JPS6330721A - 質量流量計 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は流体の質量流量を測定するための測定器に関す
るものである。更に詳しく言えば、本発明は、検出手段
が振動する真っ直ぐな管であり、該管内部に測定すべき
流体が流れる質量流量計に関するものである。

（従来の技術） 第一の型の質量流量計は、密度計と組み合わせた流量計
からなっている。これら二つの別々の計量計により出力
される情報が処理されて、質量流動に関する指示を与え
る。このような流量計はタービンなどの流動ラインを横
切って配置された部品を含み、結果としてこの第一の型
の質量流量計は、固体不純物、スラッジまたは同様な物
質を含有する流体の測定には不適当である。

第二の型の質量流量計は、計量すべき流体が流れる非直
線形の管、例えば１字管を含んでいる。

このような質量流量計は、液管がＵ字形形状を有してい
るために該流体内に生ずるコリオリ−の力にもとづくも
のである。この第二の型の質量流量計の主な欠点は、該
流体が摩擦性である場合に、液管が著しく腐食されるこ
とである。これはまた高い圧力降下および低い信頼性を
もたらす。

このような諸欠点を克服するために、欧州特許出願第８
４２００１１５号（１９８４年１月３０日出願）は、検
知手段が両端において締付られた真っ直ぐな振動する管
アセンブリーである質量流量計を開示している。計量す
べき流体はこの管内を流動する。

該振動管アセンブリーの上流部分および下流部分の間の
位相差が測定される。この位相差が該流体の流量を表す
。

このような質量流量計は、理論的には流体が砂またはガ
ス相などの摩擦性物質を含んでいたとしても、多層流動
をモニターするために使用することができる。

残念ながら、この位相差は測定すべき流体の流量と共に
直線的に変化しないように思われる。実際に、いくつか
の構成において、このような質量流量計は、ある出力部
分においてアンビギュイティーを呈するというようなフ
ォールドバック特性を示し、これは殆どの用途において
動作範囲を制限してしまうように機能する。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明の目的は、実際に測定した値と流体の流量との間
に直線関係が達成される、真っ直ぐな振動管型の質量流
量計を提供することにある。

本発明のもうひとつの目的は、信号対ノイズ比が改良さ
れた、上記の型の質量流量計を提供することである。

本発明の更に別の目的は、高い感度を有する上記の型の
質量流量計を提供することである。

（問題点を解決するための手段） 本発明によれば、計量すべき流体を流す真っ直ぐな管、
液管の両端を締付るための手段、共鳴周ｅ数において液
管を振動させるための励起手段、上流部分および下流部
分における液管の振動を検出するための竿−および第二
ピックアップ手段、および該第一並びに第二ピックアッ
プ手段により出力される信号間の位相差を計算するため
の処理手段を含む質量流量計であって、該処理手段が更
に上記の流体が内部を流動している上記の管の共鳴周波
数を測定する手段および上記の測定された位相差対上記
の共鳴周波数の比に比例する値を与えるための手段を含
み、それにより該処理値と計量すべき流体の流量との間
に線形関係が存在することを特徴とするものである。

（実施例） 本発明のこれらのおよび他の目的並びに特徴は添付図面
に照らして記載される以下の記述により即座に明らかに
なるであろう。

本発明の好ましい態様を詳しく記載する前に、本発明の
詳細な説明する。両端が締付られた振動管においては、
流体の通過により液管の上流端部および下流端部の横方
向の移動の間に位ｔｔｉ差が生ずることは周知である。

この位相差は、管の二つのノード部分間において、コリ
オリ−の力が液管のこの部分の第一の半分にわたり見掛
けの管の剛性を減じ、かつ該管部分の第二の半分の見掛
けの剛性を増大するという事実によるものである。

本出願人により実施された実験では、この管を通って流
れる流体の質量流量は、該位相差測定器の共鳴周波数の
比Ａの一次関数であることが明らかとなった。

この線形関係の係数は流体の型およびその流量には無関
係である。本発明による質量流量計はこのような特別な
関係にもとづくものである。

第１図は本発明の質量流量計の第一の態様を一般的に示
したものである。この流量計は検出手段２およびこの検
出手段２から出力された信号を処理するための処理半没
４を含んでいる。

まず、検出手段２を考えると、これらは真っ直ぐな振動
管６を含んでいる。この管６は実質的に円筒形状を有し
、かつその両端８および１０は開放状態にある。好まし
くは、この管６は強磁性材料製であって、以下に記載さ
れる磁気駆動アセンブリと直接相互作用する。また、ピ
エゾ−電気駆動システムも使用することができる。更に
、この材料は低い熱膨張係数を有していることが好まし
い。

この管の両端８および１０は締付リング１２および１４
に固定されている。これらの締付リング１２および１４
は十分に重く、その結果管６が諸振動数のもとで振動す
る際に液管の両端は不動状態に保たれる。結果として、
管６はその両端８および１０で締付られているかの如く
振る舞う。測定すべき流体はこの管６を流動する。

管６と該流体が流動する主ラインとの接続を可能ならし
めるために、液管の端部８および１０は円筒状のベロー
３および５に密封状態で接続されており、ベロー３およ
び５はそれぞれフランジ７および９に接続されている。

これらのフランジ７および９は、適当な手段により、上
記の主ラインに接続されるようになっている。上記のベ
ローは二つの機能を果たす。即ち、これらは管６および
上記のラインの外部パイプの長さ方向の熱膨張を吸収し
、かつ管６に伝達される該主ラインのノイズを除去する
。被検流体はこの管６を流動する。

検出手段２は、更に管６を振動させるための駆動手段１
６および管６の振動を検出するためのピックアップ手段
１８および２０を含んでいる。この態様においては、管
６は奇数次振動モード、即ち基本（モード１）、第二上
音（モード３）、第四上音（モード５）などに対応して
振動することが好ましく、該モード数は締付端部間の１
／２波長の数である。

駆動手段の軸は、管の端部８および１０の間の中央部分
に位置する管６の直径を通るラインである。二つのピッ
クアップ手段１８および２０は駆動手段１６に対して対
称に配置されている。更に、ピックアップ手段１８およ
び２０の軸は管の同じ半円筒面側に位置している。これ
ら二つのピックアップ手段は、これらが置かれた位置に
おける振動管の移動を検出するために設けられている。

第２図は駆動手段の好ましい態様を示すものである。こ
の駆動手段は移動しない永久磁石３０を含んでいる。こ
の磁石３０の軸ＸＸは管６の壁に対して直角である。電
気コイル３２が磁石３０の回りに巻かれている。小さな
ギャップ３４（例えば、０．１　ｍｍ　）が磁石３０と
管６の壁との間に与えられている。交流電位を該コイル
の端子に印加した場合、交流磁場がギャップ３４内に形
成される。

結果として、強磁性体管は交流磁場の作用を受けて、印
加された交流電流の周波数に対応する周波数で管６の振
動を生ずる。駆動手段１６のいずれの部分も該管に固定
されていないことに注意すべきである。結果として、管
６の特性は何等影響されず、結合即ち溶着などの問題を
全く生じない。

同様なデバイスがピックアップ手段としても使用できる
。コイル３２には直流電圧が供給される。

管の振動にもとづくギャップ３４の振動は直流電位の変
調を生ずる。この変調周波数は管の振動周波数に等しい
。

次に、処理ユニット４を考察すると、これは本質的に管
の振動周波数を共鳴状態に維持するための維持回路４０
と、ピックアップ手段Ｉ８および２０に供給される信号
間の位相差を検出するだめの位相差測定器４２と、質量
流量を計算するための演算ユニット４４とを含んでいる
。

維持回路４０は駆動手段１６に接続された第一の出力４
０ｂおよびピックアップ手段１８に接続された人力４０
ａを有している。共鳴周波数において振動部材の振動を
維持するための維持回路は公知であり、これらは本質的
にその人力部においてピックアップ手段１８により出力
された信号を受は取るための増幅器を含んでいる。この
増幅器の出力部に現れる信号は駆動手段１６に与えられ
る。この増幅器はピックアップ信号と駆動信号との間に
適当な移相を導入するように設計されており、そのため
に振動周波数が維持される。かくして、管６は流体を含
有する管の共鳴周波数において振動する。維持回路４０
の第二の出力４０ｃは管の共鳴振動の周波数に等しい周
波数を有する信号を与える。

次に、位相差測定器４２を考察する。この測定器はリー
ド４６を介して第一のピックアップ１８に接続された第
一の人力４２ａと、リード４８を介して維持回路４０の
出力４０ｃに接続された第二の人力４２ｂと、リード５
０を介して第二のピックアップ２０に接続された第三の
人力４２ｃとを含んでいる。この位相差測定器４２は二
つの機能を果たす。第一の段階では、その人力４２ａお
よび４２ｃに与えられた信号は狭通過帯域フィルタによ
り濾波される。このフィルタは維持回路４０により出力
される信号により制ｉ卸される中心周波数を有している
。換言すれば、ピックアップ１８および２０により与え
られる信号は、この信号の周波数に等しい中心周波数を
有するフィルタにより、濾波される。第二の段階では、
二つの濾波信号の位相差が測定され、この位相差の値が
測定器４２の出力４２ｄに供給される。

ピックアップ１８は管の振動周波数を表す情報を維持回
路４０に供給するために使用されるものであることに注
意すべきである。これはまた、該位相差を規定する二つ
の信号の一方を位相差測定器に供給するためにも使用さ
れる。また、別々の駆動およびピックアップセンサを使
用することもできる。

次に、演算回路４４を考察する。この回路は、リード５
２を介して測定器４２の出力４２ｄに接続された第一の
人力４４ａおよびリード５４を介して回路４０の出力４
０ｃに接続された第二の人力４４ｂを有している。その
結果、この演算回路４４は位ｊ目差の値および管の共鳴
周波数の値を受は取る。この回路４４は位相差Ｗ＋Ｅ＋
対共鳴周波数（Ｆ）の比Ａを計算するように設計されて
いる。

Ａ＝Ｗθ／Ｆ　　　　　　　　（１） 既に説明したように、質量流量Ｍはこの比Ａの一次関数
である。

Ｍ＝ａＡ＋ｂ　　　　　　　　（２） ここで、ａおよびｂは定数であり、流体の特性にも、流
体の流量にも影響されない。この演算回路はＭの値を前
に計算したＡの関数として計算するのに適している。

実際には、定数ａおよびｂは流体の圧力に依存する。密
度と圧力との間のこの依存性は周知であるので、該演算
手段は流体の圧力を考慮するための補償手段を含むこと
ができる。

第３図は、本発明の質量流量計により（尋られた上で定
義した比Ａと質量流ｌｉｄとの間の実際の関係を示す図
である。この質量流量計は以下のような特徴を有してい
る。

ヤ　　ン　　グ　率　　　　　　１．８１　ｘｌＱｌｌ
　　Ｎｍ　　−２管の振動長さ　　　０．６６ｍ　　　
　０．６６管の内部半径　　　０．０１１８ｍ　　　０
．０１１８管の外部半径　　　０．０１２７ｍ　　　０
．０１２７第３図に示したように、プロットした点は異
なる密度を有する３種の流体に対応する。この図は明ら
かに、該線形関係が流体の型および流体の流量に無関係
であることを示している。第３図に追加した曲線（３０
）は公知の流量計の典型的な特徴である（これは任意の
尺度でプロットされている）。この特徴は、６００　ｋ
ｇ／ｍｉｎ以上の読みが曖昧であることを示している。

本発明によれば、正確に１０００　ｋｇ／ｍｉｎ　まで
に亘る範囲を有する線形応答センサが１辱られることを
理解できよう。

本発明のもう一つの重要な特徴はピックアップ１８およ
び２０の位置に関するものである。本発明によれば、二
つのピックアップ１８および２０は、好ましくは以下の
関係に従って配置されるべきである。

ｊ２＝ｋＸＬ ここで、Ｌは管の振動部分の長さであり、ｌは二つのピ
ックアップ間の距離であり、ｋは約０．８に等しい定数
である。該ピックアップの位置が管の末端に接近しない
ことが望ましい。更に、この配置が有利であり、感度が
位置の関数であることが分かった。

第４図は、本発明の質量流量計の第二の態様を示すもの
である。この第二の態様は上記の第一の態様に比較して
非常に単純である。第４図において、これら二つの態様
に共通の質量流量計の部分は同一の参照番号で示しであ
る。

第４図の質量流量計は、更にそれぞれ１８′および２０
”で示された第三および第四のピックアップ手段を含ん
でいる。ピックアップ１８゛は直径方向においてピック
アップ１８に対して対向しており、かつピックアップ２
０゛は直径方向にピックアップ２０に対して対向してい
る。ピックアップ１８および１８″の出力は第一の位相
差増幅器６０の二つの人力に接続されており、ピックア
ップ２０および２０′の出力は第二の位を自差増幅器６
２の二つの人力に接続されている。結果として、回路６
０または６２から供給される信号はピックアップ１８ま
たは２０により供給される信号と正確に同一の周波数お
よび位相を有しているが、これらの信号の振幅は２を乗
じたものである。回路６０の出力は維持回路４０の人力
４０ａおよび位相差測定器４２の人力４２ａに接続され
ている。

同様に、回路６２の出力は位相差測定器４２の人力４２
Ｃに接続されている。

上記の態様において、該振動管は共鳴周波数において、
より正確に言えば流体で満たされた管の共鳴周波数にお
いて励起される。

他の周波数、例えばモード３に対応する周波数で励起す
ることがより有利であり得る。この場合にも、本発明の
特徴は以下のものを除き変化しない。

維持回路が僅かに変更され、モード３の共鳴周波数を維
持する。演算ユニットも僅かに変更される。上記の式（
２）の係数ａおよびｂは異なる係数ａ”およびｂ″で置
き換えられる。

モード３の励起は以下の改良を包含する。即ち、振動系
のファクタＱは実質的に増大しく約３００〜約２０００
）、ノイズは実質的に減少する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の質量流量計の第一の態様を示す図であ
り、 東２図は該質量流量計の管を振動させるための駆動手段
の好ましい態様を示す図であり、第３図は、種々の液体
密度に対する、位相差対共鳴周波数の比への値と質量流
量Ｍとの間の関係を示すグラフであり、および 第４図は本発明による質量流量計の第二の態様を示す図
である。 （主な参照番号） ２・・・・検出手段、 ３．５・・・・ベロー、 ４・・・・処理手段、 ６・・・・管、 ７．９・・・・フランジ、 ８．９・・・・管端部、 Ｉ２、Ｉ４・・・・締付リング、 １６・・・・駆動手段、 １８．２０・・・・ピックアップ手段、３０・・・・永
久磁石、 ３２・・・・コイル、 ３４・・・・ギャップ、 ４０・・・・維持手段、 ４２・・・・位相差測定器、 ４４・・・・演算ユニット、 ６０．６２・・・・増幅器。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）計量すべき流体を流す真っ直ぐな管と、該管の両
   端におけるノードを設定するための手段と、共鳴周波数
   において該管を振動させるための励起手段と、上流部分
   および下流部分における該管の振動を検出するための第
   一および第二ピックアップ手段と、該第一並びに第二ピ
   ックアップ手段により出力される信号間の位相差を計算
   するための処理手段とを含む質量流量計において、 該処理手段が、更に上記の流体が流れた際に上記の管の
   共鳴周波数を測定する手段および上記の測定された位相
   差対上記の共鳴周波数の比の予め定められた一次関数の
   値を演算する手段を含み、それにより該計算された値が
   上記流体の質量流体の測定値となることを特徴とする上
   記質量流量計。
2. （２）上記の二つのピックアップ手段が上記振動する管
   の中心面の回りに等間隔で配置され、かつ該二つのピッ
   クアップ手段間の距離が該管の全振動長さの８０％以内
   にあることを特徴とする特許請求の範囲第（１）項記載
   の質量流量計。
3. （３）上記のピックアップ手段が電磁型のものであって
   、上記の管と接触していないことを特徴とする特許請求
   の範囲第（１）項または第（２）項に記載の質量流量計
   。