流量計のための高速周波数・位相推定
【課題】１つのセンサ信号から周波数を決定すること。
【解決手段】流量計においてセンサ信号を処理し、質量流量、密度又は体積流量を計算する計器電子回路（２０）は、第１センサ信号及び第２センサ信号を受け取るインタフェース（２０１）と、インタフェース（２０１）と通信するとともにヒルベルト変換を用いて第１センサ信号から９０°位相変位を生成し、９０°位相変位、第１センサ信号及び第２センサ信号から位相差を計算するように構成された処理システム（２０３）とを備える。周波数は第１センサ信号及び９０°位相変位から計算される。第２の９０°位相変位は第２センサ信号から生成することができる。
【解決手段】流量計においてセンサ信号を処理し、質量流量、密度又は体積流量を計算する計器電子回路（２０）は、第１センサ信号及び第２センサ信号を受け取るインタフェース（２０１）と、インタフェース（２０１）と通信するとともにヒルベルト変換を用いて第１センサ信号から９０°位相変位を生成し、９０°位相変位、第１センサ信号及び第２センサ信号から位相差を計算するように構成された処理システム（２０３）とを備える。周波数は第１センサ信号及び９０°位相変位から計算される。第２の９０°位相変位は第２センサ信号から生成することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流量計において１つ又は複数のセンサ信号を処理する計器電子回路及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
１９８５年１月１日のＪ．Ｅ．スムス他に発行された米国特許第４，４９１，０２５号及び１９８２年２月１１日のＪ．Ｅ．スミスに対する再発行特許第３１，４５０号に開示されるように、パイプラインを通して流れる材料の質量流量、密度及び体積流量や他の情報を測定するためにコリオリ質量流量計を使用することが知られている。これらの流量計は異なる構成の１つ又は複数の流管を有する。各導管構成は、例えば、単純な曲げモード、捻れモード、ラジアルモード、連成モードを含む自然振動モードの組を有するものとみなされ得る。典型的なコリオリ質量流量測定の用途では、導管構成は、材料が導管を通して流れるときに１つ又は複数の振動モードで励振され、導管の運動が導管に沿って離間する地点において測定される。
【０００３】
材料で充填されたシステムの振動モードは、流管の質量と流管内の材料の質量との組合せによって部分的には規定される。材料は流量計の入口側の接続パイプラインから流量計内に流れる。その後、材料は１つ又は複数の流管を通して送られ、流量計を出て、出口側に接続されたパイプラインに入る。
【０００４】
駆動装置は流管に力を加える。力は流管を振動させる。流量計を通って流れる材料が存在しないとき、流管に沿う全ての地点は同相で振動する。材料が流管を通って流れ始めるにつれて、コリオリ加速によって、流管に沿う各地点は流管に沿う他の地点に対して異なる位相を有するようになる。流管の入口側の位相は駆動装置より遅れるが、出口側の位相は駆動装置より進む。センサが流管上の異なる地点に設置され、異なる地点において、流管の運動を表す正弦波信号を生成する。２つのセンサ信号間の位相差は、１つ又は複数の流管を通して流れる材料の質量流量に比例する。１つの従来技術の手法では、離散フーリエ変換（ＤＦＴ）又は高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を使用してセンサ信号間の位相差を決定する。位相差と流管組立体の振動周波数応答とを使用して、質量流量が得られる。
【０００５】
１つの従来技術の手法では、振動駆動装置系に送出される周波数を使用すること等により、独立した基準信号を使用してピックオフ信号周波数が決定される。別の従来技術の手法では、ピックオフセンサによって生成された振動応答周波数を、ノッチフィルタにおける当該周波数にセンタリングすることによって決定することができ、従来技術の流量計は、ノッチフィルタのノッチをピックオフセンサ周波数に維持しようと試みる。この従来技術の技法は、流量計内の流動材料が均一であり、得られるピックオフ信号周波数が比較的安定である静止状況下では、かなりうまく働く。しかし、従来技術の位相測定は、流動材料が液体と固体を含んでいたり液体流動材料内に気泡が存在する２相流などの、流動材料が均一でないときには不利を招く。こうした状況では、従来技術によって決定された周波数は、急速に変動する可能性がある。速く且つ大きな周波数遷移の状態の期間には、ピックオフ信号はフィルタ帯域幅の外に移動することができるので、間違った位相及び周波数測定が生じる。これは、流量計が空と充満の状況を交互に繰り返し動作する、空−充満−空バッチ処理においても問題となる。同様に、センサの周波数が急速に動く場合、復調プロセスは実際の周波数又は測定された周波数に追従することができないことになり、間違った周波数での復調を生じる。理解されるように、決定された周波数が間違っている又は不正確である場合、密度や体積流量などのその後導出される値もまた間違いであり、不正確であることになる。更に、その後の流量特性の決定において、誤差が混合され得る。
【０００６】
従来技術においては、ピックオフ信号はデジタル化され、ノッチフィルタを実施するようデジタル的に操作されることができる。ノッチフィルタは狭い周波数帯域だけを許容する。したがって、目標周波数が変化しているとき、ノッチフィルタは或る期間にわたって目標信号に追従することができないことがある。典型的には、デジタルノッチフィルタの実施形態は、変動する目標信号に追従するのに１〜２秒かかる。従来技術は周波数を決定するための時間を必要とするので、結果として、周波数及び位相の決定は誤差を含むだけでなく、誤差測定は、誤差及び／又は２相流が実際に起こる時間範囲を超える時間範囲を包含することになる。これはノッチフィルタの応答の相対的な遅さによる。
【０００７】
その結果、従来技術の流量計は、流量計における流動材料の２相流の期間に、ピックオフセンサ周波数を正確且つ迅速に首尾よく追跡又は決定することはできない。したがって、従来技術は決定されたピックオフ周波数を使用して位相差を導出するので、位相決定も同様に遅く且つ誤差を招きやすい。したがって、周波数決定におけるいずれの誤差も、位相決定に混合される。その結果、周波数決定及び位相決定における誤差が増加し、質量流量を決定するときの誤差の増加をもたらす。更に、決定された周波数値を使用して密度値を決定する（密度は、２乗された周波数にわたってほぼ１に等しい）ので、周波数決定における誤差は密度決定において反復され又は混合される。これは、質量流量を密度で割った値に等しい体積流量の決定についても当てはまる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来技術の計器電子回路は、ヨコイ等に対する米国特許第５，５７８，７６４号に示される。ヨコイの特許は、上流側と下流側のピックオフセンサ信号を受け取り、両信号を使用して信号間の位相差を計算するヒルベルト変換器２１及び三角関数計算器３１を開示する。ヒルベルト変換器２１は両方のピックオフセンサ信号を９０°だけ位相変位させ、両方の位相変位信号が位相差計算で使用される。ヨコイの特許においては、こうして得られた位相差は、独立に測定された外部周波数と共に、質量流量を計算するのに使用される。したがって、ヨコイの従来技術は、非常に正確な質量流量を計算するのに必要とされる周波数成分を迅速且つ正確に導出するものではない。更に、ヨコイの特許は周波数決定を待たなければならないため、質量流量を迅速に生成することができない。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
流量計においてセンサ信号を処理する計器電子回路及び方法を提供することによって、上記及び他の問題が解決され、当技術分野の進歩が達成される。
流量計においてセンサ信号を処理する計器電子回路が、本発明の実施の形態に従って提供される。この計器電子回路は、第１センサ信号及び第２センサ信号を受け取るインタフェース、及び、インタフェースと通信し、第１センサ信号から９０°位相変位を生成し、９０°位相変位を使用して位相差を計算するように構成された処理システムを備える。
【００１０】
流量計においてセンサ信号を処理する計器電子回路が、本発明の実施の形態に従って提供される。この計器電子回路は、第１センサ信号及び第２センサ信号を受け取るインタフェース、及び、インタフェースと通信し、第１センサ信号から第１の９０°位相変位を生成し、第１の９０°位相変位を使用して周波数を計算するように構成された処理システムを備える。
【００１１】
流量計においてセンサ信号を処理する方法が、本発明の実施の形態に従って提供される。この方法は、第１センサ信号及び第２センサ信号を受け取るステップと、第１センサ信号から９０°位相変位を生成するステップと、９０°位相変位を使用して位相差を計算するステップとを含む。
【００１２】
流量計においてセンサ信号を処理する方法が、本発明の実施の形態に従って提供される。この方法は、第１センサ信号及び第２センサ信号を受け取るステップと、第１センサ信号から９０°位相変位を生成するステップと、９０°位相変位を使用して周波数を計算するステップとを含む。
【００１３】
流量計においてセンサ信号を処理する方法が、本発明の実施の形態に従って提供される。この方法は、第１センサ信号及び第２センサ信号を受け取るステップと、第１センサ信号から９０°位相変位を生成するステップと、９０°位相変位を使用して位相差を計算するステップと、９０°位相変位を使用して周波数を計算するステップとを含む。
【００１４】
流量計においてセンサ信号を処理する方法が、本発明の実施の形態に従って提供される。この方法は、第１センサ信号及び第２センサ信号を受け取るステップと、第１センサ信号から９０°位相変位を生成するステップと、９０°位相変位を使用して位相差を計算するステップと、９０°位相変位を使用して周波数を計算するステップと、質量流量、密度又は体積流量のうちの１つ又は複数を計算するステップとを含む。
【００１５】
流量計においてセンサ信号を処理する方法が、本発明の実施の形態に従って提供される。この方法は、第１センサ信号及び第２センサ信号を受け取るステップと、第１センサ信号から第１の９０°位相変位を生成し、第２センサ信号から第２の９０°位相変位を生成するステップと、第１の９０°位相変位又は第２の９０°位相変位を使用して周波数を計算するステップとを含む。
【００１６】
流量計においてセンサ信号を処理する方法が、本発明の実施の形態に従って提供される。この方法は、第１センサ信号及び第２センサ信号を受け取るステップと、第１センサ信号から第１の９０°位相変位を生成し、第２センサ信号から第２の９０°位相変位を生成するステップと、第１の９０°位相変位又は第２の９０°位相変位を使用して周波数を計算するステップと、質量流量、密度又は体積流量のうちの１つ又は複数を計算するステップとを含む。
【００１７】
流量計においてセンサ信号を処理する方法が、本発明の実施の形態に従って提供される。この方法は、第１センサ信号及び第２センサ信号を受け取るステップと、第１センサ信号から第１の９０°位相変位を生成し、第２センサ信号から第２の９０°位相変位を生成するステップと、第１の９０°位相変位又は第２の９０°位相変位を使用して周波数を計算するステップと、第１の９０°位相変位及び第２の９０°位相変位を使用して位相差を計算するステップと、質量流量、密度又は体積流量のうちの１つ又は複数を計算するステップとを含む。
【００１８】
同じ参照数字は全図面において同じ要素を表す。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の例におけるコリオリ流量計を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る計器電子回路を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る、流量計においてセンサ信号を処理する方法のフローチャートである。
【図４】本発明の実施の形態に係る計器電子回路を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る、流量計において第１センサ信号及び第２センサ信号を処理する方法のフローチャートである。
【図６】本発明の実施の形態に係る処理システムの一部分のブロック図である。
【図７】本発明の実施の形態に係るヒルベルト変換ブロックの詳細を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態に係る解析ブロックの独立な分岐のブロック図である。
【図９】本発明の実施の形態に係る解析ブロックの独立な分岐のブロック図である。
【図１０】正常状態の下での流量計のピックオフセンサ信号の電力スペクトル密度プロットである。
【図１１】単一の位相変位の実施の形態に係るヒルベルト変換ブロックを示す図である。
【図１２】単一の位相変位の実施の形態に対する解析ブロックを示す図である。
【図１３】従来技術と比較しての本発明のセンサ処理を示しており、それぞれの時間差（Δｔ）値が比較される。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１〜図１３及び以下の説明は、本発明の最良の実施形態を製造し、使用する方法を当業者に教示するための特定の例を示す。本発明の原理を教示するために、いくつかの従来の態様は簡略化され又は省略された。本発明の範囲内に入るこれらの例からの変形を、当業者は理解するであろう。当業者は理解するように、以下で説明する特徴は、種々のやり方で組み合わされて、本発明の複数の変形を形成する。その結果、本発明は、以下で説明する特定の例に限定されるものではなく、特許請求の範囲及びその均等物によってのみ限定される。
【００２１】
図１は、計器組立体１０及び計器電子回路２０を備えるコリオリ流量計５を示す。計器組立体１０はプロセス材料の質量流量と密度に応答する。計器電子回路２０はリード線１００を介して計器組立体１０に接続され、経路２６を通じて密度、質量流量、温度情報及び本発明に関連しない他の情報を提供する。コリオリ流量計の構造が記述されるが、当業者には明らかなように、本発明は、コリオリ質量流量計によって提供される更なる測定能力なしに、振動型管密度計として実施されることができる。
【００２２】
計器組立体１０は、一対のマミホールド１５０及び１５０’、フランジネック１１０及び１１０’を有するフランジ１０３及び１０３’、一対の平行な流管１３０及び１３０’、駆動機構１８０、温度センサ１９０、ならびに、一対の速度センサ１７０Ｌ及び１７０Ｒを備える。流管１３０及び１３０’は、流管取付けブロック１２０及び１２０’において互いに向かって収束する、本質的に真っ直ぐな２つの入口脚部１３１及び１３１’ならびに出口脚部１３４及び１３４’を有する。流管１３０及び１３０’は、流管の長さに沿って２つの対称な場所で曲がり、流管の長さ全体を通して本質的に平行である。ブレースバー１４０及び１４０’は、各流管がその周りに振動する軸Ｗ及びＷ’を規定するのに役立つ。
【００２３】
流管１３０及び１３０’の側脚部１３１、１３１’及び１３４、１３４’は、流管取付けブロック１２０及び１２０’に固定的に取り付けられ、これらのブロックは、マニホールド１５０及び１５０’に固定的に取り付けられる。これは、コリオリ計器組立体１０を通る連続した閉材料経路を提供する。
【００２４】
穴１０２及び１０２’を有するフランジ１０３及び１０３’が、入口端１０４及び出口端１０４’を介して、測定されるプロセス材料を運ぶプロセスライン（図示せず）に接続されると、フランジ１０３内のオリフィス１０１を通して流量計の端１０４に入る材料は、マニホールド１５０を通って、表面１２１を有する流管取付けブロック１２０に送られる。マニホールド１５０内で材料は分割され、流管１３０及び１３０’を通るように送られる。流管１３０及び１３０’を出ると、プロセス材料はマニホールド１５０’内で単一の流れに再結合され、その後、ボルト穴１０２’を有するフランジ１０３’によって接続される出口端１０４’へ送られ、プロセスライン（図示せず）に入る。
【００２５】
流管１３０及び１３０’は、それぞれの曲げ軸Ｗ−Ｗ及びＷ’−Ｗ’の周りに実質的に同じ質量分布、慣性モーメント及びヤング率を有するように選択され、流管取付けブロック１２０及び１２０’に適切に取り付けられる。これらの曲げ軸はブレースバー１４０及び１４０’を通る。流管のヤング率は温度と共に変化するが、この変化は流量及び密度の計算に影響を及ぼすので、流管の温度を連続して測定するために、抵抗性温度検出器（ＲＴＤ）１９０が流管１３０’に取り付けられる。流管の温度、したがって、ＲＴＤを通過する所与の電流についてＲＴＤの両端に現れる電圧は、流管を通過する材料の温度によって決まる。ＲＴＤの両端に現れる温度依存性の電圧は、流管の温度の任意の変化による流管１３０及び１３０’の弾性率の変化が補償されるよう、周知の方法で計器電子回路２０によって使用される。ＲＴＤはリード線１９５によって計器電子回路２０に接続される。
【００２６】
流管１３０及び１３０’は、それぞれの曲げ軸Ｗ及びＷ’の周りに反対方向に、流量計のいわゆる第１の位相はずれ曲げモードで、駆動装置１８０によって駆動される。この駆動機構１８０は、流管１３０’に取り付けられた磁石と、流管１３０に取り付けられて両方の流管を振動させるよう交流電流が流される対向するコイルなどの、周知の多くの配置構成のうちのいずれか１つを備え得る。計器電子回路２０によって、適切な駆動信号がリード線１８５を介して駆動機構１８０に印加される。
【００２７】
計器電子回路２０は、リード線１９５上のＲＴＤ温度信号と、リード線１６５Ｌ上に現れる左速度信号と、リード線１６５Ｒ上に現れる右速度信号とを受け取る。計器電子回路２０は、要素１８０を駆動して管１３０及び１３０’を振動させるための、リード線１８５上に現れる駆動信号を生成する。計器電子回路２０は左右の速度信号とＲＴＤ信号を処理し、計器組立体１０を通過する材料の質量流量及び密度を計算する。この情報は、他の情報と共に、計器電子回路２０により経路２６を通じて利用手段２９に与えられる。
【００２８】
図２は、本発明の実施の形態に係る計器電子回路２０を示す。計器電子回路２０はインタフェース２０１及び処理システム２０３を備えることができる。計器電子回路２０は計器組立体１０からピックオフ／速度センサ信号などの第１センサ信号及び第２センサ信号を受け取る。計器電子回路２０は質量流量計として動作することができ、又は、コリオリ流量計として動作することを含む密度計として動作することができる。計器電子回路２０は第１センサ信号及び第２センサ信号を処理して、計器組立体１０を通って流れる流動材料の流れ特性を得る。例えば、計器電子回路２０は例えばセンサ信号から位相差、周波数、時間差（Δｔ）、密度、質量流量及び体積流量のうちの１つ又は複数を決定することができる。更に、本発明に従って、他の流れ特性を決定することができる。決定については以下で説明する。
【００２９】
位相差決定及び周波数決定は、従来技術の決定よりも遙かに高速且つ正確で信頼性が高い。一つの実施の形態では、位相差決定及び周波数決定は、いかなる周波数基準信号をも必要とすることなく、唯一つのセンサ信号の位相変位から直接に導出される。これは、有利なことに、流れ特性を計算するのに必要とされる処理時間を減少させる。別の実施の形態では、位相差は両方のセンサ信号の位相変位から導出され、周波数は唯一つの位相変位信号から導出される。これは両方の流れ特性の精度を向上させることになり、両方の流れ特性を従来技術よりずっと速く決定することができる。
【００３０】
典型的には、従来技術の周波数決定方法は実施に１〜２秒を要する。対照的に、本発明による周波数決定は５０ミリ秒（ｍｓ）程度の短時間で実施されることができる。処理システムの型式及び構成、振動応答のサンプリング速度、フィルタのサイズ、デシメーション率などに依存して、更に高速な周波数決定が考えられる。５０ｍｓの周波数決定速度において、本発明による計器電子回路２０は従来技術より約４０倍速い。
【００３１】
インタフェース２０１は、図１のリード線１００を介して速度センサ１７０Ｌ又は速度センサ１７０Ｒからセンサ信号を受け取る。インタフェース２０１は、任意の様式のフォーマッティング、増幅、バッファリングなどの、任意の必要な又は所望の信号調整を実施することができる。代わりに、信号調整の一部又は全てを理システム２０３で実施することができる。
【００３２】
更に、インタフェース２０１は計器電子回路２０と外部デバイスとの間の通信を可能にする。インタフェース２０１は電子通信、光通信又は無線通信の任意の様式を行うことができる。
【００３３】
一つの実施の形態におけるインタフェース２０１はデジタイザ２０２と結合され、センサ信号はアナログセンサ信号を含む。デジタイザ２０２はアナログセンサ信号をサンプリングし、デジタル化してデジタルセンサ信号を生成する。また、デジタイザ２０２は所要の任意のデシメーションを実施することができ、デジタルセンサ信号は所要の信号処理量と処理時間を低減するためにデシメーションされる。デシメーションは、以下で一層詳細に説明される。
【００３４】
処理システム２０３は計器電子回路２０の動作を実行し、流量計組立体１０からの流れ測定値を処理する。処理システム２０３は１つ又は複数の処理ルーチンを実行し、それによって流れ測定値を処理して１つ又は複数の流れ特性を生成する。
【００３５】
処理システム２０３は、汎用コンピュータ、マイクロ処理システム、論理回路或いは他の汎用又は専用の処理デバイスを備えることができる。処理システム２０３は複数の処理デバイスに分散されることができる。処理システム２０３は、記憶システム２０４などの任意の様式の一体化された又は独立した電子記憶媒体を備えることができる。
【００３６】
処理システム２０３は、センサ信号２１０を処理してセンサ信号２１０から１つ又は複数の流れ特性を決定する。１つ又は複数の流れ特性は、例えば、流動材料についての位相差、周波数、時間差（Δｔ）、質量流量及び／又は密度を含むことができる。
【００３７】
図示する実施の形態においては、処理システム２０３は２つのセンサ信号２１０及び２１１と単一のセンサ信号位相変位２１３とから流れ特性を決定する。処理システム２０３は、２つのセンサ信号２１０及び２１１と単一の信号位相変位２１３から、少なくとも位相差と周波数を決定することができる。その結果、本発明による処理システム２０３は、第１又は第２の位相変位したセンサ信号（例えば、上流側又は下流側のピックオフ信号の一方）を処理して、流動材料についての位相差、周波数、時間差（Δｔ）及び／又は質量流量を決定することができる。
【００３８】
記憶システム２０４は、流量計パラメータやデータ、ソフトウェアルーチン、定数値及び変数値を記憶することができる。一つの実施の形態においては、記憶システム２０４は処理システム２０３によって実行されるルーチンを含む。一つの実施の形態では、記憶システム２０４は、位相変位ルーチン２１２、位相差ルーチン２１５、周波数ルーチン２１６、時間差（Δｔ）ルーチン２１７、及び流れ特性ルーチン２１８を記憶する。
【００３９】
一つの実施の形態では、記憶システム２０４は、コリオリ流量計５などの流量計を動作させるのに使用される変数を記憶する。一つの実施の形態における記憶システム２０４は、速度／ピックオフセンサ１７０Ｌ及び１７０Ｒから受け取られる第１センサ信号２１０及び第２センサ信号２１１などの変数を記憶する。更に、記憶システム２０４は、流れ特性を決定するために生成される９０°位相変位２１３を記憶することができる。
【００４０】
一つの実施の形態では、記憶システム２０４は、流れ測定値から得られた１つ又は複数の流れ特性を記憶する。一つの実施の形態の記憶システム２０４は、センサ信号２１０から全て決定される、位相差２２０、周波数２２１、時間差（Δｔ）２２２、質量流量２２３、密度２２４及び体積流量２２５などの流れ特性を記憶する。
【００４１】
位相変位ルーチン２１２は入力信号すなわちセンサ信号２１０に対して９０°位相変位を実施する。一つの実施の形態の位相変位ルーチン２１２はヒルベルト変換を実施する（これについては後述する）。
【００４２】
位相差ルーチン２１５は単一の９０°位相変位２１３を使用して位相差を決定する。位相差を計算するために更なる情報を使用することもできる。一つの実施の形態の位相差は、第１センサ信号２１０、第２センサ信号２１１及び９０°位相変位２１３から計算される。決定された位相差は記憶システム２０４内の位相差２２０に記憶されることができる。位相差は、９０°位相変位２１３から決定されるとき、従来技術よりずっと速く計算され取得されることができる。これは、流量が大きい流量計用途や多相流が起こる流量計用途において決定的な相違を提供することができる。加えて、位相差は、センサ信号２１０又は２１１の周波数に独立に決定されることができる。更に、位相差は周波数に独立に決定されるので、位相差の誤差成分は周波数決定の誤差成分を含まない。すなわち、位相差測定値に混合される誤差が存在しない。その結果、位相差誤差は従来技術の位相差と比べて減少する。
【００４３】
周波数ルーチン２１６は９０°位相変位２１３から（第１センサ信号２１０又は第２センサ信号２１１によって示されるような）周波数を決定する。決定された周波数は記憶システム２０４内の周波数２２１に記憶されることができる。周波数は、単一の９０°位相変位２１３から計算されるとき、従来技術よりずっと速く計算され取得されることができる。これは、流量が大きい流量計用途又は多相流が起こる流量計用途において決定的な相違を提供することができる。
【００４４】
時間差（Δｔ）ルーチン２１７は第１センサ信号２１０と第２センサ信号２１１との間の時間差（Δｔ）を決定する。時間差（Δｔ）は記憶システム２０４内の時間差（Δｔ）２２２に記憶されることができる。時間差（Δｔ）は、実質的には、決定された位相を決定された周波数で割った値を含むので、質量流量を決定するのに使用される。
【００４５】
流れ特性ルーチン２１８は１つ又は複数の流れ特性を決定することができる。流れ特性ルーチン２１８は、例えばこれらの更なる流れ特性を得るために、決定された位相差２２０及び決定された周波数２２１を使用することができる。理解されるように、これらの決定のためには、例えば、質量流量又は密度などの更なる情報が必要とされる場合がある。流れ特性ルーチン２１８は時間差（Δｔ）２２２から、したがって位相差２２０及び周波数２２１から質量流量を決定することができる。質量流量を決定するための公式は、ティトロウ等に対する米国特許第５，０２７，６６２号に示され、参照により本明細書に援用される。質量流量は計器組立体１０における流動材料の質量流量に関連付けられる。同様に、流れ特性ルーチン２１８は密度２２４及び／又は体積流量２２５をも決定することができる。決定された質量流量、密度及び体積流量は、それぞれ記憶システム２０４の質量流量２２３、密度２２４及び体積２２５に記憶されることができる。更に、流れ特性は計器電子回路２０によって外部の装置に送信されることができる。
【００４６】
図３は、本発明の実施の形態に係る流量計においてセンサ信号を処理する方法のフローチャート３００である。ステップ３０１にて、第１センサ信号及び第２センサ信号が受け取られる。第１センサ信号は上流側又は下流側のピックオフセンサ信号を含むことができる。
【００４７】
ステップ３０２において、センサ信号が調節される。一つの実施の形態では、調節は雑音及び不要の信号を除去するためのフィルタリングを含むことができる。一つの実施の形態では、フィルタリングは、流量計の予想される基本周波数を中心とするバンドパスフィルタリングを含むことができる。更に、増幅やバッファリングなどのような他の調節動作を実施することができる。センサ信号がアナログ信号を含む場合、ステップは、更に、デジタルセンサ信号を生成するために実施されるサンプリング、デジタル化及びデシメーションの任意の様式を含むことができる。
【００４８】
ステップ３０３において、単一の９０°位相変位が生成される。９０°位相変位は、センサ信号の９０°位相変位を含む。９０°位相変位は、位相変位機構又は操作の任意の様式によって実施されることができる。一つの実施の形態では、９０°位相変位はデジタルセンサ信号上で動作するヒルベルト変換を使用して実施される。
【００４９】
ステップ３０４において、位相差は単一の９０°位相変位を使用して計算される。位相差を計算するために、更なる情報も使用することができる。一つの実施の形態では、位相差は第１センサ信号、第２センサ信号及び単一の９０°位相変位から決定される。位相差は、振動計器組立体１０におけるコリオリ効果に起因して生じる応答信号の位相差すなわちピックオフセンサの位相差を含む。
【００５０】
その結果の位相差は、計算において周波数値を必要とすることなく決定される。その結果の位相差は、周波数を使用して計算される位相差よりずっと速く取得することができる。結果の位相差は、周波数を使用して計算される位相差より高い精度を有する。
【００５１】
ステップ３０５において、周波数が計算される。有利なことに、本発明による周波数は９０°位相変位から計算される。一つの実施の形態における周波数は、９０°位相変位と９０°位相変位を導出する対応のセンサ信号とを使用する。周波数は第１センサ信号又は第２センサ信号の振動応答周波数である（２つのセンサ信号の周波数は動作時には実質的に同じである）。周波数は、駆動装置１８０によって生成される振動に対する１つ又は複数の流管の振動周波数応答を含む。
【００５２】
こうして導出された周波数は、独立の周波数基準信号を必要とすることなく取得される。周波数は、従来技術よりずっと速い動作において単一の９０°位相変位から取得される。その結果の周波数は、従来技術で計算される周波数より高い精度を有する。
【００５３】
ステップ３０６において、流動材料の質量流量が計算される。質量流量は、ステップ３０４及び３０５で計算された結果としての位相差及び周波数から計算される。更に、質量流量計算は位相差と周波数から時間差（Δｔ）を計算することができ、時間差（Δｔ）は質量流量を計算するのに最終的に使用される。
【００５４】
ステップ３０７において、オプションとして密度を決定することができる。密度は流れ特性の１つとして決定され、例えば周波数から決定されることができる。
ステップ３０８において、オプションとして体積流量を決定することができる。体積流量は流れ特性の１つとして決定され、例えば、質量流量と密度から決定されることができる。
【００５５】
図４は、本発明の実施の形態に係る計器電子回路２０を示す。図２と共通の要素は同一の参照数字を有する。この実施の形態における計器電子回路２０は第１センサ信号２１０及び第２センサ信号２１１を含む。処理システム２０３は第１（デジタル）センサ信号２１０及び第２（デジタル）センサ信号２１１を処理して、これらの信号から１つ又は複数の流れ特性を決定する。先に説明したように、１つ又は複数の流れ特性は、流動材料に対する位相差、周波数、時間差（Δｔ）、質量流量、密度及び／又は体積流量を含むことができる。
【００５６】
図示する実施の形態では、処理システム２０３は、外部周波数測定を必要とすることなく、また、外部周波数基準信号を必要とすることなく、２つのセンサ信号２１０及び２１１だけから流れ特性を決定する。処理システム２０３は２つのセンサ信号２１０及び２１１から少なくとも位相差と周波数とを決定することができる。
【００５７】
先に説明したように、記憶システム２０４は位相変位ルーチン２１２、位相差ルーチン２１５、周波数ルーチン２１６、時間差（Δｔ）ルーチン２１７及び流れ特性ルーチン２１８を記憶する。記憶システム２０４は第１センサ信号２１０及び第２センサ信号２１１を記憶する。また、記憶システム２０４は、流れ特性を決定するために、センサ信号から生成される第１の９０°位相変位２１３及び第２の９０°位相変位を記憶する。先に検討したように、記憶システム２０４は位相差２２０、周波数２２１、時間差（Δｔ）２２２、質量流量２２３、密度２２４及び体積流量２２５を記憶する。
【００５８】
位相変位ルーチン２１２は、第１センサ信号２１０及び第２センサ信号２１１を含む入力信号に対して９０°位相変位を実施する。一つの実施の形態における位相変位ルーチン２１２はヒルベルト変換を実施する（これについては後述する）。
【００５９】
位相差ルーチン２１５は第１の９０°位相変位２１３及び第２の９０°位相変位２１４を使用して位相差を決定する。位相差を計算するために、更なる情報を使用することもできる。一つの実施の形態における位相差は第１センサ信号２１０、第２センサ信号２１１、第１の９０°位相変位２１２及び第２の９０°位相変位２１３から計算される。決定された位相差は、先に説明したように、記憶システム２０４の位相差２２０に記憶されることができる。位相差は、第１及び第２の９０°位相変位を使用して決定されるとき、従来技術よりずっと速く計算され、取得されることができる。これは、流量が大きい流量計用途や多相流が起こる流量計用途において決定的な相違を提供することができる。更に、位相差はセンサ信号２１０及び２１１の周波数に独立に決定されることができる。そのうえ、位相差は周波数とは独立に決定されるので、位相差の誤差成分は周波数決定の誤差成分に影響されない、すなわち、位相差測定値に混合される誤差が存在しない。その結果、位相差誤差は従来技術の位相差と比べて減少する。
【００６０】
周波数ルーチン２１６は、第１の９０°位相変位２１３及び第２の９０°位相変位２１４から（第１センサ信号２１０又は第２センサ信号２１１によって示されるような）周波数を決定する。決定された周波数は、先に説明したように、記憶システム２０４の周波数２２１に記憶されることができる。周波数は、第１及び第２の９０°位相変位から決定されるとき、従来技術よりずっと速く計算され、取得されることができる。これは、流量が大きい流量計用途や多相流が起こる流量計用途において決定的な相違を提供することができる。
【００６１】
時間差（Δｔ）ルーチン２１７は第１センサ信号２１０と第２センサ信号２１１との間の時間差（Δｔ）を決定する。時間差（Δｔ）は、先に説明したように、記憶システム２０４の時間差（Δｔ）２２２に記憶されることができる。時間差（Δｔ）は、実質的には、決定された位相を決定された周波数で割った値を含むので、質量流量を決定するのに使用される。
【００６２】
流れ特性ルーチン２１８は、先に説明したように、質量流量、密度及び／又は体積流量のうちの１つ又は複数を決定することができる。
図５は、本発明の実施の形態に係る流量計において第１センサ信号及び第２センサ信号を処理する方法のフローチャート５００である。ステップ５０１にて、第１センサ信号が受け取られる。一つの実施の形態では、第１センサ信号は上流側又は下流側のピックオフセンサ信号を含む。
【００６３】
ステップ５０２において、第２センサ信号が受け取られる。一つの実施の形態では、第２センサ信号は下流側又は上流側のピックオフセンサ信号（すなわち、第１センサ信号の逆）を含む。
【００６４】
ステップ５０３において、センサ信号を調節することができる。一つの実施の形態では、調節は雑音や不要の信号を除去するためのフィルタリングを含むことができる。一つの実施の形態では、フィルタリングは、先に説明したように、バンドパスフィルタリングを含むことができる。更に、増幅、バッファリングなどのような他の調節動作を実施することができる。センサ信号がアナログ信号を含む場合、ステップは、更に、デジタルセンサ信号を生成するために実施されるサンプリング、デジタル化及びデシメーションの任意の様式を含むことができる。
【００６５】
ステップ５０４において、第１の９０°位相変位が生成される。第１の９０°位相変位は第１センサ信号の９０°位相変位を含む。９０°位相変位は任意の様式の機構又は操作によって実施されることができる。一つの実施の形態では、９０°位相変位は、デジタルセンサ信号上で動作するヒルベルト変換を使用して実施される。
【００６６】
ステップ５０５にて、第２の９０°位相変位が生成される。第２の９０°位相変位は第２センサ信号の９０°位相変位を含む。第１の９０°位相変位と同様に、９０°位相変位は任意の様式の機構又は操作によって実施されることができる。
【００６７】
ステップ５０６にて、第１センサ信号と第２センサ信号との間の位相差が、第１の９０°位相変位及び第２の９０°位相変位を使用して計算される。位相差を計算するために、更なる情報も使用することができる。一つの実施の形態では、位相差は第１センサ信号、第２センサ信号、第１の９０°位相変位及び第２の９０°位相変位から決定される。位相差は、振動計器組立体１０におけるコリオリ効果に起因して生じる応答信号すなわち２つのピックオフセンサの位相差を含む。
【００６８】
その結果の位相差は計算に周波数値を必要とすることなく決定される。その結果の位相差は、周波数を使用して計算される位相差よりずっと速く取得することができる。その結果の位相差は、周波数を使用して計算される位相差より高い精度を有する。
【００６９】
ステップ５０７において、周波数が計算される。本発明による周波数は、有利なことに、第１の９０°位相変位及び第２の９０°位相変位から計算される。一つの実施の形態における周波数は、９０°位相変位と９０°位相変位を導出する対応のセンサ信号とを使用する。周波数は第１センサ信号又は第２センサ信号の振動応答周波数である（２つのセンサ信号の周波数は動作時には実質的に同じである）。周波数は、駆動装置１８０によって生成される振動に対する１つ又は複数の流管の振動周波数応答を含む。
【００７０】
こうして導出された周波数は、独立の周波数基準信号を必要とすることなく取得される。周波数は動作時に９０°位相変位から取得されるが、これは従来技術よりずっと速い。その結果の周波数は、従来技術で計算される周波数より高い精度を有する。
【００７１】
ステップ５０８において、流動材料の質量流量が計算される。質量流量は、ステップ５０６で計算された結果の位相差とステップ５０７で計算された結果の周波数とから計算される。更に、質量流量計算により位相差と周波数から時間差（Δｔ）を計算することができ、時間差（Δｔ）は質量流量を計算するのに最終的に使用される。
【００７２】
ステップ５０９において、オプションとして、先に説明したように密度を決定することができる。ステップ５１０において、オプションとして、先に説明したように体積流量を決定することができる。
【００７３】
図６は、本発明の実施の形態に係る処理システム２０３の一部分のブロック図６００である。図では、ブロックは処理回路要素又は処理動作／ルーチンを表す。ブロック図６００は第１段フィルタブロック６０１、第２段フィルタブロック６０２、ヒルベルト変換ブロック６０３及び解析ブロック６０４を含む。ＬＰＯ入力は左ピックオフ信号入力を含み、ＲＰＯ入力は右ピックオフ信号入力を含む。ＬＰＯ又はＲＰＯは第１センサ信号を構成することができる。
【００７４】
一つの実施の形態においては、第１段フィルタブロック６０１及び第２段フィルタブロック６０２は、処理システム２０３で実施されるデジタル有限インパルス応答（ＦＩＲ）多相デシメーションフィルタを備える。これらのフィルタは一方又は両方のセンサ信号をフィルタリングしてデシメーションする最適な方法を提供するが、フィルタリング及びデシメーションは同じ時系列的時刻且つ同じデシメーション率で実施される。あるいは、第１段フィルタブロック６０１及び第２段フィルタブロック６０２は、無限インパルス応答（ＩＩＲ）フィルタその他の適宜のデジタルフィルタあるいはフィルタプロセスを含むことができる。しかし、理解されるように、他のフィルタリングプロセス及び／又はフィルタリングの実施の形態が想定され、これは説明及び特許請求の範囲内に入る。
【００７５】
図７は、本発明の実施の形態に係るヒルベルト変換ブロック６０３の詳細を示す。図示する実施の形態では、ヒルベルト変換ブロック６０３はＬＰＯ分岐７００とＲＰＯ分岐７１０を含む。ＬＰＯ分岐７００はＬＰＯフィルタブロック７０２と並列のＬＰＯ遅延ブロック７０１を含む。同様に、ＲＰＯ分岐はＲＰＯフィルタブロック７１２と並列のＲＰＯ遅延ブロック７１１を含む。ＬＰＯ遅延ブロック７０１及びＲＰＯ遅延ブロック７１１はサンプリング遅延を導入する。したがって、ＬＰＯ遅延ブロック７０１及びＲＰＯ遅延ブロック７１１は、ＬＰＯフィルタブロック７０２及びＲＰＯフィルタブロック７１２によってフィルタリングされたＬＰＯデジタル信号サンプル及びＲＰＯデジタル信号サンプルよりも時間的に遅いＬＰＯデジタル信号サンプル及びＲＰＯデジタル信号サンプルを選択する。ＬＰＯフィルタブロック７０２及びＲＰＯフィルタブロック７１２は、入力されるデジタル信号サンプルに９０°位相変位を実施する。
【００７６】
ヒルベルト変換ブロック６０３は位相測定を提供する最初のステップである。ヒルベルト変換ブロック６０３は、フィルタリングされてデシメーションされたＬＰＯ信号及びＲＰＯ信号を受け取ってヒルベルト変換を実施する。ヒルベルト変換はＬＰＯ信号及びＲＰＯ信号の９０°位相変位した信号を生成する。すなわち、ヒルベルト変換は元の同相（Ｉ）信号成分の直交（Ｑ）成分を生成する。したがって、ヒルベルト変換ブロック６０３の出力は、元の同相（Ｉ）信号成分ＬＰＯＩ及びＲＰＯＩと共に、新しい直交（Ｑ）成分ＬＰＯＱ及びＲＰＯＱを提供する。
【００７７】
ヒルベルト変換ブロック６０３への入力は
【００７８】
【数１】
【００７９】
として表すことができる。
ヒルベルト変換を使用すると、出力は
【００８０】
【数２】
【００８１】
となる。
元の項をヒルベルト変換の出力と組み合わせることによって、
【００８２】
【数３】
【００８３】
が得られる。
図８及び図９は、本発明の実施の形態に係る解析ブロック６０４の２つの独立した分岐のブロック図である。解析ブロック６０４は周波数、位相差、デルタＴ（Δｔ）の測定の最終段である。図８は、同相（Ｉ）成分及び直交（Ｑ）成分から位相差を決定する第１分岐を備える位相部６０４ａである。図９は、単一のセンサ信号の同相（Ｉ）成分及び直交（Ｑ）成分から周波数を決定する周波数部６０４ｂである。単一のセンサ信号は図示のようにＬＰＯ信号を含むことができ、代わりにＲＰＯ信号を含むことができる。
【００８４】
図８の実施の形態においては、解析ブロック６０４の位相部６０４ａは結合ブロック８０１ａ及び８０１ｂ、共役ブロック８０２、複素乗算ブロック８０３、フィルタブロック８０４及び位相角ブロック８０５を含む。
【００８５】
結合ブロック８０１ａ及び８０１ｂは、センサ信号の同相（Ｉ）成分と直交（Ｑ）成分を受け取り、それらの成分を伝える。共役ブロック８０２はセンサ信号（ここではＬＰＯ信号）に複素共役化を実施し、虚数信号の負数を形成する。複素乗算ブロック８０３はＲＰＯ信号とＬＰＯ信号とを乗算し、以下の式（８）を実施する。フィルタブロック８０４は先に説明したＦＩＲフィルタなどのデジタルフィルタを実施する。フィルタブロック８０４は、センサ信号の同相（Ｉ）成分及び直交（Ｑ）成分から高調波部分を除去すると共に信号をデシメーションするのに使用される多相デシメーションフィルタを備えることができる。フィルタ係数は、例えば率１０のデシメーションなどの、入力信号のデシメーションを実現するように選択されることができる。位相角ブロック８０５はＬＰＯ信号及びＲＰＯ信号の同相（Ｉ）成分及び直交（Ｑ）成分からの位相角を決定する。位相角ブロック８０５は以下に示す式（１１）を実施する。
【００８６】
図８に示す位相部６０４ａは、以下の式、すなわち、
【００８７】
【数４】
【００８８】
を実施する。ここで、
【００８９】
【数５】
【００９０】
はＬＰＯの複素共役である。
【００９１】
【数６】
【００９２】
と仮定すると、
【００９３】
【数７】
【００９４】
となる。
その結果の差動位相角は、
【００９５】
【数８】
【００９６】
となる。
図９は、本発明に係る解析ブロック６０４の周波数部６０４ｂのブロック図である。周波数部６０４ｂは左右いずれかのピックオフ信号（ＬＰＯ又はＲＰＯ）に対して作用することができる。図示する実施の形態の周波数部６０４ｂは結合ブロック９０１、複素共役ブロック９０２、サンプリングブロック９０３、複素乗算ブロック９０４、フィルタブロック９０５、位相角ブロック９０６、定数ブロック９０７及び除算ブロック９０８を含む。
【００９７】
先に説明したように、結合ブロック９０１はセンサ信号の同相（Ｉ）成分と直交（Ｑ）成分とを受け取り、それらの成分を伝える。共役ブロック９０２はセンサ信号（ここではＬＰＯ信号）の複素共役化を実施し、虚数信号の負数を形成する。遅延ブロック９０３は周波数部６０４ｂにサンプリング遅延を導入するので、時系列的に古いデジタル信号サンプルを選択する。この古い方のデジタル信号サンプルは、複素乗算ブロック９０４においてそのときのデジタル信号と乗算される。複素乗算ブロック９０４はＬＰＯ信号とＬＰＯ共役信号とを乗算し、以下の式（１２）を実施する。フィルタブロック９０５は先に説明したＦＩＲフィルタなどのデジタルフィルタを実施する。フィルタブロック９０５は、センサ信号の同相（Ｉ）成分及び直交（Ｑ）成分から高調波部分を除去すると共に信号をデシメーションするのに使用される多相デシメーションフィルタを備えることができる。フィルタ係数は、例えば率１０のデシメーションなどの、入力信号のデシメーションを実現するように選択されることができる。位相角ブロック９０６はＬＰＯ信号の同相（Ｉ）成分及び直交（Ｑ）成分から位相角を決定する。位相角ブロック９０６は以下の式（１３）の一部分を実施する。定数ブロック９０７は、式（１４）に示すように、サンプルレートＦｓを２πで割った値を含む係数を供給する。除算ブロック９０８は式（１４）の除算を実施する。
【００９８】
周波数部６０４ｂは、以下の式、すなわち、
【００９９】
【数９】
【０１００】
を実施する。したがって、２つの連続するサンプル間の角度は、
【０１０１】
【数１０】
【０１０２】
であり、これは左ピックオフのラジアン周波数である。Ｈｚに変換すると、
【０１０３】
【数１１】
【０１０４】
となる。ここで、「Ｆｓ」はヒルベルト変換ブロック６０３の率である。先に説明した例では、「Ｆｓ」は約２ｋＨｚである。
図１０は、正常な状態での流量計のピックオフセンサ信号の電力スペクトル密度のプロットである。流量計の基本周波数はグラフの最も高いスパイクであり、約１３５Ｈｚに位置する。また、図は周波数スペクトル内の幾つかの他の大きなスパイクをも示している（第１の非基本モードは基本モードの周波数の約１．５倍の周波数の捻れモードである）。これらのスパイクは流量計の高調波周波数を含み、他の望ましくないセンサモード（すなわち、捻れモード、第２曲げモードなど）をも含んでいる。
【０１０５】
図１１は、単一の位相変位の実施の形態に係る代替のヒルベルト変換ブロック６０３’を示している。この実施の形態のヒルベルト変換ブロック６０３’はＬＰＯ分岐１１００及びＲＰＯ分岐１１１０を含む。ＬＰＯ分岐１１００はフィルタブロック７０２と並列の遅延ブロック７０１を含む。この実施の形態のＲＰＯ分岐１１１０は遅延ブロック７０１のみを含む。前と同様に、遅延ブロック７０１はサンプリング遅延を導入する。前と同様に、フィルタブロック７０２は、入力されるデジタル信号サンプルに９０°位相変位を実施する。理解されるように、代わりに、ヒルベルト変換ブロック６０３’はＲＰＯ信号のみを位相変位させることができる。
【０１０６】
この処理の実施の形態は、周波数と位相差を導出するために唯一つのセンサ信号のヒルベルト変換／位相変位を使用する（図２〜３を参照されたい）。これは、位相測定を実施するのに必要とされる計算回数を大幅に低減し、質量流量を得るのに必要とされる計算回数を大幅に低減する。
【０１０７】
この実施の形態においては、ヒルベルト変換ブロック６０３’の出力は（両方ではなく）左又は右のセンサ信号の直交（Ｑ）成分を提供する。以下の例、すなわち
【０１０８】
【数１２】
【０１０９】
では、ＬＰＯ信号が位相変位される。ヒルベルト変換を使用すると、出力は
【０１１０】
【数１３】
【０１１１】
となる。ＬＰＯの元の項をヒルベルト変換の出力（すなわち、９０°位相変位）と組み合わせることによって、
【０１１２】
【数１４】
【０１１３】
が得られ、ＲＰＯは同じままである。すなわち、
【０１１４】
【数１５】
【０１１５】
である。
図１２は、単一の位相変位の実施の形態に対する解析ブロック６０４ａ’を示す。この実施の形態の解析ブロック６０４ａ’は１つの結合ブロック８０１、複素乗算ブロック８０３、ローパスフィルタブロック１２０１及び位相角ブロック８０５を含む。この実施の形態の解析ブロック６０４ａ’は、以下の式、すなわち、
【０１１６】
【数１６】
【０１１７】
を実施する。
ローパスフィルタブロック１２０１は、複素乗算ブロック８０３によって生成された高周波成分を除去するローパスフィルタを備える。ローパスフィルタブロック１２０１は任意の様式のローパスフィルタリング処理を実施することができる。乗算演算の結果は２つの項を生成する。（−ωｔ＋ωｔ＋φ）の項は組み合わされ、位相だけの項φ（ＤＣの結果）に簡略化される。これは（−ωｔ）項と（ωｔ）項が互いに相殺されるためである。（ωｔ＋ωｔ＋φ）は２倍の周波数の（２ωｔ＋φ）の項に簡略化される。その結果は２つの項の和であるため、高い周波数の（２ωｔ＋φ）の項を除去することができる。ここで対象となる唯一の信号はＤＣ項である。高い周波数の（２ωｔ＋φ）の項は、ローパスフィルタを使用して、結果から除去されることができる。ローパスフィルタのカットオフは、ゼロと２ωとの間のいずれかに位置することができる。
【０１１８】
フィルタリング後、その結果は
【０１１９】
【数１７】
【０１２０】
となる。したがって、差動位相角は
【０１２１】
【数１８】
【０１２２】
である。
２つのピックオフ信号の代わりに１つのピックオフ信号のヒルベルト変換を行うことによって、有利なことに、コリオリ質量流量計において位相及び周波数の推定を実施するのに必要とされる計算負荷が減少する。したがって、２つのセンサ信号を使用するが唯一つの９０°位相変位を使用して、位相及び周波数を決定することができる。
【０１２３】
図１３は、従来技術と比較しての本発明のセンサ処理を示しており、それぞれの時間差（Δｔ）値が比較される。グラフは気体流（すなわち、例えば気泡）を含む流動材料を示している。この条件下では、位相及び周波数の計算の率の故に、新しいアルゴリズムにおいて実質的に流れ雑音が低減される。グラフからわかるように、本発明によって導出された結果は、従来技術の（Δｔ）測定値において反映される大きなピーク及び谷を示さない。
【０１２４】
本発明は従来技術と異なる。第１に、典型的には、従来技術は、振動応答周波数を決定するために、駆動システムに送出される駆動装置信号などの独立した周波数源とピックオフ信号とを使用してピックオフ周波数を決定する。対照的に、本発明は２つのセンサ信号のうちの一方の信号の位相を変位させることによって周波数を決定する。従来技術はセンサ信号の位相変位から振動応答周波数を決定してはいない。
【０１２５】
第２に、ほとんどの従来技術の流量計は、従来技術の周波数決定を使用してピックオフ信号間の位相差を決定する。結果として、従来技術の周波数決定に含まれる誤差は従来技術の位相差決定に含まれることになり、従来技術の質量流量決定における全体の誤差を増大させる。対照的に、本発明は、いかなる周波数決定も使用することなく、１つ又は２つの位相変位したセンサ信号から直接に位相差を決定する。その結果、誤差項は位相差決定の位相操作及び位相測定だけの結果であり、周波数決定誤差による影響を受けない。
【０１２６】
第３に、従来技術は、独立に決定された外部周波数を使用して質量流量を決定する。典型的には、従来技術は、独立に決定された外部周波数を使用して得られた位相差も使用する。その結果、従来技術においては、質量流量は周波数決定における誤差によって２回影響を受ける可能性があり、したがって、満足がいくほどに正確で信頼性があるものではない。対照的に、本発明においては、周波数決定及び位相差決定は独立に導出される。したがって、本発明の周波数決定及び位相差決定は、ずっと小さい誤差成分を含む。その結果、本発明の計器電子回路及び方法を使用すると、質量流量決定における誤差量が著しく低減される。したがって、本発明による密度及び体積流量も精度及び信頼性が改善される。
【０１２７】
第４に、従来技術の周波数決定は比較的長い時間を要する。流動材料が、固体及び／又は気体（気泡など）を含有する液体のような２相流又は３相流を含む状況では、従来技術の周波数決定は、安定し且つ比較的正確な周波数測定を行うのに１〜２秒程度を要し得る。対照的に、本発明による周波数及び位相差決定はずっと速く、例えばミリ秒又は数百ミリ秒程度で取得することができる。周波数及び位相差から導出される全ての流れ特性も、ずっと短い時間で得ることができる。
【０１２８】
本発明に係る、センサ信号を処理する計器電子回路及び方法は、所望ならば若干の利点を得るように任意の実施の形態に従って実施されることができる。本発明は２つの位相変位したセンサ信号から位相差を計算することができる。本発明は精度及び信頼性が一層高い位相差決定を提供することができる。本発明は、少ない処理時間を消費しながら、従来技術よりも速く位相差決定を提供することができる。
【０１２９】
本発明は、位相変位した唯一つのセンサ信号から周波数を計算することができる。本発明は精度及び信頼性が一層高い周波数決定を提供することができる。本発明は、少ない処理時間を消費しながら、従来技術より速く周波数決定を提供することができる。
【０１３０】
本発明は、一つ又は二つのセンサ信号から、中でも質量流量、密度及び／又は体積流量を計算することができる。本発明は精度及び信頼性が一層高い質量流量決定を提供することができる。本発明は、少ない処理時間を消費しながら、従来技術よりも速く質量流量決定を提供することができる。したがって、本発明は、空気含有条件、空−充満−空条件、気体用途及び定常状態の条件に対して実質的に一層良好な性能を提供する。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流量計において１つ又は複数のセンサ信号を処理する計器電子回路及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
１９８５年１月１日のＪ．Ｅ．スムス他に発行された米国特許第４，４９１，０２５号及び１９８２年２月１１日のＪ．Ｅ．スミスに対する再発行特許第３１，４５０号に開示されるように、パイプラインを通して流れる材料の質量流量、密度及び体積流量や他の情報を測定するためにコリオリ質量流量計を使用することが知られている。これらの流量計は異なる構成の１つ又は複数の流管を有する。各導管構成は、例えば、単純な曲げモード、捻れモード、ラジアルモード、連成モードを含む自然振動モードの組を有するものとみなされ得る。典型的なコリオリ質量流量測定の用途では、導管構成は、材料が導管を通して流れるときに１つ又は複数の振動モードで励振され、導管の運動が導管に沿って離間する地点において測定される。
【０００３】
材料で充填されたシステムの振動モードは、流管の質量と流管内の材料の質量との組合せによって部分的には規定される。材料は流量計の入口側の接続パイプラインから流量計内に流れる。その後、材料は１つ又は複数の流管を通して送られ、流量計を出て、出口側に接続されたパイプラインに入る。
【０００４】
駆動装置は流管に力を加える。力は流管を振動させる。流量計を通って流れる材料が存在しないとき、流管に沿う全ての地点は同相で振動する。材料が流管を通って流れ始めるにつれて、コリオリ加速によって、流管に沿う各地点は流管に沿う他の地点に対して異なる位相を有するようになる。流管の入口側の位相は駆動装置より遅れるが、出口側の位相は駆動装置より進む。センサが流管上の異なる地点に設置され、異なる地点において、流管の運動を表す正弦波信号を生成する。２つのセンサ信号間の位相差は、１つ又は複数の流管を通して流れる材料の質量流量に比例する。１つの従来技術の手法では、離散フーリエ変換（ＤＦＴ）又は高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を使用してセンサ信号間の位相差を決定する。位相差と流管組立体の振動周波数応答とを使用して、質量流量が得られる。
【０００５】
１つの従来技術の手法では、振動駆動装置系に送出される周波数を使用すること等により、独立した基準信号を使用してピックオフ信号周波数が決定される。別の従来技術の手法では、ピックオフセンサによって生成された振動応答周波数を、ノッチフィルタにおける当該周波数にセンタリングすることによって決定することができ、従来技術の流量計は、ノッチフィルタのノッチをピックオフセンサ周波数に維持しようと試みる。この従来技術の技法は、流量計内の流動材料が均一であり、得られるピックオフ信号周波数が比較的安定である静止状況下では、かなりうまく働く。しかし、従来技術の位相測定は、流動材料が液体と固体を含んでいたり液体流動材料内に気泡が存在する２相流などの、流動材料が均一でないときには不利を招く。こうした状況では、従来技術によって決定された周波数は、急速に変動する可能性がある。速く且つ大きな周波数遷移の状態の期間には、ピックオフ信号はフィルタ帯域幅の外に移動することができるので、間違った位相及び周波数測定が生じる。これは、流量計が空と充満の状況を交互に繰り返し動作する、空−充満−空バッチ処理においても問題となる。同様に、センサの周波数が急速に動く場合、復調プロセスは実際の周波数又は測定された周波数に追従することができないことになり、間違った周波数での復調を生じる。理解されるように、決定された周波数が間違っている又は不正確である場合、密度や体積流量などのその後導出される値もまた間違いであり、不正確であることになる。更に、その後の流量特性の決定において、誤差が混合され得る。
【０００６】
従来技術においては、ピックオフ信号はデジタル化され、ノッチフィルタを実施するようデジタル的に操作されることができる。ノッチフィルタは狭い周波数帯域だけを許容する。したがって、目標周波数が変化しているとき、ノッチフィルタは或る期間にわたって目標信号に追従することができないことがある。典型的には、デジタルノッチフィルタの実施形態は、変動する目標信号に追従するのに１〜２秒かかる。従来技術は周波数を決定するための時間を必要とするので、結果として、周波数及び位相の決定は誤差を含むだけでなく、誤差測定は、誤差及び／又は２相流が実際に起こる時間範囲を超える時間範囲を包含することになる。これはノッチフィルタの応答の相対的な遅さによる。
【０００７】
その結果、従来技術の流量計は、流量計における流動材料の２相流の期間に、ピックオフセンサ周波数を正確且つ迅速に首尾よく追跡又は決定することはできない。したがって、従来技術は決定されたピックオフ周波数を使用して位相差を導出するので、位相決定も同様に遅く且つ誤差を招きやすい。したがって、周波数決定におけるいずれの誤差も、位相決定に混合される。その結果、周波数決定及び位相決定における誤差が増加し、質量流量を決定するときの誤差の増加をもたらす。更に、決定された周波数値を使用して密度値を決定する（密度は、２乗された周波数にわたってほぼ１に等しい）ので、周波数決定における誤差は密度決定において反復され又は混合される。これは、質量流量を密度で割った値に等しい体積流量の決定についても当てはまる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来技術の計器電子回路は、ヨコイ等に対する米国特許第５，５７８，７６４号に示される。ヨコイの特許は、上流側と下流側のピックオフセンサ信号を受け取り、両信号を使用して信号間の位相差を計算するヒルベルト変換器２１及び三角関数計算器３１を開示する。ヒルベルト変換器２１は両方のピックオフセンサ信号を９０°だけ位相変位させ、両方の位相変位信号が位相差計算で使用される。ヨコイの特許においては、こうして得られた位相差は、独立に測定された外部周波数と共に、質量流量を計算するのに使用される。したがって、ヨコイの従来技術は、非常に正確な質量流量を計算するのに必要とされる周波数成分を迅速且つ正確に導出するものではない。更に、ヨコイの特許は周波数決定を待たなければならないため、質量流量を迅速に生成することができない。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
流量計においてセンサ信号を処理する計器電子回路及び方法を提供することによって、上記及び他の問題が解決され、当技術分野の進歩が達成される。
流量計においてセンサ信号を処理する計器電子回路が、本発明の実施の形態に従って提供される。この計器電子回路は、第１センサ信号及び第２センサ信号を受け取るインタフェース、及び、インタフェースと通信し、第１センサ信号から９０°位相変位を生成し、９０°位相変位を使用して位相差を計算するように構成された処理システムを備える。
【００１０】
流量計においてセンサ信号を処理する計器電子回路が、本発明の実施の形態に従って提供される。この計器電子回路は、第１センサ信号及び第２センサ信号を受け取るインタフェース、及び、インタフェースと通信し、第１センサ信号から第１の９０°位相変位を生成し、第１の９０°位相変位を使用して周波数を計算するように構成された処理システムを備える。
【００１１】
流量計においてセンサ信号を処理する方法が、本発明の実施の形態に従って提供される。この方法は、第１センサ信号及び第２センサ信号を受け取るステップと、第１センサ信号から９０°位相変位を生成するステップと、９０°位相変位を使用して位相差を計算するステップとを含む。
【００１２】
流量計においてセンサ信号を処理する方法が、本発明の実施の形態に従って提供される。この方法は、第１センサ信号及び第２センサ信号を受け取るステップと、第１センサ信号から９０°位相変位を生成するステップと、９０°位相変位を使用して周波数を計算するステップとを含む。
【００１３】
流量計においてセンサ信号を処理する方法が、本発明の実施の形態に従って提供される。この方法は、第１センサ信号及び第２センサ信号を受け取るステップと、第１センサ信号から９０°位相変位を生成するステップと、９０°位相変位を使用して位相差を計算するステップと、９０°位相変位を使用して周波数を計算するステップとを含む。
【００１４】
流量計においてセンサ信号を処理する方法が、本発明の実施の形態に従って提供される。この方法は、第１センサ信号及び第２センサ信号を受け取るステップと、第１センサ信号から９０°位相変位を生成するステップと、９０°位相変位を使用して位相差を計算するステップと、９０°位相変位を使用して周波数を計算するステップと、質量流量、密度又は体積流量のうちの１つ又は複数を計算するステップとを含む。
【００１５】
流量計においてセンサ信号を処理する方法が、本発明の実施の形態に従って提供される。この方法は、第１センサ信号及び第２センサ信号を受け取るステップと、第１センサ信号から第１の９０°位相変位を生成し、第２センサ信号から第２の９０°位相変位を生成するステップと、第１の９０°位相変位又は第２の９０°位相変位を使用して周波数を計算するステップとを含む。
【００１６】
流量計においてセンサ信号を処理する方法が、本発明の実施の形態に従って提供される。この方法は、第１センサ信号及び第２センサ信号を受け取るステップと、第１センサ信号から第１の９０°位相変位を生成し、第２センサ信号から第２の９０°位相変位を生成するステップと、第１の９０°位相変位又は第２の９０°位相変位を使用して周波数を計算するステップと、質量流量、密度又は体積流量のうちの１つ又は複数を計算するステップとを含む。
【００１７】
流量計においてセンサ信号を処理する方法が、本発明の実施の形態に従って提供される。この方法は、第１センサ信号及び第２センサ信号を受け取るステップと、第１センサ信号から第１の９０°位相変位を生成し、第２センサ信号から第２の９０°位相変位を生成するステップと、第１の９０°位相変位又は第２の９０°位相変位を使用して周波数を計算するステップと、第１の９０°位相変位及び第２の９０°位相変位を使用して位相差を計算するステップと、質量流量、密度又は体積流量のうちの１つ又は複数を計算するステップとを含む。
【００１８】
同じ参照数字は全図面において同じ要素を表す。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の例におけるコリオリ流量計を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る計器電子回路を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る、流量計においてセンサ信号を処理する方法のフローチャートである。
【図４】本発明の実施の形態に係る計器電子回路を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る、流量計において第１センサ信号及び第２センサ信号を処理する方法のフローチャートである。
【図６】本発明の実施の形態に係る処理システムの一部分のブロック図である。
【図７】本発明の実施の形態に係るヒルベルト変換ブロックの詳細を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態に係る解析ブロックの独立な分岐のブロック図である。
【図９】本発明の実施の形態に係る解析ブロックの独立な分岐のブロック図である。
【図１０】正常状態の下での流量計のピックオフセンサ信号の電力スペクトル密度プロットである。
【図１１】単一の位相変位の実施の形態に係るヒルベルト変換ブロックを示す図である。
【図１２】単一の位相変位の実施の形態に対する解析ブロックを示す図である。
【図１３】従来技術と比較しての本発明のセンサ処理を示しており、それぞれの時間差（Δｔ）値が比較される。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１〜図１３及び以下の説明は、本発明の最良の実施形態を製造し、使用する方法を当業者に教示するための特定の例を示す。本発明の原理を教示するために、いくつかの従来の態様は簡略化され又は省略された。本発明の範囲内に入るこれらの例からの変形を、当業者は理解するであろう。当業者は理解するように、以下で説明する特徴は、種々のやり方で組み合わされて、本発明の複数の変形を形成する。その結果、本発明は、以下で説明する特定の例に限定されるものではなく、特許請求の範囲及びその均等物によってのみ限定される。
【００２１】
図１は、計器組立体１０及び計器電子回路２０を備えるコリオリ流量計５を示す。計器組立体１０はプロセス材料の質量流量と密度に応答する。計器電子回路２０はリード線１００を介して計器組立体１０に接続され、経路２６を通じて密度、質量流量、温度情報及び本発明に関連しない他の情報を提供する。コリオリ流量計の構造が記述されるが、当業者には明らかなように、本発明は、コリオリ質量流量計によって提供される更なる測定能力なしに、振動型管密度計として実施されることができる。
【００２２】
計器組立体１０は、一対のマミホールド１５０及び１５０’、フランジネック１１０及び１１０’を有するフランジ１０３及び１０３’、一対の平行な流管１３０及び１３０’、駆動機構１８０、温度センサ１９０、ならびに、一対の速度センサ１７０Ｌ及び１７０Ｒを備える。流管１３０及び１３０’は、流管取付けブロック１２０及び１２０’において互いに向かって収束する、本質的に真っ直ぐな２つの入口脚部１３１及び１３１’ならびに出口脚部１３４及び１３４’を有する。流管１３０及び１３０’は、流管の長さに沿って２つの対称な場所で曲がり、流管の長さ全体を通して本質的に平行である。ブレースバー１４０及び１４０’は、各流管がその周りに振動する軸Ｗ及びＷ’を規定するのに役立つ。
【００２３】
流管１３０及び１３０’の側脚部１３１、１３１’及び１３４、１３４’は、流管取付けブロック１２０及び１２０’に固定的に取り付けられ、これらのブロックは、マニホールド１５０及び１５０’に固定的に取り付けられる。これは、コリオリ計器組立体１０を通る連続した閉材料経路を提供する。
【００２４】
穴１０２及び１０２’を有するフランジ１０３及び１０３’が、入口端１０４及び出口端１０４’を介して、測定されるプロセス材料を運ぶプロセスライン（図示せず）に接続されると、フランジ１０３内のオリフィス１０１を通して流量計の端１０４に入る材料は、マニホールド１５０を通って、表面１２１を有する流管取付けブロック１２０に送られる。マニホールド１５０内で材料は分割され、流管１３０及び１３０’を通るように送られる。流管１３０及び１３０’を出ると、プロセス材料はマニホールド１５０’内で単一の流れに再結合され、その後、ボルト穴１０２’を有するフランジ１０３’によって接続される出口端１０４’へ送られ、プロセスライン（図示せず）に入る。
【００２５】
流管１３０及び１３０’は、それぞれの曲げ軸Ｗ−Ｗ及びＷ’−Ｗ’の周りに実質的に同じ質量分布、慣性モーメント及びヤング率を有するように選択され、流管取付けブロック１２０及び１２０’に適切に取り付けられる。これらの曲げ軸はブレースバー１４０及び１４０’を通る。流管のヤング率は温度と共に変化するが、この変化は流量及び密度の計算に影響を及ぼすので、流管の温度を連続して測定するために、抵抗性温度検出器（ＲＴＤ）１９０が流管１３０’に取り付けられる。流管の温度、したがって、ＲＴＤを通過する所与の電流についてＲＴＤの両端に現れる電圧は、流管を通過する材料の温度によって決まる。ＲＴＤの両端に現れる温度依存性の電圧は、流管の温度の任意の変化による流管１３０及び１３０’の弾性率の変化が補償されるよう、周知の方法で計器電子回路２０によって使用される。ＲＴＤはリード線１９５によって計器電子回路２０に接続される。
【００２６】
流管１３０及び１３０’は、それぞれの曲げ軸Ｗ及びＷ’の周りに反対方向に、流量計のいわゆる第１の位相はずれ曲げモードで、駆動装置１８０によって駆動される。この駆動機構１８０は、流管１３０’に取り付けられた磁石と、流管１３０に取り付けられて両方の流管を振動させるよう交流電流が流される対向するコイルなどの、周知の多くの配置構成のうちのいずれか１つを備え得る。計器電子回路２０によって、適切な駆動信号がリード線１８５を介して駆動機構１８０に印加される。
【００２７】
計器電子回路２０は、リード線１９５上のＲＴＤ温度信号と、リード線１６５Ｌ上に現れる左速度信号と、リード線１６５Ｒ上に現れる右速度信号とを受け取る。計器電子回路２０は、要素１８０を駆動して管１３０及び１３０’を振動させるための、リード線１８５上に現れる駆動信号を生成する。計器電子回路２０は左右の速度信号とＲＴＤ信号を処理し、計器組立体１０を通過する材料の質量流量及び密度を計算する。この情報は、他の情報と共に、計器電子回路２０により経路２６を通じて利用手段２９に与えられる。
【００２８】
図２は、本発明の実施の形態に係る計器電子回路２０を示す。計器電子回路２０はインタフェース２０１及び処理システム２０３を備えることができる。計器電子回路２０は計器組立体１０からピックオフ／速度センサ信号などの第１センサ信号及び第２センサ信号を受け取る。計器電子回路２０は質量流量計として動作することができ、又は、コリオリ流量計として動作することを含む密度計として動作することができる。計器電子回路２０は第１センサ信号及び第２センサ信号を処理して、計器組立体１０を通って流れる流動材料の流れ特性を得る。例えば、計器電子回路２０は例えばセンサ信号から位相差、周波数、時間差（Δｔ）、密度、質量流量及び体積流量のうちの１つ又は複数を決定することができる。更に、本発明に従って、他の流れ特性を決定することができる。決定については以下で説明する。
【００２９】
位相差決定及び周波数決定は、従来技術の決定よりも遙かに高速且つ正確で信頼性が高い。一つの実施の形態では、位相差決定及び周波数決定は、いかなる周波数基準信号をも必要とすることなく、唯一つのセンサ信号の位相変位から直接に導出される。これは、有利なことに、流れ特性を計算するのに必要とされる処理時間を減少させる。別の実施の形態では、位相差は両方のセンサ信号の位相変位から導出され、周波数は唯一つの位相変位信号から導出される。これは両方の流れ特性の精度を向上させることになり、両方の流れ特性を従来技術よりずっと速く決定することができる。
【００３０】
典型的には、従来技術の周波数決定方法は実施に１〜２秒を要する。対照的に、本発明による周波数決定は５０ミリ秒（ｍｓ）程度の短時間で実施されることができる。処理システムの型式及び構成、振動応答のサンプリング速度、フィルタのサイズ、デシメーション率などに依存して、更に高速な周波数決定が考えられる。５０ｍｓの周波数決定速度において、本発明による計器電子回路２０は従来技術より約４０倍速い。
【００３１】
インタフェース２０１は、図１のリード線１００を介して速度センサ１７０Ｌ又は速度センサ１７０Ｒからセンサ信号を受け取る。インタフェース２０１は、任意の様式のフォーマッティング、増幅、バッファリングなどの、任意の必要な又は所望の信号調整を実施することができる。代わりに、信号調整の一部又は全てを理システム２０３で実施することができる。
【００３２】
更に、インタフェース２０１は計器電子回路２０と外部デバイスとの間の通信を可能にする。インタフェース２０１は電子通信、光通信又は無線通信の任意の様式を行うことができる。
【００３３】
一つの実施の形態におけるインタフェース２０１はデジタイザ２０２と結合され、センサ信号はアナログセンサ信号を含む。デジタイザ２０２はアナログセンサ信号をサンプリングし、デジタル化してデジタルセンサ信号を生成する。また、デジタイザ２０２は所要の任意のデシメーションを実施することができ、デジタルセンサ信号は所要の信号処理量と処理時間を低減するためにデシメーションされる。デシメーションは、以下で一層詳細に説明される。
【００３４】
処理システム２０３は計器電子回路２０の動作を実行し、流量計組立体１０からの流れ測定値を処理する。処理システム２０３は１つ又は複数の処理ルーチンを実行し、それによって流れ測定値を処理して１つ又は複数の流れ特性を生成する。
【００３５】
処理システム２０３は、汎用コンピュータ、マイクロ処理システム、論理回路或いは他の汎用又は専用の処理デバイスを備えることができる。処理システム２０３は複数の処理デバイスに分散されることができる。処理システム２０３は、記憶システム２０４などの任意の様式の一体化された又は独立した電子記憶媒体を備えることができる。
【００３６】
処理システム２０３は、センサ信号２１０を処理してセンサ信号２１０から１つ又は複数の流れ特性を決定する。１つ又は複数の流れ特性は、例えば、流動材料についての位相差、周波数、時間差（Δｔ）、質量流量及び／又は密度を含むことができる。
【００３７】
図示する実施の形態においては、処理システム２０３は２つのセンサ信号２１０及び２１１と単一のセンサ信号位相変位２１３とから流れ特性を決定する。処理システム２０３は、２つのセンサ信号２１０及び２１１と単一の信号位相変位２１３から、少なくとも位相差と周波数を決定することができる。その結果、本発明による処理システム２０３は、第１又は第２の位相変位したセンサ信号（例えば、上流側又は下流側のピックオフ信号の一方）を処理して、流動材料についての位相差、周波数、時間差（Δｔ）及び／又は質量流量を決定することができる。
【００３８】
記憶システム２０４は、流量計パラメータやデータ、ソフトウェアルーチン、定数値及び変数値を記憶することができる。一つの実施の形態においては、記憶システム２０４は処理システム２０３によって実行されるルーチンを含む。一つの実施の形態では、記憶システム２０４は、位相変位ルーチン２１２、位相差ルーチン２１５、周波数ルーチン２１６、時間差（Δｔ）ルーチン２１７、及び流れ特性ルーチン２１８を記憶する。
【００３９】
一つの実施の形態では、記憶システム２０４は、コリオリ流量計５などの流量計を動作させるのに使用される変数を記憶する。一つの実施の形態における記憶システム２０４は、速度／ピックオフセンサ１７０Ｌ及び１７０Ｒから受け取られる第１センサ信号２１０及び第２センサ信号２１１などの変数を記憶する。更に、記憶システム２０４は、流れ特性を決定するために生成される９０°位相変位２１３を記憶することができる。
【００４０】
一つの実施の形態では、記憶システム２０４は、流れ測定値から得られた１つ又は複数の流れ特性を記憶する。一つの実施の形態の記憶システム２０４は、センサ信号２１０から全て決定される、位相差２２０、周波数２２１、時間差（Δｔ）２２２、質量流量２２３、密度２２４及び体積流量２２５などの流れ特性を記憶する。
【００４１】
位相変位ルーチン２１２は入力信号すなわちセンサ信号２１０に対して９０°位相変位を実施する。一つの実施の形態の位相変位ルーチン２１２はヒルベルト変換を実施する（これについては後述する）。
【００４２】
位相差ルーチン２１５は単一の９０°位相変位２１３を使用して位相差を決定する。位相差を計算するために更なる情報を使用することもできる。一つの実施の形態の位相差は、第１センサ信号２１０、第２センサ信号２１１及び９０°位相変位２１３から計算される。決定された位相差は記憶システム２０４内の位相差２２０に記憶されることができる。位相差は、９０°位相変位２１３から決定されるとき、従来技術よりずっと速く計算され取得されることができる。これは、流量が大きい流量計用途や多相流が起こる流量計用途において決定的な相違を提供することができる。加えて、位相差は、センサ信号２１０又は２１１の周波数に独立に決定されることができる。更に、位相差は周波数に独立に決定されるので、位相差の誤差成分は周波数決定の誤差成分を含まない。すなわち、位相差測定値に混合される誤差が存在しない。その結果、位相差誤差は従来技術の位相差と比べて減少する。
【００４３】
周波数ルーチン２１６は９０°位相変位２１３から（第１センサ信号２１０又は第２センサ信号２１１によって示されるような）周波数を決定する。決定された周波数は記憶システム２０４内の周波数２２１に記憶されることができる。周波数は、単一の９０°位相変位２１３から計算されるとき、従来技術よりずっと速く計算され取得されることができる。これは、流量が大きい流量計用途又は多相流が起こる流量計用途において決定的な相違を提供することができる。
【００４４】
時間差（Δｔ）ルーチン２１７は第１センサ信号２１０と第２センサ信号２１１との間の時間差（Δｔ）を決定する。時間差（Δｔ）は記憶システム２０４内の時間差（Δｔ）２２２に記憶されることができる。時間差（Δｔ）は、実質的には、決定された位相を決定された周波数で割った値を含むので、質量流量を決定するのに使用される。
【００４５】
流れ特性ルーチン２１８は１つ又は複数の流れ特性を決定することができる。流れ特性ルーチン２１８は、例えばこれらの更なる流れ特性を得るために、決定された位相差２２０及び決定された周波数２２１を使用することができる。理解されるように、これらの決定のためには、例えば、質量流量又は密度などの更なる情報が必要とされる場合がある。流れ特性ルーチン２１８は時間差（Δｔ）２２２から、したがって位相差２２０及び周波数２２１から質量流量を決定することができる。質量流量を決定するための公式は、ティトロウ等に対する米国特許第５，０２７，６６２号に示され、参照により本明細書に援用される。質量流量は計器組立体１０における流動材料の質量流量に関連付けられる。同様に、流れ特性ルーチン２１８は密度２２４及び／又は体積流量２２５をも決定することができる。決定された質量流量、密度及び体積流量は、それぞれ記憶システム２０４の質量流量２２３、密度２２４及び体積２２５に記憶されることができる。更に、流れ特性は計器電子回路２０によって外部の装置に送信されることができる。
【００４６】
図３は、本発明の実施の形態に係る流量計においてセンサ信号を処理する方法のフローチャート３００である。ステップ３０１にて、第１センサ信号及び第２センサ信号が受け取られる。第１センサ信号は上流側又は下流側のピックオフセンサ信号を含むことができる。
【００４７】
ステップ３０２において、センサ信号が調節される。一つの実施の形態では、調節は雑音及び不要の信号を除去するためのフィルタリングを含むことができる。一つの実施の形態では、フィルタリングは、流量計の予想される基本周波数を中心とするバンドパスフィルタリングを含むことができる。更に、増幅やバッファリングなどのような他の調節動作を実施することができる。センサ信号がアナログ信号を含む場合、ステップは、更に、デジタルセンサ信号を生成するために実施されるサンプリング、デジタル化及びデシメーションの任意の様式を含むことができる。
【００４８】
ステップ３０３において、単一の９０°位相変位が生成される。９０°位相変位は、センサ信号の９０°位相変位を含む。９０°位相変位は、位相変位機構又は操作の任意の様式によって実施されることができる。一つの実施の形態では、９０°位相変位はデジタルセンサ信号上で動作するヒルベルト変換を使用して実施される。
【００４９】
ステップ３０４において、位相差は単一の９０°位相変位を使用して計算される。位相差を計算するために、更なる情報も使用することができる。一つの実施の形態では、位相差は第１センサ信号、第２センサ信号及び単一の９０°位相変位から決定される。位相差は、振動計器組立体１０におけるコリオリ効果に起因して生じる応答信号の位相差すなわちピックオフセンサの位相差を含む。
【００５０】
その結果の位相差は、計算において周波数値を必要とすることなく決定される。その結果の位相差は、周波数を使用して計算される位相差よりずっと速く取得することができる。結果の位相差は、周波数を使用して計算される位相差より高い精度を有する。
【００５１】
ステップ３０５において、周波数が計算される。有利なことに、本発明による周波数は９０°位相変位から計算される。一つの実施の形態における周波数は、９０°位相変位と９０°位相変位を導出する対応のセンサ信号とを使用する。周波数は第１センサ信号又は第２センサ信号の振動応答周波数である（２つのセンサ信号の周波数は動作時には実質的に同じである）。周波数は、駆動装置１８０によって生成される振動に対する１つ又は複数の流管の振動周波数応答を含む。
【００５２】
こうして導出された周波数は、独立の周波数基準信号を必要とすることなく取得される。周波数は、従来技術よりずっと速い動作において単一の９０°位相変位から取得される。その結果の周波数は、従来技術で計算される周波数より高い精度を有する。
【００５３】
ステップ３０６において、流動材料の質量流量が計算される。質量流量は、ステップ３０４及び３０５で計算された結果としての位相差及び周波数から計算される。更に、質量流量計算は位相差と周波数から時間差（Δｔ）を計算することができ、時間差（Δｔ）は質量流量を計算するのに最終的に使用される。
【００５４】
ステップ３０７において、オプションとして密度を決定することができる。密度は流れ特性の１つとして決定され、例えば周波数から決定されることができる。
ステップ３０８において、オプションとして体積流量を決定することができる。体積流量は流れ特性の１つとして決定され、例えば、質量流量と密度から決定されることができる。
【００５５】
図４は、本発明の実施の形態に係る計器電子回路２０を示す。図２と共通の要素は同一の参照数字を有する。この実施の形態における計器電子回路２０は第１センサ信号２１０及び第２センサ信号２１１を含む。処理システム２０３は第１（デジタル）センサ信号２１０及び第２（デジタル）センサ信号２１１を処理して、これらの信号から１つ又は複数の流れ特性を決定する。先に説明したように、１つ又は複数の流れ特性は、流動材料に対する位相差、周波数、時間差（Δｔ）、質量流量、密度及び／又は体積流量を含むことができる。
【００５６】
図示する実施の形態では、処理システム２０３は、外部周波数測定を必要とすることなく、また、外部周波数基準信号を必要とすることなく、２つのセンサ信号２１０及び２１１だけから流れ特性を決定する。処理システム２０３は２つのセンサ信号２１０及び２１１から少なくとも位相差と周波数とを決定することができる。
【００５７】
先に説明したように、記憶システム２０４は位相変位ルーチン２１２、位相差ルーチン２１５、周波数ルーチン２１６、時間差（Δｔ）ルーチン２１７及び流れ特性ルーチン２１８を記憶する。記憶システム２０４は第１センサ信号２１０及び第２センサ信号２１１を記憶する。また、記憶システム２０４は、流れ特性を決定するために、センサ信号から生成される第１の９０°位相変位２１３及び第２の９０°位相変位を記憶する。先に検討したように、記憶システム２０４は位相差２２０、周波数２２１、時間差（Δｔ）２２２、質量流量２２３、密度２２４及び体積流量２２５を記憶する。
【００５８】
位相変位ルーチン２１２は、第１センサ信号２１０及び第２センサ信号２１１を含む入力信号に対して９０°位相変位を実施する。一つの実施の形態における位相変位ルーチン２１２はヒルベルト変換を実施する（これについては後述する）。
【００５９】
位相差ルーチン２１５は第１の９０°位相変位２１３及び第２の９０°位相変位２１４を使用して位相差を決定する。位相差を計算するために、更なる情報を使用することもできる。一つの実施の形態における位相差は第１センサ信号２１０、第２センサ信号２１１、第１の９０°位相変位２１２及び第２の９０°位相変位２１３から計算される。決定された位相差は、先に説明したように、記憶システム２０４の位相差２２０に記憶されることができる。位相差は、第１及び第２の９０°位相変位を使用して決定されるとき、従来技術よりずっと速く計算され、取得されることができる。これは、流量が大きい流量計用途や多相流が起こる流量計用途において決定的な相違を提供することができる。更に、位相差はセンサ信号２１０及び２１１の周波数に独立に決定されることができる。そのうえ、位相差は周波数とは独立に決定されるので、位相差の誤差成分は周波数決定の誤差成分に影響されない、すなわち、位相差測定値に混合される誤差が存在しない。その結果、位相差誤差は従来技術の位相差と比べて減少する。
【００６０】
周波数ルーチン２１６は、第１の９０°位相変位２１３及び第２の９０°位相変位２１４から（第１センサ信号２１０又は第２センサ信号２１１によって示されるような）周波数を決定する。決定された周波数は、先に説明したように、記憶システム２０４の周波数２２１に記憶されることができる。周波数は、第１及び第２の９０°位相変位から決定されるとき、従来技術よりずっと速く計算され、取得されることができる。これは、流量が大きい流量計用途や多相流が起こる流量計用途において決定的な相違を提供することができる。
【００６１】
時間差（Δｔ）ルーチン２１７は第１センサ信号２１０と第２センサ信号２１１との間の時間差（Δｔ）を決定する。時間差（Δｔ）は、先に説明したように、記憶システム２０４の時間差（Δｔ）２２２に記憶されることができる。時間差（Δｔ）は、実質的には、決定された位相を決定された周波数で割った値を含むので、質量流量を決定するのに使用される。
【００６２】
流れ特性ルーチン２１８は、先に説明したように、質量流量、密度及び／又は体積流量のうちの１つ又は複数を決定することができる。
図５は、本発明の実施の形態に係る流量計において第１センサ信号及び第２センサ信号を処理する方法のフローチャート５００である。ステップ５０１にて、第１センサ信号が受け取られる。一つの実施の形態では、第１センサ信号は上流側又は下流側のピックオフセンサ信号を含む。
【００６３】
ステップ５０２において、第２センサ信号が受け取られる。一つの実施の形態では、第２センサ信号は下流側又は上流側のピックオフセンサ信号（すなわち、第１センサ信号の逆）を含む。
【００６４】
ステップ５０３において、センサ信号を調節することができる。一つの実施の形態では、調節は雑音や不要の信号を除去するためのフィルタリングを含むことができる。一つの実施の形態では、フィルタリングは、先に説明したように、バンドパスフィルタリングを含むことができる。更に、増幅、バッファリングなどのような他の調節動作を実施することができる。センサ信号がアナログ信号を含む場合、ステップは、更に、デジタルセンサ信号を生成するために実施されるサンプリング、デジタル化及びデシメーションの任意の様式を含むことができる。
【００６５】
ステップ５０４において、第１の９０°位相変位が生成される。第１の９０°位相変位は第１センサ信号の９０°位相変位を含む。９０°位相変位は任意の様式の機構又は操作によって実施されることができる。一つの実施の形態では、９０°位相変位は、デジタルセンサ信号上で動作するヒルベルト変換を使用して実施される。
【００６６】
ステップ５０５にて、第２の９０°位相変位が生成される。第２の９０°位相変位は第２センサ信号の９０°位相変位を含む。第１の９０°位相変位と同様に、９０°位相変位は任意の様式の機構又は操作によって実施されることができる。
【００６７】
ステップ５０６にて、第１センサ信号と第２センサ信号との間の位相差が、第１の９０°位相変位及び第２の９０°位相変位を使用して計算される。位相差を計算するために、更なる情報も使用することができる。一つの実施の形態では、位相差は第１センサ信号、第２センサ信号、第１の９０°位相変位及び第２の９０°位相変位から決定される。位相差は、振動計器組立体１０におけるコリオリ効果に起因して生じる応答信号すなわち２つのピックオフセンサの位相差を含む。
【００６８】
その結果の位相差は計算に周波数値を必要とすることなく決定される。その結果の位相差は、周波数を使用して計算される位相差よりずっと速く取得することができる。その結果の位相差は、周波数を使用して計算される位相差より高い精度を有する。
【００６９】
ステップ５０７において、周波数が計算される。本発明による周波数は、有利なことに、第１の９０°位相変位及び第２の９０°位相変位から計算される。一つの実施の形態における周波数は、９０°位相変位と９０°位相変位を導出する対応のセンサ信号とを使用する。周波数は第１センサ信号又は第２センサ信号の振動応答周波数である（２つのセンサ信号の周波数は動作時には実質的に同じである）。周波数は、駆動装置１８０によって生成される振動に対する１つ又は複数の流管の振動周波数応答を含む。
【００７０】
こうして導出された周波数は、独立の周波数基準信号を必要とすることなく取得される。周波数は動作時に９０°位相変位から取得されるが、これは従来技術よりずっと速い。その結果の周波数は、従来技術で計算される周波数より高い精度を有する。
【００７１】
ステップ５０８において、流動材料の質量流量が計算される。質量流量は、ステップ５０６で計算された結果の位相差とステップ５０７で計算された結果の周波数とから計算される。更に、質量流量計算により位相差と周波数から時間差（Δｔ）を計算することができ、時間差（Δｔ）は質量流量を計算するのに最終的に使用される。
【００７２】
ステップ５０９において、オプションとして、先に説明したように密度を決定することができる。ステップ５１０において、オプションとして、先に説明したように体積流量を決定することができる。
【００７３】
図６は、本発明の実施の形態に係る処理システム２０３の一部分のブロック図６００である。図では、ブロックは処理回路要素又は処理動作／ルーチンを表す。ブロック図６００は第１段フィルタブロック６０１、第２段フィルタブロック６０２、ヒルベルト変換ブロック６０３及び解析ブロック６０４を含む。ＬＰＯ入力は左ピックオフ信号入力を含み、ＲＰＯ入力は右ピックオフ信号入力を含む。ＬＰＯ又はＲＰＯは第１センサ信号を構成することができる。
【００７４】
一つの実施の形態においては、第１段フィルタブロック６０１及び第２段フィルタブロック６０２は、処理システム２０３で実施されるデジタル有限インパルス応答（ＦＩＲ）多相デシメーションフィルタを備える。これらのフィルタは一方又は両方のセンサ信号をフィルタリングしてデシメーションする最適な方法を提供するが、フィルタリング及びデシメーションは同じ時系列的時刻且つ同じデシメーション率で実施される。あるいは、第１段フィルタブロック６０１及び第２段フィルタブロック６０２は、無限インパルス応答（ＩＩＲ）フィルタその他の適宜のデジタルフィルタあるいはフィルタプロセスを含むことができる。しかし、理解されるように、他のフィルタリングプロセス及び／又はフィルタリングの実施の形態が想定され、これは説明及び特許請求の範囲内に入る。
【００７５】
図７は、本発明の実施の形態に係るヒルベルト変換ブロック６０３の詳細を示す。図示する実施の形態では、ヒルベルト変換ブロック６０３はＬＰＯ分岐７００とＲＰＯ分岐７１０を含む。ＬＰＯ分岐７００はＬＰＯフィルタブロック７０２と並列のＬＰＯ遅延ブロック７０１を含む。同様に、ＲＰＯ分岐はＲＰＯフィルタブロック７１２と並列のＲＰＯ遅延ブロック７１１を含む。ＬＰＯ遅延ブロック７０１及びＲＰＯ遅延ブロック７１１はサンプリング遅延を導入する。したがって、ＬＰＯ遅延ブロック７０１及びＲＰＯ遅延ブロック７１１は、ＬＰＯフィルタブロック７０２及びＲＰＯフィルタブロック７１２によってフィルタリングされたＬＰＯデジタル信号サンプル及びＲＰＯデジタル信号サンプルよりも時間的に遅いＬＰＯデジタル信号サンプル及びＲＰＯデジタル信号サンプルを選択する。ＬＰＯフィルタブロック７０２及びＲＰＯフィルタブロック７１２は、入力されるデジタル信号サンプルに９０°位相変位を実施する。
【００７６】
ヒルベルト変換ブロック６０３は位相測定を提供する最初のステップである。ヒルベルト変換ブロック６０３は、フィルタリングされてデシメーションされたＬＰＯ信号及びＲＰＯ信号を受け取ってヒルベルト変換を実施する。ヒルベルト変換はＬＰＯ信号及びＲＰＯ信号の９０°位相変位した信号を生成する。すなわち、ヒルベルト変換は元の同相（Ｉ）信号成分の直交（Ｑ）成分を生成する。したがって、ヒルベルト変換ブロック６０３の出力は、元の同相（Ｉ）信号成分ＬＰＯＩ及びＲＰＯＩと共に、新しい直交（Ｑ）成分ＬＰＯＱ及びＲＰＯＱを提供する。
【００７７】
ヒルベルト変換ブロック６０３への入力は
【００７８】
【数１】
【００７９】
として表すことができる。
ヒルベルト変換を使用すると、出力は
【００８０】
【数２】
【００８１】
となる。
元の項をヒルベルト変換の出力と組み合わせることによって、
【００８２】
【数３】
【００８３】
が得られる。
図８及び図９は、本発明の実施の形態に係る解析ブロック６０４の２つの独立した分岐のブロック図である。解析ブロック６０４は周波数、位相差、デルタＴ（Δｔ）の測定の最終段である。図８は、同相（Ｉ）成分及び直交（Ｑ）成分から位相差を決定する第１分岐を備える位相部６０４ａである。図９は、単一のセンサ信号の同相（Ｉ）成分及び直交（Ｑ）成分から周波数を決定する周波数部６０４ｂである。単一のセンサ信号は図示のようにＬＰＯ信号を含むことができ、代わりにＲＰＯ信号を含むことができる。
【００８４】
図８の実施の形態においては、解析ブロック６０４の位相部６０４ａは結合ブロック８０１ａ及び８０１ｂ、共役ブロック８０２、複素乗算ブロック８０３、フィルタブロック８０４及び位相角ブロック８０５を含む。
【００８５】
結合ブロック８０１ａ及び８０１ｂは、センサ信号の同相（Ｉ）成分と直交（Ｑ）成分を受け取り、それらの成分を伝える。共役ブロック８０２はセンサ信号（ここではＬＰＯ信号）に複素共役化を実施し、虚数信号の負数を形成する。複素乗算ブロック８０３はＲＰＯ信号とＬＰＯ信号とを乗算し、以下の式（８）を実施する。フィルタブロック８０４は先に説明したＦＩＲフィルタなどのデジタルフィルタを実施する。フィルタブロック８０４は、センサ信号の同相（Ｉ）成分及び直交（Ｑ）成分から高調波部分を除去すると共に信号をデシメーションするのに使用される多相デシメーションフィルタを備えることができる。フィルタ係数は、例えば率１０のデシメーションなどの、入力信号のデシメーションを実現するように選択されることができる。位相角ブロック８０５はＬＰＯ信号及びＲＰＯ信号の同相（Ｉ）成分及び直交（Ｑ）成分からの位相角を決定する。位相角ブロック８０５は以下に示す式（１１）を実施する。
【００８６】
図８に示す位相部６０４ａは、以下の式、すなわち、
【００８７】
【数４】
【００８８】
を実施する。ここで、
【００８９】
【数５】
【００９０】
はＬＰＯの複素共役である。
【００９１】
【数６】
【００９２】
と仮定すると、
【００９３】
【数７】
【００９４】
となる。
その結果の差動位相角は、
【００９５】
【数８】
【００９６】
となる。
図９は、本発明に係る解析ブロック６０４の周波数部６０４ｂのブロック図である。周波数部６０４ｂは左右いずれかのピックオフ信号（ＬＰＯ又はＲＰＯ）に対して作用することができる。図示する実施の形態の周波数部６０４ｂは結合ブロック９０１、複素共役ブロック９０２、サンプリングブロック９０３、複素乗算ブロック９０４、フィルタブロック９０５、位相角ブロック９０６、定数ブロック９０７及び除算ブロック９０８を含む。
【００９７】
先に説明したように、結合ブロック９０１はセンサ信号の同相（Ｉ）成分と直交（Ｑ）成分とを受け取り、それらの成分を伝える。共役ブロック９０２はセンサ信号（ここではＬＰＯ信号）の複素共役化を実施し、虚数信号の負数を形成する。遅延ブロック９０３は周波数部６０４ｂにサンプリング遅延を導入するので、時系列的に古いデジタル信号サンプルを選択する。この古い方のデジタル信号サンプルは、複素乗算ブロック９０４においてそのときのデジタル信号と乗算される。複素乗算ブロック９０４はＬＰＯ信号とＬＰＯ共役信号とを乗算し、以下の式（１２）を実施する。フィルタブロック９０５は先に説明したＦＩＲフィルタなどのデジタルフィルタを実施する。フィルタブロック９０５は、センサ信号の同相（Ｉ）成分及び直交（Ｑ）成分から高調波部分を除去すると共に信号をデシメーションするのに使用される多相デシメーションフィルタを備えることができる。フィルタ係数は、例えば率１０のデシメーションなどの、入力信号のデシメーションを実現するように選択されることができる。位相角ブロック９０６はＬＰＯ信号の同相（Ｉ）成分及び直交（Ｑ）成分から位相角を決定する。位相角ブロック９０６は以下の式（１３）の一部分を実施する。定数ブロック９０７は、式（１４）に示すように、サンプルレートＦｓを２πで割った値を含む係数を供給する。除算ブロック９０８は式（１４）の除算を実施する。
【００９８】
周波数部６０４ｂは、以下の式、すなわち、
【００９９】
【数９】
【０１００】
を実施する。したがって、２つの連続するサンプル間の角度は、
【０１０１】
【数１０】
【０１０２】
であり、これは左ピックオフのラジアン周波数である。Ｈｚに変換すると、
【０１０３】
【数１１】
【０１０４】
となる。ここで、「Ｆｓ」はヒルベルト変換ブロック６０３の率である。先に説明した例では、「Ｆｓ」は約２ｋＨｚである。
図１０は、正常な状態での流量計のピックオフセンサ信号の電力スペクトル密度のプロットである。流量計の基本周波数はグラフの最も高いスパイクであり、約１３５Ｈｚに位置する。また、図は周波数スペクトル内の幾つかの他の大きなスパイクをも示している（第１の非基本モードは基本モードの周波数の約１．５倍の周波数の捻れモードである）。これらのスパイクは流量計の高調波周波数を含み、他の望ましくないセンサモード（すなわち、捻れモード、第２曲げモードなど）をも含んでいる。
【０１０５】
図１１は、単一の位相変位の実施の形態に係る代替のヒルベルト変換ブロック６０３’を示している。この実施の形態のヒルベルト変換ブロック６０３’はＬＰＯ分岐１１００及びＲＰＯ分岐１１１０を含む。ＬＰＯ分岐１１００はフィルタブロック７０２と並列の遅延ブロック７０１を含む。この実施の形態のＲＰＯ分岐１１１０は遅延ブロック７０１のみを含む。前と同様に、遅延ブロック７０１はサンプリング遅延を導入する。前と同様に、フィルタブロック７０２は、入力されるデジタル信号サンプルに９０°位相変位を実施する。理解されるように、代わりに、ヒルベルト変換ブロック６０３’はＲＰＯ信号のみを位相変位させることができる。
【０１０６】
この処理の実施の形態は、周波数と位相差を導出するために唯一つのセンサ信号のヒルベルト変換／位相変位を使用する（図２〜３を参照されたい）。これは、位相測定を実施するのに必要とされる計算回数を大幅に低減し、質量流量を得るのに必要とされる計算回数を大幅に低減する。
【０１０７】
この実施の形態においては、ヒルベルト変換ブロック６０３’の出力は（両方ではなく）左又は右のセンサ信号の直交（Ｑ）成分を提供する。以下の例、すなわち
【０１０８】
【数１２】
【０１０９】
では、ＬＰＯ信号が位相変位される。ヒルベルト変換を使用すると、出力は
【０１１０】
【数１３】
【０１１１】
となる。ＬＰＯの元の項をヒルベルト変換の出力（すなわち、９０°位相変位）と組み合わせることによって、
【０１１２】
【数１４】
【０１１３】
が得られ、ＲＰＯは同じままである。すなわち、
【０１１４】
【数１５】
【０１１５】
である。
図１２は、単一の位相変位の実施の形態に対する解析ブロック６０４ａ’を示す。この実施の形態の解析ブロック６０４ａ’は１つの結合ブロック８０１、複素乗算ブロック８０３、ローパスフィルタブロック１２０１及び位相角ブロック８０５を含む。この実施の形態の解析ブロック６０４ａ’は、以下の式、すなわち、
【０１１６】
【数１６】
【０１１７】
を実施する。
ローパスフィルタブロック１２０１は、複素乗算ブロック８０３によって生成された高周波成分を除去するローパスフィルタを備える。ローパスフィルタブロック１２０１は任意の様式のローパスフィルタリング処理を実施することができる。乗算演算の結果は２つの項を生成する。（−ωｔ＋ωｔ＋φ）の項は組み合わされ、位相だけの項φ（ＤＣの結果）に簡略化される。これは（−ωｔ）項と（ωｔ）項が互いに相殺されるためである。（ωｔ＋ωｔ＋φ）は２倍の周波数の（２ωｔ＋φ）の項に簡略化される。その結果は２つの項の和であるため、高い周波数の（２ωｔ＋φ）の項を除去することができる。ここで対象となる唯一の信号はＤＣ項である。高い周波数の（２ωｔ＋φ）の項は、ローパスフィルタを使用して、結果から除去されることができる。ローパスフィルタのカットオフは、ゼロと２ωとの間のいずれかに位置することができる。
【０１１８】
フィルタリング後、その結果は
【０１１９】
【数１７】
【０１２０】
となる。したがって、差動位相角は
【０１２１】
【数１８】
【０１２２】
である。
２つのピックオフ信号の代わりに１つのピックオフ信号のヒルベルト変換を行うことによって、有利なことに、コリオリ質量流量計において位相及び周波数の推定を実施するのに必要とされる計算負荷が減少する。したがって、２つのセンサ信号を使用するが唯一つの９０°位相変位を使用して、位相及び周波数を決定することができる。
【０１２３】
図１３は、従来技術と比較しての本発明のセンサ処理を示しており、それぞれの時間差（Δｔ）値が比較される。グラフは気体流（すなわち、例えば気泡）を含む流動材料を示している。この条件下では、位相及び周波数の計算の率の故に、新しいアルゴリズムにおいて実質的に流れ雑音が低減される。グラフからわかるように、本発明によって導出された結果は、従来技術の（Δｔ）測定値において反映される大きなピーク及び谷を示さない。
【０１２４】
本発明は従来技術と異なる。第１に、典型的には、従来技術は、振動応答周波数を決定するために、駆動システムに送出される駆動装置信号などの独立した周波数源とピックオフ信号とを使用してピックオフ周波数を決定する。対照的に、本発明は２つのセンサ信号のうちの一方の信号の位相を変位させることによって周波数を決定する。従来技術はセンサ信号の位相変位から振動応答周波数を決定してはいない。
【０１２５】
第２に、ほとんどの従来技術の流量計は、従来技術の周波数決定を使用してピックオフ信号間の位相差を決定する。結果として、従来技術の周波数決定に含まれる誤差は従来技術の位相差決定に含まれることになり、従来技術の質量流量決定における全体の誤差を増大させる。対照的に、本発明は、いかなる周波数決定も使用することなく、１つ又は２つの位相変位したセンサ信号から直接に位相差を決定する。その結果、誤差項は位相差決定の位相操作及び位相測定だけの結果であり、周波数決定誤差による影響を受けない。
【０１２６】
第３に、従来技術は、独立に決定された外部周波数を使用して質量流量を決定する。典型的には、従来技術は、独立に決定された外部周波数を使用して得られた位相差も使用する。その結果、従来技術においては、質量流量は周波数決定における誤差によって２回影響を受ける可能性があり、したがって、満足がいくほどに正確で信頼性があるものではない。対照的に、本発明においては、周波数決定及び位相差決定は独立に導出される。したがって、本発明の周波数決定及び位相差決定は、ずっと小さい誤差成分を含む。その結果、本発明の計器電子回路及び方法を使用すると、質量流量決定における誤差量が著しく低減される。したがって、本発明による密度及び体積流量も精度及び信頼性が改善される。
【０１２７】
第４に、従来技術の周波数決定は比較的長い時間を要する。流動材料が、固体及び／又は気体（気泡など）を含有する液体のような２相流又は３相流を含む状況では、従来技術の周波数決定は、安定し且つ比較的正確な周波数測定を行うのに１〜２秒程度を要し得る。対照的に、本発明による周波数及び位相差決定はずっと速く、例えばミリ秒又は数百ミリ秒程度で取得することができる。周波数及び位相差から導出される全ての流れ特性も、ずっと短い時間で得ることができる。
【０１２８】
本発明に係る、センサ信号を処理する計器電子回路及び方法は、所望ならば若干の利点を得るように任意の実施の形態に従って実施されることができる。本発明は２つの位相変位したセンサ信号から位相差を計算することができる。本発明は精度及び信頼性が一層高い位相差決定を提供することができる。本発明は、少ない処理時間を消費しながら、従来技術よりも速く位相差決定を提供することができる。
【０１２９】
本発明は、位相変位した唯一つのセンサ信号から周波数を計算することができる。本発明は精度及び信頼性が一層高い周波数決定を提供することができる。本発明は、少ない処理時間を消費しながら、従来技術より速く周波数決定を提供することができる。
【０１３０】
本発明は、一つ又は二つのセンサ信号から、中でも質量流量、密度及び／又は体積流量を計算することができる。本発明は精度及び信頼性が一層高い質量流量決定を提供することができる。本発明は、少ない処理時間を消費しながら、従来技術よりも速く質量流量決定を提供することができる。したがって、本発明は、空気含有条件、空−充満−空条件、気体用途及び定常状態の条件に対して実質的に一層良好な性能を提供する。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１ピックオフセンサ（１７０Ｌ）から第１ピックオフセンサ信号を、第２ピックオフセンサ（１７０Ｒ）から第２ピックオフセンサ信号をそれぞれ受け取るインタフェース（２０１）と、
前記インタフェース（２０１）と通信する処理システム（２０３）と
を備え、振動型流量計においてピックオフセンサ信号を処理する計器電子回路（２０）であって、
前記処理システム（２０３）が、前記第１ピックオフセンサ信号から９０°位相変位を生成し、前記第１ピックオフセンサ信号及び前記９０°位相変位から、前記振動型流量計の振動周波数を含む周波数を計算するように構成される
ことを特徴とする計器電子回路（２０）。
【請求項２】
第１ピックオフセンサ（１７０Ｌ）から第１ピックオフセンサ信号を、第２ピックオフセンサ（１７０Ｒ）から第２ピックオフセンサ信号をそれぞれ受け取るインタフェース（２０１）と、前記インタフェース（２０１）と通信する処理システム（２０３）とを備え、振動型流量計においてピックオフセンサ信号を処理する計器電子回路（２０）であって、
前記処理システム（２０３）が、前記第１ピックオフセンサ信号から第１の９０°位相変位を生成し、前記第１ピックオフセンサ信号及び前記第１の９０°位相変位から、前記振動型流量計の振動周波数を含む周波数を計算し、前記第１ピックオフセンサ信号、前記第１の９０°位相変位及び前記第２ピックオフセンサ信号から、前記振動型流量計の前記第１ピックオフセンサ信号と前記第２ピックオフセンサ信号との間の位相差を計算するように構成される
ことを特徴とする計器電子回路（２０）。
【請求項３】
第１ピックオフセンサ信号及び第２ピックオフセンサ信号を受け取るステップを含み、振動型流量計においてピックオフセンサ信号を処理する方法であって、
前記第１ピックオフセンサ信号から９０°位相変位を生成するステップと、
前記第１ピックオフセンサ信号及び前記９０°位相変位から、前記振動型流量計の振動周波数を含む周波数を計算するステップと、
を備えることを特徴とする方法。
【請求項４】
第１ピックオフセンサ信号及び第２ピックオフセンサ信号を受け取るステップを含み、振動型流量計においてピックオフセンサ信号を処理する方法であって、
前記第１ピックオフセンサ信号から９０°位相変位を生成するステップと、
前記第１ピックオフセンサ信号及び前記９０°位相変位から、前記振動型流量計の振動周波数を含む周波数を計算するステップと、
前記第１ピックオフセンサ信号、前記９０°位相変位及び前記第２ピックオフセンサ信号から、前記振動型流量計の前記第１ピックオフセンサ信号と前記第２ピックオフセンサ信号との間の位相差を計算するステップと、
を備えることを特徴とする方法。
【請求項５】
第１ピックオフセンサ信号及び第２ピックオフセンサ信号を受け取るステップを含み、振動型流量計においてピックオフセンサ信号を処理する方法であって、
前記第１ピックオフセンサ信号から９０°位相変位を生成するステップと、
前記第１ピックオフセンサ信号、前記９０°位相変位及び前記第２ピックオフセンサ信号から、前記振動型流量計の前記第１ピックオフセンサ信号と前記第２ピックオフセンサ信号との間の位相差を計算するステップと、
前記第１ピックオフセンサ信号及び前記９０°位相変位から、前記振動型流量計の振動周波数を含む周波数を計算するステップと、
前記位相差を用いての質量流量の計算、前記周波数を用いての密度の計算、又は、前記密度と前記質量流量とを用いての体積流量の計算のうちの１つ又は複数を行うステップと、
を備えることを特徴とする方法。
【請求項６】
第１ピックオフセンサ信号及び第２ピックオフセンサ信号を受け取るステップを含み、振動型流量計においてピックオフセンサ信号を処理する方法であって、
前記第１ピックオフセンサ信号から第１の９０°位相変位を生成し、前記第２ピックオフセンサ信号から第２の９０°位相変位を生成するステップと、
前記第１ピックオフセンサ信号及び前記第１の９０°位相変位から、前記振動型流量計の振動周波数を含む周波数を計算するステップ、又は、前記第２ピックオフセンサ信号及び前記第２の９０°位相変位から前記周波数を計算するステップと、
を備えることを特徴とする方法。
【請求項７】
第１ピックオフセンサ信号及び第２ピックオフセンサ信号を受け取るステップを含み、振動型流量計においてピックオフセンサ信号を処理する方法であって、
前記第１ピックオフセンサ信号から第１の９０°位相変位を生成し、前記第２ピックオフセンサ信号から第２の９０°位相変位を生成するステップと、
前記第１ピックオフセンサ信号及び前記第１の９０°位相変位から、前記振動型流量計の振動周波数を含む周波数を計算するステップ、又は前記第２ピックオフセンサ信号及び前記第２の９０°位相変位から前記周波数を計算するステップと、
前記位相差を用いての質量流量の計算、前記周波数を用いての密度の計算、又は、前記密度と前記質量流量とを用いての体積流量の計算のうちの１つ又は複数を行うステップと、
を備えることを特徴とする方法。
【請求項８】
第１センサ信号及び第２センサ信号を受け取るステップを含み、流量計においてセンサ信号を処理する方法であって、
前記第１ピックオフセンサ信号から第１の９０°位相変位を生成し、前記第２ピックオフセンサ信号から第２の９０°位相変位を生成するステップと、
前記第１ピックオフセンサ信号及び前記第１の９０°位相変位から、前記振動型流量計の振動周波数を含む周波数を計算するステップ、又は、前記第２ピックオフセンサ信号及び前記第２の９０°位相変位から前記周波数を計算するステップと、
前記第１ピックオフセンサ信号、前記第１の９０°位相変位及び前記第２ピックオフセンサ信号から、前記振動型流量計の前記第１ピックオフセンサ信号と前記第２ピックオフセンサ信号との間の位相差を計算するステップ、又は前記第１ピックオフセンサ信号、前記第２ピックオフセンサ信号及び前記第２の９０°位相変位から前記位相差を計算するステップと、
前記位相差を用いての質量流量の計算、前記周波数を用いての密度の計算、又は、前記密度と前記質量流量とを用いての体積流量の計算のうちの１つ又は複数を行うステップと、
を備えることを特徴とする方法。
【請求項１】
第１ピックオフセンサ（１７０Ｌ）から第１ピックオフセンサ信号を、第２ピックオフセンサ（１７０Ｒ）から第２ピックオフセンサ信号をそれぞれ受け取るインタフェース（２０１）と、
前記インタフェース（２０１）と通信する処理システム（２０３）と
を備え、振動型流量計においてピックオフセンサ信号を処理する計器電子回路（２０）であって、
前記処理システム（２０３）が、前記第１ピックオフセンサ信号から９０°位相変位を生成し、前記第１ピックオフセンサ信号及び前記９０°位相変位から、前記振動型流量計の振動周波数を含む周波数を計算するように構成される
ことを特徴とする計器電子回路（２０）。
【請求項２】
第１ピックオフセンサ（１７０Ｌ）から第１ピックオフセンサ信号を、第２ピックオフセンサ（１７０Ｒ）から第２ピックオフセンサ信号をそれぞれ受け取るインタフェース（２０１）と、前記インタフェース（２０１）と通信する処理システム（２０３）とを備え、振動型流量計においてピックオフセンサ信号を処理する計器電子回路（２０）であって、
前記処理システム（２０３）が、前記第１ピックオフセンサ信号から第１の９０°位相変位を生成し、前記第１ピックオフセンサ信号及び前記第１の９０°位相変位から、前記振動型流量計の振動周波数を含む周波数を計算し、前記第１ピックオフセンサ信号、前記第１の９０°位相変位及び前記第２ピックオフセンサ信号から、前記振動型流量計の前記第１ピックオフセンサ信号と前記第２ピックオフセンサ信号との間の位相差を計算するように構成される
ことを特徴とする計器電子回路（２０）。
【請求項３】
第１ピックオフセンサ信号及び第２ピックオフセンサ信号を受け取るステップを含み、振動型流量計においてピックオフセンサ信号を処理する方法であって、
前記第１ピックオフセンサ信号から９０°位相変位を生成するステップと、
前記第１ピックオフセンサ信号及び前記９０°位相変位から、前記振動型流量計の振動周波数を含む周波数を計算するステップと、
を備えることを特徴とする方法。
【請求項４】
第１ピックオフセンサ信号及び第２ピックオフセンサ信号を受け取るステップを含み、振動型流量計においてピックオフセンサ信号を処理する方法であって、
前記第１ピックオフセンサ信号から９０°位相変位を生成するステップと、
前記第１ピックオフセンサ信号及び前記９０°位相変位から、前記振動型流量計の振動周波数を含む周波数を計算するステップと、
前記第１ピックオフセンサ信号、前記９０°位相変位及び前記第２ピックオフセンサ信号から、前記振動型流量計の前記第１ピックオフセンサ信号と前記第２ピックオフセンサ信号との間の位相差を計算するステップと、
を備えることを特徴とする方法。
【請求項５】
第１ピックオフセンサ信号及び第２ピックオフセンサ信号を受け取るステップを含み、振動型流量計においてピックオフセンサ信号を処理する方法であって、
前記第１ピックオフセンサ信号から９０°位相変位を生成するステップと、
前記第１ピックオフセンサ信号、前記９０°位相変位及び前記第２ピックオフセンサ信号から、前記振動型流量計の前記第１ピックオフセンサ信号と前記第２ピックオフセンサ信号との間の位相差を計算するステップと、
前記第１ピックオフセンサ信号及び前記９０°位相変位から、前記振動型流量計の振動周波数を含む周波数を計算するステップと、
前記位相差を用いての質量流量の計算、前記周波数を用いての密度の計算、又は、前記密度と前記質量流量とを用いての体積流量の計算のうちの１つ又は複数を行うステップと、
を備えることを特徴とする方法。
【請求項６】
第１ピックオフセンサ信号及び第２ピックオフセンサ信号を受け取るステップを含み、振動型流量計においてピックオフセンサ信号を処理する方法であって、
前記第１ピックオフセンサ信号から第１の９０°位相変位を生成し、前記第２ピックオフセンサ信号から第２の９０°位相変位を生成するステップと、
前記第１ピックオフセンサ信号及び前記第１の９０°位相変位から、前記振動型流量計の振動周波数を含む周波数を計算するステップ、又は、前記第２ピックオフセンサ信号及び前記第２の９０°位相変位から前記周波数を計算するステップと、
を備えることを特徴とする方法。
【請求項７】
第１ピックオフセンサ信号及び第２ピックオフセンサ信号を受け取るステップを含み、振動型流量計においてピックオフセンサ信号を処理する方法であって、
前記第１ピックオフセンサ信号から第１の９０°位相変位を生成し、前記第２ピックオフセンサ信号から第２の９０°位相変位を生成するステップと、
前記第１ピックオフセンサ信号及び前記第１の９０°位相変位から、前記振動型流量計の振動周波数を含む周波数を計算するステップ、又は前記第２ピックオフセンサ信号及び前記第２の９０°位相変位から前記周波数を計算するステップと、
前記位相差を用いての質量流量の計算、前記周波数を用いての密度の計算、又は、前記密度と前記質量流量とを用いての体積流量の計算のうちの１つ又は複数を行うステップと、
を備えることを特徴とする方法。
【請求項８】
第１センサ信号及び第２センサ信号を受け取るステップを含み、流量計においてセンサ信号を処理する方法であって、
前記第１ピックオフセンサ信号から第１の９０°位相変位を生成し、前記第２ピックオフセンサ信号から第２の９０°位相変位を生成するステップと、
前記第１ピックオフセンサ信号及び前記第１の９０°位相変位から、前記振動型流量計の振動周波数を含む周波数を計算するステップ、又は、前記第２ピックオフセンサ信号及び前記第２の９０°位相変位から前記周波数を計算するステップと、
前記第１ピックオフセンサ信号、前記第１の９０°位相変位及び前記第２ピックオフセンサ信号から、前記振動型流量計の前記第１ピックオフセンサ信号と前記第２ピックオフセンサ信号との間の位相差を計算するステップ、又は前記第１ピックオフセンサ信号、前記第２ピックオフセンサ信号及び前記第２の９０°位相変位から前記位相差を計算するステップと、
前記位相差を用いての質量流量の計算、前記周波数を用いての密度の計算、又は、前記密度と前記質量流量とを用いての体積流量の計算のうちの１つ又は複数を行うステップと、
を備えることを特徴とする方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１２−２０８１３１（Ｐ２０１２−２０８１３１Ａ）
【公開日】平成２４年１０月２５日（２０１２．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１６８７０５（Ｐ２０１２−１６８７０５）
【出願日】平成２４年７月３０日（２０１２．７．３０）
【分割の表示】特願２００７−５４９３９０（Ｐ２００７−５４９３９０）の分割
【原出願日】平成１７年１２月５日（２００５．１２．５）
【出願人】（５９２２２５５０４）マイクロ・モーション・インコーポレーテッド (95)
【氏名又は名称原語表記】Ｍｉｃｒｏ Ｍｏｔｉｏｎ Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月２５日（２０１２．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年７月３０日（２０１２．７．３０）
【分割の表示】特願２００７−５４９３９０（Ｐ２００７−５４９３９０）の分割
【原出願日】平成１７年１２月５日（２００５．１２．５）
【出願人】（５９２２２５５０４）マイクロ・モーション・インコーポレーテッド (95)
【氏名又は名称原語表記】Ｍｉｃｒｏ Ｍｏｔｉｏｎ Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ
【Ｆターム（参考）】
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