JP5826929B2 - 共振周波数を求めるための振動式メーターおよび方法 - Google Patents

Description

本発明は、振動式メーターおよび方法に関するものであり、とくに共振周波数を求めるための振動式メーターおよび方法に関するものである。

一般的に、コリオリ式質量流量計（フローメーター）および振動式デンシトメーターの如き振動式導管センサーは、流動物質を収容している振動する導管の運動を検出するよう動作するようになっている。質量流量、密度などの如き導管内の物質に関する物性は、導管に接続されている運動トランスデューサから受け取る測定信号を処理することにより求めることができる。一般的に、物質を充填して振動するシステムの振動モードは、収容している導管およびその導管に収容されている物質の質量、剛性およびダンピング特性からの影響を受ける。

典型的なコリオリ式質量流量計は、配管または他の移送システムにインラインで接続されているとともにシステム内のたとえば流体、スラリ、エマルジョンなどの物質を移送する１つ以上の導管を有している。各導管は、たとえば単純曲げモード、ねじれモード、ラジアルモードおよび結合モード含む一組の固有の振動モードを有していると考えることができる。コリオリ式の質量流量測定の典型的な用途では、物質が導管を流れている時、１つ以上の振動モードで導管が励振され、導管の間隔おいて位置する複数の部位で導管の運動が測定される。励振は、通常、導管を周期的に摂動するボイスコイルタイプのドライバの如き電気機械デバイスのようなアクチュエータによって加えられる。質量流量については、複数のトランスデューサ設置位置における振動と振動との間の遅延時間または位相差を測定することによって求めることが可能である。１つ以上のフロー導管の振動応答を測定するために、通常このようなトランスデューサ（または、ピックオフセンサー）が２つ用いられ、通常アクチュエータの上流側および下流側に配置される。これらの２つのピックオフセンサーは電子計装装置に接続される。この電子計装装置は、２つのピックオフセンサーから信号を受け取り、これらの信号を処理してたとえば質量流量測定値などを算出する。

コリオリ式質量流量計および振動式デンシトメーターの如き振動式メーターは、振動する１つ以上のフロー導管の共振周波数を探して測定することが可能である。共振周波数は、１つ以上の空のフロー導管の共振周波数であってもよいし、または流体が充填された振動式メーターの共振周波数であってもよい。流動物質は、流れている場合もあれば静止している場合もある。流体が充填された振動式メーターの共振周波数の測定結果を処理して流体のみの密度を求める際、１つ以上の空のフロー導管の振動周波数の測定結果を考慮に入れるようにしてもよい。

流動物質の密度（ρ）を求めるために共振周波数を用いることが可能である。密度はρ＝Ｃ（ｌ／ｆ）^２から求めることが可能である。この式で、ｆは共振周波数の測定値であり、Ｃは校正定数である。それに加えて、流動物質の質量流量を求める際に共振周波数を用いることも可能であり、また、他の流体特性を求める際にも共振周波数は役に立つ。

流動物質は、たとえば液体、気体、又は、液体、気体及び固体のうち少なくとも一の混合物を含むいかなる流体であってもよい。気体は液体よりもはるかに密度が低いので、共振周波数の測定結果の僅かな誤差は、液体密度の測定結果に対して与える影響よりもはるかに大きな影響を気体密度の測定結果に対して与える。それに加え、周波数の小さな誤差は、液体密度の測定値に対するよりもはるかに大きな気体密度の誤差として現れる。

本発明の１つの態様では、振動式メーターは、１つ以上のフロー導管と、１つ以上のフロー導管に固定されている１つ以上のピックオフセンサーと、１つ以上のフロー導管を振動させるように構成されているドライバと、１つ以上のピックオフセンサーおよびドライバと結合されているメーター電子機器とを備えており、当該メーター電子機器は、初期振動周波数を有するドライブ信号を用いて振動式メーターの１つ以上のフロー導管を振動させ、その応答として、１つ以上のピックオフセンサーからピックオフセンサー信号を受け取り、繰り返し、ドライブ信号とピックオフセンサー信号との間の位相差を前もって決められた位相増分だけオフセットし、オフセットにより、振動周波数が前もって決められた振動周波数範囲上を動作可能に掃引されるので、複数の振動振幅およびそれに対応する複数の振動周波数が生成され、生成された振動周波数および振動振幅を測定し、複数の振動振幅のうちの実質的に最大の振幅応答を求め、それに対応する振動周波数を共振周波数として指定するように構成されている。

好ましくは、メーター電子機器は、オフセットから前もって決められた設定時間が経過した後、生成された振動周波数および生成された振動振幅を測定するようにさらに構成される。

好ましくは、ドライブ信号は実質的に一定の振幅を有している。

好ましくは、振動式メーターは、振動式デンシトメーター、振動式気体デンシトメーターまたはコリオリ式質量流量計である。

好ましくは、メーター電子機器は、共振周波数を用いて流動物質の１つ以上の量を数値化するようにさらに構成される。

好ましくは、前もって決められた振動周波数範囲は推定共振周波数を含むように選択される。

好ましくは、共振周波数を見出した後、前もって決められた振動周波数範囲は、前もって決められた狭めの周波数範囲にまで狭められ、オフセットおよび測定が、前もって決められた狭めの周波数範囲内で共振周波数を探すために繰り返される。

好ましくは、メーター電子機器は、共振周波数を見出した後、前もって決められた振動周波数範囲を前もって決められた狭めの周波数範囲にまで狭めるようにさらに構成されており、前もって決められた狭めの周波数範囲が、見出された共振周波数を実質的に中心としたものであり、オフセットおよび測定が、前もって決められた狭めの周波数範囲内で共振周波数を探すために繰り返される。

好ましくは、共振周波数を見出せなかった場合、前もって決められた振動周波数範囲は前もって決められた広めの周波数範囲にまで広げられ、オフセットおよび測定は、前もって決められた広めの周波数範囲内で共振周波数を探すために繰り返される。

好ましくは、振動式メーターおよび流動物質のうちの一方または両方について共振周波数を求めることができる。

本発明の１つの態様では、振動式メーターの共振周波数を求める方法は、初期振動周波数を有するドライブ信号を用いて振動式メーターの１つ以上のフロー導管を振動させ、その応答として、ピックオフセンサー信号を受け取ることと、繰り返し、ドライブ信号とピックオフセンサー信号との間の位相差を前もって決められた位相増分だけオフセットし、オフセットにより、振動周波数を前もって決められた振動周波数範囲上を動作可能に掃引するので、複数の振動振幅およびそれに対応する複数の振動周波数が生成され、生成された振動周波数および振幅を測定することと、複数の振動振幅のうちの実質的に最大の振幅応答を求め、それに対応する振動周波数を共振周波数として指定することとを含んでいる。

好ましくは、かかる方法は、オフセットしてから前もって決められた設定時間が経過した後、生成された振動周波数および生成された振動振幅を測定することをさらに含んでいる。

好ましくは、ドライブ信号は実質的に一定の振幅を有している。

好ましくは、振動式メーターは、振動式デンシトメーター、振動式気体デンシトメーターまたはコリオリ式質量流量計である。

好ましくは、かかる方法は、共振周波数を用いて流動物質の１つ以上の量を数値化することをさらに含んでいる。

好ましくは、前もって決められた振動周波数範囲は推定共振周波数を含むように選択される。

好ましくは、共振周波数を見出した後、前もって決められた振動周波数範囲は、前もって決められた狭めの周波数範囲にまで狭められ、オフセットおよび測定が、前もって決められた狭めの周波数範囲内で共振周波数を探すために繰り返される。

好ましくは、共振周波数を見出した後、前もって決められた振動周波数範囲は、前もって決められた狭めの周波数範囲にまで狭められ、前もって決められた狭めの周波数範囲は、見出された共振周波数を実質的に中心としたものであり、オフセットおよび測定は、前もって決められた狭めの周波数範囲内で共振周波数を探すために繰り返される。

好ましくは、共振周波数を見出せなかった場合、前もって決められた振動周波数範囲は、前もって決められた広めの周波数範囲にまで広げられ、オフセットおよび測定が、前もって決められた広めの周波数範囲内で共振周波数を探すために繰り返される。

好ましくは、振動式メーターおよび流動物質のうちの一方または両方について共振周波数を求めることができる。

振動式メーター組立体およびメーター電子機器を備えている本発明のある実施形態にかかる振動式メーターを示す図である。 本発明のある実施形態に従って振動式メーター組立体と結合されているメーター電子機器を示す図である。 本発明のある実施形態かかる振動式メーターの共振周波数を求める方法を示すフローチャート図である。 振動式メーターの正常動作時におけるドライブ信号およびそれに対応するピックオフ信号を示すプロットである。 ピックオフ信号がもはやドライブ信号と同位相ではなくなっているドライブ信号とピックオフ信号とを示すプロットである。 共振周波数を求める一例を示す、ドライブ信号周波数（下側軸線）対ドライブピックオフ位相差（右側軸線）対ピックオフ信号振幅（左側軸線）のプロットである。 気体デンシトメーターのピックオフ信号とドライブ信号との間の相対的な位相を調節した結果を示す図である。 本発明のある実施形態にかかる振動式メーターの共振周波数を求める方法を示すフローチャートである。

図１〜図８および以下の記載には、本発明を最良のモードで作成および利用する方法を当業者に教示するための具体的な実施形態が示されている。本発明の原理を教示するために、従来技術の一部が単純化または省略されている場合もある。当業者にとって明らかなように、これらの実施形態の変形例もまた本発明の技術範囲内に含まれる。また当業者にとって明らかなように、以下の記載の構成要素をさまざまな方法で組み合わせて本発明の複数の変形例を形成することもできる。したがって、本発明は、以下の記載の特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲およびその均等物によってのみ限定されるものである。

図１には、振動式メーター組立体１０とメーター電子機器２０とを備えている本発明のある実施形態にかかる振動式メーター５が示されている。振動式メーター５は、コリオリ式質量流量計であってもよいし、また振動式デンシトメーター５としてさらに働くことができるようになっていてもよい。メーター電子機器２０は、リード線１００を介してメーター組立体１０に接続され、密度、質量流量、体積流量率、総質量量、温度および他の情報をパス２６を通じて送るようになっている。

振動式メーター組立体１０は、１組のフランジ１０１、１０１’と、マニホルド１０２、１０２’と、ドライバ１０４と、ピックオフセンサー１０５〜１０５’と、フロー導管１０３Ａ、１０３Ｂとを有している。ドライバ１０４およびピックオフセンサー１０５、１０５’はフロー導管１０３Ａ、１０３Ｂに接続されている。いうまでもなく、振動式メーター５は、いかなる形状、サイズ、材料または構成のフロー導管１０３Ａ、１０３Ｂを有していてもよい。振動式メーター５は、どのような数のフロー導管を有していてもよい。

フランジ１０１、１０１’はマニホルド１０２、１０２’に固定されている。マニホルド１０２、１０２’はスペーサー１０６の両端に固定されている。スペーサー１０６は、マニホルド１０２とマニホルド１０２’との間の間隔を維持することによりフロー導管１０３Ａ、１０３Ｂの不必要な振動を回避するようになっている。測定する流動物質を移送する配管システム（図示せず）の中に振動式メーター組立体１０を挿入すると、物質は、フランジ１０１を通って振動式メーター組立体１０の中へ流入し、流入口マニホルド１０２を通り、ここで物質の全量が導管１０３Ａ、１０３Ｂの中へ流入し、導管１０３Ａ、１０３Ｂを通り、流出口マニホルド１０２’の中へ流入し、フランジ１０１’から振動式メーター組立体１０の外へ流出する。

フロー導管１０３Ａ、１０３Ｂは、曲げ軸線Ｗ−Ｗ、Ｗ’−Ｗ’に対して実質的に同一の質量分布、慣性モーメントおよび弾性モジュールを有するように、選択され、流入口マニホルド１０２および流出口マニホルド１０２’に適切にマウントされる。フロー導管は、マニホルドから外側に向かって実質的に並列に延びている。

フロー導管１０３Ａおよびフロー導管１０３Ｂは、それぞれ曲げ軸線Ｗおよび曲げ軸線Ｗ’を中心としてかつフローメーターの第一の逆位相曲げモードと呼ばれるモードで、ドライバ１０４により反対方向に向けて振動させられるようになっている。ドライバ１０４は、マグネットがフロー導管１０３Ａに取り付けられかつ対向するコイルがフロー導管１０３Ｂに取り付けられる構成のような多数の周知の構成のうちの１つの構成を有していてもよい。この対向するコイルに交流電流を流して両方の導管を振動させる。メーター電子機器２０により、適切なドライブ信号がリード線１１０を通じてドライバ１０４へ加えられる。

メーター電子機器２０は、リード線１１１、１１１’を通じてセンサー信号を送るようになっている。またメーター電子機器２０は、ドライバ１０４にフロー導管１０３Ａ、１０３Ｂを振動させるドライブ信号をリード線１１０上に生成する。またメーター電子機器２０は、ピックオフセンサー１０５、１０５’から受け取る左側速度信号および右側速度信号を処理して質量流量測定値を演算する。パス２６は、メーター電子機器２０にオペレーターおよび他の装置の一方又は両方との通信を可能とする入力手段および出力手段を提供している。

図１の説明は、コリオリ式フローメーターおよび振動式デンシトメーターの一方又は両方の動作を例示することのみを意図したものであって、本発明の教示を限定することを意図したものではない。

実施形態によっては、振動式メーター５がデンシトメーターである場合もある。実施形態によっては、振動式メーター５が気体デンシトメーターである場合もある。それに代え て、振動式メーター５がコリオリ式質量流量計であってもよい。

図２は、本発明の実施形態に従って振動式メーター組立体１０と結合されているメーター電子機器２０が示されている。メーター電子機器２０はフィードバックループ２０２を有している。フィードバックループ２０２は振動式メーター組立体１０からピックオフセンサー信号を受け取るようになっている。フィードバックループ２０２は、ドライブ信号を生成し、振動式メーター組立体１０にドライブ信号を送るようになっている。

図示されている実施形態によれば、フィードバックループ２０２は、位相調整器２０１と、デジタルからアナログ（Ｄ／Ａ）への変換器２０２と、アナログからデジタル（Ａ／Ｄ）への変換器２０３と、位相センサー２０４とを有している。動作時、位相調整器２０１はデジタルドライブ信号を生成する。このデジタルドライブ信号は、Ｄ／Ａ２０２によりアナログドライブ信号に変換され、流体センサー２００へと送られる。ピックオフ信号はＡ／Ｄ２０３へ送られる。Ａ／Ｄ２０３はアナログピックオフ信号をデジタル化し、それを位相調整器２０１へ送る。位相センサー２０４は、入力（すなわち、ドライブ信号）の位相と出力（すなわち、ピックオフ信号）の位相と比較し、位相差信号を生成し、位相調整器２０１へ送る。したがって、位相調整器２０１は、流体センサー２００へ送られるドライブ信号の位相シフトおよび周波数を制御することができる。ドライブ信号の振幅を調節することができるアンプは図示されていない。通常、ドライブ信号の振幅はピックオフ信号の振幅よりも大きい。

したがって、メーター電子機器２０は、ピックオフセンサー信号を受け取り、このピックオフセンサー信号の少なくとも一部に基づいてドライブ信号を生成するようになっている。ドライブ信号周波数は、ピックオフ信号周波数に基づくものであってもよいしまたはピックオフ信号周波数と同じものであってもよい。ドライブ信号振幅は、ピックオフ信号振幅に基づくものであってもよいしまたはピックオフ信号振幅と同じものであってもよい。さらに、メーター電子機器２０は、ドライブ信号の位相とピックオフ信号の位相との間の位相差を求めて制御することができる。

それに加えて、メーター電子機器２０は振動式メーター組立体１０の共振周波数を求めるように機能することができる。メーター電子機器２０は、初期振動周波数を有するドライブ信号を用いて振動式メーター組立体１０の１つ以上のフロー導管１０３を振動させ、その応答として、１つ以上のピックオフセンサー１０５、１０５’からピックオフセンサー信号を受け取り、繰り返し、ドライブ信号とピックオフセンサー信号との間の位相差を前もって決められた位相増分だけオフセットし、オフセットにより振動周波数を前もって決められた振動周波数範囲上を動作可能に掃引するので、複数の振動振幅およびそれに対応する複数の振動周波数が生成され、前記生成された振動周波数および振動振幅を測定し、複数の振動振幅のうちの実質的に最大の振幅応答を求め、それに対応する振動周波数を共振周波数として指定するように構成されている。

メーター電子機器２０は、流体センサー２００の入力と出力との間の位相を制御することにより、位相差をオフセットし、ひいては振動周波数を変更するように構成されている。位相差をオフセットすることにより振動周波数が変わる。ただ、振動周波数は位相オフセットに直ちに追従しない場合もある。実施形態によっては、メーター電子機器２０は、位相オフセット後一定の設定時間が経過するまで待機し、結果として得られる振動周波数を測定するようになっている場合もある。たとえば、実施形態によっては、前もって決められた設定時間が約５０ミリセカンドであってもよい。しかしながら、他の設定時間も考えられており、それらもまた本明細書の範囲および特許請求の範囲に含まれる。

メーター電子機器２０は、システムをクローズドループコントロール下に維持しながら、振動周波数を前もって決められた振動周波数範囲上を掃引するよう位相差を繰り返してオフセットするように構成されている。このような位相制御は、位相ロックループ技術を用いてデジタル式に実現することができる。一実施形態では、適切にプログラムされたデジタル信号プロセサ（ＤＳＰ）によりクローズドループコントロールを実行することができる。しかしながら、他のフィードバック技術またはループ制御技術を用いることもでき、それらもまた本明細書の範囲および特許請求の範囲に含まれる。

かかる装置および方法により共振周波数を正確に求めることができる。気体または液体の密度が変わるにつれてセンサーの共振周波数も変わっていく。求められた共振周波数を用いて正確な密度測定値を生成することができる。それに加えて、求められた共振周波数をさらに用いて最適なドライブ周波数を生成することができる。

かかる装置および方法は、気体密度の変動が比較的小さい振動式気体デンシトメーターにおいて特別な有用性を有している。共振周波数を正確に求めることは、振動式デンシトメーターにとって非常に重要なことである。したがって、気体の共振周波数の測定の僅かな誤差であっても密度測定の精度に比較的大きな影響を及ぼしてしまう恐れがある。かかる装置および方法は、液体デンシトメーターまたは多相デンシトメーターに用いられてもよい。気体デンシトメーターは、低曲げ剛性および高振動周波数を有するように構成されている点において液体デンシトメーターとは異なりうる。しかしながら、液体デンシトメーターまたは多相デンシトメーターにおいても正確な周波数および密度の一方又は両方が必要とされており。求められた共振周波数は、コリオリ式質量流量計に用いることもできる。ただ、質量流量測定のために実際の共振周波数を求めることは、密度測定の場合と比べてそれほど重要ではない場合もある。

求められた共振周波数は流動物質の量の数値化に用いることができる。また、求められた共振周波数は流動物質の密度を求めるのに用いることができる。また、求められた共振周波数は流動物質の質量流量を求めるのに用いることができる。数値化される流動物質の他の量としては、空隙率、液体分率、質量分率、粘性および体積流量のうちの少なくとも一つが含まれる。流動物質のさらなる量を数値化することが考えられているが、それらもまた本明細書の範囲および特許請求の範囲に含まれる。

図３には、本発明のある実施形態にかかる振動式メーターの共振周波数を求める方法を示すフローチャート３００が示されている。ステップ３０１では、ドライバ１０４およびドライブ信号を用いて、振動式メーター５の１つ以上のフロー導管１０５、１０５’が振動させられる。ドライブ信号は振動周波数を含んでいる。共振周波数の探索を開始する時点では、振動周波数は初期振動周波数である。ドライブ信号は振動振幅をさらに含んでいる。実施形態によっては、振動振幅は実質的に一定のレベルに保持されるようになっている場合もある。したがって、振動信号が実質的に一定の振動パワーを特定するようになっていてもよい。

メーター電子機器２０は、ピックオフセンサー信号のうちの１つからのピックオフセンサー信号を用いてドライブ信号を生成する。ドライブ信号の生成にあたって、１つのピックオフセンサー信号だけが必要となる。それに加えて、共振周波数を求めるにあたって、１つのピックオフセンサー信号だけが必要となる。共振周波数を求めるにあたって、ピックオフセンサー１０５またはピックオフセンサー１０５’のいずれのピックオフセンサーからのピックオフセンサー信号が用いられるようになっていてもよい。

ピックオフセンサー信号は、周波数、位相および振幅の点においてドライブ信号と関連している。しかしながら、ピックオフセンサー信号は必ずしもドライブ信号と同一である必要はない。ピックオフセンサー信号は、なんらかの振幅ロスが生じるため、ドライブ信号よりも小さな振幅を有している。とくに共振周波数が予測されていたにもかかわらず検出されなかった場合には、１つ以上のフロー導管１０５、１０５’がドライブ周波数とは異なりうる１つ以上の合成された周波数で振動している可能性があるため、ピックオフセンサー信号は異なる周波数を有している場合もある。最後に、ピックオフセンサー信号は、たとえば正常動作においておよび／またはドライブ信号周波数が時間の経過につれて実質的に変わらないままである場合、ドライブ信号よりも位相が遅れている場合もある。

ステップ３０２では、前もって決められた位相増分だけ位相差がオフセットされる。位相差は、ドライブ信号位相とピックオフセンサー信号位相との間の差のことある。前もって決められた位相増分は、サイズが一定であってもよいし、または必要に応じて変更されてもよいし、徐々に変化してもよい。実施形態によっては、位相差は、実質的にゼロ位相差からオフセットされるようになっている場合もある。それに代えて、位相オフセット量が現在の位相差に加えられるようになっていてもよい。

位相をオフセットすることにより振動周波数が直接変更されるわけではない。しかしながら、位相差をオフセットすることにより振動周波数は変わる。位相差をオフセットすることにより振動周波数が確実に変わるようにするために、前もって決められた設定時間の経過が必要な場合もある。位相差を繰り返してオフセットすると、前もって決められた振動周波数範囲にわたって振動周波数が（繰り返し）掃引されることになる。

前もって決められた振動周波数範囲は、共振周波数を含んでいると考えられる周波数範囲であってもよい。しかしながら、気体の実際の密度は、環境条件、たとえば温度および圧力に応じて変動してしまう恐れがある。共振周波数の変化は、気体の場合には小さいと考えられて、たとえば１ヘルツ未満の場合もある。気体の密度は、ゆっくりと変わっていく場合もあれば、ほぼ瞬間的に変わってしまう場合もある。したがって、気体で充填された振動式メーターの共振周波数は時間の経過につれて変わってしまう恐れがある。共振周波数の変動は密度の変動と相関している。密度（ρ）はρ＝Ｃ_{ｄｅｎｓｉｔｙ}（ｌ／ｆ）^２で表される。用語Ｃ_{ｄｅｎｓｉｔｙ}は校正定数である。

従来技術では、上記の周波数は、最大振幅応答を検出して共振周波数を見つけるために掃引されるようになっていた。また、従来技術では、位相差は実質的に一定であると考えられ、共振周波数を求める際に考慮されていなかった。残念なことには、位相差が変動し、位相差に対する補償がなされなかったために、従来技術により求められた共振周波数は正確なものではない恐れがあった。

ステップ３０３では、前もって決められた振動周波数範囲にわたって振動周波数を掃引するように位相差がオフセットされ、ピックオフセンサー信号から得られる振幅が監視される。実質的に最大の振幅応答が求められる。さらに、それに対応する振動周波数が求められる。ここで、振動周波数が実質的に共振周波数であれば、ピックオフセンサー信号の振幅応答は最大となる。

上述のように、実施形態によっては、かかる方法は、位相をオフセットしてからある設定時間待機した後、結果として得られる振動周波数を測定するようになっている場合もある。たとえば、実施形態によっては、前もって決められた設定時間は約５０ミリセカンドである場合もある。しかしながら、他の設定時間も考えられており、それらもまた本明細書の範囲および特許請求の範囲に含まれる。

ステップ３０４では、共振周波数が求められる。振動周波数を増減させて複数の振動周波数およびそれに対応する複数の振動振幅を生成するために位相差がオフセットされる。上述のように、最大の振幅応答と共振周波数とは実質的に対応するものである。複数の振動周波数のうちの最大の振幅応答を生じる振動周波数が共振周波数であると判断される。それに代えて、２つの隣接する振動周波数の間に共振周波数がある場合、最大の振幅応答の最も近くにある振動周波数が共振周波数であると指定されてもよい。

前もって決められた位相増分のサイズを選択することにより、求められる共振周波数の精度を調節することができる。所望の周波数分解能および所望の精度を達成するように前もって決められた位相増分のサイズを選択することができる。位相増分が小さければ小さいほど、周波数の分解能が高まり、共振周波数がより正確になるが、必要な繰り返し回数が増えてしまい、必要な検索時間が長くなってしまう恐れがある。しかしながら所望ならば、分解能を非常に高めることができる。たとえば実施形態によっては、数ミリヘルツ（ｍＨｚ）スケールの分解能で共振周波数を求めることができるようになっている場合もある。

上述のように、求められた共振周波数を用いて流動物質の１つ以上の量を数値化することができる。共振周波数は、個々の振動式メーターについて求めることができる。共振周波数は、正常動作中の如きどのような時にでも振動式メーターについて求めることができる。それに代えて、共振周波数は、たとえばメーターの校正作業または検証作業の一部として求めることもできる。共振周波数は、流動物質について求めることができる。たとえば、新たな流動物質が初めて計量されている時に、共振周波数が取得されるようになっていてもよい。それに代えて、共振周波数は、振動式メーターおよび流動物質の両方について求めることもできる。

図４は、ドライブ信号と振動式メーター５の正常動作時に受け取ったピックオフ信号とをプロットしたものである。このプロットは、振動式メーター５が実質的に定常状態下で動作している典型的な振動動作を反映したものである。したがって、ドライブ信号とピックオフ信号とは実質的に同じ位相である。図示されているように、ドライブ信号の振幅がピックオフ信号の振幅を通常超えており、たとえばエネルギーをシステムに加えることにより定常状態の振動が維持されている。

理想的には、ドライブ信号の位相は、ピックオフ入力信号と正確に同位相にある（または、向きに応じて位相が１８０度ずれている）。しかしながら、すべての閉ループシステムは、位相シフトを起こしうるなんらかの原因を有しているものである。したがって、動作時に共振状態からわずかにズラして振動させてしまう可能性もある。

この種の用途における従来の閉ループシステムに関する問題は、ピックオフ信号とドライブ信号との間の位相差が、メーターの実際の振動周波数に対して影響を与えてしまうという点にある。振動式メーター組立体１０の周波数が密度に比例するため、位相差の如き求められた周波数の僅かな誤差であっても周波数測定誤差の原因となる場合もある。

図５は、ピックオフ信号がもはやドライブ信号と同位相にない場合のドライブ信号とピックオフ信号とを示すプロットである。これらの信号が同位相にない場合、２つの問題が発生する。第一の問題は、同じピックオフ振幅を達成する場合により多くのドライブパワーが必要となるという点にある。このことは図５に示されている。図５では、ドライブ信号はピックオフ信号よりはるかに大きな振幅を有している。残念なことには、ドライブパワーを高めると、ドライブに利用可能な最大パワーオーバーヘッド（ｍａｘｉｍｕｍ ｐｏｗｅｒ ｏｖｅｒｈｅａｄ）が減少し、ドライブの効率が低下し、最終的に振動式メーター５の性能が落ちてしまう。

第二の問題は、同位相で振動していないので、測定されている実際の周波数が共振周波数ではないという点にある。さらに、この誤差は、動作環境の変化（たとえば、温度の変化）、振動式メーター組立体１０の経年変化および構成部品の損傷のうちの少なくとも一つにより、時間の経過とともに増大してしまうという問題がある。したがって、共振周波数を求めることができるという必要性が存在する。たとえば振動式メーター５の耐用年数を通じてさまざまな時点で共振周波数を測定することができる必要性が存在する。求められる共振周波数の正確さが位相差により影響を受けることなく共振周波数を正確に測定するという必要性が存在する。

図６は、共振周波数測定の一例であって、ドライブ信号周波数（下側軸線）対ドライブとピックオフとの位相差（右側軸線）対ピックオフ信号振幅（左側軸線）を示すプロットである。このプロットでは、ドライブパワーを一定に維持しながら、ピックオフ信号に対するドライブ信号の位相が繰り返してオフセットされている。たとえば、典型的な位相増分が、約（−１．２３５６）度〜（＋１．２６７３）度の位相オフセット量範囲内であってもよい。しかしながら、他の位相増分も考えられており、それらもまた本明細書の範囲および特許請求の範囲に含まれる。

共振周波数の測定は、センサーの共振特性、すなわち振動式メーター組立体１０に生成されうる共振応答を利用したものである。センサーは共振周波数において非常に鋭い振幅ピークを示す。ピックオフ信号の位相に対してドライブ信号の位相をオフセットさせることにより、周波数スペクトル上で振動周波数を上下に移動させることが可能となる。図６から、位相差をオフセットすることにより振動周波数が変わるにつれて、ピックオフ信号振幅が鋭い（すなわち、共振）ピークを示ようになることが分かる。

図７には、気体デンシトメーターのピックオフ信号とドライブ信号との間の相対的な位相をオフセットした結果が示されている。センサーが共振すると、ピックオフ振幅はピークを示す。したがって、このアルゴリズムを用いてピークを見つけることによって、送信機が実質的に最適なドライブ信号を確実に生成することが可能となる。

図８は、振動式メーターの共振周波数を求める本発明のある実施形態にかかる方法を示すフローチャート８００である。ステップ８０１では、上述のように、振動式メーター５の１つ以上のフロー導管１０５、１０５’が振動させられる。

ステップ８０２では、上述のように、位相差が前もって決められた位相増分だけオフセットされる。

ステップ８０３では、上述のように、ピックオフセンサー信号から得られる振幅が監視される。

ステップ８０４では、上述のように、共振周波数が求められる。

ステップ８０５では、共振周波数を見つけた場合、かかる方法はステップ８０７へ進む。共振周波数を見つけられなかった場合、かかる方法はステップ８０６へ分岐する。

ステップ８０６では、前もって決められた振動周波数範囲が広げられる。次いで、かかる方法はステップ８０１まで戻り、共振周波数の探索が繰り返されるが、前もって決められた広めの振動周波数範囲が用いられる。

前もって決められた振動周波数範囲は、前もって決められた量だけ広げられるようになっていてもよい。たとえば、前もって決められた振動周波数範囲は、５０パーセント広げられてもよいし、２倍にされてもよいし、または他の方法でかつ他の量だけ広げられてもよい。したがって、周波数掃引は、より広い範囲の周波数をカバーするようになる。このことは、狭めの範囲の比較的高めの検索分解能から始め、この狭めの範囲の共振周波数探索が失敗した場合にのみ、広めの範囲の低分解能の共振周波数探索が実行されることにより達成されてもよい
前もって決められた位相増分は同じ値に維持されてもよい。それに代えて、広めの範囲の低分解能の共振周波数探索の場合、前もって決められた位相増分は、前もって決められた広めの振動周波数範囲に合わせて広げられてもよいし、または前もって決められた広めの振動周波数範囲が探索されている場合であっても、周波数分解能を高めるために狭くされてもよい。

ステップ８０７では、緻密な探索が必要な場合、かかる方法はステップ８０８へ分岐する。そうでなく、さらに狭い範囲の緻密な共振周波数探索を必要としないような場合、かかる方法は終了する。

粗い検索を行なった後に緻密な探索を行ない、この緻密な探索に、新たなかつ前もって決められた狭めの振動周波数範囲を用いるという決断は、自動的な決断であってもよい。新たな前もって決められた狭めの振動周波数範囲は、ステップ８０４で見つけて求められた共振周波数を中心とするものであってもよいし、またはそれを含むものであってもよい。

それに代えて、緻密な探索の必要性は、概念上の共振周波数に基づくものであってもよい。最大の振動振幅を生じる振動周波数では、またはそれの前もって決められたしきい値内では最大の振動振幅が生じないということを、発生した振動周波数から判断するようになっていてもよい。たとえば、２つの隣接する周波数において２つの同じ最強振幅値が生じた場合、実際の振幅応答のピークは２つの振動周波数の間のどこかに存在する。しかしながら、実際のピークが前もって決められたしきい値内にある場合、かかる方法は、緻密な探索は必要ではないと判断するようになっていてもよい。

いうまでもなく、フローチャートに示されているように、共振周波数を求めるかかる方法は、広めるプロセスと、狭めるプロセスの両方を含んでいてもよい。それに代えて、かかる方法は、粗い検索を行なうための広めるプロセスのみを含むようになっていてもよい。さらに他の代替案では、かかる方法は、緻密な探索を行なうための狭めるプロセスのみを含むようになっていてもよい。

所望ならば、本発明にかかる振動式メーターおよび方法を上述の実施形態のうちのいずれかに従って用いて複数の利点を提供するようにしてもよい。かかる振動式メーターおよび方法は、振動周波数を変えるよりもさらに正確な共振周波数を求めることができる。というのは、振動周波数を変えると、位相差が変り、周波数決定を歪めてしまう恐れがあるからである。

かかる振動式メーターおよび方法は、ピックオフ信号と同位相で振動させることにより、必要なパワーを減らすことを可能とする。かかる振動式メーターおよび方法は、実質的に一定のパワーで１つ以上のフロー導管を振動させることにより、共振周波数の検出の改善を可能とする。実質的に一定のパワーで１つ以上のフロー導管を振動させることによって、ピックオフセンサー信号の振幅の増大が振動パワーの増大に起因するものではなくなる。

かかる振動式メーターおよび方法は、周波数と位相とを同時に変えないことにより、共振周波数の検出の改善を可能とする。周波数の掃引時、ピックオフセンサー信号の位相がドライブ信号の位相とは異なりうるので、振動周波数を一定に保持しながら位相差のみを変えるほうが正確かつ確実である。

かかる振動式メーターおよび方法は、デンシトメーターの共振周波数の検出を改善することを可能とする。かかる振動式メーターおよび方法は、測定される密度が小さいので、小さな誤差であっても影響が大きい気体デンシトメーターの共振周波数の検出を改善することを可能とする。

かかる振動式メーターおよび方法は、共振周波数が振動式メーターについて求められる場合の共振周波数の検出を改善することを可能とする。かかる振動式メーターおよび方法は、共振周波数が流動物質について求められる場合の共振周波数の検出を改善することを可能とする。

かかる振動式メーターおよび方法は、共振周波数を周期的にチェックすることを可能とする。かかる振動式メーターおよび方法は、使用している振動式メーターの状態を評価するために経時的な共振周波数の比較を可能とする。

上述の実施形態の詳細な記載は、本発明の技術範囲内に含まれるものとして本発明者が考えているすべての実施形態を完全に網羅するものではない。さらに正確にいえば、当業者にとって明らかなように、上述の実施形態のうちの一部の構成要素をさまざまに組み合わせてまたは除去してさらなる実施形態を作成してもよいし、また、このようなさらなる実施形態も本発明の技術範囲および教示範囲に含まれる。また、当業者にとって明らかなように、本発明の技術範囲および教示範囲に含まれるさらなる実施形態を作成するために、上述の実施形態を全体的にまたは部分的に組み合わせてもよい。したがって、本発明の技術範囲は添付の請求項によって決まる。

Claims (18)

1. １つ以上のフロー導管（１０３）と、
   前記１つ以上のフロー導管（１０３）に固定されている１つ以上のピックオフセンサー（１０５、１０５’）と、
   前記１つ以上のフロー導管（１０３）を振動させるように構成されているドライバ（１０４）とを有している振動式メーター（５）において、
   前記振動式メーター（５）が前記１つ以上のピックオフセンサー（１０５、１０５’）および前記ドライバ（１０４）に結合されているメーター電子機器（２０）を備えており、
   前記メーター電子機器（２０）が、
   初期振動周波数を有するドライブ信号を用いて前記振動式メーター（５）の前記１つ以上のフロー導管（１０３）を振動させ、
   その応答として、前記１つ以上のピックオフセンサー（１０５、１０５’）からピックオフセンサー信号を受け取り、
   繰り返し、前記ドライブ信号と前記ピックオフセンサー信号との間の位相差を前もって決められた位相増分だけオフセットし、前記オフセットにより、振動周波数を前もって決められた振動周波数範囲上を動作可能に掃引するので、複数の振動振幅およびそれに対応する複数の振動周波数が生成され、前記生成された振動周波数および振動振幅を測定し、
   前記複数の振動振幅のうちの実質的に最大の振幅応答を求め、それに対応する振動周波数を共振周波数として指定するように構成されてなり、
   前記メーター電子機器（２０）が、前記共振周波数を見出した後、前記前もって決められた振動周波数範囲を前もって決められた狭めの周波数範囲まで狭めるようにさらに構成されており、前記オフセットおよび前記測定が、前記前もって決められた狭めの周波数範囲内で前記共振周波数を探すために繰り返されてなることを特徴とする振動式メーター（５）。
2. 前記オフセットから前もって決められた設定時間が経過した後、前記メーター電子機器（２０）が、前記生成された振動周波数および前記生成された振動振幅を測定するようにさらに構成されてなる請求項１に記載の振動式メーター（５）。
3. 前記ドライブ信号が実質的に一定の振幅を有してなる請求項１に記載の振動式メーター（５）。
4. 前記振動式メーター（５）が、振動式デンシトメーター、振動式気体デンシトメーターまたはコリオリ式質量流量計である請求項１に記載の振動式メーター（５）。
5. 前記メーター電子機器（２０）が、前記共振周波数を用いて流動物質の１つ以上の量を数値化するようにさらに構成されてなる請求項１に記載の振動式メーター（５）。
6. 前記前もって決められた振動周波数範囲が推定共振周波数を含むように選択されてなる請求項１に記載の振動式メーター（５）。
7. 前記メーター電子機器（２０）が、前記共振周波数を見出した後、前記前もって決められた振動周波数範囲を前もって決められた狭めの周波数範囲まで狭めるようにさらに構成されており、前記前もって決められた狭めの周波数範囲が前記見出された共振周波数を実質的に中心とするものであり、前記オフセットおよび前記測定が、前記前もって決められた狭めの周波数範囲内で前記共振周波数を探すために繰り返されてなる請求項１に記載の振動式メーター（５）。
8. 前記メーター電子機器（２０）が、前記共振周波数を見出せなかった場合、前記前もって決められた振動周波数範囲を前もって決められた広めの周波数範囲まで広げるようにさらに構成されており、前記オフセットおよび前記測定が、前記前もって決められた広めの周波数範囲内で前記共振周波数を探すために繰り返されてなる、請求項１に記載の振動式メーター（５）。
9. 振動式メーターおよび流動物質のうちの一方または両方について前記共振周波数を求めうる請求項１に記載の振動式メーター（５）。
10. 振動式メーターの共振周波数を求める方法であって、初期振動周波数を含むドライブ信号を用いて前記振動式メーターの１つ以上のフロー導管を振動させ、その応答として、ピックオフセンサー信号を受け取ることを含む方法において、
    繰り返し、前記ドライブ信号と前記ピックオフセンサー信号との間の位相差を前もって決められた位相増分だけオフセットし、前記オフセットにより、振動周波数を前もって決められた振動周波数範囲上を動作可能に掃引するので、複数の振動振幅およびそれに対応する複数の振動周波数が生成され、前記生成された振動周波数および振動振幅を測定することと、
    前記複数の振動振幅のうちの実質的に最大の振幅応答を求め、それに対応する振動周波数を共振周波数として指定することと、
    前記共振周波数を見出した後、前記前もって決められた振動周波数範囲が、前もって決められた狭めの周波数範囲まで狭められ、前記オフセットおよび前記測定が、前記前もって決められた狭めの周波数範囲内で前記共振周波数を探すために繰り返されることを含むことを特徴とする方法。
11. 前記方法が、前記オフセットから前もって決められた設定時間が経過した後、前記生成された振動周波数および前記生成された振動振幅を測定することをさらに含む請求項１０に記載の方法。
12. 前記ドライブ信号が実質的に一定の振幅を有する請求項１０に記載の方法。
13. 前記振動式メーターが、振動式デンシトメーター、振動式気体デンシトメーターまたはコリオリ式質量流量計である請求項１０に記載の方法。
14. 前記方法が、前記共振周波数を用いて流動物質の１つ以上の量を数値化することをさらに含む請求項１０に記載の方法。
15. 前記前もって決められた振動周波数範囲が推定共振周波数を含むように選択される請求項１０に記載の方法。
16. 前記共振周波数を見出した後、前記前もって決められた振動周波数範囲が、前もって決められた狭めの周波数範囲まで狭められ、該前もって決められた狭めの周波数範囲が、見出された前記共振周波数を実質的に中心としたものであり、前記オフセットおよび前記測定が、前記前もって決められた狭めの周波数範囲内で前記共振周波数を探すために繰り返される請求項１０に記載の方法。
17. 前記共振周波数を見出せなかった場合、前記前もって決められた振動周波数範囲が前もって決められた広めの周波数範囲まで広げられ、前記オフセットおよび前記測定が、前記前もって決められた広めの周波数範囲内で前記共振周波数を探すために繰り返される請求項１０に記載の方法。
18. 振動式メーターおよび流動物質のうちの一方または両方について前記共振周波数を求めうる請求項１０に記載の方法。

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