JP2002520609A - 改良型振動導管パラメータ・センサおよび空間積分を利用したその操作方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 材料処理システム（１）用のプロセス・パラメータ・センサ（５）は、材料処理システムからの材料を含むように構成された導管（１０３Ａ〜１０３Ｂ）を含む。複数の運動トランスジューサ（１０５Ａ〜１０５Ｄ）は、導管上の多数の場所での運動を表す複数の運動信号を生成するように動作する。重複決定されたプロセス・パラメータ推定器（３０）は、複数の運動トランスジューサに応答し、複数の運動信号を受信するように構成されている。重複決定されたプロセス・パラメータ推定器は、導管運動を、所定数の力のそれぞれに起因する運動に分解して、分解された運動に従って導管内の材料と関連づけられたプロセス・パラメータを推定するように動作する。複数の運動信号が、導管運動を所定数の力に起因する運動に分解するための重複決定された情報セットを提供するように、場所の数は力の数を上回る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 発明の背景発明の分野 本発明は、プロセス・パラメータ・センサおよびその操作方法に関し、特に、
運動導管パラメータ・センサおよびその操作方法に関する。

【０００２】課題の説明 導管を通って流れる材料に関する質量流およびその他の情報を計測するために
、コリオリ効果質量流量計が一般的に使用されている。例示的なコリオリ流量計
は、全てJ.E.スミス等に付与された１９７８年８月２９日づけの米国特許第４，
１０９，５２４号、１９８５年１月１日づけの第４，４９１，０２５号、および
１９８２年２月１１日づけの第Ｒｅ．３１，４５０号において開示されている。
これらの流量計は通常、直線構成または曲線構成を有する１つまたは複数の導管
を含む。各導管は、例えば、単純な湾曲モード、ねじりモード、放射状モードお
よびこれらの結合モードを含む１組の振動モードを有するものとして見ることが
できる。典型的な質量流計測アプリケーションにおいて、各導管は、材料が導管
を通って流れるときにその自然モードの１つで共振して振動するように駆動され
る。運動する、材料で満たされたシステムの振動モードは、導管の質量特性と堅
さ特性との組み合わせ、および導管内を流れる材料の特性によって影響される。

【０００３】 コリオリ流量計の典型的な成分は、駆動又は励振システムである。駆動システ
ムは、導管を振動させる定期的な物理的力を導管に与えるように動作する。駆動
システムは通常、流量計の導管に設けられた少なくとも１つのアクチュエータを
含む。アクチュエータは、第１の導管に設けられた磁石と、磁石に対向する関係
で第２の導管に設けられたワイヤ・コイルとを有するボイス・コイル・デバイス
などの、多数のよく知られた電気機械的デバイスの１つを含むことができる。駆
動回路は、周期的な、例えば正弦波または方形波の駆動信号を連続的にアクチュ
エータ・コイルに与える。周期的な駆動信号は、アクチュエータに、その後維持
される逆の周期的パターンで２つの導管を駆動させる。

【０００４】 駆動された流量計の導管を通る事実上「ゼロ」の流れがあるときに、導管に沿
った点は、ドライバに関して、駆動された振動モードに応じて、ほぼ同じ位相ま
たは「ゼロの流れ」の位相で振動する傾向にある。材料が流量計の流入口から流
れ込み、導管を通って流量計の流出口から始めると、材料の流れから生ずるコリ
オリの力は、導管に沿って間隔を空けて分離された点の間で移相を生じる傾向に
ある。一般的に、材料が導管を通って流れると、導管の流入口側の位相はドライ
バより遅れ、導管の流出口側の位相はドライバより進む。導管の２つの場所の間
で生じた移相は、導管を通る材料の質量流量にほぼ比例する。

【０００５】 質量流量を計測するために、従来のコリオリ流量計は通常、中央に配置された
ドライバに対して対称に設けられた２つのトランスジューサ、例えば、導管の個
々の末端付近に配置されたコイル・タイプの速度トランスジューサで位相を計測
する。しかし、製造によって生ずるトランスジューサ配置の誤り、ならびに他の
構造的な変化および導管構造の非直線性は、計測の不正確さを引き起こす場合が
ある。

【０００６】 発明の概要 上記に鑑みて、振動導管パラメータ・センサにおいて、質量流量、合計された
質量流量、粘度などのプロセス・パラメータを計測する、より正確な技術を提供
できる、パラメータ・センサおよびその操作方法を提供することが本発明の目的
である。

【０００７】 この及び他の目的、特徴および利点は、本発明に従って、導管内の材料と関連
づけられたプロセス・パラメータ、例えば、質量流量、合計された質量流、粘度
などの空間的に積分された推定が決定される、振動導管パラメータ・センサおよ
びその操作方法によって提供される。駆動されたセンサ導管と関連づけられた複
数の力が識別される。複数の力に起因する運動への導管運動の分解のための重複
決定された情報を複数の運動信号が提供するように、識別された力の数を超える
センサ導管上の多数の場所での運動を表す運動信号が受信される。これによって
、移動する材料と関連づけられたプロセス・パラメータの、潜在的に一層正確な
推定を生成することができる。

【０００８】 特に、本発明によれば、材料処理システム用のプロセス・パラメータ・センサ
は、材料処理システムからの材料を含むように構成された導管を含む。複数の運
動トランスジューサは、導管上の多数の場所での運動を表す複数の運動信号を生
成するように動作する。重複決定されたプロセス・パラメータ推定器は複数の運
動トランスジューサに応答し、複数の運動信号を受信するように構成されている
。重複決定されたプロセス・パラメータ推定器は、導管運動を所定数の力のそれ
ぞれに起因する運動に分解して、分解された運動に従って導管内の材料と関連づ
けられたプロセス・パラメータを推定するように動作する。ここで、所定数の力
に起因する運動への導管運動の分解のための重複決定された情報の組を複数の運
動信号が提供するように、場所の数は力の数を上回っている。重複決定されたプ
ロセス・パラメータ推定器は、コリオリの力に起因する運動の推定を生成する手
段と、運動の推定を生成する手段に応答して、質量流などのプロセス・パラメー
タの推定を運動の推定から生成する手段とを含むことができる。

【０００９】 本発明の一態様によれば、空間的に平均化された運動信号を生成するために、
一群の運動信号が結合される。例えば、従来のコリオリ計測回路を使用して、空
間的に平均化された運動信号からプロセス・パラメータが推定される。

【００１０】 本発明の別の態様によれば、多数の実モードが識別される。複数の運動信号が
生成され、複数の運動信号が導管の運動を複数の実モードの運動に分解するため
の重複決定された情報源を表すように、これら複数の運動信号は、実モードの数
を超える多数の場所での運動を表す。コリオリの力に起因するモード運動の推定
は複数の運動信号から生成することができ、プロセス・パラメータの推定はモー
ド運動の推定から推定することができる。

【００１１】 本発明の更に別の態様によれば、複素モードが識別される。複数の運動信号が
生成され、導管の複素モードの運動への分解のための重複決定された情報源を複
数の運動信号が提供するように、これら複数の運動信号は２つを超える多数の場
所での運動を表す。複数の運動信号から複素モード変換の推定を生成でき、複素
モード変換の推定からプロセス・パラメータの推定を生成できる。これによって
、質量流量などのプロセス・パラメータの改善された推定を提供できる。

【００１２】 実施の形態の詳細な説明 ここで、本発明の実施の形態が示されている付属の図面を参照して、本発明を
以下で更に完全に説明する。当業者が理解するように、本発明は多数の異なった
形式で実施することができ、本明細書に記載した実施の形態に限定されるものと
解釈すべきではなく、むしろ、これらの実施の形態はこの開示が完全なものにさ
れ、本発明の範囲を当業者に完全に伝えるように提供される。図面において、同
様の数字は全体を通して同様の要素を指す。

【００１３】 以下の説明は、材料処理システムのプロセス・パラメータ、典型的には質量流
量が、材料、例えば材料処理システムの一部としての振動導管を通過する材料を
含むように構成された振動導管を通って流れる流体について推定される、コリオ
リ流量計に言及している。しかし、当業者が理解するように、本発明がインライ
ン・センサ以外の振動導管プロセス・パラメータ・センサにも適用可能である。
例えば、本発明は、インライン・タイプの質量流量計に加えて、材料処理システ
ムから抽出された材料のサンプルを含むように構成された導管を備えたサンプリ
ング・タイプの振動管濃度計に適用可能である。

【００１４】 本明細書において使用しているように、「材料処理システム」は、材料が運搬
され、収容され、応答させられるか他の方法で処理される、非常に多様な流体ま
たは他の材料の処理システムを含むことができる。これらのシステムは、薬品お
よび食料処理システム、石油パイプラインなどの流体輸送システム、水力システ
ムなどを含むことができるが、これらには限定されない。

【００１５】 図１は本発明によるパラメータ・センサ５の例示的な実施の形態を示している
。センサ５は導管アセンブリ１０を含む。導管アセンブリ１０は、流入口フラン
ジ１０１、流出口フランジ１０１’、マニフォールド１０２、ならびに第１およ
び第２の導管１０３Ａ、１０３Ｂを含む。ブレース・バー１０６、１０６’は導
管１０３Ａ、１０３Ｂを接続している。導管１０３Ａ、１０３Ｂには、ドライバ
２０に応答して導管１０３Ａ、１０３Ｂを振動させるように動作するアクチュエ
ータ１０４が接続されている。複数の運動トランスジューサ１０５Ａ〜Ｄは、導
管１０３Ａ、１０３Ｂの複数の場所での導管の運動を表す運動信号、例えば、変
位、速度または加速度を表す信号を生成するように動作する。運動トランスジュ
ーサ１０５Ａ〜Ｄは、コイル・タイプの速度トランスジューサ、光運動センサま
たは超音波運動センサ、加速度計、慣性速度センサなどの様々な装置を含む。リ
ード線１００はアクチュエータ１０４および運動トランスジューサ１０５Ａ〜Ｄ
に接続されている。

【００１６】 導管アセンブリ１０が材料処理システム１に挿入されると、材料処理システム
１内を流れる材料は流入口フランジ１０１を通って導管アセンブリ１０に入る。
材料は次にマニフォールド１０２を通って流れ、そこで導管１０３Ａ、１０３Ｂ
内に向けられる。導管１０３Ａ、１０３Ｂを離れた後に、材料はマニフォールド
１０２に戻って、流出口フランジ１０１’を通って計器アセンブリ１０を出る。
導管１０３Ａ、１０３Ｂを通って流れると、材料は導管１０３Ａ、１０３Ｂを摂
動するコリオリの力を生じさせる。

【００１７】 導管１０３Ａ、１０３Ｂは通常、アクチュエータ１０４によってそれらの個々
の湾曲軸Ｗ−ＷおよびＷ’−Ｗ’の周囲で逆方向に駆動され、一般的に第１の位
相ずれモードと呼ばれるものを導管アセンブリ１０内で生じる。アクチュエータ
１０４は、第１の導管１０３Ａに設けられた磁石と第２の導管１０３Ｂに設けら
れた対向するコイルとを含む線形アクチュエータなどの、多数のよく知られた装
置の何れか１つを含むことができる。駆動リード線１１０を介してドライバ２０
によって与えられる駆動信号によって誘導された交流は、コイルを通過して、導
管１０３Ａ、１０３Ｂを運動させる機械的な力を発生させる。図１に示したパラ
メータ・センサ５は一体のアクチュエータ１０４を含むものとして示されている
が、当業者が理解するように、本発明による導管１０３Ａ、１０３Ｂの振動は、
例えば、導管アセンブリ１０の外部で生成されて、例えばフランジ１０１、１０
１’の一方を介して、導管アセンブリ１０に伝えられる駆動によるなど、他の技
術によっても達成することができる。

【００１８】 重複決定されたプロセス・パラメータ推定器３０は複数の運動トランスジュー
サ１０５Ａ〜Ｄに応答し、材料が導管１０３Ａ、１０３Ｂを通って流れるときに
、それらの導管の運動を表す運動信号をリード線１１１上で受信する。重複決定
されたプロセス・パラメータ推定器３０は、導管の運動を、例えば導管１０３Ａ
、１０３Ｂを通過する材料によって与えられるコリオリの力およびアクチュエー
タ１０４によって与えられる力を含む、導管１０３Ａ、１０３Ｂに作用する所定
の複数の力に起因する運動に分解するために、受信した運動信号を処理する。重
複決定されたプロセス・パラメータ推定器３０は、分解された運動に基づいて、
質量流量、合計された質量流などの、導管を通過する材料と関連づけられたプロ
セス・パラメータ３５を推定するようにも動作する。

【００１９】 本願の譲受人に譲渡され、本願と同時に出願され、その本文が物理的に存在す
るかのように、参照することにより本明細書中にその完全な形で含められる、カ
ニンガムによる「Improved Mass Flow Measurement Methods, Apparatus and Co
mputer Program Products Utilizing Complex Modal Estimation」（「複素モー
ド推定を用いての改良された質量流量測定方法、装置及びコンピュータ・プログ
ラム製品」）という名称の関連米国特許出願において、質量流を推定するために
複素モード変換推定を利用する方法、装置およびコンピュータ・プログラム製品
が説明されている。上記技術によると、センサ導管の運動は、コリオリの力に起
因する運動及び他の力の総計に起因する運動に分解される。特に、コリオリの力
は、センサ導管を通る質量流によってその導管の運動に導入される複雑さを判断
することにより分解される。質量流推定は、質量流に関連する複素モード変換を
推定することにより生成できる。

【００２０】 他の計測技術は同様な力分解技術を採用しているものと見ることができる。例
えば、センサ導管運動を複数の実標準モード、すなわち一自由度（ＳＤＯＦ）系
の運動に分解する計測技術は、導管運動をＳＤＯＦ系の個々の系における力に応
答する個々の運動に分解するものと見ることができる。ＳＤＯＦ系において分解
された運動は、本願の譲受人に譲渡され、本願と同時に出願され、あたかもその
本文が物理的に存在するかのように、参照することにより本明細書中にその完全
な形で含めた、「Vibrating Conduit Parameter Sensors, Operating Methods a
nd Computer Program Products Utilizing Real Normal Modal Decomposition」
（「実モード分解を用いての振動管パラメータ・センサ、動作方法及びコンピュ
ータ・プログラム製品」）という名称の米国特許出願において説明されているよ
うに、質量流量、合計された質量流、粘度などの計測を生成するために使用する
ことができる。例えば、Ｕ字型の導管を有するコリオリ流量計のいわゆるねじれ
モードの分解された運動は、移動する材料によって生成されたコリオリの力にほ
ぼ起因するものと仮定することができ、したがって、質量流の推定はねじれモー
ドの運動の推定から生成することができる。

【００２１】 本発明によれば、プロセス・パラメータ推定器３０は重複決定されており、空
間的積分を通してプロセス・パラメータのより正確な推定を生成するメカニズム
を提供する。上記のように、重複決定されたプロセス・パラメータ推定器は、導
管の運動を、所定数の力に起因する運動に分解するように動作する。本明細書に
おいて使用しているように、「重複決定された」とは、プロセス・パラメータ推
定器が、重複決定された情報源、すなわち、運動を所定数の力に起因する運動に
分解するのに必要とされる最低量の情報を超える付加的な情報を提供する情報源
から、プロセス・パラメータの推定を生成するように動作することを意味する。
本発明によれば、運動信号は、分解される力の数よりも多いセンサ導管上の多数
の空間的に多様な場所での運動を表す重複決定されたプロセス・パラメータ推定
器に提供され、推定プロセスに空間的に重複決定された情報源を提供する。その
ため、プロセス・パラメータ推定器は空間的に積分されたプロセス・パラメータ
推定を生成する。

【００２２】 以下の説明は、複素モデル推定技術を用いてプロセス・パラメータを生成する
ための、空間的に重複決定されたデータ・セットの使用を示している。本発明に
よる空間的積分は、複素モード推定を利用する技術以外の多様な計測技術と共に
採用することができる。例えば、複素モード推定に言及して説明した空間的積分
技術は、実モード推定を用いる計測技術にも一般的に適用可能である。本明細書
においても説明しているように、空間的積分は、振動導管パラメータ・センサに
おける空間的に多様なトランスジューサからの情報を結合するために使用でき、
質量流量、合計された質量流、粘度などのプロセス・パラメータの改善された計
測を提供するために、例えば従来の位相差タイプのコリオリ計算を用いて処理で
きる、空間的に平均化された運動信号を形成する。複素モード推定を用いた質量流の決定 コリオリ流量計などのパラメータ・センサの振動導管は、強制応答の状態にお
いて動作するシステムとしてモデル化できる。強制応答は、複数の実標準モード
応答の重畳としてモデル化してもよい。かかるモデルによれば、

【００２３】

【数１】 および、

【００２４】

【数２】 である。ここで、｛η｝はモード応答ベクトルであり、｛Ｆ｝は力関数ベクトル
であり、［Ｈ］は周波数応答関数（ＦＲＦ）行列であり、Φ^-1はモード形状行列
Φの逆元である。式（１）から分かるように、ベクトル｛ｘ｝の各項はそれと関
連づけられた位相を有する。導管を通るゼロの流れがあると、力ベクトル｛Ｆ｝
とＦＲＦ行列［Ｈ］で実施されるシステム特性とが既知であれば、導管上の何れ
か１つの点で位相を計測することは、一般的に、導管上の何れか他の点で正しい
位相を生ずることになる。

【００２５】 導管内に流体を流すことは、導管アセンブリのモード・モデルに複雑さを導入
するコリオリの力として表すことができる。コリオリの力は、センサ導管の運動
を説明する線形微分方程式の速度項と関連づけられた行列の項を使用してモデル
化できる。これらのコリオリの力の項が導管の固有値表現に含まれているときに
、固有ベクトル、すなわちモード形状は複雑になる。詳細には、導管の運動の線
形微分方程式は次のようになる。

【００２６】

【数３】 ここで、［Ｍ］は質量行列であり、［Ｋ］は剛性行列であり、｛Ｆ｝は適用され
る力ベクトルであり、［Ｃ］は速度項に作用するコリオリの力の行列である。コ
リオリ行列［Ｃ］を含めることは、固有値の問題に複雑さを導入する。すなわち
、複素固有ベクトルに帰結する。

【００２７】 流体が中を通って流れている導管の運動は、スケーリングされた複素固有ベク
トルとしてモデル化できる。複素固有ベクトルは各自由度で２つの独立した成分
を有する。これらの成分は、実成分および虚成分、または代替的に、振幅成分お
よび位相成分を含むことができる。このモデルによれば、導管の運動は自由応答
によって説明することができる。すなわち、駆動力は運動の説明においては無視
できる。導管上のポイント｛ｘ｝のディスクリートな組の運動は、次の式によっ
て説明できる。

【００２８】

【数４】 ここで、｛φ｝_dは駆動モードと関連づけられた複素固有ベクトルであり、ω_dは
駆動モードと関連づけられた自然振動数であり、スケーラαは動作の振幅と整合
するように固有ベクトルの振幅をスケーリングする。

【００２９】 複素固有ベクトル｛φ｝_dの振幅であるα｛｜φ｜_d｝は、トランスジューサを
所与の振幅に駆動する駆動回路によって制御されると仮定できる。固有ベクトル
の複雑さであるａｎｇ（φ_d）は未知であるので、コリオリの力を判断するため
に２つの場所における運動に関する情報を使用できる。式（２）を参照すると、
複素モード応答｛η｝には、ＦＲＦ行列［Ｈ］によって表されるシステム特性と
適用される力ベクトル｛Ｆ｝が関係する。適用される力ベクトル｛Ｆ｝は既知で
あるものと仮定できる。しかし、ＦＲＦ行列［Ｈ］において実施されるシステム
特性は、質量流量の関数であり、したがって未知である。付加的な情報、例えば
ドライバ以外の点での位相が、質量流量の判断を可能にする。

【００３０】 要約すれば、３つ以上の場所での複素運動を知ることは、導管の運動をコリオ
リの力に起因する運動および他の力に起因する運動に分解するのに十分な情報を
提供する。したがって、質量流を計測するアプローチは、他の場所の振幅または
位相が質量流計算のために十分な情報を提供できるように、例えば１つの場所（
例えばドライバの場所）での振幅を正確に制御することを含み得る。代替的に、
２つの別個の場所で同時に計測された振幅は、それぞれの振幅計測が当該場所で
の最大振幅に正規化されるので、質量流計測のための十分な情報を提供できる。

【００３１】 モードの複雑さは、複素平面における固有ベクトルの回転として見ることがで
きる。何れか２つの場所での固有ベクトルの虚部を知ることにより、モード形状
の複雑さに関する情報を提供でき、虚回転は質量流量に関連している。例えば、
質量流を推定するために、計器は、回転すなわち複素ベクトルが、既知の質量流
において知られるように校正される。未知の質量流は、対応する複素ベクトルを
判断し、このベクトルが校正された複素固有ベクトルの複素モード変換に対応す
るものと仮定する。変換は、例えば曲線当てはめ技術を用いて、校正された複素
固有ベクトルおよび計測ベクトルから推定できる。推定された変換は次に、既知
の質量流から未知の質量流を推定するために使用できる。

【００３２】 複素モード計測から質量流を決定するために、一般化された線形回帰技術を用
いることができる。例えば、ｎｘ１要素ベクトル｛Ｙ_e｝は、既知の質量流量に
おいて構成することができる。｛Ｙ_e｝は、例えばセンサ導管上の複数の場所で
の位相計測を含むことができる。未知の質量流量で材料が導管内を流れると、複
数の場所での複素計測から別のｎｘ１要素ベクトル｛Ｘ｝を構成できる。上記の
ように、複素値は、位相計測以外の計測を用いて｛Ｙ_e｝および｛Ｘ｝について
生成できる。

【００３３】 線形回帰を行う際に、変換は次の式が得られるように求められる。

【００３４】

【数５】 ここで、ａおよびｂは勾配およびオフセットをそれぞれ表す定数である。式（５
）を操作すると次のようになる。

【００３５】

【数６】 ここで、［Ｚ］は｛Ｘ｝から構成された拡大行列であり、｛ｃ｝は、個々の第１
および第２の要素としてａおよびｂを有するベクトルである。式（６）は｛ｃ｝
の計算を可能にする形式である。

【００３６】 本発明によれば、運動情報が入手可能である場所の数、例えばトランスジュー
サの場所の数は、導管の運動が分解される力の数を上回り、したがって、［Ｚ］
は重複決定されたシステムを表す。すなわち、［Ｚ］は列よりも多い行を有する
。かかる重複決定されたケースでは、式（６）は両側に［Ｚ］の転置行列を予め
掛けておくことにより解くことができる。

【００３７】

【数７】 ［Ｚ］^T［Ｚ］は正方行列であり、これは物理的に適切な問題について逆元を有
する。式（７）の両側に［Ｚ］^T［Ｚ］の逆元を予め掛けておき、｛ｃ｝を求め
る。

【００３８】

【数８】 結果｛ｃ｝は、少なくとも二乗の基準によれば、複素固有ベクトル｛Ｙ_e｝に
対するベクトル｛Ｘ｝の最善の適合を表している。｛ｃ｝の最初の要素である勾
配ａは、｛Ｘ｝のスケーリングされた回転が｛Ｙ_e｝に適合するためのスケーリ
ング係数を表している。例えば、｛Ｘ｝および｛Ｙ_e｝が位相計測から構成され
る場合には、｛Ｘ｝に対応する質量流量ｋ_unknownは、次の式によって、既知の
質量流量ｋ_knownから推定することができる。

【００３９】

【数９】 重複決定された複素モード・センサ 図２は、本発明による複素モード推定を採用したパラメータ・センサ５の実施
の形態を示している。導管アセンブリ１０の導管１０３Ａ、１０３Ｂは、１つま
たは複数のアクチュエータ１０４によって励振される。複数の運動トランスジュ
ーサ１０５Ａ〜Ｄは、導管１０３Ａ、１０３Ｂ上の３つ以上の場所での運動を表
す複数のライン１１１上の複数の運動信号を生成する。重複決定されたプロセス
・パラメータ推定器３０は、複数の運動トランスジューサ１０５Ａ〜Ｄに応答す
る複素モード変換推定器２３２を含み、複数の運動信号を受信して、その信号か
ら複素モード変換２３３を推定する。推定された複素モード変換２３３は、上記
のように、コリオリの力によって導管１０３Ａ、１０３Ｂの運動に導入された複
雑さを判断することにより、導管の運動を、コリオリの力に起因する運動および
他の力の総計に起因する運動に分解する。プロセス・パラメータ推定器２３４は
複素モード変換２３３の生成に応答して、導管１０３Ａ、１０３Ｂを通過する材
料と関連づけられたプロセス・パラメータ、例えば質量流量、合計された質量流
量、粘度などの推定３５を、推定された複素モード変換２３３から生成する。運
動情報が提供される場所の数は、運動１３が分解される力の数を上回るので、プ
ロセス・パラメータの推定３５は空間的に積分される。

【００４０】 図３は、重複決定されたプロセス・パラメータ推定器３０の例示的な実施の形
態を示している。図示したように、複素モード変換推定器２３２は、サンプラ３
３２、例えばサンプル保持回路または類似の回路と、アナログ・デジタル変換器
（Ａ／Ｄ）３３４とを含む。サンプラ３３２およびＡ／Ｄ３３４は、運動トラン
スジューサ運動信号３３３を受信して該運動信号３３３をサンプリングして、ア
ナログ・デジタル変換器（Ａ／Ｄ）３３４によってデジタル信号値３３５に変換
されるサンプル３３３を生成する手段３３１を提供する。図示したサンプラ３３
２およびＡ／Ｄ３３４の詳細な動作は、当業者に知られた多数の回路によって遂
行でき、本明細書において更に詳細に説明する必要はない。当業者は、図３に示
した受信手段３３１を、付加的な事前サンプリング・アンチエイリアス・フィル
タリング、事後サンプリング・フィルタリングなどを含む多数の方法で実施でき
ることを理解するであろう。また、一般的に、図３に示した受信手段３３１は、
専用または汎用データ処理装置上で動作する専用ハードウェア、ファームウェア
またはソフトウェア、あるいはこれらの組み合わせを用いて実施できる。

【００４１】 複素モード変形推定器２３２の部分は、コンピュータ５０、例えばマイクロプ
ロセッサ、マイクロコントローラ、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）などにお
いて実施することができる。コンピュータ５０は、例えば、テキサス・インスト
ルメンツ社により販売されているＴＭＳ３２０Ｃ４ＸファミリーのＤＳＰの１つ
などの、線形代数計算に特に適したパイプラインＤＳＰを含むことができる。例
えば、ランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）、電気的消去可能なプログラム可
能リードオンリー・メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）、磁気ディスクなどの記憶媒体６０
に記憶されたソフトウェアおよび／またはファームウェアならびにデータなどの
適切なプログラム・コードを備えて構成されると、コンピュータ５０は、デジタ
ル値３３５から、複素モード変換２３３を推定する複素モード変換推定器２３２
を提供する。

【００４２】 プロセス・パラメータ推定器２３４はコンピュータ５０においても実施できる
。例えば、コンピュータ５０で動作するソフトウェアまたはファームウェアとし
て実施されると、プロセス・パラメータ推定器２３４はプロセス・パラメータの
推定３５を計算する。例えば、複素モード変換推定器２３２によって生成される
、計算された推定複素モード変換２３３に従って、既知の質量流から未知の質量
流量を計算する。これらの動作を行う装置、方法およびプログラム製品の詳細な
説明は、前述の特許出願「Improved Mass Flow Measurement Methods, Apparatu
s and Computer Program Products Utilizing Complex Modal Estimation」にお
いて行われている。

【００４３】 複素モード推定に関して上記で説明した空間的積分技術は、実モデル推定を採
用したプロセス・パラメータ推定技術にも同様に適用可能である。上記の導管運
動の実成分および虚成分への分解に類似して、センサ導管の運動は、個々の強制
関数を適用して、導管の運動を複数の一自由度（ＳＤＯＦ）系の運動として表す
複数の実標準モード、例えば、多重湾曲モード、ねじれモードなどに分解するこ
とができる。プロセス・パラメータの推定は、複素モード推定に関して上記で説
明したのと類似の方法で、モードのそれぞれにおいて分解された運動から生成で
きる。ＳＤＯＦ系における運動は、例えば、センサ導管内を移動する材料によっ
て与えられるコリオリの力を特定するために、加重結合で結合することができ、
それによって質量流の推定を可能にする。従来のコリオリ計測技術を用いた重複決定された推測器 本発明の別の態様によれば、上記の空間的積分の概念は、従来のコリオリ計測
技術と組み合わせることもできる。本発明によるパラメータ・センサ５の例示的
な実施の形態は図４に示されている。パラメータ・センサ５は、導管１０３Ａ、
１０３Ｂ上の重複決定された複数の場所での運動を表す運動信号を生成する複数
の運動トランスジューサ１０５Ａ〜１０５Ｄを含む。図示した実施の形態におい
て、運動トランスジューサの個々のグループ１１３Ａ、１１３Ｂは、Ｕ字型の導
管１０３Ａ、１０３Ｂ上の個々の場所の周囲に集められている。

【００４４】 重複決定されたプロセス・パラメータ推定器３０は、多重信号結合手段４２３
Ａ、４２３Ｂを含む。トランスジューサ１１３Ａ、１１３Ｂのグループによって
生成された出力信号は、信号結合手段４２３Ａ、４２３Ｂに供給されて、そこで
信号は結合されて空間的に平均化された運動信号４３３Ａ、４３３Ｂを生成する
。スミスに付与された米国特許第ＲＥ３１，４５０号、ゾロックに付与された米
国特許第４，８７９，９１１号、およびゾロックに付与された米国特許第５，２
３１，８８４号において説明されているような従来のコリオリ計測回路などの手
段４３４が、空間的に平均化された運動信号４３３Ａ、４３３Ｂからプロセス・
パラメータの推定３５を生成するために提供される。

【００４５】 信号結合手段４３３Ａ、４３３Ｂおよびプロセス・パラメータ推定生成手段４
３４は、一般的に、汎用または専用計算装置上で動作する専用ハードウェア、ソ
フトウェアまたはファームウェア、あるいはそれらの組み合わせを用いて実施で
きる。例えば、信号結合手段４２３Ａ、４２３Ｂは、抵抗回路網などの入力信号
の加重結合、加重合計増幅器などを表す出力信号を生成するように動作する、多
数のアナログ結合回路の何れか１つを含むことができる。これらの回路の動作は
当業者によく知られており、本明細書において説明する必要はない。信号結合手
段およびプロセス・パラメータ推定生成手段は、マイクロプロセッサ、デジタル
信号プロセッサ（ＤＳＰ）などの計算装置において生ずる、運動信号とプロセス
・パラメータ推定の生成との結合、例えば位相差計算で、デジタル領域において
代替的に実施できる。当業者は、プロセス・パラメータ計測のための空間的積分
は、図４に示した集約された方法以外の方法で実施できる。例えば、多数のトラ
ンスジューサはセンサ導管１０３Ａ、１０３Ｂの周囲に設けることができ、コリ
オリ計測を行うのに使用できる１つまたは複数の信号を生成するために、一般的
な加重信号結合器または等化器で結合された信号を出力できる。

【００４６】 本願の図面および明細書は、本発明の実施の形態を開示している。特定の用語
を採用しているが、これらは一般的な記述的意味でのみ用いられているのであっ
て、限定を意図しているわけではない。当業者が、文言上も均等論の下において
も特許請求の範囲内にある代替的な実施の形態を製造、使用または販売できるこ
と、および製造、使用または販売するものとする。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明による振動導管パラメータ・センサの実施の形態を示している。

【図２】 本発明の一態様による複素モード推定を利用した振動導管パラメータ・センサ
の実施の形態を示している。

【図３】 本発明の一態様による複素モード推定を利用した振動導管パラメータ・センサ
の実施の形態を示している。

【図４】 本発明による振動導管パラメータ・センサの別の実施の形態を示している。

Claims (19)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 材料処理システム（１）用のプロセス・パラメータ・センサ
   （５）であって、 前記材料処理システムからの材料を含むように構成された導管（１０３Ａ〜１
   ０３Ｂ）と、 前記導管上の多数の場所での運動を表す複数の運動信号を生成するように動作
   する複数の運動トランスジューサ（１０５Ａ〜１０５Ｄ）であって、前記複数の
   運動信号が、導管運動を所定数の力に起因する運動に分解するための重複決定さ
   れた情報の組を提供するように、前記場所の数が前記力の所定数を上回る運動ト
   ランスジューサと、 前記複数の運動信号を受信するように構成され、導管運動を所定数の力のそれ
   ぞれに起因する運動に分解し、分解された運動に従って前記材料処理システム（
   １）に関するプロセス・パラメータ（３５）を推定するように動作する、重複決
   定されたプロセス・パラメータ推定器（３０）と、 を含むセンサ。
2. 【請求項２】 前記重複決定されたプロセス・パラメータ推定器（３０）は
   、 コリオリの力に起因する運動の推定を生成する手段（４３４）と、 前記コリオリの力に起因する前記運動の推定の生成に応答して、前記運動の推
   定からプロセス・パラメータの推定を生成する手段（２３４）と、 を含む、請求項１に記載のセンサ。
3. 【請求項３】 プロセス・パラメータ（３５）の前記推定を生成する前記手
   段（２３４）は、質量流の推定を生成する手段を含む、請求項２に記載のセンサ
   。
4. 【請求項４】 前記重複決定されたプロセス・パラメータ推定器（３０）は
   、 空間的に平均化された運動信号を生成するために運動信号のグループを結合す
   る手段（４２３Ａ〜４２３Ｂ）と、 前記運動信号のグループの結合に応答して、前記空間的に平均化された運動信
   号からプロセス・パラメータの推定を生成する手段（４３４）と、 を含む、請求項１に記載のセンサ。
5. 【請求項５】 プロセス・パラメータ（３５）の推定を生成する前記手段（
   ３０）は、質量流の推定を生成する手段を含む、請求項４に記載のセンサ。
6. 【請求項６】 前記重複決定されたプロセス・パラメータ推定器（３０）は
   、前記導管の運動を多数の実モードの各運動に分解するように動作し、 前記複数の運動トランスジューサ（１０５Ａ〜１０５Ｄ）は、複数の運動信号
   が、前記多数の実モードの各運動の分解のための重複決定された情報源を提供す
   るように、前記実モードの数を上回る数の場所での運動を表す前記複数の運動信
   号を生成するように動作する、請求項１に記載のセンサ。
7. 【請求項７】 前記重複決定されたプロセス・パラメータ推定器（３０）は
   、 コリオリの力に起因するモード運動の推定を生成する手段（４３４）と、 前記モード運動の推定の生成に応答して、前記モード運動の前記推定からプロ
   セス・パラメータ（３５）の前記推定を生成する手段（２３４）と、 を含む、請求項６に記載のセンサ。
8. 【請求項８】 前記重複決定されたプロセス・パラメータ推定器（３０）は
   、前記導管の運動を複素モードの運動に分解するように動作し、 前記複数の運動トランスジューサ（１０３Ａ〜１０３Ｄ）は、複数の運動信号
   を生成するように動作し、 前記運動信号の１つずつは、励振に応答して前記導管上の個々の空間的に区別
   された場所での運動を表し、 前記複数の運動信号が、前記複素モードの運動の分解のための重複決定された
   情報源を提供するように、前記多数の場所は２つを超える、 請求項１に記載のセンサ。
9. 【請求項９】 前記重複決定されたプロセス・パラメータは、 複素モード変換（２３３）の推定を生成する手段（２３２）と、 複素モード変換（２３３）の前記推定の生成に応答して、前記複素モード変換
   の前記推定からプロセス・パラメータ（３５）の推定を生成する手段と、 を含む、請求項８に記載のセンサ。
10. 【請求項１０】 材料処理システムからの材料を含むように構成された導管
    （１０３Ａ〜１０３Ｂ）内の材料と関連づけられたプロセス・パラメータ（３５
    ）を決定する方法であって、 前記導管を通って材料が流れるときに、ドライバ（１０４）で前記導管（１０
    ３Ａ〜１０３Ｂ）を励振するステップと、 前記励振された導管（１０３Ａ〜１０３Ｂ）と関連づけられた多数の力を識別
    するステップと、 前記導管（１０３Ａ〜１０３Ｂ）と動作的に関連づけられた複数の運動トラン
    スジューサ（１０５Ａ〜１０５Ｄ）から複数の運動信号を生成するステップであ
    って、前記運動信号の１つずつが、励振に応答して前記導管上の個々の空間的に
    区別された場所での運動を表し、前記複数の運動信号が、前記導管の運動を前記
    識別された多数の力のそれぞれに起因する運動に分解するための重複決定された
    情報源を表すように、前記場所の数が前記特定された力の数を上回るステップと
    、 前記複数の運動信号から前記材料処理システム（１）に関するプロセス・パラ
    メータ（３５）の推定を生成するステップと、 を含む方法。
11. 【請求項１１】 前記生成するステップは、前記識別された多数の力の１つ
    に起因する運動の推定を生成するステップを含む、請求項１０に記載の方法。
12. 【請求項１２】 運動の推定を生成する前記ステップは、 コリオリの力に起因する運動の推定を生成するステップと、 前記コリオリの力に起因する前記運動の推定からプロセス・パラメータの推定
    を生成するステップと、 を含む、請求項１１に記載の方法。
13. 【請求項１３】 プロセス・パラメータの推定を生成する前記ステップは、
    質量流の推定を生成するステップを含む、請求項１３に記載の方法。
14. 【請求項１４】 プロセス・パラメータの推定を生成する前記ステップは、 空間的に平均化された運動信号（４３３Ａ〜４３３Ｂ）を生成するために、運
    動信号のグループを結合するステップと、 前記空間的に平均化された運動信号からプロセス・パラメータの推定を生成す
    るステップと、 を含む、請求項１０に記載の方法。
15. 【請求項１５】 プロセス・パラメータの推定を生成する前記ステップは、
    質量流の推定を生成するステップを含む、請求項１４に記載の方法。
16. 【請求項１６】 多数の力を識別する前記ステップは、多数の実モードを識
    別するステップを含み、 複数の運動信号を生成する前記ステップは、前記複数の運動信号が、前記導管
    の運動を前記複数の実モードそれぞれの運動に分解するための重複決定された情
    報源を表すように、前記実モードの数を上回る数の場所での運動を表す前記複数
    の運動信号を生成するステップを含む、請求項１０に記載の方法。
17. 【請求項１７】 プロセス・パラメータの推定を生成する前記ステップは、 コリオリの力に起因するモード運動の推定を生成するステップと、 前記モード運動の推定からプロセス・パラメータの推定を生成するステップと
    、 を含む、請求項１６に記載の方法。
18. 【請求項１８】 多数の力を識別する前記ステップは、複素モードを特定す
    るステップを含み、 複数の運動信号を生成する前記ステップは、前記複数の運動信号が、前記導管
    の運動を複素モードの運動に分解するための重複決定された情報源を提供するよ
    うに、２つを超える多数の場所での運動を表す前記複数の運動信号を生成するス
    テップを含む、請求項１０に記載の方法。
19. 【請求項１９】 プロセス・パラメータの推定を生成する前記ステップは、 複素モード変換の推定を生成するステップと、 前記複素モード変換の前記推定からプロセス・パラメータの推定を生成するス
    テップと、 を含む、請求項１８に記載の方法。