KR20210034085A - 계측기 어셈블리의 감쇠 특성 결정 - Google Patents
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Abstract
유량계(5)의 계측기 어셈블리(10)의 감쇠 특성을 결정하기 위한 계측 전자기기(20)가 제공된다. 계측 전자기기(20)는 계측기 어셈블리(10)로부터 진동 응답을 수신하기 위한 인터페이스(201) － 진동 응답은 실질적으로 공진 주파수에서의 계측기 어셈블리(10)의 여기에 대한 응답을 포함함 －, 및 인터페이스(201)와 통신하는 프로세싱 시스템(203)을 포함한다. 프로세싱 시스템(203)은, 인터페이스(201)로부터 진동 응답을 수신하고, 진동 응답의 응답 전압(V)을 결정하고, 응답 전압(V)에 기반하여 계측기 어셈블리(10)의 감쇠 특성(ζ)을 결정하며, 그리고 이전에 결정된 감쇠 특성-대-응답 전압 관계를 사용함으로써 감쇠 특성(ζ)을 보상하도록 구성된다.
Description
본 발명은 일반적으로 계측기 검증에 관한 것으로, 더 상세하게는 계측기 어셈블리의 감쇠 특성을 결정하는 것에 관한 것이다.
진동 도관 센서들, 이를테면 코리올리(Coriolis) 질량 유량계들 또는 진동 튜브 덴시토미터(densitometer)들은 통상적으로, 유동 재료를 포함하는 진동 도관의 모션을 검출함으로써 동작한다. 도관 내의 재료와 연관된 속성들, 이를테면 질량 유동, 밀도 등은 도관과 연관된 모션 트랜스듀서들로부터 수신된 측정 신호들을 프로세싱함으로써 결정될 수 있다. 진동 재료로 채워진 시스템의 진동 모드들은 일반적으로, 포함 도관 및 그 내에 포함된 재료의 결합된 질량, 강성, 및 댐핑(damping) 특성들에 의해 영향을 받는다.
진동 유량계의 도관은 하나 이상의 유동 튜브(flow tube)들을 포함할 수 있다. 유동 튜브는 공진 주파수로 진동하도록 강제되며, 여기서 튜브의 공진 주파수는 유동 튜브 내의 유체의 밀도에 비례한다. 튜브의 유입 및 배출 섹션들에 위치된 센서들은 튜브의 말단들 사이의 상대적인 진동을 측정한다. 유동 동안, 진동 튜브 및 유동 질량은 코리올리 힘들로 인해 함께 커플링되어, 튜브의 말단들 사이의 진동에서 위상 시프트를 야기한다. 위상 시프트는 질량 유동에 정비례한다.
통상적인 코리올리 질량 유량계는, 파이프라인 또는 다른 전달 시스템에서 인라인으로 연결되고, 시스템에서 재료, 예컨대 유체들, 슬러리들 등을 운반하는 하나 이상의 도관들을 포함한다. 각각의 도관은, 예컨대 단순한 굽힘, 비틀림, 방사형(radial), 및 커플링 모드들을 포함하는 자연 진동 모드들의 세트를 갖는 것으로 보여질 수 있다. 통상적인 코리올리 질량 유동 측정 애플리케이션에서, 재료가 도관을 통해 유동될 때, 도관은 하나 이상의 진동 모드들로 여기되고, 도관의 모션은 도관을 따라 이격된 지점들에서 측정된다. 여기는 통상적으로, 주기적 방식으로 도관을 교란시키는 액추에이터, 예컨대 전기기계식 디바이스, 이를테면 음성 코일-타입 구동기에 의해 제공된다. 질량 유량은 트랜스듀서 위치들에서의 모션들 사이의 시간 지연 또는 위상 차이들을 측정함으로써 결정될 수 있다. 2개의 그러한 트랜스듀서들(또는 픽오프(pickoff) 센서들)은 통상적으로, 유동 도관 또는 도관들의 진동 응답을 측정하기 위해 이용되며, 통상적으로, 액추에이터의 상류 및 하류 포지션들에 위치된다. 2개의 픽오프 센서들은 케이블링(cabling)에 의해 전자 기구(instrumentation)에 연결된다. 기구는 2개의 픽오프 센서들로부터 신호들을 수신하고, 질량 유량 측정을 도출하기 위해 신호들을 프로세싱한다.
2개의 센서 신호들 사이의 위상 차이는 유동 튜브 또는 유동 튜브들을 통해 유동하는 재료의 질량 유량에 관련된다. 재료의 질량 유량은 2개의 센서 신호들 사이의 시간 지연에 비례하며, 따라서 질량 유량은 시간 지연을 FCF(flow calibration factor)와 곱함으로써 결정될 수 있고, 여기서 시간 지연은 주파수로 나눈 위상 차이를 포함한다. FCF는 유동 튜브의 재료 속성들 및 단면 속성들을 반영한다. 종래 기술에서, FCF는 파이프라인 또는 다른 도관으로의 유량계의 설치 이전에 교정 프로세스에 의해 결정된다. 교정 프로세스에서, 유체는 주어진 유량으로 유동 튜브를 통해 통과되며, 위상 차이와 유량 사이의 비율이 계산된다.
코리올리 유량계의 하나의 장점은, 측정된 질량 유량의 정확도가 유량계의 이동 컴포넌트들의 마모에 의해 영향을 받지 않는다는 것이다. 유량은 유동 튜브의 2개의 지점들 사이의 위상 차이와 유동 교정 인자를 곱함으로써 결정된다. 유일한 입력은 센서들로부터의 정현파 신호들이며, 유동 튜브 상의 2개의 지점들의 발진을 표시한다. 위상 차이는 이들 정현파 신호들로부터 계산된다. 진동 유동 튜브에는 어떠한 이동 컴포넌트들도 존재하지 않는다. 따라서, 위상 차이 및 유동 교정 인자의 측정은 유량계의 이동 컴포넌트들의 마모에 의해 영향을 받지 않는다.
FCF는 계측기 어셈블리의 강성, 댐핑, 및 질량 속성들에 관련될 수 있다. 계측기 어셈블리의 속성들이 변화되면, FCF가 또한 변화될 수 있다. 따라서, 속성들의 변화들은 유량계에 의해 생성된 유동 측정들의 정확도에 영향을 줄 것이다. 속성들의 변화들은 유동 튜브의 재료 및 단면 속성들의 변화들로 인한 것일 수 있으며, 이는, 예컨대 침식 또는 부식에 의해 야기될 수 있다. 결과적으로, 유량계에서 높은 레벨의 정확도를 유지하기 위해 계측기 어셈블리의 속성들, 이를테면 댐핑 속성에 대한 임의의 변화들을 검출 및/또는 정량화할 수 있는 것이 매우 바람직하다.
댐핑 속성은 감쇠 특성에 관련되고, 감쇠 특성으로부터 결정될 수 있다. 감쇠 특성은 진동이 감쇠됨에 따라 진동의 진폭을 측정함으로써 결정될 수 있다. 그러나, 감쇠 특성은 계측기 어셈블리가 갖지 않거나 또는 변하는 속성들; 이를테면 측정되는 재료의 밀도 또는 점성 또는 계측기 어셈블리의 온도로 인해 변할 수 있다. 따라서, 그러한 문제들에 의해 최소로 영향을 받는 계측기 어셈블리의 감쇠 특성을 결정하기 위한 필요성이 존재한다.
유량계의 계측기 어셈블리의 감쇠 특성을 결정하기 위한 계측 전자기기가 제공된다. 계측 전자기기는 계측기 어셈블리로부터 진동 응답을 수신하기 위한 인터페이스 － 진동 응답은 실질적으로 공진 주파수에서의 계측기 어셈블리의 여기에 대한 응답을 포함함 －, 및 인터페이스와 통신하는 프로세싱 시스템을 포함한다. 프로세싱 시스템은, 인터페이스로부터 진동 응답을 수신하고, 진동 응답의 응답 전압을 결정하고, 응답 전압에 기반하여 계측기 어셈블리의 감쇠 특성을 결정하며, 그리고 이전에 결정된 감쇠 특성-대-응답 전압 관계를 사용함으로써 감쇠 특성을 보상하도록 구성된다.
유량계의 계측기 어셈블리의 감쇠 특성을 결정하기 위한 방법이 제공된다. 방법은, 계측기 어셈블리로부터 진동 응답을 수신하는 단계를 포함하며, 진동 응답은 실질적으로 공진 주파수에서의 계측기 어셈블리의 여기에 대한 응답을 포함한다. 방법은, 진동 응답을 수신하는 단계, 진동 응답의 응답 전압을 결정하는 단계, 응답 전압에 기반하여 계측기 어셈블리의 감쇠 특성을 결정하는 단계, 및 이전에 결정된 감쇠 특성-대-응답 전압 관계를 사용함으로써 감쇠 특성을 보상하는 단계를 더 포함한다.
유량계의 계측기 어셈블리의 감쇠 특성을 결정하는 방법이 제공된다. 방법은, 계측기 어셈블리로부터 진동 응답을 수신하는 단계를 포함하며, 진동 응답은 실질적으로 공진 주파수에서의 계측기 어셈블리의 여기에 대한 응답을 포함한다. 방법은, 인터페이스로부터 진동 응답을 수신하는 단계, 진동 응답이 시작 응답 전압으로부터 정지 응답 전압으로 감쇠되게 허용하는 단계, 시작 응답 전압 임계치로부터 정지 응답 전압 임계치까지 응답 전압을 측정하는 단계, 및 시작 응답 전압 임계치 및 정지 응답 전압 임계치에 기반하여 계측기 어셈블리의 하나 이상의 프랙셔널(fractional) 감쇠 특성들을 결정하는 단계를 더 포함한다. 시작 응답 전압 임계치 및 정지 응답 전압 임계치 중 적어도 하나는 시작 응답 전압과 정지 응답 전압 사이에 있다.
양상들
일 양상에 따르면, 유량계(5)의 계측기 어셈블리(10)의 감쇠 특성을 결정하기 위한 계측 전자기기(20)는 계측기 어셈블리(10)로부터 진동 응답을 수신하기 위한 인터페이스(201) － 진동 응답은 실질적으로 공진 주파수에서의 계측기 어셈블리(10)의 여기에 대한 응답을 포함함 －, 및 인터페이스(201)와 통신하는 프로세싱 시스템(203)을 포함한다. 프로세싱 시스템(203)은, 인터페이스(201)로부터 진동 응답을 수신하고, 진동 응답의 응답 전압(V)을 결정하고, 응답 전압(V)에 기반하여 계측기 어셈블리(10)의 감쇠 특성(ζ)을 결정하며, 그리고 이전에 결정된 감쇠 특성-대-응답 전압 관계를 사용함으로써 감쇠 특성(ζ)을 보상하도록 구성된다.
바람직하게, 이전에 결정된 감쇠 특성-대-응답 전압 관계는 감쇠 특성(ζ)을 결정하는 데 사용되는 시작 응답 전압 및 정지 응답 전압 중 하나를 포함한다.
바람직하게, 이전에 결정된 감쇠 특성-대-응답 전압 관계는 이전에 결정된 감쇠 특성을 시작 응답 전압 및 정지 응답 전압 중 하나와 관련시킨다.
바람직하게, 이전에 결정된 감쇠 특성-대-응답 전압 관계는 에러-대-응답 전압 함수이다.
바람직하게, 감쇠 특성(ζ)을 결정하는 것은, 계측기 어셈블리(10)의 진동 응답의 응답 전압(V)이 미리 결정된 정지 응답 전압까지 아래로 감쇠되게 허용하는 것을 더 포함한다.
바람직하게, 프로세싱 시스템(203)은, 계측기 어셈블리(10)의 여기를 제거하고 계측기 어셈블리(10)의 진동 응답의 응답 전압(V)이 미리 결정된 정지 응답 전압까지 아래로 감쇠되게 허용함으로써 감쇠 특성(ζ)을 결정하도록 추가로 구성된다.
일 양상에 따르면, 유량계의 계측기 어셈블리의 감쇠 특성을 결정하기 위한 방법은 계측기 어셈블리로부터 진동 응답을 수신하는 단계를 포함하며, 진동 응답은 실질적으로 공진 주파수에서의 계측기 어셈블리의 여기에 대한 응답을 포함한다. 방법은, 진동 응답을 수신하는 단계, 진동 응답의 응답 전압을 결정하는 단계, 응답 전압에 기반하여 계측기 어셈블리의 감쇠 특성을 결정하는 단계, 및 이전에 결정된 감쇠 특성-대-응답 전압 관계를 사용함으로써 감쇠 특성을 보상하는 단계를 더 포함한다.
바람직하게, 이전에 결정된 감쇠 특성-대-응답 전압 관계는 감쇠 특성을 결정하는 데 사용되는 시작 응답 전압 및 정지 응답 전압 중 하나를 포함한다.
바람직하게, 이전에 결정된 감쇠 특성-대-응답 전압 관계는 이전에 결정된 감쇠 특성을 시작 응답 전압 및 정지 응답 전압 중 하나와 관련시킨다.
바람직하게, 이전에 결정된 감쇠 특성-대-응답 전압 관계는 에러-대-응답 전압 함수이다.
바람직하게, 감쇠 특성을 결정하는 단계는, 계측기 어셈블리의 진동 응답의 응답 전압이 미리 결정된 정지 응답 전압까지 아래로 감쇠되게 허용하는 단계를 더 포함한다.
바람직하게, 감쇠 특성은, 계측기 어셈블리의 여기를 제거하고 계측기 어셈블리의 진동 응답의 응답 전압이 미리 결정된 정지 응답 전압까지 아래로 감쇠되게 허용함으로써 결정된다.
일 양상에 따르면, 유량계의 계측기 어셈블리의 감쇠 특성을 결정하는 방법은 계측기 어셈블리로부터 진동 응답을 수신하는 단계를 포함하며, 진동 응답은 실질적으로 공진 주파수에서의 계측기 어셈블리의 여기에 대한 응답을 포함한다. 방법은, 인터페이스로부터 진동 응답을 수신하는 단계, 진동 응답이 시작 응답 전압으로부터 정지 응답 전압으로 감쇠되게 허용하는 단계, 시작 응답 전압 임계치로부터 정지 응답 전압 임계치까지 응답 전압을 측정하는 단계, 및 시작 응답 전압 임계치 및 정지 응답 전압 임계치에 기반하여 계측기 어셈블리의 하나 이상의 프랙셔널 감쇠 특성들을 결정하는 단계를 더 포함하며, 시작 응답 전압 임계치 및 정지 응답 전압 임계치 중 적어도 하나는 시작 응답 전압과 정지 응답 전압 사이에 있다.
바람직하게, 시작 응답 전압은 실질적으로 공진 주파수에서의 계측기 어셈블리의 진동에 대한 응답의 응답 전압이고, 정지 응답 전압은 제로 볼트에 근접한다.
바람직하게, 시작 응답 전압 임계치 중 하나는 시작 응답 전압에 근접하고, 정지 응답 전압 임계치는 정지 응답 전압에 근접한다.
바람직하게, 시작 응답 전압 임계치 및 정지 응답 전압 임계치에 기반하여 계측기 어셈블리의 하나 이상의 프랙셔널 감쇠 특성들을 결정하는 단계 － 시작 응답 전압 임계치 및 정지 응답 전압 임계치 중 적어도 하나는 시작 응답 전압과 정지 응답 전압 사이에 있음 － 는, 시작 응답 전압 임계치에 대한 하나 이상의 정지 응답 전압 임계치들에 기반하여 계측기 어셈블리의 하나 이상의 프랙셔널 감쇠 특성들을 결정하는 단계 및 정지 응답 전압 임계치에 대한 하나 이상의 시작 응답 전압 임계치들에 기반하여 계측기 어셈블리의 하나 이상의 프랙셔널 감쇠 특성들을 결정하는 단계 중 하나를 포함한다.
바람직하게, 방법은, 시작 응답 전압 임계치 및 정지 응답 전압 임계치에 기반하는 감쇠 특성을 보상하기 위해 감쇠 특성-대-응답 전압 관계를 결정하는 단계를 더 포함한다.
바람직하게, 시작 응답 전압 임계치는 시작 응답 전압에 기반하여 결정된다.
동일한 참조 번호는 모든 도면들 상에서 동일한 엘리먼트를 표현한다. 도면들이 반드시 실척대로는 아니라는 것을 이해해야 한다.
도 1은 계측기 어셈블리 및 계측 전자기기를 포함하는 유량계를 도시한다.
도 2는 계측기 어셈블리의 감쇠 특성을 결정하기 위한 계측 전자기기(20)를 도시한다.
도 3은 픽오프 전압과 시간 사이의 관계를 보여주는 그래프(300)를 도시한다.
도 4는 감쇠 특성들과 시작 응답 전압 임계치들 사이의 관계를 예시한 그래프(400)를 도시한다.
도 5는 감쇠 특성들과 정지 응답 전압 임계치들 사이의 관계를 예시한 그래프(500)를 도시한다.
도 6은 감쇠 특성 에러들과 정지 응답 전압들 사이의 관계를 보여주는 그래프(600)를 도시한다.
도 7은 도 1을 참조하여 설명된 계측기 어셈블리(10)와 같은 계측기 어셈블리의 감쇠 특성(ζ)을 결정하기 위한 방법(700)을 도시한다.
도 8은 도 1을 참조하여 설명된 계측기 어셈블리(10)와 같은 계측기 어셈블리의 감쇠 특성(ζ)을 결정하기 위한 방법(800)을 도시한다.
도 1은 계측기 어셈블리 및 계측 전자기기를 포함하는 유량계를 도시한다.
도 2는 계측기 어셈블리의 감쇠 특성을 결정하기 위한 계측 전자기기(20)를 도시한다.
도 3은 픽오프 전압과 시간 사이의 관계를 보여주는 그래프(300)를 도시한다.
도 4는 감쇠 특성들과 시작 응답 전압 임계치들 사이의 관계를 예시한 그래프(400)를 도시한다.
도 5는 감쇠 특성들과 정지 응답 전압 임계치들 사이의 관계를 예시한 그래프(500)를 도시한다.
도 6은 감쇠 특성 에러들과 정지 응답 전압들 사이의 관계를 보여주는 그래프(600)를 도시한다.
도 7은 도 1을 참조하여 설명된 계측기 어셈블리(10)와 같은 계측기 어셈블리의 감쇠 특성(ζ)을 결정하기 위한 방법(700)을 도시한다.
도 8은 도 1을 참조하여 설명된 계측기 어셈블리(10)와 같은 계측기 어셈블리의 감쇠 특성(ζ)을 결정하기 위한 방법(800)을 도시한다.
도 1 내지 도 8 및 다음의 설명은 계측기 어셈블리의 감쇠 특성을 결정하는 최상의 모드를 어떻게 만들고 사용하는지를 당업자들에게 교시하기 위한 특정 예들을 묘사한다. 본 발명의 원리들을 교시하려는 목적을 위해, 일부 종래의 양상들은 단순화되거나 생략되었다. 당업자들은 본 발명의 범위에 있는 이들 예들로부터의 변형들을 인식할 것이다. 당업자들은, 아래에서 설명되는 특징들이 본 발명의 다수의 변형들을 형성하기 위해 다양한 방식들로 조합될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 그 결과, 계측기 어셈블리의 감쇠 특성을 결정하는 것은 아래에서 설명되는 특정 예들로 제한되는 것이 아니라 청구항들 및 그들의 등가물들에 의해서만 제한된다.
도 1은 계측기 어셈블리(10) 및 계측 전자기기(20)를 포함하는 유량계(5)를 도시한다. 계측기 어셈블리(10)는 프로세스 재료의 질량 유량 및 밀도에 응답한다. 계측 전자기기(20)는 경로(26)를 통해 밀도, 질량 유량, 및 온도 정보 뿐만 아니라 본 발명에 관련되지 않은 다른 정보를 제공하도록 리드(lead)들(100)을 통해 계측기 어셈블리(10)에 연결된다. 코리올리 유량계 구조가 설명되지만, 본 발명이 질량 코리올리 유량계에 의해 제공된 부가적인 측정 능력 없이 진동 튜브 덴시토미터로서 실시될 수 있다는 것은 당업자들에게 명백하다.
계측기 어셈블리(10)는 한 쌍의 매니폴드들(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 픽오프 센서들(170L 및 170R)을 포함한다. 유동 튜브들(130 및 130')은 2개의 본질적으로 직선인 유입 레그(leg)들(131 및 131') 및 배출 레그들(134 및 134')을 가지며, 이들은 유동 튜브 장착 블록들(120 및 120')에서 서로를 향해 수렴한다. 유동 튜브들(130 및 130')은 그들의 길이를 따라 2개의 대칭적인 위치들에서 구부러지고, 그들의 길이 전반에 걸쳐 본질적으로 평행하다. 브레이스 바(brace bar)들(140 및 140')은 축(W 및 W')을 정의하는 역할을 하며, 각각의 유동 튜브는 그 축을 중심으로 발진한다.
유동 튜브들(130 및 130')의 측부 레그들(131, 131' 및 134, 134')은 유동 튜브 장착 블록들(120 및 120')에 고정적으로 부착되며, 차례로 이들 블록들은 매니폴드들(150 및 150')에 고정적으로 부착된다. 이것은 코리올리 계측기 어셈블리(10)를 통해 연속적인 폐쇄 재료 경로를 제공한다.
구멍들(102 및 102')을 갖는 플랜지들(103 및 103')이 측정되고 있는 프로세스 재료를 운반하는 프로세스 라인(도시되지 않음)에 유입 단부(104) 및 배출 단부(104')를 통해 연결될 때, 재료는 플랜지(103) 내의 오리피스(101)를 통해 계측기의 말단(104)에 진입하며, 표면(121)을 갖는 유동 튜브 장착 블록(120)에 매니폴드(150)를 통해 전달된다. 매니폴드(150) 내에서, 재료는 나눠지고, 유동 튜브들(130 및 130')을 통해 라우팅된다. 유동 튜브들(130 및 130')을 빠져나올 시에, 프로세스 재료는 매니폴드(150') 내의 단일 스트림으로 재결합되며, 그 후, 볼트 구멍들(102')을 갖는 플랜지(103')에 의해 프로세스 라인(도시되지 않음)에 연결된 출구 단부(104')로 라우팅된다.
굽힘 축들(W--W 및 W'--W')에 대해 실질적으로 동일한 질량 분포, 관성 모멘트 및 영률(Young's modulus)을 각각 갖기 위해 유동 튜브들(130 및 130')이 선택되어 유동 튜브 장착 블록들(120 및 120')에 적절히 장착된다. 이들 굽힘 축들은 브레이스 바들(140 및 140')을 통과한다. 유동 튜브들의 영률이 온도에 따라 변화되고 이러한 변화가 유동 및 밀도의 계산에 영향을 준다는 점을 고려하면, RTD(resistive temperature detector)(190)는 유동 튜브의 온도를 계속 측정하기 위해 유동 튜브(130')에 장착된다. 유동 튜브의 온도 및 이에 따라, 이를 통과하는 주어진 전류에 대해 RTD에 걸쳐 나타나는 전압은 유동 튜브를 통과하는 재료의 온도에 의해 관리된다. RTD에 걸쳐 나타나는 온도 의존 전압은, 유동 튜브 온도의 임의의 변화들로 인한 유동 튜브들(130 및 130')의 탄성 계수의 변화를 보상하도록 계측 전자기기(20)에 의해 잘 알려진 방법에서 사용된다. RTD는 리드(195)에 의해 계측 전자기기(20)에 연결된다.
유동 튜브들(130 및 130') 둘 모두는 그들 개개의 굽힘 축들(W 및 W')을 중심으로 반대 방향들로 그리고 유량계의 제1 역위상(out-of-phase) 굽힘 모드로 지칭되는 곳에서 구동기(180)에 의해 구동된다. 이러한 구동 메커니즘(180)은 다양한 어레인지먼트(arrangement)들 중 임의의 어레인지먼트, 이를테면 유동 튜브(130')에 장착된 자석 및 유동 튜브(130)에 장착된 대향 코일을 포함할 수 있으며, 이를 통해, 교류가 유동 튜브들 둘 모두를 진동시키기 위해 통과된다. 적합한 구동 신호가 계측 전자기기(20)에 의하여 리드(185)를 통해 구동 메커니즘(180)에 적용된다.
계측 전자기기(20)는 리드(195) 상의 RTD 온도 신호, 및 리드들(165L 및 165R) 상에서 각각 나타나는 좌측 및 우측 픽오프 신호들을 수신한다. 계측 전자기기(20)는 엘리먼트(180)를 구동시키고 튜브들(130 및 130')을 진동시키기 위해 리드(185) 상에서 나타나는 구동 신호를 생성한다. 계측 전자기기(20)는 계측기 어셈블리(10)를 통과하는 재료의 질량 유량 및 밀도를 컴퓨팅하기 위해 좌측 및 우측 픽오프 신호들 및 RTD 신호를 프로세싱한다. 이러한 정보는 다른 정보와 함께 경로(26)를 통해 계측 전자기기(20)에 의하여 적용된다.
이전에 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 위상 차이/주파수)을 FCF와 곱함으로써 결정된다. FCF는 계측기 어셈블리의 강성, 댐핑, 및 질량 특성들에 관련될 수 있다. 계측기 어셈블리의 특성들이 변화되면, FCF가 또한 변화될 것이다. 따라서, 계측기 어셈블리의 특성들의 변화들은 유량계에 의해 생성된 유동 측정들의 정확도에 영향을 줄 것이다.
유량계의 진동 응답은 개방형 루프의 2차 구동 모델에 의해 표현될 수 있으며, 다음을 포함하고:
여기서, f는 시스템에 인가된 힘이고, M은 시스템의 질량이고, C는 댐핑 특성이며, K는 시스템의 강성 특성이다. 항 K는 
를 포함하고, 항 C는 
를 포함하며, 여기서 ζ는 감쇠 특성을 포함하고, 
이고, 여기서 f0는 계측기 어셈블리(10)의 헤르츠 단위의 고유/공진 주파수이다. 부가적으로, x는 진동의 물리적 변위 거리이고, 
는 유동튜브 변위의 속도이며, 
는 가속도이다. 이는 일반적으로 MCK 모델로 지칭된다. 이러한 공식은 다음의 형태로 재배열될 수 있다:
수학식 (2)는 전달 함수 형식으로 추가로 조작될 수 있다. 전달 함수 형식에서, 힘에 대한 변위의 항이 사용되며, 다음을 포함한다;
잘 알려진 자기 수학식들이 수학식 (3)을 단순화하는 데 사용될 수 있다. 2개의 적용가능한 수학식들은 다음과 같다:
및
(픽-오프 센서(170L 또는 170R)에서의) 수학식 (4)의 센서 전압(VEMF)은 픽-오프 감도 인자(BLPO) 곱하기 모션의 픽-오프 속도(
)와 동일하다. 픽-오프 감도 인자(BLPO)는 일반적으로, 각각의 픽-오프 센서에 대해 알려져 있거나 측정된다. 수학식 (5)의 구동기(180)에 의해 생성된 힘(f)은 구동기(180)에 공급되는 구동 전류(I) 곱하기 구동기 감도 인자(BLDR)와 동일하다. 구동기(180)의 구동기 감도 인자(BLDR)는 일반적으로 알려져 있거나 측정된다. 인자들(BLPO 및 BLDR) 둘 모두는 온도의 함수이며, 온도 측정에 의해 정정될 수 있다.
자기(magnetic) 수학식들 (4) 및 (5)를 수학식 (3)의 전달 함수에 대입하면, 결과는 다음과 같다:
계측기 어셈블리(10)가 공진 시에, 즉 공진/고유 주파수(
)(여기서, 
)에서 개방형 루프로 구동되면, 수학식 (6)은 다음과 같이 다시 쓰여질 수 있다:
강성을 대입함으로써, 수학식 (7)은 다음과 같이 단순화된다:
여기서, 강성 파라미터(K)는 다음을 획득하기 위해 분리될 수 있다:
결과적으로, 구동 전압(V) 및 구동 전류(I)와 함께 감쇠 특성(ζ)을 측정/정량화함으로써, 강성 파라미터(K)가 결정될 수 있다. 픽-오프들로부터의 응답 전압(V)은 구동 전류(I)와 함께 진동 응답으로부터 결정될 수 있다. 강성 파라미터(K)를 결정하는 프로세스는 아래의 도 3과 관련하여 더 상세히 논의된다.
사용 시에, 강성 파라미터(K)는 시간에 걸쳐 추적될 수 있다. 예컨대, 시간에 걸친 임의의 변화들(즉, 강성 변화(ΔK))을 결정하기 위해 통계적 기법들이 사용될 수 있다. 강성 파라미터(K)의 통계적 변화는 특정한 유량계에 대한 FCF가 변화되었다는 것을 표시할 수 있다. 수학식 (9)로부터 관측될 수 있는 바와 같이, 강성 파라미터는 감쇠 특성(ζ)에 기반하여 결정될 수 있다.
비례적으로 댐핑되는 시스템은 다음의 수학식 (10)에 의해 주어진 바와 같이 시간 t의 함수로서 기하급수적으로 감쇠될 수 있으며:
여기서, η은 시간 감쇠 모달(modal) 크기이고, A는 초기 진폭이고, ζ는 감쇠 특성(종종, 비례 댐핑 계수 등으로 지칭됨)이며, 
은 고유 주파수이다.
모달 크기는 우측 및 좌측 픽오프들의 평균으로서 간주될 수 있다. 평균 프로세스는 구동 모드(또한, 제1 역위상 굽힘 모드로 지칭됨)를 증폭시킬 수 있고, 다른 모드들(예컨대, 트위스트(twist) 모드들, 2차 이상의 굽힘 모드들 등)을 감쇠시킨다. 댐핑이 전역 모달 속성이므로, 모달 크기를 사용하는 것은, 예컨대 댐핑을 추정하기 위해 우측 또는 좌측 픽오프 중 어느 하나를 사용하는 것보다 유리할 수 있다.
감쇠 특성(ζ)을 결정하기 위해, 수학식 (10)은 양변의 자연 로그를 취함으로써 다음과 같이 시간에서 선형화될 수 있다:
수학식 (11)은 시간에서 선형이며, 기울기(-
) 및 절편(intercept)(ln(A))을 갖는다. 수학식 (11)은 다음과 같이 대응하는 시간들(t)에서 모달 크기(η)의 n개의 샘플들을 취함으로써 간단한 최소 제곱 방식으로 해결될 수 있다:
수학식 (12)는 모달 응답들의 로그를 포함하는 벡터를, 1들의 벡터들로 증분된 샘플 시간들(t1 ... tn)로 이루어진 기본 벡터들의 의사 역수(pseudo inverse)와 사전곱셈(premultiply)함으로써 해결된다. 결과는 관심있는 최소 제곱 추정 양들, 댐핑 및 절편이다.
이득 감쇠 계측기 검증 방법은 감쇠 특성(ζ)을 결정하기 위해 감쇠 픽오프 전압의 정확한 곡선 피트(curve fit)에 의존할 수 있다. 감쇠 특성(ζ)에 대한 계산은, 구동 전류를 차단하고, 그에 의해, 계측기 어셈블리(10)의 여기를 제거하며, 진동 응답이 시작 응답 전압으로부터 정지 응답 전압으로 자연적으로 감쇠함에 따라 픽오프 전압을 측정함으로써 수행될 수 있다. 시작 응답 전압은 공진 주파수로 진동할 때, 진동의 진폭에 기반할 수 있다. 정지 응답 전압은 제로 볼트이거나 약 제로 볼트일 수 있지만, 임의의 적합한 진폭 또는 단위가 이용될 수 있다.
감쇠 곡선을 결정하기 위한 픽오프 전압에 대한 샘플링은, 픽오프 전압이 시작 응답 전압 임계치 아래로 내려갈 때 시작될 수 있고, 픽오프 전압이 정지 응답 전압 임계치에 도달할 때 정지된다. 이어서, 데이터를 최상으로 설명하는 지수 함수를 결정하기 위해 기하급수적인 최소 제곱 곡선 피트가 곡선에 적용될 수 있지만, 데이터의 임의의 적합한 데이터 피팅(data fitting), 포맷, 또는 형태가 이용될 수 있다. 따라서, 감쇠 특성은, 시작 응답 전압보다 작을 수 있는 시작 응답 전압 임계치로부터, 정지 응답 전압보다 클 수 있는 정지 응답 전압 임계치까지 측정될 수 있다.
시작 응답 전압 임계치 및 정지 응답 전압 임계치는 진동 계측기(예컨대, 지오메트리, 사이즈, 구성 등), 진동 계측기가 동작하고 있는 구동 타겟, 재료 밀도 및 점성, 및 온도의 함수이다. 그러나, 계측 전자기기(20) 및/또는 계측기 어셈블리(10)의 비선형성들은, 감쇠 동안 샘플링된 픽오프 전압들에 대한 시작 및/또는 정지 응답 전압 임계치들이 변화될 때 상이한 감쇠 특성(ζ) 값들을 초래할 수 있다. 이들 비선형성들은, 계측기 어셈블리(10)에서 어떠한 기계적 변화도 발생하지 않았을 때 강성의 변화를 초래할 수 있다.
계측 전자기기(20) 뿐만 아니라 다른 계측 전자기기는 계측기 어셈블리(10)의 변화를 더 정확하게 반영하기 위해 감쇠 특성(ζ)을 보상하도록, 아래에 설명되는 방법들과 같은 방법들을 이용할 수 있다. 예컨대, 감쇠 특성들(ζ)은 다양한 시작 및 정지 응답 전압 임계치 값들과 상관될 수 있다. 따라서, 에러 곡선은, 예컨대 감쇠 특성(ζ) 값들을 공칭 감쇠 특성 값과 비교함으로써 결정된 에러 값들에 다양한 시작 및 정지 응답 전압들을 상관시킴으로써 생성될 수 있다. 후속하여, 원시(raw) 감쇠 특성(ζ) 값들(예컨대, 계측기 검증 루틴 동안 결정된 값들)은 다음에서 더 상세히 설명될 바와 같이, 에러 곡선을 사용함으로써 보상될 수 있다.
도 2는 계측기 어셈블리의 감쇠 특성을 결정하기 위한 계측 전자기기(20)를 도시한다. 계측 전자기기(20)는 인터페이스(201) 및 프로세싱 시스템(203)을 포함할 수 있다. 예컨대, 계측 전자기기(20)는, 이를테면 계측기 어셈블리(10)로부터 진동 응답(210)을 수신한다. 계측 전자기기(20)는 계측기 어셈블리(10)를 통해 유동하는 유동 재료의 유동 특성들을 획득하기 위해 진동 응답(210)을 프로세싱한다. 부가적으로, 본 발명에 따른 계측 전자기기(20)에서, 진동 응답(210)은 또한, 계측기 어셈블리(10)의 강성 파라미터(K)를 결정하기 위해 프로세싱된다. 더욱이, 계측 전자기기(20)는 계측기 어셈블리(10)에서 강성 변화(ΔK)를 검출하기 위해 시간에 걸쳐 2개 이상의 그러한 진동 응답들을 프로세싱할 수 있다. 강성 결정은 유동 또는 유동-없음 조건들 하에서 행해질 수 있다. 유동-없음 결정은 결과적인 진동 응답에서 감소된 잡음 레벨의 이점을 제공할 수 있다.
인터페이스(201)는 도 1의 리드들(100)을 통해 픽오프 센서들(170L 및 170R) 중 하나로부터 진동 응답(210)을 수신한다. 인터페이스(201)는 임의의 필요한 또는 원하는 신호 컨디셔닝, 이를테면 임의의 방식의 포맷팅, 증폭, 버퍼링 등을 수행할 수 있다. 대안적으로, 신호 컨디셔닝의 일부 또는 전부가 프로세싱 시스템(203)에서 수행될 수 있다. 부가적으로, 인터페이스(201)는 계측 전자기기(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(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 계측 전자기기(20)의 동작들을 수행하고, 유량계 어셈블리(10)로부터의 유량 측정들을 프로세싱한다. 프로세싱 시스템(203)은 하나 이상의 프로세싱 루틴들을 실행하며, 그에 의해, 하나 이상의 유동 특성들을 생성하기 위해 유동 측정들을 프로세싱한다.
프로세싱 시스템(203)은 범용 컴퓨터, 마이크로프로세싱 시스템, 로직 회로, 또는 일부 다른 범용 또는 맞춤형 프로세싱 디바이스를 포함할 수 있다. 프로세싱 시스템(203)은 다수의 프로세싱 디바이스들 사이에 분산될 수 있다. 프로세싱 시스템(203)은 임의의 방식의 일체형 또는 독립적인 전자 저장 매체, 이를테면 저장 시스템(204)을 포함할 수 있다.
저장 시스템(204)은 유량계 파라미터들 및 데이터, 소프트웨어 루틴들, 상수 값들, 변수 값들을 저장할 수 있다. 일 실시예에서, 저장 시스템(204)은 프로세싱 시스템(203)에 의해 실행되는 루틴들, 이를테면 유량계(5)의 감쇠 특성(ζ)을 결정하는 감쇠 특성 루틴(230)을 포함한다.
저장 시스템(204)은 유량계(5)를 동작시키는 데 사용되는 변수들을 저장할 수 있다. 예컨대, 저장 시스템(204)은, 예컨대 픽오프 센서들(170L 및 170R)로부터 수신될 수 있는 변수들, 이를테면 진동 응답(210)을 저장할 수 있다.
일 실시예에서, 저장 시스템(204)은 상수들, 계수들, 및 작업 변수들을 저장한다. 예컨대, 저장 시스템(204)은 결정된 강성 특성(220)을 저장할 수 있다. 저장 시스템(204)은 또한 작업 값들, 이를테면 진동 응답(210)의 주파수(212), 진동 응답(210)의 응답 전압(213), 및 구동 전류(214)를 저장할 수 있다.
저장 시스템(204)은 유량계(5)의 측정된 감쇠 특성(215) 및 진동 타겟(226)을 추가로 저장할 수 있다. 부가적으로, 저장 시스템(204)은 상수들, 임계치들, 또는 범위들, 이를테면 허용오차(224)를 저장할 수 있다. 게다가, 저장 시스템(204)은 일정 시간 기간에 걸쳐 누적된 데이터, 이를테면 강성 변화(228)를 저장할 수 있다.
감쇠 특성 루틴(230)은 계측기 어셈블리(10)로부터 진동 응답을 수신하도록 프로세싱 시스템(203)을 구성할 수 있다. 진동 응답은 인터페이스(201)에 의해 수신될 수 있다. 진동 응답은 실질적으로 공진 주파수에서의 계측기 어셈블리(10)의 여기에 대한 응답을 포함할 수 있다. 감쇠 특성 루틴(230)은 또한, 인터페이스(201)로부터 진동 응답을 수신하고, 진동 응답의 응답 전압(V)을 결정하고, 응답 전압(V)에 기반하여 계측기 어셈블리(10)의 감쇠 특성(ζ)을 결정하며, 그리고 이전에 결정된 감쇠 특성-대-응답 전압 관계를 사용함으로써 감쇠 특성(ζ)을 보상하도록 프로세싱 시스템(203)을 구성할 수 있다.
도 3은 픽오프 전압과 시간 사이의 관계를 보여주는 그래프(300)를 도시한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 그래프(300)는 시간 축(310) 및 픽오프 전압 축(320)을 포함한다. 시간 축(310)은 초 단위이고, 픽오프 전압 축(320)은 볼트 단위이다. 시간 축(310)은 약 0 내지 25 초의 범위이고, 픽오프 전압 축(320)은 약 0.00 볼트 내지 약 0.09 볼트의 범위이다. 그래프(300)는 또한, 응답 전압들(예컨대, 픽오프 전압들)을 시간과 관련시키는 응답 전압 플롯(330)을 포함한다.
응답 전압 플롯(330)은 시간 축(310) 상에서 약 7 초 내지 약 22 초의 범위에 있지만, 임의의 적합한 범위가 이용될 수 있다. 응답 전압 플롯(330)은 픽오프 전압 축(320) 상에서 약 0.01 볼트 내지 약 0.08 볼트의 범위이다. 응답 전압 플롯(330)은 시작 응답 전압(Vstart) 및 정지 응답 전압(Vstop)을 포함한다. 응답 전압 플롯(330)은 또한, 제1 내지 제5 정지 응답 전압 임계치들(V1 내지 V5)을 포함한다.
도시된 바와 같이, 제1 내지 제5 응답 전압 임계치들(V1 내지 V5)은 대응하는 프랙셔널 감쇠 특성을 결정하도록 시작 응답 전압(Vstart)에 대해 사용된다. 예컨대, 제1 프랙셔널 감쇠 특성(ζ1)은 시작 응답 전압(Vstart)으로부터 제1 정지 응답 전압 임계치(V1)까지의 범위인 응답 전압 플롯(330)에 대응한다. 유사하게, 제2 내지 제5 프랙셔널 감쇠 특성(ζ2 내지 ζ5)은 각각, 제2 내지 제5 정지 응답 전압 임계치들(V2 내지 V5)에 대응한다. 제1 내지 제5 정지 응답 전압 임계치들(V1 내지 V5)이 동일한 시작 응답 전압(Vstart)에 대해 측정되므로, 정지 응답 전압 임계치들의 범위에 대한 감쇠 특성(ζ)의 거동은 주어진 계측기 어셈블리에 대해 모델링될 수 있으며, 이는 도 4 및 도 5를 참조하여 다음에서 더 상세히 논의된다.
도 4는 감쇠 특성들과 시작 응답 전압 임계치들 사이의 관계를 예시한 그래프(400)를 도시한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 그래프(400)는 시작 전압 축(410) 및 감쇠 특성 축(420)을 포함한다. 시작 전압 축(410)은 볼트 단위이고, 0 내지 0.09 볼트의 범위이다. 감쇠 특성 축(420)은 단위가 없고, 약 -0.1344 내지 -0.1332의 범위이다. 그래프(400)는 또한 프랙셔널 감쇠-대-시작 전압 플롯(430)을 포함한다. 도시된 바와 같이, 감쇠-대-시작 전압 플롯(430)은 프랙셔널 감쇠 특성들을 시작 응답 임계 전압들에 관련시킨다.
더 구체적으로, 프랙셔널 감쇠-대-시작 전압 플롯(430)은 제1 내지 제6(ζ6) 시작 응답 전압 임계치에 대응하는 제1 내지 제6 프랙셔널 감쇠 특성(ζ1 내지 ζ6) 및 시작 응답 전압을 포함한다. 제1 내지 제5 프랙셔널 감쇠 특성들(ζ1 내지 ζ5)은, 예컨대 공통 정지 응답 전압에 대한 시작 응답 임계 전압들에서 결정된다. 즉, 도 3을 참조하면, 시작 응답 전압(Vstart)에 대해 측정된 정지 응답 전압 임계치들(V1 내지 Vstop)에서 제1 내지 제6 프랙셔널 감쇠 특성들을 결정하는 대신, 도 4의 제1 내지 제6 프랙셔널 감쇠 특성들(ζ1 내지 ζ6)은 공통 정지 응답 전압에 대한 제1 내지 제5 시작 응답 임계 전압 및 시작 응답 전압에서 결정된다. 더 구체적으로, 도 4의 그래프(400)를 생성하기 위해, 도 3의 그래프(300)는, 제1 프랙셔널 감쇠 특성(ζ1)이 시작 응답 전압(Vstart)으로부터 정지 응답 전압(Vstop)까지 결정되고 제2 프랙셔널 감쇠 특성(ζ2)이 제1 응답 전압 임계치(V1)로부터 정지 응답 전압(Vstop)까지 결정되도록 수정될 것이다. 이러한 패턴은, 제5 응답 전압 임계치(V5)로부터 정지 응답 전압(Vstop)까지 결정되는 제6 프랙셔널 감쇠 특성(ζ6)까지 반복된다.
알 수 있는 바와 같이, 프랙셔널 감쇠-대-시작 전압 플롯(430)은 시작 응답 임계 전압이 증가함에 따라 감소한다. 이것은, 예컨대 제5 시작 응답 전압 임계치로부터 정지 응답 전압까지 결정된 도 4의 제6 프랙셔널 감쇠 특성(ζ6)이, 예컨대 제1 시작 응답 전압 임계치로부터 정지 응답 전압까지 결정된 제1 프랙셔널 감쇠 특성보다 크다는 것을 표시한다.
도 5는 감쇠 특성들과 정지 응답 전압 임계치들 사이의 관계를 예시한 그래프(500)를 도시한다. 도 5에 도시된 바와 같이, 그래프(500)는 정지 전압 축(510) 및 감쇠 특성 축(520)을 포함한다. 정지 전압 축(510)은 볼트 단위이고, 0 내지 0.08 볼트의 범위이다. 감쇠 특성 축(520)은 단위가 없고, 약 -0.1354 내지 -0.134의 범위이다. 그래프(500)는 또한 감쇠-대-정지 전압 플롯(530)을 포함한다. 도시된 바와 같이, 감쇠-대-정지 전압 플롯(530)은 프랙셔널 감쇠 특성들을 정지 응답 임계 전압들에 관련시킨다.
더 구체적으로, 감쇠-대-정지 전압 플롯(530)은 제1 내지 제5 정지 응답 전압 임계치들(V1 내지 V5) 및 정지 응답 전압(Vstop)에 각각 대응하는 제1 내지 제6 프랙셔널 감쇠 특성들(ζ1 내지 ζ6)을 포함한다. 제1 내지 제6 프랙셔널 감쇠 특성들(ζ1 내지 ζ6)은, 예컨대 공통 시작 응답 전압(Vstart)에 대한 정지 응답 전압 임계치들(V1 내지 Vstop)에서 결정된다. 즉, 도 3을 참조하면, 도 5의 제1 내지 제6 프랙셔널 감쇠 특성들(ζ1 내지 ζ6)은 공통 시작 응답 전압(Vsart)에 대한 정지 응답 임계 전압들에서 결정된다.
알 수 있는 바와 같이, 감쇠-대-정지 전압 플롯(530)은 시작 응답 임계 전압이 증가함에 따라 감소한다. 이것은, 예컨대 시작 응답 전압(Vstart)으로부터 도 3의 제5 정지 응답 전압 임계치(V5)까지 결정된 도 5의 제5 프랙셔널 감쇠 특성(ζ5)이, 예컨대 시작 응답 전압(Vstart)으로부터 도 3에 도시된 제1 정지 응답 전압 임계치(V1)까지 결정된 제1 프랙셔널 감쇠 특성(ζ1)보다 크다는 것을 표시한다.
도 6은 감쇠 특성 에러들과 정지 응답 전압들 사이의 관계를 보여주는 그래프(600)를 도시한다. 도 6에 도시된 바와 같이, 그래프(600)는 정지 응답 전압 축(610) 및 감쇠 특성 에러 축(620)을 포함한다. 정지 응답 전압 축(610)은 볼트 단위이고, 감쇠 특성 에러 축(620)은 단위가 없다. 정지 응답 전압 축(610)은 0 내지 0.08 볼트의 범위이고, 감쇠 특성 에러 축(620)은 -0.003 내지 0.007의 범위이지만, 임의의 적합한 범위가 이용될 수 있다. 그래프(600)는 또한, 0.01 볼트 내지 0.067 볼트의 응답 전압 범위에 걸쳐 약 0.0061의 에러로부터 약 -0.0018의 에러로 감소하는 에러-대-응답 전압 플롯(630)을 포함한다. 약 0.006 내지 약 -0.0018의 범위인 에러-대-응답 전압 함수(640)가 또한 도시되어 있다.
에러-대-응답 전압 플롯(630)은 도 5에 도시된 시작 응답 전압(Vstart)에 대한 제3 정지 응답 전압(V3)에서의 제3 프랙셔널 감쇠 특성 사이의 차이로서 결정된 복수의 에러들로 구성된다. 그 결과, 에러-대-응답 전압 플롯(630)은 도 5에 도시된 감쇠-대-정지 전압 플롯(530)과 유사하게 보인다. 그러나, 에러-대-응답 전압 플롯(630)은, 어떠한 에러도 존재하지 않는 제3 정지 응답 전압(V3) 값에서 정지 응답 전압 축(630)과 교차한다. 다른 에러-대-응답 전압 플롯들은 다른 값들에서 정지 응답 전압 축과 교차할 수 있으며, 반드시 제3 정지 응답 전압(V3) 값에서 교차할 필요는 없다.
에러-대-응답 전압 함수(640)는, 일반적으로 말하면 에러-대-응답 전압 플롯(630)에 근접한 점선으로 도시된다. 에러-대-응답 전압 함수(640)는 에러-대-응답 전압 플롯(630)에 대한 곡선 피팅에 의해 생성된다. 예컨대, 에러-대-응답 전압 플롯(630)에 대한 곡선 피트는 공식 y=-0.00409229·ln(x) - 0.01281067을 초래할 수 있으며, 이는 도 3에 도시된 에러-대-응답 전압 함수(640)이다. 에러-대-응답 전압 함수(640)는, 에러-대-응답 전압 플롯(630)과 비교할 때, 0.99485913의 R-제곱 값을 가질 수 있다. 이것은, 에러-대-응답 전압 플롯(630)이 에러-대-응답 전압 함수(640)에 가깝다는 것을 표시할 수 있다.
인식될 수 있는 바와 같이, 에러-대-응답 전압 함수(640)는 유리하게, 다음과 같은 형태의 비교적 간단한 수학식일 수 있으며:
그 수학식은 시작 또는 정지 응답 전압이 주어진 새로운 감쇠 계수를 계산하기 위해 코드에서 사용될 수 있고, 여기서:
x는 시작 또는 정지 응답 전압이고;
m은 곡선 피트로부터 초래되는 감쇠 특성 보상 계수이며; 그리고
y는 에러이다.
위의 수학식 (13)은 다음의 수학식 (14)에 따라 감쇠 특성을 보상하는 데 사용될 수 있으며:
여기서:
y는 위의 수학식 (13)을 사용하여 계산된 에러이다.
따라서, 감쇠 특성(ζ)은 이전에 결정된 감쇠 특성-대-응답 전압 관계에 의해 보상될 수 있다. 예컨대, 에러-대-응답 전압 함수(640)는 이전에 결정된 감쇠 특성-대-응답 전압 관계일 수 있다. 인식될 수 있는 바와 같이, 전술한 것이 수학식 (13)의 형태로 표현된 바와 같이 에러-대-응답 전압 함수(640)에 의해 보상되는 것으로 감쇠 특성을 설명하지만, 임의의 적합한 감쇠 특성-대-응답 전압 관계가 이용될 수 있다.
도 7은 도 1을 참조하여 설명된 계측기 어셈블리(10)와 같은 계측기 어셈블리의 감쇠 특성(ζ)을 결정하기 위한 방법(700)을 도시한다. 단계(701)에서, 진동 응답이 계측기 어셈블리로부터 수신된다. 진동 응답은 실질적으로 공진 주파수에서의 진동에 대한 계측기 어셈블리의 응답이다. 진동은 연속적이거나 간헐적일 수 있다. 유동 재료는 계측기 어셈블리(10)를 통해 유동되고 있을 수 있거나 정적일 수 있다.
단계(702)에서, 진동 응답의 응답 전압이 결정된다. 응답 전압은 임의의 방법, 프로세스, 및/또는 하드웨어에 의해 진동 응답으로부터 결정될 수 있다. 응답 전압은 시작 응답 전압, 정지 응답 전압, 및/또는 시작 응답 전압과 정지 응답 전압 사이의 임의의 전압일 수 있다. 응답 전압은, 진동 응답이 시작 응답 전압 임계치로부터 정지 응답 전압 임계치로 감소함에 따라 응답 전압을 측정함으로써 결정될 수 있다.
단계(703)에서, 계측기 어셈블리의 감쇠 특성은 응답 전압에 기반하여 결정된다. 감쇠 특성은 유량계의 진동 응답이 진동 타겟, 이를테면 정지 응답 전압 임계치까지 아래로 감쇠되게 허용함으로써 결정될 수 있다. 이러한 감쇠 액션은 여러가지 방식들로 수행될 수 있다. 구동 신호 진폭이 감소될 수 있거나, 구동기(180)는 (적절한 유량계들에서) 계측기 어셈블리(10)의 제동(braking)을 실제로 수행할 수 있거나, 또는 구동기(180)는 타겟에 도달할 때까지 단지 전원이 꺼질 수 있다. 일 실시예에서, 진동 타겟은 구동 세트포인트(setpoint)에서, 감소된 레벨을 포함한다. 예컨대, 구동 세트포인트가 현재 3.4 mV/Hz에 있다면, 댐핑 측정의 경우, 구동 세트포인트는, 예컨대 더 낮은 값, 이를테면 2.5 mV/Hz로 감소될 수 있다. 이러한 방식으로, 계측 전자기기(20)는, 진동 응답이 이러한 새로운 구동 타겟과 실질적으로 매칭할 때까지 계측기 어셈블리(10)가 단순히 저절로 움직이게(coast) 할 수 있다.
단계(704)에서, 감쇠 특성은 이전에 결정된 감쇠 특성-대-응답 전압 관계를 사용함으로써 보상된다. 예컨대, 단계(703)의 응답 전압이 시작 응답 전압 임계치와 동일하고, 정지 응답 전압 임계치가 제로 볼트인 경우, 감쇠 특성-대-응답 곡선은 그러한 응답 전압 범위에 대응하는 이전에 결정된 감쇠 특성(ζ)을 결정하는 데 사용될 수 있다. 즉, 이러한 값은 응답 전압 값들의 전체 범위에 대응할 정정된 감쇠 특성 값으로 감쇠 특성 값을 보상하는 데 사용될 수 있지만, 임의의 적합한 범위가 이용될 수 있다.
방법(700)은 반복적으로, 주기적으로, 또는 랜덤하게 수행될 수 있다. 방법(700)은 미리 결정된 랜드마크(landmark)들로, 이를테면 미리 결정된 동작 시간들로, 유동 재료의 변화 시에 등에 수행될 수 있다.
도 8은 도 1을 참조하여 설명된 계측기 어셈블리(10)와 같은 계측기 어셈블리의 감쇠 특성(ζ)을 결정하기 위한 방법(800)을 도시한다. 단계(801)에서, 진동 응답은 계측기 어셈블리, 이를테면 도 1을 참조하여 위에서 설명된 계측기 어셈블리(10)로부터 수신된다. 진동 응답은 계측 전자기기, 이를테면 도 2를 참조하여 위에서 설명된 계측 전자기기(20)에 의해 수신될 수 있다.
단계(802)에서, 진동 응답은 시작 응답 전압으로부터 정지 응답 전압으로 감쇠되게 허용된다. 이러한 감쇠는 도 7을 참조하여 위에서 설명된 것과 유사한 방식으로 수행될 수 있다. 시작 응답 전압은 실질적으로 공진 주파수에서의 계측기 어셈블리의 진동에 대한 응답의 응답 전압일 수 있고, 정지 응답 전압은 제로 볼트에 근접할 수 있다.
단계(803)에서, 응답 전압은 시작 응답 전압 임계치로부터 정지 응답 전압 임계치까지 측정된다. 응답 전압은 부가적으로, 부가적인 시작 응답 전압 임계치들 및/또는 부가적인 정지 응답 전압 임계치들로부터 측정될 수 있다. 시작 응답 전압 임계치는 시작 응답 전압에 근접할 수 있고 그리고/또는 정지 응답 전압 임계치는 정지 응답 전압에 근접할 수 있다. 예컨대, 정지 응답 전압 임계치는 제로 볼트에 근접할 수 있으며, 여기서 정지 응답 전압은 제로 볼트이다. 부가적으로 또는 대안적으로, 시작 응답 전압 임계치는 시작 응답 전압에 근접하지 않을 수 있고 그리고/또는 정지 응답 전압 임계치는 정지 응답 전압에 근접하지 않을 수 있다.
단계(804)에서, 계측기 어셈블리의 하나 이상의 프랙셔널 감쇠 특성들이 결정된다. 하나 이상의 프랙셔널 감쇠 특성들은 시작 응답 전압 임계치 및 정지 응답 전압 임계치 중 하나에 기반하여 결정될 수 있다. 시작 응답 전압 임계치 및 정지 응답 전압 임계치 중 적어도 하나는 시작 응답 전압과 정지 응답 전압 사이에 있을 수 있다. 즉, 정지 응답 전압이 제로 볼트이면, 정지 응답 전압 임계치는, 예컨대 0.2 볼트에 있을 수 있다. 그 결과, 0.2 내지 제로 볼트의 응답 전압은 감쇠 특성(ζ)을 결정하기 위해 측정되지 않을 수 있다.
시작 응답 전압 임계치 및 정지 응답 전압 임계치에 기반하여 계측기 어셈블리의 하나 이상의 프랙셔널 감쇠 특성들을 결정하는 것은, 시작 응답 전압 임계치에 대한 하나 이상의 정지 응답 전압 임계치들에 기반하여 계측기 어셈블리의 하나 이상의 프랙셔널 감쇠 특성들을 결정하는 것, 또는 정지 응답 전압 임계치에 대한 하나 이상의 시작 응답 전압 임계치들에 기반하여 계측기 어셈블리의 하나 이상의 프랙셔널 감쇠 특성들을 결정하는 것으로 구성될 수 있다. 전술한 것의 임의의 적합한 조합이 사용될 수 있다.
전술한 것은 계측 전자기기(20), 및 계측기 어셈블리(10)의 감쇠 특성을 결정할 수 있는 방법들(700 및 800)을 설명한다. 계측기 어셈블리(10)의 감쇠 특성은, 예컨대 시작 응답 전압으로부터, 전체 감쇠를 포함하지 않는 정지 응답 전압 임계치까지 측정된 감쇠 특성을 보상함으로써 결정될 수 있다. 예컨대, 정지 응답 전압 임계치는 제로 볼트보다 클 수 있고, 따라서 계측기 어셈블리(10)의 감쇠 특성은 부분적으로 감쇠된 진동에 기반하여 결정된다. 그 결과, 감쇠 특성은 계측기 어셈블리(10)의 진동의 전체 감쇠에 기반하여 결정된 계측기 어셈블리(10)의 감쇠 특성과 비교하여 사용되지 않을 수 있다.
감쇠 특성을 결정하는 기술적 솔루션은 진동의 감쇠의 일부만에 기반하여 결정되는 감쇠 특성들의 기술적 문제에 관한 것이다. 감쇠 특성이 감쇠의 일부만에 기반하여 결정되므로, 감쇠 특성은, 예컨대 이전에 결정된 강성과 비교될 수 있는 강성을 결정하는 데 사용되지 않을 수 있다. 따라서, 강성의 변화는 정확하게 결정되지 않을 수 있다. 감쇠 특성을 보상함으로써, 강성은 이전에 결정된 강성과 정확하게 비교될 수 있다.
따라서, 무엇보다도, 이전에 결정된 감쇠 특성-대-응답 전압 관계를 사용함으로써 감쇠 특성(ζ)을 보상함으로써 계측기 어셈블리의 감쇠 특성을 결정하는 기술적 솔루션은 보상된 감쇠 특성이 위에서 설명된 계측기 어셈블리(10) 또는 다른 계측기 어셈블리들의 변화를 더 정확하게 검출하게 허용한다. 따라서, 계측기 어셈블리의 변화가 정확하게 검출되고 그에 의해, 예컨대 더 정확한 유량 측정들을 허용하기 때문에, 계측기 검증의 기술이 개선된다.
위의 실시예들의 상세한 설명들은 본 설명의 범위 내에 있는 것으로 본 발명자들에 의해 고려되는 모든 실시예들의 포괄적인 설명들이 아니다. 실제로, 당업자들은, 위에서-설명된 실시예들의 특정한 엘리먼트들이 추가적인 실시예들을 생성하기 위해 다양하게 조합되거나 제거될 수 있고, 그러한 추가적인 실시예들이 본 설명의 범위 및 교시들 내에 있다는 것을 인식할 것이다. 또한, 위에서-설명된 실시예들이 본 설명의 범위 및 교시들 내에서 부가적인 실시예들을 생성하기 위해 전체적으로 또는 부분적으로 조합될 수 있다는 것이 당업자들에게 명백할 것이다.
따라서, 특정 실시예들이 예시의 목적들을 위해 본 명세서에 설명되지만, 당업자들이 인식할 바와 같이, 다양한 동등한 수정들이 본 설명의 범위 내에서 가능하다. 본 명세서에 제공된 교시들은 계측기 어셈블리의 감쇠 특성을 결정하는 다른 전자기기들 및 방법들 뿐만 아니라 위에서 설명되고 첨부한 도면들에 도시된 실시예들에 적용될 수 있다. 따라서, 위에서 설명된 실시예들의 범위는 다음의 청구항들로부터 결정되어야 한다.
Claims (18)
- 유량계(5)의 계측기 어셈블리(10)의 감쇠 특성을 결정하기 위한 계측 전자기기(20)로서,
상기 계측 전자기기(20)는 상기 계측기 어셈블리(10)로부터 진동 응답을 수신하기 위한 인터페이스(201) － 상기 진동 응답은 실질적으로 공진 주파수에서의 상기 계측기 어셈블리(10)의 여기에 대한 응답을 포함함 －, 및 상기 인터페이스(201)와 통신하는 프로세싱 시스템(203)을 포함하며,
상기 프로세싱 시스템(203)은,
상기 인터페이스(201)로부터 상기 진동 응답을 수신하고;
상기 진동 응답의 응답 전압(V)을 결정하고;
상기 응답 전압(V)에 기반하여 상기 계측기 어셈블리(10)의 감쇠 특성(ζ)을 결정하며; 그리고
이전에 결정된 감쇠 특성-대-응답 전압 관계를 사용함으로써 상기 감쇠 특성(ζ)을 보상하도록
구성되는, 감쇠 특성을 결정하기 위한 계측 전자기기(20). - 제1항에 있어서,
상기 이전에 결정된 감쇠 특성-대-응답 전압 관계는 상기 감쇠 특성(ζ)을 결정하는 데 사용되는 시작 응답 전압 및 정지 응답 전압 중 하나를 포함하는, 감쇠 특성을 결정하기 위한 계측 전자기기(20). - 제1항에 있어서,
상기 이전에 결정된 감쇠 특성-대-응답 전압 관계는 이전에 결정된 감쇠 특성을 시작 응답 전압 및 정지 응답 전압 중 하나와 관련시키는, 감쇠 특성을 결정하기 위한 계측 전자기기(20). - 제1항에 있어서,
상기 이전에 결정된 감쇠 특성-대-응답 전압 관계는 에러-대-응답 전압 함수인, 감쇠 특성을 결정하기 위한 계측 전자기기(20). - 제1항에 있어서,
상기 감쇠 특성(ζ)을 결정하는 것은, 상기 계측기 어셈블리(10)의 진동 응답의 응답 전압(V)이 미리 결정된 정지 응답 전압까지 아래로 감쇠되게 허용하는 것을 더 포함하는, 감쇠 특성을 결정하기 위한 계측 전자기기(20). - 제1항에 있어서,
상기 프로세싱 시스템(203)은, 상기 계측기 어셈블리(10)의 여기를 제거하고 상기 계측기 어셈블리(10)의 진동 응답의 응답 전압(V)이 미리 결정된 정지 응답 전압까지 아래로 감쇠되게 허용함으로써 상기 감쇠 특성(ζ)을 결정하도록 추가로 구성되는, 감쇠 특성을 결정하기 위한 계측 전자기기(20). - 유량계의 계측기 어셈블리의 감쇠 특성을 결정하기 위한 방법으로서,
상기 방법은 상기 계측기 어셈블리로부터 진동 응답을 수신하는 단계를 포함하며,
상기 진동 응답은 실질적으로 공진 주파수에서의 상기 계측기 어셈블리의 여기에 대한 응답을 포함하고,
상기 방법은,
상기 진동 응답을 수신하는 단계;
상기 진동 응답의 응답 전압을 결정하는 단계;
상기 응답 전압에 기반하여 상기 계측기 어셈블리의 감쇠 특성을 결정하는 단계; 및
이전에 결정된 감쇠 특성-대-응답 전압 관계를 사용함으로써 상기 감쇠 특성을 보상하는 단계를 포함하는, 감쇠 특성을 결정하기 위한 방법. - 제7항에 있어서,
상기 이전에 결정된 감쇠 특성-대-응답 전압 관계는 상기 감쇠 특성을 결정하는 데 사용되는 시작 응답 전압 및 정지 응답 전압 중 하나를 포함하는, 감쇠 특성을 결정하기 위한 방법. - 제7항에 있어서,
상기 이전에 결정된 감쇠 특성-대-응답 전압 관계는 이전에 결정된 감쇠 특성을 시작 응답 전압 및 정지 응답 전압 중 하나와 관련시키는, 감쇠 특성을 결정하기 위한 방법. - 제7항에 있어서,
상기 이전에 결정된 감쇠 특성-대-응답 전압 관계는 에러-대-응답 전압 함수인, 감쇠 특성을 결정하기 위한 방법. - 제7항에 있어서,
상기 감쇠 특성을 결정하는 단계는, 상기 계측기 어셈블리의 진동 응답의 응답 전압이 미리 결정된 정지 응답 전압까지 아래로 감쇠되게 허용하는 단계를 더 포함하는, 감쇠 특성을 결정하기 위한 방법. - 제7항에 있어서,
상기 감쇠 특성은, 상기 계측기 어셈블리의 여기를 제거하고 상기 계측기 어셈블리의 진동 응답의 응답 전압이 미리 결정된 정지 응답 전압까지 아래로 감쇠되게 허용함으로써 결정되는, 감쇠 특성을 결정하기 위한 방법. - 유량계의 계측기 어셈블리의 감쇠 특성을 결정하는 방법으로서,
상기 방법은 상기 계측기 어셈블리로부터 진동 응답을 수신하는 단계를 포함하며,
상기 진동 응답은 실질적으로 공진 주파수에서의 상기 계측기 어셈블리의 여기에 대한 응답을 포함하고,
상기 방법은,
인터페이스로부터 상기 진동 응답을 수신하는 단계;
상기 진동 응답이 시작 응답 전압으로부터 정지 응답 전압으로 감쇠되게 허용하는 단계;
응답 전압을 시작 응답 전압 임계치로부터 정지 응답 전압 임계치까지 측정하는 단계; 및
상기 시작 응답 전압 임계치 및 상기 정지 응답 전압 임계치에 기반하여 상기 계측기 어셈블리의 하나 이상의 프랙셔널(fractional) 감쇠 특성들을 결정하는 단계 － 상기 시작 응답 전압 임계치 및 상기 정지 응답 전압 임계치 중 적어도 하나는 상기 시작 응답 전압과 상기 정지 응답 전압 사이에 있음 － 를 포함하는, 감쇠 특성을 결정하는 방법. - 제13항에 있어서,
상기 시작 응답 전압은 실질적으로 상기 공진 주파수에서의 상기 계측기 어셈블리의 진동에 대한 응답의 응답 전압이고, 상기 정지 응답 전압은 제로 볼트에 근접하는, 감쇠 특성을 결정하는 방법. - 제13항에 있어서,
상기 시작 응답 전압 임계치 중 하나는 상기 시작 응답 전압에 근접하고, 상기 정지 응답 전압 임계치는 상기 정지 응답 전압에 근접하는, 감쇠 특성을 결정하는 방법. - 제13항에 있어서,
상기 시작 응답 전압 임계치 및 상기 정지 응답 전압 임계치에 기반하여 상기 계측기 어셈블리의 하나 이상의 프랙셔널 감쇠 특성들을 결정하는 단계 － 상기 시작 응답 전압 임계치 및 상기 정지 응답 전압 임계치 중 적어도 하나는 상기 시작 응답 전압과 상기 정지 응답 전압 사이에 있음 － 는,
상기 시작 응답 전압 임계치에 대한 하나 이상의 정지 응답 전압 임계치들에 기반하여 상기 계측기 어셈블리의 하나 이상의 프랙셔널 감쇠 특성들을 결정하는 단계; 및
상기 정지 응답 전압 임계치에 대한 하나 이상의 시작 응답 전압 임계치들에 기반하여 상기 계측기 어셈블리의 하나 이상의 프랙셔널 감쇠 특성들을 결정하는 단계
중 하나를 포함하는, 감쇠 특성을 결정하는 방법. - 제13항에 있어서,
상기 시작 응답 전압 임계치 및 상기 정지 응답 전압 임계치에 기반하는 감쇠 특성을 보상하기 위해 감쇠 특성-대-응답 전압 관계를 결정하는 단계를 더 포함하는, 감쇠 특성을 결정하는 방법. - 제13항에 있어서,
상기 시작 응답 전압 임계치는 상기 시작 응답 전압에 기반하여 결정되는, 감쇠 특성을 결정하는 방법.
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