(57)【要約】【課題】この発明の目的は、洗練された方法で、測定チューブの圧力が付加的な装置なしに測定される質量流量計の作動方法を導くことである。【解決手段】この発明は、コリオリス原理を用い、媒体が流れる測定チューブを有すると共に、前記測定チューブが振動のために刺激され、その結果生じる前記測定チューブの振動反応が測定される質量流量計の制御方法において、前記質量流量計の力学に関する物理学的−数学的モデルに基づいて、前記記録された振動反応を評価することによって前記測定チューブを流れる媒体の圧力を測定する工程を含むことにある。これにより、この発明のコリオリス質量流量計は、いかなる装置も付加することなく、質量流量の測定に加えて、測定チューブの圧力も測定できるものである。【選択図】  図２
2006153875.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コリオリス原理を用い、媒体が流れる測定チューブを有すると共に、前記測定チューブが振動のために刺激され、その結果生じる前記測定チューブの振動反応が測定される質量流量計の制御方法において、
前記質量流量計の力学に関する物理学的−数学的モデルに基づいて、前記記録された振動反応を評価することによって前記測定チューブを流れる媒体の圧力を測定する工程を含むことを特徴とする質量流量計の制御方法。
【請求項２】
前記質量流量計の力学に関する少なくとも二次の物理学的−数学的モデルを用いる段階を有することを特徴とする請求項１記載の制御方法。
【請求項３】
前記物理学的−数学的モデルは、少なくとも一つの振動モードでの前記測定チューブの励起による前記質量流量計の振動を記述することができることを特徴とする請求項１又は２記載の制御方法。
【請求項４】
前記物理学的−数学的モデルは、前記測定チューブの振動の第１の固有振動モードと別の固有振動モードとの間の結合を考慮することを特徴とする請求項１又は２記載の制御方法。
【請求項５】
前記物理学的−数学的モデルは、前記測定チューブの振動について、前記モデルによって記述された前記固有振動モードの有効弾性剛性値を考慮することを特徴とする請求項１又は２記載の制御方法。
【請求項６】
制御上の刺激及び付加的な励起が、測定チューブの一つの固有振動モード及び測定チューブの有効弾性剛性に提供されると共に、前記固有信号モードの振動が、制御上の刺激によって確立されるような前記固有振動モードにおける媒体が流れる測定チューブの共振振動数を介して測定され、付加的な励起に対する振動反応が検出されることを特徴とする請求項５記載の制御方法。
【請求項７】
２つの付加的な励起が測定チューブの一つの固有振動モード及び測定チューブの有効弾性剛性に提供され、この固有振動モードにおける振動が、２つの付加的な励起に対する振動反応によって測定されることを特徴とする請求項５記載の制御方法。
【請求項８】
圧力測定において、支持パイプの運動のような測定チューブの力学に影響する付加的な要因及び／若しくは測定チューブの懸架部の影響を与える要因を考慮することを特徴とする請求項１又は２記載の制御方法。
【請求項９】
前記測定チューブの温度は、測定チューブの振動発生装置及び／若しくは測定チューブの振動センサ等の質量流量計における装置の機能の温度依存を考慮するために測定されることを特徴とする請求項１又は２記載の制御方法。
【請求項１０】
圧力測定において、前記測定チューブの温度は、測定チューブの弾性剛性における温度に誘導される変化を考慮するために測定されることを特徴とする請求項１又は２記載の制御方法。
【請求項１１】
前記測定チューブ上の及び／若しくは支持パイプ上の機械的応力は、前記測定チューブの固有振動モードに関する弾性剛性の感度変化を介して、又は歪みゲージの測定を介して検出され、圧力測定において考慮されることを特徴とする請求項１又は２記載の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、コリオリス原理を用い且つ媒体が流れる測定チューブを有する質量流量計であって、前記測定チューブが振動するように刺激され、且つその結果として生じる測定チューブの振動反応を測定する質量流量計の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
同様の方法は、例えば特許文献１に記載されている。この特許文献１によれば、測定チューブは３つの相互に異なる振動モードにおいて刺激され、測定チューブの記録された振動反応パターンによって、そのゼロ点及びその感度等の質量流量計の特性値が、数学的−物理的モデルによって質量流量計の作動中測定される。
【０００３】
質量流量計の作動中、特性値としてのゼロ点及び感度を測定することは、本質的に質量流量測定の精度を改善する目的を補助する。しかし、コリオリス型質量流量計に関して、測定チューブを流れる媒体の圧力を測定することは、付加的に可能である。従来の質量流量計においてその趣意で頻繁に使用される方法の一つは、例えば歪みゲージで、測定チューブの膨張を測定することであった。このように付加的に測定される変数として得られる圧力値は、例えば測定されるべき他の量における圧力による誤差に関して補正するために使用することができる。たしかに、これには、通常上述した歪みゲージ等の付加的な圧力測定手段が要求される。
【特許文献１】ＤＥ  １００  ０２  ６３５  Ａ１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
それゆえに、この発明の目的は、洗練された方法で、測定チューブの圧力が付加的な装置なしに測定される質量流量計の作動方法を導くことである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上述した方法を発展させると、この目的は、検出された振動反応が、測定チューブの力学に関する物理学的−数学的モデルによって評価されることで、前記測定チューブを流れる媒体の圧力を測定することによって達成される。
【０００６】
特に、本発明によれば、測定チューブは、例えば、１つ又は２つの相互に異なる振動数及び／若しくは１つ又は２つの相互に異なる固有振動モードでの刺激のような意図的な適用に実質的に依存して変化する励起によって振動を生じ、それによって、測定チューブの振動反応が検出され、予め定義された振動刺激に対する振動反応を反映する物理学的−数学的モデルによって、測定チューブの圧力が演算される。
【０００７】
特に、本発明の好ましい一つの例は、質量流量計の力学に関する少なくとも二次の物理学的−数学的モデルを使用することである。ちなみに、１つ又は２つの相互に異なる振動数で又は１つ又は２つの相互に異なる固有振動モードにおいて測定チューブに関する上述された振動励起に加えて、他の付加的な振動数及び／若しくは固有振動モードで振動を発生することが、もちろん可能であることは、注目されるべきである。使用される物理学的−数学的モデルが、測定チューブの予め定義された振動励起への予期された振動反応における情報を提供することができることは、重要なことである。
【０００８】
したがって、本発明の好ましい例において、物理学的−数学的モデルは、少なくとも一つの固有振動モードにおける測定チューブの刺激による測定チューブの振動を表示することができる。ある固定振動モードは、その目的、特に第１及び第２の固有振動モードに役立つ。本発明の他の好ましい手段は、測定チューブの振動についての第１の固有振動モードと第２の固有振動モードの間の結合を含む物理学的−数学的モデルを提供する。
【０００９】
このような物理学的−数学的モデルによって圧力を測定することができる多くの方法がある。しかしながら、本発明の好ましい例においては、物理学的−数学的モデルは、測定チューブの有効弾性剛性を考慮している。本発明の好ましい強化された例は、操作上の刺激及びその付加的な励起に対する振動反応を介して決定されるように、操作上の刺激及び測定チューブの第１の固有振動モードにおける付加的な励起、及びその第１の固有振動モードにおける媒体が流れる測定チューブの共振振動数によって第１の固有振動モードにおいて振動する時の測定チューブの有効弾性剛性の数量化を有する。「操作上の刺激」という言葉は、例えば実際の質量流量測定のような通常の作動に関するコリオリス質量流量計の測定チューブの励起を指すものである。そのために、ここで使用される「付加的な励起」という言葉は、付加的な振動反応を生じさせる操作上の刺激とは別の励起を指すものである。
【００１０】
本発明の別の好ましい例において、２つの付加的な励起は、測定チューブの第１の固有振動モードにおいて行われ、第１の固有振動モードにおいて振動する時の測定チューブの有効弾性剛性は、これら２つの付加的な励起に対する振動反応に基づいて測定される。
【００１１】
これに代わるものとして、本発明の別の好ましい例は、測定チューブの第２の固有振動モードで行われる２つの付加的な励起を設け、この第２の固有振動モードにおいて振動する時の測定チューブの有効弾性剛性は、その２つの付加的な励起に対する振動反応を介して測定される。
【００１２】
前記物理学的−数学的モデルのみを用いることは、コリオリス質量流量計の測定チューブの圧力の正確な測定を既に可能にしている。しかしながら、本発明の好ましい例において、圧力測定は、支持パイプ及び／若しくは懸架部の運動、たとえあるとしても測定チューブ自体の運動のような測定チューブの力学に影響する他の因子を付加的に考慮する。また、本発明の別の好ましい例において、測定チューブの温度は、測定チューブの振動発生装置及び／若しくは測定チューブの振動センサのような質量流量計システムの所定の構成要素の機能の温度依存を補償するために測定される。
【００１３】
本発明の好ましい手段において、測定チューブの温度も、圧力を数量化する時に考慮された測定チューブの弾性剛性における温度に誘導される変化を考慮して測定される。最後に、本発明の好ましい例もまた、測定チューブの固有振動モードに関する弾性剛性における感度変化を検出することによって、又は歪みゲージを使用することによって、測定チューブ及び／若しくは支持パイプの機械的応力を、圧力測定に算入する。
【００１４】
コリオリス質量流量計を操作する新規的な方法が、形成され且つさらに強化される幾多の方法がある。これに関連して、独立した特許請求の範囲及び添付図面を参照して本発明の好ましい例についての下記する詳細な説明に注意を払うべきである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
上記に説明されたように、通常のコリオリス質量流量計は、例えば歪みゲージを用いることによって、伝統的な膨張−測定記述によって測定チューブにおける圧力関連変化を検出する。これによって、付加的な測定変数として得られる圧力値は、測定されるべき他の量における圧力に誘導される誤差の補正をするために使用することができる。しかしながら、この発明によれば、圧力は、付加的な装置なしに、その代わりに振動刺激によるコリオリス質量流量計の反応パターンを定量化する手助けをする既に存在する構成要素を用いることによって、測定される。
【００１６】
この発明によれば、測定チューブは、測定チューブの圧力の作用としてその弾性が変化する圧力指摘膜として作用する。この変化は、圧力測定として検出され、記録される。下記に記載する本発明の好ましい例において、基本的な概念は、コリオリス質量流量計の測定チューブの特別に目標とされる刺激を実行すること、測定チューブの圧力の作用として測定チューブの応力パターンが少なくとも１つの固有振動モードにおいて測定チューブの有効弾性剛性を介して測定されるという方法における振動反応の評価を含む。
【００１７】
図１は、ここで記載される方法に用いられ、このましい実施例に適用される機械的構成を示すコリオリス質量流量計の長手方向断面を示す概略構成図である。この発明に係る方法が、図１に示されるように構成されたコリオリス質量流量計に限定されないことは、特に指摘されるべきである。反対に、一つの振動発生装置又は二重管構成を有する設計を含む本質的なチューブ配置を使用することができる。
【００１８】
図１のコリオリス質量流量計は、測定チューブ１、支持パイプ２及び保護チューブ３、２つの振動発生装置４及び２つの振動センサ５を有する。前記一つの測定チューブ１は、直線形状に設計されており、図１に示される前記コリオリス質量流量計は、図示しないパイプラインシステムに、フランジ６によって接続されている。測定チューブ１及び支持パイプ２からなるシステムと前記フランジ６との間の接続は、懸架部７として引用される装着部の形でなされる。さらに、測定チューブ１の中央部に設けられる中央スプリング８は、支持パイプ２で測定チューブに接続され、例えばＤＥ４２０００６０Ａ１に記載されているように、測定チューブ１の剛性を強化している。
【００１９】
図２は、図１のコリオリス質量流量計の集約された置換構成要素によるこの場合に使用される物理学的−数学的モデルに関して設計されたモデル挿入図を示している。図１に示されるようなコリオリス質量流量計の重要な機械的運動は、第１の固有振動モード及び第２の固有振動モードにおける測定チューブ１及び支持パイプ２の振動を表している。それらは、図２に示されるモデルの振動パターンに基づいて表示される。Ｍで記される置換要素は、測定チューブ１のそれぞれ有効質量、弾性及び減衰を示し、Ｔで記される要素は、支持パイプ２の対応するパラメータを示している。それぞれの質量、弾性及び減衰に関してＡで記される置換要素は、懸架部７に関する置換要素である。指標Ａ及びＢは、測定チューブ１、支持パイプ２及び懸架部７のそれぞれ左半分及び右半分を示している。Ｆｍで記される弾性及び減衰は、前記測定チューブ１が中央スプリング８によって中央位置に保持されているという事実を説明している。もちろん、中央スプリング８がない場合には、この対応する引用は適用されない。ｍで記される各々の質量は、前記測定チューブ１及び支持パイプ２の第１の固有振動モードにおける振動に伴う質量が、第２の固有振動モードにおける振動に伴う質量より大きいという事実を説明する。
【００２０】
第１の固有振動モードにおける振動についてのこのモデルに対応することは、前記測定チューブ１、前記支持パイプ２及び懸架部７のそれぞれの質量の共相並進運動である。回転軸ｘ２及びｘ４を中心とする外部質量ａ及びｂの一方の回転運動は、前記第２の固有振動モードにおける一方の振動に対応する。このシステムの振動パターンの数学的記載は、第２のラグランジュ関数によって導かれる。
【００２１】
固有振動モードにおける前記測定チューブ１の振動が相互に分断され、前記支持パイプ２の運動が無視され、且つ前記懸架部が運動しないと仮定した場合、圧力測定の最も簡単なモデルは、その固有振動モードｖ＝１，２，３等においてのみ前記測定チューブ１の振動を表示する二次モデルである。その相関伝達関数は、下記する数式１に示されるものである。
【００２２】
【数１】
2006153875.tif 000003
【００２３】
第１の固有振動モードに関するこの伝達関数のパラメータの例は、下記する数式２，３，４に示される。
【００２４】
【数２】
2006153875.tif 000004
【００２５】
【数３】
2006153875.tif 000005
【００２６】
【数４】
2006153875.tif 000006
【００２７】
第２の固有振動モードにおける相関伝達関数は、下記する数式５に示されるものである。
【００２８】
【数５】
2006153875.tif 000007
【００２９】
これらの伝達関数のパラメータに関しては、下記する数式６，７，８に示される。
【００３０】
【数６】
2006153875.tif 000008
【００３１】
【数７】
2006153875.tif 000009
【００３２】
【数８】
2006153875.tif 000010
【００３３】
弾性定数ｃｖは、振動発生装置構成要素、測定チューブ１、支持パイプ２、中央スプリング８等の弾性定数からなる。また弾性定数は、各々の構成要素の弾性モデュール、それらの形状及びそれらの配置に依存し、変化する圧力及び温度で変化する。さらに、振動の大きさ及び分布は、その弾性における効果を有する。
【００３４】
全体として、弾性係数は、下記する数式９に示されるように幾多の過程及び測定パラメータの関数である。
【００３５】
【数９】
2006153875.tif 000011
【００３６】
影響を及ぼす変数と前記弾性係数ｃとの間の関数的関係は、大変複雑であり、分析的用語においてのみ限定して記載することが可能である。ある状態下まで、それは、プロセス変量として圧力の間接的な測定について使用される。弾性定数ｃｖを測定し、そこからプロセス圧力を測定するために、コリオリス質量流量計は、一つ又はいくつかの振動数で付加的に刺激され、伝達関数が測定され、その結果に基づいて剛性値（弾性定数）ｃｖが演算される。適切な較正は、弾性定数と操作中の圧力との間の関係を確立する。第１及び第２の固有振動モードの両方において、いくつかの好ましい例が下記に記載される。それらは、同様に別の固有振動モードで、対応する方法に適応されることができる。
【実施例１】
【００３７】
一つの付加的な励起を介しての第１の固有振動モードにおける弾性剛性の測定
【００３８】
弾性定数ｃ１に関する定義等式は、下記する数式１０である。
【００３９】
【数１０】
2006153875.tif 000012
【００４０】
数回の変換の後、付加的振動数ωＺ１での付加的な励起を介して得られた有効質量が、下記する数式１１に示される。
【００４１】
【数１１】
2006153875.tif 000013
【００４２】
付加的な励起と強襲振動数の間に適当な隔たりがあるならば、数式１２のように簡単にすることが可能である。
【００４３】
【数１２】
2006153875.tif 000014
【００４４】
同時に、弾性定数は、下記する数式１３から導かれる。
【００４５】
【数１３】
2006153875.tif 000015
【００４６】
付加的な励起の振動位置を選択するにあたり、良好な信号記別を確保するために、（デケード毎に２０［ｄＢ］で共振振動数を上下させる伝達関数Ｇ１及びＧ２の振動反応による）測定信号の最も高い可能性のある大きさと、操作振動数ω０１からの適当な距離との間のトレードオフを計量する必要がある。これは、下記に記載される発明の好ましい具体例にも適用される。
【実施例２】
【００４７】
第１の固有振動モードにおける２つの付加的な励起を介しての弾性定数の測定
【００４８】
プロセス圧力の測定としてのパラメータｃ１は、操作中の振動数に対応して且つ固有振動数を使用することなく、第１の固有振動モードにおける最小限２つの付加的な振動数での励起を介して、測定される。
【００４９】
質量ｃ１に関する定義等式は、下記する数式１４に示される。
【００５０】
【数１４】
2006153875.tif 000016
【００５１】
理論的に、付加的な振動数の位置は、圧力測定に何ら関与しない。しかしながら、現実には、付加的な振動数の位置を、対称的に反射させる方法における操作中の振動数に結びつけるあまり重要でない依存関係がある。
【００５２】
弾性定数ｃｖは、一般的に、第２の又はより高い固有振動モードでの最小限２つの付加的な振動数での励起によるプロセス圧力の測定として測定される。
【００５３】
弾性手数ｃｖに関する定義方程式は、下記の数式１５に示されるものである。
【００５４】
【数１５】
2006153875.tif 000017
【００５５】
付加的な励起の場合、励起振動数の一つは、関連したモードの共振振動数と同時に発生する。しかしながら、付加的な振動数は、共振振動数ω０１に対して、対称的に反対側の位置において選択されることが好ましい。
【００５６】
一般的に、例えば、振動反応Ｖｖと振動刺激Ｆｖとの間の比率から、振動数ωでの伝達関数Ｇｖの値を測定することが、以下の数式１６で示すように、可能である。
【００５７】
【数１６】
2006153875.tif 000018
【００５８】
振動刺激Ｆｖは、例えば電磁アクチュエータによる固有振動モードｖにおける前記測定チューブ１の物理学的刺激である。前記振動反応Ｖｖは、例えば、一つ又はいくつかの電磁センサで、その速度に比例する誘導電圧を介して、測定されるその固有振動モードにおける測定チューブ１のトラバース運動の速度を表示する。他のアクチュエータ及びセンサは、変形された数式１６を導く。例えば、アクセル信号からの正弦波信号Ａｖは、下記する数式１７に従って速度データに変換される。
【００５９】
【数１７】
2006153875.tif 000019
【００６０】
相応じて、例えば光学センサからの正弦波信号Ｓｖ及び比例的に反射する側方運動に関しては、下記する数式１８に示される。
【００６１】
【数１８】
2006153875.tif 000020
【実施例３】
【００６２】
プロセス圧力Ｐ及び弾性定数ｃｖの間の関係
【００６３】
弾性定数ｃｖとプロセス圧力Ｐとの間の関係は、下記する数式１９に示される。
【００６４】
【数１９】
2006153875.tif 000021
【００６５】
そして特別な場合には、下記する数式２０のようになる。
【００６６】
【数２０】
2006153875.tif 000022
【００６７】
比例因子ｋｖ及びｋｖ０は、所定の固有振動モードが、所定の圧力測定範囲に渡る定数と見なすために設計されたパラメータである。それもまた、較正を介して確立される。弾性定数ｃ０ｖは、温度に依存し、関連した固有振動モードに関する特性曲線のゼロ点を示している。それは、測定された温度によって補正される。
【００６８】
代表的なコリオリス質量流量計において、弾性定数は、振動振幅上の小さい方の大きさにのみ依存するので、圧力測定上の振動振幅の影響は無視することができる。より大きな動的な振幅及び結果としてのより大きな振幅依存を有するシステムに関して、振動振幅のオンライン補正が可能である。
【００６９】
横感度に関する補正
【００７０】
測定チューブ１の弾性剛性と圧力の間の関係もまた、他のプロセス変数によって影響される。弾性剛性上の温度影響に関する補正は、測定チューブ１の温度を測定することによって可能である。応力湾曲の影響は、異なる固有振動モードにおける弾性剛性の感度変化を測定することによって、又は歪みゲージのようなコリオリス質量流量計張力指示計に取り付けることによって、必要なところで、補正することができる。
【００７１】
実験結果
【００７２】
実験目的のために、垂直方向に装着されたコリオリス質量流量計が、最大６０ｂａｒ（８７０ｐｓｉ）までの静圧を発生させることができる圧力ゲージテストポンプに接続された。テスト中、約１０分毎に、圧力が異なる値に設定され、各々の場合で、１０分のタイムスパン（５０ｂａｒ（７２５ｐｓｉ）の初期圧力の後、最大圧力降下２ｂａｒ（２９ｐｓｉ））で、本質的一定に保たれた。
【００７３】
図３及び４は、測定チューブ１を流れる媒体として蒸留水を用いて得られた測定結果を示す。これから明らかなように、弾性剛性における圧力に関連した変化は、弾性剛性ｃｖのモデルに基づく数量化によって著しく検出される。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明の好ましい例に係る各々の方法で使用されるコリオリス質量流量計の機械的配置を示した概略図である。
【図２】本発明に係る集約された置換構成要素を有する物理学的−数学的モデルへの一つの方法を示した説明図である。
【図３】操作中の圧力の作用として図１のコリオリス質量流量計の測定チューブの第１の固有振動モードにおける弾性剛性の進行を示した説明図である。
【図４】操作中の圧力の作用として図１の測定チューブの第２の固有振動モードにおける弾性剛性の進行を示した説明図である。
【符号の説明】
【００７５】
１  測定チューブ
２  支持パイプ
３  保護チューブ
４  振動発生装置
５  振動センサ
６  フランジ
７  懸架部
８  中央スプリング
【図１】
2006153875.tif 000023
【図２】
2006153875.tif 000024
【図３】
2006153875.tif 000025
【図４】
2006153875.tif 000026