WO2006030543A1

WO2006030543A1 - 三次モード振動式コリオリ流量計

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Publication number: WO2006030543A1
Application number: PCT/JP2005/000628
Authority: WO
Inventors: Yuichi Nakao
Original assignee: Oval Corporation
Priority date: 2004-09-17
Filing date: 2005-01-13
Publication date: 2006-03-23
Also published as: CN100451566C; JP2006084372A; EP1790955B1; KR100877464B1; KR20070047370A; CN101023325A; EP1790955A1; JP3812844B2; US7726202B2; US20090038412A1; EP1790955A4

Abstract

フローチューブ３と、そのフローチューブ３を駆動する駆動装置４と、フローチューブ３に作用するコリオリの力に比例した位相差を検出する一対の振動検出センサ５と、を備えた三次モード振動式コリオリ流量計１とする。駆動装置４は、フローチューブ３を三次モードの曲げ振動で駆動する。フローチューブ３は、略ループ形状の本体部１２を有する。その本体部１２の両端部１３，１３には、両端部１３，１３の振動方向に対して略直交方向かつ両端部１３，１３の外側に転向する一対の平行な脚部１４，１４を連成する。脚部１４，１４には、フローチューブ３を支持する固定端部１６，１６を形成する。

Description

明細書三次モード振動式コリオリ流量計技術分野

本発明は、少なくとも一本のフローチューブを備えて構成されるコリオリ流量計に係り、詳しくは、フローチューブを略丁字形に形成して三次モードの曲げ振動で駆動する三次モード振動式コリォリ流量計に関する。背景技術

コリオリ流量計は、被測定流体の流通する流管の一端又は両端を支持し、その支持点回りに流管の流れ方向と垂直な方向に振動を加えたときに、流管（以下、振動が加えられるべき流管をフローチユーブという）に作用するコリオリの力が質量流量に比例することを利用した質量流量計である。コリオリ流量計は周知のものであり、コリオリ流量計におけるフローチューブの形状は直管式と湾曲管式とに大別されている。

直管式のコリオリ流量計は、両端が支持された直管の中央部直管軸に垂直な方向の振動を加えたとき、直管の支持部と中央部との間でコリオリの力による直管の変位差、すなわち位相差信号が得られ、その位相差信号に基づいて質量流量を検知するように構成されている。このような直管式のコリオリ流量計は、シンプルで、コンパクトで、堅牢な構造を有している。しかしながら、高い検出感度を得ることができないという問題点もあわせ持っている。

これに対して、湾曲管式のコリオリ流量計は、コリオリの力を有効に取り出すための形状を選択できるという点で、直管式のコリオリ流量計よりも優れており、実際に、高感度の質量流量を検出することができている。尚、湾曲管式のコリオリ流量計としては、一本のフローチューブを備えるもの（例えば、特公平 4 - 5 5 2 5 0 号公報参照）や、並列二本のフローチューブを備えるもの（例えば、特許第 2 9 3 9 2 4 2号公報参照）、あるいは、一本のフローチユーブをループさせた状態に備えるもの（例えば、特許第 2 9 5 1 6 5 1号公報参照）などが知られている。

コリオリ流量計において、流路を分岐せずにフローチューブを単一の流路で構成することは、小口径のセンサにおける閉塞の問題点に対する最も良い解決法である。また、圧縮性を持つ流体や、密度や粘度の異なる不連続な流体を計測する際には、流れを分岐させると安定した分流をすることができないことからも、フローチューブを単一の流路で構成することが望まれる。さらに、フローチューブを同一平面内のみで構成することは、形状構成が最も単純であるため、フローチューブの製作が容易になるので、安価で形状の再現性を求める場合には有用なことである。

しかしながら、従来の単一の流路で構成されるコリオリ流量計にあっては、対向して振動を相殺する構造になっていないために、フローチューブを一次モード振動や偶数モード振動で振動させた場合に、固定端から質量流量計の外部へ振動が漏洩してしまい、配管条件の変化によりゼロ点ドリフトゃスパン変動が生じていた。さらに、振動漏洩軽減を目的としたカウンターバランサを用いた振動系でも、密度変化によって振動漏洩が変化し、器差を悪化させていた振動漏洩を軽減するためには、上述の如く、通常カウンターバランサを用いるが、単一の管の曲げ振動を用いたコリオリ流量計では、カウンターバランサ方式が持つ密度影響、温度影響、振動影響を避けることができなかった。発明の開示

本発明の目的は、上述した事情に鑑みてなされたもので、振動漏洩を軽減することのできる三次モード振動式コリオリ流量計を提供することにある。

本発明の目的を達成するために、請求項 1記載の本発明の三次モード振動式コリオリ流量計は、少なくとも一本のフローチューブと、該フローチューブを駆動する駆動装置と、前記フローチューブに作用するコリオリの力に比例した位相差を検出する一対の振動検出センサと、を備えたコリオリ流量計であって、前記駆動装置は前記フローチューブを三次モードの曲げ振動で駆動し、前記フローチユープは略ループ形状の本体部を有し、該本体部の両端部には該両端部の振動方向に対して略直交方向で、かつ前記両端部の外側に転向する一対の平行な脚部を連成し、該脚部には前記フローチューブを支持する固定端部を形成するように構成する。

本発明の目的を達成するために、請求項 2記載の本発明の三次モード振動式コリオリ流量計は、請求項 1に記載の三次モード振動式コリオリ流量計において、前記脚部の各固定端部を同一平面内の近接した位置に配置するように構成する。

本発明の目的を達成するために、請求項 3記載の本発明の三次モード振動式コリオリ流量計は、請求項 1又は請求項 2に記載の三次モード振動式コリオリ流量計において、前記本体部の幅を W、前記本体部の高さを H、前記脚部の高さを h t、前記固定端部の間隔となる固定端幅を w、前記本体部の高さ Hと前記本体部の幅 Wとの比を H /W、前記固定端幅 wと前記本体部の幅 Wとの比を w /W、前記脚部の高さ h t と前記本体部の高さ Hとの比を h t / Hとすると、（ 1 ) 0 . 0 3く H ZWく 1、（2 ) 0 . 0 0 5 < w /W < 0 . 4 8、（ 3 ) 0 < h t / H < 2 . 7 5、の条件を満足するように構成する。

以上のような特徴を有する本発明によれば、フローチューブを略 T字形に形成し、そして、そのフローチューブを、振動が最もェネルギー消費の少ない状態で安定する三次モードの曲げ振動によつて駆動するようにしていることから、フローチューブの本体部の両端部における曲げ振動を、その両端部に連成した脚部において捻り振動に変換することができる。また、本発明によれば、平行に並ぶ脚部に、互いに反対方向の捻り応力を生じさせ、これによつて振動漏洩をほぼ相殺することができる。脚部の両固定端部を同一平面内の近接した位置にすれば、振動漏洩をより一層良好に相殺することができる。さらに、本発明によれば、所定の条件を満足する形状にフローチューブを形成することで、振動漏洩の軽減を図ることができる。

三次モードの駆動では、コリオリカとして四次モード的なコリォリ力が生じるが、フ口一チューブとしては全体の剛性との兼ね合いから二次モード的（捻り振動）な動きが生じる。二次モード的（捻り振動）な動きに対し剛性を低くするためには、上下流の固定端間距離を近くし、且つ曲げに対して剛性を低くする必要がある（回転自由支持端のような働き）。これにより、コリオリカの検出感度が良くなる。

振動漏洩の見地から三次の曲げ振動を考察すると、フローチューブ端部において曲げ振動を捻り振動に変換するためには、フローチューブを 9 0 ° に転向するのが良い。残された捻り振動を効率良く減じるためには、回転方向が逆で平行する回転軸を極力近づける方が良く、その固定端は同一平面上に存在することが好ましい。

このように本発明によれば、振動漏洩を軽減することができるという効果を奏している。また、配管条件の変化を要因としたゼロ点ドリフトゃスパン変動を最小にすることができるという効果を奏する。さらに本発明によれば、より良いコリオリ流量計を提供することができるという効果を奏している。図面の簡単な説明

図 1は、本発明の三次モード振動式コリオリ流量計の一実施の形態を示す図であり、（ a ) は筐体の正面図、（ b) は内部構成の概略図である。

図 2は、三次モード振動式コリオリ流量計のセンサ部、信号演算処理部、及び励振回路部に係るブロック図である。 ·

図 3は、三次モードで駆動するコリオリ流量計の分類を系統的に示す図（直管形の三次モード）である。

図 4は、三次モードで駆動するコリオリ流量計の分類を系統的に示す図（U字形の三次モード）である。

図 5は、三次モードで駆動するコリオリ流量計の分類を系統的に示す図（ループ形の三次モード）である。

図 6は、図 4 ( b ) から派生した形状例を示す図である。

図 7は、図 4 ( c ) から派生した形状例を示す図である。

図 8は、図 5 ( b ) から派生した形状例を示す図である。

図 9は、図 5 ( c ) から派生した形状例を示す図である。

図 1 0は、幾何学的条件を定義するための説明図である。

図 1 1は、チューブ直径に係る説明図である。

図 1 2は、最適な幾何学的条件を示すための概念系統図である図 1 3は、縦横比 H/Wの概念説明図である。

図 1 4は、 F EM解析結果を示すグラフである。

図 1 5は、 F EM解析結果を示す図（h tZH= 0. 5 0〜 1 . 2 5 ) である。

図 1 6は、 F EM解析結果を示す図（h t ZH= l . 5 0〜 2 . 2 5 ) である。

図 1 7は、 F EM解析結果を示す図（h t ZH= 2. 5 0〜 3

. 0 0) である。

図 1 8は、 F EM解析結果を示す図（h t /H= 4. 00〜 5 . 0 0) である。

囡 1 9は、 F EM解析結果により得た変位量及び角変位量の結果を示すグラフである。

図 2 0は、三次モード振動の最大変位時における様子を一本の単管に引き伸ばした概念図である。発明を実施するための最良の形態

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

図 1には、本発明に係る三次モード振動式コリオリ流量計の第一の実施の形態が示されている。

図 1は、本発明に係る三次モード振動式コリオリ流量計の一実施の形態を示す図であり、（ a ) は三次モード振動式コリオリ流量計の筐体の正面図、（ b ) は三次モード振動式コリオリ流量計の内部構成の概略図である。また、図 2は、三次モード振動式コリオリ流量計のセンサ部、信号演算処理部、及び励振回路部の関係を示すブロック図である。

図 1及び図 2において、本発明の三次モード振動式コリオリ流量計 1は、筐体 2 と、その筐体 2内に収納される一本のフローチューブ 3 と、駆動装置 4、一対の振動検出センサ 5、 5、及び温度センサ 6を有するセンサ部 7と、センサ部 7からの信号に基づいて質量流量等の演算処理を行う信号演算処理部 8と、駆動装置 4を励振するための励振回路部 9とを備えて構成されている。以下、これらの各構成部材について説明する。

前記筐体 2は、曲げやねじれに強固な構造を有している。また、筐体 2は、フローチューブ 3と、そのフローチューブ 3 自身が形成する面に対して平行に配置される静止部材 1 0 とを収納することができる大きさに形成されている。さらに、筐体 2は、フローチューブ 3等の流量計要部を保護することができるように形成されている。このような筐体 2の内部には、アルゴンガス等の不活性ガスが充填されている。不活性ガスの充填により、フローチューブ 3等への結露が防止されるようになっている。本形態の筐体 2は、フローチューブ 3の形状に合わせてその外観形状が形成されている（一例であるものとする）。

前記フローチューブ 3が平行に配置される静止部材 1 0は、平板状に形成されており、その一部が筐体 2に対して固着されている。この静止部材 1 0には、フローチューブ 3の流入口側及ぴ流出口側を支持固定するための支持部 1 1が適宜手段で取り付けられている。

前記フローチューブ 3は、略ループ形状（略長円形状）の本体部 1 2と、その本体部 1 2の両端部 1 3， 1 3に連成される一対の平行な脚部 1 4 , 1 4 とを有して平面視 T字形に形成されている（ T字形の形状にした理由については後述する）。脚部 1 4 , 1 4は、両端部 1 3， 1 3の振動方向に対して略直交方向かつ両端部 1 3 , 1 3の外側に転向するように連成されている。引用符号 1 5は両端部 1 3 , 1 3に連続する 1 Z 4円弧の終端首部を示している。このような脚部 1 4， 1 4は、フローチューブ 3自体を支持する固定端部 1 6 , 1 6を有している。両固定端部 1 6 , 1 6は、同一平面内の近接した位置に配置されている。

前記フローチューブ 3における一方の脚部 1 4に流入した測定流体は、本体部 1 2を流通し他方の脚部 1 4から流出するようになつている。フローチューブ 3の材質は、ステンレス、ノヽステロイ、チタン合金等のこの技術分野において通常のものが用いられている前記センサ部 7を構成する上記駆動装置 4は、フローチューブ 3を三次モードの曲げ振動で振動させるためのものでぁって、コィゾレ（符号省略）とマグネット（符号省略）とを備えて構成されている。このような駆動装置 4は、フローチューブ 3の中心軸 S 1に沿つて配置されている。言い換えれば、駆動装置 4は、三次モード振動により生じる三つの腹のうち、中央の腹の範囲内に位置するように本体部 1 2の中央に配置されている。

前記駆動装置 4の上記コイルは、静止部材 1 0に取り付けられている。また、上記コイルからは、特に図示しないが、電線又は F P C (フレキシブル ' プリント . サーキット）が引き出されている。駆動装置 4の上記マグネットは、専用の取付具を用いてフローチユーブ 3に取り付けられている。 '

駆動装置 4において吸引作用が生じると、前記マグネットが上記コイルに差し込まれるような状態になり、その結果、フローチューブ 3が静止部材 1 0に対して近接するようになる。これに対し、反発作用が生じると、フローチューブ 3が静止部材 1 0に対して離間するようになる。駆動装置 4は、フローチューブ 3を図 1の紙面に対して直交方向に交番駆動するように構成されている。

前記センサ部 7を構成する上記振動検出センサ 5 , 5は、フロ一チューブ 3の振動を検出するとともに、フローチューブ 3に作用するコリオリの力に比例した位相差を検出するセンサであって、それぞれコイル（符号省略）とマグネット（符号省略）とを備えて構成されている（これに限らず、加速度センサ、光学的手段、静電容量式、歪み式（ピエゾ式）等の変位、速度、加速度のいずれかを検出する手段であればよいものとする）。

このような構成の振動検出センサ 5 , 5は、本体部 1 2の長手方向の軸 S 2に沿って配置されている。振動検出センサ 5 , 5は、上記中央の腹の両隣の腹の範囲内であって、コリオリの力に比例した位相差を検出することが可能な位置に配置されている。振動検出センサ 5， 5は、フローチューブ 3を三次モード振動で振動させたときに生じる節に対して、ずれた位置となるように配置されている前記振動検出センサ 5， 5の上記各コイルは、静止部材 1 0に取り付けられている。また、上記各コイルからは、特に図示しないが、電線又は F P C (フレキシブル ' プリント ' サーキット）が引き出されている。振動検出センサ 5， 5の上記各マグネットは、専用の取付具を用いてフローチューブ 3に取り付けられている。

本形態において、駆動装置 4及ぴ振動検出センサ 5， 5の上記各コイルは、適度な重量があり図示しない電線又は F P C (フレキシブル ' プリント . サーキット）の配線（配線系の図示は省略する）も必要であることから、上述の如く、静止部材 1 0の所定位置に取り付けられている。これにより、フローチューブ 3の振動に及ぼす影響が極力軽減されている。

なお、本発明においては、前記コイルと前記マグネットの取り付けを逆にする（上記コイルをフローチューブ 3に取り付け、上記マグネットを静止部材 1 0に取り付ける）こともできる。

本発明の三次モード振動式コリオリ流量計 1の内部には、特に図示しないが、基板等が設けられている。また、その基板には、三次モード振動式コリオリ流量計 1の外部に引き出されるワイヤハーネスが接続されている。

前記センサ部 7の一部を構成する温度センサ 6は、三次モード振動式コリオリ流量計 1の温度補償をするためのものであって、適宜手段でフローチューブ 3に取り付けられている。具体的には、例えば流入口側であって支持部 1 1 , 1 1に支持固定された部分の近傍、すなわち固定端部 1 6， 1 6の近傍に取り付けられている。尚、温度センサ 6から引き出される図示しない電線又は F P C (フレキシブル ' プリント ' サーキット）は、図示しない上記基板に接続されている。

前記信号演算処理部 8には、一方の振動検出センサ 5からの、フローチューブ 3の変形に関する検出信号 D A、他方の振動検出センサ 5からの、フローチューブ 3の変形に関する検出信号 D B、及ぴ温度センサ 6からの、フローチューブ 3の温度に関する検出信号 D Tがそれぞれ入力されるように配線及び接続がなされている。このような信号演算処理部 8では、センサ部 7より入力された検出信号 D A、 D B及び D Tに基づいて質量流量 Q m及び密度 p の演算がなされるように構成されている。また、信号演算処理部 8では、演算により得られた質量流量 Q m、密度 pが表示器 1 7に対して出力されるように構成されている。

前記励振回路部 9は、平滑部 2 0と比較部 2 1 と目標設定部 2

2と可変増幅部 2 3と駆動出力部 2 4とを備えて構成されている。また、励振回路部 9は、フローチューブ 3を三次モード振動で振動させるにあたって、正帰還ループが構成されている。平滑部 2 0は、一方の振動検出センサ 5 (又は他方の振動検出センサ 5 ) からの検出信号 D Aを取り出すように配線されている。また、平滑部 2 0 は、入力された検出信号 D Aを整流平滑するとともに、その振幅に比例した直流電圧 V Aを出力することができるような機能を有している。比較部 2 1は、平滑部 2 0からの直流電圧 V Aと目標設定部 2 2から出力される目標設定電圧 V mとを比較するとともに、可変増幅部 2 3の利得を制御して共振振動の振幅を目標設定電圧に制御することができるような機能を有している。

なお、前記平滑部 2 0から駆動出力部 2 4までの構成は、従来の正帰還ループで振動を制御する場合の構成と同じであるが、本発明の三次モード振動式コリオリ流量計 1においては、三次モード振動を得るために、正帰還ループの信号波形を逆相に変換するように構成されている。すなわち、図 2中の A部において、駆動出力部 2 4から送出される出力線を逆に結線して出力波形を逆相に変換するように構成されている。または、図 2中の B部において、励振回路部 9に入力される検出信号 D Aの信号線を逆に結線して信号波形を逆相に変換するように構成されている。または、図 2中の C部において、可変増幅部 2 3から送出される配線を逆に接続して増幅波形を逆相に変換するように構成されている。又は、図 2中の A部において、駆動出力部 2 4から送出される出力をインパータを用いて逆相に変換するように構成されている。または、図 2中の B部において、励振回路部 9に入力される検出信号 D Aをィンバータを用いて逆相に変換するように構成されている。または、図 2中の C部において、可変増幅部 2 3から送出される出力をインバータを用いて逆相に変換するように構成されている（もう少し詳しく説明すると、駆動装置 4及び振動検出センサ 5、 5を前記位置に配置し、さらには、駆動装置 4の変位極性と振動検出センサ 5、 5の変位極性とを互いに逆相の関係となるようにするとともに、励振回路部 9をその正帰還ループ上で上記逆相の関係となった各変位極性を互いに同相の関係となるように変換する）。

前記構成において、フローチューブ 3に測定流体を流すとともに、駆動装置 4を駆動させてフローチューブ 3を三次モードの曲げ振動で振動させると、振動検出センサ 5、 5の点でのコリオリの力によって生じるフローチューブ振動の位相差分により、質量流量 Q mが信号演算処理部 8で算出される。また、本形態においては密度 pも算出される。

以上、図 1及び図 2を参照しながら説明してきたように、本発明の三次モード振動式コリオリ流量計 1は、フロ一チューブ 3を略 T字形に形成し、そして、そのフローチューブ 3を、振動が最もェネルギー消費の少ない状態で安定する三次モードの曲げ振動によつて駆動するようにしていることから、フローチューブ 3の本体部 1 2の両端部 1 3， 1 3における曲げ振動を、その両端部 1 3， 1 3 に連成した脚部 1 4， 1 4において捻り振動に変換することができる。平行に並ぶ脚部 1 4， 1 4に、互いに反対方向の捻り応力を生じさせ、これによつて振動漏洩をほぼ相殺することができる。従つて、本発明の三次モード振動式コリオリ流量計 1は、従来よりも振動漏洩を軽減することができる。なお、後述する説明からも分かる力 S、脚部 1 4 , 1 4の両固定端部 1 6， 1 6を同一平面内の近接した位置にすれば、振動漏洩をより一層良好に相殺することができるその他、本発明の三次モード振動式コリオリ流量計 1は、フロ一チューブ 3が単一の流路でありカウンターバランサがないことから、密度変化があっても振動漏洩に変化がなく、常にバランスを保つことができる。また、バランス取りが不要であることから、製造コストを削減するとともに、品質を長期にわたり安定させることができる。また、フローチューブ 3が単一の流路であることから、既知のブレースバーが不要である。そして、ブレースバーが不要であることから、口ゥ付けが不要になり、その結果、製造コストを削減することができる。

なお、両固定端部 1 6 , 1 6に作用する応力が捻り方向で管の周方向に対し全周で均一になるので、チューブ配管若しくはアンカ一への接続をメカシールで行うことが可能である。また、簡易的なメ力シールでの接続も可能であるので、フローチューブのみを着脱することができる構造にすることが可能である。その他、両固定端部 1 6 , 1 6に貫通タィプのバルクへッドコネクタを用いれば、完全に接液部が交換可能なフローチューブを構成でき、医療や食品関連産業に適したコリオリ流量計になる。

次に図 3ないし図 2 0を参照しながらフローチューブ（以下、流管とする）の最適な幾何学的条件について説明する。

図 3 ( a ) 〜図 9 ( d ) は三次モードで駆動するコリオリ流量計の分類を系統的に示している。流路が曲げ振動だけで構成されるものとして、図 3 ( a ) は直管形の三次モード、図 4 ( a ) は U字形の三次モード（固定端は同一平面上）、図 5 ( a ) はループ形の三次モード（固定端は同一軸上で反対方向に伸びる場合）を示している。

図 3 ( a ) の直管形の三次モードに対して両端部の振動方向は、図 3の紙面に対して垂直であるが、この場合の振動方向に対して垂直に管路を付加したものを図 3 ( b ) に示す。付加した管路は、端部の曲げ振動により捻り振動する。しかし、実際には付加した管路にも曲げ振動がそのまま伝播する場合が多い。

図 4 ( a ) の U字形の三次モード（固定端は同一平面上）の両端部の振動方向は、図 4の紙面に対して垂直であるが、この場合の振動方向に対して垂直且つ内方向に管路を付加したものを図 4 ( b ) に、外方向に管路を付加したものを図 4 ( c ) 示す。共に付加した管路は、端部の曲げ振動により捻り振動する。図 4 ( b ) から派生した形状例として、図 6 ( a ) 〜図 6 ( d ) を示す。また、図 4 ( c ) から派生した形状例として、図 7 ( a ) 〜図 7 ( f ) を示す図 5 ( a ) のループ形の三次モード（固定端は同一軸上で反対方向に伸びる場合）の両端部の振動方向は、図 5の紙面に対して垂直であるが、この場合の振動方向に対して垂直且つ外方向に管路を付加したものを図 5 ( b ) に、内方向に管路を付加したものを図 5 ( c ) 示す。共に付加した管路は、端部の曲げ振動により捻り振動する。図 5 ( b ) から派生した形状例として、図 8 ( a ) 〜図 8 ( k ) を示す。また、図 5 ( c ) から派生した形状例として、図 9 ( a ) 〜図 9 ( d ) を示す。

図 3〜図 9の例でコリオリカの検出感度が良く、上下流の固定端が同一平面内で近接し、チューブの曲げ回数が少なく、チューブ周波数を比較的高くすることが可能な形状は、図 8 ( b ) である。

特に一本のフローチューブの構成で振動漏洩を軽減し、器差性能を確保するために三次モード駆動を行ぅコリオリ流量計（三次モード振動式コリオリ流量計）において、固定端近傍では曲げ応力が捻り応力に変換され、振動漏洩を減じることができる流管（フローチューブ）形態として最も優位な例として図 8 ( b ) に示す丁字形を選び、その幾何学的条件を定義するために図 1 0を参照しながら説明する。この流管形状の具体的な幾何学的条件は以下の通り。

流入口及び流出口を含む平面から垂直方向に伸びる流管において、流管の幅（フローチューブの本体部の幅）を w、流管の高さ（フローチューブの本体部の高さ）を Hとした場合、その縦横比 HZ Wは、 0. 0 3 (チューブ曲げ半径と振動周波数等から決定）く H /W< 1 (後述の付加された管路に角変位を与えやすいこと、更に周波数を上げ且つ位相差をより得やすくする必要から横長の形状である意味合いから）の範囲。

付加された管路（対となった脚部）の固定端における幅 wの流管の幅 Wに対する割合の下限は、幅 wがチューブ直径 D以下にならないことと、 WZDの上限が流管全体の剛性、周波数等から WZD く 2 0 0が適当であること力ら、 1 /2 00 (= 0. 0 0 5 ) となる。また、その上限は F EM解析により 0. 4 8以下であれば流管の曲げ変位の角変位への変換が効率良く行われ、その結果は固定端近傍の変位が軽減していることからも証明されたことより、 wZW の条件は 1 / 2 0 0 (= 0. 00 5 ) < w/W< 0. 4 8と決定した。

前記条件の下、付加された管路の長さ h tを決定するに当たり、 w/W= 0. 1 9、 H/W= 0. 2 1、 W/D = 4 8. 6 8、 t /D = 0. 04 6を選び、その最適値を F EM解析により決定していった。その結果、付加された管路の高さ h tの、流管の高さ（本体部の高さ） Hに対する割合 h t ZHは 2. 5 0程度とすると、曲げの捻りへの変換効率が良く、且つ安定した特性を得ることができることが分かった。また、 h t /Hを 2. 7 5以上とすると、付加された管路、すなわち脚部の曲げ剛性が低下するために、流管の所要の三次モード振動を得にくくなることが分かった。一方、 h t Z Hの下限は、 0 < h t とすることが可能である。ここで、 D < 5 0と h tの最小値とが曲げ半径の最小値と同じ 3 Dであること力、ら、 3ノ 5 0 = 0. 0 6 となる。よって、 h t /Hの条件は、 0 < h t /H < 2. 7 5であり、最適条件としては、 0. 0 6 < h t /H < 2. 7 5とした。

前記条件に関してもう少し詳しく説明する。流管の曲げ半径 Rは、一般的に高圧ガス保管協会が耐圧上の観点から、 R = 4 D (D ：チューブ直径）を一つの基準としているが、実用上、 R = 3 D程度までならコリオリ流量計として圧力特性上ほぼ問題が生じないことが分かっている。このことから、流管の曲げ半径 Rの下限を 3 D以上と定義する。ここで流管の幅 Wの条件は、チューブ直径 Dを基準に考えると、固定端間距離 wがチューブ直径 D以下にならないことから、 1 3く WZDとなる（図 1 1参照）。また、 W/Dの上限は流管全体の剛性、周波数等から WZDく 2 0 0が適当である。よって、 1 3く WZDく 2 0 0となる。

流管の高さ（本体部の高さ） Hの条件は、チューブ直径 Dを基準に考えると、その下限は 6く HZDとなる。また、 HZDの上限は、流管全体の剛性、周波数等から H/D < 5 0が適当である。よつて、 6く H/Dく 5 0となる。

付加された管路（脚部）の固定端における幅 wは、流管の幅 W を基準に考えると、前述のように幅 wがチューブ直径 D以下にならないことと、 W/Dの上限が流管全体の剛性、周波数等から WZD く 2 0 0が適当であることから、 1 Z 2 0 0 (= 0. 0 0 5 ) となり、その下限は 2 0 0く W/D、 D = wより、 1 / 2 0 0 (= 0. 0 0 5 ) < w/Wとなる。また、その上限は F E M解析により 0. 4 8以下であれば流管の曲げ変位から角変位への変換が効率良く行われ、その結果は固定端近傍の変位が軽減していることからも証明された。よって、 w/Wの条件は、 1 / 2 0 0 (= 0. 0 0 5 ) < w/Wく 0. 4 8 と決定した。

ここで、図 1 2に関して説明する。図 1 2は固定端における幅 wと流管の幅 Wとの比 w/W、及び付加された管路の高さ h t と流管の高さ Hとの比 h t /Hで決定される最適な幾何学的条件を示すための概念系統図である。ここでは H/W= 0. 5の場合を示した。図中の枠で囲っている条件が最適な幾何学的条件となる。

図 1 3は流管の幅 Wと高さ Hを変化させた場合の組み合わせの概念図である。縦横比 H/Wが等しい組み合わせが右下がりの破線で示されている。右下になるほど幾何学的形状がそのままに流管に対する相対的な寸法が大きくなる。

縦横比 H/Wは前述の条件、 l S WZD S O O 6く HZ Dく 5 0より、 0. 0 3 <H/W< 3. 8 5となるが、その上限は、周波数を上げ且つ位相差をより得やすくする要件から、横長の形状である必要があり、その値を 1 とした。よって、 ◦ . 0 3 < H/ W< 1 とする。付加された管路の固定端における幅 wと管路の幅 W との比 wZWと、付加された管路の長さ h tを決定するにあたり、幾何学的条件として、上記条件を満足する H/W= 0. 2 1、 W/ D = 4 8. 6 8、素材 SU S 3 1 6 Lを選び、その最適値を F EM 解析により決定していく。

図 1 4は付加された管路の幅 wに対する、首部 Aと固定端近傍 Bにおける変位及び角変位を F E M解析によって求めた結果である。なお、首部 Aに係る A部と固定端近傍 Bに係る B部の位置は図 1 0に示す。図 1 4の横軸は、固定端における幅 wと流管の幅 Wとの比 wZWとした。幾何学的条件の代表例として、縦横比 HZW= 0 . 2 1、付加された管路の高さ h t と流管の高さ Hとの比 h t /H を 2. 4 2で一定とした。流管の横端部での振幅を 1 mmとする。 I 固定端近傍 B位置の変位量は微少なので 1 0倍に拡大して表記した。固定端における幅 wの流管の幅 Wに対する割合 wZWを 0. 0 2 から 0. 5 8まで変化させた。

首部 Aの変位は、固定端における幅 wと流管の幅 Wとの比 w Wによる影響が大きく、幅の比 w/Wを増すに従い、 0. 0 2 4 m mから 0. 4 mm程度に向かって増加していく。一方、首部 Aの角変位に関しては、固定端における幅 wと流管の幅 Wとの比 w/Wが 0. 0 2〜 0. 5 8の範囲では 0. 8° ~ 0. 8 5° の範囲でほぼ一定であるが、詳細に観察すると、 wZW= 0. 2〜 0. 4 8程度において角変位が減少していることが分かる。固定端近傍 B (固定端から 1 Z 4 Hの位置）における変位（図では 1 0倍に拡大して表記）に関しては、 w/W= 0. 0 2では 0 . 0 0 6 mm程度と小さいが、 wZWが増加し 0. 4 8程度になると一定の値の 0. 0 1 5 mmに漸近する。一方、固定端近傍 Bにおける角変位は、 wZWにはほぼ依存せず、 0. 1 ^D 程度に抑えられている。

固定端近傍 Bの変位が小さいことが振動漏洩の軽減と振動基部における応力の低減にとつて重要であるので、 wZWの最適な条件は、 1 / 2 0 0 (= 0. 0 0 5 ) < w/W< 0. 4 8 となる。

図 1 5 ( a ) 〜図 1 8 ( b ) は T字形チューブの三次モード駆動モデルの F EM解析の結果である。流管の幅方向端部を一定振幅 1 mmとし、 T字形チューブの脚部長さ h t ZHを変化させた場合の最大振幅の状態を示した（図の振幅は誇張して表記してある）。ここで、流管の幅を W、流管の高さを Hとした場合の縦横比 H/W は 0. 2 1 とし、固定端における幅 wの流管の幅 Wに対する割合 w ZWは 0. 1 9で一定とした。

図 1 5 ( a ) は h t /H = 0. 5 0、図 1 5 ( b ) は h t /H

l . 0 0、図 1 5 ( d ) は h t / 1- I = 1 . 2 5、図 1 6 ( a ) は h t / H = 1 . 5 0、図 1 6 ( b ) は h t /H= l . 7 5、図 1 6 ( c ) は h t ZH= 2. 0 0 、図 1 6 ( d ) は h t /H= 2. 2 5、図 1 7 ( a ) は h t / H = 2. 5 0、図 1 7 ( b ) は h t /H= 2. 7 5、図 1 7 ( c ) は h t /H = 3. 0 0、図 1 8 ( a ) は h t ZH= 4. 0 0、図 1 8 ( b ) は h t ZH= 5. 0 0の場合を示す。

図 1 8 ( a ) の h tZH- 4. 0 0、図 1 8 ( b ) の h t ZH

= 5. 0 0では、 h t / H = 4. 0 0より小さい場合と比較して流管の天頂の直線部がほとんど橈んでいない。コリオリ流量計のフロ一チューブとして振動する際に、角変位することで初めてコリオリ力が発生することから、流管が平行移動するだけではコリオリカが発生しないので、図 1 8 ( a ) の h t /H= 4. 0 0、図 1 8 ( b ) の h t ZH= 5. 0 0の場合はコリオリ流量計として適さないことになる。

三次モードにおける二つの節は、 h t /Hを増加させ付加された管路、すなわち脚部が長くなると、それぞれ上記天頂の直線部から上流及び下流側の固定端方向に移動していくが、二つの節の位置がチューブの最大幅部を通過するのは、 h t ZH= 3. 0 0と 1 七 /H= 4. 0 0の間である。この条件を境に h t ZHが小さいと二つの振動の節が天頂の直線部側に近くなり、 h t ZHが大きいと振動の節が上流、下流の固定端側に近づく。

図 1 9は図 1 5 ( a ) 〜図 1 7 ( c ) に示したディメンジョンの T字形チューブの流管の幅方向端部を 1 mmで一定振幅とした場合の首部 A及び固定端近傍 B (固定端から 1 / 4 Hの位置、流管からの相対的な距離は変化する。図 1 0参照）における変位量と角変位量を F EM解析により求めた結果である。固定端近傍 B位置の変位量は微少なので 1 0倍に拡大して表記した。縦横比 H/Wは 0. 2 1 とし、固定端における幅 wの流管の幅 Wに対する割合 w/Wは 0. 1 9で一定とした。 h t / Hは 0. 5 0〜 3 . 0 0まで段階的に増加させた。

首部 Aにおける変位量は、 h t /H= 0. 5 0力、ら h t ZHを増やすと、 0 mmから緩やかに増えてくるが、 h t /H= 2. 5 0 付近（0. 2 mm) を越えると急激に増加し、 h t ZH= 3. 0 0 では 1 . 5 5 mmとなっている。一方、首部 Aにおける角変位量は、 h t /Hを増やすと 0° から急激に立ち上がり、 h t /H= 2. 5 0程度で 0. 8 3 ° に達し、それ以上では急激に低下して h t Z H= 3. 0 0では 0. 4 3° 程度にまで低下する。

固定端近傍 Bにおける変位量は、 h t ZH= 0. 7 5 (最小値 ) から h t /Hを増やすと、 O mmから緩やかに増えてくるが、その量は微小である（図では 1 0倍に拡大して表記している） h t /H= 3. 0 0でもその変位量は 0. 0 3 8 mm程度に留まり、 h t /H= 2. 5 0までは、より具体的には h t ZH= 2. 7 5までは 0. 0 1 mm以下にその変位量が抑えられていることが分かる。一方、固定端近傍 Bにおける角変位量は、 h t /H= 0. 7 5 (最小値）では 0. 2 3 ° で最大であるが、 h t ZHを增加させると角変位がほぼ線形的に減少し、 h t /H= 3 . 0 0では 0. 0 7 ° 程度になる。

h t /H= 2. 5 0において首部 Aの角変位が最大になること、固定端近傍 Bでの角変位及び変位が小さいこと、首部 Aでの変位も比較的小さい値で済んでいることから、曲げ方向の振動が捻り振動に効率良く変換され、固定部に伝わる変位、角変位は微小で済んでいることが分かる。このような現象が生じる要因としては、付加された管路（脚部）が三次モード振動時に単純に倒れるのではなく、流管（本体部）に近づくほど倒れる方向に対し反対方向（中立方向）に変位するからである（図 1 7 ( b ) 、図 1 7 ( c ) 参照）。よって、 h t /H= 2. 5 0程度が付加された管路の高さの最適な条件であることが分かる。また、 h t /Hを 2. 7 5以上とすると、付加された管路（脚部）の曲げ剛性が低下するために、流管の所要の三次モード振動が得にくくなることが分かった。一方、 h t / Hの下限は、 H/D < 5 0と h tの最小値が曲げ半径の最小値と同じ 3 Dであることから、 3 / 5 0 = 0. 0 6となる。よって、 h t ZHの最適条件は 0. 0 6 < h t /H < 2. 7 5 とした。

図 2 0は T字形のフローチューブの三次モード振動の最大変位時における様子を一本の単管に引き伸ばした概念図である。 F E M 解析結果から大略書き写したものである。上から順番に h t ZH二 0. 5 0から h t ZH= 5. 0 0までの変化を示した。これによると h t /H= 3. 0 0以上となると両固定端付近にまで曲げの変位が伝播していることが分かる。また、 h t ZH= 2. 5 0程度が固定端近傍の曲げ変位が少なくなつていることが分かる。その他、本発明は本発明の主旨を変えない範囲で種々変更実施可能なことは勿論である。

Claims

-μ- 請求の範囲

1. 少なくとも一本のフローチューブと、該フローチューブを駆動する駆動装置と、前記フローチューブに作用するコリオリの力に比例した位相差を検出する一対の振動検出センサと、を備えたコリオリ流量計であって、

前記駆動装置は前記フローチューブを三次モードの曲げ振動で駆動し、前記フローチューブは略ノレープ形状の本体部を有し、該本体部の両端部には該両端部の振動方向に対して略直交方向かつ前記両端部の外側に転向する一対の平行な脚部を連成し、該脚部には前記フローチューブを支持する固定端部を形成する

ことを特徴とする三次モード振動式コリオリ流量計。

2. 請求項 1に記載の三次モード振動式コリオリ流量計において、前記脚部の各固定端部を同一平面内の近接した位置に配置することを特徴とする三次モード振動式コリオリ流量計。

3. 請求項 1又は請求項 2に記載の三次モード振動式コリオリ流量計において、

前記本体部の幅を W、前記本体部の高さを H、前記脚部の高さを h t、前記固定端部の間隔となる固定端幅を w、前記本体部の高さ Hと前記本体部の幅 Wとの比を HZW、前記固定端幅 wと前記本体部の幅 Wとの比を w/W、前記]!却部の高さ h t と前記本体部の高さ

Hとの比を h t ZHとすると、（ 1 ) 0. 0 3 <H/W< 1、 ( 2

) 0. 00 5 < w/W< 0. 48、（ 3 ) 0 < h t / H < 2. 7 5 、の条件を満足する

ことを特徴とする三次モード振動式コリオリ流量計。