JPS6227621A - 流れる物質の質量を測定するためのダイナミック振動式計量装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、通過して流れる液体、ガス、スラリーおよび
その他流動物質を含む物質の質量を測定するためのダイ
ナミック振動式計量装置に関し、特に障害物のない導管
を振動させることにより測定を行う計量装置に関する。

このような計量装置の利点は、質量流量を直接測定する
ことおよび導管は可動部品又は他の障害物を含む必要が
ないことにある。このような計量装置は特に食品および
化学プロセス工業界で利用でき、更に高度に圧縮又は液
体ガスを計量することにも用途がある。

過去３５年間に不連続チューブを含む、ある形式の導管
を横断方向に振動することにより質量流量を測定する各
種計量装置が提案された。連続チューブを使用する本発
明に最も対応する従来技術には、出願人が知っているも
のとして米国特許第２．８６５．２０１号、同第３．３
２９．０１９号、同第３，３５５．９４４号、同第４．
１２７，０２８号、第４．１８７．７２１号、同第４．
２５２．０２８号がある。

米国特許第２，８６５，２０１号は、中心軸のまわりで
回転スるジャイロスコープホ・イールのアナログ値とし
て流体が約３６０°だけ円形導管を通過して流れるジャ
イロスコープ式質量流量計を示す。

米国特許第３．３２９□０１９号は、強制横断方向の振
動により屈曲する一本の直線導管を示しているが、流路
および振動方向の双方に垂直なトルク軸のまわりに導管
により生じる１−ルクを質量流量の表示値として検出す
る。このトルクは、質量流れの横断方向振動により発生
される導管の入口部および出口部内の対抗する横断方向
力により発生される。

直線チューブの屈曲により横断方向の振動速度を制限で
きるので、米国特許第３，３５５，９４４号は１辰動速
度および偶力の大きさを増加するようわん曲したチュー
ブを振動することを示している。トルク、振動および流
れの間の垂直関係は、直線チュ　・−ブの場合と同じで
あり、このチューブは流れ方向の反転を最小化又は防止
するため曲げを１８０゜以下に制限されている。

米国特許第４，１２７，０２８号は双方を同一流体が通
過して流れ、逆方向に振動する２つの平行なし字形チュ
ーブを示す。この場合運動の差は質量流量の表示値とし
て検出され、入口および出口は平行で支持体にクランプ
され、流体はこれらを逆方向に通過して流れるようにな
っている。Ｕ字形チューブはコリオリ−の力のモーメン
トアームを増加するよう曲げ部分を含む。

米国特許第４，１８７．７２１号は、Ｕ字形チューブと
ほぼ同じ自然周波数を有する別個のアームに取付けられ
た導管振動手段により片持ち式に取付けられたＵ字形導
管を示している。入口および出口も平行であり、支持体
にクランプされ、これらを流体が逆方向に流れるように
なっている。

米国特許第４，２５２．０２８号は、二つ以上の流体流
れの結合流をｆｆ１ｌＪ定するよう振動される多数の平
行０字チューブを示す。

本発明は、両端が支持されたＳ字形導管を導管の平面に
対して横断方向に振動し、Ｓ字形導管の長手方向軸およ
び振動方向に垂直な軸のまわりの偶力を導管を通過する
質量流量の大きさとして検出するグイナミソク式質量流
量計である。

本発明は、引用した従来技術と同じように基本的には横
断方向速度を勾配を受けた可動粒子は横断方向運動口の
変化に関連した横断方向力を生じるという事実に基づく
と解すべきである。この原理は、米国特許第３．３２９
，０１９号にて振動された直線チューブの例で明瞭に述
べられている。長手方向軸（Ｘ軸）および固定された端
部を有し、Ｘ軸に対して横方向の軸（Ｙ軸）に沿って振
動されるチューブの直線部分を検討すると、横断方向運
動によりＸ軸に沿ってチューブ内で進行する基本粒子に
加わる力ＦｍはｐＩ１１＝　１℃庶ＬＬと　　と表現で
きｄす る。ここでｍは基本粒子の質量であり、ＶｚはＹ軸に沿
う横断方向の振動速度である。この方程式は、横断方向
速度の勾配である。横断方向の最大振動速度の点がチュ
ーブの中心点にあると仮定すれば、この力はチューブの
入口端と中心点との間では正のＺ方向に向き、チューブ
壁による２方向への加速度に対する粒子の慣性の反作用
を表示する。この力は、中心点とチューブの出口端との
間では負のＺ方向に向き、Ｚ方向への減速に起因する粒
子によるチューブ壁へ加わる力を表示する。チューブの
入口とその中心点との間のすべての流体粒子の加速によ
る積分した反作用力はＦ　ｎｕ　＝　Ｍ　Ｚｍ　（ここ
でＭは質量流量で２−は中心点での横断方向変位を示す
）と表わすことができる。同様に中心点とチューブの出
口との間のすべての流体粒子の減速による積分した力は
、Ｆ　ｆｆ１１１−Ｍ　Ｚ　ｍと表わされる。これらの
偶力による一方の力又は双方の力又はトルクＴＭはチュ
ーブを通る質量流量の表示値として検出でき乞。

積分した力は点間数であって、基本粒子の場合のように
速度勾配でなくて、横断方向速度の最大値に比例するの
で、Ｘ軸に沿う横断方向速度の変動の特性は重要ではな
い。

この原理を直線チューブでなくて曲がりチューブに応用
することが米国特許第３．３５５，９４４号に記載され
ている。この曲がりチューブは、米国特許第３，３２９
，０１９号の直線チューブにＸ軸およびＺ軸反力に垂直
なＹ軸に沿って曲率を与えることにより製造される。Ｙ
軸に沿う振動方向は、Ｘ軸およびＹ軸により画定される
わん曲チューブの平面に対しても横断する。この曲率を
設けたことはＸ軸のまわりのわん曲チューブの偏心部分
の曲がりすなわち回転により通常直線デユープの屈曲に
より得られるよりもより大きな横断方向速度が得られる
ようにする。

米国特許第３，３５５．９４４号では限界点の曲率はＸ
軸に沿う流れ方向の反転（これは不能にしたり損傷を生
じさせたりすることもある）を防止するよう１８０°に
指定されている。

移動中の粒子により生じる横断方向速度の変化が回転部
材上の半径方向運動によるものであるとき、横断方向速
度の変化率は通常コリオリ−の加速と呼ばれる。このコ
リオリ−の加速は回転現象として又コリオリ−の力は共
通回転状況、例えば、回転中の遠心インペラーを通るラ
ジアル流れによる負角運動量に関連するものとして広く
理解されている。しかしながら、異なる支持体と共に可
変横断面および弾性のビームが振動するときのように回
転モデルが一部しか通用されなかったり、流体の層流を
含むチューブ断面を粒子が通過する場合のように純粋に
線型のモデルが適用される状況もある。

他の従来技術では、回転モデルとして定義されるコリオ
リ−の加速および力は米国特許第３．３２９．０１９号
および同第３，３５５．９４４号に記載されている一般
原理の特殊例であると解されてはいない。米国特許第２
，８６５，２０１号は連続して２回１８０°走行すると
きの反復するコリオリ−偶力によりジャイロスコープ状
歳差運動が生じると考えてはいないようであるし、米国
特許第３．３５５．９４４号が示すように質量流れをダ
イナミック式に検出するのに半ループのチューブで充分
であると示していない。米国特許第２，８６５，２０１
号は流れている流体により通常のジャイロスコープのロ
ータと等価的なループ状の導管を特定している。「この
トルクの瞬間値は流体の質量流量により決定される角運
動量の瞬間値および駆動軸のまわりのループの角速度の
瞬間値に比例する」との記載のように回転パラメータに
も関係がある。米国特許第４．１２７，０２８号はｒ２
Ｘチューブを通って流れる物質の密度Ｘ流れベクトルと
角速度ベクトルの交差積に等しいコリオリ−の力がチュ
ーブに生じる」と述べてその特許の流量計の作動を説明
する際に回転モデルを用いている。米国特許第４，１８
７，７２１号同第４，２５２，０２５号の発明者スミス
氏は「本発明が関係する一般的タイブの流量計は、ジャ
イロスコープ式質量流量計またはコリオリ−の力式質量
流量針としてこれまで公知であった。・・・コリオリ−
の力は、回転中の物体上の第１点から第２点への質量の
ラジアル運動を伴う」と述べている。

コリオリ−流量形の回転モデルからは、うずまき状のチ
ューブ、例えば本発明のＳ字形導管に等しく基本原理を
通用できることは明らかでないので、以上で振動式質量
流量計の作動原理の解釈について説明した。チューブの
固定された入口から最大速度点まで横断方向の勾配が増
加し、最大点から固定された出口まで横断速度勾配が増
加する限り、入口から最大点までの一方向に横断方向の
力の勾配が生じ、最大点から出口までの逆方向に横断方
向の力の勾配が生じる。曲がり導管のようにＳ字形導管
では、Ｘ方向にもＹ方向にも偶力が生じることになり、
これら偶力はマウントに取付けたロードセルにより又は
屈曲導管では、最大速度の点の両側に設けた運動センサ
により偏向量の差を質量流量の大きさとして検出するこ
とにより直接検出できる。

曲がり導管すなわちわん曲導管を振動させる引用した従
来技術のどの質量流３計でも、高感度の測定値を得るの
に必要なわん曲導管の径の寸法、幅および偏心量は、流
量計の寸法を過度に大きくし、ライン中に設置する容器
を好ましくないものにする。米国特許第２．８６５．２
０１号のジャイロスコープ式質量流量計は、導管の径に
対するループ径の比が大きい完全ループを有しているの
で、かなりのスペースを必要とし、ライン中に設置する
のが困難である。米国特許第３，３５５，９４４号に記
載された流量計は、イン・ライン接続できるが、その限
界点でラインからずれた０字チューブを有するので、ラ
インから横方向にかなりの距離を必要とする。米国特許
第４．１２７，０２８号、同第４，１８７．７２１号、
同第４．２５２，０２８号に示されているような０字チ
ューブは、導管径に対するループ長さの比が極めて大き
いようである。これら流量針も流量計用にラインを特別
に接続した好ましい位置に設置するよう設計されている
ようである。これは、特に現行のラインに対しては好ま
しくない。これら流量針を現行ラインに設置するとすれ
ば、横方向に長い延長ラインを設けたり、めんどうな垂
直化作業が必要となり、いずれも好ましくない。

これに対し本発明によって得られる改良は、特に折り返
し脚により画定されるＳ字形導管によるものであり、こ
の導管によりラインへの設置を容　易することが可能と
なった。通常設置には横方向よりもラインに沿う長手方
向により大きな余裕がある。長い脚を有するＳ字形導管
を供給することは可能であり、これら長い脚は感度を増
すため大きな計測力、導管の大きな可撓性および低動力
条件およびコンパクト性、（特にライン中に直接設置で
きる質量流量計内の横方向に）を与える。

次に第１図を参照すると、振動式質量流量計は、支持体
１０と、流れ材料の質量を含むＳ字形の導管Ｉ２から成
り、導管は３つの同一平面上の脚、すなわち入口端１６
が支持体に接続された入口脚１４と、出口端２０が支持
体に接続された出口脚１８と、入口脚１４と出口脚１８
を接続する折り曲げ脚２２とから成る。この導管は、リ
ニア電磁駆動器２４により振動されるようになっており
、駆動器は支持体１０に取付けられたステータ２６と駆
動ロンド３０を介して折り曲げ脚２２に取付けられた可
動アーマチュア２８を有する。ロンド３０はカップリン
グ３２により対称的に折り曲げ脚２２の中心に取付けら
れている。振動駆動器２４はスピーカの駆動器と同様な
可動コイル式のもの又は可動磁気コアを有するソレノイ
ド式のものでよい。振動式駆動器２４は、振幅制限され
るドライブ回路（図示せず）からの振動周波数の交流電
流によりｌ？ｆｔ勢される。駆動器によりＳ字形状導管
１２が振動すると、入口１６とカップリング３２にある
中心点との間で振動方向に横断方向速度の勾配が増加し
、中心点と出口２０との間で振動方向に横断速度の勾配
が減少する。導管を通過して流れる物質の質量により生
じる横断方向運動量変化による偶力が折り曲げ脚２２を
通る長手方向軸とこの長手方向軸かつ振動方向に垂直な
カンプリング３２の中心点を通過する横方向軸のまわり
で生じる。Ｓ字形状導管の目的は流量計の横方向寸法を
最小にすることにあるので、長手方向軸まわりのモーメ
ントアーム長さは比較的小さくしなければならなく、横
方向軸まわりのモーメントアーム長さは折り曲げ脚２２
の長さを長くすることにより比較的大きくできる。従っ
て、当該偶力は横方向軸のまわりにあることになる。こ
の偶力は、導管１２の両端に負荷センサ、例えばピエゾ
素子を取付け、その出力差を測定することにより直接検
出できる。これとは別に脚２２の中心点から等距離にあ
る脚２２の両側の点に速度センサ又は加速度計等の振動
センサを取付け、それらの出力をを処理し、質量流量に
関連する差を得るよう比較することができる。人口およ
び出口における導管の両端を支持体内に設けて固定すれ
ば、検出点における導管の偏向量の差を測定するため変
位感応装置として振動センサを使用できる。

導管が内蔵された端部を有している場合、導管内を流れ
ている質量の横断方向加速度があると、中心点の両側で
偏向量の差が生じると解すべきである。物質の質量が導
管を通って入口１Ｇから出口２０へ流れると、入口と中
心点との間の導管の横方向偏向は中心点と出口との間の
導管の偏向をいずれの方向にも遅延する。これは、入口
から中心点まで流れる質量の空間的加速が振動運動方向
に反対方向の力を発生すると共に中心点から出口へ流れ
る質量の空間的減速が振動方向と同一方向の力を発生す
るからである。変位センサは、偏向量の差が最大となる
ような最適位置に設けるべきで、この最適位置は折り曲
げ脚２２を導管１２の入口脚１４および出口脚１８に接
合する曲げ部分の内にあるはずである。

適当な変位検出手段としてはアナログ式又はデジタル式
のものでよく、アナログセンサを使用する場合、偏向量
の差を測定するのに検出された振動の位相差を利用でき
る。マイクロスインチ（ハネウェル事業部）のＮｏ、　
９７７型リニア出力ホール効果トランスジユーサが一般
的な非接触式変位センサである。デジタル変位検出手段
は、入口および出口偏向点が基準点を通過するのを検出
するスイッチを使用できる。進み（出口）スイッチはタ
イマーをスタートさせると、遅れ（入口）スイッチはタ
イマーを停止させる。この間の経過時間は、質量流れの
振動による導管の偏向口の差の大きさとなる。適当な一
般的スイソチとしてはマイクロスイッチ社のＮｏ、　８
７７ホ一ル効果磁気作動位置センサ、クライレソク社の
Ｎ０ＣＬＩ−３０５ＬＥＤ−フォトトランジスタ対光学
式スイッチおよびセンサエンジニアリング社により供給
されるＮｏ、　３０９６５ウイーガント効果非接触リミ
ツトスイツチがある。

第２Ａ図は、出口検出位置に設けられた光学式スイッチ
として典型的な変位センサ３４を示す。

支持体に取付けられたハウジング３６は、光学的素子の
対を含み、導管に取付けられた羽根３８は光学素子の間
の光ビームをさえぎる小さな孔を含んでいる。第２Ｂ図
に示す出口変位センサも同じものである。センサ３６の
構成は、一般的なホール効果スイッチおよびウィーガン
トワイヤスイソチでもよい。

次に質量流量の測定用のため振動式Ｓ字形導管を使用す
るのに必要な機械的構造を示す。電気駆動回路およびロ
ードセル用、振動検出用および変位センサ用センサ出力
回路は従来技術の引用例に適当に記載されており、本発
明にも応用できる。

第３図は、Ｓ字形導管と同じ動力弾性性能を有するバッ
キングビームが支持体内に組込まれ、支持体への振動力
の伝達を最小にするよう導管と位相が１８０°ずれて振
動される本発明の別の実施態様を示す。ここでは支持体
４２にはＳ字形導管４０が組込まれ、電磁ドライバ４４
の作用部４６は導管に取付けられ、協働作用部４日はビ
ーム５０に取付けられている。入口変位センサ５２およ
び出口変位センサ５４は、それぞれの検出点にて支持体
に対する導管の偏向量を検出する。

第４図および第５図は、第３図の実施態様をより明瞭に
示す別の図である。

第６図には第３の実施態様が示されているが、ここでは
２つの同じ平行なＳ字形導管が互いに１８０”だけ位相
がずれた状態で振動される。これら２つの導管の入口お
よび出口の相互変位が検出され、その出力差が両導管内
の全質皿流四の大きさとなる。Ｓ字形導管５６およびＳ
字形状導管５８は平行配列にて支持体６０内に組込まれ
ている。電磁駆動器６２は、導管５６に取付けられた作
用部６４と導管５８に取付けられた別の作用部６６を有
し、変位センサ６８は、入口検出点において２つの導管
の相対偏向量を測定し、変位センサ７０は、出口検出点
において２つの導管の相対的偏向量を測定する。

第７図および第８図は第６図の実施態様をより明瞭に示
す別の図である。

第６図の２つの導管５６および５８に同−物質又は同一
密度の物質を充填すれば、振動力の合計はいずれも同じ
になり、支持体への振動力の伝達も最小となる。第６図
の実施態様は、２つのほぼ等しい流れに分流し、２本の
Ｓ字形導管を通過し、その後ラインへ戻って合流する一
本のライン内の流れを測定するのに適す。導管の寸法を
小さくすれば、可撓性が大きくなり、駆動力が小さくな
り、構造もよりコンパクトになる。第６図の配置は、２
つの別々の流れを結合した流れを測定するのにも有効で
ある。

第９図は、Ｓ字形導管によって得られる主な改良すなわ
ちライン内に直接設置できるユニ・ノドにより振動を利
用して質量流量を測定できる能力を示す。ここでは、Ｓ
字形導管７２は、出口ポート７８と同軸状の入口ポート
７６を有するハウジング７４に組立てられ、Ｓ字形導管
７２の長手方向軸は、導管７２の入口８０の入口ポート
７６に接続でき、導管７２の出口８２を出口ポート７８
に接続できるようポートの軸と所定の角度をなしている
。Ｓ字形状導管７２は、電磁駆動器８４によりハウジン
グ７４に対して振動され、導管の入口および出口のハウ
ジングに対する偏向量は、それぞれ変位センサ８６およ
び８８により検出される。

【図面の簡単な説明】

第１図は、Ｓ字形状の流グ測定用導管を示す本発明の好
ましい実施態様の図、 第２Ａ、２Ｂ図は一般的光学式運動センサの拡大図、 第３図は支持体への振動の伝達を最小にするためバンキ
ングビームを使用することを示すための本発明の別の好
ましい実施態様の図、 第４図は、第３図に示す構造体の平面図、第５図は第３
図に示す構造体の断面図、第６図は２つのＳ字形導管を
使用し、その出力が２つの導管を通過する質量流量の合
計に関連する第３の好ましい実施態様を示し、 第７図は第６図に示す構造体の断面図、第８図は、第６
図の装置内の振動センサの図、第９図はＳ字形状導管が
ハウジング内で同軸状の入口および出口ポートに接続さ
れた配置を示す。 １０・・・支持体、 １４・・・入口脚、 １８・・・出口側、 ２２・・・折り曲げ脚、 ２４・・・電ＶＡ駆動器、 ３２・・・カンプリング。 図面の浄書（内容に変更なし） ＦＩＧ、　２Ｂ ＦＩＧ、　４ ＦＩＧ、９ 手続補正書（方式） ％式％ １、事件の表示　　　昭和６０年特許願第１６２７８７
号２、発明の名称　　　通過して流れる物質の質量を測
定するためのグイナミソク振動式計量装置 ３、補正をする者 事件との関係　　出願人 名　称　　スミス　メーター　インコーホレーテッド４
、代理人

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. （１）通過して流れる物質の質量を測定するためのダイ
   ナミック振動式計量装置において、 ３つの同一平面上の脚すなわち支持体に接続された入口
   端を有する入口脚、支持体に接続された出口端を有する
   出口脚、入口脚と出口脚を接続する折り曲げ脚を有し、
   長手方向軸を備えたりＳ字形導管と、 ３つの脚の平面を横断する方向に導管を振動し、入口と
   折り曲げ脚内の最大速度点との間で流れている物質の横
   断方向速度すなわち横断方向運動量の勾配を増加させる
   と共に最大速度点と出口との間で流れている物質の横断
   方向速度すなわち横断方向運動量の勾配を減少させる手
   段と、 横断方向運動量による振動方向に垂直な軸まわりの導管
   上の振動偶力を導管中を通る質量流れの大きさとして検
   出する手段とから成り、大きな力モーメントアームによ
   る大きな計測力、導管の大きな可撓性および低動力条件
   を与えるＳ字形の導管の折り曲げ脚、入口および出口に
   おける実質的に単一方向の流れおよびよりコンパクトな
   ことを特徴とするダイナミック振動式計量装置。
2. （２）振動偶力検出手段は最大速度点の両側に設けられ
   た２つの振動センサから成り、２つのセンサの出力差が
   質量流量の大きさを与える特許請求の範囲第１項記載の
   計量装置。
3. （３）導管は支持体内に組込まれ、振動力に応答して屈
   曲し、振動センサは導管の振動変位を検出する特許請求
   の範囲第２項記載の計量装置。
4. （４）変化センサは光学式スイッチであり、２つのセン
   サのスイッチングの間の経過時間を出力差として使用す
   る特許請求の範囲第３項記載の計量装置。
5. （５）振動手段はリニア電磁駆動器であり、駆動器は支
   持体に取付けられたステータおよび導管の折り曲げ脚に
   取付けられた可動アーマチュアを備える特許請求の範囲
   第１項記載の計量装置。
6. （６）振動手段はリニア電磁駆動器であり、駆動器の一
   方の作用部は導管の折り曲げ脚に取付けられ、他方の作
   用部は支持体への振動の伝達を最少にするよう支持体に
   組込まれかつ導管と同じ動力弾性性能を有するビームに
   取付けられている特許請求の範囲第１項記載の計量装置
   。
7. （７）第１導管と同じでかつこれに平行な第２Ｓ字形導
   管を含み、振動手段は各導管の折り曲げ脚に取付けられ
   た作用部を備えるリニア電磁駆動器であり、振動偶力検
   出手段は２つの導管の運動の差を測定し、２つの導管を
   通る質量流量の合計に関連する出力を発生するよう駆動
   器の両側に設けられた２つの振動センサである特許請求
   の範囲第１項記載の計量装置。
8. （８）支持体は同軸状入口ポートおよび出口ポートを有
   するハウジングであり、Ｓ字形導管はその長手方向軸が
   ポートの軸と所定の角度をなすようハウジング内に配置
   されている特許請求の範囲第１項記載の計量装置。