JP3790236B2 - コリオリメータ - Google Patents

Description

本発明は、並列２本の弓形フローチューブを有するコリオリメータに関する。

コリオリメータは、被測定流体の流通するフローチューブの両端を支持し、該支持点回りにフローチューブを流れ方向と垂直な方向に振動したとき、フローチューブ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である。

図８は、このような従来のコリオリメータの一例を示す概略構成図であり（例えば、特許文献１参照）、並列２本弓形湾曲管タイプのものを示している。図８は、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）と、分流管部で切断した側面図（右側）である。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、入口側分流管で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、出口側分流管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。フローチューブ１、２は、２本の並列弓形湾曲管によって構成されると共に、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１５によって、この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１６、１７が、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、コリオリの力に比例した位相差を検知している。

このようなコリオリメータは、特に大口径（大型）のものにおいて、フローチューブ駆動エネルギーが大きく、分流管（マニフォールド）や支持部材へ振動エネルギーが伝わることで分流管や支持部材自身に振動が発生し、流量計としての性能の安定性が低下する。分流管と支持部材の剛性が足りなければ、フローチューブの振動に伴い分流管および支持部材自身が振動し、また分流管および支持部材の質量が足りなければ、フローチューブから漏洩した振動工ネルギーを吸収することができず流量計全体が振動してしまう。よって流量計としての性能を安定させるためには支持部材には剛性と質量の両者を確保させなければならない。ただし、分流管は複雑形状のため鋳造品で製造する必要があることから、製造上の問題であまり大きな質量を持たせることは好ましいことではない。

図８に示した分流管はフローチューブと溶接により接続されるので、分流管のフローチューブとの接続部分はフローチューブと同様な形状にならざるを得ない。そのため、例えば、分流管の接続部分の肉厚を厚くするようなことはできないので、その部分の剛性が一層劣る。そのことにより分流管に振動が発生し、流量計の性能を落とす要因となる。

支持部材に剛性を持たせる最も単純な方法として支持部材断面に空間のないもの（無垢材等）を使用することが考えられるが、この方法はコスト高となる。よって従来では、低コストで支持部材に剛性を持たせる方法として、その断面において断面重心から離れた位置に断面の質点を均一の幅で集合させている形状（パイプ、チャンネルなど）を使用することが多い。しかしながらこの方法で質量を十分に持たせるためには、肉厚を増大させなければならず、特に大口径の流量計においては製造上困難な肉厚になりコストの増大になる。
特開２００１−１７４３０７号公報

そこで、本発明は、係る問題点を解決して、フローチューブの駆動による分流管と支持部材の振動を抑制し、流量計としての性能を安定させることを目的としている。

また、本発明は、支持部材に肉厚を増大させたパイプ、チャンネルなどを用いることなく、支持部材に剛性と質量の両者を確保することを目的としている。

本発明のコリオリメータは、並列２本のフローチューブと、該２本のフローチューブ両端がそれぞれ結合される流入側分流管及び流出側分流管と、これら両分流管を連結して支持するスペーサとして機能する支持部材とを備える。両分流管のフローチューブ結合部分において、分流管に剛性を持たせるために結合した補強部材を備え、この補強部材は、２本のフローチューブのそれぞれを結合するために形成されている各分流管の２つの管状の接合部を一体に結合する。

また、支持部材は、フローチューブ延長側を開放した断面コの字状或いは断面Ｕ字状に均一な厚さで構成すると共に、その開放側を、少なくとも支持部材の肉厚より厚い質量部材又は複数の部材を重ね合わせて肉厚の合計が少なくとも支持部材の肉厚よりも厚くなるように構成された質量部材によって蓋をするように結合する。

本発明は、分流管に大きな質量を持たせなくても分流管振動を軽減させることができ、流量計としての性能の安定性を得ることができる。

また、本発明は、支持部材と質量部材を分断できるので、適正な剛性、適正な質量を別々に評価することができ、結果としてコスト効率のよい支持部材を形成できる。

以下、例示に基づき、本発明を説明する。図１は、本発明を具体化する並列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の一例を示す図であり、（Ａ）は、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）で、（Ｂ）は、その中央部で切断した側面図（右側）である。

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、入口側及び出口側分流管（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、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、入口側分流管で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、出口側分流管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。

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、分流管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、分流管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分流管は、全体として滑らかな弓形形状を構成する。また、分流管は、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。

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、分流管で対応している。フローチューブ１、２は、分流管と溶接により固着される。

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分流管２５の上端との結合端が第２の支点となって振動する。

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。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。駆動装置コイル及び検出センサコイルへの配線は、それぞれフローチューブ外面に沿わせた後、中央に位置する配線取出部３４を介してコリオリメータ外部に導出される。配線取出部３４は、支持部材３０に支持されると共に、それを貫通している。流量計全体を両側分流管部で保持している支持部材３０は、密閉状態を構成するように耐圧ケース３１と溶接によって結合されている。

このように、図１に例示したコリオリメータは、フローチューブ両端に2つの分流管（マニフォールド）を備え、かつこれら2つの分流管を連結する分流管スペーサとして機能する支持部材３０を備えている。このような構成のコリオリメータにおいて、本発明は、分流管に剛性を持たせるために、分流管のフローチューブ接続部分に補強部材８を備え、かつ、支持部材に剛性と質量の両者を持たせるために、支持部材を均一な厚さで所定の形状にすると共に質量部材９によって結合して構成する。

まず、補強部材８について説明する。図２は、分流管のフローチューブ接続部分に補強部材８を取り付ける前の状態（Ａ）と、取付後の状態（Ｂ）を示している。図３は、図２（Ｂ）に示した取付後の状態を示す概略断面図である。

分流管はフローチューブと溶接により接続されるので、分流管のフローチューブとの接続部分はフローチューブと同様な形状にならざるを得ず、その分流管の接続部分の肉厚をあまり厚くすることはできない。そのため、図示したように、分流管のチューブ溶接部分は、管状の2つの突起部分（接合部）となり、そのそれぞれの突起部分がフローチューブと溶接される。補強部材は、この２つの突起部分に相当する穴が開けられた１つの板状の部材で構成する。このような補強部材８は、その２つの穴に分流管の突起部分を挿入するように配置して、真空ろう付け又は溶接により固定する。これによって、２本のフローチューブのそれぞれのために形成されている２つの突起部分は、一体に結合される。

このように固定した補強部材８によって、分流管の接続部分の剛性を高めて、分流管に振動が漏洩してくるのを防止することができる。

次に、支持部材に剛性と質量を持たせるための質量部材について説明する。支持部材３０は、流量計全体を両側分流管部で保持するためのものであり、図１に示した例では、フローチューブ延長側である上部が開放した断面コの字状に形成されている。この支持部材３０は、耐圧ケース３１と結合されて、密閉状態を構成している。この支持部材３０は、所定の均一な肉厚で断面コの字状に構成することにより所定の剛性を有することが可能となる。しかし、その加工性等を考慮すると、肉厚を所定以上に厚くすることはできず、また、その形状からして、断面重心まわりに質点が存在しない構成となる。

このような支持部材３０に対して、さらにその剛性と質量を付加するために、質量部材９が支持部材３０の開放側に結合される。質量部材は、単純な板状に構成することにより、その断面形状は少なくとも支持部材の肉厚より厚い厚肉部材とすることが容易に可能となる。このような質量部材を、断面コの字状の支持部材の上部開放部を塞ぐように、両側分流管（マニフォールド）部を除いて取り付ける。取り付けた状態の支持部材断面図を、図４に示している。図４（Ａ）は、断面コの字状の支持部材３０を例示し、かつ（Ｂ）は、断面Ｕ字状の支持部材３０を例示している。支持部材３０と質量部材９は、溶接やネジ等で結合する。このように、断面コの字状或いはＵ字状の支持部材３０に質量部材９を結合することにより、その全体形状を断面ボックス形状に事実上変更して、さらに剛性を高めることが可能となる。

並列２本のフローチューブを用いるタイプのコリオリメータは、２本のフローチューブが反対位相で駆動されるので、その振動はメータ外部には漏れ出ないのが理想であるが、実際には外部に振動が漏洩する。本発明は、ベース部分の質量を効率的に大きくして、振動エネルギーを受け止めるのに十分な剛性及び質量とすることにより、配管振動を減らすことができる。

支持部材は、大きな剛性を持たせるために、その断面において断面重心から離れた位置に断面の質点を均一の肉厚で集合させている形状、即ち、断面の断面二次モーメントが大きい形状、例えば図４（Ａ）（Ｂ）に例示したような形状が望ましい。

質量部材は、振動支点（フローチューブと分流管との結合位置）よりも下側であって、かつ振動支点に近い位置が、支持部材の剛性を増す点からも望ましい。また、質量部材、支持部材はメータ重心を通り配管軸に垂直な面に対し左右対称に構成され、さらに検出器重心を通りチューブ駆動方向軸に垂直な面に対しても実質的に左右対称に構成される。

質量部材が必要とする板厚ｈについて、さらに、図５を参照して説明する。図示のように、支持部材は、断面コの字状の形状（幅Ａ、高さＢ、板厚ｔ、長さＬ）を有し、かつ、質量部材は、長方形断面の板状（板厚ｈ、長さ2/3Ｌ）であるとする。

さらに、支持部材断面の、チューブ駆動方向に平行な軸まわりの断面二次モーメントをＩ₁、質量部材断面の、チューブ駆動方向に平行な軸まわりの断面二次モーメントをＩ₂、支持部材質量をＷ₁、質量部材質量をＷ₂とすると、それぞれ以下の通りとなる。
支持部材質量：Ｗ₁＝｛２Ｂｔ＋（Ａ−２ｔ）ｔ｝×Ｌ (1)
質量部材質量：Ｗ₂＝（Ａ−２ｔ）ｈ×２／３Ｌ (2)
支持部材断面二次モーメント：
Ｉ₁＝２ｔ／３×（Ｙ₁ ³＋Ｙ₂ ³）＋Ａ／３×｛（Ｙ₁＋ｔ）³−Ｙ₁ ³｝ (3)
但し、Ｙ₁＝｛２（Ｂ−ｔ）²−Ａｔ｝／｛４（Ｂ−ｔ）＋２Ａ｝
Ｙ₂＝Ｂ−ｔ−Ｙ₁
質量部材断面二次モーメント：
Ｉ₂＝（Ａ−２ｔ）ｈ³／１２ (4)
支持部材と質量部材のそれぞれが有する機能よりして、以下の条件を仮定する。即ち、
Ｉ₁＞Ｉ₂（断面二次モーメントにおいて、支持部材の方が質量部材より大きい）
Ｗ₁＜Ｗ₂（質量において、質量部材の方が支持部材より大きい）
このとき、板厚ｈに必要とされる範囲は
（３／２）×｛２Ｂｔ＋（Ａ−２ｔ）ｔ｝／（Ａ−２ｔ） ＜ ｈ ＜
³√｛｛８ｔ（Ｙ₁ ³＋Ｙ₂ ³）＋４Ａ（（Ｙ₁＋ｔ）³−Ｙ₁ ³）｝／（Ａ−２ｔ）｝ (5)
となる。

図６は、補強部材を備えた場合と、無しの場合のそれぞれについて測定した振動結果を例示している。縦軸は、配管振動強さを加速度計の出力電圧で表示している。計測位置は、５がコリオリメータの中央であり、４と６が左右両側のフランジ部、そしてそこから３，２，１と左側に、また、７，８，９と右側に離れた位置で測定した。垂直方向の縦振動は、格別の効果は見られなかったものの、チューブ駆動方向の横振動は、補強部材を備えることにより振動が大きく低下することが見られる。

図７（Ａ）（Ｂ）は、質量部材のウエイトを変えた場合について、測定した振動結果を例示している。縦軸は、配管振動強さを加速度計の出力電圧で表示している。計測位置は、１０，１１，１２がコリオリメータの中央であり、６〜９、１３〜１６が左右両側のフランジ部、そしてそこからさらに左側及び右側に離れた位置で測定した。垂直方向の縦振動と、チューブ駆動方向の横振動のいずれについても、ウエイトを増すにつれて、振動が低下することが見られる。

本発明を具体化する並列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の一例を示す図である。 分流管のフローチューブ接続部分に補強部材を取り付ける前の状態（Ａ）と、取付後の状態（Ｂ）を示す図である。 図２（Ｂ）に示した取付後の状態を示す概略断面図である。 質量部材を取り付けた状態の支持部材断面図を示す図である。 質量部材が必要とする板厚ｈについて説明する図である。 補強部材を備えた場合と、無しの場合のそれぞれについて測定した振動結果を例示するグラフである。 質量部材のウエイトを変えた場合について、測定した振動結果を例示するグラフである。 従来のコリオリメータの一例を示す概略構成図である。

符号の説明

１，２ フローチューブ
８ 補強部材
９ 質量部材
１５ 駆動装置
１６，１７ 振動検出センサ
１８，１９ フランジ
２５ 分流管（マニフォールド）
２８ 基板
３０ 支持部材
３１ 耐圧ケース
３４ 配線取出部

Claims (1)

1. 並列２本のフローチューブと、該２本のフローチューブ両端がそれぞれ結合される流入側分流管及び流出側分流管と、これら両分流管を連結して支持するスペーサとして機能する支持部材とを備えるコリオリメータにおいて、
   両分流管のそれぞれを結合したフローチューブ結合部分において、分流管のこの結合部分に剛性を持たせるために結合した補強部材を備え、
   該補強部材は、２本のフローチューブのそれぞれを結合するために形成されている各分流管それぞれの前記フローチューブ結合部分を一体に結合し、
   前記支持部材は、フローチューブ延長側を開放した断面コの字状或いは断面Ｕ字状に均一な厚さで構成すると共に、その開放側を、少なくとも支持部材の肉厚より厚い質量部材又は複数の部材を重ね合わせて肉厚の合計が少なくとも支持部材の肉厚よりも厚くなるように構成された質量部材によって蓋をするように結合した、
   ことから成るコリオリメータ。
   

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