JPH0422209B2 - - Google Patents

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JPH0422209B2
JPH0422209B2 JP58188281A JP18828183A JPH0422209B2 JP H0422209 B2 JPH0422209 B2 JP H0422209B2 JP 58188281 A JP58188281 A JP 58188281A JP 18828183 A JP18828183 A JP 18828183A JP H0422209 B2 JPH0422209 B2 JP H0422209B2
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JP
Japan
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shaped flow
flow tube
fluid
tube
tubes
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JP58188281A
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English (en)
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JPS5992314A (ja
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Ii Sumisu Jeemuzu
Aaru Keiji Donarudo
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MAIKURO MOOSHON Inc
Original Assignee
MAIKURO MOOSHON Inc
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Publication date
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Application filed by MAIKURO MOOSHON Inc filed Critical MAIKURO MOOSHON Inc
Publication of JPS5992314A publication Critical patent/JPS5992314A/ja
Publication of JPH0422209B2 publication Critical patent/JPH0422209B2/ja
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/76—Devices for measuring mass flow of a fluid or a fluent solid material
    • G01F1/78—Direct mass flowmeters
    • G01F1/80—Direct mass flowmeters operating by measuring pressure, force, momentum, or frequency of a fluid flow to which a rotational movement has been imparted
    • G01F1/84—Coriolis or gyroscopic mass flowmeters
    • G01F1/8409—Coriolis or gyroscopic mass flowmeters constructional details
    • G01F1/8413—Coriolis or gyroscopic mass flowmeters constructional details means for influencing the flowmeter's motional or vibrational behaviour, e.g., conduit support or fixing means, or conduit attachments
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/76—Devices for measuring mass flow of a fluid or a fluent solid material
    • G01F1/78—Direct mass flowmeters
    • G01F1/80—Direct mass flowmeters operating by measuring pressure, force, momentum, or frequency of a fluid flow to which a rotational movement has been imparted
    • G01F1/84—Coriolis or gyroscopic mass flowmeters
    • G01F1/845—Coriolis or gyroscopic mass flowmeters arrangements of measuring means, e.g., of measuring conduits
    • G01F1/8468—Coriolis or gyroscopic mass flowmeters arrangements of measuring means, e.g., of measuring conduits vibrating measuring conduits
    • G01F1/8472—Coriolis or gyroscopic mass flowmeters arrangements of measuring means, e.g., of measuring conduits vibrating measuring conduits having curved measuring conduits, i.e. whereby the measuring conduits' curved center line lies within a plane
    • G01F1/8477—Coriolis or gyroscopic mass flowmeters arrangements of measuring means, e.g., of measuring conduits vibrating measuring conduits having curved measuring conduits, i.e. whereby the measuring conduits' curved center line lies within a plane with multiple measuring conduits

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measuring Volume Flow (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
発明の背景 流動する物質の質量流量を測定する技術とし
て、流体を回転又は振動する導管を通して流し導
管内を運動する質量の速度と導管の回転の角速度
ベクトルの双方に対して垂直なコリオリ力を生成
するものが知られている。また、このようなコリ
オリ力の大きさが導管の角速度の１つの関数とし
て質量流量に関係しているものも知られている。 コリオリ力質量流量測定装置に関連した従来の
大きな技術的困難は導管の偏向の如きコリオリ力
効果の正確な測定に由来した。この困難は部分的
には普通の質量流量と通常考えられる角速度に対
してのコリオリ力の大きさが極めて小さいもので
あり従つて導管の偏向又は他の効果も小さくな
り、これにより敏感で正確な装置が必要となるこ
とに基因する。更に、導管を通過する質量流量を
生成されたコリオリ力の大きさの１つの関数とし
て決定する為には導管の角速度の大きさも正確に
限定するかあるいは精密に制御するかしなければ
ならない。 他の長所と共に導管の角速度の大きさを測定あ
るいは制御する必要が無く同時に生成されたコリ
オリ力によつて生じた効果を要求された感度と正
確さで測定を行う機械的構造と測定技術が米国特
許第4187721合に教示されている。この特許に開
示された機械的構造には１つの弾性Ｕ字形流管が
組込まれ、この流管は圧力感応型のジヨイントを
有さず、しかもＵ字形流管の側脚に垂直な１つの
軸に関して弾性的に振動できるようＵ字形流管の
開放端に取り付けられた片持レバーとなつてい
る。この軸は取付固定部の近傍で休止時即ち振動
の中面にあるときのＵ字片流管のある平面内に位
置している。物質がＵ字片流管を通過すると、上
述のような流管が取り付けられているのでその自
由端が振動の中面を通るように振動した時に１つ
のコリオリ力結合を生み、これによりＵ字形流管
の側脚の中間でしかもこれらと平行にＵ字形流管
の平面内の１つの軸のまわりでＵ字形流管の自由
端を偏向することが可能となる。Ｕ字形流管の側
脚と垂直な軸に関する共振振動数がＵ字形流管の
側脚と平行な軸に関する共振振動数よりも低くな
るようにＵ字形流管を設計し、Ｕ字形流管をＵ字
形流管の側脚と垂直な軸に関してＵ字形流管を振
動させることによつて、生成されたコリオリ力へ
の対抗力として線型な弾性力が支配的であるよう
な機械的状況が生まれる。生成されたコリオリ力
に抵抗する力として線型の弾性力が支配的である
という事によつてＵ字形流管の一方の側脚が共振
の中面を他方の側脚がそこを通過するに先立つて
線型に通過する。これらの現象により振動の中面
を各側脚が通過する間の時間間隔の測定がＵ字形
流管の角速度又は他の変数項に関係なくＵ字形流
管を通る質量流量を計算する為の手段を与える状
況がもたらされる。このような時間差測定は米国
特許第4187721号に開示されている光学センサー、
あるいは1981年２月17日出願の第235268号出願の
一部継続出願としての1981年７月６日出願の米国
特許出願第280297号（出願係属中）に開示されて
いるような電磁速度センサーを使用することによ
つて正確に行うことができる。 米国特許第4187721号中に教示されたコリオリ
力質量流量測定装置の機械的構造の一部としてＵ
字形流管と接続された第２の構造体の片持ばり式
取付構造が含まれている。この第２の構造体はＵ
字形流管に抗して正弦的に駆動された時に第２の
構造体とＵ字流管の組み合せが１つの音叉として
作用するように設計、取付けがなされている。音
叉機能によつて得られる利点の中にＵ字形流管と
第２の構造体の正弦的駆動に関連した振動力の支
持部での減衰がある。そこからＵ字形流管と第２
の構造体が片持取付されているところの支持部で
の振動力の減衰は計器の取付構造に振動力が及ぼ
す可能性がある長期的な疲労効果の影響について
望ましい結果をもたらすだけでなく、振動の中面
を各側脚が通過する時間間隔の測定に振動力がも
たらし得る誤差について重要な結果をもたらす。
この誤差は重大である。何故ならば時間間隔測定
における精度は質量流量の決定精度に正比例する
からである。時間間隔測定において誤差を生み出
す振動の効果には振動の中面をＵ字形流管の各側
脚が通過するのを指示するようにセンサーを取り
付けた構造物の、振動に透起された変位が含まれ
る。振動の中面に関してこのような構造体の変位
は従つてセンサーからの信号を不正確にする。 米国特許第4187721号中に教示されているよう
に片持取付された第２の構造体は１つの弾性アー
ムである。弾性アームの代りに通常の当分野の技
術の範囲に含まれる１つの手段であり、第１の流
管と類似の構造の第２の流管により先歯の作用に
含まれた対称性の為に１つの固有の均衡を保つた
音叉構造が与えられる。 この事実の認識は管の中の流体の濃度を決定す
る為に管内に取り付けられた片持ばりの共振振動
数を測る濃度計の設計に利用されている。これに
ついては例えば米国特許第2635462号及び3456491
号を参照されたい。 二重流管構造は質量流量を測定する為にも用い
られている。例えば米国特許第4127028号、第
4192184号及び第4311054号を参照されたい。これ
らの二重流管測定器は１つの流路を利用するもの
であり、この陽合流体は１方の流管の一方の脚に
入りこれを通過し、その後連絡導管を通つて第２
の流管へ移送され、これを通過してから計器より
流出する。２つの流管を通るこのような１つの流
路は１つの直列流路構造として正確に表現し得
る。 直列型の二重流管測定器には測定器をまたいで
二重の圧力降下が固有に関わりを持つ。これはす
べての流体が２つの流管内を互に抗しつつ通過せ
ねばならないことからくる結果である。このよう
な圧力降下は流体の流れを監視することについて
有害な要素となつている。何故ならば、圧力降下
が増大すると直列型二重流管測定器を組み込んだ
導管系から供給される流体圧の損失を相殺する為
に流体ポンピングを増加させるように補償しなけ
ればならないからである。 発明の概略 片持取付されたＵ字形流管を使用したコリオリ
力流量計の多くの構造上の寸法は測定されるべき
流体の量によつて効果的に指定される。このよう
な計器の寸法がいかに被測定流体量に関係するか
という基本的な例はＵ字形流管の内径である。こ
の寸法はそれが供給導管及び流量計を通過するこ
とのできる流体量を実質的に制御する流量計に接
続された流出導管の断面積である事を考えれば理
解される。従つて、これら導管の断面積はＵ字形
流管の内径を決める要素の一部である。もしＵ字
形流管の内径が供給導管及び流出導管の内径より
も小さければ流量計による圧力降下が、供給導管
及び流出導管と等しい断面積を与える内径を有す
るＵ字形流管の場合よりも大きくなることを認識
すればその正しさが判る。先に説明したように圧
力降下のこのような増大は望ましくないものであ
る。逆に供給導管及び流出導管より大きな断面積
となるような内径を持つＵ字形流管の場合にはこ
のＵ字形流管は大型となり重量増加や製造コスト
の増大という無用な特徴を招来することになる。
従つて必然的な結論として被測定流体量が増加す
ると流量計の寸法も大きくなる。 従つて振動するＵ字形流管コリオリ流量計につ
いての重要な設計上の問題は多量の流体の為に物
理的に大形化した寸法に起因する逆効果を補償す
ることである。 本発明においてはこの物理的に大形化した寸法
に起因する逆効果はより小径のＵ字形流管の使用
を可能とする２つの流管を流量計を通過するとこ
ろに利用する構造によつて実質的に減ぜられる。
この構造は流量計内に注入された流体流を実質的
に等しく分割しそして、流れの1/2を一方のＵ字
形流管に導き、残りの1/2を他方のＵ字形流管に
導くということに基礎を置いている。各流管の出
力端において噴出した流体は流出導管へ注入され
る。 流体が通過する２本のＵ字形流管は平行な２本
のＵ字形流管の脚のうち隣接したものの中を流れ
る流体流の方向を有する１つの音叉構造に配置さ
れる。２本のＵ字形流管がその中を流れる流体で
正弦的に駆動された時にコリオリ力が生成され
る。これらコリオリ力は２本のＵ字形流管の脚の
うち隣接するものを交互に偏向させる。この交互
的偏向によつて、振動する管がその振動の中点に
ある時点で１対の隣接脚は接近するように偏向
し、他の１対の隣接脚は離れるように偏向する。 以下に説明するように、流量計を通過する流体
質量流量は各Ｕ字形流管の側脚が振動の中面を通
過するに要する時間が測定できるようにＵ字形流
管の側脚上にセンサーを取り付けることによつて
決定される。 このような平行路流量計で測定される流体質量
流量の精度は流体流が２つのＵ字形流管の間に均
等に分けられているかどうかということと２つの
Ｕ字形流管が正弦的に駆動される際の角速度の均
等性とについての正確さに依存する。何故なら
ば、一方のＵ字形流管内を他方のＵ字形流管内よ
りも高い質量流量が存在すればそのＵ字形流管は
より大きなコリオリ力効果を生み出すからであ
る。 同様に一方のＵ字形流管が正弦的に他方よりも
大きな角速度で駆動されると、このＵ字形流管は
より大きなコリオリ力効果を生み出す。これら生
成されるコリオリ力の不均衡な増加は流量計を通
過する質量流量の測定とその正確さが不確かなも
のとなる。しかしながら、以下に説明するように
本発明の平行路構造についてはこれら２つの誤差
の源……即ち流体流の不等分割及びＵ字形流管の
正弦的駆動における角速度の不等性……はその効
果が蓄積するものでなくそれらの誤差の積に関係
して質量流量測定の正確さを低下させるだけのも
のである。従つて、ここで考えている両パラメー
ターが10％のオーダーで相違する場合本発明の構
造のコリオリ力質量流量計を通過する流体につい
ての全質量流量の測定の不確さは１％のオーダー
にしかならないであろう。このような平行路コリ
オリ力質量流量計を通過する流体流の質量流量測
定における実質的な不正確さの低減は実際に示さ
れたものであり、後記される。 平行二重流路構造の長所の中には次の事が含ま
れる。即ち、(a)単一流路又は直列流路の構造のコ
リオリ力流量計よりも高い感度が得られる。何故
ならば、平行路構造の場合２本の流路の圧力定格
は供給導管の圧力定格と相等しくそれにより管壁
をより薄くでき、従つて生じたコリオリ力により
一層敏感となるからである。(b)音叉構造として流
体を通さない部材を組み合わせた単路流管の場合
に比べて動作がより安定となる。何故ならば、両
管内を流体を通過させる平行路構造では１つの動
的につり合いの取れた１対の音叉歯が得られる。
即ち流体濃度が増大した為に一方の先歯の質量が
変化すると他方の先歯の質量もその様に変化する
からである。(c)振動の中面を１つの流管の両側脚
が通過するに要する時間の測定の精度に影響をお
よぼす可能性のある外部振動源に対しての感度が
実質的に低減される。何故ならば平行路構造の場
合はセンサーが流管上にＵ字形流管の振動の中面
に関して不変に保たれなければならないいかなる
構造部分とも物理的に無関係に取り付けられてい
るからである。(d)単一流管構造あるいは二重直列
管流路のものに比べて全体的に計器寸法が小さく
なる。これは必然的により安価で製造容易な構造
をもたらす。(e)直列二流管路と比べて平行路構造
によつて生じる流体圧力降下が少ない。これは流
体が通過せねばならない管長が1/2に減じられる
からである。 明らかに米国特許第4187721号及び係属中の米
国特許出願第280297号に開示された装置の場合と
同様に、本発明は流体の質量流量を測定する為の
直接的で自動的な装置を提供する。測定されるべ
き流体を移送している導管に挿入するだけで良
い。特別な配管、ポンプ動作、あるいは参照標準
を必要としない。しかしながら実際に現場で装置
の設定を行う場合に本発明と米国特許第4187721
号及び係属中の米国特許出願第280297号に開示さ
れたものとの間には差異がある。すなわち、本発
明においては１つの導管への付着が可能であり計
器ケースの分離取付が米国特許第4187721号及び
係属中の米国特許第280297号に開示された計器の
場合とは違つて不要である。実際に本発明の計器
は被測定流体を移送している導管構造部によつて
支持することができる。 実施例の説明 図面を参照すると、種々の番号について対応す
る要素は同一の番号で指定されている。本発明に
従つた質量流量測定装置が第１図に描かれており
一般的には参照番号１０で示されている。測定装
置１０は管１２を含み、ここから２本のＵ字形流
管１４，１４′が実質的に平行に片持取付されて
いる。これら２本のＵ字形流管１４，１４′は圧
力感応ジヨイントを持たない。両Ｕ字形管１４，
１４′に取付固定されているのは支持体１６，１
６′であり、これら支持体は管１２と組み合わさ
つて１つのＵ字形流管１４，１４′の為に１つの
片持ばり取付部を構成する。これらの支持体１
６，１６′は十分に管１２から離れており管１２
と支持体１６，１６′との組み合せはＵ字形流管
１４，１４′との間に１つの堅固な結合を与える。
必要な堅固性を与える為に管１２と支持体１６，
１６′との間の間隔は少なくともＵ字形流管１４，
１４′の直径の３倍はあるべきである。 Ｕ字形流管１４，１４′は曲り軸Ｗ−Ｗ及び
W′−W′に関して各々実質的に同じ慣性モーメン
ト及びばね定数を持つように運ばれて取り付けら
れている。これら曲り軸はＵ字形流管１４，１
４′の側脚に対して垂直である。Ｕ字形流管１４，
１４′は自由端を持つて実質的に平行関係で片持
取付されており、それらの各曲げ軸に関しての慣
性モーメント及びばね定数が等しいので、これら
Ｕ字形流管は１つの音叉の先歯として機能する為
にそれらの曲げ軸に関して反対向きに実質的に同
一の共振振動数で正弦的に駆動可能である。この
正弦的駆動力は駆動機構１８によつて好ましい態
様でＵ字形流管１４，１４′に与えられる。駆動
機構１８は振動電流が流れるコイルと磁石のよう
な公知な手段とすることも、あるいはＵ字形流管
１４，１４′がそれらの各々の曲り軸Ｗ−Ｗ，
W′−W′に関して共通の共振振動数で正弦的に駆
動されそれによつて両管が１つの音叉の２つの先
歯として作用するようにＵ字形流管１４，１４′
へ力を与えるならばいずれの配置のものとしても
よい。 Ｕ字形流管１４，１４′の側脚はマニフオール
ド２０の位置で管１２へ取付固定されておりこれ
によりマニフオールド２０と端部プレート２４と
によつて形成されるプレナムを通つてＵ字形流管
中へ入口管２２から流体が流れることが可能とな
つている。端部プレート２４は流体に対して密に
管１２に取り付けられている。Ｕ字形流管から出
る流体の流れはマニフオールド２６の位置で管１
２に取付固定されたＵ字形流管を持たせＵ字形流
管からの流体の流れがマニフオールド２６及び端
部プレート３０によつて形成されるプレナムを通
つて出口管２８内へ流れることができるようにす
ることによつて実現される。端部プレート３０は
流体に対して密に管１２に取り付けられている。
入口管２２及び出口管２８はフランジ３２，３４
に各々取付けられている。フランジ３２，３４は
測定装置１０を（図示しない）導管系に結合する
のに用いられ、この導管系を通して質量流量を測
定すべき流体が供給されそして流量計から流出す
る。マニフオールド２０と端部プレート２４とに
よつて形成されるプレナムは入口管２２からの流
体流がＵ字形管１４，１４′の間で実質的に等し
く分けるような構造とされる。これはいくつかの
設計基準を採用することによつて達成され、この
基準に含まれた製造法によれば、Ｕ字形流管１
４，１４′の各々は両者が実質的に等しく均一な
内部断面積を持ち、両者が流体の収容に関して実
質的に相等しい内容積を持つように作られる。更
にマンフオールド２０はＵ字形流管１４，１４′
への入口３６，３８が入口管３２からの流れの断
面形状（プロフイール）に関して実質的に対称と
なるような位置にある。（即ち、一方の入口はマ
ニフオールド２０のところの入口管２２の出口か
ら距離を測つた時に他方の入口の下流にはない。） これら入口３６，３８の対称な位置取りによつ
てこれら入口における圧力が実質的に等しくなる
ことを保証する。マニフオールド２０上の入口３
６，３８の位置に加えてマニフオールド２０とプ
レート２４によつて形成される入口プレナムも入
口３６，３８に関して対称な境界を有し、更に入
口プレナムは入口３６，３８が位置する領域内の
流体圧を実質的に等しくするのに十分な大きさを
有する。同様にマニフオールド２６とプレート２
４とによつて形成される出口プレナムは出口４
４，４６に関して対称な境界を有し、更に出口プ
レナムはＵ字形流管１４，１４′を出る流体によ
つて生成される圧力差分を相等しくするに十分な
大きさを有しこれにより実質的に相等しい流体の
背圧が出口４４，４６の位置する領域において相
等しくされる。 第１図に示された好ましい具体例においては入
口管２２、出口管２８、マニフオールド２０，２
６及びＵ字形流管１４，１４′は質量流量装置１
０が１本の実質的に直線状の流体導管に接続可能
なような構造を持つている。入口管２２、出口管
２８、マニフオールド２０，２６、及びＵ字形流
管１４，１４′の構造についてこれに代るものが
第２図に示されている。第１図の場合と同様に第
２図に示された構造にはＵ字形流管１４，１４′
を通つての流体の質量流量が等しく分割されるこ
とを容易にする設計上の特徴が取り入れられてい
る。 しかしながら、第１図に示された構造とは違つ
て第２図に示された構造では入口管２２からのＵ
字形流管１４，１４′への流体流の質量流量を実
質的に等分することを本発明の要求に応じて達成
しつつ一直線状以外の接続によつて流体導管へフ
ランジ３２，３４の位置での接続が可能となつて
いる。 上述の流体流路構造と１つの音叉としてＵ字形
流管を正弦的な駆動についてはＵ字形流管１４，
１４′の隣接する側脚に沿つて生成されるコリオ
リ力は反対向きであることが分る。この現象に対
する説明はＵ字形流管１４，１４′を通る流体の
質量流は実質的に平行であり方向も同じである一
方、Ｕ字形１４，１４′の振動についての角度速
ベクトルは平行であるが装置の音叉型動作の為に
反対向きであるということによつて与えられる。
従つて、Ｕ字形流管１４，１４′の振動1/2サイク
ルの間マニフオールド２０に取付けられた側脚は
生成されたコリオリ力によつてマニフオールド２
６に取付けられた側脚間に比してより一層接近さ
せられる一方、残りの1/2サイクルの間にはこの
Ｕ字形流管に抗して生成されるコリオリ力は逆転
する。このコリオリ力及びＵ字形側脚１４，１
４′の側脚への他の効果はＵ字形流管１４，１
４′の角速度が最大の時に最も大きくなる。この
条件は実質的にＵ時形流管１４，１４′がそれら
の振動の中面を通過する時に生ずる。 Ｕ字形流管１４，１４′が振動している間これ
ら他方の両側脚よりも接近されたところの両側脚
は他方に先立つて振動の中面を通過する。第１の
両側脚が振動中面を通過する時点から他の両側脚
即ち離間させられた方の両側脚が振動中面を通過
するまでの時間は装置１０を通過する全質量流量
に正比例する。以下に次のことを示す。即ち、(a)
この時間間隔と装置１０を通過する全質量流量と
の間の比例係数は装置１０の機械的構造によつて
決定される諸定数から成り立つており；(b)全質量
流量測定における不正確さは高々Ｕ字形流管１
４，１４′を各々通過する質量流量の差と正弦的
に駆動されるＵ字形流管１４，１４′の角速度の
差との積であるということである。 この時間間隔を測定する為にコイル４０はＵ字
形流管１４又は１４′の一方の側脚の自由端の近
くに取り付けられ、永久磁石４２が他方のＵ字形
流管の側脚の自由端の近くに取付けられてコイル
４０が磁石４２にとり囲まれた磁束密度が実質的
に一定な体積空間内に位置するようにする。この
配置を用いてコイル４０によつて生成された電気
信号出力は係属中の米国特許出願第280297号中に
教示された如き技法で処理され時間間隔の１つの
測度を提供する。更に米国特許第4187721号中に
教示されているようにＵ字形流管１４，１４′の
振動の1/2サイクル中について行なれる時間間隔
測定をＵ字形流管１４，１４′の振動の残りの1/2
サイクルの間について測られる時間間隔から差し
引くようにすることもできる。これはＵ字形流管
の不整列による誤差を除き時間差の測定量が装置
１０を通過する全質量流量に正比例するようにす
る為に行われるものである。 装置１０によつてなされる質量流量の測定が正
確である為に基本的に欠かせないのは、生じたＵ
字形流管１４，１４′に作用するコリオリ力が線
型な弾性力の反発を受けるという設計上の要請で
ある。この設計上の要請は、コリオリ力によつて
引き起こされる偏向が小さいので満足させること
ができる。小さな偏向に対してはその抗力は、そ
れが実質的にねじれの弾性定数と偏向角との積で
あつたとしても実質的に線型となる。抗力が線型
なねじれ弾性力であることを保証する為にＵ字形
流管１４，１４′はその片持取付構造の囲りで曲
り軸Ｗ−Ｗ及びW′−W′に関する共振振動数がね
じれ軸Ｏ−Ｏ及びO′−O′に関する共振振動数よ
りも小さくなるようにされている。これらねじれ
軸は、Ｕ字形流管１４，１４′と平行でしかもこ
れらの間の中央にあると共に、これらのＵ字形流
管の各々の側脚と同一の平面内にある。生成され
たコリオリ力が作用するのはこれらねじれ軸Ｏ−
Ｏ及びO′−O′に関してである。 曲り軸Ｗ−Ｗ及びW′−W′に関する共振振動数
がねじれ軸Ｏ−Ｏ及びO′−O′に関する共振振動
数よりも低くなければならないという要請には更
に制限が付けられ、ねじれ軸Ｏ−Ｏ及びO′−
O′に関する共振振動数が曲り軸Ｗ−Ｗ及びW′−
W′に関する共振振動数の奇数倍音値（即ち、奇
数倍の振動数）に等しく、あるいはこれに近い値
であつてはならない。この曲り軸Ｗ−Ｗ及び
W′−W′に関する共振振動数と等しい値又は奇数
倍音値を避けるという要請によつてコリオリ力以
外の力によつて生じコイル４０と磁石４２のとこ
ろでコリオリ力と同期した物理効果を実質的に除
去できる。従つて曲り軸Ｗ−Ｗ及びW′−W′に関
する共振振動数と等しい値又は奇数倍音値を避け
ることによつてコイル４０と磁石４２によつて作
られた信号は実質的にコリオリ力に誘起された効
果のみに基いたものとなる。 装置１０を通過する全質量流量を測定する為に
Ｕ字形流管１４′とＵ字形流管１４がどのように
協働するのかを良く理解する為と、(a)Ｕ字形流管
１４，１４′を通過する流体の質量流量の差及び
(b)軸Ｗ−Ｗ及びW′−W′に関しての角速度の差と
によつて生ずる全質量流量のこのような測定にお
ける誤差の大きさがどのようなものかを示す為に
以下に数学的な関係について述べる。 間欠的な時間間隔測定は流体が正弦的に駆動さ
れたＵ字形流管中を流れている間に行われる事の
為に解析しなくてはならない物理的構成は第３図
の如く表わせる。ここにはＵ字形流管１４，１
４′の自由端からみた平面図が示されており；線
Ａ−Ａ，A′−A′は各々振動の中面を示し、Ｕ字
形流管１４，１４′の双方の各左側脚が丁度これ
ら振動の中面に到達した所が描かれている。Ｕ字
形流管１４，１４′の右側脚は各々振動の中面か
らｄ及びd′だけ離れている。この距離ｄとd′の和
はＤで表われ、次の関係に従つて計算される。 Ｄ＝Sθ＋Sθ′＝Sp（θ＋θ′） ここでＳ及びS′は各々Ｕ字形側脚１４，１４′
の側脚間の距離である。これらの距離は実質的に
相等しいのでSpなる項で表すことができる。θは
生じたコリオリ力によつて第３図に描かれた位置
にＵ字形流管１４が来た瞬間における振動中面か
らの偏向角であり、θ′は生じたコリオリ力によつ
て第３図に描かれた位置にＵ字形流管１４′が来
た瞬間における振動中面からの偏向角である。 生じたコリオリ力に抗するトルクは(a)各Ｕ字形
流管についての軸Ｏ−Ｏ，O′−O′に関するねじ
れ弾性定数と(b)各偏向角θ，θ′との積であること
が判るから上記の方程式は次の様に表わし得る。 Ｄ＝Sp（Ｔ／Ｋ＋T′／K′）＝Sp（Ｔ＋T′／Kp）（
式１） ここでＴ及びT′は各Ｕ字形流管１４，１４′に
ついての生じたコリオリ力に抗する各トルクの大
きさであり、 Ｋ及びK′は各Ｕ字形流管１４，１４′について
軸Ｏ−Ｏ及びO′−O′に関しての各ねじれの弾性
定数であり、 Kpは軸Ｏ−ＯとO′−O′に関するねじれ弾性定
数として共通の値である。共通である理由は装置
１０の設計基準によつてこれらねじれ弾性定数が
実質的に相等しいからである。 生じた反対向きのコリオリ力の結合が両ねじれ
軸Ｏ−Ｏ，O′−O′について生成される為にトル
クＴ及びT′の大きさは次の様にも表せる。 Ｔ＝SpFc （式２） T′＝SpFc′ （式３） ここでFc，Fc′は各々軸Ｏ−Ｏ，O′−O′に関し
て働く、反対向きに生じたコリオリ力である。 正弦的に駆動されるＵ字形流管１４のような配
置構造について生ずるコリオリ力は Fc＝2QpWpLp と書ける。 ここでQpはＵ字形流管１４を通過する質量流
量、 Wpは曲り軸Ｗ−Ｗに関してのＵ字形流管１４
の振動の角速度、 Lpはコリオリ力が生ずる流さ、即ち、曲り軸Ｗ
−ＷからＵ字形流管１４の自由端へ至る距離であ
る。 この最後の関係を式２及び３へ代入して式１を
書き直すと、結果は Ｄ＝2LpSp 2（QpWp＋Qp′Wp′）／Kp （式４） となる。 ここで′を付したQp′及びWp′はＵ字形流管１
４′についての前記変数を表わす為に用いた。 上述の表式のいずれも実質的に瞬間の静力学的
解析に基いている。Ｄについて動力学的な一つの
表現をすれば次の様に書ける。 Ｄ＝L1（Wp＋Wp′）△ｔ ここでL1は曲り軸Ｗ−Ｗ又はW′−W′からコイ
ル４０と磁石４２とがある位置までの距離であ
り、前述の設計基準によつて両Ｕ字形流管１４，
１４′について相等しく、従つて単一の因子を用
いる。 Ｄは第２の側脚の組が各振動中面を通過するに
要する時間である。 ここでこの最後の関係と式４とを組み合わせて
次式を得る。 KpL1／2LpSp 2△ｔ＝QpWp＋Qp′Wp′／Wp＋Wp（式５） この最後の式の右辺は質量流量測定装置１０の
Ｕ字形流管１４と１４′の間の流体質量流量の差
及び軸Ｗ−ＷとW′−W′とを関する角速度の差に
対する依存性を簡単化しないで表わしたものとな
つている。何故なら、Qp＝Qp′且つWp＝Wp′なら
ば、上記式の右辺はQp、即ち軸Ｗ−ＷやW′−
W′に関しての角速度に依存せずに装置を通過す
る質量流量の半分を表わすように簡単化される。 最後の式の右辺を簡単化する為にＵ字形流管１
４，１４′についての通過質量流量の平均値Ｑと、
Ｕ字形流管１４，１４′が駆動される角速度の平
均値W1とが式に取り入れられる。この組み入れ
を実行する為に次に関係が使われる。 Qp＝Ｑ＋△Ｑ Qp′＝Ｑ−△Ｑ Wp＝W1−△W1 Wp′＝W1−△W1 ここで△Ｑ，△W1はＵ字形流管１４，１４′に
ついての平均値からの差を表わしている。これら
を式５へ代入して約分・整理すれば、 KpL1／2LpSp 2△ｔ＝Ｑ＋△Ｑ（△W1）／W1 （式６） を得る。 この式の右辺において、第１項ＱはＵ字形流管
１４又は１４′を通過する平均質量流量を表わし、
第２項△Ｑ（△W1／W1）は、Ｕ字形流管１４，
１４′の間に通過する質量流量と角速度に差異の
ある質量流量測定装置１０に関しての差を表わし
ている。この誤差は、これらＵ字形流管１４，１
４′を通過する質量流量の平均値からの差に軸Ｗ
−ＷとＷ−W′に関する角速度の平均値からの差
の比率を乗じたものである。明らかにこれらの差
△Ｑ又は△W1の一方が増大しても質量流量測定
装置１０の測定の不確かさに対する寄与は、一方
の増大項に他方の項が乗ぜられること及びこの△
Ｑと△W1との積は誤差項の絶対値を低減する平
均角速度で除されるということとによつて減ぜら
れたものとなる。例えば△Ｑの△Ｗのいずれか一
方がゼロならば質量流量測定における誤差はゼロ
となる。また△ＱがＱの値の1/10の大きさで△
W1／Ｗが10％であれば全体の誤差は装置１０を
通過する全質量流量の１％にすぎない。 最後に、装置１０を通過する流体の質量流量は
時間間隔△ｔを測定することによつて、実質的に
装置１０の設計値と△ｔとの積に関係した不変の
物理的定数の因子のみに比例した線型因子として
計算されることを式６を示している。 第１図及び第２図に示された構造の流量計が製
作され試験された。第１図に示された直線型接続
の流量計は下記の寸法で製作され、その質量流量
測定の精度を表１に示す。ここに示された精度は
ある決められた時間内にある量の流体を被試験流
量計を通して流し、その量の流体の重量を測ると
いう手順に沿つた追跡可能な方法を用いて決定さ
れたものである。
【表】 第２図に示されたような計器は次に示す寸法を
有し、また表２に示された測定精度を有してい
た。
【表】 以上の本発明についての議論及び説明と描図は
本発明の好ましい具体例・実施例について行つ
た。しかしここで実際に述べられたことについて
は多くの変更や変形が可能であるということは当
業者によつて明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明による質量流量計の見取図、第
２図は本発明に従つた質量流量計の見取図であ
り、入口及び出口マンフオールドについて異なつ
た構造を示している。第３図は第１図及び第２図
に示した質量流量計の端部を簡単化して表わした
もので、それらが振動の各中面に近付く場合の２
つのＵ字形流管の方向が示されている。 １０……質量流量測定装置、１４，１４′……
Ｕ字形流管、１６，１６′……支持体、２０，２
６……マニフオールド、２４，３０……端部プレ
ート、３２，３４……フランジ、３６，３８……
入口、４４，４６……出口、４０……コイル、４
２……磁石。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 流体の質量流量を測定する為の装置であつ
    て、 (A) １つの入口マニフオールドと１つの出口マニ
    フオールドを含み； (B) ２つのＵ字形流管を含み、これらＵ字形流管
    は () 圧力感応型ジヨイントを具備しておら
    ず、 () 前記Ｕ字形流管の開放端の位置で前記入
    口マニフオールド及び前記出口マニフオール
    ドに実質的に平行関係で流体に対して密に取
    付固定されており、 () 前記入口マニフオールド及び前記出口マ
    ニフオールドから片持ばり形に延びており、 () その各々が、前記Ｕ字形流管の側脚と同
    一平面内にあり且つそれらと垂直な位置にあ
    ると共に前記取付固定端の近傍に位置した１
    つの曲り軸と、前記Ｕ字形流管の側脚と同一
    平面内に位置すると共に前記側脚間の実質的
    に中央にありそれら側脚と実質的に平行関係
    にあり更に前記曲り軸と垂直な１つのねじれ
    軸とを有し、 () 前記曲り軸に関して実質的に相等しい慣
    性モーメントと実質的に相等しいばね定数と
    を有すると共に前記ねじれ軸に関して実質的
    に相等しい慣性モーメントと実質的に相等し
    いばね定数とを有しており、 () 前記ねじれ軸に関して１つの共振振動数
    を有し、この共振振動数は前記曲り軸に関す
    る共振振動数及び前記曲り軸に関する共振振
    動数の奇数倍音のいずれとも異なつたものと
    なつていること、 (C) 流体が前記Ｕ字形流管を通つて実質的に平行
    関係で流れるように、一部は前記入口マニフオ
    ールドによつて形成された１つの入口プレナム
    から実質的に等量の流体を前記各Ｕ字形流管へ
    流入される為の手段を含み、 (D) 一部は前記出口マニフオールドによつて形成
    された１つの出口プレナムを通して両Ｕ字形流
    管から流体を流出させる為の手段を含み、 (E) 前記Ｕ字形流管を前記曲り軸に関する共振振
    動数で正弦的に１つの音叉の先歯として駆動す
    る為に前記Ｕ字形流管に取り付けられた手段を
    含み、 (F) コリオリ力による前記ねじれ軸に関する偏向
    によつて引き起こされる、振動の各中面を通つ
    ての前記各Ｕ字形流管の第１の側脚の通過とそ
    の後で振動の各中面を通過する第２の側脚の通
    過との間の時間間隔を測定する為の手段を含
    む、 ことを特徴とする前記両Ｕ字形流管を通る全質量
    流量が前記の測定された時間間隔の大きさから決
    定される前記装置。 ２ 特許請求の範囲の第１項に記載された装置に
    おいて、前記曲り軸に関する共振振動数が前記ね
    じれ軸に関する共振振動数よりも低い前記装置。 ３ 特許請求の範囲の第１項に記載された装置に
    おいて、隣接するＵ字形流管の前記側脚に支持体
    が前記入口マニフオールドから最短距離にあると
    共に各前記Ｕ字形流管の外径の３倍だけ出口マニ
    フオールドから離れた位置で取付固定され、これ
    により前記入口、出口各マニフオールド及び前記
    支持体との組み合せが前記Ｕ字形流管の為の１つ
    の片持マウントを与える前記装置。 ４ 特許請求の範囲の第１項に記載された装置に
    おいて、前記両Ｕ字形流管が実質的に相等しく均
    一な内部断面積を有し、流体の収容に対して実質
    的に相等しい体積を有している前記装置。 ５ 特許請求の範囲の第１項に記載された装置に
    おいて、Ｕ字形流管が流体供給管からの流体流の
    断面形状（プロフイール）に関して対称となる位
    置で前記入口マニフオールド上にある前記装置。 ６ 特許請求の範囲の第１項に記載された装置に
    おいて、前記入口プレナムは前記Ｕ字形流管への
    前記入口に関して対称な境界を有しており、前記
    入口プレナムは前記Ｕ字形流管への前記入口が位
    置している領域中に実質的に均一な流体圧を生成
    するに十分な大きさを有している前記装置。 ７ 特許請求の範囲の第１項に記載された装置に
    おいて、前記出口プレナムが前記Ｕ字形流管から
    の出口に関して対称な境界を有しており、前記出
    口プレナムは前記Ｕ字形流管から流出する流体に
    よつて生成される流体圧差分を相等しくすること
    ができるに十分な大きさを有し、これにより相等
    しい背圧が前記Ｕ字形流管出口が位置する領域内
    に存在するようにされている前記装置。 ８ 特許請求の範囲の第１項に記載された装置に
    おいて、前記時間間隔を測定する為の手段が前記
    Ｕ字形流管の振動の1/2サイクルの被測定時間間
    隔を前記Ｕ字形流管の振動の残りの1/2サイクル
    の被測定時間間隔から差し引き、これにより被測
    定差引時間間隔の間の差が両Ｕ字形流管を通つて
    の全質量流量に正比例するようにされている前記
    装置。 ９ コリオリ力の生成によつて質量流量を測定す
    る為の方法において、 (A) １つの入口プレナムを通して前記流体を流
    し、更に２本の弾性Ｕ字形流管を通して平行に
    実質的に等量の前記流体を流すことを含み、こ
    の際前記Ｕ字形流管は入口プレナム及び出口プ
    レナムに各開放端で取付固定されそれによつて
    両Ｕ字形流管は前記取付固定端近傍にあると共
    に前記Ｕ字形流管の側脚と同一平面で且つこれ
    に垂直な各曲り軸に関して実質的に相等しい共
    振振動数を持つようにされており、 (B) 前記曲り軸に関する前記共振振動数で前記Ｕ
    字形流管を正弦的に駆動することを含み、この
    際前記共振振動数は前記曲り軸に対して垂直で
    あり前記Ｕ字形流管と同一平面内に位置すると
    共に前記両Ｕ字形流管の側脚と実質的に平行で
    ありそれら側脚間の中央にあるねじれ軸に関す
    る共振振動数とは異なるものとなつており、 (C) コリオリ力による前記ねじれ軸に関する偏向
    によつて引き起こされる、振動の各中面を通つ
    ての前記各Ｕ字形流管の第１の側脚の通過とそ
    の後で振動の各中面を通過する第２の側脚の通
    過との間の時間間隔を測定することを含み； これにより前記流体の質量流量が被測定時間間
    隔の１つの直接の関数となるようにしたことを特
    徴とする前記方法。 １０ 特許請求の範囲の第９項に記載された流体
    の質量流量を測定する為の方法において、前記Ｕ
    字形流管の振動の1/2サイクルの被測定時間間隔
    を前記Ｕ字形流管の振動の残りの1/2サイクルの
    被測定時間間隔から差し引き、これにより被測定
    差引時間間隔の差が両Ｕ字形流管を通つての全質
    量流量に正比例するようにされる前記方法。
JP58188281A 1982-11-03 1983-10-07 平行路コリオリ力質量流量計 Granted JPS5992314A (ja)

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