JPH06323885A

JPH06323885A - コリオリ式質量流量計

Info

Publication number: JPH06323885A
Application number: JP11080293A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Yoshimura; 弘幸吉村
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1993-05-13
Filing date: 1993-05-13
Publication date: 1994-11-25

Abstract

(57)【要約】【目的】上流，下流の検出信号の位相差の積分値に振
幅の差異にもとづく誤差が含まれないようにし、測定精
度を向上させる。【構成】直管１５の非対称たわみ振動を検出するピッ
クアップ３９を、永久磁石３６と検出コイル３７からな
る固定出力型とし、他方のピックアップ４０を電磁石３
８と検出コイル３７からなる可変出力型とし、この電磁
石３８に流入する電流を制御することにより、ピックア
ップ４０の出力振幅がピックアップ３９のそれと同じに
なるようにし、両ピックアップ信号の振幅の差異にもと
づく誤差を無くすようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、コリオリの力により
発生する配管の上流側と下流側での流体の質量と速度に
よる配管の振動の位相差を検出し、流量を求めるコリオ
リ式質量流量計に関する。

【０００２】

【従来の技術】図４にコリオリ式質量流量計の動作原理
を示す。すなわち、１は測定流体が流れるＵ字配管で、
その先端部には永久磁石２が固定され、Ｕ字配管１の両
端は基台３に固定されている。４はＵ字配管１を挟むよ
うにして設けられた電磁駆動用コイル、５は電磁駆動コ
イル４を保持する支持枠で、この枠５は基台３にがっち
りと固定されている。Ｕ字配管１は音叉のように基台３
の部分が振動の節点となり、振動エネルギーを失うこと
が少ない構成となっている。１１，１２は、Ｕ字配管の
両脚の変位を検出するための電磁ピックアップである。
駆動コイル４とこれに対向するＵ字配管１に固定された
永久磁石２の間に働く電磁力で、Ｕ字配管１をその固有
振動数で振動（ｓｉｎωｔ）させると、Ｕ字配管内を流
れる流体にコリオリの力が発生する。

【０００３】図５にＵ字配管の振動の様子を示す。この
コリオリの力の大きさは、Ｕ字配管内を流れる流体の質
量とその速度に比例し、力の方向は流体の運動方向と、
Ｕ字配管１を励振する角速度のベクトル積の方向に一致
する。また、Ｕ字配管１の流量の入力側と出力側とでは
流体の方向が正反対となるので、両脚側のコリオリ力に
よって、Ｕ字配管１に捩じりのトルクが発生する。この
トルクは励振周波数と同一の周波数で変化し、その振幅
値は流体の質量流量に比例する。図６にこの捩じりトル
クにより発生する振動モードを示す。

【０００４】この捩じり振動のトルクの振幅をピックア
ップ１１，１２で検出すれば質量流量を知ることができ
ることになるが、実際のＵ字配管の振動は電磁駆動用コ
イル４による励振振動にコリオリ力による捩じれ振動が
重畳された形となり、上流側はｓｉｎ（ωｔ−α），下
流側はｓｉｎ（ωｔ＋α）の形で表現される。したがっ
て、ピックアップ１１，１２で検出される信号ｅ１，ｅ
２は図７に示すように位相差（Δｔ）の生じた波形とな
る。この位相差は配管，励振周波数によって異なるが、
例えばＵ字配管１の場合、Ｕ字配管の共振周波数を８０
Ｈｚとすると、最大流量（１８Ｋｇ／ｍｉｎ）で約１２
０μＳの位相差が生じ、この１／２０のレンジにおいて
１％の分解能を補償しなければならない。したがって、
６０ｎＳの時間計測分解能が必要となる。

【０００５】この位相測定には様々な方法があるが、最
も簡単な手法としては基準クロックによる時間差ゲート
のカウント方法がある。その例を図８に示す。すなわ
ち、上流側ピックアップ信号２０，下流側ピックアップ
信号２１を増幅器２２で増幅（増幅率：Ｂ）した後コン
パレータ２３により２値化し、排他論理和回路２４でこ
の２値化信号の排他的論理和演算を行ない、上流側，下
流側ピックアップ信号の時間差に相当するパルス幅のゲ
ートパルス２５を得、これをカウンタ２６で基準クロッ
ク２７により計測するものである。なお、この場合の基
準クロックの周波数は２０ＭＨｚ程度以上が必要であ
る。

【０００６】ところで、Ｕ字配管を実プラントに用いる
場合、屈曲しているため圧損が大きく、配管の清掃が困
難であるなどの問題がある。このため、直管の配管を用
いる直管式のコリオリ流量計も提案されている。図９に
直管式コリオリ流量計の１例を示す。図９において、１
５は測定流体が流れる直管で、その中央部には永久磁石
２が固定され、直管１５の両端は基台３に固定されてい
る。４は直管１５を挟み込むようにして設けられた電磁
駆動用コイル、５はこの電磁駆動コイル４を保持する支
持枠で、この枠は基台３にがっちりと固定されている。
直管方式では流体の通過する配管の剛性が高く、Ｕ字配
管よりもたわみ難いため、前記の時間差が微小になると
いう難点がある。

【０００７】例えば、直管の共振周波数は１ＫＨｚ程度
であり、最大流量（１８Ｋｇ／ｍｉｎ）で約２μＳの位
相差が生じ、この１／２０のレンジにおいて１％の分解
能で測定する必要がある。したがって、１ｎＳの時間計
測分解能が必要となる。また、カウンタによる測定では
１ＧＨｚの基準クロックが必要となって実際には製作不
可能であり、また可能としてもピックアップ信号から時
間差信号を得るためにコンパレータを用いると、これに
は入力信号の不感帯の問題によるジッターが発生し（コ
ンパレータの出力が“１”，“０”ではない中途半端な
レベルを不感帯と称し、入力信号がこの不感帯をどれだ
け早くよぎるかが大きく影響する）、１ｎＳの精度が得
られるかは疑問である。

【０００８】このため、従来は図１０の如く構成して測
定を行ない、上流側ピックアップ信号２０と下流側ピッ
クアップ信号２１との減算、すなわち、ｓｉｎ（ωｔ＋α）−ｓｉｎ（ωｔ−α）＝２ｃｏｓω
ｔ＊ｓｉｎα の計算を差分器（減算器）２８により行ない、ｓｉｎα
を振幅とする微弱（周期が１ｍＳに対して、位相αが
０．１ｎＳ）な位相信号を得、これを増幅器２９により
高増幅（増幅率：Ｃ）し、電磁駆動コイルの励磁電流ｓ
ｉｎωｔの位相を、周波数逓倍部３１で９０°進めてｃ
ｏｓωｔを得る。そして、このｃｏｓωｔが正の値のと
きはＣ＊ｓｉｎα＊ｃｏｓωｔとして、また負の値のと
きはＢ＊（−ｃｏｓωｔ＊ｓｉｎα）としてそれぞれ出
力するような符号制御器３０で符号切り換えを行なう。
このように、符号制御のタイミングを符号制御対象の波
形から得るのではなく、他の信号を用いるのはノイズな
どによる誤動作の影響を軽減するためである。

【０００９】このようにして得られた、Ｃ＊ｓｉｎα＊
ｃｏｓωｔを測定する手法は様々であるが、例えばマイ
クロコンピュータ（マイコンともいう）などを使用して
時間量として測定するのであれば、図１０に符号４４で
示すように、最初はＣ＊ｓｉｎα＊ｃｏｓωｔに相当す
る電流をコンデンサに数周期の間充電しておき、その後
ＳＷを切り換えて定電流回路３３から定電流で放電する
ようにし、このＳＷの切り換え時期から積分回路３２の
出力が或るしきい値をよぎるまでの時間を測定するよう
にすることにより、Ｃ＊ｓｉｎαなる値がコンパレータ
３４でパルス幅に変換され、マイコンによりこのパルス
幅を測定すれば、位相差が求まることになる。なお、ｓ
ｉｎαについては、αが非常に小さいので、図１０では
これをαで近似している。

【００１０】図１１に上流側と下流側の検出信号の振幅
が同一で、符号制御信号がｃｏｓωｔに同期している場
合の各部の波形を示す。なお、これらの信号をそれぞれ
数式で示すと、以下のようになる。Ｖ_U＝Ａ＊ｓｉｎ（ωｔ−α）上流側検
出信号２０Ｖ_D＝Ａ＊ｓｉｎ（ωｔ＋α）下流側検
出信号２１Ｖ_V＝２Ａ＊ｓｉｎα＊ｃｏｓωｔ下流側／
上流側差分信号４１Ｖｃ＝｜Ｃ＊２Ａ＊ｓｉｎα＊ｃｏｓωｔ｜（符号制御処理後下流側／上流側差分信号４３）Ｖｉ＝∫｜Ｃ＊２Ａ＊ｓｉｎα＊ｃｏｓωｔ｜ｄｔ積分信号４４

【００１１】しかし、上記のような位相差の検出は上流
側と下流側の検出信号の振幅が全く同一の場合にしか適
用できず、振幅に差異があると誤差を生じるという問題
がある。このことを、以下に数式で示す。ここに、各記
号の意味は次の通りである。 ω：振動チューブの共振周波数 α：質量流量による発生位相差Ａ：下流側検出信号の振幅Ｂ：上流側検出信号の振幅Ｃ：増幅率

【００１２】（１）差分器の出力Ｖ_V Ｖ_V＝Ａ＊ｓｉｎ（ωｔ＋α）−Ｂ＊ｓｉｎ（ωｔ−
α）＝２Ａ＊ｓｉｎα＊ｃｏｓωｔ−（Ｂ−Ａ）＊ｓｉｎ
（ωｔ−α）（２）符号制御信号Ｖ_S 駆動コイルの流入電流ｓｉｎωｔを周波数逓倍し、ｃｏ
ｓωｔなる符号制御信号Ｖ_Sを作成する。ｃｏｓωｔ≧０の場合：Ｖ_S＝＋１、ｃｏｓωｔ＜０の
場合：Ｖ_S＝−１（３）符号制御器の出力ＶｃＶｃ∝Ｖ_S＊Ｃ＊｛２Ａ＊ｓｉｎα＊ｃｏｓωｔ−（Ｂ
−Ａ）＊ｓｉｎ（ωｔ−α）｝（４）積分回路の出力Ｖｉ但し、積分範囲はＴ１：０，Ｔ２：４πとする。

【００１３】以上のように、積分器の出力Ｖｉには上式
第２項にも示すように、振幅が異なる（Ｂ≠Ａ）ことに
よる相違が生じ、これが積分値の誤差となって現れるこ
とになる。図１２に振動チューブの振動周波数を１ＫＨ
ｚとし、発生時間差を２μＳとしたときの、下記式で示
される誤差を示す。ここに、∫（Ｂ＝Ａ）は振幅が等しい場合の積分値、∫
（Ｂ≠Ａ）は振幅が異なる場合の積分値をそれぞれ示
す。

【００１４】図１２によれば、振幅の差異が１％（上流
／下流振幅比１０１％）のときの誤差は、指示値の０．
５％となることが分かる。この振幅の差異は例えば図１
３のように、増幅率可変のＡＧＣ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ
ＧａｉｎＣｏｎｔｒｏｌ）増幅器３５を設けること
により或る程度は低減できる。しかし、このＡＧＣ増幅
器には位相遅れが発生し、この位相遅れは例えば図１４
の如くその増幅率の変化に応じて変化するので、目標性
能の０．０１％を得るのは難しい。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】以上、詳述したように
圧損が少なく清掃が容易な直管式コリオリ流量計におい
て、上流，下流のピックアップ信号を一致させるべくＡ
ＧＣ増幅器を使用しようとすると、ＡＧＣ増幅器による
位相遅れが生じ、これに起因する誤差を生じ、測定精度
が低下するという問題がある。したがって、この発明の
課題はＡＧＣ増幅器を用いることなく上流，下流のピッ
クアップ信号を一致させることができるようにして位相
遅れに基づく誤差を含まないようにし、測定精度を向上
させることにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】かかる課題を解決するた
め、この発明では、振動する配管内に流体を流し、その
流れと配管の角振動によって発生するコリオリ力により
配管を捩じれ振動させ、そのとき発生する質量流量によ
る配管の非対称たわみ振動を検出する１対の電磁式速度
検出器と、一方の検出器の出力の振幅に合致させるよう
他方の検出器の振幅を自動的に制御する制御装置と、前
記１対の検出器の出力波形の差を求め、その符号を所定
のタイミングで正転，反転する符号制御器とを設け、そ
の符号制御後のレベルを判定することにより質量流量を
求めるコリオリ式質量流量計において、前記振幅が自動
制御される側の検出器が直流電磁石のみからなる磁界発
生器と検出コイルとからなり、この直流電磁石に流入す
る直流電流を制御することにより、１対の検出器の出力
振幅を互いに一致させたことを特徴としている。この発
明に対しては、前記磁界発生器を直流電磁石と永久磁石
とからなるものに置換することができる。

【００１７】

【作用】上流側，下流側のピックアップ信号の一方の振
幅を一定とし、他方をＡＧＣ増幅器を用いることなく、
電磁石に流入する電流を制御することで他方の検出コイ
ルの振幅を一方のそれに一致させることにより、位相遅
れを生じさせることなくＡＧＣ化することを可能とし、
検出コイル信号の位相差を０．１ｎＳの分解能で測定し
得るようにする。

【００１８】

【実施例】図１はこの発明の実施例を示す構成図であ
る。同図からも明らかなように、この実施例は速度を検
出する一方のピックアップ（固定出力型ピックアップ）
３９は永久磁石３６と検出コイル３７より構成し、この
ピックアップ３９の出力と同一振幅となるようにその振
幅が制御される他方のピックアップ（可変出力型ピック
アップ）４０は電磁石３８と検出コイル３７より構成し
ている。この電磁石３８に流入する直流電流を調整して
発生する磁力線の強度を変化させ、検出コイル３７に鎖
交する磁力線の強度を制御することにより、１対の検出
器の出力を同一振幅とするのである。この実施例では永
久磁石３６，電磁石３８を直管１５に取付けて各々の磁
石に直管と同じ振動をさせ、検出コイル３７に鎖交する
磁力線の変化を捉えるようにしているが、永久磁石３
６，電磁石３８の取付け位置は直管だけでなく、検出コ
イル３７の配置されている基台３でも良く、永久磁石３
６，電磁石３８によって発生する磁路を直管１５により
遮断するようにしても良い。

【００１９】この固定出力型検出器と可変出力型検出器
との出力を一致させるように制御する制御回路の例を、
図２に示す。すなわち、上流側ピックアップ信号２０，
下流側ピックアップ信号２１との差を差分器（減算器）
２８により求め、ｓｉｎαを振幅とする微弱（周期が１
ｍＳに対して、位相αが０．１ｎＳ）な位相信号２Ａ＊
ｓｉｎα＊ｃｏｓωｔと、上流／下流の出力振幅の差の
信号（Ｂ−Ａ）＊ｃｏｓ（ωｔ−α）とを得、これを増
幅部２９により高増幅（増幅率：Ｃ）し、上流側ピック
アップ信号であるｓｉｎ（ωｔ−α）が正のときは入力
信号と同相の信号が、負のときは入力信号と逆相の信号
が得られるような符号制御器５０で符号切り換えを行な
う。このような符号制御を行なうと、その出力はｓｉｎ
（ωｔ−α）と同位相の信号のみが得られる、つまり上
下流ピックアップの出力振幅の差の項だけが得られ、こ
れをｎ周期（この実施例では４周期）の間積分回路５１
で積分するものである。以上の処理を数式にて示すと以
下のようになる。

【００２０】（イ）差分器の出力Ｖ_V Ｖ_V＝Ａ＊ｓｉｎ（ωｔ＋α）−Ｂ＊ｓｉｎ（ωｔ−
α）＝２Ａ＊ｓｉｎα＊ｃｏｓωｔ＋（Ｂ−Ａ）＊ｓｉｎ
（ωｔ−α）（ロ）符号制御信号Ｖ_S１上流側の検出器の出力波形ｓｉｎ（ωｔ−α）から符号
制御信号Ｖ_S１を作成する。ｓｉｎ（ωｔ−α）≧０の場合：Ｖ_S１＝＋１ｓｉｎ（ωｔ−α）＜０の場合：Ｖ_S１＝−１（ハ）符号制御器の出力Ｖｃ１Ｖｃ１∝Ｖ_S１＊Ｃ＊｛２Ａ＊ｓｉｎα＊ｃｏｓωｔ＋
（Ｂ−Ａ）＊ｓｉｎ（ωｔ−α）｝

【００２１】（ニ）積分回路の出力Ｖｉ１

【００２２】ここで、積分範囲をＴ１：α／ω，Ｔ２：
α／ω＋４π，Ｔ３：α／ω＋２πとすると、上記Ｖｉ
１（６１）は次式のようになる。上式の第１項は振幅差異がない場合の積分値を示し、第
２項は振幅差異がある場合の積分値を示す。また、第１
項のｓｉｎ²αは１よりも充分に小さいことから、この
項は無視することができる。

【００２３】積分回路５１の出力は励磁電流設定回路５
２に与えられ、その出力により可変出力型ピックアップ
の電磁石３８を制御することにより、両検出器の出力振
幅値を同じにすることができる。このように、磁力線の
発生の強度を制御するようにしたＡＧＣ手法を用いるこ
とにより、何ら位相遅れを発生させることなく上流側と
下流側のピックアップ信号の出力振幅を一致させること
が可能となるわけである。実施例では、速度を検出する
一方のピックアップ（固定出力型ピックアップ）を永久
磁石３６と検出コイル３７とから構成し、制御を受ける
他方のピックアップ（可変出力型ピックアップ）を直流
電磁石３８と検出コイル３７とから構成するようにした
が、両方の磁石を電磁石として一方の直流励磁電流を一
定とし、他方の直流励磁電流を制御する方式としても良
いものである。

【００２４】また、実施例では永久磁石３６，電磁石３
８を直管１５に取付け、各々の磁石に直管と同一の振動
を行なわせ、検出コイル３７に鎖交する磁力線の変化を
捉えるようにしているが、永久磁石３６，電磁石３８の
取付け位置は直管でなく、検出コイル３７の配置されて
いる基台３でも良く、永久磁石３６，電磁石３８によっ
て発生する磁路を直管１５により遮断するようにしても
良い。図３はこの発明の他の実施例を示す構造図であ
る。これは、図１に示すものに対し、可変出力型ピック
アップの磁界発生部を永久磁石３６と直流電磁石３８と
で構成した点が特徴である。つまり、永久磁石３６をバ
イアス磁界として、また直流電磁石３８を検出コイル３
７の出力調整用として作用させるようにしたものであ
る。その他は図１の場合と同様なので、詳細は省略す
る。

【００２５】

【発明の効果】この発明によれば、上流側，下流側のピ
ックアップ信号の一方のピックアップを永久磁石，検出
コイルで形成して振幅を一定とし、他方をＡＧＣ機能に
よりその振幅を等しくなるようにし、符号制御器におけ
る整流のタイミングを、ＡＧＣを掛けた側のピックアッ
プ信号を用いて制御し、ＡＧＣによっても解消されない
微小な振幅差異の影響を低減するような手法を採用する
ようにしたので、たとえＡＧＣ処理後に微小な振幅差異
が生じたとしても、その誤差を低減しピックアップ信号
の位相差を０．１ｎＳの分解能で測定することが可能に
なるという利点がもたらされる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例を示す構成図である。

【図２】図１の制御回路の１例を示すブロック図であ
る。

【図３】図１の変形例を示す構成図である。

【図４】コリオリ質量流量計の動作原理図である。

【図５】Ｕ字配管の振動の様子を説明するための説明図
である。

【図６】Ｕ字配管のコリオリ力の捩じりトルクにより発
生する振動モードの説明図である。

【図７】Ｕ字配管にコリオリ力が発生した場合のピック
アップ信号例を示す波形図である。

【図８】カウンタ方式による位相差検出回路を示す構成
図である。

【図９】直管式コリオリ質量流量計の１例を示す構造図
である。

【図１０】差動式位相差検出回路の従来例を示す構成図
である。

【図１１】図１０の各部動作波形を説明するための波形
図である。

【図１２】図１０の場合の測定誤差を説明するための説
明図である。

【図１３】図１０の変形例を示す構成図である。

【図１４】図１３に示すＡＧＣ増幅器の遅れを示すグラ
フである。

【符号の説明】

１…Ｕ字配管、２…磁石、３…基台、４…電磁駆動用コ
イル、５…支持枠、１１，１２，３９，４０…電磁ピッ
クアップ、１５…直管、２２，２９…増幅器、２３，３
４…コンパレータ、２４…排他論理和回路、２６…カウ
ンタ、２７…基準クロック、２８…差分器、３０，５０
…符号制御器、３１…周波数逓倍器、３２，５１…積分
回路、３３…定電流回路、３５…ＡＧＣ増幅器、３６…
永久磁石、３７…検出コイル、３８…電磁石。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】振動する配管内に流体を流し、その流れ
と配管の角振動によって発生するコリオリ力により配管
を捩じれ振動させ、そのとき発生する質量流量による配
管の非対称たわみ振動を検出する１対の電磁式速度検出
器と、一方の検出器の出力の振幅に合致させるよう他方
の検出器の振幅を自動的に制御する制御装置と、前記１
対の検出器の出力波形の差を求め、その符号を所定のタ
イミングで正転，反転する符号制御器とを設け、その符
号制御後のレベルを判定することにより質量流量を求め
るコリオリ式質量流量計において、前記振幅が自動制御される側の検出器が直流電磁石のみ
からなる磁界発生器と検出コイルとからなり、この直流
電磁石に流入する直流電流を制御することにより、１対
の検出器の出力振幅を互いに一致させたことを特徴とす
るコリオリ式質量流量計。
【請求項２】前記磁界発生器を直流電磁石と永久磁石
とからなるものに置き換えることを特徴とする請求項１
に記載のコリオリ式質量流量計。