KR20060134043A

KR20060134043A - 코리올리 질량 유동 센서

Info

Publication number: KR20060134043A
Application number: KR1020067015574A
Authority: KR
Inventors: 토드 베르거; 조셉 딜르; 제임스 버드살; 토마스 브라운
Original assignee: 에머슨 일렉트릭 컴파니
Priority date: 2004-01-02
Filing date: 2004-12-31
Publication date: 2006-12-27
Also published as: US20050150311A1; AR047361A1; PL2110647T3; CA2549615C; BRPI0418214A; DE602004031306D1; JP2007518077A; HK1103125A1; AU2004313782A1; BRPI0418214B1; JP2011095272A; MY137368A; ATE549605T1; US7117751B2; EP2110647A1; WO2005068944A3; KR20110002501A; CA2549615A1; KR101206380B1; PL380128A1

Abstract

코리올리 질량 유동 센서는 유동관, 광원, 및 상기 광원으로부터 빛을 수용하도록 위치된 광 유입구와 상기 광원으로부터 수용된 빛을 방출하기 위한 광 배출구를 갖는 광 파이프를 포함한다. 광 검출기는 광 파이프의 광 배출구로부터 빛을 수용하며, 구동 장치는 유동관이 광원의 광 배출구와 광 검출기 사이의 광 경로를 통하여 움직이도록 유동관을 진동시킨다. 특정 실시예에서, 광 파이프는 대체로 정사각형 단면을 형성한다. 미리 결정된 형상을 갖는 감지공이 광 파이프의 광 배출구와 광 검출기 사이에 위치된다. 감지공은 광 배출구로부터 방출된 빛의 일부를 광 검출기로 보내어서, 광 검출기로 유입되는 빛이 미리 결정된 형상을 갖는다.

Description

코리올리 질량 유동 센서 {CORIOLIS MASS FLOW SENSOR}

본 발명은 여기 참조되며, 2004년 1월 2일과 2004년 3월 15일에 출원된 미합중국 임시특허출원번호 제60/481,852호와 제60/521,223호의 계속 출원이다.

본 발명은 질량 유동 측정 및 제어에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 전향력 효과(Coriolis force effect)에 기초한 질량 유동 측정 및 제어 장치에 관한 것이다.

전향력 효과에 기초한 질량 유동은 하기의 방법으로 측정된다. 전향력은, 설정된 방향으로 이동한 후, 상기 설정된 유동 방향에 수직인 벡터 성분을 따라 방향을 변화하도록 하는 질량의 영향을 초래한다. 이는 다음 방정식으로 나타내어질 수 있다.

이때,

(전향력 벡터)는

(유동 질량의 모멘텀 벡터(momentum vector))와

(회전 좌표계의 각속도 벡터)의 외적(cross product)의 결과이다.

회전 시스템에서, 각속도 벡터는 회전 축선을 따라 정렬된다. "오른손 법칙"을 이용할 경우, 네 손가락들은 회전 방향을 정의하고, 펴진 엄지손가락은 각속 도 벡터 방향을 정의한다. 통상적인 전향력 유동 센서의 경우, 유체 유동이 형성되는 관은 진동하게 된다. 종종, 이러한 관은 하나 이상의 고리 형상이다. 고리 형상은 질량 유동 벡터가 고리의 상이한 부분에서 대향 방향으로 지향되도록 한다. 고리는, 예를 들면 "U"자 형상, 직사각형, 삼각형, "Δ" 형상 또는 코일형상일 수 있다. 직선관의 특별한 경우에는 질량 유동 벡터가 한 방향에 있는 동안, 관의 정점(anchor points)에 부합하는 두 개의 동시 각속도 벡터(simultaneous angular velocity vectors)가 존재한다.

각속도 벡터는 진동 시스템에서 회전 방향이 변화하기 때문에 방향이 변화한다. 그 결과, 임의의 주어진 시간에 질량 유동 벡터 또는 각속도 벡터가 마주하는 방향으로 지향되는 대향 방향에 전향력이 작용하게 된다. 진동 시스템으로 인하여 각속도 벡터가 끊임없이 변화하고 있기 때문에, 전향력 또한 끊임없이 변화하고 있다. 결과적으로, 관의 진동 운동의 최고점에 가해지는 동적 비틀림 운동이 존재하게 된다. 비틀림의 크기는 주어진 각속도에 대한 질량 유동에 비례한다.

질량 유동 측정은 센서 관(sensor tube)을 통하여 움직이는 유체에 의해 발생된 전향력으로 인하여 센서 관 내의 비틀림을 측정함으로써 이루어진다. 통상적으로 공지되어 있는 장치는 픽오프 센서(pick off sensors)를 이용하며, 픽오프 센서는 자석, 및 전향력 유도 변위(Coriolis force's induced displacement)가 가장 클 것으로 예상되는 유동관 상에 위치된 코일 쌍을 포함한다. 코일과 자석은 예를 들면, 자석이 관에 장착되고 코일이 정지한 패키지 벽에 장착되는 대향 구조상에 장착된다. 코일은 자기장을 통과하여 이동해, 코일에 전류를 유도할 것이다. 이 러한 전류는 코일에 상대적인 자석의 속도에 비례한다.

그러나 저유동의 경우, 관이 비교적 작기 때문에 관 자체에 감지 하드웨어를 설치하는 것이 어렵거나 불가능해진다. 관의 진동을 감지하는 종래 기술의 방법은 대부분 만족스럽지 못하였다. 본 발명은 종래 기술에 관한 단점을 역점을 두어 다룬다.

본 발명의 양태에 따르면, 코리올리 질량 유동 센서는 유동관, 광원, 및 상기 광원으로부터 빛을 수용하도록 위치된 광 유입구와 상기 광원으로부터 수용된 빛을 방출하기 위한 광 배출구를 구비하는 광 파이프를 포함한다. 광 검출기는 상기 광 파이프의 광 배출구로부터 빛 수용하며, 구동 장치는, 유동관이 상기 광 파이프의 광 배출구와 광 검출기 사이의 광 경로를 폐쇄하도록 유동관을 진동시킨다. 특정 실시예에서 광 파이프는 대체로 정사각형, 또는 다른 다각형상 단면을 형성하여 광원으로부터 수용된 빛을 뒤섞거나 "혼합"함으로써, 관에 공간적으로 보다 균일한 강도 분포를 이룬다.

미리 결정된 형상을 갖는 감지공(sensing aperture)은 광 파이프의 광 배출구와 광 검출기 사이에 위치된다. 감지공이 광 배출구로부터 방출된 빛의 일부를 광 검출기로 보내어, 광 검출기로 유입되는 빛이 미리 결정된 형상을 갖는다. 예시적인 실시예에서, 감지공과 그에 따라 광 검출기에 도달하는 빛의 형상은 삼각형이다.

다양한 구성요소들이 하나 이상의 광학 모듈 본체(optics module bodies) 내에 위치될 수 있으며, 광학 모듈 본체는 내부에 구성요소들을 수용하는 개구를 형성할 수 있다. 원하는 패키지 크기를 얻기 위해, 개구는 다양한 방향으로 배향될 수 있으며, 필요한 경우 거울과 렌즈가 사용되어 빛을 지향시킬 수 있다.

본 발명의 다른 목적과 이점은 하기의 상세한 설명 및 첨부 도면을 참조하여 명백해 질 것이다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 양태에 따른 코리올리 질량 유동 제어기 및 센서를 개념적으로 도시하는 블록도,

도 3은 본 발명에 따른 광학 픽오프 센서를 사용하는 코리올리 질량 유동 장치의 일부를 전체적으로 도시하는 블록도,

도 4a 및 도 4b는 각각 광학 픽오프 센서를 사용하는 코리올리 질량 유동 제어기의 유동 감지부의 정면도 및 측면도,

도 5는 본 발명의 다른 양태에 따른 코리올리 질량 유동 센서의 사시도,

도 6은 본 발명의 추가 양태에 따른 코리올리 질량 유동 센서의 광학 모듈 본체의 사시도,

도 7은 하나의 광학 모듈 본체가 제거된 도 5에 도시되어 있는 코리올리 질량 유동 센서의 사시도,

도 8은 도 5에 도시되어 있는 광학 모듈들 중 하나의 분해도,

도 9는 도 5에 도시되어 있는 광학 모듈들 중 하나의 단면도,

도 10은 도 5에 도시되어 있는 코리올리 질량 유동 센서의 감지공을 개념적 으로 도시한 도면,

도 11은 예시적인 유동관에 대한 선형 응답 영역을 나타내는 응답 곡선을 도시한 도표, 및

도 12는 도 11에 도시되어 있는 곡선의 기울기를 나타내는 도표이다.

본 발명은 다양하게 변형되고 대안적인 형태로 될 수 있으며, 본 발명의 특정 실시예들은 도면에 예로서 도시되었으며, 여기 상세히 설명된다. 그러나 여기 설명되는 특정 실시예들은 개시된 특정 형태로 본 발명을 제한하고자 하는 것이 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의해 한정된 바와 같이 본 발명의 사상 및 범주 내에 해당하는 모든 변형, 상당물 및 대안을 포함하기 위한 것임을 이해하여야 한다.

이하, 본 발명의 예시적인 실시예들이 설명된다. 명확성을 위해, 실제 실시예의 모든 특징들이 본 명세서에 설명되지는 않는다. 전술한 임의의 실제 실시예의 개발에 있어서 다수의 실시예 종속적인 결정은 시스템 관련 및 사업상의 제약사항 준수와 같은 개발자의 특수한 목표를 달성하도록 이루어졌으며, 이러한 제약사항은 임의의 실시예들에서 서로 다를 것이다. 또한, 이러한 개발 노력은 복잡하고 시간이 걸리지만, 본 명세서의 이점을 갖는 기술 분야의 당업자에게 일상적인 직무일 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 코리올리 기반 질량 유동 센서와 제어기를 도시하고 있다. 도 1은 본질상 두 개의 분리된 작동 시스템으로 이루어지는데; 이들 두 개의 시스템은 코리올리 센서 픽오프 및 구동 시스템(A)과, 적용 및 제어 시 스템(B)이다. 코리올리 센서 픽오프와 구동 시스템은 코리올리 센서(1)와 연결된다. 적용 및 제어 시스템(B)은 사용자에게 인터페이스를 제공하며, 밸브(6)와 같은 유동 제어 장치에 제어 신호를 제공한다.

센서 픽오프와 구동 시스템(A)의 목적은 전향력의 함수로서 상대 질량 유동과 공진 주파수의 함수로서 상대 밀도를 결정하기 위한 코리올리 센서(1)의 운동을 제어하고 감지하는 것이다.

예시적인 센서 픽오프 및 구동 시스템(A)은 적용 및 제어 시스템(B)에 세 개의 데이터 값을 제공한다.

1. ΔT -- 센서관(sensor tube)의 일측 대 상대 질량 유동을 지시하는 센서관의 타측의 위상 지연(phase lag)에 관한 시간차.

2. 주파수-- 측정된 물질의 상대 밀도에 관한 센서관의 공진 주파수.

3. 온도 -- 저항온도검출기(Resistance Temperature Detector; RTD)가 센서관의 온도를 결정하도록 측정한다.

적용 및 제어 시스템(B)은 사용자(5)에게 원하는 질량 유동 유닛을 제공하도록 검정상수(calibration constants)와 관련하여 ΔT를 사용한다. 또한, 적용 및 제어 시스템은 사용자(5)에게 원하는 밀도 및/또는 체적의 유동 유닛을 제공하도록 검정상수와 관련하여 주파수를 이용한다. 온도는 질량 유동 및 밀도 계산 모두를 보상하도록 사용된다. 적용 및 제어 시스템(B)은 원하는 설정으로 유동을 조절하는 밸브(6)를 제어하도록 사용자의 설정점 입력과 비교하여 질량 또는 체적 유동 유닛 출력을 사용한다.

도 2는 여기 개시되어 있는 바와 같은 코리올리 질량 유동 센서의 일부를 개념적으로 도시하는 블록도이다. 코리올리 질량 유동 센서(1)는 유동관(2)을 포함하며, 유동관(2)을 진동시키도록 유동관에 대해 위치된 구동 장치(3)를 갖는다. 픽오프 센서(4)는 전향력으로 인한 유동관(2) 내의 비틀림을 측정할 수 있도록 유동관(2)에 대해 위치된다.

질량 유동 측정은 센서관을 통하여 움직이는 유체에 의해 발생된 전향력으로 인한, 센서관 내의 비틀림을 측정함으로써 이루어진다. 예를 들면, 공지되어 있는 코리올리 질량 유동 센서에서, 자석 및 코일 쌍을 포함하는 픽오프 센서는 통상적으로 전향력 유도 변위가 가장 클 것으로 예상되는 유동관 상에 위치된다. 코일과 자석은 예를 들면 자석이 유동관에 장착되고, 코일이 정지상태의 패키지 벽에 장착되는 대향 구조상에 장착된다. 코일은 코일에 전류를 유도하는 자기장의 안팎으로 움직일 것이다. 전류는 코일에 대한 자석의 속도에 비례한다. 이상 말한 것은 속도 측정이기 때문에, 속도, 그에 따른 신호는 유동관이 정지점(부호 변환점; zero crossing)에서 교차할 때 최고일 것이다. 전향력 유도 비틀림은 두 개의 속도 센서들 사이에서 부호 변환시기의 차이를 측정함으로써 검출된 속도 신호에 상 전이(phase shift)를 야기한다. 실제로 이는 시간측정 회로 상에 상당한 정확성 부담을 가한다. 이로 인해 이 기술에 의한 질량 유동 측정의 최종 감도가 제한될 수도 있다.

본 발명의 출원인에게 양도된 미합중국 특허 제5,555,190호는 여기 개시된 코리올리 질량 유동 감지 장치와 관련하여 개시된 관과 같은 진동하는 센서관의 주 파수 및 위상 관계들을 결정하기 위한 디지털 신호 처리 방법 및 장치를 개시하고 있다. 미합중국 특허 제5,555,190호는 전체로서 여기 참조된다.

도 3은 여기 개시된 개념을 이용하는 예시적인 코리올리 질량 유동 감지 장치를 도시하고 있다. 도시된 코리올리 질량 유동 감지 장치(500)는 특히 유동관(502)을 포함하며, 유동관(502)은 관(502)을 진동시키도록 자석(514)에 인접하여 위치된 코일(513)을 갖는다. 광원(510)은 변위가 가장 클 것으로 예상되는 유동관(502)의 상부에 인접한 측면 또는 상부에 위치된다. 그 후, 포토다이오드(photodioeds) 또는 다른 포토 검출기(512)가 광원(510)을 향하는 유동관(502)의 맞은편에 배치될 수 있다. 포토 검출기(512)는 포토 검출기(512)로부터 수용된 신호를 처리하는 센서 전자 기기(sensor electronics)에 연결된다. 센서 전자 기기는 여기 참조되는 미합중국 특허 제5,555,190호에 개시되어 있는 신호 처리 방법 또는 미합중국 특허출원 제09/641,698호에 개시되어 있는 증폭기 장치의 잠금과 같은 디지털 신호 처리 장치를 이용할 수 있다. 다른 실시예들은 수용 신호가 예를 들면 최소제곱 상 결정법을 이용하여 기준값과 비교되는 모드 감지(modal sensing) 또는 사인 곡선 적합(sinusoidal curve fit)을 이용하도록 안출된다.

특정 일 실시예에서, 광원(510)과 포토 검출기(512)는 광학 감지 인쇄회로기판(PCB) 상의 광학 감지 회로(optical sense circuit)의 일부이다. 광원(510)과 포토 검출기(512)는 센서관(502)의 운동을 감지하도록 적외선 LEDs 및 포토다이오드를 포함한다. 도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 한 세트가 센서관(502)의 각 측면을 감지하는 두 세트의 LEDs(510) 및 포토다이오드(512)가 존재한다. 다른 실시 예에서, 실질적으로 임의의 파장의 빛을 이용하는 다른 유형의 광원 및 검출기가 사용될 수 있다.

도 4a 및 도 4b는 광학 픽오프 센서를 이용하는 코리올리 질량 유동 센서(600)를 도시하고 있다. 유동 감지부(600)는 유동 센서관(602)을 포함하며, 유동 센서관에 자석(604)이 부착된다. 적외선 LEDs(606)와 포토다이오드(608)는 광학 감지 PCB(610)에 결합되어 유동 센서관(602)의 양 측면에 위치된다. 유동 센서관(602), 자석(604), LEDs(606), 포토다이오드(608) 및 PCB(610)는 모두 하우징(612) 내에 위치되며, 하우징에는 덮개(614)가 부착된다. 1mH 유도기는 관을 구동시키는 코일(616)로 작용한다. 코일(616)은 하우징(612)의 외부에 위치된다.

대안적으로, 센서관(602), 구동 장치(604,616) 및 픽오프 센서(606,608)는 모두 하우징(612) 내에 포함될 수 있거나, 코일(616) 외에 또는 코일(616) 대신 선택된 구성요소가 하우징(612) 외부에 위치될 수도 있다. 예를 들면, 특정 실시예는 내부에 윈도우가 형성된 하우징(612)을 이용할 수 있다. 이로 인해 광원(606) 및/또는 포토 검출기(608)가 하우징(612) 외부에 배치될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 센서 전자 기기는 예를 들면 광섬유 케이블을 이용하여 하우징(612)으로부터 원격배치된다. 이는 예를 들면 코리올리 질량 유동 감지 장치가 위험한 환경에 사용되는 경우에 바람직할 수 있다.

전술한 바와 같이, 광원(606) 및 검출기(608)는 적외선 포토다이오드에 부합된 적외선 LED를 포함할 수 있다. 포토다이오드 유효 표면의 크기는 센서관(602)의 직경에 근소하지만 센서관(602)의 직경보다 약간 크다. 센서관(602)이 진동함 에 따라, 센서관은 LED와 포토다이오드 사이의 경로를 통해 움직여 LED로부터의 빛을 차단한다. 센서관(602)은 센서관(602)이 정지 상태일 때, LED와 검출기 사이의 광 경로가 부분적으로 차단되도록 위치될 수 있다. 센서관이 진동 식으로 이러한 정지 위치 주위에서 움직임에 따라, 대안적으로 검출기에 도달하는 빛은 검출기로부터 사인파 출력을 제공하는 최소 또는 최대점에 있을 것이다. 센서관의 각 측면으로부터의 상대 출력은 코리올리 유도 유동 효과로 인한 위상 차에 대해 측정될 수 있다.

LED는 특정 강도 분포의 빛을 발생시킨다. 이러한 분포는 광원의 중심으로부터 반경 방향 거리가 증가할수록 빛의 강도가 감소하는 가우스 분포로 공지되어 있다. 즉, 광원은 중심에서 가장 밝으며 광원의 외주를 향해 점점 어두워진다. 따라서, 포토다이오드에 도달하는 빛의 강도는 광 경로를 통하여 움직이는 진동관에 응답하여서뿐만 아니라 광 경로에 대한 관의 위치를 기초로 하여 변화한다. 도 3 및 도 4에 도시되어 있는 단순한 LED/포토다이오드 장치에서, 관의 정렬은 두 개의 센서들 사이에서 피크 투 피크 전압(peak to peak voltages)이 조화되어야 하기 때문에, 유동 센서관 내의 비틀림을 정확히 측정하는데 중요하다.

이러한 피크 투 피크 전압은 응답이 선형적이 아니기 때문에 조화를 이루기 어렵다. 광학 경로 내의 특정 지점에서만 관의 두 레그(legs)들이 조화된 피크 투 피크 전압을 발생시킬 것이다. 제조 수율을 낮추고 제조 시간 및 비용을 높이는 영향을 미칠 수 있으므로 관을 정확히 정렬할 필요가 있다. 그러나 응답이 선형적이었을 경우, 관의 두 레그들은 선형 영역 내의 어느 곳에도 위치될 수 있으며, 피 크 투 피크 전압은 조화될 것이다.

광학 감지를 사용하는 다른 실시예는 선형 광학 응답을 얻을 수 있도록 시스템을 최적화한다. 특히, LED로부터 방출된 빛은 수평 전력 분포(flat power distribution)를 발생시키도록 조절된다. LED(그림자)로부터의 빛 중 일부를 차단하는 유동관의 영상은 일련의 렌즈 및 개구를 통과한다. 도 5는 이러한 광학 픽오프 센서를 갖는 예시적인 코리올리 질량 유동 센서(700)를 도시하고 있다. 질량 유동 센서(700)는 베이스 부재(720)를 포함하며, 베이스 부재에는 유동관(702)이 부착된다. 도 4a 및 도 4b에 도시되어 있는 바와 같이, 코일 및 자석 장치와 같은 구동 장치 장치(도 5에는 미도시)가 관(702)을 진동시키는데 사용된다. 광학 픽오프 센서는 제 1 및 제 2 광학 모듈 본체(730) 내에 배치된다. 도 6은 두 개의 광학 본체(730)가 하나의 광학 본체(731)로 결합된 대안적인 실시예를 도시하고 있다. 도 7은 유동관(702)과 같은 구성요소의 일부가 더 잘 보일 수 있도록 광학 모듈(730)들 중 하나가 제거된 유동 센서(700)를 도시하고 있다.

광학 모듈(730)들 중 하나의 분해도가 도 8에 도시되어 있으며, 도 9는 모듈(730) 내부의 구성요소들을 도시하고 있는 모듈(730)의 단면도이다. LED(706)와 같은 광원이 모듈(730) 내의 제 1 개구(732) 내에 배치된다. 광 파이프(734)는 LED(706)로부터 빛을 수용하도록 개구(732) 내에 배치된다. 제 2 개구(740)는 대체로 제 1 개구(732)에 수직으로 배향되며, 내부에 렌즈(738)를 구비한다. 제 2 개구(740)와, 대체로 제 1 개구(732)에 평행한 제 3 개구(744) 사이에는 거울(742)이 위치된다. 제 3 개구(744)는 원형 차단공(746)을 형성하며, 렌즈(748), 관 (750), 및 내부에 배치된 감지공(754)을 형성하는 디스크(752)를 구비한다. 또한, 포토다이오드(708)와 같은 광 검출기가 제 3 개구(744) 내에 수용된다.

광 파이프(734) 또는 일체형 바(integrating bar)는 LED(706)로부터 빛을 수용하는 광 유입구(734a) 및 빛을 방출하는 광 배출구(734b)를 갖는다. 광 파이프(734)는 광 파이프(734)의 내부 표면에서 벗어나 빛을 반사시킴으로써 빛을 뒤섞거나 "혼합"하는 작용을 하는, 대체로 정사각형 단면을 형성한다. 이는 LED(706)에 의한 광 출력의 휘도를 균일하게 하며, 가우스 광학 출력을 수평전력분포로 변환한다. LED(706)의 출력은 중앙에 명점(bright spot)을 가지며, 외측 에지를 향하여 점점 어두워지는 반면, 정사각형 광 파이프(734)의 출력은 균일한 휘도를 갖는 정사각형이다. 다른 실시예에서, 광 파이프(734)는 정사각형 이외의 단면 형상을 형성할 수 있다. 임의의 다각형(삼각형, 정사각형, 5각형 등)은 거의 원형 광 파이프보다 훨씬 더 균일한 광 분포를 발생시킨다. 또한, 균일한 광 분포를 발생시키기 위해 확산기와 같은 다른 방법이 사용될 수 있다.

도시된 실시예에서, 감지공(754)은 삼각형 형상이다. 따라서, 포토다이오드(708)로 유입되는 빛은 삼각형 형상이다. 거울과 렌즈가 관의 영상을 형성하도록 배열되어, 삼각형 감지공(754)이 관의 에지의 영상에 위치된다. 차단공(746)은 원형이어서 감지공(754) 및 검출기(708)를 향하는 광선의 원중심 분포(telecentric distribution)를 제공한다.

관(702)은 진동할 때, 광 파이프(734)로부터 방출된 빛에 의해 설정된 광 경로를 통하여 움직이도록 위치되고, 관(702)은 삼각형 형상의 영상에 그림자(770)를 생성하여, 검출기(708)에서의 광 패턴은 대체로 도 10에 도시되어 있는 바와 같이 광원의 영상을 차단한다. 감지공(754)의 삼각형 형상으로 인해 포토다이오드(708)에 유입되는 전력을 간단히 계산할 수 있다. 처리량(T)은 관(706)에 의해 차단되지 않은 전력 대 포토다이오드(708)에 유입되는 전체 전력의 비율이며, 관에 의해 차단되지 않은 감지공의 영역(A_nb) 대 삼각형 전체 영역(A_tot)의 비율로 단순화된다.

관(702)이 한 방향으로 이동함에 따라, 처리량은 증가하고, 관이 반대 방향으로 이동함에 따라, 처리량은 감소한다. 이러한 운동은 관의 각 레그에 조화되어야 하는 피크 투 피크 전압을 갖는 사인파를 발생시킨다. 피크 투 피크 전압은 도 11에서 y의 함수로서 직접적으로 T의 기울기에 관한 것이다. 이는 정의에 의해 선형이기 때문에, 기울기는 일정하다. 그러므로 y 값들이 관의 직경 내지 삼각형 높이의 범위에 있도록 관의 양 레그들이 위치되는 한 피크 투 피크 전압은 조화될 수 있다.

도 11은 두 개의 응답 곡선들을 도시하고 있으며, 곡선(801)은 외경이 0.3 mm인 100 그램/시간 관에 대한 것이고, 곡선(802)은 높이가 1.5 mm인 삼각형 개구(754)를 갖는, 외경이 0.8 mm인 3,000 그램/시간 관에 대한 것이다. 도 12는 응답 곡선의 기울기(801,802)를 도시하고 있다. 도 11 및 도 12에 도시되어 있는 바와 같이, 곡선(801,802)의 기울기는 곡선의 선형 응답 영역(811,812)에서 일정하다. 따라서, 피크 투 피크 전압이 조화될 경우, 관의 두 레그들이 정확히 y 값에 위치될 필요가 없다. 관의 두 레그들은 전술한 바와 같이 단지 선형 응답 영역 내에 위치될 필요가 있다. 100 그램/시간 관(곡선 801)에 대하여, 허용된 영역 내에 위치된 관의 레그 상에서, 대향 레그는 관의 직경(0.3 mm) 내지 삼각형의 높이(1.5 mm) 까지의 광 경로 내의 어느 곳에라도 위치될 수 있다. 허용된 제조 범위는 따라서 1.5 - 0.3 = 1.2 mm이다.

다른 감지 장치가 안출된다. 예를 들면, 정사각형 감지공이 사용될 수 있다. 두 개의 광 검출기가 나란히 사용된 수 있으며, 각각의 검출기에 도달하는 빛은 관의 움직임에 따라 변화할 것이다.

거울과 렌즈로 인하여 구성요소들은 원하는 패키지 크기에 적합하게 될 수 있다. 대체로 도 9는 모듈 본체(730)를 통과하는 광 경로를 도시하고 있다. 빛은 LED(706)로부터 광 파이프(734)의 광 유입구(734a)로 유입된다. 전술한 바와 같이, 광 파이프(734)의 측면은 빛을 혼합하여 정사각형의 균일한 강도 패턴을 이룰 수 있다. 도시된 실시예에서, 광 배출구(734b)는 빛의 방향을 변경하는 거울로서 기능하도록 기울어지거나 다듬어진다. 예를 들면 도 7에 도시되어 있는 바와 같이, 회전 거울(turning mirror; 772)은 제 1 개구(732)와 제 2 개구(740) 사이에 배치되어 제 2 개구(740)로 빛을 지향시킬 수 있다. 광 배출구(734b)와 회전 거울(772) 사이에 관(702)이 위치되어, 관(702)은 광 파이프(734)로부터 방출된 빛에 의해 설정된 광 경로를 통하여 움직인다. 도 6에 도시되어 있는 실시예에서, 회전 거울(772)은 모듈 본체(731)와 일체화된다.

회전 거울(772)은 제 2 개구(740) 내에 배치된 렌즈(738)로 빛을 지향시킨다. 거울(742)은 제 2 개구로부터 제 3 개구(744)로 빛을 지향시킨다. 차단공(746)은 정사각형의 균일한 강도를 유지하도록 미광(stray light)을 차단한다. 빛은 렌즈(748)와 감지공(754)을 통과하여 포토다이오드(708)에 의해 수용된다. 렌즈(738,748)와 차단공(746)은 1 : 1의 배율을 유지하는 기능을 한다.

LED(706)와 포토다이오드(708)는 모듈 본체(730) 외부의 전기 기기에 연결 가능하여 전기 기기가 광학 기기와 이격되어 위치될 수 있도록 한다. 다른 실시예에서, LED(706)와 포토다이오드(708)는 모듈 본체(730) 내에 위치된 피동 광학 구성요소에 LED(706)와 포토다이오드(708)를 연결하는 광섬유 링크에 의해 모듈 본체(730)로부터 원격으로 위치된다. 이는 예를 들면, 고온에서의 사용을 가능하게 한다.

본 발명은 여기 설명된 이점을 갖는 기술 분야의 당업자에게 명백하며, 상이하지만 대등한 방법으로 변형되고 실시될 수 있으며, 전술한 특정 실시예들은 단지 예시일 뿐이다. 또한, 본 발명은 하기의 특허청구범위에 설명된 것 이외에도 여기 도시된 구조 또는 디자인의 세부사항에 제한되지 않는다. 따라서, 전술한 특정 실시예들은 변경 또는 변형될 수 있으며, 이러한 모든 변형은 본 발명의 범주 및 사상 내에서 고려됨이 명백할 것이다. 따라서, 여기 청구된 보호범위는 하기의 특허청구범위에 설명된 바와 같다.

Claims

유동관;

광원, 상기 광원으로부터 빛을 수용하도록 위치된 광 유입구와 상기 광원으로부터 수용된 빛을 방출하기 위한 광 배출구를 구비하는 광 파이프, 그리고 상기 광 파이프의 광 배출구로부터 빛을 수용하기 위한 광 검출기,를 포함하는, 관 위치 센서; 및

상기 유동관이 상기 광 파이프의 광 배출구와 상기 광 검출기 사이의 광 경로를 통하여 움직이도록, 상기 유동관을 진동시키기 위한 구동장치;를 포함하는,

코리올리 질량 유동 센서.
제 1 항에 있어서,

상기 광 파이프가 다각형 단면을 형성하는,

코리올리 질량 유동 센서.
제 2 항에 있어서,

상기 광 파이프가 대체로 정사각형 단면을 형성하는,

코리올리 질량 유동 센서.
제 1 항에 있어서,

상기 광 파이프의 광 배출구와 상기 광 검출기 사이에 위치된 미리 결정된 형상을 갖는 감지공을 더 포함하며,

상기 감지공이 광 배출구로부터 방출된 빛의 일부를 상기 광 검출기로 보내어, 상기 광 검출기로 유입되는 빛이 미리 결정된 형상을 갖는,

코리올리 질량 유동 센서.
제 4 항에 있어서,

상기 미리 결정된 형상이 상기 관 위치 센서의 선형성을 개선하도록 최적화되는,

코리올리 질량 유동 센서.
제 4 항에 있어서,

상기 미리 결정된 형상이 삼각형인,

코리올리 질량 유동 센서.
제 1 항에 있어서,

상기 광 배출구가 상기 광 배출구로부터 방출된 빛을 원하는 방향으로 지향하도록 기울어진,

코리올리 질량 유동 센서.
제 1 항에 있어서,

광학 모듈 본체를 더 포함하며,

상기 광 파이프가 사이 광학 모듈 본체에 형성된 제 1 개구 내에 수용되는,

코리올리 질량 유동 센서.
제 8 항에 있어서,

상기 광학 모듈 본체가 상기 제 1 개구의 축선에 대체로 횡방향으로 배향된 축선을 갖는 제 2 개구를 형성하며, 상기 제 2 개구가 상기 광 파이프의 광 배출구로부터 빛을 수용하는 렌즈를 내부에 구비하는,

코리올리 질량 유동 센서.
제 9 항에 있어서,

상기 광학 모듈 본체가 상기 제 1 개구의 축선에 대체로 평행하게 배향된 축선을 갖는 제 3 개구를 형성하며, 상기 제 3 개구가 상기 광 검출기와, 상기 광 검출기 내부에 위치된 감지공을 구비하는,

코리올리 질량 유동 센서.
제 10 항에 있어서,

상기 제 2 개구로부터 상기 제 3 개구로 빛을 지향시키도록 상기 제 2 및 제 3 개구에 인접한 거울을 더 포함하는,

코리올리 질량 유동 센서.
제 10 항에 있어서,

상기 제 3 개구 내에 위치된 차단공을 더 포함하며,

상기 차단공이 상기 광 파이프의 광 배출구로부터 방출된 빛의 일부를 차단하는,

코리올리 질량 유동 센서.
제 10 항에 있어서,

상기 제 3 개구 내에 위치된 렌즈를 더 포함하는,

코리올리 질량 유동 센서.
제 9 항에 있어서,

상기 광 파이프의 광 배출구로부터 상기 제 2 개구로 빛을 지향시키도록 상기 제 1 및 제 2 개구에 인접한 거울을 더 포함하는,

코리올리 질량 유동 센서.
제 14 항에 있어서,

상기 광 파이프의 광 배출구와 상기 거울이 대략적으로 상기 유동관의 양쪽에 위치하는,

코리올리 질량 유동 센서.
제 1 항에 있어서,

제 2 광원;

상기 제 2 광원으로부터 빛을 수용하도록 위치된 광 유입구와 상기 제 2 광원으로부터 수용된 빛을 방출하기 위한 광 배출구를 갖는 제 2 광 파이프; 및

상기 제 2 광 파이프의 광 배출구로부터 빛을 수용하기 위한 제 2 광 검출기;를 더 포함하는,

코리올리 질량 유동 센서.
유동관;

광원, 상기 광원으로부터 빛을 수용하기 위한 광 검출기, 및 상기 광원과 광 검출기 사이에 위치되며 내부에 감지공을 형성하는 감지 부재로서, 상기 감지 부재가 상기 광 검출기에 의해 수용된 빛의 일부를 차단하여 상기 광 검출기로 유입되는 빛이 미리 결정된 형상을 갖도록 하는, 감지 부재,를 포함하는 관 위치 센서; 및

상기 유동관이 상기 광원과 상기 광 검출기 사이의 광 경로를 통하여 움직이도록 상기 유동관을 진동시키기 위한 구동 장치;를 포함하는,

코리올리 질량 유동 센서.
제 17 항에 있어서,

상기 감지공이 상기 관 위치 센서의 선형성을 최적화하는 형상인,

코리올리 질량 유동 센서.
제 17 항에 있어서,

상기 감지공이 삼각형 형상인,

코리올리 질량 유동 센서.
제 17 항에 있어서,

상기 광원으로부터 빛을 수용하도록 위치된 광 유입구와 상기 광원으로부터 수용된 빛을 방출하기 위한 광 배출구를 갖는 광 파이프를 더 포함하는,

코리올리 질량 유동 센서.
제 20 항에 있어서,

상기 광 파이프가 다각형 단면을 형성하는,

코리올리 질량 유동 센서.
제 20 항에 있어서,

상기 광 파이프가 대체로 정사각형 단면을 형성하는,

코리올리 질량 유동 센서.
유동관;

광원;

가우스 전력 분포로부터 수평 전력 분포로 빛을 전환하기 위하여 광원으로부터 빛을 수용하는 제 1 수단;

상기 제 1 수단으로부터 빛을 수용하기 위한 광 검출기; 및

상기 유동관이 상기 제 1 수단의 출력과 상기 광 검출기 사이의 광 경로를 통하여 움직이도록 상가 유동관을 진동시키기 위한 구동 장치;를 포함하는,

코리올리 질량 유동 센서.
제 23 항에 있어서,

상기 광 검출기에 도달하는 빛을 원하는 형상으로 형상화하기 위한 제 2 수단을 더 포함하는,

코리올리 질량 유동 센서.