(57)【要約】【課題】コリオリ式の質量流量計において、外部電源がプラス接地かマイナス接地かに拘わらず、コイルにおけるノイズによる測定精度の低下を防止する。【解決手段】測定流体を流す流体管１を加振するための加振器と、流体管１の流路に沿って互いに離間して設けられ、流体管１の振動の状態を検出する一対の検出器と、検出器により検出される相対量に基づき流体管１の流路を通る測定流体の質量流量を算出する算出手段を有する流量計に関する。外部電源４０から非絶縁に電力供給され当該電力をコイル２２に供給し磁性体を駆動する加振回路３４と、コイル２２を磁性体および／または導電性の流体管１から絶縁するための絶縁手段２６と、外部電源４０に対して安定な電位に短絡されたコイル２２を磁性体および流体管１に対しシールドするシールド手段２７とを備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定流体を流すための流路を形成し導電性を有する流体管と、
磁性体と当該磁性体に対応したコイルとで構成され、前記磁性体または前記コイルのうちの一方が前記流体管に固定されて前記流体管を加振する加振器と、
外部電源から非絶縁に電力供給され当該電力を前記コイルに非絶縁に供給し前記磁性体を駆動する加振回路と、
前記流体管の流路に沿って互いに離間して設けられ、前記流体管の振動の状態を検出する複数の検出器と、
前記複数の検出器により検出される各振動に基づき前記流体管の流路を通る測定流体の質量流量を算出する算出手段と、
前記コイルを前記磁性体および／または前記導電性の流体管から絶縁するための絶縁手段と、
前記外部電源に対して安定な電位に短絡され前記コイルを前記磁性体および流体管に対しシールドするシールド手段とを備えた流量計。
【請求項２】
測定流体を流すための流路を形成し導電性を有する流体管と、
前記流体管を加振するためのコイルおよび磁性体を含む加振器と、
外部電源から非絶縁に電力供給され当該電力を前記コイルに非絶縁に供給し前記磁性体を駆動する加振回路と、
前記流体管の流路に沿って互いに離間して設けられ、前記流体管の振動の状態を検出する複数の検出器と、
前記複数の検出器により検出される各振動に基づき前記流体管の流路を通る測定流体の質量流量を算出する算出手段を有する流量計において、
前記複数の検出器は、それぞれ、磁性体と当該磁性体に対応したコイルとで構成され、前記磁性体または前記コイルのうちの一方が前記流体管に固定されて前記流体管の振動により前記磁性体と前記コイルとが往復相対移動して電力を発生し、
前記複数の検出器は、さらに、
前記検出器のコイルを前記磁性体および／または前記導電性の流体管から絶縁するための絶縁手段と、
前記外部電源に対して安定な電位に短絡され前記検出器のコイルを前記検出器の磁性体および流体管に対しシールドするシールド手段とを備えた流量計。
【請求項３】
請求項１もしくは２において、前記絶縁手段が前記コイルを巻回するためのボビンを形成する絶縁体で構成されている流量計。
【請求項４】
請求項１もしくは２において、前記シールド手段が前記コイルを巻回するためのボビンに設けられた良導体で構成されている流量計。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１項において、前記コイルを巻回するためのボビンが、前記絶縁手段を構成する絶縁体と前記シールド手段を構成する良導体とが互いに積層されて形成されている流量計。
【請求項６】
請求項５において、前記ボビンが前記コイルを巻回する筒状の胴部と、該胴部の両端の鍔部とを備え、前記胴部および鍔部の各々が前記絶縁体と良導体とが積層されて形成されている流量計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、配管を強制的に加振することで、配管を流れる流体の質量流量に比例して働く力いわゆるコリオリの力を発生させて、配管の上流側と下流側での振動の位相差を検出し、当該質量流量を求めるコリオリ式の質量流量計に関する。
【背景技術】
【０００２】
コリオリ式の流量計は、計測対象の流体を通過させる流体管を、加振器で強制的に加振し、流体の質量の流量に応じて、流路の上流側と下流側とに発生する振動の位相差を検出し、前記位相差から質量流量を求める。（特許文献１）
【特許文献１】ＷＯ９１／０８４４８（abstract)
【０００３】
以下、本発明の課題の説明に先立ってコリオリ式の質量流量計の構造および原理等について説明する。
【０００４】
図４において、たとえば略Ｕ字型の流体管１は計測対象の測定流体１００の流路を形成する。前記測定流体１００は、前記流体管１の一端から導入され曲がり部や直管部を通って他端から導出される。
【０００５】
前記略Ｕ字型の流体管１の両端は、壁部１０１に固定されている。これを構造力学的な観点から見ると、支持部材である壁部１０１が流体管１の両端を後述する加振器２の加振による振動に対し固定端となるように支持し、つまり、流体管１は片持梁の状態で支持されていると同様の構造になる。その結果、図６（ａ）の模式図に示すように、壁部１０１に挿入された両端、つまり、加振による振動の固定端もしくはその近傍を軸に撓むことが可能である。
【０００６】
図４において、前記流体管１における中間部分には加振器２が設けられている。前記加振器２は、流体管１に固定された永久磁石（磁性体）２１と、ベース１０２上に固定された電磁駆動用コイル２２とからなる。永久磁石２１は電磁駆動用コイル２２内に挿入されており、加振回路３４（図５）により電磁駆動用コイル２２に交番する電流を流すことで、流体管１を加振する。つまり、電磁駆動用コイル２２は永久磁石２１に対応して設けられており、永久磁石２１が電磁駆動用コイル２２内を軸方向に往復移動する。
【０００７】
一方、流体管１には、それぞれ、第１および第２の検出器２Ａ，２Ｂが配置されている。すなわち、前記第１および第２検出器２Ａ，２Ｂは、流体管１の流路１０に沿った上流側と下流側とに互いに離間して配置されている。各検出器２Ａ，２Ｂは、周知の電磁ピックアップからなり、永久磁石からなる被検出素子（磁性体）２３と当該被検出素子２３に対応した検出コイル２４とで構成され、被検出素子２３が検出コイル２４内を相対的に往復移動して発生した電力により流体管１の鉛直方向の振動状態の一つである振動の速度を検出する。
【０００８】
図５において、前記第１検出器２Ａにより検出された振動の速度に関する信号は、検出回路３３を経て、マイコン３の算出手段３２に送信されるとともに、加振回路３４に送信される。加振回路３４は、正帰還がかかるように前記第１検出器２Ａにより検出された振動の速度に関する信号の大きさと正負の向きに応じた電流を加振器２を構成する電磁駆動用コイル２２に供給する。このとき、加振に対し振動が減衰しにくい振動数である流体管１の特定の固有振動数で正帰還がかかり、発振状態を作り出すことで、基本の固有振動数での振動を一定レベルで持続させることができる。なお、前記第１検出器２Ａの配置および正帰還の正負の向きなどを調整することで、複数存在する流体管１の固有振動数のうちから、選択的に、特定の高次の周波数で流体管１の振動を持続させることができる。
【０００９】
基本の固有周波数で加振するように設定した場合、前記加振により流体管１は図６（ａ）の一点鎖線Ｌ１、実線Ｌ０および二点鎖線Ｌ２の順に上下に撓みながら振動する。
【００１０】
一方、前記加振と測定流体１００（図４）の流れによって、流体管１には、いわゆるコリオリの力が作用し、図６（ｂ）のように流体管１が捩れながら上下に撓み振動する。
【００１１】
コリオリの力の大きさは、流体管１内を流れる流体の質量、その速度および励振する角速度に比例し、力の方向は流体の運動方向（速度ベクトル）と、流体管１を励振する角速度のベクトル積の方向に一致する。また、流体管１における流体の入側と出側とでは流体の流れ方向が反対となるので、２つの直管部に作用する力が上下反対となり、そのため、コリオリ力によって流体管１に捩りのトルクが発生する。このトルクは励振周波数と同一の周波数で変化し、その振幅値と流体の質量流量とは所定の関係になる。
【００１２】
前記加振による図６（ａ）の流体管１の撓みと、前記コリオリの力による図６（ｂ）の流体管１の捩れは、重畳されるのであるが、図５のマイコン３の算出手段３２は前記捩りの振幅の位相つまり前記各検出器２Ａ，２Ｂで検出した各振動の情報である各位置における振動の速度信号の位相差に基づき、流体管１の流路を通る測定流体１００の質量を算出する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
ここで、図４の前記流体管１や永久磁石２３とコイル２２との間には電位差があり、かつ、流体管１とコイル２２とは接近しているので、流体管１が金属など導電性を有する素材で形成されている場合には容量結合により、検出信号にノイズが入る場合がある。一般の電子機器においては、検出信号のノイズはローパスフィルタにより除去することができる。
【００１４】
しかし、コリオリ式の質量流量計では、前述のように２つの検出信号の位相差によって流量を算出しており、この位相差は微細な値である。そのため、それぞれのローパスフィルタのカットオフ周波数が流体管の振動の周波数よりも数桁大きくても、２つのローパスフィルタを構成する抵抗やコンデンサのバラツキおよび温度特性が測定精度に大きく影響する。したがって、ローパスフィルタによるノイズ除去では測定精度が低下する。以下、これについて具体的に説明する。
【００１５】
たとえば、図５の２つの検出回路３３，３３において、ノイズをローパスフィルタにより除去する場合について検討する。今、ローパスフィルタのカットオフ周波数を１００ｋＨｚとすると、１ＭＨｚでの減衰は２０ｄＢとなる。
流管振動を５００Ｈｚとし、一方のローパスフィルタの抵抗またはコンデンサが他方に対して５％ずれているとすると、０．２５mradずれる。測定レンジのフルスケールが１０mradだとすると、フルスケールに対し２．５％のずれが生じることになる。フィルタのカットオフ周波数を下げると、このずれは更に大きくなる。
【００１６】
このような理由からローパスフィルタによるノイズ除去では測定精度の低下を防止できないので、ノイズの発生自体を防止する必要がある。そこで、図７（ａ）に示すように、検出回路３３の内部のグランドと流体管１とを破線で示すように短絡して、両者を同じ電位にすることで、ノイズによる測定精度の低下を防止することが考えられる。
しかし、この解決方法は、図７（ａ）のように、ユーザーの外部電源５０のマイナス側が接地されている場合には採用することができるが、図７（ｂ）のように、外部電源５０のプラス側Vcc が接地されているプラス接地の場合には採用することができない。
【００１７】
すなわち、図７（ｂ）において、外部電源５０のマイナス側は検出回路３３への電源ラインを介して流体管１と短絡しており、更に、流体管１の本管５１を介して接地されているので、外部電源５０のプラス側Vcc を二点鎖線で示すように接地すると、外部電源５０のプラス側Vcc とマイナス側とが短絡してしまうことになる。
【００１８】
一方、ユーザにはマイナス接地とプラス接地の双方が存在するので、メーカーとしては、この解決方法は採用しにくい。
【００１９】
そこで、従来は、プラス接地にも対応できるように、絶縁電源を内蔵するか、あるいは、外部電源として絶縁電源を使用する方策が採用されている。たとえば、図８のように、外部電源５０から絶縁された状態で検出回路３３に電力が供給されれば、検出回路３３を接地し、かつ、外部電源５０のプラス側Vcc が接地されていても、前述のような外部電源５０のプラス側Vcc とマイナス側とが短絡するという事態が発生しない。
【００２０】
しかし、検出回路３３に絶縁状態で電力供給する場合、回路全体が複雑になって、それに応じてコストがアップする。また、出力信号等も絶縁状態で出力する必要があり、流量計のコストダウンの障害となる。
【００２１】
かかる問題は、検出器だけでなく、加振器においても同様に生じる。すなわち、加振器のコイルに侵入したノイズで加振の振動状態が所期の状態とならず、そのため、測定精度の低下を招く。
【００２２】
なお、前記特許文献１にはコイルの磁気の効率を高める磁気シールドについては開示されているが、コイルにノイズが発生しないようにシールドする点については何ら開示されていない。
【００２３】
したがって、本発明の目的は、コリオリ式の質量流量計において、外部電源がプラス接地かマイナス接地かに拘わらず外部電源から非絶縁で電力供給を可能とすると共に、コイルにおけるノイズの発生を防止して測定精度の低下を防止することである。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
前記目的を達成するために、本第１発明の流量計は、測定流体を流すための流路を形成し導電性を有する流体管と、磁性体と当該磁性体に対応したコイルとで構成され、前記磁性体または前記コイルのうちの一方が前記流体管に固定されて前記流体管を加振する加振器と、外部電源から非絶縁に電力供給され当該電力を前記コイルに非絶縁に供給し前記磁性体を駆動する加振回路と、前記流体管の流路に沿って互いに離間して設けられ、前記流体管の振動の状態を検出する複数の検出器と、前記複数の検出器により検出される各振動に基づき前記流体管の流路を通る測定流体の質量流量を算出する算出手段と、前記コイルを前記磁性体および／または前記導電性の流体管から絶縁するための絶縁手段と、前記外部電源に対して安定な電位に短絡され前記コイルを前記磁性体および流体管に対しシールドするシールド手段とを備えている。
【００２５】
一方、本第２発明の流量計は、測定流体を流すための流路を形成し導電性を有する流体管と、前記流体管を加振するためのコイルおよび磁性体を含む加振器と、外部電源から非絶縁に電力供給され当該電力を前記コイルに非絶縁に供給し前記磁性体を駆動する加振回路と、前記流体管の流路に沿って互いに離間して設けられ、前記流体管の振動の状態を検出する複数の検出器と、前記複数の検出器により検出される各振動に基づき前記流体管の流路を通る測定流体の質量流量を算出する算出手段を有する流量計において、前記複数の検出器は、それぞれ、磁性体と当該磁性体に対応したコイルとで構成され、前記磁性体または前記コイルのうちの一方が前記流体管に固定されて前記流体管の振動により前記磁性体と前記コイルとが往復相対移動して電力を発生し、前記複数の検出器は、さらに、前記検出器のコイルを前記磁性体および／または前記導電性の流体管から絶縁するための絶縁手段と、前記外部電源に対して安定な電位に短絡され前記検出器のコイルを前記検出器の磁性体および流体管に対しシールドするシールド手段とを備えている。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、外部電源に対して安定な電位に短絡されたシールド手段によりコイルが磁性体および流体管に対してシールドされ、コイルと磁性体および流体管との間の容量結合が遮断されることで、コイルにノイズが発生しにくい。
【００２７】
なお、外部電源から非絶縁に電力供給されるので、絶縁電源を必要としないから、コストダウンを図り得る。
また、コイルが磁性体および／または流体管から絶縁されており、加振回路や検出回路の内部のグランドが流体管の電位に短絡することもないから、外部電源がプラス接地されていても採用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
本発明の好ましい態様において、前記絶縁手段としては前記コイルを巻回するためのボビンを形成する絶縁体で構成する。この態様の場合、絶縁の確実性が高く、また、絶縁手段を別途設ける必要がない。
すなわち、流体管および磁性体とコイルとの距離が近いので、ボビンを金属製とした場合には絶縁性が低下するから、金属ボビンをフレームに固定する部分に別途絶縁手段を設ける必要があるが、この態様では前記絶縁手段を別途設ける必要がない。
【００２９】
前記シールド手段としては前記コイルを巻回するためのボビンに設けられた良導体で構成するのが好ましい。この場合、コイルを磁性体および流体管からシールドする確実性が高くなる。
【００３０】
本発明の好適な実施例においては、前記コイルを巻回するためのボビンが、前記絶縁手段を構成する絶縁体と前記シールド手段を構成する良導体とが互いに積層されて形成される。
この場合、絶縁およびシールドの確実性が高くなるばかりでなく、絶縁体と良導体とが積層されたボビンで前記両手段を構成するので、部品点数が少なくなる上、流量計が大型化するおそれもない。
【００３１】
この場合、前記ボビンが前記コイルを巻回する筒状の胴部と、該胴部の両端の鍔部とを備え、前記胴部および鍔部の各々が前記絶縁体と良導体とが積層されて形成されているのが更に好ましい。
【００３２】
なお、良導体としては、例えば銅、アルミ、鉄および各種の合金を用いることができ、絶縁体とは本質的に電気を通さないもので、絶縁体としては例えば樹脂を用いることができる。
【実施例】
【００３３】
以下、本発明の一実施例を図面にしたがって説明する。
本発明の適用されるコリオリ式の質量流量計の機械的構造や原理については、前記図４〜図６で説明したとおりであり、その説明を省略する。
【００３４】
図１に示すように、コリオリ式の流量計の各回路３２〜３６には、ＤＣ／ＤＣコンバータ３７を介して外部電源４０である直流電源から非絶縁に電力供給がなされる。
なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ３７は外部電源４０の電圧を降下させるものである。
【００３５】
図１の第１検出器２Ａにより検出された振動の速度に関する信号は、一方の検出回路３３およびゲイン調整回路３５を経て加振回路３４に送信される。加振回路３４は、正帰還がかかるように前記第１検出器２Ａにより検出された振動の速度に関する信号の大きさと正負の向きに応じた電流を加振器２を構成する電磁駆動用コイル２２に供給する。これにより、前述のとおり流体管１が加振される。
【００３６】
他方、第１および第２検出器２Ａ，２Ｂにより検出された振動の速度に関する信号は、それぞれ、検出回路３３，３３およびＡ／Ｄコンバータ３６を経て、マイコン３の算出手段３２に送信される。前記算出手段３２は前記捩りの振幅の位相つまり前記各検出器２Ａ，２Ｂで検出した各振動の情報である各位置における振動の速度信号の位相差に基づき、図５の流体管１の流路を通る測定流体１００の質量を算出する。
なお、算出された質量に関する信号は、非絶縁でユーザーの電子機器に出力されてもよい。
【００３７】
図２は本発明の要部を示す模式図である。
この図に示すように、各コイル２２，２４はボビン２５に巻回されている。各磁性体２１，２３（永久磁石２１または被検出素子２３）は前記ボビン２５内に挿入されている。前記ボビン２５は絶縁体である合成樹脂と導体である金属とが積層されてなり、絶縁手段２６およびシールド手段２７を備えている。
【００３８】
前記合成樹脂層からなる絶縁手段２６は、各コイル２２，２４を各磁性体２１，２３および導電性の流体管１から絶縁する。前記流体管１は本管５１に接続されており、当該本管５１を介して接地された状態となっている。
【００３９】
ここで、二点鎖線で示すように、外部電源４０のプラス側Vcc がアースに接地されている場合、流体管１の電位もVcc となる。しかし、各コイル２２，２４はボビン２５の絶縁手段２６により流体管１や磁性体２１，２３から絶縁されているので外部電源４０のプラス側Vcc とマイナス側とが短絡するおそれはない。
なお、外部電源４０のマイナス側が接地されている場合にも、かかる短絡は生じない。
【００４０】
前記シールド手段２７は電線４１を介して外部電源４０のマイナスの電位に短絡されている。つまり、シールド手段２７は外部電源４０に対して安定な電位に短絡されているので、前記金属層からなるシールド手段２７は各コイル２２，２４を磁性体２３および流体管１に対してシールドすることができる。したがって、コイル２２，２４におけるノイズによる測定精度の低下を防止し得る。
【００４１】
つぎに、絶縁手段２６およびシールド手段２７の具体的な構造例について説明する。
図３（ａ）に示すボビン２５においては、絶縁手段２６である合成樹脂製のボビン本体に銅などのメッキ層ないし金属箔が貼られてシールド手段２７が形成されている。すなわち、前記ボビン２５は、前記コイル２２，２４を巻回する筒状の胴部２５ａと、該胴部２５ａの両端の鍔部２５ｂとを備え、前記胴部２５ａおよび鍔部２５ｂの各々が前記合成樹脂からなる絶縁体とメッキ等からなる良導体とが積層されて形成されている。
【００４２】
なお、ボビン２５におけるメッキを施す面は、図３（ａ）または（ｂ）のように適宜選択すればよい。
また、図３（ｃ）のように、合成樹脂製のボビン本体内に金属コアからなるシールド手段２７を埋設して、絶縁手段２６とシールド手段２７とを互いに積層してもよい。
【００４３】
ところで、前記実施例においては、図２のシールド手段２７を外部電源４０のマイナス側の電位に短絡させたが、本発明においては、シールド手段２７を外部電源４０に対して安定な電位に短絡すればよく、たとえば、シールド手段２７を外部電源４０内の定電圧回路のプラス側に接地してもよい。
【００４４】
また、前記本発明においては、コイル２２，２４を流体管１に固定し、磁性体２１，２３をフレーム等に固定してもよい。
また、ボビン２５で絶縁手段２６を形成する必要はなく、たとえば、コイル２２，２４を流体管１に固定した場合、流体管１とボビン２５との間に樹脂プレートを配置して流体管１とコイル２２，２４との間を絶縁してもよいし、コイル２２，２４と磁性体２１，２３との間のみを絶縁してもよい。
【００４５】
なお、流体管１は直管で形成してもよい。また、流体管１は互いに平行に一対設けてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明はいわゆるコリオリ式の質量流量計に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の流量計の一実施例を示す回路の概略ブロック図である。
【図２】本流量計における接地および絶縁状態を示す概念図である。
【図３】ボビンの例を示す拡大断面図である。
【図４】流量計の原理を説明するための概略斜視図である。
【図５】同概略構成図である。
【図６】流量計の原理を示す斜視図である。
【図７】流量計において非絶縁電源を使用できない非公知例を示す概念図である。
【図８】流量計において絶縁電源を用いた従来例を示す概念図である。
【符号の説明】
【００４８】
１：流体管
２：加振器
２Ａ，２Ｂ：検出器
１０：流路
２１，２３：磁性体
２２，２４：コイル
２５：ボビン
２５ａ：胴部
２５ｂ：鍔部
２６：絶縁手段
２７：シールド手段
３２：算出手段
３４：加振回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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