JP2017538127A - 位相誤差に基づいて振動センサの振動を制御する方法 - Google Patents

Abstract

位相誤差に基づいて振動要素の振動を制御する方法が提供される。方法は、駆動信号を用いて振動要素を振動させるステップと、振動要素から振動信号を受信するステップと、駆動信号と振動信号との位相差を測定するステップと、目標位相差と測定された位相差の間の位相誤差を決定するステップと、決定された位相誤差を用いて１以上の振動制御項を演算するステップを備える。【選択図】図７

Description

下記の実施形態は、振動センサ、特に位相誤差に基づいて、振動センサの振動を制御する方法に関する。

振動型デンシトメータ及び振動型粘度計などの振動センサは、特性を明らかにすべき流体の存在下で振動する振動要素の動きを検出することによって動作する。振動要素は、共振周波数または品質係数Ｑのような振動応答パラメータを有する振動応答を有する。振動要素の振動応答は、一般に、流体に組み合わさる振動要素の質量、剛性、及び減衰特性の結合に影響される。密度、粘度、温度な流体に関連する特性は、振動要素に関連する１以上の動作トランスデューサから受信した振動信号を処理することによって決定することができる。振動信号の処理は、振動応答パラメータを決定するステップを含む。

図１は、振動要素と該振動要素に結合されたメータ電子機器とを備える従来技術の振動センサを示す。従来技術の振動センサは、振動要素を振動させるドライバと、振動に応答して振動信号を生成するピックオフとを含む。振動信号は、通常、連続時間信号又はアナログ信号である。メータ電子機器は、振動信号を受信し、振動信号を処理して１以上の流体特性又は流体測定値を生成する。メータ電子機器は、振動信号の周波数と振幅の両方を決定する。振動信号の周波数及び振幅が更に処理されて、流体の密度を決定することができる。

従来技術の振動センサは、閉ループ回路を用いてドライバ用の駆動信号を付与する。駆動信号は一般的に受信した振動信号に基づく。従来技術の閉ループ回路は振動信号又は振動信号のパラメータを駆動信号に修正し又は組み込む。例えば、駆動信号は振動信号の増幅され、調節され、そうでなければ修正された仕様である。従って、受信された振動信号は閉ループ回路が目標周波数に達することを可能にするフィードバックを備える。フィードバックを用いて、閉ループ回路は駆動周波数を増加するように変化させ、目標周波数に達するまで、振動信号を監視する。

流体の粘度及び密度などの流体特性は、駆動信号と振動信号との間の位相差が１３５°及び４５°である周波数から決定することができる。第１のオフ共振位相差φ１及び第２のオフ共振位相差φ２として示されるこれらの所望の位相差は、半出力または３dBの周波数に対応することができる。第１のオフ共振周波数ω１は、第１のオフ共振位相差φ１が１３５°である周波数と定義される。第２のオフ共振周波数ω２は、第２のオフ共振位相差φ２が４５°である周波数と定義される。第２のオフ共振周波数ω２にてなされる密度測定は、流体の粘度とは独立している。従って、第２のオフ共振位相差φ２が４５°である場合の密度測定は、他の位相差で行われる密度測定よりも正確であり得る。

第１及び第２のオフ共振位相差φ１、φ２は、一般に、測定前には分かっていない。従って、閉ループ回路は、上述したようなフィードバックを使用して、第１及び第２のオフ共振位相差φ１、φ２に漸増的に接近しなければならない。閉ループ回路に関連する漸増アプローチは、振動応答パラメータを決定する際に遅延を引き起こし、従って、流体の粘度、密度、または他の特性を決定する際に遅延を引き起こす可能性がある。そのような測定を決定する際の遅延は、振動センサの多くの用途においては非常に高価になる可能性がある。

従って、位相誤差に基づいて、振動センサの振動を制御することに対するニーズがある。また、閉ループ回路に関連する遅延無しで、第１及び第２のオフ共振位相差φ１、φ２に達するニーズもある。

位相誤差に基づいて振動要素の振動を制御する方法が提供される。一実施形態によれば、方法は、駆動信号を用いて振動要素を振動させるステップと、振動要素から振動信号を受信するステップと、駆動信号と振動信号との位相差を測定するステップとを備える。方法は更に、目標位相差と測定された位相差の間の位相誤差を決定するステップと、決定された位相誤差を用いて１以上の振動制御項を演算するステップを備える。

振動要素の振動を制御するメータ電子機器が提供される。一実施形態によれば、メータ電子機器は、振動要素に連結された駆動回路を備え、該駆動回路は振動要素に駆動信号を提供するように構成される。メータ電子機器はまた、振動要素に連結された受信回路を備え、受信回路は振動要素から振動信号を受信するように構成されている。メータ電子機器は、駆動信号と振動信号の間の位相差を測定し、目標位相差と測定された位相差の間の位相誤差を決定し、決定された位相誤差を用いて１以上の振動制御項を演算するように構成されている。

態様
一態様によれば、位相誤差に基づいて振動要素の振動を制御する方法は、駆動信号を用いて振動要素を振動させるステップと、振動要素から振動信号を受信するステップと、駆動信号と振動信号との位相差を測定するステップとを備える。方法は更に、目標位相差と測定された位相差の間の位相誤差を決定するステップと、決定された位相誤差を用いて１以上の振動制御項を演算するステップを備える。

好ましくは、１以上の振動制御項は、比例積分制御ループの項である。
好ましくは、位相誤差を決定するステップは、以下の式に基づいて、位相誤差を計算する。
位相誤差＝(目標位相差―測定された位相差)/目標位相差
好ましくは、１以上の振動制御項は、決定された位相誤差を受信する比例積分制御ループ用の比例ゲイン項である。

好ましくは、比例ゲイン項は以下の式に基づいて計算される。
比例ゲイン＝決定された位相誤差×Ｋｐ
ここで、Ｋｐは比例ゲイン定数である。
好ましくは、振動制御項は決定された位相誤差を受信する制御ループ用の積分項である。
好ましくは、積分項は以下の式に基づいて計算される。
積分項＝積分項＋決定された位相誤差×Ｋｉ
ここでＫｉは積分項定数である。

好ましくは、方法は更に、決定された位相誤差に基づいてコマンド周波数を生成するステップと、コマンド周波数にて振動要素を振動させる駆動信号を生成するように構成された信号発生器にコマンド周波数を提供するステップを備える。
好ましくは、コマンド周波数は積分項と比例ゲイン項を用いて生成される。
好ましくは、コマンド周波数は積分項と比例ゲイン項を用いて、以下の式に基づいて積分項と比例ゲイン項を加算することにより生成される。
コマンド周波数＝積分項＋比例ゲイン項

一態様に従って、振動要素(104)の振動を制御するメータ電子機器(20)は、振動要素(104)に結合された駆動回路(138)を備え、該駆動回路(138)は振動要素(104)及び該振動要素(104)に連結された受信回路(134)に駆動信号を付与するように構成され、受信回路(134)は振動要素(104)から振動信号を受信するように構成されている。メータ電子機器(20)は、駆動信号と振動信号の位相差を測定し、目標位相差と測定された位相差との間の位相誤差を決定し、決定された位相誤差を用いて１以上の振動制御項を演算するように構成されている。

好ましくは、１以上の振動制御項は、比例積分制御ループの項である。
好ましくは、位相誤差を決定するように構成されたメータ電子機器(20)は、以下の式に基づいて位相誤差を演算するように構成されている。
位相誤差＝(目標位相差―測定された位相差)/目標位相差

好ましくは、１以上の振動制御項は、決定された位相誤差を受信する比例積分制御ループ用の比例ゲイン項である。
好ましくは、比例ゲイン項は、以下の式に基づいて計算される。
比例ゲイン＝決定された位相誤差×Ｋｐ
ここで、Ｋｐは比例ゲイン定数である。

好ましくは、振動制御項は決定された位相誤差を受信する制御ループ用の積分項である。
好ましくは、積分項は以下の式に基づいて計算される。
積分項＝積分項＋決定された位相誤差×Ｋｉ
ここでＫｉは積分項定数である。
好ましくは、メータ電子機器(20)は、決定された位相誤差に基づいてコマンド周波数(ω_ｃ)を生成し、コマンド周波数(ω_ｃ)にて振動要素(104)を振動させる駆動信号を生成するように構成された信号発生器(147c)にコマンド周波数(ω_ｃ)を提供するように構成されている。

好ましくは、コマンド周波数(ω_ｃ)は積分項と比例ゲイン項を用いて生成される。
好ましくは、コマンド周波数(ω_ｃ)は積分項と比例ゲイン項を用いて、以下の式に基づいて積分項と比例ゲイン項を加算することにより生成される。
コマンド周波数＝積分項＋比例ゲイン項

全ての図面上で、同じ参照符号は同じ要素を表す。図面は必ずしも、原寸に比例していないことは理解されるべきである。
振動要素と該振動要素に連結されたメータ電子機器を備えた従来技術の振動センサを示す。 実施形態に従った振動センサ5を示す。 実施形態に従った振動センサ5を示す。 振動センサ5のブロック図であり、駆動回路138をより詳細に示す。 振動要素の振動応答を示す周波数応答グラフ500を示す。 振動要素の振動応答を示す位相応答グラフ600を示す。 位相誤差に基づいて振動要素の振動を制御する方法700を示す。 位相誤差に基づいて振動要素の振動を制御する他の方法800を示す。

詳細な記載
図１〜図８及び以下の説明は、特定の例をあげてどのようにして本発明の最良の形態を作製し、使用するかを当業者に教示する。進歩性のある原理を教示するために、一部の従来の態様は簡易化されまたは省略されている。当業者は、本発明の範囲内に入る、これらの例からの変形形態を理解するであろう。当業者は、以下に説明する特徴をさまざまな方法で組み合わせて、振動要素の振動応答パラメータを決定する複数の変形形態を形成することができることを理解するであろう。その結果、以下に記載された実施形態は下記の特定の例に限定されず、特許請求の範囲及びその均等物によってのみ限定される。

図２は、一実施形態による振動センサ5を示す。振動センサ5は、振動要素104と、メータ電子機器20とを備えることができ、振動要素104は、リード線100によってメータ電子機器20に結合される。いくつかの実施形態では、振動センサ5は振動くし型センサ又はフォーク密度センサを備える(図３及び付随する説明を参照)。しかしながら、他の振動センサも考えられ、それらは詳細な説明及び請求項の範囲内にある。

振動センサ5は、特性を明らかにすべき流体に少なくとも部分的に浸漬されてもよい。流体は、液体又はガスを含むことができる。あるいは、流体は、噴流ガス、噴流固体、複数の液体、またはそれらの組み合わせを含む液体のような多相流体を含むことができる。いくつかの例示的な流体には、セメントスラリー、石油製品などが含まれる。振動センサ5は、パイプ又は導管、タンク、容器、または他の流体容器に取り付けることができる。振動センサ5はまた、流体の流れを導くためのマニホールドまたは同様の構造に取り付けることができる。しかしながら、他の取り付け構成も考えられ、それらは詳細な説明及び請求項の範囲内にある。

振動センサ5は、流体測定を行うように動作する。振動センサ5は、流れ流体及び非流れ流体を含む流体の流体密度及び流体粘度のうちの１つまたは複数を含む流体測定値を提供することができる。振動センサ5は、流体質量流量、流体体積流量、及び/又は流体温度を含む流体測定値を提供することができる。このリストは排他的ではなく、振動センサ5は他の流体特性を測定または決定してもよい。

メータ電子機器20は、リード線100を介して振動要素104に電力を供給することができる。メータ電子機器20は、リード線100を介して振動要素104の動作を制御する。例えば、メータ電子機器20は、駆動信号を生成して、生成された駆動信号を振動要素104に提供し、振動要素104は、生成された駆動信号を使用して１つ以上の振動部品に振動を生成する。生成された駆動信号は、振動要素104の振動振幅及び周波数を制御することができる。生成された駆動信号はまた、振動時間及び/又は振動タイミングを制御することもできる。

メータ電子機器20はまた、リード線100を介して振動要素104から振動信号を受け取ることができる。メータ電子機器20は、例えば、振動測定信号を処理して密度測定値を生成することができる。メータ電子機器20は、振動要素104から受信した振動信号を処理して、信号の周波数を決定する。さらに、または加えて、メータ電子機器20は、振動信号を処理して、例えば流体流量を決定するために処理され得る粘度又は信号間の位相差などの流体の他の特性を決定する。理解されるように、位相差は、典型的には度又はラジアンのような空間単位で測定または表現されるが、時間単位のような任意の適切な単位を使用することができる。時間ベースのユニットが使用される場合、位相差は、振動信号と駆動信号との間の時間遅延として当業者によって参照され得る。他の振動応答特性及び/又は流体測定が考えられ、それらは詳細な説明及び請求項の範囲内にある。

メータ電子機器20は、通信リンク26にさらに結合することができる。メータ電子機器20は、通信リンク26を介して振動信号を通信することができる。メータ電子機器20はまた、受信された振動信号を処理して、測定値を生成し、該測定値を通信リンク26を介して通信することができる。更に、メータ電子機器20は、通信リンク26を介して情報を受信することができる。例えば、メータ電子機器20は、通信リンク26を介してコマンド、更新、作動値又は作動値の変化、及び/又はプログラムの更新又は変化を受信することができる。

図３は、一実施形態による振動センサ5を示す。メータ電子機器20は、図示の実施形態ではシャフト115によって振動要素104に結合されている。シャフト115は任意の所望の長さとすることができる。シャフト115は、少なくとも部分的に中空であってもよい。ワイヤまたは他の導体は、シャフト115を介して、メータ電子機器20と振動要素104との間に延在することができる。メータ電子機器20は、受信回路134、インターフェイス回路136及び駆動回路138を含む。示された実施形態にて、受信回路134及び駆動回路138は、振動要素104のリードに直に連結される。或いは、メータ電子機器20は、振動要素104とは別個の部品又はデバイスを備えることができ、受信回路134及び駆動回路138は、リード線100を介して振動要素104に結合されている。

図示の実施形態では、振動センサ5の振動要素104は音叉構造を備え、振動要素104は測定される流体に少なくとも部分的に浸漬される。振動要素104は、パイプ、導管、タンク、容器、マニホールド、または他の流体取扱い構造などの別の構造に固定することができるハウジング105を含む。ハウジング105は、振動要素104を保持し、一方、振動要素104は、少なくとも部分的に露出したままである。従って、振動要素104は流体に浸されるように構成されている。

図示の実施形態における振動要素104は、少なくとも部分的に流体内に延びるように構成された第１及び第２のくし歯112及び114を含む。第１及び第２のくし歯112及び114は、任意の所望の断面形状を有する細長い要素を含む。第１及び第２のくし歯112及び114は、事実上少なくとも部分的に可撓性又は弾性であってもよい。振動センサ5は、さらに、圧電結晶素子を備える対応する第１及び第２のピエゾ素子122及び124を含む。第１及び第２のピエゾ素子122及び124は、夫々第１及び第２のくし歯112及び114に隣接して配置される。第１及び第２のピエゾ素子122及び124は、第１及び第２のくし歯112及び114と接触し、機械的に相互作用するように構成される。

第１のピエゾ素子122は、第１のくし歯112の少なくとも一部と接触している。第１のピエゾ素子122はまた、駆動回路138に電気的に結合されている。駆動回路138は、生成された駆動信号を第１のピエゾ素子122に供給する。第１のピエゾ素子122は、発生した駆動信号を受けると伸縮する。その結果、第１のピエゾ素子122は、交互に第１のくし歯112を撓ませ、第１のくし歯112を振動運動(破線参照)で左右に変位させ、周期的な往復方法で流体を乱す。

第２のピエゾ素子124は、流体中の第２のくし歯114の変形に対応する振動信号を生成する受信回路134に結合されるとして示されている。第２のくし歯114の移動により、対応する電気振動信号が第２のピエゾ素子124によって生成される。第２のピエゾ素子124は、振動信号をメータ電子機器20に送信する。メータ電子機器20は、インターフェイス回路136を含む。インターフェイス回路136は、外部デバイスと通信するように構成することができる。インターフェイス回路136は、振動測定信号を通信し、決定された流体特性を１つまたは複数の外部デバイスに伝達することができる。メータ電子機器20は、振動信号周波数及び振動信号の振動信号振幅などの振動信号特性をインターフェイス回路136を介して送信することができる。メータ電子機器20は、とりわけ、流体の密度及び/又は粘度などの流体測定値をインターフェイス回路136を介して送信することができる。他の流体測定値も考えられ、これらは詳細な説明及び請求項の範囲内にある。さらに、インターフェイス回路136は、例えば測定値を生成するためのコマンド及びデータを含む外部デバイスからの通信を受信することができる。いくつかの実施形態では、受信回路134は駆動回路138に結合され、受信回路134は振動信号を駆動回路138に提供する。

駆動回路138は、振動要素104の駆動信号を生成する。駆動回路138は、生成された駆動信号の特性を変更することができる。駆動回路138は開ループ駆動を含む。開ループ駆動は、駆動信号を生成し、生成された駆動信号を振動要素104(例えば、第１のピエゾ素子122)に供給するために駆動回路138によって使用されてもよい。いくつかの実施形態では、開ループ駆動は、初期周波数ωで開始する目標位相差φを達成するために駆動信号を生成する。開ループ駆動は、振動信号からのフィードバックに基づいて動作せず、これは図４を参照して以下に詳細に記載される。

図４は、駆動回路138のより詳細な表示を有する振動センサ5のブロック図を示す。振動センサ5は、駆動回路138と共に示されている。受信回路134及びインターフェイス回路136は、明瞭化のために示されていない。駆動回路138は、開ループ駆動部147に結合されたアナログ入力フィルタ138a及びアナログ出力フィルタ138bを含む。アナログ入力フィルタ138aは、振動信号をフィルタリングし、アナログ出力フィルタ138bは、生成された駆動信号をフィルタリングする。

開ループ駆動部147は、位相検出器147bに結合されたアナログ/デジタル変換器147aを含む。位相検出器147bは、信号発生器147cに結合される。また、第１のピエゾ素子122と第2のピエゾ素子124とを含む振動要素104も示されている。開ループ駆動部147は、デジタル信号プロセッサで実施することができ、デジタル信号プロセッサは、信号をサンプリングし、処理し、生成する１以上のコード又はプログラムを実行するように構成される。これに加えてまたはこれに代えて、開ループ駆動部147は、デジタル信号プロセッサなどに結合された電子回路で実施することができる。

第１のピエゾ素子122によって付与される振動信号は、アナログ入力フィルタ138aに送られる。アナログ入力フィルタ138aは、振動信号がアナログ/デジタル変換器147aによってサンプリングされる前に振動信号をフィルタリングする。図示された実施形態では、アナログ入力フィルタ138aは、開ループ駆動部147のサンプルレートの約半分のカットオフ周波数を有するローパスフィルタで構成することができるが、任意の適切なローパスフィルタを使用することができる。ローパスフィルタは、インダクタ、キャパシタ、抵抗器などの受動部品によって提供することができるが、演算増幅器フィルタなどの分散型又は離散型の任意の適切な部品を使用することができる。

アナログ/デジタル変換器147aは、フィルタリングされた振動信号をサンプリングしてサンプリングされた振動信号を形成することができる。アナログ/デジタル変換器147aは、生成された駆動信号を第２のチャンネル(図示せず)を介してサンプリングすることもできる。サンプリングは、任意の適切なサンプリング方法によって行うことができる。理解され得るように、アナログ/デジタル変換器147aによってサンプリングされて生成された駆動信号は、振動信号に関連するノイズを有さない。生成された駆動信号は、位相検出器147bに供給される。

位相検出器147bは、サンプリングされた振動信号と生成された駆動信号の位相を比較することができる。位相検出器147bは、図５を参照して以下により詳細に説明されるように、信号をサンプリングし、処理し、信号を生成して２つの信号間の位相差を検出する１つ以上のコードまたはプログラムを実行するように構成されたプロセッサとすることができる。さらに図４の実施形態を参照して、この比較は、サンプリングされた振動信号とサンプリングされた発生駆動信号との間の測定された位相差Φ_ｍを提供する。

測定された位相差Φ_ｍは目標位相差Φ_ｔと比較される。目標位相差Φ_ｔは、振動信号と生成された駆動信号との間の所望の位相差である。例えば、目標位相差Φ_ｔが約45°である実施形態では、測定された位相差Φ_ｍも同じ又は約45°であれば、測定された位相差Φ_ｍと目標位相差Φ_ｔとの間の差はゼロになり得る。しかし、代替の実施形態では、任意の適切な目標位相差Φ_ｔが用いられる。位相検出器147bは、測定された位相差Φ_ｍと目標位相差Φ_ｔとの比較を用いて、コマンド周波数ω_ｃを生成することができる。

コマンド周波数ω_ｃは駆動信号を生成するのに用いられ得る。追加的または代替的に、測定された位相差Φ_ｍと目標位相差Φ_ｔとの比較から決定されない初期周波数を使用することができる。初期周波数ω_ｉは、初期生成された駆動信号を形成するために使用される予め選択された周波数とすることができる。初期生成された駆動信号は、上述したようにサンプリングされ、サンプリングされた振動信号と比較される。サンプリングされた初期生成された駆動信号とサンプリングされた振動信号との比較は、コマンド周波数ω_ｃを生成するために使用することができる。コマンド周波数ω_ｃ及び初期周波数ω_ｉは、例えばラジアン/秒の単位を用いることができるが、例えばヘルツ(Ｈｚ)のようなあらゆる適切な単位が用いられ得る。コマンド周波数ω_ｃ又は初期周波数ω_ｉは、信号発生器147cに供給され得る。

信号発生器147cは、位相検出器147bからコマンド周波数ω_ｃを受信し、生成された駆動信号にコマンド周波数ω_ｃと同じ周波数を提供することができる。生成された駆動信号は、前述のようにアナログ/デジタル変換器147aに送られる。生成された駆動信号は、アナログ出力フィルタ138bを介して第１のピエゾ素子122にも送られる。他の実施形態では、生成された駆動信号は他の構成部品にも送られる。

前述したように、振動要素104は、駆動信号による振動応答を有する。振動応答は、測定される流体の様々な特性を計算するために使用され得る共振周波数ω0、品質係数Ｑなどの振動応答パラメータを有する。振動応答及び例示的な振動応答パラメータ、ならびに流体の特性を計算する為に、振動応答パラメータをどのように使用され得るかについては、以下でより詳細に説明する。

図５は、振動要素の振動応答を示す周波数応答グラフ500を示す。周波数応答グラフ500は、周波数軸510及び振幅軸520を含む。周波数軸510は、Ｈｚ単位で示されているが、例えば、ラジアン/秒などの任意の適切な周波数単位を使用することもできる。振幅軸520は、デシベル(ｄＢ)スケールで示されている。振幅軸520は、例えば、ボルト又はアンペアのような任意の適切な単位から決定することができる。
周波数応答グラフ500はまた、周波数応答プロット530を含む。周波数応答プロット530は、上述した振動要素104の振動応答を表すことができるが、任意の適切な振動要素が代替の実施形態で使用することができる。

図５に示すように、周波数応答プロット530は、異なる振動減衰特性を有する流体の個々の周波数応答プロットからなる。例えば、共振周波数における最低の振幅を有するプロットは、振動要素104が粘性かつ高密度の流体に浸されていることにより最も平坦であってもよい。共振周波数における最大の振幅を有するプロットは、周波数応答プロット530内の他のプロットに関連する流体に対して低粘度の流体に振動要素が浸漬されるため、最も平坦ではない。理解されるように、各周波数応答プロット530は、振動応答に関連する異なるパラメータを有する。

例えば、図５に示す実施形態では、各周波数応答プロット530は、第１のオフ共振周波数ω1、第２のオフ共振周波数ω2、及び共振周波数ω0を示す３つのマーカを有し、これらは振動応答の振動応答パラメータである。第１のオフ共振周波数ω1は第１のオフ共振マーカ532で示される。第２のオフ共振周波数ω2は、第２のオフ共振マーカ534によって示されている。共振周波数ω0は、共振マーカ536によって示されている。共振マーカ536に言及して理解されるように、共振周波数ω0は周波数応答プロット530の各々について大凡同じである。

幾つかの実施形態では、共振周波数ω0は、第１のオフ共振周波数ω1及び第２のオフ共振周波数ω2から決定されてもよい。例えば、共振周波数は、第１のオフ共振周波数ω1と第２のオフ共振周波数ω2の平均から求めることができる。

しかし、代替の実施形態では、共振周波数ω0は、ある範囲の周波数を掃引しながらピーク振幅で周波数を測定するなどの他の方法で決定することができる。

品質係数Ｑは、第１のオフ共振周波数ω1、第２のオフ共振周波数ω2、及び共振周波数ω0から決定することができる。例えば、品質係数Ｑは、式(２)から決定される。

理解されるように、品質係数Ｑは各曲線毎に異なる。例えば、周波数応答プロット530のそれぞれに関連する流体が異なる粘度または密度を有するような様々な理由により、品質係数Ｑは周波数応答プロット530の夫々に対して異なる。

図６は、振動要素の振動応答を示す位相応答グラフ600を示す。振動要素は図２-図４を参照して上記した振動要素であるが、あらゆる適切な振動要素が用いられ得る。位相応答グラフ600は、位相応答グラフ600の横軸である周波数軸610を含む。位相応答グラフ600はまた、位相応答グラフ600の縦軸である位相差軸620を含む。位相応答グラフ600はまた、異なる粘度の流体について位相応答プロット630を含む。各位相応答プロット630は、第１のオフ共振マーカ632及び第２のオフ共振マーカ634を有する。各位相応答プロット630の共振マーカ636も示される。

各位相応答プロット630は、振動信号の周波数と、振動信号と駆動信号の間の位相差との関係を示す。第１及び第２のオフ共振マーカ632、634は位相応答プロット630の各々について異なる。示されるように、-135度における第１のオフ共振マーカ632は、約1630Ｈｚから約1715Ｈｚに及ぶ。-45度における第２のオフ共振マーカ634は、約1560Ｈｚから約1620Ｈｚに及ぶ。

理解されるように、第１及び第２のオフ共振マーカ632、634間にて、位相差と周波数の関係は、大凡線形である。従って、周波数と位相差の関数関係(functional relationship)は、各周波数にて２以上の位相差が測定されれば確立される。図４に関して前記したように、関数関係は、目標位相差Φ_ｔと測定された位相差Φ_ｍとの間の位相誤差を決定するのに用いられる。以下でより詳細に説明されるように、位相誤差は、制御ループのための1
以上の振動制御項を計算するために使用され得る。

図７は、位相誤差に基づいて振動要素内の振動を制御する方法700を示す。振動要素は、図２乃至図４を参照して説明した振動要素104であってもよい。代わりの実施形態では、任意の適切な振動要素を使用することができる。方法700は、ステップ710において、振動要素を駆動信号を用いて振動させることによって開始する。駆動信号は、例えば、図４を参照して説明した駆動回路138によって生成することができる。

ステップ720において、方法700は、振動要素から振動信号を受信する。方法700は、例えばメータ電子機器20を用いて信号を受信することができる。特に、方法700は、図３に示す受信回路134がリード100によって搬送される振動信号を受信するように、メータ電子機器20上で実行するプログラムであり得る。

ステップ730において、方法700は、駆動信号と振動信号との間の位相差φ_ｍを測定することができる。方法700は、例えば位相検出器147bを用いて位相差φ_ｍを測定することができるが、位相差φ_ｍを測定するために任意の適切な手段が用いられ得る。ステップ740では、目標位相差φ_ｔと測定された位相差φ_ｍとの間の位相誤差を求めることができる。位相誤差は、例えば、目標位相差φ_ｔと測定された位相差φ_ｍとの間の差を差し引くことによって決定することができる。

ステップ750において、方法700は、決定された位相誤差を用いて１つ以上の振動制御項を計算することができる。振動制御項は、例えば、振動要素の振動を制御する制御ループに用いられる項であってもよい。例えば、方法700は、上述した開ループ駆動部147などの駆動回路に用られる。従って、方法700は、以下でより詳細に説明するように、決定された位相誤差から計算される周波数で振動要素を振動させることができる。

図８は、位相誤差に基づいて振動要素の振動を制御する別の方法800を示す。振動要素は、図２乃至図４を参照して説明した振動要素104であってもよいが、任意の適切な振動要素が採用されてもよい。方法800は、駆動信号を生成することによって、ステップ810で開始する。駆動信号は、図４を参照して説明した信号発生器147cによって生成されてもよい。ステップ820において、方法800は、振動要素を駆動信号を用いて振動させることができる。例えば、図８に示す実施形態によれば、方法800では、信号発生器147cが、アナログ出力フィルタ138bを介して振動要素104に駆動信号を供給することができる。

ステップ830において、方法800は、駆動信号と振動要素からの振動信号との間の位相差を測定する。ステップ840において、方法800は、制御ループから１つ以上の振動制御項を計算することができる。ステップ850において、方法800は、１つ以上の振動制御項を用いてゲイン(利得)を計算することができる。ステップ860において、方法800は、制御ループを用いて駆動信号の周波数を計算することができる。方法800は、ステップ810にループバックするとして示され、ステップ860で計算された周波数を有する駆動信号を生成する。

方法700、800は、例えば、メータ電子機器20でソフトウェアプログラムを実行することによって、上述のステップを実行することができる。上述した方法700、800は、駆動信号と振動信号との間の位相差を測定し、目標位相差φ_ｔと測定された位相差φ_ｍとの間の位相誤差を決定し、決定された位相誤差を用いて１以上の振動制御項を計算する。これらのステップ及び他のステップは、以下でより詳細に説明される。

駆動信号と振動信号との間の位相差は、様々な方法で測定することができる。例えば、位相差は、駆動信号及び振動信号をアナログ/デジタル変換器147aでサンプリングすることによって測定することができる。位相検出器147bは、駆動信号及び振動信号のゼロ交差点を検出することができる。ゼロ交差点は、駆動信号及び振動信号がアナログ形式またはデジタル符号化で、０ボルト又は約０ボルトである時間である。駆動信号のゼロ交差点と振動信号のゼロ交差点との間の時間差は、駆動信号又は振動信号の周波数と乗算されて、測定された位相差φ_ｍを計算することができる。しかしながら、駆動信号と振動信号との間の位相差を測定する任意の適切な手段を用いることができる。

位相誤差は、測定された位相差φ_ｍから決定することができる。位相誤差は、目標位相差φ_ｔと測定された位相差φ_ｍの差を目標位相差φ_ｔで除算された比であってもよい。従って、目標位相差φ_ｔと測定された位相差φ_ｍの間の差は、目標位相差φ_ｔに対して見積もられる。例えば、メータ電子機器20は、方法700、800を実行して、下記の式を用いて位相誤差を計算することができる。
位相誤差＝(目標位相差―測定された位相差)/目標位相差 (３)
これら及び他の実施形態では、決定された位相誤差は、１以上の振動制御項を計算するために使用され得る。例えば、位相誤差に、例えば所定の定数などの値を乗じて、振動制御項の１つを計算することができる。

振動制御項は、ゲイン(利得)を生成する制御ループで使用することができる。例えば、制御ループは、ゲインを生成するために１つ以上の振動制御項を追加することができる。ゲインは、例えば、図１を参照して上述した振動要素104などの振動要素の振動を制御するために使用することができる。例えば、ゲインは、振動要素を第１又は第２のオフ共振位相差φ１、φ２に駆動するために使用することができる。

振動要素を第１及び第２のオフ共振位相差に駆動することによって、測定された位相差φ_ｍと目標位相差φ_ｔとの間の位相誤差が減少する。即ち、目標位相差φ_ｔは、第１又は第２のオフ共振位相差φ１、φ２のうちの１つであってもよい。低減された位相誤差は、制御ループの対応する振動制御項を計算するために使用することができる。従って、制御ループは、測定された位相差φ_ｍが目標位相差φ_ｔに近づくにつれて、制御ループによって計算される利得を増分プロセスで段階的に減少させることができる。

制御ループは、決定された位相誤差から計算される振動制御項を有する比例積分制御ループであってもよい。一実施形態では、比例積分制御ループは、例えば、比例ゲイン項と積分項の和で構成することができる。いくつかの実施形態では、比例積分制御ループは、以下でより詳細に説明するように、決定された位相誤差に比例ゲイン定数Ｋｐ及び積分項定数Ｋｉを掛ける式によって記載される。

比例ゲイン項は、比例ゲイン定数Ｋｐに決定された位相誤差を乗じたものである。一実施形態では、比例ゲイン項は、以下の式から計算される。
比例ゲイン項＝位相誤差×Ｋｐ (４)
式の位相誤差は、決定された位相誤差であってもよい。例えば、駆動信号及び振動信号が振動素子104から受信されるとき、式の位相誤差は、測定された位相差φ_ｍから決定されてもよい。

比例積分制御ループでは、比例ゲイン項を用いることができる。従って、比例積分制御ループの出力は、決定された位相誤差と相関させることができる。従って、測定された位相差φ_ｍと目標位相差φ_ｔとの差が大きいほど、比例積分制御ループからの出力が大きくなる。従って、決定された位相誤差が大きいと、比例ゲイン定数Ｋｐによって決定されるスケールに対して、比例ゲイン項が対応して大きい結果をもたらす。

比例積分制御ループはまた、積分項を含む。積分項は、積分項定数Ｋｉに決定された位相誤差を乗じたものであってもよい。さらに、積分項は他の決定された位相誤差も含むことができる。例えば、上述したように、位相誤差は反復的に決定されてもよい。従って、積分項定数Ｋｉは、現在の位相誤差及び１以上の以前の位相誤差と乗算されて、比例積分制御ループの現在の積分項を決定する。

例えば、方法700、800は、メータ電子機器20内に１つ以上の以前の位相誤差を記憶する。１以上の以前の位相誤差は、方法700、800によって得られ、積分項定数Ｋｉを乗算され、現在の位相誤差から計算される積分項に加算される。測定された位相差φ_ｍがメータ電子機器20によって受信されるとき、現在の位相誤差は、測定された位相差φ_ｍと目標位相差φ_ｔによって決定される位相誤差である。

別の例では、方法700、800は、メータ電子機器20に1つ以上の以前に測定された位相差φ_ｍを記憶することができる。方法700、800は、１つ以上の以前に測定された位相差φ_ｍを取得し、１つ以上の以前に測定された位相差φ_ｍに対応した１つ以上の以前の位相誤差を計算する。１以上の以前の位相誤差は、積分項Ｋｉと乗算され、次に現在の積分項に加算されてもよい。現在の積分項は、メータ電子機器20がリード100を介して測定された位相差φ_ｍを受信するときに決定されてもよい。

一実施形態では１の以前の積分項を用いることができる。即ち、現在の位相誤差は、積分項Ｋｉによって乗算され、その後、例えばメータ電子機器20に記憶されている１の以前の積分項に加算される。一実施形態では、積分項は以下の式によって計算される。
積分項＝積分項＋位相誤差×Ｋｉ (５)

式(５)の右辺の位相誤差は、駆動信号と振動信号とがメータ電子機器20によって受信されたときに、その測定された位相差φ_ｍから計算される現在の決定された位相誤差であり得る。式(５)の右辺は、以前の位相誤差から計算された以前の積分項である。従って、式(５)の左側の積分項は、現在の積分項である。

現在の積分項は、制御ループのその後の反復のために、メータ電子機器20内の方法700、800によって記憶されてもよい。例えば、式(５)の左側の積分項は、メータ電子機器20内に記憶されて、式(５)のその後の計算が式(５)の右辺に格納された積分項を使用することができる。他の実施形態では、振動制御項を計算する他の方法が用いられ得る。

方法700、800はまた、決定された位相誤差に基づいてコマンド周波数ω_ｃを生成し、コマンド周波数ω_ｃで振動要素を振動させる駆動信号を生成するように構成された信号発生器にコマンド周波数ω_ｃを提供することができる。一実施形態によれば、コマンド周波数ω_ｃは、積分項及び比例ゲイン項を使用して生成される。このコマンド周波数ω_ｃは、以下の式に基づいて積分項と比例ゲイン項を加算することによって、積分項と比例ゲイン項を用いて生成される。
コマンド周波数＝積分項＋比例ゲイン項 (６)

理解されるように、コマンド周波数ω_ｃは、上述したメータ電子機器20によって生成され得るが、任意のメータ電子機器が代わりの実施形態において使用されてもよい。従って、メータ電子機器20は、決定された位相誤差に基づいてコマンド周波数ω_ｃを生成し、コマンド周波数ω_ｃで振動要素104を振動させる駆動信号を生成するように構成された信号発生器147cにコマンド周波数ω_ｃを提供するように構成することができる。代替の実施形態では、他の構成が用いられ得る。

上述の実施形態は、決定された位相誤差に基づいて振動要素104の振動を制御する方法700、800及びメータ電子機器20を提供する。前述のように、方法700、800及びメータ電子機器20は、決定された位相誤差に基づく駆動ゲインを提供することができる。従って、誤差が大きいときは駆動ゲインは大きく、誤差が小さいときは駆動ゲインは小さくなる。
従って、駆動ゲインは、駆動信号をより迅速に第１及び第２のオフ共振周波数ω１、ω２に近づける。従って、測定される材料の粘度及び密度は、より迅速に測定され得る。更に、誤差が小さい場合には駆動ゲインが小さいため、駆動信号が第１及び第２のオフ共振周波数ω１、ω２にあるときに、駆動信号は安定している。

上記の実施形態の詳細な記述は、本発明の範囲内にある発明者らによって熟考された全ての実施形態の完全な記述ではない。実際に当業者は、さらに実施形態を作成するために上記実施形態のある要素が種々に組み合わせられるかもしれないし除去されるかもしれないことを認識している、そしてそのような、さらなる実施形態は現在の記述の範囲及び開示の範囲内にある。本発明の範囲及び開示内にある追加の実施形態を作成するために、上記実施形態の全部或いは一部が組み合わせられるかもしれないことも当業者には明白である。

従って、本発明の特定の実施形態が説明の目的のためにここに記述されているが、当業者が認識するように、様々な等価な修正は本願の範囲内で可能である。ここに提供される開示は、位相誤差に基づいて振動センサの振動を制御する他の方法及び装置に適用可能であり、上記に記載され添付の図面に示された実施形態だけではない。従って、上記の実施形態の範囲は、添付の特許請求の範囲から決定されるべきである。

Claims (20)

1. 位相誤差に基づいて振動要素の振動を制御する方法であって、
   駆動信号を用いて振動要素を振動させるステップと、
   振動要素から振動信号を受信するステップと、
   駆動信号と振動信号との位相差を測定するステップと、
   目標位相差と測定された位相差の間の位相誤差を決定するステップと、
   決定された位相誤差を用いて１以上の振動制御項を演算するステップを備える、方法。
2. 前記１以上の振動制御項は、比例積分制御ループの項である、請求項１に記載の方法。
3. 前記位相誤差を決定するステップは、
   位相誤差＝(目標位相差―測定された位相差)/目標位相差
   との式に基づいて、位相誤差を計算する、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記１以上の振動制御項は、決定された位相誤差を受信する比例積分制御ループ用の比例ゲイン項である、請求項１乃至３の何れかに記載の方法。
5. 前記比例ゲイン項は、
   比例ゲイン＝決定された位相誤差×Ｋｐ
   との式に基づいて計算され、ここで、Ｋｐは比例ゲイン定数である、請求項４に記載の方法。
6. 前記振動制御項は、決定された位相誤差を受信する制御ループ用の積分項である、請求項１乃至５の何れかに記載の方法。
7. 積分項は、
   積分項＝積分項＋決定された位相誤差×Ｋｉ
   との式に基づいて計算され、ここでＫｉは積分項定数である、請求項６に記載の方法。
8. 更に、決定された位相誤差に基づいてコマンド周波数を生成するステップと、
   コマンド周波数にて振動要素を振動させる駆動信号を生成するように構成された信号発生器にコマンド周波数を提供するステップを備える、請求項１乃至７の何れかに記載の方法。
9. 前記コマンド周波数は積分項と比例ゲイン項を用いて生成される、請求項８に記載の方法。
10. 前記コマンド周波数は積分項と比例ゲイン項を用いて、
    コマンド周波数＝積分項＋比例ゲイン項
    との式に基づいて、積分項と比例ゲイン項を加算することにより生成される、請求項９に記載の方法。
11. 振動要素(104)の振動を制御するメータ電子機器(20)であって、
    振動要素(104)に結合されて、振動要素(104)に駆動信号を付与するように構成された駆動回路(138)と、
    振動要素(104)に結合されて、振動要素(104)から振動信号を受信するように構成された受信回路(134)とを備え、
    メータ電子機器(20)は、
    駆動信号と振動信号の位相差を測定し、
    目標位相差と測定された位相差との間の位相誤差を決定し、
    決定された位相誤差を用いて１以上の振動制御項を演算するように構成されている、メータ電子機器(20)。
12. 前記１以上の振動制御項は、比例積分制御ループの項である、請求項１１に記載のメータ電子機器(20)。
13. 前記メータ電子機器(20)は位相誤差を決定するように構成され、
    位相誤差＝(目標位相差―測定された位相差)/目標位相差
    との式に基づいて、位相誤差を演算するように構成されている、請求項１１又は１２に記載のメータ電子機器(20)。
14. 前記１以上の振動制御項は、決定された位相誤差を受信する比例積分制御ループ用の比例ゲイン項である、請求項１１乃至１３の何れかに記載のメータ電子機器(20)。
15. 前記比例ゲイン項は、
    比例ゲイン＝決定された位相誤差×Ｋｐ
    との式に基づいて計算され、ここで、Ｋｐは比例ゲイン定数である、請求項１４に記載のメータ電子機器(20)。
16. 前記振動制御項は決定された位相誤差を受信する制御ループ用の積分項である、請求項１１乃至１５の何れかに記載のメータ電子機器(20)。
17. 前記積分項は、
    積分項＝積分項＋決定された位相誤差×Ｋｉ
    との式に基づいて計算され、ここでＫｉは積分項定数である、請求項１６に記載のメータ電子機器(20)。
18. 前記メータ電子機器(20)は更に、決定された位相誤差に基づいてコマンド周波数(ω_ｃ)を生成し、コマンド周波数(ω_ｃ)にて振動要素(104)を振動させる駆動信号を生成するように構成された信号発生器(147c)にコマンド周波数(ω_ｃ)を提供するように構成されている、請求項１１乃至１７の何れかに記載のメータ電子機器(20)。
19. 前記コマンド周波数(ω_ｃ)は積分項と比例ゲイン項を用いて生成される、請求項１８に記載のメータ電子機器(20)。
20. 前記コマンド周波数(ω_ｃ)は積分項と比例ゲイン項を用いて、
    コマンド周波数＝積分項＋比例ゲイン項
    との式に基づいて積分項と比例ゲイン項を加算することにより生成される、請求項１９に記載のメータ電子機器(20)。

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