JP3679752B2 - コリオリ流量計の駆動制御のための形状識別 - Google Patents

Description

【０００１】
発明の分野
本発明は、装置における少なくとも１つの振動管路を流れる物質の特性を計測する装置における駆動信号を制御する電子装置素子に関する。特に、本発明は、振動管路の振動周波数から駆動信号を生成するパラメータを決定するシステムに関する。
【０００２】
課題
コリオリ効果質量流量計を用いて、流量計における管路を流れる物質に対する質量流量その他の情報を計測することは周知である。コリオリ流量計の事例については、全てＪ．Ｅ．Ｓｍｉｔｈ等の１９７８年８月２９日付け米国特許第４，１０９，５２４号、１９８５年１月１日付け同第４，４９１，０２５号、及び１９８２年２月１１日付け再発行米国特許第３１，４５０号において開示されている。これらの流量計は、直線状の或いは湾曲状の１本以上の管路を有する。コリオリ質量流量計における各管路構成は、単純な曲げ、捩れ或いは結合型という１組の固有振動モードを持つ。各管路は、これら固有振動モードの１つで共振するように駆動される。物質は、流量計の入口において、接続されたパイプラインから流量計へ流入し、一つ又は複数の管路を通り、流量計の出口側から流出する。振動する物質で充填されたシステムの固有振動モードは、管路とこの管路内に流れる物質との合成質量により部分的に規定される。
【０００３】
流量計内に流れがないとき、管路に沿った全ての点が、同相或いは補正され得る小さな固定された初期位相ずれで、印加される駆動力によって振動する。物質が流れ始めると、コリオリ力が管路に沿う各点に異なる位相を生じさせる。管路の入口側の位相は駆動装置より遅れるが、管路の出口側の位相は駆動装置より進む。管路上のピックオフ・センサが、管路の運動を表わす正弦波信号を生じる。ピックオフ・センサから出力される信号は、ピックオフ・センサ間の位相差を決定するように処理される。２つのピックオフ・センサの信号間の位相差は、管路を流れる物質の質量流量に比例する。
【０００４】
問題は、流れが散発的であって空気を含むことがあることである。この含まれる空気は、管の振動の振幅を変化させる。これにより、質量流量のような、流れる物質の計測される特性に誤差を生じさせ得る。このことは直線状の流管に特に妥当する。これは、直線状の流管の方が湾曲した形状の流管よりもずっと高い周波数で振動するように駆動されねばならず、直線状の流管の振動の中断は特性の計算に更に悪影響を及ぼし得るからである。
【０００５】
送信器は、駆動装置を動作させる駆動信号を生じて、ピックオフ・センサから受取る信号から物質の質量流量その他の特性を決定する。従来の送信器は、駆動信号を生成してピックオフ・センサからの信号を検出するように設計されるアナログ回路から構成される。アナログ送信器は、長年にわたり最適化されてきており、製造が比較的安価になった。従って、従来の送信器を用いることができるコリオリ流量計を設計することが望ましい。
【０００６】
問題は、従来の送信器は狭い動作周波数範囲の信号で働かねばならないことである。この動作周波数範囲は、典型的には２０Ｈz〜２００Ｈzの間にある。これにより、送信器の設計者は流管をこれらの周波数で共振させる狭い範囲の駆動信号を生成するように拘束される。従って、従来の送信器を用いて、３００Ｈz〜８００Ｈzの高い周波数範囲で動作する、直線管型コリオリ流量計のような流量計に対する駆動信号を生成することは不可能である。従って、従来の送信器は、直線管型流量計に対する駆動信号を生成するのに用いることができない。
【０００７】
コリオリ流量計技術における当業者は、幾つかの異なる形式の流量計で用いることができる送信器を設計したいと欲している。これにより、製造者は流量計に対する比較的安価な送信器を作るため規模の経済性を利用することができるようになる。一方、ディジタル信号プロセッサが望ましいのは、送信器により受取られる、ピックオフ・センサからの信号のディジタル化によって、アナログ電子素子に課される計測分解能及び精度の要求の高まりを避けられるからである。更に、ディジタル・プロセッサで用いられる信号処理の命令は、物質の特性の決定及び駆動信号の生成のために、幾つかの異なる周波数で働くように修正することができる。
【０００８】
解決法
上記及び他の課題は、コリオリ流量計の送信器において駆動信号のパラメータを初期設定するシステムの提供によって解決され、当該技術における進歩がなされる。本発明のシステムは、振動管の駆動装置に対する駆動信号を生成するために、メモリに格納され且つプロセッサにより実行されるプロセスからなる。或いはまた、本発明のプロセスはアナログ回路によっても実施可能である。本発明のプロセスにより、送信器は、送信器に取付けられる流管の形態の形状を決定し、次いで、駆動信号を生成するのに必要なパラメータを設定することができる。本発明はまた、流管の振動の更に堅固な制御を得るために、積分駆動利得という第３のパラメータを用いて駆動信号の一層優れた制御を可能にする。
【０００９】
本発明の望ましい実施の形態においては、システムは、テキサス・インスツルメンツ社製のＴＭＳ３２０５ｘｘ、アナログ・デバイシス社製のＡＤＳＰ２１ｘｘ、或いはモトローラ社製の５３０６ｘのようなディジタル信号プロセッサによって提供される。本発明のプロセスは、ディジタル信号プロセッサに接続されたメモリに命令として格納される。このディジタル信号プロセッサは、本発明のプロセスを実施するために命令を読出して実行する。
【００１０】
当該プロセスは、流管を初期駆動信号により振動させることによって開始する。流管の振動周波数が次いで決定される。この振動周波数から流管の形状が決定される。次に、予め格納されたパラメータの組が、駆動信号を生成するのに用いられるパラメータとして設定される。
【００１１】
当該パラメータは積分駆動利得要素を含む。積分利得要素は、設定点と実際の目標との間の誤差を制御する。これにより、駆動信号の更に堅固な制御を可能にし、振動の振幅を更に正確にすることができる。この結果、劣悪な流れ条件の下でさえ、最適な電力をセンサへ供給することができるようになる。
【００１２】
本発明によれば、本発明の特徴は、
少なくとも１つの流管と、前記少なくとも１つの流管を振動させる駆動装置と、前記少なくとも１つの流管に固定され該流管の運動を表すピックオフ信号を生成するセンサとを有するコリオリ流量計の送信器を動作させるための方法であって、
前記流管を振動させる前記駆動回路へ初期駆動信号を印加するステップと、前記ピックオフ信号に基づいて前記流管の振動周波数を決定するステップとを備えてなる方法において、
前記流管の前記振動周波数を表わす前記ピックオフ信号に応答して、前記流管の形状を決定するステップと、
前記流管の前記形状の決定に応答して、前記駆動信号の生成のためのパラメータを設定するステップと、
を含む方法、
である。
【００１３】
本発明の他の特徴は、決定する前記ステップが、前記振動周波数を閾値周波数と比較するステップと、前記振動周波数が前記閾値周波数より大きいことに応答して、前記流管が直線管であると決定するステップとを含むことである。
【００１４】
本発明の他の特徴は、決定する前記ステップが、前記振動周波数が前記閾値周波数より小さいか或いはこれに等しいことに応答して、前記流管が湾曲流管であると決定するステップを含むことである。
【００１５】
本発明の他の特徴は、
少なくとも１つの流管と、前記少なくとも１つの流管を振動させる駆動装置と、前記少なくとも１つの流管に固定され且つ前記少なくとも１つの流管の運動を表わす信号を生成するセンサとを有するコリオリ流量計に接続された送信器であって、
前記流管を振動させるための初期駆動信号を生成し、前記流管を振動させる駆動信号を前記駆動装置へ印加し、前記ピックオフ信号から前記流管の振動周波数を決定するプロセッサであって、前記センサからの、前記流管の前記振動周波数を表すピックオフ信号に応答して、前記流管の形状を決定し、前記流管の前記形状の決定に応答して前記駆動信号の生成のためのパラメータを設定するよう構成されたプロセッサを備える送信器、
である。
【００１６】
本発明の他の特徴は、前記送信器が、前記振動周波数を閾値周波数と比較し、前記振動周波数が前記閾値周波数より大きいことに応答して、前記流管が直線管であると決定することにより、前記流管の前記形状を決定するように構成されることである。
【００１７】
本発明の他の特徴は、前記送信器が、前記振動周波数が前記閾値周波数より小さいか或いはこれに等しいことに応答して、前記流管が湾曲流管であると決定することにより、前記形状を決定するように構成されることである。
【００１８】
本発明については、以降の詳細な記述及び添付の図面から理解することができる。
詳細な記述
本発明については、本発明の実施の形態が示される添付図面に関して本文に更に詳細に記述される。当業者が理解するように、本発明が多くの異なる形態で具現でき、本文に記載する実施の形態に限定されるべきではない。これら実施の形態は、この開示が完全になされ、本発明の範囲を当業者に完全に伝えるように提供される。図面において、同じ参照番号は全図にわたり同様の要素を指す。
【００１９】
コリオリ流量計全般――図１
図１は、コリオリ流量計組立体１０と送信器２０とを含むコリオリ流量計を示す。送信器２０は、リード線１００を介して流量計組立体１０へ接続されて、密度、質量流量、体積流量、総質量流量その他の情報を経路２６上に提供する。コリオリ流量計５について記述するが、当業者には明らかなように、本発明は物質の特性を計測するため振動管路を持つ装置に関して実施可能である。このような装置の第２の事例は、コリオリ質量流量計により提供される付加的な計測能力を持たない振動管型密度計である。
【００２０】
流量計組立体１０は、１対のフランジ１０１、１０１′、マニフォールド１０２、及び管路１０３Ａ、１０３Ｂを備える。駆動装置１０４、ピックオフ・センサ１０５及びピックオフ・センサ１０５′は、管路１０３Ａ、１０３Ｂへ接続される。ブレース・バー１０６、１０６′は、各管路がそれに関して振動する軸心Ｗ、Ｗ′を画定するよう働く。
【００２１】
計測されているプロセス物質を運ぶパイプライン系（図示せず）に流量計組立体１０が挿入されると、物質はフランジ１０１を介して流量計組立体１０へ流入し、マニフォールド１０２を通過して管路１０３Ａ、１０３Ｂへ流入するよう方向付けられ、管路１０３Ａ、１０３Ｂを流れてマニフォールド１０２へ戻り、ここからフランジ１０１′を通って流量計組立体１０から流出する。
【００２２】
管路１０３Ａ、１０３Ｂが選定され、それぞれ曲げ軸心Ｗ−Ｗ′に関して実質的に同じ質量分布、慣性モーメント及び弾性率を持つようにマニフォールド１０２へ適切に取付けられる。管路は、マニフォールドから外方へ実質的に平行に延びる。
【００２３】
管路１０３Ａ、１０３Ｂは、それらの各曲げ軸心Ｗ、Ｗ′に関して反対方向に、流量計の第１の位相はずれ曲げモードと呼ばれるモードで駆動装置１０４により駆動される。駆動装置１０４は多くの周知の装置の１つでよく、例えば、管路１０３Ａに取付けられた磁石と、管路１０３Ｂに取付けられて両管路を振動させる交流が送られる対向コイルである。適切な駆動信号が、流量計電子装置２０によりリード線１１０を介して駆動装置１０４へ印加される。
【００２４】
送信器２０は、リード線１１１に生じる右速度信号と１１１′に生じる左速度信号を受取る。送信器２０は、駆動装置１０４に管路１０３Ａ、１０３Ｂを振動させるための駆動信号をリード線１１０に生じる。送信器２０は、左右の速度信号を処理し、流量計組立体１０を流れる物質の質量流量及び密度を計算する。この情報は経路２６へ印加される。
【００２５】
当業者には知られているように、コリオリ流量計は構造において振動管型密度計によく似ている。振動管型密度計もまた、流体が流れる振動管、或いは、サンプリング型の密度計の場合には流体が内部に保持される振動管を用いる。また、振動管型密度計は、管路を振動するように励振するための駆動システムを用いる。振動管型密度計は、典型的には、１つのフィードバック信号のみを用いる。これは、密度の計測には周波数の計測のみが必要であり、位相の計測は不要であるからである。本発明の記述は振動管型密度計にも等しく妥当する。
【００２６】
直線管型コリオリ流量計――図２
図２は、直線管型コリオリ流量計２５を開示している。直線管型コリオリ流量計２５は、コリオリ・センサ２１０と、関連する流量計電子装置２０とからなる。流管２０１は、２０１Ｌで示された左端部と２０１Ｒで示された右端部とを含む。流管２０１とその両端部は、流管２０１の入口端部２０７から流管の出口端部２０８まで、流量計の全長にわたり延びる。バランス・バー２２０が、その端部において流管２０１にブレース・バー２２１により接続されている。
【００２７】
流管２０１の左端部２０１Ｌは流入側フランジ２０２へ固定され、右端部２０１Ｒは流出側フランジ２０２′へ固定される。流入側フランジ２０２と流出側フランジ２０２′は、コリオリ・センサ２１０をパイプラインに接続する。
【００２８】
周知の従来の方法においては、駆動装置２０４、左のピックオフ・センサ２０５及び右のピックオフ・センサ２０５′が、流管２０１とバランス・バー２２０とに結合される。駆動装置２０４は、流量計電子装置２０から経路２１０で信号を受取り、物質で充填された流管２０１の共振周波数で且つ逆相で流管２０１とバランス・バー２２０とを振動させる。振動している流管１０１及びその中の物質の流れの振動は、周知の方法で流管にコリオリ偏差を生じさせる。これらのコリオリ偏差はピックオフ・センサ２０５、２０５′により検出され、それらのピックオフ・センサの出力はリード線２１１、２１１′を介して流量計電子装置２０へ伝送される。
【００２９】
ディジタル送信器２０――図３
図３は、ディジタル送信器２０の構成要素を示している。経路１１１、１１１′、２１１、２１１′は、左右の速度信号を流量計組立体１０、２００から送信器２０へ伝送する。速度信号は、流量計電子装置２０のアナログ／ディジタル（Ａ／Ｄ）コンバータ３０３、３０３′により受取られる。Ａ／Ｄコンバータ３０３、３０３′は、左右の速度信号を処理装置３０１により使用可能なディジタル信号へ変換し、このディジタル信号を経路３１０、３１０′に送出する。個別の構成要素として示されてはいるが、Ａ／Ｄコンバータ３０３、３０３′は、クリスタル・セミ社製のＣＳ４２１８ ステレオ１６ビット・コーデック・チップのような信号コンバータであってよい。ディジタル信号は、経路３１０、３１０′によりプロセッサ３０１へ送られる。当業者であれば認識するように、任意の数のピックオフ・センサや、流管の温度の決定のためのＲＴＤセンサのような他のセンサをプロセッサ３０１へ接続してもよい。
【００３０】
駆動装置信号は経路３１２で伝送され、ディジタル／アナログ（Ｄ／Ａ）コンバータ３０２に印加される。Ｄ／Ａコンバータ３０２はまた、経路３４０でピックオフ・センサ１０５、１０５′、２０５、２０５′の１つから電圧を受取る。駆動信号は、経路３４０を介して受取った電圧を修正してアナログ駆動信号を生じる命令を含む。Ｄ／Ａコンバータ３０２は、アナログ・デバイシス社製のＡＤ７９４３チップのような普通のＤ／Ａコンバータである。Ｄ／Ａコンバータ３０２からのアナログ信号は、経路３９１を介して増幅器３０５へ印加される。増幅器３０５は、適正な振幅の駆動信号を生成し、この駆動信号を経路１１０、２１０を介して駆動装置１０４、２０４へ印加する。増幅器３０５は、電流増幅器或いは電圧増幅器でよい。Ｄ／Ａコンバータ３０２により生成される電流信号或いは電圧信号は、増幅器３０５の形式に依存する。
【００３１】
処理装置３０１は、メモリから命令を読出して実行して流量計の種々の機能を実施するマイクロプロセッサ、プロセッサ、或いはプロセッサのグループである。望ましい実施の形態においては、プロセッサ３０１は、アナログ・デバイシス社製のＡＤＳＰ−３１８５Ｌマイクロプロセッサである。実施される機能は、物質の質量流量の計算、物質の体積流量の計算、及び、経路３２１を介する読出し専用メモリ（ＲＯＭ）３２０からの物質の密度の計算を含むが、これに限定されない。種々の機能の実施のためのデータ及び命令は、ランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）３３０に格納される。プロセッサ３０１は、経路３３１を介してＲＡＭ３３０において読出し／書込み動作を行う。
【００３２】
ディジタル送信器２０により行われる動作の概要――図４
図４は、コリオリ流量計５、２５の駆動信号パラメータを初期設定するためにディジタル送信器２０により行われるプロセスの概要である。以上は、コリオリ流量計５、２５のためのディジタル送信器２０の記述であり、以下は、システムにパラメータを初期設定させるためにディジタル送信器２０により行われるプロセスの記述である。当業者であれば認識するように、アナログ回路を用いて同じプロセスを提供することが可能である。
【００３３】
プロセス４００は、ディジタル送信器２０が初期駆動信号を生じるステップ４０１において開始する。初期駆動信号は駆動回路へ印加され、駆動回路は初期駆動信号を駆動装置１０４、２０４へ印加する。駆動装置１０４、２０４は、流管１０３Ａ、１０３Ｂを振動させる。流管の振動は、ピックオフ・センサ１０５、１０５′２０５、２０５′により計測され、ピックオフ・センサは信号をリード線１１１、１１１′、２１１、２１１′へ印加する。ステップ４０２において、信号は送信器２０により受取られる。ステップ４０３において、送信器２０は流管の振動周波数を決定する。振動周波数を決定する１つの可能な方法は、ノッチ・フィルタ適応ライン推定法の使用であり、これについては、本願と同日付で出願され米国コロラド州ボールダのマイクロ・モーション社へ譲渡された米国特許出願「ディジタル送信器を用いて管路を流れる物質の特性を決定するシステム（Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ａ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｆｌｏｗｉｎｇ Ｔｈｒｏｕｇｈ ａ Ｃｏｎｄｕｉｔ Ｕｓｉｎｇ ａ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ）」において詳細に記載される。信号の周波数を決定する別の可能な方法は、１９９６年９月１０日Ｄｅｒｂｙ等に発行されコロラド州ボールダのマイクロ・モーション社へ譲渡された米国特許第５５５５１９０号「コリオリ流量計計測における適応ライン強化のための方法及び装置（Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ ａｄａｐｔｉｖｅ ｌｉｎｅ ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ ｉｎ Ｃｏｒｉｏｌｉｓ ｍａｓｓ ｆｌｏｗ ｍｅｔｅｒ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ）」に記載されている。
【００３４】
ステップ４０４において、流管の形状が流管の振動周波数によって決定される。これを行うための１つの方法は、周波数が閾値周波数より高いか否かを決定することである。振動周波数が閾値周波数より高ければ、流量計は直線管の構成である。周波数が閾値周波数より低いか或いはこれに等しければ、流量計は湾曲形の流管を有する。このことは設計分析から知られることであり、流管の現場実験により検証される。
【００３５】
ステップ４０５において、駆動信号に対する制御パラメータが流量計の形状の決定に応答して設定される。下表は、設定されたパラメータの例である。
【００３６】
【表１】

ミリボルト／Ｈzは、駆動目標点或いは設定点の計測値である。比例駆動利得の目標点は、流管を駆動するのに必要なミリボルト／Ｈzの量であり、積分駆動利得は、信号に対して受け入れることができるミリボルト／Ｈzの偏差値である。望ましい実施の形態においては、積分駆動利得が直線管型流量計と二重管型流量計とで同じであることが同時に起こっている。
【００３７】
プロセス４００はステップ４０５の後に終了する。送信器２０は、プロセス４００において識別されるセンサの形状に基いて、流管１０３Ａ、１０３Ｂの安定した駆動制御を生成して維持することができる。安定した駆動制御は、流量計の独自の構造力学に基いて維持され、流量計に入力される外因的な摂動に対して最適な応答時間を提供する。
【００３８】
以上は駆動回路のパラメータを初期設定するシステムの記述である。代替的なシステム及びプロセスを設計することが予想されるが、それは、文言的に又は均等論により、請求の範囲に記載される本発明を侵害することになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のパラメータ初期設定のためのプロセスを実施するディジタル送信器を有する対管型コリオリ流量計を示す。
【図２】 本発明のパラメータ初期設定のためのプロセスを実施するディジタル送信器を有する直線管型コリオリ流量計を示す。
【図３】 ディジタル信号送信器のブロック図を示す。
【図４】 パラメータの初期設定のためディジタル送信器により行われる動作のフロー図を示す。

Claims (6)

1. 少なくとも１つの流管（１０３Ａ、１０３Ｂ）と、前記少なくとも１つの流管を振動させる駆動装置（１０４）と、前記少なくとも１つの流管に固定され該流管の運動を表すピックオフ信号を生成するセンサ（１０５、１０５’）とを有するコリオリ流量計（５）の送信器（２０）を動作させるための方法（４００）であって、
   前記流管を振動させる前記駆動回路へ初期駆動信号を印加するステップ（４０１）と、前記ピックオフ信号に基づいて前記流管の振動周波数を決定するステップ（４０３）とを備えてなる方法において、
   前記流管の前記振動周波数を表わす前記ピックオフ信号に応答して、前記流管の形状を決定するステップ（４０４）と、
   前記流管の前記形状の決定に応答して、前記駆動信号の生成のためのパラメータを設定するステップ（４０５）と、
   を含む方法。
2. 決定する前記ステップ（４０４）が、
   前記振動周波数を閾値周波数と比較するステップと、
   前記振動周波数が前記閾値周波数より大きいことに応答して、前記流管（１０３Ａ、１０３Ｂ）が直線管であると決定するステップと、
   を含む、請求項１記載の方法（４００）。
3. 決定する前記ステップ（４０４）が、前記振動周波数が前記閾値周波数より小さいか或いはこれに等しいことに応答して、前記流管が湾曲流管であると決定するステップを更に含む、請求項２記載の方法。
4. 少なくとも１つの流管（１０３Ａ、１０３Ｂ）と、前記少なくとも１つの流管を振動させる駆動装置（１０４）と、前記少なくとも１つの流管に固定され且つ前記少なくとも１つの流管の運動を表わす信号を生成するセンサ（１０５、１０５’）とを有するコリオリ流量計（５）の送信器（２０）であって、
   前記流管を振動させるための初期駆動信号を生成し、前記流管を振動させる駆動信号を前記駆動装置へ印加し、前記ピックオフ信号から前記流管の振動周波数を決定するプロセッサ（３０１）であって、前記センサからの、前記流管の前記振動周波数を表すピックオフ信号に応答して、前記流管の形状を決定し、前記流管の前記形状の決定に応答して前記駆動信号の生成のためのパラメータを設定するよう構成されたプロセッサを備える送信器。
5. 前記プロセッサ（３０１）が、前記振動周波数を閾値周波数と比較し、前記振動周波数が前記閾値周波数より大きいことに応答して、前記流管が直線管であると決定することにより、前記流管の前記形状を決定するように構成される、請求項４記載の送信器（２０）。
6. 前記プロセッサ（３０１）が、前記振動周波数が前記閾値周波数より小さいか或いはこれに等しいことに応答して、前記流管が湾曲流管であると決定することにより、前記形状を決定するように構成される、請求項５記載の送信器（２０）。

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