JPH07280614A - コリオリ流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 コリオリの力に比例する測定管の検出位置に
おける時間差を高感度で高い信頼度をもって計測する。 【構成】 測定管を駆動して得られた一方の検出器から
第１の端子（１）へ入力された基本周波数ｆの入力信号
を所定電圧レベルの正弦波信号に整形（２）後、Ｎ倍に
逓倍（３）し、Ｎ倍の正弦周波数信号に同期した三角波
信号（４）を作る。同様に、他方の検出器から出力さ
れ、第２の端子５へ入力された位相差をもった入力信号
をＮ逓倍した三角波信号（８）として出力する。位相の
異なったＮ逓倍された三角波を減算して基本周波数の位
相差φのＮ倍の位相差Ｎφの高さをもった台形波を作り
（９）、これに基本周波数の周期Ｔを乗算（１１）して
基本周波数の場合に求めた時間差に対し、Ｎ倍の時間差
を求める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、コリオリ流量計に関
し、より詳細には、測定管に作用する質量流量に比例し
たコリオリの力を、測定管の振動検出位置における検出
信号の時間差から求めるコリオリ流量計に関する。

【０００２】

【従来の技術】測定管を両端で支持し、支持された測定
管の中央部を管軸に垂直な方向に交番駆動している時、
流体が移動すると、測定管の中央部を中心として、測定
管の流入側と流出側との間に位相差が生ずる。この位相
差は、コリオリの力に基づくもので、質量流量に比例し
た値であり、前記位相差を検知して質量流量を計測する
コリオリ流量計は周知である。而して、前記位相差は、
測定管が静止しているとき、測定管の管軸を通る面を基
準面として、測定管に定められた２つの検出位置が基準
面を通過するときの検出位置間の時間差から測定され
る。従来、時間差は、測定管の流入側と流出側の対称位
置に取り付けられた測定管の変位検出器の信号を各々方
形波に波形整形し、整形された各々の方形波の立上げの
時間差の間で計数される一定周波数のクロックの数から
求めている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】前述のごとく、コリオ
リ流量計は、測定管を２点で支持し、支持された測定管
に対し支持点を節部として支持点まわりに所定周波数
（基本周波数）の振動を加え、この振動により測定管を
流れる流体に作用するコリオリの力を検出して質量流量
を求める質量流量計である。しかし、コリオリの力によ
り生ずる測定管の位相差信号は、測定管の駆動振幅に比
べて極めて小さい量である。従って、位相差信号に比例
して検知される時間差も極めて小さい。この時間差を高
い分解能で測定するためには、クロック周波数を大きく
する必要がある。しかし、コリオリ流量計は上下流の配
管の間に装着されるので配管による外部振動影響やノイ
ズ影響を受け易く、単に高い分解能をもつクロックを用
いたのでは安定した時間差測定は不可能である。

【０００４】本発明は、時間差測定のためにクロックを
用いることなく、ノイズ影響が少なく平均化された安定
した時間差を高感度で求めることを可能とする時間差検
出手段を有するコリオリ流量計を提供することを目的と
するものである。

【０００５】

【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、（１）流体が流れる測定管と、該測定管
を間隔を隔てた流れ方向の２点で支持する支持部材と、
前記測定管を前記支持部材まわりに基本周波数で駆動す
る駆動手段と、前記測定管の前記支持部材間対称な位置
において、該測定管の振動を検出する第１検出器および
第２検出器と、該第１検出器および第２検出器で検出さ
れた振動信号から基準時間軸上の時間差を検出し、該時
間差に比例して質量流量を求める時間差検出手段を有す
るコリオリ流量計において、前記時間差検出手段を、前
記第１検出器により検出された前記基本周波数の正弦波
信号をＮ逓倍する第１逓倍回路と、逓倍された正弦波信
号を該正弦波信号に同期した三角波信号に変換する第１
波形変換回路と、前記第２検出器により検出された前記
基本周波数の正弦波信号をＮ逓倍する第２逓倍回路と、
逓倍された正弦波信号を該正弦波信号に同期した三角波
信号に変換する第２波形変換回路と、前記第１波形変換
回路の出力から前記第２波形変換回路の出力を減算する
減算回路と、前記基本周波数の周期を計測する周期測定
回路と、計測された基本周波数の周期と前記減算回路の
出力とを乗算する乗算回路とで構成したことを特徴とす
るものである。

【０００６】

【作用】測定管に定められた２つの検出位置で検出され
た位相の異なる基本正弦波信号を、各々Ｎ倍の周波数の
正弦波信号に変換し、逓倍された正弦波信号を正弦波信
号に同期した三角波信号に変換する。位相の異なる三角
波信号は、減算され、基本正弦波信号で求めた位相差に
対し、Ｎ倍の位相差に比例した振幅をもつ台形波信号と
する。この台形波信号に基本正弦波信号の周期を乗算し
て時間差を求める。

【０００７】

【実施例】本発明によるコリオリ流量計を説明する前
に、まず基本的なコリオリ流量計の構造を説明する。図
４は、本発明に係るコリオリ流量計を説明するための基
本構造図であり、図中、２０はコリオリ流量計本体、２
１は基台、２２は測定管、２３，２４は支持部材、２５
は駆動手段、２６は第１検出器、２７は第２検出器であ
る。

【０００８】コリオリ流量計本体２０は、流体が流れる
測定管２２と、測定管２２を流れ方向に間隔Ｌを隔てた
２点で支持する基台２１に固着された第１支持部材２３
と第２支持部材２４と、支持された測定管２２の中央部
で測定管２２を軸Ｏ−Ｏと直角方向に所定の基本周波数
で駆動する駆動手段２５と、駆動手段２５の駆動により
コリオリの力により測定管２２に生ずる位相変位を検出
する第１検出器２６，第２検出器２７とからなってい
る。

【０００９】駆動手段２５は、例えば、測定管２２に固
着された磁性体２５ａと、磁性体２５ａと対向して基台
２１に固着されたコイル２５ｂとからなり、コイル２５
ｂに正弦波の駆動電流を印加することにより測定管２２
は、基本周波数で支持部材２３，２４まわりに矢印±ω
₁，ω₂方向に駆動される。

【００１０】第１，第２検出器２６，２７は同一の原理
構造をもった同一規格の磁石２６ａ，２７ａと、検出コ
イル２６ｂ，２７ｂとからなり、磁石２６ａ，２７ａは
測定管２２の流入口、流出口からの対称位置に固着さ
れ、検出コイル２６ｂ，２７ｂは基台２１に固着されて
いる。

【００１１】以上の構成からなるコリオリ流量計本体２
０を、駆動手段２５により基本周波数で正弦波駆動する
と、第１，第２検出器２６，２７には、測定管２２に作
用する質量流量ｍと基本周波数ｆのベクトル積に比例し
たコリオリの力による微小な位相差をもった正弦波信号
が検出される。流体が矢印Ｑ方向に流れて、測定管２２
が＋ω₁，＋ω₂方向に駆動されたとき、第１検出器２６
の正弦波信号は、第２検出器２７の正弦波信号に対し
て、コリオリの力に比例する位相遅れが生ずる。逆に、
−ω₁，−ω₂方向に駆動されたときは反対の位相遅れと
なる。

【００１２】本発明は、位相遅れ、すなわち位相差φを
時間差ΔＴとして検出するものであり、その原理につい
て説明する。第１検出器２６から出力される基本周波数
ｆ＝ω／２πの正弦波信号をｙ₁、第２検出器２７から
出力される正弦波信号をｙ₂とすると、 ｙ₁＝Ａ₁sin ωt （１） ｙ₂＝Ａ₂sin（ωt＋φ） （２） 但し、Ａ₁，Ａ₂は振幅、ωは駆動角速度、ｔは時間であ
る。

【００１３】（１）,（２）式を各々振幅で除算する
と、 sin ωt＝ｙ₁／Ａ₁ （３） sin（ωt＋φ）＝ｙ₂／Ａ₂ （４） （１）,（２）式で示した正弦波信号に同期した三角波
信号とするために、例えば、式（３）,（４）の逆正弦
関数をとると、 sin^-1（sin ωt）＝sin^-1（ｙ₁／Ａ₁）＝ωt （５） sin〔sin（ω＋φ）〕＝sin^-1（ｙ₂／Ａ₂）＝ωt＋φ （６）

【００１４】（５）,（６）式から φ＝sin^-1（ｙ₂／Ａ₂）−sin^-1（ｙ₁／Ａ₁） （７） 一方、正弦波信号の基本周波数をｆ（周期Ｔ）とする
と、正弦波信号ｙ₁とｙ₂との時間差ΔＴは ΔＴ＝（φ／２π）×（１／ｆ） ＝（φ／２π）×Ｔ （８） で与えられるから、（８）式に（７）式を代入すること
により、時間差ΔＴを求めることができる。また、同様
にｙ₁，ｙ₂の基本周波数に同期し、逓倍させた時の時間
差△Ｔ₁も△Ｔ₁＝△Ｔ＝（φ₁／２π）／Ｔ₁で与えられ
る。

【００１５】逆正弦関数は、正弦波信号に同期した三角
波となるが、（５）,（６）式で求められる三角波信号
のピーク値は小さい。この結果、（７）式で求められる
位相差φ信号のレベルも小さく、これを高精度で測定す
ることは困難である。

【００１６】このため、入力信号である（１）,（２）
式の基本周波数の正弦波信号ｙ₁，ｙ₂を入力信号に同期
したＮ逓倍の正弦波信号に変換すると、（８）式より、 ΔＴ＝（φ／２π）×Ｔ＝（φ₁／２π）×Ｔ₁ （９） 但し、Ｔ：入力信号（基本周波数）の周期 φ：入力正弦波信号ｙ₁，ｙ₂の位相差 Ｔ₁：Ｎ逓倍した正弦波信号の周期 φ₁：Ｎ逓倍した正弦波信号ｙ₁，ｙ₂の位相差 が得られる。ここで、 φ₁＝Ｎφ （１０） Ｔ＝ＮＴ₁ （１１） であるから、（９）式より時間遅れΔＴは、 ΔＴ＝（(φ₁／２π)×Ｔ）×１／Ｎ （１２） が得られ、Ｎ逓倍したときの位相差信号φ₁は、基本周
波数の場合の位相差信号φに対してＮ倍に拡大される。

【００１７】実施例１（請求項１に対応） 図１は、本発明によるコリオリ流量計の時間差検出回路
の一実施例を説明するためのブロック図であり、図中、
１,５は第１，第２正弦波信号の入力端子、２,６は第
１，第２積分増幅回路、３,７は第１，第２Ｎ逓倍回
路、４,８は第１，第２波形変換回路、９は減算回路、
１０は周期測定回路、１１は乗算回路、１２は１／Ｎ逓
減回路である。

【００１８】図１に示したブロック図は、（１２）式を
具現するためのもので、コリオリ流量計の第１検出器か
ら出力される基本周波数の第１正弦波信号を入力端子１
に入力する。第１正弦波信号には、高調波が含まれてい
るので、この高周波を第１積分増幅回路で取除き、所定
電圧レベルに増幅する。増幅された第１正弦波信号は、
第１Ｎ逓倍回路３に入力し、Ｎ倍の正弦周波数信号に変
換される。

【００１９】逓倍回路は、例えば、周知のＰＬＬ（Phas
e-Locked Loop）回路であり、ＰＣ（位相比較器），Ｌ
ＰＦ（低域フィルタ），ＶＣＯ（電圧制御発振器）、お
よび、分周器からなるフィードバックループで構成され
る。ＰＬＬ回路では、入力信号周波数を分周器の分周比
に比例した周波数に逓倍する。

【００２０】逓倍された第１正弦信号は、第１波形変換
回路４に入力され、Ｎ逓倍された第１正弦信号周波数に
同期した三角波信号に変換される。波形変換回路の回路
方式は、正弦波信号を矩形波に変換する矩形波変換回路
と積分回路とを組合せる方式や逆正弦波変換回路を用い
てもよい。

【００２１】入力端子５に入力された第２検出器からの
第２正弦波信号に対しても、上述した第１正弦波検出信
号に対する波形変換操作と同様で、第２正弦波信号は第
２積分増幅回路７，第２波形変換回路８を介して、第２
正弦波信号の周波数信号をＮ逓倍して得られた正弦波信
号に同期した三角波信号が得られる。

【００２２】第１波形変換回路４と第２波形変換回路８
の各々の三角波信号は減算回路９で減算される。減算出
力は、振幅が位相差φ₁（＝Ｎφ）に比例した電圧レベ
ルの台形波信号となる。この台形波信号の電圧レベルは
逓倍しない場合の電圧レベルに比べてＮ倍の大きさをも
っている。

【００２３】一方、基本周波数信号の周期は、波形整形
された第２積分増幅回路６の出力信号を対象として周期
測定回路１０により測定される。周期測定回路１０は、
例えば、基本周波数信号に同期した矩形波信号の立上げ
で作動する積分回路信号が立下げと一致するときの電圧
レベルや短形波信号の立上げ立下げ間に入力されるクロ
ックの数等でアナログ，ディジタル的に計測される。

【００２４】計測された周期Ｔ₁は、乗算回路１１に入
力され、乗算回路１１により周期Ｔ₁と位相差信号φ₁と
乗算され、第１，第２入力信号の時間差に比例した値Ｎ
ΔＴが得られる。乗算回路１１の出力信号を逓減回路１
２により１／Ｎに逓減することにより、コリオリの力に
比例した高精度な時間差信号が得られる。但し、逓減回
路１２はＮ倍された位相差信号φ₁を逓減するもので信
号操作上好ましくなく、正確な時間差を求めるとき以外
は必要としない。

【００２５】以上の構成を有する図１の時間差測定手段
を、表１と図２に基づいて説明する。表１は正弦波信号
の位相に対する正弦波と逆正弦波の関係を示し、図２
は、位相差検出の原理を説明する波形図である。入力端
子１から入力された第１正弦波信号は、第１積分増幅回
路２により波形整形され、波形整形された第１正弦波信
号はＮ逓倍回路３によりＮ逓倍され、図２（１）に示す
sinｘの周期信号となる。Ｎ逓倍された正弦波sinｘは２
π／４、６π／４にピーク値をもち、πの整数倍の位相
でゼロクロスする周期関数である。また、正弦波sinｘ
の逆関数であるsin^-1(sinｘ)は２π／４と６π／４にピ
ーク値±π／２をもち、πの整数倍の位置でゼロクロス
する三角波信号となる。

【００２６】

【表１】

【００２７】一方、入力端子２から入力された第２正弦
波信号を増幅整形（６）後、Ｎ逓倍（７）された各々の
正弦波信号は、第１検出器１の正弦波をＮ逓倍した正弦
波信号と位相差Ｎφを有しており、位相差Ｎφは図２
（３）に示すように縦軸上に表わされる。このため逆正
弦波sin^-1(sinｘ＋φ)は位相差Ｎφを有し、sin^-1(sin
ｘ)と同じ三角波信号となる。

【００２８】図２（４）は、図２（２）のsin^-1(sinｘ)
と図２（３）のsin^-1｛sin(ｘ＋φ)｝を減算回路９によ
り減算して得られた略π／２の整数倍の位相でゼロクロ
スする台形の周期関数であり、台形の高さが２Ｎφ、立
下げの時間遅れがΔｔで、位相差Ｎφに比例して台形の
高さが変化する。このように位相差信号Ｎφは、位相が
略πの時間において高さが一定な位相差信号Ｎφとして
検出されるため平均化された位相差Ｎφが検出され、従
って、基本周波数ｆの周期Ｔ₁を乗算して得られるコリ
オリの力に比例した時間差信号ΔＴも平均化され、ノイ
ズ影響のない時間差信号が検出される。

【００２９】以上の説明から明らかなように、正弦波si
nｘと逆正弦波sin^-1(sinｘ)とは同一周期の周期関数で
あり、逆正弦波sin^-1(sinｘ)は三角波であるから正弦波
sinｘを直接三角波に波形変換しても同様の台形波の位
相差信号を検出することができる。すなわち、第１，第
２変換回路４，８を正弦波信号と同じ周期の三角波信号
に変換する波形変換回路にして、他の回路を図１に示し
た回路と全く同じように構成することにより時間差信号
ΔＴが得られる。また、上記三角波の頂部を一定電圧で
クリップして得られた台形波によっても同様に位相差Ｎ
φが検出できる。

【００３０】図３は、図１に示した減算回路９の位相差
信号出力特性の実験例を示すもので、図３（１）は基本
周波数ｆ＝５００Hzの場合、図３（２）は逓倍率Ｎ＝１
０の場合、図３（３）は逓倍率Ｎ＝２０の場合の台形波
の高さをもった位相差信号で、三角波の電圧はすべて同
じ１９.２Ｖ_P-Pである。

【００３１】図から明らかなように、測定管が駆動され
る図３（１）の基本周波数ｆ＝５００Hzの場合の位相差
信号レベル０.４８６ｖに対して、図３（２）のＮ＝１
０，Ｎｆ＝５００Hzの場合は約１０倍の４.７２ｖ、図
３（３）のＮ＝２０，Ｎｆ＝10000Hzの場合は２０倍の
９.４４ｖとなっており、逓倍数に比例した位相差信号
レベルが得られることが解る。

【００３２】上述の如く、基本周波数をＮ倍に逓倍する
ことにより、検出信号間の位相差信号の電圧レベルはＮ
倍となり、時間差信号ΔＴの分解能がＮ倍向上し、信頼
性も、この倍率に従って向上する。

【００３３】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によると、測定管の一対の検出位置において、測定管が
基準面を通過する時に生ずるコリオリの力に比例する位
相差を、台形波の高さであらわし、しかも台形波の高さ
は測定管を駆動する基本周波数の場合の高さに比べて、
基本周波数の逓倍数Ｎに比例して高くなるので、Ｎ倍高
感度となり、しかも台形波の一定レベル電圧高さが計測
されるので、測定管の外部振動影響による検出誤差が生
じない。このため、信頼性の高い位相差を検出すること
ができる。従って、この位相差に基本周波数の周期を乗
算して得られたコリオリの力も、高感度で信頼性の高い
値が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明によるコリオリ流量計の時間差検出回
路の一実施例を説明するためのブロック図である。

【図２】 位相差検出の原理を説明する波形図である。

【図３】 図１に示した減算回路９の位相差信号出力特
性の実験例を示すものである。

【図４】 本発明に係るコリオリ流量計を説明するため
の基本構造図である。

【符号の説明】

１,５…第１，第２正弦波信号の入力端子、２,６…第
１，第２積分増幅回路、３,７…第１，第２Ｎ逓倍回
路、４,８…第１，第２波形変換回路、９…減算回路、
１０…周期測定回路、１１…乗算回路、１２…１／Ｎ逓
減回路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 流体が流れる測定管と、該測定管を間隔
   を隔てた流れ方向の２点で支持する支持部材と、前記測
   定管を前記支持部材まわりに基本周波数で駆動する駆動
   手段と、前記測定管の前記支持部材間対称な位置におい
   て、該測定管の振動を検出する第１検出器および第２検
   出器と、該第１検出器および第２検出器で検出された振
   動信号から基準時間軸上の時間差を検出し、該時間差に
   比例して質量流量を求める時間差検出手段を有するコリ
   オリ流量計において、前記時間差検出手段を、前記第１
   検出器により検出された前記基本周波数の正弦波信号を
   Ｎ逓倍する第１逓倍回路と、逓倍された正弦波信号を該
   正弦波信号に同期した三角波信号に変換する第１波形変
   換回路と、前記第２検出器により検出された前記基本周
   波数の正弦波信号をＮ逓倍する第２逓倍回路と、逓倍さ
   れた正弦波信号を該正弦波信号に同期した三角波信号に
   変換する第２波形変換回路と、前記第１波形変換回路の
   出力から前記第２波形変換回路の出力を減算する減算回
   路と、前記基本周波数の周期を計測する周期測定回路
   と、計測された基本周波数の周期と前記減算回路の出力
   とを乗算する乗算回路とで構成したことを特徴とするコ
   リオリ流量計。