KR102302655B1 - 위상 에러에 기초한 진동 센서의 진동의 제어 - Google Patents

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크레이그 비. 맥아널리
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Abstract

위상 에러에 기초하여 진동 엘리먼트의 진동을 제어하는 방법이 제공된다. 방법은 드라이브 신호로 진동 엘리먼트를 진동시키는 단계; 진동 엘리먼트로부터 진동 신호를 수신하는 단계; 드라이브 신호와 진동 신호 사이의 위상차를 측정하는 단계; 타겟 위상차와 측정된 위상차 사이의 위상 에러를 결정하는 단계; 및 결정된 위상 에러로 하나 또는 그 초과의 진동 제어 항들(vibration control terms)을 계산하는 단계를 포함한다.

Description

위상 에러에 기초한 진동 센서의 진동의 제어{CONTROLLING A VIBRATION OF A VIBRATORY SENSOR BASED ON A PHASE ERROR}
이하에 설명되는 실시예는 진동 센서들에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 위상 에러에 기초하여 진동 센서의 진동을 제어하는 것에 관한 것이다.
진동 밀도계들 및 진동 점도계들과 같은 진동 센서들은 특성화될 유체의 존재 시에 진동하는 진동 엘리먼트의 모션(motion)을 검출함으로써 동작한다. 진동 엘리먼트는 공진 주파수 또는 품질 팩터(Q)와 같은 진동 응답 파라미터를 가질 수 있는 진동 응답을 갖는다. 진동 엘리먼트의 진동 응답은 일반적으로, 유체와 조합된 진동 엘리먼트의 조합된 질량, 강성 및 댐핑 특성들(damping characteristics)에 의해 영향을 받는다. 밀도, 점도, 온도 등과 같이 유체와 연관된 특성들은 진동 엘리먼트와 연관된 하나 또는 그 초과의 모션 트랜스듀서로부터 수신된 진동 신호 또는 신호들을 프로세싱함으로써 결정될 수 있다. 진동 신호의 프로세싱은 진동 응답 파라미터를 결정하는 것을 포함할 수 있다.
도 1은 진동 엘리먼트 및 진동 엘리먼트에 커플링된 계측 전자기기를 포함하는 종래 기술의 진동 센서를 도시한다. 종래 기술의 진동 센서는 진동 엘리먼트를 진동시키는 드라이버 및 진동에 대한 응답으로 진동 신호를 생성하는 픽오프(pickoff)를 포함한다. 진동 신호는 통상적으로 연속 시간 또는 아날로그 신호이다. 계측 전자기기는 진동 신호를 수신하고 진동 신호를 프로세싱하여 하나 또는 그 초과의 유체 특성들 또는 유체 측정들을 생성한다. 계측 전자기기는 진동 신호의 주파수 및 진폭 둘 모두를 결정한다. 진동 신호의 주파수 및 진폭은 유체의 밀도를 결정하기 위해 추가로 프로세싱될 수 있다.
종래 기술의 진동 센서는 폐-루프 회로를 사용하여 드라이버에 대한 드라이브 신호를 제공한다. 드라이브 신호는 통상적으로, 수신된 진동 신호에 기초한다. 종래 기술의 폐-루프 회로는 진동 신호 또는 진동 신호의 파라미터들을 수정하거나 드라이브 신호에 통합한다. 예를 들어, 드라이브 신호는 수신된 진동 신호의 증폭된, 변조된, 또는 아니면, 수정된 버전일 수 있다. 수신된 진동 신호는 이에 따라, 폐-루프 회로가 타겟 주파수를 달성하는 것을 가능케 하는 피드백을 포함할 수 있다. 피드백을 사용하여, 폐-루프 회로는 드라이브 주파수를 점진적으로 변화시키고 타겟 주파수가 도달될 때까지 진동 신호를 모니터링한다.
유체의 점도 및 밀도와 같은 유체 특성들은 드라이브 신호와 진동 신호 간의 위상차가 135°및 45°인 주파수로부터 결정될 수 있다. 제 1 오프-공진 위상차(φ1) 및 제 2 오프-공진 위상차(φ2)로서 표시된 이들 원하는 위상차들은 반(half) 전력 또는 3dB 주파수들에 대응할 수 있다. 제 1 오프-공진 주파수(ω1)는 제 1 오프-공진 위상차(φ1)가 135°인 주파수로서 정의된다. 제 2 오프-공진 주파수(ω2)는 제 2 오프-공진 위상차(φ2)가 45°인 주파수로서 정의된다. 제 2 오프-공진 주파수(ω2)에서 이루어진 밀도 측정들은 유체 점도에 독립적일 수 있다. 따라서, 제 2 오프-공진 위상차(φ2)가 45°인 곳에서 이루어진 밀도 측정들은 다른 위상차들에서 이루어진 밀도 측정들보다 더 정확할 수 있다.
제 1 및 제 2 오프-공진 위상차들(φ1, φ2)은 통상적으로, 측정 전에 알려지지 않는다. 따라서, 폐-루프 회로는 위에서 설명된 바와 같은 피드백을 이용하여 제 1 및 제 2 오프-공진 위상차들(φ1, φ2)에 점진적으로 접근해야 한다. 폐-루프 회로와 연관된 점진적 접근법은, 진동 응답 파라미터를 결정하는데 지연을 유발할 수 있으며, 이에 따라 유체의 점도, 밀도 또는 다른 특성들을 결정하는데 지연을 유발할 수 있다. 이러한 측정들을 결정하는데 있어서의 지연들은 진동 센서의 다수의 애플리케이션들에서 엄청나게 과도할 수 있다.
따라서, 위상 에러에 기초하여 진동 센서의 진동을 제어할 필요가 있다. 또한, 폐-루프 회로와 연관된 지연들 없이 제 1 및 제 2 오프-공진 위상차(φ1, φ2)에 도달할 필요가 있다.
위상 에러에 기초하여 진동 엘리먼트의 진동을 제어하는 방법이 제공된다. 일 실시예에 따라, 방법은 드라이브 신호로 진동 엘리먼트를 진동시키는 단계, 진동 엘리먼트로부터 진동 신호를 수신하는 단계, 및 드라이브 신호와 진동 신호 사이의 위상차를 측정하는 단계를 포함한다. 이 방법은 또한, 타겟 위상차와 측정된 위상차 사이의 위상 에러를 결정하는 단계, 및 결정된 위상 에러로 하나 또는 그 초과의 진동 제어 항들(vibration control terms)을 계산하는 단계를 포함한다.
진동 엘리먼트의 진동을 제어하기 위한 계측 전자기기가 제공된다. 일 실시예에 따라, 계측 전자기기는 진동 엘리먼트에 커플링된 드라이버 회로를 포함하며, 이 드라이버 회로는 드라이브 신호를 진동 엘리먼트에 제공하도록 구성된다. 계측 전자기기는 또한, 진동 엘리먼트에 커플링된 수신기 회로를 포함하며, 이 수신기 회로는 진동 엘리먼트로부터 진동 신호를 수신하도록 구성된다. 계측 전자기기는, 드라이브 신호와 진동 신호 사이의 위상차를 측정하고, 타겟 위상차와 측정된 위상차 사이의 위상 에러를 결정하고, 결정된 위상 에러로 하나 또는 그 초과의 진동 제어 항들을 계산하도록 구성된다.
양상들
일 양상에 따라, 위상 에러에 기초하여 진동 엘리먼트의 진동을 제어하는 방법은, 드라이브 신호로 진동 엘리먼트를 진동시키는 단계; 진동 엘리먼트로부터 진동 신호를 수신하는 단계; 드라이브 신호와 진동 신호 사이의 위상차를 측정하는 단계; 타겟 위상차와 측정된 위상차 사이의 위상 에러를 결정하는 단계; 및 결정된 위상 에러로 하나 또는 그 초과의 진동 제어 항들을 계산하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 하나 또는 그 초과의 진동 제어 항들은 비례-적분 제어 루프의 항이다.
바람직하게는, 위상 에러를 결정하는 단계는 수식
Figure 112019069085664-pat00001
에 기초하여 위상 에러를 계산하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 하나 또는 그 초과의 진동 제어 항들은 결정된 위상 에러를 수신하는 비례-적분 제어 루프에 대한 비례 이득 항이다.
바람직하게는, 비례 이득 항은 수식
Figure 112019069085664-pat00002
에 기초하여 계산되며, 여기서 Kp는 비례 이득 상수이다.
바람직하게는, 진동 제어 항은 결정된 위상 에러를 수신하는 제어 루프에 대한 적분 항이다.
바람직하게는, 적분 항은 수식
Figure 112019069085664-pat00003
에 기초하여 계산되며, 여기서 Ki는 정수 항 상수이다.
바람직하게는, 방법은, 결정된 위상 에러에 기초하여 커맨드 주파수(command frequency)를 생성하는 단계 및 커맨드 주파수로 진동 엘리먼트를 진동시키는 드라이브 신호를 생성하도록 구성된 신호 생성기에 커맨드 주파수를 제공하는 단계를 더 포함한다.
바람직하게는, 커맨드 주파수는 적분 항 및 비례 이득 항을 사용하여 생성된다.
바람직하게는, 커맨드 주파수는 수식
Figure 112019069085664-pat00004
에 기초하여 적분 항 및 비례 이득 항을 더함으로써 적분 항 및 비례 이득 항을 사용하여 생성된다.
일 양상에 따라, 진동 엘리먼트(104)의 진동을 제어하기 위한 계측 전자기기(20)는, 진동 엘리먼트(104)에 커플링되는 드라이버 회로(138) ― 드라이버 회로(138)는 드라이브 신호를 진동 엘리먼트(104)에 제공하도록 구성됨 ― ; 및 진동 엘리먼트(104)에 커플링되는 수신기 회로(134)를 포함하고, 수신기 회로(134)는 진동 엘리먼트(104)로부터 진동 신호를 수신하도록 구성된다. 계측 전자기기(20)는, 드라이브 신호와 진동 신호 사이의 위상차를 측정하고, 타겟 위상차와 측정된 위상차 사이의 위상 에러를 결정하고, 결정된 위상 에러로 하나 또는 그 초과의 진동 제어 항들을 계산하도록 구성된다.
바람직하게는, 하나 또는 그 초과의 진동 제어 항들은 비례-적분 제어 루프의 항이다.
바람직하게는, 위상 에러를 결정하도록 구성된 계측 전자기기(20)는 수식
Figure 112019069085664-pat00005
에 기초하여 위상 에러를 계산하도록 구성된 계측 전자기기(20)를 포함한다.
바람직하게는, 하나 또는 그 초과의 진동 제어 항들은 결정된 위상 에러를 수신하는 비례-적분 제어 루프에 대한 비례 이득 항이다.
바람직하게는, 비례 이득 항은 수식
Figure 112019069085664-pat00006
에 기초하여 계산되며, 여기서 Kp는 비례 이득 상수이다.
바람직하게는, 진동 제어 항은 결정된 위상 에러를 수신하는 제어 루프에 대한 적분 항이다.
바람직하게는, 적분 항은 수식
Figure 112019069085664-pat00007
에 기초하여 계산되며, 여기서 Ki는 정수 항 상수이다.
바람직하게는, 계측 전자기기(20)는 추가로, 결정된 위상 에러에 기초하여 커맨드 주파수(ωc)를 생성하고, 커맨드 주파수(ωc)로 진동 엘리먼트(104)를 진동시키는 드라이브 신호를 생성하도록 구성된 신호 생성기(147c)에 커맨드 주파수(ωc)를 제공하도록 구성된다.
바람직하게는, 커맨드 주파수(ωc)는 적분 항 및 비례 이득 항을 사용하여 생성된다.
바람직하게는, 커맨드 주파수(ωc)는 수식
Figure 112019069085664-pat00008
에 기초하여 적분 항 및 비례 이득 항을 더함으로써 적분 항 및 비례 이득 항을 사용하여 생성된다.
동일한 참조 번호는 모든 도면들에서 동일한 엘리먼트를 나타낸다. 도면들은 반드시 실척이 아니라는 것을 이해해야 한다.
도 1은 진동 엘리먼트 및 진동 엘리먼트에 커플링된 계측 전자기기를 포함하는 종래 기술의 진동 센서를 도시한다.
도 2는 일 실시예에 따른 진동 센서(5)를 도시한다.
도 3은 일 실시예에 따른 진동 센서(5)를 도시한다.
도 4는 드라이버 회로(138)의 보다 상세한 표현을 갖는 진동 센서(5)의 블록도를 도시한다.
도 5는 진동 엘리먼트의 진동 응답을 예시하는 주파수 응답 그래프(500)를 도시한다.
도 6은 진동 엘리먼트의 진동 응답을 예시하는 위상 응답 그래프(600)를 도시한다.
도 7은 위상 에러에 기초하여 진동 엘리먼트의 진동을 제어하는 방법(700)을 도시한다.
도 8은 위상 에러에 기초하여 진동 엘리먼트의 진동을 제어하는 다른 방법(800)을 도시한다.
도 1 내지 도 8 및 이하의 설명은, 위상 에러에 기초하여 진동 센서의 진동을 제어하기 위한 실시예들의 최상의 모드를 어떻게 제조하고 사용하는지를 당업자에게 교시하기 위한 특정 예들을 보여준다. 독창적인 원리들을 교시할 목적으로, 일부 종래의 양상들은 간략화되거나 생략된다. 당업자들은 본 설명의 범위 내에 있는 이들 예들로부터의 변동들을 인지할 것이다. 당업자는, 아래에 설명되는 특징들이 위상 에러에 기초하여 진동 센서의 진동을 제어하는 다수의 변동들을 형성하기 위해 다양한 방식들로 조합될 수 있다는 것을 인지할 것이다. 그 결과, 아래에서 설명되는 실시예들은, 아래에서 설명되는 특정 예들로 제한되는 것이 아니라, 청구항들 및 그 등가물들에 의해서만 제한된다.
도 2는 일 실시예에 따른 진동 센서(5)를 도시한다. 진동 센서(5)는 진동 엘리먼트(104) 및 계측 전자기기(20)를 포함할 수 있으며, 여기서, 진동 엘리먼트(104)는 리드 또는 리드들(100)에 의해 계측 전자기기(20)에 커플링된다. 일부 실시예들에서, 진동 센서(5)는 진동 타인(tine) 센서 또는 포크(fork) 밀도 센서를 포함할 수 있다(도 3 및 첨부된 논의 참조). 그러나 다른 진동 센서들이 고려되고 본 설명 및 청구항들의 범위 내에 있다.
진동 센서(5)는 특성화될 유체에 적어도 부분적으로 침지될 수 있다. 유체는 액체 또는 가스를 포함할 수 있다. 대안적으로, 유체는 인트레인 가스(entrained gas), 인트레인 고체들, 다수의 액체들 또는 이들의 조합을 포함하는 액체와 같은 다상 유체(multi-phase fluid)를 포함할 수 있다. 일부 예시적인 유체들은 시멘트 슬러리들, 석유 제품들 등을 포함한다. 진동 센서(5)는 파이프 또는 도관, 탱크, 컨테이너 또는 다른 유체 용기들에 장착될 수 있다. 진동 센서(5)는 또한 유체 유동을 지향시키기 위해 매니폴드 또는 유사한 구조에 장착될 수 있다. 그러나 다른 장착 어레인지먼트들이 고려되고 본 설명 및 청구항들의 범위 내에 있다.
진동 센서(5)는 유체 측정들을 제공하도록 동작한다. 진동 센서(5)는, 유동 또는 비-유동 유체들을 포함하는 유체에 대한 유체 점도 및 유체 밀도 중 하나 또는 그 초과를 포함하는 유체 측정들을 제공할 수 있다. 진동 센서(5)는 유체 질량 유량, 유체 체적 유량 및/또는 유체 온도를 포함하는 유체 측정들을 제공할 수 있다. 이 목록은 총망라하는 것이 아니며 진동 센서(5)는 다른 유체 특성들을 측정하거나 결정할 수 있다.
계측 전자기기(20)는 리드 또는 리드들(100)을 통해 진동 엘리먼트(104)에 전기 전력(electrical power)을 제공할 수 있다. 계측 전자기기(20)는 리드 또는 리드들(100)을 통해 진동 엘리먼트(104)의 동작을 제어한다. 예를 들어, 계측 전자기기(20)는 드라이브 신호를 생성하고 생성된 드라이브 신호를 진동 엘리먼트(104)에 제공할 수 있으며, 여기서 진동 엘리먼트(104)는 생성된 드라이브 신호를 사용하여 하나 또는 그 초과의 진동 컴포넌트들에서 진동을 생성한다. 생성된 드라이브 신호는 진동 엘리먼트(104)의 진동 진폭 및 주파수를 제어할 수 있다. 생성된 드라이브 신호는 또한 진동 지속기간 및/또는 진동 타이밍을 제어할 수 있다.
계측 전자기기(20)는 또한 리드 또는 리드들(100)을 통해 진동 엘리먼트(104)로부터 진동 신호 또는 신호들을 수신할 수 있다. 계측 전자기기(20)는 예를 들어, 밀도 측정을 생성하기 위해 진동 신호 또는 신호들을 프로세싱할 수 있다. 계측 전자기기(20)는 진동 엘리먼트(104)로부터 수신된 진동 신호 또는 신호들을 프로세싱하여 신호 또는 신호들의 주파수를 결정한다. 추가로, 또는 부가적으로, 계측 전자기기(20)는 예를 들어, 유체 유량을 결정하도록 프로세싱될 수 있는, 신호들 사이의 위상차 또는 점도와 같은 유체의 다른 특성들을 결정하기 위해 진동 신호 또는 신호들을 프로세싱한다. 인지될 수 있는 바와 같이, 위상차는 통상적으로, 각도(degree) 또는 라디안과 같은 공간 단위들로 측정되거나 표현되지만, 시간-기반 단위들과 같은 임의의 적합한 단위가 사용될 수 있다. 시간-기반 단위들이 사용된다면, 위상차는 진동 신호와 드라이브 신호 사이의 시간-지연으로서 당업자들에 의해 지칭될 수 있다. 다른 진동 응답 특성들 및/또는 유체 측정들이 고려되고 본 설명 및 청구항들의 범위 내에 있다.
계측 전자기기(20)는 통신 링크(26)에 추가로 커플링될 수 있다. 계측 전자기기(20)는 통신 링크(26) 상에서 진동 신호를 통신할 수 있다. 계측 전자기기(20)는 또한 측정 값 또는 값들을 생성하도록 수신된 진동 신호를 프로세싱할 수 있고 통신 링크(26) 상에서 측정 값 또는 값들을 통신할 수 있다. 또한, 계측 전자기기(20)는 통신 링크(26) 상에서 정보를 수신할 수 있다. 예를 들어, 계측 전자기기(20)는 통신 링크(26) 상에서 커맨드들, 업데이트들, 동작 값들 또는 동작 값 변화들, 및/또는 프로그래밍 업데이트들 또는 변화들을 수신할 수 있다.
도 3은 일 실시예에 따른 진동 센서(5)를 도시한다. 계측 전자기기(20)는 도시된 실시예에서 샤프트(115)에 의해 진동 엘리먼트(104)에 커플링된다. 샤프트(115)는 임의의 원하는 길이일 수 있다. 샤프트(115)는 적어도 부분적으로 중공일 수 있다. 와이어들 또는 다른 도체들은 샤프트(115)를 통해 계측 전자기기(20)와 진동 엘리먼트(104) 사이에서 연장될 수 있다. 계측 전자기기(20)는 수신기 회로(134), 인터페이스 회로(136) 및 드라이버 회로(138)와 같은 회로 컴포넌트들을 포함한다. 도시된 실시예에서, 수신기 회로(134) 및 드라이버 회로(138)는 진동 엘리먼트(104)의 리드들에 직접 커플링된다. 대안적으로, 계측 전자기기(20)는 진동 엘리먼트(104)와 별개의 컴포넌트 또는 디바이스를 포함할 수 있으며, 여기서 수신기 회로(134) 및 드라이버 회로(138)는 리드 또는 리드들(100)을 통해 진동 엘리먼트(104)에 커플링된다.
도시된 실시예에서, 진동 센서(5)의 진동 엘리먼트(104)는 소리굽쇠 구조(tuning fork structure)를 포함하며, 여기서 진동 엘리먼트(104)는 측정되는 유체에 적어도 부분적으로 침지된다. 진동 엘리먼트(104)는 파이프, 도관, 탱크, 리셉터클(receptacle), 매니폴드 또는 임의의 다른 유체-처리 구조와 같은 다른 구조에 부착될 수 있는 하우징(105)을 포함한다. 하우징(105)은, 진동 엘리먼트(104)가 적어도 부분적으로 노출된 채로 유지되면서 진동 엘리먼트(104)를 보유한다. 진동 엘리먼트(104)는 이에 따라 유체에 침지되도록 구성된다.
도시된 실시예의 진동 엘리먼트(104)는 적어도 부분적으로 유체 내로 연장하도록 구성된 제 1 및 제 2 타인들(tines)(112, 114)을 포함한다. 제 1 및 제 2 타인들(112, 114)은 임의의 바람직한 단면 형상을 가질 수 있는 세장식 엘리먼트들(elongated elements)을 포함한다. 제 1 및 제 2 타인들(112 및 114)은 적어도 부분적으로, 본질적으로 탄성이거나 가요성일 수 있다. 진동 센서(5)는 추가로, 압전기(piezo-electric) 수정 엘리먼트들을 포함하는 대응하는 제 1 및 제 2 압전 엘리먼트들(122, 124)을 포함한다. 제 1 및 제 2 압전 엘리먼트들(122, 124)은 각각 제 1 및 제 2 타인들(112, 114)에 인접하여 위치된다. 제 1 및 제 2 압전 엘리먼트들(122, 124)은 제 1 및 제 2 타인들(112, 114)과 접촉하고 이들과 기계적으로 상호작용하도록 구성된다.
제 1 압전 엘리먼트(122)는 제 1 타인(112)의 적어도 일부와 접촉한다. 제 1 압전 엘리먼트(122)는 또한 드라이버 회로(138)에 전기적으로 커플링된다. 드라이버 회로(138)는 생성된 드라이브 신호를 제 1 압전 엘리먼트(122)에 제공한다. 제 1 압전 엘리먼트(122)는 생성된 드라이브 신호를 받을 때 팽창 및 수축한다. 결과적으로, 제 1 압전 엘리먼트(122)는 주기적으로 왕복운동하는 방식으로 유체를 교란시키는 진동 모션(파선 참조)에서 제 1 타인(112)을 좌우로 교번적으로 변형시키고 변위시킬 수 있다.
유체에서 제 2 타인(114)의 변형들에 대응하는 진동 신호를 생성하는 제 2 압전 엘리먼트(124)는 수신기 회로(134)에 커플링된 것으로 도시된다. 제 2 타인(114)의 움직임은 대응하는 전기 진동 신호가 제 2 압전 엘리먼트(124)에 의해 생성되게 한다. 제 2 압전 엘리먼트(124)는 진동 신호를 계측 전자기기(20)에 송신한다. 계측 전자기기(20)는 인터페이스 회로(136)를 포함한다.
인터페이스 회로(136)는 외부 디바이스들과 통신하도록 구성될 수 있다. 인터페이스 회로(136)는 진동 측정 신호 또는 신호들을 통신하고 결정된 유체 특성들을 하나 또는 그 초과의 외부 디바이스들에 통신할 수 있다. 계측 전자기기(20)는 진동 신호의 진동 신호 진폭 및 진동 신호 주파수와 같은 진동 신호 특성들을 인터페이스 회로(136)를 통해 송신할 수 있다. 계측 전자기기(20)는 다른 것들 중에서도, 유체의 밀도 및/또는 점도와 같은 유체 측정들을 인터페이스 회로(136)를 통해 송신할 수 있다. 다른 유체 측정들이 고려되고 본 설명 및 청구항들의 범위 내에 있다. 또한, 인터페이스 회로(136)는, 예를 들어, 측정 값들을 생성하기 위한 커맨드들 및 데이터들을 포함하는, 외부 디바이스로부터의 통신들을 수신할 수 있다. 일부 실시예들에서, 수신기 회로(134)는 드라이버 회로(138)에 커플링되고, 수신기 회로(134)는 진동 신호를 드라이버 회로(138)에 제공한다.
드라이버 회로(138)는 진동 엘리먼트(104)에 대한 드라이브 신호를 생성한다. 드라이버 회로(138)는 생성된 드라이브 신호의 특성을 수정할 수 있다. 드라이버 회로(138)는 개-루프 드라이브를 포함한다. 개-루프 드라이브는 드라이브 신호를 생성하고 생성된 드라이브 신호를 진동 엘리먼트(104)(예를 들어, 제 1 압전 엘리먼트(122))에 공급하기 위해 드라이버 회로(138)에 의해 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 개-루프 드라이브는 초기 주파수(ωi)에서 시작하여, 타겟 위상차(φt)를 달성하도록 드라이브 신호를 생성한다. 개-루프 드라이브는 도 4를 참조하여 이하에 보다 상세히 설명되는 바와 같이, 진동 신호로부터의 피드백에 기초하여 동작하지 않을 수 있다.
도 4는 드라이버 회로(138)의 보다 상세한 표현을 갖는 진동 센서(5)의 블록도를 도시한다. 진동 센서(5)는 드라이버 회로(138)를 갖는 것으로 도시된다. 수신기 회로(134) 및 인터페이스 회로(136)는 명확성을 위해 도시되지 않는다. 드라이버 회로(138)는 개-루프 드라이브(147)에 커플링된 아날로그 입력 필터(138a) 및 아날로그 출력 필터(138b)를 포함한다. 아날로그 입력 필터(138a)는 진동 신호를 필터링하고 아날로그 출력 필터(138b)는 생성된 드라이브 신호를 필터링한다.
개-루프 드라이브(147)는 위상 검출기(147b)에 커플링된 아날로그-디지털 변환기(147a)를 포함한다. 위상 검출기(147b)는 신호 생성기(147c)에 커플링된다. 제 1 압전 엘리먼트(122) 및 제 2 압전 엘리먼트(124)를 포함하는 진동 엘리먼트(104)가 또한 도시된다. 개-루프 드라이브(147)는 신호들을 샘플링, 프로세싱 및 생성하는 하나 또는 그 초과의 코드들 또는 프로그램들을 실행하도록 구성된 디지털 신호 프로세서로 구현될 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 개-루프 드라이브(147)는 디지털 신호 프로세서 등에 커플링된 전자 회로로 구현될 수 있다.
제 1 압전 엘리먼트(122)에 의해 제공된 진동 신호는 아날로그 입력 필터(138a)에 전송된다. 아날로그 입력 필터(138a)는, 진동 신호가 아날로그-디지털 변환기(147a)에 의해 샘플링되기 전에 진동 신호를 필터링한다. 도시된 실시예에서, 아날로그 입력 필터(138a)는, 임의의 적합한 저역 통과 필터가 사용될 수 있지만, 개-루프 드라이브(147)의 샘플 레이트의 약 절반인 차단 주파수(cutoff frequency)를 갖는 저역 통과 필터로 구성될 수 있다. 저역 통과 필터는 인덕터, 커패시터 및 레지스터와 같은 패시브 컴포넌트들에 의해 제공될 수 있지만, 연산 증폭기 필터와 같은 분산되거나 분리된 임의의 적합한 컴포넌트들이 사용될 수 있다.
아날로그-디지털 변환기(147a)는 필터링된 진동 신호를 샘플링하여 샘플링된 진동 신호를 형성할 수 있다. 아날로그-디지털 변환기(147a)는 또한 제 2 채널(도시되지 않음)을 통해 생성된 드라이브 신호를 샘플링할 수 있다. 샘플링은 임의의 적합한 샘플링 방법에 의해 이루어질 수 있다. 인지될 수 있는 바와 같이, 아날로그-디지털 변환기(147a)에 의해 샘플링된 생성된 드라이브 신호는 진동 신호와 연관된 노이즈를 갖지 않는다. 생성된 드라이브 신호는 위상 검출기(147b)에 제공된다.
위상 검출기(147b)는 샘플링된 진동 및 생성된 드라이브 신호의 위상들을 비교할 수 있다. 위상 검출기(147b)는 도 5를 참조하여 이하에 보다 상세히 설명되는 바와 같이, 2개의 신호들 사이의 위상차를 검출하기 위해 신호들을 샘플링, 프로세싱 및 생성하는 하나 또는 그 초과의 코드들 또는 프로그램들을 실행하도록 구성된 프로세서 일 수 있다. 도 4의 실시예를 여전히 참조하여, 비교는 샘플링된 진동 신호와 샘플링된 생성된 드라이브 신호 사이의 측정된 위상차(φm)을 제공한다.
측정된 위상차(φm)는 타겟 위상차(φt)와 비교된다. 타겟 위상차(φt)는 진동 신호와 생성된 드라이브 신호 사이의 원하는 위상차이다. 예를 들어, 타겟 위상차(φt)가 약 45°인 실시예에서, 측정된 위상차(φm)가 또한 45°와 동일하거나 또는 약 45°이면, 측정된 위상차(φm)와 타겟 위상차(φt) 간의 차이는 0일 수 있다. 그러나 임의의 적절한 타겟 위상차(φt)가 대안적인 실시예에서 사용될 수 있다. 측정된 위상차(φm)와 타겟 위상차(φt) 사이의 비교를 이용하여, 위상 검출기(147b)는 커맨드 주파수(ωc)를 생성할 수 있다.
커맨드 주파수(ωc)는 드라이브 신호를 생성하는데 사용될 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 측정된 위상차(φm)와 타겟 위상차(φt) 사이의 비교로부터 결정되지 않는 초기 주파수(ωi)가 사용될 수 있다. 초기 주파수(ωi)는 초기 생성된 드라이브 신호를 형성하는데 사용되는 미리선택된 주파수일 수 있다. 초기 생성된 드라이브 신호는 위에서 설명된 바와 같이 샘플링되고 샘플링된 진동 신호와 비교될 수 있다. 샘플링된 초기 생성된 드라이브 신호와 샘플링된 진동 신호 사이의 비교가 커맨드 주파수(ωc)를 생성하는데 사용될 수 있다. 커맨드 주파수(ωc) 및 초기 주파수(ωi)는 초당 라디안의 단위들을 가질 수 있지만, 예를 들어, 헤르츠(Hz)와 같은 임의의 적절한 단위들이 사용될 수 있다. 커맨드 주파수(ωc) 또는 초기 주파수(ωi)는 신호 생성기(147c)에 제공될 수 있다.
신호 생성기(147c)는 위상 검출기(147b)로부터 커맨드 주파수(ωc)를 수신하고 커맨드 주파수(ωc)와 동일한 주파수를 갖는 생성된 드라이브 신호를 제공할 수 있다. 생성된 드라이브 신호는 위에서 논의된 바와 같이, 아날로그-디지털 변환기(147a)에 전송될 수 있다. 생성된 드라이브 신호는 또한 아날로그 출력 필터(138b)를 통해 제 1 압전 엘리먼트(122)에 전송된다. 부가적으로 또는 대안적으로, 생성된 드라이브 신호는 다른 실시예들에서 다른 컴포넌트들에 전송될 수 있다.
위에서 논의된 바와 같이, 진동 엘리먼트(104)는 드라이브 신호에 기인한 진동 응답을 갖는다. 진동 응답은 공진 주파수(ω0), 품질 팩터(Q) 등과 같은 진동 응답 파라미터들을 가지며, 이는 측정되는 유체의 다양한 특성들을 계산하는데 사용될 수 있다. 진동 응답 및 예시적인 진동 응답 파라미터들뿐만 아니라, 진동 응답 파라미터들이 유체의 특성들을 계산하는데 어떻게 사용될 수 있는지가 이하에 보다 상세히 논의된다.
도 5는 진동 엘리먼트의 진동 응답을 예시하는 주파수 응답 그래프(500)를 도시한다. 주파수 응답 그래프(500)는 주파수 축(510) 및 크기 축(520)을 포함한다. 주파수 축(510)은 Hz 단위들로 도시되지만, 예를 들어, 초당 라디안들과 같은 임의의 적합한 주파수 단위가 사용될 수 있다. 크기 축(520)은 데시벨(dB) 스케일로 도시된다. 크기 축(520)은 예를 들어, 볼트 또는 암페어와 같은 임의의 적합한 단위로부터 결정될 수 있다. 주파수 응답 그래프(500)는 또한 주파수 응답 플롯들(530)을 포함한다. 주파수 응답 플롯들(530)은 위에서 설명된 진동 엘리먼트(104)의 진동 응답들을 나타낼 수 있지만, 임의의 적합한 진동 엘리먼트가 대안적인 실시예에서 사용될 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 주파수 응답 플롯들(530)은 상이한 진동 댐핑(damping) 특성들을 갖는 유체에 대한 개별적인 주파수 응답 플롯들로 구성된다. 예를 들어, 공진 주파수에서 최저 크기를 갖는 플롯은, 점성이며 밀도가 높은 유체에 침지되는 진동 엘리먼트(104)로 인해 가장 평평할 수 있다. 공진 주파수에서 최대 크기를 갖는 플롯은, 주파수 응답 플롯들(530) 중 다른 플롯들과 연관되는 유체에 비해 낮은 점도를 갖는 유체에 침지되는 진동 엘리먼트로 인해 가장 평평하지 않을 수 있다. 인지될 수 있는 바와 같이, 주파수 응답 플롯들(530) 각각은 상이한 연관된 진동 응답 파라미터들을 갖는다.
예를 들어, 도 5에 도시된 실시예에서, 주파수 응답 플롯들(530) 각각은, 진동 응답의 진동 응답 파라미터들인 제 1 오프-공진 주파수(ω1), 제 2 오프-공진 주파수(ω2) 및 공진 주파수(ω0)를 나타내는 3개의 마커들을 갖는다. 제 1 오프-공진 주파수(ω1)는 제 1 오프-공진 마커(532)에 의해 표시된다. 제 2 오프-공진 주파수(ω2)는 제 2 오프-공진 마커(534)에 의해 표시된다. 공진 주파수(ω0)는 공진 마커(536)에 의해 표시된다. 공진 마커들(536)을 참조하여 인지될 수 있는 바와 같이, 공진 주파수(ω0)는 주파수 응답 플롯들(530) 각각에 대해 실질적으로 동일하다.
일부 실시예들에서, 공진 주파수(ω0)는 제 1 오프-공진 주파수(ω1) 및 제 2 오프-공진 주파수(ω2)로부터 결정될 수 있다. 예를 들어, 공진 주파수(ω0)는 제 1 오프-공진 주파수(ω1) 및 제 2 오프-공진 주파수(ω2)의 평균으로부터 결정될 수 있다.
Figure 112019069085664-pat00009
(1)
그러나 대안적인 실시예들에서, 공진 주파수(ω0)는 주파수들의 범위를 스위핑(sweeping)하면서 피크 크기의 주파수를 측정하는 것과 같은 다른 방식들로 결정될 수 있다.
품질 팩터(Q)는 제 1 오프-공진 주파수(ω1), 제 2 오프-공진 주파수(ω2) 및 공진 주파수(ω0)로부터 결정될 수 있다. 예를 들어, 품질 팩터(Q)는 다음으로부터 결정될 수 있다:
Figure 112019069085664-pat00010
(2)
인지될 수 있는 바와 같이, 품질 팩터(Q)는 각각의 곡선마다 상이하다. 품질 팩터(Q)는, 예를 들어, 상이한 점도 또는 밀도를 갖는 주파수 응답 플롯들(530) 각각과 연관된 유체와 같은 다양한 이유들로 인해 주파수 응답 플롯들(530) 각각에 대해 상이할 수 있다.
도 6은 진동 엘리먼트의 진동 응답을 예시하는 위상 응답 그래프(600)를 도시한다. 진동 엘리먼트는 도 2 내지 도 4를 참조하여 위에서 설명된 진동 엘리먼트(104)일 수 있지만, 임의의 적합한 진동 엘리먼트가 사용될 수 있다. 위상 응답 그래프(600)는 위상 응답 그래프(600)의 가로 좌표(abscissa)인 주파수 축(610)을 포함한다. 위상 응답 그래프(600)는 또한 위상 응답 그래프(600)의 세로좌표인 위상차 축(620)을 포함한다. 위상 응답 그래프(600)는 상이한 점도들의 유체들에 대한 위상 응답 플롯들(630)을 포함한다. 위상 응답 플롯들(630) 각각은 제 1 오프-공진 마커(632) 및 제 2 오프-공진 마커(634)를 갖는다. 각각의 위상 응답 플롯들(630)의 공진 마커(636)가 또한 도시된다.
위상 응답 플롯들(630) 각각은 진동 신호의 주파수와, 진동 신호와 드라이브 신호 사이의 위상차 간의 관계를 예시한다. 제 1 및 제 2 오프-공진 마커들(632, 634)의 주파수는 위상 응답 플롯들(630) 각각에 대해 상이하다. 도시된 바와 같이, -135°의 제 1 오프-공진 마커들(632)은 약 1630Hz 내지 약 1715Hz 범위에 있다. -45°의 제 2 오프-공진 마커들(634)은 약 1560 Hz 내지 약 1620 Hz의 범위에 있다.
인지될 수 있는 바와 같이, 위상차와 주파수 사이의 관계는 제 1 및 제 2 오프-공진 마커들(632, 634) 사이에서 대략 선형이다. 따라서, 2개 또는 그 초과의 위상차들이 그의 각각의 주파수들에서 측정되는 경우, 주파수와 위상차 사이의 함수 관계가 성립될 수 있다. 함수 관계는 도 4를 참조하여 위에서 설명한 바와 같이, 타겟 위상차(φt)와 측정된 위상차(φm) 사이의 위상 에러를 결정하는데 이용될 수 있다. 이하에 보다 상세히 설명되는 바와 같이, 위상 에러는 제어 루프에 대한 하나 또는 그 초과의 진동 제어 항(vibration control term)들을 계산하는데 사용될 수 있다.
도 7은 위상 에러에 기초하여 진동 엘리먼트의 진동을 제어하는 방법(700)을 도시한다. 진동 엘리먼트는 도 2 내지 도 4를 참조하여 위에서 설명된 진동 엘리먼트(104)일 수 있지만, 임의의 적합한 진동 엘리먼트가 대안적인 실시예들에서 사용될 수 있다. 방법(700)은 단계(710)에서 진동 엘리먼트를 드라이브 신호로 진동시킴으로써 시작한다. 드라이브 신호는, 예를 들어, 도 4를 참조하여 설명된 드라이버 회로(138)에 의해 생성될 수 있다.
단계(720)에서, 방법(700)은 진동 엘리먼트로부터 진동 신호를 수신한다. 방법(700)은 예를 들어, 계측 전자기기(20)로 신호를 수신할 수 있다. 특히, 방법(700)은, 수신기 회로(134)가 도 3에 도시된 리드들(100)에 의해 전달되는 진동 신호를 수신하게 하도록 계측 전자기기(20) 상에서 실행되는 프로그램일 수 있다.
단계(730)에서, 방법(700)은 드라이브 신호와 진동 신호 사이의 위상차(φm)를 측정할 수 있다. 방법(700)은 예를 들어, 위상 검출기(147b)로 위상차(φm)를 측정할 수 있지만, 임의의 적합한 수단이 위상차(φm)를 측정하기 위해 사용될 수 있다. 단계(740)에서, 타겟 위상차(φt)와 측정된 위상차(φm) 사이의 위상 에러가 결정될 수 있다. 위상 에러는, 예를 들어, 타겟 위상차(φt)와 측정된 위상차(φm)의 차이를 감산함으로써 결정될 수 있다.
단계(750)에서, 방법(700)은 결정된 위상 에러로 하나 또는 그 초과의 진동 제어 항들을 계산할 수 있다. 진동 제어 항들은 예를 들어, 진동 엘리먼트의 진동을 제어하는 제어 루프에 사용되는 항들일 수 있다. 예를 들어, 방법(700)은 위에서 설명된 개-루프 드라이브(147)와 같은 드라이버 회로에서 사용될 수 있다. 이에 따라, 방법(700)은 이하에 보다 상세히 설명되는 바와 같이, 결정된 위상 에러로부터 계산된 주파수로 진동 엘리먼트를 진동시킬 수 있다.
도 8은 위상 에러에 기초하여 진동 엘리먼트의 진동을 제어하는 다른 방법(800)을 도시한다. 진동 엘리먼트는 도 2 내지 도 4를 참조하여 위에서 설명된 진동 엘리먼트(104)일 수 있지만, 임의의 적합한 진동 엘리먼트가 사용될 수 있다. 방법(800)은 드라이브 신호를 생성함으로써 단계(810)에서 시작한다. 드라이브 신호는, 도 4를 참조하여 설명된 신호 생성기(147c)에 의해 생성될 수 있다. 단계(820)에서, 방법(800)은 드라이브 신호로 진동 엘리먼트를 진동시킬 수 있다. 예를 들어, 도 8에 도시된 실시예에 따라, 방법(800)은, 신호 생성기(147c)가 아날로그 출력 필터(138b)를 통해 진동 엘리먼트(104)에 드라이브 신호를 제공하게 할 수 있다.
단계(830)에서, 방법(800)은 진동 엘리먼트로부터의 진동 신호와 드라이브 신호 사이의 위상차를 측정한다. 단계(840)에서, 방법(800)은 제어 루프로부터 하나 또는 그 초과의 진동 제어 항들을 계산할 수 있다. 단계(850)에서, 방법(800)은 하나 또는 그 초과의 진동 제어 항들로 이득을 계산할 수 있다. 단계(860)에서, 방법(800)은 제어 루프로 드라이브 신호에 대한 주파수를 계산할 수 있다. 방법(800)은 단계(860)에서 계산된 주파수를 가질 수 있는 드라이브 신호를 생성하기 위해 단계(810)로 되돌아가는 것으로 도시된다.
방법들(700, 800)은 예를 들어, 계측 전자기기(20) 상에서 소프트웨어 프로그램을 실행함으로써 위에서 설명된 단계들을 수행할 수 있다. 위에서 설명된 방법들(700, 800)은 드라이브 신호와 진동 신호 사이의 위상차를 측정하고, 타겟 위상차(φt)와 측정된 위상차(φm) 사이의 위상 에러를 결정하고, 결정된 위상 에러로 하나 또는 그 초과의 진동 제어 항들을 계산할 수 있다. 이들 및 다른 단계들이 이하에 상세히 설명된다.
드라이브 신호와 진동 신호 사이의 위상차는 다양한 방식들로 측정될 수 있다. 예를 들어, 위상차는 아날로그-디지털 변환기(147a)로 드라이브 신호 및 진동 신호를 샘플링함으로써 측정될 수 있다. 위상 검출기(147b)는 드라이브 신호 및 진동 신호의 제로 크로싱 포인트들(zero crossing points)을 검출할 수 있다. 제로 크로싱 포인트들은, 아날로그 형태의 또는 디지털 방식으로 인코딩된 드라이브 신호 및 진동 신호가 0 볼트 또는 약 0 볼트인 시간일 수 있다. 드라이브 신호 및 진동 신호의 제로 크로싱 포인트들 사이의 시간차는 측정된 위상차(φm)를 계산하기 위해 드라이브 또는 진동 신호의 주파수로 곱해질 수 있다. 그러나 드라이브 신호와 진동 신호 사이의 위상차를 측정하는 임의의 적합한 수단이 사용될 수 있다.
위상 에러는 측정된 위상차(φm)로부터 결정될 수 있다. 위상 에러는 타겟 위상차(φt) 및 측정된 위상차(φm) 사이의 차이를 타겟 위상차(φt)로 나눈 비(ratio)일 수 있다. 따라서, 타겟 위상차(φt)와 측정된 위상차(φm) 사이의 차이는 타겟 위상차(φt)에 대하여 스케일링될 수 있다. 예를 들어, 계측 전자기기(20)는 다음의 수식을 사용함으로써 위상 에러를 계산하도록 방법들(700, 800)을 실행할 수 있다 :
Figure 112019069085664-pat00011
(3)
이들 및 다른 실시예들에서, 결정된 위상 에러는 하나 또는 그 초과의 진동 제어 항들을 계산하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 위상 에러는 예컨대, 진동 제어 항들 중 하나를 계산하도록 미리 결정된 상수와 같은 값으로 곱해질 수 있다.
진동 제어 항들은 이득을 생성하는 제어 루프에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 제어 루프는 이득을 생성하기 위해 하나 또는 그 초과의 진동 제어 항들을 추가할 수 있다. 이득은 예를 들어, 도 1을 참조하여 위에서 설명된 진동 엘리먼트(104)와 같은 진동 엘리먼트의 진동을 제어하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 이득은, 진동 엘리먼트를 제 1 또는 제 2 오프-공진 위상차들(φ1, φ2)로 구동하기 위해 사용될 수 있다.
진동 엘리먼트를 제 1 및 제 2 오프-공진 위상차들(φ1, φ2)로 구동함으로써, 측정된 위상차(φm)와 타겟 위상차(φt) 사이의 위상 에러는 감소한다. 즉, 타겟 위상차(φt)는 제 1 또는 제 2 오프-공진 위상차들(φ1, φ2) 중 하나일 수 있다. 감소된 위상 에러는 제어 루프에 대한 대응하는 진동 제어 항들을 계산하는데 사용될 수 있다. 따라서, 제어 루프는, 측정된 위상차(φm)가 타겟 위상차(φt)에 더 가까워짐에 따라 점진적인 프로세스에서 제어 루프에 의해 계산된 이득을 점진적으로 감소시킬 수 있다.
제어 루프는 결정된 위상 에러로부터 계산된 진동 제어 항들을 갖는 비례-적분 제어 루프(proportional-integral control loop)일 수 있다. 일 실시예에서, 비례-적분 제어 루프는 예를 들어, 비례 이득 항 및 적분 항의 합으로 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 비례-적분 제어 루프는, 이하에 보다 상세히 설명되는 바와 같이, 비례 이득 상수(Kp) 및 적분 항 상수(Ki)로 결정된 위상 에러를 곱하는 수식에 의해 설명된다.
비례 이득 항은 비례 이득 상수(Kp)를 결정된 위상 에러로 곱한 것일 수 있다. 일 실시예에서, 비례 이득 항은 수식으로부터 계산될 수 있다 :
Figure 112019069085664-pat00012
(4)
수식에서 위상 에러는 결정된 위상 에러일 수 있다. 예를 들어, 수식에서 위상 에러는 드라이브 신호로서 측정된 위상차(φm)로부터 결정될 수 있고 진동 신호는 진동 엘리먼트(104)로부터 수신될 수 있다.
비례 이득 항은 비례-적분 제어 루프에서 사용될 수 있다. 따라서, 비례-적분 제어 루프의 출력은 결정된 위상 에러와 상관될 수 있다. 이에 따라, 측정된 위상차(φm)와 타겟 위상차(φt) 사이의 차이가 클수록, 비례-적분 제어 루프로부터의 출력이 더 크다. 따라서, 큰 결정된 위상 에러들은 비례 이득 상수(Kp)에 의해 결정된 스케일에 비례하여, 비례 이득 항을 상응하게 크게 한다.
비례-적분 제어 루프는 또한 적분 항을 포함할 수 있다. 적분 항은 적분 항 상수(Ki)를 결정된 위상 에러로 곱한 것일 수 있다. 또한, 적분 항은 다른 결정된 위상 에러들을 또한 포함할 수 있다. 예를 들어, 위에서 설명된 바와 같이, 위상 에러는 반복적으로 결정될 수 있다. 이에 따라, 적분 항 상수(Ki)는 현재의 위상 에러 및 하나 또는 그 초과의 이전의 위상 에러들로 곱해져서 비례-적분 제어 루프에 대한 현재의 적분 항을 결정할 수 있다.
예를 들어, 방법들(700, 800)은 하나 또는 그 초과의 이전의 위상 에러들을 계측 전자기기(20)에 저장할 수 있다. 하나 또는 그 초과의 이전의 위상 에러들은 방법들(700, 800)에 의해 획득되고, 적분 항 상수(Ki)로 곱해지고, 현재의 위상 에러로부터 계산된 적분 항에 더해질 수 있다. 현재 위상 에러는, 측정된 위상차(φm)가 계측 전자기기(20)에 의해 수신될 때, 타겟 위상차(φt) 및 측정된 위상차(φm)에 의해 결정된 위상 에러일 수 있다.
다른 예에서, 방법들(700, 800)은 하나 또는 그 초과의 이전의 측정된 위상 차들(φm)을 계측 전자기기(20)에 저장할 수 있다. 방법들(700, 800)은 하나 또는 그 초과의 이전의 측정된 위상차들(φm)을 획득하고, 하나 또는 그 초과의 이전의 측정된 위상차(φm)에 대응하는 하나 또는 그 초과의 이전의 위상 에러들을 계산할 수 있다. 하나 또는 그 초과의 이전의 위상 에러들은 적분 항(Ki)으로 곱해지고 그 후 현재 적분 항에 더해질 수 있다. 현재 적분 항은 계측 전자기기(20)가 리드들(100)을 통해 측정된 위상차(φm)를 수신할 때 결정될 수 있다.
일 실시예에서, 하나의 이전의 적분 항이 사용될 수 있다. 즉, 현재 위상 에러는 적분 항(Ki)으로 곱해지고 그 후 예를 들어, 계측 전자기기(20)에 저장된 하나의 이전의 적분 항에 더해진다. 일 실시예에서, 적분 항은 수식으로부터 계산될 수 있다 :
Figure 112019069085664-pat00013
(5)
수식(5)의 우변 상의 위상 에러는, 드라이브 신호 및 진동 신호가 계측 전자기기(20)에 의해 수신될 때 그 측정된 위상차(φm)로부터 계산된 현재 결정된 위상 에러일 수 있다. 수식(5)의 우변 상의 적분 항은 이전의 위상 에러로부터 계산된 이전의 적분 항일 수 있다. 수식(5)의 좌변 상의 적분 항은 이에 따라 현재 적분 항일 수 있다.
현재 적분 항은 제어 루프의 후속 반복들을 위해 계측 전자기기(20)에, 방법들(700, 800)에 의해 저장될 수 있다. 예를 들어, 수식(5)의 좌변 상의 적분 항이 계측 전자기기(20)에 저장될 수 있어서, 수식(5)의 후속 계산은 수식(5)의 우변 상의 저장된 적분 항을 이용할 수 있게 된다. 진동 제어 항들을 계산하는 다른 방법들이 대안적인 실시예에서 사용될 수 있다.
방법들(700, 800)은 또한 결정된 위상 에러에 기초하여 커맨드 주파수(ωc)를 생성하고, 커맨드 주파수(ωc)로 진동 엘리먼트를 진동시키는 드라이브 신호를 생성하도록 구성된 신호 생성기에 커맨드 주파수(ωc)를 제공할 수 있다. 일 실시예에 따라, 커맨드 주파수(ωc)는 적분 항 및 비례 이득 항을 사용하여 생성된다. 커맨드 주파수(ωc)는 수식에 기초하여 적분 항 및 비례 이득 항을 더함으로써 적분 항 및 비례 이득 항을 사용하여 생성될 수 있다 :
Figure 112019069085664-pat00014
(6)
인지될 수 있는 바와 같이, 커맨드 주파수(ωc)는 위에서 설명된 계측 전자기기(20)에 의해 생성될 수 있지만, 임의의 계측 전자기기가 대안적인 실시예들에서 사용될 수 있다. 이에 따라, 계측 전자기기(20)는 결정된 위상 에러에 기초하여 커맨드 주파수(ωc)를 생성하고, 커맨드 주파수(ωc)로 진동 엘리먼트(104)를 진동시키는 드라이브 신호를 생성하도록 구성된 신호 생성기(147c)에 커맨드 주파수(ωc)를 제공하도록 구성될 수 있다. 다른 구성들이 대안적인 실시예들에서 사용될 수 있다.
위에서 설명된 실시예들은 결정된 위상 에러에 기초하여 진동 엘리먼트(104)의 진동을 제어하기 위한 방법(700, 800) 및 계측 전자기기(20)를 제공한다. 위에서 설명된 바와 같이, 방법(700, 800) 및 계측 전자기기(20)는 결정된 위상 에러에 기초한 드라이브 이득을 제공할 수 있다. 드라이브 이득은 이에 따라, 에러가 클 때 크고 에러가 작을 때 작다. 드라이브 이득은 이에 따라 드라이브 신호가 제 1 및 제 2 오프-공진 주파수들(ω1, ω2)에 보다 빠르게 접근하게 한다. 따라서, 측정되는 재료의 점도 및 밀도는 보다 신속하게 측정될 수 있다. 또한, 에러가 작을 때 드라이브 이득이 작기 때문에, 드라이브 신호가 제 1 및 제 2 오프 공진 주파수들(ω1, ω2)에 있을 때 드라이브 신호는 안정적일 수 있다.
위의 실시예들의 상세한 설명들은 본 설명의 범위 내에 있는 것으로 본 발명자들에 의해 고려되는 모든 실시예들의 총망라하는 설명은 아니다. 실제로, 당업자들은, 위에서 설명된 실시예들의 특정 엘리먼트들이 추가 실시예들을 생성하기 위해 다양하게 조합되거나 제거될 수 있으며, 이러한 추가 실시예들은 본 설명의 범위 및 교시들 내에 있다는 것을 인지할 것이다. 위에서 설명된 실시예들이 전체적으로 또는 부분적으로 조합되어 본 설명의 범위 및 교시들 내의 부가적인 실시예들을 생성할 수 있다는 것이 당업자들에게 또한 자명할 것이다.
따라서, 특정 실시예들이 예시의 목적들을 위해 본원에서 설명되지만, 당업자들이 인지할 바와 같이, 다양한 등가의 수정들이 본 설명의 범위 내에서 가능하다. 본원에서 제공된 교시들은 첨부 도면들에서 도시되고 위에서 설명된 실시예들로만이 아니라, 위상 에러에 기초하여 진동 센서의 진동을 제어하기 위한 다른 방법들 및 장치들에 적용될 수 있다. 따라서, 위에서 설명된 실시예들의 범위는 다음의 청구항들로부터 결정되어야 한다.

Claims (20)

  1. 위상 에러에 기초하여 진동 엘리먼트의 진동을 제어하는 방법으로서,
    드라이브 신호로 상기 진동 엘리먼트를 진동시키는 단계;
    상기 진동 엘리먼트로부터 진동 신호를 수신하는 단계;
    상기 드라이브 신호와 상기 진동 신호 사이의 위상차를 측정하는 단계;
    타겟 위상차와 측정된 위상차 사이의 위상 에러를 결정하는 단계 ― 상기 위상 에러는 상기 측정된 위상차로부터 결정됨 ―;
    결정된 상기 위상 에러로 제어 루프에서의 하나 또는 그 초과의 진동 제어 항들(vibration control terms)을 계산하는 단계;
    계산된 상기 하나 또는 그 초과의 진동 제어 항들을 가진 상기 제어 루프를 이용하여 상기 드라이브 신호에 대한 커맨드 주파수(command frequency)를 생성하는 단계; 및
    상기 커맨드 주파수로 상기 진동 엘리먼트를 진동시키는 상기 드라이브 신호를 생성하도록 구성된 신호 생성기에 상기 커맨드 주파수를 제공하는 단계를 포함하고,
    상기 하나 또는 그 초과의 진동 제어 항들 중 적어도 하나는, 상기 하나 또는 그 초과의 진동 제어 항들 중 적어도 하나와 상기 위상 에러 사이의 선형 관계를 사용함으로써 계산되는,
    위상 에러에 기초하여 진동 엘리먼트의 진동을 제어하는 방법.
  2. ◈청구항 2은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제 1 항에 있어서,
    상기 하나 또는 그 초과의 진동 제어 항들은 비례-적분 제어 루프(proportional-integral control loop)의 항인,
    위상 에러에 기초하여 진동 엘리먼트의 진동을 제어하는 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 위상 에러를 결정하는 단계는,
    수식
    Figure 112019069085664-pat00015
    에 기초하여 상기 위상 에러를 계산하는 단계를 포함하는,
    위상 에러에 기초하여 진동 엘리먼트의 진동을 제어하는 방법.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 하나 또는 그 초과의 진동 제어 항들은 상기 결정된 위상 에러를 수신하는 비례-적분 제어 루프에 대한 비례 이득 항인,
    위상 에러에 기초하여 진동 엘리먼트의 진동을 제어하는 방법.
  5. ◈청구항 5은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제 4 항에 있어서,
    상기 비례 이득 항은 수식
    Figure 112019069085664-pat00016
    에 기초하여 계산되고;
    여기서 Kp는 비례 이득 상수인,
    위상 에러에 기초하여 진동 엘리먼트의 진동을 제어하는 방법.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 하나 또는 그 초과의 진동 제어 항들은 상기 결정된 위상 에러를 수신하는 상기 제어 루프에 대한 적분 항인,
    위상 에러에 기초하여 진동 엘리먼트의 진동을 제어하는 방법.
  7. ◈청구항 7은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제 6 항에 있어서,
    상기 적분 항은 수식
    Figure 112019069085664-pat00017
    에 기초하여 계산되고;
    여기서 Ki는 정수 항 상수인,
    위상 에러에 기초하여 진동 엘리먼트의 진동을 제어하는 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 커맨드 주파수는 적분 항 및 비례 이득 항을 사용하여 생성되는,
    위상 에러에 기초하여 진동 엘리먼트의 진동을 제어하는 방법.
  9. ◈청구항 9은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제 8 항에 있어서,
    상기 커맨드 주파수는,
    수식
    Figure 112021077882357-pat00018
    에 기초하여 상기 적분 항 및 상기 비례 이득 항을 더함으로써 상기 적분 항 및 상기 비례 이득 항을 사용하여 생성되는,
    위상 에러에 기초하여 진동 엘리먼트의 진동을 제어하는 방법.
  10. 진동 엘리먼트(104)의 진동을 제어하기 위한 계측 전자기기(meter electronics)(20)로서,
    상기 진동 엘리먼트(104)에 커플링되는 드라이버 회로(138) ― 상기 드라이버 회로(138)는 드라이브 신호를 상기 진동 엘리먼트(104)에 제공하도록 구성됨 ― ; 및
    상기 진동 엘리먼트(104)에 커플링되는 수신기 회로(134)를 포함하고,
    상기 수신기 회로(134)는 상기 진동 엘리먼트(104)로부터 진동 신호를 수신하도록 구성되고;
    상기 계측 전자기기(20)는,
    상기 드라이브 신호와 상기 진동 신호 사이의 위상차를 측정하고;
    타겟 위상차와 측정된 위상차 사이의 위상 에러를 결정하고 ― 상기 위상 에러는 상기 측정된 위상차로부터 결정됨 ―;
    결정된 위상 에러로 제어 루프에서의 하나 또는 그 초과의 진동 제어 항들을 계산하고;
    계산된 상기 하나 또는 그 초과의 진동 제어 항들을 가진 상기 제어 루프를 이용하여 상기 드라이브 신호에 대한 커맨드 주파수(ωc)를 생성하고; 그리고
    상기 커맨드 주파수(ωc)로 상기 진동 엘리먼트(104)를 진동시키는 상기 드라이브 신호를 생성하도록 구성된 신호 생성기(147c)에 상기 커맨드 주파수(ωc)를 제공하도록 구성되며,
    상기 하나 또는 그 초과의 진동 제어 항들 중 적어도 하나는, 상기 하나 또는 그 초과의 진동 제어 항들 중 적어도 하나와 상기 위상 에러 사이의 선형 관계를 사용함으로써 계산되는,
    진동 엘리먼트의 진동을 제어하기 위한 계측 전자기기.
  11. ◈청구항 11은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제 10 항에 있어서,
    상기 하나 또는 그 초과의 진동 제어 항들은 비례-적분 제어 루프의 항인,
    진동 엘리먼트의 진동을 제어하기 위한 계측 전자기기.
  12. 제 10 항 또는 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 위상 에러를 결정하도록 구성되는 계측 전자기기(20)는,
    수식
    Figure 112021077882357-pat00019
    에 기초하여 상기 위상 에러를 계산하도록 구성된 계측 전자기기(20)를 포함하는,
    진동 엘리먼트의 진동을 제어하기 위한 계측 전자기기.
  13. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
    상기 하나 또는 그 초과의 진동 제어 항들은 상기 결정된 위상 에러를 수신하는 비례-적분 제어 루프에 대한 비례 이득 항인,
    진동 엘리먼트의 진동을 제어하기 위한 계측 전자기기.
  14. ◈청구항 14은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제 13 항에 있어서,
    상기 비례 이득 항은 수식
    Figure 112021077882357-pat00020
    에 기초하여 계산되고;
    여기서 Kp는 비례 이득 상수인,
    진동 엘리먼트의 진동을 제어하기 위한 계측 전자기기.
  15. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
    상기 하나 또는 그 초과의 진동 제어 항들은 상기 결정된 위상 에러를 수신하는 상기 제어 루프에 대한 적분 항인,
    진동 엘리먼트의 진동을 제어하기 위한 계측 전자기기.
  16. ◈청구항 16은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제 15 항에 있어서,
    상기 적분 항은 수식
    Figure 112021077882357-pat00021
    에 기초하여 계산되고;
    여기서 Ki는 정수 항 상수인,
    진동 엘리먼트의 진동을 제어하기 위한 계측 전자기기.
  17. 제 10 항에 있어서,
    상기 커맨드 주파수(ωc)는 적분 항 및 비례 이득 항을 사용하여 생성되는,
    진동 엘리먼트의 진동을 제어하기 위한 계측 전자기기.
  18. ◈청구항 18은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제 17 항에 있어서,
    상기 커맨드 주파수(ωc)는,
    수식
    Figure 112021077882357-pat00022
    에 기초하여 상기 적분 항 및 상기 비례 이득 항을 더함으로써 상기 적분 항 및 상기 비례 이득 항을 사용하여 생성되는,
    진동 엘리먼트의 진동을 제어하기 위한 계측 전자기기.
  19. 삭제
  20. 삭제
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