JP5510747B2

JP5510747B2 - コリオリ質量流量計

Info

Publication number: JP5510747B2
Application number: JP2010248176A
Authority: JP
Inventors: 吉紘知見
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2010-11-05
Filing date: 2010-11-05
Publication date: 2014-06-04
Anticipated expiration: 2030-11-05
Also published as: JP2012098236A

Description

本発明は、流体が流れるチューブを振動させ、チューブの上流側及び下流側に取り付けた上流振動センサ及び下流振動センサから得られる信号を所望の間隔でサンプリングし、サンプリングされた信号に対して、夫々上流側及び下流側のローパスフィルタとＦＩＲフィルタによるフィルタリング処理を行い、前記上流振動センサ信号及び下流振動センサ信号の位相差及び上流振動センサ信号若しくは下流振動センサ信号の周波数を算出し、算出された位相差及び周波数から前記流体の質量流量及び密度を測定するコリオリ質量流量計に関するものである。

上記の構成を備えるコリオリ質量流量計の構成及び動作については特許文献１に、更に振動周波数信号を抽出するための多段のＦＩＲフィルタ群とその切換えに関しては特許文献２に詳細な技術開示があるので、コリオリ質量流量測定の原理と詳細構成の説明は省略する。

図８は、特許文献２の図１に記載されている多段のＦＩＲフィルタの切換えに関する要部構成を、同一符号を付して示す機能ブロック図である。上流側ローパスフィルタ２０及び下流側ローパスフィルタ２６の出力は、夫々多段構成のヒルベルト変換器２１及び２７を経由して位相演算器２３及び２９に導かれ、位相信号θＡ２及びθＢ２が算出される。この位相差信号に基づき流量が演算される。

上流側の位相信号θＡ２と１サンプル前の位相信号に基づいて、上流振動センサ信号の周波数ｆｃ´が平均化回路３４を経由して算出されて密度演算器に導かれるが、この周波数ｆｃ´がフィルタ変更手段４６にも入力されている。

周波数ｆｃ´を監視するフィルタ変更手段４６の出力Ｓ１によって、ヒルベルト変換器２１及び２７を構成する複数段（簡単のため、図では２段）のＦＩＲフィルタの何れかの通過帯域に周波数ｆｃ´が入るようにフィルタ切換えスイッチ群が操作される。

特開平７−１８１０６９号公報特開２００３−１３０７０４号公報

従来構成では次のような問題がある。
（１）センサ信号周波数の範囲が広い場合は、多数のＦＩＲフィルタを保持しておく必要があり、フィルタ係数を保持しておくためのメモリ領域が大きくなってしまう。
（２）ＦＩＲフィルタの設計に要する工数が多くなってしまう。
（３）フィルタを切換える処理が必要になる。

本発明の目的は、広いセンサ信号周波数の範囲に対してＦＩＲフィルタの数を削減することが可能なコリオリ質量流量計を実現することにある。

このような課題を達成するために、本発明は次の通りの構成になっている。
（１）流体が流れるチューブを振動させ、チューブの上流側及び下流側に取り付けた上流振動センサ及び下流振動センサから得られる信号を所望の間隔でサンプリングし、サンプリングされた信号に対して、夫々上流側及び下流側のローパスフィルタとＦＩＲフィルタによるフィルタリング処理を行い、前記上流振動センサ信号及び下流振動センサ信号の位相差及び上流振動センサ信号若しくは下流振動センサ信号の周波数を算出し、算出された位相差及び周波数から前記流体の質量流量及び密度を測定するコリオリ質量流量計において、
前記上流側及び下流側のローパスフィルタとＦＩＲフィルタ間に設けられ、サンプリングされた入力信号の間引き処理を実行する上流側デシメーション手段及び下流側デシメーション手段と、
前記上流側及び下流側のＦＩＲフィルタの通過帯域が、前記上流振動センサ信号及び下流振動センサ信号の周波数に適合するように、前記上流側デシメーション手段及び下流側デシメーション手段に対して間引き率を設定するデシメーション比選択手段と、
備えることを特徴とするコリオリ質量流量計。

（２）前記デシメーション比選択手段は、前記上流側及び下流側のＦＩＲフィルタの通過帯域が、前記上流振動センサ信号及び下流振動センサ信号の周波数に任意のマージンを設定した周波数に適合するように、前記間引き率を選択することを特徴とする（１）に記載のコリオリ質量流量計。

（３）前記上流側及び下流側のローパスフィルタが複数個配され、前記上流振動センサ信号及び下流振動センサ信号の周波数に適合するローパスフィルタを選択する、ローパスフィルタ選択手段を備えることを特徴とする（１）または（２）に記載のコリオリ質量流量計。

（４）前記上流側及び下流側のＦＩＲフィルタが複数群配置され、前記デシメーション比選択手段は、各群の通過帯域の上下限値が前記上流振動センサ信号及び下流振動センサ信号の周波数に適合するように間引き率を選択することを特徴とする（１）乃至（３）のいずれかに記載のコリオリ質量流量計。

（５）前記複数群のＦＩＲフィルタから、前記上流振動センサ信号及び下流振動センサ信号の周波数に適合するＦＩＲフィルタを選択する、ＦＩＲフィルタ選択手段を備えることを特徴とする（４）に記載のコリオリ質量流量計。

（６）前記デシメーション比選択手段は、前記上流振動センサ信号及び下流振動センサ信号の周波数が、間引き処理によりサンプリング定理に従い折り返されることを考慮して間引き率を選択することを特徴とする（１）乃至（５）のいずれかに記載のコリオリ質量流量計。

（７）間引き処理によりサンプリング定理に従い折り返されることを考慮して、前記上流振動センサ信号若しくは下流振動センサ信号の周波数を測定することを特徴とする（６）に記載のコリオリ質量流量計。

（８）前記デシメーション比選択手段は、測定された前記上流振動センサ信号若しくは下流振動センサ信号の周波数信号及び前記位相差信号を平均化するための平均化回路に対し、間引き率に合わせてその平均化点数を変更させることを特徴とする（１）乃至（７）のいずれかに記載のコリオリ質量流量計。

本発明によれば、次のような効果を期待することができる。
（１）ＦＩＲフィルタの数を減らすことができ、フィルタ係数を保持しておくためのメモリ領域を削減できる。
（２）ＦＩＲフィルタの設計工数を削減できる。
（３）フィルタを切り替える処理が不要となる。

本発明を適用したコリオリ質量流量計の一実施例の要部を示す機能ブロック図である。ヒルベルト変換器を構成するＦＩＲフィルタの周波数特性図である。本発明を適用したコリオリ質量流量計の他の実施例の要部を示す機能ブロック図である。本発明を適用したコリオリ質量流量計の更に他の実施例の要部を示す機能ブロック図である。本発明を適用したコリオリ質量流量計の更に他の実施例の要部を示す機能ブロック図である。本発明を適用したコリオリ質量流量計の更に他の実施例の要部を示す機能ブロック図である。本発明を適用したコリオリ質量流量計の更に他の実施例の要部を示す機能ブロック図である。特許文献２に記載の、多段のＦＩＲフィルタの切換えに関する要部構成を示す機能ブロック図である。

以下本発明を、図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明を適用したコリオリ質量流量計の一実施例の要部を示す機能ブロック図である。図８で説明した従来構成と同一要素には同一符号を付して説明を省略する。

上流側ローパスフィルタ２０と上流側ヒルベルト変換器２１との間に、ローパスフィルタ２０からの入力信号の間引き処理を実行するデシメーション手段１００が挿入されている。

同様に、下流側ローパスフィルタ２６と下流側ヒルベルト変換器２７との間に、ローパスフィルタ２６からの入力信号の間引き処理を実行するデシメーション手段１０１が挿入されている。

周波数ｆｃ´を入力するデシメーション比選択手段１０２は、ヒルベルト変換器２１と.ヒルベルト変換器２７のＦＩＲフィルタの周波数特性の通過帯域に周波数ｆｃ´が含まれるような間引き処理の割合Ｋ（間引き率）を選択し、デシメーション手段１００及びデシメーション手段１０１に設定する。

デシメーション手段１００とデシメーション手段１０１は、デシメーション比選択手段１０２で間引き処理の割合が選択される。例えば、デシメーション手段１００とデシメーション手段１０１前段のデジタル信号のサンプリング周波数が１００００Ｈｚで、デシメーション比選択手段１０２で間引き処理の割合Ｋを１／２に設定した場合、デシメーション手段１００及びデシメーション手段１０１後段のデジタル信号のサンプリング周波数は５０００Ｈｚになる。

図２は、ヒルベルト変換器２１、２７を構成するＦＩＲフィルタ２１Ａ，２１Ｂ及びＦＩＲフィルタ２７Ａ，２７Ｂの周波数特性図である。ｆｓ１が阻止帯域下限周波数、ｆｓ２が阻止帯域上限周波数、ｆｐ１が通過帯域下限周波数、ｆｐ２が通過帯域上限周波数を表す。周波数特性の通過帯域とは、ｆｐ１とｆｐ２の間の周波数帯域を指す。

一般的なＦＩＲフィルタの周波数特性は、フィルタ処理を行うデジタルデータのサンプリング周波数と比例関係になる。例えば、フィルタ処理を行うデジタルデータのサンプリング周波数が１０００Ｈｚで、ｆｓ１が５０Ｈｚ、ｆｓ２が２５０Ｈｚ、ｆｐ１が１００Ｈｚ、ｆｐ２が２００ＨｚのＦＩＲフィルタの場合、フィルタ処理を行うデジタルデータのサンプリング周波数が２倍（２０００Ｈｚ）になるとｆｓ１とｆｓ２並びにｆｐ１とｆｐ２の周波数も２倍になる(次表参照)。

デシメーション比選択手段１０２は、この特性を利用して測定された周波数ｆｃ´がＦＩＲフィルタの周波数特性の通過帯域に含まれるような間引き処理の割合Ｋを選択してデシメーション手段１００及びデシメーション手段１０１に設定する。

デシメーション比選択手段１０２は、ＦＩＲフィルタの周波数特性の通過帯域に対して、任意のマージンを設定した帯域にｆｃ´が含まれるような間引き処理の割合Ｋを選択することが実用的である。

図３は、本発明を適用したコリオリ質量流量計の他の実施例の要部を示す機能ブロック図である。デシメーション比選択手段１０２で選択された間引き処理の割合Ｋに合わせて、位相差信号の平均化回路３１及び周波数ｆｃの平均化回路３４で平均化するデータ点数を変更する。

例えば、デシメーション後のサンプリング周波数が１０００Ｈｚのとき、平均化データ点数を１００点にしているとする。ｆｃ´が変化し、デシメーション後のサンプリング周波数が５００Ｈｚに変更されたら、平均化データ点数を５０点とするように変更する。このようにすることで、平均化後のデータの更新タイミングを一定に保つことが可能になる。

図４は、本発明を適用したコリオリ質量流量計の更に他の実施例の要部を示す機能ブロック図である。デシメーション比選択手段１０２では、センサ信号の周波数がサンプリング定理に従いナイキスト周波数で折り返されることを考慮して間引き処理の割合Ｋを選択する。また、折り返しが発生したことを識別するための折り返し判定手段２０２を設けている。

例えば、センサ信号が６００Ｈｚ、デシメーション後のサンプリング周波数が１０００Ｈｚの場合、センサ信号の周波数は、サンプリング周波数の２分の１(５００Ｈｚ)で折り返され、デシメーション後のセンサ信号は４００Ｈｚとして表現されることになる。このとき、４００Ｈｚが通過帯域に含まれるような間引き処理の割合Ｋを選択する。

間引き処理されていないセンサ信号に対して周波数測定手段２００で測定を行い、算出した周波数ｆに対して間引き処理の割合Ｋを参照する平滑化回路２０１で平滑化してｆ´を生成する。折り返し判定手段２０２にｆ´（例えば６００Ｈｚ）とｆｃ´（例えば４００Ｈｚ）を入力し、折り返したかどうかを判定する。

このとき、折り返し判定手段２０２は、折り返した周波数ｆｆ（例えば２００Ｈｚ）を出力する。加算回路２０３によりｆｃ´とｆｆを加算し、加算周波数ｆｃ″（例えば６００Ｈｚ）を、密度演算器（図示せず）と質量流量演算器（図示せず）に入力する。

この実施例では、周波数測定手段２００に入力する信号は、ローパスフィルタ２０から出力される信号を入力しているが、ローパスフィルタ２０の入力側の信号を周波数測定手段２００に入力してもよい。また、周波数測定手段２００には、下流側のローパスフィルタ２６入力側または出力側の信号を入力する構成でもよい。

また、平滑化回路２０１は必ずしも必要ではない。平滑化回路２０１を用いない場合には、折り返し判定手段２０２には、周波数測定手段２００で測定されたセンサ信号の周波数ｆとｆｃ´を入力する。

図５は、本発明を適用したコリオリ質量流量計の更に他の実施例の要部を示す機能ブロック図である。図４に示した実施例との差は、デシメーション比選択手段１０２の入力を、演算で求めた周波数ｆｃ´ではなく、周波数測定手段２００で測定されたセンサ信号周波数ｆとした点である。

図６は、本発明を適用したコリオリ質量流量計の更に他の実施例の要部を示す機能ブロック図である。この実施例では、周波数ｆｃ´を入力するフィルタ変更手段１０３を設け、複数段（簡単のため、図では２段）のローパスフィルタ２０及び２６を、周波数ｆｃ´に応じてを切換える。ローパスフィルタの段数は、３段以上であってもよい。

図７は、本発明を適用したコリオリ質量流量計の更に他の実施例の要部を示す機能ブロック図である。この実施例は、図８で示した複数のＦＩＲフィルタを切換える従来構成の前段に、本発明の特徴部であるデシメーション手段１００，１０１及びデシメーション比選択手段１０２を設けた構成である。

このように構成することで、従来構成でカバーしていた信号周波数の範囲を、間引き処理の割合Ｋによりシフトさせ、ＦＩＲフィルタの増設なしに周波数範囲を切換えることにより、対応可能な周波数範囲を実質的に拡大させることが可能である。

以上説明した実施例では、デシメーション比選択手段１０２に入力する周波数ｆｃ´を上流側の位相検出値θＡ２に基づいて演算する構成を示したが、下流側の位相検出値θＢ２に基づいて演算する構成であってもよい。

２０、２６ローパスフィルタ
２１ヒルベルト変換器
２１Ａ、２１ＢＦＩＲフィルタ
２７ヒルベルト変換器
２７Ａ、２７ＢＦＩＲフィルタ
２３、２９位相演算器
１００、１０１デシメーション手段
１０２デシメーション比選択手段

Claims

流体が流れるチューブを振動させ、チューブの上流側及び下流側に取り付けた上流振動センサ及び下流振動センサから得られる信号を所望の間隔でサンプリングし、サンプリングされた信号に対して、夫々上流側及び下流側のローパスフィルタとＦＩＲフィルタによるフィルタリング処理を行い、前記上流振動センサ信号及び下流振動センサ信号の位相差及び上流振動センサ信号若しくは下流振動センサ信号の周波数を算出し、算出された位相差及び周波数から前記流体の質量流量及び密度を測定するコリオリ質量流量計において、
前記上流側及び下流側のローパスフィルタとＦＩＲフィルタ間に設けられ、サンプリングされた入力信号の間引き処理を実行する上流側デシメーション手段及び下流側デシメーション手段と、
前記上流側及び下流側のＦＩＲフィルタの通過帯域が、前記上流振動センサ信号及び下流振動センサ信号の周波数に適合するように、前記上流側デシメーション手段及び下流側デシメーション手段に対して間引き率を設定するデシメーション比選択手段と、
備えることを特徴とするコリオリ質量流量計。
前記デシメーション比選択手段は、前記上流側及び下流側のＦＩＲフィルタの通過帯域が、前記上流振動センサ信号及び下流振動センサ信号の周波数に任意のマージンを設定した周波数に適合するように、前記間引き率を選択することを特徴とする請求項１に記載のコリオリ質量流量計。
前記上流側及び下流側のローパスフィルタが複数個配され、前記上流振動センサ信号及び下流振動センサ信号の周波数に適合するローパスフィルタを選択する、ローパスフィルタ選択手段を備えることを特徴とする請求項１または２に記載のコリオリ質量流量計。
前記上流側及び下流側のＦＩＲフィルタが複数群配置され、前記デシメーション比選択手段は、各群の通過帯域の上下限値が前記上流振動センサ信号及び下流振動センサ信号の周波数に適合するように間引き率を選択することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のコリオリ質量流量計。
前記複数群のＦＩＲフィルタから、前記上流振動センサ信号及び下流振動センサ信号の周波数に適合するＦＩＲフィルタを選択する、ＦＩＲフィルタ選択手段を備えることを特徴とする請求項４に記載のコリオリ質量流量計。
前記デシメーション比選択手段は、前記上流振動センサ信号及び下流振動センサ信号の周波数が、間引き処理によりサンプリング定理に従い折り返されることを考慮して間引き率を選択することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のコリオリ質量流量計。
間引き処理によりサンプリング定理に従い折り返されることを考慮して、前記上流振動センサ信号若しくは下流振動センサ信号の周波数を測定することを特徴とする請求項６に記載のコリオリ質量流量計。
前記デシメーション比選択手段は、測定された前記上流振動センサ信号若しくは下流振動センサ信号の周波数信号及び前記位相差信号を平均化するための平均化回路に対し、間引き率に合わせてその平均化点数を変更させることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載のコリオリ質量流量計。