KR20070047370A - 3차 모드 진동식 코리올리 유량계 - Google Patents

Abstract

플로우 튜브(3)와, 그 플로우 튜브(3)를 구동하는 구동장치(4)와, 플로우 튜브(3)에 작용하는 코리올리의 힘에 비례한 위상차를 검출하는 한 쌍의 진동검출센서(5)를 구비한 3차 모드 진동식 코리올리 유량계(1)로 한다. 구동장치(4)는, 플로우 튜브(3)를 3차 모드의 구부림 진동으로 구동한다. 플로우 튜브(3)는, 대략 루프 형상의 본체부(12)를 가진다. 그 본체부(12)의 양단부(13,13)에는, 양단부 (13,13)의 진동 방향에 대해서 대략 직교방향으로,또한 양단부(13,13)의 바깥측으로 전향하는 한 쌍의 평행한 다리부(14,14)를 연성한다. 다리부(14,14)에는, 플로우 튜브(3)를 지지하는 고정단부(16,16)를 형성한다.

유량계

Description

3차 모드 진동식 코리올리 유량계{TERTIARY MODE VIBRATION TYPE CORIOLIS FLOWMETER}

본 발명은, 적어도 한 개의 플로우 튜브를 구비하여 구성되는 코리올리 유량계에 관한 것으로, 상세하게는, 플로우 튜브를 대략 T자형으로 형성하여 3차 모드의 구부림 진동으로 구동하는 3차모드 진동식 코리올리 유량계에 관한 것이다.

코리올리 유량계는, 피측정 유체의 유통하는 유관의 일단 또는 양단을 지지하고, 그 지지점 둘레에 유관의 흐름 방향과 수직인 방향으로 진동을 가했을 때에, 유관(이하, 진동이 가해져야 할 유관을 플로우 튜브라고 한다)에 작용하는 코리올리의 힘이 질량 유량에 비례하는 것을 이용한 질량 유량계이다. 코리올리 유량계는 주지하는 바와 같이, 코리올리 유량계에 있어서의 플로우 튜브의 형상은 직관식과 만곡관식으로 대별되고 있다.

직관식의 코리올리 유량계는, 양단이 지지된 직관의 중앙부 직관축에 수직인 방향의 진동을 가했을 때, 직관의 지지부와 중앙부의 사이에서 코리올리의 힘에 의한 직관의 변위차, 즉 위상차 신호를 얻을 수 있고, 그 위상차 신호에 기초하여 질량 유량을 검지하도록 구성되어 있다. 이러한 직관식의 코리올리 유량계는, 심플하고, 컴팩트하며, 견뢰한 구조를 가지고 있다. 그러나, 높은 검출 감도를 얻을 수 없다고 하는 문제점도 아울러 가지고 있다.

이에 대해서, 만곡관식의 코리올리 유량계는, 코리올리의 힘을 효과적으로 추출하기 위한 형상을 선택할 수 있다고 하는 점에서, 직관식의 코리올리 유량계보다 뛰어나고, 실제로, 고감도의 질량 유량을 검출할 수가 있다. 한편, 만곡관식의 코리올리 유량계로서는, 1개의 플로우 튜브를 구비한 것(예를 들면, 일본특허공개공보 평4-55250호 공보 참조)나, 병렬 2개의 플로우 튜브를 구비한 것(예를 들면 일본특허 제2939242호 공보 참조), 혹은, 1개의 플로우 튜브를 루프시킨 상태로 구비한 것(예를 들면, 일본특허 제2951651호 공보 참조)등이 알려져 있다.

코리올리 유량계에 있어서, 유로를 분기하지 않고 플로우 튜브를 단일의 유로로 구성하는 것은, 소구경의 센서에 있어서의 폐색의 문제점에 대한 가장 좋은 해결법이다. 또한, 압축성을 가진 유체나, 밀도나 점도가 다른 불연속의 유체를 계측할 때에는, 흐름을 분기시키면 안정된 분류를 할 수 없는 점에서도, 플로우 튜브를 단일의 유로로 구성하는 것이 바람직하다. 게다가 플로우 튜브를 동일 평면내만으로 구성하는 것은, 형상 구성이 가장 단순하기 때문에, 플로우 튜브의 제작이 용이해지므로, 염가로 형상의 재현성을 요구하는 경우에는 유용한 것이다.

그러나, 종래의 단일의 유로로 구성되는 코리올리 유량계에 있어서는, 대향하여 진동을 상쇄하는 구조로 되어 있지 않기 때문에, 플로우 튜브를 일차 모드 진동이나 짝수 모드 진동으로 진동시켰을 경우에, 고정단으로부터 질량 유량계의 외부로 진동이 누설해 버려, 배관 조건의 변화에 의해 제로점 드리프트나 스팬 변동이 발생하고 있었다. 또한, 진동 누설 경감을 목적으로 한 카운터 밸런서를 이용 한 진동계에서도, 밀도 변화에 의해서 진동 누설이 변화하여, 기차(器差)를 악화시키고 있었다

진동 누설을 경감하기 위해서는, 상술한 바와 같이, 통상 카운터 밸런서를 이용하는데, 단일한 관의 구부림 진동을 이용한 코리올리 유량계에서는, 카운터 밸런서 방식이 가진 밀도 영향, 온도 영향, 진동 영향을 피할 수 없었다.

본 발명의 목적은, 상술한 사정에 비추어 이루어진 것으로, 진동 누설을 경감할 수 있는 3차 모드 진동식 코리올리 유량계를 제공하는 것에 있다.

본 발명의 목적을 달성하기 위해서, 청구항 1에 기재된 본 발명의 3차 모드 진동식 코리올리 유량계는, 적어도 1개의 플로우 튜브와, 상기 플로우 튜브를 구동하는 구동장치와, 상기 플로우 튜브에 작용하는 코리올리의 힘에 비례한 위상차를 검출하는 한 쌍의 진동 검출 센서를 구비한 코리올리 유량계로서, 상기 구동장치는 상기 플로우 튜브를 3차 모드의 구부림 진동으로 구동하고, 상기 플로우 튜브는 대략 루프 형상의 본체부를 가지며, 상기 본체부의 양단부에는 상기 양단부의 진동 방향에 대해서 대략 직교 방향이고, 또한 상기 양단부의 바깥측으로 전향하는 한 쌍의 평행한 다리부를 연성하고, 상기 다리부에는 상기 플로우 튜브를 지지하는 고정단부를 형성하도록 구성한다.

본 발명의 목적을 달성하기 위해서, 청구항 2에 기재된 본 발명의 3차 모드 진동식 코리올리 유량계는, 청구항 1에 기재된 3차 모드 진동식 코리올리 유량계에 있어서, 상기 다리부의 각 고정단부를 동일 평면 내의 근접한 위치에 배치하도록 구성한다.

본 발명의 목적을 달성하기 위해서, 청구항 3에 기재된 본 발명의 3차 모드 진동식 코리올리 유량계는, 청구항 1 또는 청구항 2에 기재된 3차 모드 진동식 코리올리 유량계에 있어서, 상기 본체부의 폭을 W, 상기 본체부의 높이를 H, 상기 다리부의 높이를 ht, 상기 고정단부의 간격이 되는 고정단 폭을 w, 상기 본체부의 높이 H와 상기 본체부의 폭 W와의 비를 H/W, 상기 고정단폭 w와 상기 본체부의 폭 W와의 비를 w/W, 상기 다리부의 높이 ht와 상기 본체부의 높이 H와의 비를 ht/H로 하면, (1) 0.03<H/W<1, (2) 0.005<w/W<0.48, (3) 0<ht/H<2.75의 조건을 만족하도록 구성한다.

이상과 같은 특징을 가진 본 발명에 의하면, 플로우 튜브를 대략 T자형으로 형성하고, 그리고, 그 플로우 튜브를, 진동이 가장 에너지 소비가 적은 상태로 안정되는 3차모드의 구부림 진동에 의해 구동하도록 하고 있기 때문에, 플로우 튜브의 본체부의 양단부에 있어서의 구부림 진동을, 그 양단부에 연성한 다리부에 있어서 꼬임 진동으로 변환할 수 있다. 또한, 본 발명에 의하면, 평행하게 나열한 다리부에, 서로 반대 방향의 꼬임 응력을 일으켜, 이것에 의해서 진동 누설을 거의 상쇄할 수 있다. 다리부의 양 고정단부를 동일 평면 내의 근접한 위치로 하면, 진동 누설을 보다 한층 양호하게 상쇄할 수 있다. 또한, 본 발명에 의하면, 소정의 조건을 만족하는 형상으로 플로우 튜브를 형성함으로써, 진동 누설의 경감을 도모할 수 있다.

3차 모드의 구동에서는, 코리올리힘으로서 4차 모드적인 코리올리힘이 발생하지만, 플로우 튜브로서는 전체의 강성과의 균형으로부터 2차 모드적(꼬임 진동)인 움직임이 발생한다. 2차 모드적(꼬임 진동)인 움직임에 대해 강성을 낮게 하기 위해서는, 상하류의 고정단간 거리를 가깝게 하고, 또한 구부림에 대해서 강성을 낮게 할 필요가 있다(회전 자유 지지단과 같은 동작). 이에 따라, 코리올리힘의 검출 감도가 좋아진다.

진동 누설의 견지로부터 3차의 구부림 진동을 고찰하면, 플로우 튜브 단부에 있어서 구부림 진동을 꼬임 진동으로 변환하기 위해서는, 플로우 튜브를 90°로 전향하는 것이 좋다. 남겨진 꼬임 진동을 효율적으로 줄이기 위해서는, 회전 방향이 반대로 평행한 회전축을 극력 접근하는 것이 좋고, 그 고정단은 동일 평면상에 존재하는 것이 바람직하다.

이와 같이 본 발명에 의하면, 진동 누설을 경감할 수 있다고 하는 효과를 발휘하고 있다. 또한, 배관 조건의 변화를 요인으로 한 제로점 드리프트나 스팬 변동을 최소로 할 수 있다고 하는 효과를 발휘한다. 본 발명에 의하면 또한, 보다 좋은 코리올리 유량계를 제공할 수 있다고 하는 효과를 발휘하고 있다.

도 1은, 본 발명의 3차 모드 진동식 코리올리 유량계의 하나의 실시형태를 나타내는 도면으로서, (a)는 케이스의 정면도, (b)는 내부 구성의 개략도이다.

도 2는, 3차 모드 진동식 코리올리 유량계의 센서부, 신호 연산 처리부, 및 여진 회로부에 관한 블록도이다.

도 3은, 3차 모드로 구동하는 코리올리 유량계의 분류를 계통적으로 나타내 는 도면(직관형의 3차 모드)이다.

도 4는, 3차 모드로 구동하는 코리올리 유량계의 분류를 계통적으로 나타내는 도면(U자형의 3차 모드)이다.

도 5는, 3차 모드로 구동하는 코리올리 유량계의 분류를 계통적으로 나타내는 도면(루프형의 3차 모드)이다.

도 6은, 도 4(b)로부터 파생한 형상예를 나타내는 도면이다.

도 7은, 도 4(c)로부터 파생한 형상예를 나타내는 도면이다.

도 8은, 도 5(b)로부터 파생한 형상예를 나타내는 도면이다.

도 9는, 도 5(c)로부터 파생한 형상예를 나타내는 도면이다.

도 10은, 기하학적 조건을 정의하기 위한 설명도이다.

도 11은, 튜브 직경과 관련된 설명도이다.

도 12는, 최적의 기하학적 조건을 나타내기 위한 개념 계통도이다.

도 13은, 종횡비 H/W의 개념 설명도이다.

도 14는, FEM 해석 결과를 나타내는 그래프이다.

도 15는, FEM 해석 결과를 나타내는 도면(ht/H=0.50∼1.25)이다.

도 16은, FEM 해석 결과를 나타내는 도면(ht/H=l.50∼2.25)이다.

도 17은, FEM 해석 결과를 나타내는 도면(ht/H=2.50∼3.00)이다.

도 18은, FEM 해석 결과를 나타내는 도면(ht/H=4.00∼5.00)이다.

도 19는, FEM 해석 결과에 의해 얻은 변위량 및 각(角)변위량의 결과를 나타내는 그래프이다.

도 20은, 3차 모드 진동의 최대 변위시에 있어서의 모습을 한 개의 단관(單管)으로 늘인 개념도이다.

아래에 본 발명의 실시형태에 대하여 도면을 참조하면서 설명한다.

도 1에는, 본 발명에 따른 3차 모드 진동식 코리올리 유량계의 제1 실시형태가 나타나 있다.

도 1은, 본 발명에 따른 3차 모드 진동식 코리올리 유량계의 하나의 실시형태를 나타내는 도면으로서, (a)는 3차 모드 진동식 코리올리 유량계의 케이스의 정면도, (b)는 3차 모드 진동식 코리올리 유량계의 내부 구성의 개략도이다. 또한, 도 2는, 3차 모드 진동식 코리올리 유량계의 센서부, 신호 연산 처리부, 및 여진 회로부의 관계를 나타내는 블록도이다.

도 1 및 도 2에 있어서, 본 발명의 3차 모드 진동식 코리올리 유량계(1)는, 케이스(2)와 그 케이스(2)내에 수납되는 1개의 플로우 튜브(3)와, 구동장치(4), 한 쌍의 진동 검출 센서(5,5), 및 온도 센서(6)를 가진 센서부(7)와, 센서부(7)로부터의 신호에 기초하여 질량 유량 등의 연산 처리를 실시하는 신호 연산 처리부(8)와, 구동장치(4)를 여진하기 위한 여진 회로부(9)를 구비하여 구성되어 있다. 이하, 이러한 각 구성부재에 대하여 설명한다.

상기 케이스(2)는, 구부림이나 꼬임에 강고한 구조를 가지고 있다. 또한, 케이스(2)는, 플로우 튜브(3)와, 그 플로우 튜브(3) 자신이 형성하는 면에 대해서 평행하게 배치되는 정지 부재(10)를 수납할 수 있는 크기로 형성되어 있다. 또한, 케이스(2)는, 플로우 튜브(3) 등의 유량계 주요부를 보호할 수 있도록 형성되어 있다. 이러한 케이스(2)의 내부에는, 아르곤 가스 등의 불활성 가스가 충전되어 있다. 불활성 가스의 충전에 의해, 플로우 튜브(3)등에의 결로가 방지되도록 되어 있다. 본 형태의 케이스(2)는, 플로우 튜브(3)의 형상에 맞추어 그 외관형상이 형성되어 있다(일례인 것으로 한다).

상기 플로우 튜브(3)가 평행하게 배치되는 정지 부재(10)는, 평판 형상으로 형성되어 있으며, 그 일부가 케이스(2)에 대해서 고착되어 있다. 이 정지 부재(10)에는, 플로우 튜브(3)의 유입구측 및 유출구측을 지지 고정하기 위한 지지부(11)가 적절한 수단으로 부착되어 있다.

상기 플로우 튜브(3)는, 대략 루프 형상(대략 타원 형상)의 본체부(12)와, 그 본체부(12)의 양단부(13,13)에 연성되는 한 쌍의 평행한 다리부(14,14)를 가지며 평면에서 보아 T자형으로 형성되어 있다(T자형의 형상으로 한 이유에 대해서는 후술한다). 다리부(14,14)는, 양단부(13,13)의 진동 방향에 대해서 대략 직교 방향이나 양단부(13,13)의 바깥측으로 전향하도록 연성되어 있다. 인용부호 15는 양단부(13,13)에 연속하는 1/4원호의 종단 머리부를 나타내고 있다. 이러한 다리부(14,14)는, 플로우 튜브(3) 자체를 지지하는 고정단부(16,16)를 가지고 있다. 양 고정단부(16,16)는, 동일 평면 내의 근접한 위치에 배치되어 있다.

상기 플로우 튜브(3)에 있어서의 한쪽의 다리부(14)에 유입한 측정 유체는, 본체부(12)를 유통하고 다른쪽의 다리부(14)로부터 유출하도록 되어 있다. 플로우 튜브(3)의 재질은, 스테인리스, 하스텔로이, 티탄 합금 등의 이 기술 분야에 있어 통상의 것이 이용되고 있다.

상기 센서부(7)를 구성하는 상기 구동장치(4)는, 플로우 튜브(3)를 3차 모드의 구부림 진동으로 진동시키기 위한 것으로서, 코일(부호 생략)과 마그넷(부호 생략)을 구비하여 구성되어 있다. 이러한 구동장치(4)는, 플로우 튜브(3)의 중심축 S1을 따라서 배치되어 있다. 바꾸어 말하면, 구동장치(4)는, 3차 모드 진동에 의해 발생하는 세 개의 파복(antinode) 가운데, 중앙의 파복의 범위 내에 위치하도록 본체부(12)의 중앙에 배치되어 있다.

상기 구동장치(4)의 상기 코일은, 정지 부재(10)에 부착되어 있다. 또한, 상기 코일에서는, 특별히 도시하지 않지만, 전선 또는 FPC(플렉시블·프린트·서킷)가 인출되어 있다. 구동장치(4)의 상기 마그넷은, 전용의 부착구를 이용하여 플로우 튜브(3)에 부착되어 있다.

구동장치(4)에 있어서 흡인 작용이 발생하면, 상기 마그넷이 상기 코일에 꽂아넣어지는 상태가 되어, 그 결과, 플로우 튜브(3)가 정지 부재(10)에 대해서 근접하게 된다. 이에 대해, 반발 작용이 생기면, 플로우 튜브(3)가 정지 부재(10)에 대해서 이간하게 된다. 구동장치(4)는, 플로우 튜브(3)를 도 1의 지면에 대해서 직교 방향으로 교차구동하도록 구성되어 있다.

상기 센서부(7)를 구성하는 상기 진동 검출 센서(5,5)는, 플로우 튜브(3)의 진동을 검출하는 동시에, 플로우 튜브(3)에 작용하는 코리올리의 힘에 비례한 위상차를 검출하는 센서로서, 각각 코일(부호 생략)과 마그넷(부호 생략)을 구비하여 구성되어 있다(이에 한정하지 않고, 가속도 센서, 광학적 수단, 정전 용량식, 일그 러짐식(피에조식) 등의 변위, 속도, 가속도의 어느 하나를 검출하는 수단이면 되는 것으로 한다).

이러한 구성의 진동 검출 센서(5,5)는, 본체부(12)의 길이 방향의 축S2을 따라서 배치되어 있다. 진동 검출 센서(5,5)는, 상기 중앙의 파복의 양 이웃한 파복의 범위내로서, 코리올리의 힘에 비례한 위상차를 검출하는 것이 가능한 위치에 배치되어 있다. 진동 검출 센서(5,5)는, 플로우 튜브(3)를 3차 모드 진동으로 진동시켰을 때에 생기는 마디에 대해서, 어긋난 위치가 되도록 배치되어 있다

상기 진동 검출 센서(5,5)의 상기 각 코일은, 정지 부재(10)에 부착되어 있다. 또한, 상기 각 코일로부터는, 특별히 도시하지 않지만, 전선 또는 FPC(플렉시블·프린트·서킷)가 인출되어 있다. 진동 검출 센서(5,5)의 상기 각 마그넷은, 전용의 부착구를 이용하여 플로우 튜브(3)에 부착되어 있다.

본 형태에 있어서, 구동장치(4) 및 진동 검출 센서(5,5)의 상기 각 코일은, 적절한 중량이 있고 도시하지 않은 전선 또는 FPC(플렉시블·프린트·서킷)의 배선(배선계의 도시는 생략한다)도 필요한 점에서, 상술한 바와 같이, 정지 부재(10)의 소정 위치에 부착되어 있다. 이에 따라, 플로우 튜브(3)의 진동에 미치는 영향이 극히 경감되고 있다.

한편, 본 발명에서는, 상기 코일과 상기 마그넷의 부착을 반대로 할{상기 코일을 플로우 튜브(3)에 부착하고, 상기 마그넷을 정지 부재(10)에 부착할} 수도 있다.

본 발명의 3차 모드 진동식 코리올리 유량계(1)의 내부에는, 특별히 도시하 지 않지만, 기판 등이 설치되어 있다. 또한, 그 기판에는, 3차 모드 진동식 코리올리 유량계(1)의 외부에 나타나는 배선이 접속되고 있다.

상기 센서부(7)의 일부를 구성하는 온도 센서(6)는, 3차 모드 진동식 코리올리 유량계(1)의 온도 보상을 하기 위한 것으로서, 적절한 수단으로 플로우 튜브(3)에 부착되어 있다. 구체적으로는, 예를 들면 유입구측으로서 지지부(11,11)에 지지 고정된 부분의 근방, 즉 고정단부(16,16)의 근방에 부착되어 있다. 한편, 온도 센서(6)로부터 나타나는 도시하지 않은 전선 또는 FPC(플렉시블·프린트·서킷)는, 도시하지 않은 상기 기판에 접속되어 있다.

상기 신호 연산 처리부(8)에는, 한쪽의 진동 검출 센서(5)로부터의, 플로우 튜브(3)의 변형에 관한 검출 신호 DA, 다른쪽의 진동 검출 센서(5)로부터의, 플로우 튜브(3)의 변형에 관한 검출 신호 DB, 및 온도 센서(6)로부터의, 플로우 튜브(3)의 온도에 관한 검출 신호 DT가 각각 입력되도록 배선 및 접속이 이루어지고 있다. 이러한 신호 연산 처리부(8)에서는, 센서부(7)로부터 입력된 검출신호 DA, DB 및 DT에 기초하여 질량 유량 Qm 및 밀도 ρ의 연산이 이루어지도록 구성되어 있다. 또한, 신호 연산 처리부(8)에서는, 연산에 의해 얻어진 질량 유량 Qm, 밀도 ρ가 표시기(17)에 대해서 출력되도록 구성되어 있다.

상기 여진 회로부(9)는, 평활부(20)와 비교부(21)와 목표 설정부(22)와 가변 증폭부(23)와 구동 출력부(24)를 구비하여 구성되어 있다. 또한, 여진 회로부(9)는, 플로우 튜브(3)를 3차 모드 진동으로 진동시킬 때에 있어서, 정귀환 루프가 구성되어 있다. 평활부(20)는, 한쪽의 진동 검출 센서(5)(또는 다른쪽의 진동 검출 센서(5))로부터의 검출 신호 DA를 추출하도록 배선되어 있다. 또한, 평활부(20)는, 입력된 검출 신호 DA를 정류 평활하는 것과 함께, 그 진폭에 비례한 직류 전압 VA를 출력할 수 있는 기능을 가지고 있다. 비교부(21)는, 평활부(20)로부터의 직류 전압 VA와 목표 설정부(22)로부터 출력되는 목표 설정 전압 Vm를 비교하는 동시에, 가변 증폭부(23)의 이득을 제어하여 공진 진동의 진폭을 목표 설정 전압으로 제어할 수 있는 기능을 가지고 있다.

한편, 상기 평활부(20)로부터 구동 출력부(24)까지의 구성은, 종래의 정귀환 루프로 진동을 제어하는 경우의 구성과 동일하지만, 본 발명의 3차 모드 진동식 코리올리 유량계(1)에서는, 3차 모드 진동을 얻기 위해서, 정귀환 루프의 신호 파형을 역상으로 변환하도록 구성되어 있다. 즉, 도 2 중의 A부에 있어서, 구동 출력부(24)로부터 송출되는 출력선을 반대로 선을 연결하여 출력 파형을 역상으로 변환하도록 구성되어 있다. 또는, 도 2중의 B부에 있어서, 여진 회로부(9)에 입력되는 검출 신호 DA의 신호선을 반대로 선을 연결하여 신호 파형을 역상으로 변환하도록 구성되어 있다. 또는, 도 2중의 C부에 있어서, 가변 증폭부(23)로부터 송출되는 배선을 반대로 접속하여 증폭 파형을 역상으로 변환하도록 구성되어 있다. 또는, 도 2중의 A부에 있어서, 구동 출력부(24)로부터 송출되는 출력을 인버터를 이용하여 역상으로 변환하도록 구성되어 있다. 또는, 도 2중의 B부에 있어서, 여진 회로부(9)에 입력되는 검출 신호 DA를 인버터를 이용하여 역상으로 변환하도록 구성되어 있다. 또는, 도 2중의 C부에 있어서, 가변 증폭부(23)로부터 송출되는 출력을 인버터를 이용하여 역상으로 변환하도록 구성되어 있다{좀 더 상세하게 설명하면, 구동장치(4) 및 진동 검출 센서(5,5)를 상기 위치에 배치하고, 또한, 구동장치(4)의 변위극성과 진동 검출 센서(5,5)의 변위극성을 서로 역상의 관계가 되도록 하는 동시에, 여진 회로부(9)를 그 정귀환 루프상에서 상기 역상의 관계가 된 각 변위극성을 서로 동상의 관계가 되도록 변환한다}.

상기 구성에 있어서, 플로우 튜브(3)에 측정 유체를 흐르게 함과 동시에, 구동장치(4)를 구동시켜 플로우 튜브(3)를 3차 모드의 구부림 진동으로 진동시키면, 진동 검출 센서(5,5)의 점에서의 코리올리힘에 의해서 생기는 플로우 튜브 진동의 위상차분에 의해, 질량 유량 Qm가 신호 연산 처리부(8)로 산출된다. 또한, 본 형태에서는 밀도 ρ도 산출된다.

이상, 도 1 및 도 2를 참조하면서 설명해 온 바와 같이, 본 발명의 3차 모드 진동식 코리올리 유량계(1)는, 플로우 튜브(3)를 대략 T자형으로 형성하고, 그리고, 그 플로우 튜브(3)를, 진동이 가장 에너지 소비가 적은 상태로 안정되는 3차 모드의 구부림 진동에 의해서 구동하도록 하고 있는 점에서, 플로우 튜브(3)의 본체부(12)의 양단부(13,13)에 있어서의 구부림 진동을, 그 양단부(13,13)에 연성한 다리부(14,14)에서 꼬임 진동으로 변환할 수 있다. 평행하게 나열된 다리부(14,14)에, 서로 반대 방향의 꼬임 응력을 일으키게 하여, 이에 따라서 진동 누설을 거의 상쇄할 수 있다. 따라서, 본 발명의 3차 모드 진동식 코리올리 유량계(1)는, 종래보다 진동 누설을 경감할 수 있다. 한편, 후술하는 설명으로부터도 알 수 있지만, 다리부(14,14)의 양 고정단부(16,16)를 동일 평면내의 근접한 위치로 하면, 진동 누설을 보다 한층 양호하게 상쇄할 수 있다.

그 외, 본 발명의 3차 모드 진동식 코리올리 유량계(1)는, 플로우 튜브(3)가 단일의 유로이며 카운터 밸런서가 없기 때문에, 밀도 변화가 있어도 진동 누설에 변화가 없고, 항상 밸런스를 유지할 수 있다. 또한, 밸런스를 취하는 것이 불필요하기 때문에, 제조 비용을 삭감하는 동시에, 품질을 장기간에 걸쳐 안정시킬 수 있다. 또한, 플로우 튜브(3)가 단일의 유로이기 때문에, 기존의 브레이스 바가 불필요하다. 그리고, 브레이스 바가 불필요하기 때문에, 납땜이 불필요하게 되어, 그 결과, 제조 비용을 삭감할 수 있다.

한편, 양 고정단부(16,16)에 작용하는 응력이 꼬임 방향으로 관의 둘레방향에 대해 전체둘레에서 균일하게 되므로, 튜브 배관 혹은 엥커에의 접속을 메카 시일로 실시하는 것이 가능하다. 또한, 간편한 메카 시일로의 접속도 가능하므로, 플로우 튜브만을 착탈할 수 있는 구조로 하는 것이 가능하다. 그 외, 양 고정단부(16,16)에 관통 타입의 벌크 헤드 커넥터를 이용하면, 완전하게 접액부가 교환 가능한 플로우 튜브를 구성할 수 있어, 의료나 식품 관련 산업에 적합한 코리올리 유량계가 된다.

다음에 도 3 내지 도 20을 참조하면서 플로우 튜브(이하, 유관이라 한다)의 최적의 기하학적 조건에 대하여 설명한다.

도 3(a)∼도 9(d)는 3차 모드로 구동하는 코리올리 유량계의 분류를 계통적으로 나타내고 있다. 유로가 구부림 진동만으로 구성되는 것으로서 도 3(a)은 직관형의 3차 모드, 도 4(a)는 U자형의 3차 모드(고정단은 동일 평면상), 도 5(a)는 루프형의 3차 모드(고정단은 동일축상에서 반대 방향으로 성장하는 경우)를 나타내 고 있다.

도 3(a)의 직관형의 3차 모드에 대해서 양단부의 진동 방향은, 도 3의 지면에 대해서 수직이지만, 이 경우의 진동 방향에 대해서 수직으로 관로를 부가한 것을 도 3(b)에 나타낸다. 부가한 관로는, 단부의 구부림 진동에 의해 꼬임 진동한다. 그러나, 실제로는 부가한 관로에도 구부림 진동이 그대로 전파하는 경우가 많다.

도 4(a)의 U자형의 3차 모드(고정단은 동일 평면상)의 양단부의 진동 방향은, 도 4의 지면에 대해서 수직이지만, 이 경우의 진동 방향에 대해서 수직 또한 안쪽방향에 관로를 부가한 것을 도 4(b)에, 바깥쪽방향에 관로를 부가한 것을 도 4(c)에 나타낸다. 모두 부가한 관로는, 단부의 구부림 진동에 의해 꼬임 진동한다. 도 4(b)로부터 파생한 형상예로서 도 6(a)∼도 6(d)을 나타낸다. 또한, 도 4(c)로부터 파생한 형상예로서 도 7(a)∼도 7(f)를 나타낸다.

도 5(a)의 루프형의 3차 모드(고정단은 동일축상에서 반대 방향으로 성장하는 경우)의 양단부의 진동 방향은, 도 5의 지면에 대해서 수직이지만, 이 경우의 진동 방향에 대해서 수직이고 또한 바깥쪽방향으로 관로를 부가한 것을 도 5(b)에, 안쪽방향에 관로를 부가한 것을 도 5(c)에 나타낸다. 모두 부가한 관로는, 단부의 구부림 진동에 의해 꼬임 진동한다. 도 5(b)로부터 파생한 형상예로서, 도 8(a)∼도 8(k)을 나타낸다. 또한, 도 5(c)로부터 파생한 형상예로서, 도 9(a)∼도 9(d)를 나타낸다.

도 3∼도 9의 예로 코리올리힘의 검출 감도가 좋고, 상하류의 고정단이 동일 평면내에서 근접하고, 튜브의 구부림 횟수가 적고, 튜브 주파수를 비교적 높게 하는 것이 가능한 형상은, 도 8(b)이다.

특히, 1개의 플로우 튜브의 구성으로 진동 누설을 경감하고, 기차(器差) 성능을 확보하기 위해서 3차 모드 구동을 실시하는 코리올리 유량계(3차 모드 진동식 코리올리 유량계)에 있어서, 고정단 근방에서는 구부림 응력이 꼬임 응력으로 변환되어, 진동 누설을 줄일 수 있는 유관(플로우 튜브) 형태로서 가장 우수한 예로서 도 8(b)에 나타내는 T자형을 선택하고, 그 기하학적 조건을 정의하기 위해서 도 10을 참조하면서 설명한다. 이 유관 형상의 구체적인 기하학적 조건은 이하와 같다.

유입구 및 유출구를 포함한 평면으로부터 수직 방향으로 신장하는 유관에 있어서, 유관의 폭(플로우 튜브의 본체부의 폭)을 W, 유관의 높이(플로우 튜브의 본체부의 높이)를 H로 했을 경우, 그 종횡비 H/W는, 0.03(튜브 구부림 반경과 진동 주파수 등으로부터 결정)<H/W<1(후술하는 부가된 관로에 각변위를 부여하기 쉬운 점, 주파수를 더 높이고 또한 위상차를 보다 얻기 쉽게 할 필요에서 가로가 긴 형상인 의미에서)의 범위.

부가된 관로(쌍으로 된 다리부)의 고정단에 있어서의 폭 w의 유관의 폭 W에 대한 비율의 하한은, 폭 w가 튜브 직경 D이하가 되지 않는 것과, W/D의 상한이 유관전체의 강성, 주파수 등으로부터 W/D<200이 적당한 점에서, 1/200(=0.005)이 된다. 또한, 그 상한은 FEM 해석에 의해 0.48 이하이면 유관의 구부림 변위의 각변위로의 변환이 효율적으로 이루어지고, 그 결과는 고정단 근방의 변위가 경감하고 있는 점으로부터도 증명된 것에 의해, w/W의 조건은 1/200(=0.005)<w/W<0.48로 결 정하였다.

상기 조건하에서, 부가된 관로가 길이 ht를 결정할 때에, w/W=0.19, H/W=0.21, W/D=48.68, t/D=0.046을 선택하고, 그 최적치를 FEM 해석에 의해 결정해 나갔다. 그 결과, 부가된 관로의 높이 ht의, 유관의 높이(본체부의 높이) H에 대한 비율 ht/H는 2.50 정도로 하면, 구부림의 꼬임에의 변환 효율이 좋고, 또한 안정된 특성을 얻을 수 있는 것을 알 수 있다. 또한, ht/H를 2.75이상으로 하면, 부가된 관로, 즉 다리부의 구부림 강성이 저하하기 때문에, 유관의 필요한 3차 모드 진동을 얻기 어려워지는 것을 알 수 있다. 한편, ht/H의 하한은, 0<ht/H로 하는 것이 가능하다. 여기서, H/D<50과 ht의 최소치가 구부림 반경의 최소치와 같은 3D인 점에서, 3/50=0.06이 된다. 따라서, ht/H의 조건은, 0<ht/H<2.75이고, 최적 조건으로서는, 0.06<ht/H<2.75로 하였다.

상기 조건에 관해서 조금 더 상세하게 설명한다.

유관의 구부림 반경 R는, 일반적으로 고압 가스 보관 협회가 내압상의 관점으로부터, R=4D(D:튜브 직경)를 하나의 기준으로 하고 있지만, 실용상, R=3D정도까지라면 코리올리 유량계로서 압력 특성상 거의 문제가 발생하지 않는 것을 알 수 있다. 이로부터, 유관의 구부림 반경 R의 하한을 3D이상으로 정의한다. 여기서 유관의 폭 W의 조건은, 튜브 직경 D를 기준으로 생각하면, 고정단간 거리 w가 튜브 직경 D이하가 되지 않는 것으로부터, 13<W/D가 된다(도 11 참조). 또한, W/D의 상한은 유관전체의 강성, 주파수 등으로부터 W/D<200이 적당하다. 따라서, 13<W/D<200이 된다.

유관의 높이(본체부의 높이) H의 조건은, 튜브 직경 D를 기준으로 생각하면, 그 하한은 6<H/D가 된다. 또한, H/D의 상한은, 유관전체의 강성, 주파수 등으로부터 H/D<50이 적당하다. 따라서, 6<H/D<50이 된다.

부가된 관로(다리부)의 고정단에 있어서의 폭 w는, 유관의 폭 W를 기준으로 생각하면, 상술한 바와 같이 폭 w가 튜브 직경 D 이하가 되지 않는 것과, W/D의 상한이 유관전체의 강성, 주파수 등으로부터 W/D<200이 적당한 점에서, 1/200(=0.005)이 되고, 그 하한은 200<W/D, D=w로부터, 1/200(=0.005)<w/W가 된다. 또한, 그 상한은 FEM 해석에 의해 0.48 이하이면 유관의 구부림 변위로부터 각변위에의 변환이 효율적으로 이루어져, 그 결과는 고정단 근방의 변위가 경감하고 있는 점으로부터도 증명되었다. 따라서, w/W의 조건은, 1/200(=0.005)<w/W<0.48로 결정하였다.

여기서, 도 12에 관해서 설명한다. 도 12는 고정단에 있어서의 폭 w와 유관의 폭 W와의 비 w/W, 및 부가된 관로의 높이 ht와 유관의 높이 H와의 비 ht/H로 결정되는 최적의 기하학적 조건을 나타내기 위한 개념 계통도이다. 여기서는 H/W=0.5의 경우를 나타냈다. 도면 중 틀로 둘러싸고 있는 조건이 최적의 기하학적 조건이 된다.

도 13은 유관의 폭 W와 높이 H를 변화시켰을 경우의 조합의 개념도이다. 종횡비 H/W가 동일한 조합이 오른쪽 아래의 파선으로 나타나 있다. 오른쪽 아래가 될수록 기하학적 형상이 그대로 유관에 대한 상대적인 치수가 커진다.

종횡비 H/W는 상술의 조건, 13<W/D<200, 6<H/D<50으로부터, 0.03<H/W<3.85가 되지만, 그 상한은, 주파수를 높이고 또한 위상차를 보다 얻기 쉽게 하는 요건으로부터, 가로가 긴 형상일 필요가 있어, 그 값을 1로 하였다. 따라서, 0.03<H/W<1로 한다. 부가된 관로의 고정단에 있어서의 폭 w와 관로의 폭 W와의 비 w/W와, 부가된 관로가 길이 ht를 결정하는 데에 있어서, 기하학적 조건으로서 상기 조건을 만족하는 H/W=0.21, W/ D=48.68, 소재 SUS316L를 선택하고, 그 최적치를 FEM 해석에 의해 결정해 나간다.

도 14는 부가된 관로의 폭 w에 대한, 머리부 A와 고정단 근방 B에 있어서의 변위 및 각변위를 FEM 해석에 의해서 구한 결과이다. 한편 머리부 A와 관련된 A부와 고정단 근방 B와 관련된 B부의 위치는 도 10에 나타낸다. 도 14의 가로축은, 고정단에 있어서의 폭 w와 유관의 폭 W와의 비 w/W로 하였다. 기하학적 조건의 대표예로서, 종횡비 H/W=0.21, 부가된 관로의 높이 ht와 유관의 높이 H와의 비 ht/H를 2.42로 일정하게 하였다. 유관의 황단부에서의 진폭을 1mm로 한다. 고정단 근방 B위치의 변위량은 미소하므로 10배로 확대하여 표기하였다. 고정단에 있어서의 폭 w의 유관의 폭 W에 대한 비율 w/W를 0.02로부터 0.58까지 변화시켰다.

머리부 A의 변위는, 고정단에 있어서의 폭 w와 유관의 폭 W와의 비 w/W에 의한 영향이 크고, 폭의 비 w/W를 늘림에 따라, 0.024mm로부터 0.4mm정도를 향하여 증가해 나간다. 한편, 머리부 A의 각변위에 관해서는, 고정단에 있어서의 폭 w와 유관의 폭 W와의 비 w/W가 0.02∼0.58의 범위에서는 0.8°∼0.85°의 범위에서 거의 일정하지만, 상세하게 관찰하면, w/W=0.2∼0.48 정도에서 각변위가 감소하고 있는 것을 알 수 있다.

고정단 근방 B(고정단으로부터 1/4H의 위치)에 있어서의 변위(도면에서는 10배로 확대하여 표기)에 관해서는, w/W=0.02에서는 0.006mm정도로 작지만, w/W가 증가하여 0.48 정도가 되면 일정한 값의 0.015mm에 점차 가까워진다. 한편, 고정단 근방 B에 있어서의 각변위는, w/W에는 거의 의존하지 않고, 0.1°정도로 억제되어 있다.

고정단 근방 B의 변위가 작은 것이 진동 누설의 경감과 진동 기초부에 있어서의 응력의 저감에 있어서 중요하므로, w/W의 최적의 조건은, 1/200(=0.005) <w/W<0.48이 된다.

도 15(a)∼도 18(b)은 T자형 튜브의 3차 모드 구동 모델의 FEM 해석의 결과이다. 유관의 폭방향 단부를 일정 진폭 1mm로 하고, T자형 튜브의 다리부 길이 ht/H를 변화시켰을 경우의 최대 진폭 상태를 나타냈다(도면의 진폭은 과장하여 표기하고 있다). 여기서, 유관의 폭을 W, 유관의 높이를 H로 했을 경우의 종횡비 H/W는 0.21로 하고, 고정단에 있어서의 폭 w의 유관의 폭 W에 대한 비율 w/W는 0.19로 일정하게 하였다.

도 15(a)는 ht/H=0.50, 도 15(b)는 ht/H=0.75, 도 15(c)는 ht/H=1.00 , 도 15(d)는 ht/H=1.25, 도 16(a)은 ht/H=1.50, 도 16(b)는 ht/H=1.75, 도 16(c)는 ht/H=2.00, 도 16(d)는 ht/H=2.25, 도 17(a)은 ht/H=2.50, 도 17(b)는 ht/H=2.75, 도 17(c)는 ht/H=3.00, 도 18(a)는 ht/H=4.00, 도 18(b)는 ht/H=5.00의 경우를 나타낸다.

도 18(a)의 ht/H=4.00, 도 18(b)의 ht/H=5.00에서는, ht/H=4.00보다 작은 경 우와 비교해서 유관의 꼭대기의 직선부가 거의 휘어져 있지 않다. 코리올리 유량계의 플로우 튜브로서 진동할 때에, 각변위하는 것으로 비로소 코리올리힘이 발생하기 때문에, 유관이 평행이동 하는 것만으로는 코리올리힘이 발생하지 않으므로, 도 18(a)의 ht/H=4.00, 도 18(b)의 ht/H=5.00의 경우는 코리올리 유량계로서 적합하지 않게 된다.

3차 모드에 있어서의 2개의 마디는, ht/H를 증가시켜 부가된 관로, 즉 다리부가 길어지면, 각각 상기 꼭대기의 직선부에서 상류 및 하류측의 고정단 방향으로 이동해 가지만, 2개의 마디의 위치가 튜브의 최대폭부를 통과하는 것은, ht/H=3.00과 ht/H=4.00의 사이이다. 이 조건을 경계로 ht/H가 작으면 2개의 진동의 마디가 꼭대기의 직선부측에 가까워지고, ht/H가 크면 진동의 마디가 상류, 하류의 고정단 측에 가까워진다.

도 19는 도 15(a)∼도 17(c)에 나타낸 디멘젼의 T자형 튜브의 유관의 폭방향 단부를 1mm로 일정 진폭으로 했을 경우의 머리부 A 및 고정단 근방 B(고정단으로부터 1/4H의 위치, 유관으로부터의 상대적인 거리는 변화한다. 도 10 참조)에 있어서의 변위량과 각변위량을 FEM 해석에 의해 구한 결과이다. 고정단 근방 B위치의 변위량은 미소하므로 10배로 확대하여 표기했다. 종횡비 H/W는 0.21로 하고, 고정단에 있어서의 폭 w의 유관의 폭 W에 대한 비율 w/W는 0.19로 일정하게 하였다. ht/H는 0.50∼3.00까지 단계적으로 증가시켰다.

머리부 A에 있어서의 변위량은, ht/H=0.50으로부터 ht/H를 증가하면, 0mm로부터 완만하게 증가하지만, ht/H=2.50부근(0.2mm)을 넘으면 급격하게 증가하고, ht/H=3.00에서는 1.55mm가 되고 있다. 한편, 머리부 A에 있어서의 각변위량은, ht/H를 증가하면 0°로부터 급격하게 일어나, ht/H=2.50정도에서 0.83°에 이르고, 그 이상에서는 급격하게 저하하여 ht/ H=3.00에서는 0.43° 정도로까지 저하한다.

고정단 근방 B에 있어서의 변위량은 ht/H=0.75(최소치)로부터 ht/H를 증가하면, 0mm로부터 완만하게 많아지지만, 그 양은 미소하다(도면에서는 10배로 확대하여 표기하고 있다). ht/H=3.00에서도 그 변위량은 0.038mm정도에서 머물고, ht/H=2.50까지는, 보다 구체적으로는 ht/H=2.75까지는 0.01mm이하에 그 변위량이 억제되고 있는 것을 알 수 있다. 한편, 고정단 근방 B에 있어서의 각변위량은, ht/H=0.75(최소치)에서는 0.23°에서 최대이지만, ht/H를 증가시키면 각변위가 거의 선형적으로 감소하고, ht/H=3.00에서는 0.07° 정도가 된다.

ht/H=2.50에 있어서 머리부 A의 각변위가 최대가 되는 것, 고정단 근방 B에서의 각변위 및 변위가 작은 것, 머리부 A에서의 변위도 비교적 작은 값이어도 되기 때문에, 구부림 방향의 진동이 꼬임 진동으로 효율적으로 변환되어, 고정부에 전해지는 변위, 각변위는 미소해도 되는 것을 알 수 있다. 이러한 현상이 생기는 요인으로서는, 부가된 관로(다리부)가 3차 모드 진동시에 단순하게 넘어지는 것이 아니라, 유관(본체부)에 가까워질수록 넘어지는 방향에 대해 반대 방향(중립 방향)으로 변위하기 때문이다(도 17(b), 도 17(c) 참조). 따라서, ht/H=2.50 정도가 부가된 관로의 높이의 최적인 조건인 것을 알 수 있다. 또한, ht/H를 2.75이상으로 하면, 부가된 관로(다리부)의 구부림 강성이 저하하기 때문에, 유관의 소요의 3차 모드 진동을 얻기 어려워지는 것을 알 수 있다. 한편, ht/H의 하한은, H/D<50과 ht의 최소치가 구부림 반경의 최소치와 같은 3D이기 때문에, 3/50=0.06이 된다. 따라서, ht/H의 최적 조건은 0.06<ht/H<2.75로 하였다.

도 20은 T자형의 플로우 튜브의 3차 모드 진동의 최대 변위시에 있어서의 모습을 1개의 단관으로 늘인 개념도이다. FEM 해석 결과로부터 대략 모사한 것이다. 위로부터 차례로 ht/H=0.50으로부터 ht/H=5.00까지의 변화를 나타냈다. 이것에 의하면 ht/H=3.00이상이 되면 양 고정단 부근에까지 구부림의 변위가 전파하고 있는 것을 알 수 있다. 또한, ht/H=2.50 정도가 고정단 근방의 구부림 변위가 적어지는 것을 알 수 있다.

그 외, 본 발명은 본 발명의 주지를 바꾸지 않는 범위에서 여러 가지 변경을 실시할 수 있음은 물론이다.

Claims (3)

1. 적어도 한 개의 플로우 튜브와, 상기 플로우 튜브를 구동하는 구동장치와, 상기 플로우 튜브에 작용하는 코리올리힘에 비례한 위상차를 검출하는 한 쌍의 진동 검출 센서를 구비한 코리올리 유량계로서,

   상기 구동장치는 상기 플로우 튜브를 3차 모드의 구부림 진동으로 구동하고, 상기 플로우 튜브는 대략 루프 형상의 본체부를 가지며, 상기 본체부의 양단부에는 상기 양단부의 진동 방향에 대해서 대략 직교 방향이고 또한 상기 양단부의 바깥측으로 전향하는 한 쌍의 평행한 다리부를 연성하고, 상기 다리부에는 상기 플로우 튜브를 지지하는 고정단부를 형성하는 것을 특징으로 하는, 3차 모드 진동식 코리올리 유량계.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 다리부의 각 고정단부를 동일 평면내의 근접한 위치에 배치하는 것을 특징으로 하는, 3차 모드 진동식 코리올리 유량계.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 본체부의 폭을 W, 상기 본체부의 높이를 H, 상기 다리부의 높이를 ht, 상기 고정단부의 간격이 되는 고정단폭을 w, 상기 본체부의 높이 H와 상기 본체부의 폭 W와의 비를 H/W, 상기 고정단폭 w와 상기 본체부의 폭 W와의 비를 w/W, 상기 다리부의 높이 ht와 상기 본체부의 높이 H와의 비를 ht/H로 하면, (1) 0.03<H/W<1, (2) 0.005<w/W<0.48, (3) 0<ht/H<2.75의 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는, 3차 모드 진동식 코리올리 유량계.

Images