JP5942238B1

JP5942238B1 - コリオリ式質量流量計

Info

Publication number: JP5942238B1
Application number: JP2016020668A
Authority: JP
Inventors: 村上　英一; 英一村上
Original assignee: Atsuden Co Ltd
Current assignee: Atsuden Co Ltd
Priority date: 2016-02-05
Filing date: 2016-02-05
Publication date: 2016-06-29
Anticipated expiration: 2036-02-05
Also published as: JP2017138257A

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】測定管１１の曲管部１１ａには係止部１１ｄが付設され、この係止部１１ｄは、その上方の保持部１２に引っ張りコイルばねから成る引寄部材１３により弾性的に引き寄せられている。
これにより、測定管１１の曲管部１１ａは垂れ下がることなく、その位置は平衡し、安定して保持される。
【選択図】図２

Description

本発明は、測定管の一部を弾性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６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には通常は剛性の大きな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、耐蝕性の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、測定管を弾性部材により弾性的に保持し、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に係るコリオリ式質量流量計は、測定流体を往き管から戻り管の一方向に流通する測定管と、該測定管の自由端部に対して所定の位置に配置した保持部と、前記測定管に連結し前記測定管を前記保持部に弾性的に保持する弾性部材と、前記測定管に振動を与える加振駆動部と、前記測定管の前記往き管と前記戻り管の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、前記弾性部材は前記往き管と前記戻り管との中間位置において、前記測定管を前記往き管と前記戻り管とを結ぶ面に対し直交する方向に作用することにより、前記測定管を弾性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、測定管を弾性的に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。温度測定部の構成図である。実施例２の側面図である。実施例３の側面図である。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５に図示の実施例に基づいて詳細に説明する。

図１は本実施例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の上方に配置した保持部１２と、測定管１１と保持部１２の間に設けて測定管１１を保持部１２側に弾性的に引き寄せる引寄部材１３と、測定管１１を加振する加振駆動部１４と、測定管１１の変位を検出する変位検出部１５と、測定流体の温度を測定する温度測定部１６とから成り、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、両側の往き管１１ｂ、戻り管１１ｃの中間は中央部にＵ字状の曲管部１１ａとされ、曲管部１１ａは自由端部とされている。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が、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１７上に配置されたハウジング１８に挟着されることにより、測定管１１は固定されている。また、曲管部１１ａの上方に保持部１２が配置され、この保持部１２は測定管１１の往き管１１ｂ、戻り管１１ｃを挟持したハウジング１８と基板１７上に設けられている。なお、保持部１２とハウジング１８とは基板１７を介在することなく、他のフレーム部材を介して連結するようにしてもよい。

測定管１１の曲管部１１ａには、合成樹脂製の係止部１１ｄが付設され、この係止部１１ｄの上部には引っ張りコイルばね等から成る引寄部材１３の一端を取り付けるための取付部１１ｅが設けられている。曲管部１１ａは取付部１１ｅに取り付けられた引寄部材１３を介して、往き管１１ｂと戻り管１１ｃとを結ぶ面に対して直交する方向、つまり上方の保持部１２から弾性的に吊り下げられている。

測定管１１の引寄部材１３で保持する位置、つまり係止部１１ｄにおける取付部１１ｅの位置は、往き管１１ｂ、戻り管１１ｃの中間位置の曲管部１１ａにあって、発生するコリオリ力の中心位置であり、しかもほぼ１点を弾性的に保持しているので、測定すべきコリオリ力に大きな影響を与えることはない。

また、係止部１１ｄの下側には、加振駆動部１４の一部として機能する加振体１４ａ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１４ａの下方の基板１７上には、電磁石である電磁コイル１４ｂが配置され、加振体１４ａと磁気的に共働して作用する加振駆動部１４とされている。

電磁コイル１４ｂの鉄心１４ｃに巻回したコイル１４ｄに、電流の方向を切換えながら通電し、鉄心１４ｃ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１４ａに対し磁気吸引力、磁気反発力を交互に繰り返して作用し、加振体１４ａ、係止部１１ｄを介して測定管１１に非接触で所定の振動を加振できる。

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。

加振駆動部１４による加振量は微少であっても、測定管１１が保持部１２により弾性的に保持されているので、測定管１１を加振することができる。また、加振体１４ａ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。なお加振駆動部１４には、電磁コイル１４ｂ以外の他の加振駆動機構を使用することも可能である。

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１５が配置されている。測定管１１には光反射部１５ａがそれぞれ取り付けられ、光反射部１５ａの下方の基板１７上には、送受光部１５ｂがそれぞれ設けられている。

この変位検出部１５では、送受光部１５ｂからの光ビームを光反射部１５ａに向けて送光し、その反射光を送受光部１５ｂ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１５ｂから光反射部１５ａまでの距離、つまりそれぞれの送受光部１５ｂ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におけるコリオリ力によ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１５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とすることもできる。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１７上には、測定管１１の温度を測定する温度測定部１６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１６を用いて温度を測定する必要はない。

図３は温度測定部１６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１６はレンズ光学系１６ａと温度検知素子１６ｂとを有している。レンズ光学系１６ａは赤外光を測定管１１の表面と温度検知素子１６ｂとを共役としている。温度検知素子１６ｂ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１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。

図４は実施例２の側面図であり、実施例１と同一の符号は同一の部材を示している。曲管部１１ａに付設した係止部１１ｄの下側にも取付部１１ｆが、上側の取付部１１ｅと上下方向に一致した位置に設けられている。下方の基板１７を保持部としたコイルばね等から成る別個の第２の引寄部材１３ａが取付部１１ｆに取り付けられており、係止部１１ｄは下方にも引き寄せられている。

このような構成の実施例２においても、曲管部１１ａは引寄部材１３、１３ａにより、ほぼ１点において互いに逆方向の上下両方向に弾性的に引き寄せられ、その位置は引寄部材１３、１３ａによる平衡位置に保持される。これにより、実施例２においても実施例１と同様な作用効果が得られる。

図５は実施例３の側面図であり、実施例１、２と同一の符号は同一の部材を示している。実施例２においては、係止部１１ｄの下側に第２の引寄部材１３ａを設けて下方にも引き寄せたが、本実施例３においては、第２の引寄部材１３ａの代りに、電磁力による下方への引き寄せ機能を用いている。

取付部１１ｅの上下方向に一致する係止部１１ｄの下面には、永久磁石等から成る磁気作用体１４ｅが取り付けられている。磁気作用体１４ｅの下方の基板１７上に電磁コイル１４ｆが配置され、電磁コイル１４ｆの鉄心１４ｇの磁極が磁気作用体１４ｅに対向して配置されている。

電磁コイル１２ｄの鉄心１４ｇに巻回したコイル１４ｈにより、磁気作用体１４ｅを吸引する磁束を発生させると、曲管部１１ａは係止部１１ｄを介して電磁コイル１４ｆにより下方に引き寄せられ、上方の引寄部材１３ａによる引き寄せ力と平衡して所定位置に保持される。

この場合に、曲管部１１ａの上下方向位置を例えば光センサで検知し、曲管部１１ａが同じ位置で平衡するように、電磁コイル１２ｄの吸引力を制御すれば、曲管部１１ａは常時、同一位置に保持される。

また、コイル１４ｈに流れる電流を共振周波数又はその整数倍の周波数で電流に大小を与えながら通電すると、鉄心１４ｇからの磁束が磁気作用体１４ｅに対して作用し、強弱の磁気吸引力が繰り返えして作用することになる。これにより、曲管部１１ａの弾性的な保持を行いながら、同時に測定管１１に対し測定のための加振を行うことができる。従って、実施例１、２の加振駆動部１４は、この電磁コイル１２ｄが代用することになる。

なお、実施例１〜３における引寄部材１３、１３ａはコイルばねを例示して説明したが、これらは電磁石機構等の引寄部材を用いて引き寄せるようにしてもよい。

また、実施例２、３においては、測定管１１は水平方向に配置しているが、鉛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。

更に、実施例２、３においては、電磁コイルを含めて引寄部材による測定管１１を保持部１２に引き寄せているが、これらの引寄部材に代えて、測定管１１を保持部１２から押し戻すように作用して測定管１１を平衡させることができる。つまり、圧縮コイルばねなどの押し戻すように力を作用させる弾性部材を用いることができる。この場合においても、電磁コイルによる押し戻し力を制御して測定管１１を正確に同一位置に保持することができる。

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、測定管をほぼ１個所において弾性的に保持できるので、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係止部
１２保持部
１３、１３ａ引寄部材
１４加振駆動部
１４ａ加振体
１４ｂ、１４ｆ電磁コイル
１４ｅ磁気作用体
１５変位検出部
１５ａ光反射部
１５ｂ送受光部
１６温度測定部
１６ａレンズ光学系
１６ｂ温度検知素子
１７基板
１８ハウジング

Claims

測定流体を往き管から戻り管の一方向に流通する測定管と、該測定管の自由端部に対して所定の位置に配置した保持部と、前記測定管に連結し前記測定管を前記保持部に弾性的に保持する弾性部材と、前記測定管に振動を与える加振駆動部と、前記測定管の前記往き管と前記戻り管の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、前記弾性部材は前記往き管と前記戻り管との中間位置において、前記測定管を前記往き管と前記戻り管とを結ぶ面に対し直交する方向に作用することにより、前記測定管を弾性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。
前記弾性部材は引き寄せ力を有する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。
前記弾性部材は押し戻す力を有する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。
前記測定管の保持は、前記往き管と前記戻り管との中間位置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１〜３の何れか１項に記載のコリオリ式質量流量計。
前記弾性部材の一端は前記曲管部に取り付けたことを特徴とする請求項４に記載のコリオリ式質量流量計。
前記弾性部材による力と逆方向に対しても、別個の弾性部材により他の保持部に作用させ、前記曲管部の位置を平衡させるようにしたことを特徴とする請求項４又は５に記載のコリオリ式質量流量計。
前記弾性部材による力と逆方向に対しても、電磁コイルによる電磁力により他の保持部に作用させ、前記曲管部の位置を平衡させることを特徴とする請求項４又は５に記載のコリオリ式質量流量計。
前記電磁コイルによる力は、前記曲管部に永久磁石又は強磁性体から成る磁気作用体を付設し、前記電磁コイルからの磁束を作用させて力を発生するようにしたことを特徴とする請求項７に記載のコリオリ式質量流量計。
前記電磁コイルによる前記磁気作用体に対する力を所定の周波数で変化させることにより、前記測定管を加振するようにしたことを特徴とする請求項８に記載のコリオリ式質量流量計。
前記電磁コイルによる前記電磁コイルからの磁束の大きさにより力を制御して、前記曲管部の位置を制御することを特徴とする請求項８に記載のコリオリ式質量流量計。