測定装置の共振回路

本発明は、物体を振動させて測定対象物の物理量を測定する測定装置の共振回路に関する。

測定対象物や測定子等の物体を振動させて物理量を測定する測定装置として、コリオリ質量流量計が知られている。コリオリ質量流量計は、被測定流体が流れる測定チューブをその両端を支点として上下振動させたときに働くコリオリ力を利用した計測器であり、固有周波数で振動する測定チューブの上流と下流との位相差に基づいて被測定流体の質量流量を測定する。コリオリ質量流量計では、測定チューブの振動周波数を測定することで、測定チューブ内を流れる被測定流体の密度も計測することができる。

特許文献1に示されているように、口径ごとに共振振動の振幅を制御することは有益である。しかし、アナログ回路によって特許文献1に示されるような回路を構築すると、フィルタを構成するためのオペアンプやアナログスイッチ、演算抵抗、コンデンサなど、部品点数が多くなり、基板面積が大きく、また高価になってしまうという問題がある。これに対しデジタル信号処理とすることにより、ゲートアレイ、DSP(Digital Signal Processor)などの集積化したICを使用することができ、基板面積の削減と低価格化を図ることができる。

高精度な測定が要求されるコリオリ質量流量計では、共振回路をデジタル回路で構成する場合、共振回路に入力するデジタル信号を生成する際に、高精度なΔΣ方式のADコンバータのICを用いることがある。

一般に、ΔΣ方式のADコンバータICには、ΔΣ変調器とデジタルローパスフィルタ(LPF)とが内蔵されており、このLPFが処理を行なう際に遅延が生じる。したがって共振による励振を行なおうとした際に位相ずれが生じ、振動制御の精度が低下し、ひいては測定の精度が低下してしまうという問題があった。

この問題を解決するために、特許文献2には、デジタル信号処理を行ないながらも遅延の少ない高精度で安定した共振回路を備えたコリオリ質量流量計が開示されている。

図9は、特許文献2に記載された従来のコリオリ質量流量計の要部構成を示すブロック図である。検出器510には、被測定流体が流れるU字管あるいは直管の測定チューブ(不図示)の上流側と下流側の変位を測定する第1センサ512と第2センサ514、駆動コイル等で構成される加振器516が備えられている。

第1センサ512、第2センサ514から出力された一対のアナログ変位信号は、それぞれ第1ΔΣ変調器520および第2ΔΣ変調器522によってΔΣ変調されて1ビットのパルス密度信号になる。

これらのパルス密度信号は、それぞれ第1LPF524および第2LPF526によって多ビット信号(普通のデジタルデータ)に変換される。2つの多ビット信号は信号演算処理部528へと送られ、既知の手法により質量流量と密度が演算される。

第1ΔΣ変調器520と第1LPF524および第2ΔΣ変調器522と第2LPF526でそれぞれΔΣ方式のADコンバータを構成し、第1LPF524および第2LPF526で遅延が生じる。

励振回路530は加振器516を駆動させて測定チューブを励振するための回路である。励振回路530は、第1ΔΣ変調器520が出力するパルス密度信号と、第1LPF524が出力する多ビット信号によって動作する。

励振回路530は、センサの出力信号に基づいて励振信号を生成する共振回路532と、励振信号を増幅して加振器516に帰還させる駆動出力部534を含んでいる。

共振回路532では、第1ΔΣ変調器520が出力したパルス密度信号のパルス高さ(レベル)を乗算器540によって増幅する。乗算器540における増幅率は、測定チューブの振幅に応じて定められる。すなわち、振動の振幅が目標値よりも小さいほど増幅率は大きく設定され、振幅が目標値に近づくと増幅率の設定は0に近づく。

具体的には、第1HPF542が、第1LPF524の出力する多ビット信号から直流信号(オフセット信号)をカットして測定チューブの振動に対応する交流信号を取り出す。そして、増幅率制御部544が、この信号に基づいて比例制御を行ない、測定チューブの振幅が目標値で安定するように乗算器540の増幅率を設定する。

図10は、増幅率制御部544の構成を示すブロック図である。増幅率制御部544では、整流を行なう絶対値回路560によって第1HPF542から出力された測定チューブの振動に対応する交流信号の絶対値を取る。さらに、第4LPF562によって高周波をカットして平滑化する。これにより、測定チューブの振幅に対応する直流信号である振幅信号が得られる。

そして、減算器564によって、振幅信号と振幅の目標値との差分値を算出する。この差分値を可変増幅器566によって増幅して、乗算器540に対する増幅率とする。

すなわち、振幅信号が目標値より小さいときは増幅率制御部544の出力が大きくなり、共振回路532の利得が大きくなる。一方、振幅信号が目標値に近づくと増幅率制御部544の出力が0に近づき、共振回路532の利得が小さくなるという比例制御を行なっている。

なお、レジスタ568は、第4LPF562で用いるカットオフ周波数、減算器564で用いる目標値、可変増幅器566で用いる増幅率(比例ゲイン)を記憶している。これらの値は、測定チューブの口径に応じて切り替えることにより、より安定な制御が可能となる。

図9の説明に戻って、乗算器540においてパルス高さが調整された多ビットのパルス密度信号は、第3ΔΣ変調器546によって再度ΔΣ変調されて1ビットのパルス密度信号になる。仮に乗算器540でパルス高さを1.2倍に増幅したとしたら、第3ΔΣ変調器546でパルス密度が1.2倍となり、乗算器540でパルス高さを0.8倍に増幅したとしたら、第3ΔΣ変調器546でパルス密度が0.8倍となる。

第3ΔΣ変調器546が出力したパルス密度信号は、DAC548に入力され、アナログ信号に変換される。そして、第3LPF550で高周波成分(量子化ノイズ)が除去され、第2HPF552で直流信号がカットされた後、駆動出力部534に励振信号として入力される。駆動出力部534は、励振信号を増幅して加振器516を駆動する。この一連の動作により、共振による励振が行なわれることになる。

このように、特許文献1に記載されたコリオリ質量流量計では、遅延が極めて小さい第1ΔΣ変調器520が出力するパルス密度信号の増幅率を、遅延が生じる第1LPF524の出力に基づいて定めている。すなわち、励振信号の基準となり位相ずれが許容されない信号については第1ΔΣ変調器520の出力を用い、遅延の影響の少ない増幅率設定については第1LPF524の出力を用いている。これにより、デジタル制御においても遅延の少ない高精度な共振による励振を行なうことができ、安定した振幅を得ることができる。

特開2003−302272号公報

特開2012−88235号公報

上述のように、従来のコリオリ質量流量計では、振幅制御を行なう増幅率制御部544は、比例制御により加振器516に帰還させる信号の増幅率を設定している。

ところが、比例制御による増幅率の設定は、目標値と実際の振幅との間での定常偏差が残ってしまう場合がある。一方で、定常偏差を小さくしようとして増幅率を上げると、制御系が不安定になってしまうおそれがある。

そこで、本発明は、測定装置の共振回路において、制御系を不安定にすることなく、目標値と実際の振幅との間の定常偏差を小さくすることを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の測定装置の共振回路は、ΔΣ変調器がアナログ変位信号をΔΣ変調して得られたパルス密度信号と前記パルス密度信号から得られる多ビット信号とを入力し、励振信号を生成する測定装置の共振回路であって、前記多ビット信号から得られる振動信号に応じて増幅率を設定する増幅率制御部と、前記増幅率で前記パルス密度信号のレベルを増幅する乗算器と、前記乗算器の出力を、さらにΔΣ変調して得られるパルス密度信号に基づいて前記励振信号を生成する回路群と、を備え、前記増幅率制御部は、前記振動信号から得られる振幅信号と振幅目標値との差分に基づき、比例制御と積分制御とにより前記増幅率を設定することを特徴とする。 ここで、前記増幅率制御部は、前記積分制御において、積分値に制限値を設けることができる。 また、前記増幅率制御部は、前記積分制御において、前記振幅信号が基準値を超えると、積分値を0にするようにしてもよい。 また、前記増幅率制御部は、積分値が負の場合、0に制限してもよい。

本発明によれば、測定装置の共振回路において、制御系を不安定にすることなく、目標値と実際の振幅との間の定常偏差を小さくすることができる。

本実施形態に係る共振回路を適用したコリオリ質量流量計の要部構成を示すブロック図である。

本実施形態における増幅率制御部の構成を示すブロック図である。

積分器165の構成例を示すブロック図である。

積分リセット機能を追加した積分器を示すブロック図である。

積分リセット機能を追加した場合の増幅率制御部の構成を示すブロック図である。

積分値が負のときに0に制限する増幅率制御部の構成を示すブロック図である。

本実施形態に係る共振回路を適用したコリオリ質量流量計の要部構成の別例を示すブロック図である。

本実施形態に係る共振回路を適用したコリオリ質量流量計の要部構成の第2の別例を示すブロック図である。

特許文献1に記載されたコリオリ質量流量計の要部構成を示すブロック図である。

増幅率制御部の構成を示すブロック図である。

本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図1は、本実施形態に係る共振回路132を適用したコリオリ質量流量計100の要部構成を示すブロック図である。なお、本発明の共振回路は、コリオリ質量流量計に限られず、測定対象物や測定子等の物体を振動させて物理量を測定する測定装置に広く適用することができる。

本図に示すように、コリオリ質量流量計100は、検出器110、第1ΔΣ変調器120、第2ΔΣ変調器122、第1LPF124、第2LPF126、信号演算処理部128、励振回路130を備えている。

検出器110には、被測定流体が流れるU字管あるいは直管の測定チューブ(不図示)の上流側と下流側の変位を測定する第1センサ112と第2センサ114、駆動コイル等で構成される加振器116が備えられている。

第1センサ112、第2センサ114から出力された一対のアナログ変位信号は、それぞれ第1ΔΣ変調器120および第2ΔΣ変調器122によってΔΣ変調されて1ビットのパルス密度信号になる。

これらのパルス密度信号は、それぞれ第1LPF124および第2LPF126によって多ビット信号(通常のデジタルデータ)に変換される。2つの多ビット信号は信号演算処理部128へと送られ、既知の手法により質量流量と密度が演算される。

励振回路130は加振器116を駆動させて測定チューブを励振するための回路である。励振回路130は、第1ΔΣ変調器120が出力するパルス密度信号と、第1LPF124が出力する多ビット信号によって動作する。

励振回路130は、センサの出力信号に基づいて励振信号を生成する共振回路132と、励振信号を増幅して加振器116に帰還させる駆動出力部134を含んでいる。

共振回路132では、第1ΔΣ変調器120が出力したパルス密度信号のパルス高さ(レベル)を乗算器140によって増幅する。乗算器140における増幅率は、測定チューブの振幅に応じて定められる。

具体的には、第1HPF142が、第1LPF124の出力する多ビット信号から直流信号(オフセット信号)をカットして測定チューブの振動に対応する交流信号である振動信号を取り出す。そして、増幅率制御部144が、この振動信号に基づいて、測定チューブの振幅が目標値で安定するように乗算器140の増幅率を設定する。増幅率制御部144の詳細な構成と動作については後述する。

乗算器140においてパルス高さが調整された多ビットのパルス密度信号は、第3ΔΣ変調器146によって再度ΔΣ変調されて1ビットのパルス密度信号になる。第3ΔΣ変調器146が出力したパルス密度信号は、DAC148に入力され、アナログ信号に変換される。そして、第3LPF150で高周波成分(量子化ノイズ)が除去され、第2HPF152で直流信号がカットされた後、駆動出力部134に励振信号として入力される。駆動出力部134は、励振信号を増幅して加振器116を駆動する。この一連の動作により、共振による励振が行なわれることになる。なお、本例では、DAC148、第3LPF150および第2HPF152を励磁信号を生成する回路群という。

図2は、本実施形態における増幅率制御部144の構成を示すブロック図である。本図に示すように、増幅率制御部144は、絶対値回路160、第4LPF161、減算器162、第1可変増幅器163、第2可変増幅器164、積分器165、加算器166、レジスタ167を備えている。

この構成により、増幅率制御部144では、整流を行なう絶対値回路160によって第1HPF142から出力された振動信号の絶対値を取る。さらに、第4LPF161によって高周波をカットして平滑化する。これにより、測定チューブの振幅に対応する直流信号である振幅信号が得られる。

そして、減算器162によって、振幅信号と振幅の目標値との間で差分値を取る。この差分値を第1可変増幅器163によって増幅することにより比例制御を行ない、さらに、差分値を第2可変増幅器164で増幅した値を積分器165で積分することにより積分制御を行なう。

図3は、積分器165の構成例を示すブロック図である。出力積分値を時間遅延演算子171に通して、加算器172により入力に加算することで積分動作を行なっている。積分の時定数τは、比例ゲインをGp、積分ゲインをGi、増幅率制御部144におけるサンプリング周波数をfsとすると、例えば、τ=Gp/Gi/fsで決定することができる。なお、積分器165には、リミット回路173を設けており、時間遅延演算子171がオーバーフローしないようにしている。

図2の説明に戻って、第1可変増幅器163が出力する比例制御の値と積分器165が出力する積分制御の値は、加算器166で加算されて次段の乗算器140に入力される。

レジスタ167は、第4LPF161で用いるカットオフ周波数、減算器162で用いる目標値、第1可変増幅器163で用いる増幅率(比例ゲイン)、第2可変増幅器164で用いる増幅率(積分ゲイン)を記憶している。これらの値は、測定チューブの口径に応じて切り替えることにより、より安定な制御が可能となる。なお、比例ゲインと積分ゲインとを設定する際は、発振等を防ぐために、ゲイン余裕や位相余裕等の制御系の安定性を考慮するものとする。

このように、本実施形態では、従来の比例制御に加え、偏差の積分値を加算する積分制御を行なうことで、制御系を不安定にすることなく、目標値と実際の振幅との間の定常偏差を小さくするようにしている。

なお、図4に示すように、積分器165に制御部174とコンパレータ175とで実現される積分リセット機能を追加してもよい。本図の例では、第4LPF161が出力する振幅信号と、あらかじめ設定された積分リセットレベル(基準値)とをコンパレータ175で比較する。コンパレータ175は、振幅信号が積分リセットレベル以上であればリセット信号を制御部174に入力する。

制御部174は、リセット信号が入力されると0を出力し、それ以外のときはリミット回路173の出力をそのまま出力する。このため、振幅信号が積分リセットレベル以上のときに、積分値がリセットされることになる。

例えば、被測定流体に気泡が混入すると、測定チューブの振幅が小さくなり、積分器165の出力がリミットに達する場合がある。この状態で気泡混入が収まると、積分器165の出力がリミットのまま振幅値を目標値に近づけようとするため、過積分となり、振幅信号が増大し続け、検出器110が異常振動してしまうおそれがある。

そこで、第4LPF161が出力する振幅信号が積分リセットレベルを超えると、積分値をリセットすることにより、過積分を防ぐようにしている。

なお、この場合、増幅率制御部144は、図5に示すような構成とすることができる。すなわち、レジスタ167に積分リセットレベルを設定しておき、この積分リセットレベルと第4LPF161の出力とを図4に示した構成の積分器165に入力すればよい。

さらに、図6に示すように、リミット回路173において、積分値が負のときに、0に制限してもよい。この場合、リセット後の振幅目標値<振幅信号の期間で、負の積分が行なわれなくなるため、積分値をスムーズに振幅目標値に戻すことが可能となる。

図7は、本実施形態に係る共振回路132を適用したコリオリ質量流量計100の要部構成の別例を示すブロック図である。別例における共振回路132では、定常時用の経路と起動時用の経路とを設けており、セレクタ184でどちらの経路を用いるかを択一的に切り替える。定常時用の経路では、振幅が目標値で安定するような励振信号が生成され、起動時用の経路では、振幅が早く目標値に達するような励振信号が生成される。

起動時用の経路と駆動出力部134に励振信号を出力する前に、両経路の出力が加算器190で加算されるが、セレクタ184で選択された経路の信号のみが加算器190に入力されるため、両経路の信号が加算されることはない。

定常時用の経路においては、第1ΔΣ変調器120が出力したパルス密度信号のパルス高さ(レベル)を乗算器140によって増幅する。乗算器140における増幅率は、上述のように、増幅率制御部144が測定チューブの振幅に応じて比例制御と積分制御により設定する。

乗算器140においてパルス高さが調整された多ビットのパルス密度信号は、第3ΔΣ変調器146によって再度ΔΣ変調されて1ビットのパルス密度信号になる。第3ΔΣ変調器146が出力したパルス密度信号は、セレクタ184のIN1−OUT1の経路を介してDAC148に入力され、アナログ信号に変換される。そして、第3LPF150で高周波成分(量子化ノイズ)が除去され、第2HPF152で直流信号がカットされた後、加算器190を介して駆動出力部134に励振信号として入力される。駆動出力部134は、励振信号を増幅して加振器116を駆動する。この一連の動作により、定常時の共振による励振が行なわれることになる。

起動時用の経路においては、第1HPF142が出力する振動信号を、コンパレータ180を用いて二値化する。すなわち、振動の変位が正であればHを出力し、振動の変位が負であればLを出力する。

コンパレータ180の出力は、セレクタ184のIN2−OUT2の経路を介して第2DAC186に入力され、矩形状のアナログ信号に変換される。そして、第3HPF188で直流信号がカットされて、加算器190を介して駆動出力部134に励振信号として入力される。このため、励振信号は、振動の変位が正であれば、正の最大値となり、振動の変位が負であれば、負の最大値となる。

すなわち、定常用の経路では、振動の振幅に応じた増幅率を設定することで、一定の振幅になるようにし、起動用の経路では、振動の変位の正負に応じた大きな値を帰還させることで振幅が迅速に目標値に到達するようにしている。

ここで、セレクタ184の切替制御は、切替判定部182により行なわれる。切替判定部182は、第1HPF142が出力する振動信号から振幅の大きさに対応する振幅信号を生成する。そして、振幅信号が所定の基準値よりも小さい場合には、起動時であるとしてセレクタ184を起動時用の経路、すなわちIN2−OUT2の経路に切り替える。一方、振幅信号が所定の基準値よりも大きい場合には、定常時であるとしてセレクタ184を定常時用の経路、すなわちIN1−OUT1の経路に切り替える。

本別例においても、従来の比例制御に加え、偏差の積分値を加算する積分制御を行なうことで、制御系を不安定にすることなく、目標値と実際の振幅との間の定常偏差を小さくするようにしている。

図8は、本実施形態に係る共振回路132を適用したコリオリ質量流量計100の要部構成の第2の別例を示すブロック図である。上記の別例では、第1ΔΣ変調器120の出力を乗算器140に入力し、第1LPF124の出力を第1HPF142に入力していたが、第2の別例では、第1ΔΣ変調器120の出力と第2ΔΣ変調器122の出力を第1加算器192で加算して乗算器140に入力し、第1LPF124の出力と第2LPF126の出力を第2加算器194で加算して第1HPF142に入力するようにしている。

第2の別例では、気泡混入等により、第1センサ112の出力あるいは第2センサ114の出力が、一時的に乱れた場合であっても、2つの出力が平均化されるため、乱れの影響を小さくすることができる。

また、第2の別例においても、従来の比例制御に加え、偏差の積分値を加算する積分制御を行なうことで、制御系を不安定にすることなく、目標値と実際の振幅との間の定常偏差を小さくするようにしている。

100…コリオリ質量流量計、110…検出器、112…第1センサ、114…第2センサ、116…加振器、120…第1ΔΣ変調器、122…第2ΔΣ変調器、124…第1LPF、126…第2LPF、128…信号演算処理部、130…励振回路、132…共振回路、134…駆動出力部、140…乗算器、142…第1HPF、144…増幅率制御部、146…第3ΔΣ変調器、148…DAC、150…第3LPF、152…第2HPF、160…絶対値回路、161…第4LPF、162…減算器、163…第1可変増幅器、164…第2可変増幅器、165…積分器、166…加算器、167…レジスタ、171…遅延演算子、172…加算器、173…リミット回路、174…制御部、175…コンパレータ、180…コンパレータ、182…切替判定部、184…セレクタ、186…第2DAC、188…第3HPF、190…加算器、192…第1加算器、194…第2加算器