JPH08247816A

JPH08247816A - 質量流量計

Info

Publication number: JPH08247816A
Application number: JP7049371A
Authority: JP
Inventors: Masami Kidai; 雅巳木代; Hironobu Yao; 博信矢尾
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1995-03-09
Filing date: 1995-03-09
Publication date: 1996-09-27
Also published as: EP0733886A3; AU4801496A; CA2171374A1; DE69633208T2; DE69633208D1; AU708934B2; EP0733886B1; US5796010A; CA2171374C; EP0733886A2

Abstract

(57)【要約】【目的】構造が簡単かつ軽量で、振動エネルギーが外
部に漏れ難く、機械的Ｑの高い質量流量計を提供する。【構成】測定管２、測定管２の両端を連結する支持機
構３ａ，３ｂ，４、測定管２を振動させる振動発生器
５、その振動を検出する振動センサ６ａ，６ｂ、入口導
管７ａ、出口導管７ｂおよびこれらの各要素を内包する
ハウジング８などからなる質量流量計において、測定管
に与えられるコリオリ振動の振動数を上記支持機構の固
有振動数よりも高くする、いわゆる慣性制御領域を利用
することで、上記目的の達成を図る

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、加振される少なくと
も１本の測定管内を流れる流体の質量流量にもとづき発
生するコリオリ力を利用して質量流量を測定する質量流
量計、特に軽量化，簡略化を図るとともに、使い勝手，
信頼性および測定精度を向上させることが可能な質量流
量計に関する。

【０００２】

【従来の技術】良く知られているように、コリオリ式質
量流量計は、振動する測定管の中を流れる流体の質量流
量に比例して発生するコリオリ力にもとづき、流体の質
量流量を測定する直接測定型の質量流量計であることか
ら、質量流量の高精度な測定が可能である。

【０００３】一般に、この種の流量計は大別してＵ字
型，Ｓ字型といった曲線状の測定管を持つものと、直線
状の測定管を持つものとに分けられる。また、振動する
測定管を２本とし、測定流体を分流して２本の測定管に
導いたり、あるいは２本の測定管を連続的に接続する構
成として、その２本の測定管を共振させる構造にしたも
の、さらには測定管を１本にしたもの等がある。

【０００４】その中で、測定管を１本の直管状、換言す
れば質量流量計全体の構成として、流体の流入部と流出
部とを含めた測定器内の測定流体流路が１本の直管状に
構成されるものは流体抵抗が小さい、すなわち圧力損失
を小さくできるだけでなく、検出部内部に液溜まりがな
く、測定管内の清浄も容易である。さらに、曲線状の測
定管や複数の測定管を持つ構成に比べて構造が簡単で製
作コストが低減するなどの利点を有する反面、以下のよ
うな問題がある。

【０００５】一般に、コリオリ式質量流量計において
は、測定管内を流体が流れたときコリオリ力が発生する
ような振動であり、かつ、このコリオリ力を利用して流
体の流量を測定する振動（以下、コリオリ振動という）
を、測定管に与えてこの測定管内を流れる流体の流量を
測定する。このとき、一般的にはこのようなコリオリ振
動の安定化、すなわち測定の安定化のため、測定管をそ
の固有振動数にてコリオリ振動させるのが一般的であ
る。

【０００６】ところで、測定管が複数の場合、音叉のよ
うな対称構造を形成できるため、測定管の振動エネルギ
ーが外部に漏れ難く、高い振動のＱを得やすい。これに
対して１本の測定管の場合、測定管の振動エネルギーが
測定管の固定部を介して外部へ漏れるため、高い振動の
Ｑが得られ難い、というのが第１の問題点で、その結果
コリオリ振動が不安定となり、測定が不安定となること
である。

【０００７】また、測定管が複数のときは、差動構造と
することで外部振動の影響をキャンセルすることができ
る。これに対し、１本の測定管の場合、このような構造
とできないため、外部振動の影響を受けやすい、という
のが第２の問題点である。このような問題点を解決すべ
く、従来から種々の工夫がなされている。

【０００８】第１の従来例として、例えば米国特許（Ｕ
ＳＰ）第４，８３１，８８５号に示すものがある。この
例では、１本の測定管をハウジングと称する非常に剛性
の高い、強固な部材で保持している。このような構造と
すると、測定管の保持部分の変位は小さくなり、いわゆ
る節の状態に近くなるので、機械的Ｑが比較的に高いコ
リオリ振動を測定管に発生させることができる。しか
し、この方法は測定管の振動をハウジングの剛性で押さ
え込むため、ハウジングが大きくかつ重たくなるという
問題がある。

【０００９】その上、測定管の保持部分は節の状態に近
いというだけであって、振動のエネルギーは漏れている
ので、上記第１従来例のように比較的短い導管で外部配
管と接続するためのフランジ等に連結すると、振動エネ
ルギーの損失が大きくなり、振動の機械的Ｑが低下して
しまう。その結果、安定な振動が得られなかったり、あ
るいは外部配管から加わる応力等によって振動の条件が
変化してしまう、などの問題があることが判明した。

【００１０】上記のような問題を解決する第２の従来例
として、例えば特開昭５８−１７８２１７号に示すよう
なものがある。この例では、測定流体が流れる振動管路
の両端を、第１のベースで軸方向に剛体的に固定する一
方、この第１ベースと外部管路を取り付けた第２ベース
とを、それぞれに設けたＯリングで両端を柔らかく保持
した入口および出口のパイプ継ぎ手で接続して、配管と
振動管路とを振動的に分離することにより、第１従来例
のように振動管路の振動エネルギーが固定部から外部に
漏れるのを防止するとともに、外部配管から振動管路に
伝わる歪みや振動を絶縁することで、外部振動の影響を
受けにくい特性を実現している。

【００１１】しかし、第２従来例では、測定管の振動を
安定化する方法として、第１従来例と同様に、測定管を
剛性のある第１ベースで固定しているので、測定管のコ
リオリ振動のＱを高くしようとすると、ベースが上記ハ
ウジングと同様に重たくなるという問題がある。また、
第２従来例ではＯリングのような有機物を用いて柔らか
く支持しているので、材料の弾性や粘性が経時変化し易
く、長期間安定した特性を保証することが困難であり、
劣化した場合の交換時にもその都度流量計を配管から取
り外す必要があるなどの問題もある。

【００１２】さらに、第２従来例では振動チューブおよ
びそれを固定する上記のような重量物である第１ベース
を、外部管路を取り付けた第２ベースに対して柔らかく
保持しているので、装置の輸送途中などにおいて衝撃的
な外力が加わると、パイプ継ぎ手やＯリングに強い力が
加わり、パイプ継ぎ手やＯリングに変形が起こるので、
第２従来例には第１ベースを別のＯリングで第２ベース
に支持する構造が示されている。しかし、この場合も上
記の理由と同様に、弾性体の特性が経時変化して固くな
ると、特性が劣化することになる。

【００１３】第３の従来例として、例えばＵＳＰ５，２
８７，７５４号や特開平５−２４８９１２号に示すもの
がある。なお、これらの実施例では測定管として曲管の
ものを用いているが、直管のものにも適用可能である。
つまり、これらの装置では、測定流体を流すコリオリ導
管の両端を、他の従来例に示すものと同様にコリオリ導
管よりも剛性の高いと考えられるキャリアシステムと称
する支持体で固定し、その固有振動数をコリオリ導管の
固有振動数およびコリオリ振動の周波数よりも高くす
る。同時に、この支持体を入口導管と出口導管自体で直
接ハウジングに接続し、前記支持体の重量を静的に支持
するとともに、この支持体の固有振動数を、コリオリ導
管，キャリアシステム，入口導管および出口導管から構
成される流量計全体の固有振動数よりも高くすることに
よって、固有振動数の違いにもとづいてコリオリ導管の
振動を外部へ漏らさず、一方では配管の外部振動等を絶
縁して振動の分離を実現できるとしている。

【００１４】このようにすれば、第２の従来例のような
Ｏリングの弾性特性の経時変化の影響はなくなる。しか
し、コリオリ導管の両端をコリオリ振動より高い基本固
有振動数を持ったキャリアシステムで支持することは、
第１，第２の従来例に示されているハウジング，ベース
で測定管を支持することと同様なので、これらの場合と
同じくキャリアシステムが重くなるという問題を生じる
のは明白である。さらに、この装置では、第２の従来例
のように入口・出口配管をＯリングで柔らかく保持する
のと異なり、重いキャリアシステムを入口・出口配管自
身で保持するので、当然その柔らかさは前記従来装置よ
りも劣る。また、輸送途中で衝撃的な外力がかかったと
きに入口・出口導管が破損するおそれが大きくなる。こ
れを防止するため入口・出口導管の剛性を増したり、実
施例に示されているスプリングのような補助的な支持物
を追加すると、流量計全体の固有振動数が高くなってし
まい、固有振動数の違いにもとづく振動の分離が弱くな
るという問題が生じる。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】この発明は以上のよう
な種々の問題に鑑みてなされたもので、その第１の課題
は出来る限り簡単，軽量で使い勝手が良く、しかもコリ
オリ振動のエネルギーが外部に漏れず、機械的Ｑの高い
振動系を実現することにある。また、第２の課題は振動
系全体を軽量化することにより、輸送途中の衝撃や配管
の低周波数の外部振動に伴う大きな変位を無くし、測定
チューブの破損を防止することにある。さらに、第３の
課題は測定管の振動数をできるだけ高くすることによっ
て、外部振動ノイズの周波数と分離するとともに、機械
的Ｑの高い振動系自身の周波数フィルタ作用によって、
外部振動ノイズの影響を防止することにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】このような課題を解決す
るため、請求項１の発明では、少なくとも１本の測定管
を持ち、この測定管内を流体が流れたときコリオリ力が
発生するような振動であり、かつ、このコリオリ力を利
用して流体の流量を測定する振動（コリオリ振動）を、
この測定管に与えて測定管内を流れる流体の流量を測定
する質量流量計において、前記測定管の両端を連結する
支持機構と、前記測定管に振動を与える振動発生器と、
前記測定管の振動を検出する少なくとも２つ以上の振動
センサと、測定流体を前記測定管に導く入口導管と、測
定流体を前記測定管より導出する出口導管と、これらの
各要素を内包するハウジングとを設け、前記測定管に与
えられるコリオリ振動の振動数を、前記支持機構の基本
固有振動数よりも高くすることを特徴としている。

【００１７】また、請求項１の発明では、前記測定管に
与えられるコリオリ振動の振動数を、前記支持機構の基
本固有振動数の√２倍よりも高くすることができ（請求
項２の発明）、請求項１または２の発明では、前記支持
機構に付加質量を付加し、支持機構の基本固有振動数を
低くすることができる（請求項３の発明）。さらに、こ
の請求項３の発明では、前記支持機構と付加質量とを一
体成形することができる（請求項４の発明）。

【００１８】加えて、上記請求項１ないし４のいずれか
の発明では、前記測定管に与えられるコリオリ振動の振
動数を、測定管の基本固有振動数より高次の固有振動数
で振動させることができ（請求項５の発明）、この請求
項５の発明では、前記２つ以上の振動センサからの信号
の位相差にもとづき前記測定管内を流れる流体の流量を
測定することができる（請求項６の発明）。また、請求
項５または６の発明では、前記振動センサを速度センサ
とすることができ（請求項７の発明）、あるいは、前記
振動センサを加速度センサとすることができる（請求項
８の発明）。

【００１９】さらに、請求項１ないし８のいずれかの発
明においては、前記測定管を直管状とし、かつ、この測
定管の任意の２つの固有振動数の比にもとづき、流量測
定値を補正することができ（請求項９の発明）、前記測
定管に与えられるコリオリ振動の振動数を測定管の３次
の固有振動数とし、この３次の固有振動数と１次の固有
振動数との比にもとづき、流量測定値を補正することが
でき（請求項１０の発明）、前記測定管に与えられるコ
リオリ振動の振動数を測定管の３次の固有振動数とし、
この３次の固有振動数と５次の固有振動数との比にもと
づき、流量測定値を補正することができる（請求項１１
の発明）。

【００２０】また、上記請求項１０または１１の発明で
は、前記振動センサより検出される前記コリオリ振動の
信号成分に対して、前記振動センサより検出される前記
第１次または５次の固有振動数の振動の信号成分を、十
分小さくすることができ（請求項１２の発明）、また
は、前記振動センサより検出される前記コリオリ振動の
信号成分に対して、前記振動センサより検出される前記
第１次または５次の固有振動数の振動の信号成分を−４
０ｄＢ以下にすることができる（請求項１３の発明）。

【００２１】

【作用】上記従来例は総じて、測定流体が流れる振動管
路，振動チューブ，コリオリ導管等で呼称される測定管
に与えられるコリオリ振動が外部に漏れるのを防止し
て、振動のＱの高い安定なコリオリ振動を行なわせるた
めに、測定管を変形振動させる力を静的にとらえ、その
力で変形しないだけの十分に剛性の高いハウジング，ベ
ースまたはキャリアシステム等で呼称される支持機構
で、測定管の両端を固定的に支持する構造を採用してい
る。特に、第１，第３の従来例では、上記支持機構の固
有振動数に言及しているため、支持機構の振動を含めた
動的な変形を考慮しているように見えるが、実際には支
持機構の固有振動数を測定管の振動数よりも高くするこ
とが前提となっており、このことは振動学的にはいわゆ
る弾性制御と呼ばれるように、部材の変位がその剛性で
支配的に抑制されていることを表わしており、いわば静
的な状態に近い。

【００２２】これに対し、この発明は上記のような従来
装置とは異なり、振動学的にはいわゆる慣性制御または
質量制御（以下、慣性制御で統一する）と呼ばれる現象
を利用し、支持機構の基本固有振動数を測定管のコリオ
リ振動の振動数よりも低くすることにより、測定管の固
定端の振動変位を抑えようとするものである。ところ
で、２本または複数の対称な測定管を相対的に振動変位
させるコリオリ式流量計では、静的な力だけでなく慣性
力も釣り合って外部に力が漏れることがないので、この
２本の測定管の接合点を外部配管と接続しても、振動の
Ｑは殆ど低下しない。

【００２３】しかし、１本の測定管からなるコリオリ式
流量計の如く、高剛性の支持機構で固定する場合は、振
動する測定管の慣性力が釣り合わずに外力が発生するた
め、この場合は測定管と支持機構との結合点を外部配管
と接続すると、結合点は外部配管に対して変位すること
になり、その結果、コリオリ振動のエネルギーが振動系
の外部へ漏れることからコリオリ振動のＱが低下し、共
振周波数の安定性が悪化するだけでなく外部配管からの
応力等の影響を受け易くなる。この現象を抑えるため、
従来は上述のように支持機構の静的剛性を高くしている
のであるが、この発明では測定管のコリオリ振動の振動
数を支持機構の基本固有振動数よりも高くした、慣性制
御なる領域を使用して対処している。

【００２４】ここで、図５の如き簡単な振動系の例を用
い、弾性制御と慣性制御につき説明する。図５の振動系
は、質量ｍの質点３０を、弾性定数ｋのバネ３１で、変
位しない固定壁３２に取り付けた減衰のない振動系の例
で、質点３０は同図のＸ軸方向のみに変位し、その変位
量をｘとする。かかる振動系の固有振動数ωｎは、 ωｎ＝√（ｋ／ｍ） …（１）となることが知られている。この質点３０に、Ｆ・ｓｉ
ｎωｔなる動的な外力（Ｆ：外力の振幅、ω：外力の角
振動数、ｔ：時間）が働くと、変位ｘは、ｘ＝Ｆ・ｓｉｎωｔ／（ｋ−ｍω²） …（２）となる。

【００２５】図６は上記（２）式をグラフ化したもの
で、横軸が外力の角振動数ω、縦軸が変位ｘの振幅を表
している。図６の曲線が弾性制御領域で、外力の角振
動数ω＜ωｎのときである。弾性制御領域では、外力の
角振動数ωが振動系の固有振動数ωｎより小さい程、変
位ｘの振幅は小さくなるが、変位ｘの振幅の最低値はＦ
／ｋで、零にはならない。図６の曲線が慣性制御領域
で、外力の角振動数ω＞ωｎのときである。慣性制御領
域では、変位ｘの振幅の符号が（−）になっているが、
これは外力と変位ｘの位相が反転していることを示して
いる。

【００２６】慣性制御領域では、外力の角振動数ωが振
動系の固有振動数ωｎより大きい程変位ｘは小さくなる
が、 ω＝√（２ｋ／ｍ）＝（√２）・ωｎのとき、変位ｘの振幅が（−）Ｆ／ｋとなり、弾性制御
領域での最低値と同じになる。さらに、外力の角振動数
ωが大きくなると変位ｘは零に近づき、弾性制御領域よ
り変位ｘを小さくすることができる。このように、慣性
制御領域ではω＞（√２）・ωｎとすることにより、弾
性制御領域より変位ｘを小さくできることが分かる。

【００２７】以上が弾性制御領域と慣性制御領域につい
ての説明であるが、この理論を質量流量計に適用する
と、図５の質点３０とバネ３１が測定管の支持機構で、
振動系の固有振動数ωｎが支持機構の基本固有振動数と
みなせる。外力Ｆ・ｓｉｎωｔは、測定管のコリオリ振
動が支持機構に作用したもので、変位ｘは測定管のコリ
オリ振動に伴う支持機構の変位とみなせる。

【００２８】さて、従来例のように、支持機構の基本固
有振動数ωｎを高くすることは、外力つまり測定管のコ
リオリ振動の周波数ωに対し、ω＜ωｎとすることにな
り、弾性制御領域になる。支持機構の剛性を高め基本固
有振動数ωｎを高くすることは、弾性制御領域でωをω
ｎに対し相対的に小さくすることにより、支持機構の変
位を小さくして、振動系のエネルギーが外部に漏れるの
を少なくすることに相当する。この方法では、支持機構
の剛性を高めるために支持機構が大きく重たくなるばか
りでなく、変位ｘの振幅はＦ／ｋより小さくならない。

【００２９】これに対し、この発明では測定管のコリオ
リ振動の周波数ωを、支持機構の基本固有振動数ωｎに
対し高くして、慣性制御領域を使用する。この領域でも
ωをωｎに対し高くすることで、弾性制御領域と同様に
支持機構の変位ｘを小さくして、振動系のエネルギーが
外部に漏れるのを少なくすることができる。さらに、こ
の場合は支持機構の剛性を必要最低限に抑えられるの
で、支持機構の軽量化を図れる点が従来例より優れてい
る。また、この発明のように慣性制御領域を使用する場
合には、上記のように測定管のコリオリ振動の周波数ω
を、支持機構の基本固有振動数ωｎの√２倍より大きく
することにより、従来の弾性制御領域で支持機構の基本
固有振動数ωｎを高くする方法よりも、支持機構の変位
ｘを小さくできる点でも優れている。

【００３０】さらに、支持機構が重くなり過ぎない範囲
で、支持機構に付加質量を加える構造にすると、先の
（１）式でｋを大きくせずにｍを大きくできるので、支
持機構の基本固有振動数ωｎを小さくするのに有効で、
慣性制御の効果を増すことができる。このとき、支持機
構と付加質量とを鋳物，ダイキャスト等の方法で一体的
に製作すると、構造を簡略化できる。

【００３１】加えて、この発明では測定管のコリオリ振
動を、測定管の基本モードより高い固有振動とすること
により、以下に述べるようなより優れた特性を実現する
ことができる。測定管の固有振動数は基本モード（１次
モード）の他に、無数の高次の振動モードを持ってい
る。図７は両端固定の直線均一断面はり（梁）の、たわ
み振動の形状を各振動モードで示したもので、（イ）は
１次モード、（ロ）は２次モード、（ハ）は３次モード
で、（ニ）はこれらの座標系を示す。図７の如く、高次
の固有振動数でコリオリ振動させることにより、例えば
２次モードでは１次モードの２．８倍、３次モードでは
５．４倍に固有振動数が増加するので、慣性制御の効果
を増すことができる。

【００３２】このように、測定管のコリオリ振動の周波
数を高くすることは、従来は不利と考えられていた。例
えば、先のＵＳＰ５，２８７，７５４等では、測定管の
コリオリ振動の周波数が高くなることが直管式の不利な
点であると言われていたが、本発明者らの検討によれ
ば、（１）上流，下流の２つの振動センサの位相差を検出す
る。（２）直管の振動を電磁センサ等の速度センサ，または
加速度センサによって検出する。などの工夫をすることで、むしろ有利であることが判明
している。

【００３３】これは、従来の時間差で検出する方法で
は、測定管のコリオリ振動の周波数の増加につれて時間
差が小さくなるのに対し、コリオリ振動の周波数が高い
ほど、２つの振動センサのコリオリ力にもとづき発生す
る位相差は大きくなることが理論的に明らかになったこ
と、また、速度，加速度センサは高周波数ほど感度が高
くなる特性を持つことなどの理由によるものである。さ
らに、後述するように、測定管を高次の振動モードでコ
リオリ振動させ、コリオリ振動の周波数を高くする方法
は、基本の固有振動数で振動させる方法に比べて、多く
の利点がある。例えば、配管や流体から伝わる外部振動
の特性への影響は、測定管のコリオリ振動と外部振動と
のＳ／Ｎ比で決まる。

【００３４】これら外部振動の周波数は、例えば「横河
技報」ＶＯＬ．３４，ＮＯ．１，１９９０，ｐｐ４９〜
５２によれば、配管から生じる外部振動は高々２００Ｈ
ｚであり、また、本発明者らの測定によれば、配管から
生じる外部振動と流体の圧力ノイズは併せて高々６００
Ｈｚ程度であったので、これら外部振動の周波数は高々
数百Ｈｚのオーダと考えられる。

【００３５】この発明のように、測定管のコリオリ振動
の周波数を高くすると、この領域に生じるノイズは非常
に少なくなり、機械的Ｑの高い振動系自身の周波数フィ
ルタ作用と相まって高いＳ／Ｎ比が得られる効果があ
る。また、速度センサまたは加速度センサを使用する
と、高周波数の振動ほど感度が高いため、さらにＳ／Ｎ
比を高めることができる。実際に、配管の外部振動の影
響や、流体の圧力ノイズによる零点の変化が抑制できる
ことを、実験により確認している。測定管のコリオリ振
動の周波数と外部振動ノイズの周波数が分離できている
ので、測定管と支持機構からなる振動系を支持する入
口，出口導管の剛性は従来装置ほど小さくする必要はな
く、したがって、衝撃力に対して耐えることができる効
果が得られる。

【００３６】さらに、前述のように、速度センサまたは
加速度センサを用いて測定管のコリオリ振動の周波数を
高くすると、コリオリ振動に対するセンサの感度が高く
なるので、測定管のコリオリ振動の振幅を小さくでき
る。その結果、測定管の応力が小さくなり、コリオリ式
流量計で最も問題となる測定管の破損に対する信頼性を
向上させる効果がある。その上、振動学の基礎知識より
明らかなように、高次の振動モードで振動させると、測
定管はその中で逆位相に振動する部分があるので、全体
としての重心の移動がその部分で打ち消されて小さくな
り、その分外部へコリオリ振動のエネルギーが漏れ難く
なるという効果もある。

【００３７】加えて、高次の振動モードを使用すると、
測定管に働く軸力による質量流量の感度変化が小さくな
るという効果がある。これは、直線状の測定管を用いる
際に発生する問題で、例えば測定流体の温度変化と熱伝
導の時定数により、測定管と支持機構との間に温度差が
発生，変化した場合に、熱膨張により測定管に軸方向の
力が発生，変化し、これにより図７に示すたわみ形状が
変化して、質量流量の測定感度が変化するというのであ
るが、本発明者らの検討によれば、この感度変化は高次
の振動モードを使用すると小さくなることが判明してい
る。

【００３８】さらに、測定管の任意の２つの固有振動数
の比を測定すれば、その比から測定管に働く軸力を求め
られることが知られており、既に出願もなされている。
したがって、求められた軸力にもとづき感度変化を補正
することにより、質量流量測定の精度を向上させること
ができる。その際、コリオリ振動として測定管の高次モ
ードである３次モードを使用し、この３次の固有振動数
と１次または５次の固有振動数との比をとることが、現
実的で望ましいことと判明している。

【００３９】また、その比を測定するために、測定管を
実際に１次または５次の固有振動数で振動させるとき
は、この副次的な振動がメインのコリオリ振動に悪影響
を与えないように、振動センサより検出される信号成分
において、コリオリ振動によるものよりも１次または５
次の固有振動数によるものを十分小さくする。望むべく
は、−４０ｄＢ以下にする。

【００４０】

【実施例】図１はこの発明の第１実施例を示す縦断面図
である。測定装置１は、以下のように構成される。すな
わち、２は直線状（直管状）測定管、３ａ，３ｂはこの
直線状測定管２の両端部にロウ付けまたは溶接等の手法
により固定される固定材、４はこの固定材３ａ，３ｂの
直線状測定管２の振動方向の振動を打ち消すために、固
定材３ａ，３ｂが溶接等の手段によって結合されている
円筒ビームである。この固定材３ａ，３ｂと円筒ビーム
４により、直線状測定管２の両端を連結する支持機構を
形成している。

【００４１】５は上記直線状測定管２の中央部に取り付
けられた磁石および円筒ビーム４に固定されたコイルよ
りなり、測定管２を振動させる（加振する）ための振動
発生器であり、６ａ，６ｂは振動発生器５を挟んで測定
管２の対称な位置に取り付けられた磁石および円筒ビー
ム４に固定されたコイルからなり、測定管２の振動を検
出する速度センサ（電磁ピックアップ）である。この実
施例では、後述するように３次モードで測定管２をコリ
オリ振動させるので、例えばスリット間の光量変化セン
サのような変位検出センサより、このような高周波数で
感度の良い速度センサが適している。また、振動センサ
をここでは２つとしたが、必要に応じて設けることがで
きる。７ａは入口導管、７ｂは出口導管で、この実施例
では測定管２と一体的に製造されている。これらは、ハ
ウジング８の端面部に接続されて、測定流体を測定管２
にそれぞれ導入，導出する。ハウジング８は以上の各要
素を内包し、フランジ９ａ，９ｂにネジ止めまたは溶接
等の手段により結合されている。

【００４２】このような構成において、この実施例では
直線状測定管２は振動発生器５と駆動回路２０により、
コリオリ振動として３次モードの固有振動数で加振され
る。例えば、直線状測定管２のコリオリ振動の周波数は
４５００Ｈｚ付近、上記支持機構の基本固有振動数は３
０００Ｈｚ付近としており、慣性制御により支持機構の
変位は抑えられていて、外部に漏れる振動のエネルギー
を少なくしている。特に、周波数の比は１．５倍で、前
述の√２倍以上なので、従来の弾性制御よりも支持機構
の変位を抑える効果は大きい。また、測定管２のコリオ
リ振動の周波数は４５００Ｈｚは、前述の外部振動の周
波数である数百Ｈｚより十分高いので、周波数分離によ
ってＳ／Ｎ比が向上する。さらに、高周波数で感度の良
い速度センサ６ａ，６ｂを用いているので、よりＳ／Ｎ
比が向上する。

【００４３】速度センサ６ａ，６ｂで検出された測定管
２のコリオリ振動は、位相差検出型信号処理回路２１に
与えられる。位相差検出型信号処理回路２１では良く知
られている所定の演算により、２つの速度センサ６ａ，
６ｂの出力信号の位相差を検出することにより質量流量
を求め、所定の信号に変換して出力する。効果の項で詳
述するが、位相差より質量流量を求める場合、測定管２
を３次モードでコリオリ振動させる方が１次（基本）モ
ードでコリオリ振動させるよりも質量流量の検出感度が
大きくなり、測定精度の向上が図れる。さらに、効果の
項で詳述するが、測定管２を３次モードでコリオリ振動
させると、１次（基本）モードでコリオリ振動させるよ
りも、測定管２に働く軸力による質量流量の感度変化が
小さくなるという効果もある。

【００４４】図２はこの発明の第２実施例を示す縦断面
図である。第１実施例との相違点は、符号１０で示され
る付加質量を、円筒ビーム４の軸方向の中央部に取り付
け、固定材３ａ，３ｂとともに支持機構を構成している
点である。このような付加質量は支持機構を重くすると
いう難点があるものの、円筒ビーム４の剛性を高くせず
に重量を増やせるので、支持機構の基本固有振動数を小
さくするのに効果的で、慣性制御の効果を増すことがで
きる。この実施例では、付加質量１０を円筒ビーム４の
中央部に取り付けたが、中央部には限らず例えば、円筒
ビーム４の両端部でも良い。要は、支持機構の固有振動
数を効果的に小さくする位置に取り付ければ良い。特
に、円筒ビーム４の軸方向の中央部に取り付けるのが、
構造も簡単で支持機構の基本固有振動数を小さくする効
果も大きい。さらに、支持機構と付加質量とを鋳物，ダ
イキャスト等により一体的に製作すると、構造の簡略化
が図れる。

【００４５】図３はこの発明の第３実施例を示す縦断面
図である。第１実施例との相違点は、振動センサを速度
センサ６ａ，６ｂから加速度センサ１１ａ，１１ｂに代
えた点にある。これは、速度は角振動数ω、加速度はω
²に比例するので、振動の周波数が高いときには加速度
センサを用いることにより、さらに感度，Ｓ／Ｎ比を向
上させることができるからである。また、感度がアップ
することで測定管２のコリオリ振動の振幅を小さくし
て、測定管２に発生する応力を小さくすることができ、
コリオリ式流量計で最も問題となる測定管の破損に対す
る信頼性を向上させることができる。

【００４６】図４はこの発明の第４実施例を示す縦断面
図である。第１実施例との相違点は、測定管２の２つの
固有振動数の比を用いて、測定された位相差を補正して
最終的な質量流量を求め、所定の信号に変換して出力し
ている点である。この実施例のように、直管状の測定管
２を持つ質量流量計では、測定管２と支持機構との間の
温度差等により測定管２に軸力が発生する。この軸力に
より図７の測定管のたわみ形状が変化し、質量流量の測
定感度が変化し、測定誤差の要因となる。そこで、この
軸力を測定管２の２つの固有振動数の比から求めて、質
量流量の測定値を補正すれば精度を高められることにな
る。

【００４７】ここでは、駆動回路２０と振動発生器５に
より第１実施例と同様、測定管２をコリオリ振動として
３次の振動モードで振動させる。また、固有振動数の比
を求めるため、１次（または５次）の振動モードでも振
動させている。このとき、この１次（または５次）の振
動モードの振動がコリオリ振動に悪影響を与えないよう
に、振動センサ６ａ，６ｂにより検出される信号成分に
おいて、コリオリ振動に対して十分小さくなる、好まし
くは−４０ｄＢ以下の大きさとなるようにしている。

【００４８】位相差検出型信号処理回路２１は周波数比
演算部５１、位相差演算部５２、温度演算部５３および
補正演算部５４等より構成されている。周波数比演算部
５１では、振動センサ６ａ，６ｂにより検出された信号
から、３次の振動モードの固有振動数と１次（または５
次）の振動モードの固有振動数との比を求めて、補正演
算部５４に送る。位相差演算部５２では良く知られてい
る所定の演算により、２つの振動センサ６ａ，６ｂの出
力信号の位相差を求めて、補正演算部５４に送る。

【００４９】さらに、ここでは温度補正のため、入口導
管７ａ（出口導管７ｂでも良い）に測温抵抗体や熱電対
のような温度センサ１２が取り付けられている。このセ
ンサは、測定管２の温度を測定し、測定管２のヤング率
Ｅ等の温度変化を補正するためのものである。一般にこ
の実施例のような質量流量計の場合、測定管２のヤング
率Ｅ等の温度変化により、質量流量に対する発生位相差
が変化する（後述する（３）〜（１３）式参照：特に、
（８）式に示すｙｃ（ｘ）がＥの関数となっている）。
そのため、温度補正が必要となる。このとき、温度セン
サ１２を直接測定管２に取り付けると、測定管２のコリ
オリ振動等に悪影響を与えるので、測定管２と一体的に
製造されていて、ほぼ同一温度の入口導管７ａ（出口導
管７ｂでも良い）に取り付けている。温度演算部５３で
は、この温度センサ１２より温度を求め、補正演算部５
４に送る。

【００５０】補正演算部５４では、位相差演算部５２か
ら送られた位相差に対し、周波数比演算部５１から送ら
れた固有振動数の比により、軸力が引き起こす質量流量
に対する位相差の感度変化や、温度演算部５３から送ら
れた温度により上述の測定管２のヤング率Ｅ等の補正を
行なう。また、補正演算部５４では、振動センサ６ａの
出力信号よりコリオリ振動の周波数を求めて、位相差を
補正している（位相差の周波数依存性については、後述
する（３）〜（１３）式参照：特に、（８）式に示すｙ
ｃ（ｘ）にω₀を含んでいることによる）。以上の如き
補正を行なうことで、求められる質量流量の測定精度が
高められ、所定の信号に変換されて出力される。

【００５１】

【発明の効果】この発明によれば、測定管のコリオリ振
動の周波数を支持機構の基本固有振動数よりも高くす
る、いわゆる慣性制御を利用するようにしたので、支持
機構を大きくし重くすることなく支持機構の変位を減ら
すことができ、かつ、コリオリ振動のエネルギーが外部
に漏れ難く、安定した振動で安定した測定のできる質量
流量計を、例えば１本の直線状の測定管といった簡単，
軽量，使い勝手の良い構造で実現することができる。ま
た、測定管のコリオリ振動の周波数を支持機構の基本固
有振動数の√２倍より高くすることにより、いわゆる弾
性制御を利用する従来装置よりも、振動のエネルギーが
外部に漏れ難い構造とすることができる。

【００５２】さらに、支持機構に付加質量を加える構造
にすることにより、支持機構の基本固有振動数を低くし
て慣性制御の効果を倍加することができる。加えて、支
持機構と付加質量とを鋳物，ダイキャスト等の方法で一
体成形すると、構造の簡略化ができる。その上、測定管
をその高次モードにてコリオリ振動させることにより、
慣性制御の効果を増すとともに、位相差検出とすること
で質量流量に対する感度を増大することができる。ま
た、測定管のコリオリ振動の周波数が高くなるのでノイ
ズ周波数との分離ができ、Ｓ／Ｎ比が向上する。さら
に、速度センサ，加速度センサを用いることにより、感
度，Ｓ／Ｎ比のより一層の向上が図れる。

【００５３】その他、支持機構をコンパクトにでき、か
つ、入口，出口導管の剛性を大きくできるので輸送途中
などの衝撃力に強くなる、感度の向上により、測定管の
振動振幅を小さくして測定管応力を小さくできるなど、
信頼性を向上させることが可能となる。また、高次モー
ドを用いることにより、１次（基本）モードを用いた場
合に比べ、直線状の測定管に発生する軸力の質量流量測
定感度に対する影響を小さくすることができる。

【００５４】また、測定管の２つの固有振動数の比、特
にコリオリ振動を測定管の３次モードとし、この３次の
固有振動数と１次または５次の固有振動数との比を用い
て軸力を求めることで、軸力の質量流量測定感度に対す
る影響を補正することができる。このとき、振動センサ
にて検出される信号成分において、コリオリ振動の信号
成分より１次または５次の固有振動の信号成分の方を十
分に小さく、望むべくは−４０ｄＢ以下にすれば、この
１次または５次の固有振動のコリオリ振動に対する悪影
響を抑えることができる。

【００５５】上記いくつかの効果について、以下に詳述
する。１）発生位相差について図７に示したように、理想的な両端固定・均一断面形状
の直管測定管内を流体が流れたときに、前記のような測
定管中央に対して対称位置にある２つの振動センサ間に
発生する位相差は、以下のようになる。まず、測定管の
固有振動の変位Ｙ（ｘ，ｔ）は、次式となる。Ｙ（ｘ，ｔ）＝ｙ（ｘ）・ｓｉｎ（ω₀ｔ） …（３）ｙ（ｘ）＝Ｄ｛ｃｏｓ（λｘ／ｌ）＋αｓｉｎ（λｘ／ｌ）−ｃｏｓｈ（ λｘ／ｌ）−αｓｉｎｈ（λｘ／ｌ）｝ …（４） α＝（ｃｏｓｈλ−ｃｏｓλ）／（ｓｉｎλ−ｓｉｎｈλ） …（５） ω₀＝λ²√｛ＥＩ／（ρｌ⁴）｝ …（６）

【００５６】上記（３）〜（６）式の各記号の意味は次
の通りである。ｌ：測定管長、Ｅ：測定管ヤング率、Ｉ：測定管断面二
次モーメント ρ：測定管（流体を含む）線密度、Ｄ：振動振幅に比例
する定数 λ：振動モードにより変わる定数１次モード：４．７
３００、２次モード：７．８５３２、３次モード：１
０．９９５６ ω₀：（各モードの）固有角振動数

【００５７】次に、測定管内を流体が流れたとき発生す
るコリオリ力による測定管のたわみの変位Ｙｃ（ｘ，
ｔ）は、Ｑｍを質量流量として次式となる。Ｙｃ（ｘ，ｔ）＝ｙｃ（ｘ）・ｃｏｓ（ω₀ｔ） …（７）ｙｃ（ｘ）＝２Ｑｍω₀Ｄｌ³／（ＥＩλ³）・｛ｓｉｎ（λｘ／ｌ）−αｃｏｓ（λｘ／ｌ）＋ｓｉｎｈ（ λｘ／ｌ）＋αｃｏｓｈ（λｘ／ｌ）−Ｃ₁（ｘ／ｌ）³− Ｃ₂（ｘ／ｌ）²−２λｘ／ｌ｝ …（８）Ｃ₁ ＝λβ₁−２β₂＋２λ …（９）Ｃ₂ ＝−λβ₁＋３β₂−４λ …（１０） β₁ ＝ｃｏｓλ＋αｓｉｎλ＋ｃｏｓｈλ＋αｓｉｎｈλ …（１１） β₂ ＝ｓｉｎλ−αｃｏｓλ＋ｓｉｎｈλ＋αｃｏｓｈλ …（１２）

【００５８】測定管の変位は、Ｙ（ｘ，ｔ）＋Ｙｃ
（ｘ，ｔ）となり、測定管中央に対し対称位置にある２
つの振動センサ出力間に発生する位相差αは、 α＝２ｔａｎ^-1｛ｙｃ（ｘ）／ｙ（ｘ）｝ …（１３）となる。以上より判るように、発生位相差αは振動モー
ドとセンサ位置によって変化する。この位相差αを或る
同一流量において、１次モードと３次モードについて計
算し、センサ位置ｘ／ｌを横軸にグラフ化したのが図８
である。このとき使用した定数は、ｌ：０．２５２
〔ｍ〕、Ｅ：０．１９３２Ｅ＋１２〔Ｐａ〕、Ｉ：５３
１Ｅ−１２〔ｍ⁴〕、ρ：０．３２１〔Ｋｇ／ｍ〕、Ｑ
ｍ：１００〔Ｋｇ／ｍｉｎ〕である。

【００５９】図８を見ると、モードによる位相差の大小
はセンサ位置により変化するが、センサ位置は位相差が
大きいだけでなく、振動検出の感度つまり測定管の振動
振幅が十分大きい位置にしないと測定ができない。この
両方を満たすため、通常１次モード，３次モードともに
ｘ／ｌ＝０．２前後にセンサを取り付ける。この領域に
おいては、１次モードより３次モードの方が、２〜５倍
位相差が大きいことが図８より分かる。

【００６０】２）振動検出感度（振動により測定管に発
生する応力）について図７に示すような、理想的な両端固定・均一断面形状の
直管測定管の固有振動により発生する応力は、（４）式
のｙ（ｘ）を２回微分したものに比例し、１次モード，
３次モードともにｘ＝０、すなわち固定端で最大とな
る。そこで、固定端におけるこの最大応力を或る一定値
としたときのセンサ感度を計算して、センサ位置ｘ／ｌ
を横軸にグラフ化したのが図９，図１０で、それぞれ１
次モードと３次モードとを比較して示している。

【００６１】図９は、縦軸に測定管の振動速度をとって
おり、速度センサを用いたときの場合で、固定端での応
力を或る一定値となるように測定管を振動させたとき、
センサ感度（出力）がセンサ位置ｘ／ｌおよび振動モー
ドによりどのように変化するかを示すものである。ま
た、図１０は図９と同様であるが、縦軸は測定管の振動
加速度であり、加速度センサを用いた場合の例である。
図９，図１０によれば、通常のセンサ位置ｘ／ｌ＝０．
２前後では、速度センサを用いると、３次モードでは１
次の約２倍、加速度センサなら約１０倍の感度を得るこ
とができることが分かる。この感度が向上する分だけ、
逆に振動振幅を小さくしてやれば、その分測定管の発生
応力を小さくすることができる。

【００６２】３）測定管の軸力による質量流量測定感度
（発生位相差）の変化について直線状の測定管を用いる場合、例えば測定流体の温度変
化と熱伝導の時定数により、測定管と支持機構との間に
温度差が発生，変化した場合に、熱膨張により測定管に
軸方向の力が発生，変化し、これにより図７のたわみ形
状が変化して、質量流量の測定感度つまり上述の発生位
相差が変化するという問題がある。

【００６３】この発生位相差の変化を、図７に示したよ
うな、理想的な両端固定・均一断面形状の直管測定管に
おいて、計算した結果を示すのが図１１である。この図
１１では、センサ位置ｘ／ｌを横軸にして、縦軸は測定
管と支持機構との間の温度差が１°Ｃ変化したとき発生
する軸力により、スパン（発生位相差）が何％変化する
かを表わしている。

【００６４】図１１には、１次，２次および３次モード
における計算値が示されており、軸力による発生位相差
の変化の度合いはセンサ位置および振動モードにより異
なるが、前述のセンサ位置ｘ／ｌ＝０．２前後で比較し
て見ると、３次モードでは１次の１／２〜１／５程度に
軽減できること、２次モードではさらに小さくなること
が分かる。また、固有振動数の比より発生軸力を求めれ
ば、図１１の係数より質量流量測定感度変化を補正でき
ることが分かる。

【００６５】４）実験データＳ／Ｎ比向上等の効果を見るため、実際に１次モード，
３次モードで測定管をコリオリ振動させたときの、図１
２の如く配置される質量流量測定装置の外部振動に対す
る零点（流量零時の出力）のふらつきを測定した。測定
は１次モードと３次モードで、以下の条件で行なった。条件Ｉ：ポンプ４０停止状態（外部振動がほぼ零の状
態）条件II ：ポンプ４０稼働状態・上流側バブル４１閉
（ポンプ４０の振動が配管を伝わってくる場合）条件III ：ポンプ４０稼働状態・下流側バブル４３閉
（ポンプ４０の振動が配管および流体を伝わってくる場
合）なお、使用した装置は図１に示す実施例とほぼ同じもの
で、振動センサとして速度センサ（電磁センサ）を用い
ている。また、１次モードの固有振動周波数は１０００
Ｈｚで、支持機構よりも低い、いわゆる弾性制御領域と
なっている。

【００６６】図１３に上記のような条件で、零点ふらつ
きを記録計で記録した結果を示し、同図（イ），
（ロ），（ハ）が３次モード、（ニ），（ホ），（ヘ）
が１次モードの場合であり、（イ），（ニ）が条件Ｉ、
（ロ），（ホ）が条件II、（ハ），（ヘ）が条件III の
場合である。

【００６７】また、同図に示すふらつきをｐ−ｐ（ピー
ク・ツー・ピーク）で読み取り、ＵＲＬ（Ｕｐｐｅｒ
ＲａｎｇｅＬｉｍｉｔ→最大測定流量）に対する％で
表わしたものを次の表１に示す。表１のように、条件Ｉ
から条件III になるにつれて零点ふらつきは大きくなる
が、３次モードを用いた場合、１次モードの１／３〜１
／６に減少し、Ｓ／Ｎ比向上の効果が出ていることが分
かる。

【表１】

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１実施例を示す構成図である。

【図２】この発明の第２実施例を示す構成図である。

【図３】この発明の第３実施例を示す構成図である。

【図４】この発明の第４実施例を示す構成図である。

【図５】振動系の原理を示す概要図である。

【図６】外力の角振動数と変位との関係を示すグラフで
ある。

【図７】たわみ振動の形状を説明するための説明図であ
る。

【図８】センサ位置に応じた発生位相差を示すグラフで
ある。

【図９】固定端の発生応力を一定としたときのセンサ位
置と振動速度との関係を示すグラフである。

【図１０】固定端の発生応力を一定としたときのセンサ
位置と振動加速度との関係を示すグラフである。

【図１１】センサ位置とスパン温度差係数との関係を示
すグラフである。

【図１２】質量流量計の配置例を示す概要図である。

【図１３】零点のふらつきについて、コリオリ振動が１
次モードと３次モードの場合を比較して説明するための
説明図である。

【符号の説明】

１，４２…測定装置、２…測定管、３ａ，３ｂ…固定
材、４…円筒ビーム、５…振動発生器、６ａ，６ｂ…速
度センサ、７ａ，７ｂ…入口導管，出口導管、８…ハウ
ジング、９ａ，９ｂ…フランジ、１０…付加質量、１１
ａ，１１ｂ…加速度センサ、１２…温度センサ、２０…
駆動回路、２１…位相差検出型信号処理回路、３０…質
点、３１…バネ、３２…固定壁、４０…ポンプ、４１…
上流側バルブ、４３…下流側バルブ、５１…周波数比演
算部、５２…位相差演算部、５３…温度演算部、５４…
補正演算部。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも１本の測定管を持ち、この測
定管内を流体が流れたときコリオリ力が発生するような
振動であり、かつ、このコリオリ力を利用して流体の流
量を測定する振動（コリオリ振動）を、この測定管に与
えて測定管内を流れる流体の流量を測定する質量流量計
において、前記測定管の両端を連結する支持機構と、前記測定管に
振動を与える振動発生器と、前記測定管の振動を検出す
る少なくとも２つ以上の振動センサと、測定流体を前記
測定管に導く入口導管と、測定流体を前記測定管より導
出する出口導管と、これらの各要素を内包するハウジン
グとを設け、前記測定管に与えられるコリオリ振動の振動数を、前記
支持機構の基本固有振動数よりも高くすることを特徴と
する質量流量計。
【請求項２】前記測定管に与えられるコリオリ振動の
振動数を、前記支持機構の基本固有振動数の√２倍より
も高くすることを特徴とする請求項１に記載の質量流量
計。
【請求項３】前記支持機構に付加質量を付加したこと
を特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の質量
流量計。
【請求項４】前記支持機構と付加質量とを一体成形す
ることを特徴とする請求項３に記載の質量流量計。
【請求項５】前記測定管に与えられるコリオリ振動の
振動数を、前記測定管の基本固有振動数より高次の固有
振動数とすることを特徴とする請求項１ないし４のいず
れかに記載の質量流量計。
【請求項６】前記２つ以上の振動センサからの信号の
位相差にもとづき前記測定管内を流れる流体の流量を測
定することを特徴とする請求項５に記載の質量流量計。
【請求項７】前記振動センサを速度センサとすること
を特徴とする請求項５または６のいずれかに記載の質量
流量計。
【請求項８】前記振動センサを加速度センサとするこ
とを特徴とする請求項５または６のいずれかに記載の質
量流量計。
【請求項９】前記測定管を直管状とし、かつ、この測
定管の任意の２つの固有振動数の比にもとづき、流量測
定値を補正することを特徴とする請求項１ないし８に記
載の質量流量計。
【請求項１０】前記測定管に与えられるコリオリ振動
の振動数を測定管の３次の固有振動数とし、この３次の
固有振動数と１次の固有振動数との比にもとづき、流量
測定値を補正することを特徴とする請求項９に記載の質
量流量計。
【請求項１１】前記測定管に与えられるコリオリ振動
の振動数を測定管の３次の固有振動数とし、この３次の
固有振動数と５次の固有振動数との比にもとづき、流量
測定値を補正することを特徴とする請求項９に記載の質
量流量計。
【請求項１２】前記振動センサより検出される前記コ
リオリ振動の信号成分に対して、前記振動センサより検
出される前記第１次または５次の固有振動数の振動の信
号成分を、十分小さくすることを特徴とする請求項１０
または１１のいずれかに記載の質量流量計。
【請求項１３】前記振動センサより検出される前記コ
リオリ振動の信号成分に対して、前記振動センサより検
出される前記第１次または５次の固有振動数の振動の信
号成分を−４０ｄＢ以下にすることを特徴とする請求項
１０または１１に記載の質量流量計。