JPH07286879A - コリオリ質量流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 環境変化に対して安定で測定精度が向上する
ように改良したコリオリ質量流量計を提供するにある。 【構成】 両端が支持部材に固定され内部に測定流体を
流す曲管状のチューブと、このチューブを所定の振動モ
ードで加振させる加振手段と、先の支持部材の間の中央
部に配置され参照信号を検出する中央部センサと、先の
中央部を境として上下流の少なくとも何れかにおいて先
のチューブの状態を測定する信号検出センサと、先の参
照信号を用いて先の信号検出センサで検出された信号を
同期整流して先の測定流体により発生したコリオリ成分
を算出する信号処理手段とを具備し、先の信号検出セン
サと先の中央部センサとは互いに９０°異なる信号を発
生するセンサ形式を選定するようにしたものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、振動するチューブ内を
被測定流体が流れるときにこのチューブに発生するコリ
オリ力を検出して質量流量を測定するコリオリ質量流量
計に係り、特に環境変化に対して安定で測定精度が向上
するように改良したコリオリ質量流量計に関する。

【０００２】

【従来の技術】図４は従来のコリオリ質量流量計の概念
図である。このコリオリ質量流量計は直管形である。１
は内部に測定流体を流すことのできるチューブであり、
このチューブ１の両端は支持部材２、３で固定されてい
る。

【０００３】これ等の支持部材２、３の中央部には加振
器４が設置されており、このチューブ１をチューブの中
心軸に対し垂直方向に加振して、上下に振動させる。こ
の加振器４と支持部材２、３の間には、チューブ１の変
位を測定する変位センサ５、６が設置されている。

【０００４】次に、以上のように構成されたコリオリ質
量流量計の動作について図５を用いて説明する。チュー
ブ１の中に測定流体を流した状態で中央部に設置した加
振器４から振動を与えると、Ｍ１、Ｍ２に示すように中
央部が振動の腹となる１次モードの形状でチューブ１が
振動する。

【０００５】この振動は、チューブ１の上流側と下流側
について考えると、各々支持部材２と３付近を中心とす
る回転運動をしているとみなせるので、この角速度を
ω、測定流体の質量流量をＱとすると、測定流体が流れ
ると、ωとＱの積に比例したコリオリ力が各微小区間に
発生する。

【０００６】これにより、チューブ１の中央点に対して
上流部分と下流部分ではその撓み振動が対称になる振動
モードＭ３、Ｍ４が発生する。実際には、この２種類の
振動パターンが重畳された形でチューブ１が振動する。
このチューブ１の変形を変位センサ５、６で測定するこ
とにより質量流量Ｑを知ることができる。

【０００７】ところで、コリオリ力によるチューブ１の
変形を測定する手段としては、同期整流回路と積分回路
を併用してコリオリ成分を分離することが行われてい
る。これを図６を用いて説明する。

【０００８】図６（イ）の実線は加振器４によるチュー
ブ１の変位Ｘを示し、測定流体が流れることによりこの
加振により図６（ハ）に示すコリオリ力が発生する。こ
のコリオリ力によるコリオリ振動は、位相が９０°ずれ
る。実際には、これらの２つの振動が重畳されて図６
（イ）に点線で示すような振動となる。

【０００９】この加振振動とコリオリ振動が混ざった振
動からコリオリ振動だけを取り出すには、図６（ハ）に
示すタイミングで図６（ニ）に示すような同期整流を行
い、これを積分してコリオリ成分を求める。

【００１０】通常、このタイミングは、図６（ロ）に示
すように、加振振動のゼロクロス点から電気的に９０de
g移相して同期整流のタイミングとして用いている。な
お、図６（ニ）には、加振振動成分は記載されていない
が、これは同期整流と積分を行うことにより打ち消され
て排除される。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、以上の
ような信号処理においては次のような問題がある。加振
振動成分の振幅に対してコリオリ振動成分の振幅は、フ
ルスケール流量のときでも数百分の１、発生位相差では
０．１ｄｅｇ程度であり、非常に小さい値であるので、
僅かな同期整流のタイミングのずれが大きな誤差となっ
て現れる。したがって、温度変化などによる電気素子の
特性変化、或いは混入する電気的ノイズの影響を考える
と、移相を正確に９０degに保持することは難しい。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、以上の課題を
解決するための構成として、両端が支持部材に固定され
内部に測定流体を流す曲管状のチューブと、このチュー
ブを所定の振動モードで加振させる加振手段と、先の支
持部材の間の中央部に配置され参照信号を検出する中央
部センサと、先の中央部を境として上下流の少なくとも
何れかにおいて先のチューブの状態を測定する信号検出
センサと、先の参照信号を用いて先の信号検出センサで
検出された信号を同期整流して先の測定流体により発生
したコリオリ成分を算出する信号処理手段とを具備し、
先の信号検出センサと先の中央部センサとは互いに９０
°異なる信号を発生するセンサ形式を選定するようにし
たものである。

【００１３】

【作 用】曲管状のチューブは両端が支持部材に固定さ
れ内部に測定流体が流される。加振手段はこのチューブ
を所定の振動モードで加振させる。そして、中央部セン
サは先の支持部材の間の中央部に配置され参照信号を検
出する。

【００１４】信号検出センサは、先の中央部を境として
上下流の少なくとも何れかにおいて先のチューブの状態
を測定する。信号処理手段は、先の参照信号を用いて先
の信号検出センサで検出された信号を同期整流して先の
測定流体により発生したコリオリ成分を算出する。

【００１５】そして、先の信号検出センサと先の中央部
センサとは、互いに９０°異なる信号を発生するセンサ
形式のものを選定し、これにより加振成分とコリオリ成
分とが混在した混在信号からコリオリ成分を有効に分離
検出する。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の実施例について図を用いて説
明する。図１は本発明の１実施例のセンサ部１０の構成
を示す構成図である。なお、図４に示す従来のコリオリ
質量流量計と同一の機能を有する部分には同一の符号を
付して適宜にその説明を省略する。

【００１７】振動系の固定端である支持部材２と３の間
にチューブ１が固定されており、その中央部に配置され
加振信号Ｖ_eで制御された加振器４で上下にチューブ１
を単振動させる。この振動状態は支持部材２と３の中央
部に設けられた中央部センサ７により検出され、参照信
号Ｖ_Rとして出力される。

【００１８】この中央部センサ７は支持部材２と３から
等距離に配置されるが、上流側の信号検出センサ５と下
流側の信号検出センサ６はそれぞれチューブ１の中心に
対して対称な位置に配置され、それぞれ変位信号Ｘ_u、
Ｘ_dを出力する。

【００１９】これらの信号検出センサ５と６、中央部セ
ンサ７は、各々（変位、変位、速度）、又は（速度、速
度、変位）、又は（速度、速度、加速度）、又は（加速
度、加速度、速度）のように、信号検出センサ５と６に
対して中央部センサ７の位相が９０°異なっているセン
サ形式のものが選定される。

【００２０】図２はセンサ部１０で検出された各信号を
信号処理する信号処理回路部１１の構成を示す。センサ
部１０には加振信号Ｖ_eが印加され、一方センサ部１０
からは、変位信号Ｘ_u、Ｘ_dと参照信号Ｖ_Rとが出力され
る。

【００２１】これらの変位信号Ｘ_u、Ｘ_dと参照信号Ｖ_R
とは、それぞれ前置増幅器１２、１３、１４を介して同
期整流／積分演算部１５に出力される。同期整流／積分
演算部１５では参照信号Ｖ_Rのタイミングを用いて変位
信号Ｘ_u、Ｘ_dをそれぞれ同期整流し積分してこれらの差
を演算しコリオリ成分Ｖ_c（ｕ）、Ｖ_c（ｄ）を抽出して
流量導出部１６に出力する。

【００２２】流量導出部１６では、このコリオリ成分Ｖ
_c（ｕ）、Ｖ_c（ｄ）の差であるＶ_cを参照信号Ｖ_Rで割算
してコリオリ成分に基づく流量信号として出力する。一
方、この参照信号Ｖ_Rは加振回路１７を介して加振信号
Ｖ_eとしてセンサ部１０の加振器４に出力される。

【００２３】次に、図１、図２に示された実施例の動作
について図３に示す波形図を用いて説明する。ここで
は、信号検出センサ５と６に変位センサ、中央部センサ
７に速度センサを用いた場合について説明する。

【００２４】図３（イ）の実線は信号検出センサ５で得
られるチューブ１の変位である変位信号Ｘ_u（或いは
Ｘ_d、但し逆極性）の波形を、図３（ロ）は中央部セン
サ７で得られるチューブ１の振動の速度（ｄＸ_u／ｄ
ｔ）、つまり９０°位相の異なる参照信号Ｖ_Rの波形
を、図３（ハ）は変位信号Ｘ_uに含まれるコリオリ成分
のみの波形をそれぞれ示している。なお、図３（イ）の
点線は変位信号Ｘ_uに図３（ハ）に示すコリオリ成分Ｖ_c
（ｕ）（或いはＶ_c（ｃ）、但し逆極性）を重畳した波
形である。

【００２５】図３（ロ）に示す参照信号Ｖ_Rを用いて同
期整流／積分演算部１５により変位信号Ｘ_uの同期整流
を行いコリオリ成分Ｖ_c（ｕ）を抽出し、さらにこれを
積分して平滑する（図３（ニ））。この場合、コリオリ
成分に混入される加振成分は同期整流と積分を行うこと
により打ち消しあって排除される。

【００２６】同様に、下流側の信号検出センサ６で得ら
れた変位信号Ｘ_dも同期整流／積分演算部１５により同
期整流・積分され逆符号の形でコリオリ成分Ｖ_c（ｄ）
として出力される。

【００２７】流量導出部１６では、これらのコリオリ成
分Ｖ_c（ｕ）とＶ_c（ｄ）との差動演算を実行して２倍の
大きさのコリオリ成分Ｖ_cを算出し、このコリオリ成分
Ｖ_cを参照信号Ｖ_Rで割算して質量流量を算出する。

【００２８】一方、中央部に配置された中央部センサ７
で得られた参照信号Ｖ_Rはコリオリ信号成分を含まない
加振信号成分のモニタとしても用いられ、一次モードの
共振周波数で一定振幅に自励振するように、加振回路１
７にフイードバックすることにより実現される。

【００２９】以上の説明では、信号検出センサ５と６に
変位センサを、加振センサ７に速度センサを用いる例と
して説明したが、基本的には信号検出センサ５、６と、
加振センサ７との間に９０degの位相差があればよい。

【００３０】さらに、センサの一例として変位センサを
用いたが、変位と比例関係にある応力、或いは歪センサ
などを用いても良い。また、図１に示す構成ではチュー
ブ１として直管１本管の場合について説明したが、例え
ばＵ字管などの曲管構造、２本平行管などの多本管構造
についても同ように適用することができる。

【００３１】上流側の信号検出センサ５と下流側の信号
検出センサ６は、必ずしも対称な位置に２個所なくて
も、上流側或いは下流側に１個所と、中央に中央部セン
サ７が１個所あれば同期整流による流量算出は可能であ
る。

【００３２】

【発明の効果】以上、実施例と共に具体的に説明したよ
うに本発明によれば、センサ出力の信号波形から電気的
に９０°移相したタイミングを作る必要がないので、温
度変動などの環境変化による電気素子の特性変化や混入
する電気的ノイズの影響により同期整流のタイミングが
ずれることがなくなり、流量出力が安定し高精度が期待
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のセンサ部の１実施例の構成を示す構成
図である。

【図２】図１に示すセンサ部と組合せる信号処理部を含
む本発明の１実施例の全体構成を示すブロック図であ
る。

【図３】図２に示す実施例の動作を説明する波形図であ
る。

【図４】従来のコリオリ流量計の構成を示す構成図であ
る。

【図５】図４に示すコリオリ流量計の動作を説明する説
明図である。

【図６】図４に示すコリオリ流量計の動作を説明する波
形図である。

【符号の説明】

１ チューブ ２、３ 支持部材 ４ 加振器 ５、６ 変位センサ １０ センサ部 １１ 信号処理部 １２、１３、１４ 前置増幅器 １５ 同器整流／積分演算部 １６ 流量導出部 １７ 加振回路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】両端が支持部材に固定され内部に測定流体
   を流す曲管状のチューブと、このチューブを所定の振動
   モードで加振させる加振手段と、前記支持部材の間の中
   央部に配置され参照信号を検出する中央部センサと、前
   記中央部を境として上下流の少なくとも何れかにおいて
   前記チューブの状態を測定する信号検出センサと、前記
   参照信号を用いて前記信号検出センサで検出された信号
   を同期整流して前記測定流体により発生したコリオリ成
   分を算出する信号処理手段とを具備し、前記信号検出セ
   ンサと前記中央部センサとは互いに９０°異なる信号を
   発生するセンサ形式を選定したことを特徴とするコリオ
   リ質量流量計。