KR100357330B1 - 코리올리 효과를 이용한 질량 유량계용 다중 저항 센서 - Google Patents

코리올리 효과를 이용한 질량 유량계용 다중 저항 센서 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다중 저항 센서(109, 110), 특히, 저항 온도 센서를 이용하는 회로에 관한 것으로, 다중 센서를 측정하는데 필요한 컨덕터(308, 309, 310)의 수를 최소화한다. 다중 센서는 직렬로 접속되어 있으며 전압은 센서의 직렬 접속의 각각의 노드에서 측정된다. 스위칭 장치(F0)가 오픈되면 공급 전압(5V)으로부터 센서중 하나가 제거되고 온도 센서와 원거리 트랜스미터(20) 사이의 컨덕터 저항에 대한 측정이 이루어진다. 다음으로 측정된 센서 저항은 측정된 컨덕터 저항으로 보상되며 각각의 다중 저항 센서에 대한 컨덕터-길이 보상 저항을 얻을 수 있다.

Description

코리올리 효과를 이용한 질량 유량계용 다중 저항 센서 {MULTIPLE RESISTIVE SENSORS FOR A CORIOLIS EFFECT MASS FLOWMETER}
1985년 1월 1일, J.E. Smith 등에 의해 출원된 미국 특허 번호 4,491,025와 1982년 2월 11일, J.E. Smith에 의해 출원된 Re. 31,450에 개시된 바와 같이, 파이프 라인을 통하여 흐르는 질량 유동과 물질의 다른 정보를 측정하기 위해, 코리올리 효과 질량 유량계를 사용하는 방법이 알려져 있다. 이 유량계는 하나 이상의 곡선 또는 직선 형태의 유동관을 가진다. 일련의 고유 진동 모드를 가진 코리올리 질량 유량계의 각 유동관의 형태는 구부러지고, 꼬이거나 또는 결합된 타입일 수 있다. 진동하는 물질의 파일 시스템의 고유 진동 모드는, 부분적으로는 유동관의 결합 질량(combined mass)과 유동관 내부의 물질에 의해 규정된다. 이 물질은 유량계의 유입구면에 접속된 파이프라인으로부터 유량계로 흐른다. 이 후, 이 물질은 유동관 또는 유동관들을 통해 나아가며 유량계의 방출구면에 접속된 파이프라인으로 방출된다.
드라이버는 힘을 인가하여 유동관를 오실레이션시킨다. 유량계에 아무런 유동이 없을 때, 유동관를 따르는 모든 지점들은 이상적인 위상으로 오실레이션된다. 물질이 유동하기 시작할 때, 코리올리 가속에 의해, 유동관를 따르는 각각의 지점들은 유동관를 따르는 다른 지점들에 대해서 위상이 달라진다. 유동관의 유입구면의 위상은 드라이버보다 늦으며, 방출구면의 위상은 드라이버보다 앞선다. 픽-오프 센서는 유동관에 위치하며 유동관의 운동을 나타내는 사인 곡선 신호를 생성한다. 픽-오프 센서는 위치, 속도 또는 가속 센서일 수 있다. 두 개의 픽-오프 센서 신호 사이의 위상차는 유동관 또는 유동관들을 통과하는 물질의 질량 유동률에 비례한다.
유동관를 통해 흐르는 유체에 의해, 오실레이팅 유동관의 유입구와 방출구 단부 사이에는 수 차수의 위상차만이 생긴다. 시간차 측정으로 표현될 때, 유체 유동에 의한 위상차는 10 마이크로초에서 나노초에 이른다. 전형적으로, 상업적인 유동률 측정시 에러는 0.1% 이하여야 한다. 그러므로, 코리올리 유량계는 상기 근소한 위상차를 정확하게 측정하도록 설계되어야 한다.
코리올리 유량계의 진동 구조의 진동 특성은 온도의 변화에 따라 변화한다. 진동 유동관은 전형적으로 온도에 따라 변화하는 영률(Young's module)을 가진 금속 물질로 형성된다. 높은 측정 정확도를 유지하기 위해, 진동 구조의 온도가 전형적으로 측정되며 온도 변화에 따른 영률의 변화에 대한 보상이 이루어진다.
코리올리 유량계 시스템은 2개 요소, 즉 유량계 엘리먼트와 트랜스미터를 포함한다. 유량계 엘리먼트는 유체가 흐르는 진동 관(들)를 포함하는 실제 센서이며, 트랜스미터는 유량계 엘리먼트로부터 신호를 수신하고 처리하는 신호 처리 장치이다. 유량계 엘리먼트와 트랜스미터 사이의 전기 접속은 다중 컨덕터 케이블로 이루어진다. 실드 케이블은 드라이버로 드라이브 신호를 제공하는 실드 컨덕터 쌍과, 픽-오프 센서의 신호를 전송하는 제 2, 3 실드 컨덕터 쌍과, 진동 유동관에 위치한 온도 센서의 신호를 전송하는 실드 컨덕터 세 쌍(triplet)을 포함한다. 세개의 와이어 온도 센서가 사용되는 것이 보통인데, 이는 유량계 엘리먼트와 유량계 트랜지스터 사이의 케이블의 저항을 보상하기 때문이다. 그러므로, 코리올리 유량계는 유량계 엘리먼트로부터 떨어져서 장착된 트랜스미터를 사용하여 설치되며, 특정의 비표준 케이블(9-와이어 코리올리 유량계 케이블)이 유량계 엘리먼트와 트랜스미터 사이를 통과한다. 이에 따라 코리올리 유량계의 사용자에게 추가 비용이 발생된다.
코리올리 유량계 기술이 발달됨에 따라, 성능에 대한 요구 및 진동 유동관(들)의 형태 변화에 의해, 유량계 엘리먼트의 많은 지점에 대한 온도 측정이 이루어질 필요가 생겼다. 진동 구조, 예를 들면, 유동관(들)의 온도 측정과 비-진동 구조의 온도 측정이 필요할 것이다. 그 대신 진동 구조의 젖은 부분의 온도 측정과 진동 구조의 젖지 않은 부분의 온도 측정이 필요할 수도 있다. 어떤 경우에도, 하나 이상의 온도 센서가 현존 코리올리 유량계 구조에 사용되었을 때, 코리올리 유량계에 사용된 전형적인 9-와이어 케이블에 사용될 수 있는 컨덕터가 요구된다. 전통적인 9 컨덕터 이상의 케이블은 여러가지 이유로 문제가 된다. 한가지 이유는 현재의 9-와이어 케이블조차도 고가라는 것이다. 그러므로 그 이상의 컨덕터를 가진 케이블을 사용하는 것은 코리올리 유량계의 사용에 대해 추가 비용을 발생시킨다. 그러므로, 주어진 유량계에 사용된 온도 센서의 수가 얼마이던 간에 컨덕터의 수를 최소화하는 것이 유리하다. 코리올리 유량계의 제작자의 입장에서, 케이블의 컨덕터를 추가하는 것은 유량계 엘리먼트와 트랜스미터의 접속기를 추가함을 의미한다. 이는 제작시 추가 비용이 들고, 만일 추가 접속기에 대한 물리적 공간이 충분치 않다면 문제를 일으킬수 있다. 케이블에 컨덕터를 추가하는 것이 문제가 되는 다른 이유는 호환성이다. 코리올리 질량 유량계의 제작자는 만일 다른 타입의 유량계 모델이 다른 케이블을 필요로 한다면 추가 비용과 복잡함을 감수해야 한다. 또한, 9-와이어 케이블을 사용하는 코리올리 유량계에 대해 설치 기초가 크게 되며, 만일 같은 케이블이 사용될 수 있다면 과거의 유량계를 대신하여 새로운 유량계의 구조가 용이하게 적용될 수 있다.
다중 온도 센서를 제공하며 유량계 엘리먼트와 트랜스미터 사이의 컨덕터 수를 최소화하는 코리올리 유량계가 필요하다. 현존 9-와이어 케이블을 코리올리 유량계에 이용하는 2개의 온도 센서를 가진 코리올리 유량계가 필요하다.
본 발명은 코리올리 질량 유량계에 대해 하나 이상의 저항 센서를 사용하는 장치, 특히, 코리올리 질량 유량계에 대해 하나 이상의 온도 센서를 사용하는 회로에 관한 것으로서 이는 유량계 엘리먼트와 유량계 트랜스미터 사이에 필요한 컨덕터의 수를 최소화할 수 있다.
도 1은 이중 온도 센서를 사용하는 직선-관 코리올리 질량 유동 시스템의 단면도이다.
도 2는 알려진 코리올리 질량 유동 시스템에 사용된 단일 온도 센서 회로에 대한 일 실시예의 개략도이다.
도 3은 본 발명에 따른 이중 온도 센서 회로에 대한 일 실시예의 개략도이다.
도 4는 본 발명에 따른 이중 온도 센서에 대한 보다 자세한 개략도이다.
도 5는 본 발명에 따라 다중 온도 센서의 온도를 결정하기 위해 마이크로 프로세서에 의해 제어되는 처리 단계를 기술하는 유동도이다.
도 6은 3개의 온도 센서를 사용하는 본 발명에 따른 온도 센서 회로의 개략도이다.
상술한 문제는 직렬 연결된 다중 온도 센서를 포함하는 본 발명의 장치 및 방법에 의해 해결될 수 있다. 각각의 온도 센서는 온도를 별도로 판독하며, 케이블 저항을 보상하기 위해 케이블 저항에 대한 측정도 이루어진다. 온도 센서 중 하나는 다른 온도 센서에 직렬로 연결되어 주기적으로 스위칭되며 케이블 저항 측정이 이루어진다. 2개의 온도 센서가 본 발명에 사용되면, 두 온도를 측정하기 위해 기존의 단일 온도 센서 구조에서 사용되는 동일 9-와이어 케이블이 사용된다. 2개 이상의 온도 센서가 본 발명에 사용되면, 기존 코리올리 유량계 구조와 비교하여 필요한 컨덕터 수가 최소로 된다.
기존 코리올리 유량계 구조는 각 저항 온도 센서의 터미널에 1개의 컨덕터와 적어도 하나의 추가 컨덕터가 필요하며, 이에 따라, 케이블 저항이 측정되고 보상된다. 본 발명에 따라, 다중 온도 센서는 직렬로 접속되며 직렬 접속의 노드점에서만 컨덕터가 필요하다. 어떤 추가 컨덕터도 케이블 저항을 측정하기 위해 사용되지 않는다. 온도 센서중 하나는 직렬 접속에서 주기적으로 스위칭되며 이에 따라 어떤 전류도 온도 센서를 통하여 흐르지 않는다. 다음으로, 1개의 컨덕터를 통한 단독 전압 측정이 가능하며, 이에 따라, 케이블 저항을 측정할 수 있다.
다중 온도 센서는 직렬로 배치된다. (온도 센서가 위치한) 유량계 엘리먼트와 트랜스미터 사이에 (온도 측정을 위해) 필요한 컨덕터의 수는 온도 센서의 수에 1을 더한 것과 같다. 트랜스미터가 위치한 스위칭 장치는 온도 센서의 직렬 접속 일단부와 트랜스미터의 공급 전압을 차단하도록 동작한다. 이에 따라 어떤 전류도 직렬 접속된 차단 단부에서 온도 센서를 통해 흐르지 않도록 보장된다. 그러므로, 기준 저항에 대해 트랜스미터에서 측정된 전압을 차단된 온도 센서를 통하여 트랜스미터에서 측정된 전압과 비교하여 측정함으로써, 트랜스미터와 차단된 온도 센서 사이의 컨덕터 저항을 측정할 수 있다. 다음 이 케이블 저항에서, 온도 센서로부터 수신된 저항 측정을 감산한다. 트랜스미터와 유량계 사이의 컨덕터 저항은 온도에 따라 변화한다. 온도가 빠르게 변하지 않는 환경에서 케이블 저항은, 드문드문, 예를 들어 매 10분 마다 측정될 수도 있다. 온도가 빠르게 변하는 환경에서 케이블 저항은 예를 들어 30초마다 측정되는 경우가 많다. 비록 하나의 컨덕터 저항만이 측정되지만, 모든 컨덕터는 길이와 표준 치수(gauge)가 같으며, 같은 케이블 다발로 묶인다. 그러므로 한 컨덕터의 저항은 다른 케이블 컨덕터의 저항과 같지는 않더라도 유사하다.
본 발명은 최소한의 컨덕터를 사용하여 케이블 길이를 보상하는 다중 온도 측정 방법을 제공한다. 2개의 온도 센서를 가진 경우, 2개의 별개의 온도 측정과 케이블 길이에 대한 보상을 위해서는 단 3개의 컨덕터만이 필요하다. 그러므로 코리올리 질량 유량계에 광범위하게 사용되는 현존 9-와이어 케이블은 2개의 온도 측정을 할 수 있다.
일반적인 코리올리 유량계 시스템 - 도 1
도 1은 코리올리 계량기 엘리먼트(10)와 트랜스미터(20)를 포함하는 유량계 시스템(5)을 도시한다. 트랜스미터(20)는 멀티-컨덕터 케이블(100)을 통하여 계량기 조립체(10)에 접속된다. 트랜스미터(20)는 밀도, 질량 유동율, 부피 유동율 및 이용 수단(도시되지 않음)에 이르는 경로(26)에 대한 온도 데이타를 제공한다. 코리올리 질량 유량계에 의해 제공되는 추가적인 측정 능력 없이도 본 발명은 진동 관 밀도계(vibrating tube densimeter)와 연계되어 실시될 수 있다는 사실이 당업자에게 알려져 있지만, 코리올리 유량계의 구조를 나타낸다.
유동계 엘리먼트(10)는 한쌍의 플랜지(101, 101'), 분기관(102, 102')을 포함한다. 유체는 플랜지들(101, 101') 중 하나를 통하여 유동계 엘리먼트(10)로 들어가며 유동계 엘리먼트(10)를 지나 다른 플랜지들(101, 101')을 통하여 유동관(103)를 통과한다. 유동관(103)은 밸런스 관(104)로 둘러싸인다. 유동관(103)은 밸런스 관(104)에 접속되며, 밸런스 관(104)은 케이스의 단부들(105, 105')에 접속된다. 도 1에는 직선형 유동관(103)이 도시되어 있다. 당업자라면 본 발명이 임의 형태의 유동관를 가진 유량계 시스템에 적용될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 또한, 유체가 흐르는 다중 유동관를 가진 유동 엘리먼트도 분명 본 발명의 영역에 속한다.
드라이버(107)는 밸런스 관(104)의 중간 지점에서 밸런스 관(104)에 연결된다. 픽-오프(pick-off) 센서(108, 108')는 밸런스 관(104)과 유동관(103)에 연결된다. 본 발명의 한 실시예에서, 각 픽-오프 센서(108, 108')는 밸런스 관(104)에 부착된 코일과 유동관(103)에 부착된 자석을 포함하며, 자석은 주기 신호가 코일에 인가될 때 발생되는 자장 안에서 이동하도록 형성된다. 당업자라면 설명된 속도 센서는 단지 예일 뿐이며 예를 들면 가속도계나 전위차계와 같은 임의의 설계의 픽-오프 센서가 사용될 수 있음을 알 수 있을 것이다.
균형추(115)는 드라이버(107)와 반대쪽에서 밸런스 관(104)에 접속된다. 균형추(115)의 질량은 시스템(5)에 의해 측정되는 기대 처리 유체(expected process fluid)의 밀도에 의해 결정된다. 유동관 온도 센서(109)는 유동관(103)에 접착되며 밸런스 관 온도 센서(110)는 밸런스 관(104)에 부착된다.
케이블(100)은 트랜스미터(20)로부터 드라이버(107)로 구동 신호를 전하는 컨덕터(111), 왼쪽과 오른쪽 픽-오프 센서로부터 트랜스미터(20)로 각각 픽-오프 신호를 전하는 컨덕터(112, 113) 및 온도 센서 정보를 트랜스미터(20)로 전하는 컨덕터(114)를 포함한다. 컨덕터(111-113)는 실제적으로 각각 2개의 컨덕터이고, 컨덕터(114)는 3개의 별개의 컨덕터이며, 이는 실제로 9 컨덕터를 포함함을 의미한다.
질량 유동율, 부피 유동율 및 밀도 정보를 산출하는 트랜스미터(20)의 동작은 유동 측정 분야의 당업자에 공지되어 있으며 본 발명의 내용을 형성하지 않는다. 유동관 온도 센서(109), 밸런스 관 온도 센서(110), 컨덕터(114)를 포함하는 회로와 트랜스미터(20) 내부의 관련 회로는 이후의 설명을 위한 기초가 된다.
코리올리 유량계 시스템(5)이 진동 관 밀도계와 구조상 상당히 유사하다는 것이 당업자에게 알려져 있다. 또한, 진동 관 밀도계는 유체가 흐르는 진동 관 또는 유체가 내부에 유지되는 샘플-타입 밀도계를 이용한다. 또 진동 관 밀도계는 유동관를 진동시키기 위해 드라이브 시스템을 이용한다. 진동 관 밀도계는 예를 들어 하나의 픽-오프로부터 하나의 피드백 신호만을 이용하는 것이 일반적인데, 이는 밀도 측정에는 주파수 측정만 필요하며 위상 측정은 필요없기 때문이다. 본 발명의 설명은 진동 관 밀도계에 동일하게 적용된다.
단일 온도 센서 - 도 2
도 2는 공지된 온도 측정 회로의 개략도이다. 도 2에 하나의 온도 센서(109)를 사용하여 유량계 엘리먼트(10)를 측정하는 회로가 도시되어 있다. 도 2는 도 1을 참조로 하여 단지 유동관 온도 센서(109)를 이용하는데 있어서 필요한 배선을 도시한 개략도이다. 케이블(100)의 일부인 컨덕터(114)는 3개의 컨덕터(201-203)를 포함한다. 컨덕터(114)는 경로(210)에 접지된 실드(shield)를 가진다. 온도 센서(109)의 3개의 와이어(211-213)는 유량계 엘리먼트(10)의 3개의 터미널(204-206)에 접속된다. 컨덕터(201-203)는 한 단부에서 터미널(204-206)에 접속되며 각각 다른 단부에서는 트랜스미터(20)의 터미널(207-209)에 접속된다. 각 컨덕터(201-203)는 그 위에 저항(Rc)로 설계된 컨덕터 저항을 가진다. 컨덕터(201-203)는 길이와 표준 치수가 실질적으로 같으며, 그 각각의 저항은 동일하게 표시된다. 각 컨덕터(201-203)의 저항(Rc)은, 동일하지만 고정적이지는 않다. 저항(Rc)값은 케이블(100)의 길이와 케이블(100)의 온도에 의해 결정된다. 주어진 장치에 대해, 케이블(100)의 길이는, 유량계 시스템(5)이 공장에서 보정될 때 알려져 있는 경우는 거의 없지만, 정해져 있다. 그러나 온도는 주어진 장치에서, 시간에 따라 변할 수 있다. 그러므로 저항(Rc)값은 변하며 온도 센서(109)로 온도를 측정할 때 보상되어야 한다.
공급 저항(Rsup)을 통해 전압 기준에 따라 전압이 인가된다. 이 경우, 임의의 기준 전압이 사용될 수 있지만, 5V 기준 전압이 사용된다. 저항(Rsup), 기준 저항(Rref) 및 오프셋 저항(Roff)은 정상적으로 동작하는 온도 센서(109)를 거친 전압(V3-V2)이 다이오드(D1)의 컷-인 전압(cut-in voltage)을 초과하지 않도록 선택된다. 유사하게, 다이오드(D2)의 경우도 마찬가지이다. 온도 센서(109)는 전형적인 3-와이어 저항 온도 검출기를 나타낸다. 온도 센서(109)에 의해 경험되는 온도는 이하 후술되는 바와 같이 온도 센서(109)의 저항을 결정하고 저항(Rc)의 상기 저항을 보상하며 상기 저항값을 표준 방정식에 대입하여 측정된다.
다음 방정식은 온도 센서(109)의 저항을 측정하기 위해 현존 코리올리 유량계 시스템에서 만들어진 측정법을 도시한다.
(1)
식(1)은 온도 센서(109; V3-V2)를 거친 전압과 저항(Rc; V2-V1)을 거친 전압 사이의 차이를 나타낸다. 전형적인 저항 온도 장치는 "100 옴(Ω) 저항"이다. 100Ω RTD는 RTD(온도 센서; 109)의 저항과 100Ω 기준 저항(Rref)을 비교하여 측정된다. RTD의 저항을 알면 온도는 전형적인 RTD 타입의 특성 방정식을 사용하여 계산될 수 있다. RTD의 제작자는 각각의 RTD에 대해 적절한 특성 방정식을 공급한다. 방정식(2)은 RTD 특성 방정식의 예이다. 방정식(1)을 풀어서 결정된 값은 온도 센서(109)에서 경험되는 온도를 결정하기 위해 방정식(2)으로 삽입된다.
(2)
(3)
각 타입의 RTD는 방정식(2)에서처럼 유일한 특성 방정식을 가진다. 상기 예는 Heraeus 1PT100FKG 430.4-18-T-3에 대한 예이다.
이는 공지된 코리올리 유량계 시스템이 유동관의 온도를 측정하는 방법에 관한 것이다. 컨덕터(203)는 케이블의 저항(Rc)을 측정하는 수단을 제공하는 풀-타임 작업 전용이라는 것을 주의해야 한다.
이중 온도 센서 - 도.3
도 3에는 코리올리 질량 유량계의 2개 위치에서 온도를 측정하는 본 발명에 따른 회로가 도시되어 있다. 도 3의 회로는 2개의 온도 센서(109-110)와 5V 기준 전압과 온도 센서(110)를 차단하는 전계 효과 트랜지스터(FET; F0)가 있다는 것을 제외하면 도 2의 회로와 유사하다. 또한 전압(V3)은 온도 센서(110)에 접속된 FET(F0)에서 측정된다는 사실에 주의해야 한다. 온도 센서(109-110)는 각 센서에 의해 경험되는 온도에 따라 변하는 각각의 저항(R109-R110)을 가진다.
제어선(307)은 마이크로 프로세서(도 3에 도시되지 않음)에 접속되며 FET(F0)가 열리고 FET(F0)가 닫히는 때를 결정한다. FET(F0)가 닫혔을때, 전류는 5V 기준 전압으로부터 FET(F0)와 컨덕터(308; 저항 Rc를 가짐)를 통하여 온도 센서(110, 109)를 통하며, 컨덕터(310; 저항 Rc를 가짐)를 통해 트랜스미터(20)로 돌아간다. 전류는 계속해서 Rref와 Roff를 통해 접지로 흐른다. 이 예에서, Rref는 100Ω 저항이다. FET(F0)가 닫혔을 때, 다음 계산이 이루어진다.
(4)
식(3)은 컨덕터(308; Rc)의 저항외에 온도 센서(110; R110)의 저항을 계산하는데 사용된다. 방정식(4)은 온도 센서(109)와 컨덕터(310; Rc)의 저항을 계산하는데 사용된다. 방정식(3, 4)의 결과는 온도를 결정하기 위해 방정식(2)에 바로 대입될 수 없으며 이는 방정식(3, 4)의 결과가 각각 케이블 저항(Rc)과 동일한 저항값을 포함하기 때문이다. 주기적으로 컨덕터 저항(Rc)은 FET(F0)가 열리고 측정이 이루어지며 후술되는 계산에 의해 측정이 이루어진다. FET(F0)가 열릴 경우, 전류는 다이오드(D1)를 통하며, 컨덕터(309; 저항 Rc를 가짐)를 통하고 온도 센서(109)를 통하여 흐르며 컨덕터(310; 저항 Rc를 가짐) 기준 저항(Rref)과 오프셋 저항(Roff)를 통하여 접지로 돌아간다. FET(F0)가 열렸을 때, 다음 계산이 이루어 진다.
(5)
(6)
FET(F0)가 열렸을 때 온도 센서(110)을 통하여 어떠한 전류도 흐르지 않기 때문에 전압(V2-V3)은 저항(Rc)을 가진 컨덕터(309)를 통하여 흐르는 전류만으로 발생되는 전압 강하를 나타낸다. 이 전압이 기준 저항(Rref)을 통해 전압으로 나누어지고 그 결과에는 기준 저항(Rref; 100Ω)이 곱해지며 저항값(Rc)가 얻어진다. 상술한 바와 같이, 컨덕터(308-310)는 모두 길이와 표준 치수에서 실질적으로 동일하며 모두 동일 온도에 해당된다. 그러므로 컨덕터중 하나의 측정 저항은 나머지 컨덕터의 각각의 저항과 동일하다는 것을 가정할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 식(5)의 결과는 온도 센서(110)의 저항과 온도 센서(109)을 각각 결정하기 위해 식(3,4)의 결과에서 감산된다. 다음으로, 이 값들은 각각의 온도 센서에 의해 경험되는 온도를 결정하기 위해 식(2)의 'RTD' 값으로 대입된다.
본 발명의 다른 실시예에서, 상술한 Rc값을 결정하기 위해 Rc의 제 2 추정값과 Rc의 2개값이 모두 평균되는 계산이 이루어진다. 식(4)의 결과는 식(6)의 결과로부터 감산되며 컨덕터(109;Rc)의 저항의 추정값을 남긴다. 그러므로, 본 실시예의 Rc는 다음과 같이 계산된다.
(7)
저항(Rc)를 결정하는 방법은 단순히 식(5)의 결과를 사용하는 방법보다 더욱 정확하다. 왜냐하며, 식(7)은 컨덕터(109)의 저항의 2개의 다른 측정값의 평균을 사용하기 때문이다. Rc의 평균값은 식(7)으로부터 얻어지며 식(3,4)로부터 감산되어 각각 온도 센서(110, 109)의 저항값을 얻을 수 있다.
이중 온도 센서 및 트랜스미터(20) - 도 4-5
도면에서 공통된 엘리먼트는 공통 참조 번호로 참조된다. 도 4에는 트랜스미터(20)에 필요한 공급 및 제어 회로인 도 3의 회로가 도시되어 있다. FET(F0)의 동작을 제어하는 제어선(307)은 마이크로 프로세서(409)의 제어 출력부(412)에 접속되어 있다. 마이크로 프로세서(409)는 상술한 바와 같이 FET(F0)가 주기적으로 열리게 스위칭되도록 구성된다. 본 발명의 실시예에서, FET(F0)는 Rc에 필요한 측정을 하기 위해 매 10분마다 대략 0.8초 동안 스위칭 오픈된다. FET(F0)는 스위칭 장치를 대표한다. 당업자는 트랜지스터에만 국한되지 않는 적절한 임의의 스위칭 장치가 FET(F0)를 대신하여 사용될 수 있음을 알 것이다. 버퍼 저항(414-418)은 트랜스미터(20) 회로가 자체적으로는 온도 센서(109-110)의 저항을 측정하지 못한다는 것을 보장하는 것이다. 일 실시예에서, 저항(414-418)은 10KΩ 값을 가지며 저항(Rsup, Rref, Roff)은 각각 1.74KΩ, 100Ω, 3.01KΩ을 가진다. 기준 저항(Rref)은 고도로 정확하며, 예를 들면, 0.1% 이내이고 ℃당 10ppm에 해당한다.
네개의 전압(V0-V3)은 각각 멀티플렉서(401)의 입력(I0-I3)에서 판독된다. 멀티플렉서(401)는 입력(I0-I3)을 스위칭하며 출력(403)에서 전압(V0-V3)중 하나를 생성한다. 출력(403)의 전압 레벨은 전압 라인(404)을 거쳐 주파수 변환기("V/F"; 406)로 전송된다. V/F(406)는 입력(405)에서의 입력 전압을 출력(407)에서의 해당 주파수 출력으로 변환한다. 출력(407)에서의 주파수는 라인(408)을 거쳐 마이크로 프로세서(409)로 전송되며 마이크로 프로세서(409)의 주파수 입력(410)에서 판독된다. 멀티플렉서(401)의 동작은 마이크로 프로세서(409)의 제어 출력(411)의 경로(420)상의 신호에 의해 제어되며 각각의 전압(V0-V3)은 출력(403)에 연속적으로 제공된다. 마이크로 프로세서(409)는 입력(410)의 각 전압 측정을 나타내는 주파수를 수신하며 메모리(419)에 각각의 주파수값을 저장한다. 다음으로 중앙처리장치("CPU"; 421)는 식(3-7)을 계산하기 위해 메모리(419)에 저장된 값을 사용하며 온도 센서(109)에 의해 경험되는 온도와 온도 센서(110)에 의해 경험되는 온도에 대한 경로(413)의 출력을 생성한다. 마이크로 프로세서(409)는 모토롤라사의 MC68HC705C9A와 같은 구매 가능한 임의의 마이크로 프로세서중 하나이다. 상술한 작업과 계산을 수행하는 이 마이크로 프로세서의 동작은 당업자에 알려져 있다.
도 5는 마이크로 프로세서(409)에 의해 실행된 처리 단계를 도시한 흐름도이며 온도 센서(109-110)의 온도값을 산출한다. 이 처리는 엘리먼트(500)에서 시작하여 단계(501)로 진행된다. 단계(501)동안, 기준 전압은 다중 온도 센서의 직렬 접속에 인가된다. 도 4를 참조하여 보면, 5V 기준 전압이 만일 아직까지 "온"되지 않았다면 켜지고 FET(F0)는 단계(501)에서 닫혀질 것이다. 다음으로 이 처리는 단계(502)로 진행된다.
단계(502) 동안, 전압이 온도 센서의 직렬 접속된 각각의 노드에서 측정된다. 예를 들면, 적당한 제어 신호가 멀티플렉서(401)의 제어 입력(402)으로 보내지며 연속적으로 스위칭 전압(V0-V3)이 V/F(406)에 보내진다. 도 4에서 상술한 바와 같이, 마이크로 프로세서(409)는 각각의 전압(V0-V3)에 해당하는 주파수를 카운트하며 메모리(419)에 적당한 값을 저장한다. 다음에 단계(503)으로 처리가 진행된다.
단계(503) 동안, 각각의 온도 센서를 통과한 저항이 결정된다. 물론, 지금까지 이루어진 측정의 경우, 각 온도 센서를 통과한 저항은 측정에 필요한 전압에 대한 컨덕터의 저항을 포함한다. 단계(503)동안 실행된 계산은 상술한 방정식(3,4)과 일치한다. 다음 단계(504)로 처리가 계속된다.
단계(504)동안, 스위치가 오픈되며 기준 전압의 온도 센서의 직렬 접속중 하나를 제거한다. 도4의 회로를 참조하면, F0은 마이크로 프로세서(409)의 제어 출력(412)의 경로(307)상의 제어 신호에 응답하여 오픈된다. 다음으로 처리는 단계(505)로 계속된다.
단계(505)동안, 전압은 온도 센서의 직렬 접속의 각각의 노드에서 측정된다. 예를 들면, 적당한 제어 신호가 멀티플렉서(401)의 제어 입력(402)에 보내지고 연속적으로 V/F(406)에 스위칭 전압(V0-V3)이 보내진다. 도 4에 도시된 바와 같이, 마이크로 프로세서(409)는 각각의 전압(V0-V3)에 해당하는 주파수를 카운트하며 메모리(419)에 적당한 값을 저장한다. 다음으로 처리는 단계(506)으로 전행된다.
단계(506)동안, 컨덕터 중 하나를 가로지르는 저항은 컨덕터 저항의 연속적인 보상을 위해 측정된다. 예를 들면, 도 4에서 컨덕터의 저항은 식(5)의 계산 또는 식(5-7)의 계산중 하나를 사용하여 결정되며, Rc의 평균량이 결정된다. 다음으로 단계(507)로 처리가 계속된다.
단계(507) 동안, 단계(506) 동안 계산된 Rc값은 단계(503)동안 계산된 온도 센서 저항에서 감산된다. 이 단계에서 각각의 직렬 접속된 온도 센서에 대한 보상된 저항값이 생성된다. 다음으로 단계(508)로 처리가 진행된다.
단계(508)동안, 각각의 보상된 센서 저항값은 식(2)와 같은 특성 방정식을 사용하여 온도로 변환된다. 식(2)의 형태는 실제적인 온도 센서 모델에 따르며 온도 센서 제작자에 의해 공급된다. 이 처리는 엘리먼트(509)를 포함한다.
N-온도 센서 - 도 6
도 6에 저항(Rc)를 가진 컨덕터(601)를 통하여 트랜즈미터(20)에 접속된 제 3 온도 센서(RN)를 사용하는 회로가 도시되어 있다. 예를 들면, RN은 도 1의 케이스(106)에 장착된 온도 센서일 수 있다. FET(F0)가 닫혔을 때, 전압(V0-V3, VCN)이 측정된다. 다음으로 다음 계산에 의해 온도 센서와 컨덕터를 가로지르는 저항이 결정된다.
(8)
(9)
(10)
식(10)의 경우, 온도 센서(109)의 저항은 임의의 컨덕터 저항 성분없이 직접 측정된다. 그러나, 온도 센서(110)와 온도 센서(RN)의 저항을 결정하기 위해, 다른 처리가 필요하다. FET(F0)는 경로(307)을 거쳐 제어 신호로 오픈된다. 전압(V0-V3,VON)이 측정되며, 컨덕터 저항(Rc)을 결정하기 위해 다음 계산이 이루어진다.
(11)
식(11)에는 컨덕터(309) 저항(Rc)의 직접 측정값이 제공된다. 상술한 바와 같이, 컨덕터 저항(Ravg)의 평균값은 다음 계산으로 얻을 수 있다.
(12)
(13)
식(12)는 온도 센서(R109)의 저항을 포함한다. 그러므로, 컨덕터(309)의 저항에 대한 평균값(Ravg)가 얻어진다. 상술한 바와 같이, 각각의 컨덕터(308-310, 601)는 실질적으로 동일 길이와 표준 치수를 가지며 실질적으로 동일 온도에서 경험되므로 동일 저항을 가진다고 상정할 수 있다. 다음으로, Ravg는 식(8, 10)으로부터 감산되며 각각 R(110), RN에 대한 보상값이 얻어진다. 상술한 R109는 직접 측정된다.
도 6과 그에 연관된 식(8-13)의 계산에서, 임의 수의 온도 센서에 직렬로 N센서가 배치되며 컨덕터 저항을 측정하기 위해 공급 전압과 센서중 하나를 차단하는 스위치가 제공됨으로써 임의 수의 온도 센서가 본 발명에 적용될 수 있다는 것이 설명된다.
본 발명은 저항 온도 센서로 기술하였지만, 당업자는 임의 타입의 저항 센서가 온도 센서 대신 사용될 수 있다는 것을 안다. 예를 들면, 여기에서 설명된 온도 센서 대신 다양한 저항 형태의 변형된 표준을 사용할 수 있다. 본 발명은 저항을 변화시켜 조건을 지시하는 임의의 센서를 사용하여 적용될 수 있다. 본 발명의 핵심은 임의의 구성에 동일하게 적용하는 것이다.
본 발명은 바람직한 실시예의 설명에 제한되지 않고 본 발명의 사상 및 영역내에서의 다른 변형을 포함한다.

Claims (16)

  1. 직렬 접속된 각각의 n 저항 센서(109, 110)에 대해 컨덕터 저항-보상 조건을 측정하는 트랜스미터(20)에 있어서,
    상기 n 저항 센서(109-110)를 상기 트랜스미터(20)에 직렬로 접속하는 n+1 컨덕터(308-310);
    직렬로 접속된 상기 n 저항 센서(109, 110)의 제 1 단부에서 상기 n 저항 센서(109, 110)의 제 1 저항 센서(110)에 접속된 상기 n+1 컨덕터중의 제 1 컨덕터(308);
    상기 각각의 n 저항 센서 사이에서 직렬로 상기 n 저항 센서에 접속되는, 상기 n+1 컨덕터중의 n-1 컨덕터(309);
    직렬 접속된 상기 n 저항 센서의 제 2 단부에서 상기 n 저항 센서(110)중 마지막 센서에 접속된 상기 n+1 컨덕터(310)의 제 2 컨덕터로서, 기준 저항을 통하여 접지에 n 저항 센서를 접속하는 제 2 컨덕터(310);
    상기 제 1 컨덕터(308)에 상기 트랜스미터의 공급 전압(5V)을 접속하는 스위칭 수단(F0);
    상기 스위칭 수단이 상기 공급 전압을 차단함에 반응하여 상기 제 1 컨덕터의 컨덕터 저항을 측정하기 위해 상기 제 1 컨덕터에 접속된 컨덕터 저항 측정 수단(401, 406, 409);
    직렬 접속된 상기 n 저항 센서(109-110)에 상기 공급 전압이 접속됨에 반응하여, 상기 각각의 n 저항 센서(109-110)에 걸친 조건-지시 저항을 측정하기 위해, 상기 제 2 컨덕터(310)와 상기 n -1 컨덕터(309)에 접속되는 수단(401, 406, 409); 및
    상기 컨덕터 저항의 측정과 상기 조건-지시 저항의 측정에 반응하여, 상기 각각의 n 저항 센서(109, 110)에 걸친 상기 조건 지시 저항과 상기 컨덕터 저항으로부터 상기 각각의 n 저항 센서에 대한 컨덕터 저항-보상 조건을 결정하는 수단(409)을 포함하는 것을 특징으로 하는 트랜스미터(20).
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 컨덕터 저항 측정 수단은,
    상기 스위칭 수단을 주기적으로 오픈하여 상기 센서 시리즈의 상기 제 1 단부로부터의 상기 전압 공급을 차단하는 타이밍 수단(501);
    상기 직렬 연결된 n 저항 센서(109, 110)에서 상기 전압 공급이 차단됨에 반응하여, 상기 n 저항 센서들(109, 110) 사이에 접속된 상기 n-1 컨덕터(309)중 하나와 상기 n 저항 센서들(109, 110)의 상기 제 1 단부 사이에서 컨덕터 전압을 측정하는 수단(502);
    상기 기준 저항에 걸친 기준 전압을 측정하는 수단(Rref); 및
    상기 컨덕터 전압과 상기 기준 전압을 비교하여 상기 컨덕터 저항을 결정하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 트랜스미터(20).
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 비교 수단은 상기 컨덕터 전압을 상기 기준 전압으로 나누어서 전압비를 생성하는 수단; 및
    상기 기준 저항의 옴(Ω)인 기준값과 상기 전압비를 곱하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 트랜스미터(20).
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 기준값이 100Ω인것을 특징으로 하는 트랜스미터(20).
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 직렬 연결된 n 저항 센서(109, 110)는
    상기 n 저항 센서중 2개 사이에서 상기 n 저항 센서들(109, 110)과 직렬로 연결된 제 1 단부와 상기 트랜스미터(20)에 연결된 제 2 단부를 가지는 상기 n-1 컨덕터중의 하나(309)를 포함하는 것을 특징으로 하는 트랜스미터(20).
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 조건-지시 측정 수단은,
    직렬 연결된 상기 n 저항 센서(109, 110)의 상기 제 1 단부와 상기 n-1 컨덕터중 하나(309)의 제 2 단부 사이에서 제 1 센서 전압을 측정하는 수단(401);
    상기 기준 저항에 걸친 기준 전압을 측정하는 수단(V0, V1); 및
    상기 센서 전압과 상기 기준 전압을 비교하여, 상기 n 저항 센서중 제 1 센서의 저항과 상기 제 1 컨덕터의 저항을 포함하는 상기 제 1 센서 저항을 결정하는 수단(409)을 포함하는 것을 특징으로 하는 트랜스미터(20).
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 비교 수단은,
    상기 제 1 센서 전압을 상기 기준 전압으로 나누어서 제 1 센서 전압비를 생성하는 수단(409); 및
    상기 기준 저항의 옴(Ω)인 기준값과 상기 제 1 센서 전압비를 곱하는 수단(409)을 포함하는 것을 특징으로 하는 트랜스미터(20).
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 기준값이 100Ω인 것을 특징으로 하는 트랜스미터(20).
  9. 제 6 항에 있어서, 상기 조건-지시 측정 수단은,
    상기 n-1 컨덕터중 하나의 상기 제 2 단부와 상기 제 2 컨덕터 사이에서 제 2 센서 전압을 측정하는 수단(409);
    상기 기준 저항에 걸친 기준 전압을 측정하는 수단(409); 및
    상기 제 2 센서 전압과 상기 기준 전압을 비교하여, 상기 n 저항 센서중 제 2 센서의 저항과 상기 제 2 컨덕터의 저항을 포함하는 상기 제 2 센서 저항을 결정하는 수단(409)을 포함하는 것을 특징으로 하는 트랜스미터(20).
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 비교 수단은,
    상기 제 2 센서 전압을 상기 기준 전압으로 나누어서 제 2 센서 전압비를 생성하는 수단; 및
    상기 기준 저항의 옴인 기준값과 상기 제 2 센서 전압비를 곱하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 트랜스미터(20).
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 기준값이 100Ω인 것을 특징으로 하는 트랜스미터(20).
  12. 제 7 항에 있어서, 상기 결정 수단은,
    상기 제 1 센서 저항에서 상기 컨덕터 저항을 감산하여 제 1 센서 보상 저항을 결정하는 제 1 감산 수단;
    상기 제 2 센서 저항에서 상기 컨덕터 저항을 감산하여 제 2 센서 보상 저항을 결정하는 제 2 감산 수단; 및
    상기 제 1 센서 보상 저항과 상기 제 2 센서 보상 저항을 제 1 조건과 제 2 조건으로 각각 변환하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 트랜스미터(20).
  13. 제 2 항에 있어서, 상기 비교 수단은,
    상기 스위칭 수단에 의해 직렬 연결된 상기 n 저항 센서에 상기 전압 공급이 차단됨에 반응하여, 상기 n-1 컨덕터중 하나의 상기 제 2 단부와 상기 제 2 컨덕터의 제 2 단부 사이에서 제 1 전압을 측정하는 수단;
    상기 스위칭 수단에 의해 차단되는 직렬 연결된 상기 n 저항 센서에 상기 전압 공급이 차단됨에 반응하여, 상기 기준 저항에 걸친 제 1 기준 전압을 측정하는 수단;
    상기 제 1 전압과 상기 제 1 기준 전압을 비교하여, 직렬 연결된 n 저항 센서중 하나의 저항, 상기 n-1 컨덕터중 하나의 저항 및 상기 제 2 컨덕터의 저항을 포함하는 제 1 센서 저항을 결정하는 수단;
    상기 스위칭 수단에 의해 상기 n 저항 센서에 상기 전압 공급이 차단됨에 반응하여, 상기 n-1 컨덕터중 하나의 상기 제 2 단부와 상기 제 2 컨덕터의 제 2 단부 사이에서 제 2 전압을 측정하는 수단;
    상기 센서 시리즈가 상기 공급 전압에 접속되었을 때, 상기 기준 저항에 걸친 제 2 기준 전압을 측정하는 수단;
    상기 제 2 전압과 상기 제 2 기준 전압을 비교하여, 상기 다중 저항 센서중 하나의 저항과 상기 제 2 컨덕터의 저항을 포함하는 제 2 센서 저항을 결정하는 수단; 및
    상기 제 1 센서 저항과 상기 제 2 센서 저항과 상기 컨덕터 저항에 반응하여 평균 컨덕터 저항을 계산하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 트랜스미터(20).
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 계산 수단은,
    상기 제 1 센서 저항에서 상기 제 2 센서 저항을 감산하여 추정 컨덕터 저항을 생성하는 수단; 및
    상기 추정 컨덕터 저항에 상기 컨덕터 저항을 가산하고 2로 나누어 상기 평균 컨덕터 저항을 얻는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 트랜스미터(20).
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 저항 센서중 하나가 저항 온도 센서이며 상기 조건은 온도인 것을 특징으로 하는 트랜스미터(20).
  16. 직렬 연결된 각각의 n 저항 센서에 대한 컨덕터 저항 보상 조건을 측정하는 방법에 있어서,
    직렬 연결된 상기 n 저항 센서(109, 110)에 전압(5V)을 인가하는 단계;
    직렬 연결된 상기 n 저항 센서(109, 110)의 각각의 노드에서 전압을 측정하는 단계;
    상기 각각의 노드에서 상기 전압을 측정함에 응답하여 상기 각각의 n 저항 센서에 걸친 전압을 결정하는 단계;
    상기 각각의 n 저항 센서에 걸친 상기 전압과 기준 저항(Rref)에 걸친 기준 전압을 비교하여 상기 다수의 저항 센서 각각에 걸친 센서 저항을 얻는 단계;
    상기 n 저항 센서중 제 1 저항 센서에 접속된 컨덕터에서 상기 인가된 전압을 차단하는 단계;
    상기 컨덕터에 걸친 컨덕터 전압을 측정하는 단계;
    상기 컨덕터 전압과 상기 기준 저항에 걸친 제 2 기준 전압을 비교하여 상기 컨덕터에 걸친 컨덕터 저항을 얻는 단계;
    상기 n 저항 센서에 대해 얻은 상기 각각의 센서 저항에서 상기 컨덕터 저항을 감산하여 상기 다수의 저항 센서 각각의 보상 저항을 얻는 단계; 및
    상기 각각의 보상 저항을 상기 n 저항 센서중 하나와 관련된 상기 조건 판독값으로 변환하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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