KR20030043951A - Several gas flow measuring devices and signal processing methods - Google Patents
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Abstract
가스 유량 수용기는, 유량 튜브 내에 설치되고, 상류 오리피스 근방에서의 압력이 유량 튜브의 상응하는 단면에서 감지된 압력보다도 보다 높은 상태이면서 하류 오리피스 근방에서의 압력이 유량 튜브의 상응하는 단면에서 감지된 압력보다도 보다 낮은 상태에 있는 유량 튜브 내에서 비대칭성 유동을 일으키는 비대칭성 유동 유발 격벽을 구비한다. 상류 오리피스로부터 가스 유량을 받는 열풍력계 형태의 변환기를 이용하는 가스 유량계는, 가스 유량이 한 쌍의 변환기를 연속적으로 통과하면서 방향이 반대가 되도록 변환기를 배열함으로써, 가스 유량이 진동이나 가속의 영향을 받지 않도록 제조된다. ADC를 이용하는 디지털 변환 전에, 변환기 출력은 2차 신호를 주입하는 노이즈 증폭기에 의하여 증폭된다. ADC의 최소 양자화 값보다도 큰 수준의 정밀도를 갖는 샘플을 얻기 위하여, 디지털 신호는 샘플링 주기에 걸쳐 평균화된다.The gas flow receiver is installed in the flow tube, wherein the pressure near the upstream orifice is higher than the pressure sensed at the corresponding cross section of the flow tube, while the pressure near the downstream orifice is detected at the corresponding cross section of the flow tube. An asymmetric flow-induced bulkhead that causes an asymmetrical flow in the flow tube that is in a lower state. Gas flowmeters using a thermo-window-type transducer that receives a gas flow rate from an upstream orifice are arranged so that the gas flow rate is reversed in direction while passing through a pair of transducers so that the gas flow rate is not affected by vibration or acceleration. Are manufactured so as not to. Before digital conversion using an ADC, the converter output is amplified by a noise amplifier that injects a secondary signal. In order to obtain samples with a level of precision greater than the minimum quantization value of the ADC, the digital signal is averaged over the sampling period.
Description
전형적으로, 가스 유량계는 가스 유량 수용기(GFR, gas flow receiver)(가스 통로라고도 불림), 가스가 통과하는 튜브 및 GFR에 연결되는 차압 변환기로 이루어진다. 변환기는 튜브 내에 놓여 있는 유동 저항성 부재에 의해 생성되는 차압을 측정한다. 폐활량 측정과 같은 용도에서는, 형상이 간단하고 청소 및/또는 처분이 용이한 GFR이 가장 바람직하다. 산업계와 의학계에서 사용되는 GFR 중에는, 평면 격벽(흐름을 허용하면서 국부적인 차압을 형성하도록 설계된 흐름 방해물)의 형태로 형성된 유동 저항성 부재를 구비한 튜브를 갖춘 것도 있다. 폐활량 측정에 사용되는 본 발명과 가장 밀접한 제품으로는 미국 특허 5038773호에 개시된 볏 모양의 유동 저항성 부재를 구비한 GFR이 있다.Typically, a gas flow meter consists of a gas flow receiver (GFR) (also called a gas passage), a tube through which gas passes and a differential pressure transducer connected to the GFR. The transducer measures the differential pressure generated by the flow resistant member lying in the tube. In applications such as spirometry, GFRs with simple shapes and easy cleaning and / or disposal are most preferred. Some GFRs used in industry and medicine have tubes with flow-resistant members formed in the form of planar bulkheads (flow obstructions designed to create local differential pressures while allowing flow). The closest product to the present invention used for measuring spirometry is a GFR with a crest-shaped flow resistant member disclosed in US Pat. No. 5038773.
폐활량 측정에 사용되는 GFR의 특별한 형상은, 보다 높은 유량계 감도를 얻기 위하여 유동 저항성 부재에 의해 생성되는 차압을 증가시켜야 하는 필요성과 폐활량 측정 표준에 의해 규정된 최대 허용 배압(背壓)을 초과하지 않아야 하는 필요성을 절충한 결과이다. 예를 들면, 미국 흉부 학회의 폐활량 측정 표준(American Thoracic Society Standards for Spirometry)(1994)에서는 배압이 전 작동 범위에서 150Pa·s/l 이하일 것을 요구하고 있다. 따라서, 이러한 특정 용도에 대해서는 차압/배압의 비율이 최대인 GFR이 바람직하다.The special shape of the GFR used to measure spirometry should not exceed the maximum allowable back pressure defined by the spirometry standard and the need to increase the differential pressure generated by the flow resistant member to achieve higher flowmeter sensitivity. This is a compromise of the need to do so. For example, the American Thoracic Society Standards for Spirometry (1994) requires that the back pressure be 150 Pa · s / l or less over the entire operating range. Thus, for this particular use, GFR is preferred where the ratio of differential pressure / back pressure is maximum.
전술한 유량계에서 해결되어야 할 또 다른 문제는, 유량-차압 변환을 정의하는 GFR의 변환 특성의 재현성과 관련이 있다. 이러한 목적을 위해서는, GFR의 형태가 보다 간단할수록 제조하기가 더욱 용이하면서 튜브의 내부 형상과 표면의 크기의 재현성이 보다 우수하고, 이로 이하여 결국에는 변환의 재현성이 보장된다. 튜브 형상을 단순화하여 제조 비용을 절감할 수 있는데, 이러한 점은 특히 1회용 튜브에 있어서는 매우 중요한 사항이다.Another problem to be solved in the aforementioned flowmeter is related to the reproducibility of the conversion characteristics of the GFR, which defines the flow-to-differential pressure conversion. For this purpose, the simpler the shape of the GFR, the easier it is to manufacture, and the better the reproducibility of the inner shape of the tube and the size of the surface, thereby ensuring the reproducibility of the transformation. Simplification of the tube shape reduces manufacturing costs, which is particularly important for disposable tubes.
미국 특허 5038773호에는, 평면 격벽의 형태로 제조된 유동 저항성 부재를 구비한 GFR은 본질적으로 비선형적인 유량-차압 변환 특성을 갖는다는 점이 나타나 있다. 전형적으로, 이러한 형태의 GFR에 의하여 발생하는 차압은 유량의 2차 함수에 가깝고, 다음과 같은 문제를 야기한다. 유량을 10³의 동적 범위, 즉 15ml/s 내지 15l/s(폐활량 측정)에서 측정할 필요성이 있기 때문에, GFR에 의하여 형성되는차압을 106=(103)2의 동적 범위에서 측정하여야 한다. 반면에, 미국 흉부 학회의 현재의 폐활량 측정 표준에 의하면, GRF의 최대 유량 임피던스는 150Pa·s/l 정도로 제한되어 있기 때문에, 형성되는 최대 배압은 (150Pa·s/l)×(15l/s)2kPa로 제한된다. 따라서, 압력 변환기의 검출 가능한 최소 차압은 수 mPa의 수준이어야 한다. 6 차수(6승) 크기의 동적 범위에서 작동할 필요성과 결부된 이러한 필요성은, 차압 변환기가 극복해야 할 과제이다. 메디컬 그래픽스(Medical Graphics)사는 6 차수 크기의 중첩 작동 범위를 갖고 적은 유량에서 활성화되는 특별한 감지기를 구비한 두 개의 차압 감지기를 포함하는 유량계를 미국 특허 5038773호에서 제안하였다. 이 폐활량계의 전자 모듈은 구조가 정교하고, 아날로그-디지털 변환기(ADC)에 의해 디지털화되기 전에 아날로그 신호 변환을 제공하는 서브모듈을 포함하고 있다.U.S. Patent No. 5038773 shows that GFR with flow resistant members made in the form of planar bulkheads has inherently nonlinear flow-to-differential pressure conversion properties. Typically, the differential pressure generated by this type of GFR is close to the secondary function of the flow rate and causes the following problems. Since the flow rate needs to be measured in the dynamic range of 10 3 , i.e. 15 ml / s to 15 l / s (spiracity measurement), the differential pressure formed by the GFR should be measured in the dynamic range of 10 6 = (10 3 ) 2 . On the other hand, according to the American Thoracic Society's current spirometry standard, the maximum flow impedance of GRF is limited to about 150 Pa · s / l, so the maximum back pressure formed is (150 Pa · s / l) × (15 l / s). Limited to 2 kPa. Therefore, the minimum detectable differential pressure of the pressure transducer should be at the level of several mPa. This need, coupled with the need to operate in a sixth order (6 power) dynamic range, is a challenge for differential pressure transducers to overcome. Medical Graphics has proposed a flow meter in US Pat. The electronic module of the spirometer has a sophisticated structure and includes a submodule that provides analog signal conversion before being digitized by an analog-to-digital converter (ADC).
유량 측정용 GFR에 병렬로 연결된 열풍력계(thermoanemometer) 형태의 변환기의 사용은 이전에 보고된 바 있다[U.보네(Bonne), K.프리트슈(Fritsch), "가스 유량 측정용 미세 풍력계(Mikroanemometer fuer die Durchflussmessung von Gasen)", 기술 측정(Technisches Messen), 1994, 61권, 7호, pp.285-294; T.R.온스타인(Ohnstein), R.G.존슨(Johnson), R.E.히가시(Higashi), D.W.번스(Burns), J.O.홀멘(Holmen), E.A.사트렌(Satren), G.M.존슨(Johnson), R.E.비킹(Bicking), S.D.존슨(Johnson), "환경적으로 견고하고 동적 범위가 넓은 미세 구조 기류 감지기(environmentally rugged, wide dynamic range microstructures airflowsensor)", 고상 감지기 및 작동기 콘퍼런스 회보(proceedings on solid-state sensors and actuators conference) (1990), pp.158-160]. 약 4 차수 크기의 선형 작동 범위 및 6 차수 크기 이상의 총 작동 범위를 갖는 특수 열풍력계형 변환기도 있다[프롤로프(Frolov) G.A., 젠딘(Gendin) A.V. 그루딘(Grudin0 O.M., 카트산(Katsan) I.I., 크리포블로트스키(Krivoblotskiy) S.N., 루피나(Lupina) B.I., "가스 변수 측정용 마이크로 공학 열감지기(micromechanical thermal sensors for gas parameters measurements)", 1996 ASME 국제 공학 학술 대회 및 설명회 회보(proceedings of 1996 ASME international engineering congress and exposition), DSC-Vol.59, 마이크로 전자기계 시스템(micro-electro-mechanical systems), pp.61-65]. 이러한 특수 변환기는 모든 작동 범위에서 사용할 수 있어 유량계 용도로서 관심을 끌고 있다. 열풍력계형 감지기의 또 다른 장점은, 감지기의 동적 특성이 저하되지 않으면서 수 mPa 정도의 미세한 수준까지 분해능이 향상될 수 있다는 점이다. 예를 들면, 하니웰(Honeywell)사 제품으로 전술한 수준의 분해능을 갖는 질량 유량(mass flow) AWM-시리즈 감지기의 반응 시간은 약 3ms이다.The use of transducers in the form of thermoanemometers connected in parallel to the GFR for flow measurement has previously been reported [U.Bonne, K. Frisch, "Mikroanemometer for gas flow measurement. fuer die Durchflussmessung von Gasen ", Technisches Messen, 1994, Vol. 61, No. 7, pp.285-294; TR Onstein, RG Johnson, RE Higashi, DW Burns, JO Holmen, EA Satren, GM Johnson, RE Beeking, SD Johnson, "environmentally rugged, wide dynamic range microstructures airflowsensor", solid-state sensors and actuators conference ( 1990), pp. 158-160]. There are also special thermopyroelectric transducers with a linear operating range of about four orders of magnitude and a total operating range of six orders of magnitude or more (Frolov G.A., Gendin A.V. Grudin0 OM, Katsan II, Krivoblotskiy SN, Lupina BI, "Micromechanical Thermal Sensors for Gas Parameters Measurements," 1996 Proceedings of 1996 ASME international engineering congress and exposition, DSC-Vol. 59, micro-electro-mechanical systems, pp. 61-65. It can be used in all operating ranges, attracting attention as a flowmeter application Another advantage of thermo-windometer detectors is that resolution can be improved down to as low as a few mPas without compromising the sensor's dynamic characteristics. For example, Honeywell's mass flow AWM-series detectors with the above-described resolutions have a response time of about 3 ms.
열풍력계형 변환기는, 특수 제작된 가스 유량 조립체(미국 특허 4548078호)를 통과하는 가스 유량에 민감한 기능성 부재를 포함한다. 이 가스 유량은 변환기를 가로지르는 압력 강하에 비례하므로, 차압 측정을 위하여 사용될 수도 있다. 가스 유량 측정의 물리학적 원리는 가열기 주위의 가스 내에서 흐름에 의해 유발되는 대칭성 온도 분포의 교란에 근거한다. 가스의 가열된 부피가 흐름 방향으로 이동하여 야기되는 이러한 교란은 통상 한 쌍의 온도 감지 부재에 의해 검출된다. 전형적으로는, 유량 감지 부재는 유량 채널의 특정 영역 내의 가스를 데우는 가열기를 하나 또는 두 개를 포함한다. 유량 감지 부재는 가열된 가스 부피 내의 온도 분포의 편차를 측정하는 적어도 두 개의 온도 감지 부재를 또한 포함한다. 가스 가열 기능과 온도 감지 기능은, 예를 들면 중앙 가열기 및 가열기 반대쪽의 두 개의 온도 감지 부재를 구비하는 감지기(미국 특허 4548078호)와 같이 분리될 수도 있다. 또 다른 방법으로, 유량 감지기는, 가스를 데우는 동시에 온도 차이를 측정하는 두 개의 자체 가열 온도 감지 부재만을 사용할 수도 있다[H.E. 드브리(de Bree), P.루싱크(Leussink), T.코쏘스트(Korthorst), H.잔센(Jansen), T S J. 람메링크(Lammerink), M.엘웬스포엑(Elwenspek), "μ-플로운(flown): 음향식 유량 측정용 신규 장치(a novel device for measuring acoustic flows)", 감지기 및 작동기(sensors and actuators) A(1996), 54권, 1호, pp.552-557]. 본 발명을 달성하기 위해서는, 그러한 구성들 간의 차이를 고려하는 것만으로는 충분하지 않다.Thermo-windometer transducers include a functional member that is sensitive to gas flow through a specially constructed gas flow assembly (US Pat. No. 4548078). This gas flow rate is proportional to the pressure drop across the transducer and therefore may be used for differential pressure measurements. The physical principle of gas flow measurement is based on the disturbance of the symmetrical temperature distribution caused by the flow in the gas around the heater. This disturbance caused by the heated volume of gas moving in the flow direction is usually detected by a pair of temperature sensing members. Typically, the flow rate sensing member includes one or two heaters to warm the gas in a particular region of the flow channel. The flow sensing member also includes at least two temperature sensing members for measuring the deviation of the temperature distribution in the heated gas volume. The gas heating function and the temperature sensing function may be separated, for example, as a detector (US Pat. No. 4548078) having a central heater and two temperature sensing members opposite the heater. Alternatively, the flow sensor may use only two self-heating temperature sensing members that measure the temperature difference while heating the gas [H.E. De Bree, P. Leussink, T. Korthorst, H. Jansen, TS J. Lammerink, M. Elwenspek, "μ Flow: a novel device for measuring acoustic flows ", sensors and actuators A (1996), Vol. 54, No. 1, pp. 552-557] . In order to achieve the present invention, it is not enough to consider the differences between such configurations.
열풍력계형 유량 또는 차압 변환기는 변환기 유량 채널 내의 가스 흐름에 평행한 방향으로 작용하는 가속에 민감하다. 주위의 차가운 가스보다도 밀도가 낮은 가열된 부피의 가스가 이동하여 발생하는 이러한 효과로 인하여, 두 개의 온도 감지 부재에 의해 감지되는 온도 차이가 발생한다. 가스 흐름과 수직한 방향으로 작용하는 가속은 가스의 가열된 부피의 이동을 또한 야기하지만, 두 개의 온도 감지 부재에서 측정된 온도 차이를 현저히 변화시키지는 않는 방향으로 이동한다. 따라서, 변환기는 가스 흐름과 수직 방향의 가속에 대한 감도가 낮다. 일반적으로, 하나의 감지기로는, 가속에 의해 유도된 결과 신호와 유량에 의해 유도된 신호를 구별할 수 없다. 이러한 차압 변환기의 가속에 대한 감도는 변환기의 정확도 및 그로 인한 진동, 회전 및 변위와 같은 기계적 교란에 노출된 가스 유량계의 정확도를 저하시킨다.Thermo-windometer flow or differential pressure transducers are sensitive to acceleration acting in a direction parallel to the gas flow in the transducer flow channel. This effect, caused by the movement of a heated volume of gas, which is less dense than the surrounding cold gas, results in a temperature difference detected by the two temperature sensing members. Acceleration acting in a direction perpendicular to the gas flow also causes a shift in the heated volume of the gas, but in a direction that does not significantly change the temperature difference measured in the two temperature sensing members. Thus, the transducer has low sensitivity to gas flow and acceleration in the vertical direction. In general, one sensor cannot distinguish between a resultant signal induced by acceleration and a signal induced by flow rate. Sensitivity to acceleration of such differential pressure transducers degrades the accuracy of the transducer and hence the accuracy of the gas flow meter exposed to mechanical disturbances such as vibration, rotation and displacement.
거의 선형적인 GFR[예를 들면, 폐활랑계 내의 플라이슈(Fleisch)형 또는 릴리(Lilly)형 튜브]에 의해 형성되는 차압 신호보다도 1000배 정도 작은 차압 신호를 검출하고 처리할 필요성으로 인하여 또 다른 문제가 발생한다. 유량계 작동(예를 들면, 폐활량계 점검) 중에, GFR와 차압 감지기를 연결하는 공압 호스와 같은 장치 부재에 진동 또는 충격이 발생할 수도 있다. 이러한 기생 신호(parasitic signal)는, 선형적인 GFR에 의해 발생하는 차압 신호에 비하여 무시할 만큼 작기는 하나, 그럼에도 불구하고 비선형 GFR에 의해 생성되는 유용한 신호와 비교하면 심각한 수준이다. 이러한 의사(擬似) 신호에 의한 간섭은 유량계의 정확도를 감소시킨다. 특히, 휴대 가능한 소형 장치에 있어서는, 이러한 진동 면역성은 유량계의 중요한 특성으로 고려된다. 기생 신호를 억제하기 위한 신호 여과 기술이 적용 분야에서의 어떠한 표준도 위반하지 않는다면, 그러한 기술을 사용할 수 있다. 예를 들어, 폐활량 측정 표준은, 폐활량계에 의하여 유지되어야 하는 환자 호흡의 유량 변수들을 측정하는데 필요한 반응 속도를 규정하고 있다.Another problem is the need to detect and process differential pressure signals that are about 1000 times smaller than the differential pressure signals formed by nearly linear GFRs (e.g., Fleisch or Lilly tubes in a pulmonary system). Occurs. During flow meter operation (e.g., checking the spirometer), vibration or shock may occur on device members such as pneumatic hoses connecting the GFR and the differential pressure sensor. These parasitic signals are negligibly small compared to the differential pressure signals generated by linear GFR, but are nevertheless severe compared to the useful signals produced by nonlinear GFR. Interference caused by these pseudo signals reduces the accuracy of the flow meter. In particular, in portable small devices, such vibration immunity is considered an important characteristic of the flow meter. If signal filtering techniques for suppressing parasitic signals do not violate any standards in the field of application, such techniques can be used. For example, the spirometry standard specifies the response rate required to measure flow rate variables of patient breathing that must be maintained by the spirometry.
GFR 및 열풍력계형 감지기와 같은 두 개의 비선형 기능성 부재를 포함하는 유량계는, 유량을 출력 전압으로 변환시키는 복잡하고도 본질적으로 비선형적인 변환 특성을 갖고 있으며, 이러한 변환 특성은 반드시 선형화되어야 한다. 유량계를 선형화하기 위해서는, 유량(F)과 측정 전압(V) 간의 대응을 규정하는 검정곡선(F(V))이 정의되어야 한다. 본 발명은, 유량의 제곱에 가까운 차압을 생성하는 유동 저항성 부재를 구비하는 GFR을 포함하는 본질적으로 비선형적인 유량계의 선형화 방안을 또한 제시한다.Flowmeters comprising two nonlinear functional members, such as GFR and thermo-windometer detectors, have a complex and inherently nonlinear conversion characteristic that converts the flow rate into an output voltage, which must be linearized. In order to linearize the flowmeter, a calibration curve F (V) must be defined which defines the correspondence between the flow rate F and the measured voltage V. The present invention also proposes a linearization scheme of an essentially non-linear flow meter comprising a GFR having a flow resistant member that produces a differential pressure close to the square of the flow rate.
전형적으로 기존의 폐활량계는, 후속 처리를 위하여 변환기로부터의 아날로그 신호를 디지털화하는 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 포함한다. 전술한 6 차수 크기 정도의 넓은 작동 범위에서 필요한 분해능을 제공하기 위해서는, 16 비트 내지 18 비트 이상의 분해능을 갖는 ADC가 사용되어야 한다. 한편으로는, 비교적 저렴하고, 간단하고 널리 보급되어 있는 12 비트 ADC가 바람직하다. 따라서, 낮은 유량을 분석하는 문제(비선형 GFR을 구비하는 유량계 내에서)는, 차압 변환기의 제한된 감도뿐만 아니라 바람직한 전자 회로의 제한된 분해능으로 인하여 발생한다.Existing spirometers typically include an analog-to-digital converter (ADC) that digitizes the analog signal from the converter for subsequent processing. In order to provide the necessary resolution in the wide operating range of the above six orders of magnitude, an ADC having a resolution of 16 to 18 bits or more should be used. On the one hand, a 12-bit ADC which is relatively inexpensive, simple and widespread is desirable. Thus, the problem of analyzing low flow rates (in flowmeters with nonlinear GFR) arises not only because of the limited sensitivity of the differential pressure transducer, but also because of the limited resolution of the desired electronic circuit.
본 발명은 일반적으로는 가스 통로 내에 위치한 유동 저항성 부재를 가로지르는 압력 강하를 측정하는 하나 이상의 차압(差壓) 변환기를 포함하는 가스 유량계에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 본 발명은 진동 면역성을 증가시키고 특별한 신호 처리 방법 및 유량계 또는 다른 변환기 신호에 적용할 수 있는 선형화 방법을 제공함으로써, 가스 통로의 특별한 설계에 의한 폐활량 측정에 사용되는 유량계의 정밀도 향상에 관한 것이다.The present invention generally relates to a gas flow meter comprising one or more differential pressure transducers for measuring a pressure drop across a flow resistant member located within a gas passage. More specifically, the present invention improves the precision of flowmeters used for measuring spirometry by the special design of gas passages by increasing vibrational immunity and by providing special signal processing methods and linearization methods that can be applied to flowmeters or other transducer signals. It is about.
아래의 비한정적인 바람직한 실시예와 다른 실시예에 대한 상세한 설명 및 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명을 보다 잘 이해할 수 있을 것이다.DETAILED DESCRIPTION The present invention will be better understood with reference to the following detailed description of the non-limiting preferred and other embodiments and the accompanying drawings.
도 1은, 가스 유량 수용기, 차압 변환기, 아날로그 전자 모듈 및 ADC 모듈을 포함하는 유량계의 개략도이다.1 is a schematic diagram of a flow meter including a gas flow receiver, a differential pressure transducer, an analog electronic module, and an ADC module.
도 2는 별 모양의 격벽을 구비한 가스 유량 수용기(종래 기술)이다.2 is a gas flow receiver (prior art) with a star-shaped partition.
도 3은 본 발명에 의한 비대칭 유동 저항성 부재를 구비한 가스 유량 수용기이다.3 is a gas flow receiver with an asymmetric flow resistant member according to the present invention.
도 4는 두 가지 형태의 GFR에 대한 측정된 배압과 유량을 나타낸다.4 shows the measured back pressure and flow rate for two types of GFR.
도 5는 유량에 대한 비대칭성 및 대칭성 유동 저항성 부재에 의해 생성된 차압의 비율(η)을 나타낸다.5 shows the ratio η of the differential pressure generated by the asymmetrical and symmetrical flow resistant member to the flow rate.
도 6은, 대칭성 별 모양의 방해물을 구비한 GFR에 대하여 여러 평균 유량에서, 배출과 유입 중의 실제값으로부터의 실측 시린지(syringe) 부피의 편차를 나타낸다.FIG. 6 shows the deviation of the measured syringe volume from the actual values during discharge and inflow at various average flow rates for GFR with symmetric star-shaped obstructions.
도 7은, 본 발명의 비대칭성 유동 저항성 부재를 구비한 GFR에 대하여 여러 평균 유량에서, 배출과 유입 중의 실제값으로부터의 실측 시린지 부피의 편차를 나타낸다.7 shows the deviation of the measured syringe volume from the actual values during discharge and inflow, at various average flow rates for GFR with asymmetric flow resistant members of the present invention.
도 8은 GFR의 개략적인 측면도이다.8 is a schematic side view of a GFR.
도 9는 GFR 튜브 내의 유동 저항성 부재의 개략적인 정면도이다(튜브의 장축을 따라 관찰).9 is a schematic front view of the flow resistant member in a GFR tube (observed along the long axis of the tube).
도 10과 도 11은, 두 개의 열풍력계 형태의 유량 감지 부재를 포함하는 본 발명의 차압 변환기 및 유량 변환기의 구성을 나타낸다. 가스가 흐르는 채널은 두 개의 부재를 직렬(도 10) 또는 병렬(도 11)로 연결한다.10 and 11 show the configuration of the differential pressure transducer and the flow transducer of the present invention including a flow sensing member in the form of two thermo-empirometers. The gas flowing channel connects the two members in series (FIG. 10) or in parallel (FIG. 11).
도 12는 가속이 가해지는 단일 유량 감지 부재의 개략도를 나타낸다.12 shows a schematic diagram of a single flow rate sensing member subjected to acceleration.
도 13은 삼각형 형태로 연결된 세 개의 유량 감지 부재를 포함하는 보다 복잡한 구성의 실시예를 나타낸다.FIG. 13 shows an embodiment of a more complicated configuration comprising three flow sensing members connected in a triangular form.
도 14는, 동등하게 정렬된 두 개의 유량 감지 부재들 중에서 하나만을 통하여 가스가 흐르는 구성을 나타낸다.14 shows a configuration in which gas flows through only one of two equally aligned flow rate sensing members.
도 15는 낮은 유량에서 유량계의 여과되지 않은 출력 신호(도 15a) 및 여과된 출력 신호(도 15b)를 나타낸다.FIG. 15 shows the unfiltered output signal (FIG. 15A) and the filtered output signal (FIG. 15B) of the flow meter at low flow rate.
도 16은 유량계의 전자 모듈의 블록 도표를 나타낸다.16 shows a block diagram of an electronic module of the flow meter.
도 17과 도 18은 본 발명의 신호 처리 방법을 나타내는 흐름도이다.17 and 18 are flowcharts illustrating a signal processing method of the present invention.
도 19는 갑작스러운 유량 변동에 대한 유량계의 반응을 나타낸다.19 shows the flowmeter's response to sudden flow rate fluctuations.
도 20은 유량계의 검정 곡선을 나타낸다.20 shows the calibration curve of the flow meter.
본 발명의 목적은 다음과 같은 해결책을 제시하는 것이다.It is an object of the present invention to propose the following solution.
·차압/배압 비율을 향상시켜 GFR의 유효성을 증가시킨다.Increase the effectiveness of GFR by improving the differential pressure / back pressure ratio.
·재현성이 우수하고 제조가 용이하도록 GFR의 형상을 단순화한다.Simplify the shape of the GFR for excellent reproducibility and ease of manufacture.
·열풍력계형 차압 및 유량 변환기를 포함하는 장치 및 그 부재의 진동이나 충격에 대하여 유량계의 면역성을 향상시킨다.· Improve the immunity of the flow meter against vibration and shock of the device including the thermo-windometer type differential pressure and flow rate transducer and its members.
·낮은 유량에서 유량계의 분해능 및 그로 인한 정확도를 향상시킨다.Improve flowmeter resolution and resulting accuracy at low flow rates.
·가스 유량계를 정확하게 선형화한다.Accurately linearize the gas flow meter
1. 본 발명의 목표 중 하나는 GFR의 유동 저항성 부재의 새로운 형상으로 해결된다. 이 유동 저항성 부재는, GFR 튜브의 축 방향을 따라 관찰하면, 비대칭의형상을 갖는 가스 흐름 방해물의 형태로 만들어져 있다. 이 유동 저항성 부재는 낮은 전체 배압과 GFR 내부의 두 점 사이에서 측정된 높은 국부 차압을 동시에 얻을 수 있도록 설계된다. 국부 차압은, 차압이 측정되는 GFR 내부의 두 점 사이에 방해물을 설치함으로써 발생하고, 전형적으로, 양방향 유량 측정의 경우에는 이 두 점을 연결하는 선의 중앙점에 가능한 한 가깝게 설치한다.1. One of the objectives of the present invention is solved by the new shape of the flow resistant member of the GFR. This flow resistant member, when viewed along the axial direction of the GFR tube, is made in the form of a gas flow obstruction having an asymmetrical shape. This flow resistant member is designed to simultaneously obtain a low total back pressure and a high local differential pressure measured between two points inside the GFR. Local differential pressure is generated by placing an obstruction between two points inside the GFR where the differential pressure is measured and, typically, in the case of bidirectional flow measurement, is installed as close as possible to the center point of the line connecting these two points.
본 발명의 총괄적인 측면에 의하면, 측벽을 구비하고 최소 저항을 유발하면서 통과하는 흐름을 안내하는 유량 튜브, 측벽을 통해 유량 튜브와 연결되는 상류 오리피스를 구비하는 상류 감지 튜브 및 측벽을 통해 유량 튜브와 연결되는 하류 오리피스를 구비하는 하류 감지 튜브로 이루어지는 가스 유량 수용기가 제공된다. 이 수용기는, 상류 오리피스와 하류 오리피스 사이의 상기 유량 튜브 내에 설치되고, 상류 오리피스 근방에서의 강조 압력(accentuated pressure)이 유량 튜브의 상응하는 단면에서 감지된 압력보다도 보다 높은 상태이면서 하류 오리피스 근방에서의 강조 압력이 유량 튜브의 상응하는 단면에서 감지된 압력보다도 보다 낮은 상태인 유량 튜브 내에서 비대칭성 유동을 일으키는 비대칭성 유동 유발 격벽을 포함하고, 오리피스들은 상기 격벽에 의해 유발되는 난류로 인한 압력 변동을 실질적으로 감지하지 않으면서 강조 압력을 감지하도록 격벽에 대하여 위치한다.According to the general aspect of the present invention, there is provided a flow tube having a side wall and guiding the flow therethrough while inducing a minimum resistance, an upstream sensing tube having an upstream orifice connected to the flow tube through the side wall and the flow tube through the side wall; A gas flow receiver is provided, consisting of a downstream sense tube having a downstream orifice connected thereto. The receiver is installed in the flow tube between the upstream orifice and the downstream orifice, wherein the accentuated pressure near the upstream orifice is higher than the pressure sensed at the corresponding cross section of the flow tube and near the downstream orifice. An asymmetric flow-induced septum which causes an asymmetrical flow in the flow tube where the emphasis pressure is lower than the pressure sensed at the corresponding cross section of the flow tube, the orifices being capable of suppressing pressure fluctuations due to turbulence induced by the It is positioned relative to the bulkhead to sense the pressure pressure without actually sensing it.
격벽은 오리피스 사이의 측벽에 설치되는 것이 바람직하다. 격벽은, 높은 항력을 나타내고 그 크기에 대하여 최대 강조 압력을 생성하도록 형성될 수 있다. 유량 튜브는 오리피스 사이에서 단면이 보다 작을 수 있고, 작은 단면의 양측으로 서로 유사하게 테이퍼가 형성될 수도 있다.The partition is preferably installed on the side walls between the orifices. The partition wall may be formed to exhibit high drag and generate maximum stress pressure with respect to its magnitude. The flow tube may have a smaller cross section between the orifices and may be tapered similarly to each other on both sides of the small cross section.
2. 열풍력계형 차압 변환기의 진동 면역성을 향상시키기 위하여, 가속에 의해 유발되는 신호의 기생 성분이 유량에 의해 유발되는 성분과 분리되어 제거되도록, 두 개 이상의 열풍력계형 유량 감지 부재가 연결되어 사용되고, 따라서 유량에 의해 유발되는 신호를 확인할 수 있도록 한다.2. In order to improve the vibration immunity of the thermo-windometer differential pressure transducer, two or more thermo-windometer flow sensing members are connected and used so that the parasitic components of the signal induced by the acceleration are removed separately from the components caused by the flow rate. Therefore, the signal caused by the flow rate can be identified.
일반적으로, 다른 유량 감지 부재에서 다른 방향(각도)으로 흐름 및 가속이 작용하도록 연결된 다수의 유량 감지 부재를 사용함으로써 이러한 목적을 달성한다. 많은 다른 실시예도 가능하다. 예를 들면, 두 개의 열풍력계형 유량 감지 부재는 가스가 반대 방향으로 각 부재를 통과하도록 특별한 방법으로 연결된다. 두 개의 유량 감지 부재의 출력 신호는 전자적으로 처리되어 가속에 의해 유발된 신호 성분은 제거되는 반면에 유량에 의해 유발된 신호 성분은 두 배가 된다.Generally, this object is achieved by using a plurality of flow sensing members connected to flow and acceleration in different directions (angles) in different flow sensing members. Many other embodiments are possible. For example, two thermopneumatic flow rate sensing members are connected in a special way such that gas passes through each member in the opposite direction. The output signals of the two flow sensing members are processed electronically to eliminate the signal components caused by acceleration while doubling the signal components caused by the flow rates.
또 다른 조합은, 가스가 통과하지 않는 적어도 하나의 유량 감지 부재를 또한 포함할 수 있다. 이 기준 부재에는 가속이 작용하므로, 가스가 통과하는 부재의 가속에 의해 유발된 성분을 제거하기 위하여 사용되는 출력 신호를 생성한다.Another combination may also include at least one flow sensing member through which no gas passes. Acceleration acts on this reference member, thereby generating an output signal that is used to remove components caused by the acceleration of the member through which the gas passes.
본 발명의 총괄적인 측면에 의하면, 각각이 적어도 한 방향으로 진동 또는 가속에 민감하고, 진동 또는 가속으로 인한 가스 유량과 교란 성분에 비례하는 출력 신호를 생성하는 다수의 가스 유량 변환기 부재를 포함하는, 진동 또는 가속 면역성을 갖는 가스 유량 변환기 장치가 제공된다. 변환기 부재들은 공동 지지대 상에 배치되고, 다수의 가스 유량 통로는 변환기 부재 중 적어도 하나를 통하여 유입구에서 배출구까지 가스 흐름을 안내한다. 부재들은 공동 지지대 상에 배열되고, 교란 성분과 가스 유량의 적어도 하나가 변환기 부재에 의하여 각기 따로 측정되도록 통로에 연결된다. 각 변환기 부재의 출력 신호를 수용하고, 교란 성분이 실질적으로 제거된 가스 유량에 상응하는 진동 또는 가속 면역성 출력 신호를 출력하는 회로가 제공된다.According to the general aspect of the present invention, each of the plurality of gas flow transducer members is sensitive to vibration or acceleration in at least one direction and generates an output signal proportional to the gas flow rate and disturbance component due to the vibration or acceleration, A gas flow transducer device having vibrational or accelerated immunity is provided. The transducer members are disposed on the cavity support, and a plurality of gas flow passages direct the gas flow from the inlet to the outlet through at least one of the transducer members. The members are arranged on the cavity support and are connected to the passage such that at least one of the disturbing component and the gas flow rate are measured separately by the transducer member. A circuit is provided which receives the output signal of each transducer member and outputs a vibrational or accelerated immune output signal corresponding to the gas flow rate with the disturbance component substantially removed.
가스 유량 통로는 변환기 부재를 통하여 가스 유량을 동일하도록 만들 수도 있고, 가스 흐름은 변환기 부재들 사이에서 분리될 수도 있거나 변환기 부재를 직렬로 통과할 수도 있다. 하나의 축만을 따라 진동 또는 가속에 민감하고 서로 평행하게 배열된 두 개의 변환기 부재가 제공되고, 가스 유량 통로는 가스 유량이 반대 방향으로 변환기 부재를 통과하도록 배열되는 것이 바람직하다.The gas flow passage may make the gas flow rate equal through the transducer member, and the gas flow may be separated between the transducer members or may pass through the transducer member in series. Two transducer members are provided which are sensitive to vibration or acceleration along only one axis and arranged parallel to each other, and the gas flow path is preferably arranged such that the gas flow rate passes through the transducer member in the opposite direction.
가스 흐름은, 교란 성분만을 측정하는 적어도 하나의 변환기 부재에서 차단될 수 있다.The gas flow may be blocked at at least one transducer member that measures only disturbing components.
적어도 하나의 상기 변환기 부재는 다른 변환기 부재들과 동일 가스 성분 및 온도를 유지하도록, 적어도 하나의 상기 변환기 부재는 가스 흐름과 연결되는 것이 바람직하다.The at least one transducer member is preferably connected with a gas flow such that at least one transducer member maintains the same gas component and temperature as the other transducer members.
변환기 부재는 열풍력계 형태의 변환기로 구성되는 것이 바람직하다.The transducer member is preferably composed of a transducer in the form of a thermo-empirometer.
3. ADC의 양자화 노이즈에 의해 제한되는 낮은 유량에서 유량계의 분해능을 향상시키기 위하여, 다음과 같은 신호 처리 방법을 제안한다.3. In order to improve the resolution of flowmeter at low flow rate limited by quantization noise of ADC, the following signal processing method is proposed.
선택 1Choice 1
3.1) 차압 변환기의 출력 아날로그 신호는 주파수 f>1/Δt에서 고주파 성분을 가져야 한다. 여기서, Δt는 ADC 샘플링 속도이고, 이 고주파 성분의 진폭은 ADC의 1 양자화 단위를 초과하여야 한다.3.1) The output analog signal of the differential pressure transducer shall have a high frequency component at the frequency f> 1 / Δt. Where Δt is the ADC sampling rate and the amplitude of this high frequency component must exceed one quantization unit of the ADC.
3.2) 차압 변환기의 출력 아날로그 신호가 주파수 f>1/Δt에서 고주파 성분을 갖지 않고 진폭은 ADC의 1 양자화 단위를 초과한다면, 이러한 기준을 만족하는 인위적으로 생성된 진동 신호 또는 노이즈가 ADC에 의해 디지털화되기 전에 신호와 혼합되어야 한다.3.2) If the output analog signal of the differential pressure transducer does not have a high frequency component at frequency f> 1 / Δt and the amplitude exceeds one quantization unit of the ADC, then an artificially generated vibration signal or noise that meets this criterion is digitized by the ADC. Must be mixed with the signal before
3.3) 평균 출력 신호 전압은, 시간 τ=N·Δt (여기서, N>2) 중에 ADC 출력으로부터의 여러 샘플들의 산술적 평균에 의해 계산되고, ADC의 양자화 단위보다도 분해능이 우수해지게 된다.3.3) The average output signal voltage is calculated by the arithmetic mean of the various samples from the ADC output during the time τ = N · Δt (where N> 2), resulting in better resolution than the quantization unit of the ADC.
3.4) 3.3)에서의 평균 신호 전압에 상응하는 유량은 유량계의 검정 곡선으로부터 계산된다.3.4) The flow rate corresponding to the average signal voltage in 3.3) is calculated from the calibration curve of the flow meter.
선택 2.Choice 2.
3.1)과 3.2)에 전술한 바와 같은 차압 변환기의 출력 아날로그 신호는 다음과 같이 후속 처리될 수 있다.The output analog signal of the differential pressure converter as described above in 3.1) and 3.2) can be subsequently processed as follows.
3.5) 디지털화된 출력 신호 전압 샘플에 상응하는 유량은 유량계의 검정 곡선으로부터 계산된다.3.5) The flow rate corresponding to the digitized output signal voltage sample is calculated from the calibration curve of the flow meter.
3.6) 평균 유량은 시간 τ= N·Δt (여기서, N>2) 중에 계산된다.3.6) The average flow rate is calculated during the time τ = N · Δt (where N> 2).
본 발명의 총괄적인 측면에 의하면, ADC의 최소 양자화 값보다도 정밀도가 큰 수준의 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 사용하여, 아날로그 신호값을 평가하는 방법이 제공된다. 이 방법은According to the general aspect of the present invention, there is provided a method for evaluating an analog signal value using an analog-to-digital converter (ADC) having a level of precision greater than the minimum quantization value of the ADC. This way
0의 DC 성분, 실질적으로 균일하고 대칭인 진폭 분포 및 최소 양자화 값보다도 큰 피크에서 피크까지의(peak-to-peak) 진폭을 갖는 2차 신호를 아날로그 신호에 합산하는 단계,Summing a secondary signal having a DC component of zero, a substantially uniform and symmetrical amplitude distribution, and a peak-to-peak amplitude greater than the minimum quantization value, to the analog signal,
ADC의 디지털 출력값을 기록하고 저장하는 단계,Recording and storing the digital output of the ADC,
디지털 출력값의 정밀도보다 큰 정밀도를 갖는 평가된 고정밀도 디지털 값을 얻기 위하여, 샘플링 시간 동안에 기록된 디지털 출력값을 평균하는 단계를 포함한다.Averaging the digital output values recorded during the sampling time to obtain an evaluated high precision digital value having a precision greater than the precision of the digital output value.
2차 신호는 아날로그 신호를 증폭하기 위하여 사용된 증폭기 회로에서 생성된 노이즈에 의해 제공되고, 아날로그 신호는 가스 유량 변환기 신호 및 다른 형태의 신호일 수 있는 것이 바람직하다.The secondary signal is provided by noise generated in the amplifier circuit used to amplify the analog signal, which preferably is a gas flow transducer signal and other types of signals.
샘플링 시간은 아날로그 신호의 진폭에 따라 변화하는데, 낮은 진폭값에 대해서는 샘플링 시간이 길고 높은 진폭값에 대해서는 샘플링 시간이 짧은 것이 바람직하다.The sampling time changes depending on the amplitude of the analog signal. It is preferable that the sampling time is long for low amplitude values and the sampling time is short for high amplitude values.
4. 장치의 주파수 반응을 저하시키지 않으면서 유량계 또는 그 부재들의 진동 또는 충격으로 인한 기생 신호를 억제하기 위하여, 3.1)과 3.2)에 전술한 바와 같은 고주파 성분 조건의 차압 변환기의 출력 아날로그 신호는 다음과 같이 처리될 수 있다.4. In order to suppress parasitic signals caused by vibration or shock of the flow meter or its members without degrading the frequency response of the device, the output analog signal of the differential pressure transducer under high frequency component conditions as described in 3.1) and 3.2) is Can be treated as follows.
4.1) 유량계의 전 작동 범위는 적어도 두 개(바람직하게는 두 개 이상)의 비중첩 하위 범위로 분할될 수 있다. 하위 범위의 수는 이론적으로 ADC의 양자화 단위의 수까지이다. 띠라서, 각 하위 범위에 대하여 평균화 시간은 다를 수 있다.4.1) The entire operating range of the meter may be divided into at least two (preferably two or more) non-overlapping subranges. The number of subranges is theoretically up to the number of quantization units in the ADC. As such, the averaging time may vary for each subrange.
4.2) 전술한 3.3), 3.4) 또는 3.5)에 따라 유량이 측정되는 경우에, 평균화 시간은 낮은 유량의 하위 범위에서 높은 유량의 하위 범위까지 단조 감소하여야 한다.4.2) Where flow rates are measured in accordance with 3.3), 3.4) or 3.5) above, the averaging time shall be monotonically reduced from the lower range of the lower flow rate to the lower range of the higher flow rate.
본 발명의 총괄적인 측면에 의하면, 신호의 진폭을 측정하는 단계, 낮은 진폭값에 대해서는 길고 높은 진폭값에 대해서는 짧은 평균화 시간 τ를 진폭의 함수로 결정하는 단계, 여과된 출력 신호를 제공하기 위하여 상기 시간 동안의 진폭을 평균하는 단계를 포함하는 신호 여과 방법이 제공된다.According to a general aspect of the present invention, there is provided a method of measuring the amplitude of a signal, determining a long averaging time for low amplitude values and a short averaging time for high amplitude values as a function of amplitude, to provide a filtered output signal. A signal filtration method is provided that includes averaging the amplitude over time.
상기 함수는 계단 함수일 수 있다. 진폭이 미리 설정된 기준값 이상일 경우에, 여과된 출력 신호는 진폭의 순간값일 수 있다. 상기 측정 단계는 아날로그 가스 유량 변환기 신호를, 진폭을 제공하는 디지털 신호로 변환하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.The function may be a step function. If the amplitude is above a preset reference value, the filtered output signal may be an instantaneous value of amplitude. The measuring step preferably includes converting the analog gas flow transducer signal into a digital signal providing an amplitude.
5. 유량의 2차 함수에 가까운 차압을 생성하는 유동 저항성 부재를 포함하는 유량계의 일반적 형태의 검정 함수 F(V)를 발명하였다.5. Invented a calibration function F (V) of the general form of a flow meter that includes a flow resistant member that produces a differential pressure close to the secondary function of the flow rate.
여기서, N은 3 이상이고, 변수 αi> 1(바람직하게는, αi값은 2에 가까움), Ai는 특정 유량계에 대하여 가장 우수한 선형성이 나타나도록 실험적으로 결정되는 계수이다. 정확도를 높이기 위하여, 유량계의 전 작동 범위는 여러 개(적어도 두 개)의 하위 범위로 분할되고, 검정 함수는 동일한 방법으로 하위 범위 각각에 대하여 별도로 구한다.Where N is 3 or more, the variable α i > 1 (preferably, α i value is close to 2), and Ai is a coefficient experimentally determined to give the best linearity for a particular flow meter. To increase accuracy, the entire operating range of the flowmeter is divided into several (at least two) subranges, and the test function is calculated separately for each subrange in the same way.
본 발명의 총괄적인 측면에 의하면, 물리적 변수를 소정의 크기로 표현하는 검정된 출력 신호를 얻기 위하여 측정되는 물리적 변수에 대하여 비선형적인 변환기 출력 신호를 처리하는 방법이 제공된다. 이 방법은,According to a general aspect of the present invention, a method is provided for processing a non-linear transducer output signal for a measured physical variable to obtain a calibrated output signal representing the physical variable at a predetermined magnitude. This way,
변환기를 다수의 검정된 물리적 변수 조건으로 유지하는 단계,Maintaining the transducer under a plurality of validated physical variable conditions,
각 조건하에서 출력값을 기록하는 단계,Recording the output value under each condition,
V는 변환기 출력 신호이고, N은 3 이상이고, 변수 Ai는 기록된 값으로부터 결정되는 계수이고, αi는 실수일 때, 출력값을 물리적 변수에 관련시키는 비선형 함수에 대한 아래와 같이 표현되는 분석해(analytical solution)를 구하는 단계와,Where V is the transducer output signal, N is greater than or equal to 3, the variable A i is a coefficient determined from the recorded value, and α i is a real number, the analysis expressed as follows for the nonlinear function relating the output value to the physical variable obtaining analytical solution,
분석해를 사용하여 변환기 출력 신호에 대한 검정 출력 신호를 결정하는 단계를 포함한다.Using the analysis solution to determine a black output signal for the transducer output signal.
αi는 1보다 큰 것이 바람직하고, 정수가 아니어도 된다.It is preferable that (alpha) i is larger than 1, and it is not necessary to be an integer.
결정하는 단계는,The determining step is
상기 분석해를 사용하여 변환기 출력 신호의 가능한 각 값에 대하여 물리 변수값을 계산하는 단계,Using the analysis solution to calculate a physical variable value for each possible value of the transducer output signal,
디지털 출력값으로 색인된 물리 변수값의 표를 작성하는 단계,Creating a table of physical variable values indexed by digital outputs,
변환기 출력 신호를 디지털 출력값으로 변환하는 단계, 그리고Converting the converter output signal to a digital output value, and
디지털 출력값을 사용하여 표로부터 검정 출력 신호의 값을 구하는 단계를 포함한다.Obtaining the value of the black output signal from the table using the digital output value.
분석해는 기록된 각 값에 대하여 정확할 수 있고, 분석 함수는 하위 범위로분할될 수 있다.The analysis solution can be accurate for each value recorded and the analysis function can be divided into subranges.
변환기 출력 신호는, 2차 전달 함수를 갖는 가스 유량 신호로부터 유도될 수 있고, 가스 유량 변환기는 열풍력계 형태의 변환기 장치인 것이 바람직하다.The transducer output signal can be derived from a gas flow signal having a secondary transfer function, and the gas flow transducer is preferably a transducer device in the form of a thermo-windometer.
바람직한 실시예에서, 가스 수용기는, 유량 튜브 내에 설치되어 비대칭성 유동을 유발하는 격벽을 구비하고, 상류 오리피스 근방에서의 강조 압력이 유량 튜브의 상응하는 단면에서 감지된 압력보다도 보다 높은 상태이면서 하류 오리피스 근방에서의 강조 압력이 유량 튜브의 상응하는 단면에서 감지된 압력보다도 보다 낮은 상태인 유량 튜브 내의 비대칭성 유동을 유발한다. 예를 들면, 가스가 한 쌍의 변환기를 반대 방향으로 연속적으로 통과하도록 변환기를 서로 평행하게 배열함으로써,상류 오리피스로부터 가스 유량을 수용하는 열풍력계형 변환기를 사용하는 가스 유량계가 진동 또는 가속 면석성을 갖도록 제조된다. 이로 인한 변화기 신호는 진동 또는 가속의 효과가 제거되도록 처리된다. 변환기 출력은, ADC를 이용한 디지털 변환 전에 2차 신호를 주입하는 노이즈 증폭기에 의해 증폭된다. ADC의 최소 양자화 값보다도 큰 정밀도 수준을 갖는 샘플을 얻기 위하여, 디지털 신호는 샘플링 주기에 걸쳐서 평균화된다. 샘플링 주기는 낮은 진폭값에 대해서는 길고 높은 진폭값에 대해서는 짧도록, 변환기의 아날로그 신호 진폭의 함수로 샘플링 주기를 변화시킨다. 샘플링 주기의 변화는 신호 여과를 제공한다. 유량계는 비선형 반응을 나타내므로, 다수의 검정된 유량에서의 샘플을 기록하고 비선형 함수에 대한 분석해를 구하고, 분석해를 이용하여 모든 샘플값들에 대한 검정값들을 얻고, 작동 중에 샘플값에 상응하는 검정값을 대조함으로써, 유량을 표시하는 검정된 출력 신호가 얻어진다. 바람직한 실시예의 특징들을 총괄하여 간단히 설명하였으며, 이하에서는 각각의 특징들을 보다 자세히 설명하기로 한다.In a preferred embodiment, the gas receiver has a partition installed in the flow tube to cause an asymmetrical flow, the downstream orifice while the pressure pressure near the upstream orifice is higher than the pressure sensed in the corresponding cross section of the flow tube. The near pressure pressure results in an asymmetrical flow in the flow tube that is lower than the pressure sensed in the corresponding cross section of the flow tube. For example, by arranging the transducers parallel to each other such that the gas passes continuously through a pair of transducers in the opposite direction, a gas flow meter using a thermo-emergency transducer that receives the gas flow rate from the upstream orifice may produce vibration or acceleration It is manufactured to have. The resulting transducer signal is processed such that the effects of vibration or acceleration are eliminated. The converter output is amplified by a noise amplifier that injects a secondary signal before digital conversion using an ADC. To obtain a sample with a level of precision greater than the minimum quantization value of the ADC, the digital signal is averaged over the sampling period. The sampling period is varied as a function of the amplitude of the analog signal of the transducer so that the sampling period is long for low amplitudes and short for high amplitudes. Changes in the sampling period provide signal filtration. Since the flow meter exhibits a nonlinear response, it records samples at multiple tested flow rates, solves for the nonlinear function, uses the analysis solution to obtain test values for all sample values, and tests that correspond to the sample values during operation. By contrasting the values, a calibrated output signal representing the flow rate is obtained. The features of the preferred embodiments have been briefly described in general, and the following will describe each of the features in more detail.
본 발명은 가스 유량계에 적용할 수 있는 다양한 진보적 특징들을 개시한다. 이러한 특징들은 유량계의 특성을 향상시킨다. 아래에 설명된 발명들을 조합하여 실시하고 구현하면, 최대 효과의 향상를 달성할 수 있다.The present invention discloses various advanced features that can be applied to gas flow meters. These features improve the flowmeter's characteristics. The combination and implementation of the inventions described below can achieve the maximum effect.
<가스 유량을 차압으로 변환하기 위한 튜브><Tube for converting gas flow rate to differential pressure>
도 1은 GFR(1), 차압 변환기(2), 아날로그 전자 모듈(3) 및 ADC 모듈(4)을 포함하는 유량계의 개략도를 나타낸다. 본 발명의 가스 유량 수용기(GFR)의 유동 저항성 부재(5)는, 폐활량 측정과 같은 양방향 유량 측정에 있어서, GFR(1) 내부의 두 점 사이에서 측정된 전체적으로 낮은 배압과 국부적으로 높은 차압을 동시에 얻을 수 있도록 설계되어 있다. 국부적인 차압은 GFR(1) 내에 방해물(5)을 설치함으로써 생성되는데, 차압을 측정하고자 하는 GFR(1) 내의 두 지점 사이에서 두 지점을 연결하는 선의 중앙 지점에 가능하면 근접하도록 방해물을 설치한다. 어떤 경우에는, 방해물 또는 격벽이 중앙 지점에서 편향되도록 위치하는 것이 바람직할 수도 있다.1 shows a schematic diagram of a flow meter comprising a GFR 1, a differential pressure transducer 2, an analog electronic module 3 and an ADC module 4. The flow resistant member 5 of the gas flow receiver (GFR) of the present invention simultaneously measures the overall low back pressure and the locally high differential pressure measured between two points inside the GFR 1 in bidirectional flow measurement such as the spirometry. It is designed to be obtained. Local differential pressure is created by placing an obstruction 5 in the GFR 1, which places the obstruction as close as possible to the central point of the line connecting the two points between the two points in the GFR 1 for which the differential pressure is to be measured. . In some cases, it may be desirable to position the obstruction or partition to be deflected at a central point.
본 발명의 착상을 증명하기 위하여, 두 개의 실험적인 GFR을 제조하였다. 별 모양의 대칭성 격벽(7) 및 본 발명의 비대칭성 격벽(5) 각각을, 입구의 지름이 21mm, 중앙에서의 지름이 19mm이고 길이가 120mm인 동일 형상의 튜브의 중앙에 위치하도록 하였다(도 2와 도 3). 유동 저항성 부재의 형상은, 150Pa·s/l(폐활량 측정에 대한 ATS 표준에 의거)보다 작은 배압이 형성되도록 선택되었다. 별 모양 격벽(7)의 여섯 개의 빔(beam)은 폭이 각각 1mm이다. 이 격벽의 중앙 부위의 지름은 4mm이다. 비대칭 격벽(5)은 높이가 4mm인 원형 구획(circular segment)의 형상을 갖는다. 별 모양의 격벽(7)은 두께가 1mm이고, 구획형 격벽(5)은 두께가 0.1mm 내지 0.2mm이다.In order to demonstrate the idea of the present invention, two experimental GFRs were prepared. Each of the star-shaped symmetric bulkheads 7 and the asymmetric bulkheads 5 of the present invention was placed at the center of the same-shaped tube having an inlet diameter of 21 mm, a diameter of 19 mm and a length of 120 mm (Fig. 2 and 3). The shape of the flow resistant member was chosen such that a back pressure of less than 150 Pa · s / l (based on the ATS standard for spirometry) was formed. The six beams of the star-shaped bulkhead 7 are each 1 mm wide. The diameter of the central part of this bulkhead is 4 mm. The asymmetric partition 5 has the shape of a circular segment 4 mm in height. The star-shaped partition 7 has a thickness of 1 mm, and the partitioned partition 5 has a thickness of 0.1 mm to 0.2 mm.
각 GFR은 동일한 차압 변환기(2)에 연결되어 각각 검정되었다. 배압은 별도의 압력 감지기에 의하여 측정되었다. 부르딕(Burdick)사에서 생산한 "스파이로캘(SpiroCal)"이라 불리는 3 리터의 검정 시린지(syringe)를 사용하여, 실험 중의 가스 흐름을 생성하였다. 도 4는, 두 GFR에 대한 배압의 공기 유량 의존성을 나타낸다. 도 5는 압력의 함수로 비율 η= ΔP1/ΔP2를 나타내고, 여기서 ΔP1과 ΔP2는 각각 본 발명의 비대칭 격벽(5) 및 별 모양의 대칭 격벽(7)을 구비하는 GFR에 의해 형성된 차압이다. 본 발명의 GFR은 대칭 격벽(7)을 구비한 GFR보다도 낮은 배압 및 높은 차압을 생성한다.Each GFR was connected to the same differential pressure transducer 2 and tested separately. Back pressure was measured by a separate pressure sensor. Three-liter assay syringes, called "SpiroCal" from Burdick, were used to generate the gas flow during the experiment. 4 shows the air flow rate dependence of back pressure for two GFRs. FIG. 5 shows the ratio η = ΔP 1 / ΔP 2 as a function of pressure, where ΔP 1 and ΔP 2 are each formed by a GFR having an asymmetric bulkhead 5 and a star-shaped symmetric bulkhead 7 of the present invention. Foreclosure. The GFR of the present invention produces a lower back pressure and a higher differential pressure than a GFR having a symmetric partition 7.
튜브 단면에 걸친 가스 속도 분포에 대한 두 튜브의 감도를 조사하기 위하여, 다음과 같은 두 단계 실험을 행하였다. 제 1 단계에서는, 각 튜브(검정 후)를 시린지에 연결하였고, 피스톤의 행정에 의하여 가스가 여러 유량으로 대기로부터 튜브를 통하여 시린지로 유입되었다. 시간에 대한 유량 측정값을 합산하여 유입된 부피를 측정하였고, 시린지의 실제 부피와 비교하였다. 제 2 단계에서는, 각 튜브를 180°회전시켜 방향을 반전시켰으며, 튜브의 반대쪽을 시린지에 연결하여, 가스를 배출 피스톤 행정에 의해 배출시키는 것을 제외하고는 동일한 실험을 행하였다. 따라서, 튜브 내의 가스 흐름 방향은 동일하였으나, 연결부 및 그로 인한 유속 내의 가스 유량 속도 분포는 달랐다. 제 1 단계에서는 GFR의 입측이 무한한 부피의 대기 가스에 직접 연결되었으나, 제 2 단계에서는 GFR로 유입되는 가스 유속이 40mm 길이와 30mm 내경의 연결 튜브에 의해 형성되었다. 여러 평균 유량으로 "배출" 및 "유입"의 영역에서 실험적으로 측정하여 얻어진 시린지 부피의 실제값으로부터의 편차(%로 표현)를 도 6과 도 7에 나타내었다. 별 모양의 격벽(7)을 구비한 GFR에서는 방향 변화로 인하여 8.5%까지 측정된 부피의 차이가 발생하였고, 튜브의 단면에 걸친 가스 속도 분포에 대한 감도를 확인할 수 있다. 본 발명의 튜브의 경우에는, 이러한 차이가 1%를 넘지 않으며, 튜브 단면에 걸친 가스 속도 분포의 감도가 보다 낮다는 점을 실질적으로 나타낸다.To investigate the sensitivity of the two tubes to the gas velocity distribution across the tube cross section, the following two step experiments were conducted. In the first step, each tube (after test) was connected to a syringe, and gas was introduced into the syringe through the tube from the atmosphere at various flow rates by the stroke of the piston. The inflow volume was determined by summing the flow rate measurements over time and compared to the actual volume of the syringe. In the second step, each tube was rotated 180 ° to reverse the direction, and the same experiment was conducted except that the opposite side of the tube was connected to the syringe, and the gas was discharged by the discharge piston stroke. Thus, the gas flow direction in the tube was the same, but the gas flow rate distribution in the connection and the resulting flow rate was different. In the first stage, the entrance of the GFR was directly connected to an infinite volume of atmospheric gas, but in the second stage, the gas flow rate into the GFR was formed by a connection tube of 40 mm length and 30 mm inner diameter. The deviation (expressed in%) from the actual value of the syringe volume obtained experimentally measured in the region of "emission" and "inflow" at various average flow rates is shown in FIGS. 6 and 7. In the GFR equipped with the star-shaped partition wall 7, the volume difference measured up to 8.5% occurred due to the change of direction, and the sensitivity to the gas velocity distribution over the cross section of the tube can be confirmed. In the case of the tubes of the invention, this difference does not exceed 1%, indicating substantially that the sensitivity of the gas velocity distribution over the tube cross section is lower.
본 발명의 GFR은 별 모양의 대칭 격벽 또는 볏 모양의 유동 저항성 부재보다도 형상이 간단하다. 이로 인하여, 제조 공정을 단순화할 수 있고, 변환 특성의 재현성을 향상시킬 수 있다.The GFR of the present invention is simpler in shape than a star-shaped symmetric partition wall or crest-shaped flow resistant member. For this reason, a manufacturing process can be simplified and the reproducibility of a conversion characteristic can be improved.
전술한 실시예로 본 발명의 해결책의 장점을 확인할 수 있다. 한편, 본 발명에 의하면, 다른 형상의 비대칭성 유동 저항성 부재를 사용할 수도 있다. 높이가 3mm 및 5mm인 비대칭성 원형 구획 형상의 본 발명의 유동 저항성 부재를 포함하는 GFR도 테스트하였다. 실험 결과를 도 4와 도 5에 도시하였으며, 각각을 원과 삼각형 기호로 표시하였다. 이러한 변형예도 튜브의 단면에 걸친 가스 속도 분포의 감도가 낮다는 점을 또한 나타낸다.The above-described embodiment can confirm the advantages of the solution of the present invention. In addition, according to this invention, the asymmetric flow-resistant member of another shape can also be used. GFR including the flow resistant member of the present invention in the form of asymmetrical circular compartments of 3 mm and 5 mm in height was also tested. Experimental results are shown in FIGS. 4 and 5, and each is represented by a circle and a triangle symbol. This variant also shows that the sensitivity of the gas velocity distribution over the cross section of the tube is low.
원형 구획 방해물의 두께를 0.2mm에서 1.2mm로 증가시키면, GFR의 변환 특성에 현저한 변화가 일어난다. 배압과 국부적 차압의 관찰된 편차는 5%를 넘지 않았다.Increasing the thickness of the circular compartment obstruction from 0.2 mm to 1.2 mm results in a significant change in the conversion properties of the GFR. The observed deviations of back pressure and local differential pressure did not exceed 5%.
도 8과 도 9는 GFR의 가능한 설계를 몇 가지 나타내지만, 가능한 모든 GFR 형상을 나타낸 것은 아니다. GFR의 특별한 선택은, 주어진 용도와 제조 기술에 최적의 상태로 적합하도록 이루어져야 한다. 도 8에는, GFR(1) 내의 유동 저항성 부재(8, 9, 10)의 여러 단면들이 도시되어 있다. GFR(1)은 일정한 각도로 부착된 배관부(11)를 또한 포함할 수도 있다. 유동 저항성 부재로 사용되는 평면 격벽(12, 13, 14)의 정면도를 도 9에 나타내었다.8 and 9 show some possible designs of the GFR, but not all possible GFR shapes. Special choices of GFR should be made to best fit the given application and manufacturing technique. 8, various cross sections of the flow resistant members 8, 9, 10 in the GFR 1 are shown. GFR 1 may also include tubing 11 attached at an angle. 9 is a front view of the planar bulkheads 12, 13, and 14 used as the flow resistant member.
바람직한 실시예에서, 측정되는 흐름은 양방향성이다. 흐름이 일방향성인 경우에, 비대칭 격벽의 위치는 감지 튜브 오리피스들 사이의 중앙과는 다른 위치인 것이 바람직할 수도 있다.In a preferred embodiment, the flow measured is bidirectional. In the case where the flow is unidirectional, it may be desirable for the asymmetric bulkhead to be at a location different from the center between the sensing tube orifices.
<진동/가속에 대한 면역성을 구비한 차압 및 가스 유량 변환기><Differential pressure and gas flow transducer with immunity to vibration / acceleration>
도 10과 도 11은, 두 개의 유량 감지 부재(15)가 병렬(도 10) 및 직렬(도 11)로 연결되어 있는, 본 발명의 변환기의 두 가지 가능한 구성을 나타낸다. 두 경우에 있어서, 채널을 통과하는 가스는 반대 방향으로 유동 저항성 부재를 통과한다. 따라서, 두 유동 저항성 부재(15) 내의 가열기(17) 주위의 가열된 부피의 가스(16)(빗금 친 원으로 도시)는 반대 방향으로 또한 이동하여, 반전된 출력 신호 성분을 야기한다. 도 12에 도시한 바와 같이 가스 유량에 평행한 방향으로 가속될 경우는 가열된 부피의 가스(16)가 두 유동 저항성 부재(15)에 대하여 동일한 방향으로 이동하여, 두 감지기에 대하여 동일한 출력 신호의 증가를 일으킨다. 두 유동 저항성 부재(15)의 출력 신호 V감지기1및 V감지기2는, 하나의 신호에서 다른 하나를 감산하도록 전자 회로(3)에서 처리된다. 아래의 세 방정식으로 이러한 상황을 요약할 수 있다.10 and 11 show two possible configurations of the transducer of the present invention, in which two flow rate sensing members 15 are connected in parallel (FIG. 10) and in series (FIG. 11). In both cases, the gas passing through the channel passes through the flow resistant member in the opposite direction. Thus, the heated volume of gas 16 (shown by hatched circles) around the heater 17 in the two flow resistant members 15 also moves in the opposite direction, resulting in an inverted output signal component. As shown in FIG. 12, when accelerated in a direction parallel to the gas flow rate, the heated volume of gas 16 moves in the same direction with respect to the two flow resistive members 15, thereby producing the same output signal for both detectors. Causes an increase. The output signals V detector 1 and V detector 2 of the two flow resistive members 15 are processed in the electronic circuit 3 to subtract one from the other. The following three equations summarize this situation.
V감지기1= V유량+ V가속 V detector1 = V flow rate + V acceleration
V감지기2= - V유량+ V가속 V detector2 =-V flow rate + V acceleration
V감지기1- V감지기2= 2ㆍ V유량 V detector 1 -V detector 2 = 2, V flow rate
여기서, V유량및 V가속은 각각 가스 유량과 가해진 가속에 의해 발생한 감지기 출력 전압 성분이다.Where V flow rate and V acceleration are the sensor output voltage components generated by the gas flow rate and the applied acceleration, respectively.
두 개의 선형 유량 감지 부재(15)가 동일하다면, 변환기 전체의 가속에 대한 감도는 이론적으로 0까지 감소될 수 있다. 실제로는, 가속에 대한 면역성은 두 개의 감지기 부재(15)의 비동일성 및 감도의 검정에 의해 제한될 수 있다.If the two linear flow sensing members 15 are identical, the sensitivity to acceleration of the entire transducer can theoretically be reduced to zero. In practice, immunity to acceleration can be limited by the test of non-identity and sensitivity of the two sensor elements 15.
도 10과 도 11에 나타낸 구성의 선택은 특정 용도에 따라 달라진다. 직렬로 연결된 두 개의 유량 감지 부재(15)를 구비한 변환기는 단일 부재의 경우보다 유량 임피던스가 두 배 크고, 제 2 변환기(도 11)는 유량 임피던스가 두 배 작다.The choice of configuration shown in FIGS. 10 and 11 depends on the particular application. The transducer with two flow sensing elements 15 connected in series has twice the flow impedance than the single member, and the second transducer (Fig. 11) has twice the flow impedance.
발명의 개념을 실험적으로 증명하기 위하여, 플라스틱 호스로 직렬 연결된 두 개의 AWM2200 질량 유량 감지기(하니웰)를 기초로 하여 변환기 시제품을 조립하였다. 조립된 시제품의 성능을 단일 AWM2200 감지기와 비교하였다. 변환기의 전자 회로는 차압에 대한 감도가 동일하였다. 그 후, 두 장치는 중력장 내에서 회전되었다. 단일 AWM2200 감지기는 14mV/g의 가속에 대한 감도를 가지는 반면에, 본 발명의 변환기 시제품은 전자 회로의 분해능(1mV 미만) 내에서 동일 가속에 대하여 완전히 면역되어 있었다. 시험된 두 변환기는 가스 유량에 대한 감도가 동일하다.To experimentally demonstrate the inventive concept, a transducer prototype was assembled based on two AWM2200 mass flow detectors (Honeywell) connected in series with a plastic hose. The performance of the assembled prototype was compared with a single AWM2200 detector. The electronic circuit of the converter had the same sensitivity to differential pressure. After that, both devices were rotated in the gravitational field. The single AWM2200 detector had a sensitivity to acceleration of 14 mV / g, while the converter prototype of the present invention was fully immune to the same acceleration within the resolution of the electronic circuit (<1 mV). The two transducers tested have the same sensitivity to gas flow rate.
가속 면역성 변환기(2)의 본 발명의 구성은 다양한 방법으로 실현될 수 있다. 동일한 유량 감지 부재의 사용에 의해 가장 우수한 결과를 얻을 수 있다. 이러한 유량 감지 부재는 전술한 바와 같은 상용화된 감지기이거나 특별히 고안된 기능성 감지 부재이다.The configuration of the present invention of the accelerated immune converter 2 can be realized in various ways. The best results can be obtained by using the same flow sensing member. Such a flow sensing member is a commercially available detector as described above or a specially designed functional sensing member.
가능한 다른 구성 중에서, 세 개의 유량 감지 부재가 동일 평면 내에 배열되고, 삼각형 형태로 연결된 구성을 도 13에 나타내었다. 이 경우에, 각 유량 감지 부재의 출력 신호는 다음과 같다.Among other possible configurations, three flow sensing members are arranged in the same plane and connected in a triangular form is shown in FIG. 13. In this case, the output signal of each flow sensing member is as follows.
V감지기1= V유량+ V가속ㆍcos(60°- β)V detector 1 = V flow rate + V acceleration ㆍ cos (60 °-β)
V감지기2= V유량+ V가속ㆍcos(60°+ β)V sensor 2 = V flow rate + V acceleration ㆍ cos (60 ° + β)
V감지기3= - V유량- V가속ㆍcos( β)V sensor 3 =-V flow rate -V acceleration ㆍ cos (β)
여기서, β는 도 13에 도시한 바와 같이 가속의 유효 각도이다.Here, β is the effective angle of acceleration as shown in FIG.
세 개의 미지의 변수 V유량, V가속및 β를 갖는 세 개의 방정식의 이러한 시스템의 해를 구하여, 가속에 의해 유발되는 신호 성분의 영향을 제거할 수 있다.This system of three equations with three unknown variables V flow rate , V acceleration, and β can be solved to remove the influence of signal components caused by acceleration.
도 14는 두 개의 유량 감지 부재의 또 다른 가능한 조합을 나타낸다. 한쪽 단부가 주 가스 통로로 개방된 가스 통로(18)는 기준 감지기가 가스 흐름을 겪지 않으면서 동일한 가스 성분, 압력 및 온도에 노출될 수 있도록 한다. 가스 성분, 압력 및 온도 조건이 일정하면, 감지기 2는 통로(18)를 사용하지 않는 상태로 격리될 수도 있다. 이 경우에, 감지기 출력 신호 및 유량 신호의 획득을 요약하면 아래의 세 개의 방정식과 같다.14 shows another possible combination of two flow sensing members. The gas passage 18, with one end open to the main gas passage, allows the reference sensor to be exposed to the same gas component, pressure and temperature without undergoing gas flow. If the gas component, pressure and temperature conditions are constant, detector 2 may be isolated without using passage 18. In this case, summarizing the acquisition of the detector output signal and the flow signal, the following three equations are given.
감지기의 출력 신호는,The output signal of the sensor,
V감지기1= V유량+ V가속 V detector1 = V flow rate + V acceleration
V감지기2= V가속 V Detector2 = V Acceleration
V감지기1- V감지기2= V유량 V detector 1 -V detector 2 = V flow rate
따라서, 출력 신호의 처리는 신호의 가속 유도 성분을 제거할 수 있다.Thus, processing of the output signal can eliminate the acceleration inducing component of the signal.
다음과 같은 점에 주목하여야 한다.Note the following points:
전술한 가속 보상뿐만 아니라, 온도, 가스 성분 및 대기 압력의 변화에 대한 보상도 전형적으로 질량 유량 제어기에 사용된 여러 방법으로 구현될 수 있다. 한편, 본 발명의 가속 억제는 도 10, 도 11, 도 13 및 도 14에 도시한 특정 실시예와는 관계없이 유효하고, 가스 온도, 가스 조성 및 대기 압력의 가능한 보상 방법과는 독립적이다.In addition to the aforementioned acceleration compensation, compensation for changes in temperature, gas components and atmospheric pressure can also be implemented in a number of ways typically used in mass flow controllers. On the other hand, the acceleration suppression of the present invention is effective regardless of the specific embodiments shown in Figs. 10, 11, 13 and 14, and is independent of possible compensation methods of gas temperature, gas composition and atmospheric pressure.
<유량계 정확도 향상을 위한 신호 처리><Signal Processing to Improve Flowmeter Accuracy>
특별한 신호 처리에 의하여 낮은 유량에서 유량계의 분해능을 향상시키기 위한 본 발명의 방법(그렇지 않은 경우에, 고분해능 ADC를 사용할 수 없다면, ADC의 양자화 노이즈에 의하여 제한을 받음)은, 비선형 GFR(1)을 포함하는 상기 유량계 및 두 개의 플라스틱 호스(6)에 의해 GFR(1)에 연결된 하니웰사 제품의 질량 유량 감지기 AWM2200를 사용하여 실험적으로 검토되었다. 감지기 여기 및 신호 증폭은 제조사에서 추천한 회로에 의해 행해졌다. 낮은 유량에서 유량계 감도가 현저하게 감소하는 이유는 GFR(1)에 의해 생성된 유량에 대한 차압의 2차 함수에 가까운 의존성 때문이다. ADC(4)의 제한된 분해능은 검출 가능한 최소 유량을 제한한다. 동시에, 진동에 기인하는 기생 신호는 낮은 유량에서 유량계의 정확도를 저하시킬 만큼 충분하다. 일례로서, 도 15a는 공압 호스(6)에 고의로 진동을 가하였을 경우의 영향을 나타낸다. ADC(4)(+1mV 또는 -1mV에 상응하는 유량, ACD의 양자화 단위)에 의해 규정된 검출 가능한 최소 유량은 약 50ml/s임이 밝혀졌다(본 발명에 의한 신호 처리를 하지 않은 경우). 전술한 실시예에서, 전자 모듈은 전형적인 12 비트 ADC 4 (AD7890-4)를 포함하였다. 샘플링율 Δt가 2ms인 티지털 신호는 시각화, 저장 및 처리를 위하여 개인용 컴퓨터로 전송되었다.The method of the present invention for improving the flowmeter resolution at low flow rates by special signal processing (otherwise, if a high resolution ADC is not available, is limited by the quantization noise of the ADC), results in a nonlinear GFR (1). It was experimentally examined using a mass flow sensor AWM2200 from Honeywell, which was connected to GFR 1 by the flow meter and the two plastic hoses 6 including. Detector excitation and signal amplification were done by a circuit recommended by the manufacturer. The reason why the flowmeter sensitivity is significantly reduced at low flow rates is due to the close dependence of the differential function of the differential pressure on the flow rate produced by the GFR (1). The limited resolution of the ADC 4 limits the minimum detectable flow rate. At the same time, parasitic signals due to vibration are sufficient to degrade the flowmeter's accuracy at low flow rates. As an example, FIG. 15A shows the effect when the vibration is intentionally applied to the pneumatic hose 6. It has been found that the minimum detectable flow rate defined by ADC 4 (flow rate corresponding to +1 mV or -1 mV, quantization unit of ACD) is about 50 ml / s (if no signal processing according to the invention). In the above embodiment, the electronic module included a typical 12 bit ADC 4 (AD7890-4). A digital signal with a sampling rate Δt of 2ms was sent to a personal computer for visualization, storage and processing.
ATS 표준에 명시된, 여러 유량을 검출하기 위한 전자 모듈의 합리적이고 유용한 주파수 대역은 100Hz 내지 150Hz보다 클 필요는 없다. 본 발명(3.2에서 전술한 바 있음)에 의하여 아날로그 출력 신호의 고주파 노이즈 성분을 인위적으로 증가시키기 위하여, 전자 모듈의 주파수 대역을 의도적으로 10kHz까지 증가시켰다. 회로의 작동 증폭기의 화이트 노이즈(white noise)에 가까운 노이즈에 의해 결정된, 아날로그 출력 신호의 증가된 고주파 노이즈 성분은 ADC(4)의 3 양자화 단위와 동일한 약 3mV의 진폭을 갖는다. 이러한 부가 노이즈를 도 15a에 나타내었다. 장치의 개략적인 블록 도표를 도 16에 나타내었다. 실험적으로 검토된 상기 실시예에서, 부가 노이즈는 아날로그 회로 모듈 내에서 생성된다.The rational and useful frequency band of the electronic module for detecting different flow rates, specified in the ATS standard, need not be greater than 100 Hz to 150 Hz. In order to artificially increase the high frequency noise component of the analog output signal by the present invention (described above in 3.2), the frequency band of the electronic module is intentionally increased to 10 kHz. The increased high frequency noise component of the analog output signal, determined by the noise close to the white noise of the circuit's operational amplifier, has an amplitude of about 3 mV equal to the three quantization units of the ADC 4. Such additional noise is shown in Fig. 15A. A schematic block diagram of the device is shown in FIG. 16. In this embodiment examined experimentally, additional noise is generated in the analog circuit module.
마이크로프로세서 기반 모듈 내의 신호 처리를 설명하는 흐름도가 도 17과 도 18에 나타나 있다. 유량계의 동적 특성을 저하시키지 않으면서 호스(6)의 진동에 의한 신호를 억제하기 위해서는, 다음과 같은 여과 변수가 사용된다. 유량계의 작동 유량 범위는 네 개의 하위 범위로 분할된다.Flowcharts illustrating signal processing in a microprocessor based module are shown in FIGS. 17 and 18. In order to suppress the signal caused by the vibration of the hose 6 without degrading the dynamic characteristics of the flowmeter, the following filtration parameters are used. The working flow range of the flowmeter is divided into four subranges.
0 ≤ 유량 ≤ 0.5 l/s0 ≤ flow rate ≤ 0.5 l / s
0.5 l/s ≤ 유량 ≤ 1 l/s0.5 l / s ≤ flow rate ≤ 1 l / s
1 l/s ≤ 유량 ≤ 2 l/s1 l / s ≤ flow rate ≤ 2 l / s
2 l/s ≤ 유량 ≤ 15 l/s2 l / s ≤ flow rate ≤ 15 l / s
평균화 시간 τ을, 제 1 하위 범위에 대해서는 72ms(N1=36), 제 2 하위 범위에 대해서는 30ms(N2=15), 제 3 하위 범위에 대해서는 12ms(N3=6), 제 4 하위 범위에 대해서는 6ms(N4=3)으로 선택하였다. 바람직한 제 1 실시예(도 17)에 의하여, 변환기의 아날로그 전압 출력이 ADC에 의해 디지털 형식으로 전환된 후에, 유량계의 검정 곡선으로부터 상응하는 유량을 찾아낸다. 유량 표시값을 버퍼에 저장하여 적어도 마지막 Ni표시값이 버퍼 내에 있도록 한다. 현재의 유량이 네 개의 하위 범위의 어디에 속하는 지를 분석한다. 분석 결과에 따라, 현재의 유량이 하위 범위 i(i=1…4)에 속하면, 버퍼 내에 저장된 마지막 Ni표시값을 이용하여 유량을 평균화한다.The averaging time τ is 72 ms (N 1 = 36) for the first subrange, 30 ms (N 2 = 15) for the second subrange, 12 ms (N 3 = 6) for the third subrange, and fourth subrange. For the range, 6 ms (N 4 = 3) was selected. According to the first preferred embodiment (FIG. 17), after the analog voltage output of the converter is converted to digital form by the ADC, the corresponding flow rate is found from the calibration curve of the flow meter. Store the flow rate reading in the buffer so that at least the last N i reading is in the buffer. Analyze where the current flow falls in the four subranges. According to the analysis result, if the current flow rate falls in the lower range i (i = 1 ... 4), the flow rate is averaged using the last N i displayed value stored in the buffer.
설명한 신호 처리의 효과를 도 15b에 나타내었다. 신호의 평균화는 유량 분해능을 50m/s에서 약 5ml/s로 향상시킨다. 진동에 의해 생성된 신호의 억제 인자는 약 7 내지 8이다.The effect of the signal processing described is shown in Fig. 15B. Averaging the signal improves the flow rate resolution from 50 m / s to about 5 ml / s. The suppression factor of the signal generated by vibration is about 7-8.
또 다른 가능한 여과 과정을 도 18에 나타내었다. 이 신호 처리와 전술한 신호 처리의 차이는 다음과 같다.Another possible filtration process is shown in FIG. 18. The difference between this signal processing and the above-described signal processing is as follows.
- 네 개의 하위 범위는 전압(유량이 아님)으로 정의된다.Four sub-ranges are defined as voltages (not flow rates).
- 디지털 형식으로 변환된 전압으로 평균화한다.-Averaged to voltage converted to digital format.
- 평균 전압에 상응하는 유량은 유량계의 검정 곡선으로부터 구한다.The flow rate corresponding to the average voltage is obtained from the calibration curve of the flow meter.
전술한 여과 과정은 낮은 유량에서는 매우 중요하지만, 높은 유량에서는 대략 유량의 제곱에 비례하는 급격한 신호의 증가 때문에 불필요할 수 있다. 예를 들면, 유량이 50ml/s에서 2l/s로 증가하면 신호는 1600=40²의 인자만큼 증가하는데, 이는 진동에 기인하는 통상의 기생 신호보다도 높은 1 차수 크기 이상이다. 반면에, 유량계의 고주파 반응은 주로 높은 유량(예를 들면, 폐활량 측정)에서 필요하고, 긴 평균화 시간 τ에 의해 저하된다. 따라서, 높은 유량에서 평균화 시간이 낮은 여러 하위 범위의 사용은, 중간 및 높은 유량에서 만족할 만한 반응 속도를 유지한다. 도 19는 "스파이로캘" 3 리터 시린지에 의해 생성된 유량 충격에 대한 유량계의 반응을 나타낸다. 높은 유량에서는, 여과된 신호(b)는 여과되지 않은 신호(a)와 동일한 형태를 갖는다. 강하 시간(fall time)은 10ms 미만인 것으로 평가된다. 낮은 유량에서의 여과 효과는, 피스톤이 시린지 바닥과 충돌하여 생성되는 진동 음향 신호의 효과적인 억제에 의한 것으로 생각할 수 있다.The filtration process described above is very important at low flow rates, but may be unnecessary at high flow rates due to the rapid increase in signal approximately proportional to the square of the flow rate. For example, as the flow rate increases from 50 ml / s to 2 l / s, the signal increases by a factor of 1600 = 40 < 2 >, which is above the order of magnitude higher than the usual parasitic signal due to vibration. On the other hand, the high frequency response of the flowmeter is mainly necessary at high flow rates (e.g., spirometry) and is degraded by the long averaging time τ. Thus, the use of several subranges with low averaging times at high flow rates maintains satisfactory reaction rates at medium and high flow rates. FIG. 19 shows the flowmeter's response to the flow shock generated by the “Spy Locale” 3 liter syringe. At high flow rates, the filtered signal b has the same shape as the unfiltered signal a. The fall time is estimated to be less than 10 ms. The filtration effect at low flow rates can be considered to be due to the effective suppression of the vibrational acoustic signals generated by the piston impacting the bottom of the syringe.
이러한 여과 방법의 변수들, 예를 들면 유량 하위 범위의 수, 평균화 시간 및 아날로그 신호 노이즈 성분의 진폭은, 특정 용도를 위하여 유량계의 작동을 최적화하도록 선택될 수 있다. 이러한 선택으로 귀착되는 조사된 물리적 공정 변수들은, 유량계의 필요한 주파수 반응과 유량 작동 범위 및 억제된 기생 신호의 강도와 주파수 범위이다.The parameters of this filtration method, such as the number of flow rate subranges, the averaging time and the amplitude of the analog signal noise component, can be selected to optimize the operation of the flow meter for a particular application. The irradiated physical process parameters that result in this choice are the required frequency response and flow operating range of the flow meter and the strength and frequency range of the suppressed parasitic signal.
<유량계 선형화 방법><Flowmeter linearization method>
전형적으로 유량계의 검정은 다음과 같은 단계를 포함한다.Typically the calibration of the flow meter includes the following steps.
- 여러 기준 유량에서 유량계 출력 전압을 측정.-Measure the flow meter output voltage at multiple reference flows.
- 유량계의 실제 검정 곡선을 추세화(fitting)하는 분석 함수의 계산.Calculation of the analytical function that fits the actual calibration curve of the flow meter.
- 분석 함수를 다음과 같이 저장.Save analytic function as
- 유량에 상응하는 모든 가능한 ADC 표시값을 명확히 나타내는 표.-Clearly showing all possible ADC readings corresponding to flow rate.
- 유량계 작동 중에 각 ADC 표시값에 대한 유량을 계산하도록 하는 분석 함수의 변수들.Variables in the analytic function to calculate the flow rate for each ADC reading during flow meter operation.
통상, 여러 기준 유량에서 유량계를 검정하기 위하여, 고정밀도의 유량 생성기를 사용한다. 이러한 기준 유량의 수는 10 내지 20을 넘지 않아야 한다. 그렇지 않으면, 검정 과정이 너무 길어진다. 반면에, 전형적으로 유량계에 사용되는 12 비트 ADC조차도 장치의 작동 범위 내의 4096 전압 수준을 측정한다. 따라서, 유량계의 실제 검정 곡선을 정확히 추세화하고 모든 가능한 ADC 표시값에 상응하는 유량을 결정할 수 있도록 하는 분석 함수를 찾아내는 일은 매우 중요하다. 곡선 추세화 방법은 공지되어 있으므로 여기에서는 검토하지 않는다.Typically, a high precision flow rate generator is used to calibrate the flowmeter at various reference flow rates. The number of such reference flows should not exceed 10-20. Otherwise, the test process is too long. On the other hand, even the 12-bit ADCs typically used in flow meters measure 4096 voltage levels within the device's operating range. Therefore, it is very important to find an analytical function that allows you to accurately trend the flow meter's actual calibration curve and determine the flow rate corresponding to all possible ADC readings. Curve trending methods are well known and are not discussed here.
전술한 유량계를 최적으로 추세화하는 분석 함수 F(V)의 형태를 개시하면 다음과 같다.The form of the analysis function F (V) which optimally trends the flowmeter mentioned above is shown as follows.
여기서, V는 유량계의 출력 전압이고, N은 3 이상이고, Ai는 실험적으로 결정된 계수이고, αi는 전형적으로 1 보다 큰 실수(정수일 필요는 없음)이다.Where V is the output voltage of the flow meter, N is at least 3, A i is an experimentally determined coefficient, and α i is typically a real number (not necessarily an integer) greater than one.
본 발명의 선형화 방법을 검증하기 위하여, 유량계 시제품을 사용하였다. 이 유량계는, 길이가 120mm, 입측 내경이 21mm, 중앙에서의 내경이 19mm인 튜브를 포함하는 전술한 GFR(1)을 기초로 한다. 높이가 4mm(도 3)인 원형 구획의 형상을 갖는 비대칭성 평면 격벽(5)을 유동 저항성 부재로 사용하였다. 두께가 0.2mm인 이 격벽은 튜브의 중앙에 위치되어 있고, 유량의 제곱에 가까운 차압(2차 전달 함수)을 생성한다. 유량에 의해 유발되는 차압을 측정하기 위하여, 질량 유량 감지기 AWM2200(하니웰)를 두 개의 플라스틱 호스(6)로 GFR(1)에 연결하였다. 유량계는 ±10V의 범위에서 작동하는 12 비트 ADC AD7890-10을 또한 포함하였다.In order to verify the linearization method of the present invention, a flowmeter prototype was used. This flow meter is based on the above-described GFR 1 which includes a tube having a length of 120 mm, a mouth side inner diameter of 21 mm, and a center diameter of 19 mm. An asymmetric planar partition 5 having the shape of a circular section 4 mm in height (FIG. 3) was used as the flow resistant member. This partition, 0.2 mm thick, is located in the center of the tube and produces a differential pressure (secondary transfer function) close to the square of the flow rate. In order to measure the differential pressure caused by the flow rate, the mass flow sensor AWM2200 (Honeywell) was connected to the GFR 1 with two plastic hoses 6. The flowmeter also included a 12-bit ADC AD7890-10 operating in the range of ± 10V.
본 발명에 의하여, 유량계의 작동 유량 범위를 두 개의 하위 범위, 즉 0l/s 내지 2l/s 및 2l/s 내지 15l/s로 분할하였다. 검정 곡선 F(V)의 계수 Ai는 N=5 및 αi=2에 대하여 구하였다. 두 개의 하위 범위에 대하여 각각 정의된 두 개의 함수를 도 20에 도시하였다. 검정 후에, 검정 곡선을 표의 형태로 컴퓨터 파일로 저장하였다.According to the present invention, the operating flow rate range of the flowmeter was divided into two subranges, 0l / s to 2l / s and 2l / s to 15l / s. The coefficient A i of the calibration curve F (V) was obtained for N = 5 and α i = 2. Two functions, each defined for two subranges, are shown in FIG. 20. After the assay, the calibration curve was saved in a computer file in the form of a table.
유량계의 정확도를 검증하기 위하여, GFR을 "스파이로캘" 3 리터 검정 시린지에 연결하였다. 그 후, 피스톤 행정에 의해 여러 유량으로 공기를 시린지에 유입 및 배출시켰다. 배출 및 유입된 공기 부피를 유량계로 측정하여 시린지의 실제 부피와 비교하였다. 도 7에 도시한 이 두 부피(%로 표시)의 차이는 2%를 초과하지 않았다. 이로 인하여 유량계의 정확도는 2% 이내 또는 그 보다는 우수함을 확인할 수있었고, 폐활량 측정을 위한 ATS 표준에 명시된 요구 조건을 충분히 만족하였다.In order to verify the accuracy of the flow meter, the GFR was connected to a "spiro-local" 3 liter assay syringe. Thereafter, air was introduced and discharged into the syringe at various flow rates by the piston stroke. The discharged and introduced air volume was measured with a flow meter and compared with the actual volume of the syringe. The difference between these two volumes (in%) shown in FIG. 7 did not exceed 2%. As a result, the accuracy of the flowmeter was confirmed to be less than or better than 2%, and satisfies the requirements specified in the ATS standard for measuring spirometry.
실제로는, 변수 N과 αi의 선택은 용도에 따라 여기서 설명한 실시예에서의 선택과 다를 수 있다. 예를 들면, N=6일 경우에 계수 Ai를 찾는 연산이 보다 복잡하기는 하나, 선형화 과정을 검증한 결과는 성공적이었다.In practice, the selection of the variables N and α i may differ from the selection in the embodiments described herein depending on the application. For example, when N = 6, the operation to find the coefficient A i is more complicated, but the linearization process is successful.
계산된 검정 곡선을 유량계의 실제 유량 반응으로 보다 적합하게 추세화하기 위하여, 변수 αi를 선택할 수 있다. 낮은 유량에서는, 총합:의 제 1 부재가 주된 기여을 한다. 이 방정식을 변환하여,을 얻는다. 이 경우에, 변수 α1은 낮은 유량에서의 유량에서 출력 전압으로의 변환을 규정하고, 주로 GFR(1)의 구조에 의존한다. 통상, 격벽 형태의 유동 저항성 부재(5)를 구비하는 GFR(1)은 유량의 제곱에 가까운 상태로 변화(2차 전달 함수)하는 차압을 생성한다. 이러한 형태의 GFR(1)에 대해서는, α1= 2 가 검정 곡선을 합리적으로 근사시킨다. 그럼에도 불구하고, 변수 αi(1<i<N)뿐만 아니라 변수 α1의 값 2 로부의 약간의 편차는 본 발명의 선형화 방법에 또한 포함된다.To better trend the calculated calibration curve to the actual flow rate response of the flow meter, the variable α i can be selected. At low flow rates, the sum: The first member of makes a major contribution. By converting this equation, Get In this case, the variable α 1 defines the conversion of the flow rate at the low flow rate to the output voltage, and mainly depends on the structure of the GFR 1. Typically, the GFR 1 with the flow resistant member 5 in the form of a partition creates a differential pressure that changes (secondary transfer function) to a state close to the square of the flow rate. For this type of GFR (1), α 1 = 2 reasonably approximates the calibration curve. Nevertheless, slight deviations of the value 2 low value of the variable α 1 as well as the variable α i (1 <i <N) are also included in the linearization method of the present invention.
정확도의 요건 및 유량 작동 범위에 따라, 하위 범위의 수는 1부터 2 이상의 수까지 변화활 수 있다. 이러한 선택은 특정 용도에 따른다.Depending on the requirements of accuracy and the flow rate operating range, the number of subranges can vary from one to two or more. This choice depends on the particular application.
전술한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 차압/배압 비율을 향상시켜 GFR의 유효성을 증가시키고, GFR의 형상을 단순화하여 재현성과 제조성을 향상시킬 수 있다. 또한, 진동이나 충격에 대한 면역성 및 낮은 유량에서의 분해능이 향상된 유량계를 제공할 수 있다.As described above, according to the present invention, it is possible to improve the differential pressure / back pressure ratio to increase the effectiveness of the GFR, and to simplify the shape of the GFR to improve reproducibility and manufacturability. In addition, it is possible to provide a flowmeter with improved immunity to vibration or shock and resolution at low flow rates.
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