JP2011102715A - コリオリ質量流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、比較的安価なＡＤ変換器を使用しながらも、簡単な回路の追加によって、高精度のコリオリ質量流量計を実現することを目的とする。
【解決手段】本発明は、等周期のクロック信号を発生するクロック発生部と、このクロック発生部のクロック信号を入力し、このクロック信号に対して所定の遅延量を与えたタイミング信号を出力するタイミング発生部と、前記上流側と下流側に設置した振動検出器の出力信号を入力し、前記タイミング発生部からのタイミング信号に基づくタイミングで、前記上流側と下流側に設置した振動検出器の出力信号のレベルをサンプルして保持し、そのレベルを出力するサンプルホールド回路と、前記クロック発生部が出力するクロック信号に基づき、前記サンプルホールド回路の出力をアナログデジタル変換するＡＤ変換器と、このＡＤ変換器の出力に基づき、前記被測定流体の質量流量を演算する演算部と、を備えたことを特徴とするコリオリ質量流量計。
【選択図】図１

Description

本発明は、被測定流体が流れる両端が固定された流体管を振動させ、この振動により生じるコリオリ力を前記流体管の上流側と下流側に設置した振動検出器で検出して前記被測定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。更に詳しくは、流量の測定精度を向上させるための改善を施したコリオリ質量流量計に関するものである。

コリオリ質量流量計は、両端を固定した直管型やＵ字管型等の流体管内に被測定流体を流し、流体管の中央地点に取り付けられた励振装置により流体管を振動させ、流体管の上流側と下流側の対称位置に取り付けられた振動検出部で流体管の振動を検出し、この上流側と下流側の振動の位相差を用いて質量流量を測定する装置である。

従来のコリオリ質量流量計の構成を、図面を用いて説明する。図３は従来のコリオリ質量流量計の例を示す。この図では位相差の測定部の構成を示す。

振動をアナログの電気信号として出力する２つのセンサ１１とセンサ１２は、図示しない流体管のそれぞれ上流側および下流側に取り付けられている。
上流側に取り付けられた、センサ１１の出力は、抵抗Ｒ１とコンデンサＣ１により形成されるローパスフィルタ２１に入力される。
ローパスフィルタ２１の抵抗Ｒ１の一端はセンサ１１の出力を入力し、抵抗Ｒ１の他端は、ローパスフィルタ２１のコンデンサＣ１の一端と接続されているとともに、ローパスフィルタ２１の出力となる。コンデンサＣ１の他端は接地されている。
アンプ２３はローパスフィルタ２１の出力を増幅して出力する。アンプ２５は、一方の入力端からアンプ２３の出力を、もう一方の入力端からオフセット電圧（Ｖoffset）を入力し、アンプ２３の出力とオフセット電圧を加算した電圧を出力する。
アンチエリアシングフィルタ２７は抵抗Ｒ２とコンデンサＣ２により形成され、アンプ２５の出力を入力する。
アンチエリアシングフィルタ２７の抵抗Ｒ２の一端はアンプ２５の出力を入力し、抵抗Ｒ２のもう一端はアンチエリアシングフィルタ２７のコンデンサＣ２の一端と接続されているとともに、ローパスフィルタ２７の出力となる。コンデンサＣ２のもう一方の端は接地されている。
下流部側の回路を構成する、センサ１２と、抵抗Ｒ１と、コンデンサＣ１と、ローパスフィルタ２２と、アンプ２４と、アンプ２６と、抵抗Ｒ２と、コンデンサＣ２と、アンチエリアシングフィルタ２８と、はそれぞれ上流側の、センサ１１と、抵抗Ｒ１と、コンデンサＣ１と、ローパスフィルタ２１と、アンプ２３と、アンプ２５と、抵抗Ｒ２と、コンデンサＣ２と、アンチエリアシングフィルタ２７と、同一の構成をとるので、説明を省略する。
クロック発生器２９は、予め決まった等周期でクロック信号を出力する。
ＡＤ変換器３０は、クロック発生器２９と、上流側のアンチエリアシングフィルタ２７の出力と、下流側のアンチエリアシングフィルタ２８の出力と、に接続されており、クロック発生器２９のクロック信号に基づいたタイミングにより、上流側のアンチエリアシングフィルタ２７の出力と、下流側のアンチエリアシングフィルタ２８の出力をアナログデジタル変換し出力する。
信号処理部３１はＡＤ変換器３０の出力を入力し、この入力に基づいて流体管に流れる流体の質量流量を演算する。

次に、このような装置の動作例を説明する。
図示しない流体管に測定流体が流され、流体管の中央部に位置する図示しない励振装置によって流体管に振動が加えられる。
上流側では、流体管の振動が上流側のセンサ１１により正弦波の電気信号に変換され、ローパスフィルタ２１が、この電気信号の高周波のノイズ成分を低減し出力する。アンプ２３は、ローパスフィルタ２１の出力を増幅して出力する。アンプ２５は、アンプ２３の出力とＶoffsetの電圧とを加算し、出力する。エリアシングを防ぐ目的で設けられているアンチエリアシングフィルタ２７は、アンプ２５の出力のエリアシングノイズを低減し、出力する。
下流側においても、上流側と同様に、下流側のセンサ１２から出力された正弦波の電気信号がローパスフィルタ２２、アンプ２４を経由して、アンプ２６に入力され、下流側のアンチエリアシングフィルタ２８に入力される。
ＡＤ変換器３０は、クロック発生器２９の出力するクロック信号に基づいて、アンチエリアシングフィルタ２７、２８をの出力をサンプリングし出力する。上流側と下流側の電気信号の正弦波の位相差は、流体管を流れる流体の質量流量に比例することがわかっているので、信号処理部３１はＡＤ変換器３０の出力を入力し、上流側と下流側との電気信号の位相差を求め、流体管の質量流量を算出する。
特許文献１には、振動検出部で振動を検出し、ＡＤ変換器にてアナログデジタル変換を行い、質量流量を求める従来のコリオリ質量流量計の構成が記載されている。

特開平９−６１２１４号公報

上流側と下流側で生じる電気信号の正弦波の位相差は、流体管を流れる流体の質量流量に比例する。そのため、流量が小さい場合には位相差も小さくなり、この小さい位相差を精度よく検出するためには、アナログデジタル変換における高いサンプリングタイミング精度が要求される。
しかしながら、従来からコリオリ質量流量計で使用される比較的安価なＡＤ変換器は、アパチャジッタとＡＤ変換時間を有しており、従来の構成で使用する場合には、位相差の小さい流量測定のタイミング精度を満たせない。アパチャジッタとは、入力クロック信号（例えばクロックの立ち上がりエッジ）に対するサンプリング開始タイミングの遅れ時間の周期毎の僅かなゆらぎである。つまり、ＡＤ変換の度にサンプリング開始タイミングの遅れ時間が僅かながら異なる可能性があることとなる。このアパチャジッタは、位相差が大きい場合には無視できるが、位相差が小さい場合には無視できない測定誤差として表れる。また、ＡＤ変換時間とは、ＡＤ変換器がアナログデジタル変換を開始してから終了するまでの時間のことで、ＡＤ変換器の個体間で僅かな差がある。位相差が大きい場合には無視できるこのＡＤ変換時間の個体間で差も、位相差が小さい場合には無視できなくなる。
一方、このような比較的安価なＡＤ変換器の代わりに、高タイミング精度のＡＤ変換器を使用するという方法もあるが、そのようなＡＤ変換器は高価であり、コスト面で製品の要求を満たせないという問題があった。

そこで、本発明の目的は、比較的安価なＡＤ変換器を使用しながらも、簡単な回路の追加によって、高精度のコリオリ質量流量計を実現することにある。

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
被測定流体が流れる両端が固定された流体管を振動させ、この振動により生じるコリオリ力を前記流体管の上流側と下流側に設置した振動検出器で検出して前記被測定流体の質量流量を測定するコリオリ質量流量計において、
等周期のクロック信号を発生するクロック発生器と、
このクロック発生部のクロック信号を入力し、このクロック信号に対して所定の遅延量を与えたタイミング信号を出力するタイミング発生部と、
前記上流側と下流側に設置した振動検出器の出力信号を入力し、前記タイミング発生部からのタイミング信号に基づくタイミングで、前記上流側と下流側に設置した振動検出器の出力信号のレベルをサンプルして保持し、そのレベルを出力するサンプルホールド回路と、
前記クロック発生部が出力するクロック信号に基づき、前記サンプルホールド回路の出力をアナログデジタル変換するＡＤ変換器と、
このＡＤ変換器の出力に基づき、前記被測定流体の質量流量を演算する演算部と、
を備えたことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明であって、
前記タイミング発生部は、デューティー比が可変であるタイミング信号を出力することを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項２記載の発明であって、
前記タイミング発生部は、前記サンプルホールド回路のアクイジション時間と、前記ＡＤ変換器のアパチャジッタと、前記ＡＤ変換器の変換時間と、を含むホールド時間を前記サンプルホールド回路に与えるように、前記デューティー比を規定することを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項１記載の発明であって、
前記ＡＤ変換器は、逐次比較型ＡＤ変換器またはΔΣ方式ＡＤ変換器であることを特徴とする。

本発明によれば、流体管の上流側と下流側に設置した振動検出器が、流体管の振動を検出して出力し、クロック発生部がクロック信号を発生し、タイミング発生部がこのクロック信号に対してサンプルホールド回路のアクイジション時間とＡＤ変換器のアパチャジッタとＡＤ変換時間とを加味した所定の遅延量を与えたタイミング信号を発生し、サンプルホールド回路がタイミング信号に基づき振動検出器の出力レベルをサンプルして保持し、この出力レベルが保持されている間にＡＤ変換器がアナログデジタル変換を行うので、ＡＤ変換器のタイミング精度低下の原因となるアパチャジッタとＡＤ変換時間を、見かけ上無視できるようになる。したがって、高価なサンプリングタイミング精度の高いＡＤ変換器を使用しなくとも、簡単な回路の追加によって精度の高いコリオリ流量計を実現することができる。

本発明の一実施例を示した構成図である。 図１に示す装置の特定の地点での信号波形を表した図である。 従来のコリオリ質量流量計の例を示した構成図である。

以下本発明を、図面を用いて詳細に説明する。
図１は本発明の一実施例を示した構成図である。ここで図３と同一のものは、同一符号を付し、説明を省略する。タイミング発生回路４０は、遅延コントローラ４１と、ディユーティー比コントローラ４２を有し、クロック発生器２９の出力するクロック信号を入力してタイミング信号を出力する。
サンプルホールド回路４３，４４は、それぞれ上流側のアンプ２３と下流側のアンプ２４の出力を入力するとともに、タイミング発生回路４０のタイミング信号を入力する。
サンプルホールド回路４３，４４は、タイミング発生回路４０の出力であるタイミング信号に基づいて、アンプ２３，２４の出力レベルを保持し出力する。
アンプ２５，２６は、一方の入力端からそれぞれサンプルホールド回路４３，４４の出力を入力し、また他方の入力端から入力オフセット電圧（Ｖoffset）を入力し、サンプルホールド回路４３，４４の出力とオフセット電圧を加算した電圧を出力する。

このような装置の動作を、図面を用いて説明する。センサ１１と、フィルタ２１と、アンプ２３の動作は、図３の従来例の動作と同一であるので説明を省略する。
タイミング発生回路４０は、クロック発生器２９のクロック信号を入力する。タイミング発生回路の遅延コントローラ４１が、このクロック信号に所定の遅延を付加したタイミング信号を発生させ、タイミング発生回路４０の出力とする。デューティー比コントローラ４４は、遅延コントローラ４１の出力であるタイミング信号のデューティー比を変更し、タイミング発生回路４０の出力とする。

上流側のサンプルホールド回路４３は、アンプ２３の出力を入力し、タイミング発生器４０のタイミング信号がＬレベルからＨレベルへ変化するとき（立ち上がりエッジのタイミング）にアンプ２３の出力レベルの保持(ホールド)を開始し、アクイジション時間（ホールドを開始してから安定したレベルを出力するまでの時間）を経て、Ｈレベルである間はアンプ２３の出力レベルをホールドする。そして、タイミング信号がＨレベルからＬレベルへ変化するとき（立ち下がりエッジのタイミング）にホールドを終了し、Ｌレベルである間は、アンプ２３の出力レベルをそのまま出力する。
アンプ２５は、一端からサンプルホールド回路４３の出力を入力し、他端からオフセット電圧Ｖoffsetを入力し、サンプルホールド回路４３の出力とＶoffsetの電圧とを加算し、出力する。エリアシングを防ぐ目的で設けられているアンチエリアシングフィルタ２７は、アンプ２５の出力のエリアシングノイズを低減し、出力する。

下流側においても、上流側と同様に、下流側のセンサ１２から出力された正弦波の電気信号がローパスフィルタ２２、アンプ２４、サンプルホールド回路４４を経由して、アンプ２６に入力され、下流側のアンチエリアシングフィルタ２８に入力される。
ＡＤ変換器３０は、クロック発生器２９の出力するクロック信号に基づいて、アンチエリアシングフィルタ２７、２８の出力をサンプリングし出力する。上流側と下流側の電気信号の正弦波の位相差は、流体管を流れる流体の質量流量に比例することがわかっているので、信号処理部３１はＡＤ変換器３０の出力を入力し、上流側と下流側との電気信号の位相差を求め、流体管の質量流量を算出する。

ここで、この装置の動作を上流側のタイミングに着目して説明する。
図２は、図１における(ａ)〜（ｄ）の各地点の信号の波形を表している。すなわち、(ａ)はクロック発生器２９の出力部、（ｂ）はタイミング発生回路４０の出力部、（ｃ）はアンプ２３の出力部、（ｄ）はサンプルホールド回路４３の出力部、における信号である。

クロック発生器２９は、等周期のクロック信号(ａ)を発生し、ＡＤ変換器３０は、このクロック信号のエッジが立ち上がるタイミング（ｔ３）からＡＤ変換器のアパチャジッタ分（Ｙ）遅れてＡＤ変換を開始し、その後、ＡＤ変換時間（Ｚ）でアナログデジタル変換を終了する（ｔ４）。したがって、クロック入力（ｔ３）からアナログデジタル変換終了（ｔ４）の間において、サンプルホールド回路からの出力レベルが一定であれば、ＡＤ変換器３０は、アパチャジッタ（Ｘ）とＡＤ変換時間（Ｚ）の影響を受けずに入力信号をアナログデジタル変換することが可能となる。

つまり、タイミング発生回路４０からのサンプルホールド回路への入力信号（ｂ）のエッジが立ち上がる時間を「ｔ１」、「ｔ１」にアクイジション時間（Ｘ）を加算した時間を「ｔ２」、ＡＤ変換器３０に入力されるクロック信号の立ち上がりエッジを「ｔ３」、「ｔ３」にＡＤ変換器３０のアパチャジッタとＡＤ変換時間分を加算した時間を「ｔ４」とすると、
「ｔ２＜ｔ３」かつ「ｔ４＜ｔ５」・・・（１）
の条件が成り立つ場合に、ＡＤ変換器３０は、自身のアパチャジッタとＡＤ変換時間によるタイミング精度の影響を受けずに、入力信号をアナログデジタル変換することができる。
条件（１）を満たすためには、遅延コントローラ４１がクロック信号に対する遅延量を調整してタイミング信号を発生してもよいし、デューティー比コントローラ４２が遅延コントローラ４１の出力のタイミング信号に対して、さらにデューティー比を調整して出力してもよい。

下流側についても、上流側同様の動作原理となる。

このように、図示しない流体管の上流側と下流側に設置したセンサ１１，１２が、流体管の振動を検出して出力し、クロック発生部２９がクロック信号を発生し、タイミング発生部４０がこのクロック信号に対して、サンプルホールド回路４３，４４のアクイジション時間とＡＤ変換器３０のアパチャジッタとＡＤ変換時間とを加味した遅延量を与えたタイミング信号を発生し、サンプルホールド回路４３，４４が前記タイミング信号に基づきセンサ１１，１２の出力レベルをサンプルしてホールドし、この出力レベルがホールドされている間にＡＤ変換器がアナログデジタル変換を行うので、ＡＤ変換器のタイミング精度低下の原因となるアパチャジッタとＡＤ変換時間を、見かけ上無視できるようになる。このため、サンプリングタイミング精度が高く高価なＡＤ変換器を使用しなくとも、簡単な回路の追加によって、精度の高いコリオリ流量計を実現することができる。

１１，１２ センサ
２９ クロック発生器
３０ ＡＤ変換器
３１ 信号処理部
４０ タイミング発生回路
４１ 遅延コントローラ
４２ デューティー比コントローラ
４３，４４ サンプルホールド回路

Claims (4)

1. 被測定流体が流れる両端が固定された流体管を振動させ、この振動により生じるコリオリ力を前記流体管の上流側と下流側に設置した振動検出器で検出して前記被測定流体の質量流量を測定するコリオリ質量流量計において、
   等周期のクロック信号を発生するクロック発生器と、
   このクロック発生部のクロック信号を入力し、このクロック信号に対して所定の遅延量を与えたタイミング信号を出力するタイミング発生部と、
   前記上流側と下流側に設置した振動検出器の出力信号を入力し、前記タイミング発生部からのタイミング信号に基づくタイミングで、前記上流側と下流側に設置した振動検出器の出力信号のレベルをサンプルして保持し、そのレベルを出力するサンプルホールド回路と、
   前記クロック発生部が出力するクロック信号に基づき、前記サンプルホールド回路の出力をアナログデジタル変換するＡＤ変換器と、
   このＡＤ変換器の出力に基づき、前記被測定流体の質量流量を演算する演算部と、
   を備えたことを特徴とするコリオリ質量流量計。
2. 前記タイミング発生部は、デューティー比が可変であるタイミング信号を出力することを特徴とする請求項１記載のコリオリ質量流量計。
3. 前記タイミング発生部は、前記サンプルホールド回路のアクイジション時間と、前記ＡＤ変換器のアパチャジッタと、前記ＡＤ変換器の変換時間と、を含むホールド時間を前記サンプルホールド回路に与えるように、前記デューティー比を規定す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ＡＤ変換器は、逐次比較型ＡＤ変換器またはΔΣ方式ＡＤ変換器であることを特徴とする請求項１記載のコリオリ質量流量計。

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