KR20210033522A - 유량계에 대한 검증 진단들을 위한 미터 전자장치 및 방법들 - Google Patents
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Abstract
유량계(5)에 대한 정확한 작동을 검증하기 위한 방법이 제공된다. 방법은 유량계(5)로부터 진동 응답을 수신하는 것을 수반하며, 여기서 진동 응답은 실질적 공진 주파수에서 유량계(5)의 진동에 대한 응답을 포함한다. 적어도 하나의 이득 감쇠 변수가 측정된다. 그런 다음, 이득 감쇠 변수가 사전 결정된 범위 밖에 있는지 여부가 결정된다. 이득 감쇠 변수가 사전 결정된 범위 밖에 있는 경우 강성 계산에 사용되는 필터가 조정된다.
Description
본 개시내용은 유량계(flow meter)에 대한 검증 진단들을 위한 미터 전자장치(meter electronics) 및 방법들에 관한 것이다.
코리올리 질량 유량계(Coriolis mass flow meter)들 또는 진동 튜브 밀도계(densitometer)들과 같은 진동 도관 센서들은 통상적으로, 유동 재료를 보유하는 진동 도관의 모션을 검출함으로써 작동한다. 질량 유동, 밀도 등과 같은 도관의 재료와 연관된 속성들은 도관과 연관된 모션 트랜스듀서(motion transducer)들로부터 수신된 측정 신호들을 프로세싱함으로써 결정될 수 있다. 진동 재료로 채워진 시스템의 진동 모드들은 일반적으로, 보유 도관 및 그에 보유된 재료들의 결합된 질량, 강성(stiffness) 및 댐핑(damping) 특성들에 영향을 받는다.
진동 유량계의 도관은 하나 이상의 유동 튜브들을 포함할 수 있다. 유동 튜브는 공진 주파수에서 진동하도록 강제되며, 여기서 튜브의 공진 주파수는 유동 튜브의 유체의 밀도에 비례한다. 튜브의 입구 및 출구 섹션들 상에 위치된 센서들은 튜브 단부들 사이의 상대적 진동을 측정한다. 유동 동안, 진동 튜브 및 유동 질량은 코리올리 힘들로 인해 함께 커플링되어, 튜브의 단부들 사이의 진동에 위상 시프트를 야기한다. 위상 시프트는 질량 유동(mass flow)에 정비례한다.
통상적 코리올리 질량 유량계는, 파이프라인 또는 다른 운송 시스템에서 인라인으로(inline) 연결되고 시스템에서 재료, 예컨대, 유체들, 슬러리(slurry)들 등을 운반하는 하나 이상의 도관들을 포함한다. 각각의 도관은 예컨대, 단순 구부림(simple bending), 비틀림(torsional), 방사형(radial) 및 커플링형(coupled) 모드들을 포함하는 고유 진동 모드들의 세트를 갖는 것으로 보여질 수 있다. 통상적 코리올리 질량 유동 측정 애플리케이션에서, 도관은 재료가 도관을 통해 유동함에 따라 하나 이상의 진동 모드들에서 여기되고, 도관의 모션은 도관을 따라 이격된 지점들에서 측정된다. 여기는 통상적으로 액추에이터, 예컨대, 주기적 방식으로 도관을 교란시키는 음성 코일-유형 구동기와 같은 전기 기계 디바이스에 의해 제공된다. 질량 유량은 트랜스듀서 위치들에서 모션들 사이의 시간 지연 또는 위상차들을 측정함으로써 결정될 수 있다. 그러한 2개의 트랜스듀서들(또는 픽오프 센서(pickoff sensor)들)은 통상적으로, 유동 도관 또는 도관들의 진동 응답을 측정하기 위해 사용되고, 통상적으로 액추에이터의 상류 및 하류 포지션들에 위치된다. 2개의 픽오프 센서들은 케이블링(cabling)함으로써 전자 기기에 연결된다. 기기는 2개의 픽오프 센서들로부터 신호들을 수신하고, 질량 유량 측정을 유추하기 위해 신호들을 프로세싱한다.
2개의 센서 신호들 사이의 위상차는 유동 튜브 또는 유동 튜브들을 통해 유동하는 재료의 질량 유량과 관련된다. 재료의 질량 유량은 2개의 센서 신호들 사이의 시간 지연에 비례하고, 그에 따라 질량 유량은 시간 지연에 FCF(Flow Calibration Factor)를 곱함으로써 결정될 수 있으며, 여기서 시간 지연은 주파수에 의해 분할된 위상차를 포함한다. FCF는 유동 튜브의 재료 속성들 및 단면 속성들을 반영한다. 종래 기술에서, FCF는 유량계를 파이프라인 또는 다른 도관에 설치하기 이전에 교정 프로세스에 의해 결정된다. 교정 프로세스에서, 유체는 주어진 유량으로 유동 튜브를 통해 통과되고, 위상차와 유량 사이의 비율이 계산된다.
코리올리 유량계의 하나의 이점은 측정된 질량 유량의 정확도가 유량계에서 움직이는 구성요소들의 마모에 영향을 받지 않는다는 것이다. 유량은 유동 튜브의 두 지점들 사이의 위상차와 유동 교정 팩터를 곱함으로써 결정된다. 유일한 입력은 센서들로부터의 정현파 신호들이며, 이는 유동 튜브 상의 두 지점들의 오실레이션(oscillation)을 나타낸다. 위상차는 이러한 정현파 신호들로부터 계산된다. 진동하는 유동 튜브에는 움직이는 구성요소들이 존재하지 않는다. 따라서, 위상차 및 유동 교정 팩터의 측정은 유량계에서 움직이는 구성요소들의 마모에 영향을 받지 않는다.
FCF는 미터 어셈블리(meter assembly)의 강성 특성과 관련될 수 있다. 미터 어셈블리의 강성 특성이 변화하면, FCF도 또한 변화할 것이다. 따라서, 변화들은 유량계에 의해 발생된 유동 측정들의 정확도에 영향을 미칠 것이다. 유동 튜브의 재료 및 단면 특성들의 변화들은, 예컨대, 침식 또는 부식에 의해 야기될 수 있다. 결과적으로, 유량계에서 높은 레벨의 정확도를 유지하기 위해 미터 어셈블리의 강성에 대한 임의의 변화들을 검출 및/또는 정량화할 수 있는 것이 매우 바람직하다.
일 실시예에 따라, 유량계에 대한 정확한 작동을 검증하기 위한 방법이 제공된다. 방법은 유량계로부터 진동 응답을 수신하는 단계를 포함하며, 여기서 진동 응답은 실질적 공진 주파수에서 유량계의 진동에 대한 응답을 포함한다. 적어도 하나의 이득 감쇠 변수가 측정된다. 이득 감쇠 변수가 사전 결정된 범위 밖에 있는지 여부가 또한 결정되고, 이득 감쇠 변수가 사전 결정된 범위 밖에 있는 경우 강성 계산에 사용되는 필터가 조정된다.
일 실시예에 따라, 유량계에 대한 정확한 작동을 검증하기 위한 미터 전자장치가 제공된다. 미터 전자장치는 유량계로부터 진동 응답을 수신하기 위한 인터페이스 ― 상기 진동 응답은 실질적 공진 주파수에서 상기 유량계의 진동에 대한 응답을 포함함 ― , 및 인터페이스와 통신하는 프로세싱 시스템을 포함한다. 프로세싱 시스템은 적어도 하나의 이득 감쇠 변수를 측정하고, 이득 감쇠 변수가 사전 결정된 범위 밖에 있는지 여부를 결정하고, 그리고 이득 감쇠 변수가 사전 결정된 범위 밖에 있는 경우 강성 계산에 사용되는 필터링을 조정하도록 구성된다.
양상들
일 양상에 따라, 유량계에 대한 정확한 작동을 검증하기 위한 방법은, 유량계로부터 진동 응답을 수신하는 단계를 포함하며, 여기서 진동 응답은 실질적 공진 주파수에서 유량계의 진동에 대한 응답을 포함한다. 적어도 하나의 이득 감쇠 변수가 측정된다. 이득 감쇠 변수가 사전 결정된 범위 밖에 있는지 여부가 또한 결정되고, 이득 감쇠 변수가 사전 결정된 범위 밖에 있는 경우 강성 계산에 사용되는 필터가 조정된다.
바람직하게, 적어도 하나의 이득 감쇠 변수를 측정하는 단계는, 제1 시점에 적어도 하나의 이득 감쇠 변수를 측정하는 단계, 상이한 제2 시점에 적어도 하나의 이득 감쇠 변수를 측정하는 단계, 및 제1 시점에 측정된 적어도 하나의 이득 감쇠 변수 값이 제2 시점에 측정된 적어도 하나의 이득 감쇠 변수 값과 상이한 경우에만 필터를 조정하는 단계를 포함한다.
바람직하게, 이득 감쇠 변수들은 픽오프 전압(pickoff voltage), 구동 전류들, 유동 튜브 주파수(flowtube frequency) 및 온도 중 적어도 하나를 포함한다.
바람직하게, 방법은, 제1 시간 기간 동안 이득 감쇠 변수들 중 하나의 이득 감쇠 변수의 제1 기울기를 측정하는 단계, 제2 시간 기간 동안 이득 감쇠 변수들 중 동일한 이득 감쇠 변수의 제2 기울기를 측정하는 단계, 제1 기울기 및 제2 기울기가 동일한 경우 트렌드(trend)가 존재함을 결정하는 단계, 및 트렌드가 존재하는 동안 미터 검증(meter verification)을 방지하는 단계를 포함한다.
바람직하게, 적어도 하나의 이득 감쇠 변수의 변동 계수가 계산된다.
바람직하게, 필터링을 조정하는 단계는 필터링 이벤트들의 수를 증가시키는 것, 사용되는 필터들의 유형들을 증가시키는 것, 및 필터링된 샘플들의 수를 증가시키는 것 중 적어도 하나를 포함한다.
바람직하게, 방법은 유량계의 여기를 제거함으로써 감쇠 특성을 측정하는 단계, 감쇠 특성을 측정하는 동안 유량계의 진동 응답이 사전 결정된 진동 타겟까지 감쇠될 수 있게 하는 단계, 및 취해진 감쇠 특성 샘플들의 수를 변경함으로써 필터링을 조정하는 단계를 포함한다.
일 양상에 따라, 유량계에 대한 정확한 작동을 검증하기 위한 미터 전자장치는, 유량계로부터 진동 응답을 수신하기 위한 인터페이스 ― 진동 응답은 실질적 공진 주파수에서 유량계의 진동에 대한 응답을 포함함 ― , 및 인터페이스와 통신하는 프로세싱 시스템을 포함한다. 프로세싱 시스템은 적어도 하나의 이득 감쇠 변수를 측정하고, 이득 감쇠 변수가 사전 결정된 범위 밖에 있는지 여부를 결정하고, 그리고 이득 감쇠 변수가 사전 결정된 범위 밖에 있는 경우 강성 계산에 사용되는 필터링을 조정하도록 구성된다.
바람직하게, 적어도 하나의 이득 감쇠 변수를 측정하는 것은, 제1 시점에 적어도 하나의 이득 감쇠 변수를 측정하는 것, 및 상이한 제2 시점에 적어도 하나의 이득 감쇠 변수를 측정하는 것, 및 제1 시점에 측정된 적어도 하나의 이득 감쇠 변수 값이 제2 시점에 측정된 적어도 하나의 이득 감쇠 변수 값과 상이한 경우에만 필터들을 조정하는 것을 포함한다.
바람직하게, 이득 감쇠 변수들은 픽오프 전압들, 구동 전류들, 유동 튜브 주파수 및 온도 중 적어도 하나를 포함한다.
바람직하게, 프로세싱 시스템은, 제1 시간 기간 동안 이득 감쇠 변수들 중 하나의 이득 감쇠 변수의 제1 기울기 및 제2 시간 기간 동안 이득 감쇠 변수들 중 동일한 이득 감쇠 변수의 제2 기울기를 측정하고, 그리고 제1 기울기 및 제2 기울기가 동일한 경우 트렌드가 존재함을 결정하도록 추가로 구성되며, 여기서 미터 검증은 트렌드가 존재하는 동안 방지된다.
바람직하게, 적어도 하나의 이득 감쇠 변수의 변동 계수가 계산된다.
바람직하게, 필터링을 조정하는 것은 필터링 이벤트들의 수를 증가시키는 것, 사용되는 필터들의 유형들을 증가시키는 것, 및 필터링된 샘플들의 수를 증가시키는 것 중 적어도 하나를 포함한다.
바람직하게, 프로세싱 시스템은 유량계의 여기를 제거함으로써 감쇠 특성을 측정하고, 그리고 감쇠 특성을 측정하는 동안 유량계의 진동 응답이 사전 결정된 진동 타겟까지 감쇠될 수 있게 하도록 추가로 구성되며, 여기서 필터링을 조정하는 것은 취해진 감쇠 특성 샘플들의 수를 변경하는 것을 포함한다.
동일한 참조 번호는 모든 도면들에서 동일한 엘리먼트를 표현한다.
도 1은 미터 어셈블리 및 미터 전자장치를 포함하는 유량계를 도시한다.
도 2는 일 실시예에 따른 미터 전자장치를 도시한다.
도 3은 일 실시예에 따른 유량계의 강성 파라미터(K)를 결정하기 위한 방법의 흐름도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 유량계에서의 강성 변화(ΔK)를 결정하기 위한 방법의 흐름도이다.
도 5는 다른 실시예에 따른 미터 전자장치를 도시한다.
도 6은 일 실시예에 따른 유량계의 강성 파라미터(K)를 결정하기 위한 방법의 흐름도이다.
도 7은 일 실시예에 따른 자동 필터 조정을 위한 방법의 흐름도이다.
도 8은 일 실시예에 따른 자동 필터 조정을 위한 트렌드 분석을 위한 방법의 흐름도이다.
도 1은 미터 어셈블리 및 미터 전자장치를 포함하는 유량계를 도시한다.
도 2는 일 실시예에 따른 미터 전자장치를 도시한다.
도 3은 일 실시예에 따른 유량계의 강성 파라미터(K)를 결정하기 위한 방법의 흐름도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 유량계에서의 강성 변화(ΔK)를 결정하기 위한 방법의 흐름도이다.
도 5는 다른 실시예에 따른 미터 전자장치를 도시한다.
도 6은 일 실시예에 따른 유량계의 강성 파라미터(K)를 결정하기 위한 방법의 흐름도이다.
도 7은 일 실시예에 따른 자동 필터 조정을 위한 방법의 흐름도이다.
도 8은 일 실시예에 따른 자동 필터 조정을 위한 트렌드 분석을 위한 방법의 흐름도이다.
도 1-도 8 및 다음의 설명은 당업자들에게 실시예들의 최상의 모드를 제조 및 사용하는 방법을 교시하기 위한 특정 예들을 도시한다. 발명 원리들의 교시를 목적으로, 일부 종래의 양상들이 간략화되거나 또는 생략되었다. 당업자들은 실시예들의 범위 내에 있는, 이러한 예들로부터의 변형들을 인식할 것이다. 당업자들은, 아래에서 설명되는 특징들이 다양한 방식들로 조합되어 다수의 변형들을 형성할 수 있다는 것을 인식할 것이다.
결과적으로, 실시예들은 아래에서 설명되는 특정 예들에 제한되지 않고, 청구항들 및 그 등가물들에 의해서만 제한된다.
도 1은 미터 어셈블리(10) 및 미터 전자장치(20)를 포함하는 유량계(5)를 도시한다. 미터 어셈블리(10)는 프로세스 재료의 질량 유량 및 밀도에 응답한다. 미터 전자장치(20)는 리드들(100)을 통해 미터 어셈블리(10)에 연결되어, 경로(26)를 통한 밀도, 질량 유량 및 온도 정보뿐만 아니라 본 실시예들에 관련되지 않은 다른 정보를 제공한다. 코리올리 유량계 구조가 설명되지만, 본 실시예들이 코리올리 질량 유량계에 의해 제공되는 추가 측정 능력없이 진동 튜브 밀도계로서 실시될 수 있다는 것이 당업자에게 명백하다.
미터 어셈블리(10)는 한 쌍의 매니폴드(manifold)들(150 및 150'), 플랜지 넥(flange neck)들(110 및 110')을 갖는 플랜지들(103 및 103'), 한 쌍의 평행 유동 튜브들(130 및 130'), 구동 메커니즘(180), 온도 센서(190) 및 한 쌍의 속도 센서들(170L 및 170R)을 포함한다. 유동 튜브들(130 및 130')은 유동 튜브 장착 블록들(120 및 120')에서 서로를 향해 수렴하는 2개의 본질적 직선 유입구 레그(inlet leg)들(131 및 131') 및 유출구 레그(outlet leg)들(134 및 134')을 갖는다. 유동 튜브들(130 및 130')은 그들의 길이를 따른 2개의 대칭적 위치에서 구부러지고, 그들의 길이 전반에 걸쳐 본질적으로 평행하다. 브레이스 바(brace bar)들(140 및 140')은 각각의 유동 튜브가 오실레이션하는(oscillate) 축 W 및 W'를 규정하는 역할을 한다.
유동 튜브들(130 및 130')의 측면 레그(side leg)들(131, 131' 및 134, 134')은 유동 튜브 장착 블록들(120 및 120')에 고정적으로 부착되고, 이 블록들은 차례로, 매니폴드들(150 및 150')에 고정적으로 부착된다. 이것은 코리올리 미터 어셈블리(10)를 통한 연속적 폐쇄 재료 경로를 제공한다.
홀(hole)들(102 및 102')을 갖는 플랜지들(103 및 103')이 유입구 단부(104) 및 유출구 단부(104')를 통해 측정되고 있는 프로세스 재료를 운반하는 프로세스 라인(도시되지 않음)에 연결될 때, 재료는 플랜지(103)의 오리피스(orifice)(101)를 통해 미터의 단부(104)에 진입하고, 매니폴드(150)를 통해 표면(121)을 갖는 유동 튜브 장착 블록(120)으로 안내된다. 매니폴드(150) 내에서, 재료는 유동 튜브들(130 및 130')을 통해 분할 및 라우팅된다. 유동 튜브들(130 및 130')을 빠져나갈 시, 프로세스 재료는 매니폴드(150') 내에서 단일 스트림으로 재결합되고, 이후에 볼트 홀들(102')을 갖는 플랜지(103')에 의해 프로세스 라인(도시되지 않음)에 연결된 단부(104')를 빠져나가도록 라우팅된다.
유동 튜브들(130 및 130')이 선택되고, 각각 구부림 축들(W--W 및 W'--W')을 중심으로 실질적으로 동일한 질량 분포, 관성의 모멘트(moment)들 및 영률(Young's modulus)을 갖도록 유동 튜브 장착 블록들(120 및 120')에 적절하게 장착된다. 이러한 구부림 축들은 브레이스 바들(140 및 140')을 통과한다. 유동 튜브들의 영률이 온도에 따라 변화하고, 이러한 변화가 유동 및 밀도의 계산에 영향을 미치므로, 유동 튜브의 온도를 지속적으로 측정하기 위해 RTD(resistive temperature detector)(190)가 유동 튜브(130')에 장착된다. 유동 튜브의 온도 및 그에 따라 유동 튜브를 통과하는 주어진 전류에 대해 RTD에 걸쳐 나타나는 전압은 유동 튜브를 통과하는 재료의 온도에 의해 좌우된다. RTD에 걸쳐 나타나는 온도 의존적 전압은, 유동 튜브 온도의 임의의 변화들로 인해 유동 튜브들(130, 130')의 탄성률(elastic modulus)의 변화를 보상하도록, 미터 전자장치(20)에 의해, 잘 알려진 방법에서 사용된다. RTD는 리드(195)에 의해 미터 전자장치(20)에 연결된다.
유동 튜브들(130, 130') 둘 다는, 그들 개개의 구부림 축들(W 및 W')을 중심으로 대향하는 방향들로 그리고 유량계의 제1 이위상(out-of-phase) 구부림 모드로 칭해지는 곳에서 구동기(180)에 의해 구동된다. 이러한 구동 메커니즘(180)은 다수의 잘 알려진 배열체(arrangement)들 중 임의의 것, 이를테면, 유동 튜브(130')에 장착된 자석 및 유동 튜브(130)에 장착된 대향 코일을 포함할 수 있으며, 이를 통해 교류 전류가 유동 튜브들 둘 다를 진동시키도록 전달된다. 적합한 구동 신호는 리드(185)를 통해 미터 전자장치(20)에 의해 구동 메커니즘(180)에 인가된다.
미터 전자장치(20)는 리드(195) 상에서 RTD 온도 신호를, 그리고 각각, 리드들(165L 및 165R) 상에서 나타나는 좌측 및 우측 속도 신호들을 수신한다. 미터 전자장치(20)는 구동 메커니즘(180)에 대한 리드(185) 상에서 나타나는 구동 신호를 생성하고 튜브들(130 및 130')을 진동시킨다. 미터 전자장치(20)는 미터 어셈블리(10)를 통과하는 재료의 질량 유량 및 밀도를 컴퓨팅하도록 좌측 및 우측 속도 신호들 및 RTD 신호를 프로세싱한다. 이러한 정보는 다른 정보와 함께, 경로(26)를 통해 미터 전자장치(20)에 의해 이용 수단(utilization means)에 인가된다.
도 2는 일 실시예에 따른 미터 전자장치(20)를 도시한다. 미터 전자장치(20)는 인터페이스(201) 및 프로세싱 시스템(203)을 포함할 수 있다. 미터 전자장치(20)는 예컨대, 이를테면, 미터 어셈블리(10)로부터 진동 응답(210)을 수신한다. 미터 전자장치(20)는 미터 어셈블리(10)를 통해 유동하는 유동 재료의 유동 특성을 획득하기 위해 진동 응답(210)을 프로세싱한다. 또한, 실시예에 따른 미터 전자장치(20)에서, 진동 응답(210)은 미터 어셈블리(10)의 강성 파라미터(K)를 결정하기 위해 또한 프로세싱된다. 게다가, 미터 전자장치(20)는 미터 어셈블리(10)에서 강성 변화(ΔK)를 검출하기 위해 시간이 지남에 따라 2개 이상의 그러한 진동 응답들을 프로세싱할 수 있다. 강성 결정은 유동 또는 비-유동(no-flow) 조건들 하에서 이루어질 수 있다. 비-유동 결정은 결과적 진동 응답에서 감소된 노이즈 레벨의 이점을 제공할 수 있다.
앞서 논의된 바와 같이, FCF(Flow Calibration Factor)는 유동 튜브의 재료 속성들 및 단면 속성들을 반영한다. 유량계를 통해 유동하는 유동 재료의 질량 유량은 측정된 시간 지연(또는 위상차/주파수)을 FCF와 곱합으로써 결정된다. FCF는 미터 어셈블리의 강성 특성과 관련될 수 있다. 미터 어셈블리의 강성 특성이 변화하면, FCF도 또한 변화될 것이다. 따라서, 유량계의 강성의 변화들은 유량계에 의해 발생된 유동 측정들의 정확도에 영향을 미칠 것이다.
실시예들은 그들이 미터 전자장치(20)가 실제 유동 교정 테스트를 수행하지 않고 그 분야에서 강성 결정을 수행하는 것을 가능하게 하기 때문에 중요하다. 그것은 교정 테스트 스탠드 또는 다른 특수 장비 또는 특수 유체들 없이 강성 결정을 가능하게 한다. 이것은 그 분야에서 유동 교정을 수행하는 것이 고가이고, 어렵고, 시간 소요가 크기 때문에 바람직하다. 그러나, 사용 시, 미터 어셈블리(10)의 강성이 시간이 지남에 따라 변화할 수 있기 때문에, 더 양호하고 더 쉬운 교정 체크가 바람직하다. 그러한 변화들은 예컨대, 유동 튜브의 침식, 유동 튜브의 부식 및 미터 어셈블리(10)에 대한 손상과 같은 팩터들에 기인할 수 있다.
유량계의 진동 응답은 다음을 포함하는 개방형 루프 2차 구동 모델로 표현될 수 있다:
여기서 f는 시스템에 적용된 힘이고, M은 시스템의 질량이고, C는 댐핑 특성이고, K는 시스템의 강성 특성이다. 항 K는 
로 구성되고, 항 C는 
으로 구성되며, 여기서 
는 감쇠 특성을 포함하고, 
이고, 여기서 f0은 헤르츠 단위의 미터 어셈블리(10)의 고유/공진 주파수이다. 또한, x는 진동의 물리적 변위 거리이고, 
는 유동 튜브 변위의 속도이고, 
는 가속도이다. 이것은 일반적으로 MCK 모델로 지칭된다. 이 공식은 다음과 같은 형태로 재배열될 수 있다:
수식 (2)는 전달 함수 형태로 추가로 조작될 수 있다. 전달 함수 형태에서, 힘에 대한 변위의 항이 다음을 포함하여 사용될 수 있다:
잘 알려진 자기 수식들이 수식 (3)을 단순화하는 데 사용될 수 있다. 2개의 적용가능한 수식들은 다음과 같다:
그리고
(픽오프 센서(170L 또는 170R)에서의) 수식 (4)의 센서 전압(VEMF)은 픽오프 감도 팩터(BLPO)에 모션의 픽오프 속도(
)를 곱한 것과 동일하다. 픽오프 감도 팩터(BLPO)는 일반적으로 각각의 픽오프 센서에 대해 알려져 있거나 측정된다. 수식 (5)의 구동기(180)에 의해 발생된 힘(f)은 구동기 감도 팩터(BLDR)에 구동기(180)에 공급되는 구동 전류(I)를 곱한 것과 동일하다. 구동기(180)의 구동기 감도 팩터(BLDR)는 일반적으로 알려져 있거나 또는 측정된다. 팩터들(BLPO 및 BLDR) 둘 다는 온도 함수이며, 온도 측정으로 정정될 수 있다.
자기 수식들 (4) 및 (5)를 수식 (3)의 전달 함수에 대입함으로써, 결과는 다음과 같다:
미터 어셈블리(10)가 공진 시 즉, 공진/고유 주파수(ω0)(여기서 
)에서, 개방 루프 구동되면, 수식 (6)은 다음과 같이 재기재될 수 있다:
강성을 대입함으로써, 수식 (7)은 다음과 같이 단순화된다:
여기서, 강성 파라미터(K)는 다음의 식을 획득하기 위해 격리될 수 있다:
결과적으로, 구동 전압(V) 및 구동 전류(I)와 함께 감쇠 특성(
)을 측정/정량화함으로써, 강성 파라미터(K)가 결정될 수 있다. 픽오프들로부터의 응답 전압(V)은 구동 전류(I)와 함께 진동 응답으로부터 결정될 수 있다. 강성 파라미터(K)를 결정하는 프로세스는 아래에서 도 3과 관련하여 더 상세하게 논의된다.
사용 시, 강성 파라미터(K)는 시간이 지남에 따라 추적될 수 있다. 예컨대, 시간이 지남에 따른 임의의 변화들(즉, 강성 변화(ΔK))을 결정하기 위해 통계적 기법들이 사용될 수 있다. 강성 파라미터(K)의 통계적 변화는 특정 유량계에 대한 FCF가 변화하였음을 표시할 수 있다.
실시예들은 저장된 또는 리콜된 교정 밀도 값들에 의존하지 않는 강성 파라미터(K)를 제공한다. 이것은, 모든 향후 교정 작동들을 위해 사용될 수 있는 밀도 표준을 획득하기 위해, 공장 교정 작동에서, 알려진 유동 재료가 사용되는 종래 기술과 대조적이다. 실시예들은 단지 유량계의 진동 응답들로부터 획득된 강성 파라미터(K)를 제공한다. 실시예들은 공장 교정 프로세스에 대한 필요성 없이 강성 검출/교정 프로세스를 제공한다.
인터페이스(201)는 도 1의 리드들(100)을 통해 속도 센서들(170L 및 170R) 중 하나로부터 진동 응답(210)을 수신한다. 인터페이스(201)는 임의의 방식의 포맷팅, 증폭, 버퍼링 등과 같은 임의의 필요한 또는 원하는 신호 컨디셔닝을 수행할 수 있다. 대안적으로, 신호 컨디셔닝 중 일부 또는 그 전부가 프로세싱 시스템(203)에서 수행될 수 있다. 또한, 인터페이스(201)는 미터 전자장치(20)와 외부 디바이스들 사이의 통신들을 가능하게 할 수 있다. 인터페이스(201)는 임의의 방식의 전자, 광학 또는 무선 통신이 가능할 수 있다.
일 실시예에서, 인터페이스(201)는 디지타이저(digitizer)(도시되지 않음)와 커플링되며, 여기서 센서 신호는 아날로그 센서 신호를 포함한다. 디지타이저는 아날로그 진동 응답을 샘플링 및 디지털화하고, 디지털 진동 응답(210)을 생성한다.
프로세싱 시스템(203)은 미터 전자장치(20)의 작동들을 수행하고, 유량계 어셈블리(10)로부터의 유동 측정들을 프로세싱한다. 프로세싱 시스템(203)은 하나 이상의 프로세싱 루틴들을 실행하고, 이에 따라 하나 이상의 유동 특성들을 생성하기 위해 유동 측정들을 프로세싱한다.
프로세싱 시스템(203)은 범용 컴퓨터, 마이크로프로세싱 시스템, 논리 회로, 또는 일부 다른 범용 또는 맞춤형 프로세싱 디바이스를 포함할 수 있다. 프로세싱 시스템(203)은 다수의 프로세싱 디바이스들 사이에서 분산될 수 있다. 프로세싱 시스템(203)은 저장 시스템(204)과 같은 임의의 방식의 일체형 또는 독립적 전자 저장 매체를 포함할 수 있다.
저장 시스템(204)은 유량계 파라미터들 및 데이터, 소프트웨어 루틴들, 상수 값들 및 변수 값들을 저장할 수 있다. 일 실시예에서, 저장 시스템(204)은 프로세싱 시스템(203)에 의해 실행되는 루틴들, 이를테면, 유량계(5)의 강성 파라미터(K)를 결정하는 강성 루틴(230)을 포함한다.
일 실시예에서, 강성 루틴(230)은, 유량계로부터 진동 응답을 수신하고 ― 진동 응답은 실질적 공진 주파수에서 유량계의 진동에 대한 응답을 포함함 ― , 진동 응답의 주파수(ω0)를 결정하고, 진동 응답의 응답 전압(V) 및 구동 전류(I)를 결정하고, 유량계의 감쇠 특성(
)을 측정하고, 그리고 주파수(ω0), 응답 전압(V), 구동 전류(I) 및 감쇠 특성(
)(도 3 및 첨부된 논의 참조)으로부터의 강성 파라미터(K)를 결정하도록 프로세싱 시스템(203)을 구성시킬 수 있다.
일 실시예에서, 강성 루틴(230)은, 진동 응답을 수신하고, 주파수를 결정하고, 응답 전압(V) 및 구동 전류(I)를 결정하고, 감쇠 특성(
)을 측정하고, 그리고 강성 파라미터(K)를 결정하도록 프로세싱 시스템(203)을 구성시킬 수 있다. 이 실시예에서, 강성 루틴(230)은, 제2 시간(t2)에서 유량계로부터 제2 진동 응답을 수신하고, 제2 강성 특성(K2)을 발생시키기 위해 제2 진동 응답에 대한 결정 및 측정 단계들을 반복하고, 제2 강성 특성(K2)을 강성 파라미터(K)와 비교하고, 그리고 제2 강성 특성(K2)이 강성 파라미터(K)와 공차(224) 초과로 상이한 경우 강성 변화(ΔK)를 검출하도록 프로세싱 시스템(203)을 추가로 구성시킨다(도 4 및 첨부된 논의 참조).
일 실시예에서, 저장 시스템(204)은 유량계(5)를 작동시키는 데 사용되는 변수들을 저장한다. 일 실시예에서, 저장 시스템(204)은 예컨대, 속도/픽오프 센서들(170L 및 170R)로부터 수신될 수 있는 진동 응답(210)과 같은 변수들을 저장한다.
일 실시예에서, 저장 시스템(204)은 상수들, 계수들 및 작업 변수들을 저장한다. 예컨대, 저장 시스템(204)은 결정된 강성 특성(220) 및 이후 시점에서 발생되는 제2 강성 특성(221)을 저장할 수 있다. 저장 시스템(204)은 진동 응답(210)의 주파수(212), 진동 응답(210)의 전압(213) 및 진동 응답(210)의 구동 전류(214)와 같은 작업 값들을 저장할 수 있다. 저장 시스템(204)은 유량계(5)의 진동 타겟(226) 및 측정된 감쇠 특성(215)을 추가로 저장할 수 있다. 또한, 저장 시스템(204)은 공차(224)와 같은 상수들, 임계치들 또는 범위들을 저장할 수 있다. 더욱이, 저장 시스템(204)은 강성 변화(228)와 같이 일정 시간 기간 동안 누적된 데이터를 저장할 수 있다.
도 3은 일 실시예에 따른 유량계의 강성 파라미터(K)를 결정하기 위한 방법의 흐름도(300)이다. 단계(301)에서, 진동 응답이 유량계로부터 수신된다. 진동 응답은 실질적 공진 주파수에서 진동에 대한 유량계의 응답이다. 진동은 지속적이거나 또는 간헐적일 수 있다. 유동 재료는 미터 어셈블리(10)를 통해 유동할 수 있거나 또는 정적일 수 있다.
단계(302)에서, 진동 응답의 주파수가 결정된다. 주파수(ω0)는 임의의 방법, 프로세스 또는 하드웨어에 의한 진동 응답으로부터 결정될 수 있다.
단계(303)에서, 구동 전류(I)와 함께 진동 응답의 전압(V 또는 VEMF)이 결정된다. 전압 및 구동 전류는 프로세싱되지 않은 또는 컨디셔닝된 진동 응답으로부터 획득될 수 있다.
단계(304)에서, 유량계의 댐핑 특성이 측정된다. 댐핑 특성은 감쇠 특성을 측정하는 동안 유량계의 진동 응답이 진동 타겟으로 감쇠될 수 있게 함으로써 측정될 수 있다. 이러한 감쇠하는 동작은 몇몇 방식들로 수행될 수 있다. 구동 신호 진폭은 감소될 수 있고, 구동기(180)는 (적절한 유량계들에서) 미터 어셈블리(10)의 제동을 실제로 수행할 수 있거나, 또는 구동기(180)는 타겟에 도달할 때까지 단순히 전원이 공급되지 않을 수 있다. 일 실시예에서, 진동 타겟은 구동 세트포인트에서 감소된 레벨을 포함한다. 예컨대, 구동 세트포인트가 현재 3.4 mV/Hz이면, 댐핑 측정의 경우 구동 세트포인트는 예컨대, 2.5 mV/Hz와 같은 더 낮은 값으로 감소될 수 있다. 이러한 방식으로, 미터 전자장치(20)는 진동 응답이 이 새로운 구동 타겟과 실질적으로 매칭될 때까지 미터 어셈블리(10)를 단순히 코스팅(coast)하게 할 수 있다.
단계(305)에서, 강성 파라미터(K)는 주파수, 전압, 구동 전류 및 감쇠 특성(
)으로부터 결정된다. 강성 파라미터(K)는 위의 수식 (9)에 따라 결정될 수 있다. 강성(K)을 결정 및 추적하는 것 이외에, 이 방법은 또한 댐핑 파라미터(C) 및 질량 파라미터(M)를 결정 및 추적할 수 있다.
방법(300)은 반복적으로, 주기적으로, 또는 랜덤하게 수행될 수 있다. 방법(300)은 사전 결정된 랜드마크들에서, 이를테면, 사전 결정된 작동 시간들에, 유동 재료의 변화 시 등에 수행될 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 유량계에서의 강성 변화(ΔK)를 결정하기 위한 방법의 흐름도(400)이다. 단계(401)에서, 앞서 논의된 바와 같이, 진동 응답이 유량계로부터 수신된다.
단계(402)에서, 앞서 논의된 바와 같이, 진동 응답의 주파수가 결정된다.
단계(403)에서, 앞서 논의된 바와 같이, 진동 응답의 전압 및 구동 전류가 결정된다.
단계(404)에서, 앞서 논의된 바와 같이, 유량계의 감쇠 특성(
)이 측정된다.
단계(405)에서, 앞서 논의된 바와 같이, 강성 파라미터(K)는 주파수, 전압, 구동 전류 및 감쇠 특성(
)으로부터 결정된다.
단계(406)에서, 제2 진동 응답이 제2 시간 인스턴스(t2)에서 수신된다. 제2 진동 응답은 시간(t2)에서 미터 어셈블리(10)의 진동으로부터 발생된다.
단계(407)에서, 제2 진동 응답으로부터 제2 강성 특성(K2)이 발생된다. 제2 강성 특성(K2)은 예컨대, 단계들(401 내지 405)을 사용하여 발생될 수 있다.
단계(408)에서, 제2 강성 특성(K2)은 강성 파라미터(K)와 비교된다. 비교는 강성 변화(ΔK)를 검출하기 위해 상이한 시간들에 획득된 강성 특성의 비교를 포함한다.
단계(409)에서, K2와 K 사이의 임의의 강성 변화(ΔK)가 검출된다. 강성 변화 결정은 강성의 중요한 변화를 결정하기 위한 통계적 또는 수학적 방법의 임의의 방식을 사용할 수 있다. 강성 변화(ΔK)는 향후 사용을 위해 저장될 수 있고 그리고/또는 원격 위치에 송신될 수 있다. 또한, 강성 변화(ΔK)는 미터 전자장치(20)에서 경보 조건을 트리거할 수 있다. 일 실시예에서, 강성 변화(ΔK)는 먼저 공차(224)와 비교된다. 강성 변화(ΔK)가 공차(224)를 초과하면, 에러 조건이 결정된다. 강성(K)을 결정 및 추적하는 것 이외에, 이 방법은 또한 댐핑 파라미터(C) 및 질량 파라미터(M)를 결정 및 추적할 수 있다.
방법(400)은 반복적으로, 주기적으로, 또는 랜덤하게 수행될 수 있다. 방법(400)은 사전 결정된 랜드마크들에서, 이를테면, 사전 결정된 작동 시간들에, 유동 재료의 변화 시 등에 수행될 수 있다.
도 5는 다른 실시예에 따른 미터 전자장치(20)를 도시한다. 이 실시예에서, 앞서 논의된 바와 같이, 미터 전자장치(20)는 인터페이스(201), 프로세싱 시스템(203) 및 저장 시스템(204)을 포함할 수 있다. 미터 전자장치(20)는 예컨대, 이를테면, 미터 어셈블리(10)로부터 3개 이상의 진동 응답들(505)을 수신한다. 미터 전자장치(20)는 미터 어셈블리(10)를 통해 유동하는 유동 재료의 유동 특성을 획득하기 위해 3개 이상의 진동 응답들(505)을 프로세싱한다. 또한, 3개 이상의 진동 응답들(505)은 또한 미터 어셈블리(10)의 강성 파라미터(K)를 결정하기 위해 프로세싱된다. 미터 전자장치(20)는 3개 이상의 진동 응답들(505)로부터 댐핑 파라미터(C) 및 질량 파라미터(M)를 추가로 결정할 수 있다. 이러한 미터 어셈블리 파라미터들은 앞서 논의된 바와 같이, 미터 어셈블리(10)의 변화들을 검출하는 데 사용될 수 있다.
저장 시스템(204)은 강성 루틴(506)과 같은 프로세싱 루틴들을 저장할 수 있다. 저장 시스템(204)은 진동 응답들(505)과 같은 수신된 데이터를 저장할 수 있다. 저장 시스템(204)은 강성 공차(516), 댐핑 공차(517) 및 질량 공차(518)와 같은 사전-프로그래밍된 또는 사용자가 입력한 값들을 저장할 수 있다. 저장 시스템(204)은 극(pole)(
)(508) 및 레지듀(residue)(R)(509)와 같은 작업 값들을 저장할 수 있다. 저장 시스템(204)은 강성(K)(510), 댐핑(C)(511) 및 질량(M)(512)과 같은 결정된 최종 값들을 저장할 수 있다. 저장 시스템(204)은 제2 강성(K2)(520), 제2 댐핑(C2)(521), 제2 질량(M2)(522), 강성 변화(ΔK)(530), 댐핑 변화(ΔC)(531) 및 질량 변화(ΔM)(532)와 같은, 시간 기간들 동안 발생 및 작동되는 비교 값들을 저장할 수 있다. 강성 변화(ΔK)(530)는 시간이 지남에 따라 측정된 바와 같은 미터 어셈블리(10)의 강성 파라미터(K)의 변화를 포함할 수 있다. 강성 변화(ΔK)(530)는 부식 및 침식 효과들과 같은, 시간이 지남에 따른 미터 어셈블리(10)에 대한 물리적 변화들을 검출 및 결정하는 데 사용될 수 있다. 또한, 미터 어셈블리(10)의 질량 파라미터(M)(512)는 시간이 지남에 따라 측정 및 추적될 수 있고, 질량 변화(ΔM)(532)에 저장될 수 있으며, 댐핑 파라미터(C)(511)는 시간이 지남에 따라 측정될 수 있고, 댐핑 변화(ΔC)(531)에 저장될 수 있다. 질량 변화(ΔM)(532)는 미터 어셈블리(10)에 유동 재료들의 빌드-업(build-up)의 존재를 표시할 수 있고, 댐핑 변화(ΔC)(531)는 재료 저하, 침식 및 부식, 균열 등을 포함하는 유동 튜브의 변화들을 표시할 수 있다.
작동 시, 미터 전자장치(20)는 3개 이상의 진동 응답들(505)을 수신하고, 강성 루틴(506)을 사용하여 진동 응답들(505)을 프로세싱한다. 일 실시예에서, 아래에서 논의되는 바와 같이, 3개 이상의 진동 응답들(505)은 5개의 진동 응답들(505)을 포함한다. 미터 전자장치(20)는 진동 응답들(505)로부터 극(
)(508) 및 레지듀(R)(509)를 결정한다. 극(
)(508) 및 레지듀(R)(509)는 1차 극 및 레지듀를 포함할 수 있거나 또는 2차 극 및 레지듀를 포함할 수 있다. 미터 전자장치(20)는 극(
)(508) 및 레지듀(R)(509)로부터 강성 파라미터(K)(510), 댐핑 파라미터(C)(511) 및 질량 파라미터(M)(512)를 결정한다. 미터 전자장치(20)는 추가로, 제2 강성(K2)(520)을 결정할 수 있고, 강성 파라미터(K)(510) 및 제2 강성(K2)(520)으로부터 강성 변화(ΔK)(530)를 결정할 수 있으며, 강성 변화(ΔK)(530)를 강성 공차(516)와 비교할 수 있다. 강성 변화(ΔK)(530)가 강성 공차(516)를 초과하는 경우, 미터 전자장치(20)는 임의의 방식의 에러 기록 및/또는 에러 프로세싱 루틴을 개시할 수 있다. 마찬가지로, 미터 전자장치(20)는 추가로, 시간이 지남에 따라 댐핑 및 질량 파라미터들을 추적할 수 있고, 제2 댐핑(C2)(521) 및 제2 질량(M2)(522) 및 결과적 댐핑 변화(ΔC)(531) 및 질량 변화(ΔM)(532)를 결정 및 기록할 수 있다. 마찬가지로, 댐핑 변화(ΔC)(531) 및 질량 변화(ΔM)(532)는 댐핑 공차(517) 및 질량 공차(518)와 비교될 수 있다.
유량계의 진동 응답은 다음을 포함하는 개방형 루프 2차 구동 모델로 표현될 수 있다:
여기서 f는 시스템에 적용된 힘이고, M은 시스템의 질량 파라미터이고, C는 댐핑 파라미터이고, K는 강성 파라미터이다. 항 K는 
를 포함하고, 항 C는 
를 포함하며, 여기서 
이고, f0은 헤르츠 단위의 미터 어셈블리(10)의 공진 주파수이다. 
라는 용어는 앞서 논의된 바와 같이, 진동 응답으로부터 획득된 감쇠 특성 측정을 포함한다. 또한, x는 진동의 물리적 변위 거리이고, 
는 유동 튜브 변위의 속도이고, 
는 가속도이다. 이것은 일반적으로 MCK 모델로 지칭된다. 이 공식은 다음과 같은 형태로 재배열될 수 있다:
수식 (11)은 초기 조건들을 무시하면서 전달 함수 형태로 추가로 조작될 수 있다. 결과는 다음과 같다:
추가 조작은 수식 (12)를 다음을 포함하는 1차 극-레지듀 주파수 응답 함수(pole-residue frequency response function) 형태로 변환할 수 있다:
여기서 
는 극이고, R은 레지듀이고, 항(j)은 -1의 제곱근을 포함하고, ω는 원형 여기 주파수(초당 라디안)이다.
고유/공진 주파수(ωn), 댐핑된 고유 주파수(ωd) 및 감쇠 특성(
)을 포함하는 시스템 파라미터들이 극에 의해 정의된다.
시스템의 강성 파라미터(K), 댐핑 파라미터(C) 및 질량 파라미터(M)는 극 및 레지듀로부터 유추될 수 있다.
결과적으로, 강성 파라미터(K), 질량 파라미터(M) 및 댐핑 파라미터(C)는 극(
) 및 레지듀(R)의 양호한 추정치에 기초하여 계산될 수 있다.
극 및 레지듀는 측정된 주파수 응답 함수들로부터 추정된다. 극(
) 및 레지듀(R)는 일부 방식의 직접적 또는 반복적 컴퓨테이셔널 방법을 사용하여 추정될 수 있다.
구동 주파수 근처의 응답은 주로 수식 (13)의 첫 번째 항으로 구성되며, 복잡한 켤레 항은 응답의 작고 거의 일정한 "레지듀얼(residual)" 부분에만 기여한다. 결과적으로, 수식 (13)은 다음과 같이 단순화될 수 있다:
수식 (20)에서, H(ω) 항은 3개 이상의 진동 응답들로부터 획득된 측정된 FRF(frequency response function)이다. 이러한 유추에서, H는 변위 출력을 힘 입력으로 나눈 것으로 구성된다. 그러나, 코리올리 유량계의 통상적 보이스 코일 픽오프(voice coil pickoff)들을 통해, 측정된 FRF(즉, 
항)는 속도를 힘으로 나눈 것에 관한 것이다. 따라서, 수식 (20)은 다음의 형태로 변환될 수 있다:
수식 (21)은 극(
) 및 레지듀(R)에 대해 쉽게 풀 수 있는 형태로 추가로 재배열될 수 있다.
수식 (22)은 과하게-결정된(over-determined) 수식 시스템들을 형성한다. 수식 (22)은 속도/힘 FRF(
)로부터 극(
) 및 레지듀(R)를 결정하기 위해 컴퓨팅적으로(computationally) 풀 수 있다. 항 H, R, 
는 복잡하다.
일 실시예에서, 가진 주파수(forcing frequency)(ω)는 5개의 톤들이다. 이 실시예에서, 5개의 톤들은 구동 주파수와, 구동 주파수 위의 2개의 톤들 및 아래의 2개의 톤들을 포함한다. 톤들은 기본 주파수로부터 0.5-2 Hz 정도만 분리될 수 있다. 그러나, 가진 주파수(ω)는 구동 주파수와, 구동 주파수 위 및 아래 1개의 톤과 같이 더 많은 톤들 또는 더 적은 톤들을 포함할 수 있다. 그러나, 5개의 톤들은 결과의 정확도와 결과를 획득하는 데 필요한 프로세싱 시간 사이에 양호한 절충(compromise)을 제공한다.
선호되는 FRF 측정에서, 특정 구동 주파수 및 진동 응답에 대해 2개의 FRF들이 측정된다는 점이 주목된다. 구동기로부터 RPO(right pickoff)까지 하나의 FRF 측정이 획득되고, 구동기로부터 LPO(left pickoff)까지 하나의 FRF 측정이 획득된다. 이러한 접근법은 SIMO(single input, multiple output)라 칭해진다. SIMO 기법은 극(
) 및 레지듀(R)를 양호하게 추정하는 데 사용된다. 이전에서, 2개의 FRF들이 2개의 별개의 극(
) 및 레지듀(R) 추정치들을 제공하기 위해 별개로 사용되었다. 2개의 FRF들이 공통 극(
)을 공유하지만 레지듀들(RL 및 RR)을 분리한다는 것을 인지하면, 더 견고한 극 및 레지듀 결정을 결과로 초래하기 위해 2개의 측정들이 유리하게 결합될 수 있다.
수식 (23)은 임의의 수의 방식들로 풀 수 있다. 일 실시예에서, 수식은 재귀 최소 제곱 접근법을 통해 푼다. 다른 실시예에서, 수식은 의사-역 기법(pseudo-inverse technique)을 통해 푼다. 또 다른 실시예에서, 모든 측정들이 동시에 이용가능하기 때문에, 표준 Q-R 분해 기법이 사용될 수 있다. Q-R 분해 기법은 Modern Control Theory, William Brogan, copyright 1991, Prentice Hall, pp. 222-224, 168-172에서 논의된다.
사용 시, 강성 파라미터(K)는 댐핑 파라미터(C) 및 질량 파라미터(M)와 함께, 시간이 지남에 따라 추적될 수 있다. 예컨대, 시간이 지남에 따른 강성 파라미터(K)의 임의의 변화들(즉, 강성 변화(ΔK))을 결정하기 위해 통계적 기법들이 사용될 수 있다. 강성 파라미터(K)의 통계적 변화는 특정 유량계에 대한 FCF가 변화하였음을 표시할 수 있다.
실시예들은 저장된 또는 리콜된 교정 밀도 값들에 의존하지 않는 강성 파라미터(K)를 제공한다. 이것은, 모든 향후 교정 작동들을 위해 사용될 수 있는 밀도 표준을 획득하기 위해, 공장 교정 작동에서, 알려진 유동 재료가 사용되는 종래 기술과 대조적이다. 실시예들은 단지 유량계의 진동 응답들로부터 획득된 강성 파라미터(K)를 제공한다. 실시예들은 공장 교정 프로세스에 대한 필요성 없이 강성 검출/교정 프로세스를 제공한다.
도 6은 일 실시예에 따른 유량계의 강성 파라미터(K)를 결정하기 위한 방법의 흐름도(600)이다. 단계(601)에서, 3개 이상의 진동 응답들이 수신된다. 유량계로부터 3개 이상의 진동 응답들이 수신될 수 있다. 3개 이상의 진동 응답들은 실질적으로 기본 주파수 응답 및 2개 이상의 기본이 아닌 주파수 응답들을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 기본 주파수 응답 위의 하나의 톤이 수신되고, 기본 주파수 응답 아래의 하나의 톤이 수신된다. 다른 실시예에서, 기본 주파수 응답 위의 2개 이상의 톤들이 수신되고, 기본 주파수 응답 아래의 2개 이상의 톤들이 수신된다.
일 실시예에서, 톤들은 기본 주파수 응답의 위 및 아래에 실질적으로 등거리로 이격된다. 대안적으로, 톤들은 등거리로 이격되지 않는다.
단계(602)에서, 3개 이상의 진동 응답들로부터 1차 극-레지듀 주파수 응답이 발생된다. 1차 극-레지듀 주파수 응답은 수식(23)에 주어진 형태를 취한다.
단계(603)에서, 질량 파라미터(M)는 1차 극-레지듀 주파수 응답으로부터 결정된다. 질량 파라미터(M)는 진동 응답들의 1차 극(
) 및 1차 레지듀(R)를 결정함으로써 결정된다. 그런 다음, 고유 주파수(ωn), 댐핑된 고유 주파수(ωd) 및 감쇠 특성(
)은 1차 극(
) 및 레지듀(R)로부터 결정된다. 후속적으로, 댐핑된 고유 주파수(ωd), 레지듀(R) 및 허수 항(j)은 질량 파라미터(M)를 획득하기 위해 수식(17)으로 플러깅(plug)된다.
단계(604)에서, 강성 파라미터(K)는 수식 (18)의 해법(solution)으로부터 결정된다. 해법은 고유 주파수(ωn)를 사용하고, 단계(603)로부터의 결정된 질량 파라미터(M)는 강성 파라미터(K)를 획득하기 위해 수식 (18)으로 플러깅된다.
단계(605)에서, 댐핑 파라미터(C)는 수식 (19)의 해법으로부터 결정된다. 해법은 감쇠 특성(
), 고유 주파수(ωn) 및 결정된 질량 파라미터(M)를 사용한다.
실시예들에서, 강성 계산에 사용되는 내부 필터링을 자동으로 조정하기 위한 방법들은 미터 검증을 위해 제공된다. 이러한 이득 감쇠 미터 검증 방법은 반복가능한 강성 측정을 계산하기 위해 안정적 픽오프 전압들, 안정적 구동 전류, 안정적 튜브 주파수 및 안정적 온도 중 적어도 하나에 의존한다는 점이 주목되어야 한다. 일반적으로, 이러한 변수들은 "이득 감쇠 변수들"로 지칭될 것이다. 유동 노이즈, 외부 시스템 노이즈 및 미터 유형을 포함하는(그러나 이에 제한되지 않음) 다른 팩터들은 픽오프 전압들 및 구동 전류 측정들에 필요한 필터링의 양에 영향을 미칠 것이다. 예컨대, 유량이 증가함에 따라, 일반적으로 더 많은 노이즈가 픽오프 전압들 및 구동 전류와 연관될 것이다. 따라서, 증가된 필터 샘플링이 바람직할 수 있다. 과도한 필터링은 측정을 수행하는 데 필요한 시간의 양에 부정적 영향을 미칠 수 있지만 불충분한 필터링이 부정확도들로 이어지므로, 균형이 이상적이다. 게다가, 부정확한 필터링은 또한 스큐이드 데이터(skewed data) 및 잠재적인 잘못된 장애(false failure)로 이어질 수 있다.
일 실시예에서, 일련의 이득 감쇠 변수들 중 적어도 하나에 대해 분석이 수행된다. 위에서 서술된 바와 같이, 이득 감쇠 변수들은 픽오프 전압들, 구동 전류들, 유동 튜브 주파수 및 온도 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 분석은 이득 감쇠 변수들 중 적어도 하나의 안정성을 결정하는 것 및 그에 따라 필터들을 조정하는 것을 포함한다. 도 7을 참조하면, 일 실시예에 따라 자동 필터 조정(700)을 위한 방법의 개요가 제공된다.
단계(702)에서, 미터가 노이즈가 있는 것으로 간주되는지 여부를 결정하기 위해 적어도 하나의 이득 감쇠 변수가 측정된다. 예컨대, 제한없이, 사전 결정된 시간 기간 동안 다수의 온도 측정들이 취해질 수 있고, 표준 편차 또는 변동 계수가 계산될 수 있다.
단계(704)에서, 표준 편차 또는 변동 계수가 사전 결정된 임계 값 미만이면, 미터는 노이즈가 없는 것으로 간주되고, 관련 필터링은 단계(708)에서 사전 결정된 최소 값으로 세팅된다.
대안적 실시예에서, 단계(704)는 시스템 요건들에 기초하여 필터를 조정하는 대안적 수단이 달성되도록 수행된다. 이득 감쇠 변수들의 표준 편차 또는 변동 계수를 모니터링하는 루프로 구성된 적응형 알고리즘이 사용될 수 있다. 그러나, 이 실시예에서, 통계적 분석이 변수들이 타겟 범위 내에 있지 않음을 도시하는 경우, 이득 감쇠 변수 필터링은 변수들이 타겟 범위 내에 있을 때까지 조정될 수 있다. 이것은 단순히 이득 감쇠 변수가 사전 결정된 임계 값 미만인지 여부를 확인하는 것을 대체한다. 이 방법은, 변수들이 타겟 범위 초과인지 아니면 미만인지에 기초하여 필터링의 증가 및 감소 둘 다를 허용한다.
변동 계수(CV)가 이용되는 실시예들의 경우, 그것은 다음과 같이 계산될 수 있다:
단계(708)로부터, 노이즈 레벨들이 반복적으로 체크되는 방식으로 단계(702)와 함께 루프가 형성되어, 노이즈 상태가 규칙적으로 폴링(poll)된다. 그러나, 단계(704)에서, 표준 편차 또는 변동 계수가 사전 결정된 임계 값을 초과하면, 미터는 노이즈가 있는 것으로 간주되고, 다음으로, 측정된 노이즈 레벨이 이전에 측정된 노이즈 레벨과 동일한지 여부가 단계(706)에서 결정된다.
현재 노이즈 레벨이 이전에 측정된 노이즈 레벨과 동일하면, 루프는 단계(702)로 형성된다. 그러나, 단계(706)에서, 측정된 전류 노이즈 레벨이 이전에 측정된 노이즈 레벨과 동일하지 못할 경우, 이득 감쇠 필터 변수들이 단계(710)에서 조정된다. 그러한 조정들은 필터링 이벤트들의 수를 증가시키는 것, 사용되는 필터들의 유형들을 증가시키는 것, 및/또는 필터링된 샘플들의 수를 증가시키는 것을 포함할 수 있다. 예컨대, 단순 평균 또는 이동 평균 필터들은 감쇠를 개선하기 위해 다수 회 적용될 수 있다. 추가적으로, 더 양호한 성능을 달성하기 위해, 평균화된 샘플들의 수가 증가될 수 있다. 물론, 수집된 샘플들의 수가 많을수록, 측정을 완료하는 데 더 오래 걸린다.
기본적으로, 일단 안정성을 결정하기 위해 이득 감쇠 변수들에 대해 분석이 행해지면, 필터 유형 또는 필터링 시간을 변경하는 것으로 판정이 이루어질 수 있다. 예컨대, 노이즈 레벨이 낮은 경우, 단계(708)에 의해 예시된 바와 같이, 필터 시간은 총 테스트 시간을 감소시키기 위해 최소 값들로 감소될 수 있다. 반대로, 노이즈가 높은 경우, 반복가능한 측정을 획득하기 위해 필터 시간이 증가될 수 있거나 또는 필터 유형이 변경될 수 있다. 동일한 노이즈 분석은 그 측정의 정확도를 역시 개선하기 위해 감쇠 특성(제타) 샘플들의 수를 조정할 수 있다. 감쇠 특성은 계산에 가장 많은 시간이 소요되는 변수들 중 하나인 것으로 간주된다. 주어진 센서가 특정 전압에 의해 자연적으로 감소하는 데 걸리는 고정된 양의 시간이 존재한다. 이 시간은 통상적으로 센서의 사이즈가 커짐에 따라 증가한다. 그런 다음, 다른 변수들이 계산될 수 있도록 센서가 안정적 픽오프 전압들로 리턴시키는 데 걸리는 시간이 존재한다. 이것 때문에, 한 번의 고유 감쇠를 수행하고, 오직 한 번의 대응하는 감쇠 특성 측정을 갖는 것이 통상적이다. 시스템에 감쇠 프로세스들을 손상시키는 노이즈가 존재하는 경우, 감쇠 측정이 변하여, 강성 측정 역시 변하게 할 수 있다.
도시된 예에서, 미터 안정성/노이즈를 체크하기 위해 오직 단일의 이득 감쇠 변수가 폴링된다. 일부 실시예들에서, 하나 초과의 이득 감쇠 변수가 폴링된다. 일부 실시예들에서, 폴링되는 하나 초과의 이득 감쇠 변수들 중 하나가 노이즈를 표시한다고 결정되면, 필터들은 본원에서 설명된 바와 같이 조정된다. 일부 실시예들에서, 각각의 이득 감쇠 변수는 가중될 수 있어서, 더 작은 노이즈 공차들이 특정 이득 감쇠 변수들과 연관된다.
온도가 위에서 예시되었지만, 관련 실시예들에서, 센서 노이즈를 확인하기 위해 픽오프 전압 안정성이 결정될 수 있다. 픽오프 전압은 주어진 미터의 전반적 상태(health)를 결정하는 데 사용되는 강성 계산의 핵심 변수이다. 강성은 센서 내 유동 튜브의 구조적 무결성의 측정이다. 강성 측정들을 공장에서 수행된 측정들과 비교함으로써 또는 센서가 설치되었을 때, 유량계 오퍼레이터(flowmeter operator)는 작동 중 튜브들의 구조적 무결성이 초기 설치 시와 동일한지를 결정할 수 있다. 제공된 방법들은 픽오프 전압들이 반복가능하고 정확한 강성 측정들을 위해 충분히 안정적인 시기를 결정한다. 안정적 픽오프 전압들은 이득 감쇠 미터 검증 실시예들을 적용할 때 반복가능한 강성 측정들을 결정하기 위해 매우 유용한 메트릭이다. 구동 전류 및 주파수가 일정한 상태에서 픽오프 전압들이 변화하는 경우, 강성 계산은 스큐이드될 것이다. 추가적으로, 안정성에 도달하는 데 걸리는 시간이 구동 전류, 센서 사이즈 및 시스템 내 노이즈의 팩터이므로, 고정된 시간을 기다리는 것은 비효율적이다.
픽오프 전압의 CV를 계산함으로써, 픽오프 전압의 변동은 픽오프 전압의 평균과 관련될 수 있다. 실제적 측면들에서, 이것은, 표준 CV 한계가 안정성을 결정하기 위해 다수의 센서 유형들에 사용될 수 있음을 의미한다. 이 한계를 초과하는 값들은 부정확한 강성 데이터를 결과로 초래할 수 있는 불안정적 픽오프 전압을 표시한다. 주어진 센서의 경우, 픽오프 전압은 환경 또는 프로세스 조건들에 따라 변화할 수 있다. 다양한 상이한 사이즈들을 포괄하는 센서군에 걸쳐, 픽오프 전압은 센서들 사이의 기계적 그리고 자기적 차이들로 인해 훨씬 더 변할 수 있다. 픽오프 전압들의 차이들로 인해, 표준 편차의 절대 한계는 모든 센서들에 사용될 수 없다. 예컨대, 100mV에서 작동하는 센서에 대한 50mV 표준 편차는 불안정적 픽오프 전압을 표시할 수 있지만, 1V에서 작동하는 센서에 대한 동일한 표준 편차는 정상 작동일 수 있다. 따라서, CV와 같은 상대적 측정은 노이즈가 전체 평균 픽오프 전압에 기여하는 비율에 대한 더 큰 통찰력을 제공한다.
상이한 센서 유형들과 관련하여, 센서들의 모델들, 사이즈들, 구조들, 애플리케이션들 등이 셀 수 없이 많으며, 픽오프 전압들, 구동 전류들, 튜브 주파수들, 온도 등 및 연관된 작동 범위들 및 노이즈 레벨 임계치들이 미터 자체 및 프로세스 변수들 및 환경들에 따라 크게 변하는 것이 당업자들에 의해 이해될 것이다.
도 8을 참조하면, 트렌드 분석(800)의 실시예가 개시된다. 예컨대, 미터 검증이 실행되어야 하는지 여부를 결정하기 위해 픽오프 전압에 대한 트렌드 분석이 수행된다.
단계(802)에서, 많은 수의 미터 작동들이 주어지면, 샘플을 취하는 것이 적절한 모멘트인지 여부가 결정된다. 만약 그렇다면, 픽오프 전압이 단계(804)에서 측정된다.
시간이 지남에 따라, 다수의 픽오프 전압들이 측정 및 기록될 것이고, 단계(806)에서, 픽오프 전압 기울기가 계산된다. 하나의 슬로프 샘플로부터 다음 샘플로의 픽오프 전압의 기울기를 살펴봄으로써, 트렌드가 결정될 수 있다. 계산은 데이터 쌍을 취하고, 기울기를 계산한다.
다음 반복은 후속 데이터 쌍으로부터 기울기를 계산하고, 기울기들은 단계(808)에서 비교된다.
기울기들이 상이한 경우, 트렌드가 존재하지 않고, 트렌드 카운트(trend count)는 단계(810)에서 0으로 리셋되며, 트렌드 플래그(trend flag) 또한 단계(822)에서 리셋된다.
그러나, 단계들(812 및 814)에서, 전류 및 비교된 전압 기울기들의 부호가 동일한 경우, 이것은 트렌드를 표시하고, 트렌드 카운터(trend counter)는 단계(816)에서 증분된다.
트렌드 카운터 값은 단계(818)에서 사전 결정된 트렌드 한계와 비교되고, 카운터가 최종 한계를 초과하는 경우, 트렌드는 검출된 것으로 간주되고, 트렌드 플래그가 단계(820)에서 세팅되며, 미터 검증이 중지되어야 한다.
트렌드는 데이터가 변화하고 있음을 표시한다. 필터링/평균화에 의존하기 때문에, 평균화는 데이터에 항상 동일하게 가중치를 부여하므로, 트렌드의 존재 시, 평균화된 데이터는 실제 데이터를 정확하게 표현하지 않는다. 평균화된 데이터가 부정확한 경우, 최종 강성 계산은 부정확할 것이어서, 잠재적으로 잘못된 장애들 또는 잘못된 통과들을 결과로 초래할 것이다. 마지막으로, 2개의 연속 평균 픽오프 전압 샘플들 사이의 차이가 한계를 초과하는 경우, 미터 검증은 실행되지 않아야 한다. 이것은 미터 검증이 실행되어야 하는지 여부를 결정하기 위해 평균의 큰 변화들을 체크한다. 이러한 동일한 방법은 다른 이득 감쇠 변수들에 사용될 수 있다.
위의 실시예들의 상세한 설명들은 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 발명자들에 의해 고려되는 모든 실시예들에 대한 총 망라한 설명들이 아니다. 실제로, 당업자들은, 위에서 설명된 실시예들의 특정 엘리먼트들이 다른 실시예들을 생성하기 위해 다양하게 조합되거나 또는 제거될 수 있고, 그러한 다른 실시예들이 본 발명의 범위 및 교시들 내에 있음을 인식할 것이다. 또한, 당업자들에게는, 위에서 설명된 실시예들이 전체적으로 또는 부분적으로 조합되어 본 발명의 범위 및 교시들 내에서 추가 실시예들을 생성할 수 있다는 것이 자명할 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 다음의 청구항들로부터 결정되어야 한다.
Claims (14)
- 유량계(5)에 대한 정확한 작동을 검증하기 위한 방법으로서,
상기 유량계(5)로부터 진동 응답을 수신하는 단계 ― 상기 진동 응답은 실질적 공진 주파수에서 상기 유량계(5)의 진동에 대한 응답을 포함함 ― ;
적어도 하나의 이득 감쇠 변수를 측정하는 단계;
상기 이득 감쇠 변수가 사전 결정된 범위 밖에 있는지 여부를 결정하는 단계; 및
상기 이득 감쇠 변수가 상기 사전 결정된 범위 밖에 있는 경우 강성 계산에 사용되는 필터를 조정하는 단계를 포함하는, 유량계(5)에 대한 정확한 작동을 검증하기 위한 방법. - 제1 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 이득 감쇠 변수를 측정하는 단계는,
제1 시점에 상기 적어도 하나의 이득 감쇠 변수를 측정하는 단계;
상이한 제2 시점에 상기 적어도 하나의 이득 감쇠 변수를 측정하는 단계; 및
상기 제1 시점에 측정된 상기 적어도 하나의 이득 감쇠 변수 값이 상기 제2 시점에 측정된 상기 적어도 하나의 이득 감쇠 변수 값과 상이한 경우에만 상기 필터를 조정하는 단계를 포함하는, 유량계(5)에 대한 정확한 작동을 검증하기 위한 방법. - 제1 항에 있어서,
이득 감쇠 변수들은 픽오프 전압(pickoff voltage), 구동 전류들, 유동 튜브 주파수(flowtube frequency) 및 온도 중 적어도 하나를 포함하는, 유량계(5)에 대한 정확한 작동을 검증하기 위한 방법. - 제3 항에 있어서,
제1 시간 기간 동안 상기 이득 감쇠 변수들 중 하나의 이득 감쇠 변수의 제1 기울기를 측정하는 단계;
제2 시간 기간 동안 상기 이득 감쇠 변수들 중 동일한 이득 감쇠 변수의 제2 기울기를 측정하는 단계;
상기 제1 기울기 및 상기 제2 기울기가 동일한 경우 트렌드(trend)가 존재함을 결정하는 단계; 및
트렌드가 존재하는 동안 미터 검증을 방지하는 단계를 포함하는, 유량계(5)에 대한 정확한 작동을 검증하기 위한 방법. - 제1 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 이득 감쇠 변수의 변동 계수(CV)가 계산되는, 유량계(5)에 대한 정확한 작동을 검증하기 위한 방법. - 제1 항에 있어서,
필터링을 조정하는 단계는 필터링 이벤트들의 수를 증가시키는 것, 사용되는 필터들의 유형들을 증가시키는 것, 및 필터링된 샘플들의 수를 증가시키는 것 중 적어도 하나를 포함하는, 유량계(5)에 대한 정확한 작동을 검증하기 위한 방법. - 제1 항에 있어서,
상기 유량계(5)의 여기를 제거함으로써 감쇠 특성()을 측정하는 단계;
상기 감쇠 특성을 측정하는 동안 상기 유량계(5)의 진동 응답이 사전 결정된 진동 타겟까지 감쇠될 수 있게 하는 단계; 및
취해진 감쇠 특성 샘플들의 수를 변경함으로써 필터링을 조정하는 단계를 포함하는, 유량계(5)에 대한 정확한 작동을 검증하기 위한 방법. - 유량계(5)에 대한 정확한 작동을 검증하기 위한 미터 전자장치(20)로서,
상기 유량계(5)로부터 진동 응답을 수신하기 위한 인터페이스(201) ― 상기 진동 응답은 실질적 공진 주파수에서 상기 유량계(5)의 진동에 대한 응답을 포함함 ― , 및 상기 인터페이스(201)와 통신하는 프로세싱 시스템(203)을 포함하며,
상기 프로세싱 시스템(203)은, 적어도 하나의 이득 감쇠 변수를 측정하고, 상기 이득 감쇠 변수가 사전 결정된 범위 밖에 있는지 여부를 결정하고, 그리고 상기 이득 감쇠 변수가 사전 결정된 범위 밖에 있는 경우 강성 계산에 사용되는 필터링을 조정하도록 구성되는, 유량계(5)에 대한 정확한 작동을 검증하기 위한 미터 전자장치(20). - 제8 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 이득 감쇠 변수를 측정하는 것은, 제1 시점에 상기 적어도 하나의 이득 감쇠 변수를 측정하는 것, 및 상이한 제2 시점에 상기 적어도 하나의 이득 감쇠 변수를 측정하는 것, 및 상기 제1 시점에 측정된 상기 적어도 하나의 이득 감쇠 변수 값이 상기 제2 시점에 측정된 상기 적어도 하나의 이득 감쇠 변수 값과 상이한 경우에만 필터들을 조정하는 것을 포함하는, 유량계(5)에 대한 정확한 작동을 검증하기 위한 미터 전자장치(20). - 제8 항에 있어서,
이득 감쇠 변수들은 픽오프 전압들, 구동 전류들, 유동 튜브 주파수 및 온도 중 적어도 하나를 포함하는, 유량계(5)에 대한 정확한 작동을 검증하기 위한 미터 전자장치(20). - 제10 항에 있어서,
상기 프로세싱 시스템(203)은, 제1 시간 기간 동안 상기 이득 감쇠 변수들 중 하나의 이득 감쇠 변수의 제1 기울기 및 제2 시간 기간 동안 상기 이득 감쇠 변수들 중 동일한 이득 감쇠 변수의 제2 기울기를 측정하고, 그리고 상기 제1 기울기 및 상기 제2 기울기가 동일한 경우 트렌드가 존재함을 결정하도록 추가로 구성되며,
미터 검증은 트렌드가 존재하는 동안 방지되는, 유량계(5)에 대한 정확한 작동을 검증하기 위한 미터 전자장치(20). - 제8 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 이득 감쇠 변수의 변동 계수(CV)가 계산되는, 유량계(5)에 대한 정확한 작동을 검증하기 위한 미터 전자장치(20). - 제8 항에 있어서,
상기 필터링을 조정하는 것은 필터링 이벤트들의 수를 증가시키는 것, 사용되는 필터들의 유형들을 증가시키는 것, 및 필터링된 샘플들의 수를 증가시키는 것 중 적어도 하나를 포함하는, 유량계(5)에 대한 정확한 작동을 검증하기 위한 미터 전자장치(20). - 제8 항에 있어서,
상기 프로세싱 시스템(203)은 상기 유량계(5)의 여기를 제거함으로써 감쇠 특성()을 측정하고, 그리고 상기 감쇠 특성을 측정하는 동안 상기 유량계(5)의 진동 응답이 사전 결정된 진동 타겟까지 감쇠될 수 있게 하도록 추가로 구성되고, 그리고
필터링을 조정하는 것은 취해진 감쇠 특성 샘플들의 수를 변경하는 것을 포함하는, 유량계(5)에 대한 정확한 작동을 검증하기 위한 미터 전자장치(20).
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