JPH1048019A - コリオリ流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 コリオリの力に比例した振動管の位相差信号
を、励振部の電磁ノイズや測定流体の温度影響を受けな
いようにする。 【解決手段】 電磁駆動される振動管７と８の励振部４
からの対称位置に光ケーブルの支持台９ａと９ｂおよび
支持台１０ａ，１０ｂとを取り付け、各々投光用、受光
用光ケーブルを振動方向に一線上に対向させる。投光側
の光ファイバ１９，２０にはレーザー光源１１からのレ
ーザー光をハーフミラー１２で反射した光を投光する。
受光側の光ファイバ２１，２２のレーザー光がハーフミ
ラー１４を透過し集光され、コリオリの力に比例した数
の干渉縞が光検出器１８で検知される。また、ハーフミ
ラー１２，１３を透過したレーザー光源１１からのレー
ザー光とハーフミラー１３で反射した受光側のレーザー
光とが光干渉し、駆動周波数に比例した周期の干渉縞を
光検出器１７で検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はコリオリ流量計に関
し、より詳細には、流体が流れる振動管に作用するコリ
オリの力に比例した位相差信号を、レーザー光の干渉縞
の単位時間当りの数から求める光検出器を有するコリオ
リ流量計に関する。

【０００２】

【従来の技術】被測定流体が流れる流管の一端又は両端
を支持し、流管を該流管の流れ方向と垂直な方向に支持
点回りに加振したとき、該流管（振動管）に作用するコ
リオリの力が質量流量に比例することを利用した質量流
量計（コリオリ流量計）は周知である。従って、振動管
はコリオリ流量計における要部をなすもので、流量計の
特性を決定づけるものである。振動管の形状は湾曲管と
直管とに大別される。湾曲管方式のものはコリオリの力
を有効に取り出すための形状を選択できる点で高感度の
質量流量検出ができるが、形状が大きくなるという短所
がある。これに対して、直管方式の振動管は管軸が流れ
方向に配置されるので、形状は小さくなるが反面、感度
が低く、ＳＮ比が低下するので外乱に対し配慮しなけれ
ばならない短所がある。

【０００３】本発明に関連した公知文献として、特開昭
６２−２３８４１９号公報における「流れを連続的に測
定するための装置および方法」がある。これは、平行に
両端支持された直管を振動管としたコリオリ流量計に関
するものであり、これを以下に説明する。

【０００４】図５は、従来の直管式のコリオリ流量計を
説明するための図で、図中、４０，４５は支持部材、４
１，４６はフランジ、４２は流入口、４７は流出口、４
３，４４，４８，４９は分岐管、５０ａ，５０ｂは振動
管、５１は励振器、５２，５３は検出器、５４は変換器
である。

【０００５】図５において、支持部材４０と４５とは左
右対称形で、各々流入口４２、流出口４７に連通した分
岐管４３，４４と分岐管４８，４９とを有し、分岐管４
３と４８および分岐管４４と４９との間には同寸の直管
である振動管５０ａと５０ｂとが互いに平行して連通し
固着支持されている。該振動管５０ａと５０ｂとの中央
部にはコイル５１ａとコアー５１ｂとからなる励振器５
１が設けられ、コイル５１ａは振動管５０ａ側に、コア
ー５１ｂは振動管５０ｂ側に、コアー５１ｂがコイル５
１ａの中央に挿入されるように配設され、更に、振動管
５０ａと５０ｂにおける励振器５１と支持部材４０と４
５との支持点の間には、磁石５２ａとコイル５２ｂとか
らなる検出器５２と、磁石５３ａとコイル５３ｂとから
なる検出器５３とが配設されている。これら検出器５２
と５３および励振器５１は変換器５４に接続されてい
る。

【０００６】図５に示したコリオリ流量計は、まず、変
換器５４により励振器５１のコイル５１ａが駆動され、
検出器５２又は５３の何れかの検出コイルに出力する検
出電圧を変換器５４にポジティブフィードバックする閉
路を形成して、コイル５１ａがコアー５１ｂを吸引反撥
するように一定振幅に制御され、振動管５０ａと５０ｂ
とは反射位相で加振される。加振により流体が流れる振
動管５０ａと５０ｂとは、支持点に対して互いに反対の
回転方向の駆動を受けるので、検出器５２と５３とには
励振による振動検出信号と前記回転角速度および質量流
量のベクトル積に比例したコリオリの力が重畳され、コ
リオリの力は反対位相であるから、検出器５２と５３と
の間にはコリオリの力に比例する位相差信号が検出さ
れ、変換器５４により位相差信号から質量流量に変換出
力される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来のコリオ
リ流量計は振動管５０ａと５０ｂとが直管であり、各々
は支持部材４０と４５とにより平行に支持されている。
更に、支持部材４０と４５とはフランジ４１と４６とに
より流管に接続される。従って振動管５０ａおよび５０
ｂには振動により軸方向に張力又は圧縮力が作用してい
る。一方、振動管５０ａ，５０ｂには測定流体が等流量
に分流しており、質量流量を検知するために中央部で励
振器５１により加振される。この結果、支持部材４０と
４５とには加振周波数の２倍の周波数の引張応力が作用
する。しかし、測定流体は目的に応じて温度や圧力条件
が異なるので、振動管５０ａ，５０ｂには軸方向、管壁
面方向に応力が作用し、これらの応力は、振動管５０
ａ，５０ｂの固有振動数を変化させる要因となる。振動
管の固有振動数の変化は、コリオリの力の発生原理に基
づいて求めようとする。質量流量に誤差を生じさせる。
また、両端支持された直管の曲げ剛性が大きいのでコリ
オリの力による直管の変形も小さく従って感度が低いの
で、検出器５２，５３の検出信号はＳＮ比が優れている
ことが要求される。しかし、検出器５２，５３は電磁駆
動される励振器５１の近傍にあり、検出コイルを有する
検出器５２，５３は励振器５１等からの電磁ノイズを受
ける。また、検出器５２，５３は振動管を流れる流体温
度影響を受け、コイルのインピーダンス変化や磁束の変
化が生じ、一対の検出器が異なる変化である場合は温度
影響によるドリフトの発生が生じ、ＳＮ比の優れた高感
度の信号を出力することに問題があった。

【０００８】本発明は、上述のごとき実情に鑑みてなさ
れたもので、測定流体の条件により測定精度が影響され
ることなく、高感度で、電磁ノイズの影響を受けない光
検出器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。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、離間
した２点で支持された２本の振動管と、該振動管を支持
位置まわりに交番駆動する駆動手段を有し、該駆動手段
と前記２点で支持された位置までの前記振動管に、前記
２本の振動管間を対向するように設置された各々対をな
した光ケーブルの支持台と、該各々対をなした支持台を
結ぶ線上に、対向して配設された投光用、受光用光ケー
ブルと、前記投光用光ケーブルに投光するレーザー光源
と、該レーザー光源からのレーザー光と一方の前記受光
用光ケーブルからのレーザー光との干渉縞から、前記振
動管の駆動周波数と振幅を検知する振動検出手段と、双
方の受光用光ケーブルからのレーザー光の干渉縞の数か
らコリオリの力を検知する質量流量検出手段とから構成
したことを特徴とし、もって、高感度で外部からの電磁
ノイズや測定流体の温度影響を受けない光検出器を備え
るようにしたものである。

【００１０】請求項２の発明は、請求項１に記載のコリ
オリ流量計において、前記投光用光ケーブルの支持台に
凸面鏡を、前記受光用光ケーブルの支持台に凹面鏡を設
け、該投光用光ケーブルからの前記レーザー光を前記凸
面鏡と前記凹面鏡とで反射させ、該反射したレーザー光
を前記受光用光ケーブルに伝送することを特徴とし、も
って、送受光用の光ファイバーの位置調整を簡略化し効
率のよい光検出を可能となるようにしたものである。

【００１１】請求項３の発明は、請求項１に記載のコリ
オリ流量計において、前記投光用光ケーブルの支持台の
近傍で、該投光用光ケーブルと前記受光用光ケーブルと
の間の光軸上に凹レンズを設けたことを特徴とし、もっ
て、送受光用光ファイバーが多少の取り付け精度が低下
しても光検出を可能にするものである。

【００１２】請求項４の発明は、請求項１に記載のコリ
オリ流量計において、各々の前記受光用光ケーブルの支
持台に光反射体を設け、該光反射体で反射された前記レ
ーザー光を前記投光用光ケーブルを介して受光すること
を特徴とし、もって、各々対をなす光ケーブルの受光用
の光ケーブルをなくし、安価で効率よく受光できるよう
にするものである。

【００１３】

【発明の実施の形態】

（請求項１の発明）図１は、請求項１の発明の実施形態
を説明するための図で、図１（ａ）は、図１（ｂ）の矢
視Ａ−Ａ線断面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）の矢視Ｂ
−Ｂ線断面図、図１（ｃ）は、図１（ａ）の矢視Ｃ−Ｃ
線断面図であり、図中、１は筒状体、２は支持部材、４
は励振器、７，８は振動管、９（９ａ，９ｂ），１０
（１０ａ，１０ｂ）は光ケーブルの支持台、１１はレー
ザー光源、１２，１３，１４は半透明鏡（以後、ハーフ
ミラーと呼ぶ）、１５は遮蔽板（以後、シールド板と呼
ぶ）、１６はレンズ、１７，１８は光検出器、１９，２
０，２１，２２は光ケーブル、２３は光コネクタであ
る。図１（ａ）に示すコリオリ流量計は、同じ寸法で等
しい曲率半径で湾曲した振動管７，８を筒状体１内に支
持部材２，２で両端支持され、湾曲面が平行で各々の曲
率中心が筒状体１の軸に関し同一方向にあるように配置
したもので、測定流体は矢印Ｑ方向に均等に流入する。
励振器４は電磁コイルとコアーとからなり、該励振器４
のコイルとコアーとは振動管７と８とに固着されて矢印
Ｆ方向に互いに近接・反撥するように駆動される。光ケ
ーブルの支持台９は光ケーブルの支持台９ａと９ｂを対
とし、光ケーブルの支持台９ａは振動管７に、光ケーブ
ルの支持台９ｂは振動管８に振動管７，８の軸と直角に
交わる面で振動の矢印Ｆで示す直線上に固定される。同
様に、光ケーブルの支持台１０は光ケーブルの支持台１
０ａと１０ｂを対とし、光ケーブルの支持台１０ａは振
動管７に、光ケーブルの支持台１０ｂは振動管８に矢印
Ｆで示す振動方向の直線上に固着される。また、光ケー
ブルの支持台９ａには投光用光ケーブル１９が、光ケー
ブルの支持台９ｂには受光用光ケーブル２１が共通した
直線上の光路を有するように固着される。同様に、光ケ
ーブルの支持台１０ａには投光用光ケーブル２０が、光
ケーブルの支持台１０ｂには受光用光ケーブル２２が光
投受可能に対向して固着されている。光ケーブル１９〜
２２は、例えば、単一モード光ファイバであり、円筒体
１の筒壁に開口する透孔１ａを貫通して円筒体１の外部
に設けた光コネクタ２３に接続されている。なお、図１
の説明において、振動管７，８は湾曲管であるが、同径
２本の平行管または、異径の同軸な直管であってもよ
い。また、振動管の材質としては、互いに同材質で線膨
張率がほぼ等しいものが望ましい。

【００１４】レーザー光源１１は、Ｈｅ−Ｎｅ（ヘリウ
ム・ネオン）レーザー等の単一周波数のコヒーレント光
を放射する光源で、レーザー光源１１から放射したレー
ザー光はハーフミラー１２で反射され、同時に光ケーブ
ル１９，２０に分離されて投光される。投光用光ケーブ
ル１９側のレーザー光は、光ケーブルの支持台９ａと９
ｂとの間を空間伝播して受光用光ケーブル２１を通りハ
ーフミラー１４に達する。ハーフミラー１４を透過した
レーザー光はレンズ１６に入射する。このときハーフミ
ラー１４で反射されたレーザー光はシールド板１５で遮
光される。

【００１５】また、他の投光用光ファイバー２０側のレ
ーザー光は光ケーブルの支持台１０ａと１０ｂとの間を
空間伝播して受光用光ファイバー２２に伝送されハーフ
ミラー１４を透過したレーザー光はレンズ１６に入射し
する。そして前記光ケーブル２１からのレーザー光と光
干渉して検出位置における位相変位差に比例した単位時
間当りの干渉縞の数の明暗を光検出器１８で検知し電気
変換して振動管７と８とのコリオリの力に応じた電気信
号が得られる。また、受光用光ケーブル２２からのレー
ザー光がハーフミラー１４で反射し、再びハーフミラー
１３で反射され、該反射レーザー光は、ハーフミラー１
２，１３を透過したレーザー光源１１からのレーザー光
と光干渉して干渉縞を形成し、振動管７，８の振幅と固
有振動数とが光検出器１７により検知される。

【００１６】上述の振動管７，８の振幅と固有振動数の
光検出方式を図に基づいて説明する。図２は、振動管の
振幅と固有振動数を検出する原理説明図で、図２（ａ）
は光ファイバー支持台１０間のレーザー光の伝播を示す
図、図２（ｂ）は干渉縞と振動振幅および振動周波数と
の関係を示す図である。図２（ａ）に示すごとく光ファ
イバー支持台１０ａと１０ｂとの位置における振動管７
と８の振動は、斜線（Ａ），（Ｂ）と点線（Ａ′），
（Ｂ′）で示すように各々振幅ａ，ｂをもって吸引、反
撥が繰返される。この振動に従って、光ケーブル支持台
１０ａと１０ｂとの間のレーザー光の空間伝播距離が変
化する。空間距離の変化速度は、励振に従って図２
（ｂ）のＳに示すように正弦波状に変化する。この変化
速度は、単位時間当りの変位量であるから、レーザー光
源１１からのレーザー光と干渉して速度に比例した密度
をもった干渉縞が光検出器１７に入射される。即ち、中
間点Ｐでは最高速度で干渉縞の密度も最大となり、Ａ，
Ｂの折返し点では最低速度で干渉縞の密度は最小とな
る。これを電気変換したパルスＣのパルス幅変換信号か
ら折返し点Ａ，Ｂを検知して１振幅当りの時間、すなわ
ち振動周波数が検知される。

【００１７】また、パルスＣに基づいて算出された周期
で１秒間に発生した干渉縞の数（パルスＣの数）を除算
することにより、振動管７，８の振動振幅の大きさが算
出される。この振幅信号は振幅制御信号として利用され
る。

【００１８】一方、受光用光ケーブル２１，２２からハ
ーフミラー１４を透過したレーザー光は、振動管７，８
の光ケーブル支持台９，１０における空間伝播距離差に
よる干渉縞となり、レンズ１６を介して光検出器１８に
入射して、干渉縞の数に比例した電気信号パルスとして
検出される。このパルス信号は振動管７，８を流れる流
体に作用するコリオリの力に基づく位相差信号であるか
ら、例えば、１周期当りのパルスの数として質量流量を
求めることができる。

【００１９】（請求項２の発明）請求項２の発明は、各
々の光ケーブルの支持台９と１０において、投光、受光
する一対の光ケーブル１９と２１および光ケーブル２０
と２２をそれぞれ同一線上に配置するのではなく、反射
角度調整可能な、例えば、凸面鏡と凹面鏡の光反射体を
介して送受光するようにしたものである。

【００２０】図３（ａ）は、請求項２の発明の実施形態
を説明するための部分断面図であり、図中、９ｃ，９ｄ
は支持板、３０ａは凸面鏡，３０ｂは凹面鏡であり、図
１と同様の作用をする部分には、図１の場合と同じ参照
番号を付してある。

【００２１】図３（ａ）においては、光ケーブルの支持
台９ａには凸面鏡３０ａが、光ケーブル支持台９ｂには
凹面鏡３０ｂが、各々４５°の互いに逆傾斜をもって対
向するように設けられている。また光ケーブルの支持台
９ａと９ｂとには各々支持板９ｃと９ｄとが一体に固着
され、各々光ケーブル１９と２１とを互いに平行に凸面
鏡３０ａと凹面鏡３０ｂとに支持し、光ケーブル１９か
ら出射したレーザー光が凸面鏡３０ａで反射して凹面鏡
３０ｂに伝播し、反射光が光ケーブル２１に入射するよ
うにしている。この光路によると凸面鏡３０ａの散乱角
により散乱されたレーザ光は凹面鏡３０ｂで集光され、
集光角を選ぶことにより組立精度範囲の集光が可能とな
る。

【００２２】（請求項３の発明）請求項３の発明は、投
光用光ケーブルの支持台と受光用光ケーブルの支持台と
の間で、投光用光ケーブルの支持台近傍に凹レンズを設
けて、投光したレーザ光を散乱させ多少光損失があって
も受光用の光ケーブルに受光可能にしたものである。

【００２３】図３（ｂ）は、請求項３の実施形態例を説
明するための部分図であり、図中、３０ｃは凹レンズで
あり、同様な作用する部分には図１の場合と同一の参照
番号を付してある。図３（ｂ）においては、光ケーブル
１９と２１は対向して各々光ケーブルの支持台９ａ，９
ｂに固着されているが、投光用光ケーブル１９の支持台
９ａと受光用光ケーブル２１の支持台９ｂに、支持台９
ｂの近くの光路上に凹レンズ３０ｃを設けることにより
投光されたレーザー光は散乱され、散乱光は受光用光ケ
ーブル２１に所定面積に拡大されて入射されるので、多
少の取付位置精度が低下しても正しく受光できる。ま
た、図３（ａ），（ｂ）において光ケーブル１９，２１
は各々支持台９ａ，９ｂに固着することにより湾曲管７
と８とに固定されたが、円筒体１に固着しておくと光ケ
ーブルは振動されずに保持にも都合がよい。

【００２４】（請求項４の発明）請求項４の発明は、受
光用光ケーブルの支持台に光反射体を設け、投光用光ケ
ーブルから光反射体に向けて投光したレーザー光が、該
光反射体で反射され投光用光ケーブルで受光するように
したものである。

【００２５】図４は、請求項４の発明の実施形態例を説
明するための部分図であり、図中、２４，２５，２６は
ハーフミラー、２７は反射鏡ミラー、２８，２９は光ケ
ーブル、３０，３１は反射体で、図１と同様な作用する
部分には図１の場合と同一の参照番号を付してある。

【００２６】図４に示した光検出方式は、投受光の光ケ
ーブルを一本で行う方式のものである。レーザー光源１
１から発射されたレーザー光は、ハーフミラー２４，２
５を透過して光ケーブル２８と２９とに分岐されて、各
々光ケーブルの支持台９ａ，１０ａの位置から空間伝播
されて鏡、プリズム等の反射体３０，３１により反射さ
れ各々の光ケーブル２８と２９を伝送されハーフミラー
２５に達する。ハーフミラー２５で反射された流出側の
光ケーブル２８のレーザー光はシールド板１５により遮
断されるが、流入側の光ケーブル２９からのレーザー反
射光は、ミラー２７とハーフミラー２６とを通過してレ
ーザー光源１１からのレーザー光とで干渉縞を形成し、
該干渉縞を光検知器１７により検知して電気信号に変換
し、該電気信号から振動管７，８の振動数及び振幅を求
める。また、ハーフミラー２５と２４を透過した光ケー
ブル２８，２９からのレーザー光はレンズ１６を介して
質量流量に応じた干渉縞の明暗光を作り、該明暗光を光
検出器１８により検知して電気信号に変換し、該電気信
号から振動管７，８間の位相差に応じた質量流量を求め
る。

【００２７】

【発明の効果】請求項１に対応する効果：離間した２点
で支持された２本の振動管と、該振動管を支持位置まわ
りに交番駆動する駆動手段を有し、該駆動手段と前記２
点で支持された位置までの前記振動管に、前記２本の振
動管間を対向するように設置された各々対をなした光ケ
ーブルの支持台と、該各々対をなした支持台を結ぶ線上
に、対向して配設された投光用、受光用光ケーブルと、
該投光用光ケーブルに投光するレーザー光源と、該レー
ザー光源からのレーザー光と一方の前記受光用光ケーブ
ルからのレーザー光との干渉縞から、振動管の駆動周波
数と振幅を検知する振動検出手段と、双方の受光用光ケ
ーブルからのレーザー光の干渉縞の数からコリオリの力
を検知する質量流量検出手段とから構成したので、電磁
駆動される励振器等からの電磁ノイズを受けることな
く、高感度、高精度に駆動周波数およびコリオリ力に比
例した位相差信号を検出することができる。

【００２８】請求項２に対応する効果：請求項１に記載
のコリオリ流量計において、前記投光用光ケーブルの支
持台に凸面鏡を、前記受光用光ケーブルの支持台に凹面
鏡を設け、該投光用光ケーブルからの前記レーザー光を
前記凸面鏡と前記凹面鏡とで反射させ、該反射したレー
ザー光を前記受光用光ケーブルに伝送するようにしたの
で、投受光の光ファイバーの位置合せの調整が省ける。

【００２９】請求項３に対応する効果：請求項１に記載
のコリオリ流量計において、前記投光用光ケーブルの支
持台の近傍で、該投光用光ケーブルと前記受光用光ケー
ブルとの間の光軸上に凹レンズを設けたので、多少の取
付位置精度が低下しても正しく受光することができる。

【００３０】請求項４に対応する効果：請求項１に記載
のコリオリ流量計において、各々の前記受光用光ケーブ
ルの支持台に光反射体を設け、該光反射体で反射された
前記レーザー光を前記投光用光ケーブルを介して受光す
るようにしたので、受光用の光ケーブルが不要となり、
更に、反射体の取付け位置の姿勢を調整することにより
効率よく、投受光が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 請求項１の発明の実施形態を説明するための
図である。

【図２】 振動管の振幅と固有振動数を検出する原理説
明図である。

【図３】 （ａ）は請求項２の発明の実施形態例を説明
するための部分図であり、（ｂ）は請求項３の発明の実
施形態を説明するための部分断面図である。

【図４】 請求項４の発明の実施形態例を説明するため
の部分図である。

【図５】 従来の直管式のコリオリ流量計を説明するた
めの図である。

【符号の説明】

１…筒状体、２…支持部材、４…励振器、７，８…振動
管、９（９ａ，９ｂ），１０（１０ａ，１０ｂ）…光ケ
ーブルの支持台、１１…レーザー光源、１２，１３，１
４…半透明鏡（ハーフミラー）、１５…遮蔽板（シール
ド板）、１６…レンズ、１７，１８…光検出器、１９，
２０，２１，２２…光ケーブル、２３…光コネクタ、２
４，２５，２６…ハーフミラー、２７…反射鏡ミラー、
２８，２９…光ケーブル、３０，３１…反射体、３０ｃ
…凹レンズ。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 離間した２点で支持された２本の振動管
   と、該振動管を支持位置まわりに交番駆動する駆動手段
   を有し、該駆動手段と前記２点で支持された位置までの
   前記振動管に、前記２本の振動管間を対向するように設
   置された各々対をなした光ケーブルの支持台と、該各々
   対をなした支持台を結ぶ線上に、対向して配設された投
   光用、受光用光ケーブルと、前記投光用光ケーブルに投
   光するレーザー光源と、該レーザー光源からのレーザー
   光と一方の前記受光用光ケーブルからのレーザー光との
   干渉縞から、前記振動管の駆動周波数と振幅を検知する
   振動検出手段と、双方の受光用光ケーブルからのレーザ
   ー光の干渉縞の数からコリオリの力を検知する質量流量
   検出手段とから構成したことを特徴とするコリオリ流量
   計。
2. 【請求項２】 前記投光用光ケーブルの支持台に凸面鏡
   を、前記受光用光ケーブルの支持台に凹面鏡を設け、該
   投光用光ケーブルからの前記レーザー光を前記凸面鏡と
   前記凹面鏡とで反射させ、該反射したレーザー光を前記
   受光用光ケーブルに伝送することを特徴とする請求項１
   に記載のコリオリ流量計。
3. 【請求項３】 前記投光用光ケーブルの支持台の近傍
   で、該投光用光ケーブルと前記受光用光ケーブルとの間
   の光軸上に凹レンズを設けたことを特徴とする請求項１
   に記載のコリオリ流量計。
4. 【請求項４】 各々の前記受光用光ケーブルの支持台に
   光反射体を設け、該光反射体で反射された前記レーザー
   光を前記投光用光ケーブルを介して受光することを特徴
   とした請求項１に記載のコリオリ流量計。