JPH05196488A - コリオリ流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 測定流体の温度・圧力等の測定条件による精
度影響を小さくし、感度を向上させる。 【構成】 円筒状の筐体１の両端面に支持部材２を固着
し、該支持部材２に弾性限界内の応力で直管を曲げて支
持部材２に両端を固着して振動管３を形成する。該セン
サーシューブ３の中央に振動管３の面に対して垂直な方
向に加振する励振器４を設け、振動管３に流通する測定
流体によるコリオリの力を励振器４と支持台２との間に
設けられたセンサ５と６の位相差信号として検知する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【技術分野】本発明はコリオリの原理に基づいた質量流
量計に関し、より詳細には、流体を流通してコリオリの
力を発生させる振動管を僅かに湾曲させた直管方式のコ
リオリ流量計に関する。

【０００２】

【従来技術】被側流体の流通する流管の一端又は両端を
支持し、該支持点回りに流管を該流管の流れ方向と垂直
な方向に振動したとき、該流管（振動管）に作用するコ
リオリの力が質量流量に比例することを利用した質量流
量計（コリオリ流量計）は周知である。これらのコリオ
リ流量計における振動管は要部をなすもので、流量計の
特性を決定づけるものである。振動管としての形状は湾
曲管と直管とに大別される。湾曲管方式のものはコリオ
リの力を有効に取り出すための形状を選択できる点で高
感度の質量流量検出ができるが、形状が大きくなるとい
う短所がある。これに対して、直管方式のものは振動管
は流れ方向に配設されるので、形状は小さくなるが感度
が低く、ＳＮ比が低下するので外乱に対してより配慮し
なければならない短所がある。

【０００３】本発明に関連した公知文献として、特開昭
６２−２３８４１９号公報における「流れを連続的に測
定するための装置および方法」がある。これは、平行に
配設された直管を振動管としたコリオリ流量計に関する
ものであり、以下に説明する。

【０００４】図９は、従来の直管式のコリオリ流量計を
説明するための図で、図中、５０，５５は支持部材、５
１，５６はフランジ、５２，５７は流入出口、５３，５
４，５８，５９は分岐管、６０ａ，６０ｂは振動管、６
１は励振器、６２，６３は検出器、６４は変換器であ
る。

【０００５】図９において、支持部材５０と５５とは左
右対称形で、各々流入口５２、流出口５７に連通した分
岐管５３と５４および５８と５９とを有し、分岐管５３
と５８および５４と５９との間には同寸の直管である振
動管６０ａと６０ｂとが互いに平行して連通し固着支持
されている。該振動管６０ａと６０ｂとの中央部にはコ
イル６１ａとコアー６１ｂとからなる励振器６１が設け
られ、コイル６１ａは振動管６０ａ側に、コアー６１ｂ
は振動管６０ｂ側に、各々コアー６１ｂがコイル６１ａ
の中央に挿入されるように配設され、更に、振動管６０
ａと６０ｂにおける励振器６１と支持部材５０と５５と
の支持点の間には、磁石６３ａとコイル６３ｂとからな
る検出器６３と、磁石６２ａとコイル６２ｂとからなる
検出器６２とが配設されている。これら検出器６２と６
３および励振器６１は変換器６４に接続されている。

【０００６】図９に示したコリオリ流量計は、まず、変
換器６４により励振器６１のコイル６１が駆動され、検
出器６２又は６３の何れかの検出コイルに出力する検出
電圧を変換器６４にポジティブフィードバックする閉路
を形成してコイル６１ａがコアー６１ｂを吸引反撥する
ように一定振幅に制御され、振動管６０ａと６０ｂとは
反射位相で加振される。加振により流体が流通する振動
管６０ａと６０ｂとは、支持点に対して互いに反対の回
転方向の駆動を受けるので、検出器６３と６２とには励
振による振動検出信号と前記回転角速度と質量流量のベ
クトル積に比例したコリオリの力が重畳され、コリオリ
の力は反対位相であるから、検出器６２と６３との間に
はコリオリの力に比例する位相差信号が検出され、変換
器６４により質量流量に変換出力される。

【０００７】上述の従来のコリオリ流量計は振動管６０
ａと６０ｂとが直管であり、各々は支持部材５０と５５
とにより平行に支持されている。更に、支持部材５０と
５５とはフランジ５１と５６とにより流管に接続され
る。従って振動管６０ａおよび６０ｂには軸方向に張力
又は圧縮力が作用している。一方、振動管６０ａ，６０
ｂには測定流体が等流量に分流しており、質量流量を検
知するために中央部で励振器６１により加振される。こ
の結果、支持部材５０と５５とには加振周波数の２倍の
周波数の引張応力が作用する。しかし、測定流体は、目
的に応じて温度や圧力条件が異なるので振動管６０ａ，
６０ｂには軸方向、管壁面方向に応力が作用している。
これらの力は、振動管６０ａ，６０ｂの固有振動数を変
化させる要因となる。質量流量は駆動周波数に比例する
量であるから振動管の固有振動数の変化は誤差要因とな
る。また、両端支持された直管の曲げ剛性が大きいので
コリオリの力による直管の変形も小さく従って感度が低
いという問題があった。

【０００８】

【目的】本発明は、上述のごとき実情に鑑みてなされた
もので、測定流体の条件により、測定精度に影響を受け
ることなく、高感度で質量流量を計測できるコリオリ流
量計を提供することを目的としてなされたものである。

【０００９】

【構成】本発明は、上記目的を達成するために、（１）
端面を有する筒状体と、測定流体を流通する直管を弾性
限界内で湾曲し前記筒状体内で両端面部で支持された振
動管と、該振動管の中央部で長手方向と垂直な方向に振
動させる駆動手段と、該駆動手段と両端部との間に設け
られた振動管のコリオリの力による位相差を検知するセ
ンサとで構成したこと、或いは、（２）端面を有する筒
状体内の両端面で長さが等しく同じ曲率半径で曲率半径
を同一方向にして湾曲した２本の振動管を平行に配設支
持し、各々の振動管を中央部で近接離間するように駆動
する駆動手段と各々の振動管の該駆動手段と支持部との
間に配設され、コリオリの力による位相差を検知するセ
ンサとで構成したこと、更には、（３）前記（２）にお
いて、２本の振動管を曲率中心が振動管の長手方向に垂
直な対称面上になるように平行に配設したこと、更に
は、（４）前記（２）において、２本の振動管の駆動手
段と支持位置に間における対称位置に各々対をなして配
設された光ファイバーの支持台と、該支持台の同一線上
に対向して配設され投光、受光の光ケーブルと、投光用
ケーブルに送光するレーザ光線と、レーザ光と一方の受
光用ケーブルからのレーザ光との干渉縞の数から振動管
の駆動周波数と振幅を検知する振動検出手段と、双方の
受光用光ケーブルの干渉縞からコリオリの力を検知する
質量流量検出手段とから構成したこと、更には、（５）
前記（４）において、前記受光用ケーブルの支持台に光
反射体を配設し、該光反射体で反射されたレーザ光を投
光用ケーブルを介して受光すること、更には、（６）前
記（２）において、投光用光ケーブルの支持台の設けら
れた凸面鏡と、受光用光ケーブルの支持台に設けられた
凹面鏡とを有し、投光用光ケーブルからのレーザ光を凸
面鏡と凹面鏡とを介して受光用光ケーブルに伝送するこ
と、更には、（７）前記（２）において、投光用光ケー
ブルの支持台の近傍で受光用光ケーブル側軸上に凹レン
ズを設けたことを特徴としてなされたものである。以
下、本発明の実施例に基づいて説明する。

【００１０】図１は、本発明のコリオリ流量計における
基本構造を説明するための図で、図１（ａ）は断面図、
図１（ｂ）は平面図であり、図中、１は筐体、２は支持
部材、３は振動管、４は励振器、５，６は検出器であ
る。

【００１１】図示において、筐体１は、例えば、円筒体
で、該筐体１の両端部には支持部材２，２が固着され
る。支持部材２，２には僅かに湾曲した振動管３の両端
部が貫通固着される。このため、支持部材２，２には、
振動管３の両端部の傾斜と等しい角度をもって貫通する
透孔２ａが設けられている。振動管３は直管の両端部を
支持部材２の透孔２ａ内に挿入し、更に支持部材２，２
間で軸と垂直方向に直管の弾性限内の応力で曲げた状態
で筐体１に固着したものである。振動管３の長手方向の
中央部には励振器４が装着され、該励振器４と両支持部
材２との間には検出器５，６が設けられている。

【００１２】励振器４は、例えば、コイル４ａとコアー
４ｂとからなり、コアー４ｂをコイル４ａ内に挿入しコ
イルを発振器（図示せず）に接続して定振幅の正弦波信
号で駆動する。該正弦波信号は両端固定した振動管３内
に流体が流入した状態での固有振動数を選ぶことにより
効率よく励振できる。検出器５と６とは同一原理構造の
もので、例えば、コイル５ａと磁石５ｂとを対向して配
設し、振動管３に固定された磁石５ｂの振動に伴ってコ
イル５ａに生ずる正弦波信号を検出する。

【００１３】コリオリ流量計は振動管３を励振器４によ
り単振駆動することにより振動管３の検出器５，６間に
測定流体の質量流量と励振周波数とのベクトル積に比例
した反対向きの等しいコリオリの力が発生する。該コリ
オリの力は検出器５と６との位相差信号として検出され
る。このとき、振動管３は予め湾曲されているので、振
動管３が温度、圧力変化により軸方向の内部応力を受け
たとしても湾曲方向に変形するだけであるから、固有振
動数の変化は少く温度、圧力の影響を小さくすることが
できる。

【００１４】図２（ａ）,（ｂ）,（ｃ）は、本発明のコ
リオリ流量計における他の実施例を説明するための図
で、図２（ａ）は原理説明のための側断面図、図２
（ｂ）は矢視Ａ−Ａ線断面図、図２（ｃ）は矢視Ｂ−Ｂ
線断面図であり、図中、７，８は振動管（湾曲管）、
９，１０は光ケーブル支持台、１１はレーザー光源、１
２，１３，１４は半透明鏡（以後、ハーフミラーと呼
ぶ）、１５は遮蔽板（以後、シールド板と呼ぶ）、１６
はレンズ、１７，１８は光検出器、１９，２０，２１，
２２は光ケーブル、２３は光コネクタであり、図１と同
じ作用をする部分には図１と同一の番号を付している。

【００１５】図２（ａ）に示すごとく、コリオリ流量計
は、同じ寸法で等しい曲率半径で湾曲された湾曲管７，
８を筐体１内に支持部材２，２を介して湾曲面が平行で
各々の曲率中心が同一方向で湾曲面に垂直な軸上にある
ように配設したもので、測定流体は矢印Ｑ方向に均等に
流入する。励振器４のコイル４ａとコアー４ｂとは湾曲
管７と８とに固着されて矢印Ｆ方向に互いに近接・反撥
するように駆動される。各々の光ケーブル支持台９，１
０は各々光ケーブル支持台９ａと９ｂを対とし、光ケー
ブル支持台１０ａと１０ｂとを他の対とし、光ケーブル
１９，２１および２０，２２を光送受可能に対向して湾
曲管７と８とに固着されている。光ケーブル１９〜２２
は単一モード光ファイバであり、筐体１の透孔１ａを貫
通して筐体外の光コネクタ２３に接続されている。

【００１６】レーザ光源１１は、Ｈｅ−Ｎｅ（ヘリユー
ム・ネオン）レーザー等の単一周波数のコヒーレント光
を放射し、ハーフミラー１２で反射したコヒーレント光
は同時に光ケーブル１９，２０に分離されて送光され
る。光ケーブル１９側のレーザー光は光ケーブル支持台
９ａと９ｂとの間を空間伝播して光ケーブル２１に伝送
されハーフミラー１４を透光したレーザー光はレンズ１
６に入射する。このときハーフミラー１４で反射された
レーザー光はシールド板１５で遮光される。

【００１７】また、光ファイバー２０側のレーザー光は
光ケーブル支持台１０ａと１０ｂとの間を空間伝播して
光ファイバー２２に伝送されハーフミラー１４を透光し
たレーザー光はレンズ１６に入射しする。そして光ケー
ブル２１からのレーザー光と光干渉して検出位置におけ
る位相変位差に比例した単位時間当りの数の干渉縞の明
暗を光検出器１８で電気変換して湾曲管７と８とのコリ
オリの力に応じた電気信号が得られる。光ケーブル２２
からのレーザー光でハーフミラー１４に反射された反射
レーザー光は、再びハーフミラー１３で反射され、該反
射レーザー光は、ハーフミラー１２，１３を透過したレ
ーザー光と光干渉して干渉縞を形成し湾曲管７，８の振
幅と固有振動数とが光検出器１７により検知される。

【００１８】上述の振動管７，８の振幅と固有振動数の
光検出方式を図に基づいて説明する。図３（ａ），
（ｂ）は振動管の振幅と固有振動数を検出する原理説明
図である。図（ａ）に示すごとく光ファイバー支持台１
０ａと１０ｂとの位置における振動管７と８の振動は斜
線Ａ，Ｂと点線〔Ａ〕〔Ｂ〕で示すように各々振幅ａ，
ｂをもって吸引、反撥が繰返される。この振動に従っ
て、光ケーブル支持台１０ａと１０ｂとの間のレーザー
光の空間伝播距離が変化する。空間距離の変化速度は、
励振に従って図（ｂ）のＳに示したように正弦波状に変
化する。この変化速度は、単位時間当りの変位量である
から、レーザー光源１１からのレーザー光と干渉して速
度に比例した密度をもった干渉縞が光検出器１７に入射
される。即ち、中間点Ｐでは最高速度で干渉縞の密度も
最大となり、Ａ，Ｂの折返し点では最低速度で干渉縞密
度は最小となる。これを電気変換したパルスＣのパルス
幅変換信号から折り返点Ａ，Ｂを検知して１振幅当りの
時間、すなわち周波数が検知される。

【００１９】また、パルスＣに基づいて算出された周振
動数で１秒間に発生した干渉縞の数（パルスＣの数）を
除算することにより湾曲管８，９の振動振幅の大きさが
算出される。この振幅信号は振幅制御信号として利用さ
れる。

【００２０】一方、光ケーブル２１，２２からハーフミ
ラー１４を透過したレーザー光は、湾曲管８，９の光ケ
ーブル支持台９，１０における空間伝播距離差による干
渉縞となり、レンズ１６を介して光検出器１８に入射し
て干渉縞に比例した電気信号パルスとして検出される。
このパルス信号は湾曲管８，９に流通する流体に作用す
るコリオリの力に基づく位相差信号であるから、例え
ば、１周期当りのパルスの数として質量流量を求めるこ
とができる。

【００２１】上述において光ケーブル１９，２２と２
０，２１とは光ケーブル支持台９，１０に固着され各々
の光ケーブルを対として出射光と入射光とが同一線上と
なるように配設したものであるが、光ケーブルの径は数
１０μｍであるから同一光量となるように対向させるこ
とは困難である。

【００２２】図４（ａ），（ｂ）は、本発明におけるコ
リオリ流量計の光センサの構造を説明するための図で、
図４（ａ）は反射光を用いた方式、図４（ｂ）は透過光
を用いた方式であり、図中、９ｃ，９ｄは支持板、３０
ａは凸面鏡、３０ｂは凹面鏡、３０ｃは凹面レンズで、
図３と同じ作用をする部分には図３と同一の参照番号を
付している。

【００２３】図４（ａ）においては、光ケーブル支持台
９ａには凸面鏡３０ａが、光ケーブル支持台９ｂには凹
面鏡３０ｂが各々４５°の逆傾斜をもって対向するよう
に設けられている。また光ケーブル支持台９ａと９ｂと
には各々支持板９ｃと９ｄとが一体に配設され各々光ケ
ーブル２１と１９とを互いに平行に凸面鏡３０ａと凹面
鏡３０ｂとに支持し、光ケーブル２１から出射したレー
ザー光が凸面鏡３０ａで反射して凹面鏡３０ｂに伝播
し、反射光が光ケーブル１９に入射するようにしてい
る。この光路によると凸面鏡３０ａの散乱角により散乱
されたレーザー光は凹面鏡３０ｂで集合され集光角を選
ぶことにより組立精度範囲の集光が可能となる。

【００２４】図４（ｂ）においては、光ケーブル１９と
２１は対向して配設されているが、送光側の光ケーブル
１９の支持台９ｂの光路上に凹レンズ３０ｃを設けるこ
とにより送光されたレーザー光は散乱され、散乱光は受
光側の光ケーブル２１に所定面積に拡大されて入射され
るので、多少の取付位置精度が低下しても正しく受光で
きる。また、図４（ａ），（ｂ）において光ケーブル１
９，２１は各々支持台９ａ，９ｂに固着することにより
湾曲管７と８とに固定されたが、筐体１に固着しておく
と光ケーブルは振動されずに保持にも都合がよい。

【００２５】図５は、本発明における質量流量計１２の
光検出の他の実施を説明するための図で、図中、２４，
２５，２６はハーフミラー、２７は反射鏡ミラー、２
８，２９は光ケーブル、３０，３１は反射体で、図２と
同じ作用する部分には図２と同一の番号を付している。

【００２６】図示の光検出方式は、送受光の光ケーブル
を一本で行う方式のものである。レーザー光源１１から
発射されたレーザー光は、ハーフミラー２４，２５を透
過して、透過したレーザー光は光ケーブル２８と２９と
に分岐されて、各々光ケーブル支持台１０ａ，９ａの位
置から空間伝播されて鏡、プリズム等の反射体３０，３
１により反射され各々の光ケーブル２８と２９を伝送さ
れハーフミラー２５に達する。ハーフミラー２５で反射
された流出側の光ケーブル２８を伝送されたレーザー光
はシールド板１５により遮断されるが、流入側の光ケー
ブル２９からのレーザー反射光は、ミラー２７とハーフ
ミラー２６とを通過してレーザー光源１１からのレーザ
ー光とで干渉縞を形成し、該干渉縞を光検知器１７によ
り電気信号に変換し、該電気信号から振動管７，８の振
動数及び振幅を検知する。また、ハーフミラー２５と２
４を透過した光ケーブル２８，２９からのレーザー光は
レンズ１６を介して質量流量に応じた干渉縞の明暗光を
作り、該明暗光を光検出器１８により電気信号に変換
し、該電気信号から振動管７，８間の位相差に応じた質
量流量を検知する。

【００２７】以上の説明において、振動管７，８は曲率
半径が同一方向で平行の場合について述べたが、他の組
合せの配置があり、以下に述べる。図６（ａ）,（ｂ）,
（ｃ）、図７（ａ）,（ｂ）,（ｃ）,（ｄ）、図８
（ａ）,（ｂ）,（ｃ）,（ｄ）は、本発明におけるコリ
オリ流量計の他の実施例を示す図で、図中、図（ａ）は
側断面図、図（ｂ）は（ａ）図の矢視Ｂ−Ｂ線図、
（ｃ）,（ｄ）は振動方向を示し、図２と同じ作用をす
る部分には図２と同一の参照番号を付している。図６
（ａ）では、振動管７と８はチューブ面が平行で振動管
７，８の曲率中心は振動管７と８の中心が重なり、両端
が離間するような対称な位置にある。従って、励振器４
は紙面に垂直な直線上にあり、図６（ｃ）のようにこの
直線上で振動する。図７（ａ）では、振動管７，８は同
一面上に互いに離間して配設され、曲率中心は振動管７
と８との対称軸に対して中心が近傍するように同一側の
互いに対称な位置にあり、振動は図７（ｃ）に示す同一
面上、図７（ｄ）に示す相対的に別平面上で逆方向であ
る。図８（ａ）では、振動管７，８は同一面上に互いに
離間して配設され、曲率中心は振動管７，８の両端が近
接し中央が離間するような形で対称位置にあり、振動は
図８（ｃ）に示すように同一面上、図８（ｄ）に示すよ
うな別平面で逆方向の振動がある。

【００２８】なお、振動管７，８のコリオリの力による
位相差を、レーザー光を用いた干渉縞の数により求めた
が、可干渉光に限らず、単に光量の変化として、又は、
他の電磁的手段等を用いてもよい。

【００２９】

【効果】以上の説明から明らかなように、 （１）振動管の曲げカーブが自由に選択でき、しかも、
曲率半径は大きいので曲げ精度を高くすることができ、
特性の揃った流量計ができる。 （２）振動管は、曲げてあるので熱変化、圧力変化に対
しての変形は定められた方向に発生し、安定するのでこ
れらの影響は小さく、しかも補償し易い。 （３）振動管の有効スパンが長くなるので直管の場合に
比し感度は良くなる。 （４）レーザー光で検出するので、励振器による電磁的
ノイズ影響を低減できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明のコリオリ流量計における基本構造を
説明するための図である。

【図２】 本発明のコリオリ流量計における他の実施例
を説明するための図である。

【図３】 振動管の振幅と固有振動数を検出する原理説
明図である。

【図４】 本発明におけるコリオリ流量計の光センサの
構造を説明するための図である。

【図５】 本発明における質量流量計１２の光検出の他
の実施を説明するための図である。

【図６】 本発明におけるコリオリ流量計の他の実施例
を示す図である。

【図７】 本発明におけるコリオリ流量計の他の実施例
を示す図である。

【図８】 本発明におけるコリオリ流量計の他の実施例
を示す図である。

【図９】 従来の直管式のコリオリ流量計を説明するた
めの図である。

【符号の説明】

１…筐体、２…支持部材、３…振動管、４…励振器、
５，６…検出器、９，１０…光ケーブル支持台、１１…
レーザー光源、１２，１３，１４…半透明鏡（以後、ハ
ーフミラーと呼ぶ）、１５…遮蔽板（以後、シールド板
と呼ぶ）、１６…レンズ、１７，１８…光検出器、１
９，２０，２１，２２…光ケーブル、２３…光コネク
タ。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 端面を有する筒状体と、測定流体を流通
   する直管を弾性限界内で湾曲し前記筒状体内で両端面部
   で支持された振動管と、該振動管の中央部で長手方向と
   垂直な方向に振動させる駆動手段と、該駆動手段と両端
   部との間に設けられた振動管のコリオリの力による位相
   差を検知するセンサとで構成したことを特徴とするコリ
   オリ流量計。
2. 【請求項２】 端面を有する筒状体内の両端面で長さが
   等しく同じ曲率半径で曲率半径を同一方向にして湾曲し
   た２本の振動管を平行に配設支持し、各々の振動管を中
   央部で近接離間するように駆動する駆動手段と各々の振
   動管の該駆動手段と支持部との間に配設され、コリオリ
   の力による位相差を検知するセンサとで構成したことを
   特徴とするコリオリ流量計。
3. 【請求項３】 ２本の振動管を曲率中心が振動管の長手
   方向に垂直な対称面上になるように平行に配設したこと
   を特徴とする請求項２記載のコリオリ流量計。
4. 【請求項４】 ２本の振動管の駆動手段と支持位置の間
   における対称位置に各々対をなして配設された光ファイ
   バーの支持台と、該支持台の同一線上に対向して配設さ
   れ投光、受光の光ケーブルと、投光用ケーブルに送光す
   るレーザ光線と、レーザ光と一方の受光用ケーブルから
   のレーザ光との干渉縞から振動管の駆動周波数と振幅を
   検知する振動検出手段と、双方の受光用光ケーブルの干
   渉縞の数からコリオリの力を検知する質量流量検出手段
   とから構成したことを特徴とする請求項２記載のコリオ
   リ流量計。
5. 【請求項５】 前記受光用ケーブルの支持台に光反射体
   を配設し、該光反射体で反射されたレーザ光を投光用ケ
   ーブルを介して受光することを特徴とした請求項４記載
   のコリオリ流量計。
6. 【請求項６】 投光用光ケーブルの支持台の設けられた
   凸面鏡と、受光用光ケーブルの支持台に設けられた凹面
   鏡とを有し、投光用光ケーブルからのレーザ光を凸面鏡
   と凹面鏡とを介して受光用光ケーブルに伝送することを
   特徴とする請求項２記載のコリオリ流量計。
7. 【請求項７】 投光用光ケーブルの支持台の近傍で受光
   用光ケーブル側軸上に凹レンズを設けたことを特徴とす
   る請求項２記載のコリオリ流量計。