JPH0692901B2

JPH0692901B2 - コリオリ原理で作動する質量流量計

Info

Publication number: JPH0692901B2
Application number: JP2187827A
Authority: JP
Inventors: マックスハンセンヘニング; ブルフフォスフランドス
Original assignee: ダンフォスアクチェセルスカベト
Priority date: 1989-07-14
Filing date: 1990-07-16
Publication date: 1994-11-16
Anticipated expiration: 2009-11-16
Also published as: US5069075A; DE3923409C2; GB2234591B; JPH0353131A; DK155990A; CA2019439A1; DK155990D0; DE3923409A1; CA2019439C; CH680388A5; GB9015357D0; GB2234591A; NL9001505A; NL191617C; NL191617B

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、少くとも１つの測定管、測定管に結合され、
振動励起器または振動検出器の形を有する少くとも２つ
のエネルギ変換器、およびエネルギ変換器の信号を用い
て質量流量を求める評価回路を備えたコリオリ原理で作
動する質量流量計に関するものである。

（従来の技術）このような質量流量計としては多くの形式のものが知ら
れており、例えばヨーロッパ出願公開第0282217はかか
る形式の質量流量計を開示している。これらは、共振周
波数で振動するように作られた測定管が、質量流量によ
ってさらに変形され、第１の測定管セクションの遅れ
と、第２の測定管セクションの進みを招くという原理に
基づいている。この位相ずれが質量流量の直接の測定値
となる。

従来は、測定管は、真直な管セクションを備えており、
その両端に接続フランジが設けられ、両端間に、弾性の
ベローズが設けられている。管の中央部は、振動励起器
に結合され、これが、中心に置かれた振動検出器によ
り、測定管をその共振周波数で振動させる。この前後に
は、それぞれ別の振動検出器が置かれ、これが正または
負の位相ずれを検出し、これによって位相差が算出可能
とされている。

この測定装置は、管に流量がないときにも、ゼロとは異
なるある位相差を有している。その原因は、クランプ
力、異なる温度応力、管材料または流量媒体の不均一
性、検出回路あるいはこれに関連する回路における位相
誤差などがあるためである。従って、流量がなくても現
れる位相差を流量計が組み込まれた後に測定し、引き続
いて行われる流量測定を対応するキャリブレーションに
よって補正する必要がある。さらに、所定の測定精度が
要求される時は、キャリブレーションを定期的にチェッ
クすることも必要である。

また、振動検出器の出力信号の単一積分または多重積分
による極めて特殊な評価回路を用いて、上記のような手
動による誤差補償を省く方法も、米国特許第4422338号
によって知られている。この場合には、測定管は、実質
的にＵ字形をしており、従って結合フランジは１つの面
内にある。こうすることにより、クランプ力の影響を低
減することが可能になる。しかしながら、この装置はか
なり複雑な構造になってしまう。

また、西独特許第3438976号によれば、超音波流量計も
知られており、この場合には、斜めに伸びた測定パスを
挟む２つのエネルギ変換器が管壁の両側に、かつ互い軸
方向にずらされて設けられている。２つのエネルギ変換
器は交互に、超音波発生器および超音波受信器として用
いられる。超音波の走行期間は先ず１つの方向で測定さ
れ、次に反対方向で測定される。流量値は２つの走行時
間とそれらの差とから求められる（相反原理）。ゼロ点
からの偏奇は、抑制される。しかしながら、この場合の
１つの不利点は、測定が流量プロフイルに依存すること
であり、このため測定すべき各媒体を考慮したキャリブ
レーションを行う必要がある。

（発明が解決しようとする課題）本発明の目的は、ゼロ点からの偏奇あるいは流量プロフ
イルの何れの理由からのキャリブレーションも必要とし
ないコリオリ原理で作動する質量流量計を提供すること
にある。

（課題を解決するための手段と作用）本発明によれば、かかる課題は、流れと同一方向および
反対方向に測定管に沿って進行する波動が発生され、流
れと同一方向および反対方向の進行速度が求める少くと
も１つの測定パスが設けられ、かつ、評価回路が、２つ
の異る進行速度を利用して質量流量を決定することによ
って解決される。

この構成は、同心周波数の進行波の伝搬速度が、流量の
ある測定管ではコリオリ力のために一定ではなく、質量
流量および進行方向に依存するという知見に基づいてい
る。進行速度を両方向で計算に入れることによって、ゼ
ロ点からの偏奇を実質的に抑制することができる。これ
によって、流量プロフイルに無関係というコリオリ原理
の利点、およびゼロ点からの偏奇がないという超音波測
定方式の利点が、それらの不利益を生じさせることな
く、得ることができる。本発明は特に、きわめて簡単な
構造の流量計、例えば、真直な測定管を有する流量計に
適しており、従来は、通常の測定中に、著しくゼロ点か
らの偏奇を有するが、本発明ではこのゼロからの偏奇を
なくすことが可能になる。

本発明の特に簡単な実施態様では、流れと同一方向およ
び反対方向の波動の進行時間を測定する１つ、または２
つの実質的に同じ形状の測定パスが設けられ、評価回路
が進行時間の差を演算処理する。従って速度測定は、純
粋な進行時間の測定にまで減少することができる。

交互に、振動励起器および振動検出器として駆動される
２つのエネルギ変換器により画された測定パスを設ける
ことは特に有利である。これによって、最小限の構成コ
ストで、一方の進行方向と反対の進行方向に対する測定
を同じ条件で行うことが可能となる。相反の原理はこの
場合にも十分に適用でき、特に良好な結果が得られる。

同様な結果は、両端がそれぞれ交互に一対として動作す
る振動励起器と振動検出器で挟まれた測定パスを設ける
ことによって得られる。

しかしながら、ほぼ同じものであれば、２つの測定パス
を設けてもよい。この場合は、共通の振動励起器を有す
ると共に、両端にそれぞれ振動検出器を有する測定パス
を設けることが特に好ましい。共通の振動励起器を設け
ることにより、特別な付加手段を必要とすることなく、
両方向に同じ周波数の進行波を発生することが可能とな
る。

振動励起器としては、測定管を、狭いバンド幅の短い振
動列を用いて励起することが特に有利である。少ない振
動による励起が進行波を発生させるのに十分である。狭
いバンド幅を用いると、進行速度が周波数に依存する励
起、例えば、曲げ振動の場合でも、きわめて精密な測定
結果が得られる。このような依存性がない場合には、広
いバンド幅のパルスでも振動の励起に用いることができ
る。

とくに、振動列は、ガウス関数に対応する包絡線内の少
数の正弦波振動からなるようにしてもよい。矩形パルス
に比して、このベル曲線と正弦波関数との積は、極めて
狭いバンド幅の励起を可能にする。

振動励起器としては、測定管を実質的に、進行時間の測
定が、測定管をクランプしている点における進行波の反
射が、振動検出器に到着する前に行われるような高い周
波数で励起することも、また有利である。周波数を高め
る程、振動検出器が進行波のスタートゾーンを、反射に
よって検出が妨げられる前に、時間を正確に決定するの
に十分に、検出し得る可能性が高くなる。

振動検出器が、進行時間を測定するために、進行波のゼ
ロ点の通過を所定のように決定するようにすると、特に
正確な測定をおこなうことができる。それは、特定方向
のゼロ点を通過する第１または第２の通過でもよく、そ
れは、高い精度で決定することができる。対応する励起
周波数を選択することにより、このゼロ点の通過は、反
射による妨害が生ずる前に検出することが可能となる。

これに関連して、測定パスは、振動励起器から遠い振動
検出器の側に、測定管上で作動する振動ダンパと共に結
合されることが望ましい。振動ダンパを設けることによ
って、戻ってくる反射は、測定結果に影響をあたえない
無害の大きさにまで低減することができる。

振動励起器が、測定管を、実質的に、進行波の波長が測
定管の直径よりも実質的に大きくなる波長で励起するこ
とが好ましい。これによって、よく限定された、従って
検出の容易な波動を得ることができる。

本発明の好ましい一実施態様では、振動励起器の励起周
波数用の調整回路が設けられ、これが測定管に沿った進
行波の波長を一定に保持する。この状態では、流量方向
と同一方向および反対方向の波動の進行時間の差が質量
流量に比例するようになる。

また好ましい一実施態様では、到着時間の所望値からの
偏差を積分する積分器を含む調整回路、積分結果をサイ
クル周波数に変換する電圧制御発振器、およびD/A変換
器が後に接続され、サイクル周波数で作動するカウンタ
により読取り可能であり、かつ振動励起器を励起する電
圧を形成するメモリが設けられている。到着時間の所望
値からの各偏差はサイクル周波数の変化、従って振動励
起器の励起周波数の変化をもたらし、これが元の状態に
復帰するまで続けられる。

（実施例）以下、添付図面に基づいて、本発明の実施例につき、詳
細に説明を加える。

第１図は、本発明の実施例に係る質量流量計のダイアグ
ラムである。

第１図は、その両端にフランジ２および３を有し、これ
によって管回路内に挿入可能に構成された真直な測定管
１を示している。ここに、測定パスA1はそれぞれのエネ
ルギ変換器４および５で区切られている。この２つのエ
ネルギ変換器４、５は、それぞれ、振動励起器Ｓおよび
振動検出器Ｍとして操作される。また測定パスA1と、終
端フランジ２または３との間には、それぞれ、ダンピン
グ装置６または７は設けられている。

第２図の実施例では、測定パスA2の両端には、２組のエ
ネルギ変換器９、10、11および12、すなわち２つの振動
励起器Ｓと２つの振動検出器Ｍが設けられている。この
うち、９、12の対および10、11の対が交互に操作され
る。

第３図の実施例においては、測定パスが２つあり、測定
パスB1は送信器Ｓの形のエネルギ変換器13と振動検出器
Ｍの形のエネルギ変換器14で区切られ、測定パスC1は、
振動励起器Ｓの形のエネルギ変換器15と振動検出器Ｍの
形のエネルギ変換器16で区切られている。

第４図の実施例においては、第３図の実施例と同様に、
２つの測定パスB2、C2が設けられ、それそれ、エネルギ
変換器17、18、19および20を備えている。第３図との差
は、振動励起器Ｓと振動検出器Ｍの位置が入れ換ってい
ることである。

第５図の実施例では、２つの測定パスB3およびC3が設け
られ、この２つの測定パスは互いに直接に隣接してい
る。中央には、エネルギ変換器21が振動励起器Ｓの形で
存在する。また、エネルギ変換器21から同じ間隔をもっ
て、２つのエネルギ変換器22および23が振動検出器Ｍの
形で設けられている。

振動発生器は測定管１を励起して、曲げ振動、変位振
動、ねじれ振動、あるいは他の形式の振動を進行波とし
発生させることができる。この場合、進行波の伝搬送度
は、管の剛性および質量、さらには流体の密度だけでな
く、流体の質量流量およびその方向に依存するという事
実が利用される。従って本発明の原理は、このような波
動の伝搬を妨害しない測定管のすべてに対して適用でき
る。測定すべき媒体が圧縮性のものである場合には、圧
縮性が測定結果に有害な影響をあたえないような振動励
起を選択する必要がある。

振動を励起することは、広いバンド幅の電圧パルスによ
り可能である。しかしながら、進行速度は多くの場合、
周波数に依存するので、ある一定の周波数あるいは狭い
バンド幅の短い振動列で励起を生じさせることによっ
て、より精密な測定をおこなうことができる。このよう
な振動列は、少数の正弦波振動、例えば３個または４個
の正弦波振動を、ガウス関数またはベル曲線に相当する
包絡線内で用いることにより得られる。周波数は、一方
では、進行波が測定管の直径よりはるかに大きな波長で
発生するような低い値に、他方では、到着時間を正確に
決定するのに必要なゼロ点通過が、クランプ用のフラン
ジ２および３で反射された波動セクションによる重畳の
前に、振動検出器に達するような高い値に、所望に従っ
て選択される。励起器および評価回路24は、進行波の励
起の開始と振動検出器Ｍへの到着との間の進行時間を求
め、この値から質量流量を決定する。次の励起は、測定
管１が再度、休止状態に達してから行うことが必要であ
る。

振動励起器Ｓは、電磁式、静電式、圧電式、液圧式、磁
気式、磁歪式、加熱式、その他の各種の公知の方法によ
り、操作可能である。一般的に、振動励起器の一部は測
定管に取付けられ、第２の部分は第２の測定管に取付け
られるか、またはハウジングに対して固定される。

振動検出器Ｍは、同様に、２つの部分から構成され、測
定管の位置、速度、または加速度に応答する。得られた
信号から、進行波のスタートセクション、例えばゼロ点
を通過する所定のポジティブ経路を求めることができ
る。

振動検出器Ｍは光学式、圧電式、電磁式、磁歪式、静電
式などストレーンゲージと同じような形式で、あるいは
他の種々な公知の方法で操作できる。

振動ダンパ装置６および７は、例えば、波形管を用いる
ことができる。

すべての例で、流量方向はＸであると仮定する。

第１図の実施例の動作では、先ず測定管１がエネルギ変
換器４によって振動させられる。これによって流量のＸ
方向に生じた波動の進行時間はエネルギ変換器５により
求められる。このエネルギ変換器５は、次の振動励起器
Ｓとして用いられ、反対方向の波の進行時間はエネルギ
変換器４によって求められる。上記２つの進行時間の差
は、同時に進行速度の差を示す尺度でもあり、励起およ
び評価回路24で演算処理される。

すなわち、次式が成立する。

Ｑ_ｍ＝Ｖ_ｘ×Ｍ_ｕ＝Dt×ω^２×Ｔ_ｔ−×Ｔ_ｔ＋×Ｅ×I/L³ ここにＱ＝質量流量Ｖ_Ｘ＝流体速度Ｍ_ｕ＝流体質量 ω ＝励起周波数、すなわち回路周波数Ｔ_ｔ＋＝測定パスに沿った流量方向Ｘの波動進行時間Ｔ_ｔ−＝測定パスに沿った流量方向Ｘと反対方向の波動
進行時間Ｄ_ｔ＝差Ｔ_ｔ−−Ｔ_ｔ＋Ｅ＝弾性率Ｉ＝弾性能率Ｌ＝測定パスの長さである。

質量流量が無いときに得られる進行時間Ｔ_ｔは（Ｔ_ｔ−
＋Ｔ_ｔ＋）/2から計算される。周波数は容易にわかり、
また他のパラメータは一定であるので、質量流量は容易
に計算可能である（Ｔ_ｔ−×ω）または（Ｔ_ｔ−×Ｔ_ｔ＋×ω^２）を一定
に保持することができれば、質量流量は進行時間の差Ｄ
_ｔだけに依存することになる。これは、励起器および評
価回路24内の調整回路25によって、管内の波長を一定に
保持することによって可能である。例えば、進行時間が
変化した場合は、その変更係数を求め、この変更係数で
周波数を割ればよい。これは、例えば、閉ループを用い
て達成できる。第６図に、その一例が示されている。

第２図の実施例も、２対のエネルギ変換器９および12、
または11および10が交互に作動するので、同様な動作を
行う。この場合も、波動の進行時間が同じ測定パスA2上
で、流量方向Ｘと同一方向および反対方向について交互
に測定される。

第３図の実施例では、測定パスB1が流量方向Ｘの進行時
間の測定に用いられ、測定パスC1はＸと反対方向の進行
時間の測定に用いられる。測定は交互に、あるいは同時
に行われる。

第４図の実施例では、測定パスB2が流量方向Ｘと反対方
向の進行時間の測定に用いられ、測定パスC2が流量方向
Ｘの進行時間の測定に用いられる。この場合も、測定
は、交互にあるいは同時に行われる。

第５図の実施例では、測定パスB3が流量方向Ｘと反対方
向の進行時間の測定に用いられ、測定パスC3が流量方向
Ｘの進行時間の測定に用いられる。この場合も、測定パ
スは交互に、あるいは同時に用いられる。

すべての場合に、条件は第１図について説明した場合と
同じである。しかしながら、測定精度は少し低くなり、
これは交互作用条件が必ずしも正確には満足されず、近
似的なものとなるからである。

図面では真直な測定管のみを示しているが、異なる形状
の各種の測定管を用いることも可能であり、特にＬ字形
およびループ状管は使用可能である。唯一の前提条件
は、進行波の伝搬を妨げないということのみである。

第６図は、調整回路25を内蔵した励起器および評価回路
24の一実施例を示している。すなわち、２つのエネルギ
変換器４および５は、切換スイッチ26を介して、励起用
送信回路S1および検出用受信回路M1に交互に接続され
る。この操作手順はロジック回路27によって制御され
る。これはまた、出力28への特定の到着時間（所望値）
を設定する。検出器29はこの所望値を、受信回路M1で求
められた現在値と比較する。その偏差は積分器Ｉで積分
される。積分結果は電圧制御発振器VCOで、電圧に比例
した周波数に変換される。この周波数はカウンタ30用の
サイクル周波数となり、カウンタは、一方ではロジック
回路27を制御すると共に、他方では、メモリ31（Prom）
からディジタル値を呼び出し、これをディジタル／アナ
ログ変換器DACを介して電圧に変換する。送信回路S1を
介して振動発生器を励起するときは、ベル形の包絡線内
に３個または４個の正弦波振動を発生するカウンタラン
用いられる。進行時間が、所望値に比して高すぎると、
VCOのサイクル周波数、従って励起周波数が下り、また
進行時間が低すぎると、サイクル周波数は上昇する。

これによって、進行時間Ｔ_ｔと周波数ωとの種は一定に
保持される。従って質量流量は進行時間の差だけに依存
するようになる。

これを求めるため、ロジック回路27で設定した所望値と
検出器29で求めた偏差とを時間尺度が発振器33で固定さ
れた時間測定回路32に入力される。流量方向およびその
反対方向について求められた進行時間は、その都度、マ
イクロコンピュータ34で評価される。その演算結果は、
ディスプレイやプリンタなどの出力装置35で検出され
る。

（発明の効果）本発明によれば、ゼロ点からの偏奇あるいは流量プロフ
イルの何れの理由からのキャリブレーションも必要とし
ないコリオリ原理で作動する質量流量計を提供すること
が可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施例に係る質量流量計のダイアグ
ラム、第２図ないし第５図は、それぞれ本発明の他の実
施例に質量流量計のダイアグラムであり、第６図は本発
明で用いられる励起器および評価回路の一実施例を示す
ブロックダイアグラムである。１……測定管２、３……終端フランジ４、５、９〜23……エネルギ変換器６、７……ダンピング装置 24……励起器および評価回路 25……調整回路 26……切換スイッチ 27……ロジック回路 28……出力 29……検出器 30……カウンタ 31……メモリ（Prom） 32……時間測定回路 33……発振器 34……マイクロコンピュータ 35……出力装置Ｓ……振動発生器 S1……励起用送信回路Ｍ……振動検出器 M1……検出用受信回路Ｉ……積分器 VCO……電圧制御発振器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少くとも１つの測定管、測定管に結合さ
れ、振動発生器または振動検出器の形の少くとも２つの
エネルギ変換器、およびエネルギ変換器の信号を用いて
質量流量を求める評価回路を備えたコリオリ原理で作動
する質量流量計において、流れ（Ｘ）と同一方向および
反対方向に、測定管（１）に沿って進行する波動が発生
され、流れと同一方向および反対方向の波動の進行速度
が求める少くとも１つの測定パス（A1;A2;B1,C1;B2,C2;
B3,C3）が設けられ、かつ、評価回路（24）が２つの異
る進行速度を利用して質量流量を決定することを特徴と
するコリオリ原理で作動する質量流量計。
【請求項２】流れ（Ｘ）と同一方向および反対方向に進
行する波動の進行時間が測定する１つ、または実質的に
同じ形状の２つの測定パス（A1;A2;B1,C1;B2,C2;B3,C
3）が設けられ、評価回路（24）が進行時間の差を演算
処理することを特徴とする請求項（１）に記載のコリオ
リ原理で作動する質量流量計。
【請求項３】交互に、振動励起器（Ｓ）および振動検出
器（Ｍ）として作動する２つのエネルギ変換器（４、
５）により画された測定パス（A1）が設けられたことを
特徴とする請求項（１）または（２）に記載のコリオリ
原理で作動する質量流量計。
【請求項４】両端がそれぞれ、１対として交互に作動す
る振動励起器（Ｓ）および振動検出器（Ｍ）で挟まれた
測定パス（A2）が設けられたことを特徴とする請求項
（１）または（２）に記載のコリオリ原理で作動する質
量流量計。
【請求項５】共通の振動発生器（Ｓ）を有すると共に、
量端にそれぞれ振動検出器（Ｍ）を有する２つの連続し
た測定パス（B3、C3）が設けられていることを特徴とす
る請求項（１）または（２）に記載のコリオリ原理で作
動する質量流量計。
【請求項６】振動発生器（Ｓ）が、測定管（１）を狭い
バンド幅をもった短い振動列によって励起することを特
徴とする請求項（１）ないし（５）のいずれか１項に記
載のコリオリ原理で作動する質量流量計。
【請求項７】振動列が、ガウス関数に対応する包絡線内
の少数の正弦波振動からなることを特徴とする請求項
（６）に記載のコリオリ原理で作動する質量流量計。
【請求項８】振動励起器（Ｓ）が、測定管（１）を実質
的に、進行時間の測定が、進行波の測定管のクランプ点
からの反射が振動検出器（Ｍ）に到着する前に行われる
ような高い周波数で励起することを特徴とする請求項
（１）ないし（７）のいずれか１項に記載のコリオリ原
理で作動する質量流量計。
【請求項９】振動検出器（Ｍ）が、進行時間の測定する
ために、進行波のゼロ点の通過を所定のように決定する
ことを特徴とする請求項（１）ないし（８）のいずれか
１項に記載のコリオリ原理で作動する質量流量計。
【請求項１０】測定管（１）上で作用する振動ダンパ
（６、７）が、振動検出器（Ｍ）の振動励起器（Ｓ）よ
り離れた側で、測定パス（A1）に結合されていることを
特徴とする請求項（１）ないし（９）のいずれか１項に
記載のコリオリ原理で作動する質量流量計。
【請求項１１】振動励起器（Ｓ）が、測定管（１）を実
質的に、進行波の波長が実質的に測定管（１）の直径よ
り大きくなるような周波数で励起することを特徴とする
請求項（１）ないし（10）のいずれか１項に記載のコリ
オリ原理で作動する質量流量計。
【請求項１２】振動励起器（Ｓ）の励起周波数を、測定
管（１）に沿って進行する波の波長を一定に保持するよ
うに制御する調整回路（25）を備えたことを特徴とする
請求項（１）ないし（11）のいずれか１項に記載のコリ
オリ原理で作動する質量流量計。
【請求項１３】調整回路（25）が、到着時間の所望値か
らの偏差を積分する積分器（Ｉ）と、積分結果をサイク
ル周波数に変換する電圧制御発振器（VCO）と、D/A変換
器（DAC）の前段に設けられ、振動励起器（Ｓ）を励起
する電圧を形成するために、前記サイクル周波数で動作
するカウンタ（30）を用いて読取り可能なメモリ（31）
を備えたことを特徴とする請求項（12）に記載のコリオ
リ原理で作動する質量流量計。