KR101730377B1 - 유량계 및 유량을 검출하기 위한 방법 - Google Patents

유량계 및 유량을 검출하기 위한 방법 Download PDF

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Abstract

파이프에서 유체 유량을 검출하기 위한 유량계는 파이프 내의 유체가 흐르는 파이프에 배치된 채널을 갖는 튜브를 포함한다. 상기 유량계는 파이프와 접촉하며 위치되는 상류측 변환기를 포함해서, 상기 상류측 변환기에 의해 발생된 평면파가 채널을 통해 전파된다. 상기 유량계는 파이프와 접촉하며 위치되는 하류측 변환기를 포함해서, 상기 하류측 변환기에 의해 발생된 평면파가 채널을 통해 전파되어 상류측 변환기 신호를 생성하는 상류측 변환기에 의해 수신된다. 상기 하류측 변환기는 상류측 변환기로부터 평면파를 수신하고 하류측 변환기 신호를 제공한다. 상기 유량계는 상류측 변환기 신호 및 하류측 변환기 신호로부터 유체 유량을 계산하는 상류 및 하류측 변환기와 통신하는 제어기를 포함한다. 파이프에서 유체 유량을 검출하기 위한 방법이 제공된다.

Description

유량계 및 방법{FLOWMETER AND METHOD}
본 출원은 "유량계 및 방법(Flowmeter and Method)"이라는 명칭으로 2009년 12월 8일자에 출원된 미국 특허 출원 제12/653,087호에 대한 우선권을 주장하는 것으로, 이는 본 명세서에 그의 전체가 참조로서 통합된다.
본 발명은 튜브를 구비한 파이프에서 유체 유량을 검출하기 위한 유량계에 관한 것으로서, 파이프 내에는 채널이 배치되고, 이를 통해 파이프 내의 유체가 흐르며 상류측 초음파 변환기 및 하류측 초음파 변환기에 의해 발생된 평면파가 전파된다. (본 명세서에 사용된 바와 같이, "본 발명" 또는 "발명"에 대한 설명은 예시적인 실시예에 관련된 것이며 첨부된 클레임에 의해 포함되는 모든 실시예에 반드시 관련된 것은 아니다.) 보다 구체적으로, 본 발명은 튜브를 구비한 파이프에서 유체 유량을 검출하기 위한 유량계에 관한 것으로, 파이프 내에는 채널이 배치되고, 이를 통해 파이프 내의 유체가 흐르며 상류측 초음파 변환기 및 하류측 초음파 변환기에 의해 발생된 평면파가 전파되며, 상기 튜브는 소리의 모든 비유체 경로가 본질적으로 흡수되도록 흡음재로 이루어진다.
이 섹션은 본 발명의 다양한 관점과 관련될 수 있는 기술의 여러 관점을 독자에게 소개하도록 의도된다. 다음의 설명은 본 발명을 더 명확하게 이해하기 위한 정보를 제공하는 것을 목적으로 한다. 따라서, 다음의 논의에 대한 설명은 종래 기술의 인정으로서가 아니라 이러한 관점에서 이해될 것임을 이해하여야 한다.
전류 초음파 유량계 배열체는 파이프의 대향 단부에서 2개의 변환기를 사용하는데, 그 하나는 유체 흐름으로부터 상류에 있으며 다른 하나는 유체 흐름으로부터 하류에 있으며, 두 변환기는 모두 신호를 송신하고 수신한다. 각 변환기는 유체 및 주위의 파이프 벽에 평면파를 발생시킨다. 상류 신호와 하류 신호 간의 통과 시간(transit time)의 차이는 유량을 계산하는데 사용된다. 소리는 유체 매질에서보다 파이프 벽에서 더 빨리 이동하므로, 소리가 파이프로 진입하여 액체에서 이동하는 소리보다 앞선 시간에 도달하기 때문에, 수신 변환기는 노이즈를 갖는다. 노이즈 레벨은 의미가 있는데, 이는 그것이 유량 측정의 정확성을 감소시켜서 낮은 유량에서 불량 측정을 야기하거나 또는 측정을 발생시키지 않기 때문이다.
또한, 전통적으로, (금속, 유리, 또는 마이크로스피어와 같은) 확산 충전제(scattering filler)를 갖는 폴리머는 초음파 변환기용 백킹 질량(backing mass)으로서 사용된다. 감쇄된 백킹 질량의 사용은 변환기의 후면으로부터 소리를 흡수하여 반사가 발생하지 않게 함으로써 변환기의 송신된 초음파 신호의 대역폭을 향상시킨다. 확산 충전제를 갖는 폴리머는 초음파 통과 시간 유량 측정의 사용에서 파이프 벽 흡음기로 사용되지 않는 것으로 여겨진다.
본 발명은 유량, 특히 낮은 유량을 초음파 통과 시간 기술로 측정하기 위해 적용될 수 있다. 본 출원은 구체적으로 해저 오일 우물에서 화학물질 유체 주입(chemical fluid injection)을 모니터링하는데 적용될 수 있다. 본 발명은 흐름을 안내하기 위한 흡음 튜브의 사용에 관한 것이다. 이러한 튜브는 유체를 통하는 것을 제외하고는 모든 음향 경로의 소리를 감쇄시킨다. 이러한 향상은 매우 낮은 유량에서 매우 작은 구멍 파이프를 통해 유량 측정을 할 수 있다.
첨부된 도면에서, 본 발명의 바람직한 실시예 및 본 발명을 실행하는 바람직한 방법이 예시적으로 도시되어 있다.
도 1은 본 발명의 유량계를 나타낸 도면이다.
도 2는 음향 신호 경로를 나타낸 도면이다.
도 3은 낮은 유량계 배열체를 나타낸 도면이다.
도 4는 통과 시간 유량계 성능 - 100 cSt 오일을 갖는 4.5mm 직경 튜브(3Mhz 신호)의 실례를 나타낸 도면이다.
각각의 도면 전체에서 유사한 참조부호는 유사하거나 동일한 부품을 나타낸 도면, 보다 구체적으로 도 1 및 3을 참조하면, 파이프(12)에서 유체 유량을 검출하기 위한 유량계(10)가 도시되어 있다. 상기 유량계(10)는 파이프(12) 내의 유체가 흐르는 파이프(12)에 배치된 채널을 갖는 튜브(14)를 포함한다. 상기 유량계(10)는 파이프(12)와 접촉하며 채널에 정렬되어 위치되는 상류측 초음파 변환기를 포함하여, 상기 상류측 변환기(16)에 의해 발생된 평면파가 채널을 통해 전파된다. 상기 유량계(10)는 파이프(12)와 접촉하며 위치되는 하류측 초음파 변환기를 포함하여, 상기 하류측 변환기(18)에 의해 발생된 평면파는 채널을 통해 전파되어 상류측 변환기(16) 신호를 생성하는 상류측 변환기(16)에 의해 수신된다. 상기 하류측 변환기(18)는 상류측 변환기(16)로부터 평면파를 수신하고 하류측 변환기(18) 신호를 제공한다. 상기 유량계(10)는 상류측 변환기(16) 신호 및 하류측 변환기(18) 신호로부터 유체 유량을 계산하는 상류 및 하류측 변환기(18)와 통신하는 제어기(20)를 포함한다.
상기 튜브(14)는 소리의 모든 비유체 경로가 본질적으로 흡수되도록 흡음재로 이루어질 수 있다. 상기 상류측 변환기(16)와 하류측 변환기(18)는 파이프(12) 벽을 통해 연장될 수 있고 파이프(12) 내부와 음향학적으로 연통할 수 있다. 상기 튜브(14)는 파이프(12) 내의 유체가 상기 튜브(14) 주위로 누출하는 것을 본질적으로 방지하기 위하여 상기 파이프(12)와 밀봉을 형성할 수 있다.
상기 튜브(14)는 감쇄 입자가 충전된 폴리머로 이루어질 수 있다. 상기 폴리머는 에폭시, 나일론, PTFE, 또는 PEEK(polyaryletheretherketone) 중 어느 하나일 수 있다. 상기 입자는 음향 파장과 같거나 작은 크기를 갖는 금속, 유리, 마이크로스피어, 금속 산화물, 또는 고무 중 어느 하나일 수 있다. Q > 0.2 liters/hour인 조건하에서 C > 1400m/s일 때 1385/meter보다 상기 튜브 치수(L/D2)가 크도록 상기 튜브는 길이(L)와 개구 직경(D)을 가질 수 있다.
본 발명은 파이프(12)에서 유체 유량을 검출하기 위한 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 파이프(12)에 배치된 튜브(14)의 채널을 통해 유체를 흐르게 하는 단계를 포함한다. 상기 파이프(12)와 접촉하며 채널에 정렬되어 위치되는 상류측 변환기(16)에 의해 평면파를 발생시키는 단계가 존재하며, 이때 상기 평면파는 채널을 통해 전파되어 하류측 변환기(18) 신호를 생성하는 하류측 변환기(18)에 의해 수신된다. 상기 파이프(12)와 접촉하며 위치되는 하류측 변환기(18)에 의해 평면파를 발생시키는 단계가 존재하며, 이때 상기 평면파는 채널을 통해 전파되어 상류측 변환기(16) 신호를 생성하는 상류측 변환기(16)에 의해 수신된다. 상기 상류 및 하류측 변환기(18)와 통신하는 제어기(20)에 의해 상기 상류측 변환기(16) 신호 및 하류측 변환기(18) 신호로부터 유체 유량을 계산하는 단계가 존재한다.
상기 튜브(14)는 흡음재로 이루어질 수 있고, 상기 상류측 변환기(16)에 의해 평면파를 발생시키는 단계는 소리의 모든 비유체 경로가 본질적으로 튜브(14)에 의해 흡수되도록 상기 상류측 변환기(16)에 의해 평면파를 발생시키는 단계를 포함할 수 있고, 상기 하류측 변환기(18)에 의해 평면파를 발생시키는 단계는 소리의 모든 비유체 경로가 본질적으로 튜브(14)에 의해 흡수되도록 상기 하류측 변환기(18)에 의해 평면파를 발생시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기 상류측 변환기(16)에 의해 평면파를 발생시키는 단계는 상기 파이프(12) 벽을 통해 연장되며 상기 파이프(12) 내부와 음향학적으로 연통하는 상류측 변환기(16)에 의해 평면파를 발생시키는 단계를 포함할 수 있고, 상기 하류측 변환기(18)에 의해 평면파를 발생시키는 단계는 상기 파이프(12) 벽을 통해 연장되며 상기 파이프(12) 내부와 음향학적으로 연통하는 하류측 변환기(18)에 의해 평면파를 발생시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기 튜브(14)는 파이프(12) 내의 유체가 상기 튜브(14) 주위로 누출하는 것을 본질적으로 방지하기 위하여 상기 파이프(12)와 밀봉을 형성할 수 있다.
본 발명의 작동에서, 전류 초음파 유량계 배열체는 하나가 유체 흐름으로부터 상류에 있으며 다른 하나가 유체 흐름으로부터 하류에 있는 파이프(12) 내의 튜브(14)의 대향 단부들에서 2개의 습식 변환기(wetted transducer)를 사용하는데, 두 변환기 모두는 신호를 송신하고 수신한다(도 1 참조). 상류 신호와 하류 신호 간의 통과 시간의 차이는 유량을 계산하는데 사용된다. 각 변환기는 유체 및 주위의 파이프(12) 벽에 평면파를 발생시킨다(도 2 참조). 음파의 전파(propagation)는 변환기 빔 프로파일로 알려진 프로파일을 갖는다.
Figure 112012054170048-pct00001
에 대하여,
L: 경로 길이
C: 유체에서의 음속
V: 유속
C>>V
Δt: t2 - t1 통과 시간 차이
Q: 질량 유량
D: 개구 직경
질량 유량이 감소함에 따라 상기 상류 흐름과 하류 흐름 간의 통과 시간 차이가 일어난다. 상기 튜브(14)의 길이 "L"를 증가시키고 상기 개구 직경 "D"을 감소시킴으로써, 유효 Δt는 증가될 수 있는데, 그 결과 낮은 질량 유량 조건 하에서, Δt > 0.1ns이고 C가 상수이므로 상기 튜브(14)의 치수(L/D2)는 Q(질량 유량)를 0.2 liters/hour 정도로 낮게 측정할 수 있도록 상기 유량계(10)는 설계되어야 한다.
도 1에 대하여,
Figure 112012054170048-pct00002
t1: 상류 통과 시간
t2: 하류 통과 시간
L: 경로 길이
C: 유체에서의 음속
V: 유속
Figure 112012054170048-pct00003
C>>V
Figure 112012054170048-pct00004
Figure 112012054170048-pct00005
Q = VㆍA(면적) Q: 질량 유량, D: 개구 직경
V = Q/A 면적 = πD2/4
유체에서의 음속 및 유속을 해결하기 위하여, 상류 및 하류 통과 시간이 제어기(20)를 통해 측정될 필요가 있다. 상기 제어기(20)는 상류 흐름과 하류 흐름 간의 통과 시간 차이를 산출한다. 이때, 상기 Δt는 계산된 음속 "C"에 대하여 주어진 유량계(10) 길이 "L"에 대한 유속을 계산하는데 사용된다. 상기 유속 "V"이 계산되면, 그 후 유체 개구나 파이프(12)의 면적 "A"이 공지되어 있으므로 상기 질량 유량(Q)이 결정될 수 있다.
도 2에 대하여,
[식 40]
λ: 파장
Nd: 초점 거리
r: 변환기의 반경
Figure 112012054170048-pct00006
Nd = r2/λ
λ = c/f 소리가 각도(φ)로 발산되는 경우, 이때 상기 소리는 대향하는 변환기에 의해 수신되는 파이프(12) 벽에 노이즈로서 전파된다.
f: 주파수
소리는 유체 매질에서보다 고체 파이프(12)나 튜브(14)에서 더 빨리 이동하므로, 상기 수신 변환기는 파이프(12)/튜브(14)의 음향 경로로부터 음향 노이즈를 받는다. 이러한 음향 노이즈는 고체에서의 음속이 유체에서보다 더 빠르므로 액체에서 이동하는 소리보다 앞선 시간에 도달한다. 이러한 노이즈는 유량 측정의 정확성을 감소시켜서 낮은 유량에서 불량 측정을 야기하거나 또는 측정을 발생시키지 않기 때문에 의미가 있다. 이러한 노이즈의 영향에 대한 척도는 신호 대 노이즈비(signal to noise ratio)이다.
이러한 문제를 해결하기 위하여, 음향학적으로 감쇄된 특성을 갖는 튜브(14)가 파이프(12) 내에 삽입된다(도 3 참조). 상기 음향 튜브(14)는 작은 내경과 큰 외경을 갖는다. 상기 튜브(14)에서의 개구는 유체용 도관 및 소리에 대한 유체 경로로서 작용하면서, 주위의 영역은 흡음기로서 작용한다. 상기 소리가 도관을 통해 이동한 후에 다시 퍼지기 시작하지만 이는 신호 대 노이즈비에 영향을 주지 않으므로, 주위의 흡음기는 파이프(12)의 노이즈를 효과적으로 불가능하게 할 수 있다.
상기 튜브(14)는 감쇄 입자, 예를 들면 텅스텐 입자(200 메시)가 50%까지의 소정 부피율로 충전된 폴리머로 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 폴리머는, 예를 들어 에폭시, 나일론, PTFE, 또는 PEEK일 수 있지만, 이러한 재료에 한정되는 것은 아니다. 상기 폴리머의 선택은 소리를 감쇄시키기 위하여 상기 감쇄 입자로 작업하는데 있어 적용되는 압력율 및 그 효과에 따라 좌우된다. 상기 충전제는 작은 메시 크기를 갖는 임의의 금속, 금속 산화물, 또는 고무일 수 있고, 입자 충전제의 부피율이 낮아질수록 음파 감쇄는 높아진다. 실린더가 제조된 후에 유체가 흐르기 위한 내경이 되도록 기계가공된다. 상기 흡음 튜브(14)는 OD에 나사가공될 수 있고; 그러므로, 상기 튜브는 유량계(10)에 나사고정된다. 상기 흡음 튜브(14)는 OD에 접착가공될 수 있고; 그러므로, 상기 튜브는 유량계(10)에 접합된다. 상기 흡음 튜브(14)는 클립이나 보유기에 의해 포착되거나 압입끼워맞춤될 수 있다.
간단한 초음파 유량 측정 테스트는 낮은 유량에서 신호 대 노이즈비의 향상을 나타내고 있다. 실험적인 환경은 4인치의 거리로 분리된 5 MHz 주파수 초음파 변환기를 포함한다. 사용된 튜브(14)는 1/4"의 내경 및 1"의 외경을 갖는다. 상기 튜브(14)는 텅스텐 입자 충전제를 갖는 에폭시로 이루어진다. 테스트를 위하여 올리브 오일이 사용되는데, 이는 적용될 소정의 주입 화학물질과 유사한 점성을 갖기 때문이다. 유체의 점성이 높아질수록 흡음 특성이 더 중요하게 된다는 것을 유의하여야 한다. 구체적으로, 점성이 증가함에 따라, 유체 경로 음향 신호가 감쇄되며 상기 신호 대 노이즈비가 감소한다.
1 liter/hour의 유량이 측정되었고, 신호 대 노이즈비가 감쇄 튜브(14)를 이용하여 10배만큼 향상되었다. 유량이 최하 0.2 liters/hour로 용이하게 달성될 수 있다. 또한, 90 liters/hour까지의 유량도 분석될 수 있다. 상기 낮은 유량계는 화학물질 주입 계량 밸브가 부식 방지 화학물질을 낮은 유량으로 해저 우물로 보내는 것을 가능하게 한다. 상기 낮은 유량계는 화학물질을 주입하는데 사용되지만, 낮은 유량으로 측정을 요구하는 임의의 응용분야에 사용될 수도 있다. 통과 시간 유량계 성능 - 100 cSt 오일을 갖는 4.5mm 직경 튜브(3MHz 신호)의 실례를 나타낸 도 4를 참조하라.
초음파 송신시, 상기 변환기 초점 거리 이후 소정 각도로 전파되는 모든 소리는 흡음 튜브(14)의 벽 내에서 줄어들거나 흡수된다. 이는 교신가능한(line of sight) 초음파 신호가 임의의 다른 음향 노이즈 공급원으로부터 아무런 제약 없이 수신되게 한다. 그 결과, 상기 신호 대 노이즈비는 크게 향상될 수 있고, 이에 의하여 SNR이 10배로 증가되므로 이전에는 가능하지 않은 매우 낮은 유량에서 초음파 통과 시간 유량 측정을 할 수 있다. 본 발명은 해저 오일 우물에서 유체 주입을 모니터링하기 위한 낮은 유량계에서 사용될 것이다.
본 발명은 예시적인 목적을 위해 전술한 실시예에서 상세하게 설명되었지만, 이러한 상세는 단지 그 목적만을 위한 것이며 다음의 클레임에 의해 설명될 수 있는 것을 제외하고는 본 발명의 사상 및 범위를 벗어남이 없이 본 명세서에서 당업자에 의해 변형이 이루어질 수 있음을 이해하여야 한다.

Claims (13)

  1. 파이프 내의 유체 유량을 검출하기 위한 유량계이며,
    상기 파이프 내의 유체가 흐르는 파이프에 배치된 일정한 직경의 단일 채널만을 갖는 튜브로서, 상기 튜브는, Q > 0.2 liter/hour인 체적 유량 조건하에서, C > 1400m/s일 때 상기 튜브 치수(L/D2)가 1385/meter보다 커지도록 길이(L)와 개구 직경(D)을 가지며, 상기 튜브는 채널을 감싸는 흡음재로 이루어지고, 상기 튜브는 상기 파이프와 밀봉부를 형성하여 파이프 내의 유체가 상기 튜브 주위로 누출하는 것을 본질적으로 방지하고, 상기 튜브는 감쇄 입자로 충전된 폴리머로 이루어지고, 상기 폴리머는 에폭시, 나일론, PTFE, 또는 PEEK 중 어느 하나인, 튜브와,
    상기 파이프와 접촉하며 상기 채널과 정렬되어 위치되는 상류측 초음파 변환기로서, 상기 상류측 변환기에 의해 발생된 변환기 빔 프로파일을 갖는 평면파가 채널을 통해 전파되는, 상류측 초음파 변환기와,
    상기 파이프와 접촉하며 상기 채널과 정렬되어 위치되는 하류측 초음파 변환기로서, 상기 하류측 변환기에 의해 발생된 변환기 빔 프로파일을 갖는 평면파가 채널을 통해 전파되고 상류측 변환기 신호를 생성하는 상기 상류측 변환기에 의해 수신되며, 하류측 변환기는 상류측 변환기로부터 평면파를 수신하고 하류측 변환기 신호를 제공하며, 상류측 변환기와 하류측 변환기가 파이프 벽을 통해 연장되고 파이프 내부와 음향학적으로 연통하는, 하류측 초음파 변환기와,
    상류측 변환기 및 하류측 변환기와 통신하여 상류측 변환기 신호 및 하류측 변환기 신호로부터 유체 유량을 계산하는 제어기를 포함하는
    파이프 내의 유체 유량을 검출하기 위한 유량계.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 입자는, 음향 파장과 같거나 그보다 작은 메시 크기를 갖는 금속, 금속 산화물, 유리 마이크로스피어, 또는 고무 중 어느 하나인
    파이프 내의 유체 유량을 검출하기 위한 유량계.
  3. 파이프 내의 유체 유량을 검출하기 위한 방법이며,
    파이프에 배치된 튜브의 일정한 내경을 갖는 단일 채널을 통해서만 유체를 흐르게 하는 단계로서, 상기 튜브는 채널을 감싸는 흡음재로 이루어지고, 상기 튜브는 상기 파이프와 밀봉부를 형성하여 파이프 내의 유체가 상기 튜브 주위로 누출하는 것을 본질적으로 방지하고, 상기 튜브는, Q > 0.2 liter/hour인 체적 유량 조건하에서, C > 1400m/s일 때 상기 튜브 치수(L/D2)가 1385/meter보다 커지도록 길이(L)와 개구 직경(D)을 갖는, 파이프에 배치된 튜브의 일정한 내경을 갖는 단일 채널을 통해서만 유체를 흐르게 하는 단계와,
    상기 파이프와 접촉하며 상기 채널과 정렬되어 위치되는 상류측 초음파 변환기에 의해 변환기 빔 프로파일을 갖는 평면파를 발생시키는 단계로서, 상기 평면파는 채널을 통해 전파되고 하류측 변환기 신호를 생성하는 하류측 변환기에 의해 수신되며, 소리의 모든 비유체 경로가 본질적으로 튜브에 의해 흡수되도록 상류측 변환기에 의해 평면파를 발생시키는 단계 및 상기 파이프 벽을 통해 연장되며 파이프 내부와 음향학적으로 연통하는 상류측 변환기에 의해 평면파를 발생시키는 단계를 포함하는, 상류측 초음파 변환기에 의해 변환기 빔 프로파일을 갖는 평면파를 발생시키는 단계와,
    상기 파이프와 접촉하며 상기 채널에 정렬되어 위치되는 하류측 초음파 변환기에 의해 변환기 빔 프로파일을 갖는 평면파를 발생시키는 단계로서, 상기 평면파는 채널을 통해 전파되고 상류측 변환기 신호를 생성하는 상류측 변환기에 의해 수신되며, 소리의 모든 비유체 경로가 본질적으로 튜브에 의해 흡수되도록 하류측 변환기에 의해 평면파를 발생시키는 단계 및 상기 파이프 벽을 통해 연장되며 파이프 내부와 음향학적으로 연통하는 하류측 변환기에 의해 평면파를 발생시키는 단계를 포함하는, 하류측 초음파 변환기에 의해 변환기 빔 프로파일을 갖는 평면파를 발생시키는 단계와,
    상류측 변환기 및 하류측 변환기와 통신하는 제어기로 상류측 변환기 신호 및 하류측 변환기 신호로부터 유체 유량을 계산하는 단계를 포함하는
    파이프 내의 유체 유량을 검출하기 위한 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 채널은 1/4 인치(0.635㎝)의 내경을 갖는,
    파이프 내의 유체 유량을 검출하기 위한 유량계.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 채널은 1/4 인치(0.635㎝)의 내경을 갖는,
    파이프 내의 유체 유량을 검출하기 위한 방법.
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