JP2012168045A - Coriolis flowmeter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、コリオリ流量計に関し、詳しくは、外部の振動や配管の振動などの外来ノイズ成分が測定チューブに与える影響の除去に関するものである。 The present invention relates to a Coriolis flow meter, and more particularly, to removal of the influence of external noise components such as external vibration and piping vibration on a measurement tube.
コリオリ流量計は、測定流体と振動する測定チューブの間のコリオリ力による相互作用を利用して、質量流量を計測する測定器である。 The Coriolis flowmeter is a measuring device that measures mass flow rate by utilizing an interaction caused by Coriolis force between a measurement fluid and a vibrating measurement tube.
図7は、従来のコリオリ流量計の一例を示す構成説明図である。測定流体が流れる配管1には、2本のU字形の測定チューブ2、3が、配管1に連通するようにして平行に片持ちはり状に固定されている。
FIG. 7 is a configuration explanatory view showing an example of a conventional Coriolis flow meter. Two
これら測定チューブ2、3の頂点には図示しない一対のマグネットと駆動コイルを配置し、上流側および下流側には図示しない各一対のマグネットセンサコイルを配置する。そして、電磁誘導により発生するセンサコイルの出力を駆動コイルに正帰還して、測定チューブ2、3の固定端を軸にして測定チューブ2、3の平行面とほぼ直交する方向にその共振周波数で自励発振させる。
A pair of magnets and drive coils (not shown) are arranged at the apexes of the
測定チューブ2、3に測定流体が流れると、測定チューブ2、3の上昇または下降に伴い、流入側および流出側にコリオリの力Fcが生じる。この力は流入側と流出側で反対方向であるためトルクが生じ、測定チューブ2、3にねじれ角が生じる。コリオリの力Fcは流体の質量流量に比例するため、測定チューブ2、3のねじれ角を検出することで質量流量を計測できる。すなわち、2つの信号の位相差から質量流量を求めることができ、同時に、信号周波数から流体の質量すなわち密度を求めることができる。
When the measurement fluid flows through the
ところで、測定チューブ2、3には外部の振動や配管の振動などの外来ノイズ成分が加わり、これら外来ノイズ成分に起因する測定誤差が発生する。これら測定チューブ2、3に加わる外来ノイズ成分は、同相成分として把握できる。
Incidentally, external noise components such as external vibrations and piping vibrations are added to the
そこで、平行に片持ちはり状に固定されている2本の測定チューブ2、3を共振周波数で自励発振させるのにあたり、互いの駆動信号の位相を180度ずらせることで、外来ノイズ成分の影響を互いに打ち消すようにしている。
Therefore, when the two
非特許文献1には、コリオリ流量計の動作原理および構造が開示されている。
Non-Patent
しかし、図7のような従来の2重管構成によれば、2本のU字形の測定チューブ2、3を同一構造に形成して同一状態で配管1に固定しなければならず、高精度の加工組立調整技術が要求されるとともに、部品点数も多くなる。
However, according to the conventional double pipe configuration as shown in FIG. 7, the two
また、測定チューブ2、3を流れる測定流体に含まれる気泡の状態が異なると、位相差を生じて測定誤差になることから好ましくなく、気泡を抜くための対処も必要になる。
In addition, if the state of the bubbles contained in the measurement fluid flowing through the
本発明は、このような課題を解決するものであり、その目的は、比較的簡単な構成で、外来ノイズ成分の影響を除去できるコリオリ流量計を提供することにある。 The present invention solves such problems, and an object of the present invention is to provide a Coriolis flowmeter capable of removing the influence of an external noise component with a relatively simple configuration.
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、
測定流体と振動する測定チューブの間のコリオリ力による相互作用を利用して、質量流量を計測するコリオリ流量計において、
前記測定チューブに加えられる外来ノイズ成分を検出する振動センサと、
この振動センサの出力信号に基づき前記測定チューブに加えられる外来ノイズ成分を打ち消す演算部、
を設けことを特徴とする。
In order to achieve such a problem, the invention according to
In the Coriolis flowmeter that measures the mass flow rate by utilizing the interaction caused by Coriolis force between the measurement fluid and the vibrating measurement tube,
A vibration sensor for detecting an external noise component applied to the measurement tube;
An arithmetic unit that cancels out an external noise component applied to the measurement tube based on an output signal of the vibration sensor,
It is characterized by providing.
請求項2記載の発明は、請求項1記載のコリオリ流量計において、
前記振動センサは、指向性を有するマイクロフォンであることを特徴とする。
The invention according to claim 2 is the Coriolis flow meter according to
The vibration sensor is a directional microphone.
請求項3記載の発明は、請求項1または請求項2記載のコリオリ流量計において、
前記演算部は、アナログ演算部であることを特徴とする。
The invention according to
The calculation unit is an analog calculation unit.
請求項4記載の発明は、請求項1または請求項2記載のコリオリ流量計において、
前記演算部は、デジタル演算部であることを特徴とする。
The invention according to claim 4 is the Coriolis flow meter according to
The arithmetic unit is a digital arithmetic unit.
請求項5記載の発明は、請求項4記載のコリオリ流量計において、
前記デジタル演算部の前段には、前記測定チューブの出力信号と前記振動センサの出力信号を択一的に選択する入力選択部を設けたことを特徴とする。
The invention according to
An input selection unit that selectively selects an output signal of the measurement tube and an output signal of the vibration sensor is provided in the preceding stage of the digital calculation unit.
これらにより、1本の測定チューブで、外来ノイズ成分の影響を受けることなく、高精度の質量流量測定が行える。 As a result, it is possible to perform high-accuracy mass flow measurement with a single measurement tube without being affected by external noise components.
以下、本発明について、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す構成説明図であり、図7と共通する部分には同一の符号を付けている。図1と図7の相違点は、測定チューブが測定チューブ2の1本のみであることと、測定チューブ2に加えられる外来ノイズ成分を検出する振動センサ4を設けていることである。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is an explanatory diagram showing a configuration of an embodiment of the present invention, and the same reference numerals are given to portions common to FIG. The difference between FIG. 1 and FIG. 7 is that there is only one measuring tube 2 and a vibration sensor 4 that detects an external noise component applied to the measuring tube 2 is provided.
図1において、配管1には、測定チューブ2に加えられる外来ノイズ成分を検出する振動センサ4が設けられている。測定チューブ2の頂点には一対のマグネットと駆動コイルよりなる駆動部5が設けられ、上流側および下流側にはそれぞれマグネットセンサコイルよりなるコリオリセンサ6、7が設けられている。
In FIG. 1, a
図2は、図1の動作説明図である。測定流体が流れる測定チューブ2に駆動部5を介して特定周波数の振動を与えると、測定流体と振動する測定チューブ2の間のコリオリ力による相互作用に基づき、コリオリセンサ6、7の出力信号の位相が測定流体の流量に比例して変化する。この位相測定にあたり、前述のように、外来ノイズが位相測定結果に誤差を与えてしまう。
FIG. 2 is an explanatory diagram of the operation of FIG. When vibration of a specific frequency is applied to the measurement tube 2 through which the measurement fluid flows through the
そこで、本発明では、外来ノイズの位相が特定周波数による測定チューブ2の振動の位相とは合わないことを利用して、測定チューブ2に伝わる外来ノイズを振動センサ4で検出し、測定チューブ2に伝わる外来ノイズと振動センサ4で検出した外来ノイズを位相反転して合成することにより、外来ノイズを打ち消すようにする。 Therefore, in the present invention, the external noise transmitted to the measurement tube 2 is detected by the vibration sensor 4 using the fact that the phase of the external noise does not match the vibration phase of the measurement tube 2 at a specific frequency, and the measurement tube 2 The external noise transmitted and the external noise detected by the vibration sensor 4 are combined by phase inversion to cancel the external noise.
なお、配管1および測定チューブ2にはあらゆる方向の外来ノイズが加えられるが、振動センサ4は、これら外来ノイズのうち、コリオリ力に基づいて測定チューブ2が揺れる方向の成分のみを検出する必要があることから、たとえば永久磁石と可動金属リボンを組み合わせたリボン型のダイナミックマイクロフォンの中で、リボンの両面が空間に開放されているタイプの指向性を有する速度型マイクロフォンを使用する。
Although external noise in all directions is applied to the
この速度型マイクロフォンは、リボン面に垂直な両側の方向からの音に対して高い感度を示し、面に平行な方向からの音に対しては感度が著しく低い。この指向性を利用して、コリオリセンサ6、7の取り込む方向と同じ方向に揺れる外来ノイズのみを取り込めるように、振動センサ4として速度型マイクロフォンを配管1に固定する。
This speed microphone exhibits high sensitivity to sound from both directions perpendicular to the ribbon surface, and extremely low sensitivity to sound from a direction parallel to the surface. Using this directivity, a speed type microphone is fixed to the
コリオリ流量計は、コリオリ力が配管1に伝わりにくいように流量計自身について重量のある設計が行われる。ここで、外来ノイズは、多少の減衰があっても、コリオリ力がかかる測定チューブ2に伝わる。そこで、配管1から振動センサ4で検出した外来ノイズの振動を位相反転させてコリオリセンサ6、7に加えられる外来ノイズと同じレベルになるように調整し、コリオリセンサ6、7の出力信号と合成することにより外来ノイズを打ち消すようにする。
The Coriolis flowmeter is designed with a heavy weight so that the Coriolis force is not easily transmitted to the
図3は、本発明で用いるアナログ演算部の具体例を示すブロック図である。
振動センサ4の出力信号はアンプ8に入力され、アンプ8の出力端子と共通電位点間には可変抵抗9、10が並列接続されている。可変抵抗9の可変端子は抵抗11を介して演算増幅器OP1の反転入力端子に入力され、可変抵抗10の可変端子は抵抗12を介して演算増幅器OP2の反転入力端子に入力されている。
FIG. 3 is a block diagram showing a specific example of the analog calculation unit used in the present invention.
The output signal of the vibration sensor 4 is input to the
コリオリセンサ6の出力信号はアンプ13および抵抗14を介して第1の演算増幅器OP1の非反転入力端子に入力され、コリオリセンサ7の出力信号はアンプ15および抵抗16を介して第2の演算増幅器OP2の非反転入力端子に入力されている。
The output signal of the Coriolis sensor 6 is input to the non-inverting input terminal of the first operational amplifier OP1 through the
第1の演算増幅器OP1の反転入力端子は抵抗17を介して出力端子に接続され、非反転入力端子は抵抗18を介して共通電位点に接続されている。第1の演算増幅器OP1の出力信号はアンプ19を介して駆動部5を構成する駆動コイルに入力されるとともに、位相測定部20に入力されている。
The inverting input terminal of the first operational amplifier OP1 is connected to the output terminal via the
第2の演算増幅器OP2の反転入力端子は抵抗21を介して出力端子に接続され、非反転入力端子は抵抗22を介して共通電位点に接続されている。第2の演算増幅器OP2の出力信号は、位相測定部20に入力されている。
The inverting input terminal of the second operational amplifier OP2 is connected to the output terminal via the
位相測定部20は、第1の演算増幅器OP1の出力信号と第2の演算増幅器OP2の出力信号を用いて、位相を測定するための演算処理を行う。
The
図4は位相測定部20の具体例を示すブロック図であり、(A)はヒルベルト変換部を用いた例を示し、(B)はFFT演算部を用いた例を示している。
FIG. 4 is a block diagram showing a specific example of the
図4(A)において、第1の演算増幅器OP1の出力信号はsinθ成分を含むものであり、A/D変換器20aでデジタル信号に変換され、バンドパスフィルタ20bに入力されるとともに、ヒルベルト変換部20cに入力される。バンドパスフィルタ20bはsinθ成分をtanΔφ演算部20dに出力し、ヒルベルト変換部20cはcosθ成分をtanΔφ演算部20dに出力する。
In FIG. 4A, the output signal of the first operational amplifier OP1 includes a sin θ component, is converted into a digital signal by the A /
一方、第2の演算増幅器OP2の出力信号はsinθ+Δ成分を含むものであり、A/D変換器20eでデジタル信号に変換され、バンドパスフィルタ20fに入力されるとともに、ヒルベルト変換部20gに入力される。バンドパスフィルタ20fはsinθ+Δ成分をtanΔφ演算部20dに出力し、ヒルベルト変換部20gはcosθ+Δ成分をtanΔφ演算部20dに出力する。
On the other hand, the output signal of the second operational amplifier OP2 includes a sin θ + Δ component, which is converted into a digital signal by the A /
tanΔφ演算部20dは、これらバンドパスフィルタ20bから入力されるsinθ成分、ヒルベルト変換部20cから入力されるcosθ成分、バンドパスフィルタ20fから入力されるsinθ+Δ成分およびヒルベルト変換部20gから入力されるcosθ+Δ成分に基づき、位相差tanΔφを演算する。
The tan
なお、これらバンドパスフィルタ20b、ヒルベルト変換部20c、バンドパスフィルタ20f、ヒルベルト変換部20gおよびtanΔφ演算部20dは、一点鎖線で囲んで示すように、たとえばDSPで構成される。
The bandpass filter 20b, the Hilbert transform
図4(B)において、sinθ成分を含む第1の演算増幅器OP1の出力信号はA/D変換器20aでデジタル信号に変換されてFFT演算部20hに入力され、sinθ+Δ成分を含む第2の演算増幅器OP2の出力信号はA/D変換器20eでデジタル信号に変換されてFFT演算部20hに入力される。
In FIG. 4B, the output signal of the first operational amplifier OP1 including the sin θ component is converted to a digital signal by the A /
FFT演算部20hは、図4(A)のバンドパスフィルタ20b、ヒルベルト変換部20c、バンドパスフィルタ20f、ヒルベルト変換部20gおよびtanΔφ演算部20dによる位相差Δφの演算を、すべてFFT演算で行う。
The
一般的には、図4(A)のヒルベルト変換部を含む構成における演算量は図4(B)のFFT演算量の約1/4であって演算負荷を少なくできるが、最近の半導体技術の進歩に伴ってFFT演算部20hの演算速度も高速化されて演算負荷がほとんど問題になることはなくなっている。なお、FFT演算部20hも、一点鎖線で囲んで示すように、たとえばDSPで構成される。
In general, the calculation amount in the configuration including the Hilbert transform unit in FIG. 4A is about 1/4 of the FFT calculation amount in FIG. 4B, and the calculation load can be reduced. With the progress, the calculation speed of the
再び図3の構成において、可変抵抗9により振動センサ4の出力信号に含まれる外来ノイズ成分がコリオリセンサ6の出力信号に含まれる外来ノイズ成分と等しくなるように調整され、可変抵抗10により振動センサ4の出力信号に含まれる外来ノイズ成分がコリオリセンサ7の出力信号に含まれる外来ノイズ成分と等しくなるように調整する。
3 again, the variable resistor 9 adjusts the external noise component included in the output signal of the vibration sensor 4 to be equal to the external noise component included in the output signal of the Coriolis sensor 6, and the
これにより、位相測定部20には、それぞれに含まれていた外来ノイズ成分が打ち消されたコリオリセンサ6の出力信号とコリオリセンサ7の出力信号が入力されることから、位相を測定するためのアナログ演算処理にあたり、外来ノイズ成分の影響を受けることはなく、高精度の質量流量測定が行える。
As a result, the
そして、このような構成によれば、U字形の測定チューブを従来のように2重管構成にしなくて1本でよく、コリオリ流量計の外観構造を小型に簡素化できる。 According to such a configuration, the U-shaped measurement tube does not have to be a double tube configuration as in the prior art and only one U-shaped measurement tube is required, and the external structure of the Coriolis flow meter can be simplified in a small size.
また、測定チューブの形状はU字形に限るものではなく、直線形、S字形、V字形などすべて1本の測定チューブでよく、加工組立調整に要する工数も削減できる。 Further, the shape of the measurement tube is not limited to the U-shape, and a single measurement tube such as a straight shape, an S-shape, or a V-shape may be used, and man-hours required for processing and assembly adjustment can be reduced.
図5は本発明で用いるデジタル演算部の具体例を示すブロック図であり、図3と共通する部分には同一の符号を付けている。図5において、振動センサ4の出力信号はアンプ8を介して入力選択部23のスイッチSW1に入力され、コリオリセンサ6の出力信号はアンプ13を介して入力選択部23のスイッチSW2に入力されるとともにアンプ19を介して駆動部5を構成する駆動コイルに出力され、コリオリセンサ7の出力信号はアンプ15を介して入力選択部23のスイッチSW3に入力されている。入力選択部23を構成するスイッチSW1〜SW3は、切換制御部24により、選択的にオンオフ制御される。
FIG. 5 is a block diagram showing a specific example of the digital arithmetic unit used in the present invention, and the same reference numerals are given to portions common to FIG. In FIG. 5, the output signal of the vibration sensor 4 is input to the switch SW1 of the
入力選択部23で選択された振動センサ4、コリオリセンサ6、7の出力信号はアンチエリアシングフィルタ25を介してA/D変換器26に入力され、デジタル信号に変換されてDSP27に入力される。
The output signals of the vibration sensor 4 and the
DSP27は、振動センサ4とコリオリセンサ6、7の位置に対する外来ノイズ信号の伝わり方が異なるためあらかじめ信号伝達係数を求めておき、それらの信号伝達係数を加味してコリオリセンサ6、7に含まれる外来ノイズ信号を打ち消すための演算を行う。その後、外来ノイズ信号が削除された状態で、コリオリセンサ6、7間の位相演算を行う。
The
なお、A/D変換器26から変換出力されるデジタル信号をヒルベルト変換してコリオリセンサ6、7間の位相演算を行う場合にも、ヒルベルト変換前に前述の各出力信号の信号伝達係数を加味してコリオリセンサ6、7に含まれる外来ノイズ信号を打ち消すための演算を行うようにしてもよい。
In addition, when the digital signal converted and output from the A /
図6はDSP27の具体例を示すブロック図であり、(A)はヒルベルト変換部を用いた例を示し、(B)はFFT演算部を用いた例を示している。
FIG. 6 is a block diagram showing a specific example of the
図6(A)において、A/D変換器26でデジタル信号に変換された振動センサ4の出力データはノイズ格納部27aに格納され、コリオリセンサ6の出力データはノイズ+sinθ格納部27bに格納され、コリオリセンサ7の出力データはノイズ+sinθ+Δ格納部27cに格納される。
In FIG. 6A, the output data of the vibration sensor 4 converted into a digital signal by the A /
sinθ演算部27dには、ノイズ格納部27aに格納されている振動センサ4の出力データと、ノイズ+sinθ格納部27bに格納されているコリオリセンサ6の出力データが入力されている。そして、コリオリセンサ6の出力データから振動センサ4の出力データを減算して、sinθ成分のみを出力する演算を行う。sinθ成分は、バンドパスフィルタ27fおよびヒルベルト変換部27gに入力される。
The output data of the vibration sensor 4 stored in the
sinθ+Δ演算部27eには、ノイズ格納部27aに格納されている振動センサ4の出力データと、ノイズ+sinθ+Δ格納部27cに格納されているコリオリセンサ7の出力データが入力されている。そして、コリオリセンサ7の出力データから振動センサ4の出力データを減算して、sinθ+Δ成分のみを出力する演算を行う。sinθ+Δ成分は、バンドパスフィルタ27hおよびヒルベルト変換部27iに入力される。
The output data of the vibration sensor 4 stored in the
バンドパスフィルタ27fはsinθ成分をtanΔφ演算部27jに出力し、ヒルベルト変換部27gはcosθ成分をtanΔφ演算部27jに出力し、バンドパスフィルタ27hはsinθ+Δ成分をtanΔφ演算部27jに出力し、ヒルベルト変換部27iはcosθ+Δ成分をtanΔφ演算部27jに出力する。
The band pass filter 27f outputs the sin θ component to the tan Δφ calculating unit 27j, the
tanΔφ演算部27jは、これらバンドパスフィルタ27fから入力されるsinθ成分、ヒルベルト変換部27gから入力されるcosθ成分、バンドパスフィルタ27hから入力されるsinθ+Δ成分およびヒルベルト変換部27iから入力されるcosθ+Δ成分に基づき、位相差tanΔφを演算する。
The tan Δφ computing unit 27j receives a sin θ component input from the band pass filter 27f, a cos θ component input from the
図6(B)において、sinθ演算部27dから出力されるsinθ成分およびsinθ+Δ演算部27eから出力されるsinθ+Δ成分は、FFT演算部27kに入力される。
In FIG. 6B, the sin θ component output from the sin θ
FFT演算部27kは、図6(A)のバンドパスフィルタ27f、ヒルベルト変換部27g、バンドパスフィルタ27h、ヒルベルト変換部27iおよびtanΔφ演算部27jによる位相差Δφの演算を、すべてFFT演算で行う。
The FFT computation unit 27k performs all the computations of the phase difference Δφ by the bandpass filter 27f, the
以上説明したように、本発明によれば、比較的簡単な構成で、外来ノイズ成分の影響を除去できるコリオリ流量計が実現でき、各種測定流体の質量流量測定に好適である。 As described above, according to the present invention, a Coriolis flow meter capable of removing the influence of an external noise component can be realized with a relatively simple configuration, which is suitable for mass flow measurement of various measurement fluids.
1 配管
2 測定チューブ
4 振動センサ
5 駆動部
6、7 コリオリセンサ
8、13、15、19 アンプ
9、10 抵抗(可変)
12、16、17、21、22 抵抗(固定)
20 位相測定部
23 入力選択部
24 切換制御部
25 アンチエリアシングフィルタ
26 A/D変換器
27 DSP
DESCRIPTION OF
12, 16, 17, 21, 22 Resistance (fixed)
20
Claims (5)
前記測定チューブに加えられる外来ノイズ成分を検出する振動センサと、
この振動センサの出力信号に基づき前記測定チューブに加えられる外来ノイズ成分を打ち消す演算部、
を設けことを特徴とするコリオリ流量計。 In the Coriolis flowmeter that measures the mass flow rate by utilizing the interaction caused by Coriolis force between the measurement fluid and the vibrating measurement tube,
A vibration sensor for detecting an external noise component applied to the measurement tube;
An arithmetic unit that cancels out an external noise component applied to the measurement tube based on an output signal of the vibration sensor,
Coriolis flowmeter characterized by providing
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