置マグネットが他方のフローチューブ２にそれぞれ取付具を介して取り付けられている。駆動装置コイルへの配線は、フレキシブルプリント板１２を介して、かつ、配線取出部３４を介して、このコリオリメータ外部に接続される。配線取出部３４は、断面半円形状の基部３０に支持されると共に、それを貫通している。この基部３０には、カバー３１が一体に接合されて、マニフォールド部の鍔部２６と協同して、内部に気密空間を形成している。一対の振動検出センサ１６、１７は、駆動装置１５の両側において、一方のフローチューブ１に検出センサマグネットが、他方のフローチューブ２に検出センサコイルがそれぞれ取付具を介して取り付けられている。
【００２０】
動作において、駆動装置１５は、並列２本のフローチューブ１、２の中央部で、２本のフローチューブ１、２を互いに反対位相で共振駆動する。一対の振動検出センサ１６、１７は、駆動装置１５の取付位置に対して左右両側の対称位置に設置されて、コリオリの力に比例した位相差を検知する。なお、図示した駆動装置１５及び一対の振動検出センサ１６、１７は、いずれも、フローチューブ１とフローチューブ２の間のチューブ軸間に配置されている。言い換えると、図１に示すように、２本のフローチューブを重なる方向に見たときに、駆動装置１５及び一対の振動検出センサ１６、１７のそれぞれを、両フローチューブの間で、しかも両フローチューブのそれぞれの中心軸を結ぶ線上を中心として配置したものである。これによって、両フローチューブの中心軸を結ぶ線上で駆動力を作用させ、かつこの駆動力に基づくコリオリ力を検出することができるから、振動慣性力による慣性モーメントが生じることはない。
【００２１】
温度センサが図示したように、２カ所に設けられている。フローチューブ両側の固定端間の距離の変動は、振動周波数に影響を与えるので、補正する必要がある。図示の装置は、この補正を、基部３０の代表温度を計測することにより、その伸びを推測することにより行うものである。さらに、フローチューブのマニフォールド結合端近くで温度測定するためのセンサが備えられる。これは、フローチューブの温度が変動することにより剛性が変動するのを補正するためのものである。
【００２２】
図１に示した弓形構成のフローチューブは、中央の円弧部とその両側の直線部により構成して、入口導管及び出口導管を、所定立ち上がり角度にして、フローチューブと同一方向にして結合している。このようなフローチューブの形状は、コンパクトに設計するだけでなく、熱影響についても考慮した上で最適のものに決定する必要がある。
【００２３】
以下、計測流体が温度突変を起こしたときに、応力を所定の値に低く抑え、かつ、最もコンパクトになるようにチューブ形状を決定する方法を図２〜図４を参照して説明する。
【００２４】
図２において、フローチューブの入口側及び出口側マニフォールドとの接続点をそれぞれＣ’点及びＣ点、その中間のフローチューブ上の天頂点をＡ点、中央の円弧部と直線部との接続点をＢ点と表示している。Ａ点を座標原点として、そこから右方向にｘ軸正方向、下方向にｙ軸正方向としている。円弧部の円弧中心とＡ点を結ぶ線を基準として、円弧状の任意の点までの角度をφ、円弧部端点（即ちＢ点）までの角度をφ０、円弧部半径をＲと表示している。さらに、フローチューブの高さをｈ、Ｃ’点とＣ点を結ぶ直線長さ（端点間直線距離）の半分をＬ／２、この直線とフローチューブの直線部とのなす角度をφ１と表示している。
【００２５】
このようなフローチューブの形状の決定手順として、まず、フローチューブの端点間直線距離Ｌと、フローチューブの垂直方向高さｈとの比ｈ／Ｌ＝１／３〜１／４（０．３３〜０．２５）とする。本発明は、前述した観点から、応力分散、耐震性に優れたものとした並列２本の弓形管式のコリオリメータを前提としている。なお、通常、従来の湾曲管型のフローチューブは、ｈ／Ｌ＞１．３に構成され、かつ、直管型のフローチューブは当然ｈ＝０であり、ｈ／Ｌ＝０に構成されている。
【００２６】
さらに、形状決定の前提として、最大流量におけるマニフォールドと弓形チューブを含む圧力損失を１ｂａｒ以下にすることを目標とする。（入口側マニフォールドの絞り効果と出口側マニフォールドの拡大効果による圧力損失及び弓形チューブ全長を等価直管長さにした圧力損失の合計）。また、最大流量における２本のチューブセンサーコイルからのサイン波出力の時間位相差を６μｓ以上とすることを目標とする。チューブの固有振動数を商用周波数より高い２５０〜４００Ｈｚに設定する。
【００２７】
以上の前提から、チューブ内径Ｄｉと端点間直線距離Ｌが決定される。次に、このようにして概略決定された弓形チューブで、計測流体の突変温度による応力が少ない形状の詳細を求める。結論的には、後述の（２４）式に示されるとおり、固定端に発生する最大応力を求めることができる。そして、この最大応力は、直線部の長さＬ１と関連づけて求めることができるから、最大応力が小さくなる長さＬ１と共に、チューブの垂直方向高さｈを求めることができる。以下、これについて詳細に説明する。
【００２８】
図２に示すように、図中Ａ点が弓形チューブの天頂点で、Ａ −Ｂ間が円弧チューブ（の半分）、Ｂ −Ｃ間が直線チューブであり、Ｃ点とＣ’点は固定されている。チューブ連続の条件からφ０＝φ１とする。今チューブの内部を流れる液体の温度が突然ｔ１からｔ２に変化（突変）した時のチューブに発生する熱応力を求めるが、Ａ点からｙ軸方向にｄだけ移動した点、即ち弾性中心（熱膨張によるモーメント０の点）を原点に取って解析する。この弾性中心を原点とした座標を（ｘ１、ｙ１）で表している。即ち、ｘ１＝ｘ、ｙ１＝ｙ−ｄである。
【００２９】
チモシェンコによれば、図３に示すような固定アーチで座標の原点をＡ点から点Ｏに動かし、チューブ材料の縦弾性係数をＥ、チューブの断面２次モーメント＝π／６４（Ｄｏ^４−Ｄｉ ^４）をＩとすると、新しい縦座標ｙ１＝ｙ −ｄが、次の条件
【００３０】
【数１】

【００３１】
を満たすように、距離ｄを選ぶとｄは（２）式で表される。
【００３２】
【数２】

【００３３】
まず最初に、温度突変によるｘ方向の膨張による弾性歪エネルギーＵ_ｘを考える。ｓ：アーチ（弓形）の任意位置での長さ、ｄｓ：アーチの任意位置での微小長さ、Ｕ：弾性歪エネルギー、Ｍｘ：Ｘ軸方向のモーメント、Ｍｙ：Ｙ軸方向のモーメント、Ｎ：チューブの圧縮力、α：チューブ材料の温度膨張係数、ｔ：チューブの温度または温度差とし、弾性中心（Ｏ点）における水平方向の力である圧縮力Ｈ_ｏと弾性中心（Ｏ点）における曲げモーメントＭ_ｏを不静定量に取るとカステリアーノの第２定理から、
【００３４】
【数３】

【００３５】
【数４】

【００３６】
が成り立つ。ここに
【００３７】
【数５】

【００３８】
弾性中心の条件によりＭ_ｏ＝０であるから
【００３９】
【数６】

【００４０】
が得られる。（５）、（６）式によって弓形チューブの任意断面の曲げモーメントと圧縮力が求められる。図２に示すような円弧と直線による弓形チューブの諸元を入れて（２）式のｄを解くと
【００４１】
【数７】

【００４２】
ここで、Ｒ：アーチ型チューブの円弧部分の円弧半径である。
【００４３】
従って頂点Ａから弾性中心までの距離は
【００４４】
【数８】

【００４５】
と表される。
同様にして（６）式を解くと
【００４６】
【数９】

【００４７】
となる。ここで
【００４８】
【数１０】

【００４９】
【数１１】

【００５０】
（５），（９），（１０），（１１）式より任意チューブ断面の曲げモーメント及び圧縮力Ｎが求まる。ここで、Ａ：チューブの断面積＝π・（Ｄｏ^２−Ｄｉ^２）／４、Ｄｏ：チューブ外径、Ｄｉ：チューブ内径である。
【００５１】
次に熱膨張による垂直方向に関しては図４のように、不静定力をＨ１、不静定モーメントをＭ１とすると次式が成り立つ。
【００５２】
【数１２】

【００５３】
カステリアーノの第２定理から、弾性歪エネルギーをＵｙとすると、
【００５４】
【数１３】

【００５５】
また、
【００５６】
【数１４】

【００５７】
これより
【００５８】
【数１５】

【００５９】
が得られる。ここで
【００６０】
【数１６】

【００６１】
【数１７】

【００６２】
【数１８】

【００６３】
ＭｘもＭｙも同じ向きなので加算され合成モーメントＭは
【００６４】
【数１９】

【００６５】
となる。また最大モーメントは固定端Ｃにおける値でこれをＭｍａｘとすると
最大曲げ応力は
【００６６】
【数２０】

【００６７】
となる。ここでＺ：アーチの断面係数＝（π／３２）・（Ｄｏ^４−Ｄｉ^４）／Ｄｏである。またＣ点の圧縮応力は
【００６８】
【数２１】

【００６９】
従って合応力は
【００７０】
【数２２】

【００７１】
なお、計算の結果、σＣはσＭｍａｘの２〜３％と小さく無視できることが分かった。即ち、
【００７２】
【数２３】

【００７３】
としてよい。従って最大応力は固定端に発生し
【００７４】
【数２４】

【００７５】
と表される。
【００７６】
例えば口径２５ｍｍでチューブ材料にステンレス製を用い、諸元をチューブ内径Ｄｉ＝１５ｍｍ、チューブ肉厚０．７５ｍｍとし突変温度１１０ ℃とした時、Ｌ＝３７１．４ｍｍ＝一定とし、φ１＝φ０＝４０°とした場合、直線長さＬ１を変えた時の最大応力σｍａｘ及びチューブ高さｈをグラフに示すと図５のようになる。この図から分かるように最大応力σｍａｘはＬ１≧１３０ｍｍで最小値（約１２５Ｎ／ｍｍ２）に収斂する。しかしＬ１を大きく取るとｈが増大するのでＬ１＝１３０ｍｍに取ると最大応力も少なく、寸法もコンパクトになる（白抜きのマークがそのポイントである。）のでこのポイントに決定することができる。
【００７７】
【発明の効果】
本発明によれば、計測流体が温度突変を起こしたときに、応力を所定の値に低く抑え、かつ、最もコンパクトになるようにチューブ形状を決定することが可能になる。
【００７８】
また、本発明は、フローチューブを円弧セグメントと直線セグメントから構成した並列２本の弓形管式であるために、応力分散、耐震性に優れているという効果を有している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用するコリオリメータを例示する図であり、入口配管及び出口配管を水平にして取り付けたと仮定して、その正面から見た部分的断面図（左側図）と、中央部で切断した側面図（右側図）である。
【図２】弓形チューブの諸元図である。
【図３】固定アーチを示す図である。
【図４】垂直方向の熱膨張によるモーメント図である。
【図５】直線長さＬ１を変えた時の最大応力σｍａｘ及びチューブ高さｈを示すグラフである。
【図６】中央の円弧部とその両側の直線部により構成される弓形構成のフローチューブを説明するための図である。
【図７】従来の弓形構成のフローチューブを有するコリオリメータの動作を説明するための概念図である。
【図８】従来の円弧構成のフローチューブを説明するための図である。
【符号の説明】
１フローチューブ
２フローチューブ
１２フレキシブルプリント板
１５駆動装置
１６，１７振動検出センサ
１８，１９フランジ
２５マニフォールド
２６鍔部
２８基板
３０基部
３１カバー
３４配線取出部[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an arcuate tubular coriolis meter of a type using two parallel arcuate flow tubes and a method for determining the shape thereof.
[0002]
[Prior art]
When both ends of the flow tube through which the fluid to be measured flows are supported, and the flow tube is vibrated around the supporting point in a direction perpendicular to the flow direction of the flow tube, the flow tube (hereinafter, the flow tube to be subjected to vibration, A mass flow meter (Coriolis meter) utilizing the fact that the Coriolis force acting on a flow tube is proportional to the mass flow rate is well known.
[0003]
Further, such a flow tube is made of two parallel tubes, and the two flow tubes are driven in resonance in opposite phases to each other, and at the same time, the measurement fluid is caused to flow equally through the two flow tubes. Even if the temperature changes or the temperature fluctuates, the natural frequencies of the two flow tubes are always equalized, so that the Coriolis meter can be driven efficiently and stably and is not affected by external vibration or temperature. It is known that can be configured.
[0004]
In such a conventional flow tube of two parallel Coriolis meters, the two flow tubes are resonantly driven in opposite phases to each other by a driving device including a coil and a magnet at the center. Further, a pair of vibration detection sensors composed of a coil and a magnet are installed at symmetrical positions on both left and right sides with respect to the mounting position of the driving device, and detect a phase difference proportional to the Coriolis force.
[0005]
The measuring fluid flows in from an external flow tube connected via a flange on the inlet side and is equally branched into two flow tubes. Then, they merge at the outlet side of the flow tube and flow out to an external flow pipe connected via a flange on the outlet side. As such two parallel Coriolis meters, a curved tube type and a straight tube type are known.
[0006]
The curved tube type two parallel Coriolis meters use and measure the vibration of the flow tube legs extending laterally from the main body, so it is necessary to secure the necessary length for the lateral legs. is there. That is, there is a problem that the size becomes large in shape.
[0007]
On the other hand, the straight tube type Coriolis meter has a straight tube flow tube arranged in the direction of the external flow tube line and vibrated in the direction perpendicular to the straight tube axis at the center of the straight tube supported at both ends. At this time, since the displacement difference of the straight pipe due to the Coriolis force between the support portion and the central portion of the straight pipe, that is, the mass flow rate is detected as a phase difference signal, such a straight pipe type Coriolis meter is A simple, compact and robust configuration can be achieved.
[0008]
However, the flow tube of a straight-tube Coriolis meter is affected by temperature because it needs to be fixedly supported on both sides. That is, when the temperature of the measurement fluid changes, the flow tube immediately follows and the temperature changes, whereas the temperature fluctuation of a fixed structure such as an outer casing for fixing the flow tube is delayed. For this reason, a difference occurs in the elongation between the flow tube and the fixed structure, and a stress is generated in the longitudinal direction, and the natural frequency of the tube changes due to a change in the spring constant caused by the difference. Therefore, the straight tube type Coriolis meter requires a separate stress absorbing means such as a diaphragm, a bellows or the like for the measure.
[0009]
The problem of elongation in the longitudinal direction due to such temperature fluctuation can be solved by forming the flow tube in an arc shape. U.S. Pat. No. 5,796,011 discloses a flow tube with such an arcuate configuration. FIG. 7 is a conceptual diagram for explaining the operation of a conventional Coriolis meter having a bow-shaped flow tube. The bow-shaped flow tube can disperse stress and is excellent in earthquake resistance. However, in the conventional arcuate tube, the connection between the manifold and the flow tube is in the tube axis direction. Therefore, as shown by the center R and the two r on both sides in the upper diagram of FIG. 7, the man-hour for bending the flow tube is required three times or more. Was disadvantageous. Also, the lower diagram in FIG. 7 shows two states of the flow tube during vertical vibration, and as shown therein, the vibration node itself fixed by the substrate is In such a case, accurate measurement could not be performed.
[0010]
US Pat. No. 5,796,011 also discloses a flow tube having an arc configuration as shown in FIG. However, such a simple arc-shaped flow tube cannot provide a smooth connection in line with the inlet or outlet conduit.
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
In view of the above, the present invention requires that the flow tube in an arcuate configuration not only have a simple one-way bent configuration, but also be in line with the inlet and outlet conduits and be smoothly connected. For this purpose, as shown in FIG. 6, a flow tube having an arcuate configuration is constituted by a central arc portion and straight portions on both sides thereof, and an inlet conduit and an outlet conduit have a predetermined rising angle, and are identical to the flow tube. It is desired to couple in a direction. However, in that case, it is necessary not only to design the flow tube compactly, but also to make the shape in consideration of the heat influence.
[0012]
In view of the above, the present invention provides a parallel two-arc tube type Coriolis meter having a flow tube composed of an arc segment and a straight line segment having excellent stress dispersion and seismic resistance. An object of the present invention is to determine the tube shape so that when a sudden change occurs, the stress is kept low to a predetermined value and the tube is most compact.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
The arcuate tube type coriolis meter and the shape determination method of the present invention provide two parallel flow tubes, an inlet-side manifold branched from the measurement fluid inlet into two flow tubes, and a measurement flowing through the two flow tubes. An outlet-side manifold that joins fluids and flows out from a measurement fluid outlet, a drive device that drives one flow tube in resonance with the other flow tube in a phase opposite to each other, and left and right with respect to the mounting position of the drive device A pair of vibration detection sensors are provided at symmetrical positions on both sides and detect a phase difference proportional to the Coriolis force. Each of the two flow tubes is formed in an arc shape including a central arc portion and respective straight portions on both sides thereof. Based on the target pressure loss including the manifold and the arc-shaped flow tube at the maximum flow rate, the target time phase difference of the sine wave output from the vibration detection sensor at the maximum flow rate, and the target natural frequency of the tube, between the tube inner diameter and the tube end point Is determined. The length of the straight portion is selected so that the thermal stress due to the sudden change temperature of the measurement fluid is reduced, and the vertical direction of the flow tube is within a range where the thermal stress is substantially constant even when the length of the straight portion is changed. The shape of the flow tube is determined so that the height is reduced.
[0014]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an arcuate tube type Coriolis meter using two parallel arcuate flow tubes of the present invention will be described based on an example. FIG. 1 is a diagram illustrating a Coriolis meter to which the present invention is applied. Assuming that an inlet pipe and an outlet pipe are mounted horizontally, a partial cross-sectional view (left view) viewed from the front thereof and a central portion thereof are shown. It is the side view (right figure) cut | disconnected by. The Coriolis meter shown can be mounted either horizontally or vertically when used. In addition, when mounted horizontally, as shown in FIG. It is possible to mount either with the top up or vice versa. However, in the case of gas measurement, it is desirable to make the curved convex portion upward as shown in the figure so that the liquid does not stay in the curved convex portion in the center of the flow tube, and conversely, in the case of liquid measurement, It is preferable that the convex portion be attached downward so that air bubbles do not stay.
[0015]
The flow tubes 1 and 2 of the illustrated Coriolis meter are flow tubes of the same shape curved in an arc shape, and both ends thereof are connected to the inlet and outlet manifolds 25 by welding or the like. In the following description, it is assumed that the measurement fluid flows in from the left side of FIG. 1 and flows out to the right side. The measuring fluid flows in from an external flow tube connected via a flange 18 and is equally divided into the two flow tubes 1 and 2 at the inlet side manifold. Then, at the outlet side of the flow tubes 1 and 2, they merge at the outlet side manifold 25 and flow out to the external flow pipe connected via the flange 19.
[0016]
Since the inflow side and the outflow side are configured symmetrically, the illustrated outflow side will be described. The manifold 25 draws an arc from its outflow port (connection portion with the flange 19) and smoothly moves upward in a predetermined angle direction. It turns and reaches the connection port with the flow tubes 1 and 2. In this way, by setting the tube connection port of the manifold to the tube rising angle, the flow tube itself simply curves in one direction, and the connected flow tube and manifold form a smooth bow shape as a whole I do. In addition, the manifold forms two flow paths so as to branch from one outlet into two flow tubes 1 and 2.
[0017]
As described above, the flow tubes 1 and 2 that perform an important function for vibration measurement have only a simple curved configuration in one direction, and the flow path is formed from two flow tubes to an external pipe. Complicated flow path changes in the direction are handled by the manifold. The flow tubes 1 and 2 can be fixed to the manifold by welding or the like, a flexible portion is not required, and thermal stress is absorbed by forming the flow tube in an arcuate shape, and the structure is strong against piping stress.
[0018]
A substrate 28 for forming a node of vibration when driven is provided near both ends of the flow tubes 1 and 2, which are fixed to each other so that the flow tubes 1 and 2 are maintained in parallel. are doing. When the substrate 28 is provided, the fixing point by the substrate 28 serves as a first fulcrum of vibration, and the connection end between the flow tubes 1 and 2 and the upper ends of the inlet and outlet manifolds 25 is a second fulcrum. And vibrate.
[0019]
In the drive device 15, a drive device coil is attached to one flow tube 1 and a drive device magnet is attached to the other flow tube 2 via a fixture at the center of the arcuate flow tube. The wiring to the drive coil is connected to the outside of the Coriolis meter via the flexible printed board 12 and via the wiring take-out part 34. The wiring take-out part 34 is supported by and penetrates the base 30 having a semicircular cross section. A cover 31 is integrally joined to the base portion 30 to form an airtight space inside in cooperation with the flange portion 26 of the manifold portion. The pair of

vibration detection sensors

16 and 17 have a detection sensor magnet attached to one flow tube 1 and a detection sensor coil attached to the other flow tube 2 via attachments on both sides of the driving device 15.
[0020]
In operation, the drive device 15 resonates the two flow tubes 1 and 2 at the center of the two parallel flow tubes 1 and 2 in opposite phases. The pair of

vibration detection sensors

16 and 17 are installed at symmetrical positions on both the left and right sides with respect to the mounting position of the driving device 15 and detect a phase difference proportional to the Coriolis force. The illustrated drive device 15 and the pair of

vibration detection sensors

16 and 17 are both disposed between the tube axes between the flow tube 1 and the flow tube 2. In other words, as shown in FIG. 1, when the two flow tubes are viewed in the overlapping direction, the driving device 15 and the pair of

vibration detection sensors

16 and 17 are respectively moved between the two flow tubes and between the two flow tubes. The tubes are arranged around a line connecting the central axes of the tubes. As a result, the driving force can be applied on the line connecting the central axes of the two flow tubes, and the Coriolis force based on the driving force can be detected, so that no inertia moment due to the oscillating inertia force is generated.
[0021]
As shown in the figure, two temperature sensors are provided. Variations in the distance between the fixed ends on both sides of the flow tube affect the vibration frequency and need to be corrected. The illustrated device performs this correction by measuring the representative temperature of the base 30 and estimating its elongation. In addition, a sensor is provided for measuring the temperature near the manifold connection end of the flow tube. This is for correcting a change in rigidity due to a change in temperature of the flow tube.
[0022]
The flow tube having an arcuate configuration shown in FIG. 1 is constituted by a central arc portion and straight portions on both sides thereof, and the inlet conduit and the outlet conduit are connected at a predetermined rising angle in the same direction as the flow tube. I have. It is necessary to determine the shape of such a flow tube not only in a compact design but also in consideration of heat effects.
[0023]
Hereinafter, a method for determining the tube shape so that the stress is suppressed to a predetermined value and the most compact when the measurement fluid undergoes a temperature change will be described with reference to FIGS.
[0024]
In FIG. 2, the connection points of the inlet and outlet manifolds of the flow tube are points C 'and C, respectively, the top point on the flow tube in the middle is point A, and the connection point between the central arc and the straight part is Is indicated as point B. The point A is set as the coordinate origin, and the x-axis positive direction is set rightward and the y-axis positive direction is set down therefrom. With reference to a line connecting the center of the arc of the arc and the point A, an angle to an arbitrary point in the arc is indicated by φ, an angle to an end point of the arc (ie, point B) is indicated by φ0, and a radius of the arc is indicated by R. I have. Further, the height of the flow tube is represented by h, the half of the length of the straight line connecting the points C 'and C (the linear distance between the end points) is represented by L / 2, and the angle formed by this straight line and the linear portion of the flow tube is represented by φ1. are doing.
[0025]
As a procedure for determining the shape of the flow tube, first, a ratio h / L = 1/3 to 1/4 (0.33) between the linear distance L between the end points of the flow tube and the vertical height h of the flow tube. To 0.25). The present invention is based on the above-mentioned viewpoint, and presupposes a two-row arc tube type Coriolis meter having excellent stress dispersion and earthquake resistance. Normally, the conventional curved tube type flow tube is configured so that h / L> 1.3, and the straight tube type flow tube is naturally configured such that h = 0 and h / L = 0. I have.
[0026]
Furthermore, as a premise for shape determination, the goal is to reduce the pressure loss including the manifold and the arc tube at the maximum flow rate to 1 bar or less. (The sum of the pressure loss due to the restricting effect of the inlet side manifold and the expanding effect of the outlet side manifold, and the pressure loss when the total length of the arcuate tube is set to the equivalent straight pipe length). Also, the objective is to make the time phase difference between the sine wave outputs from the two tube sensor coils at the maximum flow rate 6 μs or more. The natural frequency of the tube is set to 250-400 Hz, which is higher than the commercial frequency.
[0027]
Based on the above assumptions, the tube inner diameter Di and the linear distance L between the end points are determined. Next, in the arcuate tube roughly determined in this way, details of the shape with less stress due to the sudden change temperature of the measurement fluid are obtained. As a result, the maximum stress generated at the fixed end can be obtained as shown in the following equation (24). And since this maximum stress can be calculated | required in connection with the length L1 of a linear part, the vertical height h of a tube can be calculated | required with the length L1 where a maximum stress becomes small. Hereinafter, this will be described in detail.
[0028]
As shown in FIG. 2, the point A in the figure is the top of the arcuate tube, the arc tube (half) is between A and B, the straight tube is between B and C, and the points C and C 'are fixed. ing. From the condition of tube continuation, φ0 = φ1. The thermal stress generated in the tube when the temperature of the liquid flowing inside the tube suddenly changes (split) from t1 to t2 is obtained. The point at which the point moves by d in the y-axis direction from the point A, that is, the elastic center ( The analysis is performed taking the point of moment 0 due to thermal expansion) as the origin. The coordinates with the center of elasticity as the origin are represented by (x1, y1). That is, x1 = x and y1 = yd.
[0029]
According to Timoshenko, the origin of the coordinates is moved from point A to point O with a fixed arch as shown in FIG. 3, the longitudinal elastic modulus of the tube material is E, and the second moment of area of the tube = π / 64 (Do ⁴ −Di). ⁴ ) If is I, the new ordinate y1 = yd is given by the following condition:
(Equation 1)

[0031]
When the distance d is selected so as to satisfy the following expression, d is expressed by Expression (2).
[0032]
(Equation 2)

[0033]
First, consider the elastic strain energy U _x due to expansion in the x-direction due to temperature abrupt change. s: the length of the arch at any position, ds: the minute length of the arch at any position, U: elastic strain energy, Mx: moment in the X-axis direction, My: moment in the Y-axis direction, N: compression of the tube, alpha: temperature expansion coefficient of the tube material, t: a temperature or temperature difference of the tube, bending the compressive force is a horizontal force in the elastic center (O point) H _o and the elastic center (O point) taking a moment M _o to Fusei quantitatively from the second theorem of Castelli Arno,
[0034]
(Equation 3)

[0035]
(Equation 4)

[0036]
Holds. Here [0037]
(Equation 5)

[0038]
Since _Mo = 0 due to the condition of the center of elasticity,
(Equation 6)

[0040]
Is obtained. The bending moment and the compressive force of an arbitrary section of the arcuate tube are obtained by the equations (5) and (6). By solving the equation (2) d by inserting the specifications of the arcuate tube by the arc and the straight line as shown in FIG.
(Equation 7)

[0042]
Here, R is the arc radius of the arc portion of the arched tube.
[0043]
Therefore, the distance from the vertex A to the center of elasticity is
(Equation 8)

[0045]
It is expressed as
Similarly, solving equation (6) gives
(Equation 9)

[0047]
It becomes. Here [0048]
(Equation 10)

[0049]
(Equation 11)

[0050]
From equations (5), (9), (10), and (11), the bending moment and the compressive force N 1 of the arbitrary tube cross section are obtained. Here, A: cross-sectional area of the tube = π · (Do ² −Di ² ) / 4, Do: tube outer diameter, Di: tube inner diameter.
[0051]
Next, in the vertical direction due to thermal expansion, as shown in FIG. 4, if the static stabilizing force is H1 and the static stabilizing moment is M1, the following equation is established.
[0052]
(Equation 12)

[0053]
From Castelliano's second theorem, if the elastic strain energy is Uy, then
[0054]
(Equation 13)

[0055]
Also,
[0056]
[Equation 14]

[0057]
From this [0058]
[Equation 15]

[0059]
Is obtained. Here,
(Equation 16)

[0061]
[Equation 17]

[0062]
(Equation 18)

[0063]
Since Mx and My have the same orientation, they are added and the resultant moment M is
[Equation 19]

[0065]
It becomes. The maximum moment is a value at the fixed end C, and when this is M max, the maximum bending stress becomes
(Equation 20)

[0067]
It becomes. Here, Z: section modulus of arch = (π / 32) · (Do ⁴ −Di ⁴ ) / Do. The compressive stress at point C is
[Equation 21]

[0069]
Therefore, the resultant stress is
(Equation 22)

[0071]
As a result of the calculation, it was found that σC was as small as 2-3% of σMmax and could be ignored. That is,
[0072]
(Equation 23)

[0073]
It may be. Therefore, the maximum stress occurs at the fixed end.
(Equation 24)

[0075]
It is expressed as
[0076]
For example, when stainless steel is used as the tube material with a bore of 25 mm, the dimensions of the tube are Di = 15 mm, the tube wall thickness is 0.75 mm, and the sudden change temperature is 110 ° C., L = 371.4 mm = constant, φ1 = φ0 = 40 °, the graph shows the maximum stress σmax and the tube height h when the linear length L1 is changed as shown in FIG. As can be seen from this figure, the maximum stress σmax converges to a minimum value (about 125 N / mm2) when L1 ≧ 130 mm. However, if L1 is large, h increases, and if L1 = 130 mm, the maximum stress is small and the dimensions are compact (the white mark is that point), so this point can be determined.
[0077]
【The invention's effect】
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, when a measurement fluid undergoes a temperature sudden change, it becomes possible to suppress a stress to a predetermined value low and to determine a tube shape so that it may become the most compact.
[0078]
In addition, the present invention has an effect of being excellent in stress dispersion and earthquake resistance because the flow tube is a two-row arcuate tube type comprising a circular arc segment and a straight line segment.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram illustrating a Coriolis meter to which the present invention is applied, assuming that an inlet pipe and an outlet pipe are installed horizontally, and a partial cross-sectional view (left view) as viewed from the front thereof, and a central portion. It is the side view (right figure) cut | disconnected by.
FIG. 2 is a schematic view of an arcuate tube.
FIG. 3 shows a fixed arch.
FIG. 4 is a moment diagram due to thermal expansion in a vertical direction.
FIG. 5 is a graph showing the maximum stress σmax and the tube height h when the linear length L1 is changed.
FIG. 6 is a view for explaining an arc-shaped flow tube constituted by a central arc portion and straight portions on both sides thereof.
FIG. 7 is a conceptual diagram for explaining an operation of a Coriolis meter having a conventional flow tube having an arcuate configuration.
FIG. 8 is a view for explaining a flow tube having a conventional arc configuration.
[Explanation of symbols]
1 Flow tube 2 Flow tube 12 Flexible printed board 15

Drive device

16, 17

Vibration detection sensor

18, 19 Flange 25 Manifold 26 Flange 28 Substrate 30 Base 31 Cover 34 Wiring take-out part

Claims

Two parallel flow tubes, an inlet manifold that branches from the measurement fluid inlet into two flow tubes, and an outlet manifold that joins the measurement fluid flowing through the two flow tubes and flows out from the measurement fluid outlet A driving device for driving one of the flow tubes in resonance with the other flow tube in an opposite phase to each other, and a driving device which is installed at symmetrical positions on both left and right sides with respect to the mounting position of the driving device and is proportional to the Coriolis force. An arcuate tubular Coriolis meter comprising a pair of vibration detection sensors for detecting a phase difference,
Each of the two flow tubes is formed in an arc shape including a central arc portion and respective straight portions on both sides thereof,
Based on the target pressure loss including the manifold and the arc-shaped flow tube at the maximum flow rate, the target time phase difference of the sine wave output from the vibration detection sensor at the maximum flow rate, and the target natural frequency of the tube, between the tube inner diameter and the tube end point Determine the straight line length of
The length of the linear portion is selected so that the thermal stress due to the sudden change temperature of the measurement fluid is reduced, and the vertical direction of the flow tube is within a range where the thermal stress is substantially constant even when the length of the linear portion is changed. The flow tube shape was determined by reducing the height in the direction,
An arcuate tube type Coriolis meter, characterized in that:

Two parallel flow tubes, an inlet manifold that branches from the measurement fluid inlet into two flow tubes, and an outlet manifold that joins the measurement fluid flowing through the two flow tubes and flows out from the measurement fluid outlet A driving device for driving one of the flow tubes in resonance with the other flow tube in an opposite phase to each other, and a driving device which is installed at symmetrical positions on both left and right sides with respect to the mounting position of the driving device and is proportional to the Coriolis force. In a method for determining the shape of an arcuate tubular Coriolis meter comprising a pair of vibration detection sensors for detecting a phase difference,
Each of the two flow tubes is formed in an arc shape including a central arc portion and respective straight portions on both sides thereof,
Based on the target pressure loss including the manifold and the arc-shaped flow tube at the maximum flow rate, the target time phase difference of the sine wave output from the vibration detection sensor at the maximum flow rate, and the target natural frequency of the tube, between the tube inner diameter and the tube end point Determine the straight line length of
The length of the linear portion is selected so that the thermal stress due to the sudden change temperature of the measurement fluid is reduced, and the vertical direction of the flow tube is within a range where the thermal stress is substantially constant even when the length of the linear portion is changed. The flow tube shape was determined by reducing the height in the direction,
A method for determining the shape of an arcuate tubular Coriolis meter, characterized in that: