JPH04343026A - 質量流量計又は密度計 - Google Patents

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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はコリオリ力を利用した質
量流量計又は密度計に係り、特に直線状のセンサチュー
ブ内に被測流体を通過させるよう構成した質量流量計又
は密度計に関する。

【０００２】

【従来の技術】被測流体の流量は流体の種類、物性（密
度、粘度など）、プロセス条件（温度、圧力）によって
影響を受けない質量流量で表わされることが望ましい。

【０００３】そのため、被測流体の質量流量を計測する
種々の質量流量計が開発されつつあり、その中の一つと
して振動するセンサチューブ内に流体を流したときに生
ずるコリオリの力を利用して質量流量を直接計測する流
量計がある。

【０００４】この種の従来の質量流量計の一例としては
、特開昭６３−１５８４１９号公報により開示された流
量計がある。この公報の質量流量計は、被測流体が通過
する際の圧力損失を低減するため直線状に延在するセン
サチューブをその径方向に振動させ、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検出するよう構
成されている。さらに、センサチューブは高温流体の流
量計測時軸方向に熱膨張するため、端部がダイヤフラム
を介して支持されている。

【０００５】ところが、上記のようにセンサチューブの
端部をダイヤフラムにより支持する構成では、大きな温
度変化によりセンサチューブの熱膨張量が大きい場合、
センサチューブの熱膨張による歪応力を充分に吸収する
ことができず、器差レベルが変動してしまうという問題
がある。

【０００６】このような問題を解決するため、例えば特
開昭６３−３０７２１号公報にあるような流量計が提案
されている。この公報の質量流量計は、直管状のセンサ
チューブの熱膨張を吸収するベローズが管路途中に設け
られている。

【０００７】このようなものの一般的なベローズ取付構
造は、例えば図８に示す如く、ベローズ１の一端がセン
サチューブ２を保持するマニホールド３に接続固定され
、他端がフランジ４の取付部４ａに接続固定されている
。ベローズ１の形状は円弧状の谷部１ａと谷部１ａより
大径な山部１ｂとが交互に連続形成された蛇腹状とされ
ている。従って、複数の谷部１ａと山部１ｂとが収縮す
ることによりセンサチューブ２の熱膨張による歪応力は
、効果的に吸収される。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のような
従来の質量流量計では、図８に見られるようにベローズ
１の有効径Ｄａ　の有効断面積はセンサチューブ２の内
径ＤＳ　の総断面積と違っており、ベローズ１の有効断
面積の方が大きい。

【０００９】このように、従来はベローズ１の圧力損失
をできるだけ小さくするため、センサチューブ２の内径
の総断面積よりベローズ１の有効断面積の方が大きいの
で、内圧がかかるとベローズ１がセンサチューブ２を押
してしまいセンサチューブ２側に圧縮応力が作用してし
まう。

【００１０】図９に示すセンサチューブ２の振動モード
において、２つのセンサ部２ｂ，２ｃの振幅は、理論的
には同程度の位相の変化であるので、センサチューブ２
が２本の場合にはその位相の変化分が相殺されて、セン
シングには影響が出ないはずだが、実際には極わずかな
溶接の条件の違いや、各種部品の取り付け位置の極わず
かなずれの影響などにより、センサチューブ２に圧縮応
力を受けた場合にその位相の変化分は２つのセンサ部２
ｂ，２ｃで異なってしまう。

【００１１】つまり、センサチューブ２に作用した応力
により、センサ部２ｂ，２ｃで位相差が生じてしまう。 その結果、コリオリ力によってセンサチューブ２の振動
の位相差が２つのセンサ部２ｂ，２ｃで生じるのと全く
同じ現象がセンサチューブ２に生じてしまい、正確な流
量が測定できなくなってしまうという課題があった。

【００１２】また、コリオリ力を利用した密度計におい
ても、センサチューブに応力がかかるとセンサチューブ
の振動モードがかわり固有振動数（共振周波数）が変化
して計測精度に影響を及ぼすという課題があった。

【００１３】そこで、本発明は上記課題を解決した質量
流量計又は密度計を提供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は、被測流体が流
入する流入口と被測流体が流出する流出口との間で直線
状に延在する直管部を有する管路と、前記直管部をその
径方向に振動させる加振器と、前記直管部の振動に伴う
直管部の径方向の変位を検出するピックアップと、前記
直管部の軸方向の変位を吸収するように管路途中に設け
られ大径な山部と小径な谷部とが交互に連続形成された
ベローズと、を有する質量流量計又は密度計において、
前記ベローズの有効断面積が前記直管部の内径の総断面
積とほぼ等しくなるよう形してなる。

【００１５】

【作用】ベローズの有効断面積をセンサチューブの内径
の総断面積（センサチューブが２本以上の場合はその和
）とほぼ等しくすることにより、両者の受圧面積を等し
くして圧力上昇に伴うベローズの伸縮を抑え、ベローズ
の変位による応力がセンサチューブに作用しないように
する。

【００１６】

【実施例】図１及び図２に本発明になる質量流量計の一
実施例を示す。

【００１７】両図中、質量流量計１１は密閉された箱状
のケーシング１２内に被測流体が通過する管路１３と、
管路１３を軸方向に変位可能に保持するベローズ１４と
を設けてなる。管路１３は流入口１５ａを有する流入管
１５と、流入側マニホールド１６と、一対のセンサチュ
ーブ１７，１８と、流出側マニホールド１９と流出口２
０ａを有する流出管２０とより形成されている。

【００１８】流入管１５は流入側端部に上流側配管（図
示せず）に連結されるフランジ１５ｂを有し、流入管１
５の他端はケーシング１２の側壁１２ａを貫通してケー
シング１２内部に形成された室１２ｂに延出している。

【００１９】流入側マニホールド１６は、ベローズ１４
が接続固定される上流側接続口１６ａと、センサチュー
ブ１７，１８の上流側端部が接続固定される下流側接続
口１６ｂ，１６ｃとを有する。上流側接続口１６ａと下
流側接続口１６ｂ，１６ｃとは分流路１６ｄ，１６ｅを
介して連通されている。

【００２０】流出側マニホールド１９は、センサチュー
ブ１７，１８の下流側端部が接続固定される一対の接続
口１９ａ，１９ｂと、流出管２０の上流側端部が接続さ
れる接続口１９ｃとを有する。又、流出側マニホールド
１９内には一対の接続口１９ａ，１９ｂと接続口１９ｃ
とを連通する流路１９ｄ，１９ｅが穿設されている。

【００２１】一対のセンサチューブ１７，１８は流体の
流れ方向（Ｘ方向）に直線状に延在する直管よりなり、
上記流入側マニホールド１６と流出側マニホールド１９
との間で平行に設けられている。直管よりなるセンサチ
ューブ１７，１８は被測流体が通過する際の圧力損失が
少ないばかりか複雑な形状に加工する必要もないので製
作が容易である。

【００２２】流出管２０は上流側端部が流出側マニホー
ルド１９の接続口１９ｃに接続固定され、下流側端部が
ケーシング１２の側壁１２ｃを貫通して下流側（Ｘ方向
）へ突出している。尚、流出管２０の下流側端部には流
出口２０ａが開口し、その外周には下流側配管（図示せ
ず）に連結されるフランジ２０ｂが設けられている。

【００２３】ベローズ１４は流入管１５と流入側マニホ
ールド１６との間に介在するよう管路１３途中に設けら
れている。即ち、図２に示す如く、ベローズ１４の上流
側端部２１は流入管１５の取付部１５ｃに溶接等により
固着され、下流側端部２２は流入側マニホールド１６の
接続口１６ａに溶接等により固着されている。

【００２４】ベローズ１４は例えばステンレス製パイプ
を蛇腹状に形成したものであり、円弧状の複数の谷部１
４ａ（１４ａ１　…１４ａｎ　）と山部１４ｂ（１４ｂ
１　…１４ｂｎ　）とが交互に連続形成されてなる。こ
の谷部１４ａ及び山部１４ｂは例えばセンサチューブ１
７，１８の熱膨張による軸方向の力が作用すると軸方向
に伸縮して、熱膨張による応力を吸収し、軸方向の配管
振動が伝達された場合もこれを吸収する。

【００２５】ベローズ１４は後述するように有効径Ｄａ
　の有効断面積がセンサチューブ１７，１８の各内径の
断面積を合計した総断面積とほぼ等しくなるように谷部
１４ａ、山部１４ｂが形成されている。

【００２６】２３は加振器で、実質電磁ソレノイドと同
様な構成であり、一対のセンサチューブ１７，１８の略
中間部の間に設けられている。

【００２７】２４は上流側のピックアップで、加振器２
３より上流側のセンサチューブ１７，１８間に設けられ
ている。

【００２８】２５は下流側のピックアップで、加振器２
３より下流側のピックアップで、加振器２３より下流側
のセンサチューブ１７，１８間に設けられている。ピッ
クアップ２４，２５は夫々電磁ソレノイドと同様な構成
であり、加振器２３により加振されたセンサチューブ１
７，１８の変位を検出する。

【００２９】流量計測時、一対のセンサチューブ１７，
１８は加振器２３により近接、離間する方向（Ｙ方向）
に加振される。上流側配管（図示せず）から供給された
被測流体は流入口１５ａよりベローズ１４に流入し、さ
らにマニホールド１６の流路１６ｄ，１６ｅを通過して
振動するセンサチューブ１７，１８内に流入する。そし
て、センサチューブ１７，１８を通過した流体はマニホ
ールド１９の流路１９ａ，１９ｂを通って流出口２０ａ
より下流側配管（図示せず）に流出する。

【００３０】このように、振動するセンサチューブ１７
，１８に流体が流れると、その流量に応じたコリオリ力
が発生する。そのため、直管状のセンサチューブ１７，
１８の流入側と流出側で動作遅れが生じ、これによりピ
ックアップ２４と２５との出力信号に位相差があらわれ
る。この位相差が質量流量に比例するため、ピックアッ
プ２４，２５からの出力信号の位相差に基づいて流量が
求まる。

【００３１】ここで、高温流体の流量計測をする場合の
動作について説明する。上記流量計測時と同様流入口１
５ａより高温流体が供給されると、Ｘ方向に延在するセ
ンサチューブ１７，１８による熱膨張が発生する。上、
下流側のフランジ１５ｂ，２０ｂは夫々上、下流側配管
に接続固定されているので、センサチューブ１７，１８
の熱膨張による軸方向の歪応力はベローズ１４の伸縮に
より吸収される。

【００３２】これにより、センサチューブ１７，１８の
熱膨張による器差レベルの変動が防止され、正確な流量
計測が行える。

【００３３】次に、流量計測時流体圧力が変動した場合
の動作について説明する。

【００３４】例えば、流量計測中に流体の圧力が上昇し
た場合、ベローズ１４の内壁に高圧流体の圧力が作用す
る。

【００３５】ベローズ１４の内壁に内圧が作用するとベ
ローズ１４の山部１４ｂはわずかにふくらみ、そしてベ
ローズ１４の受圧面積に相当する面積に応じた力が軸方
向に発生する。この受圧面積はベローズ１４の有効断面
積Ａａ　のことである。本発明ではベローズ１４の有効
径Ｄａ　の有効断面積Ａａ　がセンサチューブ１７，１
８の内径の総断面積Ａｔ　（センサチューブが１本の場
合はその面積、２本以上の場合は各断面積の和の面積）
と等しくなるようにしたベローズ１４をセンサチューブ
１７，１８を有する管路上に取り付けてある。この様に
ベローズ１４の有効断面積Ａａ　とセンサチューブ１７
，１８の内径の総断面積Ａｔ　を等しくした場合、次に
説明する理由により配管圧力が作用してもセンサチュー
ブ１７，１８はベローズ１４による軸方向の応力を受け
ない。

【００３６】ここで、ベローズ１４の有効断面積Ａａ　
に関する説明をする。

【００３７】図３に示す如く、ベローズ１４の有効径Ｄ
ａ　とは、ベローズ１４の内面側の軸方向への投影断面
のうち、ベローズ１４の内面側の山部から谷部までの部
分（図３中斜線部）の軸方向への投影面積が谷側（図３
中内側の斜線部Ｉ）と山側（図３中の外側の斜線部ＩＩ
）の面積が等しくなるような境をそのベローズの有効径
Ｄａ　という。

【００３８】そして、前記の通り図３中斜線部ＩとＩＩ
の面積が等しいので、ベローズ１４の有効半径γａ　を
求めると次式（１）のようになる。

【００３９】

【数１】

【００４０】ここで、ｒ０　：ベローズの内面側の山部
からの半径、ｒｉ　：ベローズの内面側の谷部からの半
径である。

【００４１】従って、ベローズ１４の有効断面積Ａａ　
は次式（２）で表わされる。

【００４２】

【数２】

【００４３】次にベローズ１４の有効断面積Ａａ　の大
きさに応じた動作原理を説明する。

【００４４】従来と比較するため、まず、図８に示す従
来の場合の動作原理について図４を参照して説明する。 図４はセンサチューブ２の上流側に配設されたベローズ
１の有効断面積がセンサチューブ２の内径の総断面積よ
り大きい場合の原理図である。

【００４５】図４において、内圧によって生じる軸方向
の力を矢印■〜

【００４６】

【数３】

【００４７】にて示す。流量計の両端はケーシング１２
によって固定されている。内圧が作用するとベローズ１
の部分には■，■と■，■の力が生じる。しかし、■，
■の力は固定されたケーシング１２の極めて近くに生じ
るので、この力は固定されたケーシング１２の反作用力
■，

【００４８】

【数４】

【００４９】によって打ち消される。

【００５０】また、マニホールド３では内圧が作用する
と■，■と■，■の力が生じるが、これらの力は大きさ
が同じで方向が互いに反対方向なので打ち消し合う。更
にマニホールド３は通常ベローズ１やセンサチューブ２
に比べて剛性がはるかに高く、又軸方向の長さはセンサ
チューブ２に比べて極めて短いので、■，■及び■，■
の力によりマニホールド３が軸方向に伸びることは考え
なくてよい。

【００５１】ここでベローズ１に生じた力■と■はセン
サチューブ２を押すことになる。つまり、ベローズ１の
有効断面積とセンサチューブ２の内径の総断面積が等し
くない場合には、両者の断面積の差の面で内圧を受けて
生じる力によってセンサチューブ２には引張り又は圧縮
の応力が作用する。

【００５２】即ち、図４に示す場合、ベローズ１の有効
断面積がセンサチューブ２の内径の総断面積より大きい
ため、センサチューブ２は上記ベローズ１の内圧による
力■と■とにより圧縮されることになる。

【００５３】次に図１に示す本発明のようにベローズ１
４の有効断面積Ａａとセンサチューブ１７，１８の内径
の総断面積Ａｔ　が等しい場合について図５を参照して
説明する。

【００５４】尚、図５は図１に示す質量流量計１１の動
作原理を説明するための原理図である。

【００５５】図５において、内圧がかかると、ベローズ
１４の部分には■，■の力が生じる。しかし、■の力は
固定されたケーシング１２の近くに生じるので、この力
は固定されたケーシング１２の反作用力■によって打ち
消される。

【００５６】また、マニホールド１６，１９では、内圧
が作用すると■，■，■と■，■，■の力が生じる。し
かし、■，■と■，■の力は大きさが同じで方向が互い
に反対方向なので打ち消し合う。また、上流側マニホー
ルド１６で生じた力■とベローズ１４で生じた■の力は
大きさが同じで方向が互いに反対方向なので打ち消し合
う。

【００５７】また、下流側マニホールド１９で生じた力
■は固定されたケーシング１２の近くに生ずるので、こ
の力は固定されたケーシング１２の反作用力

【００５８
】

【数５】

【００５９】によって打ち消される。

【００６０】よって、内圧が作用することによって生じ
る力は、全て打ち消し合ってセンサチューブ１７，１８
へは応力がかからないことになる。ただし、ケーシング
１２の内部にあるマニホールド１６とベローズ１４との
間の配管部Ａやマニホールド部Ｂはセンサチューブ１７
，１８やベローズ１４に比べて剛性ははるかに高く、更
にその軸方向の長さはセンサチューブ１７，１８に比べ
て極めて短いのでこの部分での力を受けることによる伸
縮は考慮しなくてもよい。

【００６１】以上の如く、本発明の質量流量計１１にお
いてベローズ１４の有効断面積Ａａ　とセンサチューブ
１７，１８の内径の総断面積Ａｔ　が等しければ内圧が
作用してもセンサチューブ１７，１８は軸方向の応力を
受けない。

【００６２】従って、センサチューブ１７，１８は圧力
変動に伴う軸方向の力を受けることなく安定的に振動す
ることができ、圧力変動による器差レベルの変動が防止
されより正確な流量計測が可能となる。

【００６３】そのため、流体圧力の変動の影響を受けず
に温度変化によるセンサチューブ１７，１８の歪応力を
ベローズ１４により吸収することができるので、流体の
温度変化の激しい場合、及び流体の圧力の脈動の激しい
場合でもこれらの影響を受けることなく流量計測できる
。

【００６４】又、軸方向の配管振動あるいはケーシング
１２への衝撃等により軸方向の振動が発生しても、上記
の如くベローズ１４により吸収される。

【００６５】図６に上記本発明の変形例を示す。

【００６６】図６はセンサチューブ１７，１８の上，下
流側に上記ベローズ１４を設けてなる質量流量計３１を
示す図である。同図中、この質量流量計３１においても
、上下流側に設けられたベローズ１４，１４’の有効断
面積Ａａ　は、センサチューブ１７，１８の内径の総断
面積Ａｔ　とほぼ等しくなるように形成されている。

【００６７】図７において、内圧がかかると、上，下流
側のベローズ１４，１４’には■，■と

【００６８】

【数６】

【００６９】の力が生じる。しかし、■と

【００７０】

【数７】

【００７１】の力は固定されたケーシング１２の近くに
生じるので、この力は固定されたケーシング１２の反作
用力■，

【００７２】

【数８】

【００７３】によって打ち消される。

【００７４】また、マニホールド１６，１９では、内圧
がかかると■，■，■と■，■，■の力が生じる。しか
し、■，■と■，■の力は大きさが同じで方向が互いに
反対方向なので打ち消し合う。また、マニホールド１６
，１９で生じた力■，■とベローズ１４，１４’で生じ
た■と

【００７５】

【数９】

【００７６】の力は大きさが同じで方向が互いに反対方
向なので打ち消し合う。

【００７７】よって、内圧がかかることによって生じる
力は全て打ち消し合ってセンサチューブ１７，１８へは
応力がかからないことになる。

【００７８】従って、センサチューブ１７，１８の上下
流側の夫々にベローズ１４，１４’を設けた場合でも、
各ベローズ１４，１４’の有効断面積Ａａ　をセンサチ
ューブ１７，１８の内径の総断面積Ａｔ　と等しくする
ことにより、センサチューブ１７，１８は圧力変動に伴
う軸方向の力を受けることなく安定的に振動することが
でき、圧力変動による器差レベルの変動が防止されより
正確な流量計測が可能となる。

【００７９】尚、上記実施例では流量計測を行ったが、
本発明の技術思想をセンサチューブ１７，１８の固有振
動数が流体の密度によって変化することを利用して密度
を測定する密度計に適用しても良い。

【００８０】

【発明の効果】上述の如く、本発明になる質量流量計又
は密度計は、ベローズの山部、谷部の内径をベローズの
有効断面積が直管部の内径の総断面積とほぼ等しくなる
よう形成することにより、内圧によって生ずる力が釣り
合うため、流体圧力の変動の影響を受けずに温度変動に
よる直管部の軸方向の歪応力をベローズにより吸収する
ことができ、直管部に軸方向の歪応力が加わることを防
止できる。そのため、流量計測や密度計測時の使用温度
範囲及び使用圧力範囲を広範囲に設定することが可能と
なる。

【００８１】従って、流体の温度が激しく変化する場合
、あるいは流体圧力が激しく脈動する場合でも、これら
の影響を受けることなく質量流量・密度を正確に計測す
ることができる。又、軸方向の配管振動あるいは流量計
等に衝撃が加えられて軸方向の振動が生じてもベローズ
によりこれらの外乱振動を吸収して精度良く計測するこ
とができる等の特長を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明になる質量流量計の一実施例の平面断面
図である。

【図２】本発明の要部を拡大して側面より示す要部拡大
断面図である。

【図３】ベローズにおける有効断面積を説明するための
図である。

【図４】従来の質量流量計の内圧の作用を説明するため
の原理図である。

【図５】図１に示す質量流量計の内圧の作用を説明する
ための原理図である。

【図６】本発明の変形例を説明するための縦断面図であ
る。

【図７】図６に示す質量流量計の内圧の作用を説明する
ための原理図である。

【図８】従来の質量流量計を説明するための要部拡大断
面図である。

【図９】センサチューブの振動モードを説明するための
原理図である。

【符号の説明】

１１　　質量流量計 １４　　ベローズ １４ａ　　谷部 １４ｂ　　山部 １５　　流入管 １６　　流入側マニホールド １７，１８　　センサチューブ １９　　流出側マニホールド ２０　　流出管 ２１　　上流側端部 ２２　　下流側端部 ２３　　加振器 ２４，２５　　ピックアップ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　被測流体が流入する流入口と被測流体
   が流出する流出口との間で直線状に延在する直管部を有
   する管路と、前記直管部をその径方向に振動させる加振
   器と、前記直管部の振動に伴う直管部の径方向の変位を
   検出するピックアップと、前記直管部の軸方向の変位を
   吸収するように管路途中に設けられ大径な山部と小径な
   谷部とが交互に連続形成されたベローズと、を有する質
   量流量計又は密度計において、前記ベローズの有効断面
   積が前記直管部の内径の総断面積とほぼ等しくなるよう
   形成してなることを特徴とする質量流量計又は密度計。