KR20170027839A - 디지털 주파수 출력들을 생성하기 위한 진동 유량계 및 방법 - Google Patents

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Abstract

코리올리 유량계에서 디지털 시리얼 주파수 출력들을 생성하는 디바이스 및 방법이 제공된다. 본 발명은, 주어진 입력 클락, 최대 가능한 펄스 카운트 정확도, 최대 가능한 절대 정확도, 용이하게 구현가능한 (쿼드라처, 펄스 폭 등을 포함하는) 다른 양상들에 대해 이론적으로 가장 낮은 지터를 제공하고, 특수화된 외부 하드웨어를 필요로 하지 않으므로, 대부분의 마이크로컨트롤러에서 발견되는 일반적으로 사용가능한 시리얼 출력 하드웨어로 구현된다.

Description

디지털 주파수 출력들을 생성하기 위한 진동 유량계 및 방법{VIBRATORY FLOW METER AND METHOD TO GENERATE DIGITAL FREQUENCY OUTPUTS}
본 발명은 디지털 시리얼 주파수 출력들을 생성하기 위한 디바이스 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 코리올리(Coriolis) 유량계에 유량을 나타내는 디지털 시리얼 주파수 출력들을 생성하는 것에 관한 것이다.
과거에는, 순수 기계 디바이스들이, 각각의 회전에 대해 스위치를 활성화시켜 기본 스피닝 휠들로부터 주파수 출력들을 생성했다. 이러한 타입의 출력이 확립되어 현재 다양한 산업 응용분야들에서 광범위하게 요구되고 있다.
FO(frequency output)는 주파수를 생성하기 위해 단일 라인의 토글링(toggling)을 생성하는 디바이스로부터의 디지털 출력이다. 유량 측정 산업에서, 주파수는 일반적으로 원하는 변수, 이를 테면, 질량 유량에 비례한다. 유량 측정 기술은 코리올리 질량 유량계들에서 상세하게 설명되었다.
코리올리 질량 유량계들은, 미국 특허 제4,491,025호 및 Re. 31,450에 개시된 바와 같이 파이프라인을 통해 흐르는 재료들에 대한 질량 흐름 및 다른 정보를 측정한다. 이들 유량계들은 통상적으로 유량계 전자장치 부분 및 유량계 센서 부분을 포함한다. 유량계 센서들은 직선형 또는 곡선형 구성의 하나 또는 그 초과의 흐름관(flow tube)들을 갖는다. 각각의 흐름관 구성은, 간단한 굽힘, 비틀림, 방사형 또는 결합식 타입일 수 있는 고유 진동 모드들의 세트를 갖는다. 각각의 흐름관은 이러한 자연 진동 모드들 중 하나에서 공진 시 발진하도록 구동된다. 진동하는 재료로 채워진 시스템들의 고유 진동 모드들은 부분적으로, 흐름관들의 결합된 질량 및 흐름관들 내의 재료로 정의된다. 코리올리 유량계 센서를 통해 흐르는 재료가 없을 경우, 흐름관들을 따르는 모든 포인트들은 실질적으로 동일한 위상으로 발진한다. 재료가 흐름관들을 통해 흐름에 따라, 코리올리 가속들은, 흐름관들을 따르는 포인트들로 하여금 서로 다른 위상을 갖게 한다. 유량계 센서의 입구 측에 있는 위상은 드라이버보다 뒤지지만, 유량계 센서의 출구 측에 있는 위상은 드라이버보다 앞선다.
코리올리 유량계 센서들은 통상적으로 흐름관들을 따라 상이한 포인트들에서 흐름관들의 모션을 나타내는 정현파 신호들을 생성하기 위한 2개의 픽-오프(pick-off)들을 포함한다. 픽-오프들로부터 수신된 정현파 신호들의 위상차는 유량계 전자장치에 의해 계산된다. 픽-오프 신호들 간의 위상차는 유량계 센서를 통해 흐르는 재료의 질량 유량에 비례한다. 코리올리 유량계의 예가 도 1에 도시된다.
유량계 전자장치는 픽-오프들로부터 픽-오프 신호들을 수신한다. 유량계 전자장치는 질량 유량, 밀도 또는 유량계 센서를 통과하는 재료의 다른 특성을 계산하기 위한 픽-오프 신호들을 프로세싱한다.
많은 복잡한 주변장치들이 있는 통합 회로 상에서 구현되는 마이크로컨트롤러들은 모든 유량계들에서 공통적으로 사용된다. 널리 이용가능한 마이크로컨트롤러들은 일반적이므로, 비용이 저렴하며, 유량계들 용으로 특별히 설계되지 않았다. 마이크로컨트롤러의 예가 도 2에 도시된다.
순간 유량을 측정하기 위해서는, 낮은'지터(jitter)'가 중요하다. 지터는 임의의 주어진 펄스의 기간의 정확도가 되게 정의된다. 예를 들어, 홀수 펄스들이 99.9Hz이고 짝수 펄스들이 100.1Hz인 경우, 평균 주파수는 100Hz일 것이지만 출력은 0.1/100 또는 0.1% 지터를 갖는다고 할 것이다.
전체 통합 흐름을 측정하기 위해서, (리졸루션 면에서) 높은 정확도가 중요하다. 예를 들어, 1 펄스가 1gram인 예의 경우, 998 펄스들이 생성되지만 1000grams이 디바이스에 의해 측정되는 경우, 출력은 998/1000 또는 0.2%의 정확도를 갖는다고 할 것이다.
주파수 출력의 다른 양상들과 관련하여, 하나의 주파수 출력들이 포지티브 흐름의 경우 90도 위상만큼 다른 것보다 앞서고 네거티브 흐름의 경우 90도 위상만큼 지연되는 듀얼 주파수 출력들(보통 쿼드라처(Quadrature)라고 함)의 부류가 있다. 다른 양상은 넌-50% 듀티 사이클 요건들이다. 주파수 출력들은 통상적으로 0.001Hz 내지 10000Hz의 넓은 범위에 걸쳐 기능해야 하지만; 더 높은 주파수들과 더 낮은 주파수들이 때때로 필요하다.
상기 언급했듯이, 주파수 출력을 생성하는 한 가지 방법은, "범용" 디지털 하드웨어 타이머 회로들을 구비하는 것이고, 이러한 타이머 회로들에는 다양한 타입들이 있으며, 흔히 마이크로컨트롤러들 상에서 이용가능하다. 이 접근법에서, (통상적으로 n 분주 및 인터럽트 능력을 갖는) 하드웨어 타이머가 특정 시간량 동안 특정 주파수를 출력하도록 프로그래밍된다. 그러나, 이 방법은 몇 가지 단점들이 있다. 결과적으로 발생되는 주파수는 n 분주 알고리즘에 기인하기 때문에, 고주파수 입력 클락들에도 상당한 지터가 발생한다. 예를 들어, 입력 클락이 10MHz이고 원하는 출력이 9999Hz인 경우, 타이머는 10000Hz(1000 분주) 내지 9990.01Hz (1001 분주) 사이에서 교대되어야 한다. 추가적으로, 하드웨어 타이머 출력의 위상 정렬이 타이머 카운터 업데이트 시간들과 일치하지 않기 때문에, 출력되는 펄스들 수를 정확하게 파악할 수 있는 알고리즘을 생성하는 것 또한 어렵다. 세 번째 단점은, 범용 타이머들이 최대 32 비트이고; 80이 필요한 경우, 약 50의 범위를 제공한다는 것이다. 따라서, 서로 다른 입력 클락들 및 크로스오버 임계값들이 도입되어야 한다; 이로 인해 불연속성들이 발생하고, 임계치 미만으로 지터가 증가되고 펄스 정확도를 유지하는데 복잡성이 추가된다. 마지막으로, "범용" 타이머의 개별 특징들에 의존하여, 쿼드라처(Quadrature), 펄스 폭 등과 같은 주파수 출력들의 "다른 양상들"을 구현하는 것이 매우 곤란할 수 있다.
주파수 출력을 생성하는 덜 일반적인 방법은 "레이트 멀티플렉서"의 이용을 통하는 것이다. 이 하드웨어는 일반적으로 마이크로컨트롤러들에서는 이용가능하지 않지만, ASIC(Application Specific Integrated Circuit), FPGA (Field-Programmable Gate Array) 또는 다른 커스텀 회로에 내장될 수 있다. 레이트 멀티플렉서는 필요한 범위를 스패닝하는 용이성(따라서, 크로스오버들이 도입되지 않음) 및 (업데이트 시간의 위상 정렬이 항상 출력과 일치하기 때문에) 펄스 정확도 유지의 용이성을 포함하는 "범용" 타이머 방법의 단점들 중 여러 가지를 극복한다. 추가로, 이는 커스텀 하드웨어로 구현되었기 때문에, 쿼드라처 및 펄스 폭과 같은 주파수 출력들의 "다른 양상들"이 용이하게 달성될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 레이트 멀티플렉서는 외부 하드웨어를 필요로 하며 낮은 지터를 유지하는 데에는 차선책이다(그리고 결정적이지 않다).
레이트 멀티플렉서 이외에도, 주파수 출력을 생성하는 여러 가지 다른 방법들은 커스텀 하드웨어(예를 들어, ASIC, FPGA 등)로 구상되고 이러한 커스텀 하드웨어 상에서 구현될 수 있다. 그러나, 그러한 모든 옵션들은 여분의 컴포넌트들, 감소된 신뢰성 및 증가 된 비용이 존재한다는 점에서 레이트 멀티플렉서 방식의 동일한 기본 단점을 공유한다.
마지막으로, 아날로그 전자장치를 이용하여 주파수 출력이 생성될 수 있다. 이는, 순수 기계와 디지털 전자 디바이스들 사이의 트랜지션 기간에서의 공통되는 선호였다. 예시적인 아날로그 회로는 전압을 주파수로 변환하는 전압-제어식 발진기(Vloltage-Controlled Oscillator)이다. 아날로그 특성으로 인해, 변환은 100% 정확하지 않다(예를 들어, 1V는 1000Hz로 변환되도록 의도될 수 있지만 아날로그 컴포넌트 허용오차들로 인해 999.9Hz 또는 1000.1Hz일 수 있다). 아날로그 전자장치에서, 주파수 출력은 거의 제로 지터를 갖지만, 출력은 또한 불량한 펄스-카운트 정확도를 갖는다. 추가적으로, 디지털 피드백은 펄스-카운트 정확도를 보상하기 위해서 아날로그 전자장치에 통합될 수 있지만, 이는 레이턴시를 유도하고 절대 주파수 정확도를 감소시킨다.
따라서, 주어진 입력 클락에서의 지터, 펄스 카운트 정확도, 절대 정확도를 고려하고 쿼드라처 및 펄스 폭을 포함한 "다른 양상"을 구현하기 위한 능력을 가지며, 특수화된 외부 하드웨어를 필요로 하지 않는 디지털 시리얼 주파수 출력을 제공함으로써 상기 언급된 문제점들을 극복하기 위한 마이크로컨트롤러 디바이스 및 방법이 본 기술분야에 필요하다.
본 발명은, 주어진 입력 클락, 최고 가능 펄스 카운트 정확도, 최고 가능 절대 정확도, 용이하게 구현가능한 "다른 양상들"(쿼드라처, 펄스 폭 등)에 대해 이론적으로 가장 낮은 지터를 제공함으로써 상기 약술된 문제점들을 극복하고 본 기술을 발전시키며, 특수화된 외부 하드웨어를 필요로 하지 않는다.
본 발명의 양상들
본 발명의 일 양상에서, 마이크로컨트롤러 상에서 주파수 출력을 생성하는 방법은 미리결정된 기간을 갖는 입력 클락 신호를 초기화하는 단계; 미리결정된 기간에 기초하여 파라미터를 계산하는 단계; 계산된 파라미터 및 미리결정된 유량-주파수 스케일링에 기초하여 원하는 주파수를 계산하는 단계; 복수의 프랙셔널(fractional) 펄스들을 계산하는 단계 ―복수의 프랙셔널 펄스들의 각각의 프랙셔널 펄스는 원하는 주파수, 입력 클락 신호의 미리결정된 기간, 및 선행 프랙셔널 펄스의 값에 기초하여 계산됨―; 및 계산된 프랙셔널 펄스가 출력 펄스 기간의 절반보다 크거나 또는 같은 경우 출력 상태를 토글링함으로써 원하는 주파수를 출력하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 선행 프랙셔널 펄스가 초기 프랙셔널 펄스인 경우, 선행 프랙셔널 펄스의 값은 0으로 설정된다.
바람직하게는, 출력 펄스 기간은 입력 클락 신호의 미리결정된 기간, 계산된 파라미터, 및 미리결정된 유량-주파수 스케일링에 기초하여 계산된다.
바람직하게는, 계측 전자장치는 순간 유량을 측정하도록 구성된다.
바람직하게는, 계측 전자장치는 토글링된 출력 상태들의 수 및 미리결정된 유량-주파수 스케일링에 기초하여 전체 통합 흐름을 측정하도록 구성된다.
바람직하게는, 파라미터는 유량을 포함한다.
본 발명의 일 양상에서, 진동 유량계(5)는 하나 또는 그 초과의 흐름관들(103A, 103B) 및 제 1 및 제 2 픽오프 센서들(105, 105')을 포함하는 유량계 조립체(10); 하나 또는 그 초과의 흐름관들(103A, 103B)을 진동시키도록 구성된 드라이버(104); 및 제 1 및 제 2 픽오프 센서들(105, 105')에 결합되고 드라이버(104)에 결합된 계측 전자장치(20)를 포함하며, 계측 전자장치(20)는, 미리결정된 기간을 갖는 입력 클락 신호를 초기화하고; 미리결정된 기간에 기초하여 파라미터를 계산하고; 계산된 파라미터 및 미리결정된 유량-주파수 스케일링에 기초하여 원하는 주파수를 계산하고; 복수의 프랙셔널 펄스들을 계산하고 ―복수의 프랙셔널 펄스들의 각각의 프랙셔널 펄스는 원하는 주파수, 입력 클락 신호의 미리결정된 기간, 및 선행 프랙셔널 펄스의 값에 기초하여 계산됨―; 그리고 계산된 프랙셔널 펄스들이 출력 펄스 기간의 절반보다 크거나 또는 같은 경우 출력 상태를 토글링함으로써 원하는 주파수를 출력하도록 구성됨으로써 주파수 출력을 생성한다.
바람직하게는, 선행 프랙셔널 펄스가 초기 프랙셔널 펄스인 경우, 선행 프랙셔널 펄스의 값은 0으로 설정된다.
바람직하게는, 출력 펄스 기간은 입력 클락 신호의 미리결정된 기간, 계산된 파라미터, 및 미리결정된 유량-주파수 스케일링에 기초하여 계산된다.
바람직하게는, 계측 전자장치는 순간 유량을 측정하도록 구성된다.
바람직하게는, 계측 전자장치는 토글링된 출력 상태들의 수 및 미리결정된 유량-주파수 스케일링에 기초하여 전체 통합 흐름을 측정하도록 구성된다.
바람직하게는, 파라미터는 유량을 포함한다.
동일한 도면 부호는 모든 도면들에서 동일한 엘리먼트를 나타낸다. 도면들은 반드시 실척대로인 것은 아니다.
도 1은 종래 기술의 코리올리 유량계를 도시한다.
도 2는 종래 기술의 마이크로컨트롤러의 블록도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 예시적인 주파수 출력을 도시한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 흐름도를 도시한다.
도 1 내지 도 4 및 이후의 설명은 당업자에게 본 발명의 최선의 모드를 실시하고 사용하는 방법을 교시하기 위해 유량계 전자장치의 특정 예들을 설명한다. 본 발명의 원리들을 교시하기 위해서, 유량계 전자장치의 일부 종래의 양상들이 단순화되거나 생략되었다. 당업자는 본 발명의 범위 내에 속하는 이러한 예들로부터의 변형들을 이해할 것이다. 당업자는, 아래에 설명되는 특징들이 본 발명의 다수의 변형들을 형성하기 위해 다양한 방식들로 결합될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 그 결과, 본 발명은 이하에 설명되는 특정 예들로 제한되지 않고 청구범위 및 그들의 등가물들에 의해서만 제한된다.
도 1은 종래 기술의 코리올리 유량계(5)를 도시한다. 제한이 아닌 예시로서, 본 발명의 실시예들은 코리올리 질량 유량계들 및 진동 밀도계들을 포함하는 진동 도관 센서들일 수 있음이 명백하게 예상된다. 예시적인 실시예로서, 코리올리 유량계(5)는 코리올리 유량계 센서 조립체(10) 및 계측 전자장치(20)를 포함한다. 계측 전자장치(20)는 경로(100)를 통해 센서 조립체(10)로 연결되어 경로(26) 상의 질량 유량, 밀도, 체적 유량, 전체 질량 흐름 정보 및 다른 정보를 제공한다. 경로(26)는 알려진 유량계 설계들(도 1에 미도시)에 따라 다수의 통신 채널들에 관한 정보를 운반하는 다수의 출력 포트들을 나타낸다.
유량계 센서 조립체(10)는 한 쌍의 플랜지들(101 및 101'), 매니폴드(102) 및 흐름관들(103A 및 103B)을 포함한다. 흐름관들(103A, 103B)에는 드라이버(104)와 픽-오프 센서들(105 및 105'), 및 온도 센서(107)가 연결된다. 브레이스 바들(106 및 106')은 축(W 및 W')을 한정하는 역할을 하며, 이 축(W 및 W')을 중심으로 각각의 흐름관(103A 및 103B)이 진동한다.
유량계 센서 조립체(10)가, 측정되고 있는 재료를 운반하는 파이프라인 시스템(도 1에 도시되지 않음)에 삽입될 경우, 재료는, 플랜지(101)를 통해 유량계 센서 조립체(10)로 들어가고, 재료가 흐름관들(103A 및 103B)로 들어가도록 안내하는 매니폴드(102)를 통과하고, 흐름관들(103A 및 103B)을 흐르고 매니폴드(102)로 다시 흐르며, 매니폴드(102)로부터의 재료는 플랜지(101')를 통해 유량계 센서 조립체(10)를 빠져 나온다. 흐름관들(103A 및 103B)이 선택되어, 각각 벤딩 축들(W-W 및 W'-W')을 중심으로 실질적으로 동일한 질량 분포, 관성 모멘트 및 탄성 모듈들을 갖도록 매니폴드(102)에 적절하게 장착된다. 흐름관들(103A 및 103B)은 본질적으로 평행한 방식으로 매니폴드(102)로부터 바깥쪽으로 연장된다. 흐름관들(103A 및 103B)은 이들의 각각의 벤딩 축들(W, W')을 중심으로 반대 방향들에서 드라이버(104)에 의해 구동되며, 이는 유량계의 제 1 이위상 벤딩 모드로 지칭된다. 드라이버(104)는 많은 잘 알려진 어레인지먼트들 중 임의의 하나, 이를 테면, 흐름관(103A)에 장착된 자석 및 흐름관(103B)에 장착되고 흐름관들 둘 모두를 진동시키기 위해 교류 전류가 통과하는 대향 코일을 포함할 수 있다. 적절한 구동 신호가 계측 전자장치(20)에 의해, 리드(110)를 통해 드라이버(104)로 제공된다.
흐름관들의 진동을 측정하기 위해 흐름관들의 대향 단부들 상의 흐름관들(103A 및 103B) 중 적어도 하나에 픽-오프 센서들(105, 105')이 부착된다. 흐름관들(103A, 103B)이 진동함에 따라, 픽-오프 센서들(105, 105')은 제 1 픽-오프 신호 및 제 2 픽-오프 신호를 발생시킨다. 제 1 및 제 2 픽-오프 신호들이 리드들(111 및 111')에 제공된다.
온도 센서(107)는 흐름관들(103A 및 103B) 중 적어도 하나에 부착된다. 온도 센서(107)는 시스템의 온도에 대한 식들을 수정하기 위해서 흐름관의 온도를 측정한다. 경로(112)는 온도 신호들을 온도 센서(107)로부터 계측 전자장치(20)로 전달한다.
계측 전자장치(20)는 리드들(111, 111') 상에 각각 나타나는 제 1 및 제 2 픽-오프 신호들을 수신한다. 유량계 전자장치(20)는 질량 유량, 밀도 또는 유량계 센서 어셈블리(10)를 통과하는 재료의 다른 특성을 계산하기 위해 제 1 및 제 2 픽-오프 신호들을 프로세싱한다. 이 계산된 정보가 계측 전자장치(20)에 의해 경로(26)를 통해 이용 수단(도 1에 도시되지 않음)으로 제공된다. 예시적인 실시예들에서, 유량계 전자장치(20)는 주파수 출력을 생성하기 위해서 예시적인 마이크로컨트롤러를 (도 2에 도시된 바와 같이) 포함한다.
도 2는 종래 기술의 예시적인 마이크로컨트롤러의 블록도를 도시한다. 일 실시예에서, 예시적인 마이크로컨트롤러는 코어 및 다양한 주변장치들을 포함한다. 실시예들에서, 코어는, 계산들이 이루어지는 마이크로컨트롤러의 섹션이다. 실시예들에서, 주변장치들은 시스템들, 다양한 메모리들, 클락들, 보안 및 무결성, 아날로그, 타이머들, 통신 인터페이스들 및 HMI(human machine interface)(MMI(man machine interface)로도 알려짐)를 위한 컴포넌트들을 포함할 수 있다. 예시적인 마이크로컨트롤러의 일부로서, 주파수 출력을 생성하는데 사용될 수 있는 주변장치들은: 타이머/카운터, GPIO(general-purpose-input-output pin) 및 UART, SPORTS, I2C, SPI, 및 I2S와 같은 다양한 시리얼 스트리밍 인터페이스들을 포함한다. 본 발명의 양상들에 따르면, 주파수 출력들은 GPIO 또는 시리얼 기반 통신 인터페이스들 중 하나(예를 들어, I2C, i2S 또는 SPI) 상에 물리적으로 나타날 수 있다.
도 3에서, 본 발명에 따른 주파수 출력의 예시적인 실시예가 도시된다. 동작 시, 유량과 같은 파라미터는, 이 예에서, 알려진 방법들에 의해 1Hz로 주기적으로 계산된다. T(sec)=1/f(Hz)이기 때문에, 공지된 계산들은 시간 기간들(T)=0-1, 1-2 및 2-3초 동안 유량과 같은 파라미터를 결정하는데 사용될 수 있다.
원하는 출력 주파수의 계산 시, 사용자 선택가능 유량 계산 레이트(m)가 (아래 단락들에서 설명된 바와 같이) 사용된다. 도 3의 예에서, 제 1 기간(T= 0-1 sec) 동안, 사용자는 유량 계산 레이트(m)를 100grams/sec이 되게 선택한다. 유량이 결정될 때마다, 그 유량에 대응하는 원하는 주파수가 또한 결정되고, 그 주파수는 다음 기간의 유량 결정까지 출력될 것이다. 제 1 기간의 예에서, 10Hz의 원하는 주파수는 계산된 유량(m) 및 사용자-입력 미리결정된 유량-주파수 스케일링(x) 또는 레이트 당 주파수에 기초하여 결정된다. 예를 들어, 100grams/sec의 알려진 유량으로 10Hz의 원하는 주파수를 획득하기 위해서, 사용자-입력 미리결정된 유량-주파수 스케일링(x)은 0.1이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 제 1 기간 동안, 10Hz의 원하는 주파수는 10개의 전체 펄스들이 출력되게 하며, 각각의 펄스 트랜지션은 토글링된 출력 상태(예를 들어, 하이 투 로우 또는 로우 투 하이)를 나타낸다.
제 2 기간 (T = 1-2 초) 동안, 예를 들어, 알려진 계산 방법들을 이용하여, 유량은 8grams/sec로 재계산된다. 제 2 기간의 예에서, 0.8Hz의 원하는 주파수는 8grams/sec의 계산된 유량(m) 및 0.1의 사용자-입력 미리결정된 유량-주파수 스케일링(레이트당 주파수로도 또한 알려진(x))에 기초하여 결정된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 제 2 기간 동안, 사용자가 0.8Hz의 주파수에서 계산된 유량을 요구할 때, "0.8"의 전체 펄스들이 출력된다. 이 예에서, (토글링된 출력 상태에 대응하는) 하나의 펄스 트랜지션만이 발생했고 1개의 전체 펄스가 아직까지 출력되지 않았다. 따라서, T=2sec에서, 펄스의 프랙셔널 부분은 "남겨지고" 제 3 기간(T=2-3 sec)에서 고려되어야 한다. 본 발명의 실시예들에서, 이러한 상황은 FP(fractional pulses period)들에 의해 설명된다. 아래 단락들의 알고리즘 및 테이블에 설명된 바와 같이, FP(fractional pulses period)들은 원하는 주파수(m*x), 초기화된 입력 클락 기간(p), 및 선행 FP(fractional pulse)에 기초하여 계산될 수 있다;(FP=FP+(m*x*p)).
도 3의 추가적인 상세로, 예시적인 실시예에서, 초기화된 입력 클락 기간(p)이 20Hz로 설정된다. 초당 20개의 인스턴스들에서, 다음 알고리즘이 유량계의 예시적인 마이크로컨트롤러에 의해 실행되어 각각의 입력 클락 기간(p)의 원하는 출력 상태를 결정한 후 이를 설정한다.
기본 알고리즘은 다음 계산에 의해 정의된다:
(입력): 현재 유량=m (예를 들어, 100 g/s)
(상수들): 레이트 당 주파수=x (예를 들어, 10 Hz=100g/s, x=0.1)
입력 클락 기간=p (예를 들어, 20Hz, p=0.05 S)
(상태 변수들): 현재 출력 상태
프랙셔널 펄스들
<각각의 입력 클락 기간의 경우>
프랙셔널 펄스들 = 프랙셔널 펄스들 + (m*x*p)
If (프랙셔널 펄스들> = 0.5) {
프랙셔널 펄스들 = 프랙셔널 펄스들 - 0.5;
토글 출력 상태
}
다음 테이블은 도 3에 적용될 경우 알고리즘의 계산들 및 출력을 보여주는 입력 클락 기간 예에 의한 입력 클락 기간이다.
Figure pct00001
FP(fractional pulse)의 예로서, 제 2 기간(T=1-2sec)에 출력되지 않았던 0.8Hz의 "나머지"가 누산기의 "0.30" 값을 통해 제 3 기간(T=2-3sec)에서 파악된다. (T=2~3 sec)에서 초기 값으로서 사용되는 "0.30"은 1.95초에 남은 양이다.
또한, 상기 테이블 및 도 3에 도시된 바와 같이, (출력 상태가 로우 또는 하이로 유지되는) 트랜지션들 간의 시간은 원하는 출력 주파수의 기간이다.
원하는 출력 주파수의 기간을 이용함으로써, 유량계는 순간 유량을 측정할 수 있다. 이를테면, 예시적인 출력 기간 동안, 식: T(sec)=1/f(Hz) 및 레이트 당 주파수(x)를 이용하여, 순간 유량은 다음 식:순간 유량(g/s)=원하는 주파수(Hz)/레이트 당 주파수(x)에 의해 결정될 수 있다.
더욱이, 전체 통합 유량은 또한, 토글링된 출력 상태들의 수를 카운팅하고 레이트 당 주파수(x)를 고려함으로써 결정될 수 있다. 예를 들어, 도 3에서, 제 1 기간(T=0-1 sec)에, 10개의 토글링된 출력 상태들은 전체 통합 흐름의 0.1=100grams/sec의 레이트 당 주파수(x)로 곱해진다.
10Hz가 100grams/second를 나타내는 도 3의 상기 예와는 대조적으로, 다른 실시예에서, 예를 들어, 100Hz는 100grams/second를 나타낼 수 있다. 이 새로운 예에서, 각각의 전체 펄스는 이제 1gram을 나타낼 것이다. 따라서, 본 발명은 레이트 당 주파수(x)의 임의의 특정 특징화로 한정되도록 의도되지 않는다.
마찬가지로, 본 발명은 또한 입력 클락 기간(p)의 주파수의 특징화로 제한되지 않는다. 예로서, 그리고 상기 단락들에서 언급된 바와 같이, 본 발명은 주어진 입력 클락 기간(p)에서의 지터의 정확한 표현을 제공한다. 본 발명은 다음 식을 이용하여 최대 지터의 백분율을 결정할 수 있다:
최대 지터(%)=최대 출력 주파수(Hz)/입력 클락 주파수(Hz)
위의 식을 사용하여, 지터가 0.1% 미만인 0 내지 10kHz의 주파수 출력이 필요한 경우, 10MHz의 입력 클락(p)이 필요할 것이다.
도 4에서, 본 발명의 실시예에 따른 흐름도가 제공된다. 단계 401에서, 복수의 기간들의 미리결정된 기간을 갖는 입력 클락 신호가 초기화된다. 다음 단계(402)에서, 입력 클락 기간이 경과했는지 여부에 대한 결정이 이루어진다. 이렇게 함으로써, 입력 클락은 미리결정된 고정 주파수로서 확립된다. 예를 들어, 입력 클락이 1MHz인 경우, 입력 클락의 각각의 기간은 1μS이다. 그에 따라, 입력 클락은, 사용자 선택가능한 설계 부분이므로 따라서, 미리결정된다. 본 발명의 특정 실시예들에서, 입력 클락은 유량계에서 가장 빠른 클락이다. 동작에서, 입력 클락이 가장 빠른 클락이 아니었다면, 폴링(polling) 또는 소프트웨어 인터럽트와 같이, 입력 클락이 경과하는 시기를 결정하기 위한 다양한 방법들이 사용될 수 있다.
입력 클락 기간이 경과된 경우, 단계(403)에서, 새로운 유량이 계산될 수 있도록 충분한 클락 입력 기간이 경과했는지 여부에 관한 결정이 이루어진다. 이는 "사용자 선택가능한 유량 계산 레이트(m)"와 관련된다. 예를 들어, 입력 클락이 10,000Hz이고 사용자가 10Hz에서 계산된 유량을 원하는 경우, 유량 계산 당 100개 입력 클락들(10,000Hz/10Hz=100)이 경과할 것이다.
단계(403)가 "예"인 것으로 결정되는 경우, 단계(404)에서, 새로운 유량이 계산된다. 새로운 유량을 계산함으로써, 원하는 주파수(m*x)는 계산된 유량(m) 및 사용자-입력 미리결정된 유량-주파수 스케일링(x)에 기초하여 계산될 수 있다. 단계(403)가 "아니오"인 것으로 결정되면, 단계(405)에서, FP(fractional pulses period)들은 원하는 주파수(m*x), 초기화된 입력 클락 기간(p), 및 선행 FP(fractional pulse)에 기초하여 계산될 수 있다;(FP=FP+(m*x*p)). 그러나, 선행 프랙셔널 펄스가 초기 프랙셔널 펄스인 경우, 선행 프랙셔널 펄스는 0으로 설정될 수 있다.
단계(406)에서, 프랙셔널 펄스들 기간들이 출력 펄스 기간의 절반 또는 0.5보다 크거나 또는 같은지에 대한 결정이 이루어지며, 여기서 출력 펄스 기간은 주파수(p=1/f)와 관련하여 결정된다. 이와 같이, 프랙셔널 펄스들 기간은 출력 기간이 경과한 지속기간에 대응한다. 프랙셔널 펄스들이 0.5보다 크지 않거나 또는 같지 않다면, 결과적인 펄스 기간은 단계(402)로 입력된다.
단계(406)의 프랙셔널 펄스들이 0.5보다 크거나 또는 같은 경우, 단계(407)에서, 프랙셔널 펄스들은 다음 식, FP=FP-0.5에 의해 조정된다. 프랙셔널 펄스는 이제 나머지 값을 나타내며 출력 상태의 스위칭을 트리거링한다.
단계(408)에서, 이제, 프랙셔널 펄스들 기간들이 출력 펄스 기간의 절반보다 크거나 또는 같은 경우 출력 상태를 토글링함으로써 특정 유량에 대해 원하는 주파수가 제공된다. 그런 다음, 결과적인 프랙셔널 펄스가 단계(402)로 입력됨에 따라 동작이 루프에서 계속된다.
예시적인 실시예들에서, 시리얼 출력 하드웨어 흔히 "온-보드" 마이크로컨트롤러는 프로세싱 부하를 가볍게 하기 위해서 사용될 수 있다. 이 타입의 하드웨어에는 I2S, SPI, USARTS/ARTS, "SPORTS"및 심지어 일부 JTAG 포트들을 포함하지만 이것으로 제한되지 않는다. 추가로, DMA는 또한 프로세싱 부하를 가볍게 하기 위해서 사용될 수 있다.
다양한 타입들의 시리얼 출력 하드웨어(예를 들어, SPI, DMA 등)를 통합하기 위해서, 출력 상태들의 "블록들"이 미리계산된 후 하드웨어에 제공되어 "입력 클락 레이트"로 출력되게 할 것이다. 이는, 각각의 출력 계산의 오버헤드를 감소시킴으로써 대역폭 요건들을 감소시킨다는 이점이 있다. 예를 들어, SPI를 사용하면, 8, 16 또는 32개 출력 상태들의 블록이 미리계산된 후 표준 SPI 하드웨어에 의해 '자동으로' 출력될 수 있다. DMA는 블록 사이즈를 원하는 사이즈로 추가로 증가시키기 위해 사용될 수 있다.
유리하게, 본 발명은 "다른 양상들" 중 임의의 것(쿼드라처, 펄스 폭 등)을 포함하도록 용이하게 향상될 수 있다.
유리하게, 본 발명은, 계산들 및 입력 클락 주파수를 구현하도록 선택된 특정 데이터 타입들의 리졸루션에 의해서만 제한되는, 임의의 원하는 주파수 출력 범위에 대해 전적으로 스케일러블일 수 있다. 실시예들에서, 표준 데이터 타입들은 정수들(예를 들어, 8, 16, 32 또는 64 비트) 또는 부동 소수점(통상적으로 IEEE534 단일 또는 2배 정밀도)을 포함한다.
본 설명은 당업자에게 본 발명의 최선의 모드를 실시하고 사용하는 방법을 교시하는 특정 예들을 설명한다. 본 발명의 원리들을 교시하기 위해서, 일부 종래의 양상들이 단순화되거나 생략되었다. 당업자는 본 발명의 범위 내에 속하는 이러한 예들로부터의 변형들을 이해할 것이다.
상기 실시예들의 상세한 설명들은 본 발명의 범위 내에 속하는, 발명자들에 의해 고려된 모든 실시예들의 총망라적 설명들은 아니다. 실제로, 당업자는 상술된 실시예들의 특정 엘리먼트들이 추가 실시예들을 생성하기 위해 다양하게 결합되거나 또는 제거될 수 있고, 그러한 추가 실시예들이 본 발명의 범위 및 교시들 내에 있다는 것을 인식할 것이다. 또한, 상술된 실시예들이 전체적으로 또는 부분적으로 결합되어 본 발명의 범위 및 교시들 내에서 추가적인 실시예들을 생성할 수 있음이 당업자에게 명백할 것이다.
따라서, 본 발명의 특정 실시예들 및 본 발명에 대한 예들이 예시의 목적으로 본원에 설명되었지만, 당업자가 인식하는 바와 같이, 본 발명의 범위 내에서 다양한 등가적인 변경들이 가능하다. 본원에 제공된 교시들은 첨부된 도면들에 도시되고 상기 설명된 것들과는 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 따라서, 본 발명의 범위는 다음의 청구 범위로부터 결정된다.

Claims (12)

  1. 마이크로컨트롤러 상에서 주파수 출력을 생성하는 방법으로서,
    미리결정된 기간을 갖는 입력 클락 신호를 초기화하는 단계;
    상기 미리결정된 기간에 기초하여 파라미터를 계산하는 단계;
    상기 파라미터 및 미리결정된 유량-주파수 스케일링에 기초하여 원하는 주파수를 계산하는 단계;
    복수의 프랙셔널(fractional) 펄스들을 계산하는 단계 ―상기 복수의 프랙셔널 펄스들의 각각의 프랙셔널 펄스는 상기 원하는 주파수, 상기 입력 클락 신호의 상기 미리결정된 기간, 및 선행 프랙셔널 펄스의 값에 기초하여 계산됨―; 및
    계산된 프랙셔널 펄스가 출력 펄스 기간의 절반보다 크거나 또는 같은 경우 출력 상태를 토글링함으로써 상기 원하는 주파수를 출력하는 단계를 포함하는, 마이크로컨트롤러 상에서 주파수 출력을 생성하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 선행 프랙셔널 펄스가 초기 프랙셔널 펄스인 경우, 상기 선행 프랙셔널 펄스의 값은 0으로 설정되는, 마이크로컨트롤러 상에서 주파수 출력을 생성하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 출력 펄스 기간은 상기 입력 클락 신호의 상기 미리결정된 기간, 계산된 파라미터, 및 상기 미리결정된 유량-주파수 스케일링에 기초하여 계산되는, 마이크로컨트롤러 상에서 주파수 출력을 생성하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 계측 전자장치는 순간 유량을 측정하도록 구성되는, 마이크로컨트롤러 상에서 주파수 출력을 생성하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 계측 전자장치는 토글링된 출력 상태들의 수 및 상기 미리결정된 유량-주파수 스케일링에 기초하여 전체 통합 흐름을 측정하도록 구성되는, 마이크로컨트롤러 상에서 주파수 출력을 생성하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 파라미터는 유량을 포함하는, 마이크로컨트롤러 상에서 주파수 출력을 생성하는 방법.
  7. 진동 유량계(5)로서,
    하나 또는 그 초과의 흐름관들(103A, 103B) 및 제 1 및 제 2 픽오프(pickoff) 센서들(105, 105')을 포함하는 유량계 센서 조립체(10);
    상기 하나 또는 그 초과의 흐름관들(103A, 103B)을 진동시키도록 구성된 드라이버(104); 및
    상기 제 1 및 제 2 픽오프 센서들(105, 105')에 결합되고 상기 드라이버(104)에 결합된 계측 전자장치(20)를 포함하며,
    상기 계측 전자장치(20)는,
    미리결정된 기간을 갖는 입력 클락 신호를 초기화하고;
    상기 미리결정된 기간에 기초하여 파라미터를 계산하고;
    계산된 파라미터 및 미리결정된 유량-주파수 스케일링에 기초하여 원하는 주파수를 계산하고;
    복수의 프랙셔널 펄스들을 계산하고 ―상기 복수의 프랙셔널 펄스들의 각각의 프랙셔널 펄스는 상기 원하는 주파수, 상기 입력 클락 신호의 상기 미리결정된 기간, 및 선행 프랙셔널 펄스의 값에 기초하여 계산됨―; 그리고
    계산된 프랙셔널 펄스가 출력 펄스 기간의 절반보다 크거나 또는 같은 경우 상기 출력 상태를 토글링함으로써 상기 원하는 주파수를 출력하도록 구성됨으로써 주파수 출력을 생성하는, 진동 유량계.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 선행 프랙셔널 펄스가 초기 프랙셔널 펄스인 경우, 상기 선행 프랙셔널 펄스의 값이 0으로 설정되는, 진동 유량계.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 출력 펄스 기간은 상기 입력 클락 신호의 미리결정된 기간, 상기 계산된 파라미터, 및 상기 미리결정된 유량-주파수 스케일링에 기초하여 계산되는, 진동 유량계.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 계측 전자장치는 순간 유량을 측정하도록 구성되는, 진동 유량계.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 계측 전자장치는 토글링된 출력 상태들의 수 및 상기 미리결정된 유량-주파수 스케일링에 기초하여 전체 통합 흐름을 측정하도록 구성되는, 진동 유량계.
  12. 제 7 항에 있어서,
    상기 파라미터는 유량을 포함하는, 진동 유량계.
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