JP4000514B2 - Coriolis mass flow meter - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、安定性、精度、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5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号に示されている。
【0003】
図において、1はフランジ2に、両端が取り付けられた振動チューブである。
フランジ2は管路へ振動チューブ1を取り付けるためのものである。
3は振動チューブ1の中央部に設けられた励振器である。
【0004】
4,5は、振動チューブ1の両側にそれぞれ設けられた振動検出センサである。
6は、振動チューブ1の両端が固定されるハウジングである。
【0005】
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、
【0006】
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を測定すれば、質量流量が求められる。
【0007】
図6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11−108723号に示されている。
【0008】
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の各点から、それぞれ所定距離の円周線上で単振動あるいは円運動をする振動チューブである。
【0009】
15は、振動チューブ11の中央部に設けられた励振器である。
16,17は、振動チューブ11の両側にそれぞれ設けられた振動検出センサである。
【0010】
以上の構成において、図7は、図6の振動チューブ11のb−b断面図、図8は図6の振動チューブ11のa−a,c−c断面図、図9は振動チューブ11の振動の様子を示す斜視図である。
図7,図8において、非励振状態の時、振動チューブ11はAの位置近傍にある。
【0011】
励振状態になると、振動チューブ11の中心は、基準軸14から半径R(x)離れた円周上を移動する。
断面b−bの位置では、基準軸14から半径R(b) 離れた円周上を、断面a−aやc−c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→A→C→A→B→(以後繰り返し)のように振動する。
【0012】
図9において、A,B,Cは図7,図8の振動チューブ11の各位置に一致する。
なお、12,13は固定端、14は基準軸を示す。
【0013】
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。
【0014】
図10は、本出願人の先願に係わる出願の実施例の要部構成説明図で、特願平2001383340号に示されている。
図11は図10の側面図、図12は図11のd−d断面図、図13は図11のe−e断面図、図14〜図17は図10の動作説明図である。
【0015】
図において、20は、内部を測定流体が流れる振動チューブ、2は外部配管と接続するためのフランジ、6は流量計を形作るハウジング、12、13は振動チューブの両端の固定端、14は両固定部を結ぶ基準軸である。
【0016】
21,22は振動チューブ20を励振させる励振器であり、振動チューブ20を図のY方向に力を加えられる構造になっている。
21と22とでは、大きさと方向が等しく、逆位相の力を加えるようになっている。
【0017】
この場合は、図12に示す如く、励振器21,22は、マグネット211,221とコイル212,222から構成されており、振動チューブ20にマグネット211,221が固定され、対向する位置にコイル212,222がハウジング6等の振動しない不動の場所に固定されている。
【0018】
なお、実際には円筒のコイル212,222の内側にマグネット211,221が配置されるが、マグネット211,221とコイル212,222を明確に示すため、分離して示す。
【0019】
23,24は、振動を検出する振動検出センサで、図のY方向の振動速度あるいは変形を測定する。
【0020】
この場合は、図13に示す如く、振動検出センサ23,24は、マグネット231,241とコイル232,242から構成されており、振動チューブ20にマグネット231,241が固定され、対向する位置にコイル232,242がハウジング6等の振動しない不動の場所に固定される。
【0021】
なお、実際には円筒のコイル232,242の内側にマグネット231,241が配置されるが、マグネット231,241とコイル232,242を明確に示すため、分離して示す。
【0022】
振動チューブ20は、図10に示す如く、上流側端部12と下流側端部13の中点25を中心に点対称で、変曲点を3箇所有するS字形の曲線形状であり、振動チューブ20は両端近傍では、基準軸14上に存在する。
【0023】
以上の構成において、図14は図10のf−f断面図、図15は図10のg−g断面図、図16は図10のh−h断面図である。
【0024】
分かり易くする為に、ハウジング6や励振器21,22は省略してあり、振動チューブ20のみを示した。
励振器21,22によってY方向で逆位相に力を加えられた振動チューブは、D→E→D→F→D→E→D→F(これを繰り返す)のように位置を変えていく。
【0025】
両端固定端から等距離にある中点25では、振動チューブはその位置を変わらずに、基準軸14周りの回転振動のみを行う。
図17からわかるように、振動チューブ20は、常に基準軸14から所定距離の円周上あるいはその近傍に位置する。
【0026】
f−f断面では基準軸から距離R(f)離れた円周上、h−h断面では基準軸から距離R(h)離れた円周上で単振動を行う。
両固定端12,13の中心点である中点25では、R(g)=0となり、位置を変えずに回転振動のみを行うことになる。
【0027】
ここでは、わかりやすくするために、単振動の振幅を大きくして図示しているが、一般のコリオリ質量流量計では、振動振幅はごくわずかである。
振幅が小さい場合、円周上の振動は、図のY方向成分のみの振動に近似できる。
【0028】
励振器21,22も振動検出器23,24も、本来ならばY方向だけでなく、Z方向成分、あるいは、回転成分にも対応する必要があるが、上記の理由により、通常はY方向成分のみに対応する機器を使用して差し支えない。
【0029】
上記振動の様子を模式的に示したのが図17である。振動チューブはA→B→A→C→A→B→Aのように位置を変えて単振動を続ける。
振動振幅は、チューブ長Lの1/4L、3/4L付近で最も大きく、両固定端12,13近傍や、中点25付近の1/2Lでは、基準軸14周りの回転振動(RotX)はあっても、基準軸方向及び基準軸に直交する方向の成分の位置変化(UX, UY,UZ)は殆ど無い。
【0030】
要するに、振動チューブ20は、点対称の曲線形状を保持したまま、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の各点からそれぞれ所定距離の円周線上で単振動をする。
【0031】
この結果、
(1)円周上の振動を採用することにより、振動チューブ20の両固定端12,13近傍では、基準軸14回りの回転振動成分が主になり、両固定端12,13では基準軸14方向及び基準軸14に直交する方向の力の発生は大幅に抑えることが出来、安定性、精度、耐振性が向上されたコリオリ質量流量計が得られる。
【0032】
(2)点対称な振動チューブ20の形状と振動モードを採用することで、振動チューブ20の重心が、常に両固定端12,13の中点25に位置し、重心が移動することが無くなる。
【0033】
振動系の重心の移動が無くなるので、両固定端12,13を通じて、振動が外に漏れ出すのを防ぎ、より一層、振動絶縁性を高めることが出来るコリオリ質量流量計が得られる。
【0034】
(3)振動絶縁性が高められることで、外部からの振動ノイズにも影響を受け難く、低消費電力が可能で、環境変化や外的要因によるゼロ点やスパン変動を減らし、高精度で高安定なコリオリ流量計を実現できる。
【0035】
(4)流体流路が、流量計の入り口から出口まで、分岐や隙間が無い1本の貫通構造であり、緩やかなカーブを有する直管に近い形状の振動チューブ20の採用で、コンパクトで圧損が少なく、流体等の温度変化による熱応力にも強い特徴を有するコリオリ質量流量計が得られる。
【0036】
【特許文献1】
特開平6−109512号(第2頁、第5図)
【特許文献2】
特開平11−108723号(第3−4頁、第1−5図)
【0037】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような装置においては、図12,図13に示すように、全てのマグネット211,221,231,241はY方向下側に配置されている。
従って、振動チューブ20とマグネット211,221,231,241からなる振動系の質量分布は、Y方向負側が重く、Y方向正側が軽い、アンバランス状態になっている。
【0038】
このようなマスアンバランスがあると、励振振動によって振動チューブ20の位置が変わると、振動系全体の重心位置も移動し、振動が振動系外部に多く漏れてしまい、振動絶縁がうまくいかない。
【0039】
振動絶縁性が悪いと、以下のような問題が生じる。
1)外部からの影響を受けやすいことである。
すなわち、流量計外部から、配管振動や、配管応力が加わった場合、流量計のハウジング(筐体)6ではその影響を受け止めきれず、内部の振動チューブ20に外部振動や、応力が加わり、振動チューブ20の振動状態が変化し、出力揺動や、ゼロ点変化等の誤差になって現れてしまう。
【0040】
2)内部の振動チューブ20の振動が、外部配管に漏れてしまうことである。
振動が外に漏れ、振動絶縁が不十分になると以下のような問題が発生する。
(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。
【0041】
(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20の振動状況も変化し、零点やスパンが変化しやすくなる。
【0042】
本発明の目的は、上記の課題を解決するもので、安定性、精度、耐振性が向上されたコリオリ質量流量計を提供することにある。
【0043】
即ち、本発明は、分岐がない1本管型のコリオリ質量流量計において、
緩やかなカーブを有する直管に近い形状の採用で、コンパクトで圧損が少なく、流体等の温度変化による熱応力にも強い特徴を有する。
【0044】
更に、流量計内部の振動チューブの振動を外に漏らさないようにすることと、外部からの振動ノイズや応力の影響を受けにくくすることによって、安定性、精度、耐振性、ゼロ点変動も小さい、高精度を高安定なコリオリ流量計を実現することにある。
【0045】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、本発明では、請求項1のコリオリ質量流量計においては、
内部に測定流体が流れる振動チューブと、この振動チューブを励振する励振器と、前記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る振動チューブの変形振動を検出する振動検出センサとを具備す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の中点を中心に点対称で3個の変曲点を有する曲線形状で前記点対称の曲線形状を保持したまま前記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チューブと、上流側固定端と下流側固定端の中点を中心に点対称で3個の変曲点を有する曲線形状で前記点対称の曲線形状を保持したまま前記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チューブと、前記振動チューブに取付けられたマグネットとこのマグネットに対向して設けられたコイルとをそれぞれ有する励振器と振動検出センサと、前記振動チューブに取付けられ前記マグネットの振動に基づき発生するアンバランスを防止するバランサーと、配置場所と質量とが前記中点を中心に点対称な関係になるように配置され且つ重心位置は前記中点上にあるようにされた前記マグネットと前記バランサーとを具備したことを特徴とするコリオリ質量流量計。
【0046】
本発明の請求項2のコリオリ質量流量計においては、
全長Lに対する、基準軸からの最大湾曲部の距離Wは、ほぼ ±0.01≦W/L≦±0.1なる関係を有する振動チューブ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。
【0047】
【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、図2は図1の側面図、図3は図1のk−k断面図、図4は図1のl−l断面図である。
本実施例において、41,42は励振器、43,44は振動検出センサである。
【0048】
励振器41,42は、この場合は、図3に示す如く、マグネット411,421とコイル412,422から構成されており、振動チューブ20にマグネット411,421が固定され、対向する位置にコイル412,422がハウジング6等の振動しない不動の場所に固定されている。
【0049】
振動検出センサ43,44は、この場合は、図4に示す如く、マグネット431,441とコイル432,442から構成されており、振動チューブ20にマグネット431,441が固定され、対向する位置にコイル432,442がハウジング6等の振動しない不動の場所に固定されている。
【0050】
なお、実際には円筒のコイル412,422,432,442の内側にマグネット411,421,431,441が配置されるが、マグネット411,421,431,441とコイル412,422,432,442を明確に示すため、分離して示す。
【0051】
45,46,47,48は、振動チューブ20に設置されているマグネット411,421,431,441と同等質量、形状のバランサーである。
バランサー45,46,47,48は、XZ平面に対してマグネット411,421,431,441と対称な位置に設置されている。
【0052】
励振器41,42のマグネット411,421に対してはバランサー45,46を、振動検出センサ43,44のマグネット431,441に対してはバランサー47,48が設置されている。
【0053】
なお、実際には、円筒状のコイル412,422,432,442の内側にマグネット411,421,431,441を配置して用いられるが、図3,図4では、マグネット411,421,431,441とコイル412,422,432,442を明確に示すため、分離して示してある。
【0054】
本発明の構造により、振動チューブ20のみならず、励振器31,32や振動検出センサ33,34を含む振動系全体の質量分布をバランス良く配置することができる。
【0055】
振動系全体の重心位置を、上流側固定点と下流側固定点の中点25の位置に配置することができ、さらに、この中点25を中心に点対称な質量分布を実現することができる。
【0056】
このような構造を持つことにより、従来例よりも更に完璧に、振動系全体の重心位置を不動にし、対称な質量バランスを実現し、その結果、外界への振動絶縁性を増すことが可能になる。
【0057】
振動絶縁性を向上させることで、以下のメリットがある。
1)流量計外部から、配管振動や、配管応力が加わっても、流量計のハウジング6(筐体)でその影響を受け止め、内部の振動に影響を与えず、出力揺動や、ゼロ点変化等の誤差を低減できるコリオリ質量流量計が得られる。
【0058】
2)内部の振動チューブ20の振動が、外部に漏らさないことにより、
(1)Q値を高くでき、内部の振動が安定になり、余計な振動ノイズの影響を受けにくくなるコリオリ質量流量計が得られる。
(2)小さなエネルギーで励振可能になり、消費電力も削減できるコリオリ質量流量計が得られる。
【0059】
(3)Q値が高く、そもそも漏れ量が小さいので、設置方法や、配管応力、温度等の環境変化があっても、振動の漏れ量があまり変化しない。
よって、これら外的要因に対し、零点やスパンが安定なコリオリ質量流量計が得られる。
【0060】
加えるに、
3)マグネットを振動チューブ20に設置出来るので、コイルを振動チューブ20に設置した場合のように、リード線の設置場所の心配をする必要がないコリオリ質量流量計が得られる。
【0061】
4)リード線を振動する振動チューブ20に配置すると、リード線及び、リード線を固定する接着剤等の質量の問題、リード線の変形によるダンピング抵抗の増大、リード線の配置場所等、様々なデメリットが生じるが、その心配がなく、設計の自由度が増すコリオリ質量流量計が得られる。
【0062】
5)管軸14と同じXZ座標位置に励振器31,32や振動検出センサ33,34を設置できるので、小型省スペースが可能なコリオリ質量流量計が得られる。
【0063】
なお、具体的には、この場合は、振動チューブ20は、ステンレス製で、外形が14mm、厚さ1mm、全長L=500mm、基準軸14からの最大湾曲部の距離W=15mm、、励振器41,42の質量(バランサーを含む)M=21g、検出器43,44の質量(バランサーを含む)M=11gである。
【0064】
このときの、円周振動モード共振周波数は570Hz(実験値)、低次モードの共振周波数は220Hzであり、高次モードの共振周波数は1200Hzである。
【0065】
従って、本実施例では、全長Lに対する、基準軸14からの最大湾曲部の距離:W/L=15/500=0.03となる。
振動チューブ20の物性、曲がり形状や付属物の質量等により異なるが、±約0.01≦W/L≦±約0.1 がトータルバランスに優れている。
【0066】
振動チューブ20の全長Lに対する、基準軸14からの最大湾曲部の距離Wの比:W/Lは、小さすぎると、ねじれモードの共振周波数が高くなり、円周振動の共振モードが存在しなくなることもある。
【0067】
また、大きすぎると、振動チューブ20全体、流量計全体が大きくなりコストアップになる。
また、湾曲が大きいと、振動チューブ20の内部を流れる測定流体の圧力損失も大きくなる。
【0068】
本実施例での値 W/L=0.03 は、カーブが緩やかで、張り出し量が少ない直管近似な形状で、コンパクトで低圧損を実現している。
【0069】
次に、励振モードの共振周波数は、数十Hz程度だと、配管ノイズの影響を受けやすく、また、振動系全体の大きさも大きくなり、場所をとりコストアップ要因にもなり、好ましくない。
【0070】
逆に、1000Hz以上程度では、振動振幅が小さく、また信号処理の速度も間に合わなくなるので、問題がでてくる。
今回のように数百Hz程度が、耐振動ノイズ面からも、信号処理回路の都合からも、適当な値となる。
【0071】
次に、振動チューブ20は、励振振動周波数の近傍に他の不要な共振モードが存在しないことが望ましい。本具体例のように、他の共振振動モードと大きく離れていればなお望ましい。
【0072】
なお、以上の説明は、本発明の説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。したがって本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形をも含むものである。
【0073】
【発明の効果】
本発明の請求項1によれば、次のような効果がある。
本発明の構造により、振動チューブのみならず、励振器や振動検出センサを含む振動系全体の質量分布をバランス良く配置することができる。
【0074】
振動系全体の重心位置を、上流側固定点と下流側固定点の中点の位置に配置することができ、さらに、この中点を中心に点対称な質量分布を実現することができる。
【0075】
このような構造を持つことにより、従来例よりも更に完璧に、振動系全体の重心位置を不動にし、対称な質量バランスを実現し、その結果、外界への振動絶縁性を増すことが可能になる。
【0076】
振動絶縁性を向上させることで、以下のメリットがある。
1)流量計外部から、配管振動や、配管応力が加わっても、流量計のハウジング(筐体)でその影響を受け止め、内部の振動に影響を与えず、出力揺動や、ゼロ点変化等の誤差を低減できるコリオリ質量流量計が得られる。
【0077】
2)内部の振動チューブの振動が、外部に漏らさないことにより、
(1)Q値を高くでき、内部の振動が安定になり、余計な振動ノイズの影響を受けにくくなるコリオリ質量流量計が得られる。
(2)小さなエネルギーで励振可能になり、消費電力も削減できるコリオリ質量流量計が得られる。
【0078】
(3)Q値が高く、そもそも漏れ量が小さいので、設置方法や、配管応力、温度等の環境変化があっても、振動の漏れ量があまり変化しない。
よって、これら外的要因に対し、零点やスパンが安定なコリオリ質量流量計が得られる。
【0079】
加えるに、
3)マグネットを振動チューブに設置出来るので、コイルを振動チューブに設置した場合のように、リード線の設置場所の心配をする必要がないコリオリ質量流量計が得られる。
【0080】
4)リード線を振動する振動チューブに配置すると、リード線及び、リード線を固定する接着剤等の質量の問題、リード線の変形によるダンピング抵抗の増大、リード線の配置場所等、様々なデメリットが生じるが、その心配がなく、設計の自由度が増すコリオリ質量流量計が得られる。
【0081】
5)管軸と同じXZ座標位置に検出器や振動検出センサを設置できるので、小型省スペースが可能なコリオリ質量流量計が得られる。
【0082】
本発明の請求項2によれば、次のような効果がある。
振動チューブの全長に対する、基準軸からの最大湾曲部の距離の比は、小さすぎると、ねじれモードの共振周波数が高くなり、円周振動の共振モードが存在しなくなることもある。
【0083】
また、大きすぎると、振動チューブ全体、流量計全体が大きくなりコストアップになる。
また、湾曲が大きいと、振動チューブの内部を流れる測定流体の圧力損失も大きくなる。
【0084】
すなわち、カーブが緩やかで、張り出し量が少ない直管近似な形状により、コンパクトで低圧損を実現出来るコリオリ質量流量計が得られる。
【0085】
従って、本発明によれば、安定性、精度、耐振性が向上されたコリオリ質量流量計を実現することが出来る。
【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の側面図である。
【図3】 図1のk−k断面図である。
【図4】 図1のl−l断面図である。
【図5】 従来より一般に使用されている従来例の要部構成説明図である。
【図6】 従来より一般に使用されている他の従来例の要部構成説明図である。
【図7】 図6のb−b断面図である。
【図8】 図6のa−a,c−c断面図である。
【図9】 図6の動作説明図である。
【図10】 先願に係わる出願の実施例の要部構成説明図である。
【図11】 図10の側面図である。
【図12】 図11のd−d断面図である。
【図13】 図11のe−e断面図である。
【図14】 図10の動作説明図である。
【図15】 図10の動作説明図である。
【図16】 図10の動作説明図である。
【図17】 図10の動作説明図である。
【符号の説明】
1 振動チューブ
2 フランジ
3 励振器
4 振動検出センサ
5 振動検出センサ
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 励振器
16 振動検出センサ
17 振動検出センサ
20 振動チューブ
21 励振器
211 マグネット
212 コイル
22 励振器
221 マグネット
222 コイル
23 振動検出センサ
231 マグネット
232 コイル
24 振動検出センサ
241 マグネット
242 コイル
25 中点
41 励振器
411 マグネット
412 コイル
42 励振器
421 マグネット
422 コイル
43 振動検出センサ
431 マグネット
432 コイル
44 振動検出センサ
441 マグネット
442 コイル
45 バランサー
46 バランサー
47 バランサー
48 バランサー[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a Coriolis mass flow meter with improved stability, accuracy, and vibration resistance.
[0002]
[Prior art]
FIG. 5 is an explanatory diagram of a configuration of a conventional example that is generally used conventionally, and is disclosed in, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 6-109512.
[0003]
In the figure,
The flange 2 is for attaching the
[0004]
Reference numeral 6 denotes a housing to which both ends of the
[0005]
In the above configuration, the measurement fluid is caused to flow through the
Assuming that the angular velocity “ω” in the vibration direction of the
[0006]
Fc = -2m “ω” × “V”
The Coriolis force works. If the vibration proportional to the Coriolis force is measured, the mass flow rate can be obtained.
[0007]
FIG. 6 is a diagram for explaining the configuration of a conventional example that is generally used conventionally, and is disclosed in, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 11-108723.
[0008]
11 is a vibration tube that makes a single vibration or a circular motion on a circumferential line of a predetermined distance from each point of the reference axis 14 with a straight line connecting the upstream fixed
[0009]
Reference numerals 16 and 17 denote vibration detection sensors provided on both sides of the vibration tube 11, respectively.
[0010]
In the above configuration, FIG. 7, b-b sectional view of the vibration tube 11 in FIG. 6, FIG. 8 a-a, c-c sectional view of the vibration tube 11 in FIG. 6, the vibration of FIG. 9 is vibration tube 11 It is a perspective view which shows the mode.
7 and 8 , the vibration tube 11 is in the vicinity of the position A in the non-excited state.
[0011]
When in the excited state, the center of the vibration tube 11 moves on a circumference away from the reference axis 14 by a radius R (x).
At the position of the cross section bb, on the circumference away from the reference axis 14 by the radius R (b), at the position of the cross section aa or cc, the radius R (a) or R (c) from the reference axis 14 is obtained. It vibrates on a separated circle in the order of A → B → A → C → A → B → (repeated thereafter).
[0012]
In Figure 9, A, B, C are 7, matching the respective positions of the vibration tube 11 in FIG. 8.
[0013]
Since the vibration tube 11 vibrates only within a circumferential surface that is equidistant from the reference axis 14, the length of the vibration tube 11 does not change regardless of the position of the vibration tube 11.
[0014]
FIG. 10 is an explanatory diagram of the main part of an embodiment of an application related to the prior application of the present applicant, and is shown in Japanese Patent Application No. 2001383340.
Figure 11 is a side view of FIG. 10, FIG. 12 d-d sectional view of FIG. 11, FIG. 13 e-e sectional view of FIG. 11, FIGS. 14 to 17 are timing charts for explaining the operation of FIG. 10.
[0015]
In the figure, 20 is a vibration tube through which a measurement fluid flows, 2 is a flange for connecting to an external pipe, 6 is a housing forming a flow meter, 12 and 13 are fixed ends at both ends of the vibration tube, and 14 are both fixed. This is a reference axis connecting the parts.
[0016]
21 and 22 are exciters for exciting the vibration tube 20 and have a structure in which a force can be applied to the vibration tube 20 in the Y direction in the figure.
21 and 22 are equal in magnitude and direction, and apply antiphase forces.
[0017]
In this case, as shown in FIG. 12 , the
[0018]
In practice, the magnets 211 and 221 are disposed inside the cylindrical coils 212 and 222. However, the magnets 211 and 221 and the coils 212 and 222 are shown separately.
[0019]
Reference numerals 23 and 24 denote vibration detection sensors for detecting vibration, which measure the vibration speed or deformation in the Y direction in the figure.
[0020]
In this case, as shown in FIG. 13 , the vibration detection sensors 23 and 24 are composed of magnets 231 and 241 and coils 232 and 242, and the magnets 231 and 241 are fixed to the vibration tube 20, and the coils are disposed at opposing positions. 232 and 242 are fixed to a non-vibrating non-vibrating place such as the housing 6.
[0021]
In practice, magnets 231 and 241 are arranged inside cylindrical coils 232 and 242, but the magnets 231 and 241 and the coils 232 and 242 are shown separately to clearly show them.
[0022]
As shown in FIG. 10 , the vibration tube 20 is point-symmetric about the midpoint 25 of the
[0023]
In the above configuration, FIG. 14 f-f sectional view in FIG. 10, FIG. 15 g-g sectional view of FIG. 10, FIG. 16 is a h-h cross-sectional view of FIG. 10.
[0024]
For the sake of clarity, the housing 6 and the
The position of the vibrating tube applied with the force in the opposite direction in the Y direction by the
[0025]
At the midpoint 25 that is equidistant from the fixed ends at both ends, the vibration tube does not change its position and only performs rotational vibration around the reference axis 14.
As can be seen from FIG. 17 , the vibration tube 20 is always located on the circumference of a predetermined distance from the reference axis 14 or in the vicinity thereof.
[0026]
A single vibration is performed on the circumference at a distance R (f) from the reference axis in the ff cross section and on the circumference at a distance R (h) from the reference axis in the hh cross section.
At the middle point 25, which is the center point of both the fixed ends 12, 13, R (g) = 0, and only rotational vibration is performed without changing the position.
[0027]
Here, for the sake of easy understanding, the amplitude of the simple vibration is illustrated to be large, but in a general Coriolis mass flowmeter, the vibration amplitude is very small.
When the amplitude is small, the vibration on the circumference can be approximated to the vibration of only the Y direction component in the figure.
[0028]
Both the
[0029]
FIG. 17 schematically shows the state of the vibration. The vibration tube changes its position in the order of A → B → A → C → A → B → A and continues the single vibration.
The vibration amplitude is the largest in the vicinity of 1 / 4L and 3 / 4L of the tube length L, and the rotational vibration (RotX) around the reference axis 14 is in the vicinity of both fixed ends 12 and 13 and 1 / 2L near the middle point 25. Even in such a case, there is almost no change in position (UX, UY, UZ) of the component in the reference axis direction and the direction orthogonal to the reference axis.
[0030]
In short, the vibration tube 20 has a predetermined distance from each point of the reference axis 14 using a straight line connecting the upstream
[0031]
As a result,
(1) By adopting vibration on the circumference, the rotational vibration component around the reference axis 14 is mainly in the vicinity of both fixed ends 12 and 13 of the vibration tube 20, and the reference axis 14 is at both fixed ends 12 and 13. Generation of a force in the direction perpendicular to the direction and the reference axis 14 can be greatly suppressed, and a Coriolis mass flow meter with improved stability, accuracy, and vibration resistance can be obtained.
[0032]
(2) By adopting the shape and vibration mode of the vibration tube 20 that is point-symmetric, the center of gravity of the vibration tube 20 is always positioned at the midpoint 25 of both the fixed ends 12 and 13, and the center of gravity does not move.
[0033]
Since there is no movement of the center of gravity of the vibration system, a Coriolis mass flowmeter capable of preventing vibration from leaking out through both the fixed ends 12 and 13 and further improving the vibration insulation can be obtained.
[0034]
(3) Improved vibration insulation makes it less susceptible to external vibration noise, enables low power consumption, reduces zero point and span fluctuations due to environmental changes and external factors, and provides high accuracy and high accuracy. A stable Coriolis flow meter can be realized.
[0035]
(4) The fluid flow path is a single through structure with no branching or gaps from the inlet to the outlet of the flowmeter, and the vibration tube 20 having a shape close to a straight pipe with a gentle curve is adopted, making it compact and pressure loss. Therefore, a Coriolis mass flowmeter having a characteristic that is resistant to thermal stress due to temperature change of a fluid or the like can be obtained.
[0036]
[Patent Document 1]
JP-A-6-109512 (2nd page, FIG. 5)
[Patent Document 2]
JP-A-11-108723 (page 3-4, FIG. 1-5)
[0037]
[Problems to be solved by the invention]
However, in such an apparatus, as shown in FIGS. 12 and 13 , all the magnets 211, 221, 231, and 241 are arranged on the lower side in the Y direction.
Therefore, the mass distribution of the vibration system including the vibration tube 20 and the magnets 211, 221, 231, and 241 is in an unbalanced state where the Y direction negative side is heavy and the Y direction positive side is light.
[0038]
If there is such a mass imbalance, if the position of the vibration tube 20 changes due to excitation vibration, the position of the center of gravity of the entire vibration system also moves, and a large amount of vibration leaks to the outside of the vibration system, and vibration insulation does not work well.
[0039]
The following problems occur when the vibration insulation is poor.
1) It is susceptible to external influences.
That is, when pipe vibration or pipe stress is applied from the outside of the flow meter, the housing (housing) 6 of the flow meter cannot be completely affected by the influence, and external vibration or stress is applied to the internal vibration tube 20 to cause vibration. The vibration state of the tube 20 changes and appears as an error such as output fluctuation or zero point change.
[0040]
2) The vibration of the internal vibration tube 20 leaks to the external piping.
When vibration leaks out and vibration isolation becomes insufficient, the following problems occur.
(1) Since the Q value becomes low, internal vibration becomes unstable, and it is easy to be affected by extra vibration noise other than excitation vibration.
[0041]
(2) Large energy is required for excitation, and power consumption increases.
(3) Depending on the installation method, environmental changes such as piping stress and temperature, and external factors, the degree of vibration leakage changes greatly, the vibration status of the vibration tube 20 also changes, and the zero point and span are likely to change.
[0042]
An object of the present invention is to solve the above-described problems and to provide a Coriolis mass flow meter with improved stability, accuracy, and vibration resistance.
[0043]
That is, the present invention relates to a single tube type Coriolis mass flow meter having no branching,
Adopting a shape close to a straight pipe with a gentle curve, it is compact, has little pressure loss, and has strong characteristics against thermal stress due to temperature changes such as fluid.
[0044]
Furthermore, stability, accuracy, vibration resistance, and zero point fluctuation are also small by preventing the vibration of the vibration tube inside the flow meter from leaking out and making it less susceptible to external vibration noise and stress. The goal is to realize a highly accurate and stable Coriolis flow meter.
[0045]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve such an object, in the present invention, in the Coriolis mass flow meter of
A vibration tube through which a measurement fluid flows, an exciter that excites the vibration tube, and a vibration detection sensor that detects deformation vibration of the vibration tube due to Coriolis force generated by the flow of the measurement fluid and angular vibration of the vibration tube. In the Coriolis mass flowmeter provided, the upstream side while maintaining the point-symmetric curve shape with a point-symmetrical curve shape having three inflection points around the midpoint of the upstream fixed end and the downstream fixed end Using a straight line connecting the fixed end and the downstream fixed end as a reference axis, a vibration tube that makes simple vibrations on a circumference of a predetermined distance from each point of the reference axis, and a midpoint between the upstream fixed end and the downstream fixed end Each of the reference axes is defined by a straight line connecting the upstream fixed end and the downstream fixed end while maintaining the point symmetrical curve shape with a point-symmetrical curve shape having three inflection points. From the point A vibrating tube simple harmonic motion at a respectively predetermined distance in the circumferential line, and a vibration detection sensor and exciter with the magnet attached to the vibration tube and a coil provided to face the magnet, respectively, the A balancer that is attached to a vibration tube and prevents an imbalance caused by vibration of the magnet, and is arranged so that the placement location and mass are in a point-symmetric relationship with respect to the midpoint, and the position of the center of gravity is the midpoint A Coriolis mass flowmeter comprising the magnet and the balancer arranged above .
[0046]
In the Coriolis mass flow meter according to claim 2 of the present invention,
The Coriolis according to
[0047]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Figure 1 is a fragmentary diagram illustrating the configuration of an embodiment of the present invention, FIG 2 is a side view of FIG. 1, FIG. 3 is k-k sectional view of FIG. 1, FIG. 4 is a l-l cross-sectional view of FIG. 1 .
In this embodiment, 41 and 42 are exciters, and 43 and 44 are vibration detection sensors.
[0048]
In this case, as shown in FIG. 3 , the
[0049]
In this case, as shown in FIG. 4 , the vibration detection sensors 43 and 44 are composed of magnets 431 and 441 and coils 432 and 442. The magnets 431 and 441 are fixed to the vibration tube 20, and the coils are disposed at opposing positions. 432 and 442 are fixed to a non-vibrating non-vibrating place such as the housing 6.
[0050]
In practice, magnets 411, 421, 431, 441 are arranged inside cylindrical coils 412, 422, 432, 442, but magnets 411, 421, 431, 441 and coils 412, 422, 432, 442 are connected. Shown separately for clarity.
[0051]
Reference numerals 45, 46, 47 and 48 are balancers having the same mass and shape as the magnets 411, 421, 431 and 441 installed in the vibration tube 20.
The balancers 45, 46, 47, and 48 are installed at positions symmetrical to the magnets 411, 421, 431, and 441 with respect to the XZ plane.
[0052]
Balancers 45 and 46 are installed for the magnets 411 and 421 of the
[0053]
In practice, it is used by placing a magnet 411,421,431,441 inside the cylindrical coil 412,422,432,442, 3, 4, a magnet 411, 421, 431, 441 and coils 412, 422, 432, 442 are shown separately for the sake of clarity.
[0054]
With the structure of the present invention, not only the vibration tube 20 but also the entire mass distribution of the vibration system including the exciters 31 and 32 and the vibration detection sensors 33 and 34 can be arranged in a balanced manner.
[0055]
The center of gravity of the entire vibration system can be arranged at the midpoint 25 of the upstream fixed point and the downstream fixed point, and a point-symmetric mass distribution can be realized with the midpoint 25 as the center. .
[0056]
By having such a structure, the center of gravity position of the entire vibration system is fixed more completely than the conventional example, and a symmetric mass balance is realized. As a result, vibration insulation to the outside world can be increased. Become.
[0057]
By improving the vibration insulation, there are the following advantages.
1) Even if pipe vibration or pipe stress is applied from the outside of the flow meter, it is affected by the flow meter housing 6 (casing) and does not affect the internal vibration. Thus, a Coriolis mass flowmeter that can reduce such errors is obtained.
[0058]
2) By preventing the vibration of the internal vibration tube 20 from leaking to the outside,
(1) A Coriolis mass flowmeter can be obtained in which the Q value can be increased, the internal vibration becomes stable, and is less susceptible to extra vibration noise.
(2) A Coriolis mass flowmeter that can be excited with small energy and can reduce power consumption can be obtained.
[0059]
(3) Since the Q value is high and the amount of leakage is small in the first place, even if there is an environmental change such as the installation method, piping stress, temperature, etc., the amount of vibration leakage does not change much.
Therefore, a Coriolis mass flowmeter having a stable zero point and span against these external factors can be obtained.
[0060]
In addition,
3) Since the magnet can be installed on the vibration tube 20, a Coriolis mass flow meter can be obtained that does not require worrying about the installation location of the lead wire as in the case where the coil is installed on the vibration tube 20.
[0061]
4) When the lead wire is arranged in the vibrating tube 20 that vibrates, there are various problems such as mass problems such as the lead wire and the adhesive that fixes the lead wire, an increase in damping resistance due to deformation of the lead wire, and the location of the lead wire. Although there is a disadvantage, there is no worry about it, and a Coriolis mass flow meter with increased design freedom can be obtained.
[0062]
5) Since the exciters 31 and 32 and the vibration detection sensors 33 and 34 can be installed at the same XZ coordinate position as the tube axis 14, a Coriolis mass flow meter capable of saving a small space can be obtained.
[0063]
Specifically, in this case, the vibration tube 20 is made of stainless steel, the outer shape is 14 mm, the thickness is 1 mm, the total length L is 500 mm, the distance W of the maximum bending portion from the reference shaft 14 is 15 mm, the exciter The mass of 41 and 42 (including the balancer) M = 21 g, and the mass of the detectors 43 and 44 (including the balancer) M = 11 g.
[0064]
In this case, the circumferential vibration mode resonance frequency is 570 Hz (experimental value), the low-order mode resonance frequency is 220 Hz, and the high-order mode resonance frequency is 1200 Hz.
[0065]
Therefore, in the present embodiment, the distance of the maximum bending portion from the reference axis 14 with respect to the total length L is W / L = 15/500 = 0.03.
± about 0.01 ≦ W / L ≦ ± about 0.1 is excellent in total balance, although it varies depending on the physical properties of the vibrating tube 20, the bent shape, the mass of the accessory, and the like.
[0066]
The ratio of the distance W of the maximum bending portion from the reference axis 14 to the total length L of the vibration tube 20: If W / L is too small, the resonance frequency of the torsion mode becomes high and the resonance mode of circumferential vibration does not exist. Sometimes.
[0067]
On the other hand, if it is too large, the entire vibration tube 20 and the entire flow meter become large, resulting in a cost increase.
In addition, when the curvature is large, the pressure loss of the measurement fluid flowing inside the vibration tube 20 also increases.
[0068]
The value W / L = 0.03 in the present example is a straight pipe approximate shape with a gentle curve and a small amount of overhang, and realizes a compact and low pressure loss.
[0069]
Next, when the resonance frequency of the excitation mode is about several tens of Hz, it is not preferable because it is easily affected by piping noise, and the size of the entire vibration system becomes large, which increases the cost of the space.
[0070]
On the other hand, when the frequency is about 1000 Hz or more, the vibration amplitude is small, and the signal processing speed is not in time, which causes a problem.
As in this case, about several hundred Hz is an appropriate value from the viewpoint of vibration resistance noise and the convenience of the signal processing circuit.
[0071]
Next, it is desirable that the vibration tube 20 has no other unnecessary resonance mode in the vicinity of the excitation vibration frequency. As in this example, it is more desirable if it is far from other resonance vibration modes.
[0072]
The above description merely shows a specific preferred embodiment for the purpose of explanation and illustration of the present invention. Therefore, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and includes many changes and modifications without departing from the essence thereof.
[0073]
【The invention's effect】
According to
According to the structure of the present invention, not only the vibration tube but also the entire mass distribution of the vibration system including the exciter and the vibration detection sensor can be arranged with good balance.
[0074]
The center of gravity of the entire vibration system can be arranged at the midpoint position between the upstream fixed point and the downstream fixed point, and further, a point-symmetric mass distribution can be realized with the midpoint as the center.
[0075]
By having such a structure, the center of gravity position of the entire vibration system is fixed more completely than the conventional example, and a symmetric mass balance is realized. As a result, vibration insulation to the outside world can be increased. Become.
[0076]
By improving the vibration insulation, there are the following advantages.
1) Even if pipe vibration or pipe stress is applied from the outside of the flow meter, it is affected by the flow meter housing (case) and does not affect the internal vibration, output fluctuation, zero point change, etc. A Coriolis mass flow meter that can reduce the error is obtained.
[0077]
2) By preventing the vibration of the internal vibration tube from leaking outside,
(1) A Coriolis mass flowmeter can be obtained in which the Q value can be increased, the internal vibration becomes stable, and is less susceptible to extra vibration noise.
(2) A Coriolis mass flowmeter that can be excited with small energy and can reduce power consumption can be obtained.
[0078]
(3) Since the Q value is high and the amount of leakage is small in the first place, even if there is an environmental change such as the installation method, piping stress, temperature, etc., the amount of vibration leakage does not change much.
Therefore, a Coriolis mass flowmeter having a stable zero point and span against these external factors can be obtained.
[0079]
In addition,
3) Since the magnet can be installed on the vibration tube, a Coriolis mass flow meter can be obtained which does not require worrying about the location of the lead wire as in the case where the coil is installed on the vibration tube.
[0080]
4) When the lead wire is placed on a vibrating tube that vibrates, there are various demerits such as the mass of the lead wire and the adhesive that fixes the lead wire, the increase in damping resistance due to deformation of the lead wire, the location of the lead wire, etc. However, there is no need to worry about this, and a Coriolis mass flowmeter with increased design freedom can be obtained.
[0081]
5) Since a detector and a vibration detection sensor can be installed at the same XZ coordinate position as the tube axis, a Coriolis mass flowmeter capable of saving space can be obtained.
[0082]
According to claim 2 of the present invention, there are the following effects.
If the ratio of the distance of the maximum bending portion from the reference axis to the total length of the vibration tube is too small, the resonance frequency of the torsion mode becomes high and the resonance mode of circumferential vibration may not exist.
[0083]
On the other hand, if it is too large, the entire vibration tube and the entire flow meter become large, resulting in an increase in cost.
In addition, when the curvature is large, the pressure loss of the measurement fluid flowing inside the vibration tube also increases.
[0084]
That is, a compact Coriolis mass flow meter that can realize low-pressure loss can be obtained with a straight tube approximate shape with a gentle curve and a small overhang.
[0085]
Therefore, according to the present invention, a Coriolis mass flowmeter with improved stability, accuracy, and vibration resistance can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram of a main part configuration of an embodiment of the present invention.
Is a side view of FIG. 1;
3 is a k-k sectional view of FIG.
4 is a cross-sectional view taken along line l-l in FIG. 1 ;
FIG. 5 is an explanatory diagram of a main part configuration of a conventional example generally used conventionally.
FIG. 6 is an explanatory diagram of a main configuration of another conventional example that is generally used conventionally.
7 is a b-b cross section of Fig.
8 is a cross-sectional view taken along the lines aa and cc in FIG. 6 ;
FIG. 9 is an operation explanatory diagram of FIG. 6 ;
FIG. 10 is an explanatory diagram showing the main configuration of an embodiment of an application related to a prior application.
FIG. 11 is a side view of FIG. 10.
It is a d-d cross-sectional view of FIG. 12 FIG. 11.
13 is a e-e sectional view of FIG. 11.
FIG. 14 is an operation explanatory diagram of FIG. 10.
Is an operation explanatory diagram of FIG. 15] FIG. 10.
It is an operation explanatory diagram of Figure 16 Figure 10.
FIG. 17 is an operation explanatory diagram of FIG. 10 ;
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (2)
この振動チューブを励振する励振器と、
前記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る振動チューブの変形振動を検出する振動検出センサと
を具備す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の中点を中心に点対称で3個の変曲点を有する曲線形状で前記点対称の曲線形状を保持したまま前記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チューブと、
上流側固定端と下流側固定端の中点を中心に点対称で3個の変曲点を有する曲線形状で前記点対称の曲線形状を保持したまま前記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チューブと、
前記振動チューブに取付けられたマグネットとこのマグネットに対向して設けられたコイルとをそれぞれ有する励振器と振動検出センサと、
前記振動チューブに取付けられ前記マグネットの振動に基づき発生するアンバランスを防止するバランサーと、
配置場所と質量とが前記中点を中心に点対称な関係になるように配置され且つ重心位置は前記中点上にあるようにされた前記マグネットと前記バランサーと
を具備したことを特徴とするコリオリ質量流量計。A vibrating tube in which the measurement fluid flows;
An exciter for exciting the vibrating tube;
A Coriolis mass flowmeter comprising: a vibration detection sensor that detects a deformation vibration of the vibration tube due to a Coriolis force generated by the flow of the measurement fluid and the angular vibration of the vibration tube;
An upstream fixed end and a downstream fixed end with a curved shape having three inflection points that are symmetric with respect to the midpoint of the upstream fixed end and the downstream fixed end, while maintaining the point-symmetric curved shape. A vibration tube that makes a single vibration on a circumferential line at a predetermined distance from each point of the reference axis, with a straight line connecting
An upstream fixed end and a downstream fixed end with a curved shape having three inflection points that are symmetric with respect to the midpoint of the upstream fixed end and the downstream fixed end, while maintaining the point-symmetric curved shape. A vibration tube that makes a single vibration on a circumferential line at a predetermined distance from each point of the reference axis, with a straight line connecting
An exciter and a vibration detection sensor each having a magnet attached to the vibration tube and a coil provided facing the magnet;
A balancer which is attached to the vibration tube and prevents unbalance generated based on vibration of the magnet;
The magnet and the balancer are arranged such that the placement location and the mass are in a point-symmetrical relationship with respect to the midpoint and the center of gravity is located on the midpoint. Coriolis mass flow meter.
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。 The Coriolis mass flowmeter according to claim 1, comprising:
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