KR101298551B1 - 유량계 파라미터에서의 이상을 검출하기 위한 방법 - Google Patents

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Abstract

유량을 측정하도록 구성된 유량계 파라미터에서의 이상을 검출하기 위한 방법이 제공된다. 상기 방법은 유량계의 적어도 일부에 걸쳐 차압을 측정하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 측정 차압과 예상 차압을 비교하는 단계를 더 포함하고 상기 예상 차압은 상기 측정 유량에 기초한다. 상기 방법은 측정된 차압과 예상되는 차압의 차이가 임계한도를 초과하면 유량계 파라미터에서의 이상을 검출하는 단계를 더 포함한다.

Description

유량계 파라미터에서의 이상을 검출하기 위한 방법{METHOD FOR DETECTING A DEVIATION IN A FLOW METER PARAMETER}
본 발명은 유량계, 및 더 상세하게는 유량계 파라미터에서 이상을 사용하여 진단을 하기 위한 방법에 관한 것이다.
코리올리 질량 유량계를 사용하여 유량계의 도관을 통해 유동하는 물질 및 질량 유동에 대한 다른 정보를 측정하는 것이 알려져 있다. 전형적인 코리올리 유량계가 J.E. 스미스외 다수에 허여된 Re. 31,450, 미국 특허 4,109,524호, 미국 특허 4,491,025호에 개시되어 있다. 이러한 유량계는 직선 또는 곡선 구성의 하나 이상의 도관을 갖는다. 코리올리 질량 유량계의 각 도관 구성은 단순 벤딩, 비틀림, 또는 커플링된 타입으로 구성될 수 있는 한 세트의 고유 진동 모드들을 가지고 있다. 각각의 도관은 이러한 고유 모드들 중 하나에서 공진으로 오실레이팅하도록 구동될 수 있다. 유량계의 유입측 상의 연결 파이프라인으로부터 유량계 내로의 물질 유동은 도관 또는 도관들을 통해 지향되고, 유량계의 유출측을 통해 유량계를 나간다. 진동하는 물질로 채워진 시스템의 고유 진동 모드는 도관들의 결합 질량 및 도관들 내에 물질 유동에 의해 부분적으로 형성된다.
유량계를 통해 어떠한 유동도 없을 때, 도관을 따라 모든 포인트들이 동일한 위상을 갖는 인가된 드라이버 힘 또는 교정될 수 있는 초기에 작게 고정된 위상 오프셋으로 인해 오실레이팅된다. 물질이 유량계를 통해 유동되기 시작함에 따라, 코리올리력은 도관을 따라 각각 포인트가 상이한 위상을 갖도록 야기한다. 예를 들어, 유량계의 유입 단부에서 위상은 드라이버에 지상하고 유출구에서 위상은 드라이버에 진상이다. 도관(들) 상의 픽-오프 센서들은 도관(들)의 움직임을 나타내는 사인파 신호를 생성한다. 픽-오프 센서들로부터 신호 출력은 픽업 오프 센서들 사이의 위상 차이를 결정하도록 프로세싱된다. 두 개 또는 그 이상의 픽-오프 센서들 사이의 위상 차이가 도관(들)을 통해 물질의 질량 유량에 비례한다.
코리올리 질량 유량계는 폭넓게 다양한 업계에서 큰 성공을 거두어 왔다. 그러나, 대부분의 다른 유량계를 따라 코리올리 유량계들은 프로세스 유체에 의해 남겨진 침전물의 축적으로 애로 사항을 가질 수 있다. 이 축적은 일반적으로 "피막(coating)"으로 본 발명이 속한 기술분야에서 지칭된다. 프로세스 유체의 특성에 따라, 유체 피막은 유량계의 성능 및 정확성에 영향을 미치거나 미치지 않을 수 있다. 피막이 일반적으로 유량계의 강성(stiffness)에 영향을 주지 않거나 유량 측정 오류를 야기하지 않는다 할지라도, 유량계의 특성의 다른 양태에 영향을 줄 수 있다. 예를 들어, 피막은 프로세스 유체와 상이한 밀도를 가질 수 있다. 이것은 유량계에서 획득된 밀도 읽기에 악영향을 미칠 수 있다. 특정 프로세스 유체에 의해, 피막은 일정한 두께로 유량계 내부에 축적될 수 있고 이후 작은 조각들로 쪼개질 수 있다. 이러한 작은 조각들은 유량계에 연결된 프로세스의 다른 부분에 영향을 미칠 수 있다. 극단적인 환경에서, 피막이 충분히 축적되어서 유량계가 막혀서(plugged) 완전 정지 또는 특정 환경에서, 유량계의 완전 교체를 필요로 할 수 있다.
다른 문제들이 피막, 플러깅, 일정하지 않은 프로세스 유체 조성, 프로세스 유체의 온도에서의 변화, 등에 의해 야기될 수 있다. 예를 들어, 페인트 산업에서, 동일한 유량계가 다중 페인트 컬러에 대해 사용될 수 있다. 따라서, 피막이 유량계 읽기 오류를 야기하지 않는다 할지라도, 피막은 최종 제품에 부정적인 영향을 미칠 수 있다.
상기 문제 때문에, 피막에 의해 야기된 다른 것들과 함께, 유량계 피막이 있는 때를 진단하는 것이 바람직하다. 유량계 피막을 감지하는 종래 기술의 진단 방법은 수많은 문제점들을 가지고 있다. 첫째, 많은 종래 기술 방법들은 유동관의 활성 섹션, 즉, 진동 섹션에서 피막 검출로 제한된다. 종래 기술의 다른 제한들은 피막의 밀도가 프로세스 유체와 실질적으로 유사한 상황에서 발생한다. 이러한 상황에서, 밀도 기반의 피막 검출은 사용할 수 없다. 따라서, 본 발명의 기술 분야에서 상기 언급한 한계를 극복하는 피막 검출 방법에 대한 필요가 있다. 또한, 프로세스 유체가 유량계를 피막하는 것으로 알려진 응용 분야에서, 유량계의 클리닝 동안 유량계가 완전히 피막되지 않은(uncoated) 때를 검출할 수 있는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 양태에 따라, 유량계 파라미터에서 이상을 검출하기 위한 방법은
상기 유량계의 적어도 일부에 걸쳐 차압을 측정하는 단계;
상기 측정 차압을 측정된 유량에 기초한 예상 차압과 비교하는 단계; 및
상기 측정 차압과 상기 예상 차압 사이의 차이가 임계 한도(threshold limit)를 초과하면 상기 유량계 파라미터에서 이상을 검출하는 단계를 포함한다.
바람직하게, 상기 방법은 상기 전체 유량계에 걸쳐 차압을 측정하는 단계를 더 포함한다.
바람직하게, 상기 예상 차압은 알려진 고정된 유체 점성에 기초한다.
바람직하게, 상기 예상 차압은 차압 대 유량의 이전에 준비된 플롯으로부터 얻어진다.
바람직하게, 상기 예상 차압을 유량계 전자회로에 저장하는 단계를 더 포함한다.
바람직하게, 임계 한도가 미리 정해진 값을 포함한다.
바람직하게, 유량계는 코리올리 유량계를 포함한다.
바람직하게, 유량계 파라미터에서 이상은 유량계에서 피막을 지시한다.
본 발명의 다른 양태에 따라, 유량계 파라미터에서 이상을 검출하기 위한 방법은
상기 유량계에 걸쳐 차압을 측정하는 단계;
상기 차압에 기초하여 예상 유량을 계산하는 단계; 및
상기 측정 유량을 상기 계산 유량과 비교하고 상기 측정 유량과 상기 계산 유량 사이의 차이가 임계 한도를 초과한다면 상기 유량 파라미터에서 이상을 검출하는 단계를 포함한다.
바람직하게, 상기 예상 유량을 계산하는 단계가 상기 유량계를 오리피스 미터로 특징화하는 단계를 포함한다.
바람직하게, 상기 방법은 유량계 계수를 결정하는 단계를 더 포함한다.
바람직하게, 상기 방법은 예상 유량을 유량계 전자회로에 저장하는 단계를 더 포함한다.
바람직하게, 임계 한도가 미리 정해진 값을 포함한다.
바람직하게, 유량계는 코리올리 유량계를 포함한다.
바람직하게, 유량계 파라미터에서 이상은 유량계에서 피막을 지시한다.
본 발명의 다른 양태에 따라, 유량계 파라미터에서 이상을 검출하기 위한 방법은
상기 유량계의 적어도 일부에 걸쳐 차압을 측정하는 단계;
측정된 유량과 상기 측정 차압에 기초하여 마찰 계수를 계산하는 단계;및
상기 계산된 마찰 계수를 상기 측정 유량에 기초한 예상 마찰 계수와 비교하고 상기 계산된 마찰 계수와 상기 예상 마찰 계수의 차이가 임계 한도를 초과하면 상기 유량계 파라미터에서 이상을 검출하는 단계를 포함한다.
바람직하게, 상기 마찰 계수를 계산하는 단계가 다음의 방정식을 사용하는 것을 포함한다 :
Figure 112012065288017-pat00001
바람직하게, 상기 예상 마찰 계수가 이전 측정으로부터 얻어진다.
바람직하게, 상기 차압은 상기 전체 유량계에 걸쳐 측정된다.
바람직하게, 상기 예상 마찰 계수가 상기 측정 유량에 대한 레이놀즈 수에 기초하여 계산된다.
바람직하게, 상기 방법은 예상 마찰 계수를 유량계 전자회로에 저장하는 단계를 더 포함한다.
바람직하게, 유량계는 코리올리 유량계를 포함한다.
바람직하게, 유량계 파라미터에서 이상은 유량계에서 피막을 지시한다.
본 발명의 다른 양태에 따라, 유량계 파라미터에서 이상을 검출하기 위한 방법은
복수의 위치들에서 유동관 온도를 측정하는 단계; 및
상기 측정 온도에 기초하여 온도 구배를 계산하고 상기 계산된 온도 구배가 온도 구배 임계치를 초과하면 상기 유량계 파라미터에서 이상을 검출하는 단계를 포함한다.
바람직하게, 상기 온도 구배를 계산하는 단계는 유량계 유입구에서 유량계 유출구까지 온도 구배를 계산하는 것을 포함한다.
바람직하게, 상기 온도 구배를 계산하는 단계가 제 1 유동관에서 제 2 유동관까지 온도 구배를 계산하는 것을포함한다.
바람직하게, 상기 방법은 계산된 온도 구배가 임계 한도 이상으로 변한다면 상기 유량계에서 피막을 검출하는 단계를 더 포함한다.
바람직하게, 온도 구배 임계치가 결정된다.
바람직하게, 유량계는 코리올리 유량계를 포함한다.
바람직하게, 유량계 파라미터에서 이상은 유량계에서 피막을 지시한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 유량계를 도시한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 유량계의 부분 단면도이다.
도 3은 유동관 내에 형성된 피막을 갖는 유동관의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 유량계의 블록도이다.
도 1 내지 도 4 및 후속하는 명세서는 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 최선의 모드를 만들고 사용하는 법을 교시하는 특정 예시들을 도시한다. 본 발명의 원리를 교시하기 위해, 몇몇의 종래 양태들이 간단화 또는 생략된다. 본 발명이 속한 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 범주 내에 있는 이러한 예시들로부터 변형례들을 이해할 것이다. 본 발명이 속한 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 하기에 기술된 특징들이 다양한 방식으로 결합되어 본 발명의 다중 변형들을 형성할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명은 하기에 기술된 구체적인 사례들, 및 청구범위 및 균등물들로 제한되지 않는다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 유량계(100)를 도시한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 유량계(100) 코리올리 유량계를 포함한다. 그러나, 본 발명은 코리올리 유량계를 통합하는 어플리케이션들에 국한되지 않으며 본 발명이 유량계의 다른 타입들과 함께 사용 될 수 있다고 이해해야 한다. 유량계(100)는 유동관들(101, 102)의 하부를 둘러싸는 스페이서(103)를 포함하고, 상기 유동관들은 내부에서 그 네크(neck, 108)를 통해 플랜지(104)로 관들의 좌측 단부 상들에 연결되며 네크(120)를 통해 플랜지(105), 및 매니폴드(107)로 관들의 우측 단부들 상에 연결된다. 또한 도 1은 플랜지(105)의 유출구(106), 좌측 픽-오프(LPO), 우측 픽-오프(RPO), 및 드라이버(D)가 도시된다. 우측 픽-오프(RPO)는 일부 자세하게 표시되고 자석 구조체(115) 및 코일 구조체(116)를 포함한다. 매니폴드 스페이서(103)의 바닥 상의 엘리먼트(114)는 내부에서 구동기(D) 및 픽-오프들(LPO 및 RPO)에 연장되는 전자회로(미도시)로부터의 전선(미도시)을 수용하기 위한 개구이다. 유량계(100)는 플랜지(104 및 105)를 통해 파이프라인 또는 동류의 것에 연결도록 사용될 때 적응된다.
도 2는 유량계(100)의 내부 모형도이다. 이러한 도면은 매니폴드 스페이서에 대한 내부 부분들이 보여질 수 있도록 매니폴드 스페이서(103)의 전면부를 제거한다. 도 1 뿐 아니라 도 2에 도시된 부분들은 외측 단부 브레이스 바들(201, 204), 내부 브레이스 바들(202 및 203), 우측 단부 유동관 유출 개구들(205 및 212), 유동관들(101 및102), 만곡된 유동관 섹션들(214, 215, 216 및 217)을 포함한다. 사용에서, 유동관들(101 및 102)은 벤딩 축선(W 및 W')를 중심으로 진동한다. 외측 단부 브레이스 바들(201 및 204) 및 내부 브레이스 바들(202 및 203)은 벤딩 축선(W 및 W')의 위치를 결정하는 것을 돕는다.
도 2에 도시된 실시예에 따라, 유량계(100)는 압력 센서(230)를 포함한다. 본 발명의 실시예에 따르면, 압력 센서(230)는 차압 센서를 포함한다. 압력 센서(230)는 압력 탭들(231 및 232)에 의해 유량계(100)에 연결되어 압력 판독을 획득한다. 탭들(231 및 232)은 압력 센서(230)가 유량계(100)에 걸쳐 물질 압력 강하를 연속적으로 모니터링하도록 한다. 도 2에 도시된 실시예에 따르면, 탭들(231, 232)가 임의의 목표된 위치에서 유량계(100)에 연결될 수 있다고 할지라도, 탭들(231, 232)이 플랜지들(104, 105)에 각각 연결된다는 것이 유의되야 한다. 바람직하게, 압력 센서(230)는 전체 유량계(100) 및 유량계(100)의 작동 부분에 대한 차압 측정을 획득할 수 있다. 도 4의 하기에 도시된 바와 같이, 다른 실시예들에서, 압력 탭들(231, 232)은 유량계가 연결된 파이프라인에 위치될 수 있다. 차압 측정은 더 아래에 설명되어 있다.
도 2는 또한 복수의 온도 감지 장치들(240)을 도시한다. 도 2에 도시된 실시예에 따르면, 온도 감지 장치들은 RTD 센서들을 포함한다. 그러나, 다른 온도 측정 장치가 구현될 수 있고 본 발명은 RTD 센서들에 제한되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 유사하게, 6 개의 RTD 센서들(240)이 도시된다 할지라도, 임의 수의 RTD 센서들이 구현될 수 있으며 여전히 본 발명의 범주 내에 있다는 것을 이해해야 한다.
압력 압력(230) 및 RTD 센서들(240) 양쪽이 각각 ΔP 신호 및 RTD 신호 리드들을 통해 유량계 전자회로에 연결되는 것을 보여준다. 도 1에서 설명된 바와 같이, 도 1에 도시된 좌측 및 우측 픽-오프 센서들, LPO, RPO, 및 드라이드(D)가 또한 유량계 전자회로(20)에 연결된다. 유량계 전자회로(20)는 질량 유량 및 합계된 질량 유동 정보를 제공한다. 또한, 질량 유량 정보, 밀도, 온도, 압력 및 기타 유동 특성이 리드(26)를 통해 하류에서 프로세스 제어 및/또는 측정 장비에 보내질 수 있다. 유량계 전자회로(20)는 사용자가 다른 알려진 값들과 함께 유체 점성과 같은 정보를 입력하도록 하는 사용자 인터페이스를 또한 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따라, 유량계 전자회로(20)는 미래의 검색을 위해 알려진 정보 또는 계산된 정보를 저장할 수 있는 하드 드라이브를 포함한다. 이 저장된 정보는 아래에서 추가적으로 설명되어 있다.
도 3은 피막(310)을 갖는 유동관(101)의 일 부분에 대한 단면도이다. 유동관(101)의 단지 일부만이 표시되지만, 피막(310)은 또한 유동관(102) 내부에 및 프로세스 유체에 노출되는 유량계(100)의 다른 부분들에 또한 형성될 수 있다는 것이 이해되어져야 한다. 프로세스 유체가 유동관(101)을 통해 유동함으로서, 프로세스 유체의 침전물들이 뒤에 남아 있을 수 있다. 시간이 지나면서,이러한 침전물들은 피막(310)을 형성한다. 피막(310)은 도시된 바와 같이 실질적으로 유동관(101)의 전체 내부 직경을 커버하거나 또는 대안적으로, 피막(310)은 유동관(101)의 특정 영역들에 형성될 수 있고, 다른 영역들은 피막(310)이 없다. 더욱이, 특정 어플리케이션에서 피막(310)이 도 3에 도시된 만큼 두껍지 않다고 할지라도, 몇몇 프로세스들에서 피막(310)은 유량계(100)를 실질적으로 막을 만큼 충분히 두껍게 된다. 피막(310)이 유량계(100)를 막기에 충분히 두껍지 않다고 할지라도, 프로세스 유체가 유동해 통과할 제공된 단면적을 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 유동관(101)은 D1의 내부 직경을 가질수 있고; 그러나, 제공된 피막(310)에 의해, 프로세스 유체가 유동해 통과할 수 있는 실제 허용 가능한 직경은 D2까지 줄어든다.
피막(310)은 유량계(100)의 성능에 악영향을 미칠 수 있기 때문에, 본 발명은 유량계(100) 내에 피막(310)의 존재를 확인하기 위한 대안적인 방법들을 제공한다. 더욱이, 종래 기술 방법들은 단지 작동 부분, 즉 유동관(101, 102)의 진동 섹션에서 피막(310)을 검출하는데 제한되는 반면, 본 발명은 매니폴드(104, 105)를 포함하여, 유량계(100)의 모든 섹션들에서 피막(310)을 검출할 수 있다. 그러나, 본 발명은 피막의 검출에 제한되지 않고, 오히려 본 발명이 유량계 파라미터에서 이상을 검출하기 위한 대안적인 방법들을 제공한다는 것이 이해되어야 한다. 유량계 파라미터는 유량계에서 획득된 임의의 측정치일 수 있다. 일부 실시예들에서 유량계 파라미터의 이상이 피막(310)으로 인해 야기된다. 그러나, 유량계의 플러깅, 일정하지 않은 온도, 일정하지 않은 프로세스 유체 혼합물들, 유량계에 형성된 버블들, 등과 같은 다른 것들이 또한 유량계 측정에서 이상을 야기할 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 의하면, 하기에 제공된 방법은 유량계 파라미터에서 이상을 검출하고, 이는 추가적인 조사가 요구되는 진단을 제공한다.
유량계 파라미터에 이상은 아래에서 설명하는 방법 중 하나에 따라 검출될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 유량계 파라미터에서 이상은 압력 센서(230)에서 획득된 차압 측정에서 직접 검출된다. 제조소에서, 또는 대안적으로, 유량계(100)에 어떠한 피막(310)도 없는 때 현장에서, 예를 들어, 알려진 고정된 유체 점성(fixed fluid viscosity)에 대해 유량계(100)의 일부에 걸쳐 차압 대 질량 유량의 플롯을 준비할 수 있다. 이러한 플롯에 기초하여, 예상된 차압이 주어진 유량에 대해 결정될 수 있다. 실제 차압은 이후 압력 센서(230)를 사용하여 지속적으로 모니터링될 수 있고 측정된 유량에 대한 예상된 차압과 비교된다. 실제 차압이 예상된 차압의 임계 한도 내에 있다면, 유량계 전자회로(20)는 파라미터에서 어떠한 이상도 검출되지 않는다는, 또는 대안적으로 유량계 파라미터에서 이상이 거의 검출되지 않았다는 신호를 보낼 수 있다. 반면에, 측정된 차압이 임계 한도의 밖에 있으면 유량계 전자회로(20)는 추가적인 조사를 위해 측정을 신호한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 임계 한도는 미리 결정된 값을 포함한다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 임계 한도는 사용자 또는 작동자에 의해 설정된다.
이러한 접근은 만족스러운 결과를 제공하지만, 이러한 직접 비교 접근법을 사용하는 다수의 제한들이 있다. 첫째, 사용자가 프로세스 유체의 점성을 알고 있어야한다. 또한, 점성이 실질적으로 일정해야만 한다. 이것은 실제 차압과 함께 이전의 측정에서 얻은 예상된 차압이 프로세스 유체의 점성에 의존하기 때문이다. 이러한 제한 때문에 차압의 변화가 피막을 제외한 조건에 중요할 수 있고, 이에 의해 허위 피막 지시를 줄 수 있다.
유량계 파라미터에서 이상을 감지하는 다른 방법은 유량계(100)를 오리피스 미터로 특징화하는 것이다. 오리피스 미터들이 일반적으로 알려져 있고 차압에 기초하여 유체 흐름을 측정하는데 사용된다. 이들은 매우 적은 공간을 차지하기 때문에 차압에 기초하여 유량을 측정하는 다른 유량계들에 대해 특정 장점들을 갖는다. 오리피스 미터는 파이프에 구멍을 갖는 플레이트를 제공하여 작동하고, 여기서 구멍은 파이프 직경보다 더 작다. 유체 유동에 제공되는 횡단면적의 이러한 감소는 압력 수두를 희생하여 속력 수두를 증가시킨다. 이러한 차압은 플레이트 전후에서 압력 탭들에 의해 측정될 수 있다. 측정된 차압 사용하여, 유체 속도는 예를 들어, 다음과 같은 방정식을 기초로 계산될 수 있다 :
Figure 112012065288017-pat00002
(1)
여기서 :
V0 = 오리피스를 통한 속도
β= 오리피스 직경 대 파이프 직경의 비
ΔP = 오리피스에 걸친 차동
ρ = 유체 밀도
C0 = 오리피스 계수
다른 방정식들이 오리피스 미터를 사용하여 유체 유량을 계산하도록 알려져 있고 방정식(1)은 단지 예시이며 이것이 본 발명의 범주를 제한하지 않는다는 것이 이해되어야 한다. 일반적으로, 모든 미지수들은 오리피스 계수, C0를 제외하고 측정될 수 있거나 알려져 있고, C0는 전형적으로 실험적으로 결정되고 유량계마다 다르다. 그것은 전형적으로 β 및 레이놀즈 수 모두에 의존하고 레이놀즈 수는 무차원수이고 다음과 같이 정의된다 :
Figure 112012065288017-pat00003
(2)
여기서 :
D = 직경
V = 평균 액체 속도
μ = 유체 점성
ρ = 유체 밀도
υ = 유체 운동학 점성
많은 오리피스 미터들에 대해, 오리피스 계수, C0는 거의 일정하고 약 30,000보다 큰 레이놀즈 수에 대해 독립적이다. 오리피스 미터와 마찬가지로, 유량계(100)압력에서 측정 가능한 강하를 경험하고 도 4에 도시된 바와 같이 오리피스 미터로서 조사될 수 있다.
도 4는 파이프라인(401) 내에 위치되고 유량계 전자회로(20)에 연결된 유량계(100)를 도시한다. 도 4에서, 유량계(100)의 내부 구조는 도시되지 않으나, 오히려 유량계(100)가 간단한 블록도로서 도시된다. 실험 테스트 동안, 유량계(100)는 오리피스 미터로 특징화될 수 있다. 즉, 압력 센서(430)는 압력 탭들(431, 432)을 각각 사용하여 유량계(100)의 유입구(410)와 유출구(411) 사이의 차압을 측정할 수 있다. 측정 및 유량을 결정하는 유량계(100)에 의해 알려지거나 쉽게 얻을 수 있는 방정식 (1)의 변수들에 의해, 유량계 계수는 실험적으로 결정될 수 있다. 유량계 계수는 오리피스 계수와 유사하다. 일단 유량계 계수가 알려지면, 유량이 오리피스 미터를 사용하여 결정되는 동일한 원리를 기초로 하여 유량계(100)에 걸친 차압에 기초하여 계산될 수 있다.
정상 작동하는 동안, 유량계(100)에 의해 측정된 유량이 방정식 (1) 또는 오리피스 미터에 기초하여 유량을 계산하기 위해 사용된 유사한 방정식에 의해 습득된 예상 유량과 비교될 수 있다. 예상 유량이 유량계(100)로부터 얻어진 유량으로부터 임계 차이의 밖에 있으면, 유량계 전자회로(20)가 유량계 파라미터에서 이상을 신호할 수 있다. 이상은 유량계(100) 내에 피막(310)의 존재에 의해 야기될수 있다. 그러나, 이상은 피막(310) 이외에 어떤 것에 의해 야기될 수 있다. 반면에 오리피스로서 유량계를 특징화하여 얻어진 예상 유량이 유량계(100)에 의해 얻어진 측정 유량의 임계 차이 내에 있으면, 유량계 전자회로(20)는 유량계 파라미터에서 어떠한 이상도 없음 또는 거의 없음을 신호할 수 있다. 임계 차이는 미리 결정되거나 특정 환경에 기초하여 작동자에 의해 결정될수 있다는 것이 이해되어야 한다.
이전에 언급된 접근법보다 더 폭 넓은 적용성 및 더 높은 정확성을 제공하는 유량계 파라미터에서 이상의 존재를 검출하기 위한 다른 방법은 패닝 마찰 계수(f)와 같은 마찰 계수를 사용하는 것이다. 다른 마찰 계수들은 약 4f인 다르시 바이스바하 마찰 계수(Darcy Weissbach friction factor)로서 본 발명이 속한 기술 분야에서 일반적으로 알려져 있다. 임의의 적용가능한 방정식들이 사용된 마찰계수에 따라 조절될 수 있기 때문에 사용된 특정 마찰 계수는 본 발명을 위해 중요하지 않다는 것이 이해해야 한다.
파이프를 통한 압력 강하가 마찰계수 f를 사용하여 정량되어 조절될 수 있다는 것이 본 발명이 속한 기술 분야에서 일반적으로 알려져 있다. 첫째, 원형 파이프를 통해 유동하는 프로세스 유체를 특징화하는 방법을 이해하는 것이 중요하다. 이러한 실시예를 위해, 유량계(100)는 알려진 내부 직경 및 길이를 갖는 원형 파이프로 나타낼 수 있다. 파이프를 통해 유체 유동을 특성화하는데 있어 하나의 중요한 숫자는 방정식 (2)에서 전술된 레이놀즈 수(Reynold's number)의 사용이다. 관 직경, D는 용이하게 결정될 수 있고 제조소에서 일반적으로 알려져 있다는 것이 주목되어져야 한다. 코리올리 유량계 비롯한 많은 유량계들은 유체 밀도와 질량 유량과 같은 유체 양태들을 측정할 수 있다. 이러한 2가지 수량으로부터, 평균 액체 속도가 계산될 수 있다. 유체 점성은 또한 알려진, 계산된, 또는 측정된 값을 기초로 결정될 수 있다.
시스템의 마찰 계수는 밀도와 속도 수두
Figure 112012065288017-pat00004
의 곱으로 벽면제품 벽면 전단 응력의 비율로서 정의된다. 비압축성 유체 유동 시스템은 레이놀즈 수, Re.에 의해 마찰 계수(f)를 특성화하는 것이 종종 유용하다. 정확한 방정식은 유체 및 유체가 유동하는 파이프 모두의 특정 특성에 따라 다르다. 다음 방정식은 단지 예시들이고 다른 유사한 방정식들이 본 발명이 속한 기술 분야에서 일반적으로 알려져 있다는 것을 이해해야 한다. 따라서, 하기에 아웃라인된 방정식은 본 발명의 범위를 제한하지 않는다. 매끄러운 파이프(smooth pipe)를 통한 층류(laminar flow)에 대해 마찰 계수(f)는 다음으로 나타낼 수 있다 :
Figure 112012065288017-pat00005
(3)
대조적으로, 매끄러운 파이프를 통한 난류(turbulent flow)에 대해 마찰 계수(f)는 다음으로 나타낼 수 있다 :
Figure 112012065288017-pat00006
(4)
방정식(4)는 10^4<Re<10^6에 대한 합리적인 정확도로 사용할 수 있다.다른 방정식도 마찰계수를 다음과 같은 레이놀즈 수로 상호 연관되어지는 것에 대해 알려져 있다 :
Figure 112012065288017-pat00007
(5)
Figure 112012065288017-pat00008
(6)
방정식(5)는 일반적으로 50,000<Re<106에 대해 일반적으로 적용될 수 있고 방정식(6)은 일반적으로 3,000<Re<3xl06에 대해 적용될 수 있다. 방정식 1 및 방정식 3 내지 6 중 임의의 것에 기초하여 , 시스템의 마찰 계수는 유일한 미지수가 점성이 되게 결정될 수 있다. 유량에 따라, 점성에서 변화들은 중요하지 않을 수 있다. 대안적으로, 사용자는 또는 사용자가 공칭 점성(nominal viscosity)을 입력할 수 있다.
마찰 계수(f)가 다음과 같은 시스템을 통한 압력 강하 ΔP에 의해 나타내질 수 있다는 것이 본 발명이 속한 기술분야에서 또한 일반적으로 알려져 있다 :
Figure 112012065288017-pat00009
(7)
여기서 :
ΔP = 차압
L = 압력 탭들 사이의 관의 길이
f = 마찰 계수
Figure 112012065288017-pat00010
= 평균 유체 속도
ρ= 유체 밀도
D = 관 직경
차압은 센서 압력(230)에 의해 얻을 수 있고; 압력 탭들(231, 232) 사이의 유량계(100)의 길이는 용이하게 측정될 수 있고; 관 직경은 또한 용이하게 측정될 수 있고; 유체 밀도는 유량계(100)로부터 얻어질 수 있으며, 평균 속력은 질량 유량 및 유량계(100)로부터 측정된 밀도를 기초로 얻을 수 있다. 따라서 방정식 (7)의 우측 항의 모든 변수들은 찾을 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 진단은 차압을 기초로 계산된 마찰 계수(fc)를 예상 마찰 계수(fe)에 비교하여 유량계 파라미터에서 이상의 존재를 기초로 생성된다. 예상 마찰 계수 fe는 다른 다수의 방법으로 구할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따라, 예상 마찰 계수 fe는 피막이 거의 또는 전혀 없는 것으로 알려진 때, 현장에서 또는 제조소에서 계산될 수 있다. 예상 마찰 계수(fe)는 다양한 유량 측정치에 기초하여 얻을 수 있고 따라서 마찰 계수 대 유량의 곡선이 준비될 수 있다. 예상 마찰 계수(fe)는 사전에 준비되어 유량계 전자회로(20)에 저장될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 예상 마찰 계수(fe)는 정상 작동 중에 얻은 레이놀즈 수와 상관 관계를 기초로 계산될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 정상적인 작동 중에, 압력 센서(230)는 유량계(100)의 차압 측정치를 얻을 수 있다. 또한, 유량계(100)는 유량 측정치을 얻을 수 있다. 차압 측정과 함께 유량 측정으로부터, 계산된 마찰 계수(fc)는 방정식 (7)에서 계산될 수 있다. 이러한 계산된 마찰 계수(fc)는 예상 마찰 계수(fe)와 비교될 수 있다. 2 개의 마찰 계수들에서 변형들은 유량계 파라미터에서 이상을 표시한다. 일 실시예에 따르면, 이상은 유량계(100)에서 피막(310)에 의해 야기될 수 있다. 그러나, 다른 실시예들에서, 플러깅, 일정치 않은 프로세스 유체 혼합물, 프로세스 유체에서 버블들, 등과 같은, 다른 상황에 의해 이상이 야기될 수 있다. 계산된 마찰 계수(fc)가 예상 마찰 계수(fe)의 임계 한도 내에 있으면, 유량계 전자회로(20)는 이상이 유량계 파라미터에 전혀 또는 거의 없다고 어느 한쪽으로 결정할 수 있다. 반면에, 계산된 마찰 계수(fc)가 예상 마찰 계수(fe)의 임계 한도 아래로 떨어지면, 유량계 전자회로(20)는 이상이 유량계 파라미터 내에 존재할 수 있다는 경고를 보낼 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 임계 한도는 특정 유량계 또는 유동 특성에 따라 미리 정해질 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 임계 한도는 사용자 또는 작동자가 현장에서 확인할 수 있다.
피막(230)의 정확한 예측을 제공하는 것에 덧붙여, 다른 것들 사이에서, 이러한 방법은 또한 정확하게 알려진 유체 점성이 없는 상태에서 유량계 파라미터의 이상을 결정할 수 있다. 유체의 유량에 따라, 점성에서 작은 변화가 레이놀즈의 수에서 실질적으로 변화를 가져올 수 없다. 따라서, 평균 점성은 점성을 측정할 추가적인 필요없이, 사용자에 의해 입력될 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 유량계 파라미터에서 이상은 온도 측정치를 사용하여 검출될 수 있다. 프로세스 유체가 유량계(100)를 통해 유동함에 따라, 유입구 온도 및 유출구 온도는 상대적으로 서로 가깝게 남는다. 마찬가지로, 유동관(101)과 유동관(102)은 실질적으로 동일한 온도에서 유지된다. 본 발명의 실시예에 따르면, 유량계(100)는 RTDs(240)와 같은 두 개 이상의 온도 센서들을 포함한다. 도 2가 단지 6개의 RTDs를 도시한다 할지라도, 다른 실시예에서, 유량계(100)가 6개의 RTD 센서들(240)보다 더 많거나 적게 포함할 수 있다는 것을 이해해야 한다. RTD 센서들(240)은 유동관(101, 102)의 온도를 모니터링할 수 있다. 피막(310)은 예를 들어, 유동관들(101, 102)을 통해 유체 유동을 방해할 수 있다. 따라서, 피막(310)은 또한 주어진 유동관(101 또는 102 중 한쪽)의 유입구에서 유출구로 온도 구배(temperature gradient)에서 비정상적인 변화들을 야기할 수 있다. 덧붙여, 피막(310)은 유동관(101)에서 유동관(102)으로 온도 구배를 야기할 수 있다. 유체가 실제로 유량계(100)를 통해 경로 이동하는 것이 거의 또는 전혀 없기 때문에 플러깅(Plugging)은 또한 온도 구배에 영향을 미칠 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 의하면, 유량계 파라미터에서 이상은 온도 구배를 기초로 검출될 수 있다. 보다 구체적으로, 본 발명의 실시예에 따르면, 이상은 RTD 센서와 같은 하나 이상의 온도 센서로부터 얻은 온도 구배에서 변화를 추적하는 것에 의해 결정된다. 일 실시예에 따르면, 온도 구배는 유량계(100)의 유입구로부터 유량계(100)의 유출구까지 측정된다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 온도 구배는 유량계(100)의 하나의 유동관(101)에서 유량계(100)의 다른 유동관(102)까지 측정된다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 온도 구배가 온도 구배 임계 값을 초과하면 피막(310)이 검출될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 온도 구배 임계치가 미리 결정된 값을 포함한다. 다른 실시예에 따르면, 온도 구배 임계치는 사용자 또는 작동자에 의해 결정된다.
일부 실시예들에서, 유량계(100)는 이상의 부재에도 온도 구배를 포함할 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따르면, 이상이 이미 기존의 온도 구배의 변화에 기초하여 검출될 수 있다.
위의 설명은 유량계(100)의 유량계 파라미터에서 이상을 감지하기 위한 여러 가지 방법들을 제공한다. 본 발명의 실시예에 따르면, 유량계 파라미터의 이상이 피막을 표시할 수 있는 진단을 생성하는데 사용될 수 있다. 상기 방법들 중 각각은 다른 장점을 포함하고 활용될 특정 방법은 기존의 환경이나 이용할 수 있는 장비에 의존할 수 있다. 방법들 중 일부는 유량 측정에서의 이상이 없는 상태에서 파라미터의 이상을 검출하는 것을 허용한다. 또한, 하나 이상의 방법 또는 위에서 설명한 모든 방법들은 단일 유량계 시스템으로 통합될 수 있다. 따라서 유량계 전자회로(20)는 하나의 방법을 사용하여 얻어진 이상의 검출과 다른 방법으로부터 얻어진 결과를 비교할 수 있다.
위의 실시예들의 자세한 설명은 본 발명의 범위 내에서 발명자에 의해 의도될 수 있는 모든 실시예들의 완전한 설명은 아니다. 사실, 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 위에서 설명한 실시예들의 특정 요소가 다양하게 결합되거나 추가적인 실시예를 만들 수 있고, 이러한 추가적인 실시예들이 본 발명의 범주 및 교시 내에 있다는 사실을 인식할 것이다. 위에서 설명한 실시예들이 전체 또는 부분적으로 결합되어 본 발명의 범주 및 교시들 내에 추가적인 실시예들을 만들 수 있다는 것이 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 또한 명백할 것이다.
따라서, 본 발명의 특정 실시예들, 및 예시들은 여기에 도시적 목적으로 기술된다 할지라도, 다양한 균등 변형예들이 본 발명의 범주 내에서 가능하다는 것을 관련 기술 분야에서 통상의 지식을 가진자가 인식할 수 있다. 여기에 제공된 교시들은 다른 유량계에 적용되고, 또한 위에 기술되고 첨부된 도면들에 도시된 실시예들에 적용될 수 있다. 따라서, 발명의 범위는 다음과 같은 청구범위에서 결정하여야 한다.

Claims (8)

  1. 유량계 파라미터에서의 이상을 검출하기 위한 방법으로서,
    유량계의 적어도 일부에 걸쳐 차압을 측정하는 단계;
    측정된 유량과 상기 측정 차압에 기초하여 마찰 계수를 계산하는 단계; 및
    상기 계산된 마찰 계수를 상기 측정된 유량에 기초한 예상 마찰 계수와 비교하고 상기 계산된 마찰 계수와 상기 예상 마찰 계수의 차이가 임계 한도(threshold limit)를 초과하면 상기 유량계 파라미터에서의 이상을 검출하는 단계를 포함하는
    유량계 파라미터에서의 이상을 검출하기 위한 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 마찰 계수를 계산하는 단계가 방정식
    Figure 112013027521487-pat00011
    을 사용하는 것을 포함하는
    유량계 파라미터에서의 이상을 검출하기 위한 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 예상 마찰 계수가 상기 측정된 유량보다 이전에 측정된 이전 유량 측정치로부터 얻어지는
    유량계 파라미터에서의 이상을 검출하기 위한 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 차압이 상기 전체 유량계에 걸쳐 측정되는
    유량계 파라미터에서의 이상을 검출하기 위한 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 예상 마찰 계수가 상기 측정된 유량에 대한 레이놀즈 수에 기초하여 계산되는
    유량계 파라미터에서의 이상을 검출하기 위한 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 예상 마찰 계수를 유량계 전자회로에 저장하는 단계를 더 포함하는
    유량계 파라미터에서의 이상을 검출하기 위한 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 유량계가 코리올리 유량계를 포함하는
    유량계 파라미터에서의 이상을 검출하기 위한 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 유량계 파라미터에서의 이상이 상기 유량계에서 피막의 존재를 지시하는
    유량계 파라미터에서의 이상을 검출하기 위한 방법.
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