JPH02107925A

JPH02107925A - 流量計

Info

Publication number: JPH02107925A
Application number: JP1218457A
Authority: JP
Inventors: Andreas Back-Pedersen; アンドレアス　バック　ペーデルセン; Ole B Nielsen; オレ　ビューリス　ニールセン; Hans C Moller; ハンス　クリスチャン　メーレル
Original assignee: Danfoss AS
Current assignee: Danfoss AS
Priority date: 1988-08-26
Filing date: 1989-08-24
Publication date: 1990-04-19
Also published as: IT8967719A0; DK416989D0; SE8902496D0; SE8902496L; DE3829062A1; DK416989A; DE3829062C2; GB2222456A; GB8919407D0; ES2014875A6; FR2635866A1; IT1233178B; NL8902140A

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明はコリオリの原理に基づいて動作し、方の側にお
いて、上流側取付管及び下流側取付管に接続され、他方
の側において、オンレータによって反対方向に、振動の
ｎ次の固有形態に対応したｎ次の固有振動数で振動可能
であると共に、相対運動に応じた測定値を検出するセン
サを備えた２つの互いに隣接する測定管ループに接続さ
れた取付装置を備えた流量計に関するものである。

（従来の技術）ヨーロッパ特許出願公開第０２３９６７９号に開示され
るように、この種の公知の流量計においては、取付装置
は、両端に、それぞれ、３つの互いに対向した取付オリ
フィスを有する強固なブロックを備えている。そのうち
一対は、２つの直線状の取付管に接続され、他の二対の
各々に、測定管ループが接続される。そして、適当な接
続通路がブロックの内部に延びている。各測定管ループ
は、直線状管部と、これに相接した２つの１’８０°湾
曲部と、これらの湾曲部に接続された２つのかなり長い
端部とからなっている。測定管ループの長さ対高さの比
は、約２＝１とされている。

その他、例えば、円形やテニスのラケット形など、数多
くのループの形状が提案されている（西独特許出願公告
第２８２２０８７号）。

（発明が解決しようとする問題点）しかしながら、いずれの場合にも、測定感度あるいは流
量計の特性が制限されているといし問題があった。

（発明の目的）本発明は、大幅に高い測定感度を有する前記のごとき流
量計を提供することを目的とするものである。

（発明の構成および作用）本発明のかかる目的は、（ｎ＋１）次の固有振動形態に
対応した（ｎ＋１）次の固有振動数ｆ　ｎ＋１が０．７
ｆｎ、から１．５ｆ、の領域内であるが、固有振動数ｆ
。による共振が生じる領域を越えて存在するように測定
管ループを構成することによって達成される。

動作時、測定管ループは、オシレータにより、その固有
振動数の一つ、一般に、−次の固有振動数で励振される
。このため、測定管ループは、対応した固有振動形態で
、相互に接近及び離反するように運動する。コリオリの
力のため、この運動には、（ｎ＋１）次の固有振動で励
振したときの運動の形態、すなわち振動の（ｎ＋１＞次
の固有形態に、広い範囲で、対応した運動が重ね合わさ
れる。本発明によれば、（ｎ＋１）次の固有振動数が、
ｎ次の固有振動数と比較的接近して存在するように構造
が決定される。この特性により、コリオリの力に依存し
た著しい振れが生し、それに応じて、流量計の感度が高
くなる。（ｎ＋１）次の固有振動数は、励振に用いるｎ
次の固有振動数にできるだけ接近させることができる。

この際、その励振が、（ｎ＋１）次の固有振動数の共振
を引き起こさないこと、また、バンド幅曲線が、互いに
交差しないようにするか、あるいは、せいぜい強い減衰
（例えば８０ｄＢ）の領域で交差するようにして、位相
変位の影響が、センサ領域で生じないないように留意さ
えすればよい。

ｆｎ＋ｌがｆｎより大きい場合、コリオリの力によって
生じる振れは、その大部分が、振動系の質量ではなく、
振動系のスティフネスにより決定される。従って、測定
すべき流体の密度変化は、コリオリの力に依存した振れ
に、比較的わずかな影響を及ぼすだけであり、これによ
っても、同様に測定感度が向上する。

したがって、ｎが１に等しく、すなわち、励振が、−次
の固有振動で行われ、コリオリの力による測定管ループ
の変形が、振動の二次の固有形態に対応するのが特に有
利である。

ｆ２は１．２ｆ１から１．３ｆ＋　の範囲、好ましくは
、０．７５ｆ、から０．８５ｆ、の範囲内にあることが
、特に望ましい。

また、測定管ループからなる振動系のＱ値が、ｎ次及び
（ｎ＋１）次の固有振動数（ｆ、、、ｆ−＋）において
、少なくとも、３０００、好ましくは、４０００より大
きいことが望ましい。これは非常に狭いバンド幅に対応
するので、両方の固有振動数を相互に一層近づけること
ができ、それに応じて、コリオリの力に基づくより大き
い振れがもたらされる。

測定管ループが、各々、直線状管部と、該直線状管部に
相接した２つの１８０°湾曲部と、ブロックの両端から
延びて該湾曲部に接続された２つのかなり長い端部とを
備えた流量計において、測定管ループの長さを、その高
さの少なくとも６倍に設定することが望ましい。特に、
測定管ループの長さが、その高さの８〜１２倍、好まし
くは、約１０倍に等しく設定されることが有利である。

振動時において、測定管ループの容管は、曲げとねじれ
両方の応力を受けるが、長さが長いため、小さいねじれ
応力でも大きい振れが生ずる。従って、二次の固有振動
数が比較的低くなるだけでなく、管は比較的小さい機械
的応力を受けるだけであり、したがって、寿命を長くす
ることが可能になる。さらに、流量計全体を、直線状管
部を横切る方向に沿って比較的小さい寸法に構成するこ
とができ、したがって、流量計を保護管内に容易に収容
することが可能になり、安全上望ましいという利点があ
る。

ブロックの長さは、測定管ループの長さの１５％以下で
、好ましくは５％より小さくすることが望ましい。こう
することにより、一方において、ねじれ応力のための比
較的長い管端部が得られ、他方において、温度などの外
的影響によるブロックの変形が、最終結果にわずかな影
響しか及ぼさないように、管端部を測定管ループのほぼ
中央部に固定することができる。

さらには、測定管ループを支持するブロックを、少なく
とも一対の弾性接続管を介して、２つの取付管が導かれ
る他のブロックに接続されるようにしてもよい。弾性接
続管は、外部の影響、特に振動によって、測定管ループ
及びそれを支持するブロックが影響を受けないようにす
ることを保証する。すなわち、こうすることによって、
外部からの（ｎ＋１）次の固有振動数における励振も避
けることができる。

また、少なくとも測定管ループと該ループに相接する管
部を、数回折り曲げられた１本の管から形成し、ループ
と管端部との間の管部を、３つの相互に結合された管ホ
ルダーに固定することが望ましい。こうすることにより
、測定管ループの全長と管ボルダ−に固定された管部に
わたって、はんだ付けされた箇所を不要とすることが保
証される。このため、大量生産の場合でも、固有振動数
の状態を、きわめて正確に固定することが可能となる。

−様でないはんだ付けされた箇所のため、異なる固有振
動数が生じる危険がない。さらに、はんだ付けされた箇
所が存在しないため、強度をより高めることができる。

また、測定すべき媒体が、はんだ部分と接触することに
より、望ましくない反応が生ずる危険も存在しない。

前記３つの管ボルダ−は、一平面内で相互に平行に並置
されるのが望ましい。このように配置することにより、
製造と組立を簡単化することができる。１本の貫通管は
らせん状に変形されるが、測定管ループの協働する部分
は平行に並置されたままなので、これは測定に有為な影
響を及ぼすことはない。

上述の第１の解決手段に関連して適用可能な前記問題点
の別の解決手段は、測定管ループが、ｎ次の固有振動と
（ｎ−１−１＞次の固有振動の波腹に、測定管ループに
取り付けられるオシレータとセンサの各部分を含む質量
エレメントを備え、コリオリの力によって生じる振れが
、測定すべき流体の密度と独立となるように、前記質量
エレメントの質量が互いに調整することである。

測定管ループが、それらに取り付けられるオシレータと
センサの各部分を有することは不可避であり、このこと
は、測定すべき流体の密度、すなわち、比重に応じたコ
リオリの力によって生じる振れが変化するのため、振動
の挙動に影響を及ぼす。しかしながら、前記振動の波腹
に質量エレメントが設けられているので、これらの質量
を相互に調整することにより、振れに対する流体密度の
影響を取り除くことが可能となる。必要な質量の大きさ
は、実験または計算によって容易に求めることができる
。

最も簡単な場合には、測定管ループが、−次の固有振動
数ｆ１　で励振される場合、上述のような質量の調整を
おこなわないときは、オシレータとセンサについてすで
に知られているように、質量エレメントを、ループのほ
ぼ中央に、および、半ループのほぼ中央に、それぞれ配
置される。

（実施例）以下、添付図面に基づいて、本発明の実施例につき、詳
細に説明を加える。

第１図は、本発明の実施例にかかる流量計の略斜視図で
ある。

第１図において、流量計１は保護管２内に設けられてい
る。２本の取付管３．４は、各々フランジ５．６を備え
、外側取付位置からブロック７の両端へと延びている。

取付管３．４は、第２のブロック１０に延びる２本の弾
性接続管８と９により、第２ブロツク１０に結合されて
いる。第２ブロツクＩＯは、互いに、かつ、接続管とそ
れぞれ直列な２つの測定管ループ１１と１２を支持して
いる。両測定管ループは、ループ高さＨの倍数、この場
合１０倍の長さしを存している。ブロック１０は非常に
短い長さ１で、ループ長さしの５％以下である。

両測定管ループの中央部に、オシレータ１３が設けられ
、これによって２つのループは振動の第１の固有形態に
対応した第１の固有振動数ｆ１で相互に接近及び離反す
る方向に相対運動される。

また各半ループの中央近くに、測定管ループ１１．１２
の相対運動に応じた測定信号を生成するセンサ１４．１
５が設けられている。流量は、２つ測定値から公知の方
法によって計算することができる。オシレータ１３は、
２つのエレメント１３ａ１１３ｂを有し、これらは、各
々一方のループに結合されている。同様に、センサ１４
．１５も、各々、２つの要素エレメント１４ａ、１４ｂ
および１５ａ、１５ｂを有し、これらは、それぞれ、方
の測定管ループに結合されている。

第２図は、本発明の別の実施例にかかる流量計の略斜視
図である。

第２図において、第１図の実施例に対応した部分には、
１００づつ増やした参照番号が与えられている。ただし
、説明の便宜上、オシレータとセンサは図示してはいな
い。第１図の実施例との主な違いは、取付管１０３と１
（１４の接続部が、測定管ループ１１１と１１２によっ
て取り囲まれたスペース内に完全に配設されている点で
ある。

このため、半径方向の広がりが一層小さくなる。

従って、より小さい径の保護管２が使用することができ
る。

測定管ループ１１１は、直線状の端部１１６．１８０°
の湾曲部１１７、直線状の管部１１８．１８０°の湾曲
部１１９、およびさらに直線状の管部１２０により構成
されている。第２の測定管ループ１１２、は直線状の管
部１２１．１８０゜の湾曲部１２２、より長い直線状の
管部１２３．１８０°の湾曲部１２４、およびさらに直
線状の端部１２５により構成されている。管全体は、１
本の管Ｒを曲げることにより形成される。多くの直線状
管部が存在するため、６つの湾曲部を設けるだけでよい
。

ブロック１０７は、上部１２６と下部１２７を備え、こ
れら間には、それぞれ、取付管１０５または１０６と、
これらに対応した接続管の間に延びる管部を受けいれる
２つの管ホルダー１２８と１２９とが形成されている。

またブロック１１０は、上部１３０と下部１３１を備え
、これらの間には、３つの管ホルダーが形成されている
が、そのうち、管ホルダー１３２と１３３のみが図示さ
れている。管ホルダー１３２は、２つの測定管部１２０
と１２１の間の管部を受は入れるものである。他の２つ
の管ホルダーは、それぞれ、測定管端部１１６と１２５
及び隣接する接続管との間の管部を受は入れる。湾曲管
は、ブロック１０７．１１０の下部内の適当な位置に挿
入される。次いで、両ブロックは、それぞれ、上部を載
せ、上部ふよび下部を結合することによって固定される
。

この結合は、素材に応じ、はんだ付け、溶接、接着、ネ
ジ止め、あるいは、摩擦結合によっても行なうことがで
きる。

第３図は、周波数ｆに対する振動系の励振状態を示すグ
ラフである。この励振状態は、一方において、単位力Ｆ
当りの振れＵとして、また他方において、ｄＢ単位の減
衰りとして、表わされている。第２図において、２つの
共振位置が、第１の固有振動数ｆ、と第２の固有振動数
ｆ２について示されている。両方の共振点において、振
動系は４、０００以上の高いＱ値を有し、非常に狭いバ
ンド幅が得られる。Ｑ値は、通常、次式で定義される。

但しＵは振幅、Ｔは周期である。この式は、振動毎の振
幅と振幅の減少の比に対応する。

−次の固有振動数は、ループが固定端管でノード（波節
）を形成しない振動の一次の固有形態をもたらす。二次
の固有振動数での励振は、ループの中央部にノードが生
じる振動の二次の固有形態をもたらし、ループの第１の
半分部分が第２の半分部分に対し、反対の方向に振動す
る。この種の振動態様が、コリオリの力によって生じさ
せられる測定管ループの変形に対応する。

２つの固有振動数が接近して並んでいるので、比較的大
きい振れｕｃがコリオリの力Ｆｃにより生じる。これら
は、次式にしたがって、相互に比例している：ｆ、とｆ２の小さい間隔は、測定管ループの高さＨに対
して長い長さしによって得られる。測定管ループが振れ
る時、直線状の管部１１６．１２０．１２１及び１２５
はねじれだけでなく、曲げによっても変形する。このた
め、ねじれと曲げの組合を選択することにより、所望の
変形を得ることができる。長い端部にわたるねじれ変形
は、発生する応力が小さく、そのため寿命が長くなると
いう利点をさらに有している。

第４図は、コリオリの力Ｆｃとコリオリの振れＵｅに依
存した位相変位π（ＦｃＳＵｃ）を、励振周波数ｆに対
して示したグラフである。位相変位、したがって、測定
結果に対する励振周波数の影響は、リミット値Ｚ１と２
２　との間でのみ生ずるおそれがある。これらリミット
値を越えると、状態はほぼ一定となる。しかし、−次の
固有振動数ｆ１　で励振する場合、ｚｌより低い領域で
は、コリオリの力の結果として生じる振れが、振動系の
スティフネスに依存するが、ｚ２より高い領域では、振
動系の質量に依存するので、二次の固有振動数ｆ２より
低い値が与えられる。従って、測定すべき流体の密度に
応じて異なる振れが得られる。そのため、測定管ループ
自体だけを問題とするのであれば、振れを、流体の密度
と実質上独立に保つことができる。

しかし、測定管ループは、要素１３ａ％１４ａ及び１５
ａなどの質量要素を備えている。そして、これらの要素
が、流体密度に依存した振れをもたらす。この点を、第
５図を参照して説明する。振動の一次の固有形態につい
て考える。ループは、細長くした形状で示されている。

第５図ａ）は、各ループの半分部分のほぼ中央領域に、
質量ｍ１とｍ２を加えると、振動の形態は低い流体密度
における実線で示したものから、高い流体密度における
破線で示したものへと変化する。第５図ｂ）には、ルー
プの中央に質量ｍ３が示しである。この場合には、振動
の一次の固有形態が、低い流体密度における実線で示し
たものから、高い流体密度における破線で示したものへ
と変化する。各々の変化は、個々の質量の大きさに依存
する。質量ｍ、　Ｓｍ２及びｍ３を相互に調整すること
によって、破線で示したずれが相殺可能である。このた
め、測定感度は、流体密度に対して実質上独立であり、
このため、測定精度を向上させることができる。

前述した例では、第１の固有振動数で励振しており、そ
のため、コリオリの力に基づく振れは、振動の第２の固
有形態に対応するものとなっている。第６図ｄ）は、励
振が二次の固有振動数で発生される場合を示しており、
ループは振動の二次の固有形態で振動する細長くした形
状で示されている。この結果、第６図ｅ）に示したよう
なコリオリの力が得られ、これが振動の三次の固有形態
に基づく振れをもたらす。これは、より高次の固有振動
数での励振にも当てはまる。

一実施例において、第２図の流量計は以下のデータを有
していた。

長さＬ−３５〜４５ｃ＋ｎ高さＨ＝４〜５ｃｍ管の外径＝８〜１０ｍｍ管の厚み＝　１　■ 管の素材＝ステンレス鋼Ｑ値＞４．０００一次固有振動数＝１３５Ｈｚ二次固有振動数＝１７５Ｈ２ｆ、は１００と１５０）１ｚの間に位置するのが望まし
い。この範囲は、振動に適した一次の固有振動数の上限
に相当するので、構造面で適当な措置をすることにより
、その近傍に、二次の固有振動数を与えることが容易と
なる。

発明の基本概念から逸脱することなく、図示された実施
例の構造に種々の変更を施すことができる。つまり、測
定管ループは、並置する代わりに重ね合わせてもよい。

ブロック７と１０は、異なる形状をなし、また異なる構
成を有していてもよい。

さらに詳細については、本出願人により本件出願と同日
付で出願された特許願（１）および特許願（２）の願書
に添付された明細書および図面を参照されたい。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施例にかかる流量計の略斜視図、
第２図は、本発明の他の実施例にかかる流量計の略斜視
図である。第３図は、励振力Ｆ対振れＵ及び対応した減
衰りと周波数ｆとの関係を示すグラフであり、第４図は
、センサにおける位相変化を周波数に対して示すグラフ
である。第５図は、質量要素が加えられた場合の振動挙
動を示すグラフであり、第６図は、振動の二次の固有形
態と対応したコリオリの力を示すグラフである。１・・・流量計、５．６；１０５，１０６・・・取付管、７．１０７，１
０，１１０・・・ブロック、８．９；１０８・・・接続
管、１１．１２；　　１１１，１１２・・・測定管ループ、
１３・・・オシレータ、１４．１５・・・センサ、１３２．１３３・・・管ホルダー

Claims

【特許請求の範囲】

（１）コリオリの原理に基づいて動作し、一方の側にお
いて、上流側取付管及び下流側取付管に接続され、他方
の側において、オシレータによって反対方向に、振動の
ｎ次の固有形態に対応したｎ次の固有振動数で振動可能
であると共に、相対運動に応じた測定値を検出するセン
サを備えた２つの隣接する測定管ループに接続された取
付装置を備えた流量計において、振動の（ｎ＋１）次の
固有形態に対応した（ｎ＋１）次の固有振動数ｆ＿ｎ＿
＋＿１が０．７ｆ＿ｎから１．５ｆ＿ｎの領域内である
が、ｆ＿ｎによる共振が生じる領域を越えて存在するよ
うに、測定管ループ（１１、１２；１１１、１１２）を
構成したことを特徴とする流量計。
（２）ｆ＿ｎ＿＋＿１がｆ＿ｎより大きいことを特徴と
する請求項（１）に記載の流量計。
（３）ｎが１に等しいことを特徴とする請求項（１）ま
たは（２）に記載の流量計。
（４）ｆ＿２が１．２ｆ＿１から１．３ｆ＿１の領域内
に存在することを特徴とする請求項（２）に記載の流量
計。
（５）ｆ＿２が０．７５ｆ＿１から０．８５ｆ＿１の領
域内に存在することを特徴とする請求項（２）に記載の
流量計。
（６）測定管ループからなる振動系のＱ値が、ｎ次及び
（ｎ＋１）次の固有振動数（ｆ＿ｎ、ｆ＿ｎ＿＋＿１）
において、少なくとも３，０００に等しいことを特徴と
する請求項（１）から（５）のいずれか一項に記載の流
量計。
（７）前記Ｑ値が４，０００より大きいことを特徴とす
る請求項（６）に記載の流量計。
（８）測定管ループが、各々、直線状管部と、該直線状
管部に相接した２つの１８０゜湾曲部と、ブロックの両
端から延びて該湾曲部に接続された２つのかなり長い端
部とを備え、前記測定管ループ（１１、１２；１１１、
１１２）の長さ（Ｌ）が高さ（Ｈ）の少なくとも６倍で
あることを特徴とする請求項（１）から（７）のいずれ
か一項に記載の流量計。
（９）前記測定管ループ（１１、１２；１１１、１１２
）の長さ（Ｌ）が高さ（Ｈ）の８ないし１２倍、好まし
くはほぼ１０倍であることを特徴とする請求項（８）に
記載の流量計。
（１０）ブロック（１０；１１０）の長さが、測定管ル
ープ（１１、１２；１１１：１１２）の長さ（Ｌ）の１
５％以下で、好ましくは５％より小さいことを特徴とす
る請求項（８）または（９）に記載の流量計。
（１１）測定管ループ（１１、１２；１１１、１１２）
を支持するブロック（１０；１１０）が、少なくとも一
対の弾性接続管（８、９；１０８）を介して、２つの取
付管（５、６；１０５、１０６）が導かれる他のブロッ
ク（７；１０７）に接続されていることを特徴とする請
求項（８）から（１０）のいずれか一項に記載の流量計
。
（１２）少なくとも、測定管ループ（１１１、１１２）
と該ルーブに相接する管部が、数回折り曲げられた１本
の管（Ｒ）から形成され、前記ループと管端部の間の管
部が、３つの相互に結合された管ホルダー（１３２、１
３３）に固定されていることを特徴とする請求項（１）
から（１１）のいずれか一項に記載の流量計。
（１３）前記３つの管ホルダー（１３２、１３３）が、
一平面内で相互に平行に配設されていることを特徴とす
る請求項（１）から（１２）のいずれか一項に記載の流
量計。
（１４）コリオリの原理に基づいて動作し、一方の側に
おいて、上流側取付管及び下流側取付管に接続され、他
方の側において、オシレータによって反対方向に、振動
のｎ次の固有形態に対応したｎ次の固有振動数で振動可
能であると共に、相対運動に応じた測定値を検出するセ
ンサを備えた２つの互いに隣接する測定管ループに接続
された取付装置を備えた流量計において、測定管ループ
（１１、１２；１１１、１１２）がｎ次の固有振動と（
ｎ＋１）次の固有振動の波腹に、オシレータ（１３）と
センサ（１４、１５）の各部分（１３ａ、１４ａ、１５
ａ；１３ｂ、１４ｂ、１５ｂ）を含む質量エレメントを
備え、コリオリの力によって生じる振れが測定すべき流
体の密度と独立となるように前記質量エレメントの質量
（ｍ＿１、ｍ＿２、ｍ＿３）が調整されていることを特
徴とする請求項（１）ないし（１３）に記載の流量計。
（１５）一次の固有振動数ｆ＿１で励振される各測定管
ループ（１１、１２）において、質量エレメント（１３
ａ、１４ａ、１５ａ；１３ｂ、１４ｂ、１５ｂ）が、ル
ープのほぼ中央および各半ループのほぼ中央に、それぞ
れ配置されていることを特徴とする請求項（１４）記載
の流量計。