JP2015108632A - 振動型流量計の流れチューブを振動させる方法及び装置 - Google Patents
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Abstract
Description
質量流量、密度等のような導管内の材料に関する特性は、導管に関する運動トランスデューサから受信した測定信号を処理することによって決定できる。振動材料で充填されたシステムの振動モードは、一般的に、封入している導管及びその中に含まれる材料の組み合わせた質量、剛性、及び減衰特性によって影響を受ける。
励起は、通常、アクチュエータによって付与され、該アクチュエータは例えば導管を周期的に摂動する音声コイル型のドライバなどの電子機械デバイスである。質量流量は、トランスデューサの位置にて、動き間の時間遅延又は動き間の位相差を測定することによって決定される。
流体材料の密度は、流量計の振動応答の周波数から決定することができる。2又は3以上のそのようなトランスデューサ(またはピックオフセンサ)が、通常用いられて、流体導管の振動応答を測定し、普通はアクチュエータの上流及び下流の位置に位置する。
2つのピックオフセンサは一般的に、2つの別個のワイヤの対であるようなケーブルによって計装機器に接続されている。計装機器は、2つのピックオフセンサからの信号を受信し、流量測定を導出するために信号を処理する。
はまる(true)。例えば、米国特許第7,168,329号から、磁石を、流れチューブ自体の一部
に貼り付けられる磁石材料に置換することが知られている。そのようなシステムは、2又は3以上のドライバを用いる正弦波、又は方形波のような単純な駆動周波数、即ち、流れチューブの両側の周波数に適切である。しかし、最近、駆動信号のタイプは単純な方形波、台形波、正弦波の単一の周波数の駆動信号ではなく、より複雑になっている。複雑な駆動信号は、例えば2又は3以上の周波数を含む。メータ検証、音速測定、多相流れ検知等のような先端的な流量計の機能を実行するには、多数の周波数が流れチューブ上に同時にかけられて、複雑な駆動信号を生じる。しかし、流量計が有意義な情報を得るには、駆動力は双方向的で線形であるべきである。双方向の駆動力は、流れチューブが駆動アセンブリに向かい且つ駆動アセンブリから離れるように振動することを意味する。線形の駆動力は、流れチューブに及ぼされる力が、コイルに加えられる電流/電圧に略線形に比例する
ことを意味する。そのような駆動力は、一般的な駆動アセンブリでは問題ではないが、’
329号特許に開示されたような実施例にて、流量計はプルモード又はプッシュモードの何
れかにてのみ作動する。従って、双方向の駆動力を得るために、多数の駆動コイルが必要であり、1つは流れチューブの両側にある。この構成は、過度の数の部品が必要であり、コストが高くなる。
形駆動信号が無く、従って、複雑な駆動信号をサポートすることが略できない。線形問題に取り組む1つのアプローチは、磁気コイルのサイズと強度を大きくすることである。’329号特許に述べられた一方向の問題を取り扱うべく、多数のコイルが用いられ、或いは
、N/S磁界を含む堅い磁性体が流れチューブに用いられ得る。これらの解決策は、高価
であり、サイズ及び電力制限の点で困難である。
本発明は、1以上の周波数を含む複雑な駆動信号を用いて、流れチューブを振動させることができる単一の駆動コイルを組み合わせることによって、これら及び他の問題を克服する。
本発明の一態様によれば、流れ測定システムは、振動型流量計を備え、該振動型流量計は、
少なくとも1つの流れチューブと、
該流れチューブ上にバイアス力を加えるように構成されたドライバと、
第1の撓み位置の周りに流れチューブを振動させる駆動信号を生成するように構成されたメータ電子機器を備え、第1の撓み位置は流れチューブ停止位置から離れている。
好ましくは、駆動信号はバイアス電圧を含む。
好ましくは、ドライバによって加えられるバイアス力は、流れチューブを第1の方向に撓ませる。
好ましくは、流れチューブの固有弾性により、流れチューブは、第1の方向とは反対の第2の方向に撓む。
好ましくは、駆動信号は流れチューブを停止位置と第1の撓み位置と第2の撓み位置との間で振動させる。
好ましくは、メータ電子機器は更に、線形化アルゴリズムを生成するように構成されている。
好ましくは、流れチューブは更に磁気部分を備えている。
少なくとも1つの流れチューブと、
該流れチューブ上にバイアス力を加えるように構成されたドライバと、
バイアス電圧及び駆動信号を生成するように構成され、バイアス電圧を含む駆動信号をドライバに加えて、流れチューブを振動させるメータ電子機器を備えている。
好ましくは、バイアス電圧を含む駆動信号は第1の撓み位置の周りに流れチューブを振動させ、第1の撓み位置は流れチューブの停止位置から離れている。
好ましくは、駆動信号は流れチューブを停止位置と第1の撓み位置と第2の撓み位置との間で振動させる。
好ましくは、ドライバによって加えられるバイアス力は、流れチューブを第1の方向に撓ませる。
好ましくは、流れチューブの固有弾性により、流れチューブは、第1の方向とは反対の第2の方向に撓む。
好ましくは、メータ電子機器は更に、線形化アルゴリズムを生成するように構成されてい
る。
好ましくは、流れチューブは更に磁気部分を備えている。
流れチューブの停止位置から離れた第1の撓み位置の周りに流れチューブを振動させる工程を有する。
好ましくは、流れチューブを振動させる工程は、駆動信号に基づいて、ドライバを用いて流れチューブに第1のバイアス力を加え、流れチューブの固有弾性は、第1のバイアス力とは反対の第2のバイアス力を加える。
好ましくは、第1の撓み位置の周りに流れチューブを振動させる工程は、該流れチューブを停止位置と第1の撓み位置と第2の撓み位置との間で振動させ、第1の撓み位置は、流れチューブの停止位置と第2の撓み位置の間である。
好ましくは、方法は更に、バイアス電圧を含む駆動信号を生成し、該駆動信号をドライバに加えて、流れチューブを振動させる工程を含む。
好ましくは、方法は更に駆動信号をドライバに送る線形化アルゴリズムを生成する。
図4―図15及び以下の記載は、特定例を記載し、本発明のベストモードを如何にして製作し用いるかを当業者に開示する。進歩性のある原理を開示する目的から、幾つかの従来の態様は簡略化され、又は省略される。当業者ならば、本発明の範囲に含まれるこれらの例から変形例を理解するだろう。当業者ならば、以下に記載した特徴は種々の方法で結合されて、本発明の多数の変形例を形成することを理解するだろう。その結果、本発明は以下に記載した特定例に限定されず、請求の範囲及びその均等物のみによって限定される。
信号を処理して、流れ測定情報を生成することができ、該流れ測定情報は流速、密度及びメータ検定を含むが、これらに限定されない。
動作において、流体は入口フランジ108を通って入口101に入り、出口フランジ109を通って出口102にて流れチューブ110を出る。流体が流れチューブ110を通って出ると、ドライバ120は流れチューブ110を振り子のように振動させる駆動信号を加える。
圧成分を含む単純な正弦波の駆動信号300によって駆動される。
図3は、従来技術による駆動信号300を示す。駆動信号300は、単純な電圧対時間グラフとして示され、示す単位は任意である。駆動信号300は、上記の如く、単純な正弦波の駆動周波数であり、駆動信号300は正負電流/電圧の成分を含む。駆動信号30
0の正の電流/電圧部分の間は、流れチューブ110は示すように、流れチューブ位置2
21にて駆動コイル120Aから押し出される。逆に、駆動信号300の負の電流/電圧
部分の間は、流れチューブ110は、示すように、流れチューブ位置220にて駆動コイル120Aに向かって引き込まれる。駆動信号300は、単純な動作時は、従来技術の流量計100に適切な結果をもたらす。しかし、駆動信号300は、駆動コイル120Aから流れチューブ110を引き込み且つ押し返すことができない流量計には不適切である。
器450は、図5により詳細に示される。
できる。幾つかの実施例において、センサ信号510はドライバ420から受信され得る。メータ電子機器450は、質量流量計として、又は密度計として作動することができ、
それはコリオリ流量計として作動することを含む。メータ電子機器450はセンサ信号510を処理して、流れチューブ410を通って流れる材料の流れ特性を得ることができる。例えば、メータ電子機器450は、1又は2以上の位相差、周波数、時間差、密度、質量流量、メータ検証等を決定することができる。更に、メータ電子機器450は駆動信号511を生成し、該駆動信号511をドライバ420に供給することができる。駆動信号511は、図6に示す駆動信号600のような単純な駆動信号を含み、又は図9に示す駆動信号900のような多数の周波数を含む、より進化した複雑な駆動信号を含む。特定の駆動信号は、以下により詳細に記載される。
昇又は低下する駆動信号に更に、ドライバに加えられる電流又は電圧を意味することを意図していることは理解されるべきである。バイアス電圧512は例えばDCバイアス電圧を含む。バイアス電圧512は、正又は負のバイアス電圧を含む。特定のバイアス電圧は、特定の磁性材及び/又は流量計400に用いられるドライバによる。
メータ電子機器450はまた、線形化アルゴリズム513を生成する。線形化アルゴリズム513は、曲線当て嵌め、フィルタリング、増幅等を含む。線形化アルゴリズム513は、例えば線形駆動信号を生成するのに用いられ得る。
本発明の他の実施例に従って、線形化アルゴリズム513は、既存の非線形駆動信号に基づいて更なる線形信号を提供する、即ち、駆動信号の線形化を増加するのに用いられる。メータ電子機器450の種々の機能は、以下に更に詳細に記載される。
一実施例におけるインターフェイス501は、デジタイザ(図示せず)を含み、センサ信号はアナログセンサ信号である。デジタイザは、アナログセンサ信号をサンプリングしてデジタル化し、デジタルセンサ信号を生成する。デジタイザはまた、あらゆる必要な圧縮処理(decimation)を実行し、デジタルセンサ信号は必要な信号処理の量を減らし、処理時間を短縮すべく圧縮される。
処理システム503は、汎用コンピュータ、マイクロプロセッサシステム、論理回路、又は幾つかの汎用又は特注の処理デバイスを含む。処理システム503は、多数の処理デバイスの間に分散される。処理システム503は、あらゆる方式の一体化された又は別個の格納システム504のような電子的格納媒体を含む。
処理システム503は、センサ信号510を処理して、とりわけ駆動信号511を生成する。駆動信号はドライバ420に供給されて、図4の流れチューブ410のような関連する流れチューブを振動させる。駆動信号の例は、以下に付与される。
流量計400が流れチューブ410を一方向に駆動することに限定された状態で、正成分及び負成分の両方を含む単純な正弦波は実際的ではない。何故なら、駆動信号300の負の電流/電圧部分の間は、流れチューブ410はドライバ120に引き込まれないから
である。或いは、ドライバ120が流れチューブ410を引き込むことができるが、流れチューブを押し返すことができなければ、駆動信号300の正の電流/電圧部分は作用し
ない。従って、従来技術の1つのアプローチは、例えば図6に示され且つ以下に記載されるように、方形波の駆動信号に従って、流量計を駆動してきた。
半分はゼロである。従って、メータ電子機器450が駆動信号600をドライバ420に供給すれば、図7に示すように、流れチューブ410が振動する。
図7は、本発明の一実施例に従った、流量計400の側面図を示す。流れチューブ410は停止位置700にて実線で示される。「停止位置」がドライバによってバイアス力が略付与されない流れチューブの位置を意味することを意図していることは理解されるべきである。点線710は、流れチューブ410がドライバ420から押し返されるとき、例えば流量計が方形波の駆動信号600に従って駆動されるときの流れチューブ410を示す。方形波の駆動信号600に従って流量計400が駆動されるとき、流れチューブ410のマグネチック部426は、電流が供給されると、ドライバ420から押し返される。電流が供給されなければ、流れチューブ410の弾性によって、流れチューブ410は停止位置に戻る。幾つかの実施例において、駆動信号600は正の成分ではなく、負の成分を含むことは理解されるべきである。
図8は、従来技術に従った、先端的な駆動信号800の例を示す。駆動信号800は、多数の周波数を含む複雑な信号である。駆動信号800は、例えばより先端的な測定が要求される状況で実行される。駆動信号800は、ドライバがプッシュ―プルモードの振動が可能な状況では流量計に適切な結果をもたらすが、駆動信号800は、ドライバが一方向の駆動力のみが可能な状況では、流量計に適切な結果をもたらさない。駆動信号800の不利な点を克服すべく、本発明は駆動信号にバイアス電圧を導入する。
図9は、本発明の実施例に従った、駆動信号900を示す。示すように、本発明の実施例に従った駆動信号900はバイアス電圧を含む点以外は、駆動信号800と同様である。これは略全ての駆動信号が正であるとの結果に帰する。換言すれば、電流/電圧は、駆
動信号900の略全体中に、ドライバ420に供給される。これは電流が交互にオン-オ
フが切り換り、流れチューブ410がその停止位置に戻る期間に帰する従来技術の駆動信号600とは異なる。むしろ、本発明の一実施例に従えば、流れチューブ410は、第1の撓み位置1002の周りにて振動する。第1の撓み位置1002は、流れチューブ410の停止位置1001と第2の撓み位置1003の間にある。駆動信号900の結果とし
て生じる流れチューブの撓みは、図10に示される。
本発明の実施例に従って、流れチューブ410は、バイアス電圧を含む駆動信号900のような先端的な駆動信号を用いて駆動される。本発明の実施例に従って、第1の撓み位置は、流れチューブの振動の略中間点にある。
本発明の実施例によれば、駆動信号900はまた、流れチューブの固有の弾性を利用する。しかし、流れチューブ410を停止位置と第1の撓み位置の間で駆動するのではなく、流れチューブ410は停止位置1001と、第1の撓み位置1002と、第2の撓み位置1003の間で駆動される。これは、流量計400があたかも流れチューブ410が双方向モードで駆動されるように振動することに帰する。しかし、本発明の実施例に従った流量計400は、流れチューブ410を撓ませ、流れチューブ410を引き込むのではなく、流れチューブ410を第1の撓み位置1002まで撓ませ、流れチューブ410を更に第2の撓み位置1002へ撓ませる。示された実施例に従って、第1の撓み位置1002及び第2の撓み位置1003は、同じ方向にて停止位置1001から撓んで離れる。幾つかの実施例において、第2の撓み位置1003は、第1の撓み位置1002よりも停止位置1001から離れている。従って、従来技術のように信号の中間点が停止状態ではなく、振動の中間点は第1の撓み位置1002である。換言すれば、流れチューブ410は第1の撓み位置1002の周りで振動する。第1の撓み位置1002が振動の正確な中間点ではないが、むしろ、駆動信号900は従来技術の流量計のように、流れチューブ410が、停止位置1001の両側を振動するのではなく、第1の撓み位置1002の両側を振動するようにするものであることは理解されるべきである。
更に、第1の撓み位置1002の箇所は、駆動信号を通じて変化することは理解されるべきである。該箇所は、例えば駆動信号の電流/電圧の変化を含む多数の理由から変化す
る。しかし、第1の撓み位置1002の箇所が変化しなくとも、該箇所はなお、流れチューブの停止位置1001から離れている。
図11に示す流れチューブの振動は、流れチューブ410がドライバ420から押し出されるのではなく、ドライバ420に向かって引き込まれる点を除き、図10に示す流れチューブの振動と同様である。従って、駆動信号の全体が正として示される駆動信号900と異なり、図11に示す流れチューブの振動は、駆動信号の略全体が負の電流/電圧で
ある駆動信号から生じる。従って、バイアス電圧は、負のバイアス電圧である。本発明の実施例に従って、流れチューブ410は、第1の撓み位置1002の周りで振動する。使用された駆動信号に基づいて、駆動信号が最大時に、流れチューブ410は第2の撓み位置1103に駆動される。駆動信号が最小時に、流れチューブ410は停止位置1101、又は停止位置1101の近傍に戻る。
駆動信号900に準じたように、駆動信号が完全に除去されなければ、流れチューブ410は、停止位置1101に完全には戻らないことは理解されるべきである。
従って、駆動信号900は流量計400のような流量計に用いられ、該流量計400ではドライバは流れチューブを一方向に撓ませることだけができ、なお複雑な多数の周波数の駆動信号を測定することを実現できる。しかし、本発明はまた、先端的な駆動信号900から生じる非線形性をも訂正することができる。
駆動信号内には多くの非線形性の種々のソースがあるが、本発明の一実施例に従って、駆動信号内の非線形性の1つのソースは、ドライバ420と流れチューブ410の間の距離による。流量計100のような従来技術の流量計において、ドライバのコイル/マグネッ
トアセンブリ120は、コイル120Aとマグネット120B間に非常に小さな空間がある。一定の電流/電圧によってコイル内に及ぼされるマグネット120B上の力とコイル
からのマグネットの距離を描画すると、図12に示すようなグラフが生成され得る。
イバの短距離1250内にて、力は略線形である。従来技術の流量計100は、この略線形領域1250にて作動するように構成されている。
しかし、流量計400の1つのドライバ420及び磁性部分426に関して、ドライバ420は流れチューブ410から比較的遠くに位置して、停止位置1001ではなく第1の撓み位置1002の周りにて振動させる。このようにして、流量計400は図13に示す領域1350内で主に作動する。
図13は、流れチューブ410によって受ける力と、流れチューブ410のドライバ420からの距離の関係を示す。ドライバ420が流れチューブ410を押し出すことのみができる状況で、正の距離だけが示される。同様のグラフは、ドライバ420が流れチューブ410を引き込むことだけができる状況で構築され得ることは理解されるべきである。
2から第2の撓み位置1003に撓むと、加えられる力が一定を維持しても、距離は比較的大きく変化するからである。この非線形性は図14に示される。
図14は、流れチューブ410によって受ける実際の力と共に、駆動信号600を示す。各サイクルの開始時に、流れチューブ410は停止位置700にある。これは、ドライバ420が流れチューブ410、故に磁性部分426に最も接近した位置である。従って、力1400は、停止位置700で最大である。ドライバ420が流れチューブ410を遠くに撓ませると、コイルに加えられる力は減少する。図14に示すように、ドライバ420の電流/電圧がオフになる前に、力1400は著しく低下する。このタイプの歪みは
、位相及び周波数に基づく質量流量及び密度のような標準的な測定に著しい影響を与えない。しかし、他の測定は、そのような非線形の傾向によって悪影響を受けるだろう。従って、駆動信号900のような他の駆動信号への影響は、著しいエラーに帰する。
900に対して、明らかに線形ではない。本発明は、流量計400によって実現される非線形性を修正することができる。修正はハードウエア又はソフトウエアの何れか内である。電気回路又はデジタル信号処理アルゴリズムは、例えば図13に示す力と距離カーブの特性を示すことができる。従って、図15に示すカーブを近似したグラフは、更に線形な駆動信号を得るのに用いられ得る。
本発明の実施例に従って、流れチューブ410によって受ける力が駆動信号に対して描画される。差は、生じる力を駆動信号に対してカーブ近似することにより修正される。このようにして、駆動コイルと流れチューブ410間の距離が増加することによる非線形性は、種々のハードウエア及び/又はソフトウエアの修正アルゴリズムを用いて修正される
。
このようにして、本発明の特定の実施例及び本発明の例が説明の目的からここに開示されているが、関連技術の専門家が認識するように、均等な種々の修正が本発明の範囲内で可能である。ここに付与された開示は、他の流量計に応用され、上記の実施例及び添付の図面に示された実施例だけのものではない。従って、本発明の範囲は、以下の請求の範囲から決定されるべきである。
Claims (19)
- 振動型流量計400を含む流れ測定システム20であって、
振動型流量計は、
少なくとも1つの流れチューブ410と、
該流れチューブ410上にバイアス力を加えるように構成されたドライバ420と、
第1の撓み位置1002の周りに流れチューブ410を振動させる駆動信号を生成するように構成されたメータ電子機器450を備え、第1の撓み位置1002は流れチューブ停止位置1001から離れている。 - 駆動信号は、バイアス電圧を含む、請求項1に記載の流れ測定システム20。
- ドライバ420によって加えられるバイアス力は、第1の方向に流れチューブ410を撓ませる、請求項1に記載の流れ測定システム20。
- 流れチューブ410の固有の弾性により、流れチューブ410は第1の方向とは反対の第2の方向に撓む、請求項3に記載の流れ測定システム20。
- 駆動信号は、流れチューブ410を停止位置1001、第1の撓み位置1002、及び第2の撓み位置1003の間で振動させる、請求項1に記載の流れ測定システム20。
- メータ電子機器450は更に、線形化アルゴリズム513を生成するように構成されている、請求項1に記載の流れ測定システム20。
- 流れチューブ410は更に、磁性部分426を備える、請求項1に記載の流れ測定システム20。
- 振動型流量計400を備えた流れ測定システム20であって、該振動型流量計400は、
少なくとも1つの流れチューブ410と、
該流れチューブ410上にバイアス力を加えるように構成されたドライバ420と、
バイアス電圧及び駆動信号を生成するように構成され、バイアス電圧を含む駆動信号をドライバ420に加えて、流れチューブ410を振動させるメータ電子機器450を備えた、流れ測定システム20。 - バイアス電圧を含む駆動信号は、第1の撓み位置1002の周りに流れチューブ410を振動させ、第1の撓み位置1002は流れチューブの停止位置1001から離れている、請求項8に記載の流れ測定システム20。
- 駆動信号は、流れチューブ410を停止位置1001と第1の撓み位置1002と第2の撓み位置1003との間で振動させる、請求項8に記載の流れ測定システム20。
- ドライバ420によって加えられるバイアス力は、流れチューブ410を第1の方向に撓ませる、請求項8に記載の流れ測定システム20。
- 流れチューブ410の固有弾性により、流れチューブ410は、第1の方向とは反対の第2の方向に撓む、請求項11に記載の流れ測定システム20。
- メータ電子機器450は更に、線形化アルゴリズム513を生成するように構成されている、請求項8に記載の流れ測定システム20。
- 流れチューブ410は更に磁気部分426を備えている、請求項8に記載の流れ測定システム20。
- 流れチューブとドライバを含む振動型流量計を作動させる方法であって、
流れチューブ停止位置から離れた第1の撓み位置の周りに流れチューブを振動させる工程を含む、方法。 - 流れチューブを振動させる工程は、駆動信号に基づいて、ドライバを用いて流れチューブに第1のバイアス力を加え、流れチューブの固有弾性により、第1のバイアス力とは反対方向の第2のバイアス力が加えられる、請求項15に記載の方法。
- 第1の撓み位置の周りに流れチューブを振動させる工程は、該流れチューブを停止位置と第1の撓み位置と第2の撓み位置との間で振動させ、第1の撓み位置は、流れチューブの停止位置と第2の撓み位置の間である、請求項15に記載の方法。
- 更に、バイアス電圧を含む駆動信号を生成し、該駆動信号をドライバに加えて、流れチューブを振動させる工程を含む、請求項15に記載の方法。
- 更に、駆動信号をドライバに送信する線形化アルゴリズムを生成する工程を含む、請求項15に記載の方法。
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