JPWO2007136069A1 - Coriolis flow meter - Google Patents
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Abstract
中央領域の外側表面に振動発生手段(31)を備え、そして振動発生手段の前方及び後方に振動発生手段から等しい距離を隔てて一対の振動検知手段(41、42)を備えた管状体(53)、この管状体の両端部のそれぞれを固定する支持台(54、54)、および両支持台を管状体の両外側の各々にて互いに接合する前記管状体に平行に配置された接続部材(55、55)を含むコリオリ流量計であって、管状体、各支持台及び各接続部材のそれぞれが同一の圧電単結晶材料から形成され、そして振動発生手段及び各振動検知手段のそれぞれが一対の電極から構成されていることを特徴とするコリオリ流量計は、小型の流量計としての製造が容易で、そして環境温度の影響を受け難い。A tubular body (53) provided with vibration generating means (31) on the outer surface of the central region, and provided with a pair of vibration detecting means (41, 42) at an equal distance from the vibration generating means in front and rear of the vibration generating means. ), A support base (54, 54) for fixing each of both ends of the tubular body, and a connecting member arranged in parallel to the tubular body for joining the two support bases to each other on both outer sides of the tubular body ( 55, 55), wherein each of the tubular body, each support base and each connecting member is made of the same piezoelectric single crystal material, and each of the vibration generating means and each vibration detecting means is a pair of A Coriolis flowmeter characterized by being composed of electrodes is easy to manufacture as a small-sized flowmeter and is not easily affected by the environmental temperature.
Description
本発明は、微小な流量にて移動する流体の質量流量の測定に有利に用いることができるコリオリ流量計に関する。 The present invention relates to a Coriolis flow meter that can be advantageously used for measuring a mass flow rate of a fluid moving at a minute flow rate.
コリオリ流量計は、管状体の内部を移動する流体に振動を付与した際に前記流体に作用するコリオリ力を検出して、このコリオリ力に相関する流体の質量流量を測定する装置である。 The Coriolis flow meter is a device that detects the Coriolis force acting on the fluid when vibration is applied to the fluid moving inside the tubular body, and measures the mass flow rate of the fluid correlated with the Coriolis force.
図1は、従来のコリオリ流量計の代表的構成を示す平面図である。図1のコリオリ流量計10は、中央領域の外側表面に振動発生手段11を備え、そして振動発生手段11の前方及び後方(図の左右の方向)に振動発生手段11から等しい距離を隔てて一対の振動検知手段12、12を備えた管状体13、管状体13の両端部のそれぞれを固定する支持台14、14、および両支持台を管状体13の両外側の各々にて互いに接合する管状体13に平行に配置された接続部材15、15などから構成されている。
FIG. 1 is a plan view showing a typical configuration of a conventional Coriolis flow meter. A Coriolis
一般に、前記の管状体13は、チタン、ジルコニウム、ステンレススチールあるいはハステロイなどの金属材料から形成される。また、各支持台14及び各接続部材15の各々は、ステンレススチールなどの金属材料から形成される。一般に、振動発生手段11としては、電磁オシレータや圧電素子が用いられ、そして各振動検知手段12としては、電磁ピックアップや圧電素子が用いられている。
Generally, the
コリオリ流量計10において、管状体13の内部を移動する測定対象の流体の質量流量は、例えば、次のようにして測定される。先ず、振動発生手段11を駆動して管状体13をその長さ方向に垂直な方向に振動させることにより、管状体13の内部を移動する流体にコリオリ力を作用させる。次に、一対の振動検知手段12、12の各々が出力する、前記のコリオリ力の影響を受けて振動する管状体13の前記振動に対応する交流電圧を検出し、両者の交流電圧の位相差を求める。この位相差は、コリオリ力、すなわち流体の質量流量に相関がある。そして、求められた位相差の値に基づき流体の質量流量が算出される。
In the Coriolis
このように、管状体の内部を移動する流体の質量流量を、一対の振動検知手段の各々が出力する交流電圧の位相差を用いて測定する方法は、例えば、特許文献1に記載されている。 Thus, a method for measuring the mass flow rate of the fluid moving inside the tubular body using the phase difference of the AC voltage output from each of the pair of vibration detection means is described in, for example, Patent Document 1. .
図2は、特許文献2に記載された従来のコリオリ流量計の構成を示す平面図である。図2のコリオリ流量計20は、中央領域の外側表面に一対の振動発生手段21、21を備え、そして振動発生手段21、21の前方及び後方に振動発生手段から等しい距離を隔てて一対の振動検知手段22、22を備えた管状体(フローチューブ)13、管状体13の両端部のそれぞれを固定する支持台14、14、および両支持台を管状体13の両外側の各々にて互いに接合する管状体13に平行に配置された管状の接続部材(カウンターチューブ)25、25などから構成されている。
FIG. 2 is a plan view showing a configuration of a conventional Coriolis flow meter described in Patent Document 2. As shown in FIG. The Coriolis
コリオリ流量計20の各振動発生手段21としては、マグネット21aと一対のコイル21b、21bとからなる電磁オシレータが用いられている。各振動発生手段21は、管状体13及び接続部材25の各々の中央領域を互いに接続するように設置されている。これにより、各振動発生手段21を駆動すると、管状体13及び各接続部材25の両者を互いに逆の位相にて振動させることができる。すなわち、各振動発生手段21は、管状体13に付与する振動を発生する手段として、更には各接続部材25に付与する振動を発生する手段として用いられている。
As each vibration generating means 21 of the Coriolis
このコリオリ流量計20は、三脚音叉型振動子の一対を各々の腕部の先端(管状体13の中央の位置に相当する)にて互いに接合して一体化した振動体と同様の構成を有している。そして、前記のように管状体13及び各接続部材25(三脚音叉型振動子の各々の腕部に相当する)を互いに逆の位相にて振動させると、三脚音叉型振動子の場合と同様に、管状体13の振動の各支持台14への漏れが抑制される。このため、コリオリ流量計20は、管状体13の内部を移動する流体に大きなコリオリ力が作用し、このコリオリ力を検知することにより流体の質量流量を高感度にて測定することができる。
前記の図1あるいは図2に示す従来のコリオリ流量計は、チタン、ジルコニウム、ステンレススチール、あるいはハステロイなどの金属材料から形成された管状体の外側表面に、振動発生手段として用いる電磁オシレータや圧電素子、そして各振動検知手段として用いる電磁ピックアップや圧電素子を取り付ける必要があるため小型化が難しい。また、従来のコリオリ流量計は、金属製の管状体の振動周波数(測定対象の流体に付与する振動の周波数)が環境温度の影響を受けて変動するため、特に微小な流量にて移動する流体の質量流量を高精度で測定することが難しい。 The conventional Coriolis flowmeter shown in FIG. 1 or 2 is an electromagnetic oscillator or piezoelectric element used as vibration generating means on the outer surface of a tubular body formed of a metal material such as titanium, zirconium, stainless steel, or hastelloy. Since it is necessary to attach an electromagnetic pickup or a piezoelectric element used as each vibration detecting means, it is difficult to reduce the size. In addition, the conventional Coriolis flowmeter is a fluid that moves at a very small flow rate because the vibration frequency of the metal tubular body (frequency of vibration applied to the fluid to be measured) fluctuates due to the influence of the environmental temperature. It is difficult to measure the mass flow rate with high accuracy.
本発明の課題は、小型の流量計としての製造が容易で、そして環境温度の影響を受け難いコリオリ流量計を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a Coriolis flow meter that is easy to manufacture as a small flow meter and is not easily affected by environmental temperature.
本発明は、中央領域の外側表面に振動発生手段を備え、そして振動発生手段の前方及び後方に振動発生手段から等しい距離を隔てて一対の振動検知手段を備えた管状体、この管状体の両端部のそれぞれを固定する支持台、および両支持台を管状体の両側の各々にて互いに接合する前記管状体に平行に配置された接続部材を含むコリオリ流量計であって、管状体、各支持台及び各接続部材のそれぞれが同一の圧電単結晶材料から形成され、そして振動発生手段及び各振動検知手段のそれぞれが一対の電極から構成されていることを特徴とするコリオリ流量計にある。 The present invention provides a tubular body having vibration generating means on the outer surface of the central region, and a pair of vibration detecting means at an equal distance from the vibration generating means in front and rear of the vibration generating means, and both ends of the tubular body A Coriolis flowmeter comprising: a support base for fixing each of the sections; and a connecting member arranged in parallel to the tubular body for joining the support bases to each other on both sides of the tubular body. The Coriolis flowmeter is characterized in that each of the base and each connecting member is made of the same piezoelectric single crystal material, and each of the vibration generating means and each vibration detecting means is composed of a pair of electrodes.
本発明のコリオリ流量計の好ましい態様は、次の通りである。
(1)管状体の中央領域の前記振動発生手段が付設された側とは逆側の外側表面に、一対の電極から構成された前記とは別の振動発生手段が備えられている。
(2)各接続部材が、管状体の質量の0.3〜3.0倍の範囲内の質量を持ち、且つその中央領域の外側表面に、一対の電極から構成された前記とは別の振動発生手段を備える。
(3)管状体が、互いに同一の圧電単結晶材料から形成された板材を積層して構成されている。
(4)各支持台及び各接続部材のそれぞれが、互いに同一の圧電単結晶材料から形成された板材を積層して構成されている。
(5)圧電単結晶材料が水晶である。Preferred embodiments of the Coriolis flowmeter of the present invention are as follows.
(1) On the outer surface opposite to the side where the vibration generating means is attached in the central region of the tubular body, there is provided vibration generating means different from the above constituted by a pair of electrodes.
(2) Each connecting member has a mass in the range of 0.3 to 3.0 times the mass of the tubular body, and is formed on the outer surface of the central region from a pair of electrodes. Vibration generating means is provided.
(3) The tubular body is configured by laminating plate materials formed of the same piezoelectric single crystal material.
(4) Each support base and each connection member are configured by laminating plate materials made of the same piezoelectric single crystal material.
(5) The piezoelectric single crystal material is quartz.
本発明のコリオリ流量計は、その管状体、各支持台及び各接続部材のそれぞれが互いに同一の圧電単結晶材料(特に、水晶)から形成され、前記の管状体の外側表面に各々一対の電極からなる振動発生手段と一対の振動検知手段とが備えられた構成を有しているため、小型の流量計としての製造が容易で、そして環境温度の影響を受け難い。 In the Coriolis flowmeter of the present invention, each of the tubular body, each support base and each connection member is formed of the same piezoelectric single crystal material (particularly quartz), and a pair of electrodes are provided on the outer surface of the tubular body. Therefore, it is easy to manufacture as a small flow meter and is not easily affected by the environmental temperature.
本発明のコリオリ流量計を添付の図面を用いて説明する。図3は、本発明のコリオリ流量計の構成例を示す斜視図であり、そして図4は、図3に記入した切断線I−I線に沿って切断したコリオリ流量計30の断面図である。但し、図4には、図3に示す振動発生手段31及び一対の振動検知手段41、42を記入していない。
The Coriolis flowmeter of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. FIG. 3 is a perspective view showing a configuration example of the Coriolis flow meter of the present invention, and FIG. 4 is a cross-sectional view of the Coriolis
図3及び図4に示すコリオリ流量計30は、中央領域の外側表面に振動発生手段31を備え、そして振動発生手段31の前方及び後方に振動発生手段31から等しい距離を隔てて一対の振動検知手段41、42を備えた管状体53、管状体53の両端部のそれぞれを固定する支持台54、54、および両支持台を管状体53の両側の各々にて互いに接合する管状体53に平行に配置された接続部材55、55などから構成されている。そして、本発明のコリオリ流量計30は、管状体53、各支持台54及び各接続部材55のそれぞれが同一の圧電単結晶材料から形成され、そして振動発生手段31、振動検知手段41、および振動検知手段42のそれぞれが一対の電極から構成されていることに主な特徴がある。
The Coriolis
本発明のコリオリ流量計の管状体、各支持台及び各接続部材のそれぞれを形成する圧電単結晶材料の例としては、水晶、リチウムナイオベイト(LiNbO3)及びリチウムタンタレート(LiTaO3)が挙げられる。Examples of the piezoelectric single crystal material forming the tubular body, each support base and each connection member of the Coriolis flowmeter of the present invention include quartz, lithium niobate (LiNbO 3 ), and lithium tantalate (LiTaO 3 ). It is done.
圧電単結晶材料から形成された圧電体と、その表面に付設された一対の電極とからなる圧電素子は、圧電材料として代表的な圧電セラミック材料を用いる場合と比較して、環境温度の影響を受け難い(環境温度が変動した場合であっても安定した周波数にて振動する)。 A piezoelectric element composed of a piezoelectric body made of a piezoelectric single crystal material and a pair of electrodes attached to the surface of the piezoelectric element has an effect of environmental temperature compared to the case of using a typical piezoelectric ceramic material as a piezoelectric material. Not easily received (vibrates at a stable frequency even when the ambient temperature fluctuates).
図3及び図4に示すコリオリ流量計30では、圧電単結晶材料として、特に環境温度の影響を受け難い振動子を構成することができる水晶が用いられている。図3に記入した矢印56、矢印57及び矢印58は、それぞれ水晶の結晶軸のX軸(電気軸)、Y軸(機械軸)及びZ軸(光軸)の方向を示している。なお、以下の説明では、圧電単結晶材料として水晶を用いる場合を代表例として、本発明のコリオリ流量計を説明する。
In the Coriolis
振動発生手段31は、一対の電極31a、31aから構成されている。同様に、振動検知手段41は、一対の電極41a、41aから構成され、そして振動検知手段42は、一対の電極42a、42aから構成されている。これらの電極の各々は、例えば、金、インジウム、あるいはアルミニウムなどの金属材料から形成される。
The vibration generating means 31 is composed of a pair of electrodes 31a and 31a. Similarly, the vibration detection means 41 is composed of a pair of electrodes 41a, 41a, and the vibration detection means 42 is composed of a pair of
振動発生手段31の一対の電極31a、31aは、管状体53を形成する水晶のX軸方向に沿って互いに間隔をあけて平行に配置されている。振動検知手段41の一対の電極41a、41a、そして振動検知手段42の一対の電極42a、42aの配置は、それぞれ振動発生手段31の場合と同様である。
The pair of electrodes 31 a and 31 a of the vibration generating means 31 are arranged in parallel with a gap therebetween along the X-axis direction of the crystal forming the
振動発生手段31の一対の電極31a、31aに交流電圧を付与すると、水晶製の管状体53の上側の壁体のみがY軸方向に伸縮(振動)する。その一方で管状体53は、その両端部の各々を固定している支持台54、54と、そして両支持台を互いに接合する接続部材55、55とから構成される剛性を持つ枠体に支持固定されている。その結果、管状体53は、その両端部を振動の節とし、上下方向(水晶のZ軸と平行な方向)に振動する。この振動が管状体53の内部を移動する流体に付与されることにより、この流体にコリオリ力が作用する。
When an AC voltage is applied to the pair of electrodes 31a and 31a of the vibration generating means 31, only the upper wall of the
すなわち、コリオリ流量計30においては、水晶(圧電単結晶材料)製の管状体53の壁体と、その表面に備えられた振動発生手段31の一対の電極31a、31aとにより構成される圧電素子を用いて、管状体53の内部を移動する流体に振動を付与する。
That is, in the
そして、前記のコリオリ力の影響を受けながら振動する管状体53に備えられている振動検知手段41の一対の電極41a、41aが出力する交流電圧と、振動検知手段42の一対の電極42a、42aが出力する交流電圧との位相差が求められる。
The AC voltage output from the pair of electrodes 41a and 41a of the vibration detecting means 41 provided in the
すなわち、コリオリ流量計30においては、水晶(圧電単結晶材料)製の管状体53の壁体と、その表面に備えられた振動検知手段41の一対の電極41a、41aとにより構成される圧電素子、そして管状体53の壁体と、その表面に備えられた振動検知手段42の一対の電極42a、42aとにより構成される圧電素子を用いて、前記の交流電圧の位相差を求める。
That is, in the
前記のように、求められた位相差は、コリオリ力、すなわち流体の質量流量に相関があるため、この位相差の値に基いて、管状体53の内部を移動する流体の質量流量を算出することができる。
As described above, since the obtained phase difference is correlated with the Coriolis force, that is, the mass flow rate of the fluid, the mass flow rate of the fluid moving in the
このように、本発明のコリオリ流量計30は、従来のコリオリ流量計の場合のように、測定対象の流体に振動を付与する電磁オシレータや圧電素子、そして管状体の振動を検知する電磁ピックアップや圧電素子を管状体の外側表面に付設する必要がないため、小型の流量計としての製造が容易である。
As described above, the
また、前記の従来のコリオリ流量計では、例えば、電磁オシレータや圧電素子にて発生した振動波の一部分が管状体の外側表面にて反射され、この振動波の持つエネルギーが熱に変換されて損失を生じる。一方、本発明のコリオリ流量計では、電磁オシレータや圧電素子にて発生した振動を付与して管状体を振動させるのではなく、管状体の壁体を直接振動させるため、前記のような振動エネルギーの損失を生じることはない。従って、本発明のコリオリ流量計は、測定対象の流体に大きな振幅を持つ振動が付与され、この流体に大きなコリオリ力を作用させることができるため、流体の質量流量を高感度にて測定することができる。 In the conventional Coriolis flowmeter, for example, a part of the vibration wave generated by the electromagnetic oscillator or the piezoelectric element is reflected on the outer surface of the tubular body, and the energy of the vibration wave is converted into heat and lost. Produce. On the other hand, in the Coriolis flowmeter of the present invention, the vibration energy as described above is used to directly vibrate the wall of the tubular body, not to vibrate the tubular body by applying the vibration generated by the electromagnetic oscillator or the piezoelectric element. There will be no loss. Therefore, the Coriolis flowmeter of the present invention is capable of measuring a mass flow rate of a fluid with high sensitivity because vibration having a large amplitude is applied to the fluid to be measured and a large Coriolis force can be applied to the fluid. Can do.
そして、コリオリ流量計30は、前記のように管状体53が水晶(圧電単結晶材料)から形成されており、環境温度が変動した場合であっても流体に安定した振動を付与することができるため、管状体53の内部を移動する流体の質量流量を安定した高い感度にて測定することができる。
In the
更に、本発明のコリオリ流量計30においては、管状体53のみならず、各支持台54、そして各接続部材55のそれぞれが、管状体53を形成する圧電単結晶材料と同一の圧電単結晶材料(すなわち、水晶)から形成されている。
Furthermore, in the
これにより、コリオリ流量計30においては、例えば、環境温度の上昇により、管状体53、各支持台54、そして各接続部材55が熱膨張した場合であっても、各々の熱膨張係数が互いに同一であるため、管状体53に生じる内部応力が極めて小さい。このため、コリオリ流量計30は、環境温度が変動した場合であっても、極めて安定した高い精度にて流体の質量流量を測定することができる。なお、環境温度の変動により管状体53に大きな内部応力が生じると、一対の振動検知手段41、42の各々が出力する交流電圧が変動するため、流体の質量流量の測定精度が低下する。
Thereby, in the
図5は、図3のコリオリ流量計30の分解斜視図であり、そして図6は、図5に示す圧電単結晶板59cを裏返して配置した状態を示す斜視図である。コリオリ流量計30は、例えば、次の手順により作製することができる。
FIG. 5 is an exploded perspective view of the
先ず、三枚の水晶板59a、59b、59c(互いに同一の圧電単結晶材料から形成された三枚の板材)を用意する。次に、水晶板59a、59cの各々に二本の長孔61、61を、そして水晶板59bに、前記と同様の二本の長孔61、61と、測定対象の流体の流路(図4:53a)を構成する長孔62とを形成する。各水晶板に長孔を形成する方法の代表例としては、エッチング加工方法があげられる。エッチング加工方法は、時計用音叉型振動子を作製する際に広く利用されている公知の加工方法である。
First, three
次に、水晶板59aの表面に、振動発生手段31を構成する一対の電極31a、31a、振動検知手段41を構成する一対の電極41a、41a、そして振動検知手段42を構成する一対の電極42a、42aを形成する。
Next, on the surface of the
なお、振動発生手段31の一対の電極31a、31aに交流電圧を付与するために、これらの電極に交流電源を直接接続してもよいが、管状体(図4:53)を安定に振動させるため、通常は、電極31a、31aには、各電極に接続され、例えば、一方の支持台(図3:54)にまで延びる電気配線31b、31bを介して交流電源63が接続される。なお、電気配線31b、31bの各々を形成する材料の例は、電極31a、31aの場合と同様である。
In order to apply an AC voltage to the pair of electrodes 31a and 31a of the vibration generating means 31, an AC power source may be directly connected to these electrodes, but the tubular body (FIG. 4: 53) is stably vibrated. For this reason, the
電極31a、31a、そして電気配線31b、31bの各々は、例えば、真空蒸着法、あるいはスパッタ法などの公知の薄膜形成方法を用いて形成することができる。各電極31a及び各電気配線31bは、例えば、フォトリソグラフィー、あるいはマスク法などにより所定の形状に設定される。 Each of the electrodes 31a and 31a and the electric wirings 31b and 31b can be formed by using a known thin film forming method such as a vacuum evaporation method or a sputtering method. Each electrode 31a and each electric wiring 31b are set in a predetermined shape by, for example, photolithography or a mask method.
また、図6に示すように、水晶板59cの表面(図5に示す水晶板59cの下面)には、一対の電極32a、32aから構成された前記とは別の振動発生手段32が備えられていることが好ましい。図3、図5及び図6に示すように、振動発生手段32は、管状体53の中央領域の前記振動発生手段31が付設された側とは逆側の外側表面に配設される。振動発生手段31の場合と同様に、振動発生手段32の一対の電極32a、32aの各々には、電気配線32b、32bを介して交流電源64が接続される。
Further, as shown in FIG. 6, the surface of the
振動発生手段32の一対の電極32a、32aには、振動発生手段31の一対の電極31a、31aに付与する交流電圧の位相とは逆の位相を持つ交流電圧が付与される。これにより管状体(図4:53)の上側の壁体と下側の壁体とが互いに逆の位相にてY軸方向に伸縮する。その結果、管状体は、大きな振幅にて上下に振動する。このため、管状体の内部を移動する流体に大きなコリオリ力が作用して、流体の質量流量の測定感度が高くなる。
An alternating voltage having a phase opposite to the phase of the alternating voltage applied to the pair of electrodes 31 a and 31 a of the vibration generating means 31 is applied to the pair of
そして、振動発生手段31と、一対の振動検知手段41、42とが付設された水晶板59a、水晶板59b、そして(好ましくは振動発生手段32が付設された)水晶板59cを重ね合わせて接合する。
Then, the
水晶板59a、水晶板59b、そして水晶板59cを接合する方法としては、公知の水晶(あるいはガラス)の接着方法を利用することができる。水晶板の接合方法の例としては、接着剤ガラス、水ガラス、あるいは有機接着剤などの接着材料を介して水晶板同士を接合する方法、および水晶板同士を密着して熱接合する方法が挙げらる。
As a method of joining the
最後に、水晶板59bの両端部の各々(図5に二点鎖線で示した部分)を、切断装置(例、ダイサ)を用いて切断することにより、図3のコリオリ流量計30を作製することができる。
Finally, each of both ends of the
なお、水晶板59cの底面には、コリオリ流量計30を、後に説明するケース(図8:80)の内部に設置する際に用いる一対の板材59d、59dが備えられていてもよい。各々の板材59dは、水晶から形成してもよいし、管状体の振動が各支持台(図3:54)を介してケースに漏れないように、シリコーンゴムに代表されるゴム材料から形成してもよい。
A pair of
図3〜図5に示すように、本発明のコリオリ流量計30の管状体53は、互いに同一の圧電単結晶材料から形成された三枚の板材(図5の水晶板59a、59b、59c)を積層して構成されていることが好ましい。これにより、環境温度の変動により管状体53に発生する内部応力が小さくなり、また測定対象の流体を移動させる管状体53の流路53aを簡単に構成できるからである。
As shown in FIGS. 3 to 5, the
更に、各支持台54及び各接続部材55のそれぞれは、互いに同一の圧電単結晶材料から形成された三枚の板材(図5の水晶板59a、59b、59c)を積層して構成されていることが好ましい。これにより、前記のように環境温度の変動により管状体53に発生する内部応力が小さくなり、またコリオリ流量計30を前記のように三枚の板材を積層するという簡単な方法によって作製できるからである。
Further, each
本発明のコリオリ流量計は、管状体、各支持台、そして各接続部材を別々に作製し、これらを互いに接合して構成することもできるが、管状体の幅が極めて細い場合(例えば、図4に記入した管状体53の幅W1が数mm程度である場合)には、管状体(あるいは各支持台や各接続部材)が破損しないように、前記の接合の作業を慎重に行なう必要がある。The Coriolis flowmeter of the present invention can be constructed by separately manufacturing a tubular body, each support base, and each connecting member and joining them together. However, when the width of the tubular body is extremely thin (for example, FIG. In the case where the width W 1 of the
前記のように、コリオリ流量計30を、三枚の板材(図5の水晶板59a、59b、59c)を積層して作製すると、例えば、管状体53の幅が極めて細い場合であっても、この管状体53を単独で取り扱う必要がない。このため、コリオリ流量計30は、簡単な作業により極めて小型に構成することができる。
As described above, when the
図3のコリオリ流量計30は、例えば、その作製に用いる水晶板(図5:59a)の幅を10mmに、そして長さを20mm程度に、そして管状体の幅(図4:W1)を1.2mmに設定し、極めて小さなサイズにて作製することができる。The Coriolis flow
本発明のコリオリ流量計30において、各支持台54の長さ(例えば、図3に示す長さL1)は、管状体53の幅(図4:W1)の2〜20倍(特に2〜10倍)の範囲にあることが好ましい。また、各接続部材55の幅(例えば、図4に示す幅W2)は、管状体53の幅(図4:W1)の2〜20倍(特に2〜10倍)の範囲にあることが好ましい。In the
これにより、各支持台54あるいは各接続部材55の質量が、管状体53の質量に対して十分に大きくなり、管状体53の振動が各支持台54を介して外部に漏れ難くなる。すなわち、流体の質量流量を測定する際に管状体53を振動させた場合であっても、各支持台54あるいは各接続部材55が振動し難くなるため、管状体53の振動の大部分が、その内部を移動する流体に付与され、この流体に大きなコリオリ力を作用させることができる。また、各振動検知手段の一対の電極にて発生する交流電圧に、各支持台54あるいは各接続部材55にて生じた振動に基づく電圧ノイズが殆ど含まれなくなる。このため、コリオリ流量計30の測定感度及び測定精度が高くなる。
Thereby, the mass of each
前記のように、本発明のコリオリ流量計30においては、振動検知手段41の一対の電極41a、41aに発生する交流電圧と、振動検知手段42の一対の電極42a、42aの各々に発生する交流電圧との位相差に基づき測定対象の流体の質量流量が算出される。
As described above, in the
測定対象の流体の質量流量は、例えば、振動検知手段41の一対の電極41a、41a、そして振動検知手段42の一対の電極42a、42aの各々をオシロスコープやシンクロスコープに接続し、両者の交流電圧の波形を観測して得られる位相差に基づいて算出することができる。
The mass flow rate of the fluid to be measured is determined by, for example, connecting the pair of electrodes 41a and 41a of the
ただし、通常は、図5に示すように振動検知手段41の一対の電極41a、41aに発生する交流電圧と、振動検知手段42の一対の電極42a、42aに発生する交流電圧との位相差を求め、求められた位相差に基づいて流体の質量流量を算出する演算装置65が用いられる。
However, normally, as shown in FIG. 5, the phase difference between the AC voltage generated at the pair of electrodes 41a and 41a of the
前記の振動検知手段41の一対の電極41a、41a、そして振動検知手段42の一対の電極42a、42aは、例えば、それぞれ電気配線41b、41b、そして電気配線42b、42bを介して演算装置65に接続される。
The pair of electrodes 41a and 41a of the
図7は、図5に示す演算装置65のブロック図である。演算装置65は、振動検知手段41の一対の電極が出力する交流電圧V41を増幅する増幅器71、振動検知手段42の一対の電極が出力する交流電圧V42を増幅する増幅器72、各々の増幅器が出力する電気信号から両者の交流電圧の位相差を求める位相差検出回路73、そして検出回路73の出力信号から質量流量を算出し、質量流量を示す電気信号75を出力する質量流量演算回路74から構成されている。また、位相差検出回路73が出力する位相差を示す電気信号76は、例えば、振動発生手段(図5:31)に接続された交流電源(図5:63)にて発生する交流電圧の周波数の制御に用いられる。このような演算装置65は公知であり、例えば、前記の特許文献1に開示されている。なお、本発明のコリオリ流量計に接続される演算装置としては、前記の図7に示した演算装置に限らず、コリオリ流量計用の公知の演算装置を用いることができる。FIG. 7 is a block diagram of the
図8は、図3のコリオリ流量計30の使用の態様の一例を示す図であり、そして図9は、図8に記入した切断線II−II線に沿って切断したコリオリ流量計30及びケース80の断面図である。
FIG. 8 is a diagram showing an example of the usage of the
図8及び図9に示すように、コリオリ流量計30は、例えば、ケース80の内部に収容して使用することが好ましい。ケース80は、本体81、側板82、82、そして蓋83から構成されている。各々の側板82には、コリオリ流量計30の管状体53の流路53aと接続する矩形の孔82aと、この孔82aに接続する円形の孔82bが形成されている。そして各々の側板82の外側表面には、コリオリ流量計30と、測定対象の流体が流れる配管(図示せず)との接続を容易とするため、断面が円形の接続管84が備えられている。
As shown in FIGS. 8 and 9, the
ケース80の材料に特に制限はないが、例えば、ステンレススチールに代表される金属材料を用いると、外部環境に存在する電磁波の影響によるコリオリ流量計30の質量流量の測定精度の低下を抑制することができる。
The material of the
また、コリオリ流量計30に備えられた各板材59dの長さL2は、各支持台54の長さL1の5〜50%(特に10〜50%の範囲)にあることが好ましい。これにより、各支持台54と各板材59dとの質量の差が大きくなるため、コリオリ流量計30の管状体53の振動が、各支持台54、そして各板材59dを介してケース80に漏れ難くなる。In addition, the length L 2 of each
図10は、本発明のコリオリ流量計の別の構成例を示す斜視図であり、図11は、図10に記入した切断線III−III線に沿って切断したコリオリ流量計100の断面図であり、そして図12は、図10のコリオリ流量計100の分解斜視図である。また、図13は、図12に示す圧電単結晶板109cを裏返して配置した状態を示す斜視図である。
FIG. 10 is a perspective view showing another configuration example of the Coriolis flow meter of the present invention, and FIG. 11 is a sectional view of the
図10のコリオリ流量計100の構成は、各接続部材105、105が、管状体53の質量に等しい質量を持ち(管状体53と同一のサイズの管状の形状に設定され)、且つその中央領域の外側表面に、一対の電極33a、33aから構成された前記とは別の振動発生手段33が備えられていること、そして各支持台104に、各接続部材105の空洞部105aに接続する透孔104a、104aが形成されていること以外は図3のコリオリ流量計30と同様である。
In the configuration of the
このように、各接続部材105の質量を、管状体53の質量と等しくすることにより、コリオリ流量計100は、前記の特許文献2のコリオリ流量計の場合と同様に三脚音叉型振動子の一対を各々の腕部の先端(管状体53の中央の位置に相当する)にて互いに接合して一体化した振動体と同様の構成に設定される。
Thus, by making the mass of each connecting
このため、振動発生手段31、33、33に接続している電気配線106、106に交流電源63にて発生した交流電圧を付与すると、管状体53及び各接続部材105(三脚音叉型振動子の各々の腕部に相当する)が互いに逆の位相にて上下に振動し、これにより管状体53の振動の各支持台104への漏れが抑制される。このため、図10のコリオリ流量計100は、管状体53の内部を移動する流体に大きなコリオリ力が作用し、このコリオリ力を検知することにより流体の質量流量を高感度にて測定することができる。
For this reason, when an AC voltage generated by the
図3のコリオリ流量計30の場合と同様に、図10〜図13に示すコリオリ流量計100の管状体53の中央領域の振動発生手段31が付設された側とは逆側の外側表面に、一対の電極32a、32aから構成された前記とは別の振動発生手段32、更には各接続部材105の振動発生手段33が付設された側とは逆側の外側表面に、一対の電極34a、34aから構成された前記とは別の振動発生手段34が備えられていと、管状体53、更には各接続部材105を大きな振幅にて上下に振動させることができるため、コリオリ流量計100の質量流量の測定感度が高くなる。
As in the case of the
本発明のコリオリ流量計において、管状体の振動の各支持台への漏れを抑制するため、各接続部材は、管状体の質量の0.3〜3.0倍(特に0.5〜2.0倍)の範囲内の質量を持つことが好ましい。 In the Coriolis flowmeter of the present invention, each connection member is 0.3 to 3.0 times the mass of the tubular body (particularly 0.5 to 2. It is preferable to have a mass in the range of (0 times).
測定対象の流体が既知である場合には、各接続部材は、測定対象の流体で満たされた管状体の質量の0.3〜3.0倍(特に0.5〜2.0倍)の範囲内の質量を持つことが好ましい。 When the fluid to be measured is known, each connecting member is 0.3 to 3.0 times (particularly 0.5 to 2.0 times) the mass of the tubular body filled with the fluid to be measured. It is preferable to have a mass within the range.
コリオリ流量計100において、測定対象の流体が既知であれば、各接続部材105の空洞部105aに、支持台104の透孔104aの開口部から測定対象の流体と同一の流体を入れて前記開口部に蓋をすることにより、各接続部材105の質量を、測定対象の流体で満たされた管状体53の質量と等しくすることができる。なお、測定対象の流体が気体である場合には、各接続部材105の空洞部105aに測定対象の気体と同一の気体を入れなくとも、各接続部材105の質量は、測定対象の流体(気体)で満たされた管状体53の質量にほぼ等しくなる。
In the
なお、各振動発生手段33の一対の電極33a、33aには、交流電源63を用いて、振動発生手段31の一対の電極31a、31aに付与する交流電圧の位相とは逆の位相を持つ交流電圧が付与される。また、振動発生手段32の一対の電極32a、32aには、交流電源64を用いて、振動発生手段31の一対の電極31a、31aに付与する交流電圧の位相とは逆の位相を持つ交流電圧が付与される。そして、各振動発生手段34の一対の電極34a、34aには、交流電源64を用いて、各振動発生手段33の一対の電極33a、33aに付与する交流電圧の位相とは逆の位相を持つ交流電圧が付与される。
An
また、前記のコリオリ流量計100の作製方法は、水晶板109a、109b、109cの形状、そして振動発生手段や振動検知手段の数が異なること以外は図3のコリオリ流量計30の場合と同様であるため、詳しい説明は省略する。
Further, the manufacturing method of the
本発明のコリオリ流量計は、小型の流量計としての製造が容易で、そして環境温度の影響を受け難い(外部温度が変動しても安定した高い精度にて流体の質量流量を測定できる)。本発明のコリオリ流量計は、例えば、半導体製造設備や医療用ガス供給設備において、微小な流量に制御する必要がある気体(例えば、酸素ガス、窒素ガス、アルゴンガスなど)あるいは液体(例えば、純水、液化ガスなど)の質量流量の測定に有利に用いることができる。 The Coriolis flow meter of the present invention is easy to manufacture as a small flow meter and is not easily affected by the environmental temperature (even if the external temperature varies, the mass flow rate of the fluid can be measured with high stability and stability). The Coriolis flowmeter of the present invention is a gas (for example, oxygen gas, nitrogen gas, argon gas, etc.) or a liquid (for example, pure water) that needs to be controlled to a minute flow rate, for example, in a semiconductor manufacturing facility or a medical gas supply facility. Water, liquefied gas, etc.) can be advantageously used for measuring the mass flow rate.
10、20 コリオリ流量計
11 振動発生手段
12 振動検知手段
13 管状体
14 支持台
15 接続部材
21 振動発生手段
21a マグネット
21b コイル
22 振動検知手段
25 接続部材
30 コリオリ流量計
31、32、33、34 振動発生手段
31a、32a、33a、34a 電極
31b、32b 電気配線
41、42 振動検知手段
41a、42a 電極
41b、42b 電気配線
50 コリオリ流量計
53 管状体
53a 流路
54 支持台
55 接続部材
56、57、58 水晶の結晶軸を示す矢印
59a、59b、59c 水晶板
59d 板材
61、62 長孔
63、64 電源
65 演算装置
71、72 増幅器
73 位相差検出回路
74 質量流量演算回路
75 質量流量を示す電気信号
76 位相差を示す電気信号
80 ケース
81 本体
82 側板
83 蓋
82a、82b 孔
84 接続管
100 コリオリ流量計
104 支持台
104a 透孔
105 接続部材
105a 空洞部
106 電気配線
109a、109b、109c 水晶板10, 20 Coriolis flow
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