KR100444800B1

KR100444800B1 - 진동관 계기의 도관의 진동을 구동시키는 방법 및 구동 회로

Info

Publication number: KR100444800B1
Application number: KR10-2000-7009453A
Authority: KR
Inventors: 티모씨 제이. 커닝햄; 스튜어트 제이. 셸리
Original assignee: 마이크로 모우션, 인코포레이티드
Priority date: 1998-02-25
Filing date: 1999-01-13
Publication date: 2004-08-18
Also published as: CN1292083A; HK1035024A1; KR20010041340A; BR9907258A; CA2320952A1; JP2002505415A; RU2210745C2; ID26166A; CN1192215C; AU2225399A; WO1999044018A1; EP1058820B2; US6360175B1; PL342566A1; AR014071A1; EP1058820B1; JP3586425B2; BR9907258B1; EP1058820A1; CA2320952C

Abstract

본 발명은 코리올리 유량계 또는 진동관 밀도계에서 알 수 있는 것처럼 진동관 상에 임의 수의 구동을 가진시키는데 이용된 임의 수의 구동 신호의 모드 내용을 제어하기 위한 구동 시스템에 관한 것이다. 하나 이상의 모션 신호는 하나 이상의 공간적으로 별개인 피드백 센서로부터 얻어진다. 모션 신호는 N개의 단일 자유도 모드 응답 신호 내에 복수의 진동 모드에 있는 진동 내용을 각각 포함하는 모션 신호를 분해하도록 멀티 채널 모드 필터를 이용하여 여과되는 것이 바람직하다. 각각의 모드 응답 신호는 진동관이 가진되는 진동 모드 중 하나에 대응한다. 상기 N개의 모드 응답 신호는 각각의 상기 N개의 모드 응답 신호에 대해 분리된 처리 채널을 가지는 구동 채널에 입력된다. 각각의 구동 제어기 채널 내에서, 각각의 모드 응답 신호는 원하는 모드 응답 설정점과 비교되고, 생성된 모드 오차 신호는 모드 이득에 의해 증폭되어 각 모드에 대해 모드 가진 신호를 발생시킨다. 모드 가진 신호는 주어진 모드에 대해 모드 설정점과 모드 응답을 일치하도록 하는 진동관에 필수적으로 인가된 모드 가진을 나타낸다. 상기 모드 가진 신호는 모드 영역에서 물리적 영역으로 변환되고, 드라이버의 물리적 위치까지 사상된다. 생성된 구동 신호는 도관을 가진시키도록 드라이버에 인가된다.

Description

진동관 계기의 도관의 진동을 구동시키는 방법 및 구동 회로{METHOD AND DRIVE CIRCUIT FOR DRIVING VIBRATION OF A TUBE OF A VIBRATING TUBE METER}

코리올리 질량 유량계를 이용하여 질량 유량 및 도관을 통하여 유동하는 물질에 대한 다른 정보를 측정하는 것은 공지되어 있다. "제이. 이. 스미스(J. E. Smith)" 등에 허여된 미국특허 제 4,109,524 호(1978.8.29), 미국특허 제 4,491,025 호(1985.1.1), 미국특허 제 31,450 호(1982.2.22)에 전형적인 코리올리 유량계가 개시되어 있다. 이러한 유량계에는 곧은 형상 또는 곡선 형상인 하나 이상의 도관이 설치된다. 코리올리 질량 유량계의 각각의 도관 구성에는 단순 굽힘, 비틀림, 방사상 또는 결합식일 수도 있는 일련의 자유 진동 모드가 있다. 각각의 도관은 이러한 자유 진동 모드 중 어느 하나의 공진에서 진동하여 구동된다. 물질은 유량계 입구측에 연결된 도관으로부터 유량계 내측으로 유입되어 도관 또는 도관들을 통하여 안내되어 출구측을 통하여 배출된다. 물질로 충진된 진동 시스템의 자유 진동 모드는 혼합 질량, 도관의 강성(stiffness) 및 도관 내에 유동하는 물질로 구분되어 정의된다.

유량계를 통하여 유동하는 물질이 없는 경우, 인가된 구동력에 의해 도관을 따라 모든 점이 진동하며 동일 위상 또는 제로 흐름(zero flow) 위상은 구동되는 진동 모드에 의존한다. 물질이 유동하기 시작하면서 코리올리력은 도관을 따라 위치하는 임의의 두 점 사이에서 위상차의 변화를 야기시킨다. 도관의 입구측 상의 위상은 드라이버보다 지체되는 한편, 출구측 상의 위상은 드라이버를 앞서간다. 픽업 센서(pick-off sensor)는 도관 상에 배치되어 도관의 움직임을 나타내는 사인 신호를 발생한다. 픽업 센서로부터의 신호 출력은 픽업 센서 사이의 위상차의 변화를 결정하기 위해 처리된다. 2개의 픽업 센서 신호 사이의 위상차의 변화는 도관을 통과하는 물질의 질량에 비례한다.

모든 코리올리 유량계 및 모든 진동관 밀도계의 전형적 구성 요소는 구동계 또는 가진계(excitation system)이다. 구동계는 도관을 진동시키는 주기적 물리력을 도관에 인가하도록 작동한다. 구동계는 유량계의 도관에 장착된 하나 이상의 드라이버를 포함한다. 종래의 드라이버 매카니즘은 제한적이지는 않지만 자석을 하나의 도관에 장착하고 와이어 코일을 자석의 마주하는 다른 도관에 장착하는 음성 코일과 같은 잘 알려진 공지 배열 중의 하나를 포함한다. 구동 회로는 주기적, 전형적으로 사인 곡선 또는 사각형상의 구동 신호를 구동 코일에 연속적으로 인가한다. 주기적 구동 신호에 응답하여 코일에 의해 생성된 연속적인 교류 자기장, 및 자석에 의해 생성된 일정 자기장의 상호 작용을 통하여, 2개의 흐름관은 처음에 대향 사인 곡선 형태로 진동하게 되어 계속 유지된다. 드라이버로서 전기 신호를 기계력으로 변환할 수 있는 임의의 장치가 본 출원에 적합함을 당업자는 이해할 것이다.("카펜터(Carpenter)"에게 허여되어 "마이크로 모우션 인코포레이티드(Micro Motion, Inc.)"에게 양도된 미국특허 제 4,777,833호 참조) 또한, 사인 신호를 이용할 필요 없이 임의의 주기적 신호가 오히려 구동 신호로서 적절할 수도 있다.("칼로타이(Kalothy)" 등에게 허여되어 "마이크로 모우션 인코포레이티드"에 양도된 미국특허 제 5,009,109 호 참조)

특정 모드는 아니지만 코리올리 유량계를 진동시키도록 구동되는 종래의 모드는 제 1 이상 굽힘 모드(the first out-of-phase bending mode)이다. 제 1 이상 굽힘 모드는 이중관 코리올리 유량계의 2개의 도관이 서로 대항하여 진동하는 기본 굽힘 모드이다. 그러나, 이것은 제 1 이상 굽힘 모드에서 구동되는 코리올리 유량계의 진동 구조체에 존재하는 진동의 특정 모드가 아니다. 물론, 가진될 수도 있는 진동의 더 높은 모드가 존재한다. 또한, 진동 흐름관 통하여 유동하는 유체 및 생성된 코리올리력으로 인해 다른 모드 뿐만 아니라 가진되는 제 1 이상 비틀림 모드도 있다. 진동의 동상(in-phase) 및 횡 모드(lateral modes)도 있다. 결국, 제 1 굽힘 모드에서 진동하도록 구동되는 코리올리 유량계에서 실제로 가진된 수 백가지의 진동 모드가 있다. 제 1 이상 굽힘 모드 근처에 있는 비교적 한정된 주파수 범위 내에서도 여러 가지 이상의 추가적인 진동 모드가 존재한다. 흐름관의 구동 가진에 의해 가진되고 있는 복수의 모드에 추가하여, 진동이 흐름관 외부적이기 때문에 모드가 가진될 수 있다. 예컨대, 공정 라인의 다른 곳에 위치한 펌프는 코리올리 유량계의 진동 모드를 가진시키는 파이프 라인을 따라 진동을 발생시킬 수도 있다. 추가의 바람직하지 않은 모드가 코리올리 유량계에서 종종 가진되는 다른 이유는 드라이버 요소가 흐름관 상에 균형있게 위치되지 않은 것과 같이 제조 허용 오차가 있는 경우이다. 이로 인해 진동의 복수의 모드가 가진되므로 드라이버가 흐름관 내에 편심력을 생기게 한다. 따라서, 제 1 이상 굽힘 모드에서 진동하거나 또는 공진하도록 구동된 코리올리 유량계는 실제로 제 1 이상 굽힘 모드에 추가하여 다수의 다른 모드로 진동하는 도관을 가진다. 제 1 이상 굽힘 모드와 상이하게 진동하도록 구동된 유량계는 목적하는 구동 모드에 추가하여 복수의 가진된 모드의 동일 현상을 경험한다.

상기 구동계는 전형적으로 픽업 센서 신호의 하나인 피드백 신호(feedback signal)를 처리하여 구동 신호를 생성시킨다. 불행하게도, 구동 피드백 신호는 바람직한 가진 모드에 추가로 다른 모드로부터의 응답을 포함한다. 따라서, 구동 피드백 신호는 원하지 않은 성분을 제거하도록 주파수 영역 필터를 통하여 여과되어 증폭된 후 드라이버에 인가된다. 그러나, 구동 피드백 신호를 여과하기 위해 이용되는 주파수 영역 필터는 구동 피드백 신호에 존재하는 다른 모드 응답으로부터 한 가지 원하는 모드를 분리시키기에 효과적이지 못하다. 원하는 모드 공진 주파수 근처에 있는 다른 모드로부터 비공진 응답이 존재할 수 있다. 임의의 경우에, 여과된 구동 피드백 신호, 즉 구동 신호는 전형적으로 흐름관을 가진시키기 위한 원하는 모드만이 아닌 그 외의 주파수에 있는 모드 내용을 포함한다. 복수의 모드로부터의 공진 응답으로 이루어진 구동 신호는 드라이버를 통해, 각각의 모드를 가진시키는 흐름관에 에너지를 입력시키는데, 각각의 모드에 대한 구동 신호는 모드 내용을 포함하고 있다. 이러한 복수 모드 구동 신호는 코리올리 유량계에 작동 상의 문제를 발생시킨다. 또한, 주파수 영역 필터는 여과된 구동 신호에 위상 래그(phase lag)를 도입한다. 이로 인해 원하는 진폭에서 흐름관을 구동하기 위해 구동력을 더 높일 필요가 있을 수 있다. 이것은 후지 일렉트로닉 컴퍼니 리미티드(Fuji Electronic Co. Ltd.)에 허여된 독일출원 제 19634663 호에 개시되어 있다.

복수 모드 구동 신호에 의해 발생되는 한 가지 문제점은 구동 신호에 의해 파이프 라인 진동과 같은 외부 진동이 강화된다는 것이다. 코리올리 유량계 외부의 파이프 라인 진동이 유량계를 진동시킨다면 구동 피드백 신호는 파이프 라인 진동에 대한 응답을 포함한다. 필터의 주파수 통과 대역 내의 적어도 일부분에 파이프 라인 진동이 해당되면 주파수 영역 필터는 원하지 않는 응답을 제거하지 못한다. 파이프 라인 진동에 대해 원하지 않는 응답을 포함하는 여과된 구동 피드백 신호는 증폭되어 드라이버에 인가된다. 그 후, 이러한 드라이버는 파이프 라인의 가진 모드를 강화하도록 작동한다.

복수의 주파수에서 모드 내용을 가지는 드라이버의 추가적인 문제점은 코리올리 유량계에 의해 제작된 밀도 측정계에 대하여 발생한다. 코리올리 유량계의 밀도 측정계 또는 진동관 밀도계는 진동 흐름관의 공진 주파수의 측정에 의존한다. 복수의 모드에 있는 모드 내용을 포함하는 구동 신호에 응답하여 흐름관이 구동되면 문제점이 발생한다. 구동 신호의 복수의 모드가 중첩됨으로써 원하는 구동 모드의 실제 공진 주파수로부터 구동되는 흐름관이 비공진할 수 있다. 밀도 측정의 오차가 발생하게 된다.

앞서 주지한 문제점은 단일 모드를 가진시키려는 구동 신호가 복수의 모드를 가진시키도록 저하된 상황 하에서 다양한 조건을 설명한다. 진동의 원하는 모드에서만 모드적으로 여과된 구동 신호가 모드 내용을 가지는 2 이상의 피드백 신호로부터 구동 신호를 생성하도록 모드 필터를 이용하는 것이 공지되어 있다. 모드 필터는 원하는 구동 모드를 향상시키고 하나 이상의 원하는 모드를 억제(suppress)하는데 이용된다.복수의 모드의 가진을 필요로 하는 상황이 발생하여 복수의 모드에 있는 모드 내용을 가지는 구동 신호가 요구된다. 2개의 모드의 동시 가진을 위해서는 이러한 2개의 모드에서 모드 내용을 가지는 구동 신호를 필요로 한다. 복수의 모드가 가진되고 억제될 정도로 진동관을 구동하는 다른 이유가 존재할 수도 있다. 예컨대, 2중 모드 구동 신호를 발생하기 위해 제 1 모드에서 모드 내용을 가지는 제 1 구동 신호, 및 제 2 모드에서 모드 내용을 가지는 제 2 구동 신호의 임시 영역에 중첩이 존재한다. 원하지 않는 모드가 가진되지 않을 정도로 흐름관에 드라이버가 고정될 수도 있다는 것은 복수의 드라이버의 장점을 알려주고 있다.

복수의 모드에 영향을 미치는 모드 내용을 각각 가지는 복수의 구동 신호를 발생시키기 위해 복수의 구동 피드백 신호를 처리하도록 쉽게 개조될 수 있는 구동 제어 시스템이 필요하다.

본 발명은 진동관 처리 매개변수 센서의 도관을 진동시키도록 하는 구동 체계 분야에 관한 것이다. 더 구체적으로 본 발명은 임의의 모드 효과 형태를 가지는 임의의 수의 드라이버를 구동하는 모드 영역의 시스템 작동에 관한 것이다.

도 1은 코리올리 유량계 및 연관된 미터 일렉트로닉스를 도시한다.

도 2는 본 발명에 따른 일반화된 모드 공간 구동 제어 시스템의 블록도를 도시한다.

도 3은 본 발명에 따른 구동 회로의 블록도를 도시한다.

도 4는 대표적인 흐름관 피드백 신호의 주파수 응답 함수, 및 구성 요소 진동 모드의 기여를 나타내는 추가적인 주파수 응답 함수를 도시한다.

도 5는 본 발명에 따른 멀티 채널 모드 필터의 블록도를 도시한다.

도 6은 본 발명에 따른 모드 응답 신호 프로세서를 도시한다.

도 7은 물리력 투사 벡터에 대한 스칼라 모드 가진 신호를 변환하기 위한 공정 단계를 나타내는 플로우 챠트이다.

도 8은 시행착오에 의해 모드 필터 가중 계수를 선택하기 위한 공정 단계를 나타내는 플로우 챠트이다.

도 9는 고유벡터 행렬(eigenvector matrix)의 역행렬 또는 유사 역행렬을 계산함으로써 모드 필터 가중 계수를 선택하는 공정을 나타내는 플로우 챠트이다.

도 10은 본 발명의 선택적 구동 제어기를 도시한다.

도 11은 본 발명의 작동을 요약하는 플로우 챠트이다.

도 12는 본 발명에 따른 모드 응답 신호 발생기를 도시한다.

상기 확인된 문제점 및 기타의 문제점이 해결되고, 본 분야에서 본 발명의 일반화된 모드 공간 구동 제어 시스템에 의해 기술적 진보가 달성된다. 본 발명은 진동 구조체 상에 하나 이상의 드라이버용 구동 신호(들)를 발생시키기 위해 모드 영역에서 작동하는 일반화된 구동 제어 시스템을 제공한다. 이러한 구동 시스템은 복수의 구동 피드백 신호를 수신하여 진동관의 모드 내용을 단일 자유도(single-degree of freedom, SDOF) 모드 응답 신호로 분해하고, 각 모드의 원하는 양을 선택하도록 단일 자유도 모드 응답 신호를 처리한 후, 드라이버(들)에 적용하기 위해 물리적 영역에서 생성물을 변환시킨다. 따라서, 본 발명의 일반화된 구동 제어 시스템을 이용함으로써, 하나 이상의 구동 신호가 하나 이상의 드라이버를 가진시키도록 발생되고, 이에 의해 진동 구조체 상에 임의의 모드를 가진 또는 억제한다. 또한, 본 발명의 구동 제어 시스템은 복수의 작동 구성에서 작동하고, 복수의 작동 구성 사이에서 용이하게 전환된다. 예컨대, 플로우를 측정하는 작동 구성 동안에 일련의 구동 신호가 본 발명에 의해 발생되고, 축응력을 측정하는 작동 구성 동안에 선택적인 일련의 구동 신호가 본 발명에 의해 발생된다.

본 발명의 구동 제어 시스템은 하나 이상의 진동관을 포함하는 진동 구조체의 진동 모드를 제어하는데 이용된다. 또한, 이러한 진동 구조체는 유량계에 의해 측정되도록 유체에 의해 침윤되지 않은 추가적인 진동관 또는 하나 이상의 밸런스 바(balance bar)를 포함할 수도 있다. 또, 진동 구조체는 예컨대 플랜지(flange) 또는 케이스(case)를 포함할 수도 있다. 본 발명에 따라, 피드백 센서와 드라이버는 원하는 모드를 가진시키고 원지 않는 모드를 억제하도록 진동 구조체의 임의의 부분에 위치한다.

본 발명의 일실시예에서, 하나 이상의 피드백은 진동관의 움직임을 나타내는 모션 신호(motion signal)를 제공한다. 이러한 모션 신호에는 일정 주파수와 각각 연관되는 복수의 모드에 있는 모드 내용이 존재한다. 복수의 주파수 대역 필터는 복수의 모드 응답 신호를 발생한다. 각각의 모드 응답 신호는 진동관 상에 존재하는 진동의 모드 중 하나와 연관이 있다. 본 발명의 다른 실시예에서, 2 이상의 피드백 센서는 진동관의 움직임을 나타내는 모션 신호를 제공한다. 이러한 모션 신호에는 복수의 진동 모드에 있는 모드 내용이 존재한다. 또한, 구동 제어 시스템에 의해 영향을 받는 즉, 가진 또는 억제되도록 각각의 모드에 대해 채널을 가지는 멀티 채널 모드 필터에 모션 신호가 입력된다. 모드 필터의 각각의 채널은 흐름관이 진동하는 복수의 진동 모드 중 하나에 대응하는 모드 응답 신호를 생성시킨다. 각각의 진동 모드에 대응하는 모드 가진 신호를 생성하도록 각각의 모드 응답 신호에 대한 채널을 가지는 구동 제어기가 작동한다. 주어진 진동 모드에 대응하는 모드 가진 신호는 주어진 모드가 최종 구동 신호(들)에 존재하는 정도를 나타낸다. 모드 대 물리력 투사기(modal-to-physical force projector)는 모드 가진 신호를 수용하여 물리적 영역으로 변환시키고 하나 이상의 드라이버에 적용하기 위한 하나 이상의 신호를 출력한다. 본 발명의 또 다른 실시예는 다른 공정을 위한 명령 발생 모드 응답 신호의 모드 필터에 추가하여 주파수 대역 또는 다른 임시 필터를 이용한다. 본 발명의 또 다른 실시예에서는 주파수 대역 필터와 모드 필터의 조합을 이용한다. 각각의 모드 필터 채널의 단일 필터는 주파수 영역 필터를 통과한다.

본 발명의 모드 필터는 구동 시스템에 의해 영향 받는 각각의 진동 모드용 채널로 이루어진다. 실제로 단일 자유도 신호인 모드 응답 신호는 본 발명의 구동 시스템에 의해 영향 받는 각각의 진동에 대해 발생된다. 모드 필터 채널의 구성이 일단 설정되면 구동 시스템이 제 1 작동 구성에서 제 2 작동 구성으로 전환되는 경우에도 재구성될 필요가 없다. 마찬가지로, 모드 대 물리력 투사기는 여기에 공개된 다양한 방법에 따라 구성되고, 구동 시스템이 제 1 작동 구성에서 제 2 작동 구성으로 전환하는 경우에도 재구성될 필요가 없다.

구동 제어기 각각의 채널은 단일 자유도 모드 응답 신호 중 하나의 입력을 수신한다. 모드 오차 신호를 발생하도록 모드 응답 신호는 모드 응답 설정점(setpoint)과 비교된다. 본 발명의 구동 시스템에 의해 영향 받는 각각의 모드에 대한 모드 가진 신호를 발생하도록 모드 오차 신호는 이득 단계(gain stage)에 의해 증폭된다. 각각 영향 받는 진동 모드에 대응하는 모드 가진 신호의 상대적 진폭은 주어진 모드가 본 발명의 구동 시스템에 의해 발생된 구동 신호(들)에 기여하는 정도를 나타낸다. 예컨대, 주어진 진동 모드, 즉 "원치 않는" 모드가 억제되어 버린다면, 이 때 모드 응답 신호에 대한 모드 응답 설정점은 제로(zero)가 된다. 모드 대 물리력 투사기의 작동에 의해 생성된 모드 가진 신호는 물리적 영역, 즉 인가력으로 변환된다. 이러한 힘은 원치 않는 모드를 억제하도록 진동관에 인가된다.

본 발명의 구동 시스템은 복수의 작동 구성을 위해 제공된다. 따라서, 예컨대 본 발명의 시스템을 이용하는 코리올리 유량계는 상이한 구동 방법론을 요구하는 다양한 작동 구성 사이에서 교대로 대체할 수 있다. 다음의 실시예를 고려해 보자. 제 1 작동 구성에서, 일정 진동 모드가 바람직하지 않아서 본 발명의 구동 시스템에 의해 억제된다. 그러나, 제 2 작동 구성에서, 동일 진동 모드가 바람직하면 본 발명에 의해 향상된다. 한 작동 구성에서 다른 작동 구성으로의 본 발명의 구동 시스템에 대한 특정 변화는 구동 제어기의 각각의 채널에 대한 모드 응답 설정점이다. 룩업 테이블(look-up table)은 주어진 코리올리 유량계 또는 진동 밀도계의 다양한 작동 구성에 대한 적당한 설정점을 포함한다.

본 발명의 구동 시스템은 복수의 모션 신호를 임시 영역에서 모드 영역으로 변환시킨다. 이러한 모드 영역에서, 본 구동 시스템에 의해 영향 받도록 모션 신호는 각각의 진동 모드에 대한 단일 자유도 모드 응답 신호로 분해된다. 각각의 모드 응답 신호는 대응하는 모드 가진 신호를 발생하도록 처리된다. 모드 가진 신호는 원하는 모드 응답 설정점을 발생시키도록 구동 신호(들)의 구성 요소로서 인가되는 대응하는 진동 모드의 크기를 나타낸다. 드라이버(들)에 인가되는 힘을 생성하게 하는 구동 신호(들)를 발생하도록 모드 가진 신호는 모드 영역에서 임시 영역으로 변환된다.

일반적인 코리올리 유량계 - 도 1

도 1은 코리올리 유량계 조립체(10) 및 미터 일렉트로닉스(20)로 이루어지는 코리올리 유량계(5)를 나타낸다. 밀도, 질량 유량, 체적 유량, 총질량 플로우 및 다른 정보를 경로(26) 상으로 제공하도록 미터 일렉트로닉스(20)가 리드(100)를 통하여 유량계 조립체(10)에 연결되어 있다. 코리올리 유량계 구조체는 배경 기술의 당업자에게는 명확하지만, 본 발명은 코리올리 질량 유량계에 의해 제공된 추가적인 측정 성능없이 진동관 밀도계와 관련하여 실행될 수 있다. 또한, 본 발명은 단일 이상 드라이버 또는 2 이상 픽업 센서를 이용하는 코리올리 유량계 또는 밀도계에 적용될 수 있다.

유량계 조립체(10)는 한 쌍의 플랜지(101,101`), 매니폴드(manifold)(102) 및 흐름관(103A,103B)을 포함한다. 흐름관(103A,103B)에는 드라이버(104) 및 픽업 센서(105,105`)가 연결된다. 브레이스 바(brace bars)(106,106`)는 축(W,W`)을 한정하는 역할을 하며, 각각의 흐름관은 이러한 축(W,W`)에 대하여 진동한다.

측정하려는 처리 물질을 운반하는 파이프 라인 시스템(도시 안함)에 유량계 조립체(10)가 삽입되면, 물질은 플랜지(101)를 통하여 유량계 조립체(10)에 유입되어 물질이 흐름관(103A,103B)에 유입되도록 유도하는 매니폴드(102)를 통과하며, 흐름관(103A,103B)을 통하여 유동하고, 플랜지(101`)를 통하여 유량계 조립체(10)를 물질이 유출되는 매니폴드(102) 내측에 돌아온다.

흐름관(103A,103B)을 선택하여 굽힘축(W-W,W`-W`)에 대하여 실질적으로 동일 질량 분포, 관성 모멘트 및 탄성 계수를 가지도록 매니폴드(102)에 각각 적당히 장착한다. 흐름관은 본질적으로 평행한 방식으로 매니폴드에서 외측으로 연장한다.

흐름관(103A,103B) 각각의 굽힘축(W,W`)에 대한 반대방향으로, 유량계의 제 1 위상 굽힘 모드로 불리는 곳에서 드라이버(104)에 의해 흐름관(103A,103B)이 구동된다. 드라이버(104)는 흐름관(103A)에 자석이 장착되고 흐름관(103B)에 대향 코일이 장착되며 두 흐름관을 진동시키기 위해 교류 전류가 통과하는 다수의 공지된 배열 중 임의의 하나로 이루어진다. 적합한 구동 신호는 리드(110)를 통하여 계기 일렉트로닉스(20)에 의해 드라이버(104)에 인가된다. 앞서 주지한 그리고 여기에 더 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명은 임의 수의 드라이버를 이용하는데 적합하다. 도 1의 도시는 단지 코리올리 유량계를 작동하는 실시예로서 제공되며, 본 발명의 범위를 한정하려는 것은 아니다.

미터 일렉트로닉스(20)는 리드(111,111`) 상에 나타나는 좌우측 속도 신호를 각각 수신한다. 미터 일렉트로닉스(20)는 리드(110) 상에 나타나며 드라이버가 흐름관(103A,103B)을 진동시키도록 하는 구동 신호를 발생시킨다. 전술한 바와 같이, 본 발명은 복수의 드라이버용 복수의 구동 신호를 발생할 수 있다. 미터 일렉트로닉스(20)에 의해 경로(26)를 지나서 이용 수단(도시 안함)으로 이러한 정보가 인가된다.

코리올리 유량계(5)는 진동관 밀도계와 구조상 상당히 유사하다는 사실은 배경 기술의 당업자에게 공지되어 있다. 또한, 진동관 밀도계는 유체가 통하여 흐르거나, 또는 표본식 밀도계의 경우 유체가 유지되는 진동관을 이용한다. 밀도 측정은 단지 주파수의 측정만을 필요로 하고 위상 측정은 필요하지 않기 때문에 진동관 밀도계는 전형적으로 단일 피드백만 이용한다. 다음의 본 발명의 상세한 설명은 동일하게 진동관 밀도계에 적용된다. 현존 코리올리 유량계는 모드 필터에 입력하는데 이용가능한 2개의 피드백 신호를 이미 가지고 있으며, 현존 진동관 밀도계는 전형적으로 이용가능한 1 피드백 신호만을 가지는 것을 배경 기술의 당업자는 인식하고 있다. 따라서, 본 발명에 진동관 밀도계를 적용하기 위해 진동관 밀도계의 추가적인 피드백 신호를 제공하기만 하면 된다.

일반적인 미터 일렉트로닉스 - 도 2

도 2는 L개의 피드백 센서(202A-202L) 및 M개의 드라이버(206A-206B)가 있는 일반 케이스용 미터 일렉트로닉스(20)의 블록도를 도시한다. 여기서 L 및 M은 1보다 큰 정수이다. 미터 일렉트로닉스(20)는 질량 유량 회로(30) 및 구동 회로(40)를 포함한다. 질량 유량 회로(30)는 진동관 상의 2 점 사이의 위상차에 근거한 진동관을 통하여 유체의 질량 유량을 계산하는 다수의 공지 회로 중 하나이다. 구동 회로(40)에 의해 이용된 피드백 센서가 질량 유량 회로(30)에 의해 이용된 피드백 센서와 분리될 수도 있지만 질량 유량 정보를 생성하도록 종래의 2 피드백 센서(202A-202L)도 질량 유량 회로(30)에 의해 이용된다. 질량 유량 회로(30)는 라인(26)을 지나서 이용 수단(도시 안함)으로 출력을 야기시킨다. 이러한 이용 수단은, 예컨대 디스플레이(display)일 수도 있다. 질량 유량 회로(30)의 상세한 설명은 당업자에게 잘 공지되어 있으며, 본 발명의 일부분을 형성하지 않는다. 질량 유량 회로(30)에 관한 전형적인 정보에 대해, "스미스(Smith)"에게 허여되고 "마이크로 모우션 인코포레이티드(Micro Motion, Inc.)"에 양도된 미국특허 제 31,450 호(1983.11.29) 또는 "조락(Zolock)"에게 허여되고 "마이크로 모우션 인코포레이티드(Micro Motion, Inc.)"에 양도된 미국특허 제 4,879,911 호(1989.11.14) 또는 "조락(Zolock)"에게 허여되고 "마이크로 모우션 인코포레이티드(Micro Motion, Inc.)"에 양도된 미국특허 제 5,231,884 호(1993.8.3)를 참조한다. 구동 회로(40)는 피드백 센서(202A-202L)로부터 경로(204A-204L)을 지나서 모션 신호를 각각 수신한다. 구동 회로(40)는 경로(208A-208M)을 지나서 드라이버(206A-206M)으로 M개의 구동 신호를 각각 발생시킨다. 본 발명의 작동은 진동관 상의 2 상이한 점의 운동을 감지하는 2 이상의 피드백 센서로부터 2 이상의 모션 신호를 이용한다. 본 발명의 작동은 하나 이상의 드라이버를 필요로 한다. 다음의 설명은 구동 회로(40)의 작동에 촛점을 둔다.

일반적인 모드 공간 구동 제어기 - 도 3-4

도 3은 멀티 채널 모드 필터(310) 및 모드 응답 신호 프로세서(320)를 포함한다. 진동관(302)은 흐름관(103A-103B) 또는 임의의 단일 또는 복수의 흐름관 기하를 나타낸다. 상기한 바와 같이, 진동관(들)(302)은 다른 진동 구성 요소를 포함하는 진동 구조체의 부분일 수도 있다. 본 실시예는 총진동 구조체로서 진동관(들)(302)에 관하여 기술하고 있지만, 앞서 주지한 바와 같이, 진동관(들)은 진동 구조체의 일부분만으로 이루어질 수도 있다. 드라이버(206A-206M)으로부터의 힘으로 인해 진동관(들)이 진동하게 된다. 진동관(들)(302)이 진동함에 따라 피드백 센서(202A-202L)에 의해 모션(306)이 감지된다. 피드백 센서(202A-202L)는 진동 구조체 상의 상이한 점, 즉 진동관(들)(302) 상의 상이한 점에 위치하고, 구동 회로(40)에 입력되는 경로(204A-204L)를 통하는 모션 신호를 발생시킨다.

이러한 모션 신호는 멀티 채널 모드 필터(310)에 입력된다. 경로(312A-312N)를 넘어서 N개의 모드 응답 신호를 발생시키도록 멀티 채널 모드 필터(310)가 모션 신호의 모드 내용을 분해한다. 도 4는 멀티 채널 모드 필터(310)의 작동을 나타낸다. 그래프(401-404)에는 입력 힘 크기에 대한 흐름관 응답 크기의 로그비를 나타내는 수직축이 있다. 그래프(401)는 진동관(들)(302)과 같은 진동관에 대한 주파수 응답 함수(frequence response function, FRF)를 나타낸다. 주파수 응답 함수는 한 위치에 있는 구조체에 인가된 힘 및 생성된 다른 위치에 있는 구조체의 모션 사이의 동역학을 특징으로 한다. 따라서, 주파수 응답 함수(405)는 예컨대, 진동관(들)(302) 상의 피드백 센서(202) 중의 한 위치에 있는 주파수 응답 함수이다. 주파수 응답 함수(405)는 일정 주파수 범위 내에 모드(A,B,C)에서 모드 내용을 가진다. 피드백 센서(202A-202L)에 발생된 각각의 모션 신호는 주파수 응답 함수(405)와 유사한 모드 내용을 가진다. 경로(312A-312N)을 지나서 실질적으로 단일 자유도(SDOF) 모드 응답 신호를 발생하고 그래프(402-404)에 도시한 바와 같은 주파수 응답 함수의 단일 자유도 모드 응답 신호를 가지는 모션 신호의 모드 내용을 분해하도록 멀티 채널 모드 필터(310)가 작동한다. 그래프(402)는 모드(A), 또는 주파수 응답 함수(405)의 제 1 이상 굽힘 모드 구성 요소에 대한 경로(312A)를 지나는 모드 응답 신호에 대응하는 주파수 응답 함수(406)를 나타낸다. 그래프(403)는 모드(B), 또는 주파수 응답 신호(405)의 제 1 이상 비틀림 모드 구성 요소에 대한 경로(312B)를 지나는 모드 응답 신호에 대응하는 주파수 응답 함수(407)를 나타낸다. 그래프(404)는 모드(C), 또는 주파수 응답 함수(405)의 제 2 이상 굽힘 모드 구성 요소에 대한 경로(312N)를 지나는 모드 응답 신호에 대응하는 주파수 응답 함수(408)를 나타낸다. 따라서, 멀티 채널 모드 필터(310)로의 입력은 경로(204A-204L)을 지나는 L개의 모션 신호이다. 멀티 채널 모드 필터(310)로부터의 출력은 각 모드 응답 신호가 단일 모드에서 진동관(들)(302)의 모드 내용을 나타내는 경로(312A-312N)를 지나는 N개의 단일 자유도 모드 응답 신호이다. 멀티 채널 모드 필터(310)는 관심 주파수 범위에 존재하는 임의의 모드에 대한 모드 응답 신호를 발생시키도록 구성될 수 있다.

이러한 모드 응답 신호는 모드 응답 신호 프로세서(320)에 입력된다. 도 6에 관하여 더 상세히 설명한 바와 같이, 경로(208A-208M)를 지나는 M개의 구동 신호를 발생시키도록 모드 응답 신호 프로세서(320)가 모드 응답 신호를 처리한다.

멀티 채널 모드 필터-도 5

도 5는 멀티 채널 모드 필터(310)의 더 상세한 도시이다. 멀티 채널 모드 필터(310)는 모드 필터 채널(500A-500N)로 이루어진다. 모드 필터 채널(500A-500N)은 그들 각각의 증폭기(504A-504N,505A-505N,506A-506N)의 이득을 제외하고 동일하다. 다음에 설명하는 바와 같이, 각각의 모드 필터 채널(500A-500N)이 진동관(들)(302) 상에 나타나는 한 진동 모드에 대응하는 한 모드 응답 신호를 출력할 정도로 모드 필터 채널(500A-500N)의 증폭기의 이득이 설정된다. 복수의 채널의 구성 사이에 완전한 공통성이 존재하기 때문에 모드 필터 채널(500A-500N) 중 하나만을 상세히 설명한다.

모드 필터 채널(500A)에 관하여, 피드백 센서(202A-202L)로부터의 모션 신호가 증폭기(504A-506A)로 각각 입력된다. 증폭기(506A)는 임의 수의 추가적인 피드백 센서(202A-202L)로부터 모션 신호를 수신하는 임의 수의 추가적인 증폭기를 나타낸다. 증폭기(504A)는 AG₁의 이득을 가지고, 증폭기(505A)는 AG₂의 이득을 가지며, 증폭기(506A)는 AG_L의 이득을 가진다. 이득 AG₁-AG_L은 모드 필터 채널(500A)에 의해 경로(204A-204L)를 통해서 모션 신호에 인가된 가중 인자(weighting factor)로 되어 있다. 경로(507A- 509A)를 통하여 증폭기(504A-506A)의 출력은 가중 피드백 신호로 되어 있다. 경로(511A)를 통해서 단일 자유도 모드 응답 속도 신호를 발생시키도록 가중 피드백 신호가 합산기(510A)에 의해 합산된다. 경로(511A)를 지나는 모드 응답 속도 신호는 적분기(512A)에 입력된다. 경로(312A)를 지나는 모드 응답 변위 신호를 발생시키도록 적분기(512A)가 경로(511A)를 지나는 모드 응답 속도 신호를 적분한다.

모드 필터 가중 인자의 선택-도 8-9

멀티 채널 모드 필터(310)의 각각의 채널에 대한 가중 인자의 선택을 도 8 내지 도 9에 관하여 하기에 더 상세히 설명한다. 코리올리 질량 유량계의 구동 회로에 인가된 모드 필터(들)용 가중 인자를 선택하는데 이용할 수 있는 다양한 방법이 있다. 가중 인자가 결정되는 방법은 중요하지 않으며 임의의 한 방법 또는 방법의 혼합은 적합하고 동등하다.

코리올리 구동 회로의 모드 필터(들)용 가중 인자를 선택하는 한 방법은 시행착오이다. 도 3 내지 도 5에 관하여 전술한 바와 같이, 멀티 채널 모드 필터(310)의 원하는 결과는 진동관(들)(302) 상에 존재하는 진동 모드에 대응하는 단일 자유도 모드 응답 신호를 발생시키는 것이다. 도 8은 시행착오 접근을 이용하여 멀티 채널 모드 필터(310)의 단일 채널에 대한 모드 필터 가중 계수를 선택하는데 이용하는 단계를 나타내는 플로우 챠트이다. 적절한 단일 자유도 모드 응답 신호가 예컨대, 채널(500A)로부터 출력되면서 얻어질 때까지, 단계(801-804)는 반복된다. 단계(801-804)는 모드 필터 증폭기의 이득의 변화를 가능하게 하는 구동 회로를 따라 필요한 피드백 신호를 제공하도록 적당히 설치되는 실제 코리올리 유량계를 이용하여 실행된다. 선택적으로, 피드백 신호는 예컨대, 디지탈 오디오 포맷에 기록될 수 있고, 각각 단계(801-804))를 통과하면서 모드 필터 구동 회로에 재인가될 수 있다. 선택적으로, 단계(801-804)는 코리올리 유량계 및 연관된 구동 회로의 수치적 모델을 이용하여 실행된다.

단계(800)에서 공정이 시작해서 단계(801)에서 제 2 세트의 가중 계수가 선택된다. 단계(801) 동안에, 단계(801)가 실행될 때마다 완성된 새로운 세트의 가중 계수(채널(500A)의 경우에, 이득 AG₁-AG_L)를 선택할 수 있거나, 또는 단계(801)가 실행될 때마다 한 피드백 신호만을 위한 새로운 가중 계수를 선택할 수 있다. 단계(802) 동안에 피드백 신호는 각각의 모드 필터 증폭기가 단계(801)에 의해 결정된 것과 같은 이득 세트를 가지는 채널(500A)에 인가된다. 단계(803) 동안에, 필터 출력 신호가 출력되어 기록된다. 단계(803)으로부터 결정 블록(804)까지 공정이 계속된다.

필터 채널 출력 신호가 적절한 진동 모드용 단일 자유도 모드 응답 신호인지를 결정하기 위해 결정 블록(804)이 작동한다. 결정 블록(804)의 작동에 의해 필터 채널에 의한 신호 출력이 실질적으로 원하는 진동 모드용 단일 자유도 모드 응답 신호인지가 결정된다면, 그 다음 공정은 가중 계수가 필요로 하는 멀티 채널 필터의 다른 채널이 있는지를 결정하는 결정 블록(805)을 계속한다. 필터 채널에 의한 신호 출력이 실질적으로 원하는 진동 모드용 단일 자유도 모드 응답 신호가 아니라면, 그 다음 공정은 단계(801)로 돌아간다. 공정(801) 동안에 새로운 세트의 가중 계수가 선택되고, 단계(802-804)에서 단일 자유도 모드 응답 신호를 발생시키는 일련의 가중 계수가 위치하도록 다시 처리된다. 결정 블록(805)의 작동에 의해 각각의 채널(500A-500N)이 한 진동 모드에 대응하는 단일 자유도 모드 응답 신호를 발생시킬 때까지 이러한 공정이 각각의 채널(500A-500N)에 대해 반복된다.

멀티 채널 모드 필터(310) 각각에 대한 가중 계수를 선택하는 다른 방법은 고유벡터(eigenvector) 앵령의 역행렬 또는 유사 역행렬을 계산하는 것이다. 전술한 바와 같이, 코리올리 유량계의 진동 흐름관은 진동 모드의 혼합을 나타내었었다. 물리적 좌표, 예컨대, 개별적인 점에 있는 단일 응답 및 흐름관 상의 방향으로 흐름관 모션을 분석하는 것은 흐름관의 모션에 대하여 유용한 정보를 쉽게 내주지 않는 연결된 식의 분석을 필요로 한다. 그러나, 물리적 응답의 벡터를 모드 응답 또는 시스템의 모드 좌표로 변환하기 위해 모드 변환식을 이용할 수 있다. 표준 모드 변환식은;

(1) x = Φη

에 의해 구한다.

여기서;

x는 물리적 응답 좌표의 벡터,

Φ는 고유벡터 행렬, 그것의 열은 관심의 흐름관 고유벡터(또한 모드 벡터라고 불린다)이고, 그리고

η는 모드 응답 좌표의 벡터이다.

하기에 설명하는 바와 같이, 고유벡터 행렬은 임의의 코리올리 흐름관에 대해 전개되었다. 이러한 물리적 벡터는 피드백 신호를 모드 필터로의 입력으로서 생각할 수 있다. 따라서, 식(1)은 다음과 같은 η, 모드 좌표 응답(들)에 대해 풀린다.

(2)

식(1)을 식(2)의 형식으로 만드는 데에는 고유벡터 행렬 Φ의 유사역행렬을 취하는 것을 필요로 한다. 고유벡터 행렬이 정방형이고 비단일이라면, 유사 역행렬보다 고유벡터 행렬의 역(Φ^-1)이 식(2)에 이용된다. 흐름관으로부터의 피드백 신호의 수가 개념적인 모드의 수와 같고, 모드 벡터가 선형적으로 독립인 경우 고유벡터 행렬이 정방형이고 비단일이다.

다음의 실시예는 멀티 채널 모드 필터의 한 채널에 대한 가중 계수를 결정하기 위해 모드 행렬의 유사 역행렬을 계산하는 공정을 나타내는데 이용된다. 유량계의 물리적 수치적 모델을 이용하여 고유벡터를 생성한다. 다음의 실시예에서 유량계의 수치적 모델이 이용된다.

유한 요소 모델은 "CMF100 모델 코리올리 질량 유량계"(콜로라도 불터의 마이크로 모우션 인코포레이티드(Micro Motion, Inc.)에 의해 제작)의 도관으로 제작된다. 물리적 유량계 상의 유량계 매니폴드에 연결된 흐름관의 말단부 지면에 이러한 모델이 고정된다. 유한 요소 모델링 기술은 당업자에게 널리 공지되어 있으며, 본 발명의 부분을 형성하지 않는다. 전형적인 유한 요소 모델은 SDRC-개념을 이용하여 제조되었으며, "맥닐-스첸들러(Macneal-Schwendler)"로부터 이용가능한 유한 요소 코드인 MSC/NASTRAN에 의해 분석되었다. 임의의 유한 요소 코드가 선택적으로 이용될 수 있음을 유한 요소 모델링 기술자들은 인식한다. 피드백 센서의 위치는 우측 픽업, 구동 및 좌측 픽업에 대응하는 자석과 코일의 흐름관 상의 위치 사이에 상대적 모션을 나타내는 출력을 발생하도록 모델링 되었다. 이러한 "스칼라 점(scalar points)"은 진보된 동역학적 분석의 표준 기술이다. 코리올리 유량계의 유한 요소 모델링에 대한 더 많은 정보를 위해, "유체 운반 티메센코 빔의 진동 분석에 대한 유한 요소(A finite element for the vibration analysis of a fluid-conveying Timeshenko beam)"(A1AA 논문 93-1552)을 참조한다.

CMF100 모델의 고유값 계수가 유한 요소로부터 유도되어 다음의 CMF100 센서에 대해 3행 10열 고유벡터 행렬을 구성한다.

(3)

식(3)의 모든 고유벡터 행렬(Φ_full)의 각각의 행(row)은 흐름관 상의 물리적 위치에 대응한다. 제 1 행은 좌측 픽업 위치에 대응하고 제 2 행은 드라이버 위치에 대응하며, 제 3 행은 우측 픽업 위치에 대응한다. 모든 모든 고유벡터 행렬(Φ_full)의 각각의 열(column)은 진동의 모드에 대응한다. 이러한 행렬은 픽업 센서에 의해 발생된 신호를 모델링 하기 위해 유한 성분 모델에 의한 공지된 방식으로 이용된다. 다음에 기술하는 바와 같이, 구동 회로 모드 필터의 각각의 채널에 대한 가중 계수를 전개시키도록 이러한 행렬이 이용된다. 모든 고유벡터 행렬(Φ_full)에서 영(제로)이 있는 열(모드)이 "동위상 모드(in-phase modes)"이다. 이것은 2개의 도관이 서로 동일 속력 및 방향으로 이동하기 때문에 2개의 도관 사이의 상대 운동이 없다는 것을 의미한다. 따라서, 피드백 신호를 제공하도록 이용된 센서인 본 실시예의 속도 센서는 그 자체가 모든 동위상 모드를 여과하여 제거함으로써 모드 필터 종류의 역할을 한다. 모든 고유벡터 행렬(Φ_full)은 모든 동위상 열을 제거함으로써 감소된다.

(4)

식(4)는 감소된 고유벡터 행렬(Φ_reduced)이다. 표준 모드 변환식인 식(1)은 다음과 같이 감소된 고유벡터 행렬(Φ_reduced)을 이용하여 다시 정리할 수 있다.

(5)

여기서, η_b는 제 1 이상 굽힘 모드 좌표 응답, η_t는 제 1 이상 비틀림 모드 좌표 응답, 그리고 η_2b는 제 2 이상 굽힘 모드 좌표 응답이며, FSA는 피드백 센서(A)로부터의 물리적 응답, FSB는 센서(B)로부터의 물리적 응답, 그리고 FSL은 피드백 센서(L개)로부터의 물리적 응답이다. 픽업 응답 및 감소된 고유벡터 행렬이 공지되었다면, 모드 좌표 응답은 식(5)에 감소된 고유벡터 행렬의 역 또는 유사역행렬을 예비승산함으로써 식(6)과 같이 결정될 수 있다.

(6)

감소된 고유 벡터 행렬을 매스캐드(Mathcad)와 같은 표준, 상업적인 수학적 계산 패키지(computation package)로 도입하고 이러한 계산 패키지의 이용가능한 표준 역 또는 유사 역함수 중 하나를 이용함으로써 감소된 고유 벡터 행렬은 반대로 된다. 생성된 식은 식(7)과 같다.

(7)

식(7)의 수치 계수는 코리올리 유량계 구동 회로의 모드 필터 증폭기용 가중 인자이다. 예컨대, 채널(500A)에 대한 경우와 같이, 피드백 신호로부터 제 1 이상 굽힘 모드를 도출하기를 원한다면, 상기 모드 필터 벡터 행렬의 제 1 행은 다음과 같이 이용된다.

(8) η_b= 8.2389(FSA) + 16.5795(FSB) + 8.2389(FSL)

제 1 이상 굽힘 모드 벡터 계수와 103을 승산하여 식(8)을 단순화한다. 도 5의 채널(500A)에 관하여, 증폭기(504A)의 이득(AG₁)은 8.2389(피드백 센서(A)에 대응하는 모드 필터 벡터 계수)로 설정되고, 이득(AG₂)은 16.5795(피드백 센서(B)에 대응하는 모드 필터 벡터 계수)로 설정되며, 이득(AG_L)은 8.2389(피드백 센서(L)에 대응하는 모드 필터 벡터 계수)로 설정된다. 마찬가지로, 식(7)의 제 2 및 제 3 행으로부터의 계수는 채널(500B-N)에 대한 가중 계수로서 각각 이용된다. 따라서, 각각의 채널(500A-N)은 진동관(302) 상에 존재하는 한 진동 모드에 대응하는 단일 자유도 모드 응답 신호를 발생시킨다. 가중 인자는 경로(312A)를 지나서 입력에 대한 적당한 크기를 가지는 모드 응답 신호를 모드 응답 신호 프로세서(320)에 제공하는 군(group)과 같이 선형적인 가중이다.

도 9는 고유벡터 행렬의 역 또는 유사 역행렬을 계산함으로써 구동 회로 모드 필터 계수를 결정하는 처리 단계를 나타내는 플로우 챠트이다. 도 9에 관하여 상술한 고유벡터 행렬의 역 또는 유사 역행렬의 계산은 진보된 동역학적 분석 기술 분야의 당업자에게 공지되어 있으며, 구동 회로 모드 필터 계수를 결정하는 유용한 수단이다. 단계(900)로 도 9의 플로우 챠트기 시작하여 단계(901)로 진행한다. 단계(901) 동안 고유벡터 행렬이 생성된다. 상기한 바와 같이, 고유벡터 행렬에 대한 고유 벡터를 결정하는 방법은 고유벡터가 도출되는 유량계의 유한 요소 모델을 생성하는 것에 의한다. 다른 접근은 실험적 모드 분석을 이용하여 유량계의 물리적 샘플로부터 직접 고유벡터를 결정하는 것이다. 실험적 모드 분석은 당업자에게 널리 공지되어 있으며 그 방법 및 이용은 본 발명으 부분을 형성하지 않는다. 일단 고유벡터가 임의의 적절한 방법으로 얻어지면, 고유벡터 행렬이 구성된다. 식(3)은 흐름관 상의 3점에 있는 진동의 10 모드에 대한 전체 고유벡터 행렬의 실시예이다. 고유벡터 행렬의 각각의 열은 상이한 모드를 나타내는 한편, 고유벡터 행렬의 행의 수는 자유도를 나타낸다. 그리고, 고유벡터 행렬은 모드로 감소되어 여과된다. 본 실시예에 있어서, 계수로서 영(zero)을 가지는 행을 제거함으로써 상술한 여과를 행할 수 있다. 여기에 설명한 전형적인 구조체와 센서에 대하여, 영(zero)과 같은 계수를 가지는 행(모드)은 동위상 모드이다. 단계(901)에서 단계(902)로 공정이 진행된다.

단계(902) 동안 고유벡터 행렬의 역 또는 유사 역행렬이 계산된다. 고유벡터 행렬의 역 또는 유사 역행렬의 각 행은 특정 모드와 연관된 모드 필터 계수를 포함한다. 이것을 일반적으로 식(2)로 표현하고 식(7)에 의한 상기 실시예에 대해 나타낸다. 다음에, 단계(903)으로 공정이 진행된다.

단계(903) 동안 상술한 바와 같이 적당한 모드 필터 가중 계수를 선택하여 멀티 채널 모드 필터의 각 채널로부터 상이한 단일 자유도 모드 응답 신호를 발생시킨다.

모드 응답 신호 발생기 - 도 12

도 12는 모드 응답 신호 발생기(1200)를 도시한다. 모드 응답 신호 발생기(1200)는 경로(312A-312N)를 지나는 모드 응답 신호를 발생하는 멀티 채널 모드 필터(310)에 대해 선택적이다. 모드 응답 신호 발생기(1200)는 주파수 대역 필터(1202A-1202N)를 이용하여, 본 실시예의 피드백 센서(A)로부터의 단일 모션 신호를, 각각의 모드 응답 신호가 진동관(들)(302) 상에 존재하는 진동 모드에 대응하는 모드 응답 신호로 분해한다. 도 12 및 도 4에 관하여, 대역 필터(1202A)는 도 4에 나타낸 주파수(A)를 통과하도록 구성된다. 마찬가지로 대역 필터(1202B)는 주파수(B)를 통과하도록 구성되며 대역 필터(1202N)는 주파수(C)를 통과하도록 구성된다. 적분기(1206A-1206N)는 경로(1204A-1204N)를 지나는 신호가 여과된 대역을 적분하여 피드백 센서(A)에 의한 속도 신호 출력을 발생시킨다. 다수의 상이한 필터 기술 중 임의의 하나는, 한정되지는 않지만 디지탈 신호 처리 기술을 포함하는 대역 필터(1202A-1202N)에 이용될 수 있다는 것을 임시 영역 필터 분야의 당업자는 인식한다.

본 발명의 다른 실시예에서, 도 12의 대역 필터는 도 5의 멀티 채널 모드 필터와 함께 이용된다. 예컨대, 대역 필터(1202A)는 증폭기(504A)의 출력에 인가되고, 대역 필터(1202B)는 증폭기(505A)의 출력에 인가되며, 대역 필터(1202N)는 증폭기(506A)의 출력에 인가된다.

일반적인 모드 응답 신호 프로세서 - 도 6

멀티 채널 모드 필터(310), 또는 선택적으로 모드 응답 신호 발생기(1200)는 상기하였듯이, 경로(312A-312N)를 지나는 N개의 모드 응답 신호를 발생시킨다. 회로 경로(312A-312N)는 모드 응답 신호 프로세서(320)에 입력된다. 모드 응답 신호 프로세서(320)는 N개의 모드 응답 신호를 처리하여 경로(208A-M)를 지나는 M개의 구동 신호를 발생시킨다.

도 6은 모드 응답 신호 프로세서(320)의 블록도를 도시한다. 모드 응답 신호 프로세서는 구동 제어기(602), 모드 대 물리력 투사기(604) 및 합산기 스테이지(606)를 포함한다. 일반적으로, 구동 제어기(602)는 경로(312A-312N)을 지나는 N개의 모드 응답 신호를 수신하고, 각 모드 응답 신호에 대해 모드 응답 신호에 대한 원하는 설정점으로부터 모드 응답 신호의 편차를 결정한다. 이러한 편차 또는 "모드 오차 신호"는 모드 이득(G_A-G_N)을 가지는 증폭기(610A-610N)에 의해 증폭되어, 드라이버(들)(206A-206N)를 통하여 진동관(들)(302)으로 인가되는 경우에 생성된 모드 응답 신호가 대응하는 원하는 모드 설정점에 근접할 정도로 진동관(들)(302)의 모드 내용을 변경하는 모드 가진 신호를 발생시킨다. 구동 제어기(602)로부터 경로(618A-618N)를 지나서 모드 대 물리력 투사기(604)로 모드 가진 신호가 전달된다.

경로(618A-618N)를 지나는 모드 가진 신호는 진동관(들)(302)에 인가되는 가진을 모드 영역에 나타낸다. 그러나, 진동관(들)(302)은 물론 물리적 영역에 있고 따라서 모드 가진 신호는 필요한 물리적 가진 또는 힘으로 변환되어야만 한다. 이러한 변환은 모드 대 물리력 투사기(604)에 의해 실행된다. 모드 대 물리력 투사기(604)는 각각의 모드 응답 신호에 대한 분리된 채널(620A-620N)로 이루어진다. 드라이버(들)(206A-206N) 중 각각의 하나에 대한 각각의 채널(620A-620N)으로부터 하나의 출력이 있다.

모드 대 물리력 투사기(604)로부터의 출력은 합산기 스테이지(606)로 공급된다. 모드 대 물리력 투사기(604)로부터의 출력은 하기에 더 상세히 설명하는 바와 같이 합산되어 경로(208A-208N)을 지나는 M개의 구동 신호를 발생시킨다.

구동 제어기 - 도 6

구동 제어기(602)는 N개의 모드 응답 신호 각각에 대해 한 채널(601A-601N)로 이루어진다. 각각의 채널(601A-601N)의 기능과 작동은 유사하므로 한 채널(601A-601N)만 상세히 설명한다. 나머지 채널의 작동은 채널(601A)의 다음 상세한 설명으로부터 명확히 알 수 있다. 구동 제어기(602)의 상세한 설명은 모드 설정점의 제 1 논의 및 모드 이득의 제 2 논의로 조직화된다.

모드 설정점

구동 제어기(602)의 채널(601A)은 멀티 채널 모드 필터(310)로부터 경로(312A)를 지나 모드 응답 신호를 수신한다. 예컨대, 채널(601A)에 의해 처리된 모드 응답 신호는 진동관(들)(302)에 대한 제 1 이상 굽힘 모드에 대응한다. 모드 응답 신호는 감수 입력으로서 스테이지(608A)를 공제(subtract)하도록 입력된다. 스테이지(608A)를 공제하는 이러한 피감수 입력은 경로(612A)를 지나는 모드 설정점이다. 상기 모드 설정점은 대응하는 모드 응답 신호에 대한 원하는 레벨이다. 경로(614A)를 지나는 모드 오차 출력 신호는 모드 응답 신호가 모드 설정점으로부터 벗어나는 정도를 나타낸다. 경로(612A)를 지나는 모드 설정점은 한정되지는 않지만 전압 기준에 의해 제공된 전압(도시하지 않음), 또는 메모리로부터 검색한 값(도시하지 않음)이 될 수도 있다.

모드 설정점 그 자체는 다음과 같이 결정된다. 식(1)에 관하여 상술한 바와 같이, 시스템의 물리적 응답(X)은 일련의 모드 벡터(Φ)에 의해 시스템의 모드 응답(η)에 관련된다. 주어진 모드(i)에 기인한 주어진 위치(j)에서의 물리적 응답을 식(9)로 나타낸다.

(9) xⁱ _j= Φ_jiη_i

여기에서,

xⁱ _j는 모드(i)에 기인한 위치(j)에서의 스칼라 물리적 응답이고,

Φ_ji는 모드(i)의 행 및 위치(j)의 열에 대한 고유 벡터 행렬의 성분이며,

η_i는 모드(i)의 스칼라 모드 응답이다.

식(9)는 식(10)의 형식으로 다시 쓸 수 있고, 모드(i)에 대한 모드 설정점(η_i(S))에 대해 구해진다.

(10)

제 1 이상 굽힘 모드에 대한 원하는 물리적 변위 설정점(xⁱ _j)이 피드백 센서(A)에서 0.015가 되기를 원한다고 하자. 식(4)로 되돌아가면, 피드백 센서(A)(제 1 행) 및 제 1 이상 굽힘 모드(제 1 열)에 대응하는 행렬 성분(Φ_ji)은 25.1이다. 따라서, 모드(i)에 대한 모드 설정점(η_i)(본 실시예에서는 제 1 이상 굽힘 모드)은 0.0006과 같다.

모드 이득

공제 스테이지(subtract stage; 608A)는 경로(612A)를 지나는 모드 설정점으로부터 경로(312A)를 지나는 모드 응답 신호를 공제하여, 경로(614A)를 지나는 모드 오차 신호를 이득 스테이지(gain stage; 610A)까지 발생시킨다. 상술한 바와 같이, 구동 제어기(60)의 각각의 채널은 모드 응답 신호를 진동관(들)(302)에 인가되는 경우 모드 응답 신호가 주어진 모드에 대한 모드 설정점에 근접할 정도로 진동관(들)을 진동시키게 하는 모드 가진 신호로 전환한다. 경로(614A)를 지나는 모드 오차 신호는 모드 이득 스테이지(610A)에 의해 증폭된다. 선형적, 시간 불변 시스템에서, 모드 응답은 시스템 매개 변수, 즉 질량 강성 및 감쇠에 의해 모드 가진과 관련된다. 모드 공간에서 이러한 매개 변수는 모드 질량, 모드 강성(modal stiffness) 및 모드 감쇠(modal damping)이다. 질량 일반화된 고유 벡터를 가지는 시스템에 대해서, 모드 질량은 단일이고 모드 강성은 고유주파수의 자승이다. 공진으로 가진된 시스템에서, 코리올리 유량계의 경우와 같이 모드 응답에서 모드 가진으로 이동하는 공칭 이득은 식(12)로 나타내어 진다.

(11)

여기서,

ζ는 감쇠,

ω_n는 모드 주파수,

η_i는 모드(i)에 대한 모드 응답, 그리고

N_i는 모드(i)에 대한 모드 가진이다.

모드 설정점, 즉 원하는 모드 응답이 식(11)에 의해 얻어지는 본 실시예를 이용하여, 이득 단계(610A)에 의해 인가된 이득(G)은 다음과 같이 식(12)에 나타내는 바와 같이 설정된다.

(12)

따라서, 이득 스테이지(610A)는 445.254의 이득을 가지게 되도록 구성된다. 이에 따라, 경로(618A)를 지나는 구동 가진 신호는 대응하는 모드에 대한 모드 응답 신호가 대응하는 모드 설정점과 맞도록 진동관(들)(302)에 인가될 필요가 있는 모드력이다. 하기에 설명하는 바와 같이 남은 단계는 모드 가진이 경로(208A-208N)를 지나는 구동 신호의 형태로 인가되는 물리적 가진으로 전환하는 것이다. 구동 제어기(602)의 채널(601A)에 관하여 상술한 공정은 각각의 나머지 모드 응답 신호에 대한 각각의 나머지 채널(601B-601N)에 대해 반복된다.

본 발명은 코리올리 유량계의 하나 이상의 모드에 영향을 미치는 직접적 방법을 제공한다. 예컨대, 일정 모드를 억제하기를 원한다면, 모드에 대한 모드 설정점이 영(zero)이 된다. 따라서, 대응하는 모드 응답 신호의 모든 임의의 신호는 모드 오차 신호를 발생한다. 복수의 모드를 억제하기를 원한다면, 각각의 적절한 모드에 대한 모드 설정점은 영(zero)이 된다. 마찬가지로, 가진되는 각각의 모드에 대해 적당한 모드 설정점을 설정함으로써 복수의 모드를 가진시키도록 선택할 수도 있다.

모드 대 물리력 투사기 - 도 7

구동 제어기(602)의 각각의 채널(601A-601N)은 각각의 M개의 드라이버(들)를 구동하기 위해 벡터 신호 내측에 확장되어야만 하는 스칼라 모드 가진을 출력한다. 모드 대 물리력 투사기 벡터가 결정되고, 이러한 벡터의 각각의 성분은 적절한 크기로 각 드라이버용 스칼라 모드 가진 신호를 어림잡도록 구동 제어기(602)로부터의 출력(618A-618N)에 인가된 이득이다.

스칼라 모드 구동 신호(N_r)는 원하는 응답 크기로 모드 r을 구동하기 위해 필요한 모드력이다. 모드 r의 센서에 인가된 실제 모드력은 식(13)에 나타내는 바와 같이 N_r ^actual이다.

(13)

여기서,

F_r는 원하는 모드를 가진시키는데 필요한 물리력이고,

N_r는 스칼라 모드 구동 신호이며,

Φ_r ^T는 모드 고유벡터 행렬의 단일 열의 이항이다.

원하는 대로, N_r ^actual=N_r임을 확실히 하기 위해, 물리력 벡터, F_r은 다음의 관계, Φ_r ^TF_r=1를 만족해야만 한다. 이러한 관계를 만족시키는 여러 상이한 물리력 벡터가 있다. 사실상, 전체적으로 Φ_r에 직교하지 않는, 즉 Φ_r ^TF_r=0인 임의의 벡터, A_r는 다음과 같은 원하는 물리력 벡터, F_r로 어림잡을 수 있다.

(14)

물리력 벡터(F_r)는 각각의 행이 특정 구동 위치에 대응하는 m 행 벡터에 의한 단일 열임을 주목한다. 또한, Φ_r ^T는 구동 물리적 위치로 감소될 필요가 있음을 주목한다. 이로인해, 행렬Φ_r ^T는 피드백 센서 위치로 감소되었던 모드 필터 및 구동 제어기 구성에 대해 이용된 행렬과 상이하게 된다. 식(14)는 물리력 벡터(F_r)에 대해 풀어야 될 필요가 있다. 즉 식(14)는 전도될 필요가 있다. 이것은 다음과 같이 벡터 A_r을 구함으로써 해결된다.

(15)

식(15)의 두 변을 벡터 A_r과 승산함으로써, 모드 가진에서 식(16)에 나타낸 바와 같은 물리력으로 변환된다.

(16)

식(16)은 행렬이 아닌 벡터를 취급함을 의미하는 두 벡터의 도트 곱(dot porduct)이다. 벡터의 일정 특성을 적용하면, 벡터 A_r은 식(17)과 같이 표현된다.

(17)

여기서 ｜｜ 심볼은 벡터 길이 작동자이다.

전형적인 힘 투사 계산은 이제 2 드라이버(m=2)를 가지는 코리올리 유량계의 경우로 나타낸다. 식(6)으로 되돌아 가서, 2 드라이버 중 한 드라이버는 피드백 센서(A)에 부합하는 위치이고, 다른 드라이버는 피드백 센서(L개)와 부합하는 위치에 있다. 제 1 이상 굽힘 모드인 A_r는 식(18)에 나타낸 바와 같이 계산된다.

(18)

본 실시예에 대한 제 1 이상 굽힘 모드용 모드 설정점은 0.0006임을 식(9) 내지 식(10)에 관하여 나타내었다. 본 실시예에 대한 제 1 이상 굽힘 모드용 모드 이득은 445.254 sec^-1임을 식(11) 및 식(12)에 관하여 나타내었다. 따라서, 본 실시예에서의 제 1 이상 굽힘 모드에 대한 모드 설정점 시간 모드 이득, 즉 경로(618A)를 지나는 스칼라 모드 가진 신호는 0.2672와 같다. 이러한 숫자는 식(15)에 대입되어, 식(19)에 나타낸 바와 같이 제 1 이상 굽힘 모드에 대한 물리력 벡터 F_r을 결정한다.

(19)

이러한 결과는 원하는 제 1 이상 굽힘 모드로 센서를 구동하기 위해 0.0106lbs의 힘이 2 드라이버에 인가되어야만 함을 의미한다. 힘 투사 벡터는 본 발명의 구동 시스템에 의해 영향 받는 각각의 모드의 이해 관계에 대해 유사하게 전개된다.

특정 구동 체계에 대한 본 발명의 구동 시스템을 최적화하기 위해, 적절한 힘 투사 벡터를 선택하는 것을 고려해야만 한다. 벡터의 형상을 선택하는데 있어 고려할 수 있는 다수의 문제가 있다. 우선, 원하는 흐름관 진동 크기를 달성하도록 임의의 구동이 발생되어야만 하는 최고력(peck force)이 최소화 되어야만 한다. 다른 고려는 원하는 흐름관 진동 크기를 달성할 때 구동 시스템이 낭비하는 총 에너지를 최소화 하는 것이다. 또 다른 고려는 다른 모드의 나머지 응답을 최소화하는 것이다.

도 11은 본 발명의 요약으로서 하기에 설명되는 플로우 챠트이다. 도 11의 단계(1114)인 힘 투사 단계는 도 7에 더 상세하게 나타낸다. 도 7은 도 11의 단계(1112)로부터 단계(700)로 시작한다. 상기한 바와 같이, 모든 모드 응답 신호에 대해 분리된 힘 투사 채널(620A-620N)이 있다. 단계(702) 동안, 적당한 모드에 관련한 단일 열까지 총 고유벡터 행렬을 축소함으로써 힘 투사 행렬이 결정된다. 그 다음 단계(704)가 연속된다.

단계(704) 동안, 상기한 바와 같이 표준 벡터 특성을 이용하여 역행렬(A_r)이 결정된다. 이제 공정은 단계(706)를 진행한다. 단계(706) 동안, 식(15)은 힘 투사 벡터(Fr)에 대해 풀려진다. 단계(704 및 706)는 도 14에 나타내는 바와 같이 힘 투사 행렬을 보정 크기로 범위를 정하는 효과를 가진다. 다음에 공정은 단계(708)로 진행된다. 단계(708) 동안, 힘 투사기의 각각의 채널로부터의 대응하는 힘은 M개의 구동 신호를 발생하도록 합산된다. 공정은 다음에 단계(710)로 연속되어 도 11의 단계(1112)로 되돌아 온다.

모드 대 물리력 투사기(604)는 구동 회로(40)의 나머지에 관하여 상술한 바와 같이 별도의 아나로그 구성 요소를 이용하여 충족된다. 선택적으로, 모드 대 물리력 투사기(604)와 구동 회로(40)의 나머지는 아나로그 모션 신호를 디지탈 신호로 변환시키는 아나로그 디지탈 변환기(ADC's)를 이용하여 충족된다. 이러한 디지탈 신호는 디지탈 신호 처리(DSP) 기술을 이용하여 처리되고, 생성된 구동 신호는 디지탈 아나로그 변환기(DAC's)를 이용하여 아나로그 신호로 다시 변환된다. 전자 신호 처리 분야의 당업자는 여러 상이한 아나로그 또는 디지탈(ADC,DSP,DAC) 접근이 본 발명의 교수를 충족하는데 이용될 수 있고, 그들 모두는 동일하고 본 발명에 대한 동일 범위 내에 있다.

합산기 스테이지 - 도 6

모드 대 물리력 투사기(604)로부터의 신호 출력은 다음과 같이 구동 신호(208A-208N)를 발생시키도록 합산기 스테이지(606)에서 합산된다. 상기한 바와 같이, 모드 대 물리력 투사기(604)의 각각의 채널(620A-620N)은 드라이버(206)가 존재하는 동수의 출력(M)을 발생시킨다. 드라이버(A)에 대응하는 모든 모드 대 물리력 투사기(604) 출력은, 예컨대 구동 신호(208A)를 발생시키도록 합산기(622A)에 의해 합산된다. 따라서, 출력(620A_DA), 출력(620B_DA) 및 출력(620N_DA)은 모두 합산기(622A)로 입력된다. 합산기(622A)의 출력은 구동 신호(208A)이다.

복수의 작동 구성 - 도 10

본 발명의 구동 시스템의 독특한 디자인은 단지 상이한 일련의 모드 설정점을 선택함으로써 구동 체계의 중요한 총 변화를 고려한다. 본 발명의 일반화된 모드 공간 구동 제어 시스템은 각각의 작동 구성에 대한 상이한 모드 설정점을 설정함으로써 상이한 작동 구성으로 동작한다. 예컨대, 유량계(5)에 대한 작동의 제 1 모드는 질량 플로우 구성이다. 질량 플로우 구성에서 도 1의 유량계(5)의 실시예에 대해, 제 1 이상 굽힘 모드는 가진되고 다른 모드는 억제된다. 유량계(5)에 대한 제 2 구성은 압력 측정 구성이다. 압력 측정 구성에서, 제 1 이상 굽힘 모드 및 제 1 이상 비틀림 모드는 모두 가진되고 다른 모드는 억제된다. 유량계(5)는 제 1 및 제 2 작동 구성 사이에서 전환하고, 그 구동 체계는 각각의 모드에 대해 최적화된다.

도 10은 모드 응답 신호 프로세서(320)의 도 6의 도시와 유사하지만, 메모리(1002) 및 작동 구성 선택기(1004)가 추가되었다. 예컨대, 메모리(1002)는 읽기 전용 메모리(ROM)이다. 메모리의 로드(Loaded in memory)(1002)는 모드 설정점 테이블(도시 않함)이다. 모드 설정점 테이블은 유량계의 각각의 작동 구성에 대한 N개의 모드 설정점의 세트를 포함한다. 각 세트의 N개의 모드 설정점은 N개의 모드 응답 신호에 대응하는 모드 설정점을 포함한다. 작동 구성 선택기(1004)는 경로(612A-N)를 지나는 메모리(1002)에 의해 일련의 모드 설정점을 결정하는 제어 신호를 경로(1006)을 지나 메모리(1002)로 제공한다. 작동 구성 선택기(1004) 및 메모리(1002)는 미터 일렉트로닉스(20)의 부분인 것이 바람직하다. 예컨대, 작동 구성 선택기(1004)는 미터 일렉트로닉스의 마이크로 프로세서(도시 않함)일 수도 있다. 제 1 작동 구성으로부터 하나 이상의 선택적 작동 구성으로의 전환은 여러 방법으로 수행될 수 있으며 본 발명에서는 중요하지 않다. 일실시예는 작동 구성 선택기(1004)가 30초 마다 제 1 및 제 2 작동 구성 사이를 변환하도록 구성될 수 있다. 다른 실시예는 예컨대, 이용자가 유량계(5)로부터 압력 측정을 요구하는 버튼(button)(도시 안함)을 눌렀을 경우, 제 1 작동 구성이 디폴트(default) 작동 구성이고 제 2 작동 구성만 이용되도록 작동 구성 선택기(1004)가 구성될 수 있다. 또한, 제 1 작동 구성에 추가하여 주기적으로 이용된 제 2 작동 구성으로 제 1 작동 구성이 항상 효과적일 수 있다.

요약 - 도 11

도 11은 본 발명의 구동 시스템의 플로우 챠트 요약이다. 단계(1102-1106)는 진동관의 물리적 운동을 단일 자유도 모드 응답 신호로 변환하는 것을 취급한다. 단계(1008-1112)는 모드 응답 신호로부터 모드 가진 신호를 발생시키도록 모드 영역에서 작동한다. 이러한 모드 영역에서 진동 모드에 영향을 미치도록 신호가 조작된다. 단계(1114-1118)는 모드 가진 신호를 물리적 영역으로 변환하도록 작동하고, 가진 신호를 드라이버(들)에 사상하며, 구동 신호를 드라이버(들)에 인가한다.

공정은 코리올리 유량계 또는 밀도계가 작동을 시작하면 단계(1102)로 시작한다. 단계(1104)에서, 진동관을 따라 여러 점의 운동을 나타내는 L개의 피드백 센서로부터 L개의 모션 신호가 수신된다. 단계(1106) 동안, N개의 모드 응답 신호는 L개의 모션 신호로부터 발생된다. 각각의 모드 응답 신호, 전형적으로 단일 자유도 신호는 진동관 상에 존재하는 진동의 한 모드에 대응한다. 단계(1108) 동안, N개의 모드 응답 신호는 N-채널 구동 제어기에 입력된다.

단계(1110) 동안, 각각의 모드 응답 신호를 이러한 모드 응답 신호에 대응하는 모드 설정점에 인가함으로써 각각의 모드 응답 신호에 대해 모드 오차 신호가 발생된다. 공정(1112) 동안 모드 오차 신호는 모드 이득에 의해 증폭되어, 각각의 모드에 대한 모드 가진 신호를 발생시킨다.

단계(1114) 동안, 각각의 모드 가진 신호는 물리력 벡터의 각각의 성분이 M개의 드라이버(들) 중의 하나에 대응하는 물리력 벡터로 변환된다. 단계(1114)는 도 7에 더 상세히 기술된다. 다음 공정은, 진동관을 원하는 진동 모드로 진동시키는 M개의 드라이버(들)에 M개의 구동 신호가 인가되는 단계(1116)를 진행한다. 공정은 단계(1118)로 종결된다.

이상의 설명은 본 발명의 바람직한 실시예에 해당하는 것이지만, 선택적인 구동 제어 시스템이 당업자에 의해 본 발명의 범위 내에서 구현될 수 있고, 그 범위는 다음의 청구범위에 의해 결정된다.

Claims

진동관 계기의 도관의 진동을 구동시키는 구동 회로(40)로서,

사용중에, 상기 구동 회로(40)가 M개의 구동 신호를 발생시키고, 상기 도관에 부착된 M개의 드라이버(206A-206M) 각각에 상기 M개의 구동 신호 각각을 인가하여, 상기 M개의 드라이버(206A-206M)가 상기 도관을 진동시키게 하며, 상기 M개의 구동 신호는 상기 도관(103A-103B)에 부착된 L개의 모션 센서로부터 상기 구동 회로(40)에 의해 수신된 L개의 모션 신호로부터 발생되고, 상기 L개의 모션 센서는 상기 도관의 요동에 응답하여 상기 L개의 모션 신호를 발생시키며, 상기 L 및 상기 M이 1보다 큰 정수인, 진동관 계기의 도관의 진동을 구동시키는 구동 회로(40)로서,

(a) 상기 L개의 모션 신호를 수신하고 상기 L개의 모션 신호로부터 N개의 모드 응답 신호(312A-312N)를 발생시키도록 배열되는 모드 응답 신호 발생 수단으로서, 상기 N개의 모드 응답 신호의 각각이 상기 도관의 복수의 진동 모드 가운데 상이한 진동 모드에 대응하고, 상기 N이 1보다 큰 모드 응답 신호 발생 수단과,

상기 모드 응답 신호 발생 수단이, 상기 모션 신호를 입력으로서 수신하고 상기 수신된 모션 신호를 분석하여 특정 진동 모드에서 상기 도관의 진동의 양을 결정하며, 그리고 상기 N개의 모드 응답 신호 가운데 대응하는 신호를 출력으로서 발생시키도록 각각 배열된 N개의 모드 필터 채널(500A-500N)을 포함하고,

(b) 상기 N개의 모드 응답 신호의 발생에 응답해서, 상기 N개의 모드 응답 신호로부터 N개의 모드 가진 신호를 발생시키도록 배열된 구동 제어기(602)로서, 상기 N개의 모드 가진 신호의 각각이 상기 각각의 진동 모드를 위한 모드 응답 신호의 원하는 레벨을 달성하는데 사용되는 구동 제어기(602)와, 그리고

(c) 상기 N개의 모드 가진 신호의 발생에 응답해서, 상기 N개의 모드 가진 신호로부터 상기 M개의 구동 신호를 발생시키도록 배열된 수단(604,606)으로서, 상기 M개의 구동 신호가 상기 도관을 상기 M개의 드라이버(206A-206M)가 원하는 진동 모드로 진동시키게 하는 수단(604,606)을 포함하는,

진동관 계기의 도관의 진동을 구동시키는 구동 회로.
청구항 2(은)는 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제 1 항에 있어서,

상기 M개의 구동 신호를 발생시키도록 배열된 수단(604,606)은, 상기 M개의 구동 신호를 발생시키는 상기 N개의 모드 가진 신호의 상기 발생에 응답하는 M개의 구동 신호 채널(620A-620N)을 포함하는,

진동관 계기의 도관의 진동을 구동시키는 구동 회로.
제 1 항에 있어서,

상기 모드 응답 신호 발생 수단은 N개의 주파수 대역 필터(1202A-1202N)를 포함하며,

상기 N개의 주파수 대역 필터(1202A-1202N)의 각각은 입력으로서 상기 모션 센서에 의해 발생된 상기 모션 신호를 수신하고, 상기 N개의 모드 응답 신호의 각각을 출력하는,

진동관 계기의 도관의 진동을 구동시키는 구동 회로.
청구항 4(은)는 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제 3 항에 있어서,

상기 모드 응답 신호 발생 수단은 각각의 상기 N개의 모드 응답 신호(312A-312N)의 각각을 적분하는 N개의 적분 수단(1206A-1206N)을 더 포함하는,

진동관 계기의 도관의 진동을 구동시키는 구동 회로.
제 1 항에 있어서,

상기 L개의 모션 센서는 상기 도관에 대한 상기 L개의 모션 센서의 부착점에서 상기 도관의 움직임을 나타내는 상기 L개의 모션 신호를 발생시키고, 상기 L개의 모션 신호의 각각은 상기 복수의 진동 모드의 각각에서 모드 내용을 가지는,

진동관 계기의 도관의 진동을 구동시키는 구동 회로.
제 5 항에 있어서,

상기 N개의 모드 필터 채널(500A-500N)은:

제 1 가중 신호를 전개시키도록 2 이상의 상기 L개의 모션 신호 중 제 1 모션 신호에 제 1 가중 인자를 인가하기 위한 제 1 가중 수단;

제 2 가중 신호를 전개시키도록 2 이상의 상기 L개의 모션 신호 중 제 2 모션 신호에 제 2 가중 인자를 인가하기 위한 제 2 가중 수단; 및

상기 N개의 모드 응답 신호 중 하나를 발생시키도록 상기 제 1 가중 신호 및 상기 제 2 가중 신호를 결합하기 위한 모드 필터 합산 수단(510A)을 포함하는,

진동관 계기의 도관의 진동을 구동시키는 구동 회로.
청구항 7(은)는 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제 1 항에 있어서,

각각의 상기 N개의 모드 응답 신호는 실질적으로 상기 복수의 진동 모드 중 하나에 대응하는 단일 자유도 모드 응답 신호인,

진동관 계기의 도관의 진동을 구동시키는 구동 회로.
청구항 8(은)는 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제 6 항에 있어서,

상기 제 1 및 제 2 가중 인자는 시행 착오(800-806)를 통하여 결정되는,

진동관 계기의 도관의 진동을 구동시키는 구동 회로.
청구항 9(은)는 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제 6 항에 있어서,

상기 제 1 및 제 2 가중 인자는 실험적 분석을 통하여 결정되는,

진동관 계기의 도관의 진동을 구동시키는 구동 회로.
청구항 10(은)는 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제 6 항에 있어서,

상기 제 1 및 제 2 가중 인자는 수치 해석(900-904)을 통하여 결정되는,

진동관 계기의 도관의 진동을 구동시키는 구동 회로.
제 1 항에 있어서,

상기 구동 제어기(602)는, 상기 N개의 모드 응답 신호 중 하나를 입력으로서 각각 가지며, 상기 N개의 모드 가진 신호 중 하나를 출력으로서 각각 발생시키는 N개의 구동 제어기 채널(601A-601N)을 포함하는,

진동관 계기의 도관의 진동을 구동시키는 구동 회로.
제 11 항에 있어서,

상기 N개의 구동 제어기 채널(601A-601N) 각각은,

상기 복수의 운동 모드의 주어진 하나에 대해 상기 모드 응답 레벨을 한정하는 모드 응답 설정점 수단,

모드 오차 신호를 발생시키도록 상기 N개의 모드 응답 신호 중 대응하는 한 신호와 상기 모드 응답 레벨을 비교하기 위한 비교 수단(608A-608N);

상기 모드 오차 신호의 발생에 응답해서, 상기 N개의 모드 가진 신호 각각을 발생시키기 위한 이득 수단(610A-610N)을 포함하는,

진동관 계기의 도관의 진동을 구동시키는 구동 회로.
청구항 13(은)는 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제 12 항에 있어서,

상기 N개의 구동 제어기 채널(601A-601N) 중 하나 이상을 위한 모드 응답 신호의 상기 원하는 레벨은 상기 N개의 구동 제어기 채널(601A-601N)의 상기 하나 이상에 대응하는 상기 N개의 모드 응답 신호를 위한 제로 모드 응답 레벨이고, 이에 의해 상기 N개의 구동 제어기 채널(601A-601N) 중 상기 하나 이상으로부터 제로 레벨을 가지는 대응하는 상기 모드 가진 신호를 발생시키는,

진동관 계기의 도관의 진동을 구동시키는 구동 회로.
청구항 14(은)는 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제 12 항에 있어서,

상기 N개의 구동 제어기 채널(601A-601N) 중 하나 이상을 위한 모드 응답 신호의 상기 원하는 레벨은 상기 N개의 구동 제어기 채널(601A-601N) 중 상기 하나 이상에 대응하는 상기 N개의 모드 응답 신호를 위한 제로가 아닌 모드 응답 레벨이고, 이에 의해 상기 N개의 구동 제어기 채널중 상기 하나 이상으로부터 제로가 아닌 레벨을 가지는 대응하는 상기 모드 가진 신호를 발생시키는,

진동관 계기의 도관의 진동을 구동시키는 구동 회로.
청구항 15(은)는 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제 1 항에 있어서,

상기 구동 회로는,

상기 구동 회로의 복수의 상이한 작동 모드 중 하나를 선택하기 위한 선택 수단(1004), 및

상기 복수의 작동 모드 중 하나를 선택하는 것에 응답해서, 상기 모드 응답 신호의 상기 원하는 레벨을 조절하기 위한 조절 수단(1006)을 더 포함하는,

진동관 계기의 도관의 진동을 구동시키는 구동 회로.
청구항 16(은)는 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제 15 항에 있어서,

상기 선택 수단은:

상기 복수의 작동 모드 각각에 대한 상기 원하는 레벨의 세트를 포함하는 메모리(1002); 및

상기 메모리로부터 상기 원하는 레벨의 세트 중 하나를 선택하기 위한 작동 구성 선택기(1004)를 포함하는,

진동관 계기의 도관의 진동을 구동시키는 구동 회로.
청구항 17(은)는 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제 16 항에 있어서,

상기 조절 수단은,

상기 작동 구성 선택기(1004)에 응답해서, 상기 구동 제어기(602) 내의 상기 원하는 레벨의 제 1 세트를 상기 원하는 레벨의 제 2 세트로 대체하기 위한 수단을 포함하는,

진동관 계기의 도관의 진동을 구동시키는 구동 회로.
제 1 항에 있어서, 상기 N개의 모드 가진 신호의 발생에 응답하는 상기 수단(604,606)은,

상기 N개의 모드 가진 신호 중 하나를 입력으로서 각각 가지며, 상기 N개의 모드 가진 신호의 각각에 응답해서 상기 구동 신호 각각의 성분을 발생시키기 위한 N개의 수단(620A-620N)으로서, 상기 성분 각각이, 상기 원하는 레벨의 모드 응답 신호를 달성하도록 상기 대응하는 진동 모드에 영향을 미치는데 필요한 상기 각각의 드라이버에서의 힘을 나타내는 N개의 수단(620A-620N);

상기 구동 신호를 발생시키도록 상기 수단(620A-620N)으로부터 상기 N개의 구동 성분 출력을 합하는 합계 수단(606)을 포함하는,

진동관 계기의 도관의 진동을 구동시키는 구동 회로.
진동관 계기의 도관에 부착된 M개의 드라이버(206A-206M)가 상기 도관을 진동시키게 하기 위해, 구동 신호를 발생시키고, 상기 M개의 드라이버에 상기 구동 신호를 인가함으로써, 진동관 계기의 도관의 진동을 구동시키기 위한 방법으로서,

L개의 모션 센서(202A-202L)로부터 L개의 모션 신호를 수신하는 단계(1104)와,

상기 L개의 모션 신호의 모드 내용을 분해하여, N개의 모드 응답 신호를 발생시키는 단계(1108)와,

상기 N개의 모드 응답 신호에 응답하여 N개의 모드 가진 신호를 발생시키는 단계(1112)와,

상기 N개의 모드 가진 신호를 M개의 구동 신호로 변환시키는 단계(1114)와, 그리고

상기 도관이 진동하게 하도록 상기 M개의 드라이버(206A-206M)에 상기 M개의 구동 신호를 인가하는 단계(1116)를 포함하며,

상기 L개의 모션 신호 각각은 상기 모션 센서(202A-202L) 중 하나에 의해 발생되고 상기 하나의 모션 센서의 부착점에서의 상기 도관의 움직임을 나타내며, 상기 L개의 모션 신호는 복수의 진동 모드에서 모드 내용을 가지며, 상기 L은 1보다 큰 정수이고,

상기 N개의 모드 응답 신호 각각은 상기 복수의 진동 모드 중 상이한 하나에서의 상기 도관의 진동의 양을 나타내고,

상기 N개의 모드 가진 신호 각각은 상기 각각의 진동 모드를 위한 상기 모드 응답의 원하는 레벨을 달성하는데 사용되고, M은 1 이상인,

진동관 계기의 도관의 진동을 구동시키기 위한 방법.
제 19 항에 있어서,

상기 분해 단계(1108)는 N개의 모드 필터 채널(500A-500N)을 통하여 상기 L개의 모션 신호를 여과하는 단계(1110)를 포함하며, 상기 N개의 모드 필터 채널 각각은 입력으로서 모든 상기 L개의 모션 신호를 입력으로서 수신하고 상기 N개의 모드 응답 신호 중 하나를 출력하는,

진동관 계기의 도관의 진동을 구동시키기 위한 방법.
제 19 항에 있어서, 상기 발생시키는 단계(1112)는,

N개의 각각의 구동 제어기 채널 내에 상기 N개의 모드 응답 신호를 수신하는 단계,

상기 모드 응답 신호의 상기 원하는 레벨로부터 상기 N개의 모드 응답 신호 각각을 공제하여, 각각의 모드 에러 신호를 발생시키는 단계,

상기 각각의 모드 오차 신호를 모드 이득에 의해 증폭시켜서, 상기 N개의 각각의 구동 제어기 채널의 각각 내부에 각각의 모드 가진 신호를 발생시키는 단계를 포함하는,

진동관 계기의 도관의 진동을 구동시키기 위한 방법.
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