JP2965242B2 - 質量流量計変換器 - Google Patents

質量流量計変換器

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【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、質量流量計変換器に関
し、より詳細には、フローチューブを一定振幅の固有振
動で駆動したとき、フローチューブに作用するコリオリ
の力から質量流量を求め、固有振動数から流体の密度を
求めるコリオリ流量計のドリフトを補正する質量演算器
に関する。
【0002】
【従来の技術】流体工業においては、流量計測は不可欠
であり、流量計測には目的に応じた各種流量計が使用さ
れる。従来、流量計としては、主に、容積流量計,オリ
フィス,渦流量計,電磁流量計等が用いられているが、
これらは体積流量計であり、求められた体積流量から質
量流量を求める場合は、密度,温度を補正する演算を施
す必要がある。このような方式では、密度,温度の検出
誤差を伴うものであり、例えば、高価な流体を扱うファ
インケミカル用としては、近年、直接質量をコリオリ流
量計が多く用いられるようになった。
【0003】周知のように、コリオリ流量計は、被測流
体が流れるフローチューブを両端で支持し、支持された
測定管の中央部を支持線に直角な方向に交番駆動したと
き、フローチューブに質量流量に比例する位相差が生ず
ることを利用した質量流量計である。具体的には、フロ
ーチューブの両端支持部と中央部との間の対称位置に質
量流量に比例したコリオリの力による位相差信号を検出
し、位相差信号に比例した質量流量を求めるが、駆動周
波数を一定とすると、位相差信号は測定管の前記対称位
置におけるフローチューブが基準線を通過したときの時
間差信号として検出することができる。
【0004】フローチューブを共振周波数で交番駆動さ
せ、フローチューブの寸法,材質,被測流体の密度に応
じた一定の駆動周波数が得られ、小さい駆動エネルギで
駆動することが可能となり、駆動周波数に応じた被測流
体の密度を求めることができることから、最近では測定
管を固有振動数で駆動するのが一般的となっている。
【0005】図3は、従来の質量流量計変換器の構成を
説明するためのブロック図であり、図中、1はドライブ
回路、2は駆動コイル、3,4は検出コイル、5は位相
検出回路、6は全波整流回路、8はCPU(中央演算処
理装置)である。
【0006】図3において、駆動部は、被測流体が流れ
る両端支持されたフローチューブ(図示せず)の中央部
に位置して支持体(図示せず)との間に取り付けられ、
例えば、駆動コイル2と、該駆動コイル2から磁気を受
けるコア(図示せず)等からなり、検出コイル3,4
は、フローチューブの支持部と駆動部との間の対称位置
で支持体との間に設けられ、例えば、検出コイル3,4
と磁石(図示せず)から構成される。
【0007】駆動コイル2は、ドライブ回路1の出力端
に接続され駆動されるが、ドライブ回路1の入力端に
は、検出コイル3で検出された正弦波信号を全波整流回
路6により整流した直流信号が接続され、検出コイル
3,全波整流回路6,ドライブ回路1,駆動コイル2か
らなる正帰還回路により、フローチューブ2の固有振動
数の正弦波発振回路が構成されている。このとき、検出
コイル3から出力されるP点での検出信号は、全波整流
回路6により直流電圧に変換され、ドライブ回路1にお
いて基準電圧と比較され、P点の正弦波信号ピーク電圧
が常に一定となるように制御されている。
【0008】この結果、検出コイル4の検出電圧は、検
出コイル3の正弦波信号に対して、コリオリの力に比例
した位相差をもった一定振幅正弦波信号となり、位相差
は位相検出回路5により検出される。図4は、コリオリ
質量流量計の時間差測定の一例を説明するための図であ
る。図4(a)は、フローチューブの検出位置における
フローチューブの変位信号を示す図であり、検出された
正弦波信号を増幅整形して得られた台形波信号で、横軸
に時間、縦軸に電圧をとっている。図において台形AB
CD…および台形A1111…は時間軸X−Xに対し
電圧ピーク値の絶対値が等しく正負(±E)の電圧をも
った位相の異なるフローチューブの変位信号を示したも
ので、各々の変位信号は時間軸上連続した同形の台形波
形であり位相差時間をあらわす基準時間は、例えば、一
つの台形波形ABCDの斜辺CDのピーク値C(+E)
あるいはD(−E)と、時間軸をクロスする位置Oとの
時間Tである。
【0009】位相の異なる前記台形ABCDおよびA1
111の変位信号において、例えば、辺CDおよび
11において位相差信号を説明する。四辺形CC11
1は平行四辺形で、平行辺CDとC11の時間差ΔT
は位相差信号であり、辺CC1DD1は時間軸OO1と等
しい長さを持っており、点C1およびD1から時間軸への
投影点を各々O23とすると辺O2Oは時間(T−Δ
T),辺OO3は時間(T+ΔT)を示す。
【0010】時間(T−ΔT)は図4(c)、時間(T
+ΔT)は、図4(d)に示すパルスで示され、時間差
ΔTは、CPU8において、図4(b)に示す台形波一
周期の時間幅Mの時間パルスの2倍の時間2Mの間にお
ける各々のパルス幅の加算値を減算して平均を求めてい
る。例えば、 {4(T+ΔT)−4(T−ΔT)}/8=ΔT …(1) により求められる。
【0011】(1)式により求める時間差△Tは、誤差
が含まれていない理想条件での値である。例えば、図5
に示すように流量計測を開始するとき、流量零の状態で
は△T=0でなければならないが、例えば、検出コイル
3,4の検出ゲインが正確に一致しないなどのため、△
T≠0であり、そのために計測する前に零点調整する必
要がある。しかし、零点調整が行われても時間経過にお
ける状態量の変化により零点が移動し、誤差要因とな
る。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】コリオリ流量計は、一
般の体積流量計と同様に、被測流体の種類,流量範囲,
温度,圧力条件等、各々異なる条件のもとでの流量計測
をしなければならない。フローチューブを共振駆動する
か固有振動数で駆動する方式のコリオリ流量計では、例
えば、被測流体の密度の相異によって振動周波数が異な
り、また、流量範囲により選ばれ、規格されたフローチ
ューブの口径,長さ等、幾何学形状の種類によっても振
動周波数が異なる。理想的なコリオリ流量計では、流体
密度が一定であり、これに伴って定められるフローチュ
ーブの固有振動数が一定であれば、計測される時間差△
Tが定まり、時間差△Tに比例した質量流量も一定に検
出できる。しかし、実際には、固有振動数が一定であっ
ても、時間差△Tは質量流量に比例せず、ドリフトが生
ずる。
【0013】本発明は、ドリフトの大きさが振動周波数
に依存する値をもっていることから、ドリフト量と振動
周波数の関係に基づいて計測された時間差△Tに対し、
ドリフト量を補正し、理想に近い質量流量を求めること
を目的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するために、被測定流体が流れるフローチューブを少
なくとも2点で支持し、該支持点まわりに一定振幅の固
有振動数で駆動したとき、該フローチューブに作用する
コリオリの力を位相差として検出し、位相差に比例した
時間差を計測して質量流量を求めるコリオリ流量計にお
いて、前記時間差を求める時間差計測手段と、前記固有
振動数を検出する周波数計測手段と、前記周波数計測手
段により検出された固有振動数の逆数を演算する逆数演
算手段とからなり、前記時間差計測手段により求められ
た時間差と前記逆数演算手段により演算された固有振動
数の逆数との差により零点ドリフト量を補正することを
特徴とする。
【0015】
【作用】フローチューブが一定振幅の固有振動で駆動さ
れるコリオリ流量計では、固有振動数が被測流体の密
度、およびフローチューブの幾何学形状によって変化
し、振動周波数に応じたドリフトが生ずる。ドリフト量
は振動周波数の逆数の関数であることが確められたの
で、このドリフト量を打消すため、振動周波数を検出し
てドリフト量と、振動周波数の関係からドリフト量を求
めて補正する。
【0016】
【実施例】フローチューブの固有振動数が変化すること
により、コリオリの力に比例した時間差△Tにドリフト
が生ずるという現象に対して、本出願人は、時間差△T
のドリフト量Zfと固有振動数fとの関係を調べた。
【0017】図1は、固有振動数と時間差△Tのドリフ
ト量との関係を説明するための実験結果を示した図であ
り、横軸が固有振動数f、縦軸がドラフト量(時間)Z
fである。
【0018】図1に示す曲線は、固有振動数fが低周波
から高周波に向けて変化するとドリフト量Zfは漸時低
下し、その関係は、
【0019】
【数1】
【0020】であらわされることが確められた。
【0021】この関係が発生する原因は、図3に示した
ドライブ回路1の入力信号の大きさが変化しても検出コ
イル3の正弦波信号のピーク値が一定に制御され、更
に、位相検出回路5では、一定振幅の正弦波検出信号を
増幅整形して得られた、図4に示した台形波信号ABC
Dは、時間軸X−Xに対して一定電圧(±E)の高さを
もっているから、固有振動数が変化すると、斜辺AB,
CDの傾斜角が変化するが、斜辺AB,CDは、正しい
直線ではなく、近似直線であることによるものと推察で
きる。
【0022】従って、たとえば図1に示した
【0023】
【数2】
【0024】曲線の定数K値は一定であり、この関係か
らドリフト量を補正することが可能となる。
【0025】図2は、本発明による質量流量計変換器の
回路ブロックを説明するための図で、図中、1はドライ
ブ回路、2は駆動コイル、3,4は検出コイル、5は位
相検出回路、6は全波整流回路、7は周波数計、8はC
PU(中央演算処理装置)、9は周波数の逆数演算部で
(以後、逆数演算部と記す)である。
【0026】図2において、ドライブ回路1,駆動コイ
ル2,検出コイル3,4,位相検出回路5は、図3の場
合と同様の作用をするので、説明を省く。周波数計7
は、フローチューブの固有振動数を計測する手段である
が、実際には、前記固有振動数と同じ周波数を出力する
検出コイル3からの検出信号の周波数を計測するもの
で、検出コイル3の検出信号を整形し、得られた半周
期、又は1周期に対応した矩形波の零クロス時間をCP
U8のクロック数として検知して呼び戻し、固有振動数
fを求めて逆数演算部9により
【0027】
【数3】
【0028】を求め、CPU8に例えば簡略するために
n=1として記憶する。これが(2)に示すドリフト量
fとなる。
【0029】したがって、補正後の時間差Txは、 Tx=Ta−Zf …(3) (但し、Ta:位相検出データ)(検出時間差) 更に、零点調整時のオフセットデータ値をToffとする
と、(3)式に加え、更にToffを補正することが精度
向上に寄与するので、CPU8にToffを記憶しておく
ことにより、 Tx=Ta−Toff−Zf …(4) とすることができる。
【0030】また、(2)式は、一般式で表現すると、
【0031】
【数4】
【0032】(但し、Za,Zb,ZcはZfの係数)
とあらわすこともでき、(5)式に従って、ドリフト量
fを補正することもできる。もちろん、(5)式は別
の表現される逆数算式であってもよい。このような考え
方により(4)式に従ってドリフト量が補正された時間
差Txに基づいて、ドリフト影響のない正確な質量流量
を求めることができる。
【0033】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、以下の効果がある。請求項1に対応する効
果:フローチューブを固有振動数で駆動する方式のコリ
オリ流量計においては、流量範囲により定められたフロ
ーチューブの寸法,諸元や被測流体の密度により固有振
動数が変化し、固有振動、すなわち駆動周波数に応じた
時間差信号のドリフト量が生じ、誤差となるが、ドリフ
ト量は駆動周波数の逆数の関数であることが知られたの
で、駆動周波数を検知することにより、ドリフト量の補
正が可能となり、正確な質量流量を求めることができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】 固有振動数と時間差△Tのドリフト量との関
係を説明するための実験結果を示した図である。
【図2】 本発明による質量流量変換器の回路ブロック
を説明するための図である。
【図3】 従来の質量流量計変換器の構成を説明するた
めのブロック図である。
【図4】 コリオリ質量流量計の時間差測定の一例を説
明するための図である。
【図5】 従来のコリオリ流量計の零点オフセットを説
明するための図である。
【符号の説明】
1…ドライブ回路、2…駆動コイル、3,4…検出コイ
ル、5…位相検出回路、6…全波整流回路、7…周波数
計、8…CPU(中央演算処理装置)、9…周波数の逆
数演算部。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 被測定流体が流れるフローチューブを少
    なくとも2点で支持し、該支持点まわりに一定振幅の固
    有振動数で駆動したとき、該フローチューブに作用する
    コリオリの力を位相差として検出し、位相差に比例した
    時間差を計測して質量流量を求めるコリオリ流量計にお
    いて、前記時間差を求める時間差計測手段と、前記固有
    振動数を検出する周波数計測手段と、前記周波数計測手
    段により検出された固有振動数の逆数を演算する逆数演
    算手段とからなり、前記時間差計測手段により求められ
    た時間差と前記逆数演算手段により演算された固有振動
    数の逆数との差により零点ドリフト量を補正することを
    特徴とする質量流量計変換器。
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