KR101224215B1 - 관 내의 유체 유량을 결정하는 장치 및 방법과 난류 조절기 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 있어서의 관 내의 유체 유량을 결정하는 장치는, 유효 직경을 갖는 구멍들로 이루어진 적어도 한 쌍의 구멍들을 통해 관의 내부와 연통하는 초음파 유량계를 포함한다. 상기 장치는, 다수의 개구들을 구비하며 이 개구들 사이의 피치를 상기 구멍의 유효 직경과 함수 관계를 갖게 하여 구성한 관 내에 배치된, 난류 조절기를 포함한다. 관에 사용하는 난류 조절기는 개구들 및 피치를 갖는다. 상기 난류 조절기는, 상기 피치와 함수 관계인 두께를 갖는 개구들 사이에 벽들을 구비한다. 상기 난류 조절기는, 상기 피치의 함수 관계인 길이를 갖다. 본 발명에 있어서의 관 내의 유체 유량을 결정하는 방법은, 관 내에 배치되어 있는 난류 조절기로서, 개구들을 구비하며 이 개구들 사이의 피치를 관의 내부와 연통되는 초음파 유량계의 구멍의 유효 직경과 함수 관계를 갖게 구성한 난류 조절기를 관통해서 유체를 유동시키는 단계를 포함한다. 또한, 상기 초음파 유량계로 유량을 측정하는 유량 측정 단계도 있다. 난류 조절기를 제조하는 방법도 개시한다.

Description

관 내의 유체 유량을 결정하는 장치 및 방법과 난류 조절기 제조 방법 {APPARATUS AND METHOD FOR DETERMINING FLUID FLOW IN A PIPE AND METHOD FOR PRODUCING A TURBULENCE CONDITIONER}

본 발명은 난류 조절기의 통과 시간 초음파 유량계 하류측에서 측정되는 유속의 난류 변동이 크게 감소될 수 있도록 관 내의 난류 구조를 변경하는 것에 관한 것이다.(여기서 지칭되는 "본 발명" 또는 "발명"은 예시적인 실시예에 관한 것으로서, 첨부된 특허청구범위에 포함되는 실시예들에만 관련되는 것은 아니다.) 난류 유속의 변동을 감소시키게 되면, 초음파 유량계의 검정(proving), 즉 표준에 대한 영점 조정(calibration)을 확인하는 것을 용이하게 하여, 난류 조절기가 없는 채로 동일한 초음파 유량계를 가지고 동일한 검정기들이 행할 수 있는 것에 비해서 검정기가 상당히 적은 횟수의 조작으로도 영점 조정을 확인할 수 있게 된다.

이 설명란은 본 발명의 여러 태양과 관련될 수 있는 관련 기술의 여러 태양들을 독자들에게 제시하고자 하는 것이다. 이하에서 논의되는 것은 본 발명에 대한 양호한 이해를 용이하게 하는 정보를 제공하고자 하는 것이다. 따라서, 이하에서 논의되는 것은 이와 같은 관점에서 읽어야지 종래 기술을 용인하는 것으로서 읽어서는 안 됨을 주지해야 한다.

통과 시간 초음파 유량계는 많은 유량 측정 응용 분야에 있어서 탁월한 반복 재현성과 절대적 정확성을 갖는다. 그러나 여러 측정들에 본질적으로 고유한 특성들로 인해 그들 유량계들을 석유 제품의 관리 양도용 측정(custody transfer measurement)에 적용할 때에는 많은 어려움이 나타난다. 관리 양도(custody transfer)라는 것은 일군의 특정 제품의 소유권이 바뀔 때에 발생한다. 소규모로는, 상기와 같은 양도는 주유소와 그의 고객 사이에서 주유소의 펌프에서 발생한다.

관리 양도 측정에 있어서 계량기 검정, 즉 독립된 수단에 의해서 영점 조정을 정확하게 확립하는 것을 산업 현장에서 실제로 실시하고 있다. 검정기라 함은 일반적으로는 체적을 정하여서 정확하게 확립하는 장치를 말한다. 검정기에 의해 정해진 체적의 제품을 인도하는 데 소요되는 시간은 볼 또는 피스톤이 검정기의 한 단부에서 다른 단부까지 제품에 의해서 밀리는 경과에 의해 정확하게 한정된다. 고속 전환 밸브는 검정기 작동을 개시시키고, 볼이 그의 이동 종료점에 이르렀을 때에는 검정기를 우회한다. 검정기의 시작점과 종료점에 있는 위치 스위치들은 관리 양도 계량기, 즉 특정 고객에게 인도될 제품의 양을 측정하는 데 사용하는 계량기의 검정 작동과 동기화한다. 검정 작동 중에 관리 양도 계량기(전통적인 실제 예에 있어서는 터빈 또는 능동 변위 계량기)에 의해 측정된 용적체 산출물이 검정기의 체적과 비교되고서, 계량기 인자(영점 조정을 교정하는 것)가 확립된다.

관리 양도 계량기의 계량기 계수의 반복 재현성을 확립하기 위해 수회의 검정기 작동으로 이루어진 한 세트의 검정기 작동-통상적으로는 5회의 작동으로 이루어짐-을 수행하는 것도 산업 현장에서 실제로 실시되고 있다. 석유 산업에 있어서 반복 재현성은, 일반적으로는, 수회의 검정기 작동 한 세트로부터 나온 높은 유량계 계수와 낮은 유량계 계수 사이의 차를 상기 수회의 검정기 작동 한 세트로부터 나온 낮은 유량계 계수로 나눔으로써 정해진다. 한 세트의 검정 작동에서의 반복 재현성(또는 통계 용어로는 "범위")이라 함은, 그 한 세트의 검정 작동의 결과치들을 평균하여 결정하는 것과 같이, 계량기 계수의 불확실성을 측정하는 것이다. 일례로, 검정기의 5회 작동에서의 반복재현성이 0.05%라 함은 관리 양도 계량기용의 실측 계량기 계수가 한 세트의 검정 작동으로부터 구해진 평균 계량기 계수의 ±0.027%의 폭 내에 95%의 신뢰도를 가지고 존재하게 된다는 것을 나타낸다. 이와 같이 정확한 계량기 계수는 관리 양도 측정의 표준으로 받아들여진다.

경과 시간 초음파 유량계는, 터빈 및 능동 변위 유량계와는 달리, 체적 유량을 연속적으로 측정하지 못하고 대신에 다수의 유속 샘플로부터 체적 유량을 추정한다. 구체적으로, 체적 유량은 하나 이상의 음향 경로-초음파 펄스들의 경과 시간을 측정하는 경로-상으로 투사되는 축방향 유속의 주기적 측정에 의해 결정된다. 상기 경로의 속도 측정들은 관 내의 속도 측정 개수 및 위치에 적합한 규정에 따라 결합된다. 많은 수의 유량계들이 특별한 수치 적분법에 따라서 배치된다.

초음파 경과 시간 유량계가 한 세트의 속도 측정치들(경로의 수에 의존하는 하나 또는 그 이상의 측정치들)은 경로 경과 시간과, 경로 개수와, 계량기 자체의 데이터 처리 능력에 의해 결정된다. 액체 유량계에 있어서, 유동체 샘플들이 통상적으로는 5 내지 100 밀리초 범위의 주기에 걸쳐서 수집되고, 그 결과의 샘플 주파수는 10 Hz에서 200 Hz 사이의 범위에 있게 된다. 이러한 숫자들은 초음파 계량기마다 다를 수 있다.

따라서 초음파 유동 측정은 다음의 2가지 계산에 있어서의 샘플 데이터 시스템이다.

(1) 관의 횡단면을 가로지르는 곳에서는 그 어디에서도 측정하지 않고 음향 경로를 따라서만 측정하는 것.

(2) 속도를 연속적으로 측정하지 않고, 대신에 속도에 대한 일련의 "속사(snapshot)"를 취하고, 상기 속도에 대한 일련의 속사로부터 평균을 결정하는 것.

이들 물성치들로 인해, 경과 시간 초음파 유량계는 석유 산업에서 관리 양도를 하는 데 있어서 통상적으로 사용되고 있는 다른 유량계들과는 달리 난류와 같은 유동 현상에 응답한다. 더 구체적으로 설명하면, 경과 시간 초음파 유량계의 각 유동 측정은 국부 유속에 있어서의 소규모 무작위 변동(즉, 난류)에 의해 영향을 받는다. 이들 변동들은 모두가 시간성과 공간성을 가지므로, 초음파 기기는 실제 평균 유량을 결정하기 위해서는, 즉 난류로 인한 무작위 오차 분포를 허용 가능한 수준으로 줄이기 위해서는, 다수의 측정을 행해야 한다. 한편, 터빈 유량계 및 능동 변위 유량계는 전적으로 관 내의 유동장에 응답하고, 유속을 시간과 공간에서 통합하는 것은 상기 응답에 있어서 본질적으로 고유한 것이다. 다른 한편으로는, 경과 시간 초음파 유량계는 우회, 누출 및 마찰과 같은 물리적 제한 요소들에 의해 방해받지 않으므로, 더 넓은 범위의 속도 및 점성 상태에 걸친 측정 능력을 제공할 수 있게 된다.

관리 양도용의 유량계는 이 유량계를 통과하는 유체의 단위 체적 당 많은 수의 펄스(예, 1000 펄스/배럴)를 발생시키도록 설계된다. 유량계 계수 MF는 다음 식으로 주어진다.

MF = V/NP

여기서, V는 검정기의 벽들에 매립된 2개의 위치 스위치들 사이의 검정기의 표준 체적이다. 검정 작동이 시작되면, 유동 유체는 검정기를 통해서 전환되어 볼 또는 피스톤을 밀어 상류측 스위치를 통과하게 하여 작동을 개시시키게 되는데, 이 작동은 상기 볼 또는 피스톤이 하류측 스위치에 이르렀을 때에 종료한다. NP는 상류측 스위치가 작동할 때에(시간 T1) 시작해서 하류측 스위치가 작동할 때에(시간 T2) 종료하는 시간대 동안에 유량계에 의해 발생되는 펄스 수이다.

초음파 유량계는 하나 이상의 음향 경로를 따르는 유속의 측정들 각각으로부터 단위를 초 당 체적으로 하는 유량 Q를 결정한다. 따라서 상기 초음파 유량계는 체적 유량에 정확히 비례하는 비율 k로 펄스를 생성하는 주파수 변환기에 의해 펄스들을 생성시킬 수 있어야 한다. 따라서, 펄스 NP의 수는 다음 식으로 주어진다.

NP = kQ(T2- T1)

표준 체적, 주파수 변환기 k, 그리고 상류측 및 하류측 스위치들의 작동(이 항목들은 유체 기기의 영점 조정과 관련된 불확실성에 비해 일반적으로 단 단위 수준의 크기(an order of magnitude)만큼 작고, 더 상세한 분석에서 이 항목들은 무시됨)에 있어서 불확실성이 무시될 수 있으면, 유량계 계수에 있어서의 단위 당 불확실성은 95%의 신뢰도에서 다음 식과 같이 주어진다.

dMF/MF = 2dQ(N)/Q = 2σ_mean(N)

여기서, dQ(N)은 검정 중에 수집된 N개의 유량 샘플들의 평균의 표준 편차, 또는 σ_mean(N)임.

검정 작동 중에 취해진 N개의 유량 샘플들의 평균의 표준 편차,σ_mean(N)은 다음과 같이 주어진다.

σ_mean(N) = S/(N)^1/2

여기서, S는 유량 샘플 집단의 표준 편차이다. 여기서 표준 편차는 초음파 유량계에 의한 각 유량 측정에 있어서 하나의 샘플에서 그에 이어지는 샘플까지 난류에 의해 발생되는 무작위 가변성을 정량적으로 특성화시킨 것이다.

상기 식을 고찰해보면, 상기 변수들, 일례로, 검정 작동 중에 누적된 샘플의 수 N과 조합되어서 유량 샘플들의 표준 편차 S에 영향을 미치는 난류 강도는, 초음파 유량계에서 만족스런 검증 성능을 얻을 수 있기 위해서는 조절되어야 함을 보여주고 있다. 이들 매개 변수들은, 측정된 유량계 계수들의 범위가 요건을 초과하지 않도록 σ_mean(N)을 충분히 작게 해야 한다. 계산해 보면, σ_mean(N)을 작게 할 수 있으면 유량계들은 그 시간의 99% 이상에서 성공적으로 검정될 수 있음을 보여 주었다.

이러한 요건들에 부합시키는 것은 간단치가 않다. 공칭 유량에서 작동하는 통상의 도관 검정기에 의하면, 1회의 검정 작동 경과 시간은 약 20초 전후 정도이다. 샘플 주파수를 50Hz로 가정할 때, 검정 작동 중에 수집되는 샘플들의 수는 20 × 50 = 1000이다. 앞에서 인용한 특허 문헌들에서 알 수 있는 바와 같이, 4 경로 현 방식 초음파 유량계의 유량 측정 시의 난류로 인한 무작위 변동은 1.75% 범위(표준 편차 또는 S)에 있을 수 있고, 반면에 배관 상류측에서는 적게는 1.2%, 혹은 많게는 3%의 변동에 이를 수 있다. 1.2% 수치를 대입하면, 20초의 검정 작동은 약 0.04%의 σ_mean(N)을 생성시킨다. 이와 같은 값의 σ_mean(N)에 의하면, 5개의 검정 작동으로 이루어진 한 세트의 검정 작동을 0.05% 내에서 얻을 수 있는 확률은 40% 미만이 되고, 그 수치는 실질적으로는 실제 검정 경험과 일치한다. 또한 경험에 의하면 어떤 계산치들이 보여지고 있는지를 경험에 의해 확인할 수 있다. 즉, 난류가 커지면 커질수록 성공 확률은 더욱 더 작아진다.

그러면 이는 문제가 된다. 석유 제품 파이프라인에서 일반적으로 직면하는 것과 같은 난류는, 짧은 시간대의 검정기 동작에 의해 측정되는, 경과 시간 초음파 유량계를 위한 유량계 계수의 반복성에 악영향을 미친다. 난류 특성을 변경시키려는 어떤 조치를 취하지 않게 되면, 종래의 검정기들로 측정된 초음파 유량계의 계수들은 석유 산업에서 기대하는 반복 재현되는 수치들을 얻을 수 없다.

미국 특허 6,647,806호는 드라이덴(Dryden)에 의해 제안된 가설에 기초하고 있다(휴 엘. 드라이덴(Hugh L. Dryden) 및 지. 비. 슈바우어(G. B. Schubauer) 공저, 풍동 난류의 감소를 위한 감쇠 스크린의 사용, 항공 과학 학술지(Journal of Aeronautical Science), 1947년 4월). 드라이덴은 익렬(cascade)에 일련의 하나 이상의 미세 메쉬 스크린에 의해서 발생되는 난류를 감소시켜서 스크린의 하류측에 있는 고정식 챔버 내에서 열로서 소산되는 에너지를 갖는 아주 작은 직경의 와류 생성시키는 데에 노력을 기울였다. 스크린은 액체 유동에 의해 생성되는 유체 힘들에 저항하기에는 구조적으로 비실용적이기 때문에, 상기 미국 특허에서 제안된 수단은 판에 형성된 비교적 작은 구멍들을 가지고 동일한 효과를 발생시키는 데 노력을 기울였던 것이다. 상기 미국 특허의 아래에 표기하는 바와 같은 표 1의 데이터에서 알 수 있는 바와 같이, 달성된 향상 결과는 적었다. 상기 종래 기술로서의 미국 특허에서 언급하는 난류 변동에 있어서의 최대 감소는 다수의 리듀서(reducer)들만에 의해서나, 혹은 작은 구멍들을 갖는 판과 리듀서들을 조합한 것에 의해서 발생되었다.

[표 1]

미국 특허 6,647,806 B1호에서 복사한 것임.

* 더 낮은 수치는 상기 미국 특허에 포함되지 않았지만, 그 특허 출원에 후속해서 행해진 다수의 측정치들을 반영했다. 1.75%보다 큰 표준편차는 절곡부들, 복합 절곡부들 및 헤더 출구와 같은 유체역학적 교란 요소들의 하류측에서 5 내지 10개의 직경부들에서 발견될 수 있다.

본 발명의 난류 조절기에 사용되는, 난류 효과들을 줄이는 방법은 아주 작은 와류들의 소산을 통해서 난류를 제거하는 것에 의존하지 않는다. 오히려, 유량 샘플들의 무작위 편차들의 감소를 통해서, 와류의 크기들이 무작위 초음파 유량계의 음향 빔들 내에서 효과적으로 평균화될 수 있도록 한, 와류의 크기 감소를 가져왔다.

또한, 본 발명의 난류 조절기에 의해 생성된, 와류 크기의 감소는 난류에 의해 생성된 유속의 무작위 변동들의 주파수를 증가시키기도 한다. 그 주파수 증가는 또한, 속도 변동들의 전체 군을 더 잘 대표하는, 하나의 검정 작동 중에 수집된 속도 측정치들의 한정된 N개 샘플을 형성함으로써, 향상된 검정 성능을 가져온다.

본 발명은, 관 내의 유체 유량을 결정하는 장치에 관련된다. 이 장치는, 유효 직경을 갖는 구멍들로 이루어진 적어도 한 쌍의 구멍들을 통해 관의 내부와 연통하는 초음파 유량계를 포함한다. 이 장치는 또한, 관 내에 배치된 난류 조절기로서, 다수의 개구들을 구비하며 이 개구들 사이의 피치를 상기 구멍의 유효 직경과 함수 관계를 갖게 구성한 난류 조절기를 포함한다.

본 발명은 관에 사용하는 난류 조절기에 관련된다. 이 난류 조절기는 개구들 및 피치를 갖는다. 이 난류 조절기는 상기 피치와 함수 관계인 두께를 갖는 개구들 사이에 벽들을 구비한다. 또한 이 난류 조절기는 상기 피치의 함수 관계인 길이를 갖는다.

또한, 본 발명은 관 내의 유체 유량을 결정하는 방법에도 관련된다. 이 방법은, 관 내에 배치되어 있는 난류 조절기로서, 개구들을 구비하며 이 개구들 사이의 피치를 관의 내부와 연통되는 초음파 유량계의 구멍의 유효 직경과 함수 관계를 갖게 구성한 난류 조절기를 관통해서 유체를 유동시키는 단계를 포함한다. 상기 초음파 유량계로 유량을 측정하는 유량 측정 단계도 포함한다.

또한, 본 발명은 관 내에서 초음파 유량계와 함께 사용하는 난류 조절기를 제조하는 방법에도 관련된다. 이 방법은 유량계가 관의 내부와 연통할 수 있게 하는 관 내의 구멍의 유효 직경을 확인하는 단계를 포함한다. 상기 난류 조절기 내의 개구들 간의 피치를 상기 유효 직경의 함수로서 결정하는 결정 단계도 포함한다.

본 발명은, 관 내의 유체 유량을 결정하는 장치로서, 초음파 경과 시간 유량계와 난류 변경 난류 조절기를 포함하며, 이들 둘이 관 내에 배치된 것을 특징으로 하는, 관 내의 유체 유량을 결정하는 장치에도 관련된다. 이 장치에 의한 난류의 변경은, 허용 범위가 아주 좁은 정확도 요건을 충족시키는 유량계 영점 조정이 검정기(체적 표준)의 단 몇 번의 작동으로 결정될 수 있도록 행해지는데, 이러한 성능은 이와 달리 하면 얻어질 수 없는 것이다. 난류에 대해 필요한 변경을 만들어내게 될 난류 조절기의 여러 구성들에 대해 개시한다. 이 장치의 제2 배열에 대해서도 개시한다. 난류 조절기의 하류측 및 유량계의 상류측에 축소 노즐을 채용하는 구성에 대해서도 개시한다.

도 1a는 하류측에 가상으로 도시된 현 방식 유량계(chordal meter)의 변환기 구멍들을 구비하는 벌집형 조절기를 상류측에서 도시한 도면이다.
도 1b는 벌집형 조절기의 단면도이다(현 방식 유량계는 도시되지 않았지만 하부 플랜지에 결합된다).
도 2는 하류측에 현 방식 초음파 유량계가 구비된, 본 명세서에서 규정된 바와 같은 벌집형 난류 조절기의 사시도이다.
도 3a는 하류측에 현 방식 초음파 유량계가 구비된, 본 명세서에서 규정된 바와 같은 "달걀-틀(egg-crate)"형태 난류 조절기의 사시도이다.
도 3b는 상기 "달걀-틀(egg-crate)"형태 난류 조절기의 단면도이다.
도 3c는 "달걀-틀(egg-crate)"형태 난류 조절기의 측단면도이다.
도 4a는 하류측에 감소 노즐 및 현 방식 유량계가 구비된(그리고 하류측 및 상류측의 관 직경을 유지하기 위하여 유량계의 하류측에 팽창 노즐도 구비된), 본 명세서에서 규정된 바와 같은 "소형-관"형태 난류 조절기의 사시도이다.
도 4b는 "소형-관"형태 난류 조절기의 단면도이다.
도 4c는 "달걀-틀(egg-crate)"형태 난류 조절기의 측단면도이다.
도 5는 초음파 빔을 가로지르는 난류 와류를, 난류 조절기가 없는 경우를 도시한 도면(도 5a)과, 본 발명의 난류 조절기들이 있는 경우를 도시한 도면(도 5b)이다.
도 6은 본 발명에서 설명하는 벌집형 난류 조절기와 유량계를 가지고 얻은 실험 결과의 그래프로서, 유량 샘플들의 한 표준 편차에 의해 측정된 유량 변동의 크기를 유량의 함수로서 도시하는 그래프이다. 난류 조절기 없이 통상적으로 얻을 수 있는 변동의 크기도 도시되었다.
도 7은 본 발명에서 설명하는 벌집형 난류 조절기와 초음파 유량계를 가지고 얻은 5개의 유량계 계수 측정치들로 이루어진 한 세트의 계수 측정치의 평균 범위를, 측정 중에 존재하는 유량의 전형적인 체적을 검정하기 위한 검정 작동 중에 평균 유량의 계산된 표준 편차의 함수로서 도시하는, 실험 결과 그래프이다.
도 8은 각각이 5개의 검정 작동들로 이루어진 연속하는 검정 작동 세트들의 백분율을 검정 작동 중의 평균 유량의 계산된 표준 편차의 함수로서 도시하는, 실험 결과 봉 차트이다.
도 9는 다른 크기로 된 개구들을 갖는 조절기의 단면도이다.
도 10 및 도 11은 개구들이 동일한 크기가 아닌 조절기를 도시하는 도면이다.
도 12는 2개의 변을 갖는 개구들을 구비하는 조절기의 단면도이다.

여러 도면에 걸쳐서 동일한 도면 부호는 동일 또는 유사 부재들을 나타내고 있는 도면들, 더 구체적으로는 도 1a, 도 1b, 도 2, 도 3a, 도 3b, 도 3c, 도 4a, 도 4b 및 도 4c를 참조하면, 관(12) 내의 유체 유량을 결정하는 예시적인 유체 유량 결정 장치(10)가 도시되어 있다. 이 유체 유량 결정 장치(10)는 적어도 한 쌍의 구멍(18)들을 통해서 관(12)의 내부와 연통하는 초음파 유량계를 포함하고, 상기 적어도 한 쌍의 구멍(18)들의 각 구멍(18)은 유효 직경을 갖는다. 유체 유량 결정 장치(10)는 개구(22)들 간의 피치가 상기 구멍(18)의 유효 직경의 함수인 개구(22)들을 구비하는 관(12)에 배치된 난류 조절기(16)를 포함한다.

난류 조절기(16)는 개구(22)들 사이에 벽(20)을 구비하고, 상기 벽의 두께는 피치와 함수 관계를 갖는다. 난류 조절기(16)는 상기 피치와 함수 관계를 갖는 길이를 갖는다. 유량계(14)는 난류 조절기(16)의 하류측의 최대 3개의 관(12) 내경부에 배치된다. 상기 피치는 구멍(18)의 유효 직경보다 작게 할 수 있다. 벽(20)은 피치의 1/4 내지 1/10 범위의 두께를 가질 수 있다. 상기 길이는 피치의 5 내지 20배로 할 수 있다. 상기 피치는 유량계(14)의 직경과 함수 관계를 갖게 할 수 있다. 상기 피치는 유량계(14)의 최대 속도와 함수 관계를 갖게 할 수 있다. 상기 피치는 유량계(14)의 샘플링률과 함수 관계를 갖게 할 수 있다.

개구들은 변이 2개 이상인 단면을 갖는다. 도 12는 변이 2개인 개구를 도시하고 있다. 선택적으로, 개구는 도4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이 원형 단면을 가질 수 있다. 난류 조절기(16)의 상류측의 관(12) 내에 필터(26)가 배치될 수 있다. 노즐(24)이 유량계(14)의 상류측과 난류 조절기(16)의 하류측의 관(12) 내에 배치될 수 있다. 유량계(14) 및 난류 조절기(16)는 유량계에서 설계된 최대 및 최소 유속을 위한 검정 요건을 충족시킨다. 난류 조절기(16)와 유량계(14)는 5회의 검정 작동에서 불확실성을 ±0.027%로 하는 검정 요건을 충족시킨다.

본 발명은 도 1a, 도 1b, 도 2, 도 3a, 도 3b, 도 3c, 도 4a, 도 4b 및 도 4c에 도시된 바와 같이 관(12)에서 사용하기 위한 난류 조절기(16)에도 관한 것이다. 난류 조절기(16)는 다수의 개구(22)와 피치를 갖는다. 난류 조절기(16)는 개구(22)들 사이에 벽(20)을 구비하고, 상기 벽의 두께는 피치와 함수 관계를 갖는다. 난류 조절기(16)는 상기 피치와 함수 관계를 갖는 길이를 갖는다.

또한, 본 발명은 관(12) 내의 유체 유량을 결정하는 방법에도 관련된다. 이 방법은, 관(12) 내에 배치되며 개구(22)들을 구비하는 난류 조절기(16)를 관통해서 유체를 유동시키는 단계를 포함하고, 여기서, 상기 개구(22)들 간의 피치는, 관(12)의 내부와 연통되는 초음파 유량계(14)의 구멍(18)의 유효 직경과 함수 관계를 갖는다. 상기 초음파 유량계(14)로 유량을 측정하는 유량 측정 단계도 포함한다.

난류 조절기(16)를 관통해서 유체를 유동시키는 단계는, 상기 피치와 함수 관계를 갖는 두께를 갖는 개구(22)들 사이의 다수의 벽(20)을 구비하는 난류 조절기를 관통해서 유체를 유동시키는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 난류 조절기(16)를 관통해서 유체를 유동시키는 단계는, 상기 피치와 함수 관계를 갖는 길이를 갖는 난류 조절기(16)를 관통해서 유체를 유동시키는 단계를 포함할 수 있다. 난류 조절기(16)를 관통해서 유체를 유동시키는 단계는, 상기 난류 조절기(16)의 상류측에서 최대 3개의 관(12) 내경부에 배치된 난류 조절기(16)를 관통해서 유체를 유동시키는 단계를 포함할 수 있다.

난류 조절기(16)를 관통해서 유체를 유동시키는 단계는, 피치를 상기 구멍(18)의 유효 직경보다 작게 한 난류 조절기(16)를 관통해서 유체를 유동시키는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 난류 조절기(16)를 관통해서 유체를 유동시키는 단계는, 상기 벽(20)들의 두께를 상기 피치의 1/4 내지 1/10 범위로 구성한 난류 조절기(16)를 관통해서 유체를 유동시키는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 난류 조절기(16)를 관통해서 유체를 유동시키는 단계는, 길이를 상기 피치의 5 내지 20배로 한 난류 조절기(16)를 관통해서 유체를 유동시키는 단계를 포함할 수 있다.

난류 조절기(16)를 관통해서 유체를 유동시키는 단계는, 개구들을 변이 2개 이상인 단면을 갖게 구성한 난류 조절기(16)를 관통해서 유체를 유동시키는 단계를 포함할 수 있다. 선택적으로, 난류 조절기(16)를 관통해서 유체를 유동시키는 단계는, 개구들을 원형 단면을 갖게 구성한 난류 조절기(16)를 관통해서 유체를 유동시키는 단계를 포함할 수 있다.

난류 조절기(16)를 관통해서 유체를 유동시키는 단계는, 난류 조절기(16)로부터 상류측의 관(12) 내에 배치된 필터(26)를 관통해서 유체를 유동시키는 단계를 포함할 수 있다. 난류 조절기(16)를 관통해서 유체를 유동시키는 단계는, 상기 유량계(14)의 상류측 및 상기 난류 조절기(16)의 하류측의 관(12) 내에 배치된 노즐(24)을 관통해서 유체를 유동시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기한 유량 측정 단계는, 5회의 검정 작동에서 불확실성을 ±0.027%로 하는 검정 요건을 충족시킨 유량계에 의한 유량 측정 단계를 포함할 수 있다.

본 발명은 관(12) 내에서 초음파 유량계(14)와 함께 사용하는 난류 조절기(16)를 제조하는 방법에도 관련된다. 이 방법은 유량계(14)가 관(12)의 내부와 연통할 수 있게 하는 관(12) 내의 구멍의 유효 직경을 확인하는 단계를 포함한다. 상기 난류 조절기(16) 내의 개구들 간의 피치를 상기 유효 직경의 함수로서 결정하는 결정 단계도 포함한다.

개구들 사이의 벽의 두께를 상기 피치의 함수로서 결정하는 결정 단계를 포함할 수 있다. 또한, 난류 조절기(16)의 길이를 상기 피치의 함수로서 결정하는 결정 단계도 포함할 수 있다. 또한, 상기 결정 단계들에서 결정된 피치, 벽 두께 및 길이를 갖는 난류 조절기(16)를 조립(building)하는 단계도 포함할 수 있다. 난류 조절기 조립 단계는 개구(22)들을 갖는 중앙부(35)를 가공 제작하고, 그 중앙부를 상기 피치, 벽 두께 및 길이를 위해 결정된 설계 매개 변수들에 부합되도록 한 길이 및 직경으로 절단하고, 플랜지(37)를 상기 중앙부(35)에 부착시켜서 관(12)에 안착되게 하는 단계들을 포함할 수 있다.

본 발명은, 관(12) 내의 유체 유량을 결정하는 장치(10)로서, 초음파 경과 시간 유량계(14)와 난류 변경 난류 조절기(16)를 포함하며, 이들 둘이 관(12) 내에 배치된 것을 특징으로 하는, 관 내의 유체 유량을 결정하는 장치에도 관련된다.

이 장치는, 본 발명과 대비되는 기술에 의한 유량계(터빈 유량계 및 능동 변위 유량계)에서 요구되는 횟수에 필적하거나 혹은 그보다 나은 횟수로 된 다수 회의 검정기 작동으로 초음파 유량계(14)를 용이하게 검정할 수 있게 하는데, 이는 종래의 초음파 유량계(14)들을 배열한 장치로는 달성할 수 없는 것이다. 난류 조절기(16)의 여러 선택적 구성들에 대해 개시되었다. 둘러싸는 배관 및 초음파 유량계(14)로 구성되며 리듀서를 노즐(24) 타입으로 해서 초음파 유량계(14)의 상류측 및 난류 조절기(16)의 하류측에 채용한, 종래 기술에서 개시되어 있는 선택적인 장치(arrangement)에도, 본 발명의 난류 조절기(16)를 적용할 수 있는데, 이 장치에 의해서도 종래에 달성되었던 것에 비해 더 양호한 검정 결과가 얻어졌다.

도 1a, 도 1b, 및 도 2는 본 발명에서 채택한 다수의 선택적 난류 조절기(16) 중 하나를 도시하는 것으로, 그 하류측에는 본 발명에서 정하고 있는 바와 같은 현 방식 초음파 유량계(14)가 마련되어 있다. 본 발명의 성능을 입증하기 위해, 6개의 변을 갖는 "벌집"이라고 칭하는 구성을 시험하였다. 그 결과를 뒤에 이어지는 문단에서 설명한다. 본 발명의 예시적 실시예에서의 주요 치수 요건은 다음과 같다.

1. 도시된 구성에 있어서, 벌집형 난류 조절기(16)의 피치, 즉 개구(22)들의 중심 간의 이격 거리는 초음파 유량계(14)의 구멍(18)의 유효 직경의 절반인데(피치 1/4 인치, 구멍 1/2 인치), 일반적으로 피치는 구멍(18)의 유효 직경보다 작아야 한다. 구멍(18)의 직경은, 초음파 변환기 조립체들을 수용하는 관(12) 관통부들의 보어가 상기 초음파 변환기 조립체들의 직경과 같거나 혹은 거의 같은 경우에는, 초음파 변환기 조립체의 직경과 같다. 일부 디자인의 초음파 유량계(14)에 있어서, 초음파 에너지가 관통하는 관(12)의 내벽(20)의 개구(22)의 단축 직경(minor diameter)은 초음파 변환기 조립체의 직경보다 작다. 이 경우에 있어서, 개구(22)의 단축 직경은 구멍(18)의 유효 직경이다. 유동 변동에 있어서의 실질적인 감소는 1/2 인치인 구멍(18)에 대한 1/4 인치인 피치의 비에 의해 달성된다. 그렇지만, 구멍(18)에 대한 피치의 비를 1/2보다 작게 하면 더 큰 감소를 달성할 수 있다.

2. 벌집의 벽(20)의 두께는 피치와 대비한 작은 분율 값(1/10 수준)이다. 난류 조절기(16)의 피치에 비해 상대적으로 얇은, 즉 피치의 1/4 내지 1/10의 범위의 얇은 벽(20)은 난류 조절기(16)에 적합한 구조적 강도를 제공할 것이라는 점이 계산을 통해 밝혀졌다. 벽(20)은 얇기 때문에, 그 벽의 가려진 곳에서 발생하는 와류는 직경이 아주 작다. 즉, 그 와류 직경은 초음파 유량계(14)에 의해 측정된 유속의 순 통계치에 영향을 미치지 않기에 충분히 작다(이 이유는 와류가 구멍(18)의 직경에 비해서 아주 작기 때문이다). 이와 관련하여, 본 발명에서 포괄하고 있는 벌집 구성 및 다른 난류 조절기(16) 구성은 앞에서 인용한 특허에 있어서의 줄(ligament)의 치수를 구멍과 같은 수준으로 한 판형 조절기(16)에 비해 본질적으로 탁월하다.

3. 난류 조절기(16)의 축 방향 길이는 피치의 5 내지 20배의 범위이다. 이 길이는, 추가적인 유동 조절은 필요 없게 하면서, 난류 조절기(16)의 상류측 배관의 생김새들에 생성되는 전체 와동(vortex)들을 제거하기에 충분하다. 큰 직경의 튜브를 채택하거나, 또는 구멍들이 있는 판을 채택하는 난류 조절기(16)는 일반적으로는 전체 와동들을 제거하기 위해 터빈 및 초음파 유량계(14)를 위해 제공되는 것이다. 이러한 것들은 본 발명에서 제안된 난류 조절기(16)에서는 필요하지 않다. 길이:피치의 비가 5:1 내지 20:1이면 축 방향으로 강성인 구성을 제공하기도 하는데, 이에 의하면 유동 스트림에 유의적인 편향을 가하지 않으며 유동체의 힘을 견뎌내기에 충분히 강한 구조체가 만들어진다. 본 발명에서 설명하는 난류 조절기(16)의 계산된 압력 강하는 종래의 튜브형 유동 조절기의 압력 강하에 필적한다. 본 발명에서 설명하는 난류 조절기(16)의 압력 강하는 앞에서 언급한 특허에서 설명하고 있는 것과 같은 판형 난류 조절기(16)의 압력 강하보다 작다.

4. 도 2에서 보면, 초음파 유량계(14)가 난류 조절기(16)의 하류측의 대략 한 곳의 관(12) 내경부에 위치되어 있다. 뒤에서 설명하는 데이터가 보이고 있는 바와 같이, 이와 같은 구성에 의하면 검정 성능에 있어서 현저한 향상들이 달성된다. 이러한 관(12) 내경부의 개소의 수를 최대 3개의 범위 내에서 구분해서 마련하게 되면 만족스런 성능을 얻을 수 있다. 이러한 내경부 개소의 수를 상기한 것보다 더 많이 구분해 마련하면 와류들이 더 많은 와류들 안으로 뭉쳐져서 새로운 와류들이 형성되고, 이로써 난류 와류들의 회전 속도를 평균하는 데 있어서의 초음파 유량계(14)의 음향 빔의 효력이 감소하게 된다. 축 방향 거리가 직경의 1/2보다 짧게 되면, 난류 조절기(16)에 의해 발생되거나 보존되는 국부 속도 프로파일의 교란 요소들이 초음파 유량계(14)에 의해 발현되게 되고, 이와 아울러 축 방향 속도 프로파일을 수치적으로 통합하는 능력이 떨어지게 된다.

도 3a, 도 3b, 도 3c, 도 4a, 도 4b 및 도 4c는 위에서 정한 요건들에 부합되는 난류 조절기(16)용의 선택적 구성들을 도시하고 있다. 그 각각의 구성에 있어서, 하류측 단부에서의 인장 응력이 튜브에서 튜브로 전달될 수 있도록 도 3a, 도 3b, 도 3c의 달걀-틀과 도 4a, 도 4b, 도 4c의 관 다발이 판으로 작용하도록 만들어질 수 있다면, 난류 조절기(16)의 축 방향 길이는 축 방향 변형 및 응력을 아주 작은 값으로 감소시키는 강성을 제공한다. 이러한 것은, 도 4a, 도 4b, 도 4c의 관 다발 형태의 구성에 있어서는, 다음과 같은 중복적인 수단에 의해 달성된다.

(a) 튜브들을 다발로 삽입하기 전에, 둘러싸는 관(12)을 37.8 ℃(100 ℉) 가열함으로써 형성된 수축 끼워맞춤부가, 튜브들을 움직이려고 하는 유체 힘들을 견뎌낼 수 있는 튜브들 사이에 마찰력을 발생시키는 것.

(b) 튜브 다발이 하나의 구조체로서 작용할 수 있도록, 튜브 다발의 하류측 단부 근처에서 인접하는 튜브들 사이를 점 용접하는 것. 선택적으로, 튜브들 사이의 결합을 납땜을 통해서 달성할 수 있다.

점 용접은 도 3a 및 도 3b의 달걀-틀 형태 난류 조절기(16)의 하류측 구석부들을 강화하는 데에도 사용될 수 있다.

석유 파이프라인에는 부스러기(일례로, 침전된 왁스 또는 아스팔트)가 없을 수 없으며 난류 조절기(16)의 개구(22)들은 본 발명에서 정하기로는 비교적 작기 때문에, 본 발명에서 정한 난류 조절기(16)의 상류측의 5 이상 개소의 직경부에 바스켓형 유동 필터(26) 또는 미세 메쉬 여과기(strainer)를 설치하는 것이 바람직하다. 상기 필터(26) 또는 여과기, 난류 조절기(16), 그리고 초음파 유량계(14) 자체에 의해서 발생된 총 압력 손실은 본 발명에 대비되는 기술에서의 총 압력 손실보다 작다. 터빈 유량계(14)도 또한 압력 강하가 위와 유사한 유사 필터(26) 및 유동 조절기로부터 이점을 갖게 되는데, 그 터빈 유량계 자체는 초음파 유량계(14)에 의해서는 발생되지 않는 압력 강하를 발생시킨다. 능동 변위 유량계(14)도 일반적으로는 필터(26)를 구비하지만, 난류 조절기나 유동 조절기는 대체로 구비하지 않는데, 능동 변위 유량계 자체는 본 발명세서 설명하는 난류 조절기(16)에 의해 발생되는 것보다 큰 압력 손실을 발생시킨다.

도 5a 및 도 5b는 본 발명의 원리를 보여주고 있다. 경과 시간 초음파 유량계는 전송 변환기(transmitting transducer)로부터 수신 변환기(receiving transducer)까지 통과하는 초음파 에너지의 펄스들의 이동 시간을 측정한다. 이 도면에서, 전송 변환기는 유동 스트림을 유동 방향에서 보았을 때에 대각선 방향으로 가로질러 이동하는 펄스를 발생시킨다. 이 펄스들의 통과 시간은 변환기들 간의 거리와 초음파 전파 속도의 몫으로 주어진다. 도면에 도시된 방향으로의 전송에 있어서, 전파 속도는 휴지 상태의 유체 중에서의 초음파의 속도와 음향 경로 상으로 투사되는 유체 속도의 합이다. 이와 반대되는 방향(즉, 도면에서 하류측 변환기로부터 상류측 변환기까지의 방향)으로 두 번째 전송이 발생한 때, 그 전파 속도는 휴지 상태의 유체 중에서의 초음파의 속도와 음향 경로 상으로 투사되는 유체 속도 간의 차이 값이다. 따라서, 경로 길이를 알게 되면, 2개의 경과 시간 측정치들은 2개의 미지 값, 즉 휴지 상태의 유체 중에서의 초음파의 속도 및 음향 경로 상으로 투사되는 유체 속도와 관련된 2개 식을 풀어낸다. 그러나 도 5a에 나타낸 바와 같이, 음향 경로 상으로 투사되는 유체 속도는, 평균 축 방향 속도(측정할 필요가 있는 변수)의 투영 변환법(projection)에 의해서 결정됨은 물론이고, 펄스를 그의 경로 상으로 가속 또는 지연시키는 다수의 난류 와류들로부터의 순수 투영 변환법에 의해서도 결정된다. 반대 방향으로의 전송은 난류에 영향을 받을 뿐만 아니라, 일반적으로는 (전송과 전송 사이에서 움직일 수 있는) 난류 와류에도 영향을 받는다. 따라서, 도 5a에 도시된 조건에 있어서, 난류 와류의 영향을 평균화해서 그에 의해 경로를 따라가는 축 방향 평균 유속을 결정하는 데에 다수의 측정치들이 필요하다.

최대 와류 직경이, 초음파의 펄스들이 따라 이동하는 음향 경로를 형성하는 변환기 구멍들의 직경에 비해서 상당히 작게 형성될 때, 와류의 접선 속도에 의해 발생되는 초음파 전파 속도에 대한 교란 요소들은 매 전송 시에 제거되는 경향을 보인다. 이를 도 5b에 도시하고 있다. 초음파의 빔 내에서, 초음파 전송을 촉진하는 와류의 성분은 초음파 전송을 지연시키는 와류의 성분에 의해서 상쇄된다. 와류들은 통상적으로는 평균 유체 속도에 근접한 속도로, 통상적으로는 100인치/초의 수준으로 움직인다. 초음파의 전파 속도는 50,000 인치/초의 수준이다. 따라서 펄스 통과 중의 와류의 변위, 즉 0.5 인치(통상적인 값임)인 초음파 전송 빔에 있어서 0.7인치로 투사된 축 방향 폭의 범위 내에서의 변위는 무시할 수 있을 정도로 작다. 따라서, 난류 조절기를 설계함에 있어서, 구멍의 직경보다 상당히 작은 와류들만을 통과하게 하여야 하며, 구멍보다 상당히 작은 직경을 갖는 와류들만 생성될 수 있도록 이보다 큰 와류들은 파괴시킬 수 있어야 하는 것은 원칙적인 것이다.

위의 설명으로 알 수 있는 바와 같이, 초음파 유량계(14)의 유량 샘플들의 무작위 편차들은, 난류 와류들이 유량계(14)의 음향 빔 내에서 효과적으로 평균화되도록 난류 와류의 크기들을 감소시킴으로써, 작아진다. 도 6의 데이터는 직경이 약 1/2인치인 변환기 구멍(18)을 갖는 6인치 이중 초음파 유량계(14)(이 이중 유량계(14)는 4개의 경로 각각의 2개의 실질적으로 독립된 유량계(14)로 구성됨) 내에 있는 도 1에 도시된 바와 같은 1/4 인치 벌집형 난류 조절기(16)에 의해 발생된 감소를 보이고 있다. 9:1의 유량 범위에 걸쳐서 난류 조절기(16)는 개별 유량 샘플들에 대해 약 1/2 %의 표준편차를 발생시킨다(이에 대비해서, 난류 조절기(16) 없이 직선 관(12) 안에서 작동하는 유량계(14)로부터 예상될 수 있는 표준편차는 1.2 %임).

유량 샘플들의 표준편차 감소는 검정 성능의 향상으로 전환된다. 벌집형 난류 조절기(16)의 의한 검정 성능은 각 세트가 5회의 검정 작동으로 이루어진 검정 작동 세트들에서의 유량계(14) 계수들의 범위를 검사함으로써 측정된다. 2개의 4 경로 유량계(14) 각각에 대해서, 2개의 다른 유량에서 2개의 다른 검정 체적을 가지고, 5회의 검정 작동으로 이루어진 세트를 10 세트-2개의 유량계(14) 각각에 대해서 5회 검정 작동으로 이루어진 세트를 총 30세트임-를 행한다. 이들 검정 작동 세트 중 20세트에 있어서는, 체적이 20배럴인 검정기를 사용하되, 매 10세트 마다 유량을 각각 시간 당 3400배럴과 2700배럴로 했다. 나머지 검정 작동에 있어서는, 체적이 10배럴인 검정기를 사용하되, 유량을 시간 당 3400 배럴로 하였다. 체적을 10 내지 20 배럴의 범위로 하는 검정은 2개의 유량에 대해 대표적인 것이다.

도 1의 난류 조절기(16)를 가지고 행한 시험 중에 수집된 검정 데이터를 도 7에 나타내었다. 도 7의 가로좌표는 앞의 설명 부분에서 전개한 유량 가변성의 통계적 특성화인 2 × σ_mean인데, 이는 검정 작동 중에 측정된 각 유량 샘플들의 표준편차와 검정 작동 중에 취해진 샘플 수 N의 자승근 간의 몫의 2배이다. N은 초음파 유량계(14)의 샘플링률(약 50Hz)과 검정 작동의 지속 시간과의 곱으로서 계산된다. 도 7의 세로좌표는 검정 작동의 평균 범위이다. 데이터의 선형적 추세는, 5개의 검정 작동 한 세트로부터 나온 데이터의 평균 범위는 대략 2 × σ_mean과 같다는 것을 보여주고 있다.

이와 같은 추세선은 검정 성능을 안출하는 데 사용될 수 있다. 측정치들의 2개 표준편차가 ±0.025%이면, 정규분포는 하나의 검정 작동이 평균을 포함하는 0.05%의 대역 밖으로 벗어나는 이상 상태가 20회 중 1회라는 것을 보여주고 있다. 나머지 4회의 검정 작동 중 임의의 한 검정 작동이 상기 대역의 반대측 끝을 벗어나는 이상 상태는 40회 중 1회이다. 따라서, 0.05% 이상으로 달라지는 2개의 결과들을 얻게 되는 이상 상태는, (1/20)×(1/40) + (1/20)×(1/40) + (1/20)×(1/40) + (1/20)×(1/40) = 0.005이다. 2 × σ_mean = 0.025%이면, 5회 검정 작동으로 이루어진 세트들은 동 시간대에서 정해진 0.05% 범위 내인 99.5% 내에 있게 된다.

도 8은 실제로 성공적인, 즉 5회 검정에 있어서 0.05%의 요건을 충족하는 성공적인 5회 검정 작동 세트들의 백분율을 나타내고 있다. 위의 설명에서 안출한 바와 같이, 이 도면은 2 × σ_mean이 0.025% 또는 그 미만인 경우에 5회 검정 작동 세트들의 100%가 성공적임을 보이고 있다. 2 × σ_mean이 0.045% 범위에 있는 경우, 5회 검정 작동 세트들의 70%가 성공적임을 보이고 있다. 후자는 통계적 예측에 따른 대략적 결과이기도 하다.

도 7 및 도 8의 성능은 난류 조절기(16) 없이 현 방식 유량계(14)로 얻을 수 있는 것에 비해 현저하게 양호하다. 난류 조절기(16)를 사용하지 않으면, 2σ_mean은 20배럴의 검정기에 있어서는 기껏해야 0.06% 범위에 있게 되는데, 이는 50% 미만의 성공률을 의미하는 것으로, 경험적으로도 수긍이 가는 것이다.

앞의 설명에서 알 수 있는 바와 같이, 검정 성능을 추가로 더 향상시키기 위해 앞에서 언급한 특허(미국 특허 6,647,806호, 이 특허의 전체 내용을 본 명세서에 원용하여 포함시킨다)에서 설명하고 있는 것과 같은 감소 노즐(24)을 본 발명에서 개시하고 있는 난류 조절기(16)에 적용할 수 있다. 도 4는 감소 노즐(24)의 상류측에 본 명세서에서 정하고 있는 치수 관련 매개 변수들을 충족시키는 튜브 다발형 난류 조절기(16)가 마련되고 노즐(24)의 하류측에는 초음파 유량계(14)가 마련되어 있는 구성을 보이고 있다. 유량계(14)의 하류측에 있는 팽창 디퓨저는 상류측 관(12) 직경부를 최소 손실로 복원한다. 유동 노즐(24)의 구성에 있어서, 초음파 유량계(14)는 상기 노즐(24)의 원통형 목부에 위치되어서, 상기 유량계(14)에 의해 베타율(beta ratio) 제곱의 역수로서 나타나는 평균 유속을 증가시킨다. 상기 베타율은 노즐(24)의 목부 직경과 상류측 관(12)의 직경의 몫이다. 노즐(24)이 평균 유속을 증가시키기는 하지만 난류 와류의 접선 속도를 상당한 수준으로 변경시키지 못하기 때문에 난류의 감소가 실현되는 것이다. 따라서, 평균 유속의 일정 백분율만큼 난류가 감소된다. 다수 회의 시험에 의해 입증된 바는, 베타율이 0.67인 노즐(24)은 개별 유량 측정치들의 표준편차를, (1/0.67)² ≒ 1/2이기 때문에 예측할 수 있는 바와 같은, 대략 2인 계수만큼 감소시킨다는 것이다. 노즐(24)을 난류 조절기(16)의 하류측과 유량계(14)의 상류측에 사용하게 되면 도 6의 유량의 표준편차는 0.5%에서 0.25%로 감소하게 된다. 이와 같이 배열한 장치(arrangement)는 도 7 및 도 8의 데이터(2σ_mean)를 반감하여, 검정 체적이 10배럴인 경우에도 100%의 성공을 이루어낸다.

상술한 피치는 고정된 값으로 할 필요가 없다는 점은 주지하여야 한다. 도 9는 난류 조절기(16)의 단면의 일부분에 큰 구멍을 형성한 것을 보이고 있다. 도 10 및 도 11은 동일 치수가 아니고 변화시킬 수 있는 개구(22)들을 보이고 있다.

이상에서는 본 발명을 예시의 목적으로 제시한 실시예들과 관련하여 상세히 설명하였으나, 그와 같은 실시예의 상세 내용은 단지 예시의 목적으로 제시된 것이며 당해 기술 분야의 숙련인들이라면 특허청구범위에서 설명되는 본 발명의 기술 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 여러 가지로 수정할 수 있다.

Claims (29)

1. 관 내의 유체 유량을 결정하는 장치에 있어서,
   유효 직경을 갖는 구멍들로 이루어진 적어도 한 쌍의 구멍들을 통해 관의 내부와 연통하는 초음파 유량계와;
   관 내에 배치되어 있고, 다수의 개구들을 구비하며 이 개구들 사이의 피치를 상기 구멍의 유효 직경과 함수 관계를 갖게 구성한 난류 조절기를 포함하는 것을 특징으로 하는 관 내의 유체 유량을 결정하는 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 난류 조절기는 상기 개구들 사이에 다수의 벽을 구비하고, 상기 벽의 두께는 상기 피치와 함수 관계를 갖는 것을 특징으로 하는 관 내의 유체 유량을 결정하는 장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 난류 조절기는 상기 피치와 함수 관계를 갖는 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 관 내의 유체 유량을 결정하는 장치.
4. 제3항에 있어서,
   상기 초음파 유량계는 상기 난류 조절기의 하류측에서 최대 3개의 관 내경부에 배치된 것을 특징으로 하는 관 내의 유체 유량을 결정하는 장치.
5. 제4항에 있어서,
   상기 피치는 상기 구멍의 유효 직경보다 작은 것을 특징으로 하는 관 내의 유체 유량을 결정하는 장치.
6. 제5항에 있어서,
   상기 벽들은 상기 피치의 1/4 내지 1/10 범위의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 관 내의 유체 유량을 결정하는 장치.
7. 제6항에 있어서,
   상기 길이는 상기 피치의 5 내지 20배인 것을 특징으로 하는 관 내의 유체 유량을 결정하는 장치.
8. 제7항에 있어서,
   상기 개구들은 변이 2개 이상인 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 관 내의 유체 유량을 결정하는 장치.
9. 제7항에 있어서,
   상기 개구는 원형 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 관 내의 유체 유량을 결정하는 장치.
10. 제7항에 있어서,
    상기 난류 조절기로부터 상류측의 관 내에 배치된 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 관 내의 유체 유량을 결정하는 장치.
11. 제10항에 있어서,
    상기 유량계의 상류측 및 상기 난류 조절기의 하류측의 관 내에 배치된 노즐을 포함하는 것을 특징으로 하는 관 내의 유체 유량을 결정하는 장치.
12. 제11항에 있어서,
    상기 피치는 유량계의 최대 속도의 함수인 것을 특징으로 하는 관 내의 유체 유량을 결정하는 장치.
13. 관 내의 유체 유량을 결정하는 방법에 있어서,
    관 내에 배치되어 있는 난류 조절기로서, 개구들을 구비하며 이 개구들 사이의 피치를 관의 내부와 연통되는 초음파 유량계의 구멍의 유효 직경과 함수 관계를 갖게 구성한 난류 조절기를 관통해서 유체를 유동시키는 단계와,
    상기 초음파 유량계로 유량을 측정하는 유량 측정 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 관 내의 유체 유량을 결정하는 방법.
14. 제13항에 있어서,
    난류 조절기를 관통해서 유체를 유동시키는 단계는, 개구들 사이에 다수의 벽을 구비하며 벽의 두께는 상기 피치와 함수 관계를 갖게 구성한 난류 조절기를 관통해서 유체를 유동시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 관 내의 유체 유량을 결정하는 방법.
15. 제14항에 있어서,
    난류 조절기를 관통해서 유체를 유동시키는 단계는, 상기 벽들의 두께를 상기 피치의 1/4 내지 1/10 범위로 구성한 난류 조절기를 관통해서 유체를 유동시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 관 내의 유체 유량을 결정하는 방법.
16. 제15항에 있어서,
    난류 조절기를 관통해서 유체를 유동시키는 단계는, 길이를 상기 피치의 5 내지 20배로 한 난류 조절기를 관통해서 유체를 유동시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 관 내의 유체 유량을 결정하는 방법.
17. 제16항에 있어서,
    상기 유량 측정 단계는, 검정 요건을 충족시킨 유량계에 의한 유량 측정 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 관 내의 유체 유량을 결정하는 방법.
18. 관 내에서 초음파 유량계와 함께 사용하는 난류 조절기를 제조하는, 난류 조절기 제조 방법에 있어서,
    유량계가 관의 내부와 연통할 수 있게 하는 관 내의 구멍의 유효 직경을 확인하는 단계와,
    상기 난류 조절기 내의 개구들 간의 피치를 상기 유효 직경의 함수로서 결정하는 결정 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 난류 조절기 제조 방법.
19. 제18항에 있어서,
    상기 개구들 사이의 벽의 두께를 상기 피치의 함수로서 결정하는 결정 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 난류 조절기 제조 방법.
20. 제19항에 있어서,
    난류 조절기의 길이를 상기 피치의 함수로서 결정하는 결정 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 난류 조절기 제조 방법.
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