KR20140079509A - 진동 유량계용 동위형 센서 - Google Patents
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Abstract
진동계용 결합형 구동기 및 픽-오프 센서 구성요소(200, 300)가 제공된다. 결합형 구동기 및 픽-오프 센서 구성요소(200, 300)는 적어도 제 1 자석(211)을 구비한 자석 부분(104B)을 포함한다. 결합형 구동기 및 픽-오프 센서 구성요소(200, 300)는 제 1 자석(211)의 적어도 일 부분을 수용하는 코일 부분(204A, 304A)을 더 포함한다. 코일 부분(204A, 304A)은 코일 보빈(220), 코일 보빈(220) 둘레에 감겨지는 구동기 와이어(221), 및 코일 보빈(220) 둘레에 감겨지는 픽-오프 와이어(222)를 포함한다.
Description
아래에서 설명되는 실시예들은 진동계들에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 진동 유량계용 동위형 센서에 관한 것이다.
예를 들면, 진동 농도계들 및 코리올리 유량계들과 같은, 진동계들을 일반적으로 공지되어 있으며 도관 내의 재료들에 대한 질량 유동 및 다른 정보를 측정하기 위해 사용된다. 상기 재료는 유동하거나 정지되어 있을 수 있다. 예시적인 코리올리 유량계들은 모두 J.E. Smith, 등의 미국 특허 4,109,524호, 미국 특허 4,491,025호, 및 Re. 31,450호에서 개시되어 있다. 이 유량계들은 직선형 또는 곡선형 구성의 하나 또는 둘 이상의 도관들을 갖는다. 코리올리 질량 유량계 내의 각각의 도관 구성은 단순한 굽힘, 비틀림, 또는 커플링 타입일 수 있는 한 세트의 고유 진동 모드들을 갖는다. 각각의 도관은 선호하는 모드에서 오실레이팅하도록 구동될 수 있다.
재료는 유량계의 입구 측 상에 연결된 파이프라인으로부터 유량계 내로 유동하고, 도관(들)을 통하여 지향되고, 그리고 유량계의 출구 측을 통하여 유량계로부터 방출된다. 진동하는 재료 충전 시스템의 고유 진동 모드들은 도관들 및 도관들 내에서 유동하는 재료의 결합된 질량에 의해 부분적으로 규정된다.
유량계를 통한 유동이 없을 때, 도관(들)에 인가된 구동력은 도관(들)을 따른 모든 지점들이 동일한 위상 또는 작은 "0(zero)의 오프셋"으로 오실레이팅하는 것을 유발하는데, 이 0의 오프셋은 0의 유동에서 측정된 시간 지연이다. 재료가 유량계를 통하여 유동하기 시작할 때, 코리올리력들은 도관(들)을 따른 각각의 지점이 상이한 위상을 갖는 것을 유발한다. 예를 들면, 유량계의 입구 단부에서의 위상은 집중된 구동기 위치에서의 위상에 뒤쳐지며 반면 출구에서의 위상은 집중된 구동기 위치에서의 위상에 앞선다. 도관(들) 상의 픽-오프 센서들은 도관(들)의 모션(motion)을 나타내는 정현파 신호들을 생성한다. 픽-오프 센서들 사이의 시간 지연을 결정하기 위하여 픽-오프 센서들로부터 출력된 신호가 프로세싱된다. 두 개 또는 세 개 이상의 픽-오프 센서들 사이의 시간 지연은 도관(들)을 통하여 유동하는 재료의 질량 유량에 비례한다.
구동기에 연결된 계기 전자 장치는 구동기를 구동하기 위한 구동 신호를 생성하고 질량 유량 및 픽 오프 센서들로부터 수신된 신호들로부터 재료의 다른 특성을 결정한다. 구동기는 다수의 주지된 배열체들 중 하나의 배열체를 포함할 수 있지만, 자석 및 대향 구동 코일은 진동계 산업에서 큰 성과가 있었다. 적절한 구동 코일 및 자석 배열체들의 예들은 미국 특허 7,287,438호뿐만 아니라 미국 특허 7,628,083호에서 제공되며, 이들 양자 모두 마이크로 모션, 인코포레이티드에 양도되고 본원에 인용에 의해 포함된다. 교류(alternating current)가 바람직한 유동 튜브 진폭 및 주파수에서 도관(들)을 진동시키기 위한 구동 코일로 통과한다. 또한 픽-오프 센서들을 구동기 배열체와 매우 유사한 자석 및 코일 배열체로서 제공되는 것이 당 분야에 공지되어 있다. 그러나, 구동기가 모션을 유도하는 전류를 수용하는 동안, 픽-오프 센서들이 전압을 유도하기 위해 구동기에 의해 제공된 모션을 사용할 수 있다. 픽-오프 센서들에 의해 측정된 시간 지연의 크기는 매우 작고; 종종 나노초로 측정된다. 따라서, 변환기 출력이 매우 정밀하게 되는 것이 필요하다.
도 1은 센서 조립체(10) 및 계기 전자 장치(20)를 포함하는 코리올리 유량계의 형태의 종래 기술의 진동계(5)의 일 예를 예시한다. 계기 전자 장치(20)는 예를 들면 밀도, 질량 유량, 용적 유량, 총 질량 유동, 온도, 및 다른 정보와 같은, 유동 재료의 특성들을 측정하기 위하여 센서 조립체(10)와 통전된다.
센서 조립체(10)는 한 쌍의 플랜지(101 및 101')들, 매니폴드(102 및 102')들, 및 도관(103A 및 103B)들을 포함한다. 매니폴드(102, 102')들은 도관(103A, 103B)들의 마주하는 단부들에 부착된다. 종래 기술의 코리올리 유량계의 플랜지(101 및 101')들은 스페이서(106)의 마주하는 단부들에 부착된다. 스페이서(106)는 도관(103A 및 103B)들에서 원하지 않는 진동들을 방지하기 위하여 매니폴드(102, 102')들 사이의 간격을 유지한다. 도관(103A 및 103B)들은 본질적으로 평행한 방식으로 매니폴드들로부터 외측으로 연장한다. 센서 조립체(10)가 유동 재료를 운반하는 파이프라인 시스템(도시 안됨) 내로 삽입될 때, 상기 재료는 플랜지(101)를 통하여 센서 조립체(10)로 유입되고, 재료의 전체 양이 도관(103A 및 103B)들로 유입하도록 지향되는 입구 매니폴드(102)를 통과하고, 도관(103A 및 103B)들을 통하여 그리고 다시 출구 매니폴드(102') 내로 유동하는데, 출구 매니폴드에서 재료가 플랜지(101')를 통하여 센서 조립체(10)로부터 방출된다.
종래 기술의 센서 조립체(10)는 구동기(104)를 포함한다. 구동기(104)는 구동기(104)가 예를 들면 구동 모드에서 도관(103A, 103B)들을 진동시킬 수 있는 위치에서 도관(103A 및 103B)들에 부착된다. 더욱 상세하게는, 구동기(104)는 도관(103A)에 부착된 제 1 구동기 구성요소(104A) 및 도관(103B)에 부착된 제 2 구동기 구성요소(104B)를 포함한다. 구동기(104)는 도관(103A)에 장착된 코일 및 도관(103B)에 장착된 대향 자석과 같은 다수의 주지된 배열체들 중 하나의 배열체를 포함할 수 있다.
종래 기술의 코리올리 유량계의 본 예에서, 구동 모드는 제 1 위상차 굽힘 모드이고 도관(103A, 103B)들이 선택되어 입구 매니폴드(102) 및 출구 매니폴드(102')에 적절히 장착되어 각각 굽힘 축선(W-W 및 W'-W')들을 중심으로 실질적으로 동일한 질량 분포, 관성 모멘트, 및 탄성 모듈들을 가지는 평형 시스템(balanced system)을 제공한다. 구동 모드가 제 1 위상차 굽힘 모드인, 본 예에서, 도관(103A 및 103B)들은 구동기(104)에 의해 도관들의 각각의 굽힘 축선(W-W 및 W'-W')들을 중심으로 반대 방향들로 구동된다. 교류 형태의 구동 신호는 예를 들면 경로(110)를 통한 것과 같이 계기 전자 장치(20)에 의해 제공되어 코일을 통과하여 도관(103A, 103B)들 양자 모두의 오실레이팅을 유발한다. 당업자는 다른 구동 모드들이 종래 기술의 코리올리 유량계에 의해 사용될 수 있다는 것을 인정할 것이다.
도시된 센서 조립체(10)는 도관(103A, 103B)들이 부착되는 한 쌍의 픽-오프(105, 105')들을 포함한다. 더욱 상세하게는, 제 1 픽-오프 구성요소(105A 및 105A')들이 제 1 도관(103A) 상에 위치되고 제 2 픽-오프 구성요소(105B 및 105B')들이 제 2 도관(103B) 상에 위치된다. 묘사된 예에서, 픽-오프(105, 105')들은 도관(103A, 103B)들의 속도 및 위치를 나타내는 픽-오프 신호들을 생성하는 전자기 검출기들, 예를 들면 픽-오프 자석들 및 픽-오프 코일들일 수 있다. 예를 들면, 픽-오프(105, 105')들은 픽-오프 신호들을 경로(111, 111')들을 통해 계기 전자 장치(20)들에 공급할 수 있다. 당업자는 도관(103A, 103B)들의 모션이 일반적으로 유동 재료의 소정의 특성들, 예를 들면 도관(103A, 103B)들을 통하여 유동하는 재료의 질량 유량 및 밀도에 비례하는 것을 인정할 것이다. 그러나, 도관(103A, 103B)들의 모션은 또한 픽-오프(105, 105')들에서 측정될 수 있는 0의 유동 지연 또는 오프셋을 포함한다. 0의 유동 오프셋은 기기 장치에서의 비(non)-비례 댐핑, 잔류 유연성 응답, 전자기 혼선, 또는 위상 지연과 같은 다수의 요인들에 의해 유발될 수 있다.
다수의 종래 기술의 유량계에서, 0의 유동 오프셋은 통상적으로 0의 유동 상태들에서 오프셋을 측정하고 유동 중 이루어진 후속하는 측정들로부터 측정된 오프셋을 차감함으로써 교정된다. 0의 유동 오프셋이 일정하게 유지될 때 이러한 접근 방법이 적절한 유동 측정을 제공하지만, 실제로, (온도와 같은) 주위 환경에서의 작은 변화들 또는 재료가 관통하여 유동하는 파이핑 시스템에서의 변화들을 포함하는 다양한 요인들에 의해 오프셋이 변화한다. 인정될 수 있는 바와 같이, 0의 유동 오프셋에서의 어떠한 변화도 결정된 유동 특성들에서 오류를 초래한다. 정상 작동들 중, 비(no)-유동 상태들 사이의 긴 시간 기간들이 있을 수 있다. 시간에 걸친 0의 유동 오프셋에서의 변화들은 측정된 유동에서 심각한 오류들을 유발할 수 있다.
본 출원인들은 발명의 명칭이 "코리올리 유량계에서 좌우측 고유 벡터들의 유입 결정"인 미국 특허 7,706,987호에서 설명되고 이로써 인용에 의해 본원에 포함되는, 유동 동안 0의 유동 오프셋에서의 변화들에 대한 결정 및 교정을 위한 방법을 개선하였다. '987 특허에서 사용된 소위 "직접적인 코리올리 측정(Direct Coriolis Measurement)"(DICOM)은 통상적인 단일 구동기 시스템이 아닌 두 개 또는 세 개 이상의 구동기들이 사용되는 경우, 코리올리 유량계 시스템의 좌우측 고유 벡터들이 결정될 수 있다는 것을 설명한다. 물리적 의미에서, 특별한 모드가 가진될 때 우측 고유 벡터들이 응답 지점들(픽-오프들) 사이의 위상을 결정한다. 우측 고유 벡터들은 통상적으로 종래 기술의 유량계(5)와 같은, 진동 유량계들에서 측정되고 결정된 값들이다. 좌측 고유 벡터들은 특별한 모드를 최적으로 가진하는 구동기들 사이의 위상을 결정한다. 0의 유동 오프셋 없이, 이러한 두 개의 위상들은 동일하다. 결론적으로, '987 특허에서 개설된 바와 같이, 좌우측 고유 벡터들이 결정될 수 있는 경우, 0의 유동 오프셋은 유체 유동으로부터 구별될 수 있다.
비록 DICOM이 0의 유동 오프셋의 유입 결정을 허용함으로써 유동 측정들에서의 증가된 정밀도를 허용하지만, 본 출원인들은 DICOM이 동위형 센서 구성요소들을 요구하는 것을 발견하였다. 비록 '987 특허가 동위형 센서 구성요소들의 사용을 서술하지만, 실제로, '987 특허가 두 개의 별개의 구별되는 구동기 센서 구성요소들 및 두 개의 별개의 구별되는 픽-오프 센서 구성요소들을 활용한다. '987 특허는 동위치화를 제공하기 위하여 유동 도관 상에 서로 직접 교차하는 구동기 및 픽-오프 센서 구성요소들을 위치 설정하는 시도를 한다. 그러나, 구동기 및 픽-오프 센서 구성요소들이 개별적으로 유동 도관(103A, 103B)들에 부착되기 때문에, 정밀한 동위치화는 비 현실적이고 심지어 작은 오배치(misplacement)가 유동 측정 내내 전파되는 에러들을 초래할 수 있다.
완전히(on its face) 본 출원인들에게 양도된, 미국 특허 6,230,104호는 결합형 구동기 및 픽-오프 센서를 개시한다. '104 특허에서 개시된 결합형 구동기 및 픽-오프 센서는 와이어링 및 결론적으로 비용을 감소시키는, 센서 구성요소들의 개수를 감소시키기 위해 사용될 수 있다. 부가적으로, 결합형 구동기 및 픽-오프 센서는 DICOM을 수행하기 위해 사용될 수 있다. 그러나, '104 특허에서 개시된 결합형 센서 구성요소의 구성에 의해, 측정들이 복잡하고 과잉 양의 동력을 요구한다. 또한, '104 특허에 개시된 구성은 쉽사리 부정확하게 될 수 있다. '104 특허는 구동 신호를 인가하고 픽-오프 신호를 수신하기 위해 동일한 코일을 사용한다. 이러한 코일의 이중 사용은 구동 신호에 의해 인가된 측정된 변환기 전압으로부터, 바람직한 속도 측정인, 후방 전동력(후방-EMF)의 복잡한 분리를 요구한다. '104 특허에서 보여준 결합식 센서 구성요소에 의한 후방-EMF의 결정은 적어도 두 개의 보상들을 요구한다. 후방-EMF는 방정식(1)을 특징으로 할 수 있다.
여기서:
저항성 부하는 온도에 따라 변화하고, 이에 의해 온-라인(on-line) 저항 계산을 요구한다. 이러한 보상에서의 오류들은 구동 안정성 및 유동 측정 양자 모두에 영향을 미친다. 또한, 저항성 부하는 통상적으로 방정식(1)에서 다른 항들보다 더 크다. 결론적으로, 저항성 부하에서 매우 작은 오류들이 큰 유동 오류들로 바꿔질 수 있다. 유도성 부하는 전형적으로 저항성 부하보다 많이 작지만, 여기서 작은 오류들이 여전히 상당한 유동 측정 오프셋들이 된다.
따라서, 인정될 수 있는 바와 같이, '104 특허에 개시된 결합형 구동기 및 픽-오프 센서는 적절한 해법을 제공하지 못한다. 본 기술 분야에서는 동위치화되고 감소된 복잡성을 가지고 측정들을 결정할 수 있는 결합형 구동기 및 픽-오프 센서에 대한 요구가 존재한다. 아래에서 설명된 실시예들은 이러한 및 다른 문제점들을 극복하고 본 기술분야에서의 진보가 성취된다.
진동계용 결합형 구동기 및 픽-오프 센서 구성요소가 본 발명에 따라 제공된다. 결합형 구동기 및 픽-오프 센서 구성요소는 적어도 제 1 자석을 포함하는 자석 부분 및 코일 부분을 포함한다. 일 실시예에 따라, 코일 부분은 코일 보빈, 상기 코일 보빈 둘레에 감겨지는 구동기 와이어, 및 상기 코일 보빈 둘레에 감겨진 픽-오프 와이어를 포함한다.
진동계가 일 실시예에 따라 제공된다. 진동계는 계기 전자 장치 및 계기 전자 장치와 통전되는 센서 조립체를 포함한다. 일 실시예에 따라, 센서 조립체는 하나 또는 둘 이상의 유동 도관들 및 하나 또는 둘 이상의 유동 도관들 중 하나 이상의 유동 도관에 커플링되는 하나 또는 둘 이상의 결합형 구동기 및 픽-오프 센서 구성요소들을 포함한다. 결합형 구동기 및 픽-오프 센서 구성요소들 각각은 자석 부분 및 코일 부분을 포함한다. 일 실시예에 따라, 코일 부분은 코일 보빈, 코일 보빈 둘레에 감겨지는 구동기 코일, 및 코일 보빈 둘레에 감져지는 픽-오프 와이어를 포함한다.
하나 또는 둘 이상의 유동 도관들을 구비한 센서 조립체를 포함하는 진동계 형성 방법이 일 실시예에 따라 제공된다. 상기 방법은 코일 보빈 둘레에 구동기 와이어를 감는 단계 및 코일 보빈 둘레에 픽-오프 와이어를 감는 단계를 포함한다. 일 실시예에 따라, 상기 방법은 하나 또는 둘 이상의 유동 도관들 중 하나의 유동 도관에 코일 보빈을 커플링하는 단계를 더 포함한다. 일 실시예에 따라, 상기 방법은 구동기 와이어를 구동 신호를 통신하기 위해 구동기 와이어를 계기 전자 장치에 전기적으로 커플링하는 단계 및 픽-오프 신호를 통신하기 위해 픽-오프 와이어를 계기 전자 장치에 전기적으로 커플링하는 단계를 더 포함한다.
양태
하나의 양태에 따라, 진동계용 결합형 구동기 및 픽-오프 센서 구성요소는:
적어도 제 1 자석을 포함하는 자석 부분;
코일 부분을 포함하며,
상기 코일 부분은:
코일 보빈;
상기 코일 보빈 둘레에 감겨지는 구동기 와이어; 및
상기 코일 보빈 둘레에 감겨지는 픽-오프 와이어를 포함한다.
바람직하게는, 상기 픽-오프 와이어는 상기 구동기 와이어의 적어도 일 부분의 상부에 감겨진다.
바람직하게는, 상기 코일 보빈은 상기 구동기 와이어를 수용하기 위한 제 1 권선 영역 및 상기 픽-오프 와이어를 수용하기 위한 제 2 권선 영역을 포함한다.
바람직하게는, 상기 제 1 권선 영역 및 상기 제 2 권선 영역은 서로 이격된다.
바람직하게는, 상기 결합형 구동기 및 픽-오프 센서 구성요소는 상기 제 1 권선 영역과 상기 제 2 권선 영역 사이에 위치 설정되는 플럭스 지향 링을 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 코일 보빈은 상기 자석의 적어도 일 부분을 수용하기 위한 자석 수용 부분을 포함한다.
바람직하게는, 상기 제 1 자석은 상기 구동기 와이어에 대응하고 상기 자석 부분은 상기 픽-오프 와이어에 대응하는 상기 제 1 자석에 커플링되는 제 2 자석을 더 포함한다.
다른 양태에 따라, 진동계는:
계기 전자 장치;
상기 계기 전자 장치와 통전되는 센서 조립체를 포함하며,
상기 센서 조립체는:
하나 또는 둘 이상의 유동 도관들; 및
하나 또는 둘 이상의 유동 도관들 중 적어도 하나의 유동 도관에 커플링되는하나 또는 둘 이상의 결합형 구동기 및 픽-오프 센서 구성요소들을 포함하며,
상기 결합형 구동기 및 픽-오프 센서 구성요소들 각각은 자석 부분 및 코일 부분을 포함하며, 상기 코일 부분은 코일 보빈, 상기 코일 보빈 둘레에 감겨지는 구동기 와이어, 및 상기 코일 보빈 둘레에 감겨지는 픽-오프 와이어를 포함한다.
바람직하게는, 상기 진동계는 상기 구동기 와이어에 커플링되고 구동 신호를 통신하기 위해 상기 계기 전자 장치와 통전되는 제 1 전기 리드 및 상기 픽-오프 와이어에 커플링되고 픽-오프 신호를 통신하기 위해 상기 계기 전자 장치와 통전되는 제 2 전기 리드를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 자석 부분은 적어도 제 1 자석을 포함한다.
바람직하게는, 상기 코일 보빈은 상기 제 1 자석의 적어도 일 부분을 수용하기 위한 자석 수용 부분을 포함한다.
바람직하게는, 상기 픽-오프 와이어는 상기 구동기 와이어의 적어도 일 부분의 상부에 감겨진다.
바람직하게는, 상기 코일 보빈은 상기 구동기 와이어를 수용하기 위한 제 1 권선 영역 및 상기 픽-오프 와이어를 수용하기 위한 제 2 권선 영역을 포함한다.
바람직하게는, 상기 제 1 권선 영역 및 상기 제 2 권선 영역은 서로 이격된다.
바람직하게는, 상기 진동계는 상기 제 1 권선 영역과 상기 제 2 권선 영역 사이에 위치된 플럭스 지향 링을 더 포함한다.
다른 양태에 따라, 하나 또는 둘 이상의 유동 도관을 구비한 센서 조립체를 포함하는 진동계 형성 방법으로서,
코일 보빈 둘레에 구동기 와이어를 감는 단계;
상기 코일 보빈 둘레에 픽-오프 와이어를 감는 단계;
상기 코일 보빈을 상기 하나 또는 둘 이상의 유동 도관들 중 하나의 유동 도관에 커플링하는 단계;
구동 신호를 통신하기 위해 상기 구동기 와이어를 계기 전자 장치에 전기적으로 커플링하는 단계; 및
픽-오프 신호를 통신하기 위해 상기 픽-오프 와이어를 상기 계기 전자 장치에 전기적으로 커플링하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 방법은 상기 코일 보빈이 상기 자석의 적어도 일 부분을 수용하도록 자석을 상기 하나 또는 둘 이상의 유동 도관들 중 제 2 유동 도관에 커플링하는 단계를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 픽-오프 와이어를 감는 단계는 상기 구동기 와이어의 상부에 상기 픽-오프 와이어를 감는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 구동기 와이어 및 상기 픽-오프 와이어를 감는 단계는 상기 구동기 와이어를 제 1 권선 영역에 감는 단계 및 상기 픽-오프 와이어를 상기 제 1 권선 영역으로부터 이격된 제 2 권선 영역에 감는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 방법은 플럭스 지향 링을 상기 제 1 권선 영역과 상기 제 2 권선 영역 사이의 코일 보빈에 커플링하는 단계를 더 포함한다.
도 1은 종래 기술의 유량계를 도시한다.
도 2는 일 실시예에 따른 결합형 센서 구성요소의 횡단면도를 도시한다.
도 3은 다른 실시예에 따른 결합형 센서 구성요소의 횡단면도를 도시한다.
도 4는 일 실시예에 따른 진동계(400)를 도시한다.
도 2는 일 실시예에 따른 결합형 센서 구성요소의 횡단면도를 도시한다.
도 3은 다른 실시예에 따른 결합형 센서 구성요소의 횡단면도를 도시한다.
도 4는 일 실시예에 따른 진동계(400)를 도시한다.
도 2 및 도 3 그리고 아래의 설명은 지지 부재의 실시예들의 최상 모드를 형성하여 사용하는 방법을 당업자에게 교시하기 위한 특정 예들을 묘사한다. 본 발명의 원리들을 교시하기 위해, 일부 종래의 양태들이 단순화되거나 생략되었다. 당업자는 본 설명의 범주 내에 있는 이러한 예들로부터의 변화들을 인정할 것이다. 당업자는 아래 설명된 특징들이 유량계의 다수의 변화예들을 형성하기 위해 다양한 방식으로 결합될 수 있다는 것을 인정할 것이다. 결과적으로, 아래 설명되는 실시예들은 아래 설명되는 특정 예들로 제한되지 않고 단지 청구범위 및 이 청구범위의 균등예에 의해서만 제한된다.
도 2는 일 실시예에 따른 결합형 센서 구성요소(200)의 횡단면도를 도시한다. 도시된 일 실시예에 따라, 결합형 센서 구성요소(200)는 결합형 구동기 및 픽-오프 센서 구성요소를 포함한다. 일 실시예에 따라, 결합형 구동기 및 픽-오프 센서 구성요소는 제 1 및 제 2 유동 도관(103A, 103B)들에 커플링될 수 있다. 도시된 실시예에서, 결합형 센서 구성요소(200)는 장착 브래킷(210A, 210B)들을 사용하여 제 1 및 제 2 유동 도관(103A, 103B)들에 커플링된다. 따라서, 결합형 센서 구성요소(200)는 도 1에서 도시된 종래 기술의 유량계(5)의 센서 구성요소(104, 105, 105')들 중 하나 또는 둘 이상의 센서 구성요소를 대체할 수 있다. 일부 실시예들에서, 두 개의 결합형 센서 구성요소(200)들은 픽-오프 센서(105, 105')들을 대체하기 위해 사용될 수 있으며, 반면 구동기(104)는 제거될 수 있다. 이에 따라, 결합형 센서 구성요소(200)의 사용은 조작 중인 유량계를 위해 요구된 총 센서 구성요소들의 개수를 줄일 수 있다.
일 실시예에 따라, 결합형 센서 구성요소(200)는 코일 부분(204A) 및 자석 부분(104B)을 포함한다. 자석 부분(104B)은 볼트(212B)를 사용하여 장착 브래킷(210B) 상에 유지되는 자석(211)을 포함한다. 자석(211)은 자기장을 지향시키는 것을 도울 수 있는 자석 키퍼(magnet keeper; 213) 내에 위치 설정될 수 있다. 일 실시예에 따라, 자석 부분(104B)은 종래 기술의 센서 구성요소들의 통상적인 자석 부분을 포함한다. 제 2 유동 도관(103B)에 커플링된 장착 브래킷(210B)이 도시된다. 장착 브래킷(210B)은 용접, 납땜, 접착 등과 같은 주지된 기술들에 따라 유동 도관(103B)에 커플링될 수 있다.
일 실시예에 따라, 코일 부분(204A)은 장착 브래킷(210A)에 의해 제 1 유동 도관(103A)에 커플링된다. 장착 브래킷(210A)은 용접, 납땜, 접착, 등과 같은 주지된 기술들에 따라 유동 도관(103A)에 커플링될 수 있다. 코일 부분(204A)은 또한 코일 보빈(220)을 포함한다. 코일 보빈(220)은 자석(211)의 적어도 일 부분을 수용하기 위한 자석 수용 부분(220')을 포함할 수 있다. 코일 보빈(220)은 볼트(212A) 또는 유사 체결 장치에 의해 상기 장착 브래킷(210A) 상으로 유지될 수 있다. 코일 부분(204A)을 유동 도관(103A)에 커플링하기 위해 사용된 특별한 방법은 결코 본 발명의 범위를 제한하지 않아야 한다.
부가적으로, 이중 유동 도관 센서 조립체에 커플링되는 결합형 구동기 및 픽-오프 센서 구성요소(200)가 도시되지만, 다른 실시예들에서, 상기 부분(104A, 204A) 중 하나는 예를 들면 정지 구성요소 또는 더미 튜브(dummy tube)에 커플링될 수 있다. 이는 결합형 구동기 및 픽-업 센서 구성요소(200)가 단일 유동 도관 센서 조립체 내에서 활용되는 상황들의 경우일 수 있다.
일 실시예에 따라, 코일 부분(204A)은 구동기 와이어(221) 및 픽-오프 와이어(222)를 동위화한다. '104 특허에서 설명된 종래 기술의 결합형 센서 구성요소와 달리, 본 실시예의 결합형 센서 구성요소는 별개의 구별되는 와이어(221, 222)들을 제공한다. 그러나, 도 2에 도시된 실시예에 따라, 구동기 와이어(221) 및 픽-오프 와이어(222)는 양자 모두 동일한 코일 보빈(220) 둘레에 감겨진다. 코일 보빈(220) 둘레에 구동기 와이어(221) 및 픽 오프 와이어(222)를 감는 것은 동위화되는 구동기 코일(221') 및 픽-오프 코일(222')을 생성한다. 도시된 실시예에서, 와이어(221, 222)들은 위 아래로 적층되며, 즉 하나의 와이어가 다른 와이어의 상부에 감겨진다. 실시예가 구동기 와이어(221)가 픽-오프 와이어(222) 앞의 보빈(220) 상에 감겨지는 것을 도시하지만, 그 반대가 또한 활용될 수 있으며, 픽-오프 와이어(222)는 구동기 와이어(221)의 반경 방향 내측에 위치설정된다.
일 실시예에 따라, 절연 층(도시 안됨)이 구동기 와이어(221)와 픽-오프 와이어(222) 사이에 제공될 수 있다. 그러나, 이 같은 절연 층은 필요하지 않다.
도시된 바와 같이, 코일들 양자 모두는 단일 자석(21) 및 단일 자석 키퍼(213)를 공유한다. 결론적으로, 결합형 센서 구성요소(200)를 형성하기 위해 요구된 구성요소들의 개수가 실질적으로 감소된다.
결합형 센서 구성요소(200)는 '104 특허에서 도시된 결합형 센서에 비해 상당한 장점을 제공한다. 결합형 센서 구성요소(200)는 구동기 와이어(221)가 픽-오프 와이어(222)와 상이할 때 '104 특허에 의해 요구되는 저항 보상을 실질적으로 제거한다. 따라서, 후방-EMF 계산은 방정식(2)으로 단순화되었다.
여기서:
M은 두 개의 코일(221', 222') 사이의 상호 인덕턴스이다.
인정될 수 있는 바와 같이, 방정식으로부터 저항 보상이 제거되면서, 후방-EMF의 결정이 실질적으로 단순화된다. 또한, 온라인 온도 측정이 더 이상 요구되지 않는다. 또한, 위로부터 저항 보상이 통상적으로 유도 보상보다 더 크다는 것을 상기하자. 따라서, 방정식 (2)에 의해 요구된 보상은 더 작은 유동 측정 오류들을 초래한다.
도 2에 도시되지 않았지만, 계기 전자 장치(20)가 도 1에 도시된 와이어 리드(10)와 유사한 와이어 리드(도 4 참조)에 의해 구동기 와이어(221)와 통신될 수 있다. 따라서, 계기 전자 장치와 통전될 때, 구동기 와이어(221)에는 구동 신호가 제공될 수 있어 코일 부분(204A)과 자석 부분(104B) 사이에 모션을 생성할 수 있다. 또한, 픽-오프 와이어(221)는 와이어 리드(111, 111')들 중 하나의 와이어 리드와 유사한 와이어 리드(도 4 참조)에 의해 계기 전자 장치(20)과 통신할 수 있다. 따라서, 계기 전자 장치와 통전될 때, 픽-오프 와이어(222)는 코일 부분(204A)과 자석 부분(104B) 사이의 모션을 감지할 수 있으며 픽-오프 신호를 계기 전자 장치로 제공한다. 따라서, 결합형 센서 구성요소(200)는 복잡한 회로 및 '104 특허에 개시된 시스템에 의해 요구되는 바와 같은 모방 회로(mimetic circuit)를 요구하지 않는다.
도 3은 일 실시예에 따른 결합형 센서 구성요소(300)의 횡단면도를 도시한다. 도 3에 도시된 실시예는 구동기 와이어(221)의 상부 상에 픽-오프 와이어(222)를 감지 않고, 동일한 보빈(222) 둘레에 감겨져 있으면서 두 개의 와이어들이 서로 이격되어 있는 것을 제외하고 도 2에 도시된 실시예와 유사하다. 따라서, 보빈(222)은 제 1 권선 영역(322) 및 제 2 권선 영역(322')을 포함한다. 일 실시예에 따라, 제 1 권선 영역(322) 및 제 2 권선 영역(322')은 서로로부터 이격된다. 권선 영역(322, 322')들은 와이어를 수용하기 위해 코일 보빈(222) 내에 형성된 그루브들을 포함할 수 있다. 도시된 실시예에 따라, 구동기 및 픽-오프 와이어(221, 222)들은 플럭스 지향 링(330)에 의해 추가로 분리된다. 플럭스 지향 링(330)은 탄소 강 또는 소정의 다른 뮤 메탈(mu metal)로 형성될 수 있고 제 1 권선 영역(322) 및 제 2 권선 영역(322') 사이의 코일 보빈(222)에 커플링된다. 플럭스 지향 링(330)은 개별 와이어(221, 222)들과 연계된 전기장을 격리하는데 도움이 될 수 있다. 플럭스 지향 링(330)은 픽-오프 와이어(222)로부터 떨어져 구동기 와이어(221)로부터 플럭스 라인들로 지향될 수 있다.
비록 구동기 와이어(221)가 자석 부분(104B)에 더 근접하게 위치 설정되지만, 다른 실시예들에서, 픽-오프 와이어(222)가 자석 부분(104B)에 더 근접하게 위치 설정될 수 있다. 따라서, 본 실시예는 도 3에 도시된 구성으로 제한되지 않아야 한다.
일 실시예에 따라, 결합형 센서 구성요소(300)는 결합형 센서 구성요소(200)에서와 같이 저항 보상을 제거하지만 또한 결합형 센서 구성요소(300)에 의해, 방정식 (2)로부터의 상호 인덕턴스는 방정식 (2)의 보상시 어떠한 오류도 최소화하기에 충분히 작다. 결론적으로, 픽-오프 와이어(222)의 후방-EMF는 픽-오프 와이어(222)가 종래 기술에서와 같이 개별 센서 구성요소 상에 위치되었던 경우와 같이 직접 측정될 수 있다.
유용하게는, 결합형 센서 구성요소(300)는 독립형 센서 구성요소의 측정의 간단함을 구비한 동위형 센서 구성요소를 제공한다. 결합형 센서 구성요소(200, 300)는 요구된 센서 구성요소들의 개수를 줄이기 위하여 코리올리 유량계에서 사용될 수 있다. 결합형 센서 구성요소들에 의해, 센서 구성요소들의 개수는 3개(도 1)로부터 두 개로 감소될 수 있다. 이는 재료 비용들, 조립 시간에서 감소, 및 보다 적은 와이어링을 초래한다. 부가적으로, 결합형 센서 구성요소(200, 300)들의 사용은 구동기 와이어(221)와 픽-오프 와이어(222)의 동위화를 보장한다. 따라서, 결합형 센서 구성요소(200) 또는 결합형 센서구성요소(300)의 사용은 DICOM을 사용하여 얻어진 측정들의 정밀도를 개선한다.
도 2에 도시된 결합형 센서 구성요소(200)에 의한 것과 같이, 구동기 와이어(221) 및 픽-오프 와이어(222)가 동일한 자석(211)을 공유할 수 있다. 그러나, 도시된 실시예에서, 자석 부분(104B)은 제 2 자석(311)을 포함한다. 제 2 자석(311)은 제 1 자석(211)에 커플링될 수 있고 픽-오프 와이어(222)와 주로 상호작용하기 위해 사용될 수 있다. 이는 결합형 센서 구성요소(300)에서 픽-오프 와이어(222)가 제 1 자석(211)으로부터 더 멀리 위치 설정되고 결론적으로 사용 동안 픽-오프 와이어(222)에 더 근접하게 위치 설정되는 제 2 자석(311)이 사용되는 경우 향상된 성능이 달성될 수 있기 때문이다.
도 4는 일 실시예에 따른 진동계(400)를 보여준다. 진동계(400)는 도 1에 도시된 진동계(5)와 유사하고 동일한 구성요소들은 동일한 도면 부호를 공유한다. 진동계(400)는 코리올리 유량계 또는 소정의 다른 유량계를 포함할 수 있다. 따라서, 진동계(400)는 센서 조립체(40) 및 계기 전자 장치(20)를 포함한다. 센서 조립체(40)는 유체를 수용할 수 있다. 유체는 유동하거나 정지되어 있을 수 있다. 유체는 가스, 액체, 부유된 입자들을 구비한 가스, 부유된 입자들을 구비한 액체, 또는 이들의 결합물을 포함할 수 있다.
센서 조립체(40)는 리드(415)들을 경유하여 계기 전자 장치(20)와 통전된다. 도시된 실시예에 따라, 진동계(400)는 결합형 센서 구성요소(300)들을 활용하며; 그러나, 다른 실시예에서, 결합형 센서 구성요소(200)들이 사용될 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 진동계(400)는 센서 구성요소들의 개수를 3개로부터 2개로 줄였다. 따라서, 제조 프로세스가 실질적으로 단순화된다. 또한, 진동계(400)는 DICOM 작동을 위해 사용될 수 있다.
도시된 실시예에 따라, 제 1 결합형 센서 구성요소(300)는 유동 도관(103A, 103B)들의 입구 단부에 커플링되고 반면 제 2 결합형 센서 구성요소(300)는 유동 도관(103A, 103B)들의 출구 단부에 커플링되어 도시된다. 도시된 실시예에 따라, 제 1 결합형 센서 구성요소(300)는 제 1 와이어 리드(411) 및 제 2 와이어 리드(411')를 경유하여 계기 전자 장치(20)와 통전한다. 더욱 상세하게는, 제 1 결합형 센서 구성요소(300)의 구동기 와이어(221)는 제 1 와이어 리드(411)에 커플링되고 반면 픽-오프 와이어(222)는 제 2 와이어 리드(411')에 커플링된다. 유사하게, 제 2 결합형 센서 구성요소(300)는 제 3 와이어 리드(412) 및 제 4 와이어 리드(412')를 경유하여 계기 전자 장치(20)와 통전된다. 더욱 상세하게는, 제 2 결합형 센서 구성요소(300)의 구동기 와이어(221)는 제 3 와이어 리드(412)에 커플링되고 반면 픽-오프 와이어(222)는 제 4 와이어 리드(412')에 커플링된다.
유용하게는, 계기 전자 장치(20)는 구동기 신호를 리드(411, 412)들을 경유하여 구동기 코일의 하나 또는 양쪽 모두에 제공하고 당 분야에서 일반적으로 공지된 바와 같이, 리드(411', 412')들을 경유하여 픽-오프 코일들로부터 픽-오프 신호들을 수신할 수 있다.
위에서 설명된 실시예들은 진동계를 위한 개선된 동위형 센서 구성요소를 제공한다. 개선된 동위형 센서 구성요소는 결합형 구동기 및 픽-오프 센서 구성요소를 포함한다. 구동기 및 픽-오프 코일(221', 222')들의 동위화를 보장하기 위하여, 구동기 및 픽-오프 와이어(221, 222)들은 동일한 코일 보빈(220) 둘레에 감겨진다. 유용하게는, 동위형 센서 구성요소가 DICOM을 위해 사용되는 실시예들에서, 구동기 및 센서 구성요소들의 동위화가 가정되거나 추정되지 않아야 한다. 오히려, 결합형 구동기 및 픽-오프 센서 구성요소(200, 300)들은 동위화가 달성되는 것을 보장한다.
상기 실시예들의 상세한 설명은 발명자들에 의해 본 설명의 범위 내에 있는 것으로 고려된 모든 실시예들의 완전한 설명이 아니다. 실제로, 당업자는 위에서 설명된 실시예들의 소정의 요소들이 추가 실시예들을 생성하기 위하여 다양하게 결합되거나 제거될 것이며 이 같은 추가 실시예들은 본 설명의 범주 및 교시들 내에 포함되는 것을 인정할 것이다. 또한, 위에서 설명된 실시예들이 본 설명의 범주 및 교시들 내에서 부가 실시예들을 생성하기 위해 전체적으로 또는 부분적으로 결합될 수 있다는 것이 당업자에게 명백할 것이다.
이에 따라, 비록 특정 실시예들이 예시 목적들을 위해 본 명세서에서 설명되었지만, 당업자가 인정하는 바와 같이, 다양한 균등한 수정들이 본 설명의 범주 내에서 가능하다. 본 명세서에서 제공된 교시들은 다른 유량계들에 적용될 수 있으며 첨부된 도면들에서 도시되고 위에서 설명된 실시예들에만 적용되는 것은 아니다. 따라서, 실시예들의 범주는 아래의 청구범위로부터 결정되어야 한다.
Claims (20)
- 진동계용 결합형 구동기 및 픽-오프 센서 구성요소(200, 300)로서,
적어도 제 1 자석(211)을 포함하는 자석 부분(104B);
코일 부분(204A, 304A)을 포함하며,
상기 코일 부분은:
코일 보빈(220);
상기 코일 보빈(220) 둘레에 감겨지는 구동기 와이어(221); 및
상기 코일 보빈(220) 둘레에 감겨지는 픽-오프 와이어(222)를 포함하는,
진동계용 결합형 구동기 및 픽-오프 센서 구성요소.
- 제 1 항에 있어서,
상기 픽-오프 와이어(222)는 상기 구동기 와이어(221)의 적어도 일 부분의 상부에 감겨지는,
진동계용 결합형 구동기 및 픽-오프 센서 구성요소.
- 제 1 항에 있어서,
상기 코일 보빈(220)은 상기 구동기 와이어(221)를 수용하기 위한 제 1 권선 영역(322) 및 상기 픽-오프 와이어(222)를 수용하기 위한 제 2 권선 영역(322')을 포함하는,
진동계용 결합형 구동기 및 픽-오프 센서 구성요소.
- 제 3 항에 있어서,
상기 제 1 권선 영역(322) 및 상기 제 2 권선 영역(322')들은 서로 이격되는,
진동계용 결합형 구동기 및 픽-오프 센서 구성요소.
- 제 4 항에 있어서,
상기 제 1 권선 영역(322)과 상기 제 2 권선 영역(322') 사이에 위치 설정되는 플럭스 지향 링(330)을 더 포함하는,
진동계용 결합형 구동기 및 픽-오프 센서 구성요소.
- 제 1 항에 있어서,
상기 코일 보빈(220)은 상기 자석(211)의 적어도 일 부분을 수용하기 위한 자석 수용 부분(220')을 포함하는,
진동계용 결합형 구동기 및 픽-오프 센서 구성요소.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 자석(211)은 상기 구동기 와이어(221)에 대응하고 상기 자석 부분(104B)은 상기 픽-오프 와이어(222)에 대응하는 상기 제 1 자석(211)에 커플링되는 제 2 자석(311)을 더 포함하는,
진동계용 결합형 구동기 및 픽-오프 센서 구성요소.
- 진동계(400)로서,
계기 전자 장치(20);
상기 계기 전자 장치(20)와 통전되는 센서 조립체(40)를 포함하며,
상기 센서 조립체는:
하나 또는 둘 이상의 유동 도관들(103A, 103B); 및
하나 또는 둘 이상의 유동 도관(103A, 103B)들 중 적어도 하나의 유동 도관에 커플링되는 하나 또는 둘 이상의 결합형 구동기 및 픽-오프 센서 구성요소(200, 300)들을 포함하며,
상기 결합형 구동기 및 픽-오프 센서 구성요소들 각각은 자석 부분(104B) 및 코일 부분(204A)을 포함하며, 상기 코일 부분(204A)은 코일 보빈(220), 상기 코일 보빈(220) 둘레에 감겨지는 구동기 와이어(221), 및 상기 코일 보빈(220) 둘레에 감겨지는 픽-오프 와이어(222)를 포함하는,
진동계.
- 제 8 항에 있어서,
상기 구동기 와이어(221)에 커플링되고 구동 신호를 통신하기 위해 상기 계기 전자 장치(20)와 통전되는 제 1 전기 리드(411) 및 상기 픽-오프 와이어(222)에 커플링되고 픽-오프 신호를 통신하기 위해 상기 계기 전자 장치(20)와 통전되는 제 2 전기 리드(411')를 더 포함하는,
진동계.
- 제 8 항에 있어서,
상기 자석 부분(104B)은 적어도 제 1 자석(211)을 포함하는,
진동계.
- 제 10 항에 있어서,
상기 코일 보빈(220)은 상기 제 1 자석(211)의 적어도 일 부분을 수용하기 위한 자석 수용 부분(220')을 포함하는.
진동계.
- 제 8 항에 있어서,
상기 픽-오프 와이어(222)는 상기 구동기 와이어(221)의 적어도 일 부분의 상부에 감겨지는,
진동계.
- 제 8 항에 있어서,
상기 코일 보빈(220)은 상기 구동기 와이어(221)를 수용하기 위한 제 1 권선 영역(322) 및 상기 픽-오프 와이어(222)를 수용하기 위한 제 2 권선부 영역(322')을 포함하는,
진동계.
- 제 13 항에 있어서,
상기 제 1 권선 영역(322) 및 상기 제 2 권선 영역(322')은 서로 이격되는,
진동계.
- 제 14 항에 있어서,
상기 제 1 권선 영역(322)과 상기 제 2 권선 영역(322') 사이에 위치 설정된 플럭스 지향 링(330)을 더 포함하는,
진동계.
- 하나 또는 둘 이상의 유동 도관을 구비한 센서 조립체를 포함하는 진동계 형성 방법으로서,
코일 보빈 둘레에 구동기 와이어를 감는 단계;
상기 코일 보빈 둘레에 픽-오프 와이어를 감는 단계;
상기 코일 보빈을 상기 하나 또는 둘 이상의 유동 도관들 중 하나의 유동 도관에 커플링하는 단계;
구동 신호를 통신하기 위해 상기 구동기 와이어를 계기 전자 장치에 전기적으로 커플링하는 단계; 및
픽-오프 신호를 통신하기 위해 상기 픽-오프 와이어를 상기 계기 전자 장치에 전기적으로 커플링하는 단계를 포함하는,
진동계 형성 방법.
- 제 16 항에 있어서,
상기 코일 보빈이 상기 자석의 적어도 일 부분을 수용하도록 자석을 상기 하나 또는 둘 이상의 유동 도관들 중 제 2 유동 도관으로 커플링하는 단계를 더 포함하는,
진동계 형성 방법.
- 제 16 항에 있어서,
상기 픽-오프 와이어를 감는 단계는 상기 구동기 와이어의 상부에 상기 픽-오프 와이어를 감는 단계를 포함하는,
진동계 형성 방법.
- 제 16 항에 있어서,
상기 구동기 와이어를 감는 단계 및 상기 픽-오프 와이어를 감는 단계는 상기 구동기 와이어를 제 1 권선 영역에 감는 단계 및 상기 픽-오프 와이어를 상기 제 1 권선 영역으로부터 이격된 제 2 권선 영역에 감는 단계를 포함하는,
진동계 형성 방법.
- 제 19 항에 있어서,
플럭스 지향 링을 상기 제 1 권선 영역과 상기 제 2 권선 영역 사이의 상기 코일 보빈에 커플링하는 단계를 더 포함하는,
진동계 형성 방법.
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