JPH08136312A - 振動型測定器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 直管式の長所を生かしつつ振動のエネルギー
が外に漏れないように構成し、高い振動のＱが得られる
ようにする。 【構成】 測定管２に対し、これを支持する支持機構
（３ａ，３ｂおよび４）、測定管２を加振する振動発生
器５、測定管２の振動を検出する振動センサ６ａ，６
ｂ、測定流体を測定管２に導く入口導管７ａ、測定流体
を測定管２から導出する出口導管７ｂ、これら各要素を
内包するハウジング８とからなり、流体の質量流量また
は密度を計測する振動型測定器において、前記支持機構
の剛性と付加質量１１ａ〜１１ｄを調整して、振動の節
点を支持機構内に形成し得るようにし、振動エネルギー
を外に漏らさないようにしつつ高い振動のＱを得る。

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本の直管状測定管内を流れる流体の質量流量に基づ
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、または測定管内の流体の密度変化に応じて変
わる測定管の共振周波数の変化から測定管内の流体の密
度を測定する振動式の密度計、若しくはこれら双方の機
能を有する振動型測定器、特に直管状測定管を支持する
支持機構のハウジングに対する結合方法を改良した振動
型測定器に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から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基づいて流体
の質量流量を測定する直接測定型の質量流量計であるた
め、質量流量の高精度な測定が可能である。また、測定
の安定化や測定管駆動エネルギーの低減化のため、通常
は測定管をその共振周波数で駆動する。したがって、そ
の共振周波数の変化により測定管内流体の密度を同時に
測定することができる。すなわち、流体の質量流量と密
度とを同一の検出器により同時に測定できる、多重機能
を持つ振動型測定器を得ることが可能となる。

【０００３】この種の振動型測定器としては、大別して
Ｕ字型またはＳ字型等の曲線状の測定管を持つものと、
直管状の測定管を持つものとがある。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本にしたものなどもある。

【０００４】測定管を直管状にしたもの、換言すれば振
動型測定器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く、即ち圧力損失を小さくで
き、また、検出部内部に液溜まりがなく、測定管内の洗
浄も容易である。さらに、曲管状の測定管や複数の測定
管を持つ構成に比べて構造の簡単化、すなわち製作コス
トが低減するなどのメリットを有している反面、以下の
ようなデメリットがある。

【０００５】１）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
ない。その結果、振動周波数が不安定となり、例えば流
量計として使用する場合、零点が不安定になる。 ２）測定管と測定管を支持する支持機構間の相対振動を
検出するため、外部振動の影響を受け易い。このため、
従来から様々な工夫がなされている。

【０００６】１本の測定管のメリットを生かしつつ測定
管の振動特性を確保をするため、例えば米国特許第４，
８２３，６１４号明細書（第１従来例）では、１本の直
管状測定管を剛性の十分に高い支持機構を用いてリジッ
ドに固定している。このように構成することで、測定管
の支持部の変位は小さくなり、いわゆる振動の節の状態
に近づくため、振動のＱが比較的高い振動系を構成する
ことができる。

【０００７】しかしながら、現実に使用する場合を考え
ると、支持機構の剛性を上げるにも重量や大きさに限界
がある。つまり、振動の節に近づくだけで理想的な振動
の節を形成することができず、その結果、振動エネルギ
ーの漏れが存在することになる。なお、このような構成
で、比較的短い配管材により、つまり比較的固く（リジ
ッドに）外部配管などにフランジ等を用いて接続する
と、振動エネルギーの損失が大きくなって振動のＱが低
下し、安定な振動が得られなくなることが、実験により
確認されている。

【０００８】上記第１従来例に対する改良策として、例
えば特開平３−４１３１９号公報（第２従来例）に示す
ものがある。この例では共振体を別に設け、振動エネル
ギーを外部に漏れ難くするような工夫をしている。しか
し、このような構造としても、大きく２つの問題があ
る。１つは、測定管内の流体の密度は常に一定ではなく
変化すること、または全く異なる密度を持つ流体の計測
を行なう場合もあるため、測定流体を含めた測定管の共
振周波数は変化する。ところが、共振体内部には測定流
体を導かないため、測定流体による共振周波数の変化は
ない。このため、測定管と共振体の共振状態が一定に保
たれず、特性が安定しないという点である。

【０００９】第２は、測定管を１本にして構造の簡単化
を図っているにも関わらず、共振体を設けることで、複
数の測定管を有する場合と同じように構造が複雑化し、
製作コストを低減できなくなるという点である。このよ
うな、問題に対処するものとして、特開昭５８−１７８
２１７号公報（第３従来例），米国特許第５，２８７，
７５４号明細書（第４従来例）などが提案されている。

【００１０】第３従来例では、測定管はその両端部で内
部ベースに固く結合され、内部ベースは、ゴム等で作ら
れたＯ−リングで両端を柔らかく支持したフレキシブル
な継ぎ手を通して、入口部と出口部で外部管路と結合さ
れた外側ベースに結合されている。このような構造とす
ることで外側ベースと内部ベースを振動的に分離し、測
定管の振動エネルギーが漏れないようにするとともに、
外部配管からの外乱の進入を防止している。したがっ
て、振動のＱが高い振動系を実現でき、かつ外乱の影響
を受け難い特性を持たせるようにしている。

【００１１】上記第３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、長期にわたって特性を保証す
るのは困難である。また、第３従来例では、内部ベース
と外側ベースを柔らかく支持しているので、輸送中など
において衝撃的な外力が加わると、継ぎ手に強い力が加
わって継ぎ手やＯ−リングが変形を起こすため、内部ベ
ースをＯ−リングで外側ベースに支持するようにしてい
るわけである。しかし、この場合も上述の理由と同様
に、弾性体の特性が経時的に変化して硬化すると、今度
は外部振動が伝わり易くなってしまうという問題が発生
する。

【００１２】第３従来例を改良したのが第４従来例で、
ここでは測定管が直管ではないが、直管の場合にも適用
可能なものである。すなわち、ここでは測定流体を流す
コリオリ導管を第３従来例と同じく、それより共振周波
数の高い支持機構で測定管の両端を固定するとともに、
この支持機構を金属性の入口導管と出口導管でハウジン
グに直接接続して支持する構成となっている。そして、
支持機構および入口導管，出口導管からなる検出部の共
振周波数を、支持機構の共振周波数よりも十分小さくす
る、すなわち支持機構を柔らかく支持するようにしてい
る。

【００１３】このようにすることにより、その弾性的特
性の経時変化を殆ど無視することができ、長期間にわた
って安定な特性を保証できる利点がある一方で、前記Ｏ
−リング等のゴム材料独特の減衰作用がないので、上記
検出部の共振周波数に近い外乱が作用すると共振を生
じ、入口導管や出口導管が破損するおそれがある。この
ため、第３従来例で内部ベースを外側ベース上に支持す
るＯ−リングと同様に、支持および支えバネで支持機構
を支持する例が示されているものの、これを含めた振動
系の共振周波数と等しい周波数の外乱が作用すればやは
り共振を起こし、入口導管や出口導管に加わる応力が問
題となる。

【００１４】特に、この種の流量計が設置される配管系
では２００Ｈｚ以下の低周波が支配的（必要ならば、例
えば「横河技報」Ｖｏｌ．３４，Ｎｏ．１，１９９０，
ｐｐ４９〜５２参照）であるため、上記のように何らの
減衰要素も持たせずに、低い共振周波数を持たせる構成
には、問題があることが分かる。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】以上、詳述したことか
らも明らかなように、この発明の課題は直管式の長所で
ある低圧損，洗浄容易性および単純構造を生かしつつ
も、測定管の振動エネルギーが漏れないようにし、振動
のＱが高い振動系を実現することで高い周波数安定性と
それ自身のフィルタ効果により外乱の影響を防止し、低
周波の外乱や輸送中の衝撃にともなう大きな変位を無く
して、入口導管，出口導管の破損を防止できる、信頼性
の高い振動型測定器を提供することにある。

【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、加振される少なくとも１
本の直管状測定管内を流れる流体の質量流量または密度
の少なくとも一方の測定が可能な振動型測定器におい
て、前記測定管を支持する支持機構と、測定管を加振す
る振動発生器と、測定管の振動を検出する少なくとも１
つの振動センサと、測定流体を測定管に導く入口導管
と、測定流体を測定管から導出する出口導管と、前記各
要素を内包するハウジングと、前記振動の節点位置を前
記支持機構内に形成する節点形成手段とを設け、この節
点位置で前記支持機構を結合部材を介して前記ハウジン
グに固定または支持することを特徴としている。

【００１７】上記請求項１の発明では、前記振動の節点
位置を前記支持機構の剛性と支持機構に加える付加質量
にて調整することができ（請求項２の発明）、この請求
項２の発明では、前記付加質量を前記支持機構の振動振
幅が最大となる位置に加えることができる（請求項３の
発明）。また、これら請求項２または３の発明では、前
記付加質量の質量調節機構を設けることができ（請求項
４の発明）、請求項１ないし４の発明では、前記振動の
節点位置を前記支持機構の両端部位置に形成することが
でき（請求項５の発明）、請求項２ないし５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６の発明）。

【００１８】

【作用】支持機構の剛性と付加質量を調整することで、
ハウジングなどに対して相対的に変位のない振動の節点
を形成し、その位置で支持機構をハウジングなどに結合
する。節点は変位のない点であるため、節点で固定また
は支持した場合、支持部材に作用する力は小さく、した
がってエネルギーのロスが小さくなる。このため、高い
振動のＱを実現することができる。

【００１９】

【実施例】図１はこの発明の第１実施例を示す縦断面
図、図２は同じくその横断面図（図１のＡ−Ａ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は直管状測定管、３ａ，３ｂはこの直管状測定管
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の直管状測定管
２の振動方向の振動を打ち消すために、固定材３ａ，３
ｂが溶接またはネジ止め等の手段によって結合されてい
る円筒ビームである。

【００２０】５は上記直管状測定管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）振動発生
器、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と、円筒ビーム４に取り付
けられコイルとからなり、測定管２の振動を検出する速
度センサ（変位センサまたは加速度センサでも良い）で
ある。なお、この速度センサはここでは１対設けたが、
これは周波数または位相差を利用して流量を計測する場
合を想定したもので、密度の場合は１つで良い。

【００２１】７ａ，７ｂは測定管２と一体的に製造され
る入口導管，出口導管で、これらはそれぞれ外部配管に
接続されるフランジ９ａ，９ｂにそれぞれ結合されて測
定流体を導入し、導出する。１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，
１１ｄは円筒ビーム４にネジ止めまたは溶接，ろう付け
等の方法により結合される環状の付加質量で、以上の各
要素により検出部が構成されている。そして、この検出
部を内包するように、フランジ９ａ，９ｂに溶接等の手
段によりハウジング８が結合されている。

【００２２】ここで、円筒ビーム４内に測定管２の共振
周波数に関して振動の節点が形成されるように、付加質
量とその取り付け位置を調整し、その節点で図２に示す
ように、固定材３ａ，３ｂおよび円筒ビーム４からなる
支持機構を結合リング１０ａ，１０ｂを介して、結合ピ
ン１２ａ〜１２ｄによりハウジング８に、固定または支
持する構造となっている。また、付加質量の形状は、円
筒ビーム４の曲げ剛性への影響が少なくなるように、接
触面積を小さくしてある。

【００２３】このような構成において、直管状測定管２
は振動発生器５と駆動回路１４により、共振周波数で加
振される。そのときの測定管２の振動を速度センサ６
ａ，６ｂによって検出し、その出力をそれぞれ信号処理
回路１３に入力し、ここで良く知られている所定の演算
が行なわれ、質量流量または密度信号に変換されること
になる。

【００２４】図３は第２の実施例を示す縦断面図、図４
は同じくその横（Ｂ−Ｂ）断面図である。第１実施例と
の相違点は符号１１で示すように、付加質量を１ヵ所に
まとめて円筒ビーム４の中央部、すなわち振動振幅が最
大となる位置に、集中的に設置した点にある。円筒ビー
ム４の剛性は、直管状測定管２の剛性と比較して十分に
大きいため、円筒ビーム４の振動振幅は測定管２に比べ
てかなり小さいが、小振幅で振動している。そして、測
定管２はここでは横振動の基本モードで振動しているた
め、円筒ビーム４もその中央部の振幅が最も大きい。し
たがって、その中央部に集中的に付加質量を加えるのが
効果的であり、振動の節点を同じ位置に形成する場合の
トータルの質量が少なくて済む。

【００２５】ここで、節点の形成について、図５を参照
して説明する。なお、図５は図３に示す直管状測定管２
をその共振周波数で加振した場合の、支持機構の振動振
幅を示すものである。これは、図３に示す検出部につい
て、有限要素法を用いて振動解析した結果を示すもの
で、支持機構に加えられる付加質量をパラメータにして
支持機構各点での振動振幅がどのように変化するかを示
している。

【００２６】すなわち、図５の横軸は支持機構の中心を
ゼロとした長手方向の位置を示し、縦軸は支持機構の各
点の振動振幅を示している。同図から、２Ｋｇの付加質
量を支持機構の円筒ビーム４に付けることにより、円筒
ビーム４の中央部の振幅は付加質量を付けない場合の約
４μｍから約２μｍに減少しており、平均的な振動振幅
も減少していることが分かる。同様に、付加質量を４Ｋ
ｇ，６Ｋｇと増やして行くと、振幅の位相が逆転すると
ころ（図５で振幅値が負となるところ）が現れてくる。
この振動振幅を示す曲線が零ラインを横切るところ、す
なわち振動振幅が零のところが振動の節点である。

【００２７】付加質量は図１のように分散して取り付け
るよりも、図３のように振動振幅の大きな位置に集中的
に取り付ける方が効果的である。このようにするのは、
同じ位置に節点を形成する場合の付加質量を軽くできる
からである。また、図５において、付加質量が４Ｋｇと
６Ｋｇの場合を比較すると、４Ｋｇの方が節点の位置が
支持機構のより端部近くに形成されることから、振動の
節点を支持機構の端部に形成するようにすれば、付加質
量を最も軽くできることが分かる。

【００２８】以上では、節点を形成するに当たり、支持
機構に加える付加質量の質量を変化させる方法について
説明したが、図１や図３に示す固定材３ａ，３ｂおよび
円筒ビーム４からなる支持機構の剛性、すなわちその材
質，肉厚および径等によっても変化させることができ
る。ただし、支持機構は強度等を考慮して設計する必要
があること、また製造時のパラツキを調整するのは付加
質量を調整する場合よりも厄介であるため、剛性を調整
するよりかは付加質量を調整する方が有利といえる。い
ずれにしても、支持機構の剛性と付加質量の調整によ
り、支持機構内に振動の節点を形成できるようにすれば
良いわけである。

【００２９】なお、上記のようにした場合、入口導管，
出口導管の剛性は振動的には低い方が好ましく、そのた
めには例えばダイアフラム，ベローズ等の力を伝達し難
いもので構成することが望ましい。また、振動型測定器
としては、測定流体の圧力や測定流体に対する耐蝕性を
考慮して、材質や構造を設計すべきである。このように
することで、入口導管，出口導管の接続部からのエネル
ギーの漏れを最小にすることができる。

【００３０】図６は第３実施例を示す横断面図である。
これは、図２，図４に示すものに対して、調整可能な質
量１５ａ １５ｂが付加されている点が特徴である。こ
れにより、製造時のバラッキを調整することが可能とな
る。なお、その他の点は図２，図４と同じなので説明は
省略する。

【００３１】図７は第４実施例を示す横断面図である。
これは、図２，図４に示すものに対し、振動の節点を円
筒ビーム４の両端部に形成した点が特徴である。図５の
シミュレーション結果からも明らかなように、円筒ビー
ム４内に振動の節点を形成する場合、円筒ビーム４の両
端部に形成されるよう付加質量を調整した方が、質量を
最も軽くできることに着目したものと言える。

【００３２】なお、以上いずれの実施例においても、付
加質量と円筒ビームとを鋳物，ダイキャスト等の方法に
より一体的に制作することができる。こうすれば、部品
点数を少なくできるだけでなく、付加質量を取り付ける
ための工程を省略でき、コストダウンを図ることが可能
となる。

【００３３】

【発明の効果】この発明によれば、測定管，支持機構，
入口導管および出口導管などからなる振動系（検出部）
における支持機構の剛生と付加質量を調整することによ
り、支持機構内に振動の節点を形成し、この節点位置で
ハウジングに固定または支持するようにしたので、高い
振動のＱを得ることが可能となるとともに、外乱や衝撃
力によって検出部が大きく動かされないので、入口導
管，出口導管での破損を防止することができる。さら
に、振動のＱを高くできるので振動周波数が安定し、そ
の結果、零点の安定化が得られるという利点が得られ
る。加えて、振動エネルギーの損失が小さいので、測定
管を駆動するためのエネルギーを小さくできるという利
点もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１実施例を示す縦断面図である。

【図２】この発明の第１実施例を示す横断面図である。

【図３】この発明の第２実施例を示す縦断面図である。

【図４】この発明の第２実施例を示す横断面図である。

【図５】この発明の動作原理を説明するための説明図で
ある。

【図６】この発明の第３実施例を示す横断面図である。

【図７】この発明の第４実施例を示す横断面図である。

【符号の説明】

１…測定装置、２…直管状測定管、３ａ，３ｂ…固定
材、４…円筒ビーム、５…振動発生器、６ａ，６ｂ…振
動センサ、７ａ…入口導管、７ｂ…出口導管、８…ハウ
ジング、９ａ，９ｂ…フランジ、１０ａ，１０ｂ…結合
リング、１１，１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ…付加
質量、１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ…結合ピン、１
３…信号処理回路、１４…駆動回路、１５ａ，１５ｂ…
調整質量。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 村田 進 神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号 富士電機株式会社内 (72)発明者 鶴岡 亨彦 神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号 富士電機株式会社内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 加振される少なくとも１本の直管状測定
   管内を流れる流体の質量流量または密度の少なくとも一
   方の測定が可能な振動型測定器において、 前記測定管を支持する支持機構と、測定管を加振する振
   動発生器と、測定管の振動を検出する少なくとも１つの
   振動センサと、測定流体を測定管に導く入口導管と、測
   定流体を測定管から導出する出口導管と、前記各要素を
   内包するハウジングと、前記振動の節点位置を前記支持
   機構内に形成する節点形成手段とを設け、この節点位置
   で前記支持機構を結合部材を介して前記ハウジングに固
   定または支持することを特徴とする振動型測定器。
2. 【請求項２】 前記振動の節点位置を前記支持機構の剛
   性と支持機構に加える付加質量にて調整することを特徴
   とする請求項１に記載の振動型測定器。
3. 【請求項３】 前記付加質量を前記支持機構の振動振幅
   が最大となる位置に加えることを特徴とする請求項２に
   記載の振動型測定器。
4. 【請求項４】 前記付加質量の質量調節機構を備えたこ
   とを特徴とする請求項２または３のいずれかに記載の振
   動型測定器。
5. 【請求項５】 前記振動の節点位置を前記支持機構の両
   端部位置に形成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振動型測定器。
6. 【請求項６】 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２ないし５のいずれかに記載
   の振動型測定器。