(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象の流体を収容し、所定部分が振動可能に支持される振動管と、
該振動管の振動波形を検出する振動検出手段と、前記振動管及び該振動管内の流体の何れか又は双方の前記所定部分に、前記振動検出手段で検出された振動波形の所定のタイミングで電流を通ずる通電手段と、
前記所定部分に前記電流と直交方向の磁界を印加する磁界印加手段と、
前記振動管の振動を励起する励起手段とを備え、
前記電流及び磁界が、前記振動管の振動に対して正帰還の信号となる電磁力を発生し、
前記振動検出手段が、前記振動管の振動によって通過光束量が変化する光源及び受光素子の組を備え、
前記通電手段が、前記振動波形から前記所定のタイミングを検出するタイミング検出部と、前記所定のタイミングに同期して電流パルスを発生するパルス発生手段とを備える
ことを特徴とする振動管式密度センサ。
【請求項２】
測定対象の流体を収容し、所定部分が振動可能に支持される振動管と、
該振動管の振動波形を検出する振動検出手段と、前記振動検出手段で検出された振動波形の所定のタイミングで前記振動管の振動に対して正帰還の信号となる加振力を与える加振手段と、
前記振動管の振動を励起する励起手段とを備える振動管式密度センサであって、
前記振動検出手段は、前記振動管の振動によって通過光束量が変化する光源及び受光素子の組を備え、
前記加振手段が、前記振動管の所定部分に配置された磁性材と、前記所定部分に対向する位置に固定されるコイルと、前記振動検出手段で検出された振動波形の所定のタイミングで前記コイルに電流を通ずる通電手段とを備え、
前記通電手段が、前記振動波形から前記所定のタイミングを検出するタイミング検出部と、前記所定のタイミングに同期して電流パルスを発生するパルス発生手段とを備える
ことを特徴とする振動管式密度センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、振動管式密度センサに関し、更に詳しくは、振動管の固有振動数を測定して測定対象の流体の密度を測定する形式の密度センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
擬似移動層式クロマト分離装置は、製糖業や製薬業などの製造業一般において、天然もしくは化学反応によって得られ複数の成分を含む原材料の流体から一種以上の成分を抽出する目的で広く用いられている。擬似移動層式クロマト分離装置では、その内部流体の状態（相）を検出する目的で、振動管式密度センサが利用される。
【０００３】
振動管式密度センサーは、振動系の固有振動数を測定してこれを密度に換算する。固有振動数は、振動系の機械的な大きさと、弾性及び重量とによって定まり、密度測定中は、振動系の大きさ及び弾性は殆ど変化せず定数と見なせる。従って、振動系の固有振動数はその重量の関数として扱うことが出来る。実際には、振動管の断面は中空で内部に測定対象の流体を充填するので、振動管自体の重さと、充填された測定対象の流体の重さとの和で、振動系の固有振動数が決まる。
【０００４】
従来の振動管式（振動式）密度センサーは、例えば特開平６−９４５９２号公報に記載されている。該公報に記載の密度センサは、振動管加振のため、及び、振動管の振動数検出のために、振動管に２つの永久磁石を固定し、双方の永久磁石と対峙する位置に駆動コイル及び検出コイルを固定配置している。駆動コイル及び一方の永久磁石の組によって振動管を振動させ、他方の永久磁石及び検出コイルの組によって振動管の振動数を検出している。
【０００５】
上記公報に記載の密度センサでは、振動管の継続的な振動を得るためには、検出コイルで検出された振動管の振動に対して、駆動コイルからの加振を正帰還の信号として与える必要がある。このため、検出コイルによる検出信号の位相を、移相回路によって９0度進め、これを増幅して駆動コイルの駆動信号として用いている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の振動管式密度センサーでは、駆動（加振）及び振動検出を目的として２個の永久磁石を振動管自体に取り付けている。このため、永久磁石の重量と振動管の重量とが測定対象流体の重量に加わり、振動系の全重量を構成している。ここで、振動系に占める振動管及び永久磁石の重量が、測定対象流体の重量に比して大きいほど、密度計としての検出感度が低下する。つまり、充分に細く且つ長さが短い振動管を用いた場合でも、測定対象流体の密度検出に充分な感度を得るためには、永久磁石の重量が無視できないという問題がある。
【０００７】
また、従来の振動管式密度センサーでは、上記の通り、振動検出用と加振用に２個のコイルを用いている。ここで、検出用と加振用の２つのコイルを接近させると、両者の間で磁気的な結合が生じ、振動系の固有振動数とは別の周波数で発振を起こすことが知られている。このような発振を防止するためには、双方のコイル間に磁気的な結合が生じない程度の離隔距離を保つ必要があり、従って、これらと組を成す双方の永久磁石にも同等の離隔距離が必要となる。これによって、振動管式密度センサの振動系には、小型化についての限界が生ずる。
【０００８】
更に、振動管式密度センサーでは、振動系の継続的な振動を維持するために、振動検出手段から得られた振動の位相を、移相回路を用いて９０度進め、これを増幅して加振コイルを駆動している。この場合、移相回路にも周波数特性があるため、正確に位相角を９０度進めることが難しい。その結果、振動管式密度センサは、振動系と移相回路とを組み合わせた状態で最も能率が高い周波数で継続的な振動を続ける。この振動は、振動系が有する固有振動数とは僅かに異なる周波数であり、密度計としての感度を低下させる要因となる。
【０００９】
本発明は、上記に鑑み、振動管に取り付ける部材を少なくして検出感度を向上させ、且つ、その小型化を可能にする振動管式密度計を提供することを目的とする。
【００１０】
また、本発明は、位相器を用いないため、振動計の固有振動数が正確に得られるので、検出感度の更なる向上が可能な振動管式密度計を提供することをもその目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の第１の視点の振動管式密度計は、測定対象の流体を収容し、所定部分が振動可能に支持される振動管と、該振動管の振動波形を検出する振動検出手段と、前記振動管及び該振動管内の流体の何れか又は双方の前記所定部分に、前記振動検出手段で検出された振動波形の所定のタイミングで電流を通ずる通電手段と、前記所定部分に前記電流と直交方向の磁界を印加する磁界印加手段とを備え、前記電流及び磁界は、前記振動管の振動に対して正帰還の信号となる電磁力を発生することを特徴とする。
【００１２】
本発明の第１の視点の振動管式密度センサでは、所定部分を流れる電流と磁界印加手段によって印加された磁界とが、振動管の振動のために正帰還となる電磁力を発生するので、振動管の振動が発振する。従って、加振のためには、振動管の所定部分に振動管の重量を増加させる部材の取付けを要しないので、密度の検出精度を低下させることがなく、また、相互に離隔距離が必要な部材の取付けを要しないので、振動系の小型化が容易である。
【００１３】
また、本発明の第２の視点の振動管式密度センサは、測定対象の流体を収容し、所定部分が振動可能に支持される振動管と、該振動管の振動波形を検出する振動検出手段と、前記振動検出手段で検出された振動波形の所定のタイミングで前記振動管の振動に対して正帰還の信号となる加振力を与える加振手段とを備える振動管式密度センサにおいて、
前記振動検出手段は、前記振動管の振動によって通過光束量が変化する光源及び受光素子の組を備えることを特徴とする。
【００１４】
本発明の第２の視点の振動管密度センサでは、振動検出手段を振動管に取り付ける必要がなく、従って、振動管には相互に離隔距離が必要な部材の取付けを要しないので、振動系の小型化が容易である。加振手段は、振動管の所定部分とその所定部分に対向する固定部分との間で電磁力を発生する部材の組合せによって構成することが好ましい。
【００１５】
上記第２の視点の振動管式密度センサの好ましい態様では、前記加振手段を、前記振動管の所定部分に配置された磁性材と、前記所定部分に対向する位置に固定されるコイルと、前記振動検出手段で検出された振動波形の所定のタイミングで前記コイルに電流を通ずる通電手段によって構成し、前記電流が、前記振動管の振動に対して正帰還の信号となる吸引力を前記磁性材に発生する。この場合、加振手段の構成がより簡素である。磁性材としては、振動管の所定部分に磁性材料から成る薄膜を形成することが好ましい。この場合、特に簡素な構成の加振手段によって密度センサを構成できる。
【００１６】
本発明の第１の視点の振動管式密度センサ、及び、第２の視点の上記好ましい態様の密度センサでは、前記通電手段が、前記振動波形から所定のタイミングを検出するタイミング検出部と、前記所定のタイミングに同期して電流パルスを発生するパルス発生手段とを備えることが好ましい。この場合、位相回路を用いることなく、所望の位相の電流パルスを得ることが出来る。
【００１７】
更に、前記振動管の振動を励起する励起手段を備えることも本発明の好ましい態様である。ここで、本発明の好適な態様の振動管式密度計は、自然界に存在する雑音を検出してその正帰還によって振動を励起し、次いで、振動計の固有振動数に従う発振を行うように移行する。しかし、特に雑音が少ない環境下では、稀にこのような自己発振が発生しない場合がある。励起手段は、このようなときに短時間使用して振動を励起する。僅かでも振動が発生したら、その後は正帰還によって振動が持続するので、励起手段を停止する。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照し本発明の実施形態例に基づいて本発明を更に詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態例の振動管式密度センサを示している。振動管式密度センサは、Ｕ字型に曲げられＵ字の一対の脚部でサポートブロック１１、１２に支持された振動管１３と、振動管１３に図の矢印１６方向に電流を流すための一対の電極１４、１５と、振動管１３の自由端を成すＵ字湾曲部の近傍を流れる電流に対して電磁力を付与する磁界を印加する、一対のＵ字形状の永久磁石１７、１８とを有する。サポートブロック１１、１２は、絶縁プレート１９を介してベース２０に固定され、また、永久磁石１７、１８は、ベース２０に直接に固定される。
【００１９】
振動管１３は、例えばチタニウム又はステンレススチール製であり、Ｕ字ボルト２１によって、サポートブロック１１、１２に固定される。Ｕ字ボルト２１とサポートブロック１１、１２とは、絶縁ワッシャ２２によって電気的及び磁気的に絶縁される。振動管１３には、密度の測定対象を成す擬似移動層式クロマト分離装置からの流体が導入される。
【００２０】
振動管１３のＵ字湾曲部付近の振動は、発光ダイオード２３及びフォトトランジスタ２４の組合せと、発光ダイオードからの光を遮断するシャッタ２５とによって検出される。つまり、電極１４、１５を経由して振動管１３に矢印１６方向の電流が流れると、永久磁石１７、１８が印加する磁界によって、振動管１３にはフレミングの左手法則として知られる、図面上で上向きの電磁力が発生する。この電磁力によって振動管１３が振動すると、発光ダイオード２３からの光束の一部がシャッタ２５によって遮断される。なお、シャッタ２５は、振動管１３のサイズが充分に大きく、振動管１３の振動周波数に与える影響が小さいときに用いる。振動管１３が、細く且つ短い場合には、振動管１３自身によって直接に光束の一部を遮断または通過させ、通過光束量を変化させることが好ましい。
【００２１】
図２は、電極１４、１５間に電流を流す信号処理回路のブロックダイヤグラムである。なお、同図では、振動管１３によって直接に光束の一部を遮断する例を示した。信号処理回路は、振動管１３の振動を検出する振動検出部３０、振動検出部３０の検出信号波形に基づいて所定のタイミング信号を発生するタイミング信号発生部４０、タイミング信号に基づいて振動管１３に加振のための電流を通電する駆動部５０、及び、振動管１３の振動を励起するためのパルスを発生する励起部６０から構成される。
【００２２】
振動検出部３０は、電流制限抵抗Ｒ１を介して電源ＶＣＣに接続された発光ダイオード２３、発光ダイオード２３からの光束を受光するフォトトランジスタ２４、及び、フォトトランジスタ２４のコレクタ抵抗Ｒ２からの出力信号を、直流分阻止用のＲＣフィルタ３１を介して取り出すボルテージフォロア３２から構成される。ボルテージフォロア３２は、オペレーションアンプから構成される。
【００２３】
タイミング信号発生部４０は、ボルテージフォロア３２から入力された入力信号を接地レベルと比較し、入力信号が正極の信号になると出力が「１」になるコンパレータ４１、コンパレータ４１の出力と励起部６０の出力とのＯＲをとるＯＲゲート４２、及び、ＯＲゲート４２の出力が「１」になると、所定のパルス幅のワンショットパルスを発生するワンショット回路４３から構成される。なお、コンパレータ４１では、接地レベルに代えて所定の基準レベルを用いることが出来る。
【００２４】
駆動部５０は、電源ＶＣＣと振動管１３の一方の電極１４との間に接続されたチョークコイル５１、電極１４とグランド間に接続された電解コンデンサ５２、及び、他方の電極１５とグランド間に挿入され、ワンショット回路４３の出力によって駆動されるパワートランジスタ５３から構成される。パワートランジスタ５３によって供給される電流は、電源ＶＣＣから、チョークコイル５１、電極１４、振動管１３及び電極１５を経由してグランドに流れる。
【００２５】
励起部６０は、振動管の振動を励起するための励起パルスとなるパルス列を発生する励起パルス発振器６１、及び、励起許可信号６３と、励起パルス発振器６１からの出力とのＡＮＤをとるＡＮＤゲート６２から構成される。ＡＮＤゲート６２の出力は、励起部６０の出力として前記の通りＯＲゲート４２の一方の入力に与えられる。
【００２６】
上記実施形態例の振動管式密度センサは、自然界に存在する雑音の存在下で正帰還によって振動を始め、振動管１３及び内部流体の重量によって定まる固有周波数で発振するように移行する。雑音が極端に少ない環境下で、この密度センサが自己発振を起こさない場合には、励起パルス発振器６１をオンとし、励起部６０に励起許可信号６３を入力し、ＡＮＤゲート６２を経由して励起パルス列をタイミング信号発生部４０に与える。励起パルス列は、ワンショット回路４３を経由してパワートランジスタ５３を駆動することによって、振動管１３の振動を励起する。なお、励起部６０を備える構成に代えて、振動管１３を何らかの手段で機械的に振動させる励起手段を備えてもよい。或いは、作業者の手によって振動させてもよい。
【００２７】
正帰還によって、或いは、励起パルス列の印加によって、振動管１３が僅かでも振動を始めると、振動管１３は、発光ダイオード２３からフォトトランジスタ２４に向かう光束の一部を遮断又は通過させる。この光束の変化によって、フォトトランジスタ２４で発生した電気信号は、直流分阻止フィルタ３１によってその交流分だけが抽出され、ボルテージフォロア３２に入力する。
【００２８】
ボルテージフォロア３２の出力信号は、コンパレータ４１によって接地電位を成す基準電位と比較され、基準電位よりも高い正極信号になった際にワンショット回路４３を起動する。この正極信号は、振動管１３の上方を通過する光束が減少する途中、つまり、振動管１３が上向きに移動し、且つ、振動管１３が振動の中心位置に在る時に発生する。
【００２９】
ワンショット回路４３は、パワートランジスタ５３を駆動し、パワートランジスタ５３は、短時間のパルス電流を振動管１３に流す。永久磁石１７、１８によって印加された磁界は、このパルス電流との間に電磁力を発生させ、振動管１３に上向きの力を与える。これにより、振動管１３の上向きの移動が加速される。振動管１３の振幅は、この正帰還によって徐々に増大し、運転開始から所定時間経過後は、一定の振幅で且つその固有振動数によって継続的な振動を続ける。
【００３０】
本実施形態例の密度センサは、図示しないカウンタ等によって、ワンショット回路４３が発生するパルス列の周期を計測することによって、振動管１３の振動周波数を演算し、これに基づいて測定対象となる流体の密度を演算する。なお、振動周波数は、これに限らず何れかの信号の周期又は周波数を測定することによって得られる。
【００３１】
上記実施形態例を適用し、内径が２ｍｍ、Ｕ字の長手方向の寸法が４７ｍｍの振動管を有する振動管式密度センサーを作製した。振動管は、通常の環境下で自然界のノイズによって約３０秒程度で発振を発生した。また、極端にノイズが小さな環境下では、約１０秒程度の励起許可信号の印加によって振動を励起することが出来た。
【００３２】
上記実施形態例の振動管式密度センサでは、原理的には振動管１３の固有振動周波数に影響を与える部材の取付けを要しないので、精度の高い密度計測値が得られる。また、位相回路を使用しないので、同様に高い精度で密度計測値が得られる。更に、相互に離隔距離を必要とする２つの部材の取付けを必要としないので、小型化が容易である。
【００３３】
なお、上記実施形態例では、振動管１３を導電体で形成し、振動管自体に電流を流す例を挙げたが、この電流は、振動管を絶縁体で形成し、この振動管を被覆する導電皮膜等を経由して流してもよい。或いは、測定対象の流体を経由して流してもよく、流体及び振動管の双方を経由して流してもよい。
【００３４】
また、上記実施形態例では、振動管１３をＵ字状に形成した例を挙げたが、振動管をＵ字状に形成すること自体は必須ではなく、振動が容易に得られるならば、任意の形状の振動管が採用できる。
【００３５】
本発明の別の実施形態例として、先の実施形態例における振動管に電流を流す構成に代え、振動管には、その所定部分にメッキによって磁性材料から成る薄膜を形成し、その薄膜に対向する位置にコイルを固定配置する。信号処理回路は、先の実施形態例と同様な構成を採用する。例えば振動管が上方に移動する際に、通電手段によってコイルに通電して、振動管を上方に付勢する。つまり、固定コイルと振動管の薄膜との間に、振動管の振動に対して正帰還となる吸引力を発生する。従来の、振動管の所定部分に２つの磁石を並べる構成に比して、高精度の密度測定が可能であり、また、振動系の小型化が可能である。
【００３６】
以上、本発明をその好適な実施形態例に基づいて説明したが、本発明の振動管式密度センサは、上記実施形態例の構成にのみ限定されるものではなく、上記実施形態例の構成から種々の修正及び変更を施したものも、本発明の範囲に含まれる。
【００３７】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明の第１の視点の振動管式密度センサは、振動系に対して加振のための部材の取付を要しないことによって、精度が高い密度測定が可能な振動管式密度センサを提供した顕著な効果を奏する。
【００３８】
また、本発明の第２の視点の振動管式密度センサは、振動管の振動を検出する振動検出手段を振動管とは離して設置できるので、振動管には離隔距離を必要とする部材の取付けを要しなく、振動系の小型化が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態例に係る振動管式密度センサの斜視図。
【図２】図１の振動管式密度センサの回路ブロック図。
【符号の説明】
１１、１２：サポートブロック
１３：振動管
１４、１５：電極
１６：電流の向き
１７、１８：永久磁石
１９：絶縁プレート
２０：ベース
２１：Ｕ字ボルト
２２：絶縁ワッシャ
２３：発光ダイオード
２４：フォトトランジスタ
３０：振動検出部
３１：ＲＣフィルタ
３２：ボルテージフォロア
４０：タイミング信号発生部
４１：コンパレータ
４２：ＯＲゲート
４３：ワンショット回路
５０：駆動部
５１：チョークコイル
５２：電解コンデンサ
５３：パワートランジスタ
６０：励起部
６１：励起パルス発振器
６２：ＡＮＤゲート
６３：励起許可信号
【図１】
0004251595.tif 000002
【図２】
0004251595.tif 000003