KR101908194B1 - 코리올리식 질량 유량계 - Google Patents

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Abstract

[과제] 경량의 측정관을 사용하고, 소형화가 가능한 염가의 코리올리식 질량 유량계를 얻는다.
[해결수단] 측정관(11)의 곡관부(11a)에는, 걸어멈춤부(11d)가 부설되고, 이 걸어멈춤부(11d)의 선단에는 구멍부(11e)가 상하 방향으로 천공되고, 구멍부(11e)의 외측의 내벽면에는 원추 오목부(11f)가 마련되어 있다. 이 구멍부(11e)에는 연결부(12)의 연결환(12a)이 걸어맞춰져 있고, 원추 오목부(11f)에 대향하는 연결환(12a)의 내벽면에는 원추 오목부(11f)에 접촉하는 피봇 침(12b)이 접촉되어 있다. 연결환(12a)의 타단은 인장 스프링으로 이루어지는 탄성 부재(14)를 개재하여 고정부(13)측에 탄성적으로 당겨지고 있다.

Description

코리올리식 질량 유량계{CORIOLIS MASS FLOW METER}
본 발명은, 측정관의 일부를 탄성적으로 유지하는 코리올리식 질량 유량계(Coriolis Mass Flow meter)에 관한 것이다.
코리올리식 질량 유량계는, 속도 V로 회전 진동계의 회전 중심을 향하는, 또는 회전 중심으로부터 이격되는 질량 m의 질점(Mass point)에 작용하는 코리올리력(Coriolis force)이, 질량 m과 속도 V의 곱에 비례하는 것으로부터, 코리올리력을 측정하여 질량 유량을 구하는 방식의 유량계이다.
코리올리식 질량 유량계는 차압식, 전자식, 용적식 등의 유량계와 비교하면, 직접적으로 질량 유량이 얻어지는 것, 마모 등이 발생하는 기계적 가동 부분이 없는 것, 보수성이 우수한 것, 그리고 원리상, 측정관의 진동수의 계측으로부터 밀도를 계측할 수 있는 것 등의 수많은 우수한 특징을 가지고 있다.
예를 들면, 특허문헌 1에는 도 10에 나타내는 바와 같이, U자형 측정관을 이용한 코리올리식 질량 유량계가 개시되어 있다. 측정관은 1개의 U자형 측정관(1)으로 구성되고, 장착 플랜지(2a, 2b)를 개재하여 고정된 점을 중심으로 하여, 캔틸레버(Cantilever) 형상의 U자형 측정관(1)은 진동 인가된 공진 주파수로 상하로 진동을 반복한다.
이 측정관(1) 내에 유입된 측정 유체는, 입구로부터 U자의 곡부(Curved portion)를 향하여 흐를 때에, 측정관(1)에 대한 속도에 의해 코리올리력이 생기고, 측정관(1)에 변형(distortion)을 부여하고, 곡관부(Curved tube portion)로부터 출구를 향하여 흐를 때에는, 코리올리력에 의해 역방향의 변형을 측정관(1)에 부여하여 진동이 된다.
측정관(1)의 U자형을 이루는 선단에는 진동자(3)가 마련되고, 곡부의 양측의 측정관(1)에는 변위 검출 센서(4a, 4b)가 각각 장착되어 있다.
측정관(1)에 측정 유체를 흘리고, 진동자(3)을 구동하여 측정관(1)을 진동 인가한다. 진동자(3)의 진동 방향의 각속도를 ω, 측정 유체의 유속을 ν로 하면, Fc = -2mω×ν의 코리올리력이 작용하고, 이 코리올리력 Fc에 비례한 진동의 진폭을 변위 검출 센서(4a, 4b)로 검출하고, 연산을 행하면 질량 유량을 측정할 수 있다.
일본 공개특허공보 평03-041319호
그러나, 이 종래예의 코리올리식 질량 유량계에서는, 측정관(1) 내에 측정 유체가 충만해도, 예를 들면 U자 형상 부분이 자중 등으로 처지는 등의 변형에 의한 측정 오차가 개입하지 않도록, 측정관(1)에는 통상 금속관이 사용되고 있다. 그러나 금속관의 가공은 어렵고, 가공에 의해 동일 특성의 금속관을 갖추는 것은 곤란하고, 사용에 있어서는 그 지지 구조가 대형이 되고 중량도 커져서, 가격도 고가가 된다.
또한, 예를 들면 반도체 제조 장치 등에서 사용하는 부식성 액체를 측정하는 경우에는, 내식성이 큰 불소 수지관 등을 사용할 수밖에 없는데, 합성 수지관의 사용에 의해 측정관의 가공성이 유리하고 경량화를 할 수 있는 반면, 변형을 적게 하고 진동에 대한 강성을 크게 한 지지 구조가 필요해진다.
본 발명의 목적은, 상술한 과제를 해소하고, 측정관을 1점에 있어서 탄성적으로 유지하고, 소형화가 가능한 염가의 코리올리식 질량 유량계를 제공하는 것에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 관한 코리올리식 질량 유량계는, 측정 유체를 일방향으로 유통하는 측정관과, 상기 측정관에 대해서 소정의 위치에 배치된 고정부와, 상기 측정관과 상기 고정부와의 사이에 배치된 탄성 부재와, 상기 측정관에 진동을 부여하는 진동인가 구동부(Vibration exciter unit)와, 상기 측정관의 출측관(Outbound tube)과 복귀관(Inbound tube)의 2개소에서 상기 측정관의 변위를 검출하는 변위 검출부를 가지는 코리올리식 질량 유량계로서, 상기 고정부는 상기 측정관을 상기 탄성 부재를 개재하여 탄성적으로 유지하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 관한 코리올리식 질량 유량계에 의하면, 측정관을 탄성적으로 유지하는 것으로써, 측정관이 자중 등으로 변형되는 일 없이, 발생된 코리올리력에 기초하여 안정적으로 유량을 측정할 수 있다.
도 1은 실시예 1의 코리올리식 질량 유량계의 사시도이다.
도 2는 측면도이다.
도 3은 주요부의 확대 단면도이다.
도 4는 온도 측정부의 구성도이다.
도 5는 실시예 2의 주요부의 확대 사시도이다.
도 6은 실시예 3의 사시도이다.
도 7은 측면도이다.
도 8은 실시예 4의 측면도이다.
도 9는 실시예 5의 측면도이다.
도 10 종래예의 코리올리식 질량 유량계의 사시도이다.
본 발명을 도 1 ~ 도 9에 도시의 실시예에 근거하여 상세하게 설명한다.
도 1은 실시예 1의 코리올리식 질량 유량계의 사시도, 도 2는 측면도이다. 이 실시예 1의 코리올리식 질량 유량계는 주로, 측정 유체를 일방향으로 유통하는 측정관(11)과, 측정관(11)을 유지하기 위한 연결부(12)와, 연결부(12)에 대해서 소정의 위치에 있는 고정부(13)와, 연결부(12)와 고정부(13)의 사이에 장착된 탄성 부재(14)와, 측정관(11)을 진동 인가하는 진동인가 구동부(15)와, 측정관(11)의 변위를 검출하는 변위 검출부(16)와, 측정 유체를 온도 측정하는 온도 측정부(17)와, 또한 이들 기구에 대해서 검출 신호, 제어 신호를 입출력하고, 측정 유체의 유량을 연산하는 도시하지 않은 연산 제어부로 이루어져 있다.
측정관(11)은 합성수지제, 예를 들면 불소 수지관으로 이루어지고, 직경이 예를 들면 3.2mm이며, 중앙부에 U자 형상의 곡관부(11a)를 가지고 있다. 또한, 측정 유체가 부식성을 가지지 않는다면, 측정관(11)은 불소 수지관이 아니라, 통상의 합성 수지관이라도 좋다. 그러나, 측정관(11)은 진동을 충분히 전달 가능하게 하는 경도(hardness)의 탄성 계수를 가지고, 유연하지 않은 재질이 필요하다. 측정관(11)의 지름은 일례이며, 임의의 지름의 측정관(11)을 사용할 수 있다는 것은 물론이다.
측정관(11)의 곡관부(11a)를 경계로 하는 출측관(11b)과 복귀관(11c)의 평행한 2개소는, 기판(18) 상에 배치된 하우징(19)에 끼워붙임으로써, 측정관(11)은 하우징(19)에 고정되어 있다.
측정관(11)의 곡관부(11a)에는, 걸어멈춤부(11d)가 부설되고, 도 3에 나타내는 주요부의 확대 단면도와 같이, 걸어멈춤부(11d)의 선단에는 각구멍(square hole) 형상의 구멍부(11e)가 상하 방향으로 천공되고, 구멍부(11e)의 외측의 내벽면에는 원추 오목부(11f)가 마련되어 있다.
구멍부(11e)에는, 연결부(12)의 각환(square ring) 형상의 연결환(Coupling ring)(12a)이 걸어맞춰져 있고, 원추 오목부(11f)를 향하는 내벽면에는 원추 오목부(11f)에 선단이 접촉하는 침 형상 부재인 피봇 침(Pivot needle)(12b)이 돌출되어 있다. 그리고, 연결환(12a)과 고정부(13)의 사이에는 코일 스프링 등으로 이루어지는 탄성 부재(14)가 장착되어 있다. 또한, 걸어멈춤부(11d), 연결환(12a)은 금속제라도 합성수지제라도 좋지만, 내구성을 고려하면, 적어도 원추 오목부(11f), 피봇 침(12b)은 금속제인 것이 바람직하다.
연결환(12a)은 도시하지 않은 2 이상의 부품으로 이루어지고, 구멍부(11e)에 연결환(12a)의 부품을 삽입한 후에, 용접, 접착, 볼트 등을 개재하여 1개의 부품으로 되어 있다.
그리고, 피봇 침(12b)의 선단이 원추 오목부(11f)의 바닥부에 접촉하는 것으로써, 피봇 침(12b)의 선단의 1점에서 걸어멈춤부(11d)를 고정부(13)측에 탄성 부재(14)에 의해 탄성적으로 끌어당길 수 있다. 또한, 탄성 부재(14)의 작용 방향은 출측관(11b)과 복귀관(11e)을 연결하는 면과 평행 방향이며, 게다가 유지 위치는 측정관(11)의 출측관(11b), 복귀관(11e)에 작용하는 코리올리력의 중심 위치이므로, 코리올리력에 큰 영향을 주는 일은 없다.
또한, 기판(18) 상에는, 코리올리력을 얻기 위해서 진동인가 구동부(15)가 마련되어 있다. 걸어멈춤부(11d)의 하측에는, 진동인가 구동부(15)의 일부로서 기능하는 진동 인가체(15a)로서, 영구 자석이 자극면을 아래 방향으로 향하여 장착되어 있다. 진동 인가체(15a)의 하방의 기판(18) 상에는 전자석인 전자 코일(15b)이 마련되고, 진동 인가체(15a)와 자기적으로 공진하여 진동인가 구동부(15)로 되어 있다.
전자 코일(15b)의 철심(15c)에 감긴 코일(15d)에, 전류의 방향을 전환하면서 통전시키고, 철심(15c)의 단부로부터 발생하는 자속의 방향을 전환하는 것으로써, 진동 인가체(15a)에 대해서 자기 흡인력, 자기 반발력을 반복하여 작용시킨다. 이것에 의해, 진동 인가체(15a), 걸어멈춤부(11d)를 개재하여 측정관(11)에 비접촉으로 소정의 진동을 인가할 수 있다.
또한, 이 진동은 측정관(11)의 좌우 대칭의 중심 위치에 가하는 것이 바람직하다. 또한, 진동수는 측정관(11) 중에 측정 유체를 충만시킨 상태에 있어서의 측정관(1)의 공진 주파수, 혹은 그 정수배가 되고, 통상은 오토 튜닝(auto tuning)에 의해 구해진 수십 ~ 수백 Hz이며, 측정관(11)의 탄성 계수, 형상, 측정 유체의 종류에 따라서 다르다.
또한, 진동인가 구동부(15)에 의한 진동 인가량은 미소하므로, 측정관(11)이 고정부(13)측에 끌어당겨지고 있어도, 측정관(11)을 진동 인가할 수 있다. 또한, 진동 인가체(15a)는 영구 자석 이외에도 철, 코발트, 니켈, 혹은 이들 합금으로 이루어지는 강자성체라도 좋다. 또한, 진동인가 구동부(15)에는, 전자 코일(15b) 이외의 다른 진동인가 구동 기구를 사용하는 것도 가능하다.
유량 측정 중의 측정관(11)의 진동 인가에 의한 변위의 크기, 즉 코리올리력의 크기를 검출하기 위해서, 측정관(11)의 평행 부분의 출측관(11b), 복귀관(11e)의 2개소에는, 광 센서에 의한 변위 검출부(16)가 배치되어 있다. 측정관(11)에는 광반사부(16a)가 각각 장착되고, 광반사부(16a)의 하방의 기판(18) 상에는, 송수광부(16b)가 각각 배치되어 있다.
이 변위 검출부(16)에서는, 송수광부(16b)로부터의 광 빔을 광반사부(16a)를 향해서 송광하고, 그 반사광을 송수광부(16b)에서 수광하여, 반사광의 위치 변위(Positional displacement)를 검출한다. 이 위치 변위에 의해 송수광부(16b)로부터 광반사부(16a)까지의 거리, 즉 송수광부(16b)로부터의 출측관(11b)과 복귀관(11e)에의 거리를 각각 측정하고, 코리올리력에 의한 출측관(11b)과 복귀관(11e)에 있어서의 변형량(Amounts of distortion)에 상당하는 양을 연산 제어부에서 시간차 검출에 의해 구한다. 그리고, 이들 검출량에 기초하여 유량을 구하는데, 그 연산 방식 등은 공지이므로, 그 설명은 생략한다.
또한, 이 변위 검출부(16)는 위치 변위 검출 방식에 의해 거리를 측정하고 있는데, 블러링(Blurring) 검출 방식, 광간섭 방식 등에 의해 거리를 검출해도 좋다. 혹은, 광검출 방식 대신에, 예를 들면 전자식 변위 검출기 등으로 대신할 수도 있다. 그러나, 광검출 방식은 측정관(11)에 대해서 힘을 작용하는 일이 없기 때문에, 미소한 코리올리력에 영향을 주는 일 없이 검출 가능하고, 정밀도가 좋은 유량 측정을 할 수 있다.
측정관(11)의 하방의 기판(18) 상에는, 측정관(11) 내의 측정 유체를 원격적으로, 접촉하는 일 없이 온도 측정하는 온도 측정부(17)가 배치되어 있다. 측정관(11)은 측정 유체의 온도에 의해서, 따뜻하게 되거나 차게 되면 탄성 계수가 변화되어서, 측정관(11)의 공진 진동수나 변형면이 미묘하게 변하므로, 이것들을 보정하기 위해서 측정관(11) 내의 유체를 온도 측정하는 것이 바람직하다. 또한, 이 측정 유체는 이 코리올리식 질량 유량계 이외의 다른 개소에 있어서 온도 측정하고 있으면, 이 온도 측정부(17)를 이용하여 온도 측정을 할 필요는 없다.
도 4는 온도 측정부(17)로서 사용되는, 예를 들면 적외선 방사 온도계의 구성도를 나타내고, 온도 측정부(17)는 렌즈 광학계(17a)와 온도 검지 소자(17b)를 가지고 있다. 렌즈 광학계(17a)는 얻어지는 적외광의 초점 자체를 투명 또는 반투명의 합성 수지재로 이루어지는 측정관(11)의 내부의 측정 유체와 온도 검지 소자(17b)에 공역(conjugate)되어 있다. 온도 검지 소자(17b)는 도시하지 않은 파장 선택성 광학 필터를 개재하여 측정관(11) 내의 유체 온도에 의존하는 적외광을 검지하여 원격적으로 온도 측정한다. 또한, 실시예에 있어서는, 이 코리올리식 질량 유량계를 커버로 덮어서 내부를 암실로 하고 있으므로, 주위의 외광이 온도 측정에 있어서의 외란(disturbance)이 되는 일은 없다.
도 5는 실시예 2의 주요부 확대 사시도이며, 실시예 1의 연결부(12)를 개재하는 일 없이, 고정부(13)는 측정관(11)을 탄성 부재(14a)를 개재하여 직접 유지하고 있다. 즉, 측정관(11)에 부설된 걸어멈춤부(11d)의 선단에는, 예를 들면 금속제의 반원호 형상의 연결 링(11g)이 돌출되어 있다. 연결 링(11g)의 선단에, 인장 코일 스프링 등으로 이루어지는 탄성 부재(14a)를 접속하는 것으로써, 걸어멈춤부(11d)는 고정부(13)에 연결되어 있다.
이러한 구성의 실시예 2에 있어서도, 측정관(11)은 연결 링(11g), 탄성 부재(14a)에 의해, 1점에 있어서 고정부(13)측에 탄성적으로 끌어당겨져서 유지된다.
도 6은 본 실시예 3의 사시도, 도 7은 측면도이며, 실시예 1과 동일한 부호는 동일한 부재를 나타내고 있다. 고정부(13)의 상부는 걸어멈춤부(11d)의 상방으로 내뻗어 있고, 걸어멈춤부(11d)와의 사이에 인장 코일 스프링 등으로 이루어지는 탄성 부재(14b)가 장착되어 있다. 곡관부(11a)는 탄성 부재(14b)를 개재하여, 출측관(11b)과 복귀관(11c)을 연결하는 면에 대해서 직교하는 방향, 즉 상방의 고정부(13)로부터 탄성적으로 매달려 있다.
측정관(11)의 탄성 부재(14b)로 유지하는 위치, 즉 걸어멈춤부(11d)에 있어서의 탄성 부재(14b)의 장착 위치는, 출측관(11b), 복귀관(11c)의 중간이고, 게다가 거의 1점을 탄성적으로 유지하고 있으므로, 측정해야 할 코리올리력에 큰 영향을 주는 일은 없다.
도 8은 실시예 4의 측면도이다. 실시예 3에 대해서, 걸어멈춤부(11d)의 하측에도, 하방의 기판(18)을 고정부로 한 코일 스프링 등으로 이루어지는 별개의 제2의 탄성 부재(14c)가 장착되어 있고, 걸어멈춤부(11d)는 하방으로도 끌어당겨지고 있다. 또한, 상측의 탄성 부재(14b)와 하측의 제2의 탄성 부재(14c)와의 걸어멈춤부(11d)에 있어서의 장착 위치는, 상하 방향으로 일치된 위치로 되어 있다.
이러한 구성의 실시예 4에 있어서도, 곡관부(11a)는 탄성 부재(14b, 14c)에 의해, 거의 1점에 있어서 서로 역방향의 상하 양방향으로 탄성적으로 끌어당겨지고, 그 위치는, 탄성 부재(14b, 14c)에 의한 평형 위치에 유지된다. 이것에 의해, 실시예 4에 있어서도 실시예 3과 마찬가지의 작용 효과가 얻어진다.
도 9는 실시예 5의 측면도이다. 실시예 4에 있어서는, 걸어멈춤부(11d)의 하측에 제2의 탄성 부재(14c)를 마련하여 하방으로도 끌어당겼지만, 본 실시예 5에 있어서는, 제2의 탄성 부재(14c) 대신에, 전자력에 의한 하방으로의 끌어당김 기구를 이용하고 있다.
걸어멈춤부(11d)의 하면에는, 영구 자석 등으로 이루어지는 자기 작용체(Magnetomotive body)(15e)가 장착되어 있다. 자기 작용체(15e)의 하방의 기판(18) 상에 전자 코일(15f)이 배치되고, 전자 코일(15f)의 철심(15g)의 자극이 자기 작용체(15e)에 대향하여 배치되어 있다.
철심(15g)에 감긴 코일(15h)에 의해, 자기 작용체(15e)를 흡인하는 자속을 발생시키면, 곡관부(11a)는 걸어멈춤부(11d)를 개재하여 전자 코일(15f)에 의해 하방으로 끌어당겨지고, 상방의 탄성 부재(14b)에 의한 끌어당기는 힘과 평형하여 소정 위치로 유지된다.
이 경우에, 걸어멈춤부(11d)의 상하 방향 위치를, 예를 들면 광 센서로 검지하고, 곡관부(11a)가 동일한 위치에서 평형하도록, 전자 코일(15f)의 흡인력을 제어하면, 곡관부(11a)는 상시, 동일 위치에 유지된다.
또한, 코일(15h)에 흐르는 전류를 공진 주파수 또는 그 정수배의 주파수로 전류에 대소를 부여하면서 흐르게 하면, 철심(15g)으로부터의 자속이 자기 작용체(15e)에 대해서 작용하고, 강약의 자기 흡인력이 반복 작용하고, 진동인가 구동부로서 기능한다. 이것에 의해, 곡관부(11a)의 탄성적인 유지를 행하면서, 동시에 측정관(11)에 대해서 측정을 위한 진동 인가를 행할 수 있다. 또한, 이 경우에 측정관(11)에의 진동 인가는 별개의 기구에 의해 행해도 좋다.
또한, 각 실시예에 있어서는, 측정관(11)은 수평 방향으로 배치하고 있지만, 연직 방향으로 배치하여 코리올리력을 검출하기 쉽게 할 수도 있다.
또한, 실시예 4, 5에 있어서는, 전자 코일을 포함한 탄성 부재에 의해 측정관(11)을 기판(18) 측으로 끌어당기고 있지만, 이들 탄성 부재 대신에, 곡관부(11a)를 기판(18) 측에서 되밀어내도록 작용시켜서 곡관부(11a)를 평형시킬 수도 있다. 즉, 압축 코일 스프링 등의 되미는 힘을 작용시키는 탄성 부재를 이용할 수 있고, 이 경우에 있어서도, 전자 코일에 의한 되미는 힘을 제어하여 곡관부(11a)를 정확하게 소정 위치에 유지할 수 있다.
또한, 본 명세서에 있어서의 상하는, 도면에 대해서의 방향이며, 반드시 실제의 장치에 있어서의 상하로 한정하지 않는다.
본 발명은 실시예 이외의 직관 방식을 포함하는 여러 가지의 형상의 측정관을 사용하는 코리올리식 질량 유량계에 적용할 수 있다. 또한, 측정관이 금속제라도, 측정관을 거의 1개소에 있어서 탄성적으로 유지할 수 있으므로, 강성이 큰 지지 구조를 사용하지 않아도 되고, 가격적으로 유리하다.
11: 측정관
11a: 곡관부
11b: 출측관
11c: 복귀관
11d: 걸어멈춤부
11e: 구멍부
11f: 원추 오목부
11g: 연결 링
12: 연결부
12b: 피봇 침
13: 고정부
14, 14a ~ 14c: 탄성 부재
15: 진동인가 구동부
15a: 진동 인가체
15b, 15f: 전자 코일
16: 변위 검출부
17: 온도 측정부
18: 기판
19: 하우징

Claims (14)

  1. 측정 유체를 일방향으로 유통하는 측정관과, 상기 측정관에 대해서 소정의 위치에 배치된 고정부와, 상기 측정관과 상기 고정부와의 사이에 배치된 탄성 부재와, 상기 측정관에 진동을 부여하는 진동인가 구동부(Vibration exciter unit)와, 상기 측정관의 출측관(Outbound tube)과 복귀관(Inbound tube)의 2개소에서 상기 측정관의 변위를 검출하는 변위 검출부를 가지는 코리올리식 질량 유량계로서,
    상기 측정관의 상기 출측관과 상기 복귀관의 중간 위치의 곡관부와 상기 고정부의 사이에 상기 탄성 부재를 배치하고, 상기 탄성 부재를 상기 출측관과 상기 복귀관을 연결하는 면과 평행한 방향으로 작용시켜서 유지하는 것을 특징으로 하는 코리올리식 질량 유량계.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 측정관은 합성수지제로 한 것을 특징으로 하는 코리올리식 질량 유량계.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 곡관부에는 상기 탄성 부재를 장착하기 위한 걸어멈춤부를 부설한 것을 특징으로 하는 코리올리식 질량 유량계.
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