TWI628418B - 柯氏力式質量流量計 - Google Patents

Abstract

本發明的課題在於使用輕量的測量管獲得能小型化且經濟的柯氏力式質量流量計。

本發明提供一種柯氏力式質量流量計。在測量管11的曲管部11a配設著卡止部11d，在該卡止部11d的前端有沿上下方向穿設著孔部11e，在孔部11e的外側的內壁面設著圓錐凹部11f。連結部12的連結環12a卡合於該孔部11e，在連結環12a中的與圓錐凹部11f對向的內壁面抵接著供抵接於圓錐凹部11f的樞軸針12b。連結環12a的另一端經由以拉伸彈簧構成的彈性構件14而被彈性地向固定部13側牽引。

Description

柯氏力式質量流量計

本發明有關於一種彈性保持測量管的一部分的柯氏力式質量流量計(Coriolis Mass Flow Meter)。

因作用於以速度V朝向旋轉振動系統的旋轉中心、或離開旋轉中心的質量m的質點上的柯氏力和質量m與速度V的乘積成正比例，所以，柯氏力式質量流量計是測量出柯氏力而求出質量流量這種方式的流量計。

與壓差式、電磁式、容積式等流量計相比，柯氏力式質量流量計在以下各方面具有良好的特長：可直接獲得質量流量；不存在產生磨損等的機械可動部分；維護性優良；及原理上能透過測量管的振動頻率的計量而計量密度等。

例如，專利文獻1中已公開一種圖10所示的使用U字形測量管的柯氏力式質量流量計。測量管是由1根U字形測量管1構成，懸臂梁狀的U字形測量管1將經由安裝法蘭2a、2b而固定的點作為中心，以加振的共振頻率反復上下振動。

流入該測量管1內的測量流體從入口流向U字形的彎曲部時，根據相對於測量管1的速度而產生柯氏力，使測量管1產生變形，當測量流體從曲管部流向出口時，因柯 氏力而賦予測量管1逆向的變形而形成振動。

在測量管1中的呈U字形的前端設著振子3，在彎曲部的兩側的測量管1分別安裝著移位檢測感測器4a、4b。

使測量管1內流有測量流體，驅動振子3且對測量管1進行加振。若振子3的振動方向的角速度設為ω、測量流體的流速設為ν，則作用有Fc=-2mω×ν的柯氏力，利用移位檢測感測器4a、4b檢測與該柯氏力Fc成正比例的振動的振幅，進行運算便能測量出質量流量。

[先前技術文獻]

[專利文獻]

[專利文獻1]日本專利特開平3-41319號公報。

然而，此習知例的柯氏力式質量流量計中，測量管1通常使用金屬管，以使得即便測量管1內充滿測量流體，也不會例如由於U字狀部分因自重等產生垂下等變形而導致產生測量誤差。然而，金屬管難以加工，難以加工出特性相同的金屬管，使用時其支撐構造大型化、重量也變重，價格也變高。

而且，例如當測量半導體製造裝置等中使用的腐蝕性液體時，不得不使用抗蝕性大的氟樹脂管等，當使用合成樹脂管時，雖然測量管的加工性有利且能輕量化，然而需要減少變形且增大對於振動的剛性的支撐構造。

本發明的目的在於提供一種能解決前述問題、在1個 點彈性保持測量管、實現小型化且經濟的柯氏力式質量流量計。

為了實現前述目的，本發明的柯氏力式質量流量計具有：測量管，供測量流體向一個方向流通；固定部，相對於該測量管配置在規定的位置；彈性構件，配置在前述測量管與前述固定部之間；加振驅動部，賦予前述測量管振動；及移位檢測部，在前述測量管的往路管和返路管的2個部位檢測前述測量管的移位；前述固定部經由前述彈性構件而彈性保持前述測量管。

根據本發明的柯氏力式質量流量計，透過彈性保持測量管，使得測量管不會因自重等產生變形，能依據產生的柯氏力穩定地測量流量。

1‧‧‧測量管

2a、2b‧‧‧法蘭

3‧‧‧振子

4a、4b‧‧‧移位檢測感測器

11‧‧‧測量管

11a‧‧‧曲管部

11b‧‧‧往路管

11c‧‧‧返路管

11d‧‧‧卡止部

11e‧‧‧孔部

11f‧‧‧圓錐凹部

11g、12a‧‧‧連結環

12‧‧‧連結部

12b‧‧‧樞軸針

13‧‧‧固定部

14、14a至14c‧‧‧彈性構件

15‧‧‧加振驅動部

15a‧‧‧加振體

15b、15f‧‧‧電磁線圈

15c、15g‧‧‧鐵芯

15d、15h‧‧‧線圈

15e‧‧‧磁性作用體

16‧‧‧移位檢測部

16a‧‧‧光反射部

16b‧‧‧送光受光部

17‧‧‧溫度測量部

17a‧‧‧透鏡光學系統

17b‧‧‧溫度感測元件

18‧‧‧基板

19‧‧‧殼體

圖1是實施例1的柯氏力式質量流量計的立體圖。

圖2是側視圖。

圖3是主要部分的放大結構圖。

圖4是溫度測量部的結構圖。

圖5是實施例2的主要部分的放大立體圖。

圖6是實施例3的立體圖。

圖7是側視圖。

圖8是實施例4的側視圖。

圖9是實施例5的側視圖。

圖10是習知例的柯氏力式質量流量計的立體圖。

根據圖1至圖9所示的實施例詳細說明本發明。

[實施例1]

圖1是實施例1的柯氏力式質量流量計的立體圖，圖2是側視圖。該實施例1的柯氏力式質量流量計主要由以下機構構成：測量管11，供測量流體向一個方向流通；連結部12，用於保持測量管11；固定部13，相對於連結部12處於規定的位置；彈性構件14，安裝於連結部12與固定部13之間；加振驅動部15，對測量管11進行加振；移位檢測部16，檢測測量管11的移位；溫度測量部17，對測量流體進行測溫；及未圖示的運算控制部，進而對這些機構輸入輸出檢測信號、控制信號，算出測量流體的流量。

測量管11是由合成樹脂製的例如氟樹脂管構成，直徑例如為3.2mm，中央部具有U字狀的曲管部11a。另外，若測量流體不具有腐蝕性，則測量管11也可並非氟樹脂管，而是通常的合成樹脂管。然而，測量管11須為具有能充分傳遞振動的硬度的彈性係數且並不柔軟的材質。測量管11的直徑為1例，當然可使用任意直徑的測量管11。

以測量管11的曲管部11a為分界的往路管11b與返路管11c的平行的2個部位被配置在基板18上的殼體19夾著，由此，測量管11被固定於殼體19。

如圖3所示的主要部分的放大截面圖所示，在測量管11的曲管部11a配設著卡止部11d，在卡止部11d的前端 沿上下方向穿設著角孔狀的孔部11e，在孔部11e的外側的內壁面設著圓錐凹部11f。

連結部12的角環狀的連結環12a卡合於孔部11e，在朝向圓錐凹部11f的內壁面，突出有作為針狀構件的樞軸針12b，該樞軸針12b的前端抵接於圓錐凹部11f。並且，在連結環12a與固定部13之間，安裝著由螺旋彈簧等構成的彈性構件14。另外，卡止部11d、連結環12a既可為金屬製也可為合成樹脂製，但若考慮到耐久性，則較佳的是至少圓錐凹部11f、樞軸針12b為金屬製。

連結環12a由未圖示的2個以上的零件構成，將連結環12a的零件插入孔部11e之後，經過焊接、粘接、螺栓等手段形成為1個零件。

並且，透過使樞軸針12b的前端抵接於圓錐凹部11f的底部，能利用彈性構件14，以樞軸針12b的前端的1個點而將卡止部11d彈性地向固定部13側牽引。另外，彈性構件14的作用方向是和往路管11b與返路管11c連成的面平行的方向，而且保持位置是作用於測量管11的往路管11b、返路管11c的柯氏力的中心位置，所以不會對柯氏力產生較大影響。

而且，在基板18上，設著用於產生柯氏力的加振驅動部15。在卡止部11d的下側，作為加振體15a的永久磁鐵是將磁極面朝下方安裝，且該加振體15a作為加振驅動部15的一部分而發揮功能。在加振體15a下方的基板18上，設著電磁石即電磁線圈15b，該電磁線圈15b與加振體15a 磁性上配合地作為加振驅動部15。

對捲繞在電磁線圈15b的鐵芯15c上的線圈15d一面切換電流的方向一面通電，透過切換鐵芯15c的端部產生的磁束的方向，反復對加振體15a作用磁吸引力、磁排斥力。由此，能經由加振體15a、卡止部11d對測量管11以非接觸的方式施加規定的振動。

另外，此振動較佳的是施加在測量管11的左右對稱的中心位置。而且，振動頻率是測量管11中充滿測量流體的狀態下測量管11的共振頻率、或其整數倍，通常為利用自動調諧技術求出的數10至數100Hz，且會根據測量管11的彈性係數、形狀、測量流體的種類而不同。

另外，加振驅動部15的加振量是微量的，所以即便測量管11被牽引至固定部13側，也能對測量管11進行加振。而且，加振體15a除了永久磁鐵以外，還可使用由鐵、鈷、鎳、或它們的合金構成的強磁體。另外，加振驅動部15也可使用電磁線圈15b以外的其他加振驅動機構。

為了檢測流量測量中的測量管11因加振所致的移位的大小、也就是柯氏力的大小，在測量管11的平行部分的往路管11b、返路管11c的2個部位，配置著採用光感測器的移位檢測部16。在測量管11分別安裝著光反射部16a，在光反射部16a下方的基板18上分別配置著送光受光部16b。

在該移位檢測部16，將來自送光受光部16b的光束送向光反射部16a，利用送光受光部16b接收其反射光，從 而檢測出反射光的位置偏移。根據該位置偏移分別測量送光受光部16b到光反射部16a的距離、也就是送光受光部16b到往路管11b與返路管11c的距離，由運算控制部利用時間差檢測而求出相當於因柯氏力所致的往路管11b與返路管11c的扭轉量的量。並且，根據這些檢測量求出流量，其運算方式等為公知的，所以省略其說明。

另外，該移位檢測部16是利用位置偏移檢測方式測量距離，但也可利用模糊檢測方式、光干擾方式等檢測距離。或，也可代替光檢測方式，而替代使用例如電磁式的移位檢測器等。然而，光檢測方式不會對測量管11作用有力，所以不會影響微小的柯氏力而進行檢測，能高精度地進行流量測量。

在測量管11下方的基板18上，配置著遠端地且以不接觸的方式對測量管11內的測量流體進行測溫的溫度測量部17。測量管11若根據測量流體的溫度而變暖或變冷則彈性係數會變化，從而測量管11的共振振動頻率或扭轉面會微微地變化，因此，為了對這些進行修正，較佳的是對測量管11內的流體進行測溫。另外，該測量流體若在該柯氏力式質量流量計以外的其他部位測溫，則無需使用該溫度測量部17進行測溫。

圖4表示用作溫度測量部17的例如紅外線放射溫度計的結構圖，溫度測量部17具有透鏡光學系統17a和溫度感測元件17b。透鏡光學系統17a使所得的紅外光的焦點自身與由透明或半透明的合成樹脂材構成的測量管11內部 的測量流體和溫度感測元件17b共軛。溫度感測元件17b經由未圖示的波長選擇性光學濾波器而感測依存於測量管11內的流體溫度的紅外光且遠端地進行測溫。另外，實施例中，利用罩體罩住該柯氏力式質量流量計使內部成為暗室，所以周圍的外光不會成為測溫的外部干擾。

[實施例2]

圖5是實施例2的主要部分放大立體圖，固定部13並未經由實施例1的連結部12，而是經由彈性構件14a而直接保持測量管11。即，在配設在測量管11上的卡止部11d的前端，突出有例如金屬製的半圓弧狀的連結環11g。透過將由拉伸螺旋彈簧等構成的彈性構件14a連接於連結環11g的前端，而使卡止部11d連結於固定部13。

此種結構的實施例2中，測量管11也是利用連結環11g、彈性構件14a而在1個點被彈性牽引且保持在固定部13側。

[實施例3]

圖6是本實施例3的立體圖，圖7是側視圖，與實施例1相同的符號表示相同的構件。固定部13的上部伸出到卡止部11d的上方，且在固定部13與卡止部11d之間安裝著由拉伸螺旋彈簧等構成的彈性構件14b。曲管部11a經由彈性構件14b而從和往路管11b與返路管11c連成的面正交的方向也就是從上方的固定部13彈性地懸掛。

測量管11中的由彈性構件14b保持的位置也就是卡止部11d中的彈性構件14b的安裝位置位於往路管11b、返 路管11c的中間，而且幾乎是在1個點彈性保持，所以不會對應測量的柯氏力產生較大影響。

[實施例4]

圖8是實施例4的側視圖。相對於實施例3，在卡止部11d的下側，還安裝著以下方的基板18作為固定部且由螺旋彈簧等構成的另一個第2彈性構件14c，卡止部11d也被向下方牽引。另外，上側的彈性構件14b與下側的第2彈性構件14c的卡止部11d的安裝位置在上下方向上一致。

此種結構的實施例4中，曲管部11a也是利用彈性構件14b、14c而幾乎在1個點被彈性地向彼此相反的上下兩個方向牽引，其位置保持在彈性構件14b、14c的平衡位置。由此，實施例4中也能獲得與實施例3相同的作用效果。

[實施例5]

圖9是實施例5的側視圖。實施例4中，在卡止部11d的下側設置第2彈性構件14c，從而也向下方牽引卡止部11d，而本實施例5中，代替第2彈性構件14c，而使用利用電磁力向下方牽引的牽引機構。

在卡止部11d的下表面，安裝著由永久磁鐵等構成的磁性作用體15e。在磁性作用體15e下方的基板18上配置著電磁線圈15f，電磁線圈15f的鐵芯15g的磁極是與磁性作用體15e對向地配置。

若利用捲繞在鐵芯15g上的線圈15h產生吸引磁性作 用體15e的磁束，則曲管部11a會經由卡止部11d而被電磁線圈15f向下方吸引，從而與上方的彈性構件14b的牽引力平衡地保持在規定位置。

此時，利用例如光感測器感測卡止部11d的上下方向位置，若控制電磁線圈15f的吸引力以使曲管部11a在相同位置達到平衡，則曲管部11a會始終保持在同一位置。

而且，對於線圈15h上流動的電流，若一面以共振頻率或其整數倍的頻率向電流賦予大小一面通電，則來自鐵芯15g的磁束會作用於磁性作用體15e，且反復作用有強弱的磁吸引力，從而作為加振驅動部發揮功能。由此，能一面彈性保持曲管部11a，一面同時對測量管11進行加振以進行測量。另外，此時也可使用另一個機構來對測量管11進行加振。

而且，各實施例中，測量管11是配置在水平方向，但也可配置在垂直方向以便於檢測柯氏力。

另外，實施例4、5中，利用包括電磁線圈的彈性構件將測量管11向基板18側牽引，但也可代替這些彈性構件，而對曲管部11a以使其從基板18側回推的方式進行作用而使曲管部11a平衡。也就是說，可使用壓縮螺旋彈簧等可作用回推力的彈性構件，此時也能控制電磁線圈的回推力而將曲管部11a準確地保持在規定位置。

另外，本說明書中的上下是針對圖式表述的方向，未必指的是實際裝置的上下。

[產業可利用性]

本發明適宜用於採用包括實施例以外的直管方式在內的各種形狀的測量管的柯氏力式質量流量計。而且，即便測量管是金屬製的，也能在幾乎1個部位彈性保持測量管，所以可不使用剛性大的支撐構造，價格上有利。

Claims (6)

1. 一種柯氏力式質量流量計，具有：測量管，供測量流體向一個方向流通；固定部，相對於前述測量管配置在規定的位置；彈性構件，配置在前述測量管與前述固定部之間；加振驅動部，賦予前述測量管振動；及移位檢測部，在前述測量管的往路管和返路管的2個部位檢測前述測量管的移位；前述固定部經由前述彈性構件而彈性保持前述測量管；在設置於前述往路管與前述返路管的中間位置的曲管部配設著用於安裝前述彈性構件的卡止部；前述彈性構件向和前述往路管與前述反路管連成的面平行的方向作用於前述卡止部，由此彈性保持前述測量管。
2. 如請求項1所記載之柯氏力式質量流量計，其中前述測量管是合成樹脂製。
3. 如請求項1所記載之柯氏力式質量流量計，其中前述測量管的保持是對於前述曲管部進行。
4. 如請求項1所記載之柯氏力式質量流量計，其中前述彈性構件具有牽引力。
5. 如請求項1所記載之柯氏力式質量流量計，其中將由永久磁鐵或強磁體構成的加振體配設在前述卡止部， 利用前述加振驅動部的電磁線圈，經由前述加振體以規定的頻率對前述測量管進行加振。
6. 如請求項2所記載之柯氏力式質量流量計，其中利用紅外線放射溫度計，從透明或半透明的合成樹脂製的前述測量管的外側遠程地對前述測量管內的流體進行測溫。