JPH0961472A - 位相差測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 回路規模が小さく、測定精度を向上させた位
相差測定装置を実現する。 【構成】 位相の異なる第１の信号、第２の信号の一対
の信号を同時に取り込むと共に取り込んだ信号をディジ
タル信号に変換し互いの位相差を測定する位相差測定装
置において、一対の信号を交互に選択する選択回路と、
この選択回路の出力を取り込むサンプル・アンド・ホー
ルド回路と、このサンプル・アンド・ホールド回路の出
力をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、このＡ
／Ｄ変換器の出力の内第１の信号の２つのサンプリング
結果に基づき第２の信号のサンプリング時間に相当する
第１の信号の位相を演算して、第２の信号の位相との位
相差を求める位相差演算回路とを設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、位相差測定装置に関
し、特に回路規模が小さく測定精度が向上した位相差測
定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】位相差測定装置とは、例えば、周波数が
同一で位相の異なる一対の正弦波信号間の位相差を測定
するものである。

【０００３】図５はこのような従来の位相差測定装置の
一例を示す構成ブロック図である。図５において１及び
２はサンプル・アンド・ホールド回路（以下、Ｓ＆Ｈ回
路と呼ぶ。）、３はマルチプレクサ等の選択回路、４は
Ａ／Ｄ変換器、５は位相差演算回路である。また、１０
０及び１０１は周波数が同一で位相の異なる一対の正弦
波信号、１０２は位相差信号である。

【０００４】正弦波信号１００及び１０１はＳ＆Ｈ回路
１及び２にそれぞれ入力され、Ｓ＆Ｈ回路１及び２の出
力は選択回路３にそれぞれ接続される。選択回路３の出
力はＡ／Ｄ変換器４に接続され、Ａ／Ｄ変換器４の出力
は位相差演算回路５に接続され、位相差演算回路５は位
相差信号１０２を出力する。

【０００５】ここで、図５に示す従来例の動作を説明す
る。正弦波信号１００及び１０１はＳ＆Ｈ回路１及び２
で同時にサンプリングされてその結果が保持される。Ａ
／Ｄ変換器４は選択回路３で前記保持されたデータを順
次選択してそれぞれディジタル信号に変換する。

【０００６】位相差演算回路５ではＡ／Ｄ変換器４から
の同時にサンプリングした２つのディジタル信号に基づ
き正弦波信号１００及び１０１間の位相差を演算して位
相差信号１０２を出力する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、図５に示す従
来例では正弦波信号１００及び１０１等を同時にサンプ
リングするためにＳ＆Ｈ回路が複数個必要であり、回路
規模が大きくなるばかりか、各Ｓ＆Ｈ回路の特性のバラ
ツキにより誤差が生じてしまう。従って本発明の目的
は、回路規模が小さく、測定精度を向上させた位相差測
定装置を実現することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明では、位相の異なる第１の信号、第２
の信号の一対の信号を同時に取り込むと共に取り込んだ
信号をディジタル信号に変換し互いの位相差を測定する
位相差測定装置において、前記一対の信号を交互に選択
する選択回路と、この選択回路の出力を取り込むサンプ
ル・アンド・ホールド回路と、このサンプル・アンド・
ホールド回路の出力をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ
変換器と、このＡ／Ｄ変換器の出力の内前記第１の信号
の２つのサンプリング結果に基づき前記第２の信号のサ
ンプリング時間に相当する前記第１の信号の位相を演算
して、前記第２の信号の位相との位相差を求める位相差
演算回路とを備えたことを特徴とするものである。

【０００９】

【作用】１対の正弦波信号を等間隔で交互にサンプリン
グし、第１の正弦波信号の２つのサンプリング結果に基
づいて、第２の正弦波信号のサンプリング時間に相当す
る第１の正弦波信号の位相を演算して、第２の正弦波信
号の位相との位相差を求めることによって、Ｓ＆Ｈ回路
が１個で良くなる。

【００１０】

【実施例】以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。
図１は本発明に係る位相差測定装置の一実施例を示す構
成ブロック図である。図１において１ａはＳ＆Ｈ回路、
３ａは選択回路、４ａはＡ／Ｄ変換器、５ａは位相差演
算回路である。また、１００ａ及び１０１ａは正弦波信
号、１０２ａは位相差信号、１０３はディジタル信号で
ある。

【００１１】正弦波信号１００ａ及び１０１ａは選択回
路３ａにそれぞれ入力され、選択回路３ａの出力はＳ＆
Ｈ回路１ａに接続される。Ｓ＆Ｈ回路１ａの出力はＡ／
Ｄ変換器４ａに接続され、Ａ／Ｄ変換器４ａの出力であ
るディジタル信号１０３は位相差演算回路５ａに接続さ
れ、位相差演算回路５ａは位相差信号１０２ａを出力す
る。

【００１２】また、図２は図１の位相差演算回路５ａの
具体例を示す構成ブロック図である。図２において６，
７，９及び１０はメモリ、８及び１１は９０°位相を進
ませる移相器、１２は演算回路であり、１０４，１０
５，１０６，１０７，１０８及び１０９は演算回路１２
に入力される信号である。

【００１３】ディジタル信号１０３はメモリ６及び７に
入力され、メモリ６の出力である信号１０４は移相器
８、メモリ９及び演算回路１２に接続される。移相器８
の出力である信号１０５はメモリ１０及び演算回路１２
に接続される。

【００１４】また、メモリ９及び１０の出力である信号
１０６及び１０７は演算回路１２に接続される。

【００１５】一方、メモリ７の出力である信号１０８は
移相器１１及び演算回路１２に接続され、移相器１１の
出力である信号１０９は演算回路１２に接続される。ま
た、演算回路１２は位相差信号１０２ａを出力する。

【００１６】ここで、図１及び図２に示す実施例の動作
を図３を用いて説明する。図３は正弦波信号１００ａ及
び１０１ａのサンプリング時間と位相との関係を示す特
性曲線図である。

【００１７】正弦波信号１００ａが基準となる信号、正
弦波信号１０１ａは”φ”だけ位相が進んだ信号とし、
正弦波信号１００ａ及び１０１ａの位相をそれぞれ”
α”及び”β”とすると、 α＝ωｔ (1) β＝ωｔ＋φ (2) という関係になる。

【００１８】但し、”ω”は正弦波信号１００ａ及び１
０１ａの角速度、”ｔ”は時間である。また、図３中”
イ”及び”ロ”が正弦波信号１００ａ及び１０１ａに対
応するものとする。。

【００１９】まず、第１ステップとして、図３中サンプ
リング時間”ｔ₁ ”のタイミングで選択回路３ａは正弦
波信号１００ａを選択し、Ｓ＆Ｈ回路１ａはこの正弦波
信号１００ａをサンプリングして保持する。即ち、図３
中”ハ”の点のデータが取り込まれることになる。

【００２０】この保持信号はＡ／Ｄ変換器４ａでディジ
タル信号１０３に変換され、メモリ６に格納される。ま
た、メモリ６の出力である信号１０４はさらにメモリ９
に格納される。そして、”ハ”の点における位相は図３
から”α₁ ”であるから、メモリ９の出力である信号１
０６は、 Ｓ₁₀₆＝Ａ・sinωｔ₁＝Ａ・sinα₁ (3) と表される。但し、”Ａ”は正弦波信号１００ａの振幅
である。

【００２１】一方、メモリ６の出力は移相器８で９０°
位相が進められ、メモリ１０に格納されるので、メモリ
１０の出力である信号１０６は、 Ｓ₁₀₇＝Ａ・sin(ωｔ₁＋９０) ＝Ａ・cosωｔ₁ ＝Ａ・cosα₁ (4) と表される。

【００２２】第２ステップとして、図３中サンプリング
時間”ｔ₂ ”のタイミングで選択回路３ａは正弦波信号
１０１ａを選択し、Ｓ＆Ｈ回路１ａはこの正弦波信号１
０１ａをサンプリングして保持する。即ち、図３中”
ニ”の点のデータが取り込まれることになる。

【００２３】この保持信号はＡ／Ｄ変換器４ａでディジ
タル信号１０３に変換され、メモリ７に格納される。ま
た、”ニ”の点における位相は図３から”β₂ ”である
からメモリ７の出力である信号１０８は、 Ｓ₁₀₈＝Ｂ・sin(ωｔ₂＋φ) ＝Ｂ・sinβ₂ (5) と表される。但し、”Ｂ”は正弦波信号１０１ａの振幅
である。

【００２４】一方、メモリ７の出力は移相器１１で９０
°位相が進められるので信号１０９は、 Ｓ₁₀₉＝Ｂ・sin{(ωｔ₂＋φ)＋９０} ＝Ｂ・cos(ωｔ₂＋φ) ＝Ａ・cosβ₂ (6) と表される。

【００２５】第３ステップとして、図３中サンプリング
時間”ｔ₃ ”のタイミングで選択回路３ａは再び正弦波
信号１００ａを選択し、Ｓ＆Ｈ回路１ａはこの正弦波信
号１００ａをサンプリングして保持する。即ち、図３
中”ホ”の点のデータが取り込まれることになる。

【００２６】この保持信号はＡ／Ｄ変換器４ａでディジ
タル信号１０３に変換され、メモリ６に格納される。ま
た、”ホ”の点における位相は図３から”α₃ ”である
から、メモリ６の出力である信号１０４は、 Ｓ₁₀₄＝Ａ・sinωｔ₃ ＝Ａ・sinα₃ (7) と表される。

【００２７】一方、メモリ６の出力は移相器８で９０°
位相が進められるので信号１０５は、 Ｓ₁₀₅＝Ａ・sin(ωｔ₃＋９０) ＝Ａ・cosωｔ₃ ＝Ａ・cosα₃ (8) と表される。

【００２８】従って、上記第１から第３のステップによ
り信号１０４〜１０９が演算回路１２に入力されること
になる。但し、サンプリング時間”ｔ₂ ”は、 ｔ₂＝(ｔ₁＋ｔ₃)／２ (9) という関係である。

【００２９】また、図３において”ヘ”はサンプリング
時間”ｔ₂ ”における位相差であり”β₂−α₂”で表さ
れる。この値を以下に示す公式に代入すると、 tanθ＝(１−cos２θ)／sin２θ tan(β₂−α₂)＝{１−cos２(β₂−α₂)} ／sin２(β₂−α₂) (10) となる。

【００３０】式（９）に関係から、 α₂＝(α₁＋α₃)／２ (11) であり、式（１０）に代入すると、 tan(β₂−α₂)＝[１−cos{２β₂−(α₁＋α₃)}] ／sin{２β₂−(α₁＋α₃)} (12) となる。

【００３１】また、信号１０４〜１０９を”ａ”〜”
ｆ”として以下に示す”ｇ”〜”ｎ”を定義する。 ｇ＝Ａ²・sin(α₁＋α₃) ＝Ａ²(sinα₁・cosα₃＋cosα₁・sinα₃) ＝ｂ・ｃ＋ａ・ｄ (13)

【００３２】 ｈ＝Ａ²・cos(α₁＋α₃) ＝Ａ²(cosα₁・cosα₃−sinα₁・sinα₃) ＝ｂ・ｄ−ａ・ｃ (14)

【００３３】 ｉ＝Ｂ²・sin２β₂ ＝Ｂ²・２sinβ₂・cosβ₂ ＝２・ｅ・ｆ (15)

【００３４】 ｊ＝Ｂ²・cos２β₂ ＝Ｂ²・(cos²β₂−sin²β₂) ＝ｆ²−ｅ² (16)

【００３５】 ｋ＝Ａ²・Ｂ²・sin{２β₂−(α₁＋α₃)} ＝Ａ²・Ｂ²・{sin２β₂・cos(α₁＋α₃)−cos２β₂・sin(α₁＋α₃)} ＝Ａ²・cos(α₁＋α₃)・Ｂ²・sin２β₂ −Ａ²・sin(α₁＋α₃)・Ｂ²・cos２β₂ ＝ｈ・ｉ−ｇ・ｊ (17)

【００３６】 ｌ＝Ａ²・Ｂ²・cos{２β₂−(α₁＋α₃)} ＝Ａ²・Ｂ²・{cos２β₂・cos(α₁＋α₃)−sin２β₂・sin(α₁＋α₃)} ＝Ａ²・cos(α₁＋α₃)・Ｂ²・cos２β₂ −Ａ²・sin(α₁＋α₃)・Ｂ²・sin２β₂ ＝ｈ・ｊ＋ｇ・ｉ (18)

【００３７】 ｍ＝Ａ² ＝(Ａ・sinα₃)²＋(Ａ・cosα₃)² ＝ａ²＋ｂ² (19)

【００３８】 ｎ＝Ｂ² ＝(Ｂ・sinβ₂)²＋(Ｂ・cosβ₂)² ＝ｅ²＋ｆ² (20)

【００３９】ここで、上記”ａ”〜”ｎ”を用いて式
（１０）を書き換えると、 tan(β₂−α₂)＝Ａ²・Ｂ²・{１−cos２(β₂−α₂)} ／Ａ²・Ｂ²・sin２(β₂−α₂) ＝(ｍ・ｎ−ｌ)／ｋ (21) となる。

【００４０】従って、正弦波信号１００ａと正弦波信号
１０１ａとの位相差”β₂−α₂”は、 φ＝tan^-1{(ｍ・ｎ−ｌ)／ｋ} (22) となる。

【００４１】即ち、信号１０４〜１０９を用いて式（１
３）〜（２０）を演算し、更に、式（２２）の演算を行
うことにより、位相差信号１０２ａを得ることができ
る。

【００４２】この結果、正弦波信号１００ａ及び１０１
ａを等間隔で交互にサンプリングし、正弦波信号１００
ａの２つのサンプリング結果に基づいて、正弦波信号１
０１ａのサンプリング時間に相当する正弦波信号１００
ａの位相を演算して、正弦波信号１０１ａの位相との位
相差を求めることによって、Ｓ＆Ｈ回路が１個で良くな
るので、回路規模が小さくなり、Ｓ＆Ｈ回路の特性のバ
ラツキによる誤差がなくなるので測定精度が向上する。

【００４３】また、図４は本発明に係る位相差測定装置
をコリオリ質量流量計に用いた応用例を示す構成ブロッ
ク図である。

【００４４】ここで、コリオリ質量流量計とは、被測定
流体が流れる管を振動させ、この際に生じるコリオリ力
を検出して被測定流体の質量流量を測定する装置であ
る。

【００４５】図４において１ａ、３ａ、４ａ及び５ａは
図１と同一符号を付してあり、１３は被測定流体が流れ
るチューブ、１４及び１５は振動検出器、１６は周波数
測定回路、１７は温度測定回路、１８は質量流量演算回
路である。

【００４６】チューブ１３の振動は振動検出器１４及び
１５で検出され、選択回路３ａにそれぞれ入力される。
選択回路３ａの出力はＳ＆Ｈ回路１ａに接続され、Ｓ＆
Ｈ回路１ａの出力はＡ／Ｄ変換器４ａに接続される。

【００４７】Ａ／Ｄ変換器４ａの出力は位相差演算回路
５ａに接続され、位相差演算回路５ａの出力は質量流量
演算回路１８に接続される。また、周波数測定回路１６
及び温度測定回路１７の出力もそれぞれ質量流量演算回
路１８に接続される。さらに質量流量演算回路１８は質
量流量信号１１０を出力する。

【００４８】ここで、図４に示す応用例の動作を説明す
る。チューブ１３は図示しない加振器により特定の振動
モードで加振される。また、このチューブ１３には被測
定流体が図４中”イ”及び”ロ”に示す方向に流れてコ
リオリ力が発生し、加振とは別の振動モードの振動が生
じる。

【００４９】振動検出器１４及び１５でチューブ１３の
上下流対象な２点での振動を検出すると被測定流体の質
量流量に応じて前記２点で検出される振動に位相差が生
じる。

【００５０】従って、本発明に係る位相差測定装置でこ
の位相差を検出すると共に、周波数測定回路１６でチュ
ーブ１３の振動周波数を測定し、温度測定回路１７でチ
ューブ１３を流れる被測定流体の温度を測定することに
よって質量流量を求めることができる。

【００５１】即ち、質量流量を”Ｑ”、位相差を”
φ”、被測定流体の温度を”Ｔ”、チューブ１３の振動
周波数を”Ｆ”、補正係数を”Ｋ”とすると、 Ｑ＝Ｋ・tanφ・Ｔ／Ｆ (23) となる。

【００５２】ここで、本発明に係る位相差測定装置は式
（２１）のように”tanφ ”の形で位相差を出力できる
のでコリオリ質量流量計で有効に用いることができる。

【００５３】なお、図１及び図２においては正弦波信号
１００ａを基準となる信号、正弦波信号１０１ａを”
φ”だけ位相が進んだ信号として取り扱ったが、正弦波
信号１００ａを”φ”だけ位相が進んだ信号、正弦波信
号１０１ａを基準となる信号としても良い。

【００５４】

【発明の効果】以上説明したことから明らかなように、
本発明によれば次のような効果がある。２つの正弦波信
号を等間隔で交互にサンプリングし、第１の正弦波信号
の２つのサンプリング結果に基づいて、第２の正弦波信
号のサンプリング時間に相当する位相を演算して、第２
の正弦波信号の位相との位相差を求めることによって、
回路規模が小さく、測定精度を向上させた位相差測定装
置が実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る位相差測定装置の一実施例を示す
構成ブロック図である。

【図２】位相差演算回路の具体例を示す構成ブロック図
である。

【図３】サンプリング時間と位相との関係を示す特性曲
線図である。

【図４】位相差測定装置をコリオリ質量流量計に用いた
応用例を示す構成ブロック図である。

【図５】従来の位相差測定装置の一例を示す構成ブロッ
ク図である。

【符号の説明】

１，１ａ，２ サンプル・アンド・ホールド回路 ３，３ａ 選択回路 ４，４ａ Ａ／Ｄ変換器 ５，５ａ 位相差演算回路 ６，７，９，１０ メモリ ８，１１ 移相器 １２ 演算回路 １３ チューブ １４，１５ 振動検出器 １６ 周波数測定回路 １７ 温度測定回路 １８ 質量流量演算回路 １００，１００ａ，１０１，１０１ａ 正弦波信号 １０２，１０２ａ 位相差信号 １０３ ディジタル信号 １０４，１０５，１０６，１０７，１０８，１０９ 信
号 １１０ 質量流量信号

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】位相の異なる第１の信号、第２の信号の一
   対の信号を同時に取り込むと共に取り込んだ信号をディ
   ジタル信号に変換し互いの位相差を測定する位相差測定
   装置において、 前記一対の信号を交互に選択する選択回路と、 この選択回路の出力を取り込むサンプル・アンド・ホー
   ルド回路と、 このサンプル・アンド・ホールド回路の出力をディジタ
   ル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、 このＡ／Ｄ変換器の出力の内前記第１の信号の２つのサ
   ンプリング結果に基づき前記第２の信号のサンプリング
   時間に相当する前記第１の信号の位相を演算して、前記
   第２の信号の位相との位相差を求める位相差演算回路と
   を備えたことを特徴とする位相差測定装置。