JPH0835871A - 振動式測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は流体圧力の変動によりベローズが伸
縮してセンサチューブの周波数が変動することを防止す
るよう構成された振動式測定装置を提供することを目的
とする。 【構成】 質量流量計１は、直管よりなる一対のセンサ
チューブ７，８の上流側及び下流側にセンサチューブ
７，８の軸方向の伸縮を吸収するためのベローズ４Ａ，
４Ｂを有する。センサチューブ７，８の周波数変動が無
くなるようにベローズ４Ａ，４Ｂの有効径Ｄ_a とセンサ
チューブ７，８の内径Ｄ_S とが設定されている。即ち、
有効径Ｄ_a 及び内径Ｄ_S は、ベローズ４Ａ，４Ｂの有効
径Ｄ_a とセンサチューブ７，８の内径Ｄ_S とがＤ_a ² ＜
２Ｄ_S ² となり、且つ、軸力Ｔが流体圧力Ｐと被測流体
の流体断面積Ａ_L との積と一致するように設定される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は振動式測定装置に係り、
特に直線状のセンサチューブ内に被測流体を通過させる
よう構成した振動式測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】振動式測定装置としては、振動するセン
サチューブ内に流体が流れると流量に比例した大きさの
コリオリ力が発生することを利用して流量を計測する質
量流量計、あるいは上記コリオリ式質量流量計と同様な
構成とされ、センサチューブの固有振動数より流体の密
度を測定する振動式密度計がある。

【０００３】この種の振動式測定装置では、センサチュ
ーブにおける圧力損失を低減させるため、直管状の金属
パイプによりセンサチューブを形成している。ところ
が、直管状のセンサチューブを使用した場合、高温流体
を計測する際に軸方向（長手方向）への熱膨張が発生す
るため、センサチューブに熱膨張による歪応力が作用し
て器差レベルが変動してしまう。

【０００４】そのため、センサチューブが連通接続され
たマニホールドの端部あるいはセンサチューブの両端に
ベローズを設けた構成の装置が例えば特開昭６３−３０
７２１号公報により提案されている。この公報の質量流
量計は、直管状のセンサチューブの熱膨張を吸収するベ
ローズが管路途中に設けられている。

【０００５】このようなものの一般的なベローズ取付構
造は、円弧状の谷部と谷部より大径な山部とが交互に連
続形成された蛇腹状とされている。従って、センサチュ
ーブの熱膨張による歪応力は、複数の谷部と山部とが収
縮することにより効果的に吸収される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のような
従来の質量流量計では、ベローズでの圧力損失を低減す
るためにベローズの有効径Ｄ_a の有効断面積がセンサチ
ューブの内径Ｄ_S の流路断面積よりも大きくなってお
り、ベローズの有効断面積の方が大きくなるようにベロ
ーズの有効径Ｄ_a が決められていた。

【０００７】このように、従来はベローズの圧力損失を
できるだけ小さくするため、センサチューブの内径Ｄ_S
の流路断面積よりベローズの有効断面積の方が大きいの
で、流体圧力がベローズの内壁にかかるとベローズの蛇
腹部分が軸方向に伸びてしまう。そのため、流体圧力が
高圧になると、ベローズがより強い力でセンサチューブ
を押圧してしまいセンサチューブに圧縮応力が作用して
しまう。

【０００８】その結果、センサチューブの両端がベロー
ズにより圧縮されると、センサチューブ自体の内部応力
が増大して、共振周波数が小さくなる。さらに、センサ
チューブ内を流れる流体の圧力によってもセンサチュー
ブの共振周波数が小さくなる。

【０００９】そのため、振動式密度計のようにセンサチ
ューブの共振周波数を検出して被測流体の密度を計測す
る場合、流体圧力の変動によりベローズによる圧縮力も
変動するため、センサチューブの周波数による密度計測
値が変動してしまう。

【００１０】そこで、本発明は上記課題を解決した振動
式測定装置を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、被測流体が流
れる直管状のセンサチューブの軸方向の変位を吸収する
ベローズを有し、該センサチューブを振動させ、該セン
サチューブに発生したコリオリ力による変位を検出する
振動式測定装置において、前記ベローズ内を流れる流体
圧力により生ずる軸方向の力が流体圧力とセンサチュー
ブの流路断面積との積にほぼ一致するように前記ベロー
ズの有効径を設定したことを特徴とする。

【００１２】

【作用】ベローズ内を流れる流体圧力により生ずる軸方
向の力が流体圧力とセンサチューブの流路断面積との積
にほぼ一致するようにベローズの有効径を設定すること
により、ベローズの有効径を必要最小限の寸法にして流
体圧力によりベローズがセンサチューブを押圧する圧縮
力を低減して圧力変動に伴うセンサチューブの振動周波
数の変動による計測誤差を無くすことができる。

【００１３】

【実施例】図１及び図２に本発明になる振動式測定装置
の一実施例としてのコリオリ式質量流量計を示す。

【００１４】尚、振動式測定装置としてはコリオリ式質
量流量計と振動式密度計がある。コリオリ式質量流量計
は振動式流量計と実質同様な構成であるので、本実施例
では質量流量計について詳細に説明する。

【００１５】両図中、質量流量計１は密閉された箱状の
ケーシング２内に被測流体が通過する管路３と、管路３
の両端部に管路３を軸方向に変位可能に保持するベロー
ズ４Ａ，４Ｂとを設けてなる。管路３は流入口５ａを有
する流入管５と、流入側マニホールド６と、一対のセン
サチューブ７，８と、流出側マニホールド９と、流出口
１０ａを有する流出管１０とより形成されている。

【００１６】流入側マニホールド６及び流出側マニホー
ルド９には、一対のセンサチューブ７，８が接続される
接続されている。

【００１７】流入管５は流入側端部に上流側配管（図示
せず）に連結されるフランジ５ｂを有し、流入管５の他
端はケーシング２の側壁２ａを貫通してケーシング２内
部に形成された室２ｂに延出している。

【００１８】流入側マニホールド６は、上流側のベロー
ズ４Ａが接続固定される上流側接続口６ａと、センサチ
ューブ７，８の上流側端部が接続固定される下流側接続
口６ｂ，６ｃとを有する。上流側接続口６ａと下流側接
続口６ｂ，６ｃとは分流路６ｄ，６ｅを介して連通され
ている。

【００１９】流出側マニホールド９は、センサチューブ
７，８の下流側端部が接続固定される一対の接続口９
ａ，９ｂと、下流側のベローズ４Ｂの上流側端部が接続
される接続口９ｃとを有する。又、流出側マニホールド
９内には一対の接続口９ａ，９ｂと接続口９ｃとを連通
する流路９ｄ，９ｅが穿設されている。

【００２０】一対のセンサチューブ７，８は流体の流れ
方向（Ｘ方向）に直線状に延在するステンレス製の直管
よりなり、上記流入側マニホールド６と流出側マニホー
ルド９との間で平行に設けられている。このように直管
よりなるセンサチューブ７，８は、被測流体が通過する
際の圧力損失が少ないばかりか複雑な形状に加工する必
要もないので製作が容易である。尚、センサチューブ
７，８の両端近傍には、センサチューブ７，８が貫通し
て固定される支持板１１，１２が横架されている。

【００２１】流出管１０は上流側端部が流出側マニホー
ルド９の接続口９ｃに接続固定され、下流側端部がケー
シング２の側壁２ｃを貫通して下流側（Ｘ方向）へ突出
している。尚、流出管１０の下流側端部には流出口１０
ａが開口し、その外周には下流側配管（図示せず）に連
結されるフランジ１０ｂが設けられている。

【００２２】上流側のベローズ４Ａは伸縮自在な構造で
センサチューブ７，８が熱膨張あるいは収縮した場合、
センサチューブ７，８の長手方向の伸縮を吸収する。そ
のため、ケーシング２の側壁２ａと流入側マニホールド
６との間には、流入側マニホールド６が振動しないよう
に支持する防振機構１３が設けられている。

【００２３】この防振機構１３は、一端が側壁２ａに固
定され他端がケーシング２内に延在する複数の支柱１３
ａと、複数の支柱１３ａの他端間に横架されて流入側マ
ニホールド６に結合された金属ダイヤフラム１３ｂとよ
りなる。従って、流入側マニホールド６は、防振機構１
３により軸方向に移動可能に支持されるとともに、横方
向への移動を規制される。

【００２４】又、下流側のベローズ４Ｂも上記上流側の
ベローズ４Ａと同様に伸縮自在な構造でセンサチューブ
７，８が熱膨張あるいは収縮した場合、センサチューブ
７，８の長手方向の伸縮を吸収する。そのため、ケーシ
ング２の側壁２ｃと流出側マニホールド９との間には、
流入側マニホールド９が振動しないように支持する防振
機構１４が設けられている。

【００２５】この防振機構１４は、一端が側壁２ｃに固
定され他端がケーシング２内に延在する複数の支柱１４
ａと、複数の支柱１４ａの他端間に横架されて流出側マ
ニホールド９に結合された金属ダイヤフラム１４ｂとよ
りなる。従って、流出側マニホールド９は、防振機構１
４により軸方向に移動可能に支持されるとともに、横方
向への移動を規制される。

【００２６】１５は加振部で、センサチューブ７，８に
固定されたブラケット１６，１７間に支持された一対の
加振器１８，１９を有する。一対の加振器１８，１９
は、実質電磁ソレノイドと同様な構成であり、一対のセ
ンサチューブ７，８の略中間部間に設けられている。

【００２７】図３に示すように、加振部１３は、上下方
向に延在して互いに対向するブラケット１６，１７の上
端間及び下端間に加振器１８，１９を横架させてなる。
上方に配設された加振器１８は、ブラケット１７に支持
された駆動コイル部１８ａと、ブラケット１６に支持さ
れ駆動コイル部１８ａの中空部に挿入されたマグネット
部１８ｂとよりなる。又、下方に配設された加振器１９
は、ブラケット１６に支持された駆動コイル部１９ａ
と、ブラケット１７に支持され駆動コイル部１９ａの中
空部に挿入されたマグネット部１９ｂとよりなる。

【００２８】このように、ブラケット１６，１７の上端
間及び下端間に設けられた一対の加振器１８，１９は、
夫々同期して駆動されるため、ブラケット１６，１７は
一対の加振器１８，１９の駆動力によりＹ方向に平行移
動する。そのため、ブラケット１６，１７を貫通して固
定されたセンサチューブ７，８は、ブラケット１６，１
７の往復移動により長手方向の中間部分が近接又は離間
方向に振動する。

【００２９】２０は上流側ピックアップ部で、上記加振
部１５より上流側に位置するように配設されている。上
流側ピックアップ部２０は、センサチューブ７，８に固
定されたブラケット２１，２２と、このブラケット２
１，２２間に支持された一対のピックアップ２３，２４
とを有する。

【００３０】２５は下流側ピックアップ部で、上記加振
部１５より下流側に位置するように配設されている。下
流側ピックアップ部２５は、センサチューブ７，８に固
定されたブラケット２６，２７と、このブラケット２
６，２７間に支持された一対のピックアップ２８，２９
とを有する。

【００３１】上記各ピックアップ２３，２４及び２８，
２９は夫々後述するように電磁ソレノイドと同様な構成
とされた２組のピックアップを組み合わせた構成であ
り、加振器１８，１９により加振されたセンサチューブ
７，８の変位を検出する。

【００３２】流量計測時、一対のセンサチューブ７，８
は加振器１８，１９により近接、離間する方向（Ｙ方
向）に加振される。上流側配管（図示せず）から供給さ
れた被測流体は流入口５ａより上流側のベローズ４Ａを
通ってマニホールド６に至り、さらにマニホールド６の
流路６ｄ，６ｅを通過して振動するセンサチューブ７，
８内に流入する。そして、センサチューブ７，８を通過
した流体はマニホールド９の流路９ａ，９ｂより下流側
のベローズ４Ｂを通って流出口１０ａより下流側配管
（図示せず）に流出する。

【００３３】このように、振動するセンサチューブ７，
８に流体が流れると、その流量に応じた大きさのコリオ
リ力が発生する。そのため、直管状のセンサチューブ
７，８の流入側と流出側で動作遅れが生じ、これにより
上流側のピックアップ２３，２４の出力信号と下流側の
ピックアップ２８，２９下流側の出力信号とでは位相差
があらわれる。

【００３４】このように流入側と流出側との位相差が流
量に比例するため、流量計測制御回路３０は、ピックア
ップ２３，２４からの出力信号とピックアップ２８，２
９からの出力信号の位相差に基づいて流量を演算する。

【００３５】ここで、上記下流側ピックアップ部２５の
構成について説明する。尚、上流側ピックアップ部２０
は下流側ピックアップ部２５と同様な構成であるので、
ここではその説明を省略する。

【００３６】図４に示すように、下流側ピックアップ部
２５は、センサチューブ７，８の夫々に設けられ上下方
向に延在するブラケット２６，２７に支持された第１の
ピックアップ２８と第２のピックアップ２９とよりな
る。図４中、左側のブラケット２７には第１のセンサコ
イル２８ａ，第２の磁石２９ｂが支持され、右側のブラ
ケット２６には第１の磁石２８ｂと第２のセンサコイル
２９ａが支持されている。従って、互いに対向する位置
に設けられた第１のセンサコイル２８ａと第１の磁石２
８ｂとにより第１のピックアップ２８が構成され、第２
のセンサコイル２９ａと第２の磁石２９ｂとにより第２
のピックアップ２９が構成されている。

【００３７】第１のセンサコイル２８ａ及び第２のセン
サコイル２９ａは夫々銅線が環状に巻回されており、棒
状に形成された第１の磁石２８ｂ及び第２の磁石２９ｂ
は夫々上記第１のセンサコイル２８ａ及び第２のセンサ
コイル２９ａの中空部に挿通される。そのため、センサ
チューブ７，８が上記加振器１８，１９により近接、離
間方向に振動すると、第１の磁石２８ｂ，第２の磁石２
９ｂは第１のセンサコイル２８ａ，第２のセンサコイル
２９ａに対して相対的に逆方向に変位する。

【００３８】第１の磁石２８ｂはその先端部分が第１の
センサコイル２８ａの右側から左側へ挿入されている。
第２の磁石２９ｂは、上記第１の磁石２８ｂとは逆に第
２のセンサコイル２９ａの左側から右側に挿入されてい
る。

【００３９】従って、一対のセンサチューブ７，８の振
動に伴い２組のピックアップ２８，２９は互いに同一方
向に動作する。即ち、一対のセンサチューブ７，８が近
接方向に変位すると、第１のセンサコイル２８ａと第１
の磁石２８ｂとが近接方向に変位するとともに、第２の
磁石２９ｂと第２のセンサコイル２９ａとが同様に近接
方向に変位する。又、一対のセンサチューブ７，８が離
間方向に変位すると、第１のセンサコイル２８ａと第１
の磁石２８ｂとが離間方向に変位するとともに、第２の
磁石２９ｂと第２のセンサコイル２９ａとが同様に離間
方向に変位する。

【００４０】これにより、第１のセンサコイル２８ａ，
第２のセンサコイル２９ａからは、第１の磁石２８ｂ，
第２の磁石２９ｂとの相対速度に応じた電圧値の検出信
号が同位相で出力される。この２組のコイル２８ｂ，２
９ｂから得られる同相の位相差の検出信号の合成によ
り、検出信号にノイズとして生ずる高調波をキャンセル
して上流側ピックアップ部２０のリニアリティ（直線
性）を改善することができる。

【００４１】ここで、ベローズ４Ａ，４Ｂについて図５
を併せ参照して説明する。尚、ベローズ４Ａと４Ｂとは
同一構成であるので、流入側のベローズ４Ａについて説
明し、下流側のベローズ４Ｂの説明は省略する。

【００４２】図５に示す如く、ベローズ４Ａは、例えば
ステンレス製パイプを蛇腹状に形成したものであり、円
弧状の複数の谷部４ａ（４ａ₁ …４ａ_n ）と山部４ｂ
（４ｂ ₁ …４ｂ_n ）とが交互に連続形成されてなる。こ
の谷部４ａ及び山部４ｂは、例えばセンサチューブ７，
８の熱膨張による軸方向の力が作用すると軸方向に伸縮
して、熱膨張による応力を吸収し、軸方向の配管振動が
伝達された場合もこれを吸収する。

【００４３】ベローズ４Ａの有効径Ｄ_a 及びセンサチュ
ーブ７，８の内径Ｄ_S は、後述するようにセンサチュー
ブ７，８の振動周波数が流体圧力によって変動しないよ
うに設定される。

【００４４】尚、ベローズ４Ａ，４Ｂの内面側の軸方向
への投影断面のうち、ベローズ４Ａ，４Ｂの内面側の山
部から谷部までの部分（図５中斜線部）の軸方向への投
影面積が谷側（図５中内側の斜線部Ｉ）と山側（図５中
の外側の斜線部II）の面積が等しくなるような境をその
ベローズ４Ａ，４Ｂの有効径Ｄ_a という。

【００４５】ここで、センサチューブ７，８の運動方程
式より共振周波数ｆの近似式を求めると、次式（１）の
ようになる。

【００４６】 ｆ＝（λ² ／２πＬ）・√（ＥＩ）／（ρ_T Ａ_T ＋ρ_L Ａ_L ） ・√〔１＋α｛Ｌ² （Ｔ−ＰＡ_L ）／ＥＩ｝〕 … （１） 但し、上記（１）式において、Ｅはヤング率、Ｉは断面
２次モーメント、Ｔは軸力、Ｐは流体圧力、Ｌはセンサ
チューブ７，８の全長、ρ_T はセンサチューブ７，８の
密度、Ａ_T はセンサチューブ７，８の流路断面積、ρ_L
は被測流体の密度、Ａ_L は被測流体の流体断面積（セン
サチューブ７，８の流路断面積の合計）、αは線膨張係
数である。

【００４７】又、軸力Ｔは、次式（２）のように表せ
る。

【００４８】 Ｔ＝｛（πＤ_a ² ／４）−（２・πＤ_S ² ／４）｝・Ｐ … （２） 上記（１）及び（２）式より、流体圧力によるセンサチ
ューブ７，８の周波数変動が無くなる条件は、ベローズ
４Ａ，４Ｂの有効径Ｄ_a とセンサチューブ７，８の内径
Ｄ_S とがＤ_a ² ＜２Ｄ_S ² となり軸力Ｔが張力であると
き、且つ、軸力Ｔが流体圧力Ｐと被測流体の流体断面積
Ａ_L との積であるＰ・Ａ_L の値に一致するときである。

【００４９】又、被測流体の密度ρ_L は、次式（３）の
ように表せる。

【００５０】 ρ_L ＝（Ａ／ｆ² ）・（１−αｔ）＋Ｂ … （３） 但し、Ａ及びＢは予め設定された定数である。

【００５１】従って、上記各式（１）〜（３）に基づい
て、センサチューブ７，８の周波数変動が無くなるよう
にベローズ４Ａ，４Ｂの有効径Ｄ_a とセンサチューブ
７，８の内径Ｄ_S とを設定することができる。

【００５２】以上の如く、本発明の質量流量計１におい
て、ベローズ４Ａ，４Ｂの有効断面積Ａ_a がセンサチュ
ーブ７，８の流体断面積Ａ_L より小さく、且つセンサチ
ューブ７，８に作用する軸力Ｔが流体圧力Ｐと被測流体
の流体断面積（センサチューブ７，８の内径の総断面
積）Ａ_L との積と等しければ流体圧力が高くなってもセ
ンサチューブ７，８には軸方向の圧縮応力が作用しな
い。

【００５３】従って、上記質量流量計１を使用して被測
流体を計測する場合、センサチューブ７，８が圧力変動
に伴う軸方向の圧縮力を受けることなく安定的に振動す
ることができるので、被測流体の圧力変動によるセンサ
チューブ７，８の周波数変動が防止され、より正確な計
測が可能となる。

【００５４】尚、振動式密度計は、センサチューブ７，
８の固有振動数が被測流体の密度ρによって変化するこ
とを利用して密度を測定するようになっているため、上
記質量流量計１を使用して被測流体の密度を計測するこ
とができる。

【００５５】ここで、流体圧力が変動した場合の流量計
測をする場合の動作について説明する。

【００５６】上記流量計測時と同様流入口５ａより高温
流体が供給されると、ベローズ４Ａ，４Ｂに作用する圧
力が上昇し、ベローズ４Ａ，４ＢのＸ方向に延在するセ
ンサチューブ７，８による熱膨張が発生する。上，下流
側のフランジ５ｂ，１０ｂは夫々上，下流側配管に接続
固定されているので、センサチューブ７，８の熱膨張に
よる軸方向の歪応力はベローズ４Ａ，４Ｂの伸縮により
吸収される。

【００５７】これにより、センサチューブ７，８の熱膨
張による器差レベルの変動が防止され、正確な流量計測
が行える。

【００５８】次に、流量計測中に被測流体の流体圧力が
変動した場合の動作について説明する。

【００５９】例えば、流量計測中に流体の圧力が上昇し
た場合、ベローズ４Ａ，４Ｂの内壁に高圧流体の圧力が
作用する。

【００６０】ベローズ４Ａ，４Ｂの内壁に圧力が作用す
ると、ベローズ４Ａ，４Ｂの山部４ｂはわずかにふくら
み、そしてベローズ４Ａ，４Ｂの受圧面積に相当する面
積に応じた力（軸力）が軸方向に発生する。この受圧面
積とは、ベローズ４の有効断面積Ａ_a のことである。

【００６１】本発明では、前述した理由により、ベロー
ズ４Ａ，４Ｂの有効径Ｄ_a の有効断面積Ａ_a がセンサチ
ューブ７，８の内径の総断面積Ａ_L （センサチューブが
１本の場合はその面積、２本以上の場合は各断面積の和
の面積）より小さくなるよう上記有効径Ｄ_a 及び内径Ｄ
_S の寸法が決められている。

【００６２】従って、質量流量計１を振動式密度計とし
て使用する場合、上記のように流体圧力によるセンサチ
ューブ７，８の周波数変動が無くなるようにベローズ４
Ａ，４Ｂの有効径Ｄ_a が設定された質量流量計１を使用
して被測流体の密度を計測するため、被測流体の圧力変
動に伴うセンサチューブ７，８の周波数変動が無い状態
でより正確な密度計測が可能となる。

【００６３】尚、上記実施例では、２本のセンサチュー
ブを有する構成を一例として挙げたが、これに限らず、
１本のセンサチューブを有する構成にも適用することが
できる。

【００６４】又、上記実施例では、センサチューブの上
流側と下流側にベローズを設けた構成としたが、これに
限らず、上流側ベローズ又は下流側ベローズのいずれか
一方のみが設けられた構成にも適用することができる。

【００６５】

【発明の効果】上述の如く、本発明によれば、ベローズ
内を流れる流体圧力により生ずる軸方向の力が流体圧力
とセンサチューブの流路断面積との積にほぼ一致するよ
うにベローズの有効径を設定するため、ベローズの有効
径を必要最小限の寸法にして流体圧力によりベローズが
センサチューブを押圧する圧縮力を低減することがで
き、これにより、被測流体の圧力変動に伴うセンサチュ
ーブの振動周波数の変動による計測誤差発生を防止する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明になる振動式測定装置の一実施例のコリ
オリ式質量流量計を示す縦断面図である。

【図２】ベローズ及びセンサチューブの内部を示す縦断
面図である。

【図３】加振器の取り付け構造を示す縦断面図である。

【図４】ピックアップの取り付け構造を示す縦断面図で
ある。

【図５】ベローズの有効断面積を説明するための縦断面
図である。

【符号の説明】

１ 質量流量計 ４Ａ，４Ｂ ベローズ ７，８ センサチューブ １５ 加振部 １８，１９ 加振器 ２０ 上流側ピックアップ部 ２３，２４，２８，２９ ピックアップ ２５ 下流側ピックアップ部 ３０ 流量計測制御回路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被測流体が流れる直管状のセンサチュー
   ブの軸方向の変位を吸収するベローズを有し、該センサ
   チューブを振動させ、該センサチューブに発生したコリ
   オリ力による変位を検出する振動式測定装置において、 前記ベローズ内を流れる流体圧力により生ずる軸方向の
   力が流体圧力とセンサチューブの流路断面積との積にほ
   ぼ一致するように前記ベローズの有効径を設定したこと
   を特徴とする振動式測定装置。