KR20020047235A - 본질적으로 안전한 코리올리 유량계용 신호 조절기 - Google Patents

본질적으로 안전한 코리올리 유량계용 신호 조절기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 본질적으로 안전한 코리올리 유량계(5)용 계기 전자장치에 관한 것이다. 신호 조절기(201)는 신호 조절기(201)와 이격되어 있는 호스트 시스템(200)내의 전원 장치(230)로부터 파워를 수용한다. 신호 조절기(201) 내의 구동 회로(210)는 구동 신호를 발생시켜서 구동기(104)에 인가한다. 신호 조절기 내의 픽-오프 신호 조절 회로(220)는 제 1 픽-오프 센서(105) 및 제 2 픽-오프 센서(105')로부터 입력 신호를 수신하며, 이러한 입력 신호로부터 도관을 통해 유동하는 물질의 특성을 나타내는 정보를 발생시키고, 그리고 출력 신호를 전송한다. 신호 조절기(201) 내의 호스트-사이드 보호 회로(320)는 본질적으로 안전한 임계치를 초과하는 파워가 신호 조절기를 호스트 시스템(200)에 연결시키는 리드들에 인가되는 것을 방지한다. 신호 조절기(201) 내의 유량계 조립체 보호 회로(330)는 본질적으로 안전한 임계치를 초과하는 파워가 신호 조절기(201)를 구동기(104), 제 1 픽-오프 센서(105) 및 제 2 픽-오프 센서(105')에 연결시키는 리드들(100)에 인가되는 것을 방지한다.

Description

본질적으로 안전한 코리올리 유량계용 신호 조절기{INTRINSICALLY SAFE SIGNAL CONDITIONER FOR A CORIOLIS FLOWMETER}
제이. 이. 스미스(J. E. Smith) 등에게 허여된 USP 제 4,491,025호 (1985.1.1.) 및 제이. 이. 스미스의 재발행 USP 제 31,450호 (1982.2.11)에 개시된 바와 같이, 파이프 라인을 통해 유동하는 질량에 대한 질량 유량 및 기타 다른 정보를 측정하는데 있어서 코리올리 효과 질량 유량계를 이용하는 것으로 알려져 있다. 이들 유량계들은 곡선형 또는 직선형 구성의 하나 이상의 흐름관을 구비한다. 코리올리 질량 유량계 내의 각각의 흐름관 구성은 일련의 고유 진동모드를 가지며, 단순 휨, 비틀림, 방사상, 또는 커플 형태도 가능하다. 각각의 흐름관은 이들 고유 진동모드 중 하나의 공명 주파수에서 진동하도록 구동된다. 시스템에 충진되어 진동하는 물질의 고유 진공모드는 흐름관과 흐름관 내에 있는 물질의 결합 질량에의해 부분적으로 정의된다. 유량계의 입구측 상에 연결된 파이프라인으로부터 유량계 안으로 물질이 흐른다. 이 후, 이 물질은 흐름관 또는 흐름관들을 통하여 인도되어 출구측 상에 연결된 파이프라인으로 유량계로부터 유출된다.
구동기가 흐름관에 힘을 인가한다. 이 힘으로 인해 흐름관이 진동하게 된다. 유량계를 통해 유동하는 물질이 없는 경우, 흐름관을 따라 위치하는 모든 지점은 동일한 위상으로 진동한다. 물질이 흐름관을 통하여 유동하기 시작하면서 코리올리 가속도에 의해 흐름관을 따라 위치하는 각각의 지점은 흐름관을 따라 위치하는 그 외의 다른 지점에 대해 상이한 위상을 가지게 된다. 흐름관의 입구측의 위상은 구동기보다 지연(lag)되는 반면 출구측의 위상은 구동기보다 앞서간다. 센서는 흐름관 상의 상이한 두 점에 위치하여 두 점에서의 흐름관의 운동을 나타내는 사인곡선 신호를 출력한다. 센서로부터 수신된 두 신호의 위상차는 시간 단위로 계산된다. 두 센서 신호 사이의 위상차는 흐름관 또는 흐름관들을 통해 유동하는 물질의 질량 유량에 비례한다.
유량계 조립체에 계기 전자장치를 연결하는데 있어서 9-와이어 케이블이 이용되어야 하는 것이 문제이다. 본 논의를 위해, 계기 전자장치는 구동 신호를 발생시키고 그리고 센서로부터의 신호들을 처리하는데 필요한 모든 회로를 포함하며, 유량계 조립체는 하나 이상의 흐름관, 부착된 구동기, 및 흐름관의 진동을 측정하는데 필요한 센서를 포함한다. 유량계 조립체에 계기 전자장치를 연결하기 위한 9-와이어 케이블은 구동기에 계기 전자장치를 연결시키는 2개의 와이어, 제 1 픽-오프에 계기 전자장치를 연결시키는 2개의 와이어, 제 2 픽-오프에 계기 전자장치를 연결시키는 2개의 와이어, 및 온도 센서에 계기 전자장치를 연결시키기 위한 3개의 와이어를 포함한다.
9-와이어 케이블은 통상의 케이블이며 제조에 고비용이 소요되므로 코리올리 유량계의 이용자가 이를 구입하기에 비용이 많이 든다. 9-와이어 케이블의 비용은 코리올리 유량계 이용자가 유량계 조립체로부터 멀리 떨어진 제어 영역으로 계기 전자장치를 이동시키기를 원하는 경우 특별한 문제가 된다. 이러한 9-와이어 케이블은 계기 전자장치와 유량계 조립체 사이의 전체 길이에 걸쳐 설치되어야 한다. 이러한 9-와이어 케이블의 비용은 계기 전자장치와 유량계 조립체 사이의 거리가 증가함에 따라 상당히 증가한다. 상대적으로 저렴하고 이용자가 용이하게 이용가능한 종래의 2-와이어 또는 4-와이어 케이블이 계기 전자장치에 유량계 조립체를 연결하는데 이용될 수 있다면 현저한 장점이 될 것이다.
계기 전자장치를 구성하는데 있어서 다른 문제점은 이러한 계기 전자장치를 휘발성 물질을 포함하는 폭발성 환경에서 이용할 수도 있다는 점이다. 본 논의를 위해, 폭발성 환경은 스파크, 과도 열 또는 과도 에너지가 환경 안으로 유입된다면 발화될 수 있는 휘발성 물질을 포함하는 계(system)이다. 계기 전자장치가 폭발성 환경에서 작동할 수 있는 한 가지 방법은 방폭 하우징 내에 수용되는 것이다. 방폭하우징은 하우징 내부로부터의 스파크 또는 과도 열이 하우징 외부의 환경에 있는 휘발성 물질을 발화시키지 않는 것을 보장하도록 구성되는 하우징이다.
방폭형 장치를 이루기 위해서는 이용될 수도 있는 캡슐화, 가압화 및 방염 봉쇄(flame proof containment)를 포함하는 방법들이 이용될 수 있다. 이들 방법들 각각은 휘발성 물질이 장치와 접촉하는 것을 방치하도록 장치를 둘러싸는데, 여기서 장치의 가열된 표면 또는 장치내의 회로로부터의 스파크가 물질의 발화를 야기시킬 수도 있다. 물질이 외장 내부에서 발화된다면, 물질이 외장으로부터 이탈하면서 냉각되도록 외장 내의 임의의 간극 또는 구멍이 충분한 길이의 화염 경로를 제공해야만 한다.
두번째 해결 방안은 계기 전자장치를 본질적으로 안전하게 만드는 것이다. 본질적으로 안전한 장치는 장치 내의 모든 회로가 특정 저에너지 레벨 하에서 작동하는 장치이다. 특정 에너지 레벨하에서 작동함으로써, 장치가 어떤 방식으로 고장날 지라도 폭발을 야기시키기에 충분한 열 또는 스파크를 발생시키지 않는 것이 보장된다. 장치를 본질적으로 안전하게 하기 위한 이러한 파워 레벨은 미국의 UL, 유럽의 CENELEC, 캐나다의 CSA, 및 일본의 TIIS와 같은 관할 기관에 의해 결정되어 있다.
본 발명은 코리올리 유량계용 계기 전자장치에 관한 것이다. 보다 상세하게, 본 발명은 호스트 시스템으로부터 원격에 위치하며 본질적으로 안전할 수 있는 신호 조절기를 구비하는 계기 전자장치에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명은 코리올리 유량계에 파워를 공급하는데 있어서 종래의 2 또는 4 와이어 케이블이 사용가능한 신호 조절기를 구비하는 계기 전자장치에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 계기 전자장치와 결합된 코리올리 유량계를 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 계기 전자장치의 블록도를 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 바람직한 실시예의 계기 전자장치의 블록도를 도시한다.
본 발명에 따른 신호 조절기에 의해 상술한 문제 및 다른 문제가 해결되며 배경기술에 있어서의 발전이 이루어진다. 본 발명의 제 1 장점은 코리올리 유량계 조립체로의 9-와이어 케이블이 유량계 내에서조차 제거될 수 있으며, 전원 장치가 코리올리 유량계 조립체로부터 원격에 위치할 수 있다는 것이다. 이러한 신호 조절기의 제 2 장점은 전체 계기 전자장치가 방폭 하우징 내에 둘러싸여 있을 필요가 없다는 것이다. 대신에, 본질적으로 안전을 이루기 위해 필요한 전력 및/또는 에너지 임계치 이하의 파워 레벨에서 작동하는 신호 조절기가 이용될 수 있다. 따라서, 신호 조절기로 그리고 신호 조절기로부터의 리드들(leads)이 본질적으로 안전하기 위한 임계치 이상의 레벨에서 에너지 및/또는 전력을 전송한다면, 신호 조절기가 방폭 하우징 내에 둘러싸여 있을 필요가 없다.
본 발명의 계기 전자장치는 계기 전자장치에 유량계 조립체를 연결하기 위해 종래의 9-와이어 케이블에 대한 필요를 제거한다. 대신에, 호스트 시스템으로부터 신호 조절기로 에너지 및/또는 전력을 공급하는 데에 종래의 2-와이어 또는 4-와이어 케이블이 이용될 수 있다. 신호 조절기가 구동 신호를 발생시킬 수 있고, 흐름관에 부착된 운동 및 온도 센서들로부터 센서 신호들을 수신할 수 있으며, 그리고 센서들로부터의 신호들을 처리할 수 있어서, 흐름관을 유동하는 물질의 특성들에 대한 정보를 발생시킨다.
9개의 개별 리드에 계기 전자장치를 연결하는데 전형적으로 사용되었던 종래의 9-와이어 케이블과 상이한 9개의 개별 리드에 의해 신호 조절기가 구동기 및 센서에 연결된다. 신호들을 처리한 후, 신호 조절기는 종래의 4-와이어 케이블 내의 2개의 개별 와이어를 통해 또는 종래의 2-와이어 케이블에 파워를 공급하는 2-와이어를 통해 물질의 특성들에 관련된 정보를 전송할 수 있다.
신호 조절기가 본질적으로 안전하게 되기 위해, 신호 조절기는 호스트-사이드 보호 회로 및 유량계 조립체 보호 회로를 포함한다. 이러한 호스트-사이드 보호 회로는 호스트 시스템에 신호 조절기를 연결시키는 리드들에 본질적으로 안전한 임계치를 초과하는 에너지 및/또는 전력이 신호 조절기에 의해 인가되는 것을 방지한다. 이러한 본질적으로 안전한 임계치는 회로로부터의 스파크 또는 열이 주변의휘발성 물질을 점화시키지 않을 것을 보장하도록 여러 관할 기관에 의해 지정된 에너지 및/또는 전력의 레벨이다.
호스트-사이드 보호 회로는 전원 장치 보호 회로 및/또는 신호 보호 회로를 포함할 수 있다. 파워 배리어 회로는 신호 조절기로부터, 파워를 공급하는 제 1 와이어 및 제 2 와이어를 거쳐 신호 조절기에 파워가 흐르는 것을 방지한다. 신호 보호 회로는 픽-오프 신호 조절 회로를 호스트 시스템에 연결시키는 리드들에, 본질적으로 안전한 임계치를 초과하는 파워가 신호 조절기 내의 픽-오프 신호 조절 회로에 의해 인가되는 것을 방지한다.
유량계 조립체 배리어 회로는 본질적으로 안전한 임계치를 초과하는 파워가 흐름관 조립체에 연결된 리드들에 인가되는 것을 방지한다. 유량계 조립체 보호 회로는 구동 신호 보호 회로 및 센서 신호 보호 회로를 포함할 수 있다. 구동 신호 보호 회로는 신호 조절기 내의 구동 회로에 의해 구동기에 연결된 리드들에 본빌적으로 안전한 임계치를 초과하는 파워가 인가되는 것을 방지한다. 센서 신호 보호 회로는 신호 조절기 내의 픽-오프 신호 조절 회로에 의해 제 2 픽-오프에 연결된 리드 및 제 1 픽-오프에 연결된 리드에 파워가 인가되는 것을 방지한다.
호스트 시스템은 전원 장치 및 2차 신호 프로세싱 시스템을 포함한다. 전원 장치는 전체 시스템에 파워를 공급하고, 2차 신호 프로세싱 시스템은 신호 조절기로부터 출력 신호를 수신하여 흐름관을 통해 유동하는 물질의 특성들을 결정한다. 본질적으로 안전하게 되기 위해, 호스트 시스템은 본질적으로 안전한 임계치 보다 큰 파워가 호스트 시스템을 신호 조절기에 연결시키는 리드들에 인가되는 것을 방지하는 배리어를 포함한다.
이러한 배리어는 전원 장치 보호 회로 및 2차 프로세싱 보호 회로를 포함할 수 있다. 전원 장치 보호 회로는 본질적으로 안전한 임계치를 초과하는 파워가, 신호 조절기로 파워를 공급하는 제 1 와이어 및 제 2 와이어에 인가되는 것을 방지한다. 2차 신호 보호 회로는 신호 조절기 내의 픽-오프 신호 조절 회로에 2차 프로세싱 시스템을 연결시키는 리드들에 2차 프로세싱 시스템에 의해 파워가 인가되는 것을 방지한다.
본 발명의 하나의 양상은 본질적으로 안전한 코리올리 유량계용 계기 전자장치이다. 이러한 계기 전자장치는 아래의 부품들, 즉 신호 조절기, 구동 회로, 픽-오프 신호 조절 회로, 호스트-사이드 보호 회로 및 유량계 조립체 보호 회로를 포함할 수 있다. 신호 조절기는 이러한 신호 조절기와 이격된 호스트 시스템 내의 전원 장치로부터 제 1 와이어 및 제 2 와이어를 통해 파워를 수용한다. 신호 조절기 내의 구동 회로는 전원 장치로부터 수용된 파워로부터 구동 신호를 발생시키고, 하나 이상의 도관에 부착된 구동기에 구동 신호를 인가한다. 신호 조절기 내의 픽-오프 신호 조절 회로는 하나 이상의 도관에 부착된 제 1 픽-오프 센서 및 제 2 픽-오프 센서로부터 입력 신호를 수신하고, 입력 신호로부터 하나 이상의 도관을 통해 유동하는 물질의 특성들을 나타내는 정보를 생성시키며, 그리고 이러한 정보를 포함하는 출력 신호를 호스트 시스템으로 전송한다. 신호 조절기 내의 호스트-사이드 보호 회로는 신호 조절기를 호스트 시스템에 연결시키는 리드들에 본질적으로 안전한 임계치를 초과하는 파워가 신호 조절기 내의 회로에 의해 인가되는 것을방지한다. 신호 조절기 내의 유량계 조립체 보호 회로는 신호 조절기를 구동기, 제 1 픽-오프 센서 및 제 2 픽-오프 센서에 연결시키는 리드들에 본질적으로 안전한 임계치를 초과하는 파워가 상기 신호 조절기 내의 회로에 의해 인가되는 것을 방지한다.
본 발명의 다른 양상에 따른 계기 전자장치에 있어서, 호스트-사이드 보호 회로는 본질적으로 안전한 임계치를 초과하는 파워가 제 1 와이어 및 제 2 와이어에 신호 조절기 내의 회로에 의해 인가되는 것을 방지하는 전원 장치 보호 회로를 포함한다.
본 발명의 다른 양상에 따른 계기 전자장치에 있어서, 호스트-사이드 보호 회로는, 픽-오프 신호 조절 회로를 호스트 시스템에 연결시키는 리드에 본질적으로 안전한 임계치를 초과하는 파워가 인가되는 것을 방지하는 신호 보호 회로를 포함한다.
본 발명의 다른 양상에 따른 계기 전자장치에 있어서, 유량계 조립체 보호 회로는, 구동기에 연결된 리드들에 본질적으로 안전한 임계치를 초과하는 파워가 구동 회로에 의해 인가되는 것을 방지하는 구동 보호 회로를 더 포함한다.
본 발명의 다른 양상에 따른 계기 전자장치에 있어서, 유량계 조립체 보호 회로는, 제 1 픽-오프 센서 및 제 2 픽-오프 센서를 픽-오프 신호 조절 회로에 연결시키는 리드들에 본질적으로 안전한 임계치를 초과하는 파워가 픽-오프 신호 조절 회로에 의해 인가되는 것을 방지하는 센서 보호 회로를 더 포함한다.
본 발명의 다른 양상에 따른 계기 전자장치에 있어서, 신호 조절기가 본질적으로 안전하게 작동한다.
본 발명의 다른 양상에 따른 계기 전자장치에 있어서, 호스트 시스템이 전원 장치 및 2차 신호 프로세싱 시스템을 포함하고, 계기 전자장치는, 신호 조절기와 호스트 프로세서 사이의 리드들에 상기 본질적으로 안전한 임계치를 초과하는 파워가 호스트 시스템에 의해 인가되는 것을 방지하는 호스트 시스템 내의 배리어를 더 포함한다.
본 발명의 다른 양상에 따른 계기 전자장치에 있어서, 배리어는, 전원 장치에 의해 제 1 와이어 및 제 2 와이어에 본질적으로 안전한 임계치를 초과하는 파워가 인가되는 것을 방지하는 파워 보호 회로를 포함한다.
본 발명의 다른 양상에 따른 계기 전자장치에 있어서, 픽-오프 신호 조절 회로를 2차 프로세싱 시스템에 연결시키는 리드들에 본질적으로 안전한 임계치를 초과하는 파워가 2차 프로세싱 시스템에 의해 인가되는 것을 방지하는 2차 프로세싱 보호 회로를 더 포함한다.
본 발명의 다른 양상에 따른 계기 전자장치에 있어서, 출력 신호가 픽-오프 신호 조절 회로에 의해 제 1 와이어 및 제 2 와이어에 인가된다.
본 발명의 다른 양상에 따른 계기 전자장치에 있어서, 출력 신호가 호스트 시스템에 연결되어 있는 제 3 와이어 및 제 4 와이어에 인가된다.
본 발명의 다른 양상에 따른 계기 전자장치에 있어서, 구동 회로는 구동기에 인가되는 상기 구동 신호의 전류의 양을 조절한다.
본 발명의 다른 양상에 따른 계기 전자장치에 있어서, 구동 회로는 구동기에인가되는 상기 구동 신호의 전압의 양을 조절한다.
본 발명의 상술한 장점 및 다른 장점들을 상세한 설명 및 첨부 도면에서 기술한다.
본 발명의 바람직한 실시예가 첨부 도면과 관련하여 아래에 보다 상세히 설명될 것이다. 본 발명은 여러 상이한 형태로 실시될 수도 있으므로 여기에 설명되는 실시예에 한정되는 것으로 해석되어선 안 되고 오히려, 이들 실시예를 통해 본 개시가 완전하게 완성되고 당업자에게 본 발명의 범위를 충분히 전달할 것이다. 도면에서, 동일한 도면 부호는 전체적으로 동일한 구성요소를 가리킨다.
도 1은 코리올리 유량계 조립체(10) 및 계기 전자장치(20)를 포함하는 예시적인 코리올리 유량계(5)를 나타낸다. 계기 전자장치(20)는 경로(100)를 통해 유량계 조립체(10)에 연결되어, 한정된 것은 아니지만, 예컨대 밀도, 질량 유량, 체적 유량 및 총 질량 유량 정보를 경로(26)를 통해 제공한다. 코리올리 유량계 구조는 당업자에게 분명히 공지되어 있지만, 도관을 통해 유동하는 물질의특성들(properties)을 측정하기 위해 진동 도관을 가지는 임의의 장치와 연결하여 본 발명이 실시될 수 있다. 이러한 장치의 제 2 실시예는 코리올리 질량 유량계에 의해 제공된 추가의 측정 성능을 가지지 않은 진동관 밀도계이다.
유량계 조립체(10)는 한 쌍의 플랜지(101,101'), 매니폴드(102) 및 도관(103A,103B)를 포함한다. 도관(103A,103B)에는 구동기(104), 픽-오프 센서(pick-off sensors)(105,105') 및 온도 센서(107)가 연결된다. 축선(W,W')을 형성하도록 브레이스 바(106,106')가 제공되고, 이러한 축선(W,W')을 중심으로 각각의 도관이 진동한다.
측정하고자 하는 프로세스 물질을 운반하는 파이프 라인 시스템 안으로 코리올리 유량계(5)가 삽입되면, 물질은 플랜지(101)를 통해 유량계 조립체(10) 내에 유입되고, 물질을 도관(103A,103B) 안으로 유입되도록 인도하는 매니폴드(102)를 통과하며, 도관(103A,103B)을 통해 유동한 후, 매니폴드(102) 안으로 돌아나와, 여기서 플랜지(101')를 통해 유량계 조립체(10)로부터 유출된다.
도관(103A,103B)이 선택된 후, 굽힘 축선(W-W, W'-W') 각각을 중심으로 실질적으로 동일한 질량 분포, 관성 모멘트 및 탄성 계수를 가지도록 매니폴드(102)에 적절하게 장착된다. 이러한 도관(103A,103B)은 본질적으로 평행한 방식으로 매니폴드로부터 외측으로 연장된다.
도관(103A,103)은 구동기(104)에 의해 각각의 굽힘 축선(W,W')을 중심으로 반대 방향으로 구동되며, 이것을 유량계의 제 1 이상 굽힘 모드(first out of phase bending mode)라고 한다. 구동기(104)는 도관(103A)에 장착된 자석 및도관(103B)에 장착된 대향 코일과 같은 널리 공지된 다수의 배열체 중 임의의 하나를 포함할 수 있으며, 양 도관을 진동시키기 위한 교류(alternating current)가 이들 자석 및 대향 코일을 통해 전달된다. 계기 전자장치(20)에 의해 경로(110)를 통해 구동기(104)에 적합한 구동 신호가 인가된다.
하나 이상의 도관(103A,103B)에는 이들 도관의 양 단부 상에 픽-오프 센서(105,105')가 부착되어 도관의 진동을 측정한다. 도관(103A,103B)이 진동하면, 픽-오프 센서(105,105')는 제 1 픽-오프 신호 및 제 2 픽-오프 신호를 발생시킨다. 이들 제 1 및 제 2 픽-오프 신호는 우선 경로(111,111')에 인가된다. 구동기 속도 신호가 경로(110)에 인가된다.
하나 이상의 도관(103A 및/또는 103B)에 온도 센서(107)가 부착된다. 온도 센서(107)는 시스템의 온도에 대한 방정식을 변경하기 위해 도관의 온도를 측정한다. 경로(112)가 온도 센서(107)로부터 계기 전자장치(20)로 신호들을 전송한다.
계기 전자장치(20)는 경로(111,111')상에 나오는 제 1 및 제 2 픽-오프 신호를 수신한다. 계기 전자장치(20)는 제 1 및 제 2 속도 신호를 처리하여, 유량계 조립체(10)를 통과하는 물질의 질량 유량, 밀도, 또는 이외의 특성(property)을 산정한다. 이러한 산정된 정보는 계기 전자장치(20)에 의해 경로(26)를 거쳐 실용 수단(도시 안함)에 적용된다.
코리올리 유량계(5)가 진동관 밀도계(vibrating tube densitometer)와 구조상 상당히 유사하다는 것은 당업자에게 알려져 있다. 진동관 밀도계도 유체가 유동하는 진동관을 이용한다. 표본형 밀도계의 경우에는 진동관 내부에 물질이 보유되어 있다. 진동관 미도계도 도관을 진동시키도록 여기(excitation)시키기 위한 구동 시스템을 사용한다. 밀도 측정이 주파수의 측정만을 필요로 하고 위상 측정이 필요치 않으므로, 진동관 밀도계는 전형적으로 단일 피드백 신호(single feedback signal)만을 이용한다. 본 발명의 상세한 설명은 여기에서 진동관 밀도계와 동일하게 적용한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예를 블록도의 형태로 도시한다. 이러한 실시예에서, 계기 전자장치(20)는 물리적으로 호스트 시스템(host system)(200)과 신호 조절기(signal conditioner)(201) 2가지 부품으로 분리된다. 종래의 계기 전자장치에 있어서, 이들 부품은 하나의 유닛으로 수용된다. 이로인해, 계기 전자장치(20)로부터 유량계 조립체(10)에 9-와이어를 연장시키는 것이 필요하다. 그러나, 본 실시예에서 호스트 시스템(200)과 신호 조절기(201)로의 계기 전자장치(20)의 부품의 분리는 9-와이어 케이블에 대한 필요성을 제거할 수 있어서, 계기 전자장치(20)로부터, 구동기(104)에 연결된 리드를 통해 픽-오프 센서(105,105')에, 그리고 온도 센서(107)에 신호를 인가한다(도 1에 모두 도시됨). 대신에, 신호 조절기(201)를 유량계 조립체(10)에 병렬 배치시킴으로써 신호 조절기(201)가 경로(110,111,111',112)) 내의 9 리드에 바로 연결될 수 있다.
신호 조절기(201)는 구동 회로(210) 및 픽-오프 신호 조절 회로(220)를 포함한다. 신호 조절기(201)는 본질적으로 안전한 것이 가능하다. 이와 같이, 신호 조절기(201) 내의 모든 회로는 본질적으로 안전한 임계치 아래인 파워 레벨에서 실행되어야 한다. 이러한 논의를 위해, 파워는 에너지 및/또는 전력을 의미한다.본질적으로 안전한 임계치는 스파크, 과도 에너지, 또는 회로로부터의 과도 열이 주변의 휘발성 물질을 발화시키지 않을 것을 보장하도록 장치가 작동할 수 있는 최대 파워이다. 실재 현장에서 구동 회로(210) 및 픽-오프 신호 조절 회로(220)가 개별의 아나로그 회로들일 수도 있고 디지털 신호 프로세서 또는 다른 디지털 부품에 의해 제공된 개별의 기능부(functions)일 수도 있음을 당업자는 인지할 것이다.
구동 회로(210)는 구동 신호를 발생시키고 경로(100)의 경로(110)를 통해 이러한 구동 신호를 구동기(104)에 인가한다(도 1 참조). 실재 현장에서, 경로(110)는 제 1 및 제 2 리드가다. 구동 회로(210)는 경로(215)를 통해 픽-오프 신호 조절 회로와 소통가능하게 연결된다. 경로(215)는 구동 신호를 조절하도록, 들어오는 픽-오프 신호를 구동 회로가 모니터하게 한다. 구동 회로(210) 및 픽-오프 신호 조절 회로(220)를 작동시키기 위한 파워는 호스트 시스템(200)으로부터 제 1 와이어(211) 및 제 2 와이어(212)를 통해 공급된다. 제 1 와이어(211) 및 제 2 와이어(212)는 종래의 2-와이어 또는 4-와이어 케이블의 일부분일 수도 있다.
픽-오프 신호 조절 회로(220)는 제 1 픽-오프 센서(105), 제 2 픽-오프 센서(105') 및 온도 센서(107)로부터 경로(111,111',112)를 통해 입력 신호를 수신한다(도 1 참조). 픽-오프 신호 조절 회로(220)는 픽-오프 신호의 주파수를 결정하고, 또한 도관(103A,103B)을 통해 유동하는 물질의 특성들을 결정할 수도 있다. 픽오프 센서(105,105')로부터의 입력 신호들의 주파수와 물질의 특성들이 결정된 후, 이들 정보를 보유하는 출력 신호가 발생되어, 경로(221)를 통해 호스트 시스템(200) 내의 2차 프로세싱 유닛(250)으로 전송된다. 바람직한 실시예에서,경로(221)는 2 리드를 포함한다. 그러나, 경로(221)가 제 1 와이어(211) 및 제 2 와이어(212) 또는 임의의 다른 다수의 와이어 상에 걸쳐 갖추어질 수 있다.
호스트 시스템(200)은 전원 장치(230) 및 2차 프로세싱 시스템(250)을 포함한다. 전원 장치(230)는 공급원으로부터 전기를 수용하고, 수용된 전기를 시스템에 요구되는 적절한 파워으로 전환한다. 2차 프로세싱 시스템(250)은 픽-오프 신호 조절 회로(220)로부터 출력 신호를 수신한 후, 이용자가 요구하는, 도관(103A,103B)을 통해 유동하는 물질의 특성을 제공하는데 필요한 프로세스를 실행한다. 이러한 특성은 제한된 것은 아니지만 밀도, 질량 유량 및 제척 유량을 포함한다.
도 3은 본질적으로 안전한 본 발명에 따른 실시예의 블록도를 도시한다. 본 실시예는 신호 조절기(201)가 본질적으로 안전하게 되는 것을 가능하게 한다. 따라서, 신호 조절기(201)는 방폭 하우징 내에 수용될 필요가 없다. 대신, 호스트 시스템(200)의 부품만이 폭발성 환경에서 방폭 하우징 내에 수용되어야 한다.
신호 조절기(201)가 본질적으로 안전하게 될 수 있게 하기 위해, 구동 회로(210) 및 픽-오프 신호 조절 회로(220)는 본질적으로 안전한 임계치 아래의 파워에서 작동되어야 하며, 이러한 본질적으로 안전한 임계치는 여러 관할 기관이, 회로로부터의 스파크 또는 열이 주변의 휘발성 물질을 발화시키지 못 하게 하는 것을 보장하도록 작동할 수 있게 장치에 허용하는 최대 파워가다. 본 실시예에서, 구동 제어 회로(210)는 전원 장치(230)로부터 경로(328)를 통해 파워를 수용하고, 경로(100) 내의 경로(110)의 리드(341,342)를 통해 구동기(104)에 구동 신호를 인가한다(도 1 참조).
픽-오프 신호 조절 회로(220)는 아래에 설명하는 바와 같은 유량계 조립체 배리어 회로(330)를 통해 연장되는 리드(343-349)를 통해, 픽-오프 센서(105,105')(도 1에 도시) 및 온도 센서(107)로부터 신호들을 수신한다. 이후, 출력 신호가 경로(221)의 리드(321,322)에 인가된다. 이들 2개의 리드는 종래의 4-20 ma 또는 RS405 프로토콜을 지지하는데 필요하다. 그러나, 리드(211,212)에 출력 신호를 인가하는 것이 가능하다는 것을 당업자는 이해할 것이며, 호스트 시스템(200)으로부터 이들 리드(212,213)를 통해 파워가 수용된다.
신호 조절기(201)는 또한, 신호 조절기(201)를 호스트 시스템(200)에 연결시키는 리드들에 본질적으로 안전한 임계치를 초과하는 파워가 신호 조절기(201)에 의해 인가되는 것을 방지하는 호스트-사이드 보호 회로(host-side protection circuitry; 320)와, 신호 조절기(201)를 유량계 조립체(10)에 연결시키는 리드들(341-349)에 본질적으로 안전한 임계치를 초과하는 파워가 신호 조절기(201)에 의해 인가되는 것을 방지하는 유량계 조립체 방지 회로(330)를 포함한다. 본질적으로 안전한 임계치는 여러 관할 기관이 장치를 본질적으로 안전한 것으로서 작동하게 하고 평가받게 허용하는 파워의 최대량이다. 이러한 파워는 리드들을 통과하는 전류의 양 또는 전압의 양 중 어느 하나에 의해 측정될 수 있다.
호스트-사이드 보호 회로(320)는 파워 보호 회로(323) 및 신호 보호 회로(signaling protection circuitry; 324)를 포함한다. 파워 보호 회로(323)는 제 1 와이어(211) 및 제 2 와이어(212)를 통해 파워를 수용하고, 작동하는 동안 또는 단락이 발생하는 경우 신호 조절기(201)에 의해 와이어(211,212) 상으로 파워가 인가되지 않도록 보장한다. 신호 보호 회로(324)는 본질적으로 안전한 임계치를 초과하는 파워가 신호 조절기(201)에 의해 리드(321,322)에 인가되지 않도록 보장한다.
유량계 조립체 보호 회로(330)는 구동 보호 회로(331) 및 센서 보호 회로(332)를 포함한다. 구동 보호 회로(331)는 본질적으로 안전한 임계치를 초과하는 파워가 구동기(104)(도 1에 도시)에 연결된 리드(341,342)에 구동 회로(210)에 의해 인가되는 것을 방지한다. 센서 보호 회로(332)는, 작동하는 동안 또는 단락이 발생하는 경우, 본질적으로 안전한 임계치를 초과하는 파워가 픽-오프 신호 조절 회로(220)에 의해 리드(343-349)에 인가되는 것을 방지한다.
시스템을 본질적으로 안전하게 하기 위해, 호스트 시스템(200)은 신호 조절기(201)에 연결된 리드에 본질적으로 안전한 임계치를 초과하는 파워를 적용할 수 없다. 호스트 시스템(200) 내의 배리어(310)는 호스트 시스템을 신호 조절기(201)에 연결시키는 리드(211-212,321-322)에 본질적으로 안전한 임계치가 인가되는 것을 방지한다. 배리어(310)는 전원 장치 보호 회로(311) 및 2차 프로세싱 보호 회로(312)를 포함한다.
전원 장치 보호 회로(311)는 전원 장치(230)로부터 경로(313,314)를 통해 파워를 수용하며, 정상 작동 동안 또는 단락이 발생하는 경우 중 어느 한 경우에, 리드(211,212)에 인가되는 파워가 본질적으로 안전한 임계치를 지나치는 것을 방지하는 회로를 포함한다. 파워량은 리드(211,212)를 통과하는 전류량 또는 전압량으로측정될 수 있다.
2차 프로세싱 보호 회로(312)는 신호 조절 회로(220)로부터 경로(221) 내의 리드(321,322)를 통해 신호들을 수신하고, 리드(315,316)를 통해 2차 프로세서(250)에 출력 신호를 전송한다. 2차 프로세싱 배리어 회로(312)는, 정상 작동 동안 또는 단락이 발생하는 경우, 본질적으로 안전한 임계치를 초과하는 파워가 경로(221)의 리드(321,322)에 인가되는 것을 방지한다.
이상과 같이 상술한 코리올리 유량계용 계기 전자장치는 본질적으로 안전할 수 있고 종래의 9-와이어 케이블에 대한 필요성을 제거한다. 문언적으로나 또는 균등론을 통해서나 이들 중 어느 하나에 있어서 상술한 본 발명을 침해하는 다른 계기 전자장치를 당업자가 구성할 수 있을 것으로 예측된다.

Claims (22)

  1. 본질적으로 안전한 코리올리 유량계(5)용 계기 전자장치(20)로서,
    신호 조절기(201)로서, 상기 신호 조절기(201)와 이격된 호스트 시스템(200) 내의 전원 장치(230)로부터 제 1 와이어(211) 및 제 2 와이어(212)를 통해 파워를 수용하는 신호 조절기(201)와,
    상기 전원 장치로부터 수용된 상기 파워로부터 구동 신호를 발생시키고, 하나 이상의 도관(103A,103B)에 부착된 구동기(104)에 상기 구동 신호를 인가하는 상기 신호 조절기(201) 내부의 구동 회로(210)와,
    상기 하나 이상의 도관(103A,103B)에 부착된 제 1 픽-오프 센서(105) 및 제 2 픽-오프 센서(105')로부터 입력 신호를 수신하고, 상기 입력 신호로부터 상기 하나 이상의 도관(103A,103B)을 통해 유동하는 물질의 특성들을 나타내는 정보를 생성시키며, 그리고 상기 정보를 포함하는 출력 신호를 상기 호스트 시스템(200)으로 전송하는, 상기 신호 조절기(201) 내부의 픽-오프 신호 조절 회로(220)와,
    상기 신호 조절기(201)를 상기 호스트 시스템(200)에 연결시키는 리드들에 본질적으로 안전한 임계치를 초과하는 파워가 상기 신호 조절기(201) 내의 회로에 의해 인가되는 것을 방지하는, 상기 신호 조절기(201) 내의 호스트-사이드 보호 회로(320)와, 그리고
    상기 신호 조절기(201)를 상기 구동기(104), 상기 제 1 픽-오프 센서(105) 및 상기 제 2 픽-오프 센서(105')에 연결시키는 리드들에 상기 본질적으로 안전한임계치를 초과하는 파워가 상기 신호 조절기(201) 내의 회로에 의해 인가되는 것을 방지하는 유량계 조립체 보호 회로(330)를 포함하는 계기 전자장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 호스트-사이드 보호 회로(320)가,
    상기 본질적으로 안전한 임계치를 초과하는 파워가 상기 제 1 와이어(211) 및 상기 제 2 와이어(212)에 상기 신호 조절기(201) 내의 상기 회로에 의해 인가되는 것을 방지하는 전원 장치 보호 회로(320)를 포함하는 계기 전자장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 호스트-사이드 보호 회로(320)가,
    상기 픽-오프 신호 조절 회로(220)를 상기 호스트 시스템(200)에 연결시키는 리드(221)에 상기 본질적으로 안전한 임계치를 초과하는 파워가 인가되는 것을 방지하는 신호 보호 회로(324)를 포함하는 계기 전자장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 유량계 조립체 보호 회로(330)가,
    상기 구동기(104)에 연결된 리드들(341-342)에 상기 본질적으로 안전한 임계치를 초과하는 파워가 상기 구동 회로(331)에 의해 인가되는 것을 방지하는 구동 보호 회로(331)를 더 포함하는 계기 전자장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 유량계 조립체 보호 회로(330)가,
    상기 제 1 픽-오프 센서(105) 및 상기 제 2 픽-오프 센서(105')를 상기 픽-오프 신호 조절 회로(330)에 연결시키는 리드들에 상기 본질적으로 안전한 임계치를 초과하는 파워가 상기 픽-오프 신호 조절 회로(220)에 의해 인가되는 것을 방지하는 센서 보호 회로(332)를 더 포함하는 계기 전자장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 신호 조절기(201)가 본질적으로 안전하게 작동하는 계기 전자장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 호스트 시스템(200)이 상기 전원 장치(230) 및 2차 신호 프로세싱 시스템(250)을 포함하고,
    상기 계기 전자장치는,
    상기 신호 조절기(201)와 상기 호스트 프로세서(200) 사이의 상기 리드들(211,212,221)에 상기 본질적으로 안전한 임계치를 초과하는 파워가 상기 호스트 프로세서(200)에 의해 인가되는 것을 방지하는 상기 호스트 시스템(200) 내의 배리어(310)를 더 포함하는 계기 전자장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 배리어(310)가,
    상기 전원 장치(230)에 의해 상기 제 1 와이어(211) 및 상기 제 2 와이어(212)에 상기 본질적으로 안전한 임계치를 초과하는 파워가 인가되는 것을 방지하는 파워 보호 회로(311)를 포함하는 계기 전자장치.
  9. 제 10 항에 있어서, 상기 픽-오프 신호 조절 회로(220)를 상기 2차 프로세싱 시스템(250)에 연결시키는 리드들에 상기 본질적으로 안전한 임계치를 초과하는 파워가 상기 2차 프로세싱 시스템(250)에 의해 인가되는 것을 방지하는 2차 프로세싱 보호 회로(312)를 더 포함하는 계기 전자장치.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 출력 신호가 상기 픽-오프 신호 조절 회로(220)에 의해 상기 제 1 와이어(211) 및 상기 제 2 와이어(212)에 인가되는 계기 전자장치.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 출력 신호는 상기 호스트 시스템(200)에 연결되어 있는 제 3 와이어(321) 및 제 4 와이어(322)에 인가되는 계기 전자장치.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 구동 회로(210)는 상기 구동기(104)에 인가되는 상기 구동 신호의 전류의 양을 조절하는 계기 전자장치.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 구동 회로(210)는 상기 구동기(104)에 인가되는 상기 구동 신호의 전압의 양을 조절하는 계기 전자장치.
  14. 코리올리 유량계(5)에 대한 신호들을 처리하기 위한 본질적으로 안전한 방법으로서,
    신호 조절기(201)와 이격된 호스트 시스템(200) 내의 전원 장치(230)로부터제 1 와이어(211) 및 제 2 와이어(212)를 통해 상기 신호 조절기(201) 내에 파워를 수용하는 단계와,
    본질적으로 안전한 임계치를 초과하는 파워가 상기 신호 조절기(201) 내의 상기 회로에 의해 상기 제 1 와이어(211) 및 상기 제 2 와이어(212)에 인가되는 것을 방지하는 단계와,
    상기 신호 조절기(210) 내의 구동 회로를 이용하여, 상기 전원 장치(230)로부터 수신된 상기 파워로부터 구동 신호를 발생시키는 단계와,
    하나 이상의 도관(103A,103B)에 부착된 구동기(104)에 상기 구동 회로(210)로부터의 상기 구동 신호를 인가하는 단계와,
    상기 구동기(104)에 연결된 리드들(341-342)에 상기 본질적으로 안전한 임계치를 초과하는 파워가 상기 구동 회로(210)에 인가되는 것을 방지하는 단계와,
    상기 하나 이상의 도관(103A,103B)에 부착된 제 1 픽-오프 센서(105) 및 제 2 픽-오프 센서(105')로부터 픽-오프 신호 조절 회로(220) 내의 입력 신호들을 수신하는 단계와,
    상기 제 1 픽-오프 센서(105) 및 상기 제 2 픽-오프 센서(105')를 상기 픽-오프 신호 조절 회로(220)에 연결시키는 리드들에 상기 본질적으로 안전한 임계치를 초과하는 파워가 상기 픽-오프 신호 조절 회로(220)에 의해 인가되는 것을 방지하는 단계와,
    상기 입력 신호로부터 상기 도관을 통해 유동하는 물질의 특성들을 나타내는 정보를 생성시키는 단계와,
    상기 정보를 포함하는 출력 신호들을 상기 호스트 시스템(200)에 전송하는 단계와, 그리고
    상기 픽-오프 신호 조절 회로(220)를 상기 호스트 시스템(200)에 연결시키는 리드들(221)에 상기 본질적으로 안전한 임계치를 초과하는 파워가 인가되는 것을 방지하는 단계를 포함하는 방법.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 신호 조절기(201)가 본질적으로 안전하게 작동하는 방법.
  16. 제 14 항에 있어서, 상기 호스트 시스템(200)은 상기 전원 장치(230) 및 2차 신호 프로세싱 시스템(250)을 포함하고,
    상기 방법은,
    상기 신호 조절기(201) 및 상기 2차 신호 프로세싱 시스템(250) 사이의 리드들에 상기 본질적으로 안전한 임계치를 초과하는 파워가 상기 호스트 시스템(200)에 의해 인가되는 것을 방지하는 단계를 더 포함하는 방법.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 호스트 시스템에 의해 인가되는 것을 방지하는 단계가,
    상기 본질적으로 안전한 임계치를 초과하는 파워가 상기 전원 장치에 의해 상기 제 1 와이어(211) 및 상기 제 2 와이어(212)에 인가되는 것을 방지하는 단계를 포함하는 방법.
  18. 제 16 항에 있어서, 상기 호스트 시스템에 의해 인가되는 것을 방지하는 단계가,
    상기 픽-오프 신호 조절 회로(220)를 상기 2차 프로세싱 시스템(250)에 연결시키는 리드들에 상기 본질적으로 안전한 임계치를 초과하는 파워가 상기 2차 프로세싱 시스템(250)에 의해 인가되는 것을 방지하는 단계를 포함하는 방법.
  19. 제 14 항에 있어서, 상기 출력 신호를 전송하는 단계가,
    상기 픽-오프 신호 조절 회로(220)에 의해 상기 제 1 와이어(211) 및 상기 제 2 와이어(212)에 인가하는 단계를 포함하는 방법.
  20. 제 14 항에 있어서, 상기 출력 신호를 전송하는 단계가,
    상기 호스트 시스템(200)에 연결되는 제 3 와이어(321) 및 제 4 와이어(322)에 상기 출력 신호들을 인가하는 단계를 포함하는 방법.
  21. 제 14 항에 있어서, 상기 구동기(104)에 인가되는 상기 구동 신호의 전류의 양을 제어하는 단계를 더 포함하는 방법.
  22. 제 14 항에 있어서, 상기 구동기(104)에 인가되는 상기 구동 신호의 전압의양을 제어하는 단계를 더 포함하는 방법.
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