KR20100135981A - 진동 유량계에 대한 구동 신호를 생성하기 위한 방법 및 계측 전자장치 - Google Patents

진동 유량계에 대한 구동 신호를 생성하기 위한 방법 및 계측 전자장치 Download PDF

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Abstract

진동 유량계(5)에 대한 구동 신호를 생성하기 위한 계측 전자장치(20)가 본원발명의 일 실시예에 따라 제공된다. 상기 계측 전자장치(20)는 인터페이스(201)와 처리 시스템(203)을 포함한다. 상기 처리 시스템(203)은, 상기 인터페이스를 통해 상기 센서 신호(210)를 수신하고, 위상 편이된 센서 신호를 생성하기 위하여 상기 센서 신호(210)를 실질적으로 90도로 위상 편이하고, 상기 진동 유량계(5)의 주파수 응답으로부터 위상 편이값을 결정하고, 구동 신호 위상(213)을 생성하기 위하여 상기 위상 편이값을 상기 센서 신호(210) 및 위상 편이된 센서 신호와 결합하도록 구성된다. 상기 처리 시스템은 추가로 상기 센서 신호(210) 및 위상 편이된 센서 신호로부터 센서 신호 진폭(214)을 결정하고, 상기 센서 신호 진폭(214)에 기초하여 구동 신호 진폭(215)을 생성하도록 구성되고, 여기서 상기 구동 신호 위상(213)이 센서 신호 위상(212)과 실질적으로 동일하다.

Description

진동 유량계에 대한 구동 신호를 생성하기 위한 방법 및 계측 전자장치 {METER ELECTRONICS AND METHODS FOR GENERATING A DRIVE SIGNAL FOR A VIBRATORY FLOWMETER}
본원발명은 진동 유량계에 관한 것으로서, 특히 진동 유량계에 대한 구동 신호를 생성하기 위한 방법 및 계측 전자장치에 관한 것이다.
코리올리 질량 유량계 또는 진동 농도계(densitometer)와 같은 진동 도관 센서는 통상적으로 유동 물질을 포함하는 진동 도관의 운동을 탐지함으로써 작동된다. 질량 유동, 밀도 등등과 같이 도관 내의 물질과 관련된 특성은 도관과 관련된 운동 변환기로부터 수신되는 측정 신호를 처리함으로써 결정될 수 있다. 진동하는 물질 충진 시스템의 진동 모드는 일반적으로 함유 도관 및 여기에 함유된 물질의 댐핑 특성(damping characteristic), 강성(stiffness), 및 결합된 질량에 의해 영향을 받는다.
통상적인 코리올리 질량 유량계는 하나 또는 그 이상의 도관을 포함하며, 이러한 도관은 파이프라인이나 다른 수송 시스템에 정렬되어 연결되어 시스템 내에서 예를 들어 유체, 슬러리 등과 같은 물질을 수송한다. 각각의 도관은 예를 들어 단순 굽힘, 비틀림, 방사상, 및 결합 모드를 포함하는 일련의 자연 진동 모드를 갖는 것으로 간주될 수 있다. 통상적인 코리올리 질량 유량 측정 장치에서, 도관은 물질이 도관을 통해 유동함에 따라 하나 또는 그 이상의 진동 모드로 여기되고, 도관의 운동은 도관을 따라 이격된 지점에서 측정된다. 여기(excitation)는 예를 들어 음성 코일 형태 구동기와 같이 도관을 주기적으로 교란시키는 전자기계장치 등의 액츄에이터에 의해 통상적으로 제공된다. 질량 유량은 변환기 위치에서의 운동 간의 시간 지연 또는 위상차를 측정함으로써 결정된다. 유동 도관 또는 도관들의 진동 응답을 측정하기 위하여 두 개의 이러한 변환기(또는 픽오프 센서)가 통상적으로 사용되며, 액츄에이터의 상류 및 하류 위치에 통상적으로 배치된다. 두 개의 픽오프 센서는 케이블에 의해 전자 기기에 연결된다. 이러한 전자 기기는 두 개의 픽오프 센서로부터 신호를 수신하고, 질량 유량 측정을 얻기 위하여 이러한 신호들을 처리한다.
유동 측정을 생성하는 것에 추가하여, 유량계의 전자장치는 구동 신호도 생성해야 한다. 구동 신호는 정확한 유동 특성 측정이 이루어질 수 있게 하는 주파수 또는 이 부근에서 유량계의 진동을 최적으로 구동시켜야 한다. 또한, 구동 신호는 진동이 빠르고 신뢰성 있게 개시되도록 하여야 한다. 또한, 구동 신호는 유량계의 작동의 정확하고 알맞은 진단을 가능하게 하여야 한다.
진동 유량계에 대한 구동 신호를 생성하기 위한 방법 및 계측 전자장치를 제공함으로써 상술한 문제점들 및 기타의 문제점들이 해결되며 본 기술 분야에서의 기술 진보가 이루어진다.
본원발명의 일 실시예에 따라 진동 유량계에 대한 구동 신호를 생성하기 위한 계측 전자장치가 제공된다. 상기 계측 전자장치는 상기 진동 유량계로부터 센서 신호를 수신하기 위한 인터페이스 및 상기 인터페이스와 통신하는 처리 시스템을 포함한다. 상기 처리 시스템은 상기 센서 신호를 수신하고, 위상 편이된 센서 신호를 생성하기 위하여 상기 센서 신호를 실질적으로 90도로 위상 편이하고, 상기 진동 유량계의 주파수 응답으로부터 위상 편이값(θ)을 결정하고, 구동 신호 위상을 생성하기 위하여 상기 위상 편이값(θ)을 상기 센서 신호 및 위상 편이된 센서 신호와 결합하도록 구성된다. 상기 처리 시스템은 추가로, 상기 센서 신호 및 위상 편이된 센서 신호로부터 센서 신호 진폭을 결정하고, 상기 센서 신호 진폭에 기초하여 구동 신호 진폭을 생성하도록 구성된다. 상기 구동 신호 위상은 센서 신호 위상과 실질적으로 동일하다.
본원발명의 일 실시예에 따라 진동 유량계에 대한 구동 신호를 생성하기 위한 방법이 제공된다. 상기 방법은 상기 유량계로부터 센서 신호를 수신하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 추가로 위상 편이된 센서 신호를 생성하기 위하여 상기 센서 신호를 실질적으로 90도로 위상 편이하는 단계, 상기 센서 신호 및 위상 편이된 센서 신호로부터 센서 신호 진폭을 결정하는 단계, 상기 센서 신호 진폭에 기초하여 구동 신호 진폭을 생성하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 추가로 상기 구동 신호 진폭을 포함하는 구동 신호를 생성하는 단계를 포함한다.
본원발명의 일 실시예에 따라 진동 유량계에 대한 구동 신호를 생성하기 위한 방법이 제공된다. 상기 방법은 상기 유량계로부터 센서 신호를 수신하는 단계, 위상 편이된 센서 신호를 생성하기 위하여 상기 센서 신호를 실질적으로 90도로 위상 편이하는 단계, 및 상기 진동 유량계의 주파수 응답으로부터 위상 편이값(θ)을 결정하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 추가로 구동 신호 위상을 생성하기 위하여 상기 위상 편이값(θ)을 상기 센서 신호 및 위상 편이된 센서 신호와 결합하는 단계를 포함한다. 상기 구동 신호 위상은 센서 신호 위상과 실질적으로 동일하다.
본원발명의 일 실시예에 따라 진동 유량계에 대한 구동 신호를 생성하기 위한 방법이 제공된다. 상기 방법은 상기 진동 유량계로부터 센서 신호를 수신하는 단계, 위상 편이된 센서 신호를 생성하기 위하여 상기 센서 신호를 실질적으로 90도로 위상 편이하는 단계, 상기 진동 유량계의 주파수 응답으로부터 위상 편이값(θ)을 결정하는 단계, 및 구동 신호를 생성하기 위하여 상기 위상 편이값(θ)을 상기 센서 신호 및 위상 편이된 센서 신호와 결합하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 추가로 상기 센서 신호 및 위상 편이된 센서 신호로부터 센서 신호 진폭을 결정하는 단계 및 상기 센서 신호 진폭에 기초하여 구동 신호 진폭을 생성하는 단계를 포함한다. 상기 구동 신호의 위상은 센서 신호 위상과 실질적으로 동일하다.
계측 전자장치의 일 측면에서, 상기 위상 편이가 힐버트 변환에 의해 실행된다.
계측 전자장치의 다른 측면에서, 상기 위상 편이값(θ)이 보상값을 포함한다.
계측 전자장치의 또 다른 측면에서, 상기 위상 편이값(θ)의 결정이 상기 위상 편이값(θ)의 생성을 위하여 상기 주파수 응답을 주파수/위상 관계에 선형적으로 서로 관련시키는 과정을 포함한다.
계측 전자장치의 또 다른 측면에서, 상기 센서 신호 진폭의 결정이, 센서 신호를 나타내는 Acosωt 항을 수신하는 과정, 상기 위상 편이로부터 Asinωt 항을 생성하는 과정, 상기 Acosωt 항 및 상기 Asinωt 항을 제곱하는 과정, 및 상기 센서 신호 진폭의 결정을 위하여, 상기 제곱된 Acosωt 항 및 제곱된 Asinωt 항의 합의 제곱근을 얻는 과정을 포함한다.
계측 전자장치의 또 다른 측면에서, 상기 구동 신호 진폭의 생성이, 상기 센서 신호 진폭을 진폭 목표치에 비교하는 과정, 및 상기 구동 신호 진폭을 생성하기 위하여 상기 센서 신호 진폭을 스케일링하는 과정으로서, 상기 스케일링 과정이 상기 센서 신호 진폭을 상기 진폭 목표치에 비교하는 과정에 기초하는, 센서 신호 진폭의 스케일링 과정을 더 포함한다.
계측 전자장치의 또 다른 측면에서, 상기 처리 시스템이 유량계의 개시시에 상기 구동 신호를 첩(chirp)하도록 추가로 구성된다.
계측 전자장치의 또 다른 측면에서, 상기 처리 시스템이 유량계의 개시시에 상기 구동 신호를 첩(chirp)하도록 추가로 구성되며, 상기 첩과정이 상기 유량계가 개시할 때까지 두 개 또는 그 이상의 주파수 범위를 통해 일소(sweep)하는 과정을 포함한다.
계측 전자장치의 또 다른 측면에서, 상기 처리 시스템이 상기 구동 신호를 선형화하도록 추가로 구성된다.
계측 전자장치의 또 다른 측면에서, 상기 처리 시스템이 피크 탐지를 사용하여 제2 진폭을 계산하고, 상기 센서 신호 진폭을 상기 제2 진폭에 비교하고, 상기 제2 진폭이 상기 센서 신호 진폭보다 더 크다면 픽오프 센서에 대한 광대역 노이즈를 탐지하도록 추가로 구성된다.
본원발명의 방법의 일 측면에서, 상기 위상 편이 단계가 힐버트 변환에 의해 실행된다.
본원발명의 방법의 또 다른 측면에서, 상기 방법은 상기 센서 신호 및 위상 편이된 센서 신호로부터 센서 신호 진폭을 결정하는 단계, 상기 센서 신호 진폭에 기초하여 구동 신호 진폭을 생성하는 단계, 및 상기 구동 신호 진폭을 구동 신호에 포함시키는 단계를 더 포함한다.
본원발명의 방법의 또 다른 측면에서, 상기 센서 신호 진폭의 결정 단계가, 센서 신호를 나타내는 Acosωt 항을 수신하는 단계, 상기 위상 편이로부터 Asinωt 항을 생성하는 단계, 상기 Acosωt 항 및 상기 Asinωt 항을 제곱하는 단계, 및 상기 센서 신호 진폭의 결정을 위하여, 상기 제곱된 Acosωt 항 및 제곱된 Asinωt 항의 합의 제곱근을 얻는 단계를 포함한다.
본원발명의 방법의 또 다른 측면에서, 상기 구동 신호 진폭의 생성 단계가, 상기 센서 신호 진폭을 진폭 목표치에 비교하는 단계 및 상기 구동 신호 진폭을 생성하기 위하여 상기 센서 신호 진폭을 스케일링하는 단계로서, 상기 스케일링 과정이 상기 센서 신호 진폭을 상기 진폭 목표치에 비교하는 단계에 기초하는, 센서 신호 진폭의 스케일링 단계를 더 포함한다.
본원발명의 방법의 또 다른 측면에서, 상기 방법은 센서 신호를 나타내는 Acosωt 항을 수신하는 단계, 상기 위상 편이로부터 Asinωt 항을 생성하는 단계, 상기 Acosωt 항 및 상기 Asinωt 항을 제곱하는 단계, 상기 센서 신호 진폭의 결정을 위하여, 상기 제곱된 Acosωt 항 및 제곱된 Asinωt 항의 합의 제곱근을 얻는 단계, 상기 센서 신호 진폭에 기초하여 구동 신호 진폭을 생성하는 단계, 및 상기 구동 신호 진폭을 구동 신호에 포함시키는 단계를 더 포함한다.
본원발명의 방법의 또 다른 측면에서, 상기 방법은 센서 신호를 나타내는 Acosωt 항을 수신하는 단계, 상기 위상 편이로부터 Asinωt 항을 생성하는 단계, 상기 Acosωt 항 및 상기 Asinωt 항을 제곱하는 단계, 상기 센서 신호 진폭의 결정을 위하여, 상기 제곱된 Acosωt 항 및 제곱된 Asinωt 항의 합의 제곱근을 얻는 단계, 상기 센서 신호 진폭을 진폭 목표치에 비교하는 단계, 상기 구동 신호 진폭을 생성하기 위하여 상기 센서 신호 진폭을 스케일링하는 단계로서, 상기 스케일링 과정이 상기 센서 신호 진폭을 상기 진폭 목표치에 비교하는 단계에 기초하는, 센서 신호 진폭의 스케일링 단계, 및 상기 구동 신호 진폭을 구동 신호에 포함시키는 단계를 더 포함한다.
본원발명의 방법의 또 다른 측면에서, 상기 방법은 상기 진동 유량계의 주파수 응답으로부터 위상 편이값(θ)을 결정하는 단계, 구동 신호 위상을 생성하기 위하여 상기 위상 편이값(θ)을 상기 센서 신호 및 위상 편이된 센서 신호와 결합하는 단계, 및 상기 구동 신호에 상기 구동 신호 위상을 포함시키는 단계로서, 상기 구동 신호 위상이 센서 신호 위상과 실질적으로 동일한, 포함 단계를 더 포함한다.
본원발명의 방법의 또 다른 측면에서, 상기 위상 편이값(θ)이 보상값을 포함한다.
본원발명의 방법의 또 다른 측면에서, 상기 위상 편이값(θ)의 결정 단계가 상기 위상 편이값(θ)의 생성을 위하여 상기 주파수 응답을 주파수/위상 관계에 선형적으로 서로 관련시키는 단계를 포함한다.
본원발명의 방법의 또 다른 측면에서, 상기 방법은 위상 편이값(θ)의 생성을 위하여 상기 주파수 응답을 주파수/위상 관계에 선형적으로 서로 관련시키는 단계, 구동 신호 위상을 생성하기 위하여 상기 위상 편이값(θ)을 상기 센서 신호 및 위상 편이된 센서 신호와 결합하는 단계, 및 상기 구동 신호에 상기 구동 신호 위상을 포함시키는 단계로서, 상기 구동 신호 위상이 센서 신호 위상과 실질적으로 동일한, 포함 단계를 더 포함한다.
본원발명의 방법의 또 다른 측면에서, 상기 방법은 유량계의 개시시에 상기 구동 신호를 첩(chirp)하는 단계를 더 포함한다.
본원발명의 방법의 또 다른 측면에서, 상기 방법은 유량계의 개시시에 상기 구동 신호를 첩(chirp)하는 단계를 더 포함하고, 상기 첩 단계가 상기 유량계가 개시할 때까지 두 개 또는 그 이상의 주파수 범위를 통해 일소(sweep)하는 단계를 포함한다.
본원발명의 방법의 또 다른 측면에서, 상기 방법은 상기 구동 신호를 선형화하는 단계를 더 포함한다.
본원발명의 방법의 또 다른 측면에서, 상기 방법은 피크 탐지를 사용하여 제2 진폭을 계산하는 단계, 상기 센서 신호 진폭을 상기 제2 진폭에 비교하는 단계, 및 상기 제2 진폭이 상기 센서 신호 진폭보다 더 크다면 픽오프 센서에 대한 광대역 노이즈를 탐지하는 단계를 더 포함한다.
도 1은 유량계 조립체 및 계측 전자장치를 포함하는 코리올리 유량계를 도시한다.
도 2는 본원발명의 일 실시예에 따른 계측 전자장치를 도시한다.
도 3은 본원발명의 일 실시예에 따른 계측 전자장치의 구동 신호 부분을 도시한다.
도 4는 본원발명의 일 실시예에 따라 진동 유량계에 대한 구동 신호를 생성하기 위한 방법의 순서도를 도시한다.
도 5는 본원발명의 일 실시예에 따라 진동 유량계에 대한 구동 신호를 생성하기 위한 방법의 순서도이다.
도 6은 본원발명의 일 실시예에 따른 폐쇄 루프 디지털 드라이브의 블록 다이어그램이다.
도 7은 본원발명의 일 실시예에 따른 입력 조건 블록을 도시한다.
도 8은 로패스 유한 임펄스 응답(Finite Impulse Response; FIR) 필터를 형성하기 위하여 해닝 창함수(Hanning window)를 곱한 N=100 차수의 조정가능한 이상적인 로패스 필터의 실행을 도시한다.
도 9는 도 8의 필터에 대한 필터 계수를 계산하도록 기능이 부여된 서브시스템을 도시한다.
도 10은 본원발명의 일 실시예에 따른 Calc Freq-Mag 블록을 도시한다.
도 11은 본원발명의 일 실시예에 따른 힐버트 Freq_Mag 블록을 도시한다.
도 12는 본원발명의 일 실시예에 따른 힐버트 주파수 추정기 블록을 도시한다.
도 13은 본원발명의 일 실시예에 따른 드라이브 피드백 제어 시스템 블록을 도시한다.
도 14는 본원발명의 일 실시예에 따른 그룹 지연 보상 블록을 도시한다.
도 15는 본원발명의 일 실시예에 따른 자동 이득 제어(Automatic Gain Control; AGC) 블록을 도시한다.
도 16은 본원발명의 일 실시예에 따른 비례-적분(Proportional-Integral; PI) 제어기를 도시한다.
도 17은 종래기술의 유동관 작동을 나타내는 두 개의 구동 신호 플롯을 포함한다.
도 18은 본원발명의 일 실시예에 따른 선형화된 구동 제어 블록 다이어그램을 도시한다.
도 19는 본원발명의 일 실시예에 따른 선형화된 구동 제어의 그래프를 도시한다.
도 20은 선형화된 루프의 설정점 진폭 독립성을 보여주는 그래프를 포함한다.
도 1-20 및 이하의 설명은 본원발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본원발명의 최상의 모드를 사용하고 제작하는 방법에 대하여 설명하기 위한 구체적인 실시예를 설명한다. 본원발명의 원리를 설명하기 위하여, 몇몇의 통상적인 측면은 간략하게 설명되거나 생략되었다. 본원발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 이러한 실시예의 수정이 본원발명의 기술분야에 속한다는 것을 알 수 있다. 본원발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 이하에 설명된 특징들이 다양한 방식으로 결합되어 본원발명의 다양한 수정을 형성하게 된다는 것을 알 수 있다. 결과적으로, 본원발명은 이하에 기술된 특정 실시예에 의하여 제한되지 않으며, 단지 청구범위 및 그 균등물에 의해서만 제한된다.
도 1은 유량계 조립체(10) 및 계측 전자장치(20)를 포함하는 코리올리 유량계(5)를 도시한다. 유량계 조립체(10)는 프로세스 물질의 밀도 및 질량 유량에 응답한다. 계측 전자장치(20)는 리드(lead; 100)를 통해 유량계 조립체(10)에 연결되어 경로(26)로 밀도, 질량 유량(mass flow rate), 및 온도에 관한 정보를 제공할 뿐만 아니라 본원발명과 관련없는 기타의 정보도 제공한다. 비록 본원발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본원발명이 코리올리 질량 유량계에 의해 제공되는 추가적인 측정 능력이 없이도 진동의 관 농도계(densitometer)로서 실시될 수 있다는 것이 자명하기는 하지만, 코리올리 유량계 구조체에 관해 기술한다.
유량계 조립체(10)는 한 쌍의 매니폴드(150, 150'), 플랜지 넥(flange neck)을 갖는 플랜지(103, 103'), 한 쌍의 평행한 유동관(130, 130'), 드라이버 메커니즘(180), 온도 센서(190), 및 한 쌍의 속도 센서(170L, 170R)를 포함한다. 유동관(130, 130')은 두 개의 실질적으로 곧은 유입구 다리(131, 131') 및 배출구 다리(134, 134')를 갖는데, 이는 유동관 장착 블록(120, 120')에서 서로를 향해 모인다. 유동관(130, 130')은 그 길이를 따라 두 개의 대칭 지점에서 굽혀지며 그 길이에 걸쳐 실질적으로 평행하다. 브레이스 바(brace bar; 140, 140')는 축(W, W')을 형성하는데 사용되며, 이 축 주위로 각각의 유동관이 진동한다.
유동관(130, 130')의 측면 다리(131, 131') 및 (134, 134')는 유동과 장착 블록(120, 120')에 고정적으로 부착되며, 이들 블록은, 계속해서, 매니폴드(150, 150')에 고정적으로 부착된다. 이는 코리올리 유량계 조립체(10)를 통하는 연속적인 밀폐 물질 경로를 제공한다.
구멍(102, 102')을 갖는 플랜지(103, 103')가 유입 단부(104) 및 배출 단부(104')를 통해 측정되는 프로세스 물질을 운반하는 프로세스 라인(도시되지 않음)에 연결되면, 물질은 플랜지(103)의 오리피스(101)를 통해 유량계의 단부(104)로 유입되어 매니폴드(150)를 통해 표면(121)을 갖는 유동관 장착 블록(120)으로 안내된다. 매니폴드(150) 내에서 물질은 분리되어 유동관(130, 130')을 통해 전달된다. 유동관(130, 130')을 여기시키면, 프로세스 물질은 매니폴드(150')에서 단일한 스트림으로 재결합되고, 이후 볼트 구멍(102')을 갖는 플랜지(103')에 의하여 프로세스 라인(도시되지 않음)에 연결된 배출 단부(104')로 전달된다.
유동관(130, 130')은 각각, 굽힘축(W--W 및 W'--W')에 대해 실질적으로 동일한 질량 분포, 관성 모멘트, 및 영률(Young's modulus)을 갖도록, 유동관 장착 블록(120, 120')에 대해 선택되어 적절하게 장착된다. 이러한 굽힘축은 브레이스 바(140, 140')를 통해 지나간다. 유동관의 영률이 온도에 따라 변하므로, 또한 이러한 변화가 밀도 및 유동의 계산에 영향을 미치므로, 저항성 온도 검측기(resistive temperature detector; RTD)(190)가 유동관(130')에 장착되어 유동관의 온도를 계속적으로 측정한다. 유동관의 온도 및 주어진 통과 전류에 대해 RTD 에 걸쳐 나타나는 전압은 유동관을 통과하는 물질의 온도에 의해 지배된다. RTD에 걸쳐 나타나는 온도 종속성 전압은 계측 전자장치(20)에서 공지의 방법으로 사용되어 유동관의 임의의 온도 변화로 기인하는 유동관(130, 130')의 탄성계수의 변화를 보상한다. RTD 는 리드(195)에 의하여 계측 전자장치(20)에 연결된다.
양 유동관(130, 130')은 드라이버(180)에 의하여 그 각각의 굽힘축(W 및 W')에 대하여 반대 방향으로 소위 유량계의 제1 이상(out-of-phase) 굽힘 모드에서 구동된다. 드라이버 메커니즘(180)은 유동관(130')에 장착되는 자석 및 유동관(130)에 장착되는 대향 코일과 같은 많은 공지의 장치 중 하나를 포함할 수 있으며, 양 도관을 진동시키기 위하여 교류가 이를 통과한다. 계측 전자장치(20)에 의하여 적당한 구동 신호가 리드(185)를 통해 드라이버 메커니즘(180)으로 인가된다.
계측 전자장치(20)는 리드(195) 상에서 RTD 신호를 수신하며, 각각 리드(165L, 165R) 상에 나타나는 좌우 속도 신호를 수신한다. 계측 전자장치(20)는 리드(185) 상에 나타나는 구동 신호를 생성하여 부재(180)를 구동시키고 유동관(130, 130')을 진동시킨다. 계측 전자장치(20)는 유량계 조립체(10)를 통과하는 물질의 밀도 및 질량 유량을 계산하기 위하여 RTD 신호와 좌우 속도 신호를 처리한다. 이러한 정보는 다른 정보와 함께 계측 전자장치(20)에 의하여 경로(26)를 통해 이용 수단(29)에 적용된다.
도 2는 본원발명의 일 실시예에 따른 계측 전자장치(20)를 도시한다. 계측 전자장치(20)는 인터페이스(201)와 처리 시스템(203)을 포함할 수 있다. 계측 전자장치(20)는 유량계 조립체(10)로부터 픽오프/속도 센서 신호와 같은 제1 및 제2 센서 신호를 수신한다. 계측 전자장치(20)는 코리올리 유량계로서 작동하는 것을 포함하여, 질량 유량계나 농도계로서도 작동할 수 있다. 계측 전자장치(20)는 유량계 조립체(10)를 통해 유동하는 유동 물질의 유동 특성을 얻기 위하여 제1 및 제2 센서 신호를 처리한다. 예를 들어, 계측 전자장치(20)는, 예를 들어 센서 신호로부터 위상차, 주파수, 시간차(Δt), 밀도, 질량 유량, 용적 유량 등 중 하나 또는 그 이상을 결정할 수 있다. 또한, 계측 전자장치(20)는 구동 신호를 생성할 수 있고, 이러한 구동 신호를 유량계 조립체(10)의 구동기(180)에 공급할 수 있다(도 1 참조). 또한, 본원발명에 따라 다른 유동 특성도 결정될 수 있다. 이러한 결정은 이하에서 설명된다.
인터페이스(201)는 도 1의 리드(100)를 통해 속도 센서(170L 및 170R) 중 하나로부터의 센서 신호를 수신한다. 인터페이스(201)는 임의의 방식의 포맷팅(formatting), 증폭(amplification), 버퍼링(buffering) 등과 같이, 필요하거나 요구되는 임의의 신호 조정을 수행할 수 있다. 대안적으로, 일부 또는 모든 신호 조정이 처리 시스템(203) 내에서 실행될 수 있다. 또한, 인터페이스(201)는 계측 전자장치(20)와 외부 장치 사이의 통신을 가능하게 한다. 인터페이스(201)는 임의의 방식의 전자, 광학, 무선 통신도 가능하다.
일 실시예에서의 인터페이스(201)는 (도시되지 않은) 디지타이저(digitizer)와 연결되는데, 여기서 센서 신호는 아날로그 센서 신호를 포함한다. 디지타이저는 아날로그 센서 신호를 샘플링하고 디지털화하여 디지털 센서 신호를 생성한다. 디지타이저는 필요한 임의의 데시메이션(decimation)도 실행할 수 있으며, 여기서 디지털 센서 신호는 요구되는 신호 처리의 양을 줄이고 처리 시간을 줄이기 위하여 디지털 센서 신호가 데시메이트(decimate)된다.
처리 시스템(203)은 계측 전자장치(20)의 작업을 처리하며 유량계 조립체(10)로부터의 유동 측정치를 처리한다. 처리 시스템(203)은 하나 또는 그 이상의 처리 루틴을 실행하고 이로써 하나 또는 그 이상의 유동 특성을 생성하기 위하여 유동 측정치를 처리한다.
처리 시스템(203)은 일반 용도 컴퓨터, 마이크로프로세싱 시스템, 논리 회로, 또는 일부의 다른 일반 용도 또는 주문형 처리 장치를 포함할 수 있다. 처리 시스템(203)은 복수의 처리 장치 사이에 분배될 수 있다. 처리 시스템(203)은 저장 시스템(204)과 같은 임의의 방식의 일체식 또는 독립식 전자 저장 매체를 포함할 수 있다.
처리 시스템(203)은 특히 구동 신호를 생성하기 위하여 센서 신호(210)를 처리한다. 구동 신호는 도 1의 유동관(130 및 130')과 같이 관련된 유동관 또는 유동관들을 진동시키기 위하여 구동기(180)로 공급된다.
도시된 실시예에서, 처리 시스템(203)은 센서 신호(210)로부터 생성되는 90도 위상 편이(phase shift)(211)와 센서 신호(210)로부터 구동 신호를 결정한다. 처리 시스템(203)은 위상 편이(213) 및 센서 신호(210)로부터 적어도 구동 신호 위상각 및 구동 신호 진폭을 결정할 수 있다. 결과적으로, (상류 및 하류 픽오프 신호 중 하나와 같은) 제1 또는 제2 위상 편이된 센서 신호, 또는 이들 둘의 조합이 본원발명에 따라 구동 신호를 생성하기 위하여 처리 시스템(203)에 의하여 처리될 수 있다.
저장 시스템(204)은 유량계 파라미터 및 데이터, 소프트웨어 루틴(software routines), 상수 값, 및 변수 값을 저장할 수 있다. 일 실시예에서, 저장 시스템(204)은 처리 시스템(203)에 의하여 실행되는 처리 과정을 포함한다. 저장 시스템(204)은 일 실시예에서 특히 위상 편이 루틴(220), 신호 조정 루틴(221), 위상각 루틴(222), 진폭 루틴(223)을 저장한다.
일 실시예에서, 저장 시스템(204)은 코리올리 유량계(5)와 같은 유량계를 작동시키기 위해 사용되는 데이터 및 변수들을 저장한다. 저장 시스템(204)은 일 실시예에서 속도/픽오프 센서(170L, 170R) 중 하나로부터 수신되는 센서 신호(210)와 같은 변수들을 저장하며, 또한 센서 신호(210)로부터 생성되는 90도 위상 편이(211)도 저장한다. 또한, 센서 신호 위상(212), 구동 신호 위상(213), 센서 신호 진폭(214), 구동 신호 진폭(215), 및 진폭 목표치(216)를 저장할 수 있다.
위상 편이 루틴(220)은 입력 신호에 대한, 즉 센서 신호(210)에 대한 90도 위상 편이를 실행한다. 위상 편이 루틴(220)은 일 실시예에서, 힐버트 변환(Hilbert transform)(이하에서 설명됨)을 실행한다. 위상 편이 루틴(220)은 90도 위상 편이(211)를 생성할 수 있다.
신호 조정 루틴(221)은 센서 신호(210)에 대한 신호 조정을 수행한다. 이러한 신호 조정은 어떠한 방식의 필터링, 데시메이션 등도 포함할 수 있다. 신호 조정 루틴(221)은 선택적인 루틴이다.
위상각 루틴(222)은 센서 신호(210)의 센서 신호 위상(212)을 결정한다. 또한, 위상각 루틴(222)은 구동 신호 위상(213)을 결정하는데, 여기서 구도신호 위상(213)은 센서 신호 위상(212)과 실질적으로 동일하다. 따라서 위상각 루틴(222)은 센서 신호(210)의 위상과 정합하기 위하여 센서 신호(210)에 위상 편이값(θ)을 더하거나 뺀다.
진폭 루틴(223)은 센서 신호(210)로부터 센서 신호 진폭(214)을 결정한다. 또한, 진폭 루틴(223)은 구동 신호 진폭(215)을 결정하는데, 여기서 구동 신호 진폭(215)은 센서 신호 진폭(214)에 기초한다. 구동 신호 진폭(215)은 센서 신호 진폭(214)보다 크거나 작을 수 있다. 일 실시예에서, 센서 신호 진폭(214)은 구동 신호 진폭(215)이 축소되거나 확대되어야 할 양을 결정하기 위하여 진폭 목표치(216)에 비교된다. 따라서, 진폭 루틴(223)은 구동 신호에 대한 구동 신호 진폭(215)을 결정한다.
센서 신호 위상(212)은 측정되거나 계산된 센서 신호(210)의 위상각이다. 센서 신호 위상(212)은 적당한 정합성의(matching) 구동 신호 위상(213)을 설정하기 위하여 결정된다. 따라서 구동 신호 위상(213)은 센서 신호 위상(212)과 실질적으로 동일하다.
센서 신호 진폭(214)은 측정되거나 계산된 센서 신호(210)의 진폭이다. 센서 신호 진폭은 구동 신호 진폭(215)을 결정하기 위하여 결정된다. 비록 구동 신호 진폭(215)이 센서 신호 진폭(214)으로부터 벗어날 수 있기는 하나, 구동 신호 진폭(215)은 센서 신호 진폭(214)에 기초한다.
진폭 목표치(216)는 유량계(5)의 정상적인 또는 바람직한 작동을 위해 요구되는 진동 센서 진폭이다. 일 실시예에서, 진폭 목표치(216)는 최소 진폭 문턱값(threshold)을 포함하는데, 여기서 센서 신호 진폭(214)이 진폭 목표치(216)를 초과하지 않는다면 센서 신호 진폭(214)은 처리 시스템(202)에 의하여 확대될 것이다. 따라서, 구동 신호 진폭(215)은 센서 신호 진폭(214)이 최소 진폭 문턱값을 초과하지 않는다면 센서 신호 진폭(214)보다 더 크게 된다. 대안적으로, 진폭 목표치(216)는 진폭 범위를 포함할 수 있는데, 여기서 구동 신호 진폭(215)은 확대된(scaled-up) 또는 축소된(scaled-down) 버젼의 센서 신호 진폭(214)을 포함한다.
도 3은 본원발명의 일 실시예에 따른 계측 전자장치(20)의 구동 신호 부분(300)을 도시한다. 구동 신호 부분(300)은 회로 부품을 포함할 수 있거나 계측 전자장치(20)에 의해 수신된 데이터에 실행되는 처리 작용을 포함할 수 있다.
구동 신호 부분(300)은 특히 조정 블록(301), 위상 편이 블록(303), 처리 블록(305)을 포함할 수 있다. 센서 신호는 조정 블록(301)에서 수신된다. 센서 신호는 유량계 조립체(10)의 픽오프 신호(170L 또는 170R) 또는 이들 두 신호의 결합을 포함할 수 있다. 조정 블록(301)은 어떠한 방식의 신호 조정도 수행할 수 있다. 예를 들어, 조정 블록(301)은 필터링, 데시메이팅 등을 수행할 수 있다.
위상 편이 블록(303)은 조정 블록(301)으로부터 센서 신호를 수신하고, 이 센서 신호를 실질적으로 90도로 위상 편이(shift)시킨다. 편이된 센서 신호는 (Acosωt) 항으로 표시되는 편이되지 않은 성분과 (Asinωt) 항으로 표시되는 편이된 성분을 포함하며, 여기서 ω는 라디안 단위의 센서 주파수이다(아래 식(2) 참조).
일 실시예에서, 위상 편이 블록(303)은 힐버트 변환을 포함한다. 힐버트 변환은 센서 신호를 90도(또는 파동 주기의 1/4)에 상당하는 시간만큼 지연시킴으로써 위상 편이 작업을 실행한다.
처리 블록(305)은 센서 신호 및 위상 편이된 센서 신호를 수신하고 이들 두 입력으로부터 구동 신호를 생성한다. 처리 블록(305)은 (Aoutcos(ωt+θ)) 항과 동일한 구동 신호 출력을 생성할 수 있다(아래 식(3) 참조). 위상 편이값(θ)은 위상 정합(phase matching)을 결정하고, 진폭(Aout)은 구동 신호 진폭을 포함한다. 따라서 처리 블록(305)은 구동 신호 진폭 및 구동 신호 위상 모두를 결정할 수 있으며, 여기서 처리 블록(205)은 구동 신호 주파수에서 센서 신호의 주파수를 실질적으로 유지한다. 바람직하게, 처리 블록(305)은 구동 신호의 위상을 센서 신호의 위상에 실질적으로 고정시킨다. 센서 신호의 위상각이 쉽고 빠르게 결정될 수 있는 위상 편이 작동에 의해 가능하게 된다. 결과적으로 구동 신호 위상각은 센서 신호의 위상각을 매우 밀접하게 따르게 되며, 여기서 구동 신호는 센서 신호와 실질적으로 선형 관계로 유지된다. 이로써 계측 전자장치(20)는 더욱 정확하게 유량계를 구동할 수 있게 되며, 계측 전자장치(20)는 또한 다중-위상 유동, 엠티-풀-엠티 배칭(empty-full-empty batching), 부유 공기를 포함하는 유동 물질 등과 같이 비균일 유동의 상태에 구동 신호를 빠르게 맞출 수 있게 된다.
처리 블록(305)은 구동 신호 위상을 센서 신호 위상에 실질적으로 정렬시키기 위하여 센서 신호 위상각을 결정할 수 있으며 구동 신호를 제어할 수 있다. 이는 센서 신호의 위상으로부터의 어떠한 피드백도 없이 이루어질 수 있다. 결과적으로, 구동신호 주파수를 제어할 필요 없이, 구동 신호의 주파수는 센서 신호의 주파수를 실질적으로 따르게 된다. 구동 신호 진폭과 위상이 빠르게 결정되기 때문에, 본원발명은 유량계가 공진 주파수에 매우 가깝게 구동될 수 있게 하며, 여기서 공진 주파수에 대한 변화는 실질적으로 즉각적으로 추적된다. 결과적으로, 구동 신호는 유동 상태의 변화에 빠르게 응답한다. 이는 다양한 유량계 진단(diagnostics)의 실행을 가능하게 한다. 예를 들어, 구동 신호는 유동 조정 인자(Flow Calibration Factor; FCF)를 평가하고, 유동관 강성을 결정하고, 유동관 침식/부식을 탐지하고, 유동관의 크랙(crack)이나 결함을 탐지하고, 유동관 내부의 유동 물질 피복량(coating amount)을 결정하는 등의 작업을 위해 빠르게 변화될 수 있다.
처리 블록(305)은 센서 신호 진폭을 결정할 수 있으며 센서 신호 진폭에 기초하여 구동 신호 진폭을 생성할 수 있다. 처리 블록(305)은 센서 신호 진폭을 (예를 들어 진폭 설정점 또는 진폭 작동 범위 등과 같은) 진폭 목표치에 비교할 수 있으며 구동 신호를 필요에 따라 확대(scale up)하거나 축소(scale down)할 수 있다.
센서 신호(또는 픽오프 신호, PO)는 다음 식으로 나타낼 수 있다:
Figure pat00001
여기서 cosωt 항은 센서 신호의 시간 변화 특성을 나타내며 Ain 항은 센서 신호의 진폭을 나타낸다. 위상 편이 블록의 위상 편이된 출력(PSO)은 다음 식으로 나타낼 수 있다:
Figure pat00002
여기서 (Ainsinωt) 항은 센서 신호의 위상 편이된 버젼을 나타낸다. 이러한 출력을 사용하여, 처리 블록(305)은 위상 지연 조절 항(θ)을 포함하는 구동 신호 출력을 생성할 수 있으며, 여기서 위상 지연 조절 항(θ)은 센서 신호(PO)에 대한 추가(adds) 또는 센서 신호로부터의 공제(subtracts)이다. 결과적으로 구동 신호는 다음과 같다:
구동 신호 =
Figure pat00003
θ 값을 적절하게 선택함으로써, (Aoutcosωt) 항의 ωt+θ 는 실질적으로 센서 위상에 정합된다.
구동 신호 진폭(Aout)은 식 (2)으로부터 유도될 수 있으며, 여기서 센서 신호 진폭(Ain)은 다음 식으로부터 결정될 수 있다:
Figure pat00004
센서 신호 진폭(Ain)은 구동 신호 진폭(Aout)을 생성하기 위하여 확대되거나 축소될 수 있다.
도 4는 본원발명의 일 실시예에 따라 진동 유량계에 대한 구동 신호를 생성하기 위한 방법의 순서도(400)를 도시한다. 단계(401)에서, 센서 신호가 수신된다. 센서신호는 유량계의 하나 또는 그 이상의 유동관의 진동에 응답하여 시간에 따라 변하는 전자 신호를 생성하는 픽오프 센서의 출력을 포함할 수 있다.
단계(402)에서, 수신된 센서 신호는 약 90도로 위상 편이된다. 일 실시예에서, 위상 편이 작동은 예를 들어 힐버트 변환을 사용하여 수행된다. 그러나 다른 위상 편이 방법이 사용될 수도 있다는 것을 이해해야 한다. 위상 편이 작동은 센서 신호를 나타내는 Acosωt 항에 추가하여 Asinωt 항을 생성할 수 있다.
단계(403)에서, 센서 신호 진폭이 센서 신호와 90도 위상 편이로부터, 즉, (Ainsinωt) 항 및 (Aincosωt) 항을 사용하여 결정될 수 있다(식 (4) 참조).
단계(404)에서, 센서 신호 진폭이 구동 신호 진폭을 생성하는데 사용된다. 구동 신호 진폭은 센서 신호 진폭에 기초한다. 그러나 구동 신호 진폭은 센서 신호 진폭에 대하여 확대되거나 축소될 수 있다. 이러한 스케일링(scaling)은 일부 실시예에 포함되며, 상부 및/또는 하부 스케일링 경계에 의하여 제한될 수 있다.
단계(405)에서, 구동 신호 진폭이 구동 신호에 포함된다. 결과적으로, 방법(400)은 구동 신호에 대한 빠르고 정확한 진폭을 생성한다.
상기 방법은, 실질적으로 연속적으로 구동 신호 진폭을 생성하기 위하여, 반복적으로 및/또는 실질적으로 연속적으로 수행될 수 있다. 구동 신호 진폭은 빠르게 결정될 수 있으며, 여기서 구동 신호 진폭은 실질적으로 즉각적으로 생성된다.
도 5는 본원발명의 일 실시예에 따라 진동 유량계에 대한 구동 신호를 생성하기 위한 방법의 순서도(500)이다. 단계(501)에서, 전술한 바와 같이 센서 신호가 수신된다.
단계(502)에서, 수신된 센서 신호가 전술한 바와 같이 실질적으로 90도로 위상 편이된다.
단계(503)에서, 위상 편이값(θ)이 진동 유량계의 주파수 응답으로부터 결정된다. 위상 편이값(θ)은 위상 선행값(즉, +θ) 또는 위상 지연값(즉, -θ)과 같은 보상값(compensation value)을 포함할 수 있다. 위상 편이값(θ)은 주파수 응답을 주파수/위상 관계에 연관시킴으로써 결정될 수 있다. 일 실시예에서, 주파수/위상 관계는 실험적으로 얻어진 주파수-대-위상 (frequency-to-phase) 관계이다. 예를 들어, 몇 개의 주파수-대-위상 값이 구해져서 저장될 수 있으며, 여기서 저장된 값은 필요한 위상 편이값(θ)을 유도하거나 내삽(interpolate)하기 위해 사용된다. 대안적으로, 주파수/위상 관계는 예견된 위상 및 주파수 값으로부터 형성된 이론적인 관계를 포함한다.
단계(504)에서, 위상 편이값(θ)은 구동 신호 위상을 생성하기 위하여 센서 신호((Acosωt) 항) 및 위상 편이된 센서 신호((Asinωt) 항)와 결합된다.
단계(505)에서, 구동 신호 진폭은 구동 신호에 포함된다. 이러한 방식에서, 구동 신호의 위상은 센서 신호의 위상에 실질적으로 고정된다.
상기 방법은, 전술한 바와 같이, 실질적으로 연속적으로 구동 신호 위상을 생성하기 위하여 반복적으로 및/또는 실질적으로 연속적으로 수행될 수 있다. 구동 신호 위상은 빠르게 결정될 수 있으며, 여기서 구동 신호는 실질적으로 즉각적으로 생성된다.
방법(400)과 방법(500)은 구동 신호 위상 및 구동 신호 진폭 모두를 생성하기 위하여 바람직하게 결합될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 일부 실시예의 결합된 방법(400)과 방법(500)은 완전한 구동 신호를 생성한다.
도 6은 본원발명의 일 실시예에 따른 폐쇄 루프 디지털 드라이브(600)의 블록 다이어그램이다. 상기 블록 다이어그램은 본 실시예의 처리 시스템(203)에 통합되는 다양한 기능을 나타낸다.
구동기 증폭기 하드웨어(증폭기는 도시되지 않음)에 대한 디지털 드라이브 출력은 도면의 좌측 상부에 위치한다. 구동 전류 및 구동 전압은, 두 개의 픽오프 신호(LPO 및 RPO) 및 RTD 회로로부터의 온도와 함께, 센스 보드(sense board)로부터 입력 조건 블록(Input Condition block)(601)으로 입력된다. 입력 조건 블록(601)은 어떠한 방식의 필터링 및 데시메이팅도 실행할 수 있다.
디지털 드라이브 특징은 주로 두 개의 블록, Calc Freq_Mag 블록(611)과 구동 피드백 제어 시스템 블록(613)에서 실행된다. 도시된 실시예의 Calc Freq_Mag 블록(611)은 힐버트 변환 추정기를 사용하며 단일 또는 이중 진폭 추정 배열(arrangement)을 사용할 수 있다. 구동 피드백 제어 시스템 블록(613)은 본원발명에 따라 구동 신호를 생성한다.
입력 조건 블록(601)은 폐쇄 루프 구동이 진동 유량계의 기본 굽힘 모드를 여기시키는 것을 보장하도록 픽오프 센서 신호로부터 높은 주파수 성분을 제거하기 위하여 필터링을 실행할 수 있다. 특히, 필터링은 제2 고조파를 제거하도록 구성될 수 있으며 센서 신호로부터 비틀림 모드 주파수를 제거할 수도 있다. 이는 조정가능한 로패스(lowpass) 필터로 실행될 수 있다. 필터의 컷오프(cutoff) 주파수는 공기에 대한 관 주기(tube period)인 K1 에 기초할 수 있다.
도 7은 본원발명의 일 실시예에 따른 입력 조건 블록(601)을 도시한다. 도 7은 추가로 입력 조건 블록(601) 내의 조정가능한 로패스 필터의 위치를 도시하며, 또한 입력 조정 블록(601)의 다양한 부분에서 사용되는 샘플링 비율을 보여준다. 신호는 좌측에서 기본 속도로 스테이지 1 데시메이션 블록을 통해 들어온다. 일 실시예에서, 코더/디코더(coder/decoder)(CODEC)가 적당히 안티-알리아스(anti-aliased)되도록, 기본 속도는 약 48 kHz가 되도록 선택된다. 스테이지 1 데시메이션은 속도를 약 4 kHz 까지 낮추며, 4 kHz의 속도는 조정가능한 로 패스 필터까지 사용된다. 3 개의 4 kHz 픽오프 피드백 신호가, 도면의 오른쪽 하부에 있는 PO 피드백으로 표시된 출력 포트에서의 구동 피드백에 대한, 모드 필터링(modal filtered)된 PO 신호(에타 또는 η로 표시됨)뿐만 아니라, LPO 및RPO 신호로서 입력 조건 블록으로부터 나온다. 모드 필터(modal filter)는 임의의 방법을 사용하여 전개될 수 있다. 일 실시예에서, 예를 들어, {0,5;0.5}의 단순화된 모드 필터 벡터가 LPO 및 RPO 신호의 평균을 생성하는데 사용될 수 있다.
픽오프는 조정 가능한 로패스 필터를 통과한 이후에 2 kHz의 샘플링 속도로 블록으로부터 나간다. 양 세트의 픽오프 신호는 그들을 밀리볼트 수준으로 변환시키기 위하여 선택적으로 스케일링 블록을 통과할 수 있다. 모든 신호들은 적당한 고정 지점 값으로 스케일링되며, 이는 본원발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 잘 알려진 기술일 것이다. 양 속도에서의 결과적인 픽오프 신호는 Calc Freq_Mag 블록(611)으로 공급된다.
도 8은 도 7의 오른쪽에 도시된 로패스 유한 임펄스 응답(Finite Impulse Response; FIR) 필터를 형성하기 위하여 해닝 창함수(Hanning window)를 곱한 N=100 차수의 조정가능한 이상적인 로패스 필터의 실행을 도시한다. 로패스 필터링된 출력을 생성하기 위하여 N 개의 버퍼링된 샘플과 필터 계수의 내적(dot-product)이 취해진다. 필터 계수는 K1 이 변화할 때마다 적당한 컷오프 주파수를 주도록 기능이 부여된 서브시스템에서 다시 계산된다.
도 9는 도 8의 필터에 대한 필터 계수를 계산하도록 기능이 부여된 서브시스템을 도시한다. 표준화된 컷오프 주파수가 가장 낮은 신호 체인(chain)에 의해서, 공기에 관한 마이크로세컨드(microseconds)의 관 주기인, K1 으로부터 계산된다. 관 주파수는 언제나 공기 주파수보다 작거나 또는 같게 될 것이고, 따라서 K1 은 로패스 필터의 조정을 위해 선택하는 매개변수에 대한 좋은 선택이다. 일 실시예에서, 20 Hz 에 K1 에 상응하는 공기 주파수를 더한 것이 컷오프 주파수로서 사용된다. 대안적으로, 컷오프 주파수는 구동 주파수에 기초하여 동적으로 조절될 수 있다. 필터의 이득(gain)은 컷오프 주파수 전에서 떨어지기 시작하고, 따라서 20 Hz의 인자는 공기 주파수에서의 필터 이득이 1이 되도록 하는 여유(margin)를 제공한다.
모든 센서의 개시를 확실히 하기 위해, 디펄트 K1 값은 연결될 수 있는 임의의 센서의 가장 높은 주파수에 있게 된다. 이런 방식은 만약 사용자가 실제 센서에 대해 적당한 K1 값을 입력하는데 실패한다고 하여도, 센서가 여전히 작동개시하게 될 것이다.
도 10은 본원발명의 일 실시예에 따른 Calc Freq-Mag 블록(611)을 도시한다. 두 개 세트의 픽오프 신호(즉, "에타 및 PO 하이 인(eta and PO high in)" 및 "에타 및 PO 로우 인(eta and PO low in)" 입력)가 두 개의 독립된 진폭 세트를 계산하기 위해 사용된다. 4 kHz에 대한 상부의 피크 탐지(Peak Detect) 블록(1001)은 예를 들어 피크 탐지기에 기초한 신호 진폭을 계산하기 위해 사용될 수 있다. 하부의 힐버트 Freq_Mag 블록(1002)은 구동 주파수에서의 사인 진폭에 더 관련되는 진폭 추정을 계산하기 위하여 2 kHz 신호에 대한 힐버트 신호 처리 방식을 사용한다. 이들 중 어느 하나의 진폭 연산이 멀티플렉서(multiplexer)(MUX)에 의하여 선택되어 출력될 수 있다.
이러한 두 개의 프롱(pronged) 진폭 방식은 계측 전자장치(20)가 노이즈 픽오프 신호에 반응하도록 한다. 피크 탐지 진폭이 힐버트 진폭에 유사하면, 노이즈 수준은 수용가능하다. 피크 탐지가 힐버트 진폭보다 더 높다면 픽오프 센서 신호 상에는 넓은 대역의 노이즈가 존재한다. 이러한 경우에, 계측 전자장치(20)는 어느 진폭 신호를 사용할 것인지를 결정할 수 있고, 경고 표시나 에러 상태를 설정할 수 있고, 및/또는 어떠한 프리앰프(preamp) 이득값도 리스케일(rescale)할 수 있다.
도 11은 본원발명의 일 실시예에 따른 힐버트 Freq_Mag 블록(1002)을 도시한다. 힐버트 변환은 입력 신호를 위상에 있어 90도로 편이시킨다. 도면의 우측 상부에 있는 디지털 필터 블록은 힐버트 필터를 실행한다. 디지털 필터 블록의 출력은 위상 편이된 입력 신호(즉, Re 신호)이다. 가변 정수 지연(variable integer delay) 블록은 필터링되지 않은 신호를 FIR 힐버트 필터의 1/2 만큼 편이시킨다. 결과는, FIR 힐버트 필터로 인한 지연을 갖는, 90도 편이된 입력 신호(이상 성분 Re) 및 필터링되지 않은 지연된 입력 신호(동상(In-phase) 성분 Im)의 두 개의 신호이다. 이러한 두 개의 신호는 이후 복소수로 결합된다. 이 복소수의 크기는, 구동 제어에 대해 중요한 양인 사인 진폭(sinusoidal amplitude)이다. 주파수는 복소수로부터도 계산될 수 있으며, 이하에서 상술된다. LPO, RPO, 및 η의 모든 3개의 신호의 이상(quadrature) 항뿐만 아니라, 크기 및 주파수도 계산된다는 것을 주목하자. 주파수 및 진폭 신호는, 통상적으로 약 500 Hz 까지, 구동 제어에서의 사용에 필요한 만큼 낮은 속도로 데시메이트될 수 있다. 주파수는 추가로 밀도 및 유동 계산에 사용된다.
도 12는 본원발명의 일 실시예에 따른 힐버트 주파수 추정기 블록(1101)을 도시한다. 힐버트 주파수 추정기 블록(1101)에서, I 및 Q 신호는 우측으로부터 수신된다. 신호는 하나의 샘플에 의해 지연되며 그 켤레 복소수가 취해진다. 원래의 복소수와 시간 지연된 켤레 복소수의 내적으로 인해서 두 개의 벡터 사이의 각을 갖는 복소수가 나온다. 두 개의 벡터 사이의 각은 샘플 시간에 걸쳐 일소되었다. 이 각을 샘플 시간(및 2π)으로 나누면 주파수가 나온다.
Figure pat00005
힐버트 보상 필터는 주파수 추정치를 고르기(smooth out) 위해 사용된다. 각 함수가 음수를 낼 수 있으므로 주파수의 절대값이 취해진다. 힐버트 주파수 추정기 블록(1101)(또한, 힐버트 Freq_Mag 블록(1002))의 신호 처리를 위해서, 디지털 드라이브(600)가 RPO 또는 LPO 주파수 중 하나를 사용할 수 있다.
다시 도 6을 참조하면, 전술한 바와 같이, 에타 I 및 Q 신호는 유동 측정으로 향하며, 주파수는 유동 및 밀도 측정 모두로 향한다. 낮은 속도의 주파수 및 크기, 그리고 4 kHz 속도의 피드백 신호가 드라이브 피드백 제어 시스템 블록(613)으로 공급된다.
도 13은 본원발명의 일 실시예에 따른 드라이브 피드백 제어 시스템 블록(613)을 도시한다. 드라이브 피드백 제어 시스템 블록(613)이 하나보다 많은 샘플링 속도를 포함할 수 있다는 것을 주목해야 한다. 도시된 실시예에서, 드라이브 피드백 제어 시스템 블록(613)에 사용되는 3개의 속도가 있다. 도시된 실시예에서, 이들 3개의 속도는 주파수 및 크기 추정을 위한 500 Hz의 속도, 피드백 신호를 위한 4 kHz 속도, 그리고 8 kHz의 출력 속도이다.
AGC 블록(1301)으로의 3개의 입력이 있다. 주파수 및 크기 추정은 진폭에 대한 유닛인, 실제 피크-투-피크(peak-to-peak) mV/Hz 를 계산하기 위해 사용된다. 2번째 입력은 구동 목표치, 또는 설정점, mV/Hz 이다. 최종 입력은 공칭 전류 입력이다.
AGC 블록(1301)은 2개의 출력을 갖는다. 제1 출력은 이하에서 설명되는 인에이블 킥스타트(Enable Kickstart) 출력이다. 제2 출력은 구동 신호를 생성하기 위하여 피드백을 증가시키는 루프 이득 출력이다. 구동 피드백 레그(leg)는 3개의 가능한 선택(LPO, RPO, 및 η)으로부터, 모드적으로(modally) 필터링된 픽오프 신호인, η를 선택한다. η는, 실제 센서의 진폭에 따르는, 변화하는 진폭을 갖는 폐쇄 루프 구동 주파수에서의 사인 신호이다. 곱셈 블록(multiply block)과 결합되는, 이러한 가변 진폭은 비선형 응답을 생성한다, 즉 진폭에 따라 달라지는 제어 권한(control authority)을 제공한다. η를 그 진폭으로 나누면 단위 진폭을 갖지만 정확한 주파수에서의 사인곡선이 생성된다. 단위 진폭은 어떠한 비선형성도 제거한다. 피드백이 루프 이득보다 빠른 속도에 있으므로, 루프 이득은 신호 호환성(compatibility)을 보장하기 위하여 곱셈에 앞서 속도 전이 블록을 사용한다.
곱셈 블록의 출력은 DSP 하드웨어 및 소프트웨어를 통한 그룹 지연(group delay)으로 인해 부정확한 위상을 갖지만, 정확한 주파수 및 진폭에서의 구동 신호이다. 그룹 지연에 대한 교정은 몇 가지 방식으로 달성될 수 있다. 그러나 본원발명에서 제공되는 신규한 방식은 계산적으로 효율적이다. 구동 신호는 먼저 도 11의 것과 유사하지만, 4 kHz에서 작동하고 이러한 덜 힘든 적용(less demanding application)에 대해 프로세서 대역을 절약하기 위하여 더 작은 필터 차수(filter order)를 갖는, 힐버트 필터 블록(1302)으로 들어간다. 출력은 정확한 진폭 및 주파수와 이상(quadrature)인 두 개의 구동 신호이다. 이상 구동 신호는 힐버트 필터 블록(1302)으로부터 나와서 그룹 지연 보상 블록(1303)으로 구동 주파수와 함께 들어간다.
도 14는 본원발명의 일 실시예에 따른 그룹 지연 보상 블록(1303)을 도시한다. 오프라인의, 이전 방식에서, DSP를 통한 그룹 지연은 오프셋(offset)과 기울기를 가지고 실험적으로 특성화된다. 대안적으로, 전류 증폭기 내의 전류 센스 하드웨어는 온라인의 그룹 지연 보상을 계산하기 위하여 옵션을 제공할 수 있다. 그룹 지연을 보상하기 위해 요구되는 위상 지연은, 전술한 바와 같이, 주파수의 함수이다. 입력 주파수는, 실험적으로 결정된 기울기 및 오프셋을 사용하여, 그룹 지연 보상 블록(1303)에서 요구되는 그룹 지연 보상(즉, 위상 편이값(θ))을 계산하기 위해 사용된다. 구동 이상 신호는 이후 요구되는 위상 지연 보상의 사인 및 코사인에 의해 곱해져서 더해진다. 합산 블록의 출력의 결과로 공진에서 센서를 구동시키기에 정확한 위상, 주파수, 및 진폭을 갖는 구동 신호가 발생된다.
다시 도 13을 참조하면, 구동 신호가 도면의 좌측 측면 상의 스위치로 공급된다. 정상 작동과정에서, 스위치는 구동 신호를 디지털-대-아날로그 변환기(Digital-to-Analog Converter; DAC) 및 전류 증폭기를 통과시키고 최종적으로는 구동기(180)로 보낸다(도 1 참조). 그러나 도시된 실시예에서, 킥스타트(kickstart) 특성을 가능하게 하는 ACG 블록에 로직(logic)이 포함된다. 결과적으로, 픽오프 진폭이 설정점의 일정 퍼센티지 아래로 떨어지거나 일정한 절대값 아래로 떨어지면, AGC 블록의 로직은 킥스타트 모드로 변환하는 "인에이블 킥스타트(Enable Kickstart)" 신호를 보낼 수 있다. 킥스타트 모드에서, 도면의 좌측 상부에 있는 첩(chirp) 블록으로부터 에너지가 주입된다. 첩 블록은 개방-루프 방식의 최대 전류 크기에 가까운 신호를 출력한다. 첩은 킥스타트 목표치를 초과하는 픽오프 진폭에 의해서 정의되는, 센서의 "개시" 까지 몇 개의 서로 다른 주파수 범위를 통해 내습한다. 주파수 범위는 구동 주파수의 최종 전 값, 상응하는 K2 밀도보다 몇 배 더 높은 밀도에 상응하는 주파수 및 K1 에 상응하는 주파수의 범위, 및 센서의 넓은 범위를 커버하는 넓은 범위에 기초한다. 이러한 다양한 범위는, 예를 들어 전자장치가 마스터 리셋(master reset)으로 초기화되는 것과 같이, 부정확한 센서 매개변수가 계측 전자장치(20)에 입력되더라도 센서가 작동하도록 하는 것을 보장한다.
스위치의 출력은, 정상 구동이건 킥스타트 모드이건 간에, 통상적으로 8 kHz로, 내삽 또는 업샘플(upsample) 필터를 통과한다. 구동 신호는 48 kHz의 코덱(DAC)에 있는 최종 출력 속도로, 8 kHz에서 업데이트된다. 본원발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 입력, 피드백, 업데이트 속도, 및 출력에 대한 속도의 선택이 성능 필요조건 및 프로세서 대역폭에 기초한 희생조건(tradeoffs)이라는 것을 인식하게 될 것이다. 속도의 특정 선택은 선택된 하드웨어 및 요구되는 성능을 위해 최적화될 수 있다. 필터 순서(filter order), 컷오프 주파수 등을 포함하는 특정 필터 수행은 선택된 속도를 정합시키도록 구성된다. 샘플링 속도, 필터 순서, 컷오프 주파수 등은 단지 예로서만 제시되며 청구범위는 주어진 어떠한 예에 의해서도 제한되지 않는다는 것을 이해해야 한다.
도 15는 본원발명의 일 실시예에 따른 자동 이득 제어(Automatic Gain Control; AGC) 블록(1301)을 도시한다. AGC는 입력으로서 (6개의 진폭 모두를 포함하는) 실제 mV/Hz 이동 진폭 및 (mV/Hz의) 설정점 이동을 수신한다. AGC 블록(1301)은 인에이블 킥스타트 출력 및 루프 이득 출력의 두 개의 출력을 갖는다.
AGC 블록(1301)의 제1 블록에서, 입력은 이동 백분율을 내도록 비율화된다, 즉 실제 이동이 설정점과 같을 경우 실제로 비율화된 이동은 1.0이다. 이러한 스케일링은 다양한 진폭 설정점에 대한 제어 루프를 선형화하는 것을 보조한다. 6개의 비율화된 진폭(LPO, RPO, 및 η에 대한 피크 탐지/힐버트)이 진폭 검사 진단 블록(1501)으로 공급된다. 이 블록은 6개의 모든 진폭이 1.0 근방의 일치하는 숫자를 산출하고 만약 차이가 미리 설정된 일정 퍼센티지를 초과하는 경우에 경고 또는 에러 표시를 올리는 것이 확실하게 이루어지는가를 검사한다. 이 블록은 또한 센서가 ~110%로 설정점을 오버슈트하는가를 탐지한다. 만약 그렇다면, 이 블록은 오버슈트 정보를 킥스타트/오버슈트 로직 블록으로 공급한다.
킥스타트/오버슈트 로직 블록은 센서 진폭이 낮은지 또는 오버슈트 문턱값을 초과하는지를 결정한다. 진폭이 낮다면, 인에이블 킥스타트 신호가 발생된다. 킥스타트가 작동하거나 진폭이 오버슈트된다면, 이 블록은 이하에서 설명되는 바와 같이 PI 제어기에 리셋 신호도 송신한다.
mV/Hz 비율(ratio) 블록에서, 진폭 제어에 대한 신호가 선택된다. 예를 들어, LPO 및 RPO 피크 탐지가 선택된다. 대안적으로, 힐버트 LPO 및 RPO 진폭 또는 모드 진폭을 선택하기 위해 편각(argument)이 생성될 수 있다. 다른 대안에서는, mV/Hz 블록이 노이즈의 차이 등에 기초한 선택을 실행하는 로직을 포함할 수 있다. 어떠한 경우라도, LPO 및 RPO 의 최대치가 제어를 위해 선택된다.
스위치의 출력은 차(difference) 블록으로 공급되는 것뿐만 아니라, 킥스타트/오버슈트 로직 블록으로 공급된다. 설정점이 이제 1로 표준화되므로, 단지 실제 신호와 1과의 차이가 에러이다. 루프 이득을 결정하기 위하여 PI 불연속 블록(PI Discrete block)으로 에러 신호가 공급된다. PI 불연속 블록의 출력은 공칭 구동 전류가 PI 블록의 출력과 합산되는 합산기(summer)로 공급될 수 있다. 일 실시예에서, 실행(implementation)이 0의 공칭 구동 전류로 디펄트된다. 포화 블록(saturation block)은 최종 루프 이득을 초래하는, 합산된 출력으로부터의 최대 및 최소 출력 전류를 제어한다.
전류 증폭기는 선형 증폭기를 사용할 수 있다. 출력 전류는, 예를 들어 전류 한계치에 도달할 때까지와 같이, 실질적으로 사인곡선 형태일 수 있다. 증폭기는 4 사분면에서 작동할 수 있다, 즉 증폭기는 양 및 음의 방향 모두에서 전류를 흡수하고 구동할 수 있다. 이로써 오버슈트 동안에 또는 많은 양의 유동 노이즈가 유동관을 여기할 때 유동관(들)을 제동하도록 구동 제어할 수 있다.
도 16은 본원발명의 일 실시예에 따른 비례-적분(Proportional-Integral; PI) 제어기를 도시한다. 에러 신호는 AGC 블록(1301)으로부터 포트(2)로 수신된다. 하부 레그(leg)는 상기 에러에 비례 이득(P)을 곱하여 최종 합산 블록의 일 노드(node)로 보낸다. 정상 작동에서, 즉, 적분기(integrator) 리셋 신호가 생성되지 않을 때, 단순한 분리형 적분기가 사용되며, 여기서는 이전의 적분기 출력 신호에 새로운 신호가 더해진다. 이러한 새로운 신호는 먼저 적분 이득(I)으로 곱해진다. 이후 샘플 시간에 독립적인 적분기 응답을 만드는 샘플 시간에 의해 곱해진다. 표준 제어기 디자인 이점 관행에 따라, 적분기 출력은 "안티-와인드업(anti-windup)" 블록으로 포화된다. 이러한 특성은, 예를 들어 부유 공기의 경우에 발생할 수 있듯이, 에러 신호가 0으로 평균되지 않는 경우에 적분이 무한대의 값을 갖게 되는 것을 방지한다.
일 실시예에서 적분기 리셋 신호는, 킥스타트가 작동하거나 관이 높은 진폭 수준으로 오버슈트할 때, 높다. 이러한 경우에 적분기 출력은 0으로 설정된다. 첫 번째 경우에, 적분기는 관이 오버슈트를 최소화하기 시작하려고 하는 동안에 이를 끝내려하지 않는다. 이를 보조하기 위하여, 관이 진폭까지 오는 동안에 적분기를 오프상태로 유지하도록 오프-지연(off-delay)이 사용된다. 관의 오버슈트 동안의 리셋은, 적분기가 다시 뒤로 감아져야 한다면 제어 시스템이 관의 진폭을 아래로 보다 빠르게 구동하도록 한다. 이러한 특성은 관이, 예를 들어 부유 공기에 의해, 주기 시간 동안 크게 댐핑을 받을 때, 및 예를 들어 공기가 정지되는 것과 같이 댐핑이 갑자기 제거될 때, 오버슈트에 대해 급격히 감소한다. 리셋 특성 없이, 적분기는 관이 댐핑받는 동안 전체 전류 한계에 있게 된다. 이후 댐핑이 제거되면, 적분기는 전체 전류로부터 벗어나게 되고 이후 더 작은 값에 일정한 그 시간에서 통합된다. 관은 오버슈트 특성에 대한 리셋없이 상당히 긴 시간 동안 매우 높은 진폭에 있게 된다.
도 17은 종래기술의 유동관 작동을 나타내는 두 개의 구동 신호 플롯을 포함한다. 본 도면은 종래 기술의 비선형 구동 제어 방식과 관련된 일부 문제점을 보여준다. 도면에서 상부의 플롯은 표준, 비선형 제어 루프가 관의 운동을 개시하는데 수초가 걸리며, 이후에 길고 느린 설정점 진폭으로의 접근이 이어지는 실질적인 오버슈트가 있다는 것을 보여준다. 아래의 플롯은 유사한 곡선을 도시하지만, 여기서는 초기 조건이 설정점 진폭보다 더 크며, 이는 구동이 종료되도록 한다. 이러한 플롯은 종래의 지글러-니콜스 튜닝 프로세스(Ziegler-Nichols tuning process)의 일부이다.
구동이 종료된 이후에 초기 개시(start-up)보다 개시하는데 더 긴 시간이 있다는 것을 주목하자, 이 중 일부는 유량계 센서의 때때로 매우 긴 시간 상수를 수반한다(아래 참조). 오버슈트가 뒤따르는 느린 개시는 비선형 구동 시스템의 특징이다. PID의 튜닝이 개시를 진척시킬 수 있고 오버슈트를 최소화할 수 있는 반면에, 기껏해야 튜닝은 비선형 시스템의 하나의 조건을 보상할 뿐이다. 결과로서, 노이즈가 많은 가스 유동, 슬러그(slug)/2 위상 유동, 또는 구동기 및 픽오프에 대한 구성 변화와 같은 교란(perturbation)에 매우 강하지 않은 구동 제어 루프를 초래한다.
통상의 유량계 구동 제어 루프는 두 가지 점에 관해서 비선형이다. 첫 번째로, 가장 명백하게, 비선형성은 피드백 속도에 이득이 곱해진다는 점이다. 정의에 의하여 이러한 곱셈은 비선형이다. 또한, 피승수의 하나로서 작용하는 픽오프 응답은 센서 동태에 의존하여 비선형성 센서에 종속하게 한다.
두 번째 비선형성은 약간 난해하다. 선형 센서 응답에 대한 식은 아래와 같으며,
Figure pat00006
여기서 H는 주파수 응답 함수이며, D는 동적인 행렬, X는 응답, 그리고 F는 힘이다.
중요한 가정이지만 이 식에서 통상적으로 빠진 것은 이 식이 공칭 작동 점에 관해서 선형화되었다는 점이다. 선형 시스템에 대한 식은 다음과 같이 더욱 정확하게 주어진다:
Figure pat00007
여기서 아래첨자(0)는 공칭 변위 및 공칭 힘을 언급한다. 표준 제어 루프가 공칭 힘 또는 공칭 진폭을 고려하지 않으므로, 전체 피드백 제어 시스템의 응답뿐만 아니라 센서의 응답은 설정점의 함수이다. 공칭 힘 및 진폭은 물론 픽오프 코일 및 구동의 BL 민감도 계수뿐만 아니라, 유량계 구조체의 댐핑, 강성, 및 질량에 종속된다.
일부 실시예의 계측 전자장치 및 방법은 시스템을 선형화하기 위해 피드백 제어 루프에서의 변화를 포함한다. 상술한 두 개의 비선형성을 설명하는, 시스템 선형화에 대한 두 개의 단계가 있다. 이들 중 하나(또는 이들 모두)는 본원발명의 향상된 구동 피드백 시스템에 장점을 제공하도록 사용될 수 있다. 이로써 구동을 확실하게 제어하는 선형 제어 루프가 초래된다. 또한, 본원발명은 센서 동력에서의 어떠한 변호에 대해서도 자동적으로 고려하면서 제어 루프를 선형화하여, 디자인이 주어진 어떠한 센서 디자인에도 확실하게 되도록 한다.
제1 선형화는 응답이 1이 되도록 함으로써 증가하는 비선형성을 제거한다. 이를 달성하는 방법은, 보정 인자 또는 트위들 신호(twiddle signal)의 사용, 디지털 사각파 구동에 대한 단위 사각파의 전환 등과 같은 다양한 방법이 있다. 이하의 방법은 피드백을 1로 표준화하기 위하여 이미 계산된 진폭 신호를 사용한다. 여전히 곱셈 작동이 있더라도, 1을 곱하는 것은 비선형성을 증가시키지 않는다.
도 18은 본원발명의 일 실시예에 따른 선형화된 구동 제어 블록 다이어그램(1800)을 도시한다. 이 도면에서, 픽오프 피드백은 도면의 하부에 있는 "PO 놈(Norm)" 블록의 진폭에 의해 표준화된다. 센서 동태의 어떠한 변화도 이 방법에 의하여 자동적으로 고려된다는 것을 주목하자. 제2 선형화는 설정점에 기초한 공침 힘을 포함한다. 진폭 설정점은 "공칭 이득" 블록으로 곱해지고 "전체 이득" 블록에서 비례-적분-미분(Proportional-Integral-Derivative)(PID) 이득에 추가된다. 공칭 이득 출력을 PID 이득에 더함으로써 효과적으로 0의 댐핑을 제공하는, 즉 한계적으로(marginally) 안정한 센서 시스템을 초래한다. 제어의 관점에서, 선형화된 시스템은 "수그러진(droopy)" 상태가 아니다, 즉 PID 출력은 시스템이 설정점에 도달할 때 0이다. 공칭 힘을 생성하기 위하여 에러가 요구되지 않는다. 공칭 이득이 센서 동태에 의존하는 반면, 제어 시스템은 이제 센서에 독립적이다. 결과적으로 최적화된 세트의 PID 이득이 매우 넓은 범위의 센서에 대해 작동할 것이다.
매우 수그러진 표준 제어 시스템에서, 비례 이득을 곱한 에러에 적분 이득을 곱한 통합 에러(integrated error)를 더한 것은 공칭 힘을 제공하기 위해 사용된다. 결과적으로 수그러짐(droopiness)의 정도는 센서의 질량, 강성, 및 댐핑에 매우 의존하게 된다.
이러한 방식에 대한 핵심은 공칭 이득값이다. 이러한 값은 여러 가지의 다양한 방법으로 구할 수 있다. 모드에 기초한 자기-특성화(self-characterizing) 센서 방식에서, 공칭 이득은 단지 측정된 댐핑값이다. 정확한 값을 생성하기 위해 단순화된 진단 방식이 사용될 수 있다. 공칭 이득은 개시(startup)시에 구동기의 단순한 "핑(ping)" 및 빠르고 가공되지 않은 시스템 ID를 수행함으로써 확인될 수 있다. 공칭 이득은 예를 들어 주파수, 측정된 구동 주파수 응답 함수(Frequency Response Function; FRF), 또는 RTD 저항에 기초한 검사 표(lookup table)에 존재할 수 있다.
측정된 이득을 얻는 용이한 대안은 0의 공칭 이득으로 센서가 개시하도록 하고, 표준 PID 루프에 의해 에러가 최소화된 이후에, PID 이득 숫자를 공칭 이득으로 전달하고 PID 적분기 출력을 리셋하도록 하는 것이다.
이러한 구성으로서, 0으로부터의 어떠한 PID 이득의 변화량도 센서, 장착, 또는 유동 조건에서의 변화에 기인한 시스템 변화를 지시하게 될 것이다. PID 이득의 단기 또는 장기 변화는 단순하고도 강력한 징후가 될 수 있다.
도 19는 본원발명의 일 실시예에 따른 선형화된 구동 제어의 그래프를 도시한다. 이 도면은 이러한 선형화가 개시 및 회복 시간을 줄이고, 시스템 응답의 속도를 높이며, PID 이득을 진폭에 대해 불변하도록 하는 것을 보여준다. 본 도면은 본원발명에 따른 개선이 2-상(two-phase) 유동과 같이 복잡한 유동에 대한 센서 성능을 증가시킬 것이라는 것을 보여준다.
도 19는 제1 선형화가 개시 오버슈트를 매우 감소시키고 설정점 진폭을 얻기 위해 요구되는 시간을 감소시킨다는 것을 보여준다. 양쪽 선형화를 모두 사용함으로써 실질적으로 오버슈트가 없게 되며 개시가 매우 빨라지게 된다. 도 19의 하부에는 제1 선형화가 회복 시간을 줄이는 것을 도시하고 있다. 양쪽 선형화를 모두 사용함으로써 어떠한 회복 시간도 제거하게 된다. 이러한 성능 증가를 얻기 위하여 선형화된 루프에 아무런 "이프(if)" 문장이 요구되지 않는다.
도 20은 선형화된 루프의 설정점 진폭 독립성을 보여준다. 진폭에 있어서 5 인자의 증가 및 감소에 있어서, 선형화된 제어 루프는 유사한, 표준 제어 루프에 대해 매우 향상된 성능을 보여준다. 예를 들어 빠른 응답, 적은 오버슈트/언더슈트, 빠른 개시/회복 등과 같은 매우 향상된 성능은 복잡한 유동에 대한 보다 나은 구동 성능으로 전환될 것이다. 구동 루프의 선형화 및 향상된 성능은 센서 형태, 구동기 및 픽오프의 설계자들에게 더 적은 제약조건을 주게 될 것이다.
본원발명에 따른 계측 전자장치 및 방법은 필요하다면 몇 가지 장점을 제공하기 위하여 어떠한 실시예에 따라서도 사용될 수 있다. 본원발명은 정확한 구동 신호를 제공한다. 본원발명은 임의의 방식의 픽오프 센서에 대한 구동 신호를 제공한다. 본원발명은 실질적으로 즉각적으로 구동 신호를 결정한다. 본원발명은 빠르고 정확하게 센서 신호를 따르는 구동 신호를 제공한다. 본원발명은 유동 조건의 변화에 대한 빠른 구동 신호 응답을 제공한다. 본원발명은 유동 물질에서의 유동 이상(anomalies)을 탐지하고 따르는 구동 신호를 제공한다.
본원발명은 구동 신호 위상이 위상에 있어서 센서 신호 위상과 위상에 실질적으로 고정된 구동 신호를 제공한다. 본원발명은 구동 신호 위상이 위상에 있어서 피드백을 사용하지 않고 실질적으로 고정되는 구동 신호를 제공한다. 본원발명은 출력 주파수 값을 제어하지 않는(또는 제어할 필요 없는) 구동 신호를 제공한다.
본원발명은 빠른 주파수 결정에 바람직하게 결합될 수 있는 빠른 위상 보상을 제공한다. 본원발명은 구동 신호에 대한 현행의 필요요건을 최소화한다. 본원발명은 부유된 공기 조건 및 엠티-풀-엠티 작동에 대한 더 좋은 유동관 응답을 제공한다. 본원발명은 유량계가 공진 주파수에 더 가깝게 구동할 수 있게 한다. 본원발명은 센서 신호에 대한 노이즈의 더욱 정확한 특성화를 가능하게 한다. 본원발명은 매우 정확한 유량계 진단의 실행을 가능하게 한다.

Claims (30)

  1. 진동 유량계(5)에 대한 구동 신호를 생성하기 위한 계측 전자장치(20)로서,
    상기 진동 유량계(5)로부터 센서 신호(210)를 수신하기 위한 인터페이스(201); 및
    상기 인터페이스(201)와 통신하는 처리 시스템(203)으로서, 상기 센서 신호(210)를 수신하고, 위상 편이된 센서 신호를 생성하기 위하여 상기 센서 신호(210)를 실질적으로 90도로 위상 편이하고, 상기 진동 유량계(5)의 주파수 응답으로부터 위상 편이값(θ)을 결정하고, 구동 신호 위상(213)을 생성하기 위하여 상기 위상 편이값(θ)을 상기 센서 신호(210) 및 위상 편이된 센서 신호와 결합하고, 상기 센서 신호(210) 및 위상 편이된 센서 신호로부터 센서 신호 진폭(214)을 결정하고, 상기 센서 신호 진폭(214)에 기초하여 구동 신호 진폭(215)을 생성하도록 구성되고, 상기 구동 신호 위상(213)이 센서 신호 위상(212)과 실질적으로 동일한, 처리 시스템(203); 을 포함하는,
    구동 신호를 생성하기 위한 계측 전자장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 위상 편이가 힐버트 변환에 의해 실행되는,
    구동 신호를 생성하기 위한 계측 전자장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 위상 편이값(θ)이 보상값을 포함하는,
    구동 신호를 생성하기 위한 계측 전자장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 위상 편이값(θ)의 결정이 상기 위상 편이값(θ)의 생성을 위하여 상기 주파수 응답을 주파수/위상 관계에 선형적으로 서로 관련시키는 과정을 포함하는,
    구동 신호를 생성하기 위한 계측 전자장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 센서 신호 진폭(214)의 결정이:
    센서 신호(210)를 나타내는 Acosωt 항을 수신하는 과정;
    상기 위상 편이로부터 Asinωt 항을 생성하는 과정;
    상기 Acosωt 항 및 상기 Asinωt 항을 제곱하는 과정; 및
    상기 센서 신호 진폭(214)의 결정을 위하여, 상기 제곱된 Acosωt 항 및 제곱된 Asinωt 항의 합의 제곱근을 얻는 과정을 포함하는,
    구동 신호를 생성하기 위한 계측 전자장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 구동 신호 진폭(215)의 생성이:
    상기 센서 신호 진폭(214)을 진폭 목표치(216)에 비교하는 과정; 및
    상기 구동 신호 진폭(215)을 생성하기 위하여 상기 센서 신호 진폭(214)을 스케일링하는 과정으로서, 상기 스케일링 과정이 상기 센서 신호 진폭(214)을 상기 진폭 목표치(216)에 비교하는 과정에 기초하는, 센서 신호 진폭(214)의 스케일링 과정; 을 더 포함하는,
    구동 신호를 생성하기 위한 계측 전자장치.
  7. 제1항에 있어서,
    유량계(5)의 개시시에 상기 구동 신호를 첩(chirp)하는 과정을 더 포함하는,
    구동 신호를 생성하기 위한 계측 전자장치.
  8. 제1항에 있어서,
    유량계(5)의 개시시에 상기 구동 신호를 첩(chirp)하는 과정을 더 포함하고, 상기 첩과정이 상기 유량계(5)가 개시할 때까지 두 개 또는 그 이상의 주파수 범위를 통해 일소(sweep)하는 과정을 포함하는,
    구동 신호를 생성하기 위한 계측 전자장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 구동 신호를 선형화하는 과정을 더 포함하는,
    구동 신호를 생성하기 위한 계측 전자장치.
  10. 제1항에 있어서,
    피크 탐지를 사용하여 제2 진폭을 계산하는 과정;
    상기 센서 신호 진폭(214)을 상기 제2 진폭에 비교하는 과정; 및
    상기 제2 진폭이 상기 센서 신호 진폭(214)보다 더 크다면 픽오프 센서에 대한 광대역 노이즈를 탐지하는 과정; 을 더 포함하는,
    구동 신호를 생성하기 위한 계측 전자장치.
  11. 진동 유량계(5)에 대한 구동 신호를 생성하기 위한 방법으로서,
    상기 유량계(5)로부터 센서 신호(210)를 수신하는 단계;
    위상 편이된 센서 신호를 생성하기 위하여 상기 센서 신호(210)를 실질적으로 90도로 위상 편이하는 단계;
    상기 센서 신호(210) 및 위상 편이된 센서 신호로부터 센서 신호 진폭(214)을 결정하는 단계;
    상기 센서 신호 진폭(214)에 기초하여 구동 신호 진폭(215)을 생성하는 단계; 및
    상기 구동 신호 진폭(215)을 포함하는 구동 신호를 생성하는 단계; 를 포함하는,
    구동 신호 생성 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 위상 편이 단계가 힐버트 변환에 의해 실행되는,
    구동 신호 생성 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 센서 신호 진폭(214)의 결정 단계가:
    센서 신호(210)를 나타내는 Acosωt 항을 수신하는 단계;
    상기 위상 편이로부터 Asinωt 항을 생성하는 단계;
    상기 Acosωt 항 및 상기 Asinωt 항을 제곱하는 단계; 및
    상기 센서 신호 진폭(214)의 결정을 위하여, 상기 제곱된 Acosωt 항 및 제곱된 Asinωt 항의 합의 제곱근을 얻는 단계; 를 포함하는,
    구동 신호 생성 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 구동 신호 진폭(215)의 생성 단계가:
    상기 센서 신호 진폭(214)을 진폭 목표치(216)에 비교하는 단계; 및
    상기 구동 신호 진폭(215)을 생성하기 위하여 상기 센서 신호 진폭(214)을 스케일링하는 단계로서, 상기 스케일링 과정이 상기 센서 신호 진폭(214)을 상기 진폭 목표치(216)에 비교하는 단계에 기초하는, 센서 신호 진폭(214)의 스케일링 단계; 를 더 포함하는,
    구동 신호 생성 방법.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 진동 유량계(5)의 주파수 응답으로부터 위상 편이값(θ)을 결정하는 단계;
    구동 신호 위상(213)을 생성하기 위하여 상기 위상 편이값(θ)을 상기 센서 신호(210) 및 위상 편이된 센서 신호와 결합하는 단계; 및
    상기 구동 신호에 상기 구동 신호 위상(213)을 포함시키는 단계로서, 상기 구동 신호 위상(213)이 센서 신호 위상(212)과 실질적으로 동일한, 포함 단계; 를 더 포함하는,
    구동 신호 생성 방법.
  16. 제11항에 있어서,
    위상 편이값(θ)의 생성을 위하여 상기 진동 유량계(5)의 주파수 응답을 주파수/위상 관계에 선형적으로 서로 관련시키는 단계;
    구동 신호 위상(213)을 생성하기 위하여 상기 위상 편이값(θ)을 상기 센서 신호(210) 및 위상 편이된 센서 신호와 결합하는 단계; 및
    상기 구동 신호에 상기 구동 신호 위상(213)을 포함시키는 단계로서, 상기 구동 신호 위상(213)이 센서 신호 위상(212)과 실질적으로 동일한, 포함 단계; 를 더 포함하는,
    구동 신호 생성 방법.
  17. 제11항에 있어서,
    유량계(5)의 개시시에 상기 구동 신호를 첩(chirp)하는 단계를 더 포함하는,
    구동 신호 생성 방법.
  18. 제11항에 있어서,
    유량계(5)의 개시시에 상기 구동 신호를 첩(chirp)하는 단계를 더 포함하고, 상기 첩 단계가 상기 유량계(5)가 개시할 때까지 두 개 또는 그 이상의 주파수 범위를 통해 일소(sweep)하는 단계를 포함하는,
    구동 신호 생성 방법.
  19. 제11항에 있어서,
    상기 구동 신호를 선형화하는 단계를 더 포함하는,
    구동 신호 생성 방법.
  20. 제11항에 있어서,
    피크 탐지를 사용하여 제2 진폭을 계산하는 단계;
    상기 센서 신호 진폭(214)을 상기 제2 진폭에 비교하는 단계; 및
    상기 제2 진폭이 상기 센서 신호 진폭(214)보다 더 크다면 픽오프 센서에 대한 광대역 노이즈를 탐지하는 단계; 를 더 포함하는,
    구동 신호 생성 방법.
  21. 진동 유량계(5)에 대한 구동 신호를 생성하기 위한 방법으로서,
    상기 진동 유량계(5)로부터 센서 신호(210)를 수신하는 단계;
    위상 편이된 센서 신호를 생성하기 위하여 상기 센서 신호(210)를 실질적으로 90도로 위상 편이하는 단계;
    상기 진동 유량계(5)의 주파수 응답으로부터 위상 편이값(θ)을 결정하는 단계;
    구동 신호를 생성하기 위하여 상기 위상 편이값(θ)을 상기 센서 신호(210) 및 위상 편이된 센서 신호와 결합하는 단계;
    상기 센서 신호(210) 및 위상 편이된 센서 신호로부터 센서 신호 진폭(214)을 결정하는 단계; 및
    상기 센서 신호 진폭(214)에 기초하여 구동 신호 진폭(215)을 생성하는 단계로서, 구동 신호 위상(213)이 센서 신호 위상(212)과 실질적으로 동일한, 생성 단계; 를 포함하는,
    구동 신호 생성 방법.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 위상 편이 단계가 힐버트 변환에 의해 실행되는,
    구동 신호 생성 방법.
  23. 제21항에 있어서,
    상기 위상 편이값(θ)이 보상값을 포함하는,
    구동 신호 생성 방법.
  24. 제21항에 있어서,
    상기 위상 편이값(θ)의 결정 단계가 상기 위상 편이값(θ)의 생성을 위하여 상기 주파수 응답을 주파수/위상 관계에 선형적으로 서로 관련시키는 단계를 포함하는,
    구동 신호 생성 방법.
  25. 제21항에 있어서,
    상기 센서 신호 진폭(214)을 결정하는 단계가:
    센서 신호(210)를 나타내는 Acosωt 항을 수신하는 단계;
    상기 위상 편이로부터 Asinωt 항을 생성하는 단계;
    상기 Acosωt 항 및 상기 Asinωt 항을 제곱하는 단계; 및
    상기 센서 신호 진폭(214)의 결정을 위하여, 상기 제곱된 Acosωt 항 및 제곱된 Asinωt 항의 합의 제곱근을 얻는 단계; 를 포함하는,
    구동 신호 생성 방법.
  26. 제21항에 있어서,
    상기 구동 신호 진폭(215)을 생성하는 단계가:
    상기 센서 신호 진폭(214)을 진폭 목표치(216)에 비교하는 단계; 및
    상기 구동 신호 진폭(215)을 생성하기 위하여 상기 센서 신호 진폭(214)을 스케일링하는 단계로서, 상기 스케일링 과정이 상기 센서 신호 진폭(214)을 상기 진폭 목표치(216)에 비교하는 단계에 기초하는, 센서 신호 진폭(214)의 스케일링 단계; 를 더 포함하는,
    구동 신호 생성 방법.
  27. 제21항에 있어서,
    유량계(5)의 개시시에 상기 구동 신호를 첩(chirp)하는 단계를 더 포함하는,
    구동 신호 생성 방법.
  28. 제21항에 있어서,
    유량계(5)의 개시시에 상기 구동 신호를 첩(chirp)하는 단계를 더 포함하고, 상기 첩 단계가 상기 유량계(5)가 개시할 때까지 두 개 또는 그 이상의 주파수 범위를 통해 일소(sweep)하는 단계를 포함하는,
    구동 신호 생성 방법.
  29. 제21항에 있어서,
    상기 구동 신호를 선형화하는 단계를 더 포함하는,
    구동 신호 생성 방법.
  30. 제21항에 있어서,
    피크 탐지를 사용하여 제2 진폭을 계산하는 단계;
    상기 센서 신호 진폭(214)을 상기 제2 진폭에 비교하는 단계; 및
    상기 제2 진폭이 상기 센서 신호 진폭(214)보다 더 크다면 픽오프 센서에 대한 광대역 노이즈를 탐지하는 단계; 를 더 포함하는,
    구동 신호 생성 방법.
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