JP4371796B2 - 流体用質量流量計および流体用質量流量計の測定信号の補正方法 - Google Patents

Description

本発明は、流体を流すほぼまっすぐな形状の少なくとも１つの測定管と、この測定管に作用する少なくとも１つの振動発生器と、コリオリ力および／またはコリオリ力に基づくコリオリ振動を検出し測定信号を出力する少なくとも１つの測定値センサと、測定管および振動発生器および測定値センサを収容する支承管と、測定管の応力状態を検出する少なくとも１つの第１の応力センサと、測定信号を補正する補正装置とを有しており、測定管および支承管は軸線方向での相対運動を排除するように相互接続されており、支承管への固定位置までの測定管の軸線方向の距離を測定管の振動長さとし、測定値センサと測定管の応力状態を検出する第１の応力センサとが補正装置に接続されており、測定信号と第１の応力センサから出力された応力信号とが補正装置に供給される、コリオリの原理にしたがって動作する質量流量計に関する。

本発明はまた、流体を流すほぼまっすぐな形状の少なくとも１つの測定管と、この測定管に作用する少なくとも１つの振動発生器と、コリオリ力および／またはコリオリ力に基づくコリオリ振動を検出して測定信号を出力する少なくとも１つの測定値センサと、測定管および振動発生器および測定値センサを収容する支承管とを有しており、測定管および支承管は軸線方向での相対運動を排除するように相互接続されており、支承管への固定位置までの測定管の軸線方向の距離を測定管の振動長さとし、測定管の応力状態を検出する、流体用質量流量計の測定信号の補正方法に関する。

コリオリの原理にしたがって動作する質量流量計（いわゆるコリオリ式質量流量計）には基本的に、測定管がループ状に屈曲されている装置と測定管がほぼまっすぐに構成されている装置とがある。また、こうしたコリオリ式質量流量計では唯一の測定管のみを有するものと２つの測定管を有するものも区別される。２つの測定管を有するコリオリ式質量流量計も流体技術に関連して相応に考察することができる。

１つまたは複数の測定管がほぼまっすぐに構成されている装置は機械的な組み立てが容易であるため、わずかなコストで製造可能である。このようにして実現されるコリオリ式質量流量計はコンパクトであり、圧力損失も小さくなる。

１つまたは複数のまっすぐな測定管を有するこうしたコリオリ式質量流量計の欠点は、熱による長さの変化または応力変化や外部から作用する力およびモーメントが測定誤差や機械的損傷（破断など）を引き起こすことである。

冒頭に言及した形式の質量流量計および質量流量計の測定信号の補正方法は独国特許出願公開第４２２４３９７号明細書から公知である。ここに記載されているコリオリ式質量流量計は、測定管の応力状態を検出する応力センサとして測定管の振動長さの変化を検出する長さ変化センサを備えている。これにより振動長さまたは応力に依存して測定信号を補正することができる。

従来の技術から周知のコリオリ式質量流量計に測定管の振動長さの変化を検出するセンサが設けられていることにより、測定管の振動周期に影響する振動長さの変化および軸線方向の応力状態が考慮され、ここから測定誤差を低減ないしは消去することができる。さらに温度センサを付加的に設ければ、一方では温度変化に基づく測定誤差が、他方では応力に基づいて外部から測定管に作用する測定誤差が低減ないしは消去される。このとき長さ変化センサから得られる長さ変化信号は由来に関係なく測定線の振動長さの変化の直接の尺度となり、同様に由来に関係なく測定管の軸線方向の応力状態の変化の間接的な尺度となる。測定管の振動長さの変化を検出する長さ変化センサにより測定管の振動長さの変化および軸線方向の応力状態が検出され、これに基づいて発生する流量値の測定信号の誤差が低減ないしは消去される。

温度変化によって発生する測定誤差について次のことが当てはまる。弾性モジュールの温度依存性は振動周波数および測定管の撓みに影響し、ひいては測定値センサから出力される測定信号に作用する。この知識に基づいて、測定管の温度を検出する温度センサが設けられ、測定個所の温度に依存して測定信号が補正される。これについてはW.Steffen & Dr.W.Stumm, "Direkte Massendurchflussmessung, insbesondere mit Coliolis-Verfahren", in:'messen pruefen und automatisieren', 1987の301頁〜305頁を参照されたい。

さらにコリオリ式質量流量計の従来技術から、支承管の温度を検出する温度センサを設け、支承管の温度に依存する測定信号の補正値を得ることが知られている。このことは独国特許出願公開第３６３２８００号明細書および欧州特許第０２６１４３５号明細書にも記載されている。これらの明細書に記載されている補正プロセスは２つの温度センサから得られた温度センサ信号を補正装置へ供給し、測定信号への温度の影響を排除することにより行われる。

前述したコリオリ式質量流量計に関する全ての装置および手法は、応力または温度に依存する測定信号の補正値を得るためのものであり、これにより流量信号を求める際の精度が向上する。ただし周知の手法は必ずしも満足いくものではなく、求められた測定信号に僅かながら誤差が付随していることがある。
独国特許出願公開第４２２４３９７号明細書 独国特許出願公開第３６３２８００号明細書 欧州特許第０２６１４３５号明細書 W.Steffen & Dr.W.Stumm, "Direkte Massendurchflussmessung, insbesondere mit Coliolis-Verfahren", in:'messen pruefen und automatisieren', 1987 301頁〜305頁

こうした従来技術から出発して、本発明の課題は、コリオリ原理にしたがって動作する流体用質量流量計およびこうした流体用質量流量計の測定信号の補正方法を提供し、流量の測定値を正確に補正できるようにすることである。

この課題は、冒頭に言及した形式の流体用質量流量計において、支承管の応力状態を検出する少なくとも１つの第２の応力センサが設けられており、この第２の応力センサも補正装置に接続されており、第２の応力センサから出力された応力信号も補正装置に供給され、補正装置により、第１の応力センサから出力された応力信号と第２の応力センサから出力された応力信号とに基づいて測定信号が補正され、補正信号を求めるために補正装置内に実験により求められた補正関数が調製され、ここで、この補正関数は、既知の質量流について求められた測定管の応力状態を表す応力信号および支承管の応力状態を表す応力信号ならびに測定信号から適合プロセスによって求められる構成により解決される。

課題はまた、冒頭に言及した形式の流体用質量流量計の測定信号の補正方法において、付加的に支承管の応力状態を検出し、測定管および支承管について検出された各応力状態に基づいて実験により求められた補正関数により測定信号を補正し、ここで、この補正関数を、既知の質量流について求められた測定管の応力状態を表す応力信号および支承管の応力状態を表す応力信号ならびに測定信号から適合プロセスによって求めることにより解決される。

本発明によれば、測定管の応力状態を検出する第１の応力センサに加えて、支承管の応力状態を検出する第２の応力センサが設けられる。これにより測定管および支承管の振動長さおよび軸線方向の応力状態が求められる。ここでこれらの振動長さおよび軸線方向の応力状態は種々の要素の影響を受けている。

測定管および支承管に由来する振動長さおよび軸線方向の応力状態の情報が共通して長さおよび応力に依存する測定信号の補正に用いられると、従来周知の手段に比べて測定信号の効果的な補正を達成することができる。このとき特に支承管に対する第２の応力センサは測定管を通って流れる媒体の温度の作用を僅かしか受けない。ただしこの第２の応力センサはコリオリ式質量流量計に外部から作用する応力（例えば張力、圧力、ねじれ力）や周囲温度などの影響を強く受けている。一方、周囲温度は測定管に対する第１の応力センサにはそれほど作用しない。なぜなら測定管の温度は主として測定管を通って流れる媒体の温度によって定まるからである。その結果、支承管に対する第２の応力センサは主として外部影響に関する情報を調製し、測定管に対する第１の応力センサからの情報と併せて、長さおよび応力に依存する測定信号の補正が全体として大幅に改善される。

第１の応力センサから得られた測定管の応力状態および第２の応力センサから得られた支承管の応力状態に基づいて補正信号を求めるには種々の手段が存在する。例えば理論モデルにおいて測定管および支承管の応力状態のうち測定信号に作用する要素の依存関係を求め、補正関数を取得することができる。ただし、一般に測定信号に対する数学的な補正ルールは完結した形では得られないので、このときには反復プロセスや近似プロセスを行わなければならない。

本発明の有利な実施形態によれば、補正信号を求めるために補正装置内に実験により求められた補正関数が調製される。こうした補正関数を求めるには、測定管に例えば既知の質量流を流し、これについて測定管および支承管の応力状態を求める。これにより値の列が得られ、ここから適合プロセス、いわゆるフィットプロセスによって実験による補正関数が求められる。

測定管および支承管の応力状態を検出する応力センサとして種々の応力センサを用いることができる。ただし測定管および支承管に直接に固定して用いる応力センサが必須というわけではない。無接触で応力測定を行う応力センサも知られている。本発明の有利な実施例によれば、応力センサとして長さ変化センサ、特にストレインゲージが設けられており、これにより測定管および支承管の応力変化すなわち長さの変化が検出される。測定管および支承管に取り付けて用いるこうしたストレインゲージによれば、測定誤差として従来技術では測定誤差とされていた機械的なパラメータ、例えば小さな伸縮、たわみ、ねじれや弾性力などを良好に検出することができる。このようなストレインゲージを用いた効果的な測定エレメントは例えば薄い抵抗線から成っており、ループ状またはジグザグ状の形態で支持体材料（プラスティックなど）からなる変形可能な条片上に配置される。ストレインゲージが変形可能なボディ（例えばコリオリ式質量流量計の測定管または支承管）に被着されている場合には、当該のストレインゲージに負荷がかかるとこれは測定管および支承管そのものと同じだけ伸縮するので、ここから抵抗線の長さおよび断面積が変化し、ひいては電気抵抗が変化する。この電気抵抗の変化分はフックの法則にしたがって伸縮および弾性力に比例する。

基本的に支承管の応力センサと測定管の応力センサとは配向を異ならせることもできる。ただし本発明の有利な実施例によれば、測定管の応力状態を検出する第１の応力センサは測定管の長さ方向に配向されており、および／または支承管の応力状態を検出する第２の応力センサは支承管の長さ方向に配向されている。このようにすれば、応力センサで検出された長さの変化が測定管または支承管の実際の振動長さの変化に相応することが保証される。

本発明の方法の有利な実施形態は本発明のコリオリ式質量流量計の有利な実施形態と同様に得られる。

本発明の流体用質量流量計、および流体用質量流量計の測定信号の補正方法を実現する手段にはさまざまのものがある。これについては特許請求の範囲と以下に説明する図示の有利な実施例とに示されている。図１には本発明の有利な実施例によるコリオリ原理にしたがって動作する流体用質量流量計が示されている。

図１に示されているコリオリ式質量流量計は唯一のまっすぐな測定管１と、この測定管１に作用する振動発生器２と、コリオリ力および／またはコリオリ力に基づくコリオリ振動を検出する２つの測定値センサ３とを有している。またこの質量流量計には測定管１および振動発生器２および測定値センサ３を収容する支承管４が設けられている。さらに測定管１の応力状態を検出するために第１の応力センサ（ストレインゲージ）５が配置されている。このセンサは測定信号を補正する補正装置６に接続されており、ここに測定管１の応力状態を検出した第１の応力センサ５からの応力信号が供給される。補正装置６はさらに測定値センサ３に接続されており、補正装置６にはさらに測定値センサ３から到来する測定信号も供給される。周知のように測定管１を通る質量流に比例する信号は２つの測定値センサ３で検出された振動信号の位相シフトによって直接に得られる。

測定管１の応力状態を検出する第１の応力センサ５のほか、支承管４の応力状態を検出する第２の応力センサ（ストレインゲージ）７も設けられている。この第２の応力センサ７によって支承管４について検出された応力信号も同様に補正装置６へ供給される。補正装置６は測定管１の応力状態を検出する第１の応力センサ５から出力された応力信号と支承管４の応力状態を検出する第２の応力センサ７から出力された応力信号とに基づいて測定信号を補正し、測定管１の質量流の補正信号を形成する。

測定管１および支承管４は軸線方向の相対運動を行うように相互に接続されており、ここで支承管４への固定位置までの測定管１の軸線方向の距離が測定管１の振動長さに相当する。測定管１を支承管４に固定するために支承管の端部を接続する２つの第１の接続リング８が設けられている。さらにコリオリ式質量流量計のケーシングとして外側の収容シリンダ９が設けられており、このシリンダは測定管１および振動発生器２および測定値センサ３および支承管４および第１の接続リング８を収容するユニットとなっている。このとき収容シリンダ９は端部を接続する２つの第２の接続リング１０を有しており、ここにそれぞれ外側へ突出する端部フランジ１１が接続される。接続リング１０を通して測定管１に接続される接続管１２は端部フランジ１１のほうへ突出している。この実施例では測定管１および接続管１２は一体に構成されており、全体で一貫した管をなしている。接続管１２を保護するために、このユニットは強化シリンダ１３によってカバーされている。

この実施例のコリオリ式質量流量計には全部で２つのストレインゲージが設けられている。すなわち測定管１の応力状態を検出する第１のストレインゲージと支承管４の応力状態を検出する第２のストレインゲージである。これにより上述のように、一方では測定管１の振動長さと軸線方向の応力状態とが求められ、他方では支承管４の振動長さと軸線方向の応力状態とが求められる。ここで測定管１および支承管４の振動長さおよび応力状態は種々の要素の影響を強く受ける。

特に支承管４に対する第２の応力センサ７は測定管１を通って流れる媒体の温度には僅かしか影響されないが、外部からコリオリ式質量流量計に作用する応力、例えば張力、圧力、ねじれ力や周囲温度にはきわめて強い影響を受ける。周囲温度は測定管１の第１の応力センサ５には僅かしか影響しない。なぜなら測定管１の温度は主として測定管１を通って流れる媒体の温度によって定まるからである。

この実施例のコリオリ式質量流量計では、測定管１および支承管４から到来するそれぞれの応力状態に関する情報を共通に測定信号の補正に用いる。すなわち長さおよび応力に依存する測定信号への影響分が実験で求められた補正関数を補正装置６内で適用することにより補正される。これにより測定信号について効果的な誤差補正が達成される。

コリオリ原理にしたがって動作する流体用質量流量計を示す図である。

符号の説明

１ 測定管
２ 振動発生器
３ 測定値センサ
４ 支承管
５ 第１の応力センサ
６ 補正装置
７ 第２の応力センサ
８ 第１の接続リング
９ 収容シリンダ
１０ 第２の接続リング
１１ 端部フランジ
１２ 端部管
１３ 強化シリンダ

Claims (2)

1. 流体を流すほぼまっすぐな形状の少なくとも１つの測定管（１）と、該測定管（１）に作用する少なくとも１つの振動発生器（２）と、コリオリ力および／またはコリオリ力に基づくコリオリ振動を検出し測定信号を出力する少なくとも１つの測定値センサ（３）と、測定管（１）および振動発生器（２）および測定値センサ（３）を収容する支承管（４）と、測定管（１）の応力状態を検出する少なくとも１つの第１の応力センサ（５）と、測定信号を補正する補正装置（６）とを有しており、
   測定管（１）および支承管（４）は軸線方向での相対運動を排除するように相互接続されており、支承管（４）への固定位置までの測定管（１）の軸線方向の距離を測定管（１）の振動長さとし、
   測定値センサ（３）と測定管（１）の応力状態を検出する第１の応力センサ（５）とが補正装置（６）に接続されており、測定信号と第１の応力センサ（５）から出力された応力信号とが補正装置（６）に供給される、
   コリオリの原理にしたがって動作する質量流量計において、
   支承管（４）の応力状態を検出する少なくとも１つの第２の応力センサ（７）が設けられており、該第２の応力センサも補正装置（６）に接続されており、第２の応力センサ（７）から出力された応力信号も補正装置（６）に供給され、
   補正装置（６）により、第１の応力センサ（５）から出力された応力信号と第２の応力センサ（７）から出力された応力信号とに基づいて測定信号が補正され、
   補正信号を求めるために補正装置内に実験により求められた補正関数が調製され、ここで、該補正関数は、既知の質量流について求められた測定管（１）の応力状態を表す応力信号および支承管（４）の応力状態を表す応力信号ならびに測定信号から適合プロセスによって求められる
   ことを特徴とする流体用質量流量計。
2. 流体を流すほぼまっすぐな形状の少なくとも１つの測定管（１）と、該測定管（１）に作用する少なくとも１つの振動発生器（２）と、コリオリ力および／またはコリオリ力に基づくコリオリ振動を検出して測定信号を出力する少なくとも１つの測定値センサ（３）と、測定管（１）および振動発生器（２）および測定値センサ（３）を収容する支承管（４）とを有しており、
   測定管（１）および支承管（４）は軸線方向での相対運動を排除するように相互接続されており、支承管（４）への固定位置までの測定管（１）の軸線方向の距離を測定管（１）の振動長さとし、
   測定管（１）の応力状態を検出する
   流体用質量流量計の測定信号の補正方法において、
   さらに支承管（４）の応力状態を検出し、
   測定管（１）および支承管（４）について検出された各応力状態に基づいて実験により求められた補正関数により測定信号を補正し、
   ここで、該補正関数を、既知の質量流について求められた測定管（１）の応力状態を表す応力信号および支承管（４）の応力状態を表す応力信号ならびに測定信号から適合プロセスによって求める
   ことを特徴とする流体用質量流量計の測定信号の補正方法。

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