(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流管（１０３Ａ、１０３Ｂ）、該流管に接続されたピックオフ（１０５、１０５’）及び前記流管に接続された駆動装置（１０４）を備えたコリオリ流量計（１００）の前記駆動装置に交流を提供する回路（１６３）であって、
前記交流の振幅を制御するよう構成された電流源（３３３）と、
前記駆動装置と前記電流源との間に接続された第１のスイッチ（３０１）及び第２のスイッチ（３０２）と、
前記駆動装置と前記電流源（３３３）との間に接続された第３のスイッチ（３０３）及び第４のスイッチ（３０４）と、
を備える回路（１６３）において、
単一の供給経路（Ｖｃｃ）と、
前記ピックオフからの少なくとも１つのピックオフ信号に対応するフィードバック信号を受け取り、前記フィードバック信号に基づいて前記第１のスイッチ及び前記第２のスイッチを制御して、前記単一の供給経路（Ｖｃｃ）から第１の極性の前記交流を提供し、前記フィードバック信号に基づいて前記第３のスイッチ及び前記第４のスイッチを制御して、前記単一の供給経路（Ｖｃｃ）から第２の極性の前記交流を提供する制御回路（３２０）と
を具備することを特徴とする回路。
【請求項２】
前記制御回路（３２０）が、前記フィードバック信号を受け取って逆の信号を前記第１のスイッチ、前記第２のスイッチ、前記第３のスイッチ及び前記第４のスイッチに印加して前記交流を提供するよう構成されてなる、請求項１記載の回路（１６３）。
【請求項３】
流管（１０３Ａ、１０３Ｂ）、該流管に接続されたピックオフ（１０５、１０５’）及び前記流管に接続された駆動装置（１０４）を備えたコリオリ流量計（１００）の前記駆動装置に対して、前記駆動装置と電流源との間に接続された第１のスイッチ（３０１）及び第２のスイッチ（３０２）、並びに、前記駆動装置と前記電流源（３３３）との間に接続された第３のスイッチ（３０３）及び第４のスイッチ（３０４）を備えた回路（１６３）を用いて交流を提供する方法であって、
前記電流源を用いて前記交流の振幅を制御するステップと、
前記第１のスイッチ及び前記第２のスイッチを制御して第１の極性の前記交流を提供するステップと、
前記第３のスイッチ及び前記第４のスイッチを制御して第２の極性の前記交流を提供するステップと、
を備える方法において、
前記ピックオフからの少なくとも１つのピックオフ信号に対応するフィードバック信号を受け取るステップと、
前記フィードバック信号に基づいて前記第１のスイッチ及び前記第２のスイッチを制御して、単一の供給経路（Ｖｃｃ）から前記第１の極性の前記交流を提供するステップと、
前記フィードバック信号に基づいて前記第３のスイッチ及び前記第４のスイッチを制御して、前記単一の供給経路（Ｖｃｃ）から前記第２の極性の前記交流を提供するステップと、
を具備することを特徴とする方法。
【請求項４】
逆の信号を前記第１のスイッチ、前記第２のスイッチ、前記第３のスイッチ及び前記第４のスイッチに印加して前記交流を提供するステップを更に備える、請求項３記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の分野
本発明は、負荷に対して電流を供給する技術に関する。特に、本発明は、１つの電源から負荷に印加される電圧の極性を変化させるシステムに関する。更に特定すると、本発明は、コリオリ流量計の駆動システムに対して電力を供給する回路に関する。
【０００２】
課題
負荷によっては、負荷に対して印加される電圧の極性を周期的に反転することを必要とする。電圧の極性が反転すると、負荷に流れる電流の方向が変わる。この電流の方向の変化は、負荷により行われる或る機能を達成する。印加される電圧の極性の変化を要求する負荷の一例は、コリオリ流量計に対する駆動システムである。
【０００３】
コリオリ質量流量計は、流量計における管路を流れる物質の質量流量その他の情報を計測する。コリオリ流量計の例は、全てがＪ．Ｅ．スミス等の１９７８年８月２９日付けの米国特許第４，１０９，５２４号、１９８５年１月１日付けの同第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、直線状或いは湾曲状の形態である１本以上の管路を備えている。コリオリ質量流量計における各管路の構成は、単純な曲げ又は捻れ或いは結合型であり得る１組の固有振動モードを有する。各管路は、このような固有振動モードの１つで共振状態で振動するように駆動される。物質は、流量計の流入側に接続されたパイプラインから流量計へ入り、管路を流れるよう向きを変え、流量計の流出側を経て流量計から出る。物質で充填され且つ振動するシステムの固有振動モードは、管路と管路に流れる物質との質量の組合わせによって部分的に規定される。
【０００４】
流量計を通る流れが存在しないとき、管路に沿う全ての点は同相で、或いは補正可能な一定の初期位相の小さなオフセットで、印加される駆動力に起因して振動する。物質が流れ始めると、コリオリの力が管路の各点に異なる位相を生じさせる。管路の流入側における位相は駆動装置より遅れるが、管路の流出側における位相は駆動装置より進む。管路上のピックオフ・センサは、管路の運動を表わす正弦波信号を生じる。ピックオフ・センサから出力される信号は、ピックオフ・センサ間の位相差を決定するよう処理される。２つのピックオフ・センサ信号間の位相差は、管路に流れる物質の質量流量に比例する。
【０００５】
コリオリ流量計の駆動システムは管路に対し固定されていて、制御回路からの信号に応答して管路を振動させる。コリオリ流量計に対する従来の駆動装置は、コイルに対して対向状態に取付けられた磁石を有する。駆動装置の制御回路は、電流すなわち駆動信号を駆動信号のコイルへ印加する。コイルに流れる電流により、コイルと磁石との間に電磁力が生じる。コイルは、磁石による引き寄せと反発を交互に受ける。この引き寄せと反発が流管を振動させる。
【０００６】
磁石の引き寄せと反発を交互に行うために、駆動装置を流れる電流の電圧極性が反転させられる。これにより、駆動装置は管路に対して振動の半サイクル毎に力を印加する。
【０００７】
問題は、グラウンドに対して電圧の極性を反転させるよう、駆動装置の制御回路に対して２つの個別の供給経路が必要なことである。これにより、駆動装置の制御回路の複雑さ及び製造コストが増大する。
【０００８】
コリオリ流量計の駆動システムに特有の第２の問題は、電力供給部の出力電圧を制御することである。しかし、管路に対して印加される運動エネルギ即ち力への電気エネルギの変換は、ファラデーの法則によって示されるように、電流に依存する。印加電圧と管路に対し加えられる力との間の関係は間接的である。従って、電圧が制御されるとき、電流は管路の運動と同相ではない。これにより、管路を振動させる力への電力変換の効率が低減する。
【０００９】
コリオリ流量計の駆動システムに特有の第３の問題は、電力転送を最大化しながら駆動回路の本質的安全性を維持することである。本質的安全性の要件は、駆動システムのような負荷に対して印加される最大の瞬時電圧及び電流に対して制限を課す。しかし、管路の機械的運動は、駆動システムに対して印加される平均の電圧及び電流に依存する。従って、駆動信号は、駆動システムの効率を最大化するよう、ピーク値と平均値との差を最小化しなければならない。
【００１０】
解決手段
上記の及び他の問題は、制御された方形波を本発明の駆動システムへ供給するための回路によって解決され、技術の進歩が達成される。本発明の回路は、１つの電力供給部が負荷に交互に反転する極性の電圧を供給することを可能にする。これにより、回路のコスト及び複雑さが低減される。この回路はまた、電圧の量ではなく、負荷に印加される電流の量を制御することを可能にする。本発明の回路はまた、電圧及び電流に対するピーク値と平均値との間の差を最小化することによって、負荷に印加される平均電圧と電流を最大化する方形波の形の電流を提供する。
【００１１】
本発明の回路はＨ−ブリッジを備える。Ｈ−ブリッジは、一般に、負荷の電圧の極性を反転させる一定振幅の用途に供される。Ｈ−ブリッジは、負荷を回路に接続する端子に接続される２組のスイッチを備える。このスイッチの組は、負荷に対する電流の方向を反転させるため交互に開閉される。第１の組のスイッチの第１及び第２のスイッチが閉じられると、電流はＨ−ブリッジを介して第１の方向において負荷に流れる。第２の組のスイッチの第３及び第４のスイッチが閉じられると、電流はＨ−ブリッジを介して第１の方向とは逆の第２の方向で負荷に流れる。
【００１２】
負荷に印加される電流の振幅を調整するため、Ｈ−ブリッジは、Ｈ−ブリッジに印加され且つ負荷へ供給される電流の振幅を調整することができる電源に接続される。
【００１３】
本発明の特徴は、次のようにしてユニポーラ電力供給部から負荷に交流を供給する回路である。電流源は負荷へ印加される電流の振幅を制御する。第１のスイッチと第２のスイッチは負荷と電流源との間に接続され、閉じられると、電流源から負荷に対して電流を第１の方向に流す。第３のスイッチと第４のスイッチもまた負荷と電流源との間に接続される。第３及び第４のスイッチは、閉じられると、電流源から負荷に対して第２の方向に電流を流す。
【００１４】
本発明の別の特徴は、第１のスイッチと第２のスイッチと第３のスイッチと第４のスイッチとを開閉して第１の方向と第２の方向との間で電流の流れの方向を変える制御回路である。
【００１５】
本発明の別の特徴は、制御回路が、フィードバック信号を負荷から受け取ってどのスイッチを閉じるかを決定する比較器を備えることである。
本発明の別の特徴は、比較器がゼロ交差型比較器であることである。
【００１６】
本発明の別の特徴は、振幅制御回路が負荷へ印加される電流の振幅を調整することである。
本発明の別の特徴は、流れる要素を有するコリオリ流量計における少なくとも１つの管路を振動させる駆動システムへ駆動信号を供給するための回路である。電流源は負荷へ印加される電流を制御する。第１のスイッチと第２のスイッチは駆動システムと電流源との間に接続され、第１のスイッチと第２のスイッチとが閉じられると、電流は電流源から駆動システムへ第１の方向に流れる。第３のスイッチと第４のスイッチは駆動システムと電流源との間に接続され、第３のスイッチと第４のスイッチが閉じられると、電流は電流源から駆動システムへ第２の方向に流れる。
【００１７】
本発明の別の特徴は、第１のスイッチと第２のスイッチと第３のスイッチと第４のスイッチとを開閉して第１の方向と第２の方向との間で電流の方向を変える制御回路である。
【００１８】
本発明の別の特徴は、制御回路が、少なくとも１つの前記管路に接続されたピックオフ・センサからフィードバック信号を受け取り、前記フィードバック信号に応答してどのスイッチを閉じるかを決定する比較器を備えることである。
【００１９】
本発明の別の特徴は、比較器がゼロ交差型比較器であることである。
本発明の別の特徴は、電源における振幅制御回路が前記駆動システムに対して印加される電流の振幅を制御することである。
【００２０】
本発明の上記及び他の特徴については、以降の詳細な記述及び添付図面から理解することができよう。
詳細な記述
本発明は、制御された交番方形波を電源から負荷に供給することに関する。図１は、本発明により動作する回路を組み込んだ駆動回路を備えたコリオリ流量計を示している。コリオリ流量計１００は流量計組立体１１０と計器電子装置１５０とを備えている。計器電子装置１５０はリード線１２０を介して流量計組立体１１０に接続され、例えば、密度、質量流量、体積流量及び合計質量流量の情報を経路１７５により提供する。コリオリ流量計の構造について記述するが、当業者には明らかなように、本発明は交番電圧の電流を必要とする負荷を有する任意の装置に関連して実施可能である。
【００２１】
コリオリ流量計の構造について記述するが、当業者には明らかなように、本発明は管路を流れる物質の特性を計測するため振動する管路を備える任意の装置に関連して実施可能である。この装置の第２の例は、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。
【００２２】
流量計組立体１１０は、１対のフランジ１０１、１０１′、マニフォールド１０２及び管路１０３Ａ、１０３Ｂを備える。駆動装置１０４、ピックオフ・センサ１０５、１０５′及び温度センサ１０７は、管路１０３Ａ、１０３Ｂに接続される。ブレース・バー１０５、１０５′は、各管路がそれに関して振動する軸Ｗ、Ｗ′を規定するよう働く。
【００２３】
計測されている処理物質を搬送するパイプライン系統（図示せず）にコリオリ流量計１００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１１０へ入り、マニフォールド１０２を通過して管路１０３Ａ、１０３Ｂに入るよう向きを変える。次に、物質は管路１０３Ａ、１０３Ｂを通過して再びマニフォールド１０２へ戻り、これからフランジ１０１′を経て流量計組立体１１０から出る。
【００２４】
管路１０３Ａ、１０３Ｂは、それぞれ軸Ｗ−Ｗ、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選定され、マニフォールド１０２に取り付けられる。管路１０３Ａ、１０３Ｂはマニフォールドから外方へ実質的に平行に延びている。
【００２５】
管路１０３Ａ−１０３Ｂは、駆動装置１０４により、それらの各曲げ軸Ｗ、Ｗ′に関して反対方向に、流量計のいわゆる第１の位相ずれ曲げモードで駆動される。駆動装置１０４は多くの周知の装置のうちの任意の１つ、例えば、管路１０３Ａに取付けられた磁石と管路１０３Ｂに取付けられ且つ管路を振動させるために交流が流される対向コイルなどを含む。計器電子装置１５０によって、適切な駆動信号が経路１１２を介して駆動装置１０４へ印加される。
【００２６】
ピックオフ・センサ１０５、１０５′は管路１０３Ａ、１０３Ｂのうちの少なくとも一方の両端部に固定され、管路の振動を計測する。管路１０３Ａ−１０３Ｂが振動すると、ピックオフ・センサ１０５−１０５′が第１のピックオフ信号と第２のピックオフ信号とを生成する。第１のピックオフ信号及び第２のピックオフ信号は、経路１１１、１１１′に印加される。駆動装置速度信号は経路１１２へ印加される。
【００２７】
温度センサ１０７は、少なくとも一方の管路１０３Ａ及び／又は１０３Ｂに固定される。温度センサ１０７は、システムの温度に対する式を修正するために管路の温度を計測する。経路１１１″は温度センサ１０７から計器電子装置１５０へ温度信号を運ぶ。
【００２８】
計器電子装置１５０は、経路１１１に現われる第１のピックオフ信号及び経路１１１′に現われる第２のピックオフ信号を受け取る。計器電子装置１５０は、流量計組立体１０を流れる物質の質量流量、密度その他の特性を計算するため第１の速度信号及び第２の速度信号を処理する。この計算された情報は計器電子装置１５０により経路１７５を介して利用手段（図示せず）へ印加される。
【００２９】
当業者には公知のように、コリオリ流量計１００は振動管型密度計と構造において極めて類似する。振動管型密度計も、流体が流れる振動管を用い、サンプル型の密度計の場合には流体が保持される振動管を用いる。また、振動管型密度計は、管路を励振して振動させる駆動システムを用いる。密度の計測には周波数の計測のみを必要とし、位相の計測は不要であるため、振動管型密度計は典型的にはフィードバック信号のみを用いる。本文における本発明の記述は、振動管型密度計に対しても等しく当てはまる。
【００３０】
コリオリ流量計１００において、計器電子装置１５０は２つの構成要素、即ち、ホスト・システム１７０と信号調整装置１６０とに物理的に分けられる。従来の計器電子装置では、これらの構成要素は一つのユニットに収容される。
【００３１】
信号調整装置１６０は駆動回路１６３とセンサ信号調整回路１６１とを備える。当業者は認識するように、実際には駆動回路１６３とセンサ信号調整回路１６１は別個のアナログ回路であっても、ディジタル信号プロセッサその他のディジタル・コンポーネントにより提供される別個の機能であってもよい。駆動回路１６３は駆動信号を生成し、交流駆動電流を経路１２０の経路１１２を介して駆動装置１０４へ印加する。本発明の回路は、駆動装置１０４に対して交流を供給するように駆動回路１６３に含めてもよい。
【００３２】
実際に、経路１１２は第１及び第２のリード線である。駆動回路１６３は経路１６２を介してセンサ信号調整回路１６１に接続される。経路１６２により、駆動回路は、到来するピックオフ信号を監視して駆動信号を調整することができる。駆動回路１６３とセンサ信号調整回路１６１とを動作させる電力は、第１のワイヤ１７３と第２のワイヤ１７４とを介してホスト・システム１７０から供給される。第１のワイヤ１７３と第２のワイヤ１７４は、従来の２芯、４芯のケーブルの一部或いはマルチペア・ケーブルの一部であってよい。
【００３３】
センサ信号調整回路１６１は、第１のピックオフ・センサ１０５、第２のピックオフ・センサ１０５′及び温度センサ１０７から経路１１１、１１１′、１１１″を介して入力信号を受け取る。ピックオフ回路１６１はピックオフ信号の周波数を決定し、また、管路１０３Ａ、１０３Ｂを流れる物質の特性を決定する。ピックオフ・センサ１０５、１０５′からの入力信号の周波数及び物質の特性が決定された後、この情報を送るパラメータ信号が生成され、経路１７６を介してホスト・システム１７０の二次処理ユニット１７１へ送られる。望ましい実施の形態においては、経路１７６は２本のリード線を含む。しかし、当業者は認識するように、経路１７６は第１のワイヤ１７３と第２のワイヤ１７４によって、又は他の任意の数のワイヤによって媒介され得る。
【００３４】
ホスト・システム１７０は電力供給部１７２と処理システム１７１とを備える。電力供給部１７２は電源から電気を受け取り、受け取った電気をシステムが必要とする適正な電力へ変換する。処理システム１７１はセンサ信号調整回路１６１からパラメータ信号を受け取って、ユーザが必要とする、管路１０３Ａ、１０３Ｂを流れる物質の特性を提供するのに必要な処理を行う。このような特性は密度、質量流量及び体積流量を含むが、これに限定されるものではない。
【００３５】
図２は、駆動装置１０４である負荷へ交流を印加するための従来のシステムを含む駆動回路１６３の従来の実現形態を示している。正弦波信号が経路１６２を介してセンサ１０５、１０５′（図１）から乗算器２０４により受け取られる。乗算器は駆動信号の大きさを調整する。乗算器２０４からの調整信号は増幅器２０１へ印加される。増幅器２０１は、駆動装置１０４（図１）に振動を行わせるため、正弦波信号を適正レベルまで増幅する。供給電圧は電流リミッタ２０２又は２０３から増幅器へ印加される。電流リミッタ２０２、２０３は、駆動装置１０４（図１）のような負荷における過度に低いインピーダンスに対する保証となる。
【００３６】
印加される電圧の極性は、駆動装置１０４に対し接続されるグラウンドに関して周期的に反転される。この極性反転により、駆動装置１０４（図１）は振動の各半サイクルの期間に管路１０３Ａ、１０３Ｂに対しエネルギを与えることができる。電圧の極性反転には、供給経路Ｖｃｃ、Ｖｅｅを分けることが必要である。供給経路Ｖｃｃ、Ｖｅｅは逆の電圧極性を有する。
【００３７】
別個の供給経路Ｖｃｃ、Ｖｅｅの使用は、回路の複雑さを増大し且つ電力消費を増大する。電力消費が増加するのは、駆動回路１６２に典型的に用いられる簡単な増幅器２０１は、供給経路に近いが等しくはない出力を駆動するからである。これは、駆動装置１０４（図１）に対して或る電圧を供給するよう、追加の電圧オーバーヘッドを要する。
【００３８】
第２の問題は、駆動回路１６２の出力電圧がコントローラであることである。しかしながら、駆動装置１０４における電気エネルギから運動エネルギへの変換は、ファラデーの法則により電流に依存する。印加電圧が印加電流を生じるとはいえ、印加される力と印加される電圧との間の関係は間接的であり、他の因子に依存する。例えば、コイルのインダクタンス及び管路１０３Ａ、１０３Ｂの運動は、印加される力をもたらす。従って、電圧ではなく電流を制御することが望ましい。
【００３９】
図２に示された駆動回路１６３の別の問題は、本質的安全性の規格により制約を受けながら、駆動装置１０４へ供給される電力を最大化する能力である。本質的安全性の規格は、回路からの火花又は熱が環境において揮発性物質を発火させないことを保証するよう、種々の管轄官庁により設定されている。本質的安全性の規格は、駆動装置１０４（図１）のような負荷へ供給される最大の瞬時電圧及び電流に対し制限を課す。しかし、管路１０３Ａ、１０３Ｂに対して印加される力は、印加される電流の平均値に依存する。このため、最大効率は、平均電流レベルとピーク電流レベルとの間の差を最小化することによって達成される。駆動装置１０４（図１）は正弦波電流を用いるので、生成される電磁力もまた正弦波状である。正弦波電流と生成される電磁力の積もまた正弦波状であってシステムの有効電力である。正弦波電圧と方形波電流との積は２つの正弦波の積より大きな平均電力を生じるので、方形波電流の方が、同じ平均電力に対して低いピーク値を許容することになる。
【００４０】
図３は、１つの電力供給部を用いて一定の方形波交流を提供する駆動回路１６３を示している。駆動回路１６３には１つの電流源３３３がある。駆動装置１０４（図１）のような負荷に対して印加される電圧の極性は、Ｈ−ブリッジ回路３５０における２組のスイッチによって決定される。スイッチ３０１、３０２を含む第１の組のスイッチが閉じられると、電流は駆動装置１０４（図１）に対し第１の方向へ流れる。第１の組のスイッチが開かれ、第２の組のスイッチであるスイッチ３０３、３０４が閉じられると、電圧は駆動装置１０４に対して逆の方向に印加される。
【００４１】
スイッチ３０１、３０２が閉じられてスイッチ３０３、３０４が開かれると、電流は次のように駆動装置１０４に流れる。供給経路Ｖｃｃは、経路３２１により、閉じられたスイッチ３０１と開かれたスイッチ３０３とに電流を印加する。電流はスイッチ３０１を経て経路３１５へ、また経路３１５を介して駆動装置１０４へ流れる。次いで、電流は駆動装置へ流れ、経路３１６を経て戻る。電流は閉じられたスイッチ３０２を通って経路３１５により電流源３３３へ流れる。電流源３３３は接地されている。
【００４２】
スイッチ３０３、３０４が閉じられてスイッチ３０２、３０１が開かれると、電流は次のように駆動装置１０４へ流れる。供給経路Ｖｃｃは経路３１８を介して電流をスイッチ３０３へ印加する。電流はスイッチ３０３を経て流れ、経路３１６を介して駆動装置１０４へ印加される。電流は経路３１５を経て戻り、閉じられたスイッチ３０４を経て経路３１７へ流れる。これは、スイッチ３０１、３０２により提供される経路とは反対の方向である。駆動装置１０４へ印加される電圧の極性を変化させるため、制御回路３２０はスイッチ３０１−３０４を開閉する。制御回路３２０はフィードバック信号を経路１６２を介して受け取る。フィードバック信号から、制御回路は流れの方向を変える。望ましい実施の形態においては、制御回路３２０はゼロ比較器を含む。ゼロ比較器は、信号を受け取って逆の信号をスイッチ３０１−３０４へ交互に印加して該スイッチを開閉する遅延回路３２１とインバータ３２２とを備える。遅延回路３２１は経路３１２、３１３を介して信号をスイッチ３０１、３０２へ印加する。インバータ３２２は経路３１０、３１１を介して信号をスイッチ３０３、３０４へ印加する。
【００４３】
スイッチ３０１−３０４は、そのインピーダンスを動的に変化させることが難しいので、一定のインピーダンスに設定される。振幅は、経路３３１を介して経路１６３から振幅信号を受け取る電流源３３３において周知の方法で制御される。これが有効なのは、Ｈ−ブリッジ３５０が、電流源に接続された負荷の実質的部分であるからである。スイッチ３０１−３０４は完全に開かれ或いは完全に閉じられるので、出力は方形の波形として現われる。
【００４４】
以上は、制御された方形波を負荷に対して供給するための回路の望ましい実施の形態の記述である。当業者は、請求項に記載された発明を文字どおり又は均等論により侵害する代替回路を設計することができるものと考えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る回路を含む駆動回路を備えるコリオリ流量計を示す図である。
【図２】  制御された方形波を負荷に対して供給するための従来技術の回路を示す図である。
【図３】  制御された方形波を負荷に対して供給するための本発明に係る回路を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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