CN102639973B - 信号处理方法、信号处理装置以及科里奥利流量计 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种即使在被测流体的温度发生变化或被测流体内混入气泡、或者被测流体从气体急速变化为液体的情况下也能够始终以固定的精度进行测量,且能够以少的运算量进行相位及密度测量的信号处理装置;在对构成测量用流管的至少一根或一对流量管利用驱动装置使励振器工作而将所述流量管交替驱动,从而使该流量管振动后,通过作为振动检测传感器的速度传感器或加速度传感器来检测与作用于流量管的科氏力成比例的相位差和/或振荡频率,由此在得到被测流体的质量流量和/或密度的科里奥利流量计中,包括:发送输出可调制的频率信号的发送器(90),以及频率转换部(85),频率转换部(85)将通过速度传感器或加速度传感器检测出的输入频率和发送器(90)的输出频率FX进行加法运算(或减法运算)而进行频率转换,并进行频移使该频率转换后的频率值始终为固定的频率值。

Description

信号处理方法、信号处理装置以及科里奥利流量计
技术领域
本发明涉及的是通过检测与作用于流管上的科氏力(科里奥利力)成比例的相位差及/或振动频率而获得被测流体的质量流量及/或密度的科里奥利流量计。
背景技术
众所周知,为了测量未知流体的密度而使用科里奥利流量计。
科里奥利流量计是利用下述情况来测量质量流量的装置,即,在将被测流体所流通的流管的两端加以支承并沿与流管的流向垂直的方向对该支承点周围施加振动时,作用于流管(以下,将应被施加振动的流管称为“流量管”)上的科氏力与质量流量成比例的情况。
另一方面,振动式密度计利用流体所流通的流管(以下,将应被施加振动的流管称为“流量管”)的谐振频率根据密度的变化而变化这一情况来测量被测流体的密度。
这样的振动式密度计其主要结构与科里奥利流量计共通,因此,以往是使用用于测量被测流体的质量流量的科里奥利流量计来构成并在测量质量流量的同时测量密度。
因此,通过测量流量管进行谐振振动的周期或频率,能够测量流体的密度。该流量管的形状大致分为直管式和弯管式。
使用弯管式流量管的情况下,在将被测流体所流通的流量管在两端加以支承并沿相对于支承线呈直角的方向交替驱动被支承的流量管的中央部时,在测量管的两端支承部与中央部之间的对称位置上测量质量流量。
当使流量管的交替驱动的频率与流量管的固有振动频率相同时,得到与被测流体的密度对应的固定的驱动频率,从而能够以较小的驱动能量进行驱动。因此,一般以固有振动频率驱动流量管。
使用这样的弯管式流量管进行密度测量的情况下,作为用于驱动流量管的驱动机构,一般使用线圈和磁铁的组合。关于该线圈和磁铁的安装,安装在相对于流量管的振动方向不会偏移的位置上使线圈和磁铁的位置关系的偏差成为最小时为佳。因此,在具有并排两根的流量管的弯管式科里奥利流量计那样的并排两根的流量管的情况下,安装成将线圈和磁铁夹持的状态。因此,即使相对的两根流量管的距离小,也设计为分离出将线圈和磁铁夹持的部分。
在两根流量管分别存在于平行的面内的科里奥利流量计中使用口径大的流量管或刚性高的流量管时,需要提高驱动机构的功率,因此必须将大的驱动机构夹持于两根流量管之间。因此,在流量管的作为根部的固定端部上,该流量管彼此之间的距离也必然设置为变宽。
普遍所知的由U型管的测量管构成的科里奥利流量计1,如图13所示包括:具有两根U型管状的测量管2、3的检测器4和转换器5。
在测量管2、3的检测器4中,具有:使测量管2、3谐振振动的励振器6、检测当通过该励振器6进行振动时在测量管2、3的左侧所产生的振动速度的左速度传感器7、检测当通过该励振器6进行振动时在测量管2、3的右侧所产生的振动速度的右速度传感器8、以及对振动速度检测时的测量管2、3内所流通的被测流体的温度进行检测的温度传感器9。这些励振器6、左速度传感器7、右速度传感器8以及温度传感器9,分别连接于转换器5。
在该科里奥利流量计1的测量管2、3内流通的被测流体,从测量管2、3的右侧(设置有右速度传感器8的一侧)向左侧(设置有左速度传感器7的一侧)流通。
因此,利用右速度传感器8检测出的速度信号成为流入测量管2、3内的被测流体的入口速度信号。另外,利用左速度传感器7检测出的速度信号成为从测量管2、3流出的被测流体的出口速度信号。
该转换器5包括驱动控制部10、相位测量部11以及温度测量部12。
转换器5具有如图14所示的方块结构。
即,科里奥利流量计转换器5具有输入输出端口15。该输入输出端口15上设有构成驱动控制部10的驱动信号输出端16。驱动控制部10将规定模式的信号从驱动信号输出端16向安装于测量管2、3上的励振器6输出,从而使测量管2、3谐振振动。
另外,检测振动速度的左速度传感器7、右速度传感器8当然也可以分别为加速度传感器。
在该驱动信号输出端16上经由放大器17而连接有驱动电路18。在该驱动电路18中生成使测量管2、3谐振振动的驱动信号,并将该驱动信号向放大器17输出。在该放大器中将输入的驱动信号放大并向驱动信号输出端16输出。在该驱动信号输出端16中,将由放大器17输出来的驱动信号向励振器6输出。
另外,在输入输出端口15上设有左速度信号输入端19,且该左速度信号输入端19构成了相位测量部11,其中,左速度信号输入端19输入当通过励振器6进行振动时在测量管2、3的左侧所产生的振动速度的检测信号。
另外,在输入输出端口15上设有右速度信号输入端20,且该右速度信号输入端20构成了相位测量部11,其中,右速度信号输入端20输入当通过励振器6进行振动时在测量管2、3的右侧所产生的振动速度的检测信号。
相位测量部11将规定模式的信号从驱动信号输出端16向安装于测量管2、3的励振器6输出,将通过励振器6使测量管2、3振动时的一对速度传感器的振动信号进行A/D转换(模-数转换)并进行了数字转换处理后,求出被转换的信号的相位差。
在左速度信号输入端19上连接有放大器21的输入端,在该放大器21的输出端上连接有A/D转换器(模-数转换器)22。在该A/D转换器22中,将利用放大器21使从左速度信号输入端19输出的振动信号放大后的模拟信号转换为数字值。
在A/D转换器22上连接有运算器23。
另外,在右速度信号输入端20上连接有放大器24的输入端,在该放大器24的输出端上连接有A/D转换器25。在该A/D转换器25中,将利用放大器24使从右速度信号输入端20输出的振动信号放大后的模拟信号转换为数字值。
然后,A/D转换器25所输出的数字信号被输入到运算器23。
进而,在输入输出端口15上设有温度信号输入端26,其中,温度信号输入端26构成输入来自温度传感器9的检测值的温度测量部11。温度测量部11根据温度传感器9的检测温度而进行管温度的补偿,其中,温度传感器9设置于测量管2、3内并检测测量管2、3内的温度。
在该温度传感器9中一般使用电阻型温度传感器,通过测量电阻值而计算出温度。
在温度信号输入端26上连接有温度测量电路27,通过该温度测量电路27根据由温度传感器9输出的电阻值而计算出测量管2、3内的温度。在该温度测量电路27中计算出的测量管2、3内的温度被输入到运算器23。
利用这样的科里奥利流量计1的相位测量方法,由安装于测量管2、3的励振器6以一阶模式对测量管2、3赋予振动,在该赋予振动的状态下,当被测流体在测量管2、3内流通时,测量管2、3中生成相位模式。
因此,来自科里奥利流量计1的右速度传感器8的信号(入口速度信号)和来自左速度传感器7的信号(出口速度信号)以该两个信号重叠的形式被输出。以该两个信号重叠的形式被输出的信号不仅仅是流量信号,还大量含有不需要的噪声分量,进而由于测量流体的密度变化等而振动频率也发生变化。
因此,需要除去来自左速度传感器7和右速度传感器8的信号中的不需要的信号。但是,除去来自左速度传感器7和右速度传感器8的信号中的不需要的信号并计算相位是非常困难的。
进而,科里奥利流量计1常常被要求非常高精度的测量和高速的响应性。为了满足该要求,需要具有非常复杂的运算和高处理能力的运算器,从而科里奥利流量计本身成为非常昂贵的物品。
由于这种情况,对于科里奥利流量计需要确立同时具有始终适应测量频率的最佳滤波器和高速的运算方法的相位差测量方法。
在现有的用于计算流量的相位差测量方法中,作为用于除去噪声的滤波处理方法,存在使用模拟滤波器的方法和使用数字滤波器的方法。
使用模拟滤波器的方法能够比较便宜地构成(例如参照专利文献1、专利文献2)。但是,在该专利文献1、专利文献2中,在提高滤波器的能力上存在限度,存在不足以作为科里奥利流量计的滤波器这样的问题点。
近年来开发了许多使用数字信号处理的科里奥利流量计,在现有的用于计算流量的相位差测量方法中,作为用于除去噪声的滤波处理方法开发了使用数字滤波器的方法。
作为使用数字信号处理的科里奥利流量计的类型,目前存在:使用傅里叶变换测量相位的方法(例如参照专利文献3);通过具有陷波滤波器、带通滤波器等的滤波表而选择与输入频率一致的最佳表格并测量相位的方法(例如参照专利文献4、专利文献5)等。
《使用傅里叶变换的相位测量方法》
利用使用傅里叶变换的相位测量方法的科里奥利流量计转换器,使用图15所示的方块结构而进行。
在图15中,在左速度信号输入端19上连接有低通滤波器30,其中,左速度信号输入端19设置于输入输出端口15上,该输入输出端口15输入由左速度传感器7检测出的、当通过励振器6进行振动时在测量管2、3左侧所产生的振动速度的检测信号(出口侧速度信号)。该低通滤波器30是使由左速度传感器7输出的左速度信号(出口侧速度信号)通过频率滤波器,从而仅取出低频率的左速度信号(出口侧速度信号)的电路,其中,左速度传感器7检测当通过励振器6使测量管2、3振动时在测量管2、3的左侧所产生的振动速度。
在该低通滤波器30上连接有A/D转换器(模-数转换器)31。该A/D转换器31是将从低通滤波器30输出的作为模拟信号的左速度信号转换为数字信号的装置。在该A/D转换器31中被转换为数字信号的左速度信号被输入到相位差测量器32中。
另外,在该A/D转换器31上连接有定时发生器(timing generator)33。该定时发生器33是生成输入频率的M倍(M是自然数)的采样时间的装置。
另一方面,在右速度信号输入端20上连接有低通滤波器34,其中,右速度信号输入端20设置于输入输出端口15上,该输入输出端口15输入由右速度传感器8检测出的、当通过励振器6振动时在测量管2、3右侧所产生的振动速度的检测信号(入口侧速度信号)。该低通滤波器34是使由右速度传感器8输出的右速度信号(入口侧速度信号)通过频率滤波器,从而仅取出低频率的右速度信号(入口侧速度信号)的电路,其中,右速度传感器8检测当通过励振器6使测量管2、3振动时在测量管2、3的右侧所产生的振动速度。
在该低通滤波器34上连接有A/D转换器35。该A/D转换器35是将从低通滤波器34输出的作为模拟信号的右速度信号转换为数字信号的装置。在该A/D转换器35中被转换为数字信号的右速度信号被输入相位差测量器32中。
另外,在该A/D转换器35上连接有定时发生器33。该定时发生器33是生成输入频率的M倍(M是自然数)的采样时间的装置。
另外,在右速度信号输入端20上连接有频率测量器36,其中,右速度信号输入端20设置于输入输出端口15上,该输入输出端口15输入由右速度传感器8检测出的、当通过励振器6进行振动时在测量管2、3右侧所产生的振动速度的检测信号(入口侧速度信号)。该频率测量器36是测量由右速度传感器8检测出的、当通过励振器6进行振动时在测量管2、3右侧所产生的振动速度的检测信号(入口侧速度信号)的频率的装置。
在该频率测量器36上连接有定时发生器33。该频率测量器36中测量出的频率被输出至定时发生器33,在定时发生器33中生成输入频率的M倍(M是自然数)的采样时间,并向A/D转换器31、35输出。
通过该相位差测量器32、定时发生器33以及频率测量器36构成了相位测量运算器40。
在图15所示构成的使用傅里叶变换的相位测量方法中,来自右速度传感器8的输入信号(入口侧速度信号)首先被输入到频率测量器36并被测量频率。在该频率测量器36中被测量的频率被输入定时发生器33中,在该定时发生器33中生成输入频率的M倍(M是自然数)的采样的时间,并输入至A/D转换器31、35。
另外,在A/D转换器31中被转换为数字信号的、在测量管2、3左侧所产生的振动速度的检测信号(出口侧速度信号)和在A/D转换器35中被转换为数字信号的测量管2、3右侧所产生的振动速度的检测信号(入口侧速度信号)被输入相位差测量器32中。然后,在该相位差测量器32中,通过内置的离散傅里叶变换器而被进行傅里叶变换,并根据该被变换后的信号的实数成分和虚数成分之比运算出相位差。
《使用数字滤波器的相位测量方法》
利用使用数字滤波器的相位测量方法的转换器,使用图16、17所示的方块图(blockdiagram)进行说明。
数字滤波器中存在陷波滤波器或带通滤波器等频率选择机构,使用该陷波滤波器或带通滤波器等频率选择机构来提高输入信号的S/N比。
在图16中,表示了使用陷波滤波器作为数字滤波器的转换器的方块结构。
图16中所图示的输入输出端口15、左速度信号输入端19、右速度信号输入端20、低通滤波器30、34、A/D转换器31、35具有与图30所图示的输入输出端口15、左速度信号输入端19、右速度信号输入端20、低通滤波器30、34、A/D转换器31、35相同的构成。
在图16中,在A/D转换器31上连接有陷波滤波器51。该陷波滤波器51是以在A/D转换器31中被转换为数字信号的左速度信号为基础来选择频率,提高输入信号的S/N比并输出的装置。
在该陷波滤波器51上连接有相位测量器52,该相位测量器52是测量通过陷波滤波器51使S/N比提高后的被转换为数字信号的左速度信号的相位的装置。
另外,在陷波滤波器51上连接有频率测量器53。该频率测量器53是测量通过陷波滤波器51使S/N比提高后的被转换为数字信号的左速度信号的频率的装置。
然后,在该频率测量器53中测量出的频率被输入陷波滤波器51中。
另外,在A/D转换器35上连接有陷波滤波器54。该陷波滤波器54是以在A/D转换器31中被转换为数字信号的左速度信号为基础来选择频率,提高输入信号的S/N比并输出的装置。
在该陷波滤波器54上连接有相位测量器52,该相位测量器52是测量通过陷波滤波器54使S/N比提高后的被转换为数字信号的右速度信号的相位的装置。
另外,在频率测量器53中测量出的频率被输入陷波滤波器54中。
在图16中,时钟55是用于获取同步的装置,被输入A/D转换器31、35中并取得A/D转换器31和A/D转换器35的同步。
通过该陷波滤波器51、54、相位测量器52、频率测量器53以及时钟55,构成相位测量运算器50。
在图17中,表示了使用带通滤波器(BPF)作为数字滤波器的转换器的方块结构。
图32中所图示的输入输出端口15、左速度信号输入端19、右速度信号输入端20、低通滤波器30、34、A/D转换器31、35,具有与图31所图示的输入输出端口15、左速度信号输入端19、右速度信号输入端20、低通滤波器30、34、A/D转换器31、35相同的构成。
在图17中,在A/D转换器31上连接有带通滤波器(BPF)61。该带通滤波器61是使在A/D转换器31中被转换为数字信号的、由左速度传感器7输出的左速度信号(出口侧速度信号)通过频率滤波器,从而仅取出被设定的频率的左速度信号(出口侧速度信号)的电路,其中,左速度传感器7检测当通过励振器6使测量管2、3振动时在测量管2、3的左侧所产生的振动速度。
在该带通滤波器61上连接有相位测量器62,该相位测量器62是测量通过带通滤波器61使S/N比提高后的被转换为数字信号的左速度信号的相位的装置。
另外,在带通滤波器61上连接有频率测量器63。该频率测量器63是测量通过A/D转换器31被转换为数字信号、且通过带通滤波器61使S/N比提高后的左速度信号的频率的装置。
然后,在该频率测量器63中测量出的频率被输入带通滤波器61中。
另外,在A/D转换器35上连接有带通滤波器64。该带通滤波器64是使在A/D转换器35中被转换为数字信号的、由右速度传感器8输出的右速度信号(入口侧速度信号)通过频率滤波器,从而仅取出被设定的频率的右速度信号(入口侧速度信号)的电路,其中,右速度传感器8检测当通过励振器6使测量管2、3振动时在测量管2、3的右侧所产生的振动速度。
在该带通滤波器64上连接有相位测量器62,该相位测量器62是测量通过带通滤波器64使S/N比提高后的被转换为数字信号的左速度信号的相位的装置。
另外,在带通滤波器64上连接有频率测量器63。而且,在该频率测量器63中测量出的频率被输入带通滤波器64中。
在图17中,时钟65是用于获取同步的装置,来自时钟65的时钟信号被输入A/D转换器31、35中,从而取得A/D转换器31和A/D转换器35的同步。
通过该带通滤波器61、64、相位测量器62、频率测量器63以及时钟65,构成相位测量运算器60。
【现有技术文献】
专利文献
专利文献1:日本特开平2-66410号公报
专利文献2:日本特表平10-503017号公报
专利文献3:日本特许第2799243号公报
专利文献4:日本特许第2930430号公报
专利文献5:日本特许第3219122号公报
发明内容
(发明所要解决的技术课题)
在专利文献3所示的使用傅里叶变换的相位测量方法的情况下,在所输入的振动速度的检测信号的输入频率固定时,在频率的选择上使用傅里叶变换,因此能够进行频率选择性非常高的相位测量方法。
但是,在该专利文献3所示的使用傅里叶变换的方法的情况下,在被输入的振动速度的检测信号的输入频率由于密度或温度等而发生了变化时,必须改变转换方法或采样速率,因此运算周期或运算方法发生改变,从而测量值发生变动而变得不稳定。
进而,在专利文献3所示的使用傅里叶变换的方法的情况下,在被输入的振动速度的检测信号的输入频率由于密度或温度等而发生了变化时,必须使采样速率与被输入的振动速度信号的输入频率准确同步,因此设计变得非常复杂。
因此,在被测流体的温度发生了急剧变化、或气泡等混杂于流体中而使密度发生了急剧变化时,具有测量精度极端下降这样的问题点。
而且,在专利文献3所示的使用傅里叶变换的方法的情况下,由于进行傅里叶变换,因此存在运算处理变得非常多这样的问题点。
在专利文献4、专利文献5所示的通过具有陷波滤波器、带通滤波器等的滤波表来选择与输入频率一致的最佳表格并对相位进行测量的方法的情况下,能够通过固定采样速率而使设计简单化。
但是,专利文献4、专利文献5所示的使用数字滤波器的相位测量方法也与专利文献3所示的使用傅里叶变换的方法同样地,相对于输入频率的变化而具有非常多的滤波表,从而存在运算器的存储器的消耗变大这样的问题点。
另外,在专利文献4、专利文献5所示的使用数字滤波器的相位测量方法的情况下,存在在输入频率急剧变化时选择最佳滤波器变得困难这样的问题点。
进而,在专利文献4、专利文献5所示的使用数字滤波器的相位测量方法的情况下,存在为了提高频率的选择能力而必须进行非常多的运算这样的问题点。
在该专利文献4、专利文献5所示的使用数字滤波器的相位测量方法的情况下,存在如下所示那样的问题。
(1)对于输入频率的变化无法高精度地进行跟踪。即,实现被测流体的密度急剧变化的气泡混入时的测量等是非常困难的。
(2)为了提高频率的选择能力必须进行非常多的运算。因此,实现高速的响应性是困难的,不适合短时间内的分批处理等。
(3)运算器存储器的消耗大,设计变复杂。因此,电路结构或设计变复杂,成本上非常不利。
综上,在现有的利用数字滤波器处理的相位测量方法的情况下,均是为了除去测量管2、3的管振动频率以外的频带的噪声,而必须进行滤波表的切换或运算方法的变更、进而采样速率的变更等以便一直跟踪测量管2、3的管频率,因此,存在必须进行非常复杂且欠缺高速性的运算这样的问题点。
因此,存在以下的问题点,即,当通过励振器6使测量管2、3振动时,每当通过检测在测量管2、3右侧所产生的振动速度的右速度传感器8、检测在测量管2、3左侧所产生的振动速度的左速度传感器7所检测出的振动速度信号的输入频率发生变动时便容易产生运算误差,从而测量精度非常差。
本发明的目的在于提供一种信号处理方法、信号处理装置以及科里奥利流量计,即使在被测流体的温度发生变化、被测流体内混入气泡、或被测流体从气体急速变化为液体的情况下也能够始终以固定的精度进行测量,能够实现具有高滤波能力的相位测量并以极少的运算处理量进行。
(解决技术课题的方法)
(1)为了解决上述课题而形成的本发明的信号处理方法的特征在于:科里奥利流量计通过对构成测量用流管的至少一根或一对流量管利用驱动装置使励振器工作而将所述流量管交替驱动,从而使该流量管振动后,通过作为振动检测传感器的两个速度传感器或加速度传感器来检测与作用于所述流量管的科氏力成比例的相位差和/或振荡频率,由此得到被测流体的质量流量和/或密度,在该科里奥利流量计中,所述信号处理方法为:
对于将由所述速度传感器或加速度传感器检测出的与作用于所述流量管上的科氏力成比例的振荡频率的输入信号进行A/D转换而得到的两个流量信号的每一个流量信号,根据任意的振荡频率进行合成并进行频率转换;
对至少一个传感器的合成波形的频率进行测量;
根据所述测量出的频率发送控制信号;
以使所述合成频率信号的合成后的合成分量的和分或差分分量的频率始终为固定频率的方式进行控制;
根据所述控制信号求出流量管的谐振频率,计算出被测流体的密度;
根据所述被控制的各转换合成频率的和分或差分的信号来测量相位。
(2)为了解决上述课题而形成的本发明的信号处理方法,对于上述(1)所记载的信号处理方法的基于所述任意的振荡频率的合成频率转换是将来自所述一个传感器的输入信号SINθ1和所述发送的控制信号cosθ2进行乘法运算,使所述进行乘法运算并输出的输出信号通过频率滤波器,从而仅取出低频信号。
(3)为了解决上述课题而形成的本发明的信号处理方法,对于上述(1)所记载的信号处理方法的基于所述任意的振荡频率的合成频率转换是将来自所述一个传感器的输入信号SINθ1和所述发送的控制信号cosθ2进行乘法运算,使所述进行乘法运算并输出的输出信号通过频率滤波器,仅取出高频信号。
(4)为了解决上述课题而形成的本发明的信号处理方法,对上述(1)所记载的信号处理方法的由所述速度传感器或加速度传感器检测出的与作用于所述流量管上的科氏力成比例的振荡频率的输入信号,在所述A/D转换中进行采样并进行数字信号化;
根据所述发送的控制信号进行合成频率转换而得到的各转换合成频率信号,被控制为合成后的合成分量的和分或差分分量的频率为所述A/D转换时的采样频率的1/4。
(5)为了解决上述课题而形成的本发明的信号处理装置的特征在于:科里奥利流量计通过对构成测量用流管的至少一根或一对流量管利用驱动装置使励振器工作而将所述流量管交替驱动,从而使该流量管振动后,通过作为振动检测传感器的速度传感器或加速度传感器来检测与作用于所述流量管的科氏力成比例的相位差和/或振荡频率,由此得到被测流体的质量流量和/或密度,在该科里奥利流量计中,所述信号处理装置包括:
发送器90,其发送输出可调制的频率信号;
频率转换部85,其将来自被所述速度传感器或加速度传感器检测出的输入信号的输入频率和所述发送器90的输出频率FX进行加法运算(或减法运算)而进行频率转换,并进行频移使该频率转换后的频率值始终为固定的频率值;以及,
相位差测量部95,其对从所述频率转换部85输出的被转换的频率信号的相位差进行测量。
(6)为了解决上述课题而形成的本发明的信号处理装置的特征在于:科里奥利流量计通过对构成测量用流管的至少一根或一对流量管利用驱动装置使励振器工作而将所述流量管交替驱动,从而使该至少一根或一对的流量管振动后,通过作为振动检测传感器的一对速度传感器或加速度传感器来检测与作用于所述流量管的科氏力成比例的相位差和/或振荡频率,由此得到被测流体的质量流量和/或密度,在该科里奥利流量计中,所述信号处理装置包括:
发送器120,其发送输出可调制的频率信号;
第一频率转换部110,其以对从一对所述振动检测传感器的一个传感器经由第一A/D转换器31而转换为数字信号的输入信号频率θ和从所述发送器120输出的输出频率θXn进行加法运算(或减法运算),从而使频率转换后的频率值始终为固定的频率值的方式进行频率转换;以及,
第二频率转换部140,其以对从一对所述振动检测传感器的另一个传感器经由第二A/D转换器35而转换为数字信号的输入信号频率θ和从所述发送器120输出的输出频率θXn进行加法运算(或减法运算),从而使频率转换后的频率值始终为固定的频率值的方式进行频率转换。
(7)为了解决上述课题而形成的本发明的信号处理装置的特征在于:科里奥利流量计通过对构成测量用流管的至少一根或一对流量管利用驱动装置使励振器工作而将所述流量管交替驱动,从而使该流量管振动后,通过作为振动检测传感器的一对速度传感器来检测与作用于所述流量管的科氏力成比例的相位差和/或振荡频率,由此得到被测流体的质量流量和/或密度,在该科里奥利流量计中,所述信号处理装置包括:
发送器120,其发送输出可调制的频率信号;
第一频率转换部110,其利用从所述发送器120输出的输出频率θXn,对从一对所述振动检测传感器的一个传感器经由第一A/D转换器31而转换为数字信号的该输入信号频率θ频移为特定的固定频率信号,并向所希望的频带移动;
第二频率转换部140,其利用从所述发送器120输出的输出频率θXn,对从一对所述振动检测传感器的另一个传感器经由第二A/D转换器35而转换为数字信号的该输入信号频率θ频移始终为固定的固定频率信号,并向所希望的频带移动;以及,
频率测量部160,其对从所述第一频率转换部110输出的、通过将来自一对所述振动检测传感器中的一个传感器的输入信号频率和从所述发送器输出的输出频率进行加法运算或减法运算而求出的输出信号的频率被转换为固定频率信号的第一频率信号的频率进行测量,将该测量出的第一频率信号的频率值输出至所述发送器120,并对第一及第二频率转换部的输出频率进行控制,使得通过所述第一及第二A/D转换器31被转换为数字信号并被输入的一对速度传感器的各自的速度传感器信号的输入频率在所述第一及第二频率转换部中进行了频率转换后的频率为所希望的频率。
(8)为了解决上述课题而形成的本发明的信号处理装置的特征在于:使上述(5)、(6)或(7)所记载的信号处理装置的所述频率转换部110包括:
乘法器111,其将来自所述发送器120的参考信号cosθ2和来自所述第一A/D转换器31的输入信号SINθ1进行乘法运算,以及,
低通滤波器112,其使在所述乘法器111中进行乘法运算并输出的输出信号通过频率滤波器,从而仅取出低频信号。
(9)为了解决上述课题而形成的本发明的信号处理装置的特征在于:使上述(5)、(6)或(7)所记载的信号处理装置的所述频率转换部110包括:
乘法器111,其将来自所述发送器120的参考信号cosθ2和来自所述第一A/D转换器31的输入信号SINθ1进行乘法运算,以及,
高通滤波器112,其使在所述乘法器111中进行乘法运算并输出的输出信号通过频率滤波器,从而仅取出高频信号。
(10)为了解决上述课题而形成的本发明的信号处理装置的特征在于:使上述(7)所述的信号处理装置的所述频率测量部160包括:连接在所述第一频率转换部110上的乘法器161,连接在该乘法器161上的低通滤波器162,以及与该低通滤波器162连接并输入来自该低通滤波器162的输出信号的频率测量用发送器163;
所述乘法器161将从频率转换部110输出的输出信号sin(θ+θXn)和从频率测量用发送器163输出的输出信号cosδ的相位进行比较,形成两者的差信号及和信号并输出至后级的低通滤波器162中;
所述低通滤波器162是使从所述乘法器161输出的输出信号通过频率滤波器,从而仅取出低频信号的电路;
以从该低通滤波器162输出的低频信号为基础生成基本输出波形的相位量V,该相位量V通过所述频率测量用发送器163始终满足V=0的条件。
(11)为了解决上述课题而形成的本发明的信号处理装置的特征在于:设有使上述(7)、(8)、(9)或(10)所记载的信号处理装置的所述第一A/D转换器31和所述第二A/D转换器35的输出同步的时钟;
使从所述第一A/D转换器31输出的一对振动检测传感器的一个振动检测传感器的数字信号和从所述第二A/D转换器35输出的一对振动检测传感器的另一个振动检测传感器的数字信号同步。
(12)为了解决上述课题而形成的本发明的信号处理装置为使上述(7)、(8)、(9)、(10)或(11)所记载的信号处理装置中的进行相位差测量的相位测量部的处理由DFT(Discrete Fourier Transform:离散傅里叶变换)或FFT(Fast Fourier Transform:快速傅里叶变换)构成的装置。
(13)为了解决上述课题而形成的本发明的科里奥利流量计,对构成测量用流管的至少一根或一对流量管利用驱动装置使励振器工作而将所述流量管交替驱动,从而使该流量管振动后,通过作为振动检测传感器的一对速度传感器或加速度传感器来检测与作用于所述流量管的科氏力成比例的相位差和/或振荡频率,由此得到被测流体的质量流量和/或密度,其特征在于,包括:
发送器120,其发送输出可调制的频率信号;
第一频率转换部110,其利用从所述发送器120输出的输出频率θXn,对从一对所述振动检测传感器的一个传感器经由第一A/D转换器31而转换为数字信号的输入信号频率θ频移为特定的固定频率信号,并向所希望的频带移动;
第二频率转换部140,其利用从所述发送器120输出的输出频率θXn,对从一对所述振动检测传感器的另一个传感器经由第二A/D转换器35而转换为数字信号的输入信号频率θ频移为特定的固定频率信号,并向所希望的频带移动;以及,
频率测量部160,其对从所述第一频率转换部110输出的被转换为特定的固定频率信号的第一频率信号的频率进行测量,将该测量出的第一频率信号的频率值输出至所述发送器120,并对第一及第二频率转换部的输出频率进行控制,使得在所述频率转换部110中进行了频率转换后的频率使通过所述第一A/D转换器31被转换为数字信号并被输入的一对振动检测传感器的一个速度传感器信号的输入频率为所希望的频率。
(发明效果)
科里奥利式流量计的流量管中存在例如弯管或直管等。另外,在驱动测量管的模式中也存在通过一阶或二阶模式等各种各样的模式而驱动的类型。
如众所知,从振动管得到的驱动频带达到数十Hz~数KHz,例如在使用U型管并利用一阶模式使测量管振动时,频率为100Hz左右,另外,在利用一阶模式使直形测量管振动时,实现500Hz~1000Hz左右。
但是,在一个流量计转换器中对科里奥利式流量计的相位测量以数十Hz~数KHz的频带并始终利用同样的处理进行相位测量是非常困难的,必须分为数种类型而进行设计。
根据本发明涉及的信号处理方法,通过基于一致算法的有利的信号处理,能够克服如上所述本质上的课题,并且,即使在被测流体发生温度变化或混入气泡、进而被测流体从气体急速变化为液体的情况下也能够始终以固定的精度进行相位及频率的测量,能够提供高性能。
根据本发明涉及的科里奥利流量计,即使在被测流体的温度发生变化、被测流体内混入气泡、或被测流体从气体急速变化为液体的情况下也能够始终以固定的精度进行测量,能够以少的运算处理量进行相位及频率测量。
根据本发明涉及的科里奥利流量计,即使在被测流体的温度发生变化或被测流体内混入气泡、或者被测流体从气体急速变化为液体的情况下也能够始终以固定的精度进行测量,能够以少的运算量进行相位及频率的测量。
附图说明
[图1]是表示本发明涉及的信号处理装置的原理的框图。
[图2]是表示图1所图示的信号处理装置的具体结构的框图。
[图3]是表示根据图2所图示的信号处理装置的反馈控制的方法的具体结构的框图。
[图4]是表示来自图3所图示的LPF(低通滤波器)的输出信号的图。
[图5]是表示来自图3所图示的A/D转换器的输出信号的图。
[图6]是表示来自图3所图示的发送器的输出信号的图。
[图7]是表示图3所图示的频率转换部的乘法器中的输出信号的图。
[图8]是表示来自图3所图示的频率转换部的输出信号的图。
[图9]是表示图3所图示的信号处理装置的具体结构图的时间图表的图。
[图10]是图3所图示的信号处理装置的具体结构图的动作流程图。
[图11]是图3所图示的信号处理装置的频率转换部的方块图。
[图12]是图3所图示的信号处理装置的频率测量部的方块图。
[图13]是适用本发明的一般的科里奥利流量计的结构图。
[图14]是图13所图示的科里奥利流量计的转换器的方块图。
[图15]是表示利用图14所图示转换器的傅里叶变换的相位测量方法的框图。
[图16]是表示使用图14所图示转换器的陷波滤波器的相位测量方法的框图。
[图17]是表示使用图14所图示转换器的带通滤波器的相位测量方法的框图。
(符号说明)
1    科里奥利流量计        2、3 测量管
4    检测器                5    转换器
6    励振器                7    左速度传感器
8    右速度传感器          9    温度传感器
10   驱动控制部            11   相位测量部
12   温度测量部            30   低通滤波器
31   A/D转换器             34   低通滤波器
35   A/D转换器             70   振动速度传感器
80   振动速度信号运算器    85   频率转换部
90   发送器                95   相位差测量器
100  信号处理装置          110  频率转换部
111  乘法器                112  低通滤波器
120  发送器                130  相位差测量器
140  频率转换部            150  时钟
160  频率测量部            161  乘法器
162  低通滤波器            163  频率测量用发送器
具体实施方式
本发明即使在被测流体的温度发生变化、被测流体内混入气泡、或被测流体从气体急速地变化为液体的情况下也能够实现能够始终以固定的精度进行测量,能够以极少的运算处理量进行这样的目的。
实施例1
以下,利用图1~图9对用于实施本发明的方式的实施例1进行说明。
图1是本发明涉及的信号处理方法及其装置的原理图,图2是图1所图示的原理图的详细电路图,图3是表示根据图2所图示的信号处理装置的反馈控制的方法的具体结构的框图,图4是表示来自图3所图示的LPF(低通滤波器)的输出信号的图,图5是表示来自图3所图示的A/D转换器(模-数转换器)的输出信号的图,图6是表示来自图3所图示的发送器的输出信号的图,图7是表示图3所图示的频率转换部的乘法器中的输出信号的图,图8是表示来自图3所图示的频率转换部的输出信号的图,图9是表示图3所图示的信号处理装置的具体结构图的时间图表的图。
在图1中,利用励振器(例如电磁振荡器)6使测量管2、3振动时,测量管2、3中所产生的振动速度通过振动速度传感器(例如速度传感器或加速度传感器)70被检测出,该被检测出的振动速度在振动速度信号运算器80中被进行运算处理。该振动速度传感器70相当于图13中的左速度传感器7和右速度传感器8。
振动速度信号运算器80包括正交调制器85、发送器90以及相位测量器95。
正交调制器85是通过被振动速度传感器70检测出的励振器6振动测量管2、3时在测量管2、3上所产生的振动速度进行正交调制的装置。在该正交调制器85中输入来自发送器90的信号。
然后,在该正交调制器85中进行了正交调制的信号被输入设置在正交调制器85的后级的相位测量器95中。该相位测量器95是将来自振动速度传感器70的速度信号进行A/D转换(模-数转换)并进行了数字转换处理之后求出其相位差的装置。
图1所图示的信号处理方法及其装置通过将输入信号进行频率转换并进行控制使频率转换后的频率为固定频率,且在频率转换后进行相位测量,从而实现即使输入信号的频率发生变化也能够进行高速且始终固定的高精度的相位测量的滤波处理装置。
即,图1所图示的信号处理方法及其装置80用频率转换部85将来自振动速度传感器70的输入信号的输入频率FIN和发送器90的输出频率FX进行运算,其结果是通过将两信号的相位差进行加法运算(或减法运算)并控制发送器90使频率转换后的频率为固定频率,从而以被输入至相位测量部95的频率始终为固定的频率的方式进行控制,并根据频率转换后的信号进行相位测量。
通过这样地构成,完全不需要对应于输入频率的大量滤波器或不需要进行运算方法的变更等复杂的处理便能够进行始终固定且几乎无误差的高速运算。
[式1]
Fc=FX+FIN(或Fc=FX-FIN)…………(1)
该[式1]的运算式中,分别为Fc表示频率转换后的频率,FIN表示输入频率(测量用流管的振动频率),FX表示发送器的发送频率。
在此,对获得被测流体密度的方法进行说明。
在进行密度的测量时,需要对测量管2、3的振动频率进行测量。因此,只要求出进行频率转换之前的频率值即可。
图1所示的信号处理方法及信号处理装置中,在频率转换部85中将由振动速度传感器70输出的、利用励振器6使测量管2、3振动时在测量管2、3上所产生的振动速度进行频率转换,并进行控制使得该频率转换部85中的频率转换后的频率为固定频率。
在该[式1]的运算式中,频率转换后的频率Fc被控制为始终固定的频率,因此为已知的值。
进而,FX为发送器90的发送频率,由于通过控制该发送器90的发送频率FX的值使频率转换后的频率Fc为固定频率,因此发送器90的发送频率FX当然是已知的值。若该发送器90的发送频率FX的值不是已知的值便无法进行控制。
因此,将作为已知值的频率转换后的频率Fc和发送器90的发送频率FX代入[式1]时,便能够求出输入频率FIN(测量用流管的振动频率)。
流量管的振动周期T与流体密度ρ的关系已知的有将密度测量装置固有的常数(具有所使用的装置固有的值)设为A、B时,可以以[式2]表示。
[式2]
ρ=AT2+B……………………(2)
总之,只要能够获知装置固有的A、B,就能够通过测量流量管的振动周期T来求出流体密度ρ。由于该处理实时地进行,因此能够得到测量管2、3的被测流体的密度。
另外,详细的密度运算公式已明确记载在日本公报特愿2001-34989号(日本公报特开2002-243613号)中。
在图2中表示了图1所示的信号处理装置的具体结构。
在图2中,在左敏感元件(LPO)7(相当于左速度传感器7)上连接有低通滤波器30。即,左敏感元件7检测出当通过励振器6进行振动时在测量管2、3左侧所产生的振动速度的检测信号(出口侧速度信号)时,该振动速度的检测信号(出口侧速度信号)被输入至低通滤波器30。
该低通滤波器30是使由左速度传感器7输出的左速度信号(出口侧速度信号)通过频率滤波器从而仅取出低频的左速度信号(出口侧速度信号)的电路,其中,左速度传感器7检测当通过励振器6使测量管2、3振动时在测量管2、3的左侧所产生的振动速度。
在该低通滤波器30上连接有A/D转换器(模-数转换器)31。该A/D转换器31是将从低通滤波器30输出的作为模拟信号的左速度信号(出口侧速度信号)转换为数字信号的装置。在该A/D转换器31中转换为数字信号的左速度信号(出口侧速度信号)被输入信号处理装置100中。
另外,该信号处理装置100连接在A/D转换器(模-数转换器)31上。该信号处理装置100是对输入信号(出口侧速度信号)进行频率转换使其转换为在后级的相位测量器中被处理的所希望的频率,并在频率转换后进行相位测量,由此使输入频率的频带移位并且能够进行稳定的相位测量的装置。
另一方面,在右敏感元件(RPO)8(相当于右速度传感器8)上连接有低通滤波器34。即,右敏感元件8检测出当通过励振器6进行振动时在测量管2、3右侧所产生的振动速度的检测信号(入口侧速度信号)时,该振动速度的检测信号(入口侧速度信号)被输入至低通滤波器34。
该低通滤波器34是使由右速度传感器8输出的右速度信号(入口侧速度信号)通过频率滤波器从而仅取出低频的右速度信号(入口侧速度信号)的电路,其中,右速度传感器8检测当通过励振器6使测量管2、3振动时在测量管2、3的右侧所产生的振动速度。
在该低通滤波器34上连接有A/D转换器35。该A/D转换器35是将从低通滤波器34输出的作为模拟信号的右速度信号(入口侧速度信号)转换为数字信号的装置。
另外,该信号处理装置100被连接在A/D转换器35上。该信号处理装置100是对输入信号(入口侧速度信号)进行频率转换使其转换为在后级的相位测量器中被处理的所希望的频率,并在频率转换后进行相位测量,由此使输入频率的频带移位并且能够进行稳定的相位测量的装置。
在A/D转换器31上连接有频率转换部110。该频率转换部110是对从A/D转换器31输出后被输入的左速度信号(出口侧速度信号)的数字信号进行频率转换使其转换为在后级的相位测量器中被处理的所希望的频率的装置。
另外,在A/D转换器35上连接有频率转换部140。该频率转换部140是将从A/D转换器35输出后被输入的右速度信号(入口侧速度信号)的数字信号与上述同样地进行频率转换使其转换为所希望的频率的装置。
另外,构成为来自发送器120的信号被输入至频率转换部110中。通过将从该发送器120输出的信号输入至频率转换部110,在频率转换部110中根据从发送器120输出的信号将由左敏感元件7输入的输入信号(出口侧速度信号)进行频率转换。
在该频率转换部110中进行了频率转换的信号,根据发送器120的输出信号被转换为所希望的固定的频率信号。
另外,构成为来自发送器120的信号也被输入至频率转换部140中。通过将从该发送器120输出的信号输入至频率转换部140,在频率转换部140中根据从发送器120输出的信号将由右敏感元件8输入的输入信号(入口侧速度信号)进行频率转换。
在该频率转换部140中进行了频率转换的信号根据发送器120的输出信号被转换为所希望的固定的频率信号。
当这样通过发送器120进行控制时,与频率转换部110同样地在频率转换部140中也利用从该发送器120输出的输出频率进行了频率转换后的频率被控制为从A/D转换器35输入的右速度信号(入口侧速度信号)在后级的相位差测量部130中被处理的所希望的频率。
在该相位差测量部130中,从A/D转换器31输出并被输入至频率转换部110的左速度信号(出口侧速度信号)的输入频率和从A/D转换器35输出并被输入至频率转换部140的右速度信号(入口侧速度信号)的输入频率同时被进行频率转换并被输入,从而进行相位差测量。
通过这样地构成,根据本实施方式,通过将输入频率(左速度信号、右速度信号)同时转换为所希望的频带,即使输入频率(左速度信号、右速度信号)发生变化,也能够始终使相位测量处理频率固定化而大幅减少滤波器的台数,而且能够更有效地进行相位测量处理。
作为本发明的效果,完全不需要对应于输入频率的大量滤波器或不需要进行运算方法的变更等复杂的处理,能够进行始终固定且几乎无误差的高速运算。当然,相位测量部的处理通过DFT(Discrete Fourier Transform:离散傅里叶变换)、或通过FFT(Fast FourierTransform:快速傅里叶变换)都能够实现。
从时钟150向A/D转换器31和A/D转换器35中输入时钟信号。该时钟150计量从A/D转换器31输出的左速度信号的数字信号和从A/D转换器35输出的右速度信号的数字信号的同步,并实现同时采样。
由该频率转换部110、发送器120、相位差测量部130、频率转换部140以及时钟150构成信号处理装置100。
这样通过A/D转换器31、35被转换为数字信号的各输入信号(左速度信号、右速度信号)在频率转换部110、140中使用来自发送器120的输出信号被进行频率转换。
接着,对图2所示信号处理装置100中的相位差测量运算的具体运算方法进行说明。
当通过科里奥利流量计1的励振器6使测量管2、3振动时,将来自测量管2、3上所设置的振动速度传感器80(左敏感元件7、右敏感元件8)的输出信号(左速度信号、右速度信号)如图2所示那样作为LPO(左敏感元件7)、RPO(右敏感元件8)的输入信号而获得。
此时,当对LPO、RPO的输入信号进行定义时(
Figure GDA0000401858160000171
LPO和RPO之间的相位差),成为:
[式3]
左敏感元件:sin(θ)……………(3)
[式4]
Figure GDA0000401858160000181
来自该两个振动速度传感器(左敏感元件7、右敏感元件8)的输出信号(左速度信号LPO、右速度信号RPO)分别通过科里奥利流量计1的转换器5内部的低通滤波器30、34后,利用A/D转换器31、35从模拟值转换为数字值并被输送至信号处理装置100。
该信号处理装置100如上所述包括频率转换部110、发送器120、相位差测量部130、频率转换部140这四个模块,在对来自左敏感元件7的输出信号LPO和来自右敏感元件8的输出信号RPO的相位差进行运算后,以从振动速度传感器输出的频率和被温度传感器9检测出的温度数据为基础而转换为流量信号。
另外,对于温度测量在图中未进行说明。
从该频率转换部110输出的转换频率是将输入信号频率θ和从发送器120输出的输出频率θXn进行加法运算(或减法运算)而求出的,其中,输入信号频率θ是将被左敏感元件(左速度传感器)7检测出且通过低通滤波器30取出的低频左速度信号(出口侧速度信号)在A/D转换器31中转换为数字信号并输出的输入信号频率。
这样,从频率转换部110输出并被输入至相位差测量部130的输入信号频率是如下的频率。即,在频率转换部110中,使用从发送器120输出的输出频率θXn将从A/D转换器31输出的数字信号的低频左速度信号(出口侧速度信号)即输入信号频率θ进行频移并向其他的频带移动的频率。
这样,在频率转换部110中被进行频移并输出的信号和在频率转换部140中同样被处理而被频移并输出的信号在相位差测量部130中被进行相位计算。
进行控制,以使从频率转换部110输出的频率测量值(θ+θXn)的值成为以下[式5]所示这样的最终任意设定的相位测量频率设定值θC
[式5]
θC=θ+θXn…………(5)
这样通过将发送器120进行控制以使被输入至相位差测量部130的频率测量值(θ+θXn)始终为固定频率θC,能够使后级的相位测量的高速处理成为可能。
本发明中的频率的控制方法通过使式(5)的条件全部等于频率转换部(110、140)的输出频率为θC的方式使发送器120的频率变化的方式、即反馈控制的方法来构成。
以下,对本发明涉及的信号处理方法、信号处理装置的实施方式进行说明。
在图3中表示了根据图2所图示的信号处理装置的反馈控制方法的具体结构。
图3所图示的信号处理装置100通过将输入信号(出入口侧速度信号)进行频率转换成为所希望的频率并在频率转换后进行相位测量,从而不必担心输入频率的频带且能够进行稳定的相位测量。
图3中,在A/D转换器31上连接有频率转换部110。该频率转换部110是将从A/D转换器31输出并被输入的左速度信号(出口侧速度信号)的数字信号进行频率转换的装置。
另外,在A/D转换器35上连接有频率转换部140。该频率转换部140是将从A/D转换器35输出并被输入的右速度信号(入口侧速度信号)的数字信号进行频率转换的装置。
另外,构成为来自发送器120的信号被输入至频率转换部110中。通过将从该发送器120输出的信号输入至频率转换部110,在频率转换部110中根据从发送器120输出的信号将从左敏感元件7输入的输入信号(出口侧速度信号)进行频率转换。
在该频率转换部110中进行了频率转换的信号根据发送器120的输出信号被转换为固定的频率信号。
另外,构成为来自发送器120的信号也被输入至频率转换部140中。通过将从该发送器120输出的信号输入至频率转换部140,在频率转换部140中根据从发送器120输出的信号将从右敏感元件8输入的输入信号(入口侧速度信号)进行频率转换。
在该频率转换部140中进行了频率转换的信号根据发送器120的输出信号被转换为固定的频率信号。
当这样通过可调制的发送器120进行控制时,与频率转换部110同样地在频率转换部140中也利用从该发送器120输出的输出频率进行频率转换。
另外,在频率转换部110的输出端上连接有频率测量部160和相位差测量部130。该频率测量部160是对在频率转换部110中被进行了频率转换的输出频率进行测量的装置。
另外,在频率转换部140上连接有相位差测量部130。
该频率测量部160是对将输入信号频率θ和从发送器120输出的输出频率θXn进行加法运算(或减法运算)而求出的输出信号的频率(θCn=θ+θXn)进行测量的装置,其中,输入信号频率θ是在频率转换部110中将被左敏感元件(左速度传感器)7检测出且通过低通滤波器30取出的低频左速度信号(出口侧速度信号)利用A/D转换器31转换为数字信号并输出的输入信号频率。
在该频率测量部160中测量出的频率测量值被输出至发送器120。在该发送器120中,当输入从频率测量部160输出的输出信号频率(θCn=θ+θXn)的测量值时,根据该输出信号频率(θCn=θ+θXn)的测量值发送规定的频率信号(θXn),并从发送器120输出至频率转换部110和频率转换部140。
通过这样的频率转换部110→频率测量部160→发送器120→频率转换部110的反馈回路,将从A/D转换器31输入的左速度信号(出口侧速度信号)的输入频率和从发送器120输出的输出频率利用频率转换部110进行加法运算或减法运算,并在频率转换部110中进行频率转换。
从该频率转换部140输出的转换频率,是将输入信号频率
Figure GDA0000401858160000205
和从发送器120输出的输出频率θXn进行加法运算(或减法运算)而求出的,其中,输入信号频率
Figure GDA0000401858160000206
是将被右敏感元件(右速度传感器)8检测出且通过低通滤波器34取出的低频右速度信号(入口侧速度信号)在A/D转换器35中转换为数字信号的输入信号频率。
这样,从频率转换部140输出并被输入至相位差测量部130的输入信号频率能够在频率转换部140中使用从发送器120输出的输出频率θXn,将从A/D转换器35输出的数字信号的低频右速度信号(入口侧速度信号)即输入信号频率
Figure GDA0000401858160000207
进行频移而向其他的频带移动。
当这样控制发送器120时,与频率转换部110同样地在频率转换部140中也利用从该发送器120输出的输出频率θXn进行频率转换。
可调制的发送器120如此地通过极简单的计算式而被进行频率控制。
另外,在频率转换部110上连接有相位差测量部130。另外,在频率转换部140上连接有相位差测量部130。
该相位差测量部130将从A/D转换器31输出并被输入至频率转换部110的左速度信号(出口侧速度信号)的频率θ和从A/D转换器35输出并被输入至频率转换部140的右速度信号(入口侧速度信号)的频率
Figure GDA0000401858160000208
均转换为同一固定的所希望的频率而进行相位差测量。
通过这样地构成,根据本实施方式,通过将输入频率(左速度信号、右速度信号)转换为所希望的频带,使输入频率(左速度信号、右速度信号)的频带进行移位,从而能够大幅减少滤波器的台数,而且更有效地进行相位测量处理。
作为本发明的效果,完全不需要对应于输入频率的大量滤波器或不需要进行运算方法的变更等复杂的处理,能够进行始终固定且几乎无误差的高速运算。当然,相位测量部的处理通过DFT(Discrete Fourier Transform:离散傅里叶变换)、或通过FFT(Fast FourierTransform:快速傅里叶变换)都能够实现。
从时钟150向A/D转换器31和A/D转换器35中输入时钟信号。该时钟150是使A/D转换器31和A/D转换器35的输出同步的装置,其承担使从A/D转换器31输出的左速度信号的数字信号和从A/D转换器35输出的右速度信号的数字信号的采样误差消除的重要作用。
这样通过A/D转换器31、35被变为数字信号的各输入信号(左速度信号、右速度信号)在频率转换部110、140中使用来自发送器120的输出信号而被进行频率转换。
接着,对图3所图示的信号处理装置100中的相位差测量运算的具体运算方法进行说明。
在此,对根据调制合成频率的和分量信号的相位测量进行说明。
通过频率测量部160来测量频率转换部110的输出频率,并使用其值来控制发送器120的发送频率。
在信号处理装置100中,利用频率测量部160来测量频率转换部110的输出频率。
初始状态下,发送器120的输出信号θXn未从发送器120输出,因此初始的来自发送器120的输出信号θX0成为:
[式6]
θX0=0………………(6)
因此,由于相对于流量信号LPO,被调频频率的和分量频率可以表示为(θ+θXn),因而为θXnX0,频率转换部110的输出信号频率根据式(6)而成为:
[式7]
θC0=θ+θX0=θ………………(7)
初始的测量频率通过LPO信号频率θ而启动,其中,流量信号LPO是通过科里奥利流量计1的励振器6使测量管2、3振动时由设置于测量管2、3上的左敏感元件7输出的输出信号(左速度信号)。
在接下来的第一阶段的来自发送器120的输出信号θX1中,将应该为相位测量频率θC=目标频率设定值=const的初始测量频率进行比较。然后,如下式(8)所示决定θX1使该差分成为发送器120的输出信号。
[式8]
θX1C-θ………………(8)
这样就求出发送器频率θX1
然后,通过求出第一阶段的发送器频率θX1,成为θC=const。
在下一阶段的来自发送器120的输出信号θX2中应被设定的频率转换部110的输出信号频率成为:
[式9]
θ+θX1C1………………(9)。
因此,下一阶段的来自发送器120的输出信号θX2以式(8)为基础,成为:
[式10]
θX2X1C-(θ+θX1)………………(10)。
重复进行以上的动作,即成为:
[式11]
θ x 3 = θ x 2 + θc - ( θ + θ x 2 ) θ x 4 = θ x 3 + θc - ( θ + θ x 3 ) . . . . θ xn = θ xn - 1 + θc - ( θ + θ xn - 1 ) . . . ( 11 )
当这样按照时钟150的实时处理时钟控制来自发送器120的输出频率θXn时,成为θXn≈θXn-1
由此,最终频率转换部110的输出信号频率(θ+θXn)成为:
[式12]
θC=θ+θXn………………(12)
因此,在时序处理上,能够通过式(12)而使后级的相位测量的高速处理成为可能。
当在图3所图示的低通滤波器30中除去高次谐波噪声并除去A/D转换时的重叠噪声的影响时,输出如图4所示的sin信号(sinθ)。
从该低通滤波器30输出的如图4所示的sin信号(sinθ)在A/D转换器31中以任意的固定周期进行采样并进行数字信号化,得到如图5所示的采样信号(sinθ)并从A/D转换器31输出。
从该低通滤波器30输出并在A/D转换器31中被采样并进行数字信号化的如图5所示的信号(sinθ)被输入至图3所图示的信号处理装置100的频率转换部110中。另外,从发送器120输出的发送器输出信号被输入至该频率转换部110中。
在该发送器120中,通过输入从频率测量部160输出的输出信号频率(θCn=θ+θXn)的测量值,并根据该输出信号频率(θCn=θ+θXn)的测量值以所希望的频率发送发送器120的发送频率信号(θXn),以发送输出速率与输入信号的A/D转换器31中的采样周期相同的速率将图6所示的cos信号(cosθxn)输出。
当来自发送器120的输出信号(cosθxn)被输入至频率转换部110时,在频率转换部110中,将在A/D转换器31中被采样并进行了数字信号化的如图5所示的信号(sinθ)和从发送器120输出的如图6所示的输出信号(cosθXn)在频率转换部110内的乘法器中进行乘法运算(sinθ×cosθXn),从而得到如图7所示的信号(sinθ×cosθXn)。
使在该频率转换部110内的乘法器中进行乘法运算(sinθ×cosθXn)而得到的如图7所示的信号(sinθ×cosθXn)在频率转换部110内通过高通滤波器(HPF)而除去低频分量,从而得到如图8所示的信号(sinθC)。该如图8所示的信号(sinθC)被从频率转换部110输出并输入至频率测量部160和相位差测量部130中。
在利用科里奥利流量计1的励振器6使测量管2、3振动时,来自测量管2、3上所设置的振动速度传感器70(左敏感元件7、右敏感元件8)的输出信号(左速度信号、右速度信号)在构成图3所图示的信号处理装置100的频率转换部110、140、发送器120、相位差测量部130、频率测量部160这四个模块中运算相位差后,以从频率测量部160输出的频率信号和被温度传感器9检测出的温度数据为基础而转换为流量信号。
接着,使用图9所示的时间图表对图3所图示的信号处理装置100的动作进行说明。
首先,当在图3所图示的低通滤波器30中除去高次谐波噪声并除去A/D转换时的重叠噪声的影响时,输出如图5所示的sin信号(sinθ)。
当该图5所示的sin信号(sinθ)被输出时,该图5所图示的sin信号(sinθ)被输入至A/D转换器31。然后,在该A/D转换器31中以任意的固定周期进行采样并进行数字信号化,得到如图9(A)所示的采样信号(Y1=sinθ)并从A/D转换器31输出。
从该A/D转换器31输出的图9(A)所图示的采样信号(sinθ)被输入至图3所图示的信号处理装置100的频率转换部110中。
另一方面,在信号处理装置100的频率测量部160中,输出根据从频率转换部110输出的信号而测量出的频率(θCn=θ+θXn)信号。在输入了从该频率测量部160输出的输出信号频率(θCn=θ+θXn)的测量值的发送器120中,根据该输出信号频率(θCn=θ+θXn)的测量值发送所希望的发送频率信号(θXn),并以使发送输出速率为与输入信号的A/D转换器31中的采样周期相同的速率将如图9(B)所示的cos信号(Y2=cosθXn)输出。
当图9(B)所图示的cos信号(Y2=cosθXn)从发送器120输入至频率转换部110时,在频率转换部110内的乘法器中,与从A/D转换器31输出的图9(A)所图示的采样信号(Y1=sinθ)进行乘法运算(sinθ×cosθXn),从而得到如图9(C)所示的信号(Y3=sinθ×cosθXn)。
使在该频率转换部110内的乘法器中进行乘法运算(sinθ×cosθXn)而得到的图9(C)所图示的信号(Y3=sinθ×cosθXn)在频率转换部110内通过高通滤波器(HPF)而除去低频分量,从而得到如图9(D)所示的信号(Y4=1/2·sinθC)。该图9(D)所图示的信号(Y4=1/2·sinθC)从频率转换部110输出并输入至频率测量部160和相位差测量部130中。
另外,当在图3所图示的低通滤波器34中除去高次谐波噪声并除去A/D转换时的重叠噪声的影响时,输出sin信号(sin)。
当输出该sin信号(sin
Figure GDA0000401858160000232
)时,该sin信号(sin
Figure GDA0000401858160000233
)被输入至A/D转换器35。然后,在该A/D转换器35中以任意的固定周期进行采样并进行数字信号化。
然后,在频率转换部140内的乘法器中将从该A/D转换器35输出的信号和从A/D转换器35输出的采样信号进行乘法运算而得到信号。
使在该频率转换部140内的乘法器中进行乘法运算而得到的信号在频率转换部140内通过高通滤波器(HPF)而除去低频分量,从而得到如图9(E)所示的信号
Figure GDA0000401858160000234
Figure GDA0000401858160000235
该图9(E)所图示的信号
Figure GDA0000401858160000236
从频率转换部110输出并输入至频率测量部160和相位差测量部130中。
在相位差测量部130中,根据从频率转换部110输出并被输入至相位差测量部130的图9(D)所图示的信号(Y4=1/2·sinθC)和从频率转换部140输出并被输入至相位差测量部130的图9(E)所图示的信号将如图9(F)所示的信号
Figure GDA0000401858160000238
作为其相位差
Figure GDA0000401858160000239
而输出。
这样通过使运算周期与采样时间同步,能够提高相位测量时的实时性。
另外,一对的振动速度信号(sinθ、sin
Figure GDA00004018581600002310
)均进行相同的处理并被进行相位计算,因此几乎没有运算误差,从而能够进行正确的相位计算。
实施例2
接着,使用图10所图示的动作流程图对信号处理方法进行说明。
在图10中表示了使用反馈回路时的频率调制及相位测量中的流程图。
图10中,在步骤200中将作为运算器的信号处理装置100的参数初始化。当进行该信号处理装置100的参数的初始化时,在步骤200中进行频率调制的目标频率、即频率调制后的目标频率的设定,进而,设定初始参考波形的频率,即,进行参考信号频率的初始设定。
当在步骤200中进行作为运算器的信号处理装置100的参数的初始化并进行频率调制后的目标频率的设定、参考信号频率的初始设定时,在步骤210中,将从左敏感元件(LPO)7(左速度传感器7)输出的相位及速度信号在A/D转换器31中以任意的采样周期进行采样并进行数字信号化,将从右敏感元件(RPO)8(右速度传感器8)输出的相位及速度信号在A/D转换器35中以任意的采样周期进行采样并进行数字信号化。
然后,在该A/D转换器31中被以任意的采样周期进行采样并数字信号化的相位及速度信号被输入至频率转换部110中,在A/D转换器35中被以任意的采样周期进行采样并数字信号化的相位及速度信号被输入至频率转换部140中。
当在该步骤210中以任意的采样周期进行采样并进行数字信号化时,在步骤220中,对参考信号用的发送器120设定输出频率并进行参考信号的生成。当进行参考信号的生成时,从该发送器120输出在发送器120中被设定的频率的参考信号,并输入至频率转换部110、140中。
当在该步骤220中对发送器120进行参考信号的生成时,在步骤230中进行频率转换部110、140的处理。即,在输入了从发送器120输出的参考频率信号的频率转换部110中,使用从发送器120输出的参考信号将从A/D转换器31输出的相位及速度信号转换为任意频率的相位及速度信号。
另外,在输入了从发送器120输出的参考频率信号的频率转换部140中,使用从发送器120输出的参考信号将从A/D转换器35输出的相位及速度信号转换为任意频率的相位及速度信号。
当在该步骤230中进行向任意频率的相位及速度信号的转换时,在步骤240中测量频率转换后的频率,并与初始设定时的频率调制的目标频率进行比较。
即,在频率转换部110中被进行了任意的频率转换的由A/D转换器31输出的相位及速度信号被输入至频率测量部160和相位差测量部130中。然后,在该频率测量部160中测量频率转换后的频率,并与从发送器120输出的初始设定时的频率调制的目标频率进行比较。
当在该步骤240中与初始设定时的频率调制的目标频率进行比较时,在步骤250中,决定从发送器120输出的下一次的参考信号的发送频率。
即,在步骤250中,以使在步骤240中被进行比较的差分的频率变为0Hz的方式来决定从发送器120输出的下一次的参考信号的发送频率。
当在该步骤250中决定从发送器120输出的下一次的参考信号的发送频率时,在步骤260中进行相位测量。
即,在步骤260中,向相位差测量部130中输入根据从发送器120输出的参考信号的发送频率被转换为任意的固定频率的相位及速度信号。在该相位差测量部130中,根据从频率转换部110输出的被转换为任意的固定频率的相位及速度信号,使用FFT等进行相位测量。这样通过使用FFT等进行相位测量,能够以始终相同的运算周期进行高精度的相位差测量。
以下,对构成信号处理装置100的频率转换部110、140、发送器120、相位差测量部130、频率测量部160这四个模块进行说明。
(1)频率转换部
信号处理装置100的频率转换部110具备如图11所示的结构。
在图11中,频率转换部110包括乘法器111和低通滤波器(LPF)112(或高通滤波器(HPF))。
将来自发送器120的参考信号cosθ2和来自A/D转换器31的输入信号SINθ1进行乘法运算,然后,通过低通滤波器112进行滤波处理。
首先,将来自发送器120的参考信号cosθ2和输入信号sinθ1进行乘法运算,
[式13]
sin θ 1 · cos θ 2 = 1 2 ( sin ( θ 1 + θ 2 ) + sin ( θ 1 - θ 2 ) ) . . . ( 13 )
并将和及差的频率信号进行合成,其中,输入信号sinθ1是将被左敏感元件(左速度传感器)7检测出且通过低通滤波器30取出的低频左速度信号(出口侧速度信号)在A/D转换器31中转换为数字信号并输出的输入信号。
通过使低通滤波器(或高通滤波器)112作用于该和及差的合成信号,仅取出差的信号(或和的信号)。
在此,为了进行具体的说明而设定为取出和的信号,但是差的信号也是没有问题的,滤波器的处理方法可以根据频率转换方法而适当地对应。
来自低通滤波器(或高通滤波器)112的输出成为:
[式14]
1 2 ( sin ( θ 1 + θ 2 ) ) . . . ( 14 )
,此时的来自低通滤波器(或高通滤波器)112的输出信号频率θ3被控制为始终固定的频率。
因此,所使用的滤波器与输入信号无关,能够使用始终相同的滤波器。
另外,由于该情况,能够使频率转换部110的后级的相位差测量部130中的相位测量非常统一地且单纯化地进行处理。
(2)频率测量器
作为频率的测量方法,在本实施方式中采用使用了PLL(PLL:Phase-locked loop相位同步电路)的原理的方法。已知该PLL是通过反馈控制将与输入的交流信号频率相同且相位同步的信号从另外的振荡器输出的电子电路。
这样PLL原本是用于使相位同步的电路,能够形成相对于输入信号相位同步的信号。
该PLL是对环路内振荡器施加反馈控制使其振荡以使从外部输入的基准信号和来自环路内振荡器的输出的相位差固定的振荡电路,由运算器构成比较简单,进而能够高速地进行运算。
信号处理装置100的频率测量部160具有如图12所示的结构。
在图12中,频率测量部160包括乘法器161、低通滤波器(LPF)162以及频率测量用发送器163。
在频率转换部110上连接有乘法器161。从该频率转换部110输出将输入信号频率θ和从发送器120输出的输出频率θXn进行加法运算(或减法运算)而得到的转换频率信号(变频信号)sin(θ+θXn),并输入至乘法器161,其中,输入信号频率θ是将被左敏感元件(左速度传感器)7检测出且通过低通滤波器30取出的低频左速度信号(出口侧速度信号)在A/D转换器31中转换为数字信号并输出的输入信号频率。
而且,该乘法器161是将频率转换部110的输出信号和从频率测量用发送器163输出的输出信号cosδ的相位进行比较,形成两者的差信号及和信号并向低通滤波器162输出的装置。
因此,在乘法器161的输出端上连接有低通滤波器162。该低通滤波器162是使从乘法器161输出的输出信号通过频率滤波器从而仅取出低频信号的装置。
因此,在此,在从乘法器161输出的输出信号中仅取出差的分量。
另外,在低通滤波器162上连接有频率测量用发送器163。该频率测量用发送器163是以从低通滤波器162输出的低频的信号为基础而生成相位数据δ的装置。
然后,以被该低通滤波器162滤波输出的仅差的分量的输出数据V(频率运算函数V)成为“0”的方式而形成反馈回路。
如图12所图示那样将从频率转换部110输出并被输入至乘法器161的输入信号设为SINθ、从发送器120输出并被输入至乘法器161的输出信号设为cosδ,当将该两者的波形在乘法器161中进行乘法运算时,成为:
[式15]
sin θ · cos δ = 1 2 ( sin ( θ + δ ) + sin ( θ - δ ) ) . . . ( 15 )
输入波形:sinθ
频率测量用发送器输出波形:cosδ
通过将该式(15)所示的乘法器161中的乘算结果与低通滤波器162相乘,高频分量被除去,成为:
[式16]
V=sin(θ-δ)……………(16)。
式(15)的(θ-δ)的值为十分小的值(V≈0)时,表示乘法器161中的乘算结果的频率运算函数V能够近似为:
[式17]
V=θ-δ≈0……………(17)。
在此,通过控制频率测量用发送器163的输出波形使频率运算函数V成为0,能够求出在频率转换部110中进行频率转换前的相位θ。
通过使用以下的式(17)、式(18)对这样求出的从频率转换部110输出的频率转换后的相位θ进行运算,能够求出频率f。
[式18]
Δθ ΔT = ω = 2 · π · f . . . ( 18 )
ω:角速度(rad/s)
在此,ΔT表示时间变化,与运算周期(采样速率)相等。
因此,相位变化(θ)成为:
[式19]
θ=2·π·f·Ta……………(19)
其中Ta:时间变化(采样周期)(sec)
f:输入频率(Hz)
θ:相位变化(rad)。
然后,输入频率f成为:
[式20]
f = θ 2 · π · T . . . ( 20 )
T:采样周期
通过在频率测量部160中进行这样的计算,能够进行高速的频率测量。
(3)发送器
在图3中,可调制的发送器120根据频率测量部160的测量结果(θ+θXn)控制输出频率。
即,发送器120将频率θ控制为在相位差测量部130中被处理的所希望的频率,其中,频率θ是当通过励振器6使测量管2、3振动时被左敏感元件7检测出并在被输入频率转换部110的测量管2、3左侧所产生的振动速度的检测信号(出口侧速度信号)的频率。
该频率转换部110和频率转换部140形成为相同的构成。因此,与从频率转换部110输出的频率同样地,从频率转换部140输出的频率将频率
Figure GDA0000401858160000281
转换为所希望的频率,其中,频率
Figure GDA0000401858160000282
是当通过励振器6使测量管2、3振动时被右敏感元件8检测出并在被输入频率转换部140的测量管2、3右侧所产生的振动速度的检测信号(入口侧速度信号)的频率。
(4)相位差测量器
在相位测量的方法中存在各种方法,在使用傅里叶变换的相位测量的情况下,由于频率被固定,因此能够非常高速地进行运算。
以下,以离散傅里叶变换(Discrete Fourier Transform、DFT)为例进行说明。该所谓的离散傅里叶变换是离散群上的傅里叶变换,是经常使用于通过信号处理等被离散化的数字信号的频率解析等中、且也被用于有效地计算偏微分方程式或卷积积分中的方法。该离散傅里叶变换能够使用(在计算机上)快速傅里叶变换(FFT)高速地进行计算。
这里,在相位差测量部130中将被采样的输入信号设为g(n)时,其DFT G(k)被定义为:
[式21]
G ( k ) = Σ n = 0 N - 1 g ( n ) exp ( - j · 2 · π · n · k N ) = Σ n = 0 N - 1 g ( n ) ( cos ( 2 · π · n · k N ) - j sin ( 2 · π · n · k N ) ) k = 0,1 , . . . , N - 1 . . . ( 21 )
进而为了使表达简洁,当将复指数函数的部分置换为式(22)而表现时,
[式22]
W N = exp ( - j · 2 π N ) = cos ( 2 π N ) - j sin ( 2 π N ) . . . ( 22 )
式(21)成为:
[式23]
G ( k ) = Σ n = 0 N - 1 g ( n ) · W N nk . . . ( 23 )
在此,当关注复指数函数WN nk,进而将N作为N=2M(M为整数)、例如N8进行考虑时,在输入频率为采样频率的1/4时,能够由三角函数的周期性将实数部和虚数部的函数用0.1、-1表达为:
[式24]
Figure GDA0000401858160000292
这样,能够将进行了频率转换为采样频率的1/4的输入信号LPO、RPO非常简单地进行傅里叶变换,进而,在通常的相位测量中仅单一的频率(振动频率)进行傅里叶变换即可,因此对于其他的频带不进行转换,因而能够仅通过加减计算来进行运算。
实际上,在将输入相位差测量部130的输入信号设为g(n)、g(n)将输入信号设为采样速率的1/4的频率、进而将N设为N=2M(M为整数)时,其DFT G(n)的运算能够如式(42)那样进行运算。
[式25]
由于即使M的值变大基本的运算也完全不会改变,因此,越增大M越能够非常高精度地进行计算,运算负荷也几乎不变。
进而,将两个输入信号按照上述顺序进行离散傅里叶变换(DFT)的结果是,能够使RPO信号为:
[式26]
RPO信号:
1 2 ( sin ( θ + θ x ) ) = 1 2 ( sin ( θ c ) ) = 1 2 exp ( j θ c ) = Re 1 + j Im 1 . . . ( 26 )
能够使LPO信号为:
[式27]
LPO信号:
1 2 ( sin ( θ + δφ + θ x ) ) = 1 2 ( sin ( θ c + δφ ) ) = 1 2 exp ( j ( θ c + δφ ) ) = Re 2 + j Im 2 . . . ( 27 )
此时的输入信号的相位角
Figure GDA0000401858160000303
为:
[式28]
tan δφ = Im 2 Re 1 - Re 2 Im 1 Re 2 Re 1 + Im 2 Im 1 . . . ( 28 )
在该式(28)中求出输入信号的相位角之后,对其
Figure GDA0000401858160000306
进行运算能够求出相位差信号
Figure GDA0000401858160000307
另外,由于被测流体的质量流量Q与相位角成正比且与驱动频率F成反比,因此表示为:
[式29]
Figure GDA0000401858160000308
其中S(t):与测量流体的温度有关的修正系数,
通过将测量出的相位角
Figure GDA0000401858160000309
和驱动频率F代入该式(29),能够计算出质量流量Q。
这样求出的质量流量Q通过进行适当的计数或单位换算并追加模拟输出、脉冲输出、串行通信等后级的处理,能够以各种形式向外部输出。
《使用频率转换的相位测量方法的特点》
本发明涉及的相位测量系统的特征是由于能够以与输入信号的频率θ无关的采样周期将信号进行采样,因此构成非常简单,而且不需要滤波器的台数,进而能够进行运算误差少且非常高速的运算,其中,上述输入信号是将被左敏感元件(左速度传感器)7检测出且通过低通滤波器30取出的低频左速度信号(出口侧速度信号)利用A/D转换器31转换为数字信号并输出、且被输入频率转换部110中的输入信号。
另外,根据本发明涉及的相位测量系统,即使输入信号中发生急剧的频率变化,也能够通过频率转换的反馈回路响应良好地进行追踪,直接测量频率转换后的频率并进行相位测量,因此伴随频率转换的频率转换误差被抑制为最小限度,从而适合于非常高稳定性且正确的相位测量,其中,上述输入信号是将被左敏感元件(左速度传感器)7检测出且通过低通滤波器30取出的低频左速度信号(出口侧速度信号)利用A/D转换器31转换为数字信号并输出、且被输入至频率转换部110中的输入信号。
而且,不仅能够进行相位测量,同时也能够根据频率转换后的频率和发送器120的发送频率求出输入信号的频率。
在此求出的频率通过高速的反馈回路而成为响应性高且极其稳定的频率。
进而,根据本发明涉及的相位测量系统,由于基于被输入频率转换部110的输入信号的输入频率的相位测量的频带限制几乎不存在,因此能够与各种驱动频率的传感器结合,进而,由于运算精度不会被输入频率影响,因此能够始终进行高精度的相位测量。
实施例3
对构成测量用流管的包括至少一根或一对流量管的测量管2、3利用驱动装置使励振器6工作。使包括该一根或一对流量管的测量管2、3交替驱动,从而使该流量管振动。然后,构成了如下的科里奥利流量计,即:通过作为振动检测传感器的一对速度传感器或加速度传感器检测与作用于包括一根或一对流量管的测量管2、3上的科氏力成比例的相位差及/或振动频率,由此得到被测流体的质量流量及/或密度的科里奥利流量计,其中,振动检测传感器包括左敏感元件(LPO)7和右敏感元件(RPO)8。
在该科里奥利流量计上设置发送输出可调制的频率信号的发送器120。
进而,通过第一A/D转换器31将一对振动检测传感器(左敏感元件7、右敏感元件8)中的一个速度传感器(例如从左敏感元件7输入的输入信号(出口侧速度信号))转换为数字信号。并且,设有第一频率转换部110,该第一频率转换部110使用从发送器120输出的输出频率θXn,将该输入信号频率θ频移为特定的固定频率信号并向所希望的频带移动。
设有第二频率转换部140,该第二频率转换部140使用从发送器120输出的输出频率θXn将输入信号频率θ频移为特定的固定频率信号,并向所希望的频带移动,其中,输入信号频率θ是通过第二A/D转换器35将由一对振动检测传感器(左敏感元件7、右敏感元件8)中的另一个速度传感器(例如从右敏感元件8输入的输入信号(入口侧速度信号))转换为数字信号的输入信号频率。
设有频率测量部160,该频率测量部160对从第一频率转换部110输出的被转换为固定频率信号的第一频率信号的频率进行测量,并将该测量出的第一频率信号的频率值输出至发送器120后,对输出频率进行控制以使在频率转换部110中进行了频率转换后的频率始终为固定频率。
进而,设有相位差测量部130,该相位差测量部130对从第一频率转换部110输出的转换为固定频率信号的第一频率信号和从第二频率转换部140输出的被转换为固定频率信号的第二频率信号的相位差进行测量。
然后,设置信号处理装置100从而构成科里奥利流量计,其中,信号处理装置100获得从第一频率转换部110输出并被转换为固定的频率信号的第一频率调制信号和从第二频率转换部140输出并被转换为固定的频率信号的第二频率调制信号的相位差。

Claims (13)

1.一种信号处理方法,其特征在于,
科里奥利流量计通过对构成测量用流管的至少一根或一对流量管利用驱动装置使励振器工作而将所述流量管交替驱动,从而使该流量管振动后,通过作为振动检测传感器的两个速度传感器或加速度传感器来检测与作用于所述流量管的科氏力成比例的相位差和/或振荡频率,由此得到被测流体的质量流量和/或密度,在该科里奥利流量计中,所述信号处理方法为:
对于将由所述速度传感器或加速度传感器检测出的与作用于所述流量管上的科氏力成比例的振荡频率的输入信号进行A/D转换而得到的两个流量信号的每一个流量信号,根据任意的振荡频率进行合成并进行频率转换,
对至少一个传感器的合成波形的频率进行测量,
根据所述测量出的频率发送控制信号,
以使所述合成频率信号的合成后的合成分量的和分或差分分量的频率始终为固定频率的方式进行控制,
根据所述控制信号求出流量管的谐振频率,计算出被测流体的密度,
根据所述被控制的各转换合成频率的和分或差分的信号来测量相位。
2.如权利要求1所述的信号处理方法,
基于所述任意的振荡频率的合成频率转换是,
将来自所述一个传感器的输入信号SINθ1和所述发送的控制信号cosθ2进行乘法运算,使所述进行乘法运算并输出的输出信号通过频率滤波器,仅取出低频信号。
3.如权利要求1所述的信号处理方法,
基于所述任意的振荡频率的合成频率转换是,
将来自所述一个传感器的输入信号SINθ1和所述发送的控制信号cosθ2进行乘法运算,使所述进行乘法运算并输出的输出信号通过频率滤波器,仅取出高频信号。
4.如权利要求1所述的信号处理方法,
由所述速度传感器或加速度传感器检测出的与作用于所述流量管上的科氏力成比例的振荡频率的输入信号,在所述A/D转换中被进行采样并进行数字信号化;
根据所述发送的控制信号进行合成频率转换而得到的各转换合成频率信号,被控制为合成后的合成分量的和分或差分分量的频率为所述A/D转换时的采样频率的1/4。
5.一种信号处理装置,其特征在于,
科里奥利流量计通过对构成测量用流管的至少一根或一对流量管利用驱动装置使励振器工作而将所述流量管交替驱动,从而使该流量管振动后,通过作为振动检测传感器的速度传感器或加速度传感器来检测与作用于所述流量管的科氏力成比例的相位差和/或振荡频率,由此得到被测流体的质量流量和/或密度,在该科里奥利流量计中,所述信号处理装置包括:
发送器,其发送输出可调制的频率信号,以及,
频率转换部,其将通过所述速度传感器或加速度传感器检测出的输入频率和所述发送器的输出频率FX进行加法运算或减法运算而进行频率转换,并进行频移使该频率转换后的频率值始终为固定的频率值。
6.一种信号处理装置,其特征在于,
科里奥利流量计通过对构成测量用流管的至少一根或一对流量管利用驱动装置使励振器工作而将所述流量管交替驱动,从而使该至少一根或一对的流量管振动后,通过作为振动检测传感器的一对速度传感器或加速度传感器来检测与作用于所述流量管的科氏力成比例的相位差和/或振荡频率,由此得到被测流体的质量流量和/或密度,在该科里奥利流量计中,所述信号处理装置包括:
发送器,其发送输出可调制的频率信号,
第一频率转换部,其以对从一对所述振动检测传感器的一个传感器经由第一A/D转换器而转换为数字信号的输入信号频率和从所述发送器输出的输出频率进行加法运算或减法运算,从而使频率转换后的频率值始终为固定的频率值的方式进行频率转换,以及,
第二频率转换部,其以对从一对所述振动检测传感器的另一个传感器经由第二A/D转换器而转换为数字信号的输入信号频率和从所述发送器输出的输出频率进行加法运算或减法运算,从而使频率转换后的频率值始终为固定的频率值的方式进行频率转换。
7.一种信号处理装置,其特征在于,
科里奥利流量计通过对构成测量用流管的至少一根或一对流量管利用驱动装置使励振器工作而将所述流量管交替驱动,从而使该流量管振动后,通过作为振动检测传感器的一对速度传感器来检测与作用于所述流量管的科氏力成比例的相位差和/或振荡频率,由此得到被测流体的质量流量和/或密度,在该科里奥利流量计中,所述信号处理装置包括:
发送器,其发送输出可调制的频率信号,
第一频率转换部,其利用从所述发送器输出的输出频率,对从一对所述振动检测传感器的一个传感器经由第一A/D转换器而转换为数字信号并输出的输入信号频率进行频移使其始终为固定的频率信号,并向其他的频带移动,
第二频率转换部,其利用从所述发送器输出的输出频率,对从一对所述振动检测传感器的另一个传感器经由第二A/D转换器而转换为数字信号并输出的输入信号频率进行频移使其始终为固定的频率信号,并向其他的频带移动,以及,
频率测量部,其对从所述第一频率转换部输出的、通过将来自一对所述振动检测传感器中的一个传感器的输入信号频率和从所述发送器输出的输出频率进行加法运算或减法运算而求出的输出信号的频率被转换为固定频率信号的第一频率信号的频率进行测量,将该测量出的第一频率信号的频率值输出至所述发送器,并对第一及第二频率转换部的输出频率进行控制,使得通过所述第一及第二A/D转换器被转换为数字信号并被输入的一对速度传感器的各自的速度传感器信号的输入频率在所述第一及第二频率转换部中进行了频率转换后的频率为所希望的频率。
8.如权利要求5、6或7所述的信号处理装置,其特征在于,
所述频率转换部包括:
乘法器,其将来自所述发送器的参考信号cosθ2和来自所述第一A/D转换器的输入信号SINθ1进行乘法运算,以及,
低通滤波器,其使在所述乘法器中进行乘法运算并输出的输出信号通过频率滤波器,从而仅取出低频信号。
9.如权利要求5、6或7所述的信号处理装置,其特征在于,
所述频率转换部包括:
乘法器,其将来自所述发送器的参考信号cosθ2和来自所述第一A/D转换器的输入信号SINθ1进行乘法运算,以及,
高通滤波器,其使在所述乘法器中进行乘法运算并输出的输出信号通过频率滤波器,从而仅取出高频信号。
10.如权利要求7所述的信号处理装置,其特征在于,
所述频率测量部包括:
连接在所述第一频率转换部上的乘法器,
连接在该乘法器上的低通滤波器,以及,
与该低通滤波器连接并输入来自该低通滤波器的输出信号的频率测量用发送器;
所述乘法器将从所述第一频率转换部输出的输出信号sin(θ+θXn)和从频率测量用发送器输出的输出信号cosδ的相位进行比较,形成两者的差信号及和信号并输出至后级的低通滤波器中;
所述低通滤波器使从所述乘法器输出的输出信号通过频率滤波器,从而仅取出低频信号;
以从该低通滤波器输出的低频信号为基础生成基本输出波形的相位量V,该相位量V通过所述频率测量用发送器始终满足V=0的条件。
11.如权利要求7、8、9或10所述的信号处理装置,其特征在于,
设有使所述第一A/D转换器和所述第二A/D转换器的输出同步的时钟,
使从所述第一A/D转换器输出的一对振动检测传感器的任意一个振动检测传感器的数字信号和从所述第二A/D转换器输出的该一对振动检测传感器的另一个数字信号同步。
12.如权利要求7、8、9、10或11所述的信号处理装置,
所述信号处理装置中的进行相位差测量的相位测量部的处理为离散傅里叶变换或快速傅里叶变换。
13.一种科里奥利流量计,对构成测量用流管的至少一根或一对流量管利用驱动装置使励振器工作而将所述流量管交替驱动,从而使该流量管振动后,通过作为振动检测传感器的一对速度传感器或加速度传感器来检测与作用于所述流量管的科氏力成比例的相位差和/或振荡频率,由此得到被测流体的质量流量和/或密度,其特征在于,所述科里奥利流量计设有:
发送器,其发送输出可调制的频率信号;
第一频率转换部,其利用从所述发送器输出的输出频率θXn,对从一对所述振动检测传感器的一个传感器经由第一A/D转换器而转换为数字信号的输入信号频率θ进行频移使其为特定的固定频率信号,并向所希望的频带移动;
第二频率转换部,其利用从所述发送器输出的输出频率θXn,对从一对所述振动检测传感器的另一个传感器经由第二A/D转换器而转换为数字信号的输入信号频率θ进行频移使其为特定的固定频率信号,并向所希望的频带移动;以及,
频率测量部,其对从所述第一频率转换部输出的被转换为固定频率信号的第一频率信号的频率进行测量,将该测量出的第一频率信号的频率值输出至所述发送器后,对输出频率进行控制以使在所述频率转换部中频率转换后的频率始终为固定频率。
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