JPH0835873A - コリオリ式質量流量計 - Google Patents

コリオリ式質量流量計

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JPH0835873A
JPH0835873A JP6169378A JP16937894A JPH0835873A JP H0835873 A JPH0835873 A JP H0835873A JP 6169378 A JP6169378 A JP 6169378A JP 16937894 A JP16937894 A JP 16937894A JP H0835873 A JPH0835873 A JP H0835873A
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弘幸 吉村
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 外部振動に対する応答性を高めても発振波形
の歪みを少なくし、安定な動作を可能とする。 【構成】 センサ１１，１２を介して検出される配管振
動波形の所定位相での振幅値を保持する第１のサンプル
ホールド回路（Ｓ／Ｈ）５５と、その保持値を所定位相
で保持しなおす第２のＳ／Ｈ５６と、その出力を或る設
定値と比較する比較器５７と、その誤差値を増幅する誤
差増幅器５８と、この誤差増幅値にもとづき配管の振動
振幅を増減させる励振回路６０とを設け、外部振動によ
っても励振周波数特性に変動を生じさせないようにす
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、
その先端中央部には永久磁石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
み込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。
【０００３】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（振動検出センサ）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
固有振動数で励振（ｓｉｎωｔ）すると、Ｕ字配管内を
流れる流体にコリオリの力が発生する。
【０００４】図５にＵ字配管の振動の様子を示す。上記
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。
【０００５】この捩じり振動のトルクの振幅を振動検出
センサ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、振動検出センサ１１，１２で検出される信号ｅ
１，ｅ２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８０Ｈｚとすると、最大流量で約１２０μＳ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。
【０００６】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。
【０００７】一方、この配管の駆動回路は通常は図９の
ように行なわれる。図１０にその各部信号波形を示す。
すなわち、振動検出センサ１１，１２からの出力信号
を、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）５０に通すことで高周
波ノイズを除去し、次にバッファ５１で低インピーダン
ス化して増幅器５２にて増幅し、さらに全波整流回路５
３で整流した後平滑回路５４で平滑化し、配管の振動振
幅レベルを検出する。
【０００８】このレベルと基準電圧発生回路６３の駆動
振幅基準レベルとを比較器５７で比較し、その差を誤差
増幅器５８により増幅し、この誤差電圧（Ｃ）を掛算器
５９の制御電圧とし、掛算器５９の入力の振動検出セン
サ１１，１２からの出力信号Ａ＊ｓｉｎωｔと掛け合わ
せ、Ａ＊Ｃ＊ｓｉｎωｔなる信号を得て、励振回路６０
で電磁駆動コイル６１に電流を流入し、配管の振動振幅
を制御する。このように、振動検出センサ１１，１２、
ＬＰＦ５０、バッファ５１、増幅器５２、全波整流回路
５３、比較器５７、誤差増幅器５８、励振回路６０およ
び電磁駆動コイル６１などにより負帰還の制御回路を構
成しており、流量計の配管に外部振動が印加されること
がなければ、ｓｉｎωｔを以て配管を駆動することにな
る。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ポンプ
振動（流体が流れていない場合の振動），流体振動が大
きい場合は、上記の平滑回路５４の出力は図１０の信号
７２に示すように、直流ではなく変動する波形となり、
この変動が誤差増幅器５８で増幅されると、図１０に信
号７９として示すように励振波形が正弦波から逸脱し、
歪みの多い波形となる。そして、このような歪みの多い
励振波形で励振すると、回路を含む振動のＱが落ちてし
まい、零点の変動量が大きくなる。
【００１０】そこで、励振波形の歪みを軽減するには、
上記平滑回路５４の時定数を大きくすることが考えら
れ、こうすることで平滑回路５４の出力は変動し難くな
り、ポンプ振動，流体振動の周波数が十分低ければ、零
点の変動量を抑えつつ歪みの少ない正弦波で配管を振動
することができる。しかし、高い周波数になると配管の
振動振幅が変動し、指令値に対して誤差があるにもかか
わらず、平滑回路の時定数が大きいため応答性が悪く、
十分に指令値に戻すだけの制御量が得られないという問
題が生じる。したがって、この発明の課題は外部振動に
対する応答性を高めても、発振波形が余り歪まないよう
にすることにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】かかる課題を解決するた
め、請求項１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伴って発生するコリオリ
力によって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１対の検出器を
介して検出し、これら１対の検出器の各出力波形の位相
差から質量流量を求めるコリオリ式質量流量計におい
て、前記検出器を介して検出される配管振動波形の所定
位相での振幅値を保持するサンプルホールド回路と、こ
の保持された値を振動振幅設定値と比較する比較器と、
この比較値を振動振幅に対する誤差値として増幅する誤
差増幅器と、この誤差増幅値にもとづき配管の振動振幅
を増減させる励振回路とを設けたことを特徴としてい
る。
【００１２】請求項１の発明では、前記検出器を介して
検出される配管振動波形の振幅値を保持する位相を９０
°付近または２７０°付近（請求項２の発明）、９０°
付近と２７０°付近（請求項３の発明）、０°付近また
は１８０°付近（請求項４の発明）、あるいは０°付近
と１８０°付近（請求項５の発明）のいずれかとするこ
とができる。
【００１３】請求項６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伴って発生するコ
リオリ力によって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１対の検
出器を介して検出し、これら１対の検出器の各出力波形
の位相差から質量流量を求めるコリオリ式質量流量計に
おいて、前記検出器を介して検出される配管振動波形の
所定位相での振幅値を保持する第１サンプルホールド回
路と、少なくとも１周期の間に１回は配管の励振コイル
の流入電流の時間微分値が最大となる位相付近で、前記
第１サンプルホールド回路の保持値を保持する第２サン
プルホールド回路と、この第２サンプルホールド回路の
保持値を振動振幅設定値と比較する比較器と、この比較
値を振動振幅に対する誤差値として増幅する誤差増幅器
と、この誤差増幅値にもとづき配管の振動振幅を増減さ
せる励振回路とを設けたことを特徴としている。
【００１４】請求項６の発明では、前記検出器を介して
検出される配管振動波形の振幅値を保持する第１サンプ
ルホールド回路の保持位相を９０°付近または２７０°
付近とし、第２サンプルホールド回路の保持位相を第１
サンプルホールド回路の保持位相よりも９０°程度遅延
させることができ（請求項７の発明）、同様に第１サン
プルホールド回路の保持位相を９０°付近と２７０°付
近、０°付近または１８０°付近、０°付近と１８０°
付近のいずれかとし、第２サンプルホールド回路の保持
位相を第１サンプルホールド回路の保持位相よりも９０
°程度遅延させることができる（請求項８，９，１０の
発明）。
【００１５】
【作用】ポンプ振動，流体振動などの外部振動が印加さ
れ、配管の振動振幅が乱れようとしても、検出信号波形
の特定位相付近での値をサンプルホールド回路にて保持
することにより、振動振幅値を一定に保持するよう波形
歪みの無い正弦波励振で振幅制御を行ない、素早い制御
応答性を持たせる。その結果、外部振動が印加されても
検出部および励振回路部からなる系の周波数は変化する
ことなく、検出部の周波数特性と同じ特性を維持するこ
とができ、常に安定した流量特性を得ることができる。
このとき、検出信号波形出力のサンプルホールドを、特
定位相付近で行なうことにより、安定な動作を維持しつ
つ制御応答性を高める。
【００１６】
【実施例】図１はこの発明の実施例を示す構成図、図２
はその動作を説明するための各部波形図である。なお、
図２では振動検出センサ１１または１２の出力信号７
０、全波整流回路５３の出力信号７１、平滑回路５４の
出力信号７２、単安定マルチバイブレータ（モノマル
チ）６２の出力信号７３，７５、第１サンプルホールド
回路（Ｓ／Ｈ）５５の出力信号７４、第２Ｓ／Ｈの出力
信号７６、比較器５７の出力信号７８、掛け算器５９の
出力信号７９、２値化回路６４の出力信号８０および周
波数逓倍器６５の出力信号８１などが示されている。ま
た、基準電圧発生回路６３の出力７７は、第２Ｓ／Ｈの
出力信号７６と一緒に示されている。
【００１７】まず、振動検出センサ１１または１２の出
力信号７０を、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）５０を通す
ことで高周波ノイズを除去し、バッファ５１で低インピ
ーダンス化した後、増幅器５２により増幅する。増幅器
５２の出力を全波整流回路５３で整流して全波整流回路
出力信号７１を得、さらに、この出力信号７１を比較的
小さい時定数（２７Ｈｚ）を持つ平滑回路５４で平滑化
し、平滑回路出力信号７２を得る。ここまでは、図９と
同じである。
【００１８】一方、タイミング発生部では、振動検出セ
ンサ出力信号７０を２値化回路６４によって２値化し、
これを周波数逓倍回路６５によって４倍の周波数にし、
この出力をカウンタ６６によりカウントし、その出力に
よってモノマルチ６２を励起させることにより、第１，
第２Ｓ／Ｈ５５，５６の動作を制御する９０°の位相差
をもつサンプルホールド制御信号７３，７５を生成する
ようにしている。
【００１９】したがって、上記平滑回路出力信号７２
を、振動検出センサの出力信号波形の位相９０°のタイ
ミングで、モノマルチ６２から出される制御信号７３に
より、第１Ｓ／Ｈ５５にて保持し、この保持値を第２Ｓ
／Ｈ５６に送出する。この第２Ｓ／Ｈ５６は、振動検出
センサの出力信号波形の位相１８０°のタイミングで、
モノマルチ６２から出される制御信号７５によって、第
１Ｓ／Ｈ５５の保持値を保持し直し、次段の比較器５７
に対して出力する。
【００２０】比較器５７では第２Ｓ／Ｈ５６からの保持
値レベルを、基準電圧発生回路６３からの駆動振幅基準
レベル７７と比較する。誤差増幅器５８は両者の差を増
幅し、その出力７８を次段の掛け算器５９の制御電圧Ｃ
として与える。掛け算器５９はこの比較器出力７８と、
振動検出センサ１１，１２の出力信号Ａ＊ｓｉｎωｔと
を掛け合わせてＡ＊Ｃ＊ｓｉｎωｔなる信号を得、これ
を励振回路６０に与える。励振回路６０は、電磁駆動コ
イル（ドライブコイル）６１に対してＡ＊Ｃ＊ｓｉｎω
ｔに比例する電流を流すことにより、配管の振動振幅を
制御する。
【００２１】このように、振動検出センサ１１，１２、
ＬＰＦ５０、バッファ５１、増幅器５２、全波整流器５
３、第１Ｓ／Ｈ５５、第２Ｓ／Ｈ５６、比較器５７、誤
差増幅器５８、掛け算回路５９、励振回路６０および電
磁駆動コイル６１等により、負帰還のサンプルホールド
制御回路を形成していると言うことができる。
【００２２】つまり、図１のような構成では、ポンプ振
動，流体振動が大きい場合でも、第１サンプルホールド
の次の１周期には、目標の振動振幅値に戻すように制御
し始め、この周期の間は第２サンプルホールドによる第
１サンプルホールド値を保持しなおす動作によって誤差
電圧（Ｃ）の値は一定となり、掛け算器出力信号７９
は、振動検出センサの出力信号に１周期の間一定値であ
る比較器出力値を掛け合わせたものであるので、如何な
る周期においても波形が歪むことはなく、周波数純度の
高い正弦波で配管を励起することができるのである。
【００２３】また、この実施例では第１サンプルホール
ドの位相を、振動検出センサ１１，１２の出力信号波形
の９０°または２７０°、第２サンプルホールドの位相
を、第１サンプルホールドの位相よりほぼ９０°遅れと
したが、９０°と２７０°、０°または１８０°あるい
は０°と１８０°とすることができる。これは、振動検
出センサの種類を速度センサとするか位置センサとする
かによって、前者では配管の振動変位に対して９０°の
位相差が生じるの対し、後者では同相となるからであ
る。また、９０°または２７０°に代えて９０°と２７
０°、０°または１８０°に代えて０°と１８０°にす
るのは、それぞれ応答性を高速にするためである。
【００２４】さらに、図１ではサンプルホールド回路を
第１，第２Ｓ／Ｈの２つに分けるようにしているが、第
２Ｓ／Ｈを省略することができる。ただし、正弦波状の
掛け算器出力信号の“０”値のところで切り替えないの
で、第１Ｓ／Ｈが保持値を更新したタイミングでステッ
プ状に波形が切り替わることになる。この場合、振動検
出センサを介して検出される配管振動波形の振幅値を保
持する位相を９０°付近または２７０°付近、９０°付
近と２７０°付近あるいは０°付近または１８０°付
近、０°付近と１８０°付近のようにすることは、上記
の場合と同様である。
【００２５】
【発明の効果】この発明によれば、検出信号波形の特定
位相付近での値を保持するサンプルホールド回路と、配
管振動の変位の検出信号の最大値を配管の振動振幅とみ
なし、この保持値を予め設定された励振振幅基準値と比
較する比較器と、その誤差値を増幅する誤差増幅器と、
この誤差増幅値を次周期の零位相からの１周期の制御電
圧として、駆動電磁コイルに電流を流入する励振回路お
よび電磁駆動コイルとにより、振動検出センサからの振
幅値を設定値に等しくなるように制御するようにしたの
で、ポンプ振動，流体振動などの外部振動が印加されて
配管の振動振幅値が乱れようとしても、これが一定値と
なるように波形歪みの無い正弦波励振にて配管の振幅制
御を行なうことで、素早い制御応答性を持たせることが
できる。しかも、外部振動が印加されても検出部および
励振回路部からなる系の周波数特性は変化せず、検出部
の周波数特性と同一の特性を維持することができるの
で、常に安定した流量特性を得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の動作を説明するための波形図である。
【図３】図１の変形例を説明するための波形図である。
【図４】コリオリ質量流量計の原理構成図である。
【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】配管駆動回路の従来例を示すブロック図であ
る。
【図１０】図９の動作を説明するための各部波形図であ
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…振動検出センサ、２２
…増幅器、２３…コンパレータ、２４…排他論理和回
路、２６，６６…カウンタ、５０…ローパスフィルタ
（ＬＰＦ）、５１…バッファ、５２…増幅器、５３…全
波整流回路、５４…平滑回路、５５，５６…サンプルホ
ールド回路（Ｓ／Ｈ）、５７…比較器、５８…誤差増幅
器、５９…掛け算器、６０…励振回路、６１…ドライブ
コイル、６２…単安定マルチバイブレータ（モノマル
チ）、６３…基準電圧発生回路、６４…２値化回路、６
５…周波数逓倍器。

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 振動する配管内に流体を流し、その流れ
    と配管の角振動に伴って発生するコリオリ力によって配
    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１対の検出器を介して検出
    し、これら１対の検出器の各出力波形の位相差から質量
    流量を求めるコリオリ式質量流量計において、 前記検出器を介して検出される配管振動波形の所定位相
    での振幅値を保持するサンプルホールド回路と、この保
    持された値を振動振幅設定値と比較する比較器と、この
    比較値を振動振幅に対する誤差値として増幅する誤差増
    幅器と、この誤差増幅値にもとづき配管の振動振幅を増
    減させる励振回路とを設けてなることを特徴とするコリ
    オリ式質量流量計。
  2. 【請求項２】 前記検出器を介して検出される配管振動
    波形の振幅値を保持する位相を９０°付近または２７０
    °付近とす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。
  3. 【請求項３】 前記検出器を介して検出される配管振動
    波形の振幅値を保持する位相を９０°付近と２７０°付
    近とす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。
  4. 【請求項４】 前記検出器を介して検出される配管振動
    波形の振幅値を保持する位相を０°付近または１８０°
    付近とす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。
  5. 【請求項５】 前記検出器を介して検出される配管振動
    波形の振幅値を保持する位相を０°付近と１８０°付近
    とす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。
  6. 【請求項６】 振動する配管内に流体を流し、その流れ
    と配管の角振動に伴って発生するコリオリ力によって配
    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１対の検出器を介して検出
    し、これら１対の検出器の各出力波形の位相差から質量
    流量を求めるコリオリ式質量流量計において、 前記検出器を介して検出される配管振動波形の所定位相
    での振幅値を保持する第１サンプルホールド回路と、少
    なくとも１周期の間に１回は配管の励振コイルの流入電
    流の時間微分値が最大となる位相付近で、前記第１サン
    プルホールド回路の保持値を保持する第２サンプルホー
    ルド回路と、この第２サンプルホールド回路の保持値を
    振動振幅設定値と比較する比較器と、この比較値を振動
    振幅に対する誤差値として増幅する誤差増幅器と、この
    誤差増幅値にもとづき配管の振動振幅を増減させる励振
    回路とを設けてなることを特徴とするコリオリ式質量流
    量計。
  7. 【請求項７】 前記検出器を介して検出される配管振動
    波形の振幅値を保持する第１サンプルホールド回路の保
    持位相を９０°付近または２７０°付近とし、第２サン
    プルホールド回路の保持位相を第１サンプルホールド回
    路の保持位相よりも９０°程度遅延させることを特徴と
    する請求項６に記載のコリオリ式質量流量計。
  8. 【請求項８】 前記検出器を介して検出される配管振動
    波形の振幅値を保持する第１サンプルホールド回路の保
    持位相を９０°付近と２７０°付近とし、第２サンプル
    ホールド回路の保持位相を第１サンプルホールド回路の
    保持位相よりも９０°程度遅延させることを特徴とする
    請求項６に記載のコリオリ式質量流量計。
  9. 【請求項９】 前記検出器を介して検出される配管振動
    波形の振幅値を保持する第１サンプルホールド回路の保
    持位相を０°付近または１８０°付近とし、第２サンプ
    ルホールド回路の保持位相を第１サンプルホールド回路
    の保持位相よりも９０°程度遅延させることを特徴とす
    る請求項６に記載のコリオリ式質量流量計。
  10. 【請求項１０】 前記検出器を介して検出される配管振
    動波形の振幅値を保持する第１サンプルホールド回路の
    保持位相を０°付近と１８０°付近とし、第２サンプル
    ホールド回路の保持位相を第１サンプルホールド回路の
    保持位相よりも９０°程度遅延させることを特徴とする
    請求項６に記載のコリオリ式質量流量計。
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