KR101832125B1

KR101832125B1 - 다상 유체 흐름의 상 조성을 결정하기 위한 방법 및 장치

Info

Publication number: KR101832125B1
Application number: KR1020130109953A
Authority: KR
Inventors: 벤 프리스비; 나쉬타라 이슬람; 피터 어셔; 미첼 케인
Original assignee: 스피락스-살코 리미티드
Priority date: 2012-09-13
Filing date: 2013-09-12
Publication date: 2018-02-26
Also published as: GB2505905B; EP2708885A1; JP6132717B2; GB201216390D0; US9588083B2; CN110849966A; CN103884642A; JP2014055958A; GB2505905A; US20140069168A1; EP2708885B1; KR20140035283A

Abstract

본 발명은 유체 라인에서 다상 유체 흐름의 상 조성을 결정하는 방법에 관한 것이며, 상기 방법은 상기 유체 라인에서 유체 흐름에 응답하여 진동하며 상기 유체 흐름 내에 구비된 타겟을 포함하는 진동 센서 (22)를 이용하여 유체 흐름으로부터 진동 신호를 획득하는 단계를 포함한다. 상기 진동 신호는 제 1 주파수 대역 내의 진동 신호의 에너지에 관련된 제 1 에너지 파라미터 및, 제 2 주파수 대역 내의 진동 신호의 에너지에 관련된 제 2 에너지 파라미터를 결정하기 위하여 분석되며; 상기 제 1 및 제 2 에너지 파라미터를 이용하여 유체 흐름의 상 조성에 관련된 건조도 파라미터와 같은 상 조성 파라미터가 결정된다. 본 발명은 또한 유체 라인의 다상 유체 흐름의 상 조성을 결정하기 위한 장치에 관한 것이다.

Description

다상 유체 흐름의 상 조성을 결정하기 위한 방법 및 장치 {METHOD AND APPARATUS FOR DETERMINING THE PHASE COMPOSITIONS OF A MULTIPHASE FLUID FLOW}

본 발명은 다상 유체 흐름 (multiphase fluid flow)의 상 조성 (the phase compositions)을 결정하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이며, 절대적인 것은 아니나 특히 습증기 (wet steam)의 건조도 (dryness)를 결정하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.

산업 공정에서 가열매체 (heating medium)로서의 증기의 사용은 매우 광범위하다. 대부분의 공정 및 가열 증기 시스템 은 제 1상으로서 수증기 및 제 2상으로서 응축물을 포함하는 2-상 (two-phase) 유체인 포화된 습증기를 사용한다.

상기 습증기의 건조도 또는 품질을 파악하는 것이 종종 요구된다. 증기 품질 (steam quality)은 수증기인 유체 질량의 백분율이고, 따라서 포화된 증기는 100%의 증기 품질을 가지며, 포화된 액체는 0%의 증기 품질을 갖는다.

몇몇 산업 공정은 증기 품질에 관하여 까다로운 요구조건을 갖는다. 예를 들어, 살균 시스템에서는 상기 증기 품질이 95% 내지 100%이어야 한다. 이러한 기준은 표준 BS EN 285에 의하여 마련된 것이며, 이는 보건에 주로 사용되는 대형 증기 살균기를 위하여 요구조건 및 관련된 테스트를 구체화하고 있다. 요즘은, 일반적으로 교축 열량측정법 (throttling calorimetry)을 이용하여 증기 품질을 측정한다. 교축 열량측정기를 이용하여 증기 품질을 측정하는 장치 및 방법의 예가 GB　1906　12,615에 개시되어 있다. 교축 열량측정법이 증기의 품질을 성공적으로 결정하기 위하여 사용될 수 있기는 하나 이는 시간소모가 큰 공정이며 상기 장치는 비교적 복잡하다.

따라서, 다상 유체 흐름의 상 조성을 결정하기 위하여 개선된 방법 및 장치를 제공하는 것이 바람직하다.

상기 문제점을 해결하고자 본 발명에서는 다상 유체 흐름의 상 조성을 결정하기 위하여 개선된 방법 및 장치를 제공하고자 한다.

본 발명은 첨부된 종속항에서 정의되며, 이들 종속항들을 참조하여야 한다. 또한, 상기 종속항에 부가된 다른 종속항에서 본 발명의 바람직한 특징들을 확인할 수 있을 것이다.

본 발명은 대략적으로 유체 흐름으로부터 획득된 하나 이상의 진동 신호의 특징들을 통하여 습증기와 같은 다상 유체 흐름의 (건조도일 수 있는) 상 조성을 결정하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.

본 발명의 하나의 관점에 따르면, 유체 흐름 내에 구비되며 유체 라인 (fluid line)에서 유체 흐름에 응답하여 진동하는 타겟 (target)을 포함하는 진동 센서 (vibration sensor)를 이용하여 유체 흐름으로부터 진동 신호 (vibration signal)를 획득 (obtaining )하는 단계;

제 1 주파수 대역 내의 상기 진동 신호의 에너지와 관련된 제 1 에너지 파라미터 (parameter), 및 제 2 주파수 대역 내의 상기 진동 신호의 에너지와 관련된 제 2 에너지 파라미터를 결정하기 위하여 상기 진동 신호를 분석 (analyzing)하는 단계; 및

상기 제 1 및 제 2 에너지 파라미터를 이용하여 상기 유체 흐름의 (건조도일 수 있는) 상 조성과 관련된 (건조도 파라미터일 수 있는) 상 조성 파라미터를 결정 (determining)하는 단계; 를 포함하는 유체 라인에서 다상 유체 흐름의 (건조도일 수 있는) 상 조성을 결정하는 방법이 제공된다. 상기 상 조성 파라미터는 상기 제 1 및 제 2 에너지 파라미터로부터 경험적으로 결정될 수 있다.

상기 타겟은 다이어프램 (diaphragm)일 수 있다. 상기 진동 센서는 상기 타겟의 진동을 진동 신호로 변환하기 위한 전기 변환기 (electrical converter)를 더욱 포함할 수 있다. 상기 전기 변환기는 압전 변환기 (piezoelectric transducer)를 포함할 수 있다. 상기 제 1 및/또는 제 2 주파수 대역은 단일 주파수이거나 또는 주파수의 범위일 수 있다. 상기 제 1 및/또는 제 2 에너지 파라미터는 상기 진동 신호로부터 유도 (derived)되거나 결정될 수 있으며, 상기 유체 흐름의 상기 상 조성/건조도에 도달하기 위하여 함께 관련될 수 있는 모든 적절한 파라미터일 수 있다.

모든 구현 예에서는 아니나, 몇몇 구현 예에 있어서, 상기 타겟은 상기 타겟 상의 유체 흐름 충격에 응답하여 진동할 수 있다. 상기 타겟은 하나 이상의 공진 주파수 (resonant frequencies)에서 공진하도록 형성될 수 있다. 상기 진동 신호는 상기 진동 신호의 하나 이상의 공진 주파수의 진폭인 제 1 및/또는 제 2 에너지 파라미터를 결정하기 위하여 분석될 수 있다.

상기 유체 흐름은 상기 진동 센서의 상류 (upstream)에서 혼합될 수 있다. 이는 상기 라인에서 흐르는 상기 유체가 실질적으로 균일 (uniform)하다는 것을 보장하는 데에 도움이 된다.

상기 진동 센서는 시간 영역에서 진동 신호를 측정할 수 있다. 상기 진동 신호를 분석하는 단계는 상기 진동 신호를 시간 영역에서 주파수 영역으로 변환하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 진동 신호는 고속 퓨리에 변환 (fast Fourier transform, FFT)을 이용하여 시간 영역에서 주파수 영역으로 변환될 수 있다.

상기 제 1 에너지 파라미터는 흐름 속도 (flow velocity)에 의존적일 수 있다. 이는 상기 제 1 에너지 파라미터가 상기 흐름 속도의 변화에 응답하여 변화될 수 있다는 것을 의미할 수도 있다. 상기 제 2 에너지 파라미터는 상기 유체 흐름의 상 조성 및 흐름 속도에 의존적일 수 있다. 환언하면, 상기 제 2 에너지 파라미터는 상기 흐름 속도 또는 상기 유체 흐름의 상 조성의 변화에 응답하여 변할 수 있다.

상기 제 1 에너지 파라미터는 제 1 주파수 대역 내의 진동 신호의 총 에너지일 수 있으며, 상기 제 2 에너지 파라미터는 제 2 주파수 대역 내의 진동 신호의 총 에너지일 수 있다. 상기 총 에너지는 특정 주파수 대역에서 상기 모든 주파수의 진폭을 합함으로써 결정될 수 있다. 상기 제 1 에너지 파라미터는 상기 제 1 주파수 대역 내의 피크 주파수 (peak frequency)의 진폭일 수 있으며, 상기 제 2 에너지 파라미터는 상기 제 2 주파수 대역 내의 피크 주파수의 진폭일 수 있다. 다른 구현 예에 있어서, 상기 제 1 및/또는 제 2 에너지 파라미터는 상기 특정 대역 내의 모든 주파수의 평균 진폭 (average amplitude)일 수 있으며, 또는 상기 특정 주파수 대역 내의 진동 신호의 에너지를 특징지을 수 있는 기타의 모든 적절한 값일 수 있다.

상기 제 1 주파수 대역 및/또는 상기 제 2 주파수 대역은 미리 결정되거나 또는 특정한 설치를 위하여 고정될 수도 있다. 상기 진동 신호를 분석하는 단계는 제 1 피크 주파수에 대하여 제 1 주파수 대역을 정의하는 (defining) 단계 및/또는 제 2 피크 주파수에 대하여 제 2 주파수 대역을 정의하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은 제 1 및/또는 제 2 피크 주파수를 검출하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 제 1 주파수 대역은 제 1 피크 주파수를 함유하며/하거나 상기 제 2 주파수 대역은 제 2 피크 주파수를 함유할 수 있다. 상기 제 1 주파수 대역은 상기 제 2 주파수 대역보다 주파수가 더 낮을 수 있다.

상기 방법은 상기 유체 흐름의 온도와 관련된 온도 파라미터를 결정하는 단계를 더욱 포함할 수 있다. 상기 상 조성 및/또는 건조도 파라미터는 제 1 에너지 파라미터, 제 2 에너지 파라미터, 및 상기 온도 파라미터를 이용함으로써 결정될 수 있다. 상기 온도 파라미터는 실제 온도일 수 있으며, 또는 예를 들어 압력과 같이 온도와 관련된 몇몇 다른 파라미터일 수 있다.

상 조성 및/또는 건조도 파라미터를 결정하는 단계는 상 조성 파라미터로 제 1 에너지 파라미터 및 제 2 에너지 파라미터를 상호 연관시키는 데이터를 함유하는 데이터베이스에 접근하는 단계를 포함할 수 있다. 만약 상기 다상 유체가 습증기라면, 상기 건조도 파라미터는 100%가 포화된 수증기이며, 0%가 포화된 액체인 백분율로 표현될 수 있다. 상기 건조도 파라미터는 "증기 품질 (steam quality)"로알려져 있을 수도 있다.

상기 방법은 상기 상 조성 및/또는 건조도 파라미터를 출력시키는 (outputting) 단계를 더욱 포함할 수 있다. 상 조성 및/또는 건조도 파라미터를 출력시키는 단계는 상기 상 조성 및/또는 건조도 파라미터를 표시 및/또는 전송하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 상 조성 및/또는 건조도 파라미터는 무선으로 전송될 수 있다.

상기 유체 흐름은 습증기와 같은 증기 흐름일수 있다. 상기 건조도 파라미터는 "수증기 품질 (vapour quality)"로 알려져 있을 수도 있다.

본 발명의 또 다른 관점에 따르면, 유체 흐름으로부터 진동 신호를 획득하기 위하여 유체 라인 내의 유체 흐름에 응답하여 진동하며 유체 흐름 내에 구비되도록 배열된 (arranged) 타겟을 포함하는 진동 센서;

제 1 주파수 대역 내의 진동 신호의 에너지와 관련된 제 1 에너지 파라미터, 및 제 2 주파수 대역 내의 진동 신호의 에너지와 관련된 제 2 에너지 파라미터를 결정하기 위하여 진동 신호를 분석하기 위한 진동 신호 분석 유닛; 및 상기 제 1 및 제 2 에너지 파라미터를 이용하여 상기 유체 흐름의 (건조도일 수 있는) 상 조성에 관련된 (건조도 파라미터일 수 있는) 상 조성 파라미터를 결정하기 위한 (건조도 결정 유닛일 수 있는) 상 조성 결정 유닛; 을 포함하는 유체 라인에서 흐르는 다상 유체 흐름의 (건조도일 수 있는) 상 조성을 결정하기 위한 장치가 제공된다.

상기 장치는 상기 진동 센서의 상류에서 유체 흐름을 혼합하기 위한 유체 혼합기를 더욱 포함할 수 있다.

상기 진동 센서는 시간 영역에서 상기 진동 신호를 측정하도록 배열될 수 있다. 상기 진동 신호 분석 유닛은 상기 진동 신호를 시간 영역에서 주파수 영역으로 변환하도록 배열될 수 있다. 상기 진동 신호 분석 유닛은 고속 퓨리에 변환 (FFT) 을 이용하여 상기 진동 신호를 시간 영역에서 주파수 영역으로 변환하도록 배열될 수 있다.

상기 제 1 에너지 파라미터는 상기 흐름 속도에 의존적일 수 있다. 상기 제 2 에너지 파라미터는 상기 유체 흐름의 상 조성 및 상기 흐름 속도에 의존적일 수 있다. 상기 제 1 에너지 파라미터는 제 1 주파수 대역 내의 진동 신호의 총 에너지일 수 있으며, 상기 제 2 에너지 파라미터는 제 2 주파수 대역 내의 진동 신호의 총 에너지일 수 있다. 상기 제 1 에너지 파라미터는 제 1 주파수 대역 내의 피크 주파수의 진폭일 수 있으며, 상기 제 2 에너지 파라미터는 제 2 주파수 대역 내의 피크 주파수의 진폭일 수 있다. 상기 제 1 주파수 대역은 미리 결정될 수 있으며, 상기 제 2 주파수 대역도 미리 결정될 수 있다. 상기 진동 신호 분석 유닛은 제 1 피크 주파수에 대하여 상기 제 1 주파수 대역을 정의 (define)하도록 배열될 수 있으며, 상기 진동 신호 분석 유닛은 제 2 피크 주파수에 대하여 제 2 주파수 대역을 정의하도록 배열될 수 있다. 상기 제 1 주파수 대역은 제 1 피크 주파수를 함유할 수 있으며, 상기 제 2 주파수 대역은 제 2 피크 주파수를 함유할 수 있다. 상기 제 1 주파수 대역은 상기 제 2 주파수 대역보다 주파수가 더 낮을 수 있다.

상기 장치는 상 조성 및/또는 건조도 파라미터로 제 1 에너지 파라미터 및 제 2 에너지 파라미터를 상호 연관시키는 데이터베이스를 더욱 포함할 수 있다. 상기 상 조성 및/또는 건조도 결정 유닛은 상기 유체 흐름의 상 조성 및/또는 건조도에 관련된 상 조성 및/또는 건조도 파라미터를 결정하기 위하여 상기 데이터베이스에 접근하도록 배열될 수 있다.

상기 장치는 상기 상 조성 및/또는 건조도 파라미터를 출력시키기 위한 출력 유닛 (outputting unit)을 더욱 포함할 수 있다. 상기 출력 유닛은 상 조성 및/또는 건조도 파라미터를 표시하기 위한 표시부 (display); 및/또는 상기 상 조성 및/또는 건조도 파라미터를 전송하기 위한 전송기 (transmitter);를 포함할 수 있다.

상기 장치는 증기 흐름 (steam flow)의 상 조성 및/또는 건조도를 결정하도록 배열될 수 있다.

상기 장치는 양 말단에 연결부 (connectors)를 구비한 한 가닥의 파이프 (a length of pipe)를 더욱 포함할 수 있으며, 여기서 상기 파이프 내부에 상기 타겟이 구비된다. 유체 혼합기는 상기 파이프의 내부에서 상기 타겟의 전방에 (in front of) 구비될 수 있다. 상기 연결부 간의 거리는 미리 결정된 표준의 범위에 부합할 수 있다.

상기 타겟은 다이어프램 (diaphragm)일 수 있다. 몇몇 구현 예에서, 상기 타겟은 유체 흐름 충격에 응답하여 공진 (resonate)되도록 배열될 수 있다. 상기 진동 센서는 상기 타겟의 진동을 진동 신호로 변환하기 위한 전기 변환기 (electrical converter)를 더욱 포함할 수 있다. 상기 전기 변환기는 압전 변환기 (piezoelectric transducer)를 더욱 포함할 수 있다.

본 발명은 또한 본 명세서에 기술된 모든 내용과 부합되는 장치를 포함하는 증기 시스템과 관련된다.

본 발명은 상호 배타적인 특징들의 조합을 제외하고는, 본 명세서에서 언급된 특징들 및/또는 한정사항의 모든 조합을 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 다상 유체 흐름의 상 조성을 결정하기 위한 방법 및 장치는 유체 흐름으로부터 획득된 하나 이상의 진동 신호의 특징들을 통하여 구성이 간단하며 시간소모가 적은 장치로 다상 유체 흐름의 상 조성을 결정할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 증기 라인에서 흐르는 습증기의 건조도를 결정하기 위한 장치를 개략적으로 나타낸다.
도 2는 도 1의 진동 센서를 개략적으로 나타낸다.
도 3은 시간 영역에서 진동 센서에 의하여 획득된 진동 신호를 개략적으로 나타낸다.
도 4는 주파수 영역에서 진동 센서에 의하여 획득된 세 개의 진동 신호를 개략적으로 나타낸다.

이하 첨부된 도면을 참조하고 구체적인 실시 예를 통하여 본 발명의 여러 구현 예들에 대하여 설명하기로 한다.

도 1은 증기 라인에서 흐르는 습증기의 상 조성을 결정하기 위한 장치 (10)를 개략적으로 나타낸다. 본 발명의 일 구현 예에서, 상기 장치 (10)는 상기 습증기의 건조도를 결정하기 위하여 배열된다. 상기 장치 (10)는 양 말단에 연결 플랜지 (connection flanges, 14, 16)를 구비한 한 가닥의 파이프 (12)를 포함한다. 상기 장치 (10)는 상기 증기 흐름으로부터 나온 진동 신호를 획득하기 위한 진동 센서 (22) 및 상기 증기 흐름을 혼합하기 위하여 상류에 위치한 유체 혼합기 (20)를 더욱 포함한다.

상기 진동 센서 (22)는 상기 파이프 (12) 내에서 상기 파이프 (12)의 길이 방향 (longitudinal direction)으로 상기 혼합기 (20)의 하류 (downstream)에 구비되며, 도 2에 더욱 자세히 나타나 있다. 상기 진동 센서 (22)는 상기 파이프 내로 신장되는 중공 스템 (hollow stem, 34) 및 상기 스템 (34)의 말단에 장착되며 상기 파이프의 축에 정렬된 헤드 (head, 36)를 포함한다. 상기 헤드 (36)는 몸체 (body, 37) 및 다이어프램의 형태이며 실질적으로 편평한 타겟 (38)을 포함한다.

상기 타겟 (38)은 상기 증기 흐름을 향하며 상기 증기 흐름 방향에 수직 평면으로 (in a plane perpendicular) 놓여 있다. 상기 타겟 (38)은 상기 파이프 내에서 유체 흐름에 응답하여 진동하도록 배열된다. 압전 변환기 (40)가 상기 몸체 (37) 내에 장착되며 축 방향에 따른 (in the axial direction) 상기 타겟 (38)의 진동이 전기적 진동 신호로 변환되도록 상기 타겟 (38)에 연결된다. 신호 와이어 (도시되지 않음)가 상기 압전 변환기 (40)에 연결되며 상기 파이프 (12)의 바깥쪽으로 신장되도록 상기 중공 스템 (34)의 아래로 통과한다. 상기 스템 (34) 및 헤드 (36)는 스테인리스 강으로 제작되며 상기 다이어프램 타겟 (38)은 얇은 금속판이다.

본 구현 예에서, 상기 장치 (10)는 상기 파이프 (12)가 상기 스팀 라인의 일부가 되도록 상기 플랜지 (14, 16)를 스팀 라인의 상응하는 연결 플랜지에 연결함으로써 새로운 스팀 설비에 용이하게 설치될 수 있으며, 또는 현존하는 스팀 설비에 새로 장착 될 수 (retrofitted) 있는 통합 유닛 (integrated unit)이다. 그러나, 다른 구현 예에서 상기 장치는 반드시 설치되어야 하는 일련의 별개의 구성으로 제공될 수 있으며, 개별적으로 유선으로 연결될 수 있는 것으로 이해되어야 할 것이다.

사용되는 동안, 상기 스팀 라인 내의 유체 흐름은 상기 타겟 (38)이 축 방향으로 진동하게 한다. 상기 유체가 습증기인 경우, 상기 유체 흐름은 물 방울과 수증기를 모두 함유한다. 실험에 의하여 상기 타겟 (38)에 의해 생성된 전기적 진동 신호는 주로 상기 흐름 속도에 관련된 특성들 및, 증기의 건조도 및 흐름 속도의 조합에 관련된 특성들을 내포하고 있다는 점이 발견되었다. 따라서, 상기 장치 (10)는 이러한 특성들을 이용함으로써 증기의 건조도를 결정하기 위하여 사용될 수 있다. 상기 유체 흐름이 상기 파이프 (12)의 절단면을 따라 실질적으로 균일하다는 점을 보장하기 위하여, 상기 유체 혼합기 (20)가 상기 진동 센서 (22)의 상류에서 상기 파이프 내에 구비된다. 상기 유체 혼합기 (20)는 상기 진동 센서 (22)의 아래로 통과하여 상기 장치가 실제 값보다 더 높게 증기 건조도 값을 결정케 하는 응축액 슬러그 (condensate slugs)가 존재하지 않는다는 것을 보장하는 데 도움이 된다.

상기 진동 센서 (22)는 시간 영역에서 전기적 진동 신호를 출력하며 이러한 신호의 그래픽 표현이 도 3에 도시되어 있다. 이러한 진동 신호는 진동 신호 분석 유닛 (42)으로 출력된다. 상기 분석 유닛 (42)은 고속 퓨리에 변환 (FFT) 알고리즘을 이용하여 상기 진동 신호를 시간 영역에서 주파수 영역으로 변환한다. 주파수 영역에서의 세 개의 서로 다른 진동 신호의 그래픽 표현이 도 4에 도시되어 있다. 상기 세 개의 서로 다른 진동 신호는 서로 다른 증기 건조도 값을 갖는 세 개의 서로 다른 증기 흐름에 대응한다.

도 4에 도시된 바와 같이, 상기 타겟 (38)은 모든 세 개의 건조도 값이 둘 다 실질적으로 동일한 제 1 피크 주파수 및 제 2 피크 주파수에서 진동한다. 그러나, 상기 진동 신호의 에너지 (즉, 상기 제 1 및 제 2 피크 주파수의 진폭)는 증기 건조도 값에 의존적으로 변한다.

상기 진동 신호가 주파수 영역으로 변환된 후에, 상기 분석 유닛 (42)은 미리 정의되고 각각 제 1 및 제 2 피크 주파수를 함유하는 두 개의 주파수 대역 B1 및 B2 내의 진동 신호의 에너지를 결정한다. 실험에 의하여, (주파수가 더 높은) 상기 제 2 주파수 대역 B2 내의 진동 신호는 상 조성 및 흐름 속도의 특성인 반면, 상기 제 1 주파수 대역 B1 내의 진동 신호는 상기 흐름 속도만의 특성이라는 점이 발견되었다. 상기 제 1 및 제 2 주파수 대역 B1, B2 내의 진동 신호의 에너지는 특정 주파수 대역 B1, B2 내의 모든 개별적인 주파수의 개별적인 진폭을 합함으로써 계산된다. 본 특정 구현 예에서, 상기 제 1 주파수 대역 B1은 0-4kHz이며, 상기 제 2 주파수 대역 B2는 26-46kHz이다. 그러나, 상기 주파수 대역은 전체적인 상기 진동 센서 및 증기 설비의 특정 구축에 의존적일 수 있으므로, 이들과는 다른 주파수 대역이 사용될 수도 있는 것으로 이해되어야 할 것이다. 상기 제 1 주파수 대역 B1 내의 진동 신호의 에너지는 "제 1 에너지 파라미터 E1"로 나타내며, 상기 제 2 주파수 대역 B2 내의 진동 신호의 에너지는 "제 2 에너지 파라미터 E2"로 나타낸다. 상기 제 1 에너지 파라미터 E1은 상기 증기 흐름의 흐름 속도에 의존적이며, 상기 제 2 에너지 파라미터는 상기 증기 흐름의 상 조성 또는 증기 건조도 값, 및 상기 증기 흐름의 흐름 속도 모두에 의존적이다.

본 구현 예에서 상기 제 1 주파수 대역 B1 및 상기 제 2 주파수 대역 B2은 주파수의 범위로 정의되나, 다른 구현 예에서는 상기 주파수 대역의 어느 하나 또는 둘 다가 단일 주파수 (single frequency)일 수 있다. 그러나, 상기 진동 신호를 시간 영역에서 주파수 영역으로 변환하기 위하여 FFT를 사용하는 경우, 만약 상기 주파수 대역의 하나 이상이 단일 주파수로 정의된다면, 이는 사실상 FFT의 풀이 (resolution)에 의하여 정의된 주파수 범위와 상응할 것이다. 상기 피크 주파수가 실질적으로 흐름 속도 및 건조도와 독립적이므로 상기 주파수 대역의 어느 하나 또는 둘 모두는 특정 설비 (installation)용으로 고정될 수 있다. 그러나, 만약 상기 설비가 변경되면 상기 주파수 대역의 어느 하나 또는 모두를 바꾸는 것이 요구된다. 다른 구현 예에서, 상기 분석 유닛 (42)은 제 1 피크 주파수 및/또는 제 2 피크 주파수를 확인 (identify)할 수 있으며, 제 1 피크 주파수에 대하여 제 1 주파수 대역 B1을 정의하고/하거나 제 2 피크 주파수에 대하여 제 2 주파수 대역 B2를 정의할 수 있다.

상기 제 1 및 제 2 에너지 파라미터 E1, E2가 각각 상기 제 1 및 제 2 주파수 대역 B1, B2 내의 진동 신호의 에너지라고 기술하였을 지라도, 상기 제 1 및/또는 제 2 에너지 파라미터는 상기 진동 신호의 에너지와 관련되며 상기 증기의 건조도를 나타내는 값을 얻기 위하여 서로 간에 관련될 수 있는 모든 적절한 파라미터일 수 있다. 몇몇 구현 예에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 에너지 파라미터는 서로 다른 방법을 이용하여 계산될 수 있다. 예를 들어, 상기 제 2 에너지 파라미터는 상기 제 2 주파수 대역 내의 주파수의 평균 진폭일수 있는 반면, 상기 제 1 에너지 파라미터는 제 1 피크 주파수의 진폭일 수 있다. 물론, 모든 다른 적절한 값이 사용될 수 있다.

상기 진동 신호 분석 유닛 (42)에 의하여 결정된 상기 제 1 에너지 파라미터 E1 및 제 2 에너지 파라미터 E2는 건조도 결정 유닛 (44)으로 출력된다. 상기 건조도 결정 유닛 (44)은 두 개의 에너지 파라미터 E1, E2를 취하며, 상기 증기의 건조도를 경험적으로 결정하기 위하여 데이터베이스 (46)에 접근한다. 상기 데이터베이스 (46)는 증기 건조도 값으로 상기 제 1 에너지 파라미터 E1 및 제 2 에너지 파라미터 E2의 범위를 상호 연관시키는 참조 (reference) 또는 캘리브레이션 (calibration) 데이터를 포함하는 대조 테이블 (look-up table)을 함유한다. 상기 참조 또는 캘리브레이션 데이터는 실험에 의하여 얻어진 데이터이다. 상기 결정 유닛 (44)은 상기 대조 테이블의 데이터로부터 증기 건조도 값을 결정하며, 이러한 건조도 값을 로컬 표시부 (48) 상에 표시한다. 이와 더불어, 상기 건조도 값은 무선 전송기 (50)를 이용하여 무선 연결로 제어실 (control room)로 전송된다. 이는 증기 건조도를 원격으로 모니터링할 수 있게 한다.

몇 몇 구현 예에 있어서, 상기 제 1 에너지 파라미터 E1은 상기 표시부 상으로 또한 출력되는 실제 흐름 속도로 변환될 수 있다. 상기 흐름 속도는 상기 제 1 에너지 파라미터 E1으로부터 계산되거나 경험적으로 결정될 수 있다. 상기 대조 테이블은 흐름 속도의 범위 및 제 2에너지 파라미터 E2를 증기 건조도 값으로 상호 연관시키는 데이터를 포함하고 있는 것으로 이해되어야 한다. 건조도 파라미터를 결정하고 출력하는 단계와 대조적으로, 다상 흐름의 상 조성을 나타내는 다른 파라미터가 결정되고 출력될 수 있다.

상기 건조도 결정 유닛 (44)은 또한 상기 제 1 에너지 파라미터 E1로부터 결정될 수 있는 증기 건조도 값 및 흐름 속도에 기초한 증기 흐름의 질량 흐름률 (mass flow rate)을 계산하도록 구현되기도 한다. 상기 질량 흐름률은 상기 표시부 (48) 상에 표시될 수도 있으며 상기 전송기 (50)를 이용하여 전송될 수도 있다.

상기 데이터베이스 (46)에 포함된 상기 대조 테이블은 경험적으로 생성된다. 각각의 장치 (10)에 대하여 새로운 대조 테이블을 생성할 필요가 있을 것이다. 그러나, 모든 장치에 적합한 일반적인 대조 테이블을 만드는 것도 가능할 것이다.

대조 테이블을 생성하기 위하여, 일련의 미리-결정된 부피를 갖는 물이 흐름 속도의 범위에서 증기 라인으로 주입되며, 각각의 물 부피/속도의 조합을 위하여 상기 제 1 에너지 파라미터 E1 및 상기 제 2 에너지 파라미터 E2가 기록된다. 상기 증기 품질 (또는 건조도)은 알려진 물 부피로 계산될 수 있으며, 따라서 이러한 캘리브레이션 방법에 의하여 다양한 제 1 및 제 2 에너지 파라미터 E1, E2 간의 상관관계를 제공하는 대조 테이블이 생성될 수 있다.

상기 타겟 (38)의 상기 피크 주파수가 증기 건조도에 무관하게 실질적으로 일정하게 유지될지라도, 예를 들어, 얇은 막의 물이 상기 타겟 (38)의 표면에 쌓이면 상기 피크 주파수에 있어서 약간의 변화가 발생할 수도 있다. 또한, 상기 타겟 (38)의 온도 변화는 타겟의 기계적 특성을 변화시킬 수 있으며, 이는 또한 피크 주파수의 변동을 야기할 수 있다. 하나 또는 하나 이상의 피크 주파수의 조합으로부터 상기 증기의 온도를 결정하는 것이 가능할 수 있다.

몇몇 구성에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 에너지 파라미터 E1, E2는 흐름 속도의 함수뿐만 아니라, 온도의 함수 또는 건조도 및 흐름 속도의 함수인 것이 가능하다. 만약 이와 같은 경우라면, 상기 증기의 온도를 측정하기 위하여 온도 센서가 제공될 수 있을 것이다. 그러한 구성에 있어서, 상기 데이터베이스 (46)는 건조도 파라미터로 제 1 에너지 파라미터 E1 (또는 흐름 속도), 제 2 에너지 파라미터 E2 및 온도를 상호 연관시키는 "3-차원" 대조 테이블을 포함할 수 있을 것이다. 온도 센서를 이용하는 대신에, 압력 센서를 이용하고 이로부터 온도를 계산 (또는 추정)하는 것이 가능할 수 있으며, 또는 상기 온도 (또는 압력)가 피크 주파수로부터 결정될 수도 있다.

상기 방법 및 장치가 증기의 건조도를 측정하기 위하여 사용될 수 있는 것으로 기술되었다 할지라도, 상기 방법 및 장치는 또한 모든 다른 다상 유체 흐름의 건조도를 측정하기에 적합한 것으로 이해되어야 할 것이다.

10: 장치 12: 파이프
14, 16: 연결 플랜지 20: 유체 혼합기
22: 진동 센서 34: 중공 스템
36: 헤드 37: 몸체
38: 타겟 40: 압전 변환기
42: 분석 유닛 44: 건조도 결정 유닛
46: 데이터베이스 48: 표시부
50: 전송기

Claims

유체 흐름 내에 구비되며 유체 라인에서 유체 흐름에 응답하여 진동하는 타겟을 포함하는 진동 센서를 이용하여 유체 흐름으로부터 진동 신호를 획득하는 단계;
제 1 주파수 대역 내의 상기 진동 신호의 에너지와 관련된 제 1 에너지 파라미터, 및 제 2 주파수 대역 내의 상기 진동 신호의 에너지와 관련된 제 2 에너지 파라미터를 결정하기 위하여 상기 진동 신호를 분석하는 단계; 및
상기 제 1 및 제 2 에너지 파라미터를 이용하여 상기 유체 흐름의 상 조성과 관련된 상 조성 파라미터를 결정하는 단계;
를 포함하는 유체 라인에서 다상 유체 흐름의 상 조성을 결정하는 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 상 조성 파라미터는 상기 유체 흐름의 건조도와 관련된 건조도 파라미터인 다상 유체 흐름의 상 조성을 결정하는 방법.
청구항 1 또는 2에 있어서,
상기 진동 신호를 획득하는 단계 이전에,
상기 진동 센서의 상류 (upstream)에서 유체 흐름을 혼합하는 단계를 더욱 포함하는 다상 유체 흐름의 상 조성을 결정하는 방법.
청구항 1 또는 2에 있어서,
상기 진동 센서는 시간 영역에서 진동 신호를 측정하는 다상 유체 흐름의 상 조성을 결정하는 방법.
청구항 4에 있어서,
상기 진동 신호를 분석하는 단계는 상기 진동 신호를 시간 영역에서 주파수 영역으로 변환하는 단계를 포함하는 다상 유체 흐름의 상 조성을 결정하는 방법.
청구항 5에 있어서,
상기 진동 신호는 고속 퓨리에 변환 (FFT)을 이용하여 시간 영역에서 주파수 영역으로 변환되는 다상 유체 흐름의 상 조성을 결정하는 방법.
청구항 1 또는 2에 있어서,
상기 제 1 에너지 파라미터는 흐름 속도에 의존적인 다상 유체 흐름의 상 조성을 결정하는 방법.
청구항 1 또는 2에 있어서,
상기 제 2 에너지 파라미터는 상기 유체 흐름의 상 조성 및 흐름 속도에 의존적인 다상 유체 흐름의 상 조성을 결정하는 방법.
청구항 1 또는 2에 있어서,
상기 제 1 에너지 파라미터는 제 1 주파수 대역 내의 진동 신호의 총 에너지 이며
상기 제 2 에너지 파라미터는 제 2 주파수 대역 내의 진동 신호의 총 에너지인 다상 유체 흐름의 상 조성을 결정하는 방법.
청구항 1 또는 2에 있어서,
상기 제 1 에너지 파라미터는 상기 제 1 주파수 대역 내의 피크 주파수의 진폭 이며
상기 제 2 에너지 파라미터는 상기 제 2 주파수 대역 내의 피크 주파수의 진폭인 다상 유체 흐름의 상 조성을 결정하는 방법.
청구항 1 또는 2에 있어서,
제 1 주파수 대역 또는 제 2 주파수 대역은 미리 결정되는 다상 유체 흐름의 상 조성을 결정하는 방법.
청구항 1 또는 2에 있어서,
상기 진동 신호를 분석하는 단계는
제 1 피크 주파수에 대하여 제 1 주파수 대역을 정의 하는 단계 또는
제 2 피크 주파수에 대하여 제 2 주파수 대역을 정의 하는 단계를 포함하는 다상 유체 흐름의 상 조성을 결정하는 방법.
청구항 1 또는 2에 있어서,
상기 제 1 주파수 대역은 제 1 피크 주파수를 함유하며
상기 제 2 주파수 대역은 제 2 피크 주파수를 함유하는 다상 유체 흐름의 상 조성을 결정하는 방법.
청구항 1 또는 2에 있어서,
상기 제 1 주파수 대역은 상기 제 2 주파수 대역보다 주파수가 더 낮은 다상 유체 흐름의 상 조성을 결정하는 방법.
청구항 1 또는 2에 있어서,
상기 상 조성 파라미터를 결정하는 단계는 상 조성 파라미터로 제 1 에너지 파라미터 및 제 2 에너지 파라미터를 상호 연관시키는 데이터를 함유하는 데이터베이스에 접근하는 단계를 포함하는 다상 유체 흐름의 상 조성을 결정하는 방법.
청구항 1 또는 2에 있어서,
상 조성 파라미터를 출력시키는 단계를 더욱 포함하는 다상 유체 흐름의 상 조성을 결정하는 방법.
청구항 16에 있어서,
상기 상 조성 파라미터를 출력시키는 단계는 상 조성 파라미터를 표시 또는 전송하는 단계를 포함하는 다상 유체 흐름의 상 조성을 결정하는 방법.
청구항 1 또는 2에 있어서,
상기 유체 흐름은 증기 흐름인 다상 유체 흐름의 상 조성을 결정하는 방법.
삭제
유체 흐름으로부터 진동 신호를 획득하기 위하여 유체 라인 내의 유체 흐름에 응답하여 진동하며 유체 흐름 내에 구비되도록 배열된 타겟을 포함하는 진동 센서;
제 1 주파수 대역 내의 진동 신호의 에너지와 관련된 제 1 에너지 파라미터, 및 제 2 주파수 대역 내의 진동 신호의 에너지와 관련된 제 2 에너지 파라미터를 결정하기 위하여 진동 신호를 분석하기 위한 진동 신호 분석 유닛; 및
상기 제 1 및 제 2 에너지 파라미터를 이용하여 상기 유체 흐름의 상 조성에 관련된 상 조성 파라미터를 결정하기 위한 상 조성 결정 유닛;
을 포함하는 유체 라인에서 흐르는 다상 유체 흐름의 상 조성을 결정하기 위한 장치.
청구항 20에 있어서,
상기 상 조성 결정 유닛은 상기 유체 흐름의 건조도와 관련된 건조도 파라미터를 결정하기 위한 건조도 결정 유닛인 다상 유체 흐름의 상 조성을 결정하기 위한 장치.
청구항 20 또는 21에 있어서,
상기 진동 센서의 상류에서 유체 흐름을 혼합하기 위한 유체 혼합기를 더욱 포함하는 다상 유체 흐름의 상 조성을 결정하기 위한 장치.
청구항 20 또는 21에 있어서,
상기 진동 센서는 시간 영역에서 상기 진동 신호를 측정하도록 배열된 다상 유체 흐름의 상 조성을 결정하기 위한 장치.
청구항 23에 있어서,
상기 진동 신호 분석 유닛은 상기 진동 신호를 시간 영역에서 주파수 영역으로 변환하도록 배열된 다상 유체 흐름의 상 조성을 결정하기 위한 장치.
청구항 24에 있어서,
상기 진동 신호 분석 유닛은 고속 퓨리에 변환 (FFT)을 이용하여 상기 진동 신호를 시간 영역에서 주파수 영역으로 변환하도록 배열된 다상 유체 흐름의 상 조성을 결정하기 위한 장치.
청구항 20 또는 21에 있어서,
상기 제 1 에너지 파라미터는 흐름 속도에 의존적인 다상 유체 흐름의 상 조성을 결정하기 위한 장치.
청구항 20 또는 21에 있어서,
상기 제 2 에너지 파라미터는 상기 유체 흐름의 상 조성 및 흐름 속도에 의존적인 다상 유체 흐름의 상 조성을 결정하기 위한 장치.
청구항 20 또는 21에 있어서,
상기 제 1 에너지 파라미터는 제 1 주파수 대역 내의 진동 신호의 총 에너지 이며
상기 제 2 에너지 파라미터는 제 2 주파수 대역 내의 진동 신호의 총 에너지인 다상 유체 흐름의 상 조성을 결정하기 위한 장치.
청구항 20 또는 21에 있어서,
상기 제 1 에너지 파라미터는 제 1 주파수 대역 내의 피크 주파수의 진폭 이며
상기 제 2 에너지 파라미터는 제 2 주파수 대역 내의 피크 주파수의 진폭인 다상 유체 흐름의 상 조성을 결정하기 위한 장치.
청구항 20 또는 21에 있어서,
상기 제 1 주파수 대역 또는 상기 제 2 주파수 대역이 미리 결정되는 다상 유체 흐름의 상 조성을 결정하기 위한 장치.
청구항 20 또는 21에 있어서,
상기 진동 신호 분석 유닛은 제 1 피크 주파수에 대하여 제 1 주파수 대역을 정의하기 위하여 배열되며
상기 진동 신호 분석 유닛은 제 2 피크 주파수에 대하여 제 2 주파수 대역을 정의하기 위하여 배열된 다상 유체 흐름의 상 조성을 결정하기 위한 장치.
청구항 20 또는 21에 있어서,
상기 제 1 주파수 대역은 제 1 피크 주파수를 함유하며
상기 제 2 주파수 대역은 제 2피크 주파수를 함유하는 다상 유체 흐름의 상 조성을 결정하기 위한 장치.
청구항 20 또는 21에 있어서,
상기 제 1 주파수 대역은 상기 제 2주파수 대역보다 주파수가 더 낮은 다상 유체 흐름의 상 조성을 결정하기 위한 장치.
청구항 20 또는 21에 있어서,
상 조성 파라미터로 제 1에너지 파라미터 및 제 2에너지 파라미터를 상호 연관시키는 데이터를 함유하는 데이터베이스를 더욱 포함하며;
여기서, 상기 상 조성 결정 유닛은 상기 유체 흐름의 상 조성에 관련된 상 조성 파라미터를 결정하기 위하여 상기 데이터베이스에 접근하도록 배열된 다상 유체 흐름의 상 조성을 결정하기 위한 장치.
청구항 20 또는 21에 있어서,
상 조성 파라미터를 출력시키기 위한 출력 유닛을 더욱 포함하는 다상 유체 흐름의 상 조성을 결정하기 위한 장치.
청구항 35에 있어서,
상기 출력 유닛은 상기 상 조성 파라미터를 표시하기 위한 표시부; 또는
상기 상 조성 파라미터를 전송하기 위한 전송기;
를 포함하는 다상 유체 흐름의 상 조성을 결정하기 위한 장치.
청구항 20 또는 21에 있어서,
상기 장치는 증기 흐름의 상 조성을 결정하도록 배열된 다상 유체 흐름의 상 조성을 결정하기 위한 장치.
청구항 22에 있어서,
양 말단에 연결부를 구비한 한 가닥의 파이프를 더욱 포함하며, 상기 파이프의 내부에 타겟이 구비된 다상 유체 흐름의 상 조성을 결정하기 위한 장치.
청구항 38에 있어서,
상기 혼합기는 상기 타겟의 전방에 구비되는 다상 유체 흐름의 상 조성을 결정하기 위한 장치.
청구항 38에 있어서,
상기 연결부 간의 거리는 미리 결정된 표준의 범위에 부합하는 다상 유체 흐름의 상 조성을 결정하기 위한 장치.
청구항 20 또는 21에 있어서,
상기 진동 센서는 타겟의 진동을 진동 신호로 변환하기 위한 전기 변환기를 더욱 포함하는 다상 유체 흐름의 상 조성을 결정하기 위한 장치.
청구항 41에 있어서,
상기 전기 변환기는 압전 변환기를 포함하는 다상 유체 흐름의 상 조성을 결정하기 위한 장치.
청구항 20 또는 21에 따른 장치를 포함하는 증기 시스템.