KR20130093108A - 진동계의 진동 센서 구성요소의 온도를 결정하는 방법 및 장치 - Google Patents

진동계의 진동 센서 구성요소의 온도를 결정하는 방법 및 장치 Download PDF

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KR20130093108A
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윌리암 엠. 맨스필드
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Abstract

진동계(200)의 도관(203A, 203B)에 결합되는 진동 센서 구성요소(204A, 205A, 205'A)의 온도를 결정하는 방법이 제공된다. 상기 방법은 진동 센서 구성요소(204A, 205A, 205'A)에 온도 결정 신호(313)를 공급하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 또한, 결과적인 신호(314)를 측정하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 온도 결정 신호(313) 및 결과적인 신호(314)에 기초하여 센서 구성요소(204A, 205A, 205'A)의 온도를 결정하는 단계를 더 포함한다.

Description

진동계의 진동 센서 구성요소의 온도를 결정하는 방법 및 장치 {METHOD AND APPARATUS FOR DETERMINING A TEMPERATURE OF A VIBRATING SENSOR COMPONENT OF A VIBRATING METER}
본 발명은 진동계(vibrating meter), 보다 구체적으로는 진동계의 진동 센서 구성요소의 온도를 결정하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
예를 들어, 진동 농도계 및 코리올리 유량계와 같은 진동 센서는 일반적으로 알려져 있으며, 도관 내의 재료에 대한 질량 유량 및 그 외 다른 정보를 측정하는데 사용된다. 상기 재료는 유동적이거나 고정적일 수 있다. 예시적인 코리올리 유량계가 미국 특허 제4,109,524호, 미국 특허 제4,491,025호, 및 Re. 31,450호[모두 제이.이. 스미스(J.E. Smith) 등]에 개시되어 있다. 이들 유량계는 직선 또는 곡선 구성의 하나 이상의 도관을 구비한다. 코리올리 질량 유량계에서의 각각의 도관 구성은 일련의 고유 진동 모드를 구비하며, 이러한 고유 진동 모드는 단순한 굽힘, 비틀림, 또는 결합 유형의 것일 수 있다. 각각의 도관은 바람직한 모드에서 요동하도록 이루어질 수 있다.
유량계의 입구측 상의 연결 배관으로부터 유량계 내로 흐르는 재료 유동은 도관(들)을 통해 안내되고, 유량계의 출구측을 통해 유량계를 빠져 나간다. 진동 재료 충전식 시스템의 고유 진동 모드는 부분적으로는 도관의 합계 질량 및 도관 내를 흐르는 재료에 의해 형성된다.
유량계를 통과하는 유동이 전혀 없는 경우에는, 도관(들)에 인가되는 구동력은 도관(들)을 따르는 모든 지점이 동일한 위상 또는 작은 "원점 오프셋(zero offset)"으로 요동하게끔 하는데, 원점 오프셋은 영점 유동에서 측정된 시간 지연이다. 재료가 유량계를 통해 흐르기 시작하면, 코리올리력으로 인해 도관(들)을 따르는 각 지점이 상이한 위상을 갖게 된다. 예를 들어, 유량계의 입구 단부에서의 위상은 중심의 드라이버 위치에서의 위상보다 뒤쳐지는 반면, 출구에서의 위상은 중심 드라이버 위치에서의 위상보다 앞서간다. 도관(들) 상의 픽-오프 센서(pick-off sensor)가 도관(들)의 움직임을 나타내는 정현파적 신호를 생성한다. 픽-오프 센서로부터의 신호 출력은 픽-오프 센서들 사이의 시간 지연을 결정하도록 처리된다. 2개 이상의 픽-오프 센서들 사이의 시간 지연은 도관(들)을 통해 흐르는 재료의 질량 유량율에 비례한다.
드라이버에 연결된 계기 전자기기(meter electronics)는 드라이버를 작동하기 위한 구동 신호를 발생시키고 픽-오프 센서로부터 수신된 신호로부터 재료의 질량 유량율 및 다른 특성을 결정한다. 드라이버는 잘 알려진 많은 배열체 중 하나를 포함할 수 있지만, 자석 및 대향 구동 코일이 진동 계기 산업분야에서 대 성공을 거두었다. 적합한 구동 코일 및 자석 배열체의 예가 미국 특허 제7,287,438호 및 미국 특허 제7,628,083호에 제공되어 있고, 상기 미국 특허 양자는 문면상 마이크로 모션 인크.(Micro Motion, Inc.)에 양도되어 있으며, 본원에 참고로 포함된다. 요구되는 유동관 진동 및 주파수로 도관(들)을 요동시키기 위해, 교류가 구동 코일을 흐르게 된다. 또한, 드라이버 배열체와 매우 유사한 자석 및 코일 배열체로서 픽-오프 센서를 제공하는 것이 본 기술분야에 공지되어 있다. 그러나, 드라이버는 전류를 수용하고, 이것이 움직임을 유도하는 반면, 픽-오프 센서는 드라이버에 의해 제공되는 움직임을 사용하여 전압을 유도할 수 있다. 픽-오프 센서에 의해 측정된 시간 지연의 크기는 매우 작으며; 종종 나노초(nanoseconds) 크기로 측정된다. 따라서, 변환기 출력을 매우 정밀하게 할 필요가 있다.
도 1은 유량계(10) 및 계기 전자기기(20)를 포함하는 코리올리 유량계의 형태인 종래 기술의 진동 센서 조립체(5)의 일 예를 예시한다. 계기 전자기기(20)는 예를 들어, 밀도, 질량 유량율, 체적 유량율, 총 질량 유량, 온도, 및 다른 정보와 같은 유동 재료의 특성을 측정하기 위해 유량계(10)에 연결된다.
유량계(10)는 한 쌍의 플랜지(101 및 101'), 매니폴드(102 및 102'), 및 도관(103A 및 103B)을 포함한다. 매니폴드(102, 102')는 도관(103A, 103B)의 양 단부에 부착된다. 종래 기술의 코리올리 유량계의 플랜지(101 및 101')는 스페이서(106)의 양 단부에 부착된다. 스페이서(106)는 도관(103A 및 103B)에서의 원치 않는 진동을 방지하기 위해, 매니폴드(102, 102') 사이의 간격을 유지시킨다. 도관(103A 및 103B)은 본질적으로 평행하게 매니폴드로부터 외측으로 연장된다. 유량계(10)가 유동 재료를 운반하는 배관 시스템(도시되지 않음) 내로 삽입된 때, 상기 재료는 플랜지(101)를 통해 유량계(10)로 진입하고, 재료 전부가 도관(103A 및 103B)으로 진입하도록 안내되는 입구 매니폴드(102)를 통과하며, 도관(103A 및 103B)을 통해 유동하여, 재료 전부가 플랜지(101')를 통해 유량계(10)를 빠져 나가는 출구 매니폴드(102')로 복귀한다.
종래 기술의 유량계(10)는 드라이버(104)를 포함한다. 드라이버(104)는 드라이버(104)가 예를 들어, 구동 모드에서 도관(103A, 103B)을 진동시킬 수 있는 위치에서 도관(103A 및 103B)에 부착된다. 보다 구체적으로, 드라이버(104)는 도관(103A)에 부착되는 제1 드라이버 구성요소(도시되지 않음) 및 도관(103B)에 부착되는 제2 드라이버 구성요소(도시되지 않음)를 포함한다. 드라이버(104)는 도관(103A)에 장착되는 코일 및 도관(103B)에 장착되는 대향 자석과 같이 잘 알려진 많은 배열체 중 하나를 포함할 수 있다.
종래 기술의 코리올리 유량계의 본 예에서, 구동 모드는 제1 위상 이탈 굽힘 모드이고, 도관(103A, 103B)은 각각 굽힘 축선(W-W 및 W'-W')에 대해 실질적으로 동일한 질량 분포, 관성 모멘트, 및 탄성 계수를 갖는 평형 시스템을 제공하도록, 선택되어 입구 매니폴드(102) 및 출구 매니폴드(102')에 적절하게 장착된다. 구동 모드가 제1 위상 이탈 굽힘 모드인 본 예에서, 도관(103A 및 103B)은 각각의 굽힘 축선(W-W 및 W'-W')에 대해 양 방향으로 드라이버(104)에 의해 구동된다. 교류 형태의 구동 신호는 예를 들어, 경로(110)를 통해서 계기 전자기기(20)에 의해 제공될 수 있으며, 코일을 통해 흘려져 양 도관(103A 및 103B)이 요동하도록 할 수 있다. 당업자들은 종래 기술의 코리올리 유량계에 의해 다른 구동 모드가 사용될 수 있음을 주목할 것이다.
도시된 유량계(10)는 도관(103A, 103B)에 부착되는 한 쌍의 픽-오프(105, 105')를 포함한다. 보다 구체적으로, 제1 픽-오프 구성요소(도시되지 않음)는 도관(103A) 상에 위치되고, 제2 픽-오프 구성요소(도시되지 않음)는 도관(103B) 상에 위치된다. 개시된 예에서, 픽-오프(105, 105')는 도관(103A, 103B)의 속도 및 위치를 나타내는 픽-오프 신호를 생성하는 전자기 검출기, 예를 들어 픽-오프 자석 및 픽-오프 코일일 수 있다. 예를 들어, 픽-오프(105, 105')는 픽-오프 신호를 경로(111, 111')를 통해 계기 전자기기(20)에 공급할 수 있다. 당업자는 도관(103A, 103B)의 움직임이 유동 재료의 특정 특성, 예를 들어 도관(103A, 103B)을 통해 유동하는 재료의 질량 유량율 및 밀도에 비례한다는 것을 인식할 것이다.
도 1에 도시된 예에서, 계기 전자기기(20)는 픽-오프(105, 105')로부터 픽-오프 신호를 수신한다. 통로(26)는 하나 이상의 계기 전자기기(20)가 작업자와 인터페이스할 수 있도록 하는 입력 및 출력 수단을 제공한다. 계기 전자기기(20)는 예를 들어, 위상차, 주파수, 시간 지연, 밀도, 질량 유량율, 체적 유량율, 총 질량 유량, 온도, 계기 검증, 및 다른 정보와 같은 유동 재료의 특성을 측정한다. 보다 구체적으로, 계기 전자기기(20)는 예를 들어, 픽-오프(105, 105') 및 하나 이상의 온도 센서(130)로부터 하나 이상의 신호를 수신한다.
코리올리 유량계에 의해 달성될 수 있는 초정밀 측정값뿐만 아니라 상대적으로 작은 위상 지연으로 인해, 유동 도관 중 적어도 하나의 온도는 전형적으로 저항 온도 측정기(RTD)(130)와 같은 온도-측정 장치를 사용하여 측정된다. 공정 재료의 온도가 급속하게 변하지 않으면, 유동 도관의 온도는 공정 재료의 온도와 관련되고, 유체, RTD, 및 주위 온도 사이의 열적 임피던스에 비례한다. 따라서, 도관의 온도가 측정될 수 있다면, 유체의 온도는 특정 응용예에 따를 수 있는 허용되는 정확도 내에서 결정될 수 있다. 따라서, 종래 기술의 코리올리 유량계(10)와 같은 종래 기술의 진동계는 유동 도관의 온도를 측정하기 위해 잘 알려진 RTD(130)를 사용한다. 일부 종래 기술의 시스템에서, 도관, 도관을 둘러싸는 케이스, 브레이스 바 등의 온도 측정값을 얻기 위해 다수의 RTD로 다수의 측정을 취하게 된다.
RTD는 정확한 온도 측정을 제공하는 것으로 널리 받아 들여지고 있다. RTD는 RTD에 전력을 인가하고 RTD의 저항을 계산함으로써 작동한다. 이는 전형적으로, 알려져 있는 전류를 RTD를 통해 공급하고 결과적인 전압을 측정하여 저항을 계산함으로써 이루어진다. RTD의 저항은 온도에 정비례한다. 예를 들어, 많은 RTD는 대략 0.0039/℃인 비교적 선형의 저항 온도 계수를 갖는 백금으로 제조된다. 따라서, RTD는 결정된 RTD의 저항에 기초하여 온도를 제공하도록 교정될 수 있다. RTD는 정확하고 안정되며 상당히 선형적이라는 이점을 가지며, 넓은 온도 범위를 갖는다. 그러나, RTD를 사용하는 주요 단점 중 하나는 RTD의 동작과 관련된 증가된 비용이다. 증가된 비용은 RTD에 전형적인 저신호 수준의 신호 처리뿐만 아니라 RTD 자체의 비용의 결과이다. RTD와 관련된 증가된 비용이 일부 상황에서는 당연시될 수 있지만, 다른 상황에서는 RTD에 의해 제공되는 일정한 온도 측정 또는 고정밀도를 필요로 하지 않는다. 이러한 예의 하나는 공정 유체의 온도가 상대적으로 안정되게 유지되는 상황에 있다. 이 상황에서는 예상되는 온도 범위가 상대적으로 제한적이고, 온도 영향이 밀도 또는 체적 측정값에 비해 감소되기 때문에, RTD는 요구되지 않을 수 있다.
따라서, 본 기술 분야에서는 기존의 센서 구성요소를 사용하는 진동계의 도관 중 적어도 하나의 온도 측정을 제공할 필요성이 존재한다. 즉, 종래 기술의 코리올리 유량계(10)의 RTD(130)와 같은 추가 구성요소를 필요로 함이 없이, 온도 측정을 제공할 필요성이 존재한다. 본 발명은 이들 및 다른 문제를 극복하고, 본 기술 분야의 진전을 달성한다.
진동계의 도관에 결합되는 진동 센서 구성요소의 온도를 결정하기 위한 방법이 본 발명의 일 실시예에 따라 제공된다. 상기 방법은 진동 센서 구성요소에 온도 결정 신호를 공급하는 단계 및 결과적인 신호를 측정하는 단계를 포함한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 방법은 온도 결정 신호 및 결과적인 신호에 기초하여 센서 구성요소의 온도를 결정하는 단계를 더 포함한다.
진동 센서의 도관에 결합되는 센서 구성요소의 온도와 전압-대-전류 비 사이의 상관관계를 생성하기 위한 방법이 본 발명의 일 실시예에 따라 제공된다. 상기 방법은 센서 구성요소에 시험 신호를 공급하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 제1 결과적인 신호를 측정하는 단계, 및 시험 신호와 결과적인 신호에 기초하여 제1 전압-대-전류 비를 결정하는 단계를 더 포함한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 방법은 센서 구성요소의 제1 온도를 측정하는 단계 및 측정된 제1 온도와 함께 결정된 제1 전압-대-전류 비를 저장하는 단계를 더 포함한다.
하나 이상의 도관 및 하나 이상의 도관에 결합되는 하나 이상의 센서 구성요소를 포함하는 진동계용 계기 전자기기가 본 발명의 일 실시예에 따라 제공된다. 계기 전자기기는 하나 이상의 센서 구성요소 중 하나의 센서 구성요소에 온도 결정 신호를 공급하도록 구성되는 처리 시스템을 포함한다. 처리 시스템은 또한, 결과적인 신호를 측정하도록 구성된다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 방법은 또한, 온도 결정 신호 및 결과적인 신호에 기초하여 센서 구성요소의 온도를 결정하도록 구성된다.
태양
본 발명의 일 태양에 따르면, 진동계의 도관에 결합되는 진동 센서 구성요소의 온도를 결정하는 방법은,
상기 진동 센서 구성요소에 온도 결정 신호를 공급하는 단계와,
결과적인 신호를 측정하는 단계와,
상기 온도 결정 신호 및 상기 결과적인 신호에 기초하여 상기 센서 구성요소의 온도를 결정하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 센서 구성요소의 온도를 결정하는 단계는,
상기 온도 결정 신호 및 측정된 상기 결과적인 신호로부터 전압-대-전류 비를 결정하는 단계와,
결정된 상기 전압-대-전류 비와 온도 사이의 상관관계에 기초하여 센서의 온도를 결정하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 온도 결정 신호는 공정 유체를 포함하는 진동계의 도관의 공진 주파수와 실질적으로 동일한 주파수의 교류를 포함하고, 상기 방법은,
미리 정해진 시간 동안 상기 온도 결정 신호를 제거하는 단계와,
전압을 측정하는 단계와,
역기전력을 결정하는 단계와,
상기 역기전력에 대해 상기 전압-대-전류 비를 보상하는 단계를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 온도 결정 신호는 공정 유체를 포함하는 진동계의 도관의 공진 주파수와는 상이한 주파수의 교류를 포함한다.
바람직하게는, 상기 온도 결정 신호는 공정 유체를 포함하는 진동계의 도관의 공진 주파수와 실질적으로 동일한 교류를 포함한다.
바람직하게는, 상기 온도 결정 신호는 교류를 포함하고, 상기 결과적인 신호는 전압을 포함한다.
바람직하게는, 상기 온도 결정 신호는 고정 전압을 포함하고, 상기 결과적인 신호는 전류를 포함한다.
바람직하게는, 상기 센서 구성요소는 구동 코일을 포함한다.
바람직하게는, 상기 센서 구성요소는 픽-오프 센서 코일을 포함한다.
본 발명의 다른 태양에 따르면, 진동 센서의 도관에 결합되는 센서 구성요소의 온도와 전압-대-전류 비 사이의 상관관계를 생성하는 방법은,
상기 센서 구성요소에 시험 신호를 공급하는 단계와,
제1 결과적인 신호를 측정하는 단계와,
상기 시험 신호 및 상기 결과적인 신호에 기초하여 제1 전압-대-전류 비를 결정하는 단계와,
상기 센서 구성요소의 제1 온도를 측정하는 단계와,
측정된 상기 제1 온도와 함께, 결정된 상기 제1 전압-대-전류 비를 저장하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 방법은,
상기 센서 구성요소의 제2 온도를 측정하는 단계와,
상기 센서 구성요소의 제2 온도가 상기 제1 온도로부터 한계값을 초과하여 변화된 경우, 적어도 제2 전압-대-전류 비를 결정하기 위해 제2 결과적인 신호를 측정하는 단계와,
상기 제2 온도와 함께 상기 제2 전압-대-전류 비를 저장하는 단계를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 센서 구성요소는 구동 코일을 포함한다.
바람직하게는, 상기 센서 구성요소는 픽-오프 센서 코일을 포함한다.
바람직하게는, 상기 시험 신호는 교류를 포함하고, 상기 결과적인 신호는 전압을 포함한다.
바람직하게는, 상기 시험 신호는 고정 전압을 포함하고, 상기 결과적인 신호는 전류를 포함한다.
본 발명의 다른 태양에 따르면, 하나 이상의 도관 및 상기 하나 이상의 도관에 결합되는 하나 이상의 센서 구성요소를 포함하는 진동계용 계기 전자기기는 처리 시스템을 포함하고, 상기 처리 시스템은,
상기 하나 이상의 센서 구성요소 중 하나의 센서 구성요소에 온도 결정 신호를 공급하고,
결과적인 신호를 측정하며,
상기 온도 결정 신호 및 상기 결과적인 신호에 기초하여 상기 센서 구성요소의 온도를 결정하도록 구성된다.
바람직하게는, 상기 처리 시스템은 추가로,
상기 온도 결정 신호 및 상기 결과적인 신호에 기초하여 전압-대-전류 비를 결정하고,
결정된 상기 전압-대-전류 비와 온도 사이의 상관관계에 기초하여 상기 센서 구성요소의 온도를 결정하도록 구성된다.
바람직하게는, 상기 온도 결정 신호는 공정 유체를 포함하는 진동계의 도관의 공진 주파수와 실질적으로 동일한 주파수의 교류를 포함하고, 상기 처리 시스템은 추가로,
미리 정해진 시간 동안 상기 온도 결정 신호를 제거하고,
전압을 측정하며,
역기전력을 결정하고,
상기 역기전력에 대해 상기 전압-대-전류 비를 보상하도록 구성된다.
바람직하게는, 상기 온도 결정 신호는 공정 유체를 포함하는 진동계의 도관의 공진 주파수와는 상이한 주파수의 교류를 포함한다.
바람직하게는, 상기 온도 결정 신호는 공정 유체를 포함하는 진동계의 도관의 공진 주파수와 실질적으로 동일한 주파수의 교류를 포함한다.
바람직하게는, 상기 온도 결정 신호는 교류를 포함하고, 상기 결과적인 신호는 전압을 포함한다.
바람직하게는, 상기 온도 결정 신호는 고정 전압을 포함하고, 상기 결과적인 신호는 전류를 포함한다.
바람직하게는, 상기 센서 구성요소는 구동 코일을 포함한다.
바람직하게는, 상기 센서 구성요소는 픽-오프 코일을 포함한다.
도 1은 종래 기술의 코리올리 센서 조립체를 도시하는 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 진동계를 도시하는 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 계기 전자기기를 도시하는 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 결정 루틴을 도시하는 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 구동 코일에 대한 저항과 온도 사이의 상관관계의 그래프를 도시하는 도면.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 구동 신호 온도 루틴을 도시하는 도면.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 상관관계 루틴을 도시하는 도면.
도 2 내지 도 7 및 이하의 설명은 본 발명의 최상의 모드를 형성하고 사용하는 방법을 당업자에게 교시하기 위해 특정 예들을 개시한다. 본 발명의 원리를 교시하기 위해, 일부 통상적인 측면은 단순화되거나 생략되었다. 당업자는 본 발명의 범주 내에 포함되는 이들 예로부터의 변형예들을 인식할 것이다. 당업자는 이하 개시되는 특징들이 다양한 방식으로 결합되어 본 발명의 다수의 변형예를 형성한다는 점을 인식할 것이다. 결과적으로, 본 발명은 이하에 개시되는 특정 예들로 한정되지 않으며, 청구의 범위 및 이의 등가물에 의해서만 한정된다.
도 2는 센서 조립체(210) 및 하나 이상의 계기 전자기기(220)를 포함하는 계기의 형태인 진동계(200)를 도시한다. 진동계(200)는 코리올리 유량계, 체적 유량계, 진동 농도계 등을 포함할 수 있다. 따라서, 본 발명은 코리올리 유량계로 한정되어서는 안 된다. 계기 전자기기(220)는 예를 들어, 통로(226) 전반의 유체 밀도, 질량 유량율, 체적 유량율, 총 질량 유량, 온도, 및 다른 정보와 같은 물질의 하나 이상의 특성을 측정하기 위해, 리드(215)를 통해 센서 조립체(210)에 연결된다. 종래 기술의 유량계(5)와 공통되는 구성요소는 유사한 도면부호를 공유하지만, "1"이 아닌 "2"로 시작한다. 예를 들어, 종래 기술의 도관은 도면부호 "103A" 및 "103B"가 붙는 반면, 본 발명의 도관은 "203A" 및 "203B"가 붙는다.
또한, 드라이버(204)는 제1 부분(204A) 및 제2 부분(204B)을 포함하는 것으로 도시된다. 일 예시적 실시예에서, 제1 부분(204A)은 코일을 포함하는 반면, 제2 부분(204B)은 자석을 포함한다. 제1 및 제2 부분(204A, 204B)은 브레이징(brazing), 접합, 용접, 접착, 기계적 체결구 등과 같은 잘 알려진 기술에 따라 각각 도관(203A, 203B)에 결합된다. 제1 및 제2 부분(204A, 204B)은 자석-코일 조합체로 한정되지 않고, 오히려 이하에서 개시되는 바와 같이 전기 구동 신호를 수신하고 온도와 상관관계를 가질 수 있는 전기 저항이 걸리는 다른 공지된 드라이버 시스템을 포함할 수 있다. 다른 예에는 피에조 전기 드라이버 시스템이 포함될 수 있다. 따라서, 본 개시내용은 드라이버 및 픽-오프 코일(204A, 205A, 205'A)을 논하지만, 다른 유형의 센서 구성요소가 사용될 수도 있음을 인식해야 한다. 2개의 별도의 구성요소를 포함하는 것으로 도시되어 있는 드라이버(204)에 더해, 픽-오프 센서(205, 205')는 제1 및 제2 부분(205A, 205B, 205'A, 및 205'B)을 포함하는 것으로 도시된다. 드라이버(204)와 유사하게, 픽-오프 센서(205, 205')는 코일이 제1 부분(205A, 205'A)을 포함하고, 자석이 제2 부분(205B, 205'B)을 포함하는 자석-코일 조합체를 포함할 수 있다.
비록, 진동계(200)가 2개의 도관(203A, 203B)을 포함하는 것으로 도시되지만, 진동계(200)는 2개 보다 많거나 적은 도관을 포함할 수 있음을 인식해야 한다. 예를 들어, 진동계(200)가 단일 도관 시스템을 포함한다면, 드라이버 및 픽-오프의 제1 부분(204A, 205A, 205'A)은 도관에 결합될 수 있는 반면에, 제2 부분(204B, 205B 및 205'B)은 예를 들어, 고정 물체에 결합될 수 있다. 따라서, 리드(210, 211, 211')를 통해 계기 전자기기(220)와 연통하는 픽-오프(205, 205') 및 드라이버(204)의 부분은 단일 도관에 결합될 수 있다. 또한, 도관(203A, 203B)은 곡선형 도관을 포함하는 것으로 도시되어 있지만, 진동계(200)는 직선형 도관 구성을 포함할 수 있다.
진동계(200)는 도관(203A, 203B) 중 하나 이상의 온도 측정을 얻는 것을 제외하고는, 종래 기술의 유량계(5)와 거의 동일한 방식으로 작동된다. 전술한 바와 같이, 종래 기술의 진동계는 RTD를 도관에 결합하고, RTD에 전류를 인가하여, 결과적인 전압을 측정함으로써 온도를 결정한다. 인가된 전류와 함께 결과적인 전압은 RTD의 저항을 결정하는데 사용된다. 이때, RTD의 저항은 특정 온도와 상관관계가 있다. 알 수 있듯이, 본 발명의 진동계(200)는 RTD를 포함하지 않는다. 유리하게는, 배선 및 회로뿐만 아니라 RTD와 관련된 비용이 필요 없게 된다. 그러나, 온도 측정은 본 발명의 진동계(200)에 의해 요구될 수 있는데, 본 발명의 일 실시예에 따르면 이는 이하 보다 상세하게 개시되는 바와 같이 센서 구성요소 중 하나 이상의 온도를 결정함으로써 얻을 수 있다. 본 출원에서 사용된 바와 같이, "센서 구성요소"는 진동 도관(203A, 203B) 중 하나 이상에 진동을 부여하거나 상기 진동 도관 중 하나 이상으로부터 진동을 수용하기 위해 사용되는 변환기를 포함한다. 센서 구성요소의 예에는 구동 코일(204)과 같은 구동 코일, 픽-오프 코일(205A, 205'A)과 같은 픽-오프 코일, 광 다이오드 픽-오프 센서, 피에조-전기 드라이버 등이 있다. 진동 센서 구성요소(204A, 205A, 205'A) 중 적어도 하나의 온도는 계기 전자기기(220)에 의해 제공되는 것과 같은 하나 이상의 작동 루틴에 따라 결정될 수 있다. 센서 구성요소의 온도로부터, 도관(203A, 203B) 내의 공정 유체뿐만 아니라 도관(203A, 203B)의 온도가 결정될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 계기 전자기기(220)를 도시한다. 계기 전자기기(220)는 인터페이스(301) 및 처리 시스템(303)을 포함할 수 있다. 처리 시스템(303)은 저장 시스템(304)을 포함할 수 있다. 저장 시스템(304)은 도시된 바와 같은 내부 메모리를 포함할 수 있으며, 또는 대안적으로 외부 메모리를 포함할 수 있다. 계기 전자기기(220)는 구동 신호(311)를 생성할 수 있고, 이 구동 신호(311)를 드라이버(204)에, 보다 구체적으로는 도 2에 도시된 리드(210)를 통해 구동 코일(204A)에 공급할 수 있다. 계기 전자기기(220)는 또한, 온도 결정 신호(313)를 생성할 수 있고 이 온도 결정 신호(313)를 구동 코일(204A)에 공급할 수 있다. 또한, 계기 전자기기(220)는 유량계(210)로부터, 예를 들어 픽-오프 센서(205, 205')로부터 도 2에 도시된 리드(211, 211')를 통해 센서 신호(310)를 수신할 수 있다. 일부 실시예에서, 센서 신호(310)는 드라이버(204)로부터 수신될 수 있다. 이러한 구성은 문면상 마이크로 모션 인크.에 양도된 미국 특허 제6,230,104호로부터 공지되어 있으며, 이 특허 문헌은 본 명세서에 참고로 포함된다. 계기 전자기기(220)는 농도계로서 작동하거나, 코리올리 질량 유량계로서 작동하는 것을 포함하여 질량 유량계로서 작동할 수 있다. 계기 전자기기(220)는 또한, 일부 다른 유형의 진동 센서 조립체로서 작동할 수 있고, 제공된 특정 예들은 본 발명의 범주를 한정해서는 안 된다는 점을 인식해야 한다. 계기 전자기기(220)는 도관(203A, 203B)을 통해 흐르는 재료의 하나 이상의 유동 특성을 얻기 위해, 센서 신호(310)를 처리할 수 있다. 일부 실시예에서, 계기 전자기기(220)는 또한, 이하 보다 상세하게 설명되는 바와 같이, 픽-오프(205, 205') 또는 드라이버(204) 중 하나 이상의 온도를 결정하기 위해, 센서 신호(310)를 처리하여 전압-대-전류 비(V/I)를 결정할 수 있다.
인터페이스(301)는 드라이버(204) 또는 픽-오프 센서(205, 205')로부터 리드(210, 211, 211')를 통해 센서 신호(310)를 수신할 수 있다. 인터페이스(301)는 포멧팅(formatting), 증폭, 버퍼링(buffering) 등의 임의의 방식과 같은 임의의 필요하거나 요구되는 신호 조절을 실행할 수 있다. 대안적으로, 신호 조절의 일부 또는 전부는 처리 시스템(303)에서 행해질 수 있다. 또한, 인터페이스(301)는 계기 전자기기(220)와 외부 장치 사이의 통신을 가능하게 할 수 있다. 인터페이스(301)는 전자기기, 광학기기, 또는 무선 통신의 임의의 방식이 가능할 수 있다.
일 실시예에서 인터페이스(301)는 디지타이저(도시되지 않음)를 포함할 수 있으며, 센서 신호(310)는 아날로그 센서 신호를 포함한다. 디지타이저는 아날로그 센서 신호를 표본화 및 디지털화할 수 있고 디지털 센서 신호를 생성할 수 있다. 디지타이저는 또한, 임의의 필요한 간축(decimation)을 행할 수 있으며, 디지털 센서 신호는 필요한 신호 처리량을 감소시키고 처리 시간을 줄이기 위해 간축된다.
처리 시스템(303)은 계기 전자기기(220)의 작동을 지휘할 수 있고, 유량계(210)로부터의 유량 측정값을 처리할 수 있다. 처리 시스템(303)은 온도에 대해 보상되는 하나 이상의 유량 특성을 생성하기 위해 유량 측정값을 처리하는 것뿐만 아니라, 온도 결정 루틴(313), 구동 신호 온도 루틴(318), 및 온도 상관관계 루틴(320)과 같은 하나 이상의 처리 루틴을 실행하는데 필요한 데이터 처리를 행할 수 있다.
처리 시스템(303)은 범용 컴퓨터, 마이크로 처리 시스템, 논리 회로, 또는 일부 다른 범용 또는 주문 제작형 처리 장치를 포함할 수 있다. 처리 시스템(303)은 다수의 처리 장치 사이에 분포될 수 있다. 처리 시스템(303)은 저장 시스템(304)과 같은 임의의 종류의 일체형 또는 독립형 전자 저장 매체를 포함할 수 있다.
계기 전자기기(220)는 본 기술 분야에서 일반적으로 공지되어 있는 다양한 다른 구성요소 및 기능을 포함할 수 있다는 점을 이해해야 한다. 이들 추가적인 특징들은 간략화를 위해 개시내용 및 도면으로부터 생략된다. 따라서, 본 발명은 도시되고 설명된 특정 실시예로 한정되어서는 안 된다.
처리 시스템(303)이 예를 들어, 질량 유량율 또는 체적 유량율과 같은 다양한 유량 특성을 생성할 때, 오차는 공정 유체, 도관(203A, 203B), 또는 이들 양자의 온도에 있어서의 변화로 인해, 상기 생성된 특성과 관련될 수 있다. 예를 들어, 도관의 온도에 있어서의 변화는 예를 들어, 방정식 (1)에 따라 질량 유량율을 생성하는데 사용되는 계기의 유량 교정 인자(FCF)에 영향을 미칠 수 있다.
Figure pct00001
(1)
여기서,
Figure pct00002
은 질량 유량율이고;
FCF는 유량 교정이며;
Figure pct00003
은 픽-오프들(205, 205') 사이에서 측정된 시간 지연이고;
Figure pct00004
는 영점 유량에서의 픽-오프들 사이에서의 초기 시간 지연이다.
유량 교정 인자는 무엇보다 도관(203A, 203B)의 탄성률에 의해 영향을 받는다. 도관(203A, 203B)의 탄성률은 온도에 따라 변한다. 따라서, 도관(203A, 203B)의 온도가 고려되지 않는다면, 유량 교정 인자는 정확할 수 없고, 결과적으로 부정확한 유량율 측정값을 야기한다.
도 1과 관련하여 전술한 바와 같이, 진동계(200)를 작동시키는 동안, 일반적으로 교류의 형태인 구동 신호(311)가 계기 전자기기(220)에 의해 제공되어 경로(210)를 통해 드라이버(204)의 코일을 여기시킬 수 있다. 드라이버(204)용으로 사용된 코일(204A)의 저항은 RTD와 유사한 방식으로 온도에 따라 변화하기 때문에, 도관(203A, 203B) 중 하나에 결합되는 코일의 저항(또는 교류 사용 시 임피던스)이 결정될 수 있으면, 코일의 온도 또한, 예를 들어 미리 계산된 상관관계에 기초하여 결정될 수 있다. 일단 시스템이 정상 상태에 도달하면, 코일의 온도는 도관(203A, 203B)의 온도와 실질적으로 동일하다. 정상 상태는 도관이 예를 들어, 계기 케이스(도시되지 않음)에 의해 잘 절연된 때 순식간에 달성될 수 있다. 공정 유체의 온도로 정상 상태가 도달되면, 도관(203A, 203B)의 온도는 공정 유체의 온도와 실질적으로 동일할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 드라이버(204) 및 리드(210)는 구동 신호(311) 및/또는 온도 결정 신호(313)의 형태로 인가되는 교류로 여기되는 회로로서 개시될 수 있다. 옴의 법칙에 따르면, 교류가 회로에 인가된 때, 결과적인 전압은 회로의 임피던스, 본 경우에는 구동 코일(204A)의 임피던스에 의존한다. 이는 방정식 (2)에서 알 수 있다.
Figure pct00005
(2)
여기서,
V는 전압이고;
R은 저항이며;
j는 -1의 제곱근이고;
f는 교류의 주파수이며;
L은 코일(204A)의 인덕턴스이고;
I는 전류이다.
방정식 (2)는 임피던스(R+j2πL)를 풀기 위해 재배열될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 코일은 교류보다는 직류로 여기될 수 있다. 인식할 수 있는 바와 같이, 직류가 사용되는 경우, DC 신호는 어떠한 인덕턴스도 생성하지 않기 때문에, 방정식 (2)는 방정식 (3)으로 축소된다.
Figure pct00006
(3)
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 교류를 구동 코일(204A)에 인가 시 계산을 단순화하기 위해, 유도 리액턴스 항(j2πfL)은 무시될 수 있다. 이는 교류의 주파수가 상대적으로 작을 때 허용 가능할 수 있으며, 이로써 저항 항이 실질적으로 더 커진다. 예를 들어, 전형적인 구동 신호(311)는 대략 250 Hz에 있을 수 있으나, 온도를 결정하기 위해 코일에 제공된 신호가 대략 100 Hz로 감소하면, 유도 리액턴스 항은 무시될 수 있다. 결과적으로, 임피던스는 종종 저항으로 단순화될 수 있기 때문에, 개시내용의 나머지 부분에서는 달리 특정되지 않는 한, AC 신호가 제공되는 경우라도 전압-대-전류 비(V/I)를 "저항"의 측면에서 나타낸다. 당업자는 보다 높은 정밀도가 요구되는 경우, 인가된 신호에 대해 공지된 인덕턴스(L)를 사용하거나, 예를 들어 초기 교정 동안 결정되는 것과 같은 코일의 인덕턴스 및 AC 신호의 주파수에 기초하여 유도 리액턴스 항(j2πfL)을 계산함으로써, 코일(204A)의 인덕턴스가 고려될 수 있다는 점을 쉽게 인지할 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 도관(203A, 203B) 중 적어도 하나의 온도는 이하의 방법 중 하나에 따라 결정될 수 있다. 이하에서 개시되는 방법 각각에서, 온도는 구동 신호를 포함할 수 있는 온도 결정 신호 및 측정된 결과적인 신호로부터 결정된다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 온도는 RTD의 저항과 온도 사이의 상관관계 대신 관련된 센서 구성요소의 온도와 V/I 비 사이의 상관관계로부터 결정된다. 유리하게는, 본 발명은 온도를 결정하기 위해 기존의 센서 구성요소를 사용한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 계기 전자기기(220)는 온도 결정 루틴(312)에 따라 센서 구성요소(204A, 205A, 205'A) 중 적어도 하나의 온도를 결정하도록 구성될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 결정 루틴(312)을 도시한다. 온도 결정 루틴(312)은 센서 구성요소에 온도 결정 신호(313)가 공급되는 단계(401)로 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 센서 구성요소는 구동 코일(204A)을 포함한다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 센서 구성요소는 픽-오프 코일(205A 또는 205'A)과 같은 픽-오프 코일을 포함한다. 따라서, 일부 실시예에서, 계기 전자기기(220)는 픽-오프(205, 205')에 신호를 공급하는 것과 픽-오프(205, 205')로부터 신호를 수신하는 것 양자를 행하도록 구성될 수 있다. 일관성을 유지하기 위해, 온도 결정 루틴(312)은 신호를 구동 코일(204A)에 공급하는 것으로 개시되지만, 본 발명은 이로 한정되지 않아야 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 온도 결정 신호(313)는 정상 작동 동안 구동 코일(204A)에 공급되는 구동 신호(311)와는 상이하다. 그러나, 다른 실시예에 따르면, 온도 결정 신호는 구동 신호(311)를 포함한다. 온도 결정 신호(313)는 구동 신호(311) 대신 또는 구동 신호(311)에 더해 구동 코일(204A)에 공급될 수 있다. 예를 들어, 온도 결정 신호(313)는 구동 신호(311)에 중첩될 수 있다. 대안적으로, 온도 결정 신호(312)가 픽-오프 센서(205, 205') 중 하나에 공급되는 경우, 구동 신호(311)는 여전히 드라이버(204)에 공급될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 온도 결정 신호(313)는 공지된 진폭 및 주파수를 갖는 교류를 포함한다. 그러나, 다른 실시예에서, 온도 결정 신호(313)는 대신 고정 전압을 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 온도 결정 신호(313)는 전형적으로 구동 신호(311)의 주파수를 포함하는 유체-충전 도관의 공진 주파수와는 상이한 주파수를 포함한다. 바람직하게는, 온도 결정 신호(313)는 구동 신호(311) 미만의 주파수에 있지만, 온도 결정 신호(313)는 구동 신호(311)보다 큰 주파수를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시된 것과 같은 U-자형 도관의 경우, 구동 신호(311)는 전형적으로 약 250 Hz로 제공된다(구동 신호는 직선형 도관 진동계에 대해서는 1000 Hz에 도달하거나 초과할 수 있다). 그러나, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 온도 결정 신호(313)는 약 100 Hz로 제공될 수 있다.
단계(402)에서, 결과적인 신호가 측정된다. 온도 결정 신호가 교류 또는 직류를 포함하는 실시예에 따르면, 결과적인 신호는 코일(204A) 전반에 걸쳐 전압(Vc)을 포함할 수 있다. 코일 전반에 걸친 전압(Vc)은 예를 들어, 전압계(도시되지 않음)를 사용하여 결정될 수 있다. 전압계는 계기 전자기기(220)의 내장식 구성요소를 포함할 수 있으며, 또는 외부 구성요소를 포함할 수 있다. 대안적으로, 온도 결정 신호(313)가 고정 전압을 포함하는 경우, 결과적인 신호는 전류를 포함할 수 있고 예를 들어, 전류계로 측정될 수 있다. 다른 실시예에서, 결과적인 신호는 예를 들어, 옴계(도시되지 않음)를 사용하여 결정될 수 있는 저항을 포함할 수 있다. 일관성을 위해 전압(Vc)에 대해 논한다.
온도 결정 신호 및 결과적인 신호에 기초하여, 센서 구성요소의 온도는 단계(403)에서 결정될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 센서 구성요소의 온도는 전압-대-전류 비(V/I)에 기초하여 결정될 수 있다. 위의 방정식 (3)을 이용하여, 전압-대-전류 비는 구동 코일(204A)의 저항으로 축소될 수 있다. V/I 비는 저항 또는 임피던스로 축소될 수 있다. 각각의 경우에, V/I 비는 온도에 따라 변경될 것이다. 따라서, 온도는 순람표, 차트, 그래프, 방정식 등을 사용하여, 결정된 V/I 비와 상관관계를 가질 수 있다. 상기 상관관계는 저장 시스템(304)에 저장하여 필요 시 검색할 수 있다. 따라서, 도 3에 도시된 바와 같이, 저장 시스템(304)은 순람표(315), 온도 상관관계 방정식(316), 또는 그래프(317)를 포함할 수 있다. 적합한 상관관계 방정식의 일 예가 방정식 (4)에 제공된다.
Figure pct00007
(4)
여기서,
R은 결정된 저항이고;
Rref는 기준 온도에서의 저항이며;
α는 도체 재료에 대한 저항 온도 계수이고;
T는 온도이며;
Tref는 기준 온도이다.
따라서, 구동 코일(204A)에 대한 기준 저항이 초기 교정 동안 기준 온도에서 결정된다면, 방정식 (4)는 단계(403)에서 결정된 저항에 기초하여 T에 대해 풀기 위해 재배열될 수 있다. 구동 코일(204A)의 저항 온도 계수(α)는 구동 코일용으로 사용되는 재료에 기초할 것이며, 상기 재료는 전형적으로 구리 또는 공지된 유사한 금속이나 합금이다. 구리는 대략 0.004/℃의 저항 온도 계수(α)를 갖는다. 일 예시적 계산으로서, 구동 코일(204A)이 구리를 포함한다면, 20℃의 기준 온도에서의 Rref는 25옴인 것으로 결정되었다. 0.005A의 전류가 공급된 경우, 20℃에서의 측정된 기준 전압은 0.125볼트였으며, 이는 25옴(0.125V/.005A)의 기준 저항을 제공하였다. 0.005A의 동일한 전류가 구동 코일(204A)에 제공되고 0.152볼트의 전압이 측정되는 경우, 구동 코일(204A)의 저항은 30.4옴까지 증가되었다. 온도에 대해 풀기 위해 재배열되는 방정식 (4)를 이용하면, 코일 온도는 74.0℃이다. 정상 상태 상황에 도달한 경우, 구동 코일(204A)의 온도는 전술한 바와 같이 도관(203B)의 온도와 대략 동일한데, 이 온도는 공정 유체의 온도와 연관된다. 따라서, 온도 결정 루틴(312)은 센서 구성요소, 본 경우에는 구동 코일(204A)을 사용하여 도관(203B)의 온도 측정을 얻는데 사용될 수 있다. 또한, 정상 상태의 경우, 도관(203B)의 온도는 도관 내 공정 재료의 온도와 대략 동일할 것이며, 이에 따라 도관 내의 공정 유체 온도의 우수한 추정이 주어진다.
전술한 바와 같이, 온도는 또한, 그래프를 사용하여 V/I 또는 저항과 상관관계를 보일 수 있다. 도 5는 코일 저항을 코일 온도에 결부시킨 상관관계 그래프(500)를 도시한다. 따라서, 일부 실시예에서, 온도 결정 신호는 센서 구성요소에 공급될 수 있고, 결과적인 신호는 옴계(도시되지 않음)에 의해 결정되는 것과 같은 저항을 포함할 수 있다. 옴계는 계기 전자기기(220)에 대한 내장식 구성요소 또는 외부 구성요소를 포함할 수 있다. 따라서, 상관관계 그래프(500)는 V/I 비를 결정할 필요 없이, 코일 온도와 옴계에 의해 결정되는 것과 같은 코일 저항 사이의 직접적인 상관관계를 제공할 수 있다.
다른 상관관계는 이하의 표 1에서 제공된 바와 같은 순람표의 형태일 수 있다.
Figure pct00008

표 1은 초기 교정 루틴 동안 생성될 수 있으며, 코일은 예를 들어, 오븐을 사용하여 미리 정해진 다양한 온도를 취하게 된다. 온도는 대안적으로 또는 부수적으로 RTD와 같은 온도 측정 장치로 확인될 수 있다. 표 1은 상관관계식에 대해 전술된 것과 동일하게 인가된 전류를 사용하여 생성되었다. 인식할 수 있는 바와 같이, 온도는 30.4옴의 결정된 저항을 사용하여 보간법에 의해 얻어질 수 있으며, 74.0℃
Figure pct00009
의 온도가 주어진다.
전술한 예들이 저항과 온도 사이의 상관관계를 제공하지만, 다른 상관관계가 사용될 수도 있다. 예를 들어, 방정식 (2)에서 유도 리액턴스 항을 고려하기 위해, 대안적으로 임피던스와 온도 사이의 유사한 상관관계가 제공될 수 있다. 따라서, 일부 실시예에서, 관심의 대상이 되는 값은 V/I의 비이지, 반드시 저항만은 아니다. 따라서, 순람표 또는 그래프는 V/I 대 온도의 상관관계를 포함할 수 있다. 그러나, 이러한 방안을 사용하는 경우, 전류가, 코일의 인덕턴스 및 주파수에 따라 변하는 방정식 (2)의 유도 리액턴스 항을 처리하기 위해 작동 동안과 동일한 상관관계의 생성 동안의 주파수 및 암페어수로 존재한다면 보다 정밀한 교정을 얻을 수 있다.
전술한 예에서, 온도 결정 신호(313)는 구동 신호 주파수(311)와는 상이한 주파수의 교류로 구성된다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 온도 결정 신호(313)는 이에 대신하여 센서 구성요소에 고정 전압을 공급할 수 있다. 이 실시예에 따르면, 전압-대-전류 비(V/I)를 결정하기 위해, 전압 대신 결과적인 전류가 전류계를 사용하여 측정될 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 온도 결정 신호(313)는 DC 신호를 포함할 수 있다. 이 실시예에서, 임피던스는 사실상 영이며, 추산하거나 무시할 필요가 없다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 계기 전자기기(220)는 제2 신호를 공급하는 대신 구동 신호 온도 루틴(317)을 이용하여 구동 코일(204A)의 온도를 결정하도록 구동 신호(311)를 사용할 수 있다. 다시 말해, 온도 결정 신호(313)는 구동 신호(311)를 포함할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 구동 신호 온도 루틴(317)을 도시한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 계기 전자기기(220)는 구동 신호 온도 루틴(317)을 실행하도록 구성될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 구동 신호 온도 루틴(317)은 온도 결정 신호가 구동 코일(204A)에 공급되는 단계(601)에서 시작한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 온도 결정 신호는 구동 코일(204A)에 공급되는 구동 신호(311)를 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 구동 신호(311)는 공지된 진폭 및 주파수를 갖는 교류를 포함할 수 있다. 구동 신호 온도 루틴(317)에 사용되는 구동 신호(311)는 진동계(200)의 정상 작동 동안 사용되는 동일한 구동 신호(311)를 포함할 수 있다. 구동 신호(311)는 공정 유체가 충전된 도관의 공진 주파수에서 하나 이상의 도관(203A, 203B)을 진동시키기 위해 제공될 수 있다.
단계(602)에서, 결과적인 전압은 전술한 바와 같이 결정된다.
단계(603)에서, 미리 정해진 시간 동안 구동 신호(311)가 제거된다. 상기 구동 신호(311)가 유체가 충전된 도관의 공진 주파수로 공급되기 때문에, 구동 신호(311)는 영까지 떨어진다. 결과적으로, 구동 신호(311)가 구동 코일(204A)에 공급되면, 도관(203A, 203B)은 공진 주파수에서 진동한다. 결과적으로, 측정된 전압(Vc)은 역기전력(back EMF)뿐만 아니라, 구동 신호 전류, 구동 코일 전반에 걸친 저항, 구동 코일의 인덕턴스에 의해 영향을 받으며, 이러한 전압은 방정식 (5)에서 제공된 바와 같이 전류에 대비되는 전압이다.
Figure pct00010
(5)
여기서,
Vc는 전압이고,
I는 전류이며,
R은 저항이고,
j는 -1의 제곱근이며,
f는 구동 신호 주파수이고,
L은 구동 코일 인덕턴스이다.
역 EMF는 도관이 공진에서 진동하기 때문에 존재한다. 따라서, 구동 신호(311)가 일시적으로 제거된다면, R, L, 및 I는 영까지 떨어진다.
단계(604)에서, 구동 코일(204A) 전반에 걸친 전압이 다시 한번 결정될 수 있다. 전압(Vc)은 단계(402)에서 전술된 바와 유사한 방식으로 결정될 수 있다. 구동 신호(311)가 일시적으로 제거되고, 전압이 다시 측정되면, 역 EMF는 단계(605)에서 결정될 수 있다. 역 EMF가 결정되면, 단계(602)에서 결정된 전압을 사용하여 V/I 비가 역 EMF에 대해 보상되어 코일의 저항을 결정할 수 있다. 예를 들어, V/I 비와 온도 사이의 상관관계는 역 EMF를 포함하지 않을 수 있다. 따라서, 역 EMF는 상관관계에 사용될 정확한 V/I 비를 얻기 위해 V/I 비로부터 제거될 수 있다.
단계(606)에서, 구동 코일(204A)의 저항이 결정된다. 보다 구체적으로, V/I의 비가 결정된다. 전술한 실시예의 경우, "저항"이 개시되어 있지만, 구동 코일의 인덕턴스(L)가 공지된 경우에는, 저항 대신 임피던스가 계산될 수 있다.
단계(607)에서, 구동 코일(204A)의 온도는 아래에서 논하는 바와 같이 결정될 수 있다.
전술한 실시예에서, V/I와 온도 사이의 상관관계 또는 이의 일부 변형이 미리 결정되었다. 그러나, 이하 기술되는 상관관계 루틴(320)에 따라 진동계에 대한 초기 상관관계를 업데이트하거나 실행하는 것이 바람직할 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 상관관계 루틴(320)을 도시한다. 상관관계 루틴(330)은 예를 들어, 계기 전자기기(220)에 의해 행해질 수 있다. 상관관계 루틴(330)은 사용자 또는 작업자에 의해 행해질 수 있다. 상관관계 루틴(330)은 제조업자에 의해 행해질 수도 있다. 상관관계 루틴(320)은 진동계의 센서 구성요소 중 하나 이상의 온도와 V/I 비 사이의 상관관계를 생성하기 위해 행해질 수 있다. 예를 들어, 상관관계 루틴(320)은 구동 코일(204A)의 온도와 구동 코일(204A)의 저항 사이의 상관관계를 생성하기 위해 행해질 수 있다.
상관관계 루틴(320)은 시험 신호가 센서 구성요소[본 경우에는 구동 코일(204A)이 상정됨]에 공급되는 단계(701)에서 시작한다. 시험 신호는 예를 들어, 교류를 포함할 수 있다. 대안적으로, 시험 신호는 고정 전압 또는 직류를 포함할 수 있다.
단계(702)에서, 제1 결과적인 신호가 측정된다. 결과적인 신호는 시험 신호가 교류를 포함하는 경우에 전압을 포함할 수 있다. 대안적으로, 결과적인 신호는 고정 전압이 시험 신호로서 공급된다면, 측정 전류를 포함할 수 있다.
단계(703)에서, 제1 V/I 비는 시험 신호 및 제1 결과적인 신호에 기초하여 결정된다. 일부 실시예에서, V/I 비는 센서 구성요소의 저항을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, V/I 비는 센서 구성요소의 임피던스를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, V/I 비는 저항 및/또는 임피던스 및/또는 역 EMF의 조합을 포함할 수 있다.
단계(704)에서, 제1 온도가 측정된다. 온도는 예를 들어, 열전대 또는 RTD와 같은 온도-측정 장치로부터 측정될 수 있다. 온도-측정 장치는 센서 구성요소에 결합되거나 센서 구성요소에 근접하여 위치될 수 있다. 일부 실시예에서, 상관관계 루틴(320)은 온도-측정 장치의 온도가 센서 구성요소의 온도를 포함하도록 정상 상태가 도달된 때 발생할 수 있다. 온도는 또한 오븐에서 교정을 행함으로써 보장될 수도 있다.
단계(705)에서, 제1 V/I 비가, 측정된 제1 온도와 함께 저장된다.
단계(706)에서, 온도는 제2 온도 측정을 얻기 위해 다시 한번 측정된다. 제2 온도가, 측정된 제1 온도와 한계값을 초과할 정도로 차이가 나는 경우, 상관관계 루틴(320)은 제2 결과적인 신호가 결정되는 단계(702)로 복귀할 수 있다. 제2 온도가 앞서 측정된 온도와 동일한 경우, 또는 한계 차이 내에 있는 경우, 상관관계 루틴(320)은 종료할 수 있다. 시스템의 온도는 V/I 비와 온도 사이의 복수의 상관관계를 얻기 위해 변경될 수 있다. 복수의 상관관계는 표, 차트, 그래프, 방정식 등을 비롯해 다양한 방식으로 저장될 수 있으며, 센서 구성요소의 온도를 결정하기 위해 사용 중에 검색될 수 있다.
전술한 바와 같이 본 발명은 진동계의 센서 구성요소의 온도를 결정하는 방법 및 장치를 제공한다. RTD와 같은 추가적인 구성요소의 사용을 필요로 하는 종래 기술의 접근 방식과 달리, 본 발명은 센서 구성요소 자체에 대한 온도와 V/I 사이의 상관관계를 이용한다. 유리하게, 센서 구성요소의 온도가 결정될 수 있으며, 이는 이어서 센서 구성요소가 결합되는 도관의 온도를 결정하기 위해 사용될 수 있다. RTD에 대한 필요성을 없앰으로써, 배선뿐만 아니라 RTD와 관련된 비용을 없앨 수 있다.
전술한 실시예들의 상세한 설명은 본 발명의 범주 내에 있는 것으로 본 발명자들에 의해 고려되는 모든 실시예의 배타적 설명은 아니다. 사실상, 당업자는 전술한 실시예들의 특정 요소는 추가적인 실시예를 생성하기 위해 다양하게 조합되거나 제거될 수 있으며, 이러한 추가적인 실시예는 본 발명의 범주 및 교시에 해당한다는 점을 인식할 것이다. 또한, 본 발명의 범주 및 교시 내에서 추가적인 실시예를 생성하기 위해, 전술한 실시예들이 전부 또는 부분적으로 조합될 수 있다는 점도 당업자에게 명백할 것이다.
따라서, 비록 본 발명의 특정 실시예 및 본 발명에 대한 예들이 예시의 목적으로 본 명세서에 개시되지만, 당업자가 인지하는 바와 같이 다양한 등가 변형예들이 본 발명의 범주 내에서 가능하다. 본 명세서에 제공되는 교시는 전술되고 첨부 도면에 도시되는 실시예들만이 아니라, 다른 진동계에도 적용될 수 있다. 따라서, 본 발명의 범주는 이하의 청구의 범위로부터 결정되어야 한다.

Claims (24)

  1. 진동계의 도관에 결합되는 진동 센서 구성요소의 온도를 결정하는 방법으로서,
    상기 진동 센서 구성요소에 온도 결정 신호를 공급하는 단계와,
    결과적인 신호를 측정하는 단계와,
    상기 온도 결정 신호 및 상기 결과적인 신호에 기초하여 상기 센서 구성요소의 온도를 결정하는 단계를 포함하는,
    진동계의 도관에 결합되는 진동 센서 구성요소의 온도를 결정하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 센서 구성요소의 온도를 결정하는 단계는,
    상기 온도 결정 신호 및 측정된 상기 결과적인 신호로부터 전압-대-전류 비를 결정하는 단계와,
    결정된 상기 전압-대-전류 비와 온도 사이의 상관관계에 기초하여 센서의 온도를 결정하는 단계를 포함하는,
    진동계의 도관에 결합되는 진동 센서 구성요소의 온도를 결정하는 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 온도 결정 신호는 공정 유체를 포함하는 진동계의 도관의 공진 주파수와 실질적으로 동일한 주파수의 교류를 포함하고,
    상기 방법은,
    미리 정해진 시간 동안 상기 온도 결정 신호를 제거하는 단계와,
    전압을 측정하는 단계와,
    역기전력을 결정하는 단계와,
    상기 역기전력에 대해 상기 전압-대-전류 비를 보상하는 단계를 더 포함하는,
    진동계의 도관에 결합되는 진동 센서 구성요소의 온도를 결정하는 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 온도 결정 신호는 공정 유체를 포함하는 진동계의 도관의 공진 주파수와는 상이한 주파수의 교류를 포함하는,
    진동계의 도관에 결합되는 진동 센서 구성요소의 온도를 결정하는 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 온도 결정 신호는 공정 유체를 포함하는 진동계의 도관의 공진 주파수와 실질적으로 동일한 주파수의 교류를 포함하는,
    진동계의 도관에 결합되는 진동 센서 구성요소의 온도를 결정하는 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 온도 결정 신호는 교류를 포함하고, 상기 결과적인 신호는 전압을 포함하는,
    진동계의 도관에 결합되는 진동 센서 구성요소의 온도를 결정하는 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 온도 결정 신호는 고정 전압을 포함하고, 상기 결과적인 신호는 전류를 포함하는,
    진동계의 도관에 결합되는 진동 센서 구성요소의 온도를 결정하는 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 센서 구성요소는 구동 코일을 포함하는,
    진동계의 도관에 결합되는 진동 센서 구성요소의 온도를 결정하는 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 센서 구성요소는 픽-오프 센서 코일을 포함하는,
    진동계의 도관에 결합되는 진동 센서 구성요소의 온도를 결정하는 방법.
  10. 진동 센서의 도관에 결합되는 센서 구성요소의 온도와 전압-대-전류 비 사이의 상관관계를 생성하는 방법으로서,
    상기 센서 구성요소에 시험 신호를 공급하는 단계와,
    제1 결과적인 신호를 측정하는 단계와,
    상기 시험 신호 및 상기 결과적인 신호에 기초하여 제1 전압-대-전류 비를 결정하는 단계와,
    상기 센서 구성요소의 제1 온도를 측정하는 단계와,
    측정된 상기 제1 온도와 함께, 결정된 상기 제1 전압-대-전류 비를 저장하는 단계를 포함하는,
    진동 센서의 도관에 결합되는 센서 구성요소의 온도와 전압-대-전류 비 사이의 상관관계를 생성하는 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 센서 구성요소의 제2 온도를 측정하는 단계와,
    상기 센서 구성요소의 제2 온도가 상기 제1 온도로부터 한계값을 초과하여 변화된 경우, 적어도 제2 전압-대-전류 비를 결정하기 위해 제2 결과적인 신호를 측정하는 단계와,
    상기 제2 온도와 함께 상기 제2 전압-대-전류 비를 저장하는 단계를 더 포함하는,
    진동 센서의 도관에 결합되는 센서 구성요소의 온도와 전압-대-전류 비 사이의 상관관계를 생성하는 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 센서 구성요소는 구동 코일을 포함하는,
    진동 센서의 도관에 결합되는 센서 구성요소의 온도와 전압-대-전류 비 사이의 상관관계를 생성하는 방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 센서 구성요소는 픽-오프 센서 코일을 포함하는,
    진동 센서의 도관에 결합되는 센서 구성요소의 온도와 전압-대-전류 비 사이의 상관관계를 생성하는 방법.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 시험 신호는 교류를 포함하고, 상기 결과적인 신호는 전압을 포함하는,
    진동 센서의 도관에 결합되는 센서 구성요소의 온도와 전압-대-전류 비 사이의 상관관계를 생성하는 방법.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 시험 신호는 고정 전압을 포함하고, 상기 결과적인 신호는 전류를 포함하는,
    진동 센서의 도관에 결합되는 센서 구성요소의 온도와 전압-대-전류 비 사이의 상관관계를 생성하는 방법.
  16. 하나 이상의 도관(203A, 203B) 및 상기 하나 이상의 도관(203A, 203B)에 결합되는 하나 이상의 센서 구성요소(204A, 205A, 205'A)를 포함하는 진동계(200)용 계기 전자기기(220)로서, 상기 계기 전자기기는 처리 시스템(303)을 포함하고,
    상기 처리 시스템은,
    상기 하나 이상의 센서 구성요소(204A, 205A, 205'A) 중 하나의 센서 구성요소(204A, 205A, 205'A)에 온도 결정 신호를 공급하고,
    결과적인 신호를 측정하며,
    상기 온도 결정 신호 및 상기 결과적인 신호에 기초하여 상기 센서 구성요소의 온도를 결정하도록 구성되는,
    진동계용 계기 전자기기.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 처리 시스템(303)은 추가로,
    상기 온도 결정 신호 및 상기 결과적인 신호에 기초하여 전압-대-전류 비를 결정하고,
    결정된 상기 전압-대-전류 비와 온도 사이의 상관관계에 기초하여 상기 센서 구성요소의 온도를 결정하도록 구성되는,
    진동계용 계기 전자기기.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 온도 결정 신호는 공정 유체를 포함하는 진동계의 도관의 공진 주파수와 실질적으로 동일한 주파수의 교류를 포함하고,
    상기 처리 시스템(303)은 추가로,
    미리 정해진 시간 동안 상기 온도 결정 신호를 제거하고,
    전압을 측정하며,
    역기전력을 결정하고,
    상기 역기전력에 대해 상기 전압-대-전류 비를 보상하도록 구성되는,
    진동계용 계기 전자기기.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 온도 결정 신호는 공정 유체를 포함하는 진동계(200)의 도관(203A, 203B)의 공진 주파수와는 상이한 주파수의 교류를 포함하는,
    진동계용 계기 전자기기.
  20. 제16항에 있어서,
    상기 온도 결정 신호는 공정 유체를 포함하는 진동계(200)의 도관(203A, 203B)의 공진 주파수와 실질적으로 동일한 주파수의 교류를 포함하는,
    진동계용 계기 전자기기.
  21. 제16항에 있어서,
    상기 온도 결정 신호는 교류를 포함하고, 상기 결과적인 신호는 전압을 포함하는,
    진동계용 계기 전자기기.
  22. 제16항에 있어서,
    상기 온도 결정 신호는 고정 전압을 포함하고, 상기 결과적인 신호는 전류를 포함하는,
    진동계용 계기 전자기기.
  23. 제16항에 있어서,
    상기 센서 구성요소는 구동 코일(204A)을 포함하는,
    진동계용 계기 전자기기.
  24. 제16항에 있어서,
    상기 센서 구성요소는 픽-오프 코일(205A, 205'A)을 포함하는,
    진동계용 계기 전자기기.
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