JP5740080B2 - コリオリ流量計 - Google Patents

Description

本発明は、振動を与えられた流路が受けるコリオリ力を介して上記流路中の流体の流量を計測するコリオリ流量計に関する。

特開平９−６１２１４号公報等にはコリオリ流量計の構成、動作等が開示されている。一般的に、コリオリ流量計とは、被測定流体が流れる測定管を振動させ、この際に生じるコリオリ力を検出して被測定流体の質量流量を測定する装置である。

一方、米国特許第６３２７９１４号明細書には、コリオリ流量計において、被測定流体に気泡が混入した場合に気泡がダンパーの役割を果たすため、共振点での測定管のＱが低下する点が示されている。この場合、振幅を一定に保つためには励振パワーを増加させる必要があるため、励振パワーの増加から気泡の混入を検出することも可能である。

特開平９−６１２１４号公報

米国特許第６３２７９１４号明細書

しかし、測定管のＱは磨耗や腐食に起因する減肉により低下する。また、被測定流体の成分が測定管に固着することによっても測定管のＱは低下する。したがって、励振パワーに基づいて気泡の混入を検出しようとしても、他の要因との区別ができず、気泡の混入だけを検出することはできない。

本発明の目的は、気泡の混入を他の要因と区別することが可能なコリオリ流量計を提供することにある。

本発明のコリオリ流量計は、振動を与えられた流路が受けるコリオリ力を介して前記流路中の流体の流量を計測するコリオリ流量計において、計測される前記流量のゆらぎの程度を検出する検出手段と、前記検出手段により検出されたゆらぎの程度に基づいて前記流体中の気泡の有無を判定する判定手段と、を備え、前記検出手段は前記流量を所定の検出時間にわたり計算し、前記検出時間内に計算された前記流量に基づいて前記検出時間ごとの前記ゆらぎの程度を検出する本検出を行い、前記判定手段は、前記検出手段により検出される前記ゆらぎの程度が所定の閾値を越えた場合に、前記流体中に気泡が存在すると判定し、前記閾値は気泡が存在していない前記流体を対象として前記検出手段により行われる予備検出において検出される前記ゆらぎの程度に基づいて規定され、前記検出時間は、前記予備検出において前記閾値を規定した後であって、前記本検出の前に規定されることを特徴とする。
このコリオリ流量計によれば、検出された流量のゆらぎの程度に基づいて流体中の気泡の有無を判定するので、測定管の減肉や固着の影響を受けずに気泡の混入を検出できる。
前記判定手段は、所定時間内に、前記検出手段により検出される前記ゆらぎの程度が所定の閾値を越えた回数に基づいて判定を行ってもよい。

本発明のコリオリ流量計によれば、検出された流量のゆらぎの程度に基づいて流体中の気泡の有無を判定するので、測定管の減肉や固着の影響を受けずに気泡の混入を検出できる。

一実施形態のコリオリ流量計の構成を示す図であり、（ａ）は、振動を検出するセンサ周辺の構成を示す図、（ｂ）はチューブの振動モードを示す図。 コリオリ流量計の構成を示すブロック図。 コリオリ流量計の動作を示すフローチャート。 位相差の標準偏差と気泡混入量との関係を例示する図。

以下、本発明によるコリオリ流量計の一実施形態について説明する。

図１（ａ）は、振動を検出するセンサ周辺の構成を示す図、図１（ｂ）はチューブの振動モードを示す図である。

図１（ａ）において、１は測定管として機能するチューブ、２及び３はチューブ１の固定端、４は加振器、５ａ及び５ｂは振動を検出するセンサ、６は温度検出器である。

図１（ａ）に示すように、チューブ１は固定端２及び３の部分で固定され、チューブ１の中心部分には加振器４が設けられる。また、固定端２及び３の間であって固定端２及び３の近傍にはセンサ５ａおよびセンサ５ｂがそれぞれ設けられ、固定端３の近傍には温度検出器６が設けられる。

次に、チューブ１の振動モードについて説明する。

チューブ１の内部に図１（ａ）において”イ”及び”ロ”に示すように被測定流体を流し、加振器４によりチューブ１に振動を印加する。

振動の印加方向に関してはチューブ１の中心部分が振動の腹になるように印加される。即ち、チューブ１は、図１（ｂ）における”Ｍ１”及び”Ｍ２”に示すような１次モードの形状で振動する。この時、流体から受けるコリオリ力によって図１（ｂ）における”Ｍ３”及び”Ｍ４”に示すような２次モードの形状でコリオリ振動が生じる。

実際には前記２つの振動が重畳された状態でチューブ１が振動することになる。そして、この振動をセンサ５ａおよびセンサ５ｂでそれぞれ検出して信号処理することにより、質量流量を求めることができる。

図２は本実施形態のコリオリ流量計の構成を示すブロック図である。図２において、７は周波数測定回路、８はタイミング生成回路、９及び１２はトラックアンドホールド回路、１０及び１３はＡ／Ｄ変換器、１１及び１４はディスクリート・フーリエ変換回路（以下、ＤＦＴ回路と呼ぶ。）、１５は位相差演算回路、１６は励振回路である。

また、１００及び１０１はセンサ５ａおよびセンサ５ｂの出力信号、１０２は周波数信号、１０３はタイミング信号、１０４は位相差信号である。

センサ５ａの出力信号１００は周波数測定回路７、トラックアンドホールド回路９及び励振回路１６にそれぞれ与えられ、センサ５ｂの出力信号１０１はトラックアンドホールド回路１２に与えられる。

トラックアンドホールド回路９及び１２の出力はＡ／Ｄ変換器１０及び１３に接続され、Ａ／Ｄ変換器１０及び１３の出力はＤＦＴ回路１１及び１４に接続される。ＤＦＴ回路１１及び１４の出力はそれぞれ位相差演算回路１５に接続され、位相差演算回路１５は位相差信号１０４を出力する。

また、周波数測定回路７の出力信号である周波数信号１０２はタイミング生成回路８に与えられ、タイミング生成回路８の出力であるタイミング信号１０３はトラックアンドホールド回路９及び１２にそれぞれ与えられる。さらに、励振回路１６の出力は励振信号として加振器４に供給される。

次に、質量流量を算出する方法について説明する。

周波数測定回路７ではセンサ５ａの出力信号１００に基づき周波数を測定して周波数信号１０２を出力する。タイミング生成回路８は周波数信号１０２に基づいてチューブ１の振動の１周期を正確にＮ等分（Ｎは自然数）してタイミング信号１０３を発生させる。

出力信号１００及び１０１はタイミング信号１０３に基づきトラックアンドホールド回路９及び１２でトラック・ホールドされ、取り込まれた信号はＡ／Ｄ変換器１０及び１３でディジタル信号に変換される。

ＤＦＴ回路１１及び１４ではＡ／Ｄ変換器１０及び１３の出力を周波数領域にディスクリート・フーリエ変換し、ディスクリート・フーリエ変換された信号の実数部成分と虚数部成分との比から位相を求めてそれぞれ出力する。

位相差演算回路１５ではＤＦＴ回路１１及び１４から出力される位相の差を演算することにより位相差を得て位相差信号１０４として出力する。

この位相差信号１０４が示す位相差は被測定流体の質量流量に比例するので、位相差信号１０４に基づき図示しない回路により質量流量を求める。但し、実際には温度変動により位相差信号が変動するため、位相差信号１０４に対し、図１（ａ）に示す温度検出器６の出力に基づき温度補償を施す。

一方、励振回路１６は出力信号１００に基づき励振信号を発生させて、加振器４を駆動する。

図２に示す気泡検出部２０は、位相差信号１０４に基づいて流体中の気泡を検出する。

図２に示すように、気泡検出部２０は位相差演算回路１５からの位相差信号１０４を受けて位相差信号１０４が示す位相差のゆらぎを検出する検出手段２１と、検出手段２１により検出されたゆらぎの程度に基づいて流体中の気泡の有無を判定する判定手段２２とを備える。

図３のステップＳ１〜ステップＳ５は、気泡検出部２０において流体中の気泡を検出する手順を示すフローチャートである。この手順は、上記の流量の算出と並行して実行される。

図２のステップＳ１では、所定の演算周期に従って、検出手段２１において位相差信号１０４を取り込むとともに、位相差信号１０４に基づいて位相差を計算し、計算結果を保存する。

次に、ステップＳ２では、気泡混入の判定に必要な所定の検出時間だけステップＳ１の処理が繰り返されたか否か判断する。判断が否定されれば、ステップＳ１へ戻って位相差の計算、保存を繰り返し、判断が肯定されれば、ステップＳ３へ進む。

ステップＳ３では、ステップＳ１で保存された位相差の計算結果に基づき、判定手段２２において位相差のゆらぎの程度を算出する。ここでは、位相差のゆらぎの程度として、例えば、ステップＳ１で繰り返し算出、保存された位相差の標準偏差を算出する。

次に、ステップＳ４では、判定手段２２において、ステップＳ３で算出された位相差のゆらぎの程度と、予め定められた閾値とを比較し、位相差のゆらぎの程度がこの閾値を越えたか否か判断する。判断が肯定されればステップＳ５へ進み、判断が否定されればステップＳ１へ戻る。

ステップＳ５では、気泡の検出を通知し、ステップＳ１へ戻る。

このように、本実施形態のコリオリ流量計では気泡がチューブ１内に混入することにより、チューブ１の振動に揺動が生じ、位相差のゆらぎが増大することを利用しており、位相差のゆらぎの程度が閾値を越えた場合に気泡が発生したと判定している。このため、チェーブ１の磨耗、腐食、固着などの影響をほとんど受けることなく、気泡の混入量を正確に把握することができる。

図３のステップＳ１１〜ステップＳ１６は、流体中の気泡を検出する際の検出条件を設定する手順を示すフローチャートである。この手順では、チューブ１の流量を一定にするとともに気泡が流体に混入していない条件下で位相差を測定し、気泡混入検出のための閾値（ステップＳ４）等を設定する。

図３のステップＳ１１では、所定の演算周期に従って、検出手段２１において位相差信号１０４を取り込むとともに、その位相差信号１０４に基づいてチューブ１内の流体により発生する位相差を計算し、計算結果を保存する。

次に、ステップＳ１２では、位相差のゆらぎの程度を算出するのに必要な所定の検出時間だけステップＳ１１の処理が繰り返されたか否か判断する。判断が否定されれば、ステップＳ１１へ戻って位相差の計算、保存を繰り返し、判断が肯定されれば、ステップＳ１３へ進む。

ステップＳ１３では、ステップＳ１１で保存された位相差の計算結果に基づき、判定手段２２において位相差のゆらぎの程度を算出する。ここでは、位相差のゆらぎの程度として、例えば、ステップＳ１１で繰り返し算出、保存された位相差の標準偏差を算出する。

次に、ステップＳ１４では、ステップＳ１３で算出された位相差のゆらぎの程度を基準値として設定する。

次にステップＳ１５では、ステップＳ１４で設定された基準値に基づいて上記閾値を設定する。ここでは、例えば、上記基準値に係数Ｎを掛けた値を上記閾値として設定する。係数Ｎは気泡の検出感度に相当し、必要な検出感度と誤検出の発生頻度との兼ね合いなどに基づいて予め決められる。

図４は、位相差の標準偏差と気泡混入量との関係を例示する図である。図４に示すように、流体中の気泡混入量の増加に伴い、位相差の標準偏差は大きくなる。

図４の例では、気泡混入量がゼロの場合の位相差の標準偏差が０．０９ｋｇ／ｓ程度であるため、基準値（ステップＳ１４）は約０．０９ｋｇ／ｓとなる。ただし、ここでは、位相差を質量流量の単位（ｋｇ／ｓ）に換算した値としている。この基準値に係数Ｎを掛けることで、上記閾値としての標準偏差を約０．１３ｋｇ／ｓに設定している。また、位相差の標準偏差が上記閾値を越えるのは気泡混入量が約６ＮＬ／ｍｉｎを越える場合であるから、気泡混入量が約６ＮＬ／ｍｉｎを超えると、気泡が検出されることになる。

次に、ステップＳ１６では、ステップＳ２における検出時間を設定し、処理を終了する。なお、検出時間は位相差の計算回数（ステップＳ１）に対応するため、位相差のゆらぎの程度を必要な精度で算出可能な計算回数が確保できるように設定すればよい。計算回数が増加すれば、位相差のサンプリング数の増加によりゆらぎの程度（標準偏差）の算出精度が向上する。一方、検出時間が長くなることで、気泡混入の検出速度（頻度）が低下するという関係にある。

なお、上記実施形態では、位相差の算出方法としてディスクリート・フーリエ変換を用いる例を示しているが、ヒルベルト変換法など、位相差を他の算出方法により算出してもよい。

また、ステップＳ１〜ステップＳ５の手順では、位相差の標準偏差が上記閾値を１回超えるだけで気泡の混入があったものと判定しているが、誤判定を招く場合もある。このような場合には、位相差の標準偏差が閾値を超えた回数をカウントし、一定時間内のカウント数が一定値を超えた場合に気泡の混入があったものと判定してもよい。

また、位相差のゆらぎの程度を評価する数値として、位相差の標準偏差に代えて位相差の二階差の絶対値または位相差の二階差の二乗値を使用することができる。

以上説明したように、本発明のコリオリ流量計によれば、位相差のゆらぎの程度に基づいて前記流体中の気泡の有無を判定するので、測定管の減肉や固着の影響を受けずに気泡の混入を検出できる。

本発明の適用範囲は上記実施形態に限定されることはない。本発明は、振動を与えられた流路が受けるコリオリ力を介して上記流路中の流体の流量を計測するコリオリ流量計に対し、広く適用することができる。

２１ 検出手段
２２ 判定手段

Claims (2)

1. 振動を与えられた流路が受けるコリオリ力を介して前記流路中の流体の流量を計測するコリオリ流量計において、
   計測される前記流量のゆらぎの程度を検出する検出手段と、
   前記検出手段により検出されたゆらぎの程度に基づいて前記流体中の気泡の有無を判定する判定手段と、
   を備え、
   前記検出手段は前記流量を所定の検出時間にわたり計算し、前記検出時間内に計算された前記流量に基づいて前記検出時間ごとの前記ゆらぎの程度を検出する本検出を行い、
   前記判定手段は、前記検出手段により検出される前記ゆらぎの程度が所定の閾値を越えた場合に、前記流体中に気泡が存在すると判定し、
   前記閾値は気泡が存在していない前記流体を対象として前記検出手段により行われる予備検出において検出される前記ゆらぎの程度に基づいて規定され、
   前記検出時間は、前記予備検出において前記閾値を規定した後であって、前記本検出の前に規定されることを特徴とするコリオリ流量計。
2. 前記判定手段は、所定時間内に、前記検出手段により検出される前記ゆらぎの程度が所定の閾値を越えた回数に基づいて判定を行うことを特徴とする請求項１に記載のコリオリ流量計。

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