KR20010030791A

KR20010030791A - 코리올리 플로우미터용 픽오프 및 오실레이터리 드라이버결합체 및 작동방법

Info

Publication number: KR20010030791A
Application number: KR1020007003379A
Authority: KR
Inventors: 스튜어트 제이. 셸리; 티모시 제이. 커닝험
Original assignee: 제프리 디. 웨어; 마이크로 모우션, 인코포레이티드
Priority date: 1997-09-30
Filing date: 1998-09-16
Publication date: 2001-04-16
Also published as: WO1999017084A1; HK1032106A1; DE69814121T2; JP2001518610A; ID24418A; EP1019681A1; CA2301620A1; US6230104B1; AU742211B2; EP1019681B1; JP3469550B2; PL339520A1; AR013970A1; BR9812477A; AU9491198A; CN1178047C; CN1272177A; DE69814121D1

Abstract

오실레이터리 진동 드라이버(104)는 코리올리 플로우미터(10)에 연결되어 플로우미터 유동 튜브(103A, 103B)를 진동시키는데 사용된다. 계측 전자장치(20)는 모식 회로(414, 802, 902)를 포함하는데, 이 회로는 코리올리 플로우미터로부터 질량유동률과 밀도를 계산하는데 사용하기 위해 역기전력의 측정을 제공하는 신호 픽오프(signal pickoff)로서 드라이버를 사용할 수 있게 한다. 모식 회로는 역기전력의 측정을 용이하게 하는 아날로그 코일(604)과 자석(600)을 포함하거나 디지털 수단(804, 806, 808, 904, 906)을 포함할 수 있다.

Description

코리올리 플로우미터용 픽오프 및 오실레이터리 드라이버 결합체 및 작동방법{COMBINED PICKOFF AND OSCILLATORY DRIVER FOR USE IN CORIOLIS FLOWMETERS AND METHOD OF OPERATING THE SAME}

도관(conduit)을 통해 흐르는 물질의 질량유동(mass flow) 및 기타 정보를 측정하기 위해 코리올리 효과 질량 플로우미터(Coriolis effect mass flowmeters)를 사용하는 것이 알려져 있다. 코리올리 플로우미터의 예가, J. E. Smith 등에게 부여된 1978년 8월 29일자 미국특허 4,109,524호, 1985년 1월 1일자 4,491,025호, 1982년 2월 11일자 재발행특허 31,450호 등에 개시되어 있다. 이들 플로우미터는 하나 또는 그 이상의 곧거나 구부러진 형태의 유동 튜브를 가지고 있다. 코리올리 플로우미터에서 각 유동 튜브는, 단순 굽힘(bending), 비틀림(torsion) 또는 이들이 결합된 자연 진동모드(natural vibrational modes)의 세트(set)를 가진다. 각 유동 튜브는, 이들 자연 모드 중 하나에서, 공진상태에서 발진하도록 구동된다. 플로우미터 입구에 연결된 도관으로부터 플로우미터로 유입되는 물질은 유동 튜브 또는 유동 튜브들을 거치고, 출구에서 플로우미터를 떠난다. 물질로 충진된, 진동하는 시스템의 자연 진동모드는, 부분적으로는 유동 튜브의 질량과 유동 튜브 내를 흐르는 물질 질량의 결합 질량에 의해 규정된다.

플로우미터를 통한 유동이 없을 때, 유동 튜브를 따른 모든 지점은, 동일 위상(identical phase) 또는 교정 가능할 정도로 작은 초기 고정 위상 편차(initial fixed phase offset)로 인가되는 드라이버 힘(driver force)에 의해 발진된다. 물질이 흐르기 시작하면, 유동 튜브를 따른 각 지점은 코리올리 힘에 의해 서로 다른 위상을 가지게 된다. 유동 튜브 입구 쪽의 위상은 드라이버보다 지연되는 반면 출구쪽 위상은 드라이버보다 앞선다. 유동 튜브에 픽오프센서가 위치하여, 유동 튜브의 운동을 나타내는 사인파 신호를 발생시킨다. 픽오프센서(pick-off sensor)로부터의 신호출력이 처리되어, 이들 센서 사이의 위상차가 측정된다. 2대의 픽오프센서 사이의 위상차는 유동 튜브를 통한 질량유동률(mass flow rate)에 비례한다.

모든 코리올리 플로우미터와, 모든 진동튜브 비중계(vibrating tube densitometer)에 필수적인 요소가 드라이브 시스템 또는 여기 시스템(excitation system)이다. 이 드라이브 시스템은, 유동 튜브를 발진시키는 물리적 힘을 주기적으로 유동 튜브에 가하도록 작동된다. 드라이브 시스템은 플로우미터의 유동 튜브(들)에 장착된 드라이버를 포함한다. 드라이버 메커니즘은, 여러 가지 공지 장치 중 하나를 포함하는 것이 전형적인데, 여기에는 하나의 도관에 장착되는 자석이나, 자석과 마주하는 관계의 다른 도관에 장착되는 와이어 코일(wire coil) 등이 포함된다. 드라이브 회로는, 전형적으로 사인파 또는 구형파 형태(square shaped)인 드라이브전압을 주기적으로 드라이버에 인가한다. 자석에 의해 형성되는 일정한 자기장과 주기적인 드라이브 신호에 응답하여 코일에 의해 생성되는 연속적인 교번자장의 상호작용을 통해, 양 유동 도관은 반대의 사인파 패턴으로 진동하도록 초기에 힘을 받고, 이후 이 상태를 유지한다. 전기 신호를 기계적인 힘으로 변환할 수 있다면 어떤 장치도 드라이버로 적용하는데 적합하다는 것을 당업자라면 알 수 있다. Carpenter에게 부여된 뒤, Micro Motion, Inc.에 양도된 미국특허 4,773,833을 참조할 수 있다. 또 드라이버 신호로서 꼭 사인파를 사용할 필요는 없으며 임의의 주기적인 신호이면 적절하다. Kalotay 등에게 부여되어 Micro Motion, Inc.에 양도된 미국특허 5,009,109를 참조한다.

비록 유일한 모드는 아니지만, 코리올리 플로우미터가 진동하도록 구동되는 전형적인 모드는 제1위상이탈(first out-of-phase) 굽힘모드이다. 제1위상이탈 굽힘모드는 기본적인 굽힘모드(fundamental bending mode)이며, 여기서 이중튜브(dual tube) 코리올리 플로우미터의 두 튜브가 서로 반대로 진동한다. 그러나 이것이 제1위상이탈로 구동되는 코리올리 플로우미터의 진동구조에 존재하는 단 하나의 진동모드는 아니다. 궁극적으로, 제1위상이탈 굽힘모드로 발진되도록 구동되는 코리올리 플로우미터에서 실제 여기되는 진동 모드는 수백 개가 있다. 따라서 제1위상이탈로 공진 즉 발진되도록 구동되는 코리올리 플로우미터는, 실제로 제1위상이탈 뿐만 아니라 다른 여러 모드로도 발진하는 도관(들)을 가진다. 제1위상이탈 굽힘모드 외의 다른 모드로 발진하도록 구동되는 플로우미터에는, 의도하는 드라이브 모드 뿐만 아니라 다중 여기모드(multiple excited modes)와 동일한 현상이 나타난다.

종래 드라이브 시스템은 전형적으로 픽오프센서 신호 중의 하나인 피드백 신호를 처리하여 드라이브 신호를 생성시킨다. 불행하게도 드라이브 피드백 신호는 원하는 여기모드 뿐만 아니라 다른 모드로부터의 응답도 포함한다. 따라서 드라이브 피드백 신호는 주파수 도메인 필터에 의해 걸러져 원하지 않는 성분이 제거되며, 걸러진 신호는 증폭되어 드라이버에 인가된다. 드라이브 피드백 신호를 거르기 위한 주파수 도메인 필터는 드라이브 피드백 신호에 존재하는 다른 모드 응답으로부터, 요구되는 단일 드라이브 모드를 고립시키기에는 효과적이지 않다. 요구되는 모드의 공진주파수 부근의 다른 모드로부터의 오프공진응답(off-resonance responses)이 있을 수 있다. 또 원하는 공진주파수에 가까운 주파수의 공진응답(resonant responses)도 있을 수 있다. 걸러진 드라이브 피드백 신호, 즉 드라이브 신호는, 유동 튜브의 여기를 위해 필요한 정확한 모드 외의 주파수에서 모드 컨텐츠(modal contents)를 포함할 수 있다.

다중 주파수에서 모드 컨텐츠를 가지는 드라이브 신호로부터 파생되는 문제는, 코리올리 질량플로우미터에 의해 이루어지는 밀도 측정에 영향을 준다. 코리올리 플로우미터나 진동튜브 비중계의 밀도측정은, 진동 유동 튜브 공진 주파수 측정에 의존한다. 다중 모드에서 모드 컨텐츠를 포함하는 드라이브 신호에 응답하여 유동 튜브가 구동될 때 문제가 발생된다. 드라이브 신호의 다중모드 중첩(superposition)에 의해, 유동 튜브는 원하는 드라이브 모드의 진공진주파수(true resonant frequency)로부터 오프공진(off-resonance)으로 구동되도록 귀결될 수 있다. 그 결과 밀도측정에 에러가 생길 수 있다.

코리올리 질량유동속도 및 밀도 계산에 중요한, 진동모드의 분리(isolating) 및 구별(identifying)에는, 모드 필터링(modal filtering) 기술이 사용될 수 있다. 모드 필터링에는, 예를 들어 계류 중인, 출원인 Timothy J. Cunningham의 1997년 7월 11일자 출원 08/890,785호에서와 같이, 코리올리 플로우미터의 진동튜브에 부착되는 추가의 신호 픽오프가 필요하다. 추가의 픽오프 사용에는 추가 비용이 소요된다.

드라이버 또는 픽오프 장치가 비중계나 코리올리 플로우미터의 진동튜브에 연결되면 또 다른 문제가 발생한다. 추가 장치의 연결에 따라, 전체 진동시스템의 질량이 바뀌며, 그 결과 내츄럴 시스템 하모닉스(natural system harmonics)가 다른 주파수에서 진동하게 바뀐다. 질량이 증가된 측정 시스템으로부터 얻을 수 있는 측정의 정밀도가 감소되는데, 이는 질량 증가에 따라 측정의 감도가 떨어져 약간의 진동 편차(vibration variances)가 생기기 때문이다. 이러한 차이를 바로 잡기 위한 보정은 시스템 질량의 변화에 따라, 최대 성능을 위한 픽오프와 드라이버의 위치(placement), 플로우미터의 전력소모, 굽힘모드, 기타 상술한 문제들이 영향을 받기 때문에 매우 복잡하다.

따라서 코리올리 유동 튜브에 연결된 질량의 크기를 감소시키기 위하여 신호 픽오프(signal pickoff)로 2배가 되는 코리올리 플로우미터를 위한 드라이브 회로 시스템이 필요하다.

본 발명은, 전기적인 힘을 기계적인 동작으로 변환시키는데 사용되는 오실레이터리 진동 드라이버(oscillatory vibrational drivers) 분야에 관한 것으로서, 특히 코리올리 힘에 기초하여 유동을 측정하는데 있어, 코리올리 플로우미터의 유동 튜브(flow tubes)를 진동시키는 형식의 오실레이터리 드라이버에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명에 따른 오실레이터리 드라이버는, 코리올리 유동 튜브의 진동모드를 측정하는 신호 픽오프장치(signal pickoff device)로서, 이 오실레이터 드라이버가 사용될 수 있도록 하는 회로가 포함된다.

도 1은 종래 기술에 따른 코리올리 플로우미터와 이에 연결된 계측 전자장치(meter electronics)를 나타낸다;

도 2는 종래 코리올리 플로우미터 전자장치의 블록도이다;

도 3은 코리올리 플로우미터를 위한 종래 드라이브 시스템의 블록도이다;

도 4는 제1아날로그 실시예에 따라 본 발명을 실시하는데 사용하기 위한 계측 전자장치의 회로구성도(schematic circuit)이다;

도 5는 본 발명에 따른 사용을 위한 드라이버 코일 어셈블리를 나타낸다;

도 6은 본 발명에 따른 사용을 위한 모식 코일 어셈블리를 나타낸다;

도 7은 제2아날로그 실시예에 따라 본 발명을 실시하는데 사용하기 위한 계측 전자장치의 회로구성도이다;

도 8은 디지털 전자장치를 포함하는 본 발명의 제3실시예의 개략적 회로도를 나타낸다;

도 9는 모든 디지털 전자장치를 포함하는 본 발명의 제4실시예의 회로구성도이다;

도 10은 드라이버 코일 어셈블리를 픽오프 장치로 사용하기 위한 공정 흐름도를 나타낸다.

본 발명의 드라이브 회로 시스템에 의해, 앞서 확인된 문제들과, 다른 문제들이 해결되어 기술적 진보가 이루어진다. 본 발명은, 코리올리 미터 유동 튜브 내에서 진동속도(vibrational velocity)를 나타내는 신호를 받으면서, 코리올리 플로우미터 또는 비중계에 드라이브 신호를 발생시키기 위한 드라이버 및 픽오프 장치 결합체를 사용하기 위한 장치와 방법을 제공한다.

본 발명에 따른 오실레이터리 신호 픽오프 장치(signal pickoff device) 및 진동 드라이버 장치(vibrational driver apparatus)의 결합체는, 코일과 자석을 가지는 드라이버 코일 어셈블리를 포함한다. 코일은 코일에 인가된 오실레이팅 전압으로부터 기인하는 장효과(field effect)를 발산시킬 수 있다. 자석은 종래의 솔레노이드에서와 같은 방식으로 코일로부터 방산되는 장효과에 의한 기계적 오실레이션을 위해, 코일 내 중앙에 배치된다. 드라이버 코일 어셈블리의 자석이 코일에 대해 고정된 위치 관계(fixed positional relationship)에서 정지상태로 유지될 때, 모식 회로(mimetic circuit)는 제1임피던스에 필적하는 제2임피던스를 제공한다. 드라이브 전압이 드라이버 코일 어셈블리와 모식 회로에 인가된다.

인가된 드라이브 전압은, 대응하는 전압을 드라이버 코일 어셈블리의 코일에, 그리고 대응하는 전압을 모식 회로에 발생시킨다. 코일과 드라이버 코일 어셈블리 내 자석의 상대속도(즉 진동의 병진속도(translation velocity of vibration))는, 코일 전압과 모식 회로 전압간 차이의 수학적 함수로 결정된다. 이 계산이 가능한 것은, 코일과 드라이버 코일 어셈블리 내 자석의 상대속도가, 코일 내에 역기전력(back electromotive force(EMF))을 저장하기 때문이다.

여기서 '모식 회로(mimetic circuit)'라 함은 드라이버 코일 어셈블리가 고정 또는 정지된 위치에 있을 때 즉 드라이버 코일 어셈블리의 자석과 코일이 서로에 대해 움직이지 않을 때, 드라이버 코일 어셈블리의 성능을 설계하는 회로를 의미하는 것으로 한다. 이하 개시되는 구체적인 실시예에서는 모식 회로의 아날로그 실시예와 디지털 실시예가 설명된다.

단순한 아날로그의 경우 모식 회로는 코일과 자석을 가지며, 이들은 조합 상태에서, 드라이버 코일 어셈블리의 임피던스와 동일한 전체 임피던스를 가진다. 보다 구체적으로 모식 회로의 조합된 자석과 코일은 드라이버 코일 어셈블리의 저항 및 인덕턴스와 동일한 전체 저항 및 인덕턴스를 가진다. 이러한 제1실시예는 본 발명의 목적을 달성할 수는 있으나, 모식 코일(mimetic coil)을 통한 전력누출(drain) 때문에 전력소비가 지나치게 많다.

보다 바람직한 아날로그 실시예는 드라이버 코일 어셈블리의 임피던스와 스케일 팩터(scale factor)만큼 차이가 나는 전체 임피던스를 가지는 모식 자석(mimetic magnet) 및 코일 어셈블리를 포함한다. 보다 구체적으로 모식 코일과 자석 어셈블리의 인덕턴스는 드라이버 코일 어셈블리의 인덕턴스에 이르는 값까지 수배로 증가될 수 있다. 이와 유사하게 모식 코일 및 자석 어셈블리의 저항은 드라이버 코일 어셈블리의 저항에 이를 때까지 수배로 증가될 수 있다.

디지털 실시예에서는 드라이버 코일 전압을 디지털 필터에 인가하기 위하여 AD 변환기가 사용된다. 디지털 필터는 드라이버 코일 어셈블리의 저항 및 인덕턴스와 매칭되는 저항 및 인덕턴스로 모식 회로의 임피던스를 모델링한다. 디지털 실시예에서는 전체 코리올리 플로우미터 시스템의 전력소비가 전력누출이 무시될 수 있는 정도로까지 현저히 감소된다.

작동시 교류 드라이브 전압은 드라이버 코일 어셈블리에 대응하는 진동을 유발시키고 이는 차례로, 적절히 설정된 코리올리 유동 측정의 실행에 따라 코리올리 플로우미터의 유동 튜브를 진동시킨다. 드라이버 코일과 드라이버 자석의 상대속도는 코리올리 유동 튜브로부터 얻어지는 역기전력에 대략 비례한다. 이 역기전력은 인가된 드라이브 전압에 반대된다. 드라이브 회로에서 전압계로 측정되는 드라이브 전압은 드라이브 코일의 저항 및 인덕턴스를 통한 전압강하에 역기전력을 더하여 이루어진다. 종래의 코리올리 유동 계산의 역기전력을 측정하기 위해 드라이브 신호 픽오프가 사용되는데 이는 역기전력이 진동하는 코리올리 유동 튜브의 운동과 관계가 있기 때문이다. 본 발명에 따르면 역기전력에 의한 드라이브 전압 성분은 드라이버의 저항 및 인덕턴스로부터 기인하는 드라이브 전압 성분으로부터 분리될 수 있다. 따라서 드라이버를 신호 픽오프로 사용할 수 있다. 드라이버 및 신호 픽오프 장치 결합체는 모드 필터링 분야 및 다른 임의의 코리올리 질량유동속도 또는 밀도 측정 분야에 특히 유용한데, 이는 코리올리 유동 튜브에는 보다 작은 질량이 부착되어야 하기 때문이다. 본 발명의 요지는 인가된 드라이브 전압 신호로부터 역기전력 측정을 분리시키기 위한 장치 및 방법과 관련된 것이다.

코리올리 플로우미터 일반 - 도 1

도 1은 코리올리 계측기 어셈블리(10)와 계측 전자장치(20)를 포함하는 코리올리 플로우미터(5)를 나타낸다. 계측 전자장치(20)는 경로(26)를 통해 밀도, 질량유동률, 부피유동률 및 전체 질량유동정보를 제공하기 위해 도선(100)을 통해 계측기 어셈블리(10)에 연결된다. 코리올리 플로우미터의 구조가 설명되어 있지만, 코리올리 플로우미터에 의해 제공되는 추가적인 측정능력 없이도, 본 발명이 진동 튜브 비중계(vibrating tube densitometer)와 함께 사용될 수 있음은 당업자에게 명백하다.

계측기 어셈블리(10)는 한 쌍의 플랜지(101, 101'), 다기관(manifold; 102) 및 유동 튜브(103A, 103B)를 포함한다. 유동 튜브(103A, 103B)에는 드라이버(104)와 픽오프센서(105, 105')가 연결되어 있다. 브레이서 바(bracer bars, 106, 106')는 축(W, W')을 규정하며 이 축(W, W') 주위를 각 유동 튜브가 오실레이팅한다.

플로우미터(10)가 측정되는 공정 물질을 운반하는 파이프라인 시스템(미도시) 내로 삽입될 때, 이 물질은 플랜지(101)를 지나 계측기 어셈블리(10)로 들어가고 다기관(102)을 통과하는데, 다기관(102)에서 이 물질은 유동 튜브(103A, 103B)로 들어가도록 인도되고, 유동 튜브(103A, 103B)를 지나 흘러서 다시 다기관(102)으로 돌아오며, 여기서 플랜지(101')를 통하여 계측기 어셈블리(10)를 떠난다.

유동 튜브(103A, 103B)는, 각각의 굽힘축 W-W와 W'-W'에 대해 실질적으로 동일한 질량분포, 관성모멘트 및 탄성계수를 가지도록 선택되어 적절히 장착된다. 유동 튜브는 기본적으로 평행한 방식으로 다기관으로부터 바깥쪽으로 연장된다.

유동 튜브(103A-103B)는 각각의 굽힘축(W, W')에 대해, 드라이버(104)에 의해 반대방향으로 구동되며 여기서 플로우미터의 제1위상이탈 굽힘모드가 된다. 드라이버(104)는 공지의 장치 중 임의의 한 가지, 예를 들면 유동 튜브(103A)에 장착되는 자석이나 유동 튜브(103B)에 장착되는 마주하는 코일(opposing coil)을 포함할 수 있으며, 이를 통해 교류가 통과하여 양 유동 튜브를 진동시킨다. 계측 전자장치(20)에 의해 적절한 드라이브 신호가 도선(110)을 통해 드라이버(104)로 전달된다.

계측 전자장치(20)는 도선(111, 111') 각각에 나타나는 좌우 속도신호를 수신한다. 계측 전자장치(20)는 도선(110)에 나타나고 드라이버(104)로 하여금 튜브(103A, 103B)를 진동시키게 하는 드라이브 신호를 생성한다. 계측 전자장치(20)는 좌우 속도 신호를 처리하여 계측기 어셈블리(10)를 지나 흐르는 물질의 질량유동률 및 밀도를 계산한다. 이 정보는 계측 전자장치(20)에 의해 경로(26)를 지나 이용수단(utilization means, 미도시)으로 이용된다.

코리올리 플로우미터(5)는 그 구조가 진동 튜브 비중계와 상당히 유사한 것으로 당업자에게 잘 알려져 있다. 진동 튜브 비중계 역시 진동 튜브를 사용하는데 이 튜브를 통해 유체가 흐르거나, 샘플형 비중계인 경우 이 튜브 내에 유체가 유지된다. 진동 튜브 비중계 역시 유동 튜브의 진동을 여기시키기 위해 드라이브 시스템을 사용한다. 진동 튜브 비중계는 전형적으로 하나의 피드백 신호만을 사용하는데 이는 밀도 측정에는 주파수 측정만이 필요하며 위상(phase) 측정은 필요하지 않기 때문이다. 여기서 설명하는 본 발명의 기술(descriptions)은 진동 튜브 비중계에도 동일하게 적용된다. 종래 코리올리 플로우미터에 모드 필터에 입력하기 위한 2개의 피드백 신호가 이미 있을 경우, 종래 진동 튜브 비중계는 일반적으로 가능한 하나의 피드백 신호만을 가진다는 것을 당업자라면 알 수 있다. 따라서 본 발명을 진동 튜브 비중계에 적용하기 위해서는 추가적인 피드백 신호를 진동 튜브 비중계 내에 제공하기만 하면 된다.

종래 드라이브 시스템 - 도 2 및 3

도 2는 계측 전자장치(20)의 블록도를 나타낸다. 계측 전자장치(20)는 질량유동률 회로(30), 드라이브 회로(40)를 포함한다. 질량유동률 회로(30)는 진동 튜브에서 2 지점 사이의 위상차에 기초하여 진동 튜브를 지나는 유체의 질량유동률을 계산하는 여러 공지 회로 중의 하나이다. 질량유동률 회로(30)는 라인(26)을 통하여 이용수단(미도시)으로 가는 출력을 생성한다. 이용수단은 예를 들어 표시장치일 수 있다. 질량유동률 회로(30)의 구체적인 구성은 당업자에게 공지되어 있으며 본 발명의 범위를 벗어난다. 질량유동률 회로(30)에 대한 예시적인 정보는 1983년 11월 29일 Smith에게 부여되어, Micro Motion, Inc에게 양도된 미국특허 RE 31,450호나 1989년 11월 14일 Zolock에게 부여되어 Micro Motion, Inc.에게 양도된 미국 재발행특허 5,231,884호를 참조하면 된다. 종래 드라이브 회로 시스템에서 드라이브 회로(40)는 왼쪽 픽오프센서(105)로부터 경로(41)를 통해 피드백 신호를 받는다. 도 3에 더욱 구체적으로 나타난 바와 같이 종래 드라이브 회로 시스템은 드라이브 신호를 생성하여 경로(110)를 통해 드라이버(104)로 보낸다. 종래 드라이브 시스템에 드라이브 회로(40)로의 피드백으로서 오른쪽 픽오프센서를 대신 사용할 수 있음이 당업자에 공지되어 있다. 또 몇몇 종래 드라이브 시스템은 드라이브 회로(40)로의 피드백으로서 양쪽 픽오프 신호의 합을 사용한다.

도 3은 종래 드라이브 회로(40) 중 하나의 블록도를 나타낸다. 드라이브 회로(40)는 플로우미터로부터의 픽오프 신호 중 하나의 형태로 피드백 신호를 받아, 픽오프 신호의 크기를 적절하게 조절하여 경로(110)를 통해 드라이브 신호를 생성시킨다. 설명한 바와 같이 몇몇 기존 드라이브 시스템은 2개의 픽오프 신호를 더하고, 이들 더해진 신호를 처리하여 드라이브 신호를 생성시킨다. 드라이브 회로(40)는 경로(41)를 통해 픽오프 신호(105)를 받는다. 픽오프 신호는 정류기(300)로, 그리고 나서 적분기(301)로 공급된다. 적분기(301)로부터의 신호 출력은 픽오프 신호(105)의 평균 진폭을 나타낸다. 평균 진폭은 진폭 제어기(amplitude control; 302)로 입력된다. 진폭 제어기(302)는 적분기(301)로부터의 평균 진폭 신호를 기준 전압(V_ref)과 비교한다. 평균 진폭이 기준 전압보다 낮으면 픽오프 신호는 (multiplier; 303)에서 증폭되고, 진폭이 제어된(amplitude-conditioned) 픽오프 신호는 출력 증폭기(304)에서 증폭되어 최종 드라이브 신호를 생성하고 이 신호는 드라이버(104)로 되돌려진다. 따라서 드라이브 회로(40)는 상대적으로 일정한 진폭을 유지하도록 작동된다. 기존 드라이브 제어 회로(40)의 구체적인 구성은 코리올리 플로우미터 전자장치 분야의 당업자에게 공지되어 있으며 본 발명의 일부를 형성하지 않는다. 드라이브 회로(40)의 다양한 실시예에 대한 보다 구체적인 것은 미국 특허 5,009,109호를 참조하면 된다.

드라이버 코일 어셈블리 및 픽오프 결합체(Combined Driver Coil Assembly and Pickoff)

본 발명은 드라이버(104)가 드라이버(104) 및 픽오프(105 또는 105') 결합체(도 1 참조)로 사용될 수 있게 하는 계측 전자장치(20)의 변화에 관한 것이다. 따라서 픽오프(105, 105') 중 하나 이상을 제거할 수 있거나, 제3속도 신호가 도 1의 라인(111, 111')으로 전달되는 신호의 형식으로 계측 전자장치(20)에 공급될 수 있다.

도 4는 본 발명에 따라 계측 전자장치(20) 내부 구성요소의 제1아날로그 실시예를 포함하는 회로도(400)를 나타낸다. 회로도(400)의 주요 구성요소는 드라이버(104)로 표시된 종래 드라이버 코일 어셈블리, 드라이버(104)의 임피던스와 동일한 임피던스를 가지는 모식 회로(402), 그리고 연결 라인(404)이다.

드라이버(104)는 도 1에 나타난 것과 같은 방식으로 코리올리 플로우미터(10)에 위치한다. 구체적으로 도 5에 나타난 것과 같이 드라이버(104)는 코일(504)의 중앙 개구부(502) 내에 수용되는 실린더형 자석(500)을 포함한다. 자석(500)은 유동 튜브(103A)를 작동시키기 위해 유동 튜브(103A) 내에 고정된다. 드라이버 코일(504)은 유동 튜브(103B)의 구동을 위해 유동 튜브(103B) 내에 고정된다. 교류 드라이브 전압 또는 펄스 드라이브 전압을 라인(100)에서 드라이버 코일(504)에 인가함으로써, 자석(500)이 양방향 화살표(506) 방향으로 왕복 운동한다. 유동 튜브(103A, 103B)는 자석(502)을 개구(502) 내에서 중립 위치에 유지하는 스프링 바이어스(spring bias)를 제공한다. 도 4에서 드라이버 코일(504)은 저항(R406) 및 인덕턴스(L408)로 나타나 있다.

도 6은 모식 회로(402)를 보다 구체적으로 나타낸다. 모식 회로(402)는 실린더형 자석(600)을 포함하는데, 이 자석은 코일(604) 내의 중앙 구멍(602) 안에 배치되어 있다. 고정판(606)은 모식 코일(604)와 결합되어 있고 고정판(608)은 자석(600)과 결합되어 있다. 고정판(606 및 608)은 코일(604)과 자석(600)의 상대적인 움직임을 방지하기 위해 서로에 대해 반대방향으로 작동한다.

도 4에서 모식 회로(402)는 저항(R410)및 인덕턴스(L412)로 나타나 있다. 도 4의 실시예에 따르면, 저항(R406)은 저항(R410)과, 인덕턴스(L408)은 인덕턴스(L412)와 동일하다.

연결 라인(404)은 드라이브 라인(100)(도 1 참조), 모식 회로 라인(414), 및 공통 공급 라인(common supply line, 416)을 포함한다. 드라이브 라인(100)은 공통 공급 라인(416)으로부터 전류 감지 저항(418)으로 전압(V_a)을 전송하며, 이 저항(418)은 i_d즉 드라이브 라인(100)의 전류를 측정하는데 사용된다. R_CS(418) 하류의 전압(V_d)은

(1) V_d= V_a- i_dR_CS

로 계산되며, 여기서 V_d는 R_CS(418) 아래이며 드라이버 코일(504) 위의 드라이버 라인(100) 전압이며, i_d는 드라이버 라인(100) 상의 전류, R_CS는 전류 감지 저항(418)의 고유저항(resistivity), V_a는 공통 공급 라인(416)의 전압이다.

이와 유사하게 모식 라인(mimetic line, 414)은 공통 공급 라인(416)으로부터 모식 코일(604)로 전압(V_a)을 전달한다. 드라이브 라인(100)은 공통 공급 라인(416)으로부터 전류 감지 저항(420)으로 전압(V_a)을 전송하며, 이 저항(420)은 i_s즉 모식 라인(414)의 전류를 측정하는데 사용된다. R_CS(420) 하류의 전압(V_s)은

(2) V_s= V_a- i_sR_CS

로 계산되며, 여기서 V_s는 R_CS(420) 아래이며 드라이버 코일(604) 위의 드라이버 라인(100) 전압이며, i_s는 모식 라인(414) 상의 전류, V_a는 공통 공급 라인(416)의 전압, R_CS는 전류 감지 저항(420)의 고유저항이다.

드라이브 라인(100)과 모식라인(414)의 전위차인 V_v를 측정하기 위해 전압 비교기(voltage comparator; 422)(예를 들어 종래의 휘스톤 브리지나 이와 유사한 회로)가 사용된다.

(3) V_v= V_d- V_s

드라이브 라인(100) 상의 전류는 수학적으로 아래와 같이 표현될 수 있다.

(4) i_d= (V_a- EMF)/(R + jωL)

여기서 i_d는 드라이브 라인(100) 상의 전류; V_a는 드라이브 라인(100)과 모식 라인(414)에 걸리는 전압; EMF는 자석(500)의 움직임에 따른 코일(504)의 역기전력; R은 드라이브 코일(504)의 저항(R406)과 전류 감지 저항(418)의 저항(R_CS)의 합; j는 -1의 제곱근; ω는 드라이브 라인(100)에 걸리는 교류 전압 또는 펄스 전압(V_a)의 주파수; L은 드라이브 코일(504)의 인덕턴스(L408)이다. 종래 코리올리 계산은 예를 들어 드라이버(104)에서 드라이브 신호로부터 역기전력을 분리해내는 능력을 포함하지 않았다.

유사하게 모식 라인(414) 위의 전류(i_s)는 수학적으로 아래와 같이 표현될 수 있다:

(5) i_s= V_a/(R + jωL)

여기서 i_s는 모식 라인(414) 상의 전류; V_a는 모식 라인(414)에 걸리는 전압; R은 모식 코일(604)의 저항(R410)과 전류 감지 저항(420)의 저항(R_CS)의 합; j는 -1의 제곱근; ω는 드라이브 라인(100)에 걸리는 교류 전압 또는 펄스전압(V_a)의 주파수이면서, 또한 드라이브 코일(504)(도 6 참조)에 대한 자석(500)의 상대속도 또는 각속도; L은 모식 코일(604)의 인덕턴스(L412)로서 드라이브 코일의 인덕턴스(L408)와 같게 설계된다.

이상의 등식들로부터 아래 식이 얻어진다:

(6) V_v= EMF * R_CS/(R + jωL)

여기서 V_v는 식 (3)에서 규정된 것이며, 다른 항들은 식 (4)에서 정의된 것이다. 식 (6)은 라인(111) 및 (111')(도 2 참조)의 질량유동률 회로(30)에 입력하기 위해 독립적인 픽오프 어셈블리(105, 105')로 측정되는 EMF에 대해 풀 수 있다. 종래 계측 전자장치(20)(도 2 참조)의 질량유동률 회로(30)는 본 발명의 목적에 따라 식 (6)에 따른 계산을 할 수 있도록 변형될 수 있다. 따라서 비록 EMF 측정은 픽오프(105, 105')로부터 유래되었으나 식 (6)에 의해 계산된 EMF가 사용된다.

도 7은 본 발명의 제2아날로그 실시예 즉 회로도(700)를 나타낸다. 도 7의 회로도(700)의 도면부호는 도 4의 회로도 400과 실질적으로 동일한 구성에 대해서는 가능하다면 같은 도면부호를 유지하였다. 회로도(700)는 모식 코일(604)에, 아래 식으로 나타나는 바와 같이 저항 R406과는 차이가 나는 저항(R704)이 있는 점을 제외하고는 회로도(400)과 동일하다:

(7) R704 = R406 * S_R

여기서 S_R은 R704와 R406 사이의 차이를 계산하기 위한 스케일 팩터이다. S_R은 1보다 큰 것이 바람직한데, 이는 R704가 R406보다 큰 것이 바람직하기 때문이다. 증가된 저항(R704)이 모식 라인(414)의 전류량을 감소시키기 때문에 유동 측정 시스템은 R704가 R406보다 클 경우 전력을 저장한다. 유사하게 L408은 L706과 아래 식과 같이 차이가 난다:

(8) L706 = L408 * S_R

여기서 S_R은 L706과 L408의 차이를 계산하기 위한 스케일 팩터이다. 회로도 700의 경우 계측 전자장치(20)는 식 (1) 내지 (6)에 따른 계산에 들어가기 전에 L408을 L706과, R406을 R704와 일치시키기 위해 식 (7) 및 (8)에 의한 보정을 한다.

도 8은 회로도(700)보다도 전력을 더 많이 절약하는 것 외에는 회로도(400) 및 (700)과 동일한 효과로 작동하는, 디지털 회로도(800)을 나타낸다. 도 8의 회로도(800)의 도면부호는 도 4의 회로도(400)과 실질적으로 동일한 구성에 대해서는 가능하다면 같은 도면부호를 유지하였다. 디지털 실시예의 중요한 이점은 디지털 모식 회로는, 드라이브 코일의 인덕턴스와 저항에서의 드리프트(drift)를 설명할 수 있도록 용이하게 튜닝되거나 적응성 높게 업데이트될(adaptively updated) 수 있다는 점이다.

도 8의 실시예에서 라인(802)는 전압 V_a를 AD 변환기(804)로 전달한다. 디지털 필터(806)는 AD 변환기(804)로부터 V_a에 해당되는 디지털 입력을 받고, 도 4의 모식 라인(414)의 모식 코일(604)과 동일한 임피던스를 설계하기 위해 이 디지털 입력을 이용한다. 디지털 필터는 당업자에 널리 알려져 있으며, 디지털 필터(806)로의 사용을 위해서는 임의의 종래 표준형 디지털 필터를 실시하면 충분하다. 종래 디지털 필터의 사용을 설명하기 위한, 다양한 디지털 필터에 대한 내용은, 예를 들어 Antonieu의 Digital Filters: Analysis and Design, McGraw-Hill(1979)과 같은 책에서 입수 가능하다. 디지털 필터(806)는 도 4의 모식 코일(604)에 대응하는 복소 임피던스(complex impedence)를 계산하기 위해 입력 전압(V_a)의 주파수를 사용하며, 종래의 디지털 필터 기술을 사용하여 정확한 진폭을 가지는 디지털 전압(V_s)을 출력한다. DA 변환기(808)는 Vs 디지털 필터(806)로부터 디지털 신호 입력을 받고, 이 신호를 전압 V_s로 이루어지는 아날로그 신호로 변환한다. 전압 비교기(422)는 도 4의 실시예에서와 같이 아날로그 전압 비교기를 사용한다. 따라서 회로도 800은 디지털 및 아날로그 요소의 혼합을 포함한다.

도 9는 본 발명에 따른 제4실시예로서, 가장 바람직한 실시예, 즉 회로도 (900)이 도 4, 6 또는 8 중 어느 것보다도 많은 에너지를 절약하는 완전한 디지털 실시예를 포함하는 실시예이다. 완전한 디지털 회로도(900)은 회로도(400), (700), (800)과는 이들보다 전력소비를 더욱 절약하는 것 외에는 동일한 효과로 작동한다. 도 9의 회로도(900)의 도면부호는 도 8의 회로도(800)과 실질적으로 동일한 구성에 대해서는 가능하다면 동일한 도면부호를 유지하였다.

도 9의 실시예에서 라인(902)는 V_a에 대응하는 디지털 출력을 제공하는 AD 변환기에 전압 V_a를 전달한다. 디지털 필터(806)는 도 4의 모식 라인(414)의 모식 코일(604)과 같은 임피던스를 설계하는데 사용된다. 디지털 필터(806)는 도 4의 모식 코일(604)에 대응하는 복소 임피던스(complex impedence)를 계산하기 위해 입력 전압(V_a)의 주파수를 사용하며 정확한 진폭과 위상을 가지는 디지털 전압 V_s를 출력한다. 제2의 AD 변환기(904)는 R_CS(418)로부터 하류의 드라이브 라인(100)으로부터 아날로그 전압 신호(V_d)를 받고, 이 아날로그 신호를 디지털 출력으로 변환한다. V_v를 계산하고 이 V_v를 라인(906)에서 계측 전자장치(20)에 제공하기 위해 디지털 전압비교기(906)가 사용된다.

도 10은 드라이버(104)를 드라이버 및 신호 픽오프 장치 결합체로서 사용하기 위한 개략 공정도(P1000)이다. 도 10은 도 4의 도면부호의 맥락에서 설명될 것이나 도 10의 기능적 설명은 도 4, 7, 8 및 9에 나타난 임의의 실시예에도 동등하게 적용 가능하다.

단계(P1002)에서 계측 전자장치(20)는 교류 드라이브 전압 또는 펄스 드라이브 전압(V_a)을 라인(416)에 거는데, 이에 따라 드라이브 라인(100)과 드라이버 코일 어셈블리(104)가 에너지를 얻는다. 단계(P1004)에 따라 동일한 드라이브 전압(Va)이 모식 라인(414)에서 모식 회로(402)로 전달된다.

단계(P1006)에서 전압 비교기(422)는 전압차 V_V를 측정하고, 식 (6)에 따른 EMF를 계산하기 위해 이 값을 계측 전자장치(20)로 보낸다. EMF의 계산은 단계 (P1008)에서 이루어지며, EMF에 해당되는 신호를 계측 전자장치(20)로 보내는 단계 (P1010)이 뒤따른다. 단계(P1012)에 따르면 EMF 신호는 종래의 코리올리 계산에 따른 EMF를 포함하는 종래 픽오프 신호의 방식으로 튜브 운동을 계산하는데 사용된다. 계측 전자장치(20)는 종래의 코리올리 질량유동, 밀도 및 드라이브 피드백 계산에 있어 EMF 계산결과를 사용한다.

코리올리 플로우미터 진동신호를 처리하기 위한 모드 필터링 시스템을 유리하게 하는데, 상술한 드라이버 및 픽오프 어셈블리 결합체가 사용될 수 있음을 당업자라면 알 수 있다. 일반적으로 코리올리 측정장치로부터 얻을 수 있는 질량유동, 밀도, 드라이브 주파수 측정에 관계되는 진동모드를 선택적으로 구별하기 위하여 모드 필터링 분석이 사용된다. 이러한 선택적 구별은 노이즈, 예를 들면 파이프라인으로부터 플로우미터로 전송되는 진동과 같은 노이즈를 제거하기 위해 사용된다. 관심 대상인 신호를 구별해 내고 노이즈를 제거하는데 있어서, 모드 필터링 분석의 구체성(specificity) 및 선택도(selectivity)를 향상시키기 위해 추가의 픽오프 즉 3개 또는 그 이상의 픽오프(105, 105')(도 1 참조)가 사용될 수 있다. 그러나 각각의 추가 픽오프는 노이즈를 제거하는데 있어 구체성 및 선택성의 문제를 더할 가능성이 있는 추가의 진동모드를 필터링할 수 있다. 본 발명에 따른 장치는 드라이버 역시 픽오프로서 기능하기 때문에 신호 픽오프의 수를 추가하는 문제를 피할 수 있다.

상술한 바람직한 실시예는 본 발명의 범위와 사상을 벗어나지 않는 범위에서의 명백한 변형에 불과함을 당업자라면 알 수 있을 것이다. 따라서 발명자들은 발명에 대한 권리를 완전하게 하기 위해 균등론에 의해 보호받고자 하는 의도를 진술한다.

Claims

오실레이터리 신호 픽오프 장치 및 진동 드라이버 결합체(combined oscillatory signal pickoff device and vibrational driver)로 사용하기 위한 장치(400, 700, 800)로서,

코일 자신에 이르는 오실레이팅 전압으로부터 얻어지는 장효과(field effect)를 발산할 수 있는 코일과, 자석을 포함하며, 제1임피던스(R406, L408)를 가지는 드라이버 코일 어셈블리(driver coil assembly, 104)와;

상기 자석을, 상기 코일에 대하여 작동 가능한 관계로 위치시켜, 상기 코일로부터 발산되는 장효과에 상기 자석이 응답하여 상기 코일에 대해 발진(oscillation)하게 하는 수단(500, 103A; 504, 103B)과;

상기 자석이 상기 코일에 대해 고정된 위치 관계로 정지되어 있을 때, 상기 제1임피던스에 필적하는 제2임피던스(R410, L412; R704, L706, 806)를 제공하는 모식 회로(mimetic circuit, 402, 702, 804, 806, 808, 904, 906)와;

드라이브 전압 신호를 상기 코일과 상기 모식 회로에 인가하여, 대응 코일 전압 및 대응 모식 회로 전압을 생성시키는 수단(100, 416, 414, 802, 902)과;

상기 드라이브 코일 어셈블리와 상기 모식 회로 중 적어도 하나로부터 얻어지는 측정을 사용하여, 상기 코일의 역기전력을 계산하는 수단을 포함하는 장치.
제1항에 있어서, 상기 모식 회로가 아날로그 회로인 장치.
제2항에 있어서, 상기 아날로그 회로가 정지 코일(stationary coil, 604)과 정지 자석(600)을 포함하는 장치.
제3항에 있어서, 상기 드라이버 코일 어셈블리의 움직임이 억제될 때, 상기 정지 코일 및 상기 정지 자석이 결합되어, 상기 제1임피던스와 동일한 상기 제2임피던스(R410, L412)를 제공하는 장치.
제3항에 있어서, 상기 드라이버 코일 어셈블리의 움직임이 억제될 때, 상기 정지 코일 및 상기 정지 자석이 결합되어, 상기 제1임피던스에 대해 스케일 팩터(scale factor)만큼 차이가 나는 제2임피던스(R704, L706)를 제공하는 장치.
제1항에 있어서, 상기 모식 회로가 디지털 회로인 장치.
제6항에 있어서, 상기 디지털 회로가 디지털 필터(806)를 포함하는 장치.
제1항에 있어서, 상기 모식 회로가, 아날로그 전압 비교기(voltage comparator, 422)와 상기 제1임피던스를 설계하기 위한 디지털 필터(806)를 포함하는 장치.
제1항에 있어서, 상기 자석을 상기 코일에 대해 작동 가능한 관계로 위치시키기 위한 상기 수단(500, 103A; 504, 103B)이, 상기 코일을 제1코리올리 플로우미터 유동 튜브(103A)에 장착하고 상기 자석을 상기 제1코리올리 유동 튜브 맞은 편의 제2코리올리 유동 튜브(103B)에 장착하기 위한 수단을 포함하는 장치.
제9항에 있어서, 상기 자석이 상기 코일 내 중앙에 위치하는 장치.
제1항에 있어서, 역기전력을 계산하기 위한 상기 수단이, 상기 드라이버 코일 어셈블리와 상기 모식 회로 사이의 전압을 비교하기 위한 수단을 포함하는 장치.
제11항에 있어서, 상기 역기전력을 계산하기 위한 수단이, 아래 등식에 따라 처리를 하는 프로세서를 포함하는 장치:

(6) V_v= EMF/(R + jωL)

여기서 V_v는 드라이버 코일 어셈블리와 모식 회로 사이의 전압차, EMF는 드라이버 코일에 작용하는 역기전력, R은 드라이버 코일의 저항, j는 -1의 제곱근, ω는 드라이버 라인(100)에 걸리는 교류 전압 또는 펄스 전압의 주파수, L은 드라이브 코일의 인덕턴스.
진동을 유발시키고, 이 진동에 대응하는 원격측정(telemetry)을 수신하기 위한 픽오프로 드라이버 코일 어셈블리(104)를 사용하는 방법(P1000)으로서,

코일(504) 및 자석(500)을 포함하며 제1임피던스(R406, L408)를 가지는 드라이버 코일 어셈블리(104)에 드라이브 전압을 인가하는 단계(P1002);

상기 드라이버 코일 어셈블리가 정지 상태로 유지될 때, 상기 제1임피던스에 필적하는 제2임피던스를 제공하는 모식 회로에 드라이브 전압을 인가하는 단계(P1004);

상기 코일의 역기전력(P1008)을 계산하는 단계를 포함하는 방법.
제13항에 있어서, 드라이브 전압을 상기 드라이버 코일 어셈블리에 인가하는 상기 단계에, 코리올리 플로우미터 내 한 쌍의 유동 튜브를 진동시키는 단계가 포함하는 방법.
제13항에 있어서, 상기 역기전력을 계산하는 단계가, 아래 등식에 따라 처리를 하는 방법:

(6) V_v= EMF/(R + jωL)

여기서 V_v는 드라이버 코일 어셈블리와 모식 회로 사이의 전압차, EMF는 드라이버 코일에 작용하는 역기전력, R은 드라이버 코일의 저항, j는 -1의 제곱근, ω는 드라이버 라인(100)에 걸리는 교류 전압 또는 펄스 전압의 주파수, L은 드라이브 코일의 인덕턴스.
제13항에 있어서, 상기 드라이브 전압을 모식 회로에 인가하는 상기 단계가, 상기 드라이브 전압을 아날로그 모식 회로(402, 702)에 인가하는 단계를 포함하는 방법.
제13항에 있어서, 상기 드라이브 전압을 모식 회로에 인가하는 상기 단계가, 상기 드라이브 전압을 디지털 모식 회로(804, 806, 808, 904, 906)에 인가하는 단계를 포함하는 방법.