JP3877099B2

JP3877099B2 - 振動式測定装置

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Publication number: JP3877099B2
Application number: JP36121897A
Authority: JP
Inventors: 一男金井; 明文小林; 学服部; 貢奥垣; 太高橋; 幹宏堀
Original assignee: Saibu Gas Co Ltd; Osaka Gas Co Ltd; Tokyo Gas Co Ltd; Toho Gas Co Ltd
Current assignee: Saibu Gas Co Ltd; Osaka Gas Co Ltd; Tokyo Gas Co Ltd; Toho Gas Co Ltd
Priority date: 1997-12-26
Filing date: 1997-12-26
Publication date: 2007-02-07
Anticipated expiration: 2017-12-26
Also published as: JPH11190650A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は振動式測定装置に係り、特に被測流体が流れるセンサチューブを振動させてコリオリ力を発生させるよう構成した振動式測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
被測流体の質量流量を直接計測する振動式測定装置の一つとして振動するセンサチューブ内に流体を流したときに生ずるコリオリの力を利用して質量流量を計測する質量流量計がある。
この種の質量流量計においては、一対のセンサチューブに流体を流し、加振器（駆動コイル）の駆動力により一対のセンサチューブを互いに近接、離間する方向に振動させる構成とされている。コリオリの力はセンサチューブの振動方向に働き、かつ入口側と出口側とで逆向きであるのでセンサチューブに捩れが生じ、この捩れ角が質量流量に比例する。従って、一対のセンサチューブの入口側及び出口側夫々の捩れる位置に振動を検出するピックアップを設け、両センサの出力検出信号の時間差を計測して上記センサチューブの捩れ、つまり質量流量を計測している。
【０００３】
上記コリオリ式の質量流量計では、被測流体がセンサチューブ内を通過する間に瞬時流量を計測するため、流体の種類を選ばず、粘性を有する流体から圧縮された気体まで計測することができる。特に、質量流量を測定しているので、体積流量を測定する流量計の様に圧力温度補正装置を設けなくても良く、気体の様に圧力及び温度によって体積が変化する気体の測定に好適である。
【０００４】
例えば、天然ガスを圧縮した圧縮天然ガス（ＣＮＧ）等を別のタンクに供給するガス供給装置にも上記のような構成とされた振動式測定装置が質量流量計として設けられている。この種のガス供給装置では、圧縮されたガスを急速充填する方式が採用されており、圧縮機により所定圧力以上に昇圧されたガスをガス蓄圧器に一旦貯めておき、そしてガス蓄圧器に貯められたガスを自動車の燃料タンク（被充填タンク）に供給して燃料タンク内が所定圧力に達するまで充填されるようになっている。
【０００５】
上記装置では、圧力上昇率が一定になるように制御弁の弁開度を制御する一定圧力上昇制御、あるいはガス供給量が一定になるように制御弁の弁開度を制御する一定流量制御により燃料タンクへのガス充填を行っていた。
一定圧力上昇制御でガス充填を行う場合、燃料タンクに供給される供給圧力が一定の割合で上昇することになり、ガス充填により燃料タンクの圧力が上昇するとともに制御弁によりガス供給圧力を上昇させて燃料タンクの充填圧力が目標充填圧力になるようにしていた。
【０００６】
また、質量流量計により計測された流量が一定となるように制御弁の弁開度を制御して一定流量でガス充填を行う一定流量制御により燃料タンクへのガス充填制御を行う場合、燃料タンクへのガス供給流量が一定になるように制御弁の弁開度を制御して燃料タンクの圧力が目標充填圧力となるまで充填していた。
そして、燃料タンクに供給されたガスの流量と圧力からガス供給量が算出されてガス充填料金が算出される。そのため、ガス供給装置に適用された質量流量計では、高い圧力に圧縮されたガスの流量計測精度が要求されると共に、圧力損失の少ないことが重要である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような一定圧力上昇制御又は一定流量制御等の制御則により燃料タンクにガスを供給する際、ガスの全流量を振動式測定装置のセンサチューブに通過させる際の圧力損失をできるだけ減らすため、センサチューブの直径を大きくしてガス供給量を増大させる必要がある。また、大型のバスやトラックに搭載された大容量の燃料タンクにガスを充填する場合の充填時間をできるだけ短縮するため、ガスが大流量で供給されるようにガス供給系路を大径にすると共に振動式測定装置も大型化する必要がある。
【０００８】
しかしながら、センサチューブの直径を大きくすると、それだけセンサチューブを振動させる加振器の駆動力を大きくしなければならず、加振器の大型化と共に消費電力の増大を招くといった問題がある。
また、振動式測定装置は、ガス供給装置の筐体内に収納されるように配設されるため、できるだけ小型化を図る必要があり、センサチューブが大型化してしまうと限られたスペース内に収納させることが難しくなる。
【０００９】
そこで、本発明は上記問題を解決した振動式測定装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は以下のような構成としたことを特徴とする。
上記請求項１の発明は、被測流体が流入する流入側通路と該被測流体が流出する流出側通路とを有するマニホールドと、一端が該マニホールドの流入側通路に連通され他端が該マニホールドの流出側通路に連通されたセンサチューブと、該センサチューブを振動させる加振器と、該センサチューブの変位を検出するピックアップと、該ピックアップから出力された信号に基づいて計測値を算出する演算手段とを有する振動式測定装置において、前記流入側通路と前記流出側通路とを平行となるように設け、前記センサチューブの流入側の直管内を流れる被測流体の流れ方向と前記流入側通路内の被測流体の流れ方向とが一致するように当該流入側の直管と当該流入側通路とが連通して設けられると共に、前記センサチューブの流出側の直管内を流れる被測流体の流れ方向と前記流出側通路内の被測流体の流れ方向とが一致するように当該流出側の直管と当該流出側通路とが連通して設けられ、一端が前記流入側通路に直交して連通し、他端が前記流出側通路に直交して連通する分流路を設け、前記演算手段は、前記センサチューブを流通する被測流体の流量から、該流量及び前記分流路を流通する被測流体の流量の和を求めることを特徴とするものである。
【００１１】
従って、請求項１の発明によれば、センサチューブの流入側の直管内を流れる被測流体の流れ方向と流入側通路内の被測流体の流れ方向とが一致するように当該流入側の直管と当該流入側通路とが連通して設けられると共に、センサチューブの流出側の直管内を流れる被測流体の流れ方向と流出側通路内の被測流体の流れ方向とが一致するように当該流出側の直管と当該流出側通路とが連通して設けられることにより、被測流体の全流量がセンサチューブを流通することがなくなり、且つ、センサチューブに流通する流量と分流路に流通する流量の全流量を計測することができるため、センサチューブの小径化及び小型化を図ることができると共に、被測流体がセンサチューブに流れやすくなって低流量域での計測精度を高められる。
【００１２】
また、センサチューブの小径化により加振力が小さくて済み、その分加振器の小型化を図ることができるので、加振器の消費電力を減らすことができる。
また、請求項２の発明は、前記請求項１記載の振動式測定装置であって、前記センサチューブの根元部分に当該センサチューブを支持するためのサポート板を設けたことを特徴とするものである。
【００１３】
従って、請求項２の発明によれば、センサチューブの根元部分に当該センサチューブを支持するためのサポート板を設けたため、被測流体が分流路に分流する際に生じる振動がセンサチューブに伝わないようにセンサチューブを保持することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下図面と共に本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明になる振動式測定装置の一実施例の縦断面図、図２は図１中II−II線に沿う縦断面図である。
質量流量計１は、共振状態で振動する一対のセンサチューブ２，３に流体を流したときに生ずるコリオリ力によるセンサチューブ２，３の変位を検出して流量を計測する振動式測定装置であり、後述するようにＣＮＧを燃料タンク等に充填するガス供給装置内に設置される。一対のセンサチューブ２，３は、箱状の密閉構造とされた収納ケース（筺体）１Ａ内に収納されている。そのため、センサチューブ２，３は収納ケース１Ａにより結露、塵埃あるいは外力等から保護されている。
【００１５】
センサチューブ２，３は、先端部分が曲げ加工されており、正面から見るとＵ字状に形成され、側面から見るとＪ字状に形成されている。そして、一対のセンサチューブ２，３は、側面から見ると左右対称となる向きで取り付けられている。
５，６は加振器であり、夫々センサチューブ２，３の流入側、流出側の直管部分間に介在し、夫々センサチューブ２，３をＸ方向に振動させる。加振器５，６は実質電磁ソレノイドと同様な構成であり、駆動コイルと磁石とを組み合わせたものである。即ち、加振器５，６は駆動コイルが励磁されるとセンサチューブ２，３の流入側、流出側の直管部分が離間方向に変位し、駆動コイルが消磁されるとセンサチューブ２，３が近接方向に復帰する。
【００１６】
尚、加振器５と６とは夫々１８０度の位相差で交互に励磁され、例えば一方のセンサチューブ２の流入側、流出側の直管２ａ，２ｂが離間方向に変位したとき、他方のセンサチューブ３の流入側、流出側の直管３ａ，３ｂが近接方向に変位する。
８，９はピックアップであり、夫々センサチューブ２，３の流入側、流出側の直管２ａ，３ａ間及び、２ｂ，３ｂ間に介在し、センサチューブ２，３のＸ方向の振動を検出する振動センサである。
【００１７】
一方のピックアップ８はセンサチューブ２，３の流入側直管２ａ，３ａ間の相対変位量を検出し、他方のピックアップ９はセンサチューブ２，３の流出側直管２ｂ，３ｂ間の相対変位量を検出する。
収納ケース１Ａは、マニホールド１０の上部に取付ボルト１１により固定されており、収納ケース１Ａの内部が密閉されている。このマニホールド１０は、上面にセンサチューブ２，３の直管２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂの下端が挿入固定される上側取付口１０ａ〜１０ｄ（但し、取付口１０ｄは隠れて見えない）が設けられている。そして、マニホールド１０の下面には、流入側エルボ１２、流出側エルボ１３が螺入される下側取付口１０ｅ，１０ｆが設けられている。
【００１８】
尚、上側取付口１０ａ〜１０ｄには、直管２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂの下端が挿通された円筒状の保持部材２２が嵌合固定されている。
また、マニホールド１０の内部には、流入側通路１４と、流出側通路１５と、流入側通路１４と流出側通路１５との間を連通する分流路１６とが設けられている。流入側通路１４は、Ｙ字状に形成されており、下側取付口１０ｅに連通されて上方に延在形成された通路１４ａと、通路１４ａから上側取付口１０ａ，１０ｂに連通されるように分岐された通路１４ｂ，１４ｃとからなる。尚、流出側通路１５も上記流入側通路１４と同一形状の通路１５ａ〜１５ｃを有する。
【００１９】
分流路１６は、一端が流入側通路１４の通路１４ａと通路１４ｂ，１４ｃとの接続部分に連通され、他端が流出側通路１５の通路１５ａと通路１５ｂ，１５ｃとの接続部分に連通されている。そのため、流入側通路１４に供給された被測流体は、通路１４ａを通過した後、通路１４ｂ，１４ｃ及び分流路１６に分流される。
【００２０】
流入側エルボ１２は上流側管路１７に接続され、流出側エルボ１３は下流側管路１８に接続されている。そのため、上流側管路１７から供給された被測流体は、流入側エルボ１２、流入側通路１４を通過してセンサチューブ２，３の直管２ａ，３ａに流入する。また、センサチューブ２，３を通過した被測流体は、流出側通路１５、流出側エルボ１３を介して下流側管路１８に流出する。
【００２１】
また、流入側通路１４から分流路１６に分流する流量の比率は、全体流量の大きさによって変動する。ただし、流入側通路１４の流路断面積と分流路１６の流路断面積との比を調整することで、最大流量を全体に流通させたときに分流路１６に分流する分流比を所望の範囲（例えば全体流量の１０〜５０％）内に設定することができる。
【００２２】
このように被測流体の一部を分流路１６に通してセンサチューブ２，３へ供給される流量を一定の割合で減らすことにより、センサチューブ２，３を流れる流量を下げることが可能になる。そのため、例えば最大流量流通時の分流比が１：２であれば、センサチューブ２，３に最大流量の１／２の流量を計測できる太さのものを用いることができる。
【００２３】
従って、被測流体の全流量をセンサチューブ２，３に通す場合よりも、センサチューブ２，３の小径化及び小型化を図ることが可能になり、且つ加振器５，６の駆動力（加振力）も小さくて済む。そのため、加振器５，６の小型化と共に加振器５，６の消費電力を減すことができ、経済的である。
また、センサチューブ２，３の小径化及び小型化により軽量化が図れると共に、流量計全体の設置スペースも小さくて済み、狭い場所にも取り付けることができる。さらに、流入側通路１４に流入された被測流体をセンサチューブ２，３と分流路１６に分流させることにより、質量流量計１における圧力損失を減らすことができる。
【００２４】
１９は温度センサで、センサチューブ２に供給される被測流体の温度を測定する。この温度センサ１９により測定された温度に基づいて流量計測値の温度補正が行われる。
また、２０はセンサチューブ２，３の曲げ部分を支持するサポート板で、２１はセンサチューブ２，３の根元部分を支持するサポート板である。
【００２５】
流量計測時、上記加振器５，６により振動しているセンサチューブ２，３内を流体（本実施例では、圧縮されたガス）が流れるときコリオリの力が生じ、これにより、センサチューブ２，３の振動に位相差を生じる。
センサチューブ２，３の振動による相対変位がピックアップ８，９により検出され、上記センサチューブ２，３の振動の位相差が流量計用制御装置２４により質量流量に変換される。
【００２６】
図３に示すように、流量計用制御装置２４は、時間差演算回路２５と、係数補正回路２６と、器差補正回路（器差補正手段）２７からなる。流量計測時、ピックアップ８，９から出力されたセンサチューブ２，３の相対変位に応じた信号は、時間差演算回路２５に供給される。そして、時間差演算回路２５では、流入側のピックアップ８と流出側のピックアップ９との位相差（時間差）を求め、その時間差に応じた流量信号を生成する。
【００２７】
係数補正回路２６では、分流路１６に分流した流量を含む全流量を計測するため、時間差演算回路２５から出力された流量信号に分流比の逆数を掛ける。例えば、分流比が１／２であれば、時間差演算回路２５からの流量信号を２倍にして出力する。また、器差補正回路２７は、係数補正回路２６から出力された流量信号を器差補正し、流量に応じた正確な流量信号を出力する。
【００２８】
質量流量計１は、工場で組み立てられて後、出荷される前に流量試験を行って図４に示すような各流量計固有の器差特性が測定される。そして、制御装置２４のメモリ２８には、流量変化に対応する器差特性が登録される。
器差補正回路２７では、この試験結果を基にして、次式に示すような器差補正を行う。
【００２９】
Ｉ＝Ｉ₁／（Ｅ＋１） … （１）
但し、Ｉは補正後の計測値、Ｉ₁は補正前の計測値、Ｅは流量に対応する器差（流量試験で求められた値、図４参照）であり、器差補正回路２７内の図示しない記憶部内に（１）の補正式が記憶されている。
従って、器差補正回路２７では、センサチューブ２，３で計測された流量及び分流路１６に分流された流量を合計した全流量の器差補正演算を行って流量信号を出力する。上記のような器差補正演算を行うことにより、マニホールド１０において流量の一部を分流路１６に分流させた影響を受けることなく流量計測を行うことができる。
【００３０】
このように器差補正回路２７において、流量変化によって生じる分流比の変化が流量に対応する器差に含まれているので、器差補正と分流比変化に対する補正を同時に行うことができ、流量変化による計測精度の低下を防止できる。
さらに、質量流量計１では、流量変化によって生じる分流比変化及び器差変化を補正することにより、計測可能な流量範囲を大きくして小流量域から大流量域まで幅広い計測レンジを確保することができる。
【００３１】
図５は本発明の振動式測定装置が適用されたガス供給装置の概略構成を示す構成図である。
ガス供給装置３１は、例えば自動車３２の燃料タンク（被充填タンク）３３に都市ガスを所定圧力に圧縮した圧縮天然ガス（ＣＮＧ）を供給するガス供給ステーションなどに設置されている。
【００３２】
ガス供給装置３１は、大略、都市ガスを所定圧力に圧縮し加圧されたガスを生成する圧力発生ユニット３４と、圧力発生ユニット３４により圧縮されたガスを燃料タンク３３に供給するためのディスペンサユニット３５と、これら圧力発生ユニット３４，ディスペンサユニット３５の各機器を制御するディスペンサ制御装置３６とよりなる。
【００３３】
圧力発生ユニット３４は、都市ガス等が家庭に分岐される前の中圧管路（図示せず）に接続された分岐管路４１に多段式のコンプレッサ４２が配設されており、コンプレッサ４２には可変圧管路４３と高圧管路４４とが並列に接続され、可変圧管路４３，高圧管路４４は、夫々可変圧ガス蓄圧器４５，高圧ガス蓄圧器４６が接続されている。尚、可変圧ガス蓄圧器４５，高圧ガス蓄圧器４６は、一般に文献等では「蓄ガス器」とも呼ばれている。
【００３４】
本実施例においては、上記燃料タンク３３の最高圧力が２００kgf/cm²とした場合、可変圧ガス蓄圧器４５及び高圧ガス蓄圧器４６の最高圧力は２５０kgf/cm²に設定される。
また、制御装置３６からの指令により上流側開閉弁４９が開弁されると、コンプレッサ４２により圧縮されたガスが可変圧ガス蓄圧器４５に供給され、上流側開閉弁５０が開弁されると、コンプレッサ４２により圧縮されたガスが高圧ガス蓄圧器４６に供給される。
【００３５】
そして、可変圧ガス蓄圧器４５，高圧ガス蓄圧器４６の圧力が所定圧（本実施例では、２５０kgf/cm²）に達すると、各上流側開閉弁４９，５０が閉弁されると共にコンプレッサ４２を停止して、圧力発生ユニット３４は充填作業可能な待機状態となる。
燃料タンク３３へのガス充填を行う際は、当初、下流側開閉弁５１を開弁させて可変圧ガス蓄圧器４５のガスを燃料タンク３３に充填した後、下流側開閉弁５２を開弁させて高圧ガス蓄圧器４６のガスを燃料タンク３３に充填開始した後、下流側開閉弁５１を閉弁させて燃料タンク３３への供給圧力を段階的に上昇させる。
【００３６】
また、吐出管路４７，４８の下流側端部は、ガス供給管路５８に連通しており、圧力発生ユニット３４の可変圧ガス蓄圧器４５，高圧ガス蓄圧器４６はガス供給管路５８を介して上記燃料タンク３３に接続される。
そして、ディスペンサユニット３５内に延在するガス供給管路５８には、電磁弁よりなるガス供給開閉弁５９と、圧力発生ユニット３４から供給された１次圧力を検出する１次圧力伝送器６０と、ガス供給管路５８を流れるガス流量を計測するコリオリ式の質量流量計１と、下流側へ給送されるガスの流量を所定流量に制御する制御弁６２と、制御弁６２により設定されたガスの２次圧力を検出する２次圧力伝送器６３と、所定以上の力で引っ張られたとき分離する緊急離脱カプラ６４と、が配設されている。
【００３７】
質量流量計１は、前述したようにガスが通過するセンサチューブ２，３を振動させてコリオリ力による流入側と流出側との位相差に応じた計測信号を出力する振動式測定装置である。また、質量流量計１は、圧縮されたガスをセンサチューブ２，３と分流路２６とに分流させると共に、流量に応じた器差補正を行って高圧ガスの流量をコンパクトな構成で正確に計測できるように構成されており、その流量計測信号（流量パルス）をディスペンサ制御装置３６に送信する。
【００３８】
このように圧縮されたガスを燃料タンク３３に充填するガス供給装置３１においては、ディスペンサユニット３５の筐体の大きさが制約されており、且つ多数の機器が配設されるため、質量流量計１の設置スペースが限られている。しかしながら、質量流量計１は、前述したように質量流量計１のセンサチューブ２，３の流入側と流出側とをバイパスする分流路１６によりセンサチューブ２，３が小径化及び小型化されているので、ディスペンサユニット３５の狭いスペースにも容易に取り付けることができる。
【００３９】
尚、上記実施例では、都市ガスを圧縮した圧縮天然ガス（ＣＮＧ）の流量を計測する場合を一例として挙げたが、これに限らず、他の種類の流体を計測するのにも適用できる。
また、上記実施例では、振動式測定装置の一実施例として質量流量計を説明したが、これに限らず、例えば振動式密度計等にも適用できるのは勿論である。
【００４０】
また、上記実施例では、分流路１６がマニホールド１０の内部に設けた構成を一例として挙げたが、マニホールド１０の外部に流入側通路１４と流出側通路１５との間を連通する管路を設ける構成としても良い。
また、上記分流路１６に可変絞りを設けて、被測流体の最大流量に応じて分流比を適宜変更させることを可能とするようにしても良い。
【００４１】
【発明の効果】
上述の如く、上記請求項１によれば、センサチューブの流入側の直管内を流れる被測流体の流れ方向と流入側通路内の被測流体の流れ方向とが一致するように当該流入側の直管と当該流入側通路とが連通して設けられると共に、センサチューブの流出側の直管内を流れる被測流体の流れ方向と流出側通路内の被測流体の流れ方向とが一致するように当該流出側の直管と当該流出側通路とが連通して設けられることにより、被測流体の全流量がセンサチューブを流通することがなくなり、且つ、センサチューブに流通する流量と分流路に流通する流量の全流量を計測することができるため、センサチューブの小径化及び小型化を図ることができると共に、被測流体がセンサチューブに流れやすくなって低流量域での計測精度を高められる。
【００４２】
また、センサチューブの小径化により加振力が小さくて済み、その分加振器の小型化を図ることができるので、加振器の消費電力を減らすことができる。
また、請求項２の発明によれば、センサチューブの根元部分に当該センサチューブを支持するためのサポート板を設けたため、被測流体が分流路に分流する際に生じる振動がセンサチューブに伝わないようにセンサチューブを保持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明になる振動式測定装置の一実施例の縦断面図である。
【図２】図１中II−II線に沿う縦断面図である。
【図３】制御装置の回路構成を示すブロック図である。
【図４】流量計の流量試験により得られた流量と器差との関係を示すグラフである。
【図５】本発明の振動式測定装置が取り付けられたガス供給装置の概略構成を示す構成図である。
【符号の説明】
１質量流量計
２，３センサチューブ
５，６加振器
８，９ピックアップ
１０マニホールド
１４流入側通路
１５流出側通路
１６分流路
２４流量計用制御装置
２５時間差演算回路
２６係数補正回路
２７器差補正回路
３１ガス供給装置
３３燃料タンク
３４圧力発生ユニット
３５ディスペンサユニット
３６ディスペンサ制御装置
４５可変圧ガス蓄圧器
４６高圧ガス蓄圧器
５８ガス供給管路
５９ガス供給開閉弁
６０１次圧力伝送器
６２制御弁
６３２次圧力伝送器

Claims

被測流体が流入する流入側通路と該被測流体が流出する流出側通路とを有するマニホールドと、一端が該マニホールドの流入側通路に連通され他端が該マニホールドの流出側通路に連通されたセンサチューブと、該センサチューブを振動させる加振器と、該センサチューブの変位を検出するピックアップと、該ピックアップから出力された信号に基づいて計測値を算出する演算手段とを有する振動式測定装置において、
前記流入側通路と前記流出側通路とを平行となるように設け、
前記センサチューブの流入側の直管内を流れる被測流体の流れ方向と前記流入側通路内の被測流体の流れ方向とが一致するように当該流入側の直管と当該流入側通路とが連通して設けられると共に、前記センサチューブの流出側の直管内を流れる被測流体の流れ方向と前記流出側通路内の被測流体の流れ方向とが一致するように当該流出側の直管と当該流出側通路とが連通して設けられ、
一端が前記流入側通路に直交して連通し、他端が前記流出側通路に直交して連通する分流路を設け、
前記演算手段は、前記センサチューブを流通する被測流体の流量から、該流量及び前記分流路を流通する被測流体の流量の和を求めることを特徴とする振動式測定装置。
前記請求項１記載の振動式測定装置であって、
前記センサチューブの根元部分に当該センサチューブを支持するためのサポート板を設けたことを特徴とする振動式測定装置。