JP5922291B1 - コリオリ式質量流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】軽量の測定管を使用し、小型化が可能で安価なコリオリ式質量流量計を得る。【解決手段】合成樹脂製の測定管１１のＵ字状の曲管部１１ａには、第１の磁性体ホルダ１１ｄが取り付けられ、先端には磁極面を前方に向けた永久磁石から成る磁気作用体１１ｅが埋め込まれている。第１の磁性体ホルダ１１ｄの先端に対向した離隔位置に、第２の磁性体ホルダ１２ａが基板１６上に設けられている。第２の磁性体ホルダ１２ａには、第１の磁性体ホルダ１１ｄ中の磁気作用体１１ｅと対向して、磁極面を第１の磁性体ホルダ１１ｄに向けた永久磁石１２ｂが配置され、磁気作用体１１ｅと異極同士の磁極面、つまりＳ極とＮ極が対向するようにされている。第２の磁性体ホルダ１２ａの永久磁石１２ｂは、磁気作用体１１ｅを磁気吸引力により吸引することにより、測定管１１の形状を離隔的に保持する。【選択図】図２

Description

本発明は、測定管の形状を離隔的に保持するコリオリ式質量流量計に関するものである。

コリオリ式質量流量計とは、速度Ｖで回転振動系の回転中心に向かう、又は回転中心から離れる質量ｍの質点に働くコリオリ力が、質量ｍと速度Ｖの積に比例することから、コリオリ力を測定して質量流量を求める方式の流量計である。

コリオリ式質量流量計は差圧式、電磁式、容積式などの流量計と比較すると、直接的に質量流量が得られること、摩耗などを起こす機械的可動部分がないこと、保守性に優れていること、そして原理上、測定管の振動数の計測から密度が計測できることなどの数々の優れた特長を有している。

例えば、特許文献１には図７に示すように、Ｕ字形測定管を用いたコリオリ式質量流量計が開示されている。測定管は１本のＵ字形測定管１で構成され、取付フランジ２ａ、２ｂを介して固定された点を中心にして、片持ち梁状のＵ字形測定管１は加振した共振周波数で上下に振動を繰り返えす。この測定管１内に流入した測定流体は、入口からＵ字の曲がり部に向かって流れる際に、測定管１に対する速度によりコリオリ力が生じ、測定管１に歪を与え、曲管部から出口に向かって流れる際は、コリオリ力により逆方向の歪を与え振動となる。

測定管１のＵ字形を成す先端には振動子３が設けられ、曲がり部の両側の測定管１には変位検出センサ４ａ、４ｂがそれぞれ取り付けられている。

測定管１に測定流体を流し、振動子３を駆動し測定管１を加振する。振動子３の振動方向の角速度ω、測定流体の流速νとすると、Ｆｃ＝−２ｍω×νのコリオリ力が働き、このコリオリ力Ｆｃに比例した振動の振幅を変位検出センサ４ａ、４ｂで検出し、演算を行えば質量流量が測定できる。

特開平３−４１３１９号公報

しかし、この従来例のコリオリ式質量流量計では、測定管１内に測定流体が充満しても、例えばＵ字状部分が自重などで垂れ下がるなどの変形による測定誤差が介入しないように、測定管１には通常は金属管が使用されている。しかし、金属管の加工は難しく、加工により同一特性の金属管を揃えることは困難であり、使用に際してはその支持構造が大型となり重量も大となり、価格も高価となる。

また、例えば半導体製造装置等で使用する腐蝕性液体を測定する場合には、耐蝕性が大きなフッ素樹脂管等を使用せざるを得ないが、合成樹脂管の使用により測定管の加工性が有利で軽量化ができる反面で、変形を少なくし振動に対する剛性を大きくした支持構造が必要となる。

本発明の目的は、上述の課題を解消し、小型化が可能で安価なコリオリ式質量流量計を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明は、測定流体を一方向に流通する測定管と、該測定管の所定の位置を離隔的に保持する磁気保持部と、前記測定管に振動を与える加振駆動部と、前記測定管の往き管と戻り管の２個所において前記測定管の変位を検出する変位検出部とを有するコリオリ式質量流量計であって、前記磁気保持部は、前記測定管に付設した磁気作用体、又は強磁性体から成る前記測定管自体の磁気作用体に対して、磁気吸引力、磁気反発力を作用させ、前記測定管を離隔的に保持するようにしたことを特徴とする。

本発明に係るコリオリ式質量流量計によれば、測定管を磁気吸引力又は磁気反発力により離隔状態で保持することにより、測定管が自重などで変形することなく、発生したコリオリ力を基に安定して流量を測定できる。

実施例１のコリオリ式質量流量計の斜視図である。 側面図である。 要部の拡大構成図である。 温度測定部の構成図である。 実施例２の磁気保持部の構成図である。 実施例３の磁気保持部の構成図である。 従来例のコリオリ式質量流量計の斜視図である。

本発明を図１〜図６に図示の実施例に基づいて詳細に説明する。

図１は実施例１のコリオリ式質量流量計の斜視図、図２は側面図である。このコリオリ式質量流量計は主として、測定流体を一方向に流通する測定管１１と、測定管１１の所定の位置を離隔的に保持する磁気保持部１２と、測定管１１を加振する加振駆動部１３と、測定管１１の変位を検出する変位検出部１４と、測定流体の温度を測定する温度測定部１５と、これらの機構に対し検出信号、制御信号を入出力し、測定流体の流量を演算する図示しない演算制御部とから成っている。

測定管１１は合成樹脂管の例えばフッ素樹脂管から成り、直径が例えば３．２ｍｍで、中央部にＵ字状の曲管部１１ａを有している。なお、測定流体が腐蝕性を有していなければ、測定管１１はフッ素樹脂管でなくとも通常の合成樹脂管であってもよい。しかし、測定管１１は振動を十分に伝達可能とする硬度の弾性係数を有し、柔軟でない材質が必要である。測定管１１の径は１例であり、任意の径の測定管１１を使用できることは勿論である。

測定管１１の曲管部１１ａを境界とする往き管１１ｂと戻り管１１ｃの平行な２個所は、基板１６上に配置されたハウジング１７に挟着されることにより、測定管１１は固定されている。従って、これらの固定位置よりも曲管部１１ａ側の測定管１１は、支持部がない自由端とされている。

図３に示す要部の拡大構成図のように、測定管１１の曲管部１１ａには、合成樹脂製の第１の磁性体ホルダ１１ｄが付加され、この先端には磁気作用体１１ｅとして、磁極面を前方に向けた永久磁石、又は鉄、コバルト、ニッケル、これらの合金などの強磁性体が埋め込まれている。

第１の磁性体ホルダ１１ｄに設けた永久磁石又は強磁性体から成る磁気作用体１１ｅに対向した離隔位置に、磁気保持部１２の合成樹脂製の第２の磁性体ホルダ１２ａが基板１６上に設けられている。第２の磁性体ホルダ１２ａには、第１の磁性体ホルダ１１ｄ中の磁気作用体１１ｅと対向して、強力な例えばネオジム磁石などから成り、磁極面を磁気作用体１１ｅに向けた永久磁石１２ｂが配置されている。磁気作用体１１ｅが永久磁石の場合には、対向する磁極同士は異極とされ、つまりＳ極とＮ極が対向するようにされている。従って、第２の磁性体ホルダ１２ａの永久磁石１２ｂは、磁気作用体１１ｅを磁気吸引力により強力に吸引することにより、測定管１１の曲管部１１ａの位置を離隔的に保持するという磁気保持部１２の役割を果している。

このように、実施例１の測定管１１の曲管部１１ａは、第２の磁性体ホルダ１２ａ側に強く引き寄せられている。従って、曲管部１１ａは第２の磁性体ホルダ１２ａにより所定位置に保持され、この状態で測定管１１内に測定流体を流入しても、測定管１１が測定流体の重みで垂れ下がることもなく、測定管１１の曲管部１１ａの位置は変化することなく保持される。

なお、第２の磁性体ホルダ１２ａにおいては、永久磁石１２ｂの代りに、電磁コイルを用いて磁気作用体１１ｅを吸引することもできる。また、第１の磁性体ホルダ１１ｄには永久磁石から成る磁気作用体１１ｅを取り付け、第２の磁性体ホルダ１２ａには強磁性体を配置し、磁気作用体１１ｅの永久磁石から生ずる磁束により第２の磁性体ホルダ１２ａの強磁性体に磁気吸引力を作用させることも可能である。

また、第１の磁性体ホルダ１１ｄの下側には、加振駆動部１３の一部として機能する加振体１３ａとして、永久磁石が磁極面を下方向に向けて取り付けられている。加振体１３ａの下方の基板１６上には、電磁石である電磁コイル１３ｂが設けられ、加振体１３ａと共働して加振駆動部１３とされている。

電磁コイル１３ｂの鉄心１３ｃに巻回したコイル１３ｄに電流の方向を切換ながら通電し、鉄心１３ｃの端部から発生する磁束の方向を切換えることにより、加振体１３ａに対し磁気吸引力、磁気反発力を繰り返して作用し、加振体１３ａ、第１の磁性体ホルダ１１ｄを介して測定管１１に非接触で所定の振動を加振する。

なお、この振動は測定管１１の左右対称の中心位置に加えることが好ましい。また、振動数は測定管１１中に測定流体を充満した状態における測定管１の共振周波数、或いはその整数倍とされ、通常はオートチューニングより求められた数１０〜数１００Ｈｚであり、測定管１１の弾性係数、形状、測定流体の種類によって異なる。

なお、加振駆動部１３による加振量は微少であるので、測定管１１が磁気保持部１２により保持されていても、測定管１１を加振することができる。なお、加振駆動部１３には電磁コイル１３ｂ以外の他の加振駆動機構を使用することも可能である。また、加振体１３ａは永久磁石以外にも鉄、コバルト、ニッケル、これらの合金から成る強磁性体であってもよい。

流量測定中の測定管１１の加振による変位の大きさを測定するために、測定管１１の平行部分の往き管１１ｂ、戻り管１１ｃの２個所には、光センサによる変位検出部１４が配置されている。測定管１１には光反射部１４ａがそれぞれ取り付けられ、光反射部１４ａの下方の基板１６上には、送受光部１４ｂがそれぞれ配置されている。

この変位検出部１４では、送受光部１４ｂからの光ビームを光反射部１４ａに向けて送光し、その反射光を送受光部１４ｂで受光して、反射光の位置ずれを検出する。この位置ずれにより送受光部１４ｂから光反射部１４ａまでの距離、つまり送受光部１４ｂからの往き管１１ｂと戻り管１１ｃへの距離をそれぞれ測定し、往き管１１ｂと戻り管１１ｃにおけるねじれ量に相当する量を演算制御部で時間差検出により求める。そして、これらの検出量を基に流量を求めるが、その演算方式等は公知なのでその説明は省略する。

なお、この変位検出部１４は位置ずれ検出方式により距離を測定しているが、ぼけ検出方式、光干渉方式等により距離を検出してもよい。また、光検出方式の代りに、例えば電磁式の変位検出器等に代えることもできる。しかし、光検出方式は測定管１１に対して力を作用することがないので、微小なコリオリ力に影響を与えることがなく、精度の良い流量測定ができる。

測定管１１の下方の基板１６上には、測定管１１の温度を測定する温度測定部１５が配置されている。測定管１１は測定流体の温度によって、温められたり冷やされると弾性係数が変化して、測定管１１の共振振動数やねじれ面が微妙に変化するので、これらを補正するために測定管１１の温度を測定する。なお、この測定流体の温度はこのコリオリ式質量流量計以外の他の個所において測定していれば、この温度測定部１５を用いて温度を測定する必要はない。

図４は温度測定部１５で使用される赤外線放射温度計の構成図を示し、温度測定部１５はレンズ光学系１５ａと温度検知素子１５ｂとを有している。レンズ光学系１５ａは赤外光を測定管１１の表面と温度検知素子１５ｂとを共役としている。温度検知素子１５ｂは図示しない光学フィルタを介して測定管１１の表面温度に依存する赤外線を検知して表面温度を求める。なお、実施例においては、このコリオリ式質量流量計をカバーで覆って内部を暗室としているので、周囲の外光が温度測定における外乱となることはない。

なお、実施例１においては、測定管１１は水平に配置しているが、垂直方向に配置してコリオリ力を検出し易いようにすることもできる。

図５は実施例２の磁気保持部１２の構成図である。測定管１１の曲管部１１ａに付設した第１の磁性体ホルダ１１ｄの先端には、上下面を空間に向けたＮ極、Ｓ極とする永久磁石から成る磁気作用体１１ｆが配置され、磁気作用体１１ｆの両側の磁極に対して、第２の磁性体ホルダ１２ａに固定され上下に対向した磁極を有するＣ字状の永久磁石１２ｃが配置されている。磁気作用体１１ｆと永久磁石１２ｃの対向した磁極同士の極性は同じとされ、磁気作用体１１ｆ、永久磁石１２ｃの磁極間において相互に磁気反発力が発生するようにされている。

この構成により、第１の磁性体ホルダ１１ｄは磁気作用体１１ｆと永久磁石１２ｃとの磁気反発力により、上下何れの方向にも変位することもなく、測定管１１の曲管部１１ａは第２の磁性体ホルダ１２ａにより所定位置に離隔的に保持される。

なお、このように磁気反発力を利用する場合には、一方の磁極が他方の磁極の磁力の範囲から逃げ出すことがないように、構造上の工夫をする必要がある。

図６は実施例３を示し、図６（ａ）は磁気保持部の構成図、（ｂ）は拡大した横断面図である。測定管１１の曲管部１１ａから前方に突出した第１の磁性体ホルダ１１ｄに、環状の永久磁石である磁気作用体１１ｇを周設し、この磁気作用体１１ｇの周囲に離隔的に環状の外側永久磁石１２ｄが、第２の磁性体ホルダ１２ａに支持されて基板１６上に固定して配置されている。そして、磁気作用体１１ｇの外周と外側永久磁石１２ｄの内周の磁極は同じ極性とされ、相互に磁気反発力が作用するようになっている。

これにより、測定管１１の磁気作用体１１ｇが周設された第１の磁性体ホルダ１１ｄは、外側永久磁石１２ｄの中心に離隔的にかつ回動可能に位置するように保持され、実施例１、２と同様に測定管１１に測定流体を流通させても、その位置は保持されることになる。

図６（ｃ）は実施例３の変形例を示し、磁気保持部１２として合成樹脂製の測定管１１の曲管部１１ａに、環状の永久磁石である磁気作用体１１ｇを周設し、この磁気作用体１１ｇの周囲に離隔的に環状の外側永久磁石１２ｄが、第２の磁性体ホルダ１２ａに支持されて基板１６上に固定して配置されている。そして、磁気作用体１１ｇの外周と外側永久磁石１２ｄの内周の磁極は同じ極性とされている。

測定管１１の曲管部１１ａは外側永久磁石１２ｄの中心に位置するように保持され、実施例１、２と同様に測定管１１は測定流体を流通させても、磁気反発力により離隔的に保持されることになる。なお、この変形例の磁気保持部１２は、曲管部１１ａでなくとも、測定管が直管方式の場合などに有効に用いることができる。

実施例１〜３においては、測定管１１に磁気作用体を付設して、外部から第２の磁性体ホルダ１２ａにより測定管１１の位置保持を行ったが、測定管１１が鉄、ニッケル、コバルト等又はこれらの合金から成る強磁性体であれば、測定管１１自体を磁気作用体として利用することができる。

なお、本明細書における上下とは、図面に対しての方向であり、必ずしも実際の装置における上下とは限らない。

本発明は実施例以外の直管方式を含む種々の形状の測定管を使用するコリオリ式質量流量計に適用することができる。また、測定管が金属製であっても、磁気吸引力又は磁気反発力により形状を保持できるので、剛性の大きな支持構造を使用せずに済み、価格的に有利である。

１１ 測定管
１１ａ 曲管部
１１ｂ 往き管
１１ｃ 戻り管
１１ｄ 第１の磁性体ホルダ
１１ｅ、１１ｆ、１１ｇ 磁気作用体
１２ 磁気保持部
１２ａ 第２の磁性体ホルダ
１２ｂ、１２ｃ 永久磁石
１２ｄ 外側永久磁石
１３ 加振駆動部
１３ａ 加振体
１３ｂ 電磁コイル
１４ 変位検出部
１４ａ 光反射部
１４ｂ 送受光部
１５ 温度測定部
１５ａ レンズ光学系
１５ｂ 温度検知素子
１６ 基板
１７ ハウジング

Claims (10)

1. 測定流体を一方向に流通する測定管と、該測定管の所定の位置を離隔的に保持する磁気保持部と、前記測定管に振動を与える加振駆動部と、前記測定管の往き管と戻り管の２個所において前記測定管の変位を検出する変位検出部とを有するコリオリ式質量流量計であって、前記磁気保持部は、前記測定管に付設した磁気作用体、又は強磁性体から成る前記測定管自体の磁気作用体に対して、磁気吸引力、磁気反発力を作用させ、前記測定管を離隔的に保持するようにしたことを特徴とするコリオリ式質量流量計。
2. 前記測定管に付加した磁気作用体は永久磁石又は鉄、ニッケル、コバルト、これらの合金から成る強磁性体とし、前記磁気保持部には永久磁石又は電磁コイルを配置し、前記磁気吸引力により前記測定管を保持したことを特徴とする請求項１に記載のコリオリ式質量流量計。
3. 前記測定管に付加した磁気作用体は永久磁石とし、前記磁気保持部には強磁性体を配置し、前記磁気吸引力により前記測定管を保持したことを特徴とする請求項１に記載のコリオリ式質量流量計。
4. 前記強磁性体から成る前記測定管は鉄、ニッケル、コバルト、これらの合金とし、前記磁気保持部には永久磁石又は電磁コイルを配置し、前記磁気吸引力により前記測定管を保持したことを特徴とする請求項１に記載のコリオリ式質量流量計。
5. 前記測定管の保持は前記往き管と前記戻り管との境界に設けた曲管部に対して行うようにしたことを特徴とする請求項１に記載のコリオリ式質量流量計。
6. 前記磁気作用体は前記測定管の曲管部に付設したことを特徴とする請求項５に記載のコリオリ式質量流量計。
7. 前記測定管に前記磁気作用体として両側に磁極を向けた永久磁石を取り付け、前記磁気作用体の各磁極に対向して前記磁気保持部の永久磁石又は電磁コイルの２つの磁極を配置し、前記磁気作用体の磁極と前記磁気保持部側の対向する磁極同士の極性を同じとし、前記磁気作用体と前記磁気保持部側との磁気反発力により前記測定管を保持するようにしたことを特徴とする請求項１に記載のコリオリ式質量流量計。
8. 前記測定管に環状の永久磁石から成る前記磁気作用体を周設し、該磁気作用体の外側に前記磁気保持部として環状の外側永久磁石を離隔的に配置すると共に、前記磁気作用体の外周の磁極と前記外側永久磁石の内周との磁極を同じ極性とし、前記外側永久磁石はその中心の前記測定管を磁気反発力により離隔的に保持するようにしたことを特徴とする請求項１に記載のコリオリ式質量流量計。
9. 前記測定管の一部に永久磁石又は鉄、ニッケル、コバルト、これらの合金から成る強磁性体から成る加振体を付設し、前記加振駆動部の電磁コイルにより前記加振体を介して前記測定管を所定の周波数で加振するようにしたことを特徴とする請求項１に記載のコリオリ式質量流量計。
10. 赤外線放射温度計により、前記測定管の表面温度を測定することを特徴とする請求項１〜９の何れか１項に記載のコリオリ式質量流量計。

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