JP6178033B1 - コリオリ式質量流量計 - Google Patents

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Abstract

【課題】コリオリ力の検出感度を高めた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、ホルダ２０が取り付けられ、ホルダ２０には外側に向けて板体状の翼状片２４ａ、２４ｂが張り出されている。流量に依存するコリオリ力による歪は往き管１１ｂと戻り管１１ｃに対し、曲管部１１ａの先端を通り往き管１１ｂと戻り管１１ｃに平行な中心線に対し対称的に発生するので、往き管１１ｂと戻り管１１ｃはホルダ２０の中心線を中心として捩られることになり、この歪量を翼状片２４ａ、２４ｂにより梃子の原理で拡大して検出する。【選択図】図１

Description

本発明は、コリオリ力に対する検出感度を良好と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、摩耗などが生ずる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に示すような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、矢印で示すように入口から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には、コリオリ力により逆方向の歪を測定管１に与え振動となる。
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の往き管４ａと戻り管４ｂには変位検出センサ５ａ、５ｂ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５ａ、５ｂ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
この従来例のコリオリ式質量流量計では、測定管の往き管４ａと戻り管４ｂに発生するコリオリ力による歪の変化を例えば光電的に検出しているが、変位が小さ過ぎて十分な測定精度を持つ流量値が得られないことがある。
本発明の目的は、上述の課題を解消し、コリオリ力による測定管の変位を梃子の原理を利用して拡大し、検出感度を高める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、測定流体を一方向に流通する曲管部を有する測定管と、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によりコリオリ力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において、前記往き管と戻り管のそれぞれの外側に前記変位を拡大するための翼状片が張り出され、前記変位検出部は前記測定管中を前記測定流体が流れる際の前記２つの翼状片による拡大された変位を検出することを特徴とする。
本発明に係るコリオリ式質量流量計によれば、測定管に発生したコリオリ力を測定管から側方に張り出した翼状片により拡大して検出することにより、検出感度を良好にする。
実施例１のコリオリ式質量流量計の斜視図である。 要部の拡大断面図である。 ホルダの斜視図である。 温度測定部の構成図である。 実施例２のコリオリ式質量流量計の斜視図である。 従来例の斜視図である。
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は実施例１のコリオリ式質量流量計の斜視図、図２は要部の拡大断面図である。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を所定の位置に磁気結合により離隔的に保持する磁気結合部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、測定流体を測温する温度測定部１５と、更には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は合成樹脂製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、柔軟でない材質であることが必要である。測定管１１の径等は１例であり、任意の径の測定管１１を使用することもでき、或いは金属管であってもよい。
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により挟着されることによって、測定管１１はハウジング１７に固定されている。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、機械的な支持部がない自由端とされている。
測定管１１の曲管部１１ａには、例えば図３に示すように重ねて使用する合成樹脂製のホルダ２０が取り付けられており、ホルダ２０は一対の板体状の上部材２１ａ、下部材２１ｂから成っている。このホルダ２０は測定管１１の剛性が十分でない場合に、曲管部１１ａの変形を防止する役割をも果している。
これらの上部材２１ａ、下部材２１ｂの合わせ面には、曲管部１１ａと同形状の断面半円状の溝部２２ａ、２２ｂが形成されている。曲管部１１ａ、往き管１１ｂ、戻り管１１ｃに上下両側から上部材２１ａ、下部材２１ｂを重ね合わせて固定すると、曲管部１１ａは上部材２１ａ、下部材２１ｂにより挟み込まれて溝部２２ａ、２２ｂ内に収納される。
上部材２１ａ、下部材２１ｂの先端側には、それぞれ凹部２３ａ、２３ｂが形成され、この凹部２３ａ、２３ｂ内に磁気結合部１２の一部として機能する磁気作用体１２ａが配置されている。磁気作用体１２ａとは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、或いはこれらの合金などの強磁性体とされている。また、下部材２１ｂの下面中央には、加振駆動部１３の一部として機能する磁気作用体である加振体１３ａが埋没されている。更に、下部材２１ｂ又は上部材２１ａの往き管１１ｂ、戻り管１１ｃの両側に、板体状の翼状片２４ａ、２４ｂが張り出されている。
このように、曲管部１１ａ、往き管１１ｂ、戻り管１１ｃにホルダ２０を固定することにより、ホルダ２０の重量によって曲管部１１ａが垂れ下がり易くなるなどの課題が発生するので、曲管部１１ａを磁気結合部１２の磁気吸引力により遠隔的に保持することが好適である。
このために、ホルダ２０には磁気作用体１２ａが配置され、磁気作用体１２ａに対向した前方の離隔位置に、合成樹脂製の磁性体保持部１２ｂが基板１６上に設けられている。磁性体保持部１２ｂには、ホルダ２０の磁気作用体１２ａと対向して、磁気結合部１２の一部として機能する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１２ａに向けた永久磁石１２ｃが配置されている。
磁気作用体１２ａ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、磁気結合部１２の磁性体保持部１２ｂの永久磁石１２ｃは、磁気作用体１２ａ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を磁気結合により離隔的に保持する役割を果している。或いは、磁性体保持部１２ｂに電磁コイルを配置し磁気作用体１２ａと電磁結合して磁気吸引力が発生するようにしてもよい。
このように、測定管１１の曲管部１１ａは、磁性体保持部１２ｂ側に強く引き寄せられている。従って、曲管部１１ａは磁性体保持部１２ｂにより所定位置に保持され、測定管１１内に測定流体を流入しても、曲管部１１ａがホルダ２０や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。
また基板１６上には、測定管１１にコリオリ力を発生させるための加振駆動部１３が設けられている。ホルダ２０の下面の加振体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と共働して測定管１１を加振する加振駆動部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する。これにより加振体１３ａ、ホルダ２０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。
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が磁気結合部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、又は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、つまりコリオリ力による歪量はホルダ２０を介して翼状片２４ａ、２４ｂに伝達される。この歪量の大きさを検出するために、ホルダ２０の翼状片２４ａ、２４ｂの下方の基板１６上には、変位検出部１４の送受光部１４ａ、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１４ａ、１４ｂからの光ビームを光反射部となる翼状片２４ａ、２４ｂに向けて送光し、その反射光を送受光部１４ａ、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１４ａ、１４ｂから翼状片２４ａ、２４ｂまでの距離、つまり送受光部１４ａ、１４ｂからの往き管１１ｂと戻り管１１ｃへの変位である距離の変化をそれぞれ測定する。
コリオリ力による歪は曲管部１１ａの先端を通り往き管１１ｂと戻り管１１ｃに平行な中心線に対称的に往き管１１ｂと戻り管１１ｃに発生し、歪量はホルダ２０を中心線と中心に往き管１１ｂと戻り管１１ｃを捩るように発生する。従って、この捩れ量を翼状片２４ａ、２４ｂを用いて、送受光部１４ａ、１４ｂにより梃子の原理で拡大して検出する。なお、これらの変位を基にした流量の算出のための演算方式等は公知なので、その説明は省略する。
このように歪量の検出は、梃子の原理を用いて拡大して検出しているので、翼状片２４ａ、２４ｂの長さが大きいほど効果的である。翼状片２４ａ、２４ｂを使用することにより、これらを用いずに測定管１１自体の変位をそのまま検出する場合と比較して、検出感度を大きく向上させることができる。
なお、この変位検出部１４は翼状片２４ａ、２４ｂを用いた位置ずれ検出方式により距離を測定しているが、翼状片２４ａ、２４ｂを用いて、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。或いは、光検出方式の代りに、例えば翼状片２４ａ、２４ｂを用いて、電磁式により離隔的に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可能となる。
測定管１１の下方の基板１６上には、測定管１１内の測定流体を離隔的に光電式検出手段で測温する温度測定部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わるので、これらを補正するために測定管１１内の流体を測温することが好ましい。なお、この測定流体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温していれば、この温度測定部１５を用いて測温をする必要はない。
図４は温度測定部１５として使用される例えば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は得られる赤外線により、透明又は半透明の合成樹脂製の測定管１１内の測定流体と温度検知素子１５ｂとを光学的に共役にする。温度検知素子１５ｂは図示しない波長選択性光学フィルタを介して測定管１１内の流体温度に依存する赤外線を検知して離隔的に非接触で測温する。
この実施例１においては、磁気結合部１２が永久磁石１２ｃによる磁気作用体１２ａに対する磁気吸引力により曲管部１１ａを弾性的に引き寄せて保持し、加振駆動部１３が加振体１３ａを介して測定管１１を加振する。そして、たとえ測定管１１が変形し易い材料であっても、曲管部１１ａは上部材２１ａ、下部材２１ｂにより保形されるので、測定管１１の形状が変形することなく、安定した流量測定が可能となる。
図５は実施例２のコリオリ式質量流量計の斜視図である。実施例１と同一の符号は同一の部材を示している。
往き管１１ｂ、戻り管１１ｃを保持するホルダ２５は、軽量化のために例えば１枚のアルミニウム板から成り、往き管１１ｂ、戻り管１１ｃの上側(又は下側)に接着されている。ホルダ２５の両側には外側に向けて翼状片２６ａ、２６ｂが張り出されており、ホルダ２５の下側には加振駆動部１３の加振体が取り付けられている。
この実施例２においても、コリオリ力の発生原理は実施例１と同様であり、変位検出部１４により、コリオリ力は翼状片２６ａ、２６ｂの変位として送受光部１４ａ、１４ｂで拡大して検出することができる。
なお、実施例１、２では翼状片はホルダを介して取り付けたが、例えば合成樹脂製の翼状片を往き管１１ｂ、戻り管１１ｃにそれぞれ直接取り付けることもできる。
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。
１１ 測定管
１１ａ 曲管部
１１ｂ 往き管
１１ｃ 戻り管
１２ 磁気結合部
１２ａ 磁気作用体
１２ｂ 磁性体保持部
１２ｃ 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、１４ｂ 送受光部
１５ 温度測定部
１６ 基板
１７ ハウジング
２０、２５ ホルダ
２４ａ、２４ｂ、２６ａ、２６ｂ 翼状片

Claims (7)

  1. 測定流体を一方向に流通する曲管部を有する測定管と、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によりコリオリ力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において、
    前記往き管と戻り管のそれぞれの外側に前記変位を拡大するための翼状片が張り出され、前記変位検出部は前記測定管中を前記測定流体が流れる際の前記２つの翼状片による拡大された変位を検出することを特徴とするコリオリ式質量流量計。
  2. 前記翼状片は前記往き管と戻り管に取り付けたホルダから外側に向けて板体状に張り出されてい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。
  3. 前記翼状片は前記往き管と戻り管にそれぞれ外側に向けて取り付けられてい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。
  4. 前記変位検出部は前記翼状片の変位を離隔的に検出する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。
  5. 前記変位検出部は光電式検出手段とされている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。
  6. 前記ホルダに前記加振駆動部の一部として機能する磁気作用体が取り付けられていることを特徴とする請求項２に記載のコリオリ式質量流量計。
  7. 前記ホルダの先端には磁気作用体が配置され、前記管部の前方に離隔的に配置された磁性体とによる磁気吸引力を作用させ、前記曲管部を離隔的に保持するようにしたことを特徴とする請求項２又は６に記載のコリオリ式質量流量計。
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