JP2011033385A - Coriolis mass flowmeter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、測定管路に所定距離を隔てて配置された上流側センサ及び下流側センサの夫々の周波数検出信号を、増幅回路、ローパスフィルタ、ADコンバータを介して信号処理部に入力し、前記周波数検出信号の位相差に基づいて質量流量を演算し、演算結果を所定周期で更新するコリオリ質量流量計に関するものである。 In the present invention, the frequency detection signals of the upstream sensor and the downstream sensor arranged at a predetermined distance in the measurement pipeline are input to the signal processing unit via an amplifier circuit, a low-pass filter, and an AD converter, The present invention relates to a Coriolis mass flowmeter that calculates a mass flow rate based on a phase difference of a frequency detection signal and updates a calculation result at a predetermined cycle.
コリオリ質量流量計のセンサ部の構成及び質量流量演算の信号処理については、特許文献1に詳細な技術開示がある。センサ部の構成及び1次モード及び2次モード振動について簡単に説明する。 Patent Document 1 discloses a detailed technical disclosure regarding the configuration of the sensor unit of the Coriolis mass flow meter and the signal processing for mass flow calculation. The configuration of the sensor unit and the primary mode and secondary mode vibration will be briefly described.
図7は、コリオリ質量流量計のセンサ部の基本構成図である。被測定流体Fを流す測定管路1の両端は、支持部材2、3に固定されている。この測定管路1の中央部近傍には、この測定管路1を上下に機械振動させる加振器4が設置されている。 FIG. 7 is a basic configuration diagram of the sensor unit of the Coriolis mass flow meter. Both ends of the measurement pipe line 1 through which the fluid F to be measured flows are fixed to the support members 2 and 3. In the vicinity of the central portion of the measurement pipeline 1, a vibration exciter 4 for mechanically vibrating the measurement pipeline 1 up and down is installed.
測定管路1の支持部材2、3に固定されている近傍には、この測定管路1の振動を検出する上流側センサ5及び下流側センサ6が固定されている。 An upstream sensor 5 and a downstream sensor 6 that detect vibrations of the measurement pipe 1 are fixed in the vicinity of the measurement pipe 1 fixed to the support members 2 and 3.
図8は、1次モード及び2次モード振動を説明する模式図である。加振器4から測定管路1に、M1、M2に示すような1次モードの形状で振動が与えられている状態で、測定管路1に被測定流体Fが流れると、M3、M4に示すような2次モードの形状で測定管路1が振動する。 FIG. 8 is a schematic diagram for explaining the primary mode and the secondary mode vibration. When the fluid to be measured F flows through the measurement pipe 1 in the state where the vibration is applied in the shape of the primary mode as shown by M1 and M2 from the vibrator 4 to the measurement pipe 1, the current flows to M3 and M4. The measurement pipe line 1 vibrates in the shape of the secondary mode as shown.
実際には、この2種類の振動パターンが重畳された形で測定管路1が振動する。測定管路1のこの振動変形を、上流側センサ5及び下流側センサ6により周波数検出信号VS1及び周波数検出信号VS2で検出する。 Actually, the measurement pipe line 1 vibrates in a form in which these two kinds of vibration patterns are superimposed. This vibration deformation of the measurement pipe line 1 is detected by the upstream sensor 5 and the downstream sensor 6 using the frequency detection signal VS1 and the frequency detection signal VS2.
図9は、従来のコリオリ質量流量計の構成例を示す機能ブロック図である。上流側センサ5の周波数検出信号VS1及び下流側センサ6の周波数検出信号VS2は、夫々増幅回路7及び8で所定レベルに増幅され、ローパスフィルタ9及び10を介してADコンバータ11及び12に入力され、デジタル信号に変換される。ローパスフィルタ9及び10は、ADコンバータ11及び12の折り返し雑音防止、外来ノイズの抑制のために付加される。 FIG. 9 is a functional block diagram showing a configuration example of a conventional Coriolis mass flow meter. The frequency detection signal VS1 of the upstream sensor 5 and the frequency detection signal VS2 of the downstream sensor 6 are amplified to predetermined levels by the amplifier circuits 7 and 8, respectively, and input to the AD converters 11 and 12 via the low-pass filters 9 and 10, respectively. Converted into a digital signal. The low-pass filters 9 and 10 are added to prevent aliasing noise of the AD converters 11 and 12 and to suppress external noise.
ADコンバータ11及び12のデジタル信号は、信号処理部20に入力されて所定の演算周期で質量流量が演算され、その演算出力Fmにより出力部30の保持手段31の質量流量保持値を更新する。 The digital signals of the AD converters 11 and 12 are input to the signal processing unit 20, the mass flow rate is calculated at a predetermined calculation cycle, and the mass flow rate holding value of the holding unit 31 of the output unit 30 is updated by the calculation output Fm.
信号処理部20は、ADコンバータ11及び12のデジタル信号を入力するヒルベルト変換手段21及び22、これらの処理結果から周波数検出信号VS1及びVS2の位相θ1及びθ2を検出する位相検出手段23及び24を備える。ヒルベルト変換手段は、FFT処理手段等で実現することも可能である。 The signal processing unit 20 includes Hilbert transform means 21 and 22 for inputting digital signals from the AD converters 11 and 12, and phase detection means 23 and 24 for detecting the phases θ1 and θ2 of the frequency detection signals VS1 and VS2 from the processing results. Prepare. The Hilbert transforming unit can also be realized by an FFT processing unit or the like.
位相信号θ1及びθ2は、位相差検出手段25に入力され、位相差Δθが算出される。この位相差Δθを入力する質量流量演算手段26により、所定の演算周期で質量流量Fmが算出されて出力部30に渡される。信号処理部20の詳細については、特許文献1に開示されている。 The phase signals θ1 and θ2 are input to the phase difference detection means 25, and the phase difference Δθ is calculated. The mass flow rate calculation means 26 that inputs this phase difference Δθ calculates the mass flow rate Fm at a predetermined calculation cycle and passes it to the output unit 30. Details of the signal processing unit 20 are disclosed in Patent Document 1.
図10は、本発明の主題となる周波数検出信号に重畳するノイズを説明する波形図である。 FIG. 10 is a waveform diagram for explaining the noise superimposed on the frequency detection signal as the subject of the present invention.
従来構成のコリオリ質量流量計では、次のような問題がある。
質量流量に比例した位相差信号Δθは、測定可能な最大流量のときに数十ミリラジアンであり、高精度化(例えば±0.1%)するためには、数マイクロラジアンの測定精度が必要となる。このように非常に微弱な信号(S)を取り扱うため、各部で発生するノイズ成分(N)の影響を受け易く、出力揺動となって現れる。
The conventional Coriolis mass flowmeter has the following problems.
The phase difference signal Δθ proportional to the mass flow rate is several tens of milliradians at the maximum measurable flow rate, and measurement accuracy of several microradians is required to achieve high accuracy (for example, ± 0.1%). Since a very weak signal (S) is handled in this way, it is easily affected by the noise component (N) generated in each part and appears as output fluctuation.
ノイズ成分(N)は、センサ5,6の検出コイルからADコンバータ11,12の出力までで発生、混入するものであり、主に次のようなものが挙げられる。
(a)増幅回路7,8で使用するOPアンプの雑音
(b)外来ノイズ(検出コイルと増幅回路を接続するケーブルが延長されることがあり、ノイズが混入し易い)
(c)ADコンバータ11,12の量子化誤差
The noise component (N) is generated and mixed from the detection coils of the sensors 5 and 6 to the outputs of the AD converters 11 and 12, and mainly includes the following.
(A) Noise of the OP amplifier used in the amplifier circuits 7 and 8 (b) External noise (the cable connecting the detection coil and the amplifier circuit may be extended, and noise is likely to be mixed)
(C) Quantization error of AD converters 11 and 12
(a)については、低雑音なOPアンプを使用すればよいが、コストアップの要因となる。(b)については、延長ケーブルをシールドケーブルにすればよいが、これもコストアップの要因となる。(c)については、ADコンバータの分解能によって決まるが、選択肢が多くなく、部品選定での改善は困難である。 For (a), a low-noise OP amplifier may be used, but this increases the cost. For (b), the extension cable may be a shielded cable, but this also causes an increase in cost. As for (c), although it depends on the resolution of the AD converter, there are not many options, and it is difficult to improve the parts selection.
このように、従来技術では、S/N比向上による高精度化、高耐ノイズ化対策はいずれもコストアップの要因となる。 Thus, in the prior art, both high accuracy and high noise immunity measures by improving the S / N ratio cause cost increases.
本発明の目的は、簡単な付加手段の導入により、S/N比を向上させて高精度化及び高耐ノイズ化を可能とするコリオリ質量流量計を実現することにある。 An object of the present invention is to realize a Coriolis mass flowmeter that can improve the S / N ratio and achieve high accuracy and high noise resistance by introducing simple additional means.
このような課題を達成するために、本発明は次の通りの構成になっている。
(1)測定管路に所定距離を隔てて配置された上流側センサ及び下流側センサの夫々の周波数検出信号を、増幅回路、ローパスフィルタ、ADコンバータを介して信号処理部に入力し、前記周波数検出信号の位相差に基づいて質量流量を演算し、演算結果を所定周期で更新するコリオリ質量流量計において、
前記周波数検出信号の位相情報を維持したまま、前記周波数検出信号の正負の所定レベル以上またはゼロクロス近傍を除く所定期間をクランプする、信号クランプ手段を備えることを特徴とするコリオリ質量流量計。
In order to achieve such a subject, the present invention has the following configuration.
(1) The frequency detection signals of the upstream sensor and the downstream sensor arranged at a predetermined distance in the measurement pipeline are input to a signal processing unit via an amplifier circuit, a low-pass filter, and an AD converter, and the frequency In the Coriolis mass flowmeter that calculates the mass flow rate based on the phase difference of the detection signal and updates the calculation result at a predetermined cycle,
A Coriolis mass flowmeter comprising signal clamping means for clamping a predetermined period excluding a predetermined level of positive or negative of the frequency detection signal or a vicinity of a zero cross while maintaining phase information of the frequency detection signal.
(2)前記増幅回路と前記ローパスフィルタ間、または、前記ローパスフィルタと前記ADコンバータ間に、前記信号クランプ手段を設けたことを特徴とする(1)に記載のコリオリ質量流量計。 (2) The Coriolis mass flowmeter according to (1), wherein the signal clamping means is provided between the amplifier circuit and the low-pass filter or between the low-pass filter and the AD converter.
(3)前記ADコンバータの出力側に、前記信号クランプ手段を設けたことを特徴とする(1)に記載のコリオリ質量流量計。 (3) The Coriolis mass flowmeter according to (1), wherein the signal clamping means is provided on the output side of the AD converter.
(4)前記周波数検出信号のクランプ範囲以外において、前記増幅回路のゲインを増加させるゲイン可変手段を備えることを特徴とする(1)乃至(3)のいずれかに記載のコリオリ質量流量計。 (4) The Coriolis mass flowmeter according to any one of (1) to (3), further including gain variable means for increasing the gain of the amplifier circuit outside the clamp range of the frequency detection signal.
(5)前記信号クランプ手段の出力側に発生するノイズを検出して前記演算結果の更新を停止させる、ノイズ処理手段を備えることを特徴とする(1)乃至(4)のいずれかに記載のコリオリ質量流量計。 (5) The apparatus according to any one of (1) to (4), further comprising a noise processing unit that detects noise generated on an output side of the signal clamping unit and stops updating the calculation result. Coriolis mass flow meter.
(6)前記信号クランプ手段のクランプ期間に前記ADコンバータ及び前記信号処理部の処理を停止させる、処理停止手段を備えることを特徴とする(1)乃至(5)のいずれかに記載のコリオリ質量流量計。 (6) The Coriolis mass according to any one of (1) to (5), further comprising a processing stop unit that stops processing of the AD converter and the signal processing unit during a clamping period of the signal clamping unit. Flowmeter.
本発明によれば、次のような効果を期待することができる。
(1)周波数検出信号のクランプされた部分には、OPアンプ等の回路要素から発生するホワイトノイズが存在しないので、全体のノイズ量を低減することができる。
According to the present invention, the following effects can be expected.
(1) Since white noise generated from a circuit element such as an OP amplifier does not exist in the clamped portion of the frequency detection signal, the entire amount of noise can be reduced.
正弦波信号を、クランプ波形にすることで、高調波成分が含まれることによるノイズ量増加が考えられるが、信号処理部20で実行されるヒルベルト変換やFFTなどの信号処理の際にフィルタリングすることでその影響を除去できる。 By making the sine wave signal into a clamp waveform, an increase in the amount of noise due to the inclusion of harmonic components can be considered, but filtering during signal processing such as Hilbert transform or FFT performed by the signal processing unit 20 The effect can be removed.
(2)外乱ノイズはその大きさによって全てを除去することができないが、影響を小さくすることができる。すなわち、高価な低雑音OPアンプを使用することなく、S/N比を向上させ、高精度化を実現できる。 (2) Disturbance noise cannot be completely removed depending on its magnitude, but the influence can be reduced. That is, it is possible to improve the S / N ratio and achieve high accuracy without using an expensive low noise OP amplifier.
(3)またシールドケーブルの使用範囲も,外来ノイズが多い環境に限定できるので、安価に高耐ノイズ化を実現することができる。 (3) Further, since the use range of the shielded cable can be limited to an environment with a lot of external noise, high noise resistance can be realized at low cost.
以下本発明を、図面を用いて詳細に説明する。図1は、本発明を適用したコリオリ質量流量計の一実施例を示す機能ブロック図である。図9で説明した従来構成と同一要素には同一符号を付して説明を省略する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a functional block diagram showing an embodiment of a Coriolis mass flow meter to which the present invention is applied. The same elements as those of the conventional configuration described with reference to FIG.
従来構成に付加された本発明の特徴部は、周波数検出信号VS1の増幅回路7とローパスフィルタ9の間及び周波数検出信号VS2の増幅回路8とローパスフィルタ10の間に、信号クランプ手段101及び102を挿入させた構成にある。 The characteristic part of the present invention added to the conventional configuration is that signal clamping means 101 and 102 are provided between the amplifying circuit 7 and the low-pass filter 9 for the frequency detection signal VS1 and between the amplifying circuit 8 and the low-pass filter 10 for the frequency detection signal VS2. It is the structure which made it insert.
これら信号クランプ手段101及び102は、アナログ信号を所定レベルでリミットするものであり、挿入位置はローパスフィルタ9とADコンバータ11間及びローパスフィルタ10とADコンバータ12間であってもよい。 These signal clamping means 101 and 102 limit the analog signal at a predetermined level, and the insertion position may be between the low-pass filter 9 and the AD converter 11 and between the low-pass filter 10 and the AD converter 12.
図2は、周波数検出信号VS1,VS2に対するクランプを説明する波形図であり、電圧の高い領域、低い領域の電圧情報を除去した波形がADコンバータ11,12に入力される。この周波数検出信号に対するクランプ処理では、位相情報に変化は与えないので、質量流量演算への影響はない。 FIG. 2 is a waveform diagram for explaining clamping with respect to the frequency detection signals VS1 and VS2. A waveform obtained by removing voltage information in a high voltage region and a low voltage region is input to the AD converters 11 and 12. In the clamping process for the frequency detection signal, the phase information is not changed, so that there is no influence on the mass flow rate calculation.
クランプされる期間では、周波数検出信号VS1,VS2に重畳するノイズが強制的に除去されるので、周波数検出信号VS1,VS2に重畳するノイズを大幅に軽減させることが可能である。 In the clamped period, noise superimposed on the frequency detection signals VS1 and VS2 is forcibly removed, so that noise superimposed on the frequency detection signals VS1 and VS2 can be greatly reduced.
周波数検出信号VS1,VS2に対するクランプは、信号電圧のレベルを監視して設定される閾値以上または以下の期間をクランプする手法、または、信号の周波数を監視してゼロクロス点から近傍の所定時間を除く期間をクランプする手法を採用することができる。 Clamping with respect to the frequency detection signals VS1 and VS2 is performed by monitoring a signal voltage level and clamping a period longer than or less than a set threshold, or by monitoring a signal frequency and excluding a predetermined time from the zero cross point. A technique of clamping the period can be employed.
図3は、本発明を適用したコリオリ質量流量計の他の実施例を示す機能ブロック図である。この実施例では、デジタル処理で実現される信号クランプ手段201及び202が、夫々ADコンバータ11とヒルベルト変換手段21間及びADコンバータ12とヒルベルト変換手段22間に挿入されている。 FIG. 3 is a functional block diagram showing another embodiment of the Coriolis mass flow meter to which the present invention is applied. In this embodiment, signal clamping means 201 and 202 realized by digital processing are inserted between the AD converter 11 and the Hilbert conversion means 21 and between the AD converter 12 and the Hilbert conversion means 22, respectively.
これら信号クランプ手段201及び202の機能は、図1の信号クランプ手段101及び102の機能と同一である。信号クランプ手段は、周波数検出信号VS1,VS2の位相情報が維持される条件を満たせば挿入箇所は任意である。 The functions of these signal clamping means 201 and 202 are the same as the functions of the signal clamping means 101 and 102 in FIG. The signal clamping means may be inserted at any position as long as the condition for maintaining the phase information of the frequency detection signals VS1 and VS2 is satisfied.
本発明で導入された信号クランプの処理に基づく他の実施例を、図4乃至図6により説明する。これら実施例では、信号クランプ手段201,202がADコンバータ11,12の出力側に挿入される構成を示す。 Another embodiment based on the signal clamp processing introduced in the present invention will be described with reference to FIGS. These embodiments show a configuration in which the signal clamping means 201 and 202 are inserted on the output side of the AD converters 11 and 12.
図4は、周波数検出信号のクランプ範囲以外において、増幅回路のゲインを増加させるゲイン可変手段を備える構成を特徴としている。クランプ範囲検出手段301及び302は、信号クランプ手段201及び202の出力を監視してクランプ範囲を検出し、検出した範囲以外においてゲイン可変手段303及び304を制御し、増幅回路7及び8のゲインを増加させる。 FIG. 4 is characterized by comprising a gain variable means for increasing the gain of the amplifier circuit outside the clamp range of the frequency detection signal. The clamp range detecting means 301 and 302 monitor the outputs of the signal clamp means 201 and 202 to detect the clamp range, control the gain variable means 303 and 304 outside the detected range, and adjust the gains of the amplifier circuits 7 and 8. increase.
ゲインの増加により増幅された電圧範囲をADコンバータ11及び12の入力レンジに対応させることにより、従来技術よりも増幅回路のゲインを大きくすることができる。このゲイン増加は、非クランプ部の量子化誤差を小さくすることになり、この点からもS/N比の向上が期待できる。 By making the voltage range amplified by the increase in gain correspond to the input ranges of the AD converters 11 and 12, the gain of the amplifier circuit can be made larger than that of the prior art. This gain increase reduces the quantization error of the unclamped portion, and from this point, an improvement in the S / N ratio can be expected.
図5は、信号クランプ手段の出力側に発生するノイズを検出して演算結果の更新を停止させる、ノイズ処理手段を備える構成を特徴としている。ノイズ処理手段400は、信号クランプ手段201及び202の出力を監視し、外来ノイズの有無を判断し、ノイズが所定の値より多いときには、質量流量演算の信頼性を確保するために、出力部30の保持手段31に更新停止指令Sを出力し、出力を前回更新時の値に保持させる。また、必要に応じてユーザーに警報する。 FIG. 5 is characterized by a configuration including a noise processing unit that detects noise generated on the output side of the signal clamping unit and stops updating the calculation result. The noise processing means 400 monitors the outputs of the signal clamping means 201 and 202, determines the presence or absence of external noise, and when the noise is greater than a predetermined value, in order to ensure the reliability of the mass flow calculation, the output unit 30 The update stop command S is output to the holding means 31 and the output is held at the value at the previous update. It also alerts the user if necessary.
図6は、信号クランプ手段のクランプ期間にADコンバータ及び信号処理部の処理を停止させる、処理停止手段を備える構成を特徴としている。処理停止手段500は、信号クランプ手段201及び202の出力を監視し、クランプ期間中は、ADコンバータ11,12及び信号処理部20の機能を停止させると共に、出力部30をホールド動作させる。 FIG. 6 is characterized by comprising a processing stop unit that stops the processing of the AD converter and the signal processing unit during the clamping period of the signal clamping unit. The processing stop unit 500 monitors the outputs of the signal clamp units 201 and 202, and stops the functions of the AD converters 11 and 12 and the signal processing unit 20 while holding the output unit 30 during the clamp period.
周波数検出信号のクランプ部でのADコンバータ及び信号処理部の質量流量演算機能を停止させることで、消費電力を低減させることができる。また、信号処理部のCPUのメモリ容量を小さくすることができる。 Power consumption can be reduced by stopping the AD converter in the clamp part of the frequency detection signal and the mass flow rate calculation function of the signal processing part. In addition, the memory capacity of the CPU of the signal processing unit can be reduced.
1 測定管路
5 上流側センサ
6 下流側センサ
7,8 増幅回路
9,10 ローパスフィルタ
11,12 ADコンバータ
20 信号処理部
21,22 ヒルベルト変換手段
23,24 位相検出手段
25 位相差検出手段
26 質量流量演算手段
30 出力部
31 保持手段
101,102 信号クランプ手段
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Measurement pipe line 5 Upstream sensor 6 Downstream sensor 7, 8 Amplifying circuit 9,10 Low pass filter 11,12 AD converter 20 Signal processing part 21,22 Hilbert conversion means 23,24 Phase detection means 25 Phase difference detection means 26 Mass Flow rate calculation means 30 Output section 31 Holding means 101, 102 Signal clamping means
Claims (6)
前記周波数検出信号の位相情報を維持したまま、前記周波数検出信号の正負の所定レベル以上またはゼロクロス近傍を除く所定期間をクランプする、信号クランプ手段を備えることを特徴とするコリオリ質量流量計。 The frequency detection signals of the upstream side sensor and the downstream side sensor arranged at a predetermined distance in the measurement pipeline are input to the signal processing unit via an amplifier circuit, a low pass filter, and an AD converter, and the frequency detection signal In the Coriolis mass flowmeter that calculates the mass flow rate based on the phase difference and updates the calculation result in a predetermined cycle,
A Coriolis mass flowmeter comprising signal clamping means for clamping a predetermined period excluding a predetermined level of positive or negative of the frequency detection signal or a vicinity of a zero cross while maintaining phase information of the frequency detection signal.
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