(57)【要約】【課題】比較的簡単な構成で、外来ノイズ成分の影響を除去できるコリオリ流量計を提供すること。【解決手段】測定流体と振動する測定チューブの間のコリオリ力による相互作用を利用して、質量流量を計測するコリオリ流量計において、  前記測定チューブに加えられる外来ノイズ成分を検出する振動センサと、この振動センサの出力信号に基づき前記測定チューブに加えられる外来ノイズ成分を打ち消す演算部、を設けことを特徴とするもの。【選択図】                    図１
2012168045.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定流体と振動する測定チューブの間のコリオリ力による相互作用を利用して、質量流量を計測するコリオリ流量計において、
前記測定チューブに加えられる外来ノイズ成分を検出する振動センサと、
この振動センサの出力信号に基づき前記測定チューブに加えられる外来ノイズ成分を打ち消す演算部、
を設けことを特徴とするコリオリ流量計。
【請求項２】
前記振動センサは、指向性を有するマイクロフォンであることを特徴とする請求項１記載のコリオリ流量計。
【請求項３】
前記演算部は、アナログ演算部であることを特徴とする請求項１または請求項２記載のコリオリ流量計。
【請求項４】
前記演算部は、デジタル演算部であることを特徴とする請求項１または請求項２記載のコリオリ流量計。
【請求項５】
前記デジタル演算部の前段には、前記測定チューブの出力信号と前記振動センサの出力信号を択一的に選択する入力選択部を設けたことを特徴とする請求項４記載のコリオリ流量計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コリオリ流量計に関し、詳しくは、外部の振動や配管の振動などの外来ノイズ成分が測定チューブに与える影響の除去に関するものである。
【０００２】
コリオリ流量計は、測定流体と振動する測定チューブの間のコリオリ力による相互作用を利用して、質量流量を計測する測定器である。
【０００３】
図７は、従来のコリオリ流量計の一例を示す構成説明図である。測定流体が流れる配管１には、２本のＵ字形の測定チューブ２、３が、配管１に連通するようにして平行に片持ちはり状に固定されている。
【０００４】
これら測定チューブ２、３の頂点には図示しない一対のマグネットと駆動コイルを配置し、上流側および下流側には図示しない各一対のマグネットセンサコイルを配置する。そして、電磁誘導により発生するセンサコイルの出力を駆動コイルに正帰還して、測定チューブ２、３の固定端を軸にして測定チューブ２、３の平行面とほぼ直交する方向にその共振周波数で自励発振させる。
【０００５】
測定チューブ２、３に測定流体が流れると、測定チューブ２、３の上昇または下降に伴い、流入側および流出側にコリオリの力Ｆｃが生じる。この力は流入側と流出側で反対方向であるためトルクが生じ、測定チューブ２、３にねじれ角が生じる。コリオリの力Ｆｃは流体の質量流量に比例するため、測定チューブ２、３のねじれ角を検出することで質量流量を計測できる。すなわち、２つの信号の位相差から質量流量を求めることができ、同時に、信号周波数から流体の質量すなわち密度を求めることができる。
【０００６】
ところで、測定チューブ２、３には外部の振動や配管の振動などの外来ノイズ成分が加わり、これら外来ノイズ成分に起因する測定誤差が発生する。これら測定チューブ２、３に加わる外来ノイズ成分は、同相成分として把握できる。
【０００７】
そこで、平行に片持ちはり状に固定されている２本の測定チューブ２、３を共振周波数で自励発振させるのにあたり、互いの駆動信号の位相を１８０度ずらせることで、外来ノイズ成分の影響を互いに打ち消すようにしている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
非特許文献１には、コリオリ流量計の動作原理および構造が開示されている。
【０００９】
【非特許文献１】占部修司、小山清明、「コリオリ流量計ROTAMASS3シリーズ」、横河技報、横河電機株式会社、２０１０年、Ｖｏｌ．５３  Ｎｏ．２（２０１０）  ｐ．２３−２６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、図７のような従来の２重管構成によれば、２本のＵ字形の測定チューブ２、３を同一構造に形成して同一状態で配管１に固定しなければならず、高精度の加工組立調整技術が要求されるとともに、部品点数も多くなる。
【００１１】
また、測定チューブ２、３を流れる測定流体に含まれる気泡の状態が異なると、位相差を生じて測定誤差になることから好ましくなく、気泡を抜くための対処も必要になる。
【００１２】
本発明は、このような課題を解決するものであり、その目的は、比較的簡単な構成で、外来ノイズ成分の影響を除去できるコリオリ流量計を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
測定流体と振動する測定チューブの間のコリオリ力による相互作用を利用して、質量流量を計測するコリオリ流量計において、
前記測定チューブに加えられる外来ノイズ成分を検出する振動センサと、
この振動センサの出力信号に基づき前記測定チューブに加えられる外来ノイズ成分を打ち消す演算部、
を設けことを特徴とする。
【００１４】
請求項２記載の発明は、請求項１記載のコリオリ流量計において、
前記振動センサは、指向性を有するマイクロフォンであることを特徴とする。
【００１５】
請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２記載のコリオリ流量計において、
前記演算部は、アナログ演算部であることを特徴とする。
【００１６】
請求項４記載の発明は、請求項１または請求項２記載のコリオリ流量計において、
前記演算部は、デジタル演算部であることを特徴とする。
【００１７】
請求項５記載の発明は、請求項４記載のコリオリ流量計において、
前記デジタル演算部の前段には、前記測定チューブの出力信号と前記振動センサの出力信号を択一的に選択する入力選択部を設けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
これらにより、１本の測定チューブで、外来ノイズ成分の影響を受けることなく、高精度の質量流量測定が行える。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施例を示す構成説明図である。
【図２】図１の動作説明図である。
【図３】本発明で用いるアナログ演算部の具体例を示すブロック図である。
【図４】図３における位相測定部２０の具体例を示すブロック図である。
【図５】本発明で用いるデジタル演算部の具体例を示すブロック図である。
【図６】図５におけるＤＳＰ２７の具体例を示すブロック図である。
【図７】従来のコリオリ流量計の一例を示す構成説明図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明について、図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明の一実施例を示す構成説明図であり、図７と共通する部分には同一の符号を付けている。図１と図７の相違点は、測定チューブが測定チューブ２の１本のみであることと、測定チューブ２に加えられる外来ノイズ成分を検出する振動センサ４を設けていることである。
【００２１】
図１において、配管１には、測定チューブ２に加えられる外来ノイズ成分を検出する振動センサ４が設けられている。測定チューブ２の頂点には一対のマグネットと駆動コイルよりなる駆動部５が設けられ、上流側および下流側にはそれぞれマグネットセンサコイルよりなるコリオリセンサ６、７が設けられている。
【００２２】
図２は、図１の動作説明図である。測定流体が流れる測定チューブ２に駆動部５を介して特定周波数の振動を与えると、測定流体と振動する測定チューブ２の間のコリオリ力による相互作用に基づき、コリオリセンサ６、７の出力信号の位相が測定流体の流量に比例して変化する。この位相測定にあたり、前述のように、外来ノイズが位相測定結果に誤差を与えてしまう。
【００２３】
そこで、本発明では、外来ノイズの位相が特定周波数による測定チューブ２の振動の位相とは合わないことを利用して、測定チューブ２に伝わる外来ノイズを振動センサ４で検出し、測定チューブ２に伝わる外来ノイズと振動センサ４で検出した外来ノイズを位相反転して合成することにより、外来ノイズを打ち消すようにする。
【００２４】
なお、配管１および測定チューブ２にはあらゆる方向の外来ノイズが加えられるが、振動センサ４は、これら外来ノイズのうち、コリオリ力に基づいて測定チューブ２が揺れる方向の成分のみを検出する必要があることから、たとえば永久磁石と可動金属リボンを組み合わせたリボン型のダイナミックマイクロフォンの中で、リボンの両面が空間に開放されているタイプの指向性を有する速度型マイクロフォンを使用する。
【００２５】
この速度型マイクロフォンは、リボン面に垂直な両側の方向からの音に対して高い感度を示し、面に平行な方向からの音に対しては感度が著しく低い。この指向性を利用して、コリオリセンサ６、７の取り込む方向と同じ方向に揺れる外来ノイズのみを取り込めるように、振動センサ４として速度型マイクロフォンを配管１に固定する。
【００２６】
コリオリ流量計は、コリオリ力が配管１に伝わりにくいように流量計自身について重量のある設計が行われる。ここで、外来ノイズは、多少の減衰があっても、コリオリ力がかかる測定チューブ２に伝わる。そこで、配管１から振動センサ４で検出した外来ノイズの振動を位相反転させてコリオリセンサ６、７に加えられる外来ノイズと同じレベルになるように調整し、コリオリセンサ６、７の出力信号と合成することにより外来ノイズを打ち消すようにする。
【００２７】
図３は、本発明で用いるアナログ演算部の具体例を示すブロック図である。
振動センサ４の出力信号はアンプ８に入力され、アンプ８の出力端子と共通電位点間には可変抵抗９、１０が並列接続されている。可変抵抗９の可変端子は抵抗１１を介して演算増幅器ＯＰ１の反転入力端子に入力され、可変抵抗１０の可変端子は抵抗１２を介して演算増幅器ＯＰ２の反転入力端子に入力されている。
【００２８】
コリオリセンサ６の出力信号はアンプ１３および抵抗１４を介して第１の演算増幅器ＯＰ１の非反転入力端子に入力され、コリオリセンサ７の出力信号はアンプ１５および抵抗１６を介して第２の演算増幅器ＯＰ２の非反転入力端子に入力されている。
【００２９】
第１の演算増幅器ＯＰ１の反転入力端子は抵抗１７を介して出力端子に接続され、非反転入力端子は抵抗１８を介して共通電位点に接続されている。第１の演算増幅器ＯＰ１の出力信号はアンプ１９を介して駆動部５を構成する駆動コイルに入力されるとともに、位相測定部２０に入力されている。
【００３０】
第２の演算増幅器ＯＰ２の反転入力端子は抵抗２１を介して出力端子に接続され、非反転入力端子は抵抗２２を介して共通電位点に接続されている。第２の演算増幅器ＯＰ２の出力信号は、位相測定部２０に入力されている。
【００３１】
位相測定部２０は、第１の演算増幅器ＯＰ１の出力信号と第２の演算増幅器ＯＰ２の出力信号を用いて、位相を測定するための演算処理を行う。
【００３２】
図４は位相測定部２０の具体例を示すブロック図であり、（Ａ）はヒルベルト変換部を用いた例を示し、（Ｂ）はＦＦＴ演算部を用いた例を示している。
【００３３】
図４（Ａ）において、第１の演算増幅器ＯＰ１の出力信号はｓｉｎθ成分を含むものであり、Ａ／Ｄ変換器２０ａでデジタル信号に変換され、バンドパスフィルタ２０ｂに入力されるとともに、ヒルベルト変換部２０ｃに入力される。バンドパスフィルタ２０ｂはｓｉｎθ成分をｔａｎΔφ演算部２０ｄに出力し、ヒルベルト変換部２０ｃはｃｏｓθ成分をｔａｎΔφ演算部２０ｄに出力する。
【００３４】
一方、第２の演算増幅器ＯＰ２の出力信号はｓｉｎθ＋Δ成分を含むものであり、Ａ／Ｄ変換器２０ｅでデジタル信号に変換され、バンドパスフィルタ２０ｆに入力されるとともに、ヒルベルト変換部２０ｇに入力される。バンドパスフィルタ２０ｆはｓｉｎθ＋Δ成分をｔａｎΔφ演算部２０ｄに出力し、ヒルベルト変換部２０ｇはｃｏｓθ＋Δ成分をｔａｎΔφ演算部２０ｄに出力する。
【００３５】
ｔａｎΔφ演算部２０ｄは、これらバンドパスフィルタ２０ｂから入力されるｓｉｎθ成分、ヒルベルト変換部２０ｃから入力されるｃｏｓθ成分、バンドパスフィルタ２０ｆから入力されるｓｉｎθ＋Δ成分およびヒルベルト変換部２０ｇから入力されるｃｏｓθ＋Δ成分に基づき、位相差ｔａｎΔφを演算する。
【００３６】
なお、これらバンドパスフィルタ２０ｂ、ヒルベルト変換部２０ｃ、バンドパスフィルタ２０ｆ、ヒルベルト変換部２０ｇおよびｔａｎΔφ演算部２０ｄは、一点鎖線で囲んで示すように、たとえばＤＳＰで構成される。
【００３７】
図４（Ｂ）において、ｓｉｎθ成分を含む第１の演算増幅器ＯＰ１の出力信号はＡ／Ｄ変換器２０ａでデジタル信号に変換されてＦＦＴ演算部２０ｈに入力され、ｓｉｎθ＋Δ成分を含む第２の演算増幅器ＯＰ２の出力信号はＡ／Ｄ変換器２０ｅでデジタル信号に変換されてＦＦＴ演算部２０ｈに入力される。
【００３８】
ＦＦＴ演算部２０ｈは、図４（Ａ）のバンドパスフィルタ２０ｂ、ヒルベルト変換部２０ｃ、バンドパスフィルタ２０ｆ、ヒルベルト変換部２０ｇおよびｔａｎΔφ演算部２０ｄによる位相差Δφの演算を、すべてＦＦＴ演算で行う。
【００３９】
一般的には、図４（Ａ）のヒルベルト変換部を含む構成における演算量は図４（Ｂ）のＦＦＴ演算量の約１／４であって演算負荷を少なくできるが、最近の半導体技術の進歩に伴ってＦＦＴ演算部２０ｈの演算速度も高速化されて演算負荷がほとんど問題になることはなくなっている。なお、ＦＦＴ演算部２０ｈも、一点鎖線で囲んで示すように、たとえばＤＳＰで構成される。
【００４０】
再び図３の構成において、可変抵抗９により振動センサ４の出力信号に含まれる外来ノイズ成分がコリオリセンサ６の出力信号に含まれる外来ノイズ成分と等しくなるように調整され、可変抵抗１０により振動センサ４の出力信号に含まれる外来ノイズ成分がコリオリセンサ７の出力信号に含まれる外来ノイズ成分と等しくなるように調整する。
【００４１】
これにより、位相測定部２０には、それぞれに含まれていた外来ノイズ成分が打ち消されたコリオリセンサ６の出力信号とコリオリセンサ７の出力信号が入力されることから、位相を測定するためのアナログ演算処理にあたり、外来ノイズ成分の影響を受けることはなく、高精度の質量流量測定が行える。
【００４２】
そして、このような構成によれば、Ｕ字形の測定チューブを従来のように２重管構成にしなくて１本でよく、コリオリ流量計の外観構造を小型に簡素化できる。
【００４３】
また、測定チューブの形状はＵ字形に限るものではなく、直線形、Ｓ字形、Ｖ字形などすべて１本の測定チューブでよく、加工組立調整に要する工数も削減できる。
【００４４】
図５は本発明で用いるデジタル演算部の具体例を示すブロック図であり、図３と共通する部分には同一の符号を付けている。図５において、振動センサ４の出力信号はアンプ８を介して入力選択部２３のスイッチＳＷ１に入力され、コリオリセンサ６の出力信号はアンプ１３を介して入力選択部２３のスイッチＳＷ２に入力されるとともにアンプ１９を介して駆動部５を構成する駆動コイルに出力され、コリオリセンサ７の出力信号はアンプ１５を介して入力選択部２３のスイッチＳＷ３に入力されている。入力選択部２３を構成するスイッチＳＷ１〜ＳＷ３は、切換制御部２４により、選択的にオンオフ制御される。
【００４５】
入力選択部２３で選択された振動センサ４、コリオリセンサ６、７の出力信号はアンチエリアシングフィルタ２５を介してＡ／Ｄ変換器２６に入力され、デジタル信号に変換されてＤＳＰ２７に入力される。
【００４６】
ＤＳＰ２７は、振動センサ４とコリオリセンサ６、７の位置に対する外来ノイズ信号の伝わり方が異なるためあらかじめ信号伝達係数を求めておき、それらの信号伝達係数を加味してコリオリセンサ６、７に含まれる外来ノイズ信号を打ち消すための演算を行う。その後、外来ノイズ信号が削除された状態で、コリオリセンサ６、７間の位相演算を行う。
【００４７】
なお、Ａ／Ｄ変換器２６から変換出力されるデジタル信号をヒルベルト変換してコリオリセンサ６、７間の位相演算を行う場合にも、ヒルベルト変換前に前述の各出力信号の信号伝達係数を加味してコリオリセンサ６、７に含まれる外来ノイズ信号を打ち消すための演算を行うようにしてもよい。
【００４８】
図６はＤＳＰ２７の具体例を示すブロック図であり、（Ａ）はヒルベルト変換部を用いた例を示し、（Ｂ）はＦＦＴ演算部を用いた例を示している。
【００４９】
図６（Ａ）において、Ａ／Ｄ変換器２６でデジタル信号に変換された振動センサ４の出力データはノイズ格納部２７ａに格納され、コリオリセンサ６の出力データはノイズ＋ｓｉｎθ格納部２７ｂに格納され、コリオリセンサ７の出力データはノイズ＋ｓｉｎθ＋Δ格納部２７ｃに格納される。
【００５０】
ｓｉｎθ演算部２７ｄには、ノイズ格納部２７ａに格納されている振動センサ４の出力データと、ノイズ＋ｓｉｎθ格納部２７ｂに格納されているコリオリセンサ６の出力データが入力されている。そして、コリオリセンサ６の出力データから振動センサ４の出力データを減算して、ｓｉｎθ成分のみを出力する演算を行う。ｓｉｎθ成分は、バンドパスフィルタ２７ｆおよびヒルベルト変換部２７ｇに入力される。
【００５１】
ｓｉｎθ＋Δ演算部２７ｅには、ノイズ格納部２７ａに格納されている振動センサ４の出力データと、ノイズ＋ｓｉｎθ＋Δ格納部２７ｃに格納されているコリオリセンサ７の出力データが入力されている。そして、コリオリセンサ７の出力データから振動センサ４の出力データを減算して、ｓｉｎθ＋Δ成分のみを出力する演算を行う。ｓｉｎθ＋Δ成分は、バンドパスフィルタ２７ｈおよびヒルベルト変換部２７ｉに入力される。
【００５２】
バンドパスフィルタ２７ｆはｓｉｎθ成分をｔａｎΔφ演算部２７ｊに出力し、ヒルベルト変換部２7ｇはｃｏｓθ成分をｔａｎΔφ演算部２７ｊに出力し、バンドパスフィルタ２７ｈはｓｉｎθ＋Δ成分をｔａｎΔφ演算部２７ｊに出力し、ヒルベルト変換部２７ｉはｃｏｓθ＋Δ成分をｔａｎΔφ演算部２７ｊに出力する。
【００５３】
ｔａｎΔφ演算部２７ｊは、これらバンドパスフィルタ２７ｆから入力されるｓｉｎθ成分、ヒルベルト変換部２７ｇから入力されるｃｏｓθ成分、バンドパスフィルタ２７ｈから入力されるｓｉｎθ＋Δ成分およびヒルベルト変換部２７ｉから入力されるｃｏｓθ＋Δ成分に基づき、位相差ｔａｎΔφを演算する。
【００５４】
図６（Ｂ）において、ｓｉｎθ演算部２７ｄから出力されるｓｉｎθ成分およびｓｉｎθ＋Δ演算部２７ｅから出力されるｓｉｎθ＋Δ成分は、ＦＦＴ演算部２７ｋに入力される。
【００５５】
ＦＦＴ演算部２７ｋは、図６（Ａ）のバンドパスフィルタ２７ｆ、ヒルベルト変換部２７ｇ、バンドパスフィルタ２７ｈ、ヒルベルト変換部２７ｉおよびｔａｎΔφ演算部２７ｊによる位相差Δφの演算を、すべてＦＦＴ演算で行う。
【００５６】
以上説明したように、本発明によれば、比較的簡単な構成で、外来ノイズ成分の影響を除去できるコリオリ流量計が実現でき、各種測定流体の質量流量測定に好適である。
【符号の説明】
【００５７】
１  配管
２  測定チューブ
４  振動センサ
５  駆動部
６、７  コリオリセンサ
８、１３、１５、１９  アンプ
９、１０  抵抗（可変）
１２、１６、１７、２１、２２  抵抗（固定）
２０  位相測定部
２３  入力選択部
２４  切換制御部
２５  アンチエリアシングフィルタ
２６  Ａ／Ｄ変換器
２７  ＤＳＰ
【図１】
2012168045.tif 000003
【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】
2012168045.tif 000008
【図７】
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