KR101844098B1

KR101844098B1 - 파이프 내 유체의 음향 특성을 비침투적으로 결정하는 방법

Info

Publication number: KR101844098B1
Application number: KR1020137008465A
Authority: KR
Inventors: 디펜 엔. 신하; 커티스 에프. 오스테르후드트; 아니르반 차우두리
Original assignee: 로스 알라모스 내셔널 씨큐어리티 엘엘씨
Priority date: 2010-09-03
Filing date: 2011-09-06
Publication date: 2018-03-30
Also published as: US9404890B2; US20120055253A1; EP2612115A1; KR20130102580A; EP2612115A4; CN103189719B; AU2011295676B2; AU2011295676A1; BR112013004991A2; WO2012031305A1; CN103189719A

Abstract

유체의 음향 특성의 비침투적 측정으로부터, 파이프를 통해 유동하는 유체의 조성을 결정하는 방법이 기술되는데, 이는 종래의 펄스와는 달리, 초음파 첩 신호(ultrasound chirp signal)를 생성하기 위해, 유체가 유동하는 파이프의 외표면에 위치한 제1 변환기(transducer)를 여기시키는 것을 포함한다. 상기 첩 신호는, 제1 변환기의 위치와 대향하는 파이프의 외표면에 배치된 제2 변환기에 의해 수신되며, 이로부터 유체를 통한 전달시간이 결정되고 유체에서의 초음파의 음속이 계산된다. 유체의 조성은 상기 음속으로부터 계산된다. 유체의 밀도는 음파의 감쇠 측정결과로부터 또한 얻을 수 있다. 파이프 벽의 영향이 제거된 데이터로부터 전달시간 정보를 추출하기 위해, 몇 가지 신호 처리 방법들이 기술된다.

Description

파이프 내 유체의 음향 특성을 비침투적으로 결정하는 방법{METHOD FOR NONINVASIVE DETERMINATION OF ACOUSTIC PROPERTIES OF FLUIDS INSIDE PIPES}

본 출원은 2010년 9월 3일에 출원된 미국 가출원 제 61/379,898호 (발명의 명칭: "Method For Noninvasive Determination Of Acoustic Properties Of Fluids Inside Pipes")를 기초로 우선권을 주장하며, 그것이 개시하고 교시하는 모든 내용은 본 명세서에서 참조로서 포함된다.

본 발명은 미국 에너지 부(U.S. Department of Energy)와의 계약(계약번호"DE-AC52-06NA25396")에 따라 미국 정부에 의해 지원되었다. 미국 정부는 본 발명의 특정 권리를 가진다.

본 발명은 파이프에 유동하는 유체의 조성을 결정하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 유체의 조성을 결정하기 위해 두꺼운 벽을 가진 파이프나 도관을 통해 유동하는 유체의 음속과 음파 감쇠를 비침투적으로 결정하는 방법에 관한 것이다.

컨테이너(container)에 있거나 또는 도관이나 파이프에 유동하는 유체의 음향 특성을 결정하는 것은 많은 산업분야에서 중요하며, 특히 오일 산업에서 중요한데, 이는 이러한 특성이 유체의 조성을 결정하는데 사용될 수 있기 때문이다. 일반적으로, 음향 측정(예를 들어, 음속 및 액체에서의 흡음(sound absorption))들은 파이프 벽에 가공된 특수 창을 통해 파이프에 부착된 센서를 가지고 하게 되는데, 여기서 센서 요소가 유체와 물리적 접촉을 하거나 유체에 직접 설치된다. 이와 같은 경우 센서 또는 창은 유체에 의해 오염될 수 있어 장시간의 동작이나 유지가 어렵게 된다. 더욱이 센서가 유체 내에 위치하거나 또는 벽을 통해 유체에 침투하면, 이는 유동 패턴에 영향을 줄 수 있고 유동 패턴의 붕괴에 민감한 측정들에 악영향을 줄 수 있다.

10㎲의 지속시간을 갖는 높은 전압의 펄스 신호가 파이프의 외부 굴곡에 일치하는 만곡된 지연선(curved delay line)에 부착된 초음파 변환기(ultrasonic transducer)에서 음파를 여기 시키기 위해 사용되어 왔으며, 이 음파는 파이프 내 유체를 가로지른 후 다른 변환기에 의해 검출되었다. 펄스의 전달시간은 수신한 신호의 임계치 검출(threshold detection)에 의해 측정되는데, 이는 컨테이너 벽에서의 다중반사 및 음파가 벽 자체를 통과함으로 인해 어렵다. 전달시간 측정을 위한 적합한 임계치 검출을 위해 100 개의 신호에 대한 평균이 필요하며, 이를 근간으로 유체의 음속과 이후 유체 조성이 결정된다.

본 발명의 실시예들은 파이프 내 유체의 조성을 결정하기 위한 비침투적 방법을 제공하여 종래 기술의 단점과 한계를 극복한다.

또 다른 목적들, 본 발명의 장점 및 새로운 특징들은 이하의 설명에 일부는 명시될 것이고, 일부는 이하의 설명으로부터 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 사람에게 분명하거나 또는 본 발명의 실시를 통해 습득 가능하다. 본 발명의 목적 및 장점들은 첨부된 청구항에서 특별히 언급된 수단 및 조합에 의해 실현되거나 획득될 수 있다.

전술한 목적 및 다른 목적들을 달성하기 위해서, 본 발명의 목적에 따라, 여기에서 구체화되고 넓게 기술된 것처럼 벽 및 외표면을 갖는 파이프에서 유동하는 오일 및 물을 포함하는 다상 유체의 조성을 비침투적으로 결정하는 방법은 다음 단계들을 포함한다: 상기 파이프의 상기 외표면과 초음파로 연통되는 송신용 변환기(transmitting transducer)를 사용하여 초음파 주파수 첩 신호(ultrasonic frequency chirp signal)를 생성하는 단계; 상기 첩 신호가 상기 다상 유체를 통과한 후 상기 송신용 변환기와 직경상 대향하게 위치해 있는(diametrically opposed), 상기 파이프의 상기 외표면과 초음파로 연통되는 수신용 변환기(receiving transducer)로 상기 생성한 주파수 첩 신호를 수신하고, 이에 대응하여 전기 신호를 생성하는 단계; 상기 전기 신호를 수신하는 단계; 상기 수신한 신호와 상기 생성한 주파수 첩 신호를 곱하여 주파수 첩을 디첩핑(dechirping)하고 상기 주파수 첩 신호의 총 전달시간이 결정되는 차분 주파수(difference frequency)를 획득하는 단계; 상기 파이프의 상기 벽에서의 상기 주파수 첩 신호의 시간지연을 결정하는 단계; 및 상기 다상 유체를 통한 상기 주파수 첩 신호의 전송시간을 결정하기 위해 상기 총 전달시간으로부터 상기 시간지연을 빼고, 이로부터 상기 다상 유체의 조성을 결정하는 단계.

본 발명의 다른 실시예에서, 본 발명의 목적과 용도에 따라 벽 및 외표면을 갖는 파이프를 통해 유동하는 오일 및 물을 포함하는 다상 유체의 조성을 비침투적으로 결정하는 방법은 다음 단계들을 포함한다: 상기 파이프의 상기 외표면과 초음파로 연통되는 송신용 변환기를 사용하여 초음파 주파수 첩 신호를 생성하는 단계; 상기 첩 신호가 상기 다상 유체를 통과한 후에 상기 송신용 변환기와 직경상 대향하게 위치해 있는, 상기 파이프의 상기 외표면과 초음파로 연통되는 수신용 변환기로 상기 생성한 주파수 첩 신호를 수신하고, 이에 대응하여 전기 신호를 생성하는 단계; 상기 전기 신호를 수신하는 단계; 상기 송신한 신호와 상기 수신한 신호의 상호 상관(cross-correlation)을 구하고, 상호 상관 피크들을 생성하는 단계; 상기 주파수 첩 신호의 총 전달시간에 해당하는 가장 높은 피크를 선택하는 단계; 상기 파이프의 상기 벽에서의 상기 주파수 첩 신호의 시간지연을 결정하는 단계; 및 상기 다상 유체를 통한 상기 주파수 첩 신호의 상기 전송시간을 결정하기 위해 상기 총 전달시간으로부터 상기 시간지연을 빼고, 이로부터 상기 다상 유체의 조성을 결정하는 단계.

본 발명의 또 다른 실시예에서, 본 발명의 목적과 용도에 따라 벽, 외표면 및 축을 갖는 파이프를 통해 유동하는 오일 및 물을 포함하는 다상 유체의 조성을 비침투적으로 결정하는 방법은 다음 단계들을 포함한다: 상기 파이프의 상기 외표면과 초음파로 연통되는 송신용 변환기를 사용하여 초음파 주파수 첩 신호를 생성하는 단계; 상기 첩 신호가 상기 다상 유체를 통과한 후 상기 송신용 변환기와 직경상 대향하게 위치해 있는, 상기 파이프의 상기 외표면과 초음파로 연통되는 수신용 변환기로 상기 생성한 주파수 첩 신호를 수신하고, 이에 대응하여 전기 신호를 생성하는 단계; 상기 전기 신호를 수신하는 단계; 상기 송신한 신호와 상기 수신한 신호의 상호 상관을 구하고, 상기 상호 상관 피크들을 생성하는 단계; 연이은 피크들 간의 시간을 결정하고 - 상기 결정된 시간은 상기 다상 유체를 통한 이동시간의 두 배임 - 이로부터 상기 다상 유체의 조성을 결정하는 단계.

본 발명의 또 다른 실시예에서, 본 발명의 목적과 용도에 따라 벽 및 외표면을 갖는 파이프를 통해 유동하는 오일 및 물을 포함하는 다상 유체의 조성을 비침투적으로 결정하는 방법은 다음 단계들을 포함한다: 상기 파이프의 상기 외표면과 초음파로 연통되는 송신용 변환기를 사용하여 주파수 첩이 상기 다상 유체를 통과하는데 걸리는 시간보다 짧은 지속시간을 갖는 초음파 주파수 첩 신호를 생성하는 단계; 상기 첩 신호가 상기 다상 유체를 통과한 후 상기 송신용 변환기와 직경상 대향하게 위치해 있는, 상기 파이프의 외표면과 초음파로 연통되는 수신용 변환기로 상기 생성한 주파수 첩 신호를 수신하고, 이에 대응하여 전기 신호를 생성하는 단계; 상기 전기 신호를 수신하는 단계; 단시간 푸리에 변환을 사용하여 상기 전기 신호를 변환하고, 상기 수신한 주파수 첩의 주파수 변동의 도면(a plot of the frequency variation)을 시간에 대한 함수로서 생성하며, 벽의 공진들로 인한 크기변조 성분들을 임의의 기울기를 갖는 직선상에 각각의 국부적인 피크로 나타내는 단계; 상기 기울기를 갖는 직선으로 각각의 국부적인 피크에 대해 최소제곱법을 수행하는 단계; 총 전달시간이 결정되는 시간 축 상의 절편을 결정하는 단계; 상기 파이프의 상기 벽에서의 상기 주파수 첩 신호의 상기 시간지연을 측정하는 단계; 및 상기 다상 유체를 통한 상기 주파수 첩 신호의 상기 전송시간을 판단하기 위해 상기 총 전달시간으로부터 상기 시간지연을 빼고, 이로부터 상기 다상 유체의 조성을 결정하는 단계.

본 발명의 실시예들의 혜택과 장점은, 측정에 나쁜 영향을 주기보다는 측정을 보조하기 위해 파이프 벽을 이용하면서 파이프 내 유동하거나 정지상태인 유체의 조성을 결정하기 위한 비침투적 방법을 제공하는 것을 포함하며, 이에 한정되지 않는다. 다른 장점들로는 컨테이너 또는 파이프의 벽의 존재에 영향받지 않는 양질의 조성의 결정, 주파수 첩의 사용 및 유체에서의 음속 측정을 위해 복수의 방법을 동시에 사용하고 종래의 펄스 전파시간(time-of-flight) 방법들보다 더 우수한 신호분석을 위한 방법들로 인한 높은 신호 대 잡음 비, 여기 첩 신호가 양질이 아니고 웨이브 생성을 단순화시키고 저전력 전자장치를 사용할 수 있는 구형파에 바탕을 두더라도 양질의 음속 데이터를 추출한다는 점을 포함한다.

첨부 도면은 본 명세서에 포함되거나 일부분을 이루는 것으로 본 발명의 실시예들을 도시하고 있으며, 본 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하는데 제공된다.
도 1a는 본 발명의 방법을 실시하는데 효과적인 본 발명의 측정 장치의 일 실시예를 개략적으로 도시하는 도면이고, 도 1b는 파이프와 파이프 외표면에 부착된 만곡된 변환기의 투시도를 개략적으로 도시하는 도면이며, 도 1c는 파이프와 만곡된 변환기들의 평면도를 개략적으로 도시하는 도면.
도 2는 도 1a 내지 도 1c에 도시된 장치를 사용해서 획득한 데이터를 도시하는 크기 대 시간의 그래프로, 여기서 파이프 벽의 전송 특성들로 인해 복수의 버스트 특성들이 나타남.
도 3의 (a)는 낮은 주파수 f₁에서 시작하여, T시간 동안 더 높은 주파수 f₂까지 연속적인 방식으로 증가한 일반적인 첩 신호를 도시하는 도면이고, 도 3의 (b)는 첩의 주파수 변화를 시간에 대한 함수로 도시하는 도면.
도 4의 (a)는 선으로 도시된 생성된 첩 입력 신호 s(t)를 도시하는 도면으로, 이 신호는 시스템을 통해 전파하여 임의의 지연 후 수신기에 검출되고, 지연된 첩 신호는 s(t-τ)가 되며 선형 시스템에서는 직선으로 나타나 이 두 신호는 평행선이 되고 지연 시간 τ는 구하고자 하는 전달시간 측정결과가 됨. 도 4의 (b)는 상기 측정결과가 고정된 주파수인 Δf로 주어진 두 개의 첩 선 간의 주파수 이동으로써 또한 고려될 수 있음을 도시하는 도면으로, 이 차분 주파수 S_diff(t)는 디첩된 주파수라 불리며 두 신호의 중첩시간 동안 상수가 되고, 지연시간과 동일함.
도 5의 (a)는 크기가 감소하며 시간상에서 일련의 등간격인 첩을 포함하고 파이프 또는 컨테이너의 내벽에서의 반사들로 인한 결과인 지연된 첩 신호를 도시하는 도면이고, 도 5의 (b)는 벽을 통과할 경우 여러 번 반사되는 펄스 음파 신호를 개략적으로 도시하는 도면.
도 6의 (a)는 물이 채워진 황동 파이프로부터 수신용 변환기에 의해 검출된 신호의 그래프이고, 도 6의 (b)는 상기 신호와 송신용 변환기로부터의 소스 신호의 상호 상관을 도시하는 그래프로 상당한 펄스 압축이 도시됨.
도 7의 (a) 및 (b)는 동일한 치수의 스테인리스 강 및 황동 파이프 각각에 대해서 다중 에코가 없는 수신용 변환기에 의해 수신된 첫 번째 첩 버스트를 도시하는 그래프이고, 도 7의 (c) 및 (d)는 이 신호들의 각 해당하는 고속 푸리에 변환 결과를 도시하는 도면.
도 8의 (a) 및 (b)는 물을 포함하는 황동 파이프로부터의 같은 수신된 첩 신호들을 도시하는 도면인데, 도 8의 (b)는 다중 에코가 기록되는 효과가 분산될 수 있도록 충분한 시간 범위에 걸쳐 기록되었음, 도 8의 (c) 및 (d)는 도 8의 (a) 및 (b)에 대한 신호들의 각 해당하는 고속 푸리에 변환 결과를 도시하는 도면.
도 9의 (a)는 수신된 첩 신호의 고속 푸리에 변환 결과를 도시하는 도면인데, 도 8의 (d)에서처럼 물이 채워진 황동 파이프에 대한 다중 에코의 기록으로 인한 효과가 분산되도록 충분한 시간 범위에 걸친 것이며, 2.7㎒ 주변 그래프의 일 부분이 대시로 된 타원 곡선으로 둘러싸여 있음, 도 9의 (b)는 도 9의 (a)의 강조된 부분이 확대된 도면으로, 두 파이프 벽 사이의 유체에서 관찰되는 피크들의 고속 푸리에 변환 결과를 도시하고 있음.
도 10은 시간상에서 이동된 두 평행한 상태의 선을 도시하는 그래프로, 첫 번째 선은 1㎒에서 4㎒ 사이의 송신된 첩을 나타내고 원점에서 시작하여 100㎲ 지속시간을 가지며, 중실원들은 음파 전송을 변조하는 다양한 수신된 벽의 피크들의 시간 및 주파수상 피크 위치들을 나타내는데, 직선으로 도시된 송신한 첩 신호와 같은 기울기로 제한하여 이 데이터에 최소제곱법을 적용하였고, 주파수 전송 윈도우들(transmission windows)과 비교하기 위해 고속 푸리에 변환 결과가 그래프의 오른쪽에 제공됨.
도 11의 (a)는 물을 포함하는 황동 파이프에 대해 송신한 첩과 수신한 지연된 첩 (도 4의 (a) 및 (b))의 곱셈 성분의 시간-주파수 분석 그래프이고, 도 11의 (b)는 송신한 첩과 수신한 지연된 첩의 곱셈 성분의 고속 푸리에 변환 결과를 도시하는 그래프.

본 발명의 일 실시예는 비침투적으로 파이프 내 유체의 조성을 판단하기 위한 방법을 포함한다. 본 방법은 종래의 펄스와 대조적으로 초음파 첩 신호(ultrasonic chirp signal)를 생성하기 위해, 조사중인 유체가 유동하는 파이프의 외표면에 위치한 제1 변환기를 여기시키는 것을 포함한다. 첩 신호는 제1 변환기의 위치와 대향하는 파이프의 외표면에 배치된 제2 변환기에 의해 수신되며, 이로부터 유체를 통한 전달시간이 결정되고 유체 내 초음파의 음속이 계산된다. 유체의 조성은 유체에서의 음속으로부터 계산된다. 유체의 밀도는 또한 음파 감쇠 측정으로부터 얻을 수 있다.

첩 측정은 높은 신호 대 잡음 비를 얻을 수 있으며, 더 낮은 전력으로의 동작이 가능하다. 변환기는 파이프에 직접 부착될 수 있고, 변환기 표면은 파이프의 굴곡과 같은 반경을 가질 수 있다. 이와 같은 만곡된 변환기는 적당한 신호들을 얻기 위한 지연선들이 필요 없다. 디지털 신호처리기(digital signal processor; DSP) 회로가 음속을 제공하기 위해 수신된 첩 신호를 처리하는데 사용될 수 있다. 수신된 신호를 기록하기 위해 높은 다이나믹 레인지(dynamic-range)(16 비트)의 디지타이저들(digitizers)을 사용하면 파이프에 유동하는 유체의 감쇠가 변함에 따른 추가적인 증폭기 조정이 필요하지 않음으로써 측정을 간단하게 할 수 있다.

본 방법의 실시예들은 두꺼운 파이프 벽의 존재에 의한 영향을 받지 않고 정확한 전달시간을 제공할 수 있으며, 벽을 유리하게 사용할 수 있다. 벽을 통한 전달시간은 파이프나 컨테이너 내 유체에서의 전달시간과 동시에 결정된다. 또한 만곡된 변환기들은 파이프 벽을 통한 유도파 모드들(guided wave modes)의 생성을 억제함으로써 이들을 경감시킬 수 있다. 아래 상세히 기술된 신호 분석 방법들은 랜덤 잡음(random noise)에 의한 영향을 받지 않는 견실한 전달시간 측정방법을 제공한다.

수신된 신호는 파이프의 벽과 파이프 내 유체 둘 다를 통해 전파한다. 유체가 흐르고 있으며 또한 유체가 기체를 함유하고 있는 시스템에서, 신호는 다소 잡음이 있을 수 있으며 종래에 해왔던 단순한 임계치 측정에 의해 전달시간을 결정하는 것은 불가능하다. 본 발명의 실시예들에 따르면, 다섯 가지 신호처리 방안이 파이프 벽의 효과들이 제거된 데이터로부터 전달시간 정보를 추출하는데 사용될 수 있다. 이 신호 분석 방법은 다음과 같다: (1) 첩의 각 지점에서의 전파 지연(propagation delay)을 얻기 위한 시간-주파수 분석(Joint Time-Frequency Analysis); (2) 첩 지연과 직접적으로 연관된 고정 주파수 신호를 제공하기 위한 디첩핑(de-chirping) 기술; (3) 유체를 통한 전달시간과 유체를 통한 다중 반사를 결정하고, 음파 감쇠 정보를 제공하는 상호 상관 기술; (4) 유체 내 음파 신호의 간섭 스펙트럼과 이로써 그것의 음속을 얻기 위한 수신된 신호의 고속 푸리에 변환(FFT); 및 (5) 벽을 통한 신호의 전송과 벽의 두께 또는 벽을 통한 전달시간을 결정하기 위해 사용될 수 있는 벽의 공진 피크들을 얻기 위한 수신된 신호의 FFT.

본 발명의 실시예들에 대한 자세한 참조가 이루어지며, 본 발명의 실시예들은 첨부 도면에 도시되어 있다. 도면에서 유사한 구조는 동일한 참조 기호들을 사용해서 확인할 수 있다. 도면들은 본 발명의 특정 실시예들을 설명하기 위한 목적으로 이해되어 지며, 그러한 실시예들에 본 발명을 제한하기 위한 것은 아니다. 도 1a로 돌아가 보면, 본 발명 방법의 실시에 효과적인 본 발명의 측정 장치(10)의 일 실시예가 개략적으로 도시되어 있다. 마이크로콘트롤러(microcontroller; 12)는 범용 직렬 버스(universal serial bus; USB)(16)를 통해 디지털 신호처리기(DSP)(14)를 제어한다. DSP(14)는 임의 파형 발생기(waveform generator; WG)(18)에 첩 파형을 로드(load)하는데, 여기서 송신용 변환기(22)를 구동하기 위해 전력 증폭기(20)로 전달될 선형 첩 파형이 생성된다. 파형 발생기(18)는 임의의 수학적으로 발생되는 파형을 생성할 수 있으며 선형 주파수 첩을 생성하는데 제한되지 않는다. 일반적으로 사용되는 첩 신호는 정현파이지만 구형파 첩도 출력 증폭기에 의한 전력 소모를 줄이기 위해 사용될 수 있고, 또한 증폭기 설계를 간단히 할 수 있다. 그러나 구형파 첩 신호는 높은 하모닉 신호들을 만들어내어, 데이터 분석 시 적절히 주의하지 않으면 측정의 정확성에 영향을 미치게 된다. 장치(10)는 크기가 약 1㎷에서 약 50V 사이면서, 주파수 범위가 약 100㎑에서 약 10㎒ 사이인 신호들을 생성한다. 첩의 지속시간은 약 1㎲에서 약 10㎳ 사이가 될 수 있다. 송신용 변환기(22)는 접지 루프(ground loop)로 인한 어려움들을 피하기 위해 (도 1a에 도시되지 않은) 변압기를 통해 차동적으로(differentially) 구동될 수 있다. 송신용 변환기(22)는 파이프 또는 튜브(26)의 벽(24)과 초음파로 연통하며 위치해 있는데, 송신용 변환기(22)는 외벽(24)에 직접 부착될 수 있다.

수신용 변환기(28)는 초음파로 연통하며 위치하게 되는데, 송신용 변환기(22)와 직경상 대향하게 위치한 외벽(24)에 변환기(28)가 직접 부착될 수 있다. 수신용 변환기에 의해 생성된 신호는 이득이 약 10에서 약 60㏈ 사이인 신호 증폭기(30)에 의해 증폭되고, 데이터 저장 메모리가 있는, 2-채널, 16-비트, 60Msamples/s의 디지타이저(32)를 사용해서 디지털화된다. 수신용 변환기(28)는 차동 신호를 제공하기 위해 결합된 변압기가 있을 수 있는데, 차동 신호는 전기적 안정성 및 주변 잡음 유입을 제거하는데 유리할 수 있다. 신호 증폭기(30)는 변환기(28)에 가까이 위치하도록 회로 기판 위에 배치될 수 있으며, 금속 케이스 안에 차폐될 수 있다. WG(18)로부터의 출력은 동시에 디지타이저(32)에 의해 디지털화될 수 있으며, 두 개의 첩 신호는 마이크로콘트롤러(12)에 의해 처리된 후 화면에 나타나기 전 분석을 위해 DSP(14)로 가게 되거나 마이크로프로세서(12)의 메모리에 저장된다. 온도계 요소(36)는 측정하는 동안 벽(24)의 온도를 측정하기 위해 파이프 벽(24)에 부착될 수 있다. 센서(36)로부터의 신호는 저항식 온도 장치(resistance temperature device; RTD) 변환기(38)에 의해 디지털화될 수 있으며, 마이크로콘트롤러(12)와의 통신을 위해 USB 버스(40)로 인도될 수 있다. 신호들은 매 약 0.1s에서 약 1s 사이에서 마다 처리될 수 있으며, 마이크로콘트롤러(12)에 저장되거나 또는 화면(34)에 표시된다. 화살표(42)는 파이프(26)에서의 유체의 유동 방향을 나타낸다.

변환기들(22 및 28)은 압전(piezoelectric; PZT)물질로 만들어질 수 있고 화씨 250°까지의 온도를 견딜 수 있다. 상기 언급된 거처럼, 이러한 변환기들은 파이프(26)의 바깥 반경과 일치하도록 형태를 갖출 수 있다. 아래 기재된 데이터를 수집하기 위해 사용되는 스테인리스 강(stainless steel) 및 황동 파이프들은 약 3 인치의 내경(44)과 0.25 인치의 벽(24) 두께로 이루어졌다. 다른 물질들도 또한 사용될 수 있다. 사용된 각 PZT 요소의 크기는 1㎝ × 2㎝였으며, 도 1b에 나타난 것처럼 장축을 따라 휘어져 있는데, 도 1b는 파이프(26)와 만곡된 변환기(22)의 투시도를 개략적으로 도시하고 있다. 도 1c는 파이프(26) 및 만곡된 변환기들(22 및 28)의 평면도를 개략적으로 도시하고 있다. 변환기들(22 및 28)은 장시간의 사용을 위해 고온의 에폭시(epoxy)를 사용해서 벽(24)의 외표면에 접합 될 수 있는데, 다른 부착 수단 또한 사용될 수 있다.

변환기 요소들(22 및 28)의 중심 주파수는 약 1.5㎒에서 약 5㎒ 사이에서 변할 수 있으며, 특별한 응용례에 따르게 된다. 높은 감쇠의 중유의 경우 높은 주파수들이 사용되는 높은 수분 함량을 가진 유체들보다 낮은 주파수가 사용된다. 작은 파이프 지름과 감쇠가 작은 유체의 경우, 주파수는 약 10㎒ 정도가 될 수 있는데, 이는 50㎒에서 동작하도록 쉽게 변경될 수 있는 전자장치의 한계가 되는 것은 아니다. PZT 요소들을 광대역으로 만들기 위해서는, 각 요소(22 및 28)의 외면(46 및 48) 각각이 (도 1c) 한 겹의 텅스텐을 입힌 에폭시(tungsten-loaded epoxy)로 덮이게 된다. 이것은 또한 변환기들을 더욱 견실하게 한다. 상기 언급된 거처럼, 변환기들(22 및 28)은 얇은 한 겹의 에폭시로 덮인 파이프(26)의 외표면에 결합되고, 지연선들은 필요 없다. 그러한 접촉은 파이프 벽에서 유도파 모드들의 생성 및 유도파 모드들로 인한 문제들도 억제한다. 또한 상기 언급된 것처럼, 두 개의 변환기는 강한 신호를 얻고, 파이프 내에 잘 정의된 음파 빔 패턴(sound beam pattern)을 공급하기 위해 바로 서로 대향하게 위치하게 된다. 다른 상대적인 변환기의 위치들도 사용될 수 있지만, 신호 응답이 나빠지게 된다.

도 2는 도 1a 내지 도 1c에 도시된 장치를 사용하여 얻은 데이터를 크기 대 시간의 그래프로 나타낸 것이다. 첩의 지속시간은 100㎲이고, 주파수 범위는 약 1㎒에서 약 4㎒ 사이이며, 여기 전압은 피크 대 피크가 약 10V 미만이다. 측정은 물이 채워진 내경이 3 인치이고 벽 두께가 0.25 인치인 스테인리스 강 파이프에서 이루어졌다. 도 2에서의 복수의 버스트(burst) 특성들은 주파수에 대한 파이프 벽의 전송 특성으로 인한 것이며, 아래 더욱 상세히 논의될 것이다. 이와 대조적으로, 10㎲ 지속시간의 펄스와 500V 정도의 여기 전압을 인가하여 두꺼운 벽의 파이프 또는 컨테이너에서 비침투적으로 음파의 전달시간을 측정하는 종래의 장치 또는 방법을 사용하여 얻은 데이터는, 검출된 버스트의 시작을 감지한 것에 기초하여 펄스의 전달시간을 결정하기 위한 유용한 신호들을 얻기 위해서 평균을 내야만 한다. 상기 언급된 것처럼, 이와 같은 검출은 신호의 수준에 따라 달라질 수 있는 임계치 검출에 의존하므로 오류들이 있기 쉬우며, 상기 시작지점을 넘어선 버스트 신호의 나머지는 파이프 벽 내에서의 다중반사 성분들을 포함하므로 일반적으로 사용되지 않는다.

도 3의 (a)는 일반적인 첩 신호를 도시한다. 지속시간은 약 10㎲에서 200㎲ 사이인 약 100㎑에서 약 10㎒ 범위의 주파수 첩이 사용될 수 있다. 지속시간은 유체에서의 경로길이에 의존하며, 경로길이가 길어지면 지속시간도 더 길어질 수 있다. 첩 신호는 낮은 주파수 f₁에서 시작하며, 이는 T 시간 동안 연속적인 방식으로 높은 주파수 f₂로 증가하게 된다. 첩의 시간에 따른 주파수 변화는 도 3의 (b)에 도시되어 있다. 첩의 대역폭은 B=f₂-f₁ 이고, 주기는 T이다. 유체가 채워진 파이프(또는 임의의 컨테이너)를 통한 이 첩 신호의 전달시간을 결정하는 것은 적절한 전달시간 측정 결과를 제공한다. 첩 신호는 몇 가지 장점을 가진다. 첩은, 측정에 전달되는 전력이 긴 시간 동안 분산된다. 따라서 종래의 펄스 측정방법에서 사용되는 것과 같은 높은 전압 여기가 필요하지 않고, 약 10V 미만의 신호 여기 수준들로도 대부분의 측정에서는 충분하다. 첩은 또한 측정에서의 신호 대 잡음(S/N) 비를 향상시키기 위해 펄스 압축 비율이 B × T인 펄스 압축 기술들의 사용을 허용한다. 그러므로 신호의 평균화 과정 없이, 넓은 대역폭 B와 긴 지속시간 T에 대해 매우 높은, 일반적으로 종래의 펄스 측정방법에 비해 수 차수배 더 큰, S/N을 얻을 수 있다. 첩 측정은 전달시간 추출을 위해 몇 가지 강력한 신호 처리 방법을 또한 사용할 수 있도록 한다.

도 4의 (a) 및 (b)는 첩 신호 분석을 개략적으로 도시하고 있다. 도 4의 (a)에서 생성된 첩 입력 신호 s(t)는 임의의 기울기를 갖는 선으로 도시되어 있다 (도 3의 (b) 참조). 이 신호는 시스템(예를 들면, 물이 채워진 파이프)을 통해 전파하며 임의의 지연 이후 수신기(출력)에 의해 검출되는데, 지연된 첩 신호는 s(t-τ)가 된다. 만약 시스템이 선형이면, 이 두 신호는 평행한 선이 되며 지연 시간 τ는 구하고자 하는 전달시간 측정결과가 된다. 측정은 또한 고정된 주파수인 Δf로 주어진 두 첩 선들 간의 주파수 천이를 고려해 볼 수 있다. 디첩된(de-chirped) 주파수라 불리며 도 4의 (b)에 도시된, 이 차분 주파수 S_diff(t)는 두 신호의 중첩시간 동안의 고정된 주파수이며, 지연시간 τ에 대응된다. 이는 하나의 첩의 각 인스턴스(instance)가 상대방으로부터 주파수에서 같은 양만큼 천이되므로 두 선형 첩 신호 간의 고정된 시간 차는 고정된 주파수 신호를 제공하기 때문이다. 시간에서의 이러한 천이는 따라서 주파수에서의 천이와 선형적으로 연관되어 있으며, 주파수 천이의 측정은 시간지연 척도를 제공하게 된다. 장점으로는 측정이 두 첩의 주파수상 중첩되는 전 영역에 걸쳐 이루어지고, 따라서 평균값을 얻을 수 있다는 것이다. 그에 반해, 시간지연을 판단하기 위해 펄스를 사용하는 널리 사용된 종래의 전파시간 측정방법에서는 펄스의 한 지점이 사용되고, 만약 수신한 펄스가, 음파 펄스가 유동하는 유체를 통해 전파할 때 항상 나타나는 현상인 왜곡을 겪게 되면 이를 실시하기가 어려워진다.

실제 측정에서 디첩된 (차분) 주파수를 측정하는 간단한 방법은 아래 기술된 것처럼 입력 첩 신호와 출력 첩 신호를 함께 곱하는 것이다. 두 개의 첩 신호는, 송신된 것은 [x(t)]이고 시간지연 후 수신된 것은 [y(t)]로, 다음과 같이 수학적으로 정의될 수 있다.

여기서 ω₀는 출발 주파수이고 T는 첩 지속시간이다. 첩 레이트(chirp rate)

는 △ω/T와 같으며, 여기서 △ω는 첩(ω₁-ω₀) 동안의 주파수 변화를 나타낸다. 디첩핑 신호 z(t)는 방정식 (1)과 (2)의 곱이며,

이는 다음과 같이 단순화될 수 있는데

여기서

이다. 그러므로 디첩된 신호의 주파수 스펙트럼은

에서 하나의 피크와

에서 시작하는 선형적으로 증가하는 영역을 포함하게 된다. 파이프 벽 내에서의 임의의 추가적인 반사성분들은

주파수들에서 다른 별개의 피크들로 나타남을 주목해야 하는데, 여기서 τ_d는 'n' 반사성분들 각각에 대한 벽의 지연을 나타낸다.

디첩된 정현파의 첫 번째 피크 주파수는 τ에 비례한다. 그러므로 디첩핑 과정은 첩 신호와 지연된 첩 신호 사이의 차등 곱셈(differential multiplication)을 포함하는데, 이는 고정된 차분 주파수와 시변 합 주파수(time-variant sum frequency)를 만들어내는 주파수 믹싱(mixing) 과정이다. 두 개의 첩 신호 사이의 시간지연 τ는 디첩핑 과정에 의해 주파수 신호(Δf)로 변환될 수 있다.

도 5의 (a)는 측정에서의 파이프 또는 컨테이너 벽의 효과를 도시하고 있다. 여기서 지연된 첩 신호는 크기가 점점 감소하며 시간에 대해 일련의 등간격을 갖는 첩들로 관찰될 수 있다. 도 5의 (b)는 벽을 통과하면서 복수의 반사를 겪는 펄스 음파 신호(pulsed sound signal)를 도시하는데, 여기서는 예를 보여주기 위해 하나의 벽만이 도시되어 있다. 벽을 통한 전달시간은 τ₀이고 각각의 반사는 추가적인 시간지연 2τ₀를 부가한다. 각 신호가 통과해 지나갈 때 유체와 벽의 물질 간의 음향 임피던스 부정합(acoustic impedance mismatch)에 의한 영향을 받기 때문에, 연이은 반사성분들은 크기가 줄게 되는데, 이 크기는 벽의 음향 임피던스를 안다면 유체의 밀도에 대한 정보를 담고 있어 이를 근간으로 유체의 밀도가 결정될 수 있다.

도 6의 (a)는 물이 채워진 황동 파이프로부터 수신용 변환기에 의해 검출된 신호의 그래프를 도시하고 있다. 송신용 변환기로부터의 소스 신호(source signal)와 이 신호의 상호 상관은 도 6의 (b)에 도시되어 있으며, 상당한 펄스 압축을 도시하고 있다. 첫 번째로 가장 높은 피크에 해당하는 시간을 결정하는 것은 간단한데, 이는 두 개의 벽(τ₀) 및 유체(τ)를 통한 총 전달시간에 해당한다. 도 6의 (b)에 도시된 임의의 두 개의 연속된 피크 사이의 시간은 펄스가 유체를 통해 이동하는데 걸리는 시간의 두 배(2τ)로 예상되며, 이는 벽들을 통한 전달시간이 차분 값에서 상쇄되기 때문이다. 그러므로 벽의 영향들은 제거되고 유체를 통한 전달시간의 정확한 측정결과를 얻을 수 있다. 파이프의 내경 D를 알기 때문에, 음속은 D/τ의 비로부터 쉽게 결정할 수 있다. 다중반사(유체의 통과성분들)로부터의 피크들의 높이는 유체에서 음파 감쇠를 추출하는데 사용될 수 있다. 디첩핑 방법과 상호 상관 방법을 비교하면, 디첩핑 방법이 첩 신호의 크기 변화에 더 영향을 받지 않는 것으로 나타난다. 예를 들어, 구형파 첩은 정현파 첩이 생성하는 것만큼 잘 정의된 디첩된 신호를 생성한다. 상호 상관의 경우 결과의 질이 저하되는데, 이는 구형파는 많은 높은 하모닉들로 구성되어 있기 때문이다. 디첩핑의 경우 전체 신호의 주파수 천이가 하나하나 관찰되며, 반면에 상호 상관의 경우 높은 하모닉들의 존재 및 특별히 벽에서 다중반사를 겪은 후의 하모닉들의 달라진 위상으로 인한 신호의 크기 변화가 상관 결과를 저하시킨다. 결과를 단순화하기 위해 높은 하모닉들을 제거하기 위해서는 추가적인 과정이 필요하게 된다. 그러나 양질의 정현파 첩의 경우 두 가지 방법 모두 뛰어난 결과를 나타낸다.

도 7의 (a) 및 (b)는 동일한 치수를 갖는 스테인리스 강 파이프와 황동 파이프에 대해서 복수의 에코(echo) 없이 수신용 변환기에 의해 수신된 첫 번째 첩 버스트를 각각 도시하는 그래프이며, 도 7의 (c) 및 (d)는 이 신호들 대한 상응하는 고속 푸리에 변환 결과들(FFTs)을 각각 도시하고 있다. 이것은 벽을 통과한 이후 수신된 첩 신호가 도시된 것처럼 크기 변조된 이유를 설명해준다. FFTs는 주파수 첩의 1㎒에서 4㎒ 범위 내에서 복수의 피크를 보여주며, 벽의 음파 전송 특성을 결정하는 벽의 두께 모드 공진들(thinkness mode resonances)이 나타나 있다. 피크들은 주파수 상에서 등간격을 갖는다 (ΔF_W). 벽의 재료에 대한 음속과 벽의 두께 d는 이 차분 주파수를 통해 다음과 같은 관련을 갖는다.

강 파이프와 황동 파이프 둘의 벽 두께는 측정에서 같았으며, 강의 ΔF_W 값이 커질수록 황동의 경우에 비해 강에서의 음속이 더 커지게 된다. 만약 벽의 재료에 대한 음속을 안다면, 벽의 두께를 정확히 결정할 수 있다.

도 8의 (a) 내지 (d)는 데이터의 감소에 있어서 복수의 에코를 포함한 것의 효과를 도시하고 있다. 도 8의 (a) 및 도 8의 (b)는 물이 채워진 황동 파이프에 대해 같은 수신된 첩 신호들을 도시하는데 (수신용 변환기에 의해 수신된 복수의 에코는 신호가 액체를 통해 여러 번 앞뒤로 반사되었고 신호가 공진을 촉발시킬 시간을 가짐을 뜻하는데, 이후 벽의 공진과 중첩된 액체의 공진이 관찰된다), 도 8의 (b)는 복수의 에코를 기록함으로 인한 효과가 벽에 의한 효과로부터 분리될 수 있을 충분한 시간 간격에 걸쳐 기록된다. 도 8의 (a) 및 (b)에 대한 신호들의 해당 FFTs는 도 8(c) 및 (d)에 각각 도시되어 있다. 도 8의 (a)에서 음파는 파이프 지름을 단지 한 번만 전파하여 다중반사로 인한 유체의 공진 생성되지 않았다. 도 8의 (c)의 FFT는 주로 벽의 영향과 유체로 인한 감쇠를 도시하고 있다. 유체의 감쇠는 피크 폭들에 반영되어 있다. 도 8의 (b)에 복수의 반사 성분이 포함되어 있으며 FFT는 두 변환기 사이의 유체에서 유발된 공진을 보여준다.

액체의 공진들은 도 9의 (a)에 도시된 벽의 공진들로부터 개별적으로 검토될 수 있는데, 도 9의 (a)에는 물이 채워진 황동 파이프에서의 복수의 에코를 기록할 수 있는 충분한 시간 간격에 걸쳐, 수신한 첩 신호들의 FFT가 나타나 있다. 벽의 공진 피크들이 도 9의 (a)에서 관찰되며 두 개의 이웃한 벽의 피크들(wall peaks) 간의 주파수 차이는 ΔF_W로 나타나 있다. 유체의 공진 피크들은 이 주파수 눈금 상에서는 잡음처럼 보이고 따라서 이 공진들을 더욱 명확하게 관찰하려면 작은 영역이 확대될 필요가 있다. 도 8의 (d)와 도 9의 (a)는 같은 도면이다. 도 9의 (b)는 대시(dash)로 된 타원으로 둘러싸인 도 9의 (a)의 2.7㎒ 주변 그래프의 확대된 부분을 도시하고 있다. 주파수 상에서 일련의 균등하게 위치한 피크들은 ΔF_L의 주파수 간격을 갖는다. 파이프 벽에서의 음속과 유사한 방식으로, 유체에서의 음속은 다음과 같이 주어진다.

파이프의 내경 D가 알려져 있으므로, 액체에서의 음속은 ΔF_L을 측정함으로써 쉽게 결정될 수 있다. 유체 내 음속의 가장 정확한 값을 위해서 임의의 두 일련의 벽의 피크들 사이의 가운데 영역에서 측정되고, 이는 유체의 음속 측정에서 벽의 영향을 제거할 수 있다.

수신된 첩 데이터의 시간-주파수 분석(JTFA)이 도 10에 도시되어 있다. 비교를 위해, 수신된 신호의 FFT는 그래프의 오른쪽 편에 도시되어 있으며, 상기 그래프는 시간 이동한 두 개의 평행 상태의 선을 도시하는 데, 첫 번째 선은 1㎒에서 4㎒ 사이의 송신한 첩을 나타내며 원점에서 시작하여 100㎲의 지속시간을 가진다. 중실원(solid circle)은 음파의 전송을 변조하는 여러 수신된 벽의 피크들의 시간 및 주파수 상 피크 위치들을 나타내는데, 각각의 후속의 주파수 피크는 나중에 도달한다. 송신한 첩의 선과 같은 기울기로 제한하여 이 데이터에 최소제곱법(least squares fit)을 적용한 결과가 실선으로 도시되어 있다. 1㎒(첩의 시작 주파수)에서 시간 축 상의 상기 실선의 절편은 총 전달시간이 된다. JFTA 대신 연속 웨이브렛 변환(continuous wavelet transform) 또는 다른 수학적인 변환방법이 데이터를 시간-주파수 상으로 변환하기 위해 사용될 수 있다. 이것은 음속이 결정되는 도달시간을 얻기 위한 간단한 방법이다.

도 11은, 도 4의 (a) 및 (b)에 기술되었고 식(4)에서 수학적으로 표현된 디첩핑 기술을 도시하고 있다. 도 11에 나타난 데이터는 물을 포함한 황동 파이프에 관한 것이다. 먼저, 소스(source)와 수신된 첩들 간의 곱셈이 이루어진다. 만약 지연이 너무 커서 중첩되는 것이 없거나 두 신호 간에 의미 있는 중첩이 없는 경우, 신호들 중 하나가 합당한 정도의 중첩이 있을 때까지 시간상에서 변환되며, 시간 이동은 시간을 보정하기 위해 기록된다. 즉, 현재상황에서 첩 신호의 지속시간은 일반적으로 100㎲이며, 반면에 파이프 및 파이프 내 액체를 통한 실제 전달시간은 약 50㎲이다. 그러므로 만약 송, 수신한 신호들이 원점에서부터 시간상에 도시되고 하나의 신호가 다른 신호 위에 위치되면, 두 신호의 중첩이 있게 된다. 송신한 신호의 마지막 50㎲가 수신한 신호의 첫 50㎲와 중첩될 것이다. 파이프를 통한 전송시간이 두 신호가 시간상 중첩되지 않거나 최소한도로 중첩될 때의 송신 신호의 지속시간보다 더 길 수 있는 지름이 큰 파이프에서는 이와 같은 종류의 중첩이 항상 가능한 것은 아니다. 그와 같은 경우, 임의의 알고 있는 지연시간만큼이 송신 신호에 추가될 수 있고 두 신호가 더 잘 중첩되도록 수학적으로 송신 신호를 이동시킨다. 일단 분석이 완료되면, 추가된 시간 이동(time shift)이 고려될 수 있다. 도 11의 (a)는 두 신호가 충분히 중첩되어서 (약 50%) 임의의 시간 이동 없이 곱셈 데이터의 JTFA를 도시하고 있다. 수학식 4에서 예측되듯이 고정된 주파수가 시간에 따라 변하는 다른 더 높은 주파수 성분과 함께 관찰된다. 본 발명의 일 실시예에서 고정된 주파수의 디첩된 신호에 관심이 있게 되고, 수평선을 가로지르는 모든 피크 값들의 평균이 디첩된 주파수를 규정한다. 또 다른 실시예에서는 곱의 성분에 대한 FFT가 수행되고, 이는 도 11의 (b)의 도면에 도시되어 있다. 이 경우 첫 번째 피크가 디첩 주파수(de-chirp frequency)이고, 대역폭과 첩의 지속시간을 알기 때문에 지연시간은 첩 레이트와 주파수로부터 알 수 있다 (도 4의 (a) 및 (b) 및 수학식 4). 1.6㎒ 주변의 가장 낮은 주파수 피크는 새틀라이트 피크들(satellite peaks)을 가짐에 주목해야 하는데, 이는 도 5의 (a) 및 (b)에서 논의된 벽에서의 다중반사로 인한 것이다.

상기 기술된 다섯 가지 분석 방법으로부터의 측정결과는 관찰된 데이터에 대해 0.02% 미만의 차이를 가진다. 액체에서의 음속의 정확한 측정을 위해 하나의 방법, 몇 가지 방법의 조합 또는 다섯 가지 분석 방법 모두가 사용될 수 있다.

일단 음속이 결정되면, 오일과 물과 같은 2상 유체의 조성을 결정할 수 있다. 다음 수학식 7과 8은 m/s 단위인 원유(c_O)와 공정 용수(process water; c_W)에 대한 음속의 실험데이터를 ℃ 단위인 온도 T에 대한 함수로 최소 제곱 다항식 맞춤(least-squares polynomial fit)을 한 것이다.

임의의 특별한 샘플 쌍에 대해, 다음과 같이 다항식 계수들을 맞추었다.

A_w0 = 1456.49, A_w1 = 3.39556, A_w2 = -0.0116426, A_w3,A_w4 ... = 0

A_o0 = 1486.78, A_o1 = -3.02556, A_o2 = -0.008222, A_o3,A_o4 ... = 0

또한, 오일 및 물의 혼합물에 대한 측정된 밀도(ρ)는 원유의 밀도(ρ_O)와 공정 용수의 밀도(ρ_W)의 접근법에 따라 선형 혼합 법칙(linear rule-of-mixture)에 의해 다음과 같이 나타낼 수 있다.

여기서 Φ는 오일 성분의 부피율(volume fraction)을 나타낸다. 이 단순화된 식은 실제로 쉽게 사용할 수 있으나, 더욱 정확한 관계식들 또한 사용될 수 있다. 유사한 선형 법칙이 다음과 같이 혼합물의 압축률 (κ)에 적용될 수 있다.

여기서 오일(κ_o) 및 물(κ_w) 각각의 압축률이 사용되었다. 혼합물(c)뿐만 아니라 각각의 오일(c₀) 및 공정 용수(c_w) 매체에서의 음속은 다음과 같이 각각의 밀도와 압축률과 관련이 있으며,

따라서 다음과 같은 결과를 산출하는데

여기서

,

그리고

이다. 그러면 다음과 같이 쓸 수 있다.

간단한 대수 조작에 의해 수학식 9는 다음과 같이 다시 쓸 수 있다.

수학식 13과 14를 곱하고, 수학식 11을 적용하면,

가 되며, 재정리하면 2차 방정식의 형태를 취할 수 있다.

오일-컷 Φ(오일-물 혼합물에서 오일의 비율)를 얻기 위해서, 수학식 16의 2차 방정식을 풀게 되고, 근은 0≤Φ≤1에서 선택된다.

시스템을 보정하기 위해서, 오일 및 공정 용수의 샘플을 얻은 후 분리된 고정 셀(static cell)에서 각각 온도에 대한 음속의 의존성을 결정하는 것은 유용하다. 시스템은 임의의 이러한 두 가지 물질의 조성에 대해 사용될 수 있다. 일단 음속의 정확한 측정이 이루어지면, 분명히 더욱 정교한 구조가 고안될 수 있다. 예를 들어, 음파 감쇠는 온도와 유체 조성에 강하게 따르게 된다. 음속과 음파의 감쇠 측정 둘 다 유체 조성의 신뢰할 만한 척도를 얻기 위해 결합될 수 있다.

본 발명의 전술한 설명은 도시 및 설명을 목적으로 제공된 것으로, 빠진 것 없는 철저한 것이 아니고 개시된 정확한 형태로 본 발명을 제한하려는 것은 아니며, 분명히 다른 변형 또는 변경도 상기 교시에 비춰 가능할 수 있다. 실시예는 본 발명의 원리 및 그 실제 용례를 가장 잘 설명하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 사람들이 고려되는 특정 용도에 맞춰진 여러 변형물로써 본 발명을 다양한 실시예에서 가장 잘 사용할 수 있게 하기 위해 선택 및 개시되었다. 본 발명의 범위는 여기 첨부된 청구항들에 의해 정의된다.

Claims

벽 및 외표면을 갖는 파이프를 통해 유동하는 오일 및 물을 포함하는 다상 유체의 조성을 비침투적으로 결정하는 방법으로서,
상기 파이프의 상기 외표면과 초음파로 연통되는 송신용 변환기(transmitting transducer)를 사용하여 초음파 주파수 첩 신호(ultrasonic frequency chirp signal)를 생성하는 단계;
상기 첩 신호가 상기 다상 유체를 통과한 후 상기 송신용 변환기와 직경상 대향하게 위치해 있는(diametrically opposed), 상기 파이프의 상기 외표면과 초음파로 연통되는 수신용 변환기(receiving transducer) 상에서 상기 생성한 주파수 첩 신호를 수신하고, 이에 응답하여 전기 신호를 생성하는 단계;
상기 전기 신호를 수신하는 단계;
상기 수신한 신호와 상기 생성한 주파수 첩 신호를 곱하여 주파수 첩을 디첩핑(dechirping)하고 상기 주파수 첩 신호의 총 전달시간이 결정되는 차분 주파수(difference frequency)를 획득하는 단계;
상기 파이프의 상기 벽에서의 상기 주파수 첩 신호의 전달시간을 결정하는 단계; 및
상기 다상 유체를 통한 상기 주파수 첩 신호의 전송시간을 결정하기 위해 상기 총 전달시간으로부터 상기 파이프의 상기 벽에서의 상기 주파수 첩 신호의 상기 전달시간을 빼고, 이로부터 상기 다상 유체의 조성을 결정하는 단계
를 포함하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 다상 유체의 온도를 측정하는 단계
를 더 포함하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 주파수 첩 신호는 100㎑와 10㎒ 사이의 주파수들을 포함하는, 방법.
제3항에 있어서,
상기 주파수 첩 신호는 10㎲와 10㎳ 사이의 지속시간을 갖는, 방법.
제4항에 있어서,
상기 주파수 첩 신호의 상기 지속시간은 상기 주파수 첩 신호의 상기 총 전달시간보다 더 큰, 방법.
제1항에 있어서,
상기 수신한 신호와 상기 생성한 주파수 첩 신호가 중첩되도록 상기 주파수 첩 신호의 상기 전송시간을 수학적으로 시간 천이하는 단계; 및
상기 주파수 첩 신호의 총 전달시간에 상기 시간 천이 된 전송시간을 더하는 단계를 더 포함하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 파이프의 상기 벽에서의 상기 주파수 첩 신호의 상기 전달시간을 결정하는 단계는
상기 수신한 전기 신호를 푸리에 변환하는 단계; 및
상기 푸리에 변환된 수신한 전기 신호의 공진 피크들 간의 간격을 측정하고, 이로부터 상기 전달시간을 결정하는 단계
를 포함하는, 방법.
제1항에 있어서,
온도에 대한 함수로 상기 오일에서의 음속을 결정하는 단계;
온도에 대한 함수로 상기 물에서의 음속을 결정하는 단계; 및
오일 및 물의 알 수 없는 2상 유체 혼합물에서의 음속으로 상기 오일에서의 음속 결정 및 상기 물에서의 음속 결정을 표현하기 위한 식을 생성하는 단계
를 더 포함하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 송신용 변환기 및 상기 수신용 변환기는 압전 변환기들(piezoelectric transducers)을 포함하는, 방법.
제9항에 있어서,
상기 송신용 변환기 및 상기 수신용 변환기는 상기 파이프의 상기 외표면과 일치하는 형태를 갖는, 방법.
벽 및 외표면을 갖는 파이프를 통해 유동하는 오일 및 물을 포함하는 다상 유체의 조성을 비침투적으로 결정하는 방법으로서,
상기 파이프의 상기 외표면과 초음파로 연통되는 송신용 변환기를 사용하여 초음파 주파수 첩 신호를 생성하는 단계;
상기 첩 신호가 상기 다상 유체를 통과한 후에 상기 송신용 변환기와 직경상 대향하게 위치해 있는, 상기 파이프의 상기 외표면과 초음파로 연통되는 수신용 변환기 상에서 상기 생성한 주파수 첩 신호를 수신하고, 이에 응답하여 전기 신호를 생성하는 단계;
상기 전기 신호를 수신하는 단계;
상기 송신한 신호와 상기 수신한 신호를 상호 상관(cross-correlating)시키고, 상호 상관 피크들을 생성하는 단계;
상기 주파수 첩 신호의 총 전달시간에 해당하는 가장 높은 피크를 선택하는 단계;
상기 파이프의 상기 벽에서의 상기 주파수 첩 신호의 전달시간을 결정하는 단계; 및
상기 다상 유체를 통한 상기 주파수 첩 신호의 전송시간을 결정하기 위해 상기 총 전달시간으로부터 상기 파이프의 상기 벽에서의 상기 주파수 첩 신호의 상기 전달시간을 빼고, 이로부터 상기 다상 유체의 조성을 결정하는 단계
를 포함하는 방법.
제11항에 있어서,
상기 다상 유체의 온도를 측정하는 단계
를 더 포함하는 방법.
제11항에 있어서,
상기 주파수 첩 신호는 100㎑와 10㎒ 사이의 주파수들을 포함하는, 방법.
제13항에 있어서,
상기 주파수 첩 신호는 10㎲와 10㎳ 사이의 지속시간을 갖는, 방법.
제11항에 있어서,
상기 파이프의 상기 벽에서의 상기 주파수 첩 신호의 상기 전달시간을 결정하는 단계는
상기 수신한 전기 신호를 푸리에 변환하는 단계; 및
상기 푸리에 변환된 수신한 전기 신호의 공진 피크들 간의 간격을 측정하고, 이로부터 상기 전달시간을 결정하는 단계
를 포함하는, 방법.
제11항에 있어서,
온도에 대한 함수로 상기 오일에서의 음속을 결정하는 단계;
온도에 대한 함수로 상기 물에서의 음속을 결정하는 단계; 및
오일 및 물의 알 수 없는 2상 유체 혼합물에서의 음속으로 상기 오일에서의 음속 결정 및 상기 물에서의 음속 결정을 표현하기 위한 식을 생성하는 단계
를 더 포함하는 방법.
제11항에 있어서,
상기 송신용 변환기 및 상기 수신용 변환기는 압전 변환기들을 포함하는, 방법.
제17항에 있어서,
상기 송신용 변환기 및 상기 수신용 변환기는 상기 파이프의 상기 외표면과 일치하는 형태를 갖는, 방법.
벽 및 외표면을 갖는 파이프를 통해 유동하는 오일 및 물을 포함하는 다상 유체의 조성을 비침투적으로 결정하는 방법으로서,
상기 파이프의 상기 외표면과 초음파로 연통되는 송신용 변환기를 사용하여 초음파 주파수 첩 신호를 생성하는 단계;
상기 첩 신호가 상기 다상 유체를 통과한 후 상기 송신용 변환기와 직경상 대향하게 위치해 있는, 상기 파이프의 상기 외표면과 초음파로 연통되는 수신용 변환기 상에서 상기 생성한 주파수 첩 신호를 수신하고, 이에 응답하여 전기 신호를 생성하는 단계;
상기 전기 신호를 수신하는 단계;
상기 송신한 신호와 상기 수신한 신호를 상호 상관시키고, 상기 상호 상관 피크들을 생성하는 단계;
연이은 피크들 간의 시간을 결정하고 - 상기 결정된 시간은 상기 다상 유체를 통한 이동시간의 두 배임 - 이로부터 상기 다상 유체의 조성을 결정하는 단계
를 포함하는 방법.
제19항에 있어서,
상기 다상 유체의 온도를 측정하는 단계
를 더 포함하는 방법.
제19항에 있어서,
상기 주파수 첩 신호는 100㎑와 10㎒ 사이의 주파수들을 포함하는, 방법.
제21항에 있어서,
상기 주파수 첩 신호는 10㎲와 10㎳ 사이의 지속시간을 갖는, 방법.
제19항에 있어서,
온도에 대한 함수로 상기 오일에서의 음속을 결정하는 단계;
온도에 대한 함수로 상기 물에서의 음속을 결정하는 단계; 및
오일 및 물의 알 수 없는 2상 유체 혼합물에서의 음속으로 상기 오일에서의 음속 결정과 상기 물에서의 음속 결정을 표현하기 위한 식을 생성하는 단계
를 더 포함하는 방법.
제19항에 있어서,
상기 상호 상관 피크들을 푸리에 변환하는 단계;
액체의 공진들에 해당하는 등간격의 피크들을 획득하기 위해 주파수 영역에서 결과 스펙트럼을 확대하는 단계;
이웃한 피크들 간의 주파수 간격을 결정하는 단계; 및
상기 다상 유체에서의 음속이 결정되는 복수의 피크 간격에 대해 평균을 내는 단계
를 더 포함하는 방법.
제19항에 있어서,
상기 송신용 변환기 및 상기 수신용 변환기는 압전 변환기들을 포함하는, 방법.
제25항에 있어서,
상기 송신용 변환기 및 상기 수신용 변환기는 상기 파이프의 상기 외표면과 일치하는 형태를 갖는, 방법.
벽 및 외표면을 갖는 파이프를 통해 유동하는 오일 및 물을 포함하는 다상 유체의 조성을 비침투적으로 결정하는 방법으로서,
상기 파이프의 상기 외표면과 초음파로 연통되는 송신용 변환기를 사용하여 주파수 첩이 상기 다상 유체를 통과하는데 걸리는 시간보다 짧은 지속시간을 갖는 초음파 주파수 첩 신호를 생성하는 단계;
상기 첩 신호가 상기 다상 유체를 통과한 후 상기 송신용 변환기와 직경상 대향하게 위치해 있는, 상기 파이프의 외표면과 초음파로 연통되는 수신용 변환기 상에서 상기 생성한 주파수 첩 신호를 수신하고, 이에 응답하여 전기 신호를 생성하는 단계;
상기 전기 신호를 수신하는 단계;
단시간 푸리에 변환(Short Time Fourier Transform)을 사용하여 상기 전기 신호를 변환함으로써, 상기 수신한 주파수 첩의 주파수 변동의 플롯(a plot of the frequency variation)을 시간에 대한 함수로서 생성하며, 벽의 공진들로 인한 진폭변조 성분들을 기울기를 갖는 직선상에 각각의 국부적인 피크로 나타내는 단계;
상기 기울기를 갖는 직선으로 각각의 국부적인 피크에 대해 최소제곱법을 수행하는 단계;
총 전달시간이 결정되는 시간 축 상의 절편을 결정하는 단계;
상기 파이프의 상기 벽에서의 상기 주파수 첩 신호의 전달시간을 결정하는 단계; 및
상기 다상 유체를 통한 상기 주파수 첩 신호의 전송시간을 결정하기 위해 상기 총 전달시간으로부터 상기 파이프의 상기 벽에서의 상기 주파수 첩 신호의 상기 전달시간을 빼고, 이로부터 상기 다상 유체의 조성을 결정하는 단계
를 포함하는 방법.
제27항에 있어서,
상기 다상 유체의 온도를 측정하는 단계
를 더 포함하는 방법.
제27항에 있어서,
상기 주파수 첩 신호는 100㎑와 10㎒ 사이의 주파수들을 포함하는, 방법.
제29항에 있어서,
상기 주파수 첩 신호는 10㎲와 10㎳ 사이의 지속시간을 갖는, 방법.
제27항에 있어서,
상기 파이프의 상기 벽에서의 상기 주파수 첩 신호의 상기 전달시간을 결정하는 단계는
상기 수신한 전기 신호를 푸리에 변환하는 단계; 및
상기 푸리에 변환된 수신한 전기 신호의 공진 피크들 간의 간격을 측정하고, 이로부터 상기 전달시간을 결정하는 단계
를 포함하는, 방법.
제27항에 있어서,
온도에 대한 함수로 상기 오일에서의 음속을 결정하는 단계;
온도에 대한 함수로 상기 물에서의 음속을 결정하는 단계; 및
오일 및 물의 알 수 없는 2상 유체 혼합물에서의 음속으로 상기 오일에서의 음속 결정과 상기 물에서의 음속 결정을 표현하기 위한 식을 생성하는 단계
를 더 포함하는 방법.
제27항에 있어서,
상기 송신용 변환기 및 상기 수신용 변환기는 압전 변환기들을 포함하는, 방법.
제33항에 있어서,
상기 송신용 변환기 및 상기 수신용 변환기는 상기 파이프의 상기 외표면과 일치하는 형태를 갖는, 방법.