KR20070027742A - 초음파 액체 유동 제어기 - Google Patents

초음파 액체 유동 제어기 Download PDF

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Abstract

초음파 유량계는 도관, 제1 초음파 변환기, 제2 초음파 변환기, 및 제어기를 포함한다. 제1 초음파 변환기는 제1 초음파 신호를 송신하고 제2 초음파 신호를 수신하도록 도관의 제1 부분 근방의 제1 위치에 배치된다. 제2 초음파 변환기는 제2 초음파 신호를 송신하고 제1 초음파 신호를 수신하도록, 도관의 길이를 따라 제1 위치로부터 이격된 도관의 제2 부분 근방의 제2 위치에 배치된다. 제어기는 제1 및 제2 수신 초음파 신호를 교차 상관시켜서 결과적인 시간 영역 신호를 발생시키고, 제1 및 제2 수신 초음파 신호 사이의 이행 시간의 차이를 결정하기 위해 결과적인 시간 영역 신호를 분석하고, 결정된 차이에 기초하여 도관 내의 유체의 유량을 계산하도록 구성된다.
도관, 초음파 유량계, 초음파 변환기, 초음파 신호, 이행 시간

Description

초음파 액체 유동 제어기 {ULTRASONIC LIQUID FLOW CONTROLLER}
본 발명은 액체 유동 제어기에 관한 것이고, 특히 액체 유동 제어기 내에서 사용될 수 있는 초음파 액체 유량계에 관한 것이다.
열 유량계, 코리올리힘 유량계, 및 차압 유량계를 포함한, 도관, 예를 들어 파이프 또는 튜브 내에서 유동하는 액체 또는 기체와 같은 유체의 유량을 측정하기 위한 다양한 종래 기술이 공지되어 있다. 시스템 내의 유체의 유동을 제어하기 위해 이러한 그리고 다른 유형의 유량계를 피드백 제어 루프 내에 통합하는 것도 공지되어 있다.
반도체 장치의 제조 중에, 다양한 유체가 처리되는 웨이퍼 표면 상에서 사용하기 위해 정밀하고 정확하게 분배되어야 한다. 예를 들어, 종래의 장치에서, 처리되는 웨이퍼는 전형적으로 웨이퍼를 코팅하거나 처리하기 위해 소정량의 유체(예를 들어, 물, 슬러리, 에칭제 등)를 분배하는 노즐 아래에 위치된다.
반도체 웨이퍼 상의 집적 수준이 증가함에 따라, 표면 불균일성은 심각한 문제가 되었다. 예를 들어, 웨이퍼 상의 다양한 장치들 사이의 상호 연결을 형성하도록 사용되는 금속화 층은 이후의 포토리소그래피 단계를 간섭할 수 있는 실질적인 표면 불균일성으로 이어질 수 있다. 결과적으로, 웨이퍼 상에 형성되는 장치를 손상시키지 않고서 웨이퍼로부터 표면 불균일성을 "편평화(flatten)" 또는 제거하기 위한 여러 공정이 개발되었다. 그러한 공정의 일례는 웨이퍼가 연마 패드에 대해 회전될 때, 표면 불균일성을 연삭하기 위해, 보통 연마 입자 및/또는 화학 에칭제를 포함하는 평탄화 유체를 사용하는 연마 방법인 화학-기계적 평탄화(CMP)이다.
CMP에서 사용되는 평탄화 유체는 전형적으로, 생산되는 웨이퍼를 평탄화하기 전에 조합되는 둘 이상의 유체 성분을 포함할 수 있는 상업적으로 포장된 형태로 웨이퍼 제조자에게 제공될 수 있다. 유체 성분들이 함께 조합되면, 결과적인 평탄화 유체는 웨이퍼 평탄화 기계에 분배되어 반도체 웨이퍼를 연마하도록 사용된다.
종래의 평탄화 시스템의 현저한 단점은 평탄화 유체가 그가 사용되는 장소 (및 시점) 가까이에서 혼합될 수 없는 것이다. 오히려, 유체 성분들은 저장 탱크 내에서 혼합되어 저장되고, 이는 보통 유체를 교반하여 성분 유체들이 분리되는 것을 방지하고 특히 연마 입자들이 나머지 유체로부터 분리되는 것을 방지하기 위해, 연속 작동식 모터, 펌프, 또는 혼합기를 요구한다. 그 대신에, 평탄화 유체의 성분들의 "사용 시점(point-of-use)" 혼합을 실시하고, 유체를 저장하여 연속적으로 교반하는 필요성 및 그의 비용을 회피하는 것이 유리하다. 또한, "필요(as-needed)"에 기초한 평탄화 유체의 혼합 및 사용은 전형적으로, 평탄화 유체 내에 존재하는 화학 에칭제가 화학적 열화를 겪으며 혼합 후에 바로 사용되어야 하기 때문에, 유리하다.
웨이퍼에 공급되는 평탄화 유체의 양 및 조성은 반도체 장치의 적절한 제조에 대해 중요하다. 종래의 유량계 및 유동 제어기는 평탄화 유체의 사용 시점 혼 합을 실시하기 위해 종종 필요한 정확성이 부족하다. 따라서, 무엇보다도, 반도체 제조에서 사용되는 유체를 그러한 유체의 사용 시점 혼합 및 정확한 분배를 허용하도록 제어하기 위해 사용될 수 있는 정확한 소형 유체 유동 제어기에 대한 요구가 존재한다.
본 발명의 일 태양에 따르면, 도관, 제1 초음파 변환기, 제2 초음파 변환기, 및 제어기를 포함하는 초음파 유량계가 제공된다. 제1 초음파 변환기는 도관의 길이를 따른 제1 위치에 배치되고, 제2 초음파 변환기는 제1 위치로부터 이격된 도관의 길이를 따른 제2 위치에 배치된다. 제1 초음파 변환기는 제1 초음파 신호를 송신하고 제2 초음파 신호를 수신하도록 구성되고, 제2 초음파 변환기는 제2 초음파 신호를 송신하고 제1 초음파 신호를 수신하도록 구성된다. 제어기는 제1 수신 초음파 신호와 제2 수신 초음파 신호를 교차 상관시키고, 결과적인 시간 영역 신호를 발생시키고, 제1 수신 초음파 신호와 제2 수신 초음파 신호 사이의 이행 시간의 차이를 결정하기 위해 결과적인 시간 영역 신호를 분석하고, 결정된 차이에 기초하여 도관 내의 유체의 유량을 계산하도록 구성된다. 유리하게는, 제1 및 제2 초음파 신호는 수신된 초음파 신호들만이 유체의 유량을 계산하기 위해 비교되도록, 기준 사건에 대한 소정의 지연 후에 송신될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 도관 내의 유체의 유량을 결정하는 방법이 제공된다. 방법은 도관의 길이를 따라 제1 및 제2 초음파 신호를 송신하는 단계와, 제1 및 제2 초음파 신호를 수신하는 단계와, 결과적인 시간 영역 신호를 발생시키기 위해 제1 수신 초음파 신호와 제2 수신 초음파 신호를 교차 상관시키는 단계와, 제1 수신 초음파 신호와 제2 수신 초음파 신호 사이의 이행 시간의 차이를 결정하기 위해 결과적인 시간 영역 신호를 분석하는 단계와, 결정된 차이에 기초하여 도관 내의 유체의 유량을 계산하는 단계를 포함한다.
다른 실시예에 따르면, 교차 상관시키는 단계는 제1 주파수 영역 표시를 발생시키기 위해 제1 수신 초음파 신호에 대한 푸리에 변환을 수행하는 단계와, 제2 주파수 영역 표시를 발생시키기 위해 제2 수신 초음파 신호에 대한 힐버트 변환 및 푸리에 변환을 수행하는 단계와, 결과적인 주파수 영역 표시를 발생시키기 위해 제1 및 제2 주파수 영역 표시들을 함께 증폭시키는 단계와, 결과적인 시간 영역 신호를 발생시키기 위해 결과적인 주파수 영역 표시에 대한 푸리에 역변환을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 태양에 따르면, 도관과, 제1 초음파 신호를 송신하고 제2 초음파 신호를 수신하도록, 도관의 길이를 따른 제1 위치에 배치된 제1 초음파 변환기와, 제2 초음파 신호를 송신하고 제1 초음파 신호를 수신하도록, 제1 위치로부터 이격된 도관의 길이를 따른 제2 위치에 배치된 제2 초음파 변환기를 포함하는 초음파 유량계가 제공된다. 유량계는 기준 사건에 대한 소정의 지연 후에 제1 및 제2 초음파 신호의 송신을 개시하도록, 제1 및 제2 초음파 변환기에 전기적으로 결합된 타이밍 회로와, 제1 및 제2 수신 초음파 신호를 처리하여 기준 사건에 대한 제1 수신 초음파 신호의 수신과 제2 수신 초음파 신호의 수신 사이의 시간차를 결정하기 위한 제어기를 더 포함한다.
일 실시예에 따르면, 도관 내의 유체의 유량을 결정하는 방법이 제공된다. 방법은 도관의 길이를 따라 배치된 제1 위치로부터 제1 초음파 신호를 송신하는 단계와, 도관의 길이를 따라 배치된 제2 위치로부터 제2 초음파 신호를 송신하는 단계를 포함하고, 제2 위치는 제1 위치로부터 도관의 길이를 따라 일정 거리만큼 이격된다. 상기 방법은 제2 위치에서 제1 초음파 신호를 수신하는 단계와, 제1 위치에서 제2 초음파 신호를 수신하는 단계와, 유체 내에서의 제1 및 제2 초음파 신호 중 적어도 하나의 전파 속도를 결정하는 단계와, 제1 초음파 신호의 수신과 제2 초음파 신호의 수신 사이의 시간차를 결정하기 위해 수신된 제1 및 제2 초음파 신호만을 처리하는 단계와, 결정된 전파 속도 및 제1 초음파 신호의 수신과 제2 초음파 신호의 수신 사이의 결정된 시간차에 기초하여 유체의 유량을 계산하는 단계를 더 포함한다.
첨부된 도면은 일정한 비례로 도시되지는 않았다. 도면에서, 다양한 도면에 도시된 각각의 동일하거나 거의 동일한 구성요소들은 유사한 숫자로 표시된다. 명확하게 하기 위해, 모든 구성요소가 모든 도면에 붙어있는 것은 아닐 수 있다.
도1은 본 발명의 태양에 따른 액체 유동에 대한 폐쇄 루프 감시 및 제어 시스템의 일 실시예의 개략적인 블록 선도이다.
도2는 본 발명의 태양에 따른 초음파 유량계의 일 실시예의 개략도이다.
도3은 본 발명의 태양에 따른 초음파 액체 유동 제어기의 일 실시예의 블록 선도이다.
도4는 본 발명의 태양에 따른 초음파 신호의 일례를 도시하는 시간 선도이다.
도5는 본 발명의 태양에 따른 유체의 유량을 결정하기 위한 방법의 일례를 도시하는 흐름도이다.
도6은 상대 측정 오류를 도시하는 도면이다.
도7a는 교차 상관을 도시하는 시간 선도이다.
도7b는 2개의 완벽한 사인 곡선의 교차 상관 처리 결과를 도시하는 시간 선도이다.
도8은 임의의 신호에 대해 수행되는 교차 상관 처리 결과의 일례의 도면이다.
도9는 초음파의 상류 및 하류의 이행 시간을 결정하기 위한 방법의 일례의 흐름도이다.
도10은 도관 내의 유체의 유량을 결정하기 위한 방법의 일례의 흐름도이다.
도11은 도관 내의 유체의 가변 유량을 도시하는 도면이다.
다양한 실시예 및 그 태양은 이제 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명된다. 본 발명은 그의 적용에 있어서, 다음의 설명에서 설명되거나 도면에 도시된 구성요소들의 구성 및 배열의 세부 사항으로 제한되지 않는다는 것이 이해되어야 한다. 본 발명은 다른 실시예일 수 있거나, 다양한 방식으로 실시되거나 실행될 수 있다. 특정 실시예의 예가 본 명세서에서 단지 예시적인 목적으로 제공된다. 특히, 일 실시예와 관련하여 설명되는 단계, 요소, 및 특징은 다른 실시예에서의 유사한 역할로부터 배제되도록 의도되지 않는다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 표현 및 용어는 설명을 목적으로 하며, 제한적으로 간주되지 않아야 한다. "포함하는(including)", "포함하는(comprising)" 또는 "갖는(having)", "함유하는(containing)", "포함하는(involving)" 및 그의 변형은 본 명세서에서, 이후에 나열되는 항목 및 그의 등가물, 그리고 추가의 항목을 포함하는 의미이다.
본 발명의 다양한 실시예는 시스템 내의 유체의 유동의 감시 및 폐쇄 루프 제어를 위한 방법 및 장치를 포함한다. 일례에서, 감시되고 제어되는 유체는 반도체 웨이퍼 화학-기계적 평탄화(CMP) 기계에 의해 유동될 수 있다. 그러나, 본 발명은 반도체 제조의 분야로 제한되지 않고, 본 명세서에서 설명되는 본 발명의 원리는 예를 들어 약품을 제조하도록 사용되는 시스템과 같은 임의의 시스템 내에서 임의의 유체를 감시하고 제어하도록 적용될 수 있다. 몇몇 실시예에 따르면, 유체 화학 성분 농도 및/또는 유량의 실시간 측정을 제공하는 처리 공구에서 사용하기 위한 공정이 투명한 (즉, 임의의 유형의 공정에서 사용될 수 있는) 기술이 제공된다. 이러한 기술은 반도체 제조를 포함하지만 그에 제한되지 않는 모든 액체 기반 처리 영역에 대해, 사용 시점 혼합 및 송출을 포함하여, 감시 및 제어 시스템 내에서 중요한 용도를 갖는다.
액체 화학 성분의 특정한 화학 및 물리적 특성의 결정은 반도체 장치 제조자에게 점점 더 중요해지고 있다. 이는 1) 액체 화학 성분이 웨이퍼 표면 결합, 장치 성능, 및 수율에 대해 갖는 영향, 2) 구리-CMP와 같은 액체 기반 처리에서 사용 되는 유체 구성요소의 고비용, 및 3) 액체 화학 폐기물을 함유한 유출 스트림의 환경 영향을 포함한, 공정 및 장비 기술자에게 직면한 여러 과제에 의해 촉진된다. 이러한 인자들은 모두 사용 시점 혼합의 필요성 및 다양한 화학 처리를 위한 액체의 정확한 분배에 기여한다.
유동 제어기 및 계량기를 포함하는 종래의 시스템은 농도 및 유량을 포함하지만 그에 제한되지 않는 액체 약품의 특정 특성에 관한 정보를 제공할 수 있는 처리 공구 내의 정확한 사용 시점 센서가 부족하다. (유량계와 같은) 사용 시점 센서는 업계의 과제를 해결하기 위해 필요한 핵심 기술이다. 그러나, 가장 큰 이익을 실현하기 위해, 이러한 사용 시점 센서는 감시 및 제어 시스템에 내장되어야 한다. 사용 시점에서의 정확한 유량계의 도움으로, 공정 및 장비 기술자는 공정 개발을 가속하고, 약품 소비 및 웨이퍼 폐기를 감소시켜서 (현저한 직접 비용 절감으로 이어지고), 환경 영향을 최소화하는 능력을 가질 수 있다. 또한, 사용 시점 약품 혼합 및 송출 시스템은 사용 시점에서 농도 및 유량을 동시에 측정함으로써 공정에서 사용되는 약품의 양을 정확하게 결정하고 제어할 수 있다.
특히 처리 공구에서 사용하기 위해 개발된 사용 시점 센서 기술은 현장 사용을 위한 필요성: 실시간 측정, 콤팩트한 크기, 비침투성, 무 이동 부품, 공정 투명성을 만족시킨다. 이러한 센서가 높은 신뢰성, 정확성, 및 정밀성과, 아울러 특정 제조 용도에 대한 적절한 동적 범위를 갖는 것이 종종 바람직하다. 본 발명의 다양한 실시예 및 태양은 예를 들어 CMP 슬러리 유체와 같은 액체 약품의 감시 및 제어를 위한 사용 시점 센서 기술에 관한 것이다.
처리 공구 소유자에 대해 원하는 결과를 제공하기 위해, 종종 사용 시점 약품 제어 시스템은 액체 유동을 정확하게 설정하고 결정하는 능력을 갖는 것이 바람직하다. 도1을 참조하면, 본 발명의 태양에 따른 유체 제어 시스템의 일례의 블록 선도가 도시되어 있다. 도시된 시스템(100)은 유체가 선/화살표(104)에 의해 표시된 바와 같이 유동하는 제어식 밸브(102)를 포함한다. 다음의 설명이 제어식 또는 가변 밸브인 요소(102)를 주로 참조할 것이지만, 요소(102)는 예를 들어 펌프와 같은 다른 유형의 유체 액추에이터일 수도 있다는 것이 이해되어야 한다. 밸브(102)는, 예를 들어 시스템을 통한 유체의 유동을 변경하도록 조정될 수 있는 전자 제어식 가변 밸브일 수 있다. 밸브(102)는 선(108)에 의해 표시된 바와 같이 제어기(106)에 의해 제어된다. 제어기(106)는 예를 들어 마이크로 프로세서 기반 제어기일 수 있다. 유체 유량계(110)가 도시된 바와 같이, 밸브(102)의 하류에 위치될 수 있다. 당업자는 유량계(110)가 대안적으로 밸브(102)의 상류에 위치될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 유체의 유동은 선(112)에 의해 표시된 바와 같이, 제어기(106)와 연통할 수 있는 유량계(110)에 의해 측정될 수 있다. 도1에 도시된 바와 같이, 일 실시예에서, 유량계(110)는 유체 선(104) 내에서 유동하는 유체가 유량계(110)를 통해서도 유동하도록, 유체 선(104)과 일체일 수 있다. 유량계(110)는 전체 유체 선(104)과 일체일 수 있거나, 유량계(110)가 전체 유체 스트림의 일부만을 측정할 수 있도록 분지 또는 우회 유체 선 내에 위치될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 제어기(106)는 원하는 유량을 달성하기 위 해 유체의 유동을 감시하고 밸브(102)를 제어하기 위해 유량계(110)에 의해 제공되는, 유체의 유량과 같은 정보를 사용하도록 적응되어, 시스템(100) 내의 유체 유동의 폐쇄 루프 제어를 제공한다. 일 실시예에서, 유체 유동의 제어는 유체 유량계(110)가 도1에 도시된 바와 같은 폐쇄 루프 시스템 내의 피드백 요소인 제어 시스템에 의해 달성된다. 유량계(110)는 유체 선(104)을 통한 유체의 유량을 표시하는 전기 신호를 생성한다. 유량계 신호(112)는 유체 유동의 실시간 피드백을 제공할 수 있고, 제어기(106)로 입력될 수 있다. 제어기(106)에 의해 생성되는 신호는 [선(108)에 의해 표시된 바와 같이] 밸브(102)를 구동하는 액추에이터로 입력되어, 원하는 유체 유량을 달성하기 위해 요구되는 바와 같이 유량을 변경하기 위해 밸브(102)를 제어하도록 사용될 수 있다. 원하는 유체 유량은 또한 제어기(106)로의 입력 파라미터일 수 있다. 예를 들어, 유체는 예를 들어 시스템(100) 내의 상류 요소, 저장 요소 등일 수 있는 공급원(114)으로부터 시스템(100)의 도시된 부분으로 진입할 수 있다. 공급원(114)은 선(116)에 의해 표시된 바와 같이, 이용 가능한 유체의 양, 온도, 압력, 농도, 밀도 등과, 가능하게는 유체의 초기 유량의 설정점 및 한계와 같은, 제어기(106)로의 정보를 제공할 수 있는 센서를 포함할 수 있다. 제어기(106)는 유체 선(104) 내의 유체의 유량을 조정하기 위해 그러한 정보 및 다른 입력을 사용하도록 조정될 수 있다.
또한, 도1에 도시된 바와 같이, 제어기(106)는 예를 들어 그래픽 기반의 사용자 인터페이스일 수 있는 사용자 인터페이스(118)에 결합될 수 있다. 사용자 인터페이스(118)는 사용자가 시스템을 감시하고, 선(120)에 의해 표시된 바와 같이, 제어기(106)로 입력을 제공하도록 허용할 수 있다. 사용자는 사용자 인터페이스(118)를 통해 [제어기(106)에 의해 제공되는] 시스템의 파라미터를 관찰하고, 예를 들어 유체의 원하는 유량, 유체 유량 설정점, 유량의 상한 및 하한과 같은 제어기(106)로의 입력을 제공할 수 있다. 제어기(106)는 예를 들어 실제 유량, 한계 이탈 경보, 및 데이터 관리 및 데이터 결정 지원 정보를 포함한, 다양한 정보를 사용자 인터페이스(118)로 출력할 수 있다. 제어기(106)는 사용자 인터페이스(118)에 결합되는 것 대신에 또는 그에 추가하여, 다른 시스템 컴퓨터에 결합될 수 있다는 것도 이해되어야 한다.
제어기(106)는 밸브(102)를 제어하기 위한 다양한 프로그램 중 하나로 프로그램될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 일례에서, 제어기는 밸브에 대한 모델로 프로그램될 수 있거나, 밸브(102)가 유체의 유량을 제어하기 위해 개방되는 정도를 변경하기 위한 보정 중에 결정되는 밸브 및 유체의 파라미터를 사용할 수 있다. 그러한 방법은 '질량 유동 제어기용 시스템 및 방법(SYSTEM AND METHOD FOR A MASS FLOW CONTROLLER)'이라는 제목으로 2002년 4월 24일자로 출원된 공동 소유의 미국 특허 출원 제10/131,603호, 및 '질량 유량 제어기 내의 압력 보상을 위한 방법 및 장치(METHODS AND APPARATUS FOR PRESSURE COMPENSATION IN A MASS FLOW CONTROLLER)'라는 제목으로 2003년 7월 17일자로 출원된 미국 특허 출원 제10/622,080호에 설명되어 있고, 이들은 본 명세서에서 전체적으로 참조되었다. 다른 실시예에서, 제어기는 밸브(102)를 구동하기 위한 "무모델(model-free)" 적응식 제어 알고리즘을 사용하도록 적응될 수 있다. 이러한 방법은 시스템 내에서 유동 하는 특정 유체와 독립적이며 시스템의 동특성에 대한 사전 지식을 요구하지 않는 피드백 "뉴런 기반(neuron-based)" 제어 알고리즘을 포함한다. 이러한 방법의 적어도 하나의 실시예가 본 명세서에서 전체적으로 참조된, 죠지 슈-싱 쳉의 미국 특허 제6,684,112호에 상세하게 설명되어 있다.
일 실시예에 따르면, 유량계(110)는 유체의 유량을 결정하기 위해 유체를 통해 전파되는 초음파의 상대 속도를 사용하도록 적응된 초음파 유량계일 수 있다. 초음파 센서가 반도체 이외의 제조 시장에서 유체의 유량을 측정하도록 사용되지만, 이러한 초음파 센서는 전형적으로 반도체 제조 및 사용 시점 용도에서 사용하기 위해 필요한 정확성 및 속도를 갖지 않는다.
도2를 참조하면, 본 발명의 태양에 따른 초음파 유량계의 일 실시예가 구체적으로 도시되어 있다. 시스템(100; 도1 참조)과 같은 시스템에서, 유체는 화살표(132)에 의해 표시된 바와 같이, 튜브 또는 도관(130)을 통해 유동한다. 도시된 실시예에서, 제1 초음파 변환기(134)가 제1 위치에서 도관(130)에 장착되고, 제2 초음파 변환기(136)가 제1 초음파 변환기로부터의 거리(138)에 위치된 제2 위치에서 도관(130)에 장착된다. 일례에 따르면, 각각의 초음파 변환기(134, 136)는 압전 세라믹 요소(예를 들어, 납 지르코네이트-티타네이트), 및 압전 세라믹 요소에 전압을 인가하기 위한 한 쌍의 전극을 포함하는 압전 변환기(진동기)를 포함할 수 있다. 각각의 초음파 변환기(133, 136)는 전압이 그에 인가될 때 초음파를 생성할 수 있고, 초음파를 수신할 때 전압을 생성할 수 있다. 따라서, 각각의 초음파 변환기(134, 136)는 초음파 발생기 및/또는 초음파 수신기로서 기능할 수 있다. 일 례에서, 초음파 변환기는 각각 도2에 도시된 바와 같이, 도관(130)의 외부 표면에 장착될 수 있는 링형 압전 오실레이터일 수 있다. 초음파 변환기(134, 136)는 초음파 에너지를 도관(130) 내로 유도하고 그러한 에너지의 적어도 일부가 도관(130) 내에서 길이방향으로 유체를 통해 이동하는 초음파로서 전파되게 할 수 있는 한, 다른 형상이 대안적으로 사용될 수 있으므로, 링형일 필요는 없다는 것이 이해되어야 한다. 예를 들어, 초음파 변환기(134, 136)는 링의 일부(예를 들어, 반부)만을 형성할 수 있거나, 여전히 대안적으로 초음파 변환기(134, 136)는 본 명세서에서 전체적으로 참조된 미국 특허 제6,055,868호의 도7, 도8a, 도8b, 및 도9에 도시된 바와 같이 도관(130)의 단부에 배치될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제1 초음파 변환기(134)는 제1 스위치(140)에 연결될 수 있고, 제2 초음파 변환기(136)는 제2 스위치(142)에 연결될 수 있다. 제1 및 제2 스위치(140, 142) 각각의 제1 단자는 선(146)에 의해 도시된 바와 같이, 수신기 회로(144)에 연결될 수 있고, 제1 및 제2 스위치(140, 142) 각각의 제2 단자는 선(150)에 의해 표시된 바와 같이, 송신기 (또는 파 발생기) 회로(148)에 연결될 수 있다. 스위치는 예를 들어 클럭 오실레이터 또는 다른 절환 메커니즘을 포함할 수 있는 개시 회로(152)에 의해 구동(즉, 하나의 상태로부터 다른 상태로 변화)될 수 있다. 스위치(140, 142)들은 개시 회로(152)로부터의 각각의 개기 신호에 의해, 스위치가 상태를 변화시켜서, 제1 및 제2 초음파 변환기(134, 136)를 송신 및 수신 상태 사이에서 절환하도록, 배열될 수 있다. 예를 들어, 제1 초음파 변환기(134)가 송신기 회로에 연결될 때 (즉, 초음파 발생기로서 작용할 때), 제2 초음 파 변환기(136)는 제1 초음파 변환기(136)에 의해 발생된 초음파를 수신하도록 수신기 회로(144)에 연결된다. 개시 회로(152)로부터의 신호는 그 다음 제1 초음파 변환기(134)는 수신기 회로(144)에 연결되고, 제2 초음파 변환기(136)는 송신기 회로(148)에 연결되도록, 스위치가 상태를 변화시키게 한다. 이러한 방식으로, 상류 (즉, 유체의 유동에 반해 이동하는) 초음파 및 하류 (즉, 유체의 유동과 함께 이동하는) 초음파가 발생되어 수신될 수 있다.
도관(130) 내부에서 유동하는 유체의 유량은 상류 초음파 및 하류 초음파가 2개의 초음파 변환기(134, 136) 사이에서 이동하는데 걸리는 시간을 측정함으로써 결정될 수 있다. 상류 초음파와 하류 초음파 사이의 이행 시간 차이는 도관(130) 내에서 유동하는 유체의 유량에 비례한다. 도관(130)을 통해 유동하는 유체가 없거나, 도관(130) 내의 유체가 정지되어 있을 때, 상류 및 하류 초음파가 2개의 초음파 변환기(134, 136) 사이에서 전파되는데 걸리는 시간은 동일해야 하고, 따라서 시간차는 대략 0이어야 한다. 임의의 유체 유동이 0이 아닌 이행 시간 차이에 의해 표시될 수 있다. 유체의 유량은 유체를 통한 초음파의 이행 시간과, 도관의 단면적 및 유체의 비밀도 등과 같은 시스템의 다양한 물리적 파라미터로부터 계산될 수 있는 유체의 속도로부터 결정될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
일 실시예에 따르면, 도2에 도시된 바와 같은 2개의 초음파 변환기를 포함하는 액체 유량계가 다음의 방법을 사용하여 도관 내의 액체의 유량을 결정하도록 적응될 수 있다. 각각의 상류 초음파 및 하류 초음파가 2개의 초음파 변환기 사이에서 전파되는데 걸리는 시간은 예를 들어 송신 및 수신 신호 사이의 수학적 상관 관 계를 사용하여 측정될 수 있다. 상류 및 하류 파 사이의 이행 시간 차이가 그 다음 계산될 수 있고, 유체의 속도가 이러한 이행 시간 차이로부터 결정된다. 평균화 기술이 측정 및 계산의 정확성을 개선하기 위해 채용될 수 있다. 방법 및 그의 변경이 상세하게 후술된다. 액체 유량계는 필요한 수학적 계산을 수행하기 위한 하나 이상의 지시 세트로 프로그램될 수 있는 제어기를 포함할 수 있다.
도3을 참조하면, 본 발명의 태양에 따른 초음파 액체 유량계(110)의 일 실시예가 도시되어 있다. 유량계는 도2를 참조하여 설명된 바와 같이, 제1 초음파 변환기(134) 및 제2 초음파 변환기(136)를 포함할 수 있다. 2개의 센서 사이의 유체의 유동은 화살표(132)에 의해 표시되어 있다. 상류 및 하류 초음파의 전파는 화살표(200)에 의해 표시되어 있다. 전술한 바와 같이, 유량계(110)는 2개의 초음파 변환기(134, 136)가 송신 및 수신 모드 사이에서 절환되도록 허용하는 절환 회로(202)를 포함할 수 있다. 유량계(110)는 예를 들어 유량계의 전자 회로를 제어하고 다른 시스템 구성요소와 접속하도록 프로그램된 마이크로 프로세서 기반 제어기와 같은 제어기(204)를 더 포함할 수 있다. 일례에서, 제어기(204)는 예를 들어 텍사스 인스트루먼츠, 인크.(Texas Instruments, Inc.)로부터 구입 가능한 TMS320C64xx와 같은 디지털 신호 처리기(DSP)를 포함할 수 있다. 유량계(110)는 단독 유닛으로서 제공될 수 있거나, (도1에 도시된 유동 제어기와 같은) 유동 제어기의 일부를 형성할 수 있다는 것이 이해되어야 하고, 이러한 경우에 제어기(204)는 제어기(106; 도1 참조)와 동일한 유닛일 수 있거나 분리된 제어기일 수 있다. 제어기(204) 및 유량계(110)의 다양한 전자 구성요소는 더욱 상세하게 후술된다.
도4를 참조하면, 보내진 (즉, 송신된) 그리고 수신된 상류 및 하류 초음파 신호에 대한 시간 선도의 일례가 도시되어 있다. 예를 들어, 초음파 변환기(136)는 송신 모드로 절환될 수 있고, 하류 송신 신호(302)를 발생시키도록 (인가 전압 또는 전류에 의해) 제어될 수 있다. 초음파 변환기(134)는 협동식으로 수신 모드로 절환되어 대응하는 하류 수신 신호(304)를 검출할 수 있다. 시간차([td; 송신 신호(302)가 송신된 후에 수신 신호(304)가 검출되는데 걸리는 시간]는 유체 내의 신호의 전파 속도 및 유체의 유량에 의해 영향을 받는다. 유사하게, 절환 회로(202)는 초음파 변환기(136)를 수신 모드로 그리고 초음파 변환기(134)를 송신 모드로 절환하도록 개시될 수 있다. 초음파 변환기(134)는 초음파 변환기(136)에 의해 상류 수신 신호(308)로서 이후에 검출될 수 있는 상류 송신 신호(306)를 발생시킬 수 있다. 시간차[Δtu; 송신 신호(306)가 송신된 후에 수신 신호(308)가 검출되는데 걸리는 시간]는 또한 유체 내의 신호의 전파 속도 및 유체의 유량에 의해 영향을 받는다. 따라서, 본 발명의 태양에 따르면, 매체 내의 신호의 전파 속도는 상류 및 하류 송신을 사용하여 결정될 수 있어서, 유체의 유량은 그 다음 전술한 바와 같이 Δtd 및 Δtu 중 하나 또는 모두와, 다양한 물리적 파라미터로부터 결정될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 송신 신호(302, 306)는 예를 들어 직접 디지털 합성을 사용하여 디지털 생성될 수 있다. 도3을 참조하면, 유량계 회로의 송신기 회로(205)는 예를 들어 FIFO 및 D/A(210)와 같은 저장 요소(208)를 포함할 수 있는 송신기 디지털-아날로그(D/A) 변환기 회로(206)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 선입선출식 비휘발성 메모리 장치일 수 있는 저장 요소(208)는 원하는 송신 신호에 대응할 수 있는 하나 이상의 디지털 시퀀스를 저장할 수 있다. 더욱 구체적으로, 저장 요소(208)는 저장 요소(208)가 제어기(204)에 의해 활성화될 때, D/A(210)로 송신되어 아날로그 전기 신호로 변환되는 디지털 시퀀스를 포함할 수 있다. 이러한 아날로그 전기 신호는 예를 들어 대역 통과 또는 저역 통과 필터일 수 있는 필터(212)에 의해 필터링되어 구동기 증폭기(214)에 의해 증폭될 수 있다. 초음파 변환기 및 송신 채널이 많은 고주파 차단을 제공하기 때문에, 필터(212)는 몇몇 실시예에서 생략될 수 있고, D/A(210)의 출력이 구동기 증폭기(214)의 입력단에 연결될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 증폭된 전기 신호는 그 다음 절환 회로(202)를 거쳐, 초음파 변환기(134, 136) 중 적절한 하나로 인가될 수 있다. 인가된 아날로그 전기 신호에 의한 여기에 응답하여, 초음파 변환기(134 또는 136)는 초음파를 발생시켜서, 하류 송신 신호(302) 또는 상류 송신 신호(306)를 생성할 수 있다. 송신기 회로(205)는 당업자에게 공지된 바와 같이, 추가의 요소 또는 도시된 요소에 대한 변형된 대체물을 포함할 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 송신기 회로(205)의 정확한 요소들은 회로가 원하는 초음파를 생성하기 위해 초음파 변환기를 구동하는데 사용될 수 있는 전기 신호를 생성하도록 기능하면, 본 발명에 대해 중요하지 않다. 도3에 도시된 송신기 회로(205)는 적절한 장치의 일례에서 제공되었으며 제한적으로 의도되지 않았다. 아울러, 도3에 도시된 실시예에서, 초음파 변환기(134, 136)들이 동일한 송신기 회로(205)를 공유하지만, 분리된 송신기 회로 들이 대안적으로 각각의 변환기에 대해 제공될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
유사하게, 수신 신호(304 또는 308)가 초음파 변환기(134 또는 136)에 도달하면, 수신 신호는 응답식으로 전기 신호를 생성하는 초음파 변환기에 의해 검출될 수 있다. 이러한 전기 신호는 유량계 회로의 수신기 회로(207)에 인가될 수 있다. 예를 들어, 수신된 전기 신호는 증폭기(216)에 의해 증폭되어, 예를 들어 저역 통과 또는 대역 통과 필터일 수 있는 필터(218)에 의해 필터링될 수 있다. 송신기 회로(205)에서와 같이, 필터(218)는 몇몇 실시예에서 생략될 수 있다. 신호는 그 다음 아날로그-디지털(A/D) 변환기 회로(220)에 인가될 수 있고, 이는 전기 신호를 [A/D(222)를 사용하여] 디지털 신호로 변환하여, 결과적인 디지털 신호를 예를 들어 FIFO일 수 있는 저장 요소(224) 내에 저장할 수 있다. 다시, 수신기 회로(207)는 당업자에게 공지된 바와 같이, 추가의 요소 또는 도시된 요소에 대한 변형된 대체물을 포함할 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 수신기 회로(207)의 정확한 요소들은 회로가 초음파를 수신하는 것에 응답하여 초음파 변환기에 의해 생성되는 전기 신호를 수신하고 제어기(204)에 의한 처리를 위해 복원된 신호를 제공하도록 기능하면, 본 발명에 대해 중요하지 않다. 도3에 도시된 수신기 회로(207)는 적절한 장치의 일례에서 제공되었으며 제한적으로 의도되지 않았다. 아울러, 송신기 회로(205)에서와 같이, 분리된 수신기 회로들이 대안적으로 각각의 초음파 변환기(134, 136)에 대해 제공될 수 있다.
도4를 참조하면, 본 발명의 일 태양은 선(310)에 의해 표시된 바와 같이, 회로의 송신기 및 수신기 부분들을 공지된 "0" 시간으로 동기화하는 것을 포함할 수 있다. 각각의 상류 및 하류 송신 신호는 그 다음 0 시간에 대해 선(312)에 의해 표시된 공지된 시간에 송신될 수 있다. 이러한 공지된 시간은 N의 디지털 카운터 값에 의해 표현될 수 있다. 따라서, 각각의 송신 신호(302, 306)는 항상 일정할 수 있는 공지된 상대 시점(N)에서 송신될 수 있다. 각각의 송신 신호(302, 306)를 (예를 들어, 동일한 상대 사건에 응답하여) 동일한 상대 시점에서 송신하는 것이 양호할 수 있지만, 송신 신호(306)는 대안적으로 2개의 상대 시점 사이의 차이가 공지되거나 달리 결정될 수 있는 한, 송신 신호(302)와 다른 상대 시점에서 송신될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
도3을 참조하면, 일 실시예에 따르면, 유량계 회로는 설정값(N)을 갖는 카운터(226)를 포함할 수 있다. 제어기는 초기값 또는 카운트, 예를 들어 0으로부터 N까지, 0 시간에서 카운팅을 시작하도록 카운터(226)를 [선(238) 상에서] 개시할 수 있다. 카운터(226)가 N에 도달하면, 이는 제어 게이트(230)에 인가되는 카운트 종료 신호를 선(228) 상에서 제공한다. 제어 게이트(230)는 카운트 종료 신호의 수신 시에, 적절한 초음파 변환기(134 또는 136)가 초음파를 발생시키게 하는 전기 신호를 제공하기 위해 D/A(210)에 디지털 시퀀스를 송신하도록 저장 요소(208)를 개시한다. 따라서, 제어기(204)는 어떤 초음파 변환기가 초음파 신호를 송신하도록 사용되고 있는지와 관계없이, 0 이후의 정확한 공지된 시간, 즉 상대 시점(N)에서 초음파 변환기(134 또는 136)가 송신 초음파를 발생시키게 한다.
제어 게이트(230)는 예를 들어 도시된 바와 같이, 2개의 AND 게이트(232, 234)를 포함할 수 있다. 그러나, 제어 게이트는 도3에 도시된 특정 실시예로 제한 되지 않는다. 제어 게이트(230)는 송신 및 수신 초음파를 발생시키고 수신하기 위해, 소정의 시간에서 D/A 변환기 회로(206) 및 A/D 변환기 회로(220)를 개시하도록 작용하는 임의의 적절한 회로를 포함할 수 있다. 제어 게이트(230)는 절환 회로(202; 도3 참조)를 구동하도록 사용되는 클럭 오실레이터와 동일하거나 다를 수 있는 클럭 오실레이터(236)에 의해 구동될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 유량계 회로의 수신기측은 또한 초기값 또는 카운트, 예를 들어 0으로부터 일반적으로 값(N)보다 더 큰 값(M)까지의 카운팅을 시작하도록 제어기(204)에 의해 [선(238)에 의해 도시된 바와 같이] 개시될 수 있는 카운터(240)를 포함할 수 있다. 값(M)은 N과 동일하거나 거의 동일할 수 있거나, 또는 N보다 약간 더 크거나 실질적으로 더 클 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 카운터(240)가 M에 도달하면, 이는 데이터의 수신/저장을 시작하도록 수신기 A/D 변환기 회로(220)를 개시할 수 있는 제어 게이트(230)를 개시하기 위한 카운트 종료 신호를 선(242) 상에서 제공할 수 있다.
카운터(240)에 기초하여 수신기측을 개시하기보다는, 카운터(226)가 사용될 수 있거나, 또는 대안적으로 수신기 A/D 변환기 회로(220)가 연속적으로 작동하여, 선(244) 상에서 제공되는 신호를 [A/D(222)를 사용하여] 디지털 시퀀스로 변환하고 디지털 시퀀스를 저장 요소(224) 내에 저장할 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 그러나, 연속 작업은 불충분할 수 있고, 이는 초음파가 [예를 들어, 신호(302)가 송신되기 전에 또는 그 직후에] 검출되지 않을 때, 선(244) 상의 신호는 유용한 데이터를 거의 포함하지 않고, 따라서 결과적인 디지털 시퀀스를 저장하는 것은 거의 유용하지 않을 수 있기 때문이다. 따라서, 효율을 최대화하기 위해서, 카운터(240)는 선(244) 상에서 제공되는 신호가 수신 초음파에 대한 유용한 정보를 포함할 가능성이 있을 때에만, 디지털 데이터를 변환하고 저장하도록 수신기 A/D 변환기 회로(220)를 개시할 수 있다. 일 실시예에서, 값(M)은 도4에 도시된 바와 같이, 수신 초음파(304 또는 308)의 도달 직전의 시간 값에 대응하도록 설정될 수 있다. 대안적으로, 값(M)은 송신 초음파(302 또는 306)가 송신된 직후의, 예를 들어 N보다 약간 더 큰 시간에 대응하도록 설정될 수 있다. 이러한 방식으로, 수신기 회로는 수신 초음파(304 또는 308)의 일부가 손실되지 않기에 충분히 이르지만, 거의 유용하지 않은 데이터를 저장하는데 다량의 시간을 소모하지 않기에 충분히 늦게, "켜질(turn on)" 수 있다. (즉, 데이터 변환 및 저장을 시작할 수 있다). 대안적으로, 카운터(226)가 송신 및 수신 회로를 개시하도록 사용될 수 있다.
따라서, 저장 요소(208)는 송신 초음파(302, 306)의 디지털 표현을 저장할 수 있고, 저장 요소(224)는 수신 초음파(304, 308)의 디지털 표현을 저장할 수 있다. 상류 초음파(306)의 송신과 하류 초음파(302)의 송신 사이 또는 그 반대의 시간 지연은 2개의 초음파 사이의 간섭을 회피하기에 충분히 길지만, 유체의 유량이 더 긴 시간 간격에 걸쳐 변화될 수 있으므로 너무 길지 않아야 한다는 것이 당업자에 의해 이해되어야 한다. 제어기(204)는 유체 내의 초음파의 전파 속도 및 유체의 유량과 같은 정보를 복원하기 위한 처리를 위해 이러한 디지털 표현을 회수하기 위한 종래의 방식으로 저장 요소(208, 224)에 접근할 수 있다. 제어기(204)가 그러한 정보를 복원하기 위해 실시할 수 있는 알고리즘의 예가 후술된다.
전술한 바와 같이, 상류 및/또는 하류 초음파의 이행 시간은 평균 액체 속도 및 평균 액체 유량에 비례한다. 일 실시예에 따르면, 액체 유량은 상류 초음파의 이행 시간(Δtu)과 하류 초음파의 이행 시간(Δtd) 사이의 차이(Δt)로부터 결정될 수 있다. 송신 초음파들의 시작 시간이 (도3에 도시된 바와 같이) 동기화될 수 있기 때문에, 시간차(Δt)는 총 이행 시간의 측정으로부터가 아닌, 직접적으로, 즉 수신 신호(304, 308)들이 수신되는 상대 시간들을 비교함으로써 결정될 수 있다. 따라서, 유체 내의 초음파의 전파 속도가 공지되면, 유체의 속도(v)가 그 다음 계산될 수 있다.
Δtd 및 Δtu의 측정값은 다음의 관계에 따라, 2개의 초음파 변환기 사이의 거리, 유체 내에서의 초음파의 전파 속도, 및 유체의 속도에 관련된다.
Figure 112007007848288-PCT00001
Figure 112007007848288-PCT00002
여기서, c는 유체 내에서의 초음파의 전파 속도이고, v는 유체의 속도이고, L은 2개의 초음파 변환기 사이의 거리[예를 들어, 도2의 거리(138)]이다. 도관 내의 음향 전파 및 유체 유동이 평행하고, 상류 및 하류의 유체의 속도가 측정된 시간 간격에 걸쳐 비교적 일정하여 본질적으로 상쇄되도록, 상류 및 하류 이행 시간 이 비교적 작은 시간 간격에 걸쳐 측정되면, 유체 내에서의 초음파의 전파 속도는 다음의 수학식에 따라, 해당되는 거리(2L)에 걸쳐 (유동과 함께하는) 상류 및 (유동에 반하는) 하류 이행 시간(Δtd, Δtu)을 평균화함으로써 추정될 수 있다.
Figure 112007007848288-PCT00003
측정된 차이(Δt)는 또한 다음의 공식에 의해 주어진다.
Δt = Δtu - Δtd
따라서, 수학식 4의 Δtu 및 Δtd를 수학식 1 및 2의 표현으로 대체하고 몇몇 수학적 조작을 수행하면, Δt에 대한 다음의 공식이 산출된다.
Figure 112007007848288-PCT00004
따라서, Δt가 공지(측정)되기 때문에, L은 공지되거나 (공지된 유체 유동에 의한 보정에 기초하여 미리 결정될 수 있고), c는 위에서 주어진 수학식 3으로부터 결정될 수 있고, 유체의 속도는 다음의 공식으로부터 계산될 수 있다.
Figure 112007007848288-PCT00005
대안적으로, 유체의 속도가 유체 내에서의 초음파의 전파 속도(c)보다 실질적으로 낮다는 것을 이해하면, 수학식 5는 다음과 같이 단순화될 수 있고,
Figure 112007007848288-PCT00006
유체의 속도는 다음과 같이 계산될 수 있다.
Figure 112007007848288-PCT00007
유체의 유량(예를 들어, 체적 또는 질량)은 그 다음 유체의 속도와, 유체가 유동하는 도관의 단면적, 유체의 비밀도, 및 유체의 온도와 같은 시스템의 다양한 물리적 파라미터로부터 계산될 수 있다. 예를 들어, 상기 수학식 7에서의 단순화에 기초하여, 유체의 체적 유량(Q)은 아래의 공식에 의해 주어지고, 여기서 A는 도관의 단면적을 나타낸다.
Figure 112007007848288-PCT00008
유체의 질량 유량은 그 다음 수학식 9에 따른 유체의 체적 유량과, 유체 비밀도 정보에 기초하여 결정될 수 있다. 도관의 단면적, (도관의 단면적보다는 낮은 수준이지만) 도관의 길이, 및 유체의 비밀도와 같은 여러 시스템 파라미터가 온도 의존적일 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 따라서, 일 실시예에서, 온도 센서가 유체의 온도를 측정하고 이러한 측정을 제어기(204)로 제공하기 위해 시스템 내에 포함될 수 있다. 제어기(204)는 공지된 온도 의존성 교정 인자에 따라 유체의 속도로부터의 유체 유량의 계산을 조정하기 위한 정보로 프로그램될 수 있다. 예를 들어, 온도에 따른 도관의 단면적 및/또는 도관의 길이의 변동은 공지될 수 있고, 그러한 정보는 제어기, 예를 들어 검색표 내에 저장될 수 있어서, 제어기는 그러한 온도 의존성 변동을 고려하도록 체적 유량의 계산을 조정할 수 있다. 유사하게, 온도에 따른 유체의 비밀도의 온도 의존성 변동도 유체의 비밀도의 온도 의존성 변동을 고려하도록 질량 유량의 계산을 조정하기 위해, 예를 들어 검색표 내에 저장될 수 있다.
예를 들어, 수학식 3 및 9를 조합하면, 다음이 산출된다.
Figure 112007007848288-PCT00009
수학식 10에서, 유효 단면적 항(A) 및 변환기 분리 항(L)은 아래의 수학식 11에 도시된 바와 같이 온도(T)의 함수인 단일한 기계적 치수 함수(K)로 조합될 수 있다.
Figure 112007007848288-PCT00010
공지된 음향 전파 속도(c1)를 갖는 보정 유체가 그 다음 이행 시간(Δtu, Δtd) 및 이들의 차이(Δt)의 측정에 의해 상이한 온도에 대한 함수 K(T)를 결정하기 위해, 공지된 체적 유량(Q1)으로 도관(130)을 통해 유동될 수 있다. 보정 유체와 다른 음향 전파 속도를 갖는 식별 유체에 대해, 온도 의존성 교정은 다음과 같이 실시될 수 있다.
Figure 112007007848288-PCT00011
여기서, F(T)는 측정되는 식별 유체의 온도 의존성 함수이다. 이러한 방식으로, 도관의 기계적 치수에 대한 온도 영향으로 인한 체적 유량의 변동은 임의의 복수의 상이한 유체에 대해 고려될 수 있다.
도5를 참조하면, 유체의 유량을 계산하기 위한 방법의 일 실시예의 흐름도가 도시되어 있다. 제1 단계(320)에서, 하류 초음파의 이행 시간(Δtd)이 측정/계산될 수 있고, 제2 단계(322)에서, 상류 초음파의 이행 시간(Δtu)이 측정/계산될 수 있다. 단계(320, 322)들은 또한 임의의 이후의 처리 및 계산에 영향을 주지 않고서 반대의 순서로 수행될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 2개의 이행 시간이 결정되면, 유체 내에서의 초음파의 전파 속도가 단계(324)에서 (예를 들어, 상기 수학식 3을 사용하여) 결정될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 유체 내에서의 초음파의 전파 속도를 직접 표시하며 아울러 상기 수학식 10 내지 12에서 직접 사용되는 Δtu + Δtd의 기록을 단순히 보존하는 것이 계산적으로 간편하다. 이러한 절차는 시스템의 온도와 같은 파라미터에 의해 영향을 받을 수 있는 유체 내에서의 초음파의 전파 속도의 정확한 기록을 보존하기 위해, 선(326)에 의해 표시된 바와 같이, 주기적으로 반복될 수 있다. 따라서, 온도와 같은 시스템 환경의 파라미터가 변화하면, 측정을 주기적으로 갱신하는 것이 바람직할 수 있다. 다음 단계(328)에서, 이행 시간 차이(Δt)가 계산될 수 있고 (이에 대한 방법은 후술됨), 그 다음 시스템 내의 유체의 유량이 위에서 주어진 수학식 9 또는 수학식 12에 기초하여 단계(330)에서 계산될 수 있다. 유량의 결정은 유체의 속도를 거의 연속적으로 측정하고 내부의 임의의 변화를 정확하게 검출하기 위해, 선(332)에 의해 표시된 바와 같이, 주기적으로 반복될 수 있다. 통상, 유체의 유량이 유체 내에서의 초음파의 전파 속도보다 시간에 걸쳐 더 빈번하게 변화할 것으로 예상될 수 있으므로, 단계(328 - 330)는 단계(320 내지 324)보다 더 빈번하게 반복될 수 있지만, 본 발명은 그렇게 제한되지는 않는다.
일 실시예에 따르면, 유량은 Δt에 비례할 수 있고, 따라서 유량이 결정될 때마다 Δtu 및 Δtd를 측정하는 것이 필요할 수 있다. 바꾸어 말하면, 시스템이 상류 및 하류 초음파의 이행 시간이 항상 공지되도록 동기화되기 때문에, Δt는 이행 시간(Δtu, Δtd)의 측정으로부터 도출되기보다는 수신 초음파(304, 308)들이 수신되는 시간을 비교함으로써, 직접 측정될 수 있다. 이는 적어도 두 가지 이유로 특히 유리할 수 있다. 먼저, 도6에 도시된 바와 같이, Δt를 직접 측정하는 것은 이를 Δtu 및 Δtd의 측정으로부터 계산하는 것보다 더 정확할 수 있다. 이는 Δt의 직접 측정 시에, 관련된 1회 측정만이 있고, 따라서 그와 관련된 하나의 수준의 오류(Δte) 또는 공차만이 있기 때문이다. 대조적으로, Δtu 및 Δtd의 각각의 측정은 각각 오류 항(Δtue 및 Δtde)을 그와 관련시킨다. 따라서, 최소한, Δtu 및 Δtd의 측정으로부터의 Δt의 계산은 그와 관련된 2개의 수준의 오류를 갖는다. 또한, Δt를 직접 측정하는 것과 관련하여 2회가 아닌 1회 측정만이 있기 때문에, 이는 프로세서 시간을 덜 요구할 수 있으며 더 빨리 반복될 수 있고, 이에 의해 측정들 사이의 경과 시간이 감소될 수 있기 때문에, 유체의 유량의 더 정확하고 연속적인 결정을 가능케 한다.
일 실시예에 따르면, Δtu 및 Δtd 각각은 여러 수학적 처리 중 하나를 사용하여 결정될 수 있다. 일례에서, 포락선 검출 회로/방법이 기술 분야에 공지된 바와 같이, 수신 신호(304, 308)를 검출하도록 사용될 수 있다. 예를 들어, 특정 지점, 예를 들어 수신 신호의 시작 또는 종료 지점이 검출되어 기록될 수 있고, 카운터가 송신 신호(302, 306)의 공지된 시작 시간, 즉 시간(N)의 상대 시점과 수신 신 호(304, 308) 내의 대응하는 지점의 수신 시간 사이에서 경과된 시간을 카운트하도록 사용될 수 있다. 평균화 기술이, 기술 분야에 공지된 바와 같이, 그 다음 일련의 그러한 측정에 대한 시간 측정의 정확성을 개선하도록 사용될 수 있다. 이러한 방식으로, Δtu 및 Δtd가 측정될 수 있다. 그러나, 많은 측정들의 평균화가 만족스럽게 정확한 측정을 얻기 위해 필요할 수 있기 때문에, 이러한 방법은 몇몇 상황에서 바람직하지 않을 수 있다.
따라서, 다른 예에서, 시작 또는 종료와 같은 수신 신호 내의 단일 지점을 검출하기보다는, 전체 신호가 검출되고, [A/D(222)를 사용하여] 수치화되고, 저장 요소(224) 내에 저장될 수 있다. 송신 신호와 수신 신호의 사이의 교차 상관이 그 다음 이행 시간(Δtu 또는 Δtd)을 결정하기 위해 수행될 수 있다. 후술되는 교차 상관 및 변환의 다양한 공정이 설명될 것이지만, 편의상, 송신 및 수신 신호(302, 304, 306, 308)의 측면에서, 실제 수학적 절차가 이러한 신호의 디지털 표현에 대해 수행될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
교차 상관은 2개의 신호의 위상을 비교하여 신호들 사이의 위상 정합의 정도에 대응하는 크기를 갖는 출력 신호를 생성하는 공지된 수학적 공정이다. 예를 들어, 도7a 및 도7b를 참조하면, 교차 상관이 2개의 완벽한 단일 사이클 사인파들 사이에서 수행되면, 즉 하나의 신호(340)를 시간에 있어서 다른 신호(342)를 가로질러 "이동(moving)"시키면 (도7a), 결과는 신호들이 완벽하게 정합되는 단일 시점에서의 피크(344)이다. 현재의 시스템에서, 송신 및 수신 신호들이 전형적으로 완벽 한 단일 사이클 사인파가 아니기 때문에, 상호 연관의 결과는 예를 들어, 송신 및 수신 신호들이 가장 밀접하게 위상 정합될 때, 시점(t3)에 대응하는 피크(356)를 갖는 도8에 도시된 바와 같은 신호이다. 따라서, 송신 초음파(302)와 대응 수신 초음파(304) 사이의 교차 상관을 수행함으로써, 이행 시간(Δtd)이 결정될 수 있다. 유사하게, 송신 초음파(306)와 대응 수신 초음파(308) 사이의 교차 상관을 수행함으로써, 이행 시간(Δtu)이 결정될 수 있다. 각각의 송신 및 수신 신호가 특정 대역폭(B) 및 특정 지속 시간(T)을 가질 수 있기 때문에, 2개의 신호 사이의 상호 연관을 수행하는 것은 다음의 관계에 따라, 전술한 바와 같은 2n회의 단일 지점 측정을 수행하는 것과 동등하다.
BT = 2n
여기서, n은 이행 시간의 계산에 있어서 동일한 정도의 정확성을 달성하기 위해 요구되는 단일 지점 측정의 등가의 회수이다. 따라서, 상호 연관 기술은 특정 측정 기간 내에서 현저하게 더 큰 정확성을 얻고, 따라서 등가의 회수의 단일 지점 방법 측정을 평균화하는 것보다 더욱 시간 효율적이다.
일 실시예에 따르면, 제어기(204)는 송신 및 수신 신호의 상류 및 하류의 두 쌍에 대한 상호 관련 작업을 수행하기 위한 알고리즘 또는 지시 세트로 프로그램될 수 있다. 송신 신호(302, 304)는 예를 들어 처프 신호 또는 공지된 데이터 스트림 또는 오류 교정 코드로 부호화된 신호를 포함하는 다양한 신호 중 하나일 수 있다. 양호한 실시예에서, 처프 신호가 사용될 수 있지만, 많은 다른 신호들이 사용될 수 있고 다양한 설계 고려에 따라 선택될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 특히, 특정 종류의 잡음에 실질적으로 영향을 받지 않는 신호를 선택하는 것이 양호할 수 있다. 처프 신호는 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 주파수를 그의 대역폭에 걸쳐 결정된 방식으로 바꾸는 신호를 지칭한다. 예를 들어, 처프는 하나의 주파수(f1)에서 시작하여 다른 더 높거나 더 낮은 주파수(f2)에서 종료할 수 있다. 본 발명의 일 태양에 따르면, 송신 신호는 그의 대역폭이 초음파 변환기의 대역폭에 대응하도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 압전 초음파 변환기는 특정 대역폭 및 작동 주파수 범위를 가질 수 있다. 효율을 최대화하기 위해 초음파 변환기의 대역폭 및 주파수 범위를 가능한 한 많이 사용할 수 있는 송신 신호를 선택하는 것이 양호할 수 있다. 일례에서, 송신 신호(302, 304)는 440 kHz 내지 490 kHz의 주파수 범위 및 150 ㎲의 지속 시간에 걸쳐 50 kHz의 대역폭을 갖는 처프 신호가 되도록 선택되었다. 그러한 처프 신호가 사용될 수 있는 송신 신호의 일례이지만, 본 발명은 당업자에 의해 이해되는 바와 같이 다른 적절한 신호가 또한 사용될 수 있으므로, 그렇게 제한되지 않는다는 것이 이해되어야 한다. 양호한 신호 대 잡음비, 또는 잡음에 대한 높은 무영향성과 같은 특징을 갖는 임의의 신호가 바람직할 수 있고, 이는 그러한 신호가 (다른 초음파 변환기 및 수신기 회로에 의해) 쉽게 검출되어, 교차 상관 공정으로부터 정확한 결과를 제공할 수 있기 때문이다.
당업자에게 공지된 바와 같이, 시간 영역에서의 교차 상관의 수학적 처리는 주파수 영역에서의 신호의 곱과 등가이다. 따라서, 일례에 따르면, 제어기는 시간 영역에서 송신 및 수신 신호 사이의 교차 상관을 수행하도록 프로그램될 수 있다. 다른 실시예에서, 제어기(204)는 신호에 대한 변환을 수행하고, 이를 주파수 영역 표현으로 변환하고, 주파수 영역에서 주파수 영역 표현들 중 하나의 다른 주파수 영역 표현의 공액 복소수에 의한 주파수 영역 곱셈을 수행하고, 곱셈 결과를 이러한 영역으로 재변환하도록 프로그램될 수 있고, 여기서 다시 신호 내의 피크는 신호들이 가장 밀접하게 정합되는 시점을 표시하며, 따라서 이행 시간(Δtu 또는 Δtd)에 대응할 수 있다. 이러한 목적으로, 제어기(204)는 디지털 신호 처리기일 수 있거나 그를 포함할 수 있다.
도9를 참조하면, 일 실시예에 따르면, 제어기(204)는 각각의 송신 및 수신 신호, 예를 들어 송신 신호(302) 및 수신 신호(304)에 대해 이들을 주파수 영역 표현으로 변환하기 위해, 고속 푸리에 변환(FFT)을 수행하기 위한 알고리즘으로 프로그램될 수 있다. 효과적인 힐버트 변환이 그 다음 각각의 양의 주파수 성분에 90° 위상 변이를 추가하고 각각의 음의 주파수 성분에 -90° 위상 변이를 추가한 다음 아래의 단계(354)에서 설명되는 바와 같이 2개의 주파수 영역 표현들을 곱함으로써, 주파수 영역 표현들 중 하나에 대해 수행될 수 있다. 다른 예에서, 제어기는 제1 신호, 예를 들어 송신 신호(302)에 대해 FFT를 수행하고 (단계 350), 제2 신호, 예를 들어 수신 신호(304)에 대해 힐버트 변환 및 FFT를 수행하도록 (단계 352), 프로그램될 수 있다. 시간(t)의 함수인 신호에 대해 힐버트 변환을 수행하 는 것은 신호의 함수(-1/πt)와의 합성곱을 수행하는 것을 포함한다. 신호의 힐버트 변환이 예를 들어 신호의 힐버트 변환에 대해 FFT를 수행함으로써 주파수 영역에서 조사될 때, 원래의 신호에 대한 부호 의존성 위상 변이가 있었다는 것, 즉 모든 코사인 성분들이 음의 사인 성분으로 변환되고 모든 사인 성분들이 코사인 성분으로 변환되는 것이 명백하다. 이는 신호를 실제 및 가상 평면 내에서 "회전"시키는 것에 대응한다. 따라서, 각각의 송신 및 수신 신호의 FFT를 취하고 주파수 영역 표현들 중 하나에 대해 효과적인 힐버트 변환을 수행하는 것은 송신 및 수신 신호 중 하나의 FFT를 취하고 송신 및 수신 신호 중 다른 하나에 대해 힐버트 변환 및 FFT를 수행하는 것과 수학적으로 등가이다.
제어기는 그 다음 하나의 주파수 영역 표현의 다른 주파수 영역 표현의 공액 복소수에 의한 주파수 영역 곱셈을 수행하고 [즉, 주파수 영역에서 2개의 주파수 영역 표현들을 곱하고 (단계 354)], 곱셈 결과에 대한 역 FFT를 수행하여 (단계 356), 이를 다시 시간 영역으로 변환할 수 있다. 처리된 시간 영역 신호는 명확하게 하기 위해 신호(Tr)로 지칭된다. 하나의 신호에 대해 수행된 힐버트 변환의 결과로서, 송신 신호(302) 및 수신 신호(304)가 가장 밀접하게 위상 정합되는 시점에 대응하는 신호(Tr) 내의 피크 대신에, 이러한 시점은 이제 신호(Tr) 내의 부호 변환점에 의해 표시된다. 일례에서, Δtu 또는 Δtd에 대응하는 시점은 각 측면에서 신호(T) 내의 가장 큰 양의 피크 및 가장 큰 음의 피크와 접하는 신호(Tr) 내의 부호 변환점에 의해 표시될 수 있다. 따라서, 단계(358)에서, 제어기는 신호(Tr) 내의 부호 변환점을 찾아서 이행 시간(Δtu 또는 Δtd)을 결정하기 위해 임의의 다양한 공지된 기술을 사용할 수 있다. 주파수 영역 표현들 중 하나에 대해 효과적인 힐버트 변환을 수행하는 단계는 각각의 양의 주파수 성분에 90° 위상 변이를 추가하고 각각의 음의 주파수 성분에 -90° 위상 변이를 추가하는 것으로 설명되었지만, 유사한 결과가 대안적으로 각각의 양의 주파수 성분에 -90° 위상 변이를 그리고 각각의 음의 주파수 성분에 90° 위상 변이를 추가한 다음 2개의 주파수 영역 표현들을 곱하고 곱셈 결과에 대해 역 FFT를 수행함으로써, 얻어질 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
상기 알고리즘이 송신 신호(302) 및 수신 신호(304)의 측면에서 설명되었지만, 알고리즘은 또한 송신 신호(306) 및 수신 신호(308)에 대해 사용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 또한, 힐버트 변환은 송신 또는 수신 신호에 대해 또는 송신 및 수신 신호의 교차 상관에 대해 수행될 수 있다. 이행 시간(Δtu, Δtd)이 결정되면, 유체 내에서의 초음파의 전파 속도가 상기 수학식 3에 따라 결정될 수 있다. 단계(358)에서 부호 변환점을 찾기 위해, 단계(354)에서 얻어진 곱셈 결과의 DC 및 나이키스트 속도항은 단계(356)에서 역 FFT를 수행하기 전에 거의 0이어야 한다는 것도 이해되어야 한다. 이는 곱셈 결과가 본질적으로 상당한 DC 오프셋 및 샘플링 속도의 절반 부근의 주파수를 갖지 않고, 또는 대안적으로 곱해진 주파수 영역 표현의 그러한 DC 및 나이키스트 속도항이 단계(356)에서 역 FFT를 수행하기 전에 0으로 설정될 수 있도록 보장함으로써 수행될 수 있다.
다시 도5를 참조하면, 유체 내에서의 초음파의 전파 속도가 결정되면, 제어기는 Δtu 및 Δtd 중 하나를 처음으로 결정하거나 재측정하지 않고서 상류 초음파와 하류 초음파 사이의 이행 시간의 차이(Δt)를 결정하기 위한 알고리즘 또는 지시 세트를 실시할 수 있다. 따라서, 도5에 도시된 바와 같이, Δt는 유체의 유량을 결정하기 위해, 주기적으로 계산되고 유체 내에서의 초음파의 전파 속도(c)와 함께 사용될 수 있다. 단계(328, 330)들의 이러한 시퀀스는 유체의 유량을 정확하게 감시하기 위해 필요한 만큼 빈번하게, 선(332)에 의해 도시된 바와 같이, 반복될 수 있다. 예를 들어, 단계(328, 330)가 수행되는 것보다 덜 빈번하게, 단계(320, 322, 324)는 유체 내에서의 초음파의 전파 속도의 측정을 갱신하기 위해, 선(326)에 의해 도시된 바와 같이, 반복될 수 있다. 유체 내에서의 초음파의 전파 속도가 Δt를 측정하고 유체의 유량을 결정하기 위해 요구되는 시간 간격과 같은 짧은 시간 간격에 걸쳐 변하지 않을 수 있지만, 유체 내에서의 초음파의 전파 속도는 예를 들어 시스템 내의 온도 변동에 의해 장기간에 걸쳐 변할 수 있다. 따라서, 전파 속도의 장기간 변동을 고려하고 유체의 유량 계산의 정확성을 유지하기 위해, 유체 내에서의 초음파의 전파 속도의 측정을 주기적으로 또는 시스템 환경의 검출된 변화에 응답하여 갱신하는 것이 바람직할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제어기는 Δt를 결정하기 위해 Δtu 및 Δtd를 결정하는 것을 참조하여 설명된 것과 유사한 알고리즘을 실시할 수 있다. 예를 들어, 제 어기는 수신 신호(304)와 수신 신호(308) 사이의 교차 상관을 수행하기 위한 알고리즘으로 프로그램될 수 있다. 교차 상관의 결과는 2개의 수신 신호들이 가장 밀접하게 위상 정합되는 시점에 대응하며, 따라서 시간차(Δt)에 대응하는 피크를 갖는 신호일 수 있다. 바꾸어 말하면, 2개의 수신 신호들의 교차 상관은 하류 (빠른) 수신 신호가 상류 수신 신호와 동일한 시간에 도달하는 것으로 보이도록 얼마나 많이 시간 변위될 필요가 있는지를 표시하는 시간값을 산출할 수 있다. 따라서, 이러한 "시간 변위(time shift)"는 Δtu 및 Δtd 중 하나를 재계산할 필요가 없이 2개의 초음파 변환기 사이의 상류 및 하류 초음파의 이행 시간 사이의 시간차(Δt)를 표시한다.
전술한 바와 같이, 일례에서, 제어기(204)는 2개의 수신 신호 사이의 시간 영역 교차 상관을 실시할 수 있다. 다른 예에서, 제어기는 동일하거나 유사한 결과를 달성하기 위해, 2개의 신호를 주파수 영역 표현으로 변환하기 위한 FFT와 같은 변환을 실시할 수 있고, 여기서 주파수 영역 표현들은 상관되기보다는, (예를 들어, 하나의 주파수 영역 표현을 다른 주파수 영역 표현의 공액 복소수에 의해 곱함으로써) 곱해질 수 있다. 도10을 참조하면, 유체의 유량을 결정하기 위한 방법의 일례의 흐름도가 도시되어 있다. 단계(360)에서, FFT가 각각의 수신 신호(304, 308)에 대해 이들을 주파수 영역 표현으로 변환하기 위해 수행될 수 있다. 다음 단계(362)에서, 주파수 영역 표현들 중 하나에서, +90° 위상 변이가 각각의 양의 주파수 성분에 추가될 수 있고, -90° 위상 변이가 각각의 음의 주파수 성분에 추 가될 수 있어서, FFT 및 위상 변이의 조합은 하나의 신호에 대해 수행되는 효과적인 힐버트 변환 및 FFT를 생성한다. 위상 변이는 각 주파수 영역 표현에 대해 수행될 수 있거나, 또는 대안적으로 단계(360)에서 각각의 수신 신호(304, 308)에 대해 수행되는 FFT보다는, FFT가 수신 신호들 중 하나에 대해 수행될 수 있고, 힐버트 변환 및 FFT가 다른 수신 신호에 대해 수행될 수 있다. 다음으로, 2개의 주파수 영역 표현들은 주파수 영역에서 (예를 들어, 하나의 주파수 영역 표현을 다른 주파수 영역 표현의 공액 복소수에 의해 곱함으로써) 서로 곱해질 수 있고, 곱셈 결과는 예를 들어 역 FFT를 사용하여 다시 시간 영역으로 변환될 수 있다 (단계 366). Δt를 결정하기 위해 (단계 368), 제어기는 전술한 바와 같이, (명확하게 하기 위해 Trr로 지칭되는) 결과적인 시간 영역 신호 내의 부호 변환점을 찾기 위해 임의의 공지된 기술을 실시할 수 있다. 유체의 유량은 그 다음 위에서 주어진 수학식 9 또는 수학식 12에 기초하여 결정될 수 있다 (단계 370).
상기 알고리즘 및 수학적 연산을 명확하게 하기 위해 송신 및 수신 초음파의 측면에서 설명되었지만, 연산은 실제로 이러한 신호들의 디지털 표현에 대해 수행된다는 것이 이해되어야 한다. 따라서, 개별 FFT 및 힐버트 변환이 사용될 수 있고, 하나의 주파수 영역 표현의 다른 주파수 영역 표현의 공액 복소수에 의한 곱셈은 디지털 값들의 일 지점씩(point-by-point) 곱셈으로서 수행될 수 있다. 전술한 방법은 시스템 내에서 유동하는 유체와 독립적일 수 있고, 유체의 임의의 추측 지식 없이 그리고 유체 특이적인 시스템 보정 없이, 물, 슬러리, 화학 혼합물 등을 포함하지만 그에 제한되지 않는 다양한 상이한 유체에 대한 유체 속도를 계산하도록 사용될 수 있다는 것도 이해되어야 한다. 실제로, 유체(임의의 유체) 내에서의 초음파의 전파 속도와 같은 초음파의 특성의 추측 지식은 유체 내에서의 초음파의 전파 속도가 사용 시에 주기적으로 측정될 수 있으므로, 유체의 속도를 계산하는데 필수적이지 않다. 유체의 유량은 그 다음 유체의 속도 및 시스템 및/또는 유체의 공지된 물리적 파라미터를 사용하여, 위에서 주어진 수학식 9 또는 수학식 12에 기초하여 계산될 수 있다.
대안적으로, 유체 내에서의 초음파의 전파 속도가 예를 들어 특정 유체에서 측정된 테스트 데이터에 기초하여 미리 공지된 경우에, 유체의 유량은 Δtu 또는 Δtd를 결정하지 않고서 위에서 주어진 수학식 9에 기초하여 계산될 수 있다. 예를 들어, 유체 내에서의 초음파의 전파 속도(c)는 단순히 제어기에 접근 가능한 검색표로부터 얻어질 수 있다. 검색표는 다양한 유체에 대한 음향 전파 속도와, 다양한 유체 각각에 대한 전파 속도가 온도에 따라 어떻게 변하는지를 표시하는 데이터를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 칼만 필터링과 같은 평균화 기술 또는 필터링이 측정의 정확성을 개선하기 위해 사용될 수 있다. 몇몇 경우에, 유체 내에서의 초음파의 전파 속도는 유체의 온도에 따라 변할 수 있다. 따라서, 다른 실시예에서, 온도 센서가 유체 온도를 측정하기 위해, 시스템 내로 통합되어, 예를 들어 도관(130; 도2 참조) 내에 위치될 수 있다. 제어기(204)는 유체 내에서의 초음파의 전파 속 도의 측정 및 결정을 주기적으로 조정하고 그리고/또는 결정된 유량을 임의의 공지된 온도 의존성 변동에 대해 교정하기 위해 온도 센서에 의해 제공되는 정보를 이용할 수 있다. 예를 들어, 도11을 참조하면, 도관(130)과 같은 도관 내의 유체의 유량은 도관의 단면에 걸쳐 일정하지 않을 수 있다는 것이 공지되어 있다. 오히려, 도11을 참조하면, 유체는 화살표(380)에 의해 도시된 바와 같이 도관의 중심에서 더 빠르게 그리고 도관의 모서리 부근에서 유체의 유동을 늦출 수 있는 유체와 도관 사이의 마찰로 인해 [화살표(382)에 의해 도시된] 도관의 모서리 부근에서 더 느리게 유동할 수 있다. 따라서, 상류 및 하류 초음파 파면은 대칭이 아닐 수 있다. 또한, 상류 및 하류 초음파 파면 사이의 형상 차이는 온도가 도관 내의 유체의 유동에 영향을 줄 수 있기 때문에, 온도에 따라 변할 수 있다. 따라서, 제어기는 온도 의존성 교정 인자를 측정에 적용할 수 있다. 이러한 교정 인자는 또한 유체 특이적일 수 있고, 따라서 제어기는 다양한 유체에 대한 적절한 온도 의존성 교정 인자를 포함할 수 있는 데이터베이스를 포함할 수 있다.
본 발명의 적어도 하나의 실시예의 여러 태양이 이렇게 설명되었지만, 다양한 변경, 변형, 및 개선이 당업자에게 명백하다는 것이 이해되어야 한다. 그러한 변경, 변형, 및 개선은 본 명세서의 일부가 되도록 의도되고, 본 발명의 범주 내에 있도록 의도된다. 따라서, 상기 설명 및 도면은 단지 예시적이다.

Claims (44)

  1. 도관 내의 유체의 유량을 결정하는 방법이며,
    도관의 길이를 따라 제1 및 제2 초음파 신호를 송신하는 단계와,
    상기 제1 및 제2 초음파 신호를 수신하는 단계와,
    상기 결과적인 시간 영역 신호를 발생시키기 위해 제1 수신 초음파 신호와 제2 수신 초음파 신호를 교차 상관시키는 단계와,
    상기 제1 수신 초음파 신호와 제2 수신 초음파 신호 사이의 이행 시간의 차이를 결정하기 위하여 결과적인 시간 영역 신호를 분석하는 단계와,
    결정된 차이에 기초하여 도관 내의 유체의 유량을 계산하는 단계를 포함하는유체 유량 결정 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 교차 상관 단계는,
    상기 제1 주파수 영역 표현 및 제2 주파수 영역 표현을 각각 발생시키기 위해 제1 수신 초음파 신호 및 제2 수신 초음파 신호 각각에 대한 푸리에 변환을 수행하는 단계와,
    상기 결과적인 주파수 영역 표현을 발생시키기 위해 제1 및 제2 주파수 영역 표현들을 서로 곱하는 단계와,
    상기 결과적인 시간 영역 신호를 발생시키기 위해 결과적인 주파수 영역 표현에 대한 역 푸리에 변환을 수행하는 단계를 포함하는 유체 유량 결정 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1 주파수 영역 표현 및 제2 주파수 영역 표현 중 하나의 양의 주파수 성분 각각에 양의 90° 위상 변이 및 음의 90° 위상 변이 중 하나를 추가하는 단계와,
    상기 제1 주파수 영역 표현 및 제2 주파수 영역 표현 중 하나의 음의 주파수 성분 각각에 양의 90° 위상 변이 및 음의 90° 위상 변이 중 다른 하나를 추가하는 단계를 더 포함하는 유체 유량 결정 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 교차 상관 단계는,
    상기 제1 주파수 영역 표현을 발생시키기 위해 제1 수신 초음파 신호에 대한 푸리에 변환을 수행하는 단계와,
    상기 제2 주파수 영역 표현을 발생시키기 위해 제2 수신 초음파 신호에 대한 힐버트 변환 및 푸리에 변환을 수행하는 단계와,
    상기 결과적인 주파수 영역 표현을 발생시키기 위해 제1 및 제2 주파수 영역 표현들을 서로 곱하는 단계와,
    상기 결과적인 시간 영역 신호를 발생시키기 위해 결과적인 주파수 영역 표현에 대한 역 푸리에 변환을 수행하는 단계를 포함하는 유체 유량 결정 방법.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 결과적인 주파수 영역 표현에 대해 역 푸리에 변환을 수행하는 단계 이전에, 결과적인 주파수 영역 표현의 DC 및 나이키스 트 속도항을 0으로 설정하는 단계를 더 포함하는 유체 유량 결정 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 결과적인 시간 영역 신호를 분석하는 단계는 결과적인 시간 영역 신호 내의 부호 전환점을 찾는 단계를 포함하는 유체 유량 결정 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 유체 내의 제1 및 제2 초음파 신호 중 적어도 하나의 전파 속도를 결정하는 단계를 더 포함하는 유체 유량 결정 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 결정된 차이에 기초하여 유체의 유량을 계산하는 단계는 전파 속도를 결정하는 단계보다 더욱 빈번하게 수행되는 유체 유량 결정 방법.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 전파 속도를 결정하는 단계는,
    도관의 길이를 따라 이격된 제1 위치와 제2 위치 사이에서의 제1 초음파 신호의 제1 이행 시간을 결정하는 단계와,
    상기 제1 위치와 제2 위치 사이에서의 제2 초음파 신호의 제2 이행 시간을 결정하는 단계와,
    제1 및 제2 이행 시간, 및 제1 위치와 제2 위치 사이의 거리에 기초하여 전파 속도를 계산하는 단계를 포함하는 유체 유량 결정 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제1 및 제2 이행 시간을 결정하는 단계 및 전파 속도를 계산하는 단계를 주기적으로 반복함으로써, 유체 내에서의 적어도 하나의 초음파 신호의 전파 속도를 주기적으로 갱신하는 단계를 더 포함하는 유체 유량 결정 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 유체의 유량을 계산하는 단계는 결정된 차이 및 전파 속도에 기초하여 유량을 계산하는 단계를 포함하는 유체 유량 결정 방법.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 초음파 신호를 송신하는 단계는 처프 신호의 디지털 표현으로부터 제1 및 제2 초음파 신호를 디지털 합성하는 단계를 포함하는 유체 유량 결정 방법.
  13. 도관과,
    상기 도관의 길이를 따른 제1 위치에 배치되어, 제1 초음파 신호를 송신하고 제2 초음파 신호를 수신하는 제1 초음파 변환기와,
    상기 제1 위치로부터 이격된 도관의 길이를 따른 제2 위치에 배치되어, 제2 초음파 신호를 송신하고 제1 초음파 신호를 수신하는 제2 초음파 변환기와,
    상기 제1 수신 초음파 신호와 제2 수신 초음파 신호를 교차 상관시켜서 결과적인 시간 영역 신호를 발생시켜, 제1 수신 초음파 신호와 제2 수신 초음파 신호 사이의 이행 시간의 차이를 결정하고 결정된 차이에 기초하여 도관 내의 유체의 유량을 계산하도록 결과적인 시간 영역 신호를 분석하도록 구성된 제어기를 포함하는 초음파 유량계.
  14. 제13항에 있어서, 상기 제어기는 또한,
    제1 주파수 영역 표현을 발생시키기 위해 제1 수신 초음파 신호에 대한 푸리에 변환을 수행하고,
    제2 주파수 영역 표현을 발생시키기 위해 제2 수신 초음파 신호에 대한 힐버트 변환 및 푸리에 변환을 수행하고,
    제1 및 제2 주파수 영역 표현들을 서로 곱하여, 결과적인 주파수 영역 표현을 발생시키며,
    결과적인 주파수 영역 표현에 대한 역 푸리에 변환을 수행하여, 결과적인 시간 영역 신호를 발생시키도록 구성되는 초음파 유량계.
  15. 제14항에 있어서, 상기 제어기는 또한, 결과적인 주파수 영역 표현에 대한 역 푸리에 변환을 수행하기 전에, 결과적인 주파수 영역 표현의 DC 및 나이키스트 속도항을 0으로 설정하도록 구성되는 초음파 유량계.
  16. 제13항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어기는 또한, 결과적인 시간 영역 신호 내의 부호 변환점을 찾음으로써 결과적인 시간 영역 신호를 분석하 도록 구성되는 초음파 유량계.
  17. 제13항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어기는 또한, 제1 위치와 제2 위치 사이에서의 제1 초음파 신호의 제1 이행 시간을 결정하고, 제1 위치와 제2 위치 사이에서의 제2 초음파 신호의 제2 이행 시간을 결정하고, 제1 및 제2 이행 시간, 및 도관의 길이를 따른 제1 위치와 제2 위치 사이의 거리에 기초하여 전파 속도를 계산함으로써, 유체 내에서의 제1 및 제2 초음파 신호의 전파 속도를 결정하도록 구성되는 초음파 유량계.
  18. 제17항에 있어서, 상기 제어기는 결정된 차이 및 전파 속도에 기초하여 유체의 유량을 계산하도록 구성되는 초음파 유량계.
  19. 제17항에 있어서, 상기 제어기는 결정된 차이, 전파 속도, 및 도관의 단면적에 기초하여 유체의 유량을 계산하도록 구성되는 초음파 유량계.
  20. 제17항에 있어서, 상기 제어기는 결정된 차이, 전파 속도, 도관의 단면적, 및 도관 내의 유체의 비밀도에 기초하여 유체의 유량을 계산하도록 구성되는 초음파 유량계.
  21. 제13항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 기준 사건에 대해 결정된 제1 지연 후에, 제1 및 제2 초음파 신호의 송신을 개시하도록, 제1 및 제2 초음파 변환기에 작동식으로 결합된 타이밍 회로를 더 포함하는 초음파 유량계.
  22. 제21항에 있어서, 상기 타이밍 회로는 기준 사건에 대해 결정된 제2 지연 후에, 제1 및 제2 초음파 신호의 수신을 개시하는 초음파 유량계.
  23. 도관과,
    상기 도관의 길이를 따른 제1 위치에 배치되어, 제1 초음파 신호를 송신하고 제2 초음파 신호를 수신하는 제1 초음파 변환기와,
    상기 제1 위치로부터 이격된 도관의 길이를 따른 제2 위치에 배치되어, 제2 초음파 신호를 송신하고 제1 초음파 신호를 수신하는 제2 초음파 변환기와,
    상기 제1 및 제2 초음파 변환기에 작동식으로 결합되어, 기준 사건에 대해 결정된 지연 후에, 제1 및 제2 초음파 신호의 송신을 개시하는 타이밍 회로와,
    제1 및 제2 수신 초음파 신호를 처리하여, 기준 사건에 대한 제1 수신 초음파 신호의 수신과 제2 수신 초음파 신호의 수신 사이의 시간차를 결정하기 위한 제어기를 포함하는 초음파 유량계.
  24. 제23항에 있어서, 결정된 지연은 제1 및 제2 초음파 신호에 대해 동일한 초음파 유량계.
  25. 제23항 또는 제24항에 있어서, 제1 및 제2 수신 초음파 신호의 수신 시에, 제어기는 기준 사건에 대한 제1 수신 초음파 신호의 수신과 제2 수신 초음파 신호의 수신 사이의 시간차를 결정하기 위해 제1 및 제2 수신 초음파 신호 사이의 교차 상관을 수행하는 초음파 유량계.
  26. 제13항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 및 제2 초음파 신호를 수신하여, 제1 및 제 수신 초음파 신호를 제어기로 제공하기 위한 수신기 회로를 더 포함하는 초음파 유량계.
  27. 제13항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 및 제2 초음파 신호를 발생시켜, 제1 및 제2 초음파 신호를 송신을 위해 제1 및 제2 초음파 변환기로 제공하기 위한 송신기 회로를 더 포함하는 초음파 유량계.
  28. 제13항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 및 제2 초음파 신호를 수신하여, 제1 및 제2 수신 초음파 신호를 제어기로 제공하기 위해, 제1 및 제2 초음파 변환기 각각에 절환식으로 연결되는 수신기 회로를 더 포함하는 초음파 유량계.
  29. 제13항 내지 제25항, 또는 제28항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 및 제2 초음파 신호를 발생시켜서 제1 및 제2 초음파 신호를 송신을 위해 제1 및 제2 초음파 변환기에 제공하기 위해, 타이밍 회로에 응답하며 제1 및 제2 초음파 변환기 각각 에 절환식으로 연결되는 송신기 회로를 더 포함하는 초음파 유량계.
  30. 제27항 또는 제29항에 있어서, 상기 송신기 회로는,
    제1 초음파 신호 및 제2 초음파 신호의 디지털 표현을 저장하기 위한 저장 회로와,
    제1 초음파 신호 및 제2 초음파 신호의 디지털 표현을 아날로그 표현으로 변환하기 위해, 저장 회로에 전기적으로 결합된 디지털-아날로그 변환기를 포함하는 초음파 유량계.
  31. 제30항에 있어서, 제1 초음파 신호의 디지털 표현은 제2 초음파 신호의 디지털 표현과 동일한 초음파 유량계.
  32. 제30항 또는 제31항에 있어서, 상기 송신기 회로는,
    아날로그 표현을 필터링하기 위해, 디지털-아날로그 변환기에 전기적으로 결합된 필터와,
    필터링된 아날로그 표현을 증폭하고 필터링된 아날로그 표현을 송신을 위해 제1 및 제2 초음파 변환기로 제공하기 위해, 필터에 전기적으로 결합된 증폭기를 더 포함하는 초음파 유량계.
  33. 제13항 내지 제32항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 및 제2 초음파 신호 각각 은 초음파 처프 신호를 포함하는 초음파 유량계.
  34. 제33항에 있어서, 초음파 처프 신호는 디지털 합성되는 초음파 유량계.
  35. 제30항 또는 제31항에 있어서, 제1 초음파 신호 및 제2 초음파 신호의 디지털 표현은 처프 신호에 대응하는 초음파 유량계.
  36. 도관 내의 유체의 유량을 결정하는 방법이며,
    (a) 도관의 길이를 따라 배치된 제1 위치로부터 제1 초음파 신호를 송신하는 단계와,
    (b) 제1 위치로부터 도관의 길이를 따라 일정 거리만큼 이격되게 배치된 제2 위치로부터 제2 초음파 신호를 송신하는 단계와,
    (c) 제2 위치에서 제1 초음파 신호를 수신하는 단계와,
    (d) 제1 위치에서 제2 초음파 신호를 수신하는 단계와,
    (e) 유체 내에서의 제1 및 제2 초음파 신호 중 적어도 하나의 전파 속도를 결정하는 단계와,
    (f) 제1 초음파 신호의 수신과 제2 초음파 신호의 수신 사이의 시간차를 결정하기 위해 수신된 제1 및 제2 초음파 신호만을 처리하는 단계와,
    (g) 단계 (e)에서 결정된 전파 속도 및 단계 (f)에서 결정된 제1 초음파 신호의 수신과 제2 초음파 신호의 수신 사이의 시간차에 기초하여 유체의 유량을 계 산하는 단계를 포함하는 유체 유량 결정 방법.
  37. 제36항에 있어서, 단계 (e)는,
    제1 위치와 제2 위치 사이에서의 제1 초음파 신호의 제1 이행 시간을 결정하는 단계와,
    제1 위치와 제2 위치 사이에서의 제2 초음파 신호의 제2 이행 시간을 결정하는 단계와,
    제1 및 제2 이행 시간 및 제1 위치와 제2 위치 사이의 거리에 기초하여 유체 내에서의 제1 및 제2 초음파 신호 중 적어도 하나의 전파 속도를 계산하는 단계를 포함하는 유체 유량 결정 방법.
  38. 제37항에 있어서, 도관 내의 유체의 온도를 측정하는 단계와,
    도관 내의 유체의 온도에 기초하여 제1 위치와 제2 위치 사이의 거리의 값을 조정하는 단계를 더 포함하는 유체 유량 결정 방법.
  39. 제36항에 있어서, 단계 (f) 및 (g)를 제1 반복 속도로 반복하는 단계와,
    단계 (e)에서 결정된 전파 속도를 제1 반복 속도보다 더 느린 제2 반복 속도로 주기적으로 갱신하는 단계를 더 포함하는 유체 유량 결정 방법.
  40. 제36항에 있어서, 단계 (f) 및 (g)를 제1 반복 속도로 반복하는 단계와,
    도관 내의 유체의 온도가 단계 (e) 이후에 변화되었는지를 결정하는 단계와,
    도관 내의 유체의 온도가 변화되었다는 결정에 응답하여 단계 (e)에서 결정된 전파 속도를 갱신하는 단계를 더 포함하는 유체 유량 결정 방법.
  41. 제36항에 있어서, 단계 (g)는 단계 (e)에서 결정된 전파 속도와, 단계 (f)에서 결정된 제1 초음파 신호의 수신과 제2 초음파 신호의 수신 사이의 시간차와, 도관의 단면적에 기초하여 유체의 유량을 계산하는 단계를 포함하는 유체 유량 결정 방법.
  42. 제41항에 있어서, 도관 내의 유체의 온도를 측정하는 단계와,
    도관 내의 유체의 온도에 기초하여 도관의 단면적을 조정하는 단계를 더 포함하는 유체 유량 결정 방법.
  43. 제36항에 있어서, 단계 (g)는 단계 (e)에서 결정된 전파 속도와, 단계 (f)에서 결정된 제1 초음파 신호의 수신과 제2 초음파 신호의 수신 사이의 시간차와, 도관의 단면적과, 도관 내의 유체의 비밀도에 기초하여 유체의 유량을 계산하는 단계를 포함하는 유체 유량 결정 방법.
  44. 제43항에 있어서, 도관 내의 유체의 온도를 측정하는 단계와,
    도관 내의 유체의 온도에 기초하여 도관의 단면적으로 조정하는 단계와,
    도관 내의 유체의 온도에 기초하여 유체의 비밀도를 조정하는 단계를 더 포함하는 유체 유량 결정 방법.
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