JP2019215365A - 振動式センサ用に駆動信号を生成する方法 - Google Patents

振動式センサ用に駆動信号を生成する方法 Download PDF

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Abstract

【課題】閉ループアプローチに関連した周波数測定が不要である振動式センサ用の駆動信号を生成する方法を提供する。【解決手段】振動式センサ(5)の駆動信号を生成する方法が提供される。方法は振動信号を付与するように構成された振動要素(104)を振動させる工程と、受信回路を用いて振動要素(104)から振動信号を受信する工程と、受信回路及び振動要素(104)に連結された駆動回路(138)を用いて、振動要素(104)を振動させる駆動信号を生成する工程と、生成された駆動信号の位相を振動信号の位相と比較する工程を備える。【選択図】図４

Description

技術分野
下記の実施形態は、振動式センサに関し、特に振動式センサ用に駆動信号を生成する方法に関する。
背景
振動式デンシトメータ及び振動式粘度計のような振動式センサは、特徴付けられる流体の存在下で振動する振動要素の動きを検知することによって作動する。密度、粘度、温度等の流体に関する特性は、振動要素に繋がった１以上の動きトランスデューサから受信する振動信号を処理することによって決定される。振動要素の振動は一般的に、流体と組み合わさる振動要素の結合された質量、剛性及び減衰特性に影響される。
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を備える従来技術の振動式センサを示す。従来技術の振動式センサは振動要素を振動させるドライバと振動に応じて振動信号を生成するピックオフを含む。振動信号は連続時間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、１つ以上の流体特性又は流体測定を生成する振動信号を処理する。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は、流体の密度を決定すべく、更に処理される。
従来技術の振動式センサは、閉ループ回路を使用してドライバ用の駆動信号を供給する。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修正するか、駆動信号内に組み込む。例えば、駆動信号は増幅され、調整され、さもなくば受信した振動信号の修正バージョンである。従って、受信した振動信号は、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漸増的に変更し、目標周波数に達するまで、振動信号を監視する。
流体の目標周波数は、駆動信号と振動信号の所望の位相差と関連がある。流体の粘度及び密度のような流体特性は、駆動信号と振動信号の位相差が１３５°及び４５°である場合、周波数から決定される。第１の位相差φ１及び第２の位相差φ２と表示されるこれらの所望の位相差は、半分のパワー即ち３ｄＢに相当する。第１の目標周波数ω１は、第１の位相差φ１が１３５°である場合の周波数として規定される。第２の目標周波数ω２は、第２の位相差φ２が４５°である場合の周波数として規定される。第２の目標周波数ω２にて成される密度の測定は、流体の粘度から独立している。従って、第２の位相差φ２が４５°にて成される密度測定は、他の位相差にて成される密度測定よりもより正確である。
閉ループアプローチは一般的に、第２の位相差φ２に達するために、駆動信号周波数をどれほどシフトするかを決定すべく、振動信号の周波数を測定する。測定された周波数を用いて、測定された周波数と位相間の関係は、駆動信号と振動信号の間に４５°の位相差があるかを決定するのに用いられる。しかし、流体特性を測定するための閉ループアプローチは、関連する幾つかの問題を有する。例えば、振動信号と駆動信号の所望の位相差を得るために、振動信号の周波数を最初に測定しなければならない。振動信号がノイズに比べて非常に小さいので、これは問題である。その結果、振動信号から周波数を測定するには、フィルタリングが必要である。このフィルタリングは、周波数測定の遅れを引き起こし、これは駆動制御アルゴリズムの不安定性を引き起こす。更に、振動信号中のあらゆる濾過されないノイズが駆動信号で再生される。駆動信号中のノイズは周波数測定での不正確さと同様に、駆動の不安定性も引き起こす。
従って、閉ループアプローチに関連した周波数測定が不要である振動式センサ用の駆動信号を生成する方法を求めるニーズがある。
要約
振動式センサ用の駆動信号を生成する方法が提供される。実施形態に従って、方法は、振動信号を付与するように構成された振動要素を振動させる工程と、受信回路を用いて振動要素から振動信号を受信する工程とを備える。方法は更に、受信回路及び振動要素に連結された駆動回路を用いて、振動要素を振動させる駆動信号を生成する工程と、生成された駆動信号の位相を振動信号の位相と比較する工程を備える。
振動式センサが提供される。実施形態に従って、振動式センサは振動信号を付与するように構成された振動要素と、振動要素から振動信号を受信する受信回路、及び受信回路及び振動要素に連結された駆動回路を備える。駆動回路は、振動要素を振動させる駆動信号を生成し、且つ生成された駆動信号の位相を振動信号の位相と比較するように構成されている。
態様
態様に従って、振動式センサ(５)用の駆動信号を生成する方法(６００)は、振動信号を付与するように構成された振動要素(１０４、５１０)を振動させる工程と、受信回路(１３４)を用いて振動要素(１０４、５１０)から振動信号を受信する工程と、受信回路(１３４)及び振動要素(１０４、５１０)に連結された駆動回路(１３８)を用いて、振動要素(１０４、５１０)を振動させる駆動信号を生成する工程と、生成された駆動信号の位相を振動信号の位相と比較する工程を備える。
生成された駆動信号の位相を振動信号の位相と比較する工程は、生成された駆動信号のサンプルを振動信号のサンプルと比較する工程を備えるのが好ましい。
方法(６００)は更に、生成された駆動信号のサンプルと振動信号のサンプルの少なくとも１つから、少なくとも１つの周波数成分を除去する工程を備えるのが好ましい。
生成された駆動信号のサンプルを振動信号のサンプルと比較する工程は、生成された駆動信号のサンプルと振動信号のサンプルの相関付けを実行する工程を備えるのが好ましい。
生成された駆動信号のサンプルを振動信号のサンプルと比較する工程は、生成された駆動信号のサンプル及び振動信号のサンプルの何れか1つに共役を実行する工程と、該共役を実行され生成された駆動信号のサンプル及び振動信号のサンプルの一方を、共役を実行されていない生成された駆動信号のサンプル及び振動信号のサンプルの他方と掛け合わせる工程を備えるのが好ましい。
生成された駆動信号の位相を振動信号の位相と比較する工程は、生成された駆動信号の位相と振動信号の位相間の測定された位相差φｍを決定する工程、及び測定された位相差φｍを目標位相差φｔと比較し、測定された位相差φｍが目標位相差φｔにあるかを決定する工程を備えるのが好ましい。
方法(６００)は更に、測定された位相差φｍが目標位相差φｔにあるときは、流体の密度を測定する工程を備えるのが好ましい。
方法(６００)は更に、生成された駆動信号の位相と振動信号の位相の比較から、コマンド周波数ωを決定する工程と、信号生成器(１４７c)にコマンド周波数を供給する工程と
、該信号生成器(１４７c)を用いてコマンド周波数ωにて駆動信号を生成する工程を備える。
方法(６００)の信号生成器(１４７c)を用いてコマンド周波数ωにて駆動信号を生成する工程は、駆動シンセサイザ(５４４)を用いて合成された駆動信号を形成する工程と、デジタル/アナログコンバータ(５３４)を用いて合成された駆動信号を生成された駆動信号に変換する工程を含むのが好ましい。
態様に従って、振動式センサ(５)は振動信号を付与するように構成された振動要素(１０４、５１０)、振動要素(１０４)から振動信号を受信する受信回路(１３４)、受信回路(１３４)及び振動要素(１０４)に連結された駆動回路(１３８)を備え、駆動回路(１３８)は振動要素(１０４、５１０)を振動させる駆動信号を生成し、且つ生成された駆動信号の位相と振動信号の位相とを比較するように構成されている。
駆動回路(１３８)は、生成された駆動信号のサンプルと振動信号のサンプルを比較するように構成されているのが好ましい。
駆動回路(１３８)は更に、生成された駆動信号のサンプルと振動信号のサンプルの少なくとも１つから、少なくとも１つの周波数成分を除去するように構成されるのが好ましい。
駆動回路(１３８)は更に、生成された駆動信号のサンプルと振動信号のサンプルの相関付けを実行するように構成されているのが好ましい。
駆動回路(１３８)は更に、生成された駆動信号のサンプルの１つを振動信号のサンプルに接合し、該接合された１つの生成された駆動信号のサンプル及び振動信号のサンプルを、接合されない１つの生成された駆動信号のサンプル及び振動信号のサンプルと掛け合わせるように構成されているのが好ましい。
駆動回路(１３８)は、生成された駆動信号の位相と振動信号の位相間の測定された位相差φｍを決定し、及び測定された位相差φｍを目標位相差φｔと比較し、測定された位相差φｍが目標位相差φｔにあるかを決定するように構成されているのが好ましい。
駆動回路(１３８)は更に、測定された位相差φｍが目標位相差φｔにあるときは、流体の密度を測定するように構成されているのが好ましい。
駆動回路(１３８)は、位相検知器(１４７b、５４２)と信号生成器(１４７c)を備え、該位相検知器(１４７b)は、生成された駆動信号の位相及び振動信号の位相の比較からコマンド周波数ωを決定し、該コマンド周波数ωを信号生成器(１４７c)に供給するように構成され、信号生成器(１４７c)はコマンド周波数ωにて駆動信号を生成するように構成されているのが好ましい。
信号生成器(１４７c)は、合成された駆動信号を形成するように構成された駆動シンセサイザ(５４４)と、合成された駆動信号を生成された駆動信号に変換するように構成されたデジタル/アナログコンバータ(５３４)を備えるのが好ましい。
同じ符号は全ての図面上の同じ要素を表す。図面は必ずしも縮尺通りではないことは理解されるべきである。
図１は、従来技術の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振動式センサを示す。 図２は、実施形態に従った振動式センサ５を示す。 図３は、実施形態に従った振動式センサ５を示す。 図４は、振動式センサ５のブロック図であり、駆動回路１３８をより詳細に示す。 図５は、実施形態に従った振動式センサ５のブロック図である。 図６は、実施形態に従った駆動信号の生成方法６００を示す。
図２−図６及び以下の記述は特定の例を記載して、振動式センサ用の駆動信号を生成する方法の実施形態の最良のモードを作り使用する方法を当業者に開示する。進歩性を有する原理を開示する目的で、いくつかの従来の態様は単純化されたか省略された。
当業者は、これらの例示から本発明の範囲内にある変形例を理解するだろう。当業者は、下記に述べられた特徴が種々の方法で組み合わされて、振動式センサ用の駆動信号を生成する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、下記に述べられた特定の例にではなく特許請求の範囲とそれらの等価物によってのみ限定される。
図２は、実施形態に従った振動式センサ５を示す。振動式センサ５は振動要素１０４及びメータ電子機器２０を備え、該振動要素１０４はリード１００によってメータ電子機器２０に連結される。幾つかの実施形態では、振動式センサ５は振動式の歯センサ又はフォーク密度センサを含む(図３及びそれに伴う記載を参照)。しかし、他の振動式センサも考えられ、それは記載と特許請求の範囲内である。
振動式センサ５は、特性を明らかにすべき流体内に、少なくとも部分的に浸けられる。流体は液体又はガスを含む。或いは、流体は混入ガス、混入固体、多数液体又はそれらの組み合わせを含む液体のような多相流体である。幾つかの代表的な流体は、セメントスラリー、石油生成物などを含む。振動式センサ５は、パイプ又は導管、タンク、コンテナ又は他の流体の容器内に取り付けられる。振動式センサ５はまた、流体流れを向けるマニホールド又は同様の構造に取り付けられる。しかし他の取付け構成も考えられ、これは記載と特許請求の範囲内である。
振動式センサ５は流体測定を提供すべく作動する。振動式センサ５は、流れ流体又は非流れ流体を含む流体の、流体密度及び流体粘性の１つ以上を含む流体測定を提供する。振動式センサ５は、流体の質量流量、体積流量及び/又は流体温度を含む流体測定を提供する。このリストは網羅したものでなく、振動式センサ５は他の流体特性を測定し、決定し得る。
メータ電子機器２０はリード１００を介して振動要素１０４に電力を供給する。メータ電子機器２０はリード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、該駆動信号を振動要素１０４に供給し、該振動要素１０４は生成された駆動信号を用いて１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、振動期間及び/又は振動タイミングを制御することができる。
メータ電子機器２０はまた、リード１００を介して振動要素１０４から振動信号を受信する。メータ電子機器２０は振動信号を処理して例えば密度測定を生成する。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。更に又は加えて、メータ電子機器２０は振動信号を処理して、流体の他の特性を決定し、該他の特性は例えば粘度又は例えば流体の流速を決定するために処理される信号間の位相シフトである。他の振動応答特性及び/又は流体測定が考えられ、それらは記載と特許請求の範囲内である。
メータ電子機器２０は更に、通信リンク２６に連結される。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。メータ電子機器２０はまた、受信した振動信号を処理して、測定値を生成し、通信リンク２６を介して該測定値を通信する。更に、メータ電子機器２０は、通信リンク２６を介して情報を得ることができる。例えば、メータ電子機器２０はコマンド、更新、作動値の変更及び/又はプログラムの更新を通信リンク２６を介して受信する。
図３は、実施形態に従った振動式センサ５を示す。実施形態に示すように、メータ電子機器２０はシャフト１１５によって振動要素１０４に連結される。シャフト１１５は任意の所望の長さである。シャフト１１５は、少なくとも部分的に中空である。ワイヤ又は他の導体はシャフト１１５を通ってメータ電子機器２０と振動要素１０４の間を延びる。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のような回路部品を含む。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から分離した部品又はデバイスを備え、受信回路１３４及び駆動回路１３８はリード１００を介して振動要素１０４に連結される。
示された実施形態にて、振動式センサ５の振動要素１０４は同調フォーク構造を備え、振動要素１０４は市区定される流体に少なくとも部分的に浸される。振動要素１０４は、パイプ、導管、タンク、容器、マニホールドのような他の構造又は他の流体を取り扱う構造に固定されるハウジング１０５を含む。振動要素１０４が少なくとも部分的に晒されている間は、ハウジング１０５は振動要素１０４を保持する。従って、振動要素１０４は流体内に浸されるように構成される。
実施形態に示される振動要素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歯１１２及び第２歯１１４を含む。第１歯１１２及び第２歯１１４は所望の断面形状を有する長手部材を備える。第１歯１１２及び第２歯１１４は、本来は可撓性又は弾性である。振動式センサ５は更に、圧電水晶要素を備える対応した第１ピエゾ要素１２２及び第２ピエゾ要素１２４を含む。第１ピエゾ要素１２２及び第２ピエゾ要素１２４は夫々第１歯１１２及び第２歯１１４の隣に位置する。第１ピエゾ要素１２２及び第２ピエゾ要素１２４は、第１歯１１２及び第２歯１１４に接触し、機械的に相互作用する。
第１ピエゾ要素１２２は第１歯１１２の少なくとも一部と接する。第１ピエゾ要素１２２はまた、駆動回路１３８に電気的に連結される。駆動回路１３８は生成された駆動信号を第１ピエゾ要素１２２に供給する。第１ピエゾ要素１２２は生成された駆動信号を受けたときに、膨れ縮まる。その結果、第１ピエゾ要素１２２は交互に撓み、第１歯１１２を振動運動にて側方から側方に移動させ(点線を参照)、周期的に往復する方法で流体を乱す。
第２ピエゾ要素１２４は、受信回路１３４に結合するとして示され、流体内で第２歯１１４の撓みに対応して振動信号を生成する。第２歯１１４の動きにより、第２ピエゾ要素１２４によって電気的振動が生成される。第２ピエゾ要素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されている。
インターフェイス回路１３６は振動測定信号を通信し、１つ以上の外部デバイスに決定された流体特性を伝える。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のような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、インターフェイス回路１３６を介して、とりわけ流体の密度及び/又は粘性のような流体測定を送信する。他の流体の測定も考えられ、それらは記載と特許請求の範囲内である。
更に、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通信を外部デバイスから受信する。いくつかの実施形態では、受信回路１３４は、駆動回路１３８に連結されて、振動信号を駆動回路１３８に供給する
駆動回路１３８は、振動要素１０４用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修正する。周囲の流体によって影響を受けるように、振動要素１０４は略共振振動数に維持される。駆動回路１３８は開ループ駆動部１４７を含む。開ループ駆動部１４７は駆動回路１３８によって用いられて、駆動信号を生成し、生成された駆動信号を振動要素１０４に(例えば、第１ピエゾ要素１２２に)供給する。幾つかの実施形態では、開ループ駆動部１４７は、最初の周波数ω０で開始して、目標位相差φtに達する駆動信号を生成する。開ループ駆動部１４７は振動信号からのフィードバックに基づいて作動しない。従って、開ループ駆動部１４７は、下記により詳細に記述されるように、振動信号を濾過することによりノイズの無い生成された駆動信号を時間遅れなしで供給する。
図４は、振動式センサ５のブロック図を示し、駆動回路１３８をより詳細に表す。振動式センサは駆動回路１３８とともに示される。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ない。駆動回路１３８は開ループ駆動部１４７に連結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は振動信号を濾過し、アナログ出力フィルタ１３８bは生成された駆動信号を濾過する。
開ループ駆動部１４７は、位相検知器１４７bに連結されるアナログ/デジタル変換器１４７aを含む。位相検知器１４７bは、信号生成器１４７cに連結される。
更に、第１ピエゾ要素１２２と第２ピエゾ要素１２４を含む振動要素１０４が示される。開ループ駆動部１４７は、信号をサンプリングし、処理し、生成する１本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デジタル信号プロセッサで実行され得る。更に又は或いは、開ループ駆動部１４７はデジタル信号プロセッサなどに連結された電子回路で実行され得る。
第１ピエゾ要素１２２によって提供される振動信号は、アナログ入力フィルタ１３８aに送信される。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、振動信号を濾過する。示された実施形態では、アナログ入力フィルタ１３８aはカットオフ周波数を有するローパスフィルタを備え、あらゆる適切なローパスフィルタが用いられ得るが、該カットオフ周波数は開ループ駆動部１４７のサンプリング速度の約半分である。ローパスフィルタは演算増幅器フィルタのような分配型又はディスクリートのあらゆる適切な部品が用いられるが、誘導子、コンデンサ及び抵抗器のような受動素子によって提供される。
アナログ/デジタル変換器１４７aは濾過された振動信号をサンプリングして、振動信号のサンプルを形成することが出来る。アナログ/デジタル変換器１４７aは第２チャンネルを介して生成された駆動信号をサンプリングすることが出来る。該サンプリングはあらゆる適切なサンプリング方法である。理解されるように、アナログ/デジタル変換器１４７aによってサンプリングされた生成された駆動信号は振動信号に関するノイズを有さない。生成された駆動信号は位相検知器１４７bに付与される。
位相検知器１４７bはサンプリングされた振動信号の位相と生成された駆動信号の位相を比較する。位相検知器１４７bは、図５に関して下記により詳細に記述されるように、２つの信号間の位相差を検知する信号をサンプリングし、処理し、生成する１以上のコードあるいはプログラムを実行するように構成されたプロセッサである。図４の実施形態に言及して、比較により振動信号のサンプルと生成された駆動信号のサンプル間の測定された位相差φｍが付与される。
測定された位相差φｍは目標位相差φｔと比較される。目標位相差φｔは振動信号と生成された駆動信号の所望の位相差である。実施形態にて、目標位相差φｔが約４５°であれば、測定された位相差φｍと目標位相差φｔとの差は、測定された位相差φｍが４５°と同じ又は約４５°であれば、ゼロである。しかし、代替の実施形態では、あらゆる適切な目標位相差φｔが用いられ得る。測定された位相差φｍと目標位相差φｔとの比較を用いて、位相検知器１４７bはコマンド周波数ωを生成することが出来る。
コマンド周波数ωは駆動信号を生成するのに用いられる。更に又は或いは、測定された位相差φｍと目標位相差φｔ間の比較からは決定されない最初の周波数ω０が用いられる。最初の周波数ω０は、最初に生成された駆動信号を形成するのに用いられる予め選択された周波数である。最初に生成された駆動信号が上記の如く、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。最初に生成された駆動信号のサンプルと振動信号のサンプルの比較は、コマンド周波数ωを生成するのに用いられる。あらゆる適切な単位も使用することができるが、コマンド周波数ωと最初の周波数ω０は、ラジアン/秒の単位
を有する。コマンド周波数ω又は最初の周波数ω０は、信号生成器１４７cに供給される。
信号生成器１４７cは位相検知器１４７bからコマンド周波数ωを受信し、該コマンド周波数ωと同じ周波数を有する生成された駆動信号を付与する。前記の如く、生成された駆動信号はアナログ/デジタル変換器１４７aに送信される。生成された駆動信号はまた、アナログ出力フィルタ１３８bを介して第２ピエゾ要素１２４に送信される。更に又は或いは、生成された駆動信号は他の実施形態の他の部品に送信される。従って、これら及び他の実施形態にて、生成された駆動信号は、以下により詳細に記載する如く、測定された位相差φｍと目標位相差φｔとの差から決定される。
図５は、実施形態に従った振動式センサ５のブロック図５００を示す。ブロック図５００は振動要素５１０を含む。振動要素５１０はドライバ５１０a及びピックオフ５１０bを含む。ブロック図５００は、更にピックオフ５１０bに連結される振動利得部５２０を含む。振動利得部５２０は、符号復号器(CODEC)ブロック５３０にあるアナログ/デジタル変換器５３２に連結される。アナログ/デジタル変換器５３２は、デジタル信号プロセッサ(DSP)ブロック５４０内の位相検知器５４２に連結される。DSPブロック５４０は、さらに位相検知器５４２から信号を受信する駆動シンセサイザ５４４を含む。駆動シンセサイザ５４４は、駆動利得部５５０に連結されるデジタル/アナログ変換器５３４に連結される
。駆動利得部５５０は、駆動ステージ５６０及びアナログ/デジタル変換器５３２に連結される。駆動利得部５５０は、符号復号器ブロック５３０によって提供される、生成された駆動信号を増幅することができる。
あらゆる構成も用いることができるが、符号復号器ブロック５３０は２ウェイのコンバーターとして示される。示されるように、符号復号器ブロック５３０中のアナログ/デジタル変換器５３２は、振動利得部５２０から振動信号を受信する。代替の実施形態では、振動信号は、ピックオフ５１０bからアナログ/デジタル変換器５３２に直接提供することができる。アナログ/デジタル変換器５３２は、サンプリングされた振動信号を生成するサンプリングレート及び分解能を以て、連続時間信号であり得る振動信号をサンプリングする。
アナログ/デジタル変換器５３２は、サンプリングの前に振動信号から望ましくない周波数成分を取り除く、アンチエイリアシング(anti-aliasing)フィルタを含む。
アナログ/デジタル変換器５３２は、さらに駆動利得部５５０によって提供される、生成された駆動信号をサンプリングする。あらゆる適切な信号も提供されるが、駆動利得部５５０から生成された駆動信号は連続時間信号になる。振動信号と同様に、アナログ/デジタル変換器５３２は、適切なサンプリングレート及び分解能を以て、生成された駆動信号をサンプリングすることができる。アナログ/デジタル変換器５３２はまた、サンプリングの前に、生成された駆動信号からあらゆる望ましくない周波数成分を取り除く、アンチエイリアシングフィルタを含む。サンプリングされた振動信号及びサンプリングされた生成された駆動信号は、DSPブロック５４０中の位相検知器５４２に提供される。位相検知器５４２は、下記に記載するように、サンプリングされた振動信号をサンプリングされた生成された駆動信号と比較して、測定された位相差φmを決定する。
示された実施形態では、位相検知器５４２は、サンプリングされた信号を関連付けることにより、サンプリングされた振動信号及びサンプリングされた生成された駆動信号の間の測定された位相差φmを決定することができる。例えば、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が、圧縮化(decimation、デシメーション)及び他のDSP機能に加えて、変換を実行して、測定された位相差φmを決定する。
生成された駆動信号及び振動信号は、次の方程式[1]及び[2]によって複素平面中で表わされる。
Figure 2019215365
Ｚｇｓｄ(κ)関数は生成された駆動信号の複素表現であり、Ｚｖｓ(κ)関数は振動信号の複素表現である。ｅｘｐ(―ｊ( ２ωκ+ψｖｓ))項は、整数κが周波数ωと乗算されることを含んで、周波数成分を表す。圧縮化又は他のフィルタリングが、周波数成分を除去するのに用いられ得る。従って、周波数成分の無い複素表現は方程式[3]及び[4]として表される。
Figure 2019215365
 上記の方程式[3]及び[4]に複素共役及び相関付け(例えば、乗算)を実行すれば、以下の方程式[5]に帰着する。
Figure 2019215365
１つの関数が共役しなかった(例えば、非共役)ことが判るだろう。方程式[5]から生成された駆動信号と振動信号の間の測定された位相差φｍは、
Figure 2019215365
 となる。
前記では、如何に測定された位相差φmが決定されるかを示す典型的な実施形態が示される。理解されるように、異なる実施形態の位相検知器５４２は、サンプリングされた振動信号及びサンプリングされた生成された駆動信号の間の測定された位相差φmを決定することが出来る。図６について以下により詳細に説明されるように、測定された位相差φmはコマンド周波数ωを決定するのに用いられる。また、図５を参照してコマンド周波数ωは駆動シンセサイザ５４４に付与される。
駆動シンセサイザ５４４は、１以上のコード又はプログラムを実行し、コマンド周波数ωを受信して合成された駆動信号を付与するプロセッサである。合成された駆動信号は単純な正弦波信号の離散的表現になり得る。例えば、合成された駆動信号は、単純な正弦波信号に相当するエンベロープを備えたインパルス列になり得る。更に又は或いは、駆動シンセサイザ５４４は、デジタル回路、フィールドプログラマブルゲートアレイなど(FPGA)であり得る。
例えば、デジタル回路は、コマンド周波数ωに相当する振幅を備えた直流(DC)電圧信号を受け取る。代替の実施形態では、駆動シンセサイザは電圧信号(例えば直流など)を受け取り、生成された駆動信号に電圧信号に比例するコマンド周波数ωを供給する。
示された実施形態では、駆動シンセサイザ５４４はデジタル/アナログ変換器５３４に合成された駆動信号を供給する。デジタル/アナログ変換器５３４は合成された駆動信号を生成された駆動信号に変換する。あらゆる適切なデジタル/アナログ変換器５３４も使用され得るが、デジタル/アナログ変換器５３４は、例えば、インパルス列を階段状の正弦波波形に変換するゼロ次ホールドであり得る。駆動シンセサイザ５４４が以前に記載されたデジタル回路かFPGAであるような代替の実施形態の場合、デジタル/アナログ変換器５３４は必要ではない。そのような実施形態では、生成された駆動信号は、デジタル/ア
ナログ変換なしで提供することができる。これら及び他の実施形態では、生成された駆動信号は、コマンド周波数ωの、あるいはω周りの単純な正弦波信号になり得る。代替の実施形態では、生成された駆動信号は、１以上の周波数成分で構成されることができる。示された実施形態では、生成された駆動信号は、駆動利得部５５０に送られる。
駆動利得部５５０は生成された駆動信号を増幅し、アナログ/デジタル変換器５３２及び駆動ステージ５６０に増幅された生成された駆動信号を供給する。駆動利得部５５０及び駆動ステージ５６０は、所望の波形を達成するように、生成された駆動信号を修正することができる。例えば、駆動利得部５５０は、ドライバ５１０aに利用可能な電力を超えるように、生成された駆動信号を増幅することができる。従って、生成された駆動信号が時間が連続した正弦波信号である実施形態にて、ドライバ５１０aに供給される、生成さ
れた駆動信号は台形形状を有する。更に又は或いは、生成された駆動信号には三角形波形、異なる波形の一続きのような他の形を有する。
これら及び他の波形は、下記により詳細に説明されるように、測定された位相差φｍから決定されたコマンド周波数を用いて形成され得る。
図６は、実施形態に従って、駆動信号を生成する方法６００を示す。方法６００はステップ６１０から開始する。ステップ６１０で、振動は第２歯１１４によって測定される。第２歯１１４は流体内の振動により振動する。振動は、コマンド周波数ω或いは最初の周波数ω０で振動する第１歯１１２により流体内に存在する。第２ピエゾ要素１２４はアナログ入力フィルタ１３８aに振動信号を送信する。アナログ入力フィルタ１３８aは、振動信号を濾過して、ノイズを削除し、かつ振動信号の帯域幅を制限する。濾過された振動信号は、アナログ/デジタル変換器１４７a、５３２に送信される。信号生成器１４７cからの生成された駆動信号も、アナログ/デジタル変換器１４７a、５３２に送信される。
ステップ６２０で、振動信号及び生成された駆動信号はアナログ/デジタル変換器１４７a、５３２によってサンプリングされる。サンプリングは、振動信号及び生成された駆動信号を数列に変換するあらゆる適切なサンプリング方法であり、例えばバイナリフォーマットである。サンプリングはあらゆる適切なサンプリングレート及びビット分解能でも行うことができる。
ステップ６３０で、サンプリングされた振動信号の位相及びサンプリングされた生成された駆動信号の位相の間の測定された位相差φmは、位相検知器１４７bによって決定される。測定された位相差φmは度の単位を有する角度であるが、ラジアンのような他の単位も他の実施形態にて用いられる。或いは、位相差ではなく時間差が用いられる。
ステップ６４０で、測定された位相差φmは目標位相差φｔと比較される。上記に記載の実施形態にて、目標位相差φｔは４５°である。比較結果が測定された位相差φmが目標位相差φｔと同じであることを示せば、方法６００はステップ６６０にてコマンド周波数ω又は最初の周波数ω０と同じ駆動信号を生成し続ける。測定された位相差φmが目標位相差φｔと同じでなければ、ステップ６５０にてコマンド周波数ωが決定される。
ステップ６５０で、コマンド周波数ωは測定された位相差φmから決定される。例えば、上記に記載の実施形態にて、測定された位相差φmが目標位相差φｔよりも小さければ、コマンド周波数ωが増加される。しかし、代替の実施形態において、コマンド周波数ωは代替の手段を用いて測定された位相差φmから決定される。これらの又は他の実施形態において、コマンド周波数ωはステップ６６０にて駆動信号を生成するのに用いられる。
ステップ６６０で、信号生成器１４７cはコマンド周波数ωで生成された駆動信号を形成する。実施形態では、信号生成器１４７cは、駆動シンセサイザ５４４及びデジタル/アナログ変換器５３４から構成される。或いは、信号生成器１４７cはデジタル回路、FPGAなどで構成される。図５に関して記載された実施形態では、生成された駆動信号は、駆動シンセサイザ５４４によって提供された駆動信号から合成される。これら及び他の実施形態では、他の適切な信号も提供され得るが、生成された駆動信号は単一の周波数を備えた正弦波の駆動信号になる。
生成された駆動信号は振動要素１０４、５１０を振動させるために使用される。図５に示されるように、生成された駆動信号は駆動利得部５５０及び駆動ステージ５６０に提供される。駆動利得部５５０及び駆動ステージ５６０は、生成された駆動信号を修正し、ドライバ５１０aへ提供する。しかし、生成された駆動信号は、他の手段によっても、振動要素１０４、５１０に提供することができる。例えば、生成された駆動信号は、ドライバ５１０aに直接提供することができる。生成された駆動信号もサンプリングされ、測定される。例えば、図６に示すように、ステップ６６０はまた、生成された駆動信号がサンプリングされるステップ６２０に生成された駆動信号を返す。
動作では、位相検知器１４７bは、信号生成器１４７cにコマンド周波数ωを送信することができる。幾つかの実施形態では、駆動回路１３８はコマンド周波数ωで且つ開ループの方法で振動要素１０４(例えば、第１歯１１２、ドライバ５１０a)を振動させ、目標位相差φｔに達する。目標位相差φｔは流体密度を正確に測定すべく、４５°である。しかし、代替の実施形態では、目標位相差φｔは他の値である。
方法６００及び振動式センサ５は生成された駆動信号を提供することができる。例えば、生成された駆動信号は、コマンド周波数ωで信号生成器１４７cによって提供され得る。
実施形態では、信号生成器１４７cは駆動シンセサイザ５４４及びデジタル/アナログ変換器５３４で構成される。コマンド周波数ωは、振動信号と生成された駆動信号の間の測定された位相差φmから決定される。測定された位相差φmは位相検知器１４７b、５４２を使用して決定される。
理解されるように、振動信号の周波数は測定されず、又は生成された駆動信号の周波数とは比較されない。その代り、振動信号の位相及び生成された駆動信号の位相は、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用いて決定される。例えば、前記の実施形態によれば、サンプリングされた振動信号及びサンプリングされた駆動信号は、周波数成分無しで、共役を実行され関連付けられて、測定された位相差φmを決定する。従って、振動信号と生成された駆動信号の間の測定された位相差φmは、従来技術の振動計に関する遅延が無く決定される。更に、信号生成器１４７cは振動信号に関する
ノイズ無しで生成された駆動信号を付与する。例えば、前記の実施形態に記載した如く、測定された位相差φmを決定する前に、位相検知器５４２はサンプリングされた振動信号及び生成された駆動信号の周波数成分を除去する。
従って、生成された駆動信号は、振動信号からのノイズ、又は従来技術に関する時間遅延を含まない。生成された駆動信号は振動信号に関するノイズが無いから、密度測定は更に正確である。更に、従来技術のフィルタリングに関する時間遅延が無いから、生成された駆動信号は更に安定する。これら及び他の利点は、代替の実施形態と同様に、方法６００及び振動式センサ５に関して得られる。
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。現在の記述の範囲及び開示の範囲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、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現在の記述の範囲内で可能である。ここに提供される開示は、振動式センサの駆動信号を生成する他の方法に適用可能であり、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。
生成された駆動信号を振動信号と比較する工程は、生成された駆動信号及び振動信号のの何れか１つに複素共役を実行する工程と、該複素共役を実行された生成された駆動信号及び振動信号の一方を、複素共役を実行されていない生成された駆動信号及び振動信号の他方と掛け合わせる工程を備えるのが好ましい。
生成された駆動信号の位相を振動信号の位相と比較する工程は、生成された駆動信号の位相と振動信号の位相間の測定された位相差φｍを決定する工程、及び測定された位相差φｍを目標位相差φｔと比較し、測定された位相差φｍが目標位相差φｔにあるかを決定する工程を備えるのが好ましい。
Ｚｇｓｄ(κ)関数は生成された駆動信号の複素表現であり、Ｚｖｓ(κ)関数は振動信号の複素表現である。ｅｘｐ(―ｊ( ２ωκ+ψｖｓ))項は、整数κが周波数ωと乗算されることを含んで、周波数成分を表す。圧縮化又は他のフィルタリングが、周波数成分を除去するのに用いられ得る。従って、周波数成分の無い複素表現は方程式[3]及び[4]として表される。
Figure 2019215365
 上記の方程式[3]及び[4]の一方に複素共役を実行し、及び両方程式の相関付け(例えば、乗算)を実行すれば、以下の方程式[5]に帰着する。
Figure 2019215365

Claims (18)

  1. 振動式センサ(５)の駆動信号を生成する方法(６００)であって、
    振動信号を付与するように構成された振動要素(１０４、５１０)を振動させる工程と、
    受信回路(１３４)を用いて前記振動要素(１０４、５１０)から振動信号を受信する工程と、
    前記受信回路(１３４)及び前記振動要素(１０４、５１０)に連結された駆動回路(１３８)を用いて、前記振動要素(１０４、５１０)を振動させる駆動信号を生成する工程と、
    生成された駆動信号の位相を振動信号の位相と比較する工程を備える、方法(６００)。
  2. 前記生成された駆動信号の位相を振動信号の位相と比較する工程は、生成された駆動信号のサンプルを振動信号のサンプルと比較する工程を備える、請求項１に記載の方法(６
    ００)。
  3. 更に、生成された駆動信号のサンプルと振動信号のサンプルの少なくとも１つから、少なくとも１つの周波数成分を除去する工程を備える、請求項２に記載の方法(６００)。
  4. 前記生成された駆動信号のサンプルを振動信号のサンプルと比較する工程は、生成された駆動信号のサンプルと振動信号のサンプルの相関付けを実行する工程を備える、請求項２に記載の方法(６００)。
  5. 前記生成された駆動信号のサンプルを振動信号のサンプルと比較する工程は、
    生成された駆動信号のサンプル及び振動信号のサンプルの何れか１つに共役を実行する工程と、
    該共役を実行され生成された駆動信号のサンプル及び振動信号のサンプルの一方を、共役を実行されていない生成された駆動信号のサンプル及び振動信号のサンプルの他方と掛け合わせる工程を備える、請求項２に記載の方法(６００)。
  6. 前記生成された駆動信号の位相を振動信号の位相と比較する工程は、
    生成された駆動信号の位相と振動信号の位相間の測定された位相差φｍを決定する工程、及び
    測定された位相差φｍを目標位相差φｔと比較し、測定された位相差φｍが目標位相差φｔにあるかを決定する工程を備える、請求項１に記載の方法(６００)。
  7. 更に、前記測定された位相差φｍが目標位相差φｔにあるときは、流体密度を測定する工程を備える、請求項６に記載の方法(６００)。
  8. 更に、生成された駆動信号の位相と振動信号の位相の比較から、コマンド周波数ωを決定する工程と、
    信号生成器(１４７c)にコマンド周波数を供給する工程と、
    該信号生成器(１４７c)を用いてコマンド周波数ωにて駆動信号を生成する工程を備える、請求項１に記載の方法(６００)。
  9. 前記信号生成器(１４７c)を用いてコマンド周波数ωにて駆動信号を生成する工程は、
    駆動シンセサイザ(５４４)を用いて合成された駆動信号を形成する工程と、
    デジタル/アナログコンバータ(５３４)を用いて合成された駆動信号を生成された駆動信号に変換する工程を含む、請求項８に記載の方法(６００)。
  10. 振動信号を付与するように構成された振動要素(１０４、５１０)と、
    該振動要素(１０４)から振動信号を受信する受信回路(１３４)と、
    前記受信回路(１３４)及び振動要素(１０４)に連結された駆動回路(１３８)を備え、
    該駆動回路(１３８)は振動要素(１０４、５１０)を振動させる駆動信号を生成し、且つ生成された駆動信号の位相と振動信号の位相とを比較するように構成されている、振動式センサ(５)。
  11. 前記駆動回路(１３８)は、生成された駆動信号のサンプルと振動信号のサンプルを比較するように構成されている、請求項１０に記載の振動式センサ(５)。
  12. 前記駆動回路(１３８)は更に、生成された駆動信号のサンプルと振動信号のサンプルの少なくとも１つから、少なくとも１つの周波数成分を除去するように構成される、請求項１１に記載の振動式センサ(５)。
  13. 前記駆動回路(１３８)は更に、生成された駆動信号のサンプルと振動信号のサンプルの相関付けを実行するように構成されている、請求項１１に記載の振動式センサ(５)。
  14. 前記駆動回路(１３８)は更に、生成された駆動信号のサンプル及び振動信号の何れか１つに共役を実行する工程と、
    該共役を実行され生成された駆動信号のサンプル及び振動信号のサンプルの一方を、共役を実行されていない駆動信号のサンプル及び振動信号のサンプルの他方と掛け合わせる工程を実行するように構成されている、請求項１１に記載の振動式センサ(５)。
  15. 前記駆動回路(１３８)は、生成された駆動信号の位相と振動信号の位相間の測定された位相差φｍを決定し、
    測定された位相差φｍを目標位相差φｔと比較し、測定された位相差φｍが目標位相差φｔにあるかを決定するように構成されている、請求項１０に記載の振動式センサ(５)。
  16. 前記駆動回路(１３８)は更に、測定された位相差φｍが目標位相差φｔにあるときは、流体の密度を測定するように構成されている、請求項１５に記載の振動式センサ(５)。
  17. 前記駆動回路(１３８)は、位相検知器(１４７b、５４２)と信号生成器(１４７c)を備え、
    該位相検知器(１４７b)は、生成された駆動信号の位相及び振動信号の位相の比較からコマンド周波数ωを決定し、該コマンド周波数ωを信号生成器(１４７c)に供給するように構成され、
    前記信号生成器(１４７c)はコマンド周波数ωにて駆動信号を生成するように構成されている、請求項１０に記載の振動式センサ(５)。
  18. 前記信号生成器(１４７c)は、合成された駆動信号を形成するように構成された駆動シンセサイザ(５４４)と、合成された駆動信号を生成された駆動信号に変換するように構成されたデジタル/アナログコンバータ(５３４)を備える、請求項１７に記載の振動式センサ(５)。
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