JP2011027539A - コリオリ流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な計算でコリオリ流量計の利用価値を高める。
【解決手段】被測定流体が流れる状態で励振される測定チューブの変位をサンプリングするサンプリング部と、サンプリングされたデータに自己回帰モデルを適用し、自己回帰モデルの特性方程式から複数の固有周波数を算出する固有周波数算出部と、被測定流体に対応した基準周波数に基づいて、算出された複数の固有周波数から、測定チューブの振動周波数を選択する周波数選択部と、選択された振動周波数に基づいて、被測定流体の密度を算出する密度演算部とを備えたコリオリ流量計。
【選択図】図１

Description

本発明は、コリオリ流量計に係り、特に、被測定流体の密度演算に用いる振動周波数を測定する技術に関する。

被測定流体が流れる測定チューブを、両端を支点として上下振動させたときに働くコリオリ力を利用して、被測定流体の質量流量を測定するコリオリ流量計が知られている。コリオリ流量計では、測定チューブを固有周波数で振動させるため、測定チューブの振動周波数を測定することで、測定チューブ内を流れる被測定流体の密度も計測することができる。

従来、被測定流体が流れる測定チューブの周波数の測定は、例えば、以下のように行なっている。すなわち、振動する測定チューブの変位量を計測するセンサを配置し、サンプリング毎に振動の位相を算定する。位相の算定は、例えば、センサによって測定された信号と９０°位相の異なる出力信号を、ヒルベルト変換器を用いて生成し、両者のａｒｃｔａｎを算出することにより算定することができる。そして、サンプリング毎の位相が得られると、サンプリング周期と、その間の位相の変化量とに基づいて、測定チューブの周波数が算出される。

特開平７−１８１０６９号公報

上述のように、位相が９０°異なる信号を生成するヒルベルト変換器を用いて、被測定流体が流れる測定チューブの周波数を測定することができる。しかしながら、ヒルベルト変換器は計算量が多いという問題点がある。また、周波数を算出するために、デマルチプレクシング法、ＦＦＴ法等の他の手法も提案されているが、高次のローパスフィルタが必要になったり、精度を確保するために極めて多くのサンプリングデータが必要になる等の問題がある。このため、簡易な計算で測定チューブの周波数を求めることができれば、コリオリ流量計の利用価値を高めることができる。

また、周波数の測定時に、気泡の混入等の異常事態を検出することができれば、コリオリ流量計の利用価値をさらに高めることができる。

そこで、本発明は、簡易な計算でコリオリ流量計の利用価値を高めることを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明のコリオリ流量計は、被測定流体が流れる状態で励振される測定チューブの変位をサンプリングするサンプリング部と、サンプリングされたデータに自己回帰モデルを適用し、前記自己回帰モデルの特性方程式から複数の固有周波数を算出する固有周波数算出部と、前記被測定流体に対応した基準周波数に基づいて、前記算出された複数の固有周波数から、前記測定チューブの振動周波数を選択する周波数選択部と、前記選択された振動周波数に基づいて、前記被測定流体の密度を算出する密度演算部とを備える。

本発明によれば、測定チューブの変位のサンプリングデータに対して自己回帰モデルを適用し、特性方程式を解くことで、容易に固有周波数を求めることができる。また、基準周波数に基づいて、求められた複数の固有周波数の中から測定チューブの振動周波数を選択することで、容易に、振動周波数を特定することができる。

より具体的には、前記周波数選択部は、前記算出された複数の固有周波数のうち、前記基準周波数に最も近い固有周波数を、前記測定チューブの振動周波数として選択することができる。

また、気泡混入検出部をさらに備え、前記固有周波数算出部は、前記複数の固有周波数に対応した複数の減衰定数をさらに算出し、前記周波数選択部は、前記複数の減衰定数から、前記測定チューブの振動周波数に対応した減衰定数を選択し、前記気泡混入検出部は、選択された前記減衰定数に基づいてＱ値を算出し、算出された前記Ｑ値に基づいて、前記測定チューブに気泡が混入したことを検出するようにしてもよい。

より具体的には、前記気泡混入検出部は、算出された前記Ｑ値が所定の基準値よりも小さくなった場合に、前記測定チューブに気泡が混入したと判断することができる。

本発明によれば、簡易な計算でコリオリ流量計の利用価値を高めることができる。

本実施形態に係るコリオリ流量計の構成を示すブロック図である。 コリオリ流量計のセンサ部および測定チューブを模式的に示す図である。 本実施形態のコリオリ流量計における被測定流体の密度算出処理および異常検出処理について説明する 気泡混入量とＱ値との関係を示すグラフである。

本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施形態に係るコリオリ流量計の構成を示すブロック図である。本図に示すようにコリオリ流量計１０は、センサ部１００、サンプリング部１１０、励振回路１２０、質量流量演算部１３０、周波数演算部１４０、密度演算部１５０、気泡混入検出部１６０を備えている。

センサ部１００は、被測定流体が流れる測定チューブの上流側の変位を検出する上流センサ１０１、測定チューブの下流側の変位を検出する下流センサ１０２、温度センサ１０３、測定チューブを振動させ、固有振動数で共振させる加振器１０４を備えている。

センサ部１００と測定チューブとの位置関係について図２の模式図を参照して説明する。本図に示すように、被測定流体が流れる測定チューブ１０５の両端が支持部材１０６、支持部材１０７で固定されており、中央部付近に測定チューブ１０５を上下に振動させる加振器１０４が設置されている。なお、本実施形態では、直管方式のコリオリ流量計を用いているが、Ｕ字管方式などの他の方式を採用してもよい。

上流センサ１０１、下流センサ１０２は、それぞれ支持部材１０６、支持部材１０７の近傍に配置されている。また、支持部材１０７の近傍に温度センサ１０３が設けられている。温度センサ１０３の検出結果は、質量流量演算時や密度演算時の温度補償等に使用される。

図１のブロック図の説明に戻って、サンプリング部１１０は、上流センサ１０１、下流センサ１０２、温度センサ１０３の検出結果を所定のサンプリング周期にしたがってサンプリングし、デジタルデータとして出力する。このため、サンプリング部１１０は、クロック発振器１１５、Ｔ＆Ｈ（トラックアンドホールド）回路１１１〜１１３、Ａ／Ｄ回路１２１〜１２３を備えている。

クロック発振器１１５は、サンプリング周期を定めるタイミング信号を生成する。Ｔ＆Ｈ回路１１１〜１１３は、それぞれタイミング信号にしたがって上流センサ１０１、下流センサ１０２、温度センサ１０３の出力信号をサンプル／ホールドする。Ａ／Ｄ回路１２１〜１２３は、それぞれＴ＆Ｈ回路１１１〜１１３の出力信号をディジタル変換して出力する。

励振回路１２０は、上流センサ１０１からの変位信号が入力され、この変位信号に対応する加振電圧を加振器１０４に印加し、加振器１０４を、例えば、正弦波状に駆動する。

質量流量演算部１３０は、サンプリング部１１０の出力結果に基づいて被測定流体の質量流量を算出する。コリオリ流量計１０において、測定チューブ１０５の変位量は、被測定流体の質量流量に対応する。このため、上流センサ１０１、下流センサ１０２の計測結果に対して、所定の演算を施すことにより、被測定流体の質量流量を算出することができる。この際に、温度センサ１０３の検出結果に基づいて温度補償を行ない、また、後述する周波数演算部１４０の演算結果を用いるようにしてもよい。質量流量を得るための具体的な演算は、従来の手法を用いることができ、例えば、特許文献１に記載された手順で行なうことができる。

周波数演算部１４０は、Ａ／Ｄ回路１２１が出力する上流センサ１０１のサンプリング信号に基づいて被測定流体が流れる測定チューブ１０５の周波数を算出する。本実施形態では、自己回帰モデルを用いて固有周波数を算出し、測定チューブ１０５の振動周波数を得るものとする。ただし、Ａ／Ｄ回路１２２が出力する下流センサ１０２のサンプリング信号に基づいて測定チューブ１０５の固有周波数を算出するようにしてもよい。

自己回帰モデルを用いた周波数の算出は、「最新ＭＡＴＬＡＢハンドブック改訂第二版」小林一行著、秀和システム刊 pp.182〜196に紹介されている。本文献によれば、変位のサンプリング値に自己回帰モデルを適用し、自己回帰モデルの特性方程式から、固有周波数と減衰定数とを算出することができる。

このため、周波数演算部１４０は、上流センサ１０１のサンプリング信号に自己回帰モデルを適用する自己回帰モデル作成部１４１と、自己回帰モデルの特性方程式から固有周波数と減衰定数とを算出する固有周波数・減衰定数算出部１４２とを備えている。

しかしながら、例えば、自己回帰モデルの次数をｎとすると、特性方程式はｎ次式となり、ｎ個の解が得られることになる。したがって、上述の文献に記載された技術をそのまま固有周波数の算出に適用しただけでは、どの解が測定チューブ１０５の周波数であるかを判別することができない。

このため、本実施形態では、固有周波数・減衰定数算出部１４２で得られた複数の固有周波数から測定チューブ１０５の周波数を特定する周波数選択部１４３を備えている。ここで、周波数選択部１４３は、測定チューブ１０５の周波数を特定する際に用いる基準周波数テーブル１４４を備えている。

基準周波数テーブル１４４は、基準の温度条件等の環境下で、代表的な流体を測定チューブ１０５に流したときの共振周波数をあらかじめ記録したテーブルである。代表的な流体を測定チューブ１０５に流したときの共振周波数は、実験的、理論的等により求めることができる。

周波数選択部１４３は、固有周波数・減衰定数算出部１４２で得られた複数の固有周波数のうち、被測定流体について基準周波数テーブル１４４に記録された共振周波数に最も近い周波数を測定チューブ１０５の周波数として選択する。

周波数演算部１４０によって算出された測定チューブ１０５の周波数は、密度演算部１５０に入力され、被測定流体の密度が算出される。密度演算部１５０は、被測定流体が測定チューブ１０５に充満しているときの周波数をｆｖとし、測定チューブ１０５が空の状態の周波数をｆ０とした場合に、被測定流体の密度Ｄを、定数Ｋを用いて、Ｄ＝Ｋ（ｆ０^２−ｆｖ^２）／ｆｖ^２で算出する。このとき、周波数ｆｖに対して温度補償を行なうことが望ましい。

自己回帰モデルの特性方程式から固有周波数と減衰定数とはセットで求められる。このため、周波数選択部１４３によって測定チューブ１０５の周波数が選択されると、減衰定数も定まることになる。この減衰定数は、気泡混入検出部１６０に入力される。気泡混入検出部１６０は、減衰定数に基づいて測定チューブ１０５の共振のＱ値を算出する。そして、算出されたＱ値に基づいて、被測定流体に気泡が混入した等の異常が生じたことを検出する。

次に、図３のフローチャートを参照して、本実施形態のコリオリ流量計１０における被測定流体の密度算出処理および異常検出処理について説明する。なお、本実施形態では、５次の自己回帰モデルを用いるものとする。一般にサンプリング個数が多く、また、次数が高いほど周波数測定の精度は高まるが、固有周波数算出のための計算量が増えることになる。一方、サンプリング個数が少なく次数が低いと周波数の計算値のフラッタが大きくなる。

自己回帰モデルの次数およびサンプリング個数は、要求される測定精度、リアルタイム性等に応じて適切な値を任意に選択することができる。サンプリング周波数、サンプリング個数等については、上述の文献にしたがって設定することができる。ここでは、１０２４＋５個のサンプリングデータを用いて固有周波数を算出するものとする。

この場合、「数１」に示すベクトルＹを定義して、上流センサ１０１が検出する変位のサンプリングを行なう（Ｓ１０１）。
また、自己回帰モデル作成部１４１は、「数２」に示すような自己回帰モデルの係数ベクトルＡを定義し、数３に示す自己回帰モデルを順次適用する（Ｓ１０２）。
この自己回帰モデルから、固有周波数・減衰定数算出部１４２が、以下に示す手順にしたがって固有角周波数ω_ｉと減衰定数ζ_ｉとを算出する（Ｓ１０３）。

まず、「数４」にしたがって係数Ａを算出する。
次に、「数５」に示す係数ベクトルＡの係数ａ１〜ａ５によって作られる特性方程式の解を求める。
特性方程式は５次であるため、５つの解が求まることになる。特性方程式の解をｚ_ｉ（ｉ＝１〜５）とすると、「数６」に示すλ_ｉというパラメータが時定数Ｔｉの逆数に負号がついたものとして求まる。
さらに、λ_ｉは、固有角周波数ω_ｉと、減衰定数ζ_ｉと、「数７」に示す式で結ばれている。
したがって、固有角周波数ω_ｉと、減衰定数ζ_ｉとは、「数８」によって求めることができる。
以上の手順により、５組の固有角周波数ω_ｉ（固有周波数ｆ_ｉ）と減衰定数ζ_ｉとが算出されることになる。これらは、既存の計算アルゴリズムを用いて簡易に求めることができる。したがって、固有周波数を算出するために従来必要であった多量の計算や高次のローパスフィルタは不要である。

固有周波数・減衰定数算出部１４２が算出した固有周波数ｆ_ｉと減衰定数ζ_ｉとの組の中から、周波数選択部１４３が、被測定流体が流れている測定チューブ１０５の周波数を選択する（Ｓ１０４）。

上述のように、周波数選択部１４３は、算出された固有周波数ｆ_ｉのうち、被測定流体について基準周波数テーブル１４４に記録されている共振周波数に最も近い固有周波数ｆ_ｉを、測定チューブ１０５の周波数ｆｖとして選択する。

すなわち、算出された固有周波数ｆ_ｉは、それぞれが加振器１０４の周波数スペクトルのピークに対応しているが、一般にコリオリ流量計では、被測定流体の密度が変化して共振周波数が変化しても、他のピークには接近しないように設計されている。このため、その被測定流体について基準状態で測定された共振周波数に最も近い周波数ｆ_ｉが、求める測定チューブ１０５の周波数ｆｖであると推定することができる。

したがって、周波数演算に際しては、被測定物体が何であるかを周波数選択部１４３に設定しておくものとする。また、基準周波数テーブル１４４には、測定対象となる可能性のある流体それぞれについて、基準となる共振周波数を記録しておくものとする。

周波数が選択されることにより、減衰常数も特定される。サンプリングデータにしたがって順次得られるこれらの値の平均値を算出することにより、測定チューブ１０５の周波数ｆｖと減衰定数ζとが最終的に推定される。

周波数ｆｖが推定されると、密度演算部１５０は、被測定流体の密度Ｄを算出する（Ｓ１０５）。上述のように、被測定流体の密度Ｄは、周波数ｆｖに対して温度補償を行なった後、Ｄ＝Ｋ（ｆ０^２−ｆｖ^２）／ｆｖ^２で求めることができる。

次に、気泡混入検出部１６０が、推定された減衰定数ζに基づいて共振のＱ値を算出する（Ｓ１０６）。Ｑ値は、減衰定数ζを用いて、Ｑ＝−１／（２ζ）で容易に求めることができる。本実施形態では、算出されたＱ値を監視することで、被測定流体に気泡が混入した等の異常が発生したことを検出するようにしている。

図４の気泡混入量とＱ値との関係を表わすグラフに示すように、被測定流体に気泡が混入すると、気泡の持つダンピング効果によって損失が増えるため、共振のＱ値が低下する。また、気泡の混入に加え、測定チューブ１０５の腐食や、管内の付着物等によってもＱ値が低下する。

そこで、算出されたＱ値が所定の基準値より小さくなったかどうかを監視し（Ｓ１０７）、Ｑ値が所定の基準値より小さくなった場合には（Ｓ１０７：Ｙｅｓ）、被測定流体の質量流量計測、密度計測等に異常が生じたものとして、異常検知処理を行なう（Ｓ１０８）。異常検知処理は、例えば、ユーザに対する警告等とすることができる。また、所定の基準値は、気泡が混入していない状態の正常なＱ値を初期値として、初期値からの差で定めるようにしてもよいし、初期値に対する割合等で定めるようにしてもよい。

なお、Ｑ値の監視は、毎回行なう必要はなく、必要に応じて行なえば足りる。また、誤検出等を防ぐために、Ｑ値が連続的に低下した場合に、異常を検出するようにすることが望ましい。

以上説明したように、本実施形態では、測定チューブの変位のサンプリングデータに対して自己回帰モデルを適用し、特性方程式を解くことで、容易に固有周波数を求めることができる。さらに、求められた複数の固有周波数のうち、最も基準周波数に近い固有周波数を、求める測定チューブの振動周波数として選択することで、容易に、周波数を特定することができる。

また、周波数とセットで求められる減衰定数に基づいて共振のＱ値を算出し、Ｑ値が所定の基準値よりも小さくなったことを監視することで、被測定流体の質量流量計測、密度計測等に異常が生じたことを容易に検出することができる。このため、本実施形態によれば、簡易な計算でコリオリ流量計の利用価値を高めることができる。

１０…コリオリ流量計、１００…センサ部、１０１…上流センサ、１０２…下流センサ、１０３…温度センサ、１０４…加振器、１０５…測定チューブ、１０６…温度センサ、１０６…支持部材、１０７…支持部材、１１０…サンプリング部、１１１、１１２、１１３…Ｔ＆Ｈ回路、１１５…クロック発振器、１２１、１２２、１２３…Ａ／Ｄ回路、１２０…励振回路、１３０…質量流量演算部、１４０…周波数演算部、１４１…自己回帰モデル作成部、１４２…固有周波数・減衰定数算出部、１４３…周波数選択部、１４４…基準周波数テーブル、１５０…密度演算部、１６０…気泡混入検出部

Claims (4)

1. 被測定流体が流れる状態で励振される測定チューブの変位をサンプリングするサンプリング部と、
   サンプリングされたデータに自己回帰モデルを適用し、前記自己回帰モデルの特性方程式から複数の固有周波数を算出する固有周波数算出部と、
   前記被測定流体に対応した基準周波数に基づいて、前記算出された複数の固有周波数から、前記測定チューブの振動周波数を選択する周波数選択部と、
   前記選択された振動周波数に基づいて、前記被測定流体の密度を算出する密度演算部と、を備えたことを特徴とするコリオリ流量計。
2. 請求項１に記載のコリオリ流量計であって、
   前記周波数選択部は、前記算出された複数の固有周波数のうち、前記基準周波数に最も近い固有周波数を、前記測定チューブの振動周波数として選択することを特徴とするコリオリ流量計。
3. 請求項１または２に記載のコリオリ流量計であって、
   気泡混入検出部をさらに備え、
   前記固有周波数算出部は、前記複数の固有周波数に対応した複数の減衰定数をさらに算出し、
   前記周波数選択部は、前記複数の減衰定数から、前記測定チューブの振動周波数に対応した減衰定数を選択し、
   前記気泡混入検出部は、選択された前記減衰定数に基づいてＱ値を算出し、算出された前記Ｑ値に基づいて、前記測定チューブに気泡が混入したことを検出することを特徴とするコリオリ流量計。
4. 請求項３に記載のコリオリ流量計であって、
   前記気泡混入検出部は、算出された前記Ｑ値が所定の基準値よりも小さくなった場合に、前記測定チューブに気泡が混入したと判断することを特徴とするコリオリ流量計。