KR101271265B1 - 파이프 내의 유체 유동 분석 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

파이프 내의 유체 유동 분석 장치는 다수의 변환기를 가지는 초음파 유량계를 포함한다. 상기 장치는 유체가 관통하여 유동하게 되는 완전히 매끄러운 보어와 다수의 공동을 가지며, 공동들 각각에는 다수의 변환기 중 하나가 배치되고 공동들 각각은 보어를 통해 유동 유체와 연통하는 구성으로 된 유동 요소를 포함한다. 파이프 내의 유체 유동 분석 장치는 다수의 변환기를 가지는 초음파 유량계를 포함한다. 상기 장치는 유체가 관통하여 유동하게 되고 내경부와 표면을 갖는 보어와 다수의 공동을 가지는 유동 요소를 포함하며, 공동들 각각은 그 표면에 개구를 가진다. 공동들 각각에는 다수의 변환기(16) 중 하나가 배치된다. 상기 장치는 공동들의 개구들를 덮는 라이너를 가지며, 이 라이너는 보어를 관통하여 유동하는 유체가 공동들로 유입되는 것을 방지한다. 파이프 내의 유체 유동 분석 방법도 개시된다.

Description

파이프 내의 유체 유동 분석 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR ANALYZING FLUID FLOW IN PIPE}
본 발명은 다수의 변환기(transducers)를 구비한 초음파 유량계 및 유체가 관통하여 유동하게 되는 완전히 매끄러운 보어(bore)를 갖는 유동 요소를 이용하여 파이프 내의 유체 유동을 분석하는 것에 관한 것이다. (본 명세서에서 지칭하는 "본 발명" 또는 "발명"이라 함은 예시적인 실시예들에 관한 것으로서 반드시 첨부된 청구범위들에 포함되는 모든 실시예에 관한 것은 아니다.) 보다 구체적으로는, 본 발명은 다수의 변환기를 구비한 초음파 유량계, 및 유체가 관통하여 유동하게 되는 매끄러운 보어와 유량계의 변환기들을 수용하는 공동들(cavities)과 공동들의 개구들(openings)을 덮는 라이너(liner)를 갖는 유동 요소를 이용하여 파이프 내의 유체 유동을 분석하는 것에 관한 것이다.
본 란은 본 발명의 다양한 양태들에 관련될 수 있는 관련 기술의 다양한 양태들을 독자에게 소개하기 위한 것이다. 다음의 논의는 본 발명을 더 양호하게 이해할 수 있게 하는 정보를 제공하기 위한 것이다. 따라서 다음 논의는 이러한 관점에서 읽어야 하며 종래 기술을 인정하는 것이 아니라는 점을 이해해야 한다.
전파시간차 회선식(chordal) 초음파 계량기들은 둘, 넷 또는 그 이상의 회선 경로들(chordal paths) 상에서 측정된 유체 속도들을 수치 적분하는 것에 의해 용적 유동(volumetric flow)을 결정한다. 대형 계량기들에 있어서, 측정된 속도들을 이렇게 수치 적분하면 전형적으로 1.000의 수 십분의 일 퍼센트 내에 있을 이론 유량과 실제 유량 간의 차이를 설명하는 실제 용적식 유량계의 계수들과 대체로 밀접하게 부합된다.
큰 변환기 공동들을 갖는 작은 내경부를 구비한 계량기들에 있어서, 레이놀즈수(Reynolds Number)가 약 500,000 미만이면 이론 유량과 실제 유량은 그다지 잘 일치하지 않는다. 편차는 1%에 가깝고 레이놀즈수에 따라 변화한다. 도 1은 그러한 문제점을 예시하고 있다. 내경이 4 인치 내지 10 인치 범위에 있는 일 단의 계량기들에 대한 레이놀즈수에 따른 계량기 계수 데이터를 나타내고 있다. 레이놀즈수가 약 500,000일 때 계수들은 이론치(즉, 1.000)에 가깝지만, 레이놀즈수가 이 수치에서 줄어들수록 계수들은 이론치로부터 점점 더 벗어나게 되고 레이놀즈수가 30,000 내지 50,000 범위일 때 이론치로부터 최대 약 0.8%까지 벗어나게 된다.
실험 데이터 - 구체적으로 레이놀즈수의 변화에 대한 회선 속도의 응답 - 는 레이놀즈수 변화에 대한 계량기 계수의 비선형 응답의 원인이 변환기 공동들의 기하학적 형상에 대한 유동장(유체 속도 프로파일)의 응답과 관계가 있다는 것을 나타낸다. 그러한 기하학적 형상이 전형적인 4 경로 계량기에 대하여 도 2에 도시되어 있다. 중간 레이놀즈수 아래에서 유체 속도의 성분들은 공동으로 들어가고, 공동들이 존재하지 않았으면 그러했을 것보다 경로 옆에서 유체 속도가 더 높게 보이게 하는 식으로 음향 경로 상으로 뻗어나간다. 그 효과는 중앙선으로부터 가장 먼 회선들 상에서 가장 크다. 도 2에서 알 수 있듯이, 4 경로 계량기의 외부 경로들을 위한 하류측 공동들의 기하학적 형상이 특히 이러한 응답을 나타낼 것이다.
아마도 공동들 근처에서의 경계층의 부착(또는 분리)이 국부적인 관성력 및 점성력의 상대적인 규모들에 좌우되기 때문에 유동장의 이러한 왜곡이 일어나는 정도는 레이놀즈수에 좌우된다. 어쨌든, 예상보다 높은 회선 속도들은 보정(correction)을 위하여 이론치(1.000) 보다 작은 계량기 계수들을 요구하며, 보정량은 레이놀즈수에 따라 변화한다.
레이놀즈수에 대한 계량기 계수의 비선형 종속성은 교정(calibration) 문제를 발생시킨다. 이러한 계량기가 점성이 다른 제품들의 유동들을 정확하게 측정하는 데 적용되거나 또는 넓은 범위의 유동들에 걸쳐 적용된다면, 그 계량기가 받을 레이놀즈수의 범위는 넓고, 계량기 계수가 레이놀즈수의 값에 민감한 범위를 포함할 가능성이 있다. 따라서, 계량기는 계량기 계수-레이놀즈수 관계를 정확하게 설정하도록 넓은 범위에 걸쳐 레이놀즈수를 변화시키는 능력을 가지는 기관에서 교정되어야만 한다. 이러한 기관들은 드물며, 미국에서는 단 두 곳만 존재하는 것으로 알려져 있다.
더욱이, 계량기 자체의 알고리즘은 레이놀즈수 보정을 위한 규정을 포함해야만 하고, 또 입력을 수신해야만 하는데 이 입력으로부터 동점성(kinematic viscosity)(레이놀즈수의 다른 성분들, 즉 내경 및 유체 속도는 이미 계량기 내에서 이용 가능하다)을 결정할 수 있어야 한다. 유체 점성은 측정하기 쉽지 않으며, 대체로 유체 밀도 또는 음속 및 온도와 같은 다른 변수들로부터 추론된다. 이 변수들이 측정되는 정확도 및 이들과 유체 점성 간의 경험적 관계의 정확도는 레이놀즈수 결정의 정확도 및 그에 따른 "원(raw)" 계량기 계수에 대한 조정의 정확도에 영향을 미친다.
따라서, 10 인치 이하의 내경을 갖는 계량기들에 있어서, 레이놀즈수에 대한 계량기 계수의 종속성은 비용(계량기 계수를 특징짓는 데 필요한 특별한 교정을 수행하도록 하는 비용)을 증가시키고, (유동장의 데이터로부터 추론된 레이놀즈수로 계량기 계수를 보정하는 것과 관련된 불확실도 때문에) 정확도를 감소시킨다.
본 발명은 파이프를 통하는 유동 유체의 분석에 관한 것이다.
분석은 유동 요소의 공동들에 배치되는 변환기들을 가지는 초음파 유량계로 수행된다. 파이프 내의 유체는 유동 요소들을 관통하여 유동하고 그 시간 동안 유량계는 유동하는 유체를 분석한다.
첨부 도면에 본 발명의 바람직한 실시예 및 본 발명을 실시하는 바람직한 방법들이 예시되어 있다.
도 1은 10 인치 이하의 내경을 갖는 전형적인 종래의 4 경로 회선식 계량기들에 대한 계량기 계수 선형성을 도시한 그래프이다.
도 2는 변환기 하우징을 수용하는 공동들로 형성되는 구멍들을 나타내는 전형적인 통상의 경로 초음파 유량계의 종래 구성을 도시한 도면이다.
도 3은 "매끄러운 보어형" 4 경로 회선식 초음파 계량기를 나타낸 사진이다.
도 4a 및 도 4b는 "매끄러운 보어형" 초음파 계량기를 위한 라이너 배열을 도시한 도면들이다.
도 5는 본 발명의 장치를 도시한 도면이다.
도 6 및 도 7은 4 경로 계량기의 외부 회선 경로의 에너지 전송을 위한 기하학적 형상을 도시한 도면이다.
도 8은 도 5의 충적(充積) 유지 시스템(keep-full system)에 대한 제품 음속의 10% 변화에 대한 회복 시간(recovery time)을 도시한 그래프이다.
도 9는 도 5의 충적 유지 시스템에 대하여 신호 강도가 3 dB 감소되게 하는 제품 온도 변화율의 그래프이다.
도 10은 제품 레이놀즈수에 따른 우회 유동을 도시한 그래프이다.
도 11은 "매끄러운 보어형" 4 경로 회선식 계량기의 계량기 계수 선형성과통상의 공동 구성을 가지는 4 경로 계량기들의 계량기 계수 선형성을 비교한 그래프이다.
비슷한 참조 부호가 비슷하거나 동일한 부품들을 지칭하는 도면들, 보다 구체적으로는 도 4b 및 도 5를 참조하면, 파이프(12) 내의 유체 유동을 분석하기 위한 장치(10)가 도시되어 있다. 장치(10)는 유체가 관통하여 유동하게 되는 완전히 매끄러운 보어(20)와 보어를 관통하여 유동하는 유체와 이격되어 떨어져 있는 다수의 공동을 가지며, 공동들 각각에는 다수의 변환기 중 하나가 배치되고 공동들 각각은 보어(20)를 통해 유동 유체와 음향적으로 연통하는 구성으로 된 유동 요소(18)를 포함한다.
본 발명은 파이프(12) 내의 유체 유동을 분석하기 위한 장치(10)에 관한 것이다. 장치(10)는 다수의 변환기(16)를 가지는 초음파 유량계(14)를 포함한다. 장치(10)는 유체가 관통하여 유동하게 되고 내경부와 표면(24)을 갖는 보어(20)와 다수의 공동(22)을 가지는 유동 요소(18)를 포함하며, 공동들 각각은 그 표면에 개구(26)를 가진다. 공동들(22) 각각에는 다수의 변환기(16) 중 하나가 배치된다. 장치(10)는 공동들(22)의 개구들(26)을 덮는 라이너(28)를 가지며, 이 라이너(28)는 보어(20)를 관통하여 유동하는 유체가 공동들(22)로 유입되는 것을 방지한다.
장치(10)는 공동들(22)과 유체 연통하는 충적 유지 시스템(30)을 포함할 수 있으며, 이 충적 유지 시스템(30)은 요소(18)도 또한 관통하여 유동하는 유체로 공동들(22)을 채운다. 충적 유지 시스템(30)은 유동 요소(18)로부터 상류측의 파이프(12)에 배치되는 흡입 스쿱(intake scoop)(32)과 흡입 스쿱(32) 및 공동들(22)과 유체 연통하는 상류측 배관(tubing)(34)을 포함할 수 있으며, 파이프(12) 내의 유동 유체는 상류측 배관(34)을 관통한 다음 공동들(22)을 관통하여 유동하게 된다. 충적 유지 시스템(30)은 또한 유동 요소(18)로부터 하류측의 파이프(12)에 배치되는 배출 스쿱(outtake scoop)(36)과 배출 스쿱(36) 및 공동들(22)과 유체 연통하는 하류측 배관(38)을 포함할 수도 있으며, 공동들(22)을 관통하여 유동하는 유체는 하류측 배관(38)을 관통하여 파이프(12)로 배출된다. 유동 요소(18)는 공동들(22)을 통해 연장하고 상류측 배관(34) 및 하류측 배관(36)과 유체 연통하는 유체 경로(40)를 구비할 수 있으며, 유체는 유체 경로를 따라 공동들(22)을 관통하여 유동한다. 공동들(22)을 통해 유로들(channel)(44)을 연결하는 중간 배관(42)도 있을 수 있다. 유체 경로는 이중 밸브 차단부(double valve isolation)(52)를 갖는 뚜껑붙이 통기공들(capped vents)을 가질 수 있다.
라이너(28)는 유동 요소(18)에 부착되는 다수의 스트립(46)을 포함할 수 있다. 라이너(28)는 변환기(16)에 대해 음향적으로 구별되지 않을 수 있다(acoustically invisible). 일 실시예에서 라이너는 강철로 만들어진다. 라이너(28)의 두께는 0.001 인치와 0.010 인치 사이일 수 있다. 공동들(22)의 상류측에 배치되는 여과기(strainer)(48)가 있을 수 있다. 이 여과기(48)는 적어도 두 개의 스크린들(50)을 포함할 수 있다.
본 발명은 파이프(12) 내의 유체 유동을 분석하기 위한 방법에 관한 것이다. 이 방법은 완전히 매끄러운 보어(20)와 다수의 공동(22)을 가지는 유동 요소(18)를 통해 유체를 유동시키는 단계를 포함한다. 공동들(22)에 배치되는 초음파 유량계(14)의 변환기들(16)로 유체 유동을 결정하는 단계가 있다.
유동 단계는 공동들(22)의 개구들(26)을 덮고 보어(20)를 통해 유동 유체가 공동들(22)로 유입되는 것을 방지하는 라이너(28)를 가지는 매끄러운 보어(20)를 관통하여 유체를 유동시키는 단계를 포함할 수 있다. 유동 요소(18)도 또한 관통하여 유동하는 유체로 공동들(22)을 채우는 단계가 있을 수 있다. 채움 단계는 파이프(12)에서 요소(18)로부터 상류측의 파이프(12)에 배치된 흡입 스쿱(32)까지 그리고 나서 상류측 배관(34)을 관통하여 유체를 유동시켜, 파이프(12) 내의 유동 유체가 상류측 배관(34)을 관통한 다음 공동들(22)을 관통하여 유동하게 하는 단계를 포함할 수 있다.
채움 단계는 공동들(22)에서 공동들과 연통하는 하류측 배관(38)을 관통하여 유체를 유동시켜 공동들(22)에서 나오는 유체를 하류측 배관(38)과 연통하는 배출 스쿱(36)을 관통하여 파이프(12)로 배출하는 단계를 포함할 수도 있다.
채움 단계는 공동들(22)을 관통하여 연장하고 상류측 배관(34) 및 하류측 배관(38)과 유체 연통하는 유체 경로(40)를 따라 유체를 유동시켜 유체가 공동들을 관통하여 유동하게 하는 단계도 또한 포함할 수 있다. 공동들(22)의 상류측에 배치되는 여과기(12)를 관통하여 파이프(12) 내의 유체를 유동시키는 단계가 있을 수 있다.
본 발명의 작동에 있어서, 통상의 회선식 전파시간차 초음파 유량계들의 계량기 계수들은 레이놀즈수에 따라 변화함으로써, 그 교정의 불확실도 및 교정 공정의 복잡성을 증가시킨다. 본 발명은 레이놀즈수에 대한 계량기 계수의 이러한 종속성을 제거하고 다회선 초음파 유량계들의 유지보수성을 개선하는 전파시간차 회선식 초음파 계량기를 위한 구성에 관련되어 있다.
전파시간차 유량계는 변환기(16)의 쌍들 간의 상류측과 하류측을 비스듬하게 이동하는 펄스들의 시간들을 재는 것에 의해 유속을 결정한다. 통상의 회선식 유량계(14)에 있어서, 변환기들(16)은 유동 요소(18)의 내경부와 교차하는 공동들(16)에 위치된다. 교차가 대체로 중앙선이 아닌 회선에서 일어나기 때문에 변환기 공동과 유동 요소(18)의 내경부 사이의 교차부의 기하학적 형상은 복잡하다(도 2는 전형적인 교차부의 형태를 도시하고 있다). 변환기 공동들(22)과 유동 요소(18)의 내경부의 교차로부터 생기는 개구들(26)은 초음파 에너지의 전송 및 수신을 위한 구멍들로 작용한다. 유동 유체와 공동들(22)의 교차 때문에만 발생되는 레이놀즈수에 대한 계량기 계수의 종속성이 있다.
본 명세서에서 개시되는 본 발명의 구성은 도 3의 사진에 나타나 있고, 도 4a 및 도 4b에 도시되어 있다. 본질적으로, 본 발명은 라이너(22), 즉 얇은 금속박(metal foil)을 갖는 유동 요소(18)의 내경부에 의해 공동들(22)과 유체의 상호작용을 제거한다. 유동 유체가 그것이 관통하여 유동하는 유동 요소(18)의 벽들로부터 어떤 방해도 받지 않기 때문에, 여기서는 이러한 구성을 "매끄러운 보어형" 계량기라 한다.
박 뒤의 공동들(22)은 도 5에 도시된 것 같은 "충적 유지" 시스템을 이용하여 공정 액체로 채워진다. 공정 유체는 공정 유체와 동일한 공칭 물성들을 가지며 동일한 공칭 압력이다. 따라서 공동들(22)을 덮는 라이너(28)는 어떤 큰 압력 부하도 받지 않으며 유동하는 공정 유체와 공동(22) 내 유체 간의 상호작용을 제거하는 기능만 한다.
도 5는 흡입 스쿱(32)을 나타내는 유동 요소(18)의 상류측 입구를 도시한다. 또한 변환기 공동들(22) 및 변환기 하우징들을 포함하는 유동 요소(18), 그리고 배출 스쿱(36)을 나타내는 유동 요소(18)의 하류측 출구가 도시되어 있다.
본 명세서에서 개시되는 유량계(14)의 구성에서, 초음파 에너지는, 각 음향 경로에 대해, 송신 변환기로부터
(1) 송신 변환기 앞에 있는 공동 내의 본질적으로 고여 있는 유체를 통과하고,
(2) 공동을 유동 유체로부터 격리하는 라이너(28)를 통과하고,
(3) 유동 유체 자체를 통과하고, 그 뒤에
(4) 수신 변환기의 공동을 유동 유체로부터 격리하는 라이너(28)를 통과하고,
(5) 수신 변환기 공동을 통과하여 수신 변환기까지 이동해야만 한다.
전파시간을 유속으로 변환하도록 유량계(14)에 의해 사용되는 공지된 알고리즘은 신뢰성 있는 펄스 검출을 위해 수신 변환기에 도달하는 에너지가 충분할 것과 상술한 음향 경로가 예측 가능할 것을 요구한다. 따라서 다음의 사항들이 적용될 수 있다.
(a) 라이너(28)는 음향적으로 구별되지 않아야 한다. 즉, 라이너는 에너지 전달이 라이너(28) 소재의 특성들에 의해 영향을 받지 않는 순응성 격막(compliant diaphragm)으로서 초음파에 반응해야 한다. 이 요건을 충족하도록, 라이너(28)에서의 음향 에너지의 파장은 라이너(28) 두께보다 훨씬 길어야 한다.
(b) 회선식 유량계들의 알고리즘은 송신 변환기로부터 유체로 유입되는 에너지가 수신 변환기까지 양자를 연결하는 직선을 통해 도달하는 것으로 추정한다. 라이너(28) 뒤에 있는 유체와 공정 유체의 음향 특성들의 차이는 회절 및 그에 따른 전송 에너지의 굴절을 초래할 것이어서, 알고리즘 경로를 이동하는 전송 에너지의 양을 감소시킬 것이다. 수신 변환기에 도달하는 전송 에너지의 일부가 신뢰성 있는 신호 검출에 충분하도록 그 특성 차이는 제한되어야 한다.
(c) 개시되는 본 발명의 일 구성은 라이너(28) 뒤의 공동들(22)을 관통하여 공정 유체를 안내하는 데 공정 유체의 속도 수두(velocity head)를 이용하는 "충적 유지" 시스템을 채용한다(장치는 도 5에 도시되어 있다). 이 장치의 주된 목적은 공동 유체의 특성과 공정 유체의 특성 간의 차이가, 만일 있다면, 상기 (b)의 요건을 충족시키게 하는 것이다. 그러나 도 5의 "충적 유지" 장치는 초음파 유동 측정기(ultrasonic flow measurement)를 우회하는 유체 경로(40)를 구성하고 있다(공동들(22)을 관통하는 유체 유동은 평균적으로 음향 빔에 수직이며 그러므로 전파되는 초음파에 의해 "인식(seen)"되지 않는다). 모든 작동 조건 하에서, 측정기를 우회하는 유동의 양은 유동 측정의 정확성에 실질적으로 영향을 주어서는 안 된다.
개시된 본 발명의 효과를 확인하는 시험에는 도 3에 도시된 구성을 채용하였다. 이 구성은 300 시리즈의 스테인레스강 라이너 소재를 사용하였다. 초음파의 파장 λ는 전파 속도 C와 초음파의 주파수 f의 지수(quotient)로 주어진다.
(C1) λ = C/f
제한되는 라이너(28) 두께의 최대치를 결정하도록, 최소 파장, 즉 최저 전파 속도와 최고 주파수가 필요하다. 스테인레스강 라이너에 대하여, 초음파를 위한 최저 전파 속도는 약 125,000 인치/초인 전단 응력파의 그것이다(종방향 응력파에 대한 전파 속도는 약 1.8배 더 크다). 유체 유동의 측정을 위해 사용되는 초음파의 주파수 상한은 약 2 Mz이다. 따라서 스테인레스강 라이너에서 초음파의 최저 파장은 λ = 125,000/2,000,000 = 0.0625 인치 (1/16 인치)이다. 음향 "투명도"는 라이너가 이 수치의 1/4 보다 작을 것을 요구한다. 몇몇 라이너(28) 두께를 시험하여 전송되는 파를 얼마나 감쇠시키는지 확인하였다. 0.001 인치 내지 0.010 인치 두께 범위의 라이너들에서는 초음파가 크게 감쇠되지 않았다. 반면, 1/8 인치 (두 파장) 두께의 라이너에서는 감쇠가 용납될 수 없을 정도로 컸다. 본 발명의 유동 시험들을 위하여, 0.005 인치의 두께가 선택되었는데, 이 두께에서는 적절한 구조적 무결성(structural integrity)이 얻어지는 동시에 감쇠가 용납 가능할 정도로 작다.
공동 유체와 공정 유체 사이의 경계에서 음향파의 굴절은 교차부의 기하학적 형상 및 공동 유체 음속 및 공정 유체 음속에 의해 결정된다. 도 5의 것과 같은 충적 유지 시스템이 채용되면, 정상 상태(steady state)에서 두 개의 음속들은 동일할 것이지만, 공동들(22) 내의 유체의 특성들과 공정 유체의 특성들 간의 시차(time lag)는 차이를 일으킨다. (시차는 충적 유지 시스템을 통과하는 유속이 계량기를 통과하는 유속보다 훨씬 낮기 때문에 일어난다. 다음 문단에 기재되는 분석을 위하여, 공동 유체의 음속 CCAVITY는 1차 미분 방정식 CFLUID = τ d/dt (CCAVITY) + CCAVITY에 따라 공정 유체의 음속 CFLUID를 추종하는 것으로 추정되었다. 여기서 τ는 충적 유지 시스템의 시간 상수로서 시스템 유동으로 나누어지는 시스템 용적에 의해 그 근사치가 구해진다.) 공정 유체의 음속은 시간에 맞추어 변화하는 공정 유체의 온도에 따라 변화할 것이다. 더욱이, 다제품 파이프라인에서는, 한 배치(batch)의 음속은 선행하는 배치와 다를 수 있고 대체로 다르다. 충적 유지 시스템(30)은 음속 차이들이 계량기의 작동에 지장을 주지 않아야 한다.
굴절 경계의 기하학적 형상은 복잡하다(다시 도 2 참조). 4 경로 회선식 계량기에 대하여, 외부 경로들이 내부 경로들 보다 더 제약되는 기하학적 형상을 가지는 네 개의 음향 경로들을 포함하는 평면이 가장 제한적이다. 외부 경로의 기하학적 형상의 확대도가 도 6에 도시되어 있다. 공동 유체와 공정 유체 사이의 (라이너(28)에 의해 유지되는) 경계는 굴절각을 한정한다. 이 경계의 법선에 관한 매체(1) 내의 입사선(incident ray)의 각도 θ1은 스넬의 법칙(Snell' law)에 의해 동일한 법선에 대한 굴절선의 각도 θ2와 관계가 있다. 이 법칙은 다음과 같이 표시된다.
(C2) Sin θ1/C1 = Sin θ2/C2
여기서 C1과 C2는 각각 입사 매체(공동 유체) 및 굴절 매체(공정 유체)에서의 음향 전파 속도이다. 공동 유체 및 공정 유체의 전파 속도들 간의 차이로 인한 입사각과 굴절각 간의 차이 ∂θ2는 다음과 같이 주어진다.
(C3) ∂θ2 = tan θ1 ∂θ2/C1
도 7은 입사각과 굴절각을 나타낸다. 1/2 인치 직경의 변환기(16)를 갖는 6 인치 4 경로 계량기에서, 입사각 θ1은 약 68°이다. 입사각과 굴절각 간의 허용 가능한 차이는 도 6에 도시된 송신 빔 패턴에 좌우된다. 수신 변환기에 의해 포착되는 전송 에너지의 부분을 최대화 하도록, 대체로 설계에 의해 (각 α에 의해 주어지는) 빔의 각폭은 좁게 만들어진다. 빔폭 α는 다음 식에 의해 그 근사치가 구해진다.
(C4) α = λ/d 라디안
여기서 λ는 공정 유체 내의 초음파의 파장이고,
d는 공동의 직경이다.
θ2의 작은 변화로 인해 전송되는 에너지의 대부분이 수신 변환기로부터 멀어질 수 있기 때문에, 좁은 빔폭은 굴적각의 작은 변화에 덜 관용적이다. 1/2 인치 공동, 50,000 인치/초의 전형적인 공정 유체 음속 및 초음파를 위한 2 Mhz 주파수에 대하여, 빔폭 α는 약 3ㅀ이다. 약 1/2 α의 빔 굴절로 수신되는 신호는 약 30%(3 dB) 감소된다. 공동 유체 음속 및 공정 유체 음속 간의 허용 가능한 차이에 대한 신중한 근거(conservative basis)로서 1/2 α 및 도 6의 기하학적 형상을 이용하여, 초당 약 500 인치의 차이가 산출되었다. 이 수치는 전형적인 석유 제품에 대한 음속의 약 1%이고 그 제품의 온도가 약 5 ℉ 변화하는 것에 상응한다.
계량기 성능 면에서 이러한 제한이 의미하는 것은 무엇인가? 도 8 및 도 9가 이 질문에 대한 해답을 보여준다. 도 8은 수신된 신호를 제품 음속이 10% 변화하기 전의 크기의 3 dB(70%) 이내까지 회복하는 시간을 도시한다. 석유 제품에 대한 전형적인 음속은 약 50,000 인치/초이다. 10%의 변화(5,000 인치/인치)는 전형적인 디젤 연료와 가솔린 사이의 음속 차이이다. 도 8은 그것을 보여주고 있다. 다제품 파이프라인에서 일반적일 것 같은 레이놀즈수(50,000 이상)에 대하여, 3 dB 이내까지의 회복은 1 분 이내에 일어날 것이다.
3 dB를 초과하여 감쇠되는 수신 신호가 반드시 계량기의 고장을 초래하지는 않을 것이나, 신호 강도가 이 경계를 넘어서는 기간에 대해서는 계량기 정확도가 그 설계치 보다 낮을 수도 있다는 점에 유의해야 한다.
도 9는 수신 신호를 그 정상치인 3 dB 이내로 유지하면서 도 5의 충적 유지 시스템에 의해 수용될 수 있는 제품 온도의 변화율을 도시한다. 제품 온도 변화는 일반적으로 지상 파이프라인의 제품 온도에 영향을 주는 대기 온도의 변화 때문에 일어나며, 일반적으로는 느리다. 도 9는 가장 제한적인 허용 가능한 공정 온도 변화율이 낮은 레이놀즈수에서 일어난다는 것을 보여준다. 실제 적용에서, - 10,000 내지 20,000 범위의 - 낮은 레이놀즈수는 중질 원유(heavy crude)를 수송하는 작은 파이프라인들에서 발생한다. 도 9는 10 ℉/시간 범위의 온도 변화로는 신호 강도의 수용 가능한 손실이 일어나지 않을 것이라는 점을 보여준다. 온도의 일교차로 인한 제품 온도의 일반적인 변화는 이 값보다 상당히 낮다.
도 10은 제품 레이놀즈수의 함수로서의 도 5의 충적 유지 시스템을 통한 우회 누설을 도시한다. 본 명세서에서 개시된 본 발명이 적용될 수 있는 모든 레이놀즈수(5,000 내지 50,000)에 대해, 우회 누설은 계량기를 통과하는 유동의 0.03% 미만이다. 우회 유동으로 인한 이러한 잠재적인 오류는 계량기 또는 설비 각각에 대해 수정될 수 있다. 더욱이, 특정 용도들에서는 공동 유체 음속이 공정 유체 음속의 변화에 대해 더 빨리 응답할 것을 요구하기 때문에, "충적 유지" 시스템의 유량은 (시스템의 유로 직경을 증가시키는 것에 의해) 증가될 수 있을 것이다.
원리증명 시험을 위하여, 밸브들과 배관을 수동으로 조작하는 것에 의해 공동들(22)은 공정 유체로 채워졌다. 이에 따라 공동 유체는 화학적 특성들 및 온도 양자에서 공정 유체에 가까웠다 -아마도 100 또는 200 인치/초 이내. 이 시험들 내내 신호 강도는 수용가능한 정도로 유지되었다.
도 11은 도 3의 매끄러운 보어(20)형 계량기의 레이놀즈수에 대한 계량기 계수의 종속성을 나타낸다. 또한 (공동들(22)이 공정 유체 유동에 노출되는) 일반적인 통상의 회선식 계량기의 계량기 계수도 나타나 있다. 선형성의 개선이 현저하다. 통상의 계량기에서는 레이놀즈수에 따른 계량기 계수의 변화가 0.8%에 가까운 것으로 나타나지만, 매끄러운 보어(20)형 계량기의 민감도는 0.1% 미만이다. 더욱이, 이러한 작은 민감도는 예측가능한데, 도면의 레이놀즈수 범위에서, 개발된 프로파일들에 대한 구적법(quadrature numerical integration)의 이론적인 민감도는 약 0.1% 감소한다. 이러한 작은 비선형성에 대한 수정은 레이놀즈수 측정을 필요로 하지 않으며, 계량기 자체의 회선 속도 측정, 구체적으로는 외부 회선 속도 대 내부 회선 속도의 비를 이용하여 이루어질 수 있다.
라이너(28) 소재는 마모에 견디도록 단단해야 하고, 표면(24) 거칠기의 변화를 방지하도록 내부식성이 있어야 한다. 라이너(28) 소재는 상술한 파장 사양들을 충족하는 두께 - 시험에서 사용된 스테인레스강에 대해서는 0.005 인치 - 를 가지는 판 모양으로 쉽게 이용 가능해야 한다. 이용할 수 있는 소재로는 300 시리즈 스테인레스강, 티타늄 및 인코넬(Inconel)이 있다. 회선 위치들에 대한 수치적인 사양들은 계량기의 내경부에 대한 라이너의 효과를 반드시 고려해야 한다는 점에 유의하라. 또한 계량기를 통과하는 유동장은 이 표면들(24)과 상호작용 하지 않기 때문에, 내경부 또는 변환기 보어들(20)에 어떤 연마기(finishing machine)도 필요하지 않다는 점에 유의하라.
계량기들의 생산을 위하여, 도 3에 도시되고 시험에서 행해진 것처럼 라이너(28)는 유동 요소(18)의 전방 플랜지에 탭(tab)으로 고정될 것이다. 심 용접(seam weld)은 도 4b에 도시된 것처럼 가능한 한 작게 행해지고 음향 경로들 중 어느 것으로부터도 떨어져서 위치될 것이다. (튜브들을 튜브판으로 압연하는 것과 비슷하지만 규모가 더 큰) 압연 공정에 의해 유동 요소(18)의 모재와 라이너(28) 사이의 간극이 최소화될 수 있을 것이다. 석유 제품들의 침범에 내성이 있고 라이너(28)의 전연부 및 후연부에 가까이 위치되는 에폭시 접착제로 된 두 개의 원주상 밴드들에 의하면 밴드가 제자리에 그대로 고정되어 있을 수 있다.
충적 유지 시스템의 설계를 위한 사양들은 위에서 논의된 바와 같은데, 구체적으로는 다음과 같다.
a. 충적 유지 시스템을 통과하는 유량은 과도 조건 하에서 공동 유체의 음속과 유동 제품의 음속 간의 차이를 제한하기에 충분히 신속하게 변환기 하우징들과 라이너(28) 사이의 공동들(22) 내에 유체를 다시 채울 수 있어야 한다. 공동 유체의 음속과 유동 제품의 음속 간의 차이는 전송되는 초음파 빔이 수신 변환기를 "비추는" 것을 방지할 만큼 커져서는 안 된다(즉, 공동/제품 경계면에서의 초음파 빔의 굴절은 수용 가능한 값으로 제한되어야만 한다). 이 요건은 수용 가능한 최소 충적 유지 유량을 설정한다. 이 요건이 적용되는 가장 제한적인 조건은 대체로, (각각, 침투 수두(driving head)를 감소시키는 것에 의해 그리고 충적 유지 루프의 저항을 증가시키는 것에 의해) 둘 다 충적 유지 유동을 감소시키도록 작용할, 최소 제품 유량 및 최대 제품 점도에서 발생한다.
b. 충적 유지 시스템(30)을 통과하는 유동은 회선식 초음파 계량기에 의해 측정되지 않고 따라서 그 유동 측정에서 오류를 구성한다. 비록 충적 유지 유동의 추정에 의해 오류의 크기는 감소될 수도 있지만, 그럼에도 불구하고 계량기가 정확도 사양에 따르는 것을 보장하도록 우회 유동은 제한되어야 한다. 이 요건은 최대 충적 유량을 설정한다. 이 요건이 적용되는 가장 제한적인 조건은 대체로, (각각, 침투 수두(driving head)를 증가시키는 것에 의해 그리고 충적 유지 루프의 저항을 감소시키는 것에 의해) 둘 다 충적 유지 유동을 증가시키도록 작용할, 최대 제품 유량 및 최소 제품 점도에서 발생한다.
도 8, 도 9 및 도 10은 일정 범위의 제품들, 제품 온도들 및 제품 레이놀즈수들(즉, 유량들 및 점도들)에 대한 이러한 요건들을 따르는 특정 충적 유지 시스템(30)의 능력을 나타낸다.
도면들의 근거가 되는 산출된 응답들은 도 5에 도시되고 다음의 특성들을 가지는 충적 유지 시스템(30)을 갖는 6 인치 4 회선 계량기에 대한 것이다.
스쿱 + 배출구에 의해 제공되는 침투 수두 H
H = (효율) {(상류측에 면하는 부분 속도 수두) - (하류측에 면하는 부분 속도 수두)}
H = η [(+1/2 V2/g) - (-1/2 V2/g)] = η V2/g
여기서 η는 스쿱/배출기 장치의 효율이며 다알 튜브 유량계(Dahl tube flow meter)에서의 경험에 기초하여 0.7로 간주된다.
V는, 평균 제품 속도의 1/2로 간주된, 유량계(14) 근처에서의 제품 속도이다.
g는 중력 상수이다.
배관은 스테인레스강이며, 즉시 이용성 및 내부식성 때문에 선택된다. 견본의 6 인치 계량기에 대하여, 1/4 인치 배관 직경(0.21 인치 튜브 ID)이 선택되었다. 이 크기의 계량기에 필요한 길이와 구성에 대해서는, 입구, 출구 및 절곡부들에 대한 손실들과 함께 배관의 저항 때문에 넓은 범위의 작동 조건들에 걸쳐 상기 a 및 b 기준을 충족하는 유량이 야기된다.
배관 크기 및 다른 설계 사양들은 반드시 각 용도에 적절하게 선택되어야만 하는데, 대형 계량기들은 대체로 큰 배관 크기를 필요로 한다는 것이 강조되어야 한다.
입구와 배출 스쿱들의 폭은 약 4 튜브 직경이고, 그 높이는 약 1 튜브 직경이다. 이 치수들은 유동장에 대해 비교적 작은 교란을 야기하지만, 부분 속도 수두의 큰 부분을 차지한다. 흡입 스쿱(32)과 초음파 계량기의 음향 경로들 사이의 거리는 스쿱에 의해 생성되는 축방향 속도 프로파일에 대한 교란이 프로파일이 초음파 펄스들에 의해 감지되는 시간까지는 사라질 정도의 거리이다. 반경 방향으로 유동 스트림 내로 튀어나오는 작은 교란 d에 의해 생성되는 유동장 왜곡은 대체로 10 내지 20d 하류측에서 사라진다. 이 요건은 도 5에 도시된 시스템에 의해 충족된다. 이격 거리가 클 필요가 없음에도 불구하고(음향 경로로부터 1/2 D(D는 유동 요소(18)의 내경)의 거리가 적절한 것으로 생각된다), 마찬가지로 (배출) 스쿱에 면하는 하류측은 음향 경로들에 의해 샘플링된 유동장으로부터 제거되어야만 한다.
본 명세서에서 인용되는 성능이 기초하는 견본 충적 시스템(30)에 대한 다른 데이터가 아래에 열거되어 있다. 저항 및 유동 계산은 참조에 의해 본 명세서에 통합되는 크레인 사(Crane Co.)의 기술 문서 410, "밸프, 피팅들 및 파이프를 통하는 유체의 유동"의 데이터를 이용하여 수행되었다.
● 상류 공동 공급기의 상류측 배관의 길이: 2 1/2 계량기 직경 (15 인치) 최대. 이 배관은 도 5에 도시된 바와 같이 유동 요소(18)의 외부로 지나간다. 유동 요소(18) 자체의 벽에서의 압력 응력 때문에 이러한 통로는 유동 요소(18)를 따라 축방향으로 직진할 수 없을 것이다. 그러나, 배관을 흡입 스쿱(32)에 연결하는 0.25 인치 반경 방향 관통부는 (벽 두께에 비해 작은 크기 때문에) 보강을 필요로 하지 않는다. 보강은 더 큰 배관을 갖는 더 큰 유동 요소들(18)에서 이러한 관통부를 위해 필요할 수도 있다.
● 네 개의 상류측 변환기 공동들(22)에 대한 0.21 인치 공급기의 길이: 1 계량기 직경(6 인치). 칼돈(Caldon)의 표준 석유 계량기 몸체의 네 개의 변환기들(16)을 수용하는 "새들(saddle)" 의 치수는 어떤 보강도 이 공급기에 대해서는 필요 없을 정도의 것이다.
● 상류측 공동 공급기를 네 개의 하류측 변환기 공동들(22)에 연결하는 배관의 길이: 3 계량기 직경(18 인치). 복잡한 경로 때문에, 이 연결부는 계량기 몸체의 외부에 만들어진다.
● 네 개의 하류측 변환기 공동들(22)에 대한 0.21 인치 공급기의 길이: 1 계량기 직경(6 인치). 상류측 헤더에서와 같이, 어떤 보강도 필요 없다.
● 하류측 공급기의 배출부를 충적 유지 시스템(30)의 배출부에 면하는 하류측에 연결하는 배관의 길이: 2 1/2 계량기 직경 (15 인치) 최대. 유입 배관에서와 같이, 동일한 이유 때문에 이 배관은 유동 요소(18)의 외부로 지나간다. 또, 배출부에 대한 1/4 인치 반경방향 관통부에 대해 어떤 보강도 필요 없다.
● 충적 유지 회로의 급격 확대부의 수: 9.
● 충적 유지 회로의 급격 축소부의 수: 9.
● 충적 유지 회로의 90ㅀ 절곡부의 수: 11.
상술한 바와 같이 설계된 충적 유지 시스템 내의 정압은 평균적으로 유동 요소(18)의 제품의 정압과 대략 같을 것이며 결코, 제품의 정압 보다 높은, 속도 수두의 1/2을 초과하지 않을 것이다. 1 또는 2 psi인 이 압력차로는 변환기 공동들(22)을 덮는 라이너(28)가 크게 뒤틀리는 일이 발생될 수 없다. 개시된 발명이 레이놀즈수에 대한 계량기 계수의 종속성이 거의 또는 전혀 없는, 즉 내경이 10 인치 보다 큰 계량기들에서 그리고 500,000 보다 높은 레이놀즈수에서 용도를 발견할 수도 있다는 점에 유의해야 한다. 어떤 공정 유체들, 원유는 변환기 공동들(22)로 들어갈 수 있는 특히 왁스들 및 다른 오염원들을 함유하고 있다. 이러한 침전물들은 수신되는 신호를 감쇠시키고 왜곡시킬 수 있다. 라이너(28) 및 "충적 유지" 시스템을 이용하는 것은 이러한 침전물들을 방지하기 위한 수단을 제공한다.
그러나, 이러한 용도들에서는 도 5의 "충적 유지" 시스템에 대한 어느 정도의 변경이 필요하다. 구체적으로, 여과기(48)가 흡입구의 하류측이고 공동들의 상류측인 위치에서 시스템에 부가되면 충적 유지 유동에 의해 원치 않는 침전물들이 라이너(28) 안으로 도입되는 것을 방지할 수 있을 것이다. 여과기(48) 망은 입자상 오염원들의 크기를 수용 가능한 치수로 제한하도록 선택될 것이다. 아마도, "이중(duplex)" 여과기(48) 디자인이 사용되면, 제 2 바스켓이 세척을 위해 비워지고 나서 교체되는 동안 충적 유지 유동이 한 바스켓을 통해 유지되게 할 수 있을 것이다. 부가적으로, 충적 유지 시스템에 대해 흡입구로서 기능하는 "스쿱(scoop)"의 설계는 도 6의 것과 다를 수 있다. 유동 요소(18)의 상류측의 더 높은 압력 위치에서의 플러쉬 설계(flush design)가 (입자들이 모이는 것과 충적 유지 배관(piping)을 막을 가능성을 방지하는 데) 바람직할 것이다.
비록 본 발명을 예시의 목적을 위한 실시예들에 대해 상세하게 설명하였으나, 이러한 실시예의 상세 내용은 단지 예시의 목적으로 제시된 것이며 본 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 변경할 수 있을 것이다.

Claims (19)

  1. 다수의 변환기들을 가지는 초음파 유량계; 및
    유체가 관통하여 유동하게 되는 매끄러운 보어와 상기 보어를 관통하여 유동하는 유체와 격리되고 떨어져 있는 다수의 공동들을 가지며, 상기 공동들 각각에는 다수의 변환기 중 하나가 배치되고 상기 공동들 각각이 보어를 관통하여 유동하는 유체와 음향적으로 연통하는 구성으로 된 유동 요소를
    포함하는 것을 특징으로 하는 파이프 내의 유체 유동 분석 장치.
  2. 다수의 변환기들을 가지는 초음파 유량계;
    유체가 관통하여 유동하게 되고 내경부와 표면을 가지는 보어와 다수의 공동들을 가지며, 상기 공동들 각각은 그 표면에 개구를 가지며 다수의 변환기들 중 하나가 배치되는 구성으로 된 유동 요소; 및
    공동들의 개구들을 덮고 보어를 관통하여 유동하는 유체가 공동으로 유입되는 것을 방지하는 라이너를
    포함하는 것을 특징으로 하는 파이프 내의 유체 유동 분석 장치.
  3. 제2항에 있어서, 공동들과 유체 연통하며 유동 요소도 관통하여 유동하는 유체로 공동들을 채우는 충적 유지 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 파이프 내의 유체 유동 분석 장치.
  4. 제3항에 있어서, 충적 유지 시스템은 유동 요소로부터 상류측의 파이프에 배치되는 흡입 스쿱과 흡입 스쿱 및 공동들과 유체 연통하는 상류측 배관을 포함하며, 파이프 내의 유동 유체가 상류측 배관을 관통한 다음 공동들을 관통하여 유동하게 구성된 것을 특징으로 하는 파이프 내의 유체 유동 분석 장치.
  5. 제4항에 있어서, 충적 유지 시스템은 유동 요소로부터 하류측의 파이프에 배치되는 배출 스쿱과 배출 스쿱 및 공동들과 유체 연통하는 하류측 배관을 포함하며, 공동들을 관통하여 유동하는 유체가 하류측 배관을 관통하여 파이프로 배출되게 구성된 것을 특징으로 하는 파이프 내의 유체 유동 분석 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 유동 요소는 공동들을 통해 연장하고 상류측 배관 및 하류측 배관과 유체 연통하는 유체 경로를 구비하며 유체가 유체 경로를 따라 공동들을 관통하여 유동하게 구성된 것을 특징으로 하는 파이프 내의 유체 유동 분석 장치.
  7. 제6항에 있어서, 라이너는 유동 요소에 부착되는 다수의 스트립들을 포함하는 것을 특징으로 하는 파이프 내의 유체 유동 분석 장치.
  8. 제7항에 있어서, 라이너는 변환기에 대해 음향적으로 구별되지 않는 것을 특징으로 하는 파이프 내의 유체 유동 분석 장치.
  9. 제8항에 있어서, 라이너는 강철로 만들어지는 것을 특징으로 하는 파이프 내의 유체 유동 분석 장치.
  10. 제9항에 있어서, 라이너의 두께는 0.001 인치와 0.010 인치 사이인 것을 특징으로 하는 파이프 내의 유체 유동 분석 장치.
  11. 제10항에 있어서, 공동들의 상류측에 배치되는 여과기를 포함하는 것을 특징으로 하는 파이프 내의 유체 유동 분석 장치.
  12. 제11항에 있어서, 여과기는 적어도 두 개의 스크린들을 포함하는 것을 특징으로 하는 파이프 내의 유체 유동 분석 장치.
  13. 매끄러운 보어와 상기 보어를 관통하여 유동하는 유체와 격리되고 떨어져 있는 다수의 공동들을 가지는 유동 요소를 통해 유체를 유동시키는 단계; 및
    공동들에 배치되고 보어를 관통하여 유동하는 유체와 음향적으로 연통하는 초음파 유량계의 변환기들로 유체 유동을 결정하는 단계를
    포함하는 것을 특징으로 하는 파이프 내의 유체 유동 분석 방법.
  14. 제13항에 있어서, 유동 단계는 공동들의 개구들을 덮고 보어를 통해 유동 유체가 공동들로 유입되는 것을 방지하는 라이너를 가지는 매끄러운 보어를 관통하여 유체를 유동시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 파이프 내의 유체 유동 분석 방법.
  15. 제14항에 있어서, 유동 요소도 관통하여 유동하는 유체로 공동들을 채우는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 파이프 내의 유체 유동 분석 방법.
  16. 제15항에 있어서, 채움 단계는, 유체를 파이프에서부터 유동 요소 상류측의 파이프에 배치된 흡입 스쿱과 상기 흡입 스쿱과 유체 연통하는 상류측 배관을 관통하여 유동시켜서, 파이프 내의 유동 유체가 상류측 배관을 관통한 다음 공동들을 관통하여 유동하게 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 파이프 내의 유체 유동 분석 방법.
  17. 제16항에 있어서, 채움 단계는 공동들에서 공동들과 연통하는 하류측 배관을 관통하여 유체를 유동시켜, 공동들에서 나오는 유체를 하류측 배관과 유체 연통하는 배출 스쿱을 관통하여 파이프로 배출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 파이프 내의 유체 유동 분석 방법.
  18. 제17항에 있어서, 채움 단계는 공동들을 관통하여 연장하고 상류측 배관 및 하류측 배관과 유체 연통하는 유체 경로를 따라 유체를 유동시켜 유체가 공동들을 관통하여 유동하게 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 파이프 내의 유체 유동 분석 방법.
  19. 제18항에 있어서, 공동들의 상류측에 배치되는 여과기를 관통하여 파이프 내의 유체를 유동시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 파이프 내의 유체 유동 분석 방법.
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