KR20080014142A - 코리올리 질량 유동 제어기 - Google Patents

Abstract

코리올리 질량 유동 센서는 유동 센서 튜브와, 유동 센서 튜브가 진동하도록 유동 센서 튜브에 대해 위치된 구동 장치와, 코리올리 힘으로 인해 유동 센서 튜브 내에 비틀림을 측정하도록 유동 센서 튜브에 대해 위치된 픽오프(pick-off) 센서 를 포함한다. 용량성 픽오프 센서는, 제1 전압 전위에 연결 가능하고 제2 전압 전위에 연결된 유동 센서 튜브에 인접하여 위치되기에 적합한 적어도 하나의 전도성 플레이트를 포함한다. 전도성 플레이트는 유동 센서 튜브와의 사이에 틈새를 형성하도록 유동 센서 튜브에 대해 위치된다. 전도성 플레이트와 유동 센서 튜브 사이의 용량은, 유동 센서 튜브가 진동될 때 전도성 플레이트와 유동 센서 튜브의 상대 운동으로 인해 변화한다. 전자기식, 정전기식, 음향식 및/또는 압전식 장치가 유동 센서 튜브를 진동시키기 위해 사용될 수 있다. 코리올리 질량 유동 제어기는 또한 유동 센서 튜브로부터 유체를 받아들이고 유동 제어를 제공하기에 적합한 통합형 유동 제어 장치를 더 포함할 수 있다.

Description

코리올리 질량 유동 제어기{CORIOLIS MASS FLOW CONTROLLER}

본 발명은 일반적으로 질량 유동 측정 및 제어에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 코리올리 힘 효과에 기초하고 관련된 센서, 제어 및 통신 전자 장치를 갖춘 통합 유동 제어 밸브를 구비하는 질량 유동 측정 및 제어 장치에 관한 것이다.

코리올리 힘 효과에 기초한 질량 유동 측정은 다음과 같이 이루어진다. 코리올리 힘은, 정해진 방향으로 질점(質点)이 이동하다가 방향을 변화시키기 위해 정해진 유동 방향에 수직한 벡터 성분으로 질점이 힘을 받는다는 효과를 초래한다. 이는 다음과 같은 식으로 표현될 수 있다.

상기 식에서,

(코리올리의 벡터력)는

(벡터 질량 유동)과

(벡터 각속도)의 벡터곱의 결과(외적)이다.

회전하는 시스템에서, 각속도 벡터는 회전 축과 같은 방향이다. "오른손 법칙"을 사용하면, 검지 등의 손가락들은 회전의 방향을 나타내고 엄지는 각속도 벡터 방향을 나타낸다. 전형적인 코리올리 힘 유동 센서의 경우에, 유체 유동이 통과 하는 튜브가 진동된다. 종종, 튜브는 하나 이상의 루프 형상이다. 루프 형상은 질량 유동 벡터가 루프의 상이한 부분들에서 대향하는 방향으로 배향되도록 하는 형상이다. 튜브 루프는 예를 들어, "U"자형, 장방형, 삼각형 또는 "델타"형 또는 코일형일 수 있다. 직선형 튜브의 특별한 경우에, 질량 유동 벡터는 단일 방향인 한편, 튜브의 고정점에 존재하는 두 개의 동시적인 각속도 벡터가 존재한다.

진동하는 시스템에서 회전 방향은 변화하므로, 각속도 벡터는 방향이 변화한다. 이로 인해서, 임의의 주어진 시간에서, 코리올리 힘은 질량 유동 벡터 또는 각속도 벡터가 반대 방향으로 배향되는 곳에서 반대 방향으로 작용한다. 각속도 벡터는 진동하는 시스템으로 인해서 일정하게 변화하므로, 코리올리 힘도 역시 일정하게 변화한다. 그 결과, 튜브의 진동 동작에 역동적인 비틀림 동작이 부가된다. 비틀림의 크기는 주어진 각속도에 대하여 질량 유동에 비례한다.

질량 유동 측정은 센서 튜브를 통하여 이동하는 유체에 의해 생성되는 코리올리 힘으로 인한 센서 튜브 내 비틀림을 측정함으로써 이루어진다. 전형적인 공지 장치는 코리올리 힘에 의해 유도된 변위량이 최대라고 기대되는 곳인 유동 센서 튜브 상에 위치된 자석과 코일 쌍을 포함하는 픽오프(pick-off) 센서를 사용한다. 코일과 자석은 상반되는 구조 상에 장착되는데, 예를 들어 자석은 튜브에 장착되고 코일은 고정 패키지 벽에 장착된다. 자석은 코일의 안팎으로 이동하게 되고, 코일 내에 전류를 유도한다. 이 전류는 코일에 대한 자석의 상대 속도에 비례한다. 이것은 속도 측정이므로, 속도는 그리고 따라서 신호는 유동 센서 튜브가 그 휴지 지점을 교차(즉 0 교차)할 때 최대이다. 코리올리 힘에 의해 유도된 비틀림은 두 개의 속도 센서 사이의 0 교차 시간의 차를 측정함으로써 검출되는 속도 신호의 위상 변위를 유발한다. 실제, 이는 시간 측정 회로에 큰 정확도에 대한 부담을 준다. 이는 이 기술에 의한 질량 유동 측정의 최종 감도를 제한할 수 있다.

또한, 코리올리 기술에 기초를 둔 공지 장치의 유량 용량은 종종 많은 적용에 대해 요구되는 것보다 높은 유속으로 제한된다. 또한, 기존의 코리올리 질량 유동 측정 장치는 통합 유동 제어 능력 없이, 단지 질량 유동 센싱을 위해서 제공되기만 한다. 사용자에게 유동을 제어하기 위한 임의의 수단을 제공해야 하는 것이 해결되어야 하였다.

본 발명은 종래 기술과 관련된 단점들을 해결하기 위한 것이다.

본 발명의 일태양에서, 질량 유동 측정 장치용 용량성 픽오프 센서(pick-off sensor)가 설명된다. 질량 유동 측정 장치는 유동 센서 튜브 및 유동 센서 튜브를 진동시키기 위한 구동 장치를 포함한다. 용량성 픽오프 센서는, 제1 전압 전위에 연결 가능하고, 제2 전압 전위에 연결된 유동 센서 튜브에 인접하여 위치되기에 적합한 적어도 하나의 전도성 플레이트를 포함한다. 전도성 플레이트는 유동 센서 튜브와의 사이에 틈새를 형성하도록 유동 센서 튜브에 대해 위치된다. 전도성 플레이트와 유동 센서 튜브 사이의 용량은 유동 센서 튜브가 진동될 때 전도성 플레이트와 유동 센서 튜브의 상대 운동으로 인해 변화한다.

본 발명의 다른 일태양에서, 코리올리 질량 유동 센서는 유동 센서 튜브와, 유동 센서 튜브를 진동시키도록 유동 센서 튜브에 대해 위치된 구동 장치와, 코리올리 힘으로 인한 유동 센서 튜브 내 비틀림을 측정하도록 유동 센서 튜브에 대해 위치된 용량성 변위량 게이지를 포함한다. 특정 실시예에서, 전자기식, 정전식, 음향식 및/또는 압전식 구동 장치가 유동 센서 튜브를 진동시키기 위해 사용된다. 또 다른 실시예에서, 압전식 장치는 유동 센서 튜브를 진동시키는 것과, 유동 센서 튜브 내 비틀림을 측정하는 것 모두를 위해 사용된다.

본 발명의 또 다른 일태양에서, 코리올리 질량 유동 제어기는 유동 센서 튜브와, 유동 센서 튜브를 진동시키도록 유동 센서 튜브에 대해 위치된 구동 장치와, 코리올리 힘으로 인한 유동 센서 튜브 내 비틀림을 측정하도록 유동 센서 튜브에 대해 위치된 위치 센서 장치를 포함한다. 코리올리 질량 유동 제어기는 센서 튜브로부터 유체를 받아들이기에 적합한 통합형 유동 제어 장치를 더 포함한다. 관련되는 센서 전자 장치를 구비하는 이러한 통합형 유동 밸브는 사용하기 더욱 쉽고 동적 성능을 현저히 개선하는 보다 소형의 패키지를 제공한다.

본 발명의 또 다른 태양에서, 코리올리 질량 유동 센서는 유동 센서 튜브와, 내부에 위치된 유동 센서 튜브를 구비하는 하우징과, 유동 센서 튜브를 진동시키기 위해 하우징 외부에 위치된 구동 장치와, 코리올리 힘으로 인한 유동 센서 튜브 내 비틀림을 측정하도록 유동 센서 튜브에 대해 위치되어 있는 적어도 하나의 픽오프 센서를 포함한다. 예시적인 실시예에서, 픽오프 센서는 하우징 내에 위치된다. 추가적인 실시예에서, 유동 센서 튜브에 자석이 연결되고, 구동 장치는 전자기 코일을 포함한다. 자석은 비희토류 자석(non-rare earth magnet), 특히 니켈 도금 사마륨 코발트 자석일 수 있다. 전자기 코일은 전력 인덕터를 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 질량 유동 측정 장치는 제1 및 제2 단부 를 구비하는 인클로저(enclosure)와, 유동 본체와, 유동 본체와 제1 단부가 밀봉식으로 연결되도록 인클로저 제1 단부와 유동 본체에 대해 위치되어 있는 제1 밀봉 부재를 포함한다. 사용자 인터페이스 조립체 및 제2 밀봉 부재는 사용자 인터페이스 조립체와 제2 단부가 밀봉식으로 연결되도록 인클로저 제2 단부에 대해 위치된다. 이들 밀봉 부재는 IP-65/NEMA 4X 컴플라이언트(compliant)인 사용자 인터페이스 조립체를 포함하는 다수의 유형의 사용자 인터페이스 조립체 사이에서 교체를 허용하며, 추가적인 유체 봉쇄를 제공한다.

본 발명은 다양한 변형 및 대안적인 형태가 가능하지만, 첨부 도면에 제시된 예에 의해 본 발명의 특정 실시예를 설명하고 상세하게 설명하도록 한다. 그러나, 특정 실시예에 대한 상세한 설명은 본 발명을 개시되어 있는 특정 형태에 한정하는 것이 아니고, 본 발명은 첨부된 특허청구범위에 의해 규정되는 바와 같은 본 발명의 사상 및 범주 내에 속하는 모든 변형, 균등물 및 대안적인 형태를 포함하는 것이다.

앞서 설명한 특정 실시예들은 단지 예시적인 것이며, 본 발명은 이와는 상이하지만, 본 명세서에 개시한 내용의 장점을 가지면서 당업자에게 명백한 균등한 방법으로 변형되고 실시될 수 있다. 또한, 본 발명은 특허청구범위에 기재된 사항에 의해 그 범위가 정해지는 것이며, 발명의 상세한 설명에 나타낸 상세한 구성 또는 설계에 한정되는 것이 아님을 이해해야 한다. 따라서, 앞서 개시한 특정 실시예는 대안적인 방식으로 변경되거나 변형될 수 있는 것이며, 이러한 모든 변형도 본 발 명의 사상 및 범주에 속하는 것으로 생각되어야 한다.

이하에서는, 본 발명의 예시적인 실시예를 설명한다. 명확한 이해를 위해서, 실제 실시되는 모든 형태를 본 명세서에서 설명하지는 않는다. 물론, 임의의 이러한 실제 실시예를 개발하는 때에, 수많은 구현의 특정 사항에 대한 결정은 시스템에 관련된 제한 및 사업에 관련된 제한을 수용하는 등의, 개발자의 특별한 목적을 수행하도록 이루어져야 하는 것이며, 이러한 목적은 매우 다양할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 또한, 이러한 개발 노력은 복잡하고 시간이 소요될 수도 있지만, 그럼에도 불구하고 여기에 개시된 장점들을 가지면서 당업자들에 의해 통상적으로 수행될 수 있는 것이 된다는 것을 이해해야 한다.

도 1은 본 발명의 태양에 따른 코리올리 질량 유동 센서를 개념적으로 설명하는 블록 다이어그램이다. 코리올리 질량 유동 센서(1)는 유동 센서 튜브(2)와, 튜브(2)를 진동시키도록 유동 센서 튜브(2)에 대해 위치되어 있는 구동 장치(3)를 포함한다. 변위량 게이지(4)는 코리올리 힘으로 인한 튜브(2) 내 비틀림을 측정할 수 있도록 튜브(2)에 대하여 위치되어 있다.

센서 튜브(2)를 위한 전형적인 재료는 316L 스테인레스강이다. 316L 스테인레스강을 사용하는 이유로는, 이것이 많은 물질에 의해 화학적으로 손상되는 것에 대해 저항성이 있다는 점과, 일반적인 공정 압력으로부터 파괴되는 것에 대해 저항성이 있다는 점과, 일반적으로 오염되지 않는다는 점과, 코리올리 센서 튜브의 원하는 형상으로 쉽게 성형될 수 있다는 점을 들 수 있다. 그러나, 316L 스테인레스 강은 모든 적용 분야에 적합한 것은 아니다. 따라서, 316L 스테인레스강이 적합하지 않는 적용 분야를 커버하기 위해 다른 튜브 재료를 사용할 필요가 있다. 공지 장치들은 316L 스테인레스강에 대한 대안적인 재료로서 실리콘을 사용한다. 실리콘이 316L 스테인레스강보다 나은 장점은, 316L 스테인레스강에 의해 구현될 수 있는 것보다 작은 형태로 센서 튜브를 제조할 수 있다는 점이다.

센서 튜브(2)에 대한 재료 선택에 대하여 다른 고려할 점은 발생되는 응력에 대한 저항 또는 향상된 부식 저항성이다. 응력은 튜브가 장착되는 벤딩 아암의 베이스에서 발생된다. 다결정성 재료에서, 응력은 재료 내의 불순물이 미세 결정성 입자 영역들 사이의 입자 경계에서 확산 및 집중되게 한다. 많은 경우에, 이는 미세 결정 입자 사이의 결합력을 약화시키고 재료가 화학적 침식되기 쉽게 한다. 실리콘이나 사파이어와 같은 단일 결정 재료는 이런 식으로 영향을 받는 경향이 적다.

316L 스테인레스강과 같은 금속은 일반적으로 다결정성이고, 따라서 이러한 유형의 화학적 침식에 의해 손상되기 쉽다. 실리카 유리 및 각종 플라스틱류와 같은 비결정성 재료들은 다결정성 재료와 같은 입자 구조를 갖지 않으므로, 응력에 의해 유발되는 화학적 침식에 대한 저항성이 높다. 화학적으로 공격 받기 쉬운 튜브 재료들은, 이들 재료의 사용이 달리 장점이 있는 경우에, 부식이나 화학 작용을 최소화하는 방법으로 변형 또는 코팅된 표면을 구비할 수 있다.

표면 변형은 이온 주입, 열 확산 및 화학적 또는 전기화학적 반응에 의해 이루어질 수도 있다. 그 목적은 화학적으로 저항성을 갖는 층을 표면에 증착하는 원 소종 또는 분자종을 제거, 재분배 또는 도입하는 것이다. 표면 코팅은 상승된 온도에서 표면에 충돌하는 증기, 액체 또는 분말로부터의 열활성 증착에 의해 이루어질 수 있다. 또한, 화학적으로 반응하는 종이 플라즈마 또는 레이저로부터의 강한 광자 플럭스에 의해 역시 여기되거나 이온화되는 경우에는 낮은 온도가 사용될 수 있다. 열 증발 또는 전자 빔 증발에 의해 또는 이온 스퍼터링에 의해 수행되는 바와 같이 비반응성, 물리적 증기 증착에 의해 화학적 침식에 대해 저항성을 갖는 다른 재료가 증착될 수도 있다. 스퍼터링되는 종이 화학적으로 여기 또는 이온화될 정도로 강한 에너지의 이온 빔을 사용하여 스퍼터링이 수행되면, 표면과의 화학적 반응도 역시 이루어지며, 이는 특정 증착된 재료에 대해서 바람직할 수도 있다. 또한, 표면에서의 화학적 반응은 화학적 반응을 활성화 또는 향상시키기 위해 운동 에너지가 사용되도록 종을 가속화시킴으로써 수행될 수도 있다.

특히, 본 발명의 실시예의 코리올리 유동 센서 튜브(2)에 사용되는 튜브 재료는 오스테나이트 스테인레스강 및 마르텐사이트 스테인레스강, 고니켈 합금, 티타늄과 지르코늄 및 이들의 합금, 특히 티타늄-바나듐-알루미늄 합금 및 지르코늄 합금(높은 항복 응력 및 낮은 영의 계수에 사용됨), 실리콘, 사파이어, 탄화 실리콘, 실리카 유리 및 플라스틱이다. 본 발명에 따라 사용되는 튜브 코팅 재료는 탄화 실리콘, 니켈, 크롬, 다이아몬드, 내화 탄화물, 내화 금속 질화물 및 내화 금속 산화물을 포함한다.

도 2a 및 도 2b는 본 발명의 특정 실시예에 따른 코리올리 질량 유동 센서(1)를 나타낸다. 코리올리 질량 유동 센서(1)는 설명되는 실시예에서 사인형 신 호원을 포함하는 신호원(도시 않음)에 의해 구동되는 전자석(12)을 포함하는 전자기 구동 장치(10)를 사용한다. 전자석(12)은 센서 튜브(16)에 장착되는 소형 영구 자석(14) 근처에 위치된다. 센서 튜브(16)는 제1 및 제2 포트(19)를 포함하는 베이스(18)에 연결되어, 하나의 포트(19)로부터 유동 센서 튜브(16)를 통하여 다른 포트(19)로 유동 경로가 형성된다. 설명되는 실시예에 도시된 예시적인 센서 튜브(16)는 일반적으로 "U"자형이지만, 델타형, 장방형, 코일형 또는 직선 튜브형과 같은 다른 형상이 사용될 수도 있다.

도 3a 및 도 3b는 정전식(靜電式) 구동 장치를 사용하는, 도 2에 도시한 실시예와 유사한 실시예를 도시한다. 정전식 구동 장치(20)는 센서 튜브(16)에 장착된 소형 유전체 플레이트(24) 근처에 위치된 충전 플레이트(22)를 포함한다. 튜브(16)가 유전체 재료로 만들어진 경우에, 충전 플레이트(22)는 튜브(16) 근처에 위치되고 유전체 플레이트(24)는 생략될 수 있다. 다시, 충전 플레이트는 사인형 신호원과 같은 신호원(도시 않음)에 의해 구동된다. 충전 플레이트(22)에 가해지는 전압은 충전 플레이트(22)와 유전체 플레이트(24) 사이에 전기장을 생성하게 된다. 이는 유전체 플레이트(24) 상에 표면 충전을 발생시킨다. 충전 플레이트(22) 상에서 전압 극성이 빠르게 변화될 때, 충전 플레이트(22)와 유전체 플레이트(24) 사이에 형성되는 전기장은 교번적으로 흡인 또는 반발되어 유동 센서 튜브(16)가 진동하게 한다.

도 4a 및 도 4b는 신규한 음향 구동 장치(30)를 사용하는 코리올리 질량 유동 센서(1)의 다른 실시예를 도시한다. 음향 구동 장치(30)는 튜브(16) 근처에 위 치되는 소형 스피커(32)를 포함한다. 스피커(32)에 의해 발생되는 압력파는 튜브를 진동시킨다.

도 5a, 도 5b 및 도 5c에, 코리올리 질량 유동 센서(1)의 또 다른 실시예가 도시되어 있다. 도 5a, 도 5b 및 도 5c의 코리올리 질량 유동 센서(1)는 압전(壓電) 구동 장치(40)를 사용하며, 여기에서 유동 센서 튜브(16)의 양측 다리 상에 두 개의 압전 스택(42)이 위치되며, 도 5에 도시한 바와 같이 사실상 각각의 다리(16) 상에 두 개의 바이모프(bimorph)를 생성한다. 압전 및 역압전 효과는 튜브(16)의 변형을 유발하거나 및/또는 감지하기 위해 사용된다.

질량 유동 측정은 센서 튜브(16)를 통하여 이동하는 유체에 의해 생성되는 코리올리 힘으로 인한 센서 튜브(16) 내 비틀림을 측정함으로써 수행된다. 예를 들어, 자석과 코일 쌍으로 이루어진 픽오프 센서는, 통상 코리올리 힘에 의해 유도된 변위량이 최대가 되는 것으로 기대되는 유체 튜브(16) 상에 일반적으로 위치된다. 코일과 자석은 상반되는 구조체 상에 장착되며, 예를 들어 자석은 튜브(16)에 장착되고 코일은 고정 패키지 벽에 장착된다. 자석은 코일의 내외측 방향으로 운동하여, 코일에 전류가 흐르게 된다. 이 전류는 코일에 대한 자석의 상대 속도에 비례한다. 이것은 속도 측정이므로, 속도는 그리고 따라서 신호는 유동 센서 튜브(16)가 그 기준점을 교차(0 교차)할 때 최대가 된다. 코리올리 힘에 의해 유도되는 비틀림은 두 개의 속도 센서 사이에서의 0 교차 시간의 차를 측정함으로써 검출되는 속도 신호에 있어서 위상 변위를 유발한다. 실제로, 이는 시간 측정 회로 상에 큰 정확성을 요구한다. 이는 이러한 기술에 의한 질량 유동 측정의 최종 감도를 제한 할 수 있다.

본 발명의 태양은 낮은 유동 용량을 제공하고, 더욱 직접적이고, 통상적인 시간에 기초한 신호 조절 기술에 비해 회로 내 정확성을 덜 요구하는 유동 측정 기술을 제공한다. 도 2 내지 도 4에 도시한 실시예를 참조하면, 진동하는 센서 튜브의 변위량은 용량성 픽오프 센서를 사용하여 측정된다. 센서 튜브(16)를 통해 이동하는 유체에 의해 생성되는 코리올리 힘으로 인한 센서 튜브(16) 내 비틀림을 측정하기 위해서, 튜브(16) 형상의 대칭적인 위치에서 튜브(16) 둘레에 배치된 두 개의 용량성 변위량 게이지(50)가 사용된다. 본 발명의 특정 실시예에 있어서, 용량성 변위량 게이지(50)는 축소형이고, 센서 패키지 벽 상에 또는 유동 센서 튜브의 루프 내부에 삽입된 센서 블록 상에 표면 장착되어 있다. 코리올리 힘으로 인한 센서 튜브(16) 내 비틀림은 용량성 변위량 게이지(50)로부터의 두 신호들 사이의 위상 변위를 야기한다. 이것은 변위량 측정이므로, 신호는 변위량에 직접 비례한다. 튜브의 각측의 상대 변위량은 위상 변위로서 측정된다. 게이지 드라이버 및 신호 제어 전자 장치는 튜브(16)의 상대 변위량을 고수준 신호로 변환하는데, 이 고수준 신호는 유동이 튜브(16)를 통하여 확립될 때 코리올리 효과를 측정하는 데 사용될 수 있는 위상 변위의 함수이다.

제1 신호 처리 기술은 변위량 게이지(50) 중 하나에 의해 공급되는 기준 신호와, 다른 변위량 게이지(50)에 의해 공급되는 입력 신호를 갖는 로크인 증폭기(lock-in amplifier)를 사용한다. 각 게이지(50)는 기준 신호 또는 입력 신호 중 어느 하나를 공급할 수 있는 것이다. 로크인 증폭기로부터의 위상 출력은 유동에 비례한다. 도 6은 로크인 증폭기(52)의 기능적인 개략도이며, 이것을 사용하여 본 발명에 따라 코리올리 힘에 의해 유도된 위상 변위를 측정하기 위한 방법이 수행될 수 있다. 신호들은 도 6에 도시한 바와 같이 좌에서 우로 이동한다. 좌측 입력(100) 신호 및 우측 입력(102) 신호는 각각 좌측 및 우측 변위량 게이지로부터의 신호이다. 예를 들어, 좌측 입력(100)은 기준 신호로서 사용될 수 있다. 사인 출력(103)은 구동 신호이며, 좌측 입력(100) 신호에 위상 동기된다. 이것은 공진에서 유동 센서 튜브(16)를 구동한다. 우측 입력(102) 신호는 두 개의 위상 민감성 검출기(PSDs; 106)에서, 좌측/기준 입력(100) 신호 및 그 90°위상 변위된 신호(104)와 혼합된다. 기능적으로, PSDs(106)는 두 개의 신호를 곱하여, 고주파 성분과 DC 성분을 생성한다. 로패스 필터(108)는 고주파 성분을 제거하여 X와 Y 출력(110, 112)에서 DC 전압을 생성한다. X 출력(110)은 "동위상(in-phase)" 성분이라 명명되고, Y 출력(112)은 기준 신호에 대한 벡터 신호의 "직교(quadrature)" 성분이라 명명된다. 이들 성분의 각각은 위상에 대해 민감성이지만, 그러나 벡터의 크기 및 위상 성분들은 다음과 같은 관계식에 의해 분리될 수 있다.

로크인 증폭기(52)로부터의 출력과 변위량 게이지(50)로부터의 입력 사이의 관계는 아래와 같이 유도된다.

두 신호를 임의의 크기를 갖고 임의의 위상차를 갖는 사인파라고 가정한다. 각각의 신호는 아래와 같이 나타낼 수 있다.

하측 PSD(106)에서, 아래와 같은 진행이 일어난다.

이 신호는 두 배의 주파수에서 DC 전압 성분과 AC 성분을 갖는다. 로패스 필터(LPF; 108)가 AC 성분을 제거하여 아래와 같다.

상측 PSD(106)에서, 아래와 같은 진행이 일어난다.

이므로, 다음 식을 얻었다.

다시, AC 성분과 DC 성분을 갖는 신호를 얻었고, 이는 LPF(108)을 통과하여 아래와 같이 된다.

크기 R과 위상 각 θ를 수학식 1과 수학식 2로부터 계산하면, 아래와 같이 된다.

이들 계산은 임의의 적당한 디지털 또는 아날로그 처리 장치(120)에 의해 수행될 수 있다. 벡터 위상은 질량 유동에 비례한다.

본 발명의 실시예에 따른 다른 방법은 기준 신호와, 변위량 게이지(50) 중 하나에 의해 공급되는 하나의 입력 신호 및 다른 변위량 게이지(50)에 의해 공급되는 제2 입력 신호를 갖는 2중 채널 로크인 증폭기를 요한다. 이들 두 입력 신호 사이의 차는 기준 신호에 대해서 측정된다. 로크인 증폭기로부터 얻어지는 위상 출력은 유동에 비례한다. 도 7은 2중 채널 로크인 증폭기(54)의 기능적인 개략도이다. 신호들은, 도 6에 도시한 바와 동일한 방식으로 이동하며 동일한 정의를 갖는다. 역시, 좌측 입력(100)은 기준 신호로 사용된다. 이전과 마찬가지로, 사인 출력(103)은 구동 신호이고, 좌측 입력(100) 신호에 위상 동기된다. 이 경우에, 좌측 입력(100) 신호는 우측 입력(102) 신호로 뺄셈되고, 두 위상 민감성 검출기(PSDs; 106)에서 좌측/기준 입력(100) 신호 및 그 90°위상 변위 신호(104)와 혼합된다. 내적인 기능들은 도 6의 로크인 증폭기(52)에서와 동일하다.

로크인 증폭기(54)로부터의 출력과 변위량 게이지(52)로부터의 입력 사이의 관계를 결정하기 위해서 아래와 같은 유도가 사용될 수 있다. 계산을 수행하기 위해서 임의의 적합한 디지털 또는 아날로그 처리 장치(120)가 사용될 수 있다.

두 신호를 임의의 크기 및 소정의 위상차를 갖는 사인파라고 가정한다. 각각의 신호는 아래와 같이 나타낼 수 있다.

이 경우에 저소음 차동 증폭기(114)의 출력은 V_ref-V_right가 된다.

하측 PSD(106)에서, 아래와 같은 진행이 일어난다.

이 신호는 두 배의 주파수에서 DC 전압 성분과 AC 성분을 갖는다. 로패스 필터(LPF; 108)가 AC 성분을 제거하여 아래와 같다.

상측 PSD(106)에서, 아래와 같은 진행이 일어난다.

이므로, 이것을 곱했다.

다시, AC 성분과 DC 성분을 갖는 신호를 얻었고, 이는 LPF(108)을 통과하여 아래와 같이 된다.

크기 R과 위상 각 θ를 수학식 1과 수학식 2로부터 계산하면, 아래와 같이 된다.

θ는 더 이상 위상 각이 아니라 arctan 함수이며, 좌측 및 우측 입력 신호의 위상 각과 크기의 함수이다. 이 식을 분석하면, θ는 Φ에 강하게 좌우되는 함수이다. 실제로, 입력 신호의 상대적인 크기는 이 함수의 Φ에 강하게 좌우되는 정도를 제어할 수 있다. 이는 도 8에 도시한 그래프에서 설명될 수 있으며, 여기에서 A와 B는 각각 좌측 신호와 우측 신호의 크기이다. 이들 크기가 점점 더 일치될수록, 로크인 증폭기 출력 θ에 대한 민감도가 높다. 2 % 이내로 일치되는 크기에 대해서도, θ의 Φ에 대한 민감도는 표준 로크인 증폭기 구조의 경우보다 거의 100 배가 된다.

도 9는 본 발명에 따라 코리올리 힘에 의해 유도된 위상 변위를 측정하기 위한 다른 예시적인 방법이 사용되는 경우에 사용되는 2중 로크인 증폭기(56)의 기능적인 개략도이다. 신호는 상기 설명한 바와 동일한 방식으로 이동하며, 동일한 정의를 갖는다. 좌측 입력(100)은 역시 기준 신호로서 사용된다. 이전 경우에서와 같이, 사인 출력(103)은 구동 신호이며, 좌측 입력(100) 신호에 위상 동기된다. 이 경우에, 좌측 입력(100) 신호는 상측 로크인 증폭기(58)에 있는 두 개의 위상 민감성 검출기(PSDs; 106)에서, 자기 자신 및 그 90°위상 변위된 신호와 혼합된다. 하측 로크인 증폭기(60)에서, 우측 입력(102) 신호는 두 개의 위상 민감성 검출기(PSD; 106)에서, 좌측 입력(100) 신호 및 그 90°위상 변위된 신호와 혼합된다. 위상 변위되지 않은 PSDs(106) 및 위상 변위된 PSDs(106)로부터의 한 쌍의 출력은 두 개의 저소음 차동 증폭기(114)에서 뺄셈된다. 신호의 DC 성분은 로패스 필터(108)에 의해 통과되어, 일반적인 로크인 증폭기 출력을 얻는다. 임의의 적합한 디지털 또는 아날로그 장치(120)에 의해 수행될 수 있는 수학식은 도 7과 관련하여 앞서 설명한 방법에서와 동일하며, 다만 진행이 일어나는 순서는 상이하다. 도 7의 2중 채널 로크인 기술에서, 매우 작은 차를 갖는 두 개의 고수준 신호가 뺄셈된다. 다음에, 저수준 신호는 고수준 신호와 곱셈되며, 이는 아날로그 회로 내에 소음을 또는 디지털 회로 내에 라운드오프 오차를 발생시킨다. 도 9의 2중 로크인 기술에서, 고수준 신호가 먼저 곱셈되고, 이에 의해 얻어지는 비슷한 크기의 신호가 뺄셈되어 저소음을 갖는 출력을 얻는다.

로크인 증폭기의 사용은 더욱 높은 크기의 소음에 묻히는 저수준 신호를 측정하는 측면에서 매우 주목할 만하다. 로크인 증폭기는 매우 협소한 밴드패스 필터(bandpass filter)로서 작용함으로써 이를 수행한다. 신호 및 소음은 기준 사인 및 코사인파에 의해 곱셈되고, 로패스 필터를 통과하면서 기준 주파수를 제거한다. 곱셈/필터 작용의 결과는 복소 벡터(x+iy)를 나타내는 DC 신호이다. 기준 주파수 및 대상 신호 사이의 위상차는 atan (y/x)에 의해서 결정될 수 있다.

코리올리 힘을 측정하는 관점에서, 동일 주파수의 두 신호 사이의 위상차는 결정적이다. 이는 도 10에 도시한 바와 동일한 기준 주파수로 각각 구동되는 2중 로크인 증폭기를 사용하여 수행될 수 있다. 도 10에 도시한 기능적인 개략도에서, 좌측 및 우측 입력 신호(100, 102)는 기준 주파수 발생기(144)에 의해 제공되는 기준 사인파 및 코사인파에 의해 곱셈된다. 입력 신호(100, 102)는 PSD(106)에서 사인 신호 및 코사인 신호와 혼합되고, 다음에 도 6, 도 7 및 도 9와 관련하여 기술한 바와 같이 5차 베셀 IIR 로패스 필터(148)를 통과한다. 앞서 기술한 곱셈/필터 과정은 기준 주파수에 대하여 각각의 신호의 결과적인 위상차 출력 X, Y을 갖는 좌측 및 우측 입력 신호(100, 102) 상에서 수행된다. 두 출력 신호(X, Y) 사이의 차는 두 입력 신호(100, 102) 사이의 위상차를 나타낸다. 코리올리 질량 유동의 경우에, 이 위상차는 질량 유동(152)을 나타내는 것이 된다.

코리올리 질량 유동과 관련된 극히 작은 위상차를 측정하기 위해 로크인 증폭기를 사용할 때, 대상 신호에 일치하도록 기준 주파수를 조정할 필요가 있다. 기준 신호가 대상 신호에 매우 근접하지 않으면, 로패스 필터(148)의 출력에서 매우 낮은 주파수 AC 신호가 나타나게 된다. 코리올리 센서의 주파수는 질량 유동, 온도, 밀도 및 압력에 따라 변화하며, 측정 과정을 더욱 복잡하게 한다.

기준 주파수는 입력 신호(100, 102) 중 하나로부터의 출력 벡터를 처리함으로써 정확하게 조정될 수 있다. 먼저, 출력 벡터의 도함수가 계산된다. 이는 두 개의 연속적인 출력 벡터 사이의 복소차(complex difference)를 계산함으로써 수행된다. 다음에, 최초 출력 벡터는 90°회전되고, 이 벡터와 도함수의 내적이 계산되어, 기준 주파수 발생기(144)에 제공되는 오차 신호(150)가 된다. 오차 신호(150)는 기준 주파수가 감소, 증가 또는 불변될 필요가 있을 경우에, 음수, 양수 또는 0이다.

기준 주파수의 조정의 양은 위상 측정의 정확도에 의존하지만, 일반적으로 조정이 미세할수록 다수의 출력 샘플에 걸친 표준 편차를 계산함으로써 측정될 때 정확도가 더욱 양호하다. 그러나, 기준 주파수 발생기(144)가 의도된 주파수에 도달하기까지 지나치게 오래 걸리게 될 때, 신호 주파수에 단계적인 변화가 존재하는 경우에, 기준 주파수의 보다 미세한 조정(변화의 단계가 작음)은 유해하다. 신호 주파수가 잦은 단계 변화를 겪게 되면, PID 또는 적합한 알고리즘은 더욱 응답성이 높은 방식으로 기준 주파수를 조정하는 데 사용될 수 있다.

변형예에서, 용량성 변위량 프로브(50)는, 먼저 3차원적으로 용량성 변위량 프로브(50)를 정렬시키게 되는 압전 액추에이터 상에 장착될 수 있다. 또한, 본 명세서에 개시된 2중 채널 로크인 증폭기 또는 2중 로크인 증폭기와 함께 사용될 때, 압전 액추에이터는 유동 센서의 감도를 동적으로 조정할 수 있고, 이에 의해 작동의 범위가 확장된다.

이러한 동적 위치 설정은 제조의 다양성, 특히 용량성 변위량 프로브에 대한 유동 센서 튜브의 위치에 대한 보상을 제공한다. 동적 위치 설정은 또한 다양한 부품들의 상대적인 열팽창으로 인한 치수 변이에 대한 보상을 제공한다. 2중 채널 로크인 증폭기 또는 2중 로크인 증폭기와 결합하여 사용되면, 동적인 위치 설정은 두 변위량 신호가 유동에 조정 가능한 민감성을 제공하도록 근접하여 일치될 수 있게 한다. 연장된 낮은 유동 조건에 대하여 높은 민감도가 사용되는 한편, 높은 유동 조건에 대하여 낮은 민감도가 사용되게 되어, 유동 측정의 동적 범위를 증가시키게 된다.

본 발명의 실시예는 추가적으로, 향상된 용량성 측정 기술, 특히 신규한 기하학적 형상의 용량성 변위량 프로브를 제공한다. 보통, 목적물의 변위량은 용량성 변위량 프로브에 대해 수직한 거리로서 측정된다. 변위량은 또한 용량성 변위량 프로브에 대한 접선 방향의 거리로서 측정될 수도 있다. 도 11을 참조하면, 이는 플레이트(130)들 사이의 균일한 틈새(132)를 갖도록 나란히, 그리고 도 11에 도시한 바와 같이 (화살표 136으로 지시된) 운동에 대해 접하는 평면에서 센서 튜브(134)에 근접하여 위치되도록 두 플레이트(130)를 위치시킴으로써 수행된다. 일실시예에서, 플레이트(130)는 동일한 전위에 있게 되고, 센서 튜브(134)는 접지 전위에 있 게 된다. 센서 튜브(134)는 플레이트(130)들 사이의 틈새(132)에 걸쳐서 직접 위치되고, 기대되는 이동(136)은 틈새에 대해 수직하여, 센서 튜브(134)의 사이클 운동은 다른 플레이트(130)보다 어느 한 플레이트(130)에 더 가까이 튜브(134)를 위치시키게 된다. 상대적인 용량은 플레이트(130) 각각과 센서 튜브(134) 사이에서 측정된다. 센서 튜브(134)가 어느 한 플레이트(130) 또는 다른 플레이트 상에서 움직일 때, 용량에 기여하는 면적의 양은 변화하게 되고, 따라서 상대적인 용량이 측정된다.

대안적인 구성은 도 12에 도시한 바와 같이 센서 튜브(134)를 가로질러 대각선 방향으로 형성된 틈새(132)를 가진다. 이는 플레이트(130)의 평면에 걸쳐서 센서 튜브(134)의 덜 미세한 변위를 허용한다. 센서 튜브(134)의 부정렬은 평행한 틈새(132)에 비교할 때 신호에 더 적은 비결합을 유발하게 된다.

다른 실시예는 도 13에 도시한 바와 같이 "톱니" 형상의 틈새(132)를 갖는다. 이는 틈새(132)에 대해서 센서 튜브(134)의 각(角) 부정렬이 평행 방향이건 대각선 방향이건 두 플레이트(130) 사이의 용량의 변화율에 있어서의 차이를 유발하게 된다는 점에서, 대각선 방향 틈새(132)보다 향상된 것이다. 이는 두 신호 사이의 위상에 있어서의 원치 않는 변화를 발생시키게 된다. "톱니" 형상은 센서 튜브(134)의 임의의 각(角) 부정렬을 평균화시키게 되어, 더욱 대칭적인 신호를 제공한다.

도 14, 도 15 및 도 16은 본 발명의 실시예에 따른 예시적인 낮은 유동 코리올리 질량 유동 제어기(200)를 도시한다. 코리올리 질량 유동 제어기(200)는 유동 센서부(202)와 유동 제어부(204)를 포함한다. 질량 유동 제어기(200)에 대하여 내부 또는 외부에 있는 프로세서가 설정점 또는 원하는 질량 유동의 지시를 수신한다. 설정점 값은 유동 센서부(202)에 의해 지시되는 바와 같이 실제 질량 유동에 비교되며, 오차 값을 생성한다. 유동 제어부(204)는 유동 속도를 조정하고 오차를 최소화하도록 처리된 값을 포함한다. 특정 제어 스킴(scheme)의 구현은 본 명세서에 개시된 내용의 이점을 가지면서 당업자들에게 통상적인 방식으로 수행될 것이며, 따라서 이러한 구현의 상세 사항은 본 명세서에 설명하지 않는다.

인클로저(205)에 의해 둘러싸인 유동 센서부(202)는 루프 형상으로 굴곡된 센서 튜브(206)와, 구동 장치(208)와, 센서 튜브(206)의 측면의 변위량을 측정하는 센서 튜브(206)의 대향하는 양측에 위치된 두 개의 픽오프 센서(210)를 포함한다.

기존 코리올리 장치에서, 센서는 일반적으로 용접된 금속 하우징 내에 수납된다. 하우징 내의 센서 튜브는 또한 공급 구멍을 통하여 하우징 외부 전자 장치에 연결하는 와이어를 갖는 변위량 또는 속도 센서를 하우징에 부착하고 있다. 이러한 장치 내의 센서 튜브는 상대적으로 크기가 크고 약 100 Hz인 공진 주파수를 갖는다. 소형 센서 튜브에 있어서, 본 발명의 실시예에서와 같이, 공진 주파수는 다소 높고 200 Hz 이상의 정도이다. 주파수가 증가할수록, 센서 인클로저 내부의 대기 조건으로 인해 증가된 점성의 댐핑 효과가 존재하게 된다. 인클로저를 진공화하고 인클로저 내부에 진공 친화 재료를 사용함으로써, 점성 댐핑은 감소되거나 제거될 수 있다. 따라서, 설명되는 예시적인 실시예에서, 센서 튜브(206)는 진공 센서 하우징(207) 내에 위치된다.

센서 튜브(206)는 튜브의 루프의 다리들을 연결하는 라인에 직교하는 탄성 벤딩을 허용하도록 설계된다. 루프는 루프의 중심선을 중심으로 탄성 비틀림을 허용할 정도로 충분히 폭이 넓다. 낮은 유동에서 코리올리 힘을 측정하기 위해서, 센서 튜브(206) 질량은 최소화될 필요가 있다. 튜브 크기 설정은, 튜브가 작을 필요가 있는 반면에 확장된 압력에서 유체를 유지할 수 있는 것이어야 하므로 임계적이다. 또한, 임의의 튜브(206)와의 접촉 또는 튜브(206) 상에 부가되는 질량 부하가 코리올리 힘을 억제할 수도 있으므로, 픽오프 센서(210)는 비접촉인 것이 바람직하다.

픽오프 센서 기술은 용량성, 자기식, 압전 저항식 및 광학식을 포함할 수 있다. 압전 저항식, 변형률 게이지 변위량 센서는 튜브와 접촉하지만, 변위량이 최소이고 변형률이 최대인 루프의 베이스에서만 접촉한다. 이는 튜브의 진동에 최소의 영향을 미치게 된다. 광학적 기술은 다양한 레이저 및 백색광 간섭계식 변위량 기술, 삼각 측량 기술, 다중 내부 반사 및 빔 엄폐 기술을 포함한다. 자기식 변위량 기술은 홀(Hall) 효과, 와전류(eddy current), 가변 릴럭턴스(reluctance) 및 자기 저항(magnetoresistive) 기술을 포함한다.

설명되는 실시예에서는 용량성 픽오프 센서 기술이 사용되는데, 그 이유는 튜브 변위량을 측정하는 데 요구되는 민감성을 가지며, 비접촉식이고, 자기식 구동 장치에 의해 영향을 받지 않기 때문이다. 용량성 픽오프 센서(210) 각각은 주어진 전압 전위에 연결되고 유동 센서 튜브(206)에 인접하여 위치되어 이들 사이에 틈새를 형성하는 적어도 하나의 전도성 플레이트(300)를 포함한다. 유동 센서 튜 브(206)는 전도성 플레이트(300)와는 상이한 전압 전위에 연결된다. 전도성 플레이트(300)와 유동 센서 튜브(206) 사이의 용량은 유동 센서 튜브(206)가 진동될 때 전도성 플레이트(300)와 유동 센서 튜브(206)의 상대 운동으로 인해 변화한다.

설명되는 실시예에서, 전도성 플레이트는 도 11 내지 도 13과 관련하여 앞서 설명한 바와 같이 제1 및 제2 플레이트를 포함한다. 설명되는 특정 실시예에서, 도 13에 도시한 바와 같은 톱니형 플레이트가 사용된다. 용량성 픽오프 센서(208)는 프레스 핀(302)에 의해 인클로저(207)의 후벽에 치수적으로 기준되어 센서 인클로저(207)에 결합되도록 치수가 결정된 통합형 센서 블록(301)이 되도록 조립된다. 용량성 픽오프 센서(210)의 전도성 플레이트(300)는 다중층 인쇄 회로판 상에서 제조되어 기생 용량을 최소화하기 위해 보호층을 제공하고 센서 블록(301)에 납땜하기 위한 배면 접촉층을 제공한다. 용량성 픽오프 센서(210)는 진공에서 작동하기 위해 요구되고, 설명되는 실시예에서 낮은 가스 방출 재료가 사용된다. 표준 섬유 유리 재료는 진공 친화적이지 않다. 요구되는 재료 특성은 진공 친화성일 것, 납땜 가능할 것, 낮은 가스 방출 결합을 갖는 다중층으로 접착 가능할 것과, 단순한 보호층 설계를 위해 낮은 유전 상수를 가질 것을 포함한다. 특정 실시예에서, 상업적으로 입수 가능한 DRUOID가 사용된다.

용량성 픽오프 센서(208)를 포함하는 센서 블록(301)은 센서 튜브(206)에 대한 공간을 최적화하기 위해 조정될 수 있다. 이는 전자 방출 기계 가공된 힌지 플레이트를 사용하여 수행된다. 테이퍼형 고정 나사는 틈새를 확대시켜서 용량성 픽오프 센서의 선운동 및 각운동을 초래한다. 또한, 용량성 픽오프 센서의 전도성 플 레이트(300)는 와이어들이 납땜되도록 또는 센서 인클로저(207) 외부 용량성 변위량 전자 장치와 접속하는 밀폐 밀봉된 전기 커넥터를 사용하여 용량성 픽오프 센서(210)를 상호 연결시키는 센서 블록의 전면 상의 인쇄 회로 기판(303)에 와이어가 접착될 수 있는 접촉 패드를 포함한다.

구동 장치(208)는 튜브(206)를 진동시키도록, 튜브(206)를 벤딩 모드 진동으로 구동한다. 설명되는 실시예에서, 구동 장치(208)는 센서 튜브(206) 상에 납땜된 소형 자석(304)과 소형 전자기 코일(306)로 이루어져서, 교번적으로 자석(304)을 밀고 당기게 한다. 도 16에 도시한 실시예에서, 비희토류 자석, 특히 니켈 도금 사마륨 코발트 자석이 사용된다. 사마륨 코발트 자석은 자성 강도 대 중량비가 양호하다. 이 실시예에서, 자석은 중량이 대략 20 mg이다. 자석(304)은 자극이 튜브의 바람직한 변위 방향에 평행하게 배향되도록, 센서 튜브(206)의 상부 중앙에 위치된다.

코일(306)은 회로판(209)에 연결된 센서 인클로저(207) 외부에 위치된다. 센서 인클로저(207)는 비자성이며, 따라서 자기장에 대하여 제한을 받지 않고 투과한다. 코일(306)은 토로이드 설계와는 반대로 개방된 코일형이다. 이 실시예에서, 코일(306)은 약 1 mH 등급의 상업적으로 입수 가능한 전력 인덕터이다. 코일(306)의 중심축은 자석(304)의 면에 수직하게 정렬된다. 센서 튜브(206)는 위상 동기 루프(PLL) 기능을 통하여 코일 구동 회로로의 피드백으로서 용량성 픽오프 센서 중 하나로부터의 신호를 사용하여 구동되어 공진한다. 상기 기능은 전기 회로로서 또는 소프트웨어에서 수행될 수 있다.

센서 튜브(206)는 베이스부(212)에 장착되며, 이 베이스부는 유동 입구(214) 및 유동 출구(216)를 형성하고, 이에 의해 입구로부터 유동 센서 튜브(206)를 통해 유동 제어부(204)를 통하고 센서 유동 출구(216)를 통하여 유동 경로가 제공된다. 유동 제어부(202)는 내부에 밸브 코일(228)과 코일 커버(230)를 구비한 계측기 본체(222)를 포함한다. 밸브 스템(232) 및 플런저(234)는 밸브 코일(228) 내에 위치되고, 밸브 본체(236)는 계측기 본체(222)에 연결되며 이들 사이에는 시일(238)이 배치된다. 밸브 시트(240), 스프링(242) 및 오리피스(244)는 밸브 본체(236) 내에 위치된다. 단부 블록(224, 225)은 계측기 본체(222)와 단부 블록(224) 사이에, 그리고 밸브 본체(236)와 단부 블록(225) 사이에 제공되는 시일(226)을 구비하는 유동 제어부(204)의 각 단부 상에 위치된다. 일실시예에서, 시일(226)은 전기 주조된 니켈 시일을 포함한다.

예시적인 실시예에서, 코리올리 질량 유동 제어기(200)는 다음과 같은 방식으로 조립된다. 계측기 본체(222)와 센서 인클로저(207), 그리고 베이스 플레이트(310)와 중앙 포스트(312)와 센서 튜브(206)는 조립되고, 센서 인클로저(207)의 벽에 대하여 센서 튜브(206)를 치수적으로 기준을 정하는 고정구에 의해 적소에 유지된다. 잔여 부분은 프레스 핀(330)에 의해 분할된다. 이들 부분은 다음에 단일 유닛으로 납땜된다. 자석(304)은 센서 튜브(206) 상에 납땜된다. 센서 블록(301)은 조립되고 프레스 핀(302)을 사용하여 센서 인클로저(207) 내에 설치된다. 프레스 핀(302)은 센서 인클로저(207)의 후면을 통해 약 0.5 mm 정도 연장한다. 밀폐 밀봉된 커넥터(320)가 센서 인클로저(207)의 후면 개구(322)내로 가압된다. 센서 블록 프레스 핀(302)과 밀폐 밀봉된 커넥터(320)는 레이저 용접되어 누설 기밀 밀봉된다. 진공 환경에서 센서 인클로저(207)의 전방측에 걸쳐 커버(324)가 위치되고, 적소에 전자빔 용접되어, 진공 기밀 환경을 제공한다.

다음에, 나머지 밸브 부품 및 단부 블록(224, 225)은 계측기 본체(222)에 조립된다. 전기 주조된 니켈 시일(226)이 사용될 수도 있고, 탄성중합체 O-링이 보정을 목적으로 사용되어 니켈 시일을 대체할 수도 있다. 이들 전자 장치는 조립되고 완전한 조립체 상에 장착된다. 베이스 플레이트(310) 상에 O-링(332)이 설치되고, 인클로저(205)는 O-링 시일(332)에 걸쳐 아래로 가압된다. 베이스 플레이트(310) 상의 캠 로크는 회전되어 인클로저(205)를 고정시킨다. 전자 장치 커버 캡(336) 상에 O-링(334)이 설치된다. 사용자 인터페이스 커넥터(338)에 걸쳐 전자 장치 캡(336)이 위치된다. 전자 장치 캡(336)은 인클로저(205) 상의 적소에서 가압되어 O-링 시일에 영향을 준다. 조립된 질량 유동 제어기(200)는 다음에 시험되고 보정된다.

예시적인 코리올리 질량 유동 제어기(200)는 여러가지 이점을 제공하는 모듈식 구조를 갖는다. 전술한 바와 같이, 전자 장치 패키지는 유동 본체[인클로저(205)의 저측 단부와 베이스 플레이트(310) 사이]에서 및 사용자 인터페이스 캡에 상부[인클로저(205)의 상측 단부와 전자 장치 캡(336) 사이]에서 O-링 밀봉을 수행하도록 설계된다. 전자 장치 캡(336)은 코리올리 질량 유동 제어기(200)에 대해 내부에 있는 사용자 인터페이스판(340)에 연결되며, 이 코리올리 질량 유동 제어기는 또한 센서 및 제어 전자 장치에 연결된다. 전자 장치 캡(336) 및 사용자 인 터페이스판(340)은 함께 사용자의 전자 장치에 대한 인터페이스를 형성한다. 이는 각각의 사용자 구성을 위한 상이한 센서 및 제어 장치와 인클로저를 설계할 필요 없이, 사용자의 요구 사항에 따라 인터페이스를 탄력적으로 구성할 수 있도록 한다.

사용자 인터페이스 캡의 변형은, 예컨대 시일과 전선관을 구비하여 IP-65/NEMA 4X 컴플라이언트를 제공한다. 이러한 장치(400)의 예가 도 18에 도시되어 있다. 대조적으로, 도 14 내지 도 16에 도시한 실시예는 사용자 인터페이스판(340)에 연결된 커넥터(342)를 포함한다. 도 18에 도시한 바와 같이, 전자 장치 캡(337)이 연장되어 특정 적용에 요구되는 추가적인 부품을 위한 공간을 제공한다.

O-링 밀봉된 인클로저(205)의 다른 특징은 제3의 유체 봉쇄를 제공한다는 점이고, 센서 튜브는 제1 유체 봉쇄이고, 센서 인클로저(207)는 제2 유체 봉쇄를 제공한다.

제어되는 유체에 거품이 존재하는 경우에, 종래 밸브에서 플런저를 둘러싸는 환형 개구는 거품 경로를 밸브의 출구로 제한한다. 거품은 환형 개구의 입구에서, 유체 유동이 제한되고 유동 제어가 손실되는 지점으로 수집된다. 환형 개구가 확장되면, 밸브 코일로부터의 플런저의 증가된 공간은 자기 회로에서 자계 강도를 감소시키게 되고, 따라서 유체에 의해 생성되는 유압력에 대항하여 밸브를 개패시키기 위해 수행될 수 있는 유효 힘을 감소시킨다. 따라서, 설명되는 코리올리 질량 유동 제어기(200)에서, 플런저(234)를 관통하는 원형 구멍(246)이 제공된다. 원형 구멍(246)은 거품의 형상과 크기에 적합하며, 거품이 밸브를 통하여 더욱 자유롭게 통과하도록 한다. 이는 거품에 의해 유발되는 유동 제한의 가능성을 최소화시킨다. 플런저(234)의 중심을 통한 구멍(246)은 자기 회로 상에 어떠한 효과도 최소화시켜서 유압력에 대항하여 밸브를 개폐시키기 위한 힘이 유지되도록 한다.

종래 밸브를 사용하면, 밸브 플런저는 오리피스의 랜드부(land)에 대하여 가압될 때 유동에 대항하여 밀봉을 형성하게 되는 다소 변형 가능한 재료로 제조된 계류 시트를 구비한다. 통상, 폐쇄된 솔레노이드형 밸브의 경우에, 시트에 대항하는 힘은 솔레노이드 작용이 오리피스 랜드부로부터 시트를 상승시키도록 평형 상태의 스프링에 의해 발생된다. 통상 개방된 솔레노이드형 밸브의 경우에, 시트에 대항하는 힘은 솔레노이드 작용에 의해 생성되고, 자기장이 제거될 때 스프링이 오리피스로부터 시트를 상승시키도록 평형 상태를 이룬다. 시트 재료는 탄성중합체, 플라스틱 또는 연성 금속일 수 있다.

일반적으로, 반복해서 밀봉할 수 있도록 소성 변형보다 탄성 변형하는 것이 바람직하다. 대안으로서, 경질 재료가 시트와 랜드부용으로 사용될 수 있지만, 시트와 랜드부 사이에 고도로 정합된 표면을 포함하는 매우 기밀한 공차로 제조된다. 이는 비용이 많이 소요되는 방법이다. 플런저 상의 자기력은 변위와 일직선을 이루지 않으므로, 시트와 랜드부 사이의 공간은 밸브 작동에 대해 결정적이다. 통상적으로 개방된 밸브의 경우에, 플런저의 통상적 위치는 그리고 따라서 랜드부에 대한 시트의 통상적 위치는, 개방 위치에서 최대 유동을 허용하면서, 시트가 랜드부에 대향하여 이동될 때 최대 힘을 제공하기 위해 최적화될 필요가 있다. 통상적으로 폐쇄된 밸브의 경우에, 랜드부에 대향하는 시트의 힘은 스프링에 의해 발생된다. 스프링 힘은 유압력에 대항하여 폐쇄하기에 충분할 필요가 있지만, 최대 유동을 허용하기 위해 자기력이 랜드부로부터 시트를 충분한 거리만큼 상승시키도록 최소화될 필요가 있다.

기존의 장치들은 랜드부 또는 시트 아래에 심(shim)을 배치하거나, 오리피스부 내에 나사식 조정 나사를 구비하는 등의, 시트와 랜드부 사이에 공간을 조정하기 위한 다양한 수단을 사용할 수 있다. 그러나, 도 17a에 도시한 바와 같이, 오리피스 내의 전형적인 나사식 조정은 오리피스 본체(250)와 밸브 본체(252) 사이를 밀봉하지 않으며, 나사부(256) 사이의 누설 경로(254)를 남긴다. 이러한 나사식 조정은 나사(256)가 유체 누설에 대해 밀봉되어야 할 것을 요한다. O-링 또는 개스킷과 같은 별개의 밀봉부가 이러한 밀봉을 제공한다.

본 발명의 태양에 따르면, 오리피스(244) 및/또는 랜드부는 VESPEL®과 같은 플라스틱 재료로 제조되며, 이는 정밀 오리피스를 구비한 나사식 부품으로 가공될 수 있는 것이다. 도 17b에 나타낸 예시적인 실시예에서와 같이, 나사(256)는 과잉 치수로 가공되어 오리피스 본체(250)와 밸브 본체(252) 사이에 억지 끼워 맞춤부(258)가 존재하도록 하며, 이에 의해 밀봉을 제공하고 별개의 밀봉부(O-링 또는 개스킷)가 필요없게 한다. 오리피스 랜드부는 구조와 밸브 시트(240) 및 플런저(234)의 제조를 단순화하는 변형 가능한 부재이다(도 15 및 도 16 참조)

그러나, 본 발명은 임의의 특정 밸브 플런저 구성으로 한정되어야 할 필요는 없다. 변형예에서는 밸브 대신에 펌프가 사용된다. 계량 펌프가, 예컨대 유체 제어 목적으로 사용될 수도 있다. 특히, 복수의 압전 튜브 부분을 포함하는 압전 펌프가 사용될 수도 있다. 압전 튜브 부분은 상이한 튜브 부분들이 수축 또는 팽창하도록 하는 방식으로 제어되며, 따라서 유체 유동이 원하는 대로 제어되도록 한다.

도 1은 본 발명의 태양에 따른 코리올리 질량 유동 센서를 나타내는 블록 다이어그램.

도 2a 및 도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 전자기식 구동 장치를 사용하는 코리올리 질량 유동 센서를 나타내는 도면.

도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 정전식(靜電式) 구동 장치를 사용하는 코리올리 질량 유동 센서를 나타내는 도면.

도 4a 및 도 4b는 본 발명의 실시예에 따른 음향 구동 장치를 사용하는 코리올리 질량 유동 센서를 나타내는 도면.

도 5a, 5b 및 도 5c는 본 발명의 실시예에 따른 압전(壓電) 구동 장치를 사용하는 코리올리 질량 유동 센서를 나타내는 도면.

도 6은 본 발명의 실시예에 따라 코리올리 힘에 의해 유도된 위상 변위를 측정하는 로크인 증폭기를 나타내는 개략도.

도 7은 본 발명에 따라 코리올리 힘에 의해 유도된 위상 변위를 측정하기 위한 2중 채널 로크인 증폭기의 개략도.

도 8은 본 발명에 따른 신호 처리 방법을 사용하여 센서 튜브 위치 센서로부터의 입력 신호의 크기들 사이의 상관 관계를 나타내는 그래프.

도 9는 본 발명에 따라 코리올리 힘에 의해 유도된 위상 변위를 측정하기 위한 이중 로크인 증폭기의 개략도.

도 10은 본 발명에 따라 코리올리 힘 유도된 위상 변위를 측정하기 위한 기 준 주파수 조절을 포함하는 이중 로크인 증폭기의 개략도.

도 11은 본 발명에 따른 용량성 변위량 프로브의 제1 실시예를 도시하는 도면.

도 12는 본 발명에 따른 용량성 변위량 프로브의 제2 실시예를 도시하는 도면.

도 13은 본 발명에 따른 용량성 변위량 프로브의 제3 실시예를 도시하는 도면.

도 14는 본 발명에 따른 코리올리 질량 유동 제어기의 사시도.

도 15는 도 14에 도시한 코리올리 질량 유동 제어기의 단면도.

도 16은 도 15에 도시한 코리올리 질량 유동 제어기의 분해도.

도 17a 및 도 17b는 종래 기술에 의한 나사 밸브 연결과 본 발명에 따른 밀봉 나사 밸브 연결의 특징을 설명하는 도면.

도 18은 본 발명의 추가적인 특징에 따른 코리올리 질량 유동 제어기의 실시예의 사시도.

Claims (16)

1. 제1 및 제2 변위량 게이지에 의하여 검출되는 제1 및 제2 입력 신호 사이의 코리올리 힘에 의해 유도된 위상 변위로부터 질량 유동을 산출하는 장치로서,

   상기 제1 및 제2 입력 신호를 수신하도록 연결되어 있고, 제1 및 제2 입력 신호를 혼합하여, 혼합된 제1 및 제2 입력 신호를 나타내는 출력을 제공하도록 작동 가능한 제1 위상 민감성 검출기와;

   상기 제1 입력 신호를 수신하도록 연결되어 있고, 90° 위상 변위된 제1 입력 신호를 나타내는 신호를 출력하도록 작동 가능한 제1 위상 변위기와;

   상기 제1 위상 변위기 출력과 제2 입력 신호를 수신하도록 연결되어 있고, 위상 변위된 제1 입력 신호 및 제2 입력 신호를 혼합하여, 혼합된 신호를 나타내는 출력을 제공하도록 작동 가능한 제2 위상 민감성 검출기와;

   상기 혼합된 신호를 수신하도록 제1 및 제2 위상 민감성 검출기에 연결되어 있고, 서로에 대해 혼합된 신호의 벡터 크기 및 위상을 계산하도록 작동 가능하며, 여기서 벡터 위상은 질량 유동에 비례하는 것인 프로세서

   를 포함하는 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 위상 민감성 검출기에 연결된 제1 및 제2 로패스 필터를 더 포함하고, 이들 제1 및 제2 로패스 필터는 상기 혼합된 신호로부터 고주파 성분을 제거하여 DC 전압을 출력하도록 작동 가능한 것인 장치.
3. 제1항에 있어서, 유동 튜브를 공진시키기 위하여 사인 출력 신호를 제공하도록 제1 입력 터미널에 위상 동기된(phase locked) 제3 출력 터미널을 더 포함하는 것인 장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 장치는 로크인 증폭기를 포함하는 것인 장치.
5. 제1항에 있어서,

   두 입력 각각에서 제1 입력 신호를 수신하도록 연결되어 있고, 이 제1 입력 신호를 그 자체과 혼합하여, 혼합된 제1 입력 신호를 나타내는 출력을 제공하도록 작동 가능한 제3 위상 민감성 검출기와;

   상기 제1 위상 변위기 출력 및 제1 입력 신호를 수신하도록 연결되어 있고, 위상 변위된 제1 입력 신호와 제1 입력 신호를 혼합하여, 혼합된 신호를 나타내는 출력을 제공하도록 작동 가능한 제4 위상 민감성 검출기와;

   상기 제1 및 제3 위상 민감성 검출기의 출력을 수신하도록 연결되어 있고, 상기 프로세서에 차동 신호를 제공하는 제1 차동 증폭기와;

   상기 제2 및 제4 위상 민감성 검출기의 출력을 수신하여 상기 프로세서에 차동 신호를 제공하도록 연결되어있는 제2 차동 증폭기

   를 더 포함하는 장치.
6. 제5항에 있어서, 상기 제1 및 제2 차동 증폭기에 연결된 제1 및 제2 로패스 필터를 더 포함하고, 이들 제1 및 제2 로패스 필터는 혼합된 신호로부터 고주파 성분을 제거하여 DC 전압을 출력하도록 작동 가능한 것인 장치.
7. 제5항에 있어서, 상기 제1 입력 신호를 수신하도록 연결되어 있고, 90°위상 변위된 제1 입력 신호를 나타내는 신호를 상기 제4 위상 민감성 검출기에 출력하도록 작동 가능한 제2 위상 변위기를 더 포함하는 것인 장치.
8. 제1 및 제2 변위량 게이지에 의하여 검출되는 제1 및 제2 입력 신호 사이에서 코리올리 힘에 의해 유도된 위상 변위로부터 질량 유동을 산출하는 방법으로서,

   제1 출력 신호를 생성하기 위하여 상기 제1 입력 신호를 제2 입력 신호와 혼합하는 단계와;

   상기 제1 입력 신호를 90°위상 변위시키는 단계;

   제2 출력 신호를 생성하기 위하여 상기 제2 입력 신호를 위상 변위된 제1 입력 신호와 혼합하는 단계와;

   서로에 대해 상기 제1 및 제2 출력 신호의 벡터 크기 및 위상을 계산하는 단계로서, 여기서 벡터 위상은 질량 유동에 비례하는 것인 단계

   를 포함하는 질량 유동 산출 방법.
9. 제8항에 있어서, 상기 제1 및 제2 출력 신호를 필터링하는 단계를 더 포함하 는 질량 유동 산출 방법.
10. 제8항에 있어서, 유동 튜브를 공진시키기 위해 구동기 터미널을 상기 제1 입력 신호에 위상 동기시키는 단계를 더 포함하는 장치.
11. 제8항에 있어서, 상기 제1 및 제2 입력 신호를 혼합하는 단계는 제1 및 제2 입력 신호를 위상 민감성 검출기에 입력시키는 단계를 포함하는 것인 장치.
12. 제8항에 있어서, 상기 제1 및 제2 입력 신호를 혼합하는 단계는 제1 및 제2 입력 신호 사이의 차를 제1 입력 신호와 혼합하는 단계를 포함하는 것인 방법.
13. 제1 및 제2 변위량 게이지에 의하여 검출된 제1 및 제2 입력 신호 사이의 코리올리 힘에 의해 유도된 위상 변위로부터 질량 유동을 산출하는 장치로서,

    상기 제1 및 제2 입력 신호를 수신하도록 연결되어 있고, 상기 제1 및 제2 입력 신호 사이의 차를 나타내는 신호를 출력하도록 작동 가능한 차동 증폭기와;

    상기 차동 증폭기의 출력 및 제1 입력 신호를 수신하고, 혼합된 상기 차동 증폭기 신호 및 제1 입력 신호를 나타내는 출력을 제공하도록 연결되어 있는 제1 위상 민감성 검출기와;

    상기 제1 입력 신호를 수신하도록 연결되어 있고 90°위상 변위된 제1 입력 신호를 나타내는 신호를 출력하도록 작동 가능한 위상 변위기와;

    상기 위상 변위기 출력 및 차동 증폭기 신호를 수신하고, 혼합되어 위상 변위된 제1 입력 신호 및 차동 증폭기 신호를 나타내는 출력 신호를 제공하고, 혼합된 신호를 나타내는 출력을 제공하도록 연결되어 있는 제2 위상 민감성 검출기와;

    상기 혼합된 신호를 수신하도록 제1 및 제2 위상 민감성 검출기에 연결되어 있고, 혼합된 신호의 서로에 대한 벡터 크기 및 위상을 계산하도록 작동 가능하며, 여기서 벡터 위상은 질량 유동에 비례하는 것인 프로세서

    를 포함하는 장치.
14. 제13항에 있어서, 상기 제1 및 제2 위상 민감성 검출기에 연결되어 있고, 상기 혼합된 신호로부터 고주파 성분을 제거하여 DC 전압을 출력하도록 작동 가능한 제1 및 제2 로패스 필터를 더 포함하는 장치.
15. 제13항에 있어서, 유동 튜브를 공진시키기 위한 사인형 출력 신호를 제공하기 위해 제1 입력 터미널에 대해 위상 동기된 제3 출력 터미널을 더 포함하는 장치.
16. 제13항에 있어서, 상기 장치는 로크인 증폭기를 포함하는 것인 장치.

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