JP2001289683A

JP2001289683A - コリオリ式流量計

Info

Publication number: JP2001289683A
Application number: JP2000142552A
Authority: JP
Inventors: Yoshiro Tomikawa; 義朗富川
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-04-07
Filing date: 2000-04-07
Publication date: 2001-10-19
Also published as: US20010049971A1

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、直管式コリオリ流量計において振動
エネルギーが漏れないようにようにして、駆動装置の小
型化とコリオリ感度の向上を目的としている【解決手段】直管式コリオリ流量計は被測定流体が流れ
るフローチューブと該フローチューブに平行に配置され
たカウンタチューブとこれら３本のチューブの両端に基
台を配置し、対称三脚音叉構造とする。さらにこの構成
に駆動装置とセンサを備える。本発明はこのような構成
において基台の長さをフローチューブの３／１０以上の
長さにすることと、フローチューブとカウンタチューブ
の振動位相を互いに逆相に振動させること及び基台の端
部をシリコンゴウム等の弾性材料で支持することであ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はコリオリ力を利用した質
量流量計または密度計に係り、特に直線状のセンサチュ
ーブ内に被測定流体を通過させる構成とした質量流量計
または密度計に関する。

【０００２】

【従来の技術】質量流量を直接求めるコリオリ流量計は
流管内に流れる測定流体に振動を与えた場合に振動した
測定流体に作用するコリオリ力が質量流量に比例するこ
とを利用した直接質量流量計である。しかし、コリオリ
力は加振力に対して微少な力であるから、コリオリ流量
計には高感度で安定した力計測手段が要求される。通
常、コリオリの力はコリオリ力による流管の弾性変形ま
たはひずみとして検知される。このため、従来、流管は
変形量が大きくとれる湾曲した形状にしていた。湾曲形
状のコリオリ流量計は、Ｕ字状に湾曲させてなるため、
被測定流体がセンサチューブ内を通過する際、センサチ
ューブの形状による圧力損失が生じ易く、計測精度を向
上させることが難しいという問題点もある。また、湾曲
形状のコリオリ流量計は、一般に形状が大きくなるとい
う欠点もある。このため、流管を直管形状とした直管式
のコリオリ流量計が試みられている。

【０００３】直管式のコリオリ流量計は、加振するの流
管に単一流管を使用したものと、複数の直管を並列に配
置した方式がある。いずれの場合も直管の両端部を支持
し、中間部で流管を加振する駆動手段と、駆動手段と支
持部との間でコリオリ力による微小な変位またはひずみ
を検出する手段を有している。

【０００４】このような構成からなる直管式のコリオリ
流量計は、通常、駆動手段により支持部を節部とした曲
げ１次振動として駆動される。この周波数をω、流速を
ｖ、単位体積当たりの質量をｍとすると、コリオリ力Ｆ
ｃは振動数ωと流速ｖのベクトル積に比例し、−２ｍ
〔ω〕×〔ｖ〕であらわされる。ここで〔ω〕、〔ｖ〕
はベクトルである。

【０００５】図１０は平行カウンタチューブを備えた従
来のコリオリ流量計の概念図を示している。このコリオ
リ流量計はフローチューブ３の両側にカウンタチューブ
４ａ，４ｂを配置したものである。直管状のフローチュ
ーブ３には被測定流体が流れる。フローチューブ３とそ
の両側のカウンタチューブ４ａ，４ｂは、防振枠９に両
端を固定されている。ここでフローチューブ３とカウン
タチューブ４ａ，４ｂの共振周波数は、ほぼ等しくなる
ように調整されている。さらにフローチューブ３とカウ
ンタチューブ４ｂの中央部には、これらのチューブに１
次の曲げ振動を励起するための駆動装置が設置されてい
る。そして、駆動装置の両側の対称位置に一対のセンサ
６あ、６ｂが設置されコリオリ力によるフローチューブ
３の変位を検出する。このような平行カウンタチューブ
を備えた従来のコリオリ流量計は、マスバランスを取る
ようにフローチューブ３とカウンタチューブ４ａ、４ｂ
の共振周波数をほぼ等しくするように調整されている
が、防振枠９を通して振動が漏れてしまう。振動漏れは
フローチューブ３とカウンタチューブ４ａ，４ｂを固定
している防振枠９に振動が伝達してしまうことに原因し
ている。この様子を有限要素法を使用して解析する。フ
ローチューブ３と２本のカウンタチューブ４ａ，４ｂの
両端を固定する防振枠の厚さをフローチューブ３の軸方
向に沿ってフローチューブ３とカウンタチューブ４ａ，
４ｂの長さの１／１０にした場合の変位を図１１に示
す。この防振枠の厚さは従来例よりさらに厚い場合を想
定した。ここで防振枠のフローチューブの軸方向に沿っ
た端部から２／５までの変位は駆動モードである１次の
曲げ振動モードでの最大変位に対して約５％に近い変位
があり、この部分から振動が漏れてしまう。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】直管式のコリオリ流量
計は両端が固定されており曲げ剛性が高く振動振幅を大
きくするために大きい駆動力を必要とする。また、直管
の両端を支持する支持部より振動エネルギーが漏れるた
め、駆動するためには大きな駆動力を必要とし、検出感
度は変位またはひずみは振動漏れがない場合に比較して
小さくなる。また、マスバランスを取るためのカウンタ
バランスチューブを持つ構造の直管式のコリオリ流量計
もあるが、振動子として測定管とカウンタバランスチュ
ーブが一体でないため測定管を流れる流体の密度により
カウンタバランスチューブの効果が変化してしまうとい
う欠点があった。そこで、本発明は上記課題を解決した
直管式コリオリ流量計を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記請求項１の発明は、
被測定流体を流通させる１本のフローチューブとこの両
側にほぼ平行に配置した２本のカウンタチューブを有
し、これら３本の直管の軸方向の両側に基部を有する構
造において、基部の長さをフローチューブの軸方向に沿
ってフローチューブの長さの３／１０以上であることを
特徴とするコリオリ流量計。

【０００８】また、請求項２の発明は、３本のチューブ
の軸方向の両側に基部を有する構造体は振動子として一
体であり、中央の被測定流体を流通させる１本のフロー
チューブとこの両側にほぼ平行に配置したカウンタチュ
ーブの振動は軸方向と垂直な方向に振動させ、中央の被
測定流体を流通させる１本の直管と両側にほぼ平行に配
置した直管の振動位相は逆であることを特徴とする。ま
た、請求項３の発明は、弾性を持った材料により基部を
面支持することを特徴とする。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明を実施の形態に基づ
き図面を参照して説明する。図１は本発明による直管式
コリオリ流量計の一例の斜視図を示している。図１にお
いて１は配管との接続フランジ、２ａ，２ｂはフローチ
ューブとカウンタチューブを固定する基部、３は被測定
流体が流れるフローチューブ、４ａと４ｂはカウンタチ
ューブである。図２は図１に示していない駆動装置５ａ
と５ｂ、そしてセンサ６ａ，６ｂを示したものである。
駆動装置はこの場合、マグネットとコイルからなってお
り、所望の１次曲げ振動モードを励起するには５ａがそ
の両側のチューブを引きつけるときに、５ｂその両側の
チューブに斥力を与えるように動作させている。さらに
２次モードを検出するためのセンサ６ａ，６ｂは圧電素
子を使用しているが、マグネットとコイルの組み合わせ
でも良い。また本例ではフローチューブの両側のカウン
タチューブを管としたが流体が流れていないので管でな
くても良い。つまり、棒状であり、断面形状もとくに円
に限らず例えば、三角形以上の多角形、楕円形でも良
い。ここでＬ１はフローチューブの長さ、Ｌ２は基台の
長さを示している。

【００１０】この直管方式のコリオリ流量計は振動を閉
じこめるための基部２ａ，２ｂを有し、この基部２ａ，
２ｂにフローチューブ３とカウンタチューブ４ａ，４ｂ
が固着され一体化されている。基部２ａ，２ｂとフロー
チューブ３およびカウンタチューブ４ａ，４ｂは例えば
ステンレス、ハステロイ、チタン合金等から構成されて
いる。本発明の直管方式のコリオリ流量計の振動モード
は三脚音叉型振動子を流体の流れ方向に沿って対称的に
配置した構成であり、従来のカウンタバランス方式のよ
うにフローチューブとカウンタチューブの共振周波数を
一致させ、フローチューブとカウンタチューブだけでバ
ランスさせるという原理ではない。本発明の振動モード
は、フローチューブとカウンタチューブおよび基部の一
体化した構成の振動モードであり、フローチューブとそ
の両側のカウンタチューブだけの共振周波数が一致しな
くても所望の振動モードは励起できる。コリオリ力を検
知する振動モードは、対称三脚音叉型構造の腕部の曲げ
２次振動モードであり、ここで腕部はフローチューブと
カウンタチューブに相当する。このモードも中央の腕部
つまりフローチューブと両側の腕部つまりカウンタチュ
ーブだけの共振周波数が一致していなくても基部と腕部
を一体化した振動が励起できる。

【００１１】このように駆動モードも検出モードも従来
と全く異なる三脚音叉型振動子を振動モードを利用して
いる。なお、ここで云う三脚音叉型振動子振動子は図３
のような形状であり、非常に安定した振動子としてレゾ
ネータ等に広く応用されている。三脚音叉型振動子の１
次モードを図４（ａ）に、２次モードを図４（ｂ）に示
す。点線は変位した時の変位線を示す。、本発明はこれ
を対称的に配置した構成で振動モードは三脚音叉型振動
子の１次モードと２次モードをそのまま利用している。
フローチューブとカウンタチューブの長さに対して基部
の長さをどの程度にすればいわゆる振動エネルギーをフ
ローチューブとカウンタチューブに閉じこめられるのか
を有限要素法を用いて解析した。

【００１２】フローチューブ長さＬＩに対して基部の長
さＬ２を２／１０にした場合の駆動モードである１次モ
ードであるが流体の流れ方向に沿った基部の端部から基
部の端部からの距離が基部の全長Ｌ２の２／５までの位
置の間で最大変位に対して変位は１％以下であり、振動
エネルギーはフローチューブとカウンタチューブに閉じ
こめられている。これを図５（ａ）に示す。しかし、検
出モードである２次モードは、流体の流れ方向に沿った
基部の端部から基部の端部からの距離が基部の全長の２
／５までの位置の間で最大変位に対して変位は約５％の
部分があり、基部から振動が漏れてしまう。これを図５
（ｂ）に示す。このように１次モードより２次モードの
方が基部より振動が漏れやすい。

【００１３】フローチューブの長さＬ１に対してフロチ
ューブの軸方向に沿った基部の長さＬ２を３／１０にし
た場合の１次モードであるが、流体の流れ方向に沿った
基部の端部から基部の端部からの距離が基部の全長Ｌ２
の２／５までの位置の間で最大変位に対して変位は１％
以下であり、振動エネルギーはフローチューブとカウン
タチューブに閉じこめられている。これを図６（ａ）に
示す。さらに検出モードの２次モードでも、流体の流れ
方向に沿った基部の端部から基部の端部からの距離が基
部の全長の２／５までの位置の間で最大変位に対して変
位は２％以下であり、振動エネルギーはフローチューブ
とカウンタチューブにほぼ閉じこめられている。これを
図６（ｂ）に示す。したがって、実用上からは基部の長
さＬ２をフローチューブの長さＬ１に対して３／１０以
上にすればよい。

【００１４】更に、基部の長さＬ２をフローチューブの
長さＬ１に対してフロチューブ３の軸方向に沿って６／
１０にした場合であるが１次モードも２次モードも流体
の流れ方向に沿った基部の端部から基部の端部からの距
離が基部の全長Ｌ２の２／５までの位置の間で最大変位
に対して変位は１％以下であり、振動エネルギーはフロ
ーチューブ３とカウンタチューブ４ａ，４ｂにほぼ閉じ
こめられている。１次モードを図７（ａ）に２次モード
を図７（ｂ）に示す。このように基部の長さを長くすれ
ばするほど振動エネルギーは理想的にフローチューブと
カウンタチューブに閉じこめられことになる。したがっ
て、高精度な流量計を必要とする場合は基部の長さを大
きくすればよい。しかし、装置が大型化してしまうの
で、実際に実用できるのは基部の長さＬ２がフローチュ
ーブの長さＬ１と等しいまでの長さがあれば良い。

【００１５】これまでは、フローチューブ３とカウンタ
チューブ４ａ，４ｂの３本の軸を含む面に対して垂直に
振動する場合を示したが、３本の軸を含む面と同一面内
で曲げ振動する振動モードも利用できる。この場合の１
次モードを図８（ａ）に２次モードを図８（ｂ）に示
す。

【００１６】さらに基部の長さＬ２をフローチューブの
軸方向にそってフローチューブの長さＬ１の３／１０以
上にすると基部の端部付近は、ほぼ節のような状態にな
っているので、その部分をシリコンゴム等で面状に支持
することで外乱に対して影響されることはほとんどなく
なる。これを図９に示す。ここで１０はシリコンゴム、
１１はコリオリ流量計を取り付けるケース板である。

【００１７】

【発明の効果】本発明の三脚音叉型振動子振動子をフロ
ーチューブの軸方向に対称的に配置した構成になってい
るコリオリ流量計は基部の長さをフローチューブの軸方
向にそってフローチューブの長さの３／１０以上にする
とフローチューブとカウンタチューブにほぼ振動エネル
ギーが閉じこめられるので、必要とする駆動エネルギー
は小さくなり駆動装置も小型化できる。また、検出感度
も振動漏れがほとんど無いので振動漏れがある場合に比
較して高くなる。さらに基部は弾性を持ったゴムなどで
支持できるので外乱に対して影響され難い構成にでき
る。

【００１８】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用する対称三脚音叉型振動子を利用
した直管型コリオリ流量計

【図２】図１に示した構成で駆動装置とセンサを示す図

【図３】本コリオリ流量計の原理である三脚音叉型振動
子を示す

【図４】（ａ）は三角音叉型振動子の１次の振動モード
を示す（ｂ）は三角音叉型振動子の２次の振動モードを示す

【図５】（ａ）は基部の長さがフローチューブの２／１
０の時の曲げ１次振動モードの変位を示す（ｂ）は基部の長さがフローチューブの２／１０の時の
曲げ２次振動モードの変位を示す

【図６】（ａ）は基部の長さがフローチューブの３／１
０の時の曲げ１次振動モードの変位を示す（ｂ）は基部の長さがフローチューブの３／１０の時の
曲げ２次振動モードの変位を示す

【図７】（ａ）は基部の長さがフローチューブの６／１
０の時の曲げ１次振動モードの変位を示す（ｂ）は基部の長さがフローチューブの６／１０の時の
曲げ２次振動モードの変位を示す

【図８】（ａ）フローチューブとカウンタチューブの３
本の軸を含む面内で振動する１次モード（ｂ）フローチューブとカウンタチューブの３本の軸を
含む面内で振動する２次モード

【図９】コリオリ流量計をゴム支持することを示す

【図１０】平行カウンタチューブを備えた従来技術のコ
リオリ流量計の概念図を示す

【図１１】従来技術のチューブの固定部の振動の状態を
示す

【符号の説明】

１接続フランジ２基部３フローチューブ４カウンタチューブ５駆動装置６センサ７シリコンゴム８ケース板９防振枠１０シリコンゴム１１ケース板Ｌ１フローチューブの長さＬ２基部の長さ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被測定流体を流通させる１本のフローチュ
ーブとこの両側にほぼ平行に配置した２本のカウンタチ
ューブを有し、これら３本のチューブの軸方向の両側に
基部を有する構造のコリオリ流量計において、基部の長
さはフローチューブの軸方向の長さにおいてチューブの
長さの０．３倍以上の長さであることを特徴とするコリ
オリ流量計。
【請求項２】前記３本のチューブの軸方向の両側に基部
を有する構造体は振動子として一体であり、中央の被測
定流体を流通させる１本のフローチューブとこの両側に
ほぼ平行に配置したカウンタチューブの振動は軸方向と
垂直な方向に振動させ、中央の被測定流体を流通させる
１本のフローチューブと両側にほぼ平行に配置した２本
のカウンタチューブの振動位相は逆であることを特徴と
するコリオリ流量計。
【請求項３】請求項１および請求項２に記載のコリオリ
流量計において、基部を弾性を持った材料により面支持
することを特徴とするコリオリ流量計。