(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
物質が未知の質量流量で流れるとき、アクチュエータ（１０４）により振動させられる導管（１０３Ａ−１０３Ｂ）に固定された複数の運動変換器（１０５Ａ−１０５Ｂ）から生成される複数の運動信号からプロセス・パラメータ（４５）を決定するために、パラメータ・センサ（５）により実施される方法(３００)であって、
前記複数の運動変換器（１０５Ａ−１０５Ｂ）から、前記導管が振動するときの前記導管の複数の場所における運動を表わす複数の運動信号を受取るステップ(３２０)と、
前記複数の運動信号から、校正された複素固有ベクトルの複素モード変換を決定するステップであって、前記校正された複素固有ベクトルが、物質の既知の質量流量における駆動モードと関連する複素固有ベクトルの既知の回転であり、前記複素モード変換は、前記校正された複素固有ベクトルを、前記物質の前記未知の質量流量に対する前記駆動モードと関連する前記複素固有ベクトルの回転へ変換するマトリクスであるステップと、
前記複素モード変換から、物質処理システムに対するプロセス・パラメータ（４５）を推定するステップ(３４０)と、
を含む方法（３００）。
【請求項２】
複素モード変換を決定する前記ステップ（３３０）が、
受取られた複数の運動信号から複数の複素測定値を生成するステップであって、前記複数の複素測定値の各々が、複数の場所の各々に対応するステップ(３３１)と、
生成された前記複数の複素測定値を前記校正された複素固有ベクトルに関連付ける複素モード変換を推定するステップ（３３２）と、
を含む、請求項１記載の方法（３００）。
【請求項３】
前記複素モード変換を決定する前記ステップ（３３０）が、
生成された前記複数の複素測定値から複素ベクトルを構成するステップ（３３２）と、
前記複素ベクトルを複素固有ベクトルと関連付ける、スケーリングされた回転を決定するステップ（３３４）と、
を含む、請求項２記載の方法（３００）。
【請求項４】
前記複素モード変換を決定する前記ステップ（３３０）が、複数の前記複素測定値を前記校正された複素固有ベクトルと関連付ける、スケーリング係数を決定するステップを含む請求項２記載の方法（３００）。
【請求項５】
前記複素モード変換を決定する前記ステップ（３３０）が、前記複数の複素測定値を前記校正された複素固有ベクトルに最適合させる変換を決定するステップ（３３３）を含み、
質量流量を推定する前記ステップ（３４０）が、前記校正された複素固有ベクトルおよび前記複素変換と関連する前記既知の質量流量から質量流量を推定するステップを含む、
請求項２記載の方法（３００）。
【請求項６】
前記変換を決定する前記ステップ（３３３）が、前記複数の複素測定値を前記複素固有ベクトルに最適合させる変換を決定するため線形回帰を実行するステップを含む、請求項５記載の方法（３００）。
【請求項７】
前記校正された複素固有ベクトルを提供する前記ステップ（３１０）が、前記既知の質量流量における前記導管の運動を表わす複数の複素校正値を提供するステップ（３１２）を含み、
前記変換を決定する前記ステップ（３３４）が、前記複数の複素校正値を前記複数の複素測定値に関連付ける変換を決定するため線形回帰を実行するステップを含む、
請求項５記載の方法。
【請求項８】
前記変換を決定する前記ステップ（３３４）が、最小二乗基準に従って前記複数の複素測定値を前記校正された複素固有ベクトルに最適合させる変換を決定するステップを含む、請求項５記載の方法（３００）。
【請求項９】
受取る前記ステップ（３１０）が、２つよりも多くの物理的に離れた場所における運動を表わす複数の運動信号を受取るステップを含み、
前記複素モード変換を決定する前記ステップ（３４０）が、２つより多くの物理的に離れた場所における運動を表わす前記複数の運動信号を前記複素固有ベクトルに関連付ける複素モード変換を推定するステップを含む、
請求項２記載の方法（３００）。
【請求項１０】
受取る前記ステップ（３１０）が、２つより多くの物理的に離れた場所における運動を表わす複数の運動信号を受取るステップ（３１１）を含み、
前記複数の複素測定値を生成する前記ステップ（３３１）が、２つより多くの複素測定値を生成するステップを含み、
前記複素モード変換を推定する前記ステップ（３３２）が、生成された少なくとも２つの前記複素測定値を前記複素固有ベクトルに関連付ける複素モード変換を推定するステップを含む、
請求項２記載の方法（３００）。
【請求項１１】
複数の複素測定値を生成する前記ステップ（３３１）が、前記複数の場所のうちの１つの場所に対応する位相測定値を生成するステップを含む、請求項２記載の方法。
【請求項１２】
複数の複素測定値を生成する前記ステップ（３３１）が、前記複数の場所のうちの１つの場所に対応する振幅測定値を生成するステップを含む、請求項２記載の方法。
【請求項１３】
前記既知の質量流量における前記導管の運動を表わす複数の複素校正値を提供するステップを含む前記校正された複素固有ベクトルを提供するステップを更に含む、請求項１記載の方法。
【請求項１４】
前記複数の運動変換器から、前記複数の場所における前記既知の質量流量の運動を表わす複数の運動信号を受取るステップ（３１１）と、
受取られた前記複数の運動信号から複素固有ベクトルを決定するステップ（３１２）と、
前記複素固有ベクトルの表示を記憶するステップ（３１３）と、
を更に含む、請求項１記載の方法。
【請求項１５】
複素固有ベクトルを提供するステップが、前記複素固有ベクトルの表示を記憶するステップ（３１３）を更に含む、請求項１記載の方法。
【請求項１６】
導管に固定された複数の運動変換器により生成され且つ前記導管（１０３Ａ−１０３Ｂ）の運動を複数の場所において表わす複数の運動信号から、前記導管に固定されたアクチュエータ（１０４）により振動させられている前記導管を未知の流量で流れる物質と関連するプロセス・パラメータ（４５）を決定する装置であって、
前記導管と関連する前記複数の運動変換器（１０５Ａ−１０５Ｂ）から前記複数の運動信号を受取り、校正された複素固有ベクトルの複素モード変換を前記複数の運動信号から決定するよう構成された複素モード変換決定回路（３０）であって、前記校正された複素固有ベクトルが、物質の既知の質量流量において駆動モードと関連付けられる固有ベクトルの既知の回転であり、前記複素モード変換が、前記校正された複素固有ベクトルを、前記導管を流れる前記物質の前記未知の質量流量に対する前記駆動モードと関連付けられる前記固有ベクトルの回転へ変換するマトリクスである複素モード変換決定回路と、
前記複素モード変換の決定に応答し、前記複素モード変換（３５）から物質処理システムに対するプロセス・パラメータ（４５）の推定を生成するよう構成されたプロセス・パラメータ推定回路（４０）と、
を具備する装置（５）。
【請求項１７】
前記複素モード変換決定回路（３５）が、受取られた前記複数の運動信号を、既知の質量流量において前記導管の運動を表わす複素固有ベクトルに関連付ける前記複素モード変換を推定するよう構成された回路（３８）を備え、
前記プロセス・パラメータ推定回路（４０）が、前記既知の質量流量と前記複素モード変換（３５）とから、前記導管（１０３Ａ−１０３Ｂ）における質量流量を推定するよう構成された回路を備える、
請求項１６記載の装置（５）。
【請求項１８】
前記複素モード変換決定回路（３５）が、
前記複数の運動信号を受取るよう構成された回路（３２０）と、
前記複数の運動信号の受取りに応答して、受取られた前記複数の運動信号から複数の複素測定値を生成するよう構成された回路（３３０）と、
前記複素測定値の生成に応答して、生成された前記複数の複素測定値を複素固有ベクトルに関連付ける前記複素モード変換を推定するよう構成された回路（３４０）と、
を備える、請求項１７記載の装置（５）。
【請求項１９】
前記複素モード変換を推定するよう構成された前記回路（３３０）が、
生成された前記複数の複素測定値から複素ベクトルを構成する回路（３３２）と、
前記複素ベクトルの構成に応答して、該複素ベクトルを前記複素固有ベクトルに関連付ける、スケーリングされた回転を決定するよう構成された回路（３３３）と、
を備える、請求項１８記載の装置（５）。
【請求項２０】
前記複素モード変換を推定するよう構成された前記回路（３３０）が、前記複数の複素測定値を前記複素固有ベクトルに関連付けるスケーリング係数を決定するよう構成された回路を備え、
質量流量を推定するよう構成された前記回路（３４０）が、前記既知の質量流量および計算された前記スケーリング係数から質量流量を推定する手段を備える、
請求項１８記載の装置（５）。
【請求項２１】
複素モード変換を推定するよう構成された前記回路（３３０）が、前記複数の複素測定値を前記複素固有ベクトルへ最適合させる変換を決定するよう構成された回路（３３４）を備え、
前記質量流量を推定するよう構成された前記回路（３４０）が、前記の決定された変換に従って前記既知の質量流量から質量流量を推定するよう構成された回路を備える、
請求項１８記載の装置。
【請求項２２】
前記変換を決定するよう構成された前記回路（３３４）が、前記複数の複素測定値を前記複素固有ベクトルに最適合させる変換を決定する線形回帰を実行するよう構成された回路を備える、請求項２１記載の装置（５）。
【請求項２３】
前記既知の質量流量における前記導管の運動を表わす複数の複素校正値を提供するよう構成された回路を更に備え、
前記変換を決定するよう構成された前記回路（３３４）が、前記複数の複素校正値を前記複数の複素測定値に関連付ける変換を決定する線形回帰を実行するよう構成された回路を備える、
請求項２１記載の装置（５）。
【請求項２４】
前記変換を決定するよう構成された前記回路（３３４）が、最小二乗基準に従って前記複数の複素測定値を前記複素固有ベクトルに最適合させる変換を決定するよう構成された回路を備える、請求項２１記載の装置（５）。
【請求項２５】
前記複数の運動信号が、前記導管における２つより多くの物理的に離れた場所における運動を表わし、
前記複素モード変換推定回路が、前記の２つより多くの物理的に離れた場所における運動を表わす前記複数の運動信号を受取るよう構成され、前記の２つより多くの物理的に離れた場所における運動を表わす前記の受取られた複数の運動信号を前記校正された複素固有ベクトルに関連付ける複素モード変換を推定するよう動作する、
請求項２１記載の装置（５）。
【請求項２６】
前記複数の運動信号が、前記導管の２つより多くの物理的に離れた場所における運動を表わし、
複数の複素測定値を生成するよう構成された前記回路（３３１）が、前記の２つより多くの物理的に離れた場所における運動を表わす、前記の受取られた複数の運動信号から、２つより多くの複素測定値を生成するよう構成された回路を備えており、
複素モード変換を推定するよう構成された前記回路（３４０）が、前記の２つより多くの複素測定値を前記複素固有ベクトルに関連付ける複素モード変換を推定するよう構成された回路を備える、
請求項２１記載の装置（５）。
【請求項２７】
複数の複素測定値を生成するよう構成された前記回路が、前記複数の場所のうちの１つの場所に対応する位相測定値を生成するよう構成された回路を備える、請求項２１記載の装置（５）。
【請求項２８】
複数の複素測定値を生成するよう構成された前記回路が、前記複数の場所のうちの１つの場所に対応する振幅測定値を生成するよう構成された回路を備える、請求項２１記載の装置（５）。
【請求項２９】
前記複素固有ベクトルの表示を記憶するよう構成された回路（３１３）を更に備える、請求項２１記載の装置（５）。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の背景
技術分野
本発明は、プロセス・パラメータ・センサ及び関連の運動方法ならびにプログラム製品に関し、より詳細には、振動導管プロセス・パラメータ・センサ及び関連の動作方法ならびにコンピュータ・プログラム製品に関する。
【０００２】
課題の説明
コリオリ効果質量流量計は、質量流量及び導管を通って流れる物質の他の情報を計測する際に一般に使用される。代表的なコリオリ流量計は、すべてＪ．Ｅ．スミスらに付与された１９７８年８月２９日付けの米国特許第４，１０９，５２４号、１９８５年１月１日付けの米国特許第４，４９１，０２５号、１９８２年２月１１日付けの再発行特許第３１，４５０号に開示される。これらの流量計は、通常、直線又は湾曲形状を有する１つ以上の導管を含む。各導管は、例えば、単純な曲げ、捩れ、放射及び結合モードを含む１セットの振動モードを有すると考えられる。一般的な質量流量計測用途において、各導管は、物質が導管を流れる際に駆動され、その自然モードの１つにおいて共振振動する。振動する物質充填システムの振動モードは、導管の質量及び剛性を組み合わせた特性、ならびに導管内を流れる物質の特性により影響を受ける。
【０００３】
コリオリ流量計の一般的な構成要素は、駆動又は励振システムである。駆動システムは、周期的な物的力を導管に加えて導管を振動させるように運動する。駆動システムは、通常、少なくとも１つのアクチュエータを流量計の導管に搭載している。アクチュエータは、通常、磁石を第１の導管に取り付け、ワイヤコイルを第２の導管に磁石と対向して取り付けた音声コイル装置等の、多数の周知の電気機械装置の１つを含む。駆動回路は、周期的な、例えば、正弦波又は方形波の駆動信号をアクチュエータ・コイルに連続印加する。周期的な駆動信号により、アクチュエータは、２つの導管を対向する周期パターンで駆動し、該パターンはその後維持される。
【０００４】
駆動された流量計導管を通る「ゼロ」の流れが実際にある場合、駆動された振動のモードによって、導管に沿った点が、ドライバに対して略同一位相又は「ゼロ流れ」位相で振動する傾向がある。物質が流量計の吸気口から導管を通って流量計の排気口に流れ始めると、物質流から発生するコリオリ力は、導管に沿った空間的に離散した点の間に位相シフトを生じる傾向がある。一般に、物質が導管を流れると、導管の吸気口側の位相はドライバより遅れ、導管の排気口側の位相はドライバより進む。導管の２つの位置の間で生じる位相シフトは、導管を通る物質の質量流量にほぼ比例する。
【０００５】
質量流量を計測するために、従来のコリオリ流量計は、通常、中心に位置されるドライバに対して対称に配置される導管のそれぞれの端部の近くに配置された２つの変換器において位相を計測する。しかしながら、変換器配置における製造の際の非対称、ならびに他の構造上の非対称及び導管構造における非線形は、測定誤りを引き起こすおそれがある。さらに、用途によっては、非対称の変換器配置を利用することが望ましい場合もある。
【０００６】
発明の概要
上記に鑑みて、本発明の目的は、質量流量、総合質量流量等のプロセス・パラメータの計測によりフレキシブル且つ精確な技術を提供することが可能なプロセス・パラメータセンタ及び関連の動作方法並びにコンピュータ・プログラム製品を提供することである。
【０００７】
上記及びその他の目的、特徴及び利点は、物質が未知の質量流量で導管内を流れるときに、ドライバによって振動させられている導管に固定された複数の運動変換器から生成される複数の運動信号からプロセス・パラメータを決定するパラメータ・センサにより、本発明にしたがって提供される。
【０００８】
本発明の一つの態様は、流量計電子装置によって実行されるプロセスである。流量計電子装置は複数の運動変換器から複数の運動信号を受け取る。複数の運動信号は、導管が振動するときの導管上の複数の場所での運動を表す。流量計電子装置は複数の運動信号から、校正された複素固有ベクトルの複素モード変換を決定する。校正された複素固有ベクトルは、物質の既知の質量流量での駆動モードと関連付けられた複素固有ベクトルの既知の回転である。複素モード変換は、校正された複素固有ベクトルを、物質の未知の質量流量に対する駆動モードと関連付けられた複素固有ベクトルの回転に変換するマトリクスである。次いで、流量計電子装置は、複素モード変換から、物質処理システムに対するプロセス・パラメータを推定する。
【０００９】
本発明の別の態様においては、複素モード変換を決定するステップは、受け取られた複数の運動信号から複数の複素計測値を生成するステップを含み、複数の複素計測値の各々は、複数の場所のうちの１つの場所に対応しており、生成された複数の複素計測値を校正された複素固有ベクトルに関連付ける複素モード変換を推定する。
【００１０】
本発明の別の態様においては、複素モード変換を決定するステップは、生成された複素計測値から複素ベクトルを構成し、複素ベクトルを複素固有ベクトルに関連付ける、スケーリングされた回転を決定する。
【００１１】
本発明の別の態様においては、複素モード変換を決定するステップは、複数の複素計測値を構成された複素固有ベクトルに関連付けるスケーリング係数を決定するステップを含む。
【００１２】
本発明の別の態様においては、複素モード変換を決定するステップは、複数の複素計測値を構成された複素固有ベクトルに最適合させる変換を決定するステップを含み、質量流量を推定するステップは、構成された複素固有ベクトルと複素変換とに関連付けられた機知の質量流量から、質量流量を推定するステップを含む。
【００１３】
本発明の別の態様においては、変換を決定するステップは、線形回帰を実行して、複数の複素計測値を複素固有ベクトルに最適合させる変化を決定するステップを含む。
【００１４】
本発明の別の態様においては、校正された複素固有ベクトルを提供するステップは、既知の質量流量での導管の運動を表す複数の複素校正値を提供するステップを含み、変換を決定するステップは、線形回帰を実行して、複数の複素校正値を複数の複素計測値に関連付ける変換を決定するステップを含む。
【００１５】
本発明の別の態様においては、変換を決定するステップは、最小二乗基準によって複数の複素計測値を校正された複素固有ベクトルに最適合させる変換を決定するステップを含む。
【００１６】
本発明の別の態様においては、受け取るステップは、２つより多くの物理的に離れた場所での運動を表す複数の運動信号を受け取るステップを含み、複素モード変換を決定するステップは、２つより多くの物理的に離れた場所における運動を表す複数の運動信号を複素固有ベクトルに関連付ける複素モード変換を推定するステップを含む。
【００１７】
本発明の別の態様においては、受け取るステップは、２つより多くの物理的に離れた場所における運動を表す複数の運動信号を受け取るステップを含み、複数の複素測定値を生成するステップは、２つより多くの複素測定値を生成するステップを含み、複素モード変換を推定するステップは、生成された少なくとも２つの複素計測値を複素固有ベクトルに関連付ける複素モード変換を推定するステップを含む。
【００１８】
本発明の別の態様においては、複数の複素測定値を生成するステップは、複数の場所の内の１つの場所に対応する位相測定値を生成するステップを含む。
本発明の別の態様においては、複数の複素測定値を生成するステップは、複数の場所の内の１つの場所に対応する振幅測定値を生成するステップを含む。
【００１９】
本発明の別の態様においては、流量計電子装置は校正された複素固有ベクトルを提供し、既知の質量流量での導管の運動を表す複数の複素校正値を提供するステップを含む。
【００２０】
本発明の別の態様においては、流量計電子装置は複数の運動変換器から複数の運動信号を受け取り、受け取った複数の運動信号から複素固有ベクトルを決定し、複素固有ベクトルの表示を記憶するものであり、複数の運動信号は既知の質量流量における複数の場所での運動を示す。
【００２１】
本発明の別の態様においては、複素固有ベクトルを提供するステップは、複素固有ベクトルの表示を記憶するステップを含む。
実施の形態の詳細な説明
次に、本発明の実施の形態を示した添付図面を参照して、以下、本発明を一層詳細に説明していく。当業者であれば、本発明が多数の異なる形態で実現可能であり、本明細書に記載の実施の形態に制限されると解釈されるべきでなく、これらの実施の形態は、本開示を完全にするとともに本発明の範囲を当業者に完全に提示するように提供されたものであることが理解されよう。図中、同様の符号は同様の要素を示す。
【００２２】
以下の記載は、物質処理システムのプロセス・パラメータ、典型的には質量流量が、物質処理システムの一部として振動導管を通って流れる物質を含むように構成される振動導管を通って流れる物質、例えば流体について推定されるコリオリ流量計に関する。しかしながら、当業者であれば、本発明がインライン・センサ以外の振動導管プロセス・パラメータ・センサにも適用可能であることが理解されよう。例えば、インライン型の質量流量に加え、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る導管を含むサンプリング型の振動管濃度計に適用可能である。
【００２３】
複素モード推定を用いたプロセス・パラメータの決定
図１は、本発明に係るプロセス・パラメータ・センサ５の典型的な実施の形態を示す。プロセス・パラメータ・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、流入フランジ１０１と、流出フランジ１０１’と、マニホルド１０２と、第１及び第２の導管１０３Ａ、１０３Ｂと、を含む。ブレースバー１０６、１０６’は導管１０３Ａ、１０３Ｂを接続する。導管１０３Ａ、１０３Ｂには、ドライバ２０に応答して導管１０３Ａ、１０３Ｂを振動するよう運動するアクチュエータ１０４が接続される。第１及び第２の運動変換器１０５、１０５’は、導管１０３Ａ、１０３Ｂ上の空間的に離散した位置における運動を表す運動信号を生成するように動作する。運動変換器１０５、１０５’は、コイル型の速度変換器、光学又は超音波運動センサ、加速度計、慣性率センサ等の種々の装置を含む。リード線１００は、アクチュエータ１０４及び運動変換器１０５、１０５’に接続される。
【００２４】
導管アセンブリ１０が物質処理システム１に挿入されると、物質処理システム１内を流れる物質は、流入フランジ１０１を通って導管アセンブリ１０に入る。そして物質はマニホルド１０２を通って流れ、流量管１０３Ａ，１０３Ｂに送り込まれる。流量管１０３Ａ、１０３Ｂを出た後、物質はマニホルド１０２に戻り、流出フランジ１０１’を通って計器アセンブリ１０から排出する。物質が導管１０３Ａ、１０３Ｂを通って流れると、コリオリ力が働き、導管１０３Ａ、１０３Ｂを摂動させる。
【００２５】
導管１０３Ａ、１０３Ｂは、通常、アクチュエータ１０４によってそれぞれの曲げ軸Ｗ−Ｗ及びＷ’−Ｗ’を中心に反対方向に駆動され、導管アセンブリ１０において一般に第１の位相ずれ曲げモードと呼ばれるものを生じる。アクチュエータ１０４は、第１の導管１０３Ａに取り付けられる磁石、第２の流量管１０３Ｂに取り付けられる対向コイルを含む線形アクチュエータ等、多数の周知の装置のいずれか１つで構成されてもよい。ドライバ２０によりリード線１１０を介して供給される駆動信号によって誘導される交流電流は、コイルを通り、機械力を発生して導管１０３Ａ、１０３Ｂを振動させる。図１に示すプロセス・パラメータ・センサ５は一体型アクチュエータ１０４を含むとして図示されるが、当業者には、本発明に係る導管１０３Ａ、１０３Ｂの振動は、導管アセンブリ１０の外部で発生し、フランジ１０１、１０１’の一方を介して導管アセンブリ１０に搬送される励振等の他の技術により実現してもよいことが理解されよう。
【００２６】
ゼロ質量流における振動プロセス・パラメータ・センサ導管の定常状態の運動は、ドライバにより励振される基本モードに関する実標準固有ベクトルとして説明してもよい。図１に示すような二導管センサの場合、このモードは、通常、２つの導管１０３Ａ、１０３Ｂが軸Ｗ−Ｗ，Ｗ’−Ｗ’を中心に曲がる第１の位相ずれ曲げモードである。この前提において、導管１０３Ａ、１０３Ｂ上の離散した点の組｛ｘ｝の運動は以下の数式により表される。
【００２７】
【数１】
0003545340.tif 000002
式中、｛φ｝ｄは、駆動モードに関する実標準固有ベクトルを表し、ωｄは、駆動モードに関する自然周波数である。スケーラαは、振動の振幅に一致するように固有ベクトル｛φ｝ｄをスケーリングする。所与の時間ｔにおいて、導管上の任意の点の運動を直接求めることができる。
【００２８】
振動導管プロセス・パラメータ・センサの運動のより完全な表現は、プロセス・パラメータ・センサを強制応答の状態において運動するシステムとして考えることによって与えられる。強制応答は、複数の実標準モード応答ηの重畳としてモデル化できる。かかるモデルによれば、
【００２９】
【数２】
0003545340.tif 000003
及び
【００３０】
【数３】
0003545340.tif 000004
が成立する。式中、｛η｝はモード応答ベクトルであり、｛Ｆ｝は力関数ベクトルであり、［Ｈ］は周波数応答関数（ＦＲＦ）行列であり、［φ］−１はモード形状行列［φ］の逆数である。式（１）から明らかなように、ベクトル｛ｘ｝の各項には、位相が関連づけられる。導管を通る流れがゼロであると、力ベクトル｛Ｆ｝及びＦＲＦ行列［Ｈ］において具体化されるシステム特性が周知である場合、導管上の任意の点における位相を計測して、導管上のその他あらゆる点における正しい位相が得られる。
【００３１】
本発明は、導管を物質が流れることを、導管アセンブリのモード・モデルに複雑性を導入するコリオリ力として表すことができるとの認識から生じる。コリオリ力は、プロセス・パラメータ・センサ導管の運動を説明する線形微分式における速度項に関連する行列における追加項を用いることでモデル化できる。これらのコリオリ力項が導管の固有値表現に含まれる場合、固有ベクトル、すなわちモード形状は複雑になる。詳細には、導管の運動の線形微分式は以下となる。
【００３２】
【数４】
0003545340.tif 000005
式中、［Ｍ］は質量行列であり、［Ｋ］は剛性行列であり、｛Ｆ｝は印加された力ベクトルであり、［Ｃ］は速度項に作用するコリオリ力の行列である。コリオリ行列［Ｃ］を含むことで、固有値の問題を複雑にする、すなわち、その結果、複素固有ベクトルが生じる。
【００３３】
導管を流体が流れている状態の導管の運動は、スケーリングされた複素固有ベクトルとしてモデル化できる。複素固有ベクトルは、自由度ごとに２つの独立成分を有する。これらの成分は、実数成分及び虚数成分を含んでもよく、あるいは大きさ成分及び位相成分を含んでもよい。このモデルによれば、導管の運動は、自由応答により説明できる、すなわち、運動の説明において駆動力は無視できる。導管上の離散した点の組｛ｘ｝の運動は以下により記述される。
【００３４】
【数５】
0003545340.tif 000006
式中、｛φ｝ｄは、駆動モードに関する複素固有ベクトルを表し、ωｄは、駆動モードに関する自然周波数であり、スケーラαは、運動の振幅に一致するように固有ベクトルの大きさをスケーリングする。
【００３５】
複素固有ベクトルの大きさであるα｛｜φ｜ｄ｝は、変換器を所与の振幅に駆動する駆動回路により制御されるものと仮定する。固有ベクトルの複雑性であるａｎｇ（φｄ）が未知のため、２つの位置における運動についての情報は、コリオリ力を決定するために使用可能である。式（３）を参照すると、複素モード応答｛η｝は、ＦＲＦ行列［Ｈ］により表されるシステム特性と、印加された力ベクトル｛Ｆ｝を含む。印加された力ベクトル｛Ｆ｝は既知であるとする。しかしながら、ＦＲＦ行列［Ｈ］において具体化されるシステム特性は質量流量の関数であり、したがって未知である。追加情報、例えば、ドライバ以外の点における位相により、質量流量の測定が可能である。
【００３６】
本発明にしたがって適用される複素モード計測技術は、従来の方法に比べて質量流等のプロセス・パラメータを計測する際に優れたフレキシビリティをもたらす。例えば、振幅が１つの位置、例えばドライバ位置で精確に制御される場合、別の位置の振幅又は位相は、質量流計算に十分な情報を与えることができる。あるいは、１つの別の位置で同時に計測された、それぞれの振幅がその位置での最大振幅に標準化される振幅は、質量流測定に十分な情報を与えることができる。
【００３７】
モードの複雑性は、複素面における固有ベクトルの回転として考えてもよい。任意の２つの位置における固有ベクトルの虚数部を知ることで、モード形状の複雑性についての情報を与えることができる。虚回転は質量流に関連する。計器は、回転すなわち複素固有ベクトルが既知の質量流において既知であるように較正される。未知の質量流、例えば未知の質量流量、統合質量流等は、対応する複素ベクトルを求め、このベクトルが較正された複素固定ベクトルの複素モード変換に対応すると仮定することによって求められる。この変換は、較正された複素固有ベクトル及び測定ベクトルから、例えば曲線当てはめ技術を用いて推定できる。次いで、推定された変換を用いることで、既知の質量流から未知の質量流を推定できる。
【００３８】
較正された複素固有ベクトルは、多くの方法で識別される。例えば、センサを製造工程の一環としてオフラインで較正し、較正された複素固有ベクトルをプロセス・パラメータ・センサの電子機器のプログラマブル読み取り専用メモリ（ＰＲＯＭ）又は他の記憶装置に記憶させてもよい。較正された複素固有ベクトルは、例えば、複素固有ベクトルの複数の値を記憶することによって、又はその近似値の表現を記憶することによって等、多くの方法で記憶させることができる。また、プロセス・パラメータ・センサは、物質を既知の流量でプロセス・パラメータ・センサを通過させ、マイクロプロセッサ又は同様のコンピューティング装置の制御下で複素モード分析を実行することによって、較正された複素固有ベクトルを決定することによっても、元の位置で較正可能である。多数の計算技術を利用することで、所与の流量の複素固有ベクトルを推定し、異なる流量を表す複素固有ベクトルに関する変換を計算することができる。これらは、回帰技術等の各種の曲線当てはめ技術とを備えてもよい。
【００３９】
本発明の一態様によれば、一般化された線形回帰技術を使用して質量流を求める。例えば、２つの位置で変換器を使用する用途においては、下記の二要素ベクトル｛Ｙｅ｝は既知の質量流量において構成される。
【００４０】
【数６】
0003545340.tif 000007
｛Ｙｅ｝は、例えば、プロセス・パラメータ・センサ導管上の２つの変換器位置における位相測定を含むようにしてもよい。物質が未知の質量流量で導管を通過すると、下記の別の二要素ベクトル｛Ｘ｝は、この２つの変換器位置における複素測定値から構成される。
【００４１】
【数７】
0003545340.tif 000008
上述のように、複素値は、位相測定値以外の測定値を使用して｛Ｙｅ｝及び｛Ｘ｝について生成可能である。
【００４２】
線形回帰を実行する際、
【００４３】
【数８】
0003545340.tif 000009
に示すように変換が求められる。式中、ａ及びｂは、それぞれ勾配及び偏差を表す定数である。式（８）を操作して、
【００４４】
【数９】
0003545340.tif 000010
を得る。式中、［Ｚ］は｛Ｘ｝から構成される拡大行列であり、｛ｃ｝はａ及びｂをそれぞれ第１及び第２の要素として有するベクトルである。
【００４５】
式（９）は、｛ｃ｝の計算を可能にする形式である。二変換器の例の場合、これは、式（９）の両辺を［Ｚ］−１で予め乗算することによって得られる。［Ｚ］は等しい数の行と列を有するためである。しかしながら、本発明の別の態様によれば、［Ｚ］は優決定系を表すことができる、すなわち、［Ｚ］には、もっと多くの行と列があってもよい。これは、導管上の３箇所以上で測定が行われる場合、すなわち、｛Ｘ｝が３要素以上有する場合に発生し得る。
【００４６】
かかる優決定の場合において、式（９）は、両辺を［Ｚ］の転置で予め乗算することによって求められる。すなわち、
【００４７】
【数１０】
0003545340.tif 000011
である。［Ｚ］Ｔ［Ｚ］は正方行列であり、物理的に適正配置された問題では逆数を有する。式（８）の両辺を［Ｚ］Ｔ［Ｚ］の逆数で予め乗算して｛ｃ｝を求めると、
【００４８】
【数１１】
0003545340.tif 000012
が得られる。
【００４９】
結果｛ｃ｝は、最小二乗法基準に基づく複素固有ベクトル｛Ｙｅ｝に対するベクトル｛Ｘ｝の最適適合を表す。｛ｃ｝の第１の要素である勾配ａは、｛Ｘ｝のスケーリングされた回転が｛Ｙｅ｝に適合するためのスケーリング係数を表す。例えば、｛Ｘ｝及び｛Ｙｅ｝が位相測定から構成される場合、｛Ｘ｝に対応する質量流量Ｋｕｎｋｎｏｗｎは、
【００５０】
【数１２】
0003545340.tif 000013
により既知の質量流量Ｋｋｎｏｗｎから推定できる。
【００５１】
例示的なプロセス・パラメータ・センサ
再び図１を参照して、本発明に係るプロセス・パラメータ・センサ５の一つの実施の形態は、複素モード変換推定器３０と、プロセス・パラメータ推定器４０とを含む。リード線１００は、導管アセンブリ１０をドライバ２０及び複素モード変換推定器３０に接続する。
【００５２】
複素モード変換推定器３０は、物質が、第１及び第２のリード線１１１、１１１’上のそれぞれ第１及び第２の運動変換器１０５、１０５’から導管アセンブリ１０を通って流れると、導管１０３Ａ、１０３Ｂの運動を表す第１及び第２の運動信号、例えば、変位、速度又は加速度を表す信号を受信する。複素変換推定器３０は、受信された運動信号を処理し、既知の質量流における導管１０３Ａ、１０３Ｂの運動を表す複素固有ベクトルに運動信号を関連づけて、複素モード変換３５を推定する。プロセス・パラメータ推定器４０は、未知の質量流の推定値４５、すなわち推定された質量流量を、推定された複素モード変換３５にしたがって既知の質量流から生成する。これらの動作については詳細を後述する。
【００５３】
図２は、複素モード変換推定器３０及びプロセス・パラメータ推定器４０の典型的な実施の形態を示す。図示のように、複素モード変換推定器３０は、サンプラ３２、例えばサンプル・アンド・ホールド回路又は同様の回路と、アナログ／ディジタル変換器（Ａ／Ｄ）３４とを含む。サンプラ３２及びＡ／Ｄ３４は、第１及び第２の運動変換器１０５、１０５’により生成される運動変換器運動信号２５を受信し、運動信号２５をサンプリングし、そこからサンプル３３を生成してアナログ／ディジタル変換器（Ａ／Ｄ）３４によりディジタル信号値３７に変換される手段３１を提供する。
【００５４】
図示のサンプラ３２及びＡ／Ｄ変換器３４の詳細な運動は、当業者にとって周知の多数の回路によって実行可能であるため、ここではさらに詳細を説明する必要はない。当業者には、図２に示す受信手段３１が、追加の事前サンプリング・アンチエイリアス・フィルタリング、事後サンプリング・フィルタリング等を含む多数の方法で実施可能であることが理解されよう。また、一般に、図２に示す受信手段３１は、特殊又は汎用データ処理装置上で運動する特殊ハードウェア、ファームウェア又はソフトウェア、又はこれらの組合せを使用して実施可能であることも理解されよう。
【００５５】
複素モード変換推定器３０の一部は、コンピュータ５０、例えばマイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、ディジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）等において具体化できる。例えば、コンピュータ５０は、適当なプログラム・コード、例えばソフトウェア及び／又はファームウェア及び例えばランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）、プログラマブル読み取り専用メモリ（ＥＰＲＯＭ）、磁気ディスク等の記憶媒体６０に記憶されたデータで構成される、テキサスインスツルメント社から市販されたＤＳＰのＴＭＳ３２０Ｃ４Ｘ系のＤＳＰのような線形代数コンピュータに特に好適なパイプラインＤＳＰで構成されてもよい。
【００５６】
コンピュータ５０は、導管１０３Ａ、１０３Ｂの運動を表す複素測定値３９をディジタル信号値３７から生成する手段３６を提供する。また、コンピュータ５０及び関連のプログラム・コードは、複素測定値３９を既知の質量流における導管１０３Ａ、１０３Ｂの運動を表す複素固有ベクトルに関連づけて複素モード変換３５を複素測定値３９から推定する手段３８も提供する。
【００５７】
また、プロセス・パラメータ推定器４０もコンピュータ５０において具体化される。例えば、プロセス・パラメータ推定器４０は、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具体化されるので、複素モード変換推定手段３８によって生成される計算された推定複素モード変換３５にしたがって、既知の質量流から未知の質量流の推定値４５を計算する。これらの動作を実行する装置、方法及びプログラム製品の詳細な説明については、図３〜図５に示すフローチャートを参照してさらに詳細を後述する。
【００５８】
当業者であれば理解するように、図１〜図２は、典型的な実施の形態を表しており、本発明には他の種々の装置が使用可能である。例えば、図１に示すもの以外に、直線と曲線の導管構成、ならびに単一導管又は複数導管を採用した構成を含む種々の異なる導管構成を利用してもよい。ドライバ２０、複素モード変換推定器３０及びプロセス・パラメータ推定器４０は、例えば、導管アセンブリ１０に装着された電子パッケージにおいて一体として、又は、適当な通信媒体により接続されるコンポーネントを使用して分散方式で、実施されてもよい。したがって、本明細書に記載のプロセス・パラメータ・センサは、単一パッケージに限定される必要はない。
【００５９】
複素モード推定器３０及び／又はプロセス・パラメータ推定器４０は、既存の変換器１０５Ａ、１０５Ｂ及び関連の配線を含む既存の導管アセンブリ１０とインタフェースするように設計されていおりこれにより既存のパラメータセンサを改装して複素モード測定技術を搭載する装置を提供できるハードウェア及び／又はソフトウェアモジュールとして実施されてもよい。。また、ドライバ２０をかかるモジュールと一体化してもよい。同様に、複素モード変換推定器３０、プロセス・パラメータ推定器４０及び既存の導管構造に実装するように設計される運動変換器を含む「キット」を設けてもよい。本明細書に記載の複素モード変換推定器３０及びプロセス・パラメータ推定器４０は、ＤＳＰ等のディジタル・コンピューティング装置上で実施されるディジタル計算技術を利用して本発明の各態様にしたがって推定運動を実行するが、当業者であれば理解するように、複素モード変換推定器３０及び／又はプロセス・パラメータ推定器４０がこれらの推定運動の全部又は一部を実行するアナログ計算回路等の非ディジタル・コンポーネントを備えてもよい。
【００６０】
複素モード測定の例示的な実施
図３〜図５は、本発明に係る方法、装置（システム）及びプログラム製品を示すフローチャートである。フローチャート中のブロック又はブロックの組合せは、コンピュータ読み取り可能プログラム・コード、例えばプログラム命令及び／又は図２に示すコンピュータ５０等のコンピュータ又はデータ・プロセッサで演算されるデータを用いて実施可能である。本明細書で使用されるコンピュータ読み取り可能プログラム・コードは、オペレーティング・システム・コマンド（例えば、オブジェクト・コード）や高級言語命令等、及びかかるプログラム命令において読み出され、アクセスされ又はこれらとともに使用されるデータを含むが、これらに限定されない。
【００６１】
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、ディジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）等を含む（ただしこれらに限定されない）コンピュータ又は同等のデータ処理装置にロード可能である。プログラム・コードとコンピュータの組み合わせは、図示のフローチャートの一つ又は複数のブロックにおいて指定される一つ又は複数の機能を実施するよう運動する装置を提供できる。同様に、プログラム・コードは、コンピュータ又はデータ処理装置にロードされ、プログラム・コード及びコンピュータが一つ又は複数のフローチャート・ブロックにおいて指定される上記の機能を実施する手段を提供する。
【００６２】
また、プログラム・コードは、磁気ディスク又はテープ、バブルメモリ、電気的に消去可能なプログラマブル読み取り専用メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）等のプログラマブル・メモリ・デバイス等の、コンピュータが読み取り可能な記憶媒体に記憶されてもよい。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・コードが一つ又は複数のフローチャート・ブロックにおいて指定された上記の機能を実施するプログラム・コード手段を含む製造物品を形成するよう、記憶媒体にアクセスするコンピュータを機能させることができる。また、プログラム・コードはコンピュータにもロードされて一連の運動ステップを実行させ、これによりプログラム・コードがコンピュータとともに一つ又は複数のフローチャート・ブロックにおいて指定される上記の機能を実施する工程を提供するようにプロセスを実施することができる。したがって、図示のフローチャートの各ブロックは、指定された機能を実行するよう運動する装置、指定された機能を実行する手段の組合せ、指定された機能を実行する工程の組み合わせ、及び、コンピュータ読み取り可能記憶媒体において具体化され指定された機能を実行するコンピュータ読み取り可能プログラム・コード手段に対応している。
【００６３】
また、一般に、図示のフローチャートのそれぞれのブロック及び図示のフローチャートのブロックの組合せは、汎用コンピュータ上で実行する特殊ハードウェア、ソフトウェア又はファームウェア、又はこれらの組合せによって実施できる。例えば、図示のフローチャートの各ブロックは、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、プログラマブル・ゲートアレイ又は同様の特殊装置によって、又はマイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、ＤＳＰ又は他の汎用コンピューティング装置にロードされ、これらにより実行されるプログラム命令又はデータによって実施可能である。
【００６４】
図３は、振動導管タイプのプロセス・パラメータ・センサにおける質量流を測定する典型的な動作３００を示す。複素固有ベクトルが提供され（ブロック３１０）、複素固有ベクトルは、既知の質量流におけるプロセス・パラメータ・センサ導管の運動を表している。複数の運動信号は、複数の運動変換器から受信され（ブロック３２０）、運動信号は、物質が導管を通って流れる際の複数の位置における導管の運動を表している。運動信号を複素固有ベクトルに関連づける複素モード変換は、例えば、上述の線形回帰技術を用いて推定される（ブロック３３０）。そして質量流は、既知の質量流及び推定された複素モード変換から推定される（ブロック３４０）。
【００６５】
図４は、運動変換器からの複数の運動信号を複素固有ベクトル｛Ｙｅ｝に関連づけて複素モード変換を推定する典型的な動作３３０、特に、線形回帰を適用した推定動作を示す。複数の複素測定値は、受信された複数の運動信号から生成される（ブロック３３１）。ベクトル｛Ｘ｝は、複数の複素測定値から構成される（ブロック３３２）。拡大行列［Ｚ］は、ベクトル｛Ｘ｝から構成される（ブロック３３３）。そして変換｛ｃ｝は、｛Ｙｅ｝＝［Ｚ］｛ｃ｝のように求められる（ブロック３３４）。
【００６６】
図５は、既知の質量流におけるプロセス・パラメータ・センサ導管の運動を表す複素固有ベクトルを提供する典型的な運動３１０を示す。複数の運動信号は、導管上の複数の位置に配置された複数の変換器から受信され（ブロック３１１）、複数の運動信号は、既知の質量流におけるプロセス・パラメータ・センサ導管の運動を表す。既知の質量流量における導管の運動を表す複素固有ベクトルは、複数の較正された複素値から求められる（ブロック３１２）。複素固有ベクトルの表現は、次にプロセス・パラメータ・センサ、例えば図２に示す記憶媒体６０に記憶される（ブロック３１４）。
【００６７】
本願の図面及び明細書は発明の実施の形態を開示するものである。特定の用語を採用しているが、これらは一般的かつ記述的な意味において使用され限定を目的としたものではない。当業者であれば、文言上又は均等論の下で請求の範囲に包含される代替の実施の形態を作製、使用又は販売可能であり、作製、使用又は販売するであろうことが予測される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るプロセス・パラメータ・センサの一つの実施の形態を示す。
【図２】本発明の一態様による、複素モード変換推定器及びプロセス・パラメータを推定する手段の実施の形態を示す。
【図３】本発明の一態様にしたがって質量流を推定する例示的な運動を示す。
【図４】本発明の一態様にしたがって質量流を推定する例示的な運動を示す。
【図５】本発明の一態様にしたがって質量流を推定する例示的な運動を示す。
【図１】
0003545340.tif 000014
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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