JP6615312B2

JP6615312B2 - 振動流量計のテスト・トーン・ランプ時間の短縮

Info

Publication number: JP6615312B2
Application number: JP2018504135A
Authority: JP
Inventors: マシュージョセフレンシング，; クリストファージョージラーセン，; ティモシージェイ．カニンガム，
Original assignee: マイクロモーションインコーポレイテッド
Priority date: 2015-07-27
Filing date: 2015-07-27
Publication date: 2019-12-04
Anticipated expiration: 2035-07-27
Also published as: WO2017019012A1; EP3329228B1; EP3329228A1; US10605647B2; US20180216987A1; JP2018522243A; CN107850477A; CN107850477B

Description

本発明は、振動流量計およびその方法に関し、特に、改善された振動流量計およびメータ検証方法に関する。

コリオリ質量流量計および振動密度計などの振動導管センサは、典型的には、流動する材料を含む振動導管の運動を検出することによって動作する。導管内の材料に関連する特性、例えば質量流量、密度などは、導管に関連付けられている運動変換器から受信した測定信号を処理することによって決定することができる。振動材料で充填されたシステムの振動モードは、一般に、収容する導管およびその中に収容された材料の組み合わさった質量、剛性、および減衰特性の影響を受ける。

典型的なコリオリ質量流量計は、パイプラインまたは他の輸送システム内で直列に接続され、システム内の物質、例えば流体、スラリー、エマルションなどを搬送する1つまたは複数の導管または流管を含む。各導管は、例えば、単純な曲げモード、ねじれモード、径方向モードおよび複合モードを含む一組の固有振動モードを有するものとして見ることができる。典型的なコリオリ質量流量測定の応用では、材料が導管を通って流れるときに導管がある振動モードで励起され、導管の運動が導管に沿って離間した点において測定される。励起は、典型的には、アクチュエータ、例えば、導管を周期的に摂動させるボイスコイルタイプのドライバのような電気機械装置によって与えられる。質量流量は、変換器位置での運動間の時間遅延または位相差を測定することによって決定することができる。2つのこのような変換器（またはピックオフセンサ）は、典型的には、1つまたは複数の流導管の振動応答を測定するために使用され、典型的には、アクチュエータの上流および下流の両方の位置に配置される。2つのピックオフセンサは電子計装に接続されている。計装は、2つのピックオフセンサから信号を受信し、とりわけ、質量流量測定値または密度測定値を導出するために信号を処理する。

1つまたは複数の導管が経時的に特性を変える場合があり、導管が腐食、侵食または他の方法で変化すると、初期の工場較正が変化する場合があるという問題がある。結果として、導管の剛性は、振動流量計の寿命にわたって最初の代表的な剛性値（または元の測定剛性値）から変化し得る。

流量計によって生成される質量流量（ｍドット（ｍの１階微分））は、以下の式に従って導出することができる。

流量較正係数（FCF）は、流体の質量流量測定値（ｍドット）または密度測定値（ρ）を決定するために必要とされる。FCF項は、典型的には幾何学定数（G）、ヤング率（E）、および慣性モーメント（I）を含み、以下のようになる。

振動流量計の幾何学定数（G）は固定されており、変化しない。ヤング率（E）も同様に変化しない。対照的に、慣性モーメント（I）は変化し得る。振動流量計の慣性モーメントおよびFCFの変化を追跡する1つの方法は、流量計導管の剛性を監視することである。
振動流量計の基本性能に影響を与えるFCFの変化を追跡するためのより良い方法が常に求められている。コリオリ流量計のFCFを追跡する際の時間を短縮し、かつ／または精度を向上させ、それによって流量計の性能を向上させた精度で検証するための装置および技術が必要とされている。

一実施形態による振動流量計のメータ検証方法が提供される。この方法は、ドライバを使用してある振動モードの複数のテストトーンで振動流量計のセンサアセンブリを振動させるステップであって、複数のテストトーンはランプ関数(ramp function)がないときに実質的に瞬間的に与えられる、振動させるステップと、振動モードについてのドライバの電流を決定するステップとを含む。また、振動モードの第1のピックオフセンサおよび第2のピックオフセンサの第1の応答電圧および第2の応答電圧が決定される。第1のピックオフセンサ信号および第2のピックオフセンサ信号の瞬時周波数が測定される。ピックオフセンサ信号および電流信号にフィルタリングを適用して、複数のテストトーンの各々における応答を分離する。このフィルタは瞬時周波数測定に適用される。複数のテストトーンの各々における周波数測定値および応答に同じ遅延が適用される。電流および応答電圧を使用してメータ剛性値が生成され、メータ剛性値を使用して振動流量計の適切な動作が検証される。

一実施形態によるメータ検証のための振動流量計が提供される。振動流量計は、1つまたは複数の流管、第1のピックオフセンサおよび第2のピックオフセンサを含むセンサアセンブリと、1つまたは複数の流管を振動させるように構成されたドライバとを備える。メータ電子機器が、第1のピックオフセンサおよび第2のピックオフセンサに結合され、ドライバに結合されており、メータ電子機器は、ドライバを使用してある振動モードの複数のテストトーンを用いてセンサアセンブリを振動させ、ここで、複数のテストトーンはランプ関数なしで与えられ、その振動モードについてのドライバの電流を決定し、そのモードについての第1のピックオフセンサおよび第2のピックオフセンサの応答電圧を決定し、第1のピックオフセンサ信号および第2のピックオフセンサ信号の瞬時周波数を測定し、第1のピックオフセンサ信号および第2のピックオフセンサ信号ならびに電流信号にフィルタを適用して、複数のテストトーンの各々における応答を分離し、瞬時周波数測定値にフィルタを適用し、複数のテストトーンの各々における周波数測定値および応答に同じ遅延を適用し、電流および応答電圧を用いてメータ剛性値を生成し、メータ剛性値を使用して振動流量計が正常に動作していることを検証するように構成されている。

態様
一態様によれば、振動流量計のメータ検証方法は、ドライバを使用してある振動モードの複数のテストトーンを用いて振動流量計のセンサアセンブリを振動させるステップであって、複数のテストトーンはランプ関数なしで実質的に瞬間的に与えられる、振動させるステップと、その振動モードについてのドライバの電流を決定するステップと、そのモードについての第1のピックオフセンサおよび第2のピックオフセンサの応答電圧を決定するステップと、第1のピックオフセンサ信号および第2のピックオフセンサ信号の瞬時周波数を測定するステップと、第1のピックオフセンサ信号および第2のピックオフセンサ信号ならびに電流信号にフィルタを適用して、複数のテストトーンの各々における応答を分離するステップと、瞬時周波数測定値にフィルタを適用するステップと、複数のテストトーンの各々における周波数測定値および応答に同じ遅延を適用するステップと、電流および応答電圧を用いてメータ剛性値を生成するステップと、メータ剛性値を使用して振動流量計が正常に動作していることを検証するステップとを含む。

好ましくは、フィルタは、複数のフィルタ係数を含む。

好ましくは、この方法は、複数のフィルタ制約を定義するステップと、フィルタの応答を計算するステップと、フィルタの応答が上記定義されたフィルタ特性を満たし、かつ／または、超えるまで、フィルタ係数の数を反復的に増加させるステップとを含む。

好ましくは、複数のフィルタ制約は、少なくとも1つの通過帯域周波数および少なくとも1つの阻止帯域周波数を含む。

好ましくは、複数のフィルタ制約は、周波数帯域ごとのデシベル減衰、通過帯域リップル、阻止帯域減衰、ナイキスト周波数、およびフィルタ振幅のうちの少なくとも1つを含む。

好ましくは、フィルタ係数の数を反復的に増加させるステップの後にフィルタ応答を再計算するステップ。

好ましくは、振動流量計の動作が適切であることを検証するステップは、メータ剛性値を所定の剛性範囲と比較するステップと、メータ剛性値が所定の剛性範囲内にある場合、振動流量計の検証表示を生成するステップと、メータ剛性値が所定の剛性範囲内にない場合、振動流量計の検証失敗表示を生成するステップとを含む。

一態様によれば、メータ検証のための振動流量計が提供される。振動流量計は、1つまたは複数の流管ならびに第2のピックオフセンサおよび第2のピックオフセンサを含むセンサアセンブリと、1つまたは複数の流管を振動させるように構成されているドライバと、第1のピックオフセンサおよび第2のピックオフセンサに結合され、ドライバに結合されているメータ電子機器とを備え、メータ電子機器は、ドライバを使用してある振動モードの複数のテストトーンを用いてセンサアセンブリを振動させ、ここで、複数のテストトーンはランプ関数なしで与えられ、その振動モードについてのドライバの電流を決定し、そのモードについての第1のピックオフセンサおよび第2のピックオフセンサの応答電圧を決定し、第1のピックオフセンサ信号および第2のピックオフセンサ信号の瞬時周波数を測定し、第1のピックオフセンサ信号および第2のピックオフセンサ信号ならびに電流信号にフィルタを適用して、複数のテストトーンの各々における応答を分離し、瞬時周波数測定値にフィルタを適用し、複数のテストトーンの各々において周波数測定値および応答に同じ遅延を適用し、電流および応答電圧を用いてメータ剛性値を生成し、メータ剛性値を使用して振動流量計が正常に動作していることを検証するように構成されている。

好ましくは、フィルタは、複数のフィルタ係数を含む。

好ましくは、メータ電子機器は、複数のフィルタ特性制約を受信し、フィルタの応答を計算し、フィルタの応答が上記定義されているフィルタ特性を満たし、かつ／または、超えるまで、フィルタ係数の数を反復的に増加させるように構成されている。

好ましくは、複数のフィルタ制約は、通過帯域周波数および阻止帯域周波数を含む。

好ましくは、メータ電子機器は、フィルタ係数の数を反復的に増加させた後にフィルタ応答を再計算するように構成されている。

同じ参照番号は、すべての図面上で同じ要素を表す。図面は必ずしも原寸に比例しない。
一実施形態による振動流量計を示す図である。 2つの平行な湾曲した流管が曲げモードで振動される、湾曲した流管を有する振動流量計を表す図である。一実施形態によるメータ電子機器を示す図である。望ましいフィルタ応答の例を示すグラフ図である。フィルタ応答の例を示すグラフ図である。一実施形態によるフィルタ設計方法のフローチャートである。一実施形態による振動流量計のメータ検証方法のフローチャートである。

図1〜図6および以下の説明は、当業者に本発明の最良の形態を作成および使用する方法を教示するための特定の例を示している。本発明の原理を教示する目的のために、いくつかの従来の態様は簡略化または省略されている。当業者であれば、本発明の範囲内に入るこれらの実施例からの変形を理解するであろう。当業者であれば、以下に説明する特徴を様々な方法で組み合わせて本発明の複数の変形を形成することができることを理解するであろう。その結果、本発明は、以下に説明する具体例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は、一実施形態による改善されたメータ検証のための振動流量計5を示す。流量計5は、センサアセンブリ10と、センサアセンブリ10に結合されたメータ電子機器20とを備える。センサアセンブリ10は、少なくともプロセス材料の質量流量および／または密度に応答する。メータ電子機器20は、通信リンク26を介して密度、質量流量、および温度情報、ならびに他の情報を提供するために、リード線100を介してセンサアセンブリ10に接続される。コリオリ流量計構造が記載されているが、本発明は振動管密度計としても動作可能であることが当業者には明らかである。

センサアセンブリ10は、マニホールド150および150'と、フランジネック110および110'を有するフランジ103および103'と、平行流管130および130'と、ドライバ180と、第1のピックオフセンサ170Lおよび第2のピックオフセンサ170Rとを含む。ドライバ180は、1つまたは複数の流管130および130'と連通している。加えて、いくつかの実施形態では、センサアセンブリ10は、温度センサ190を含むことができる。流管130および130'は、2つの基本的に直線状の入口脚部131および131'と、流管取り付けブロック120および120'において互いに向かって収束する出口脚部134および134'を有する。流管130および130'は、その長さに沿って2つの対称位置で曲がり、それらの長さ全体にわたって本質的に平行である。ブレースバー140および140'は、各流管がその周りで振動する軸Wおよび実質的に平行な軸W'を画定するように機能する。

流管130および130'の側脚部131,131'および134,134'は、流管取り付けブロック120および120'に固定して取り付けられ、これらのブロックは、マニホールド150および150'に固定して取り付けられる。これは、センサアセンブリ10を通る連続的な閉鎖材料経路を提供する。

孔102および102'を有するフランジ103および103'が、入口端部104および出口端部104'を介して、測定することができるプロセス材料を搬送するプロセスライン（図示せず）に接続されると、材料はフランジ103内のオリフィス101を通じてメータの端部104に入り、マニホールド150を通って表面121を有する流管取り付けブロック120に導かれる。マニホールド150内で、材料は分割され、流管130および130'を通って送られる。流管130および130'を出ると、プロセス材料はマニホールド150'内で単一の流れに再結合され、その後、ボルト孔102'を有するフランジ103'によってプロセスライン（図示せず）に接続されている出口端部104'に送られる。

流管130および130'は、それぞれ曲げ軸W-WおよびW'-W'を中心とした実質的に同じ質量分布、慣性モーメントおよびヤング率を有するように選択され、流管取り付けブロック120および120'に適切に取付けられる。これらの曲げ軸は、ブレースバー140および140'を通過する。流管のヤング率が温度によって変化し、この変化が流量および密度の計算に影響を及ぼす限り、抵抗温度検出器（RTD）190は流管130'に取り付けられ、流管の温度を連続的に測定する。RTD190にわたって見られる温度依存電圧は、メータ電子機器20によって、流管温度の任意の変化に起因する流管130および130'の弾性率の変化を補償するために使用することができる。RTD190は、リード線195によってメータ電子機器20に接続されている。

図2は、2つの平行な湾曲した流管130および130’が曲げモードで振動される、湾曲した流管130および130’を有する振動流量計5を表す。図中の破線は、2つの流管130および130'の休止位置を示す。曲げモードでは、流管130および130'は曲げ軸W-WおよびW'-W'に対して振動する。その結果、流管130および130'は互いに（曲線状の矢印によって示されるように）周期的に互いから外方に運動し、次に互いに向かって運動する。各流管130および130'は、曲げ軸W-WおよびW'-W'に対して全体として運動することが分かる。

メータ電子機器20は、リード線195上のRTD温度信号、ならびに、それぞれリード線165Lおよび165R上に見られる左右の速度信号を受信する。メータ電子機器20は、ドライバ180へのリード線185に見られる駆動信号を生成し、流管130および130'を振動させる。メータ電子機器20は、左右の速度信号およびRTD信号を処理して、センサアセンブリ10を通過する材料の質量流量および密度を計算する。この情報は、他の情報と共に、メータ電子機器20によって、通信リンク26を介して1つまたは複数の外部装置に与えられる。

流量計は、動作、動作環境、および流量計を通って流れる流動材料によって必然的に影響される。その結果、メータ剛性は、例えば流動材料による侵食および腐食などに起因して経時的に変化する場合がある。メータ剛性の変化は、誤った流量測定につながる可能性がある。その結果、製造時に得られた流量較正係数値を用いて振動流量計を動作させると、結果として、時間の経過とともに振動流量計による測定がますます不正確になる可能性がある。

図3は、一実施形態による振動流量計5のメータ検証のためのメータ電子機器20を示す。メータ電子機器20は、インターフェース201および処理システム203を含むことができる。メータ電子機器20は、第1のピックオフセンサ170Lおよび第2のピックオフセンサ170Rからのピックオフセンサ信号など、センサアセンブリ10からの第1のセンサ信号および第2のセンサ信号を受信して処理する。

インターフェース201は、リード線165を介してドライバ180に駆動信号を送信する。代替的に、インターフェース201は、駆動信号およびメータ検証励起信号をドライバ180に送信することができる。結果として、メータ電子機器20は、メータ検証プロセスのために、追加の信号（すなわち、メータ検証励起信号）をドライバ180に注入することができる。次に、メータ検証励起信号によってドライバ180の電流を測定することができる。

インターフェース201は、図1に示すように、リード線100を介して第1のピックオフセンサ170Lおよび第2のピックオフセンサ170Rから第1のセンサ信号および第2のセンサ信号を受信する。インターフェース201は、任意の様式のフォーマット、増幅、バッファリングなどの任意の必要な、または所望の信号調整を行うことができる。代替的に、信号調整の一部または全部を処理システム203において実行することができる。

さらに、インターフェース201は、例えば、通信リンク26などを介して、メータ電子機器20と外部装置との間の通信を可能にすることができる。インターフェース201は、測定データを通信リンク26を介して外部装置に転送することができ、外部装置からコマンド、更新、データ、および他の情報を受信することができる。インターフェース201は、任意の様式の電子的、光学的、または無線通信が可能であり得る。

インターフェース201は、一実施形態ではデジタイザを備え、センサ信号はアナログセンサ信号を含む。デジタイザは、アナログセンサ信号をサンプリングし、デジタル化し、デジタルセンサ信号を生成する。インターフェース／デジタイザはまた、任意の必要なデシメーションを実行することができ、必要な信号処理の量を低減し、処理時間を短縮するために、デジタルセンサ信号がデシメーションされる。

処理システム203は、メータ電子機器20の動作を行い、センサアセンブリ10からの流動測定値を処理する。処理システム203は、動作ルーチン210を実行し、それによって、1つ以上の流動特性（または他の流動測定値）を生成するために流動測定値を処理する。

処理システム203は、汎用コンピュータ、マイクロプロセッシングシステム、論理回路、または何らかの他の汎用もしくはカスタマイズされた処理装置を含むことができる。処理システム203は、複数の処理装置の間で分散させることができる。処理システム203は、記憶システム204のような任意の様式の一体型または独立した電子記憶媒体を含むことができる。記憶システム204は、処理システム203に結合されてもよく、または処理システム203に統合されてもよい。

記憶システム204は、振動流量計5の動作中に生成される情報を含む、振動流量計5を動作させるために使用される情報を記憶することができる。記憶システム204は、流管130および130'を振動させるために使用され、ドライバ180に提供される1つまたは複数の信号を記憶することができる。さらに、記憶システム204は、流管130および130'が振動するときに、第1のピックオフセンサ170Lおよび第2のピックオフセンサ170Rによって生成される振動応答信号を記憶することができる。

駆動信号は、例えば、メータ検証励起信号（トーン）とともに、振動を生成することを含むことができる。いくつかの実施形態における振動は、曲げモード振動を含むことができる。しかしながら、他のまたは追加の振動モードが考えられ、本明細書および請求項の範囲内にある。

記憶システム204は、電流230を記憶することができる。駆動電流230は、センサアセンブリ10における振動モードを生成するために使用される1つまたは複数の駆動／励起電流、およびメータ検証信号を含むことができる。

記憶システム204は、応答電圧231を記憶することができる。応答電圧231は、振動モードに応答して生成される正弦波電圧信号または電圧レベルを含むことができる。応答電圧231は、第1のピックオフセンサ170Lおよび第2のピックオフセンサ170Rの一方または両方によって生成される電圧信号または電圧レベル（ピーク電圧など）を含むことができる。応答電圧には、メータ検証励起信号周波数における応答も含まれる。

記憶システム204は、メータ剛性値216を記憶することができる。メータ剛性値216は、振動流量計5の動作中に生成される振動応答から決定される剛性値を含む。メータ剛性値216は、振動流量計5の適切な動作を検証するために生成することができる。メータ剛性値216は、検証プロセスのために生成することができ、メータ剛性値216は、振動流量計5の適切で正確な動作を検証する目的に役立つ。

メータ剛性値216は、一次振動モードの間に生成される情報または測定値から生成することができる。流量計の振動応答は、以下を含む開ループ2次駆動モデルによって表すことができる。

式中、fはシステムに加えられる力であり、Mはシステムの質量パラメータであり、Cは減衰パラメータであり、Kは剛性パラメータである。項xは振動の物理的変位距離であり、項ｘドット（ｘの１階微分）は流管変位の速度であり、項ｘ２ドット（ｘの２階微分）は加速度である。これは一般にMCKモデルと呼ばれる。この式は次の形式に再編成することができる。

式（4）は、初期条件を無視して、さらに操作して伝達関数形式にすることができる。結果は次のとおりである。

さらなる操作は、以下を含む、式（5）を一次極−残差周波数応答関数形式に変換することができる。

式中、λは極であり、Rは残差であり、項jは-1の平方根を含み、ωはラジアン／秒単位の円励起周波数である。

固有／共振周波数（ω_n）、減衰固有周波数（ω_d）、および減衰特性（ζ）を含むシステムパラメータは、極（λ）によって定義される。

システムの剛性パラメータ（K）、減衰パラメータ（C）および質量パラメータ（M）は、極（λ）および残差（R）から導き出すことができる。

したがって、剛性パラメータ（K）、質量パラメータ（M）および減衰パラメータ（C）は、極（λ）および残差（R）の良好な推定値に基づいて計算することができる。

極（λ）および残差（R）は、測定された周波数応答関数（FRF）から推定される。極（λ）および残差（R）は、例えば、反復計算法を使用して推定することができる。

駆動周波数付近の応答は、主に式（6）の第1項から構成され、複素共役項は、応答の小さい、ほぼ一定の「残差」部分にしか寄与しない。結果として、式（6）は次のように単純化することができる。

式（13）において、H（ω）項は測定されたFRFである。この導出では、Hは変位出力を力入力で除算したもので構成されている。しかし、コリオリ流量計に典型的なボイス・コイル・ピックオフでは、測定されたFRF（すなわち、H（速度／力）項）は速度を力で除算したものである。したがって、式（13）は、次の形に変換することができる。

式（14）は、極（λ）および残差（R）について容易に解くことができる形式にさらに再構成することができる。

十分な数のトーン（ω）で測定すると、式（15）〜（17）は式の過剰決定系を形成する。式（17）は、速度／力FRF（H（速度／力））から極（λ）および残差（R）を決定するために計算的に解くことができる。項H、R、λは複素数である。

FRFが共通の極（λ）を共有するが残差（R_L）と（R_R）とを分離することを認識すると、有利には、よりロバストな極および残差の決定をもたらすために、2つの測定値を組み合わせることができる。

式（18）は、任意のいくつかの方法で解くことができる。一実施形態では、式は再帰最小二乗法によって解決される。別の実施形態では、式は擬似逆技法によって解決される。さらに別の実施形態では、すべての測定値が同時に利用可能であるため、標準的なQ-R分解技法を使用することができる。Q-R分解技法は、「Modern Control Theory」（William Brogan, copyright 1991, Prentice Hall, pp. 222-224, 168-172）に記載されている。

式（18）を解いた後、式（10）および（11）に従って剛性値を生成するために極（λ）および残差（R）を使用することができる。式（10）および（11）を使用して、ドライバ180と左右のピックオフとの間の剛性値を生成することができる。剛性値は[2×1]の大きさである。剛性ベクトルXは、メータ剛性値216として記憶することができる。

記憶システム204は、メータ電子機器20にプログラムされているベースラインメータ剛性209を記憶することができる。いくつかの実施形態では、ベースラインメータ剛性209は、振動流量計5の構築または販売時など、工場でメータ電子機器20にプログラムされてもよい。代替的に、ベースラインメータ剛性209は、現場較正操作または他の較正または再較正操作中にメータ電子機器20にプログラムされてもよい。しかしながら、ほとんどの実施形態におけるベースラインメータ剛性209は、一般に、ユーザもしくは操作者によって、または振動流量計5の現場操作中に変更可能ではないことを理解されたい。

メータ剛性値216がベースラインメータ剛性209と実質的に同じである場合、振動流量計5が製造され、較正されたときからの状態において、または最後に再較正されたときからの状態において、振動流量計5が相対的に変化していないと判定することができる。代替的に、メータ剛性値216がベースラインメータ剛性209と大きく異なる場合には、振動流量計5が金属疲労、腐食、流れによる侵食、または他の動作状態もしくは効果に起因して変化しているなど、振動流量計5が劣化しており、正確かつ確実には動作していない場合があると判定することができる。

記憶システム204は、所定の剛性範囲219を記憶することができる。所定の剛性範囲219は、許容される剛性値の選択された範囲を含む。所定の剛性範囲219は、振動流量計5の通常の摩耗を計上するように選択することができる。所定の剛性範囲219は、振動流量計5における腐食または侵食を計上するように選択されてもよい。

いくつかの実施形態では、記憶システム204は、検証ルーチン213を記憶する。検証ルーチン213は、処理システム203によって実行されると、振動流量計5の検証プロセスを実行することができる。いくつかの実施形態では、検証ルーチン213を実行するときの処理システム203は、メータ剛性値を生成するように構成される。いくつかの実施形態では、検証ルーチン213を実行するときの処理システム203は、メータ剛性値を生成し、メータ剛性値を使用して振動流量計の適切な動作を検証するように構成される。実際の流量較正試験を実施することなく、メータ電子機器20が現場で剛性判定を行うことができるため、検証動作は重要である。これは、較正試験台または他の特別な機器または特別な流体なしで剛性の決定を可能にする。これは、現場で流量較正を実施することは費用がかかり、困難で時間がかかるため、望ましい。

本発明の実施形態では、デシメーションおよびアップサンプリングの両方におけるエイリアシングを避けるために、フィルタリングが必要であり得る。フィルタは、フィルタ次数に応じて関連する整定時間および遅延を有するため、制御の観点から大きな遅延は問題となる。デシメーションフィルタの設計はトレードオフである。すなわち、フィルタ次数と所望の減衰とは、フィルタの速度とフィルタの有効性との間の最適なバランスを提供するように管理されなければならない。図4Aは、例示的な所望のフィルタの事例である、4kHzから1kHzまでのサンプリングレートでのデシメーションを示す。一実施形態によるデシメーションフィルタは、図4Bに示すように図4Aの所望のフィルタリングを達成するように設計されている。ナイキスト周波数は約500Hzである。しかし、エイリアシングを避けるためには、500Hzを上回るすべてのコンテンツをフィルタリング除外する必要があり、これを達成するには、減衰をはるかに低い周波数で開始しなければならず、したがって、約340Hzまでのみにクリーンな通過帯域が存在する。明らかに、最適なフィルタ設計は、所望のフィルタ応答とフィルタ次数との間のトレードオフである。

最終的な所望の目標に関連する帯域を選択的にフィルタリングすることによって、フィルタ性能を向上させることおよび／または応答時間を短縮することが可能となる。例えば、所与のデシメーションフィルタがこれまでに80個のフィルタ係数を使用していると仮定する。本発明の一実施形態では、本明細書に概説された手法で設計されたフィルタは、25個のフィルタ係数のみで同じ所望の減衰を達成することができ、例えば、これは限定ではなく、応答時間がより速いことに等しい。代替的に、このアプローチは、例えば、80個の係数を使用することによって、同じ応答時間で著しく増加した減衰を提供することができる。無論、減衰と応答時間の両方の改善は、例えば25と80との間のいくつかの係数を使用することによって得られる。示された係数の数は単に例を提供するために行われ、80を超えるまたは25未満の係数およびその間の任意の数が考えられることを強調しなければならない。

フィルタは、所望の周波数および重みを制約として使用して設計され、特定の設計反復において、フィルタが設計制約を満たすかまたは超える場合、フィルタ係数が戻される。しかし、設計が所望の基準を満たさない場合、フィルタ次数は設計制約が満たされるまで反復的に増加する。一実施形態では、フィルタが設計基準に対して反復的にプロットされ、それによって、ユーザは追加のフィルタ係数の利点を視覚化することができる。

図5を参照すると、フローチャートは、最小数の必要なフィルタ係数を有するフィルタを設計するための実施形態を示す。このプロセスは、ステップ500に示すように、フィルタの特性を定義することから始まる。例えば、限定はしないが、特性は、周波数帯域当たりの指定のデシベル減衰、特定の周波数帯域、通過帯域リップル、阻止帯域減衰、ナイキスト周波数、フィルタ振幅などを含むことができる。最初に、ステップ502において、定義された所望のフィルタ特性との比較のためのベースラインを確立するように、フィルタの応答が計算される。ステップ504において、通過帯域周波数が、ステップ502で定義された所望のフィルタ特性を満たすか、またはそれを超えるか否かが判定される。この比較は、経験的にまたはシミュレーションの使用によって達成することができる。そうでない場合、ステップ506において、フィルタ係数の数が増分される。そうでなければ、次のステップは、阻止帯域周波数がステップ502で定義された所望のフィルタ特性を満たすか、または、それを超えるか否かを決定することである。そうでない場合、ステップ506において、フィルタ係数の数が増分される。しかしながら、阻止帯域周波数が所望のフィルタ特性を満たすかまたは超える場合、ステップ510に示すように、所望のフィルタパラメータが決定される。例えば、限定はしないが、所望のフィルタパラメータは、フィルタ振幅値、フィルタ減衰量、およびフィルタの周波数帯域のうちの少なくとも1つであってもよい。関連する実施形態では、フィルタ係数の数が増えるたびに、各追加のフィルタ係数がフィルタ性能を与えるという効果をユーザに視覚的に示すように、フィルタ応答が反復的に視覚的にプロットされる。

一実施形態では、所望の周波数帯域および所望の通過帯域リップルまたは阻止帯域減衰から開始して、所望の応答特性が達成されるまでフィルタ次数を反復的に増加させることが可能である。所望のリップルおよび阻止帯域（dB単位）を入力として採用し、適切な重み付けに変換すると、次の式を利用してフィルタを設計することができる。

これらの式は例示的な非限定的な例としてのみ役立ち、他の式またはアルゴリズムも考えられる。

図6は、一実施形態による振動流量計のメータ検証方法を示すフローチャート600である。ステップ601において、振動流量計5のセンサアセンブリ10はテストトーンを生成し、したがって、ある振動モードで振動して振動応答を生成する。複数のテストトーンを生成することができる。テストトーンは、ある期間にわたって振幅を増加させることなく、所望の振幅でメータに直ちに与えられることが強調されるべきである。振動応答は、第1のピックオフセンサ170Lおよび第2のピックオフセンサ170Rによって生成される電気信号を含む。振動モードは、曲げモードを含むことができる。しかし、振動は他の振動モードを含むことができることを理解されたい。上記振動モードでセンサアセンブリ10を振動させることは、センサアセンブリ10を所定の振動モードで、実質的に所定の振動モードの共振周波数で振動させることを含むことも理解されたい。さらに、ピックオフセンサ170Lおよび170Rは、一実施形態では、生成される信号に適用されるフィルタを有することができる。一実施形態では、メータ電子機器20によって実行される任意の周波数推定計算は、ピックオフセンサ170L、170Rに利用されるのと同じフィルタチェーンを介して周波数推定に必要な信号を通過させることができる。

ステップ602において、電流および応答電圧が決定される。電流は、2つのドライバを流れる電流である。電流は、電流の指令された値を含むことができ、または測定された電流値を含むことができる。

応答電圧230,231は、第1のピックオフセンサ170Lおよび第2のピックオフセンサ170Rによって生成される電圧である。応答電圧230,231は、振動モードの共振周波数においてまたはその付近で動作することによって生成される電圧を含むことができる。

メータ剛性値216が生成される。メータ剛性値216は、前述したように、電流および応答電圧230、231を使用して生成することができる。ステップ604において、新たに生成されているメータ剛性値がベースラインメータ剛性と比較される。メータ剛性値が所定の剛性範囲内にある場合、本方法はステップ605に分岐する。メータ剛性値が所定の剛性範囲内にない場合、本方法はステップ606に分岐する。

比較は、メータ剛性値とベースラインメータ剛性との間の差を決定することを含むことができ、差は所定の剛性範囲と比較される。所定の剛性範囲は、例えば、測定精度の予測される変動を含む剛性範囲を含むことができる。所定の剛性範囲は、予想されるメータ剛性の変化量を描写することができ、検証失敗判定を生成するのに十分なほど重大ではない。所定の剛性範囲は、任意の方法で決定することができる。一実施形態では、所定の剛性範囲は、ベースラインメータ剛性の上下の所定の許容範囲を含むことができる。代替的に、所定の剛性範囲は、ベースラインメータ剛性から上下の範囲境界を生成する標準偏差または信頼水準決定から、または他の適切な処理技法を使用して導き出すことができる。

ステップ605において、メータ剛性値とベースラインメータ剛性との間の差が所定の剛性範囲内にあったため、検証表示が生成される。したがって、メータ剛性は大幅に変化していないと判定される。結果はログ記録、報告などされる場合があるが、それ以上の措置を行う必要はなくてもよい。表示は、ベースラインメータ剛性が依然として有効であるというユーザに対する表示を含むことができる。上首尾の検証表示は、ベースラインメータ剛性が依然として正確で有用であること、および、振動流量計が依然として正確かつ確実に動作していることを示す。

ステップ606において、メータ剛性値とベースラインメータ剛性との間の差が所定の剛性範囲を超えているため、検証失敗表示が生成される。したがって、メータの剛性は大幅に変化したと判定される。検証失敗表示の一部として、流量計が容認可能に正確で信頼できるものではない可能性があることをユーザに警告するために、ソフトウェアフラグ、視覚インジケータ、メッセージ、警告または他の表示が生成されてもよい。さらに、結果はログ記録、報告などされる場合がある。

従来技術のメータ検証では、テストトーンが直線的に増大するためには少なくとも15秒必要である。これは、テストトーンを直ちに適用すると、周波数偏差が大きくなり、メータの性能に悪影響を及ぼすためである。例えば、テスト・トーン・ランプがない場合、ヒルベルトフィルタからの周波数推定値は、テストトーンの和と差の周波数を変調し、許容できないほど大きな周波数偏差を生じる。一実施形態では、ランプトーンがない場合の周波数偏差と同様に、時限ランプの必要性がなくなり、したがって、メータ検証サイクル時間が短縮される。一実施形態では、ピックオフ170L、170Rに適用されるのと同じフィルタが生の周波数推定値に適用される。これにより、周波数推定値と周波数応答関数推定値とが同期していることが保証される。フィルタは、本明細書に記載されるフィルタおよび／または具体的に記載されていない他のフィルタであってもよい。フィルタリングに関連する遅延があるため、周波数応答関数推定のためのピックオフ信号のフィルタリングは、典型的には、周波数応答関数推定を遅延させる。しかし、周波数推定値をダウンサンプリングする間に遅延はなく、この結果として周波数信号とピックオフ信号が時間同期しない可能性がある。さらに、本明細書に記載の実施形態によれば、周波数推定に適用されるフィルタは、テストトーンを瞬間的に適用することによって課される周波数変動を抑制することができ、したがって、流量計検証アルゴリズムの適切な動作を保証する。

実施形態のいずれかによる振動流量計および方法は、必要に応じていくつかの利点を提供するために使用することができる。実施形態のいずれかによる振動流量計および方法は、1つまたは複数の振動モードを使用して流量計の剛性を定量化して、改善されたより信頼性の高いメータ剛性値を生成し、ランプトーンをなくすことによりこれを迅速に行う。したがって、メータ検証剛性解析は、振動流量計が正確で信頼できるデータを提供しているか否かを迅速に判定することができる。

上記の実施形態の詳細な説明は、本発明の範囲内であると本発明者らが考えているすべての実施形態の網羅的な説明ではない。実際、当業者であれば、上述の実施形態の特定の要素は、さらなる実施形態を作成するために様々に組み合わせまたは削除されてもよく、このようなさらなる実施形態は、本発明の範囲および教示に入ることを認識するであろう。また、当業者には、本発明の範囲および教示内で追加の実施形態を作成するために、上述の実施形態を全体的または部分的に組み合わせてもよいことは明らかであろう。したがって、本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲から決定されるべきである。

Claims

振動流量計のメータ検証方法であって、
ドライバを使用してある振動モードの複数のテストトーンを用いて前記振動流量計のセンサアセンブリを振動させるステップであって、前記複数のテストトーンはランプ関数なしで実質的に瞬間的に与えられる、振動させるステップと、
前記振動モードについての前記ドライバの電流を決定するステップと、
前記モードについての第1のピックオフセンサおよび第2のピックオフセンサの応答電圧を決定するステップと、
第1のピックオフセンサ信号および第2のピックオフセンサ信号の瞬時周波数を測定するステップと、
前記第1のピックオフセンサ信号および前記第2のピックオフセンサ信号ならびに電流信号にフィルタを適用して、複数のテストトーンの各々において応答を分離するステップと、
前記瞬時周波数測定値にフィルタを適用するステップと、
前記複数のテストトーンの各々において前記周波数測定値および前記応答に同じ遅延を適用するステップと、
前記電流および前記応答電圧を用いてメータ剛性値を生成するステップと、
前記メータ剛性値を使用して前記振動流量計が正常に動作していることを検証するステップと
を含む、方法。
前記フィルタは、複数のフィルタ係数を含む、請求項１に記載の方法。
複数のフィルタ制約を定義するステップと、
前記フィルタの応答を計算するステップと、
前記フィルタの応答が前記定義されたフィルタ特性を満たし、かつ／または、超えるまで、フィルタ係数の数を反復的に増加させるステップと
を含む、請求項２に記載の方法。
前記複数のフィルタ制約は、少なくとも1つの通過帯域周波数および少なくとも1つの阻止帯域周波数を含む、請求項３に記載の方法。
前記複数のフィルタ制約は、周波数帯域ごとのデシベル減衰、通過帯域リップル、阻止帯域減衰、ナイキスト周波数、およびフィルタ振幅のうちの少なくとも1つを含む、請求項３に記載の方法。
前記フィルタ係数の数を反復的に増加させるステップの後にフィルタ応答を再計算するステップを含む、請求項３に記載の方法。
前記振動流量計の動作が適切であることを検証するステップは、
前記メータ剛性値を所定の剛性範囲と比較するステップと、
前記メータ剛性値が前記所定の剛性範囲内にある場合、前記振動流量計の検証表示を生成するステップと、
前記メータ剛性値が前記所定の剛性範囲内にない場合、前記振動流量計の検証失敗表示を生成するステップと
を含む、請求項１に記載の方法。
メータ検証のための振動流量計(5)であって、前記振動流量計(5)は、
1つまたは複数の流管(130、130’)ならびに第1のピックオフセンサおよび第2のピックオフセンサ(170L、170R)を含むセンサアセンブリ(10)と、
前記1つまたは複数の流管(130、130’)を振動させるように構成されているドライバ(180)と、
前記第1のピックオフセンサおよび前記第2のピックオフセンサ(170L、170R)に結合され、前記ドライバ(180)に結合されているメータ電子機器(20)と
を備え、前記メータ電子機器(20)は、前記ドライバ(180)を使用してある振動モードの複数のテストトーンを用いて前記センサアセンブリ(10)を振動させ、ここで、前記複数のテストトーンはランプ関数なしで与えられ、前記振動モードについての前記ドライバの電流を決定し、前記モードについての前記第1のピックオフセンサおよび前記第2のピックオフセンサの応答電圧を決定し、第1のピックオフセンサ信号および第2のピックオフセンサ信号の瞬時周波数を測定し、前記第1のピックオフセンサ信号および前記第2のピックオフセンサ信号ならびに電流信号にフィルタを適用して、前記複数のテストトーンの各々における応答を分離し、前記瞬時周波数測定値にフィルタを適用し、前記複数のテストトーンの各々において前記周波数測定値および前記応答に同じ遅延を適用し、前記電流(230)および前記応答電圧(231)を用いてメータ剛性値(216)を生成し、前記メータ剛性値(216)を使用して前記振動流量計(5)が正常に動作していることを検証するように構成されている、振動流量計(5)。
前記フィルタは、複数のフィルタ係数を含む、請求項８に記載の振動流量計(5)。
前記メータ電子機器(20)は、複数のフィルタ特性制約を受信し、前記フィルタの応答を計算し、前記フィルタの応答が前記定義されているフィルタ制約を満たし、かつ／または、超えるまで、フィルタ係数の数を反復的に増加させるように構成されている、請求項８に記載の振動流量計(5)。
前記複数のフィルタ制約は、通過帯域周波数および阻止帯域周波数を含む、請求項１０に記載の振動流量計(5)。
前記複数のフィルタ制約は、周波数帯域ごとのデシベル減衰、通過帯域リップル、阻止帯域減衰、ナイキスト周波数、およびフィルタ振幅のうちの少なくとも1つを含む、請求項１０に記載の振動流量計(5)。
前記メータ電子機器(20)は、前記フィルタ係数の数を反復的に増加させた後にフィルタ応答を再計算するように構成されている、請求項８に記載の振動流量計(5)。