KR20180048787A - 합성 시간 기간 출력 신호를 생성하기 위한 방법 - Google Patents
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Abstract
포크 밀도 미터가 진동하는 주파수와 주파수 면에서 동일한, 일관된 그리고 저-노이즈 출력 신호(705)를 생성하는 포크 밀도 센서(601)에 대한 합성 시간 기간 출력 신호를 생성하는 시스템 및 방법이 개시된다. 이러한 합성 신호는 픽오프로부터의 실제 노이즈가 출력 미터로 전파되는 것을 방지하고 생성된 출력 신호로부터 프로세스 노이즈 및 간섭을 제거한다.
Description
이하에 설명되는 실시예는 진동 센서들에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 전류 밀도 측정들에서 발생할 수 있는 프로세스 노이즈에 의해 야기되는 에러들을 보상하기 위한 합성 시간 기간 출력 신호(synthetic time period output signal)를 생성하는 것에 관한 것이다.
진동 밀도계들 및 진동 점도계들과 같은 진동 센서들은 특성화될 유체의 존재 시에 진동하는 진동 엘리먼트의 모션(motion)을 검출함으로써 동작한다. 진동 엘리먼트는 공진 주파수 또는 품질 팩터(Q)와 같은 진동 응답 파라미터를 가질 수 있는 진동 응답을 갖는다. 진동 엘리먼트의 진동 응답은 일반적으로, 유체와 조합된 진동 엘리먼트의 결합된 질량, 강성 및 댐핑 특성들(damping characteristics)에 의해 영향을 받는다. 밀도, 점도, 온도 등과 같이 유체와 연관된 특성들은 진동 엘리먼트와 연관된 하나 또는 그 초과의 모션 트랜스듀서로부터 수신된 진동 신호 또는 신호들을 프로세싱함으로써 결정될 수 있다. 진동 신호의 프로세싱은 진동 응답 파라미터를 결정하는 것을 포함할 수 있다.
도 1은 진동 엘리먼트 및 진동 엘리먼트에 커플링된 계측 전자기기를 포함하는 종래 기술의 진동 센서를 도시한다. 종래 기술의 진동 센서는 진동 엘리먼트를 진동시키는 드라이버 및 진동에 대한 응답으로 진동 신호를 생성하는 픽오프(pickoff)를 포함한다. 진동 신호는 통상적으로 연속 시간 또는 아날로그 신호이다. 계측 전자기기는 진동 신호를 수신하고 진동 신호를 프로세싱하여 하나 또는 그 초과의 유체 특성들 또는 유체 측정들을 생성한다. 계측 전자기기는 진동 신호의 주파수 및 진폭 둘 모두를 결정한다. 진동 신호의 주파수 및 진폭은 유체의 밀도를 결정하기 위해 추가로 프로세싱될 수 있다.
종래 기술의 진동 센서는 폐-루프 회로를 사용하여 드라이버에 대한 드라이브 신호를 제공한다. 드라이브 신호는 통상적으로, 수신된 진동 신호에 기초한다. 종래 기술의 폐-루프 회로는 진동 신호 또는 진동 신호의 파라미터들을 수정하거나 드라이브 신호에 통합한다. 예를 들어, 드라이브 신호는 수신된 진동 신호의 증폭된, 변조된, 또는 아니면, 수정된 버전일 수 있다. 수신된 진동 신호는 이에 따라, 폐-루프 회로가 타겟 주파수를 달성하는 것을 가능케 하는 피드백을 포함할 수 있다. 피드백을 사용하여, 폐-루프 회로는 드라이브 주파수를 점진적으로 변화시키고 타겟 주파수가 도달될 때까지 진동 신호를 모니터링한다.
유체의 점도 및 밀도와 같은 유체 특성들은 드라이브 신호와 진동 신호 간의 위상차가 135°및 45°인 주파수로부터 결정될 수 있다. 제1 오프-공진 위상차(φ1) 및 제2 오프-공진 위상차(φ2)로서 표시된 이들 원하는 위상차들은 반(half) 전력 또는 3dB 주파수들에 대응할 수 있다. 제1 오프-공진 주파수(ω1)는 제1 오프-공진 위상차(φ1)가 135°인 주파수로서 정의된다. 제2 오프-공진 주파수(ω2)는 제2 오프-공진 위상차(φ2)가 45°인 주파수로서 정의된다. 제2 오프-공진 주파수(ω2)에서 이루어진 밀도 측정들은 유체 점도에 독립적일 수 있다. 따라서, 제2 오프-공진 위상차(φ2)가 45°인 곳에서 이루어진 밀도 측정들은 다른 위상차들에서 이루어진 밀도 측정들보다 더 정확할 수 있다.
제1 및 제2 오프-공진 위상차들(φ1, φ2)은 통상적으로, 측정 전에 알려지지 않는다. 따라서, 폐-루프 회로는 위에서 설명된 바와 같은 피드백을 이용하여 제1 및 제2 오프-공진 위상차들(φ1, φ2)에 점진적으로 접근해야 한다. 폐-루프 회로와 연관된 점진적 접근법은, 진동 응답 파라미터를 결정하는 데 지연을 유발할 수 있으며, 이에 따라 유체의 점도, 밀도 또는 다른 특성들을 결정하는 데 지연을 유발할 수 있다. 이러한 측정들을 결정하는 데 있어서의 지연들은 진동 센서의 다수의 애플리케이션들에서 엄청나게 과도할 수 있다.
따라서, 위상 에러에 기초하여 진동 센서의 진동을 제어할 필요가 있다. 또한, 폐-루프 회로와 연관된 지연들 없이 제1 및 제2 오프-공진 위상차(φ1, φ2)에 도달할 필요가 있다.
본 출원은 프로세스 노이즈에 의해 야기된 에러를 보상함으로써 진동 유량계(vibratory flow meter)들의 정확도를 개선하도록 설계된다.
위상 에러에 기초하여 진동 엘리먼트의 진동을 제어하는 방법이 제공된다. 일 실시예에 따라, 방법은 드라이브 신호로 진동 엘리먼트를 진동시키는 단계, 진동 엘리먼트로부터 진동 신호를 수신하는 단계, 신호를 필터링하는 단계, 합성된 필터링된 신호를 출력 회로에 입력하는 단계; TPSig 출력 신호를 생성하는 단계 및 드라이브 신호와 진동 신호 사이의 위상차를 측정하는 단계를 포함한다. 이 방법은 또한, 타겟 위상차와 측정된 위상차 사이의 위상 에러를 결정하는 단계, 및 결정된 위상 에러로 하나 또는 그 초과의 진동 제어 항들(vibration control terms)을 계산하는 단계를 포함한다.
진동 엘리먼트의 진동을 제어하기 위한 계측 전자기기를 사용하는 방법이 제공된다. 일 실시예에 따라, 진동 엘리먼트의 진동을 제어하는 데 사용되는 계측 전자기기는 진동 엘리먼트에 커플링된 드라이버 회로를 포함하며, 이 드라이버 회로는 드라이브 신호를 진동 엘리먼트에 제공하도록 구성된다. 계측 전자기기는 또한, 진동 엘리먼트에 커플링된 수신기 회로를 포함하며, 이 수신기 회로는 진동 엘리먼트로부터 진동 신호를 수신하도록 구성된다. 계측 전자기기는, 드라이브 신호와 진동 신호 사이의 위상차를 측정하고, 타겟 위상차와 측정된 위상차 사이의 위상 에러를 결정하고, 결정된 위상 에러로 하나 또는 그 초과의 진동 제어 항들을 계산하도록 구성된다.
발명의 양상들
본 발명의 일 양상에서, 밀도 측정들에서 프로세스 노이즈에 의해 야기되는 에러들을 보상하기 위한 신호를 생성하는 방법은,
미터(meter)로부터 신호를 수신하는 단계; 신호를 필터링하는 단계; 필터링된 신호를 합성하는 단계; 합성된 필터링된 신호를 출력 회로에 입력하는 단계; 및 TPSig 출력 신호를 생성하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 미터는 포크 밀도 센서이다.
바람직하게는, 필터링하는 단계는 또한 신호를 게인 업(gain up)하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 필터링하는 단계는 아날로그 회로를 사용한다.
바람직하게는, 출력 회로는 TPSig 회로이다.
바람직하게는, TPSig 회로는 구형파 신호를 제공한다.
바람직하게는, 구형파 신호는 전체적으로 합성된다.
바람직하게는, 센서로부터의 신호는 아날로그 픽오프 신호이다.
본 발명의 다른 양상에서, 합성 시간 기간 출력 신호를 생성하는 방법은,
포크 밀도 센서 미터로부터 픽오프 신호를 수신하는 단계; 픽오프 신호를 필터링하는 단계; 드라이브 신호를 생성하도록 필터링된 아날로그 픽오프 신호를 합성하는 단계; 및 TPSig 출력 신호를 생성하도록 드라이브 신호를 입력하여 단계를 포함한다.
바람직하게는, 필터링하는 단계는 또한 신호를 게인 업(gain up)하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 필터링하는 단계는 아날로그 회로를 사용한다.
바람직하게는, 출력 회로는 TPSig 회로이다.
바람직하게는, TPSig 회로는 구형파 신호를 제공한다.
바람직하게는, 구형파 신호는 전체적으로 합성된다.
바람직하게는, 센서로부터의 신호는 아날로그 픽오프 신호이다.
동일한 참조 번호는 모든 도면들에서 동일한 엘리먼트를 나타낸다. 도면들은 반드시 실척대로인 것은 아니라는 것을 이해해야 한다.
도 1은 진동 엘리먼트 및 진동 엘리먼트에 커플링된 계측 전자기기를 포함하는 종래 기술의 진동 센서를 도시한다.
도 2는 일 실시예에 따른 진동 센서를 도시한다.
도 3은 일 실시예에 따른 진동 센서를 도시한다.
도 4는 드라이버 회로의 보다 상세한 표현을 갖는 진동 센서의 블록도를 도시한다.
도 5는 포크 픽오프, TPSig 및 드라이브 생성 회로 사이의 관계의 블록도를 도시한다.
도 6은 포크 픽오프, TPSig 및 드라이브 생성 회로 사이의 관계에 대한 개선의 블록도를 도시한다.
도 7은 시간 기간 신호를 생성하는 방법 내의 단계들의 흐름도를 도시한다.
도 1은 진동 엘리먼트 및 진동 엘리먼트에 커플링된 계측 전자기기를 포함하는 종래 기술의 진동 센서를 도시한다.
도 2는 일 실시예에 따른 진동 센서를 도시한다.
도 3은 일 실시예에 따른 진동 센서를 도시한다.
도 4는 드라이버 회로의 보다 상세한 표현을 갖는 진동 센서의 블록도를 도시한다.
도 5는 포크 픽오프, TPSig 및 드라이브 생성 회로 사이의 관계의 블록도를 도시한다.
도 6은 포크 픽오프, TPSig 및 드라이브 생성 회로 사이의 관계에 대한 개선의 블록도를 도시한다.
도 7은 시간 기간 신호를 생성하는 방법 내의 단계들의 흐름도를 도시한다.
도 1 내지 도 7 및 이하의 설명은, 위상 에러에 기초하여 진동 센서의 진동을 제어하기 위한 실시예들의 최상의 모드를 어떻게 제조하고 사용하는지를 당업자에게 교시하기 위한 특정 예들을 보여준다. 독창적인 원리들을 교시할 목적으로, 일부 종래의 양상들은 간략화되거나 생략된다. 당업자들은 본 설명의 범위 내에 있는 이들 예들로부터의 변동들을 인지할 것이다. 당업자는, 아래에 설명되는 특징들이 위상 에러에 기초하여 진동 센서의 진동을 제어하는 다수의 변동들을 형성하기 위해 다양한 방식들로 결합될 수 있다는 것을 인지할 것이다. 그 결과, 아래에서 설명되는 실시예들은, 아래에서 설명되는 특정 예들로 제한되는 것이 아니라, 청구항들 및 그 등가물들에 의해서만 제한된다.
도 2는 일 실시예에 따른 진동 센서(5)를 도시한다. 진동 센서(5)는 진동 엘리먼트(104) 및 계측 전자기기(20)를 포함할 수 있으며, 여기서, 진동 엘리먼트(104)는 리드 또는 리드들(100)에 의해 계측 전자기기(20)에 커플링된다. 일부 실시예들에서, 진동 센서(5)는 진동 타인(tine) 센서 또는 포크(fork) 밀도 센서를 포함할 수 있다(도 3 및 첨부된 논의 참조). 그러나 다른 진동 센서들이 고려되고 본 설명 및 청구항들의 범위 내에 있다.
진동 센서(5)는 특성화될 유체에 적어도 부분적으로 침지될 수 있다. 유체는 액체 또는 가스를 포함할 수 있다. 대안적으로, 유체는 혼입 가스(entrained gas), 혼입 고체들, 다수의 액체들 또는 이들의 조합을 포함하는 액체와 같은 다상 유체(multi-phase fluid)를 포함할 수 있다. 일부 예시적인 유체들은 시멘트 슬러리들, 석유 제품들 등을 포함한다. 진동 센서(5)는 파이프 또는 도관, 탱크, 컨테이너 또는 다른 유체 용기들에 장착될 수 있다. 진동 센서(5)는 또한 유체 유동을 지향시키기 위해 매니폴드 또는 유사한 구조에 장착될 수 있다. 그러나 다른 장착 어레인지먼트들이 고려되고 본 설명 및 청구항들의 범위 내에 있다.
진동 센서(5)는 유체 측정들을 제공하도록 동작한다. 진동 센서(5)는, 유동 또는 비-유동 유체들을 포함하는 유체에 대한 유체 점도 및 유체 밀도 중 하나 또는 그 초과를 포함하는 유체 측정들을 제공할 수 있다. 진동 센서(5)는 유체 질량 유량, 유체 체적 유량 및/또는 유체 온도를 포함하는 유체 측정들을 제공할 수 있다. 이 목록은 총망라하는 것이 아니며 진동 센서(5)는 다른 유체 특성들을 측정하거나 결정할 수 있다.
계측 전자기기(20)는 리드 또는 리드들(100)을 통해 진동 엘리먼트(104)에 전기 전력(electrical power)을 제공할 수 있다. 계측 전자기기(20)는 리드 또는 리드들(100)을 통해 진동 엘리먼트(104)의 동작을 제어한다. 예를 들어, 계측 전자기기(20)는 드라이브 신호를 생성하고 생성된 드라이브 신호를 진동 엘리먼트(104)에 제공할 수 있으며, 여기서 진동 엘리먼트(104)는 생성된 드라이브 신호를 사용하여 하나 또는 그 초과의 진동 컴포넌트들에서 진동을 생성한다. 생성된 드라이브 신호는 진동 엘리먼트(104)의 진동 진폭 및 주파수를 제어할 수 있다. 생성된 드라이브 신호는 또한 진동 지속기간 및/또는 진동 타이밍을 제어할 수 있다.
계측 전자기기(20)는 또한 리드 또는 리드들(100)을 통해 진동 엘리먼트(104)로부터 진동 신호 또는 신호들을 수신할 수 있다. 계측 전자기기(20)는 예를 들어, 밀도 측정을 생성하기 위해 진동 신호 또는 신호들을 프로세싱할 수 있다. 계측 전자기기(20)는 진동 엘리먼트(104)로부터 수신된 진동 신호 또는 신호들을 프로세싱하여 신호 또는 신호들의 주파수를 결정한다. 추가로, 또는 부가적으로, 계측 전자기기(20)는 예를 들어, 유체 유량을 결정하도록 프로세싱될 수 있는, 신호들 사이의 위상차 또는 점도와 같은 유체의 다른 특성들을 결정하기 위해 진동 신호 또는 신호들을 프로세싱한다. 인지될 수 있는 바와 같이, 위상차는 통상적으로, 각도(degree) 또는 라디안과 같은 공간 단위들로 측정되거나 표현되지만, 시간-기반 단위들과 같은 임의의 적합한 단위가 사용될 수 있다. 시간-기반 단위들이 사용된다면, 위상차는 진동 신호와 드라이브 신호 사이의 시간-지연으로서 당업자들에 의해 지칭될 수 있다. 다른 진동 응답 특성들 및/또는 유체 측정들이 고려되고 본 설명 및 청구항들의 범위 내에 있다.
계측 전자기기(20)는 통신 링크(26)에 추가로 커플링될 수 있다. 계측 전자기기(20)는 통신 링크(26) 상에서 진동 신호를 통신할 수 있다. 계측 전자기기(20)는 또한 측정 값 또는 값들을 생성하도록 수신된 진동 신호를 프로세싱할 수 있고 통신 링크(26) 상에서 측정 값 또는 값들을 통신할 수 있다. 또한, 계측 전자기기(20)는 통신 링크(26) 상에서 정보를 수신할 수 있다. 예를 들어, 계측 전자기기(20)는 통신 링크(26) 상에서 커맨드들, 업데이트들, 동작 값들 또는 동작 값 변화들, 및/또는 프로그래밍 업데이트들 또는 변화들을 수신할 수 있다.
도 3은 일 실시예에 따른 진동 센서(5)를 도시한다. 계측 전자기기(20)는 도시된 실시예에서 샤프트(115)에 의해 진동 엘리먼트(104)에 커플링된다. 샤프트(115)는 임의의 원하는 길이일 수 있다. 샤프트(115)는 적어도 부분적으로 중공일 수 있다. 와이어들 또는 다른 도체들은 샤프트(115)를 통해 계측 전자기기(20)와 진동 엘리먼트(104) 사이에서 연장될 수 있다. 계측 전자기기(20)는 수신기 회로(134), 인터페이스 회로(136) 및 드라이버 회로(138)와 같은 회로 컴포넌트들을 포함한다. 도시된 실시예에서, 수신기 회로(134) 및 드라이버 회로(138)는 진동 엘리먼트(104)의 리드들에 직접 커플링된다. 대안적으로, 계측 전자기기(20)는 진동 엘리먼트(104)와 별개의 컴포넌트 또는 디바이스를 포함할 수 있으며, 여기서 수신기 회로(134) 및 드라이버 회로(138)는 리드 또는 리드들(100)을 통해 진동 엘리먼트(104)에 커플링된다.
도시된 실시예에서, 진동 센서(5)의 진동 엘리먼트(104)는 소리굽쇠 구조(tuning fork structure)를 포함하며, 여기서 진동 엘리먼트(104)는 측정되는 유체에 적어도 부분적으로 침지된다. 진동 엘리먼트(104)는 파이프, 도관, 탱크, 리셉터클(receptacle), 매니폴드 또는 임의의 다른 유체-처리 구조와 같은 다른 구조에 부착될 수 있는 하우징(105)을 포함한다. 하우징(105)은, 진동 엘리먼트(104)가 적어도 부분적으로 노출된 채로 유지되면서 진동 엘리먼트(104)를 보유한다. 진동 엘리먼트(104)는 이에 따라 유체에 침지되도록 구성된다.
도시된 실시예의 진동 엘리먼트(104)는 적어도 부분적으로 유체 내로 연장하도록 구성된 제1 및 제2 타인들(tines)(112, 114)을 포함한다. 제1 및 제2 타인들(112, 114)은 임의의 바람직한 단면 형상을 가질 수 있는 세장식 엘리먼트들(elongated elements)을 포함한다. 제1 및 제2 타인들(112 및 114)은 적어도 부분적으로, 본질적으로 탄성이거나 가요성일 수 있다. 진동 센서(5)는 추가로, 압전기(piezo-electric) 수정 엘리먼트들을 포함하는 대응하는 제1 및 제2 압전 엘리먼트들(122, 124)을 포함한다. 제1 및 제2 압전 엘리먼트들(122, 124)은 각각 제1 및 제2 타인들(112, 114)에 인접하여 위치된다. 제1 및 제2 압전 엘리먼트들(122, 124)은 제1 및 제2 타인들(112, 114)과 접촉하고 이들과 기계적으로 상호작용하도록 구성된다.
제1 압전 엘리먼트(122)는 제1 타인(112)의 적어도 일부와 접촉한다. 제1 압전 엘리먼트(122)는 또한 드라이버 회로(138)에 전기적으로 커플링된다. 드라이버 회로(138)는 생성된 드라이브 신호를 제1 압전 엘리먼트(122)에 제공한다. 제1 압전 엘리먼트(122)는 생성된 드라이브 신호를 받을 때 팽창 및 수축한다. 결과적으로, 제1 압전 엘리먼트(122)는 주기적으로 왕복운동하는 방식으로 유체를 교란시키는 진동 모션(파선 참조)에서 제1 타인(112)을 좌우로 교번적으로 변형시키고 변위시킬 수 있다.
유체에서 제2 타인(114)의 변형들에 대응하는 진동 신호를 생성하는 제2 압전 엘리먼트(124)는 수신기 회로(134)에 커플링된 것으로 도시된다. 제2 타인(114)의 움직임은 대응하는 전기 진동 신호가 제2 압전 엘리먼트(124)에 의해 생성되게 한다. 제2 압전 엘리먼트(124)는 진동 신호를 계측 전자기기(20)에 송신한다. 계측 전자기기(20)는 인터페이스 회로(136)를 포함한다.
인터페이스 회로(136)는 외부 디바이스들과 통신하도록 구성될 수 있다. 인터페이스 회로(136)는 진동 측정 신호 또는 신호들을 통신하고 결정된 유체 특성들을 하나 또는 그 초과의 외부 디바이스들에 통신할 수 있다. 계측 전자기기(20)는 진동 신호의 진동 신호 진폭 및 진동 신호 주파수와 같은 진동 신호 특성들을 인터페이스 회로(136)를 통해 송신할 수 있다. 계측 전자기기(20)는 다른 것들 중에서도, 유체의 밀도 및/또는 점도와 같은 유체 측정들을 인터페이스 회로(136)를 통해 송신할 수 있다. 다른 유체 측정들이 고려되고 본 설명 및 청구항들의 범위 내에 있다. 또한, 인터페이스 회로(136)는, 예를 들어, 측정 값들을 생성하기 위한 커맨드들 및 데이터들을 포함하는, 외부 디바이스로부터의 통신들을 수신할 수 있다. 일부 실시예들에서, 수신기 회로(134)는 드라이버 회로(138)에 커플링되고, 수신기 회로(134)는 진동 신호를 드라이버 회로(138)에 제공한다.
드라이버 회로(138)는 진동 엘리먼트(104)에 대한 드라이브 신호를 생성한다. 드라이버 회로(138)는 생성된 드라이브 신호의 특성을 수정할 수 있다. 드라이버 회로(138)는 개-루프 드라이브를 포함한다. 개-루프 드라이브는 드라이브 신호를 생성하고 생성된 드라이브 신호를 진동 엘리먼트(104)(예를 들어, 제1 압전 엘리먼트(122))에 공급하기 위해 드라이버 회로(138)에 의해 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 개-루프 드라이브는 초기 주파수(ωi)에서 시작하여, 타겟 위상차(φt)를 달성하도록 드라이브 신호를 생성한다. 개-루프 드라이브는 도 4를 참조하여 이하에 보다 상세히 설명되는 바와 같이, 진동 신호로부터의 피드백에 기초하여 동작하지 않을 수 있다.
도 4는 드라이버 회로(138)의 보다 상세한 표현을 갖는 진동 센서(5)의 블록도를 도시한다. 진동 센서(5)는 드라이버 회로(138)를 갖는 것으로 도시된다. 수신기 회로(134) 및 인터페이스 회로(136)는 명확성을 위해 도시되지 않는다. 드라이버 회로(138)는 개-루프 드라이브(147)에 커플링된 아날로그 입력 필터(138a) 및 아날로그 출력 필터(138b)를 포함한다. 아날로그 입력 필터(138a)는 진동 신호를 필터링하고 아날로그 출력 필터(138b)는 생성된 드라이브 신호를 필터링한다.
개-루프 드라이브(147)는 위상 검출기(147b)에 커플링된 아날로그-디지털 변환기(147a)를 포함한다. 위상 검출기(147b)는 신호 생성기(147c)에 커플링된다. 제1 압전 엘리먼트(122) 및 제2 압전 엘리먼트(124)를 포함하는 진동 엘리먼트(104)가 또한 도시된다. 개-루프 드라이브(147)는 신호들을 샘플링, 프로세싱 및 생성하는 하나 또는 그 초과의 코드들 또는 프로그램들을 실행하도록 구성된 디지털 신호 프로세서로 구현될 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 개-루프 드라이브(147)는 디지털 신호 프로세서 등에 커플링된 전자 회로로 구현될 수 있다.
제1 압전 엘리먼트(122)에 의해 제공된 진동 신호는 아날로그 입력 필터(138a)에 전송된다. 아날로그 입력 필터(138a)는, 진동 신호가 아날로그-디지털 변환기(147a)에 의해 샘플링되기 전에 진동 신호를 필터링한다. 도시된 실시예에서, 아날로그 입력 필터(138a)는, 임의의 적합한 저역 통과 필터가 사용될 수 있지만, 개-루프 드라이브(147)의 샘플 레이트의 약 절반인 차단 주파수(cutoff frequency)를 갖는 저역 통과 필터로 구성될 수 있다. 저역 통과 필터는 인덕터, 커패시터 및 레지스터와 같은 패시브 컴포넌트들에 의해 제공될 수 있지만, 연산 증폭기 필터와 같은 분산되거나 분리된 임의의 적합한 컴포넌트들이 사용될 수 있다.
아날로그-디지털 변환기(147a)는 필터링된 진동 신호를 샘플링하여 샘플링된 진동 신호를 형성할 수 있다. 아날로그-디지털 변환기(147a)는 또한 제2 채널(도시되지 않음)을 통해 생성된 드라이브 신호를 샘플링할 수 있다. 샘플링은 임의의 적합한 샘플링 방법에 의해 이루어질 수 있다. 인지될 수 있는 바와 같이, 아날로그-디지털 변환기(147a)에 의해 샘플링된 생성된 드라이브 신호는 진동 신호와 연관된 노이즈를 갖지 않는다. 생성된 드라이브 신호는 위상 검출기(147b)에 제공된다.
위상 검출기(147b)는 샘플링된 진동 및 생성된 드라이브 신호의 위상들을 비교할 수 있다. 위상 검출기(147b)는 도 5를 참조하여 이하에 보다 상세히 설명되는 바와 같이, 2개의 신호들 사이의 위상차를 검출하기 위해 신호들을 샘플링, 프로세싱 및 생성하는 하나 또는 그 초과의 코드들 또는 프로그램들을 실행하도록 구성된 프로세서일 수 있다. 도 4의 실시예를 여전히 참조하여, 비교는 샘플링된 진동 신호와 샘플링된 생성된 드라이브 신호 사이의 측정된 위상차(φm)을 제공한다.
측정된 위상차(φm)는 타겟 위상차(φt)와 비교된다. 타겟 위상차(φt)는 진동 신호와 생성된 드라이브 신호 사이의 원하는 위상차이다. 예를 들어, 타겟 위상차(φt)가 약 45°인 실시예에서, 측정된 위상차(φm)가 또한 45°와 동일하거나 또는 약 45°이면, 측정된 위상차(φm)와 타겟 위상차(φt) 간의 차이는 0일 수 있다. 그러나 임의의 적절한 타겟 위상차(φt)가 대안적인 실시예에서 사용될 수 있다. 측정된 위상차(φm)와 타겟 위상차(φt) 사이의 비교를 이용하여, 위상 검출기(147b)는 커맨드 주파수(ωc)를 생성할 수 있다.
커맨드 주파수(ωc)는 드라이브 신호를 생성하는 데 사용될 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 측정된 위상차(φm)와 타겟 위상차(φt) 사이의 비교로부터 결정되지 않는 초기 주파수(ωi)가 사용될 수 있다. 초기 주파수(ωi)는 초기 생성된 드라이브 신호를 형성하는 데 사용되는 미리선택된 주파수일 수 있다. 초기 생성된 드라이브 신호는 위에서 설명된 바와 같이 샘플링되고 샘플링된 진동 신호와 비교될 수 있다. 샘플링된 초기 생성된 드라이브 신호와 샘플링된 진동 신호 사이의 비교가 커맨드 주파수(ωc)를 생성하는 데 사용될 수 있다. 커맨드 주파수(ωc) 및 초기 주파수(ωi)는 초당 라디안의 단위들을 가질 수 있지만, 예를 들어, 헤르츠(Hz)와 같은 임의의 적절한 단위들이 사용될 수 있다. 커맨드 주파수(ωc) 또는 초기 주파수(ωi)는 신호 생성기(147c)에 제공될 수 있다.
신호 생성기(147c)는 위상 검출기(147b)로부터 커맨드 주파수(ωc)를 수신하고 커맨드 주파수(ωc)와 동일한 주파수를 갖는 생성된 드라이브 신호를 제공할 수 있다. 생성된 드라이브 신호는 위에서 논의된 바와 같이, 아날로그-디지털 변환기(147a)에 전송될 수 있다. 생성된 드라이브 신호는 또한 아날로그 출력 필터(138b)를 통해 제1 압전 엘리먼트(122)에 전송된다. 부가적으로 또는 대안적으로, 생성된 드라이브 신호는 다른 실시예들에서 다른 컴포넌트들에 전송될 수 있다.
위에서 논의된 바와 같이, 진동 엘리먼트(104)는 드라이브 신호에 기인한 진동 응답을 갖는다. 진동 응답은 공진 주파수(ω0), 품질 팩터(Q) 등과 같은 진동 응답 파라미터들을 가지며, 이는 측정되는 유체의 다양한 특성들을 계산하는 데 사용될 수 있다. 진동 응답 및 예시적인 진동 응답 파라미터들뿐만 아니라, 진동 응답 파라미터들이 유체의 특성들을 계산하는 데 어떻게 사용될 수 있는지가 이하에 보다 상세히 논의된다.
도 5는 현재 포크 밀도 제품의 블록도(500)를 예시한다. 포크 밀도 센서(501)는 포크 미터(fork meter) 상에 로케이팅된 적어도 하나의 센서의 집합이다. 포크 미터는, 어떠한 유체도 존재하지 않을 때의 포크의 공진 주파수를, 측정될 유체에 담궈질 때의 포크의 주파수와 비교함으로써 유체의 밀도를 결정하는 데 사용될 수 있다. 포크 미터는 피드백 루프의 일부이며, 제1 콘택(502)에 의해 픽오프(pickoff) 회로(503)에 연결된다. 픽오프 회로(503)는 아날로그 이득/필터링(505)으로 그리고 합성 시간 기간 출력 신호(506)(이하 TPSig로서 지칭됨)으로 분기한다(504). 픽오프 회로(503)는 또한, 디지털 필터링 디바이스(508), 디지털 위상 제어기(509) 및 드라이브 신호 합성부(510)로 구성되는 디지털 신호 프로세서(507)(이하 CODEC/DSP(507)로서 지칭됨)에 연결되는 아날로그-디지털 변환기에 연결된다. CODEC/DSP(507)는 포크 미터로부터의 신호를 분석하고, 신호를 디지털 방식으로(digitally) 필터링하고(507), 신호의 위상을 조정하고(509), 합성된 드라이브 신호를 생성한다. 드라이브 신호로서 또한 지칭될 수 있는 합성된 드라이브 신호는, 구동력(driving force)을 제공하는 드라이브 회로(511)에 전송된다.
시간 기간 출력은 포크 밀도 센서(501)로부터의 신호를 프로세싱함으로써 생성될 수 있다. 아날로그 수단을 사용하여 픽오프로부터 발신되는 신호를 필터링하고 획득하는 이 현재의 방법은 포크 밀도 미터가 사용되는 다수의 상황들에서 잘 작동한다. 그러나 대량의 프로세스 노이즈가 존재하는 상황들에서 문제가 발생할 수 있다.
프로세스 노이즈는 외란 입력(disturbance input)들의 임의의 수의 모델링되지 않은 시스템 동역학에 의해 야기될 수 있다. 프로세스 노이즈는 내부 소스로부터 발생될 수 있으며, 파라미터 노이즈, 열 노이즈, 입력 노이즈, 열 EMF, 유전 흡수(dielectric absorption), 오디오 포닉 노이즈(audio phonic noise) 등을 포함(그러나 이에 제한되지는 않음)할 수 있다. 프로세스 노이즈는 또한, 외부 노이즈 소스들로부터 발생될 수 있으며, 전기장 커플링, 유도 커플링, 라디오 주파수 커플링, 접지 루프들, 공통 모드 거절 노이즈, 케이블 노이즈, 노이즈 필터링 등을 포함(그러나 이에 제한되지는 않음)할 수 있다.
높은 레벨들의 프로세스 노이즈는 증가(grow)되어 픽오프 신호 내에서 중요한 그리고 일관된 컴포넌트가 될 수 있다. 이러한 프로세스 노이즈 상황들은 TPSig 출력으로 하여금, 입력 신호가 더 이상 흐름 컴퓨터에 의해 성공적으로 측정될 수 없을 정도로 불안정(jittery)해지게 할 수 있다 .
픽오프들 시에 발생하는 프로세스 노이즈는 포크 위상 에러 제어 내에서 큰 관심사이다. 출원 62/094,217에서 개시되는 포크 밀도 미터 기술은 포크 밀도 미터가, 이러한 포크 밀도 미터가 이전에 동작하는 데 실패한 프로세스 노이즈 조건들에서 포크를 성공적으로 구동시키고 밀도를 디지털 방식으로 측정하는 것을 가능하게 한다. 62/094,217 출원 기술은 픽오프들에서의 실제 노이즈를 해결하진 않았다. 이 노이즈는 TPSig 회로로 공급되고 흐름 컴퓨터들이 그들의 시간 기간 측정들을 손실시키게 한다.
TPSig 출력이 고 노이즈 애플리케이션에서 흐름 컴퓨터에 의해 지속적으로 측정되기 위해, 신호가 TPSig 출력 회로로 공급되기 전에 아날로그 신호로부터의 노이즈가 제거되어야 한다. TPSig 출력에 사용되는 신호를 합성하는 것은, 실제 픽오프 신호 상의 어떠한 실제 프로세스 노이즈도 흐름 컴퓨터 측정으로 전파되지 않을 수 있다는 것을 보장한다. 시간 기간 출력은 또한 드라이브 신호에 결합함으로써 생성될 수 있다.
도 6은 개선된 실시예를 블록도(600)로서 예시한다. 포크 밀도 센서(601)는 제1 콘택(602)에 의해 픽오프 회로(603)에 연결된다. 픽오프 회로(603)는 또한, 디지털 필터링 디바이스(608), 디지털 위상 제어기(609) 및 드라이브 신호 합성부(610)로 구성되는 CODEC/DSP(607)에 연결된다. CODEC/DSP(607)는 추가로 드라이브 회로(611)에 연결되고, 제2 콘택(612)은 포크 밀도 센서(601)에 연결된다.
본 실시예와 개선 사이의 구별은, 제1 실시예(500)에서, 분기(504)가 픽오프 회로(503)와 CODEC/DSP(507) 사이에서 발생하는 반면에, 제2 실시예(600)에서, 분기는 CODEC/DSP(607)와 드라이브 회로(611) 사이에서 발생한다는 점이다.
도 7은 사용자가 TPSig 출력 미터를 통해 원시 센서 시간 기간을 수신하게 하기 위한 포크 밀도 밀도 옵션을 예시한다. 시간 기간 신호 생성은 아날로그 픽오프 신호가 포크 밀도 센서 미터(601)로부터 발신되는 것(701)으로 시작한다. 신호는 포크 밀도 센서 미터(601)로부터 나와서 필터로 진행되며, 여기서 이 신호가 필터링된다(702). 그 후, 신호는 드라이브 신호 합성부로 전송된다(703). 그 후, TPSig는 아날로그 이득/필터링으로 전송되며, 여기서 이 TPSig가 게인 업(gain up)될 수 있다(704). 본원에서 게인 업된다는 것은, 전력 공급부로부터의 에너지를 신호에 부가함으로써 신호의 전력 또는 진폭을 증가시키는 회로의 능력을 지칭한다. TPSig 출력 회로는 미터의 오실레이션 주파수를 나타내는 구형파 신호를 출력하고 제공한다(705). 그 후, 이 신호는 흐름 컴퓨터에 의해 측정되고(706), 이는 다른 프로세스 파라미터들과 함께, 이 신호의 시간 기간을 사용하여 포크의 프롱(prong)들(이하, 포크 타인(fork tine)들로서 지칭됨)이 삽입되는 유체의 밀도를 계산한다(707).
검토를 위해, 프로세스 단계들은 다음과 같다:
1. 미터(601) 상의 센서로부터 신호를 획득함
2. CODEC/DSP(607)를 통해 신호를 실행함
3. 합성된 드라이브 신호(610)를 생성함
4. 합성된 드라이브 신호를 취하여 이를 아날로그 이득/필터(605)에 전송함
5. TPSig 신호(606)를 출력함.
본 출원의 구현의 모드는 드라이브 신호 합성기를 사용하여 이루어진다. 합성기는 포크 밀도 송신기와 연관된 아날로그 이득/필터링 회로에 의해 입력으로 사용하기 위한 입력 신호를 생성한다. 62/094,217 출원에서, 포크 합성된 드라이브 신호는 포크 밀도 미터의 오실레이션 주파수를 제어하는 신호이다. 본 출원에서, 드라이브 신호는 포크 밀도 미터의 오실레이션 주파수와 동일한 주파수로 오실레이팅하는 일관된, 저-노이즈 TPSig 출력 신호를 생성하기 위해 아날로그 이득/필터 회로에 대한 입력 신호로서 사용될 수 있다. 본 출원의 핵심적인 이점은, 신호가 위상 제어기에 의해 전체적으로 디지털 방식으로 합성된다는 것이다. 이는 포크 밀도 미터의 픽오프들에서 나타날 수 있는 어떠한 실제 프로세스 노이즈도 TPSig 출력으로 전파되지 않을 수 있다는 것을 보장한다.
위의 실시예들의 상세한 설명들은 본 출원의 범위 내에 있는 것으로 본 발명자들에 의해 고려되는 모든 실시예들의 총망라하는 설명은 아니다. 실제로, 당업자들은, 위에서 설명된 실시예들의 특정 엘리먼트들이 추가 실시예들을 생성하기 위해 다양하게 결합되거나 제거될 수 있으며, 이러한 추가 실시예들은 본 출원의 범위 및 교시들 내에 있다는 것을 인지할 것이다. 위에서 설명된 실시예들이 전체적으로 또는 부분적으로 결합되어 본 출원의 범위 및 교시들 내의 부가적인 실시예들을 생성할 수 있다는 것이 당업자들에게 또한 자명할 것이다.
Claims (15)
- 신호를 생성하는 방법으로서,
미터(meter)(601)로부터 신호를 수신하는 단계;
상기 신호를 필터링(608)하는 단계;
필터링된 신호를 합성(610)하는 단계;
합성된 필터링된 신호(604)를 출력 회로에 입력하는 단계; 및
TPSig 출력 신호(606)를 생성하는 단계를 포함하는,
신호를 생성하는 방법. - 제1항에 있어서,
상기 미터는 포크 밀도 센서(601)인,
신호를 생성하는 방법. - 제1항에 있어서,
상기 필터링하는 단계는 또한 상기 신호를 게인 업(gain up)(605)하는 단계를 포함하는,
신호를 생성하는 방법. - 제3항에 있어서,
상기 필터링하는 단계는 아날로그 회로(605)를 사용하는,
신호를 생성하는 방법. - 제1항에 있어서,
상기 출력 회로는 TPSig 회로(606)인,
신호를 생성하는 방법. - 제1항에 있어서,
TPSig 회로(606)는 구형파 신호를 제공하는,
신호를 생성하는 방법. - 제6항에 있어서,
상기 구형파 신호는 전체적으로 합성되는,
신호를 생성하는 방법. - 제1항에 있어서,
상기 센서로부터의 신호는 아날로그 픽오프(analog pickoff)(603) 신호인,
신호를 생성하는 방법. - 합성 시간 기간 출력 신호를 생성하는 방법으로서,
포크 밀도 센서 미터로부터 픽오프 신호를 수신하는 단계(701);
상기 픽오프 신호를 필터링하는 단계(702);
드라이브 신호를 생성하도록, 필터링된 아날로그 픽오프 신호를 합성하는 단계(704); 및
TPSig 출력 신호를 생성하도록 상기 드라이브 신호를 입력하는 단계를 포함하는,
합성 시간 기간 출력 신호를 생성하는 방법. - 제9항에 있어서,
상기 필터링하는 단계는 또한 상기 신호를 게인 업하는 단계(704)를 포함하는,
합성 시간 기간 출력 신호를 생성하는 방법. - 제9항에 있어서,
상기 필터링하는 단계(702)는 아날로그 회로를 사용하는,
합성 시간 기간 출력 신호를 생성하는 방법. - 제9항에 있어서,
출력 회로는 TPSig 회로인,
합성 시간 기간 출력 신호를 생성하는 방법. - 제9항에 있어서,
TPSig 회로는 구형파 신호를 제공하는,
합성 시간 기간 출력 신호를 생성하는 방법. - 제13항에 있어서,
상기 구형파 신호는 전체적으로 합성되는,
합성 시간 기간 출력 신호를 생성하는 방법. - 제9항에 있어서,
센서로부터의 신호는 아날로그 픽오프 신호인,
합성 시간 기간 출력 신호를 생성하는 방법.
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