KR20030048113A - 물질의 밀도가 유량에 허용할 수 없는 오차를 야기하는경우 물질의 질량 유량을 보정하기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

물질의 밀도가 유량에 허용할 수 없는 오차를 야기하는경우 물질의 질량 유량을 보정하기 위한 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 진동 도관을 통해 유동하는 물질의 밀도 보정된 유량을 결정하기 위한 방법 및 장치를 개시한다. 진동 도관(103A, 103B)에 부착된 센서(105, 105')로부터 신호들을 수신한다. 수신된 신호들로부터, 상기 물질의 미보정된 유량 및 밀도를 계산한다. 이후, 계산된 밀도를 임계 밀도와 비교한다. 계산된 밀도가 임계 밀도를 초과한다면, 유량 오차 데이터와 밀도를 연관시키는, N이 1보다 큰 2원 N차 다항식에 상기 계산된 밀도와 상기 미보정된 유량을 삽입함으로써 밀도 보정 인자가 결정된다. 계산된 밀도가 임계 밀도를 초과하지 않는다면, 유량 오차 데이타와 밀도를 연관시키는 선형 방정식에 상기 계산된 밀도와 상기 미보정된 유량을 삽입함으로써 밀도 보정 인자가 결정된다. 이후, 밀도 보정된 유량이 결정된다.

Description

물질의 밀도가 유량에 허용할 수 없는 오차를 야기하는 경우 물질의 질량 유량을 보정하기 위한 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR COMPENSATING MASS FLOW RATE OF A MATERIAL WHEN THE DENSITY OF THE MATERIAL CAUSES AN UNACCEPTABLE ERROR IN FLOW RATE}
J.E.Smith 등에 허여된 미국특허 제 4,491,025호(1985.1.1) 및 J.E.Smith에 허여된 재발행 미국특허 제 31,450호(1982.2.11)에 개시된 바와 같이, 파이프라인을 통해 유동하는 물질의 질량 유량 및 기타 다른 정보를 측정하기 위해 코리올리 효과 질량 유량계를 사용하는 것이 공지되어 있다. 이러한 유량계는 하나 이상의 곡선형의 흐름관을 구비한다. 코리올리 질량 유량계 내에서 각각의 흐름관 구조물은 일련의 고유 진동 모드를 가지는데, 이러한 고유 진동 모드는 단순 굽힘형, 비틀림형, 방사형 또는 결합형 모드일 수 있다. 각각의 흐름관은 이들 고유 진동 모드들 중 하나의 공진으로 요동되도록 구동된다. 물질이 충진된 진동 시스템의 고유 진동 모드는 흐름관과 흐름관 내부의 물질의 결합 질량으로 나누어서 형성된다. 흐름관의 입구측 상에 연결된 파이프라인으로부터 유량계 안으로 물질이 유동한다. 이후, 이 물지은 흐름관(또는 복수의 흐름관)을 통해 인도되어, 출구측 상에 연결된 파이프라인으로 흐름관을 빠져 나간다.
이 흐름관에는 구동기에 의해 힘이 인가된다. 이러한 힘은 흐름관을 요동시킨다. 유량계를 통과하는 물질이 없는 경우에, 흐름관을 따라 위치하는 모든 포인트들은 동일한 위상으로 요동한다. 물질이 흐름관을 통해 유동하기 시작함에 따라, 코리올리 가속도에 의해 흐름관을 따라 위치하는 각각의 포인트가 흐름관을 따라 위치하는 다른 포인트에 대해 상이한 위상을 가진다. 흐름관의 입구측 상의 위상은 구동기에 지체되는 반면, 출구측 상의 위상은 구동기에 앞서간다. 흐름관 상의 2개의 상이한 포인트들에는 센서가 위치해서, 2개의 포인트들에서 흐름관의 움직임을 나타내는 사인 신호(sinusoidal signals)들을 발생시킨다. 센서로부터 수신되는 2개의 신호의 위상차(phase difference)는 시간의 단위로 계산된다.
2개의 센서의 신호 사이의 위상차는 흐름관(또는 흐름관들)을 통해 유동하는 물질의 질량 유량에 비례한다. 물질의 질량 유량은 이러한 위상차를 흐름 교정율(flow calibration factor)에 승산(multiplying)함으로써 결정된다. 이러한 흐름 교정율은 물질 상태량(properties)과 흐름관의 횡단면의 특성에 의해 결정된다.
물질의 상태량이 코리올리 유량계에 의해 측정되는 질량 유량에 변화를 초래할 수도 있다는 문제점이 있다. 측정된 질량 유량에 변화를 초래하는 물질의 일부 상태량은 밀도, 온도, 압력 및 점도를 포함한다. 대부분의 경우에 있어서, 코리올리 유량계는 이들 상태량에 의해 야기되는 오차들을 감지할 수 없도록 구성되어 있다. 다른 일부의 경우, 이들 상태량에 의해 야기된 측정된 질량 유량에 있어서의 오차를 계측 전자장치가 보정한다. 예컨대, 계측 전자장치는 통상 물질의 온도 및 압력에 의해 야기된 오차를 보정한다.
물질의 상태량에 의해 야기된 오차가 정상 작동 상태 하에서 미미하고 유량의 오차가 교정되지 않는 경우가 종종 있다. 그러나, 물질의 상태량이 어떤 임계값을 초과한 후 허용할 수 없는 오차를 야기시킬 수도 있다. 예컨대, 물질의 밀도는 최대의 유량계의 유량에 최대 밀도에서 영향을 주지 않는다. 그러나, 낮은 유량의 코리올리 유량계에서, 물질의 밀도는 어떤 임계값 후에 물질의 측정된 유량에 변화를 초래한다. 본 논의를 위해, 낮은 유량은 5 lbs./minute 미만이다. 현재로서는, 이들 오차들을 야기시키는 것이 알려져 있지 않다.
따라서, 측정된 물질의 밀도가 임계값을 초과하는 경우를 결정하고, 밀도에 의해 야기된 유량에 있어서의 오차를 보정하는 것이 바람직하다.
본 발명은 코리올리 유량계를 통해 유동하는 물질의 질량 유량을 계산하는 것에 관한 것이다. 보다 상세하게, 본 발명은 측정하려는 물질의 밀도에 의해 야기되는 유량에 있어서의 오차를 위해 측정된 유량을 보정하는 것에 관한 것이다. 보다 더 상세하게, 본 발명은 물질의 밀도가 질량 유량 내에 허용할 수 없는 오차를 야기하는 경우를 결정하고, 밀도에 의해 유량에 있어서의 오차를 보정하는 것에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 방법 및 장치를 구체화한 코리올리 유량계를 도시한 도면이다.
도 2는 밀도를 변화시키기 위해 유량과 비교한 오차율을 나타내는 챠트를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따라 밀도에 의해 야기된 오차에 대해 유량을 보정하기 위한 방법의 제 1 실시예를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따라 밀도에 의해 야기된 오차에 대해 유량을 보정하기 위한 방법의 제 2 실시예를 나타내는 도면이다.
도 5는 프로세서를 도시한 도면이다.
코리올리 유량계에서 밀도에 의해 야기된 측정된 질량 유량의 오차를 보정하기 위한 장치 및 방법을 제공함으로써, 상술한 문제점 및 다른 문제점들을 해결하고, 당해 기술 분야에 있어서의 개량이 이루어진다. 본 발명의 첫번째 장점은 밀도에 기인한 측정된 유량내의 오차들이 보정된다. 본 발명의 두번째 장점은, 측정된 데이타를 보다 정밀하게 적합시키는 비선형 방정식(non-linear equation)을 보정 인자를 결정하는데 사용할 때, 보정이 다른 시스템에 비해 보다 정확하다는 것이다. 본 발명의 세번째 장점은, 밀도가 어떤 임계값을 초과한 후에만 보정이 실행될 수 있다는 것이며, 여기서 밀도에 의해 야기된 오차는 허용할 수 없는 레벨이다. 이로 인해, 정확한 유량을 제공하는데 필요한 계산의 양이 감소된다.
본 발명에 따라 밀도가 보정되는 질량 유량의 결정은 다음의 방법으로 실행된다. 먼저, 코리올리 유량계내의 진동 도관을 통해 물질이 유동한다. 이 도관은 진동하고, 도관에 부착된 센서는 도관의 운동을 나타내는 신호들을 발생시킨다. 진동 도관에 부착된 센서로부터의 신호들은 계측 전자장치에 수신된다. 이후, 수신된 신호들로부터 계측 전자장치에 의해 물질의 미보정된 유량(uncompensated flow rate)이 계산된다. 그리고 나서, 유량의 오차와 밀도를 연관시키는 비선형 정보와 미보정된 유량을 사용하여 밀도 보정 인자가 결정된다. 이후, 미보정된 유량에 밀도 보정 인자를 적용함으로써 밀도 보정된 유량이 발생된다.
본 발명에 따르면, 계측 전자장치는 센서로부터 수신된 신호들로부터 물질의 밀도를 계산할 수 있다. 이렇게 계산된 밀도는 이후 임계값과 비교될 수 있어서, 밀도가 임계값을 초과하는가를 결정한다. 밀도가 임계값을 초과한다면, 밀도 보정된 유량이 발생된다. 밀도가 임계값을 초과하지 않는다면, 미보정된 유량이 출력된다.
다른 실시예에 있어서, 밀도가 임계값을 초과하지 않는다면, 물질의 밀도와질량 유량의 오차를 연관시키는 선형 정보와, 미보정된 유량을 사용하여, 선형 밀도 보정 인자가 계산될 수 있다. 상기 선형 밀도 보정을 상기 비보정 질량 유량에 적용함으로써 보정된 유량이 계산될 수 있다.
본 발명에 따르면, 밀도 보정 인자는, 유량과 밀도를 연관시키는 N차 다항식에 미보정된 유량을 삽입함으로써 결정될 수 있는데, 여기서 N은 1보다 크다. N차 다항식은 측정된 질량 유량에서의 오차율에 밀도를 커브 피팅(curve fitting) 한 것이다. 유량의 오차에 밀도의 N차 커브 피팅을 실행시킴으로써 다항식이 발생될 수도 있는데, 여기서 N은 1보다 크다.
본 발명의 하나의 양상은 진동 도관을 통해 유동하는 물질의 밀도 보정된 유량을 결정하기 위한 방법에 관한 것이며, 이러한 방법은 상기 진동 도관에 부착된 센서로부터 신호들을 수신하는 단계와, 상기 신호들로부터 상기 물질의 미보정된 유량을 계산하는 단계와, 유량의 오차와 밀도를 연관시키는 비선형 정보와 상기 미보정된 유량으로부터 밀도 보정 인자를 결정하는 단계와, 상기 미보정된 유량에 상기 밀도 보정 인자를 적용함으로써 상기 밀도 보정된 유량을 발생시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 양상에서, 상기 신호들로부터 상기 물질의 밀도를 계산하는 단계와, 상기 밀도가 임계값을 초과하는지를 결정하는 단계와, 그리고 상기 임계값을 초과하는 상기 밀도에 응답해서 상기 밀도 보정된 유량을 발생시키는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 다른 양상에서, 상기 임계값은 1.030의 의사 밀도이다.
본 발명의 다른 양상에서, 상기 도관은 직경이 0.130이다.
본 발명의 다른 양상에서, 상기 임계값을 초과하지 않는 상기 밀도에 응답해서, 상기 물질의 밀도와 상기 미보정된 유량의 오차를 연관시키는 선형 정보와 상기 미보정된 유량으로부터 선형 밀도 보정 인자를 결정하는 단계와; 그리고 상기 미보정된 유량에 상기 선형 밀도 보정 인자를 적용함으로써 상기 보정된 유량을 발생시키는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 다른 양상에서, 상기 밀도 보정 인자를 결정하는 단계는, 유량 오차 데이타와 밀도를 연관시키는, N이 1 이상인 N차 다항식에 상기 미보정된 유량을 삽입하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 양상에서, 상기 N차 다항식을 결정하기 위해, 유량 오차 데이타에, N이 1보다 큰 상기 밀도의 N차 커브 피팅을 실행하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 다른 양상에서, 상기 N차 커브 피팅을 실행하는 단계는, 최소 제곱 커브 피팅(least square curve fitting)을 실행하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 양상에서, N이 4이다.
본 발명의 다른 양상에서, 상기 신호로부터 상기 물질의 미보정된 밀도를 계산하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 양상에서, 상기 밀도 보정 인자를 결정하는 단계는, 유량 오차 데이타와 밀도를 연관시키는, N이 1보다 큰 2원 N차 다항식에 상기 미보정된 밀도와 상기 미보정된 유량을 삽입하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 양상에서, 상기 N차 다항식을 결정하도록, 상기 밀도 보정인자에 상기 미보정된 유량과 상기 미보정된 밀도의 2원 N차 커브 피팅을 실행하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 다른 양상에서, 상기 2원 N차 커브 피팅을 실행하는 단계는, 상기 2원 N차 다항식을 결정하도록 상기 미보정된 밀도와 상기 미보정된 유량에 대한 데이타의 최소 제곱 커브 피팅을 실행하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 양상은 밀도 보정된 유량을 제공하는 프로세싱 유닛을 갖춘 코리올리 유량계용 계측 전자장치에 관한 것이며, 이러한 계측 전자장치는 진동 도관에 부착된 센서로부터 신호들을 수신하고, 그리고 상기 신호들로부터 물질의 미보정된 유량을 계산하도록, 상기 프로세싱 유닛을 인도하기 위한 명령과; 그리고 상기 명령을 저장하는 상기 프로세싱 유닛에 의해 판독가능한 미디어를 포함하며, 상기 명령은, 유량의 오차와 밀도를 연관시키는 비선형 정보와 상기 미보정된 유량으로부터 밀도 보정 인자를 결정하고, 그리고 상기 미보정된 유량에 상기 밀도 보정 인자를 적용함으로써 상기 밀도 보정된 유량을 발생시키도록, 상기 프로세싱 유닛을 인도한다.
본 발명의 다른 양상에서, 상기 명령은, 상기 신호들로부터 상기 물질의 밀도를 계산하고, 상기 밀도가 임계값을 초과하는지를 결정하며, 그리고 상기 임계값을 초과하는 상기 밀도에 응답하여 상기 밀도 보정된 유량을 발생시키도록, 상기 프로세싱 유닛을 인도하기 위한 명령을 더 포함한다.
본 발명의 다른 양상에서, 상기 임계값이 1.030의 밀도이다.
본 발명의 다른 양상에서, 상기 명령은, 상기 프로세싱 유닛이, 상기 밀도가상기 임계값을 초과하지 않음에 응답하는, 상기 물질의 밀도와 상기 미보정된 유량의 오차를 연관시키는 선형 정보와 상기 미보정된 유량로부터 선형 밀도 보정 인자를 결정하고, 그리고 상기 비보정 질량 유량에 상기 선형 밀도 보정을 적용함으로써 상기 보정된 질량 유량을 발생시키게 하는 명령을 더 포함한다.
본 발명의 다른 양상에서, 상기 명령은 상기 밀도 보정 인자를 결정하기 위한 상기 명령은, 유량 오차 데이타와 밀도를 연관시키는, N이 1보다 큰 N차 다항식에 상기 미보정된 유량을 삽입하도록, 상기 프로세싱 유닛을 인도하기 위한 명령을 포함한다.
본 발명의 다른 양상에서, 상기 명령은, 상기 N차 다항식을 결정하기 위해 상기 유량 오차 데이타에 N이 1보다 큰 상기 밀도의 N차 커브 피팅을 실행하도록, 상기 프로세싱 유닛을 인도하기 위한 명령을 포함한다.
본 발명의 다른 양상에서, 상기 N차 커브 피팅을 실행하기 위한 상기 명령은,오차 데이타에 밀도의 최소 제곱 커브 피팅을 실행하도록, 상기 프로세싱 유닛을 인도하기 위한 명령을 포함한다.
본 발명의 다른 양상에서, N은 4이다.
본 발명의 다른 양상에서, 상기 명령은, 상기 신호들로부터 상기 물질의 미보정된 밀도를 계산하도록, 상기 프로세싱 유닛을 인도하는 명령을 더 포함한다.
본 발명의 다른 양상에서, 상기 밀도 보정 인자를 결정하기 위한 상기 명령은, 유량 오차 데이타와 밀도를 연관시키는, N이 1보다 큰 2원 N차 다항식에 상기 미보정된 밀도와 상기 미보정된 유량을 삽입하도록, 상기 프로세싱 유닛을 인도하는 명령을 포함한다.
본 발명의 다른 양상에서, 상기 명령은, 상기 N차 다항식을 결정하기 위해, 상기 밀도 보정 인자에 상기 미보정된 유량과 상기 미보정된 밀도의 2원 N차 커브 피팅을 실행하도록, 상기 프로세싱 유닛을 인도하기 위한 명령을 더 포함한다.
본 발명의 다른 양상에서, 상기 명령은, 상기 2원 N차 다항식을 결정하기 위해, 상기 미보정된 밀도와 상기 미보정된 유량에 대해 데이타의 최소 제곱 커브 피팅을 실행하도록, 상기 프로세싱 유닛을 인도하기 위한 명령을 포함한다.
아래에, 본 발명의 양상과 상술한 장점 및 다른 장점을 보다 상세히 설명한다.
본 발명은 물질의 밀도에 의해 야기되는 유량내의 오차들을 보정하는 코리올리 유량계로부터 질량 유량 측정을 제공하는 것에 관한 것이다. 도 1에는 본 발명에 따라 보정된 질량 유량을 제공할 수 있는 예시적인 코리올리 유량계가 도시되어 있다. 코리올리 유량계(100)는 유량계 조립체(110) 및 계측 전자장치(150)를 포함한다. 계측 전자장치(150)를 리드(120)를 통해 계측 조립체(110)에 연결되어, 제한되지는 않지만, 예컨대 밀도, 질량 유량, 체적 유량, 및 총 질량 유량의 정보를 경로(125)를 통해 제공한다. 당업자에게 명확하지만, 본 발명은 교류 전류를 필요로 하는 부하(loads)를 가지는 임의의 장치와 연결해서 실시될 수 있는 코리올리 유량계 구조물이 설명된다.
당업자에게 명확하지만, 본 발명은 도관을 통해 유동하는 물질의 상태량(properties)을 측정하기 위해, 진동 도관을 구비하는 임의의 장치와 연결하여 실시될 수 있는 코리올리 유량계 구조물이 설명된다.
계측 조립체(110)는 한 쌍의 플랜지(101, 101'), 매니폴드(102) 및 도관(103A, 103B)을 포함한다. 이 도관(103A, 103B)에는 구동기(104), 픽-오프 센서(pick-off sensor; 105, 105') 및 온도 센서(107)이 연결되어 있다. 브레이스 바(106, 106')가 축선(W, W')을 형성하는 역할을 하는데, 이러한 축선(W, W')에 대해 각각의 도관이 진동한다.
측정하려는 프로세스 물질을 운반하는 파이프라인 시스템(도시 안됨) 안으로 코리올리 유량계(100)가 삽입되면, 물질은 플랜지(101)를 통해 유량계 조립체(110) 안으로 유입되고, 매니폴드(102)를 통과하여, 도관(103A, 103B)에 유입되도록 인도된다. 이후, 물질은 도관(103A, 103B)을 통해 유동하고, 매니폴드(102) 안으로 되돌아와서, 거기서 플랜지(101')를 통해 계측 조립체(110)를 빠져 나간다.
도관(103A, 103B)은 굽힘 축선(W-W 및 W'-W')을 중심으로 거의 동일한 질량 분포, 동일한 관성 및 탄성 모듈을 각각 가지도록 선택되고 매니폴드(102)에 적절하게 장착된다. 도관(103A, 103B)은 본질상 평행형으로 매니폴드로부터 외측으로 연장된다.
도관(103A, 103B)은 그 각각의 굽힘 축선(W 및 W')에 대해 반대 방향으로 구동기(104)에 의해 구동되며, 이것을 유량계의 제 1 이상 굽힘 모드(the first out of phase bending mode)라고 한다. 구동기(104)는 도관(103A)에 장착된 자석과, 도관(103B)에 장착되며, 2개의 도관을 진동시키기 위해 교류 전류가 통과하는 대향 코일과 같이, 다수의 공지된 장치 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 구동기(104)에는 계측 전자장치(150)에 의해 경로(112)를 통해 적합한 구동 신호가 인가된다.
도관의 대향 단부 상에는 도관의 진동을 측정하기 위해 도관(103A, 103B) 중 하나 이상에 픽-오프 센서(105, 105')가 부착되어 있다. 도관(103A, 103B)이 진동할 때, 픽-오프 센서(105, 105')가 제 1 픽-오프 신호 및 제 2 픽-오프 신호를 발생시킨다. 이러한 제 1 픽-오프 신호 및 제 2 픽-오프 신호는 경로(111, 111')에 인가된다. 구동기 속도 신호는 경로(112)에 인가된다.
도관(103A) 및/또는 도관(103B) 중 하나 이상에는 온도 센서(107)가 부착된다. 이 온도 센서(107)는 시스템의 온도에 대한 방정식을 변경하기 위해 도관의 온도를 측정한다. 경로(111")는 온도 센서(107)로부터 계측 전자장치(150)를 전송한다.
계측 전자장치(150)를 경로(111, 111') 상에 나타나는 제 1 및 제 2 픽-오프 신호를 각각 수신한다. 계측 전자장치(150)는 제 1 및 제 2 속도 신호를 프로세스하여, 유량계 조립체(10)를 통과하는 물질의 질량 유량, 밀도 또는 다른 상태량을 계산한다. 이렇게 계산된 정보는 계측 전자장치(150)에 의해 경로(125)를 통해 이용 수단(도시 안됨)에 인가된다. 코리올리 유량계(100)는 구조상 진동관 밀도계와 상당히 유사한 것으로 당업자에게 알려져 있다. 진동관 밀도계도 진동 도관을 이용하는데, 이러한 진동 도관을 통해 유체가 유동하거나, 또는 표본형 밀도계의 경우에는 이러한 진동 도관 내부에 유체가 보유된다. 진동관 밀도계는 또한 도관을 여진(excitation)시키기 위해 구동 시스템을 사용한다. 밀도 측정은 주파수의 측정만을 요구하고 위상 측정이 반드시 필요한 것이 아니므로, 진동관 밀도계는 전형적으로 하나의 피드백 신호만을 이용한다. 여기에서 본 발명의 상세한 설명은 진동관 밀도계에 동등하게 적용된다.
코리올리 유량계(100)에 있어서, 계측 전자장치(150)는 물리적으로 2개의 부품 즉, 호스트 시스템(170) 및 신호 조절기(signal conditioner; 160)로 나뉘어진다. 종래의 계측 전자장치에 있어서, 이들 부품은 하나의 유닛으로 보유된다.
신호 조절기(160)는 구동 회로(163) 및 센서 신호 조절 회로(161)를 포함한다. 구동 회로(163) 및 픽-오프 조절 회로(161)는 사실상 개별의 아나로그 회로일 수도 있거나, 또는 디지탈 신호 프로세서 또는 다른 디지탈 부품들에 의해 제공되는 개별의 기능(functions)일 수도 있음을 당업자는 이해할 것이다. 구동회로(163)는 구동 신호를 발생시키고 경로(120)의 경로(112)를 통해 구동기(104)에 교번 구동 전류(alternating drive current)를 인가한다. 본 발명의 회로는 구동기(104)에 교류를 제공하기 위해 구동 회로(163) 내에 포함될 수도 있다.
실제로, 경로(112)는 제 1 및 제 2 리드(lead)이다. 구동 회로(163)는 경로(162)를 통해 센서 신호 조절 회로(161)에 통신가능하게(communicatively) 연결되어 있다. 경로(162)는 들어오는 픽-오프 신호들을 구동 회로가 모니터할 수 있게 해서 구동 신호를 조절한다. 구동 회로(163) 및 센서 신호 조절 회로(161)을 작동시키는 파워(power)는 호스트 시스템(170)으로부터 제 1 와이어(173) 및 제 2 와이어(174)를 통해 공급된다. 제 1 와이어(173) 및 제 2 와이어(174)는 종래의 2-와이어, 4-와이어의 일부분, 또는 멀티-쌍 케이블(multi-pair cable)의 일부분일 수도 있다.
센서 신호 조절 회로(161)는 제 1 픽-오프(105), 제 2 픽-오프(105') 및 온도 센서(107)로부터 경로(111, 111', 111")를 통해 입력 신호들을 수신한다. 센서 신호 조절 회로(161)는 픽-오프 신호들의 주파수를 결정하고, 도관(103A, 103B)을 통해 유동하는 물질의 상태량을 결정한다. 픽-오프 센서(105, 105')로부터의 입력 신호들의 주파수와 물질의 상태량이 결정된 후, 이러한 정보를 전송하는 파라미터 신호들이 발생되고, 이러한 파라미터 신호들은 경로(176)를 통해 호스트 시스템(170)의 2차 프로세싱 유닛(171)에 송신된다. 바람직한 실시예에서, 경로(176)는 2개의 리드를 포함한다. 그러나, 경로(176)는 제 1 와이어(173) 및 제 2 와이어(174)를 넘어, 또는 임의의 상이한 수의 와이어를 넘어 전송될 수도 있다.
호스트 시스템(170)은 전원 장치(172) 및 2차 프로세싱 유닛(171)을 포함한다. 전원 장치(172)는 공급원으로부터 전기를 수용하고, 수용된 전기를 시스템에 요구되는 적절한 파워로 변환시킨다. 2차 프로세싱 유닛(171)은 픽-오프 신호 조절 회로(161)로부터 파라미터 신호들을 수신한 후, 사용자에게 요구되는 도관(103A, 103B)을 통해 유동하는 물질의 상태량을 제공하는데 필요한 프로세스를 실행시킬 수 있다. 이들 상태량은, 이에 제한되지는 않지만, 밀도, 질량 유량 및 체적 질량을 포함할 수 있다.
다음의 본 발명은 프로세스 유닛에 의해 실행된다. 2차 프로세싱 유닛(171) 또는 신호 조절기(160) 내의 디지탈 신호 프로세서 중 어느 하나가 본 발명을 실행시킬 수도 있다. 도 5에는 본 발명을 실행하도록 작동하는 종래의 프로세싱 유닛이 도시되어 있다.
프로세싱 시스템(500)은 중앙 처리 장치(CPU; 501)를 포함한다. CPU(501)는 메모리 내에 저장된 명령(instructions)을 실행하는 프로세서, 마이크로프로세서, 또는 프로세서 및/또는 마이크로프로세서의 조합체이다. 메모리 버스(502)는 명령을 실행하는데 필요한 메모리에 CPU(501)를 연결시킨다. 메모리 버스(502)에는 경로(511)를 통해 ROM(Read Only Memory; 501)과 같은 비휘발성 메모리가 연결되어 있다. ROM(510)은 프로세싱 시스템(500)을 적절하게 작동시키는데 필요한 구성 명령 및 다른 명령을 저장한다. 메모리 버스(502)에는 경로(521)를 통해 RAM(Random Access Memory; 520)와 같은 휘발성 메모리가 연결되어 있다. RAM(520)은CPU(501)에 의해 실행되는 어플리캐이션을 실행하는데 필요한 데이타 및 명령을 저장한다.
입력/출력(I/O) 버스(503)는 명령을 실행시키는데 필요한 다른 장치들에 CPU(501)를 연결시킨다. 아나로그 디지탈(A/D) 변환기(530)는 CPU(501)가 도 1의 픽-오프 센서(105,105')와 같은 아나로그 회로로부터 신호를 수신할 수 있게 한다. A/D 변환기(530)는 I/O 버스(503)에 연결되어, 경로(532)를 통해 다른 회로들(도시 안됨)로부터 아나로그 신호들을 수신한다. 주변 장치(540)는 CPU(501)에 데이타를 제공하도록 프로세싱 시스템(500)을 위한 필요한 기능을 실행하는 다른 장치이다. 주변 장치(540)는 경로(541)를 통해 I/O 버스(503)에 연결되어 있다. 메모리(550)는 디스크 드라이브와 디스크와 같이, 프로세싱 시스템(500)에 추가의 저장 용량을 제공하는 장치이다. 이러한 메모리(550)는 경로(551)를 통해 I/O 버스(503)에 연결되어 있다.
코리올리 유량계(100)와 같은 코리올리 유량계에 의해 제공되는 질량 유량 측정량은 측정된 물질의 상태량에 의해 영향을 받을 수 있다는 문제점이 있다. 이러한 상태량의 하나가 물질의 밀도이다. 소형 코리올리 유량계는 특히 측정되는 물질의 밀도에 의해 야기되는 오차에 민감하다. 본 논의를 위해, 소형 코리올리 유량계는 0.130인치의 직경을 가지는 흐름관을 갖춘 유량계로 한다. 이러한 유량계의 실예는, 미국 콜로라도 보울더 소재의 Micro Motion INC.에 의해 제조된 CMF 010 코리올리 유량계이다.
도 2는 가변 밀도를 가지는 물질의 유량의 오차의 플롯을 나타내는 도면이다. 선(201)은, 0.9957의 밀도를 가지는 물질에 대해 유량이 변화할 때, 미보정된 유량의 오차율을 나타낸다. 선(202)은, 0.9489의 밀도를 가지는 물질에 대해 유량이 변화할 때, 미보정된 유량의 오차율을 나타낸다. 선(203)은, 0.85284의 밀도를 가지는 물질에 대해 유량이 변화할 때, 미보정된 유량의 오차율을 나타낸다. 선(204)은, 0.78922의 밀도를 가지는 물질에 대해 유량이 변화할 때, 미보정된 유량의 오차율을 나타낸다. 선(201)은, 0.90452의 밀도를 가지는 물질에 대해 유량이 변화할 때, 미보정된 유량의 오차를 나타낸다.
도 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 1.0에 근사한 밀도를 가지는 물질은 보다 적은 오차율(백분율,%)을 발생시킨다. 한편, 1.0에 근사하지 않은 밀도는 0.1% 이상인 오차율을 가지는 경향이 있다.
도 2의 그래프로부터, 당업자는 1.0에 근사하지 않은 밀도가 소형 유량계에 부정확한 유량을 제공하게 됨을 알 수 있다. 본 발명은 측정된 유량을 밀도 보정 인자과 승산함으로써 유량을 보정한다.
밀도 보정 인자는 다음의 임의의 방법으로 계산될 것이다: 미보정된 유량에 근거하여 보정 인자를 조사하고, 미보정된 밀도의 최소 제곱식 다항식 피팅, 또는 또는 미보정된 밀도 및 질량 유량의 2원 최소 제곱 커브 피팅과 밀도를 비교한다.
이 때, 밀도와 유량 사이의 관계는 밀도에 의해 야기된 오차를 위해 유량을 보정하는데 사용될 수 있다. 도 3 및 도 4는 본 발명에 따라 밀도 보정을 하게 되는 유량을 제공하기 위한 대안의 프로세스를 도시한다. 도 3 및 도 4에 도시된 프로세스는 계측 전자장치(150), 또는 계측 전자장치(150)로부터 데이타를 수신하는2차 프로세싱 유닛에 의해 실행된다. 도 3에 도시된 프로세스(300)는 본 발명에 따른 제 1 실시예이다. 프로세스(300)에서, 모든 유량 측정은 다음의 방법으로 밀도를 보정한다.
프로세스(300)는, 질량 유량을 나타내는 신호들이 진동 도관에 부착된 센서로부터 수신되는 단계(301)로부터 시작한다. 이들 신호는 픽-오프 센서로부터 바로 수신되는 아나로그 신호이거나, 또는 센서로부터의 신호들 사이의 위상차를 나타내는 디지탈 신호일 수도 있음을 신호 당업자는 이해할 것이다. 이것은 설계상 선택 사항이고, 프로세스를 실행하는데 사용되는 회로이 유형에 따라 변화한다.
단계(302)에서, 미보정된 유량을 계산한다. 이러한 유량은 종래에 널리 공지된 방법으로 계산되며, 유량 계산의 상세한 설명은 본 명세서의 간단 명료화를 위해 생략되었다.
다음에, 단계(303)에서 밀도 보정 인자를 결정한다. 이러한 밀도 보정 인자는 여러 상이한 방법으로 결정될 수도 있다. 제 1 해법은 유량과, 연관된 보정 인자 또는 보정 유량을 저장하는 메모리를 유지하는 것이었다. 그리고나서, 간단한 조사를 실행하여, 보정 인자 또는 보정된 유량을 결정할 수 있다.
보정 인자를 결정하는 종래의 방법은 데이타의 선형 또는 1차 커브 피팅이다. 미보정된 유량을 이 식에 삽입하고, 적절한 밀도 보정 인자를 결정한다.
그러나, 1차 커브 피팅은 데이타의 정확한 표시를 제공하지 못 한다. 따라서, 수집된 데이타를 보정 인자를 나타내기에 보다 적합한 N차 다항식을 만드는 것이 바람직하다. 그러면, 이 방정식에 미보정된 유량을 삽입하여, 밀도 보정 인자를 구한다. 바람직한 실시예에서, 데이타에 최상으로 적합한 것이 4차 다항식으로 결정되어, 4차 방정식이 사용된다. 그러나, 결과의 정확성에 따라 기타 다른 차수의 방정식이 사용될 수도 있음을 당업자는 인지할 것이다.
바람직한 실시예에서, 다음의 4차 방정식은 데이타에 최상으로 적합함이 결정된다.
보정 인자를 결정하기 위한 제 2 방법은 N차 다항식에 대한 2원 커브 피팅을 사용하여 실행한다. 이러한 경우에, 커브 피팅은 m으로 표시된 질량 유량과 d로 표시된 밀도이다. 바람직한 실시예에서, 보정 인자에 대해서 질량 유량과 밀도의 최소 제곱이 적합하다. 여러 다항식에 대한 피팅 데이타의 실험을 통해, 다음의 방정식에 나타나는 바와 같은 보정 인자에 대한 질량 유량과 밀도의 4차 다항식 피팅이 결정되었다.
단계(303)에서 밀도 보정 인자를 결정한 후, 이 밀도 보정 인자는 비보정 질량 유량에 적용되어, 단계(304)에서 밀도 보정 질량 유량을 발생시키고, 프로세스(300)를 종료한다.
도 4에 도시된 프로세스(400)는 밀도에 의해 야기되는 오차를 보정한 유량을 제공하기 위한 대안의 제 2 실시예를 도시한다. 이 실시예에서, 물질의 밀도가 측정된 유량에 허용할 수 없는 오차를 추가하지 않는 밀도의 범위 내에 있다면, 밀도 보정 인자는 측정된 유량에 적용되지 않을 수도 있다.
프로세스(400)는 진동 도관에 부착된 센서로부터 질량 유량을 나타내는 신호를 수신하는 단계(401)로부터 시작된다. 이후, 단계(402)에서 이 신호는 비보정 질량 유량을 계산하는데 사용된다. 유량은 당업자에게 널리 공지된 종래의 방법으로 계산된다.
단계(403)에서, 종래의 또는 다음과 같이 널리 공지된 방정식에 의해 상기 신호로부터 물질의 밀도를 계산한다.
여기에서,
ρ= 물질의 밀도;
ρ1= 물과 같은 제 1 공지 물질의 밀도;
ρ2= 공기와 같은 제 2 공지 물질의 밀도;
Κ1= 물과 같은 제 1 공지 물질의 상수;
Κ2= 공기와 같은 제 2 공지 물질의 상수; 및
τ= 흐름관의 진동 속도이다.
밀도를 계산한 후, 단계(404)에서, 계산된 밀도는 임계 밀도와 비교된다. 계산된 밀도가 임계 밀도 이상 또는 그 이하로 임계 밀도를 초과할 수도 있다. 사용되는 비교는 당업자에게 남겨진다.
계산된 밀도가 임계 밀도를 초과한다면, 단계(405)에서 밀도 보정 인자를 결정한다. 밀도 보정 인자는 도 3의 단계(303)에서 상술한 바와 같은 방법으로 결정된다. 이후, 밀도 보정 인자는 비보정 질량 유량에 적용되고, 단계(406)에서, 보정된 질량 유량이 결정된다.
계산된 밀도가 임계 밀도를 초과하지 않는다면, 미보정된 유량은 단계(420)로 되돌아갈 수도 있다. 대안으로, 선형 밀도 보정이 충분할 수 있다는 것이 알려져 있기 때문에, 단계(411)에서 밀도 보정이 결정될 수 있다. 이후, 단계(412)에서, 미보정된 유량에 선형 밀도 보정 인자를 적용함으로써 보정된 유량이 발생된다.
단계(420)에서, 단계(406) 및 단계(412)에서 계산된 보정된 유량이 되돌아 가고, 프로세스(400)이 종료된다.
이상은, 물질의 밀도에 의해 야기된 오차를 위해 질량 유량을 보정하기 위한 프로세스의 상세한 설명이다. 문자적으로 또는 균등론을 통해, 아래의 청구범위에 기재된 바와 같은 본 시스템을 침해하는 다른 프로세스를 당업자가 구상할 수 있고 구상할 것으로 예측된다.

Claims (25)

  1. 진동 도관(103A, 103B)을 통해 유동하는 물질의 밀도 보정된 유량을 결정하기 위한 방법(300)으로서,
    상기 진동 도관에 부착된 센서(105, 105')로부터 신호들을 수신하는 단계(301)와;
    상기 신호들로부터 상기 물질의 미보정된 유량을 계산하는 단계(302)를 포함하는 방법(300)에 있어서,
    유량의 오차와 밀도를 연관시키는 비선형 정보와 상기 미보정된 유량으로부터 밀도 보정 인자를 결정하는 단계(303)와,
    상기 미보정된 유량에 상기 밀도 보정 인자를 적용함으로써 상기 밀도 보정된 유량을 발생시키는 단계(304)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 물질의 밀도 보정된 유량을 결정하기 위한 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 신호들로부터 상기 물질의 밀도를 계산하는 단계(403)와;
    상기 밀도가 임계값을 초과하는지를 결정하는 단계(404)와; 그리고
    상기 밀도가 상기 임계값을 초과하는 것에 응답해서 상기 밀도 보정된 유량을 발생시키는 단계(406)를 더 포함하는, 물질의 밀도 보정된 유량을 결정하기 위한 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 임계값은 1.030의 의사 밀도인, 물질의 밀도 보정된 유량을 결정하기 위한 방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 도관(103A, 103B)은 직경이 0.130인, 물질의 밀도 보정된 유량을 결정하기 위한 방법.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 밀도가 상기 임계값을 초과하지 않는 것에 응답해서, 상기 물질의 밀도와 상기 미보정된 유량의 오차를 연관시키는 선형 정보와 상기 미보정된 유량으로부터 선형 밀도 보정 인자를 결정하는 단계(411)와; 그리고
    상기 미보정된 유량에 상기 선형 밀도 보정 인자를 적용함으로써 상기 보정된 유량을 발생시키는 단계(412)를 더 포함하는, 물질의 밀도 보정된 유량을 결정하기 위한 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 밀도 보정 인자를 결정하는 상기 단계는,
    유량 오차 데이타와 밀도를 연관시키는, N이 1 이상인 N차 다항식에 상기 미보정된 유량을 삽입하는 단계를 포함하는, 물질의 밀도 보정된 유량을 결정하기 위한 방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 N차 다항식을 결정하기 위해, 유량 오차 데이타에대해 N이 1보다 큰 상기 밀도의 N차 커브 피팅을 실행하는 단계를 더 포함하는, 물질의 밀도 보정된 유량을 결정하기 위한 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 N차 커브 피팅을 실행하는 상기 단계는,
    최소 제곱 커브 피팅을 실행하는 단계를 포함하는, 물질의 밀도 보정된 유량을 결정하기 위한 방법.
  9. 제 6 항에 있어서, N이 4인, 물질의 밀도 보정된 유량을 결정하기 위한 방법.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 신호로부터 상기 물질의 미보정된 밀도를 계산하는 단계(403)를 더 포함하는, 물질의 밀도 보정된 유량을 결정하기 위한 방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 밀도 보정 인자를 결정하는 상기 단계는,
    유량 오차 데이타와 밀도를 연관시키는, N이 1보다 큰 2원 N차 다항식에 상기 미보정된 밀도와 상기 미보정된 유량을 삽입하는 단계를 포함하는, 물질의 밀도 보정된 유량을 결정하기 위한 방법.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 N차 다항식을 결정하도록, 상기 밀도 보정 인자에 대해 상기 미보정된 유량과 상기 미보정된 밀도의 2원 N차 커브 피팅을 실행하는단계를 더 포함하는, 물질의 밀도 보정된 유량을 결정하기 위한 방법.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 2원 N차 커브 피팅을 실행하는 단계는,
    상기 2원 N차 다항식을 결정하도록 상기 미보정된 밀도와 상기 미보정된 유량에 대한 데이타의 최소 제곱 커브 피팅을 실행하는 단계를 포함하는, 물질의 밀도 보정된 유량을 결정하기 위한 방법.
  14. 밀도 보정된 유량을 제공하는 프로세싱 유닛(500)을 갖춘 코리올리 유량계(110)용 계측 전자장치(150)로서:
    진동 도관(103A, 103B)에 부착된 센서(105, 105')로부터 신호들을 수신하고, 그리고 상기 신호들로부터 물질의 미보정된 유량을 계산하도록, 상기 프로세싱 유닛을 인도하기 위한 명령과; 그리고
    상기 명령을 저장하는 상기 프로세싱 유닛에 의해 판독가능한 미디어(550)를 포함하는 계측 전자장치(150)에 있어서,
    상기 명령은,
    유량의 오차와 밀도를 연관시키는 비선형 정보와 상기 미보정된 유량으로부터 밀도 보정 인자를 결정하고, 그리고
    상기 미보정된 유량에 상기 밀도 보정 인자를 적용함으로써 상기 밀도 보정된 유량을 발생시키도록,
    상기 프로세싱 유닛을 인도하는 것을 특징으로 하는 계측 전자장치.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 명령은,
    상기 신호들로부터 상기 물질의 밀도를 계산하고,
    상기 밀도가 임계값을 초과하는지를 결정하며, 그리고
    상기 밀도가 상기 임계값을 초과하는 것에 응답하여 상기 밀도 보정된 유량을 발생시키도록,
    상기 프로세싱 유닛(500)을 인도하기 위한 명령을 더 포함하는 계측 전자장치.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 임계값이 1.030의 밀도인 계측 전자장치.
  17. 제 15 항에 있어서, 상기 명령은,
    상기 밀도가 상기 임계값을 초과하지 않는 것에 응답해서, 상기 물질의 밀도와 상기 미보정된 유량의 오차를 연관시키는 선형 정보와 상기 미보정된 유량로부터 선형 밀도 보정 인자를 결정하고, 그리고
    상기 비보정 질량 유량에 상기 선형 밀도 보정을 적용함으로써 상기 보정된 질량 유량을 발생시키도록,
    상기 프로세싱 유닛(500)을 인도하는 명령을 더 포함하는 계측 전자장치.
  18. 제 14 항에 있어서, 상기 명령은 상기 밀도 보정 인자를 결정하기 위한 상기명령은,
    유량 오차 데이타와 밀도를 연관시키는, N이 1보다 큰 N차 다항식에 상기 미보정된 유량을 삽입하도록,
    상기 프로세싱 유닛(500)을 인도하기 위한 명령을 포함하는 계측 전자장치.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 명령은,
    상기 N차 다항식을 결정하기 위해 상기 유량 오차 데이타에 N이 1보다 큰 상기 밀도의 N차 커브 피팅을 실행하도록,
    상기 프로세싱 유닛(500)을 인도하기 위한 명령을 포함하는 계측 전자장치.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 N차 커브 피팅을 실행하기 위한 상기 명령은,
    오차 데이타에 밀도의 최소 제곱 커브 피팅을 실행하도록,
    상기 프로세싱 유닛(100)을 인도하기 위한 명령을 포함하는 계측 전자장치.
  21. 제 18 항에 있어서, N이 4인 계측 전자장치.
  22. 제 14 항에 있어서, 상기 명령은,
    상기 신호들로부터 상기 물질의 미보정된 밀도를 계산하도록,
    상기 프로세싱 유닛(500)을 인도하는 명령을 더 포함하는 계측 전자장치.
  23. 제 22 항에 있어서, 상기 밀도 보정 인자를 결정하기 위한 상기 명령은,
    유량 오차 데이타와 밀도를 연관시키는, N이 1보다 큰 2원 N차 다항식에 상기 미보정된 밀도와 상기 미보정된 유량을 삽입하도록,
    상기 프로세싱 유닛(500)을 인도하는 명령을 포함하는 계측 전자장치.
  24. 제 23 항에 있어서, 상기 명령은,
    상기 N차 다항식을 결정하기 위해, 상기 밀도 보정 인자에 상기 미보정된 유량과 상기 미보정된 밀도의 2원 N차 커브 피팅을 실행하도록,
    상기 프로세싱 유닛(500)을 인도하기 위한 명령을 더 포함하는 계측 전자장치.
  25. 제 24 항에 있어서, 상기 명령은,
    상기 2원 N차 다항식을 결정하기 위해, 상기 미보정된 밀도와 상기 미보정된 유량에 대해 데이타의 최소 제곱 커브 피팅을 실행하도록,
    상기 프로세싱 유닛(500)을 인도하기 위한 명령을 포함하는 전자장치.
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