JPH01501248A - コリオリ力を検出するための装置を具備した流れる媒体の流量測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、両脚部が中央な支持ブロックに固定されている少なくとも１つのルー プ状の管から成る、コリオリカを検出するための装置と、振動発生器と、上記ル ープ状の管の機械的な振動を電気的揚動に変換する側方センサと、又流電圧信号 から流量に比例する測定信号を形成する２チヤネルの電子回路装置とを具備した 流れる媒体の流量測定装置に関する。

流れる媒体の流量を測定するために、流れる媒体に作用するコリオリカをめる測 定装置が公知である。

それは、環状路ｔ一定走行る基準系において移動する質量点に作用する遠心力に 対して付加的に作用する慣性力である。流れる媒体に対し′Ｃ過している測定装 置はカえは、振動可能なＵ字形の管部材から底シ、その流入及び流出ｉ２ｉ！を 中央な支持ブロック中に固定したものである。この管部材の、Ｕｌルの１１部材 によって形成される平面に対して垂直である湾曲端部が振動にさらされると、Ｕ 字形のｔ部材の両端部に作用する、流れる媒体のコリオリカにより、両脚部の間 の中心にあってしかもそれらに対して平行である細融を中心ＫＵ字形の１ｉｒ部 材の往復のねじれ通勤が生じる。このねじれの大きさは、両脚部の領域に喉付け られている過当なセンナによって検出されかつその測定信号から流量が計算され る。この種の装置は例えば、米国特許第４１８７７２１号明細書から公知であり かつそれはＵ字形の管及び音叉のアームを形成する丁字形の板ばねを有している 。７字形の板はねの自由端に、Ｕ字形の管の自由振動１１１ｉＫ作用する振動発 生器が支持されており、その結果Ｕ字形の管及び板ばねは音叉に類似して反対方 向に固有周波数で振動する。西触国特許第２８２２０８７号明細書では、感度を 高めるために、１１１１仄同じ方向に媒体が流れる２つのＵ字形のループ状の管 が設けられている。振動発生器はＵ字形の自由港に喉付けられておシかつねじれ を測定する検出器が両Ｕ字形管に固定されている。西独国特許公開第２９３８４ ９８号公報、西独＠特許公開第３００７３６１号公報及び西独函特許公開第３０ ４＜５７９３号公報に記載されている実施例も類似の栴成を有している。

上記実施例においては、機械的に一緒に振動するセンナ構成り材が零位置を通っ て移動するとき、切換信号をトリガするライトバリヤの形式のセンナが使用され ている。電子回路によって側方センサの零点通過の時間差がめられる：この時間 差はＵ字形のルーズを流れる媒体の流量に比例する。ヨーロッパ特許公論ｗＪ０ ０８３１４４号公報から、＆孤的振動をアナログ正弦波状信号に変換するセン？ を使用することが公知であシ、これら信号から電子回路を用いて同様、流量に比 例する時間差がめられる。この実施例では不都合なことに、周波数を選択できな い。流れる流体の乱れ又は導管の運動が原因で重畳される障害信号は純然たる正 弦波状経過を呈し、従って零点通過間の時間差の測定を著しく妨害する可能性が ある。通例、両信号チャネル中に電子フィルタを挿入することは県じられている 。というのは、時間乃至位相のずれが非常に小さく（ｌ！マイクロ秒のオーダ） なければならずかつ例え＃ｉ２つのフィルタの異なった温度ドリフトによって著 しく障害を受ける可能性があるからである。最終的に周期当たシたった２回の測 定しか笑施できす、このことは６０及び１００Ｈｚの間の比較的低い周波数を使 用した場合、秒当たり最大で２００回の測定が行われることになシ、ひいては測 定信号の情報内容は不完全にしか利用されないことになる。

このような欠点を取除くために本発明によれば、交流電圧信号がそれぞれＡＤｉ 換器を用いてデジタル測定値に変換されかつマイクロ計Ｘ徴に供給逼れ、マイク ロ計Ｘ＆がデジタル仰Ｊ定ａを標本化に相応する正弦値及び余弦値と乗算しかつ 該乗算値を加算するようにしたのである。

不発明の流ｊｉ　＆ｌＩｌ装定は、時間差に代わって、信号ベクトルのデカルト 成分がめられかつＦ？伽されるという利点を有する。本発明のｇ＆籠によれは、 外部障害の抑圧のために高い周波数選択性の評価が可能になりかつコリオリカに よって生じる付加信号を直接検出することができるようになる。信号ベクトルの デカルトベクトル成分はデジタルマイクロ計算機を用いて、測定信号からデジタ ルフーリエ変換によって抽出されかつ評価される。励振によって惹起される振動 とコリオリ加速度のため流量によって生じる。＋９０乃至−９０だけ位相がずれ た力との和から組合わされて成る正弦波状の振動が測定される。

２つのセンサによって発生される、相応の正弦波状に経過する交信電圧信号から 、瞬時の電圧値が前以て決められた檄本化周波数において取出される。このため にマイクロ計算機は、又流電圧信号の周波数のほぼ倍数の標本化周波数を発生す る。両チャネルの、例えは数周期の標本化及び７−リエ変俟に相応する乗算値の 形成の後に、４つの測定信号群を使用することが可能であり、そこからコリオリ カが計算される。

この方法の周波数選択性は、変換において考慮される周期の数が大きくなるに従 って著しく高くなる。それ故に、評価のために複数の周期を有する時間領域を選 択すると効果的である。既に乗算された沖」定値を１つの時間領域内で繰返し乗 算する８歎かないように、マイクロ計算機は標本化を、前以て次められた時間期 間内に記憶されたｌｘ値が連ｙ、的に標本化の都度、相応の新たな９！、算値に よって補元されかつ相応の、１番先に記憶された乗算値が減算されるように、制 御する。

その際、７−リエ変換において時間期間のオーバラップ領域にあるすべての測定 値はそのまま維持され、新たに加わったＭ＃′ｉ変換総和に加算計数されかつそ の期間から外れたものが差引かれる。個々の測定値に代わって、連続する測定値 の群を既述の方法で使用することもできる。この場合マイクロ計算機はそれぞれ のチャネルの個々の浜」定信号群を標本化に相応する正弦値及び余弦値と乗算し 、その結果として標本化の順序でマイクロ計算機に秩序正しく格納される４つの 領群が形成される。新たな測定値を形成するために１番先のｍす定値が消去され かつ新たな測定値にｌ［換される。

従って多重に利用される浜ｊ定値領域が存在する（オーバラッププロセッシング ）。

マイクロ計３！憬ｉｌｔ史に、それが標本化周波数を浜ｊ足信号の周波数から粗 く導出しかつこのように導出された標不化周ｔｆｔ、数が全体の測定志柱の期間 中のフーリエ変換の結果に基いて、測定棹体の密度変化によシ振動周波数が変化 した場合にも過当に追従論艇されるように、碑取されている。

電気的な交流電圧信号のデシクル測定値への変換は担々の楔成安累を用いて行う ことができる。特に有利な実施例では、５！流電圧信号から前以て次められた憚 不化周改数によって連続的に同じ時点に２いてその都度存在する振幅がそれぞれ のサンプル・アンド・ホールド増幅器によって検出されかつＡＤ変換器を用いて デジタル測定値に変換される。影像周波数を抑圧す為ために、標本化周波数は出 来るだけ高く選択されるべきである。しかしこのような措置は、経済的に過当な マイクロ計算機の性能のため制限がある。それ故に入力増幅器を用いて増＠され る２つの交流電圧信号のチャネルが有利には、アンチエイリアシングフィルタを 介して当該のサンプル・アンド・ホールド増幅器に接続されている。

又ｉｔ圧を発生する２つのチャネル間の差異がある場合にそれを補償するために 、これらチャネルにハマイクロ計算機によって制御される１つのチャネル切換ス イッチを備えてンリ、該スイッチが２つの測定信号を所定の時ＩＩ！］ｒａＩ隔 をおいて交互に、即ち父差式に処理チャネルに供給する。しかし交互に供給され た信号は計算機において再ひ本来のチャネルに割当てられる。

有利にはサンプル・アンド・ホールド増幅器の出力側はマルチプレクサを介して ＡＤ変換器に接続されているので、その結果２つのチャネル信号の交互の、ＡＤ ｆ俟器への入力を行うことができる。史にＡＤ変換器の出力側はバッファメモリ ＦＩＦＯｉ介してマイクロ計算機に接続することができる。

電気的な交流電圧信号の、デジタル測定値への変換は、別の実施例によれは、そ れぞれ１つのコンパレータが交流電圧信号をＤＡ変俟姦の出力電圧と比較しかつ ２進向期計数器の計数方向入力側を切換え、同期計数器の計数状態がＤＡｙＲ換 器の２進入力価を形成しかつマイクロ計算機に供給されるようにして、行うこと ができる。このために有利には、２進向期計数器の計数方向入力はマルチプレク サを介してコンパレータに接続され工おりかつ２進向期計数器の出力側はバッフ ァメモリを介してマイクロ計算像に接続されている。

本発明は、図面に例示されており、その際第１図は、流量測定装置を著しく簡単 にして見た斜視図であり、 第２図は、第１図の対象の電気測定信号を標本化しかつ処理するための回路装置 のブロック細口であり、 第６図は、沖」定信号のベクトル締固であり、第４図は、信号列の信号標本化を 示す図であシ、試５図は、鵠１図の対象の電気測定信号を処理するための別の回 路装置のブロック融図である。

第１図に略示されている測定装置１ｔは、流れる媒体のｆｉｔ　ｉｔ　飾」定の ために用いられる。それは、Ｕ字形のループ状のｔｌから成っておシ、その脚部 ２Ｆｉ中爽の支持ブロック３に固定されている。この支持ブロック３の固定軸と 反幻の９１１ｊに、流入端ｓ６及び流出ｉｆｉ部１が設けられている。これら両 端部は、測定すべき媒体が渡れる４管（図示されていない）に接続されている。

媒体はループ状の管１円ｔ−員流する。Ｕ！Ｔ−形のループ状の管１は弾性材料 から成っているので、それは振動発生器４を用いて、ループ状の管が固定されて いる平面に対して垂直方向に延在する振動を実施することができる。振動発生器 ４は例えば、電出石とすることができかつ有利Ｋｉｄループ状の管１の外側の振 動端に喉付けられている。脚部２にはそれぞれ、ループ状の管１の機械振動を検 出しかつ電気的な測定信号に変換するセンサ５が取付けられている。ループ状の 管ＩＫ媒体が流れていなければ、管ｉｉ夾質的にＸ軸を中心に振動する。しかし 媒体、ｆｆ１ｉち物質がループ状の管１を介して流れると、付加的なコリオリカ が作用する。それはループ状の管１を振動のタイミングでＹ軸を中心にねじシ、 その際ねじれの大きさは振動運動の最大の速度にンいて最大である。このねじれ の大きさはセンサ５によってめられ、その電気的な測定信号からｉｔが計算され る。つまシ振動発生器４によって生ゼしめられる振動にコリオリ加速度が原因で 生じた振動が１畳されたものが測定され、その際コリオリカは＋９０乃至−９０ だけ位相がずれている。

第１図に偽として示す、Ｕ字形のループ状の管１會偽えた測定装置は動作説明の ために著しく簡略にして示されている。しかしこの積の測定装置は、例え＃″１ ２つの相対的に振動するループ状の１＃を有する等、棟々にｍｇすることができ る。以下に説明する、測定装置によって発生された測定信号を標本化しかつ処理 する回路装置は、コリオリカを検出する振動するループ状の管を備えたいずれの 流Ｉｋ測定装置に対しても適している。

第２図に実施例として図示の回路装置は、センサ５によって発生された測定信号 を標本化しかつ処理するために用いられる。セ／す５はそれぞれ、固定周波数の 正弦波状の経過を有する電気１１ｉ定信号を発生する。

この信号はコリオリカが原因で生じる１畳成分を宮んでいる。相応に、左側及び 右側の信号チャネルがある。

測定信号はそれぞれ、入力増幅器８及びアンチエイリアシングフィルタ９を介し てサンプル・アンド・ホールド増幅器１０に供給芒れる。これら増幅器はその信 号を所定の標本化周波数で、マルチプレクサ１１を介してＡＤ’＆洪器１２に送 出する。デジタル化された測定値はバックアメモリ（ＦＩＦＯ）　１３！ｒ介し てマイクロ計Ｘ機１４に供給される。マイクロ計Ｘ＆は測定信号の評ｆｉｌを行 いかつ種々の制御機能を実行しかつ例えば別のマイクロプロセッサ２３、任意の プログラムメモリ２４及び抑」定値メモリ２５のような別の電子モジュールに割 当てることができる。

第３図は、正弦波状の測定信号のベクトル縁図である。ループ状の管Ｐ’３ｔ− 媒体が渡れていない場合の左側乃至右側のセンサ５の測定信号はベクトルＬ。乃 至Ｒ８によって衣されている。これら両信号に通例、棟々異なっている感度、ル ープ状の管における炊例字彫状の偏差等のために相互にずれている。第６図では このずれをわかシやすくする理由から、訝張して示しである。

流量測定の際、左側の脚部では＋９０だけずれている付加ベクトルＣＬを形成し かつ右側の脚部では−９０だけずれている付加ベクトルＣＲを形成する、　コリ オリ運動に相応するベクトルが重畳される。合成ベクトルＬ乃至Ｒに相応する測 定信号が測定される。従来の測定装置では合成ベクトルＬ及び８間の回転自民は これら信号列の零通過点の間の時間差の計数によってめられるが、本発明によれ ば合成ベクトルＬ及びＲのデカルトベクトル成分がデジタルフーリエ変換を用い て抽出されかつそれからマイクロ計算＆１を用いて評価される。

流量測定装置を用いて、デジタル化された測定値のフーリエ変換によって行なわ れる評価は以下の数学的考察に基いて説明される：＃１定ベクトルＶは左及び右 のベクトルの差１−ｒによって形成され、その際である。この測定ベクトルＭか ら、流量を表すめている測定値が、ｍｂ定ベクトルと、２つの洞」定ベクトル了 及び７の平均値に対して垂直である単位ベクトルＡとのスカラ乗算によって得ら れる。この評価ベクトルＡは仄の式で表される： 従って測定値Ｍ＝（Ａ、Ｍ）になる。

正規化されていない合成ベクトル Ｌ　＝　（Ｌｘ、Ｌｙ）およびＲ＝　（Ｒｘ、Ｆｌｙ）が測定される。

コレから正規化されたベクトルが仄のように得られる： 又は知縮形 ”　”　（ｕ、ｕ、ｌ）　ｒ　＝（ｖ、ｖ、ｒ）になる。

これにより評価ベクトルは次のように表される二従って測定値は 上記式において爺１及びｒは、合成ベクトルのデカルト成分の商である。この数 式において流量を％値付ける測定値Ｍは、フーリエ変換によって得られるデカル ト座標によって表される。

流量零に対する基準となる値Ｍ。は流量零の際に同じ数式を用いて決定されかつ 本来の測定＠Ｍの測定の際に減算される。

又流電圧信号の瞬時の電圧値は前身て次められた周波数によって所定の時間期間 にわたって標本化される。

影像周波数による障害ｔ−排除するために、標本化周波数を出来るだけ高くする べきであるが、ＡＤ変換器の機能及びマイクロ計Ｘ伽の容Ｊｉ（Ｉｃ関して制限 がある。

過当な標本化周波数は例えは、又流電圧信号の周期当たり３２回の憚本化をする ことができる。又流電圧信号の周波数が例えば、１００）（ｚであれは１それぞ れのチャネルにおいて秒当た９６２００回の標本化が行われる。しかし別の標本 化周波数を選択することもできるが、それは必ず、交流電圧信号の周波数の倍数 でなければならない（第４図参照）。更に記憶により、前身て決められた時間期 間、即ち交流電圧信号の比較的多数の周期にわたる標本化列が検出される。比較 的迅速な、測定値列を得るために、マイクロ計算機１４は標本化を次のように制 御する。即ち前身て決められた時間期間内に記憶された、それぞれのチャネルの 乗算値が、標本化の都度連続的に新たな乗Ｘ値によって補光されかつ計ｘ機にお いて１番先に記憶された乗算値が減算されるようにである。相応にマイクロ計算 機１４がサンプル・アンド・ホールド増幅器１０を制御する。この標本化方法で は測定信号はワインドク内ではその位相位置を保持し、一方ワインドワそれ自体 がこれら標本値に対して新たな標本値の都度移動していく（第４図参照）。選択 的に、測定信号の位相位置を新たな標本値の都度、ウインドワと共にステップ毎 に一緒に移動させることができ、即ち新たな測定値それぞれに、位相零が割当て られる。しかしこの場合、すべてのフーリエ変換値の和ｔｉ標不化の＠５夏新た な位相位置に相応して基準糸に対して抽圧されなければならないが、新たな測定 ｇｉに対する位８＋零において、それぞれの新たな椋不厘がｃｏｓ　（０）　＝ 　１乃至ｓｉｎ　（０）　＝　０と乗算され、その結果これら乗算値は単に付加 加算されるか乃至フィンドウの終了時に減算される必要がある。

１Ｉｊｊ［害周波数の排除のために、入力増幅器８とサンプル・アンド・ホール ド増幅器１０の間にそれぞれ、そのカット・オフ周波数がナイキスト周波数の領 域にあシ、上記の例では約２ｋＨｚであるアンチエイリアシングフィルタ９が介 挿されている。

マイクロ計算機は、ＡＤｉ換器からバッファメモリ１３を介して供給される数値 を処理しかつそこから、求めている、コリオリカの測定値を計算するように、選 択されている。付属し℃設けられているマイクロプロセッサ２３は必要に応じて 操作していない値を指示用信号または制御信号に変換処理する。

温度変化、素子の老化等が原因の入力側における又流電圧信号のドリフトの影響 を受けないですむように２つのチャネルにマイクロ計算Ｉ＆１１４によってｆＩ ｉ′ｌＪＩ［１される１つのチャネル切換スイッチ２０が設けられている。この 制御は、バス１８を介してマイクロ計算機１４に接続され℃いる標本化及び切換 制御部１９を用いて行われる。切換を制御するマイクロ計算機１４は評価の際に 、測定信号が左のチャネルから到来するのか又は石のチャネルから到来するのか を考慮しかつ（Ａｉｒ定信号をチャネルに正確に整理する。

サンプル・アンドφホールド増幅器１０の出力側くマルチプレクサ１１を介して ＡＤ裳俟姦１２に接続され℃いて、２つのチャネル信号の又互の入力を可能にす る。ＡＤｉ換器１２とマイクロ計算機１４との間に介挿されているパックアメモ リ（ＦＩＦＯ）１３は、マイクロ計算機υスクをしていない時間に演算のために 利用することができる。

回路装置は、振動発生器４が交流電圧信号の帰還結合によって制御されるように 、構成されている。このために、デジタル振幅調整器１６が設けられている。

この振幅調整器の入力側は、増幅器１５を介して、平均値を形成する交流電圧信 号の２つのチャネルに接続されている。振幅のデジタル目標値は、絢定僅に依存 してマイクロ計算機１４によって前身て決められる。

デジタル振幅詞を器１６の出力側は演算項Ｓ器１５を介して振動発生器４に接続 されている。アナログ制御を採用することも可能である。

第２図に図示の回路装置は、アナログ５！流電圧信号の変換のために種々様々に 変形することができる。例えば、それぞれのサンプル・アンド・ホールド１０を 独自のＡＤ変換器を介してマイクロプロセッサに接続することができる。ＤＡｉ 換器を介して帰還結合され℃いる差動増幅器を使用することもできる。第５図に 図示の回路装置ではサンプル・アンド・ホールド増幅器は省略することができる 。この画成では測定信号はそれぞれ、Ｉｊ定信号をＤＡＫ？１４ｂ２９の出力電 圧と比較するコンパレータ２６に供給される。コンパレータ２６はマルチプレク サ２１を介して２進同期計数器２８の計数方向入力餉を切換える。同期計数器の 計数状態はＤＡ変換器２９の２進入力値を形成する。例えば、１２　Ｂｉｚの同 期計数器は周波数発生器３１を用いてタイミング制御される。比較の際、測定信 号がＤＡ変換器２９の出力電圧よシ大きければ、同期計数器２８は順方向に計数 し、その他の場合には逆方向に計数する。沖」足糸が振動状態にあれば、同期計 数器２８の最後の桁は又互に順方向及び逆方向に父互に切換わる。同期計数器２ ８はバッファメモリ３０を介してマイクロ計算機１４に接続されている。回路装 置１Ｋ、アドレス符号器３２を設けることもできる。３３で示されているのは所 属のデータバスであり、３４で示されているのはアドレスバスである。

］１ 閑ａｍ＊餌失

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. １．両脚部（２）が中実な支持ブロツク（３）に固定されている少なくとも１つ のループ状の管（１）から成る、コリオリカを検出するための装置と、振動発生 器（４）と、上記ループ状の管（１）の機械的振動を電気的振動に変換する側方 センサ（５）と、交流電圧信号から流量に比例する測定信号を形成する２チャネ ルの電子回路装置とを具備した流れる媒体の流量測定装置において、 上記交流電圧信号はそれぞれＡＤ変換器を用いてデジタル測定値に変換されかつ マイクロ計算器（１４）に供給され、該マイクロ計算機がデジタル化された測定 値を、該測定値と標本化に相応する正弦値及び余弦値とを乗算しかつ該乗算値を 加算することによつて、フーリエ変換することを特徴とする流量測定装置。
2. ２．マイクロ計算機（１４）は、交流電圧信号の周波数の信教である標本化周波 数を発生する請求範囲１記載の流量測定装置。
3. ３．マイクロ計算機（１４）は標本化を、前以て決められた時間期間内に記憶さ れた乗算値が連続的に標本化の都度、新たな乗算値によつて補充されかつ１番先 に記憶された乗算値が計算機において減算されるように、制御する請求範囲１又 は２記載の流量測定装置。
4. ４．前以て決められた標本化周波数を有する交流電圧信号から連続的に、同じ時 点においてその都度存在する振幅がそれぞれのサンプル・アンド・ホールド増幅 器（１０）によつて検出かつ記憶されかつＡＤ変換器（１２）を用いてデジタル 測定値に変換される請求範囲１から３までのいずれか１項記載の流量測定装置。
5. ５．交流電圧信号は入力増幅器（８）及びアンチエイリアシングフイルタ（９） を介して当該のサンプル・アンド・ホールド増幅器（１０）に接続されている請 求範囲１から４までのいずれか１項記載の流量測定装置。
6. ６．交流電圧信号を発生する２つのチャネルに、マイクロ計算機（１４）によつ て制御される１つのチャネル切換スイッチ（２０）が設けられている請求範囲１ から５までのいずれか１項記載の流量測定装置。
7. ７．サンプル・アンド・ホールド増幅器（１０）の出力側はマルチプレクサ（１ １）を介してＡＤ変換器（１２）に接続されている請求範囲１から６までのいず れか１項記載の流量測定装置。
8. ８．ＡＤ変換器（１２）の出力側はバツフアメモリ（１３）ＦＩＦＯを介してマ イクロ計算機（１４）に接続されている請求範囲１から７までのいずれか１項記 載の流量測定装置。
9. ９．コンパレータ（２６）はそれぞれ、交流電圧信号をＤＡ変換器（２９）の出 力電圧と比較しかつ２進同期計数器（２８）の計数方向入力側を切換え、該同期 計数器の計数状態は、ＤＡ変換器（２９）の２進入力値を形成しかつマイクロ計 算機（１４）に供給される請求範囲１から３までのいずれか１項記載の流量測定 装置。
10. １０．２進同期計数器（２８）の計数方向入力側はマルチプレクサ（２７）を介 してコンパレータ（２６）に接続されている請求範囲９記載の流量測定装置。
11. １１．２進同期計数器（２８）の出力側はバツフアメモリ（３０）を介してマイ クロ計算機（１４）に接続されている請求範囲１又は１０記載の流量測定装置。