(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ディジタル信号プロセッサ（２０１）を用いて、管路（１０３Ａ、１０３Ｂ）の振動を計測する第１のピックオフ・センサ（１０５）及び第２のピックオフ・センサ（１０５′）から受け取る信号を処理して、前記管路（１０３Ａ、１０３Ｂ）を流れる物質についての情報を出力する方法（４００）であって、
前記第１のピックオフ・センサ（１０５）と前記第２のピックオフ・センサ（１０５′）とから第１のサンプリング・レートで前記信号のサンプルを受け取るステップ（３０２）と、
前記サンプルの前記第１のサンプリング・レートから中間のサンプリング・レートへの第１のデシメーションを行うステップ（４０１）と、
前記中間のサンプリング・レートで前記サンプルを復調するステップ（４０３）と、
前記サンプルの前記中間のサンプリング・レートから所望のサンプリング・レートへの第２のデシメーションを行うステップ（４０４）と、
前記所望のサンプリング・レートでの前記サンプルから、前記第１のピックオフ・センサ（１０５）と前記第２のピックオフ・センサ（１０５′）とにおける前記管路の振動周波数を決定するステップ（４０５）と、
を含む方法。
【請求項２】
前記信号の正規化された周波数を計算するステップ（６００）を更に含む、請求項１記載の方法（４００）。
【請求項３】
復調する前記ステップが、
前記信号の前記正規化された周波数の正規化された変動を計算するステップ（７０１）と、
前記信号を中心周波数へ変換するため、前記第１のピックオフ・センサ及び前記第２のピックオフ・センサからの前記信号と前記正規化された変動とのドット積を計算するステップ（７０３）と、
を含む請求項２記載の方法４００。
【請求項４】
前記正規化された周波数を計算する前記ステップが、
前記信号を同相成分と直角位相成分とへデマルチプレックスするステップ（６０１）と、
前記同相成分を積分するステップ（６０２）と、
前記直角位相成分を積分するステップ（６０２）と、
ディジタル的に積分された信号を生じるために、前記同相成分と前記直角位相成分とを多重化するステップ（６０４）と、
前記信号の前記正規化された周波数を生じるため、前記信号の振幅と前記ディジタル的に積分された信号の振幅との比を計算するステップ（６０５）と、
を含む、請求項２記載の方法（４００）。
【請求項５】
前記正規化された周波数を計算する前記ステップが、
積分する前記ステップ（６０２）に応答し、且つ、多重化する前記ステップ（６０４）に先立って、前記積分された直角位相成分を補償器へ印加するステップ（６０３）
を更に含む、請求項３記載の方法４００。
【請求項６】
前記正規化された周波数を計算する前記ステップが、
積分する前記ステップ（６０２）に応答し、且つ、多重化する前記ステップ（６０４）に先立って、前記積分された同相成分を補償器へ印加するステップ（６０３）
を更に含む、請求項４記載の方法。
【請求項７】
前記管路の前記振動周波数を決定する前記ステップが、
前記信号の前記正規化された周波数を決定するステップ（９０１）と、
前記信号の前記正規化された周波数を変調するステップ（９０２）と、
前記管路の前記振動周波数を決定するため、変調された前記正規化された周波数を用いて前記信号の複素復調を行うステップ（９０３）と、
を含む、請求項１記載の方法（４００）。
【請求項８】
前記管路の前記振動周波数を決定する前記ステップが、
前記復調された信号をデシメートするステップ（９０４）と、
前記信号間の位相差を決定するため、前記信号の複素相関を行うステップ（９０５）と、
を更に含む、請求項７記載の方法。
【請求項９】
前記第１のピックオフ・センサからの前記信号と前記第２のピックオフ・センサからの前記信号との間の位相差を決定するステップ（９１０）を更に含む、請求項１記載の方法。
【請求項１０】
前記第１のピックオフ・センサと前記第２のピックオフ・センサとからの前記信号の前記周波数の決定に応答して、前記管路を流れる前記物質の特性を決定するステップを更に含む、請求項１記載の方法。
【請求項１１】
前記特性の１つが、前記管路を流れる前記物質の質量流量である、請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
前記特性の１つが密度である、請求項１０記載の方法。
【請求項１３】
駆動装置（１０４）により振動される管路（１０３Ａ、１０３Ｂ）へ固定されたピックオフ・センサ（１０５、１０５′）と通信し、前記ピックオフ・センサ（１０５、１０５′）から受け取った信号から前記管路（１０３Ａ、１０３Ｂ）を流れる物質の特性を計測するよう構成された装置（２０）であって、前記信号が前記管路の少なくとも２つの点での運動を表わす装置において、
前記信号のサンプルを前記信号のディジタル・サンプルへ変換するアナログ／ディジタル・コンバータ（２０３）と、
前記ディジタル・サンプルの第１のサンプリング・レートから中間のサンプリング・レートへの第１のデシメーションを行い（４０１）、前記中間のサンプリング・レートで前記ディジタル・サンプルを復調し（４０３）、前記ディジタル・サンプルの所望のサンプリング・レートへの第２のデシメーションを行い（４０４）、前記所望のサンプリング・レートでの前記信号の前記ディジタル・サンプルから、前記第１のピックオフ・センサ（１０５）及び前記第２のピックオフ・センサ（１０５′）において前記管路（１０３Ａ、１０３Ｂ）に対する振動周波数を決定する（４０５）ように構成されたプロセッサ（２０１）と、
を具備する装置。
【請求項１４】
前記プロセッサ（２０１）が、前記信号の正規化された周波数を計算すること（７０１）により前記ディジタル・サンプルを復調するように構成される、請求項１３記載の装置（２０）。
【請求項１５】
前記プロセッサ（２０１）が、前記信号の前記正規化された周波数の正規化された変動を計算し（７０１）、前記第１のピックオフ・センサ（１０５）及び前記第２のピックオフ・センサ（１０５′）からの前記信号と前記正規化された変動とのドット積を計算して前記信号を中心周波数へ変換する（７０３）ことにより、復調を行うように更に構成される、請求項１４記載の装置（２０）。
【請求項１６】
前記プロセッサ（２０１）が、前記信号を同相成分と直角位相成分とへデマルチプレックスし（６０１）、前記同相成分を積分し（６０２）、前記直角位相成分を積分し（６０２）、前記同相成分と前記直角位相成分とを多重化してディジタル的に積分された信号を生成し（６０４）、前記信号と前記ディジタル的に積分された信号との振幅間の比を計算して前記信号の前記正規化された周波数を生じることにより、前記正規化された周波数を計算するように構成される、請求項１４記載の装置（２０）。
【請求項１７】
前記プロセッサ（２０１）が、前記直角位相成分を積分することに応答して、且つ、前記直角位相成分を多重化する（６０４）ことに先立って、前記積分された直角位相成分を補償器へ印加することにより、前記正規化された周波数を計算するように構成される、請求項１６記載の装置（２０）。
【請求項１８】
前記プロセッサ（２０１）が、前記同相成分を積分する（６０２）ことに応答し、且つ、前記同相成分を多重化する（６０４）ことに先立ち、前記積分された同相成分を補償器へ印加する（６０３）ことにより、前記正規化された周波数を計算するように構成される、請求項１６記載の装置（２０）。
【請求項１９】
前記プロセッサ（２０１）が、
前記信号の正規化された周波数を決定し（９０１）、
前記信号の前記正規化された周波数を変調し（９０２）、
前記管路の前記振動周波数を決定するため、変調された前記正規化された周波数を用いて前記信号の複素復調を行う（９０３）
ことにより、前記管路の前記振動周波数を決定するように構成される、請求項１３記載の装置（２０）。
【請求項２０】
前記プロセッサが、
前記復調された信号をデシメートし（９０４）、
前記信号間の位相差を決定するため、該信号の複素相関を行う（９０５）
ことにより、前記管路の前記振動周波数を決定するように構成される、請求項１９記載の装置。
【請求項２１】
前記プロセッサ（２０１）が、前記第１のピックオフ・センサからの前記信号と前記第２のピックオフ・センサからの前記信号との間の位相差を決定する（９０６）ように更に構成される、請求項１３記載の装置（２０）。
【請求項２２】
前記プロセッサが更に、
前記第１のピックオフ・センサと前記第２のピックオフ・センサとからの前記信号の前記周波数を決定することに応答して、前記管路を流れる前記物質の特性を決定するように構成される、請求項１３記載の装置（２０）。
【請求項２３】
前記特性の１つが、前記管路を流れる前記物質の質量流量である、請求項２２記載の装置（２０）。
【請求項２４】
前記特性の１つが密度である、請求項２２記載の装置（２０）。
【請求項２５】
コリオリ流量計のための流量計電子装置である、請求項１３記載の装置（２０）。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の分野
本発明は、少なくとも１つの振動管路を流れる物質の特性を計測する装置のための信号プロセッサに関する。特に、本発明は、管路の振動周波数を計測するピックオフ・センサから受け取る信号の周波数を決定するため計算を行うディジタル信号プロセッサに関する。
【０００２】
課題
コリオリ質量流量計を用いて、流量計における管路を流れる物質に対する質量流量その他の情報を計測することは周知である。コリオリ流量計の事例については、全てＪ．Ｅ．Ｓｍｉｔｈ等の１９７８年８月２９日付け米国特許第４，１０９，５２４号、１９８５年１月１日付け同第４，４９１，０２５号、及び１９８２年２月１１日付け再発行米国特許第３１，４５０号において開示されている。これらの流量計は、直線状或いは湾曲状の１本以上の管路を有する。コリオリ質量流量計における各管路の形態は、単純な曲げ、捩れ或いは結合型という１組の固有振動モードを持つ。各管路は、これら固有振動モードの１つで共振するように駆動される。物質は、接続されるパイプラインから流量計の入口側へ流入し、一つ又は複数の管路を通過させられ、流量計の出口側から流出する。物質で充填された振動するシステムの固有振動モードは、管路とこの管路内に流れる物質との合成質量により部分的に規定される。
【０００３】
流量計内に流れがないとき、管路に沿った全ての点が、印加される駆動装置の作用力によって、同相或いは補正可能な小さな初期固定位相ずれで振動する。物質が流れ始めると、コリオリ力が管路に沿った各点に異なる位相を生じさせる。管路の入口側の位相は駆動装置より遅れるが、管路の出口側の位相は駆動装置より進む。ピックオフ・センサは、管路の運動を表わす正弦波信号を生じるように管路に載置される。ピックオフ・センサからの信号出力は、ピックオフ・センサ間の位相差を決定するように処理される。２つのピックオフ・センサ信号間の位相差は、管路を流れる物質の質量流量に比例する。
【０００４】
コリオリ流量計は、駆動装置を動作させる駆動信号を生成するとともにピックオフ・センサから受け取る信号から物質の質量流量その他の特性を決定する送信器を備える。従来の送信器は、駆動信号を生成しピックオフ・センサから信号を検出するように設計されるアナログ回路からなる。アナログ送信器は、長年にわたり最適化されてきており、製造が比較的安価になってきた。従って、従来の送信器を用いることができるコリオリ流量計を設計することが望ましい。
【０００５】
従来の送信器は狭い動作周波数範囲の信号で働かねばならないことが問題となる。このような動作周波数範囲は、典型的に２０Ｈzないし２００Ｈzの間にある。このことは、設計者をこのような狭い動作周波数範囲に拘束する。更に、この狭い動作周波数範囲は、３００ないし８００Ｈzのような比較的高い周波数範囲で動作する直線管型流量計のような一部の流量計に従来の送信器を使用することを不可能にする。３００ないし８００Ｈzで動作する直線管型流量計の方が、質量流量の計測に用いられるコリオリ力に対して低い感度を呈する傾向がある。従って、センサ間の位相差の精密な計測が質量流量の計算のために必要となる。
【０００６】
１つの形式の送信器を、幾つかの異なる周波数で動作する若干の異なる設計のコリオリ流量計に使用するために、コリオリ流量計の製造者は、駆動信号の生成及びピックオフ・センサから受け取る信号の処理のためにディジタル信号プロセッサを用いることが望ましいことを発見した。ディジタル信号プロセッサが望ましいのは、直線管型のような比較的高い周波数で働く流量計によってアナログ型電子部品に課された、測定分解能及び精度に対する強い要求が、送信器が信号を受け取るのでピックオフ・センサからの信号のディジタル化によって回避されるからである。更にまた、ディジタル・プロセッサによって行われるプロセスを知らせるための命令は、若干の異なる周波数で動作するように修正され得る。
【０００７】
しかし、ディジタル信号プロセッサは、従来のアナログ回路送信器に比して幾つかの短所を有する。ディジタル信号プロセッサにおける第１の問題は、回路が複雑であるゆえにディジタル・プロセッサの製造が高価になることである。第二に、ディジタル信号プロセッサは、比較的大きな表面積を持つ回路板を必要とするので、スペースが流量計の設計において重要であるときに問題を生じ得る。第三に、ディジタル信号プロセッサは、アナログ回路よりも多くの電力を必要とする。電極消費は、信号の処理及び物質の質量流量のような特性の計測の生成に必要な全ての計算を行うためにプロセッサが最大クロック・レートで動作しなければならないとき、特に問題である。これらの全ての理由から、当該技術分野には、幾つかの流量計設計にわたり適用可能であり、製造が安価で、かつ必要な計算の実施に要求される電力量を低減するディジタル信号プロセッサに対する需要がある。
【０００８】
解決法
上記及び他の問題は、本発明のマルチレート・ディジタル信号プロセッサの提供によって解決され、技術における進歩がなされる。本発明は、振動管路におけるピックオフ装置から受け取る信号の処理のため、メモリに記憶されプロセッサによって実行されるプロセスからなる。本発明のプロセスは、１つの型のディジタル信号プロセッサを多くの形式のコリオリ流量計において用いることを可能にする多くの利点を提供する。
【０００９】
本発明のプロセスの第１の利点は、浮動小数点算法の代わりに有限算法を用いるにも拘わらず、プロセスが精度を損なわないことである。本発明のプロセスの第２の利点は、テキサス・インストルメンツ社のＴＭ３２０５ｘｘ或いはモトローラ社の５３０６ｘのような任意の数の低コスト・低電力のディジタル信号プロセッサで前記プロセスが実現できることである。本発明のプロセスに対する命令は、ディジタル信号プロセッサの内部メモリに常駐することができるよう充分に小さいので、コスト、電力消費及び送信器のための回路板スペースを増大する高速アクセス外部メモリの必要を除去する。当該プロセスは少数の演算構造を持ち、このことが低コストのプロセッサ間でのプロセスの移植性を改善する。
【００１０】
第３の利点は、当該プロセスの計算上の要件が最小化されることである。このような計算上の要件の低減は、ディジタル信号プロセッサがその最大クロック・レートより低いクロック・レートで走ることを許容し、これによってプロセッサの電力消費を低減する。
【００１１】
本発明のプロセスを実施する送信器は、下記の電子素子を備える。センサに取付けられたピックオフ装置からのアナログ信号は、アナログ／ディジタル（Ａ／Ｄ）コンバータにより受け取られる。変換されたディジタル信号は、標準的なディジタル・プロセッサへ印加される。このディジタル・プロセッサは、バスを介してプロセッサと接続されるメモリに格納されるマシン可読命令を実行する処理装置である。典型的なディジタル・プロセッサは、本発明のプロセスのような所望のプロセスを実施するための命令を格納する読出し専用メモリ（ＲＯＭ）を有する。プロセッサはまた、そのとき実行中であるプロセス及びこのプロセスを実施するのに必要なデータに対する命令を格納するランダム・アクセス・メモリへ接続される。プロセッサはまた、コリオリ流量計に対する駆動信号を生成する。駆動信号を駆動システムへ印加するために、ディジタル・プロセッサは、プロセッサからディジタル信号を受け取って駆動システムへアナログ信号を印加するディジタル／アナログ（Ｄ／Ａ）コンバータへ接続される。
【００１２】
本発明のプロセスは、ピックオフ・センサから受け取る信号の周波数と信号間の位相差とを決定するため、下記の機能を実施する。まず、信号のサンプルが第１のサンプリング・レートでピックオフ・センサから受け取られる。サンプリング・レートは、ピックオフ装置からの信号を特徴付けるために用いられる、ピックオフ装置から受け取る入力の量である。サンプルの第１のサンプリング・レートから中間のサンプリング・レートへの第１のデシメーション（decimation）が行われる。デシメーションは、或る数のサンプルから、それよりも少ない数のサンプルへの単なる変換である。デシメーションは、各信号に対する信号周波数の更に正確な計算を提供するよう、サンプリングされた信号の分解能を増すために行われる。次いで、サンプルの復調が中間のサンプリング・レートで行われる。サンプルの所望のサンプリング・レートへの第２のデシメーションが行われる。所望のサンプリング・レートでの信号のサンプルから、第１のピックオフ・センサと第２のピックオフ・センサとにおける管路の振動周波数が決定される。
【００１３】
同じプロセスを、異なる周波数を持つ異なる流量計に用いるために、以下のステップもまた実施される。流量計の振動周波数の評価値が計算される。次いで、評価された周波数は、各ピックオフ装置からの信号をＩ成分とＱ成分とへ復調するのに用いられる。信号の動作周波数の方が遷移周波数より大きければ、Ｉ成分とＱ成分とは、信号を中心周波数へ変換するのに用いられる。復調の後、信号は、信号の分解能をもう一度改善するために再びデシメートされる。
【００１４】
次いで、信号の主周波数が切離されて正確に計測される。次いで、ゼロ周波数への変換が信号のＩ成分とＱ成分とについて計算される。この時、各成分は、計測値の精度を改善するために再びデシメートされる。各信号の周波数帯域は、この時、適切な低域フィルタ処理によって必要なだけ狭くすることができる。次いで、信号間の位相差を決定する複素相関が行われる。
【００１５】
本発明によれば、本発明の一つの特質は、ディジタル信号プロセッサを用いて、管路の振動を計測する第１のピックオフ・センサと第２のピックオフ・センサから受け取る信号を処理して、管路を流れる物質についての情報を以下の方法で出力するための方法である。プロセッサは、第１のサンプリング・レートで第１のピックオフ・センサと第２のピックオフ・センサとから信号のサンプルを受け取る。これらサンプルは、第１のサンプリング・レートから所望のサンプリング・レートへデシメートされる。第１のピックオフ装置及び第２のピックオフ装置における管路の振動周波数は、所望のサンプリング・レートでの信号のサンプルから決定される。
【００１６】
本発明の別の特質は、信号を中心中心周波数へ変換するため、第１のピックオフ・センサと第２のピックオフ・センサとからの信号を復調することである。
本発明の別の特質は、信号の正規化された周波数を計算することである。
【００１７】
本発明の別の特質は、復調するステップが以下の方法で行われることである。信号の正規化された周波数の正規化された変動（pulsation）が計算される。信号を中心周波数へ変換するため、第１のピックオフ・センサ及び第２のピックオフ・センサからの信号と正規化された変動とのドット積が計算される。
【００１８】
本発明の別の特質は、正規化された周波数を計算するステップが以下の方法で行われることである。信号は同相成分と直角位相成分とへデマルチプレックスされる。次いで、同相成分が積分され、直角位相成分が積分される。同相成分及び直角位相成分が多重化されて、ディジタル的に積分された信号を生成する。信号の振幅とディジタル的に積分された信号の振幅との間の比が計算されて、信号の正規化された周波数が生成される。
【００１９】
本発明の別の特質は、積分するステップに応答し、且つ、多重化するステップに先立って、積分された直角位相成分を補償器へ印加することにより、信号の正規化された周波数を計算するステップが行われることである。
【００２０】
本発明の別の特質は、積分するステップに応答し、且つ、多重化するステップに先立って、積分された同相成分を補償器へ印加することにより、正規化された周波数を計算するステップが行われることである。
【００２１】
本発明の別の特質は、管路の振動周波数を決定するステップが以下の方法で行われることである。信号の正規化された周波数が決定される。次に、信号の正規化された周波数が変調される。前記管路の前記振動周波数を決定するため、変調された正規化された周波数を用いて、信号の複素復調が行われる。
【００２２】
本発明の別の特質は、管路の振動周波数を決定するステップが以下の方法で行われることである。復調された信号がデシメートされる。信号の複素相関が行われて信号間の位相差が決定される。
【００２３】
本発明の別の特質は、第１のピックオフ・センサからの信号と第２のピックオフ・センサからの信号との間の位相差を決定することである。
本発明の別の特質は、第１のピックオフ・センサからの信号と第２のピックオフ・センサからの信号との周波数の決定に応答して、管路を流れる物質の特性を決定することである。
【００２４】
本発明の別の特質は、特性の１つが管路を流れる物質の質量流量であることである。
本発明の別の特質は、特性の１つが密度であることである。
【００２５】
本発明の別の特質は、
駆動装置により振動される管路へ固定されたピックオフ・センサから受け取った信号から管路を流れる物質の特性を計測するピックオフ・センサからの信号が管路の少なくとも２つの点での運動を表わす装置において、
信号のサンプルを信号のディジタル・サンプルへ変換するアナログ／ディジタル・コンバータと、
ディジタル・サンプルの第１のサンプリング・レートから中間のサンプリング・レートへの第１のデシメーションを行い、中間のサンプリング・レートでディジタル・サンプルを復調し、前記ディジタル・サンプルの所望のサンプリング・レートへの第２のデシメーションを行い、所望のサンプリング・レートでの信号のディジタル・サンプルから、第１のピックオフ・センサ及び第２のピックオフ・センサにおいて管路に対する振動周波数を決定するように構成されたプロセッサと、
を具備する装置、
である。
【００２６】
本発明の他の特質は、プロセッサが、信号の正規化された周波数を計算することによりディジタル・サンプルを復調するように構成されることである。
本発明の他の特質は、プロセッサが、信号の正規化された周波数の正規化された変動を計算し、第１のピックオフ・センサ及び第２のピックオフ・センサからの信号と正規化された変動とのドット積を計算して信号を中心周波数へ変換することにより、復調を行うように更に構成されることである。
【００２７】
本発明の他の特質は、プロセッサが、信号を同相成分と直角位相成分とへデマルチプレックスし、前記同相成分を積分し、前記直角位相成分を積分し、前記同相成分と前記直角位相成分とを多重化してディジタル的に積分された信号を生成し、前記信号と前記ディジタル的に積分された信号との振幅間の比を計算して前記信号の前記正規化された周波数を生じることにより、前記正規化された周波数を計算するように構成されることである。
【００２８】
本発明の他の特質は、前記プロセッサが、前記直角位相成分を積分することに応答して、且つ、前記直角位相成分を多重化することに先立って、前記積分された直角位相成分をを補償器へ印加することにより、前記正規化された周波数を計算するように構成されることである。
【００２９】
本発明の他の特質は、前記プロセッサが、前記同相成分を積分することに応答し、且つ、前記同相成分を多重化することに先立ち、前記積分された同相成分を補償器へ印加することにより、前記正規化された周波数を計算するように構成されることである。
【００３０】
本発明の他の特質は、前記プロセッサが、
前記信号の正規化された周波数を決定し、
前記信号の前記正規化された周波数を変調し、
前記管路の前記振動周波数を決定するため、変調された前記正規化された周波数を用いて前記信号の複素復調を行う
ことにより、前記管路の前記振動周波数を決定するように構成されることである。
【００３１】
本発明の他の特質は、前記プロセッサが、
前記復調された信号をデシメートし、
前記信号間の位相差を決定するため、該信号の複素相関を行う
ことにより、前記管路の前記振動周波数を決定するように構成されることである。
【００３２】
本発明の他の特質は、前記プロセッサが、前記第１のピックオフ・センサからの前記信号と前記第２のピックオフ・センサからの前記信号との間の位相差を決定するように更に構成されることである。
【００３３】
本発明の他の特質は、前記プロセッサが更に、
前記第１のピックオフ・センサと前記第２のピックオフ・センサとからの前記信号の前記周波数を決定することに応答して、前記管路を流れる前記物質の特性を決定するように構成されることである。
【００３４】
本発明の他の特質は、前記特性の１つが、前記管路を流れる前記物質の質量流量であることである。
本発明の他の特質は、前記特性の１つが密度であることである。
【００３５】
本発明の他の特質は、コリオリ流量計のための流量計電子装置であることである。
本発明は、以下の詳細な記述及び添付図面から理解し得る。
【００３６】
詳細な記述
コリオリ流量計全般――図１
図１は、コリオリ流量計組立体１０及び送信器２０を含むコリオリ流量計５を示している。送信器２０は、リード線１００を介して流量計組立体１０へ接続されて、密度、質量流量、体積流量、温度、総合質量流量及び強化密度を経路２６において提供する。コリオリ流量計構造について記述するが、当業者には明らかなように、物質の特性を計測する振動管路を有する装置に関連して本発明は実施可能である。このような装置の第２の事例は、コリオリ質量流量計により提供される付加的な計測能力を持たない振動管型密度計である。
【００３７】
流量計組立体１０は、１対のフランジ１０１、１０１′、マニフォールド１０２、及び管路１０３Ａ、１０３Ｂを含んでいる。駆動装置１０４及びピックオフ・センサ１０５、１０５′が管路１０３Ａ、１０３Ｂへ接続される。ブレース・バー１０６、１０６′は、各管路が周囲で振動する軸心Ｗ、Ｗ′を画定する役割を供する。
【００３８】
計測されているプロセス物質を運ぶパイプライン系（図示せず）へ流量計組立体１０が挿入されると、物質は、フランジ１０１を介して流量計組立体１０へ流入し、マニフォールド１０２を通過して管路１０３Ａ、１０３Ｂへ流入するよう方向付けられ、管路１０３Ａ、１０３Ｂを流れてマニフォールド１０２へ戻り、フランジ１０１′を介して流量計組立体１０から流出する。
【００３９】
それぞれ曲げ軸心Ｗ−Ｗ′に関して実質的に同じ質量分布、慣性モーメント及び弾性率を持つように管路１０３Ａ、１０３Ｂが選定され、、マニフォールド１０２へ適切に取付けられる。管路は、マニフォールドから外方へ実質的に平行に延びる。
【００４０】
管路１０３Ａ、１０３Ｂは、それらの各曲げ軸心Ｗ、Ｗ′に関して反対方向に且つ流量計の第１の位相はずれ曲げモードと呼ばれるモードで駆動装置１０４により駆動される。駆動装置１０４は多くの周知の装置の１つでよく、例えば、管路１０３Ａに取付けられた磁石と、管路１０３Ｂに取付けられ両管路を振動させるため交流が送られる対向コイルとを含む。適切な駆動信号が、流量計の電子装置２０からリード線１１０を介して駆動装置１０４へ印加される。
【００４１】
送信器２０は、リード線１１１に生じる右速度信号及びリード線１１１′に生じる左速度信号を受け取る。送信器２０は、駆動装置１０４で管路１０３Ａ、１０３Ｂを振動させる駆動信号をリード線１１０に生じる。送信器２０は、左右の速度信号を処理して流量計組立体１０を流れる物質の質量流量及び密度を計算する。この情報は、経路２６へ印加される。
【００４２】
当業者には公知であるように、コリオリ流量計５は構造において振動管型密度計によく類似する。振動管型密度計もまた、流体が流れる振動管を、或いはサンプリング型密度計の場合は、流体が内部に保持される振動管を用いる。振動管型密度計もまた、管路を振動するように励振するためのサンプリング型の駆動システムを用いる。振動管型密度計は、典型的には、唯一つのフィードバック信号を用いる。これは、密度の計測には周波数の計測のみが必要であって、位相の計測は不要であるからである。本発明の記述は、振動管型密度計にも等しく妥当する。
【００４３】
ディジタル送信器２０――図２
図２は、ディジタル送信器２０の構成要素を示している。経路１１１、１１１′は、左右の速度信号を流量計組立体１０から送信器２０へ伝送する。速度信号は、流量計電子装置２０におけるアナログ／ディジタル（Ａ／Ｄ）コンバータ２０３により受け取られる。Ａ／Ｄコンバータ２０３は、左右の速度信号を、プロセッサ２０１により使用可能なディジタル信号へ変換し、ディジタル信号を経路２１０、２１０′へ伝送する。個々の構成要素として図示されているが、Ａ／Ｄコンバータ２０３は、両方のピックオフ装置からの信号が同時に変換されるように２つのコンバータを提供するＡＫ４５１６  １６ビット・コーデック・チップのような単一のコンバータでよい。ディジタル信号は、経路２１０、２１０′によりプロセッサ２０１へ送られる。当業者であれば認識するように、任意の数のピックオフや、流管の温度を判定するＲＴＤセンサ等の他のセンサをプロセッサ２０１へ接続することができる。
【００４４】
駆動装置信号は、経路２１２を介して伝送され、ディジタル／アナログ（Ｄ／Ａ）コンバータ２０２へ印加される。Ｄ／Ａコンバータ２０２は一般のＤ／Ａコンバータであって、個々のＤ／Ａコンバータであっても、標準的なＡＫＭ４５１６のようなステレオ・コーデック・チップに集積されるコンバータであってもよい。別の普通のＤ／Ａコンバータ２０２はＡＤ７９４３チップである。Ｄ／Ａコンバータ２０２からのアナログ信号は、経路２９１を介して駆動回路２９０へ送られる。次いで、駆動回路２９１は、駆動信号を経路１１０を介して駆動装置１０４へ印加する。経路２６は、送信器２０がオペレータとの間でデータを送受することを許容する入出力装置（図示せず）へ信号を運ぶ。
【００４５】
プロセッサ２０１は、メモリから命令を読出して実行して流量計の色々な機能を行うマイクロプロセッサ、プロセッサ或いはプロセッサのグループである。望ましい実施の形態においては、プロセッサ２０１は、アナログ・デバイシス社製のＡＤＳＰ−２１８５Ｌマイクロプロセッサである。行われる機能は、読出し専用メモリ（ＲＯＭ）２２０に命令として格納される、物質の質量流量の計算、物質の体積流量の計算及び物質の密度の計算を含むが、これに限定されない。プロセッサ２０１は経路２２１を介してＲＯＭメモリ２２０における動作を実行する。種々の機能の実施のためのデータ並びに命令は、ランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）２３０に格納される。プロセッサ２０１は、経路２３１を介してＲＡＭ２３０における読出し／書込み動作を行う。
【００４６】
ディジタル送信器２０により行われる動作の概論――図３
図３は、コリオリ流量計５を操作するためディジタル送信器２０により行われる機能の概要である。プロセス３００は、送信器２０が駆動信号を生成するステップ３０１において開始する。次いで、駆動信号は経路１１０を介して駆動装置１０４へ印加される。ステップ３０２において、物質が管路１０３Ａ、１０３Ｂを通過するときの管路１０３Ａ、１０３Ｂの振動に応答して、送信器２０がピックオフ装置１０５、１０５′から信号を受け取る。信号周波数及び信号間の位相差のような信号についてのデータは、ステップ３０３においてディジタル送信器２０により実行される。管路１０３Ａ、１０３Ｂを流れる物質の特性についての質量流量、密度及び体積流量のような情報は、ステップ３０４においてデータから計算される。プロセス３００は、コリオリ流量計５がパイプライン内で動作している限り反復される。
【００４７】
本発明によりピックオフ信号についてのデータを生成するプロセス――図４
図４は、コリオリ流量計５における管路１０３Ａ、１０３Ｂの振動を計測するピックオフ装置１０５、１０５′から受け取る信号に対する信号周波数のようなデータを生成するプロセスであるプロセス４００を示す。プロセス４００は、ディジタル送信器２０における使用に対する幾つかの利点を提供する。プロセス４００の第１の利点は、浮動小数点算法の代わりに有限小数算法を用いるにも拘わらず精度の喪失がないことである。このことは、テキサス・インスツルメンツ社製のＴＭＳ３２０５ｘｘｘ、アナログ・デバイシス社製のＡＤＳＰ２１ｘｘ、或いはモトローラ社製の５３０６ｘのような低コスト・低電力プロセッサを許容する。第２の利点は、プロセス４００に対する命令のメモリ要件がプロセッサの内部メモリに常駐するのに充分なほど小さいことであり、このことがプロセッサと外部メモリ間の高速バスの必要を排除する。計算上の要件は、プロセス４００により低減され、このため、プロセッサはその最大クロック・レートより実質的に小さいクロック・レートで動作することができる。
【００４８】
プロセス４００は、ピックオフ装置から受け取る信号のサンプリング・レートを第１のサンプリング・レートから、より小さな第２のサンプリング・レートへデシメートする（decimate）ことによって、ステップ４０１において開始する。望ましい実施の形態においては、信号は４８ｋＨzの第１のサンプリング・レートから４ｋＨzの第２のサンプリング・レートまでデシメートされる。サンプリング・レートのデシメーション（decimation）は、信号の分解能を増大させ、図５において後述するように、計算精度を増大させる。望ましい実施の形態においては、４８ｋＨzから４ｋＨzへのサンプリング・レートの低減が、サンプルの分解能をＢビットからＢ＋１．７９ビットまで増大させる。
【００４９】
ステップ４０２において、サンプリングされた信号から信号周波数の推定値が計算される。推定信号周波数を計算する望ましいプロセスが、図６において提示される。この推定信号周波数は、ステップ４０３において、受け取られた信号を復調するのに用いられる。ディジタル信号を復調するプロセスは、図７及び図８に示される。サンプリングされた信号の第２のデシメーションは、ステップ４０４において行われる。この第２のデシメーションは、信号サンプルを第２のサンプリング・レートから第３のサンプリング・レートまで低減し、サンプリングされた信号の分解能を増大する。望ましい実施形態においては、この低減は４ｋＨzのサンプリング・レートから８００Ｈzのレートまでであり、これが分解能をＢ＋２．９５ビットへ増大させる。このような低減は、ステップ４０１におけるデシメーションと同じ方法で行われる。
【００５０】
第２のデシメーションの後にステップ４０４において、受信信号に基いて計算が行われる。これは、図９に示されるプロセスの一部として行われる。ノイズが除去された後、各ピックオフ装置からの信号の周波数がステップ４０５において決定される。ステップ４０６において、第１のピックオフ装置からの信号と第２のピックオフ装置からの信号との間の位相差が決定される。次いで、各信号の振幅がステップ４０７において決定される。次いで、プロセス４００は流量計が動作中である限り反復され、或いはプロセス４００は終了する。
【００５１】
ピックオフ装置からの信号のサンプリング・レートをデシメートするプロセス――図５
図５は、ピックオフ装置から受け取られるサンプルのレートをデシメートするプロセスを示す。これと同じプロセスが、ステップ４０１、４０４のそれぞれにおいて及び信号周波数を決定するプロセスにおいて行われるデシメーションのために用いられる。これらステップのそれぞれにおいて、各ピックオフ装置からの信号に対してプロセス５００が個別に行われる。各ステップにおいて行われるデシメーション間の相違は、以下に述べるように、入力データ・ベクトルの長さである。
【００５２】
プロセス５００において述べたようなデシメーションは、デシメーション比に等しい入力ベクトルのサイズでブロック処理法を用いて実施される。このデシメーション比は、サンプリング周波数がデシメーションにより低減される量である。このブロック処理法を用いることには動作上の利点がある。このプロセスが入力データ・レートではなく出力データ・レートで反復されるだけでよいからである。再帰ブロック・フィルタ処理の基にある原理は、信号の状態変数表現が、
ｘk+1＝Ａ*ｘk＋Ｂ*ｕk
ｙk＝Ｃ*ｘk＋Ｄ*ｕk
であることである。但し、
Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは、システムの状態を表わすマトリックス
ｘkは、時点ｋにおける（Ｎ＋１）状態ベクトル
ｕkは入力、
ｙkは、デシメートされた信号を表わす出力
である。
帰納により、
【００５３】
【数１】
0003713236.tif 000002
が明らかである。信号を係数Ｍによりデシメートすると、各Ｍ番目のサンプルのみが保持される。従って、上記マトリックスの最後の出力行を除く全ての行を消去すると、
【００５４】
【数２】
0003713236.tif 000003
が得られる。上式から明らかなように、上式の１回の再帰に対する累算／乗算の数は、
ＮMAC＝（Ｎ＋１）＊（Ｎ＋Ｍ）
となる。但し、
ＮMACは、累算／乗算の数
Ｎは、マトリックスＡの次数
Ｍは、プロセスのデシメーション率に等しいブロック・サイズ
である。従って、デシメーションを実施する計算上の負荷は、
Ｒsvd＝Ｆout*ＮMAC
となる。但し、
Ｒsvdは、プロセッサに対する計算上の負荷、
Ｆoutは、フィルタ出力レート
を表わす。
【００５５】
デシメーションの実施に必要なメモリは、下記のとおりである。
読出し専用（ＲＯＭ）であって良い、各フィルタ係数を記憶するメモリ、
読出し／書込み（ＲＡＭ）でなければならない、フィルタ状態ベクトルｘkを記憶するメモリ、及び
入力ブロック・バッファ・メモリ（読出し−書込み）。
【００５６】
図５は、上記のブロック処理法を用いるデシメーションのプロセスを示す。プロセス５００は、入力ブロックを生成するようｍ個のサンプルをバッファに受け取ることにより、ステップ５０１で開始する。この入力ブロックは、ステップ５０２において状態ベクトルと乗じられる。ｍ番目のサンプル毎に出力する結果がステップ５０３において出力され、他の計算において用いられる。プロセス５００は、ステップ５０３の後に終了する。
【００５７】
受信信号の周波数を推定するプロセス――図６
プロセス６００は、以降の処理ステップにおいて信号を復調するために、受信信号の周波数を推定するプロセスである。プロセス６００は、信号が復調される前にステップ４０３において完了されねばならない。その後の復調については後述し、図７に示す。
【００５８】
信号の周波数を推定するプロセス６００が図６に示される。プロセス６００は、受信信号のどれか１つについて行われる。プロセス６００は、サンプリングされたディジタル信号を同相（Ｉ）成分と直角位相（Ｑ）成分とへデマルチプレックスすることにより、ステップ６０１において開始する。ディジタル積分がステップ６０２において信号のＩ成分とＱ成分とについて行われる。ステップ６０３において、積分された信号について信号補償が計算される。この信号成分は、ステップ６０４において、ディジタル的に積分された信号を生成するため多重化される。元の信号とディジタル的に積分された信号との間の比が、ステップ６０５において計算される。この比は、プロセス７００において信号を復調するのに用いられる信号周波数の推定値を提供する。
【００５９】
プロセス６００は、周波数の推定のため固定係数フィルタを用いる。従って、再帰アルゴリズムは必要でない。再帰が用いられないので、プロセス６００は常に収束する。更に、プロセス６００は周波数の変化を迅速に追跡する。プロセス６００の終了時の推定周波数は、下式により与えられる。
【００６０】
Ｆest＝（ωest／２П）×（Ｆs／１２）
但し、
Ｆestは、推定周波数
ωestは、正規化された変動、
Ｆsは、サンプルの周波数
である。
【００６１】
高−低周波数セレクタのプロセス――図８
図８に示されるプロセス８００は、信号の周波数の推定値と復調との間に行われる任意のプロセスである。高−低周波数セレクタは、問題の周波数の決定に必要である。信号周波数を正確に計測するプロセス１０００（図９参照）は、正規化された周波数範囲において推定バイアス及び遅い収束を呈する。すなわち、
│Ｆ0│≦．０５∪│Ｆ0│＞．４５
但し、
Ｆ0は、信号の正規化された周波数
である。この式から、サンプリング・レートが４ｋＨzであり、計測される信号の周波数が２０Ｈzのように低いときは、周波数を決定するプロセスは正確でないことが明らかである。プロセス８００は、プロセス１００を広い周波数帯域にわたり用いることを可能にしてこのような状況に対処する。これは、当該プロセスが下記の方法で高い周波数或いは低い周波数において働くかどうか判定することによって行われる。プロセス８００は、推定される周波数が基準周波数より低いか或いはこれと等しいかを判定することにより、ステップ８０１において開始する。望ましい実施の形態においては、基準周波数は２５０Ｈzに選定される。２５０Ｈzが選定されるのは、これが従来の流管の通常の使用周波数と直線状流管の通常の使用周波数との間の周波数であるからである。
【００６２】
実際の推定周波数が基準周波数より低ければ、ゼロの推定周波数がステップ８０３において返送される。実際の推定周波数が基準周波数より高ければ、ステップ８０２において、推定周波数は実際の推定周波数マイナス１２０Ｈzであるように計算される。
【００６３】
受信信号を復調するプロセス――図７
図７は、受け取られたディジタル信号を復調するプロセス７００を示す。このプロセスは、プロセス６００（図６）又はプロセス８００（図８）において計算された推定周波数を用いる。プロセス７００は、式
ωd＝２П（１２Ｆd）／Ｆs
において表わされる正規化された変動を計算することによって、ステップ７０１において開始する。但し、
ωdは、正規化された変動
Ｆdは、推定周波数、
Ｆsは、サンプルの周波数
である。実数値の「トウィドル（twiddle）」係数が、下式に従ってステップ７０２において計算される。
【００６４】
Ｗk＝ｃｏｓ（ωdｋ）
ｘβ＝Ａβｃｏｓ（ωdｋ＋φβ）
である。但し、
βは、ピックオフ・センサのいずれか１つから受け取られた信号
である。「トウィドル係数」と実際の受信信号とのドット積は、下式によりステップ７０３において計算される。
【００６５】
【数３】
0003713236.tif 000004
プロセス８００が推定周波数がゼロに等しい低周波モードに従うならば、ｙβ（ｋ）＝ｘβ（ｋ）である。さもなければ、変調された出力信号は
Ｆ±＝（Ｆs／１２）｛（ω±ωd）／２П｝
で表される２つの成分を持つ。しかし、これは、以下に述べるように、デューアル・デシメーション（dual decimation）により対処することができる。上式における−符号に対応する第１の成分が、問題となる信号である。上式における＋符号に対応する第２の信号は、プロセス９００（図９参照）のステップ９０５における次のデシメーション・プロセスにおいて除去される。
【００６６】
受信信号からデータを生成するプロセス――図９
図９は、センサから受け取られる信号についてのデータを生成するプロセス９００を示す。プロセス９００は、以下の方法で計算されるノッチ・フィルタ・パラメータの適応を計算することによってステップ９０１において開始する。ノッチ・フィルタ・パラメータは、
【００６７】
【数４】
0003713236.tif 000005
で表わされる１つの適応パラメータであることが知られている。但し、α＜１はフィルタの帯域幅を調整する収束パラメータであり、ａ1は適応を介して求められるパラメータである。│ａ1│＜２と仮定すると、ａ1＝−２ｃｏｓ（ω）である。
【００６８】
Ｈ（ｚ）のゼロ点は式
ｚ±＝ｅｘｐ（±ｊω）
により与えられる。但し、
ｚはゼロ点、
ｊは定数、
ωは信号の周期
である。従って、信号の極は式
ｐ±＝αｅｘｐ（＋ｊω）
で表わされる。ステップ９０２において、ａ1が各信号について計算され、ａ1の計算にはＲＬＳ、ＲＭＬ、ＳＧＮのような多くの周知のアルゴリズムの１つを用いる。これは、信号エネルギを最小化する。
【００６９】
ステップ９０２において、各信号の信号周波数が決定される。信号の周波数を決定するために、デシメートされた信号に関する正規化された周波数が、式
Ｆ0＝（１／２П）ａｒｃｃｏｓ（−ａ1／２）
を用いて決定される。但し、
Ｆ0は、デシメートされた信号に関する正規化された周波数、
ａ1は、ノッチ・フィルタ・パラメータのそのときの適応値
である。次いで、信号の周波数が、デシメーション周波数と正規化された周波数とを乗じる（Ｆl＝Ｆ0×Ｆs）ことにより、ステップ９０２において決定することができる。ステップ９０３において、直角位相復調が信号について行われる。直角位相復調は、信号の主周波数がゼロへシフトされるように復調信号を選定することによって行われる。プロセス９０３において、復調信号と受信信号とのドット積が計算される。変調信号は、
ω0＝２ПＦ0
のように表わされる。但し、
ω0は、変調信号の変動、
Ｆ0は、ステップ９０２において先に計算された正規化された信号の周波数
である。先に述べたように、受信信号は
【００７０】
【数５】
0003713236.tif 000006
のように示すことができる。但し、
βはピックオフ・センサ１０５、１０５′からの各信号
である。上式から、直角位相復調の出力は、
【００７１】
【数６】
0003713236.tif 000007
となる。信号の分解能を更に増すために、デシメーションがステップ９０４において行われる。望ましい実施の形態においては、このデシメーションは、受信信号のＩ成分及びＱ成分について行われるａ×４０デシメーションである。このデシメーションは、複素直角位相復調の結果を
【００７２】
【数７】
0003713236.tif 000008
へ変形する。デシメーションが行われた後、信号の位相差がステップ９０５において求められる。例示的な実施の形態においては、位相差は以下のように計算される。左或いは右のピックオフ・センサからの受信信号の最初の信号が、
【００７３】
【数８】
0003713236.tif 000009
に従って変形される。次いで、信号は、ステップ９０５において、下式
【００７４】
【数９】
0003713236.tif 000010
に示すように、ピックオフ信号間の複素相関を行うよう第２の信号により乗じられる。従って、位相差がステップ９０６において決定され、
φ（ｋ）＝ａｒｇ（ｑ（ｋ））＝φ1st−φ2nd
により与えられる。次に、位相差は、管の中を流れる物質の質量流量その他の特性の計算のため用いられる。
【００７５】
以上は、コリオリ流量計５に対するディジタル送信器２０と、送信器２０により受け取られる信号についてのデータを決定するためのプロセスとの記述である。代替的なディジタル信号プロセッサ及びプロセスが設計されることが予期されるが、それらは、文言的に或いは均等論により請求の範囲に記載される本発明を侵害することになる
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明のマルチレート・ピックオフ信号プロセスを実施するディジタル送信器を有するコリオリ流量計を示す図である。
【図２】  ディジタル信号送信器のブロック図を示す。
【図３】  ディジタル送信器により行われる動作のフロー図を示す。
【図４】  ピックオフ・センサから受け取られる信号からデータを生成するプロセスを示すフロー図である。
【図５】  ピックオフ・センサからの信号サンプルのデシメーションを行うプロセスを示す。
【図６】  ピックオフ・センサから受け取られる信号の推定周波数を計算するプロセスを示す。
【図７】  受信信号に対する高−低周波数選択を行うプロセスを示す。
【図８】  受信信号を復調するプロセスを示す。
【図９】  受信信号から流管振動についてのデータを決定する方法を示す。
【図１】
0003713236.tif 000011
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
0003713236.tif 000019