JP6036864B2 - 測定装置の共振回路 - Google Patents

Description

本発明は、物体を振動させて測定対象物の物理量を測定する測定装置の共振回路に関する。

測定対象物や測定子等の物体を振動させて物理量を測定する測定装置として、コリオリ質量流量計が知られている。コリオリ質量流量計は、被測定流体が流れる測定チューブをその両端を支点として上下振動させたときに働くコリオリ力を利用した計測器であり、固有周波数で振動する測定チューブの上流と下流との位相差に基づいて被測定流体の質量流量を測定する。コリオリ質量流量計では、測定チューブの振動周波数を測定することで、測定チューブ内を流れる被測定流体の密度も計測することができる。

特許文献１に示されているように、口径ごとに共振振動の振幅を制御することは有益である。しかし、アナログ回路によって特許文献１に示されるような回路を構築すると、フィルタを構成するためのオペアンプやアナログスイッチ、演算抵抗、コンデンサなど、部品点数が多くなり、基板面積が大きく、また高価になってしまうという問題がある。これに対しデジタル信号処理とすることにより、ゲートアレイ、ＤＳＰ(Digital Signal Processor)などの集積化したＩＣを使用することができ、基板面積の削減と低価格化を図ることができる。

高精度な測定が要求されるコリオリ質量流量計では、共振回路をデジタル回路で構成する場合、共振回路に入力するデジタル信号を生成する際に、高精度なΔΣ方式のＡＤコンバータのＩＣを用いることがある。

一般に、ΔΣ方式のＡＤコンバータＩＣには、ΔΣ変調器とデジタルローパスフィルタ（ＬＰＦ）とが内蔵されており、このＬＰＦが処理を行なう際に遅延が生じる。したがって共振による励振を行なおうとした際に位相ずれが生じ、振動制御の精度が低下し、ひいては測定の精度が低下してしまうという問題があった。

この問題を解決するために、特許文献２には、デジタル信号処理を行ないながらも遅延の少ない高精度で安定した共振回路を備えたコリオリ質量流量計が開示されている。

図９は、特許文献２に記載された従来のコリオリ質量流量計の要部構成を示すブロック図である。検出器５１０には、被測定流体が流れるＵ字管あるいは直管の測定チューブ（不図示）の上流側と下流側の変位を測定する第１センサ５１２と第２センサ５１４、駆動コイル等で構成される加振器５１６が備えられている。

第１センサ５１２、第２センサ５１４から出力された一対のアナログ変位信号は、それぞれ第１ΔΣ変調器５２０および第２ΔΣ変調器５２２によってΔΣ変調されて１ビットのパルス密度信号になる。

これらのパルス密度信号は、それぞれ第１ＬＰＦ５２４および第２ＬＰＦ５２６によって多ビット信号（普通のデジタルデータ）に変換される。２つの多ビット信号は信号演算処理部５２８へと送られ、既知の手法により質量流量と密度が演算される。

第１ΔΣ変調器５２０と第１ＬＰＦ５２４および第２ΔΣ変調器５２２と第２ＬＰＦ５２６でそれぞれΔΣ方式のＡＤコンバータを構成し、第１ＬＰＦ５２４および第２ＬＰＦ５２６で遅延が生じる。

励振回路５３０は加振器５１６を駆動させて測定チューブを励振するための回路である。励振回路５３０は、第１ΔΣ変調器５２０が出力するパルス密度信号と、第１ＬＰＦ５２４が出力する多ビット信号によって動作する。

励振回路５３０は、センサの出力信号に基づいて励振信号を生成する共振回路５３２と、励振信号を増幅して加振器５１６に帰還させる駆動出力部５３４を含んでいる。

共振回路５３２では、第１ΔΣ変調器５２０が出力したパルス密度信号のパルス高さ（レベル）を乗算器５４０によって増幅する。乗算器５４０における増幅率は、測定チューブの振幅に応じて定められる。すなわち、振動の振幅が目標値よりも小さいほど増幅率は大きく設定され、振幅が目標値に近づくと増幅率の設定は０に近づく。

具体的には、第１ＨＰＦ５４２が、第１ＬＰＦ５２４の出力する多ビット信号から直流信号（オフセット信号）をカットして測定チューブの振動に対応する交流信号を取り出す。そして、増幅率制御部５４４が、この信号に基づいて比例制御を行ない、測定チューブの振幅が目標値で安定するように乗算器５４０の増幅率を設定する。

図１０は、増幅率制御部５４４の構成を示すブロック図である。増幅率制御部５４４では、整流を行なう絶対値回路５６０によって第１ＨＰＦ５４２から出力された測定チューブの振動に対応する交流信号の絶対値を取る。さらに、第４ＬＰＦ５６２によって高周波をカットして平滑化する。これにより、測定チューブの振幅に対応する直流信号である振幅信号が得られる。

そして、減算器５６４によって、振幅信号と振幅の目標値との差分値を算出する。この差分値を可変増幅器５６６によって増幅して、乗算器５４０に対する増幅率とする。

すなわち、振幅信号が目標値より小さいときは増幅率制御部５４４の出力が大きくなり、共振回路５３２の利得が大きくなる。一方、振幅信号が目標値に近づくと増幅率制御部５４４の出力が０に近づき、共振回路５３２の利得が小さくなるという比例制御を行なっている。

なお、レジスタ５６８は、第４ＬＰＦ５６２で用いるカットオフ周波数、減算器５６４で用いる目標値、可変増幅器５６６で用いる増幅率（比例ゲイン）を記憶している。これらの値は、測定チューブの口径に応じて切り替えることにより、より安定な制御が可能となる。

図９の説明に戻って、乗算器５４０においてパルス高さが調整された多ビットのパルス密度信号は、第３ΔΣ変調器５４６によって再度ΔΣ変調されて１ビットのパルス密度信号になる。仮に乗算器５４０でパルス高さを１．２倍に増幅したとしたら、第３ΔΣ変調器５４６でパルス密度が１．２倍となり、乗算器５４０でパルス高さを０．８倍に増幅したとしたら、第３ΔΣ変調器５４６でパルス密度が０．８倍となる。

第３ΔΣ変調器５４６が出力したパルス密度信号は、ＤＡＣ５４８に入力され、アナログ信号に変換される。そして、第３ＬＰＦ５５０で高周波成分（量子化ノイズ）が除去され、第２ＨＰＦ５５２で直流信号がカットされた後、駆動出力部５３４に励振信号として入力される。駆動出力部５３４は、励振信号を増幅して加振器５１６を駆動する。この一連の動作により、共振による励振が行なわれることになる。

このように、特許文献１に記載されたコリオリ質量流量計では、遅延が極めて小さい第１ΔΣ変調器５２０が出力するパルス密度信号の増幅率を、遅延が生じる第１ＬＰＦ５２４の出力に基づいて定めている。すなわち、励振信号の基準となり位相ずれが許容されない信号については第１ΔΣ変調器５２０の出力を用い、遅延の影響の少ない増幅率設定については第１ＬＰＦ５２４の出力を用いている。これにより、デジタル制御においても遅延の少ない高精度な共振による励振を行なうことができ、安定した振幅を得ることができる。

特開２００３−３０２２７２号公報 特開２０１２−８８２３５号公報

上述のように、従来のコリオリ質量流量計では、振幅制御を行なう増幅率制御部５４４は、比例制御により加振器５１６に帰還させる信号の増幅率を設定している。

ところが、比例制御による増幅率の設定は、目標値と実際の振幅との間での定常偏差が残ってしまう場合がある。一方で、定常偏差を小さくしようとして増幅率を上げると、制御系が不安定になってしまうおそれがある。

そこで、本発明は、測定装置の共振回路において、制御系を不安定にすることなく、目標値と実際の振幅との間の定常偏差を小さくすることを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の測定装置の共振回路は、ΔΣ変調器がアナログ変位信号をΔΣ変調して得られたパルス密度信号と前記パルス密度信号から得られる多ビット信号とを入力し、励振信号を生成する測定装置の共振回路であって、前記多ビット信号から得られる振動信号に応じて増幅率を設定する増幅率制御部と、前記増幅率で前記パルス密度信号のレベルを増幅する乗算器と、前記乗算器の出力を、さらにΔΣ変調して得られるパルス密度信号に基づいて前記励振信号を生成する回路群と、を備え、前記増幅率制御部は、前記振動信号から得られる振幅信号と振幅目標値との差分に基づき、比例制御と積分制御とにより前記増幅率を設定することを特徴とする。
ここで、前記増幅率制御部は、前記積分制御において、積分値に制限値を設けることができる。
また、前記増幅率制御部は、前記積分制御において、前記振幅信号が基準値を超えると、積分値を０にするようにしてもよい。
また、前記増幅率制御部は、積分値が負の場合、０に制限してもよい。

本発明によれば、測定装置の共振回路において、制御系を不安定にすることなく、目標値と実際の振幅との間の定常偏差を小さくすることができる。

本実施形態に係る共振回路を適用したコリオリ質量流量計の要部構成を示すブロック図である。 本実施形態における増幅率制御部の構成を示すブロック図である。 積分器１６５の構成例を示すブロック図である。 積分リセット機能を追加した積分器を示すブロック図である。 積分リセット機能を追加した場合の増幅率制御部の構成を示すブロック図である。 積分値が負のときに０に制限する増幅率制御部の構成を示すブロック図である。 本実施形態に係る共振回路を適用したコリオリ質量流量計の要部構成の別例を示すブロック図である。 本実施形態に係る共振回路を適用したコリオリ質量流量計の要部構成の第２の別例を示すブロック図である。 特許文献１に記載されたコリオリ質量流量計の要部構成を示すブロック図である。 増幅率制御部の構成を示すブロック図である。

本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施形態に係る共振回路１３２を適用したコリオリ質量流量計１００の要部構成を示すブロック図である。なお、本発明の共振回路は、コリオリ質量流量計に限られず、測定対象物や測定子等の物体を振動させて物理量を測定する測定装置に広く適用することができる。

本図に示すように、コリオリ質量流量計１００は、検出器１１０、第１ΔΣ変調器１２０、第２ΔΣ変調器１２２、第１ＬＰＦ１２４、第２ＬＰＦ１２６、信号演算処理部１２８、励振回路１３０を備えている。

検出器１１０には、被測定流体が流れるＵ字管あるいは直管の測定チューブ（不図示）の上流側と下流側の変位を測定する第１センサ１１２と第２センサ１１４、駆動コイル等で構成される加振器１１６が備えられている。

第１センサ１１２、第２センサ１１４から出力された一対のアナログ変位信号は、それぞれ第１ΔΣ変調器１２０および第２ΔΣ変調器１２２によってΔΣ変調されて１ビットのパルス密度信号になる。

これらのパルス密度信号は、それぞれ第１ＬＰＦ１２４および第２ＬＰＦ１２６によって多ビット信号（通常のデジタルデータ）に変換される。２つの多ビット信号は信号演算処理部１２８へと送られ、既知の手法により質量流量と密度が演算される。

励振回路１３０は加振器１１６を駆動させて測定チューブを励振するための回路である。励振回路１３０は、第１ΔΣ変調器１２０が出力するパルス密度信号と、第１ＬＰＦ１２４が出力する多ビット信号によって動作する。

励振回路１３０は、センサの出力信号に基づいて励振信号を生成する共振回路１３２と、励振信号を増幅して加振器１１６に帰還させる駆動出力部１３４を含んでいる。

共振回路１３２では、第１ΔΣ変調器１２０が出力したパルス密度信号のパルス高さ（レベル）を乗算器１４０によって増幅する。乗算器１４０における増幅率は、測定チューブの振幅に応じて定められる。

具体的には、第１ＨＰＦ１４２が、第１ＬＰＦ１２４の出力する多ビット信号から直流信号（オフセット信号）をカットして測定チューブの振動に対応する交流信号である振動信号を取り出す。そして、増幅率制御部１４４が、この振動信号に基づいて、測定チューブの振幅が目標値で安定するように乗算器１４０の増幅率を設定する。増幅率制御部１４４の詳細な構成と動作については後述する。

乗算器１４０においてパルス高さが調整された多ビットのパルス密度信号は、第３ΔΣ変調器１４６によって再度ΔΣ変調されて１ビットのパルス密度信号になる。第３ΔΣ変調器１４６が出力したパルス密度信号は、ＤＡＣ１４８に入力され、アナログ信号に変換される。そして、第３ＬＰＦ１５０で高周波成分（量子化ノイズ）が除去され、第２ＨＰＦ１５２で直流信号がカットされた後、駆動出力部１３４に励振信号として入力される。駆動出力部１３４は、励振信号を増幅して加振器１１６を駆動する。この一連の動作により、共振による励振が行なわれることになる。なお、本例では、ＤＡＣ１４８、第３ＬＰＦ１５０および第２ＨＰＦ１５２を励磁信号を生成する回路群という。

図２は、本実施形態における増幅率制御部１４４の構成を示すブロック図である。本図に示すように、増幅率制御部１４４は、絶対値回路１６０、第４ＬＰＦ１６１、減算器１６２、第１可変増幅器１６３、第２可変増幅器１６４、積分器１６５、加算器１６６、レジスタ１６７を備えている。

この構成により、増幅率制御部１４４では、整流を行なう絶対値回路１６０によって第１ＨＰＦ１４２から出力された振動信号の絶対値を取る。さらに、第４ＬＰＦ１６１によって高周波をカットして平滑化する。これにより、測定チューブの振幅に対応する直流信号である振幅信号が得られる。

そして、減算器１６２によって、振幅信号と振幅の目標値との間で差分値を取る。この差分値を第１可変増幅器１６３によって増幅することにより比例制御を行ない、さらに、差分値を第２可変増幅器１６４で増幅した値を積分器１６５で積分することにより積分制御を行なう。

図３は、積分器１６５の構成例を示すブロック図である。出力積分値を時間遅延演算子１７１に通して、加算器１７２により入力に加算することで積分動作を行なっている。積分の時定数τは、比例ゲインをＧｐ、積分ゲインをＧｉ、増幅率制御部１４４におけるサンプリング周波数をｆｓとすると、例えば、τ＝Ｇｐ／Ｇｉ／ｆｓで決定することができる。なお、積分器１６５には、リミット回路１７３を設けており、時間遅延演算子１７１がオーバーフローしないようにしている。

図２の説明に戻って、第１可変増幅器１６３が出力する比例制御の値と積分器１６５が出力する積分制御の値は、加算器１６６で加算されて次段の乗算器１４０に入力される。

レジスタ１６７は、第４ＬＰＦ１６１で用いるカットオフ周波数、減算器１６２で用いる目標値、第１可変増幅器１６３で用いる増幅率（比例ゲイン）、第２可変増幅器１６４で用いる増幅率（積分ゲイン）を記憶している。これらの値は、測定チューブの口径に応じて切り替えることにより、より安定な制御が可能となる。なお、比例ゲインと積分ゲインとを設定する際は、発振等を防ぐために、ゲイン余裕や位相余裕等の制御系の安定性を考慮するものとする。

このように、本実施形態では、従来の比例制御に加え、偏差の積分値を加算する積分制御を行なうことで、制御系を不安定にすることなく、目標値と実際の振幅との間の定常偏差を小さくするようにしている。

なお、図４に示すように、積分器１６５に制御部１７４とコンパレータ１７５とで実現される積分リセット機能を追加してもよい。本図の例では、第４ＬＰＦ１６１が出力する振幅信号と、あらかじめ設定された積分リセットレベル（基準値）とをコンパレータ１７５で比較する。コンパレータ１７５は、振幅信号が積分リセットレベルを超えるとリセット信号を制御部１７４に入力する。

制御部１７４は、リセット信号が入力されると０を出力し、それ以外のときはリミット回路１７３の出力をそのまま出力する。このため、振幅信号が積分リセットレベルを超えたときに、積分値がリセットされることになる。

例えば、被測定流体に気泡が混入すると、測定チューブの振幅が小さくなり、積分器１６５の出力がリミットに達する場合がある。この状態で気泡混入が収まると、積分器１６５の出力がリミットのまま振幅値を目標値に近づけようとするため、過積分となり、振幅信号が増大し続け、検出器１１０が異常振動してしまうおそれがある。

そこで、第４ＬＰＦ１６１が出力する振幅信号が積分リセットレベルを超えると、積分値をリセットすることにより、過積分を防ぐようにしている。

なお、この場合、増幅率制御部１４４は、図５に示すような構成とすることができる。すなわち、レジスタ１６７に積分リセットレベルを設定しておき、この積分リセットレベルと第４ＬＰＦ１６１の出力とを図４に示した構成の積分器１６５に入力すればよい。

さらに、図６に示すように、リミット回路１７３において、積分値が負のときに、０に制限してもよい。この場合、リセット後の振幅目標値＜振幅信号の期間で、負の積分が行なわれなくなるため、積分値をスムーズに振幅目標値に戻すことが可能となる。

図７は、本実施形態に係る共振回路１３２を適用したコリオリ質量流量計１００の要部構成の別例を示すブロック図である。別例における共振回路１３２では、定常時用の経路と起動時用の経路とを設けており、セレクタ１８４でどちらの経路を用いるかを択一的に切り替える。定常時用の経路では、振幅が目標値で安定するような励振信号が生成され、起動時用の経路では、振幅が早く目標値に達するような励振信号が生成される。

起動時用の経路と駆動出力部１３４に励振信号を出力する前に、両経路の出力が加算器１９０で加算されるが、セレクタ１８４で選択された経路の信号のみが加算器１９０に入力されるため、両経路の信号が加算されることはない。

定常時用の経路においては、第１ΔΣ変調器１２０が出力したパルス密度信号のパルス高さ（レベル）を乗算器１４０によって増幅する。乗算器１４０における増幅率は、上述のように、増幅率制御部１４４が測定チューブの振幅に応じて比例制御と積分制御により設定する。

乗算器１４０においてパルス高さが調整された多ビットのパルス密度信号は、第３ΔΣ変調器１４６によって再度ΔΣ変調されて１ビットのパルス密度信号になる。第３ΔΣ変調器１４６が出力したパルス密度信号は、セレクタ１８４のＩＮ１−ＯＵＴ１の経路を介してＤＡＣ１４８に入力され、アナログ信号に変換される。そして、第３ＬＰＦ１５０で高周波成分（量子化ノイズ）が除去され、第２ＨＰＦ１５２で直流信号がカットされた後、加算器１９０を介して駆動出力部１３４に励振信号として入力される。駆動出力部１３４は、励振信号を増幅して加振器１１６を駆動する。この一連の動作により、定常時の共振による励振が行なわれることになる。

起動時用の経路においては、第１ＨＰＦ１４２が出力する振動信号を、コンパレータ１８０を用いて二値化する。すなわち、振動の変位が正であればＨを出力し、振動の変位が負であればＬを出力する。

コンパレータ１８０の出力は、セレクタ１８４のＩＮ２−ＯＵＴ２の経路を介して第２ＤＡＣ１８６に入力され、矩形状のアナログ信号に変換される。そして、第３ＨＰＦ１８８で直流信号がカットされて、加算器１９０を介して駆動出力部１３４に励振信号として入力される。このため、励振信号は、振動の変位が正であれば、正の最大値となり、振動の変位が負であれば、負の最大値となる。

すなわち、定常用の経路では、振動の振幅に応じた増幅率を設定することで、一定の振幅になるようにし、起動用の経路では、振動の変位の正負に応じた大きな値を帰還させることで振幅が迅速に目標値に到達するようにしている。

ここで、セレクタ１８４の切替制御は、切替判定部１８２により行なわれる。切替判定部１８２は、第１ＨＰＦ１４２が出力する振動信号から振幅の大きさに対応する振幅信号を生成する。そして、振幅信号が所定の基準値よりも小さい場合には、起動時であるとしてセレクタ１８４を起動時用の経路、すなわちＩＮ２−ＯＵＴ２の経路に切り替える。一方、振幅信号が所定の基準値よりも大きい場合には、定常時であるとしてセレクタ１８４を定常時用の経路、すなわちＩＮ１−ＯＵＴ１の経路に切り替える。

本別例においても、従来の比例制御に加え、偏差の積分値を加算する積分制御を行なうことで、制御系を不安定にすることなく、目標値と実際の振幅との間の定常偏差を小さくするようにしている。

図８は、本実施形態に係る共振回路１３２を適用したコリオリ質量流量計１００の要部構成の第２の別例を示すブロック図である。上記の別例では、第１ΔΣ変調器１２０の出力を乗算器１４０に入力し、第１ＬＰＦ１２４の出力を第１ＨＰＦ１４２に入力していたが、第２の別例では、第１ΔΣ変調器１２０の出力と第２ΔΣ変調器１２２の出力を第１加算器１９２で加算して乗算器１４０に入力し、第１ＬＰＦ１２４の出力と第２ＬＰＦ１２６の出力を第２加算器１９４で加算して第１ＨＰＦ１４２に入力するようにしている。

第２の別例では、気泡混入等により、第１センサ１１２の出力あるいは第２センサ１１４の出力が、一時的に乱れた場合であっても、２つの出力が平均化されるため、乱れの影響を小さくすることができる。

また、第２の別例においても、従来の比例制御に加え、偏差の積分値を加算する積分制御を行なうことで、制御系を不安定にすることなく、目標値と実際の振幅との間の定常偏差を小さくするようにしている。

１００…コリオリ質量流量計、１１０…検出器、１１２…第１センサ、１１４…第２センサ、１１６…加振器、１２０…第１ΔΣ変調器、１２２…第２ΔΣ変調器、１２４…第１ＬＰＦ、１２６…第２ＬＰＦ、１２８…信号演算処理部、１３０…励振回路、１３２…共振回路、１３４…駆動出力部、１４０…乗算器、１４２…第１ＨＰＦ、１４４…増幅率制御部、１４６…第３ΔΣ変調器、１４８…ＤＡＣ、１５０…第３ＬＰＦ、１５２…第２ＨＰＦ、１６０…絶対値回路、１６１…第４ＬＰＦ、１６２…減算器、１６３…第１可変増幅器、１６４…第２可変増幅器、１６５…積分器、１６６…加算器、１６７…レジスタ、１７１…遅延演算子、１７２…加算器、１７３…リミット回路、１７４…制御部、１７５…コンパレータ、１８０…コンパレータ、１８２…切替判定部、１８４…セレクタ、１８６…第２ＤＡＣ、１８８…第３ＨＰＦ、１９０…加算器、１９２…第１加算器、１９４…第２加算器

Claims (4)

1. ΔΣ変調器がアナログ変位信号をΔΣ変調して得られたパルス密度信号と前記パルス密度信号から得られる多ビット信号とを入力し、励振信号を生成する測定装置の共振回路であって、
   前記多ビット信号から得られる振動信号に応じて増幅率を設定する増幅率制御部と、
   前記増幅率で前記パルス密度信号のレベルを増幅する乗算器と、
   前記乗算器の出力を、さらにΔΣ変調して得られるパルス密度信号に基づいて前記励振信号を生成する回路群と、を備え、
   前記増幅率制御部は、前記振動信号から得られる振幅信号と振幅目標値との差分に基づき、比例制御と積分制御とにより前記増幅率を設定することを特徴とする測定装置の共振回路。
2. 前記増幅率制御部は、前記積分制御において、積分値に制限値を設けていることを特徴とする請求項１に記載の測定装置の共振回路。
3. 前記増幅率制御部は、前記積分制御において、前記振幅信号が基準値を超えると、積分値を０にすることを特徴とする請求項１または２に記載の測定装置の共振回路。
4. 前記増幅率制御部は、積分値が負の場合、０に制限することを特徴とする請求項２または３に記載の測定装置の共振回路。