JPH02231529A - 質量流量計 - Google Patents

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 本発明は質量流吊計に係り、特にコリオリの力を利用し
て流体の質吊流吊を測定する質量流量計に関する。

従来の技術 従来より、特開昭５４−５２５７０号に記載の如く、振
動するＵ字状のセンサチューブ内に流体を流し、流体に
働くコリオリの力によって発生するセンサチｌ−ブの捩
れを検出し、流体の質量流量を計測する質量流量計があ
る。

上記の質量流量計においては、一対のセンサチューブに
流体を流し、励振コイルの駆動力により一対のセンサチ
ュープを互いに近接，離間する方向に振動させる。コリ
オリの力はセンサチューブの振動方向に働き、かつ入口
側と出口側とで逆向きであるのでセンサチューブに捩れ
が生じ、この捩れ角は質量流量に比例する。従って、一
対のセンサチューブの入口側及び出口側夫々の捩れる位
置に振動を検出する振動センサを設け、両センサの出力
検出信号の時間差を計測して上記センサチューブの捩れ
、つまり質醋流量を測定している。

従って、この種の質」流ｌｉｔでは、上記励撮コイル，
振動センサ，振動センサからの検出信号に基づきセンサ
チューブの振幅を所定振幅となるように駆動電流を励振
コイルに供給する振幅制御回路よりなる閉ルーブのフィ
ードバック制御系を有しており、センサチューブが所定
の振幅で振動するように制御している。この場合、振幅
制御回路では、減算器において娠動センサからの検出信
号に基づく振幅値を目標振幅設定回路により設定された
設定値より減算し、この減算された出力信号がローパス
フィルタ回路（以下Ｌ　Ｐ　Ｆ回路という）で平均化さ
れ、可変利得アンプに制御信号をとして供給される。こ
れにより、可変利得アンプではゲイン（利得）が可変さ
れ、センサチューブの速度信号を乗算して励振コイルへ
駆動信号を供給していた。

発明が解決しようとする課題 上記従来の質但流量計の振幅制御回路では、可変利得ア
ンプのゲインは、センサチューブの賑幅値と目標振幅設
定回路の設定値との減算結果の出力信号に対応して制限
なく変化するので、計測開始時のようにセンサチュープ
が振動し始めるときには、振幅値と目ａｒｍとに大きな
差が生じ、これに応じて可変利得アンプは大きなゲイン
を得て、励振コイルの駆動力も非常に大きなものとなる
。

ところで、上記振幅制御回路中には平均化のためＬＰＦ
回路が介在しているので、可変利得アンプのゲインを決
める制御信号をＬＰＦ回路が生成する間にＬＰＦ回路の
時定数だけ時間遅れが生じ、センサチューブの振幅に対
して励撮コイルの駆動力が遅れて作用することになる。

このため、センサチューブの振幅が目標振幅に達したと
しても、ＬＰＦ回路からの制御信号は未だ娠幅値が目標
値に達していない状態に対応した大きなゲインを与える
信号を出力するため、可変利得アンプのゲインは大きく
センサチューブの振幅は目標振幅を越えて過剰に振幅し
てしまう。

このように、センサチューブが過剰な振幅をするとセン
サチュープに無理な力が加わり疲労が蓄積されて耐久性
を損ねることになる。

また、振幅が目標振幅を大幅に越え、振幅値が設定値と
ほぼ等しくなると、ＬＰＦ回路の制御信号は零に等しく
なる。このため、可変利得アンプのゲインは極端に小さ
くなり、、助振コイルの駆動力も小さくなって、センサ
チューブの蛋動は急速に減衰する。このため、センサチ
ューブの振幅が目標蛋幅に対して過小振幅となり、上記
過剰振幅，過小振幅が交互に繰り返され、センサチュー
ブの躯幅が目標振幅に対して中々近づかず、いわゆるハ
ンチング現象が生じる。

即ち、第７図に示す如く、例えば計測開始時のようにセ
ンリ゜チューブが停止している状態から駆動する場合、
ゲインを非常に大きくして励振コイルの駆動力を大にす
るため、センサヂューブの速度は速度線図工のように急
速に上昇する。しかし、ＬＰＦ回路による動作遅れがあ
るので振幅が目標振幅以上となってからゲインが小さく
なるため、センサチューブの振幅が安定するのにかなり
の時間を要する。

第７図に示す速度線図工のエンベロープ（破線で示す）
を取り出すと、第８図の線図■のようになる。従って、
従来の質Ｉ１流量計においては、上記ＬＰＦ回路の動作
遅れがあるので、センサチュ一プの駆動開始時には目標
振幅を越えるオーバシュートが発生しやすく、その後も
ハンチングが起きてしばらく不安定状態が続いてしまう
といった課題があった。また、上記オーバシュート及び
ハンチングを防止すべくゲインを一定に抑えてしまうと
第８図中線図■で示すようにセンサチューブの振幅が目
標振幅に達するのにかなりの時間を要し、２ＲＩ計測開
始が遅れてしまう。

そこで、本発明は上記課題を解決した質量流量計を提供
することを目的とする。

ＫＭを解決するための手段 本発明は上記質Ｉ流量計において、フィードバック制御
系のゲインに上限値を設定するリミツタ回路を振ＩＩＡ
制御回路に設けてなる。

作用 フィードバック制御系のゲインをリミッタ回路により設
定された上限値により制限して、センサチューブが目標
振幅を行過ぎないように振動させるとともにより短い時
間で目標振幅に達し安定状態を保持する。

実施例 第１図乃至第３図は本発明の質量流量計の一実施例を示
す。

各図中、質聞流量針の本体１は両端部に７ランジ部１ａ
，１ｂを有し、フランジ部１ａは上流側配管（図示せず
）に接続され、７ランジ部１ｂは下流側配管（図示せず
）に接続される。

本体１には流体が流入する流入口（第１図では隠れて見
えない）と、流体が流出する流出口２とが穿設されてお
り、本体１内は仕切板ＩＣ，ｌｄにより仕切られている
。Ｕ字状のセンサヂュープ（管路）３．４は夫々の一端
が流入口に接続され、他端が流出口２に接続されている
。センサチューブ３．４間のＵ字状湾曲部の中央位置に
は、センサチューブ３．４を矢印Ｘ方向に加振するため
のマグネット５及び励振コイル６が取付けられている。

またセンザチューブ３，４ｆｍのＵ字状湾曲部の両端位
置には振動センサ７．８が夫々設けられている。

娠動センサ７は、第２図に示す如く、センサチューブ３
に固定された保持部材９で保持されたコイル７ａと、セ
ンザチューブ４に固定された保持部材１０で保持された
マグネット７ｂ，７ｃとより構成された速度センサで、
コイル７ａはマグネット７ｂ，７ｃ間の磁界内に配置さ
れている。ここで、センサチューブ３．４が加振されて
矢印Ｘ方向に相対変位するとコイル７ａに上記相対速度
に応じた起電力が発生し、この起電力が検出信号として
取り出される。振動センサ８もまったく同一の構造であ
る。

ここで励振コイル６に流す電流をセンサチューブ３．４
夫々の固有振動数で変化させると、励振コイル６及びマ
グネット５の吸引・反発によってセンサチューブ３，４
は互いに矢印Ｘ方向に近接・離間して振動する。

振動するセンサチューブ３，４内を流体が流れると、コ
リオリの力が発生する。コリオリの力の方向は流体の運
動方向をセンサチューブ３．４の振動方向（角速度》の
ベクトル積の方向であり、コリオリの力の大きさは、流
体の質量及び速度に比例する。

センサチューブ３．４はＵ字状湾曲部の中央位茸にいく
ほど振幅が大であるので、流入側のセンサ７の位置では
流体に正の加速度が与えられ、流出側のセンサ８の位置
では流体に負の加速度が与えられる。従って、流入側で
は振動を減衰する向きにコリオリの力が働き、流出側で
は振動を増大する向きにコリオリの力が働き、センサチ
ューブ３，４夫々に捩れが生じる。この捩れ変形は流体
の質邑流量に比例するから、振動センサ７．８夫々の検
出信号の捩れ変形により生じる時間差τは流体の質量流
量に比例する。

第１図中、励振コイル６及び振動センサ７．８は夫々流
量計測制御装ａｌｆ１１に接続されており、流量計測制
御装Ｗ１１１には第３図に示す振幅制御回路１２が設け
られている。

第３図に示す振幅制御回路１２において、速度検出回路
１３と振幅検出回路１４に振動センサ７，８から出力さ
れた検出信号ｅ．が入力され、この検出信号ｅ１は速度
検出回路１３で速度信号ｅ２として出力される。さらに
、速度信号ｅ２は可変利得アンプ１５でゲインＧにより
乗算されて電流増幅回路１６に入力される。そして、Ｍ
流増幅回路１６は可変利得アンブ１５からの乗算信号ｅ
３を増幅し励振コイル６へ駆勤Ｎ　’Ｉｉ　ｅ　４を出
力する。

このように、上記振動センサ７，８，振幅制御回路１２
，励振コイル６は閉ルーブのフィードバック嗣御系を形
成している。このフィードバック制御系においては、励
振コイル６に入力される駆動電流値と励振コイル６より
発生する駆動力とは比例し、この励振コイル６の駆動力
とセンサチュープ３．４の変位速度とが比例するように
駆動力を制御することにより共振状態を維持する。

さらに、振幅検出回路１４では、振動センサ７，８によ
り検出された検出信号ｅ１を１回積分した後、その絶対
値をとることにより振幅を求める。

そして、振幅検出回路１４はセンサチューブ３．４の振
幅値を減算器１７（例えば差動増幅器）に出力する。尚
、減算器１７には目標振幅設定回路１８により設定され
た設定値が入力されている。

従って、減算器１７ではこの設定値よりセンサチューブ
３．４の振幅値を減算し、その減算値をＬＰＦ回路１９
に出力する。

なお、上記設定値は、センサチューブ３，４が目標振幅
で振動するために励撮コイル６に必要とされる駆動力を
与えるべく、目標振幅で振動しているセンザブユーブ３
．４の振幅値よりも高い値に設定される。

ＬＰＦ回路１９は振幅の減算値を積分し平均化して制御
信号ｅ５を生成する。

２０は本発明の要部であるリミッタ回路で、可変利得ア
ンブ１５のゲインＧが所定の範囲、例えば目標振幅で共
振している定常時のゲインのｋ〜２倍の範囲となるよう
制御信号ｅ５の上限値，下限値が設定されている。従っ
て、速度検出回路１３からの制御信号ｅｓはリミッタ回
路２０により上限値と下限値との範囲に入る電圧値に限
定された制御信号ｅ６となる。ゆえに、速度検出回路１
３からの速度信号ｅ２を乗算する可変利得アンプ１５の
ゲインＧは、リミッタ回路２０により設定された上限と
下限の範囲内となるよう制御信号ｅ６により可変される
。

即ち、例えば流量計測開始時においては、静止状態のセ
ンサチューブ３，４を加振して振幅が目標振幅に到達す
るようにするため、当初振幅検出回路１４の出力はかな
り低い。このように、振幅検出回路１４の出力が設定値
よりかなり低いときは、減算器１７の出力は大きな電圧
値となる。しかし、リミツタ回路２０では上限値が設定
されているので、制御信号ｅ６はＬＰＦ回路１９の制御
信号ｅ５より低い電圧値に制限される。そのため、可変
利得アンプ１５のゲインＧは急激に増大せず、駆ｌ７ｌ
電流ｅ４も抑制される。

その結果、センサチューブ３．４の振動の速度は急激に
上昇せず、第４図に示す如く、センザチューブ３．４の
振幅はオーバーシュートを起こさない速度で目標振幅に
達する。よって、流猷計測開始時において、従来の如く
オーバーシュート及びハンチングの発生が防止され、よ
り短時間で目標振幅値で安定する。

また、電源投入時には、振幅検出回路１４及びＬＰＦ回
路１９の出力は零から動作する。そのためリミッタ回路
２０で下限値を設定していない場合、可変利得アンブ１
５のゲインＧは電源投入時には零である。その後、減算
器１７の出力がゲインを増大させる方向に動作するが、
ＬＰＦ回路１９の出力は、時定数τがあるので徐々に増
大し、センサチューブ３，４の振動は時定数τの無駄時
間があった後増加してゆく。

ここで、下限値を設定しておくと、電源投入時から、可
変利得アンブ１５のゲインＧは零ではなくなるのでセン
ザチューブ３，４の振動は時間遅れなく立ちあがる。

この下限値が低い場合、第４図の８のような振幅値で立
ちあがり、下限値を目標振幅を維持できるゲインに近づ
ければ第４図のＡのような振幅値で所定娠幅まで早く立
ちあがるようになる。

このように、上記振動センザ７，速度検出回路１３，可
変利得アンブ１５，電流増幅回路１６．励振コイル６よ
りなる閉ループのフィードバック制御系では、一巡伝達
関数のゲインＧがリミツタ回路２０の上限値．下限値に
より一定の範囲内になるよう制御されているため、振幅
検出回路１４，ＬＰＦ回路１９，リミッタ回路２０から
の制御信号が遅れてもゲインＧが極端に大きく、又は零
に近くなることはないので、起動時の立ち上がりを素早
《でき、しかもオーバーシュートやハンチングの発生が
防止される。

尚、振動センザ７，８としては、上記速度センサに限ら
ず位置センサあるいは加速度センサを用いても良い。但
し、位置センサの場合、速度検出回路１３は検出信号ｅ
．を一回微分により速度信号ｅ２に変換する。又、加速
度センサの場合、速度検出回路１３は検出信号ｅ１を１
回積分により速度信号ｅ２に変換するとともに、振幅検
出器１４では２回積分と絶対値をとることにより振幅値
を求める。

第５図に本発明の変形例を示す。第５図において、２１
は例えば測温抵抗体等よりなる温度センサで、センサチ
ューブ３．４の温度を検出する。

上限下限演算回路２２では温度センサ２１からの温度信
号ｔが入力されると、その温度信号ｔに基づいてリミッ
タ回路２０で設定される上限値，下限値を算出し、その
指令信号Ｓをリミツタ回路２０に出力する。

ここで、センサチューブ３．４の温度が上押した場合を
考えると、センサチューブ３，４のヤング率（弾性係数
》が減少し、これに伴ないバネ定数が減少するので、少
ない力が動かすことができるようになる反面、ヤング率
の減少でセンサチューブの振動のＱ（ダンピングファク
タの逆数）も減少し、その分振動エネルギの損失は増加
する。

また、励振コイル６と具に使われるマグネット５は温度
上昇により磁力減少が起こるため、同じ力を発生させる
ためには電流を余分に加える必要がある。これらを総合
すれば、温度上昇によりセンザヂューブ３．４が同じ振
幅を維持するためには、エネルギを余分に必要とする場
合が多いと考えられる。そこで本変形例では、上記エネ
ルギ損失に見合う分上記可変利得アンブ１５のゲインＧ
を増大して目標振幅を維持する場合につき説明する。

又、温度が低いときは、センサブユーブ３．４のバネ定
数及びＱが高く、マグネット５の磁力が強い状態である
。この場合、励娠コイル６からの駆動力がセンサチュー
ブ３．４の弾性とマグネット５の磁力により増幅されて
いるので、可変利得アンプ１５のゲインＧを低下させる
。このヤング率はセンサチューブ３．４の温度と直線関
係にあり、温度が低くなるにつれてヤング率は大きくな
る。

従って、第６図に示す如く、通常、基準温度におけるゲ
インと振幅とその関係は線図Ａ（実線で示す）の如くで
ある。しかし、センサチューブ３，４の温度が基準温度
より所定温度高いときは、上限下限演算回路２２の出力
が増大しゲインと振幅との特性は線図Ｂにシフトされる
。そのため、可変利得アンブ１５の適正ゲインはＧ１に
なり、通常より上限値下限値も高くなる。

また、上記とは逆にセンサチューブ３．４の温度が基準
温度より所定温度低いときは、上限下限演算回路２２の
出力が減少しゲインと振幅との特性は線図Ｃにシフトさ
れる。よって、可変利得アンブ１５の適正ゲインはＧ２
となり、通常より上限下限値も低くなる。

このように、温度センサ２１からの温度信号ｔによりリ
ミッタ回路２０の上限値と下限値とを変更することによ
り、センサヂュープ３，４の振幅が目標振幅となるよう
に可変利得アンプ１５のゲインをセットできるので、潟
度変化（換言すればヤング率の変化や磁力の強さ）があ
ってもセンサチューブ３，４の振動の安全性を保つこと
ができる。

なお、加振器として励振コイルを２個組合わせたものを
使用した場合には、温度上昇による磁力の減少が起きな
いので、センサチュープ３．４のヤング率の減少による
バネ定数及びＱの各々の減少分の割合によっては、温度
上昇によりセンサチューブ３．４が同じ振幅を維持する
ためには、エネルギが少なくて済むことも考えらる。こ
の場合には、温度上昇時のエネルギの過剰分に対応して
可変利得アンブ１５のゲインを小さくするように上限下
限演算回路２２からの出カを設定すればよい。

またリミッタ回路２ｏの上限値は、制御理論からはフィ
ードバック制御系の減衰係数が０．８程度となるように
設定するとオーバーシュートやハッチングが生じないで
最短時間で整定できることがよく知られている。この減
衰係数を決定する要因にはＬＰＦ回路１９の応答時間（
ＦＲ定数ｔ），センサチューブ３．４の応答時間と共振
周波数があり、この２つの応答時問の合成時閤ｔとセン
サチューブ３．４の共振角周波数ω（周波数に２πを乗
じたもの）の乗算結果《ωｔ》が４程度で安定状態とな
り、この値になるようにすればフィードバック制御系の
減衰係数は０．８程度になる。

センサチュープ３，４の応答ＦＲ間は、実際に加える加
振力と目標振幅で共振している定常時の加振力との比と
Ｑを乗じ共振周波数で割ったもので近似できるので、Ｌ
ＰＦ回路１９の応答時間と加算して、ωｔが４程度にな
るように実際に加える加撮力すなわちゲインの上限値を
決定するとよい。

発明の効果 上述の如く、本発明になる質量流量計は、閉ループを形
成するフィードバック制御系のゲインの上限値をリミッ
タ回路により設定することができるので、センサチュー
ブを加振する励振コイルの駆動を制御して計測開始時に
発生しやすいセンサチュープの振幅のオーバシュートを
防止でき、またハンチングの発生も防止できるので振幅
を安定制御することができ、結果的にフィードバック制
御系の応答特性を向上させることができる等の特長を有
する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明になる質量流量計の一実庵例の斜視図、
第２図は振動センサの正面図、第３図は振幅制御回路の
構成図、第４図は本発明の振幅特性を示す縮図、第５図
は本発明の変形例の構成図、第６図は上限下限演算回路
によりリミツタ回路の設定変更を説明するための線図、
第７図及び第８図は従来の質量流量計で生じていた現象
を説明するための線図である。 ３．４・・・センサチ１−ブ、６・・・励振コイル、７
，８・・・振動センサ、１１・・・流量計測装置、１２
・・・振幅制御回路、１３・・・速度検出回路、１４・
・・娠幅検出回路、１５・・・可変利得アンプ、１６・
・・電流増幅回路、１７・・・減篩器、１８・・・目標
振幅設定回路、１９・・・ＬＰＦ回路、２０・・・リミ
ツタ回路、２１・・・温度センサ、２２・・・上限下限
演樟回路。 特許出願人　ト　キ　コ　株式会社 真　１　図 窮３図 第２　図 の律１ 第 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 被測流体が流れる管路を振動させる励振コイルと、該管
   路の流入側及び流出側の夫々で振動を検出する振動セン
   サと、該振動センサからの検出信号に基づき前記管路の
   振幅を所定振幅となるように駆動電流を該励振コイルに
   供給する振幅制御回路とよりなる閉ループのフィードバ
   ック制御系を有する質量流量計において、 前記フィードバック制御系のゲインに上限値を設定する
   リミッタ回路を前記振幅制御回路に設けてなることを特
   徴とする質量流量計。