KR101305408B1 - 유체 밀도 측정 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

관형 도파관 내에 적절하게 디자인된 방해물들에 의해서 에코되는 전자기의 속력을 정확하게 측정하기 위한 방법 및 수단이 제공된다. 본 발명의 가장 주요한 목적은 용기 내에 저장된 액체의 밀도를 측정하는 것이다. 상기 용기는 해양선에 적재된 액화 가스에 대한 화물 탱크일 수 있다. 그러나 용기의 유형 및 액체의 종류는 본 발명에 따른 아이디어에 있어서 본질적인 문제는 아니다.

Description

유체 밀도 측정 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR MEASURING DENSITY OF A FLUID}
도입( Introduction )
본 발명은 액체 밀도 측정에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 관형 도파관 내 적절하게 디자인된 방해물들에 의해서 에코되는 전자기 신호의 속력을 정확하게 측정하기 위한 방법 및 수단이 기술된다. 이것의 목적은 용기(container) 내에 저장된 액체의 밀도를 도출(derive)하는 것이다. 상기 용기는 해양선(marine vessel)에 적재된 액화 가스(liquefied gas)에 사용되는 화물 탱크(cargo tank)일 수 있다. 그러나 액체의 종류 또는 용기의 유형은 본 발명에 있어서 본질적인 문제는 아니다.
전자파, 예를 들어 마이크로파는 액체 저장 용기 내 정확한 레벨 측정(level gauging)을 위해 수년간 채택되어 왔다. 액체 표면에 의해서 에코되는 전자기 신호의 진행 시간을 측정하기 위해 용기의 최상부 상에 레벨 게이지 장치가 설치된다. 상기 진행 시간은 전자파의 진행 속도에 의해 곱해짐으로써 거리로 변환되고, 상기 거리는 탱크 높이로부터 차감되어서 레벨 판독치가 얻어진다. 자유 공간 신호 전달(free space signal transmission)(다시 말해서, 레이더) 및 가이드된 파 진행(예를 들어 금속 파이프)는 용기 내에 저장된 액체의 레벨 측정을 위해 적용가능하다.
일반적으로 인지되는 바와 같이, 진행 시간은 큰 신호 대역폭을 이용하는 것에 의해서 상당히(fairly) 정확하게 측정될 수 있고 이것은 차례로 정확한 레벨 판독이 전자파의 진행 속도를 정확하게 아는 것에 의존함을 의미한다. 전자파의 진행 속도는 많은 경우들에 있어서 일반적인 대기(normal atmosphere)에서의 빛의 속도와 매우 유사하나 가스 상태 및 증기 조성이 속도에 영향을 미칠 수 있다. 그런데 관형 도파관에 있어서 한정된 횡단면 치수는 진행 속도(다시 말해서 정보 속도)를 지연시키고(impede) 따라서 정확한 레벨 판독을 얻기 위해서는 이것이 고려되어야 한다.
레이더 유형 레벨 게이지 장치는 용기 내에 저장된 액체의 표면에서 생성된 에코를 이용한다. 그런데 또한 액체 저장 용기 아래로의(down) 경로 중에(on way) 전자기 신호가 마주치게 되는 방해물이 또한 레벨 게이지 장치에 의한 에코들처럼(as) 탐지될 후방산란을 생성할 것이다. 이러한 두 유형의 에코들에 대한 진행 시간은 레벨 게이지 장치에 의해서 정확하게 측정될 수 있다. 이제 참조되는(referenced) 방해물이 레벨 게이지 장치로부터 알려진(정적인) 거리를 두고 위치된다면, 상기 에코와 결부되는 에코 진행 시간은 탐지된 에코 신호의 진행 속도의 검증을 거친(qualified) 간접적인 측정치가 된다. 이러한 속력의 간접적인 측정치는 차례로 레벨 게이지 장치로 하여금 액체에 의해 생성된 에코와 결부된 범위의 신뢰성 있고 정확한 측정치를 생성할 수 있도록 하고 이것은 후속적으로 상기 레벨 게이지 장치로 하여금 용기 내 액체 레벨에 대한 정확하고 신뢰성 있는 판독치를 제공하도록 한다. 이러한 계획(scheme)으로부터 명백한 바와 같이, 저장 용기의 아래로 알려진 간격들을 두고 분포된 일 범위의 정적한 방해물들에 의해 생성된 에코들을 레벨 게이지 장치로 하여금 모니터링하도록 함으로써, 상기 용기의 아래에서 진행 속도의 변화들까지도 측정할 수 있고 이로써 상기 장치로 하여금 훨씬 더 정확하고 신뢰성 있는 액체 레벨에 대한 판독을 생성할 수 있도록 할 수 있다.
특정한 타겟(예를 들어 액체 표면 또는 방해물)로부터 에코를 생성하기 위해 전자파를 채택하는 기술 분야의 통상의 기술자에게 일반적으로 인지되는 바와 같이, 에코들의 정확하고 신뢰성 있는 진행 시간 측정치를 생성하기 위해서는 타겟의 특정한(certain) 품질 피처들(quality features)이 충족되어야만 한다. 이러한 품질 피처들 중의 하나는 타켓의 반사율이고 이것은 레벨 게이지 장치에 의해서 탐지될 타겟에 의해 반사된 에너지의 양을 밝힌다. 다른 중요한 품질 피처는 진행 시간의 관점에서 특유한 에코를 생성할 수 있는 타겟의 능력이다. 예를 들면, 전자기 신호의 진행 경로(propagation pathway)를 따라 짧은 유한한(finite) 거리에 걸쳐서 분포되는 에코들을 생성하는 타겟은, 레벨 게이지 장치의 에코 진행 시간 측정이 타겟에 의해서 생성되는 에코들의 분포에 의해서 한정되는 유한한 정확도를 가지도록 할 것이다. 잔잔한(calm) 액체 표면은 진행 시간이 명백한 에코를 생성할 타겟의 예시로서 역할을 할 수 있고 물결치는(wavy) 액체 표면은 진행 시간에 있어서 특정한 불명료를 포함하는 에코를 생성할 타겟을 예시할 수 있다.
이러한 이유로 명백한 것과 같이, 전자기 신호의 진행 속력을 레벨 게이지 장치가 모니터링할 수 있도록 방해물들을 도입하는 것에 의해서, 상기 방해물들이 액체 자체에 의해서 요구되는 것과 동일한 품질의 에코들을 생성한다면 정확한 레벨 측정이 성취될 수 있다. 이러한 관찰은 반사율 및 진행 시간 불명료에도 적용된다. 결론적으로(in conclusive terms) 이것은 한편으로 현재 논의되고 있는 유형의 레벨 게이지에 의해서 얻어지는 레인징 정확도(ranging accuracy)가 상당히(fairly) 잔잔한 액체 표면에 의존한다는 것과, 그리고 다른 한편으로 속도 측정을 허용하기 위해 도입된 방해물들이 특유하고(distinct) 명백한 에코들을 생성해야 한다는 것을 의미한다.
관형 파이프(도파관) 내 전자파 진행 분야의 통상의 기술자에게, 일 범위의 상이한 및 고유한 진행 모드들에 의해서 파 진행이 보조될 수 있음은 매우 잘 알려져 있다. 각각의 특정한 모드는 전기장 및 자기장의 관점에서 특정한 모드 패턴을 특징으로 하며 이것은 온전히 파이프 횡단면의 형태에 의해서 정의된다. 추가적으로, 각각의 모드는 상기 모드에서 수송되는 전자기 에너지로 하여금 특정한 속력으로 진행하는 것을 허용하고 이것은 전자파의 주파수에 매우 가깝게 연계된다(link). 본 발명이 속한 기술 분야의 통상의 기술자에게 일반적으로 인지되는 바와 같이, 각각의 모드는 특정한 모드가 진행하는 것을 허용하기 위해 파 주파수가 특정한 하한(lower limit)(차단 주파수)를 초과할 것을 요구하고 그리고 이러한 하한은 파이프의 횡단면 치수에 반비례한다. 예시로서, 1 인치 원형 파이프는 단지 하나의 모드로 하여금 전자파가 10 GHz의 동작 주파수(operating frequency)로 진행하는 것을 보조하도록 할 것이고, 8 인치 원형 파이프는 일부의 115개의 특정한 모드들로 하여금 전자기 에너지가 파이프 내에서 동일한 동작 주파수로 방해받지 않고 진행하는 것을 보조할 것이다. 그러나, 앞서 참조된 바와 같이, 각각의 모드는 일반적으로 다른 모드들과 상이한 고유의 진행 속력을 가지고 이것은 전자기 신호에 의해 수송되는 에너지(다시 말해서 정보)가 수 개의 상이한 모드들의 도움으로 파이프들을 통해 전달될 때 시간적으로 분산될 것임을 의미하고 이것은 차례로 레벨 측정 어플리케이션에 있어서 진행 시간 관점에서 전자파 신호를 불명료하게 만들 것이다. 이러한 관찰은 전자기 신호 진행의 도움에 의한 레벨 측정에 대하여 채택되는 파이프에 관한 두 가지 옵션들 중 하나를 요구한다. 가장 자명한 선택은 단지 하나의 모드로 하여금 진행하는 허용하도록 상대적으로 좁은 파이프인 것으로 보일 수 있다. 이러한 옵션은 진행 시간의 관점에서 불명료를 제거하고 또한 모든 에너지가 명백한 속도로 진행할 것이다. 다른 한편으로, 비록 더 큰 파이프 횡단면이 신호 진행에 대한 차단 주파수의 감소를 허용하지만, 이것은 또한 적용된 모드가 일반적으로 모드 진행 속도에 영향을 미치는, 일시적이거나 영구적인 횡단면 및 파이프 변화에 상당히 덜 민감하게 만들 수 있다. 이러한 옵션은 가능한 낮은 속도 불명료를 가지고 에너지가 진행할 수 있도록 하기 위해서 합리적으로 순수한 진행 모드를 야기하고 유지하기 위한 방법 및 수단을 요구한다. 그런데 두 옵션들 모두 동일한 기본적인 물리 법칙에 의해서 지배되고 두 옵션들 중 하나를 레벨 측정에 대하여 부적합하다고 고려할 이론적이거나 실제적인 근거는 없다.
명확한 이유로, 관형 파이프는 용기 내 액체 레벨이 변화할 때 액체가 파이프 내에서 방해받지 않고 상승하고 하강할 수 있도록 통기성이어야 한다. 따라서 파이프 자체에 일정한 간격마다 주의 깊게 디자인된 환기(venting) 슬릿 또는 홀을 구비하도록 구멍이 뚫려 있어야 하고 이들은 파이프 내에서 진행하는 전자파가 영향 받지 않는 방식으로 파이프를 따라서 정렬되어야 한다. 오정렬은 신호로 하여금 파이프 밖으로 발산(radiate)되게 할 것이고 이것은 신호 에너지의 순 손실을 의미한다. 오정렬은 또한 신호 에너지의 작은 양이 레벨 게이지로 되돌려지도록 할 것이고 이로써 원치 않는 에코들을 생성할 것이다. 그러나, 오정렬에 의해서 부과되는 가장 중요한 효과는 레벨 게이지에 의해서 생성된 전자파의 에너지 자체를 다른 유형의 진행 모드들로 변환시키는 슬릿 및 홀의 능력이다. 관형 파이프 내 전자파 진행 분야의 통상의 기술자에게 용이하게 인지되는 바와 같이, 심한(severe) 모드 변환은 액체의 정확한 레벨 측정 수행에 있어서 레이더 레벨 게이지를 무용하게 만들 수 있다. 그래서 결론적으로 환기 슬릿들 및 홀들의 오정렬은 매우 중요한 이슈이다. 그런데 전형적으로 일반적으로 말해서, 모든 변환은 파이프 내 임의의 유형의 결함(imperfection)에 의해서 용이하게 촉진될 수 있고 이것은 차례로 레벨 게이지 장치로 하여금 전자파의 진행 속도를 측정하는 것을 허용하기 위한, 관형 도파관 내에 설치되거나 새겨진 방해 수단에 관한 디자인 자유를 제한한다.
전술한 이유 및 관찰로부터, 액체가 파이프 내에서 방해받지 아니하면서 상승 및 하강할 수 있도록 파이프 내 임의의 방해물이 디자인되어야 하고 그리고 역할 시(in play) 모드 변환이 에코 신호들의 품질을 저하시키지 아니하여야 한다는 것이 뒤따른다.
콩스버그 마리타임 에이에스(Kongsberg Maritime AS)는 10년이 넘는 기간 동안 전술한 배경기술에서 요약한 개념적인 아이디어에 기초하여 특히 액화 가스 제품을 수송하는 해양선에 적재된 레벨 게이지 장치, AutroCAL®를 제조하고 마케팅하고 판매하고 설치 및 서비스 해왔으며 그리고 수 년 동안 액화 가스 제품의 특정한 특성들에 관하여 상당한 경험을 쌓아왔다. 최근에 이러한 특성들 중 하나가 다시 말해서 액체 내 레이더 신호의 진행 속도가 액체 밀도를 측정하기 위한 실제적인 해결책을 제공할 수 있는 잠재력을 가지고 있다는 것이 분명해졌다. 해당 시장에서 수집된 정보(intelligence)에 의하면 명백히도, 온보드 해양선에 저장된 LNG(liquefied natural gas)의 밀도에 관한 신뢰성 있는 정보는 이러한 선박의 작동에 대한 매우 유용한 입력이다. 상기 액체의 밀도를 연산하기 위해 액체 내에 전자기 신호의 정보 속도를 채택한다는 개념적인 아이디어는 신규한 것으로 간주된다.
본 발명을 보다 용이하게 이해할 수 있도록, 이하의 상세한 설명이 첨부된 도면을 참조할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 방해 수단을 구비한 액체 저장 용기를 나타낸다.
도 2는 상기 방해 수단을 실현하는 일 방식의 예시를 나타낸다.
도 3은 실제적인 에코 다이어그램을 나타낸다.
이하 예시적인 일 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 기술함으로써 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 액체 저장 용기(1)를 나타낸다. 용기의 최상부(top)로부터 아래로 바닥에까지 수직 연장된 관형 파이프(tubular pipe)(2)가 설치된다. 상기 파이프는 전체 길이에 걸쳐서 균일한 횡단면 형태를 가지는 것으로 여겨지지만, 상기 형태의 점진적인(gradual) 및 매끄러운(smooth) 변화(change)가 파이프의 일반적인 적용성(general applicability)에 관한 작은 제한(minor limitation)을 만들 수도 있다. 상기 파이프의 최상부 상에 설치된 레벨 게이지 장치(level gauge instrument)(3)는 전자파 신호를 생성하고 파이프 내로 내보내도록 하는 방식으로 작동되며, 동시에 상기 파이프 내에 생성된 전자기 신호의 에코(echoes)를 수집하고 탐지한다. 파이프 내에는 수 개의(several) 방해 수단(obstructive means)(4)이 설치되는데, 이들은 통상 마커(markers)(4)로서도 지칭되고 그들 중 몇몇은(some) 저장 용기의 전형적인 작동 하에서 액체(5)에 잠기고 몇몇은 액체 위에서 증기 분위기(vapor atmosphere) 내에 노출된다. 각각의 마커(4)는 레벨 게이지 기준 높이(7)로부터 측정할 때 파이프를 따라서 일정한 및 알려진 위치들에 설치된다.
일반적으로, 액체 및 그 위의 증기는 동일한 온도로 유지되지 아니하고 심지어 이들 온도들은 전형적인 실온과 매우 상이할 수 있다. 이러한 관찰(observation)로부터 명확하게도, 파이프에 대한 열 효과는 레벨 게이지 기준 높이(7)로터 각각의 마커(4)까지 측정된 길이를 바꿀 수 있고 따라서 레벨 게이지 장치로 하여금 가장 신뢰성 있고 정확한 레벨 판독(reading)을 할 수 있도록 하기 위해서는 보정되어야만 한다. 그러나 이러한 길이의 열적 보정은 본 발명의 일부로서 고려되지 아니하며 따라서 이하의 상세한 설명에서는 기술하지 아니한다.
전형적으로, 전자파에 의해서 수송되는(carried) 에너지의 작은 부분만이 액체 표면(8)으로부터 탐지가능한 에코를 생성하도록 되돌려질(cast back) 것이고 이것은 에너지의 대부분이 표면(8)을 관통할 것이고 액체(5) 내로 진행할 것임을 의미한다. 마커(4)는 입사 전자파에서 의해서 수송될 때 에너지의 유사한 작은 부분(similar fractional part)을 되돌릴 것이고 이로써 전자파에 의해서 수송되는 에너지의 대부분이 방해물(4)을 통과해 지나가고 파이프 아래로 더 진행하도록 한다. 따라서 레벨 게이지 장치(3)에 의해 탐지된 에코 신호는 액체 표면(8)으로부터의 하나에 추가하여, 액체 위로 노출된 것들과 액체 내로 잠긴 것들로부터 각각의 마커(4)에 관한 정보를 포함할 것이다.
방해물(4) 또는 액체 표면(8)에 의해서 파이프 아래에서 생성되고 윗 방향으로 진행하는 에코 신호는 추가적인 에코를 생성할 것이고 이들은 아래로 되돌려질 것이다. 이러한 아래로 지향되는 2차 에코 신호는 주된 아래로 향하는 신호에 더해지고 레벨 게이지 장치(3)에 의해서 탐지될 추가적인 지연 시간 에코(lag time echoes)를 생성할 것이다. 이러한 지연 시간 에코는 측정 계획(measurement scheme)에 의해서 불가피한 것이지만, 그들은 매우 작은 양의 에너지를 수송한다. 이러한 관찰은 파이프 내에 생성된 지연 시간 에코가 측정 계획의 부적합한 피처(feature)로서 무시될 수 있음을 시사한다(suggest). 레벨 측정 정확도를 얻기 위해 에코 신호에 대하여 정의된 신호 대 잡음비 요건(requirements)을 손상시키지(compromising) 아니하면서도, 마커(4)의 반사율(reflectivity)이 가능한 낮게 유지된기만 한다면, 이것은 옳은 결론이다.
레벨 게이지 장치(3)는 레벨 게이지에 의해서 기록되는(record) 것과 같이, 관형 파이프 내에 되돌려진 수 개의 에코의 진행 시간(TOF: time of flight)을 측정할 수 있다고 추정된다. 이러한 에코들 중 하나가 단순하게 증기-액체 계면(interface)에서 전자파가 경험하는 유전체 특성의 급작스런 변화에 기인하여, 관형 파이프 내에 한정된(confined) 액체의 표면(8)에서 생성된다. 파이프 내 균일하게 평평한(evenly leveled) 액체 표면에 기인하여, 이러한 에코는 진행 시간의 관점에서 매우 분명하고(distinct) 명백해질(unambiguous) 것이다. 액체 에코에 추가하여, 파이프 아래에서 일정한 위치들에 설치된 것과 같은 방해 수단(4)이 추가적인 에코를 생성할 것이다. 요구되는 정확성을 가지고 전자파의 진행 속도(진행 속도)를 레벨 게이지 장치가 측정할 수 있도록 하기 위해서, 마커(4)들에 의해서 되돌려진 각각의 에코는 액체 타겟과 유사한 에코 품질 기준(echo quality standard)을 충족해야 한다. 이러한 요건은 방해 수단(4)에 의해서 충족되어질 넷 이상의 품질 피처들(quality features)을 제기한다(address). 첫째, 마커(4)의 반사율은 레벨 게이지 장치에 의해서 특정되는(specified) 레인징 정확도(ranging accuracy)에 의해 정의되는 신호 대 잡음 한계(signal to noise limit)를 크게 넘어서는 에코를 생성하기에 충분해야 한다. 둘째, 방해물(4)에 의해 되돌려진 신호는 진행 시간의 관점에서 명백한 에코를 생성하여야 한다. 셋째, 방해 수단(4)은 파이프 내에서 에너지를 비-희망 모드로 변환해서는 아니된다. 그리고 넷째, 방해물(4)은 액체로 하여금 파이프 내에서 방해받지 않고(unimpeded) 상승하고 하강할 수 있도록 허용해야 한다.
모드 여기 수단(means for mode excitation)은 실제적인 방법들의 일 범위로서 본 발명의 범주에서 벗어나는 것으로 간주되고 기법들은 관련 교본들에서 용이하게 이용가능하다. 그런데 모드 순도(mode purity)를 유지(sustain)하는 것에 관한 양태(aspect)가 본 발명의 핵심적인 이슈로 간주된다. 전자파가 관형 파이프 내에서 진행할 때 모드 순도를 유지하기 위해서, 일 범위의 고려사항들(considerations)이 한 편으로 모드 패턴에 관하여 다른 한편으로 경계 조건 및 파이프 벽의 속성(nature)에 의해 부과되는 제한(constraints)에 관하여 다루어져야만 한다. 예를 들면, 모드 패턴은 주의 깊게 통기성(aerating) 슬릿 또는 홀에 적응(adapt)되어야 하고, 또한 파이프 벽들의 미끈한(slick) 증착물, 응축된 액체 또는 부식 산물(corrosive evolution)을 용이하게 다룰 수 있도록 선택되어야 한다. 그러나 여기서 가장 중요한 것은, 마커(4)가 모드 변환(mode conversion)이 발생하도록 하여서는 아니되고 모드 순도를 유지하여야(uphold) 한다는 것이다.
방해 수단(4)을 실현하기 위한 한 방식의 예시가 도 2에 스케치된다. 도 2a는 평면도(top view)를 나타내고 도 2b는 측면도를 나타낸다. 평면도에 도시된 바와 같이, 마커(4)는 이러한 디자인 스케치에 있어서 원형이고 이것은 원형 대칭 횡단면 형태를 가진 관형 파이프에서의 적용(application)을 시사한다. 그러나 이것은 단지 예시에 불과하며 본 발명의 적용성을 제한하지 아니한다. 본 발명이 속한 기술 분야의 통상의 기술자는 횡단면이 임의의 형태를 취할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그런데 도 2b에서의 측면도를 참조하면, 디자인 스케치는 마커(4)가 관형 파이프의 전체 횡단면에 걸쳐서 균일한 두께(11)를 가질 것임을 시사한다. 이러한 특성(property)은 실로 중요하지만, 대부분 전형적으로 더 큰 파이프 횡단면들에 적용된다. 도 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 방해 수단(4)은 홀들(9)을 구비하도록 구멍이 뚫려 있으며, 이러한 특정한 예시에서 원형 홀들이 6각형 패턴으로 분포되고, 이것은 증기 및 액체가 방해물(4)에 의해서 방해받지 않도록 한다. 한편으로 패턴은 그리고 다른 한편으로 마커(4)에 걸쳐서 뚫려 있는 홀들의 상대적인 크기 및 밀도는 관형 파이프를 관통해 진행하는 전자파의 이동(transfer) 및 후방산란(backscatter)의 결과로서 모드 변환이 임박하지 않을 것을 보증하여야 한다. 이에 추가하여, 물질(10)의 고유 특성(characteristic properties) 및 플레이트 두께(11)가 의도되는 속도 측정 어플리케이션에 의해서 부과되는 요건에 따라서 정의되는 것과 같은, 마커(4)의 순 반사율(net reflectivity)을 성취하기 위해 필요한 디자인 자유(design freedom)를 부가한다.
도 2에 도시된 것과 같은 방해 수단(4)의 디자인은 예시에 불과하다. 물질 제거부(9)는 상당히 달라질 수 있다. 전자파 진행의 관점에서, 적용되는 제한들은 단지 증기 및 액체가 방해받지 아니하면서 지나갈 수 있고 모드 변환이 발생하지 않아야 한다는 것이다. 첫번째 제한은 구멍(perforation)(9)에 의해서 표시된 것과 같은 물질 제거부를 요구한다. 전자파 진행을 돕기 위해 적용된 모드가 관형 파이프의 횡단면 평면 내에서 사실상(virtual) 균일한 방해물(4)을 경험하게(see) 되는 방식으로 물질 제거부(9)의 패턴을 주의 깊게 디자인하는 것에 의해서 모드 변환이 방지된다. 여기서, 사실상 균일하다는 것은 거시적인(grander) 스케일에서 모든 횡단(transversal) 방향들로 동일한 마커(4)에 의해 한정된(confined) 전기적 특성을 관형 파이프 내 전자파 진행의 모든 허용가능한 모드들이 경험해야 한다는 것을 의미한다. 도 2에 도시된 것과 같은 물질 제거부(9)에 의해서 야기되는 필연적인 미시적인(smaller) 스케일에서의 비균일함은 물론 전자파 진행의 비-허용가능한 모드들이 생성되는 것을 허용할 것이다. 그러나, 비-허용가능한 모드들은 미미한 것이며 방해물(4)로부터 짧은 거리 이내에서 급속하게 사라질 것이다. 해당 이론 및 기술 분야의 통상의 기술자에게 방해 수단(4)의 근방에서 이러한 미미한 모드들이 무효 에너지(reactive energy)를 트랩하고 저장한다는 것이 명백하다. 그런데 물질 제거부(9)에 적용된 기하형상 패턴(geometric pattern)의 영리하고도 주의 깊은 디자인에 의해서, 마커(4)의 작동적인 의도(operational intention)가 손상되거나 저하되지 않는 것을 보증하기 위해, 이러한 에너지 저장이 최소화될 수 있다.
물질(10)은 마커(4)의 중요한 부분이다. 가장 자명한 선택은 고체 유전체 물질이지만, 이러한 선택은 가장 정확하게 실용적이고 편리한 선택으로 간주된다. 자기 특성 또는 전도성 특성 또는 심지어 모든 관련 전기적 특성들의 조합을 가진 고체 물질이 적용가능하다. 적용되는 중요한 제한은 단지 선택된 물질이 액체 저장 용기(1)의 작동에 관하여 적용가능한 모든 환경적인 조건(environmental conditions)을 견뎌야 한다는 것이다. 증기 및 액체의 화학적인 특성들은 많은 경우들에 있어서 물질의 선택을 제한하는데, 이것은 전형적으로 대략 적은 수의(some few) 플라스틱과 세라믹만을 범용으로 적용가능한 대체물들이 될 수 있도록 한다.
이하, 레벨 게이지의 작동적인 특성들이 기술된다.
전형적으로 임의의 유형의 레벨 계측기(range meter)에 대하여, 레인지 판독은 두 별개의 독립적인 인자들(factors)에 의하여 설명될(be accounted for) 수 있다. 이들 인자들 중 하나는 레벨 계측기의 기준점에 관한 것이고 본 예시에서는 기준 높이(7)에 해당하고 다른 하나는 레벨 계측기의 스케일 인자에 관한 것이다. 임의의 검증을 거친 에코에 대하여 진행 시간을 매우 정확하게 측정할 수 있다고 가정되는, 본 예시에서의 유형의 레벨 게이지 장치(3)에 대하여, 레벨 계측기 스케일 인자는 채택된 전자기 신호의 진행 속도(s)에 의해서 직접적으로 주어진다. 이러한 관찰로부터 명백하게도, 기준 높이(7)에 대하여 측정되었을 때, 액체 에코에 대하여 측정된 범위(R)는 선형 방정식의 항으로 표현될 수 있다.
[수학식 1]
R = R1 + s·(θ - θ1 )
수학식 1에서 θ 및 θ1 은 레벨 계측기(3)에 의해서 측정된 에코 진행 시간을 나타내는데, 전자는 액체 표면(8)에 관한 것이고 후자는 액체 표면(8) 위에 노출된 하나의 참조 마커(4)에 관한 것이다. R1은 레벨 게이지 기준 높이(7) 및 참조를 위해 선택된 마커(4) 사이의 알려진 거리를 나타낸다. 임의의 에코 쌍에 대하여 동일한 선형 방정식을 적용함에 따라서, 증기 분위기(6) 내에 노출되었을 때 두 방해 수단(4)에 대하여 에코 진행 시간들을 측정하는 것에 의해서 진행 속도(s)가 용이하게 가용함이 뒤따른다.
[수학식 2]
Figure 112011026383514-pat00001
R1 및 R0는 레벨 게이지 기준 높이(7) 및 액체 위의 두 방해 수단(4) 사이의 알려진 거리들을 나타내고, θ1 및 θ0 은 방해 수단(4)에 의해서 생성된 에코들의 측정된 진행 시간들을 나타낸다.
앞서 기술한 설명으로부터 명백한 바와 같이, 속도를 측정하기 위해 레벨 게이지 장치(3)는 두 개의 마커들(4)을 요구한다. 이러한 고유한 요건을 충족하기 위한 세 가지 방법들이 용이하게 식별될 수 있다. 그 중 하나는 관형 파이프(2)를 저장 용기(1)에서 충분히 위까지 연장하는 것이고, 이로써 저장 용기(1) 내 액체 채움(filling)의 최대 레벨을 초과하는 높이들에서 파이프 내 위치들에 두 마커들(4)이 고정될 수 있도록 레벨 게이지 장치(3)가 올려지는 것을 허용하는 것이다. 나머지 하나는 파이프의 최상부에서 연속적인 마커들(4) 간의 거리를 단축시키는 것이고 이로써 최소한(a minimum of) 두 마커들(4)이 최대 허용가능한 액체 레벨 위로 올려지는 것을 허용하는 것이다. 두 계획의 조합이 실제로 실용적인 옵션이 된다. 세 번째 옵션이자 가장 자명한 것은, 기준점으로서 레벨 게이지 장치(3)의 고유한 탐지점을 채택하는 것이다(이러한 경우에 R0는 기준 높이(7)로부터 음의 방향으로 레벨 게이지(3)의 고유 탐지점까지 측정한 거리를 설명하고 물론 θ0 는 0 이다).
이상 기술한 상세한 설명 및 작동적인 특성들로부터 명백하게도, 레이더 레벨 게이지 장치 AutroCAL®은 관형 도파관의 증기 충진 섹션(vapor filled section)을 통하는 전자기 신호의 진행 속도를 측정하도록 디자인된다. 그러나, 최근 수년에 걸쳐 얻어진 경험은 액화 천연 가스 내에 잠긴 마커들(4)이 심지어 액체 아래 깊숙이에서도 명확하게 가시적이고 그리고 놀랍도록 양호한 신호 대 잡음비를 가진 특유한(distinctive) 에코들을 생성한다는 것을 나타낸다. 후자는 레이더 레벨 게이지 장치 AutroCAL® 자체의 특유한 품질이지만, 그럼에도 불구하고 숙고될 본 발명에 따른 아이디어에 양호한 에코 신호 품질을 시사했다(inspire)는 점에서 중요한 관찰이다. 그러나 첫째로 상기 관찰은 액화 천연 가스가 전자기 신호에 대한 매우 낮은 감쇠 인자(damping factor)를 가진다는 것을 시사하고 둘째로 레벨 게이지 장치 AutroCAL®가 액체 내에 잠긴 관형 도파관의 섹션에서 진행하는 전자기 신호의 정보 속도(v)를 측정하기 위해 추가적인 피처를 핸들링하도록 적응될 수 있다는 것을 시사한다. 액체 내 정보 속도(v)는 액체의 유전 상수(e R)의 내재적이지만(implicit) 명백한 측정치이다.
[수학식 3]
Figure 112011026383514-pat00002
관형 도파관 내 신호 진행을 보조하기 위해 채택된 진행 모드의 차단 주파수는 fc이고, 레이더 장치의 동작 주파수는 f이고, 그리고 c는 진공에서 빛의 속도(2.99792458·108 m/s)이다. 액체의 유전 상수(e R)는 정보 속도(v)를 기초로 수학식 3을 통해 용이하게 연산가능한데, 이것은 액체(5) 내에 잠긴 두 개의 (또는 그 이상의) 마커들(4)의 진행 시간 측정들을 기초로 수학식 2에 따라서 연산가능하다.
도 3은 실제적인 에코 다이어그램을 나타낸다. 상기 다이어그램은 액화 천연 가스를 수송하는 해양선에 탑재된 AutroCAL®에 의해서 기록된다. 세 개의 마커들(4)이 액체 내에 잠기고 상응하는 에코들이 편도 진행 시간(one way flight time)의 약 37, 64 및 90 나노초들에서의 위치들에의 좁은 펄스들로서 나타난다. 하나의 마커는 액체 표면 위에 노출되고 해당 에코는 진행 시간의 약 12 나노초에 위치된다. 액체 에코는 진행 시간의 16.5 나노초에 위치된다. 상기 다이어그램은 세 개의 마커들(4)이 액체 내 진행 속도(v)의 측정에 대하여 가용하다는 것을 시사한다. fc = 3.52 GHz인 차단 주파수, f = 10 GHz로 설정된 레벨 게이지 장치의 동작 주파수, 6 미터가 된다고 알려진 액체 내에 잠겼을 때 두 연속적인 마커들(4) 간의 거리, 대략(some) 26.6 나노초까지 측정된 상기 마커들(4) 간의 진행 시간에 의해서 수학식 2에 따라서 진행 속도를 v = 2.256·108 m/s가 된다고 용이하게 예측할 수 있다. 수학식 3에 따르면 유전 상수가 e R = 1.69와 같다고 연산되는데 이것은 액화 천연 가스의 경우에 올바른(fair) 예측이다.
상기 연쇄(chain)에 있어서의 마지막 연계(link)는 측정된 유전 상수(e R)를 기초로 하여 액체 밀도(ρ)를 예측하기 위해 Clausius-Mosotti (또는 Lorentz-Lorenz) 관계를 채택하는 것이다.
[수학식 4]
Figure 112011026383514-pat00003
비례상수 k는 액체 분자의 전자극나뉨도(electronic polarizability)를 설명하는 특정한 특성 상수이다. 분자들이 영구 쌍극자 모멘트를 보유하는 경우에, 상기 특성 상수는 온도 의존적이다.
온보드 해양선에서 수송될 때 천연 액화 가스의 전형적인 화물(cargo)에 대하여, 전자극나뉨도를 설명하는 특성 상수 k는 액체의 조성에 따라서 달라진다. 전형적인 값은 k = 4×10-4 m3/kg이다. 이러한 값은 e R = 1.69 인 유전 상수를 가진 액화 천연 가스의 화물이 ρ = 467 kg/m3에 가까운 밀도를 가진다는 것을 시사하고 이것은 전형적인 고중량(heavy weight) 유형의 액화 천연 가스(전형적으로 대략(some) 85 % 메탄)에 대하여 올바른 예측으로 간주된다.
도 3에 의해서 알 수 있는 바와 같이, 마커들(4)의 반사율은 액화 천연 가스 내에 잠겼을 때 상당히 변한다. 상기 다이어그램은 액체 표면(8) 위 증기가 노출된 제1 마커(4)와 비교할 때, 반사 전력(reflected power)의 관점에서 20배의 감소에 해당하는 대략 13 dB의 감소를 나타낸다. 본 기술 분야의 통상의 기술자가 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이 이러한 피처는 방해 수단(4)를 제조하기 위해 액체에 가까운 유전 특성을 가지는 비-자기 물질을 채택한 것의 결과이다. 이러한 경우에서 물질(10)은 액체보다 약간 더 큰 유전 상수를 가지는 플라스틱 물질일 것으로 올바르게 숙고된다. 낮은 반사율은 신호 대 잡음비를 감소시키고, 이로써 또한 액체에 잠긴 마커들(4)로부터의 에코 펄스들의 품질을 저하시킨다. 이러한 피처는 불리한 영향으로서 간주될 수 있는데, 진행 시간 정확도를 측정하기 위한 레벨 게이징 장치(3)의 고유한 능력보다 오히려 에코 신호 강도에 의해서 액체 내 측정된 정보 속도에 의해 한정된(confined with) 정확도가 제한된다는 점에서 그러하다. 이러한 불리한 영향을 극복하기 위한 한 가지 옵션은 전형적인 플라스틱보다 더 큰 여유(margin)를 가지면서 액체의 유전 상수를 초과하는 유전 상수를 가지는 유전체 물질로 방해 수단(4)을 제조하는 것이다. 이러한 선택은 예를 들어 세라믹 물질일 수 있는데, 이것은 일반적으로 대부분의 액체와 비교할 때 충분히 큰 유전 상수를 가지고 이로써 액체 내에 잠겼을 때 더 강한 에코를 생성한다.
수학식 4에 따르면, 유전 상수 e R = 1.69가 0.5 % 의 정확도까지 측정된다면 액화 천연 가스의 측정된 밀도 ρ = 467 kg/m3 가 1 % 의 정확도를 수반할 것임이 용이하게 도출된다. 수학식 3에 따르면 후자의 정확도는 진행 속도 v = 2.256×108 m/s에 관하여 0.23 %의 측정 정확도에 따른다(comply with). 이러한 속도는 액체(5) 내에 잠긴 두 개의 마커들(4)에 대하여 기록된 에코들에 의해서 한정된 진행 시간을 기초로 하여서 측정된다. 이로부터 e R = 1.69인 유전 상수를 가진 액체 내에 잠기고 26.6 나노 초만큼 떨어져 위치한 임의의 두 마커들(4)에 대하여 대략 27 피코 초의 측정 정확도로 변환되는, 진행 시간에 관하여 대략 0.1 % 의 정확도에 대하여 레벨 게이지 장치(3)가 제공되어야 함이 용이하게 도출된다. 액체에 잠긴 두 마커들(4) 간의 거리가 더 긴 경우, 예를 들어 도 3에서 액체(5) 내에 잠긴 두 번째 및 네 번째 마커 에코 간의 53.2 나노 초의 진행 시간 차의 경우, 진행 시간의 요구되는 측정 정확도가 상응하게 줄어들(relax) 수 있다. 그러나 더 타이트한 정확도가 액체(5) 내에 잠긴 마커들(4)의 연속적인 쌍들 간의 진행 속도의 변화를 측정하도록 채택될 수 있고 이로써 레벨 게이지 장치(3)로 하여금 용기(1)에서 아래로 액체 밀도의 변화를 측정하도록 할 수 있다. 밀도 프로파일링은 액화 천연 가스 산업 분야에서 롤오버(rollover)의 위험을 모니터링하고 종국적으로 제거하기 위한 이슈이다. 현재의 해결책은 센서들이 액체(5)를 통해 하강되고(lowered) 상승되는(lifted) 것을 채택한다. 본 해결책은 어떠한 이동부도 수반하지 아니하며 이것은 강건함(robustness), 신뢰성 및 최소화된 유지보수(maintenance) 비용을 제공한다는 점에서 이롭다.
현대의(modern) 레이더 기반 유형의 레벨 게이지 장치(3)는 예를 들어 콩스버그 마리타임 에이에스에 의해서 제공되는 AutroCAL® 장치는 도 3에서의 에코 다이어그램의 진행 시간 범위 내에서 27 피코 초보다 훨씬 아래인 정확도로 에코 진행 시간을 용이하게 측정한다. 레벨 게이지 장치(3)에 의해 한정된 일반적인 신호 잡음 플로어와 비교할 때 충분히 큰, 예를 들어 30 dB(다시 말해서 전력의 관점에서 1000:1)를 초과하여) 에코 강도가 액체 내 방해 수단(4)으로부터 제공된다면, 270 나노 초의 진행 시간 위치에서 27 피코 초 또는 0.01 % 내에서 양호한(well) 정확도를 가지고 진행 시간의 관점에서 에코 신호의 위치가 용이하게 측정된다. v = 2.256·108 m/s인 진행 속도에 의하면, 이러한 진행 시간은 저장 용기 내 60 미터의 깊이에 상응한다. 측정 시스템의 이러한 품질은 진행 시간을 정확히 측정할 수 있는 레벨 게이지 장치(3)의 능력에 의해서 제한되는 것이 아니라, 오히려 레벨 게이지 장치(3)에 의해서 보유되는(retained) 일반적인 잡음 플로어에 의해서 부과되는 간섭(interference)에 의해서 제한된다는 것을 반복할 가치가 있다.

Claims (3)

  1. 임의의 횡단면 형태를 가질 수 있는 관형 파이프(2) 내에 전자기 신호의 에너지를 진입시키고(launch) 수집하는 레벨 게이지 장치(3)를 포함하되,
    상기 관형 파이프(2)는 액체 저장 용기(1)의 최상부로부터 바닥까지 아래로 수직 연장하여서 부분적으로 액체(5) 내에 잠기고 그리고 상기 파이프 내에서 방해받지 않고 액체가 상승 및 하강할 수 있도록 하기 위한 통기성(aerating) 슬릿 또는 홀을 구비하고,
    상기 관형 파이프(2)에는 게이지 기준 높이(7)로부터 알려진 거리들을 두고 일정한 위치들에서 두 개 이상의 마커들(markers)(4)이 장착되는,
    전자파 신호에 의한 용기 내 저장된 액체의 액체 밀도의 측정 방법에 있어서,
    상기 레벨 게이지 장치(3)가 액체 표면(8) 및 상기 마커들(4)에 의해서 후방 산란될 때의 전자기 신호의 두 개 이상의 에코들을 모니터링하고,
    상기 마커들(4)에 의해서 생성된 에코들이 전달하는 진행 시간 정보를 이용하여, 상기 레벨 게이지 장치(3)가 관형 도파관(2) 내에서 진행하는 전자기 신호의 진행 속도를 연산하고, 그리고
    상기 액체 저장 용기(1) 내에 저장된 액체(5)의 밀도 측정치를 생성하기 위해서, 상기 레벨 게이지 장치(3)가 상기 액체(5) 내에서의 전자기 신호의 진행 속도를 이용하는 것을 특징으로 하는,
    액체 밀도의 측정 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 레벨 게이지 장치(3)가 상기 마커들(4)의 연속적인 쌍들로부터의 에코들을 이용하고,
    상기 레벨 게이지 장치(3)가 상기 관형 파이프(2)의 윗 및 아랫 방향으로의 상기 전자기 신호의 진행 속도의 변화를 측정하고,
    상기 액체 저장 용기(1) 아래의 액체 밀도의 프로파일을 모니터링하기 위해, 상기 레벨 게이지 장치(3)가 상기 액체(5) 내의 진행 속도의 변화를 이용하는 것을 특징으로 하는,
    액체 밀도의 측정 방법.
  3. 관형 파이프(2) 내에 전자기 신호의 에너지를 진입시키고 수집하는 레벨 게이지 장치(3)를 포함하되,
    상기 관형 파이프(2)는 액체 저장 용기(1)의 최상부로부터 바닥까지 아래로 수직 연장하여서 부분적으로 액체(5) 내에 잠기고 그리고 상기 파이프 내에서 방해받지 않고 액체가 상승 및 하강할 수 있도록 하기 위한 통기성 슬릿 또는 홀을 구비하고,
    상기 관형 파이프(2)에는 게이지 기준 높이(7)로부터 알려진 거리들을 두고 일정한 위치들에서 두 개 이상의 마커들(4)이 장착되는,
    전자파에 의해서 액체 밀도를 측정할 수 있는 장치에 있어서,
    상기 마커들(4)은, 상기 관형 파이프(2) 내의 전자파 진행에 관한 비-희망 모드(unwanted-mode)가 존재하지 아니하는 특징이 유지되면서도, 액체 표면(8)이 방해받지 않고 상승 및 하강할 수 있도록 배치되고,
    상기 마커들(4)은 상기 관형 파이프(2) 내에서 진행하는 전자기 신호에 관한 특유한(distinct) 에코들을 생성하도록 제조되고, 그리고
    상기 레벨 게이지 장치(3)가 60 미터의 진행 시간 거리 내에서 10-4의 요구되는 정확도를 가지면서 에코 진행 시간을 측정할 수 있도록 물질(10)을 선택함으로써, 상기 레벨 게이지 장치(3)의 고유 잡음 플로어(noise floor)에 따라 상기 액체(5)에 잠긴 마커들(4)에 의해 생성된 에코의 신호 강도가 조절되는 것을 특징으로 하는,
    액체 밀도 측정 장치.
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