JP2008534959A - 気体流材料における液体流の割合を決定するための計量器電子装置及び方法 - Google Patents

Abstract

本発明の一つの実施の形態にしたがって、流量計（５）を通って流れる気体流材料における液体流の割合を決定するための計量器電子装置（２０）が提供される。計量器電子装置（２０）は、流量計（５）から第１のセンサ信号及び第２のセンサ信号を受け取るためのインタフェース（２０１）と、インタフェース（２０１）と通信する処理システム（２０３）とを備える。処理システム（２０３）は、インタフェース（２０１）から第１及び第２のセンサ信号を受け取り、第１のセンサ信号及び第２のセンサ信号を使用して、気体流材料の実質的に瞬時の流れストリーム密度を決定し、実質的に瞬時の流れストリーム密度を、気体流材料の気体流の割合を表す所定の気体密度及び液体流の割合を表す所定の液体密度の少なくとも１つと比較し、比較から液体流の割合を決定するように構成される。

Description

本発明は、流量計を通って流れる気体流材料における液体流の割合を決定するための計量器電子装置及び方法に関する。

課題の陳述
１９８５年１月１日のＪ．Ｅ．Ｓｍｉｔｈらへ発行された米国特許第４，４９１，０２５号明細書、及び１９８２年２月１１日のＪ．Ｅ．Ｓｍｉｔｈの再発行特許第３１，４５０号明細書に記載されるような、配管を通って流れる材料の質量流及び他情報を測定するためにコリオリ質量流量計を使用することが知られている。これらの流量計は異なる構成の１つ又は複数の管を有する。各導管構成は、例えば、単純な曲げ、ねじり、径方向、及び結合されたモードを含む一組の固有振動モードを有すると考えられることができる。典型的なコリオリ質量流測定応用において、導管構成は材料が導管を通って流れるにつれて１つ又は複数の振動モードで励起され、導管の運動は導管に沿って離間される点で測定される。

材料で充填されたシステムの振動モードは、流管の質量と流管内の材料の質量との組合せによって部分的に規定される。材料は、流量計の入口側で接続される配管から流量計内へ流れる。材料は、次に、１本又は複数本の流管を通るよう向けられ、出口側で接続される配管へ流量計を出る。

駆動装置は流管に力を印加する。力は流管を振動させる。流量計を通って流れる材料が存在しないとき、流管に沿った全ての点は同一の位相で振動する。材料が、流管を通って流れ始めるにつれ、コリオリ加速が、流管に沿った各点を流管に沿った他の点に対して異なる位相を持たせる。流管の入口側の位相は駆動装置より遅くなり、出口側の位相は駆動装置より進む。異なる点で流管の運動を表す正弦波を生成するよう、センサが流管の異なる点に配置される。２つのセンサ信号間の位相差は、１つ又は複数の流管を通って流れる材料の質量流量に比例する。１つの従来技術の解決方法において、離散フーリエ変換（ＤＦＴ）又は高速フーリエ変換（ＦＦＴ）が、センサ信号間の位相差を決定するために使用される。流管アセンブリの位相差及び振動周波数応答は、質量流量を得るために使用される。

１つの従来技術の解決方法において、独立した基準信号が、振動駆動装置システムに送られる周波数を使用することによってなどピックオフ信号周波数を決定するために使用される。他の従来技術の解決方法において、ピックオフ・センサによって生成される振動応答周波数は、ノッチ・フィルタにおけるその周波数に中心合わせすることによって決定されることができ、従来技術の流量計は、ピックオフ・センサ周波数でノッチ・フィルタのノッチを維持しようとする。この従来技術は、流量計内の流れ材料が均一であって結果としてのピックオフ信号周波数が比較的安定している静止状態下でかなり良好に作用する。しかしながら、従来技術の位相測定は、流れ材料が、混入される液体を含む気体流材料を含む二相流などの不均一であるときには欠点がある。そのような状態において、従来技術で決定された周波数は急速に変動することがある。高速で大きな周波数遷移の状態の期間に、ピックオフ信号がフィルタ帯域幅の外部へ移動することがあり、不正確な位相及び周波数測定値を生じる。これは、また、流量計が、交互に空の状態及び満たされた状態で繰り返し動作される、空・充満・空のバッチ処理で問題である。また、センサの周波数が迅速に移るなら、復調プロセスは、実際の又は測定された周波数に追従することができず、不正確な周波数での復調を生じる。決定された周波数が正しくない又は不正確なら、その後導かれる密度、体積流量などの値も正しくなく、不正確になることは理解されるべきである。さらに、誤差が、以降の流れ特性決定に含まれ得る。

従来技術において、ピックオフ信号は、ノッチ・フィルタを実装するためにデジタル化され、デジタルで操作されることができる。ノッチ・フィルタは、周波数の狭い帯域だけを受け入れるので、目標周波数が変化するとき、ノッチ・フィルタは或る時間期間の間に目標信号を追跡することができないことがある。典型的に、デジタルノッチ・フィルタ実施は、変動する目標信号を追跡するのに１〜２秒かかる。周波数を決定するために従来技術は時間を必要とするため、周波数及び位相決定が誤差を含むばかりでなく、誤差及び／又は二相流が実際に生じる時間間隔を超える時間間隔を包含する結果になる。これは、ノッチ・フィルタ実施の応答の相対的低速性のためである。

その結果、従来技術の流量計は、流量計における流れ材料の二相流の間のピックオフ・センサ周波数を正確に、迅速に又は十分に追跡又は決定することができないことになる。したがって、従来技術が決定されたピックオフ周波数を使用して位相差を導くので、位相決定も同様に低速であり、誤差の傾向がある。したがって、周波数決定における任意の誤差は位相決定に含まれる。その結果、周波数決定及び位相決定における誤差が増大し、質量流量決定における増大された誤差を導く。さらに、決定された周波数値は、密度値（密度は周波数の二乗にわたって１にほぼ等しい）を決定するために使用されるので、周波数決定における誤差は、密度決定において繰り返され又は含まれる。これは、体積流量が、密度によって割られた質量流量に等しい場合、体積流量の決定に関しても当てはまる。

上述のような振動する流管デバイスの１つの応用は、気体流材料の質量流量の測定にある。典型的な応用は、例えば天然ガスなどの油井からの気体産物の測定である。しかしながら、油井からの気体は一般的に純粋な状態では存在せず、例えば水などの様々な量の不純物を含む。したがって、気体流材料は、気体及び液体又は液体粒子の混合物を含むことがある。この二相流は産物測定を困難にする。さらに、天然ガス産物において、気体は、気体流材料から水を除去するためにグリコール（又は他の乾燥液体）を使用する分離器を通過されることができる。しかしながら、この乾燥プロセスは、気体流材料に混入される或る量の乾燥液体を結果として生じ得る。これは液体流部分と呼ばれ、気体流材料は、或る量の液体又は液体粒子を含む。液体流部分を含む気体流材料の測定は問題である。

液体流部分を含む気体流を測定するための従来技術の解決方法は、平均密度を測定することである。従来技術は、密度が、いつ本質的に純粋な気体流から逸脱したかを求め、検出可能な量の液体が気体流に混入されるときに密度情報を無視することができる。代わりに、従来技術は、平均気体流部分量を得るために、知られている値に平均流密度を関連させることができる。

しかしながら、この従来技術の解決方法は欠点を有する。平均気体質量流量は、液体流部分の量が変動する場合のように、多くの設定においてあまり高精度ではない。

解決手段の概要
上述の問題及び他の問題は、流量計を通って流れる気体流材料における液体流の割合を決定するための計量器電子装置及び方法を提供することによって解決され、従来技術における進歩が達成される。

本発明の一つの実施の形態により、流量計を通って流れる気体流材料における液体流の割合を決定するための計量器電子装置が提供される。計量器電子装置は、流量計から第１のセンサ信号及び第２のセンサ信号を受け取るためのインタフェースと、インタフェースと通信する処理システムとを備える。処理システムはインタフェースから第１及び第２のセンサ信号を受け取り、第１のセンサ信号及び第２のセンサ信号を使用して気体流材料の実質的に瞬時の流れストリーム密度を決定し、実質的に瞬時の流れストリーム密度を、気体流材料の気体流の割合を表す所定の気体密度と液体流の割合を表す所定の液体密度とのうちの少なくとも１つと比較し、この比較から液体流の割合を決定するように構成される。

本発明の一つの実施の形態により、流量計を通って流れる気体流材料における液体流の割合を決定するための計量器電子装置が提供される。計量器電子装置は、流量計から第１のセンサ信号及び第２のセンサ信号を受け取るためのインタフェースと、インタフェースと通信する処理システムとを備える。処理システムはインタフェースから第１及び第２のセンサ信号を受け取り、第１のセンサ信号から９０度位相シフトを生成し、９０度位相シフト及び第１のセンサ信号を使用して周波数応答を計算し、周波数応答を使用して気体流材料の流れストリーム密度を決定し、流れストリーム密度から液体流の割合を決定するように構成される。

本発明の一つの実施の形態により、流量計を通って流れる気体流材料における液体流の割合を決定する方法が提供される。方法は、流量計から第１のセンサ信号及び第２のセンサ信号を受け取るステップと、第１のセンサ信号及び第２のセンサ信号を使用して気体流材料の実質的に瞬時の流れストリーム密度を決定するステップと、実質的に瞬時の流れストリーム密度を、気体流材料の気体流の割合を表す所定の気体密度と液体流の割合を表す所定の液体密度とのうちの少なくとも１つと比較するステップと、比較から液体流の割合を決定するステップとを含む。

本発明の一つの実施の形態により、流量計を通って流れる気体流材料における液体流の割合を決定する方法が提供される。方法は、流量計から第１のセンサ信号及び第２のセンサ信号を受け取るステップと、第１のセンサ信号から９０度位相シフトを生成するステップと、９０度位相シフト及び第１のセンサ信号を使用して周波数応答を計算するステップと、周波数応答を使用して気体流材料の流れストリーム密度を決定するステップと、流れストリーム密度から液体流の割合を決定するステップとを含む。

発明の態様
計量器電子装置の一態様において、処理システムは気体流の割合を決定するようにさらに構成される。

計量器電子装置の他の態様において、処理システムは、第１のセンサ信号から９０度位相シフトを生成し、９０度位相シフト及び第１のセンサ信号を使用して周波数応答を計算し、周波数応答を使用して実質的に瞬時の流れストリーム密度を決定するようにさらに構成される。

計量器電子装置のさらに他の態様において、処理システムは、周波数応答を２乗して２乗された周波数応答を生成し、２乗された周波数応答を反転させて流れストリーム密度を生成することによって、流れストリーム密度を決定するようにさらに構成される。

計量器電子装置のさらに他の態様において、処理システムは、第１のセンサ信号から９０度位相シフトを生成し、９０度位相シフト及び第１のセンサ信号を使用して周波数応答を計算し、周波数応答を２乗して２乗された周波数応答を生成し、２乗された周波数応答を反転させて気体流れ材料の実質的に瞬時の流れストリーム密度を生成するようにさらに構成される。

計量器電子装置のさらに他の態様において、処理システムは、液体流の割合を所定の液体割合閾値と比較し、液体流の割合が所定の液体割合閾値を超えるならば警報状態を設定するようにさらに構成される。

計量器電子装置のさらに他の態様において、処理システムは、第１のセンサ信号及び第２のセンサ信号から気体流材料の流れストリーム密度を決定し、流れストリーム密度を、気体流材料の気体流の割合を表す所定の気体密度と液体流の割合を表す所定の液体密度とのうちの少なくとも１つと比較し、比較から液体流の割合を決定するようにさらに構成される。

計量器電子装置のさらに他の態様において、比較することは、実質的に瞬時の流れストリーム密度を、実質的に瞬時の流れストリーム密度を気体流材料の気体流の割合を表す所定の気体密度と液体流の割合を表す所定の液体密度とのうちの少なくとも１つ及び駆動利得と比較することをさらに含む。

計量器電子装置のさらに他の態様において、液体流の割合を決定することは、流れストリーム密度及び駆動利得から液体流の割合を決定することをさらに含む。

計量器電子装置のさらに他の態様において、流量計はコリオリ流量計を含む。

計量器電子装置のさらに他の態様において、流量計は振動密度計を含む。

方法の一態様において、方法は気体流の割合を決定するステップをさらに含む。

方法の他の態様において、方法は、第１のセンサ信号から９０度位相シフトを生成するステップと、９０度位相シフト及び第１のセンサ信号を使用して周波数応答を計算するステップと、周波数応答から実質的に瞬時の流れストリーム密度を決定するステップとを含む。

方法のさらに他の態様において、方法は、周波数応答を２乗して２乗された周波数応答を生成するステップと、２乗された周波数応答を反転させて実質的に瞬時の流れストリーム密度を生成するステップとをさらに含む。

方法のさらに他の態様において、方法は、液体流の割合を所定の液体割合閾値と比較するステップと、液体流の割合が所定の液体割合閾値を超えるならば警報状態を設定するステップとをさらに含む。

方法のさらに他の態様において、液体流の割合を決定するステップは、流れストリーム密度を、気体流材料の気体流の割合を表す所定の気体密度と液体流の割合を表す所定の液体密度とのうちの少なくとも１つと比較するステップと、この比較から液体流の割合を決定するステップとをさらに含む。

方法のさらに他の態様において、液体流の割合を決定するステップは、流れストリーム密度及び駆動利得から液体流の割合を決定するステップをさらに含む。

方法のさらに他の態様において、比較するステップは、実質的に瞬時の流れストリーム密度を、実質的に瞬時の流れストリーム密度を気体流材料の気体流の割合を表す所定の気体密度と液体流の割合を表す所定の液体密度とのうちの少なくとも１つ及び駆動利得と比較するステップをさらに含む。

同一の参照符号は、全ての図面上で同一の要素を表す。

発明の詳細な説明
図１〜図１７及び以下の記載は、本発明の最良の形態をどのように作り、使用するかを当業者に教示するための特定の例を示す。発明の原理を教示する目的のために、いくつかの従来の態様は単純化され又は省略された。当業者は、本発明の範囲内に入るこれら例からの変形例を理解するであろう。当業者は理解するように、以下に記載される特徴は、本発明の複数の変形例を形成するために様々な方法で組み合わされることができる。結果として、本発明は、以下に記載される特定の例に限定されず、請求項及びそれらの均等物によってのみ限定される。

図１は、計量器アセンブリ１０及び計量器電子装置２０を備えるコリオリ流量計５を示す。計量器アセンブリ１０は処理材料の質量流量及び密度に応答する。計量器電子装置２０は、経路２６において密度、質量流量、温度情報、並びに本発明に関連しない他の情報を提供するために、リード線１００を介して計量器アセンブリ１０に接続される。当業者には明らかなように、本発明は、コリオリ質量流量計によって提供される追加の測定能力なしに振動管密度計として実施されることができるが、ここではコリオリ流量計構造が記載される。

計量器アセンブリ１０は、一対のマニホールド１５０及び１５０’、フランジ首部１１０及び１１０’を有するフランジ１０３及び１０３’、一対の平行な流管１３０及び１３０’、駆動機構１８０、温度センサ１９０、一対の速度センサ１７０Ｌ及び１７０Ｒを含む。流管１３０及び１３０’は、流管取り付けブロック１２０及び１２０’で互いの方向へ向かう、２つの本質的に直線の入口脚部１３１及び１３１’並びに出口脚部１３４及び１３４’を有する。流管１３０及び１３０’は、それらの長さに沿った２つの対称位置で曲げられ、それらの長さ全体において本質的に平行である。ブレースバー１４０及び１４０’は、その周りに各流管が振動する軸Ｗ及びＷ’を規定するように作用する。

流管１３０及び１３０’の側方脚部１３１、１３１’及び１３４、１３４’は、流管取り付けブロック１２０及び１２０’に固定して取り付けられ、これらブロックは、次にマニホールド１５０及び１５０’に固定して取り付けられる。これは、コリオリ計量器アセンブリ１０を通る連続する閉材料経路を提供する。

孔１０２及び１０２’を有するフランジ１０３及び１０３’が、測定されるべき処理材料を搬送する処理ライン（図示せず）へ入口端部１０４及び出口端部１０４’を介して接続されるとき、材料は、マニホールド１５０を通して表面１２１を有する流管取り付けブロック１２０へ導かれる、フランジ１０３内のオリフィス１０１を通って流量計の端部１０４に入る。マニホールド１５０内で、材料は、流管１３０及び１３０’を通って分割されて送られる。流管１３０及び１３０’を出るとき、処理材料はマニホールド１５０’内で単一ストリームに再結合され、その後、処理ライン（図示せず）へボルト孔１０２’を有するフランジ１０３’によって接続される出口端部１０４’に送られる。

流管１３０及び１３０’は、それぞれ曲げ軸Ｗ−Ｗ及びＷ’−Ｗ’を中心とする実質的に同一の質量分布、慣性モーメント及びヤング率を有するように選択され、流管取り付けブロック１２０及び１２０’に適切に取り付けられる。これらの曲げ軸はブレースバー１４０及び１４０’を通って延びる。流管のヤング率が温度とともに変化し、この変化が流れ及び密度の計算に影響を及ぼす限り、抵抗温度検出器（ＲＴＤ）１９０が、流管の温度を連続して測定するために流管１３０’に取り付けられる。流管の温度、したがって、通過する所定電流に関してＲＴＤの両端間に現れる電圧は、流管を通過する材料の温度によって左右される。ＲＴＤの両端間に現れる温度依存電圧は、流管温度における任意の変化に起因する流管１３０及び１３０’の弾性率の変化を補償するために計量器電子装置２０により周知の方法で使用される。ＲＴＤはリード線１９５によって計量器電子装置２０に接続される。

両方の流管１３０及び１３０’は、いわゆる流量計の第１の位相外れ曲げモードで、それぞれ曲げ軸Ｗ及びＷ’に関して反対方向に駆動装置１８０によって駆動される。この駆動機構１８０は、流管１３０’に取り付けられた磁石と、交流電流が両方の流管を振動させるよう流れる、流管１３０に取り付けられた対向するコイルのような多くの周知の構成の任意の１つを備えることができる。適切な駆動信号がリード線１８５を介して駆動機構１８０へ計量器電子装置２０によって供給される。

計量器電子装置２０は、リード線１９５でＲＴＤ温度信号を受け取り、また、それぞれリード線１６５Ｌ及び１６５Ｒに表れる左及び右の速度信号を受け取る。計量器電子装置２０は、要素１８０を駆動して管１３０及び１３０’を振動させるために、リード線１８５に表れる駆動信号を生成する。計量器電子装置２０は、計量器アセンブリ１０を通過する材料の質量流量及び密度を計算するために、左及び右の速度信号並びにＲＴＤ信号を処理する。他の情報とともに、この情報は経路２６を介して利用手段２９へ計量器電子装置２０によって与えられる。

図２は、本発明の一つの実施の形態による計量器電子装置２０を示す。計量器電子装置２０は、インタフェース２０１及び処理システム２０３を含むことができる。計量器電子装置２０は、ピックオフ／速度センサ信号など、計量器アセンブリ１０から第１及び第２のセンサ信号を受ける。計量器電子装置２０は、コリオリ流量計として動作することを含む、質量流量計として又は密度計として動作することができる。計量器電子装置２０は第１及び第２のセンサ信号を処理して、計量器アセンブリ１０を通って流れる流れ材料の流れ特性を得る。例えば、計量器電子装置２０は、例えばセンサ信号から１つ又は複数の位相差、周波数、時間差（Δｔ）、密度、質量流量、体積流量を決定することができる。さらに、他の流れ特性を本発明により決定することができる。決定については以下に議論される。

位相差決定及び周波数決定は、従来技術におけるそのような決定より極めて迅速で正確であり、信頼性がある。一つの実施の形態において、位相差決定及び周波数決定は、任意の周波数基準信号の必要なしに、ただ１つのセンサ信号の位相シフトから直接導かれる。これは、流れ特性を計算するために必要な処理時間を有利に低減する。他の実施の形態において、位相差は両方のセンサ信号の位相シフトから導かれ、周波数は１つの位相シフト信号だけから導かれる。これは両方の流れ特性の精度を増大し、流れ特性は従来技術より極めて迅速に決定され得る。

従来技術の周波数決定方法は、典型的には、実施に１〜２秒を要する。対照的に、本発明による周波数決定は、５０ミリ秒（ｍｓ）ほどで実行されることができる。処理システムの型式及び構成、振動応答のサンプリング速度、フィルタのサイズ、デシメーション速度などに応じて、より速い周波数決定も想定される。５０ｍｓの周波数決定速度で、本発明による計量器電子装置２０は、従来技術より約４０倍速くなり得る。

インタフェース２０１は、図１のリード線１００を介して速度センサ１７０Ｌ及び１７０Ｒの１つからセンサ信号を受ける。インタフェース２０１は、フォーマット化、増幅、バッファリングなどの任意の態様の任意の必要な又は所望の信号調整を実行することができる。代わりに、いくらかの又は全ての信号調整は、処理システム２０３で実行されることができる。

さらに、インタフェース２０１は、計量器電子装置２０と外部デバイスとの間の通信を可能にすることができる。インタフェース２０１は、電子、光又は無線通信の任意の態様を可能にすることができる。

一つの実施の形態におけるインタフェース２０１はデジタイザ２０２と結合され、センサ信号はアナログ・センサ信号を含む。デジタイザ２０２はアナログ・センサ信号をサンプリングしてデジタル化し、デジタル・センサ信号を生成する。デジタイザ２０２は任意の必要なデシメーションを実行することもでき、デジタル・センサ信号は、必要な信号処理量を低減しかつ処理時間を低減するためにデシメーションされる。デシメーションについては、より詳細に以下に議論される。

処理システム２０３は計量器電子装置２０の動作を行い、流量計アセンブリ１０からの流れ測定値を処理する。処理システム２０３は１つ又は複数の処理ルーチンを実行し、それによって１つ又は複数の流れ特性を生成するために流れ測定値を処理する。

処理システム２０３は、汎用コンピュータ、マイクロ処理システム、論理回路、又はいくつかの他の汎用又は専用処理デバイスを備えることができる。処理システム２０３は複数の処理デバイスに分散されることができる。処理システム２０３は記憶システム２０４などの任意の態様の集積又は独立した電子的格納媒体を含むことができる。

処理システム２０３は、センサ信号２１０から１つ又は複数の流れ特性を決定するためにセンサ信号２１０を処理する。１つ又は複数の流れ特性は、例えば流れ材料に関する位相差、周波数、時間差（Δｔ）、質量流量及び／又は密度を含むことができる。

図示される実施の形態において、処理システム２０３は、２つのセンサ信号２１０及び２１１並びに単一のセンサ信号位相シフト２１３から流れ特性を決定する。処理システム２０３は、２つのセンサ信号２１０及び２１１並びに単一の位相シフト２１３から、少なくとも位相差及び周波数を決定することができる。結果として、第１又は第２の位相シフトされたセンサ信号（上流側又は下流側ピックオフ信号の１つなど）のいずれかは、流れ材料に関する位相差、周波数、時間差（Δｔ）及び／又は質量流量を決定するために、本発明による処理システム２０３によって処理されることができる。

格納システム２０４は流量計パラメータ及びデータ、ソフトウエア・ルーチン、定数値及び可変値を格納することができる。一つの実施の形態において、格納システム２０４は処理システム２０３によって実行されるルーチンを含む。一つの実施の形態において、格納システム２０４は位相シフト・ルーチン２１２、位相差ルーチン２１５、周波数ルーチン２１６、時間差（Δｔ）ルーチン２１７及び流れ特性ルーチン２１８を格納する。

一つの実施の形態において、格納システム２０４は、コリオリ流量計５などの流量計を動作させるために使用される変数を格納する。一つの実施の形態における格納システム２０４は、速度／ピックオフ・センサ１７０Ｌ及び１７０Ｒから受け取る第１のセンサ信号２１０及び第２のセンサ信号２１１などの変数を格納する。さらに、格納システム２０４は、流れ特性を決定するために生成される９０度位相シフト２１３を格納することができる。

一つの実施の形態において、格納システム２０４は、流れ測定値から得られた１つ又は複数の流れ特性を格納する。一つの実施の形態における格納システム２０４は位相差２２０、周波数２２１、時間差（Δｔ）２２２、質量流量２２３、密度２２４及び体積流量２２５などの流れ特性を格納するが、これらは全てセンサ信号２１０から決定される。

位相シフト・ルーチン２１２は、入力信号すなわちセンサ信号２１０に対して９０度位相シフトを実行する。一つの実施の形態における位相シフト・ルーチン２１２はヒルベルト変換（以下に議論される）を実施する。

位相差ルーチン２１５は、単一の９０度位相シフト２１３を使用して位相シフト差を決定する。位相差を計算するために、さらなる情報を使用することもできる。一つの実施の形態における位相差は、第１のセンサ信号２１０、第２のセンサ信号２１１及び９０度位相シフト２１３から計算される。決定された位相差は格納システム２０４の位相差２２０に格納されることができる。位相差は、９０度位相シフト２１３から決定されるとき、従来技術より極めて迅速に計算されて取得することができる。これは、高い流量を有する流量計応用又は多相流れが生じる場合に決定的な差を提供することができる。さらに、位相差は、いずれかのセンサ信号２１０又は２１１の周波数とは無関係に決定されることができる。さらに、位相差は周波数とは無関係に決定されるので、位相差における誤差成分は周波数決定の誤差成分を含まない。すなわち、位相差測定値には、混入される誤差は存在しない。その結果、位相差誤差は従来技術の位相差より低減される。

周波数ルーチン２１６は、９０度位相シフト２１３から周波数（第１のセンサ信号２１０又は第２のセンサ信号２１１のいずれかによって表される周波数など）を決定する。決定された周波数は格納システム２０４の周波数２２１に格納されることができる。周波数は、単一の９０度位相シフト２１３から決定されるとき、従来技術より極めて迅速に計算され取得されることができる。これは、高い流量を有する流量計応用又は多相流れが生じる場合に決定的な差を提供することができる。

時間差（Δｔ）ルーチン２１７は、第１のセンサ信号２１０と第２のセンサ信号２１１との間の時間差（Δｔ）を決定する。時間差（Δｔ）は格納システム２０４の時間差（Δｔ）２２２に格納されることができる。時間差（Δｔ）は、決定された周波数によって除算された、決定された位相を実質的に含み、したがって質量流量を決定するために使用される。

流れ特性ルーチン２１８は１つ又は複数の流れ特性を決定することができる。流れ特性ルーチン２１８は、決定された位相差２２０及び決定された周波数２２１を使用して、例えば、これら追加の流れ特性を達成することができる。例えば質量流量又は密度などの追加の情報がこれらの決定に必要であり得ることは理解されるべきである。流れ特性ルーチン２１８は時間差（Δｔ）２２２から、したがって位相差２２０及び周波数２２１から質量流量を決定することができる。質量流量を決定するための式は、参照によって本明細書に組み込まれる、Ｔｉｔｌｏｗらへの米国特許第５、０２７、６６２号明細書で与えられる。質量流量は計量器アセンブリ１０における流れ材料の質量流量に関連する。同様に、流れ特性ルーチン２１８は密度２２４及び／又は体積流量２２５を決定することもできる。決定された質量流量、密度及び体積流量は、それぞれ格納システム２０４の質量流量２２３、密度２２４及び体積２２５に格納されることができる。さらに、流れ特性は計量器電子装置２０によって外部デバイスへ送信されることができる。

図３は、本発明の一つの実施の形態による流量計におけるセンサ信号を処理する方法の流れ図３００である。ステップ３０１において、第１の及び第２のセンサ信号が受け取られる。第１のセンサ信号は上流側又は下流側のピックオフ・センサ信号を含むことができる。

ステップ３０２において、センサ信号が調整される。一つの実施の形態において、調整は、雑音及び望ましくない信号を取り除くためにフィルタリングを含むことができる。一つの実施の形態において、フィルタリングは、流量計の予想されるほぼ基本周波数に中心を合わされた帯域通過フィルタリングを含むことができる。さらに、増幅、バッファリングなどの他の調整動作を実行することができる。センサ信号がアナログ信号を含むならば、このステップは、デジタル・センサ信号を生成するために実行されるサンプリング、デジタル化及びデシメーションの任意の態様を含むことができる。

ステップ３０３において、単一の９０度位相シフトが生成される。９０度位相シフトはセンサ信号の９０度位相シフトを含む。９０度位相シフトは任意の態様の位相機構又は動作によって実行されることができる。一つの実施の形態において、９０度位相シフトはデジタル・センサ信号で動作するヒルベルト変換を使用して実行される。

ステップ３０４において、単一の９０度位相シフトを使用して位相差が計算される。位相差を計算するために、追加の情報を使うこともできる。一つの実施の形態において、位相差は第１のセンサ信号、第２のセンサ信号及び単一の９０度位相シフトから決定される。位相差は、振動計量器アセンブリ１０におけるコリオリ効果に起因して現れる、応答信号すなわちピックオフ・センサにおける位相差を含む。

結果としての位相差は、任意の周波数値を計算する必要なしに決定される。結果としての位相差は、周波数を使用して計算される位相差より極めて迅速に取得することができる。結果としての位相差は、周波数を使用して計算される位相差より高い精度を有する。

ステップ３０５において、周波数が計算される。有利なことに、本発明による周波数は９０度位相シフトから計算される。一つの実施の形態における周波数は、９０度位相シフトと９０度位相シフトを導出する対応のセンサ信号とを使用する。周波数は、第１のセンサ信号又は第２のセンサ信号（２つのセンサ信号の周波数は動作において実質的に同一である）の振動応答周波数である。周波数は、駆動装置１８０によって生成される振動に対する１つ又は複数の流管の振動周波数応答を含む。

このようにして導出された周波数は、任意の独立した周波数基準信号の必要なく取得される。周波数は、従来技術よりずっと迅速な動作における単一の９０度位相シフトから得られる。結果としての周波数は、従来技術で計算される周波数より高い精度を有する。

ステップ３０６において、流れ材料の質量流量が計算される。質量流量は、ステップ３０４及び３０５で計算された結果としての位相差及び結果としての周波数から計算される。さらに、質量流量計算は位相差及び周波数から時間差（Δｔ）を計算することができ、時間差（Δｔ）は質量流量を計算するために最終的に使用される。

ステップ３０７において、密度を任意に決定することができる。密度は流れ特性の１つとして決定されることができ、例えば周波数から決定されることができる。

ステップ３０８において、体積流量を任意に決定することができる。体積流量は流れ特性の１つとして決定されることができ、例えば質量流量及び密度から決定されることができる。

図４は、本発明の一つの実施の形態による計量器電子装置２０を示す。図２と共通の要素は同一の参照符号を有する。

この実施の形態における計量器電子装置２０は、第１のセンサ信号２１０及び第２のセンサ信号２１１を含む。処理システム２０３は、第１及び第２の（デジタルの）センサ信号２１０及び２１１を処理して、これらの信号から１つ又は複数の流れ特性を決定する。前で議論したように、１つ又は複数の流れ特性は、流れ材料に関する位相差、周波数、時間差（Δｔ）、質量流量、密度及び／又は体積流量を含むことができる。

図示される実施の形態において、処理システム２０３は、任意の外部周波数測定の必要なしに、また、外部周波数基準信号の必要なしに、２つのセンサ信号２１０、２１１のみから流れ特性を決定する。処理システム２０３は、２つのセンサ信号２１０及び２１１から少なくとも位相差及び周波数を決定することができる。

前に議論したように、格納システム２０４は、位相シフト・ルーチン２１２、位相差ルーチン２１５、周波数ルーチン２１６、時間差（Δｔ）ルーチン２１７及び流れ特性ルーチン２１８を格納する。格納システム２０４は第１のセンサ信号２１０及び第２のセンサ信号２１１を格納する。格納システム２０４は、流れ特性を決定するためにセンサ信号から生成される第１の９０度位相シフト２１３及び第２の９０度位相シフトも格納する。前に議論したように、格納システム２０４は位相差２２０、周波数２２１、時間差（Δｔ）２２２、質量流量２２３、密度２２４及び体積流量２２５を格納する。

位相シフト・ルーチン２１２は、第１のセンサ信号２１０及び第２のセンサ信号２１１を含む入力信号に９０度位相シフトを実行する。一つの実施の形態における位相シフト・ルーチン２１２はヒルベルト変換（以下に議論される）を実施する。

位相差ルーチン２１５は、第１の９０度位相シフト２１３及び第２の９０度位相シフト２１４を使用して位相シフト差を決定する。位相差を計算するために、さらなる情報を使用することもできる。一つの実施の形態における位相差は、第１のセンサ信号２１０、第２のセンサ信号２１１、第１の９０度位相シフト２１２及び第２の９０度位相シフト２１３から計算される。決定された位相差は、前に議論したように、格納システム２０４の位相差２２０に格納されることができる。位相差は、第１及び第２の９０度位相シフトを使用して決定されるとき、従来技術より極めて迅速に計算され取得されることができる。これは、大きい流量を有する又は多相流れが生じる流量計応用に決定的な差を提供することができる。さらに位相差は、センサ信号２１０又は２１１の周波数とは無関係に決定されることができる。さらに、位相差は周波数とは無関係に決定されるので、位相差における誤差成分は周波数決定の誤差成分を受けない、すなわち位相差測定値に、混入される誤差は存在しない。その結果、位相差誤差は従来技術の位相差より低減される。

周波数ルーチン２１６は、第１の９０度位相シフト２１３及び第２の９０度位相シフト２１４から周波数（第１のセンサ信号２１０又は第２のセンサ信号２１１によって表される周波数など）を決定する。決定された周波数は、前に議論したように格納システム２０４の周波数２２１に格納されることができる。周波数は、第１及び第２の９０度位相シフト２１３から決定されたとき、従来技術より極めて迅速に計算され取得されることができる。これは、大きい流量を有する又は多相流れが生じる流量計応用に決定的な差を提供することができる。

時間差（Δｔ）ルーチン２１７は、第１のセンサ信号２１０と第２のセンサ信号２１１との間の時間差（Δｔ）を決定する。時間差（Δｔ）は、前で議論したように、格納システム２０４の時間差（Δｔ）２２２に格納されることができる。時間差（Δｔ）は、決定された周波数によって除算される決定された位相を実質的に含み、したがって質量流量を決定するために使用される。

流れ特性ルーチン２１８は、前で議論したように、１つ又は複数の質量流量、密度及び／又は体積流量を決定することができる。

図５は、本発明の一つの実施の形態による流量計における第１及び第２のセンサ信号を処理する方法の流れ図５００である。ステップ５０１において、第１のセンサ信号が受け取られる。一つの実施の形態において、第１のセンサ信号は、上流側又は下流側のピックオフ・センサの信号を含む。

ステップ５０２において、第２のセンサ信号が受け取られる。一つの実施の形態において、第２のセンサ信号は、下流側又は上流側のピックオフ・センサの信号（すなわち、第１のセンサ信号の反対）を含む。

ステップ５０３において、センサ信号が調整されることができる。一つの実施の形態において、調整は、雑音及び望ましくない信号を取り除くためにフィルタリングを含むことができる。一つの実施の形態において、フィルタリングは、前で議論したように、帯域通過フィルタリングを含むことができる。さらに、増幅、バッファリングなどの他の調整動作が実行されることができる。センサ信号がアナログ信号を含むならば、このステップは、デジタル・センサ信号を生成するために実行されるサンプリング、デジタル化及びデシメーションの任意の態様をさらに含むことができる。

ステップ５０４において、第１の９０度位相シフトが生成される。第１の９０度位相シフトは第１のセンサ信号の９０度位相シフトを含む。９０度位相シフトは、任意の態様の機構又は動作によって実行されることができる。一つの実施の形態において、９０度位相シフトは、デジタル・センサ信号で動作するヒルベルト変換を使用して実行される。

ステップ５０５において、第２の９０度位相シフトが生成される。第２の９０度位相シフトは第２のセンサ信号の９０度位相シフトを含む。第１の９０度位相シフトにおけるように、９０度位相シフトは、任意の態様の機構又は動作によって実行されることができる。

ステップ５０６において、第１の９０度位相シフト及び第２の９０度位相シフトを使用して、位相差が第１のセンサ信号と第２のセンサ信号との間で計算される。位相差を計算するために、追加の情報を使用することもできる。一つの実施の形態において、位相差は、第１のセンサ信号、第２のセンサ信号、第１の９０度位相シフト及び第２の９０度位相シフトから決定される。位相差は、振動計量器アセンブリ１０におけるコリオリ効果に起因して見受けられる応答信号すなわちピックオフ・センサにおける位相差を含む。

結果としての位相差は、任意の周波数値を計算する必要なしに決定される。結果としての位相差は、周波数を使用して計算される位相差より極めて迅速に取得されることができる。結果としての位相差は、周波数を使用して計算される位相差より高精度である。

ステップ５０７において、周波数が計算される。有利なことに、本発明による周波数は第１の９０度位相シフト及び第２の９０度位相シフトから計算される。一つの実施の形態での周波数は、９０度位相シフトと９０度位相シフトが導出される対応のセンサ信号とを使用する。周波数は、第１のセンサ信号又は第２のセンサ信号（２つのセンサ信号の周波数は動作において実質的に同一である）の振動応答周波数である。周波数は、駆動装置１８０によって生成される振動に対する１つ又は複数の流管の振動周波数応答を含む。

このようして導出された周波数は、任意の独立した周波数基準信号の必要なく取得される。周波数は、従来技術よりずっと高速な動作における単一の９０度位相シフトから得られる。結果としての周波数は、従来技術で計算される周波数より高い精度を有する。

ステップ５０８において、流れ材料の質量流量が計算される。質量流量は、ステップ５０６及び５０７で計算された結果としての位相差及び結果としての周波数から計算される。さらに、質量流量計算は、位相差及び周波数から時間差（Δｔ）を計算することができ、時間差（Δｔ）は質量流量を計算するために最終的に使用される。

ステップ５０９において、前で議論したように、密度を任意に決定することができる。ステップ５１０において、前で議論したように、体積流量を任意に決定することができる。

図６は、本発明の一つの実施の形態による処理システム２０３の一部のブロック図６００である。図において、ブロックは処理回路又は処理動作／ルーチンを表す。ブロック図６００は、ステージ１フィルタ・ブロック６０１、ステージ２フィルタ・ブロック６０２、ヒルベルト変換ブロック６０３及び解析ブロック６０４を含む。ＬＰＯは左ピックオフ信号入力を含み、ＲＰＯ入力は右ピックオフ信号入力を含む。ＬＰＯ又はＲＰＯは第１のセンサ信号を含むことができる。

一つの実施の形態において、ステージ１フィルタ・ブロック６０１及びステージ２フィルタ・ブロック６０２は、処理システム２０３で実施されるデジタル有限インパルス応答（ＦＩＲ）多相デシメーション・フィルタを含む。これらのフィルタは、一方又は両方のセンサ信号のフィルタリング及びデシメーションのための最適方法を提供し、フィルタリング及びデシメーションは同一のクロノロジカルな時間と同一のデシメーション速度で実行される。代わりに、ステージ１フィルタ・ブロック６０１及びステージ２フィルタ・ブロック６０２は、無限インパルス応答（ＩＩＲ）フィルタ又は他の適切なデジタル・フィルタ又はフィルタ処理を含むことができる。しかしながら、理解されるように、他のフィルタリング処理及び／又はフィルタリングの実施の形態を想定することができ、本説明及び請求項の範囲内に含まれる。

図７は、本発明の一つの実施の形態によるヒルベルト変換ブロック６０３の詳細を示す。図示の実施の形態において、ヒルベルト変換ブロック６０３はＬＰＯ分岐７００及びＲＰＯ分岐７１０を含む。ＬＰＯ分岐７００は、ＬＰＯフィルタ・ブロック７０２と並列のＬＰＯ遅延ブロック７０１を含む。同様に、ＲＰＯ分岐は、ＲＰＯフィルタ・ブロック７１２と並列のＲＰＯ遅延ブロック７１１を含む。ＬＰＯ遅延ブロック７０１及びＲＰＯ遅延ブロック７１１はサンプリング遅延を導入する。したがって、ＬＰＯ遅延ブロック７０１は、ＬＰＯフィルタ・ブロック７０２によってフィルタリングされるＬＰＯデジタル信号サンプルより時間においてクロノロジカルに遅いＬＰＯデジタル信号サンプルを選択し、ＲＰＯ遅延ブロック７１１は、ＲＰＯフィルタ・ブロック７１２によってフィルタリングされるＲＰＯデジタル信号サンプルより時間においてクロノロジカルに遅いＲＰＯデジタル信号サンプルを選択する。ＬＰＯフィルタ・ブロック７０２及びＲＰＯフィルタ・ブロック７１２は、入力されたデジタル信号サンプルに９０度位相シフトを実行する。

ヒルベルト変換ブロック６０３は、位相測定値を提供するための第１のステップである。ヒルベルト変換ブロック６０３は、フィルタリングされデシメートされたＬＰＯ及びＲＰＯ信号を受け取ってヒルベルト変換を実行する。ヒルベルト変換はＬＰＯ及びＲＰＯ信号の９０度位相シフトされた信号を生成する。すなわちヒルベルト変換は、元の同相（Ｉ）信号成分の直角位相（Ｑ）成分を生成する。したがってヒルベルト変換ブロック６０３の出力は、元の同相（Ｉ）信号成分ＬＰＯＩ及びＲＰＯＩとともに、新たな直角位相（Ｑ）成分ＬＰＯＱ及びＲＰＯＱを提供する。

ヒルベルト変換ブロック６０３への入力は、

のように表されることができる。ヒルベルト変換を使用すると、出力は

となる。元の項にヒルベルト変換の出力を組み合わせると、

が生じる。

図８及び図９は、本発明の一つの実施の形態による解析ブロック６０４の２つの独立した分岐のブロック図である。解析ブロック６０４は周波数、差分位相及びデルタＴ（Δｔ）測定値の最終ステージである。図８は、同相（Ｉ）成分及び直角位相（Ｑ）成分から位相差を決定する第１の分岐を備える位相部分６０４ａである。図９は、単一のセンサ信号の同相（Ｉ）成分及び直角位相（Ｑ）成分から周波数を決定する周波数部分６０４ｂである。単一のセンサ信号は、図示されるようにＬＰＯ信号を含むことができ、代わりにＲＰＯ信号を含むことができる。

図８の実施の形態において、解析ブロック６０４の位相部分６０４ａは結合ブロック８０１ａ及び８０１ｂ、共役ブロック８０２、複素乗算ブロック８０３、フィルタ・ブロック８０４及び位相角ブロック８０５を含む。

結合ブロック８０１ａ及び８０１ｂは、センサ信号の同相（Ｉ）成分及び直角位相（Ｑ）成分を受け取って通過させる。共役ブロック８０２はセンサ信号（ここではＬＰＯ信号）に複素共役を実行し、負の虚信号を形成する。複素乗算ブロック８０３は下記の式（８）を実施してＲＰＯ信号とＬＰＯ信号を乗算する。フィルタ・ブロック８０４は上で議論したＦＩＲフィルタなどのデジタル・フィルタを実施する。フィルタ・ブロック８０４は、センサ信号の同相（Ｉ）成分及び直角位相（Ｑ）成分から高調波部分を取り除き且つ信号をデシメートするために使用される多相デシメーション・フィルタを含むことができる。フィルタ係数は、例えば１０倍のデシメーションなど、入力された信号のデシメーションを提供するために選択されることができる。位相角ブロック８０５は、ＬＰＯ信号及びＲＰＯ信号の同相（Ｉ）成分及び直角位相（Ｑ）成分から位相角を決定する。位相角ブロック８０５は下記の式（１１）を実施する。

図８に示される位相部分６０４ａは

を実施する。ただし

はＬＰＯの複素共役である。

と仮定すると、

となる。その結果としての差分位相角は

となる。

図９は、本発明による解析ブロック６０４の周波数部分６０４ｂのブロック図である。周波数部分６０４ｂは左又は右のピックオフ信号（ＬＰＯ又はＲＰＯ）で動作することができる。図示される実施の形態における周波数部分６０４ｂは、結合ブロック９０１、複素共役ブロック９０２、サンプリングブロック９０３、複素乗算ブロック９０４、フィルタ・ブロック９０５、位相角ブロック９０６、定数ブロック９０７及び除算ブロック９０８を含む。

前で議論したように、結合ブロック９０１はセンサ信号の同相（Ｉ）成分及び直角位相（Ｑ）成分を受け取って通過させる。共役ブロック９０２はセンサ信号（ここではＬＰＯ信号）に複素共役を実行し、負の虚信号を形成する。遅延ブロック９０３は周波数部分６０４ｂにサンプリング遅延を導入し、したがって、時間においてクロノロジカルに古いデジタル信号サンプルを選択する。この古いデジタル信号サンプルは、複素乗算ブロック９０４において現在のデジタル信号と乗算される。複素乗算ブロック９０４は下記の式（１２）を実施してＬＰＯ信号とＬＰＯ共役信号を乗算する。フィルタ・ブロック９０５は前で議論したＦＩＲフィルタなどのデジタル・フィルタを実施する。フィルタ・ブロック９０５は、センサ信号の同相（Ｉ）成分及び直角位相（Ｑ）成分から高調波部分を取り除き且つ信号をデシメートするために使用される多相デシメーション・フィルタを含むことができる。フィルタ係数は、例えば１０倍のデシメーションなど、入力された信号のデシメーションを提供するために選択されることができる。位相角ブロック９０６はＬＰＯ信号の同相（Ｉ）成分及び直角位相（Ｑ）成分から位相角を決定する。位相角ブロック９０６は下記の式（１３）の一部を実施する。定数ブロック９０７は、式（１４）に示されるように２πで除算されたサンプル速度Ｆ_Ｓを含む係数を供給する。除算ブロック９０８は式（１４）の除算動作を実行する。

周波数部分６０４ｂは

を実施する。したがって、２つの連続するサンプル間の角度は

である。これは左のピックオフのラジアン周波数である。Ｈｚへ変換すると、

となる。ここで、「Ｆ_Ｓ」はヒルベルト変換ブロック６０３の速度である。前に議論した例においては、「Ｆ_Ｓ」は約２ｋＨｚである。

図１０は、通常状態での流量計のピックオフ・センサ信号の電力スペクトル密度のプロットである。流量計の基本周波数はグラフの最も高いスパイクであり、約１３５Ｈｚに位置する。図は、周波数スペクトルにおけるいくつかの他の大きなスパイクをも示す（第１の非基本モードは、基本モードの周波数の約１．５倍の周波数でのねじれモードである）。これらのスパイクは流量計の高調波周波数を含み、また他の望ましくないセンサ・モード（すなわち、ねじれモード、第２の曲げモードなど）を含む。

図１１は、単一位相シフトの実施の形態による代替のヒルベルト変換ブロック６０３’を示す。この実施の形態において、ヒルベルト変換ブロック６０３’はＬＰＯ分岐１１００及びＲＰＯ分岐１１１０を含む。ＬＰＯ分岐１１００はフィルタ・ブロック７０２と並列の遅延ブロック７０１を含む。この実施の形態におけるＲＰＯ分岐１１１０は遅延ブロック７０１だけを含む。前と同様に、遅延ブロック７０１はサンプリング遅延を導入する。前と同様に、フィルタ・ブロック７０２は入力されたデジタル信号サンプルに９０度位相シフトを実行する。理解されるべきであるが、代わりに、ヒルベルト変換ブロック６０３’はＲＰＯ信号を位相シフトすることができる。

この処理の実施の形態は、周波数及び位相差を導出するために（図２〜図３を参照）、ただ１つのセンサ信号のヒルベルト変換／位相シフトを使用する。これは、位相測定を実行するために必要な計算数を著しく低減し、質量流量を取得するのに要する計算数を著しく低減する。

この実施の形態において、ヒルベルト変換ブロック６０３’の出力は、左センサ信号と右センサ信号の両方ではなく、そのうちの一方の直角位相（Ｑ）成分を提供する。以下の例においては、ＬＰＯ信号が位相シフトされる。すなわち、

ヒルベルト変換を使用すると、出力は

となる。ＬＰＯの元の項にヒルベルト変換の出力（すなわち９０度位相シフト）を組み合わせると、

が得られる。その間、ＲＰＯは同一のままである。すなわち、

図１２は、単一位相シフトの実施の形態のための解析ブロック６０４ａ’を示す。この実施の形態における解析ブロック６０４ａ’は１つの結合ブロック８０１、複素乗算ブロック８０３、低域通過フィルタ・ブロック１２０１及び位相角ブロック８０５を含む。この実施の形態における解析ブロック６０４ａ’は、下記の式

を実施する。

低域通過フィルタ・ブロック１２０１は、複素乗算ブロック８０３によって生成された高周波数成分を取り除く低域通過フィルタを含む。低域通過フィルタ・ブロック１２０１は任意の態様の低域通過フィルタリング動作を実施することができる。乗算動作の結果は２つの項を生成する。（−ωｔ）項及び（ωｔ）項は互いに打ち消し合うので、（−ωｔ＋ωｔ＋Φ）項は位相項Φ（直流結果）へ単純化される。（ωｔ＋ωｔ＋Φ）は周波数の二倍の（２ωｔ＋Φ）項に単純化される。結果は２つの項の和であるので、高周波数項（２ωｔ＋Φ）は除去されることができる。ここで対象とするただ１つの信号は直流項である。高周波数（２ωｔ＋Φ）項は、低域通過フィルタを使用することにより結果からフィルタリングされて除去されることができる。低域通過フィルタのカットオフはゼロと２ωとの間の任意の位置に配置されることができる。

フィルタリングの後、結果は

となる。したがって、差分位相角は

となる。

有利なことに、２つのピックオフ信号の代わりに１つのピックオフ信号のヒルベルト変換を行うことによって、コリオリ質量流量計における位相及び周波数推定を実行するために必要な計算負荷が低減される。したがって、位相及び周波数は、２つのセンサ信号を使用するけれども１つの９０度位相シフトのみを使用して決定されることができる。

図１３は、各時間差（Δｔ）値が比較される場合の、従来技術と比べた本発明のセンサ処理を示す。図は気体流（すなわち気泡など）を含む流れ材料を示す。この条件下で、流れ雑音は、位相及び周波数の計算速度の故に、新たなアルゴリズムにおいて実質的に低減される。グラフから分かるとおり、本発明によって導かれる結果は、従来技術の（Δｔ）測定値に現れる大きな山及び谷を示さない。

図１４は、本発明の一つの実施の形態による計量器電子装置２０を示す。この実施の形態の計量器電子装置２０は、前に議論したように、インタフェース２０１、デジタイザ２０２、処理システム２０３及び格納システム２０４を含むことができる。理解されるように、この図の計量器電子装置２０は様々な他の構成部品及び／又はルーチン（前に議論した構成部品及び／又はルーチンなど）を含むことができる。他の実施の形態と共通の構成部品及び／又はルーチンは共通の参照符号を有する。

動作において、計量器電子装置２０は、流量計から第１のセンサ信号１４０５及び第２のセンサ信号１４０６を受け取って処理する。第１のセンサ信号１４０５及び第２のセンサ信号１４０６は、ピックオフ・センサ１７０Ｌ及び１７０Ｒからの信号など、計量器電子装置２０によって実質的に連続して受け取られて処理される、時間変動する電子的な信号を含む。計量器電子装置２０は第１のセンサ信号１４０５及び第２のセンサ信号１４０６を処理し、周波数応答１４１１を、そして最終的には液体流の割合１４１２を得ることができる。液体流の割合１４１２を使用すると、次いで気体流の割合１４１３を同様に容易に決定することができる。

処理システム２０３は、インタフェース２０１から第１のセンサ信号１４０５及び第２のセンサ信号１４０６を受け取り、第１のセンサ信号１４０５及び第２のセンサ信号１４０６を使用して気体流材料の流れストリーム密度１４０８を決定し、流れストリーム密度１４０８を、気体流材料の気体流の割合を表す気体密度１４０９と液体流の割合を表す液体密度１４１０とのうちの少なくとも１つと比較し、気体密度１４０９と液体密度１４１０のうちの少なくとも１つと流れストリーム密度１４０８とから液体流の割合１４１２を決定するように構成されることができる。いくつかの実施の形態において、流れストリーム密度１４０８は気体密度１４０９及び液体密度１４１０と比較される。さらに、処理システム２０３は、インタフェース２０１から第１及び第２のセンサ信号１４０５及び１４０６を受け取り、第１のセンサ信号１４０５から９０度位相シフト１４０７を生成し、９０度位相シフト１４０７と第１のセンサ信号１４０５とを使用して周波数応答１４１１を計算し、周波数応答１４１１を使用して気体流材料の流れストリーム密度１４０８を決定し、流れストリーム密度１４０８から液体流の割合１４１２を決定するように構成されることができる。

液体流の割合及び気体流の割合に加えて、計量器電子装置２０は、第１のセンサ信号１４０５及び第２のセンサ信号１４０６を処理して１つ又は複数の他の流れ特性を得ることができる。１つ又は複数の他の流れ特性は、例えば、位相差又はセンサ信号間の時間遅延、質量流量、体積流量などを含むことができる。他の流れ特性を想定することができ、それらも記載及び請求項の範囲内にある。

気体流材料は、任意の気体又は気体混合物を含むことができる。気体流材料の１つの種類は、油井から生じる気体を含む。例えば、気体流材料は天然ガスを含むことができる。しかしながら、他の気体又は気体混合物を想定することができ、それらは本説明及び請求項の範囲内にある。

液体流の割合は、気体流材料に混入される任意の液体を含むことができる。液体流の割合は液体ストリーム、液体蒸気又は液体滴を含むことができる。例えば、液体は天然ガス流内に水を含むことができる。代わりに、液体は、乾燥工程から運ばれるグリコールなどのグリコールを天然ガス流内に含むことができる。他の代替の形態において、液体は、ポンプ、レギュレータ又は他の流れ操作機構によって気体流材料に導入される油などの油を気体流材料内に含むことができる。しかしながら、他の液体又は液体の組合せを想定することができ、それらは本説明及び請求項の範囲内にある。

この実施の形態の計量器電子装置２０は処理ルーチンを格納し且つ実行することができる。一つの実施の形態における処理ルーチンは密度ルーチン１４０３、液体流の割合ルーチン１４０４、位相シフト・ルーチン１４０２及び周波数応答ルーチン１４０１を含む。理解されるとおり、処理システム２０３は前に議論したルーチンなどの他のルーチンを含むことができる。

計量器電子装置２０は変数及び作業値を含むことができる。一つの実施の形態における変数及び作業値は第１のセンサ信号１４０５、第２のセンサ信号１４０６、９０度位相シフト１４０７、流れストリーム密度１４０８、気体密度１４０９、液体密度１４１０、周波数応答１４１１、液体流の割合１４１２及びオプションの気体流の割合１４１３を含む。理解されるとおり、処理システム２０３は前に議論した変数などの他の変数で動作し、又はそれらを生成することができる。

計量器アセンブリ１０の周波数は、液体流部分が計量器アセンブリ１０を通過するとき変化する。周波数は、純粋な気体流とは対称的に、液体流の割合が増大するにつれて低下する。これは液体流部分が存在するときの増大された密度のためである。したがって、流れストリーム密度を、液体流の割合を決定するために使用することができる。

周波数応答ルーチン１４０１は第１のセンサ信号１４０５及び第２のセンサ信号１４０６を受け取る。前に議論したように、第１のセンサ信号１４０５及び第２のセンサ信号１４０６は、流れアセンブリ１０に印加される駆動振動に対する１つ又は複数の流れ導管の応答を反映する。周波数応答ルーチン１４０１は少なくとも第１のセンサ信号１４０５を処理して周波数応答１４１１を計算する。前に議論したように、第１のセンサ信号１４０５は、いずれかのピックオフ・センサから受け取った電気信号を含むことができる。周波数応答１４１１は、流量計を通る気体流材料の流れに本質的に関連し、したがって流量計内の気体流材料の密度とともに変わる。例えば、流量計を通過する混入液体は、流量計内の密度が増大するにつれ、また、振動応答が一時的に流れ材料によってより減衰されるにつれ、周波数を低下させる。前に議論したように、周波数応答１４１１は第１のセンサ信号１４０５及び９０度位相シフト１４０７を使用して計算されることができる。したがって、速い周波数（及び流れストリーム密度決定）を用いることによって、計量器電子装置２０は液体流の割合１４１２を決定することができ、液体流の割合１４１２を実質的に瞬間的に決定することができる。

前に議論したように、位相シフト・ルーチン１４０２は第１のセンサ信号１４０５を処理して第１のセンサ信号１４０５を位相シフトさせ、９０度位相シフト１４０７を生成する。位相シフト・ルーチン１４０２は周波数応答ルーチン１４０１によって実行されることができる。代わりに、位相シフト・ルーチン１４０２は周波数応答ルーチン１４０１に統合されることができる。

密度ルーチン１４０３は第１のセンサ信号１４０５及び第２のセンサ信号１４０６から流れストリーム密度１４０８を決定する。一つの実施の形態において、密度ルーチン１４０３は流れストリーム密度決定において周波数応答１４１１を使用する。流れストリーム密度１４０８は気体流材料の密度に関連し、気体流材料内の液体流の割合にしたがって変化する。

液体流の割合ルーチン１４０４は流れストリーム密度１４０８を使用して液体流の割合１４１２を生成する。液体流の割合１４１２は気体流材料内の液体の量（又は百分率）に関連する。その決定は図１５に関して以下に議論される。さらに、液体流の割合ルーチン１４０４は気体流の割合１４１３を生成することもでき、気体流の割合１４１３は気体流材料内の気体の量／百分率に関連する。

第１のセンサ信号１４０５及び第２のセンサ信号１４０６は、計量器アセンブリ１０から受け取られる振動応答を格納する。第１のセンサ信号１４０５及び第２のセンサ信号１４０６は、計量器アセンブリ１０から受け取られるアナログ電気信号のデジタル表現を含むことができる。第１のセンサ信号１４０５及び第２のセンサ信号１４０６は電気信号のサンプリングされた部分を含むことができる。

気体密度１４０９は、気体流材料の気体流の割合を表す（公知の）気体密度（すなわち、液体流部分の無い純粋な気体の密度）を格納することができる。気体密度１４０９は、気体流の割合を決定するよう、決定された流れストリーム密度との比較において使用される。比較は図１５に関して以下に議論される。

液体密度１４１０は、純粋な液体の液体密度を表す所定の液体密度を格納することができる。液体密度１４０９は流れストリーム密度との比較及び液体流の割合の決定のために使用されることもできる。

前に記載された位相シフト方法を使用して決定されるとき、周波数は、従来技術とは対照的に、迅速に取得されることができる。さらに、周波数は実質的に瞬間的に決定されることができる。有利なことに、瞬間的な周波数決定は、本発明による流れストリーム密度の決定及び液体流の割合の決定などの他の決定において使用可能である。周波数は実質的に瞬間的に決定されることができるので、液体流の割合は気体流材料に対して迅速且つ正確に決定されることができる。

理解されるとおり、計量器電子装置２０はセンサ信号を反復して受け取って処理することができる。その結果、計量器電子装置２０は気体流材料内の液体流の割合を連続的に且つ実質的に瞬間的に決定することができる。様々なレベルの液体流部分が流量計を通過するとき、計量器電子装置２０は液体流の割合決定プロセスを実質的に連続的に実行することができる。

図１５は、本発明の一つの実施の形態による流量計を通って流れる気体流材料における液体流の割合を決定する方法の流れ図１５００である。ステップ１５０１において、前に議論したように、第１及び第２のセンサ信号が計量器アセンブリ１０から受け取られる。

ステップ１５０２において、前に議論したように、センサ信号が調整されることができる。ステップ１５０３において、気体流材料の流れストリーム密度が決定される。流れストリーム密度は、第１のセンサ信号及び第２のセンサ信号を使用して決定される。その決定に、必要であれば、他の流れ特性、変数及び／又は定数を使用することもできる。

ステップ１５０４において、流れストリーム密度は気体密度及び液体密度と比較される。気体密度は気体流れストリームの気体流の割合を表し、液体密度は液体流の割合を表す。一つの実施の形態において、両方の密度が公知であって使用される。他の実施の形態において、２つの密度の１つだけが公知であって使用される。

図１６は、グリコール百分率（すなわち、液体流の割合）に対する天然ガス密度のグラフである。表は、比較のために使用される一組のデータを示す。しかしながら、任意の種類のデータ構造を使用することができ、データは表の形態である必要はない。斜めの線は、グリコールに対する気体の種々の割合に対する気体流材料密度を示す。図から分かるように、全体の気体流材料密度は液体流の割合に比例する。したがって、少なくとも測定された気体流材料（すなわち全体）密度及び公知の気体密度を使用して、液体流の割合を決定することができる。データ・ルックアップは、例えば圧力及び温度などの他の要因を含むことができることは理解されるべきである。グラフは天然ガス及びグリコールに対するものであるけれども、理解されるように、他の気体及び液体を使用して決定することができる。

図１５を再び参照すると、ステップ１５０５において、液体流の割合が決定される。液体流の割合は気体流材料における液体の量又は百分率を含む。液体流の割合は、例えば気体質量流量及び／又は液体質量流量などの他の計算を実行するために、その後使用されることができる。液体流の割合は、流れストリーム密度の少なくとも公知の気体密度との比較から決定されることができる。代わりに、比較は、流れストリーム密度の公知の気体密度及び公知の液体密度との比較を含むことができる。

流れストリーム密度を公知の気体密度及び公知の液体密度と比較することによって、液体流の割合の決定に使用することができる比率を形成することができる。その比率は
Ｄ_{ｍｅａｓｕｒｅｄ}＝Ｘ（Ｄ_Ｇ）／Ｄ_Ｌ （３５）
を含む。ここで、Ｄ_{ｍｅａｓｕｒｅｄ}は、センサ信号から決定される流れストリーム密度であり、Ｄ_Ｇは公知の気体密度であり、Ｄ_Ｌは公知の液体密度であり、Ｘは液体流の割合である。したがって、液体流の割合Ｘは
Ｘ＝Ｄ_{ｍｅａｓｕｒｅｄ}（Ｄ_Ｌ）／Ｄ_Ｇ （３６）
として決定されることができる。

図１７は、本発明の一つの実施の形態による流量計を通って流れる気体流材料における液体流の割合を決定する方法の流れ図１７００である。ステップ１７０１において、前に議論したように、第１及び第２のセンサ信号が計量器アセンブリ１０から受け取られる。ステップ１７０２において、前に議論したように、センサ信号が調整されることができる。ステップ１７０３において、９０度位相シフトが第１のセンサ信号から生成される。９０度位相シフトは、前に議論したように生成されることができる。第１のセンサ信号が一例として位相シフトされるが、理解されるように、いずれかのセンサ信号を使用することができる。

ステップ１７０４において、計量器アセンブリ１０の周波数応答が計算される。前に議論したように、周波数応答を９０度位相シフト及び第１のセンサ信号を使用して計算することができる。

ステップ１７０５において、周波数応答を使用して、気体流材料の流れストリーム密度が決定される。一つの実施の形態において、流れストリーム密度は、周波数応答を２乗し、２乗された周波数応答を反転することによって決定される（密度＝１／ｆ^２であるので）。その決定には、必要であれば、他の流れ特性、変数及び／又は定数も使用することができることを理解すべきである。ステップ１７０６において、液体流の割合が決定される。液体流の割合は、前に議論したように、流れストリーム密度と公知の気体密度との比較から決定されることができる。

所望であれば、本発明による計量器電子装置及び方法を、いくつかの利点を提供するよう任意の実施の形態にしたがって用いることができる。本発明は、気体流材料における液体流の割合を決定することができる。本発明は、第１のセンサ信号及び第２のセンサ信号から液体流の割合を決定することができる。本発明は、流れストリーム密度から液体流の割合を決定することができる。本発明は、周波数応答を使用して液体流の割合を決定することができる。本発明は、第１のセンサ信号と第１のセンサ信号の９０度位相シフトとを使用して液体流の割合を決定することができる。本発明は、液体流の割合とともに気体流の割合を決定することもできる。本発明は、液体流の割合が液体割合閾値を超えるならば、警報状態を設定することができる。

本発明の一例におけるコリオリ流量計を表す図である。 本発明の一つの実施の形態による計量器電子装置を示す図である。 本発明の一つの実施の形態による流量計におけるセンサ信号を処理する方法の流れ図である。 本発明の一つの実施の形態による計量器電子装置を示す図である。 本発明の一つの実施の形態による流量計における第１及び第２のセンサ信号を処理する方法の流れ図である。 本発明の一つの実施の形態による処理システムの一部のブロック図である。 本発明の一つの実施の形態によるヒルベルト変換ブロックの詳細を示す図である。 本発明の一つの実施の形態による解析ブロックの２つの独立した分岐のブロック図である。 本発明の一つの実施の形態による解析ブロックの２つの独立した分岐のブロック図である。 通常状態下の流量計のピックオフ・センサ信号の電力スペクトル密度のプロットである。 単一位相シフトの実施の形態によるヒルベルト変換ブロックを示す図である。 単一位相シフトの実施の形態のための解析ブロックを示す図である。 各時間差（Δｔ）値が比較される、従来技術と比べた本発明のセンサ処理を示す図である。 本発明の他の実施の形態による計量器電子装置を示す図である。 本発明の一つの実施の形態による流量計を通って流れる気体流材料における液体流の割合を決定する方法の流れ図である。 グリコール百分率（すなわち液体流の割合）に対する天然ガス密度のグラフである。 本発明の一つの実施の形態による流量計を通って流れる気体流材料における液体流の割合を決定する方法の流れ図である。

Claims (28)

1. 流量計（５）を通って流れる気体流材料における液体流の割合を決定するための計量器電子装置（２０）であって、
   前記流量計（５）から第１のセンサ信号及び第２のセンサ信号を受け取るためのインタフェース（２０１）と、
   前記インタフェース（２０１）と通信する処理システム（２０３）であって、前記インタフェース（２０１）から前記第１及び第２のセンサ信号を受け取り、前記第１のセンサ信号及び前記第２のセンサ信号を使用して前記気体流材料の実質的に瞬時の流れストリーム密度を決定し、前記実質的に瞬時の流れストリーム密度を、前記気体流材料の気体流の割合を表す所定の気体密度と液体流の割合を表す所定の液体密度とのうちの少なくとも１つと比較し、前記比較から前記液体流の割合を決定するように構成された処理システム（２０３）と、
   を備える計量器電子装置（２０）。
2. 前記処理システム（２０３）は、前記気体流の割合を決定するようにさらに構成される、請求項１に記載の計量器電子装置（２０）。
3. 前記処理システム（２０３）は、前記第１のセンサ信号から９０度位相シフトを生成し、前記９０度位相シフト及び前記第１のセンサ信号を使用して周波数応答を計算し、前記周波数応答を使用して前記実質的に瞬時の流れストリーム密度を決定するようにさらに構成される、請求項１に記載の計量器電子装置（２０）。
4. 前記処理システム（２０３）は、前記第１のセンサ信号から９０度位相シフトを生成し、前記９０度位相シフト及び前記第１のセンサ信号を使用して周波数応答を計算し、前記周波数応答を２乗して２乗された周波数応答を生成し、前記２乗された周波数応答を反転させて前記気体流材料の実質的に瞬時の流れストリーム密度を生成するようにさらに構成される、請求項１に記載の計量器電子装置（２０）。
5. 前記処理システム（２０３）は、前記液体流の割合を所定の液体割合閾値と比較し、前記液体流の割合が前記所定の液体割合閾値を超えるならば警報状態を設定するようにさらに構成される、請求項１に記載の計量器電子装置（２０）。
6. 前記流量計（５）はコリオリ流量計を備える、請求項１に記載の計量器電子装置（２０）。
7. 前記流量計（５）は振動密度計を備える、請求項１に記載の計量器電子装置（２０）。
8. 前記比較することは、前記実質的に瞬時の流れストリーム密度を、前記気体流材料の気体流の割合を表す所定の気体密度と液体流の割合を表す所定の液体密度とのうちの少なくとも１つ及び駆動利得と比較することをさらに含む、請求項１に記載の計量器電子装置（２０）。
9. 流量計（５）を通って流れる気体流材料における液体流の割合を決定するための計量器電子装置（２０）であって、
   前記流量計（５）から第１のセンサ信号及び第２のセンサ信号を受け取るためのインタフェース（２０１）と、
   前記インタフェース（２０１）と通信する処理システム（２０３）であって、前記インタフェース（２０１）から前記第１及び第２のセンサ信号を受け取り、前記第１のセンサ信号から９０度位相シフトを生成し、前記９０度位相シフト及び前記第１のセンサ信号を使用して周波数応答を計算し、前記周波数応答を使用して前記気体流材料の流れストリーム密度を決定し、前記流れストリーム密度から前記液体流の割合を決定するように構成された処理システム（２０３）と、
   を備える計量器電子装置（２０）。
10. 前記処理システム（２０３）は、前記気体流の割合を決定するようにさらに構成される、請求項９に記載の計量器電子装置（２０）。
11. 前記処理システム（２０３）は、前記周波数応答を２乗して２乗された周波数応答を生成することによって流れストリーム密度を決定し前記２乗された周波数応答を反転させて前記流れストリーム密度を生成するようにさらに構成される、請求項９に記載の計量器電子装置（２０）。
12. 前記処理システム（２０３）は、前記第１のセンサ信号及び前記第２のセンサ信号から前記気体流材料の流れストリーム密度を決定し、前記流れストリーム密度を、前記気体流材料の気体流の割合を表す所定の気体密度と液体流の割合を表す所定の液体密度とのうちの少なくとも１つと比較し、前記比較から前記液体流の割合を決定するようにさらに構成される、請求項９に記載の計量器電子装置（２０）。
13. 前記処理システム（２０３）は、前記液体流の割合を所定の液体割合閾値と比較し、前記液体流の割合が前記所定の液体割合閾値を超えるならば警報状態を設定するようにさらに構成される、請求項９に記載の計量器電子装置（２０）。
14. 前記流量計（５）はコリオリ流量計を備える、請求項９に記載の計量器電子装置（２０）。
15. 前記流量計（５）は振動密度計を備える、請求項９に記載の計量器電子装置（２０）。
16. 前記液体流の割合を決定することは、前記流れストリーム密度及び駆動利得から前記液体流の割合を決定することをさらに含む、請求項９に記載の計量器電子装置（２０）。
17. 流量計を通って流れる気体流材料における液体流の割合を決定する方法であって、
    前記流量計から第１のセンサ信号及び第２のセンサ信号を受け取るステップと、
    前記第１のセンサ信号及び前記第２のセンサ信号を使用して前記気体流材料の実質的に瞬時の流れストリーム密度を決定するステップと、
    前記実質的に瞬時の流れストリーム密度を、前記気体流材料の気体流の割合を表す所定の気体密度と液体流の割合を表す所定の液体密度とのうちの少なくとも１つと比較するステップと、
    前記比較から前記液体流の割合を決定するステップと、
    を含む方法。
18. 前記気体流の割合を決定するステップをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
19. 前記実質的に瞬時の流れストリーム密度を決定するステップは、さらに、
    前記第１のセンサ信号から９０度位相シフトを生成するステップと、
    前記９０度位相シフト及び前記第１のセンサ信号を使用して周波数応答を計算するステップと、
    前記周波数応答から前記実質的に瞬時の流れストリーム密度を決定するステップと、
    を含む、請求項１７に記載の方法。
20. 前記周波数応答から前記実質的に瞬時の流れストリーム密度を決定するステップは、
    前記周波数応答を２乗して２乗された周波数応答を生成するステップと、
    前記２乗された周波数応答を反転させて前記実質的に瞬時の流れストリーム密度を生成するステップと、
    をさらに含む、請求項１９に記載の方法。
21. 前記液体流の割合を所定の液体割合閾値と比較するステップと、
    前記液体流の割合が前記所定の液体割合閾値を超えるならば警報状態を設定するステップと、
    をさらに含む、請求項１７に記載の方法。
22. 前記比較するステップは、前記実質的に瞬時の流れストリーム密度を、前記気体流材料の気体流の割合を表す所定の気体密度と液体流の割合を表す所定の液体密度とのうちの少なくとも１つ及び駆動利得と比較するステップをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
23. 流量計を通って流れる気体流材料における液体流の割合を決定する方法であって、
    前記流量計から第１のセンサ信号及び第２のセンサ信号を受け取るステップと、
    前記第１のセンサ信号から９０度位相シフトを生成するステップと、
    前記９０度位相シフト及び前記第１のセンサ信号を使用して周波数応答を計算するステップと、
    前記周波数応答を使用して前記気体流材料の流れストリーム密度を決定するステップと、
    前記流れストリーム密度から前記液体流の割合を決定するステップと、
    を含む方法。
24. 前記気体流の割合を決定するステップをさらに含む、請求項２３に記載の方法。
25. 前記周波数応答から前記流れストリーム密度を決定するステップは、
    前記周波数応答を２乗して２乗された周波数応答を生成するステップと、
    前記２乗された周波数応答を反転させて前記流れストリーム密度を生成するステップと、
    をさらに含む、請求項２３に記載の方法。
26. 前記液体流の割合を決定するステップは、
    前記流れストリーム密度を、前記気体流材料の気体流の割合を表す所定の気体密度と液体流の割合を表す所定の液体密度とのうちの少なくとも１つと比較するステップと、
    前記比較から前記液体流の割合を決定するステップと、
    をさらに含む、請求項２３に記載の方法。
27. 前記液体流の割合を所定の液体割合閾値と比較するステップと、
    前記液体流の割合が前記所定の液体割合閾値を超えるならば警報状態を設定するステップと、
    をさらに含む、請求項２３に記載の方法。
28. 前記液体流の割合を決定するステップは、前記流れストリーム密度及び駆動利得から前記液体流の割合を決定するステップをさらに含む、請求項２３に記載の方法。