JP2010203921A - コリオリ質量流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】デジタルフィルタリング処理の演算量及びメモリ容量を削減して、演算処理時間の短縮及び低コスト化を図ることの可能なコリオリ質量流量計を提供する。
【解決手段】流体が流れる測定チューブの振動を検出する第１及び第２のセンサの出力信号の位相差に基づいて前記流体の質量流量を測定するコリオリ質量流量計であって、第１及び第２のセンサの出力信号をそれぞれデジタル変換する第１及び第２のＡ／Ｄ変換器と、第１及び第２のＡ／Ｄ変換器の出力デジタル信号をそれぞれ９０°位相の異なるデジタル信号に変換する第１及び第２の微分フィルタと、第１及び第２のＡ／Ｄ変換器から出力されるデジタル信号と、第１及び第２の微分フィルタから出力されるデジタル信号を用いて流体の質量流量を算出する演算部とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、流体の質量流量を測定するコリオリ質量流量計に関する。

コリオリ質量流量計とは、流体が流れるチューブを振動させ、チューブの上下流における異なる２点の振動検出信号の位相差からチューブを流れる流体の質量流量を測定するものである。このコリオリ質量流量計は、位相差の検出方法に着目すると、アナログ検出方法を用いるものと、デジタル検出方法を用いるものとに大別される。

アナログ検出方法は、上流側に設けられたセンサ（ピックアップコイル）及び下流側に設けられたセンサから得られる検出信号の振幅が「０」になる時点（ゼロクロス点）をそれぞれ求め、ゼロクロス点の時間差から検出信号の位相差を検出する検出方法である。これに対し、デジタル検出方法は、上流側センサ及び下流側センサで得られる検出信号の各々を同一のタイミングでサンプリングしてデジタル信号に変換し、これらのデジタル信号に対して所定の信号処理を施すことにより、検出信号の位相差を検出する検出方法である。ここで、検出信号の位相差の検出のために施される信号処理としては、ＤＦＴ（Discrete Fourier Transform：離散フーリエ変換）処理とヒルベルト変換処理とが挙げられる。

尚、従来のコリオリ質量流量計の詳細については、例えば以下の特許文献１及び２を参照されたい。これら特許文献１及び２には、検出信号の位相差を検出するためにヒルベルト変換処理を用いたコリオリ質量流量計の詳細が開示されている。

特許第３２００８２７号公報 特許第３２１９１２２号公報

図１１は、特許文献１及び２に開示されたコリオリ質量流量計におけるヒルベルト変換部の構成を抜粋したものである。上流側のヒルベルト変換部１００を構成するＦＩＲフィルタ１０１及び１０２の目的は、上流側センサから出力される検出信号がＡ／Ｄ変換器によってデジタル信号に変換された後に、このデジタル信号から所望の周波数の信号を取り出し、いずれか一方のＦＩＲフィルタによって９０°位相の異なる信号に変換することである。

同様に、下流側のヒルベルト変換部２００を構成するＦＩＲフィルタ２０１及び２０２の目的は、下流側センサから出力される検出信号がＡ／Ｄ変換器によってデジタル信号に変換された後に、このデジタル信号から所望の周波数の信号を取り出し、いずれか一方のＦＩＲフィルタによって９０°位相の異なる信号に変換することである。

これらＦＩＲフィルタ１０１、１０２、２０１及び２０２によるデジタルフィルタリング処理は並列に実行されるので、所望の周波数の信号を取り出すために同等の次数及び特性を有するフィルタになっており、所望の周波数の信号を取り出すための処理が重複して行われている。つまり、デジタルフィルタリング処理の演算量が膨大となるため、高性能のＣＰＵ（Central Processing Unit）が必要となり、コストの増大を招く要因となっていた。

また、ＦＩＲフィルタ１０１と１０２は、いずれか一方のフィルタによって９０°異なる位相の信号に変換するため、フィルタの係数がそれぞれ異なる。よって、ＦＩＲフィルタ１０１と１０２の係数を共にメモリに記憶しておく必要がある。ＦＩＲフィルタ２０１と２０２についても同様である。つまり、フィルタ係数保持のために大容量のメモリが必要となり、コストの増大を招く一要因となっていた。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、デジタルフィルタリング処理の演算量及びメモリ容量を削減して、演算処理時間の短縮及び低コスト化を図ることの可能なコリオリ質量流量計を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の第１の態様によるコリオリ質量流量計は、流体が流れる測定チューブの振動を検出する第１及び第２のセンサの出力信号の位相差に基づいて前記流体の質量流量を測定するコリオリ質量流量計であって、前記第１及び第２のセンサの出力信号をそれぞれデジタル変換する第１及び第２のＡ／Ｄ変換器と、前記第１及び第２のＡ／Ｄ変換器の出力デジタル信号をそれぞれ９０°位相の異なるデジタル信号に変換する第１及び第２の微分フィルタと、前記第１のＡ／Ｄ変換器から出力される第１のデジタル信号、前記第１の微分フィルタから出力される第２のデジタル信号、前記第２のＡ／Ｄ変換器から出力される第３のデジタル信号及び前記第２の微分フィルタから出力される第４のデジタル信号を用いて前記流体の質量流量を算出する演算部とを備えることを特徴とする。

また、本発明の第２の態様によるコリオリ質量流量計は、流体が流れる測定チューブの振動を検出する第１及び第２のセンサの出力信号の位相差に基づいて前記流体の質量流量を測定するコリオリ質量流量計であって、前記第１及び第２のセンサの出力信号をそれぞれデジタル変換する第１及び第２のＡ／Ｄ変換器と、前記第１及び第２のＡ／Ｄ変換器の出力デジタル信号をそれぞれフィルタリングして同一位相のデジタル信号を出力する第１及び第２の同相デジタルフィルタと、前記第１及び第２の同相デジタルフィルタの出力デジタル信号をそれぞれ９０°位相の異なるデジタル信号に変換すると共に、前記第１及び第２の同相デジタルフィルタより次数の低い第１及び第２の異相デジタルフィルタと、前記第１の同相デジタルフィルタから出力される第１のデジタル信号、前記第１の異相デジタルフィルタから出力される第２のデジタル信号、前記第２の同相デジタルフィルタから出力される第３のデジタル信号及び前記第２の異相デジタルフィルタから出力される第４のデジタル信号を用いて前記流体の質量流量を算出する演算部とを備えることを特徴とする。

また、本発明の第２の態様によるコリオリ質量流量計において、前記第１及び第２の異相デジタルフィルタは、微分フィルタまたはヒルベルト変換フィルタであることを特徴とする。

また、本発明の第１または第２の態様によるコリオリ質量流量計において、前記演算部は、前記第１のデジタル信号と前記第２のデジタル信号との比率から第１の位相を算出する第１の位相演算部と、前記第３のデジタル信号と前記第４のデジタル信号との比率から第２の位相を算出する第２の位相演算部とを備えることを特徴とする。

また、本発明の第１または第２の態様によるコリオリ質量流量計において、前記演算部は、前記第１の位相と前記第２の位相との差を前記位相差として算出する位相差演算部と、前記位相差演算部にて算出された前記位相差を基に前記流体の質量流量を算出する質量流量演算部とを備えることを特徴とする。

また、本発明の第１または第２の態様によるコリオリ質量流量計において、前記演算部は、前記第１のデジタル信号と前記第２のデジタル信号との比率から第１の位相を算出する第１の位相演算部、若しくは前記第３のデジタル信号と前記第４のデジタル信号との比率から第２の位相を算出する第２の位相演算部を備えることを特徴とする。

また、本発明の第１または第２の態様によるコリオリ質量流量計において、前記第１の位相演算部にて算出された前記第１の位相の変位量、若しくは前記第２の位相演算部にて算出された前記第２の位相の変位量に基づいて、前記第１若しくは第２のセンサの出力信号の周波数を算出する周波数演算部を備えることを特徴とする。

また、本発明の第１または第２の態様によるコリオリ質量流量計において、前記演算部は、前記第１のデジタル信号をａ、前記第２のデジタル信号をｂ、前記第３のデジタル信号をｃ、前記第４のデジタル信号をｄとする下記演算式（５）を基に前記位相差ΔΦを算出する三角関数演算部と、前記三角関数演算部にて算出された前記位相差ΔΦを基に前記流体の質量流量を算出する質量流量演算部とを備えることを特徴とする。
tanΔΦ＝（ｂｃ−ａｄ）／（ａｃ＋ｂｄ） ・・・・（５）

また、本発明の第１または第２の態様によるコリオリ質量流量計において、前記演算部は、所定時間だけ遅延させた前記第１のデジタル信号と前記第３のデジタル信号とを、前記位相差を求めるために使用することを特徴とする。

本発明によれば、従来と比べてフィルタ次数を低く且つフィルタ係数を少なくすることができ、その結果、デジタルフィルタリング処理の演算量及びメモリ容量を削減して、演算処理時間の短縮及び低コスト化を図ることが可能となる。

本発明の第１実施形態に係るコリオリ質量流量計１のブロック構成図である。 本発明の第１実施形態に係るコリオリ質量流量計１に関する補足説明図である。 本発明の第１実施形態に係るコリオリ質量流量計１に関する補足説明図である。 本発明の第２実施形態に係るコリオリ質量流量計２のブロック構成図である。 本発明の第３実施形態に係るコリオリ質量流量計３のブロック構成図である。 本発明の第４実施形態に係るコリオリ質量流量計４のブロック構成図である。 本発明の第１実施形態に係るコリオリ質量流量計１の変形例である。 本発明の第２実施形態に係るコリオリ質量流量計２の変形例である。 本発明の第３実施形態に係るコリオリ質量流量計３の変形例である。 本発明の第４実施形態に係るコリオリ質量流量計４の変形例である。 従来のコリオリ質量流量計に関する説明図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
〔第１実施形態〕
図１は、第１実施形態に係るコリオリ質量流量計１のブロック構成図である。図１に示す通り、第１実施形態のコリオリ質量流量計１は、検出部１０と変換部２０とに大別される。検出部１０は、測定対象としての流体が流れる測定チューブＴ（図２参照）を振動させてその上下流における振動及び測定チューブＴの温度を検出する。変換部２０は、検出部１０で検出される検出信号ＳＡ、ＳＢの位相差を求めて測定チューブＴを流れる流体の質量流量を求める。

図２は、検出部１０の構成を示す構成図である。図２に示す通り、検出部１０は、流体が流れる測定チューブＴの周囲に設けられている加振器１１、上流側センサ１２（第１のセンサ）、下流側センサ１３（第２のセンサ）、及び温度センサ１４を備える。尚、本実施形態では、説明を簡単にするために、測定チューブＴが支持部材ＳＰ１，ＳＰ２によって固定支持された直管型のものであるものとする。

加振器１１は、図１に示す変換部２０から出力される駆動信号ＤＲ１に応じて測定チューブＴを所定の振動モードで振動させる。図３は、測定チューブＴの振動モードの一例を示す図である。加振器１１は、例えば図３において符号Ｍ１，Ｍ２を付して示す１次モード（振動の節が支持部材ＳＰ１，ＳＰ２によって固定支持された部分にのみ現れる振動モード）で測定チューブＴを振動させる。かかる振動が与えられている状態で、測定チューブＴに流体が流れると、測定チューブＴは、例えば図３において符号Ｍ３，Ｍ４を付して示す２次モード（振動の節が支持部材ＳＰ１，ＳＰ２によって固定支持された部分とその中間の位置とに現れる振動モード）で振動する。尚、実際には、測定チューブＴは、この２種類の振動モードが重畳された振動モードで振動することになる。

上流側センサ１２は、支持部材ＳＰ１の近傍に固定されて測定チューブＴの上流側の振動を検出する。この上流側センサ１２の検出結果は検出信号ＳＡとして変換部２０に出力される。下流側センサ１３は、支持部材ＳＰ２の近傍に固定されて測定チューブＴの下流側の振動を検出する。この下流側センサ１３の検出結果は検出信号ＳＢとして変換部２０に出力される。

温度センサ１４は、支持部材ＳＰ２の近傍における測定チューブＴ上に固定されて測定チューブＴの表面温度を検出する。この温度センサ１４の検出結果は検出信号ＳＴ１として変換部２０に出力されて、温度変動による質量流量の測定誤差を防止するために用いられる。

一方、変換部２０において、クロック信号発振器２１は、測定チューブＴの振動とは無関係に、所定のサンプリング周期を持つタイミング信号Ｔｃを生成する。検出信号ＳＡは、例えばＡ・sin(ωｔ_０)なる形でトラックアンドホールド（Ｔ＆Ｈ）回路２２に出力され、ここでサンプリングの時点を決めるタイミング信号Ｔｃにより検出信号ＳＡは各時点で順次サンプル／ホールドされる。ここで、Ａは振幅、ωは角周波数、ｔ_０は任意の時点を示す。

Ｔ＆Ｈ回路２２によってホールドされた検出信号ＳＡはＡ／Ｄ変換器２３（第１のＡ／Ｄ変換器）に出力され、ここで順次デジタル信号ＤＡに変換されて、デジタル形式で処理されるローパスフイルタ（ＬＰＦ）２４に出力される。ＬＰＦ２４は、測定チューブＴの振動周波数付近よりも高い周波数成分を除去し、デジタル信号ＤＡ１（第１のデジタル信号）として微分フィルタ２５（第１の微分フィルタ）及び位相演算部２６（第１の位相演算部）に出力する。なお、このＬＰＦ２４は必ずしも設ける必要はなく、Ａ／Ｄ変換器２３の出力信号（デジタル信号ＤＡ）を直接、微分フィルタ２５及び位相演算部２６に出力するような構成としても良い。また、ＬＰＦ２４の代わりに振動周波数を通過させるバンドパスフィルタを設けても良い。

微分フィルタ２５は、入力信号（デジタル信号ＤＡ１）を微分することにより９０°異なる位相の出力信号に変換するデジタルフィルタであり、基本的にＡ・cos(ωｔ_０)なる形のデジタル信号ＤＡ２（第２のデジタル信号）を位相演算部２６に出力する。

位相演算部２６は、デジタル信号ＤＡ１とデジタル信号ＤＡ２との比率［Ａ・sin(ωｔ_０)／Ａ・cos(ωｔ_０)＝tan(ωｔ_０)］を演算し、そのtan^-1を演算することにより、検出信号ＳＡの位相信号θ_Ａ１（＝ωｔ_０；第１の位相）を算定する。この算定に当たって、位相信号θ_Ａ１の値が９０°近くになる比率（ＤＡ１／ＤＡ２）のときは、精度良く演算できないので、得られた位相信号θ_Ａ１が９０°に近いときは、この値を平均値の計算に用いない配慮が必要である。

また、検出信号ＳＢは、例えばＢ・sin(ωｔ_０＋ΔΦ)なる形でＴ＆Ｈ回路２７に出力され、ここでサンプリングの時点を決めるタイミング信号Ｔｃにより検出信号ＳＢは各時点で順次サンプル／ホールドされる。ここで、Ｂは振幅、ΔΦは時点ｔ_０における検出信号ＳＡに対する位相差を示す。

Ｔ＆Ｈ回路２７によってホールドされた検出信号ＳＢはＡ／Ｄ変換器２８（第２のＡ／Ｄ変換器）に出力され、ここで順次デジタル信号ＤＢに変換されて、デジタル形式で処理されるＬＰＦ２９に出力される。このＬＰＦ２９は、ＬＰＦ２４と同一の構成であり、ゲイン特性および群遅延特性なども共通に選定しておく。ＬＰＦ２９は、測定チューブＴの振動周波数付近よりも高い周波数成分を除去し、デジタル信号ＤＢ１（第３のデジタル信号）として微分フィルタ３０（第２の微分フィルタ）及び位相演算部３１（第２の位相演算部）に出力する。なお、このＬＰＦ２９は必ずしも設ける必要はなく、Ａ／Ｄ変換器２８の出力信号（デジタル信号ＤＢ）を直接、微分フィルタ３０及び位相演算部３１に出力するような構成としても良い。また、ＬＰＦ２９の代わりに振動周波数を通過させるバンドパスフィルタを設けても良い。

微分フィルタ３０は、入力信号（デジタル信号ＤＢ１）を微分することにより９０°異なる位相の出力信号に変換するデジタルフィルタであり、基本的にＢ・cos(ωｔ_０＋ΔΦ)なる形のデジタル信号ＤＢ２（第４のデジタル信号）を位相演算部３１に出力する。位相演算部３１は、デジタル信号ＤＢ１とデジタル信号ＤＢ２との比率〔Ｂ・sin(ωｔ₀＋ΔΦ)／Ｂ・cos(ωｔ_０＋ΔΦ)＝tan(ωｔ_０＋ΔΦ)］を演算し、そのtan^-1を演算することにより、検出信号ＳＢの位相信号θ_Ｂ１（＝ωｔ_０＋ΔΦ；第２の位相）を算定する。

位相差演算部３２は、位相演算部２６から順次出力される位相信号θ_Ａ１と、位相演算部３１から順次出力される位相信号θ_Ｂ１との差（＝位相差ΔΦ）を演算して位相差信号θ_１として順次出力する。この位相差信号θ_１は、被測定流体の質量流量に比例するものであり、質量流量演算部４１に出力される。

時間遅れ要素３３は位相演算部２６から出力される位相信号θ_Ａ１（＝ωｔ_０）を１サンプル周期Ｔｃだけ遅らせて出力する。従って、時刻ｔ_０においては、１サンプル点手前の位相信号θ_Ａ１´（＝ωｔ_-1；ｔ_-1は１つ前のサンプリング時点）が周波数演算部３４に出力される。周波数演算部３４は、これらの位相信号θ_Ａ１とθ_Ａ１´との差を２πＴｃで割算する演算［（ωｔ_０−ωｔ_-1）／２πＴｃ＝ｆ_Ｃ］を行い、時点ｔ_０における加振周波数ｆ_Ｃ（上流側センサ１２の検出信号ＳＡの周波数）を求める。平均化回路３５は、多数のサンプリング点で求めた加振周波数ｆ_Ｃの平均の加振周波数ｆ_Ｃ´を求めて密度演算部４０及び質量流量演算部４１に出力する。

なお、上記の周波数演算部３４は、第１の位相である位相信号θ_Ａ１の変位量［（ωｔ_０−ωｔ_-1）／２πＴｃ＝ｆ_Ｃ］を基に加振周波数ｆ_Ｃを算出したが、位相演算部３１から出力される第２の位相である位相信号θ_Ｂ１の変位量を基に加振周波数ｆ_Ｃ（この場合、下流側センサ１３の検出信号ＳＢの周波数）を算出するようにしても良い。

また、励振回路３６には検出信号ＳＡが入力され、この検出信号ＳＡに対応する加振電圧（駆動信号ＤＲ１）を加振器１１に出力し、加振器１１を例えば正弦波状に駆動する。一方、温度センサ１４からは、検出信号ＳＴ１がＴ＆Ｈ回路３７に出力され、サンプリングの時点を決めるタイミング信号Ｔｃによりホールドされた多数の検出信号ＳＴ１は、Ａ／Ｄ変換器３８でデジタル信号に変換されて平均化回路３９に出力され、ここで平均されて温度信号ＳＴ２として密度演算部４０及び質量流量演算部４１に出力される。

密度演算部４０は、加振周波数ｆ_Ｃ´と温度信号ＳＴ２とを基に、下記演算式（１）及
び（２）から被測定流体の密度Ｄを演算して質量流量演算部４１に出力する。なお、下記演算式（１）及び（２）において、ｆ_ｒは基準温度において被測定流体が測定チューブＴに充満している状態の共振周波数、ｆ_０は測定チューブＴが空の状態の共振周波数、Ｋ_１及びＫ_２は定数である。
Ｄ ＝ Ｋ_２（ｆ_０ ²−ｆ_ｒ ²）／ｆ_ｒ ² ・・・・・（１）
なお、ｆ_ｒ＝ｆ_Ｃ´＋ Ｋ₁・ＳＴ２ ・・・・・（２）

質量流量演算部４１は、密度Ｄ、加振周波数ｆ_C´、位相差信号θ_１（＝ΔΦ）及び温度信号ＳＴ２を基に、下記演算式（３）から質量流量Ｑを演算する。なお、下記演算式（３）において、ｆ（ＳＴ２）は温度の補正項、ｆ（Ｄ）は密度の補正項である。
Ｑ ＝ｆ（ＳＴ２）・ｆ（Ｄ）・ｔａｎθ_１／ｆ_Ｃ´ ・・・・・（３）

以上のように、第１実施形態に係るコリオリ質量流量計１では、検出信号ＳＡのデジタル信号ＤＡ１及び検出信号ＳＢのデジタル信号ＤＢ１を９０°異なる位相の出力信号に変換するデジタルフィルタとして、微分フィルタ２５及び３０を用いているため、従来と比べてフィルタ次数を低く且つフィルタ係数を少なくすることができる。従って、第１実施形態に係るコリオリ質量流量計１によれば、デジタルフィルタリング処理の演算量及びメモリ容量を削減して、演算処理時間の短縮及び低コスト化を図ることが可能となる。

また、第１実施形態に係るコリオリ質量流量計１では、従来では同相デジタルフィルタとして使用していたＦＩＲフィルタ１０１、１０２、２０１、２０２を使用しないため、よりデジタルフィルタリング処理の演算量及びメモリ容量の削減効果を得て、演算処理時間の短縮及び低コスト化を図ることができる。このように、従来では同相デジタルフィルタとして使用していたＦＩＲフィルタを使用しない構成は、ＬＰＦ２４及び２９によって十分にデジタル信号ＤＡ及びＤＢに含まれるノイズ成分を除去可能な場合に有効である。

〔第２実施形態〕
次に、第２実施形態に係るコリオリ質量流量計２について説明する。図４は、第２実施形態に係るコリオリ質量流量計２のブロック構成図である。なお、図４において、図１と同様の構成要素には同一符号を付して説明を省略する。

図４に示すように、第２実施形態に係るコリオリ質量流量計２は、ＬＰＦ２４の後段にＦＩＲフィルタ４２（第１の同相デジタルフィルタ）を追加し、ＬＰＦ２９の後段にＦＩＲフィルタ４３（第２の同相デジタルフィルタ）を追加した構成となっている。ＦＩＲフィルタ４２は、ＬＰＦ２４から出力されるデジタル信号ＤＡ１を入力とし、この入力信号と同相の出力信号に変換する同相デジタルフィルタであり、基本的にＡ・sin(ωｔ_０)なる形のデジタル信号ＤＡ１’を微分フィルタ２５及び位相演算部２６に出力する。なお、ＬＰＦ２４は必ずしも設ける必要はなく、Ａ／Ｄ変換器２３の出力信号（デジタル信号ＤＡ）を直接、ＦＩＲフィルタ４２に出力するような構成としても良い。また、ＬＰＦ２４の代わりに振動周波数を通過させるバンドパスフィルタを設けても良い。

ＦＩＲフィルタ４３は、ＬＰＦ２９から出力されるデジタル信号ＤＢ１を入力とし、この入力信号と同相の出力信号に変換する同相デジタルフィルタであり、基本的にＢ・sin(ωｔ_０＋ΔΦ)なる形のデジタル信号ＤＢ１’を微分フィルタ３０及び位相演算部３１に出力する。なお、ＬＰＦ２９は必ずしも設ける必要はなく、Ａ／Ｄ変換器２８の出力信号（デジタル信号ＤＢ）を直接、ＦＩＲフィルタ４３に出力するような構成としても良い。また、ＬＰＦ２９の代わりに振動周波数を通過させるバンドパスフィルタを設けても良い。

このような構成において、微分フィルタ２５（第１の異相デジタルフィルタ）は、入力信号（デジタル信号ＤＡ１’）を微分することにより９０°異なる位相のデジタル信号ＤＡ２’を位相演算部２６に出力する。位相演算部２６は、デジタル信号ＤＡ１’とデジタル信号ＤＡ２’との比率を演算し、そのtan^-1を演算することにより、検出信号ＳＡの位相信号θ_Ａ１を算定する。

また、微分フィルタ３０（第２の異相デジタルフィルタ）は、入力信号（デジタル信号ＤＢ１’）を微分することにより９０°異なる位相のデジタル信号ＤＢ２’を位相演算部３１に出力する。位相演算部３１は、デジタル信号ＤＢ１’とデジタル信号ＤＢ２’との比率を演算し、そのtan^-1を演算することにより、検出信号ＳＢの位相信号θ_Ｂ１を算定する。後段の質量流量の演算処理に関しては第１実施形態と同様である。

以上のような第２実施形態に係るコリオリ質量流量計２によれば、従来例と比較してデジタルフィルタリング処理の演算量及びメモリ容量の削減効果はあるが、第１実施形態と比較するとそれらの削減効果は小さい。しかしながら、ＬＰＦ２４及び２９によって十分にデジタル信号ＤＡ及びＤＢに含まれるノイズ成分を除去できない場合に有効である。

なお、第２実施形態に係るコリオリ質量流量計２では、微分フィルタ２５及び３０の代わりに、前段に設けられたＦＩＲフィルタ４２及び４３より次数の低い異相デジタルフィルタ、例えばヒルベルト変換フィルタを設けても良い。

〔第３実施形態〕
次に、第３実施形態に係るコリオリ質量流量計３について説明する。図５は、第３実施形態に係るコリオリ質量流量計３のブロック構成図である。なお、図５において、図１と同様の構成要素には同一符号を付して説明を省略する。この図５に示すように、第３実施形態に係るコリオリ質量流量計３では、第１実施形態に係るコリオリ質量流量計１における位相演算部２６及び３１、位相差演算部３２、時間遅れ要素３３、周波数演算部３４及び平均化回路３５が削除され、代わりに周波数測定回路５０及び三角関数演算部５１が設けられている。

周波数測定回路５０は、上流側センサ１２から出力される検出信号ＳＡを入力とし、この検出信号ＳＡの信号周波数ｆ_Ａを測定して、その測定結果を密度演算部４０及び質量流量演算部４１に出力する。つまり、第３実施形態における密度演算部４０は、信号周波数ｆ_Ａと温度信号ＳＴ２とを基に、下記演算式（４）から基準温度において被測定流体が測定チューブＴに充満している状態の共振周波数ｆ_ｒを算出する。なお、密度Ｄの演算式は上記（２）式と同様である。
ｆ_ｒ＝ｆ_Ａ＋ Ｋ₁・ＳＴ２ ・・・・・（４）

また、三角関数演算部５１は、ＬＰＦ２４から出力されるデジタル信号ＤＡ１、微分フィルタ２５から出力されるデジタル信号ＤＡ２、ＬＰＦ２９から出力されるデジタル信号ＤＢ１、微分フィルタ３０から出力されるデジタル信号ＤＢ２を入力とすると共に、デジタル信号ＤＡ１をａ、デジタル信号ＤＡ２をｂ、デジタル信号ＤＢ１をｃ、デジタル信号ＤＢ２をｄとする下記演算式（５）を基に位相差ΔΦを演算する。
tanΔΦ＝（ｂｃ−ａｄ）／（ａｃ＋ｂｄ） ・・・・（５）

なお、ＬＰＦ２４は必ずしも設ける必要はなく、Ａ／Ｄ変換器２３の出力信号（デジタル信号ＤＡ）を直接、三角関数演算部５１及び微分フィルタ２５に出力するような構成としても良い。また、ＬＰＦ２４の代わりに振動周波数を通過させるバンドパスフィルタを設けても良い。また、ＬＰＦ２９は必ずしも設ける必要はなく、Ａ／Ｄ変換器２８の出力信号（デジタル信号ＤＢ）を直接、三角関数演算部５１及び微分フィルタ３０に出力するような構成としても良い。また、ＬＰＦ２９の代わりに振動周波数を通過させるバンドパスフィルタを設けても良い。

より詳細には、三角関数演算部５１は、時刻ｔ_ｉにおける、デジタル信号ＤＡ１をａ_ｉ、デジタル信号ＤＡ２をｂ_ｉ、デジタル信号ＤＢ１をｃ_ｉ、デジタル信号ＤＢ２をｄ_ｉ、時刻ｔ₁〜ｔ_Ｎの一対のコリオリ信号（検出信号ＳＡ及びＳＢ）の位相差の平均値の正接信号をtanΔΦとした場合に、下記演算式（６）を基にtanΔΦを演算し、そのtan^-1を演算することにより、検出信号ＳＡとＳＢとの位相差（ΔΦ）を演算して位相差信号θ_１として質量流量演算部４１に出力する。
なお、このような三角関数演算部５１による位相差（ΔΦ）の詳細な演算処理については、特許文献２（特許第３２１９１２２号公報）を参照されたい。

第３実施形態における質量流量演算部４１は、密度Ｄ、信号周波数ｆ_Ａ、位相差信号θ_１（＝ΔΦ）及び温度信号ＳＴ２を基に、下記演算式（７）から質量流量Ｑを演算する。なお、下記演算式（７）において、ｆ（ＳＴ２）は温度の補正項、ｆ（Ｄ）は密度の補正項である。
Ｑ ＝ｆ（ＳＴ２）・ｆ（Ｄ）・ｔａｎθ_１／ｆ_Ａ ・・・・・（７）

以上のように、第３実施形態に係るコリオリ質量流量計３は、第１実施形態と比べて位相差（ΔΦ）の演算手法が異なるのみであり、第１実施形態と同様の効果（デジタルフィルタリング処理の演算量及びメモリ容量を削減して、演算処理時間の短縮及び低コスト化を図ることが可能）を得ることができる。

〔第４実施形態〕
次に、第４実施形態に係るコリオリ質量流量計４について説明する。図６は、第４実施形態に係るコリオリ質量流量計４のブロック構成図である。なお、図６において、図５と同様の構成要素には同一符号を付して説明を省略する。

図６に示すように、第４実施形態に係るコリオリ質量流量計４は、ＬＰＦ２４の後段にＦＩＲフィルタ６０（第１の同相デジタルフィルタ）を追加し、ＬＰＦ２９の後段にＦＩＲフィルタ６１（第２の同相デジタルフィルタ）を追加した構成となっている。ＦＩＲフィルタ６０は、ＬＰＦ２４から出力されるデジタル信号ＤＡ１を入力とし、この入力信号と同相の出力信号に変換する同相デジタルフィルタであり、基本的にＡ・sin(ωｔ_０)なる形のデジタル信号ＤＡ１’を微分フィルタ２５及び三角関数演算部５１に出力する。なお、ＬＰＦ２４は必ずしも設ける必要はなく、Ａ／Ｄ変換器２３の出力信号（デジタル信号ＤＡ）を直接、ＦＩＲフィルタ６０に出力するような構成としても良い。また、ＬＰＦ２４の代わりに振動周波数を通過させるバンドパスフィルタを設けても良い。

ＦＩＲフィルタ６１は、ＬＰＦ２９から出力されるデジタル信号ＤＢ１を入力とし、この入力信号と同相の出力信号に変換する同相デジタルフィルタであり、基本的にＢ・sin(ωｔ_０＋ΔΦ)なる形のデジタル信号ＤＢ１’を微分フィルタ３０及び三角関数演算部５１に出力する。なお、ＬＰＦ２９は必ずしも設ける必要はなく、Ａ／Ｄ変換器２８の出力信号（デジタル信号ＤＢ）を直接、ＦＩＲフィルタ６１に出力するような構成としても良い。また、ＬＰＦ２９の代わりに振動周波数を通過させるバンドパスフィルタを設けても良い。

このような構成において、微分フィルタ２５は、入力信号（デジタル信号ＤＡ１’）を微分することにより９０°異なる位相のデジタル信号ＤＡ２’を三角関数演算部５１に出力する。また、微分フィルタ３０は、入力信号（デジタル信号ＤＢ１’）を微分することにより９０°異なる位相のデジタル信号ＤＢ２’を三角関数演算部５１に出力する。

第４実施形態における三角関数演算部５１は、ＦＩＲフィルタ６０から出力されるデジタル信号ＤＡ１’、微分フィルタ２５から出力されるデジタル信号ＤＡ２’、ＦＩＲフィルタ６１から出力されるデジタル信号ＤＢ１’、微分フィルタ３０から出力されるデジタル信号ＤＢ２’とを入力とすると共に、時刻ｔ_ｉにおける、デジタル信号ＤＡ１’をａ_ｉ、デジタル信号ＤＡ２’をｂ_ｉ、デジタル信号ＤＢ１’をｃ_ｉ、デジタル信号ＤＢ２’をｄ_ｉ、時刻ｔ₁〜ｔ_Ｎの一対のコリオリ信号（検出信号ＳＡ及びＳＢ）の位相差の平均値の正接信号をtanΔΦとした場合に、上記演算式（６）を基にtanΔΦを演算し、そのtan^-1を演算することにより、検出信号ＳＡとＳＢとの位相差（ΔΦ）を演算して位相差信号θ_１として質量流量演算部４１に出力する。

以上のように、第４実施形態に係るコリオリ質量流量計４は、第２実施形態と比べて位相差（ΔΦ）の演算手法が異なるのみであり、第２実施形態と同様の効果を得ることができる。なお、第４実施形態に係るコリオリ質量流量計４では、第２実施形態と同様に、微分フィルタ２５及び３０の代わりに、前段に設けられたＦＩＲフィルタ６０及び６１より次数の低い異相デジタルフィルタ、例えばヒルベルト変換フィルタを設けても良い。

以上、第１〜第４実施形態に係るコリオリ質量流量計１、２、３、４について説明したが、本発明は上述した実施形態に制限されることなく、本発明の範囲内で自由に変更が可能である。例えば、図７に示すように、第１実施形態に係るコリオリ質量流量計１において、ＬＰＦ２４と位相演算部２６との間に、デジタル信号ＤＡ１（第１のデジタル信号）を所定時間だけ遅延させる遅延部４４を設け、また、ＬＰＦ２９と位相演算部３１との間に、デジタル信号ＤＢ１（第３のデジタル信号）を所定時間だけ遅延させる遅延部４５を設けても良い。ここで、遅延部４４の遅延時間は、微分フィルタ２５にて生じる遅延時間と同等に設定されており、また、遅延部４５の遅延時間は、微分フィルタ３０にて生じる遅延時間と同等に設定されている。

このように遅延部４４、４５を設ける理由は、９０°異相デジタルフィルタ（微分フィルタ２５、３０やヒルベルト変換フィルタ等）には特定の遅延時間が生じるため、デジタル信号ＤＡ１とデジタル信号ＤＢ１にも同等の遅延時間を与えなければ、後段の位相演算部２６、３１において上流側センサ１２の検出信号ＳＡの位相（θ_Ａ１）と、下流側センサ１３の検出信号ＳＢの位相（θ_Ｂ１）とを正しく算出することができなくなるためである。

なお、上流側センサ１２の検出信号ＳＡと、下流側センサ１３の検出信号ＳＢとに同じ遅延のズレがある場合、これら検出信号ＳＡと検出信号ＳＢとの位相差測定では遅延のズレの成分は位相演算部２６、３１で相殺される。また、検出信号ＳＡまたは検出信号ＳＢの位相の変位量の測定（周波数演算部３４による演算）では、変位量を測定したい２点間の両方に同じズレ成分が含まれるため、変位量には遅延のズレの成分は表れない。従って、上記の遅延部４４、４５を必ずしも設ける必要はない。

他の実施形態でも同様であり、例えば、図８に示すように、第２実施形態に係るコリオリ質量流量計２においては、ＦＩＲフィルタ４２と位相演算部２６との間に、デジタル信号ＤＡ１’を所定時間だけ遅延させる遅延部４６を設け、また、ＦＩＲフィルタ４３と位相演算部３１との間に、デジタル信号ＤＢ１’を所定時間だけ遅延させる遅延部４７を設けても良い。

同様に、例えば、図９に示すように、第３実施形態に係るコリオリ質量流量計３においては、ＬＰＦ２４と三角関数演算部５１との間に、デジタル信号ＤＡ１を所定時間だけ遅延させる遅延部５２を設け、また、ＬＰＦ２９と三角関数演算部５１との間に、デジタル信号ＤＢ１を所定時間だけ遅延させる遅延部５３を設けても良い。

さらに、例えば、図１０に示すように、第４実施形態に係るコリオリ質量流量計４においては、ＦＩＲフィルタ６０と三角関数演算部５１との間に、デジタル信号ＤＡ１を所定時間だけ遅延させる遅延部５４を設け、また、ＦＩＲフィルタ６１と三角関数演算部５１との間に、デジタル信号ＤＢ１’を所定時間だけ遅延させる遅延部５５を設けても良い。

１、２、３、４…コリオリ質量流量計、Ｔ…測定チューブ、１０…検出部、１１…加振器、１２…上流側センサ（第１センサ）、１３…下流側センサ（第２センサ）、１４…温度センサ、２０…変換部、２１…クロック信号発振器、２２、２７、３７…トラックアンドホールド（Ｔ＆Ｈ）回路、２３、２８、３８…Ａ／Ｄ変換器、２４、２９…ＬＰＦ、２５、３０…微分フィルタ、２６、３１…位相演算部、３２…位相差演算部、３３…時間遅れ要素、３４…周波数演算部、３５、３９…平均化回路、３６…励振回路、４０…密度演算部、４１…質量流量演算部、４２、４３、６０、６１…ＦＩＲフィルタ、５０…周波数測定回路、５１…三角関数演算部、４４、４５、４６、４７、５２、５３、５４、５５…遅延部

Claims (9)

1. 流体が流れる測定チューブの振動を検出する第１及び第２のセンサの出力信号の位相差に基づいて前記流体の質量流量を測定するコリオリ質量流量計であって、
   前記第１及び第２のセンサの出力信号をそれぞれデジタル変換する第１及び第２のＡ／Ｄ変換器と、
   前記第１及び第２のＡ／Ｄ変換器の出力デジタル信号をそれぞれ９０°位相の異なるデジタル信号に変換する第１及び第２の微分フィルタと、
   前記第１のＡ／Ｄ変換器から出力される第１のデジタル信号、前記第１の微分フィルタから出力される第２のデジタル信号、前記第２のＡ／Ｄ変換器から出力される第３のデジタル信号及び前記第２の微分フィルタから出力される第４のデジタル信号を用いて前記流体の質量流量を算出する演算部と
   を備えることを特徴とするコリオリ質量流量計。
2. 流体が流れる測定チューブの振動を検出する第１及び第２のセンサの出力信号の位相差に基づいて前記流体の質量流量を測定するコリオリ質量流量計であって、
   前記第１及び第２のセンサの出力信号をそれぞれデジタル変換する第１及び第２のＡ／Ｄ変換器と、
   前記第１及び第２のＡ／Ｄ変換器の出力デジタル信号をそれぞれフィルタリングして同一位相のデジタル信号を出力する第１及び第２の同相デジタルフィルタと、
   前記第１及び第２の同相デジタルフィルタの出力デジタル信号をそれぞれ９０°位相の異なるデジタル信号に変換すると共に、前記第１及び第２の同相デジタルフィルタより次数の低い第１及び第２の異相デジタルフィルタと、
   前記第１の同相デジタルフィルタから出力される第１のデジタル信号、前記第１の異相デジタルフィルタから出力される第２のデジタル信号、前記第２の同相デジタルフィルタから出力される第３のデジタル信号及び前記第２の異相デジタルフィルタから出力される第４のデジタル信号を用いて前記流体の質量流量を算出する演算部と
   を備えることを特徴とするコリオリ質量流量計。
3. 前記第１及び第２の異相デジタルフィルタは、微分フィルタまたはヒルベルト変換フィルタであることを特徴とする請求項２記載のコリオリ質量流量計。
4. 前記演算部は、
   前記第１のデジタル信号と前記第２のデジタル信号との比率から第１の位相を算出する第１の位相演算部と、
   前記第３のデジタル信号と前記第４のデジタル信号との比率から第２の位相を算出する第２の位相演算部と、
   を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のコリオリ質量流量計。
5. 前記演算部は、
   前記第１の位相と前記第２の位相との差を前記位相差として算出する位相差演算部と、
   前記位相差演算部にて算出された前記位相差を基に前記流体の質量流量を算出する質量流量演算部と、
   を備えることを特徴とする請求項４記載のコリオリ質量流量計。
6. 前記演算部は、
   前記第１のデジタル信号と前記第２のデジタル信号との比率から第１の位相を算出する第１の位相演算部、若しくは前記第３のデジタル信号と前記第４のデジタル信号との比率から第２の位相を算出する第２の位相演算部
   を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のコリオリ質量流量計。
7. 前記第１の位相演算部にて算出された前記第１の位相の変位量、若しくは前記第２の位相演算部にて算出された前記第２の位相の変位量に基づいて、前記第１若しくは第２のセンサの出力信号の周波数を算出する周波数演算部
   を備えることを特徴とする請求項４〜６のいずれか一項に記載のコリオリ質量流量計。
8. 前記演算部は、
   前記第１のデジタル信号をａ、前記第２のデジタル信号をｂ、前記第３のデジタル信号をｃ、前記第４のデジタル信号をｄとする下記演算式（５）を基に前記位相差ΔΦを算出する三角関数演算部と、
   前記三角関数演算部にて算出された前記位相差ΔΦを基に前記流体の質量流量を算出する質量流量演算部と
   を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のコリオリ質量流量計。
   tanΔΦ＝（ｂｃ−ａｄ）／（ａｃ＋ｂｄ） ・・・・（５）
9. 前記演算部は、所定時間だけ遅延させた前記第１のデジタル信号と前記第３のデジタル信号とを、前記位相差を求めるために使用することを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載のコリオリ質量流量計。

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