(57)【要約】【課題】超小型化が可能な測定精度の高い流量測定方法を提供する。【解決手段】流路の全長の１／２以下の距離の間に固定部品を２個取り付け、その固定部品の位置を固定端とする条件での基本振動モードで流路を振動させ、前記基本振動モードに対して２次振動モードで振動を検出することにより流量を測定することを特徴とする流量測定方法。【選択図】図１
2004151072.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流路の全長の１／２以下の距離の間に固定部品を２個取り付け、その固定部品の位置を固定端とする条件での基本振動モードで流路を振動させ、前記基本振動モードに対して２次振動モードで振動を検出することにより流量を測定することを特徴とする流量測定方法。
【請求項２】
流路の両端が固定している条件での基本振動モードに対しての３次以上の振動モードを励起する周波数で流路を非連続的に振動させ、前記流路を振動させる周波数と同じ周波数でかつ位相の９０度異なる振動を検出することにより流量を測定することを特徴とする流量測定方法。
【請求項３】
流路の両端が固定している条件での基本振動モードに対しての３次以上の振動モードを励起する周波数で流路を振動させ、前記流路を振動させる周波数と同じ周波数でかつ位相の９０度異なる振動を検出することにより流量を測定することを特徴とする流量測定方法。
【請求項４】
流路に沿っての流量測定部の両側に流路を振動させる振動に対して９０度位相の異なる振動を吸収または減衰させる減衰器を有していることを特徴とする請求項３に記載の流量測定方法。
【請求項５】
減衰器が圧電素子であることを特徴とする請求項４に記載の流量測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超小型化できる流量測定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
流体が流れている管に振動を与えると、流体にはその質量流量に比例したコリオリ力が作用する。コリオリ式流量計は、流量を測定する流体が流れる管（一般に、計測チューブと呼ばれる）を振動させ、流体に作用するコリオリ力を検知することにより質量流量を測定する直接質量流量計である。コリオリ力は通常、計測チューブの弾性変形や歪を測定することにより検出する。
【０００３】
従来のコリオリ力を検出するコリオリ式の質量流量計は「流量計測ＡｔｏＺ」（日本計量機器工業連合会編、第１０章、１９９５）に詳しく記載されているが、従来のコリオリ式質量流量計は管全体を振動させる定在波を駆動および検出に用いていた。また、検出振動が微少であるためにすこしでも検出振動を大きくするために管の長さを長くしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
そのため装置が大きくなってしまっている。また、管の長さを大きくしたことにより駆動振動の変位が大きくなり管の取り付け部付近の管の根元と溶接部に大きな歪が集中し破損の虞がある。また、流体が腐食性であると応力腐食の虞があり信頼性が低いこともある。さらに検出感度を向上させるために管の長さを大きくしたことにより管の曲げ振動の固有振動数が数百ヘルツであり、このような低い固有振動数のため外部振動に影響を受け易い。また、管が長いため圧力損失も大きい。さらに装置が複雑であるため高価である。
本発明の目的は簡単な構成で信頼性の高く、超小型化で外部振動に影響されないコリオリ式の質量流量計を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、流路の全長の１／２以下の距離の間に固定部品を２個取り付け、その固定部品の位置を固定端とする条件での基本振動モードで流路を振動させ、前記基本振動モードに対して２次振動モードで振動を検出することにより流量を測定する流量測定方法を用いる。
また、流路の両端が固定した条件での基本振動モードに対しての３次以上の振動モードを励起する周波数で流路を非連続的に振動させ、前記流路を振動させる周波数と同じ周波数でかつ位相の９０度異なる振動を検出することにより流量を測定する流量測定方法用いる。
さらに流路の両端が固定している条件での基本振動モードに対しての３次以上の振動モードを励起する周波数で流路を振動させ、前記流路を振動させる周波数と同じ周波数でかつ位相の９０度異なる振動を検出することにより流量を測定することと、かつ流路に沿っての流量測定部の両側に流路を振動させる振動に対して９０度位相の異なる振動を吸収または減衰させる減衰器を有していることと、及び減衰器が圧電素子であるところの流量を測定する流量測定方法を用いる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の実施の形態について詳細に説明する。図１（Ａ）は第１の実施の形態の断面図である。ここで流量計測部１の圧電素子の全部と流路３の一部には図面の都合上断面を示す斜線を入れなかった。流路３は、断面が円環状のチューブであり、その材料はＰＦＡ（テトラフルオロエチレンパーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）である。流路３には基本振動と２次振動の節になるための固定部品２ａ、２ｂを取り付ける。さらにこの固定部品２ａ、２ｂは容器５に取り付けられる。流路３に図中の実線の示す曲線で示す振動を与えるためと、コリオリ力による流路３の振動を検出するため流量測定部１の圧電素子がエポキシ樹脂を使用して流路３に接合されている。流量測定部１の圧電素子中の矢印は分極方向を示している。また点線は分極がほとんどされていない分極不活性域を示す。流路３は流体４が満たされている。
【０００７】
次に、流量を測定するための方法について説明する。
流体４は流路３の中に示す矢印方向に流れている。そして流量測定部１の圧電素子に基本振動モードである曲げ振動を励起する交流電圧を印加する。その結果、流路３にはＳＩＮ波状の曲線１１で示す変位が生じる。また、矢印ａはその変位の方向を示している。流路３のＳＩＮ波状の曲線１１で示す変位は、流体の流れに角速度を与えるので流体４にはコリオリ力が生じる。流体４に作用するコリオリ力の方向を矢印ｂ、ｃで示す。そして、この流体４に作用するコリオリ力より流路３に点線で示す変位１２が生じる。このコリオリ力より流路に点線１２で示す変位を、流量測定部１の圧電素子の検出部により検出する。流量測定部１の圧電素子は、図１（Ｂ）で示すようにコリオリ力による流路の２次曲げ振動モードを検出するために、分極方向を流体の流れ方向に対して流量計測部１の圧電素子の中央部の点線に対して図中の矢印で示すように互いに逆方向になっている。流量測定部１の圧電素子の検出部の構成は、駆動変位は検出しない。したがって、検出器８はコリオリ力だけを検出する設計になっているので微少なコリオリ力だけを検出できる構成になっている。また、流路の振動を、流量を測定する部分だけにするために流路の全長の１／２以下の距離の間に固定部品を２個取り付ける。ここで、コリオリ力が流体４に作用するのは、流路３の大きさにもよるが流路３の断面積の一部になることもあるので別に用意された較正用のデータを用いて流体の流量を算出することも必要である。これは、以下述べる実施の形態についても同様である。また流路の振動変位が従来のコリオリ式流量計に比較して小さいので流路及び流路と支持部の接合部の耐久性を高めることができる。さらに、省電力化できるので、屋外で使用できる。
【０００８】
図１（Ｂ）は、図１（Ａ）の流量測定部１の圧電素子の詳細を示す斜視図である。流量測定部１の圧電素子は直方体であり、その厚み方向の中央部に電極６ｂがある。また流路３と接する面に電極６ａが、そしてその反対側の面にも電極６ｃ、６ｄが設けられている。リード線の取り付けを容易にするために流路３と接する面に設けられている電極６ａには流量測定部１の圧電素子の側面の一部に取り出し用の電極６ｅを設ける。また中央部の電極６ｂにも取り出し用の電極６ｆを設ける。電極６ｅ、６ｆにはリード線９ａ、９ｂがハンダにより接合されている。リード線９ａ、９ｂの他方の側には交流電源７が接続され、固定部品２ａ、２ｂを固定端とする基本曲げ振動モードを励起する交流電圧を印加する。電極６ｃ、６ｄはハンダ１０により接続され、さらにリード線９ｃが接続される。電極６ｆにはリード線９ｄが接続される。リード線９ｃ、９ｄの他方の側には検出器８が接続され、固定部品２ａ、２ｂの距離を２次曲げ振動モードとする振動を検出する。
図１に示すように流路３全体に無駄な振動を与えないようにできるので振動による流路の破損の虞を少なくすることができる。
【０００９】
本発明の第２の実施の形態について図２を用いて詳細に説明する。
図２は第２の実施の形態の断面図である。ここで流量測定部１の圧電素子の全部と流路３の一部には図面の都合上断面を示す斜線を入れなかった。流路３は、断面が円環状のチューブであり、その材料はステンレスである。流路３の両端にはフランジ１３ａ、１３ｂが接合されている。そしてこの部分が振動の固定端になる。この流路３に振動を与えるためとコリオリ力による流路３の振動を検出するための流量測定部１の圧電素子がエポキシ樹脂を使用して流路３に接合されている。圧電素子中の矢印は分極方向を示している。またそれらの中の点線は分極がほとんどされていない分極不活性域を示す。流路３は流体４が満たされている。
【００１０】
次に、流量を測定するための方法について説明する。
流体４は流路３の中に示す矢印方向に流れている。そして流量測定部１の圧電素子に基本振動モードに対して５次のモードである曲げ振動を励起する交流電圧を印加する。その結果、流路３にはＳＩＮ波状の曲線１１で示す変位が生じる。また、矢印ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅはその変位の方向を示している。流路３のＳＩＮ波状の曲線１１で示す変位は、流体の流れに角速度を与えるので流体にはコリオリ力が生じる。そして、この流体に作用するコリオリ力より流路３に生じる点線で示す変位１２を示す。この変位１２は固定端に達する前の状態である。もし、固定端に変位１２が達すると、振動モードが変化してしまう。このため流量測定部１の圧電素子に基本振動モードに対して５次のモードである曲げ振動を励起する交流電圧を非連続的に印加する。流路３の励起した基本振動モードに対して５次のモードである曲げ振動が減衰した後、次の非連続的な交流電圧を印加する。このような動作を可能にするには３次以上の振動モードが必要であるが、定在波が生じないようにするには５次以上の振動モードが望ましい。コリオリ力よる流路の点線１２で示す変位を、流量測定部１の圧電素子の検出器８により検出する。流量測定部１の圧電素子は、コリオリ力による流路を振動させる振動モードと同じ振動モードで、かつ振動位相が９０度異なる振動を検出するために、分極方向を流体の流れ方向に対して流量測定部１の圧電素子の中央部を境界にして図中の矢印で示すように互いに逆方向になっている。この構成は図１（Ｂ）で示したものと同一である。圧電素子の検出部の構成は、駆動変位は検出しない。したがって、検出器８はコリオリ力だけを検出する設計になっているので微少なコリオリ力だけを検出できる構成になっている。また、流路を振動させることを非連続にするため振動が外部に漏れない。さらに省電力にもなっている。
【００１１】
本発明の第３の実施の形態について図３を用いて詳細に説明する。
図３（Ａ）は第３の実施の形態の断面図である。流路３は、断面が円環状のチューブであり、その材料はガラスである。流路３の両端にはフランジ１３ａ、１３ｂが接合されている。そしてこの部分が振動の固定端になる。この流路３に振動を与えるためと、コリオリ力による流路３の振動を検出するための流量測定部１の圧電素子がエポキシ樹脂を使用して流路３に接合されている。流量測定部１の圧電素子中の矢印は分極方向を示している。またそれらの中の点線は分極がほとんどされていない分極不活性域を示す。このような構成にすることで流量計測部１の圧電素子の一層の小型化が達成できる。流量計測部１の圧電素子の流れ方向に沿っての両側にはコリオリ力による流路３の振動を吸収または減衰させるための圧電素子からなる減衰器１５ａ、１５ｂが設けられている。また、流路３は流体４が満たされている。
【００１２】
図３（Ｂ）は減衰器１５の詳細を示す斜視図である。減衰器１５は直方体形状の圧電素子であり、その分極方向は図中の矢印で示すように一方向である。流路３と接する面は全面に電極６ａが設けられている。反対側の面に電極６ｂ、６ｃ、６ｄ、６ｅ、が設けられている。電極６ｂ、６ｄにはリード線がハンダにより接合されている。それらのリード線は一本のリード線９ａに纏められ抵抗１４の一方に接続される。電極６ｃ、６ｅにもリード線がハンダにより接合されている。それらのリード線は一本のリード線９ｂに纏められ抵抗１４の他方に接続される。ここで抵抗１４は振動を最も効率高く吸収または減衰させるための値を取る。
【００１３】
次に、図３（Ｃ）を用いて流量を測定するための方法について説明する。
流体４は流路３の中に示す矢印方向に流れている。そして流量計測部１の圧電素子に交流電圧を印加することに基本振動に対して１３次の曲げ振動を流路に励起する。（この構成では最低でも基本振動に対して３次の曲げ振動を流路に励起しなければならない。）その結果、流路３にはＳＩＮ波状の曲線１１で示す変位が生じる。流路３のＳＩＮ波状の曲線１１で示す変位は、流体の流れに角速度を与えるので流体にはコリオリ力が生じる。そして、この流体に作用するコリオリ力よる流路の変位を点線１２で示す。この点線１２で示す変位を、流量測定部１の圧電素子の検出用電極により検出する。ここで検出用電極は、コリオリ力による流路の曲げ振動を検出するために分極方向を流体の流れ方向に対してそれぞれの中央部を境界にして互いに逆方向になっている。このような検出用電極の構成は、駆動変位を検出しない。したがって、コリオリ力だけを検出する設計になっているので微少なコリオリ力だけを検出できる構成になっている。
【００１４】
また、コリオリ力よる流路の変位は、減衰器１５ａの圧電素子のリード線９ａから出力される交流電圧と、リード線９ｂから出力される交流電圧の位相は逆であるので抵抗１４を接続し吸収または減衰させることができる。さらにこの減衰器は流路３を振動させる振動にはリード線９ａから出力される交流電圧とリード線９ｂから出力される交流電圧の位相が同じであるので全く作用しない。したがって、流路３を振動させるための振動は減衰されないので定在波になる。また、コリオリ力よる流路３の変位は減衰器１５で吸収または減衰させることができるので定在波にならない。減衰器１５ｂも上記に述べたものと同様である。
減衰器１５ａ、１５ｂの作用により、流路を振動させる振動モードと同じ振動モードで、かつ振動位相が９０度異なるコリオリ力による振動を連続して生じさせることができる。
したがって、超小型に構成が可能で、検出感度の高い流量計が実現できる。
【００１５】
以上の実施の形態では流路に振動を与える手段と流路の振動を検出する手段として圧電素子による圧電効果を用いたが、電磁効果や静電効果などを用いることが可能であることはもちろんである。
【００１６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明による流量測定方法はコリオリ力による質量流量を計測するものであるので正確な流量を計測できる。また、流路全体を大きく振動させないので振動による破損の虞がない。さらに超小型化できるなど多くの利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態を示す流量測定方法。
【図２】第２の実施の形態を示す流量測定方法。
【図３】第３の実施の形態を示す流量測定方法。
【符号の説明】
１    流量測定部の圧電素子
２    固定部品
３    流路
４    流体
５    容器
６    電極
７    交流電源
８    検出器
９    リード線
１０  ハンダ
１１  交流電圧を印加することによる振動変位
１２  コリオリ力による振動変位
１３  フランジ
１４  抵抗
１５  減衰器
【図１】
2004151072.tif 000003
【図２】
2004151072.tif 000004
【図３】
2004151072.tif 000005