KR100528710B1 - 2선식 전자 유량계 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 2선식 전자 유량계에 있어서, 여자코일은 측정관을 통해 흐르는 유체의 유동방향에 수직방향으로 자기장을 생성한다. 유량측정 출력회로는 상기 측정관을 통해 흐르는 유체의 유동방향과 상기 여자코일에서 생성된 자기장의 방향에 수직방향으로 생성된 신호 기전력을 기초로 얻은 유량 측정값에 따라, 외부 전력이 공급되는 한 쌍의 전원공급선에 흐르는 출력전류를 조절한다. 여자회로는 상기 한 쌍의 전원공급선 사이의 상기 유량측정 출력회로에 직렬로 연결되고 여자전류로서 상기 여자코일에 상기 출력전류의 일부를 공급한다. 상기 여자회로에서, 여자전압회로는 제 1 및 제 2 선 사이의 여자전압을 생성한다. 여자전류 조절회로는 상기 유량측정 출력회로에 의해 조절되는 상기 출력전류의 크기에 따라 여자전류의 값을 조절한다. 커패시터는 상기 제 1 및 제 2 선 사이에 상기 여자전압회로와 병렬로 연결된다.

Description

2선식 전자 유량계{Two-Wire Electromagnetic Flowmeter}
본 발명은 다양한 공정 시스템에서 전도성을 갖는 유체의 유동율(flow rate)을 측정하는 전자 유량계에 관한 것으로, 더 구체적으로는, DC 전원장치(DC power supply)로부터 외부 전압을 공급하는 한 쌍의 전원공급선에 흐르는 출력전류를 조절함으로써 측정값을 출력하는 2선식 전자 유량계에 관한 것이다.
종래 2선식 전자 유량계에서, 여자코일은 자기장의 생성방향이 측정관을 통해 흐르는 유체의 유동방향에 수직하게 배열된다. 기설정된 주파수를 갖는 직사각형 파형의 여자전류(exciting current)(Iex)가 여자코일에 공급되면, 신호 기전력(signal electromotive force)(유동율에 비례하는 신호)이 검출되고, 상기 신호 기전력은 상기 여자코일에 의해 생성된 자기장에 수직하게 상기 측정관에 배열되어 있는 전극 사이에서 패러데이의 법칙에 따라 얻어진다. 최대 유동율 값에 대한 측정값은 검출된 신호 기전력을 기초로 CPU(중앙처리부)에 의한 산술처리에 의해 0% 에서 100%값으로 얻어진다. 외부 전압을 2선식 전자 유량계에 공급하는 한 쌍의 전원공급선에 흐르는 전류(출력전류)는 얻은 측정값에 따라 4 내지 20㎃의 전류범위내에서 조절된다.
도 5에 도시된 바와 같이, DC 전원장치(200)로부터 외부전압(Vs)이 한 쌍의 전원공급선(L1 및 L2)을 통해 종래 2선식 전자유량계(100)에 공급된다. 외부부하(RL)(저항: 250Ω)가 전원공급선(L2)(DC 24V)에 연결된다. 이 경우, 2선식 전자 유량계(100)에 공급된 외부 전압(Vs)의 값은 외부부하(RL)에서의 전압강하를 DC 전원장치(200)의 전압에서 뺌으로써 얻어진다.
종래 2선식 전자 유량계(100)는 자기장의 생성방향이 측정관(1)을 통해 흐르는 유체의 유동방향에 수직하도록 배열되어 있는 외부코일(2)과, 제 1 선(LA)과 제 2 선(LB) 사이의 여자전압(Vex)을 생성하고 또한 직사각형 파형을 갖는 여자전류(Iex)를 여자코일(2)에 주기적으로 공급하는 여자회로(3)와, 상기 여자코일(2)에 의해 생성된 자기장에 수직하게 상기 측정관(1)에 배열되어 있는 검출전극(4a 및 4b)과, 접지전극(5) 및 상기 검출전극(4a 및 4b) 사이에서 얻은 신호 기전력을 검출하고, 상기 검출된 신호 기전력을 기초로 측정값을 구하며, 상기 구한 측정값에 따라 4 내지 20㎃의 전류범위내에서 DC 전원장치(200)로 반송되는 출력전류(Iout)를 조절하는 유량측정 출력회로(6)로 구성된다.
여자회로(3)는 여자전압회로(일정전압회로)(3-1), D/A 회로(3-2) 및 여자전류 조절회로(3-3)로 구성된다. 여자전압회로(3-1)는 트랜지스터(Q1), 컴퍼레이터(comparator)(CP1), 기준 저항기(Ref), 제너 다이오드(Zener diode)(ZD 1) 및 저항기(R1 및 R2)으로 구성된다. 제너 다이오드(ZD1)와 기준 저항기(R ef) 사이의 연결지점에 생성된 기준전압(Vref)은 저항기(R1 및 R2) 사이의 연결지점에서 생성된 검출전압(Vpv)과 비교된다. 컴퍼레이터(CP1)는 트랜지스터(Q1)의 컬렉터(collector)와 이미터(emitter) 사이에 흐르는 전류를 제어하여 기준전압(Vref)이 검출전압(Vpv)과 정합되게 한다. 따라서, 8.5V의 일정전압이 여자전압(Vex)으로서 선(LA 및 LB) 사이에서 생성된다.
D/A 회로(3-2)는 저항기(R3, R4 및 R5), 커패시터(C1), 컴퍼레이터(CP 2) 및 스위치(SW5)로 구성된다. 저항기(R3)의 한 단자는 저항기(R1 및 R2 ) 사이의 연결지점에 연결된다. 저항기(R3)의 다른 단자는 스위치(SW5)를 통해 저항기(R4)의 한 단자에 연결된다. 저항기(R4)의 다른 단자는 선(LB)에 연결된다. 저항기(R4)의 한 단자는 저항기(R5)를 통해 컴퍼레이터(CP2)의 비반전 입력단자에 연결된다. 커페시터(C1 )는 선(LB)과 컴퍼레이터(CP2)의 비반전 입력단자 사이에 연결된다.
여자전류 조절회로(3-3)는 저항기(R6), 트랜지스터(Q2) 및 스위치(SW1 에서 SW4)로 구성된다. D/A 회로(3-2)의 컴퍼레이터(CP2)의 출력단자는 트랜지스터(Q2 )의 베이스에 연결된다. 트랜지스터(Q2)의 이미터는 저항기(R6)를 통해 선(LB)에 연결되고 또한 컴퍼레이터(CP2)의 반전 입력단자에 연결된다. 트랜지스터(Q2)의 컬렉터는 스위치(SW4 및 SW1)의 직렬연결회로와 스위치(SW3 및 SW2)의 직렬연결회로를 통해 선(LA)에 연결된다. 여자코일(2)은 스위치(SW1 및 SW4)의 연결지점(P1)과 스위치(SW2 및 SW3)의 연결지점(P2) 사이에 연결된다.
여자전류 조절회로(3-3)는 유량측정 출력회로(6)로부터의 명령에 따라 기설정된 주기로 스위치(SW1 및 SW3)와 스위치(SW2 및 SW4)를 교대로 켜서, 극성이 교대로 전환되는 직사각형 파형의 여자전류(Iex)를 생성한다. D/A 회로(3-2)는 유량측정 출력회로(6)의 CPU(6-4)로부터의 명령에 따라 스위치(SW5)를 온/오프 제어하여, 도 6에 도시된 바와 같이, 유량측정 출력회로(6)에 의한 측정값에 따른 여러 수치로 여자전류(Iex)의 값(피크 값)을 전환한다.
유량측정 출력회로(6)는 신호 기전력 검출회로(6-1), 샘플-홀드 회로(106-2), A/D 변환회로(6-3), CPU(6-4), D/A 변환회로(6-5), 전류조절회로(CCS)(6-6) 및 전원장치 전압을 이들 회로에 공급하는 일정전압회로(6-7)로 구성된다.
신호 기전력 검출회로(6-1)는 기준으로서 접지전극(5)의 전위를 이용하여 전극(4a 및 4b) 사이에서 얻은 신호 기전력을 검출한다. 샘플-홀드 회로(6-2)는 극성이 전환되기 바로 전에 신호 기전력 검출회로(6-1)에 의해 검출된 신호 기전력의 값의 샘플을 만들고 유지한다. A/D 변환회로(6-3)는 샘플-홀드 회로(6-2)로부터의 신호 기전력(아날로그 값) 출력을 디지털 값으로 변환시키고 상기 디지털 값을 CPU(6-4)로 보낸다.
A/D 변환회로(6-3)로부터 나온 신호 기전력을 기초로, CPU(6-4)는 측정값(0% 에서 100% 값)을 얻고 상기 측정값을 D/A 변환회로(6-5)에 출력한다. D/A 변환회로(6-5)는 CPU(6-4)로부터의 측정값(디지털 값)을 아날로그 값으로 변환하고 상기 아날로그 값을 전류 조절회로(6-6)로 보낸다. 전류 조절회로(6-6)는 컴퍼레이터(CP3), 트랜지스터(Q3) 및 저항기(R7)을 구비한다. 컴퍼레이터(CP3 )가 트랜지스터(Q3)의 베이스 전류를 조절하게 함으로써, 트랜지스터(Q3)의 컬렉터와 이미터 사이에 흐르는 전류(Iccs)가 D/A 변환회로(6-5)로부터의 측정값에 따라 조절된다.
A/D 변환회로(6-3)로부터의 신호 기전력을 기초로 얻은 측정값에 따라, CPU(6-4)는 여자전류(Iex)가 도 6에 도시된 관계에 따라 여자코일(2)에 공급되도록 여자회로(3)에 명령을 내린다. 더 구체적으로, CPU(6-4)는 여자전류 조절회로(3-3)에 명령을 내려 스위치(SW1 및 SW3)와 스위치(SW2 및 SW4)를 교대로 켬으로써 극성이 여자코일(2) 상에 교대로 전환되는 직사각형 파형의 여자전류(Iex)를 제공한다. CPU(6-4)는 D/A 회로(3-2)에 명령을 출력하여 측정값에 따른 듀티비(duty ratio)(측정값에 따라 단계적으로 설정되는 듀티비)로 스위치(SW5)를 온오프 제어함으로써, 컴퍼레이터(CP2)의 비반전 입력단자에 전압값을 조절한다. 따라서, 트랜지스터(Q2)에 흐르는 전류의 값, 즉, 여자코일(102)에 흐르는 여자전류의 값(Iex)이 조절된다.
2선식 전자 유량계(100)에서, 여자회로(3)와 유량측정 출력회로(6)는 전원공급선(L1 및 L2) 사이에 직렬로 연결되어 있다. 여자회로(3)를 통해 흐르는 전류는 유량측정 출력회로(6)로 흘러 DC 전원장치(200)로 반송되는 출력전류(Iout)가 된다. 도 7은 2선식 전자 유량계(100)의 단순화된 회로배열을 도시한 것이다.
예를 들어, CPU(6-4)에 의한 측정값이 0%값이면, 여자코일(2)의 여자전류(Iex)의 지시값(instruction value)은 3.5㎃이다. 여자전류(3)는 여자전압회로(3-1)가 여자전압(Vex)을 생성하게 하거나 전압값을 컴퍼레이터(CP2)의 비반전 입력단자에 설정하게 하기 위해 0.5㎃의 전류를 필요로 한다. 따라서, Ia(0.5㎃)가 D/A 회로(3-2)를 포함하는 여자전압회로(3-1)의 측면에 흐르는 전류이게 함으로써, 여자회로(3)를 통해 흐르는 전류(I1)는 아래와 같이 주어진다.
I1 = Ia + Iex = 0.5㎃ + 3.5㎃ = 4㎃
4㎃의 전류(I1)는 유량측정 출력회로(6)를 지난다. Ib가 유량측정 출력회로(6)의 일정전압회로(6-7)의 측면에 흐르는 전류라고 하자. 전류(Ib)는 CPU(6-4) 등을 구동시키기 위해 3㎃의 값을 가져야만 한다. 이로 인해, 트랜지스터(Q3)의 측면상에 흐르는 전류(Iccs)가 1㎃로 조절될 때, 유량측정 출력회로(6)를 통해 흐르는 전류(I2)(=Iccs+Ib)는 4㎃가 된다. 여자회로(3)를 통해 흐르는 전류(I1)는 유량측정 출력회로(6)를 통해 흐르는 전류(I2)와 동일하다. 따라서, DC 전원장치(200)로 반송되는 출력전류(Iout)는 4㎃가 된다.
CPU(6-4)에 의한 측정값이, 예를 들어, 10%값이면, CPU(6-4)는 트랜지스터(Q3)의 측면상에 흐르는 전류(Iccs)가 2.6㎃이도록 조절하여 출력전류(Iout)를 5.6㎃(=4㎃+1.6㎃)이도록 한다. 이 경우, 여자회로(3)에서의 여자전류(Iex)는 3.5㎃이다. 따라서, D/A 회로(3-2)를 포함하는 여자전압회로(3-1)의 측면상에 흐르는 전류(Ia)는 2.1㎃이다.
다음으로는, 여자전류(Iex)의 값이 측정값에 따른 여러 수치로 전환되는 이유가 설명될 것이다. 여자전류(Iex)의 값은 도 6에 의해 도시된 관계를 기초로 CPU(6-4)에 의한 측정값에 따른 여러 수치로 전환된다. 여자전류(Iex)의 값을 여러 수치로 전환하는 방식을 다중점 여자 전환방식(multi-point excitation switching scheme)이라고 한다. 다중점 여자 전환방식이 이용되지 않고, 예를 들어, 여자전류(Iex)의 값이 3.5㎃로 고정되면, 유체를 통해 뻗어나가는 자속밀도가 낮아지고, 신호 기전력 검출회로(6-1)에 의해 얻은 신호 기전력이 작아진다. 이런 이유로 인해, 출력이 유동속도에 따라 전극(4a 및 4b)상에 중첩되는 잡음의 영향으로 인해 크게 요동된다. 즉, 신호 기전력에 포함된 잡음의 비는 유동율이 증가함에 따라 커지므로, S/N비가 낮아지고, 안정한 유량측정이 실행될 수 없다.
e를 신호 기전력 검출회로(6-1)에 의해 얻은 신호 기전력이라고 하자. 신호 기전력(e)은 아래 식과 같이 주어지며;
e = k·B·v·D
상기 식에서 k는 상수, D는 측정관(1)의 직경, v는 평균 유동속도, B는 생성된 자속밀도이다. 생성된 자속밀도(B)는 여자전류(Iex)에 비례한다. 여자전류(Iex)가 증가하면, 신호 기전력(e)이 또한 동일한 유동속도에서도 커지게 된다. 종래 2선식 전자 유량계(100)에서, 측정값에 따라, 즉, 측정값에 대응하는 출력전류(4 에서 20㎃)가 증가하면, 여자전류(Iex)는 출력전류의 증가량을 이용하여 큰 값으로 전환된다.
예를 들면, 측정값이 20%값이면, 여자전류(Iex)의 값은 6.7㎃로 전환된다. 더 구체적으로, 20% 값에 대응하는 출력전류(Iout)는 7.2㎃이다. 여자전류(3)는 0.5㎃의 전류(Ia)를 필요로 한다. 따라서, 6.7㎃까지의 전류가 여자전류(Iex)로서 제공될 수 있다. 측정값이 40%값이면, 여자전류(Iex)의 값은 9.9㎃로 전환된다. 더 구체적으로, 40% 값에 대응하는 출력전류(Iout)는 10.4㎃이다. 여자전류(3)는 0.5㎃의 전류(Ia)를 필요로 한다. 따라서, 9.9㎃까지의 전류가 여자전류(Iex)로서 제공될 수 있다.
이런 식으로, 신호 기전력(e)과 S/N비가 여자전류(Iex)를 측정값에 따른 큰 값으로 전환시킴으로써 증가되면, 안정적인 유량측정이 실행될 수 있다.
2선식 전자 유량계(100)에서, DC 전원장치(200)로부터 공급된 여자전압(Vs), 즉, 외부 부하(RL)에서의 전압강하(Iout×RL)를 DC 전원장치(200)의 전압(DC 24V)에서 뺌으로써 얻은 전압(Vs)이 여자회로(3)와 유량측정 출력회로(6)로 분배된다. 이로 인해, 여자전압회로(3-1)에 의해 생성된 여자전압(Vex)은 8.5eV정도 낮아진다. 여자코일(2)에 공급된 직사각형 파형의 여자전류(Iex)의 값이 더 클수록, 여자전류(Iex)의 상승시간이 더 길어진다.
도 8은 여자전류(Iex)의 값이 3.5㎃, 6.7㎃, 9.9㎃ 및 12㎃로 전환될 때 얻은 상승파형을 도시한 것이다. 여자전류(Iex)의 값이 3.5㎃로 작아지면, 여자전류(Iex)는 도 8에서 파형(I)으로 나타낸 바와 같이, 즉시 상승한다. 그러나, 여자전압회로(3-1)에 의해 생성된 여자전압(Vex)이 변하지 않으므로, 여자전류(Iex)의 값이 6.7㎃, 9.9㎃ 및 12㎃로 증가함에 따라, 도 8에서 파형 Ⅱ, Ⅲ 및 Ⅳ로 나타낸 바와 같이, 상승시간이 길어지게 된다. 따라서, 극성이 전환되기 바로 전의 정상상태 영역(여자전류(Iex)가 기설정된 값에 이른 후 평평한 파형부분)(ta)이 짧아지게 된다.
샘플-홀드 회로(6-2)는 극성이 전환되기 바로 전에 신호 기전력(e) 값의 샘플을 만들고 유지한다. 예를 들면, 신호 기전력(e)의 극성이 전환되기 바로 전에 5㎳ 동안의 신호 기전력(e)이 샘플로 만들어지고, 그 평균값이 유지된다. 여자전류(Iex)의 값이 12㎃이면, 여자전류(Iex)의 극성이 전환되기 바로 전의 정상상태 영역(ta)은 길이가 단지 약 5㎳ 이다. 샘플로 만들어진 신호 기전력(e)에 대해 얻은 값은 가에 안정화된 여자전류(Iex)에 기초한다.
그러나, 여자전류(Iex)의 값이 약 12㎃를 초과하면, 신호 기전력(e)은 여자전류(Iex)가 더 변경될 때 샘플로 된다. 따라서, 유량 측정값은, 예를 들면, 전극(4a 및 4b)에서 생성된 와전류(eddy current)로 인한 오차를 포함한다. 이런 이유로 인해, 다중점 여자 전환방식을 이용한 종래 2선식 전자 유량계(100)에서, 측정값에 따른 여러 수치로 설정되는 여자전류(Iex)의 한계값은 약 12㎃로 정해진다. 더 구체적으로, 여자전압(Vex)은 8.5V로 정해진다. 여자전류(Iex)의 최대값은 12㎃로 정해진다. 5㎳ 이상 대응하는 정상상태 영역(ta)이 Iex = 3.5 에서 12㎃의 범위내에서 보장될 수 있도록 전력설계가 행해진다.
그러나, 종래 2선식 전자 유량계(100)는 여자전류(Iex)의 값이 DC 전원장치(200)(I>Iex)로부터 제공되는 전류(I=In=Iout)의 값보다 더 작은 조건을 가정한다. 이로 인해, 여자전류(Iex)는 낮은 유동율 영역에서 작다. 유량측정은 낮은 유동율 영역에서 불안정하게 된다.
더 구체적으로, 여자전류(Iex)의 값이 공급된 전류(I)보다 더 커지고, 예를 들어, 4㎃(측정값: 0%값)의 공급전류(I)로 CPU(6-4)로부터 여자회로(3)로의 지시값이 4.8㎃로 정해지면, 여자전류 조절회로(3-3)는 여자전류(Iex)의 피크 값을 4.8㎃로 제어한다. 다른 한편, 여자전압회로(3-1)의 컴퍼레이터(CP1)는 기준전압(Vref)과 검출전압(Vpv)을 비교하고 여자전압(Vex)을 8.5V로 유지하도록 제어한다. 수 십 ㎂의 전류가 있으면, 제너 다이오드(ZD1)는 일정전압을 생성한다.
이 경우, 여자전류(Iex)의 상승파형이, 도 9에 도시된 바와 같이, 거의 I=4㎃에 이르게 되면, 전력공급이 짧아지기 시작한다. 제너 다이오드(ZD1)로의 전류가 줄어든다. 따라서, 여자전압(Vex)은 8.5V를 유지할 수 없으며 강하되기 시작한다. 그 결과, 여자전류(Iex)의 상승파형이 공급전류(I)를 초과한 후에 거의 급격히 만곡된다. 따라서, 5㎳에 대응하는 정상상태 영역(ta)이 보장될 수 없다.
상기 이유로 인해, 종래 2선식 전자 유량계(100)에서, 여자전류(Iex)의 값이 DC 전원장치(200)로부터 공급된 전류(I)의 값보다 더 작아지게 된다. 예를 들면, 0% 에서 20%값의 낮은 유동율 영역에서, 여자전류(Iex)의 값이 3.5㎃정도 작아지고, 유체를 통해 뻗어나가는 자속밀도가 낮아진다. 따라서, 신호 기전력 검출회로(6-1)에 의해 얻은 신호 기전력이 작아지고, 유량 측정이 불안정해진다.
본 발명의 목적은 낮은 유동율 영역에서 여자전류의 값과 유량측정의 안정성을 증가시킬 수 있는 2선식 전자 유량계를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따르면, 측정관을 통해 흐르는 유체의 유동방향에 수직방향으로 자기장을 생성하는 여자코일과, 상기 측정관을 통해 흐르는 유체의 유동방향과 상기 여자코일에서 생성된 자기장의 방향에 수직방향으로 생성된 신호 기전력을 기초로 얻은 유량 측정값에 따라 외부 전력이 공급되는 한 쌍의 전원공급선에 흐르는 출력전류를 조절하는 유량측정 출력회로와, 상기 한 쌍의 전원공급선 사이의 상기 유량측정 출력회로에 직렬로 연결되고 여자전류로서 상기 여자코일에 상기 출력전류의 일부를 공급하는 여자회로를 구비하고, 상기 여자회로는 제 1 및 제 2 선 사이의 여자전압을 생성하는 여자전압회로와, 상기 유량측정 출력회로에 의해 조절되는 상기 출력전류의 크기에 따라 여자전류의 값을 조절하는 여자전류 조절회로 및 상기 제 1 및 제 2 선 사이에 상기 여자전압회로와 병렬로 연결되는 커패시터를 포함하는 2선식 전자 유량계가 제공된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 2선식 전자 유량계를 도시한 것이다. 도 1을 참조하면, DC 전원장치(200)로부터 외부 전압(Vs)이 한 쌍의 전원공급선(L1 및 L2)을 통해 이 실시예에 따른 2선식 전자 유량계(100A)에 공급된다. 외부 부하(RL)(저항: 250Ω)가 전원공급선(L2)(DC 24V)에 연결된다. 이 경우, 2선식 전자 유량계(100A)에 공급된 외부 전압(Vs)의 값은 외부 부하(RL)에서의 전압강하를 DC 전원장치(200)의 전압으로부터 뺌으로써 얻어진다.
2선식 전자 유량계(100A)는 자기장의 생성방향이 측정관(101)을 통해 흐르는 유체의 유동방향에 수직으로 배열되는 여자코일(102)과, 제 1 선(LA)과 제 2 선(LB) 사이의 여자전압(Vex)을 생성하고 또한 직사각형 파형을 갖는 여자전류(Iex)를 상기 여자코일(102)에 주기적으로 공급하는 여자회로(103)와, 상기 여자코일(102)에 의해 생성된 자기장에 수직하게 상기 측정관(101)에 배열되는 검출전극(104a 및 104b)과, 접지전극(105) 및 상기 검출전극(104a 및 104b) 사이에서 얻은 신호 기전력를 검출하고, 상기 검출된 신호 기전력을 기초로 측정값을 구하며, 상기 구한 측정값에 따라 4 내지 20㎃의 전류범위내에서 DC 전원장치(200)로 반송되도록 출력전류(Iout)를 조절하는 유량측정 출력회로(106)로 구성된다.
여자회로(103)는 여자전압회로(일정전압회로)(103-1), D/A 회로(103-2) 및 여자전류 조절회로(103-3)로 구성된다. 여자전압회로(103-1)는 트랜지스터(Q1), 컴퍼레이터(CP1), 기준 저항기(Ref), 제너 다이오드(ZD1), 및 저항기(R1 및 R2)로 구성된다. 제너 다이오드(ZD1)와 기준 저항기(Ref) 사이의 연결지점에서 생성된 기준전압(Vref)은 저항기(R1 및 R2) 사이의 연결지점에서 생성된 검출전압(V pv)과 비교된다. 컴퍼레이터(CP1)는 기준전압(Vref)이 검출전압(Vpv)과 정합되도록 트랜지스터(Q1)의 컬렉터와 이미터 사이에 흐르는 전류를 제어한다. 따라서, 8.5V의 일정전압이 여자전압(Vex)으로서 선(LA 및 LB) 사이에 생성된다.
D/A회로(103-2)는 저항기(R3, R4 및 R5), 커패시터(C1), 컴퍼레이터(CP 2) 및 스위치(SW5)로 구성된다. 저항기(R3)의 한 단자는 저항기(R1 및 R2) 사이의 연결지점에 연결된다. 저항기(R3)의 다른 단자는 스위치(SW5)를 통해 저항기(R4)의 한 단자에 연결된다. 저항기(R4)의 다른 단자는 선(LB)에 연결된다. 저항기(R4)의 한 단자는 저항기(R5)를 통해 컴퍼레이터(CP2)의 비반전 입력단자(non-inverting input terminal)에 연결된다. 커패시터(C1)는 선(LB)과 컴퍼레이터(CP2)의 비반전 입력단자 사이에 연결된다.
여자전류 조절회로(103-3)는 저항기(R6), 트랜지스터(Q2) 및 스위치(SW1 에서 SW4)로 구성된다. D/A회로(103-2)에서 컴퍼레이터(CP2)의 출력 단자는 트랜지스터(Q2)의 베이스(base)에 연결된다. 트랜지스터(Q2)의 이미터는 저항기(R 6)를 통해 선(LB)에 연결되고 또한 컴퍼레이터(CP2)의 반전 입력단자에 연결된다. 트랜지스터(Q2)의 컬렉터는 스위치(SW4 및 SW1)의 직렬연결회로와 스위치(SW 3 및 SW2)의 직렬연결회로를 통해 선(LA)에 연결된다. 여자코일(102)은 스위치(SW1 및 SW4)의 연결지점(P1)과 스위치(SW2 및 SW3)의 연결지점(P2) 사이에 연결된다.
여자전류 조절회로(103-3)는 유량측정 출력회로(106)로부터의 명령에 따라 기설정된 주기로 스위치(SW1 및 SW3)와 스위치(SW2 및 SW4)를 교대로 켬으로써, 극성이 교대로 전환되는 직사각형 파형의 여자전류(Iex)를 생성한다. D/A 회로(103-2)는 유량측정 출력회로(106)의 CPU(106-4)로부터의 명령에 따라 스위치(SW5)를 온/오프(ON/OFF) 제어하여, 도 2에 도시된 바와 같이, 유량측정 출력회로(106)에 의한 측정값에 따른 여러 수치로 여자전류(Iex)의 값(피크 값)을 전환한다.
유량측정 출력회로(106)는 신호 기전력 검출회로(106-1), 샘플-홀드 회로(106-2), A/D 변환회로(106-3), 명령수단으로서 사용되는 CPU(106-4), D/A 변환회로(106-5), 전류조절회로(CCS)(106-6) 및 전원장치 전압을 이들 회로에 공급하는 일정전압회로(106-7)로 구성된다.
신호 기전력 검출회로(106-1)는 기준으로서 접지전극(105)의 전위를 이용하여 전극(104a 및 104b) 사이에서 얻은 신호 기전력을 검출한다. 샘플-홀드 회로(106-2)는 극성이 전환되기 바로 전에 신호 기전력 검출회로(106-1)에 의해 검출된 신호 기전력 값의 샘플을 만들고 유지한다. A/D 변환 회로(106-3)는 샘플-홀드 회로(106-2)로부터의 신호 기전력(아날로그 값)을 디지털 값으로 변환시키고 상기 디지털 값을 CPU(106-4)에 보낸다.
A/D 변환회로(106-3)로부터 나온 신호 기전력을 기초로, CPU(106-4)는 측정값(0% 에서 100% 값)을 얻고 상기 측정값을 D/A 변환회로(106-5)에 출력한다. D/A 변환회로(106-5)는 CPU(106-4)로부터의 측정값(디지털 값)을 아날로그 값으로 변환하고 상기 아날로그 값을 전류 조절회로(106-6)로 보낸다. 전류 조절회로(106-6)는 컴퍼레이터(CP3), 트랜지스터(Q3) 및 저항기(R7)를 구비한다. 컴퍼레이터(CP 3)가 트랜지스터(Q3)의 베이스 전류를 조절하게 함으로써, 트랜지스터(Q3)의 컬렉터와 이미터 사이에 흐르는 전류(Iccs)가 D/A 변환회로(106-5)로부터의 측정값에 따라 조절된다.
A/D 변환회로(106-3)로부터의 신호 기전력을 기초로 얻은 측정값에 따라, CPU(106-4)는 여자전류(Iex)가 도 2에 도시된 관계에 따라 여자코일(102)에 공급되도록 여자회로(103)에 명령을 내린다. 더 구체적으로, CPU(106-4)는 여자전류 조절회로(103-3)에 명령을 내려 스위치(SW1 및 SW3)와 스위치(SW2 및 SW4 )를 교대로 켜지게 함으로써, 극성이 여자코일(102)상에 교대로 전환되는 직사각형 파형의 여자전류(Iex)를 공급한다.
CPU(106-4)는 D/A 회로(103-2)에 명령을 출력하여 측정값에 따른 듀티비(duty ratio)(측정값에 따라 단계적으로 설정되는 듀티비)로 스위치(SW5)를 온오프 제어함으로써, 컴퍼레이터(CP2)의 비반전 입력단자에 전압값을 조절한다. 따라서, 트랜지스터(Q2)에 흐르는 전류의 값, 즉, 여자코일(102)에 흐르는 여자전류의 값(Iex)이 조절된다.
2선식 전자 유량계(100A)는 또한 수 백 ㎌이상의 충전용량을 갖는 커패시터(C2)를 구비하고, 상기 커패시터는 여자회로(103)의 여자전압회로(103-1)의 입력측상에 있는 선(LA 및 LB) 사이에 연결되어 있다. 커패시터(C2)는 선(LA 및 LB) 사이의 여자전압회로와 병렬 연결되도록만 필요로 한다. 커패시터(C2)는 여자전압회로(103-1)의 출력측상에 있는 선(LA 및 LB) 사이에 연결될 수 있다.
A/D 변환회로(106-3)로부터의 신호 기전력을 기초로 얻은 측정값에 따라, CPU(106-4)는 도 2에 도시된 관계에 의해 구해진 값을 갖는 전류가 여자전류(Iex)로 설정되도록 여자회로(103)에 명령을 내린다. 더 구체적으로, 여자전류(Iex)의 값은 측정값이 0%값(포함)에서 5%값(제외) 범위의 간격에서는 4.8㎃, 5%값(포함)에서 20%값(제외) 범위의 간격에서는 7.2㎃, 20%값(포함)에서 100%값(포함) 범위의 간격에서는 12㎃로 설정되도록 CPU(106-4)는 여자회로(103)에 명령을 전송한다.
본 실시예에 따른 2선식 전자 유량계(100A)에서도, 여자회로(103)와 유량측정 출력회로(106)는 종래 2선식 전자 유량계(100)에서와 같이 전원공급선(L1 및 L2) 사이에서 직렬로 연결된다. 여자회로(103)를 통해 흐르는 전류는 유량측정 출력회로(106)로 흘러 DC 전원장치(200)로 반송되는 출력전류(Iout)가 된다. 도 4는 2선식 전자 유량계(100A)의 단순화된 전류배열을 도시한 것이다.
도 4 및 도 7에 도시된 회로 사이의 비교를 통해 명백한 바와 같이, 이 실시예에 따른 2선식 전자 유량계(100A)는 여자회로(3)의 선(LA 및 LB) 사이에 단지 커패시터(C2)를 추가함으로써 간단히 향상된다.
[측정값이 0%값(포함)에서 5%값(제외)의 범위인 간격]
측정값이 0%값(포함)에서 5%값(제외)의 범위이면, 유량측정 출력회로(106)의 CPU(106-4)는 도 2에 도시된 관계에 따라 여자전류(Iex)의 값이 4.8㎃로 설정되도록 여자회로(103)에 명령을 내린다. 더 구체적으로, CPU(106-4)는 측정값이 0%값일 때 얻은 공급전류(I=4㎃)보다 더 큰 값을 측정값이 0%값에서부터 5%값에 이르기 바로 전까지 여자전류(Iex)의 지시값으로서 여자회로(103)에 제공한다.
이 실시예에서, 측정값이 5%값일 때 공급전류(I)는 4.8㎃이다. 따라서, 당시 공급전류(I)보다 더 큰 값을 측정값이 0%값에서부터 5%값에 이르기 바로 전의 전간격에서 여자전류(Iex)의 지시값으로서 여자회로(103)에 제공한다.
예를 들어, 측정값은 현재 0%값이고, 출력 전류(Iout), 즉, 공급전류(I)는 4㎃이다고 하자. 이 경우, CPU(106-4)는 도 2에 도시된 관계에 따라 여자전류(Iex)의 값이 4.8㎃로 설정되게 여자회로(103)에 명령한다. 따라서, D/A 회로(103-2)의 스위치(SW5)는 여자전류 조절회로(103-3)의 트랜지스터(Q2)에 흐르는 전류의 값, 즉, 여자코일(102)에 흐르는 여자전류(Iex)의 값이 4.8㎃로, 즉, 당시 공급전류(I=4㎃)보다 더 크게 설정되도록 온/오프 제어된다.
이 때, 도 3에 도시된 바와 같이, 여자전류(Iex)의 상승파형이 도 9에 도시된 파형과 동일하지는 않으나 5㎳ 이상 대응하는 정상상태(steady state) 영역(ta)을 보장할 수 있다. 이 때의 여자전류(Iex)의 상승파형이 설명될 것이다. 여자전류(Iex)의 상승파형이 공급전류(I=4㎃)를 초과하기 전에, 도 3에서 해치부(hatched portion)(W1)로 표시되어 있는 설계된 여분의 전력이 있다. 전하들이 여분의 전력(W1)에 의해 커패시터(C2)에 축적된다.
여자전류(Iex)의 상승파형이 공급전류(I=4㎃)를 초과하면, 제너 다이오드(ZD1)로의 전류가 감소되고, 여자전압회로(103-1)에 의해 생성된 여자전압(Vex)이 강하되어 진다. 이 때, 추가 전류가 커패시터(C2)에 축적된 전하에 의해 제너 다이오드(ZD1)에 공급되거나, 여자전압(Vex)에서의 강하가 억제되거나, 여자전압(Vex)이 강하없이 기설정된 값으로 유지된다. 따라서, 여자전류(Iex)의 상승파형은 심지어 공급전류(I=4㎃)를 초과한 후에도 급격하게 만곡되지 않으며, 충분히 긴 정상상태 영역(ta)이 보장된다. 도 3에서 해치부(W2)는 커패시터(C2)에 축적된 전하에 의해 부가적으로 공급된 전력을 나타낸다.
측정값이 0% 값인 경우가 위에서 설명되었다. 상술한 바와 동일한 작동이 측정값이 5%에 이르기 바로 전의 전간격에서 수행된다. 따라서, 측정값이 0%값(포함)에서 5%값(제외)의 범위에 있는 전간격에서, 5㎳ 이상 대응하는 정상상태 영역(ta)을 보장하는 여자전류(Iex)의 상승파형을 얻을 수 있다.
[측정값이 5%값(포함)에서 20%값(제외)의 범위인 간격]
측정값이 5%값(포함)에서 20%값(제외)의 범위이면, 유량측정 출력회로(106)의 CPU(106-4)는 도 2에 도시된 관계에 따라 여자전류(Iex)의 값이 7.2㎃이게 설정되도록 여자회로(103)에 명령한다. 더 구체적으로, CPU(106-4)는 측정값이 5%값일 때 얻은 공급전류(I=4.8㎃)보다 더 큰 값을 측정값이 5%값에서부터 20%값에 이르기바로 전까지 여자전류(Iex)의 지시값으로서 여자회로(103)에 제공한다.
이 실시예에서, 측정값이 20%값일 때 공급전류(I)는 7.2㎃이다. 따라서, 당시 공급전류(I)보다 더 큰 값을 측정값이 5%값에서부터 20%값에 이르기 바로 전의 전간격에서 여자전류(Iex)의 지시값으로서 여자회로(103)에 제공한다.
예를 들어, 측정값은 5%값이고, 출력 전류(Iout), 즉, 공급전류(I)는 4.8㎃인 경우가 설명될 것이다. CPU(106-4)는 도 2에 도시된 관계에 따라 여자전류(Iex)의 값이 7.2㎃로 설정되게 여자회로(103)에 명령한다.
이 경우, 여자전류(Iex)의 상승파형이 공급전류(I=4.8㎃)를 초과할 때까지 여분의 전력에 의해 커패시터(C2)에 축적된다. 여자전류(Iex)가 공급전류(I=4.8㎃)를 초과하는 동안, 제너 다이오드(ZD1)로의 전류는 커패시터(C2)에로부터 이탈된 전하에 의해 보상된다. 따라서, 여자전압(Vex)에서의 강하가 억제되거나, 여자전압(Vex)이 강하없이 기설정된 값으로 유지된다. 따라서, 여자전류(Iex)의 상승파형은 심지어 공급전류(I=4.8㎃)를 초과한 후에도 급격하게 만곡되지 않으며, 충분히 긴 정상상태 영역(ta)이 보장된다.
측정값이 5%값인 경우가 위에서 설명되었다. 상술한 바와 동일한 작동이 측정값이 20%에 이르기 바로 전의 전간격에서 수행된다. 따라서, 측정값이 5%값(포함)에서 20%값(제외)의 범위에 있는 전간격에서, 5㎳ 이상 대응하는 정상상태 영역(ta)을 보장하는 여자전류(Iex)의 상승파형을 얻을 수 있다.
[측정값이 20%값(포함)에서 100%값(포함)의 범위인 간격]
측정값이 20%값(포함)에서 100%(포함)값의 범위일 때, 유량측정 출력회로(106)의 CPU(106-4)는 도 2에 도시된 관계에 따라 여자전류(Iex)의 값을 12㎃로 제어한다. 더 구체적으로, CPU(106-4)는 측정값이 20%값일 때 얻은 공급전류(I=7.2㎃)보다 더 큰 값을 측정값이 20%값에서부터 100%값에 이르기 전까지 여자전류(Iex)의 지시값으로서 여자회로(103)에 제공한다.
이 실시예에서, 측정값이 50%값일 때 공급전류(I)는 12㎃이다. 따라서, 당시 공급전류(I)보다 더 큰 값을 측정값이 20%값에서부터 50%값에 이르기 바로 전의 간격에서 여자전류(Iex)의 지시값으로서 여자회로(103)에 제공한다. 측정값이 50%값에서부터 100%값의 범위에 있는 간격에서는, 이 때 공급된 전류(I)보다 더 작은 값을 여자전류(Iex)의 지시값으로서 여자회로(103)에 제공한다.
예를 들어, 측정값이 20%값이고, 출력 전류(Iout), 즉, 공급전류(I)가 7.2㎃인 경우가 설명될 것이다. CPU(106-4)는 도 2에 도시된 관계에 따라 여자전류(Iex)의 값이 12㎃로 설정되게 여자회로(103)에 명령한다.
이 경우, 여자전류(Iex)의 상승파형이 공급전류(I=7.2㎃)를 초과할 때까지 전하가 여분의 전력에 의해 커패시터(C2)에 축적된다. 여자전류(Iex)가 공급전류(I=7.2㎃)를 초과하는 동안, 제너 다이오드(ZD1)로의 전류는 커패시터(C2)에서 이탈된 전하에 의해 부가적으로 공급(보상)된다. 따라서, 여자전압(Vex)에서의 강하가 억제되거나, 여자전압(Vex)이 강하없이 기설정된 값으로 유지된다. 따라서, 여자전류(Iex)의 상승파형은 심지어 공급전류(I=7.2㎃)를 초과한 후에도 급격하게 만곡되지 않으며, 충분히 긴 정상상태 영역(ta)이 보장된다.
측정값이 20%값인 경우가 위에서 설명되었다. 상술한 바와 동일한 작동이 측정값이 50%에 이르기 바로 전에 전간격에서 행해진다. 따라서, 측정값이 20%값(포함)에서 50%값(제외)의 범위에 있는 간격에서, 5㎳ 이상 대응하는 정상상태 영역(ta)을 보장하는 여자전류(Iex)의 상승파형을 얻을 수 있다.
측정값이 50% 값에 이른 후, 이 때 공급전류(I)보다 더 작은 값이 지시값으로서 여자회로(103)에 출력된다. 따라서, 제너 다이오드(ZD1)로의 전류가 감소되지 않는다. 여자전압(Vex)은 커페시터(C2)에서 축적된 전하에 의해 부가적인 전류를 제공함이 없이도 기설정된 값으로 유지된다. 이 간격에서 여자전류(Iex)의 값은 12㎃만큼 충분히 커서, 유량측정의 안정성이 보장된다.
이 실시예에 따르면, 낮은 유동율 영역에서 여자전류(Iex)의 값과 유량측정의 안정성이 증가될 수 있다.
상술한 실시예에서, 측정값이 0%값(포함)에서부터 5%값(제외)의 범위인 전간격에서나, 측정값이 5%값(포함)에서부터 20%값(제외)의 범위인 전간격에서, 이 때 공급전류(I)보다 더 큰 값이 여자전류(Iex)의 지시값으로서 설정된다. 여자전류(Iex)의 지시값은 이들 전체 간격에서 당시 공급전류(I)보다 항상 더 크게 될 필요는 없다. 예를 들면, 여자전류(Iex)의 지시값은 측정값이 0%값에서부터 5%값의 범위인 전간격에서 4.8㎃이거나, 5%값에서부터 20%값의 범위인 전간격에서 7.2㎃일 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 여자코일에 대한 여자전류(Iex)의 값이 이 때(I < Iex)의 공급전류(I)보다 더 크게 설정되면, 여자전류(Iex)의 상승파형이 공급전류(I)를 초과할 때까지 전하들이 설계된 여분의 전력에 의해 제 1 및 제 2 선 사이에 연결된 커페시터에 축적된다. 여자전류(Iex)의 상승파형이 공급전류(I)를 초과하는 동안 여자전압회로로의 전류는 커패시터에 축적된 전하에 의해 보상된다. 따라서, 여자전압(Vex)에서의 강하가 억제되거나, 여자전압(Vex)이 강하없이 기설정된 값으로 유지된다.
결론적으로, 여자전류(Iex)의 상승파형은 심지어 공급전류(I)를 초과한 후에도 급격하게 만곡되지 않으며, 충분히 긴 정상상태 영역(ta)이 보장된다. 따라서, 낮은 유동율 영역에서 여자전류(Iex)의 값과 유량측정의 안정성이 증가될 수 있다.
종래의 2선식 전자 유량계(100)는 낮은 유동율 영역에서 여자전류의 값이 작아지고, 이에 따라 자속밀도도 낮아져 유량측정이 불안정한 반면에, 본 발명에 따른 2선식 전자 유량계(100A)는 여자회로(3)의 선(LA 및 LB) 사이에 단지 커패시터(C2)를 추가함으로써, 낮은 유동율 영역에서도 여자전류의 값을 증가시켜 유량측정을 보다 더 안정적으로 수행할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 2선식 전자 유량계의 개략적인 회로배열을 도시한 회로도이다.
도 2는 도 1에 도시된 2선식 전자 유량계에서 측정값에 따른 여자전류(Iex)의 지시값을 도시한 그래프이다.
도 3은 0% 값(포함)에서 5% 값(제외)의 측정값에 대한 여자전류(Iex)의 지시값이 도 1에 도시된 2선식 전자 유량계에서 4.8㎃로 설정될 때, 0% 값의 측정값에서 여자전압(Vex)과 여자전류(Iex)의 상승 파형을 도시한 그래프이다.
도 4는 도 1에 도시된 2선식 전자 유량계의 단순화한 회로배열을 도시한 회로도이다.
도 5는 종래 2선식 전자 유량계의 개략적인 회로배열을 도시한 회로도이다.
도 6은 도 5에 도시된 2선식 전자 유량계에서 측정값과 여자전류(Iex)의 지시값 사이의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 7은 도 5에 도시된 2선식 전자 유량계의 단순화한 회로배열을 도시한 회로도이다.
도 8은 여자전류(Iex)의 값이 도 5에 도시된 2선식 전자 유량계에서 3.5㎃, 6.7㎃, 9.9㎃ 및 12㎃로 전환될 때 얻은 상승 파형을 도시한 그래프이다.
도 9는 0% 값(포함)에서 5% 값(제외)의 측정값에 대한 여자전류(Iex)의 지시값이 도 5에 도시된 2선식 전자 유량계에서 4.8㎃로 설정될 때, 0% 값의 측정값에서 여자전압(Vex)과 여자전류(Iex)의 상승 파형을 도시한 그래프이다.
* 주요 도면부호에 대한 간단한 설명*
100A: 2선식 전자 유량계 101: 측정관
102: 여자코일 103: 여자회로
103-1: 여자전압회로 103-2: D/A 회로
103-3: 여자전압 조절회로 104a,104b: 전극
106: 유량측정 출력회로 106-1: 신호 기전력 검출회로
106-2: 샘플-홀드 회로 106-3: A/D 변환회로
106-4: CPU 106-5: D/A 변환회로
106-6: 전류조절회로(CCS) 106-7: 일정전압회로
200: 전원장치

Claims (5)

  1. 측정관을 통해 흐르는 유체의 유동방향에 수직방향으로 자기장을 생성하는 여자코일(102);
    상기 측정관을 통해 흐르는 유체의 유동방향과 상기 여자코일에서 생성된 자기장의 방향에 수직방향으로 생성된 신호 기전력을 기초로 얻은 유량 측정값에 따라, 외부 전력이 공급되는 한 쌍의 전원공급선에 흐르는 출력전류를 조절하는 유량측정 출력회로(106); 및
    상기 한 쌍의 전원공급선 사이의 상기 유량측정 출력회로에 직렬로 연결되고 여자전류로서 상기 여자코일에 상기 출력전류의 일부를 공급하는 여자회로(103)를 구비하고,
    상기 여자회로는 제 1 및 제 2 선 사이의 여자전압을 생성하는 여자전압회로(103-1)와,
    상기 유량측정 출력회로에 의해 조절되는 상기 출력전류의 크기에 따라 여자전류의 값을 조절하는 여자전류 조절회로(103-3), 및
    상기 제 1 및 제 2 선 사이에 상기 여자전압회로와 병렬로 연결되는 커패시터(C2)를 포함하는 것을 특징으로 하는 2선식 전자 유량계.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 유량계는 상기 여자전압회로로부터 여자전압의 극성을 주기적으로 전환하고 상기 여자전압을 상기 여자코일에 인가하는 스위치 회로(SW1-SW4)를 더 구비하고,
    상기 여자전류 조절회로는 상기 스위치를 통해 상기 제 1 및 제 2 선 사이의 상기 여자코일과 직렬로 연결되는 2선식 전자 유량계.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 유량계는 상기 유량측정 출력회로에 의해 조절되는 상기 출력전류의 크기에 따라 상기 여자전류의 값을 지시하는 명령수단(106-4)을 더 구비하고,
    상기 명령수단은, 여자전류의 값으로서, 유량 측정값이 0에서 기설정된 값까지의 범위에 있는 간격에서 상기 유량측정 출력회로에 의해 조절되는 상기 출력전류의 최소값보다 더 큰 값을 지시하며,
    상기 여자전류 조절회로는 상기 명령수단에 의해 주어진 지시값에 따라 여자전류의 값을 조절하는 2선식 전자 유량계.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 커패시터는 상기 여자전류가 공급전류를 초과하기 전에 여분의 전력으로 충전되고, 상기 여자전압회로로부터 상기 여자전류가 상기 공급전류를 초과한 후, 상기 여자전류는 상기 커패시터로부터 이탈된 전하에 의해 보상되는 2선식 전자 유량계.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 커패시터는 적어도 수 백 ㎌의 충전용량 값을 갖는 2선식 전자 유량계.
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