JP2013160649A - コリオリ質量流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】振動信号および基準信号を複数の経路に分岐させて位相差を演算して流量測定を行うときに、信号の重畳が発生したとしても測定誤差を低減させることを目的とする。
【解決手段】本発明は、第１振動信号Ｓ１および第２振動信号Ｓ２の周波数とは異なる周波数の基準信号を生成する基準信号生成部１０と、第１振動信号Ｓ１と第２振動信号Ｓ２と基準信号との経路が複数に分岐されて、第１振動信号Ｓ１と第２振動信号Ｓ２との位相差および分岐された基準信号間の位相差を算出する位相差算出部３１と、基準信号間の位相差に基づいて回路誤差を算出する回路誤差算出部３４と、位相差算出部３１により算出された第１振動信号Ｓ１と第２振動信号Ｓ２との位相差に対して回路誤差３４の補正を行う回路誤差補正部３５と、を備えている。
【選択図】 図２

Description

本発明は管路を流れる流体の流量を測定する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、管路を流れる流体の流量測定を行う。このために、管路を加振して振動させる。そして、管路の上流側に設けた上流側コイルおよび下流側に設けた下流側コイルにより振動信号を検出して、２つの振動信号の位相差に基づいて、管路を流れる流体の流量を演算して流量測定を行う。

この種のコリオリ質量流量計が特許文献１に開示されている。この特許文献１の特に図５では、上流コイル信号（上流側コイルが検出する振動信号）と下流コイル信号（下流側コイルが検出する振動信号）と基準信号とを複数の経路に分岐させて、上流コイル信号と下流コイル信号との位相差の演算と基準信号間の位相差の演算とを、各信号の経路を切り替えることで、並行して行っている。

分岐後の各経路において、信号経路の環境条件等の変化により位相ずれを生じる。この位相ずれを補償するために、基準信号間の位相差を演算することにより、ゼロ補償値を演算している。上流コイル信号と下流コイル信号との位相差はゼロ補償値で補正することで、測定誤差を低減させている。

そして、ゼロ補償値の演算と流量測定のための位相差の演算とを時分割で並行に行っていることから、流量測定を中断している時間を短縮化することができ、安定した流量測定を行うことができる。また、基準信号を用いてゼロ補償値の演算を行っていることから、周波数の変動を生じることがなく、安定した流量測定を行うことができる。

特開２０１１−１３７７７１号公報

特許文献１の技術は、基準信号を分岐して、その位相差を用いてゼロ補償値を演算していることから、経路の位相ずれによる誤差を低減させることができる。且つ、ゼロ補償値のための位相差演算と流量測定のための位相差演算とを並行して行い、周波数変動を生じない基準信号を用いてゼロ補償値の演算を行っていることから、安定した流量測定を行うことができる点で極めて優れた効果を奏する技術になる。

ところで、特許文献１の技術では、上流コイル信号と下流コイル信号と基準信号とを分岐して且つ切り替えを行っている。従って、複数の信号経路が並列して配置される。例えば、特許文献１の図５では、切り替え回路により４つの信号経路（チャネル）が入力アンプに入力されている。

このとき、各チャネルの信号同士が相互に重畳することがある。各チャネルの信号に他のチャネルの信号が重畳されることにより、流量測定に誤差が生じる。従って、流量測定の精度が低下する。

特許文献１の技術では、基準信号生成回路が基準信号を生成しているが、基準信号は任意の周波数の信号を用いている。よって、上流コイル信号および下流コイル信号の周波数（固有振動数）と基準信号の周波数（基準信号周波数）とが一致することがある。固有振動数と基準信号周波数とが同じ周波数になると、信号の重畳成分は定数成分（オフセット成分）となり、各信号から重畳成分を除去・分離することは極めて困難になる。これにより、各チャネルの信号を用いて行われる流量測定の演算やゼロ補償値の演算に誤差が生じる。

そこで、本発明は、振動信号および基準信号を複数の経路に分岐させて位相差を演算して流量測定を行うときに、信号の重畳が発生したとしても測定誤差を低減させることを目的とする。

以上の課題を解決するため、本発明のコリオリ質量流量計は、流体が流れる管路を振動させて、前記管路の上流側の第１振動信号および下流側の第２振動信号に基づいて、前記管路を流れる流体の流量を測定するコリオリ質量流量計であって、前記第１振動信号および前記第２振動信号の周波数とは異なる周波数の基準信号を生成する基準信号生成部と、前記第１振動信号と前記第２振動信号と前記基準信号との経路が複数に分岐されて、前記第１振動信号と前記第２振動信号との位相差および分岐された前記基準信号間の位相差を算出する位相差算出部と、前記基準信号間の位相差に基づいて回路誤差を算出する回路誤差算出部と、前記位相差算出部により算出された前記第１振動信号と前記第２振動信号との位相差に対して前記回路誤差の補正を行う回路誤差補正部と、を備えたことを特徴とする。

このコリオリ質量流量計によれば、基準信号の周波数を第１振動信号および第２振動信号とは異なる周波数に設定している。これにより、信号同士の重畳が発生したとしても、定数成分として重畳されることはなくなる。これにより、重畳成分を除去することが可能になり、測定誤差を低減させることができる。

また、前記分岐された経路を伝送される各信号が他の経路を伝送される信号と重畳したときの重畳成分を除去するフィルタを備えていることを特徴とする。

基準信号の周波数は第１振動信号および第２振動信号の周波数とは異なる周波数にしているため、重畳成分が生じたとしても、重畳成分を除去することが可能になる。そこで、重畳成分を除去するフィルタを設けることで、測定誤差をより低減させることができる。

また、前記基準信号生成部は、それぞれ異なる周波数を持つ２つ以上の前記基準信号を時分割で出力し、前記回路誤差算出部は、１次以上の近似で前記回路誤差を算出することを特徴とする。

回路誤差を算出するために周波数の異なる基準信号を用いているが、回路誤差と周波数との関係は線形に比例する関係にならない。そこで、２つ以上の基準信号を用いて１次以上の近似で回路誤差を算出することで、回路誤差の算出精度を向上させることができる。

また、前記基準信号の周波数は、前記回路誤差算出部による前記回路誤差を算出するときの近似の誤差と前記フィルタによる前記重畳成分の除去効果とに基づいて決定することを特徴とする。

第１振動信号および第２振動信号の周波数と基準信号の周波数との差が大きくなると、近似による回路誤差の算出精度が低下する。一方、周波数の差が小さくなりすぎると、重畳成分の除去が難しくなる。このため、回路誤差の演算を行うときの近似の誤差と重畳成分の除去効果とに基づいて、基準信号の周波数を決定することで、回路誤差の算出精度を向上しつつ、重畳成分の除去が可能になる。

また、前記第１振動信号および前記第２振動信号の周波数とは異なる周波数を記憶する基準信号周波数記憶部と、この基準周波数記憶部が記憶している周波数を選択して、前記基準信号生成部に出力する基準信号周波数選択部と、を備えたことを特徴とする。

第１振動信号および第２振動信号の周波数とは異なる周波数を予め記憶しておくことで、固定的な周波数の基準信号を出力することが可能になる。このため、複雑な制御を要することなく、基準信号の周波数を選択することができる。

また、前記第１振動信号と前記第２振動信号との位相差の演算と前記基準信号間の位相差の演算とは並行して行われることを特徴とする。

流量測定のための位相差の演算と回路誤差を得るための位相差の演算とを並行して行うことにより、各信号の分岐数が多くなる。これにより、信号経路（チャネル）の数が多くなり、信号の重畳を生じやすくなるが、重畳成分を除去することができることから、流量測定の誤差を低減することができる。且つ、演算を並行して行うことから、流量測定を中断する時間の短縮化を実現できる。

本発明は、基準信号の周波数を第１振動信号および第２振動信号とは異なる周波数に設定している。これにより、信号同士の重畳が発生したとしても、定数成分として重畳されることはなくなるため、重畳成分を除去することができる。このため、測定誤差を低減させることができる。

コリオリ質量流量計の構成を示すブロック図である。 デジタル信号処理回路の構成を示すブロック図である。 位相差算出部の構成を示すブロック図である。 周波数と回路誤差との関係を示すグラフである。 デジタル信号処理回路の他の例の構成を示すブロック図である。 デジタル信号処理回路のさらに他の例の構成を示すブロック図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。図１は、本実施形態のコリオリ質量流量計１を示している。本実施形態ではコリオリ質量流量計はデジタル信号処理方式の直管型のコリオリ質量流量計を適用しているが、Ｕ字型のものを用いてもよい。コリオリ質量流量計１は、流体が流れる管路を加振して振動させ、管路の上流側および下流側の振動の位相差に基づいて、管路の流量を測定する。管路としては、例えばチューブを用いることができる。

図１に示すように、コリオリ質量流量計１は検出器２と変換器３とを有して構成している。検出器２は上流側コイルＬ１と下流側コイルＬ２とドライブコイルＬ３と測温抵抗体ＲＴＤ（Resistance Temperature Detector）とを有して構成している。ドライブコイルＬ３は変換器３から出力される駆動信号ＤＲＶに基づいて、図示しない管路の加振を行う。これにより、管路は振動する。

上流側コイルＬ１は管路の上流側の振動を検出して、これを第１振動信号Ｓ１として変換器３に出力する。この第１振動信号Ｓ１は上流コイル信号である。下流側コイルＬ２は管路の下流側の振動を検出して、これを第２振動信号Ｓ２として変換器３に出力する。この第２振動信号Ｓ２は下流コイル信号である。測温抵抗体ＲＴＤは管路を流れる流体の温度を検出する温度センサであり、変換器３から出力される抵抗駆動信号ＲＴＤＤＲＶに基づいて動作を行う。そして、検出した温度を温度信号ＴＥＭＰとして変換器３に出力する。

変換器３は検出器２と接続されており、第１振動信号Ｓ１および第２振動信号Ｓ２に基づいて、管路を流れる流体の質量流量を測定する。温度信号ＴＥＭＰは温度変動を補償するために使用される。変換器３は基準信号生成回路１０と第１切り替え回路１１〜第４切り替え回路１４と第１入力アンプ１５〜第４入力アンプ１８と位相差ＡＤＣ１９とデジタル信号処理回路２０とＣＰＵ２１とドライブ回路２２とＲＴＤ駆動回路２３と温度ＡＤＣ２４と第１出力回路２５と第２出力回路２６と表示器２７とを備えて構成している。

基準信号生成回路１０は基準信号を生成する基準信号生成部である。この基準信号は経路の回路誤差を補正するための信号である。ここでは、図１に示す経路１および経路２が回路誤差の補正対象である。基準信号生成回路１０はデジタル信号処理回路２０と接続されており、デジタル信号処理回路２０により基準信号の周波数が基準信号周波数ｆａとして設定される。そして、この基準信号周波数ｆａの基準信号を出力する。

基準信号生成回路１０が出力する基準信号は４つに分岐して、基準信号Ｓ３０１〜Ｓ３０４になる。また、第１振動信号Ｓ１は途中で２つに分岐して、第１振動信号Ｓ１およびＳ１０２になる。また、第２振動信号Ｓ２は途中で２つに分岐して、第２振動信号Ｓ２およびＳ２０１になる。

第１切り替え回路１１は第１振動信号Ｓ１と基準信号Ｓ３０１とを入力して、何れかの信号を選択的に切り替えて出力する。第２切り替え回路１２は基準信号Ｓ３０２と第２振動信号Ｓ２０１とを入力して、何れかの信号を選択的に切り替えて出力する。第３切り替え回路１３は第１振動信号Ｓ１０２と基準信号Ｓ３０３とを入力して、何れかの信号を選択的に切り替えて出力する。第４切り替え回路１４は基準信号Ｓ３０４と第２振動信号Ｓ２とを入力して、何れかの信号を選択的に切り替えて出力する。

第１入力アンプ１５は第１切り替え回路１１が選択した信号を増幅して出力する。第２入力アンプ１６は第２切り替え回路１２が選択した信号を増幅して出力する。第３入力アンプ１７は第３切り替え回路１３が選択した信号を増幅して出力する。第４入力アンプ１８は第４切り替え回路１４が選択した信号を増幅して出力する。

第１入力アンプ１５〜第４入力アンプ１８により増幅された信号の経路をチャネルとする。ここでは４つのチャネル（ＣＨ１〜ＣＨ４）となっている。これら４つのチャネルＣＨ１〜ＣＨ４から位相差ＡＤＣ１９に信号が入力される。位相差ＡＤＣ１９はアナログデジタルコンバータであり、入力されたアナログ信号をデジタル信号に変換する。

デジタル信号に変換された各チャネルＣＨ１〜ＣＨ４の信号はデジタル信号処理回路２０に入力される。デジタル信号処理回路２０は第１振動信号Ｓ１（またはＳ１０２）と第２振動信号Ｓ２（またはＳ２０１）との位相差の演算を行う。この演算された位相差は管路を流れる流量を示す流量信号となる。また、デジタル信号処理回路２０では、回路誤差を補正するために基準信号間の位相差の演算を行う。デジタル信号処理回路２０の詳細については後述する。

ＣＰＵ２１は、デジタル信号処理回路２０が出力する流量信号に基づいて、管路を流れる流量の演算（流量演算）を行う。流体の流量は流体の温度変動によって測定誤差を生じるため、測温抵抗体ＲＴＤが測定する温度信号ＴＥＭＰに基づいて、流量信号に対して補正を行うことで、流体の温度変動による測定誤差を補償する。これにより、ＣＰＵ２１は流量測定を行う。

ドライブ回路２２は駆動信号ＤＲＶを出力する。この駆動信号ＤＲＶはドライブコイルＬ３に入力されて、管路の加振が行われる。ドライブ回路２２は第１振動信号Ｓ１または第２振動信号Ｓ２を正帰還して、第１振動信号Ｓ１および第２振動信号Ｓ２の周波数、つまり管路の固有の振動周波数（固有振動数）ｆ０でドライブコイルＬ３を加振する。

ＲＴＤ駆動回路２３は測温抵抗体ＲＴＤに動作電流を設定するための抵抗駆動信号ＲＴＤＤＲＶを出力する。これにより、測温抵抗体ＲＴＤは流体の温度測定を行う。測温抵抗体ＲＴＤが測定した温度は温度信号ＴＥＭＰとして温度ＡＤＣ２４に入力される。

温度ＡＤＣ２４はアナログ信号の温度信号ＴＥＭＰをデジタル信号に変換するアナログデジタルコンバータである。温度ＡＤＣ２４によりデジタル信号に変換された温度信号ＴＥＭＰはＣＰＵ２１に入力されて、前述したように流体の温度変動による測定誤差を補償するために用いられる。

ＣＰＵ２１は流量測定を行い、流体の流量を示す流量データを第１出力回路２５や第２出力回路２６に出力する。第１出力回路２５や第２出力回路２６は流量データを外部に出力する。また、表示器２７にも流量データが入力されて、流量データを表示する。表示器２７には温度等の情報も表示することができる。

また、図１に示しているように、２点差線で囲んだ領域が経路１、経路２になる。経路１は第１切り替え回路１１、第２切り替え回路１２、第１入力アンプ１５、第２入力アンプ１６を含み、デジタル信号処理回路２０にまで至る経路である。経路２は第３切り替え回路１３、第４切り替え回路１４、第３入力アンプ１７、第４入力アンプ１８を含み、デジタル信号処理回路２０にまで至る経路である。

図２は、デジタル信号処理回路２０の構成を示している。このデジタル信号処理回路２０は位相差算出部３１と第１フィルタ３２と第２フィルタ３３と回路誤差算出部３４と回路誤差補正部３５と周波数算出部３６と基準信号周波数選択部３７とを備えて構成している。

図１に示したように、第１切り替え回路１１〜第４切り替え回路１４はそれぞれ２つの信号のうち１つの信号を選択的に切り替えている。選択された信号には「´」をつけるものとする。従って、第１切り替え回路１１のチャネルＣＨ１からは、第１振動信号Ｓ１´もしくは基準信号Ｓ３０１´が入力される。

同様に、第２切り替え回路１２のチャネルＣＨ２からは、第２振動信号Ｓ２０１´もしくは基準信号Ｓ３０２´が入力される。第３切り替え回路１３のチャネルＣＨ３からは第１振動信号Ｓ１０２´もしくは基準信号Ｓ３０３´が入力される。第４切り替え回路１４のチャネルＣＨ４からは第２振動信号Ｓ２´もしくは基準信号Ｓ３０４´が入力される。

位相差算出部３１はＣＨ１〜ＣＨ４までの信号を入力して、入力した信号の位相差を算出する。図３に示すように、位相差算出部３１はヒルベルト変換器４０と三角関数演算器４３とを有して構成しており、ヒルベルト変換器４０は第１ＦＩＲフィルタ４１と第２ＦＩＲフィルタ４２とを有して構成している。

第１ＦＩＲフィルタ４１および第２ＦＩＲフィルタ４２はＦＩＲ（Finite Impulse Response）フィルタである。第１ＦＩＲフィルタ４１および第２ＦＩＲフィルタ４２にはＣＨ１〜ＣＨ４の信号が分岐して両者に入力される。第１ＦＩＲフィルタ４１は、入力信号と同じ位相の出力信号に変換する同相デジタルフィルタであり、第２ＦＩＲフィルタ４２は、入力信号と９０度異なる位相の出力信号に変換する異相デジタルフィルタである。

第１ＦＩＲフィルタ４１は入力信号に対して「Ａ×ｓｉｎ（ωｔ）」なる形の信号を三角関数演算器４３に出力する。第２ＦＩＲフィルタ４２は入力信号に対して「Ａ×ｃｏｓ（ωｔ）」なる形の信号を三角関数演算器４３に出力する。

三角関数演算器４３は位相差の演算を行う。このとき、三角関数演算器４３は複数の時刻の位相差をサンプリングして、位相差の平均値を演算している。従って、演算される位相差は平均化された状態になる。前述したように、ＣＨ１〜ＣＨ４までの信号に重畳成分が生じたときに、固有振動数ｆ０と後述する基準信号周波数ｆａとは異なる周波数になっているため、重畳成分は振動成分として出現する。そこで、三角関数演算器４３で位相差の平均値を演算することで、重畳成分を除去することができる。従って、三角関数演算器４３は重畳成分を除去するフィルタとしての機能を有している。

三角関数演算器４３は第１振動信号Ｓ１´と第２振動信号Ｓ２０１´との位相差を演算する。第１振動信号Ｓ１´と第２振動信号Ｓ２０１´とは経路１を伝送される信号であり、その位相差を演算する。これを、図３において、「Ｓ１´―Ｓ２０１´位相差」（経路１）として示している。

同様に、三角関数演算器４３は第１振動信号Ｓ１０２´と第２振動信号Ｓ２´との位相差を演算する。第１振動信号Ｓ１０２´と第２振動信号Ｓ２´とは経路２を伝送される信号であり、その位相差を演算する。これを、図３において、「Ｓ１０２´―Ｓ２´位相差」（経路２）として示している。

また、三角関数演算器４３は基準信号Ｓ３０１´と基準信号Ｓ３０２´との位相差を演算する。基準信号Ｓ３０１´と基準信号Ｓ３０２´とは経路１を伝送される信号であり、その位相差を演算する。これを、図３において、「Ｓ３０１´―Ｓ３０２´位相差」（経路１）として示している。

また、三角関数演算器４３は基準信号Ｓ３０３´と基準信号Ｓ３０４´との位相差を演算する。基準信号Ｓ３０３´と基準信号Ｓ３０４´とは経路２を伝送される信号であり、その位相差を演算する。これを、図３において、「Ｓ３０３´―Ｓ３０４´位相差」（経路２）として示している。

図２に示すように、位相差算出部３１が出力した位相差「Ｓ１´―Ｓ２０１´」（これを位相差φ１とする）および位相差「Ｓ１０２´―Ｓ２´」（これを位相差φ２とする）は第１フィルタ３２に入力される。また、位相差算出部３１が出力した位相差「Ｓ３０１´―Ｓ３０２´」（これを位相差φ３とする）および位相差「Ｓ３０３´―Ｓ３０４´」（これを位相差φ４とする）は第２フィルタ３３に入力される。

三角関数演算器４３により各信号の重畳成分は除去されている。ただし、三角関数演算器４３だけでは重畳成分を除去しきれない場合がある。このために、第１フィルタ３２および第２フィルタ３３を設けている。第１フィルタ３２および第２フィルタ３３も重畳成分を除去するフィルタとして機能する。

第１フィルタ３２は前記の位相差φ１（＝Ｓ１´―Ｓ２０１´）および前記の位相差φ２（＝Ｓ１０２´―Ｓ２´）の信号の重畳成分を除去する。前述したように、信号に重畳成分が生じると、固有振動数ｆ０と基準信号周波数ｆａとは異なる周波数になっているため、重畳成分は振動成分として重畳される。

位相差φ１および位相差φ２はＤＣ成分の信号となっており、第１フィルタ３２は位相差φ１および位相差φ２のＤＣ成分を通過させる。これにより、重畳成分は除去される。なお、第１フィルタ３２は位相差φ１、位相差φ２の平均化を行うことにより、重畳成分を除去するようにしてもよい。

第２フィルタ３３は前記の位相差φ３（＝Ｓ３０１´―Ｓ３０２´）および位相差φ４（＝Ｓ３０３´―Ｓ３０４´）の信号の重畳成分を除去する。この場合も、固有振動数ｆ０と基準信号周波数ｆａとは異なる周波数になっているため、重畳成分は振動成分として重畳される。

そこで、第２フィルタ３３は位相差φ３および位相差φ４のＤＣ成分を通過させる。これにより、重畳成分は除去される。なお、第２フィルタ３３についても、位相差φ３、位相差φ４の平均化を行うことにより、重畳成分を除去するようにしてもよい。

回路誤差算出部３４は位相差φ３を用いて経路１の回路誤差を算出し、位相差φ４を用いて経路２の回路誤差を算出する。基準信号Ｓ３０１〜Ｓ３０４には第１振動信号Ｓ１および第２振動信号Ｓ２の固有振動数ｆ０とは異なる基準信号周波数ｆａの基準信号が用いられている。従って、位相差φ３または位相差φ４は単に回路誤差を示すものではない。

回路誤差算出部３４には周波数算出部３６から固有振動数ｆ０および基準信号周波数選択部３７から基準信号周波数ｆａが入力されている。よって、位相差φ３、φ４、固有振動数ｆ０、基準信号周波数ｆａを用いて回路誤差を近似する演算を行う。

位相差φ３は経路１の回路誤差を示しており、位相差φ４は経路２の回路誤差を示している。回路誤差算出部３４は位相差φ３を用いて経路１の回路誤差を演算して、経路１回路誤差（Δφ１とする）を出力する。また、回路誤差算出部３４は位相差φ４を用いて経路２の回路誤差（Δφ２とする）を演算して、経路２回路誤差を出力する。経路１回路誤差Δφ１および経路２回路誤差Δφ２は回路誤差補正部３５に入力される。

回路誤差補正部３５は第１フィルタ３２を通過した位相差φ１またはφ２に対して、経路１回路誤差Δφ１または経路２回路誤差Δφ２を用いて補正を行う。図１に示した経路１と経路２とは異なる経路になり、環境条件の違い等により各経路が異なる影響を受けて位相ずれを発生する。この位相ずれが経路の回路誤差となる。この回路誤差はゼロ補償値とも呼ばれる。従って、回路誤差補正部３５は回路誤差の補正を行う。

回路誤差補正部３５が回路誤差を補正した位相差φ１および位相差φ２は管路を流れる流量を示す。従って、デジタル信号処理回路２０は回路誤差を補正した位相差φ１および位相差φ２を流量信号としてＣＰＵ２１に出力する。

周波数算出部３６は周波数を算出する。このために、図２に示すように、ＣＨ１から第１振動信号Ｓ１´およびＣＨ３から第１振動信号Ｓ１０２´を入力している。これらの信号の周波数は固有振動数ｆ０であり、第１振動信号Ｓ１´または第１振動信号Ｓ１０２´に基づいて、周波数算出部３６は固有振動数ｆ０を算出する。

なお、第２振動信号Ｓ２（および第２振動信号Ｓ２０１）の周波数も固有振動数ｆ０になる。よって、これらの信号を周波数算出部３６に入力して、固有振動数ｆ０を算出するようにしてもよい。

周波数算出部３６が算出した固有振動数ｆ０は回路誤差算出部３４に入力されると共に、基準信号周波数選択部３７にも入力される。基準信号周波数選択部３７は固有振動数ｆ０とは異なる周波数を選択する。この選択した周波数が前述した基準信号周波数ｆａである。基準信号周波数ｆａは「ｆａ＝ｆ０＋ａ」であり、固有振動数ｆ０に対してａの分だけ異なった周波数になっている。

基準信号周波数選択部３７が選択した基準信号周波数ｆａは回路誤差算出部３４に出力されると共に、基準信号生成回路１０に対しても出力される。従って、基準信号生成回路１０は基準信号周波数ｆａの基準信号を出力して、この基準信号が分岐して基準信号Ｓ３０１〜Ｓ３０４になる。

以上が構成である。次に、動作について説明する。図１に示すドライブ回路２２が駆動信号ＤＲＶを出力することで、ドライブコイルＬ３が管路を加振して振動させる。検出器２の上流側コイルＬ１は振動を検出して第１振動信号Ｓ１を出力する。また、下流側コイルＬ２は振動を検出して第２振動信号Ｓ２を出力する。

また、ＲＴＤ駆動回路２３は抵抗駆動信号ＲＴＤＤＲＶを出力する。これにより、測温抵抗体ＲＴＤは管路を流れる流体の温度を測定する。この測定した温度は温度信号ＴＥＭＰとして出力される。よって、第１振動信号Ｓ１、第２振動信号Ｓ２および温度信号ＴＥＭＰが変換器３に入力される。

前述したように、経路１と経路２とでは経路の回路誤差を生じている。つまり、周囲温度変動や回路、配線の経年変化等により、経路の環境条件が変化する。これにより、経路の回路誤差を発生する。回路誤差を発生すると、位相ずれを生じて、正確な流量測定を行うことができない。このため、回路誤差の補正を行う。

経路１において回路誤差の演算を行い、経路２ではこれと並行して流量測定を行うための位相差の演算を行う。これにより、流量測定のための位相差の演算を行っている間に回路誤差の演算を行うことができる。このため、流量測定を中断して回路誤差を測定することがなくなり、無駄な時間を削減すると共に、安定した流量測定が行われる。流量測定のための位相差の演算と回路誤差の演算とは時分割で交互に行われる。

つまり、経路１の回路誤差の演算を行うのと並行して、経路２の信号を用いて流量測定のための位相差演算を行う。これを一定時間行い、次に経路２の回路誤差の演算を行うのと並行して、経路１の信号を用いて流量測定のための位相差演算を行う。この位相差演算を行うときに、前回得られた回路誤差の補正を行うことにより、正確な流量測定を行う。以上の動作を時分割で交互に繰り返す。

まず、経路１の回路誤差の演算を行い、経路２の信号を用いて流量測定のための位相差演算を行う場合について説明する。第１切り替え回路１１は基準信号Ｓ３０１を選択する。従って、チャネルＣＨ１は基準信号Ｓ３０１´となり、第１入力アンプ１５により基準信号Ｓ３０１´が増幅される。そして、位相差ＡＤＣ１９により基準信号Ｓ３０１´はデジタル信号に変換されて、デジタル信号処理回路２０に入力される。

第２切り替え回路１２は基準信号Ｓ３０２を選択する。従って、チャネルＣＨ２は基準信号Ｓ３０２´となり、第２入力アンプ１６により基準信号Ｓ３０２´が増幅される。そして、位相差ＡＤＣ１９により基準信号Ｓ３０２´はデジタル信号に変換されて、デジタル信号処理回路２０に入力される。

第３切り替え回路１３は第１振動信号Ｓ１０２を選択する。従って、チャネルＣＨ３は第１振動信号Ｓ１０２´となり、第３入力アンプ１７により第１振動信号Ｓ１０２´が増幅される。そして、位相差ＡＤＣ１９により第１振動信号Ｓ１０２´はデジタル信号に変換されて、デジタル信号処理回路２０に入力される。

第４切り替え回路１４は第２振動信号Ｓ２を選択する。従って、チャネルＣＨ４は第２振動信号Ｓ２´となり、第４入力アンプ１８により第２振動信号Ｓ２´が増幅される。そして、位相差ＡＤＣ１９により第２振動信号Ｓ２´はデジタル信号に変換されて、デジタル信号処理回路２０に入力される。

図２を参照して、デジタル信号処理回路２０の動作について説明する。前述したように、チャネルＣＨ１は基準信号Ｓ３０１´であり、チャネルＣＨ２は基準信号Ｓ３０２´であり、チャネルＣＨ３は第１振動信号Ｓ１０２´であり、チャネルＣＨ４は第２振動信号Ｓ２´である。これら４つの信号は、図２に示す位相差算出部３１に入力される。

前述したように、４つのチャネルＣＨ１〜ＣＨ４を伝送される各信号は相互に重畳されることがある。各信号に重畳成分が加わると、これらの信号を用いて行う各種の演算に誤差を生じさせる。例えば、位相差算出部３１の演算に誤差を生じ、回路誤差算出部３４の演算にも誤差を生じる。その結果、流量測定に誤差を生じ、最終的に得られる流量値の正確性が低下する。

基準信号Ｓ３０１および基準信号Ｓ３０２の周波数（基準信号周波数ｆａ）は、第１振動信号Ｓ１および第２振動信号Ｓ２の周波数（固有振動数ｆ０）とは異なる周波数に設定されている。従って、各信号に重畳成分が発生するが、基準信号周波数ｆａと固有振動数ｆ０とは異なる周波数にしているため、重畳成分は各信号に振動成分として重畳される。

この重畳成分が測定誤差を生じさせる原因となる。そこで、三角関数演算器４３により重畳成分の除去を行う。図３に示すように、基準信号Ｓ３０１´と基準信号Ｓ３０２´と第１振動信号Ｓ１０２´と第２振動信号Ｓ２´とはそれぞれヒルベルト変換器４０を構成する第１ＦＩＲフィルタ４１と第２ＦＩＲフィルタ４２とに入力される。

第１ＦＩＲフィルタ４１では入力信号を「Ａ×ｓｉｎ（ωｔ）」の形で出力し、第２ＦＩＲフィルタ４２では入力信号を「Ａ×ｃｏｓ（ωｔ）」の形で出力する。そして、三角関数演算器４３で位相差を演算する。三角関数演算器４３では複数の時刻でサンプリングして位相差の演算を行い、各時刻の位相差の平均化を行っている。これにより、各信号に重畳した振動成分は平均化される。その結果、信号から重畳成分が除去される。

ここでは、第１振動信号Ｓ１０２´と第２振動信号Ｓ２´との位相差が演算されて、位相差算出部３１から出力される。この位相差φ２は管路を流れる流体の流量を示しており、位相差φ２の信号が第１フィルタ３２に入力される。重畳成分が生じていないときの位相差φ２の信号はＤＣ信号となる。

ただし、三角関数演算器４３で十分に重畳成分が除去されていないときには、位相差φ２の信号に重畳成分が重畳している。前述したように、固有振動数ｆ０と基準信号周波数ｆａとは異なる周波数にしていることから、位相差φ２のＤＣ信号成分に重畳成分が振動成分として重畳している。

そこで、第１フィルタ３２は位相差φ２のＤＣ信号のみを通過させることで、重畳成分を除去することができる。これにより、第１フィルタ３２によるフィルタリング作用を受けた位相差φ２の信号は重畳成分が除去された状態で（つまり、ＤＣ成分の信号として）回路誤差補正部３５に入力される。

一方、三角関数演算器４３では基準信号Ｓ３０３´とＳ３０４´との位相差の演算が行われて、位相差φ３が第２フィルタ３３に入力される。重畳成分が生じていないときの位相差φ３の信号はＤＣ信号となる。ただし、この場合も、三角関数演算器４３で十分に重畳成分が除去されていないときには、位相差φ３の信号に重畳成分が重畳している。この重畳成分も振動成分として重畳している。

そこで、第２フィルタ３３は位相差φ３のＤＣ信号のみを通過させることで、重畳成分を除去することができる。これにより、第１フィルタ３２によるフィルタリング作用を受けた位相差φ３の信号は重畳成分が除去された状態で回路誤差算出部３４に入力される。

回路誤差算出部３４では位相差φ３に基づいて、経路１の回路誤差を算出する。位相差φ３は経路１の回路誤差を直接的に示しているものではない。これは、位相差φ３を得るための基準信号Ｓ３０３´およびＳ３０４´の周波数が固有振動数ｆ０とは異なる基準信号周波数ｆａとしているためである。

回路誤差と周波数との関係は、必ずしも線形に比例する関係にはならない。従って、固有振動数ｆ０と異なる基準信号周波数ｆａとしているため、位相差φ３は経路１の回路誤差を直接的に示しているものではない。図４は、回路誤差（単位はｒａｄ）と周波数（単位はＨｚ）との関係性の一例を示したものである。

従って、図２に示す回路誤差算出部３４は回路誤差の近似演算を行う。このために、回路誤差算出部３４には、第２フィルタ３３で重畳成分が除去された位相差φ３、周波数算出部３６から出力される固有振動数ｆ０、基準信号周波数選択部３７が選択した基準信号周波数ｆａが入力されている。

ここでは、基準信号は１つの基準信号周波数ｆａのみが用いられているため、１次近似の演算を行う。経路１の回路誤差は前述したようにΔφ１としている。このとき、経路１の回路誤差Δφ１は、以下の式１に示すように１次近似がされる。

これにより、経路１の回路誤差Δφ１を近似して算出することができる。この経路１の回路誤差Δφ１が回路誤差算出部３４に入力される。前述したように、経路１の回路誤差Δφ１の演算と経路２を用いた位相差φ２の演算とは並行して行われている。そして、次に、経路２の回路誤差Δφ２の演算と経路１を用いた位相差φ１の演算とが並行して行われる。

この動作を時分割で交互に行っている。従って、回路誤差補正部３５に入力された経路１の回路誤差Δφ１は、次の時分割のタイミングで演算される位相差φ１に対して補正がされる。これにより、経路１の回路誤差Δφ１を補正した位相差φ１が得られる。つまり、経路１の回路誤差の補償（ゼロ補償）が行われる。そして、この位相差φ１が流量信号としてＣＰＵ２１に出力される。

ＣＰＵ２１では、位相差φ１を示す流量信号に基づいて、流量測定を行う。このときに、温度信号ＴＥＭＰによる補正を行うことで、流体の温度による測定誤差を補償した流量測定を行うことができる。これを流量データとして、第１出力回路２５や第２出力回路２６、表示器２７に出力する。

以上説明したように、基準信号生成回路１０は、基準信号周波数ｆａが第１振動信号Ｓ１および第２振動信号Ｓ２の固有振動数ｆ０とは異なる周波数の基準信号を生成して出力している。各チャネルＣＨ１〜ＣＨ４の信号に他の信号の重畳成分が生じると、測定誤差を生じるが、このとき基準信号周波数ｆａと固有振動数ｆ０とが同じ周波数であると、重畳成分は定数成分（オフセット成分）として重畳するため、重畳成分を除去することができない。

しかし、本実施形態では、基準信号周波数ｆａと固有振動数ｆ０とを異なる周波数にしているため、信号に重畳成分が生じたとしても、この重畳成分は振動成分として出現する。よって、フィルタ処理により重畳成分を除去することが可能になり、測定誤差を低減することができる。

以上において、三角関数演算器４３、第１フィルタ３２、第２フィルタ３３を用いて、重畳成分を除去している。つまり、これらは重畳成分を除去するフィルタとしての機能を果たすことになる。ただし、これらのフィルタを設けなくても、測定誤差の低減を図ることはできる。

前述したように、基準信号周波数ｆａと固有振動数ｆ０とは異なる周波数に設定している。これにより、信号に重畳成分が生じたときに、定数成分ではなく振動成分として重畳される。この振動成分の振幅の中心に着目すれば、実質的に振動成分を除去した信号とすることができる。従って、格別のフィルタを設けることなく、重畳成分による影響を低減することができる。

また、三角関数演算器４３による平均化効果が十分であれば、第１フィルタ３２および第２フィルタ３３を用いることなく、重畳成分を除去することができる。この場合には、第１フィルタ３２および第２フィルタ３３を設けなくてもよい。

また、図３に示すヒルベルト変換器４０と三角関数演算器４３とにより位相差の演算を行うと同時に、平均化効果により重畳成分の除去を行っている。位相差の演算はヒルベルト変換器４０および三角関数演算器４３ではない、他の回路により位相差の演算を行ってもよい。その場合には、第１フィルタ３２および第２フィルタ３３を設けることが望ましい。

また、本実施形態では、経路１の回路誤差Δφ１の演算と経路２の位相差φ２の演算とを並行して行い、次に経路２の回路誤差Δφ２の演算と経路１の位相差φ１の演算とを並行して行い、この動作を時分割で交互に繰り返す例について説明したが、これに限定されない。

回路誤差の演算と流量測定のための位相差の演算とを交互に行うような場合についても本実施形態を適用できる。この場合には、図１に示した経路１と経路２とのうち何れか１つのみを使用して、回路誤差の演算と位相差の演算とを行うことができる。従って、回路構成としては単純になる。

ただし、回路誤差の演算と流量測定のための位相差の演算とを並行して行うことで、無駄な待ち時間をなくすことができるという効果が得られると共に、この場合には、複数のチャネルが必要になるため、信号の重畳が発生しやすくなる。そこで、本実施形態のように、基準信号周波数ｆａと固有振動数ｆ０とを異ならせることで、重畳成分を除去する必要性が大きくなる。従って、本実施形態を適用することが有効である。

また、基準信号生成回路１０は固有振動数ｆ０とは異なる１種類の基準信号（基準信号周波数ｆａ）を生成して出力しているが、２種類以上の異なる周波数の基準信号を発生するようにしてもよい。例えば、基準信号周波数ｆａ（＝ｆ０＋ａ）の基準信号と基準信号周波数ｆｂ（＝ｆ０＋ｂ）の基準信号とを出力するようにしてもよい。

２種類以上の異なる周波数の基準信号を用いると、回路誤差算出部３４による回路誤差の近似演算の精度が向上する。つまり、基準信号周波数ｆａのみを用いる場合には、１点による１次近似の演算を行うが、基準信号周波数ｆａおよびｆｂを用いる場合には、２点による１次近似の演算を行うことができる。

２種類の基準信号周波数ｆａおよびｆｂを用いるときには、基準信号生成回路１０は時分割で交互に基準信号周波数ｆａの基準信号と基準信号周波数ｆｂの基準信号とを出力する。基準信号周波数ｆａの基準信号を出力したときに得られる前述した位相差φ３（＝Ｓ３０３´−Ｓ３０４）をφ３１とし、基準信号周波数ｆｂの基準信号を出力したときに得られる位相差φ３をφ３２とすると、経路１の回路誤差Δφ１は以下の式２となる。

この場合には、２点による１次近似を行うことができるため、経路１の回路誤差Δφ１は、基準信号周波数ｆａのみを用いた場合と比較して、近似の精度が向上する。従って、より正確な経路１の回路誤差Δφ１を得ることができ、流量測定の誤差をより低減することができる。

また、３種類の異なる基準信号周波数の基準信号を用いて、回路誤差を演算してもよい。３種類の基準信号を用いた場合は、３点による２次近似の演算を行なうことになる。この場合には、さらに正確な経路１の回路誤差Δφ１を得ることができる。勿論、４種類以上の異なる基準信号周波数の基準信号を用いてもよい。

また、基準信号周波数ｆａはｆａ＝ｆ０＋ａである。また、基準信号周波数ｆｂはｆｂ＝ｆ０＋ｂである。このときのａやｂは動的に変化させてもよい。ただし、基準信号周波数は固定的に設定してもよい。図５は基準信号周波数ｆａ、ｆｂを固定的に保持している例を示している。

図５は図２の構成に対して、基準信号周波数保持部３８を追加している。基準信号周波数保持部３８は基準信号周波数ｆａ、ｆｂを固定的に保持している。これらは固有振動数ｆ０とは異なる周波数になる。なお、基準信号周波数ｆａのみを保持していてもよい。

基準信号周波数選択部３７は周波数算出部３６から基準信号を入力しておらず、基準信号周波数保持部３８から基準信号周波数ｆａ、ｆｂを入力している。そして、基準信号周波数ｆａ、ｆｂを回路誤差算出部３４に入力させている。これにより、経路１の回路誤差Δφ１を算出することができる。

基準信号周波数保持部３８が保持する基準信号周波数ｆａ、ｆｂは変更不能にしてもよいし、ユーザが指定できるパラメータとしてもよい。また、基準信号周波数ｆａ、ｆｂは検出器２の種類やサイズに応じて選択されるようにしてもよい。

また、基準信号周波数ｆａ（ｆｂも同様）は、回路誤差を算出するときの近似の誤差とフィルタによる重畳成分の除去効果とに基づいて決定することができる。基準信号周波数ｆａはｆａ＝ｆ０＋ａであり、つまり固有振動数ｆ０に対してａの分だけ異なる周波数になっている。

このとき、基準信号周波数ｆａと固有振動数ｆ０との差が大きすぎると、つまりａの値が大きすぎると、回路誤差算出部３４が行う回路誤差の演算の近似の誤差が大きくなる。換言すれば、基準信号周波数ｆａと固有振動数ｆ０との差が小さければ、つまりａの値が小さければ、近似の誤差を小さくすることができる。

一方、基準信号周波数ｆａと固有振動数ｆ０との差が小さすぎると、基準信号周波数ｆａと固有振動数ｆ０とが近接するため、信号が重畳したときの重畳成分が定数成分（オフセット成分）に近くなる。このため、各種のフィルタを用いたとしても、重畳成分を除去することが難しくなる。これにより、測定誤差を低減させることができなくなる。

従って、基準信号周波数ｆａの選択は、回路誤差を算出するときの近似の誤差が大きくならない程度に、且つ信号が重畳したときの重畳成分を除去可能な程度に設定することで、測定誤差をより低減させることができる。

また、図２では位相差算出部３１と回路誤差補正部３５との間に第１フィルタ３２を設けるようにしたが、図６に示すように、第１フィルタ３２を回路誤差補正部３５の後段に配置してもよい。第２フィルタ３３は回路誤差算出部３４よりも前段に配置する必要がある。つまり、重畳成分を除去した位相差の信号を用いて回路誤差の演算を行うことで、演算精度を向上させている。

一方、第１フィルタ３２は第１振動信号Ｓ１と第２振動信号Ｓ２との位相差の信号から重畳成分を除去するためのフィルタである。従って、回路誤差補正部３５により補正を行った後に重畳成分を除去することによっても、位相差の信号から重畳成分を除去することができ、測定誤差を低減させることができる。

また、図２では、第１フィルタ３２および第２フィルタ３３は位相差算出部３１の後段に配置した構成を示したが、第１フィルタ３２および第２フィルタ３３は位相差算出部３１の前段に配置する構成としてもよい。

１ コリオリ質量流量計
２ 検出器
３ 変換器
１０ 基準信号生成回路
１１〜１４ 切り替え回路
１５〜１８ 入力アンプ
１９ 位相差ＡＤＣ
２０ デジタル信号処理回路
２１ ＣＰＵ
２２ ドライブ回路
２３ ＲＴＤ駆動回路
２４ 温度ＡＤＣ
３１ 位相差算出部
３２ 第１フィルタ
３３ 第２フィルタ
３４ 回路誤差算出部
３５ 回路誤差補正部
３６ 周波数算出部
３７ 基準信号周波数選択部
３８ 基準信号周波数保持部
４０ ヒルベルト変換器
４１ 第１ＦＩＲフィルタ
４２ 第２ＦＩＲフィルタ
４３ 三角関数演算器
Ｓ１ 第１振動信号
Ｓ２ 第２振動信号

Claims (6)

1. 流体が流れる管路を振動させて、前記管路の上流側の第１振動信号および下流側の第２振動信号に基づいて、前記管路を流れる流体の流量を測定するコリオリ質量流量計であって、
   前記第１振動信号および前記第２振動信号の周波数とは異なる周波数の基準信号を生成する基準信号生成部と、
   前記第１振動信号と前記第２振動信号と前記基準信号との経路が複数に分岐されて、前記第１振動信号と前記第２振動信号との位相差および分岐された前記基準信号間の位相差を算出する位相差算出部と、
   前記基準信号間の位相差に基づいて回路誤差を算出する回路誤差算出部と、
   前記位相差算出部により算出された前記第１振動信号と前記第２振動信号との位相差に対して前記回路誤差の補正を行う回路誤差補正部と、
   を備えたことを特徴とするコリオリ質量流量計。
2. 前記分岐された経路を伝送される各信号が他の経路を伝送される信号と重畳したときの重畳成分を除去するフィルタを備えていること
   を特徴とする請求項１記載のコリオリ質量流量計。
3. 前記基準信号生成部は、それぞれ異なる周波数を持つ２つ以上の前記基準信号を時分割で出力し、
   前記回路誤差算出部は、１次以上の近似で前記回路誤差を算出することを特徴とすることを
   を特徴とする請求項２記載のコリオリ質量流量計。
4. 前記基準信号の周波数は、前記回路誤差算出部による前記回路誤差を算出するときの近似の誤差と前記フィルタによる前記重畳成分の除去効果とに基づいて決定すること
   を特徴とする請求項３記載のコリオリ質量流量計。
5. 前記第１振動信号および前記第２振動信号の周波数とは異なる周波数を記憶する基準信号周波数記憶部と、
   この基準周波数記憶部が記憶している周波数を選択して、前記基準信号生成部に出力する基準信号周波数選択部と、
   を備えたことを特徴とする請求項１記載のコリオリ質量流量計。
6. 前記第１振動信号と前記第２振動信号との位相差の演算と前記基準信号間の位相差の演算とは並行して行われること
   を特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載のコリオリ質量流量計。

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