(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動装置（１０４）によって振動させられる導管（１０３Ａ〜１０３Ｂ）を流れる物質のプロセス・パラメータ（４５）を推定する装置（５）であって、前記プロセス・パラメータが、前記導管に固定された複数の運動トランスジューサ（１０５Ａ〜１０５Ｄ）によって生成される前記導管の運動を表す複数の運動信号から推定される装置において、
前記導管（１０３Ａ〜１０３Ｂ）と関連づけられた複数の運動トランスジューサ（１０５Ａ〜１０５Ｄ）から前記複数の運動信号を受信して、前記複数の運動信号を処理し、前記複数の運動信号によって表される運動を複数の実標準モード成分（３５）に分解する実標準モード・レゾルバ（３０）と、
前記複数の実標準モード成分（３５）の生成に応答し、前記複数の実標準モード成分（３５）のうちの１つの実標準モード成分からプロセス・パラメータ（４５）を推定するプロセス・パラメータ推定器（４０）と、
を具備する装置（５）。
【請求項２】
前記実標準モード・レゾルバ（３０）は、前記導管（１０３Ａ〜１０３Ｂ）の実標準モードと関連づけられた運動の成分を選択的に表す前記複数の運動信号から出力を生成するように動作するモード・パス・フィルタ（３３０）を含み、
前記プロセス・パラメータ推定器（４０）は、前記モード・パス・フィルタによる前記出力の生成に応答して、前記出力からプロセス・パラメータを推定する、請求項１に記載の装置（５）。
【請求項３】
前記モード・パス・フィルタ（３３０）は、前記導管（１０３Ａ〜１０３Ｂ）の第１の場所での運動を表す第１のフィルタリングされた信号と、前記導管（１０３Ａ〜１０３Ｂ）の第２の場所での運動を表す第２のフィルタリングされた信号とを生成するように動作し、
前記プロセス・パラメータ推定器（４０）は、前記第１のフィルタリングされた信号と前記第２のフィルタリングされた信号との位相差を判断する手段（５４２）と、前記位相差の判断に応答して、前記判断された位相差から質量流量を推定する手段（５４４）とを含む、請求項２に記載の装置（５）。
【請求項４】
前記実標準モード・レゾルバ（３０）は、前記受信された複数の運動信号から実標準モード運動を推定するように動作する実標準モード運動推定器（１３３０）を含み、
前記プロセス・パラメータ推定器（４０）は、前記推定された実標準モード運動から前記プロセス・パラメータ（３５）を推定するように動作する、請求項１に記載の装置（５）。
【請求項５】
前記複数の運動信号は、前記導管の運動を前記複数の実標準モード成分に分解するための重複規定された情報源を表す、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
導管に固定された複数の運動トランスジューサによって生成される複数の運動信号から、前記導管に固定された駆動装置によって振動させられる前記導管を流れる物質のプロセス・パラメータ（４５）を推定する方法（６００）であって、
物質を収容する前記導管（１０３Ａ〜１０３Ｂ）と関連づけられた前記複数の運動トランスジューサ（１０５Ａ〜１０５Ｅ）から、振動する前記導管（１０３Ａ〜１０３Ｂ）の複数の場所での運動を表す前記複数の運動信号を受信するステップ（６２０）と、
前記運動を複数の実標準モード成分に分解するために、前記受信された複数の運動信号を処理するステップ（６３０）と、
前記複数の実標準モード成分のうちの１つの実標準モード成分からプロセス・パラメータを推定するステップ（６４０）と、
を含む方法。
【請求項７】
前記処理するステップ（６３０）は、振動する前記導管の実標準モードと関連づけられた前記運動の成分を選択的に表す出力を生成するために、前記受信された複数の運動信号を処理するステップを含み、
前記推定するステップ（６４０）は、前記出力からプロセス・パラメータを推定するステップを含む、請求項６に記載の方法（６００）。
【請求項８】
前記処理するステップ（６２０）は、前記受信された複数の運動信号から実標準モード運動を推定するステップ（１６２０）を含み、
プロセス・パラメータを推定する前記ステップ（６３０）は、前記推定された実標準モード運動から前記物質と関連づけられたプロセス・パラメータを推定するステップ（１６３０）を含む、請求項７に記載の方法（６００）。
【請求項９】
前記複数の運動信号が、前記導管の運動を前記複数の実標準モード成分に分解するための重複規定された情報源を表すように、場所の数は分解された実標準モード成分の数を上回る、請求項６に記載の方法（６００）。
【請求項１０】
前記受信するステップ（６１０）には、前記導管において複数の実標準モードを励振するステップが先行し、前記受信するステップは、前記励振に応答した運動を表す複数の運動信号を受信するステップを含む、請求項６に記載の方法（６００）。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の背景
発明の分野
本発明は、プロセス・パラメータ・センサ、操作方法及びコンピュータ・プログラム製品に関し、特に、振動導管パラメータ・センサ、操作方法及びコンピュータ・プログラム製品に関する。
課題の説明
導管を通って流れる物質に関する質量流及びその他の情報を計測するために、コリオリ効果質量流量計が一般的に使用されている。例示的なコリオリ流量計は、全てＪ．Ｅ．スミス等に付与された１９７８年８月２９日の米国特許第４，１０９，５２４号、１９８５年１月１日の第４，４９１，０２５号、及び１９８２年２月１１日付けの米国再発行特許第３１，４５０号において開示されている。これらの流量計は通常、直線構成又は曲線構成を有する１つ又は複数の導管を含む。各導管は、たとえば、単純な湾曲モード、捩れモード、放射状モード及びこれらの結合モードを含む１組の振動モードを有するものとして見ることができる。典型的な質量流計測適用において、各導管は、物質が導管を通って流れるときにその自然モードの１つで共振して振動するように駆動される。振動し且つ物質で満たされたシステムの振動モードは、導管の質量及びその剛性特性と導管内を流れる物質の特性との組合わせによって影響される。
【０００２】
コリオリ流量計の典型的な構成要素は、駆動すなわち励振システムである。駆動システムは、導管を運動させる定期的な物理的力を導管に与えるように動作する。駆動システムは通常、流量計の導管に設けられた少なくとも１つのアクチュエータを含む。アクチュエータは、第１の導管に設けられた磁石と、磁石に対向するように第２の導管に設けられたワイヤ・コイルとを有するボイス・コイル・デバイスなどの、多数のよく知られた電気機械的デバイスの１つを含むことができる。ドライバは通常、周期的な、たとえば正弦波又は方形波の駆動信号をアクチュエータ・コイルに与える。周期的な駆動信号は、アクチュエータに、逆の周期的パターンで２つの導管を駆動させる。
【０００３】
実際には、駆動された流量計導管を通る「ゼロ」の流れがあるときに、導管に沿った点は、駆動された運動のモードに応じて、ドライバに対してほぼ同じ位相又は「ゼロ流れ」の位相で振動する傾向にある。物質が流量計の流入口から流れ込み、導管を通って流量計の流出口から流出し始めると、物質の流れから生ずるコリオリの力は、導管に沿って間隔を開けて分離された点の間で移相を生じる傾向にあり、導管の流入口側の位相は一般的にアクチュエータより遅れ、導管の流出口側の位相は一般的にアクチュエータより進む。導管の２つの場所の間で生じた移相は、導管を通る物質の質量流量にほぼ比例する。
【０００４】
残念ながら、従来の移相方法又は時間遅延方法を使用して得られる計測の正確さは、流量計の構造の非直線性及び非対称性、ならびにポンプなどの外部ソースにより流量計構造内に導入される振動によって損なわれることがあり得る。これらの影響は、たとえば、外部振動の影響を削減する均衡した機械的設計を使用すること、及び不所望の振動と関連づけられた周波数成分を除去するために周波数領域フィルタリングを使用することにより、削減することができる。しかし、機械的設計のアプローチは、幾何的な問題によって制限を受ける場合があり、周波数領域フィルタリングは、関係のある共振周波数、たとえば導管を励振するのに使用する駆動周波数又はその付近の周波数で発生する望まない振動エネルギーを除去するには効果的でない場合がある。
【０００５】
発明の概要
上記に鑑みて、構造的な非直線性と非対称性とを有するセンサ導管において、外部振動の存在下で、プロセス・パラメータの正確な推定を提供できる振動導管パラメータ・センサ、操作方法及びコンピュータ・プログラム製品を提供することが本発明の目的である。
【０００６】
この目的、特徴及び利点ならびに他の目的、特徴及び利点は、質量流などのプロセス・パラメータを推定できる複数の実標準モード成分に導管の運動を分解するために、振動する導管の運動を表す運動信号が処理される、振動導管プロセス・パラメータ・センサ、操作方法及びコンピュータ・プログラム製品によって提供される。本発明の一つの実施の形態においては、１つ又は複数の実標準モード、たとえば、導管内の物質と関連するコリオリの力と選択的に相関された１つ又は複数の実標準モードと関連づけられた導管の運動の成分を選択的に表す出力を生成するために、モード・パス・フィルタが運動信号に適用される。次に、たとえば従来の位相差技術を使用して、この出力から質量流などのプロセス・パラメータの推定を生成することができる。本発明による別の実施の形態においては、実標準モード運動は複数の運動信号から推定され、プロセス・パラメータは推定された実標準モード運動のサブセットから、たとえば、コリオリの力と選択的に相関された実標準モードにおける運動から推定される。
【０００７】
導管運動が実標準モード成分に分解されるので、プロセス・パラメータのより正確な推定を得ることができる。たとえば、モード・パス・フィルタは、外部雑音源と関連づけられた導管運動の成分を減衰させながら、コリオリの力と密接に相関された実標準モードに対応する導管運動の成分を通過させることができる。そのため、フィルタリングされた出力は雑音や運動によって損なわれることが少なくなることが可能であり、したがって、質量流などのプロセス・パラメータの正確な推定を生成するために有利に使用することができる。同様に、コリオリの力と相関された選択モードの推定された実標準モード運動は、他の原因に帰すべきモード運動を無視しながら、プロセス・パラメータの正確な推定を生成するために使用することができる。
【０００８】
特に、本発明によれば、プロセス・パラメータを判断するプロセス・パラメータ・センサは、物質を収容するように構成された導管と、導管の複数の場所での運動を表す複数の運動信号を生成するように動作する複数の運動トランスジューサとを含む。実標準モード・レゾルバは、複数の運動トランスジューサに応答し、複数の運動信号によって表される運動を複数の実標準モード成分に分解するために複数の運動信号を処理するように動作する。プロセス・パラメータ推定器は実標準モード・レゾルバに応答し、複数の実標準モード成分のうちの１つの実標準モード成分からプロセス・パラメータを推定するように動作する。
【０００９】
本発明の一つの実施の形態においては、実標準モード・レゾルバは、導管の実標準モード、たとえばコリオリの力と選択的に相関された実標準モードと関連づけられた運動の成分を選択的に表す複数の運動信号から出力を生成するように動作するモード・パス・フィルタを含む。プロセス・パラメータ推定器はモード・パス・フィルタに応答し、出力からプロセス・パラメータを推定するように動作する。
【００１０】
本発明の別の実施の形態においては、実標準モード・レゾルバは、受信した複数の運動信号から実標準モード運動を推定するように動作する実標準モード運動推定器を含む。プロセス・パラメータ推定器は、推定された実標準モード運動から、たとえばコリオリの力と密接に相関された実標準モードの組に関する推定された運動から、プロセス・パラメータを推定するように動作する。実標準モード運動推定器は、第１の実標準モードの運動を推定する手段と、コリオリの力と選択的に相関された第２の実標準モードの運動を推定する手段とを含むことができる。プロセス・パラメータ推定器は、第２の実標準モードの運動の正規化された推定を生成するために、推定された第１の実標準モードの運動に対して推定された第２の実標準モードの運動を正規化する手段を含むことができる。手段は、第２の実標準モードの運動の正規化された推定からプロセス・パラメータを推定するために備えられていてもよい。
【００１１】
本発明の方法の態様によれば、物質を収容する振動導管の複数の場所での運動を表す複数の運動信号が受信される。受信された複数の運動信号は、運動を複数の実標準モード成分に分解するように処理される。プロセス・パラメータは、複数の実標準モード成分のうちの１つの実標準モード成分から推定される。
【００１２】
本発明の方法の態様によれば、運動導管の実標準モードと関連づけられた運動の成分を選択的に表す出力を生成するように運動信号を処理することができる。モード・パス・フィルタは、複数の運動信号とフィルタリングされた出力から推定されるプロセス・パラメータとに適用することができる。たとえば、導管の第１及び第２の場所それぞれでの運動を表す第１及び第２のフィルタリングされた信号が生成される。プロセス・パラメータは、第１のフィルタリングされた信号と第２のフィルタリングされた信号との間の位相差を決定すること、及び決定された位相差から質量流を推定することにより推定することができる。
【００１３】
本発明の別の方法の態様によれば、実標準モード運動、すなわち、複数の一自由度（ＳＤＯＦ）系における運動が、受信された複数の運動信号から推定される。プロセス・パラメータは推定された実標準モード運動から推定される。たとえば、運動は第１及び第２の実標準モードのそれぞれで推定することができ、第２の実標準モードはコリオリの力と選択的に相関されている。プロセス・パラメータは、第２の実標準モードの運動の正規化された推定を生成するために、推定された第２の実標準モードの運動を推定された第１の実標準モードの運動に対して正規化することにより推定することができる。プロセス・パラメータは、第２の実標準モードの運動の正規化された推定から確定することができる。
【００１４】
本発明の他の態様によれば、複数の実標準モードが導管内で励振され、励振に応答した運動を表す複数の運動信号が受信され、プロセス・パラメータを推定できる複数の実標準モード成分に導管運動を分解するように複数の運動信号が処理される。導管に与えられる励振は、様々な周波数の一連のほぼコヒーレントな励振、又は、たとえば流体構造相互作用（ＦＳＩ）を通して導管内で物質からエネルギーを伝達することにより生成される励振などの、広帯域の励振とすることができる。
【００１５】
本発明によるプロセス・パラメータを推定するコンピュータ・プログラム製品は、物質を収容する導管の運動を表す複数の運動信号を、運動を複数の実標準モード成分に分解するように処理する第１のコンピュータ可読プログラム・コード手段を含む。第２のコンピュータ可読プログラム・コード手段は、複数の実標準モード成分の１つからプロセス・パラメータを推定する。第１の実施の形態においては、第１のコンピュータ可読プログラム・コード手段は、複数の運動信号を、振動導管の実標準モードと関連づけられた運動の成分を選択的に表す出力を生成するように処理するコンピュータ可読プログラム・コード手段を含む。第２のコンピュータ可読プログラム・コード手段は、この出力からプロセス・パラメータを推定するコンピュータ可読プログラム・コード手段を含む。別の実施の形態においては、コンピュータ可読プログラム・コード手段は、複数の運動信号から実標準モード運動を推定するコンピュータ可読プログラム・コード手段を含む。第２のコンピュータ可読プログラム・コード手段は、推定された実標準モード運動から物質と関連づけられたプロセス・パラメータを推定するコンピュータ可読プログラム・コード手段を含む。こうすることによって、改良されたプロセス・パラメータ推定を提供することができる。
【００１６】
実施の形態の詳細な説明
ここで、本発明の実施の形態が示されている付属の図面を参照して、本発明を以下により完全に説明する。当業者であれば理解するように、本発明が多数の異なった形態で実施することができ、本明細書に記載した実施の形態に限定されるものと解釈されるべきではなく、むしろ、これらの実施の形態はこの開示が徹底かつ完全であるよう、また本発明の範囲を当業者に完全に伝えるよう提示されている。全図面を通じて、同様の数字は同様の要素を指す。
【００１７】
以下の説明の大部分は、物質処理システムのプロセス・パラメータ、たとえば質量流量が、振動導管を通って流れる流体などの物質について推定されるコリオリ流量計に言及している。しかし、当業者であれば理解するように、本発明はインライン・センサ以外に振動導管プロセス・パラメータ・センサにも適用可能である。たとえば、本発明は、物質処理システムから抽出された物質のサンプルを含むように構成された導管を備えたサンプリング型の振動導管濃度計に適用可能である。
【００１８】
本明細書において説明している実施の形態において、センサ導管の運動を表す運動信号は、導管運動を複数の実標準モード成分に分解するように処理される。実標準モード分解は多数の方法で実施することができる。たとえば、モード・パス・フィルタは、他の不所望の実標準モードと関連づけられた導管運動の成分を減衰させながら、所望の実標準モードの組と関連づけられたセンサ導管運動の成分を通過させるために採用することができる。導管運動に対応するモード応答は明示的に判断される必要はないが、それにもかかわらず、モデル・パス・フィルタリングは、導管運動を個々の実標準モードと関連づけられた個々の成分に「分解する」。
【００１９】
代替的に、実標準モード運動、すなわち複数の一自由度（ＳＤＯＦ）系の座標系における運動を、運動信号から明示的に推定して、プロセス・パラメータの推定を生成するために使用することができる。たとえば、モード・パス・フィルタリングは、導管運動を対応する実標準モード運動へ変換するモード変換を適用すること、及び、１つ又は複数の所望の実標準モードと関連づけられた導管運動の成分を選択的に表すフィルタリングされた出力を生成するために、選択的逆モード変換を実標準モード運動へ適用することを含む２段階の工程を使用して達成することができる。このフィルタリングされた出力を、たとえば従来の位相差技術を使用してプロセス・パラメータを推定するように処理することができる。
【００２０】
本発明の別の態様によれば、プロセス・パラメータは推定された実標準モード運動から直接的に決定される。たとえば、コリオリの力と密接に相関された実標準モードに関する実標準モード運動は、スケーリング・ファクタを生成するために、別のモードの実標準モード運動に対して正規化される。スケーリング・ファクタは質量流を推定するために使用される。
運動導管のモード挙動
センサ導管などの振動構造の挙動は、関連づけられた振動の自然振動数を有する１つ又は複数の自然モードに言及して説明することができる。モード及び関連づけられた自然振動数は、固有ベクトル及び関連づけられた固有値によって数学的に説明することができる。固有ベクトルは相対的な振幅では一意であるが、絶対的な振幅では一意ではなく、この構造の質量及び固さに対して直交している。ベクトルの直線的に独立した組は、この構造の運動を説明する式へ分解するための変換として使用することができる。特に、励振に対するこの構造の応答は、スケーリングしたモードの重畳として表すことができ、スケーリングは構造の運動に対する各モードの寄与を表している。励振に応じて、いくつかのモードが他のモードよりも寄与する場合もある。いくつかのモードは望ましくない場合がある。これは、所望のモードの共振周波数でエネルギーを提供することができ、したがって、駆動周波数で行われる位相差計測などの、所望のモードの共振周波数で行われる計測を損なう可能性があるためである。
【００２１】
従来の流量計は、典型的には、望ましくないモードの影響を削減するために、構造的及び時間的なフィルタリングを使用する。従来の構造的フィルタリング技術は、同相の湾曲モードと位相ずれ湾曲モードとを切離すように設計されたブレース・バー、不所望のモードを励振する可能性が少なくなる配置されたアクチュエータ、不所望のモードに対する感度が弱くなるよう配置されたトランスジューサなどの機械的特徴を用いることを含む。構造的フィルタリング技術は、不所望のモードのエネルギーを削減する際には非常に効果的になり得るが、幾何的な制約及び製作上の制約によって限定される場合がある。
【００２２】
時間的フィルタリング技術は、典型的には、時間領域パラメータ又は周波数領域パラメータに基づいて、トランスジューサ信号を変更する。たとえば、典型的なコリオリ流量計は、不所望のモードと強く相関されている周波数成分を除去するように設計された周波数領域フィルタを含むことができる。しかし、不所望のモードからの非共振エネルギーは、所望のモードの共振周波数でのエネルギーに大きく寄与する場合がある。周波数領域フィルタは一般的に、所与の周波数で多数のモードの寄与を区別する際には効果的ではないので、計測周波数での不所望のモードの寄与は、プロセス・パラメータ計測における誤りの重大な原因になり得る。
【００２３】
ごく僅かの減衰とゼロ・フローのセンサ導管構造は、純粋に真の自然モード又は標準モードの振動を有するものと推定できる。すなわち、各モードにおいて、構造の各点は同時に最大変位に達する。しかし、無視できない減衰や通る物質を有する実際の導管は、一般的に励振に対して複雑な応答を示す。すなわち、構造の各点は一般的に、同時には最大振幅に達しない。導管構造の運動は、実成分及び虚成分、あるいは代替的には振幅成分及び位相成分を有する複素モードとして説明することができる。流れる物質によって与えられるコリオリの力は、センサ導管の運動に複雑性を導入する。
【００２４】
複雑であっても、複素モードの実部及び虚部は、定義によって線形独立であるので、導管構造の運動はスケーリングされた自然の又は「標準の」モードの重畳として説明することができる。複素運動を表すために、構成上の実標準モードを組み合わせる際に、複素スケーリング係数が使用される。特定の実標準モードは、複素モードの実成分とそれほどの相関関係にないが、複素モードの虚成分と密接に相関する。したがって、これらの特定の実標準モードは、センサ導管内の物質と関連するコリオリの力とより密接に相関し、そのため、物質と関連づけられたパラメータの正確な推定を生成するための情報を提供することができる。
【００２５】
説明的な例として、二重湾曲導管の３インチのコリオリ流量計を解析した。この流量計の導管構造の概念モデルを図１に示す。方向ｚでの速度を計測するように定位された従来の速度トランスジューサ１０５Ａ、１０５Ｂ、１０５Ｃはそれぞれ、導管アセンブリ１０の左、ドライブ及び右の場所に配置した。個々の加速度計１０５Ｄ、１０５Ｅは右のトランスジューサの場所付近で導管１０３Ａ、１０３Ｂのそれぞれ一方に設けられ、方向ｘに沿って横方向の加速度を計測するように定位された。加速度計１０５Ｄ、１０５Ｅの出力は、横方向の絶対速度情報を生成するように積分された。
【００２６】
物理的運動ベクトル｛Ｘｒｅｓｐｏｎｓｅ｝は、運動トランスジューサ１０５Ａ〜Ｅの出力から求めることができる。すなわち、
【００２７】
【数１】
0003590587.tif 000002
【００２８】
ここで、斜め横方向の応答は、ｘ軸及びｚ軸に対して４５度の方向に沿った応答である。実標準モード「フィルタ」マトリックス［Φ］、すなわち、物理的運動ベクトル｛ｘｒｅｓｐｏｎｓｅ｝を実標準モード運動ベクトル｛η｝に関連づける実標準モード変換マトリックスは下記の式のように識別できる。
【００２９】
【数２】
0003590587.tif 000003
【００３０】
実標準モード変換マトリックス［Φ］は、多くの技術を用いて識別することができる。例えば、本願の譲受人に譲渡され、参照により本明細書中にその完全な形で含めた、１９９７年７月１１日出願の米国特許出願第０８／８９０、７８５号、及び本願の譲受人に譲渡され、参照により本明細書中にその完全な形で含めた、１９９８年２月２５日出願の「Generalized Model Space Drive Control for a Vibrating Tube Process Parameters Sensor」（「振動管プロセス・パラメータ・センサのための一般化されたモデル空間駆動制御」）という名称の米国特許出願で説明されているように、試行錯誤の技術又は逆関数技術を用いることができる。
【００３１】
図１の例示的な導管構造１０について、実標準モード変換マトリックス［Φ］を実験的に次のように決定した。
【００３２】
【数３】
0003590587.tif 000004
【００３３】
左から右へ、実標準モード変換マトリックス［Φ］の列は、第１の位相ずれ湾曲モード、同相横方向モード、位相ずれ横方向モード、位相ずれ捩れモード及び第２の位相ずれ湾曲モードをそれぞれ表している。
【００３４】
モード変換マトリックス［Φ］は、物理的運動ベクトル｛Ｘｒｅｓｐｏｎｓｅ｝によって表される物理的運動を実標準モード成分に分解するために用いることができる。例えば、式（２）は、実標準モード変換マトリックス［Φ］の逆で式（２）の両辺を予め乗算することにより、実標準モード運動ベクトル｛η｝を明示的に求めることができる。すなわち、
【００３５】
【数４】
0003590587.tif 000005
【００３６】
ここで、図１の例示的構造については、
【００３７】
【数５】
0003590587.tif 000006
【００３８】
が成立する。
本明細書において詳細に説明しているように、実標準モード運動ベクトル｛η｝は、導管構造の１つ又は複数の実標準モード、例えば、コリオリの力と関連づけられたモードと関連づけられたプロセス・パラメータを推定するために、直接的に用いることができる。あるいは、モード変換マトリックス［Φ］は、導管の１つ又は複数のモードと関連づけられた物理的運動ベクトル｛Ｘｒｅｓｐｏｎｓｅ｝の成分を選択的に含むフィルタリングされた物理的領域応答を生成するために、物理的運動ベクトル｛Ｘｒｅｓｐｏｎｓｅ｝に適用することができるモード・パス・フィルタを識別するのに使用することができる。このフィルタリングされた応答は、プロセス・パラメータを推定するために使用することができる。
【００３９】
図２は本発明による運動導管パラメータ・センサ５の例示的な実施の形態を示している。センサ５は導管アセンブリ１０を含む。導管アセンブリ１０は、流入口フランジ１０１、流出口フランジ１０１´、マニフォールド１０２、ならびに第１及び第２の導管１０３Ａ及び１０３Ｂを含む。ブレース・バー１０６、１０６´は導管１０３Ａ、１０３Ｂを接続している。導管１０３Ａ、１０３Ｂには、ドライバ２０に応答して導管１０３Ａ、１０３Ｂを振動するように動作するアクチュエータ１０４が接続されている。複数の運動トランスジューサ１０５Ａ〜Ｅは、導管１０３Ａ、１０３Ｂの複数の場所での運動を表す複数の運動信号、たとえば、導管１０３Ａ、１０３Ｂの変位、速度又は加速度を表す信号を生成するように動作する。運動トランスジューサ１０５Ａ〜Ｅは、コイル・タイプの速度トランスジューサ、光又は超音波の運動センサ、加速度計、慣性速度センサなどの様々な装置を含む。リード線１００はアクチュエータ１０４及び運動トランスジューサ１０５Ａ〜Ｅに接続されている。
【００４０】
導管アセンブリ１０が物質処理システムに挿入されると、物質処理システム内を流れる物質は流入口フランジ１０１を通って導管アセンブリ１０に入る。物質は次にマニフォールド１０２を通って流れ、そこで導管１０３Ａ、１０３Ｂへと向けられる。導管１０３Ａ、１０３Ｂを離れた後に、物質はマニフォールド１０２に戻って、流出口１０１´を通って計器アセンブリ１０を出る。導管１０３Ａ、１０３Ｂを通って流れると、物質は導管１０３Ａ、１０３Ｂを摂動させるコリオリの力を生じる。
【００４１】
導管１０３Ａ、１０３Ｂは、アクチュエータ１０４によってそれらの個々の湾曲軸Ｗ−Ｗ及びＷ´−Ｗ´を中心に逆方向に駆動され、一般的に第１の位相ずれ湾曲モードと呼ばれるものを導管アセンブリ１０内に生じる。アクチュエータ１０４は、第１の導管１０３Ａに設けられた磁石と第２の導管１０３Ｂに設けられた対向するコイルとを含む線形アクチュエータなどの、多くのよく知られた装置の何れか１つを含むことができる。駆動リード線１１０を介してドライバ２０によって与えられる駆動信号によって誘導された交流は、コイルを通過して、導管１０３Ａ、１０３Ｂを振動させる機械的な力を発生させる。アクチュエータ１０４によって提供される励振は、以下により詳細に説明するように、実質的にコヒーレントであり、たとえば、狭い周波数範囲に制限されても、広帯域であってもよい。
【００４２】
図２に示したパラメータ・センサ５は一体のアクチュエータ１０４を含むものとして示されているが、当業者は、本発明による導管１０３Ａ、１０３Ｂの振動は他の技術によっても達成できることを理解するであろう。たとえば、広帯域の励振はポンプ又はコンプレッサなどの発生源によって導管アセンブリ１０の外部で生成され、例えばフランジ１０１、１０１´の一方を介して、導管アセンブリ１０に伝えられる。同様に、広帯域の励振は、以下に一層詳細に説明するように、流体構造相互作用（ＦＳＩ）機構を介して、導管１０３Ａ、１０３Ｂ内の物質からのエネルギーの伝達によって生成される。
【００４３】
実標準モード・レゾルバ３０は運動トランスジューサ１０５Ａ〜Ｅに応答し、リード線１１１上で信号によって表される導管１０３Ａ、１０３Ｂの運動を、複数の実標準モード成分３５に分解するように動作する。プロセス・パラメータ推定器４０は実標準モード・レゾルバ３０に応答して、複数の実標準モード成分３５からプロセス・パラメータの推定４５を生成するように動作する。本明細書において説明するように、実標準モード・レゾルバ３０は、導管運動をモード・パス・フィルタリングすること、又は導管運動に対応する実標準モード運動を推定することによるなど、多くの方法で導管運動を分解することができる。
【００４４】
モード・パス・フィルタリング
本発明の一態様によれば、不所望のモードと関連づけられた導管運動の成分が減衰されるフィルタリングされた導管運動の形態を表す出力を生成するために、「モード・パス・フィルタ」が運動信号に適用される。モード・パス・フィルタは、導管の運動を複数の一自由度（ＳＤＯＦ）系の運動、すなわち実標準モード運動にマッピングする実標準モード変換と、実標準モード運動、すなわち所望の実標準モードの組の運動の選択された部分を物理的領域にマッピングする選択的逆実標準モード変換との積を表す。
【００４５】
選択的逆実標準モード変換マトリックス［Φ＊］は、実標準モード運動ベクトル｛η｝を、不所望の実標準モードと関連づけられた成分が減衰されるフィルタリングされた運動ベクトル｛ｘｆｉｌｔｅｒｅｄ｝に変換するために使用することができる。すなわち、
【００４６】
【数６】
0003590587.tif 000007
【００４７】
図１の例示的構造については、選択的逆実標準モード変換マトリックス［Φ＊］は、不所望の実標準モードと関連づけられた実標準モード変換マトリックス［Φ］のそれらの要素をゼロで置き換えることにより、実標準モード変換マトリックス［Φ］から構成された。すなわち、
【００４８】
【数７】
0003590587.tif 000008
【００４９】
式（６）及び（７）に示されるように、不所望の実標準モードに対応する導管運動ベクトル｛ｘｒｅｓｐｏｎｓｅ｝の成分は、不所望の実標準モードと関連づけられた実標準モード変換マトリックス［Φ］の、それらの要素をゼロが置き換えている実標準モード変換マトリックス［Φ］に対応する選択的逆実標準モード変換マトリックス［Φ＊］を採用することにより減衰させることができる。しかし、当業者であれば理解するように、選択的逆実標準モード変換マトリックス［Φ］のこれらの要素についてゼロでない値を用いて、これらの成分の減衰を達成できる。
【００５０】
式（４）及び（６）を結合すると、
【００５１】
【数８】
0003590587.tif 000009
【００５２】
を得る。ここでモード・パス・フィルタ・マトリックス［Ψ］は
【００５３】
【数９】
0003590587.tif 000010
【００５４】
によって与えられる。
モード・パス・フィルタ・マトリックス［Ψ］は、フィルタリングされた出力運動ベクトル｛ｘｆｉｌｔｅｒｅｄ｝が、１つ又は複数の所望のモードと関連づけられた導管運動ベクトル｛ｘｒｅｓｐｏｎｓｅ｝の成分を選択的に表すように、導管運動ベクトル｛ｘｒｅｓｐｏｎｓｅ｝を処理する。モード・パス・フィルタ・マトリックス［Ψ］は、
【００５５】
【数１０】
0003590587.tif 000011
【００５６】
によって求めてもよい。
ここで、［Ａ］は、非対角線要素がゼロであるマトリックスであり、所望のモードに対応する選択された対角線要素はゼロに設定されている。たとえば、次のとおりである。
【００５７】
【数１１】
0003590587.tif 000012
【００５８】
フィルタリングされた出力｛ｘｆｉｌｔｅｒｅｄ｝は、質量流などのプロセス・パラメータの正確な推定を生成するように処理することができる。たとえば、フィルタリングされた出力｛ｘｆｉｌｔｅｒｅｄ｝は、従来の位相差又は時間差コリオリ計測技術に従って処理できる。図１に示した例示的なシステムについては、これは左右のトランスジューサ１０５Ａ、１０５Ｃに対応するフィルタリングされた出力の成分間の位相差を決定することにより、たとえば、スミスに付与された米国再発行特許第３１，４５０号、ゾロックに付与された米国特許第４，８７９，９１１号及びゾロックに付与された米国特許第５，２３１，８８４号において説明された技術などの、ゼロ交差又は同様の位相差技術、あるいはデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）又は類似のデジタル計算装置を利用した類似の位相差技術又は時間差技術を使用することにより行うことができる。これにより、付加的なトランスジューサ１０５Ｂ、１０５Ｄ、１０５Ｅによって提供される情報は、たとえば不所望の横方向モードと関連づけられた導管運動の成分を除去するために使用することができる。
【００５９】
運動信号によって表されるセンサ導管上の場所の数は、導管運動が分解されてできる実標準モード成分の数を超えるように意図的に選択することができる。かかる場合に、実標準モード変換マトリックス及び選択的逆実標準モード変換マトリックスは、列よりも多く行を有する。したがって、式（９）においてモード・パス・フィルタ・マトリックスを計算する際に、実標準モード変換マトリックスの一般化された逆が利用され得る。このようにして、運動信号は、導管運動を所与の数の実標準モードに分解するために重複規定された情報源を提供する。したがって、かかる重複規定された情報から推定されるプロセス・パラメータは空間積分されて、潜在的に一層正確な推定を提供する。空間積分は、本願の譲受人に譲渡された同時出願の「Ｉｍｐｒｏｖｅｄ Ｖｉｂｒａｔｉｎｇ Ｃｏｎｄｕｉｔ Ｐａｒａｍｅｔｅｒ Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ Ｔｈｅｒｅｆｏｒ Ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ Ｓｐａｔｉａｌ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ」（「改良された振動導管パラメータ・センサ及び空間積分を用いた素の動作方法」）という名称の米国特許出願において説明されている。
【００６０】
図３は、本発明によるモード・パス・フィルタリングを実施する例示的パラメータ・センサ５を示している。実標準モード・レゾルバ３０は、運動トランスジューサ１０５Ａ〜Ｅに応答するモード・パス・フィルタ３３０を含む。モード・パス・フィルタ３０は、複数の実標準モード、たとえば導管１０３Ａ、１０３Ｂに含まれる物質によって与えられるコリオリの力と関連づけられた実標準モードの１つ又は複数と関連づけらた、導管１０３Ａ、１０３Ｂの運動の１つ又は複数の成分を選択的に表すフィルタリングされた出力３５を生成することにより、トランスジューサ１０５Ａ〜Ｅによって生成された運動信号によって表される導管１０３Ａ、１０３Ｂの運動を、複数の実標準モード成分に分解する。
【００６１】
図４は、モード・パス・フィルタ３３０及びプロセス・パラメータ推定器４０の例示的な実施の形態を示している。サンプラ４３２、たとえばサンプル保持回路又は類似の回路は、運動トランスジューサ運動信号４３１を受信し、運動信号４３１をサンプリングし、アナログ・デジタル・コンバータ（Ａ／Ｄ）４３４によってデジタル信号値４３５に後に変換するために、その運動信号からサンプル４３３を生成する手段を提供する。サンプラ４３２及びＡ／Ｄ４３４の詳細な動作は、当業者に知られた多くの回路によって行うことができるので、本明細書においては更に詳細に説明する必要はない。当業者であれば理解するように、運動信号４３１を多数の方法で処理できる。たとえば、アンチエイリアス・フィルタリング、事後サンプリング・フィルタリング及び類似の信号処理を適用することができる。また、一般的に、図３に示された受信手段及び変換手段は、専用データ処理装置又は汎用データ処理装置あるいはこれらの組み合わせにおいて動作する、専用ハードウェア、ファームウェア又はソフトウェアを使用して実施できる。たとえば、サンプリング機能及びアナログ・デジタル変換機能は、トランスジューサ１０５Ａ〜Ｅと一体化することができる。
【００６２】
モード・パス・フィルタ３３０の部分は、コンピュータ５０、たとえばマイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）などにおいて実施することができる。コンピュータ５０は、たとえば、Ｔｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ， Ｉｎｃ．により販売されているＴＭＳ３２０Ｃ４ＸファミリーのＤＳＰの１つなどの、線形代数計算に特に適したパイプラインＤＳＰを含むことができる。たとえば、ランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）、電気的消去可能なプログラム可能リードオンリー・メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）、磁気ディスクなどの記憶媒体６０に記憶されたソフトウェア及び／又はファームウェアならびにデータなどの適切なプログラム・コードを備えて構成されると、コンピュータ５０は、デジタル値４３５から、センサ導管の運動を表す運動ベクトル４３７を生成する手段４３６を提供する。モード・パス・フィルタ３３０は、１つ又は複数の所望のモードと関連づけられた導管運動ベクトルの成分を選択的に表すフィルタリングされた運動ベクトル３５を生成するために、運動ベクトル４３７にモード・パス・フィルタ・マトリックスを掛ける手段４３８を含む。
【００６３】
プロセス・パラメータ推定器４０もまた、コンピュータ５０において実施してもよい。たとえば、コンピュータ５０上で動作するソフトウェア又はファームウェアとして実施されると、プロセス・パラメータ推定器４０は、フィルタリングされた運動ベクトル３５から、プロセス・パラメータたとえば推定された質量流量の推定４５、を計算する。たとえば、図５に示したように、プロセス・パラメータ推定器４０は、フィルタリングされた出力３５の成分間の位相差を決定する手段５４２と、決定された位相差から質量流を推定する手段５４４とを含むことができる。
【００６４】
図６は、本発明のモード・パス・フィルタリングの態様に従ってプロセス・パラメータを推定する動作６００を示している。物質処理システムからの物質を収容する振動導管の複数の場所での運動を表す複数の運動信号が受信される（ブロック６１０）。受信された信号は、実標準モード、たとえば、導管を通過する物質によって加えられるコリオリの力と選択的に相関するモードと関連づけられた導管運動成分を選択的に表す出力を生成することにより、導管運動を複数の実標準モードの運動に分解するように処理される（ブロック６２０）。プロセス・パラメータはこの出力から推定される（ブロック６３０）。
【００６５】
図７は、本発明のモード・パス・フィルタリングの別の態様によるプロセス・パラメータを推定する動作７００を示している。運動信号が受信されて（ブロック７１０）、センサ導管の運動を表す運動ベクトルを生成するように処理される（ブロック７２０）。１つ又は複数の実標準モードと関連づけられた運動ベクトルの成分を選択的に表すフィルタリングされた運動ベクトルを生成するために、運動ベクトルに選択的な逆実標準モード変換マトリックスを乗算する（ブロック７３０）。フィルタリングされた運動ベクトルからプロセス・パラメータが推定される（ブロック７４０）。
【００６６】
図６及び図７のフローチャートにおけるブロック又はブロックの組み合わせは、コンピュータ可読プログラム・コード、たとえば、図４に示したコンピュータ５０などのコンピュータ又はデータ・プロセッサで実行されるプログラム命令及び／又はデータを使用して実施できることが理解されるであろう。本明細書において用いているように、コンピュータ可読プログラムは、オペレーティング・システム・コマンド（たとえば、オブジェクト・コード）、高級言語命令など、ならびにかかるプログラム命令と共に読み取るか、アクセスするか他の方法で利用することができるデータを含むが、これらには限定されない。
【００６７】
プログラム・コードは、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）などを含むがこれらに限定されないコンピュータ又は類似のデータ処理装置にロードすることができる。プログラム・コードとコンピュータとの組み合わせは、フローチャートのブロックにおいて特定された機能を実施するように動作する装置を提供することができる。同様に、プログラム・コードは、プログラム・コード及びコンピュータが、フローチャートのブロックにおいて特定された機能を遂行する手段を提供するように、コンピュータ又はデータ処理装置にロードすることができる。
【００６８】
プログラム・コードは、コンピュータ可読記憶媒体、たとえば、磁気ディスクやテープ、バブル・メモリ、及び電気的に消去可能なプログラム可能リードオンリー・メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）などのプログラム可能メモリ装置などに記憶され得る。記憶されたプログラム・コードは、記憶媒体に記憶されたプログラム・コードが、フローチャートのブロックにおいて特定された機能を実施するプログラム・コード手段を含む製造物を形成するように機能することを、記憶媒体にアクセスするコンピュータに指示できる。プログラム・コードはまた、一連の動作ステップを遂行させるようにコンピュータにロードすることができ、それによって、プログラム・コードがコンピュータと共に、フローチャートのブロックにおいて特定された機能を実施するステップを提供するように工程を実施する。したがって、フローチャートのブロックは、特定された機能を遂行するように動作する装置、特定された機能を遂行する手段の組み合わせ、特定された機能を遂行するステップの組み合わせ、及び特定された機能を遂行するコンピュータ可読記憶媒体で実施されるコンピュータ可読プログラム・コード手段をサポートする。
【００６９】
また、一般的に、フローチャートの各ブロック及びフローチャートのブロックの組み合わせは、汎用コンピュータで実行される専用ハードウェア、ソフトウェア又はファームウェア、あるいはこれらの組み合わせによって実施できることも理解されるであろう。たとえば、フローチャートのブロックの機能は、特定用途集積回路（ＡＳＩＣ）、プログラム可能ゲート・アレイ又は類似の専用デバイスによって、あるいはマイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、ＤＳＰ又は他の汎用計算装置にロードされてそれらによって実行されるプログラム命令及びデータによって実施できる。
【００７０】
推定されたモード運動からのプロセス・パラメータの推定
本発明の別の態様によれば、質量流などのプロセス・パラメータは、推定された実標準モード運動から、すなわち、複数の一自由度（ＳＤＯＦ）系を含むセンサ導管のモデルにおける運動の推定から直接的に推定される。上記のように、複素モードは、複素スケーリング係数によってスケーリングされた実標準モードの重畳として表すことができる。すなわち、
【００７１】
【数１２】
0003590587.tif 000013
【００７２】
ここで、｛Φｃｏｍｐｌｅｘ｝は複素モード・ベクトルであり、［Φ］は複素モード・ベクトル｛Φｃｏｍｐｌｅｘ｝の構成実標準モード・ベクトルのマトリックスであり、｛α｝はほぼ複素的なスケーリング係数のベクトルである。
【００７３】
コリオリ流量計においては、センサ導管の運動は、センサ導管内の流体の流れと関連するコリオリ加速によって複雑化される。したがって、複素流れモードの虚部分に関するスケーリング係数は流量に比例し、流量を決定する情報を提供することができる。しかし、｛α｝の振幅は、上記のように任意にできる実標準モード運動の絶対振幅の影響を受け易い。図１に示した３インチの二重導管コリオリ流量計に関して、図８及び図１０は、コリオリ流量計個々の第１及び第２の絶対モード振幅ｍ１、ｍ２での第１の位相ずれ湾曲モードに対応するスケーリング係数α１の実成分（Ｒｅ［α１］）ｍ１、（Ｒｅ［α１］）ｍ２を示しており、図９及び図１１は、モード振幅ｍ１、ｍ２での質量流量の範囲にわたる第１の出力位相捩れモードに対応するスケーリング係数α２の虚成分（Ｉｍ［α２］）ｍ１、（Ｉｍ［α２］）ｍ２を示している。図８及び図１０で分かるように、第１のスケーリング係数α１に関する実成分（Ｒｅ［α１］）ｍ１、（Ｒｅ［α１］）ｍ２は一般的に流量からは独立しており、一方、図９及び図１１は、第２のスケーリング係数α２の虚成分（Ｉｍ［α２］）ｍ１、（Ｉｍ［α２］）ｍ２が流量へのほぼ線形の依存を示すことを図示している。しかし、第１のスケーリング係数α１に関する実成分（Ｒｅ［α１］）ｍ１、（Ｒｅ［α１］）ｍ２と、第２のスケーリング係数α２の虚成分（Ｉｍ［α２］）ｍ１、（Ｉｍ［α２］）ｍ２との両方が、絶対モード振幅に依存する。
【００７４】
本発明の一態様は、複素運動を表す実標準モードの相対的振幅は不変である（構造変化がないと仮定して）ので、絶対モード振幅の影響を受けない捩れモードのスケーリング係数α２に基づくフロー計測は、α１の実成分Ｒｅ［α１］に対してα２の虚成分Ｉｍ［α２］を正規化することにより行うことができるとの理解から生ずる。図１２に示したように、実成分（Ｒｅ［α１］）ｍ２に対して図９の虚成分Ｉｍ［α２］）ｍ２の曲線を正規化することで、虚成分（Ｉｍ［α２］）ｍ１に関する曲線とほぼ同一である正規化された虚成分（Ｉｍ［α２］）ｍ２．ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄに関する曲線を生じさせ、このことは、α２の正規化された虚成分は一般的にモード絶対振幅の影響を受けないことを示している。
【００７５】
上記の例示的な３インチのコリオリ・センサに関して、既知の流量での流量校正因子ｋｃａｌは、第１の位相ずれ捩れモードのスケーリング係数の正規化された虚成分を決定すること、及び既知の流量によって割ることにより決定することができる。すなわち、
【００７６】
【数１３】
0003590587.tif 000014
【００７７】
未知の質量流量ｒａｔｅｋｎｏｗｎを決定するために、未知の流量に対応する第１の位相ずれ捩れモード・スケーリング係数の正規化された虚成分が決定されて、校正因子ｋｃａｌが乗算される。すなわち、
【００７８】
【数１４】
0003590587.tif 000015
【００７９】
式（１０）を移項すると、
【００８０】
【数１５】
0003590587.tif 000016
【００８１】
を得る。式（１３）の形式は式（４）の形式に類似である。類推によって、導管運動ベクトルは単一モードの複素運動ベクトルに対応し、スケーリング係数ベクトルは実標準モード運動ベクトルに対応する。したがって、例示的な３インチのコリオリ・センサに関する質量流は、導管の捩れモード及び湾曲モードに関する推定されたモード応答の比率を決定することにより推定できる。
【００８２】
上記の技術は一般化することができる。たとえば、センサ導管に印加される励振と相関されたモードと関連づけられた１つ又は複数のスケーリング係数に関して正規化されたコリオリの力に関連づけられたモードに関するスケーリング係数の組み合わせを用いることにより、より高度の推定を達成できる。例示的な湾曲導管の３インチ・コリオリ・メータについては、これには、より高度の捩れモード及び湾曲モードにそれぞれ関連づけられた係数を使用することが関係する。
【００８３】
上記の技術は異なった導管構成にも適用可能である。例示的な３インチ二重導管コリオリ・センサについて説明した湾曲モード及び捩れモードは、それぞれ対称モード及び歪対称モードとして一般的に区分できる。一般的に、センサ導管のフロー軸に直交する対称な平面を画定すると、対称モードは、対称な平面の第１の側での運動が対称な平面の第２の側での運動によって反映されるモードを表している。たとえば、図１のＵ字型コリオリ・センサ導管の湾曲モードは、図示したｙ−ｚ平面に対して対称である。反対称モードは、対称な平面の第１の側での運動が対称な平面の第２の側での運動の反映及び位相回転を表すモードを表している。たとえば、図１のＵ字型センサ導管の捩れモードは、図１のｙ−ｚ平面に対して反対称である。直線導管センサは同様な対称モード及び反対称モードを示す。したがって、本発明は、１つ又は複数の直線導管を採用したパラメータ・センサにも及び、一般的には、様々な導管構成を採用したセンサにも及ぶ。
【００８４】
モード・パス・フィルタリングに関して上記したように、センサ導管上の場所の数は実標準モード運動推定の態様の数を超えるように選択することができ、これは、実標準モード変換マトリックス［Φ］が列よりも多く行を有することを意味している。実標準モード運動［η］を推定するために、実標準モード変換マトリックス［Φ］の一般化された逆［Φ］†が用いられる。すなわち、
【００８５】
【数１６】
0003590587.tif 000017
【００８６】
したがって、その結果得られる実標準モード運動の推定は空間積分されて、運動信号は、導管運動｛ｘｒｅｓｐｏｎｓｅ｝を実標準モード運動｛η｝に分解する重複規定された情報源を提供する。
【００８７】
図１３は、実標準モード運動の推定から直接的にプロセス・パラメータ推定を行う例示的パラメータ・センサ５を示している。実標準モード・レゾルバ３０は、複数の運動トランスジューサ１０５Ａ〜Ｅによって生成される運動信号に応答する実標準モード運動推定器１３３０を含む。実標準モード運動推定器１３３０は、実標準モード運動３５の推定を生成することにより、運動によって表される導管１０３Ａ、１０３Ｂの運動を分解する。プロセス・パラメータ推定器４０は、推定された実標準モード運動３５から推定されたプロセス・パラメータ４５を生成する。
【００８８】
図１４は、実標準モード運動推定器１３３０の例示的な実施の形態を示している。実標準モード運動推定器１３３０は、コンピュータ５０、たとえばマイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）などにおいて実施できる。たとえば、コンピュータ５０は、Ｔｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ， Ｉｎｃ．により販売されているＴＭＳ３２０Ｃ４ＸファミリーのＤＳＰの１つなどの、線形代数計算に特に適したパイプラインＤＳＰを含むことができる。たとえば、ランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）、電気的消去可能なプログラム可能リードオンリー・メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）、磁気ディスクなどの記憶媒体６０に記憶されたソフトウェア及び／又はファームウェアならびにデータなどの適切なプログラム・コードを備えて構成されると、コンピュータ５０は、推定された実標準モード運動ベクトル３５を生成するために、運動ベクトル４３７にモード変換マトリックスを乗算する手段１４３８を提供する。プロセス・パラメータ推定器４０もまた、コンピュータ５０において実施されてもよい。たとえば、コンピュータ５０で動作するソフトウェア又はファームウェアとして実施されると、プロセス・パラメータ推定器４０は、推定された実標準モード運動ベクトル３５から、プロセス・パラメータの推定４５、たとえば質量流量を計算する。
【００８９】
図１５に示したように、実標準モード運動推定器１３３０は、第１の実標準モードの運動の推定１５３３を生成する手段１５３２と、第２の実標準モードの運動の推定１５３５を生成する手段１５３４とを含むことができる。たとえば、第１及び第２のモードは、図１に示したような二重Ｕ字型導管流量計について、第１の位相ずれ湾曲モード及び第１の位相ずれ捩れモードにそれぞれ対応することができる。プロセス・パラメータ推定器４０は、第２の実標準モードの運動の正規化された推定１５４３を生成するために、第１の実標準モード運動１５３３に対して第２の実標準モード運動１５３５を正規化する手段１５４２を含むことができる。プロセス・パラメータを推定する手段１５４４は、正規化手段１５４２に応答して、正規化された推定１５４３から推定されたプロセス・パラメータ４５を生成する。図示したように、推定されたモード応答１５３３、１５３５は、ドライバ２０にフィードバックすることができ、前述の特許出願「Ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄ Ｍｏｄａｌ Ｓｐａｃｅ Ｄｒｉｖｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｏｒ ａ Ｖｉｂｒａｔｉｎｇ Ｔｕｂｅ Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｐａｒａｍｅｔｅｒ Ｓｅｎｓｏｒ」において説明されているように、１つ又は複数の選択された実標準モードを選択的に励振する。
【００９０】
図１６は、本発明の一態様に従ってプロセス・パラメータを推定する動作１６００を示している。センサ導管の運動を表す複数の運動信号が受信される（ブロック１６１０）。複数の実標準モードの運動を推定することにより導管運動を複数の実標準モードに分解するように、運動信号が処理される（ブロック１６２０）。プロセス・パラメータは、推定された実標準モード運動から推定される（ブロック１６３０）。
【００９１】
図１７は、本発明の別の態様に従ってプロセス・パラメータを推定する動作１７００を示している。センサ導管の運動を表す複数の運動信号が受信され（ブロック１７１０）、その運動信号から運動ベクトルが生成される（ブロック１７２０）。導管運動に対応する実標準モード運動を表す実標準モード運動ベクトルを生成するために、運動ベクトルにモード変換マトリックスを掛ける（ブロック１７３０）。第１のモード、たとえばセンサ導管内の物質によって与えられるコリオリの力と相関されたモードに対応する実標準モード運動ベクトルの成分が、第２のモード、たとえば駆動モードなどのコリオリの力とほぼ相関されていないモードに対応する実標準モード運動ベクトルの成分に対して正規化される（ブロック１７４０）。質量流などのプロセス・パラメータが、推定されたモード応答の正規化された成分から判断される（ブロック１７５０）。
【００９２】
理解されるように、図１６及び図１７のフローチャートのブロック又はブロックの組み合わせは、コンピュータ可読プログラム・コード、たとえば、図１４に示したコンピュータ５０などのコンピュータ又はデータ・プロセッサで実行されるプログラム命令及び／又はデータを用いて実施できる。本明細書において使用しているように、コンピュータ可読プログラムは、オペレーティング・システム・コマンド（たとえば、オブジェクト・コード）、高級言語命令など、ならびにかかるプログラム命令と共に読み取るか、アクセスするか他の方法で利用することができるデータを含むが、これらには限定されない。
【００９３】
プログラム・コードは、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）などを含むがこれらに限定されないコンピュータ又は類似のデータ処理装置にロードすることができる。プログラム・コードとコンピュータとの組み合わせは、フローチャートのブロックにおいて特定された機能を実施するように動作する装置を提供することができる。同様に、プログラム・コードは、プログラム・コード及びコンピュータが、フローチャートのブロックにおいて特定された機能を遂行する手段を提供するように、コンピュータ又はデータ処理装置にロードすることができる。
【００９４】
プログラム・コードは、コンピュータ可読記憶媒体、たとえば磁気ディスクやテープ、バブル・メモリ、及び電気的に消去可能なプログラム可能リードオンリー・メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）などのプログラム可能メモリ装置などに記憶してもよい。記憶されたプログラム・コードは、記憶媒体に記憶されたプログラム・コードが、フローチャートのブロックにおいて特定された機能を実施するプログラム・コード手段を含む製造物を形成するように機能することを、記憶媒体にアクセスするコンピュータに指示できる。プログラム・コードはまた、一連の動作ステップを遂行させるようにコンピュータにロードすることができ、それによって、プログラム・コードがコンピュータと共に、フローチャートのブロックにおいて特定された機能を実施するステップを提供するように工程を実施する。したがって、フローチャートのブロックは、特定された機能を遂行するように動作する装置、特定された機能を遂行する手段の組み合わせ、特定された機能を遂行するステップの組み合わせ、及び特定された機能を遂行するコンピュータ可読記憶媒体で実施されるコンピュータ可読プログラム・コード手段をサポートする。
【００９５】
また、理解されるように、一般的に、フローチャートの各ブロック及びフローチャートのブロックの組み合わせは、汎用コンピュータで実行される専用ハードウェア、ソフトウェア又はファームウェア、あるいはこれらの組み合わせによって実施できる。たとえば、フローチャートのブロックの機能は、特定用途集積回路（ＡＳＩＣ）、プログラム可能ゲート・アレイ又は類似の専用デバイスによって、あるいはマイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、ＤＳＰ又は他の汎用計算装置にロードされてそれらによって実行されるプログラム命令及びデータによって実施できる。
【００９６】
広帯域の励振
本発明による実標準モード分解は広帯域の励振の使用を可能にする。実際に、所望の実標準モードと不所望の実標準モードとを励振することは、所望の実標準応答を特定して、それから正確なパラメータ推定を生成するためのより完全な情報を提供できるので、広帯域の励振が望ましい場合がある。広帯域の励振は、ランダムな励振又は周波数掃引励振を含むことができるが、これらに限定されない。周波数掃引励振は、たとえば、様々な周波数でセンサ導管に一連のほぼコヒーレントな励振を与えることにより、センサ導管と効果的に関連づけられた１つ又は複数のアクチュエータによって提供することができる。ランダムな励振は、たとえば広帯域アクチュエータ駆動信号又は所定の継続時間のインパルスを用いて、１つ又は複数のアクチュエータによって導管に与えることができる。広帯域の励振は、たとえば、センサ導管内に収容された物質、たとえば流体構造相互作用（ＦＳＩ）からのエネルギー伝達によって、又はポンプ、コンプレッサなどから導管構造に他の方法で伝えられる振動によって、センサ導管に提供される任意の環境の力によって提供することもできる。
【００９７】
ＦＳＩによって提供されるような環境励振を用いた広帯域な励振の効力を、受動的に動作する、すなわちアクチュエータからの励振なしに動作する、Ｍｉｃｒｏ Ｍｏｔｉｏｎ， Ｉｎｃ．によって製造された二重導管ＣＦＭ３００コリオリ流量計を使用して調査した。図１８Ａ及び１８Ｂは、１分当たり２００ポンド及び１分当たり６００ポンドの質量流量で、それぞれセンサの実標準モードに対応する周波数での大きさを示している。これらの図から分かるように、第１の位相ずれ捩れモード１８０１Ａ、１８０１Ｂ及び第２の位相ずれ湾曲モード１８０２Ａ、１８０２Ｂに対応する周波数での大きさは質量流と共に変化し、周辺広帯域励振は、上記で概説したような実標準モード分解技術に従って質量流などのプロセス・パラメータを判断するために、導管運動の実標準モード分解に関する情報を提供できることを示している。
【００９８】
ＦＳＩなどの周辺運動源によって提供される広帯域励振を使用する能力は、「受動的な」振動導管センサ、すなわちアクチュエータを組み込んでいないセンサの製作を可能にする。かかる受動的なセンサは、電力が限定された用途、又はドライバの電力が安全上の問題を提示するような用途、たとえば爆発を起こし易い環境や引火性の環境における用途において特に有利である。
【００９９】
結論
本明細書において説明しているように、プロセス・パラメータの推定は、励振に対するセンサ導管の応答の実標準モード分解を用いることにより生成される。導管の応答は、実標準モード成分、たとえば、複数の実標準モードでの運動又はかかる実標準モードと関連づけられた導管運動の成分に分解される。次に、実標準モード成分を、質量流、密度、粘度などのプロセス・パラメータの推定を生成するために使用できる。
【０１００】
導管の応答は実標準成分に分解されるので、コリオリの力と関連づけられていない実標準モード成分を無視、消去、減衰又は他の方法で除去することにより、ポンプ振動や流体の乱流などの原因からの寄与を除去することができる。このようにして、従来の技術によって得られるよりも潜在的に一層正確なパラメータの推定を得ることができる。
【０１０１】
更に、本発明によるセンサはモードを区別できるので、単一モード又はほぼ単一モードの励振は必要ではない。実際に、センサ導管は環境励振のみを用いて励振することができる。したがって、「受動的な」パラメータ・センサ、すなわち運動トランスジューサのみを含みアクチュエータを含まないセンサを製作することができ、これは、爆発し易い環境や電力消費が重要な問題である用途において特に有利となりうる構成である。
【０１０２】
本発明による実標準モード分解は、従来のパラメータ・センサの特性を向上させるために用いることができる。たとえば、従来の湾曲導管コリオリ流量計は、従来の位相差コリオリ計測において使用するモード・フィルタリングされた信号を提供するよう、モード・パス・フィルタによって処理することができる運動信号を生成する付加的な運動トランスジューサを提供することにより、改良することができる。従来の流量計は、たとえば、従来のコリオリ計測電子機器を、推定された実標準応答から質量流又は他のプロセス・パラメータを直接的に計算する、実標準モード運動推定器及びプロセス・パラメータ推定器を実施するＤＳＰベースのセンサ電子機器パッケージで置き換えることにより、更新することもできる。従来の直線導管センサ及び湾曲導管センサに加えて、本発明に従って採用されるモード分解は、慣用的でない、たとえば非対称又は平衡のとれていない導管形状を有するセンサにおいても有利であり得る。
【０１０３】
当業者であれば理解するように、改良されたプロセス・パラメータ技術を得るために、本発明の技術を他の技術と組み合わせることができる。たとえば、本明細書において説明している実標準モード分解技術によって提供される空間フィルタリングは、空間時間的フィルタリングを達成するために、周波数領域フィルタリングと組み合わせることができる。本発明は線形代数的計算を行い易いので、導管運動が分解される実標準モード成分の数を超える多数の場所に関する情報を提供する運動信号を生成することにより、空間積分を本発明と共に提供することができる。したがって、前述の米国特許出願「Ｉｍｐｒｏｖｅｄ Ｖｉｂｒａｔｉｎｇ Ｃｏｎｄｕｉｔ Ｐａｒａｍｅｔｅｒ Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ Ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ Ｓｐａｔｉａｌ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ」において説明されているように、導管運動の実標準モード成分への分解のために、重複規定された情報源が提供される。
【０１０４】
本願の図面及び明細書は、本発明の実施の形態を開示している。特定の用語を採用しているが、これらは一般的な記述的意味でのみ用いられているのであって、限定を目的としているわけではない。当業者は、文言上も均等論の下においても以下の特許請求の範囲内にある代替的実施の形態を製造、使用又は販売できること、及び製造、使用又は販売するものと予測される。
【図面の簡単な説明】
【図１】例示的なプロセス・パラメータ・センサ導管構造を示している。
【図２】本発明によるプロセス・パラメータ・センサの実施の形態を示している。
【図３】本発明によるプロセス・パラメータ・センサの別の実施の形態を示している。
【図４】本発明によるモード・パス・フィルタの例示的な実施の形態を示している。
【図５】本発明によるプロセス・パラメータ推定器の例示的な実施の形態を示している。
【図６】本発明のモード・パス・フィルタリングの態様による例示的動作を示している。
【図７】本発明のモード・パス・フィルタリングの態様による例示的動作を示している。
【図８】プロセス・パラメータ・センサ導管構造に関するモード規模効果を示している。
【図９】プロセス・パラメータ・センサ導管構造に関するモード規模効果を示している。
【図１０】プロセス・パラメータ・センサ導管構造に関するモード規模効果を示している。
【図１１】プロセス・パラメータ・センサ導管構造に関するモード規模効果を示している。
【図１２】プロセス・パラメータ・センサ導管構造に関するモード規模効果を示している。
【図１３】本発明によるプロセス・パラメータ・センサの別の実施の形態を示している。
【図１４】本発明による実標準モード運動推定器の例示的な実施の形態を示している。
【図１５】本発明によるプロセス・パラメータ推定器の例示的実施の形態を示している。
【図１６】本発明の態様による、推定された実標準モード運動からプロセス・パラメータを推定する例示的動作を示している。
【図１７】本発明の態様による、推定された実標準モード運動からプロセス・パラメータを推定する例示的動作を示している。
【図１８】図１８Ａ及び図１８Ｂは、流体構造相互作用（ＦＳＩ）から生ずる広帯域な励振によって励振される実標準モードを示している。
【図１】
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【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】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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