JP2012220486A - コリオリ流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】 測定精度が高く、温度特性が優れるコリオリ流量計を提供すること。
【解決手段】 湾曲型のコリオリ流量計は、流管２の中心軸を含み対称面と流管２の中心軸と垂直である対称面を持つ。ステンレス製の流管２の流路は垂直部と水平部がある。振動体３は、中心軸７ａと中心軸７ｂの交点を通る中心軸を持つ。振動体３は、振動体３ａと振動体３ｂを接合して作成した。流管２と振動体３は、ステンレス製の支持体６に溶接により接合する。支持体６には流体を通すための流入口８、流入路９、流出路１０そして流出口１１が設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、コリオリ力を利用した質量流量計または密度計に関するものである。

質量流量を直接求めるコリオリ流量計は、流管内に流れる測定流体に振動を与えた場合に振動した測定流体に作用するコリオリ力が質量流量に比例することを利用した直接質量流量計である。しかしコリオリ力は加振力に対して微少な力であるから、コリオリ流量計には高感度で安定した力計測手段が要求される。

通常、コリオリの力はコリオリ力による流管の弾性変形またはひずみとして検出される。このため、従来、流管は変形量が大きく取れる湾曲した形状にしていた。湾曲形状のコリオリ流量計は、Ｕ字状に湾曲してなるため、被測定流体がセンサチューブ内を通過する際、センサチューブの形状による圧力損失が生じ易いう問題点もあった。また、湾曲形状のコリオリ流量計は、一般に形状が大きくなるという欠点もある。そして、被測定流体がスラリーである場合は、Ｕ字状の湾曲部にスラリー中の粉体が詰まる虞がある。このため、流管を直管形状とした直管式のコリオリ流量計の開発が行われている。

直管式のコリオリ流量計は、加振する流管に単一流管を使用したものと、複数の直管を並列に配置した方式がある。いずれの場合も直管の両端部を支持し、中間部で流管を加振する駆動手段と、駆動手段と支持部との間でコリオリ力による微少な変位またはひずみを検出する手段を有している。

このような構成からなる直管式のフローチューブは、通常、駆動手段により支持部を節部とした曲げ一次振動モードとして駆動される。この振動数をω、流速をｖ、単位体積当りの質量をｍとすると、コリオリ力Ｆは振動数ωと流速ｖのベクトル積に比例し、−２ｍ〔ω〕×〔ｖ〕であらわされる。ここで、〔ω〕、〔ｖ〕はベクトルである。

コリオリ流量計の計測精度を向上させるには、流量を計測する流管の振動が外部に漏らさないことが必要である。このために特許文献１のコリオリ流量計を本発明者が提案した。特許文献１のコリオリ流量計は以下のようなものである。被測定流体を流通させる１本のフローチューブとこの両側にほぼ平行に配置した２本のカウンタチューブを有し、これら３本の直管の軸方向の両側に基部の長さをフローチューブの軸方向に沿ってフローチューブの長さの３／１０以上としているものである。直管状のフローチューブには被測定流体が流れる。そして、基部はケース板に固定されている。

ここでフローチューブとカウンタチューブの共振周波数はほぼ等しくなるように調整されている。さらに、フローチューブとカウンタチューブの中央部には、これらのチューブに曲げ一次振動モードを励起するための駆動装置が設置されている。そして、駆動装置の両側の対称位置に１対のセンサが設置されコリオリ力によるフローチューブの変位を検出する。このような平行カウンタバランスを備えた従来のコリオリ流量計は、マスバランスを取るように共振周波数はほぼ等しくなるように調整されている。

湾曲型のコリオリ流量計についても特許文献２に示す構成を本発明者が提案した。これは、被測定流体を流通させる１本の湾曲状のフローチューブとこの両側にほぼ平行に配置した２本の湾曲状のカウンタチューブを有する構成であるが、フローチューブ及びカウンタチューブに振動発生手段と振動検出手段を有している。

特開２００１−２８９６８３号公報 特開２００２−３９８３０号公報

しかし、直線型そして湾曲型のコリオリ流量計のどちらも流管に振動発生手段と振動検出手段の両方あるいは駆動発生手段または振動検出手段のどちらかを持つ。流管が理想的な振動をするためには、付加質量を取付けない流管のみだけ構成が望ましい。なぜなら流管に付加質量を取付けると流管のみの振動モードに比較して振動モードが複雑になる。振動モードが複雑になるとコリオリ力の検出感度が小さくなる虞が生じる。また、コリオリ力を検出する温度特性が悪化する虞がある。さらに、振動体による外部に振動を漏らさない構成も難しくなる。

本発明は、流管の軸方向の対称面と、そして流管の軸方向と直交する対称面と同一の各対称面を有する振動体を持つコリオリ流量計であって、振動体のみに振動発生手段と振動検出手段が設けるものである。

本発明はまた、流管の軸方向の対称面と、そして流管の軸方向と直交する対称面と同一の各対称面を有する振動体を持つコリオリ流量計であって、振動体のみに振動発生手段と振動検出手段を設けるものであり、そして振動発生手段と振動検出手段に圧電素子を用いるものである。

本発明はまた、流管の軸方向の対称面と、そして流管の軸方向と直交する対称面と同一の各対称面を有する振動体を持つコリオリ流量計であって、振動体のみに振動発生手段と振動検出手段を設けるものであり、流管を直線状とするものである。

本発明はまた、流管の軸方向の対称面と、そして流管の軸方向と直交する対称面と同一の各対称面を有する振動体を持つコリオリ流量計であって、振動体のみに振動発生手段と振動検出手段を設けるものであり、流管を湾曲状とするものである。

本発明はまた、流管の軸方向の対称面と、そして流管の軸方向と直交する対称面と同一の各対称面を有する振動体を持つコリオリ流量計であって、振動体のみに振動発生手段と振動検出手段を設けるものであり、振動体と流管の振動位相が逆である固有振動モードを励起する固有振動数を振動発生手段に与えるものである。

本発明の直管状のコリオリ流量計は、高精度に流体の質量流量を測定することができる。

本発明の第１の実施の形態のコリオリ流量計の斜視図である。 図１のＡ−Ａ面での断面図である。 図１に示すコリオリ流量計の駆動振動モードおよび検出振動モードを説明する図である。 図３の平面図である。 図１に示すコリオリ流量計の駆動振動を与える圧電素子の斜視図である。 図１に示すコリオリ流量計の検出振動を検出する圧電素子の斜視図である。 本発明の第２の実施の形態のコリオリ流量計の斜視図である。 図７のコリオリ流量計の平面図である。 図７のコリオリ流量計の側面図である。 本発明の第２の実施の形態のコリオリ流量計の駆動振動モードを示す斜視図である。 本発明の第２の実施の形態のコリオリ流量計の検出振動モードを示す斜視図である。 本発明の第１の実施の形態のコリオリ流量計を電磁効果にした斜視図である。 相対振動体の側面図である。 本発明の第２の実施の形態のコリオリ流量計を電磁効果にした平面図である。 図１４の側面図である。

第１の実施の形態である基本的な構成を図１の斜視図と図１のＡ−Ａ線での断面を示す図２を用いて説明する。

流管２が湾曲しているコリオリ流量計１の構成は、流管２の中心軸を通る対称面と流管２の中心軸と直交する対称面を持つ。ステンレス製の流管２の流路は垂直部と水平部がある。振動体３は、中心軸７ａと中心軸７ｂの交点を通る中心軸を持つ。振動体３は、流管２の高さより大きくするために振動体３ａと振動体３ｂを接合して作成した。振動体３を、流管２の高さより大きくしたのは、振動３体と流管２の重心高さを一致させるためである。以上の説明では、流管２の断面が矩形状のものを用いたが環状でもよい。

流管２と振動体３は、ステンレス製の支持体６に溶接により接合される。支持体６には流体を通すための流入口８、流入路９、流出路１０そして流出口１１が設けられている。

次にコリオリ流量計１の駆動振動モードと検出振動モードについて図３と図４を用いて説明する。駆動モードを図中の振動体３に記入した実線の矢印で示すが、圧電素子４ａに振動体３の基本曲げ振動を励起する固有振動数の電圧を印加する。流管２も前記圧電素子４ａに印加した電圧の振動数で振動する。流管２に記入した実線の矢印で示すが、振動体３とは逆位相である。

振動体３と流管２が互いに逆位相で振動することにより、振動体３と流管２の一体の構成としては、振動による重心の移動がないので外部への振動漏れはほとんど無くなる。

流体が流管２の流入口８から流出口１２に流れ、流管２が実線の矢印で示す方向に振動するとき、コリオリ力により流管２は点線で示す方向に振動する。もちろん次の半周期では振動体３及び流管２の振動方向は逆になる。

コリオリ力により流管２が点線で示す方向に振動すると、振動体３は図中の点線で示す方向に振動する。この振動体３の振動を測定することにより流管２を流れる流体の流量を測定できる。

振動体３を駆動するための圧電素子４ａの構成を図５の斜視図、振動体３の振動によりコリオリ力を検出する圧電素子４ｂの構成を図６の斜視図を用いて説明する。図５、図６の矢印は圧電素子４ａ、４ｂの分極方向を示す。

振動体３に圧電素子４ａの電極５ａ面を、エポキシ樹脂を用いて接着する。そして電極５ａと電極５ｂの間にリード線１５を通じて所望の振動数の電圧を印加する。

振動体３に圧電素子４ｂの電極５ａ面を、エポキシ樹脂を用いて接着する。そして電極５ａと電極５ｂの間に励起された電圧Ｖ１を、リード線１５を通じて測定する。電極５ａと電極５ｃの間に励起された電圧Ｖ２を、リード線１５を通じて測定する。そして電圧Ｖ１と電圧Ｖ２の差をとることにより、駆動モードの駆動振動は、同じ位相であるので相殺され、コリオリ信号は逆位相の信号であるので、コリオリ信号だけを測定することになる。

ここで、コリオリ流量計１の測定方法について説明する。振動体３に基本の曲げ振動を励起するために圧電素子４ａの電極５ａ、５ｂ間にリード線１５を通じて基本曲げ振動の固有振動数の電圧を印加する。

流体が図３の実線で示す基本曲げ振動モードで振動する流管２中を流れることにより、流体にコリオリ力が発生し、流管２は、点線で示すように流入側と流出側では逆方向に振動する。本発明の振動モードは駆動モードも検出モードも、振動体３と流管２が一体となって振動するものであり、振動体３と流管２の振動位相が逆であるものである。したがって、コリオリ力による振動体３の振動モードは点線で示すように振動体３にねじり振動を励起する。このねじり振動は、圧電素子４ｂの出力電圧Ｖ１と出力電圧Ｖ２の差を測定することにより測定できる。そして出力電圧Ｖ１と出力電圧Ｖ２の差が流量となる。

以上に説明したように、流管２には何の質量も付加されていないため、流管２と流体だけに、基本曲げ振動が励起される。そしてこの基本曲げ振動による角速度により流管２中を流れる流体にコリオリ力が生じる。したがって、流管２を基本曲げモードで振動させることにより、不要の振動を含まないＳＮ比の大きいコリオリ力による振動を励起できる。そしてこの不要の振動を含まないＳＮ比の大きいコリオリ力による振動を測定することにより、正確な流量を測定できる。

第２の実施の形態である基本的な構成を図７の斜視図を用いて説明する。

流管２が直線状のコリオリ流量計１の構成は、チタン合金製の流管２の中心軸７ａを含む対称面を持つように２個のチタン合金製の振動体３ａ、３ｂを配置する。そして流管２と振動体３ａ、３ｂの両端をチタン合金製の結合振動体に溶接により接合する。結合振動体は、流管２、振動体３ａ、３ｂが一体の振動体となることを目的としたものである。結合支持体１２ａ、１２ｂは、さらにチタン合金製の支持体６ａ、６ｂに接合され、ステンレス製のベース台１３に図示しないねじで固定する。以上の構成は、流管２の中心軸７ａに対して直交する中心軸７ｂを含む対称面も持つ。

振動体３ａに駆動用の圧電素子４ａ、４ｂを、振動検出用に圧電素子４ｅ、４ｆをエポキシ樹脂により接着する。振動体３ｂに駆動用の圧電素子４ｃ、４ｄを、振動検出用に圧電素子４ｇ、４ｈをエポキシ樹脂により接着する。

結合支持体１２ａ、１２ｂには、流管２に流体が流れるように貫通孔１４ａ、１４ｂが設けられている。そして支持体６ａには流体を通すための流入口８、流入路９、支持体６ｂには流出路１０そして流出口１１が設けられている。これを図８の平面図と図９の側面図を用いて示す。

コリオリ流量計１の駆動振動モードについて図１０を用いて説明する。所望の駆動モードは、図中の点線で示す振動体３ａ、３ｂと流管２が互いに逆位相となる基本曲げ振動であり、所望の振動モードを励起する固有振動数の電圧を圧電素子４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄに印加する。なお、圧電素子４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄはＰＺＴであり、分極方向は板厚方向であり、振動体３ａ、３ｂの方向を向いている。そして振動体３ａ、３ｂ側の圧電素子４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ面にはアース電位を与える。

次にコリオリ流量計１の検出振動モードについて図１１を用いて説明する。所望の検出モードは、図中の破線で示す振動体３ａ、３ｂと流管２が互いに逆位相となる２次曲げ振動であり、圧電素子４ｅ、４ｆ、４ｇ、４ｈの電圧を検出することにより、その振動変位を測定できる。なお、圧電素子４ｅ、４ｆ、４ｇ、４ｈはＰＺＴであり、分極方向は板厚方向であり、振動体３ａ、３ｂの方向を向いている。

圧電素子４ｅ、４ｆ、４ｇ、４ｈの振動体３ａ、３ｂ側の面にはアース電位を与える。そして、圧電素子４ｅ、４ｇを一方の検出電圧Ｖ１として測定し、圧電素子４ｆ、４ｈを他方の検出電圧Ｖ２として測定する。検出電圧Ｖ１と検出電圧Ｖ２の差をとることによりコリオリ力による流管２の振動変位を測定する。この振動変位は、流量に比例するので、この振動変位により流量を算出する。

以上に説明したように、流管２には何の質量も付加されていないため、流管２と流体だけに、基本曲げ振動が励起される。そしてこの基本曲げ振動による角速度により流管２中を流れる流体にコリオリ力が生じる。したがって、流管２を基本曲げモードで振動させることにより、不要の振動を含まないＳＮ比の大きいコリオリ力による振動を励起できる。このコリオリ力による振動を測定することにより、正確な流量を測定できる。

今まで、振動発生手段と振動検出手段として圧電素子を用いた例について説明したが、他の手段でもよく、例えばマグネットとコイルを用いる電磁効果を用いることもできる。第１の実施の形態について振動発生手段と振動検出手段に電磁効果を用いたものを図１２の斜視図と図１３を使用して説明する。

流管２が湾曲しているコリオリ流量計１の構成は、流管２の中心軸を通る対称面と流管２の中心軸と直交する対称面を持つ。ステンレス製の流管２の流路は垂直部と水平部がある。振動体３は、中心軸７ａと中心軸７ｂの交点を通る中心軸を持つ。振動体３は、流管２の高さより大きくするために振動体３ａと振動体３ｂを接合して作成した。振動体３を、流管２の高さより大きくしたのは、振動３体と流管２の重心高さを一致させるためである。以上の説明では、流管２の断面が矩形状のものを用いたが環状でもよい。

流管２と振動体３は、ステンレス製の支持体６に溶接により接合される。支持体６には流体を通すための流入口８、流入路９、流出路１０そして流出口１１が設けられている。

振動体３の中心軸を含む対称面に対して相対振動体１６ａ、１６ｂを配置する。それぞれの相対振動体１６ａ、１６ｂには駆動用のコイル１７ａ、１７ｂと検出用のコイル１７ｃ、１７ｄ、１７ｅ、１７ｆを配置する。振動体３にはマグネットを配置するが図は省略した。

振動体３を駆動するためのコイル１７ａ、１７ｂに振動体の基本曲げモードを励起する電流を流す。そしてコリオリ流量を測定するためコイル１７ｃ、１７ｄ、１７ｅ、１７ｆの電流を検出する。

第２の実施の形態について振動発生手段と振動検出手段に電磁効果を用いたものを図１４の平面図と図１５の側面図を使用して説明する。

流管２が直線状のコリオリ流量計１の構成は、チタン合金製の流管２の中心軸７ａを含む対称面を持つように２個のチタン合金製の振動体３ａ、３ｂを配置する。そして流管２と振動体３ａ、３ｂの両端をチタン合金製の結合振動体に溶接により接合する。結合振動体は、流管２、振動体３ａ、３ｂが一体の振動体となることを目的としたものである。結合支持体１２ａ、１２ｂは、さらにチタン合金製の支持体６ａ、６ｂに接合され、ステンレス製のベース台１３に図示しないねじで固定する。以上の構成は、流管２の中心軸７ａに対して直交する中心軸７ｂを含む対称面も持つ。

振動体３ａ、３ｂと垂直方向に対向する位置に相対振動体１６ａ、１６ｂを配置する。
振動体３ａにマグネット１８を３個、振動体３ｂにマグネット１８を３個を取り付ける。
そして振動体３ａ、３ｂと相対する位置にコイル１７を配置する。

結合支持体１２ａ、１２ｂには、流管２に流体が流れるように貫通孔１４ａ、１４ｂが設けられている。そして支持体６ａには流体を通すための流入口８、流入路９、支持体６ｂには流出路１０そして流出口１１が設けられている。これを図８の平面図と図９の側面図を用いて示す。

所望の振動モードを励起する固有振動数の電流をコイル１７に流す。所望の検出モードは、コイル１７を流れる電流を検出することにより、その振動変位を測定できる。

以上に説明したように、電磁効果を用いても、所望の駆動モードと検出モードを実現できる。

１ コリオリ流量計
２ 流管
３ 振動体
４ 圧電素子
５ 電極
６ 支持体
７ 中心線
８ 流入口
９ 流入路
１０ 流出路
１１ 流出口
１２ 結合振動体
１３ ベース台
１４ 貫通孔
１５ リード線
１６ 相手振動体
１７ コイル
１８ マグネット

Claims (5)

1. 流管の軸方向の対称面と、そして流管の軸方向と直交する対称面を同一の各対称面を有する振動体を持つコリオリ流量計であって、振動体のみに振動発生手段と振動検出手段が設けることを特徴とするコリオリ流量計。
2. 振動発生手段と振動検出手段が圧電素子を用いるものであることを特徴とする請求項１に記載のコリオリ流量計。
3. 流管が直線状であることを特徴とする請求項１に記載のコリオリ流量計。
4. 流管が湾曲状であることを特徴とする請求項１に記載のコリオリ流量計。
5. 振動体と流管の振動位相が逆である固有振動モードを励起する固有振動数を振動発生手段に与えることを特徴とする請求項１に記載のコリオリ流量計。

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