JP4851832B2

JP4851832B2 - コリオリ型質量流量計

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Publication number: JP4851832B2
Application number: JP2006117702A
Authority: JP
Inventors: メーヘンダーレアディチャ; コンラッドレッタースヨースト; マリヌスツビッカーヤン
Original assignee: Berkin BV
Current assignee: Berkin BV
Priority date: 2005-05-02
Filing date: 2006-04-21
Publication date: 2012-01-11
Anticipated expiration: 2026-04-21
Also published as: ES2389127T3; EP1719983B1; DK1719983T3; JP2006313154A; US7353718B2; US20080148868A1; NL1028939C2; US7464610B2; EP1719983A1; US20060243066A1

Description

本発明は、動作中に流れ媒体が流れる検出管と、動作中に回転励起軸線について上記ループあるいはその一部を振動させる励起手段とを有する、コリオリ型の質量流量計に関する。

かかる質量流量計は特許文献１で公知である。

この特許文献１で公知の質量流量計は、二つの側管部が一端側で連絡管部により連絡接続され他端で取付ビームにクランプされて、（半回の）ループ管を有している。上記取付ビームはループを含む面に位置する中央軸線まわりに回転できるようにサポート部材により支持されている。（磁性）取付ビームと協働する電磁励起システムが、上記中央軸線について、上記取付ビームとループの回転振動をもたらす（ここで「励起」とは振動を起こすことをいう）。

上記中央軸線について回転するループに流れ媒体が流れると、連絡管部にコリオリ力が生じ、これが第二軸線についてループに振動を起こさせる。この振動は、流量に比例していて、基本振動に重畳され連絡管部の両端での振動の間に位相差をもたらす。この位相差は、コリオリ力の大きさ、すなわち流量に比例する。
ＵＳＰ４，６５８，６５７

しかしながら、この特許文献１で公知のシステムの欠点は、ループの励起のために用いられている取付ビームが追加質量となってしまうことである。これは、検出管内を流れる流れ媒体の密度の関数としての励起振動数の変化を阻止してしまい、その結果、密度の測定（コリオリ流量計の追加的特性）を不正確にする。

本発明は、流れ媒体の密度をより正確に測定できる励起システムを有する高感度の流量計を提供することを目的としている。

冒頭で述べたこの種の質量流量計において、本発明では、上記目的の達成のために、励起手段は（電）磁気手段であって動作中に検出管とは非接触に設けられ、検出管には何も取り付けられていないこと、検出管が導電材で作られていること、励起手段が動作中に管壁に電流を生じせしめる第一手段と検出管の一部たる管部の領域に電流と交差する方向の磁界を生じせしめる第二手段を有していること、励起手段が互いに離れた位置で対向する磁界を形成し、それぞれが互いに反対の極性で空隙を挟んで配置される二つの磁極により形成され、該空隙を管部が貫通し、動作中に交番電流が該管部を流れて動作中にトルク励起をもたらすことを特徴としている。換言すれば、励起手段は、動作中そして非動作中に、検出管の可動部に拘束されておらず自由である。検出管は、例えば、直管でも、半周回のループでも、あるいは全周回のループであってもよい。

本発明による質量流量計は、検出管（の可動部）が追加的励起部材を不要としている（何も追加質量がない）ので、感度が高められている。検出管を回転させる可能性は、例えば軟鉄のような磁性材の検出管とパルスモードでエネルギが与えられる一つもしくは二つの電磁コイルとを組み合わせて用いることにより見い出せる（パルスモードとは、すなわち、検出管材料の固有の磁性を用いてリレーのように作動させること）。

本発明による流量計では、第一（励起）手段が管壁に直流電流を生じ、第二（励起）手段が周期的に向きを変える磁界を生ずるようにできる。

上記の形態は直管のみならずループ状の検出管にも適用可能である。

上述のトルク励起は空隙をもって形成される二つの離れたマグネットヨークによって達成される。しかし、二つのヨークは空隙での磁界が等しい強さであるようにすることが困難である。

このような観点での本発明の好ましい形態では、第二励起手段が周回する永久磁石マグネットヨークを有し、該永久磁石マグネットヨークは互いに対向する磁極を二対有してループ状の検出管を含む面に平行に配されており、二対をなすそれぞれの磁極間には第一空隙そして第二空隙が形成され、これらの空隙には互いに逆方向の磁界が形成されていると共に管部が通っており、動作中に交番電流が該管部を流れて検出管もしくは管部にトルク励起をもたらし、検出管を回転励起軸線について回転振動せしめる。

ここで、再び述べるが、この形態も、直管のみならずループ状の検出管にも適用可能である。

空隙で定常あるいは交番磁界を生ずる形態では、磁界が二つの空隙で磁気ヨークまわりに巻回された電気コイルにより発生されており、動作中に該コイルが該コイルに直流電流を流すようにされた電気回路に接続され、第一手段が直流もしくは交番電流を管壁に流すようになっている。

管壁に電流を生ずるための第一手段は、例えば、接続ターミナルを経て、管壁に直接電流を流す。しかし、直接的に電流を流すことは、用途によっては好ましくない。間接的に電流を流すことが好ましい。

この観点からの形態では、少なくとも一つのトランスコアが検出管に対して設けられていて、該検出管が二次巻線を形成し、コアに設けられたコイルが一次巻線を形成して、一次巻線にエネルギが与えられたときに管壁に電流が誘導される。

特許文献１には、連絡管部の両端での振動の間の位相差を測定するループの該連絡管部の両端で二つの測定装置が用いられると記載されている。これは、このような構成では高精度で測定することが不可能であるということが判明した。

本発明の形態は、もっと感度の高い測定を可能とする。

冒頭で述べたこの種の質量流量計は、この目的のための形態では、検出管内を流れる流れ媒体の影響のもとで生ずる管部の変位を測定する少なくとも二つの光学センサを有し、センサが回転一次軸線と測定されるべき管部との交点（極）の両側に位置しており、上記交点と各センサとの間の距離が該管部の長さの半分に対して５％と２５％の間である。

好ましくは、光学センサは、管部の一方の側に位置する光源と、該光源の光路で管部に対して反対側に位置する感光セルとを有する光学‐電気センサであり、管部によって遮られない光の部分を測定する。

これに代わる形態では、光学センサは、管部の一方の側に位置する光源と、管部によって反射する光の光路で管部に対して同じ側に位置する感光セルとを有する光学‐電気センサであり、反射光の強度を感光セルで測定し、もしくは反射光の位置を感光セルで測定する。

さらに好ましい形態では、管部に対する光源の位置は、非動作中に、感光セルの活動面積の４０〜６０％が光源から照射されるように設定される。

本発明の流量計では、特許文献１の場合のようには、基本振動の測定振幅がコリオリ力の振幅に比し過大とならないので、軸線に近く配されたセンサにより、高感度となる。

本発明の質量流量計では、流入管と流出管によって可撓性をもってループ状の検出管が懸吊されるようにするならば、感度はさらに高められる。この目的のための形態では、検出管がループ状に形成され、該ループ状の検出管が実質上周囲して機械的に閉じて形成されており、該検出管が流れ媒体のための可撓流入管そして流出管に接続され、上記検出管が該可撓流入管そして流出管により弾性的にフレームから懸吊されていて、検出管を含む面で互いに直交する励起動の軸線そしてコリオリ動の軸線の二つの軸線についての励起運動を上記懸吊により可能としている。

本発明による質量流量計は、検出管（の可動部）が追加的励起部材を不要としている（何も追加質量がない）ので、感度が高められている。

以下、添付図面にもとづき、本発明の実施の形態を説明する。

図１は本発明の一実施形態のコリオリ型流量計１を示している。この流量計は動作中に流れ媒体が流れる検出管３を支持する基板２をもったフレームを有している。検出管３は、ループ状をなし、図示の例では半周回しているが、これに代えて、例えば、直管あるいは、全周回（閉じたループ）をなすループ状の検出管でもよい。ループ状の検出管は直管よりも可撓性があるので好ましい。検出管３は取付手段４，５により基板２へ取り付けられている。取付手段４，５は、検出管３が動けるようにクランプ位置を定めている。検出管３は、例えば、ステンレス鋼で作られ、厚さが約０．１ｍｍそして直径が約０．７ｍｍである。検出管３は、本発明に適合するように、非常に軽くできていて、小さなエネルギで共振状態となるようになっている。検出管の外径は、通常、１ｍｍ以下で、壁厚は０．２ｍｍもしくはそれ以下であるが、検出管３のループの外形寸法と検出管が耐えるべき圧力（例えば１００ｂａｒ）による。

軽量構造の実現は、検出管３に追加的質量となるような、さらなる部材が検出管３に取り付けられないようにする。これはローレンツ力が検出管を励起、すなわち図１の構造で振動させるように用いられるので、可能となる（ローレンツ力：磁界中を移動する電子が磁界の方向と電流の方向の両者に対して直角な方向の力を受ける）。（導電性の）検出管３の壁を通して電流が流れると共に、中央開口が形成された永久磁石マグネットヨーク６，７，８，１２（１２は、一方の極がヨーク部６に向き、反対の他方の極がヨーク部７に向いている永久磁石をあらわしている）が、電流の方向を横切って検出管３の面で対向する二つの磁界を発生するので、上記の力が図１の流量計に生ずる。電流Ｉは、接続ターミナル１７，１８を経て検出管１３の端部１５，１６に電流源、この場合、ＡＣ電源を接続して導電材料の（Ｕ字状）検出管１３に直接流れるようにしてもよい。

しかしながら、好ましくは、電流は誘導手段で検出管の管内で生ずる。図３は図２と同じＵ字状検出管１３に対して、これをどのように実現できるかを示している。ここで、Ｕ字状の検出管１３の管部２１はトランスコア２２内にまで延びている。一次コイル２３がこのコア２２に巻回されていて、このコイルがこれに接続された電源２４によりエネルギの供給を受ける。管部２１は、電流が一次コイル２３に流れたとき電流Ｉが誘導される二次コイルとして機能する。この目的で、管部２１は電気的に閉ループ（破線で示されている）の一部をなす。このループ状の検出管は、管自体あるいはハウジングを経て閉じていてもよい。一次コイル２３が巻回されたコア２２は、取付点１９，２０よりも外側にあって、この場合、動作中に静止している検出管１３の外側管部２１に対して設けられている。管部２１は、例えば、流入管そして流出管として作用してもよい。しかし、これに代えて、トランスのコア２２は、もしも十分なスペースがあるならば、取付点１９，２０の間にあって、動作中に動く検出管の内側管部に対して配されてもよい。もし、スペースがあまりないときには、大型の一個のトランスコアに代えて、二つの小さなコアを用い、各コアに、一次コイルを巻回し、これらのコアを、例えば、Ｕ字状の検出管１３の両脚の管部に対して設けてもよい。

図４は、一例として、ローレンツ力を生ずるのに必要な磁界をどのようにして得るかを示している。Ｕ字状の検出管２６の管部２５は、この目的のために、永久磁石マグネットヨーク２８の空隙２７を貫通している。検出管２６は位置３３ａと３３ｂでクランプされている。ヨーク２８は永久磁石３０のＮ極ＮとＳ極Ｓをもつ軟磁性材（例えば軟鉄）のコア２９を有し、上記永久磁石３０はコアの周回路の一部に位置し、空隙２７に生ずる磁力線はＵ字状の検出管２６を含む面に平行で、かつ検出管２６に供給されあるいは検出管２６内に発生した電流Ｉの方向に直角である。これは、すべて図４Ｂに詳しく示してある。この図は、図４Ａのマグネットヨーク２８の極３１，３１が空隙を挟んでいる様子と共に、空隙２７に生じた磁界の磁力線Ｂをも示している。その結果、磁界を通る電流Ｉの影響のもとで発生する（ローレンツ）力が、例えば前方へ（図４Ａで破線で示されている）管部２５を動かすようになる。電流Ｉが検出管を逆方向に流れると、（ローレンツ）力は逆方向に発生し、すなわち、管部２５を後方へ動かす。ここで述べた力による励起は、クランプ位置３３ａ，３３ｂを通る励起回転軸線について検出管を動かす。

図５は、図４で示されたヨーク２８と同様なヨークで、永久磁石３９ａ，３９ｂを有する二つのヨーク３４ａ，３４ｂを用いた例を示しており、両ヨークは互いに距離をもって離れて位置し、それぞれ空隙３５ａ，３５ｂを有し、両空隙では逆向きに磁界が発生している。Ｕ字状の検出管３７が位置３８ａ，３８ｂでクランプされている。Ｕ字状の検出管３７の管部３６は二つの空隙３５ａ，３５ｂを通っている。検出管３７に電流Ｉが流れると、発生したローレンツ力は、空隙３５ａ内にある管部３６の左半部を、例えば、前方に、空隙３５ｂ内にある管部３６の右半部を後方に動かす。電流Ｉの方向が逆になると、管部３６の右半部が前方に動き、左半部が後方に動く（破線で示されている）。こうして、Ｕ字状の検出管３７の対称主軸線と一致する回転軸線Ｓ’について検出管３７を回転させるトルク励起が生ずる。しかし、この形態での問題は、両方のヨークに対して設けられるマグネットを同じ強さにすることである。

図６Ａは、このような問題を解決する一体型永久磁石マグネットヨーク４０の斜視図である。一体型ヨーク４０は、互いに対向する第一の磁極対４１ａ，４１ｂと、互いに対向する第二の磁極対４２ａ，４２ｂとを有している。空隙４３，４４がそれぞれの磁極対に形成されている。Ｕ字状の検出管４７の管部４６がこれらの空隙を貫通している。永久磁石４５は、ヨーク４０の周回路の一部に位置し、Ｎ極とＳ極が互いに逆向きの磁界Ｂ，Ｂ’を空隙４３，４４にそれぞれ形成するように位置づけられている。図６Ａのアセンブリの正面図である図６Ｂに示されているように、与えられた電流Ｉの方向では、ローレンツ力Ｆ（後方向き）とＦ’（前方向き）が管部４６に作用し、この力は管部４６での電流の方向が逆になると逆になる。このトルク励起は、Ｕ字状の検出管４７の対称主軸線と一致する軸線４８について、検出管４７を往復回転運動（振動）させる。二つの空隙を持ったトルク励起のための永久磁石マグネットヨーク４０は、原則として、磁力ＦとＦ’が同じで逆向きである。磁力が異なると、理想的でないトルク励起が生ずる。両者が正確に同じである理想的な場合には、純粋なトルク（力のモーメント）が力Ｆと、力ＦとＦ’の間の距離との積として得られる。トルクベクトル（通常Ｔで表わされる）が図６Ｂにてヨーク４０の中心線４８について生ずる。

図７は一体型マグネットヨークの変形例を示している。二つの空隙５０ａ，５０ｂを形成するマグネットコア５１をもつマグネットヨーク４９は、この場合、永久磁石によりエネルギの供給を受けるのではなく、ヨーク４９のマグネットコア５１に巻回され、直流あるいは交番電源５３に接続されていてこれからエネルギの供給を受ける。Ｕ字状の検出管の管部は空隙５０ａ，５０ｂを貫通している。

図８は、空隙５６ａ，５６ｂを貫通するＵ字状の検出管５５の曲部でＵ字状の検出管の励起がなされるマグネットヨーク５４を示している。ヨーク５４は図８の構成でヨーク５４の上部脚５８の中心に配された永久磁石５７によりエネルギが与えられるが、上記永久磁石はヨークのどの位置にあってもよい。これは、他の図におけるヨークについても言えることである。

図９は、空隙６１ａ，６１ｂを貫通するＵ字状の検出管６０の曲部６４，６５よりも下方に位置する側管部６２，６３で、Ｕ字状の検出管６０の励起が行われるマグネットヨーク５９を示している。

Ｕ字状の検出管と関連して説明された本発明のすべてのアスペクトはコリオリ型流量計に用いられる他の形態の検出管についても有効であり、すなわち、半周回型の検出管だけでなく、直管そして全周回型の検出管にも有効である。

上述した励起原理は、機械的に閉じた矩形巻きで形成されたループ状の検出管であって、ループの始点と終点が中央流入管と中央流出管にそれぞれ接続されていて、ループ状の検出管が上記流入管と流出管によって弾性的に懸吊されている形態（図１５）のものに特に好ましい。

本発明の基本的な考え方は、励起のために検出管に対して追加的に部材を設けることなしにこの目的を達成することにある。これは、検出管そのものの特性を活かすことにより可能となる。励起はローレンツ力により達成されるのみならず、検出管そのものの磁気的特性を活かすことによっても達成される。この場合、磁性材料の検出管が一つもしくは二つのコイルとの組み合わせにおいて用いられ、該コイルは検出管の材料を局所的に磁化するように磁界を発生し、パルスモードで駆動される。

この発明の原理は二つの検出管をもつコリオリ型流量計にも適用可能であり、二つの検出管の両者は、流れ媒体の流れの方向が互いに逆である形式、流れ媒体の流れの方向が同じである形式の二つの形式が可能である。

この発明の効果は、流れ媒体の影響のもとでの管部の変位の検出（コリオリ効果の検出）が検出管に対して何ら追加的部材なしに行われるという場合にのみ、十分に得られる。

この目的のために、本発明では、図１のごとく、一つあるいは複数の光学センサ１１ａ，１１ｂそして１１ｃが用いられる。この図１の装置での光学センサは検出管と協働するようにマグネットヨークの中央開口部に配されている。温度センサは符号１４が付されている。

図１０Ａは複数の光学センサのうちの一つを示しており、これは、この場合、詳しくは、光学‐電気センサ１１ａである。このセンサはＵ字状ハウジング６８を有し、Ｕ字状をなす一方の脚の内側に光源（例えばＬＥＤ）を、そしてＵ字状をなす他方の脚の内側に光測定セル６７（例えばフォトトランジスタ）を備えている。光学‐電気センサ１１ａは、Ｕ字状ハウジング６８の両脚の間を移動できるように配設されている。動作中、管部は、光源６６とフォトセル６７との間で光路を大きくあるいは小さく遮る。

図１０Ｂは、管部６９がその動きによって、光源６６からフォトセル６７へ向かう光ビーム７１を大きくあるいは小さく遮る様子を詳しく示している。フォトセル６７は計測器により測定される信号ｕ（Ｖ）を発する。光ビームは平行ビームであったり、拡散ビームであったりする。

図１１は図１０のセンサ装置に代える装置を示している。ここで、管部６９と光源７０は、光ビーム７１が管部６９で反射した後にフォトセル７２の位置にくるように配置されている。管部が装置の動作中に移動したときに、反射位置はフォトセル７２の表面を移動する。管部６９は、所望の場合、フォトセル７２に向く側の面を反射面として形成する。

図１２は二つの光学‐電気センサ１１ａ，１１ｂにより検出を行う様子を示している。本発明の一つのアスペクトによると、これらは、検出管を回転させる方向で励起させるときの回転軸線が管部６９と交差する位置に関して、両側、好ましくは、対称的な両側に位置している。この交差する位置は回転中心Ｐで示されている。センサ１１ａ，１１ｂは、好ましくは、上記回転中心Ｐから短い距離だけ離れている。この距離は、励起の測定での寄与がコリオリ力の測定での寄与と同じオーダの大きさである程度となるように、十分に小さい。センサは、電圧により、時間（秒）の関数として管部の測定点についての（正弦波状）変位（ｍｍ）を測定する。

図１３Ａは、検出管内を流れ媒体が流れていないとき（流量ゼロ）のセンサ１１ａ，１１ｂの出力信号を示しており、矢印１で示される曲線はセンサ１１ａの測定信号で、矢印２で示される曲線はセンサ１１ｂの測定信号である。位相差は１８０°である。

図１３Ｂは流れ媒体が流れているときの様子を示している。位相差は１８０°よりも小さくなっている。回転中心Ｐが上記二つのセンサ（第一センサと第二センサ）の間で正確に中心にないときは、測定の結果が不正確になる。

もし、第三センサが図１２の二つのセンサの一方に隣接してこれらのセンサを結ぶ線上に位置して配されるならば、もっと正確な測定が可能である。可能性ある回転中心のずれによるセンサ１１ａと１１ｂの間の位相差は第三センサからの測定信号により修正できる。流れがないときのこの位相差は、対称なセンサの配置の場合に、１８０°であるのに対し、センサが回転中心上にある極端な場合は、９０°以上にはならない。三つのセンサが三つの測定値を提供するが、三つの未知の要素、すなわち、二つの、第一及び第二センサの異なる位相角と、第一そして第二センサの間の回転中心の位置が未知である。第三センサでの測定値は、回転中心の位置を決定するプロセス装置に用いられ、ここでは、第一そして第二センサの等位相角が第一そして第二センサの間の中央に位置しない仮想回転中心位置のために決定される。ここに説明される測定そして検知システムは増幅器を必要とせず、その結果、好ましくない位相ずれが生じなく、コリオリ型流量計に好適に用いられる。

図１４は本発明のコリオリ型流量計の一形態の作動を示すブロック線図である。二つのコアに巻回された二つのコイル７３，７４によりコリオリ管系７５に、電流Ｉが誘導される。コイル７３，７４はＡＤ／ＤＡコンバータ７６を経てデジタル信号プロセッサ７７で
制御される増幅器Ａによりエネルギが与えられる。電流Ｉの方向を横切る磁界Ｈが管系７５を横切る。管系７５、あるいはその一部は磁界Ｈと電流Ｉの影響のもとで振動を始める。この振動に対し、管系に流れ媒体Φが流れると、コリオリ力により生じた振動が重畳される。管系の運動はセンサＳ１そしてＳ２、あるいはＳ１，Ｓ２そしてＳ３により測定される。センサＳ１，Ｓ２，（Ｓ３）からのアナログ信号がＡＤ／ＤＡコンバータ７６に供給される。ＡＤ／ＤＡコンバータの出力信号は（デジタル）信号プロセッサ７７へ供給される。デジタル信号プロセッサ７７は質量の流量を示す出力信号０を発する。

図１５は機械的に閉じたループ状の検出管（本例の場合、矩形）の斜視図であるが、他の形態としては、例えば、三角形のような他の形のループ状をなしていてもよい。ループ状の検出管７８の第一端７９は、流れ媒体Φを供給する可撓流入管８０に接続され、第二端８１は流れ媒体Φを排出する可撓流出管８２に接続されている。検出管７８そして流入管８０と流出管８２は、好ましくは一つの管を曲げて形成される。検出管７８は二つの側管部８５，８６の第一端側に接続されている第一連絡管部８４を有している。これらの側管部はそれらの第二端側で第二連絡管部８７，８８に接続されており、これらの第二連絡管部のそれぞれは第一連絡管部８４の約半分の長さをもっている。この構造で、上記流入管８０と流出管８２は、ループ状の検出管７８のループの中心線に対称な位置で互いに近接あるいは当接して配設され、例えば、鑞接あるいは溶接によって符号ｂにより示される位置で機械的につなげられている。これらは、互いに隣接してあるいは当接して、フレーム（図示せず）に固定された取付手段８３の溝８３ａで保持されている。検出管７８は、流入管８０と流出管８２（そして取付手段８３）によって流量計のフレーム（図示せず）から弾性的に懸吊されている。ループ状の検出管７８は、下ヨーク部８と空隙９，１０を挟んで逆側に位置する上ヨーク部６，７を有している図１に図示されたマグネットヨークのような励起のための永久磁石マグネットヨークを有しており、マグネット１２がマグネットヨークの周回路の一部に設けられている。例えば、管部８７，８８がマグネットヨーク（上方に位置する第二連絡管部に対して配されたマグネットヨーク）の空隙を貫通するように延びていてもよい。交番電流が検出管７８を流れると、検出管は、電流そして対向せる磁界によるヨークの空隙で発生するローレンツ力（トルク励起）の影響のもとで、検出管のループを含む面で延びる軸線（励起軸線）について回転振動を行うようになる。検出管７８内に流れ媒体が流れると、コリオリ効果を生ずるコリオリ力が発生する。コリオリ力は励起軸線に直角なコリオリ応答軸線についての振動を検出管７８に生じさせる。コリオリ効果センサがマグネットヨークの中央開口部に配設されていてもよい（そして、したがって、動作中、上方の第二連絡管部と協働するようになる）。

上述の構成に代えて、センサは、動作中にこれらセンサが下側の第一連絡管部と協働するように配されていてもよい。図１５の矩形状ループの検出管に対してのトルク励起ヨークの位置によっては、検出管は揺動モードあるいは捩りモードで振動してもよい。すなわち、流入管と流出管の間にある対称中心軸線まわりの捩り振動でもよいし、連絡管部とトルク励起ヨークとが協働する場合、対称中心軸線を横切る非対称励起軸線についての揺動であってもよい。

図１６は図１５に示された類のループ状の検出管９０をもつコリオリ型流量計の概要構成を示す。ループ状の検出管９０は、流れ媒体Φのための流入管９１と流出管９２のそれぞれに接続されている二つの端部を有している。流入管９１と流出管９２は、図１５における流入管８０と流出管８２のように、例えば、ｂで示される位置で鑞接あるいは溶接でつながっており、これらは、ループ状の検出管９０への接続部位から離れた位置で取付手段９４に固定されている。ここに示されている取付手段９４は流入管と流出管が収められている中央溝が形成されたブロックを有している。このブロックはボルトによりフレームに固定されるための二つの開孔が形成されている。検出管９０は、この場合、揺動モードで励起される。この目的で、二つの空隙１００と１０１が形成されたマグネットヨーク９５が、ループの脚状部分９３ａ空隙１００，１０１を貫通するように、ループ状の検出管９０の一方の側管部に配設されている。ヨークは二つのヨーク部９６，９７をもつ左部を有し、二つのヨーク部９６，９７の間に永久磁石９８が配置されており、該永久磁石９８のＳ極Ｓがヨーク部９６の方に、Ｎ極Ｎがヨーク部９７の方に向いている。理想的には等しい強さで反対向きの二つの磁界Ｂ，Ｂ’が、この構成では、左部９６，９７，９８と右部９９との間の空隙１００，１０１に生ずる。交番電流Ｉが検出管９０を流れると、これらの磁界Ｂ’とＢは管部９３ａにトルク励起をもたらす。検出管９０は、交番電流Ｉにより横切られるとき、トルク励起により、回転軸線Ｘまわりに揺動を行う。この実施形態では、回転軸線Ｘについての励起は流入管そして流出管に対して直角である。ヨーク９５はトルク発生器となる。

図３の形態におけると同様に、検出管９０に交番電流Ｉが誘導される。この目的で、検出管９０の側管部９３ａ，９３ｂが対応トランスのコア１０２の空所を通り、これらのコアには互いに対向する側でコイル１０３と１０５が巻回されている。しかし、本発明はこれに限定されない。例えば、トランスやコイルコアは検出管９０の他の位置に設けられていてもよい。

回転励起軸線Ｘについて振動している検出管９０に流れ媒体Φが流れると、コリオリ効果をもたらすコリオリ力が生ずる。コリオリ効果はコリオリセンサで測定される。本実施形態で用いられているコリオリセンサは、図１における非接触光学センサ１１ａ，１１ｂ，１１ｃのシステムと同じ非接触光学センサ１０６ａ，１０６ｂ，１０６ｃのシステムであるが、本発明ではこれに限定されない。

二つの光学センサ１０６ａと１０６ｂは、図１６の構造において回転励起軸線（この場合、回転軸線Ｘ）に関して対称に配されている。光学センサ１０６ａ，１０６ｂ（そして１０６ｃ）はトルク励起をもたらすマグネットヨークと協働する部分９３ａと反対に位置しているループ９０の側管部９３ｂと協働する。

図１５と図１６は、概ね正方形のループをなす検出管を示している。これは、適切な空間が与えられたとき、感度に関して好ましい形であるということが判った。もし、これが励起手段、電流誘導手段、そして／あるいはコリオリ効果検知手段の配置に好適ならば、例えば、狭くそして高いループを作ることが可能となる。

一体型マグネットヨーク９５の動作について図１７を参照して説明する。ヨーク部９６と９７の間に永久磁石９８が配されているので、空隙１００，１０１には強さが等しく方向が逆の磁界Ｂ，Ｂ’が生ずる。空隙１００における磁界Ｂがヨーク部９９の方に向いていると、電流は図１７に示される向きに流れ、前方に向かう（ローレンツ）力Ｆが検出管９０に作用する。同時に、空隙１０１における磁界Ｂ’がヨーク部９６の方に向いている。その結果、電流Ｉとの組み合わせで、検出管９０に作用する（ローレンツ）力Ｆ’は後方に向く。したがって、トルク励起が生ずる。検出管を流れる電流Ｉが向きを変えると、検出管に作用する力は逆向きとなる。かくして、検出管９０への交番電流の供給は、回転軸線Ｘについての検出管９０の揺動をもたらす。

端的に言うと、本発明は、動作中に流れ媒体が流れる検出管と、検出管全体あるいはその一部をなす管部に、動作中に、回転励起軸線について回転振動を生じさせる励起手段とを有し、励起手段が電磁気手段で、動作中に検出管とは非接触で、さらには検出管には何も部材が取り付けられていないコリオリ型の質量流量計に関している。

コリオリ効果センサは、好ましくは光学センサであり、検出管には接触しておらず、検出管に取り付けられる部材がない。

Ｕ字状の検出管をもつ本発明のコリオリ型流量計の斜視図である。電流が直接流れるＵ字状の検出管をもつ図１の流量計を示している。コイルをもつトランスコアにより管部に電流を誘導する形式の装置を示す斜視図である。永久磁石マグネットヨークの空隙にＵ字状の検出管の管部が延びているヨークについての斜視図である。図４Ａの要部を詳細に示す図である。独立して配された二つの永久磁石マグネットヨークにより管部にトルク励起を与えている該ヨークを示す斜視図である。管部にトルク励起を与えている様子を示し、検出管が永久磁石マグネットヨークの空隙を通っている該ヨークを示す斜視図である。図６Ａのヨークの正面図である。コイルが巻回され、二つの空隙にＵ字状の検出管の管部が通っているマグネットヨークを示す斜視図である。空隙にＵ字状の検出管の管部が通っているマグネットヨークの他の形態を示す斜視図である。空隙にＵ字状の検出管の管部が通っているマグネットヨークの他の形態を示す斜視図である。図１の流量計に用いられる光源センサとその光の伝達を示す図である。図１の流量計に用いられる光源センサとその光の伝達を示す図である。反射光を用いる光学センサを備えた、他の形態を示す図である。二つの光学センサと管部とを示す斜視図である。検出管に媒体が流れていないときの図１２のセンサの信号間での位相差を示す図である。検出管に媒体が流れているときの図１２のセンサの信号間での位相差を示す図である。本発明の流量計が用いられたときの励起、測定そして測定値の処理の様子を示すブロック図である。流入管と流出管により弾性的に懸吊されたループ状管を示す斜視図である。トルク励起ヨークとコリオリ効果センサ手段とを備えたループ状の検出管を有するコリオリ型センサ装置を示す構成図である。図１６装置に用いられたトルク励起ヨークについての詳細図である。

符号の説明

１流量計
３，１３，２６，３７，４７，９０検出管
１１ａ，１１ｂセンサ
２２コア
２３コイル
２４エネルギ供給手段
２５管部
２７空隙
２８第二（励起）手段
３１，３２磁極
３４ａ，３９ａ；３４ｂ，３９ｂ第二励起手段
３５ａ，３５ｂ空隙
３６管部
４０マグネットヨーク
４１ａ，４１ｂ；４２ａ，４２ｂ磁極
４３，４４空隙
４８回転励起軸線
４９ヨーク
５０ａ，５０ｂ空隙
５２コイル
５３電気回路
６２検出管
６６光源
６７感光セル
６９管部
６９’ 管部
７０光源
７１光
７２感光セル
７８検出管
７９，８１両端
８０流入管
８２流出管
Ｂ磁界
Ｆ力
Ｉ電流
Ｓ回転励起軸線
Φ 流れ媒体
Ｐ交点
Ｓ_１，Ｓ_２，Ｓ_３センサ

Claims

動作中に流れ媒体が流れる検出管と、動作中に検出管全体もしくはその一部たる管部に動作中に回転励起軸線について振動を生じせしめる励起手段とを有しているコリオリ型質量流量計であって、検出管が導電材で作られていること、励起手段が動作中に管壁に電流を生じせしめる第一励起手段と検出管の一部たる管部の領域に磁界を生じせしめる第二励起手段を有していて、磁界が電流の方向を横切っているコリオリ型質量流量計において、第二励起手段が互いに離れた位置で対向する磁界を形成し、それぞれが互いに反対の極性で空隙を挟んで配置される二つの磁極により形成され、該空隙を管部が貫通し、動作中に交番電流が該管部を流れて動作中にトルク励起をもたらすことを特徴とするコリオリ型質量流量計。
少なくとも一つのトランスコアが検出管に対して設けられていて、該検出管が二次巻線を形成し、コアに設けられたコイルが一次巻線を形成して、一次巻線にエネルギ供給手段によりエネルギが与えられたときに管壁に電流が誘導されることとする請求項１に記載のコリオリ型質量流量計。
第二励起手段が周回する永久磁石マグネットヨークを有し、該永久磁石マグネットヨークは互いに対向する磁極を二対有して検出管を含む面に平行に配されており、二対をなすそれぞれの磁極間には第一空隙そして第二空隙が形成され、これらの空隙には互いに逆方向の磁界が形成されていると共に管部が通っており、動作中に交番電流が該管部を流れて検出管もしくは管部にトルク励起をもたらし、検出管を回転励起軸線について回転振動せしめることとする請求項１に記載のコリオリ型質量流量計。
磁界が二つの空隙で磁気ヨークまわりに巻回された電気コイルにより発生されており、動作中に該コイルが該コイルに直流電流を流すようになっていることとする請求項１に記載のコリオリ型質量流量計。
検出管がループ状に形成され、該検出管が実質上周囲して機械的に閉じて形成されており、該検出管の両端が流れ媒体のための可撓流入管そして流出管にそれぞれ接続され、上記検出管が該可撓流入管そして流出管により弾性的にフレームから懸吊されていて、流れ媒体が検出管内を流れたとき、検出管を含む面で互いに直交する励起動の軸線そしてコリオリ動の軸線の二つの軸線についての励起運動を上記懸吊により可能としている請求項１ないし請求項４のうちの一つに記載のコリオリ型質量流量計。
検出管内を流れる流れ媒体の影響のもとで生ずる管部の変位を測定する少なくとも二つの光学センサを有し、センサが回転一次軸線と測定されるべき管部との交点（極）の両側に位置しており、上記交点と各センサとの間の距離が該管部の長さの半分に対して５％と２５％の間であることとする請求項１ないし請求項５のうちの一つに記載のコリオリ型質量流量計。
光学センサは、管部の一方の側に位置する光源と、該光源の光路で管部に対して反対側に位置する感光セルとを有する光学‐電気センサであり、管部によって遮られない光の部分を測定することとする請求項６に記載のコリオリ型質量流量計。
光学センサは、管部の一方の側に位置する光源と、管部によって反射する光の光路で管部に対して同じ側に位置する感光セルとを有する光学‐電気センサであり、反射光の強度を感光セルで測定することとした請求項６に記載のコリオリ型質量流量計。
管部に対する光源の位置は、非動作中に、感光セルの活動面積の４０〜６０％が光源から照射されるように設定されていることとする請求項７に記載のコリオリ型質量流量計。
感光センサからの信号のゼロ通過の間の時間差が測定され、該時間差が流量を示していることとする請求項６、請求項７そして請求項８のうちの一つに記載のコリオリ型質量流量計。
感光センサからの信号が周波数に変換され、周波数に変換された二つのセンサ信号の間での位相差が測定され、この位相差が流量を示していることとする請求項６、請求項７そして請求項８のうちの一つに記載のコリオリ型質量流量計。
第三センサが二つの第一センサの位置を結ぶ線上に位置して設けられ、三つのセンサからの信号が処理装置（デジタル信号プロセッサ）で処理され、極の位置の修正を含み流量の測定のための信号を得ることとする請求項６、請求項７そして請求項８のうちの一つに記載のコリオリ型質量流量計。
光学センサは、管部の一方の側に位置する光源と、管部によって反射する光の光路で管部に対して同じ側に位置する感光セルとを有する光学‐電気センサであり、感光セルで反射光の位置が測定されることとする請求項６に記載のコリオリ型質量流量計。