JP2003503691A - コリオリ流量計の駆動制御のための形式識別 - Google Patents

コリオリ流量計の駆動制御のための形式識別

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Abstract

(57)【要約】 コリオリ流量計は一般に、２つの異なる形状を持つ２つの異なる形式からなる。本発明は、流管を振動させる駆動回路へ初期駆動信号を印加する（４０１）。流管の形状は、流管と関連するピックオフ・センサから受取った信号から決定される（４０４）。前記駆動信号の生成のためのパラメータが、流管の形状に基いて設定される（４０５）。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 発明の分野 本発明は、装置における少なくとも１つの振動管路を流れる物質の特性を計測
する装置における駆動信号を制御する電子装置素子に関する。特に、本発明は、
振動管路の振動周波数から駆動信号を生成するパラメータを決定するシステムに
関する。
【０００２】 課題 コリオリ効果質量流量計を用いて、流量計における管路を流れる物質に対する
質量流量その他の情報を計測することは周知である。コリオリ流量計の事例につ
いては、全てＪ．Ｅ．Ｓｍｉｔｈ等の１９７８年８月２９日付け米国特許第４，
１０９，５２４号、１９８５年１月１日付け同第４，４９１，０２５号、及び１
９８２年２月１１日付け再発行米国特許第３１，４５０号において開示されてい
る。これらの流量計は、直線状の或いは湾曲状の１本以上の管路を有する。コリ
オリ質量流量計における各管路構成は、単純な曲げ、捩れ或いは結合型という１
組の固有振動モードを持つ。各管路は、これら固有振動モードの１つで共振する
ように駆動される。物質は、流量計の入口において、接続されたパイプラインか
ら流量計へ流入し、一つ又は複数の管路を通り、流量計の出口側から流出する。
振動する物質で充填されたシステムの固有振動モードは、管路とこの管路内に流
れる物質との合成質量により部分的に規定される。
【０００３】 流量計内に流れがないとき、管路に沿った全ての点が、同相或いは補正され得
る小さな固定された初期位相ずれで、印加される駆動力によって振動する。物質
が流れ始めると、コリオリ力が管路に沿う各点に異なる位相を生じさせる。管路
の入口側の位相は駆動装置より遅れるが、管路の出口側の位相は駆動装置より進
む。管路上のピックオフ・センサが、管路の運動を表わす正弦波信号を生じる。
ピックオフ・センサから出力される信号は、ピックオフ・センサ間の位相差を決
定するように処理される。２つのピックオフ・センサの信号間の位相差は、管路
を流れる物質の質量流量に比例する。
【０００４】 問題は、流れが散発的であって空気を含むことがあることである。この含まれ
る空気は、管の振動の振幅を変化させる。これにより、質量流量のような、流れ
る物質の計測される特性に誤差を生じさせ得る。このことは直線状の流管に特に
妥当する。これは、直線状の流管の方が湾曲した形状の流管よりもずっと高い周
波数で振動するように駆動されねばならず、直線状の流管の振動の中断が特性の
計算に更に悪影響を及ぼし得るからである。
【０００５】 送信器は、駆動装置を動作させる駆動信号を生じて、ピックオフ・センサから
受取る信号から物質の質量流量その他の特性を決定する。従来の送信器は、駆動
信号を生成してピックオフ・センサからの信号を検出するように設計されるアナ
ログ回路から構成される。アナログ送信器は、長年にわたり最適化されてきてお
り、製造が比較的安価になった。従って、従来の送信器を用いることができるコ
リオリ流量計を設計することが望ましい。
【０００６】 問題は、従来の送信器は狭い動作周波数範囲の信号で働かねばならないことで
ある。この動作周波数範囲は、典型的には２０Ｈz〜２００Ｈzの間にある。これ
により、送信器の設計者は流管をこれらの周波数で共振させる狭い範囲の駆動信
号を生成するように拘束される。従って、従来の送信器を用いて、３００Ｈz〜
８００Ｈzの高い周波数範囲で動作する、直線管型コリオリ流量計のような流量
計に対する駆動信号を生成することは不可能である。従って、従来の送信器は、
直線管型流量計に対する駆動信号を生成するのに用いることができない。
【０００７】 コリオリ流量計技術における当業者は、幾つかの異なる形式の流量計で用いる
ことができる送信器を設計したいと欲している。これにより、製造者は流量計に
対する比較的安価な送信器を作るため規模の経済性を利用することができるよう
になる。一方、ディジタル信号プロセッサが望ましいのは、送信器により受取ら
れる、ピックオフ・センサからの信号のディジタル化によって、アナログ電子素
子に課される計測分解能及び精度の要求の高まりを避けられるからである。更に
、ディジタル・プロセッサで用いられる信号処理の命令は、物質の特性の決定及
び駆動信号の生成のために、幾つかの異なる周波数で働くように修正することが
できる。
【０００８】 解決法 上記及び他の課題は、コリオリ流量計の送信器において駆動信号のパラメータ
を初期設定するシステムの提供によって解決され、当該技術における進歩がなさ
れる。本発明のシステムは、振動管の駆動装置に対する駆動信号を生成するため
に、メモリに格納され且つプロセッサにより実行されるプロセスからなる。或い
はまた、本発明のプロセスはアナログ回路によっても実施可能である。本発明の
プロセスにより、送信機は、送信器に取付けられる流管形態の形式を決定し、次
いで、駆動信号を生成するのに必要なパラメータを設定することができる。本発
明はまた、流管の振動の更に堅固な制御を得るために、積分駆動利得という第３
のパラメータを用いて駆動信号の一層優れた制御を可能にする。
【０００９】 本発明の望ましい実施の形態においては、システムは、テキサス・インスツル
メンツ社製のＴＭＳ３２０５ｘｘ、アナログ・デバイシス社製のＡＤＳＰ２１ｘ
ｘ、或いはモトローラ社製の５３０６ｘのようなディジタル信号プロセッサによ
って提供される。本発明のプロセスは、ディジタル信号プロセッサに接続された
メモリに命令として格納される。このディジタル信号プロセッサは、本発明のプ
ロセスを実施するために命令を読出して実行する。
【００１０】 当該プロセスは、流管が初期駆動信号により振動されることによって開始する
。流管の振動周波数が次いで決定される。この振動周波数から流管の形式が決定
される。次に、予め格納されたパラメータの組が、駆動信号を生成するのに用い
られるパラメータとして設定される。
【００１１】 当該パラメータは積分駆動利得要素を含む。積分利得要素は、設定点と実際の
目標との間の誤差を制御する。これにより、駆動信号の更に堅固な制御を可能に
し、振動の振幅を更に正確にすることができる。この結果、劣悪な流れ条件の下
でさえ、最適な電力をセンサへ供給することができるようになる。
【００１２】 本発明によれば、流管を振動させる駆動装置へ印加される駆動信号を生成する
駆動回路のパラメータを初期設定する本発明の特質は、以下のようにして完了す
る。流管を振動させる初期駆動信号が駆動装置へ印加される。流管の形状は、流
管と関連するセンサから受取られ且つ流管の振動の周波数を示す信号に応答して
決定される。次いで、駆動信号の生成のためのパラメータが、流管の形状の決定
に応答して設定される。
【００１３】 本発明の他の特質は、信号がセンサから受取られることである。 本発明の別の特質は、流管の振動周波数を信号から決定することである。 本発明の別の特質は、決定するステップが以下の方法で行われることである。
振動周波数が閾値周波数と比較される。流管は、振動周波数が閾値周波数より大
きいことに応答して、直線管であると決定される。
【００１４】 本発明の別の特質は、決定するステップが、振動周波数が閾値周波数より小さ
いか等しいことに応答して、流管が湾曲流管であると決定することによって行わ
れることである。
【００１５】 本発明については、以降の詳細な記述及び添付の図面から理解することができ
る。 詳細な記述 本発明については、本発明の実施の形態が示される添付図面に関して本文に更
に詳細に記述される。当業者が理解するように、本発明が多くの異なる形態で具
現でき、本文に記載する実施の形態に限定されるべきではない。これら実施の形
態は、この開示が完全になされ、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、同じ参照番号は全図にわたり同様の要素を指す。
【００１６】 コリオリ流量計全般――図１ 図１は、コリオリ流量計組立体１０と送信器２０とを含むコリオリ流量計を示
す。送信器２０は、リード線１００を介して流量計組立体１０へ接続されて、密
度、質量流量、体積流量、総質量流量その他の情報を経路２６上に提供する。コ
リオリ流量計５について記述するが、当業者には明らかなように、本発明は物質
の特性を計測するため振動管路を持つ装置に関して実施可能である。このような
装置の第２の事例は、コリオリ質量流量計により提供される付加的な計測能力を
持たない振動管型密度計である。
【００１７】 流量計組立体１０は、１対のフランジ１０１、１０１′、マニフォールド１０
２、及び管路１０３Ａ、１０３Ｂを備える。駆動装置１０４、ピックオフ・セン
サ１０５及びピックオフ・センサ１０５′は、管路１０３Ａ、１０３Ｂへ接続さ
れる。ブレース・バー１０６、１０６′は、各管路がそれに関して振動する軸心
Ｗ、Ｗ′を画定するよう働く。
【００１８】 計測されているプロセス物質を運ぶパイプライン系（図示せず）に流量計組立
体１０が挿入されると、物質はフランジ１０１を介して流量計組立体１０へ流入
し、マニフォールド１０２を通過して管路１０３Ａ、１０３Ｂへ流入するよう方
向付けられ、管路１０３Ａ、１０３Ｂを流れてマニフォールド１０２へ戻り、こ
こからフランジ１０１′を通って流量計組立体１０から流出する。
【００１９】 管路１０３Ａ、１０３Ｂが選定され、それぞれ曲げ軸心Ｗ−Ｗ′に関して実質
的に同じ質量分布、慣性モーメント及び弾性率を持つようにマニフォールド１０
２へ適切に取付けられる。管路は、マニフォールドから外方へ実質的に平行に延
びる。
【００２０】 管路１０３Ａ、１０３Ｂは、それらの各曲げ軸心Ｗ、Ｗ′に関して反対方向に
、流量計の第１の位相はずれ曲げモードと呼ばれるモードで駆動装置１０４によ
り駆動される。駆動装置１０４は多くの周知の装置の１つでよく、例えば、管路
１０３Ａに取付けられた磁石と、管路１０３Ｂに取付けられて両管路を振動させ
る交流が送られる対向コイルである。適切な駆動信号が、流量計電子装置２０に
よりリード線１１０を介して駆動装置１０４へ印加される。
【００２１】 送信器２０は、リード線１１１に生じる右速度信号と１１１′に生じる左速度
信号を受取る。送信器２０は、駆動装置１０４に管路１０３Ａ、１０３Ｂを振動
させるための駆動信号をリード線１１０に生じる。送信器２０は、左右の速度信
号を処理し、流量計組立体１０を流れる物質の質量流量及び密度を計算する。こ
の情報は経路２６へ印加される。
【００２２】 当業者には知られているように、コリオリ流量計は構造において振動管型密度
計によく似ている。振動管型密度計もまた、流体が流れる振動管、或いは、サン
プリング型の密度計の場合には流体が内部に保持される振動管を用いる。また、
振動管型密度計は、管路を振動するように励振するためのサンプリング型の駆動
システムを用いる。振動管型密度計は、典型的には、１つのフィードバック信号
のみを用いる。これは、密度の計測には周波数の計測のみが必要であり、位相の
計測は不要であるからである。本発明の記述は振動管型密度計にも等しく妥当す
る。
【００２３】 直線管型コリオリ流量計――図２ 図２は、直線管型コリオリ流量計２５を開示している。直線管型コリオリ流量
計２５は、コリオリ・センサ２１０と、関連する流量計電子装置２０とからなる
。流管２０１は、２０１Ｌで示された左端部と２０１Ｒで示された右端部とを含
む。流管２０１とその両端部は、流管２０１の入口端部２０７から流管の出口端
部２０８まで、流量計の全長にわたり延びる。バランス・バー２２０が、その端
部において流管２０１にブレース・バー２２１により接続されている。
【００２４】 流管２０１の左端部２０１Ｌは流入側フランジ２０２へ固定され、右端部２０
１Ｒは流出側フランジ２０２′へ固定される。流入側フランジ２０２と流出側フ
ランジ２０２′は、コリオリ・センサ２１０をパイプラインに接続する。
【００２５】 周知の従来の方法においては、駆動装置２０４、左のピックオフ・センサ２０
５及び右のピックオフ・センサ２０５′が、流管２０１とバランス・バー２２０
とに結合される。駆動装置２０４は、流量計電子装置２０から経路２１０で信号
を受取り、物質で充填された流管２０１の共振周波数で且つ逆相で流管２０１と
バランス・バー２２０とを振動させる。振動流管１０１及びその中の物質の流れ
の振動は、周知の方法で流管にコリオリ偏差を生じさせる。これらのコリオリ偏
差はピックオフ・センサ２０５、２０５′により検出され、それらのピックオフ
・センサの出力はリード線２１１、２１１′を介して流量計電子装置２０へ伝送
される。
【００２６】 ディジタル送信器２０――図３ 図３は、ディジタル送信器２０の構成要素を示している。経路１１１、１１１
′、２１１、２１１′は、左右の速度信号を流量計組立体１０、２００から送信
器２０へ伝送する。速度信号は、流量計電子装置２０のアナログ／ディジタル（
Ａ／Ｄ）コンバータ３０３により受取られる。Ａ／Ｄコンバータ３０３は、左右
の速度信号を処理装置３０１により使用可能なディジタル信号へ変換し、このデ
ィジタル信号を経路３１０、３１０′に送出する。個別の構成要素として示され
てはいるが、Ａ／Ｄコンバータ３０３は、クリスタル・セミ社製のＣＳ４２１８
ステレオ１６ビット・コーデック・チップのような信号コンバータであってよ
い。ディジタル信号は、経路３１０、３１０′によりプロセッサ３０１へ送られ
る。当業者であれば認識するように、任意数のピックオフ・センサや、流管の温
度の決定のためのＲＴＤセンサのような他のセンサをプロセッサ３０１へ接続し
てもよい。
【００２７】 駆動装置信号は経路３１２で伝送され、ディジタル／アナログ（Ｄ／Ａ）コン
バータ３０２に印加される。Ｄ／Ａコンバータ３０２はまた、経路３９０でピッ
クオフ・センサ１０５、１０５′、２０５、２０５′の１つから電圧を受取る。
駆動信号は、経路３９０を介して受取った電圧を修正してアナログ駆動信号を生
じる命令を含む。Ｄ／Ａコンバータ３０２は、アナログ・デバイシス社製のＡＤ
７９４３チップのような普通のＤ／Ａコンバータである。Ｄ／Ａコンバータ３０
２からのアナログ信号は、経路３９１を介して増幅器３０５へ印加される。増幅
器３０５は、適正な振幅の駆動信号を生成し、この駆動信号を経路１１０、２１
０を介して駆動装置１０４、２０４へ印加する。増幅器３０５は、電流増幅器或
いは電圧増幅器でよい。Ｄ／Ａコンバータ３０２により生成される電流信号或い
は電圧信号は、増幅器３０５の形式に依存する。経路２６は信号を、送信器２０
がオペレータとの間でデータを送受することができるようにする入出力手段（図
示せず）へ運ぶ。
【００２８】 処理装置３０１は、メモリから命令を読出して実行して流量計の種々の機能を
実施するマイクロプロセッサ、プロセッサ、或いはプロセッサのグループである
。望ましい実施の形態においては、プロセッサ３０１は、アナログ・デバイシス
社製のＡＤＳＰ−３１８５Ｌマイクロプロセッサである。実施される機能は、物
質の質量流量の計算、物質の体積流量の計算、及び、経路３２１を介する読出し
専用メモリ（ＲＯＭ）３２０からの物質の密度の計算を含むが、これに限定され
ない。種々の機能の実施のためのデータ及び命令は、ランダム・アクセス・メモ
リ（ＲＡＭ）３３０に格納される。プロセッサ３０１は、経路３３１を介してＲ
ＡＭ３３０において読出し／書込み動作を行う。
【００２９】 ディジタル送信器２０により行われる動作の概要――図４ 図４は、コリオリ流量計５、２００の駆動信号パラメータを初期設定するため
にディジタル送信器２０により行われるプロセスの概要である。以上は、コリオ
リ流量計５、２００のためのディジタル送信器２０の記述であり、以下は、シス
テムにパラメータを初期設定させるためにディジタル送信器２０により行われる
プロセスの記述である。当業者であれば認識するように、アナログ回路を用いて
同じプロセスを提供することが可能である。
【００３０】 プロセス４００は、ディジタル送信器２０が初期駆動信号を生じるステップ４
０１において開始する。初期駆動信号は駆動回路へ印加され、駆動回路は初期駆
動信号を駆動装置１０４、２０４へ印加する。駆動装置１０４、２０４は、流管
１０３Ａ、１０３Ｂを振動させる。流管の振動は、ピックオフ・センサ１０５、
１０５′２０５、２０５′により計測され、ピックオフ・センサは信号をリード
線１１１、１１１′、２１１、２１１′へ印加する。信号は、ステップ４０２に
おいて送信器２０により受取られる。送信器２０は、ステップ４０３において流
管の振動周波数を決定する。振動周波数を決定する１つの可能な方法は、ノッチ
・フィルタ適応ライン推定法の使用であり、これについては、本願と同日付で出
願され米国コロラド州ボールダのマイクロ・モーション社へ譲渡された米国特許
出願「ディジタル送信器を用いて管路を流れる物質の特性を決定するシステム（
Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ
ａ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｆｌｏｗｉｎｇ Ｔｈｒｏｕｇｈ ａ Ｃｏｎｄｕｉ
ｔ Ｕｓｉｎｇ ａ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ）」において詳
細に記載される。信号の周波数を決定する別の可能な方法は、１９９６年９月１
０日Ｄｅｒｂｙ等に発行されコロラド州ボールダのマイクロ・モーション社へ譲
渡された米国特許第５５５５１９０号「コリオリ流量計計測における適応ライン
強化のための方法及び装置（Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏ
ｒ ａｄａｐｔｉｖｅ ｌｉｎｅ ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ ｉｎ Ｃｏｒｉｏ
ｌｉｓ ｍａｓｓ ｆｌｏｗ ｍｅｔｅｒ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ）」に記載
されている。
【００３１】 ステップ４０４において、流管の形式が流管の振動周波数によって決定される
。これを行うための１つの方法は、周波数が閾値周波数より高いか否かを決定す
ることである。振動周波数が閾値周波数より高ければ、流量計は直線管の構成で
ある。周波数が閾値周波数より低いか或いはこれに等しければ、流量計は湾曲形
の流管を有する。このことは、設計分析から知られることであり、流管の現場実
験により検証される。
【００３２】 ステップ４０５において、駆動信号に対する制御パラメータが流量計の形式の
決定に応答して設定される。下表は、設定されたパラメータの事例である。
【００３３】
【表１】 ミリボルト／Ｈzは、駆動目標点或いは設定点の計測値である。比例駆動利得の
目標点は、流管を駆動するのに必要なミリボルト／Ｈzの量であり、積分駆動利
得は、信号に対して受け入れることができるミリボルト／Ｈzの偏差値である。
望ましい実施の形態においては、積分駆動利得が直線管型流量計と対管型流量計
とで同じであることが同時に起こっている。
【００３４】 プロセス４００はステップ４０５の後に終了する。送信器２０は、プロセス４
００において識別されるセンサの形式に基いて、流管１０３Ａ、１０３Ｂの安定
した駆動制御を生成して維持することができる。安定した駆動制御は、流量計の
独自の構造力学に基いて維持され、流量計に入力される外因的な摂動に対して最
適な応答時間を提供する。
【００３５】 以上は駆動回路のパラメータを初期設定するシステムの記述である。代替的な
システム及びプロセスを設計することが予想されるが、それは、文言的に又は均
等論により、請求の範囲に記載される本発明を侵害することになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のパラメータ初期設定のためのプロセスを実施するディジタル送信器を
有する対管型コリオリ流量計を示す。
【図２】 本発明のパラメータ初期設定のためのプロセスを実施するディジタル送信器を
有する直線管型コリオリ流量計を示す。
【図３】 ディジタル信号送信器のブロック図を示す。
【図４】 パラメータの初期設定のためディジタル送信器により行われる動作のフロー図
を示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 スミス，ブライアン・ティー アメリカ合衆国コロラド州80534，ジョン ズタウン，サグアロ・コート 5072 Ｆターム(参考） 2F035 JA02

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 流管１０３Ａ、１０３Ｂを振動させる駆動装置１０４へ印加
    される駆動信号を生成する駆動回路２０１のパラメータを初期設定する方法４０
    ０であって、 前記流管を振動させる前記駆動回路へ初期駆動信号を印加するステップ４０１
    と、 前記流管１０３Ａ、１０３Ｂと関連するセンサ１０５、１０５′から受取られ
    且つ該流管１０３Ａ、１０３Ｂの振動周波数を表示する信号に応答して、前記流
    管１０３Ａ、１０３Ｂの形状を決定するステップ４０４と、 前記流管１０３Ａ、１０３Ｂの前記形状の決定に応答して、前記駆動信号の生
    成のためのパラメータを設定するステップ４０５と、 を含む方法。
  2. 【請求項２】 前記センサ１０５、１０５′から前記信号を受取るステップ
    ４０２を更に含む請求項１記載の方法４００。
  3. 【請求項３】 前記信号から前記流管１０３Ａ、１０３Ｂの前記振動周波数
    を決定するステップ４０３を更に含む請求項２記載の方法４００。
  4. 【請求項４】 前記決定ステップ４０３が、 前記振動周波数を閾値周波数と比較するステップと、 前記振動周波数が前記閾値周波数より大きいことに応答して、前記流管が直線
    管であると決定するステップと、 を含む請求項３記載の方法４００。
  5. 【請求項５】 決定する前記ステップが、 前記振動周波数が前記閾値周波数より小さいか或いはこれに等しいことに応答
    して、前記流管が湾曲流管であると決定するステップを更に含む請求項４記載の
    方法。
  6. 【請求項６】 少なくとも１つの流管と、少なくとも１つの前記流管を振動
    させる駆動装置と、少なくとも１つの前記流管に固定され且つ少なくとも１つの
    前記流管の運動を表わす信号を生成するセンサとを有するコリオリ流量計に接続
    された送信器の駆動回路においてパラメータを初期設定する装置であって、 前記流管を振動させるための、前記駆動装置に対する初期駆動信号を生成し、 前記駆動装置へ前記駆動信号を印加して前記流管を振動させ、 前記流管と関連するピックオフ・センサから受取られ且つ前記流管の振動周波
    数を表わす、前記センサからの信号に応答して、前記流管の形状を決定し、 前記流管の前記形状の決定に応答して、前記駆動信号の生成に対するパラメー
    タを設定する ように構成されるプロセッサ を備える装置。
  7. 【請求項７】 前記プロセッサが、前記流管の前記振動周波を前記信号から
    決定するように更に構成される請求項６記載の装置。
  8. 【請求項８】 前記プロセッサが、 前記振動周波数を閾値周波数と比較し、 前記振動周波数が前記閾値周波数より大きいことに応答して、前記流管が直線
    管であると決定することにより、 前記流管の前記形状を決定するように構成される請求項７記載の装置。
  9. 【請求項９】 前記プロセッサが、 前記振動周波数が前記閾値周波数より小さいか或いはこれに等しいことに応答
    して、前記流管が湾曲流管であると決定することにより、 前記形状を決定するように構成される請求項８記載の装置。
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