JP3742794B2 - コリオリ式質量流量計のための測定−作動回路 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、コリオリ式質量流量計のための測定‐作動回路に関する。
【０００２】
コリオリ式質量流量計は多方面において、管路の一部における流体の質量流量を測定するのに使用される。コリオリ式質量流量計では、流体は少なくとも１つの振動測定管を通流する。大抵のコリオリ式質量流量計では、測定管に１つの励振器および２つの振動センサが配置されている。測定管および流体はともに１つの振動可能なシステムを形成し、このシステムは通常、固有の共振周波数で励振される。この共振周波数は、とりわけ測定管の材料および寸法に依存する。この共振周波数はまた、流れる流体の密度によっても変化する。幾つかのケースでは、測定管は共振周波数ではなく隣接周波数で励振される。
【０００３】
両振動センサは測定管の振動運動を、流動方向に離間された２つの場所で検出し、測定管の振動運動をセンサ信号に変換する。両センサ信号は、測定管の振動運動と同じ周波数を有する。しかし、両センサ信号は相互に位相ずれされている。この位相ずれは、質量流量に対する尺度である。
【０００４】
センサ信号は測定分岐回路において評価され、流体の質量流量に比例する信号に変換される。質量流量の他に、例えば流体密度のような流体の特性も検出することができる。このために、例えば測定管の振動運動の周波数が評価される。
【０００５】
ＵＳ−Ａ４８０１８９７には励振分岐回路が記載されている。この励振分岐回路は、アナログ位相同期ループ制御の形式に従って構成されている。励振周波数は、流体密度が変わっても、自動的に振動可能システムの共振周波数に調整される。
【０００６】
この公知の測定回路は、ＥＰ−Ａ６９８７８３ないしはＵＳ−Ａ４８９５０３０に記載されているようにアナログで動作するか、またはＥＰ−Ａ７０２２１２ないしはＵＳ−Ａ５４２９００２に記載されているようにデジタルで動作する。 ＥＰ−Ａ６９８７８３からは、アナログ制御回路を有する測定回路が公知である。このアナログ制御ループは、両センサ信号を同じ振幅に制御する。
【０００７】
ＥＰ−Ａ８６６３１９からは、別の測定‐作動回路が公知である。この回路では、２つのセンサ信号は処理前に増幅され、増幅器の増幅係数は可変である。デジタルプロセッサで両信号の和および差ならびに両信号のうち１つが評価される。この測定の精度に関して重要なのは、両センサ信号が増幅後に同じ振幅を有していることである。このために必要な振幅調整によって、両センサ信号の和および差が評価される。
【０００８】
質量流量の実際の測定には、差信号の他に１つのセンサの信号も必要である。この回路では総じて３つのアナログ振動信号が形成され、それに続いてコンピュータユニットで処理される。コンピュータユニットにおける信号処理には、各振動信号に対して少なくとも１つずつＡ/Ｄ変換器が必要である。
【０００９】
本発明の課題は、コリオリ式質量流量計のための次のような測定‐作動回路を提供することである。すなわち、形成し評価しなければならない振動信号がより少なく、かつ十分な精度を有しており、簡単かつ低コストで実現可能な測定‐作動回路を提供することである。
【００１０】
この課題は、次のようなコリオリ式質量流量計のための次のような測定‐作動回路によって解決される。すなわち、少なくとも１つの測定管が設けられた測定検出器と、第１の増幅器と、第２の増幅器と、第１のＡ/Ｄ変換器と、減算段と、第２のＡ/Ｄ変換器と、デジタルプロセッサとが設けられており、測定管には第１の振動センサおよび第２の振動センサが流動方向に相互に離間されて配置されており、また測定管には励振器が配置されており、第１増幅器は第１の振動センサに接続されており、第２増幅器は第２の振動センサに接続されており、第１Ａ/Ｄ変換器は、第１振動センサの出力信号に比例する振動信号Ｓ１を形成し、かつ第１増幅器に接続されており、減算段の両入力端は第１増幅器ないしは第２増幅器に接続されており、第２Ａ/Ｄ変換器は減算段に後置接続されており、第１振動センサおよび第２振動センサからの増幅された出力信号の差に比例する差信号Ｄを形成するために使用され、デジタルプロセッサは振動センサ信号のうち差信号Ｄおよび一方のセンサ信号Ｓ１のみを評価し、以下の方法ステップを実行する、測定‐作動回路によって解決される。すなわち、デジタルプロセッサが実行する方法ステップとは、
ａ）センサ信号Ｓ１の振幅ＡＭＳ１を測定するステップ
ｂ）センサ信号Ｓ１を基準信号とし、差信号Ｄの同相成分Ｉおよび直交成分Ｑを測定するステップ
ｃ）差信号の同相成分Ｉが消失するように第２増幅器の増幅率を調整するステップ
ｄ）残留している直交成分Ｑを介し、数式ｍ〜Ｑ/（ＡＭＳ１＊ｆ）に基づいて質量流量を算出するステップ
である。
【００１１】
以下に本発明を、図面に示された有利な実施例に基づいてより詳細に説明する。
【００１２】
図面
図１ コリオリ式質量流量計の測定検出器を概略的に示した図である。
【００１３】
図２ コリオリ式質量流量計のための測定‐作動回路のブロック回路図である。
【００１４】
図３ 図２に示された測定回路の個々の方法ステップを示したブロック回路図である。
【００１５】
図１には、コリオリ式質量流量計のための測定検出器１が概略的に示されている。測定検出器１は、ここには図示されていない管路に配置されている。この管路に流体Ｆが通流し、この流体Ｆの質量流量が、本発明の対象である量の１つである。管路との接続は、両フランジ２、３を介して行われる。
【００１６】
測定検出器１はまっすぐな唯一の測定管４を有しており、この測定管４の入口側は端板１３を介してフランジ２に、測定管４の出口側は端板１４を介してフランジ３に固定されている。
【００１７】
本発明による測定‐作動回路は、まっすぐな唯一の測定管を有するこの特別な測定検出器１に限定されない。本発明の測定‐作動回路は、種々の公知の測定検出器と関連して使用することができる。例えば、ＥＰ９７８１０５５９に記載されているような、張り出し質量体を有する測定管を備えた測定検出器、撓曲した測定管を有する測定検出器（ＥＰ９６１０９２４２）、並列した２つのまっすぐな、または撓曲した測定管を備えた測定検出器（ＵＳ４７９３１９１ないしはＵＳ４１２７０２８）が挙げられる。
【００１８】
フランジ２、３および端板は、支持管１５の外側または内側に固定されている。
【００１９】
測定管振動を発生させるため、測定管４には、両端板１３、１４の中間に励振器１６が配置されている。この励振器１６は例えば、永久磁石１６１およびコイル１６２から成る電磁的駆動装置とすることができる。コイル１６２は支持管１５に固定されており、永久磁石１６１は測定管４に固定されている。
【００２０】
コイル１６２を流れる電流を介して、図平面内において延在する測定管４の撓曲振動の振幅および周波数を制御することができる。この図平面にはコリオリ力も発生し、このコリオリ力によって、もはや測定管４に沿ったポイントの全てが同相で振動することがなくなる。測定管４の振動運動は、２つの振動センサ１７ないしは１８によって検出される。これらの振動センサ１７ないしは１８は励振器１６を中心にしてほぼ対称的に、同様に支持管１５に配置されている。振動センサ１７ないしは１８は例えば電磁変換器とすることができ、この電磁変換器は、励振器１６の永久磁石‐コイル構成と同様に構成されている。両永久磁石１７１、１８１は測定管４に固定されており、両コイル１７２、１８２は支持管１５に固定されている。測定管４の運動は磁石１７１、１８１を介して誘導電圧をそれぞれのコイル１７２、１８２に引き起こし、アナログセンサ信号Ｘ_１７ないしはＸ_１８として取り出される。
【００２１】
通常、コリオリ式質量流量計は１つの測定検出器およびそれに所属する測定‐作動回路から構成されている。図２は、測定検出器に所属する測定‐作動回路のブロック回路図を示している。この測定‐作動回路はとりわけ、センサ信号の評価を実行し、振動励振を調整する。
【００２２】
両センサ信号Ｘ_１７およびＸ_１８はそれぞれ、第１増幅器Ｖ_１ないしは第２増幅器Ｖ_２へ供給される。少なくとも増幅器Ｖ_２の増幅率は、調整可能な増幅係数ＶＦによって可変である。増幅器Ｖ_１は第１Ａ/Ｄ変換器ＡＷ_１に接続されており、この第１Ａ/Ｄ変換器ＡＷ_１に対して並列に、減算段Ｄ_１の入力端にも接続されている。増幅器Ｖ_２は、減算段Ｄの別の入力端に接続されている。減算段Ｄ_１の出力端は第２Ａ/Ｄ変換器ＡＷ_２に接続されている。Ａ/Ｄ変換器ＡＷ_１ないしはＡＷ_２の両出力端には、センサ信号Ｓ１ないしは差信号Ｄがデジタル形態で出力される。両出力端はそれぞれデジタルプロセッサＤＰに接続されている。第１増幅器Ｖ_１および第１Ａ/Ｄ変換器ＡＷ_１は第１振動信号経路ＳＷ１を形成する。第２増幅器Ｖ_２、減算段Ｄ_１および第２Ａ/Ｄ変換器ＡＷ_２は、第２振動信号経路ＳＷ２を形成する。
【００２３】
従ってデジタルプロセッサＤＰには、質量流量を検出するために、両振動センサＳ_１ないしはＳ_２からデジタルセンサ信号Ｓ１およびデジタル差信号Ｄのみが２つの振動信号経路ＳＷ１ないしはＳＷ２を介して供給される。デジタルプロセッサＤＰは第１出力端Ａ_１で、出力信号として質量流量ｍを送出する。増幅率信号ＶＳを送出するデジタルプロセッサＤＰの第２出力端Ａ_２はＤ/Ａ変換器ＤＷ_１の入力端に接続されており、このＤ/Ａ変換器ＤＷ_１の出力端は増幅器Ｖ_２に接続されている。増幅率信号ＶＳによって、第２増幅器Ｖ_２の増幅係数ＶＦが調整される。第３出力端Ａ_３は、測定管の振動励振のための励振電流Ｉ_ｅｒｒを制御する信号を送出する。
【００２４】
図３は、質量流量ｍを検出するために必要な個々の方法ステップを概略的に示している。
【００２５】
方法ステップａ）センサ信号Ｓ１の振幅ＡＭＳ１を検出するステップ
デジタルセンサ信号Ｓ１の振幅を検出するため、このデジタルセンサ信号Ｓ１がサイン単位信号ＳＥおよびコサイン単位信号ＣＥによって乗算され、続いてそれぞれローパスフィルタＴによってフィルタリングされる。ローパスフィルタＴの後２つの振幅値ａおよびｂが得られる。これらの振幅値ａおよびｂは、両単位信号ＳＥおよびＣＥに相応してセンサ信号Ｓ１の成分を表す。２乗和ａ^２＋ｂ^２を開平することによってセンサ信号Ｓ１の振幅ＡＭＳ１が得られ、両単位信号ＳＥおよびＣＥによって張られる座標系において測定される。
【００２６】
方法ステップｂ）センサ信号Ｓ１を基準信号として差信号Ｄの同相成分Ｉおよび直交成分Ｑを検出するステップ
差信号Ｄはセンサ信号Ｓ１によって乗算され、続いてローパスフィルタＴＰ４においてフィルタリングされる。こうすることによって、差信号Ｄの同相成分Ｉが得られる。さらに差信号Ｄは、９０°シフトされたセンサ信号Ｓ１によって乗算され、ローパスフィルタＴ３においてフィルタリングされる。こうすることによって、差信号Ｄの直交成分Ｑが得られる。
【００２７】
方法ステップｃ）差信号Ｄの同相成分Ｉが消失するように第２増幅器の増幅率を調整するステップ
差信号Ｄの同相成分Ｉは制御回路Ｒへ供給され、制御回路Ｒは増幅率信号ＶＳを送出する。この増幅率信号ＶＳによって、増幅器Ｖ_２の増幅率の増幅係数ＶＦは、成分Ｉが消失するように調整される。
【００２８】
差信号Ｄの同相成分Ｉが消失すると、両増幅器Ｖ_１ないしはＶ_２の出力端における両信号振幅はほぼ同じ大きさになる。両信号振幅の差異は、センサ信号Ｘ_１７ないしはＸ_１８の間の位相ずれが小さくなると、同様に小さくなる。
【００２９】
方法ステップｄ）数式ｍ〜Ｑ/（ＡＭＳ１＊ｆ）に従い、残留している直交成分Ｑを介して質量流量を計算するステップ
前記のようにして得られた直交成分Ｑに対する値および振幅から、質量流量ｍが求められる。周波数ｆは発生器Ｇによって送出される。発生器Ｇにおいて、両単位信号ＳＥおよびＣＥがデジタルで形成される。単位コサイン信号ＣＥは、可変の振幅ＡＭＰによって乗算され、信号Ｕ_ｅｒｒになる。Ｕ_ｅｒｒによってドライバ回路ＴＲが駆動され、ドライバ回路ＴＲは励振電流を励振器１６に送出する。
【００３０】
振動可能なシステムの共振周波数で正確に励振するため、デジタルプロセッサＤＰにおいて、励振信号Ｕ_ｅｒｒおよびシステムの応答関数であるセンサ信号Ｓ１との間の位相ずれｄφが検出される。単位信号ＳＥおよびＣＥの周波数ｆは、位相ずれｄφが正確に０になるまで調整される。この場合励振力は、測定管４の管振動の速度とちょうど同相にある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 コリオリ質量流量計の測定検出器を概略的に示した図である。
【図２】 コリオリ式質量流量計のための測定‐作動回路のブロック回路図である。
【図３】 図２に示された測定回路の個々の方法ステップを示したブロック回路図である。

Claims (1)

1. コリオリ式質量流量計のための測定‐作動回路において、
   少なくとも１つの測定管を有する測定検出器（１）が設けられており、
   測定管には第１振動センサ（１７）および第２振動センサ（１８）が、流動方向に相互に離間されて配置されており、また測定管には励振器（１６）が配置されており、
   第１振動センサ（１７）の出力信号のための第１増幅器（Ｖ_１）と、第２振動センサ（１８）の出力信号のための第２増幅器（Ｖ_２）と、第１Ａ/Ｄ変換器（ＡＷ_１）と、第２Ａ/Ｄ変換器（ＡＷ_２）と、デジタルプロセッサ（ＤＳＰ）が設けられており、
   第１Ａ/Ｄ変換器（ＡＷ_２）は、第１振動センサ（１７）の出力信号に比例する振動信号（Ｓ１）を形成し、
   第２Ａ/Ｄ変換器（ＡＷ_２）には減算段Ｄが前置接続されており、第１振動センサ（１７）および第２振動センサ（１８）の増幅された出力信号の差に比例する差信号（Ｄ）を形成し、
   デジタルプロセッサ（ＤＳＰ）は、振動センサ信号のうち差信号（Ｄ）および一方のセンサ信号（Ｓ１）のみを評価し、該デジタルプロセッサ（ＤＳＰ）は、
   ｅ）センサ信号（Ｓ１）の振幅（ＡＭＳ１）を検出するステップと、
   ｆ）センサ信号（Ｓ１）を基準信号として、差信号（Ｄ）の同相成分（Ｉ）および直交成分（Ｑ）を検出するステップと、
   ｇ）差信号（Ｄ）の同相成分（Ｉ）が消失するように、第２増幅器の増幅率を調整するステップと、
   ｈ）残留している直交成分（Ｑ）を介して、数式ｍ〜Ｑ/（ＡＭＳ１＊ｆ）に従って質量流量（ｍ）を算出するステップとを実行することを特徴とする測定‐作動回路。

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