(57)【要約】【課題】本発明は高圧、高温の被測流体を安定的に計測することができることを課題とする。【解決手段】質量流量計１０は、密閉された収納ケース１２の内部に流入側センサチューブ１４と流出側センサチューブ１６とが挿入されている。流入側センサチューブ１４と流出側センサチューブ１６とは、夫々蓋１８，２０に挿通された状態で内部空間２４に平行に延在するように取り付けられている。第１の支持板２８及び第２の支持板３０は、センサチューブ１４，１６を一定の間隔で保持すると共に、センサチューブ１４，１６が長手方向（Ｘ方向）に熱膨張した場合には面方向に撓んでセンサチューブ１４，１６の熱膨張を許容する構成になっている。流入側センサチューブ１４と流出側センサチューブ１６とは、互いに非接触であるので、高温流体を計測する場合でも夫々の熱膨張が互いに干渉せず、温度変化に伴う長手方向の伸縮量が影響しない構成になっている。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測流体が流入される流入側センサチューブと、
該流入側センサチューブと平行に延在するように配置され、前記流入側センサチューブから吐出された被測流体が流入される流出側センサチューブと、
前記流入側センサチューブ及び前記流出側センサチューブが収納される収納ケースと、
前記流入側センサチューブの一端と前記流出側センサチューブの他端との間に横架される第１の支持板と、
前記流入側センサチューブの他端と前記流出側センサチューブの一端との間に横架される第２の支持板と、
前記流入側センサチューブと前記流出側センサチューブとの間を近接または離間する方向に加振する加振器と、
前記流入側センサチューブと前記流出側センサチューブとの間の相対変位を検出するピックアップと、
からなることを特徴とする振動式測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は振動式測定装置に係り、特にセンサチューブを加振してコリオリ力によるセンサチューブの変位を検出して流量または密度を計測するよう構成した振動式測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
流体が供給された管路を振動させて流体の物理量を測定する振動式測定装置として、例えばコリオリ式質量流量計又は振動式密度計がある。以下、コリオリ式質量流量計について説明する。
【０００３】
このコリオリ式質量流量計では、被測流体が通過するセンサチューブを加振器により半径方向に振動させ、流量に比例したコリオリ力によるセンサチューブの変位をピックアップにより検出するよう構成されている。また、振動式密度計も上記コリオリ式質量流量計と同様な構成になっており、センサチューブが被測流体の密度に応じた周波数で振動する。
【０００４】
従来の振動式測定装置としては、例えば特開平６−３３１４０６号により開示されたものがある。この公開公報に記載されたコリオリ式質量流量計の場合、一対のセンサチューブに流体を流し、加振器（駆動コイル）の駆動力により一対のセンサチューブを互いに近接、離間する方向に振動させる構成とされている。
【０００５】
コリオリの力は、センサチューブの振動方向に働き、かつ入口側と出口側とで逆向きであるのでセンサチューブに捩れが生じ、この捩れ角が質量流量に比例する。従って、一対のセンサチューブの入口側及び出口側夫々の捩れる位置に振動を検出するピックアップ（振動センサ）を設け、両センサの出力検出信号の時間差を計測して上記センサチューブの捩れ、つまり質量流量を計測している。
【０００６】
又、上記構成とされた質量流量計においては、センサチューブ、ピックアップ及び加振器等が箱状の収納ケース内に収納されており、これらの流量計測部分を保護する構成となっている。そして、収納ケース内には、不活性ガス（例えばアルゴンガス等）が大気圧に充填されている。
【０００７】
ところが、例えば自動車の燃料として使用されるＣＮＧ（Ｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄ　ＮａｔｕｒａｌＧａｓ）等の高圧に加圧された圧縮性天然ガスを給送するガス供給系路に上記質量流量計を設けて流量計測を行う場合、センサチューブの耐圧強度を高める必要がある。
【０００８】
しかしながら、センサチューブの肉厚を厚くすると、センサチューブを振動させる加振器の駆動力を大きくしなければならず、且つセンサチューブの剛性が高くなった分、計測時の共振振幅が小さくなって外乱の影響を受けやすくなったり、流量計測時、流入側及び流出側の振動センサの位相差（ねじれ角）が小さくなったりして、計測精度が低下するといった課題が生じる。
【０００９】
そこで、従来の振動式測定装置では、センサチューブの圧力供給孔から収納ケース内に被測流体を供給することにより、センサチューブの内部と外部との圧力をバランスさせて、センサチューブの耐圧強度を高めなくても高圧流体を計測することができるようにしている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の振動式測定装置では、収納ケースの両端部分が上流管路及び下流管路に締結されており、被測流体が高温の場合、センサチューブが長手方向に熱膨張するため、収納ケースの両端部分からの反力によりセンサチューブ自体に圧縮応力が作用してしまい、これによる歪がセンサチューブに生じてセンサチューブの振動特性が変化してしまうという問題があった。
そこで、本発明は上記問題を解決した振動式測定装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は以下のような特徴を有するものである。
上記本発明は、被測流体が流入される流入側センサチューブと、流入側センサチューブと平行に延在するように配置され、流入側センサチューブから吐出された被測流体が流入される流出側センサチューブと、流入側センサチューブ及び流出側センサチューブが収納される収納ケースと、流入側センサチューブの一端と流出側センサチューブの他端との間に横架される第１の支持板と、流入側センサチューブの他端と流出側センサチューブの一端との間に横架される第２の支持板と、流入側センサチューブと流出側センサチューブとの間を近接または離間する方向に加振する加振器と、流入側センサチューブと流出側センサチューブとの間の相対変位を検出するピックアップと、からなるものであり、流入側センサチューブ及び流出側センサチューブの耐圧強度を確保すると共に、被測流体が高温である場合の流入側センサチューブ及び流出側センサチューブの熱膨張によって歪が生じることを防止して流入側センサチューブ及び流出側センサチューブの振動特性が変化することを防止することが可能になる。
【発明の実施の形態】
以下、図面と共に本発明になる振動式測定装置について説明する。
図１は本発明になる振動式測定装置の一実施例としてのコリオリ式質量流量計の横断面図である。図２は図１中Ａ−Ａ線に沿う縦断面図である。
【００１２】
尚、振動式測定装置は、被測流体の密度、及び密度を利用して質量流量を求めることができるため、振動式密度計及びコリオリ式質量流量計として用いられる。振動式密度計とコリオリ式質量流量計とは、同様な構成であるので、本実施例では質量流量計として用いた場合について詳細に説明する。
【００１３】
図１及び図２に示されるように、質量流量計１０は、密閉された収納ケース１２の内部に流入側センサチューブ１４と流出側センサチューブ１６とが挿入されている。収納ケース１２は、円筒状に形成されており、両端開口が円盤状に形成された蓋１８，２０によって閉塞されている。尚、蓋１８，２０は、収納ケース１２の端部に溶接等によって一体的に固着される。
【００１４】
また、収納ケース１２は、被測流体がＣＮＧのような高圧流体であっても圧力に耐えられるように耐圧強度が確保されている。
【００１５】
流入側センサチューブ１４は、直管状に形成された金属パイプからなり、一端１４ａが流入側の蓋１８を貫通する取付孔１８ａに挿通され、且つ筒状のスリーブ２２によって保持されている。また、流入側センサチューブ１４の他端１４ｂは、収納ケース１２の内部空間２４に直管状に延在しており、内部空間２４と連通するように開口されている。
【００１６】
流出側センサチューブ１６は、直管状に形成された金属パイプからなり、一端１６ａが流出側の蓋２０を貫通する取付孔２０ａに挿通され、且つ筒状のスリーブ２６によって保持されている。また、流出側センサチューブ１６の他端１６ｂは、収納ケース１２の内部空間２４に直管状に延在しており、内部空間２４と連通するように開口されている。
【００１７】
尚、本実施例では、一対のセンサチューブ１４，１６が平行に配置される構成であるが、センサチューブ１４，１６の両端を集合させるマニホールドに連通させる必要がないので、その分、部品点数の削減及びコンパクト化が図られており、且つ全長も短くすることが可能になる。
【００１８】
流入側センサチューブ１４と流出側センサチューブ１６とは、夫々蓋１８，２０に挿通された状態で内部空間２４に平行に延在するように取り付けられている。そのため、流入側センサチューブ１４と流出側センサチューブ１６とは、互いに非接触であるので、高温流体を計測する場合でも夫々の熱膨張が互いに干渉せず、温度変化に伴う長手方向の伸縮量が影響しない構成になっている。
【００１９】
さらに、流入側センサチューブ１４を通過した被測流体は、収納ケース１２の内部空間２４に充填された後、流出側センサチューブ１６に流出されるため、流入側センサチューブ１４及び流出側センサチューブ１６の内部と外部の圧力が均等に保たれる。これにより、流入側センサチューブ１４及び流出側センサチューブ１６の肉厚を被測流体の圧力に応じた厚さにする必要がなくなり、例えば、ＣＮＧのように２０ＭＰａ以上の高圧で供給されるガスを計測する場合でも流入側センサチューブ１４及び流出側センサチューブ１６の肉厚を厚くして耐圧強度を高める必要が無く、加振器３２の駆動力を増大させる必要もない。
【００２０】
流入側センサチューブ１４の一端１４ａと流出側センサチューブ１６の他端１６ｂとの間には、第１の支持板２８が横架される。また、流入側センサチューブ１４の他端１４ｂと流出側センサチューブ１６の一端１６ａとの間には、第２の支持板３０が横架される。
【００２１】
第１の支持板２８及び第２の支持板３０は、長方形状の金属板からなり、流入側センサチューブ１４と流出側センサチューブ１６とが挿通される孔２８ａ，２８ｂ，３０ａ，３０ｂが一定間隔で貫通している。そのため、流入側センサチューブ１４と流出側センサチューブ１６とは、第１の支持板２８及び第２の支持板３０により平行になるように支持されている。
【００２２】
また、第１の支持板２８及び第２の支持板３０は、流入側センサチューブ１４及び流出側センサチューブ１６を加振する時の節となるように流入側センサチューブ１４及び流出側センサチューブ１６の外周に溶接により固着されている。また、第１の支持板２８及び第２の支持板３０は、長方形状の金属板からなるため、センサチューブ１４，１６を一定の間隔で保持すると共に、センサチューブ１４，１６が長手方向（Ｘ方向）に熱膨張した場合には面方向に撓んでセンサチューブ１４，１６の熱膨張を許容する構成になっている。
【００２３】
また、第１の支持板２８及び第２の支持板３０は、流入側センサチューブ１４及び流出側センサチューブ１６の他端１４ｂ，１６ｂに対して孔２８ｂ，３０ｂが遊嵌するように形成して他端１４ｂ，１６ｂを摺動可能に支持する構成としても良い。
【００２４】
第１の支持板２８と第２の支持板３０との間で延在する一対のセンサチューブ１４，１６の中央には、センサチューブ１４，１６を近接・離間方向（Ｙ方向）に加振する加振器３２が配置されている。また、加振器３２の上流には、センサチューブ１４，１６の相対変位を検出する流入側ピックアップ３４が設けられている。また、加振器３２の下流には、センサチューブ１４，１６の相対変位を検出する流出側ピックアップ３６が設けられている。
【００２５】
加振器３２は、センサチューブ１４の外周に固定ベルト４０を介して固定された駆動コイル３２ａと、センサチューブ１６の外周に固定ベルト４１を介して固定されたマグネット３２ｂとを対向させた実質電磁ソレノイドと同様な構成である。
【００２６】
また、流入側ピックアップ３４及び流出側ピックアップ３６は、上記加振器３２と同様な構成であり、夫々センサチューブ１４の外周に固定ベルト４２，４３を介して固定されたセンサコイル３４ａ，３６ａと、センサチューブ１６の外周に固定ベルト４４，４５を介して固定されたマグネット３４ｂ，３６ｂとを対向させた構成である。
【００２７】
上記のようにセンサチューブ１４，１６の肉厚を小さくすることで、加振器３２の駆動力を小さくすることが可能になり、加振器３２の駆動コイル３２ａに流れる電流値を小さくして消費電力を節約することができる。しかも、センサチューブ１４，１６の肉厚を従来よりも薄くしてセンサチューブ１４，１６の剛性が小さくなった分、コリオリ力によるセンサチューブ１４，１６の変形・変位が大きくなり、ピックアップ３４，３６より大きな出力が得られ、ＳＮ比を改善することができる。さらに、流量計測時、流入側及び流出側の位相差が大きくなり、計測精度が向上する。
【００２８】
加振器３２の駆動コイル３２ａ及びピックアップ３４，３６のセンサコイル３４ａ，３６ａは、ケーブル（図示せず）を介して流量計測制御回路３８と接続されている。流量計測制御回路３８は、本質安全防爆バリア回路、励振・時間差検出回路、ヤング率・Ｖ／Ｆ変換回路、出力回路、電源回路、減衰率検出回路、判別回路、制御回路（夫々図示せず）等を有する。
【００２９】
流量計測時、上記構成になる質量流量計１０において、流量計測制御回路３８によって加振器３２が駆動され、センサチューブ１４，１６の振動特性（固有振動数）に応じた周期、振幅で一対のセンサチューブ１４，１６を近接、離間する方向（Ｙ方向）に加振される。
【００３０】
図３に示されるように、流入側管路（図示せず）から供給された被測流体▲１▼は、流入側センサチューブ１４の一端１４ａから流入側センサチューブ１４内に流入する。そして、流入側センサチューブ１４内を通過した流体▲２▼は、流入側センサチューブ１４の他端１４ｂから収納ケース１２の内部空間２４に流出する。さらに、流入側センサチューブ１４の他端１４ｂの開口から吐出された被測流体▲３▼は、内部空間２４を対流する。そして、内部空間２４に充填された被測流体▲４▼は、流出側センサチューブ１６の他端１６ｂの開口に流入する。流出側センサチューブ１６に流入した被測流体▲５▼は、流出側センサチューブ１６を通過して下流側へ吐出される。流出側センサチューブ１６の一端１６ａから吐出された被測流体▲６▼は、流出側管路（図示せず）に流出される。
【００３１】
このように、振動するセンサチューブ１４，１６に流体が流れると、その流量に応じた大きさのコリオリ力が発生する。そのため、直管状のセンサチューブ１４，１６の流入側と流出側で動作遅れが生じ、これにより流入側ピックアップ３４の出力信号と流出側ピックアップ３６の出力信号とでは、位相差があらわれる。
流量計測制御回路３８は、流入側と流出側との位相差が流量に比例するため、流入側ピックアップ３４の出力信号と流出側ピックアップ３６の出力信号との位相差に基づいて流量を演算する。センサチューブ１４，１６の相対変位がピックアップ３４，３６により検出されると、上記センサチューブ１４，１６の振動に伴う位相差が流量計測制御回路３８により質量流量に変換される。
【００３２】
ここで、上記一対のセンサチューブ１４，１６を加振器３２により振動させて被測流体の流量を計測する場合の原理について説明する。
【００３３】
図４は加振器３２が一対のセンサチューブ１４，１６を振動させる状態を模式的に示す図である。図５は振動する一対のセンサチューブ１４，１６に作用するコリオリ力を模式的に示す図である。
【００３４】
図４に示されるように、流量計測時は、上記流量計測制御回路３８の励振回路から加振器３２に一定周期のパルスもしくは正負のある交番電圧（交流信号）が出力されることで、センサチューブ１４，１６が共振状態で振動する。
【００３５】
すなわち、加振器３２は、流量計測制御回路３８から駆動コイル３２ａに駆動電圧が印加されると、一対のセンサチューブ１４，１６の長手方向の中間部分を互いに離間する方向に押圧する加振力Ｆａを発生させる。これにより、センサチューブ１４，１６は、第１の支持板２８及び第２の支持板３０に支持された両端部分を節として中央部分が一点鎖線で示すように外側に円弧状に撓む。
【００３６】
また、駆動コイル３２ａに対する駆動電圧として正逆の電圧を印加すると、センサチューブ１４，１６は、第１の支持板２８及び第２の支持板３０に支持された両端部分を節として中央部分が破線で示すように内側に円弧状に撓む。このように、駆動コイル３２ａに正逆の電圧を印加することで、センサチューブ１４，１６は、加振器３２によって長手方向の中間部分が一定の周期、振幅で振動する。このように、振動しているセンサチューブ１４，１６内を被測流体が流れるときにコリオリの力が生じる。
【００３７】
また、駆動コイル３２ａにオン・オフのパルス信号を与えた場合は、オフ時には吸引力もしくは反発力が発生しないが、センサチューブ１４，１６の振動の慣性により全く同じ動きをする。
【００３８】
図５に示されるように、センサチューブ１４，１６の流入側と流出側とでは、逆方向のコリオリ力＋Ｆ，−Ｆが作用する。これにより、センサチューブ１４，１６は、流入側と流出側とで振動に位相差が生じる。
【００３９】
すなわち、センサチューブ１４，１６が図４中一点鎖線で示すように外側に駆動されるとき、図５中一点鎖線で示すようにセンサチューブ１４，１６の流入側にコリオリ力＋Ｆが作用し、センサチューブ１４，１６の流出側にコリオリ力−Ｆが作用する。また、センサチューブ１４，１６が図４中一点鎖線で示すように内側に駆動されるとき、図５中破線で示すようにセンサチューブ１４，１６の流入側にコリオリ力−Ｆが作用し、センサチューブ１４，１６の流出側にコリオリ力＋Ｆが作用する。
【００４０】
従って、センサチューブ１４，１６の相対変位を検出するピックアップ３４，３６では、２倍のコリオリ力＋Ｆ，−Ｆを検出することが可能になり、計測感度が高められると共に、外部振動がセンサチューブ１４，１６に入力された場合でもセンサチューブ１４，１６の相対変位によって外部振動を相殺することが可能になり、計測精度がより一層高められている。
【００４１】
このセンサチューブ１４，１６の位相差は、ピックアップ３４，３６により検出されて上記時間差検出回路により時間差Δｔの信号に変換され、さらに上記Ｖ／Ｆ変換回路、係数補正回路、分周回路、パルス出力回路を介して流量パルスとなる。
【００４２】
即ち、流量計測制御回路３８は、次式の演算を行って質量流量Ｑｍを算出する。
Ｑｍ＝Ａ・Δｔ…（１）
但し、Ａは質量流量計固有の定数である。
【００４３】
ここで、変形例について説明する。
図６は収納ケースを断面にした変形例の構成を示す平面図である。尚、図６において、上記実施例と同一部分には、同一符号を付してその説明は省略する。
【００４４】
図６に示されるように、質量流量計５０は、センサチューブ１４，１６の夫々駆動する一対の加振器５２，５３と、加振器５２，５３の流入側に設けられた流入側ピックアップ５４，５５と、加振器５２，５３の流出側に設けられた流出側ピックアップ５６，５７と、を有する。
【００４５】
収納ケース１２の外周には、加振器５２，５３の駆動コイル５２ａ，５３ａと、流入側ピックアップ５４，５５のセンサコイル５４ａ，５５ａと、流出側ピックアップ５６，５７のセンサコイル５６ａ，５７ａとが取り付けられている。
【００４６】
センサチューブ１４，１６の外周の長手方向の中間部分には、収納ケース１２を介して駆動コイル５２ａ，５３ａに対向するマグネット５２ｂ，５３ｂが取り付けられている。また、センサチューブ１４，１６の流入側の外周には、収納ケース１２を介してセンサコイル５４ａ，５５ａに対向するマグネット５４ｂ，５５ｂが取り付けられている。さらに、センサチューブ１４，１６の流出側の外周には、収納ケース１２を介してセンサコイル５６ａ，５７ａに対向するマグネット５６ｂ，５７ｂが取り付けられている。
【００４７】
このように、変形例の質量流量計５０では、駆動コイル５２ａ，５３ａ及びセンサコイル５４ａ，５５ａ，５６ａ，５７ａが収納ケース１２の外周に設けられているので、例えば、被測流体がＣＮＧのような可燃性ガスであっても電気系統からのスパークが引火する可能性が無いので、安全性が確保されている。
【００４８】
質量流量計５０の計測動作は、前述した実施例と同様に、流入側と流出側の相対変位からコリオリ力による位相差を検出するものであるので、その説明は省略する。
【００４９】
尚、上記実施例では、ＣＮＧのような可燃性ガスを被測流体として流量計測する場合を例に挙げたが、これに限らず、他の高圧、高温の流体を計測するのにも適用できるのは勿論である。
【００５０】
【発明の効果】
上述の如く、本発明によれば、被測流体が流入される流入側センサチューブと、流入側センサチューブと平行に延在するように配置され、流入側センサチューブから吐出された被測流体が流入される流出側センサチューブと、流入側センサチューブ及び流出側センサチューブが収納される収納ケースと、流入側センサチューブの一端と流出側センサチューブの他端との間に横架される第１の支持板と、流入側センサチューブの他端と流出側センサチューブの一端との間に横架される第２の支持板と、流入側センサチューブと流出側センサチューブとの間を近接または離間する方向に加振する加振器と、流入側センサチューブと流出側センサチューブとの間の相対変位を検出するピックアップと、からなるため、流入側センサチューブ及び流出側センサチューブの耐圧強度を確保すると共に、被測流体が高温である場合の流入側センサチューブ及び流出側センサチューブの熱膨張によって歪が生じることを防止して流入側センサチューブ及び流出側センサチューブの振動特性が変化することを防止することができ、高温流体の計測精度を高められると共に、高圧の被測流体を正確に計測することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明になる振動式測定装置の一実施例としてのコリオリ式質量流量計の横断面図である。
【図２】図１中Ａ−Ａ線に沿う縦断面図である。
【図３】収納ケースの内部構成を示す平面図である。
【図４】加振器３２が一対のセンサチューブ１４，１６を振動させる状態を模式的に示す図である。
【図５】振動する一対のセンサチューブ１４，１６に作用するコリオリ力を模式的に示す図である。
【図６】収納ケースを断面にした変形例の構成を示す平面図である。
【符号の説明】
１０　質量流量計
１２　収納ケース
１４　流入側センサチューブ
１６　流出側センサチューブ
１８，２０　蓋
２４　内部空間
２８　第１の支持板
３０　第２の支持板
３２，５２，５３　加振器
３４，５４，５５　流入側ピックアップ
３６，５６，５７　流出側ピックアップ
３８　流量計測制御回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
2004061123.tif 000005
【図４】
2004061123.tif 000006
【図５】
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【図６】
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