JPS6298233A - 密度測定装置 - 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】 〔発明の属する技術分野〕 本発明は、曲げ振動する振動体の共振周波数を検出して
該撮動体の両面に接触している流体の密度を測定する密
度測定装置、特に気体のような低密度流体に対しても精
度よく測定することができかつ測定温度範囲の広い測定
装置センサ部の構成に関する。

〔従来技術とその問題点〕

振動体の共振周波数にもとづいて流体密度の測定を行う
装置としてはｎ６図に示した米国特許第３．６７７．０
６７号明細１記載のものが公守である。

第６図において、１は測定＃、体２が流れる流路３内に
配置される円管状沖１定管、Ｇは測定流体２の＃、動方
向で、測定管１は通常そσ）軸方向とｅ、動方向Ｇとが
ほぼ一致するように配置される。４は測定管ｌの軸を含
むようにして両側縁で測定管Ｉの内面に固定された矩形
板状の振動子で、５は軸が振動子４の板面にはぼ垂直に
なるようにして一端に測定管ｌが固定され、他端に円筒
状接続箱６が固定された筒体である。筒体５には測定管
１を上述のように流路３内に設置するための取り付けね
じ７が設けられている。第６図においては、図示してい
ない機構を介して、振動子４が、その側足９１に固定さ
れていない縁が円弧状に湾曲する曲げ振動の自助振動を
継続するように構成されているので、撮動子４は該振動
子を含む振動系の共振周波数Ｆｎで振動する。測定管ｌ
が流路３内に配置されると測定流体２が測定管ｌを貫流
するので、この場合振動子４が上述のような曲げ振動を
すると振動子４に接触している流体２も振動し、この結
果振動子４を含む振動系の質量が振動子４に付随して振
動する気体２の質量分だけ増加したことになり、したが
って前記共振周波数Ｆｎが振動子４に流体が接触してい
ない場合とは異なった値になる。すなわち周波数Ｆｎは
（１）式で表され、この場合Ｍは撮動子４の質量、には
振動子４のばね定数１Ｍｔは前述した質量増加分として
の流体２の（１）式においてに、Ｍは流体２の性質によ
らない定数でありまたＭｔは流体２の密度に対応してい
るので、この（１）式から振動数Ｆｎを測定することに
よって流体２の密度を測定しうろことが明らかで、第６
図においてはこのようにして密度測定を行うように要部
が構成されており、流体２の密度ρとＦｎとの関係はお
およそ概念的に第７図のようになる。

第７図において、ｐｎｏはρ＝００場合、すなわち振動
子４を真空中においた場合のＦｎの１直である。測定流
体２が気体である場合、密度ρが小さくかつ圧縮性を有
するため、振動子４の振動に付随して振動する気体の質
ノ栓振動子４の質量にイベて極めて小さく、この結果特
性線の右下がりの傾斜は非常に小さくなっている。した
がって第６図の密度測定装置には、気体に対して測定を
行う場合、密度変化に対応する周波数変化が少ないので
密度測定が困難であるという問題があり、また周囲温度
の変化に伴って振動子４等の寸法が変化して生じる周波
数Ｆｎの変動が、周囲温度変化が大きいと気体の密度変
化に対応する周波数Ｆｎの変化に対して無視できない大
きさになるため、密度測定装置の適用温度範囲が狭いと
いう問題がある。

〔発明の目的〕

本発明は、上述したような従来の密度測定装置における
問題を解消して、気体のような圧縮性を有する低密度流
体に対しても精度よく測定を行うことができ、かつ測定
温度範囲の広い密度測定装置を提供することを目的とす
る。

〔発明の要点〕

本発明は、上記目的達成のため１曲げ振動をする振動板
の共振周波数を検出してその振動板の両面に接触する流
体の書間を測定する密度測定装置において、前記憑動板
の少なくとも一方の面側に、その面に対向して、＠記振
動板の他方の面側と流体的に流通しないように形成され
た空洞と、この空洞に前記流体を導く筐体とから成る音
響振動系を設け、前記空洞の音響コンプライアンスを前
記振動板のコンプライアンスに比べて小さく設定するこ
とによって、気体に対しても精度よく測定を行うことが
でき、かつ測定温度範囲の広い密度測定装置が得られる
ようにしたものである。

〔発明の実施例〕

第１図は本発明の第１実施例におけるセンサ部の縦断面
図、第２図は前記第１実施例のブロック構成図である。

第１図および第２図において、８は底部８ａの内面に圧
電振動子９が接着固定され開口端にはつば８ｂが設げら
れた有底円筒状の振動体で、該振動体８は厚さＯ，ｌ［
：ｗ：］程度の金属製薄板で形成されている。圧電振動
子９は、厚さ０．１〜０．２Ｃｓ＋：］の円板状圧電基
板９ａと、該基板９ａの一面に形成した第１電極９ｂと
、基板９ａの他面に形成した第２および第３電極９Ｃ１
９ｄとで構成され、第１電極９ｂが設けられた面が振動
体８の底部８ａに当接させられて電極９ｂと振動体８と
が電気的に接続されている。１０は振動体８と圧電撮動
子９とからなる振動板である。

１１は開口端側の内面にめねじｌｌａを設けた有底円筒
状の容器で、この容器１１の底部ｔｔｂ外面には該容器
１１と同軸になるようにして円筒状筒体１２の一端が固
定され、容器の底部Ｌｌｂには、筒体１２の内部に連通
しかつ該筒体の内直径に等しい直径を有する円形貫通孔
１１Ｃが設けられている。１３は外側面におねじ１３ａ
を設けた有底円筒状ハウジングで、撮動体８は、おねじ
１３ａをめねじｌｌａにねじ込むことによってつば８ｂ
がハウジング１３と容器１１とで挟みつけられて、ハウ
ジング１３と容器１１とで形成される内部空所内に固定
されている。１４は振動板１０と容器１１とで形成され
た第１空所１４は振動板１０とハウジング１３とで形成
された第２空所で。

ハウジング１３の底部１３ｂには貫通孔１６．１６が設
けられ、さらに該底部１３ｂの内面には検出回路１７を
構成するプリント配線基板１８が接着固定されている。

第１空所１４と第２空所１５とは振動板１０によって流
体密に＠離されている。

Ｌ９ａは検出回路１７と空所１５外の回路とを接続する
ために空所１５から貫通孔１６を介して引き出された導
線で、１９ｂ、１９ｃ、１９ｄは振動体８．圧電振動子
９における電極９ｃ＋９ｄのそれぞれを検出回路１７に
接続するリード線である。２０は上述した振動板１０と
容器１１と筒体１２とからなるセンサ部である。

次に検出回路１７の構成と動作とを説明する。

２１は電極９Ｃを介して出力電圧を圧電基板９ａに印加
する増幅器で、２２は圧電基板９ａに発生した電圧を電
極９ｄを介して検出して増幅器２１に正帰還する帰還回
路である。第１図および第２図においては振動板１０が
上述のように構成され。

かつ圧電基板９ａは電極ｇｂ、ｇｃ間に交流電圧が印加
されると半径方向に伸縮するように構成されているので
、圧電基板９ａにこのような伸縮が発生すると撮動体８
の底部８ａは該振動体の筒体軸の方向に振動する。この
結果再び電極９ｄ、９ｂ間に圧電基板９ａの歪みに応じ
た交流電圧が発生して、この電圧が帰還回路２２を介し
て増幅器２１に正帰還されるので、結局振動板ｌＯは該
振動板の固有振動数Ｆで共振する振動状態を継続して自
動振動をする。２３は固有撮動数Ｆに等しい周波数を有
する増幅器２１の出力交流電圧２１ａが入力され、該電
圧に対して行う後述の信号処理をやり易くするインピー
ダンス変換回路で、２４は変換回路２３の出力信号に対
して波形整形を行って周波数Ｆのパルス列信号２４ａを
出力する波形整形回路である。検出回路１７は、上述し
た増幅器２１と帰還回路２２とインピーダンス変換回路
２３と波形整形回路２４とこれら各部を塔載したプリン
ト配線基板１８とで構成されている。

２５は信号２４ａが入力され該信号を構成するパルス列
の周波数Ｆに対応した信号を演算部２６に出力する信号
変換回路で、演算部２６は信号変換回路２５の出力信号
が入力されると後述の演算式にもとづく演算を行って密
変信号２ｆ５ａを出力するように構成されている。

第１図および第２図においては各部が上述のように構成
されているので、第１図の部分を測定流体２内に配置す
ると、空所１４には筒体１２を介して、また空所１５に
は貫】１孔１６を介していずれも流体２が侵入するので
、この状態で振動板１０を上述のようにして自動振動さ
せると、該振動板は測定流体２が導入された第１空所１
４および貫通孔ｔｔｃの部分および筒体１２内部と、振
動板ＩＯとからなる振動系４０の共振周波数で振動する
。したがって波形整形回路２４から出力されるパルス列
信号２４ａの周波数Ｆは撮動系４０の共振周波数に等し
くなる。第２図に示した２７は、振動子９と検出回路１
７と信号変換回路２５とからなり、上述のようにして振
動系４０の共振周波数Ｆを検出する周波数検出部である
。

次に振動板１０の振動態様を第３図を用いて説明する。

すなわち第１図においては、振動体８の側１１ｉｌｉ８
Ｃは第１筒体１１の内側面と非常に狭い間隙を介して対
向するように構成され、また空所Ｉ５の容積は、振動板
ｌＯが上述のように撮動しても該空所１５内には殆ど圧
力変動を生じないように、空所１４の容積に比べて非常
に大きく形成されかつ買通孔１６０合計開ロ面積も非常
に太きく形成されて、該空所１５の固有振動数が振動板
１０と空所１４と貫通孔ＩＬｃと筒体１２の内部空所と
からなる振動系４０の固有撮動数に対して充分低くなる
ように構成されているので、第１図の要部は模式的に第
３図へのように表される。第３図囚においてＭｍは振動
板ＩＯの質量、Ｓは振動体８の底部８ａの面積、Ｃｍは
振動板１０のばね定数Ｋｍに対応するコンプライアンス
で、Ｃｍ＝１／Ｋｍの関係があり、Ｍａは筒体１２内に
存在する測定流体２の質量、Ｃａは空所１４における音
響容量である。音響容量Ｃａは（２）式で表される。こ
こにＷは空所１４の容積、Ｘ、ρはそれぞれ流体２中の
音速、流体２の密度である。

Ｃａ＝Ｗ／（Ｘ’・ρ）　　　・・・・・・（２第１図
においては、第３図囚に示した空所１４の高さｈならび
に筒体１２の断面積Ｓ１がいずれも非常に小さく形成さ
れて、空所１４における流体２の質量ならびに筒体１２
内の音響容量が共に無視しうるように要部が構成されて
いるので、第３図（８）に示した構成の振動系は、空所
１４と筒体１２内空所とからなる音響振動系を機械振動
系に変換して、第３図０に示した電気的等価回路で表さ
れる。ここにＭ　ａｏ　、　Ｃａｏはそれぞれ（３）式
で表される質量、音響コンプライアンスである。

さて第３図８）において、振動の角周波数をωとして（
４）式が成立するとすると第３図（ハ）は同図（Ｃ）の
ように書き直され、第３図００回路の共振周波数をＦと
すると（５）式が成立する。

（３）〜（５）式から（６）式が得られる。

（５）式から明らかなように、第１図の要部が第３図Ｇ
の＃＝国回路が成立するように構成されていると振動板
１０は周波数Ｆで共振し、第２図に示し整 た波形か形回路の出力信号２４ａを構成するパルス列の
周波数Ｆは筒体１２内にある測定流体２の質ｉＭａＫ応
じた値になり、したがって周波数Ｆを知ることによって
流体２の密度を得ることができるわけで、第２図の演算
回路２６は（５）式にもとづく演算を行って流体２の密
度ρに相当した密度信号２６ａを出力するように構成さ
れている。また（５）式から明らかなように、この場合
流体２の密度変化に伴う質量Ｍａの変化の周波数Ｆに及
ぼす影響は、８／Ｓ、＞＞　１であるように要部が構成
されているので（Ｓ／Ｓ、　＞”倍だけ拡大されていて
、かつ（Ｓ／Ｓ、）”＞＞　ｔ　である。したがって第
３図Ωの回路が成立するように第１図の要部が構成され
ていると、第１図および第２図に示した密度測定装置は
、（５）式と（１３式とを比較して明らかなように、気
体のような低密度あるいは圧縮性を有する測定流体２に
対しても精度よく測定を行うことができることになる。

（９式によって明らかなように、第１図および第２図に
示した密度測定装置では、測定感度を大きくするために
Ｍ　ａ　ｏ　７Ｍｍができるだけ大きな値になるように
要部が構成されている。このため（６）式から（７）式
が得られる。

Ｃａｏ／Ｃｍ　　＜＜　　１　　　　　　　　　・・・
・・・（７）したがって（７）式が成立すれば上述の所
論がすべて成立するわけで、上述の密度測定装置では、
振動体８および該振動体８の容器１１とハウジング１３
との挟持部近傍を上述のように構成することによって振
動板１０のコンプライアンスＣｍを大きくし、かつ空所
１４の高さｈをできるだけ小さくすることによって該空
所１４の音響コンプライアンスＣａＯを振動板１０のコ
ンプライアンスＣｍに比べて充分小さくし、かつＭ　ａ
　ｏ　／　Ｍｍはできるだけ大きくなるように要部４構
成されているので結局（４）〜（７）式が成立すること
になる。故にこのような密度測定装置は第３図００等価
回路で表されて第２図の信号２４ａを形成するパルス列
の周波数は（５）式に示されるＦに等しくなり、さらに
Ｓ／８、＞＞１　となっているので、このような密度測
定装置によれば気体のような低密度流体に対しても高い
感度で精度よく測定することができる。したがってこの
ような密度測定装置は、測定流体２の温度変化に伴う振
動板ｌＯの撮動数変化の測定精度に及ぼす影響が、第６
図の密度測定装置の場合に比べて少ないので、測定流体
２の広い温度範囲にわたって測定を実行しうろことにな
る。

第４図の特性線Ｒは第１図のセンサ部２０を上述の各条
件が満足されるように構成した場合の実験結果を示すも
ので、図の共振周波数は振動板１０と第１空所１４と貫
通孔１１Ｃと筒体１２の内部空所とからなる振動系４０
の固有振動数に等しく、あるいは第２図に示した波形整
形回路の出力信号２４ａを構成するパルス列の周波数に
等しい周波数である。特性線Ｒは振動体８を板厚０，０
５（ｍ：］、円筒の外直径２４〔■〕とし、また空所１
４の高さｈを０．５（＋ａ＋）とし、また筒体１２の外
直径を３〔楕〕、筒体１２の第３図囚に示した長さｔを
１５　（ｔｍ　）とした場合で、この場合振動板１０の
コンプライアンスＣｍはｏ、　ｓｌＸ　１０　　　Ｃｍ
／Ｎ）。

空所１４の音響コンプライアンスＣａＯは６．３Ｘｔｏ
”−６（：ｍ／Ｎ）に構成されて（７）式の条件が成立
するようになっている。第４図の特性線Ｓは、センサ部
２０を、振動板１０の寸法を前記と同じにしかつ空所１
４と筒体１２とを取り除いた構造とした場合、すなわち
第６図に示した従来の密度測定装置における構造と類似
の構造にした場合の実験結果で、第４図から明らかなよ
うに特性線Ｓの傾斜は非常に少ないが特性線Ｒの傾斜は
非常に大きくなっている。したがって第４図から、特性
線Ｒを有するセンサ部を用いると、特性線Ｓを有するセ
ンサ部を用いる場合よりも低密度の測定がやり易くなる
ことが明らかである。第４図の特性線Ｔは、機械的振動
板の片面に空洞を隣接させる容器を設けかつこの容器に
単なる開口を設けた、従来公知の圧電ブザーのような機
械音響振動系に対する一実験結果を示すもので、このよ
うな振動系では、従来１機械的振動板がかたく形成され
てコンプライアンスが小さくなっているのに対して前記
空洞が比較的大きく形成されて該空洞の音響コンプライ
アンスが大きくなっているので、特性線Ｔは僅かに右上
がりの特性となっている。したがってこのような機械音
響振動系を用いては密度測定を行うことができないこと
が第４図から明らかである。

第５図は本発明の第２実施例における第１図の部分に対
応する部分の縦断面図で、本図の第１図と異なる主な所
は、振動板１０の圧電振動子９がとり付けられている側
にも、第１空所１４と筒体１２どの各々に対応する空所
２８と筒体２９とが設けられていることで、この場合振
動板１０と共に空所２８を形成する第１図のハウジング
１３に対応するハウジング３０は、その底部３０ｂが板
状空所２８の厚さをできるだけ薄くするために圧電振動
子９の近傍まで持ち上げられ、圧電振動子９の各電極は
底部３０ｂに貫設した端子３１を介して空所２８および
１４外に設けた検出回路１７に接続されている。筒体２
９はその内部が底部３０ｂに設けた貫通孔３０Ｃに連通
ずるように一端が該底部３０ｂに流体密に固定されてい
る。３２は検出回路１７と信号変換回路２５と演算部２
６とを除く図示の各部からなるセンサ部である。第５図
においてはセンサ部３２が上記のように構成されている
ので、このよ５なセンサ部を測定流体２中に配置して振
動板１０を撮動させた場合、この振動に付随して振動し
て振動板１０の質量に付加されることになる測定流体２
の質量が、第１図のセンサ部２０では殆ど筒体１２内の
流体質量であるのに対して、センサ部３２では殆ど筒体
１２内の流体質量と筒体２９内の流体質量との和になる
。

このためセンサ部３２を用いると、（５）式から明らか
なように、第１図のセンサ部２０の場合よりも感度の高
い密度測定が行えることになる。

上記説明においては本発明は密度の６１１１定に適用さ
れるものとしたが１本発明が圧力測定にも適用しうるも
のであることは説明するまでもなく明らかである。また
上記説明においては容器１１に筒体１２を設けまたハウ
ジング３ｏに筒体２９を設けたが１本発明においてはこ
れら筒体１２．２９はなくてもよいものであって、筒体
１２．２９内の流体の作用を貫通孔１１ｃ、３０ｃ内の
流体の作用で置きかえるようにしても差し支えないもの
である。

〔発明の効果〕

上述したように、本発明においては１曲げ振動をする振
動板の共振周波数を検出してその振動板の両面に接触す
る流体の密度を測定する密度測定装置において、前記振
動板の少なくとも一方の面前記空洞の音響コンプライア
ンスを前記振動板のコンプライアンスに比べて小さく設
定したので。

振動板の振動時に該振動板を含む振動系の質量を増加さ
せることになる測定流体の作用が空洞と筒体との作用に
よって拡大される結果、気体に対しても精度よく測定を
行うことができ、かつ測定温度範囲の広い密度測定装置
が得られる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は本発明の第１実施例のそれぞれ要
部縦断面図、ブロック構成図、第３図は本発明の詳細な
説明図で、第３図（２）は振動系の模式図、第３図βお
よびΩはそれぞれ囚図に対する異なる等価回路図である
。第４図は実験結果説明図、第５図は本発明の第２実施
例における要部縦断面図、第６図は従来の密度測定装置
の斜視図、第７図は第６図の装置の動作説明図である。 ２・・・・・・測定流体、１０・・・・・・振動板、１
１・・・・・・容器。 ＬＩＣ’、３０Ｃ・・・・・・貫通孔、１２．２９・・
・・・・筒体、１４゜２８・・・・・・空所、２０．３
２・・・・・・センサ部、２６・・曲演算部、２７・・
・・・・周波数検出部、３ｏ・・曲ハウジング。 ４０・・・・・・振動系。 第　　１　　図 １　２　　ｚ ％　　３　　図 第　　４　　図 市　　５　　図 葛　　６　　閏 ｎ ム １　　７　　　口

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）曲げ振動をする振動板の共振周波数を検出してその
   振動板の両面に接触する流体の密度を測定する密度測定
   装置において、前記振動板の少なくとも一方の面側に、
   その面に対向して、前記振動板の他方の面側と流体的に
   流通しないように形成された空洞と、この空洞に前記流
   体を導く筒体とからなる音響振動系を設け、前記空洞の
   音響コンプライアンスを前記振動板のコンプライアンス
   に比べて小さく設定したことを特徴とする密度測定装置
   。