KR101907426B1 - 코리올리 유량계 및 개선된 미터 제로를 갖는 방법 - Google Patents

코리올리 유량계 및 개선된 미터 제로를 갖는 방법 Download PDF

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Abstract

코리올리 유량계(205)가 제공된다. 코리올리 유량계(205)는 하나 또는 그 초과의 유동튜브(210)들을 포함하는 유량계 조립체(206), 유량계 조립체(206)를 진동시키도록 커플링되고 구성되는 구동기(220), 유량계 조립체(206)로부터 두 개 또는 그 초과의 진동 신호들을 발생시키도록 커플링되고 구성되는 두 개 또는 그 초과의 픽오프 센서(230, 231)들, 및 구동기(220) 및 두 개 또는 그 초과의 픽오프 센서(230, 231)들에 커플링되는 계측 전자 기기(20)를 포함하며, 계측 전자 기기(20)가 구동기(220)에 구동 신호를 제공하고 두 개 또는 그 초과의 픽오프 센서(230, 231)들로부터 초래한 두 개 또는 그 초과의 진동 신호들을 수신하도록 구성되며, 여기서 두 개 또는 그 초과의 픽오프 센서(230, 231)들이 코리올리 유량계(205)의 코리올리 진동 모드를 최대화시키는 두 개 또는 그 초과의 상응하는 픽오프 센서 위치들에 부착된다.

Description

코리올리 유량계 및 개선된 미터 제로를 갖는 방법 {CORIOLIS FLOWMETER AND METHOD WITH IMPROVED METER ZERO}
본 발명은 코리올리 유량계의 미터 제로 항(meter zero term), 및 더 자세하게는, 개선된 미터 제로 항에 관한 것이다.
코리올리 질량 유량계들 및 진동 농도계들과 같은 진동 도관 센서들은 유동 재료를 포함하는 진동 도관의 모션(motion)을 검출함으로써 통상적으로 작동한다. 질량 유동, 농도 등과 같은 도관 내의 재료와 연관되는 특성들은 도관과 연관되는 모션 변환기들로부터 수신되는 측정 신호들을 처리함으로써 결정될 수 있다. 진동 재료-충전 시스템의 진동 모드들은 포함하는 도관 및 그 안에 포함되는 재료의 조합 질량, 강도(stiffness), 및 댐핑(damping) 특성들에 의해 일반적으로 영향을 받는다.
통상적인 코리올리 질량 유량계는 파이프라인 또는 다른 운반 시스템 내에서 인라인(inline)으로 연결되고 시스템 내에 재료(convey material), 예를 들어 유체들, 슬러리(slurry)들, 에멀젼(emulsion) 등을 전달하는 하나 또는 그 초과의 도관들 및 포함한다. 각각의 도관은, 예를 들어 간단한 굽힘(bending), 비틀림, 레이디얼(radial) 방향 그리고 커플링 모드들을 포함하는 고유 진동 모드(natural vibration mode)들의 세트를 가지는 것과 같이 여겨질 수 있다.
통상적인 코리올리 질량 유동 측정 적용예에서, 재료들이 도관을 통해 흐를 때 도관은 하나 또는 그 초과의 진동 모드들에서 가진(excite)되고 도관의 모션은 도관을 따라 이격된 지점들에서 측정된다. 가진(excitation)은 액추에이터(actuator), 예를 들어, 주기적 방식으로 도관을 섭동시키는 보이스 코일형 구동기(voice coil-type driver)와 같은 전기기계식 장치에 의해 통상적으로 제공된다. 두 개의 변환기(transducer)(또는 픽오프 센서들)들은 유동 도관 또는 도관들의 진동 응답을 측정하기 위해 통상적으로 사용되고, 액추에이터의 상류 및 하류 위치들에 통상적으로 위치된다. 질량 유량(mass flow rate)은 이격된 변환기 위치들에서의 모션들 사이의 시간 지연 또는 위상차(phase difference)들을 측정함으로써 결정될 수 있으며, 여기서 시간 지연 또는 위상차가 유동하는 재료에서 코리올리 힘들에 의해 유발된다. 코리올리 힘들은 튜브 진동들로 인해 이동 유체의 방향의 변화에 의해 발생된다. 이러한 코리올리 힘들이 센서 튜브 상에 가해지고 진동 모션에서 섭동들을 일으킨다. 이러한 섭동들은 유동튜브의 하나의 단부를 리딩하고 다른 단부를 래깅(lag)하게 하여, 리딩 및 래깅 진동 센서 신호들에서의 위상 지연(phase delay)을 생성한다.
픽오프 센서들은 픽오프 센서들로부터의 신호들을 수신하고 특히 질량 유량 측정을 유도하기 위해 신호들을 처리하는 계측 전자 기기(또는 다른 기기 장치)에 연결된다. 질량 유량 측정을 발생시키기 위해, 계측 전자 기기는 진동의 구동 주파수를 사용하여 측정된 위상 지연을 시간 지연으로 변환시킬 수 있다. 아래에 주어지는 것과 같이, 유동튜브들을 통해 지나는 질량 유량은 이러한 시간 지연(Δt)에 직접적으로 비례한다.
질량 유량(mass flow rate)=FCF×Δt (1)
예를 들어, (FCF) 항은 미터 강도(meter stiffness), 주위 온도, 그리고 미터(meter) 구조 및 기하학정 형상과 같은 다양한 미터 특성들을 고려하는 유동 교정 인자이다. 그러나, 비유동(no flow) 상태 내에서의 실제 작동시, 시간 지연(Δt)은 영(zero)이 아닌 값을 포함할 수 있고 유동들을 정확히 측정하도록 상기 방정식에서 보상되어야 한다. 결론적으로, 질량 유량은 아래와 같이 더 양호하게 나타날 수 있다.
질량 유량=FCF×(Δt-ΔtZ) (2)
(ΔtZ) 항은 비-유동 상태에서, 또한 미터 제로 항으로 불리는 시간 지연 수정(correction) 값이다. 미터 제로 항(ΔtZ)은 구동기와 픽오프 센서 또는 센서들 사이에서 위치의, 질량, 및/또는 댐핑 비대칭들로 인해 비-유동 진동 이상(no-flow vibrational phase shift)을 발생시킬 수 있다. 미터 제로 항(ΔtZ)은 유동튜브 또는 튜브들의 구동 모드와 픽오프 센서의 모드 상호작용들로 인해 또한 존재할 수 있다. 미터 제로 항(ΔtZ)은 픽오프 센서 및 구동기 디자인으로 인해 존재할 수 있다. 미터 제로 항(ΔtZ)은 환경 온도 및 온도의 변화들로 인해 존재할 수 있다.
미터 제로 항(ΔtZ) 및 미터 제로 항(ΔtZ)의 안정성이 전체적으로 유동튜브들 및/또는 유량계 조립체의 기하학적 비대칭들에 의해, 진동 모드들 사이에서 커플링에 의해, 댐핑에 의해, 그리고 미터 장착 특성들 및 다른 환경 상태들에 의해 큰 영향을 받는다는 것이 본 분야에서 주지되어 있다.
이러한 인자들은 오직 미터 제로 항(ΔtZ)의 크기에 기여할 뿐만 아니라 시간이 지나면서 미터 제로 항(ΔtZ)에서의 불안정성을 또한 유발시킬 수 있다. 이는 이어서 특히 더 높은 턴 다운(turn down)에서 유량계의 정농도에 영향을 미친다. 미터 턴 다운은, 측정 신호가 노이즈(noise)와 구별될 수 없는, 즉 너무 적게 유동하여 정확히 측정될 수 없는 영의 유동(zero flow) 바로 위의 낮은 유량들의 밴드(band)를 포함한다.
이러한 이유들 때문에, 미터 제로 항(ΔtZ)을 가능한 작게 유지하는 것이 바람직하다. 큰 미터 제로 항(ΔtZ)은 진동 유량계에서의 문제들을 제공할 수 있다. 큰 크기의 미터 제로 항(ΔtZ)은 작은 크기의 미터 제로 항(ΔtZ)보다 더 불안정할 수 있다. 큰 크기의 미터 제로 항(ΔtZ)은 빈번한 영점 재조정(re-zeroing) 작업들을 요구할 수 있다.
영점 재조정 작업은 진동 유량계의 작업을 중단할 것을 요구할 것이다. 영점 재조정 작업은 기술자에 의한 수동적이고 시간-소모적 진단들/조정들을 요구할 수 있다. 예를 들어, 온도가 20℃ 초과 만큼 변화할 때 유량계의 사용자가 유량계의 영점을 재조정하는 것이 통상적으로 요구된다.
비록 미터 제로 항(ΔtZ)에 대한 온도 영향이 공장 교정 공정(factory calibration process)에서 보상되지만, 미터 제로 항(ΔtZ)은 통상적으로 조정가능하지 않다. 미터 제로 항(ΔtZ)의 안정성은 조정될 수 없거나 보상될 수 없다.
본 발명의 일 양태에서, 코리올리 유량계는 하나 또는 그 초과의 유동튜브를 포함하는 유량계 조립체; 유량계 조립체를 진동시키도록 커플링되고 구성되는 구동기; 유량계 조립체로부터 두 개 또는 그 초과의 진동 신호들을 발생시키도록 커플링되고 구성되는 두 개 또는 그 초과의 픽오프 센서들; 및 구동기 및 두 개 또는 그 초과의 픽오프 센서들에 커플링되는 계측 전자 기기를 포함하며, 계측 전자 기기가 구동기에 드라이브 신호를 제공되고 두 개 또는 그 초과의 픽오프 센서들로부터 초래한 두 개 또는 그 초과의 진동 신호들을 수신하도록 구성되며, 여기서 두 개 또는 그 초과의 픽오프 센서들이 코리올리 유량계의 코리올리 진동 모드를 최대화시키는 두 개 또는 그 초과의 상응하는 픽오프 센서 위치들에 부착된다.
바람직하게는, 두 개 또는 그 초과의 픽오프 센서 위치들은 비-유동(no-flow) 상태에서 미터 제로 안정성을 증가시킨다.
바람직하게는, 두 개 또는 그 초과의 픽오프 센서 위치들이 코리올리 유량계의 장착 상태에 의해 최소한으로 영향을 받는다.
바람직하게는, 두 개 또는 그 초과의 픽오프 센서 위치들을 결정하는 단계는 모드 해석에 따라 실질적으로 최대 코리올리 진동 모드 응답을 발생시키는 두 개 또는 그 초과의 픽오프 센서 위치들을 결정하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 모드 해석은 각각의 진동 모드를 위한 노드 위치들을 결정하는 단계 및 각각의 진동 모드에 의해 코리올리 진동 모드에 대한 진동 기여도를 결정하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 코리올리 유량계는 저-유동 코리올리 유량계를 포함한다.
본 발명의 하나의 양태에서, 코리올리 유량계를 형성하는 방법은 코리올리 유량계의 유량계 조립체에 대한 모드 해석을 수행하는 단계; 두 개 또는 그 초과의 진동 신호들에서 코리올리 유량계의 코리올리 진동 모드를 최대화시키는 두 개 또는 그 초과의 픽오프 센서 위치들을 결정하는 단계; 및 두 개 또는 그 초과의 픽오프 센서 위치들에서 두 개 또는 그 초과의 상응하는 픽오프 센서들을 부착시키는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 두 개 또는 그 초과의 픽오프 센서 위치들은 비-유동 상태에서 미터 제로 안정성을 증가시킨다.
바람직하게는, 두 개 또는 그 초과의 픽오프 센서 위치들은 코리올리 유량계의 장착 상태에 의해 최소한으로 영향을 받는다.
바람직하게는, 두 개 또는 그 초과의 픽오프 센서 위치들을 결정하는 단계는 모드 해석에 따라 실질적으로 최대 코리올리 진동 모드 응답을 발생시키는 두 개 또는 그 초과의 픽오프 센서 위치들을 결정하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 모드 해석은 각각의 진동 모드를 위한 노드 위치들을 결정하는 단계; 및 각각의 진동 모드에 의해 코리올리 진동 모드에 대한 진동 기여도를 결정하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 코리올리 유량계가 저-유동 코리올리 유량계를 포함한다.
동일한 참조 번호는 모든 도면들 상에서 동일한 요소를 나타낸다. 도면들은 반드시 축척대로 도시되지 않는다.
도 1은 본 발명에 따른 단일 곡선형 튜브 코리올리 유량계를 도시한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 구동기의 상대적 위치 설정 및 두 개 또는 그 초과의 픽오프 센서들을 도시한다.
도 3 내지 도 6은 코리올리 유량계에서의 다양한 유동튜브 진동 또는 정상 모드들의 예들을 도시한다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 코리올리 유량계를 형성하는 방법의 흐름도이다.
도 8은 실질적으로 직사각형 튜브 형상을 가지는 단일 코리올리 유량계의 도면이며, 여기서 일련의 가능한 픽오프 위치들이 도면의 좌측에 도시된다.
도 9는 도 8의 정규화된 Δt 기여도 대 픽오프 위치들의 그래프이다.
도 1 내지 도 9 및 다음의 설명은 본 발명의 최적 모드를 만들고 사용하는 방법을 당업자에게 교시하기 위해 특정한 예들을 도시한다. 본 발명의 원리들을 교시하는 목적을 위하여, 일부 통상적인 양태들은 단순화되었거나 생략되었다. 당업자들은 발명의 범주 내에 속하는 이러한 예들로부터의 변형들을 이해할 것이다. 당업자들은 아래에 설명되는 특징들이 본 발명의 다수의 변형예들을 형성하기 위해 다양한 방식들로 조합될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 결과적으로, 본 발명은 아래에 설명되는 특정한 예들로 제한되지 않으며, 오직 청구항들 및 그들의 등가물들에 의해서만 제한된다.
도 1은 본 발명에 따른 코리올리 유량계(205)를 도시한다. 본 발명의 임의의 실시예들에 따른 코리올리 유량계(205)는 개선된 미터 제로 항을 가진다. 본 발명의 임의의 실시예들에 따른 코리올리 유량계(205)는 개선된 미터 제로 항을 가지며, 여기서 미터 제로는 개선된 안정성을 가진다.
도시된 실시예의 코리올리 유량계(205)는 단일 곡선형 유동튜브(210)를 포함하는 유량계 조립체(206), 밸런스 구조물(208), 및 계측 전자 기기(20)를 포함할 수 있다. 계측 전자 기기(20)는 예를 들어, 농도, 질량 유량(mass flow rate), 체적 유량(volume flow rate), 총 질량 유동(totalized mass flow), 온도, 및 다른 정보와 같은 유동 물질(flowing substance)의 특성을 측정하기 위해 리딩(lead)(110, 111, 및 111')들을 통해 유량계 조립체(206)에 커플링된다. 계측 전자 기기(20)는 통신 경로(26)를 통해 사용자 또는 다른 프로세서(processor)에게 정보를 전송한다. 통신 경로(26)는 계측 전자 기기(20)가 작동자와 또는 다른 전자 시스템들과 인터페이싱(interface)하는 것을 가능하게 하는 입력 및 출력 수단들을 제공한다. 도 1의 설명에는 단지 코리올리 유량계의 작동의 예로서 제공되고 본 발명의 교시를 제한하려는 것은 아니다.
코리올리 유량계(205)는, 구동기들, 픽오프 센서들, 유동 도관(flow conduit)의 개수, 또는 진동의 작동 모드에 상관없이, 임의의 방식의 진동의 유량계를 포함할 수 있다는 것이 당업자에게 명백해야 할 것이다. 코리올리 유량계(205)가, 직선형(straight) 유동튜브들, 약간의 곡선형 유동튜브들, U-형 유동튜브들, 델타형(delta shaped) 유동튜브들, 또는 임의의 다른 형상의 유동 튜브 경로를 포함하는 임의의 기하학적 형상을 가질 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 일부 실시예들에서, 코리올리 유량계(205)는 코리올리 질량 유량계로서 작동될 수 있다. 부가적으로, 코리올리 유량계(205)는 대안적으로 진동 농도계(vibratory desitometer)로서 작동될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
유량계 조립체(206)는 유동 물질을 수용하기 위한 유동 경로를 한정하는 유동튜브(210)를 포함한다. 도시되는 것처럼, 유동튜브(210)는 굽혀질 수 있거나, 직선형 구성 또는 불규칙한 구성과 같은 임의의 형상이 제공될 수 있다. 부가적인 유량계 형상들 및/또는 구성들은 사용될 수 있고, 설명 및 청구항들의 범주 내에 있다.
유량계 조립체(206)가 유동 물질을 운반하는 파이프라인 시스템 내로 삽입될 때, 물질은 (도시되지 않은) 입구 플랜지를 통해 유량계 조립체(206)에 들어가며, 그 후에 유동 물질의 특성이 측정되는 유동튜브(210)를 통해 흐른다. 이것에 이어서, 유동 물질은 유동튜브(210)에 존재하고 (도시되지 않은) 출구 플랜지를 통해 지나간다. 당업자들은, 유동튜브(210)가 적합한 장치들 및/또는 구조들을 통해 플랜지들에 연결될 수 있다는 것을 이해한다. 도시된 실시예에서, 유동튜브(210)에는 일반적으로 커넥터(270 및 271)들로부터 연장하고 그들의 외측 말단(extremity)들에서 플랜지들에 연결하는 단부 부분(211 및 212)들이 제공된다.
유동 유체는 액체를 포함할 수 있다. 유동 유체는 가스를 포함할 수 있다. 유동 유체는, 혼입 가스(entrained gas)들 및/또는 혼입 고체(entrained solid)들을 포함하는 액체와 같은 다상(multi-phase) 유체를 포함할 수 있다.
상기 예시의 유량계 조립체(206)는 하나 이상의 구동기(220)를 포함한다. 구동기(220)는, 제한이 아닌 예로써 압전성 요소(piezoelectric element)들, 용량성 요소(capacitive element)들, 또는 전자기식 코일/자석 배열체를 포함하는 주지된 많은 배열체들 중 하나를 포함할 수 있다. 도시되는 실시예에서, 구동기(220)는 밸런스 구조물(208)의 구동 부재(250)에 연결되는 제 1 부분 및 유동튜브(210)에 연결되는 제 2 부분을 포함한다. 예를 들어, 제 1 및 제 2 부분들은 구동 코일(drive coil) 및 구동 자석(dirve magnet)에 상응할 수 있다. 본 실시예에서, 구동기(220)는 바람직하게는 구동 부재(250) 및 유동튜브(210)를 반대 위상으로(in phase opposition) 이동시킨다. 이중 유동튜브 실시예에서, 구동기(220)는 두 개의 유동튜브들을 반대로 진동시킬 수 있다.
구동 부재(250) 및 유동튜브(210)는 바람직하게는 벤딩 축선(bending axis)(W)을 중심으로 구동되며, 이는 커넥터(270 및 271)들에 의해 부분적으로 한정될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따라, 벤딩 축선(W)은 입구-출구 튜브 축선에 상응한다. 구동 부재(250)는 기부(260)로부터 굽혀진다. 당업자는 미터가 다른 모드들로 또는 심지어 다수의 모드들에서 동시에 구동된다는 것을 이해할 것이다. 픽오프 센서 위치 최적화는 임의의 다른 모드들에 적용될 수 있지만, 본원에서는 벤딩 모드에서 예시된다.
도면에서 도시되는 것처럼, 유량계 조립체(206)는 하나 이상의 픽오프(pickoff)를 포함한다. 도시되는 실시예에는 픽오프(230 및 231)들의 쌍이 제공된다. 본 발명의 일 양태에 따라, 픽오프(230 및 231)들은 유동튜브(210)의 모션(motion)을 측정한다. 상기 실시예들에서, 픽오프(230 및 231)들은 각각의 픽오프 아암(280 및 281)들 상에 위치되는 제 1 부분 및 유동튜브(210) 상에 위치되는 제 2 부분을 포함한다. 픽오프(들)은, 제한이 아닌 예로써 압전성 요소들, 커패시턴스 요소(capacitance element)들, 또는 전자기식 코일/자석 배열체를 포함하는 주지된 많은 배열들 중 하나를 포함할 수 있다. 따라서, 구동기(220)와 같이, 픽오프의 제 1 부분은 픽오프 코일을 포함할 수 있는 반면에, 픽오프의 제 2 부분은 픽오프 자석을 포함한다. 당업자들은 유동튜브(210)의 모션이 유동 물질의 특정한 특성들, 예를 들어 유동튜브(210)를 통하는 유동 물질의 질량 유량 또는 농도에 관련된다는 것을 이해할 것이다.
당업자들은 계측 전자 기기(20)가 픽오프(230 및 231)들로부터 픽오프 신호들을 수신하고 구동 신호를 구동기(220)에 제공한다는 것을 이해할 것이다. 계측 전자 기기(20)는, 예를 들어, 농도, 질량 유량, 체적 유량, 총 질량 유량, 온도, 및 다른 정보들과 같은 유동 물질의 특성을 측정하기 위해 픽오프 신호들을 처리할 수 있다. 계측 전자 기기(20)는 진동 응답들을 처리하고 신호들의 응답 주파수 및/또는 신호들 사이의 위상차(phase difference)를 통상적으로 결정한다. 계측 전자 기기(20)는 예를 들어 (도시되지 않는) 하나 또는 그 초과의 온도 센서들, 및 (도시되지 않는) 하나 또는 그 초과의 압력 센서들로부터 하나 또는 그 초과의 다른 신호들을 또한 수신할 수 있고, 유동 물질의 특성을 측정하기 위해 이러한 정보를 사용할 수 있다. 다른 진동 응답 특성들 및/또는 유동 측정들은 고려되고 설명 및 청구항들의 범주 내에 있다. 당업자들은 센서들의 개수 및 유형이 특별히 측정된 특성들에 의존할 것이라는 것을 이해할 것이다.
유량계 조립체(206)는 케이스(300) 및 케이스 커넥트(590 및 591)들을 또한 포함할 수 있다. 케이스 커넥트(590 및 591)들은 유동튜브(210)에 연결되는 제 1 부분(595) 및 케이스(300)에 연결되는 제 2 부분(596)을 포함할 수 있다. 도시되는 것처럼, 케이스 커넥트(590 및 591)들이 바람직하게는 플랜지들과 커넥터(270 및 271)들 사이에 위치되는 도관을 지지하는 유일한 구조물들이다.
코리올리 유량계는 단일의 또는 다수의 플로유튜브들을 포함할 수 있다. 코리올리 유량계는 직선형이거나 곡선형인 유동튜브(들)을 포함할 수 있다. 코리올리 유량계는 임의의 형상의 유동튜브(들)을 포함할 수 있고 임의의 형상 또는 형상들의 임의의 연관된 구조물들을 포함할 수 있다. 코리올리 유량계는 액체들, 가스들, 또는 액체들, 가스들 및/또는 고체들의 혼합물들을 포함하는 임의의 유동 재료와의 사용을 위해 디자인될 수 있다. 코리올리 유량계는 높은 또는 낮은 유량들을 위해 또는 임의의 농도를 가지는 유동 재료들을 위해 디자인될 수 있다.
작동 중, 구동기(220)는 유동튜브(210)에서 진동을 유도하고 두 개 또는 그 초과의 픽오프 센서(230 및 231)들은 상응하는 진동 신호들을 발생시킨다. 진동 신호들은 두 개 또는 그 초과의 픽오프 센서(230 및 231)들에서 측정되는 복수의 중첩되는 진동들을 특징으로 할 수 있다. 이러한 진동 모드들 중 하나 또는 그 초과의 진동 모드들은 코리올리 진동 모드에 기여할 것이다.
종래 기술의 이중 튜브 코리올리 유량계들에서, 최적 픽오프 센서 위치는 진동의 제 2 벤드 모드를 한정하는 노드 지점(nadal point)들에 픽오프 센서들을 위치시킴으로써 시도되었다. 이것의 예는 Cage 등의 미국 특허 제 5,301,557호에서 주어진다. 제 2 벤드 모드 노드들을 한정하는 노드(node)들에서 이중 튜브 코리올리 유량계의 픽오프 센서들의 위치 설정은 제 2 벤드 모드를 갖는 코리올리 모드 진동들의 가능한 중첩으로부터 코리올리 모드 진동(즉, 리딩(leading) 및 래깅(lagging) 양태)을 커플링해제시키도록 작동한다. 또한 단일 튜브 코리올리 유량계들의 단점은 또한 코리올리 진동 모드가 다른 진동 모드들과 커플링한다는 점이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 구동기(220) 및 두 개 또는 그 초과의 픽오프 센서(230 및 231)들의 상대적인 위치 설정(positioning)을 도시한다. 두 개 또는 그 초과의 픽오프 센서(230 및 231)들이 벤딩 축선(W)과 구동기(220) 사이에 위치된다는 것을 도면으로부터 알 수 있다. 두 개 또는 그 초과의 픽오프 센서(230 및 231)들은 일부 실시예들에서 구동기(220)로부터 실질적으로 등거리일 수 있다. 그러나, 상기 설명 및 청구항들에 따라 결정되는 픽오프 센서 위치들은 픽오프 센서들의 대칭적 또는 규칙적인 배치로 제한되지 않는다는 것이 이해되어야 한다.
벤딩 축선(W)은 구동기(220)에 의해 생성되는 진동 힘들에 의해 섭동될 때 주기적으로 구부러지는(flex) 것인 진동가능한 스팬(span)을 생성할 수 있도록 위치될 수 있다. 벤딩 축선(W)은 브레이스 바(brace bar)(들), 밸런스 빔(balance beam)(들), 케이싱(casing), 또는 다른 구조물에 의해 생성될 수 있다.
구동기(220)로부터의 (및/또는 벤딩 축선(W)으로부터의) 두 개 또는 그 초과의 픽오프 센서(230 및 231)들의 거리는 임의의 방식으로 측정될 수 있다. 상기 거리는 도면에서 두 개 또는 그 초과의 픽오프 센서(230 및 231)들과 벤딩 축선(W) 사이의 높이(H1) 및 두 개 또는 그 초과의 픽오프 센서(230 및 231)들과 구동기(220) 사이의 높이(H2)와 같은 수직한 높이 또는 높이들을 포함할 수 있다. 상기 거리는 도면에서 스팬(S1 및 S2)들과 같은 실제 유동튜브 스팬을 포함할 수 있다. 상기 거리는 (도시되지 않은) 각도의 변위 측정을 포함할 수 있다. 상기 거리는 두 개 또는 그 초과의 픽오프 센서(230 및 231)들과 구동기(220) 사이의 거리에 대한 벤딩 축선(W)와 두 개 또는 그 초과의 픽오프 센서(230 및 231)들 사이의 거리의 비율 또는 퍼센트로서 더 특징되어질 수 있다. 두 개 또는 그 초과의 픽오프 센서(230 및 231)들, 구동기(220), 및 벤딩 축선(W) 사이의 다른 거리 정량화들이 고려되고, 설명 및 청구항의 범주 내에서 존재한다는 것이 이해되어야 한다.
최적 픽오프 센서 위치는 다양한 인자(factor)들에 따라 변화할 수 있다. 최적 픽오프 센서 위치는 유동튜브 재료, 유동튜브 벽 두께, 유동튜브 직경, 유동튜브 횡단면 형상, 전체 유동튜브 (소정의 방식으로 직선형 또는 곡선형) 형상, 진동가능한 부분의 유효 길이, 픽오프 질량, 및 관련되는 구조물(즉, 브레이스 바들, 밸런스 구조물들, 플랜지들, 케이싱 등)의 존재/유형에 의해 영향을 받을 수 있다. 최적 픽오프 센서 위치는 픽오프 센서 디자인 파라미터들, 예를 들어 픽오프 센서의 관성 또는 질량에 따라 또한 변화할 수 있다.
도 3 내지 도 6은 코리올리 유량계에서의 다양한 유동튜브 진동 또는 정상 모드들의 예들을 도시한다. 진동 모드들은 센서 기하학적 형상, 유동튜브 형상과 재료, 및 관련되는 구조물들의 존재에 의존한다. 도 3 내지 도 6의 진동 모드들은 모든 센서 기하학적 형상에서 유사형상(analogue)들을 가질 것이다. 도 3 내지 도 6에서 도시되는 다양한 진동 모드들이 반드시 축척대로 도시된 것은 아니고 예시의 목적을 위해 과장될 수 있다는 것이 또한 이해되어야 한다. 예들이 명료성을 위해 단순화되고 실제 작동에서, 유동튜브의 진동 모션이 다수의 진동 모드들의 중첩을 포함할 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
도 3은 제 1 벤드 모드에서 진동하는 유동튜브의 예를 도시한다. 제 1 벤드 모드에서, 유동튜브의 상측은 z 방향으로 변위되며, 여기서 벤드 축선(W) 상의 유동튜브의 부분은 이후에 구부러질 것이고 -z 및 +z 방향들로 진동할 것이다. 제 1 벤드 모드에서의 두 개의 노드(N1 및 N2)들은 벤드 축선(W) 상에 있다.
도 4는 제 1 트위스트 모드에서 진동하는 유동튜브의 예를 도시한다. 제 1 트위스트 모드에서, 상측 부분의 두 개의 단부들이 -z 및 +z 방향들로 반대로 변위된다. 따라서 제 1 트위스트 모드는, 벤드 축선(W) 상의 두 개의 노드(N1 및 N2)들 및 상측 부분의 대략 중심에 있는 노드(N3)인, 세 개의 노드들을 가진다.
도 5는 제 2 벤드 모드에서 진동하는 유동튜브의 예를 도시한다. 제 2 벤드 모드에서, 유동튜브의 상측은 z 방향으로 변위되지만, 유동튜브의 수직 레그(leg)들은 또한 구부러지고 수직 레그들의 중심 부분은 상측 부분의 반대로 이동한다. 따라서 제 2 벤드 모드는, 벤드 축선(W)상의 두 개의 노드(N1 및 N2)들 및 벤드 축선(W)과 유동튜브의 상측 부분 사이에 위치되는 두 개의 상측 노드(N3 및 N4)들인, 네 개의 노드들을 가진다.
도 6은 제 2 트위스트 모드에서 진동하는 유동튜브의 예를 도시한다. 제 2 트위스트 모드에서, 상측 부분의 두 개의 단부들이 공통의 z 방향으로 변위되는 반면에, 상측 부분의 중심 부분은 수직 레그들 및 상측 부분의 두 개의 단부들의 반대로 이동한다. 따라서 제 2 트위스트 모드는 네 개의 노드들, 벤드 축선(W) 상의 두 개의 노드(N1 및 N2) 및 상측 부분의 두 개의 단부들 사이에 위치되는 상측 부분 상의 두 개의 상측 노드(N3 및 N4)들, 네 개의 노드들을 가진다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 코리올리 유량계를 형성하는 방법의 흐름도(700)이다. 단계(701)에서, 유한 요소(FE) 모델이 유량계 조립체(206)로 구성된다. FE 모델은 예를 들어 유동튜브들의 개수, 유동튜브 형상/기하학적 형상, 및/또는 유동튜브 구성을 포함하는 유량계 조립체(206)를 특징으로 할 수 있다. 모델링된 유한 요소는 미터 모델(meter model)을 통한 대표 유동으로 컴플렉스 모드(complex mode) 또는 강제 응답 해석을 위해 준비된다.
단계(702)에서, 모드 해석이 코리올리 유량계를 위해 수행된다. 모드 해석에서, 모드 도메인 컴플렉스 모드(modal domain complex mode) 또는 모드 도메인 주파수 강제 응답 솔루션(modal domain frequency forced reponse solution)이 수행된다. 충분한 정상 모드들은 컴플렉스 모드를 위한 정확한 결과들을 보장하기 위해 컴플렉스 모드 솔루션에 포함되어야 한다.
단계(703)에서, 모드 해석은 코리올리 유량계의 총 진동 응답에 대한 코리올리 모드 진동 기여도(Coriolis mode vibrational constribution)를 계산한다. 게다가, 모드 해석은 유동튜브 또는 유동튜브들 상의 복수의 가능한 픽오프 센서 위치들에 대한 코리올리 모드 진동 기여도를 계산하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 유동튜브 또는 유동튜브 상의 픽오프 센서 위치들의 범위는 후 처리(post processing)를 위하여 선택될 수 있다. 선택되는 픽오프 위치들 사이의 시간 지연(Δt)은 각각의 기여 모드들에 대하여 계산된다.
단계(704)에서, 최적 픽오프 센서 위치는 해석된 픽오프 센서 위치들의 범위에 대한 코리올리 모드 기여도들로부터 결정된다. 예를 들어, 이것은 정규화된 시간 지연(Δt) 대 픽오프 위치의 플로팅(plot)을 포함할 수 있다. 시간 지연(Δt)은 총 시간 지연(Δt)으로 나눔으로써 정규화된다. 총 시간 지연(Δt)에 대한 주요한 기여자(constributor)가 바람직한 코리올리 모드로부터 나오는 위치를 선택함으로써 최적 픽오프 위치가 선택된다.
그러나, 다른 방법들이 해석되는 가능 픽오프 센서 위치들의 범위로부터 최적 픽오프 센서 위치를 찾기 위해 사용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 게다가, 해석은 해석되는 픽오프 센서 위치들의 세트에서 선택되는 픽오프 센서 위치들 사이에 위치되는 최적 픽오프 센서 위치를 보간할(interpolate) 수 있다.
도 8은 실질적으로 직사각형 튜브 형상을 가지는 단일 튜브 코리올리 유량계의 도면이며, 여기서 일련의 가능한 픽오프 위치(1 내지 12)들이 도면의 좌측 상에 도시된다. 일련의 가능한 픽오프 위치(1 내지 12)들은 최적 픽오프 위치를 결정하기 위해 선택될 수 있다. 보통, 튜브의 우측 레그 상의 상응하는 픽오프 위치들이 대칭의 PO 위치들을 비교하는데 사용될 것이다. 도면은 축척대로 도시된 것이 아니고 테스트 위치들이 도시된 것보다 상이하게 이격될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 일련의 가능한 픽오프 위치(1 내지 12)들은 동일한 간격들 또는 불규칙적인 간격들을 포함할 수 있다.
도 9는 도 8의 진동 대 픽오프 위치(1 내지 12)들의 코리올리 모드로부터 정규화된 Δt 기여도의 그래프이다. 위치(4)에서, 코리올리 진동 모드는 백 퍼센트로 측정되는 시간 지연(Δt)에 기여한다는 것을 그래프로부터 알 수 있다. 이는, 오직 코리올리 진동 모드로부터 유도되고 코리올리 진동 모드와 커플링되는 다른 진동 모드들을 포함하지 않는 시간 지연 측정을 달성하기 위한, 원하는 목표이다.
픽오프 센서 위치들이 위치(1 내지 12)로부터, 즉 기부를 향하여 구동기로부터 멀리 이동될 때, 총 시간 지연(Δt)에 대해 코리올리 진동 모드의 기여도가 감소한다는 것을 알 수 있다. 위치(4)가 이러한 코리올리 유량계(또는 코리올리 유량계 모델)를 위해 이상적인 픽오프 위치인데, 이는 전체 시간 지연(Δt)이 오직 코리올리 진동 모드로 인한 것이기 때문이며, 즉 코리올리 진동 모드에 의한 기여도는 통합적(unity)이라는 것을 알 수 있다.
방법은 미터 제로 항(ΔtZ)의 크기를 유리하게 감소시킨다. 방법은 미터 제로 항(ΔtZ)의 안정성을 유리하게 증가시킨다. 방법은 유동튜브(또는 유동튜브들) 상의 픽오프 위치를 코리올리 모드의 측정의 강도에 대한 픽오프 위치의 기여도에 상관시킴으로써 이것들을 수행한다. 최대 코리올리 모드 측정이 발생하는 위치들에서의 픽오프 센서들의 이러한 상관 및 후속하는 위치 설정을 최적 (그리고 최대) 시간 지연(Δt) 측정 및 최대로 가능한 신호대잡음비(signal-to-nosie(S/N)ratio)를 초래할 것이다. 결과적으로, 질량 유량 측정들의 정확도 및 신뢰도는 개선될 것이다.
상기 실시예들의 상세한 설명들은 본 발명의 범주 내에 있는 발명가들에 의해 고려되는 모든 실시예들의 완전한 설명들이 아니다. 확실히, 당업자들은 전술하는 실시예들의 특정한 요소들이 추가적인 실시예들을 생성하도록 다양하게 조합되거나 제거될 수 있다는 것을 인지할 것이고, 이러한 추가적인 실시예들은 본 발명의 범주 및 교시들 내에 속한다. 전술하는 실시예들이 본 발명의 범주 및 교시들 내에 부가적인 실시예들을 생성하도록 전체적으로 또는 부분적으로 조합될 수 있다는 것이 당업자들에게 또한 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 범주는 다음의 청구항들로부터 결정되어야 한다.

Claims (12)

  1. 코리올리 유량계(205)로서,
    하나 또는 그 초과의 유동튜브(210)를 포함하는 유량계 조립체(206);
    유량계 조립체(206)를 진동시키도록 커플링되고 구성되는 구동기(220);
    유량계 조립체(206)로부터 두 개 또는 그 초과의 진동 신호들을 발생시키도록 커플링되고 구성되는 두 개 또는 그 초과의 픽오프 센서(230, 231)들; 및
    구동기(220) 및 두 개 또는 그 초과의 픽오프 센서(230, 231)들에 커플링되는 계측 전자 기기(20)를 포함하며,
    계측 전자 기기(20)가 구동기(220)에 구동 신호를 제공하고 두 개 또는 그 초과의 픽오프 센서(230, 231)들로부터 초래된 두 개 또는 그 초과의 진동 신호들을 수신하도록 구성되며,
    두 개 또는 그 초과의 픽오프 센서(230, 231)들이, 상기 두 개 또는 그 초과의 진동 신호들에서의 코리올리 유량계(205)의 코리올리 진동 모드를 최대화시키는, 두 개 또는 그 초과의 상응하는 픽오프 센서 위치들에 부착되는,
    코리올리 유량계.
  2. 제 1 항에 있어서,
    두 개 또는 그 초과의 픽오프 센서 위치들은 비-유동(no-flow) 상태에서 미터 제로 안정성(meter zero stability)을 증가시키는,
    코리올리 유량계.
  3. 제 1 항에 있어서,
    두 개 또는 그 초과의 픽오프 센서 위치들은 코리올리 유량계(205)의 장착 상태에 의해 최소한으로 영향을 받는,
    코리올리 유량계.
  4. 제 1 항에 있어서,
    두 개 또는 그 초과의 픽오프 센서 위치들을 결정하는 단계는, 모드 해석에 따라 상기 두 개 또는 그 초과의 진동 신호들에서 실질적으로 최대 코리올리 진동 모드 응답을 발생시키는, 두 개 또는 그 초과의 픽오프 센서 위치들을 결정하는 단계를 포함하는,
    코리올리 유량계.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 모드 해석은,
    각각의 진동 모드에 대해 노드 위치들을 결정하는 단계; 및
    각각의 진동 모드에 의한 상기 두 개 또는 그 초과의 진동 신호들에서의 코리올리 진동 모드에 대한 진동 기여도를 결정하는 단계를 포함하는,
    코리올리 유량계.
  6. ◈청구항 6은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제 1 항에 있어서,
    코리올리 유량계(205)는 저-유동 코리올리 유량계(205)를 포함하는,
    코리올리 유량계.
  7. 코리올리 유량계(205)를 형성하는 방법으로서,
    코리올리 유량계(205)의 유량계 조립체(206) 상에서 모드 해석을 수행하는 단계;
    두 개 또는 그 초과의 진동 신호들에서 코리올리 유량계(205)의 코리올리 진동 모드를 최대화시키는 두 개 또는 그 초과의 픽오프 센서 위치들을 결정하는 단계; 및
    두 개 또는 그 초과의 픽오프 센서 위치들에서 두 개 또는 그 초과의 상응하는 픽오프 센서(230, 231)들을 부착시키는 단계를 포함하는,
    코리올리 유량계를 형성하는 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    두 개 또는 그 초과의 픽오프 센서 위치들은 비-유동 상태에서 미터 제로 안정성을 증가시키는,
    코리올리 유량계를 형성하는 방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    두 개 또는 그 초과의 픽오프 센서 위치들이 코리올리 유량계(205)의 장착 상태에 의해 최소한으로 영향을 받는,
    코리올리 유량계를 형성하는 방법.
  10. 제 7 항에 있어서,
    두 개 또는 그 초과의 픽오프 센서 위치들을 결정하는 단계는 모드 해석에 따라 실질적으로 최대 코리올리 진동 모드 응답을 발생시키는 두 개 또는 그 초과의 픽오프 센서 위치들을 결정하는 단계를 포함하는,
    코리올리 유량계를 형성하는 방법.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 모드 해석은,
    각각의 진동 모드를 위한 노드 위치들을 결정하는 단계; 및
    각각의 진동 모드에 의해 코리올리 진동 모드에 대한 진동 기여도를 결정하는 단계를 포함하는,
    코리올리 유량계를 형성하는 방법.
  12. ◈청구항 12은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제 7 항에 있어서,
    코리올리 유량계(205)는 저-유동 코리올리 유량계(205)를 포함하는,
    코리올리 유량계를 형성하는 방법.
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