JPH0353131A - コリオリ原理で作動する質量流量計 - Google Patents

コリオリ原理で作動する質量流量計

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JPH0353131A JP2187827A JP18782790A JPH0353131A JP H0353131 A JPH0353131 A JP H0353131A JP 2187827 A JP2187827 A JP 2187827A JP 18782790 A JP18782790 A JP 18782790A JP H0353131 A JPH0353131 A JP H0353131A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、少くとも１つの測定管、測定管に結合され、
振動励起器または振動検出器の形を有する少くとも２つ
のエネルギ変換器、およびエネルギ変換器の信号を用い
て質量流量を求める評価回路を備えたコリオリ原理で作
動する質量流量計に関するものである。
（従来の技術） このような質量流量計としては多くの形式のものが知ら
れており、例えばヨーロッパ出願公開第０２８２２１７
はかかる形式の質量流量計を開示している。これらは、
共振周波数で振動するように作られた測定管が、質量流
量によってさらに変形され、第１の測定管セクションの
遅れと、第２の測定管セクションの進みを招くという原
理に基づいている。この位相ずれが質量流量の直接の測
定値となる。
従来は、測定管は、真直な管セクションを備えており、
その両端に接続フランジが設けられ、両端間に、弾性の
べローズが設けられている。管の中央部は、振動励起器
に結合され、これが、中心に置かれた振動検出器により
、測定管をその共振周波数で振動させる。その前後には
、それぞれ別の振動検出器が置かれ、これが正または負
の位相ずれを検出し、これによって位相差が算出可能と
されている。
この測定装置は、管に流量がないときにも、ゼロとは異
なるある位相差を有している。その原因は、クランプ力
、異なる温度応力、管材料または流量媒体の不均一性、
検出回路あるいはこれに関連する回路における位相誤差
などがあるためである。従って、流量がなくても現れる
位相差を流量計が組み込まれた後に測定し、引き続いて
行われる流量測定を対応するキヤリプレーションによっ
て補正する必要がある。さらに、所定の測定精度が要求
される時は、キヤリプレーションを定期的にチェックす
ることも必要である。
また、振動検出器の出力信号の単一積分または多重積分
による極めて特殊な評価回路を用いて、上記のような手
動による誤差補償を省く方法も、米国特許第４４２２３
３８号によって知られている。この場合には、測定管は
、実質的にＵ字形をしており、従って結合フランジは１
つの面内にある。こうすることにより、クランプ力の影
響を低減することが可能になる。しかしながら、この装
置はかなり複雑な構造になってしまう。
また、***特許第３４３８９７６号によれば、超音波流
量計も知られており、この場合には、斜めに伸びた測定
パスを挟む２つのエネルギ変換器が管壁の両側に、かつ
互い軸方向にずらされて設けられている。２つのエネル
ギ変換器は交互に、超音波発生器および超音波受信器と
して用いられる。超音波の走行期間は先ず１つの方向で
測定され、次に反対方向で測定される。流量値は２つの
走行時間とそれらの差とから求められる（相反原理）。
ゼロ点からの偏奇は、抑制される。しかしながら、この
場合の１つの不利点は、測定が流量プロフィルに依存す
ることであり、このため測定すべき各媒体を考慮したキ
ヤリプレーションを行う必要がある。
（発明が解決しようとする課題） 本発明の目的は、ゼロ点からの偏奇あるいは流量プロフ
ィルの何れの理由からのキヤリプレーションも必要とし
ないコリオリ原理で作動する質量流量計を提供すること
にある。
（課題を解決するための手段と作用） 本発明によれば、かかる課題は、流れと同一方向および
反対方向に測定管に沿って進行する波動が発生され、流
れと同一方向および反対方向の進行速度が求める少くと
も１つの測定パスが設けられ、かつ、評価回路が、２つ
の異る進行速度を利用して質量流量を決定することによ
って解決される。
この構或は、同心周波数の進行波の伝搬速度が、流量の
ある測定管ではコリオリカのために一定ではなく、質量
流量および進行方向に依存するという知見に基づいてい
る。進行速度を両方向で計算に入れることによって、ゼ
ロ点からの偏奇を実質的に抑制することができる。これ
によって、流量プロフィルに無関係というコリオリ原理
の利点、およびゼロ点からの偶奇がないという超音波測
定方式の利点が、それらの不利益を生じさせることなく
、得ることができる。本発明は特に、きわめて簡単な構
造の流量計、例えば、真直な測定管を有する流量計に適
しており、従来は、通常の測定中に、著しくゼロ点から
の偏奇を有するが、本発明ではこのゼロからの偏奇をな
くすことが可能になる。
本発明の特に簡単な実施態様では、流れと同一方向およ
び反対方向の波動の進行時間を測定する１つ、または２
つの実質的に同じ形状の測定パスが設けられ、評価回路
が進行時間の差を演算処理する。従って速度測定は、純
粋な進行時間の測定にまで減少す〜ることかできる。
交互に、振動励起器および振動検出器として駆動される
２つのエネルギ変換器により画された測定パスを設ける
ことは特に有利である。これによって、最小限の構戊コ
ストで、一方の進行方向と反対の進行方向に対する測定
を同じ条件で行うことが可能となる。相反の原理はこの
場合にも十分に適用でき、特に良好な結果が得られる。
同様な結果は、両端がそれぞれ交互に一対として動作す
る振動励起器と振動検出器で挟まれた測定パスを設ける
ことによって得られる。
しかしながら、ほぼ同じものであれば、２つの測定パス
を設けてもよい。この場合は、共通の振動励起器を有す
ると共に、両端にそれぞれ振動検出器を有する測定パス
を設けることが特に好ましい。共通の振動励起器を設け
ることにより、特別な付加手段を必要とすることなく、
両方向に同じ周波数の進行波を発生することが可能とな
る。
振動励起器としては、測定管を、狭いバンド幅の短い振
動列を用いて励起することが特に有利である。少ない振
動による励起が進行波を発生させるのに十分である。狭
いバンド幅を用いると、進行速度が周波数に依存する励
起、例えば、曲げ振動の場合でも、きわめて精密な測定
結果が得られる。このような依存性がない場合には、広
いバンド幅のパルスでも振動の励起に用いることができ
る。
とくに、振動列は、ガウス関数に対応する包路線内の少
数の正弦波振動からなるようにしてもよい。矩形パルス
に比して、このベル曲線と正弦波関数との積は、極めて
狭いバンド幅の励起を可能にする。
振動励起器としては、測定管を実質的に、進行時間の測
定が、測定管をクランプしている点における進行波の反
射が、振動検出器に到着する前に行われるような高い周
波数で励起することも、また有利である。周波数を高め
る程、振動検出器が進行波のスタートゾーンを、反射に
よって検出が妨げられる前に、時間を正確に決定するの
に十分に、検出し得る可能性が高くなる。
振動検出器が、進行時間を測定するために、進行波のゼ
ロ点の通過を所定のように決定するようにすると、特に
正確な測定をおこなうことができる。それは、特定方向
のゼロ点を通過する第１または第２の通過でもよく、そ
れは、高い精度で決定することができる。対応する励起
周波数を選択することにより、このゼロ点の通過は、反
射による妨害が生ずる前に検出することが可能となる。
これに関連して、測定パスは、振動励起器から遠い振動
検出器の側に、測定管上で作動する振動ダンパと共に結
合されることが望ましい。振動ダンバを設けることよっ
て、戻ってくる反射は、測定結果に影響をあたえない無
害の大きさにまで低減することができる。
振動励起器が、測定管を、実質的に、進行波の波長が測
定管の直径よりも実質的に大きくなる波長で励起するこ
とが好ましい。これによって、よく限定された、従って
検出の容易な波動を得ることができる。
本発明の好ましい一実施態様では、振動励起器の励起周
波数用の調整回路が設けられ、これが測定管に沿った進
行波の波長を一定に保持する。この状態では、流量方向
と同一方向および反対方向の波動の進行時間の差が質量
流量に比例するようになる。
また好ましい一実施態様では、到着時間の所望値からの
偏差を積分する積分器を含む調整回路、積分結果をサイ
クル周波数に変換する電圧制御発振器、およびＤ／Ａ変
換器が後に接続され、サイクル周波数で作動するカウン
タにより読取り可能であり、かつ振動励起器を励起する
電圧を形成するメモリが設けられている。到着時間の所
望値からの各偏差はサイクル周波数の変化、従って振動
励起器の励起周波数の変化をもたらし、これが元の状態
に復帰するまで続けられる。
（実施例） 以下、添付図面に基づいて、本発明の実施例につき、詳
細に説明を加える。
第１図は、本発明の実施例に係る質量流量計のダイアダ
ラムである。
第１図は、その両端に７ランジ２および３を有し、これ
によって管回路内に挿入可能に構成された真直な測定管
ｌを示している。ここに、測定パスＡ１はそれぞれのエ
ネルギ変換器４および５で区切られている。この２つの
エネルギ変換器４、５は、それぞれ、振動励起器Ｓおよ
び振動検出器Ｍとして操作される。また測定パスＡ１と
、終端フランジ２または３との間には、それぞれ、ダン
ピング装置６または７が設けられている。
第２図の実施例では、測定パスＡ２の両端には、２組の
エネルギ変換器９、１０、１ｌおよびｌ２、すなわち２
つの振動励起器Ｓと２つの振動検出器Ｍが設けられてい
る。このうち、９、ｌ２の対および１０、１１の対が交
互に操作される。
゛第３図の実施例においては、測定パスが２つあり、測
定パスＢ１は送信器Ｓの形のエネルギ変換器１３と振動
検出器Ｍの形のエネルギ変換器ｌ４で区切られ、測定パ
スＣ１は、振動励起器Ｓの形のエネルギ変換器１５と振
動検出器Ｍの形のエネルギ変換器１６で区切られている
。
第４図の実施例においては、第３図の実施例と同様に、
２つの測定パスＢ２、Ｃ２が設けられ、それそれ、エネ
ルギ変換器ｌ７、１８、ｌ９および２０を備えている。
第３図との差は、振動励起器Ｓと振動検出器Ｍの位置が
入れ換っていることである。
第５図の実施例では、２つの測定パスＢ３およびＣ３が
設けられ、この２つの測定パスは互いに直接に隣接して
いる。中央には、エネルギ変換器２１が振動励起器Ｓの
形で存在する。また、エネルギ変換器２ｌから同じ間隔
をもって、２つのエネルギ変換器２２および２３が振動
検出器Ｍの形で設けられている。
振動発生器は測定管ｌを励起して、曲げ振動、変位振動
、ねじれ振動、あるいは他の形式の振動を進行波として
発生させることができる。この場合、進行波の伝搬送度
は、管の剛性および質量、さらには流体の密度だけでな
く、流体の質量流量およびその方向に依存するという事
実が利用される。従って本発明の原理は、このような波
動の伝搬を妨害しない測定管のすべてに対して適用でき
る。測定すべき媒体が圧縮性のものである場合には、圧
縮性が測定結果に有害な影響をあたえないような振動励
起を選択する必要がある。
振動を励起することは、広いバンド幅の電圧パルスによ
り可能である。しかしながら、進行速度は多くの場合、
周波数に依存するので、ある一定の周波数あるいは狭い
バンド幅の短い振動列で励起を生じさせることによって
、より精密な測定をおこなうことができる。このような
振動列は、少数の正弦波振動、例えば３個または４個の
正弦波振動を、ガウス関数またはベル曲線に相当する包
路線内で用いることにより得られる。周波数は、一方で
は、進行波が測定管の直径よりはるかに大きな波長で発
生するような低い値に、他方では、到着時間を正確に決
定するのに必要なゼロ点通過が、クランプ用の７ランジ
２および３で反射された波動セクションによる重畳の前
に、振動検出器に達するような高い値に、所望に従って
選択される。励起器および評価回路２４は、進行波の励
起の開始と振動検出器Ｍへの到着との間の進行時間を求
め、この値から質量流量を決定する。次の励起は、測定
管ｔが再度、休止状態に達してから行うことが必要であ
る。
振動励起器Ｓは、電磁式、静電式、圧電式、液圧式、磁
気式、磁歪式、加熱式、その他の各種の公知の方法によ
り、摸作可能である。一般的に、振動励起器の一部は測
定管に取付けられ、第２の部分は第２の測定管に取付け
られるか、またはハウジングに対して固定される。
振動検出器Ｍは、同様に、２つの部分から構或され、測
定管の位置、速度、または加速度に応答する。得られた
信号から、進行波のスタートセクション、例えばゼロ点
を通過する所定のポジティブ経路を求めることができる
。
振動検出器Ｍは光学式、圧電式、電磁式、磁歪式、静電
式などストレーンゲージと同じような形式で、あるいは
他の種々な公知の方法で操作できる。
振勤ダンパ装置６および７は、例えば、波形管を用いる
ことができる。
すべての例で、流量方向はＸであると仮定する。
第１図の実施例の動作では、先ず測定管１がエネルギ変
換器４によって振動させられる。これによって流量のＸ
方向に生じた波動の進行時間はエネルギ変換器５により
求められる。このエネルギ変換器５は、次の振動励起器
Ｓとして用いられ、反対方向の波の進行時間はエネルギ
変換器４によって求められる。上記２つの進行時間の差
は、同時に進行速度の差を示す尺度でもあり、励起およ
び評価回路２４で演算処理される。
すなわち、次式が成立する。
Ｑ　ｍ　　＝　Ｖ　，　Ｘ　Ｍ　ｕ ＝Ｄ，ｘω’ｘＴｔ−ｘＴｔ＋ｘＥｘ　Ｉ／Ｌ３ここに Ｑ　＝質量流量 ■Ｘ＝流体速度 Ｍ．＝流体質量 ω　＝励起周波数、すなわち回路周波数Ｔ　ｔ　＋　＝
測定パスに沿った流量方向Ｘの波動進行時間 Ｔ．＝測定パスに沿った流量方向Ｘと反対方向の波動進
行時間 Ｄ，＝差　Ｔ　ｔ−−Ｔ　ｔ＋ Ｅ　一弾性率 ■　＝弾性能率 Ｌ　＝測定パスの長さ である。
質量流量が無いときに得られる進行時間Ｔｔは（Ｔｔ，
｝−Ｔｔ＋）／２から計算される。周波数は容易にわか
り、また他のパラメータは一定であるので、質量流量は
容易に計算可能である。
（’ｒｔ−ｘθ》）または（Ｔｔ−ＸＴｔ。Ｘω２）を
一定に保持することができれば、質量流量は進行時間の
差Ｄｔだけに依存することになる。これは、励起器およ
び評価回路２４内の調整回路２５によって、管内の波長
を一定に保持することによって可能である。例えば、進
行時間が変化した場合は、その変更係数を求め、この変
更係数で周波数を割ればよい。これは、例えば、閉ルー
プを用いて達或できる。第６図に、その一例が示されて
いる。
第２図の実施例も、２対のエネルギ変換器９および１２
、または１ｌおよび１０が交互に作動するので、同様な
動作を行う。この場合も、波動の進行時間が同じ測定パ
スＡ２上で、流量方向Ｘと同一方向および反対方向につ
いて交互に測定される。
第３図の実施例では、測定パスＢｌが流量方向Ｘの進行
時間の測定に用いられ、測定パスＣ１はＸと反対方向の
進行時間の測定に用いられる。測定は交互に、あるいは
同時に行われる。
第４図の実施例では、測定パスＢ２が流量方向Ｘと反対
方向の進行時間の測定に用いられ、測定パスＣ２が流量
方向Ｘの進行時間の測定に用いられる。この場合も、測
定は、交互にあるいは同時に行われる。
第５図の実施例では、測定パスＢ３が流量方向Ｘと反対
方向の進行時間の測定に用いられ、測定パスＣ３が流量
方向Ｘの進行時間の測定に用いられる。この場合も、測
定パスは交互に、あるいは同時に用いられる。
すべての場合に、条件は第１図について説明した場合と
同じである。しかしながら、測定精度は少し低くなり、
これは交互作用条件が必ずしも正確には満足されず、近
似的なものとなるからである。
図面では真直な測定管のみを示しているが、異なる形状
の各種の測定管を用いることも可能であり、特にＬ字形
およびループ状管は使用可能である。唯一の前提条件は
、進行波の伝搬を妨げないということのみである。
第６図は、調整回路２５を内蔵した励起器および評価回
路２４の一実施例を示している。すなわち、２つのエネ
ルギ変換器４および５は、切換スイッチ２６を介して、
励起用送信回路Ｓ１および検出用受信回路Ｍｌに交互に
接続される。この操作手順はロジック回路２７によって
制御される。
これはまた、出力２８への特定の到着時間（所望値）を
設定する。検出器２９はこの所望値を、受信回路Ｍ１で
求められた現在値と比較する。その偏差は積分器Ｔで積
分される。積分結果は電圧制御発振器ＶＣ○で、電圧に
比例した周波数に変換される。この周波数はカウンタ３
０用のサイクル周波数となり、カウンタは、一方ではロ
ジック回路２７を制御すると共に、他方では、メモリ３
ｌ（Ｐｒｏｍ）からディジタル値を呼び出し、これをデ
ィジタル／アナログ変換器ＤＡＣを介して電圧に変換す
る。送信回路Ｓ１を介して振動発生器を励起するときは
、ベル形の包路線内に３個または４個の正弦波振動を発
生するカウンタランが用いられる。進行時間が、所望値
に比して高すぎると、ＶＣ○のサイクル周波数、従って
励起周波数が下り、また進行時間が低すぎると、サイク
ル周波数は上昇する。
これによって、進行時間Ｔｔと周波数ωとの種は一定に
保持される。従って質量流量は進行時間の差だけに依存
するようになる。
これを求めるため、ロジック回路２７で設定した所望値
と検出器２９で求めた偏差とを時間尺度が発振器３３で
固定された時間測定回路３２に人力される。流量方向お
よびその反対方向について求められた進行時間は、その
都度、マイクロコンピュータ３４で評価される。その演
算結果は、ディスプレイやプリンタなどの出力装置３５
で検出される。
（発明の効果） 本発明によれば、ゼロ点からの偏奇あるいは流量プロフ
ィルの何れの理由からのキヤリプレーションも必要とし
ないコリオリ原理で作動する質量流量計を提供すること
が可能になる。
【図面の簡単な説明】 第１図は、本発明の実施例に係る質量流量計のダイアダ
ラム、第２図ないし第５図は、それぞれ本発明の他の実
施例に質量流量計のダイアダラムであり、第６図は本発
明で用いられる励起器および評価回路の一実施例を示す
ブロックダイアダラムである。 １・・・・測定管 ２、３・・・・終端７ランジ ４、５、９〜２３・・・・エネルギ変換器６、７・・・
・ダンピング装置 ２４・・・・励起器および評価回路 ２５・・・・調整回路 ２６・・・・切換スイッチ ２７・・・・ロジック回路 ２８・・・・出力 ２９・・・・検出器 ３０・・・・カウンタ ３１・・・・メモリ　（Ｆｒｏｍ） ３２・・・・時間測定回路 ３３・・・・発振器 ３４・・・・マイクロコンピュータ ３５・・・・出力装置 Ｓ・・・・振動発生器 Ｓｌ・・・・励起用送信回路 Ｍ・・・・振動検出器 Ｍｌ・・・・検出用受信回路 Ｉ・・・・積分器 ＶＣ○・・・・電圧制御発振器

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）少くとも１つの測定管、測定管に結合され、振動
    発生器または振動検出器の形の少くとも２つのエネルギ
    変換器、およびエネルギ変換器の信号を用いて質量流量
    を求める評価回路を備えたコリオリ原理で作動する質量
    流量計において、流れ（Ｘ）と同一方向および反対方向
    に、測定管（１）に沿って進行する波動が発生され、流
    れと同一方向および反対方向の波動の進行速度が求める
    少くとも１つの測定パス（Ａ１；Ａ２；Ｂ１、Ｃ１；Ｂ
    ２、Ｃ２；Ｂ３、Ｃ３）が設けられ、かつ、評価回路（
    ２４）が２つの異る進行速度を利用して質量流量を決定
    することを特徴とするコリオリ原理で作動する質量流量
    計。
  2. （２）流れ（Ｘ）と同一方向および反対方向に進行する
    波動の進行時間が測定する１つ、または実質的に同じ形
    状の２つの測定パス（Ａ１；Ａ２；Ｂ１、Ｃ１；Ｂ２、
    Ｃ２；Ｂ３、Ｃ３）が設けられ、評価回路（２４）が進
    行時間の差を演算処理することを特徴とする請求項（１
    ）に記載のコリオリ原理で作動する質量流量計。
  3. （３）交互に、振動励起器（Ｓ）および振動検出器（Ｍ
    ）として作動する２つのエネルギ変換器（４、５）によ
    り画された測定パス（Ａ１）が設けられたことを特徴と
    する請求項（１）または（２）に記載のコリオリ原理で
    作動する質量流量計。
  4. （４）両端がそれぞれ、１対として交互に作動する振動
    励起器（Ｓ）および振動検出器（Ｍ）で挟まれた測定パ
    ス（Ａ２）が設けられたことを特徴とする請求項（１）
    または（２）に記載のコリオリ原理で作動する質量流量
    計。
  5. （５）共通の振動発生器（Ｓ）を有すると共に、量端に
    それぞれ振動検出器（Ｍ）を有する２つの連続した測定
    パス（Ｂ３、Ｃ３）が設けられていることを特徴とする
    請求項（１）または（２）に記載のコリオリ原理で作動
    する質量流量計。
  6. （６）振動発生器（Ｓ）が、測定管（１）を狭いバンド
    幅をもった短い振動列によって励起することを特徴とす
    る請求項（１）ないし（５）のいずれか１項に記載のコ
    リオリ原理で作動する質量流量計。
  7. （７）振動列が、ガウス関数に対応する包絡線内の少数
    の正弦波振動からなることを特徴とする請求項（６）に
    記載のコリオリ原理で作動する質量流量計。
  8. （８）振動励起器（Ｓ）が、測定管（１）を実質的に、
    進行時間の測定が、進行波の測定管のクランプ点からの
    反射が振動検出器（Ｍ）に到着する前に行われるような
    高い周波数で励起することを特徴とする請求項（１）な
    いし（７）のいずれか１項に記載のコリオリ原理で作動
    する質量流量計。
  9. （９）振動検出器（Ｍ）が、進行時間の測定するために
    、進行波のゼロ点の通過を所定のように決定することを
    特徴とする請求項（１）ないし（８）のいずれか１項に
    記載のコリオリ原理で作動する質量流量計。
  10. （１０）測定管（１）上で作用する振動ダンパ（６、７
    ）が、振動検出器（Ｍ）の振動励起器（Ｓ）より離れた
    側で、測定パス（Ａ１）に結合されていることを特徴と
    する請求項（１）ないし（９）のいずれか１項に記載の
    コリオリ原理で作動する質量流量計。
  11. （１１）振動励起器（Ｓ）が、測定管（１）を実質的に
    、進行波の波長が実質的に測定管（１）の直径より大き
    くなるような周波数で励起することを特徴とする請求項
    （１）ないし（１０）のいずれか１項に記載のコリオリ
    原理で作動する質量流量計。
  12. （１２）振動励起器（Ｓ）の励起周波数を、測定管（１
    ）に沿って進行する波の波長を一定に保持するように制
    御する調整回路（２５）を備えたことを特徴とする請求
    項（１）ないし（１１）のいずれか１項に記載のコリオ
    リ原理で作動する質量流量計。
  13. （１３）調整回路（２５）が、到着時間の所望値からの
    偏差を積分する積分器（Ｉ）と、積分結果をサイクル周
    波数に変換する電圧制御発振器（ＶＣＯ）と、Ｄ／Ａ変
    換器（ＤＡＣ）の前段に設けられ、振動励起器（Ｓ）を
    励起する電圧を形成するために、前記サイクル周波数で
    動作するカウンタ（３０）を用いて読取り可能なメモリ
    （３１）を備えたことを特徴とする請求項（１２）に記
    載のコリオリ原理で作動する質量流量計。
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