KR101014314B1 - 유량계 필터 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 유량계 필터 시스템(200)은 제1 버전의 유량계 신호를 수신하고 유량계 신호로부터 유량계 데이터를 필터링하여 잡음 신호를 남기도록 구성된 잡음 통과 필터(203), 잡음 통과 필터(203)로부터 잡음 신호를 수신하고 잡음 신호의 잡음 특성들을 측정하도록 구성된 잡음 정량자(204), 잡음 정량자(204)로부터 잡음 특성들을 수신하고 잡음 특성들을 기초로 댐핑값을 생성하도록 구성된 댐핑 조절기(205), 및 제 2 버전의 유량계 신호를 수신하고 댐핑 조절기(205)로부터 댐핑값을 수신하며, 댐핑값을 기초로 제 2 버전의 유량계 신호를 댐핑하여 필터링된 유량계 신호를 생성하도록 구성된 필터 부재(206)를 포함한다.

Description

유량계 필터 시스템 및 방법{FLOW METER FILTER SYSTEM AND METHOD}
본 발명은 유량계 신호로부터 잡음을 제거하는 분야에 관한 것으로, 특히 유량계 신호로부터 크로스토크(cross-talk) 잡음과 같은 순회형 잡음의 제거에 관한 것이다.
질량 유속, 밀도 및 유동 물질들에 대한 다른 정보를 측정하는데 유량계가 사용된다. 유동 물질들은 액체, 기체, 혼합된 액체 및 기체, 액체 속에 떠있는 고체 및 기체와 떠있는 고체를 포함하는 액체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 유량계는 석유와 석유 제품의 유정 생산(well production) 및 정류에 널리 사용된다. 유량계는 유속을 측정함으로써(즉, 유량계를 통해 질량 유속을 측정함으로써) 유정 생산을 판단하는데 사용될 수 있으며, 유량의 기체 및 액체 성분들의 상대비를 결정하는데에도 사용될 수 있다.
생산 또는 처리 환경에서는, 동일한 공정 라인에 연결되고/연결되거나 하나의 유량계로부터의 진동이 다른 유량계에 이를 수 있는 방식으로 장착된 다수의 유량계를 갖는 것이 일반적이다. 이는 유량 측정에 효과적이지만, 다수의 유량계는 크로스토크 잡음 형태로 서로 연계될(interface) 수 있다. 크로스토크는 제 1 유량계로부터의 유량계 신호가 제 2 유량계로부터의 유량계 신호에 영향을 주고 훼손시킬 때(그리고 역으로의)의 현상이다. 유량계 환경에서의 크로스토크 잡음은 공통적으로 1헤르츠(㎐)보다 통상 빠르지 않은 비교적 크고 느리게 움직이는 신호이다. 잡음은 유량계 신호의 정확도를 떨어뜨릴 수 있으며, 매우 큰 표시 유량 오차를 이끌 수 있다. 또한, 다른 요인 및 다른 원인으로 인해 잡음이 발생할 수 있다.
도 1은 시간에 대한 유량계 출력 신호의 그래프이다. 도면은 유량계 신호가 다른 유량계에 의해 어떻게 영향을 받는지를 보여준다. 도면에서 시간대(101, 103)는 3개의 유량계가 출력을 발생시키고 있을 때 2개의 다른 유량계가 현재 유량계 출력에 크로스토크 잡음을 발생시키는 유량계 신호를 나타낸다. 시간대(102)는 하나의 다른 연계 유량계만이 활성화 상태일 때의 유량계 신호이다. 발생한 잡음은 그래프 전체에 걸쳐 진폭과 주파수 모두 달라짐에 유의한다.
종래 기술은 고역 필터링과 같은 종래의 필터링 기술의 사용을 통해 잡음 및 크로스토크 잡음을 다루고자 하였다. 그러나 크로스토크 잡음과 실제 유량계 데이터 사이의 비교적 작은 주파수 차로 인해, 그리고 유량계에 의해 출력된 저주파수 데이터 신호들로 인해, 유량계 데이터를 손상시키지 않고 잡음을 제거하는 것이 어려웠다.
본 발명은 유량계 신호로부터 잡음을 제거하여 상기 문제들의 해결에 도움을 준다.
본 발명의 실시예에 따라 유량계 필터 시스템(200)이 제공된다. 유량계 필터 시스템(200)은 제1 버전의 유량계 신호를 수신하고 상기 유량계 신호로부터 유량계 데이터를 필터링하여 잡음 신호를 남기도록 구성된 잡음 통과 필터(203)를 포함한다. 유량계 필터 시스템(200)은 상기 잡음 통과 필터(203)로부터 잡음 신호를 수신하고 상기 잡음 신호의 잡음 특성들을 측정하도록 구성된 잡음 정량자(noise quantifier)(204)를 더 포함한다. 유량계 필터 시스템(200)은 상기 잡음 정량자(204)로부터 잡음 특성들을 수신하고 상기 잡음 특성들을 기초로 댐핑값을 생성하도록 구성된 댐핑 조절기(205)를 더 포함한다. 유량계 필터 시스템(200)은 제 2 버전의 유량계 신호를 수신하고 상기 댐핑 조절기(205)로부터 댐핑값을 수신하도록 구성된 필터 부재(206)을 포함하며, 상기 필터 부재(206)은 또한 상기 댐핑값을 기초로 상기 제 2 버전의 유량계 신호를 댐핑하여 필터링된 유량계 신호를 생성하도록 구성된다.
본 발명의 일실시예에 따라 유량계 신호로부터 잡음을 제거하는 방법이 제공된다. 상기 방법은 유량계 신호를 수신하는 단계, 상기 유량계 신호가 실질적으로 정지상태라면 필터링된 유량계 신호를 산출하기 위해 상기 유량계 신호에 큰 댐핑값을 적용하는 단계, 및 상기 유량계 신호가 전이되고 있다면 상기 필터링된 유량계 신호를 산출하기 위해 상기 유량계 신호에 작은 댐핑값을 적용하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일실시예에 따라 유량계 신호로부터 잡음을 제거하는 방법이 제공된다. 상기 방법은 유량계 신호를 수신하는 단계, 제1 버전의 유량계 신호에서 실질적으로 잡음 신호를 필터링하는 단계, 잡음 신호를 측정하여 잡음 특성들을 구하는 단계, 상기 잡음 특성들으로부터, 상기 유량계 신호로부터 상기 잡음 신호를 실질적으로 제거하도록 선택되는 댐핑값을 결정하는 단계, 및 필터링된 유량계 신호를 산출하기 위해 상기 댐핑값을 사용하여 제 2 버전의 유량계 신호에서 실질적으로 상기 잡음을 댐핑하는 단계를 포함한다.
본 발명의 한 측면은 상기 댐핑하는 단계 이전에 유량계 신호를 원래의 값에서 정규화된 값으로 정규화시키는 단계, 및 상기 댐핑하는 단계의 필터링된 유량계 신호를 실질적으로 상기 원래의 유량계 신호 크기로 다시 스케일링하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 측면에서, 상기 방법은 제 2 버전의 유량계 신호와 필터링된 유량계 신호간의 오차값을 결정하고, 상기 오차값을 다시 상기 댐핑값을 결정하는 단계에 공급하며, 상기 오차값은 상기 댐핑값 결정에 포함된다.
본 발명의 다른 측면에서, 잡음 통과 필터 및 필터 부재는 디지털 필터를 포함한다.
본 발명의 다른 측면에서, 잡음 통과 필터 및 필터 부재는 무한 임펄스 응답(IIR) 디지털 필터를 포함한다.
본 발명의 다른 측면에서, 잡음 통과 필터 및 필터 부재는 2차 IIR 디지털 필터를 포함한다.
본 발명의 다른 측면에서, 댐핑 조절기는 또한 잡음 특성들 및 댐핑 지연 계수에 기초하여 댐핑값을 생성하도록 구성된다.
본 발명의 다른 측면에서, 유량계 신호는 코리올리(Coriolis) 유량계 신호를 포함한다.
모든 도면에서 동일한 구성요소는 동일한 참조부호로 나타낸다.
도 1은 시간에 대한 유량계 출력 신호의 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 유량계 필터 시스템이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 잡음 통과 필터의 크기 및 위상 응답을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 유량계 신호로부터의 잡음 제거 방법의 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 유량계 신호로부터의 잡음 제거 방법의 흐름도이다.
도 6은 유량계 신호로부터의 잡음 댐핑 제거를 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 댐핑 조절기의 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 유량계 필터 시스템에 구현될 수 있는 여러 댐핑값의 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 댐핑값의 램핑(ramping)을 나타내는 그래프이다.
도 2 ~ 도 9 및 다음 설명은 본 발명의 최상의 형태를 어떻게 구성하고 이용하는지를 당업자에게 알려주기 위한 본 발명의 특정한 예시들을 나타낸다. 발명의 원리를 알려주기 위해, 본 발명의 일부 종래의 측면은 간소화되거나 생략되었다. 당업자들은 본 발명의 범위 내에 있는 예시들로부터의 변형을 인지할 것이다. 당업자들은 후술하는 특징들이 여러 가지 방법으로 조합되어 본 발명의 여러 변형을 형성할 수 있음을 인지할 것이다. 그 결과, 본 발명은 후술하는 특정 예시들에 한정되는 것이 아니라 청구항 및 그 등가물에 의해서만 한정된다.
유량계 필터 시스템 - 도 2
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 유량계 필터 시스템(200)이다. 유량계 필터 시스템(200)은 하나 이상의 유량계로부터 유량계 신호를 수신하고, 유량계 신호에서 실질적으로 잡음을 필터링한다. 유량계는 코리올리(Coriolis) 유량계, 터빈 유량계, 자기 유량계 등을 포함하는 임의의 종류의 유량계를 포함할 수 있다. 도시된 실시예의 유량계 필터 시스템(200)은 정규화기(201), 스케일러(202), 잡음 통과 필터(203), 잡음 정량자(204), 댐핑 조절기(205) 및 필터 부재(206)을 포함한다. 다른 유량계 필터 구성이 예상되며, 도시한 실시예는 예시를 위해 제공된 것임을 이해해야 한다.
정규화기(201)는 유량계 신호 및 최대 유량값을 수신하고, 필터 부재(206)에 연결된 출력을 갖는다. 잡음 통과 필터(203)는 또한 유량계 신호(즉, 제1 버전의 유량계 신호)를 수신하고, 잡음 정량자(204)에 연결된 출력을 갖는다. 잡음 정량자(204)는 잡음 통과 필터(203)의 출력을 수신하고, 댐핑 조절기(205)에 연결된 최대 잡음 출력 및 제로 오프셋 출력을 갖는다. 댐핑 조절기(205) 또한 최대 유량값을 수신하고, 잡음 정량자(204)로부터 출력된 최대 잡음 출력 및 제로 오프셋을 수신하며, 필터 부재(206)으로부터 출력된 오차값을 수신한다. 댐핑 조절기(205)는 댐핑값 출력을 갖는다. 필터 부재(206)은 정규화기(201)로부터 출력된 정규화된 유량계 신호(즉, 제 2 버전의 유량계 신호) 및 댐핑 조절기(205)로부터 출력된 댐핑값을 수신하고, 출력으로서 오차값 및 잡음이 댐핑된 필터링된 유량계 신호를 갖는다. 스케일러(202)는 필터 부재(206)로부터 출력된 필터링된 유량계 신호를 수신하고, 최대 유량값의 한 형태를 수신하며, 스케일링되고 필터링된 형태의 유량계 신호를 출력한다.
동작시 유량계 신호가 유량계 필터 시스템(200)에 입력된다. 유량계 필터 시스템(200)은 잡음의 잡음 특성들을 측정하고, 잡음 특성들으로부터 필터 부재(206)에 입력되는 댐핑값을 결정한다. 필터 부재(206)는 댐핑값에 따라 유량계 신호를 댐핑한다. 크로스토크 잡음과 같은 잡음은 통상적으로 유량계 데이터 출력보다 주파수/응답 시간이 더 빠르므로 필터 부재(206)에 의해 댐핑된다. 따라서 유량계 필터 시스템(200)은 유량계 데이터에 실질적으로 영향을 주거나 손상시키지 않고 잡음을 제거한다.
크로스토크 잡음의 필터링 외에도, 유량계 필터 시스템(200)은 물리적 이동이나 진동과 같은 다른 소스로부터의 외부 잡음을 최소화할 수 있다. 예를 들어, 용적식 펌프(positive displacement pump)는 측정되고 있는 유량에 주기적 진동을 준다. 어떤 경우에는, 평균 유량 신호만을 측정 및 보고하기 위해, 이러한 순환적 잡음을 제거하는 것이 유리한다.
댐핑은 주파수에 기초한 신호 스윙의 변화를 막는 것이다. 기본(underlying) 유량계 신호보다 빠른 속도로 잡음 신호가 변하고 있을 때, 잡음 신호를 제거하기 위해 댐핑이 사용될 수 있다. 따라서 댐핑은 유량계 데이터 신호에 겹쳐진 잡음 신호를 제거할 수 있다. 댐핑값은 예를 들어 표에서 선택될 수 있다. 선택은 잡음 진폭 범위와 같이 하나 이상의 입력을 기초로 할 수 있다(하기의 표 1 및 수반된 설명 참조). 디지털 필터 실시예에서, 댐핑값은 필터 계수를 나타낼 수 있다.
그러나 유속 변화가 발생할 때 댐핑이 유량계 신호에 악영향/손상시키는 것을 막기 위해, 댐핑값은 유량계 신호의 전이 동안 더 작게 선택될 수 있다. 유량계 데이터에서 전이는 비교적 크거나 빠른 변화이다. 예를 들어, 유량계가 온라인 또는 오프라인일 때, 유량계를 통과하는 유동 물질의 양이 상당한 양만큼 변화할 때, 액체 유동 물질에 기체의 기포나 포켓이 나타날 때 등, 전이가 발생할 수 있다. 일 실시예에서, 전이시 유량계 필터 시스템(200)의 응답 시간이 감소한다. 따라서 전이가 지나고 유량계 신호가 또 실질적으로 정지(즉, 안정)하게 될 때까지 더 낮은 레벨로 잡음이 댐핑된다. 이때, 댐핑값이 증가할 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 댐핑은 대부분의 또는 모든 잡음 신호를 최적으로 댐핑하도록 동적으로 제어된다.
정규화기(201)는 입력된 최대 유량값을 기초로 유량계 신호를 정규화된 유량계 신호로 변환한다. 최대 유량값은 유량계 신호의 상한이고, 유량계 종류나 유동 물질 종류 등에 따라 설정된 조정 프로세스에 의해 결정된 값일 수 있다. 최대 유량값은 일정할 수도 있고, 시간에 따라 변하고 가변적일 수도 있다. 정규화기(201)는 최대 유량값을 이용하여 유량계 신호 입력을 최대 유량값보다 크지 않게 정규화한다. 이는 유량계 필터 시스템(200)이 임의의 종류의 유량계에 임의의 유량 신호 레벨로 사용될 수 있도록, 즉 유량계 필터 시스템(200)이 유량계 종류 및 유량 상태에 관계없도록 이루어질 수 있다. 일 실시예에서, 정규화는 다음 식에 따라 이루어진다:
Figure 112006015667948-pct00001
(1)
스케일러(202)는 정규화기(201)의 보완물(complement)이다. 스케일러(202)는 필터 원소(206)로부터 필터링되고 정규화된 유량계 신호를 수신하여, 이를 다시 입력된 유량계 신호와 거의 동일한 진폭으로 스케일링한다. 이는 필터링된 출력에 최대 유량값을 곱하여 이루어진다. 최대 유량값에 의한 곱셈은 정규화기(201)에서 최대 유량값으로 유량계 신호를 나눈 것을 보완한다.
잡음 통과 필터(203)는 정규화되지 않은 유량계 신호(제 2 버전)를 수신하여 잡음 신호만을 통과시킨다(즉, 유량계 데이터가 차단된다). 잡음 통과 필터(203)의 목적은 유량계 신호에 나타나는 크로스토크 잡음의 크기를 결정하기 위한 것이다. 잡음 통과 필터(203)는 예를 들어 고역 통과 또는 대역 통과 필터의 구현과 같이 실질적으로 약 0.025헤르츠(㎐) 내지 약 1㎐ 범위의 주파수를 통과시키는 임의의 필터일 수 있다. 일 실시예에서, 잡음 통과 필터(203)는 교류(AC) 결합 필터(즉, 아날로그 필터)를 포함한다. 다른 실시예에서, 잡음 통과 필터(203)는 2차 무한 임펄스 응답(IIR) 디지털 필터를 포함하여 IIR 디지털 필터를 포함한다.
잡음 통과 필터(203)는 바람직하게 0.025㎐ 이상의 주파수에 대해 이득 1 및 위상 0을 제공하도록 선택된 필터 계수를 갖는다. 일 실시예에서, 잡음 통과 필터(203)는 다음과 같이 표현된 변환 함수를 갖는다:
Figure 112006015667948-pct00002
(2)
여기서 Z 변환 변수 Z-1은 시간(t-1)에서의 이전 출력이고, Z 변환 변수 Z-2는 시간(t-2)에서의 이전 출력이며, 0.9993, 1.9986 등의 수치는 필터 계수이다. Z 변환 변수는 일반적으로 다음을 표현하는데 사용된다:
Z = e-jω (3)
상기에 주어진 필터 계수 수치는 단지 설명을 위해 제공된 예이며, 본 발명은 주어진 값에 한정되지 않는 것으로 이해해야 한다. 필터 계수는 필터 종류, 잡음을 발생시키는 필터 수, 유량 상태, 주변 상태 등에 따라 달라질 수 있다.
잡음 통과 필터 크기 및 위상 그래프 - 도 3
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 잡음 통과 필터(203)의 크기 및 위상 응답을 나타낸다. 도시한 예에서, 주파수는 1의 값으로 정규화되었다. 주파수 범위의 하한에서의 잡음 통과 필터(203) 응답이 주요 관심이기 때문에, 디지털 필터 실시예에서는 입력 신호의 샘플링 속도를 조정함으로써 잡음 통과 필터(203)의 성능을 향상시키는 것이 가능하다. 이론적으로, 잡음 통과 필터(203)는 잡음 신호 부재를 감쇠시키지 않아야 하며, 0.025㎐ 이상의 주파수에서 0㏈의 크기 및 0도의 위상 시프트를 갖는 잡음 성분을 출력하게 된다. 20㎐의 샘플링 속도로, 실제 디지털 필터 구현에서 0.20㎐ 잡음 신호의 출력 크기는 약 -0.22㏈로 측정되었다. 5㎐의 샘플링 속도로, 크기는 약 -0.0141㏈로 측정되어 상당히 개선되었다. 그러나 더 느린 샘플링 속도의 하향 면은 응답 시간의 더 큰 지연이다. 따라서 샘플링 속도는 조정 또는 동작시 구성될 수 있는 조정 가능한 파라미터이다.
다시 도 2를 참조하면, 잡음 정량자(204)는 잡음 통과 필터(203)에 의해 출력된 잡음 신호를 측정하고, 잡음 신호의 잡음 특성들을 생성한다. 일 실시예에서, 잡음 정량자(204)는 잡음 신호의 최대 잡음 레벨 및 제로 오프셋 레벨(즉, 평균 잡음량 제로로부터의 오프셋)을 측정한다. 제로 오프셋/평균 잡음량은 잡음 통과 필터(203)가 실질적으로 일정한(즉, 정지) 상태로 안정되었는지 여부에 관한 표시자 역할을 한다(도 8 및 수반된 설명 참조).
일 실시예에서 잡음 정량자(204)는 샘플 주기에 걸쳐 잡음 데이터를 누적하고 샘플 주기에 대한 잡음 특성들을 측정한다. 이는 잡음을 정확하게 특성화하고 잡음 편차가 특성에 과도하게 영향을 주는 것을 막도록 이루어질 수 있다. 가장 느린 예상 잡음 신호는 적어도 0.025㎐(이는 40초의 파장을 제공)로 규정되기 때문에, 적어도 40초의 데이터를 포함하는 샘플에 대한 평균 잡음량 값을 계산하는 것이 중요하다.
댐핑 조절기(205)는 유량계 신호의 잡음을 댐핑하는데 사용되는 댐핑값을 발생시킨다. 댐핑 조절기(205)의 목적은 현재 잡음 레벨 및 현재 유량 변동을 기초로 필터 부재(206)의 댐핑값을 적응적으로 변화시키는 것이다. 댐핑 조절기(205)는 필터 부재(206)에 의해 발생한 오차값과 함께, 잡음 정량자(204)로부터의 잡음 특성들 및 최대 유량값을 입력으로서 수신한다. 오차값은 정규화된 유량계 신호에서 잡음이 어떻게 완전히 댐핑되고 있는지에 관한 피드백을 포함한다. 댐핑 조절기는 최대 유량값으로 제로 오프셋을 나누어 잡음 신호가 실질적으로 0을 중심으로 하는지 여부를 판단한다(즉, 댐핑 조절기(205)는 평균 잡음량이 미리 결정된 정지 문턱값 이하인지 여부를 판단한다). 댐핑 조절기(205)의 일 실시예는 도 7과 관련하여 하기에 상세히 설명한다.
일 실시예에서 댐핑 조절기(205)는 입력된 잡음 및 오차값을 댐핑값 표에서 입력으로 사용하여 적절한 댐핑값을 검색한다. 하기의 표 1은 댐핑값 표의 일 실시예의 예이다.
댐핑값 낮은 범위 높은 범위
0
1
2
4
8
16
32
64
128
256
512		 NC*(1+RC*0.256)
NC*(1+RC*0.128)
NC*(1+RC*0.064)
NC*(1+RC*0.032)
NC*(1+RC*0.016)
NC*(1+RC*0.008)
NC*(1+RC*0.004)
NC*(1+RC*0.002)
NC*(1+RC*0.001)
NC*(1+RC*0.0005)
NC*(1+RC*0.256)
NC*(1+RC*0.128)
NC*(1+RC*0.064)
NC*(1+RC*0.032)
NC*(1+RC*0.016)
NC*(1+RC*0.008)
NC*(1+RC*0.004)
NC*(1+RC*0.002)
NC*(1+RC*0.001)
NC*(1+RC*0.0005)
여기서 NC는 잡음 플로어(noise floor)인 정규화된 잡음 데이터 상수이고, RC는 미리 결정된 스케일링 상수이다. 미리 결정된 스케일링 상수(RC)는 선택적인 특징이며, 전반적인 스케일링 변경을 하기 위해 상기 표에 포함될 수 있다. 댐핑값을 결정하기 위해 정규화된 오차값이 검색표와 비교된다.
일 실시예에서 댐핑 조절기(205)는 댐핑값을 현재 댐핑값에서 새로운 댐핑값으로 램핑할 수 있으며, 댐핑값을 즉시 완전히 변경하는 것은 아니다. 느린 댐핑값에서 빠른 댐핑값으로의 신속한 전이를 가능하게 하는 것이 중요하지만, 댐핑 조절기(205)가 얼마나 빨리 느린 댐핑값으로 되돌아가는지를 제한하는 것도 중요하다. 새로운 댐핑값이 이전 댐핑값보다 빠르다면(즉, 댐핑값이 더 작다면), 새로운 댐핑값이 필터 부재(206)에 직접 전송된다. 그러나 새로운 댐핑값이 이전 댐핑값보다 느리다면(즉, 댐핑값이 더 크다면), 출력된 댐핑값은 새로운 댐핑값으로 느리게 상승한다(도 7 및 수반된 설명 참조).
필터 부재(206)은 댐핑값을 수신하고 정규화된 유량계 신호를 댐핑하도록 구성된다. 일 실시예에서 필터 부재(206)은 2차 필터를 포함한다. 다른 실시예에서, 필터 부재(206)은 2차 IIR 디지털 필터를 포함하여 IIR 디지털 필터를 포함한다. 아날로그 필터와 반대로 디지털 필터를 사용하는 이점은 동작시 디지털 필터는 동적으로 제어될 수 있다는 점이다. 따라서 유량계 데이터 신호에 영향을 주지 않고 최적으로 잡음을 제거하도록 댐핑량이 변경될 수 있다. 일 실시예에서, 필터 부재(206)는 다음의 변환 함수들을 갖는 2차 IIR 디지털 필터를 포함한다:
Figure 112006015667948-pct00003
(4)
Figure 112006015667948-pct00004
(5)
여기서 t는 시간 샘플값이고, Ut는 현재 입력값이며, Xt는 현재 입력 샘플 Ut 및 이전 X 값 Xt -1로부터 결정되고, Yt는 현재 입력 샘플 Ut, 계산된 값 Xt 및 이전 출력값 Yt-1로부터 결정된 출력으로 정의된다. 상술한 것과 같은 디지털 필터는 예를 들어 디지털 신호 처리기(DSP) 장치 등의 처리 시스템에 구현될 수 있다.
유량계 필터링 방법 - 도 4
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 유량계 신호로부터의 잡음 제거 방법의 흐름도(400)이다. 단계(401)에서 유량계 신호가 수신된다. 유량계 신호는 유량계 신호의 정규화를 포함하여 임의의 방식으로 전처리될 수 있다.
단계(402)에서 유량계 신호가 실질적으로 정지 상태라면, 상기 방법은 단계(403)로 분기하고, 그렇지 않으면 단계(404)로 분기한다.
단계(403)에서 유량계 신호는 실질적으로 정지 상태이기 때문에, 큰 댐핑값이 유량계 신호에 적용된다. 유량계 신호는 비교적 느리게 변하기 때문에, 유량계 신호의 유량계 데이터에 영향을 주지 않고 상당량의 댐핑이 적용될 수 있으며, 큰 댐핑에 의해 유량계 신호의 잡음 성분이 감쇠된다.
단계(404)에서 유량계 신호는 큰 또는 빠른 값의 변화를 받기 때문에, 유량계 신호에 작은 댐핑값이 적용된다. 이런 식으로, 유량계 신호의 잡음 성분이 상당히 제거되지만 유량계 데이터에 영향을 주지 않는다.
유량계 필터링 방법 -도 5
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 유량계 신호로부터의 잡음 제거 방법의 흐름도(500)이다. 단계(501)에서는 상술한 바와 같이 유량계 신호가 수신된다.
단계(502)에서 거의 순수한 잡음 신호를 얻기 위해 제1 버전의 유량계 신호에서 유량계 데이터가 실질적으로 필터링된다. 잡음을 특성화하고 유량계 신호에서 잡음을 동적으로 댐핑하도록 측정이 실행될 수 있다. 예를 들어, 상술한 바와 같이 고역 통과 또는 대역 통과 필터에 의해 데이터가 제거될 수 있다.
단계(503)에서 잡음이 측정되고, 이로써 잡음 특성들이 얻어진다. 잡음 특성들은 상술한 바와 같이 최대 잡음 진폭 및 제로 오프셋을 포함할 수 있다. 잡음 특성들은 동적이며 시간에 따라 변할 수 있는 것으로 이해해야 한다. 예를 들어, 잡음 특성들은 일반적으로 다른 유량계가 공정 라인에 연결되어 크로스토크 잡음을 발생시킬 때 변화한다. 그러나 예컨대 펌핑 장비로부터의 주위 잡음과 같이 다른 잡음 소스 또한 고려될 수 있다.
단계(504)에서는 현재 잡음 특성들으로부터 댐핑값이 결정된다. 댐핑값은 유량계 신호로부터 실질적으로 잡음을 제거하지만 유량계 신호에 악영향을 거의 주지 않는 댐핑량을 나타낸다.
단계(505)에서 댐핑값 및 유량계 신호가 필터 부재(206)에 입력되고, 필터 부재(206)은 댐핑값을 이용하여 잡음을 댐핑한다. 또한, 댐핑은 현재 댐핑값에서 새로운 댐핑값으로 램핑될 수 있다.
댐핑 효과 그래프 - 도 6
도 6은 유량계 신호로부터의 잡음 댐핑 제거를 설명하는 그래프이다. 그래프는 유량계 신호(601)와 잡음 신호(602)를 포함한다. 잡음 신호(602)가 댐핑될 때 유량계 신호(601)가 구형파에 가깝다는 점을 도면으로부터 알 수 있다. 시간(605)에서 단계적 변화가 발생하면, 필터 시스템의 응답 시간은 매우 빠른 응답 시간 필터로 변화한다. 이 시간 동안 필터링된 신호는 필터 시스템(200)이 결국 매우 댐핑된 신호로 복귀할 때까지 원래의 유량계 신호와 점점 비슷해지게 된다.
댐핑 조절기 - 도 7
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 댐핑 조절기(205)의 도면이다. 이 실시예에서 댐핑 조절기(205)는 절대값 블록(701, 703), 곱셈 블록(702, 706), 스위칭 블록(704, 710), (예를 들어 1/Z 단위 지연 블록 등의) 단위 지연 블록(705, 712), 인터페이스(707), 댐핑값 블록(708), 비교 연산자 블록(709) 및 댐핑 지연 계수 블록(711)을 포함한다. 댐핑 조절기(205)는 상술한 바와 같이 오차, 최대 잡음, 최대 유량값 및 제로 오프셋 입력을 포함하며, 댐핑값을 출력한다.
곱셈 블록(702)은 제로 오프셋을 최대 유량값으로 나누어 잡음값을 생성한다. 잡음값은 평균 잡음량을 나타내며, 잡음 신호에서 0까지의 거리를 나타낸다. 이 잡음값이 미리 결정된 정지 문턱값보다 작으면, 잡음 레벨은 실질적으로 정지인 것으로 결정되므로 댐핑값 검색 블록(708)에 사용되기에 충분히 정확하다.
절대값 블록(701, 703)은 각각의 입력의 절대값을 취한다. 절대값 블록(703)은 스위칭 블록(705)에 양의 잡음값을 출력한다. 절대값 블록(701)은 인터페이스(707)에 양의 오차값을 출력한다.
스위칭 블록(704)은 최대 잡음값, 잡음값 및 단위 지연 블록(705)에 의해 산출된 단위 지연을 수신한다. 스위칭 블록(704)은 잡음값이 최대 잡음값보다 작다면 잡음값을 출력하고, 그렇지 않으면 최대 잡음값을 출력하도록 구성된다. 또한, 스위칭 블록(704)은 잡음값이나 최대 잡음값을 출력하지 않을 때 (단위 지연 블록(705)으로부터의) 이전 스위치 출력을 출력할 수 있다. 스위칭 블록(704)의 출력은 단위 지연 블록(705)의 입력 및 곱셈 블록(706)에 연결된다.
곱셈 블록(706)은 잡음값 및 최대 유량값 또한 수신한다. 곱셈 블록(706)은 최대 유량값을 잡음값으로 나누어 인터페이스(707)에 출력된 정규화된 잡음값을 산출한다.
인터페이스(707)는 정규화된 오차 신호 및 정규화된 잡음 신호를 댐핑값 검색 블록(708)에 전달한다. 일 실시예의 인터페이스(707)는 정규화된 잡음 신호 및 정규화된 오차 신호를 벡터 형식으로 멀티플렉싱하며, 댐핑값 검색 블록(708)은 단일 입력을 수신한다.
댐핑값 검색 블록(708)은 정규화된 오차 및 정규화된 잡음 입력으로부터 댐핑값을 생성한다. 일 실시예에서, 댐핑값 검색 블록(708)은 도 2와 관련하여 상술한 표 1과 같이, 댐핑값을 구하기 위해 표 검색을 실행한다. 댐핑값 검색 블록(708)은 비교 연산자 블록(709)에 댐핑값을 출력한다.
댐핑값 조절기(205)의 최종 스테이지(즉, 부재(709~712))는 댐핑값이 변경될 수 있는 비율을 제어한다. 비교 연산자 블록(709)은 (댐핑값 검색 블록(708)에 의해 출력된) 새로운 댐핑값을 댐핑 조절기(205)의 출력에서 이용 가능한 현재 댐핑값과 비교한다. 비교 연산자 블록(709)은 새로운 댐핑값이 현재 댐핑값보다 작은지 여부를 나타내는 비교 출력을 생성한다.
스위칭 블록(710)은 입력으로서 새로운 댐핑값, 현재 댐핑값 및 비교 출력을 갖는다. 스위칭 블록(710)은 비교 출력에 따라 새로운 댐핑값이나 현재 댐핑값을 선택하여 출력하도록 구성된다. 새로운 댐핑값이 현재 댐핑값보다 작으면, 스위칭 블록(710)은 새로운 댐핑값을 출력에 직접 공급한다. 그러나 새로운 댐핑값이 현재 댐핑값보다 크다면, 스위칭 블록(710)은 댐핑 지연 계수(711) 및 단위 지연(712)을 통해 새로운 댐핑값을 전달하고, 새로운 댐핑값에 지연 계수를 곱함으로써 댐핑값 출력을 현재 댐핑값에서 새로운 댐핑값으로 램핑한다. 스위칭 블록(710)은 선택된 댐핑값을 댐핑 지연 계수(711)에 출력한다.
댐핑 지연 계수(711)는 댐핑율을 정의하고 얼마나 빨리 댐핑 조절기(205)가 새로운 댐핑값으로 램핑할 수 있는지를 제어한다. 일 실시예의 댐핑 지연 계수(711)는 1보다 약간 큰 수이다. 댐핑 지연 계수(711)의 출력은 단위 지연(712)에 입력된다.
단위 지연(712)은 미리 결정된 지연 기간만큼 댐핑값을 지연시킨다. 미리 결정된 지연 기간은 일정한 값일 수도 있고, 예를 들어 표로부터 구할 수도 있다. 단위 지연(712)의 출력은 댐핑 조절기(205)의 댐핑값 출력이다. 따라서 댐핑 조절기(205)는 잡음 특성들 및 댐핑 지연 계수(711)에 기초하여 댐핑값을 생성한다.
댐핑값 그래프 - 도 8
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 유량계 필터 시스템(200)에 구현될 수 있는 여러 댐핑값의 그래프이다. 도면은 여러 댐핑값에 대해 시간에 따른 정규화 유량을 나타낸다. 댐핑값은 원하는 댐핑량뿐 아니라 원하는 잡음 댐핑을 달성하기 위해 필요한 시간 주기에 기초하여 선택될 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 댐핑값 1은 댐핑값 256보다 훨씬 빠른 응답을 갖는다.
댐핑값 램핑 그래프 - 도 9
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 댐핑값의 램핑을 나타내는 그래프이다. 직선(900)은 원하는 댐핑값인 한편, 곡선(901)은 시간에 따라 상승하는 댐핑값이다. 램핑 속도는 미리 결정된 기간의 시간에 걸쳐 시작점에서 목표 댐핑값까지 램핑하도록 선택될 수 있다.
유리하게, 본 발명에 따른 유량계 필터링은 크로스토크 잡음을 포함하는 잡음이 유량계 신호에서 필터링될 수 있게 한다. 필터링은 유량계 신호의 유량계 데이터를 손상시키지 않고 이루어진다. 또한, 필터링은 유량계 데이터의 데이터 전이를 도모한다.
본 발명에 의해 제공되는 다른 이점은 크기이다. 저주파에 대해 구성된 아날로그 필터는 통상 물리적으로 큰 부재들을 필요로 한다. 일부 바람직한 실시예에 따른 디지털 필터 구현은 보다 최적의 필터링을 달성하지만, 물리적으로는 더 작은 부재들을 갖는다. 일부 실시예에서, 유량계 필터 시스템(200)은 예를 들어 주문형 집적 회로에 구현될 수 있다.
아날로그 필터와 반대로 디지털 필터를 사용하는 다른 이점은 디지털 필터는 동작중에 동적으로 제어될 수 있다는 점이다. 필터링은 잡음 상태 및 유량 상태/레벨에 따라 동적으로 제어될 수 있다. 따라서 댐핑량은 유량계 데이터 신호에 영향을 주지 않고 최적으로 잡음을 제거하도록 변경될 수 있다. 이는 일정량의 필터링이 수행되는 아날로그 필터링 방법과 반대이다. 이러한 일정한 필터링 방법은 데이터 신호 및 잡음 신호가 예측 가능하고 잘 움직일 때만 잘 작동한다.

Claims (36)

  1. 유량계 필터 시스템(200)으로서,
    제1 버전의 유량계 신호를 수신하고 잡음 신호를 남기도록 상기 유량계 신호로부터 유량계 데이터를 필터링하도록 구성된 잡음 통과 필터(203);
    상기 잡음 통과 필터(203)로부터 상기 잡음 신호를 수신하고 상기 잡음 신호의 잡음 특성들을 측정하도록 구성된 잡음 정량자(noise quantifier)(204);
    상기 잡음 정량자(204)로부터 상기 잡음 특성들을 수신하고 상기 잡음 특성들에 기초하여 댐핑값을 생성하도록 구성된 댐핑 조절기(205); 및
    제 2 버전의 유량계 신호를 수신하고 상기 댐핑 조절기(205)로부터 상기 댐핑값을 수신하며, 필터링된 유량계 신호를 생성하기 위해 상기 댐핑값에 기초하여 상기 제 2 버전의 유량계 신호를 댐핑하도록 구성된 필터 부재(filter element)(206)
    를 포함하며,
    상기 필터 부재(206)는 상기 제 2 버전의 유량계 신호와 상기 필터링된 유량계 신호간의 차를 포함하는 오차 신호를 생성하고 상기 오차 신호를 상기 댐핑 조절기(205)에 제공하는,
    유량계 필터 시스템(200).
  2. 청구항 2은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 1 항에 있어서,
    상기 잡음 통과 필터(203)는 교류(AC) 결합 필터를 포함하는, 유량계 필터 시스템(200).
  3. 청구항 3은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 1 항에 있어서,
    상기 잡음 통과 필터(203)는 2차 무한 임펄스 응답(IIR: Infinite Impulse Response) 디지털 필터를 포함하는, 유량계 필터 시스템(200).
  4. 청구항 4은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 1 항에 있어서,
    상기 잡음 특성들은 최대 잡음 진폭 및 제로 오프셋을 포함하는, 유량계 필터 시스템(200).
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 댐핑 조절기(205)는 미리 결정된 최대 유량값을 수신하도록 구성되는, 유량계 필터 시스템(200).
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 잡음 신호가 실질적으로 0을 중심으로 하는지 여부를 판단하기 위해, 상기 댐핑 조절기(205)는 제로 오프셋을 미리 결정된 최대 유량값으로 나누도록 구성되는, 유량계 필터 시스템(200).
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 댐핑값을 생성하기 위해, 상기 댐핑 조절기(205)는 상기 잡음 특성들을 댐핑표에 입력하도록 구성되는, 유량계 필터 시스템(200).
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 댐핑 조절기(205)는 상기 잡음 특성들 및 댐핑 지연 계수에 기초하여 상기 댐핑값을 생성하도록 구성되는, 유량계 필터 시스템(200).
  9. 청구항 9은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 1 항에 있어서,
    상기 필터 부재(206)는 2차 필터를 포함하는, 유량계 필터 시스템(200).
  10. 청구항 10은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 1 항에 있어서,
    상기 필터 부재(206)는 무한 임펄스 응답(IIR) 디지털 필터를 포함하는, 유량계 필터 시스템(200).
  11. 청구항 11은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 1 항에 있어서,
    상기 필터 부재(206)는 2차 무한 임펄스 응답(IIR) 디지털 필터를 포함하는, 유량계 필터 시스템(200).
  12. 청구항 12은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 1 항에 있어서,
    상기 잡음 신호는 약 0.025㎐ 내지 약 1.0㎐ 범위의 주파수를 갖는, 유량계 필터 시스템(200).
  13. 청구항 13은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 1 항에 있어서,
    상기 잡음 신호는 순회형(cyclic) 잡음을 포함하는, 유량계 필터 시스템(200).
  14. 청구항 14은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 1 항에 있어서,
    상기 잡음 신호는 크로스토크 잡음을 포함하는, 유량계 필터 시스템(200).
  15. 청구항 15은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 1 항에 있어서,
    상기 유량계 신호는 코리올리(Coriolis) 유량계 신호를 포함하는, 유량계 필터 시스템(200).
  16. 유량계 신호로부터 잡음을 제거하는 방법으로서,
    상기 유량계 신호를 수신하는 단계;
    제 1 버전의 유량계 신호로부터 실질적으로 잡음 신호를 필터링하는 단계;
    잡음 특성들을 얻기 위해 상기 잡음 신호를 측정하는 단계;
    상기 잡음 특성들로부터 댐핑값을 결정하는 단계 ― 상기 댐핑값은 상기 유량계 신호로부터 상기 잡음 신호를 실질적으로 제거하도록 선택됨 ― ;
    필터링된 유량계 신호를 산출하기 위해, 상기 댐핑값을 사용하여 제 2 버전의 유량계 신호로부터 실질적으로 상기 잡음을 댐핑하는 단계;
    상기 제 2 버전의 유량계 신호와 상기 필터링된 유량계 신호간의 오차값을 결정하는 단계; 및
    상기 오차값을 다시 상기 댐핑값을 결정하는 단계에 공급하는 단계 ―상기 오차 값은 상기 댐핑값 결정에 포함됨 ―
    를 포함하는, 유량계 신호의 잡음 제거 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 댐핑하는 단계 이전에 상기 유량계 신호를 원래의 값에서 정규화된 값으로 정규화시키는 단계; 및
    상기 댐핑하는 단계의 필터링된 유량계 신호를 실질적으로 원래의 유량계 신호 크기로 다시 스케일링하는 단계
    를 더 포함하는, 유량계 신호의 잡음 제거 방법.
  18. 제 16 항에 있어서, 상기 댐핑하는 단계는,
    상기 유량계 신호가 실질적으로 정지상태(quiescent)라면, 상기 유량계 신호에 큰 댐핑값을 적용하는 단계; 및
    상기 유량계 신호가 정지상태가 아니고 전이상태에 있다면, 상기 유량계 신호에 작은 댐핑값을 적용하는 단계
    를 더 포함하는, 유량계 신호의 잡음 제거 방법.
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 필터링하는 단계 이전에, 상기 제 1 버전의 유량계 신호를 샘플링하는 단계를 더 포함하는, 유량계 신호의 잡음 제거 방법.
  20. 청구항 20은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 16 항에 있어서,
    상기 잡음 특성들은 잡음 진폭 및 제로 오프셋을 포함하는, 유량계 신호의 잡음 제거 방법.
  21. 청구항 21은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 16 항에 있어서,
    상기 잡음 신호는 약 0.025㎐ 내지 약 1.0㎐ 범위의 주파수를 갖는, 유량계 신호의 잡음 제거 방법.
  22. 청구항 22은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 16 항에 있어서,
    상기 잡음 신호는 순회형(cyclic) 잡음을 포함하는, 유량계 신호의 잡음 제거 방법.
  23. 청구항 23은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 16 항에 있어서,
    상기 잡음 신호는 크로스토크 잡음을 포함하는, 유량계 신호의 잡음 제거 방법.
  24. 청구항 24은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 16 항에 있어서,
    상기 유량계 신호는 코리올리 유량계 신호를 포함하는, 유량계 신호의 잡음 제거 방법.
  25. 제 16 항에 있어서,
    잡음값을 얻기 위해, 상기 잡음 특성들의 제로 오프셋을 최대 유량값으로 나누는 단계;
    상기 잡음값을 미리 결정된 정지 문턱값과 비교하는 단계;
    상기 잡음값이 상기 미리 결정된 정지 문턱값 미만이라면, 새로운 댐핑값을 결정하기 위해 상기 결정하는 단계에서 상기 잡음값을 사용하는 단계; 및
    상기 잡음값이 상기 미리 결정된 정지 문턱값 이상이라면, 상기 댐핑하는 단계에서 현재 댐핑값을 사용하는 단계
    를 더 포함하는, 유량계 신호의 잡음 제거 방법.
  26. 삭제
  27. 삭제
  28. 삭제
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