JPH04130225A - 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 本発明は質量流量計に係り、特に気体の流量計測をより
正確に行えるよう構成した質量流量計に関する。

従来の技術 被測流体の流量は流体の種類、物性（密度、粘度など）
、プロセス条件（温度、圧力）によって影響を受けない
質量で表わされることが望ましい。

そこで、このような質量流量計の計測には熱式質量流量
計（サーマルフローメータ）により直接計測する方法と
、容積式流量計、タービン式流量計、差圧式流量計など
を用いて流量あるいは流速を求めて、比重、温度、圧力
の各係数により計測値を換算して間接計測する方法とが
知られている。

上記以外にも流路に流速を音速に保ついわゆる音速ノズ
ルを設け、音速ノズルを通過する気体の音速から温度、
圧力、湿度を補正演算して質量流量を求める方法も実用
化されている。

その他にも、被測流体の質量流量を計測する種々の質量
流量計が開発されつつあり、その中の一つとして振動す
るセンサチューブ内に流体を流したときに生ずるコリオ
リの力を利用して質量流量を直接計測する流量計がある
。

発明が解決しようとする課題 ところが、圧縮性流体である気体の流量を計測する際は
、気体が温度、圧力、相対密度（比重）等の影響を受け
やすいためにこれらの数値が変動すると正確な流量を計
測することが難しくなる。

従って、上記熱式質量流量計あるいは体積流量を計測す
る容積式流量計、流速を計測するタービン式流量計、差
圧式流量計で流量計測した場合、器差が所定範囲に入る
ように計測精度を保つため温度、圧力を正確に測定しな
ければならず、あるいは計測環境を一定に保つように温
度、圧力をコントロールしなければならないといった課
題かある。

又、音速ノズルを使用して流量計測する場合も同様な課
題がある。

又、上記コリオリ式の質量流量計においては、気体が流
れるセンサチューブを振動させてコリオす力によるセン
サチューブの変位を測定するため、流体に比べて極めて
密度の低い気体にあっては充分なコリオリカが得られず
、気体の圧力が低い低流量計測から気体の圧力か高い高
流量計測迄の広い流量範囲にわたって安定した計測精度
を得ることが難しく、計測精度が低下するといった課題
がある。

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。

課題を解決するための手段 本発明は、被測流体としての気体が通過するセンサチュ
ーブを振動させ、該センサチューブを通過する流量に応
じて発生するコリオリカによるセンサチューブの変位を
検出して気体の流量を計測する質量流量計において、 前記センサチューブの上流側あるいは下流側に気体を音
速で流出させるよう形成されたノズルを設けてなる。

作用 絞りの作用により気体が音速近くまで増速され、臨界速
度で気体を流出させられるので、気体の流量はほぼ一定
の体積流量となり、気体の流れを安定した流れにでき、
しかも圧力補正、温度補正する必要がなくなるので、気
体の特性に拘わらず正確な流量計測が可能となる。

実施例 第１図に本発明になる質量流量計の一実施例か適用され
た流量計測システムを示す。そして、第２図乃至第５図
に本発明の質量流量計を示す。

第１図において、質量流量計１は気体を圧送するブロア
１６の下流側の気体供給配管１７の途中に配設されてい
る。質量流量計１はこの配管１７内を流れる気体の流量
を計測し、その計測信号をフローカウンタ１８に送信し
、流量を表示するようになっている。

第２図乃至第５図に示す如く、質量流量計１は流入口１
ａ＋がその中心部に開口する流入側フランジＩａと、流
出口ｔｂ、が開口する流出側フランジ１ｂとの間に、一
対のセンサチューブ２，３か接続されるマニホールド４
と、センサチューブ２．３を収納し、これを保護する箱
状のカバーＩＣとが配設されてなる。

センサチューブ２，３は夫々高耐食性材により形成され
ており、金属を腐食させやすい腐食性流体の流量を計測
可能としている。高耐食性材としては、例えば耐食性、
耐熱性に優れたチタン合金、あるいはハステロイ、イン
コネル（共に登録商標）等の高ニッケル合金あるいはタ
ンタル合金等か考えられている。

センサチューブ２．３は薄肉パイプを第１図に示す形状
に曲加工してなるか上記高耐食性材により形成されてい
るので、例え腐食性流体を計測する場合でもセンサチュ
ーブ２，３内壁が腐食してセンサチューブ２，３の耐圧
強度か低下するといった不都合を防止できる。従って、
センサチューブ２，３の耐食性か向上することによりセ
ンサチューブ２．３の耐久性が高まり、ひいては質量流
量計１自体の寿命を伸ばすことが可能となる。

第４図に示す如く、一対のセンサチューブ２゜３はマニ
ホールド４に組付けられており、マニホールド４は流入
管５と流出管６との間に設けられ、流入管５に接続され
た流入路４ａと、流出管６に接続された流出路４ｂとを
有する。又、流入路４ａは左、右に分岐する接続口４Ｂ
＋＋４ａ２に連通している。

なお、流出路４ｂも流入路４ａと同様に分岐した接続口
４ｂ、、４ｂｌと連通している。又、マニホールド４の
上面には質量流量計１の出力信号を取り出すためのコネ
クタ４Ｃか設けられている。

上記マニホールド４．流入管５．流出管６は夫々汎用耐
食性材として広く使用されているステンレス鋼により形
成されている。

第３図、第４図に示す如く、流出管６の流出口ｌｂ、に
は音速ノズル（絞り）１５が嵌合するように挿入されて
いる。この音速ノズル１５は内部に流路１５ａか貫通す
る筒状に形成されており、流路１５ａの内壁にはラバー
ル管の如く先細−末広形状となっている。即ち、流路１
５ａには流入側で流れ方向と直交する流路断面積を絞る
ように内側へ突出する先細部１５ｂと、この先細部１５
ｂの最小流路断面積となるのど部１５ｃと、こののど部
１５ｃから流出側へ移るにつれて流路断面積が徐々に拡
がる末広部１５ｄとか設けられている。

被測流体か圧縮性流体である気体の場合、流量計測が気
体の圧力、相対密度（比重）による影響を受けやすい。

しかし、ブロア１６により圧送された気体が音速ノズル
１５を通過する際、流路１５ａの先細部１５ｂにおいて
流路断面積か次第に小さくなるにつれて流速か増速され
る。そして、最小流路断面積ののど部１５ｃに至ると気
体の速度は音速（臨界速度）に達する。

従って、音速ノズル１５により気体の速度は臨界速度で
一定となり、圧力変動の影響が抑えられるとともにセン
サチューブ２，３内の流れが安定しうる。

そのため、音速ノズル１５の最小流路断面積が上記セン
サチューブ２．３の流路断面積の合計と略等しくなるよ
うにしておけば、ある所定流量以上でセンサチューブ２
．３内を流れる気体の流速か音速に近い遷音速流れとな
り、圧力変動の影響を受けずに流量計測できる。

後述するように流量計測時に発生するコリオリカＦｃは
、ピックアップ９．ｌＯにより直管部２ａ、２ｂの変位
−δ、＋δの大きさ、あるいは直管部２ａ、２ｂの位相
角度差を検出することにより求まる。またコリオリカＦ
ｃはＦｃ＝２ωｍＶで表わされ、質量流量（ｍｖ）は角
速度ω及びコリオリカＦｃを求めることにより得られる
。

上記のように、音速ノズル１５か流出口１ｂに設けであ
ると、音速ノズル１５の上流側の流路内の出力は高い状
態にあるので、これにより気体密度も高密度となってい
る。そのため、センサチューブ２．３内を高密度の気体
か流れることになり、より大きなコリオリカＦｃが得ら
れることになる。上記式より圧縮性流体の質量流量（ｍ
ｖ）は気体の圧力の影響をほとんど受けない安定した流
れとなり、且つより大きなコリオリカ（Ｆｃ）が得られ
るので精度良く計測される。

第２図に示す如く、一対のセンサチューブ２゜３は上記
マニホールド４より水平方向に延在し、且つ上下方向に
起立する垂直面を介して横方向に対称となるように配設
される。

一方のセンサチューブ２は、その基端を流入路４ａの接
続口４ａ、にろう付は等により接続固定され、配管方向
に延在する第１の直管部２ａと、基端を流出路４ｂの接
続口４　ｂ　＋に接続固定され、第１の直管部２ａと平
行に延在する第２の直管部２ｂと、第１．第２の直管部
２ａ、２ｂの先端より基端側へ折り返すように曲げられ
た曲部２ｃ。

２ｄと、この曲部２ｃと２ｄとを接続するＵ字状の接続
部２ｅとよりなる。

又、他方のセンサチューブ３は上記センサチューブ２と
同一形状に形成され、直管部３ａ、３ｂか流出管６及び
直管部２ａ、２ｂと平行となるようにセンサチューブ２
と対称に配設されている。

なお、センサチューブ２，３の接続部２ｅ、３ｅ間は接
続部材８により接続され相互に保持されている。

尚、この保持部材８は流出管６と非接触であり、流出管
６の配管振動はセンサチューブ２，３に直接伝達されな
いようになっている。又、一対のセンサチューブ２．３
は上下方向に起立する垂直面を介して対称な向きとなる
ように水平方向に延在している。

上記一対のセンサチューブ２，３においては、流入側の
直管部２ａと３ａとの間、及び流出側の直管部２ｂと３
ｂとの間にはピックアップ９゜ｌＯが配設されている。

なお、ピックアップ９．ＩＯは夫々同一構成であるので
一方のピックアップ９につき説明する。

第４図中、ピックアップ９はセンサチューブ２の直管部
２ａの途中より突出するブラケット１１に保持されたコ
イル部９ａと、コイル部９ａに左、右方向で対向するよ
うに口字状のブラケット１２に設けられたマグネット９
ｂ、９ｃとよりなる。

なお、ブラケット１２は横方向に延在し、センサチュー
ブ３の直管部３ａに接続されている。

従って、センサチューブ２，３が振動すると、直管部３
ａに設けられたコイル部９ａかマグネッ）９ｂ、９ｃ間
で矢印Ｘ方向に相対的に変位する。

そのため、コイル部９ａには直管部２ａ、３ａの相対変
位に応じた起電力が発生し、ピックアップ９はコイル部
９ａの電圧より直管部３ａの変位を検出する。

１３．１４は加振器で、直管部２ａと２ｂとの先端間、
直管部３ａと３ｂとの先端間に設けられている。

加振器１３は実質電磁ソレノイドと同様な構成てあり、
流入側の直管部２ａに取付けられたコイル部１３ａと、
流出側の直管部２ｂに取付けられ、コイル部り３ａ内に
嵌入するマグネット部１３ｂとよりなる。従って、加振
器１３はコイル部１３ａに通電されると、直管部２ａ、
２ｂを矢印Ｘ方向（上、下方向）に加振する。

尚、加振器１４は上記加振器１３と同一構成であるので
、その説明は省略する。

次に、上記構成になる質量流量計１の計測動作につき説
明する。

流量計測時、一対のセンサチューブ２，３は上記加振器
１３，１４の動作により内部に流体が流れている状態で
加振される。流入管５よりマニホールド４の流入路４ａ
に流入した被測流体は、分流してセンサチューブ２，３
の下方の直管部２ａ、３ａに流入し、曲部２ｃ、３ｃ、
接続部２ｅ、３ｅ、曲部２ｄ、３ｄを通過して上方の直
管部２ｂ、３ｂに至り、マニホールド４の流出路４ｂで
合流して流出管６より流出する。又、センサチューブ２
，３は加振器１３，１４により加振されているので、セ
ンサチューブ２．３のばね定数とセンサチューブ２，３
内を流れる流量によって決まる固有振動数で矢印Ｘ方向
（上下方向）に振動する。

このように振動するセンサチューブ２．３内に流体が流
れると、その流量に比例したコリオリカが発生し、質量
流量計１ではこのコリオリカによる直管部２ａと２ｂ、
３ａと３ｂとの相対変位をピックアップ９．ｌＯにより
検出して流体の質量流量が直接計測される。尚、上記流
量計測動作の詳細は、本出願人が先に出願した特願平１
−１２６０１０に説明しであるのでそれを参照されたい
。

上記質量流量計１では、前述したようにセンサチューブ
２，３の下流側に音速ノズルＩ５を設けているので、気
体の流速を音速近くに増速させて流量計測することが可
能となり、センサチューブ２．３内の流れが安定した状
態で計測するため、圧力変動及び相対密度（比重）等の
影響を受けずに圧縮性流体の流量を計測できる。しかも
、質量流量計１では直接気体の流量を計測できるので、
例えば熱式流量計あるいは容積式流量計、タービン式流
量計等のように計測値を圧力補正、温度補正する必要が
なく、流量計測の演算が容易に行なえるようになってい
る。

尚、上記実施例では音速ノズル１５を流出管６の流出口
１ｂ＋に設けたが、これに限らず、音速ノズル１５を流
出管６のマニホールド側に設けても良し化、あるいは流
入管５に設けても良い。

又、音速ノズル１５は流出口１　ｂ　＋に取外し可能に
設けても良い。その場合、気体だけでなく音速ノズル１
５を取外すことにより他の流体を計測することのできる
兼用形として使用することもできる。

又、上記実施例の音速ノズル１５に限らず、細まりノズ
ルや他の形状とされたノズルでも良い、要は気体を増速
させる音速で流出させるための絞りが流路途中にあれば
良い。

発明の効果 上述の如く、本発明になる質量流量計は、センサチュー
ブの上流側あるいは下流側に気体を音速で流出させるよ
う形成された絞りを設けたため、センサチューブを流れ
る気体の流れを安定させることができ、気体速度が臨界
速度となることにより圧力や相対密度の変動による影響
を受けることなく直接流量を計測することができるので
、計測精度を高めることができる。又、従来のように温
度補正、圧力補正をする必要がないので、温度、圧力を
正確に検出する必要がなくなるとともに流量計測に伴う
信号の演算処理が簡略化でき、気体の温度、圧力等の特
性に拘わらず応答性良く計測す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施例か適用され
た流量計測システムの概略構成図、第２図は質量流量計
の斜視図、第３図は質量流量計の一部切截底面図、第４
図は質量流量計の一部切截正面図、第５図は第４図中ｖ
−Ｖ線に沿う縦断面図である。 １・・・質量流量計、２．３・・・センサチューブ、４
・・・マニホールド、５・・・流入管、６・・・流出管
、９゜ｌＯ・・・ピックアップ、１３．１４・・・加振
器、１５・・・音速ノズル、１５ａ・・・流路、１５ｂ
・・・先細部、１５ｃ・・・のど部、１５ｄ・・・末広
部、１６・・・ブロア、１７・・・気体供給配管、１８
・・・フローカウンタ。 特許出願人　ト　キ　コ　株式会社

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 被測流体としての気体が通過するセンサチューブを振動
   させ、該センサチューブを通過する流量に応じて発生す
   るコリオリカによるセンサチューブの変位を検出して気
   体の流量を計測する質量流量計において、 前記センサチューブの上流側あるいは下流側に気体を音
   速で流出させるよう形成された絞りを設けてなることを
   特徴とする質量流量計。