JPH0625687B2 - 質量流量計 - Google Patents

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、特に被測流体の質量流量を
直接計測する構成とされ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。従来、被測流体
の質量流量を計測する質量流量計としては、例えば被測
流体の体積流量を計測しこの計測値を質量に換算するい
わゆる間接型質量流量計と、間接型質量流量計よりも誤
差が小さく被測流体の質量流量を直接計測するいわゆる
直接型質量流量計とがある。この種の質量流量計では特
に流量をより高精度に計測できる直接型質量流量計とし
て各々異なった原理に基づいた種々の流量計が提案され
つつある。また、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。

また、このコリオリ力を利用する質量流量計としては、
例えば第１１図に示すものが考えられている。

第１１図中、質量流量計１は一対のセンサチューブ２，
３がマニホールド４に組付けられてなる。マニホールド
４は主配管としての流入管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と、流出路６に接続さ
れた流出路（共に図示せず）とを有する。

上側のセンサチューブ２は、マニホールド４内の流入路
に接続され、主配管の長手方向に延在する直管部２ａ
と、マニホールド４内の流出路に接続され、直管部２ａ
と平行に延在する直管部２ｂと、直管部２ａ，２ｂの先
端で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、下側のセンサチューブ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が主配管として
の流出管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と上，下対称に配設されている。第１２
図に示す如く、センサチューブ２，３の接続部２ｅ，３
ｅは流出管６より起立するブラケット８ａ，８ｂにろう
付け等により固定されている。一対のセンサチューブ
２，３の直管部２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂは支持板７を貫
通し、支持板７にろう付けで固定されている。又、流入
側の直管部２ａと３ａとの間、及び流出側の直管部２ｂ
と３ｂとの間にはピックアップ９，１０が配設されてい
る。

１１，１２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。

センサチューブ２，３は加振器１１，１２により加振さ
れ、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振動
する。

従って、振動するセンサチューブ２，３内を流体が通過
すると、コリオリの力が発生し直管部２ａ，２ｂ，３
ａ，３ｂにコリオリ力により変位が生ずる。一対のセン
サチューブ２，３は夫々 180゜の位相差でもって加振さ
れており、例えば上側のセンサチューブ２の直管部２
ａ，２ｂ間が離間するとき、下側のセンサチューブ３の
直管部３ａ，３ｂ間が近接する。

ピックアップ９，１０は夫々上記の如く振動するセンサ
チューブ２，３の相対的な変位を検出する。そして、ピ
ックアップ９，１０の出力信号に基づき、センサチュー
ブ２，３内を流れる流体の質量流量が求まる。

発明が解決しようとする課題 上記質量流量計において、一方のセンサチューブ２につ
いて考えてみると直管部２ａ，２ｂが支持板７に固定さ
れ接続部２ｅがブラケット８ａにより流出管６に固定さ
れているため、センサチューブ２の直管部２ａ，２ｂは
支持板７を支点として矢印Ｘ方向に揺動しやすく、曲部
２ｃ，２ｄはブラケット８ａを支点として矢印Ｘ方向に
揺動しやすい。従って、流量計測時においては、前述の
如く、センサチューブ２の直管部２ａ，２ｂを近接又は
離間方向に振動させる際、例えば流入管５あるいは流出
管６の配管振動等により上記の如く固定された３点を支
点として直管部２ａ，２ｂが平行なまま矢印Ｘ方向（水
平方向）に揺動しようとする振動が発生しやすいといっ
た課題がある。そのため、センサチューブ２においては
流入側の直管部２ａと流出側の直管部２ｂとの振幅に差
が生じてしまい、コリオリ力の大きさにも差が生じてし
まう。この現象は下側のセンサチューブ３においても同
様に発生する。

さらに、上記質量流量計１では、加振器１１によりセン
サチューブ２の直管部２ａ，２ｂを夫々近接又は離間方
向に駆動するとき、曲部２ｃ，２ｄが捩じられて各直管
部２ａ，２ｂの振動が許容される。その際曲部２ｃ，２
ｄを捩る力により接続部２ｅを上，下動させようとする
力が作用するが、接続部２ｅが流出管６に固定されてい
るので、第１３図に示す如くその反力により直管部２
ａ，２ｂが励振方向と直交する上，下方向（矢印Ｙ方
向）に振動してしまう。即ち、直管部２ａ，２ｂを離間
させると接続部２ｅは下動し、直管部２ａ，２ｂを近接
させると接続部２ｅは上動する。又、下側のセンサチュ
ーブ３でも上記と同様な現象が発生する。そのため、上
記質量流量計１では直管部２ａと３ａ，２ｂと３ｂとの
間に設けられたピックアップ９，１０の出力信号の時間
差（位相差出力）にふらつきが発生し、流量がゼロのと
きでも位相差出力が発生してしまうので流量があるもの
として誤検出してしまうといった課題がある。

又、上記質量流量計１では流出管６の振動がブラケット
８ａ，８ｂを介して直接センサチューブ２，３に伝達さ
れ、これにより器差特性が低下してしまうこともあると
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 本発明は上記質量流量計において、一端が一方のセンサ
チューブの第１，第２の曲部の端部近傍の２点に固定さ
れ、他端が地方のセンサチューブの第１，第２の曲部の
端部近傍の２点に固定され、一端と他端とを主配管を避
けて接続してなる保持部材を一対のセンサチューブ間に
装架してなる。

作用 一対のセンサチューブの第１，第２の曲部の端部近傍の
２点を固定して第１，第２の曲部の強度を高めて第１，
第２の直管部が平行に揺動したり、励振方向と異な方向
に振動しないように保持することにより、ピックアップ
の出力信号のふらつき発生を無くすとともに、主配管の
振動がセンサチューブに伝達しないようにする。

実施例 第１図乃至第５図は本発明になる質量流量計の一実施例
を示す。

各図中、質量流量計２１は流入口２１ａ_１がその中心部
に開口する流入側フランジ２１ａと、流出口（図示せ
ず）が開口する流出側フランジ２１ｂとの間に、一対の
センサチューブ２２，２３（第２図に示す）が接続され
るマニホールド２４と、センサチューブ２２，２３を収
納し、これを保護する箱状のカバー２１ｃとが配設され
てなる。

上記カバー２１ｃの上面２１ｃ_１及び下面２１ｃ_２（第
１図中隠れて見えない）には被測流体の流れ方向を示す
矢印２１ｄ，２１ｅが設けられている。従って、質量流
量計２１を取付ける際は、矢印２１ｄ又は２１ｅを上に
して、流入側フランジ２１ａを上流側配管（図示せず）
に接続し、流出側フランジ２１ｂを下流側配管（図示せ
ず）に接続する。

第４図に示す如く、一対のセンサチューブ２２，２３は
マニホールド２４に組付けられており、マニホールド２
４は流入管２５と流出管２６との間に設けられ、流入管
２５に接続された流入管２４ａと、流出管２６に接続さ
れた流出管２４ｂとを有する。又、流入路２４ａには
左，右に分岐する接続口２４ａ_１，２４ａ_２に連通して
いる。

なお、流出路２４ｂも流入路２４ａと同様に分岐した接
続口２４ｂ_１，２４ｂ_２と連通している。又、マニホー
ルド２４の上面には質量流量計２１の出力信号を取り出
すためのコネクタ２４ｃが設けられている。

第２図に示す如く、一対のセンサチューブ２２，２３は
上記マニホールド２４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２２は、その基端を流入路２４ａ
の接続口２１ａ_１にろう付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２２ａと、基端を流出路２
４ｂの接続口２４ｂ_１に接続固定され、第１の直管部２
２ａと平行に延在する第２の直管部２２ｂと、第１，第
２の直管部２２ａ，２２ｂの先端より基端側へ折り返す
ように曲げられた曲部２２ｃ，２２ｄと、この曲部２２
ｃと２２ｄとを接続するＵ字状の接続部２２ｅよりな
る。

又、他方のセンサチューブ２３は上記センサチューブ２
２と同一形状に形成され、直管部２３ａ，２３ｂが流出
管２６及び直管部２２ａ，２２ｂと平行となるように流
出管２６を介してセンサチューブ２２と対称に配設され
ている。センサチューブ２２，２３の接続部２２ｅ，２
３ｅ間は保持部材２８により接続され交互に保持されて
いる。

第６図に示す如く、保持部材２８は、一方のセンサチュ
ーブ２を固定する第１の固定部２８ａと、他方のセンサ
チューブ３を固定する第２の固定部２８ｂと、流出管２
６の外径より大径な内径を有するリング部２８ｃと、第
１，第２の固定部２８ａ，２８ｂとリング部２８ｃとを
接続する接続部２８ｄ，２８ｅとよりなる。

センサチューブ２は第１の固定部２８ａを貫通してお
り、円弧状の接続部２２ｅと曲部２２ｃ，２２ｄとの接
続部分が固定部２８ａにろう付等により固定されてい
る。又、センサチューブ３も同様に第２の固定部２８ｂ
を貫通し、接続部２３ｅと曲部２２ｃ，２２ｄとの接続
部分が固定部２８ｂに固定されている。

又、センサチューブ２２の直管部２２ａ，２２ｂは支持
板２７を貫通し、支持板２７にろう付等により固定され
ており、センサチューブ２３の直管部２３ａ．２３ｂも
同様に支持板２７に貫通固定されている。

従って、センサチューブ２２においては支持板２７及び
保持部材２８により４点を支持されており、そのため、
曲部２２ｃ，２２ｄの矢印Ｙ方向の振動に対する強度が
向上している。又、流量計測時には後述する加振器３３
により励振されるセンサチューブ２２は、支持板２７及
び保持部材２８との固定部が支点となって直管部２２
ａ，２２ｂ，曲部２２ｃ，２２ｄが矢印Ｙ方向に振動す
る。よって、センサチューブ２２は矢印Ｙ方向の振動が
加えられても、上記４点支持により補強されているの
で、直管部２２ａ，２２ｂが平行なまま矢印Ｙ方向に振
動するといった現象が抑制される。即ち、センサチュー
ブ２２は外乱に対して安定な振動系を保持し、流入側と
流出側での振幅が異なりコリオリ力に差が出ることが防
止されている。

又、センサチューブ２３においても上記センサチューブ
２２と同様な特性を有している。

保持部材２８のリング部２８ｃは流出管２６に非接触に
設けられ、センサチューブ２２，２３に流出管２６から
の配管振動が伝達しないようにしている。又、上記一対
のセンサチューブ２２，２３においては、流入側の直管
部２２ａ，２３ａとの間、及び流出側の直管部２２ｂと
２３ｂとの間にはピックアップ２９，３０が配設されて
いる。従って、流出管２６を介して配管振動が後述する
ピックアップ２９，３０により検出され、その際出力信
号にふらつきが発生することが防止される。

なお、ピックアップ２９，３０は夫々同一構成であるの
で一方のピックアップ２９につき説明する。

第７図及び第８図中、ピックアップ２９はセンサチュー
ブ２２の直管部２２ａの途中より突出するブラケット３
１に保持されたコイル部２９ａと、コイル部２９ａに
左，右方向で対向するようにコ字状のブラケット３２に
設けられたマグネット２９ｂ，２９ｃとよりなる。な
お、ブラケット３２は横方向に延在し、センサチューブ
２３の直管部２３ａに接続されている。

従って、センサチューブ２２，２３が振動すると、直管
部２４ａに設けられたコイル部２９ａがマグネット２９
ｂ，２９ｃ間で矢印Ｘ方向に相対的に変位する。そのた
め、コイル部２９ａには直管部２２ａ，２３ａの相対変
位に応じた起電力が発生し、ピックアップ２９はコイル
部２９ａの電圧より直管部２３ａの変位を検出する。

３３，３４は加振器で、直管部２２ａと２２ｂとの先端
間，直管部２３ａと２３ｂとの先端間に設けられてい
る。

加振器３３は実質電磁ソレノイドと同様な構成であり、
流入側の直管部２２ａに取付けられたコイル部３３ａ
と、流出側の直管部２２ｂに取付けられ、コイル部３３
ａ内に嵌入するマグネット部３３ｂとよりなる。従っ
て、加振器３３はコイル部３３ａに通電されると、直管
部２２ａ，２２ｂを矢印Ｙ方向（上，下方向）に加振す
る。

尚、加振器３４は上記加振器３３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２１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２２，２３は上記加
振器３３，３４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２５よりマニホールド２４の流
入路２４ａに流入した被測流体は、分流してセンサチュ
ーブ２２，２３の下方の直管部２２ａ，２３ａに流入
し、曲部２２ｃ，２３ｃ、接続部２２ｅ，２３ｅ、曲部
２２ｄ，２３ｄを通過して上方の直管部２２ｂ，２３ｂ
に至り、マニホールド２４の流出路２４ｂで合流して流
出管２６より流出する。又、センサチューブ２２，２３
は加振器３３，３４により加振されているので、センサ
チューブ２２，２３のばね定数とセンサチューブ２２，
２３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。

上記のように振動するセンサチューブ２２，２３内を流
れる液体中に気体が混入しているとき、特に流速の遅い
微少流量を計測する場合、センサチューブ２２，２３内
に気体が滞留しやすくなる。しかるに、一対のセンサチ
ューブ２２と２３とは第２図に示す如く上下方向に起立
する垂直面を間に介して対称となるように水平方向に延
在して設けられているので、液体中に気体が混入してい
ても上方の直管部２２ｂ，２３ｂに気体が滞留しやすく
なる。従って、一対のセンサチューブ２２，２３は気体
滞留位置が略同一となるため、気体の滞留位置の相違に
より固有振動数がずれてしまうことが防止され、結果的
に気体滞留位置のずれにより出力信号が乱れてしまうこ
とが防止される。

まず、一対のセンサチューブ２２，２３のうち一方のセ
ンサチューブ２２の動作について説明する。

なお、直管部２２ａ，２２ｂ及び２３ａ，２３ｂは振動
する際、互いに離間する方向に弾性変形した後、直管部
２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂ自体の弾性復元力で互
いに近接する方向に変形する。

第９図に示す如く、直管部２２ａ，２２ｂは支持板２７
にろう付等により固定されているため、支持板２７の貫
通部分を支点として先端にいくほど矢印Ｘ方向に大きく
振動する。従って、直管部２２ａ，２２ｂでは上記振動
に伴って角速度ωの変形が生ずる。また、曲部２２ｃ，
２２ｄはＵ字状に曲げられているため、加振器３３が矢
印Ｘ方向の加振動作をしても曲部２２ｃ，２２ｅが保持
部材２８を支点として加振方向に撓み、直管部２２ａ，
２２ｂの先端側の変位を許容する。

上記の如く、振動するセンサチューブ２２内に流体が流
れると、流入側の直管部２２ａにおいてはその先端へい
くほど振幅が大きくなるため、流体の矢印Ｘ方向の速度
が大となる。よって、流体には振動方向の加速度が与え
られる。また、流出側の直管部２２ｂにおいては、マニ
ホールド２４側へ戻るほど矢印Ｘ方向の速度が徐々に減
少するため、流体には負の加速度がつく。このように、
センサチューブ２２の振動に伴って流体に加速度がつく
と、加速度の方向と逆の方向のコリオリ力（Ｆｃ）が生
ずる。

第９図（Ａ），（Ｂ）に示す如く、流入側の直管部２２
ａが角速度−ωで矢印Ｘ_１方向に変位し、流出側の直管
部２２ｂが角速度＋ωで矢印Ｘ_２方向に変位したとす
る。このように、直管部２２ａ，２２ｂが互いに離間す
る方向に変位する１行程においては、第１０図（Ａ），
（Ｂ）に示すように直管部２２ａ，２２ｂで矢印Ｘ_２方
向のコリオリ力Ｆｃが発生する。よって、直管部２２
ａ，２２ｂは２点鎖線で示す本来の変位位置よりも夫々
実線で示す位置に−δ，＋δずれる。

次に、第９図（Ｃ），（Ｄ）に示す如く、流入側の直管
部２２ａが角速度＋ωで矢印Ｘ_２方向に変位し、流出側
の直管部２ｂが角速度ωで矢印Ｘ_１方向に変位したとす
る。このように、直管部２２ａ，２２ｂが互いに近接す
る方向に変位する１行程においては、第１０図（Ｃ），
（Ｄ）に示す如く直管部２２ａ，２２ｂで矢印Ｘ_１方向
のコリオリ力Ｆｃが発生する。従って、直管部２２ａ，
２２ｂは２点鎖線（本来の変位位置）より実線で示す位
置に−δ，＋δずれる。

尚、一対のセンサチューブ２２，２３は夫々 180゜の位
相差でもって加振されており、例えば一方のセンサチュ
ーブ２２の直管部２２ａ，２２ｂ間が離間するとき、他
方のセンサチューブ２３の直管部２３ａ，２３ｂ間が近
接する。

即ち、センサチューブ２２が第９図（Ａ），（Ｂ）に示
すように変位するとき、センサチューブ２３は第９図
（Ｃ），（Ｄ）に示すように変位する。よって、一方の
センサチューブ２２の直管部２２ａ，２２ｂでは第１０
図（Ａ），（Ｂ）に示すようにコリオリ力が発生し、他
方のセンサチューブ２３の直管部２３ａ，２３ｂでは第
１０図（Ｃ），（Ｄ）に示すようなコリオリ力が生ず
る。

上記コリオリ力Ｆｃは、ピックアップ２９，３０により
直管部２２ａ，２２ｂの変位−δ，＋δの大きさ、ある
いは直管部２２ａ，２２ｂの位相角度差を検出すること
により求まる。またコリオリ力ＦｃはＦｃ＝２ωｍｖで
表わされ、質量流量（ｍｖ）は角速度ω及びコリオリ力
Ｆｃを求めることにより得られる。

ピックアップ２９，３０は直管部２２ａ，２２ｂの変位
−δ，＋δを時間差の信号として検出する。よって、ピ
ックアップ２９，３０のコイル部で得られる電圧がある
基準電圧から異なるある電圧に変化するまでの時間を計
測し、この時間が流量に比例する。

なお、ピックアップ２９，３０の出力信号は整形，増幅
されたのち、時間積分により質量流量に比例した電圧信
号となる。さらに、この電圧信号は周波数信号に変換さ
れ、出力回路（図示せず）より電圧パルス信号及びアナ
ログ信号として出力される。質量流量計２１ではセンサ
チューブ２２，２３に生ずるコリオリ力による直管部２
２ａ，２３ａ及び２２ｂ，２３ｂの変位が２倍となって
検出でき、流量を精度良く計測できる。また、上記コリ
オリ力の発生に伴うセンサチューブ２２，２３の位相差
を検出する際、外部振動（振動ノイズ）が入力されても
相殺され外部振動の影響を受けることなく安定に流量を
計測できる。

上記のように、センサチューブ２２，２３が加振器３
３，３４の励振動作により振動する際接続部２２ｅ，２
３ｅには矢印Ｘ方向に変位させる力が作用するが、接続
部２２ｅ，２３ｅを連結保持する保持部材２８が流出管
２６を避けるように設けられているので、保持部材２８
は接続部２２ｅ，２３ｅが矢印Ｘ方向に変位することを
許容する。

そのため、第１３図に示すように、直管部２２ａ，２２
ｂ，２３ａ，２３ｂが加振器３３，３４の励振方向と直
交する矢印Ｘ方向に振動することが防止される。よっ
て、流量計測時ピックアップ２９，３０の出力信号に直
管部２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂの不要な振動によ
るふらつきが発生することが防止され、安定な流量計測
が行なえるとともに、より正確な流量計測を行なえる。

尚、上記実施例では保持部材２８を第６図に示すように
固定部２８ａ，２８ｂと接続部２８ｄ，２８ｅとをＴ字
状に接続し、さらに接続部２８ｄ，２８ｅをリング部２
８ｃに接続した形状としたが、これに限らず、要は曲部
２２ｃ，２２ｄ及び２３ｃ，２３ｄの各２点を固定し、
且つ主配管としての流出管２６を避けるような形状であ
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、一対のセンサ
チューブの第１，第２の曲部近傍を保持し、且つ主配管
に接触しないように形成された保持部材を一対のセンサ
チューブ間に設けてなるため、センサチューブを補強し
て第１，第２の直管部が平行なまま揺動することを防止
し、加振器による励振以外の振動が発生しにくい振動系
にすることができ、しかも主配管からの配管振動がセン
サチューブに伝達されたピックアップの出力信号が乱
れ，器差が低下してしまうことを防止できる。

さらに、加振器による励振動作によりセンサチューブの
接続部が変位することを許容できるので、直管部が励振
方向とは異なる方向に振動することを防止して、ピック
アップの出力信号のふらつき現象を無くしてより正確な
流量計測を実現して流量計に対する信頼性を高めること
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の外観斜視
図、第２図は本発明の要部を示すようカバーを外した状
態の斜視図、第３図は一部切截底面図、第４図は質量流
量計の正面図、第５図は第３図中Ｖ−Ｖ線に沿う縦断面
図、第６図は保持部材を説明するための縦断面図、第７
図は第４図中VI−VI線に沿う縦断面図、第８図はピック
アップの拡大図、第９図，第１０図は流量計測時のセン
サチューブの動作を説明するための側面図、第１１図乃
至第１３図は従来の質量流量計を説明するための斜視
図，縦断面図，振動解析パターン図である。 ２１……質量流量計、２１ｃ……カバー、２１ｄ，２１
ｅ……矢印、２２，２３……センサチューブ、２４……
マニホールド、２５……流入管、２６……流出管、２７
……支持板、２８……保持部材、２８ａ，２８ｂ……固
定部、２８ｃ……リング部、２８ｄ，２８ｅ……接続
部、２９，３０……ピックアップ、３３，３４……加振
器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一端を被測流体が流入する流入口に連通し
   該被測流体が通過する主配管の延在方向と同方向に延在
   する第１の直管部と、一端が該主配管に連通する流出口
   に連通し前記第１の直管部と平行に延在する第２の直管
   部と、該第１の直管部の他端より第１の直管部の一端側
   へ曲げられた第１の曲部と、該第２の直管部の他端より
   第２の直管部の一端側へ曲げられた第２の曲部と、第
   １，第２の曲部の両端を接続する接続部とより形成され
   た一対のセンサチューブを前記主配管を介して対称に配
   設し、該一対のセンサチューブの第１の直管部と第２の
   直管部とを近接離間方向に振動させ、該一対のセンサチ
   ューブの第１の直管部間及び第２の直管部間の相対変位
   を検出して該一対のセンサチューブ内を流れる流量を計
   測する質量流量計において、 一端が前記一方のセンサチューブの第１，第２の曲部の
   端部近傍の２点に固定され、他端が前記他方のセンサチ
   ューブの第１，第２の曲部の端部近傍の２点に固定さ
   れ、前記一端と他端とを前記主配管を避けて接続してな
   る保持部材を前記一対のセンサチューブ間に装架してな
   ることを特徴とする質量流量計。