KR101132778B1

KR101132778B1 - 코리올리 유량계 신호로부터 다상 유체의 질량 분율을신속히 결정하기 위한 방법 및 계측 전자장치

Info

Publication number: KR101132778B1
Application number: KR1020077029813A
Authority: KR
Inventors: 마크 제임스 벨; 크래이그 비. 맥카날리
Original assignee: 마이크로 모우션, 인코포레이티드
Priority date: 2005-05-20
Filing date: 2006-05-19
Publication date: 2012-04-06
Also published as: US20080184815A1; KR20110003401A; BRPI0609922A8; AU2006251657B2; AU2006251657A1; EP1889010B1; EP1889010A1; MX2007014226A; KR20080015867A; CN100549631C; JP4977131B2; JP2008541137A; HK1124113A1; CA2608838C; AR054759A1; BRPI0609922B1; RU2376555C2; US7805261B2; CN101203732A; BRPI0609922A2

Abstract

본원발명에 따라 유량계를 통해 유동하는 유동 물질에 있는 유동 성분의 질량 분율을 결정하기 위한 계측 전자장치(20)가 제공된다. 상기 계측 전자장치(20)는 상기 유동 물질의 주파수 응답을 수신하기 위한 인터페이스(201) 및 상기 인터페이스와 통신하는 처리 시스템(203)을 포함한다. 상기 처리 시스템은 상기 인터페이스(201)로부터 주파수 응답을 수신하고, 상기 주파수 응답을 적어도 가스 주파수 성분과 유체 주파수 성분으로 분리하도록 구성된다. 상기 처리 시스템(203)은 상기 주파수 응답으로부터 전체 밀도를 결정하고 상기 가스 주파수 성분으로부터 가스 밀도를 결정하도록 추가적으로 구성된다. 상기 처리 시스템(203)은 상기 가스 주파수 성분 및 유체 주파수 성분 중 하나 이상과 상기 주파수 응답으로부터 가스의 보이드 분율을 결정하도록 추가적으로 구성된다. 상기 처리 시스템(203)은 상기 가스 밀도를 상기 전체 밀도로 나눈 비율을 상기 가스의 보이드 분율에 곱한 값으로부터 상기 질량 분율을 결정하도록 추가적으로 구성된다.

질량 유동, 코리올리 유량계, 질량 분율

Description

코리올리 유량계 신호로부터 다상 유체의 질량 분율을 신속히 결정하기 위한 방법 및 계측 전자장치 {METER ELECTRONICS AND METHODS FOR RAPIDLY DETERMINING A MASS FRACTION OF A MULTI-PHASE FROM A CORIOLIS FLOW METER SIGNAL}

본원발명은 유량계를 통해 유동하는 유동 물질에 있는 유동 성분의 질량 분율을 결정하기 위한 방법 및 계측 전자장치에 관한 것이다.

1985년 1월 1일 J.E. Smith 등에게 허여된 미국 특허 번호 4,491,025 및 1982년 2월 11일 J.E. Smith 에게 허여된 Re. 31,450 호에 개시된 것과 같은 파이프라인을 통해 유동하는 물질의 질량 유동 및 기타 정보를 측정하기 위한 코리올리 질량 유량계를 사용하는 것이 공지되어 있다. 이러한 유량계는 다른 구성의 유동관을 하나 이상 구비한다. 각각의 도관 구성은 예를 들어, 단순 굽힘, 비틀림, 방사상 및 결합된 모드를 포함하는 고유 진동 모드 세트를 갖는 것으로 간주할 수 있다. 통상의 코리올리 질량 유동 측정 장치에서, 도관 구성은 물질이 도관을 통해 유동함에 따라 하나 이상의 진동 모드로 여기되며, 도관의 운동은 도관을 따라 이격되어 있는 위치에서 측정된다.

물질이 채워진 시스템의 진동 모드는 부분적으로 유동관 내의 물질 및 유동관의 결합된 질량에 의해 한정된다. 물질은 유량계의 유입구 측 상에 연결된 파이프라인으로부터 유량계로 흐른다. 이후 물질은 유동관 또는 유동관들로 향하게 되고 유량계를 떠나 배출구 측 상에 연결된 파이프라인으로 흐르게 된다.

드라이버는 유동관에 하중을 가한다. 하중은 유동관이 진동하도록 한다. 유량계를 통해 흐르는 물질이 없다면, 유동관을 따른 모든 지점은 동일한 위상으로 진동한다. 물질이 유동관을 통해 유동함에 따라, 코리올리 가속도가 유동관을 따른 각각의 위치들이 유동관을 따른 다른 위치에 대하여 다른 위상을 갖도록 한다. 유동관의 유입구 측에서의 위상은 드라이버에 뒤처지는 반면, 배출구 측에서의 위상은 드라이버를 앞선다. 유동관의 다른 위치에 센서들이 배치되어 다른 위치에서의 유동관의 운동을 나타내는 사인함수 신호를 생성한다. 두 개의 센서 신호 간의 위상차는 유동관 또는 유동관을 통해 유동하는 물질의 질량 유량에 비례한다.

상기한 바와 같은 진동 유동관 장치의 응용분야 중 하나는 유동 물질의 질량 유량을 측정하는 것이다. 그러나 몇몇 유동 측정 환경에서는, 유동 물질이 두 개 이상의 유체 상, 가스 상, 및 고체 상을 포함하는 다상 유동을 포함한다. 일반적인 다상 유동 물질은 예를 들어 공기와 같이 혼입 가스(entrained gas)를 포함하는 유체 유동 물질을 포함한다.

종래 기술의 유량계는 유동 물질의 2-상 유동 과정 동안에 픽오프 센서 주파수를 정확하거나, 빠르거나, 만족스럽게 추적하거나 결정할 수 없다. 종래 기술의 진동 유동관은 비교적 안정하고 균일한 유동 물질의 질량 유량을 측정하도록 구성된다. 그러나 유동 측정은 유동 물질의 질량을 반영하므로, 질량의 급격한 변화는 잘못된 측정치를 초래하거나 질량 유동의 변화가 유량계에 의해 파악될 수 없게 된 다. 예를 들어, 유동 물질이 혼입 공기를 포함하게 되면, 유량계를 통과하는 공기 기포는 유량계의 주파수 응답에서의 스파이크(spike)를 초래할 수 있다. 이러한 주파수 에러는 정확한 질량 유량을 결정하는데 있어서 어려움을 초래하며 다른 유동 특성의 모든 후속적인 계산을 통해 전파될 수 있다. 결과적으로, 종래 기술은 결정된 픽오프(pickoff) 주파수를 사용하여 위상차를 유도하므로, 위상(phase)의 결정도 느리고 에러가 발생하기 쉽다. 따라서, 주파수 결정에 있어서의 어떠한 에러라도 위상 결정에 있어서 심화된다. 이로써 주파수 결정 및 위상 결정에 있어서 에러가 증가하게 되고, 이는 질량 유량을 결정하는데 있어 에러를 증가시키게 된다. 또한, 결정된 주파수 값이 질량 유량 및 밀도 값(밀도는 주파수의 역수의 제곱과 거의 동일하다)을 결정하는데 사용되므로, 주파수 결정에 있어서의 에러는 질량 유량 및 밀도 결정에 있어서 반복되거나 심화된다.

유동 물질을 계측하기 위한 종래 기술에서의 접근 방식은 다상 유동의 각각의 성분을 만족스럽게 측정하지 못한다. 종래 기술의 주파수 결정은 비교적 느리다. 종래 기술의 주파수 결정은 통상적으로 적어도 1-2초의 시간 기간에 걸쳐 유동의 특성을 파악하며, 따라서 평균 주파수 측정치를 제공한다. 종래기술의 방식은 단일 상의 유동 및 단지 느리고 얌전히 변화하는 유동에 적합할 뿐이다. 종래 기술에서는 급격한 변화를 측정할 수 없다. 각각의 유동 성분의 정확한 측정은 종래기술에 의해서는 달성될 수 없다. 종래 기술은 시간상의 일 시점에서 다상 유동의 질량을 정확히 측정할 수 없다. 종래 기술은 다상 유동의 각 유동 성분의 질량 분율을 결정할 수 없다.

유량계를 통해 유동하는 가스 유동 물질에 있는 유동 성분의 질량 분율을 결정하기 위한 방법 및 계측 전자장치의 제공을 통해서 상술한 문제점 및 기타 문제점들이 해결되며 기술의 진보가 이루어지게 된다.

본원발명에 따라 유량계를 통해 유동하는 유동 물질에 있는 유동 성분의 질량 분율을 결정하기 위한 계측 전자장치가 제공된다. 상기 계측 전자장치는 상기 유동 물질의 단일(single) 주파수 응답을 수신하기 위한 인터페이스 및 상기 인터페이스와 통신하는 처리 시스템을 포함한다. 상기 처리 시스템은 상기 인터페이스로부터 상기 주파수 응답을 수신하고, 상기 주파수 응답을 적어도 가스 주파수 성분과 유체 주파수 성분으로 분리하도록 구성된다. 상기 처리 시스템은 상기 주파수 응답으로부터 전체 밀도를 결정하고 상기 가스 주파수 성분으로부터 가스 밀도를 결정하도록 추가적으로 구성된다. 상기 처리 시스템은 상기 가스 주파수 성분 및 유체 주파수 성분 중 하나 이상과 상기 주파수 응답으로부터 가스의 보이드 분율을 결정하도록 추가적으로 구성된다. 상기 처리 시스템은 상기 가스 밀도를 상기 전체 밀도로 나눈 비율을 상기 가스의 보이드 분율에 곱한 값으로부터 상기 질량 분율을 결정하도록 추가적으로 구성된다.

본원발명에 따라 유량계를 통해 유동하는 유동 물질에 있는 유동 성분의 질량 분율을 결정하기 위한 방법이 제공된다. 상기 방법은 상기 유동 물질의 단일 주파수 응답을 수신하는 단계; 상기 주파수 응답을 적어도 가스 주파수 성분 및 유체 주파수 성분으로 분리하는 단계; 상기 주파수 응답으로부터 전체 밀도를 결정하는 단계; 및 상기 가스 주파수 성분으로부터 가스 밀도를 결정하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 상기 유체 주파수 성분과 상기 가스 주파수 성분 중 하나 이상과 상기 주파수 응답으로부터 가스의 보이드 분율을 결정하는 단계를 추가적으로 포함한다. 상기 방법은 상기 가스 밀도를 상기 전체 밀도로 나눈 비율을 상기 가스의 보이드 분율에 곱한 값으로부터 상기 질량 분율을 결정하는 단계를 추가적으로 포함한다.

본원발명에 따라 유량계를 통해 유동하는 유동 물질에 있는 유동 성분의 질량 분율을 결정하기 위한 방법이 제공된다. 상기 방법은 상기 유동 물질의 단일 주파수 응답을 수신하는 단계; 가스 주파수 성분 및 유체 주파수 성분 중 하나를 실질적으로 차단하는 노치 필터로 상기 주파수 응답을 처리하는 단계; 상기 주파수 응답으로부터 전체 밀도를 결정하는 단계; 상기 가스 주파수 성분으로부터 가스 밀도를 결정하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 상기 유체 주파수 성분과 상기 가스 주파수 성분 중 하나 이상과 상기 주파수 응답으로부터 가스의 보이드 분율을 결정하는 단계를 추가적으로 포함한다. 상기 방법은 상기 가스 밀도를 상기 전체 밀도로 나눈 비율을 상기 가스의 보이드 분율에 곱한 값으로부터 상기 질량 분율을 결정하는 단계를 추가적으로 포함한다.

본원발명에 따라 유량계를 통해 유동하는 유동 물질에 있는 유동 성분의 질량 분율을 결정하기 위한 방법이 제공된다. 상기 방법은 상기 유동 물질의 단일 주파수 응답을 수신하는 단계; 가스 주파수 성분을 실질적으로 차단하고 유체 주파수 성분을 실질적으로 통과시키는 제1 필터로 상기 주파수 응답을 필터링하는 단계로서, 상기 제1 필터가 상기 유체 주파수 성분을 출력하는, 제1 필터에 의한 필터링 단계; 유체 주파수 성분을 실질적으로 차단하고 가스 주파수 성분을 실질적으로 통과시키는 제2 필터로 상기 주파수 응답을 필터링하는 단계로서, 상기 제2 필터가 상기 가스 주파수 성분을 출력하는, 제1 필터에 의한 필터링 단계를 포함한다. 상기 방법은 상기 주파수 응답으로부터 전체 밀도를 결정하는 단계; 상기 가스 주파수 성분으로부터 가스 밀도를 결정하는 단계를 추가적으로 포함한다. 상기 방법은 상기 유체 주파수 성분과 상기 가스 주파수 성분 중 하나 이상과 상기 주파수 응답으로부터 가스의 보이드 분율을 결정하는 단계를 추가적으로 포함한다. 상기 방법은 상기 가스 밀도를 상기 전체 밀도로 나눈 비율을 상기 가스의 보이드 분율에 곱한 값으로부터 상기 질량 분율을 결정하는 단계를 추가적으로 포함한다.

본원발명의 양상들

계측 전자장치의 일 양상에서, 상기 가스 밀도가 가스 주파수의 역수의 제곱을 포함하고, 상기 전체 밀도가 상기 주파수의 역수의 제곱을 포함한다.

계측 전자장치의 다른 양상에서, 상기 처리 시스템이, 상기 주파수 응답으로부터 상기 유동 물질의 질량 유량을 결정하고, 상기 질량 유량과 상기 질량 분율을 사용하여 제1 유동 성분 질량 및 제2 유동 성분 질량 중 하나 이상을 결정하도록 추가로 구성된다.

계측 전자장치의 또 다른 양상에서, 상기 주파수 응답이 제1 센서 신호 및 제2 센서 신호를 포함하고, 상기 처리 시스템이 실질적으로 순간적인 주파수를 결정하고 실질적으로 순간적인 위상차를 결정하도록 추가적으로 구성되며, 상기 질량 유량이 상기 주파수 및 상기 위상차를 사용하여 결정된다.

계측 전자장치의 또 다른 양상에서, 상기 주파수 응답이 제1 센서 신호 및 제2 센서 신호를 포함하고, 상기 처리 시스템이 실질적으로 순간적인 주파수를 결정하고, 실질적으로 순간적인 위상차를 결정하고, 시간 지연을 얻기 위하여 상기 주파수로 상기 위상차를 나누며, 질량 유량을 얻기 위하여 상기 시간 지연에 상수를 곱하도록 추가적으로 구성된다.

계측 전자장치의 또 다른 양상에서, 상기 주파수 응답이 제1 센서 신호 및 제2 센서 신호를 포함하고, 상기 처리 시스템이 상기 제1 센서 신호로부터 제1 90도 위상 편이를 생성하고, 상기 제1 센서 신호 및 상기 제1 90도 위상 편이를 사용하여 주파수를 계산하며, 실질적으로 순간적인 위상차를 결정하고, 시간 지연을 얻기 위하여 상기 주파수로 상기 위상차를 나누며, 질량 유량을 얻기 위하여 상기 시간 지연에 상수를 곱하도록 추가적으로 구성된다.

계측 전자장치의 또 다른 양상에서, 상기 주파수 응답이 제1 센서 신호 및 제2 센서 신호를 포함하고, 상기 처리 시스템이 상기 제1 센서 신호로부터 제1 90도 위상 편이를 생성하고, 상기 제1 90도 위상 편이, 상기 제1 센서 신호, 및 상기 제2 센서 신호를 사용하여 위상차를 계산하며, 실질적으로 순간적인 위상차를 결정하고, 시간 지연을 얻기 위하여 주파수로 상기 위상차를 나누며, 질량 유량을 얻기 위하여 상기 시간 지연에 상수를 곱하도록 추가적으로 구성된다.

계측 전자장치의 또 다른 양상에서, 상기 주파수 응답이 제1 센서 신호 및 제2 센서 신호를 포함하고, 상기 처리 시스템이 상기 제1 센서 신호로부터 제1 90도 위상 편이를 생성하고, 상기 제2 센서 신호로부터 제2 90도 위상 편이를 생성하고, 상기 제1 90도 위상 편이, 상기 제2 90도 위상 편이, 상기 제1 센서 신호, 및 상기 제2 센서 신호를 사용하여 위상차를 계산하며, 실질적으로 순간적인 위상차를 결정하고, 시간 지연을 얻기 위하여 주파수로 상기 위상차를 나누며, 질량 유량을 얻기 위하여 상기 시간 지연에 상수를 곱하도록 추가적으로 구성된다.

계측 전자장치의 또 다른 양상에서, 상기 주파수 응답이 제1 센서 신호 및 제2 센서 신호를 포함하고, 상기 처리 시스템이 상기 제1 센서 신호로부터 90도 위상 편이를 생성하고, 상기 90도 위상 편이 및 상기 제1 센서 신호로부터 주파수 응답을 계산하고, 적어도 상기 90도 위상 편이, 상기 제1 센서 신호, 및 상기 제2 센서 신호를 사용하여 위상차를 계산하고, 상기 주파수 응답 및 상기 위상차로부터 시간 지연을 계산하고, 상기 시간 지연으로부터 질량 유량을 계산하고, 실질적으로 순간적인 위상차를 결정하고, 시간 지연을 얻기 위하여 주파수로 상기 위상차를 나누며, 질량 유량을 얻기 위하여 상기 시간 지연에 상수를 곱하도록 추가적으로 구성된다.

본원발명에 따른 방법의 일 양상에서, 상기 가스 밀도가 상기 가스 주파수의 역수의 제곱을 포함하고, 상기 전체 밀도가 상기 주파수의 역수의 제곱을 포함한다.

본원발명에 따른 방법의 다른 양상에서, 상기 주파수 응답으로부터 유동 물질의 질량 유량을 결정하는 단계; 및 상기 질량 분율 및 상기 질량 유량을 사용하여 제1 유동 성분 질량 및 제2 유동 성분 질량 중 하나 이상을 결정하는 단계를 더 포함한다.

본원발명에 따른 방법의 또 다른 양상에서, 상기 질량 유량을 결정하는 단계가, 실질적으로 순간적인 주파수를 결정하는 단계 및 실질적으로 순간적인 위상차를 결정하는 단계를 포함하고, 상기 질량 유량이 상기 주파수 및 상기 위상차를 사용하여 결정된다.

본원발명에 따른 방법의 또 다른 양상에서, 상기 주파수 응답이 제1 센서 신호 및 제2 센서 신호를 포함하고, 상기 질량 유량을 결정하는 단계가, 실질적으로 순간적인 주파수를 결정하는 단계; 실질적으로 순간적인 위상차를 결정하는 단계; 시간 지연을 얻기 위하여 상기 주파수로 상기 위상차를 나누는 단계; 및 상기 질량 유량을 얻기 위하여 상기 시간 지연에 상수를 곱하는 단계를 포함한다.

본원발명에 따른 방법의 또 다른 양상에서, 상기 주파수 응답이 제1 센서 신호 및 제2 센서 신호를 포함하고, 상기 질량 유량을 결정하는 단계가, 상기 제1 센서 신호로부터 제1 90도 위상 편이를 생성하는 단계; 상기 제1 센서 신호 및 상기 제1 90도 위상 편이를 사용하여 주파수를 결정하는 단계; 실질적으로 순간적인 위상차를 결정하는 단계; 시간 지연을 얻기 위하여 상기 주파수로 상기 위상차를 나누는 단계; 및 상기 질량 유량을 얻기 위하여 상기 시간 지연에 상수를 곱하는 단계를 더 포함한다.

본원발명에 따른 방법의 또 다른 양상에서, 상기 주파수 응답이 제1 센서 신호 및 제2 센서 신호를 포함하고, 상기 질량 유량을 결정하는 단계가, 상기 제1 센서 신호로부터 제1 90도 위상 편이를 생성하는 단계; 상기 제1 센서 신호, 상기 제2 센서 신호, 및 상기 제1 90도 위상 편이를 사용하여 위상차를 결정하는 단계; 실질적으로 순간적인 위상차를 결정하는 단계; 시간 지연을 얻기 위하여 주파수로 상기 위상차를 나누는 단계; 및 상기 질량 유량을 얻기 위하여 상기 시간 지연에 상수를 곱하는 단계를 더 포함한다.

본원발명에 따른 방법의 또 다른 양상에서, 상기 주파수 응답이 제1 센서 신호 및 제2 센서 신호를 포함하고, 상기 질량 유량을 결정하는 단계가, 상기 제1 센서 신호로부터 제1 90도 위상 편이를 생성하는 단계; 상기 제2 센서 신호로부터 제2 90도 위상 편이를 생성하는 단계; 상기 제1 센서 신호, 상기 제2 센서 신호, 상기 제1 90도 위상 편이, 및 상기 제2 90도 위상 편이를 사용하여 위상차를 결정하는 단계; 실질적으로 순간적인 위상차를 결정하는 단계; 시간 지연을 얻기 위하여 주파수로 상기 위상차를 나누는 단계; 및 상기 질량 유량을 얻기 위하여 상기 시간 지연에 상수를 곱하는 단계를 더 포함한다.

본원발명에 따른 방법의 또 다른 양상에서, 상기 주파수 응답이 제1 센서 신호 및 제2 센서 신호를 포함하고, 상기 질량 유량을 결정하는 단계가, 상기 제1 센서 신호로부터 90도 위상 편이를 생성하는 단계; 상기 제1 센서 신호, 및 상기 90도 위상 편이를 사용하여 주파수 응답을 결정하는 단계; 적어도 상기 제1 센서 신호, 상기 제2 센서 신호, 및 상기 90도 위상 편이를 사용하여 위상차를 계산하는 단계; 상기 주파수 응답 및 상기 위상차를 사용하여 시간 지연을 계산하는 단계; 상기 시간 지연으로부터 질량 유량을 계산하는 단계; 실질적으로 순간적인 위상차를 결정하는 단계; 시간 지연을 얻기 위하여 주파수로 상기 위상차를 나누는 단계; 및 상기 질량 유량을 얻기 위하여 상기 시간 지연에 상수를 곱하는 단계를 더 포함한다.

전체 도면에 있어서 동일한 도면 부호는 동일한 부재를 나타낸다.

도 1은 본원발명의 일 실시예의 코리올리 유량계를 도시한다.

도 2는 본원발명의 일 실시예에 따른 계측 전자장치를 도시한다.

도 3은 본원발명의 일 실시예에 따른, 유량계의 센서 신호를 처리하는 방법의 순서도이다.

도 4는 본원발명의 일 실시예에 따른 계측 전자장치를 도시한다.

도 5는 본원발명의 일 실시예에 따른, 유량계의 제1 및 제2 센서 신호를 처리하는 방법의 순서도를 도시한다.

도 6은 본원발명의 일 실시예에 따른 처리 시스템의 일부의 블록 다이어그램을 도시한다.

도 7은 본원발명의 일 실시예에 따른 힐버트 변환 블록을 상세하게 도시한다.

도 8 및 9는 본원발명의 일 실시예에 따른 분석 블록의 두 개의 독립 분기의 블록 다이어그램을 도시한다.

도 10은 정상 상태에 있는 유량계의 픽-오프 센서 신호의 파워 스펙트럼 밀도 그래프를 도시한다.

도 11은 단일 위상 편이 실시예에 따른 힐버트 변환 블록을 도시한다.

도 12는 단일 위상 편이 실시예에 대한 분석 블록을 도시한다.

도 13은 종래 기술과 비교하여 본원발명의 센서 처리를 도시하며, 여기서 각각의 시간차(Δt) 값이 비교된다.

도 14는 본원발명의 다른 실시예에 따른 계측 전자장치를 도시한다.

도 15는 공기, 유체, 및 공기/유체 혼합물(즉, 혼입 공기를 포함하는 유체)에 대한 유량계 주파수 응답의 그래프를 도시한다.

도 16은 본원발명의 일 실시예에 따른 유량계를 통해 유동하는 유동 물질 내의 유동 성분의 질량 분율을 결정하기 위한 방법의 순서도를 도시한다.

도 17은 본원발명의 일 실시예에 따른 유량계를 통해 유동하는 유동 물질 내의 유동 성분의 질량 분율을 결정하기 위한 방법의 순서도를 도시한다.

도 18은 본원발명의 일 실시예에 따라 가스 주파수 성분 및 유체 주파수 성분의 분리를 위해 사용될 수 있는 로패스(low-pass) 및 하이패스(high-pass) 필터 응답을 도시하는 주파수 그래프이다.

도 19는 본원발명의 일 실시예에 따라 유량계를 통해 유동하는 유동 물질 내의 유동 성분의 질량 분율을 결정하기 위한 방법의 순서도이다.

도 20은 노치 필터 주파수 응답의 그래프이다.

도 1-20 및 및 이하의 설명은 본원발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본원발명의 최상의 모드를 사용하고 제작하는 방법에 대하여 설명하기 위한 구체적인 실시예를 설명한다. 본원발명의 원리를 설명하기 위하여, 몇몇의 통상적인 측면은 간략하게 설명되거나 생략되었다. 본원발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 이러한 실시예의 수정이 본원발명의 기술분야에 속한다는 것을 알 수 있다. 본원발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 이하에 설명된 특징들이 다양한 방식으로 결합되어 본원발명의 다양한 수정을 형성하게 된다는 것을 알 수 있다. 결과적으로, 본원발명은 이하에 기술된 특정 실시예에 의하여 제한되지 않으며, 단지 청구범위 및 그 균등물에 의해서만 제한된다.

도 1은 유량계 조립체(10) 및 계측 전자장치(20)를 포함하는 코리올리 유량계(5)를 도시한다. 유량계 조립체(10)는 프로세스 물질의 밀도 및 질량 유량에 응답한다. 계측 전자장치(20)는 리드(lead; 100)를 통해 유량계 조립체(10)에 연결되어 경로(26)로 밀도, 질량 유량(mass flow rate), 및 온도에 관한 정보를 제공할 뿐만 아니라 본원발명과 관련없는 기타의 정보도 제공한다. 비록 본원발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본원발명이 코리올리 질량 유량계에 의해 제공되는 추가적인 측정 능력이 없이도 진동의 관 농도계(densitometer)로서 실시될 수 있다는 것이 자명하기는 하지만, 코리올리 유량계 구조체에 관해 기술한다.

유량계 조립체(10)는 한 쌍의 매니폴드(150, 150'), 플랜지 넥(flange neck)을 갖는 플랜지(103, 103'), 한 쌍의 평행한 유동관(130, 130'), 드라이버 메커니즘(180), 온도 센서(190), 및 한 쌍의 속도 센서(170L, 170R)를 포함한다. 유동관(130, 130')은 두 개의 실질적으로 곧은 유입구 다리(131, 131') 및 배출구 다리(134, 134')를 갖는데, 이는 유동관 장착 블록(120, 120')에서 서로를 향해 모인 다. 유동관(130, 130')은 그 길이를 따라 두 개의 대칭 지점에서 굽혀지며 그 길이에 걸쳐 실질적으로 평행하다. 브레이스 바(brace bar; 140, 140')는 축(W, W')을 형성하는데 사용되며, 이 축 주위로 각각의 유동관이 진동한다.

유동관(130, 130')의 측면 다리(131, 131') 및 (134, 134')는 유동관 장착 블록(120, 120')에 고정적으로 부착되며, 이들 블록은, 계속해서, 매니폴드(150, 150')에 고정적으로 부착된다. 이는 코리올리 유량계 조립체(10)를 통하는 연속적인 밀폐 물질 경로를 제공한다.

구멍(102, 102')을 갖는 플랜지(103, 103')가 유입 단부(104) 및 배출 단부(104')를 통해 측정되는 프로세스 물질을 운반하는 프로세스 라인(도시되지 않음)에 연결되면, 물질은 플랜지(103)의 오리피스(101)를 통해 유량계의 단부(104)로 유입되어 매니폴드(150)를 통해 표면(121)을 갖는 유동관 장착 블록(120)으로 안내된다. 매니폴드(150) 내에서 물질은 분리되어 유동관(130, 130')을 통해 전달된다. 유동관(130, 130')을 빠져나온 후, 프로세스 물질은 매니폴드(150')에서 단일한 스트림으로 재결합되고, 이후 볼트 구멍(102')을 갖는 플랜지(103')에 의하여 프로세스 라인(도시되지 않음)에 연결된 배출 단부(104')로 전달된다.

유동관(130, 130')은 각각, 굽힘축(W--W 및 W'--W')에 대해 실질적으로 동일한 질량 분포, 관성 모멘트, 및 영률(Young's modulus)을 갖도록, 유동관 장착 블록(120, 120')에 대해 선택되어 적절하게 장착된다. 이러한 굽힘축은 브레이스 바(140, 140')를 통해 지나간다. 유동관의 영률이 온도에 따라 변하므로, 또한 이러한 변화가 밀도 및 유동의 계산에 영향을 미치므로, 저항성 온도 검측 기(resistive temperature detector; RTD)(190)가 유동관(130')에 장착되어 유동관의 온도를 계속적으로 측정한다. 유동관의 온도 및 주어진 통과 전류에 대해 RTD 에 걸쳐 나타나는 전압은 유동관을 통과하는 물질의 온도에 의해 지배된다. RTD에 걸쳐 나타나는 온도 종속성 전압은 계측 전자장치(20)에서 공지의 방법으로 사용되어 유동관의 임의의 온도 변화로 기인하는 유동관(130, 130')의 탄성계수의 변화를 보상한다. RTD 는 리드(195)에 의하여 계측 전자장치(20)에 연결된다.

양 유동관(130, 130')은 드라이버(180)에 의하여 그 각각의 굽힘축(W 및 W')에 대하여 반대 방향으로 소위 유량계의 제1 이상(out-of-phase) 굽힘 모드에서 구동된다. 드라이버 메커니즘(180)은 유동관(130')에 장착되는 자석 및 유동관(130)에 장착되는 대향 코일과 같은 많은 공지의 장치 중 하나를 포함할 수 있으며, 양 도관을 진동시키기 위하여 교류가 이를 통과한다. 계측 전자장치(20)에 의하여 적당한 구동신호가 리드(185)를 통해 드라이버 메커니즘(180)으로 인가된다.

계측 전자장치(20)는 리드(195) 상에서 RTD 신호를 수신하며, 각각 리드(165L, 165R) 상에 나타나는 좌우 속도 신호를 수신한다. 계측 전자장치(20)는 리드(185) 상에 나타나는 구동 신호를 생성하여 부재(180)를 구동시키고 유동관(130, 130')을 진동시킨다. 계측 전자장치(20)는 유량계 조립체(10)를 통과하는 물질의 밀도 및 질량 유량을 계산하기 위하여 RTD 신호와 좌우 속도 신호를 처리한다. 이러한 정보는 다른 정보와 함께 계측 전자장치(20)에 의하여 경로(26)를 통해 이용 수단(29)에 적용된다.

도 2는 본원발명의 일 실시예에 따른 계측 전자장치(20)를 도시한다. 계측 전자장치(20)는 인터페이스(201) 및 처리 시스템(203)을 포함할 수 있다. 계측 전자장치(20)는 픽오프/속도 센서 신호와 같이 유량계 조립체(10)로부터의 제1 및 제2 센서 신호를 수신한다. 계측 전자장치(20)는 유량계 조립체(10)를 통과하여 유동하는 유동 물질의 유동 특성을 얻기 위하여 제1 및 제2 센서 신호를 처리한다. 예를 들어, 계측 전자장치(20)는 센서 신호로부터 위상차, 주파수, 시간차(Δt), 밀도, 질량 유량, 용적 유량 중 하나 이상을 결정할 수 있다. 또한, 다른 유동 특성도 본원발명에 따라 결정될 수 있다. 이러한 결정에 대해서는 이하에서 기술된다.

위상차 결정 및 주파수 결정은 종래 기술에서의 그러한 결정보다 더 빠르고 정확하며 신뢰성이 있다. 일 실시예에서, 위상차 결정 및 주파수 결정은, 주파수 기준 신호에 대한 필요성 없이, 단 하나의 센서 신호의 위상 편이(phase shift)로부터 직접적으로 유도된다. 이는 유동 특성을 계산하기 위해 요구되는 처리 시간을 유리하게 감소시킨다. 다른 실시예에서, 주파수는 단지 하나의 위상 편이 신호로부터 유도되는 반면, 위상차는 양 센서 신호의 위상 편이로부터 유도된다. 이는 양 유동 특성의 정확성을 증가시키며, 이들 모두는 종래기술에서보다 더욱 빠르게 결정될 수 있다.

종래 기술의 주파수 결정 방법은 실행하는 데 있어 통상적으로 1~2 초가 소요된다. 대조적으로, 본원발명에 따른 주파수 결정은 50 밀리 세컨드(ms) 정도의 적은 시간에 실행될 수 있다. 처리 시스템의 유형 및 구성, 진동 응답의 샘플링 율(sampling rate), 필터 크기, 데시메이션 비율(decimation rate) 등등에 따라 더욱 빠른 주파수 결정도 가능하다. 50 ms 의 주파수 결정 속도에서 본원발명에 따른 계측 전자장치(20)는 종래 기술보다 약 40배 빠를 수 있다.

인터페이스(201)는 도 1의 리드(100)를 통해서 속도 센서(170L, 170R) 중 하나로부터 센서 신호를 수신한다. 인터페이스(201)는 포매팅(formatting), 증폭(amplification), 버퍼링(buffering) 등의 방식과 같이, 필요하거나 요구되는 신호 조정(signal conditioning)을 수행할 수 있다. 대안적으로, 신호 조정 중 일부 또는 전부는 처리 시스템(203)에서 실행될 수 있다.

또한, 인터페이스(201)는 계측 전자장치(20)와 외부 장치 사이의 통신을 가능하게 할 수 있다. 인터페이스(201)는 전자, 광학, 또는 무선 통신의 어떠한 방식도 가능할 수 있다.

일 실시예에서 인터페이스(201)는 디지타이저(digitizer; 202)와 연결되며, 여기서 센서 신호는 아날로그 센서 신호를 포함한다. 디지타이저(202)는 아날로그 센서 신호를 표본추출하고 디지털화하여 디지털 센서 신호를 생성한다. 디지타이저(202)는 또한 요구되는 어떠한 데시메이션도 실행할 수 있으며, 여기서 디지털 센서 신호는 요구되는 신호 처리의 양을 줄이고 처리 시간을 줄이기 위하여 데시메이트(decimate)된다. 데시메이션은 이하에서 보다 자세히 설명된다.

처리 시스템(203)은 계측 전자장치(20)의 가동을 수행하며 유량계 조립체(10)로부터 유동 측정치를 처리한다. 처리 시스템(203)은 하나 이상의 처리 과정(processing routine)을 실행하며 이로써 하나 이상의 유동 특성을 생성하기 위하여 유동 측정치를 처리한다.

처리 시스템(203)은 일반적 용도의 컴퓨터, 마이크로 프로세스 시스템, 논리 회로, 또는 기타의 일반 용도나 주문형 처리 장치를 포함할 수 있다. 처리 시스템(203)은 다수의 처리 장치 사이에 분배될 수 있다. 처리 시스템(202)은 저장 시스템(204)과 같이, 어떠한 형태의 일체형 또는 독립형 전자 저장 매체도 포함할 수 있다.

처리 시스템(203)은 센서 신호(210)로부터 하나 이상의 유동 특성을 결정하기 위하여 센서 신호(210)를 처리한다. 하나 이상의 유동 특성으로는 예를 들어, 유동 물질에 대한 위상차, 주파수, 시간차(Δt), 질량 유량, 및/또는 밀도가 있다.

도시된 실시예에서, 처리 시스템(203)은 하나의 센서 신호 위상 편이(213) 및 두 개의 센서 신호(210, 211)로부터 유동 특성을 결정한다. 처리 시스템(203)은 하나의 위상 편이(213) 및 두 개의 센서 신호(210, 211)로부터 적어도 위상 차 및 주파수를 결정할 수 있다. 결과적으로, (상류 및 하류 픽오프 신호 중 하나와 같은) 제1 또는 제2 위상 편이된 센서 신호가 본원발명에 따라 처리 시스템(203)에 의하여 처리되어 유동 물질에 대한 위상차, 주파수, 시간차(Δt), 및/또는 질량 유량을 결정할 수 있다.

저장 시스템(204)은 유량계 파라미터 및 데이터, 소프트웨어 루틴(software routines), 상수 값, 및 변수 값을 저장할 수 있다. 일 실시예에서, 저장 시스템(204)은 처리 시스템(203)에 의하여 실행되는 처리 과정을 포함한다. 저장 시스템(204)은 일 실시예에서 위상 편이 루틴(212), 위상차 루틴(215), 주파수 루틴(216), 시간차(Δt) 루틴(217), 및 유동 특성 루틴(218)을 저장한다.

일 실시예에서, 저장 시스템(204)은 코리올리 유량계(5)를 작동시키기 위해 사용되는 변수들을 저장한다. 저장 시스템(204)은 일 실시예에서 제1 센서 신호(210) 및 제2 센서 신호(211)와 같은 변수들을 저장하는데, 이는 속도/픽오프 센서(170L, 170R)로부터 수신된다. 또한, 저장 시스템(204)은 유동 특성을 결정하기 위해 생성되는 90도 위상 편이(213)를 저장할 수 있다.

일 실시예에서, 저장 시스템(204)은 유동 측정으로부터 얻어지는 하나 이상의 유동 특성을 저장한다. 저장 시스템(204)은 일 실시예에서 위상차(220), 주파수(221), 시간차(Δt)(222), 질량 유량(223), 밀도(224), 및 용적 유량(225)과 같은 유동 특성을 저장하며, 이들은 모두 센서 신호(210)로부터 결정된다.

위상 편이 루틴(212)은 입력 신호에 대하여, 즉 센서 신호(210)에 대하여 90도 위상 편이를 실행한다. 위상 편이 루틴(212)은 일 실시예에서, 힐버트 변환(Hilbert transform)(이하에서 설명됨)을 실행한다.

위상차 루틴(215)은 하나의 90도 위상 편이(213)를 사용하여 위상차를 결정한다. 위상차를 결정하기 위하여 추가적인 정보가 사용될 수도 있다. 일 실시예에서 위상차는 제1 센서 신호(210), 제2 센서 신호(211), 및 90도 위상 편이(213)로부터 계산될 수 있다. 결정된 위상차는 저장 시스템(204)의 위상차(220)에 저장될 수 있다. 위상차는, 90도 위상 편이(213)로부터 결정될 때, 종래 기술에서보다 더욱 빠르게 계산되어 얻어질 수 있다. 이는 높은 유량 속도를 갖는 유량계 장치 또는 다중 위상 유동이 발생하는 경우에 있어 중요한 차이를 제공할 수 있다. 또한, 위상차는 센서 신호(210) 또는 센서 신호(211) 중 하나의 주파수와 무관하게 결정될 수 있다. 더욱이, 위상차가 주파수와 무관하게 결정되기 때문에, 위상차의 에러 성분은 주파수 결정의 에러 성분을 포함하지 않는다. 즉, 위상차 측정에는 복합된 에러가 없다. 결과적으로, 위상차 에러는 종래 기술의 위상차에 비해 감소된다.

주파수 루틴(216)은 90도 위상 편이(213)로부터 (제1 센서 신호(210) 또는 제2 위상 신호(211)에 의해 나타내지는 것과 같은) 주파수를 결정한다. 결정된 주파수는 저장 시스템(204)의 주파수(221) 내에 저장될 수 있다. 주파수는, 90도 위상 편이(213)로부터 결정될 때, 종래 기술에서보다 더욱 빠르게 계산되어 얻어질 수 있다. 이는 높은 유량 속도를 갖는 유량계 장치 또는 다중 위상 유동이 발생하는 경우에 있어 중요한 차이를 제공할 수 있다.

시간차(Δt) 루틴(217)은 제1 센서 신호(210) 및 제2 센서 신호(211) 사이의 시간차(Δt)를 결정한다. 시간차(Δt)는 저장 시스템(204)의 시간차(Δt)(222)에 저장될 수 있다. 시간차(Δt)는 결정된 주파수에 의해 나눠진 결정된 위상을 실질적으로 포함하며, 따라서 질량 유량을 결정하기 위해 사용된다.

유동 특성 루틴(218)은 하나 이상의 유동 특성을 결정할 수 있다. 유동 특성 루틴(218)은 이러한 추가적인 유동 특성을 얻기 위하여, 예를 들어, 결정된 주파수(221) 및 결정된 위상차(220)를 사용할 수 있다. 이러한 결정을 위하여, 예를 들어 질량 유량이나 밀도와 같은 추가적인 정보가 사용될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 유동 특성 루틴(218)은 시간차(Δt)(222)로부터, 따라서 위상차(220) 및 주파수(221)로부터 질량유량을 결정할 수 있다. 질량 유량을 결정하기 위한 공식은, 본 명세서에 참조로서 병합되는 티트로(Titlow) 등의 미국 특허 번호 5,027,662호에 개시되어 있다. 질량 유량은 유량계 조립체(10)의 유동 물질의 질량 유동과 관련된다. 마찬가지로, 유동 특성 루틴(218)은 밀도(224) 및/또는 용적 유량(225)도 결정할 수 있다. 결정된 질량 유량, 밀도, 및 용적 유량은 저장 시스템(204)의 질량 유량(223), 밀도(224), 및 용적 유량(225)에 각각 저장될 수 있다. 또한, 유동 특성은 계측 전자장치(20)에 의하여 외부 장치로 전달될 수 있다.

도 3은 본원발명의 실시예에 따른 유량계의 센서 신호를 처리하는 방법의 순서도(300)이다. 단계(301)에서, 제1 및 제2 센서 신호가 수신된다. 제1 센서 신호는 상류 또는 하류 픽오프 센서 신호를 포함할 수 있다.

단계(302)에서, 센서 신호는 조정될 수 있다. 일 실시예에서, 이러한 조정은 의도치 않은 신호 및 노이즈를 제거하기 위한 필터링을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 필터링은 코리올리 유량계(5)의 예상된 기본 주파수 부근에 센터링된 대역 통과 필터링(band-pass filtering)을 포함할 수 있다. 또한, 증폭이나 버퍼링 등과 같은 다른 조정 작업이 실행될 수도 있다. 센서 신호가 아날로그 신호를 포함하면, 상기 단계는 디지털 센서 신호를 생성하기 위해 실행되는 샘플링, 디지털화(digitization), 및 데시메이션의 방법을 더 포함할 수도 있다.

단계(303)에서, 단일의 90도 위상 편이가 생성된다. 90도 위상 편이는 센서 신호의 90도 위상 편이를 포함한다. 90도 위상 편이는 어떠한 방식의 위상 편이 메커니즘이나 작동에 의해서도 실행될 수 있다. 일 실시예에서, 90도 위상 편이는 디지털 센서 신호에 대해 작동하는 힐버트 변환을 사용하여 실행된다.

단계(304)에서, 위상차가 단일의 90도 위상 편이를 사용하여 계산된다. 위상차를 계산하기 위하여 추가 정보가 사용될 수도 있다. 일 실시예에서, 위상차가 제1 센서 신호, 제2 센서 신호, 및 단일의 90도 위상 편이로부터 결정된다. 위상차는 응답 신호, 즉 픽오프 신호에 있는 위상차를 포함하는데, 이는 진동하는 유량계 조립체(10)에서의 코리올리 효과에 기인하여 나타난다.

최종 위상차는 계산에 어떠한 주파수 값을 필요로 하지 않고 결정된다. 최종 위상차는 주파수를 사용하여 계산되는 위상차보다 더 빠르게 얻어질 수 있다. 최종 위상차는 주파수를 사용하여 계산된 위상차보다 더 큰 정확성을 갖는다.

단계(305)에서, 주파수가 계산된다. 본원발명에 따른 주파수는 90도 위상 편이로부터 바람직하게 계산된다. 일 실시예에서 주파수는 90도 위상 편이 및 90도 위상 편이가 유도되는 해당 센서 신호를 사용한다. 주파수는 제1 센서 신호 및 제2 센서 신호 중 하나의 진동 응답 주파수이다(이러한 두 센서의 주파수는 작동에 있어서 실질적으로 동일하다). 주파수는 드라이버(180)에 의해 생성된 진동에 대한 유동관 또는 유동관들의 진동 주파수 응답을 포함한다.

이렇게 유도되는 주파수는 어떠한 독립적인 주파수 기준 신호에 대한 필요 없이 얻어진다. 주파수는 종래 기술에서보다 더 빠른 작동에서 단일의 90도 위상 편이로부터 얻어진다. 최종 주파수는 종래기술에서 계산된 주파수보다 더 큰 정확성을 갖는다.

단계(306)에서, 유동 물질의 질량 유량이 계산된다. 질량 유량은 단계(304) 및 단계(305)에서 계산된 최종 주파수 및 최종 위상차로부터 계산된다. 또한, 질 량 유량 계산은 주파수 및 위상차로부터 시간차(Δt)를 계산할 수 있으며, 시간차(Δt)는 최종적으로 질량 유량을 계산하는데 사용된다.

단계(307)에서, 밀도가 선택적으로 결정될 수 있다. 밀도는 유동 특성의 하나로서 결정될 수 있으며, 예를 들어 주파수로부터 결정될 수 있다.

단계(308)에서, 용적 유량이 선택적으로 결정될 수 있다. 용적 유량은 유동 특성의 하나로서 결정될 수 있으며, 예를 들어 질량 유량 및 밀도로부터 결정될 수 있다.

도 4는 본원발명의 일 실시예에 따른 계측 전자장치(20)를 도시한다. 도 2와 공통되는 부재는 동일한 도면부호가 사용되었다.

이 실시예의 계측 전자장치(20)는 제1 센서 신호(210) 및 제2 센서 신호(211)를 포함한다. 처리 시스템(203)은 이러한 신호들로부터 하나 이상의 유동 특성을 결정하기 위하여 제1 및 제2 (디지털) 센서 신호(210, 211)를 처리한다. 앞서 기술한 바와 같이, 하나 이상의 유동 특성은 유동 물질에 대한 위상차, 주파수, 시간차(Δt), 질량 유량, 밀도, 및/또는 용적 유량을 포함할 수 있다.

도시된 실시예에서, 처리 시스템(203)은, 외부 주파수 측정에 대한 필요성 및 외부 주파수 기준 신호에 대한 어떠한 필요성 없이, 단지 두 개의 센서 신호(210, 211)로부터 유동 특성을 결정한다. 처리 시스템(203)은 두 개의 센서 신호(210, 211)로부터 적어도 위상차 및 주파수를 결정할 수 있다.

전술한 바와 같이, 저장 시스템(204)은 위상 편이 루틴(212), 위상차 루틴(215), 주파수 루틴(216), 시간차(Δt) 루틴(217), 및 유동 특성 루틴(218)을 저 장한다. 저장 시스템(204)은 제1 센서 신호(210) 및 제2 센서 신호(211)를 저장한다. 저장 시스템(204)은 또한 유동 특성을 결정하기 위하여 센서 신호들로부터 발생하는 제1 90도 위상 편이(213) 및 제2 90도 위상 편이도 저장한다. 전술한 바와 같이, 저장 시스템(204)은 위상차(220), 주파수(221), 시간차(Δt)(222), 질량 유량(223), 밀도(224), 및 용적 유량(225)을 저장한다.

위상 편이 루틴(212)은 제1 센서 신호(210) 및 제2 센서 신호(211)에 대한 것을 포함하여 입력 신호에 대한 90도 위상 편이를 실행한다. 위상 편이 루틴(212)은 일 실시예에서 힐버트 변환(아래에 설명됨)을 실행한다.

위상차 루틴(215)은 제1 90도 위상 편이(213) 및 제2 90도 위상 편이(214)를 사용하여 위상차를 결정한다. 위상차를 계산하기 위하여 추가 정보가 사용될 수도 있다. 일 실시예에서 위상차는 제1 센서 신호(210), 제2 센서 신호(211), 제1 90도 위상 편이(213), 및 제2 90도 위상 편이(214)로부터 계산된다. 결정된 위상차는, 전술한 바와 같이, 저장 시스템(204)의 위상차(220)에 저장될 수 있다. 위상차는, 제1 및 제2 90도 위상 편이를 사용하여 결정될 때, 종래기술에서보다 더 빠르게 계산되어 얻어질 수 있다. 이는 높은 유량을 갖는 유량계 장치나 다중 위상 유동이 발생하는 경우에 중요한 차이를 제공할 수 있다. 또한, 위상차는 센서 신호(210, 211)의 주파수와 무관하게 결정될 수 있다. 더욱이, 위상차는 주파수와 무관하게 결정되므로, 위상차의 에러 성분은 주파수 결정의 에러 성분의 영향을 받지 않는다. 즉, 위상차 측정에는 복합된 에러가 없다. 결과적으로, 위상차 에러는 종래기술의 위상차에 비해 줄어들게 된다.

주파수 루틴(216)은 제1 90도 위상 편이(213) 및 제2 90도 위상 편이(214)로부터 (제1 센서 신호(210) 또는 제2 센서 신호(211)에 의해 나타내지는 것과 같은) 주파수를 결정한다. 결정된 주파수는 전술한 바와 같이 저장 시스템(204)의 주파수(221)에 저장될 수 있다. 주파수는, 제1 및 제2 90도 위상 편이로부터 결정될 때, 종래기술에서보다 더 빠르게 계산되어 얻어질 수 있다. 이는 높은 유량을 갖는 유량계 장치나 다중 위상 유동이 발생하는 경우에 중요한 차이를 제공할 수 있다.

시간차(Δt) 루틴(217)은 제1 센서 신호(210) 및 제2 센서 신호(211) 사이의 시간차(Δt)를 결정한다. 시간차(Δt)는 전술한 바와 같이 저장 시스템(204)의 시간차(Δt)(222)에 저장될 수 있다. 시간차(Δt)는 결정된 주파수에 의해 나눠진 결정된 위상을 실질적으로 포함하며, 따라서 질량 유량을 결정하기 위해 사용된다.

유동 특성 루틴(218)은 전술한 바와 같이, 질량 유량, 밀도, 및/또는 용적 유량 중 하나 이상을 결정할 수 있다.

도 5는 본원발명의 실시예에 따른 코리올리 유량계의 제1 및 제2 센서 신호를 처리하는 방법의 순서도(500)이다. 단계(501)에서, 제1 센서 신호가 수신된다. 일 실시예에서, 제1 센서 신호는 상류 또는 하류 픽오프 센서 신호를 포함할 수 있다.

단계(502)에서 제2 센서 신호가 수신된다. 일 실시예에서, 제2 센서 신호는 하류 또는 상류 픽오프 센서 신호(즉, 제1 센서 신호의 반대)를 포함할 수 있다.

단계(503)에서, 센서 신호는 조정될 수 있다. 일 실시예에서, 이러한 조정 은 의도치 않은 신호 및 노이즈를 제거하기 위한 필터링을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 필터링은 전술한 바와 같이 대역 통과 필터링을 포함할 수 있다. 또한, 증폭이나 버퍼링 등과 같은 다른 조정 작업이 실행될 수도 있다. 센서 신호가 아날로그 신호를 포함하면, 상기 단계는 디지털 센서 신호를 생성하기 위해 실행되는 샘플링, 디지털화, 및 데시메이션의 방법을 더 포함할 수도 있다.

단계(504)에서, 제1 90도 위상 편이가 생성된다. 제1 90도 위상 편이는 제1 센서 신호의 90도 위상 편이를 포함한다. 90도 위상 편이는 어떠한 방식의 메커니즘이나 작동에 의해서도 실행될 수 있다. 일 실시예에서, 90도 위상 편이는 디지털 센서 신호에 대해 작동하는 힐버트 변환을 사용하여 실행된다.

단계(505)에서, 제2 90도 위상 편이가 생성된다. 제2 90도 위상 편이는 제2 센서 신호의 90도 위상 편이를 포함한다. 제1 90도 위상 편이에서와 같이, 90도 위상 편이는 어떠한 방식의 메커니즘이나 작동에 의해서도 실행될 수 있다.

단계(506)에서, 위상차가 제1 90도 위상 편이 및 제2 90도 위상 편이를 사용하여 제1 센서 신호 및 제2 센서 신호 사이에서 계산된다. 위상차를 계산하기 위하여 추가 정보가 사용될 수도 있다. 일 실시예에서, 위상차가 제1 센서 신호, 제2 센서 신호, 제1 90도 위상 편이 및 제2 90도 위상 편이로부터 결정된다. 위상차는 응답 신호, 즉 픽오프 신호에 있는 위상차를 포함하는데, 이는 진동하는 유량계 조립체(10)에서의 코리올리 효과에 기인하여 나타난다.

단계(507)에서, 주파수가 계산된다. 본원발명에 따른 주파수는 제1 90도 위상 편이 및 제2 90도 위상 편이로부터 바람직하게 계산된다. 일 실시예에서 주파수는 90도 위상 편이 및 90도 위상 편이가 유도되는 해당 센서 신호를 사용한다. 주파수는 제1 센서 신호 및 제2 센서 신호 중 하나의 진동 응답 주파수이다(이러한 두 센서의 주파수는 작동에 있어서 실질적으로 동일하다). 주파수는 드라이버(180)에 의해 생성된 진동에 대한 유동관 또는 유동관들의 진동 주파수 응답을 포함한다.

이렇게 유도되는 주파수는 어떠한 독립적인 주파수 기준 신호에 대한 필요 없이 얻어진다. 주파수는 종래 기술에서보다 더 빠른 작동에서 90도 위상 편이로부터 얻어진다. 최종 주파수는 종래기술에서 계산된 주파수보다 더 큰 정확성을 갖는다.

단계(508)에서, 유동 물질의 질량 유량이 계산된다. 질량 유량은 단계(506) 및 단계(507) 계산된 최종 주파수 및 최종 위상차로부터 계산된다. 또한, 질량 유량 계산은 주파수 및 위상차로부터 시간차(Δt)를 계산할 수 있으며, 시간차(Δt)는 최종적으로 질량 유량을 계산하는데 사용된다.

단계(509)에서, 전술한 바와 같이 밀도가 선택적으로 결정될 수 있다.

단계(510)에서, 전술한 바와 같이 용적 유량이 선택적으로 결정될 수 있다.

도 6은 본원발명의 일 실시예에 따른 처리 시스템(203)의 일부에 대한 블록 다이어그램(600)을 도시한다. 도면에서, 블록들은 처리 회로나 처리 작동/루틴을 나타낸다. 블록 다이어그램(600)은 스테이지 1 필터 블록(stage 1 filter block; 601), 스테이지 2 필터 블록(stage 2 filter block; 602), 힐버트 변환 블록(603), 및 분석 블록(604)을 포함한다. LPO 및 RPO 입력은 좌측 픽오프 신호 입력 및 우측 픽오프 신호 입력을 포함한다. LPO 나 RPO 중 하나는 제1 센서 신호를 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 스테이지 1 필터 블록(601) 및 스테이지 2 필터 블록(602)은 처리 시스템(203)에서 실행되는 디지털 유한 임펄스 응답(Finite Impulse Response; FIR) 다상 데시메이션 필터(polyphase decimation filter)를 포함한다. 이러한 필터는 센서 신호 중 하나 또는 둘 모두에 대한 데시메이팅 및 필터링을 위한 최적의 방법을 제공하며, 이러한 필터링 및 데시메이팅은 시간 순서에서 동일한 데시메이션 비율로 실행된다. 대안적으로 스테이지 1 필터 블록(601) 및 스테이지 2 필터 블록(602)은 무한 임펄스 응답(Infinite Impulse Response; IIR) 필터 또는 기타 적당한 디지털 필터나 필터 프로세스를 포함할 수 있다. 그러나 다른 필터링 프로세스 및/또는 필터링 실시가 고려될 수 있고 이는 본 명세서 및 청구범위 내에 있다는 것을 이해하여야 한다.

도 7은 본원발명의 일 실시예에 따른 힐버트 변환 블록(603)을 상세히 도시한다. 도시된 실시예에서, 힐버트 변환 블록(603)은 LPO 분기(700) 및 RPO 분기(710)를 포함한다. LPO 분기(700)는 LPO 필터 블록(702)과 평행하게 LPO 지연 블록(701)을 포함한다. 마찬가지로, RPO 분기는 RPO 필터 블록(712)과 평행하게 RPO 지연 블록(711)을 포함한다. LPO 지연 블록(701) 및 RPO 지연 블록(711)은 샘 플링 지연(sampling delay)을 도입한다. 따라서 LPO 지연 블록(701) 및 RPO 지연 블록(711)은 LPO 필터 블록(702) 및 RPO 필터 블록(712)에 의해 필터링되는 LPO 및 RPO 디지털 신호 샘플보다 시간에 있어 뒤에 있는 LPO 및 RPO 디지털 신호 샘플을 선택한다. LPO 필터 블록(702) 및 RPO 필터 블록(712)은 입력된 디지털 신호 샘플에 대해 90도 위상 편이를 실행한다.

힐버트 변환 블록(603)은 위상 측정의 제공에 대한 제1 단계이다. 힐버트 변환 블록(603)은 필터링되고 데시메이팅된 LPO 및 RPO 신호를 수신하여 힐버트 변환을 실행한다. 힐버트 변환은 LPO 및 RPO 신호의 90도 위상-편이된 버전을 생성한다. 즉 힐버트 변환은 원래의 동상(in-phase)(I) 신호 성분의 이상(quadrature)(Q) 성분을 생성한다. 따라서 힐버트 변환 블록(603)의 출력은, 원래의 동상(I) 신호 성분 LOP I 및 RPO I와 함께, 새로운 이상(Q) 성분 LPO Q 및 RPO Q 를 제공한다.

힐버트 변환 블록(603)에 대한 입력은 다음과 같이 나타낼 수 있다:

힐버트 변환을 사용하면 출력은 다음과 같이 된다:

원래의 항을 힐버트 변환의 출력과 결합하면 다음과 같다:

도 8 및 9는 본원발명의 일 실시예에 따른 분석 블록(604)의 두 개의 독립된 분기부에 대한 블록 다이어그램이다. 분석 블록(604)은 주파수, 차등 위상, 및 델타 T(Δt) 측정의 마지막 단계이다. 도 8은 동상(I) 및 이상(Q) 성분으로부터 위상차를 결정하는 제1 분기를 포함하는 위상 부분(604a)이다. 도 9는 단일 센서 신호의 동상(I) 및 이상(Q) 성분으로부터 주파수를 결정하는 주파수 부분(604b)이다. 단일 센서 신호는 도시된 바와 같이 LPO 신호를 포함할 수 있거나, 대안적으로 RPO 신호를 포함할 수 있다.

도 8의 실시예에서, 분석 블록(604)의 위상 부분(604a)은 합 블록(join block; 801a, 801b), 켤레 블록(conjugate block; 802), 복소수 곱셈 블록(complex multiplication block; 803), 필터 블록(804), 및 위상 각 블록(phase angle block; 805)을 포함한다.

합 블록(801a, 801b)은 센서 신호의 동상(I) 및 이상(Q) 성분 모두를 수신하여 전달한다. 켤레 블록(802)은 센서 신호(여기서는 LPO 신호)에 대한 켤레 복소수를 실행하여 음의 허수 신호(imaginary signal)를 형성한다. 복소수 곱셈 블록(803)은 아래의 식(8)을 실행하여 RPO 신호와 LPO 신호를 곱한다. 필터 블록(804)은 상술한 FIR 필터와 같은 디지털 필터를 실행한다. 필터 블록(804)은 센 서 신호의 동상((I) 및 이상(Q) 성분으로부터 고조파함유기(harmonic content)를 제거할 뿐만 아니라 신호를 데시메이트하기 위해 사용되는 다상 데시메이션 필터를 포함할 수 있다. 필터 계수는 예를 들어 10의 인자에 의한 데시메이션과 같이 입력된 신호의 데시메이션을 제공하도록 선택될 수 있다. 위상 각 블록(805)은 LPO 신호 및 RPO 신호의 동상(I) 및 이상(Q) 성분으로부터 위상 각을 결정한다. 위상 각 블록(805)은 아래의 식(11)을 실행한다.

도 8에 도시된 위상 부분(604a)은 아래의 식을 실행한다:

여기서

는 LPO의 켤레 복소수이다.

라고 가정하면:

최종 차등 위상 각(differential phase angle)은:

도 9는 본원발명에 따른 분석 블록(604)의 주파수 부분(604b)의 블록 다이어그램이다. 주파수 부분(604b)은 좌 또는 우측 픽오프 신호(LPO 또는 RPO) 중 하나에 대해 작동할 수 있다. 도시된 실시예에서 주파수 부분(604b)은 합 블록(901), 켤레 복소수 블록(902), 샘플링 블록(903), 복소수 곱셈 블록(904), 필터 블 록(905), 위상 각 블록(906), 상수 블록(907), 및 나눗셈 블록(908)을 포함한다.

전술한 바와 같이, 합 블록(901)은 센서 신호의 동상(I) 및 이상(Q) 성분 모두를 수신하여 전달한다. 켤레 블록(902)은 센서 신호(여기서는 LPO 신호)에 대한 켤레 복소수를 실행하여 음의 허수 신호(imaginary signal)를 형성한다. 지연 블록(903)은 주파수 부분(604b)으로 샘플링 지연(sampling delay)을 도입하고, 따라서 시간순으로 오래된 디지털 신호 샘플을 선택한다. 이러한 오래된 디지털 신호 샘플은 복소수 곱셈 블록(904)에서 현재의 디지털 신호와 곱해진다. 복소수 곱셈 블록(904)은 아래의 식(12)을 실행하여 LPO 신호와 LPO 켤레 신호를 곱한다. 필터 블록(905)은 상술한 FIR 필터와 같은 디지털 필터를 실행한다. 필터 블록(905)은 센서 신호의 동상((I) 및 이상(Q) 성분으로부터 고조파함유기(harmonic content)를 제거할 뿐만 아니라 신호를 데시메이트하기 위해 사용되는 다상 데시메이션 필터를 포함할 수 있다. 필터 계수는 예를 들어 10의 인자에 의한 데시메이션과 같이 입력된 신호의 데시메이션을 제공하도록 선택될 수 있다. 위상 각 블록(906)은 LPO 신호의 동상(I) 및 이상(Q) 성분으로부터 위상 각을 결정한다. 위상 각 블록(906)은 아래의 식(13)을 실행한다. 상수 블록(907)은 식(14)에 도시된 바와 같이 2π로 나누어지는 샘플율(Fs)을 포함하는 인자를 공급한다. 나눗셈 블록(908)은 식(14)의 나눗셈 과정을 실행한다.

주파수 부분(604b)은 아래의 식을 실행한다:

따라서 두 개의 연속적이 샘플 사이의 각도는:

이는 좌측 픽오프의 라디안 주파수이다. Hz 로 변환하면:

여기서 "Fs" 는 힐버트 변환 블록(603)의 비율이다. 전술한 실시예에서 "Fs"는 약 2 kHz 이다.

도 10은 정상 조건에 있는 유량계의 픽오프 신호에 대한 파워 스펙트럼 밀도 그래프(power spectrum density plot)이다. 유량계의 기본 주파수는 그래프의 가장 높은 봉(spike)이며 약 135 Hz 근방에 위치한다. 이 도면은 또한 주파수 스펙트럼 내에 몇 개의 다른 높은 봉도 도시한다(제1 비-기본 모드는 기본 모드 주파수의 약 1.5배 주파수에 있는 비틀림 모드(twist mode)이다). 이러한 봉은 유량계의 고조파(harmonic frequency)를 포함하며, 또한 기타의 바람직하지 않은 센서 모드(즉, 비틀림 모드, 제2 굽힘 모드 등등)를 포함할 수도 있다.

도 11은 단일 위상 편이 실시예에 따른 대안적인 힐버트 변환 블록(603')을 도시한다. 이 실시예의 힐버트 변환 블록(603')은 LPO 분기(1100) 및 RPO 분기(1110)를 포함한다. LPO 분기(1100)는 필터 블록(702)과 평행하게 지연 블록(701)을 포함한다. 이 실시예의 RPO 분기(1110)는 단지 지연 블록(701)만을 포함한다. 앞서와 마찬가지로, 지연 블록(701)들은 샘플링 지연을 도입한다. 앞서 와 마찬가지로, 필터 블록(702)은 입력된 디지털 신호 샘플에 대해 90도 위상 편이를 실행한다. 대안적으로 힐버트 변환 블록(603')이 단지 RPO 신호를 위상 편이할 수 있다는 것을 이해해야 한다.

이러한 처리 실시예는 주파수 및 위상차 모두를 얻기 위하여 단지 하나의 센서 신호에 대한 힐버트 변환/위상 편이를 사용한다. 이는 위상 측정을 실행하는데 필요한 계산의 수를 상당히 감소시키며, 또한 질량 유량을 얻기 위해 필요한 계산의 수를 상당히 감소시킨다.

이러한 실시예에서, 힐버트 변환(603')의 출력은 좌측 또는 우측 센서 신호 중 하나에 대해서만 이상(Q) 성분을 제공할 뿐이다. 아래의 예에서는, LPO 신호가 위상 편이된다.

힐버트 변환을 사용하면, 출력은 다음과 같이 된다:

LPO 원래 항을 힐버트 변환의 출력(즉, 90도 위상 편이)과 결합하면 다음과 같으며:

RPO 는 동일하다:

도 12는 단일 위상 편이 실시예에 대한 분석 블록(604a')을 도시한다. 이 실시예의 분석 블록(604a')은 하나의 합 블록(801), 복소수 곱셈 블록(803), 로패스 필터(low-pass filter) 블록(1201), 및 위상 각 블록(805)을 포함한다. 이 실시예의 분석 블록(604a')은 아래의 식을 실행한다:

로패스 필터 블록(1201)은 복소수 곱셈 블록(803)에 의해 생성된 고주파수 성분을 제거하는 로패스 필터를 포함한다. 로패스 필터 블록(1201)은 어떠한 방식의 로패스 필터링 작동도 실행할 수 있다. 곱셈 과정은 두 개의 항을 생성한다. (-ωt + ωt + φ)항은 결합되어 위상만의 φ항(DC 결과)으로 간략해지는데, 이는 (-ωt)항과 (ωt) 항이 서로 상쇄되기 때문이다. (ωt + ωt + φ)항은 2배의 주파수인 (2ωt + φ)항으로 간략화된다. 결과는 2 항의 합이므로, 고주파수 (2ωt + φ) 항은 제거될 수 있다. 여기서 관심 있는 유일한 항은 DC 항이다. 고주파수 (2ωt + φ) 항은 로패스 필터를 사용하여 결과로부터 필터링될 수 있다. 로패스 필터의 컷오프(cut-off)는 0과 2ω 사이의 어떠한 곳에도 위치할 수 있다.

필터링 후의 결과는 다음과 같다:

따라서, 차등 위상 각은 다음과 같다.

두 개 대신에 하나의 픽오프 신호에 대해 힐버트 변환을 취함으로써, 코리올리 질량 유량계에서 위상 및 주파수 추정을 실행하기 위해 필요한 계산 부하는 바람직하게 감소된다. 따라서 위상 및 주파수는 두 개의 센서 신호를 사용하기는 하지만 단지 하나의 90도 위상 편이를 사용하여 결정될 수 있다.

도 13은 종래 기술과 비교한 본원발명의 센서 처리를 도시하며, 여기서는 각각의 시간차(Δt) 값이 비교된다. 표는 가스 유동(즉, 예를 들어 가스 기포)을 포함하는 유동 물질을 도시한다. 이러한 조건에서, 유동 노이즈는 위상 및 주파수 계산의 속도로 인하여 새로운 알고리즘에서 실질적으로 감소된다. 본원발명에 의해 얻어진 결과는 종래 기술의 (Δt) 측정에서 반영되는 높은 마루 및 골(peak and valley)들을 나타내지 않는다는 것을 그래프로부터 알 수 있다.

본원발명은 종래기술과 다르다. 첫째로, 종래기술은 통상적으로 진동 응답 주파수를 결정하기 위하여 드라이버 시스템으로 보내진 드라이버 신호와 같이 픽오프 신호 및 독립 주파수원(frequency source)을 사용하여 픽오프 주파수를 결정한다. 이와 대조적으로, 본원발명은 두 개의 센서 신호 중 하나의 위상을 편이시킴으로써 주파수를 결정한다. 종래기술은 센서 신호의 위상 편이로부터 진동 응답 주파수를 결정하지 않는다.

둘째로, 대부분의 종래기술의 유량계는 종래기술의 주파수 결정을 이용하여 픽오프 신호 사이의 위상차를 결정한다. 결과적으로, 종래기술의 주파수 결정에 포함된 모든 에러는 종래기술의 위상차 결정에 포함되게 되어, 종래기술의 질량 유량 결정에서의 전체 에러를 더욱 증가시키게 된다. 이와 대조적으로, 본원발명은, 어떠한 주파수 결정의 사용도 없이, 하나 또는 두 개의 위상 편이된 센서 신호로부터 직접 위상차를 결정한다. 결과적으로, 모든 에러 항들은 위상차 결정의 위상 측정 및 위상 조작(manipulation) 만의 결과가 되며, 어떠한 주파수 결정 에러에 의해서도 영향을 받지 않는다.

셋째로, 종래 기술은 독립적으로 측정되는 외부 주파수를 사용하여 질량 유량을 결정한다. 통상적으로, 종래기술은 독립적으로 결정된 외부 주파수를 사용하여 얻어진 위상차도 역시 사용한다. 결과적으로, 종래기술에서, 질량 유량은 주파수 결정에서의 모든 에러에 의해 두 번 영향을 받게 되며, 따라서 만족할만한 정확성 및 신뢰성이 없게 된다. 이와 대조적으로, 본원발명에서 주파수 결정 및 위상차 결정은 독립적으로 유도된다. 따라서 본원발명에서의 주파수 결정 및 위상차 결정은 매우 적은 에러 성분을 포함하게 된다. 결과적으로, 본원발명의 계측 전자장치 및 방법을 사용함으로써 질량 유량 결정에서의 에러의 양은 현격히 감소하게 된다. 결과적으로, 본원발명에 따른 밀도 및 용적 유량도 정확성 및 신뢰성에 있어 향상되게 된다.

넷째, 종래기술의 주파수 결정은 비교적 오랜 시간을 소비한다. 혼입 고체 및/또는 (공기 방울과 같은)혼입 기체를 포함하는 액체와 같이, 유동 물질이 2-상 또는 3-상 유동을 포함하는 경우에, 종래기술의 주파수 결정은 안정적이고 비교적 정확한 주파수 측정을 제공하기 위해서는 1-2 초 정도의 시간이 소요되었다. 이와 대조적으로, 본원발명에 따른 주파수 및 위상차 결정은 수 내지 수백 밀리 세컨드(milliseconds) 정도와 같이 매우 빠르게 얻어질 수 있다. 위상차 및 주파수로부터 유도되는 모든 유동 특성도 역시 매우 적은 시간에 얻어질 수 있다.

도 14는 본원발명의 다른 실시예에 따른 계측 전자장치(20)를 도시한다. 이 실시예의 계측 전자장치(20)는 앞서 설명한 바와 같이 인터페이스(201), 디지타이저(202), 처리 시스템(203), 및 저장 시스템(204)을 포함할 수 있다. 다른 실시예와 공통되는 구성요소 및/또는 루틴에 대해서는 동일한 도면부호를 사용한다. 이러한 구성의 계측 전자장치(20)는 앞서 언급된 것들과 같이 다양한 구성요소 및/또는 루틴을 포함할 수 있다는 것을 이해해야 한다.

작동에 있어서, 계측 전자장치(20)는 유량계(5)를 통해 유동하는 유동 물질에 있는 유동 성분의 질량 분율을 결정하기 위하여 유량계 조립체(10)로부터의 제1 및 제2 센서 신호를 처리한다. 질량 분율은 2상 유동 흐름에 있는 제1 유동 성분 및 제2 유동 성분 간의 질량 유동의 비율이다. 질량 분율은 다양한 유동 성분의 질량을 결정하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 유동은 유체 성분 및 기체 성분을 포함할 수 있다. 유체 성분 질량 유량 및 가스 성분 질량 유량 중 하나 이상을 유도하기 위하여 유동 물질의 전체 질량 유량에 질량 분율이 곱해질 수 있다. 유체 는 어떠한 양식의 유체도 포함할 수 있으며, 가스는 어떠한 양식의 가스도 포함할 수 있다. 가스는 예를 들어 공기를 포함할 수 있다. 이하의 설명은 유체 내의 공기에 초점을 두고 있으나 본원발명은 어떠한 가스에도 적용될 수 있음을 이해해야 할 것이다.

계측 전자장치(20)는 유량계로부터의 제1 센서 신호(1410) 및 제2 센서 신호(1411)와 같이 유량계 조립체(10)의 주파수 응답(1410)을 수신하고 처리한다. 계측 전자장치(20)는 주파수 응답(1410)을 가스 주파수 성분(1412) 및 유체 주파수 성분(1416)으로 분리(break out)한다. 계측 전자장치(20)는 주파수 응답(1410)으로부터 전체 밀도(ρ_mix)를 결정한다. 마찬가지로, 가스 성분 밀도(ρ_gas)(1421)는 가스 주파수 성분(1412)으로부터 결정된다. 계측 전자장치(20)는 주파수 응답(110)과 가스 주파수 성분(1412) 및 유체 주파수 성분(1416) 중 하나 이상을 이용하여 가스의 보이드(void) 분율(1418)을 결정한다. 계측 전자장치(20)는 질량 분율(1419)을 결정하기 위하여 보이드 분율(1418), 전체 밀도(1420), 및 가스 밀도(1421)를 추가로 이용한다. 질량 분율(mf)은 다음과 같이 정의된다:

일 실시예에서, 질량 분율은 가스의 질량 분율(mf_gas)을 포함한다. 가스의 질량 분율은 다음과 같다:

그러나 본원발명은 대안적으로 유동 물질 내의 유체의 질량 분율(mf_fluid)(또는 임의의 모든 질량 분율)을 결정할 수도 있다는 것을 이해해야 한다. 유체의 질량 분율(mf_fluid)은 가스의 질량 분율의 보완(complement)을 포함한다:

그러나 이러한 본 명세서는 설명의 명료성을 위하여 가스의 질량 유동(mf_gas)에 초점을 맞출 것이다.

제1 센서 신호(1410) 및 제2 센서 신호(1411)는 픽오프 센서(170L 및 170R)로부터의 신호와 같이, 계측 전자장치(20)에 의해 실질적으로 연속되게 수신되고 처리되는 시간 변화성(time-varying) 전자 신호를 포함한다. 주파수 응답(1410)은 앞서 설명한 처리 블록(도 6-7 및 9 참조)을 사용하여 결정될 수 있다. 바람직하게, 앞서 설명한 고속 주파수 결정을 이용할 때, 본원발명은 가스의 보이드 분율(1418)을 빠르고 정확하며 신뢰성 있게 결정할 수 있게 된다.

본 실시예의 처리 시스템(203)은 보이드 분율 루틴(1401), 노치 필터 루틴(1402), 및 질량 분율 루틴(1405)을 포함할 수 있다. 처리 시스템(203)은 로패스 필터 루틴(1403) 및 하이패스 필터 루틴(1404)과 같은 하나 이상의 필터 또는 필터 루틴을 더 포함할 수 있다. 대안적으로, 하나 이상의 필터 또는 필터 루틴은 좁은 대역의 주파수를 차단하는 노치 필터 구성이나 기타의 필터 구성을 포함할 수 있다. 처리 시스템(203)은 주파수 응답 측정, 보이드 분율 결정, 및 질량 분율 결정을 각각 저장할 수 있는 주파수 응답(1410), 보이드 분율(1418), 및 질량 분율(1419)을 더 포함할 수 있다. 처리 시스템(203)은 보이드 분율 및 질량 분율 결정에 대한 작동 주파수 값을 저장하는 유체 주파수 성분(1416) 및 가스 주파수 성분(1412)을 더 포함할 수 있다. 처리 시스템(203)은 보이드 분율 밀 질량 분율 결정에 대한 작동 밀도 값을 저장하는 전체 밀도(1420), 가스 성분 밀도(1421), 및 유체 성분 밀도(1422)를 더 포함할 수 있다.

주파수 응답(1410)은 혼합 주파수(f_mix)를 포함하며, 여기서 주파수 응답(1410)은 가스 주파수 성분(f_gas)(1412) 및 유체 주파수 성분(f_fluid)(1416)을 포함할 수 있다. 보이드 분율 및 질량 분율은 이들 주파수 성분들이 혼합 주파수(f_mix)로부터 분리되어 결정된 이후에 결정될 수 있다. 언제라도, 주파수 응답(1410)은 임의의 양의 가스 주파수 성분(f_gas)(1412)(즉, 혼입 가스)을 포함할 수 있다.

도 15는 공기, 유체, 및 공기/유체 혼합물(즉, 혼입 공기를 포함하는 유체)에 대한 유량계 주파수 응답의 그래프를 도시한다. 가스의 밀도는 유량계를 통해 유동하는 유동 물질의 유체 밀도와 구별될 수 있다. 밀도는 측정 주파수로부터 유도될 수 있으므로, 공기와 관련된 주파수는 유체의 주파수로부터도 구별될 수 있다. 이는 다른 가스나 가스 혼합물에 대해서도 역시 적용된다.

주파수를 계산하기 위한 방정식은 다음과 같다:

여기서 ω는 코리올리 유량계의 라디안 주파수이다. ω_-1 항은 앞의 또는 그 전의 샘플 기간으로부터 라디안 주파수 샘플을 나타낸다. 라디안 주파수 ω를 헤르쯔(Hz)의 주파수 f 로 변환하면:

이 방정식은 오직 하나의 주파수만 존재하는 것을 가정한다. 혼입 공기의 경우에서와 같이(공기의 주파수 및 유동 물질 유체의 주파수) 만약 두 개의 주파수가 존재하게 되면, 새로운 방정식은 다음과 같다:

여기서 f_mix 는 가스 주파수 성분(f_gas) 및 유체 주파수 성분(f_fluid)을 포함하는 전체 유동 물질의 주파수 응답을 나타낸다.

다시 도 14를 참조하면, 로패스 필터 루틴(1403)은 로패스 필터를 실행한다. 로패스 필터는 로패스 컷오프 주파수보다 실질적으로 작은 저 주파수를 통과시킨다. 따라서 로패스 필터는 고 주파수를 제거하기 위하여 사용될 수 있다.

하이패스 필터 루틴(1404)은 하이패스 필터를 실행한다. 하이패스 필터는 하이패스 컷오프 주파수보다 실질적으로 높은 고 주파수를 통과시킨다. 따라서 하이패스 필터는 저 주파수를 제거하기 위하여 사용될 수 있다.

노치 필터 루틴(1402)은 노치 필터를 실행한다. 노치 필터는 노치 필터의 주파수 응답에 있는 "노치(notch)"에 중심을 두는 좁은 대역의 주파수를 제거한다. 노치에 있는 주파수만이 노치 필터에 의해 차단된다. 따라서 노치 필터는 알려진 바람직하지 않은 주파수를 주파수 응답(1410)으로부터 제거하는데 매우 유용하다.

보이드 분율 루틴(1401)은 유동 물질 내의 (통상적으로 가스의) 보이드 분율을 결정한다. 보이드 분율은 유동 성분의 밀도로부터 결정될 수 있으며, 여기서 전체 밀도(ρ_mix)는 가스 성분 밀도(ρ_gas)와 유체 성분 밀도(ρ_fluid)의 합을 포함한다.

밀도(ρ)는 실질적으로 다음과 같다:

여기서 f는 유체 주파수 성분(1416)(즉, f_mix)의 주파수 측정치이다. 유체 성분 밀도(ρ_fluid)(1422)는 유체 주파수 성분(1416)을 이용하여 계산될 수 있다. 일 실시예에서, 유체 주파수 성분(1416)은 평균 혼합 주파수를 포함한다. 가스 성분 밀도(ρ_gas)(1421)는 가스 주파수 성분(1412)을 이용하여 계산될 수 있다. 결과적으로, 가스의 보이드 분율(1418)은 유체 성분 밀도(ρ_fluid)(1422)에서 전체 밀도 (ρ_mix)(1420)를 뺀 값을 유체 성분 밀도(ρ_fluid)(1422)에서 가스 성분 밀도(ρ_gas)(1421)를 뺀 값으로 나눈 비율로서 계산된다. 보이드 분율 계산은 다음과 같다:

결과적인 가스의 보이드 분율(1418)은 유동 물질 내의 유체에 대한 가스의 비율을 반영한다.

질량 분율 루틴(1405)은 주파수 응답(1410)으로부터 질량 분율(1419)을 결정한다. 일 실시예에서, 질량 분율 루틴(1405)은 질량 분율(1419)을 계산하기 위하여, 유도된 밀도 값과 함께, 결정된 보이드 분율(VF)(1418)을 사용한다.

질량(M) 및 체적(V)은 밀도(ρ)에 의해 관련된다. 그러므로 밀도는 다음과 같다:

결과적으로, 질량 분율(mf)은 다음과 같이 간략화될 수 있다:

보이드 분율(VF)이 체적 비율을 의미하므로:

질량 분율(mf)은 다음과 같게 된다:

결과적으로, 질량 분율은 보이드 분율(VF), 가스 성분 밀도(ρ_gas)(1421), 및 전체 밀도(ρ_mix)(1422)로부터 결정될 수 있다. 가스 성분 밀도(ρ_gas)(1421) 및 전체 밀도(ρ_mix)(1422)는 가스 주파수 성분(1412) 및 주파수 응답(1410)으로부터 각각 결정될 수 있다.

가스나 유체 중 하나가 공지되어 있다면, 가스 주파수 성분(1412)과 유체 주파수 성분(1416) 중 오직 하나만이 요구될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 예를 들어, 가스가 공기를 포함하면, 표준 공기 주파수 응답(및 밀도)이 가정될 수 있다. 결과적으로, 공지의 가스나 유체 주파수는 필터링될 수 있으며, 오직 하나의 필터링 단계만이 요구된다.

계측 전자장치(20)는 전체 질량 유량, 성분 질량 유량, 성분 체적 등과 같은 기타의 유동 특성을 추가적으로 결정할 수 있다. 계측 전자장치(20)는 유량계 조립체(10)와 통신할 수 있으며, 여기서 유량계 조립체(10)는 주파수 응답을 생성하는 어떠한 방식의 유량계도 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 유량계 조립체(10)는 코리올리 유량계를 포함한다. 다른 실시예에서, 유량계 조립체(10)는 진동 농도계(vibrating densitometer)를 포함한다.

도 16은 본원발명의 일 실시예에 따라 유량계를 통과하여 유동하는 유동 물 질 내에 있는 유동 성분의 질량 분율을 결정하기 위한 방법의 순서도(1600)이다. 단계(1601)에서, 주파수 응답이 수신된다. 주파수 응답은 예를 들어 계측 전자장치(20)에 수신될 수 있다. 주파수 응답은 유동 물질을 포함하는 진동 유량계 조립체(10)에 대한 주파수 응답을 포함한다.

단계(1602)에서, 주파수 응답은 가스 주파수 성분(1412)과 유체 주파수 성분(1416)으로 분리된다. 주파수 응답(1410)이 유동 물질 내의 가스 유량에 관련되는 가스 주파수 성분과 유체 유량에 관련되는 유체 주파수 성분을 포함하기 때문에 이러한 것이 가능하다. 이러한 분리(breaking out)는 앞서 설명한 바와 같이 제1 및 제2 필터에 의해 실행될 수 있다.

단계(1603)에서, 전체 밀도(ρ_mix)가 주파수 응답으로부터 결정된다. 전체 밀도(ρ_mix)는 결합된 유체 및 가스 유동 성분을 반영한다. 앞서 설명한 바와 같이, 전체 밀도(ρ_mix)는 실질적으로 1을 주파수 응답으로 나눈 값(즉, 주파수 응답의 역수)의 제곱을 의미한다.

단계(1604)에서는 가스 성분 밀도(ρ_gas)가 가스 주파수 성분(f_gas)으로부터 결정된다. 가스 성분 밀도(ρ_gas)는 바로 가스 유동 성분의 밀도를 반영한다.

단계(1605)에서는, 앞서 설명한 바와 같이, 가스의 보이드 분율(VF)(1418)이 주파수 응답(1410), 가스 주파수 성분(1412), 및 유체 주파수 성분(1416)을 이용하여 결정된다. 결과적인 가스의 보이드 분율(1418)은 비율, 백분율, 또는 다른 수 단으로서 표현될 수 있다.

단계(1606)에서는 ,질량 분율이, 식(46)에 기재된 바와 같이, 전체 밀도(ρ_mix)에 대한 가스 성분 밀도(ρ_gas)의 비율 및 보이드 분율(VF)(1418)로부터 결정될 수 있다.

도 17은 본원발명의 일 실시예에 따른 유량계를 통해 유동하는 유동 물질 내의 유동 성분의 질량 분율을 결정하기 위한 방법의 순서도를 도시한다. 주파수 응답으로부터 유체 및 가스 주파수 성분을 분리하는 방법 중 하나는 두 개의 필터링 작동을 수행하는 과정을 포함한다. 제1 필터링 작동은 가스 주파수 성분을 실질적으로 차단하고 유체 주파수 성분을 실질적으로 통과시키는 제1 필터로 주파수 응답을 필터링하는 과정을 포함한다. 제2 필터링 작동은 유체 주파수 성분을 실질적으로 차단하고 가스 주파수 성분을 실질적으로 통과시키는 제2 필터로 주파수 성분을 필터링하는 과정을 포함한다. 결과적으로, 제1 필터는 유체 주파수 성분을 출력하며, 제2 필터는 가스 주파수 성분을 출력하게 된다.

단계(1701)에서, 앞서 설명한 바와 같이 주파수 응답이 수신된다.

단계(1702)에서, 주파수 응답이 제1 필터로 필터링된다. 제1 필터는 가스 주파수 성분을 실질적으로 차단하고 유체 주파수 성분을 실질적으로 통과시킨다(도 18참조). 일 실시예에서, 제1 필터는 로패스 필터를 포함하며, 여기서 로패스 필터의 로패스 컷오프 주파수는 유체 주파수 성분보다 실질적으로 높다. 결과적으로, 로패스 필터는 유체 주파수 성분을 실질적으로 통과시키고 가스 주파수 성분을 실질적으로 차단한다.

단계(1703)에서, 주파수 응답은 제2 필터로 필터링된다. 제2 필터는 유체 주파수 성분을 실질적으로 차단하며 가스 주파수 성분을 실질적으로 통과시킨다. 일 실시예에서, 제2 필터는 하이패스 필터를 포함하며, 여기서 하이패스 필터의 하이패스 컷오프 주파수는 가스 주파수 성분보다 실질적으로 낮다(그러나 유체 주파수 성분보다는 높다). 결과적으로, 하이패스 필터는 가스 주파수 성분을 실질적으로 통과시키고 유체 주파수 성분을 실질적으로 차단한다.

단계(1704)에서, 전체 밀도(ρ_mix)가 앞서 설명한 바와 같이 결정된다.

단계(1705)에서, 가스 밀도(ρ_gas)가 앞서 설명한 바와 같이 결정된다.

단계(1706)에서, 앞서 설명한 바와 같이, 가스의 보이드 분율(1418)은 주파수 응답(1410), 가스 주파수 성분(1412), 및 유체 주파수 성분(1416)을 사용하여 결정된다.

단계(1707)에서, 질량 분율(1419)이 앞서 설명한 바와 같이 결정된다.

도 18은 본원발명의 일 실시예에 따라 가스 주파수 성분 및 유체 주파수 성분을 분리하는데 사용될 수 있는 로패스 및 하이패스 필터 응답을 도시하는 주파수 그래프이다. 그래프의 하부에 있는 라인은 유체 주파수 성분 로브(lobe) 및 가스 주파수 성분 로브를 포함하는 유량계 주파수 응답을 나타내는 그래프이다. 유체 주파수 성분 로브는 가스 주파수 성분 로브보다 주파수가 낮다. 상부의 라인은 컷오프 주파수와 함께 하이패스 주파수 응답 및 로패스 주파수 응답을 포함한다. 여 기서, 로패스 및 하이패스 필터 모두에 대한 컷오프 주파수는 두 개의 로브 사이에 실질적으로 중심을 두고 있다. 로패스 및 하이패스 필터는 유체 및 가스 주파수 성분에 따라서 서로 다른 컷오프 주파수를 가지거나 공통의 컷오프 주파수를 가질 수 있다. 로패스 필터는 유체 주파수 성분을 출력하며 하이패스 필터는 가스 주파수 성분을 출력한다는 것을 알 수 있다. 따라서, 두 개의 필터는 주파수 응답(1410)을 가스 주파수 성분(1412) 및 유체 주파수 성분(1416)으로 분리할 수 있다.

유체 및 가스 주파수 성분을 분리하는 다른 방법은 하나의 공지된 주파수 성분을 필터링 하는 과정과 필터 작용에 의해 통과된 주파수 성분을 사용하여 유체 및 가스 주파수 밀도를 결정하는 과정을 포함한다. 예를 들어, 유동 물질 내의 가스가 공기인 경우, 필터링 작동은 통상적인 공기 주파수 응답에 중심을 두는 비교적 좁은 주파수 대역을 필터링하도록 구성될 수 있다. 후속적으로, 주파수 응답으로부터 유도된 전체 밀도와 잔존하는 유체 주파수 성분으로부터 유도된 유체 밀도 성분이 공기 밀도 항(term)을 결정하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 가스가 대기의 공기라고 알려진 경우, (예를 들어 노치 필터와 같은) 필터가 주파수 응답의 공기 주파수 성분을 실질적으로 차단하기 위해 사용될 수 있다. 결과적으로 전체 밀도(ρ_mix)(1420)는 주파수 응답(1410)으로부터 계산될 수 있으며, 유체 성분 밀도(ρ_fluid)(1422)는 유체 주파수 성분(1416)으로부터 계산될 수 있다. 따라서, 공기 성분 밀도(ρ_gas)(1421)는 다음과 같다:

이 식은 다음과 같이 변경될 수 있다:

대안적으로, 유체 주파수 성분은 제거/필터링될 수 있으며 보이드 분율은 가스 주파수 성분을 사용하여 결정될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 앞서와 같이, 이러한 단일 주파수 제거는 유체가 공지된 특성의 주파수 응답 및 밀도를 갖는 경우에 실행될 수 있다. 따라서 단일 주파수 제거 방법은 가스 주파수 성분 또는 유체 주파수 성분을 제거할 수 있다.

일 실시예에서, 단일 주파수 성분은 하나 이상의 필터에 의해 제거될 수 있는 반면, 다른 주파수 성분은 필터링 과정을 통해 통과된다. 일 실시예에서 하나 이상의 필터는 노치 필터를 포함한다. 노치 필터는 좁은 대역(즉, 주파수 응답의 노치) 내의 주파수를 제외한 모든 주파수를 통과시킨다. 대안적으로, 하나 이상의 필터는 임의의 적당한 필터 또는 필터의 조합을 포함할 수 있다.

도 19는 본원발명의 일 실시예에 따라 유량계를 통해 유동하는 유동 물질 내에 있는 유동 성분의 질량 분율을 결정하기 위한 방법의 순서도(1900)를 도시한다. 단계(1901)에서, 주파수 응답(1410)은 앞서 설명한 바와 같이 수신된다.

단계(1902)에서, 주파수 응답이 노치 필터로 처리된다. 노치 필터는 이 실시예에서 가스 주파수 성분 위 및 아래와 같이, 노치의 위 및 아래의 주파수를 통과시킨다. 따라서, 노치 필터는 가스 주파수 성분(1412)을 실질적으로 차단한다. 노치 필터는 유체 주파수 성분(1416)을 실질적으로 통과시킨다.

도 20은 노치 필터 주파수 응답의 그래프이다. 도시된 실시예에서, 노치는 가스 주파수에 중심이 맞춰진다. 노치 필터는 노치의 위 및 아래에 있는 모든 주파수를 실질적으로 통과시키며 오직 가스 주파수만이 노치 필터에 의해 실질적으로 차단된다.

다시 도 19를 참조하면, 단계(1903)에서, 전체 밀도(ρ_mix)가 앞서 설명한 바와 같이 결정된다.

단계(1904)에서, 가스 밀도(ρ_gas)가 앞서 설명한 바와 같이 결정된다.

단계(1905)에서, 앞서 설명한 바와 같이, 가스의 보이드 분율(1418)이 결정된다.

단계(1906)에서, 질량 분율(1419)이 앞서 설명한 바와 같이 결정된다.

본원발명에 따른 방법 및 계측 전자장치는 필요하다면 몇 가지 장점을 얻기 위하여 어떠한 실시예에 따라서도 실행될 수 있다. 본원발명은 2-상 유동에서의 질량 분율을 결정할 수 있다. 본원발명의 다상 유동에서의 질량 분율도 결정할 수 있다. 본원발명은 유체의 질량 분율이나 가스의 질량 분율을 결정할 수 있다. 본원발명은 공기의 질량 분율을 결정할 수 있다. 본원발명은 예를 들어 가스 유동 질량 및 유체 유동 질량과 같이 개별적인 유동 성분의 질량을 결정할 수 있다. 본원발명은 보다 높은 정확성과 신뢰성을 갖는 질량 분율 결정을 제공할 수 있다. 본원발명은 종래기술에 비해 처리 시간을 덜 소요하면서도 더 빠른 질량 분율 결정을 제공할 수 있다.

Claims

유량계(5)를 통해 유동하는 유동 물질에 있는 유동 성분의 질량 분율을 결정하기 위한 계측 전자장치(20)로서,

상기 유동 물질의 단일 주파수 응답을 수신하기 위한 인터페이스(201); 및

상기 인터페이스(201)와 통신하는 처리 시스템(203)으로서, 상기 인터페이스(201)로부터 상기 주파수 응답을 수신하고, 상기 주파수 응답을 하나 이상의 필터에 의해 적어도 가스 주파수 성분과 유체 주파수 성분으로 분리하고, 상기 주파수 응답으로부터 전체 밀도를 결정하고, 상기 가스 주파수 성분으로부터 가스 밀도를 결정하고 상기 유체 주파수 성분으로부터 유체 밀도를 결정하고, 상기 가스 주파수 성분 및 유체 주파수 성분 중 하나 이상과 상기 주파수 응답으로부터 가스의 보이드 분율을 결정하고, 상기 가스 밀도를 상기 전체 밀도로 나눈 비율을 상기 가스의 보이드 분율에 곱한 값으로부터 상기 질량 분율을 결정하도록 구성된 처리 시스템(203); 을 포함하는,

계측 전자장치.
제1항에 있어서,

상기 가스 밀도가 가스 주파수의 역수의 제곱을 포함하고, 상기 전체 밀도가 상기 주파수의 역수의 제곱을 포함하는,

계측 전자장치.
제1항에 있어서,

상기 처리 시스템(203)이,

상기 주파수 응답으로부터 상기 유동 물질의 질량 유량을 결정하고, 상기 질량 유량과 상기 질량 분율을 사용하여 제1 유동 성분 질량 및 제2 유동 성분 질량 중 하나 이상을 결정하도록 추가로 구성되는,

계측 전자장치.
제3항에 있어서,

상기 주파수 응답이 제1 센서 신호 및 제2 센서 신호를 포함하고,

상기 처리 시스템(203)이 실질적으로 순간적인 주파수를 결정하고 실질적으로 순간적인 위상차를 결정하도록 추가적으로 구성되며,

상기 질량 유량이 상기 주파수 및 상기 위상차를 사용하여 결정되는,

계측 전자장치.
제3항에 있어서,

상기 주파수 응답이 제1 센서 신호 및 제2 센서 신호를 포함하고,

상기 처리 시스템(203)이 실질적으로 순간적인 주파수를 결정하고, 실질적으로 순간적인 위상차를 결정하고, 시간 지연을 얻기 위하여 상기 주파수로 상기 위상차를 나누며, 질량 유량을 얻기 위하여 상기 시간 지연에 상수를 곱하도록 추가적으로 구성되는,

계측 전자장치.
제3항에 있어서,

상기 주파수 응답이 제1 센서 신호 및 제2 센서 신호를 포함하고,

상기 처리 시스템(203)이 상기 제1 센서 신호로부터 제1 90도 위상 편이를 생성하고, 상기 제1 센서 신호 및 상기 제1 90도 위상 편이를 사용하여 주파수를 계산하며, 실질적으로 순간적인 위상차를 결정하고, 시간 지연을 얻기 위하여 상기 주파수로 상기 위상차를 나누며, 질량 유량을 얻기 위하여 상기 시간 지연에 상수를 곱하도록 추가적으로 구성되는,

계측 전자장치.
제3항에 있어서,

상기 주파수 응답이 제1 센서 신호 및 제2 센서 신호를 포함하고,

상기 처리 시스템(203)이 상기 제1 센서 신호로부터 제1 90도 위상 편이를 생성하고, 상기 제1 90도 위상 편이, 상기 제1 센서 신호, 및 상기 제2 센서 신호를 사용하여 위상차를 계산하며, 실질적으로 순간적인 위상차를 결정하고, 시간 지연을 얻기 위하여 주파수로 상기 위상차를 나누며, 질량 유량을 얻기 위하여 상기 시간 지연에 상수를 곱하도록 추가적으로 구성되는,

계측 전자장치.
제3항에 있어서,

상기 주파수 응답이 제1 센서 신호 및 제2 센서 신호를 포함하고,

상기 처리 시스템(203)이 상기 제1 센서 신호로부터 제1 90도 위상 편이를 생성하고, 상기 제2 센서 신호로부터 제2 90도 위상 편이를 생성하고, 상기 제1 90도 위상 편이, 상기 제2 90도 위상 편이, 상기 제1 센서 신호, 및 상기 제2 센서 신호를 사용하여 위상차를 계산하며, 실질적으로 순간적인 위상차를 결정하고, 시간 지연을 얻기 위하여 주파수로 상기 위상차를 나누며, 질량 유량을 얻기 위하여 상기 시간 지연에 상수를 곱하도록 추가적으로 구성되는,

계측 전자장치.
제3항에 있어서,

상기 주파수 응답이 제1 센서 신호 및 제2 센서 신호를 포함하고,

상기 처리 시스템(203)이 상기 제1 센서 신호로부터 90도 위상 편이를 생성하고, 상기 90도 위상 편이 및 상기 제1 센서 신호를 사용하여 주파수 응답을 계산하고, 적어도 상기 90도 위상 편이, 상기 제1 센서 신호, 및 상기 제2 센서 신호를 사용하여 위상차를 계산하고, 상기 주파수 응답 및 상기 위상차를 사용하여 시간 지연을 계산하고, 상기 시간 지연으로부터 질량 유량을 계산하고, 실질적으로 순간적인 위상차를 결정하고, 시간 지연을 얻기 위하여 주파수로 상기 위상차를 나누며, 질량 유량을 얻기 위하여 상기 시간 지연에 상수를 곱하도록 추가적으로 구성되는,

계측 전자장치.
유량계를 통해 유동하는 유동 물질에 있는 유동 성분의 질량 분율을 결정하기 위한 방법으로서,

상기 유동 물질의 단일 주파수 응답을 수신하는 단계;

상기 주파수 응답을 하나 이상의 필터에 의해 적어도 가스 주파수 성분 및 유체 주파수 성분으로 분리하는 단계;

상기 주파수 응답으로부터 전체 밀도를 결정하는 단계;

상기 가스 주파수 성분으로부터 가스 밀도를 결정하고 상기 유체 주파수 성분으로부터 유체 밀도를 결정하는 단계;

상기 유체 주파수 성분과 상기 가스 주파수 성분 중 하나 이상과 상기 주파수 응답으로부터 가스의 보이드 분율을 결정하는 단계; 및

상기 가스 밀도를 상기 전체 밀도로 나눈 비율을 상기 가스의 보이드 분율에 곱한 값으로부터 상기 질량 분율을 결정하는 단계; 를 포함하는,

유동 성분의 질량 분율을 결정하기 위한 방법.
청구항 11은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제10항에 있어서,

상기 가스 밀도가 상기 가스 주파수의 역수의 제곱을 포함하고, 상기 전체 밀도가 상기 주파수의 역수의 제곱을 포함하는,

유동 성분의 질량 분율을 결정하기 위한 방법.
청구항 12은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제10항에 있어서,

상기 주파수 응답으로부터 유동 물질의 질량 유량을 결정하는 단계; 및

상기 질량 분율 및 상기 질량 유량을 사용하여 제1 유동 성분 질량 및 제2 유동 성분 질량 중 하나 이상을 결정하는 단계; 를 더 포함하는,

유동 성분의 질량 분율을 결정하기 위한 방법.
청구항 13은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제12항에 있어서,

상기 질량 유량을 결정하는 단계가,

실질적으로 순간적인 주파수를 결정하는 단계; 및

상기 질량 유량이 상기 주파수 및 상기 위상차를 사용하여 결정되는,

유동 성분의 질량 분율을 결정하기 위한 방법.
청구항 14은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제12항에 있어서,

상기 주파수 응답이 제1 센서 신호 및 제2 센서 신호를 포함하고,

상기 질량 유량을 결정하는 단계가,

실질적으로 순간적인 주파수를 결정하는 단계;

실질적으로 순간적인 위상차를 결정하는 단계;

시간 지연을 얻기 위하여 상기 주파수로 상기 위상차를 나누는 단계; 및

상기 질량 유량을 얻기 위하여 상기 시간 지연에 상수를 곱하는 단계; 를 포함하는,

유동 성분의 질량 분율을 결정하기 위한 방법.
청구항 15은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제12항에 있어서,

상기 주파수 응답이 제1 센서 신호 및 제2 센서 신호를 포함하고,

상기 질량 유량을 결정하는 단계가,

상기 제1 센서 신호로부터 제1 90도 위상 편이를 생성하는 단계;

상기 제1 센서 신호 및 상기 제1 90도 위상 편이를 사용하여 주파수를 계산하는 단계;

실질적으로 순간적인 위상차를 결정하는 단계;

시간 지연을 얻기 위하여 상기 주파수로 상기 위상차를 나누는 단계; 및

상기 질량 유량을 얻기 위하여 상기 시간 지연에 상수를 곱하는 단계; 를 더 포함하는,

유동 성분의 질량 분율을 결정하기 위한 방법.
청구항 16은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제12항에 있어서,

상기 주파수 응답이 제1 센서 신호 및 제2 센서 신호를 포함하고,

상기 질량 유량을 결정하는 단계가,

상기 제1 센서 신호로부터 제1 90도 위상 편이를 생성하는 단계;

상기 제1 센서 신호, 상기 제2 센서 신호, 및 상기 제1 90도 위상 편이를 사용하여 위상차를 계산하는 단계;

실질적으로 순간적인 위상차를 결정하는 단계;

시간 지연을 얻기 위하여 주파수로 상기 위상차를 나누는 단계; 및

상기 질량 유량을 얻기 위하여 상기 시간 지연에 상수를 곱하는 단계; 를 더 포함하는,

유동 성분의 질량 분율을 결정하기 위한 방법.
청구항 17은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제12항에 있어서,

상기 주파수 응답이 제1 센서 신호 및 제2 센서 신호를 포함하고,

상기 질량 유량을 결정하는 단계가,

상기 제1 센서 신호로부터 제1 90도 위상 편이를 생성하는 단계;

상기 제2 센서 신호로부터 제2 90도 위상 편이를 생성하는 단계;

상기 제1 센서 신호, 상기 제2 센서 신호, 상기 제1 90도 위상 편이, 및 상기 제2 90도 위상 편이를 사용하여 위상차를 계산하는 단계;

실질적으로 순간적인 위상차를 결정하는 단계;

시간 지연을 얻기 위하여 주파수로 상기 위상차를 나누는 단계; 및

상기 질량 유량을 얻기 위하여 상기 시간 지연에 상수를 곱하는 단계; 를 더 포함하는,

유동 성분의 질량 분율을 결정하기 위한 방법.
청구항 18은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제12항에 있어서,

상기 주파수 응답이 제1 센서 신호 및 제2 센서 신호를 포함하고,

상기 질량 유량을 결정하는 단계가,

상기 제1 센서 신호로부터 90도 위상 편이를 생성하는 단계;

상기 제1 센서 신호, 및 상기 90도 위상 편이를 사용하여 주파수 응답을 계산하는 단계;

적어도 상기 제1 센서 신호, 상기 제2 센서 신호, 및 상기 90도 위상 편이를 사용하여 위상차를 계산하는 단계;

상기 주파수 응답 및 상기 위상차를 사용하여 시간 지연을 계산하는 단계;

상기 시간 지연으로부터 질량 유량을 계산하는 단계;

실질적으로 순간적인 위상차를 결정하는 단계;

시간 지연을 얻기 위하여 주파수로 상기 위상차를 나누는 단계; 및

상기 질량 유량을 얻기 위하여 상기 시간 지연에 상수를 곱하는 단계; 를 더 포함하는,

유동 성분의 질량 분율을 결정하기 위한 방법.
유량계를 통해 유동하는 유동 물질에 있는 유동 성분의 질량 분율을 결정하기 위한 방법으로서,

상기 유동 물질의 단일 주파수 응답을 수신하는 단계;

상기 주파수 응답을 적어도 가스 주파수 성분 및 유체 주파수 성분으로 분리하기 위하여, 가스 주파수 성분 및 유체 주파수 성분 중 하나를 실질적으로 차단하는 노치 필터로 상기 주파수 응답을 처리하는 단계;

상기 주파수 응답으로부터 전체 밀도를 결정하는 단계;

상기 가스 주파수 성분으로부터 가스 밀도를 결정하고 상기 유체 주파수 성분으로부터 유체 밀도를 결정하는 단계;

상기 유체 주파수 성분과 상기 가스 주파수 성분 중 하나 이상과 상기 주파수 응답으로부터 가스의 보이드 분율을 결정하는 단계; 및

상기 가스 밀도를 상기 전체 밀도로 나눈 비율을 상기 가스의 보이드 분율에 곱한 값으로부터 상기 질량 분율을 결정하는 단계; 를 포함하는,

유동 성분의 질량 분율을 결정하기 위한 방법.
청구항 20은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제19항에 있어서,

상기 가스 밀도가 상기 가스 주파수의 역수의 제곱을 포함하고, 상기 전체 밀도가 상기 주파수의 역수의 제곱을 포함하는,

유동 성분의 질량 분율을 결정하기 위한 방법.
청구항 21은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제19항에 있어서,

상기 주파수 응답으로부터 유동 물질의 질량 유량을 결정하는 단계; 및

상기 질량 분율 및 상기 질량 유량을 사용하여 제1 유동 성분 질량 및 제2 유동 성분 질량 중 하나 이상을 결정하는 단계; 를 더 포함하는,

유동 성분의 질량 분율을 결정하기 위한 방법.
청구항 22은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

상기 질량 유량을 결정하는 단계가,

실질적으로 순간적인 주파수를 결정하는 단계; 및

실질적으로 순간적인 위상차를 결정하는 단계; 를 포함하고,

상기 질량 유량이 상기 주파수 및 상기 위상차를 사용하여 결정되는,

유동 성분의 질량 분율을 결정하기 위한 방법.
청구항 23은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제21항에 있어서,

상기 주파수 응답이 제1 센서 신호 및 제2 센서 신호를 포함하고,

상기 질량 유량을 결정하는 단계가,

실질적으로 순간적인 주파수를 결정하는 단계;

실질적으로 순간적인 위상차를 결정하는 단계;

시간 지연을 얻기 위하여 상기 주파수로 상기 위상차를 나누는 단계; 및

상기 질량 유량을 얻기 위하여 상기 시간 지연에 상수를 곱하는 단계; 를 포함하는,

유동 성분의 질량 분율을 결정하기 위한 방법.
청구항 24은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제21항에 있어서,

상기 주파수 응답이 제1 센서 신호 및 제2 센서 신호를 포함하고,

상기 질량 유량을 결정하는 단계가,

상기 제1 센서 신호로부터 제1 90도 위상 편이를 생성하는 단계;

상기 제1 센서 신호 및 상기 제1 90도 위상 편이를 사용하여 주파수를 계산하는 단계;

실질적으로 순간적인 위상차를 결정하는 단계;

시간 지연을 얻기 위하여 상기 주파수로 상기 위상차를 나누는 단계; 및

상기 질량 유량을 얻기 위하여 상기 시간 지연에 상수를 곱하는 단계; 를 더 포함하는,

유동 성분의 질량 분율을 결정하기 위한 방법.
청구항 25은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제21항에 있어서,

상기 주파수 응답이 제1 센서 신호 및 제2 센서 신호를 포함하고,

상기 질량 유량을 결정하는 단계가,

상기 제1 센서 신호로부터 제1 90도 위상 편이를 생성하는 단계;

상기 제1 센서 신호, 상기 제2 센서 신호, 및 상기 제1 90도 위상 편이를 사용하여 위상차를 계산하는 단계;

실질적으로 순간적인 위상차를 결정하는 단계;

시간 지연을 얻기 위하여 주파수로 상기 위상차를 나누는 단계; 및

상기 질량 유량을 얻기 위하여 상기 시간 지연에 상수를 곱하는 단계; 를 더 포함하는,

유동 성분의 질량 분율을 결정하기 위한 방법.
청구항 26은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제21항에 있어서,

상기 주파수 응답이 제1 센서 신호 및 제2 센서 신호를 포함하고,

상기 질량 유량을 결정하는 단계가,

상기 제1 센서 신호로부터 제1 90도 위상 편이를 생성하는 단계;

상기 제2 센서 신호로부터 제2 90도 위상 편이를 생성하는 단계;

상기 제1 센서 신호, 상기 제2 센서 신호, 상기 제1 90도 위상 편이, 및 상기 제2 90도 위상 편이를 사용하여 위상차를 계산하는 단계;

실질적으로 순간적인 위상차를 결정하는 단계;

시간 지연을 얻기 위하여 주파수로 상기 위상차를 나누는 단계; 및

상기 질량 유량을 얻기 위하여 상기 시간 지연에 상수를 곱하는 단계; 를 더 포함하는,

유동 성분의 질량 분율을 결정하기 위한 방법.
청구항 27은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제21항에 있어서,

상기 주파수 응답이 제1 센서 신호 및 제2 센서 신호를 포함하고,

상기 질량 유량을 결정하는 단계가,

상기 제1 센서 신호로부터 90도 위상 편이를 생성하는 단계;

상기 제1 센서 신호, 및 상기 90도 위상 편이를 사용하여 주파수 응답을 계산하는 단계;

적어도 상기 제1 센서 신호, 상기 제2 센서 신호, 및 상기 90도 위상 편이를 사용하여 위상차를 계산하는 단계;

상기 주파수 응답 및 상기 위상차를 사용하여 시간 지연을 계산하는 단계;

상기 시간 지연으로부터 질량 유량을 계산하는 단계;

실질적으로 순간적인 위상차를 결정하는 단계;

시간 지연을 얻기 위하여 주파수로 상기 위상차를 나누는 단계; 및

상기 질량 유량을 얻기 위하여 상기 시간 지연에 상수를 곱하는 단계; 를 더 포함하는,

유동 성분의 질량 분율을 결정하기 위한 방법.
유량계를 통해 유동하는 유동 물질에 있는 유동 성분의 질량 분율을 결정하기 위한 방법으로서,

상기 유동 물질의 단일 주파수 응답을 수신하는 단계;

가스 주파수 성분을 실질적으로 차단하고 유체 주파수 성분을 실질적으로 통과시키는 제1 필터로 상기 주파수 응답을 필터링하는 단계로서, 상기 제1 필터가 상기 유체 주파수 성분을 출력하는, 제1 필터에 의한 필터링 단계;

유체 주파수 성분을 실질적으로 차단하고 가스 주파수 성분을 실질적으로 통과시키는 제2 필터로 상기 주파수 응답을 필터링하는 단계로서, 상기 제2 필터가 상기 가스 주파수 성분을 출력하는, 제2 필터에 의한 필터링 단계;

상기 주파수 응답으로부터 전체 밀도를 결정하는 단계;

상기 가스 주파수 성분으로부터 가스 밀도를 결정하고 상기 유체 주파수 성분으로부터 유체 밀도를 결정하는 단계;

상기 유체 주파수 성분과 상기 가스 주파수 성분 중 하나 이상과 상기 주파수 응답으로부터 가스의 보이드 분율을 결정하는 단계; 및

상기 가스 밀도를 상기 전체 밀도로 나눈 비율을 상기 가스의 보이드 분율에 곱한 값으로부터 상기 질량 분율을 결정하는 단계; 를 포함하며,

상기 제1 필터 및 상기 제2 필터는 상기 주파수 응답을 적어도 가스 주파수 성분 및 유체 주파수 성분으로 분리시키는,

유동 성분의 질량 분율을 결정하기 위한 방법.
청구항 29은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제28항에 있어서,

상기 가스 밀도가 상기 가스 주파수의 역수의 제곱을 포함하고, 상기 전체 밀도가 상기 주파수의 역수의 제곱을 포함하는,

유동 성분의 질량 분율을 결정하기 위한 방법.
제28항에 있어서,

상기 주파수 응답으로부터 유동 물질의 질량 유량을 결정하는 단계; 및

상기 질량 분율 및 상기 질량 유량을 사용하여 제1 유동 성분 질량 및 제2 유동 성분 질량 중 하나 이상을 결정하는 단계; 를 더 포함하는,

유동 성분의 질량 분율을 결정하기 위한 방법.
제30항에 있어서,

상기 질량 유량을 결정하는 단계가,

실질적으로 순간적인 주파수를 결정하는 단계; 및

실질적으로 순간적인 위상차를 결정하는 단계; 를 포함하고,

상기 질량 유량이 상기 주파수 및 상기 위상차를 사용하여 결정되는,

유동 성분의 질량 분율을 결정하기 위한 방법.
청구항 32은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제30항에 있어서,

상기 주파수 응답이 제1 센서 신호 및 제2 센서 신호를 포함하고,

상기 질량 유량을 결정하는 단계가,

실질적으로 순간적인 주파수를 결정하는 단계;

실질적으로 순간적인 위상차를 결정하는 단계;

상기 질량 유량을 얻기 위하여 상기 시간 지연에 상수를 곱하는 단계; 를 포함하는,

유동 성분의 질량 분율을 결정하기 위한 방법.
청구항 33은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제30항에 있어서,

상기 주파수 응답이 제1 센서 신호 및 제2 센서 신호를 포함하고,

상기 질량 유량을 결정하는 단계가,

상기 제1 센서 신호로부터 제1 90도 위상 편이를 생성하는 단계;

상기 제1 센서 신호 및 상기 제1 90도 위상 편이를 사용하여 주파수를 계산하는 단계;

실질적으로 순간적인 위상차를 결정하는 단계;

시간 지연을 얻기 위하여 상기 주파수로 상기 위상차를 나누는 단계; 및

상기 질량 유량을 얻기 위하여 상기 시간 지연에 상수를 곱하는 단계; 를 더 포함하는,

유동 성분의 질량 분율을 결정하기 위한 방법.
청구항 34은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제30항에 있어서,

상기 주파수 응답이 제1 센서 신호 및 제2 센서 신호를 포함하고,

상기 질량 유량을 결정하는 단계가,

상기 제1 센서 신호로부터 제1 90도 위상 편이를 생성하는 단계;

상기 제1 센서 신호, 상기 제2 센서 신호, 및 상기 제1 90도 위상 편이를 사용하여 위상차를 계산하는 단계;

실질적으로 순간적인 위상차를 결정하는 단계;

시간 지연을 얻기 위하여 주파수로 상기 위상차를 나누는 단계; 및

상기 질량 유량을 얻기 위하여 상기 시간 지연에 상수를 곱하는 단계; 를 더 포함하는,

유동 성분의 질량 분율을 결정하기 위한 방법.
청구항 35은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제30항에 있어서,

상기 주파수 응답이 제1 센서 신호 및 제2 센서 신호를 포함하고,

상기 질량 유량을 결정하는 단계가,

상기 제1 센서 신호로부터 제1 90도 위상 편이를 생성하는 단계;

상기 제2 센서 신호로부터 제2 90도 위상 편이를 생성하는 단계;

상기 제1 센서 신호, 상기 제2 센서 신호, 상기 제1 90도 위상 편이, 및 상기 제2 90도 위상 편이를 사용하여 위상차를 계산하는 단계;

실질적으로 순간적인 위상차를 결정하는 단계;

시간 지연을 얻기 위하여 주파수로 상기 위상차를 나누는 단계; 및

상기 질량 유량을 얻기 위하여 상기 시간 지연에 상수를 곱하는 단계; 를 더 포함하는,

유동 성분의 질량 분율을 결정하기 위한 방법.
청구항 36은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제30항에 있어서,

상기 주파수 응답이 제1 센서 신호 및 제2 센서 신호를 포함하고,

상기 질량 유량을 결정하는 단계가,

상기 제1 센서 신호로부터 90도 위상 편이를 생성하는 단계;

상기 제1 센서 신호, 및 상기 90도 위상 편이를 사용하여 주파수 응답을 계산하는 단계;

적어도 상기 제1 센서 신호, 상기 제2 센서 신호, 및 상기 90도 위상 편이를 사용하여 위상차를 계산하는 단계;

상기 주파수 응답 및 상기 위상차를 사용하여 시간 지연을 계산하는 단계;

상기 시간 지연으로부터 질량 유량을 계산하는 단계;

실질적으로 순간적인 위상차를 결정하는 단계;

시간 지연을 얻기 위하여 주파수로 상기 위상차를 나누는 단계; 및

상기 질량 유량을 얻기 위하여 상기 시간 지연에 상수를 곱하는 단계; 를 더 포함하는,

유동 성분의 질량 분율을 결정하기 위한 방법.