JP4711056B2 - コリオリ質量流量計 - Google Patents

Description

本発明は、コリオリ質量流量計を構成する振動部材と静止系とを接続する信号伝達構造に関する。

コリオリ質量流量計は、特許文献１に見られるように振動可能な弾性変形可能な２本のチューブを平行にその両端を分岐管を介して支持したり、また特許文献３に見られるように一本のチューブを平行になるようにループさせるとともに、相対向するチューブに励振器を配置して各チューブが互いに逆位相になるように単振動させ、質量流量に比例して発生するコリオリ力によって生じる振動の変化を少なくとも一対の振動検出器により検出するように構成されている。

これら励振器や振動検出器は、通常、コイル部材とマグネット部材とにより構成され、コイル部材には駆動信号を供給したり、また振動に伴う信号を取り出す関係上、チューブと非振動体との間に信号伝送路を配置することが必要となる。

このため、特許文献２に見られるように２本の略「Ｕ」字状のチューブのそれぞれに、チューブの立ち上がり部を結びかつ側方に突出する水平方向に延びる梁状体を相対向するように固定し、中心部に励振手段を、また立ち上がり部の外側に振動検出手段を配置し、励振手段のコイル部材と外部の回路手段とを可撓性リボン状導電体により接続し、また両側の振動検出手段を構成するコイル部材と可撓性リボン状導電体とを梁状体に沿わせて配置した導線により接続したコリオリ質量流量計のセンサー取り付け構造が提案されている。

これによれば、２本のチューブの振動の対称性を維持できるものの、励振手段がチューブから離れ、かつチューブの固定部に近い位置に存在するため、大きな駆動力が必要となるばかりでなく、チューブに対して無視できない質量を有する梁状体が存在するため、チューブの振動形態がそれ自体のものとは大きく異なるという問題がある。

また、特許文献３にみられるように、励振コイルとチューブの上流側、下流側に振り分け配置された２つの検出コイルの３つのコイルから合計６本の信号伝送路が懸垂状態でチューブの近傍の非振動体に接続したものが提案されている。

しかしながら、振動検出器が配置される領域は、コリオリ力の振動変位が大きな領域、いわゆる腹の部分であるため、信号伝送路の部材による質量の増加だけでなく、信号伝送路が自身の弾性と質量による固有振動数を持ち、またチューブの振動に対する抵抗分として作用するとともに、これが経時的に変化するため、安定した振動を阻害する要因となる。

もとより、信号伝送路を構成する線材に細いものを使用して剛性を下げれば影響を無視できる程度に小さくできるものの、信号伝送路の強度の低下や寿命の短縮により信頼性が低下し、また規定の形状を維持することが困難となり、振動のパラメータがバラつくという新たな問題が生じる。
このような問題を解消するため、本出願人は、先に特願2005-116429号として、内部に流体が流れる振動可能なチューブを分岐手段を介して少なくとも一部に平行な領域を有するように２本、もしくは前記チューブを少なくとも一部に平行な領域を有し、かつ前記平行な領域が相互に接離する方向に振動可能に基台に設けるとともに、前記チューブの前記平行な領域の相対向する位置の少なくとも１箇所にコイル部材とマグネット部材とからなり、前記チューブを接離する方向に振動させる励振手段を設け、また前記チューブの前記平行な領域の相対向する位置の少なくとも２箇所にコイル部材とマグネット部材とからなり、前記チューブの振動による相対距離、または相対速度の変化を検出する振動検出手段を設け、前記振動検出手段からの信号に基づいて前記流体の流量または密度を測定するコリオリ質量流量計において、前記コイル部材に接続されている信号伝送路と同一形態となるように前記マグネット部材にダミー信号伝送路が設けることを提案した。
これによれば、２本のチューブの振動形態に大きな変化をきたすことなく振動の対称性を保持できるため、安定な測定が可能となる反面、ダミー信号伝送路を必要として構造が若干複雑になるという不都合がある。
特許第1863347号公報 特公平7-54266号公報 特許第3556954号公報

本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、コリオリ質量流量計の実用精度、安定性、信頼性を維持しつつ、可及的に構造の簡素化を図ることができるコリオリ質量流量計を提供することである。

請求項1の発明は、内部に流体が流れる振動可能なチューブを分岐手段を介して少なくとも一部に平行な領域を有するように２本、もしくは前記チューブを少なくとも一部に平行な領域を有し、かつ前記平行な領域が相互に接離する方向に振動可能に基台に設けるとともに、前記チューブの前記平行な領域の相対向する位置の少なくとも１箇所にコイル部材とマグネット部材とからなり、前記チューブを接離する方向に振動させる励振手段を設け、また前記チューブの前記平行な領域の相対向する位置の少なくとも２箇所にコイル部材とマグネット部材とからなり、前記チューブの振動による相対距離、または相対速度の変化を検出する振動検出手段を設け、前記振動検出手段からの信号に基づいて前記流体の流量または密度を測定するコリオリ質量流量計において、前記振動検出手段及び励振手段を構成するコイル部材が２本の前記チューブの一方に、また前記振動検出手段及び励振手段を構成するマグネット部材が２本の前記チューブの他方に配置されて、フレキシブルプリント基板が前記励振手段のコイル部材と非振動領域との間に懸垂状に配置され、前記フレキシブルプリント基板の固有振動数と前記チューブの振動数とが相違し、かつ前記フレキシブルプリント基板の固有振動数が、前記チューブの振動に対して非高調波の関係にあり、さらに前記チューブの振動数が前記フレキシブルプリント基板の振動数に対して非高調波の関係にあり、前記振動検出手段のコイル部材と前記フレキシブルプリント基板とが前記チューブに沿って配置された信号伝送路により接続され、さらに前記励振手段のマグネット部材と前記非振動領域との間に、前記信号伝送路を形成するフレキシブルプリント基板と同一仕様のフレキシブルプリント基板が、前記信号伝送路のフレキシブルプリント基板と対称となるようにダミーの信号伝送路として配置されている。

請求項１の発明によれば、チューブの上流側と下流側の振動検手段には、従来、空中に懸垂状に存在していた信号伝送路が存在しないので、コリオリ振動の変位の大きい腹の領域近傍に、この変位を乱す要素が存在しなくなる一方、外部との接続をコリオリ振動の節である励振手段の領域から単一のフレキシブルプリント基板により行うことができ、実用精度、安定性、信頼性を維持しつつ、可及的に構造の簡素化を図ることができる。
また、１本のチューブにコイル部材だけ、またはマグネット部材だけを纏めて配置するため、組み立て作業の簡素化が可能となる。
さらにフレキシブルプリント基板の振動がチューブのコリオリの振動に影響するのを最小限に抑えることができて、測定精度の向上を図ることができる。
２本のチューブに、ほぼ同等の材質、形状の信号伝送路とダミー信号伝送路が存在するので、２本のチューブの対称性が高くなりチューブが理想の音叉振動に近い形態で振動し、高い精度での測定が可能となる。
また、信号伝送に関与しないダミー信号伝送路を使用しているため、コイル部材の配置場所や配線方法にかかわりなく、より高い対称性を簡単に実現することができる。
対称性が増すことで、チューブをより安定に振動させることができ、温度変化や外部からの振動に対しても質量流量を安定に測定することができる。
また、懸垂状態で配置される信号伝送路は、それ自体が固有の共振周波数をもち、チューブの振動に対して抵抗分として作用するため、チューブの振動に悪影響を与えるが、ダミー信号伝送路が対称に配置されているため、信号伝送路の振動がダミー信号伝送路の振動により相殺できる。
以上のことから、コリオリ質量流量計の高安定化、高精度化を実現することができる。

（第１の実施例）
図１は、本発明の一実施例を示すものであって、少なくとも一部に平行な領域を有し、かつ平行な領域が相互に接離する方向に振動可能な形態、この実施例ではアーチ状に２本のチューブ１、２を平行、かつ相対向して相互に接離する方向に振動可能にその両端を基台３に固定されている。

一方のチューブ１の立ち上がり部の固定領域から可及的に遠方の領域、図１においては上部領域、好ましくはコリオリ振動の節となる位置には振動検出器４、５を構成するコイル部材４ａ、５ａが、他方のチューブ２の立ち上がり部の上部領域には振動検出器４、５を構成するマグネット部材４ｂ、５ｂが、コイル部材４ａ、５ａに対向する位置に設けられ、また一方のチューブ１の中央領域、つまり基台３から最遠領域の中央に励振器６を構成するコイル部材６ａが、他方のチューブ２のコイル部材６ａに対向する位置には励振器６を構成するマグネット部材６ｂが配置されている。

これら振動検出器４、５、及び励振器６を構成するコイル部材４ａ、５ａ、６ａとマグネット部材４ｂ、５ｂ、６ｂは、チューブ１、２に直接、もしくは可能な限り接するように、つまり特許文献２に記載された発明の梁状体、つまり部材固定用アダプタを介することなくチューブ１、２に固定されている。
このような固定形態を採用することにより、チューブ１、２自体の振動特性を可能な限り維持でき、測定精度の低下を防止することができる。
また、これらチューブ１、２の近傍には中継用の非振動体１０が配置されている。

これら励振器６を構成するコイル部材６ａには、非振動体１０を終端とする絶縁フィルムに導電パターンを形成したフレキシブルプリント基板１３の一端が接続されている。このフレキシブルプリント基板１３には、少なくとも、２個の振動検出器４、５のコイル部材４ａ、５ａの信号を伝送するための導電パターンと、励振器６のコイル部材６ａに駆動信号を供給するための導電パターンの計６本（アースラインを共通化すれば４本）が形成され、固定部以外が空中に懸垂状態となるように配置されている。
フレキシブルプリント基板１３は、非振動体１０と励振器６を構成するコイル部材６ａとを接続できる長さを有するが、本発明においてはさらにフレキシブルプリント基板１３は、励振器６によるチューブ１、２の振動周波数とフレキシブルプリント基板６自体の固有振動数とが高調波関係とならないようにその長さ、幅、材質が選択されている。
これにより、フレキシブルプリント基板１３の振動によるチューブ１、２の振動への影響を最小限とすることでき、フレキシブルプリント基板１３の振動がチューブ１、２のコリオリの振動に影響するのを抑えて測定精度を向上することができる。

また、励振器６のコイル部材６ａが設けられているチューブ１の振動検出器４、５のコイル部材４ａ、５ａが設けられ、これらコイル部材４ａ、５ａに一端が接続されたワイヤ、線材等（以下、これらの材をリード線構成材という）の導電体２０、２１がチューブ１に沿うようにフレキシブルプリント基板１３まで延長されて他端がフレキシブルプリント基板１３の導電パターンに導電接続されている。

この実施例によれば、チューブ１、２の上流側と下流側の振動検出器４、５には、従来、空中に懸垂状に存在していた信号伝送路が存在しないので、コリオリ振動の変位の大きい腹の領域近傍に、この変位を乱す要素が存在しなくなる一方、外部との接続をコリオリ振動の節である励振器６の領域から単一のフレキシブルプリント基板１３により行うことができ、実用精度、安定性、信頼性を維持しつつ、可及的に構造の簡素化を図ることができる。

すなわち、従来のように、リード線あるいは金属箔等の可撓性の信号伝送路が、懸垂状態で近傍の非振動体に接続されている状況では、信号伝送路の部材による質量の増加だけでなく、信号伝送路が自信の弾性と質量による固有振動数を持ち、またチューブの振動に対する抵抗分として作用するとともに、これが経時的に変化するため、安定した振動を阻害する要因となる。
このように懸垂状態の信号伝送路が複数存在することによる問題の他に、特に上流側と下流側の振動検出器付近に懸垂状態の信号伝送路が存在するさらに次のような問題を生じる。
すなわち、一般的なコリオリ質量流量計では、質量流量に比例するコリオリ力による振動は、チューブの両固定端と、チューブの中心点を振動の節とする捩れの振動であり、そのコリオリ振動成分の大きさを検出して、質量流量を求めている。振動を高い精度で検出するため、上下流の２つの振動検出器は、コリオリ振動が大きい腹の領域に設置されるため、腹の領域に懸垂状態の信号伝送路が存在すると、コリオリ振動成分自体が信号伝送路により乱され、また振動検出性能にも悪影響が及ぶため、安定した流量測定ができなくなる。
これに対して本発明によれば、チューブ１の中心部のコリオリ振動の節にのみ、３つのコイル部材４ａ〜６ａと外部との接続を実現する懸垂状態の信号伝送路が存在するため、コリオリの振動による信号伝送路の変位量が可及的に小さく、また伝送路が中心部の１箇所に集約されているため、配線構造の簡素化が可能となる。

（第２の実施例）
図３は、本発明の第２の実施例を示すものであって、励振器６を構成するマグネット部材６ｂと非振動体１０との間に、励振器６のコイル部材６ａに接続されているのと略同一仕様のフレキシブルプリント基板１３’をダミーとして、同一の形態、つまり対称となるように配置したものである。

この実施例によれば、２本のチューブ１、２のそれぞれに、ほぼ同等の材質、形状の信号伝送路であるフレキシブルプリント基板１３とダミー信号伝送路を構成することをフレキシブルプリント基板１３’とが存在するので、２本のチューブ１．２の対称性が高くなりチューブ１．２が理想の音叉振動に近い形態で振動し、高い精度での測定が可能となる。
また対称性が増すことで、チューブ１、２をより安定に振動させることができ、温度変化や外部からの振動に対しても質量流量を安定に測定することができる。
また、懸垂状態で配置される信号伝送路は、それ自体が固有の共振周波数をもち、チューブ１、２の振動に対して抵抗分として作用してチューブの振動に影響を与えるものの、信号伝送路であるフレキシブルプリント基板１３とダミー信号伝送路であるフレキシブルプリント基板１３’とが対称性を有するため、それぞれが相殺しあうことになり、コリオリ質量流量計の高安定化、高精度化を実現することができる。

（比較検討１）
図４は、本発明の第１、第２の実施例のコリオリ質量流量計と、従来のもの、つまりチューブに配置された励振器、２つの振動検出器を構成する各コイル部材と非振動体との間を懸垂状態の配線で接続したコリオリ質量流量計とを、約０℃から約４０℃まで温度変化させた場合の零点の偏移量を示すものであって、第１の実施例では最大で０．０９０％（図４の符号Ａ）、また第２の実施例では最大で０．０６１％（図４の符号Ｂ）であるのに対して、従来のコリオリ質量流量計では最大０．４８９％（図４の符号Ｃ）であった。
このことから、本発明の装置は、温度安定性が大幅に向上していることが確認できる。

（比較検討２）
本発明の第１の実施例と、先に出願したマグネット部材にもコイル部材の信号伝送路と同様のダミーの伝送路を設けた場合、つまり第２の実施例においてマグネット部材にダミーの伝送路をと設けて、２本のチューブの伝送路の対称性を確保したものとの温度安定性について調査したところ、図５に示したように本発明の第２の実施例では、温度変化時のゼロ点シフト量はΔ０．０２７％（図５の符号Ａ）であり、また２本のチューブの伝送路の対称性を確保したものではΔ０．０３８％（図５の符号Ｂ）となり、両者ともシフト量は非常に小さく、温度に対する安定性は良好であった。
ところで、コリオリ流量計自体の総合の精度が±１％程度であるから、両者の差は、実用上無視できる程度であり、さらに性能差は圧力影響など、他要因に左右される面が大きい。
したがって、第１の実施例のようにマグネット部材が設けられているチューブへのダミーの信号伝送路の配置を省略しても十分な性能を維持しつつ、部品点数削減、製造工数、調整時間短縮、コスト低減の効果を上げることができ、製品としてのメリットは大きい。

本発明の一実施例を示す斜視図である。 図(イ)、(ロ)は、それぞれ本発明の一実施例を示す側面図、及び上面図である。 本発明の他の実施例を示す斜視図である。 本発明の第１、第２の実施例と従来のコリオリ質量流量計の温度特性を示す線図である。 本発明の第１の実施例と、全ての振動検出器、励振器にダミーの信号伝送路を設けた構成との温度特性を示す線図である。

符号の説明

１、２ 振動可能なチューブ
３ 基台
４、５ 振動検出器
４ａ、５ａ コイル部材
４ｂ、５ｂ マグネット部材
６ 励振器
６ａ コイル部材
６ｂ マグネット部材
１０ 中継用の非振動体
１１、１２ 信号伝送路を構成するリード線構成材
１３ フレキシブルプリント基板
１３' ダミー信号伝送路を構成するフレキシブルプリント基板

Claims (1)

1. 内部に流体が流れる振動可能なチューブを分岐手段を介して少なくとも一部に平行な領域を有するように２本、もしくは前記チューブを少なくとも一部に平行な領域を有し、かつ前記平行な領域が相互に接離する方向に振動可能に基台に設けるとともに、前記チューブの前記平行な領域の相対向する位置の少なくとも１箇所にコイル部材とマグネット部材とからなり、前記チューブを接離する方向に振動させる励振手段を設け、また前記チューブの前記平行な領域の相対向する位置の少なくとも２箇所にコイル部材とマグネット部材とからなり、前記チューブの振動による相対距離、または相対速度の変化を検出する振動検出手段を設け、前記振動検出手段からの信号に基づいて前記流体の流量または密度を測定するコリオリ質量流量計において、
   前記振動検出手段及び励振手段を構成するコイル部材が２本の前記チューブの一方に、また前記振動検出手段及び励振手段を構成するマグネット部材が２本の前記チューブの他方に配置され、
   フレキシブルプリント基板が前記励振手段のコイル部材と非振動領域との間に懸垂状に配置され、
   前記フレキシブルプリント基板の固有振動数と前記チューブの振動数とが相違し、かつ前記フレキシブルプリント基板の固有振動数が、前記チューブの振動に対して非高調波の関係にあり、さらに前記チューブの振動数が前記フレキシブルプリント基板の振動数に対して非高調波の関係にあり、
   前記振動検出手段のコイル部材と前記フレキシブルプリント基板とが前記チューブに沿って配置された信号伝送路により接続されて、
   さらに前記励振手段のマグネット部材と前記非振動領域との間に、前記信号伝送路を形成するフレキシブルプリント基板と同一仕様のフレキシブルプリント基板が、前記信号伝送路のフレキシブルプリント基板と対称となるようにダミーの信号伝送路として配置されているコリオリ質量流量計。

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