JP4813090B2

JP4813090B2 - 質量流量計

Info

Publication number: JP4813090B2
Application number: JP2005142239A
Authority: JP
Inventors: 友雄三堀
Original assignee: Ono Sokki Co Ltd
Current assignee: Ono Sokki Co Ltd
Priority date: 2005-05-16
Filing date: 2005-05-16
Publication date: 2011-11-09
Anticipated expiration: 2025-05-16
Also published as: JP2006317374A

Description

本発明は、コリオリ力を利用した質量流量計に関するものである。

コリオリ力を利用して流体の質量流量を計測する所謂コリオリ質量流量計が知られている。
コリオリ質量流量計では、流体が流れる管路を回転させたり（特許文献１）、振動させたり（特許文献２）することによって、管路にコリオリ力が掛かり、管路が変形する。この変形量は、質量流量に比例するので、管路の変形量を測定することによって、質量流量を求めることができる。

しかし、従来のコリオリ質量流量計では、コリオリ力による管路の変形を計測することから、その弾性係数の影響が大きく、例えば、弾性係数の温度依存性が大きいと、測定環境、又は、被測定物の温度により、正確な測定ができない場合があった。
また、コリオリ質量流量計の装置筐体も含めての全体の弾性係数の経時変化の影響を排除することが不可能であった。
一般に、弾性変形量が力に比例することが厳密に成立することは実際にはまれであるために、従来のコリオリ質量流量計におけるコリオリ力による管路の変形量は、質量流量に厳密に比例することが保障できない。さらに、従来の振動式コリオリ質量流量計では、振動の加速度が、当該流量計を据え付ける機械基礎の剛性によって著しく影響されるので、同流量計の設置施工方法の違いが、コリオリ力による管路の変形量に、影響を与える欠陥を持っていた。
また、被測定物の密度が一定している場合や、粘性の小さい場合などには、容易に測定が可能であるが、混相流、非ニュートン流体等を被測定物とする場合には、従来のコリオリ質量流量計では、正確な測定が不可能であるという問題があった。このような混相流、非ニュートン流体等を被測定物とする分野としては、例えば、食品製造等の分野があり、そのような分野における製造工程では、正確な質量流量の測定が行われていなかった。
特開平５−２４８９１１号公報特開２０００−１１１３８０号公報

本発明の課題は、被測定物の物性値（分子量、比熱、熱伝導率、粘度など）、及び、被測定物の状態量（混合比、密度、温度、圧力など）、並びに、被測定物の流動特性値（レイノルズ数、ボイド率、スリップ比など）の何れにも影響されず、また、コリオリ質量流量計を構成する弾性部材と可撓部材の弾性値の個体差（材料原料のばらつき、工作精度に基づくばらつき、時効効果に基づくばらつきなど）にも影響されず、かつ、コリオリ質量流量計を据え付け設置する工作方法にも影響されないで、常に正確な測定が可能な質量流量計を提供することである。

本発明は、以下のような解決手段により、前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために、本発明の実施例に対応する符号を付して説明するが、これに限定されるものではない。
請求項１の発明は、コリオリ力を利用する質量流量計であって、略円形に形成されたループ部（１１ａ）を有し、被測定物が内部を流れる管路（１１）と、前記ループ部が形成する略円形のループ面の中心を通り当該ループ面に垂直であるＺ軸に当該ループ面において直交するＸ軸の方向に設けられ、前記管路のうち前記ループ部を形成する部分であるループ管路を、両端において支持する第１の弾性部材（２２）と、前記第１の弾性部材を上面側で支持し、前記Ｘ軸の方向に設けられた揺動部材（２４）と、前記Ｘ軸及び前記Ｚ軸と直交するＹ軸の方向に設けられ、両端において揺動部材支持部材（２６）によって支持され、前記揺動部材の下面側を支持している第２の弾性部材（２７）と、前記Ｚ軸を中心として回転可能に前記ループ管路に直接又は間接的に支持される固体ジャイロ部（１２）と、前記固体ジャイロ部に回転駆動力を与える固体ジャイロ駆動部（１５）と、前記揺動部材を介して前記Ｙ軸を中心に前記ループ管路を回転、又は、振動させる管路駆動部（１８）と、前記コリオリ力による前記ループ管路の変位量を検出する変位量検出部（Ｃ１、Ｃ２）と、前記ループ管路を流れる被測定物の流れとは逆方向に、前記変位量検出部が検出した変位量に基づいて、前記固体ジャイロ駆動部によって前記固体ジャイロ部を前記ループ管路の変位量を打ち消すように駆動する制御部（１６）と、を備える質量流量計である。

請求項２の発明は、請求項１に記載の質量流量計において、前記固体ジャイロ部（１２）の回転量を検出する回転計（２０）を備えること、を特徴とする質量流量計である。
請求項３の発明は、請求項１に記載の質量流量計において、前記回転計（２０）の出力に基づいて被測定物の質量流量を演算する質量流量演算部（２１）を備えること、を特徴とする質量流量計である。
請求項４の発明は、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の質量流量計において、前記固体ジャイロ駆動部（１５）を駆動する電力信号、又は、前記固体ジャイロ駆動部からの帰還信号を検出する信号検出部を備えること、を特徴とする質量流量計である。
請求項５の発明は、請求項４に記載の質量流量計において、前記信号検出部の出力に基づいて被測定物の質量流量を演算する質量流量演算部を備えること、を特徴とする質量流量計である。
請求項６の発明は、請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の質量流量計において、前記固体ジャイロ駆動部（１５）は、サーボモータであって、前記制御部（１６）は、サーボアンプを有していること、を特徴とする質量流量計である。
請求項７の発明は、請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の質量流量計において、前記固体ジャイロ駆動部は、パルスモータであって、前記制御部は、前記パルスモータ駆動用のパルス信号を給電するパルス信号出力装置を備えること、を特徴とする質量流量計。
請求項８の発明は、請求項７に記載の質量流量計において、前記パルス信号を計数するパルス計数装置を有し、前記パルス計数装置が計数したパルス信号の計数値に基づいて被測定物の質量流量を演算すること、を特徴とする質量流量計。

本発明によれば、以下の効果を奏することができる。
（１）被測定物が内部を流れる管路と、ループ部の円の中心と同軸で回転可能な固体ジャイロ部と、固体ジャイロ駆動部と、管路を回転、又は、振動させる管路駆動部と、変位量検出部と、変位量検出部の検出結果に基づいて固体ジャイロ駆動部を駆動する制御部とを備えるので、混相流、非ニュートン流体等、被測定物の状態によらずに、正確な質量流量測定を行うことができる。
また、測定環境の変化や、被測定物の物性値、状態量、流動特性値などの変化や、コリオリ質量流量計を構成する弾性部材と可撓部材の弾性値の変化など、いずれの影響を受けることなく、常に正確な測定を行うことができる。

（２）制御部は、管路の変位量を打ち消すように固体ジャイロ駆動部を駆動するので、管路の回転、又は、振動の状態を考慮することなく、質量流量を固体ジャイロの角速度の変数として与えることができる。したがって、固体ジャイロの角速度を得るだけで、正確な質量流量測定を行うことができる。

（３）固体ジャイロ部の回転量を検出する回転計を備えるので、固体ジャイロの角速度を直接得ることができ、正確に質量流量を測定することができる。

（４）回転計の出力に基づいて被測定物の質量流量を演算する質量流量演算部を備えるので、正確な質量流量測定を簡単に行うことができる。

（５）固体ジャイロ駆動部を駆動する電力信号、又は、固体ジャイロ駆動部からの帰還信号を検出する信号検出部を備えるので、より簡単な構成で正確な質量流量を測定することができる。

（６）信号検出部の出力に基づいて被測定物の質量流量を演算する質量流量演算部を備えるので、正確な質量流量測定を簡単に行うことができる。

（７）固体ジャイロ駆動部は、サーボモータであって、制御部は、サーボアンプを有しているので、簡単な構成で、正確な制御を行うことができ、測定制度を高めることができる。

（８）制御部は、パルスモータ駆動用のパルス信号を給電するパルス信号出力装置を備えるので、制御回路をデジタル化することができ、より簡単な構成で正確な質量流量を計測することができる。

（９）パルス計数装置が計数したパルス信号の計数値に基づいて被測定物の質量流量を演算するので、演算回路をデジタル化することができ、より簡単な構成で正確な質量流量を計測することができる。

（１０）管路駆動部が管路を回転させる回転中心軸方向、又は、振動させる振動支点軸方向は、固体ジャイロ部の回転中心軸方向と直交しているので、より正確な測定を行うことができる。

被測定物の物性値、状態量、流動特性値などいずれの影響も受けずに、常に正確な測定を行うという目的を、固体ジャイロ部、固体ジャイロ駆動部、制御部を新たに追加することにより、コリオリ質量流量計の弾性部材と可撓部材の弾性値の影響を排除して実現した。

図１は、本実施例における質量流量計の作動原理を説明する図である。
管路１１は、中空の管であり、図中のＺ軸を中心として円環状に巻いた形状のループ部１１ａを有している。この管路１１内を被測定物が流れることとなる。
固体ジャイロ１２は、軸受け部１４及び支持部１３を介して管路１１に回転可能に支持された部材であり、その回転中心が管路１１のループ部１１ａと同軸となっている。固体ジャイロ１２の軸受け部１４は、支持部１３に固定されており、したがって軸受け部１４は、管路１１に剛体支持され、管路１１と軸受け部１４が一体となっている。
管路１１の非ループ部１１ｂは、例えば、外部のプラント設備等に対して弾性接続されている。
また、管路１１，固体ジャイロ１２，支持部１３を含むユニット全体（以下、ジャイロユニット１とする）は、不図示の固定台に対して弾性支持されている。

ここで、上述したループ部１１ａの中心（固体ジャイロ１２の回転中心）に沿った軸をＺ軸として、ＸＹＺ直交座標系を図１に示すように設定する。
管路１１のループ部１１ａの半径をＲとし、管路内を質量流量ｍの被測定物が流れるとき、ジャイロユニット１をＹ軸まわりに角速度Ωで回転させると、流体のジャイロ効果によってＸ軸まわりに、以下の式（１）で与えられるトルクＴを生じる。
Ｔ＝ｍＲ²Ω ・・・（１）
ここで、固体ジャイロ１２に対して、不図示の固体ジャイロ駆動部により角速度−ω（被測定物の流れる向きに対して反対向き）で回転駆動力を与えると、固体ジャイロ１２も、管路１１と一体となり角速度ΩでＹ軸まわりに回転されているので、Ｘ軸まわりにトルクＴとは逆向のトルクＭを生じる。固体ジャイロ１２の慣性能率をＩとすると、この逆向きのトルクＭは、以下の式（２）により与えられる。
Ｍ＝ＩΩω ・・・（２）
ジャイロユニット１は、不図示の固定台に対して弾性支持されているので、トルクＴとＭとの非平衡量に比例したＸ軸まわりの傾きβを生じる。

図２は、本実施例における質量流量計の主な構成を示す模式図である。図２には、ジャイロユニット１のＺ−Ｙ面断面図（Ｘ軸は、紙面に垂直であるが、ボイスコイル１８のみ透視している）と、傾きβに比例して固体ジャイロ１２の駆動を制御するサーボ系のブロック図とを併せて示している。
本実施例における質量流量計は、上述したジャイロユニット１の他に、静電容量センサＣ₁，Ｃ₂，サーボモータ１５，制御部１６，低周波発生部１７，ボイスコイル１８，回転計２０，質量流量演算部２１等を備えている。

静電容量センサＣ₁，Ｃ₂は、ループ部１１ａのＹ軸方向の両端に取り付けられたコンデンサ電極であり、対向電極は固定し、Ｃ₁，Ｃ₂の非平衡容量変化を高周波平衡検波によってループ部１１ａの変位を検出する変位量検出部である。この静電容量センサＣ₁，Ｃ₂の検出結果から、ループ部１１ａのＸ軸周りに発生するトルクの差Ｔ−Ｍの方向と大きさを求めることができる。
サーボモータ１５は、固体ジャイロ１２に対して、回転駆動力を与えるアクチュエータであり、制御部１６により制御されている。

制御部１６は、静電容量センサＣ₁，Ｃ₂により検出した結果と、後述のボイスコイル１８が発生するＹ軸まわりの角速度Ωの回転方向とを比較し（論理積をとる）、サーボモータ１５の駆動を制御するサーボアンプを有した回路である。具体的には、制御部１６は、角速度Ωで振動する管路１１内を被測定物が流れることにより傾きβを生じさせるトルクＴを打ち消すことができる逆向きのトルクＭを、固体ジャイロ１２を回転させることにより生じさせるように、サーボモータ１５の駆動を制御する。

低周波発生部１７は、ボイスコイル１８を駆動する低周波の駆動信号を発生する部分であり、この出力は、位相シフタ１９を介して制御部１６にも伝えられる。
ボイスコイル１８は、低周波発生部１７が発生する駆動信号に従い往復振動動作を行い、管路１１のループ部１１ａをＹ軸周りで振動させる管路駆動部である。本実施例では、ボイスコイル１８は、低周波発生部１７が発生する低周波の駆動信号により正弦波様に運動する。
回転計２０は、固体ジャイロ１２の回転量を検出する非接触式のセンサである。回転計２０の検出結果は、質量流量演算部２１に伝えられる。

質量流量演算部２１は、回転計２０の検出結果に基づいて、管路１１内を流れる被測定物の質量流量を演算して表示する部分である。
ここで、質量流量の演算手法について説明する。
上述したような帰還回路システムを設けると、先の式（１）及び（２）のトルクＴとＭとは平衡し、以下の関係式が得られる。
ｍＲ²Ω＝ＩΩω ・・・（３）
ここで、Ωは、零でないかぎり両辺から消せるというだけでなく、Ωがどのような形であってもよいという、計測原理上特記すべき特徴がある。式（３）から、Ωを消去して整理すれば、以下の形になる。
ｍ＝ωＩ／Ｒ² ・・・（４）
ここで、Ｉ及びＲは、上述したように、装置固有の値であり、被測定物の種類や流動状態に無関係な定数である。したがって、固体ジャイロ１２の角速度ωを凡用の回転計２０によって測定するだけで、直接的に質量流量を求めることができる。

（具体例）
図３は、本実施例における質量流量計のＺ軸に沿った断面図である。図３（ａ）は、ＸＺ面における断面を示し、図３（ｂ）は，ＹＺ面における断面を示している。また、板ばね２７と回路基板２９とを併せて図示するために、図３（ｂ）中の左右においてこれらを描き分けている。
管路１１は、６ｍｍの銅管を直径２００ｍｍのループ状に４回巻いてループ部１１ａとしており、これにより、感度が４倍になっている。非ループ部１１ｂの端部は、ベース部３０の内部で管継手３１と接続されている。なお、管路１１を形成する銅管が十分な弾性を有しているので、ベロース等の特別な可とう装置は設けない。

管路１１のループ部１１ａには、第２の支持部１３Ｂ，第３の支持部１３Ｃが固定されており、さらに、これらの支持部に第１の支持部１３Ａが固定されている。第１の固定部１３Ａには、固体ジャイロ１２がＺ軸まわりで回転可能に取り付けられている。より具体的には、サーボモータ１５は、固体ジャイロ１２の内側に配置されており、サーボモータ１５が第１の固定部１３Ａに固定されて、サーボモータ１５の回転出力軸に固体ジャイロ１２が固定されている。
本実施例における固体ジャイロ１２は、質量流量４０ｋｇ／ｈのとき６００ｒ．ｐ．ｍ．になるようサーボモータ１５を含めた慣性を設定してある。

管路１１のループ部１１ａは、板ばね２２に支持されている。
板ばね２２は、Ｘ軸方向に沿って設けられており、両端においてループ部１１ａを支持している。板ばね２２は、その中央において、ブラケット２３を介して遥動部材２４の上面側（Ｚプラス側）に支持されている。
板ばね２７は、Ｙ軸方向に沿って設けられており、板ばね２２と直交する方向の両端において遥動部材支持部材２６によって支持されている。板ばね２７は、その中央において、ブラケット２３を介して遥動部材２４の下面側（Ｚマイナス側）を支持している。
板ばね２２，２７は、トルク差Ｔ−Ｍ、及びボイスコイル１８の力によってねじれを生じるが、上下（Ｚ軸方向）には変位しない。

遥動部材２４は、Ｙ軸方向に設けられた板ばね２７を介して、ベース部３０に固定された遥動部材支持部材２６に回転可能に支持されている。遥動部材２４の可動端部には、ボイスコイル１８の可動鉄心が固定されており、ボイスコイル１８への通電により、遥動部材２４は、Ｙ軸を中心として遥動する。なお、本実施例におけるボイスコイル１８は、低周波発生部１７により、約４６Ｈｚの低周波駆動信号により駆動される。

遥動部材２４には、厚さ１０ｍｍの回路基板２９が固定されている。回路基板２９は、遥動部材２４と一体で傾くようになっており、回路基板２９の両端には、β検出用の電極Ｃ₁，Ｃ₂が取りつけられている。また、この回路基板２９上には、制御部１６の回路が形成されている。
制御部１６では、水晶式高周波発振器で４ＭＨ_Z６０Ｖの出力が得られる。
ベース部３０は、厚さ５ｍｍ、幅７５ｍｍ、深さ４０ｍｍの部材であり、溝の一端に管継手３１を入り口、出口の２つ溶接している。なお、本実施例における管継手３１は、フレアー式継手である。

本実施例によれば、被測定物の質量流量とつり合う固体ジャイロの回転を測定することにより、直接的に質量流量を測定していることと同等に正確な測定を行うことができる。したがって、密度が一定ではないもの、又は、粘性の大きなもの、例えば、混相流、非ニュートン流体等であっても、正確な質量流量測定を行うことができる。

（変形例）
以上説明した実施例に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明の均等の範囲内である。
本実施例において、管路１１を振動させる振動式の例を示したが、これに限らず、例えば、管路を回転させる回転式としてもよい。
また、図３に示した具体例は、本発明の一実施例に過ぎず、管路内を被測定物が流れることによるコリオリ力を打ち消す固体ジャイロに相当する部材の回転を検出することができる構成であれば、具体的な形態が異なっていてもよい。
本実施例において、固体ジャイロ１２の回転数を回転計２０により検出する例を示したが、これに限らず、例えば、サーボモータ１５の帰還出力に基づいて質量流量を求めてもよい。又は、固体ジャイロ駆動部がパルスモータの場合は、駆動パルスの計数値に基づいて質量流量を求めてもよい。

本実施例における質量流量計の作動原理を説明する図である。本実施例における質量流量計の主な構成を示す模式図である。本実施例における質量流量計のＺ軸に沿った断面図である。

符号の説明

１ジャイロユニット
１１管路
１１ａループ部
１１ｂ非ループ部
１２固体ジャイロ
１３支持部
１３Ａ第１の支持部
１３Ｂ第２の支持部
１３Ｃ第３の支持部
１４軸受け部
１５サーボモータ
１６制御部
１７低周波発生部
１８ボイスコイル
１９位相シフタ
２０回転計
２１質量流量演算部
２２，２７板ばね
２４遥動部材
３０ベース部
２９回路基板
Ｃ₁，Ｃ₂ 静電容量センサ

Claims

コリオリ力を利用する質量流量計であって、
略円形に形成されたループ部を有し、被測定物が内部を流れる管路と、
前記ループ部が形成する略円形のループ面の中心を通り当該ループ面に垂直であるＺ軸に当該ループ面において直交するＸ軸の方向に設けられ、前記管路のうち前記ループ部を形成する部分であるループ管路を、両端において支持する第１の弾性部材と、
前記第１の弾性部材を上面側で支持し、前記Ｘ軸の方向に設けられた揺動部材と、
前記Ｘ軸及び前記Ｚ軸と直交するＹ軸の方向に設けられ、両端において揺動部材支持部材によって支持され、前記揺動部材の下面側を支持している第２の弾性部材と、
前記Ｚ軸を中心として回転可能に前記ループ管路に直接又は間接的に支持される固体ジャイロ部と、
前記固体ジャイロ部に回転駆動力を与える固体ジャイロ駆動部と、
前記揺動部材を介して前記Ｙ軸を中心に前記ループ管路を回転、又は、振動させる管路駆動部と、
前記コリオリ力による前記ループ管路の変位量を検出する変位量検出部と、
前記ループ管路を流れる被測定物の流れとは逆方向に、前記変位量検出部が検出した変位量に基づいて、前記固体ジャイロ駆動部によって前記固体ジャイロ部を前記ループ管路の変位量を打ち消すように駆動する制御部と、
を備える質量流量計。
請求項１に記載の質量流量計において、
前記固体ジャイロ部の回転量を検出する回転計を備えること、
を特徴とする質量流量計。
請求項２記載の質量流量計において、
前記回転計の出力に基づいて被測定物の質量流量を演算する質量流量演算部を備えること、
を特徴とする質量流量計。
請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の質量流量計において、
前記固体ジャイロ駆動部を駆動する電力信号、又は、前記固体ジャイロ駆動部からの帰還信号を検出する信号検出部を備えること、
を特徴とする質量流量計。
請求項４に記載の質量流量計において、
前記信号検出部の出力に基づいて被測定物の質量流量を演算する質量流量演算部を備えること、
を特徴とする質量流量計。
請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の質量流量計において、
前記固体ジャイロ駆動部は、サーボモータであって、
前記制御部は、サーボアンプを有していること、
を特徴とする質量流量計。
請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の質量流量計において、
前記固体ジャイロ駆動部は、パルスモータであって、
前記制御部は、前記パルスモータ駆動用のパルス信号を給電するパルス信号出力装置を備えること、
を特徴とする質量流量計。
請求項７に記載の質量流量計において、
前記パルス信号を計数するパルス計数装置を有し、
前記パルス計数装置が計数したパルス信号の計数値に基づいて被測定物の質量流量を演算すること、
を特徴とする質量流量計。