JP3834144B2 - カウンタバランスチューブ式コリオリ流量計 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フローチューブと平行に配置されたカウンタバランスチューブを備えるカウンタバランスチューブ式のコリオリ流量計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
コリオリ流量計は、測定媒体が流れる両端支持された測定管を振動させたとき、測定管に作用するコリオリ力の力が測定媒体の質量流量に比例することを利用して質量流量の測定を行うものである。
【０００３】
振動させる測定管としての形状は湾曲管と直管とに大別されるが、直管単管式のコリオリ流量計は、両端を支持された単管の中央部単管軸に垂直な方向に振動したとき、単管の支持部と中央部との間でコリオリの力による単管の変位差、即ち位相差信号として質量流量を検知する。単管式のコリオリ流量計は、単管の中央部に配設された加振器により、両端支持点を節として１次の振動モードにより駆動されると共に、その中央加振器と、両端支持点のそれぞれとの間に対称に位相検出器が配設され、測定流体の流通によりコリオリの力に基づき単管に作用する位相差が検出される。
【０００４】
このような単管式のコリオリ流量計は、コンパクトで液溜まりが無いなどの特徴で注目されているが、しかし、単管を振動させるには、エネルギーが外に漏れることがないように流量計そのものの重量を重くするか流量計の取付を強固にする必要があり、実際には所期の精度を得ることができない。このため、計測チューブに同軸若しくは平行のカウンタバランスチューブ（以下カウンタチューブという）を逆位相で振動させ、振動バランスを保つことが知られている。
【０００５】
図５は、同軸カウンタチューブを備えた従来技術のコリオリ流量計の概念図を示している。このコリオリ流量計は、同軸のカウンタチューブ９をフローチューブ４の外周側に備えた二重直管形のものである。直管状のフローチューブ４には被測定流体が流れる。フローチューブ４とカウンタチューブ９は、その両側で剛体である連結ブロック１２により同軸に固着されている。カウンタチューブ９に取り付けた図示しないバランスウエイトの重量により、両側の連結ブロック１２を支持部としたフローチューブ４の固有振動数と、カウンタチューブ５の固有振動数が等しくなるよう調整されている。更に、カウンタチューブ９の中央部には、フローチューブ４をカウンタチューブ９と互いに反対位相で共振駆動するための駆動装置７が取り付けられ、そして駆動装置７の両側の対称位置に一対のセンサ８が設置されて、コリオリの力によるフローチューブ４の位相差を検知している。
【０００６】
このような二重直管式のコリオリ流量計は、測定流体の温度が変わると、フローチューブ４は直ちに追随して温度が変わるのに対して、同軸のカウンタチューブ９の温度変動には遅れが生じる。このため、フローチューブ４とカウンタチューブ９は伸びに差を生じて、長手方向に連結ブロック１２に対して応力が発生する。この応力に基づく測定値への影響は補正する必要があるものの、この応力自体は、同軸二重管の中心に対して対称に発生するため、二重管を撓ませ、湾曲変形させることがないという点で優れている。
【０００７】
しかし、二重直管形は、フローチューブ４とカウンタチューブ９の口径比を、あまりに大きくすることはできない。その結果として、フローチューブ４の口径を一定限度以下に小さく構成することができない。
【０００８】
フローチューブ４とカウンタチューブ９の口径比を大きくすることができないのは、両者の剛性比が大きくなると、フローチューブ４のカウンタチューブ９に対する振動数が大きくなり、振動バランスがとりにくくなるからである。他方、フローチューブ４とカウンタチューブ９の間隔は、駆動装置及び検出センサの取付等の機械加工上の観点より、絶対値として、最低３mm程度が必要になるため、小さなフローチューブ４に対しては、必然的に口径比が大きくなる。例えば、５mmの口径のフローチューブ４に対しても、３mmの間隔が必要になり、カウンタチューブ９の口径を１１mmにすることが必要になる。この５mmと１１mmの口径比は、振動バランスをとりにくくする程に大きなものである。
【０００９】
このように、二重直管形は、小さなフローチューブ４に対しては、カウンタチューブ９との口径比が大きくなるため、上記のように、振動バランスをとることが困難になる。
【００１０】
図６は、平行カウンタチューブを備えた従来のコリオリ流量計の概念図を示している。このコリオリ流量計は、フローチューブ４と、図示の下方に平行に備えられたカウンタチューブ９とから成る平行直管形である。直管状のフローチューブ４には被測定流体が流れる。フローチューブ４とカウンタチューブ９は、その両側で剛体である連結ブロック１２により振動方向（上下方向）において平行に固着されている。二重直管形と同様に、カウンタチューブ９に取り付けた図示しないバランスウエイトの重量により、両側の連結ブロック１２を支持部としたフローチューブ４の固有振動数と、カウンタチューブ９の固有振動数が等しくなるよう調整されている。更に、カウンタチューブ９の中央部には、フローチューブ４をカウンタチューブ９と互いに反対位相で共振駆動するための駆動装置７が取り付けられ、そして駆動装置７の両側の対称位置に、コリオリの力によるフローチューブ４の位相差を検知するための一対のセンサ８が設置されている点でも、上述の同軸の二重直管形と異なるものではない。
【００１１】
このような平行直管式のコリオリ流量計において、測定流体の温度が変わり、フローチューブとカウンタチューブに温度差ができた場合には、二重直管形同様に、両チューブ間に伸びの差を生じ、これが、長手方向に連結ブロック１２に対して応力を発生することになるが、この応力は、二重直管形とは異なり、フローチューブ４の中心に対して非対称に発生する。このため、フローチューブを撓ませ、湾曲変形させるような応力が加わることになる。例えば、測定流体の温度が上昇したとき、連結ブロック１２間で、カウンタチューブ９よりもフローチューブ４の長さが長くなって、フローチューブ４の中央部を上方に湾曲変形させることになる。また、非常に細いチューブ上の３個のコイルへの配線を施さなければならず、これは、振動の安定性を阻害し、流量計の精度を悪化させることになる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、特に口径の小さな細いフローチューブに対して、振動バランスをとることが困難になるという同軸の二重直管形の問題点を解決することを目的としている。
【００１３】
また、本発明はかかる二重直管形の問題点を解決するためにカウンタチューブをフローチューブと平行に備えるものであるが、上記平行直管形の問題点をも解決して、測定流体に温度変動があっても、フローチューブに非対称な応力が加わることがないようにした新規なカウンタバランスチューブ式コリオリ流量計を提供することを目的としている。
【００１４】
さらに、本発明は、駆動装置及びセンサの取り付け及び配線構成を改良して、特に細いフローチューブに対して振動の安定性を確保し流量計精度の悪化を防いだ新規なカウンタバランスチューブ式コリオリ流量計を提供することを目的としている。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
カウンタバランスチューブ式コリオリ流量計は、被測定流体が流れる直管状のフローチューブ４と、該フローチューブ４と平行に配置されてカウンタバランサとして機能するように両端が該フローチューブ４に固定された中空筒状のカウンタチューブ９と、駆動装置７と、一対のセンサ８とから構成されて、フローチューブ４をカウンタチューブ９とは逆位相で駆動装置７によって共振振動させ、該振動によりフローチューブ４の両側において該フローチューブ４に作用するコリオリの力に比例した位相差を一対のセンサ８により検知することにより質量流量を測定する。本発明は、このようなカウンタバランスチューブ式コリオリ流量計において、フローチューブ４の外周側に間隔をあけて同軸に支持シリンダ５を備え、該支持シリンダ５を、フローチューブ４とカウンタチューブ９との軸方向両側固定位置において、フローチューブ４に一体に固定することを特徴としている（請求項１）。このように、フローチューブ４と同軸に固定されている支持シリンダ５により、測定流体温度に変動があっても、フローチューブ４がその中心に対して非対称にひずんで、変形するようなことはなくなる。
【００１６】
また、本発明のカウンタバランスチューブ式コリオリ流量計は、支持シリンダ５をフローチューブ４に固定する手段として、カウンタチューブ９をも一体に結合する板部材（結合プレート６）から構成し、かつこの板部材は、前記フローチューブの半径方向両外方向に伸びて板バネ１４として機能する延長部を有し、この延長部を外筐１に固定することを特徴としている（請求項２）。この板部材の弾性により、流体温度の変動に基づく各チューブの温度差による熱応力を吸収することができると共に、一体に形成した板バネ１４によりフローチューブ４、カウンタチューブ９、チューブアッセンブリー全体の支持点が同一平面上にあり、支持部の特性変化の影響を受けにくく、安定した振動を得ることができる。
【００１７】
また、本発明のカウンタバランスチューブ式コリオリ流量計は、前記一対のセンサ８のピックアップコイルを支持シリンダ５に設置したことを特徴としている（請求項３）。これによって、配線は剛性の高い振動しない支持シリンダ５に施行でき、ＳＮ比の高い計測が可能になる。
【００１８】
また、本発明のカウンタバランスチューブ式コリオリ流量計は、センサ８を、支持シリンダ５に設置したピックアップコイル１７と、フローチューブ４とカウンタチューブ９の各々に設置したマグネット１８とで構成したことを特徴としている（請求項４）。これによって、フローチューブ４とカウンタチューブ９の相対出力を検出するようにして、外乱影響による誤差をなくすことができる。
【００１９】
さらに、本発明のカウンタバランスチューブ式コリオリ流量計は、駆動装置７を、支持シリンダ５に設置した駆動コイル１５と、フローチューブ４とカウンタチューブ９の各々に設置したマグネット１６とで構成したことを特徴としている（請求項５）。この構成にしたことにより、非常に細いチューブに大きなコイルを設置することなく、かつ駆動コイル１５及び駆動コイルの配線は剛性の高い振動しない支持シリンダ５に施行できるので、フローチューブ４及びカウンタチューブ９の振動を阻害せずに、安定した振動を得ることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を、その実施の形態に基づき、図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明を適用するカウンタバランス方式コリオリ流量計の一例を示している。図２は、図１に示した結合プレート６による結合部分を拡大して詳細に示す図である。図において、１は外筐、２は配管との接続フランジ、４は測定流体が流れるフローチューブ、５は該フローチューブ４を同軸に支持する支持シリンダ、６はフローチューブ４と支持シリンダ５及びカウンタチューブ９とを一体に結合する結合プレート、７はフローチューブ４を共振振動させる駆動装置、８はセンサ、１０はバランスウエイト、１４は板バネである。
【００２１】
このカウンタバランス方式コリオリ流量計は、両端に接続フランジ２を有する中空円筒状の外筐１を有し、外筐１内には、被測定流体が流れる直管状の、例えばステンレス、ハステロイ、チタン合金等から構成されるフローチューブ４が配設されている。このフローチューブ４の図示下方には、その長さ方向両端部を除き平行に、中空筒状カウンタチューブ９が、結合プレート６を介して、その両側において固定されている。そして、この位置が振動支点となる。カウンタチューブ９は、弾性を有する、例えばステンレス、ハステロイ、チタン合金等によって構成すると共に、その中央部にバランスウエイト１０を取り付けていて、全体としてカウンタバランサとして機能する。
【００２２】
本発明を適用するカウンタバランス方式コリオリ流量計は、さらに、前記フローチューブ４の外周側に間隔をあけて同軸に支持シリンダ５を備えている。支持シリンダ５は、その両端が、前記結合プレート６によりフローチューブ４に、そしてそれ故、カウンタチューブ９に一体に結合されている。この結合プレート６はまた、例えばステンレス、ハステロイ、チタン合金等によって構成することができる。
【００２３】
駆動コイルとマグネット等からなる駆動装置７は、フローチューブ４とカウンタチューブ９を逆位相で共振振動させるために、一方にコイル、他方にマグネットを取り付けている。このようにして、フローチューブ４をその固有振動の一次モードで振動させる。そして、流体が流れたとき、振動のスピードが最大となる中央部を境に、流入側と流出側ではコリオリ力が反対方向となりフローチューブはうねるようにたわむことになる。これを二次モード成分と称しているが、フローチューブは、駆動装置による加振に基づく一次モードの振動と、コリオリ力に基づく二次モードの振動が重畳される形で変位する。一対のセンサ８は、駆動装置７の両側で二次モード成分が最大となる位置で、支持シリンダ５に設置されて、コリオリの力によるフローチューブ４の位相差を検知し、これによって質量流量を知ることができる。
【００２４】
また、ピックアップコイルとマグネット等により構成することのできる一対のセンサ８は、図示したように、フローチューブ４と支持シリンダ５間の相対出力を検出するよう構成する。計測すべきは、フローチューブ４の二次モード振動であるから、駆動装置７が設置されて振動しているカウンタチューブ９ではなく、振動していない支持シリンダ５にセンサ８のピックアップコイルを設置することにより、ＳＮ比の高い計測が可能になる。さらに、一般的に、この種のコリオリ流量計は、センサにより検出される振幅値が一定になるように、駆動装置７を制御しているが、振幅値を、フローチューブ４と支持シリンダ５の間で検出することにより、流体密度に変動が生じても、振幅変化が生じることはなく、このため、器差（測定値と実際の質量流量値との間の誤差）変化が生じない。
【００２５】
本発明を適用するカウンタバランス方式コリオリ流量計は、支持シリンダ５を設けたことにより、測定流体温度に変動があっても、フローチューブが撓み、変形することはない。例えば、仮に流体温度が上昇したとすると、結合プレート６により相互に両端で結合されているフローチューブ４は、カウンタチューブ９よりも伸びて、フローチューブを撓ませ、変形させる応力を生じることになるが、フローチューブ４と同軸に結合プレート６により固定されている支持シリンダが備えられているため、フローチューブ４がその中心に対して非対称にひずんで、変形するようなことはなくなる。
【００２６】
支持シリンダ５は、このようにフローチューブ４を機械的に同軸に支持し、そして必要に応じて、センサ８を設置するためのものであって、カウンタバランサとして機能させることを意図していないから、フローチューブに対して大きな口径比のものも使用可能である。そして、例えばステンレス、ハステロイ、チタン合金等によって構成することができる。
【００２７】
また、本発明は、フローチューブ４と、カウンタチューブ９及び支持シリンダ５を結合するに際して、結合プレート６として例示したような板部材を用いたが、これらを一体に結合するものであれば、板部材に限らず、ブロック状の剛体を用いても結合できる。しかし、例えばステンレス、ハステロイ、チタン合金等によって構成した図示したような板部材を用いるならば、その弾性により、流体温度の変動に基づく各チューブの温度差による熱応力を吸収することができる。そして、このような一体結合は、例えば、ロー付けにより行うことができる。
【００２８】
さらに、振動支点を外筐１に板バネ１４によって支持することにより、支持部の特性変化の影響を受けにくく、安定した振動を得ることができることが従来より知られているが、この図示した例においては、結合プレート６を支持シリンダ５の半径方向外側にまで左右対称に延長して両側に板バネ１４を一体に構成し、これを外筐１にロー付け等の適宜の手段によって固定している。言い換えると、板バネ１４と結合プレート６を一体にして、一枚の板で共用するものである。このような共用により、構成簡単にして、結合プレート６の機能と、板バネ１４の機能を併せ持たせることが可能になる。なお、図示した例においては、図の上下方向に振動駆動することを想定して、それに対して直角の横断方向に板バネ１４を延長しているが、板バネ１４の延長方向は、図示した例とは直角の上下方向にして、振動駆動の方向と同一にすること、或いは、半径方向四方に延長させることもできる。
【００２９】
図３は、本発明を適用するカウンタバランス方式コリオリ流量計の他の例を示している。図において、１５は駆動コイル、１６はマグネットである。
これは駆動装置７の駆動コイル１５を支持シリンダ５に、２つのマグネット１６を駆動コイル１５に対応するようにフローチューブ４とカウンタチューブ９の各々に異極が向かい合うようにして設置するようにしている。駆動装置７をこのような構成にしたことにより、非常に細いカウンタチューブ９に大きな駆動コイルを設置することなく、かつ駆動コイル１５及び駆動コイルの配線（図示せず）は剛性の高い支持シリンダ５に施行できる。よってフローチューブ４及びカウンタチューブ９の振動を阻害せずに、安定した振動を得ることができる。
【００３０】
図４は、本発明を適用するカウンタバランス方式コリオリ流量計の更に他の例を示している。図において、１７はピックアップコイル、１８はマグネットである。
【００３１】
これはセンサ８のピックアップコイル１７を支持シリンダ５に、２つのマグネット１８をピックアップコイル１７に対応するようにフローチューブ４とカウンタチューブ９の各々に異極が向かい合うようにして設置するようにしている。センサ８をこのような構成にしたことにより、外乱影響を受けたときでも、フローチューブ４とカウンタチューブ９の相対出力を検出するため、外乱影響による誤差をなくすことができる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明のカウンタバランスチューブ式コリオリ流量計は、フローチューブの外周側に間隔をあけて同軸に支持シリンダを備え、該支持シリンダを、フローチューブに同軸に固定したことにより、測定流体温度に変動があっても、フローチューブがその中心に対して非対称にひずんで、変形するようなことはなくなるという効果を生じる。
【００３３】
また、板部材を用いてフローチューブと、支持シリンダ及びカウンタチューブを結合したことにより、その弾性によって、流体温度の変動に基づく各チューブの温度差による熱応力を吸収することが可能になる。そして、一体に形成した板バネによりフローチューブ、カウンタチューブ、チューブアッセンブリー全体の支持点が同一平面上にあり、支持部の特性変化の影響を受けにくく、安定した振動を得ることができる。
【００３４】
さらに、検出用の一対のセンサのピックアップコイルを支持シリンダに設置したことにより、配線は剛性の高い振動しない支持シリンダ上で施行でき、ＳＮ比の高い計測が可能になると共に、流体密度の変動があっても器差変化が無いという効果がある。
【００３５】
また、駆動装置の駆動コイルを支持シリンダに設置したことにより、非常に細いチューブに大きなコイルを設置することなく、かつ駆動コイル及び駆動コイルの配線は剛性の高い振動しない支持シリンダに施行できるので、フローチューブ及びカウンタチューブの振動を阻害せずに、安定した振動を得ることができる。
【００３６】
さらに、センサのマグネットをフローチューブとカウンタチューブの各々に設置したことにより、フローチューブとカウンタチューブの相対出力を検出するようにして、外乱影響による誤差をなくすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用するカウンタバランス方式コリオリ流量計の一例を示している。
【図２】図１に示した結合プレート６による結合部分を拡大して詳細に示す図である。
【図３】本発明を適用するカウンタバランス方式コリオリ流量計の他の一例を示している。
【図４】本発明を適用するカウンタバランス方式コリオリ流量計の更に他の一例を示している。
【図５】同軸カウンタチューブを備えた従来技術のコリオリ流量計の概念図を示している。
【図６】平行カウンタチューブを備えた従来技術のコリオリ流量計の概念図を示している。
【符号の説明】
１ 外筐
２ 接続フランジ
４ フローチューブ
５ 支持シリンダ
６ 結合プレート
７ 駆動装置
８ センサ
１０ バランスウエイト
１４ 板バネ
１５ 駆動コイル
１６ マグネット
１７ ピックアップコイル
１８ マグネット

Claims (5)

1. 被測定流体が流れる直管状のフローチューブと、該フローチューブと平行に配置されてカウンタバランサとして機能するように両端が該フローチューブに固定された中空筒状のカウンタバランスチューブと、前記フローチューブをカウンタバランスチューブと逆位相で共振振動させる駆動装置と、該振動により該フローチューブに作用するコリオリの力に比例した位相差を検知することにより質量流量を測定する一対のセンサとから成るカウンタバランスチューブ式コリオリ流量計において、
   前記フローチューブの外周側に間隔をあけて同軸に備えられる支持シリンダと、
   前記フローチューブと前記カウンタバランスチューブとの軸方向両側の固定位置において、前記支持シリンダを前記フローチューブに固定する手段と、
   をさらに備えることを特徴とするカウンタバランスチューブ式コリオリ流量計。
2. 前記支持シリンダを前記フローチューブに固定する手段は、前記カウンタバランスチューブをも一体に結合する板部材からなり、かつこの板部材は、前記フローチューブの半径方向両外方向に伸びて板バネとして機能する延長部を有し、この延長部を外筐に固定することを特徴とする請求項１に記載のカウンタバランスチューブ式コリオリ流量計。
3. 前記一対のセンサのピックアップコイルを、前記支持シリンダに設置したことを特徴とする請求項１又は２に記載のカウンタバランスチューブ式コリオリ流量計。
4. 前記一対のセンサを、前記ピックアップコイルと、前記フローチューブと前記カウンタチューブの各々に設置したマグネットとで構成したことを特徴とする請求項３に記載のカウンタバランスチューブ式コリオリ流量計。
5. 前記駆動装置を、前記支持シリンダに設置した駆動コイルと、前記フローチューブと前記カウンタチューブの各々に設置したマグネットとで構成したことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載のカウンタバランスチューブ式コリオリ流量計。

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