KR20030082928A - 전자유량계 - Google Patents

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KR20030082928A
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오쿠다고우지
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야마타케 코포레이션
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Abstract

전자유량계는 코일, 여자부, 노이즈 제거부, 및 연산처리부를 포함한다. 코일은 자장을 파이프라인을 흐르는 유체에 가한다. 여자부는 여자 전류를 코일에 공급한다. 노이즈 제거부는 상용 전원 주파수 및 여자 주파수 간의 차분 주파수 성분을 이용하여 여자된 유체로부터 검출된 계측 신호에서 노이즈를 제거한다. 연산 처리부는 노이즈 제거부로부터 출력된 계측 신호를 기초로 하여 계측 유량을 산출한다.

Description

전자유량계{Electromagnetic Flowmeter}
본 발명은 전자유량계(電磁流量計)에 관한 것으로, 특히 유체에 혼입(混入)된 상용 전원 노이즈로 인한 계측 유량의 요동(fluctuation)을 억제하는 기능을 갖는 전자유량계에 관한 것이다.
전자유량계에 의해 계측될 유체가 펌프 또는 전자(電磁) 밸브를 통과하는 경우, 상기 장치에 기인하는 50Hz/60Hz 상용 전원 노이즈가 유체에 혼입될 수 있다. 상기 상용 전원 노이즈가 유체에 혼입되면, 상용 전원 노이즈가 검출기에서 얻어진 신호 기전력에 중첩되기 때문에, 상용 전원 주파수 및 샘플링 주파수 간의 차분(差分) 주파수를 갖는 차분 노이즈가 신호 기전력을 샘플링함으로써 얻어진 DC 유량 신호에 중첩된다. 상기 DC 유량 신호가 디지털 유량 신호로서 로딩되면, 차분 노이즈의 영향으로 인해 계측 유량에 요동이 발생한다.
종래에, 상기 상용 전원 노이즈에 기인하는 계측 유량의 요동을 억제하도록 설계된 전자유량계로서, 도 12에 도시된 바와 같이 DC 유량 신호(112A)의 차분 노이즈를 제거하기 위한 대역 제거 필터(Band Elimination Filter)(이하, "BEF"라고 함)를 갖는 전자유량계가 제안되었다(예를 들면, 일본 특허 공개 공보 제2000-258211호).
도 12를 참조하면, 검출기(100)는 소정의 AC 여자 전류를 기초로 하여 파이프라인의 유체에 자장을 인가하고, 유체에서 발생된 신호 기전력을 검출 신호로서 검출/출력한다. 변환기(110)는 소정의 AC 여자 전류를 검출기(100)에 출력하고, 검출기(100)로부터의 검출 신호에 대해 신호처리를 행함으로써 파이프라인 내의 유량을 산출/출력한다.
도 13a 내지 도 13e에 도시된 바와 같이, 여자부(116)는 스위칭부(117)로부터의 여자 신호(117C)를 기초로 하여 구형파(矩形波)로 이루어지는 소정의 주파수를 갖는 AC 여자 전류를 출력한다.
검출기(100)의 코일(100c)은 변환기(110)로부터의 AC 여자 전류에 의해 여자되어 파이프라인(101)을 흐르는 유체에 소정의 자장을 인가한다. 이것은 유체의 유속에 대응되는 진폭을 갖는 신호 기전력을 발생시킨다.
상기 신호 기전력은 서로 대향하는 위치의 파이프라인(101)의 내벽 상에 배치된 전극들(100a 및 100b)에 의해 검출되고, 변환기(110)에 검출 신호로서 출력된다.
변환기(110)에 있어서, 제 1 단 증폭부(11)는 하이 패스 필터 등을 이용하여 검출기(100)에서 얻은 검출 신호의 저주파 성분들을 감쇠시켜서, 상기 검출 신호에 혼입된 펄스형 노이즈 및 저주파 노이즈를 감쇠시키고, 신호를 AC 증폭시키고, 그 결과로 생기는 신호를 AC 유량 신호(111A)로서 출력한다.
샘플/홀드부(112)는 제 1 단 증폭부(111)로부터의 AC 유량 신호(111A)의 각 파형후단부(사선부분)를 샘플링하는데, 상기 파형후단부는 여자 코일(100C)에 의해 생성되는 자속 미분 노이즈의 영향을 적게 받는다. 그리고, 샘플/홀드부(112)는 그 결과로 생기는 신호를 DC 유량 신호(112A)로서 출력한다. 대역 제거 필터(120)는 여자 주파수 fex와 샘플/홀드부(112)로부터의 DC 유량 신호(112A) 내에 포함된 상용 전원 주파수 fn 간의 차(差)에 해당하는 주파수 △f = ｜fn - fex｜를 갖는 차분 노이즈 성분을 감쇠시킨다.
연산 처리부(114)는 BEF(120)를 통해 샘플/홀드부에서 출력된 DC 유량 신호(112A)를 디지털 유량 신호로서 로딩하고, 소정의 연산 처리를 행하여 계측 유량을 산출한다. 그 다음, 출력부(115)는 유량을 소정의 유량 신호(루프 전류)로 변환하여 출력한다.
이러한 방식으로, 차분 노이즈에 기인하는 요동이 억제되는 계측 유량이 구해진다.
도 14에 도시된 바와 같이 개별 검출 전극들(100a 및 100b)에서 구해진 전극 전압들 EA및 EB간의 차를 나타내는 출력 전압 Es를 구하여, 상기의 방식으로 차분 노이즈를 직접 감쇠시키는 것 대신 차분 노이즈를 초래하는 상용 전원 노이즈를 줄이도록 하는 전자유량계 역시 이용가능하다.
일반적으로, 유체에 혼입된 노이즈는 개별 검출 전극들(100a 및 100b)에 공통(common) 모드 노이즈 NC로 동일하게 혼입되는 경향이 있다. 상기 공통 모드 노이즈 NC가 유체에 혼입되는 경우, 개별 검출 전극들(100a 및 100b)과 접지 전위(100d) 간에 발생되는 전극 전압들 EA및 EB는 다음과 같이 주어진다.
EA= SA+ NC
EB= SB+ NC
단, SA및 SB는 검출 전극들(100a 및 100b)에 의해 발생된 신호 기전력들이다.
이 때, 신호 기전력들은 SA= - SB로 표현되기 때문에, 이들 전극 전압들(EA및 EB) 간의 차는 감산기(151)에 의해 산출되는 경우, 공통 모드 노이즈 NC가 소거된 출력 전압 ES가 구해진다:
ES= EA- EB= 2SA
이와는 반대로, 전극 전압들(EA및 EB)이 가산기(152)에 의해 가산되는 경우, 유량 신호들은 서로 소거되고, 상용 전원 노이즈를 나타내는 노이즈 전압 EN이 구해진다:
ES= EA+ EB= 2NC
상기 노이즈 전압에서 상용 전원 주파수를 추출하고 추출된 주파수에 동기되어 여자를 행함으로써, 연산 처리부(114)는 감산기(151)에서 연산 작동을 행할 수 있다.
더욱 구체적으로 말하자면, 도 12에 도시된 샘플/홀드부(112)와 같이, 연산 처리부(114)는 반 주기에서 전극 전압들(EA및 EB)을 샘플링하여, 반주기 위상 전이된 EA및 EB를 이용함으로써 ES를 구한다. 상기 경우에 있어서, 여자 타이밍은 상용 전원 주파수에 동기되어 있기 때문에, 공통 모드 노이즈 NC는 반주기 위상 전이된 EA및 EB에 동일하게 혼입된다. 이것은 위상 전이를 제거하고, 감산기(151)를 사용하지 않고 공통 모드 노이즈 Nc를 효과적으로 제거할 수 있다.
이러한 방식으로, 차분 노이즈에 기인하는 요동이 억제되는 계측 유량이 구해진다.
그러나, 상기 종래의 유량계는 상용 전원 주파수와 샘플링 주파수 간의 차분주파수를 갖는 차분 노이즈에 기인하는 요동을 억제하기 위한 아날로그 신호 처리 회로를 부가적으로 필요로 한다. 이것은 제작 비용의 증가 및 전력 소비의 증가를 초래한다. 특히, 최고 전류 소비가 4㎃ 이하로 제한된 2선식 전자유량계에 있어서, 전력 소비의 증가는 심각한 문제에 직면하게 한다.
전자의 경우에서처럼, 차분 노이즈가 BEF로써 제거될 때, 차분 주파수 근방의 비교적 좁은 주파수 밴드가 효과적으로 제거되어야 한다. 본 경우에 있어서, 임의 규모의 필터 회로가 필요하고, 전력 소비의 증가는 피할 수 없다.
후자의 경우에서처럼, 노이즈 소스로서의 상용 전원 노이즈가 감쇠될 때, 전자유량계는 역위상의 전극전압에서의 상용 전원 노이즈를 정확히 제거하기 위한 감산회로 및 상용 전원 노이즈에서의 상용 전원 주파수를 정확히 추출하기 위한 가산기를 필요로 하므로 전류 소비의 증가를 초래한다.
이에 본 발명은 상용 전원 주파수에서 기인하는 요동 및 슬러리 노이즈(slurry noise)의 영향이 문제가 되지 않는 정도로 향상된 정확성을 가지고 유량 계측을 실현할 수 있는 전자유량계를 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 전자유량계의 구성을 도시하는 블록 다이어그램이다.
도 2a 내지 도 2f는 도 1의 전자유량계의 작동을 도시하는 신호 파형 다이어그램이다.
도 3은 차분 노이즈의 주파수 특성을 설명하기 위한 그래프이다.
도 4는 유량 신호 발생 처리의 주파수 특성을 설명하기 위한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 전자유량계를 도시하는 블록 다이어그램이다.
도 6a 내지 도 6e는 샘플링 동작을 도시하는 타이밍 차트이다.
도 7은 샘플/홀드부의 노이즈 주파수 및 요동간의 관계를 설명하기 위한 그래프이다.
도 8a 내지 도 8b는 A/D 변환부의 구성의 예를 도시하는 블록다이어그램이다.
도 9는 이동 평균 처리의 주파수 특성을 설명하기 위한 그래프이다.
도 10은 BEF의 구성의 예를 도시하는 회로 다이어그램이다.
도 11은 요동의 주파수 특성을 설명하기 위한 그래프이다.
도 12는 종래의 전자유량계의 구성을 도시하는 블록 다이어그램이다.
도 13a 내지 도 13e는 도 12의 전자유량계의 작동을 도시하는 신호 파형 다이어그램이다.
도 14는 다른 종래의 전자유량계의 기본 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 15는 도 14의 전자유량계의 작동을 도시하는 신호 파형 다이어그램이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10A: 변환기 1: 제 1 단증폭기
2: 샘플/홀드부 3: A/D 변환부
4: 유량 신로 발생부 5: 연산처리부
5a; 유량산출부 5b: 계측 유량 산출부
5c: 여자 전류 스위칭부 6: 출력부
7: 여자부 8: 스위칭부
9: 파이프라인 10B: 검출기
상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명은 파이프라인 내에 흐르는 유체에 자장을 인가하는 코일, 상기 코일에 여자(勵磁) 전류를 공급하기 위한 여자 수단, 상용 전원 주파수 및 여자 주파수 간에 차분(差分) 주파수 성분을 사용하여 여자된 유체로부터 검출된 계측 검출 신호에서 노이즈를 제거하기 위한 노이즈 제거 수단, 및 상기 노이즈 제거 수단에서 출력된 계측 신호를 기초로 하여 계측 유량을 산출하기 위한 연산 처리 수단을 포함하는 전자유량계(電磁流量計) 제공한다.
첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 실시예를 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전자유량계의 구성을 도시한다. 상기 전자유량계에 있어서, 검출기(10B)는 소정의 여자 전류를 기초로 하여 파이프라인 내의 유체에 자장을 인가하고, 유체에서 생성된 신호 기전력을 검출 신호로서 검출/출력한다. 변환기(10A)는 소정의 AC 여자 전류를 검출기(10B)에 출력하고 검출기(10B)로부터의 검출 신호를 신호 처리함으로써 파이프라인(9)의 유량을 산출/출력한다.
검출기(10B)에 있어서, 검출 전극들(9a 및 9b)은 피측정 유량이 흐르는 파이프라인(9)의 내벽을 향하도록 배치된 전극들이고, 유체에서 발생되는 신호 기전력을 검출한다. 여자 코일(9c)은 변환기(10A)로부터의 여자 전류를 기초로 하여 여자되고, 자장을 파이프라인(9)의 유체에 인가한다.
변환기(10A)에 있어서, 스위칭부(8)는 소정의 클럭을 기초로 하여 샘플링 신호들(8A 및 8B) 및 여자 신호(8C)를 발생시키고 출력한다. 스위칭부(8)로부터의 여자 신호(8C)를 기초로 하여, 여자부(7)는 AC 구형파(矩形波) 및 소정의 주파수를 갖는 여자 전류를 출력한다.
제 1 단 증폭기(1)는 하이 패스 필터를 사용하여 검출기(10B)의 검출 전극들(9a 및 9b)로부터 얻어진 검출 신호 내에 혼입된 펄스형 노이즈 및 저주파 노이즈를 감쇠시키고, AC 증폭회로를 사용하여 검출신호를 AC 증폭시키고, 그 결과로 생기는 신호를 진폭이 유량에 따라 변하는 AC 유량 신호(11)로서 출력한다.
샘플/홀드부(2)는 스위칭부(8)로부터의 샘플링 신호들(8A 및 8B)을 기초로하여 제 1 단 증폭기(1)로부터의 AC 유량 신호(11)를 샘플링하고, 그 결과로 생기는 신호를 DC 전위가 유량에 따라 변하는 DC 신호로서 출력한다.
A/D 변환부(3)는 샘플/홀드부(2)로부터의 DC 유량 신호(12)를 디지털 유량 신호(13)로 A/D 변환하여 출력한다.
유량 신호 발생부(4)는 연산 처리부(5)로부터의 제어 신호(17)를 기초로 하여 주파수 ft에서의 A/D 변화부(3)로부터의 디지털 유량 신호(13)를 유량 신호(14)로서 연산 처리부(5)에 로딩한다.
연산 처리부(5)는 유량 산출부(5a), 계측 유량 산출부(5b) 및 여자 전류 스위칭부(5c)를 포함한다. 유량 산출부(5a)는 유량 신호 발생부(4)로부터 입력된 유량 신호(14)에 대해 소정의 연산 처리를 행함으로써 유량을 산출한다. 계측 유량 산출부(5b)는 그 때에 사용된 여자 전류치에 대응되는 조정 계수를 기초로 하여 산출된 유량을 보정하고, 그 결과로 생기는 데이터를 계측 유량(15)으로 출력한다. 여자 전류 스위칭부(5c)는 산출된 계측 유량을 기초로 하여 여자 전류의 전류치에 대해 절환 제어를 행한다.
출력부(6)는 연산 처리부(5)에서 출력된 계측 유량(15)을 소정의 유량 신호(루프 전류)로 변환하여 출력한다.
도 2a 및 도 2f를 참조로 하여 제 1 실시예에 따른 전자유량계의 작동을 설명하면 다음과 같다. 도 2a 내지 도 2f는 제 1 실시예에 따른 전자유량계의 작동을 도시한다.
상용 전원 주파수 fn보다 높은 소정의 주파수 fex를 갖는 구형파 형태의 AC여자 전류가 스위칭부(8)로부터의 여자 신호(8c)를 기초로 하여 변환기(10A)의 여자부(7)에서 검출기(10B)의 여자 코일(9c)로 공급된다.
여자 코일(9c)은 상기 신호에 의해 여자되어 파이프라인(9)을 흐르는 유체에 소정의 자장을 인가하여, 유체의 유속에 대응되는 진폭을 갖는 신호 기전력을 발생시킨다.
상기 신호 기전력은 서로 대향되는 위치의 파이프라인(9)의 내벽에 배치된 검출 전극들(9a 및 9b)에 의해 검출되어, 변환기(10A)에 검출 신호로서 출력된다. 변환기(10A)의 제 1 단 증폭부(1)는 검출기(10B)에서 얻어진 검출 신호의 저주파 성분들을 감쇠시킨다. 그 다음, 검출 신호에 혼입된 펄스형 노이즈 및 저주파 노이즈는 감쇠되고, 신호는 AC 증폭된다. 그 결과로 생기는 신호는 AC 유량 신호(11)로서 출력된다.
샘플/홀드부(2)는 스위칭부(8)로부터의 샘플링 신호들(8A 및 8B)에 의해 지시되는 샘플링 기간을 기초로 하여 제 1 단 증폭부(1)로부터의 AC 유량 신호(11)를 샘플링하여, 그 결과로 생기는 신호를 DC 유량 신호(12)로서 출력한다.
샘플링 기간은 제 1 단 증폭부(1)로부터의 AC 유량 신호(11) 중, 여자 코일(9c)에 의해 생성된 자속 미분 노이즈의 영향을 거의 받지 않는 파형 후단부(사선부분)에 미리 설정됨을 유념하라. 샘플/홀드부(2)는 샘플링 기간 동안에만 단락 스위치들(2a 및 2b)에 의해 AC 유량 신호(11)를 적분하여, 그 결과로 생기는 신호를 DC 유량 신호(12)로서 출력한다.
AC 유량 신호(11)가 양의 측에 있는 경우, 스위칭 신호(8A)를 기초로스위치(2a)만이 단락된다. AC 유량 신호(11)가 음의 측에 있는 경우, AC 유량 신호(11)는 인버터(2c)에 의해 반전되고, 그 다음 스위치(2B)만이 스위칭 신호(8B)를 기초로 단락된다.
이하, 샘플/홀드부(2)로부터 출력된 DC 유량 신호(12)의 노이즈 특성을 살펴보겠다.
전술한 바와 같이, 상용 전원 노이즈가 AC 유량 신호(11)에 혼입되는 경우, 샘플/홀드부(2)의 샘플링 주파수 즉 여자 주파수로 인해 DC 유량 신호(12)에 차분 노이즈가 발생한다. 결과적으로, 계측 유량에 요동이 발생한다.
도 3은 DC 유량 신호에 포함된 차분 노이즈의 주파수 특성을 도시한다. DC 유량 신호(12)에서 요동은 소정의 주파수 fex(21)의 m 배의 주파수와 상용 전원 주파수 fn(22)의 n 배의 주파수 간의 차에 대응되는 다음의 주파수에서 발생한다(m 및 n은 양의 정수):
△f = ｜mfex ±nfn｜
특히 m = 1이고 n = 1 인 경우, fex -fn(23) 및 fex + fn(24)는 여자 주파수 fex에 근접하고, 따라서 계측 유량에 큰 영향을 미친다.
제 1 실시예는 유량 신호 발생부(4)를 포함하여 소정의 타이밍에서 DC 유량 신호를 로딩한다. 이것은 DC 유량 신호에 포함된 차분 노이즈에 기인하는 요동을 억제한다. 예를 들면, 도 2f에 도시된 바와 같이, DC 유량 신호(12)가 차분 노이즈의 주파수에 동기되어 로딩되는 경우, 개별 로딩 타이밍에서의 차분 노이즈의 양은 서로 거의 동일하고, 따라서 요동을 억제한다.
상기 로딩 타이밍의 주파수 ft는 차분 노이즈의 주파수 즉 차분 노이즈 △f의 정약수(integer submultiple)일 수 있고, 다음과 같이 주어진다.
ft = △f/k (단, k는 자연수)
차분 노이즈 성분(24)은 차분 노이즈 성분(23)보다도 신호 주파수 성분들(DC 성분 및 이에 이웃하는 성분)로부터 더 떨어진 주파수에 위치하고, 따라서 많은 경우에 있어서 일반 로우 패스 필터에 의해 충분히 감쇠될 수 있음을 유념하라.
차분 노이즈 성분(24)은 여자 주파수 fex보다 높은 주파수에 있고 연산 처리부(5)에서의 평균화에 의해 어느 정도 감쇠되기 때문에, 유량 신호 발생부(4)는 차분 노이즈 성분(23)만을 감쇠할 수 있다.
이러한 방식으로, DC 유량 신호(12), 본 경우에 있어서의 A/D 변환부(3)로부터의 디지털 유량 신호(13)는 소정의 주파수 ft에서 유량 신호 발생부(4)에 의해 로딩되고, 연산 처리부(5)에 유량 신호(14)로서 출력된다.
연산 처리부(5)는 유량 신호(14)에 대해 소정의 연산처리를 행함으로써 유체의 유속으로부터 계측 유량치를 산출한다. 그 다음, 출력부(6)는 상기 값을 소정의 신호로 변환하여 출력한다.
도 4는 유량 신호 발생부(4)에 의한 로딩 처리의 주파수 특성을 설명한다. 도 4를 참조하면, 가로축은 차분 노이즈의 차분 주파수 △f를 주파수 ft로 나누어서 구해진 값을 나타낸다:
△f/ft (= k)
그리고 횡축은 출력 레벨을 나타낸다.
상기 처리는 △f/ft가 정수가 되는 주파수에서 출력 레벨이 크게 떨어지는 특성을 가진다.
상용 주파수 및 여자 주파수(샘플링 주파수) 또는 주파수 ft 간의 관계는 상기 특성을 사용하여 조정되어, 상기 처리에 의해 크게 감쇠된 주파수들을 요동을 초래하는 주파수 성분들인 차분 노이즈 성분들(23 및 24)(도 3 참조)과 일치시킨다. 이것으로 인해 DC 유량 신호(12)에 포함된 요동을 감쇠시키는 것이 가능하다.
예를 들면, 여자 주파수 fex = 27.5Hz이고 상용 전원 주파수 fn = 50Hz이면, 저주파수 측의 차분 노이즈의 주파수는 △f(= fn - fen) = 2.5Hz(m = 1, n = 1)이 된다.
따라서, 예를 들면, 주파수 ft(= △f/k)가 2.5Hz이면, ft는 △f의 1/9배(k = 9)의 주파수가 된다. 명확히, 상기 차분 노이즈는 억제된다. 본 경우에 있어서, 고주파수 측의 차분 노이즈의 주파수, 즉 △f = fn + fex 는 △f = 77.5 Hz(m = 1, n = 1)가 된다. 그러나, 상기 주파수는 차분 주파수 △f의 1/31(k = 31)이 되기 때문에, 상기 차분 노이즈 또한 억제된다는 것이 명백하다. 차분 노이즈는 상기 2개의 차분 주파수들의 공약 주파수를 사용하여 효과적으로 억제될 수 있다.
유량 신호 발생부(4)를 제어하기 위한 제어 신호(17)의 주파수(ft)는 상용 전원 주파수 fn 및 샘플링 주파수 즉 여자 주파수의 두 배의 주파수를 알고 있기 때문에 용이하게 산출될 수 있다. 연산 처리부(5)는 주파수 ft를 갖는 제어 신호(17)를 생성시킬 수 있다. 제어 신호(17)의 생성은 연산처리부(5)에 한정되지 않음을 유념하라. 상기 신호는 다른 회로부 예컨대 스위칭부(8)에 의해 생성될 수있다.
유량 신호 발생부(4)는 일반 스위치 회로 또는 게이트 회로로 구현될 수 있고, 종래기술에서처럼 아날로그 신호 처리 회로를 필요로 하지 않는다. 따라서, 상용 전원 주파수 및 샘플링 주파수 간의 차분 주파수를 갖는 차분 노이즈에 기인하는 요동은 전력 소비를 많이 증가시키지 않고도 비교적 간단한 회로 구성에 의해 효율적으로 억제될 수 있다.
유량 신호 발생부(4)는 연산 처리부(5)의 CPU의 내부 포트에 기초한 로딩 타이밍 제어 기능 또는 연산 처리부(5) 내부의 디지털 유량 신호(13)의 선택 처리에 의해 구현될 수 있다. 선택적으로, 상기 기능은 A/D 변환부(3)에 제어 신호(17)를 공급하고 A/D 변환부(3)의 A/D 변환 처리의 변환 타이밍 제어 기능을 사용하여 구현될 수 있다.
상기 설명은 한 쌍의 신호 라인들을 공용하여 신호와 전력을 전송하는 방식 즉 2선식 전자유량계를 예로 들었다. 그러나, 본 발명은 여기에 한정되지 않는다. 본 발명은 또한 다른 라인들을 통해 신호 및 전원을 전송하는 방식, 예를 들면, 4선식 전자유량계에도 응용되어 상기 설명된 것과 동일한 효과를 달성할 수 있다.
이하, 제 2 실시예에 따른 전자유량계를 설명하겠다.
제 2 실시예에 따른 전자유량계는 50 Hz 상용 전원 또는 60 Hz 상용 전원에서 작동할 수 있다.
도 5는 제 2 실시예에 따른 전자유량계를 도시한다. 도 5에서와 동일한 도면부호는 전자유량계의 동일 또는 동등한 부분을 나타낸다(도 1 참조).
도 5를 참조하면, 검출기(10B)는 소정의 여자 전류를 기초로 하여 파이프라인의 유체에 AC 자장을 인가하고, 유체에서 생성된 신호 기전력을 검출 신호로서 검출/출력한다. 변환기(10A)는 소정의 AC 여자 전류를 검출기(10B)에 출력하고, 검출기(10B)로부터의 검출 신호를 신호처리하여 파이프라인의 유량을 산출/출력한다.
검출기(10B)에 있어서, 검출 전극들(9a 및 9b)은 피측정 유량이 흐르는 파이프라인(9)의 내벽을 향하도록 배치된 전극들이고, 유체에서 발생되는 신호 기전력을 검출한다. 여자 코일(9c)은 변환기(10A)로부터의 AC 여자 전류를 기초로 하여 여자되고, 자장을 파이프라인(9)의 유체에 인가한다.
변환기(10A)에 있어서, 스위칭부(8)는 소정의 클럭을 기초로 하여 샘플링 신호들(8A 및 8B) 및 여자 신호(8C)를 발생시키고 출력한다. 스위칭부(8)로부터의 여자 신호(8C)를 기초로 하여, 여자부(7)는 AC 구형파(矩形波) 및 소정의 주파수를 갖는 여자 전류를 출력한다.
제 1 단 증폭부(1)는 하이 패스 필터(이하, "HPF"라 한다)(1a) 및 AC 증폭부(1b)를 포함한다. HPF(1a)는 검출기(10B)의 검출 전극들(9a 및 9b)로부터 얻은 검출 신호의 저주파 성분들을 감쇠시켜서 검출 신호에 혼입된 펄스형 노이즈 및 저주파 노이즈를 감쇠시킨다. AC 증폭부(1b)는 HPF(1a)로부터의 검출 신호를 AC 증폭시키고, 그 결과로 생기는 신호를 진폭이 유체의 유속에 따라 변하는 AC 유량 신호(11)로서 출력한다. 샘플/홀드부(2)는 스위칭부(8)로부터의 샘플링 신호들(8A 및 8B)을 기초로 하여 제 1 단 증폭기(1)로부터의 AC 유량 신호(11)를 샘플링하고, 그 결과로 생기는 신호를 DC 전위가 유체의 유량에 따라 변하는 DC 유량 신호(12)로서출력한다.
대역 제거 필터(이하, "BEF"라 한다)(20)는 샘플/홀드부(2)로부터의 DC 유량 신호(12)에 포함된 상용 전원 주파수 및 여자 주파수 간의 차에 해당하는 주파수 성분을 감쇠시킨다. A/D 변환부(3)는 BEF(20)로부터의 DC 유량 신호(12)를 적분하여 디지털 정보로 변환한다.
연산처리부(5)는 유량 산출부(5a), 계측 유량 산출부(5b), 및 여자 전류 스위칭부(5c)를 포함한다. 계측 유량 산출부(5b)는 A/D 변환부(3)로부터의 디지털 정보에 대해 소정의 연산처리 함으로써 유량을 산출한다. 계측 유량 산출부(5b)는 그 때의 여자 전류치에 대응되는 조정 계수를 기초로 하여 산출된 유량을 보정하고, 그 결과로 생기는 데이터를 계측 유량(15)으로서 출력한다. 여자 전류 스위칭부(5c)는 산출된 계측 유량을 기초로 하여 여자 전류의 전류치에 대해 절환 제어를 행한다.
출력부(6)는 연산 처리부(5)에 의해 산출된 계측 유량을 소정의 신호로 변환하여 출력한다.
이하, 제 2 실시예에 따른 전자유량계의 작동을 설명한다.
도 6a 내지 도 6e는 샘플링 동작의 타이밍을 도시한다. 도 6a 내지 도 6e를 참조하면, 도면부호 8C는 스위칭부(8)로부터의 여자 신호를 나타내고; 도면부호 11은 샘플/홀드부(2)로 입력되는 AC 유량 신호(도 5 참조)를 나타내고; 도면부호 8A 및 8B는 스위칭부(8)에서 샘플/홀드부(2)로 입력되는 샘플링 신호를 나타내는데, 이들은 AC 유량 신호(11)의 샘플링 기간(사선부분)을 정의한다.
본 경우에 있어서, 샘플링 기간은 파형의 안정성을 고려하여 여자 신호(8c)(AC 유량 신호(11))의 각 펄스의 후단 근방에 설정된다. 샘플/홀드부(2)는 상기 샘플 기간 동안만 스위치들(2d 및 2e)을 단락하여 AC 유량 신호(11)를 적분하고, 그 결과로 생기는 신호를 DC 유량 신호(12)로서 출력한다. AC 유량 신호(11)가 양의 측에 있는 경우, 스위치(2d)만이 스위칭 신호(8A)를 기초로 하여 단락된다. AC 유량 신호(11)가 음의 측에 있는 경우, 스위치(2e)만이 스위칭 신호(8B)를 기초로 하여 단락된다.
변환기(10A)의 여자부(7)는 스위칭부(8)로부터의 여자 신호(8C)를 기초로 하여 상용 전원 주파수(fac)보다 낮은 소정의 주파수(fex)를 갖는 구형파 형태의 AC 여자 전류를 출력하여, 검출기(10B)의 여자 코일(9c)을 여자시킨다.
이러한 작동으로, 여자 코일(9c)은 여자되어 소정의 자장을 파이프라인(9)을 흐르는 유체에 인가하여, 유체의 유속에 해당하는 진폭을 갖는 신호 기전력을 발생시킨다.
상기 신호 기전력은 서로 대향하는 위치의 파이프라인(9)의 내벽 상에 배치된 전극들(9a 내지 9b)에 의해 검출되어, 검출신호로서 변환기(10A)에 출력된다.
변환기(10A)의 HPF(1a)는 검출기(10B)로부터 얻어진 검출신호의 저주파 성분들을 감쇠시켜, 검출 신호에 혼입된 펄스형 노이즈 및 저주파 노이즈를 감쇠시킨다.
그 다음, AC 증폭부(1b)는 HPF(1a)로부터의 출력을 AC 증폭하여, 그 결과로 생기는 신호를 AC 유량 신호(11)로서 출력한다.
샘플/홀드부(2)는 스위칭부(8)로부터의 샘플링 신호들(8A 및 8B)에 의해 지시되는 샘플링 기간(도 6b 및 도 6c를 참조)을 기초로 하여 AC 증폭부(1b)로부터의 AC 유량 신호(11)를 샘플링하여, 그 결과로 생기는 신호를 DC 유량 신호(12)로서 출력한다.
샘플링 기간은 파형의 안정성을 고려하여 AC 유량 신호(11의 각 펄스의 후단 근방에 설정됨을 유념하라. 샘플/홀드부(2)는 샘플링 기간 동안에만 스위치들(2d 및 2e)을 단락시켜 AC 유량 신호(11)를 적분하여, 그 결과로 생기는 신호를 DC 유량 신호(12)로서 출력한다.
AC 유량 신호(11)가 양의 측에 있는 경우, 스위칭 신호(8A)를 기초로 스위치(2d)만이 단락된다. AC 유량 신호(11)가 음의 측에 있는 경우, AC 유량 신호(11)는 스위치(2e)만이 스위칭 신호(8B)를 기초로 단락된다.
BEF(20)는 여자 주파수 fex 및 상용 전원 주파수 fac(50/60 Hz) 간의 차에 해당하는 DC 유량 신호(12)의 주파수 성분을 감쇠시킨다.
이하, 샘플/홀드부(2)로부터 출력된 DC 유량 신호(12)의 노이즈 특성을 설명하겠다.
전술한 바와 같이(도 6a 내지 도 6e 참조), 상용 전원 주파수를 갖는 노이즈가 AC 유량 신호(11)에 혼입되는 경우, 샘플/홀드부(2)의 작동 특성으로 인한 요동이 DC 유량 신호(12)에서 발생한다.
도 7은 DC 유량 신호에 포함된 요동의 주파수 특성을 설명한다. 여자 주파수 fex(21)의 m배의 주파수와 상용 주파수 fac의 n배의 주파수(m 및 n은 양의 정수이고, m 또는 n는 1 이외의 수임)의 차 즉 mfex - nfac(23) 및 mfex + nfac(24)에 해당하는 주파수에서, DC 유량 신호(12)에서 요동이 발생한다.
따라서, 도 7의 주파수 특성을 갖는 BEF(20)이 샘플/홀드부(2)의 출력단에 연결되어 DC 유량 신호(12)에 포함된 차(差) 주파수 성분들(23 및 24)을 감쇠시키면, 상용 전원 주파수에 기인하는 요동은 감쇠될 수 있다.
제 2 실시예에 있어서, 주파수 성분들은 50Hz 상용 전원 노이즈 및 60 Hz 상용 전원 노이즈 양자 모두에 기인하는 요동을 고려하여 BEF(20)에 의해 감쇠된다. 더욱 구체적으로 설명하자면, fex를 여자 주파수(예컨대, 27.5Hz)라 하고, fac1을 제 1 상용 전원 주파수(예컨대, 50Hz)라 하고, fac2를 제 2 상용 전원 주파수(예컨대, 60Hz)라 하면, BEF는 다음 식을 만족시키는 주파수 성분 f를 감쇠시키기 위해 사용된다.
f = ｜m1fex ±n1fac1｜ = ｜m2fex ±2fac2｜ 단, m1, n1, m2, 및 n2는 양의 정수이다.
이것으로 인해, 2종류의 상용 전원 노이즈에 기인하는 개별 요동을 감쇠시키는 것이 가능하다.
mfex + nfac로 표현되는 주파수 성분(24)은 차분 노이즈 성분(23)보다 신호 주파수 성분(DC 성분 및 이에 이웃하는 성분)에서 더 떨어진 고주파수에 위치하고, 따라서, 많은 경우에 있어서 일반 LPF에 의해 충분히 감쇠될 수 있음을 유념하라.
주파수 성분(24)은 여자 주파수 fex보다 높은 주파수에 있고 후단의 적분형 A/D 변환부(3) 또는 연산 처리부(5)에서의 처리에 의해 어느 정도 감쇠되기 때문에, BEF(20)는 미분 노이즈 성분(23)만을 감쇠시킬 수 있다.
이러한 방식으로, BEF(20)은 DC 유량 신호(12)에서 상용 주파수 노이즈에 기인하는 요동을 감쇠시키고, 그 결과로 생기는 신호를 A/D 변환부(3)에 출력한다.
A/D 변환부(3)는 BEF(20)로부터의 DC 유량 신호(12)를 그 DC 전위에 대응하는 디지털 정보로서 출력한다.
연산처리부(5)는 샘플/홀드부(2)로부터의 DC 유량 신호(12)를 A/D 변환부(3)를 통해 디지털 정보로서 로딩하고, 소정의 연산 처리를 행하여 유체의 유속으로부터 계측 유량치를 산출한다. 출력부(6)는 이 값을 소정의 신호로 변환하여 출력한다.
BEF(20)는 능동 필터 또는 디지털 필터로 이루어진 일반적인 구성을 가질 수 있음을 유념하라. 그러나, BEF(20)가 이동 평균 처리의 주파수 특성을 갖는 A/D 변환부(3)에 의해 구현되면, BEF를 별도의 구성요소로 준비할 필요가 없다.
도 8a 및 도 8b는 A/D 변환부(3)의 구성의 예를 설명한다. 도 8a는 이동 평균 처리부가 사용되는 경우를 도시한다. 도 8b는 전압/주파수 변환부가 사용되는 경우를 설명한다.
도 8a를 참조하면, A/D 변환기(3a)는 BEF(20)로부터의 출력을 디지털 정보의 조각들로 출력한다. 이동 평균 처리부(3b)는 디지털 정보의 조각들의 복수의 연속적 데이터의 평균치를 연속적으로 산출하고, 이들을 연산 처리부(5)로 출력한다.
따라서, 샘플/홀드부(2)로부터의 DC 유량 신호(12)는 A/D변환기에 의해 디지털 정보로 연속적으로 변환된다. 또한, 이동 연속 처리부(3b)는 상기 디지털 정보의 조각들을 이들의 전 또는 후의 연속적인 디지털 정보의 조각들과 평균화한다. 따라서, 원래의 DC 유량 신호(12)에 혼입된 펄스형 노이즈가 감쇠된다.
도 9는 이동 평균 처리의 주파수 특성을 도시한다. 가로축은 입력 신호 주파수 f와 이동 평균 시간 τ의 곱 fτ를 나타내고, 세로축은 출력 레벨을 나타낸다.
이동 평균 시간 τ는 이동 평균 처리되는 순차 입력된 디지털 정보의 데이터 수에 대응하는 소정의 시간 구간이다.
이동 평균 처리는 이동 평균 시간 τ와 입력 신호 주파수 f의 곱 fτ의 정수배(整數培)에 대응되는 주파수에서 출력 레벨이 크게 감쇠되는 특성을 갖는다.
이동 평균 처리가 행해지는 시간 구간 τ는 상기 특성에 의해 선택되고, 이동 평균 처리 이후의 출력 레벨이 크게 감쇠되는 주파수는 전술된 요동의 주파수 성분들인 주파수 성분들(23 및 24)(도 7 참조)과 일치되고, 따라서 DC 유량 신호(12)에 포함된 요동을 감쇠시킨다.
예를 들면, 상용 전원 주파수 fac1 = 50 Hz (n = 1)을 갖는 주파수 성분이 여자 주파수 fex = 27.5Hz(m = 1)에서 생성되면, 요동은 저 주파수 측의 차 주파수(= ｜mfex - nfac｜) = 22.5Hz에서 발생한다. 이동 평균 시간 τ = 0.0444s 따라서 fτ = 1로 설정함으로써, 주파수 f = 22.5Hz는 크게 감쇠될 수 있다.
도 8b는 A/D 변환부(3)가 전압/주파수 변환부(3c)(이하, "V/F 변환부"라고 함)로 형성되는 경우를 도시한다.
V/F 변환부(3c)는 소정의 시정수로써 입력 신호 전압을 적분하고, 적분 전압치에 대응하는 주파수 펄스를 출력한다. 이 구성요소는 상기 이동 평균 처리와 유사한 특성을 갖는다는 것은 공지되어 있다.
본 경우에 있어서, V/F 변환부(3c)로부터의 펄스들은 소정의 기간마다 카운터(3d)에 의해 계수되고, 각 계수치는 연산처리부(5)에 디지털 정보로서 출력된다.
따라서, V/F 변환부(3c)의 사용은 전술한 A/D 변환기(3a) 및 이동 평균 처리부(3b)의 사용과 비교할 때 회로 구성 부품의 비용을 줄인다. 따라서, 변환기(10A)의 비용이 절감된다.
도 10은 수동 필터로 형성되는 BEF(20)의 구성의 예를 도시한다.
도 10은 BEF(20)의 구성의 예를 도시한다. 본 경우에 있어서, 직렬 연결된 용량 소자들(41 및 42)은 직렬 연결된 저항 소자들(43 및 44)과 병렬로 연결된다. 저항 소자(45)는 접지 전위와 용량 소자들(41 및 42)의 접속점 사이에 연결되고, 용량 소자(46)는 접지 전위와 저항 소자들(43 및 44)의 접속점 사이에 연결되어, BEF(20)를 형성한다. 소망의 주파수 특성을 갖는 BEF(20)는 용량 소자들(41, 42, 및 46) 및 저항 소자들(43, 44, 및 45)에 대한 값들을 선택함으로써 형성된다.
전술한 것과 다른 BEF의 구성의 예가 많이 있고, 이들 중 어떤 것을 사용하더라도 유사한 효과가 얻어질 수 있다.
이하, 제 2 실시예에 따른 전자유량계의 기능을 설명하겠다. 도 12에 도시된 종래의 전자유량계에 있어서, 소정의 주파수를 갖는 연속 노이즈 예컨대 50/60 Hz의 상용 주파수와 동일한 주파수를 갖는 노이즈가 AC 유량 신호(111A)에 혼입되는 경우, 샘플/홀드부(112)로부터 출력된 DC 유량 신호(112A)에는 그 동작 특성으로 인해 요동이 발생한다. 예를 들면, 도 6e에 도시된 바와 같이, 유량이 일정하게 되는 경우, 이런 종류의 노이즈가 AC 유량 신호(111A)에 혼입된다.
본 경우에 있어서, 오차들 d0 내지 d7이 혼입된 노이즈의 진폭으로 인해 인접한 펄스 파형의 샘플링 기간에서 AC 유량 신호(111A)에 생성된다. 상기 d0 내지 d7은 샘플/홀드부(112)에 의해 샘플링되고, 그 결과로 생기는 신호는 요동(61)을 갖는 DC 유량 신호(112A)로서 출력된다.
도 11은 샘플/홀드부(112)에서의 노이즈 주파수 및 요동 간의 관계를 도시한다. 도 11을 참조하면, 가로축은 여자 주파수의 배수인 노이즈 주파수를 나타내고, 세로축은 요동의 크기를 나타낸다.
본 경우에 있어서, 산 모양의 특성 곡선이 나타난다; 요동의 크기는 여자 주파수 fex와 동일한 노이즈 주파수가 신호에 혼입될 때 최고가 되고, 요동의 크기는 센터로서의 여자 주파수 fex에서 멀어짐에 따라 점차 줄어들어서 제로 주파수와 여자 주파수의 2배의 노이즈 주파수에서 이론적으로 제로가 된다. 이와 마찬가지로, 산 모양의 특성 곡선은 연속적으로 나타난다; 요동의 크기는, 각기 센터 역할을 하는 여자 주파수의 홀수배 예컨대 3배, 5배 등과 동일한 노이즈 주파수에 인접한 여자 주파수의 짝수배 예컨대 2배, 4배, 등과 동일한 노이즈 주파수에서 이론적으로 제로가 된다.
따라서, 대역 제거 필터(120)가 샘플/홀드부(112)의 출력단에 연결되고 DC 유량 신호에 포함된 주파수 성분들의 상용 전원 주파수 및 여자 주파수가 각기 fex 및 fac로 표현되면, 다음 식에서 주어진 주파수 f를 가진 성분은 감쇠된다.
f = ｜mfex ±nfac ｜ ( 단, m 및 n는 양의 정수)
이러한 구성은 상용 전원 주파수 노이즈의 왜곡에 의해 생성되는 고조 성분의 영향을 억제하고, 슬러리 유체에 의해 생성되는 슬러리 노이즈를 감소시킨다. 상기 구성은 또한 상용 전원 주파수 노이즈에 의해 샘플링 이후의 DC 유량 신호에 초래되는 요동을 감쇠시킨다.
그러나, 상기 전자유량계는 상용 전원 주파수보다 높은 소정의 여자 주파수를 사용하는 것으로 가정되고, 따라서 상대적으로 고가의 여자 회로(변환기) 및 자기 회로(검출기)를 필요로 한다.
전자유량계는 상용 전원 주파수보다 높은 여자 주파수 예컨대 85Hz를 사용하면, 자속의 상승시간이 급격히 빨리 되어야 할 필요가 있기 때문에, 여자 회로의 여자 전류의 상승시간을 빨리 하기 위해 높은 여자 전압이 필요하다. 이때, 여자 전류가 상승되고 고압이 유지되어서 안정된 이후에, 모든 고압은 열을 발생시키고 변환기는 열의 영향을 받는다.
이것을 방지하기 위해, 여자 전류가 상승할 때만 고압을 인가하고 전류가 안정되면 상기 전압을 저전압으로 절환하는 회로 구성이 필요하다. 또한, 고압이 취급되기 때문에, 높은 브레이크 다운 전압을 갖는 크고 고가의 구성요소들이 전자(電子) 구성요소로서 선택되어야 한다.
자속의 상승 시간을 빨리 하기 위해, 높은 자기 반응을 갖는 자기 재료가 자기 회로의 코어(core)로 선택되어야 한다. 상기 자기 물질은 높은 상대 투자율을 가지나, 높은 저항을 가지고 고가이다. 금속 계측 파이프에 있어서, 와전류(eddy current)의 감소가 실현되어야 한다. 계측 파이프는 이것을 고려하여 처리되어야하기 때문에 고가이다.
또한, 상용 전원 주파수를 갖는 여자 주파수를 동기화하는 방법은 가능하다. 그러나, 2 종류의 상용 전원 주파수 예컨대 50Hz 및 60Hz가 있기 때문에 다른 차단 주파수를 갖는 대역 제거 필터가 50Hz 및 60Hz에 대해 필요하다. 또한 상용 전원 주파수들에 대응하는 여자 주파수를 갖는 여자 전류를 출력하기 위한 여자 회로들이 필요하다. 따라서, 상용 전원 주파수들에 대응하여 여자 회로들 및 대역 제거 필터들을 갖는 2개 종류의 전자유량계가 각 상용 주파수에 대해 별도로 제작된다. 그러나 각 전자유량계는 상용 전원 주파수 양자 모두에 대해 사용될 수는 없다. 2개 종류의 대역 제거 필터가 준비된 구성이 설계될 수 있고, 상용 전원 주파수들에 대응하는 밴드 제거 필터들 및 여자 주파수들이 절환되고 사용된다. 그러나 본 경우에 있어서, 회로의 크기는 커지고 비용이 증가된다.
2개의 상용 전원들의 AC 노이즈가 여자 주파수들의 선택에 의해 제거되어 여자 기간의 전반의 샘플링 개시 시점과 후반의 샘플링 시점 간의 시간 구간이 50 Hz 상용 전원 및 60 Hz 상용 전원 각각의 기간의 정수배가 되도록 하는 방법이 가능하다(예컨대, 일본 특허 공개 공보 제10-111157호 참조). 그러나, 이러한 방법에서 여자 주파수가 200ms의 정수로 설정되어야 되기 때문에, 여자 주파수는 가청하음 파 예컨대 5Hz, 2.5Hz 또는 1.67Hz 여자를 위한 것이 된다. 슬러리 노이즈의 영향은 무시될 수 없다.
따라서, 제 2 실시예에 따른 전자유량계에 있어서, 자장은 50Hz 및 60Hz의 상용 전원 주파수보다 낮은 주파수를 갖는 AC 여자 전류를 사용함으로서 자장이 파이프의 유체에 인가되고, 계측 유량은 전극에서 구해진 유체의 신호 기전력을 신호처리함으로써 구해진다.
표 1a 및 표 1b는 각 상용 주파수에서의 요동의 주파수 성분을 보여준다.
n1 1 2 3 4 5 6 7
m1 m1fex＼n1fac1 50.0 100.0 150.0 200.0 250.0 300.0 350.0
1 27.5 22.5 * 72.5 122.5 172.5 222.5 272.5 322.5
2 55.0 5.0 45.0 95.0 145.0 195.0 245.0 295.0
3 82.5 32.5 17.5 * 67.5 117.5 167.5 217.5 267.5
4 110.0 60.0 10.0 40.0 90.0 140.0 190.0 240.0
5 137.5 87.5 37.5 12.5 * 65.5 112.5 162.5 212.5
6 165.0 115.0 65.0 15.0 35.0 85.0 135.0 185.0
7 192.5 142.5 92.5 42.5 7.5 * 57.5 107.5 157.5
8 220.0 170.0 120.0 70.0 20.0 30.0 80.0 130.0
9 247.5 197.5 147.5 97.5 47.5 2.5 * 52.5 102.5
10 275.0 225.0 175.0 125.0 75.0 25.0 25.0 75.0
11 302.5 252.5 202.5 152.5 102.5 52.5 2.5 * 47.5
12 330.0 280.0 230.0 180.0 130.0 80.0 30.0 20.0
13 357.5 307.5 257.5 207.5 157.5 107.5 57.5 7.5 *
14 385.0 335.0 285.0 235.0 185.0 135.0 85.0 35.0
15 412.5 362.5 312.5 262.5 212.5 162.5 112.5 62.5
n2 1 2 3 4 5 6 7
m2 m2fex＼n2fac2 60.0 120.0 180.0 240.0 300.0 360.0 420.0
1 27.5 32.5 92.5 152.5 212.5 272.5 332.5 392.5
2 55.0 5.0 65.0 125.0 185.0 245.0 305.0 365.0
3 82.5 22.5 * 37.5 97.5 157.5 217.5 277.5 337.5
4 110.0 50.0 10.0 70.0 130.0 190.0 250.0 310.0
5 137.5 77.5 17.5 * 42.5 102.5 162.5 222.5 282.5
6 165.0 105.0 45.0 15.0 75.0 135.0 195.0 255.0
7 192.5 132.5 72.5 12.5 * 47.5 107.5 167.5 227.5
8 220.0 160.0 100.0 40.0 20.0 80.0 140.0 200.0
9 247.5 187.5 127.5 67.5 7.5 * 52.5 112.5 172.5
10 275.0 215.0 155.0 95.0 35.0 25.0 85.0 145.0
11 302.5 242.5 182.5 122.5 62.5 2.5 * 57.5 117.5
12 330.0 270.0 210.0 150.0 90.0 30.0 30.0 90.0
13 357.5 297.5 237.5 177.5 117.5 57.5 2.5 * 62.5
14 385.0 325.0 265.0 205.0 145.0 85.0 25.0 35.0
15 412.5 352.5 292.5 232.5 172.5 112.5 52.5 7.5 *
*: 감쇠될 주파수
전술한 바와 같이(도 11 참조), DC 유량 신호(12)에 포함된 요동 중에서, 여자 주파수 그 자체(m = 1)에 기인하는 요동들이 가장 큰 레벨을 나타내고, 여자 주파수 fex의 홀수배에 상당하는 고조파에 기인하는 요동들이 fex로부터의 거리에 따라 레벨 상으로 점점 줄어든다.
여자 주파수 fex보다 높은 주파수의 주파수 성분들은 일반 LPF에 의해 용이하게 감쇠될 수 있고, 이들 성분들에 기인하는 요동들은 쉽게 감쇠될 수 있다. 따라서, BEF(20)는 여자 주파수 fex보다 낮은 영역에서 발생될 수 있는 요동들의 주파수 성분 f를 감쇠시킬 수 있다.
여자 주파수 fex = 27.5Hz인 것으로 가정하라. 본 경우에 있어서, 표 1a에 나타난 바와 같이, 상용 전원 주파수 fac1 = 50Hz에서, fex보다 낮은 영역에서 발생될 수 있는 요동들의 주파수성분 즉 f = ｜m1fex ± n1fac1｜에 따라서, 다음의 요동들이 fex의 홀수배 및 fac1의 정수배에 상당하는 고조파에 의해 생성된다: 22.5Hz (m1 = 1, n1 = 1), 17.5Hz (m1 = 3, n1 = 2), 12.5Hz (m1 = 5, n1 = 3), 7.5Hz (m1 = 7, n1 = 4, 및 m1 = 13, n1= 7), 2.5Hz (m1 = 9, n1 = 5 및 m1 = 11, n1 = 6), 등
상용 전원 주파수 fac2 = 60Hz에서, 표 1b에 나타난 바와 같이, 상용 전원 주파수 fac1 = 50Hz에서, fex보다 낮은 영역에서 발생될 수 있는 요동들의 주파수성분 즉 f = ｜m2fex ± n2fac1｜에 따라서, 다음의 요동들이 fex의 홀수배 및 fac2의 정수배에 상당하는 고조파에 의해 생성된다: 22.5Hz (m2 = 3, n2 = 1), 17.5Hz (m2 = 5, n2 = 2), 12.5Hz (m2 = 7, n2 = 3), 7.5Hz (m2 = 9, n2 = 4, 및m2 = 15, n2= 7), 2.5Hz (m2 = 11, n2 = 5 및 m2 = 13, n2 = 6), 등
제 2 실시예에 있어서, 50Hz 상용 전원 및 60Hz 상용 전원 모두에 기인하는 동일한 주파수 성분들 f는 BEF(20)에 의해 감쇠된다. 여자 주파수 fex = 27.5Hz의 표 1a 및 표 1b에 있어서, 22.5 Hz에서의 레벨이 50 Hz 상용 전원 및 60 Hz 상용 전원의 양자 모두의 경우에서 가장 높다.
주파수 성분 f = 22.5Hz를 감쇠시키는 BEF(20)의 제공은 상용 전원 주파수에 기인하는 요동 및 슬러리 노이즈의 영향이 문제되지 않을 정도로 향상된 정확성을 갖는 유량 계측을 실현할 수 있고, 다른 새로운 회로 구성을 부가하지 않고 상대적으로 낮은 비용으로 50 Hz 상용 전원 및 60 Hz 상용 전원에서 동작할 수 있는 전자유량계를 구현할 수 있다.
제 2 실시예는 신호 및 전원을 동일한 한 쌍의 신호 라인들을 공용하여 전송하는 방식 즉 2선식 전자유량계를 예로 하여 설명하였다. 그러나, 본 발명은 여기에 한정되지 않는다. 본 발명은 또한 다른 라인들을 통해 신호 및 전원을 전송하는 방식, 예를 들면, 4선식 전자유량계에도 응용되어 상기 설명된 것과 동일한 효과를 달성할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 유체에 혼입된 상용 전원 노이즈이 상용 전원 주파수 및 여자 주파수 간의 차분 주파수의 정약수에 대응되는 주파수에서 DC 유량 신호가 디지털 유량 신호로서 연산처리부에 로딩되어 계측 유량을 산출한다. 이것은 아날로그 신호 처리 회로를 사용할 필요가 없게 하고, 전력 소비의 증가 없이 저비용의 비교적 간단한 회로 구성으로써 차분 노이즈에 기인하는 계측 유량의 요동을 억제할 수 있다.
또한, 밴드 제거 필터는 샘플/홀드부의 출력단에 제공되어 DC 전위가 유체의 유속에 따라 변하는 DC 유량 신호에 포함된 요동의 주파수 성분들, 즉 여자 주파수의 정수배 m1인 주파수와 상용 전원 주파수 fac1이 정수배 n1인 주파수 간의 차의 주파수 성분 ｜m1fex ± n1fac1｜, 및 여자 주파수 fex의 정수배 m2인 주파수와 상용 전원 주파수 fac2의 정수배 n2인 주파수 간의 차의 주파수 성분 ｜m2fex ± n2fac2｜를 갖는 주파수 성분들을 감쇠시킨다. 이러한 구성은 상용 전원 주파수에 기인하는 요동 및 슬러리 노이즈의 영향이 문제되지 않을 정도로 향상된 정확성을 갖는 유량 계측을 실현할 수 있고, 다른 새로운 회로 구성을 부가하지 않고 상대적으로 낮은 비용으로 50 Hz 상용 전원 및 60 Hz 상용 전원에서 동작할 수 있는 전자유량계를 구현할 수 있다.

Claims (8)

  1. 파이프라인 내에 흐르는 유체에 자장을 인가하는 코일(9C);
    상기 코일에 여자(勵磁) 전류를 공급하기 위한 여자 수단(7);
    상용 전원 주파수 및 여자 주파수 간에 차분(差分) 주파수 성분을 사용하여 여자된 유체로부터 검출된 계측 검출 신호에서 노이즈를 제거하기 위한 노이즈 제거 수단(1, 2, 3, 4, 20); 및
    상기 노이즈 제거 수단에서 출력된 계측 신호를 기초로 하여 계측 유량을 산출하기 위한 연산 처리 수단(5);
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자유량계(電磁流量計).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 노이즈 제거 수단(1, 2, 3, 4)은
    계측 신호를 디지털 신호로 변환하기 위한 A/D 변환 수단(3); 및
    유체에 혼입된 상용 전원 노이즈의 상용 전원 주파수 및 여자 주파수 간의 차분 주파수의 정약수(整約數, integer submultiple)에 대응하는 주파수에서 상기 A/D 변환 수단로부터의 출력신호를 로딩하기 위한 유량 신호 발생 수단(4);
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자유량계.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 노이즈 제거 수단(1, 2, 3, 4)은
    상용 전원으로 사용되는 제 1 및 제 2 상용 전원 주파수들보다 낮은 주파수의 여자 전류를 상기 코일에 공급함으로써 여자된 유체로부터 검출된 계측 신호에 포함된 주파수 성분들 중, f = ｜m1fex ±n1fac1｜ = ｜m2fex ±n2fac1｜(단, fex는 여자 주파수이고, fac1은 제 1 상용 전원 주파수이고, fac2는 제 2 상용 전원 주파수임)를 만족하는 주파수 f의 성분을 감쇠시키기 위한 대역 제거 필터 수단(20); 및
    대역 감쇠 필수 수단으로부터의 출력을 디지털 신호로 변환하기 위한 A/D 변환 수단(3);
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자유량계.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 노이즈 제거 수단(1, 2, 3, 4)은 파이프라인 내에 제공된 검출 전극들(9A, 9B) 간에서 발생된 검출 신호를 검출하기 위한 신호 검출 수단(1, 2)을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자유량계.
  5. 제 4 항에 있어서,
    신호 검출 수단(1, 2)은
    상기 여자 수단(7)에 공급된 여자 전류를 사용함으로써 유체로부터 검출된 검출 신호를 증폭하기 위한 증폭 수단(1); 및
    증폭 수단에서 출력된 신호를 샘플링하기 위한 샘플링 수단(2);
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자유량계.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 연산 처리 수단(5)은 유량 신호에 대해 연산 처리를 행함으로써 유량을 산출하기 위한 유량 산출 수단(5a)을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자유량계.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 연산 처리 수단(6)은 여자 전류에 대응하는 여자 계수를 기초로 하여 유량을 보정함으로써 계측 유량을 산출하기 위한 계측 유량 산출 수단(5b)을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자유량계.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 연산 처리 수단(5)은 상기 계측 유량 산출 수단(5b)에 의해 산출된 계측 유량을 기초로 하여 여자 전류의 전류치를 절환 제어하기 위한 여자 전류 스위칭 수단(5c)을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자유량계.
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