(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定管の中央部を駆動した際に、該測定管の中央部を中心として、測定管の流入側と流出側にコリオリの力に基づいて生ずる位相差を検知するコリオリメータの位相差信号検出用フィルタ回路において、
左右振動検出センサでそれぞれ検知された左右センサ信号をそれぞれ増幅するために左右センサ信号に対応してそれぞれ設けられる一対の増幅回路と、
増幅されたいずれか一方のセンサ信号の波形を整形する波形整形回路と、
増幅されたいずれか一方のセンサ信号が入力されて、駆動装置を駆動する出力信号を発生する駆動回路と、
前記波形整形回路からの出力をクロック信号として入力すると共に、該クロック信号を逓倍して出力するフェーズロックループと、
左右センサ信号にそれぞれ対応して設けられて、それぞれ前記フェーズロックループの出力がクロックとして入力されると共に、前記増幅された左右センサ信号のそれぞれが入力される一対のスイッチド・キャパシタ・フィルタと、
を備え、前記一対のスイッチド・キャパシタ・フィルタのそれぞれからの出力信号間の位相差を計測することから成るコリオリメータの位相差信号検出用フィルタ回路。
【請求項２】
前記一対のスイッチド・キャパシタ・フィルタの後段にさらに別の一対のスイッチド・キャパシタ・フィルタを設けた請求項１に記載のコリオリメータの位相差信号検出用フィルタ回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ドライブ周波数に追尾したスイッチド・キャパシタ・フィルタを用いることによって、配管振動、キャビテーション、センサ自体のメカニカルノイズ等を極めて減衰させ、高精度に質量流量計測を行うことのできるコリオリメータの位相差信号検出用フィルタ回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
コリオリメータは、測定管を２点で支持し、支持された測定管に対し支持点を節部として支持点まわりの振動を加え、この振動により測定管を流れる流体に作用するコリオリの力を検出する質量流量計である。測定管の中央部を軸線に垂直な方向に交番駆動している時、流体が移動すると、測定管の中央部を中心として、測定管の流入側と流出側に位相差が生ずる。この位相差は、コリオリの力に基づくもので、質量流量に比例した値であり、この位相差を検知することにより質量流量を計測することができる。
【０００３】
位相差の検知は、測定管の静止状態における測定管の管軸を通る面を基準面としてこの基準面を検出位置における測定管が通過するときの時間差を測定することにより行われる。具体的には、時間差は測定管の流入側と流出側の対称位置に取り付けられた測定管の変位検出器の信号を各々方形波に波形整形し、整形された各々の方形波の立上げの時間の時間差の間で計数される一定周波数のクロックの数から求めることができる。
【０００４】
しかし、コリオリの力による測定管の流入側と流出側の所定対称位置で生ずる測定管の位相差信号は、測定管の駆動振幅に比べて極めて小さい量である。従って、位相差信号に比例して検知される時間差も極めて小さい。また、コリオリ流量計は上下流の配管の間に装着されるので、配管による外部振動影響やノイズ影響を受け易い。そのため、安定した正確な時間差測定を行うためには、外部振動影響やノイズ影響を除去する必要がある。
【０００５】
従来コリオリメータで用いられてきたフィルタは、アナログフィルタによるもので、カットオフ周波数が固定のローパスフィルタを使用してきた。また、アナログフィルタで除去しようとする周波数は、カットオフ周波数から100倍以上周波数を離して設計するのが通常であった。これは、充分な減衰率を得るためとカットオフ周波数で最大の位相回転を伴うためである。コリオリ式質量流量計の場合は微小な時間差を計測しているために、左右センサ信号の位相差がフィルタによって生じるということは、事実上計測には向いていない事となる。従って、カットオフ周波数を実際のドライブ周波数から充分に離した周波数に設定することとなる。この事によって位相回転を減少させ、高周波成分を減少させることができる。
【０００６】
しかしながら、これらのフィルタではどうしても除去することが出来ない周波数成分がある。それはドライブ周波数に極めて近いＮ次高調波やツイスト周波数である。センサの固有振動数と、そのN次高調波（2次、3次、5次、7次）やツイスト等のノイズ成分との周波数が極めて近いため、通常のアナログフィルタでは除去することが不可能である。前述したように、カットオフ周波数をドライブ周波数の100倍離したフィルタでは1次の場合-6dB/Octで減衰するために、ドライブ周波数の2次高調波は-6dBしか減衰させることは出来ない。それも、基本波であるドライブ周波数も同時に減衰しての話である。
【０００７】
それらの高調波およびツイスト周波数は、時間差計測においてきわめて阻害的な周波数成分であり、これらの成分を除去することは、コリオリ式質量流量計の精度を上げることにつながるものである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、任意にカットオフ周波数を変更する事が出来ると共に、センサの口径、計測流体の密度、温度等が変化してドライブ周波数が変動しても自動的にその周波数に追従してカットオフ周波数を変更することのできるコリオリメータの位相差検出回路を提供することを目的としている。
【０００９】
また、本発明は、常に左右のフィルタのカットオフ周波数に差異は発生せず、二つのフィルタの位相回転も常に同一にして、位相差としてはキャンセルすることを目的としている。
【００１０】
また、本発明は、ドライブ周波数の近傍にカットオフを持ってきて計測することを可能にし、これによって、ドライブ周波数の上にあるキャビテーションによる振動、センサ自体のメカニカルノイズなど、これまで除去することが出来なかった周波数帯域を除去することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明のコリオリメータの位相差信号検出用フィルタ回路は、測定管の中央部を駆動した際に、該測定管の中央部を中心として、測定管の流入側と流出側にコリオリの力に基づいて生ずる位相差を検知する。このコリオリメータは、左右振動検出センサでそれぞれ検知された左右センサ信号をそれぞれ増幅するために左右センサ信号に対応してそれぞれ設けられる一対の増幅回路と、増幅されたいずれか一方のセンサ信号の波形を整形する波形整形回路と、増幅されたいずれか一方のセンサ信号が入力されて、駆動装置を駆動する出力信号を発生する駆動回路と、波形整形回路からの出力をクロック信号として入力すると共に、該クロック信号を逓倍して出力するフェーズロックループと、左右センサ信号にそれぞれ対応して設けられて、それぞれフェーズロックループの出力がクロックとして入力されると共に、増幅された左右センサ信号のそれぞれが入力される一対のスイッチド・キャパシタ・フィルタとを備える。この一対のスイッチド・キャパシタ・フィルタのそれぞれからの出力信号間の位相差を、測定管に流れる質量流量として計測する。
【００１２】
本発明は、入力周波数の1/100（または1/50）のクロック周波数がカットオフ周波数となるスイッチド・キャパシタ・フィルタ（SCF）を使用することで、任意にカットオフ周波数を変更する事が出来る。また、SCFに入力するクロックはPLLを用いて測定管の駆動信号から周波数逓倍して用いる。このことによってセンサの口径、計測流体の密度、温度等が変化しても自動的にその周波数に追従してカットオフ周波数が変更される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、例示に基づき本発明を説明する。図１は、本発明を具体化する位相差検出回路の第１の例を示すブロック図である。駆動装置及び振動検出センサはそれぞれコイルとマグネットから構成される。左右振動検出センサでそれぞれ検知された左右センサ信号は、それぞれ増幅回路に入力される。増幅回路からの出力信号は、それぞれ対応するスイッチド・キャパシタ・フィルタ（SCF）に入力されると共に、一方の増幅回路の出力信号は、フィルタを介して波形整形回路と共に、駆動装置を駆動する駆動回路に入力される。波形整形に関しては、チャタリングなどによって誤った周波数となるのを防ぐために、ヒステリシス付のコンパレータなどを使用することが望ましい。
【００１４】
波形整形をした信号は、クロックとしてフェーズロックループ(PLL)に入力される。PLLで逓倍する倍率は、使用するスイッチド・キャパシタ・フィルタ（SCF）の特性によって異なるが、たとえば1:100のものを使用する場合には少なくとも100倍以上を必要とする（カットオフ周波数Fcはドライブ周波数以上とする。）。メカニカルノイズや、高調波を駆除するためには、カットオフ周波数Fcはドライブ周波数の2倍よりも充分に低いべきであるので、逓倍率としてはドライブ周波数の200倍以下となる。
【００１５】
位相差検出回路の方式によって、SCFのクロック周波数が邪魔となる場合には更にもう一段のクロック周波数の高いSCFを追加することで、低いクロックを用いたSCFのクロックを除去することも考えられる。図２は、本発明を具体化する位相差検出回路の第２の例を示すブロック図であり、もう一段のクロック周波数の高いSCFを追加した例を示している。
【００１６】
低いクロック周波数のSCFの逓倍率は、たとえば128倍。高いクロック周波数のSCFの逓倍率は、たとえばその50倍とすると、低いクロック周波数は約-30dB減衰することとなる。従ってドライブ周波数ｆに対して、低いクロック周波数は128ｆ（カットオフ周波数は1.28ｆ）、高いクロック周波数は50×128ｆ＝6400ｆ（カットオフ周波数は64ｆ）となる。
【００１７】
仮にドライブ周波数が160Hz、カットオフ周波数をドライブ周波数の1.28倍とすると、カットオフ周波数は204.8Hzとなる。2次高調波は320Hzで、このSCFによる高次フィルタは5次であるから、基本波に対して概略5×20×log(204.8/320)＝-19.38dB(約1/10)となる。3次高調波に関しては-59.18dB(約1/1000)。2次と3次の間にあるツイストに関しても約-29dB減衰させることが可能となる。キャビテーションによる周波数は1〜5kHzの間で存在するが、1kHzのノイズは-68.87dB、5kHzのノイズは-138.8dBの減衰率となりほとんど影響を受けることはなくなる。
【００１８】
ドライブ周波数はセンサのタイプによって50Hz〜800Hzの間で推移する。図３は、図２に示すようにSCFを二段構成にした位相差検出回路における、ドライブ周波数、SCF用のクロック周波数そしてカットオフ周波数の関係を示す図である。図３において、一段目SCFのクロック周波数及びカットオフ周波数をそれぞれclk1、fc1、二段目SCFのそれぞれをclk2、fc2で示している。また、図３における２次、３次、３kHzは、それぞれ２次高調波、３次高調波、３kHz周波数（キャビテーション周波数）における減衰を示している。いずれも十分なる減衰が得られることが示されている。
【００１９】
図１或いは図２において、それぞれ対応するスイッチド・キャパシタ・フィルタ（SCF）においてノイズ除去した左右センサ信号は、通常に、位相差計測回路に入力される。そして、位相差が計測されて、出力回路に出力され、また、表示回路において質量流量として通常に表示される。
【００２０】
本発明は、入力周波数の1/100（または1/50）のクロック周波数がカットオフ周波数となるスイッチド・キャパシタ・フィルタ（SCF）を使用することで、任意にカットオフ周波数を変更する事が出来る。また、SCFに入力するクロックはPLLを用いて測定管の駆動信号から周波数逓倍して用いる。このことによってセンサの口径、計測流体の密度、温度等が変化しても自動的にその周波数に追従してカットオフ周波数が変更される。
【００２１】
通常、カットオフ周波数の近傍では位相変化が極大となる。アナログのフィルタでは厳密に定数を合わせ込んだとしても、温度特性や周波数特性によって2つのフィルタ間には位相回転の差が生じる。わずかな位相差を計測する事によって質量流量計測を行っているコリオリ式質量流量計ではタブー視されている。
【００２２】
しかしながら、位相変化が起こったとしても、左右センサ信号に用いられるフィルタが同じだけの位相回転であれば、位相回転差としてはキャンセルされる。このフィルタのカットオフ周波数は、同一クロックによって制御されているため、常に左右のフィルタのカットオフ周波数に差異は発生せず、二つのフィルタの位相回転も常に同一となる。この事によって、今まで不可能だったドライブ周波数の近傍、たとえば1.28倍の周波数（クロック周波数としてはドライブ周波数の128倍が必要）にカットオフを持ってきても計測することが可能となる。
【００２３】
この事によって、ドライブ周波数（たとえば160Hz）の上にあるキャビテーションによる振動（1kHz〜5kHz）、センサ自体のメカニカルノイズ（ドライブ周波数のn倍、ツイスト周波数等）など、これまで除去することが出来なかった周波数帯域を除去することが可能となり、左右センサ信号のフィルタ後に位相回転差の発生を生じない。
【００２４】
【発明の効果】
本発明は、カットオフ周波数がドライブ周波数に追尾して変化することによって、センサ自体のメカニカルノイズや、ドライブ周波数によって変化する高調波（n次高調波、ツイスト等）をこれまでカットオフ周波数が固定であったために、ほとんど除去することが出来なかったドライブ周波数近傍の高調波周波数帯域はもちろん、キャビテーション等で発生する1kHz〜5kHzを駆除することが可能となる。
【００２５】
カットオフ周波数の精度は、クロック周波数の精度に依存することになるが、左右のフィルタに同じクロック周波数を使用することによって、位相差を発生する事もなく後段の時間差計測ブロックに入力される事となる。このことにより、ほぼ純粋に測定管振動の位相差のみを計測できる事となり、高精度に質量流量を計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を具体化する位相差検出回路の第１の例を示すブロック図である。
【図２】本発明を具体化する位相差検出回路の第２の例を示すブロック図である。
【図３】ドライブ周波数、SCF用のクロック周波数そしてカットオフ周波数の関係を示す図である。
【図１】
0003662900.tif 000002
【図２】
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【図３】
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