KR20070012865A - 코리올리 질량 유량 컨트롤러 - Google Patents

Abstract

질량 유량 측정용 용량형 픽오프 센서가 개시되어 있다. 이 질량 유량 측정 장치는 유량 센서 관과, 이 유량 센서 관을 진동시키는 구동 장치를 포함한다. 상기 용량형 픽오프 센서는 하나 이상의 도전판을 포함하고, 이 도전판은 제1 전위에 접속 가능하고, 제2 전위에 접속된 유량 센서 관에 인접하게 배치되도록 되어 있다. 이 도전판은 상기 유량 센서 관과의 사이에 틈새를 형성하기 위해 상기 유량 센서 관에 대해 위치 조정되어 있다. 이들 도전판과 유량 센서 관 사이의 정전 용량은 상기 유량 센서 관이 진동할 때의 이들 도전판과 유량 센서 관 사이의 상대 운동으로 인하여 변동한다. 본 발명의 다른 태양에서, 상기 유량 센서 관은 하우징 내에 배치되어 있고, 상기 구동 장치는 상기 유량 센서 관을 진동시키기 위해 하우징의 외측에 배치되어 있다.

Description

코리올리 질량 유량 컨트롤러{CORIOLIS MASS FLOW CONTROLLER}

본 발명의 다른 목적 및 장점은 이하의 상세한 설명을 읽고 도면을 참조로 하면 명백하게 될 것이다.

도 1은 본 발명의 태양에 따른 코리올리 질량 유량 센서를 개념적으로 도시하고 있는 블록도이며,

도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 전자기 구동 장치를 채용한 코리올리 질량 유량 센서를 도시하고 있는 도면이며,

도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 정전기 구동 장치를 채용한 코리올리 질량 유량 센서를 도시하고 있는 도면이며,

도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 음향 구동 장치를 채용한 코리올리 질량 유량 센서를 도시하고 있는 도면이며,

도 5a, 도 5b 및 도 5c는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 압전 구동 장치를 채용한 코리올리 질량 유량 센서를 도시하고 있는 도면이며,

도 6은 본 발명에 따른 코리올리력 유도 위상 전이를 측정하기 위한 록-인 증폭기의 개략도이며,

도 7은 본 발명에 따른 코리올리력 유도 위상 전이를 측정하기 위한 이중 채널 록-인 증폭기의 개략도이며,

도 8은 본 발명에 따른 신호 처리 방법을 이용하여 센서 관의 위치 센서로부터 입력 신호들의 진폭들 사이의 관계를 예시한 그래프이며,

도 9는 본 발명에 따른 코리올리력 유도 위상 전이를 측정하기 위한 이중 록-인 증폭기의 개략도이며,

도 10은 본 발명에 따른 기준 주파수 조정부를 포함하여 코리올리력 유도 위상 전이를 측정하기 위한 이중 록-인 증폭기의 개략도이며,

도 11은 본 발명에 따른 정전 용량 변위 탐침의 제1 실시 형태를 예시하고 있는 도면이며,

도 12는 본 발명에 따른 정전 용량 변위 탐침의 제2 실시 형태를 예시하고 있는 도면이며,

도 13은 본 발명에 따른 정전 용량 변위 탐침의 제3 실시 형태를 예시하고 있는 도면이며,

도 14는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 코리올리 질량 유량 컨트롤러의 사시도이며,

도 15는 도 14에 도시된 코리올리 질량 유량 컨트롤러의 단면도이며,

도 16은 도 15에 도시된 코리올리 질량 유량 컨트롤러의 분해도이며,

도 17a 및 도 17b는 본 발명에 따른 밀봉된 나사 결합식 밸브 및 선행 기술의 나사 결합식 밸브의 연결 태양을 각각 예시하고 있는 도면이며,

도 18은 본 발명의 다른 태양에 따른 코리올리 질량 유량 컨트롤러의 실시 형태의 사시도이다.

※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ※

1: 코리올리 질량 유량 센서 10: 전자기 구동 장치

12: 전자석 14: 소형 영구 자석

16: 센서 관 19: 일측 포트

20: 정전기 구동 장치 22: 충전판

24: 소형 유전판 30: 음향 구동 장치

32: 소형 스피커 40: 압전 구동 장치

42: 압전 스택 50: 정전 용량 변위 게이지

50: 록-인 증폭기

본 발명은 일반적으로는 질량 유량 측정 및 제어에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 코리올리력 효과에 기초하고, 관련된 감지, 제어 및 통신 전자 소자를 가진 일체형 유량 제어 밸브를 구비한 질량 유량 측정 및 제어 장치에 관한 것이다.

코리올리력 효과에 기초한 질량 유량 측정은 이하의 방식으로 달성된다. 코리올리력은 질점이 설정 방향으로 이동한 후에, 이 설정 방향의 흐름에 대해 법선 방향의 벡터 성분에 의해 강제로 방향을 변경시키도록 하는 효과를 초래한다. 이는 다음의 수학식으로 표현될 수 있다.

여기에서, Ｆ_c(코리올리력 벡터)는 Ｍ(질량 유량 벡터)와 ω(각속도 벡터)의 외적의 결과이다.

회전계에서, 각속도 벡터는 회전 축선을 따라 정렬된다. "오른손 법칙"을 이용하면, 손가락들은 회전 방향을 가리키고, 엄지는 뻗은 경우에 각속도 벡터 방향을 가리킨다. 전형적인 코리올리력 유량 센서의 경우에는, 관(管)이 진동하고, 이를 통해 유체 흐름이 형성될 수 있다. 이 관은 1개 이상의 루프 형상을 취하는 경우가 종종 있다. 이 루프 형상은 질량 유량 벡터가 루프의 상이한 부분에서 반대 방향으로 향하도록 되어 있다. 관 루프는 예컨대 "U"자형, 직사각형, 삼각형 또는 "델타"형 또는 코일형일 수 있다. 특수한 경우로서 직선형 관인 경우에, 관의 고정점에 일치하는 2개의 각속도 벡터가 동시에 존재하는 반면에, 질량 유량 벡터는 단일의 방향이다.

진동계에서 회전 방향이 변하기 때문에 각속도 벡터의 방향이 변화한다. 그 결과, 어떤 주어진 시점에서, 코리올리력은 반대 방향으로 작용하며, 여기에서 질량 유량 벡터 또는 각속도 벡터는 반대 방향으로 향하게 된다. 각속도 벡터는 진동계로 인하여 항상 변동하기 때문에, 코리올리력도 역시 항상 변동한다. 그 결과, 관의 최대 진자 운동에 요구되는 동적인 비틀림 운동이 생긴다. 비틀림의 크기는 주어진 각속도(angular velocity)에 대한 질량 유량에 비례한다.

질량 유량 측정은 센서 관을 통과하는 유체에 의해 발생된 코리올리력으로 인한 센서 관의 비틀림을 측정함으로써 달성된다. 전형적인 공지의 장치는 코리올리력의 유도 변위가 최대라고 예측되는 흐름관에 배치된 자석과 코일 쌍으로 이루어진 픽오프 센서(pick off sensor)를 이용한다. 이 코일과 자석은 마주보는 구조물에 장착되며, 예를 들어 자석은 관에 장착되고, 코일은 고정 패키지 벽에 장착된 다. 자석이 코일의 안팎으로 움직여 코일에 전류를 유도한다. 이 전류는 코일에 대한 자석의 상대 속도에 비례한다. 이것은 속도 측정이기 때문에, 그 속도 및 그에 따른 신호는 흐름관이 그 휴지점을 교차(영점 교차)할 때 최대이다. 이 코리올리력의 유도 비틀림은 2개의 속도 센서 사이에서 영점 교차 시간차를 측정함으로써 검출되는 속도 신호의 위상 전이를 유발시킨다. 실제로, 이것은 시간 측정 회로 설계에 대한 정밀도 부담을 크게 한다. 이것은 상기 기술에 의한 질량 유량 측정의 최종 감도를 제한할 수 있다.

또한, 코리올리 기술에 기초한 공지 장치의 유량 능력은 종종 많은 용도에 요구되는 것보다 더 많은 유량으로 제한되어 있다. 게다가, 기존의 코리올리 질량 유량 측정 장치는 일체적인 유량 제어 능력없이 질량 유량을 감지할 뿐이다. 유량을 제어하기 위한 어떤 수단을 제공하는 것이 사용자의 부담으로 남아 있다.

본 발명은 선행 기술과 관련된 단점을 해결한다.

본 발명의 일 태양에서는, 질량 유량 측정 장치용의 용량형 픽오프 센서가 개시되어 있다. 이 질량 유량 측정 장치는 유량 센서 관과, 이 유량 센서 관을 진 동시키는 구동 장치를 포함한다. 상기 용량형 픽오프 센서는 하나 이상의 도전판을 포함하고, 이 도전판은 제1 전위에 접속 가능하고, 제2 전위에 접속된 유량 센서 관에 인접하게 배치되도록 되어 있다. 이 도전판은 상기 유량 센서 관과의 사이에 틈새를 형성하기 위해 상기 유량 센서 관에 대해 위치 결정되어 있다. 이들 도전판과 유량 센서 관 사이의 정전 용량은 상기 유량 센서 관이 진동할 때의 이들 도전판과 유량 센서 관 사이의 상대 운동에 기인하여 변동한다.

본 발명의 다른 태양에 있어서, 코리올리 질량 유량 센서는 유량 센서 관과, 이 유량 센서 관이 내부에 배치되어 있는 하우징과, 이 하우징의 외측에 배치되어 상기 유량 센서 관을 진동시키는 구동 장치와, 코리올리력에 기인한 유량 센서 관 내에서의 비틀림을 측정하도록 상기 유량 센서 관에 대하여 배치되어 있는 하나 이상의 픽오프 센서를 포함한다. 예시적인 실시 형태에서, 상기 픽오프 센서는 하우징 내에 배치되어 있다. 다른 실시 형태에서, 상기 자석은 유량 센서 관에 결합되고, 상기 구동 장치는 전자기 코일을 구비한다. 상기 자석은 비희토류 자석일 수도 있으며, 보다 구체적으로는 니켈 도금된 사마륨 코발트 자석일 수도 있다. 이 전자기 코일은 파워 인덕터를 포함할 수도 있다.

본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 질량 유량 측정 장치는 제1 단부와 제2 단부가 있는 엔클로저와, 플로우 바디(flow body)와, 상기 엔클로저의 제1 단부 및 상기 플로우 바디에 대하여 상기 플로우 바디와 제1 단부를 밀봉 방식으로 연결시키도록 배치되어 있는 제1 밀봉 부재와, 사용자 인터페이스 조립체를 포함한다. 상기 사용자 인터페이스 조립체와 제2 단부를 밀봉 방식으로 연결시키도록 상기 엔 클로저의 제2 단부에 대하여 사용자 인터페이스 조립체와 제2 밀봉 부재가 배치되어 있다. 이들 밀봉 부재는 IP-65/NEMA 4X를 만족하는(compliant) 사용자 인터페이스 조립체를 포함하여 여러 형식의 사용자 인터페이스 조립체 사이에서 상호 교환될 수 있고, 추가의 유체 격실을 제공한다.

본 발명이 다양한 변형 형태 및 다른 형태를 허용하는 경우에, 이들의 구체적인 실시 형태는 도면에서 예로서 도시되어 있고, 본 명세서에 상세하게 설명되어 있다. 그렇지만, 이들의 구체적인 실시 형태에 대한 설명은 개시된 특정 형태에 본 발명을 제한하려는 목적은 전혀 없으며, 이와는 반대로 본 발명은 첨부한 청구범위에 의해 한정되어 있는 본 발명의 사상 및 범주 내에 속하는 모든 변형 형태, 균등물 및 대체물을 포함한다는 것이 이해되어야 한다.

본 발명의 예시적인 실시 형태는 후술된다. 본 명세서에서는 간결성을 위해, 실제의 실시 형태에 대한 모든 특징이 설명되는 것은 아니다. 물론, 그러한 실제의 실시 형태를 개발함에 있어서는 하나의 실시 형태에서 다른 실시 형태까지 변하게 될 개발자의 구체적인 목표를 달성하기 위해, 예컨대 시스템 관련 및 업무 관련 제한 사항에 맞추기 위해 수 많은 실시 형태에 대한 구체적인 결정이 이루어져야만 한다. 게다가, 그러한 개발 노력은 복잡하면서 시간이 많이 들지만, 그럼에도 불구하고 이러한 개시 내용으로부터 이익을 얻는 기술 분야의 통상의 기술자에게는 일상적인 일이라고 생각될 것이다.

도 1은 본 발명의 여러가지 태양에 따른 코리올리 질량 유량 센서를 개략적 으로 도시하고 있는 블록도이다. 이 코리올리 질량 유량 센서(1)는 유량 센서 관(2)을 포함하며, 이 유량 센서 관(2)을 진동시키기 위해 구동 장치(3)가 유량 센서 관(2)에 배치되어 있다. 코리올리력에 의한 상기 센서 관(2)의 비틀림을 측정하기 위해 변위 게이지(4)가 유량 센서 관(2)에 배치되어 있다.

상기 센서 관(2)용의 전형적인 재료는 316L 스테인리스 강이다. 이 316L 스테인리스 강을 사용하는 이유로서는, 수 많은 물질로부터의 화학적인 공격에 대한 저항력이 있다는 점과, 정상적인 공정 압력으로부터의 파열에 대한 저항력이 있다는 점과, 통상적으로 오염이 일어나지 않는다는 점과, 원하는 형상의 코리올리 센서 관으로 쉽게 성형될 수 있다는 점을 들 수 있다. 그러나, 상기 316L 스테인리스 강은 모든 용도에 적합한 것은 아니다. 따라서, 316L 스테인리스 강에 부적합한 용도를 보완하기 위해서는 다른 관 재료도 이용될 수 있다는 것이 필요하다. 이 316L 스테인리스 강에 대한 대체 재료로서, 공지된 장치는 실리콘을 사용한다. 이 316L 스테인리스 강과 비교해서 실리콘이 가지는 장점은 상기 316L 스테인리스 강에 의해 실현될 수 있는 것보다 더 작은 형태로 센서 관이 제조될 수 있다는 점이다.

상기 센서 관(2)용 재료를 선택하기 위한 기타의 고려 사항은 응력에 의해 유도되거나 상승된 부식에 대한 저항이다. 이 응력은 관이 장착되는 만곡 아암의 베이스에서 발생된다. 다결정 재료의 경우, 응력은 재료 내부의 불순물을 확산시켜 미세 결정립 영역 사이의 입계에 집중하도록 한다. 이것은 대부분의 경우 다결정 결정립 사이의 결합력을 약화시켜 재료가 화학적인 공격에 보다 취약해질 수 있 게 한다. 실리콘 또는 사파이어와 같은 단결정 재료는 이러한 영향을 덜 받을 가능성이 있다.

상기 316L 스테인리스 강과 같은 금속은 통상 다결정이고, 따라서 상당한 정도까지 전술한 화학적인 공격에 취약해질 수 있다. 또한, 규산 유리(silica glass) 및 일부 플라스틱과 같은 비정질 재료도 응력에 의해 유도된 화학적 공격에 보다 우수한 저항력을 가지고 있는데, 그 이유는 이들 재료가 다결정 재료와 같은 결정립 구조로 되어 있지 않기 때문이다. 화학적 공격에 취약할 수 있는 관 재료는 표면이 개질되거나 코팅될 수 있는데, 이때 기본 재료의 사용이 표면 부식 또는 공격이 없는 경우에 매력적이라면 표면 부식 또는 공격을 최소화하는 방식으로 표면이 개질되거나 코팅될 수 있다.

표면 개질은 이온 주입, 열확산, 화학적 반응 또는 전기 화학적 반응에 의해 달성될 수 있다. 여기에서 목적하는 바는 화학적인 저항층을 표면에 남기는 원소 또는 분자 종을 제거, 재분배, 또는 도입하는 것이다. 표면 코팅은 상승된 온도에서 표면에 침투하는 증기, 액체 또는 분말로부터 열적으로 활성화된 증착에 의해 달성될 수 있다. 또한, 화학적인 반응 종이 플라즈마에 의해 또는 레이저의 형태로서 고밀도 광자 선속(intense photon flux)에 의해 여기(勵起)되거나 이온화되는 경우라면, 더 낮은 온도가 이용될 수 있다. 화학적 공격에 저항하는 다른 재료는 열 또는 전자 빔 증발에 의해 또는 이온 스퍼터링에 의해 달성되는 그러한 무반응성 물리적 기상 증착법에 의해 증착될 수 있다. 고에너지의 이온 빔을 이용하여 스퍼터링을 실시하여 스퍼터링된 종이 화학적으로 여기되거나 이온화되는 경우, 그 때 표면에 대한 화학 반응도 마찬가지로 달성되며, 이는 어떤 증착된 재료에 대해서도 바람직할 수 있다. 또한, 이 표면에서 화학 반응은 화학 종의 가속에 의해 달성될 수 있기 때문에, 운동 에너지가 화학 반응을 활성화시키거나 강화시키는 데에 이용될 수 있다.

본 발명의 구체적인 실시 형태에서 코리올리 유량 감지 관(2)용으로 사용되는 관 재료는 오스테나이트 스테인리스 강, 마르텐사이트 스테인리스 강, 고함량 니켈 합금, 티타늄 합금, 지르코늄 합금, 티타늄-지르코늄 합금, 특히 Ti-V-Al 합금 및 지르칼로이(zircalloy)[이들 재료의 고항복 강도 및 낮은 영 계수(Young's modulus)를 위함], 실리콘, 사파이어, 실리콘 탄화물, 규산 유리, 그리고 플라스틱이다. 본 발명에 따라 이용되는 관의 코팅 재료는 실리콘 탄화물, 니켈, 크롬, 다이아몬드, 내화 탄화물, 내화 금속 질화물, 및 내화 금속 산화물이다.

도 2a 및 도 2b는 본 발명의 구체적인 실시 형태에 따른 코리올리 질량 유량 센서(1)를 예시하고 있다. 이 코리올리 질량 유량 센서(1)는 신호원(도시 생략)에 의해 구동되는 전자석(12)을 구비하는 전자기 구동 장치(10)를 채용하고 있으며, 상기 신호원은 예시된 실시 형태에서는 사인파 신호원을 포함한다. 이 전자석(12)은 센서 관(16)에 장착된 소형 영구 자석(14)에 인접하게 배치된다. 이 센서 관(16)은 일측 포트(19)에서 센서 관(16)을 통과하여 타측 포트(19)까지의 흐름 경로를 형성하기 위해 제1 및 제2 포트(19, 19)를 포함하는 베이스(18)에 연결된다. 여기에 개시된 실시 형태에서 도시되어 있는 예시적인 센서 관(16)은 일반적으로는 "U"자 형상이지만, 예컨대 델타 형상, 직사각형, 코일형, 또는 직선형과 같은 다른 형상의 관도 역시 이용될 수도 있다.

도 3a 및 도 3b는 도 2에 도시된 실시 형태와 유사하지만, 정전기 구동 장치를 사용하는 실시 형태를 예시하고 있다. 이 정전기 구동 장치(20)는 센서 관(16)에 장착된 소형 유전판(24) 근처에 배치되는 충전판(22)을 포함한다. 이 센서 관(16)이 유전 물질로 제조되는 경우, 상기 충전판(22)은 센서 관(16) 근처에 배치되지만, 상기 유전판(24)은 제거될 수 있다. 또 한편으로는, 상기 충전판은 사인파 신호원과 같은 신호원(도시 생략)에 의해 구동된다. 충전판(22)에 인가되는 전압은 충전판과 유전판(24) 사이에 전기장을 생성하게 된다. 이것은 유전판(24)의 표면을 충전시키게 된다. 전압 극성이 충전판(22)에서 신속하게 변함에 따라, 그에 따른 충전판과 유전판(24) 사이의 전기장은 번갈아 가면서 인력 또는 척력을 띠면서 흐름 관(16)을 진동시킨다.

도 4a 및 도 4b는 신규한 음향 구동 장치(30)를 채용하고 있는 코리올리 질량 유량 센서(1)의 다른 실시 형태를 예시하고 있다. 이 음향 구동 장치(30)는 관(16) 근처에 배치된 소형 스피커(32)를 포함한다. 이 스피커(32)에 의해 발생된 압력파는 센서 관(16)을 진동시킨다.

도 5a, 도 5b 및 5c에서는, 코리올리 질량 유량 센서(1)의 또 다른 실시 형태가 예시되어 있다. 이들 도 5a, 도 5b 및 5c의 코리올리 질량 유량 센서(1)는 압전 구동 장치(40)를 사용하며, 여기에서는 2개의 압전 스택(42; stack)이 유량 센서 관(16)의 양측에 있는 다리에 각각 배치되며, 실제로는 도 5에 도시된 바와 같이 각 센서 관(16)의 다리에 2개의 바이몰프(bimorph)를 생성한다. 압전 효과 및 역방향 압전 효과는 센서 관(16)의 편향의 유발 및/또는 감지를 행하는 데에 이용된다.

질량 유량 측정은 센서 관을 통과하는 유체에 의해 발생된 코리올리력으로 인한 센서 관의 비틀림을 측정함으로써 달성된다. 예를 들어, 공지된 코리올리 질량 유량 센서에서, 자석과 코일 쌍을 가진 픽오프 센서는 코리올리력의 유도 변위가 최대라고 예상되는 유량 센서 관(16)에 통상 배치된다. 코일과 자석은 마주보는 구조물에 장착되며, 예컨대, 자석은 관에 장착되고, 코일은 고정 패키지 벽에 장착된다. 상기 자석은 코일의 안팎으로 움직이게 되고, 코일에 전류를 유도한다. 이 전류는 코일에 대한 자석의 상대 속도에 비례한다. 이는 속도 측정이기 때문에, 속도 및 그에 따른 신호는 유량 센서 관이 그 휴지점과 교차하는(영점 교차하는) 경우에 최대이다. 코리올리력 유도 비틀림은 2개의 속도 센서 사이의 영점 교차 시간차를 측정함으로써 검출되는 속도 신호의 위상 전이를 유발한다. 실제, 이는 시간 측정 회로 설계에 대한 정밀도에 커다란 부담이 되고 있다. 이것은 이러한 기술에 의한 질량 유량 측정의 최종 감도(感度)를 제한한다.

본 발명의 태양은 보다 적은 유량 능력용으로 제공하고, 보다 더 직접적이고, 회로 설계에 있어서 통상의 시간 기반 신호 조절 기법보다 더 낮은 정밀도를 필요로 하는 유량 측정 기법을 제공한다. 도 2 내지 도 4에 예시된 실시 형태를 참조하면, 진동 센서 관의 변위는 용량형 픽오프 센서에 의해 측정된다. 2개의 정전 용량 변위 게이지(50)는 센서 관(16)의 형상에 대칭적인 위치에 있는 센서 관(16) 근처에 배치되어 센서 관(16)을 지나는 유체에 의해 발생된 코리올리력으로 인한 센서 관(16)의 비틀림을 측정한다. 본 발명의 구체적인 실시 형태에 있어서, 정전 용량 변위 게이지(50)는 극소형으로 되어 센서 패키지 벽에, 또는 유량 센서 관의 로프 내부에 삽입된 센서 블록에 표면 장착된다. 코리올리력으로 인한 센서 관(16)의 비틀림은 정전 용량 변위 게이지(50)의 2개의 신호 사이의 위상 전이에 이른다. 이는 변위 측정이기 때문에, 신호는 변위에 정비례한다. 센서 관의 측면 각각의 상대적인 변위는 위상 전이로서 측정된다. 게이지 구동 장치와 신호 조절 전자 소자는 센서 관(16)의 상대적인 변위를 하이 레벨 신호로 바꾸며, 이 하이 레벨 신호는 흐름이 센서 관(16)에 형성되는 경우에 코리올리 효과를 측정하는 데에 이용될 수 있는 위상 전이의 함수이다.

제1 신호 처리 기법은 기준 신호가 일측 변위 게이지(50)에 의해 전송되고, 입력 신호가 타측 변위 게이지(50)에 의해 전송되는 상태의 록-인 증폭기를 이용한다. 양측의 게이지(50)의 어느 것도 기준 신호 또는 입력 신호를 공급할 수 있다. 이 록-인 증폭기로부터의 위상 출력은 유량에 비례한다. 도 6은 록-인 증폭기(52)의 기능적인 개략도이며, 이 록-인 증폭기에 의해 본 발명에 따른 코리올리력 유도 위상 변위를 측정하기 위한 방법이 수행될 수 있다. 도 6에 예시된 바와 같이, 신호는 좌측에서 우측으로 이동한다. 좌측 입력부(100)의 신호와 우측 입력부(102)의 신호는 좌우측 변위 게이지(50) 각각으로부터 생긴다. 예를 들어, 좌측 입력부(100) 신호는 기준 신호로서 이용될 수 있다. 사인파 출력부(103)의 신호은 구동 신호이며, 그 위상은 좌측 입력부(100)의 신호에 동기화된다. 이는 유량 센서 관(16)을 공진시키게 된다. 우측 입력부(102) 신호는 2개의 위상 감지 검출 기(Phase Sensitive Detector: PSD)(106)에서 좌측/기준 입력부(100) 신호 및 이의 90°위상 전이부(104) 신호와 혼합된다. 기능적으로 말하면, 이 PSD(106)는 2개의 신호를 승산(乘算)해서, 고주파 성분과 DC 성분을 생성한다. 저역 필터(108)는 X 출력부(110) 및 Y 출력부(112)에서 DC 전압을 생성하는 고주파 성분을 제거한다. 상기 X 출력부(110)의 출력은 "동위상(in-phase)" 성분으로 불리워지고, Y 출력부(112)의 출력은 기준 신호에 대한 벡터 신호의 "직교(quadrature)" 성분으로 지칭된다. 이들 성분 각각은 위상에 민감하지만, 벡터 크기와 위상 성분은 이하의 수학식에 의해 분리될 수 있다.

록-인 증폭기(52)의 출력과 변위 게이지(50)의 출력 사이의 관계는 다음과 같이 유도된다.

2개의 신호가 임의의 진폭과 임의의 위상차를 가진 사인파라고 고려해보자. 각각의 신호는 아래의 수학식으로 표현될 수 있다.

하단 PSD(106)에서, 이하의 연산이 일어난다. 즉,

이 신호는 2배의 주파수에서 DC 전압 성분과 AC 성분을 가진다. 저역 필터(LPF)(108)는 AC 성분을 제거하여 이하를 남긴다.

상단 PSD(106)에서, 이하의 연산이 일어난다. 즉,

cosωt = sin(ωt + 90°)이기 때문에, 코사인 승수(乘數)가 얻어진다.

다시, AC 및 DC 성분을 가진 신호가 얻어지는데, 이들 성분이 LPF(108)를 통과한 후에는 다음의 결과에 이른다. 즉,

상기 수학식 2 및 3로부터 크기 Ｒ 및 위상각

를 계산하면, 이하의 결과를 얻는다.

및

θ=

*이들 계산은 적합한 디지털 또는 아날로그 처리 장치(120)에 의해 수행될 수 있다. 벡터 위상은 질량 유량에 비례한다.

본 발명의 실시 형태에 따른 다른 방법은 기준 신호 및 1개의 입력 신호가 일측 변위 게이지(50)에 의해 전송되고, 다른 1개의 입력 신호가 타측 변위 게이지(50)에 의해 전송되는 상태의 이중 채널 록-인 증폭기를 필요로 한다. 이들 2개의 입력 신호 사이의 차이는 기준 신호에 대해 측정된다. 그 결과로서, 록-인 증폭기로부터의 위상 출력은 유량에 비례한다. 도 7은 이중 채널 록-인 증폭기(54)의 기능적인 개략도이다. 이들 신호는 도 6에서와 동일한 방식으로 이동하고, 동일하게 정의된다. 좌측 입력부(100) 신호가 마찬가지로 기준 신호로서 이용된다. 상술한 바와 같이, 사인파 출력부(103) 신호는 구동 신호이며, 그 위상은 좌측 입 력부(100) 신호에 동기화된다. 이 경우에, 좌측 입력부(100) 신호는 우측 입력부(102) 신호로부터 감산(減算)되어, 2개의 위상 감지 검출기(PDS)(106)에서 좌측/기준 입력부(100) 신호 및 이의 90°위상 전이부(104) 신호와 혼합된다. 내부 기능은 도 6의 록-인 증폭기(52)와 동일하다.

다음의 유도식은 록-인 증폭기(54)의 출력과 변위 게이지(52)의 입력 사이의 관계를 결정하는 데에 이용될 수 있다. 계산을 행하기 위해 어떤 적합한 디지털 또는 아날로그 처리 장치(120)가 이용될 수 있다.

2개의 신호가 임의의 진폭과 임의의 위상차를 가진 사인파라고 고려해보자. 각각의 신호는 다음과 같이 표현될 수 있다.

이 경우에, 저잡음 차동 증폭기(114)의 출력은 Ｖ _ref - Ｖ _right 일 것이다.

하단 PSD(106)에서, 다음의 연산이 일어난다.

이 신호는 2배의 주파수에서 DC 전압 성분과 AC 전압 성분을 가진다. 저역 필터(LPF)(108)는 AC 성분을 제거하여 다음을 남긴다.

하단 PSD(106)에서, 이하의 연산이 일어난다. 즉,

cosωt = sin(ωt + 90°)이기 때문에, 코사인 승수(乘數)가 얻어진다.

다시, AC 및 DC 성분을 가진 신호가 얻어지는데, 이들 성분이 LPF를 통과한 후에는 다음의 결과에 이른다. 즉,

상기 수학식 2 및 3로부터 크기 Ｒ 및 위상각 θ를 계산하면, 이하의 결과를 얻는다.

및

θ는 더 이상 위상각이 아닌 아크탄젠트로서, 좌우측 입력 신호의 위상각 및 진폭의 함수이다. 이 방정식을 분석하면, θ는 확실한

의 함수이다. 실제, 입력 신호의 상대적인 진폭은 이 함수의 세기를 조절할 수 있다. 이것은 도 8에 도시된 그래프에 예시될 수 있으며, 여기에서 A 및 B는 좌우측 신호 각각의 진폭이다. 진폭이 더욱 가깝게 일치함에 따라, 감도는 록-인 증폭기 출력 θ에 비해 더 높아진다. 심지어 2% 내에 일치되는 진폭에 대해서도,

에 대한 θ의 감도는 표준 록-인 증폭기 구성의 감도에 비해 거의 100배이다.

도 9는 본 발명에 따른 코리올리력 유도 위상 전이를 측정하기 위한 다른 예시적인 방법이 수행되는 이중 록-인 증폭기(56)의 기능적인 개략도이다. 신호는 전술한 바와 동일한 방식으로 이동하고, 동일하게 해석된다. 좌측 입력부(100) 신호도 마찬가지로 기준 신호로서 이용된다. 이전과 같이, 사인파 출력부(103) 신호는 구동 신호이며, 그 위상은 좌측 입력부(100) 신호에 동기화된다. 이 경우에, 좌측 입력부(100) 신호는 상단 록-인 증폭기(58)에 있는 2개의 위상 감지 검출기(PSD)(106)에서 그 자체 신호와 이의 90°위상 전이된 신호와 혼합된다. 하단 록-인 증폭기(60)에서는, 우측 입력부(102) 신호는 2개의 위상 감지 검출기(PSD)(106)에서 좌측 입력부(100) 신호 및 이의 90°위상 전이된 신호와 혼합된다. 위상 전이되지 않은 PSD(106)와 위상 전이된 PSD(106)으로부터의 쌍을 이룬 출력은 저잡음 차동 증폭기(114)에서 구분된다. 신호의 DC 성분은 저역 필터(108)를 통과하여 통상의 록-인 증폭기로 출력된다. 어떤 적합한 디지털 또는 아날로그 처리 장치(120)에 의해 수행될 수 있는 연산은 비록 연산이 일어나는 순서는 다르지만, 도 7과 관련하여 위에서 요약된 방법에서와 동일하다. 도 7의 이중 채널 록-인 기법에서, 2개의 하이 레벨 신호가 매우 작은 차이로 감산된다. 이때, 2개의 레벨 신호는 하이 레벨 신호로 승산되며, 아날로그 회로에 잡음을 도입할 수 있고, 디지털 회로에 반올림 에러(round off error)를 도입할 수 있다. 도 9의 이중 록-인 기법에서는, 하이 레벨 신호가 먼저 승산되고 나서, 그에 따른 비슷한 진폭 상태의 신호가 감산되어 더 적은 잡음을 가진 출력에 이른다.

록-인 증폭기의 사용은 더 높은 진폭의 잡음 속에 섞여 있는 로우 레벨 신호를 측정하는 것과 관련하여 가장 잘 알려져 있다. 이것은 극도로 좁은 대역 필터로서 역할을 하는 록-인 증폭기에 의해 수행된다. 신호와 잡음이 기준 사인파와 코사인파에 의해 승산되고 나서, 저역 필터를 통과하여 기준 주파수를 제거한다. 이 승산/필터 연산의 결과는 복소 벡터(x + iy)를 나타내는 DC 신호이다. 기준 주파수와 관련 신호 사이의 위상차는 tan^-1(y/x)에 의해 결정될 수 있다.

코리올리력을 측정하는 것과 관련하여, 동일한 주파수를 가진 2개의 신호 사 이의 위상차가 중요하다. 이러한 측정은 각각이 도 10에 도시된 바와 같이 동일한 기준 주파수로 구동되는 이중 록-인 증폭기를 사용하여 달성될 수 있다. 도 10에 예시된 기능적인 개략도에서, 좌우측 입력부(100, 102) 신호는 기준 주파수 발생기(144)에 의해 제공된 기준 사인파 및 코사인파에 의해 승산된다. 입력부(100, 102) 신호는 PSD(106)에서 사인파 및 코사인파와 혼합되고 나서, 도 6, 도 7 및 도 9와 관련하여 설명된 5차 베셀(bessel) IIR 저역 필터(148)를 통과한다. 전술한 승산/필터 프로세스는 기준 주파수에 대한 각각의 신호의 최종 위상차 출력(X, Y)을 이용하여 좌우측 입력부(100, 102) 신호에 대하여 수행된다. 이 2개의 출력(X, Y) 신호는 2개의 입력부(100, 102) 신호 사이의 위상차를 나타낸다. 코리올리 질량 유량의 경우에, 이 위상차는 질량 유량(152)을 표시한다.

코리올리 질량 유량과 결부된 극도로 작은 위상차를 측정하기 위해 록-인 증폭기를 사용하는 경우, 기준 주파수를 조정해서 관련 신호에 일치시키는 것이 필요하다. 기준 신호가 관련 신호에 매우 밀접하지 못한 경우, 매우 낮은 주파수 AC 신호는 저역 필터(148)의 출력부에 나타난다. 코리올리 센서의 주파수는 질량 유량, 온도, 밀도 및 압력에 따라 변동하고, 나아가 측정 프로세스를 복잡하게 만든다.

기준 주파수는 입력부(100, 102) 신호 중 하나로부터 출력 벡터를 처리함으로써 정확하게 조정될 수 있다, 먼저, 출력 벡터의 도함수가 계산된다. 이는 2개의 연속하는 출력 벡터 사이의 복소 차이를 계산함으로써 달성된다. 그때, 원래의 출력 벡터는 90°로 회전되며, 이 벡터와 도함수의 스칼라곱이 계산되며, 그 결과 기준 주파수 발생기(144)에 제공되는 에러 신호(150)에 이른다. 이 에러 신호(150)는 기준 주파수가 각각 하향으로, 상향으로 또는 변화없이 조정될 필요가 있는 경우에 음, 양 또는 제로이다.

기준 주파수 조정량은 위상 측정의 정확도에 의존하지만, 일반적으로는 조정이 정밀할수록, 다수의 출력 샘플에 대한 표준 편차를 계산함으로써 결정되는 정확도는 더 높아진다. 그러나, 기준 주파수의 보다 정밀한 조정(작은 스텝 변화)은 단일의 주파수에서 스텝 변화가 있는 경우에 불리하게 되는데, 그 이유는 기준 주파수 발생기(144)가 의도한 주파수에 도달하는 데에 걸리는 시간이 너무 길기 때문이다. 만약 신호 주파수가 빈번한 스텝 변화를 겪는다면, PID 또는 적응 알고리듬이 더 나은 응답 방식으로 기준 주파수를 조정하는 데에 이용될 수 있다.

다른 실시 형태에 있어서, 정전 용량 변위 탐침(50)이 압전 액츄에이터에 탑재될 수 있으며, 이 액츄에이터는 먼저 상기 정전 용량 변위 탐침(50)을 3차원으로 정렬한다. 또한, 압전 액츄에이터가 이중 채널 록-인 증폭기 또는 이중 록-인 증폭기로 본 명세서에 개시된 방법을 이용하는 경우, 이 압전 액츄에이터는 유량 센서의 감도를 동적으로 조정할 수 있으며, 이에 의해 동작 범위가 확장된다.

그러한 동적인 위치 조정은 제조 변동성을 보상하며, 특히 정전 용량 변위 탐침에 대한 유량 센서의 위치 조정을 보상한다. 또한, 동적인 위치 조정은 다양한 구성 요소의 상대적인 열 팽창으로 인한 치수 변동을 보상한다. 이중 채널 록-인 증폭기 또는 이중 록-인 증폭기와 조합하여 사용되면, 동적인 위치 조정에 의해 2개의 변위 신호는 조정 가능한 감도를 유량에 제공하도록 긴밀하게 일치될 수 있 다. 낮은 감도는 높은 유량 조건을 위해 사용되는 반면에, 높은 감도는 늘어난 낮은 유량 조건을 위해 사용되며, 이에 의해 유량 측정의 동적 범위가 증가한다.

본 발명의 실시 형태는 개량된 정전 용량 측정 기법, 특히 새로운 기하학적 구조의 정전 용량 변위 탐침을 추가적으로 제공한다. 통상적으로는, 물체의 변위는 정정 용량 변위 탐침에 대해 법선 방향의 거리로서 측정된다. 또한, 이 변위는 정전 용량 변위 탐침에 대해 접선 방향의 거리로서 측정될 수 있다. 도 11을 참조하면, 이는 2개의 판(130) 사이의 균일한 틈새(132)가 도 11에 도시된 바와 같이 [화살표(136)로 표시된] 운동에 대해 접선 방향의 평면에서 센서 관(134)에 인접하게 배치되는 상태로 이들 판(130)을 나란하게 배치함으로써 달성될 수 있다. 일 실시 형태에서, 이들 판(130)은 동일한 전위로 있고, 센서 관(134)은 접지 전위로 있다. 이 센서 관(134)은 이들 판(130) 사이의 틈새(132) 바로 위에 배치되고, 예측되는 운동(136)이 상기 틈새에 대해 법선 방향이므로, 센서 관(134)의 주기 운동은 타측 판(130)보다 일측 판(130)에 더 가깝게 센서 관(134)을 배치하도록 한다. 이들 판(130) 각각과 센서 관(134) 사이에서 상대적인 정전 용량이 측정된다. 센서 관(134)이 일측 판(130)에서 타측 판으로 이동함에 따라, 정전 용량에 기인하는 면적량은 변할 것이고, 따라서 상대적인 정전 용량이 측정된다.

다른 구성에서는, 틈새(132)가 도 12에 도시된 바와 같이 센서 관(134)을 비스듬하게 가로지르고 있다. 이 구성은 판(130)의 평면에 대한 센서 관(134)의 배치를 덜 정확하게 할 수 있다. 센서 관(134)의 오정렬은 평행한 틈새(132)에 비해 신호 부정합을 더 작게 유발한다.

또 다른 실시 형태에서는, 상기 틈새(132)가 도 13에 도시된 바와 같이 "톱니" 패턴을 취한다. 이 실시 형태는 평행하든 비스듬하든 간에 틈새(132)에 대한 센서 관(134)의 각도 오정렬이 2개의 판(130) 사이의 정전 용량의 변동율의 차이를 유발하게 된다는 점에서 비스듬한 틈새(132)에 비해 개량된 것이다. 이것은 2개의 신호 사이의 위상의 원치 않는 변동을 유발하게 된다. 상기 "톱니" 패턴은 센서 관(134)의 임의의 각도 오정렬을 평균하게 되며, 이에 의해 더욱 대칭적인 신호가 제공된다.

도 14, 도 15 및 도 16에는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 예시적인 저유량 코리올리 질량 유량 컨트롤러(200)가 도시되어 있다. 이 코리올리 질량 유량 컨트롤러(200)는 유량 센서부(202) 및 유량 제어부(204)를 포함한다. 이 질량 유량 컨트롤러(200)에 대해 내측 또는 외측에 있는 프로세서는 설정점의 표시 또는 원하는 질량 유량을 수신한다. 이 설정점 값은 유량 센서부(202)에 의해 표시되는 바와 같이 실제의 질량 유량에 비교되고 나서 에러 값을 발생시킨다. 상기 유량 제어부(204)는 유량을 조정해서 에러를 최소화하도록 조작되는 값을 포함한다. 특정 제어 장치의 수행은 이러한 개시 내용으로부터 이득을 누리는 기술 분야의 숙련자에게는 통상적인 작업일 수 있으며, 따라서 그러한 수행에 대한 구체적인 사항을 여기에서는 상세하게 설명하지 않는다.

엔클로저(205)에 의해 둘러싸여 있는 유량 센서부(202)는 루프 모양으로 만곡되어 있는 센서 관(206)과, 구동 장치(208)와, 이 센서 관(206)의 양측에 배치되어 센서 관(206)의 측면의 변위를 측정하는 2개의 픽오프 센서(210)를 포함한다.

기존의 코리올리 장치의 경우, 센서는 통상적으로 용접된 금속 하우징에 내장되어 있다. 또한, 이 하우징 내부의 센서 관은 전선이 피드쓰루(feedthrough)를 통해 하우징 외측의 전자 소자에 접속되는 상태로 변위 또는 속도 센서에 부착되어 있다. 그와 같은 장치의 센서 관은 비교적 대형이고, 약 100 Hz의 공진 주파수를 가지고 있다. 본 발명의 실시 형태에서와 같이 보다 소형의 센서 관의 경우, 공진 주파수는 다소 높은데, 200 Hz 정도 및 그 이상이다. 주파수가 높아짐에 따라, 센서 엔클로저 내부의 대기압 조건으로 인한 점성 댐핑 효과도 상승하게 된다. 이 엔클로저를 진공으로 만들어 그 내부에 진공 친화적인 재료를 이용함으로써, 점성 댐핑은 감소될 수 있거나, 심지어 제거될 수 있다. 따라서, 도시된 예시적인 실시 형태에서는, 센서 관(206)이 진공 센서 하우징(207) 내부에 배치되어 있다.

센서 관(206)은 관 루프의 다리를 접속시키는 라인에 대해 직교하는 방향으로 탄성 만곡할 수 있는 구조로 되어 있다. 이 루프는 그 중심선을 중심으로 탄성 비틀림이 일어날 수 있을 정도로 충분히 넓다. 낮은 유량으로 코리올리력을 측정하기 위해서는 상기 센서 관(206)이 최소화될 필요가 있다. 관의 크기 조정은 중요한 일이며, 그 이유는 관이 소형으로 될 필요는 있지만, 높은 압력에서 유체를 여전히 수용할 수 있어야 하기 때문이다. 또한, 픽오프 센서(210)는 비접촉으로 되는 것이 바람직하며, 그 이유는 센서 관(206)에 대한 어떠한 접촉 또는 질량 로딩도 코리올리력을 억제할 수 있기 때문이다.

픽오프 센서 기술은 용량형, 자기(磁氣), 압전 저항 및 광학 기술을 포함한다. 압전 저항식 스트레인 게이지 변위 센서는 변위가 최소이고 스트레인이 최고 인 루프의 베이스에서만 관과 접촉한다. 이는 관의 진동에 대한 영향을 최소로 되게 한다. 광학 기술은 다양한 레이저 및 백색광 간섭 변위 기법, 삼각 기법, 다중 내부 반사 및 빔 명암(beam occultation) 기법을 포함한다. 자기(磁氣) 변위 기술은 홀 효과(Hall effect), 와류, 가변 릴럭턴스, 및 자기 저항(magnetoresistive) 기법을 포함한다.

용량형 픽오프 센서 기술은 도시된 실시 형태에서 사용되는데, 그 이유는 이 센서가 관의 변위를 측정하는 데에 필요한 감도를 가지고 있고, 비접촉으로 되고, 자기 구동 소자에 의해 영향을 받지 않기 때문이다. 용량형 픽오프 센서(210) 각각은 1개 이상의 도전판(300)을 포함하고, 이 도전판은 주어진 전위에 접속되고, 이들 사이에 틈새를 형성하기 위해 유량 센서 관(206) 근처에 배치된다. 이 유량 센서 관(206)은 도전판(300)과는 다른 전위에 접속된다. 도전판(300)과 유량 센서 관(206) 사이의 정전 용량은 유량 센서 관(206)이 진동될 때에 이들 도전판(300)과 유량 센서 관(206)의 상대적인 운동으로 인하여 변동한다.

이 도시된 실시 형태에 있어서, 도전판은 도 11 - 13과 관련하여 상술한 바와 같은 제1 및 제2 판을 구비한다. 도시된 구체적인 실시 형태에서는, 도 13에 예시된 바와 같은 톱니 형상의 판이 이용된다. 용량형 픽오프(210)는 센서 엔클로저(207) 속으로 끼워 맞추어지도록 크기 조정되고, 누름 핀(302)에 의해 엔클로저(207)의 뒤벽에 치수적으로 기준이 되는 일체형 센서 블록(301)에 조립된다. 용량형 픽오프 센서(200)의 도전판(300)은 기생 정전 용량(parasitic capacitance)을 최소화하는 보호층과, 센서 블록(301)에 솔더링하기 위한 지지 접촉층을 제공하기 위해 다층 인쇄 회로 기판 위에 제조된다. 용량형 픽오프 센서(210)는 진공에서 작동될 필요가 있기 때문에, 낮은 가스 방출 재료가 예시된 실시 형태에서 이용된다. 표준 유리 섬유 재료는 진공에 대해 비친화적이다. 원하는 재료 특성으로서는, 이 재료가 진공 친화적이고, 납땜될 수 있고, 낮은 가스 방출 접착제와 다층으로 접착될 수 있고, 게다가 단순한 보호층 설계를 위한 낮은 유전 상수를 가지는 것이다. 구체적인 실시 형태에서는, 상업적으로 구매 가능한 DUROID가 이용된다.

용량형 픽오프 센서(210)를 수용하는 센서 블록(301)은 센서 관(206)에 대한 공간을 최적화도록 조정될 수 있다. 이는 전자 방전 가공된 힌지 판을 이용하여 달성된다. 테이퍼진 고정 나사는 용량형 픽오프 센서의 선형 운동 및 각(角) 운동을 수행하기 위해 틈새를 넓힌다. 또한, 용량형 픽오프 센서의 도전판(300)은 센서 엔클로저(207) 외부에 정전 용량 변위 전자 소자와 인터페이싱하는 기밀적으로 밀봉된 전기 커넥터에 용량형 픽오프 센서(210)를 상호 접속시키는 센서 블록의 전면(前面)에 있는 인쇄 회로 기판(303)에 와이어가 납땜될 수 있게 하거나, 와이어가 접착될 수 있게 하는 접촉 패드를 포함한다.

구동 장치(208)는 센서 관(206)을 만곡 진동 모드로 구동시켜 이를 진동시킨다. 예시된 실시 형태에서는, 구동 장치(208)는 센서 관(206)에 납땜된 소형 자석(304)과, 이 자석(304)을 번갈아 밀고 당기는 소형 전자기 코일(306)로 구성된다. 도 16에 도시된 실시 형태에서는, 비희토류 자석, 보다 구체적으로는 니켈 도금된 사마륨 코발트 자석이 이용된다. 이 사마륨 코발트 자석은 중량비에 대비하 여 우수한 자력을 가지고 있다. 이 실시 형태에서는, 자석은 대략 20 ㎎의 중량을 가진다. 이 자석(304)은 센서 관(206)의 최상부 중심에 배치되며, 그 결과 자극은 관의 우선 변위 방향에 대해 평행하게 향하게 된다.

상기 코일(306)은 센서 엔클로저(207)의 외측에 배치되고, 인쇄 기판(209)에 결합된다. 이 센서 엔클로저(207)는 자성이 없으며, 따라서 자기장에 투과성을 띤다. 상기 코일(306)은 토로이드(toroid) 구조에 반대되는 개방 코일 타입이다. 이 실시 형태에서는, 코일(306)은 적어도 1 mＨ 등급의 상업적으로 구매 가능한 파워 인덕터(power inductor)이다. 코일(306)의 중심 축선은 자석(304)의 표면에 대해 수직 방향으로 정렬된다. 센서 관(206)은 용량형 픽오프 센서 중 하나의 신호를 위상 동기화 루프(PLL) 함수를 통해 코일 구동 회로에 대한 피드백으로서 이용하여 공진 구동된다.

센서 관(206)은 유량 인입구(214)와 유량 배출구(216)를 구비하고 있는 베이스부(212)에 장착되며, 그 결과 유로가 인입구에서, 유량 센서 관(206) 및 유량 제어부(204)를 거쳐 센서 흐름 배출구(216)를 통과하게 된다. 유량 제어부(204)는 계량기 본체(222)를 구비하며, 이 본체 속에는 밸브 코일(228)과 코일 덮개(230)가 배치되어 있다. 이 밸브 코일(228) 속에는 밸브 스템(232)과 플런저(234)가 배치되고, 밸브 본체(236)는 계량기 본체(222)에 결합되고, 이들 본체 사이에는 시일(238)이 있다. 밸브 본체(236) 내부에는 밸브 시트(240), 스프링(242) 및 오리피스(244)가 위치한다. 유량 제어부(204)의 양단부에는 단부 블록(224, 225)이 배치되며, 상기 계량기 본체(222)와 단부 블록(224) 사이에, 그리고 밸브 본체(236) 와 단부 블록(225) 사이에는 시일(226)이 설치된다. 일 실시 형태에서, 이 시일(226)은 전주 가공된 니켈 시일로 구성된다.

예시적인 실시 형태에서, 코리올리 유량 컨트롤러(200)는 다음의 방식으로 조립된다. 계량기 본체(222), 센서 엔클로저(207), 베이스 판(310), 중심 기둥(312) 및 센서 관(206)이 조립되고 나서, 센서 관(206)을 센서 엔클로저(207)의 벽에 대하여 치수적으로 기준을 맞추는 고정 기구에 의해 제위치에 유지된다. 나머지 부품은 누름 핀(330)에 의해 인덱싱된다. 그 다음에, 이들 부품은 단일의 유닛으로서 브레이징된다. 자석(304)은 센서 관(206)에 솔더링된다. 센서 블록(301)은 누름 핀(302)을 이용하여 센서 엔클로저(207) 속으로 조립 설치된다. 이 누름 핀(302)은 대략 0.5 ㎜ 만큼 센서 엔클로저(207)의 후면을 돌출한다. 기밀적으로 밀봉된 커넥터(320)가 센서 엔클로저(207)의 후면 구멍(322) 속으로 가압된다. 센서 블록 누름 핀(302)과 기밀적으로 밀봉된 커넥터(320)은 레이저 용접되어 누출 방지 시일을 제공한다. 덮개(324)는 진공 환경에서 센서 엔클로저(207)의 전면에 걸쳐 배치되고 나서, 원래 위치로 레이저 용접되어 진공 기밀 환경을 제공한다.

이어서, 단부 블록(224, 225)과 나머지 밸브 구성 요소가 계량기 본체(222)와 조립된다. 전주 가공된 니켈 시일(226)이 사용될 수 있는데, 그렇지 않으면 탄성 중합체의 Ｏ-링이 교정을 위해 이용될 수 있고, 그 경우 니켈 시일과 교체될 수 있다. 전자 소자들이 완성된 조립체에 조립 설치된다. Ｏ-링(332)이 베이스 판(310)에 설치되고, 이 Ｏ-링(332) 위에서 엔클로저(205)가 아래로 눌러진다. 베 이스 판(310)에 있는 캠 잠금쇠(cam lock)는 회전되어 엔클로저(205)를 하향으로 잠근다. 다른 Ｏ-링(334)은 전자 소자 덮개 캡(336)에 설치된다. 이 전자 소자 캡(336)은 사용자 인터페이스 커넥터(338) 위에 배치된다. 이 전자 소자 캡(336)은 엔클로저(205)에 대해 원래 위치로 가압되어 Ｏ-링 밀봉을 수행한다. 나중에, 조립된 질량 유량 컨트롤러(200)는 시험 후 교정된다.

상기 예시적인 코리올리 질량 유량 컨트롤러(200)는 다양한 장점을 제공하는 모듈 구조이다. 전술한 바와 같이, 전자 소자 패키징은 [엔클로저(205)의 하단부와 베이스 판(310) 사이의] 유량 컨트롤러 본체(flow body)에서, 그리고 [엔클로저(205)의 상단부와 전자 소자 캡(336) 사이의] 사용자 인터페이스 캡에 대해 최상부에서 Ｏ-링 밀봉을 수행하는 구조로 되어 있다. 이 전자 소자 캡(336)은 코리올리 질량 유량 컨트롤러(200)의 내부에 있는 사용자 인터페이스 기판(340)에 결합되며, 또 감지 및 제어 전자 소자에도 접속된다. 전자 소자 캡(336)과 사용자 인터페이스 기판(340)은 함께 사용자 전자 소자에 대한 인터페이스를 형성한다. 이는 각각의 사용자 구성을 위해 상이한 감지 및 제어 전자 소자와 엔클로저를 설계할 필요없이 사용자의 요구 조건에 따라 인터페이스를 유연하게 구성할 수 있게 해준다.

예를 들어, 사용자 인터페이스 캡의 변형 형태는 IP-65/NEMA 4X를 만족하는 장치를 제공하기 위해 시일 및 전기 도관을 가진다. 그러한 장치의 일례(400)는 도 18에 도시되어 있다. 비교해 볼 때, 도 14 - 도 16에 예시된 실시 형태는 사용자 인터페이스 기판(340)에 결합된 커넥터(342)를 포함한다. 도 18에 도시된 바와 같이, 전자 소자 캡(337)은 연장되어 특정 용도에 필요한 추가의 구성 요소를 위한 공간을 제공한다.

Ｏ-링 밀봉된 엔클로저(205)의 다른 특징은 제3 유체 격실을 제공한다는 점에 있으며, 센서 관(206)은 제1 유체 격실이고, 센서 엔클로저(207)는 제2 유체 격실을 제공한다.

제어 대상 유체 속에 다수의 기포가 존재하는 경우에, 종래의 밸브 내의 플런저 둘레에 있는 환형 구멍은 이들 기포가 밸브의 배출구로 통과하는 것을 억제한다. 이들 기포는 액체 흐름이 제한되어 흐름 제어가 상실되는 시점까지 환형 구멍의 입구에 모인다. 이 환형 구멍이 확장되는 경우, 밸브 코일에 대한 플런저의 증가된 간격은 자기(磁氣) 회로에서 자기장의 세기를 감소시키며, 따라서 유체에 의해 생성된 유압에 대항하여 밸브를 개방하거나 폐쇄하기 위해 얻어질 수 있는 유효 힘을 감소시킨다. 따라서, 예시된 코리올리 질량 유량 컨트롤러(200)에서, 원형 홀(246)이 플런저(234)를 관통한다. 이 원형 홀(246)은 기포의 모양 및 크기에 맞추어질 수 있으며, 기포가 밸브를 더욱 자유롭게 통과할 수 있게 한다. 이는 기포에 의해 유발되는 흐름 제한(flow restriction)의 가능성을 최소화시킨다. 플런저(234)의 중심을 관통하는 홀(246)은 자기 회로에 대한 어떤 영향을 최소화하기 때문에, 유압에 대항하여 밸브를 개폐하는 개폐력이 유지된다.

통상의 기존 밸브의 경우, 밸브 플런저는 어떤 변형 가능한 재료로부터 제조되어 오리피스의 안착부(land)를 향해 눌러질 때 흐름에 대해 시일을 형성하는 계류 시트(captive seat)를 구비한다. 정상적으로 폐쇄된 솔레노이드 타입 밸브의 경우에, 상기 계류 시트에 대항하는 힘은 솔레노이드 동작이 시트를 오리피스 안착부로부터 들어올리도록 균형잡힌 스프링에 의해 발생될 수 있다. 정상적으로 개방된 솔레노이드 타입 밸브의 경우, 시트에 대항하는 힘은 솔레노이드 동작에 의해 발생되고 나서, 자기장이 제거되었을 때 스프링이 시트를 오리피스로부터 들어올리도록 균평잡혀 있다. 이러한 시트 재료는 탄성 중합체, 플라스틱 또는 연성 금속(ductile metal)일 수 있다.

대개의 경우, 시일이 복귀될 수 있도록 소성 변형 보다는 탄성 변형이 일어나는 것이 바람직하다. 선택적으로는, 경질 재료가 시트 및 안착부 용도로 이용될 수는 있지만, 이들 시트와 안착부 사이의 고도의 정합면을 포함하여 극소의 공차로 제조될 수 있다. 이는 고비용의 기법이다. 이들 시트와 안착부 사이의 간격 조정이 밸브의 작동에 중요한데, 그 이유는 플런저에 미치는 자력이 변위에 선형이 아니기 때문이다. 정상적으로 개방된 밸브의 경우, 플런저의 평균 위치와, 그에 따른 안착부에 대한 시트의 위치는 시트가 안착부를 향해 이동하는 경우에 최대의 힘을 제공하도록 최적화될 필요가 있으며, 이때 개방 위치에서 최대의 유량이 허용된다. 정상적으로 폐쇄된 밸브의 경우, 안착부에 대항하는 시트의 힘은 스프링에 의해 발생된다. 이 스프링의 힘은 유압에 대항하여 폐쇄시킬 정도로 충분할 필요는 있지만, 자력은 안착부로부터 최대 유량을 허용할 수 있을 정도의 충분한 거리로 시트를 들어올릴 수 있도록 최소화될 필요가 있다.

기존의 장치는 안착부 또는 시트 아래에 심(shim)을 배치하거나 오리피스 구성 요소 속에 나사 결합식 조정 나사를 구비하는 것을 포함하여, 시트와 안착부 사 이의 간격을 조정하기 위해 다양한 수단을 이용할 수 있다. 도 17a에 도시된 바와 같이, 오리피스에서 통상의 나사 결합식 조정은 오리피스 본체(250)와 밸브 본체(252) 사이를 밀봉시키지 못하여 나사부(256) 사이에 누설 경로(254)를 남긴다. 그러한 나사 결합식 조정은 나사부(256)가 유체 누설에 대해 밀봉되는 것을 필요로 한다. 이러한 밀봉을 위해 별도의 시일, 예컨대 Ｏ-링 또는 가스킷이 제공된다.

본 발명의 태양에 따르면, 오리피스(244) 및 안착부 중 적어도 하나는 정밀 오리피스를 가진 나사 결합식 구성 요소로 기계 가공될 수 있는, 예컨대 VESPEL

과 같은 플라스틱 재료로 제조된다. 도 17b에 도시된 예시적인 실시 형태에 도시되어 있는 바와 같이, 나사부(256)는 초과 치수로 기계 가공되기 때문에 오리피스 본체(250)와 밸브 본체(252) 사이에 억지끼워맞춤부(258)가 존재하며, 따라서 밀봉이 이루어지며, 별도의 시일(Ｏ-링 또는 가스킷)의 필요성이 없어진다. 이제, 오리피스 안착부는 밸브 시트(240) 및 플런저(234)의 구조 및 제조를 단순화시키는 변형 가능한 부재이다(도 15 및 도 16 참조).

그러나, 본 발명은 어떠한 특정 밸브 플런저 구성으로 한정될 필요는 없다. 다른 실시 형태의 경우, 밸브 대신에 펌프가 이용된다. 예를 들어, 계량 펌프가 유체를 제어하기 위해 이용될 수 있다. 특히, 복수 개의 압전 관 부분을 가진 압전 펌프가 채용될 수 있다. 이 압전 관 부분은 상이한 관 부분의 수축 또는 팽창을 유발시키는 방식으로 제어되며, 그에 따라 유체 흐름이 원하는 대로 제어될 수 있다.

전술한 구체적인 실시 형태는 예시적인 것일 뿐인데, 그 이유는 본 발명은 본 명세서에 교시된 내용으로부터 이익을 누리는 기술 분야의 숙련자에게는 상이하지만 명백한 균등한 방식으로 개량되어 실시될 수 있기 때문이다. 게다가, 본 명세서에 도시된 구성 및 구조에 대한 세부 사항을 다음의 청구범위에 기재된 사항 외에는 결코 한정하려는 의도는 없다. 따라서, 전술한 구체적인 실시 형태는 변경 또는 개량될 수 있고, 그러한 변형 형태 모두는 본 발명의 범위 및 사상에 속하는 것으로 상정되는 것임은 자명하다. 따라서, 본 발명에서 추구하는 보호 범위는 다음의 청구범위에 기재된 바와 같다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 코리올리 질량 유량 컨트롤러는 코리올리력 효과에 기초하고, 관련된 감지, 제어 및 통신 전자 소자를 가진 일체형 유량 제어 밸브를 구비한 질량 유량 측정 및 제어 장치를 제공할 수 있다.

Claims (4)

1. 제1 단부와 제2 단부가 있는 엔클로저와;

   플로우 바디(flow body)와;

   상기 플로우 바디와 제1 단부를 밀봉 방식으로 연결시키도록 상기 엔클로저의 제1 단부 및 플로우 바디에 대하여 배치되어 있는 제1 밀봉 부재와;

   사용자 인터페이스 조립체와;

   상기 사용자 인터페이스 조립체와 제2 단부를 밀봉 방식으로 연결시키도록 상기 엔클로저의 제2 단부 및 사용자 인터페이스 조립체에 대하여 배치되어 있는 제2 밀봉 부재

   를 구비하는 것인 질량 유량 측정 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 사용자 인터페이스 조립체는 제1 및 제2 사용자 인터페이스 조립체 중의 어느 하나를 포함하는 것인 질량 유량 측정 장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 사용자 인터페이스 조립체는 IP-65/NEMA 4X를 만족하는 질량 유량 측정 장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 엔클로저 내에 배치된 센서 하우징과, 이 센서 하우징 내에 배치된 유량 센서 관을 더 포함하며,

   상기 유량 센서 관은 제1 유체 격실을 제공하고, 상기 센서 하우징은 제2 유체 격실을 제공하며, 상기 플로우 바디와 제1 단부, 사용자 인터페이스 조립체와 제2 단부는 제3 유체 격실을 제공하는 것인 질량 유량 측정 장치.

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