JP2011102716A - コリオリ質量流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】劣化診断のための特別な測定装置の追加をすることなく、オンライン状態での信号に基づいて測定管路の劣化診断を可能とするコリオリ質量流量計を実現する。
【解決手段】加振器により振動する測定管路に所定距離を隔てて配置された上流側センサの第１信号及び下流側センサの第２信号の位相差に基づいて前記測定管路を流れる流体の質量流量を演算すると共に、前記第１信号または前記第２信号を入力し、その振幅が目標値となるように前記加振器のドライブ信号を制御する励振回路部を有するコリオリ質量流量計において、
前記第１信号の実効値及び前記第２信号の実効値を取得する第１実効値取得部及び第２実効値取得部と、
取得された前記第１信号の実効値及び前記第２信号の実効値を入力して両者の割合を演算する割合演算部と、
演算された前記割合と所定の閾値とを比較して警報を発生する異常診断部と、
を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、加振器により振動する測定管路に所定距離を隔てて配置された上流側センサの第１信号及び下流側センサの第２信号の位相差に基づいて前記測定管路を流れる流体の質量流量を演算すると共に、前記第１信号または前記第２信号を入力し、その振幅が目標値となるように前記加振器のドライブ信号を制御する励振回路部を有するコリオリ質量流量計に関するものである。

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。加振器のドライブ信号を制御する励振回路部については、特許文献２に詳細な技術開示がある。

図４は、コリオリ質量流量計のセンサ部の基本構成図である。センサ部１０において、被測定流体Ｆを流す測定管路１１の両端は、支持部材１２、１３に固定されている。この測定管路１１の中央部近傍には、この測定管路１１を上下に機械振動させる加振器１４が設置され、ドライブ信号ＤＶで駆動される。

測定管路１１の支持部材１２、１３に固定されている近傍には、この測定管路１１の振動を検出する上流側センサ１５及び下流側センサ１６が配置されている。

図５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１４から測定管路１１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１１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。

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１１が振動する。測定管路１１のこの振動変形を、上流側センサ１５による周波数検出信号（以下、第１信号）ＳＡ及び下流側センサ１６による周波数検出信号（以下、第２信号）ＳＢで検出する。

図６は、コリオリ質量流量計の一般的な構成例を示す機能ブロック図である。上流側センサ１５による第１信号ＳＡ（又は及び下流側センサ１６による第２信号ＳＢ）が、第１信号ＳＡ又は第２信号ＳＢの振幅を目標値に維持するためのオートゲインコントロール（以下ＡＧＣ）機能を備える励振回路部２０に入力され、平滑回路２１で平滑され、実効値に比例する直流電圧に変換される。

この直流電圧は、目標値設定部２２で与えられる所定の目標電圧と比較部２３で比較され、その偏差が可変増幅部２４に渡され、可変増幅部２４の出力ＣＶにより制御される駆動出力部２５のドライブ信号ＤＶが加振器１４に与えられる。このフィードバック制御系により、第１信号ＳＡの振幅が目標値に制御される。励振回路部２０については、特許文献２に詳細が開示されている。

上流側センサ１５による第１信号ＳＡ及び下流側センサ１６による第２信号ＳＢ並びに温度補償用の温度検出信号ＳＨが信号処理演算部３０入力され、クロックから生成されるサンプリングタイミングＴで制御されるトラックアンドホールド３１、３２、３３により信号ＳＡ，ＳＢ，ＳＨをサンプル／ホールドする。

トラックアンドホールド３１、３２、３３のホールド信号は、アナログ／デジタル変換器３４，３５，３６によりデジタル信号に変換される。アナログ／デジタル変換器３４及び３５による第１信号ＳＡ及び第２信号ＳＢのデジタル変換値は、ローパスフィルタ３７及び３８を介して流量演算部３９に入力される。アナログ／デジタル変換器３６による温度信号ＳＨのデジタル変換値は、直接流量演算部３９に入力される。

流量演算部３９はこれらの入力信号に基づいて測定管路１１を流れる流体Ｆの質量流量Ｑを演算して出力する。ヒルベルト変換処理等による位相差演算等を実行する流量演算部３９の信号処理は、特許文献１に詳細が開示されているので、説明を省略する。

コリオリ質量流量計では、流体の密度や流速、温度、測定管路の振動のような外乱によってセンサ信号に影響が出たときに、外乱なのかセンサまたは測定管路の異常による影響なのかわからず誤診してしまうので、測定管路の劣化診断機能を必要とする。

従来の劣化診断手法として特許文献３に開示されている技術は、センサチューブに流体を流さない状態で、センサチューブを一旦振動させて停止し、停止後の振動減衰を測定して異常を検出し警報する、オフライン診断である。

特開平７−１８１０６９号公報 特開２００３−３０２２７２号公報 特開平４−５２５１６号公報

従来の測定管路の劣化診断手法では、次のような問題がある。
（１）測定管路を流れる流体の質量流量を測定しているオンライン状態での劣化診断ができない。

（２）劣化診断のための特別な測定装置を追加する必要があり、装置のコストアップの要因となる。

本発明の目的は、劣化診断のための特別な測定装置の追加をすることなく、オンライン状態での信号に基づいて測定管路の劣化診断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。

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）加振器により振動する測定管路に所定距離を隔てて配置された上流側センサの第１信号及び下流側センサの第２信号の位相差に基づいて前記測定管路を流れる流体の質量流量を演算すると共に、前記第１信号または前記第２信号を入力し、その振幅が目標値となるように前記加振器のドライブ信号を制御する励振回路部を有するコリオリ質量流量計において、
前記第１信号の実効値及び前記第２信号の実効値を取得する第１実効値取得部及び第２実効値取得部と、
取得された前記第１信号の実効値及び前記第２信号の実効値を入力して両者の割合を演算する割合演算部と、
演算された前記割合と所定の閾値とを比較して警報を発生する異常診断部と、
を備えることを特徴とするコリオリ質量流量計。

（２）前記励振回路部は、前記第１信号または前記第２信号を周期的に切替えて入力し、入力信号の振幅が目標値となるように前記加振器のドライブ信号を制御すると共に、
前記割合演算部は、前記切替えに連動して前記第１信号の実効値の保持電圧及び前記第２信号の実効値の保持電圧を取得して両者の割合を演算することを特徴とする（１）に記載のコリオリ質量流量計。

（３）前記第１信号の実効値及び前記第２信号の実効値は、前記第１信号及び前記第２信号をデジタル変換したデジタル値に基づいて与えられることを特徴とする（１）または（２）に記載のコリオリ質量流量計。

（４）前記第１信号の実効値及び前記第２信号の実効値は、前記第１信号及び前記第２信号の検出値に基づいて与えられ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。

（５）前記異常診断部は、前記第１信号及び前記第２信号の実効値の保持電圧を直接入力して所定の閾値と比較して警報を発生す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。

（６）加振器により振動する測定管路に所定距離を隔てて配置された上流側センサの第１信号及び下流側センサの第２信号の位相差に基づいて前記測定管路を流れる流体の質量流量を演算すると共に、前記第１信号または前記第２信号を周期的に切替えて入力し、入力信号の振幅が目標値となるように前記加振器のドライブ信号を制御する励振回路部を有するコリオリ質量流量計において、
前記切替えに連動して前記加振器のドライブ信号またはこのドライブ信号に比例する信号の実効値の保持電圧を取得して両者の割合を演算する割合演算部と、
演算された前記割合と所定の閾値とを比較して警報を発生する異常診断部と、
を備えることを特徴とするコリオリ質量流量計。

（７）前記異常診断部は、前記切替えに連動して前記加振器のドライブ信号またはこのドライブ信号に比例する信号の実効値の保持電圧を直接入力して所定の閾値と比較して警報を発生することを特徴とする（６）に記載のコリオリ質量流量計。

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）測定管路を流れる流体の質量流量を測定しているオンライン状態での劣化診断が可能である。

（２）劣化診断のための特別な測定装置を追加する必要がなく、オンライン状態での信号に基づいて測定管路の劣化診断が可能であり、装置のコストダウンに貢献できる。

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。 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。 本発明を適用したコリオリ質量流量計の更に他の実施例を示す機能ブロック図である。 コリオリ質量流量計のセンサ部の基本構成図である。 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。 コリオリ質量流量計の一般的な構成例を示す機能ブロック図である。

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６で説明した構成と同一要素には同一符号を付して説明を省略する。

図６で説明した一般構成に追加される本発明の構成上の特徴部は、診断部１００である。診断部１００は、第１実効値取得部１０１、第２実効値取得部１０２、割合演算部１０３、異常診断部１０４よりなる。

第１実効値取得部１０１は、第１信号ＳＡをデジタル変換したローパスフィルタ３７の出力である正弦波の実効値を取得し、ＭＡを出力する。第２実効値取得部１０２は、第２信号ＳＢをデジタル変換したローパスフィルタ３８の出力である正弦波の実効値を取得し、ＭＢを出力する。

割合演算部１０３は、これら信号ＭＡ，ＭＢを入力し、２つの信号の割合Ｒを、Ｒ＝ＭＢ／ＭＡで演算し、異常診断部１０４に渡す。異常診断部は、割合Ｒと所定の閾値を比較して異常状態か否かを判断し、異常状態であれば警報ＡＬを外部出力する。割合Ｒの監視による警報は、測定管路の部分的な腐食・摩耗・つまり等の異常診断に有効である。

異常診断部１０４の動作例を説明する。例えば、正常時には第１信号ＳＡと第２信号ＳＢはおよそ５％ずれているとする。しかしながら、外乱によってこのずれは変動する。そこで、部分腐食のみによる影響を検出するための閾値を±１５％以上ずれているときとすれば、異常と判断するのは、割合Ｒが０.８０７５以下及び１.０９２５以上となる。

即ち、正常時には、励振回路部２０により振幅がＡＧＣにより一定に制御される第１信号ＳＡの正規化した実効ＭＡ値が１.００、第２信号の実効値ＭＢが０.９５であれば割合Ｒは、Ｒ＝ＭＢ／ＭＡ＝０.９５／１.００＝０.９５となる。

異常時には、割合Ｒは、Ｒ＝０.９５×（１−０.１５）＝０.８０７５以下、又はＲ＝０.９５×（１＋０.１５）＝１.０９２５以上となる。

異常診断部１０４は、前記第１信号及び前記第２信号の実効値の保持電圧ＭＡ及びＭＢを直接入力し、振幅を一定に制御されていない側、即ちこの実施例では第２信号ＭＢを所定の閾値と比較して、この信号を検出している第２センサ１６の異常を警報することができる。

図２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。図１の実施例との差を説明する。第１信号ＳＡ及び第２信号ＳＢは、センサ信号割り振り部４０により周期的に切り替えられてＡＧＣ機能を備える励振回路部２０の平滑部２１に入力される。

センサ信号割り振り部４０は、切り替え制御部５０からの切り替え制御信号ＳＷによりトグル操作される。切り替え制御信号ＳＷは、診断部１００の第１選択部１０５及び第２選択部１０６に与えられる。

第１選択部１０５及び第２選択部１０６は、夫々第１信号ＳＡの実効値ＭＡ及び第２信号ＳＢの実効値ＭＢを選択して第１電圧保持部１０７及び第２電圧保持部１０８に渡して保持させる。

割合演算部１０３は、第１電圧保持部１０７の保持電圧ＶＡ及び第２電圧保持部１０８の保持電圧ＶＢを入力してその割合Ｒを演算して異常診断部１０４に渡す。異常診断部１０４の動作は、図１の場合と同様である。

第１選択部１０５は、センサ信号割り振り部４０により励振回路部２０に入力される信号が第１信号ＳＡならば実効値ＭＡを第１電圧保持手段１０７に出力しない、一方、励振回路部２０に入力される信号が第２信号ＳＢならば実効値ＭＡを第１電圧保持手段１０７に出力する。

第２選択部１０６は、センサ信号割り振り部４０により励振回路部２０に入力される信号が第２信号ＳＢならば実効値ＭＢを第２電圧保持手段１０８に出力しない、一方、励振回路部２０に入力される信号が第１信号ＳＡならば実効値ＭＢを第２電圧保持手段１０８に出力する。

この実施例での効果は、異常診断の検出感度を良くすることである。この実施例では、励振回路部２０が備えるＡＧＣの基準となるセンサ信号を切り替え、基準ではない方のセンサ信号に注目する。ＡＧＣは、センサ信号の電圧を常に一定に保とうと働く。正常なときは、第１信号ＳＡと第２信号ＳＢを切り替えると、どちらも一定の値に制御されて変化が見られない。

ここで例えば、測定管路の異常によって第１信号ＳＡの電圧が第２信号ＳＢの電圧よりも小さいとする。このとき、第１信号ＳＡがＡＧＣの基準のときは、第２信号ＳＢの電圧は基準よりも大きくなる。

次に、ＡＧＣの基準を切り替えて第２信号ＳＢがＡＧＣの基準のときは、第１信号ＳＡの電圧は基準よりも小さくなる。この実施例では、ＡＧＣの基準ではないほうのセンサ電圧を比較するものである。

つまり、図１の実施例のようにＡＧＣの基準を切り替えない場合（基準が第１信号ＳＡの場合）には、ＳＡの電圧が基準になり、第２信号ＳＢの保持電圧ＶＢは基準より大きくなる。

一方、この実施例のようにＡＧＣの基準を切り替える手法では、第１センサＳＡの保持電圧ＶＡは基準より小さくなり、第２信号ＳＢの保持電圧ＶＢは基準よりも大きくなる。即ち、ＡＧＣの基準入力を切り替えると、ＶＡとＶＢの差が拡大され、両者の割合が大きく変わることで異常診断の感度を向上させることができる。

異常診断部１０４の動作例を説明する。例えば、正常時には第１信号ＳＡと第２信号ＳＢはおよそ５％ずれているとする。しかしながら、外乱によってこのずれは変動する。そこで、部分腐食のみによる影響を検出するための閾値を±１５％以上ずれているときとすれば、異常と判断するのは、割合Ｒが０.７６９１以下及び１.０４０５以上となる。

即ち、正常時には、励振回路部２０により振幅がＡＧＣにより一定に制御される第１信号ＳＡの正規化された実効ＭＡ値が１.００、第２信号の実効値ＭＢが０.９５であればこの値を割合演算の一方とする。

切り替えにより、ＡＧＣにより一定に制御される第２信号ＳＢの実効ＭＢ値が１.００、第１信号の実効値ＭＡが１.０５であればこの値を割合演算の他方とする。正常時の割合Ｒは、Ｒ＝ＭＢ／ＭＡ＝０.９５／１.０５＝０.９０４８となる。

異常時には、割合Ｒは、Ｒ＝０.９０４８×（１−０.１５）＝０.７６９１以下、又はＲ＝０.９０４８×（１＋０.１５）＝１.０４０５以上となる。

異常診断部１０４は、前記第１信号及び前記第２信号の実効値の保持電圧ＶＡ及びＶＢを直接入力し、ＡＧＣの基準となっていない側の電圧を所定の閾値と比較して、これら信号を検出している第１センサ１５及び第２センサ１６の異常を個別に警報することができる。更に、保持圧ＶＡ及び保持電圧ＶＢが一様に閾値を超えて増加または減少する場合には測定管路の一様腐食を警報することができる。

図３は、本発明を適用したコリオリ質量流量計の更に他の実施例を示す機能ブロック図である。第１信号ＳＡ及び第２信号ＳＢは、センサ信号割り振り部４０により周期的に切り替えられてＡＧＣ機能を備える励振回路部２０の平滑部２１に入力される構成は、図２の実施例と同一である。

この実施例の特徴は、診断部１００において監視する入力を、図１，図２の実施例ように第１信号ＳＡ及び第２信号ＳＢの実効値ではなく、ＡＧＣを実行している励振回路部２０から加振器１４へ出力されるドライブ信号ＤＶを監視対象として入力する構成にある。

診断部１００に入力されたドライブ信号ＤＶは、トラックホールド１０９を介してアナログ／デジタル変換器１１０でデジタル変換され、その実効値が実効値取得部１１１で保持される。

出力先切り替え部１１２は、切り替え制御部５０の切り替え制御信号ＳＷにより、ＡＧＣの基準が第１信号ＳＡに選択されている場合には、実効値取得部１１１の保持電圧を第１電圧保持手段１１３に出力し、ＡＧＣの基準が第２信号ＳＢに選択されている場合には、実効値取得部１１１の保持電圧を第２電圧保持手段１１４に出力する。

割合演算部１０３は、第１電圧保持手段１１３の保持電圧ＶＡ及び第２電圧保持手段１１４の保持電圧ＶＢを入力してその割合Ｒを演算して異常診断部１０４に渡す。異常診断部１０４の動作は、図１の場合と同様である。

異常診断部１０４の動作例を説明する。例えば、正常時には第１信号ＳＡと第２信号ＳＢはおよそ５％ずれているとする。しかしながら、外乱によってこのずれは変動する。そこで、部分腐食のみによる影響を検出するための閾値を±１５％以上ずれているときとすれば、異常と判断するのは、割合Ｒが０.７６９１以下及び１.０４０５以上となる。

即ち、正常時には、励振回路部２０により振幅がＡＧＣにより一定に制御される信号が第１信号ＳＡの場合のドライブ信号ＤＶのゲインを正規化した値が１.００であれば、励振回路部２０により振幅がＡＧＣにより一定に制御される信号が第２信号ＳＢの場合のドライブ信号ＤＶのゲインを正規化した値は０.９５である。正常時の割合Ｒは、Ｒ＝ＶＢ／ＶＡ＝０.９５／１.０５＝０.９０４８となる。

異常時には、割合Ｒは、Ｒ＝０.９０４８×（１−０.１５）＝０.７６９１以下、又はＲ＝０.９０４８×（１＋０.１５）＝１.０４０５以上となる。

異常診断部１０４は、第１保持圧ＶＡ及び第２保持電圧ＶＢを直接入力し、これら電圧を所定の閾値と比較して、これら信号を検出している第１センサ１５及び第２センサ１６の異常を個別に警報することができる。更に、第１保持圧ＶＡ及び第２保持電圧ＶＢが一様に閾値を超えて増加または減少する場合には測定管路の一様腐食を警報することができる。

図１及び図２の実施例では、第１信号ＳＡ及び第２信号ＳＢの実効値は、ローパスフィルタ３７及び３８を経由したデジタル信号で診断部１００に入力されているが、これら信号は、センサ部１０より直接得られるアナログ信号であってもよい。この場合には割合演算部１０３はアナログ信号の比率演算を実行する。

図３の実施例では、ＡＧＣを実行している励振回路部２０より、加振器１４へのドライブ信号ＤＶを監視対象として診断部１００に入力する構成を示したが、励振回路部２０の可変増幅器２４の出力電圧ＣＶを診断部１００に入力する構成であってもよい。

１０ センサ部
１４ 加振器
２０ 励振回路部
２１ 平滑部
２２ 目標設定部
２３ 比較部
２４ 可変増幅器
２５ 駆動出力部
３０ 信号演算処理部
３１，３２，３３ トラックアンドホールド
３４，３５，３６ アナログ／デジタル変換器
３７，３８ ローパスフィルタ
３９ 流量演算部
１００ 診断部
１０１ 第１実効値取得部
１０２ 第２実効値取得部
１０３ 割合演算部
１０４ 異常診断部

Claims (7)

1. 加振器により振動する測定管路に所定距離を隔てて配置された上流側センサの第１信号及び下流側センサの第２信号の位相差に基づいて前記測定管路を流れる流体の質量流量を演算すると共に、前記第１信号または前記第２信号を入力し、その振幅が目標値となるように前記加振器のドライブ信号を制御する励振回路部を有するコリオリ質量流量計において、
   前記第１信号の実効値及び前記第２信号の実効値を取得する第１実効値取得部及び第２実効値取得部と、
   取得された前記第１信号の実効値及び前記第２信号の実効値を入力して両者の割合を演算する割合演算部と、
   演算された前記割合と所定の閾値とを比較して警報を発生する異常診断部と、
   を備えることを特徴とするコリオリ質量流量計。
2. 前記励振回路部は、前記第１信号または前記第２信号を周期的に切替えて入力し、入力信号の振幅が目標値となるように前記加振器のドライブ信号を制御すると共に、
   前記割合演算部は、前記切替えに連動して前記第１信号の実効値の保持電圧及び前記第２信号の実効値の保持電圧を取得して両者の割合を演算することを特徴とする請求項１に記載のコリオリ質量流量計。
3. 前記第１信号の実効値及び前記第２信号の実効値は、前記第１信号及び前記第２信号をデジタル変換したデジタル値に基づいて与えられることを特徴とする請求項１または２に記載のコリオリ質量流量計。
4. 前記第１信号の実効値及び前記第２信号の実効値は、前記第１信号及び前記第２信号の検出値に基づいて与えられることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のコリオリ質量流量計。
5. 前記異常診断部は、前記第１信号及び前記第２信号の実効値の保持電圧を直接入力して所定の閾値と比較して警報を発生することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のコリオリ質量流量計。
6. 加振器により振動する測定管路に所定距離を隔てて配置された上流側センサの第１信号及び下流側センサの第２信号の位相差に基づいて前記測定管路を流れる流体の質量流量を演算すると共に、前記第１信号または前記第２信号を周期的に切替えて入力し、入力信号の振幅が目標値となるように前記加振器のドライブ信号を制御する励振回路部を有するコリオリ質量流量計において、
   前記切替えに連動して前記加振器のドライブ信号またはこのドライブ信号に比例する信号の実効値の保持電圧を取得して両者の割合を演算する割合演算部と、
   演算された前記割合と所定の閾値とを比較して警報を発生する異常診断部と、
   を備えることを特徴とするコリオリ質量流量計。
7. 前記異常診断部は、前記切替えに連動して前記加振器のドライブ信号またはこのドライブ信号に比例する信号の実効値の保持電圧を直接入力して所定の閾値と比較して警報を発生することを特徴とする請求項６に記載のコリオリ質量流量計。

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