JPH0749980B2

JPH0749980B2 - 振動式測定装置

Info

Publication number: JPH0749980B2
Application number: JP62206985A
Authority: JP
Inventors: 広明長谷川; 小弥太杉本; 明中村
Original assignee: Tokico Ltd
Current assignee: Tokico Ltd
Priority date: 1987-08-20
Filing date: 1987-08-20
Publication date: 1995-05-31
Anticipated expiration: 2010-05-31
Also published as: JPS6449917A

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は振動式測定装置に係り、特に振動する管路に発
生するコリオリ力を検出して流体の質量流量又は密度を
測定する振動式測定装置に関する。

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Ｕ字状に形成された一対のセンサチューブを流入
口，流出口を有する流量計本体に接続し、一対のセンサ
チューブを互いに近接，離間する方向に振動させ質量流
量に比例するコリオリ力の発生に伴うセンサチューブの
変位を検出して質量流量を得る構成のものがある。

尚、上記のように振動する管路に発生するコリオリ力を
検出する構成の振動式測定装置は、上記質量流量計の他
に振動式密度計としても使用することができる。

発明が解決しようとする問題点しかるに、上記コリオリの力を利用する質量流量計で
は、一対のセンサチューブが配管延在方向と直角方向に
延出するように設けられているため、配管の設置スペー
スよりセンサチューブが大きく突出する格好で配設され
ることになり、従ってより大きな設置スペースを要する
といった問題点を有する。

又、従来の質量流量計では、流量計本体及びセンサチュ
ーブを含む流量計自体が大型化してしまうばかりか、他
の機器が密集して設置されているような狭い場所には容
易に設置することができず、他の機器を避けて設置する
ことになるので設置作業が面倒であるといった問題点が
ある。

そこで、本発明は上記問題点を解決した質量流量計を提
供することを目的とする。

問題点を解決するための手段本発明は、被測流体が流れる配管の延在スペース近傍に
位置するように該配管と平行に延在し、一端が上流側配
管に連通された第１の直管部と、前記配管の延在スペース近傍に位置するように該第１の
直管部及び該配管と平行に延在し、一端が下流側配管に
連通された第２の直管部と、前記第１の直管部の他端と該第２の直管部の他端とを接
続する管路と、一端が前記第１の直管部に連結され、他端が前記第２の
直管部に連結され、前記第１の直管部と前記第２の直管
部とを同時に加振して振動させる加振器と、該加振器による振動に伴う第１の直管部，第２の直管部
の変位を個別に検出するように設けられた少なくとも２
つのピックアップと、からなることを特徴とする。

作用本発明によれば、第1,第２の直管部が配管の延在スペー
ス近傍に位置するように配管と平行に延在してなるた
め、第1,第２の直管部が配管から大きく突出することが
なく、設置スペースが小さくなり、狭いスペース内にコ
ンパクトに配設することができる。

実施例第１図乃至第３図に本発明になる振動式測定装置の第１
実施例としての質量流量計を示す。

各図中、質量流量計１は上流側の流入管２と下流側の流
出管３との間に、センサチューブ４を接続固定されたマ
ニホールド５を有する。流入管２は上流側端部に上流側
配管（図示せず）に接続されるフランジ2aを有し、又、
流入管２の下流側端部はマニホールド５内の流入路5a
（第２図中、破線で示す）に接続されている。

流出管３の下流側端部は下流側配管（図示せず）に接続
されるフランジ3aを有しており、又流出管３の上流側端
部はマニホールド５内の流出路5b（第２図中、破線で示
す）に接続されている。

上記流入路5a、流出路5bを有するマニホールド５に接続
されたセンサチューブ４は、流出管３の配管方向に延在
する第１の直管部4aと、この第１の直管部4aと平行に配
された第２の直管部4bと、第１の直管部4aと第２の直管
部4bとを接続する管路4cとよりなる。

第２図に示すように、第１の直管部4aはマニホールド５
の流入路5aに連通しており、第２の直管部4bはマニホー
ルド５の流出路5bに連通している。

従って、上流側配管からの被測流体は、流入管２、流入
路5aを介して第１の直管部4aに流入し、管路4cを通過し
て第２の直管部4bに至る。さらに、直管部4bを通過した
流体は、マニホールド５の流出路5bを介して流出管３を
通り、下流側配管へ流出する。

又、第４図に示すように、平行に配された直管部4a,4b
は流出管３の上方に位置し、流出管３の両側で流出管３
と平行となるようにマニホールド５に固着されている。

従って、上記センサチューブ４の直管部4a,4bが流出管
３（配管）の延在スペース近傍に位置するように流出管
３と平行に延在してなるため、直管部4a,4bが流出管３
から大きく突出することがなく、設置スペースが小さく
なり、狭いスペース内にコンパクトに配設することがで
きる。このように、質量流量計１ではセンサチューブ４
が配管設置スペースより大きく突出しない構成であるの
で、流量計全体がより小型化されている。そのため、他
の機器が密集しているような場所でも、配管を配設でき
るスペースがあれば、質量流量計１を容易に取付けるこ
とが可能である。

又、直管部4a,4bは支持板６の孔を貫通し支持板６に溶
接固定されている。よって、後述するように、センサチ
ューブ４が加振されたとき、直管部4a,4bは支持板６に
固定された部分を支点として振動することになる。

さらに、質量流量計１はセンサチューブ４が流出管３の
近傍で配管方向に延在しているため、配管振動の影響が
小さくて済み、流量をより精度良く計測しうる。

尚、センサチューブ４の管路4cは第１図乃至第３図に示
すように、直管部4a,4bの先端でα状に曲げ加工された
曲部4d,4eと、流出管３の下方を横架し4a,4bの外側で曲
部4d,4eに接続された接続部4fとよりなる。

即ち、第１の直管部4aと第２の直管部4bとの間は、第１
の曲部4d及び第２の曲部4eとこれとは異なる方向に曲げ
られた接続部4fとを介して接続されているので、直管部
4aと直管部4bとの間が撓みやすい。従って、後述する流
量計測時の振動による応力が一点に集中せずに曲部4d,4
e及び接続部4fに分散され、直管部4aと直管部4bとを互
いに近接又は離間する方向に振動させて振幅を大きくす
ることが可能となり、且つ計測時に直管部4a,4bにおい
てコリオリ力が発生しやすくなり、計測精度をより高め
ることができる。

従って、センサチューブ４は直管部4a,4bの基端が固定
されているにもかかわらず、直管部4a,4bの先端側では
互いに近接，離間する方向（矢印Ｘ方向）に変位可能な
構成となっている。

７は加振器（実質電磁ソレノイドと同様な構成とされて
いる）で、平行に延在する直管部4a,4bの先端間に取付
けられている。第５図に示す如く、加振器７は流入側の
直管部4aに取付けられたコイル部7aと、流出側の直管部
4bに取付けられ、コイル部7a内に嵌入するマグネット部
7bとよりなる。従って、加振器７は後述するようにコイ
ル部7aに通電されると、直管部4a,4bを矢印Ｘ方向に加
振する。

8,9はピックアップで、夫々センサチューブ４が加振器
７により加振されたとき、配管方向に延在する直管部4
a,4bの変位を検出する。

なお、ピックアップ8,9は夫々同一構成であるので一方
のピックアップ８につき、第６図，第７図を併せ参照し
て説明する。

第６図及び第７図中、ピックアップ８はセンサチューブ
４の直管部4aの途中より側方に突出する保持部材10に保
持されたコイル部8aと、コイル部8aに上，下方向で対向
するようにコ字状のブラケット11に設けられたマグネッ
ト8b,8cとよりなる。なお、ブラケット11は矢印Ｘ方向
に延在し、流出管３に載置された支持部材12上に載置固
定されている。

従って、センサチューブ４が加振器７により加振されて
振動すると、直管部4aに設けられたコイル部8aが固定側
のマグネット8b,8c間で矢印Ｘ方向に変位する。そのた
め、コイル部8aには直管部4aの変位に応じた起電力が発
生し、ピックアップ８はコイル部8aの電圧より直管部4a
の変位を検出する。

なお、配管方向に延在する直管部4a,4bは金属パイプ製
であり、金属パイプは加工精度が高く均一な形状に製造
される。従って、センサチューブ４は先端に曲部4d,4e
及び接続部4fを有するが、直管部4a,4dではその寸法，
形状が同一である。即ち、ピックアップ8,9は夫々同一
形状とされた直管部4a,4bの変位を検出する位置に配設
されているため、金属パイプをＵ字状に曲げ加工したセ
ンサチューブの変位を検出する場合よりも、曲げ加工に
伴う寸法，形状のバラツキによる影響を受けずに精度良
く検出できる。

ここで、上記構成になる質量流量計の質量計測動作につ
き、第８図及び第９図を併せ参照して説明する。

流量を計測するに際し、被測流体、前述の如く流入路5a
よりセンサチューブ４に流入し、センサチューブ４の直
管部4a,管路4c、直管部4bを通ってマニホールド５に帰
還し流出管３より流出する。上記流体の通過と共に、セ
ンサチューブ４が加振器７により加振されると、直管部
4a,4bはセンサチューブ４のバネ定数とセンサチューブ
４内を流れる質量流量によって定まる固有振動数で振動
する。

即ち、センサチューブ４は被測流体が流れている状態で
加振されて振動するため、そのときの流量に応じた固有
振動数で振動することになる。なお、直管部4a,4b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4a,4b自体の弾性復元力で互いに近接する方向に変形
する。

第８図に示す如く、直管部4a,4bは支持板６で固定され
ているため、支持板６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4
a,4b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4d,4eはα状に曲げられているため、加振器７
が矢印Ｘ方向の加振動作をしても曲部4d,4eが加振方向
に撓み、直管部4a,4b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４内に流体が流れ
ると、流入側の直管部4a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の加速度が与えられ
る。また、流出側の直管部4bにおいては、マニホールド
５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４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８図（Ａ），（Ｂ）に示す如く、流入側の直管部4aが
角速度−ωで矢印X₁方向に変位し、流出側の直管部2bが
角速度＋ωで矢印X₂方向に変位したとする。このよう
に、直管部4a,4bが互いに離間する方向に変位する１行
程においては、第９図（Ａ），（Ｂ）に示すように直管
部4a,4bで矢印X₂方向のコリオリ力Fcが発生する。よっ
て、直管部4a,4bは１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８図（Ｃ），（Ｄ）に示す如く、流入側の直管
部4aが角速度＋ωで矢印X₂方向に変位し、流出側の直管
部4bが角速度ωで矢印X₁方向に変位したとする。このよ
うに、直管部4a,4bが互いに近接する方向に変位する１
行程においては、第９図（Ｃ），（Ｄ）に示す如く直管
部4a,4bで矢印X₁方向のコリオリ力Fcが発生する。従っ
て、直管部4a,4bは１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。

上記コリオリ力Fcは、ピックアップ8,9により直管部4a,
4bの変位−δ，＋δの大きさ、あるいは直管部4a,4b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8,9は直管部4a,4b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8,9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8,9の信号は整形，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。

なお、質量流量計１では寸法形状を同一とされた直管部
4a,4bにおける変位を検出して流量を計測するため、セ
ンサチューブ４の加工精度のバラツキの影響を受けずに
流量をより正確に計測でき、又、バランスウェイトによ
るバランス調整がより簡単である。

なお、センサチューブ４の接続部4fが直管部4a,4bの下
側を潜る格好となるようにしたが、接続部4fを直管部4
a,4bの上方に位置させも良い。

ここで例えば、センサチューブ４を配管方向と直交する
水平方向に加振する場合、センサチューブ４近傍に加振
器を支持する支持部材等を設ける必要があり、あるいは
一対のセンサチューブを対向させ、一対のセンサチュー
ブ間に加振器を設けるようにしなければならない。しか
しながら、本発明の質量流量計１では一対の直管部4a,4
bを互いに近傍，離間する方向に加振するため、加振器
７を直管部4a,4b間に設ければ良く、上記のような支持
部材は不要である。

第10図乃至第14図に本発明の第２実施例を示す。

各図中、質量流量計21は一対のセンサチューブ22,23が
マニホールド24に組付けられてなる。第11図に示す如く
マニホールド24は流入管25と流出管26との間に設けら
れ、流入管25に接続された流入路24aと、流出路26に接
続された流出路24bとを有する。又、第12図に示す如
く、流入路24aは上，下に分岐する接続口24a₁，24a₂に
連通している。

なお、第11図及び第13図に示すように、流出路24bも流
入路24aと同様に分岐した接続口24b₁，24b₂と連通して
いる。

上側のセンサチューブ22は、流入路24aの接続口24a₁に
接続され、配管方向に延在する直管部22aと、流出路24b
の接続口24b₁に接続され、直管部22aと平行に延在する
直管部22bと、直管部22a,22bの先端で折り返すように曲
げられた曲部22c,22dと、この曲部22cと22dとを接続す
るＵ字状の接続部22eとよりなる。

又、下側のセンサチューブ23は上記センサチューブ22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センサチューブ22と
上，下対称に配設されている。なお、センサチューブ2
2,23の接続部22e,23eは流出管26より垂立するブラケッ
ト28a,28bに固定されている。

一対のセンサチューブ22,23の直管部22a,22b,23a,23bは
支持板27を貫通し、支持板27に溶接で固定されるととも
に、その端部はマニホールド24の各接続口24a₁，24a₂，
24b₁，24b₂に接続固定されている。

従って、一方のセンサチューブ22は流出管26の上方で配
管方向に延在して設けられ、他方のセンサチューブ23は
流出管26の下方で配管方向に延在して設けられているの
で、質量流量計21は一対のセンサチューブ22,23を有す
るにもかかわらず設置スペースが小さくて済み、コンパ
クトな構成となっている。

さらに、質量流量計21ではセンサチューブ22,23が流出
管26の近傍で配管方向に延在するよう設けられているの
で、配管振動の影響を受けにくい構成となっていて、流
量をより精度良く計測しうる。

なお、支持板27の中央には孔27aが穿設されており、流
出管26はこの孔27aは貫通する。

第10図乃至第12図及び第14図に示す如く、流入側の直管
部22aと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。ピックアッ
プ29,30は前記第１実施例のピックアップ8,9と同一構成
であり、コイル部が下側の直管部23a,23bに固定され、
コイル部の上，下面に対向するマグネット部が上側の直
管部22a,22bに固定されている。従って、ピックアップ2
9,30を支持するための支持部材が不要である。

31,32は加振器で、夫々前記第１実施例の加振器７と同
一構成であり、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。

流量計測時、一対のセンサチューブ22,23は内部に流体
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を通過して直管部22
b,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31,32により加振され、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
る固有振動数で振動する。

従って、振動するセンサチューブ22,23内を流体が通過
すると、コリオリの力が発生し直管部22a,22b,23a,23b
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22,23は夫々180°の位相差をもって加振されており、
例えば上側のセンサチューブ22の直管部22a,22b間が離
間するとき、下側のセンサチューブ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８図（Ａ），（Ｂ）に示す
ように変位するとき、センサチューブ23が第８図
（Ｃ），（Ｄ）に示すように変位する。よって、上側の
センサチューブ22の直管部22a,22bでは第９図（Ａ），
（Ｂ）に示すようにコリオリ力が発生し、下側のセンサ
チューブ23の直管部23a,23bでは第９図（Ｃ），（Ｄ）
に示すようなコリオリ力が生ずる。

ピックアップ29,30は夫々上記の如く振動するセンサチ
ューブ22,23の相対的な変位を検出する。そして、ピッ
クアップ29,30の信号に基づき、センサチューブ22,23内
を流れる流体の質量流量が求まる。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22
a,23a及び22b,23bの相対変位が第１実施例の場合より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。

又、流量計測精度を向上させるためには、一対のセンサ
チューブで22,23を全く同一な形状に製造することが必
要であるが、実際には若干の形状の差違が生じてしま
う。そのため、バランスウェイト等をセンサチューブ2
2,23に取付けて一対のセンサチューブ22,23の固有振動
数が同一となるように調整する。

しかるに、センサチューブ22,23は直線形状の直管部22
a,22b,23a,23bが主要部となっているので、製造過程で
センサチューブ22,23を加工する際、センサチューブ22,
23の形状の対称性、各部の重量の同一性を考えると、上
記バランス調整作業は容易である。

又、質量流量計21では夫々寸法，形状のバラツキがほと
んどない均一な直管部22a,22b,23a,23bにおける変位を
検出しているので、形状のバラツキによる影響を受けに
くい構成である。

なお、ピックアップとしては電磁ピックアップに限ら
ず、例えばフォトカプラ等の光学式センサを用いても良
いのは勿論である。

なお、上記実施例ではセンサチューブの直管部を流出管
と平行となるように延在させたが、これに限らず、これ
とは逆にセンサチューブの直管部を流入管と平行となる
ように延在させても良い。

また、Ｕ字状のセンサチューブを有する質量流量計があ
るが、このＵ字状センサチューブの直管部を配管方向と
平行に延在させるようにしても良い。

また、上記各実施例では、質量流量計を一例として挙げ
たが、これに限らず、本発明は振動式の密度計にも適用
できるのは勿論である。

発明の効果上述の如く、本発明になる振動式測定装置は、被測流体
が流れる第１の直管部及び第２の直管部を配管方向に延
在させてなるため、第１の直管部及び第２の直管部を配
管近傍の小スペース内にコンパクトに配設することがで
き、例えばセンサチューブを配管方向と直角方向に延出
させる従来のものよりも流量計全体をより小型化するこ
とができる。従って、他の機器が密集しているような狭
いスペースでも配管を設置するスペースがあれば、比較
的容易に設置することができ、他の機器を避けるための
制約を受けにくいので、取付作業が簡単である等の特長
を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明になる振動式測定装置の第１実施例とし
ての質量流量計の斜視図、第２図及び第３図は第１図に
示す質量流量計の平面図及び側面図、第４図は第３図中
IV−IV線に沿う縦断面図、第５図は第３図中Ｖ−Ｖ線に
沿う縦断面図、第６図及び第７図はピックアップを説明
するための平面図及び正面図、第８図は流量計測時、直
管部の加振方向を示す平面図、第９図は流量計測時に生
ずるコリオリの力による直管部の変位を示す平面図、第
10図は本発明の第２実施例の斜視図、第11図及び第12図
は第２実施例の平面図及び側面図、第13図は第12図中XI
II−XIII線に沿う縦断面図、第14図は第12図中XIV−XIV
線に沿う縦断面図である。１…質量流量計、２…流入管、３…流出管、４…センサ
チューブ、4a…第１の直管部、4b…第２の直管部、4c…
管路、５…マニホールド、5a…流入路、5b…流出路、７
…加振器、8,9…ピックアップ、21…質量流量計、22,23
…センサチューブ、22a,22b,23a,23b…直管部、24…マ
ニホールド、24a…流入路、24b…流出路、25…流入管、
26…流出管、29,30…ピックアップ、31,32…加振器。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被測流体が流れる配管の延在スペース近傍
に位置するように該配管と平行に延在し、一端が上流側
配管に連通された第１の直管部と、前記配管の延在スペース近傍に位置するように該第１の
直管部及び該配管と平行に延在し、一端が下流側配管に
連通された第２の直管部と、前記第１の直管部の他端と該第２の直管部の他端とを接
続する管路と、一端が前記第１の直管部に連結され、他端が前記第２の
直管部に連結され、前記第１の直管部と前記第２の直管
部とを同時に加振して振動させる加振器と、該加振器による振動に伴う第１の直管部，第２の直管部
の変位を個別に検出するように設けられた少なくとも２
つのピックアップと、からなることを特徴とする振動式測定装置。