JP2855094B2 - 質量流量計変換器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、質量流量計変換器
に関し、より詳細にはコリオリ流量計から出力され、質
量流量に比例した位相差をもった一対の正弦波信号を各
々入力し、該正弦波信号に含まれた低周波雑音成分を取
り除く回路構成をもった質量流量計変換器に関する。

【０００２】

【従来の技術】コリオリ流量計は、周知のように、質量
流量ｍの流体が流れるフローチューブを両端支持して支
持点まわりに角速度ωで正弦波振動を与えたとき、フロ
ーチューブに質量流量ｍと角速度ωのベクトル積に比例
したコリオリの力Ｆが作用することを利用したもので、
コリオリの力Ｆを計測して質量流量を求める原理に基づ
いている。すなわち、フローチューブは、このコリオリ
の力により変形され、フローチューブの支持点からの対
称位置にはコリオリの力に比例した位相差が生ずるの
で、この位相差をフローチューブの対称点が基準線を通
過する時間差ΔＴとして検出して質量流量ｍを求めるこ
とができる。更に、角速度ωを支持点まわりの固有振動
数ω₀に選ぶことにより、固有振動数ω₀から流体の密度
ρを計測することができる。従って、時間差ΔＴの計測
精度は、質量流量の計測精度を決定する重要な計測対象
である。従来の時間差ΔＴの計測には、一例として特開
平６−１０９５１５号公報による質量流量測定方法が開
示されている。

【０００３】図４は、従来の質量流量計変換回路で、図
中、２１，２１´はコイル、２２，２２´は積分回路
部、２３，２３´は増幅器、２４，２４´は比較器、２
５は読み取り回路である。

【０００４】図４に示した質量流量計変換回路は、コリ
オリ流量計のフローチューブに取り付けられた各々のセ
ンサが、例えば、磁石とコイルとからなる速度変換形の
ものであり、センサのコイル２１，２１´に発生した位
相の異なる正弦波信号を時間差ΔＴの矩形波に変換処理
し時間差ΔＴに比例した質量流量を求めるための回路で
ある。コイル２１，２１´には、各々速度信号を位置信
号に変換するための積分器部２２，２２´と、積分器２
２，２２´から出力された正弦波位置信号を飽和レベル
で増幅し台形波信号に変換する増幅器２３，２３´と、
出力された位相差をもった各々の前記台形波信号から位
相差に比例した時間差ΔＴをもった矩形波信号に変換す
るため、台形波信号のバイアスライン（＋ａ），（−
ａ）に対応して定められた参照電圧Ｖａ，Ｖｂと比較す
る比較器２４，２４´とが接続されており、比較器２
４，２４´には各々増幅器２３，２３´から出力された
矩形波信号から時間差ΔＴを求め、時間差ΔＴに比例し
た質量流量を出力する読み取り回路２５が接続されてい
る。

【０００５】しかし、前記時間差ΔＴは微小であり最大
質量流量においても、数μｓから１００μｓのオーダで
あり、これらの時間差ΔＴの大きさはコリオリ流量計の
構造により定まる。時間差ΔＴの計測精度は質量流量の
計測精度となるので、前記正弦波信号に雑音成分が重畳
されることは時間差ΔＴの計測精度を低下させるので雑
音成分を含ことは、計測上、許されない。しかし、前記
正弦波信号には、コリオリ流量計の取り付け配管等によ
る低周波の外部雑音やコリオリ流量計や電気回路要素か
らのドリフト等の極低周波の雑音が含まれている。この
雑音を除去するため前記特開平６−１０９５１５号公報
の前記積分回路部２２，２２´では、積分の入出力間に
低域フィルタが接続され低周波成分を負帰還して積分器
の出力に含まれる前記雑音成分を取り除いている。

【０００６】図５は、従来の積分回路部を説明するため
の図であり、図中３１，３２は演算増幅器（以後、ＯＰ
アンプと記す）である。

【０００７】図５に示した積分回路部２２，２２′は、
端子３３から入力された正弦波速度信号を正弦波位置信
号に変換するための抵抗Ｒ₃₁とコンデンサＣ₃₁およびＯ
Ｐアンプ３１からなる積分器と、積分器から出力された
Ｐ₃₂位置の正弦波位置信号に含まれる低周波雑音成分を
削減するためのコンデンサＣ₃₂、抵抗Ｒ₃₃のローパスフ
ィルタとＯＰアンプ３２からなる負帰回路からなってい
る。

【０００８】積分器は抵抗Ｒ₃₁がＯＰアンプ３１の反転
入力Ｐ₃₁に、反転入力Ｐ₃₁とＯＰアンプ３１の出力との
間にコンデンサＣ₃₁が接続されている。負帰還回路のロ
ーパスフィルタはＯＰアンプ３２の非反転入力に接続さ
れ、反転入力は出力端と接続され低インピーダンス出力
が得られるバッファーを構成し、低周波雑音成分は抵抗
Ｒ₃₄を介してＯＰアンプ３１の反転入力Ｐ₃₁に接続され
ている。また、バッファー出力した低周波雑音成分は抵
抗Ｒ₂₀を介し増幅器２３の非反転入力に接続されてい
る。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上述した構成をもつ従
来の積分回路部２２、２２´は積分器を構成するＯＰア
ンプ３１の反転入力Ｐ₃₁には、積分抵抗Ｒ₃₁、コンデン
サＣ₃₁帰還抵抗Ｒ₃₄の各々の一端が接続されて反転入力
Ｐ₃₁の電位は一定に保たれているので、積分抵抗Ｒ₃₁を
介して入力された低周波雑音成分の電流の一部は帰還抵
抗Ｒ₃₄に流れる。この結果、低周波雑音成分は積分抵抗
Ｒ₃₁と帰還抵抗Ｒ₃₄との比で分圧されて入力されるので
出力Ｐ₃₂でも完全に削減することができない。また、抵
抗Ｒ₂₀を介して図４に示す増幅回路２３の非反転入力に
ローパスフィルタの出力を接続しても積分器の出力Ｐ₃₂
の出力信号と必ずしも同一位相とはならず、低周波雑音
成分を除くことは極めて困難で、低周波雑音を除去する
ことができなかった。従来の回路では、その結果、分時
間差ΔＴの計測精度も低下し、雑音から逃れることがで
きない。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載した第１
の発明は、両端支持されたフローチューブを一定の周波
数・振幅で加振し、出力された該フローチューブに作用
するコリオリの力に比例した位相差をもつ一対の正弦波
速度信号を各々積分し、得られた正弦波位置信号に含ま
れる低周波雑音成分を負帰還し、正弦波位置信号を出力
する積分回路部を有し、出力された各々の前記正弦波位
置信号から前記位相差を検出し、該位相差に比例した質
量流量を求める質量流量計変換器において、前記積分回
路部は、反転入力に入力した前記正弦波速度信号を積分
し前記正弦波位置信号を出力する第１積分器と、前記正
弦波位置信号に含まれる前記低周波雑音成分のみを通過
する低域増幅器に接続され、前記低周波雑音成分を積分
する第２積分器とからなり、該第２積分器の出力を前記
第１積分器の非反転入力に入力するようにして、該第１
積分器から出力される低周波雑音成分を限りなく零に近
づけるようにすることである。請求項２に記載した第２
の発明は、前記第１の発明の積分回路部において、前記
低域増幅器の出力を前記第１積分器の反転入力に負帰還
し、前記第１積分器の反転入力に入力する低周波雑音成
分を削減したあと、第１の発明に記載した積分回路部の
効果を加えることにより、更に低周波雑音を零に近づけ
る。請求項３に記載の第３の発明は、前記第２の発明に
おいて、前記積分回路部の正弦波位置信号出力を、前記
正弦波位置信号を台形波信号に変換する次段の増幅器の
反転入力に入力することにより、該増幅器の非反転入力
端子に前記低域増幅器を通過した所定低周雑音成分を入
力し前記第２の発明による低周波雑音成分を、更に削減
する。

【００１１】

【発明の実施の形態】図１は、本発明による質量流量計
変換器の第１の実施の形態を説明するための回路ブロッ
クで、図中、１はセンサのコイル、２，３，４，５，６
は演算増幅器（ＯＰアンプ）、７，８はコンパレータ、
９は位相コントロール部、１０は第１積分回路部であ
る。

【００１２】図１に示す回路ブロックは、コリオリ流量
計のフローチューブから出力される一対のセンサ信号か
らコリオリの力に比例した位相差信号を求め質量流量信
号を出力する質量流量計変換器において、一方側のセン
サのコイル１から出力される信号の信号処理回路に関す
るもので、フローチユーブ（図示せず）に設けられたセ
ンサのコイル１から出力される微小な正弦波速度信号
を、抵抗Ｒ₂とＲ₁との比で定まる所定レベルに増幅する
ＯＰアンプ２を有する増幅器と、出力された正弦波速度
信号を正弦波位置信号に変換し、且つ正弦波位置信号に
含まれる低周波の外部雑音や極低周波のドリフト等の低
周波雑音成分を略零にするため積分回路部１０と、低周
波雑音成分が除かれた正弦波位置信号を能動領域で増幅
して零レベルに対称な波高値をもった台形波信号を出力
する抵抗Ｒ₇，Ｒ₈，Ｒ₉、ＯＰアンプ６からなる増幅器
および出力された台形波信号から所定レベルの波高値を
もった矩形波信号に変換するコンパレータ７，８および
位相コントロール部９とからなっている。

【００１３】第１積分回路部１０は、抵抗Ｒ₃，コンデ
ンサＣ₁およびＯＰアンプ３からなる時定数Ｒ₃Ｃ₁の第
１積分器、および、第１積分器の出力Ｐ₂から、低周波
雑音成分に対応して定められた抵抗Ｒ₅，コンデンサＣ₂
のローパスフィルタ，バッファアンプを構成するＯＰア
ンプ４からなる低域増幅器と、該低域増幅器を通過した
低周波雑音成分を抵抗Ｒ₆，帰還コンデンサＣ₃を有する
第２積分器のＯＰアンプ５の反転入力Ｐ₃に入力して積
分し、第１積分器のＯＰアンプ３の非反転入力に入力す
る負帰還回路とからなっている。

【００１４】次に、図１に示した第１積分回路部１０の
詳細および動作について説明する。センサのコイル１か
ら出力された正弦波速度信号は、入力抵抗Ｒ₁、帰還抵
抗Ｒ₂、ＯＰアンプ２からなる増幅器により所定レベル
に増幅され、抵抗Ｒ₃，コンデンサＣ₁、ＯＰアンプ３か
らなる積分器の反転入力Ｐ₁に入力する。すなわち抵抗
Ｒ₃の他端はＯＰアンプ３の反転入力端Ｐ₁に接続され、
更に、反転入力Ｐ₁とＯＰアンプ３の出力Ｐ₂との間にコ
ンデンサＣ₁が接続される。ＯＰアンプ３の出力端Ｐ₂に
は、入力信号と９０°位相が進んだ正弦波位置信号およ
び低周波雑音成分が重畳されて出力される。

【００１５】ＯＰアンプの出力端Ｐ₂の出力信号は、一
方、抵抗Ｒ₇を介して帰還抵抗Ｒ₈，ＯＰアンプ６からな
る台形波信号増幅器に入力され、他方、抵抗Ｒ₅，コン
デンサＣ₂のローパスフィルタを介して低周波雑音成分
が取り出され、ＯＰアンプ４の非反転入力に入力する。
ＯＰアンプはバッファー回路で反転入力と出力とが接続
されている。バッファー回路によりインピーダンス変換
され、出力された低周波雑音成分は、Ｒ₆，Ｃ₃，ＯＰア
ンプ５からなる第２積分器に接続される。

【００１６】第２積分器の抵抗Ｒ₆の他端は、ＯＰアン
プ５の反転入力Ｐ₃に接続され、反転入力Ｐ₃とＯＰアン
プ５の出力端Ｐ₄との間にはコンデンサＣ₃が接続され、
第２積分器の出力端Ｐ₄は、第１積分器の非反転入力に
接続される。この結果第１積分器のＯＰアンプ３の反転
入力と、非反転入力との間では、反転入力に入力される
低周波雑音成分と、Ｒ₅Ｃ₂のローパスした低周波雑音成
分と第２積分器を介して出力された低周波雑音成分が打
ち消され、出力端Ｐ₂に出力される低周波雑音成分が略
零となるように制御される。

【００１７】この結果、従来のローパスされた低周波増
幅器の出力を第１積分器の反転入力Ｐ₁に電流帰還され
る場合と比べ、出力端Ｐ₂における低周波雑音成分は無
視できる程度に削減することが可能となる。しかし、さ
らなる削減を計り、限りなく零近傍へ近づけ、より安定
した特性を得るには、下記に述べる手段を付加すること
で実現できる。

【００１８】図２は、本発明による質量流量計変換器の
第２の実施の形態を説明するための積分回路部の回路ブ
ロックであり、図中、１１は、第２積分回路部であり、
図１と同様の作用する部分には、図１の場合と同じ参照
番号を付してある。

【００１９】図２に示した第２積分回路部１１は、図１
に示した第１積分回路部１０による低周波雑音成分の電
圧負帰還に加えて、バッファー増幅器であるＯＰアンプ
４を通過した低周波雑音成分を抵抗Ｒ₁₀を介して第１積
分器の反転入力端Ｐ₁に電流負帰還したもので、抵抗Ｒ
₁₀を介して入力端Ｐ₁に帰還される低周波雑音成分の電
流は、抵抗Ｒ₃を介して入力される低周波雑音成分の電
流に対し積分コンデンサＣ₁とで分流した分流成分とな
るものであるから、低周波成分の電圧負帰還に対し、電
流負帰還が加わった２次遅れ系の制御が加わり、出力端
Ｐ₂に含まれる低周波雑音成分は、分流された分だけ小
さなものとなり、この小さい低周波雑音成分に対し更
に、第２積分器による削減が加わり、重畳効果により、
第１積分回路部１０に対しより効果的低周波雑音成分を
取り除くことができる。

【００２０】図３は、本発明による質量流量計変換器の
第３の実施の形態を説明するための積分回路部の回路ブ
ロックであり、図中、１２は第３積分回路部であり、図
１と同様の作用をする部分には、図１の場合と同じ参照
番号を付してある。

【００２１】図３に示した第３積分回路は、図２に示し
た第２積分回路部１１の回路に加えて低域増幅器のＯＰ
アンプ４を通過した低周波雑音成分を、次段の台形波増
幅器の非反転入力に、更に抵抗Ｒ₉，コンデンサＣ₄から
なるローパスフィルタを介して入力したもので、第１積
分器の出力Ｐ₂に含まれ台形波増幅器の反転入力に入力
され低周波雑音と同位相の低周波雑音成分を台形波増幅
器の非反転入力に入力して図２に示した第２積分回路部
１１に対し、より効果的に低周波雑音を取り除くことが
できることは当然のことである。

【００２２】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、以下に示す効果がある。 請求項１に対応する効果：正弦波速度信号を反転入力に
入力し正弦波位置信号に変換する第１積分器の出力には
正弦波位置信号の他に低周波雑音成分が含まれている。
この低周波雑音成分を取り除くため、従来はローパスフ
ィルタを介して低周波雑音成分のみを取り出し、バッフ
ァー回路を介して第１積分器の反転入力に負帰還してい
た。これに対してローパスフィルタを有し、バッファー
回路である低域増幅器から出力された低周波雑音成分を
第２積分器により積分して第１積分器の非反転入力に負
帰還したので、第１積分器の出力からは、低周波雑音成
分が効果的に取り除かれ、低周波雑音による位相誤差の
ない質量流量に比例した高精度の位相差信号が取り出し
可能となる。 請求項２に対応する効果：請求項１の第１積分回路部に
対し、ローパスフィルタのバッファ回路から第１積分器
の反転入力端に電流帰還したので、電圧帰還に対し、さ
らに電流帰還の加わった２次遅れ系の制御が実現でき、
第１積分器に含まれる低周波雑音成分には、請求項１に
比して極めて小さくなり、請求項１の発明に係る積分回
路部の効果を更に高めることができる。 請求項３に対応する効果：請求項２の積分回路部に対
し、更に、ローパスフィルタのバッファ回路からローパ
スフィルタを介し低周波雑音成分を次段の台形波増幅器
の非反転入力に入力することにより、請求項２の第２積
分回路部よりも、同相ノイズに対して更に効果的に低周
波雑音成分を取り除くことが可能となり、安定した位相
差信号が得られる。この結果、小さい時間差ΔＴ信号し
か得られないコリオリ流量計でも安定した高精度の質量
流量が求められる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明による質量流量計変換器の第１の実施
の形態を説明するための回路ブロックである。

【図２】 本発明による質量流量計変換器の第２の実施
の形態を説明するための積分回路部の回路ブロックであ
る。

【図３】 本発明による質量流量計変換器の第３の実施
の形態を説明するための積分回路部の回路ブロックであ
る。

【図４】 従来の質量流量計変換回路である。

【図５】 従来の積分器の回路を説明するための図であ
る。

【符号の説明】

１…センサのコイル、２，３，４，５，６…演算端幅器
ＯＰアンプ、７，８…コンパレータ、９…位相コントロ
ール部、１０…第１積分回路部、１１…第２積分回路
部、１２…第３積分回路部。

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 両端支持されたフローチューブを一定の
   周波数・振幅で加振し、出力された該フローチューブに
   作用するコリオリの力に比例した位相差をもつ一対の正
   弦波速度信号を各々積分し、得られた正弦波位置信号に
   含まれる低周波雑音成分を負帰還し、正弦波位置信号を
   出力する積分回路部を有し、出力された各々の前記正弦
   波位置信号から前記位相差を検出し、該位相差に比例し
   た質量流量を求める質量流量計変換器において、前記積
   分回路部は、反転入力に入力した前記正弦波速度信号を
   積分し前記正弦波位置信号を出力する第１積分器と、前
   記正弦波位置信号に含まれる前記低周波雑音成分のみを
   通過する低域増幅器に接続され、前記低周波雑音成分を
   積分する第２積分器とからなり、該第２積分器の出力を
   前記第１積分器の非反転入力に入力し、該第１積分器か
   ら出力される低周波雑音成分を限りなく零に近づけるよ
   うにしたことを特微とする質量流量計変換器。
2. 【請求項２】 前記積分回路部において、前記低域増幅
   器の出力を前記第１積分器の反転入力に負帰還したこと
   を特徴とする請求項１に記載の質量流量計変換器。
3. 【請求項３】 前記積分回路部の前記第１積分器から出
   力される前記正弦波位置信号を反転入力に入力し、台形
   波信号に変換する増幅器の非反転入力端子に前記低域増
   幅器を通過した所定低周雑音成分を入力したことを特徴
   とする請求項２記載の質量流量計変換器。