JPH06147948A

JPH06147948A - コリオリ質量流量計

Info

Publication number: JPH06147948A
Application number: JP29524992A
Authority: JP
Inventors: Norikazu Osawa; 紀和大沢; Daisuke Yamazaki; 大輔山崎; Hitoaki Tanaka; 仁章田中; Kenta Mikuriya; 健太御厨
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 1992-11-04
Filing date: 1992-11-04
Publication date: 1994-05-27

Abstract

(57)【要約】【目的】検出信号の中の励振成分とコリオリ力による
コリオリ成分を機構的に分離して検出することができる
ように改良したコリオリ質量流量計を提供するにある。【構成】測定流体が流れる一対の支持チューブの各一
端は各々同一軸上に並ぶように各固定端に固定され、一
方の先の支持チューブの他端は一対の振動チューブによ
り先の軸から互に離れる方向に各々分岐されてループを
描いて他方の先の支持チューブの他端に連通して結合さ
れ、先の各振動チューブは加振手段により各支持チュー
ブと各振動チューブで形成される平面に垂直方向に加振
され、歪検出プレートは先の各支持チューブの分岐点の
間に固定されて先の測定流体によってこの歪検出プレー
トに生じる歪或いは応力を歪ゲージにより第１信号とし
て検出する検出手段を具備するようにしたものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、被測定流体が振動する
チューブ内を流れるときにこのチューブに発生するコリ
オリ力を検出して質量流量を測定するコリオリ質量流量
計に係り、特に検出信号の中の励振成分とコリオリ力に
よるコリオリ成分を機構的に分離して検出することがで
きるように改良したコリオリ質量流量計に関する。

【０００２】

【従来の技術】図６は従来の第１のコリオリ質量流量計
の概念図である。このコリオリ質量流量計は直管形であ
る。１は内部に測定流体を流すことのできるチューブで
あり、このチューブ１の両端は固定端２、３で固定され
ている。

【０００３】これ等の固定端２、３の中央部には加振器
４が設置されており、このチューブ１をチューブの中心
軸に対し垂直方向に加振して、上下に振動させる。この
加振器４と固定端２、３の間には、チューブ１の変位を
測定する変位センサ５、６が設置されている。

【０００４】次に、以上のように構成されたコリオリ質
量流量計の動作について図７を用いて説明する。チュー
ブ１の中に測定流体を流した状態で中央部に設置した加
振器４から振動を与えると、Ｍ１、Ｍ２に示すように中
央部が振動の腹となる１次モードの形状でチューブ１が
振動する。

【０００５】この振動は、チューブ１の上流側と下流側
について考えると、各々固定端２と３付近を中心とする
回転運動をしているとみなせるので、この各速度をω、
測定流体の質量流量をＱとすると、ωとＱの積に比例し
たコリオリ力が各微小区間に発生する。

【０００６】これにより、チューブ１の中央点に対して
上流部分と下流部分ではその撓み振動が対称になる振動
モードＭ３、Ｍ４が発生する。この変形を変位センサ
５、６で測定することにより質量流量Ｑを知ることがで
きる。

【０００７】これに対して、図８に示す従来のコリオリ
質量流量計は曲管形として構成されており、これは例え
ば特公昭６０−３４６８３などに開示されている。支持
部７にＵ字形のチューブ８が片持梁状に固定され、この
Ｕ字形の曲管部分に加振装置９を設けて上下に振動させ
る。また、このＵ字形のチューブ８の直管部分には振動
検出器１０Ａ、１０Ｂが設けられている。

【０００８】このように上下にＵ字形のチューブ８が振
動されているときに、このチューブ８に質量流量Ｑが流
されると、一対のチューブ８の直管部分はコリオリ力に
より互に反対方向に変位して“ねじれる”ので、これに
より発生する変位を振動検出器１０Ａ、１０Ｂで検出す
ることにより質量流量Ｑを知ることができる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、以上の
ようなコリオリ質量流量計では、チューブ８の励振によ
って、支持部材７に励振方向の並進成分の力を受け振動
絶縁が容易ではない。これは、加振に余計なエネルギー
を費やしセンシングに悪影響を及ぼし、外部振動の影響
を受けやすくなるなどの問題が発生することを意味す
る。

【００１０】さらに、図６、図８に示す場合も、変位セ
ンサ５、６、或いは振動検出器１０Ａ、１０Ｂは、励振
振動とそこに僅かに重畳したコリオリ振動を同時に同一
センサで検出し、これを理論的に、電気的に分離して質
量流量Ｑに変換する。

【００１１】そして、コリオリ振動振幅は、平均流速が
１ｍ／ｓで励振振動振幅の数百〜千分の一しかなく、こ
のためコリオリ成分を分離するのは容易ではなく、誤差
発生の大きな要因となっている。

【００１２】そこで、本発明は、振動系が両持ち梁の曲
管を用いていながら、軸対称構造をとることにより、並
進振動成分を打ち消し、振動絶縁性を高めて、安定性と
耐振性に優れたコリオリ質量流量計を得ることを目的と
する。

【００１３】さらに、中心部で剪断歪を検出することに
より、励振振動成分を抑え、コリオリ振動成分を優先し
て検出するようにして、信号処理を容易とし、ＳＮ比の
良い安定なコリオリ質量流量計を得ることを目的とす
る。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は、以上の目的を
達成するための主な構成として、測定流体が流れる一対
の支持チューブの各一端は各々同一軸上に並ぶように各
固定端に固定され、一方の先の支持チューブの他端は一
対の振動チューブにより先の軸から互に離れる方向に各
々分岐されてループを描いて他方の先の支持チューブの
他端に連通して結合され、先の各振動チューブは加振手
段により各支持チューブと各振動チューブで形成される
平面に垂直方向に加振され、歪検出プレートは先の各支
持チューブの分岐点の間に固定されて先の測定流体によ
ってこの歪検出プレートに生じる歪或いは応力を歪ゲー
ジにより第１信号として検出する検出手段を具備するコ
リオリ質量流量計。

【００１５】

【作用】先ず、支持チューブから分岐されて結合され
た一対の振動チューブが、加振手段により各支持チュー
ブと各振動チューブで形成される平面に垂直方向に、加
振された状態にする。

【００１６】この状態で、支持チューブに測定流体が流
れると、この測定流体は分岐部で左右の振動チューブに
分岐して流れ、振動チューブに発生するコリオリ力によ
り分岐部に設けられた歪検出プレートの上流側と下流側
に互に逆方向の回転力が加わる。

【００１７】そこで、歪検出プレートには“ねじれ”が
生じ、ここに剪断歪或いは剪断応力が発生するので、こ
の歪検出プレートに設けられた歪ゲージにより、この剪
断歪或いは剪断応力に対応する第１信号に変換する。

【００１８】

【実施例】以下、本発明の実施例について図を用いて説
明する。図１は本発明の１実施例を示す平面図である。
なお、説明の都合上、紙面に対して左右方向をＸ軸、上
下方向をＹ軸、紙面に垂直方向をＺ軸として、以下の説
明をする。

【００１９】１１、１２は振動系の固定端であり、質量
流量計のボデイに固定される。これらの固定端１１、１
２には測定流体が内部を流れる支持チューブ１３、１４
の一端が固定されている。そして、これらの支持チュー
ブ１３、１４は同一軸上（Ｙ軸方向）になるように配置
される。

【００２０】この支持チューブ１３の他端は、Ｃ形の形
状をした振動チューブ１６、１７の各一端が連通して左
右に分岐され、これらの他端は支持チューブ１４の他端
に連通して結合されている。そして、これらの振動チュ
ーブ１６、１７は支持チューブ１３、１４と同一の平面
（ＸＹ平面）上になるように配置される。

【００２１】これらの支持チューブ１３から振動チュー
ブ１６、１７へＴ字状に分岐される分岐点Ｘ₁と、支持
チューブ１４から振動チューブ１６、１７に分岐される
Ｔ字状の分岐点Ｘ₂との間には歪検出プレート１５が固
定されている。

【００２２】この歪検出プレート１５の上には図２で詳
細に説明する歪ゲージ２０が配置され、コリオリ信号を
第１信号ｅ_Cとして、励振成分を第２信号ｅ_mとしてそれ
ぞれ検出する。さらに、振動チューブ１６、１７の各中
央部には、Ｚ軸方向に単振動運動をする形態で加振する
加振装置１８、１９が設けられている。

【００２３】測定流体は、例えば支持チューブ１３から
流入し、Ｔ字状の分岐点Ｘ₁で振動チューブ１６、１７
に分岐されて流れ、Ｔ字状の分岐点Ｘ₂で合流して支持
チューブ１４を介して流出する。

【００２４】図２は図１に示す歪検出プレート１５の具
体的な配置を示す配置図である。図２（ａ）はＸＹ平面
に１個の歪検出プレート１５Ａを設けた場合であり、図
２（ｂ）はＹＺ平面に歪検出プレート１５Ｂを設けた場
合であり、図２（ｃ）はＸＹ平面上で支持チューブ１
３、１４に対して左右に２つに分割して歪検出プレート
１５Ｃ₁、１５Ｃ₂を設けた場合をそれぞれ示している。

【００２５】歪検出プレート１５Ａには、Ｘ軸に対して
±４５度傾けて配置され歪検出プレート１５Ａにコリオ
リ力により発生する剪断歪或いは剪断応力を第１信号ｅ
_Cとして検出するための歪ゲージＡ、Ｃと、Ｘ軸或いは
Ｙ軸に並行の方向で加振装置１８、１９によってＺ軸方
向に加振されて生じる伸縮歪により励振成分を第２信号
ｅ_mとして検出するための歪ゲージＢがそれぞれ配置さ
れている。

【００２６】また、歪検出プレート１５Ｂには、Ｚ軸に
対して±４５度傾けて配置され歪検出プレート１５Ｂに
コリオリ力により発生する剪断歪或いは剪断応力を第１
信号ｅ_Cとして検出するための歪ゲージＡ、Ｃが配置さ
れている。この場合は加振装置１８、１９にＺ方向に加
振されて生じる伸縮歪により励振成分を第２信号ｅ_mと
して検出する検出ゲージＢなどの検出手段を設ける。

【００２７】さらに、歪検出プレート１５Ｃ₁、１５Ｃ₂
には、Ｘ軸に対して±４５度傾けて配置され歪検出プレ
ート１５Ｃ₁、１５Ｃ₂にコリオリ力により発生する剪断
歪或いは剪断応力を第１信号ｅ_Cとして検出するための
歪ゲージＡ、Ｃと歪ゲージＡ´、Ｃ´が、Ｘ軸或いはＹ
軸に並行の方向で加振装置１８、１９によってＺ軸方向
に加振されて生じる伸縮歪により励振成分を第２信号ｅ
_mとして検出するための歪ゲージＢ、Ｂ´がそれぞれ配
置されている。

【００２８】次に、以上のように構成された質量流量計
の動作について図３に示す説明図を用いて説明する。図
３（ａ）は測定流体が流れていないときの励振状態を、
図３（ｂ）は励振状態で測定流体が流れて発生するコリ
オリ力の作用する様子をそれぞれ示している。

【００２９】図３において、実線は振動系の基準位置で
あり、点線はある時点での振動チューブ１６、１７の変
形状態を示している。矢印は振動の方向を示しており、
特に支持チューブ１３、１４では軸のねじれ方向を示し
ている。そして、ある瞬間の励振振動の方向は実線矢印
ｍで、そのときに発生するコリオリ力は点線矢印ｃで示
してある。

【００３０】図３に示すように、支持チューブ１３から
測定流体が流入し、左右の振動チューブ１６、１７を介
して支持チューブ１４から流出する場合には、各振動チ
ューブ１６、１７のＹ軸方向に離間したチューブの腕部
分（上流側と下流側）では互に反対方向に変位され、さ
らに振動チューブ１６と１７のこれ等の腕部分では支持
チューブ１３と１４を結ぶ軸に対して互に反対のコリオ
リ力を受けるので、歪検出プレート１５は“ねじれ”て
剪断歪或いは剪断応力が発生する。

【００３１】この“ねじれ”に起因して歪検出プレート
１５（１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃ₁、１５Ｃ₂）に発生する
剪断歪或いは剪断応力を第１信号として歪ゲージ２０な
どで検出する

【００３２】この場合に、図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）
に示す歪ゲージの配置では、歪検出プレート１５の支持
チューブ１３、１４を結ぶ中央部では、軸対称な振動系
であるので、励振振動により剪断歪は発生しない。特
に、図２（ｂ）の歪ゲージの配置では、あらゆる歪が発
生しない。

【００３３】しかし、製造上のわずかな非対称性の問題
から、或いは故意に、これ等の成分が混合された混合信
号として検出し、後述する変換回路により分離してコリ
オリ成分を検出することもできる。

【００３４】図４は図１に示すセンサ部２１からの信号
を処理する信号処理部２２の構成を示すブロック図であ
る。なお、以下の信号処理は第２信号で第１信号を割算
する構成として説明するが、第１信号のみで信号処理を
する場合は、必ずしも割算は必要としない。

【００３５】センサ部２１からは、第１信号（コリオリ
信号を含む信号）ｅ_cと第２信号（励振信号）ｅ_mとがそ
れぞれ信号処理部２２の前置増幅器２３、２４に出力さ
れる。

【００３６】前置増幅器２４から出力された励振信号ｅ
_m1は、駆動回路２５に入力され、ここで増幅されて駆動
電流を励振装置１８、１９に流す。この結果は、第２信
号ｅ _mに反映され、前置増幅器２４に出力される。これ
が繰り返されて、一定振幅の共振周波数で振動チューブ
１６、１７が上下に振動される。

【００３７】また、この前置増幅器２４で増幅された励
振信号ｅ_m1は、フエーズロックドループ回路（ＰＬＬ回
路）２６に入力され、ここで位相が９０度ずれたタイミ
ング信号ｅ_T1として生成される。

【００３８】第１信号ｅ_cが前置増幅器２３で増幅され
て出力されたコリオリ信号ｅ_c1は同期整流回路２７に入
力され、ここでタイミング信号ｅ_T1を用いて同期整流さ
れてコリオリ信号ｅ_c2として分離出力される。

【００３９】さらに、第２信号ｅ_mが前置増幅器２４で
増幅されて出力された励振信号ｅ_m1は、実効値回路２８
に出力され、ここで励振信号ｅ_m1の実効値が演算されて
励振信号ｅ_m2として出力される。割算回路２９は、コリ
オリ信号ｅ_c2を励振信号ｅ_m2で割算して、振動チューブ
１６、１７の振動振幅の変動を除去し、測定流体の質量
流量Ｑに比例した流量信号ｅ_f1として出力する。

【００４０】図５は図１に示すセンサ部２１からの信号
を処理する他の信号処理部３０の構成を示すブロック図
である。以下の説明においては、図４に示す構成要素と
同一の機能を行う部分に付いては同一の番号を付して適
宜にその説明を省略する。

【００４１】センサ部２１からは、第１信号ｅ_cと第２
信号ｅ_mがそれぞれ信号処理部３０の前置増幅器２３、
２４に出力される。前置増幅器２４で増幅された励振信
号ｅ_m1は、ＰＬＬ回路２６に入力され、ここで位相が９
０度ずれたタイミング信号ｅ_T1と同相のタイミング信号
ｅ_T2を生成する。

【００４２】コリオリ信号ｅ_c1は同期整流回路３１に入
力され、これをタイミング信号ｅ_T1とｅ_T2を用いて同期
整流してコリオリ信号ｅ_c3と励振信号ｅ_m3とを分離して
割算回路２９に出力する。

【００４３】割算回路２９は、コリオリ信号ｅ_c3を励振
信号ｅ_m3で割算して、振動チューブ１６、１７の振動振
幅の変動を除去し、測定流体の質量流量Ｑに比例した流
量信号ｅ_f2として出力する。

【００４４】なお、今までの説明では、信号を検出する
検出ゲージとして、歪ゲージを主体として説明したが、
これに限られることはなく、例えば圧電素子を検出ゲー
ジとして用いて応力を検出するようにしても良い。この
励振振動は、２つの固定端１１、１２を結ぶ固定軸を中
心に軸対称な振動を行うので、振動系全体の並進運動成
分は打ち消される。

【００４５】

【発明の効果】以上、実施例と共に具体的に説明したよ
うに本発明によれば、以下に説明する各種の効果があ
る。請求項１に記載された発明では、２つの固定端を結ぶ
固定軸を中心に軸対称な振動を行うので、振動系全体の
並進運動成分は打ち消され、外部との振動絶縁性が向上
し、効率良く安定した振動を継続することができ、外部
からの振動ノイズの影響も低減される。

【００４６】また、励振振動成分を抑えてコリオリ振動
成分を優先して検出できるので、信号処理が簡単にな
り、ＳＮ比が良く、簡単な回路で高精度、高安定な検出
ができる。理想的には、励振振動成分はゼロになりコリ
オリ振動成分のみを検出することができる。

【００４７】通常、１本式チューブで変位計測をすると
きは、ある基準点、例えばボデイとチューブとの相対変
位を測定するので、チューブの振動だけでなく、変位セ
ンサーの取付台（基準位置）の位置変動の影響を受け
る。これに対して本発明による歪検出プレートによる歪
測定では、チューブ振動の絶対的歪ないし変位の測定が
できるので、外部振動に対して安定である。

【００４８】さらに、従来のコリオリ式流量計では、測
定点のあらゆる振動に対して反応するので、必要な振動
である励振モードとコリオリモードの振動以外のノイズ
を検出するが、この発明によるコリオリ式流量計では、
特定の振動モードに対してのみ感度があるので、耐振性
が良い。

【００４９】請求項３、５に係る発明では、検出セン
サとして歪ゲージを１個所にまとめることができるの
で、構造をシンプルに出来るばかりではなく、歪ゲージ
の位置による温度条件のバラツキをなくすことができ、
温度変動に対して安定な流量計が構成できる。

【００５０】請求項４に係る発明では、励振振動によ
る歪は発生しない。従来の剪断歪検出方式では同時に曲
げ歪或いは伸縮歪が発生することは避けられず、如何し
てもコリオリ成分と同程度の励振成分が混入したが、こ
の発明では励振成分の混入を大幅に低減させることがで
きる。

【００５１】請求項５に係る発明では、歪検出プレー
トを２枚に分割して配置しており固定端と固定端を構造
物で直接的に結合しないので、チューブがたわんで熱膨
張を吸収することができる。したがって、温度特性が良
好で広い温度範囲で使用できる。

【００５２】請求項６に記載された発明によれば、第
１信号に含まれるコリオリ成分を励振成分を用いて割算
をする構成としたので、励振電圧の影響を除去すること
ができる。

【００５３】請求項７に記載された発明によれば、第
１信号に含まれるコリオリ成分と励振成分を用いてこれ
らの割算をする構成としたので、歪ゲージの温度特性は
キャンセルされて温度に対して安定な特性をもつコリオ
リ質量流量計が実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１実施例の構成を示す構成図である。

【図２】図１に示す歪検出プレートの具体的な配置を示
す配置図である。

【図３】図１に示す実施例の動作を説明する説明図であ
る。

【図４】図１に示すセンサ部と接続される信号処理部の
構成を示すブロック図である。

【図５】図１に示す信号処理部の他の実施例の構成を示
すブロック図である。

【図６】従来の第１のコリオリ質量流量計の構成を示す
概念図である。

【図７】図６に示すコリオリ質量流量計の動作を説明す
る説明図である。

【図８】従来の第２のコリオリ質量流量計の構成を示す
斜視図である。

【符号の説明】

１１、１２固定端１３、１４支持チューブ１５、１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃ₁、１５Ｃ₂ 歪検出プレ
ート１６、１７振動チューブ１８、１９加振装置２０歪ゲージ２１センサ部２３、２４前置増幅器２５駆動回路２７、３１同期整流回路２９割算回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者御厨健太東京都武蔵野市中町２丁目９番32号横河電機株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】測定流体が流れる一対の支持チューブの各
一端は各々同一軸上に並ぶように各固定端に固定され、
一方の前記支持チューブの他端は一対の振動チューブに
より前記軸から互に離れる方向に各々分岐されてループ
を描いて他方の前記支持チューブの他端に連通して結合
され、前記各振動チューブは加振手段により各支持チュ
ーブと各振動チューブで形成される平面に垂直方向に加
振され、歪検出プレートは前記各支持チューブの分岐点
の間に固定されて前記測定流体によってこの歪検出プレ
ートに生じる歪或いは応力を歪ゲージにより第１信号と
して検出することを特徴とするコリオリ質量流量計。
【請求項２】前記加振手段により発生する励振信号を前
記歪検出プレート或いは加振手段により第２信号として
検出する検出手段を具備する請求項１に記載のコリオリ
質量流量計。
【請求項３】歪検出プレートは前記平面と同一面上に配
置されたことを特徴とする請求項１に記載されたコリオ
リ質量流量計。
【請求項４】歪検出プレートは前記平面に対して垂直な
平面に配置されたことを特徴とする請求項１に記載され
たコリオリ質量流量計。
【請求項５】前記歪検出プレートは前記平面と同一平面
上であって前記軸に対して一対の前記振動チューブ側に
２つに分割配置されたことを特徴とする請求項３に記載
されたコリオリ質量流量計。
【請求項６】前記第２信号をパルス整形し９０度位相の
ずれたタイミング信号を生成する第１フエーズロックド
ループ回路と、前記第１信号を前記タイミング信号を用
いて同期整流する第１同期整流手段と、前記第２信号の
実効値を演算する実効値演算手段とを具備し、前記同期
整流手段の出力を前記実効値で割算して質量流量を得る
請求項２又は３又は４又は５に記載されたコリオリ質量
流量計。
【請求項７】前記第２信号をパルス整形し９０度位相の
ずれた９０度タイミング信号と前記第２信号に同相の同
相タイミング信号を生成する第２フエーズロックドルー
プ回路と、前記第１信号を前記９０度タイミング信号を
用いてコリオリ信号成分に前記第１信号を前記同相タイ
ミング信号を用いて励振信号成分にそれぞれ同期整流し
て分離する第２同期整流手段と、前記コリオリ信号成分
を前記励振信号成分で割算して質量流量を算出する割算
手段とを具備する請求項２又は３又は４又は５に記載さ
れたコリオリ質量流量計。