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特許7429703コリオリ流量計、流量測定方法、及び、コリオリ流量計用プログラム
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-01-31
(45)【発行日】2024-02-08
(54)【発明の名称】コリオリ流量計、流量測定方法、及び、コリオリ流量計用プログラム
(51)【国際特許分類】
G01F 1/84 20060101AFI20240201BHJP
【ＦＩ】
G01F1/84
【請求項の数】
5
(21)【出願番号】P 2021545117
(86)(22)【出願日】2020-06-02
(86)【国際出願番号】 JP2020021771
(87)【国際公開番号】W WO2021049105
(87)【国際公開日】2021-03-18
【審査請求日】2023-05-16
(31)【優先権主張番号】P 2019166042
(32)【優先日】2019-09-12
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】000127961
【氏名又は名称】株式会社堀場エステック
(74)【代理人】
【識別番号】100121441
【弁理士】
【氏名又は名称】西村 竜平
(74)【代理人】
【識別番号】100154704
【弁理士】
【氏名又は名称】齊藤 真大
(74)【代理人】
【識別番号】100206151
【弁理士】
【氏名又は名称】中村 惇志
(74)【代理人】
【識別番号】100218187
【弁理士】
【氏名又は名称】前田 治子
(72)【発明者】
【氏名】糸賀 友城
(72)【発明者】
【氏名】寺阪 正訓
【審査官】公文代 康祐
(56)【参考文献】
【文献】特表２００２－５３１８５９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０８－０８２５４３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００５－２７４２５４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２００４－５０９３３０（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許第０５６０２３４４（ＵＳ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｆ １／８４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
流体が流れる管路を基準振動数で加振する加振器と、前記加振器による加振力により誘起される前記管路の強制振動を検出する第１検出機構と、
強制振動によって前記流体に発生するコリオリ力により誘起されるコリオリ振動を検出する第２検出機構と、
前記基準振動数を有する基準周期信号が参照信号として入力され、前記第１検出機構の出力信号が測定信号として入力されるものであり、前記第１検出機構の出力信号の振幅の参照信号に対する同相成分Ｘｆ、前記振幅の参照信号に対する直交成分Ｙｆ、又は、前記第１検出機構の出力信号の参照信号からの位相のずれθｆの少なくともいずれか１つを出力する第１ロックインアンプと、
前記基準周期信号が参照信号として入力され、前記第２検出機構の出力信号が測定信号として入力されるものであり、前記第２検出機構の出力信号の振幅の参照信号に対する同相成分Ｘｃ、前記振幅の参照信号に対する直交成分Ｙｃ、又は、前記第２検出機構の出力信号の参照信号からの位相のずれθｃの少なくともいずれか１つを出力する第２ロックインアンプと、
ＸｆとＹｃの比、ＹｆとＸｃの比、又は、θｆとθｃの差の少なくともいずれか１つに基づいて前記管路を流れる流体の流量を算出する流量算出部と、を備えたことを特徴とするコリオリ流量計。
【請求項2】
前記流量算出部が、ＸｆとＹｃの比又はＹｆとＸｃの比の絶対値、あるいは、符号反転させた値に基づいて流量を算出する請求項１記載のコリオリ流量計。【請求項3】
前記第１ロックインアンプ、及び、前記第２ロックインアンプが２位相ロックインアンプである請求項１又は２記載のコリオリ流量計。【請求項4】
流体が流れる管路を基準振動数で加振する加振器と、前記加振器による加振力により誘起される前記管路の強制振動を検出する第１検出機構と、強制振動によって前記流体に発生するコリオリ力により誘起されるコリオリ振動を検出する第２検出機構と、前記基準振動数を有する基準周期信号が参照信号として入力され、前記第１検出機構の出力信号が測定信号として入力されるものであり、前記第１検出機構の出力信号の振幅の参照信号に対する同相成分Ｘｆ、前記振幅の参照信号に対する直交成分Ｙｆ、又は、前記第１検出機構の出力信号の参照信号からの位相のずれθｆの少なくともいずれか１つを出力する第１ロックインアンプと、前記基準周期信号が参照信号として入力され、前記第２検出機構の出力信号が測定信号として入力されるものであり、前記第２検出機構の出力信号の振幅の参照信号に対する同相成分Ｘｃ、前記振幅の参照信号に対する直交成分Ｙｃ、又は、前記第２検出機構の出力信号の参照信号からの位相のずれθｃの少なくともいずれか１つを出力する第２ロックインアンプと、を備えたコリオリ流量計を用いた流量測定方法であって、ＸｆとＹｃの比、ＹｆとＸｃの比、又は、θｆとθｃの差の少なくともいずれか１つに基づいて前記管路を流れる流体の流量を算出することを特徴とする流量測定方法。
【請求項5】
流体が流れる管路を基準振動数で加振する加振器と、前記加振器による加振力により誘起される前記管路の強制振動を検出する第１検出機構と、強制振動によって前記流体に発生するコリオリ力により誘起されるコリオリ振動を検出する第２検出機構と、前記基準振動数を有する基準周期信号が参照信号として入力され、前記第１検出機構の出力信号が測定信号として入力されるものであり、前記第１検出機構の出力信号の振幅の参照信号に対する同相成分Ｘｆ、前記振幅の参照信号に対する直交成分Ｙｆ、又は、前記第１検出機構の出力信号の参照信号からの位相のずれθｆの少なくともいずれか１つを出力する第１ロックインアンプと、前記基準周期信号が参照信号として入力され、前記第２検出機構の出力信号が測定信号として入力されるものであり、前記第２検出機構の出力信号の振幅の参照信号に対する同相成分Ｘｃ、前記振幅の参照信号に対する直交成分Ｙｃ、又は、前記第２検出機構の出力信号の参照信号からの位相のずれθｃの少なくともいずれか１つを出力する第２ロックインアンプと、を備えたコリオリ流量計に用いられるプログラムであって、ＸｆとＹｃの比、ＹｆとＸｃの比、又は、θｆとθｃの差の少なくともいずれか１つに基づいて前記管路を流れる流体の流量を算出する流量算出部としての機能をコンピュータに発揮させることを特徴とするコリオリ流量計用プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、コリオリ流量計に関するものである。
【背景技術】
【0002】
管路に流れる流体の流量を非接触で高精度に測定したい場合には、コリオリ流量計が用いられている（特許文献１参照）。
【0003】
コリオリ流量計には、例えば振幅比計測方式と呼ばれる原理に基づいて管路を流れる流体の流量を算出するものがある。この方式では、流体が流れる管路が外部からの加振力により誘起される強制振動の振幅Ｒｆと、強制振動により流体に発生するコリオリ力に誘起されるコリオリ振動の振幅Ｒｃとがそれぞれ検出機構により検出され、ＲｆとＲｃの比に基づいて流量が算出される。
【0004】
このようなコリオリ流量計では流量変化に対する感度を向上させるために、図８に示すようなオフセット調整が行われる。すなわち、検出機構で検出される振幅Ｒｃの変化量が微小な場合には、オフセットによって変化量を増加させて検出し、信号感度を向上させている。
【0005】
しかしながら、オフセット調整や位相調整は測定状況等に応じて適切に行われないと、流量に関する情報が失われてしまう可能性もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【文献】特許４５６５１５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
本発明は上述したような問題に鑑みてなされたものであり、オフセット調整や位相調整を行わなくても従来よりも高感度の流量測定が可能となるコリオリ流量計を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
すなわち、本発明に係るコリオリ流量計は、従来の振幅比計測方式のように強制振動の振幅Ｒｆとコリオリ振動の振幅Ｒｃとの比に基づいて流量を算出するよりも、ＸｆとＹｃの比、ＹｆとＸｃの比、又は、θｆとθｃの差に基づいて流量を算出した場合には、従来のようにオフセット調整や位相調整を行わなくても流量変化に対する感度を向上させられることを本願発明者らが鋭意検討の結果見出したことにより初めてなされたものである。
【0009】
具体的に本発明に係るコリオリ流量計は、流体が流れる管路を基準振動数で加振する加振器と、前記加振器による加振力により誘起される前記管路の強制振動を検出する第１検出機構と、強制振動によって前記流体に発生するコリオリ力により誘起されるコリオリ振動を検出する第２検出機構と、前記基準振動数を有する基準周期信号が参照信号として入力され、前記第１検出機構の出力信号が測定信号として入力されるものであり、前記第１検出機構の出力信号の振幅の参照信号に対する同相成分Ｘｆ、前記振幅の参照信号に対する直交成分Ｙｆ、又は、前記第１検出機構の出力信号の参照信号からの位相のずれθｆの少なくともいずれか１つを出力する第１ロックインアンプと、前記基準周期信号が参照信号として入力され、前記第２検出機構の出力信号が測定信号として入力されるものであり、前記第２検出機構の出力信号の振幅の参照信号に対する同相成分Ｘｃ、前記振幅の参照信号に対する直交成分Ｙｃ、又は、前記第２検出機構の出力信号の参照信号からの位相のずれの少なくともいずれか１つを出力する第２ロックインアンプと、ＸｆとＹｃの比、ＹｆとＸｃの比、又は、θｆとθｃの差の少なくともいずれか１つに基づいて前記管路を流れる流体の流量を算出する流量算出部と、を備えたことを特徴とする。
【0010】
また、本発明に係る流量測定方法は、流体が流れる管路を基準振動数で加振する加振器と、前記加振器による加振力により誘起される前記管路の強制振動を検出する第１検出機構と、強制振動によって前記流体に発生するコリオリ力により誘起されるコリオリ振動を検出する第２検出機構と、前記基準振動数を有する基準周期信号が参照信号として入力され、前記第１検出機構の出力信号が測定信号として入力されるものであり、前記第１検出機構の出力信号の振幅の参照信号に対する同相成分Ｘｆ、前記振幅の参照信号に対する直交成分Ｙｆ、又は、前記第１検出機構の出力信号の参照信号からの位相のずれθｆの少なくともいずれか１つを出力する第１ロックインアンプと、前記基準周期信号が参照信号として入力され、前記第２検出機構の出力信号が測定信号として入力されるものであり、前記第２検出機構の出力信号の振幅の参照信号に対する同相成分Ｘｃ、前記振幅の参照信号に対する直交成分Ｙｃ、又は、前記第２検出機構の出力信号の参照信号からの位相のずれθｃの少なくともいずれか１つを出力する第２ロックインアンプと、を備えたコリオリ流量計を用いた流量測定方法であって、ＸｆとＹｃの比、ＹｆとＸｃの比、又は、θｆとθｃの差の少なくともいずれか１つに基づいて前記管路を流れる流体の流量を算出することを特徴とする。
【0011】
このようなものであれば、前記流量算出部が、ＸｆとＹｃの比、ＹｆとＸｃの比、又は、θｆとθｃの差の少なくともいずれか１つに基づいて前記管路を流れる流体の流量を算出することで、従来よりも流量変化に対する感度を高くすることができる。すなわち、コリオリ振動の振幅Ｒｃのベクトル成分のように流量変化に対する変化量が微小で検出しにくい場合がある値を用いるのではなく、コリオリ振動の参照信号に対する直交成分、同相成分、参照信号からの位相のずれは、流量変化に対して変化量が大きく、感度を向上させることができる。
【0012】
したがって、従来のようにオフセット調整や位相調整を行わなくても十分に流量変化に対して高感度なコリオリ流量計を実現できる。
【0013】
加えて、各ロックインアンプによって各検出機構の出力信号に含まれる前記基準振動数を有する強制振動又はコリオリ振動のみをノイズを大幅に低減した形で選択的に抽出することができる。そして、抽出された強制振動及びコリオリ振動に基づいて各ロックインアンプから出力される振幅の直交成分、同相成分、参照信号からの位相のずれについてもノイズが低減された形で出力できる。
【0014】
流量の増減方向と前記流量算出部で算出される算出結果が一致するようにするには、前記流量算出部が、ＸｆとＹｃの比又はＹｆとＸｃの比の絶対値、あるいは、符号反転させた値に基づいて流量を算出するものであればよい。
【0015】
強制振動又はコリオリ振動の振幅の直交成分及び同相成分を同時に出力できるようにしつつ、機器の構成を簡素化するには、前記第１ロックインアンプ、及び、前記第２ロックインアンプが２位相ロックインアンプであればよい。
【0016】
既存のコリオリ流量計についてプログラムを更新することにより本発明に係るコリオリ流量計と同様の効果を享受できるようにするには、流体が流れる管路を基準振動数で加振する加振器と、前記加振器による加振力により誘起される前記管路の強制振動を検出する第１検出機構と、強制振動によって前記流体に発生するコリオリ力により誘起されるコリオリ振動を検出する第２検出機構と、前記基準振動数を有する基準周期信号が参照信号として入力され、前記第１検出機構の出力信号が測定信号として入力されるものであり、前記第１検出機構の出力信号の振幅の参照信号に対する同相成分Ｘｆ、前記振幅の参照信号に対する直交成分Ｙｆ、又は、前記第１検出機構の出力信号の参照信号からの位相のずれθｆの少なくともいずれか１つを出力する第１ロックインアンプと、前記基準周期信号が参照信号として入力され、前記第２検出機構の出力信号が測定信号として入力されるものであり、前記第２検出機構の出力信号の振幅の参照信号に対する同相成分Ｘｃ、前記振幅の参照信号に対する直交成分Ｙｃ、又は、前記第２検出機構の出力信号の参照信号からの位相のずれθｃの少なくともいずれか１つを出力する第２ロックインアンプと、を備えたコリオリ流量計に用いられるプログラムであって、ＸｆとＹｃの比、ＹｆとＸｃの比、又は、θｆとθｃの差の少なくともいずれか１つに基づいて前記管路を流れる流体の流量を算出する流量算出部としての機能をコンピュータに発揮させることを特徴とするコリオリ流量計用プログラムを用いれば良い。
【0017】
なお、コリオリ流量計用プログラムは電子的に配信されるものであってもよいし、ＣＤ、ＤＶＤ、ＨＤＤ、フラッシュメモリ等のプログラム記録媒体に記録されたものであってもよい。
【発明の効果】
【0018】
このように本発明に係るコリオリ流量計は、流量算出部が、ＸｆとＹｃの比、ＹｆとＸｃの比、又は、θｆとθｃの差の少なくともいずれか１つに基づいて流量を算出するように構成されているので、従来のようにオフセット調整や位相調整を行わなくても流量変化に対する感度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0019】
【図1】本発明の第１実施形態に係るコリオリ流量計の外観を示す模式的斜視図。
【図2】第１実施形態に係るコリオリ流量計の全体構成を示す模式図。
【図3】第１実施形態に係るコリオリ流量計の管路の振動状態を示す模式図。
【図4】第１実施形態に係るコリオリ流量計のコリオリ振動の有無による違いを示す模式図。
【図5】第１実施形態に係るコリオリ流量計のロックインアンプの構成を示す模式図。
【図6】第１実施形態に係る流量算出部による流量の算出結果を示すグラフ。
【図7】第１実施形態の変形例における流量算出部による流量の算出結果を示すグラフ。
【図8】従来のコリオリ流量計におけるオフセット調整について説明する模式図。
【符号の説明】
【0020】
１００・・・コリオリ流量計
１ ・・・管路
２ ・・・加振器
４ ・・・第１検出機構
５ ・・・第２検出機構
６ ・・・第１ロックインアンプ
７ ・・・第２ロックインアンプ
８ ・・・流量算出部
１ ・・・管路
２ ・・・加振器
４ ・・・第１検出機構
５ ・・・第２検出機構
６ ・・・第１ロックインアンプ
７ ・・・第２ロックインアンプ
８ ・・・流量算出部
【発明を実施するための形態】
【0021】
本発明の第１実施形態に係るコリオリ流量計１００について図１乃至図６を参照しながら説明する。この実施形態のコリオリ流量計１００は、ソレノイドを用いて強制振動及びコリオリ振動が検出される速度方式のものである。
【0022】
本実施形態のコリオリ流量計１００は、図１及び図２に示すように流体として液体が流れるＵ字状の管路１と、管路１を加振する加振器２と、加振器２に対して正弦波状の電圧信号を入力するファンクションジェネレータ３と、加振器２による管路１の強制振動を検出する第１検出機構４と、強制振動により管路１を流れる流体に発生するコリオリ力で誘起されるコリオリ振動を検出する第２検出機構５と、第１検出機構４の出力信号が入力される第１ロックインアンプ６と、第２検出機構５の出力信号が入力される第２ロックインアンプ７と、第１ロックインアンプ６及び第２ロックインアンプ７の出力に基づいて流量を算出する流量算出部８と、を備えている。
【0023】
各部について詳述する。管路１は、垂直方向に起立する２本の支柱部分１１と、支柱部分１１を架橋するように延びる水平部分１２とからなるキャピラリである。図３及び図４に示すように管路１は加振器２によって水平部分１２を中心軸とする回転方向に対して振動するように構成されている。
【0024】
加振器２は、管路１の支柱部分１１の側面を管路１の水平部分１２に対して直交する方向に力を付与して加振するものである。本実施形態では加振器２は、管路１の各支柱部分１１に設けられたマグネットＭ１、Ｍ２と、それぞれのマグネットＭ１、Ｍ２に対して対向するように設けられた一対のソレノイドコイルＣ１、Ｃ２とからなる。各ソレノイドコイルＣ１、Ｃ２にはファンクションジェネレータ３が接続されており、それぞれに逆相の正弦波の電圧信号が印加される。したがって、図４に示すように管路１の各支柱部分１１はそれぞれ逆方向に変位し、ねじれ振動が繰り返されることになる。また、管路１に液体が流れておらずコリオリ力が発生しない場合には、管路１の水平部分１２の中心点は振動の節となるためほとんど変位しない。一方、コリオリ力によるコリオリ振動が誘起されている場合には、管路１の水平部分１２の中心部分にもコリオリ力によるねじり振動の変位が発生する。
【0025】
ファンクションジェネレータ３は、この測定系の固有振動数と一致する基準振動数を有する正弦波の電圧信号を出力する。
【0026】
第１検出機構４は、図１及び図２に示すように管路１の水平部分１２の両端部にそれぞれ設けられた一対のソレノイドコイルＣ３、Ｃ４と、マグネットＭ３、Ｍ４からなる。強制振動によって管路１の水平部分１２が変位して、ソレノイドコイルＣ３、Ｃ４に対してマグネットＭ３、Ｍ４の位置が変化することにより誘起される誘導電流が水平部分１２の両端部における変位を示す出力信号として出力される。本実施形態では水平部分１２の両端部が図４に示すようにそれぞれ互い違いに変位することになるので、強制振動の振幅が得られるように各ソレノイドコイルＣ３、Ｃ４の出力信号の差が第１検出機構４の出力信号として第１ロックインアンプ６に入力される。
【0027】
第２検出機構５は、図１及び図２に示すように管路１の水平部分１２の中心点に設けられたソレノイドコイルＣ５とマグネットＭ５からなる。第２検出機構５は、コリオリ振動による管路１の水平部分１２の中心点が変位して、ソレノイドコイルＣ５に対してマグネットＭ５の位置が変化することにより誘起される誘導電流が、コリオリ振動の振幅を示す出力信号として出力される。この第２検出機構５の出力信号は、第２ロックインアンプ７に入力される。
【0028】
第１ロックインアンプ６は、図２に示すように測定信号として強制振動を検出する第１検出機構４の出力信号が入力され、参照信号としてファンクションジェネレータ３から出力されている電圧信号が基準周期信号として入力される。図５に示すように第１ロックインアンプ６は２位相デジタルロックインアンプであって、第１検出機構４の出力信号の振幅の参照信号に対する同相成分Ｘｆ、振幅の参照信号に対する直交成分Ｙｆ、第１検出機構４の出力信号の参照信号からの位相のずれθｆ、第１検出機構４の出力信号の振幅Ｒｆを算出する。第１ロックインアンプ６は、位相シフト回路と、第１乗算器及び第２乗算器と、第１乗算器の出力が入力される第１ローパスフィルタと、第２乗算器の出力が入力される第２ローパスフィルタと、振幅Ｒを算出する第１演算回路と、位相のずれθｆを算出する第２演算回路とを備えている。
【0029】
位相シフト回路は、参照信号が入力され、第１乗算器に対して参照信号を９０度位相シフトさせた信号を出力し、第２乗算器に対して参照信号をそのまま出力する。
【0030】
第１乗算器は、測定信号と９０度位相シフトした参照信号との乗算演算を行う。第１乗算器の演算結果は第１ローパスフィルタへと入力される。また、第１ローパスフィルタ出力は、同相成分であるＸｆとなる。
【0031】
第２乗算器は、測定信号と参照信号との乗算演算を行う。第２乗算器の演算結果は第２ローパスフィルタへと入力される。また、第２ローパスフィルタの出力は、直交成分であるＹｆとなる。
【0032】
第１演算回路は、算出されたＸｆ、Ｙｆの平方の和の平方根を算出し、振幅Ｒを算出する。また、第２演算回路は、算出されたＸｆ、Ｙｆの比のアークタンジェントから位相のずれθｆを算出する。
【0033】
第２ロックインアンプ７は、図２に示すように測定信号としてコリオリ振動を検出する第２検出機構５の出力信号が入力され、参照信号としてファンクションジェネレータ３から出力されている電圧信号が基準周期信号として入力される。図５に示すように第２ロックインアンプ７は２位相デジタルロックインアンプであって、第２検出機構５の出力信号の振幅の参照信号に対する同相成分Ｘｃ、振幅の参照信号に対する直交成分Ｙｃ、第２検出機構５の出力信号の参照信号からの位相のずれθｃ、第２検出機構５の出力信号の振幅Ｒｃを出力する。第２ロックインアンプ７は、第１ロックインアンプ６と同じ構成を有しており、入力される測定信号のみが異なっている。したがって、第２ロックインアンプ７の詳細な説明については省略する。
【0034】
流量算出部８は、ＣＰＵ、メモリ、Ａ／Ｄコンバータ、Ｄ／Ａコンバータ、各種入出力機器等を備えたいわゆるコンピュータであって、メモリに格納されているコリオリ流量計用プログラムが実行され、各機器が協業することによりその機能が実現される。より具体的には流量算出部８は、第１ロックインアンプ６から強制振動の振幅の同相成分Ｘｆ、直交成分Ｙｆが入力され、第２ロックインアンプ７からコリオリ振動の振幅の同相成分Ｘｃ、直交成分Ｙｃが入力される。本実施形態では、流量算出部８は、以下の振幅比計測方式の流量算出式において強制振動の振幅Ｒｆとコリオリ振動の振幅Ｒｃの比に相当する部分の代わりに、ＸｆとＹｃの比、又は、ＹｆとＸｃの比のいずれかを用いて管路１を流れている液体の流量を算出する。
【0035】
なお、従来の振幅比計測方式の流量算出式は以下のようにして導出される。以降の説明においては、Ｑｍ：質量流量、Ｉθ：コリオリ振動方向の慣性モーメント、ｄ：管路１の幅、α：固有振動数比、ωφ：強制振動方向の固有振動数、ωθ：コリオリ振動方向の固有振動数、Ｖθ０コリオリ振動方向の角速度振幅、Θ０：ねじれ振動方向θの振幅、Φ０：強制振動方向φの振幅とする。注意としてねじれ振動方向のうち管路１のロール角を示す記号として慣例に従いθと記載しているが、検出信号と基準信号との位相の差θｃ、θｆとは異なる種類の物理量である。
【0036】
まず、速度方式のコリオリ流量計に用いられる流量算出式は以下のようなものである。
Ｑｍ＝Ｋθ｛（１―ωφ ２／ωθ ２）／２ｄ２｝・｛ｄΘ０／（ＬωφΦ０）｝
Ｑｍ＝Ｋθ｛（１―ωφ ２／ωθ ２）／２ｄ２｝・｛ｄΘ０／（ＬωφΦ０）｝
【0037】
また、コリオリ振動による管路１のθ方向のねじれ振動がθ＝Θ０ｃｏｓ（ωφｔ）であるときには、速度ＶはＶ＝ωφΘ０・ｓｉｎ（ωφｔ）である。したがって、検出機構１で検出されるコリオリ振動の角速度振幅はＶθ０は、Ｖθ０＝ωφΘ０となる。
【0038】
さらに上記のＱｍの式において分母分子にωφをかけることで以下のように変形できる。
Ｑｍ＝Ｋθ｛（１―ωφ ２／ωθ ２）／２ｄ２｝・｛ｄωφΘ０／（ＬωφΦ０ωφ）｝
＝Ｋθ｛（１―ωφ ２／ωθ ２）／２ｄ２｝・｛ｄＶθ０／（ＬＶφ０ωφ）｝
Ｑｍ＝Ｋθ｛（１―ωφ ２／ωθ ２）／２ｄ２｝・｛ｄωφΘ０／（ＬωφΦ０ωφ）｝
＝Ｋθ｛（１―ωφ ２／ωθ ２）／２ｄ２｝・｛ｄＶθ０／（ＬＶφ０ωφ）｝
【0039】
ここで、ωφ＝α（Ｋθ／Iθ）＾（１／２）とすると、Ｑｍは以下のように整理できる。
Ｑｍ＝｛Iθ／２d２｝・｛（１－α２）／α２Ｋθ｝｛ｄＶθ０／（ＬＶφ０ωφ）｝
Ｑｍ＝｛Iθ／２d２｝・｛（１－α２）／α２Ｋθ｝｛ｄＶθ０／（ＬＶφ０ωφ）｝
【0040】
さらに、ｄＶθ０はコリオリ振動の振幅Ｒｃ、ＬＶφ０ωφは強制振動の振幅Ｒｆに相当するので以下のようになる。
Ｑｍ＝（Ｉθ／２ｄ２）・｛（１－α２）／α２｝・（Ｒc／Ｒｆ）
Ｑｍ＝（Ｉθ／２ｄ２）・｛（１－α２）／α２｝・（Ｒc／Ｒｆ）
【0041】
一方、本実施形態において流量算出部８が用いている算出式は以下のようなものである。
Ｑｍ＝（Ｉθ／２ｄ２）・｛（１－α２）／α２｝・Ｂ・ａｂｓＡ
Ｑｍ＝（Ｉθ／２ｄ２）・｛（１－α２）／α２｝・Ｂ・ａｂｓＡ
【0042】
ここで、ＡにはＸｃ／Ｙｆ、Ｙｃ／Ｘｆのいずれかが代入される。また、ＢにはＡに代入される値に応じた定数が代入される。
【0043】
このように構成された本実施形態のコリオリ流量計１００を用いて流量を１０ステップ変化させた場合の測定結果について図６を参照しながら説明する。図６には、従来と同じくＲｃ／Ｒｆを用いている場合と、Ｘｃ／Ｙｆ、Ｙｃ／Ｘｆのそれぞれを用いた場合の測定結果を示している。また、測定された値については初期値に基づいて正規化してある。図６からわかるように従来のようにＲｃ／Ｒｆを用いた場合には、流量変化に対する感度が小さいためノイズが流量変化のステップ幅よりも大きく発生してしまい、所望の感度を実現できていない。これに対して、Ｘｃ／Ｙｆ、Ｙｃ／Ｘｆのいずれの場合でも流量変化に対する感度を従来よりも向上させることができ、ステップ変化のほうがノイズよりも大きくすることができる。このため、Ｒｃ／Ｒｆを用いる場合のようにオフセット調整や位相調整を行わなくても本実施形態のコリオリ流量計１００は流量変化に対する感度を高くできる。
【0044】
このようにＸｃ／Ｙｆ、Ｙｃ／Ｘｆを用いた場合に感度を向上させられるのは、Ｒｃ／Ｒｆ参照信号に対する位相差を含む三角関数を残して比を取り、比較を行うようにしているからである。
【0045】
例えば図８に示した例のようにコリオリ振動が１１０°から１２０°に変化しており、強制振動の位相が－６０°で固定されている場合を考える。この場合、Ｒｃ／Ｒｆでは変化量が微小であるのでオフセット調整や位相調整を行わないと感度を高くすることができない。
【0046】
これに対して、Ｘｃ／Ｙｆ＝Ｒｃ・ｃｏｓθｃ／Ｒｆ・ｓｉｎθｆであり、Ｙｃ／Ｘｆ＝Ｒｃ・ｓｉｎθｃ／Ｒｆ・ｃｏｓθｆであることから、位相差を含む三角関数の影響を受ける。Ｘｃ／Ｙｆは、分子のｃｏｓθｃが－０．３４から－０．５０に変化するに対して分母のｓｉｎθｆは－０．８６で固定されている。したがって、Ｘｃ／ＹｆはＲｃ／Ｒｆと比較して、流量変化が生じた場合にはプラス方向に増幅させた値を出力することができる。
【0047】
同様にＹｃ／Ｘｆは分子のｓｉｎθｃは－０．９３から－０．８６に変化するとともに、分母のｃｏｓθｆは＋０．５０で固定されている。このため、Ｙｃ／ＸｆはＲｃ／Ｒｆと比較して、流量変化が生じた場合にはマイナス方向に増幅させた値を出力することができる。
【0048】
このように本実施形態のコリオリ流量計１００によれば、従来と比較してオフセット調整や位相調整を行わなくても流量変化に対する感度を大きくすることができる。
【0049】
加えて、各ロックインアンプによって各検出機構の出力信号に含まれる基準振動数を有する強制振動又はコリオリ振動のみをノイズを大幅に低減した形で選択的に抽出することができる。そして、抽出された強制振動及びコリオリ振動に基づいて各ロックインアンプから出力される振幅の直交成分、同相成分、参照信号からの位相のずれについてもノイズが低減された形で出力できる。
【0050】
次に第１実施形態の変形例について説明する。この変形例では流量算出部８は、Ｘｃ／Ｙｆ、Ｙｃ／Ｘｆではなく、θｆとθｃとの差から流量を算出するように構成されている。ここで、図８のグラフに示すようにθｆは参照信号に対する強制振動の位相差であり、θｃは同じ参照信号に対するコリオリ振動の位相差である。したがって、θｆ－θｃは強制振動に対するコリオリ振動の位相差とも言える。図７のグラフに示すように強制振動に対するコリオリ振動の位相差θｆ－θｃと流量との間には少なくとも相関があり、Ｒｃ／Ｒｆを用いて流量を算出する場合と比較して流量変化に対する感度を高くすることができる。
【0051】
なお、この変形例では参照信号に対する強制振動の位相差が一定となるように制御が行われておらず、位相差が変動する場合を想定しているが、強制振動の位相差が一定に保たれるように制御されている場合には、参照信号に対するコリオリ振動の位相差θｃのみに基づいて流量算出部８が流量を算出するように構成してもよい。
【0052】
その他の実施形態について説明する。
【0053】
加振器、第１検出機構、第２検出機構については前記実施形態に記載したものに限られない。既知のコリオリ流量計に用いられている加振器及び検出機構を用いることもできる。また、第２検出機構は、前記実施形態の第１検出機構を構成する一対のソレノイドコイルで構成されるものであってもよい。この場合には各ソレノイドコイルの出力信号の和をコリオリ振動の振幅を示す出力信号とするように構成すればよい。このようなものであれば、ソレノイドコイルとマグネットの設置数を減らすことができる。
【0054】
第１ロックインアンプ、第２ロックインアンプについては前記実施形態のように複数の成分を同時に出力できるものに限られない。第１ロックインアンプについては同相成分Ｘｆ、直交成分Ｙｆ、位相のずれθｆのいずれかのみを算出し、流量算出部に入力するものであってもよい。同様に第２ロックインアンプについても同相成分Ｘｃ、直交成分Ｙｆ、位相のずれθｃのいずれかのみを算出し、流量算出部に入力するものであってもよい。例えばＸｃ／Ｙｆに基づいて流量が算出される場合には、第１ロックインアンプはＹｆのみを演算し、第２ロックインアンプはＸｃのみを演算するように構成すればよい。このような構成であれば、各ロックインアンプについては２位相ロックインアンプでなくてもよい。
【0055】
さらに第１ロックインアンプ、第２ロックインアンプについては物理的な機器に限られるものではなく、例えば第１検出機構及び第２検出機構の出力信号に基づいて同様の信号処理を行うように構成された電子回路であっても構わない。具体的には、ＦＰＧＡによって各実施形態において説明したような第１ロックインアンプ、及び、第２ロックインアンプの信号処理機能を実現するように構成してもよい。言い換えると、請求項における第１ロックインアンプ、第２ロックインアンプは物理的な機器としての態様、物理的な信号処理回路、又は、プログラムとしての態様を含む概念である。
【0056】
各ロックインアンプに入力される参照信号は、加振器に入力される電圧信号に限られるものではない。例えば管路が加振される基準振動数を有する矩形波等の周期信号であっても構わない。流量算出部において用いられるＸｃ／Ｙｆ、Ｙｃ／Ｘｆ、θｃ－θｆについては、絶対値を用いたものに限られず、流れ方向と一致するように符号反転させるように構成してもよい。
【0057】
本発明のコリオリ流量計は速度方式のものに限られず、ソレノイドの代わりに変位センサを用いた変位方式として構成してもよい。また、本発明のコリオリ流量計は、加速度センサにより各振動が検出される加速度方式として構成してもよい。
【0058】
流量算出部は、ＸｆとＹｃの比、ＹｆとＸｃの比、又は、θｆとθｃの差のいずれか１つに基づいて流量を算出するものに限られない。例えば流量算出部が、ＸｆとＹｃの比、ＹｆとＸｃの比、又は、θｆとθｃの差からそれぞれ流量を算出し、その平均値を最終的な流量として出力するようにしてもよい。すなわち、ＸｆとＹｃの比、ＹｆとＸｃの比、θｆとθｃの差を全て又は所定の組み合わせで用いて流量算出部が流量を算出するようにしてもよい。
【0059】
その他、本発明の趣旨に反しない限りにおいて様々な実施形態の変形や、各実施形態の一部同士の組み合わせを行っても構わない。
【産業上の利用可能性】
【0060】
本発明であれば、オフセット調整や位相調整を行わなくても従来よりも高感度の流量測定が可能となるコリオリ流量計を提供できる。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】