KR101802380B1 - 진동계를 통한 유체 정압을 결정 및 제어하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

진동계를 통한 유체 정압을 결정 및 제어하기 위한 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

유체 유동 시스템(300)을 작동시키기 위한 방법이 제공된다. 상기 유체 유동 시스템(300)은 파이프라인(301)을 통하여 유동하는 유체, 파이프 라인(301) 내에 위치되는 제 1 압력 센서(303), 및 진동계(5)를 포함한다. 상기 진동계(5)는 제 1 압력 센서(303)와 유체 연통되는 센서 조립체(10)를 포함한다. 상기 방법은 제 1 압력 센서(303)를 이용하여 파이프라인(301) 내의 유체의 압력을 측정하는 단계 및 진동계(5)를 이용하여 유체의 하나 또는 둘 이상의 유동 특성들을 측정하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 파이프라인(301) 내의 유체의 압력 및 하나 또는 둘 이상의 유동 특성들을 기초로 하여 유체의 정압을 결정하는 단계를 더 포함한다. 상기 방법은 유체의 정압을 기초로 하여 유체가 적어도 일부 가스를 포함하는 지를 결정하는 단계를 더 포함한다.

Description

진동계를 통한 유체 정압을 결정 및 제어하기 위한 방법 및 장치 {METHOD AND APPARATUS FOR DETERMINING AND CONTROLLING A STATIC FLUID PRESSURE THROUGH A VIBRATING METER}
아래 설명된 실시예들은 유체 유동 시스템들, 및 더욱 상세하게는 유체 유동 시스템의 진동계를 통하여 유체 정압을 결정 및 제어하기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다.
예를 들면, 진동 농도계들 및 코리올리 유량계들과 같은 진동계들은 일반적으로 알려져 있으며 도관 내의 재료들에 대한 질량 유동 및 다른 정보를 측정하기 위해 이용된다. 진동계는 센서 조립체 및 전자 장치 부분을 포함한다. 센서 조립체 내의 재료는 유동하고 있거나 정지되어 있을 수 있다. 각각의 타입의 센서는 최적 성능을 달성하기 위해 계기(meter)가 고려하여야 할 특유의 특성들을 가질 수 있다.
예시적인 코리올리 유량계들은 모두 제이. 이. 스미스(J.E. Smith) 등의 미국 특허 제 4,109,524호, 미국 특허 제 4,491,025호 및 Re. 31,450호에서 설명된다. 이 유량계들은 직선형 또는 곡선형 구성의 하나 또는 둘 이상의 도관들을 가진다. 코리올리 질량 유량계 내의 각각의 도관 구성은 한 세트의 고유 진동 모드들을 가지며, 이는 간단한 벤딩, 비틀림, 또는 결합 타입일 수 있다. 각각의 도관은 바람직한 모드에서 오실레이팅(oscillate)하기 위해 구동될 수 있다.
재료는 센서의 입구 측 상의 연결된 파이프라인으로부터 유량계 센서 조립체 내로 유동하고, 도관(들)을 통하여 지향되고, 그리고 상기 센서의 출구 측을 통하여 센서로부터 배출된다. 진동 재료가 채워진 시스템의 고유 진동 모드들은 도관들 및 도관들 내에서 유동하는 재료의 조합된 질량에 의해 부분적으로 규정된다.
센서 조립체를 통한 유동이 없을 때, 도관(들)에 인가된 구동력은 도관(들)을 따른 모든 지점들이 동일한 위상 또는 0의 유동에서 측정된 시간 지연인, 작은 "0의 오프셋(zero offset)"으로 오실레이팅하는 것을 유발한다. 재료가 센서 조립체를 통하여 유동하기 시작할 때, 코리올리 력들은 도관(들)을 따른 각각의 지점이 상이한 위상을 가지는 것을 유발한다. 예를 들면, 센서의 입구 단부에서의 위상은 집중된(centralized) 구동기 위치에서의 위상보다 뒤처지며 반면 출구에서의 위상은 집중된 구동기 위치에서의 위상을 앞서간다. 도관(들) 상의 픽-오프 센서(pick-off sensor)들은 도관(들)의 운동을 나타내는 정현파 신호들을 생성한다. 픽-오프 센서들로부터 출력된 신호들은 픽-오프 센서들 사이의 위상 차를 결정하기 위해 프로세싱된다. 두 개 또는 세 개 이상의 픽-오프 센서들 사이의 위상 차는 도관(들)을 통하여 유동하는 재료의 질량 유량(flow rate)에 비례한다.
재료의 질량 유량은 위상차에 유동 교정 계수(Flow Calibration Factor ;FCF)를 곱함으로써 결정될 수 있다. 파이프라인으로 유량계의 센서 조립체의 설치 전에, FCF는 교정 프로세스에 의해 결정된다. 교정 프로세스에서, 유체는 공지된 유량으로 유동 튜브를 통하여 지나가며 위상 차와 유량 사이의 관계가 계산된다(즉, FCF). 유량계는 후속적으로 픽-오프 센서들의 위상 차에 FCF를 곱함으로써 유량을 결정한다. 또한, 다른 교정 계수들이 유량을 결정하는데 있어서 고려될 수 있다.
부분적으로, 진동계들, 및 특히 코리올리 유량계들의 고 정밀도에 의해, 진동계들은 매우 다양한 산업들에서 성공하여 왔다. 측정들에서의 정밀도 및 반복성에 대한 증가된 요구들과 직면한 하나의 산업은 오일 및 가스 산업이다. 오일 및 가스와 관련된 증가된 비용들에 의해, 보관 이송 환경(custody transfer situation)들은 실제로 이송되는 오일의 양을 측정하는데 있어서 개선을 요구하여 왔다. 보관 이송 환경의 일 예는 원유, 또는 프로판과 같은 탄화수소보다 훨씬 더 가벼운 유체들의 파이프 이송이다.
보관 이송 환경들에서의 측정 및 특히 경질의 탄화수소들의 측정 동안 직면하는 하나의 문제점은 액체의 빠른 증발(flashing) 또는 탈 가스이다. 탈 가스에서, 파이프라인 또는 진동계 내의 유체 압력이 유체의 포화 압력보다 낮을 때 가스가 액체로부터 방출된다. 포화 압력은 전형적으로 물질이 상들을 주어진 온도에서 액체 또는 고체로부터 가스로 변화하는, 즉 증기가 물질의 응축상과 열 역학적 평형 상태에 있는 압력으로서 규정된다. 따라서, 포화 압력은 유체가 순수 물질인지 또는 라울의 법칙에 따른 구성 성분의 포화 압력들의 몰 분율 가중합(mole fraction weighted sum)을 기초로 하는 두 개 또는 세 개 이상의 물질들의 혼합물인지 여부에 따라 변화될 수 있다. 상기 포화 압력은 때때로 증기 압력 또는 기포 점으로서 지칭된다. 본 설명에서, 물질이 상들을 주어진 온도에서 응축 형태(액체 또는 고체)로부터 순수 물질 또는 혼합물을 위한 가스로 변화시키는 압력이, 포화 압력으로서 지칭된다. 유체를 포화 압력을 초과하여 유지하는 것은 일부 파이프라인 시스템들에서 문제가 되지 않을 수 있지만, 유체가 감소된 횡단면적을 가지는 임의의 타입의 센서 또는 계기를 통하여 유동할 때 특히 문제가 된다. 다양한 유동 특성들의 측정들은 유체들의 포화 압력 미만인 압력에서의 유체에 의해 점점 더 어렵게 된다. 더욱이, 일부 환경들에서, 유체는 대략 포화 압력에서 오실레이팅될 수 있다. 예를 들면, 유체는 하루 중 일 시점 동안, 즉 아침에 냉각될 때 포화 압력을 초과할 수 있으며; 그러나, 오후 동안 온도가 증가할 때 포화 압력이 낮아질 수 있으며 결론적으로, 유체는 포화 압력 아래의 압력에서 시스템을 통하여 유동될 수 있다.
결론적으로, 기술 분야에서 유체 유동 시스템을 통하여 유동하는 유체를 유체의 포화 압력을 초과하여 적절히 유지할 수 있는 시스템에 대한 요구가 있다. 아래 설명된 실시예들은 이러한 및 다른 문제점들을 해결하고 기술분야에서의 진보가 달성된다. 후속하는 설명에 공개된 실시예들은 유체가 진동계를 통하여 유동하는 동안 유체의 포화 압력을 초과하여 유지되도록 유동을 적절히 조정하기 위하여 진동계로부터 얻어진 유동 특성들을 활용한다.
유체 유동 시스템이 일 실시예에 따라 제공된다. 유체 유동 시스템은 유동 유체를 구비하는 파이프라인 및 파이프라인 내에 위치되고 파이프 라인 내의 제 1 압력을 결정하는 제 1 압력 센서를 포함한다. 일 실시예에 따라, 유체 유동 시스템은 제 1 압력 센서에 근접하게 파이프 라인 내에 위치되고 제 1 압력 센서와 유체 연통되는(in fluid communication) 센서 조립체를 포함하는 진동계; 및 하나 또는 둘 이상의 센서 신호들을 수신하기 위해 그리고 하나 또는 둘 이상의 유동 특성들을 측정하기 위해 센서 조립체와 전기 연통되는 계측 전자 기기(meter electronics)를 더 포함한다. 유체 유동 시스템은 제 1 압력 센서와 전기 연통되고 계측 전자 기기와 전기 연통되는 시스템 제어기를 더 포함한다. 일 실시예에 따라, 시스템 제어기는 제 1 압력 센서로부터 제 1 압력 측정치(measurement)를 수신하고 계측 전자 기기로부터 하나 또는 둘 이상의 유동 특성들을 수신하도록 구성된다. 시스템 제어기는 파이프라인 내의 유체의 압력을 기초로 하는 유체의 정압 및 하나 또는 둘 이상의 유동 특성들을 결정하도록 추가로 구성된다. 일 실시예에 따라, 시스템 제어기는 유체의 정압을 기초로 하여 유체가 적어도 일부 가스를 포함하는지를 결정하도록 추가로 구성된다.
유동 유체를 구비하는 파이프라인 내에 위치되고 하나 또는 둘 이상의 압력 센서들과 유체 연통되는 진동 센서를 위한 계측 전자 기기가 일 실시예에 따라 제공된다. 계측 전자 기기는 센서 조립체를 통하여 유동하는 유체의 하나 또는 둘 이상의 유동 특성들을 측정하도록 그리고 파이프라인 내의 유체의 정압을 나타내는 제 1 압력 신호를 수신하도록 구성된다. 일 실시예에 따라, 계측 전자 기기는 제 1 압력 신호 및 하나 또는 둘 이상의 측정된 유동 특성들을 기초로 하여 유체의 정압을 결정하도록 그리고 유체의 정압을 기초로 하여 유체가 적어도 일부 가스를 포함하는지를 결정하도록 추가로 구성된다.
파이프 라인을 통하여 유동하는 유체, 파이프라인 내에 위치되는 제 1 압력 센서, 및 제 1 압력 센서와 유체 연통되는 센서 조립체를 포함하는 진동계를 포함하는 유체 유동 시스템을 작동시키기 위한 방법이 일 실시예에 따라 제공된다. 상기 방법은 제 1 압력 센서를 이용하여 파이프라인 내의 유체의 압력을 측정하는 단계 및 진동계를 이용하여 유체의 하나 또는 둘 이상의 유동 특성들을 측정하는 단계를 포함한다. 일 실시예에 따라, 상기 방법은 파이프라인 내의 유체의 압력 및 하나 또는 둘 이상의 유동 특성들을 기초로 하여 유체의 정압을 결정하는 단계를 더 포함한다. 일 실시예에 따라, 상기 방법은 유체의 정압을 기초로 하여 유체가 적어도 일부 가스를 포함하는지를 결정하는 단계를 더 포함한다.
양태들
양태에 따라, 유체 유동 시스템은:
유동 유체를 구비하는 파이프라인;
파이프라인 내에 위치되고 파이프라인 내의 제 1 압력을 결정하는 제 1 압력 센서,
제 1 압력 센서에 근접하여 제 1 압력 센서와 유체 연통되는 파이프라인 내에 위치되는 센서 조립체; 및 센서 조립체와 전기 연통되고 하나 또는 둘 이상의 센서 신호들을 수신하도록 그리고 하나 또는 둘 이상의 유동 특성들을 측정하도록 구성되는 계측 전자 기기를 포함하는, 진동계,
제 1 압력 센서와 전기 연통되고 계측 전자 기기와 전기 연통되는 시스템 제어기로서, 제 1 압력 센서로부터 제 1 압력 측정치를 수신하도록; 계측 전자 기기로부터 하나 또는 둘 이상의 유동 특성들을 수신하도록; 파이프라인 내의 유체의 압력 및 하나 또는 둘 이상의 유동 특성들을 기초로 하여 유체의 정압을 결정하도록; 그리고 유체의 정압을 기초로 하여 유체가 적어도 일부 가스를 포함하는지를 결정하도록 구성되는, 시스템 제어기를 포함한다.
바람직하게는, 시스템 제어기는 유체의 정압이 한계 값 또는 밴드(band) 밖에(outside) 있는 경우 유체가 적어도 일부 가스를 포함하는 것을 결정하도록 추가로 구성된다.
바람직하게는, 시스템 제어기는 유체의 정압이 한계 값 또는 밴드 밖에 있는 경우 유체 유동을 조정하도록 추가로 구성된다.
바람직하게는, 조정은 파이프라인 라인 압력을 증가시키는 것을 포함할 수 있다.
바람직하게는, 조정은 유체 유량을 감소시키는 것을 포함할 수 있다.
바람직하게는, 한계 값 또는 밴드는 유체의 포화 압력을 기초로 한다.
바람직하게는, 상기 시스템 제어기는 유체의 측정된 온도 및 밀도를 기초로 하여 포화 압력을 결정하도록 추가로 구성된다.
바람직하게는, 시스템 제어기는 드라이브 게인(drive gain)을 결정하고, 드라이브 게인을 한계 값과 비교하도록 그리고 드라이브 게인이 한계 값을 초과하는 경우 정압이 한계 값 또는 밴드 밖에 있음을 결정하도록 추가로 구성된다.
바람직하게는, 결정된 정압은 센서 조립체 내의 유체의 정압을 포함한다.
다른 양태에 따라, 유동 유체를 구비한 파이프라인 내에 위치되고 하나 또는 둘 이상의 압력 센서들과 유체 연통되는 진동 센서용 계측 전자 기기는:
센서 조립체를 통하여 유동하는 유체의 하나 또는 둘 이상의 유동 특성들을 측정하고;
파이프라인 내의 유체의 정압을 표시하는 제 1 압력 신호를 수신하고;
제 1 압력 신호 및 하나 또는 둘 이상의 측정된 유동 특성들을 기초로 하여 유체의 정압을 결정하고; 그리고
유체의 정압을 기초로 하여 유체가 적어도 일부 가스를 포함하는지를 결정하도록 구성된다.
바람직하게는, 계측 전자 기기는 유체의 정압이 한계 값 또는 범위 밖에 있는 경우 유체가 적어도 일부 가스를 포함하는 것을 결정하도록 추가로 구성된다.
바람직하게는, 계측 전자 기기는 유체의 정압이 한계 값 또는 밴드 밖에 있는 경우 유체 유동을 조정하도록 추가로 구성된다.
바람직하게는, 조정은 파이프라인 라인 압력을 증가시키는 것을 포함한다.
바람직하게는, 조정은 유체 유량을 감소시키는 것을 포함한다.
바람직하게는, 한계 값 또는 밴드는 유체의 포화 압력을 기초로 한다.
바람직하게는, 계측 전자 기기는 유체의 측정된 온도 및 밀도를 기초로 하여 포화 압력을 결정하도록 추가로 구성된다.
바람직하게는, 계측 전자 기기는 드라이브 게인을 결정하도록, 드라이브 게인을 한계 값과 비교하도록, 그리고 드라이브 게인이 한계 값을 초과하는 경우 정압이 한계 값 또는 밴드 밖에 있는 것을 결정하도록 추가로 구성된다.
바람직하게는, 결정된 정압이 센서 조립체 내의 유체의 정압을 포함한다.
다른 양태에 따라, 파이프 라인을 통하여 유동하는 유체, 파이프라인 내에 위치되는 제 1 압력 센서, 및 제 1 압력 센서와 유체 연통되는 센서 조립체를 갖는 진동계를 포함하는 유체 유동 시스템을 작동시키기 위한 방법은:
제 1 압력 센서를 이용하여 파이프라인 내의 유체의 압력을 측정하는 단계;
진동계를 이용하여 유체의 하나 또는 둘 이상의 유동 특성들을 측정하는 단계;
파이프라인 내의 유체의 압력 및 하나 또는 둘 이상의 유동 특성들을 기초로 하여 유체의 정압을 결정하는 단계; 및
유체의 정압을 기초로 하여 유체가 적어도 일부 가스를 포함하는지를 결정하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 방법은 유체의 정압이 한계 값 또는 밴드 밖에 있는 경우 유체가 적어도 일부 가스를 포함하는지를 결정하는 단계를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 방법은 유체의 정압이 한계 값 또는 밴드 밖에 있는 경우 유체 유동을 조정하는 단계를 더 포함한다.
바람직하게는, 조정 단계는 파이프라인 라인 압력을 증가시키는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 조정 단계는 유체 유량을 감소시키는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 한계 값 또는 밴드는 유체의 포화 압력을 기초로 한다.
바람직하게는, 상기 방법은 유체의 측정된 온도 및 밀도를 기초로 하여 포화 압력을 결정하는 단계를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 방법은:
드라이브 게인을 결정하는 단계;
드라이브 게인을 한계 값과 비교하는 단계; 및
드라이브 게인이 한계 값을 초과하는 경우 정압이 한계 값 또는 밴드 밖에 있는 것을 결정하는 단계를 더 포함한다.
바람직하게는, 정압을 결정하는 단계는 센서 조립체 내의 유체의 정압을 결정하는 단계를 포함한다.
도 1은 일 실시예에 따른 진동계를 보여준다.
도 2는 일 실시예에 따른 진동계를 위한 계측 전자 기기를 보여준다.
도 3은 일 실시예에 따른 유체 유동 시스템을 보여준다.
도 4는 일 실시예에 따른 정압 대(versus) 유체 유동 시스템 위치의 그래프를 보여준다.
도 5는 일 실시예에 따른 통상적인 탄화수소류(family)에 대한 정온(constant temperature)에서 포화 압력 대 밀도의 그래프를 보여준다.
도 6은 일 실시예에 따른 프로세싱 루틴을 보여준다.
도 7은 일 실시예에 따른 드라이브 게인 대 평균 가스 공극율(average gas void fraction)의 그래프를 보여준다.
도 1 내지 도 7 및 아래의 설명은 유동 제어 시스템의 실시예들의 최상의 모드를 형성하여 이용하는 방법을 당업자에게 교시하기 위해 특정 예들을 설명한다. 교시하는 본 발명의 원리들을 위해, 일부의 종래의 양태들이 단순화되거나 생략되었다. 당업자는 본 설명의 범위 내에 있는 이러한 예들로부터의 변화들을 인정할 것이다. 당업자는 아래 설명된 특징들이 유동 제어 시스템의 다수의 변화들을 형성하도록 다양한 방식들로 조합될 수 있다는 것을 인정할 것이다. 결과적으로, 아래 설명된 실시예들은 아래 설명된 특정 예들로 제한되지 않으며 단지 청구범위 및 이들의 등가예들에 의해 제한된다.
도 1은 일 실시예에 따른 센서 조립체(10) 및 계측 전자 기기(20)를 포함하는 코리올리 유량계의 형태의 진동계(5)를 보여준다. 센서 조립체(10) 및 계측 전자 기기(20)는 리드(100)들을 경유하여 전기 연통될 수 있다. 센서 조립체(10)는 도시된 실시예에서 유동하는 유체를 수용한다.
도시된 실시예에서, 계측 전자 기기(20)는 예를 들면 밀도, 질량 유량, 용적 유량, 총 질량 유동, 온도, 및 다른 정보와 같은 유동하는 재료의 하나 또는 둘 이상의 특성들을 측정하기 위해 센서 조립체(10)에 연결된다. 계측 전자 기기(20)가 단일 센서 조립체(10)와 연통되게 도시되어 있지만, 계측 전자 기기(20)는 다수의 센서 조립체들, 뿐만 아니라 다수의 부가 계측 전자 기기(20)와 연통될 수 있다는 것이 인정되어야 한다. 또한, 진동계(5)가 코리올리 유량계를 포함하는 것으로서 설명되었지만, 진동계(5)는 어쩌면(just as easily) 진동 농도계, 진동 용적 유량계, 또는 코리올리 유량계들의 측정 성능들 모두가 부족한 소정의 다른 진동계와 같은, 다른 타입의 진동계를 포함할 수 있다는 것이 인정되어야 한다. 따라서, 본 실시예는 코리올리 유량계들로 제한되지 않아야 한다. 오히려, 계측 전자 기기(20)는 유동 유체 또는 정지 유체에 의해, 다른 타입의 센서 조립체들과 연통될 수 있다.
센서 조립체(10)는 한 쌍의 플랜지(101 및 101')들, 매니폴드(102 및 102')들, 및 도관(103A 및 103B)들을 포함한다. 매니폴드(102, 102')들은 도관(103A 및 103B)들의 대향 단부들에 부착된다. 코리올리 유량계의 플랜지(101 및 101')들은 스페이서(106)의 대향 단부들에 부착된다. 스페이서(106)는 도관(103A 및 103B)들 내의 원하지 않는 진동들을 방지하도록 매니폴드(102, 102')들 사이의 간격을 유지한다. 도관(103A 및 103B)들은 본질적으로 평행한 방식으로 매니폴드들로부터 외측으로 연장한다. 센서(10)가 유동 재료를 운반하는 파이프라인 시스템(도시안됨) 내로 삽입될 때, 재료는 플랜지(101)를 통하여 센서 조립체(10)로 유입되고, 재료의 총 량이 도관(103A, 103B)들로 유입하도록 지향되는 입구 매니폴드(102)를 통하여 지나가고, 도관(103A, 103B)들을 통하여, 그리고 역으로 플랜지(101')를 통하여 재료가 센서 조립체(10)로부터 배출되는 출구 매니폴드(102') 내로 유동한다. 도시된 바와 같이, 플랜지(101 및 101')들 및 이에 따른 플랜지(101, 101')들에 결합되는 파이프라인(도 3 참조)은 D1의 직경을 포함하며 반면 유동 도관(103A 및 103B)들의 각각은 D2의 감소된 직경을 포함한다. 유동 횡단 면적에서의 잠재적인 감소가 아래에서 더 상세하게 논의된다.
센서 조립체(10)는 구동기(104)를 포함할 수 있다. 예를 들면 구동기(104)가 구동 모드에서 도관(103A, 103B)들을 진동시킬 수 있는 위치에서 도관(103A, 103B)들에 구동기(104)가 부착되어 도시된다. 구동기(104)는 도관(103A)에 장착된 코일 및 도관(103B)에 장착된 대향 자석과 같은 다수의 널리-알려진 배열체들 중 하나를 포함할 수 있다. 교류 형태의 구동 신호는 예를 들면 경로(110)를 경유하는 것과 같이 계측 전자 기기(20)에 의해 제공될 수 있고 코일을 통하여 지나가서 도관(103A, 103B) 모두가 굽힘 축선(W-W 및 W'-W')들을 중심으로 오실레이팅하는 것이 유발된다.
센서 조립체(10)는 또한 도관(103A, 103B)들에 부착되는 한 쌍의 픽-오프 센서(105, 105')들을 포함한다. 일 실시예에 따라, 픽-오프 센서(105, 105')들은 전자기 검출기들, 예를 들면 도관(103A, 103B)들의 속도 및 위치를 나타내는 픽-오프 신호들을 생성하는 픽-오프 자석들 및 픽-오프 코일들일 수 있다. 예를 들면, 픽-오프(105, 105')들은 픽-오프 신호들을 경로(111, 111')들을 경유하여 계측 전자 기기(20)에 공급할 수 있다. 당업자는 도관(103A, 103B)들의 운동이 유동 재료의 소정의 특성들, 예를 들면 도관(103A, 103B)들을 통하여 유동하는 재료의 밀도 및 질량 유량에 비례한다는 것을 인정할 것이다.
센서 조립체(10)는 또한 도관(103A, 103B)들 내의 유체의 온도를 측정하기 위해, 저항 온도 장치(resistance temperature device ;RTD)와 같은, 온도 센서(107)를 포함할 수 있다. RTD는 리드(112)를 경유하여 계측 전자 기기(20)와 전기 연통될 수 있다.
일 실시예에 따라, 계측 전자 기기(20)는 픽-오프(105, 105')들로부터 픽-오프 신호들을 수신한다. 경로(26)에는 하나 또는 둘 이상의 계측 전자 기기(20)가 조작자와 인터페이싱하는 것을 허용하는 입력 및 출력 수단이 제공될 수 있다. 계측 전자 기기(20)는 예를 들면, 위상 차, 주파수, 시간 지연(주파수에 의해 나누어진 위상 차), 밀도, 질량 유량, 용적 유량, 총 질량 유동, 온도, 및 다른 정보와 같은 시험 하의 유체의 하나 또는 둘 이상의 특성들을 측정할 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따라 도 1에서 개설된 계측 전자 기기(20)를 보여준다. 계측 전자 기기(20)는 인터페이스(201) 및 프로세싱 시스템(203)을 포함할 수 있다. 프로세싱 시스템(203)은 저장 시스템(204)을 포함할 수 있다. 저장 시스템(204)은 도시된 바와 같은 내부 메모리를 포함할 수 있고, 또는 대안적으로 외부 메모리를 포함할 수 있다. 계측 전자 기기(20)는 구동 신호(211)를 생성할 수 있고 구동 신호(211)를 도 1에 도시된 구동기(104)에 공급할 수 있다. 계측 전자 기기(20)는 또한 도 1에 도시된 리드(111 및 111')들을 경유하여 픽-오프 센서(105, 105')들과 같이, 센서 조립체(10)로부터 센서 신호(210)들을 수신할 수 있다. 일부 실시예들에서, 센서 신호(210)들은 구동기(104)로부터 수신될 수 있다. 계측 전자 기기(20)는 농도계로서 작동할 수 있거나 코리올리 유량계로서 작동하는 것을 포함하여 유량계로서 작동할 수 있다. 계측 전자 기기(20)가 또한 일부의 다른 타입의 진동계 조립체로서 작동할 수 있으며 제공된 특별한 예들은 본 발명의 실시예의 범위를 제한하지 않아야 한다는 것이 인정되어야 한다. 계측 전자 기기(20)는 도관(103A, 103B)들을 통하여 유동하는 재료의 하나 또는 둘 이상의 유동 특성들을 얻도록 센서 신호(210)들을 프로세싱할 수 있다.
인터페이스(201)는 리드(110, 111, 111')들을 경유하여 구동기(104)로부터 또는 픽-오프 센서(105, 1O5')들로부터 센서 신호(210)들을 수신할 수 있다. 인터페이스(201)는 임의의 방식의 포맷팅(formatting), 증폭, 버퍼링, 등과 같은 임의의 필요하거나 원하는 신호 조정을 수행할 수 있다. 대안적으로, 일부 또는 모든 신호 조정은 프로세싱 시스템(203)에서 수행될 수 있다. 또한, 인터페이스(201)는 계측 전자 기기(20)와 외부 장치들 사이의 통신을 가능하게 할 수 있다. 인터페이스(201)는 임의의 방식의 전자적, 광학적, 또는 무선 통신을 가능하게 할 수 있다.
일 실시예에서 인터페이스(201)는 디지털화 장치(도시 안됨)를 포함할 수 있으며, 여기에서 센서 신호(210)들은 아날로그 센서 신호들을 포함한다. 디지털화 장치는 샘플링되어 아날로그 센서 신호들을 디지털화할 수 있으며 디지털 센서 신호들을 생성할 수 있다. 디지털화 장치는 또한 임의의 요구된 축소(decimation)를 수행할 수 있으며, 여기에서 디지털 센서 신호는 축소되어 요구된 신호 프로세싱의 양이 감소되고 프로세싱 시간을 감소된다.
프로세싱 시스템(203)은 계측 전자 기기(20)의 작동들을 지휘할 수 있고 센서 조립체(10)로부터 유동 측정치들을 프로세싱할 수 있다. 프로세싱 시스템(203)은 하나 또는 둘 이상의 프로세싱 루틴들을 실행하도록 뿐만 아니라 하나 또는 둘 이상의 유동 특성들을 생성하도록 유동 측정들을 프로세싱하기 위해 요구된 데이터 프로세싱을 실행할 수 있다.
프로세싱 시스템(203)은 범용 컴퓨터, 마이크로프로세싱 시스템, 로직 회로, 또는 소정의 다른 범용 또는 맞춤형 프로세싱 장치를 포함할 수 있다. 프로세싱 시스템(203)은 다수의 프로세싱 장치들 중에서 공급될 수 있다. 프로세싱 시스템(203)은 저장 시스템(204)과 같은, 임의의 방식의 일체형 또는 독립형 전자 저장 매체를 포함할 수 있다.
계측 전자 기기(20)가 본 발명의 기술분야에서 일반적으로 알려진 다양한 다른 구성요소들 및 기능들을 포함할 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 이러한 부가 특징들은 간략화를 위해 설명 및 도면들로부터 생략된다. 따라서, 본 발명의 실시예는 도시되고 논의된 특징 실시예들로 제한되지 않아야 한다.
도 3은 일 실시예에 따른 유체 유동 시스템(300)을 도시한다. 유체 유동 시스템(300)은 유체 입구(301A) 및 유체 출구(301B)를 포함하는 파이프라인(301)을 포함한다. 파이프라인은 유체 입구(301A)가 파이프라인(301)의 나머지에 결합될 수 있는 플랜지 조인트(301')를 포함한다. 예를 들면, 보관 이송 적용 분야에서, 유체 입구(301A)는 판매자의 시스템의 부분일 수 있는 반면 플랜지 조인트(301')로부터 하류의 나머지 구성요소들은 구매자의 시스템의 일 부분을 포함한다.
도시된 바와 같이, 진동계(5)는 파이프라인(301) 내에 위치될 수 있고 유체 유동 시스템(300)의 일 부분을 포함한다. 일 실시예에 따라, 파이프라인(301)은 제 1 유체 제어 밸브(302), 제 1 압력 센서(303), 제 2 압력 센서(304), 및 제 2 유체 제어 밸브(305)를 더 포함하며 이들은 모두 리드(306, 307, 308 및 309)들을 경유하여 계측 전자 기기(20)와 전기 연통된다. 또한 도 3에 도시된 것은 리드(311)를 경유하여 계측 전자 기기(20)와 전기 연통되는 시스템 제어기(310)이다. 또한, 도시된 바와 같이, 파이프라인(301)은 위에서 언급된 구성요소들을 서로 유체 연통되게 한다.
제 1 및 제 2 밸브(302, 305)들 및 제 1 및 제 2 압력 센서(303, 304)들이 계측 전자 기기(20)와 직접 전기 연통되게 도시되지만, 다른 실시예들에서, 이러한 구성요소들은 시스템 제어기(310)와 직접 전기 연통될 수 있는 것이 인정되어야 한다. 따라서, 본 발명의 실시예는 도면들에서 도시된 정밀한 구성으로 제한되지 않아야 한다. 따라서, 시스템 제어기(310)는 중앙 프로세싱 시스템, 범용 컴퓨터, 또는 압력 센서(303, 304)들 모두로부터 수신된 신호들뿐만 아니라 진동계(5)의 계측 전자 기기(20)로부터의 신호들을 프로세싱할 수 있는 소정의 다른 타입의 범용 또는 맞춤형 프로세싱 장치를 포함할 수 있다. 따라서, 시스템 제어기(310)는 진동계(5)의 일 부분을 포함하지 않고, 오히려 진동계(5)로부터의 신호들을 프로세싱하도록 구성될 수 있다. 시스템 제어기(310)는 또한 사용자 인터페이스(도시안됨)에 의해 전기 연통될 수 있다. 이는 사용자가 사용자의 선호 또는 요구들에 따라 시스템 제어기(310)를 구성하는 것을 허용할 수 있다.
일 실시예에 따라, 유체 유동 시스템(300)을 통하여 유동하는 유체가 유체의 포화 압력을 초과하는 압력으로 유지될 수 있도록 유체 유동 시스템(300)이 제어될 수 있다. 인정될 수 있는 바와 같이, 유체 유동 시스템(300) 내의 유체는 순수 물질 또는 두 개 또는 세 개 이상의 물질들의 혼합물을 포함할 수 있다. 따라서, 유체의 포화 압력은 시스템(300)을 통하여 유동하는 특별한 물질(들)을 기초로 하여 변화될 수 있다. 인정될 수 있는 바와 같이, 액체로부터의 가스 누출은 파이프라인(301) 내에서 문제를 발생하지 않을 수 있으며; 그러나 가스는 진동계(5)의 센서 조립체(10) 뿐만 아니라 유체 유동 시스템(300)의 다른 구성요소들 내에 있을 때, 측정 문제점들이 발생할 수 있다. 더욱이, 유체는 아마도 파이프라인(301)의 다른 부분들에서보다 센서 조립체(10) 내에 있는 동안 포화 압력 아래로 강하할 것 같다. 이에 대한 하나의 이유는 센서 조립체(10)의 유동 도관(103A 및 103B)들의 총 횡단면적이 전형적으로 D1의 파이프라인 직경 및 D1 보다 작은, D2의 유동 도관 직경에 의해 위에서 언급된 파이프라인 횡단면적보다 전형적으로 더 작기때문이다. 횡단면적에서의 차이는 전형적으로 유량이 두 개의 도관(103A, 103B)들 사이로 분리되는 도 1에 도시된 바와 같은 이중 유동 도관 센서 조립체들에 비해 단일 유동 도관 센서 조립체들에서 심지어 더 크다. 이에 대한 이유는 단일 유동 도관 센서들이 전형적으로 픽오프들 사이에서 측정가능한 시간 지연을 생성하기 위해 더 큰 코리올리력을 요구하기 때문이다. 회전 기준 프레임을 통하여 이동하는 질량에 의해 생성된 코리올리력은 질량의 속도에 비례한다. 코리올리력을 증가시키기 위한 통상의 방법은 횡단면적을 감소시킴으로써 유체의 유동 속도를 증가시키는 것이다.
유체의 압력을 포화 압력을 초과하여 유지하는 방법을 이해하기 위해서는, 유체가 시스템(300)을 통하여 유동함에 따라 계수들이 유체의 압력에 영향을 미칠 수 있음을 이해하는 것이 중요하다. 일반적으로 알려진 바와 같이, 주어진 제어 용적 내에서, 질량이 보존된다. 비압축성 액체를 가정하면, 질량이 제어 용적으로 유입되는 속도는 질량이 제어 용적을 떠나는 속도와 동일하다. 이러한 원리는 방정식 (1) 및 도 3을 이용하여 예시될 수 있다. 질량이 유체 유동 시스템(330) 내에서 지점(331)으로부터 지점(333)으로 이동할 때 질량이 각각의 지점에서 보존된다. 그러나, 유체가 지점(331)으로부터 지점(332)으로 이동할 때 유동 횡단 면적의 직경이 파이프라인(301)의 직경(D1)에 의해 규정된 총 유동 횡단 면적으로부터 직경(D2)을 각각 가지는 센서 조립체(10)의 유동 도관(103A 및 103B)들 또는 직경(D2)을 가지는 단일 유동 도관 센서 조립체의 유동 도관에 의해 규정된 총 유동 횡단 면적으로 감소함에 따라, 유동 횡단 면적에서의 감소가 있다. 유동 횡단 면적에서의 감소는 방정식(1)에 의해 예시된 바와 같은 동일한 질량 유량을 유지하기 위해 유체의 속도를 증가시키는 것을 요구한다.
Figure 112014002008841-pct00001
(1)
여기서:
Figure 112014002008841-pct00002
은 질량 유량이고;
ρ는 유체 밀도이고;
υ는 평균 유체 속도이고; 그리고
A는 총 횡단면적이다.
볼 수 있는 바와 같이, 다수의 유체들에 대한 명확한 가정인, 유체 밀도가 일정하게 남아 있는 것을 가정하면, 유체 속도가 센서 조립체(10) 내에서 증가되어 횡단면적이 지점(331)으로부터 지점(332)까지 감소됨에 따라 동일한 질량 유량을 유지한다.
베루누이 방정식으로부터 부가적으로 알려진 것은 시스템 내의 총 압력(Ptotal)이 동압(Pdynamic), 정수압(Phydrostatic), 및 정압(Pstatic)의 합과 동일하다는 것이다. 정압은 유체 내의 지점에서 열동력학적 압력이며 동압은 유동 속도에 의한 부가 압력이다. 정수압은 기준 평면 위의 높이의 변화에 의한 부가 압력이다.
Figure 112014002008841-pct00003
(2)
여기서:
Figure 112014002008841-pct00004
(3)
Figure 112014002008841-pct00005
(4)
여기서:
g는 중력에 의한 가속도이며, 그리고
z는 기준 평면 위의 지점의 높이이다.
따라서, 시스템 내의 유체가 비 압축성, 무점성, 비 회전성 유동을 포함하는 것으로 가정된다면, 베루누이 방정식은 방정식(5)을 제공한다.
Figure 112014002008841-pct00006
(5)
높이에 의해 유발된 압력 변화(정수압)가 대부분의 시스템들에 대해 합리적인 가정인, 유체 유동 시스템(300)에 대해 무시되면, 방정식(5)은 아래와 같이 지점(331 및 332)들에 대해 다시 쓰여 질 수 있다:
Figure 112014002008841-pct00007
(6)
유체 유동 시스템(300)을 참조하면, 유체가 센서 조립체(10)의 외부의 지점(331)으로부터 센서 조립체(10) 내의 지점(332)으로 이동함에 따라, 질량 유량을 보존하기 위해 속도에서의 변화가 있다. 따라서, 방정식(6)에서 도시된 관계를 유지함으로써, 동압(
Figure 112014002008841-pct00008
)이 속도 제곱의 비율로 급격히 증가하여, 정압에서의 감소를 유발한다. 유체가 센서 조립체(10) 밖으로 그리고 역으로 파이프라인(301) 내로 D1의 직경 증가에 의해 횡단면적이 증가하는 지점(333) 내로 유동할 때, 유체 속도가 질량 유량을 유지하기 위해 감소됨에 따라 정압이 회복된다.
질량 유량 및 밀도가 지점(331)에서 정압을 결정하는 압력 센서(303) 및 진동계(5)에 의해 용이하게 결정되는 상태에서, 센서 조립체(10) 내의 지점(332)에서의 정압이 용이하게 계산될 수 있는데, 이는 파이프라인(301) 뿐만 아니라 유동 도관(103A, 103B)들의 횡단면적들이 알려져 있거나 측정될 수 있기 때문이다. 따라서, 베루누이 방정식을 이용하여, 방정식(6)을 재배열함으로써 유동 도관(103A, 103B)들 내에 압력 센서를 요구하지 않으면서 센서 조립체(10) 내의 정압이 결정될 수 있다. 현재 설명된 실시예에서, 유동 횡단 면적은 직경(D2)을 각각 가지는 양 유동 도관(103A, 103B)들에 의해 규정되며; 그러나, 단일 유동 도관 센서 조립체에서, 유동 횡단 면적은 직경(D2)을 가지는 단일 유동 도관에 의해 규정될 것이다. 이중 유동 도관 센서 조립체에 대해, 각각의 유동 도관을 통한 속도가 대략 동일할 때, 유동 횡단 면적은 속도를 결정할 관심 대상인 양 유동 도관들의 조합된 횡단면적이다. 따라서, 각각의 유동 도관(103A, 103B) 내의 압력은 대략 동일하여야 한다. 그러나, 시스템을 통한 질량 유량을 결정할 때, 계측 전자 기기(20)는 본 기술분야에 일반적으로 알려진 바와 같이 이중 유동 도관 센서 조립체의 양 도관들을 통한 질량 유동과 조합할 것이다.
상기 논의는 유체 점성에 의한 회복 불가능한 압력 손실, 즉 마찰 손실들이 없는 이상적인 상황을 나타낸다. 일반적으로 알려진 바와 같이, 이는 일부 상황들에서 비현실적이고 부적합한 특성화(characterization)이다. 오히려, 유체가 유체 유동 시스템(300)을 통하여 유동할 때, 유체는 에너지를 소멸시키며 압력은 주어진 길이의 파이프를 가로질러 강하된다. 압력에서의 이러한 손실은 회복 불가능한 것으로 고려되는데, 이는 마찰 손실들을 통하여 소모되기 때문이다. 파이프를 통한 점성 손실(viscous loss)들에 의한 압력 강하는 다르시-바이스바하(Darcy-Weisbach)에 의해 아래와 같이 특정될 수 있다:
Figure 112014002008841-pct00009
(7)
여기서:
Figure 112014002008841-pct00010
는 점성 압력 손실이며;
Figure 112014002008841-pct00011
는 마찰 계수(때때로 다르시 마찰 계수로서 지칭됨)이며;
L은 측정들 사이의 길이이며; 그리고
D는 파이프 직경이다.
마찰 계수는 경험적으로 결정될 수 있거나 검색 표, 차트, 등으로부터 얻을 수 있다. 예를 들면, 다수의 센서 조립체들에는 제조자로부터 마찰 계수가 제공되어 사용자들이 센서 조립체를 통한 유체의 회복불가능한 에너지 손실을 결정할 수 있다.
점성 압력 손실들을 고려하기 위해 방정식(6) 내로 방정식(7)을 부가하여 방정식(8)이 제공된다.
Figure 112014002008841-pct00012
(8)
고려된 점성 손실들에 의해, 파이프의 횡단면적이 질량 유동을 보존하기 위해 감소됨에 따라 정압이 심지어 더 많이 강하된다. 점성 압력 손실이 고려되고 압력이 예를 들면 횡단면적들이 실질적으로 동일한 지점(331 및 333)들에서 측정되는 경우, 점성 효과들에 의한 측정된 압력 손실은 센서 조립체(10)를 통하여 선형이 되는 것으로 가정된다. 이는 도 4에서 라인(401)에 의해 예시된다.
도 4는 정압 대 유체 유동 시스템 위치의 차트를 보여준다. 알 수 있는 바와 같이, 지점(331)에서의 압력은 제 1 압력 센서(303)에 의해 측정될 수 있고 제 1 압력 신호(213)로서 계측 전자 기기(20)에 송신된다. 도시된 실시예에서, 제 1 압력은 대략 100 psi(6.9 바아)이다. 지점(333)에서의 압력은 제 2 압력 센서(304)에 의해 측정될 수 있고 제 2 압력 신호(214)로서 계측 전자 기기(20)에 송신될 수 있다. 도시된 실시예에서, 제 2 압력은 대략 85 psi(5.9 바아)이다. 따라서, 종래 기술의 시스템들에서 전형적으로 취득한 두 개의 압력 측정치들에 따라, 사용자 또는 조작자는 압력이 단지 약 15 psi(1 바아)만이 강하되고 이에 따라 현재 예에서 약 60 psi(4 바아)인, 유용하게는(well) 포화 압력을 초과한 상태로 남아 있는 것을 가정할 것이다. 그러나, 센서 조립체(10) 내에 발생하는 정압 강하를 고려하지 않으면서 센서 조립체(10) 앞 및 뒤의 압력을 측정하는 것은 전체적으로 시스템(300)의 부적합한 특성화를 제공한다.
위에서 설명된 바와 같이, 다수의 상황들에서, 유동 도관(103A, 103B)들의 횡단면적은 파이프라인(301)의 횡단면적보다 작다. 결론적으로, 유체 유동 시스템(300) 내의 최하 정압은 통상적으로 센서 조립체(10) 내에서 경험된다. 유체가 지점(331 및 332)들 사이를 유동함에 따라, 즉 유체가 센서 조립체(10)를 통하여 유동함에 따라 도 4의 라인(402)은 유체 정압의 예시적인 압력 프로파일로서 나타난다. 예상할 수 있는 바와 같이, 점성 손실들에 의한 정압에서의 일반적인 하강 경향이 있다. 그러나, 유체가 센서 조립체(10)를 통하여 유동함에 따라 속도가 급격히 증가하기 때문에, 도관(103A, 103B)들 내의 유체 속도, 및 이에 따라 동압이 증가함에 따라 정압이 급속하게 강하된다. 인정될 수 있는 바와 같이, 최하 정압은 센서 조립체(10)로부터 배출되기 바로 전 센서 조립체(10)의 단부에서 보여진다. 센서 조립체(10)로부터 배출되기 전에, 유체 정압은 유체의 포화 온도 아래로 강하된다. 결론적으로, 가스가 액체로부터 누출됨에 따라 유체는 상들을 변화하기 시작할 수 있다.
일 실시예에 따라, 유체가 유체의 포화 압력을 초과한 상태로 유지되는 것을 보장하기 위해 유체 유동 시스템(300)을 통한 유체 유동이 조정될 수 있다. 이러한 제어는 두 개 이상의 방식들로 달성될 수 있다. 제 1 방법은 사실상 장소(332)에서 정압을 증가시키는 장소(332)에서의 동압을 감소시키기 위해 유체 속도를 감소시키는 것이다. 다른 방법은 파이프라인 압력을 증가시키는 것이다. 이는 도 4에서 라인(401) 및 라인(402) 모두를 효과적으로 상승시켜서 라인(402)의 일 부분이 라인(403)에 의해 표시된 포화 압력 미만으로 강하되지 않는다. 파이프라인 내의 유체 속도 및 유체 압력은 펌프(도시 안됨)를 조정함으로써 또는 센서 조립체(10)의 각각의 상류 및 하류에 위치된 제 1 및 제 2 유체 제어 밸브(302, 305)들을 조정함으로써 제어될 수 있다. 예를 들면, 센서 조립체(10)의 상류에 위치된 제 1 유체 제어 밸브(302)가 부분적으로 폐쇄되는 경우(유동 제한되는 경우), 유동 속도가 감소될 것이다. 대신, 제 1 유체 제어 밸브(302)가 추가로 개방되고 및/또는 제 2 유체 제어 밸브(305)가 부분적으로 폐쇄되어 유동이 제한되는 경우, 라인 압력이 증가한다. 유체 유동 시스템(300)은 예를 들면 계측 전자 기기(20) 또는 시스템 제어기(310)를 경유하여 제어될 수 있다. 대안적으로, 제 1 및 제 2 제어 밸브(302, 305)들은 사용자 또는 조작자에 의해 수동으로 제어될 수 있다.
대부분의 진동계들이 진동계의 도관들 내에 압력 센서들을 포함하지 않기 때문에, 현재 설명된 실시예들은 진동계(5)의 상류 및/또는 하류에서 취한 압력 측정들과 함께 진동계(5)에 의해 측정될 수 있는 유동 특성들을 이용하여 진동계의 도관들 내의 정압을 결정하기 위한 대안적인 방법을 제공한다. 위에서 논의된 바와 같이, 다수의 진동계들, 및 특히 코리올리 유량계들은 예를 들면, 질량 유량, 용적 유량, 유체 밀도, 총 질량 유량, 및 온도와 같은, 매우 다양한 유동 특성을 측정할 수 있다. 이러한 측정된 유동 특성들 중 하나 또는 둘 이상의 특성은 센서 조립체(10) 내의 정압을 결정하는데 이용될 수 있다.
일 실시예에 따라, 센서 조립체(10) 내의 유체의 포화 압력은 또한 포화 압력과 하나 또는 둘 이상의 유동 특성들 사이의 알려진 또는 이전에 결정된 관계를 기초로 하여 결정될 수 있다. 예를 들면, 유체 유동 시스템(300)이 탄화수소 측정 적용 분야에서 사용되는 경우, 주어진 온도에서 탄화수소 유체의 포화 압력과 탄화수소 유체의 밀도 사이에 적절한 관계가 있다는 것을 알 수 있었다. 이는 예를 들면 도 5에서 볼 수 있다.
도 5는 두 개의 상이한 온도들에서 일 예의 탄화수소류에 대한 포화 압력 대 밀도의 차트를 보여준다. 알 수 있는 바와 같이, 0 ℃ 및 50 ℃ 둘다에 대해, 대략적인 선형 관계가 밀도와 포화 압력 사이에 존재한다. 따라서, 진동계(5)가 센서 조립체(10)를 통하여 유동하는 유체의 밀도 및 온도를 결정하는 경우, 유체의 포화 압력이 결정될 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같은 차트 또는 검색 표의 이용은 유체의 포화 압력의 실질적인 실시간 결정을 허용한다. 저장된 값들로부터 포화 압력들을 얻는 것과 같이, 다른 방법들이 사용될 수 있다는 것이 인정되어야 한다. 그러나, 보관 이송 적용 분야에서, 혼합물의 정밀한 순도는 위치에 의해 변화되고 이에 따라 가정된 포화 압력을 사용하는 것이 현실적이거나 정확하지 않을 수 있다. 대비하면, 밀도 및 온도를 측정함으로써, 포화 압력은 도 5에 도시된 그래프와 유사한 그래프를 이용하여 보간법으로 계산될 수 있다.
도 6은 센서 조립체(10) 내의 유체의 정압을 결정하기 위해 이용될 수 있는 프로세싱 루틴(600)을 보여준다. 프로세싱 루틴(600)은 예를 들면 계측 전자 기기(20) 내에 저장될 수 있다. 대안적으로, 프로세싱 루틴(600)은 시스템 제어기(310) 내에 저장될 수 있고 시스템 제어기(310)에 의해 실행될 수 있다. 일 실시예에 따라, 프로세싱 루틴(600)은 파이프라인(301) 내의 유체의 정압이 측정되는 단계(601)에서 시작한다. 파이프라인(301) 내의 압력은 제 1 압력 센서(303) 및/또는 제 2 압력 센서(304)를 이용하여 측정될 수 있다. 측정된 압력은 제 1 또는 제 2 압력 신호(213, 214)로서 계측 전자 기기(20)에 제공될 수 있다. 대안적으로, 측정된 압력은 시스템 제어기(310)에 직접 제공될 수 있다. 바람직한 일 실시예에서, 파이프라인(301) 내의 임의의 지점에서 압력이 측정될 수 있지만, 압력 센서(303 및/또는 304)는 센서 조립체(10)에 근접하게 위치되어 두 개의 압력 센서(303, 304)들 사이의 압력 강하가 센서 조립체(10)에 기인할 수 있고 유체 유동 시스템(300)의 다른 구성요소에 기인하지 않을 수 있다.
단계(602)에서, 진동계(5)는 센서 조립체(10)로부터 수신된 센서 신호(210)들을 기초로 한 하나 또는 둘 이상의 유동 특성들을 측정할 수 있다. 일 실시예에 따라, 측정된 유동 특성은 측정된 질량 유량을 포함할 수 있다. 다른 실시예에 따라, 측정된 유동 특성은 측정된 용적 유량을 포함할 수 있다. 측정된 유동 특성들은 측정된 밀도를 더 포함할 수 있다. 측정된 유동 특성들은 측정된 온도를 더 포함할 수 있다.
단계(603)에서, 계측 전자 기기(20) 또는 시스템 제어기(310)는 센서 조립체(10) 내의 정압을 결정할 수 있다. 일 실시예에 따라, 센서 조립체(10) 내의 정압은 하나 또는 둘 이상의 유동 특성들과 함께 측정된 파이프라인 압력을 기반으로 하여 결정될 수 있다. 위에서 설명된 바와 같이, 센서 조립체(10)의 치수들(횡단면적 및 길이) 및 마찰 계수가 알려지거나 용이하게 측정될 수 있다. 따라서, 하나 또는 둘 이상의 유동 특성들을 이용하여, 점성 압력 손실이 결정될 수 있다. 또한, 압력 센서(303)가 위치되는 지점(331)에 대한 유체 속도뿐만 아니라 지점(332)에서의 유체 속도 모두 또는 센서 조립체(10) 내의 임의의 다른 지점에서의 유체 속도가 결정되는 경우, 상기 지점에서의 정압은 정압에 대해 방정식[(7) 및 (8)]들을 재배열함으로써 결정될 수 있다. 일 실시예에 따라, 결정된 정압은 센서 조립체(10)로부터 배출되기 바로 전의 정압을 포함한다. 이러한 지점에서 정압을 결정하는 것은 일반적으로 점성 압력 손실에 의한 가장 낮은 정압이 될 것이다. 그러나, 센서 조립체 내의 다른 지점들에서의 정압은 방정식[(7) 및 (8)]들로부터 길이(L)를 조정함으로써 간단히 결정될 수 있다.
프로세싱 루틴(600)은 센서 조립체(10) 내의 정압을 기초로 하여 유체가 적어도 일부 가스를 포함하는지를 결정할 수 있다. 예를 들면, 단계(604)에서, 정압은 한계 값 또는 밴드(값들의 범위)와 비교될 수 있다. 한계 값은 예를 들면 유체의 결정된 포화 압력을 기초로 할 수 있다. 대안적으로, 한계 값은 사용자 입력 값을 기초로 할 수 있다. 사용자 입력 값은 유체의 포화 압력을 포함하지 않고, 오히려 정압이 한계 값을 초과하는 경우, 또한 정압이 포화 압력을 초과하도록 포화 압력을 초과하게 되는 것으로 가정된 값을 포함할 수 있다. 한계 값 또는 밴드는 미리 결정된 양만큼 결정된 포화 압력을 초과할 수 있다. 이는 포화 압력 미만으로 일시적으로 강하되지 않으면서 정압에서의 소정의 변화를 허용할 수 있다. 일 실시예에 따라, 포화 압력은 예를 들면 측정된 밀도 및 온도를 기초로 하여 결정될 수 있다. 다른 실시예에 따라, 포화 압력은 이전에 저장된 값을 기초로 하여 결정될 수 있다.
일 실시예에 따라, 정압이 한계 값 또는 값들의 밴드 내에 있는 경우, 프로세스는 추가 액션이 요구되지 않을 수 있는 단계(605)로 진행될 수 있다. 예를 들면, 한계 값이 결정된 포화 압력을 기초로 하고, 정압이 포화 압력을 초과한 경우, 추가 액션이 요구되지 않을 수 있다.
그러나, 일 실시예에 따라, 정압이 한계 값 또는 밴드 밖에 있는 경우, 프로세스는 시스템 제어기(310) 또는 계측 전자 기기(20)가 하나 또는 둘 이상의 액션들을 수행할 수 있는 단계(606)로 진행될 수 있다. 예를 들면, 정압이 포화 압력 미만인 경우, 시스템 제어기(310) 또는 계측 전자 기기(20)가 하나 또는 둘 이상의 액션들을 수행할 수 있다. 일 실시예에 따라, 정압이 한계 값 또는 밴드 밖에 있는 경우 취해진 액션은 유체가 적어도 일부 가스를 포함하는 것으로 결정될 수 있다. 위에서 논의된 바와 같이, 예를 들면 정압이 포화 압력 아래인 경우, 유체는 빠른 증발을 시작할 것이고 또는 탈가스가 발생될 것이어서, 결과적으로 적어도 일부 가스가 유체 내에 존재한다.
일 실시예에 따라, 취해질 수 있는 다른 액션은 유체 속도를 낮추거나 라인 압력을 상승시키기 위해 시스템 제어기(310)가 제 1 또는 제 2 밸브(302, 305)들 중 하나 또는 둘 이상을 조정하는 것일 수 있다. 대안적으로, 유체가 탈가스되거나 빠르게 증발될 수 있는 것을 사용자 또는 조작자에게 알리는 경고가 발생될 수 있다. 당업자는 센서 조립체(10) 내의 측정된 정압이 유체의 포화 압력 아래로 강하되는 것을 프로세싱 루틴(600)이 결정하는 경우 후속될 수 있는 대안적인 절차들을 용이하게 인정할 것이다.
다른 실시예에 따라, 계측 전자 기기(20) 또는 시스템 제어기(310)는 진동계(5)의 드라이브 게인을 기초로 하여 유체가 포화 압력 아래 있음을 확인할 수 있다. 드라이브 게인은 구동 코일 전압에 의해 나누어진 픽-오프 코일 전압으로서 규정될 수 있다. 예를 들면 미국 특허 제 6,564,619호로부터 본 기술분야에서 알려진 바와 같이, 코리올리 유량계의 드라이브 게인은 가스의 존재를 검출하기 위해 이용될 수 있다.
비록 상기 논의가 센서 조립체(10) 내의 유체의 정압을 결정하지만, 관심 위치의 유동 횡단 면적이 알려지는 한 상기 방법을 이용하여 상기 유체 유동 시스템(300) 내의 다른 위치들에서 유체의 정압이 결정될 수 있다는 것이 인정되어야 한다. 유체 유동 시스템(300)의 다른 위치들에서 유체의 정압을 결정하는 것은 센서 조립체(10)에 의해 결정된 유동 특성들이 관심 위치에서 동일하다는 것을 가정한다.
도 7은 예시적인 진동계의 드라이브 게인 대 공극율의 차트를 보여준다. 보여진 바와 같이, 드라이브 게인은 1%의 공극율에 도달하기 전에 약 100%로 급속하게 증가한다. 따라서, 계측 전자 기기(20), 시스템 제어기(310), 또는 둘다는 측정된 드라이브 게인이 한계 드라이브 게인 수준과 비교될 수 있다. 예를 들면, 측정된 드라이브 게인이 한계 드라이브 게인 수준을 초과하는 경우, 유체 유동은 포화 압력 아래 있을 수 있거나 소정의 다른 에러가 발생하여 연행된(entrained) 가스를 초래한다. 연행된 가스가 검출되는 경우, 유체 유동은 유동 속도를 감소시키도록 또는 라인 압력을 증가시키도록 조정될 수 있어 센서 조립체(10) 내의 정압을 포화 압력을 초과하여 증가시킨다. 따라서, 유체 내의 가스를 결정하기 위해 드라이브 게인을 모니터링하는 것은 유체가 포화 압력 미만으로 유지되는지의 확인으로서 이용될 수 있다.
위에서 설명된 실시예들은 진동계(5)의 센서 조립체(10) 내의 결정된 정압을 기초로 하여 진동계(5) 내의 가스의 존재를 결정하기 위한 시스템 및 방법을 제공한다. 단지 파이프라인 내의 유체의 압력을 측정하는 종래 기술의 시스템들과 달리, 위에서 설명된 실시예들은 센서 조립체(10) 내의 유체의 정압을 결정하기 위해 파이프라인(301) 내의 유체의 측정된 압력과 함께 하나 또는 둘 이상의 유동 특성들을 활용한다. 따라서, 더욱 정확하고 개선된 측정이 얻어질 수 있다. 센서 조립체 내에서 결정된 정압을 기초로 하여, 유체가 적어도 일부 가스를 포함하는지 여부에 대한 결정이 이루어질 수 있다. 예를 들면, 정압이 한계 값 또는 밴드 밖에 있는 경우 유체가 적어도 일부 가스를 포함하는 것에 대한 결정이 이루어질 수 있다. 유체가 적어도 일부 가스를 포함한다는 결정이 된 경우, 추가의 액션이 취해질 수 있다.
위의 실시예들의 상세한 설명들은 본 발명의 설명의 범주 내에 있도록 발명자들에 의해 고려된 모든 실시예들의 완전한 설명들이 아니다. 실제로, 당업자는 위에서 설명된 실시예들의 소정의 요소들이 추가의 실시예들을 생성하기 위해 다양하게 조합될 수 있거나 제거될 수 있으며 이 같은 추가의 실시예들이 본 발명의 설명의 범주 및 교시들 내에 있음을 인정할 것이다. 또한, 위에서 설명된 실시예들이 본 발명의 설명의 범주 및 교시들 내에서 추가 실시예들을 생성하기 위해 전체적으로 또는 부분적으로 조합될 수 있음이 당업자에게 명백하게 될 것이다.
따라서, 비록 유동 제어 시스템의 특정 실시예들 및 이에 대한 예들이 예시 목적들을 위해 본 명세서에서서 설명되었지만, 당업자들이 인정하는 바와 같이, 다양한 등가의 수정예들이 본 발명의 설명의 범주 내에서 가능하다. 본 명세서에 제공된 교시들은 위에서 설명되고 첨부된 도면들에 도시된 실시예들에만 적용되지 않고 다른 유체 유동 시스템들에 적용될 수 있다. 따라서, 실시예들의 범주는 다음의 청구범위로부터 결정되어야 한다.

Claims (27)

  1. 유체 유동 시스템(300)으로서,
    유동 유체를 구비하는 파이프라인(301);
    상기 파이프라인(301) 내에 위치되고 상기 파이프라인(301) 내의 제 1 압력을 결정하는 제 1 압력 센서(303);
    진동계(5)로서, 상기 제 1 압력 센서(303)에 근접하여 상기 제 1 압력 센서와 유체 연통되는 파이프라인(301) 내에 위치되는 센서 조립체(10); 및 상기 센서 조립체(10)와 전기 연통되고 하나 또는 둘 이상의 센서 신호(210)들을 수신하도록 그리고 하나 또는 둘 이상의 유동 특성들을 측정하도록 구성되는 계측 전자 기기(meter electronics; 20)를 포함하는, 진동계(5); 및
    상기 제 1 압력 센서(303)와 전기 연통되고 상기 계측 전자 기기(20)와 전기 연통되는 시스템 제어기(310);를 포함하며,
    상기 시스템 제어기(310)는,
    상기 제 1 압력 센서(303)로부터 제 1 압력 측정치를 수신하도록;
    상기 계측 전자 기기(20)로부터 상기 하나 또는 둘 이상의 유동 특성들을 수신하도록;
    상기 파이프라인(301) 내의 유체의 압력 및 상기 하나 또는 둘 이상의 유동 특성들을 기초로 하여 상기 센서 조립체(10) 내의 상기 유체의 정압을 결정하도록; 그리고
    상기 유체의 포화 압력을 기초로 하여, 상기 유체의 정압이 한계 값 또는 밴드(threshold value or band) 밖에 있는 경우, 상기 유체가 적어도 일부 가스를 포함한다고 결정하도록; 구성되는,
    유체 유동 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 시스템 제어기(310)는, 상기 유체의 정압이 상기 한계 값 또는 밴드 밖에 있는 경우, 상기 유체 유동을 조정하도록 추가로 구성되고, 상기 조정은 파이프라인의 라인 압력의 증가 및 유체 유량(fluid flow rate)의 감소 중의 한 가지 이상인,
    유체 유동 시스템.
  3. [청구항 3은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.]
    제 1 항에 있어서,
    상기 시스템 제어기(310)는 상기 유체의 측정된 온도 및 밀도를 기초로 하여 상기 포화 압력을 결정하도록 추가로 구성되는,
    유체 유동 시스템.
  4. 유체 유동 시스템(300)으로서,
    유동 유체를 구비하는 파이프라인(301);
    상기 파이프라인(301) 내에 위치되고 상기 파이프라인(301) 내의 제 1 압력을 결정하는 제 1 압력 센서(303);
    진동계(5)로서, 상기 제 1 압력 센서(303)에 근접하여 상기 제 1 압력 센서와 유체 연통되는 파이프라인(301) 내에 위치되는 센서 조립체(10); 및 상기 센서 조립체(10)와 전기 연통되고 하나 또는 둘 이상의 센서 신호(210)들을 수신하도록 그리고 하나 또는 둘 이상의 유동 특성들을 측정하도록 구성되는 계측 전자 기기(meter electronics; 20)를 포함하는, 진동계(5); 및
    상기 제 1 압력 센서(303)와 전기 연통되고 상기 계측 전자 기기(20)와 전기 연통되는 시스템 제어기(310)를 포함하며,
    상기 시스템 제어기(310)는,
    상기 제 1 압력 센서(303)로부터 제 1 압력 측정치를 수신하도록;
    상기 계측 전자 기기(20)로부터 상기 하나 또는 둘 이상의 유동 특성들을 수신하도록;
    상기 파이프라인(301) 내의 유체의 압력 및 상기 하나 또는 둘 이상의 유동 특성들을 기초로 하여 상기 센서 조립체(10) 내의 상기 유체의 정압을 결정하도록;
    상기 유체의 정압을 기초로 하여 상기 유체가 적어도 일부 가스를 포함하는지를 결정하도록;
    드라이브 게인(drive gain)을 결정하도록;
    상기 드라이브 게인을 한계 값과 비교하도록; 그리고
    상기 드라이브 게인이 상기 한계 값을 초과하는 경우 상기 정압이 상기 한계 값 또는 밴드 밖에 있다고 결정하도록; 구성되는,
    유체 유동 시스템.
  5. 유동 유체를 구비하는 파이프라인(301) 내에 위치되고 하나 또는 둘 이상의 압력 센서(303, 304)들과 유체 연통하는 진동 센서(10)용 계측 전자 기기(20)로서,
    상기 계측 전자 기기(20)는:
    센서 조립체(10)를 통하여 유동하는 유체의 하나 또는 둘 이상의 유동 특성들을 측정하도록;
    상기 파이프라인(301) 내의 유체의 정압을 표시하는 제 1 압력 신호(213)를 수신하도록;
    상기 제 1 압력 신호(213) 및 상기 하나 또는 둘 이상의 측정된 유동 특성들을 기초로 하여 상기 센서 조립체(10) 내의 상기 유체의 정압을 결정하도록; 그리고
    상기 유체의 정압이 한계 값 또는 범위 밖에 있는지 여부에 기초하여 상기 유체가 적어도 일부 가스를 포함하는지를 결정하도록 구성되는,
    진동 센서용 계측 전자 기기.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 유체의 정압이 상기 한계 값 또는 밴드 밖에 있는 경우 상기 유체 유동을 조정하도록 추가로 구성되고, 상기 유체 유동의 조정은 상기 파이프라인의 라인 압력의 증가 및 유체 유량의 감소 중의 한 가지 이상에 의한 조정인,
    진동 센서용 계측 전자 기기.
  7. [청구항 7은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.]
    제 5 항에 있어서,
    상기 한계 값 또는 밴드는 상기 유체의 포화 압력을 기초로 하는,
    진동 센서용 계측 전자 기기.
  8. [청구항 8은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.]
    제 7 항에 있어서,
    상기 유체의 측정된 온도 및 밀도를 기초로 하여 상기 포화 압력을 결정하도록 추가로 구성되는,
    진동 센서용 계측 전자 기기.
  9. 제 5 항에 있어서,
    드라이브 게인을 결정하도록, 상기 드라이브 게인을 한계 값과 비교하도록, 그리고 상기 드라이브 게인이 한계 값을 초과하는 경우 상기 정압이 한계 값 또는 밴드 밖에 있다고 결정하도록 추가로 구성되는,
    진동 센서용 계측 전자 기기.
  10. 파이프라인을 통하여 유동하는 유체, 상기 파이프라인 내에 위치되는 제 1 압력 센서, 및 상기 제 1 압력 센서와 유체 연통되는 센서 조립체를 갖는 진동계를 포함하는 유체 유동 시스템을 작동시키는 방법으로서,
    상기 제 1 압력 센서를 이용하여 상기 파이프라인 내의 상기 유체의 압력을 측정하는 단계;
    상기 진동계를 이용하여 상기 유체의 하나 또는 둘 이상의 유동 특성들을 측정하는 단계;
    상기 파이프라인 내의 유체의 압력 및 상기 하나 또는 둘 이상의 유동 특성들을 기초로 하여 상기 센서 조립체 내의 상기 유체의 정압을 결정하는 단계; 및
    상기 유체의 정압이 한계 값 또는 밴드 밖에 있는 경우 상기 유체가 적어도 일부 가스를 포함한다고 결정하는 단계;를 포함하는,
    유체 유동 시스템 작동 방법.
  11. [청구항 11은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.]
    제 10 항에 있어서,
    상기 유체의 포화 압력을 기초로 하여, 파이프라인의 라인 압력의 증가 및 유체 유량의 감소 중의 한 가지 이상에 의해, 상기 유체의 정압이 상기 한계 값 또는 밴드 밖에 있는 경우 상기 유체 유동을 조정하는 단계를 더 포함하는,
    유체 유동 시스템 작동 방법.
  12. [청구항 12은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.]
    제 11 항에 있어서,
    상기 유체의 측정된 온도 및 밀도를 기초로 하여 상기 포화 압력을 결정하는 단계를 더 포함하는,
    유체 유동 시스템 작동 방법.
  13. 파이프라인을 통하여 유동하는 유체, 상기 파이프라인 내에 위치되는 제 1 압력 센서, 및 상기 제 1 압력 센서와 유체 연통되는 센서 조립체를 갖는 진동계를 포함하는 유체 유동 시스템을 작동시키는 방법으로서,
    상기 제 1 압력 센서를 이용하여 상기 파이프라인 내의 상기 유체의 압력을 측정하는 단계;
    상기 진동계를 이용하여 상기 유체의 하나 또는 둘 이상의 유동 특성들을 측정하는 단계;
    상기 파이프라인 내의 유체의 압력 및 상기 하나 또는 둘 이상의 유동 특성들을 기초로 하여 상기 센서 조립체 내의 상기 유체의 정압을 결정하는 단계;
    상기 유체의 정압을 기초로 하여 상기 유체가 적어도 일부 가스를 포함하는지를 결정하는 단계;
    드라이브 게인을 결정하는 단계;
    상기 드라이브 게인을 한계 값과 비교하는 단계; 및
    상기 드라이브 게인이 상기 한계 값을 초과하는 경우 상기 센서 조립체 내의 상기 유체의 정압이 한계 값 또는 밴드 밖에 있다고 결정하는 단계;를 포함하는,
    유체 유동 시스템 작동 방법.
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