KR101939102B1 - 디퍼렌셜 밀도를 결정하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

적어도 2 개의 유량계들(214, 216)을 가지는, 연료를 소모하도록 구성되는 엔진(208)을 포함하는 엔진 시스템(200)을 작동시키기 위한 방법이 제공된다. 본 방법은 적어도 2 개의 유량계들 중 공급 유량계(214)와 적어도 2 개의 유량계들 중 복귀 유량계(216) 사이에 배치되는 엔진을 작동시키는 단계(208)를 포함한다. 공급 유량계(214)에서의 제 1 연료 밀도 및 복귀 유량계(216)에서의 제 2 연료 밀도가 측정된다. 공급 유량계(214)와 복귀 유량계(216) 사이의 연료 밀도 측정치들(317)은 비교되며, 그리고 제 2 연료 밀도와 제 1 연료 밀도에서의 차이에 기초한 디퍼렌셜 밀도 측정 값(Δρ, 319)이 결정된다. Δρ(319)는 이론적인 디퍼렌셜 연료 밀도 값들(Δρt)의 범위와 비교되며, 그리고 Δρ가 미리정해진 임계치만큼 Δρt 값들의 범위 밖에 놓인다면, 잠재적인 연료 오염이 표시된다.

Description

디퍼렌셜 밀도를 결정하기 위한 방법 및 장치 {METHOD AND APPARATUS FOR DETERMINING DIFFERENTIAL DENSITY}
본 발명은 유량계들에 관한 것이며, 더 자세하게는 디퍼렌셜(differential) 밀도 측정들을 통한 연료 품질 및 시스템 효율을 결정하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
예를 들어 진동 밀도계들 및 코리올리(Coriolis) 유량계들과 같은 진동 센서들은 일반적으로 공지되어 있으며, 그리고 유량계 내에 도관을 통해 유동하는 재료들에 관한 질량 유동 및 다른 정보를 측정하는데 사용된다. 예시적인 코리올리 유량계들은 미국 특허 4,109,524, 미국 특허 4,491,025 및 Re.31,450(모두 J.E.Smith 등에 속함)에서 개시된다. 이러한 유량계들은 직선형 및 커브형 구성의 하나 또는 그 초과의 도관들을 가진다. 예를 들어, 코리올리 질량 유동계에서의 각각의 도관 구성은 한 세트의 고유 진동 모드들(natural vibration modes)을 가지며, 이는 간단한 굽힘, 비틀림, 또는 커플링된 유형일 수 있다. 각각의 도관은 바람직한 모드에서 오실레이팅하도록 구동될 수 있다.
일부 유형들의 질량 유동계들, 특히 코리올리 유량계들은 밀도에 대한 질량의 비율을 통해 체적 정보를 제공하기 위해 밀도의 직접적인 측정을 수행하는 방식으로 작동될 수 있다. 예를 들어, 미지의 다상 유체의 밀도를 측정하기 위해 코리올리 유량계를 사용하는 네트 오일 컴퓨터(net oil computer)에 대한 Ruesch의 미국 특허 제 4,872,351호를 참조한다. Buttler 등의 미국 특허 제 5,687,100호는 진동 튜브 밀도계로서 작동하는 질량 유동계에서의 질량 유동 효과들을 위한 밀도 판독들을 교정하는 코리올리 효과 밀도계를 교시한다.
재료는 유량계의 유입구 측 상의 연결된 파이프라인으로부터 유량계 내로 유동하고, 도관(들)을 통해 지향되고, 그리고 유량계의 유출구 측을 통해 유량계를 빠져나온다. 진동 시스템의 고유 진동 모드들은 도관들과 도관들 내에서 유동하는 재료의 조합된 질량에 의해 부분적으로 규정된다.
유량계를 통한 유동이 존재하지 않을 때, 도관(들)에 적용되는 구동 힘은 도관(들)을 따른 모든 지점들이 동일한 위상으로 또는 작은 "제로 오프셋(zero offset)"으로 오실레이팅하는 것을 유발시키며, 이는 제로 유동 시 측정된 시간 지연이다. 재료가 유량계를 통해 유동하기 시작할 때, 코리올리 힘들은 도관(들)을 따른 각각의 지점이 상이한 위상을 가지는 것을 유발시킨다. 예를 들어, 유량계의 유입구 단부에서의 위상은 중앙집중된(centralized) 드라이버 포지션에서의 위상을 지연시키는(lag) 반면, 유출구에서의 위상은 중앙집중된 드라이버 포지션에서의 위상을 이끈다. 도관(들) 상의 픽오프들(pickoffs)은 도관(들)의 모션을 나타내는 사인파형 신호들을 생성한다. 픽오프들로부터 출력된 신호들은 픽오프들 사이의 시간 지연을 결정하도록 프로세싱된다. 2 개 또는 그 초과의 픽오프들 사이의 시간 지연은 도관(들)을 통해 유동하는 재료의 질량 유동에 비례한다.
드라이버에 연결되는 계측 전자 기기는 드라이버를 작동시키기 위해 그리고 또한 픽오프들로부터 수용된 신호들로부터 프로세스 재료의 질량 유동 및/또는 다른 특성들을 결정하기 위해 드라이브 신호를 발생시킨다. 드라이버는 많은 주지된 배열체들 중 하나의 배열체를 포함할 수 있으며; 그러나, 자석 및 대향 드라이브 코일은 유량계 산업에서 큰 성공을 거두고 있다. 교류 전류는 바람직한 유동 튜브 진폭 및 주파수에서 도관(들)을 진동시키기 위한 드라이브 코일로 지나게 된다. 자석으로서의 픽오프들 및 드라이버 배열체와 매우 유사한 코일 배열체를 제공하는 것은 당 분야에서 또한 공지되어 있다. 그러나, 드라이버는 모션을 유도하는 전류를 수용하는 반면, 픽오프들은 전압을 유도하기 위해 드라이버에 의해 제공되는 모션을 사용할 수 있다. 픽오프들에 의해 측정되는 시간 지연의 정도는 매우 작으며; 종종 나노초 단위로(in nanoseconds) 측정된다. 따라서, 변환기 출력을 매우 정확하게 하는 것이 필요하다.
일반적으로, 유량계는 초기에 교정될 수 있으며, 그리고 제로 오프셋과 함께 유동 교정(calibration) 인자가 발생될 수 있다. 사용 시, 유동 교정 인자는 질량 유동을 생성하기 위해 픽오프들에 의해 측정된 시간 지연에 제로 오프셋을 뺀 것과 곱하여질 수 있다. 대부분의 상황들에서, 유량계는 제조사에 의해 통상적으로 초기에 교정되고, 요구되는 후속하는 교정들 없이 정확한 측정치들을 제공하도록 취해진다(assumed). 또한, 종래 기술의 접근법은, 유동을 정지시킴, 밸브들을 폐쇄함, 그리고 따라서 프로세스 조건들에서 제로 유량 기준을 계측기에 제공함으로써, 설치 후에 사용자가 유량계를 제로-교정하는 것을 수반한다.
코리올리 유량계들을 포함하는 진동 센서들은 해양 선박들에서 발견되는 것들과 같은 대형 엔진 시스템들에 종종 이용된다. 이러한 선박들에 대해, 적합한 연료 관리는 효율적인 엔진 시스템 작동을 위해 중요하다. 연료 관리는 항구(port)에서 통상적으로 벙커링(bunkering) 또는 연료 로딩(fuel loading)으로 시작한다. 이러한 지점에서 연료가 베슬(vessel)에 로딩되며, 그리고 양이 측정된다. 연료 품질은, 그러나 이러한 시점에서 알려지지 않는다. 연료 품질은, 점도, 밀도 및 조성이 결정될 수 있는 연구소로 샘플들을 보냄으로써 결정된다. 불운하게도, 이러한 프로세스는 종종 수일이 걸려서, 일어나는 연료 품질 이슈들은, 통상적으로 선박이 항구를 떠나 바다에서 양호하게 항해한 이후에만 발견된다(uncovered). 또한, 연료 품질은 주어진 한 세트의 표준들을 충족함에도 불구하고, 연료 시스템 내의 문제들은 오염물들, 예를 들어 물을 연료 시스템 내로 도입할 것이며, 이는 문제가 있다.
따라서, 양적인 연료 속성들을 결정하기 위한 방법 및 관련된 장치에 대한 당 분야에서의 필요가 존재한다. 엔진에 진입하기 전에 그리고 엔진에서 나온 후에 연료 밀도를 결정하기 위해 본 방법 및 관련된 장치에 대한 필요가 존재한다. 연료의 잠재적인 물 함량을 검출하기 위한 필요가 존재한다. 본 발명은 이러한 그리고 다른 문제점들을 극복하며, 그리고 당 분야의 진보가 달성된다.
연료를 소모하도록 구성되는 엔진(engine)을 포함하고 적어도 2 개의 유량계들(flowmeters)을 가지는 엔진 시스템(engine system)을 작동시키기 위한 방법이 일 실시예를 따라 제공된다. 실시예는: 적어도 2 개의 유량계들 중 공급 유량계(supply flowmeter)와 적어도 2 개의 유량계들 중 복귀 유량계(return flowmeter) 사이에 배치되는 엔진을 작동시키는 단계; 공급 유량계에서의 제 1 연료 밀도 및 복귀 유량계에서의 제 2 연료 밀도를 측정하는 단계; 공급 유량계와 복귀 유량계 사이의 연료 밀도 측정치들을 비교하는 단계; 제 2 연료 밀도와 제 1 연료 밀도 사이의 차이를 기초로 하여 디퍼렌셜(differential) 밀도 측정 값(Δρ)을 결정하는 단계; 이론적인 디퍼렌셜 연료 밀도 값들(Δρt)의 범위와 Δρ를 비교하는 단계; 및 Δρ가 미리정해진 임계치(threshold)만큼 Δρt 값들의 범위 밖에 놓인다면 잠재적인 연료 오염을 표시하는 단계를 포함한다.
엔진을 가지는 시스템에 연결되는, 프로세싱 시스템을 포함하는, 유량계들을 위한 계측 전자 기기는 일 실시예에 따라 제공된다. 실시예는: 공급 유량계 및 복귀 유량계 양자 모두로부터 센서 신호들을 수용하며; 수용된 센서 신호들을 기초로 하여 공급 유량계와 복귀 유량계 사이에서 디퍼렌셜 밀도 측정 값(Δρ)을 결정하며; 이론적인 디퍼렌셜 연료 밀도 값들(Δρt)의 범위와 상기 Δρ를 비교하며; 그리고 계측 전자 기기에서의 Δρt 값들의 범위와 Δρ에 대한 비교(comparison)를 저장하도록 구성된다.
양태들
일 양태에 따라, 연료를 소모하도록 구성되는 엔진(engine)을 포함하고 적어도 2 개의 유량계들(flowmeters)을 가지는 엔진 시스템(engine system)을 작동시키기 위한 방법이 제공된다. 양태는: 적어도 2 개의 유량계들 중 공급 유량계(supply flowmeter)와 적어도 2 개의 유량계들 중 복귀 유량계(return flowmeter) 사이에 배치되는 엔진을 작동시키는 단계; 공급 유량계에서의 제 1 연료 밀도 및 복귀 유량계에서의 제 2 연료 밀도를 측정하는 단계; 공급 유량계와 복귀 유량계 사이의 연료 밀도 측정치들을 비교하는 단계; 제 2 연료 밀도와 제 1 연료 밀도 사이의 차이를 기초로 하여 디퍼렌셜(differential) 밀도 측정 값(Δρ)을 결정하는 단계; 이론적인 디퍼렌셜 연료 밀도 값들(Δρt)의 범위와 Δρ를 비교하는 단계; 및 Δρ가 미리정해진 임계치(threshold)만큼 Δρt 값들의 범위 밖에 놓인다면 잠재적인 연료 오염을 표시하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 본 방법은 계측 전자 기기 내에 Δρ을 저장하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, Δρ가 미리정해진 임계치만큼 Δρt 범위 밖에 놓인다면 잠재적인 연료 오염을 표시하는 단계는 Δρ가 미리정해진 임계치만큼 Δρt 범위를 초과하는 경우 연료의 물 오염을 표시하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 본 방법은 공급 유량계로부터 온도 센서 신호 값(temperature sensor signal value)을 수용하는 단계; 복귀 유량계로부터 온도 센서 신호 값을 수용하는 단계; 및 공급 유량계 및 복귀 유량계의 온도를 각각 보상하기 위해 제 1 연료 밀도 측정치(first fuel density measurement) 및 제 2 연료 밀도 측정치를 조절하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 본 방법은 공급 유량계 및 복귀 유량계 외부에 있는 온도 센서로부터 온도 센서 신호 값을을 수용하는 단계; 및 온도 센서 신호 값을 보상하기 위해 제 1 연료 밀도 측정치 및 제 2 연료 밀도 측정치를 조절하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 본 방법은 Δρ가 미리정해진 임계치만큼 Δρt 범위 밖에 놓인다면 알람을 시작하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 본 방법은 엔진이 작동하는 동안, 공급 유량계에서의 연료 유동 및 복귀 유량계에서의 연료 유동을 측정하는 단계; 공급 유량계에서의 연료 유동과 복귀 유량계에서의 연료 유동을 비교함으로써 엔진 연료 소모를 계산하는 단계; 및 연료 소모 측정치를 표시하는 단계를 포함한다.
일 양태에 따라, 엔진을 가지는 시스템에 연결되는, 프로세싱 시스템을 포함하는, 유량계들을 위한 계측 전자 기기가 제공된다. 계측 전자 기기는 공급 유량계 및 복귀 유량계 양자 모두로부터 센서 신호들을 수용하며; 수용된 센서 신호들을 기초로 하여 공급 유량계와 복귀 유량계 사이에서 디퍼렌셜 밀도 측정 값(Δρ)을 결정하며; 이론적인 디퍼렌셜 연료 밀도 값들(Δρt)의 범위와 Δρ를 비교하며; 그리고 계측 전자 기기에서의 Δρt 값들의 범위와 Δρ에 대한 비교(comparison)를 저장하도록 구성된다.
바람직하게는, 프로세싱 시스템은, Δρ가 미리정해진 임계치만큼 Δρt 값들의 범위 밖에 놓인다면, 잠재적인 오염을 표시하도록 구성된다.
바람직하게는, 프로세싱 시스템은, Δρ가 미리정해진 임계치만큼 Δρt 값들의 범위를 초과하면, 잠재적인 물 오염을 표시하도록 구성된다.
바람직하게는, 유량계들은 물 에멀션(emulsion) 시스템과 유체 연통한다.
바람직하게는, 프로세싱 시스템은: 공급 유량계의 온도를 결정하며; 복귀 유량계의 온도를 결정하며; 그리고 작동 온도를 위해 보정되는 조절된 유체 소모 측정치를 출력하도록 구성된다.
바람직하게는, 프로세싱 시스템은: 공급 유량계 및 복귀 유량계 외부의 온도를 결정하며; 그리고 공급 유량계 및 복귀 유량계 외부의 온도에 대해 보정되는 조절된 유체 소모 측정치를 출력하도록 구성된다.
도 1은 종래 기술의 진동 센서 조립체를 도시한다;
도 2는 종래 기술의 연료 시스템을 도시한다;
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 계측 전자 기기를 도시한다;
도 4는 일 실시예에 따른 연료 시스템 내의 연료의 측정된 밀도를 예시하는 그래프이다;
도 5는 일 실시예에 따른 엔진 시스템을 작동시키는 방법을 설명하는 흐름도이다;
도 6은 일 실시예에 따른 엔진 시스템을 작동시키는 다른 방법을 설명하는 흐름도이며; 그리고
도 7은 일 실시예에 따른 엔진 시스템을 작동시키는 또 다른 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 1 내지 도 7 및 다음의 설명은 본 발명의 최적 모드(best mode)를 만들고 사용하는 방법을 당업자에게 교시하기 위해 특정한 예들을 도시한다. 본 발명의 원리들을 교시하는 목적을 위하여, 일부 통상적인 양태들은 단순화되었거나 생략되었다. 당업자들은 발명의 범주 내에 속하는 이러한 예들로부터의 변형들을 이해할 것이다. 당업자들은 아래에 설명되는 특징들이 본 발명의 다수의 변형예들을 형성하기 위해 다양한 방식들로 조합될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 결과적으로, 본 발명은 아래에 설명되는 특정한 예들로 제한되지 않으며, 오직 청구항들 및 그들의 등가물들에 의해서만 제한된다.
도 1은 센서 조립체(10) 및 하나 또는 그 초과의 계측 전자 기기(meter electronics)(20)을 포함하는 코리올리 유량계의 형태의 유량계(5)의 일 예를 예시한다. 하나 또는 그 초과의 계측 전자 기기(20)는, 예를 들어, 밀도, 질량 유동, 체적 유량, 총 질량 유동, 온도, 및 다른 정보들과 같은 유동 재료 특성을 측정하기 위해, 센서 조립체(10)에 연결된다.
센서 조립체(10)는 한 쌍의 플랜지들(101 및 101’), 매니폴드들(102 및 102’), 및 도관들(103 및 103’)을 포함한다. 매니폴드들(102, 102')들은 도관들(103, 103’)의 대향 단부들에 고정된다(affixed). 본 예의 플랜지들(101 및 101')은 매니폴드들(102 및 102')에 고정된다. 본 예의 매니폴드들(102 및 102')은 스페이서(spacer)(106)의 마주보는 단부들에 고정된다. 스페이서(106)는 도관들(103 및 103') 내에 원치않은 진동들을 방지하기 위해 본 예에서 매니폴드들(102 및 102') 사이에 간격을 유지한다. 도관들(103 및 103')은 본질적으로 평행한 방식으로 매니폴드들로부터 바깥쪽으로 연장한다. 센서 조립체(10)가 유동 재료를 운반하는(carry) 파이프라인 시스템(도시 생략)으로 삽입될 때, 재료는 플랜지(101)를 통해 센서 조립체(10)에 진입하고, 재료의 전체 양이 도관들(103 및 103')에 진입하도록 지향되는 유입구(inlet) 매니폴드(102)를 통해 통과하며, 도관들(103 및 103')을 통해 그리고 플랜지(101')를 통해 센서 조립체(10)를 나가는 유출구 매니폴드(102') 내로 역으로 유동한다.
센서 조립체(10)는 드라이버(104)를 포함한다. 드라이버(104)는, 드라이버(104)가 드라이브 모드에서 도관들(103, 103')을 진동시킬 수 있는 포지션에서 도관(103 및 103’)들에 고정된다. 보다 구체적으로, 드라이버(104)는 도관(103)에 고정되는 제 1 드라이버 컴포넌트(미도시) 및 도관(103')에 고정되는 제 2 드라이버 컴포넌트(미도시)를 포함한다. 드라이버(104)는 예를 들어 도관(103)에 장착되는 자석(magnet) 및 도관(103’)에 장착되는 대향 코일과 같은, 다수의 주지된 배열체들 중 하나의 배열체를 포함할 수 있다.
본 예에서, 드라이브 모드는 제 1 역위상 벤딩 모드(out of phase bending mode)이며, 그리고 도관들(103 및 103')은 선택되고 유입구 매니폴드(102) 및 유출구 매니폴드(102')에 적합하게 장착되어서, 실질적으로 동일한 질량 분포, 관성 모멘트들 및 제각기 벤딩 축들(W-W 및 W’-W’)에 대한 탄성 계수들을 가지는 밸런싱된 시스템(balanced system)을 제공한다. 본 예에서, 드라이브 모드가 제 1 역위상 벤딩 모드인 경우, 도관들(103 및 103')은 이들의 각각의 벤딩 축들(W-W 및 W’-W’)에 대해 반대편 방향들로 드라이버(104)에 의해 구동된다. 교류의 형태의 드라이브 신호는 이를테면 예를 들어 경로(110)를 통해 하나 또는 그 초과의 계측 전자 기기(20)에 의해 제공될 수 있고, 양자 모두의 도관들(103, 103')이 오실레이팅하는 것을 유발시키기 위해 코일을 통해 지날 수 있다. 당업자는, 다른 드라이브 모드들이 본 발명의 범주 내에서 사용될 수 있는 것을 이해할 것이다.
도시되는 센서 조립체(10)는 도관들(103, 103')에 고정되는 한 쌍의 픽오프들(105, 105')을 포함한다. 보다 구체적으로는, 제 1 픽오프 컴포넌트(미도시)는 도관(103)에 로케이팅되며, 그리고 제 2 픽오프 컴포넌트(미도시)는 도관(103')에 로케이팅된다. 묘사된 실시예에서, 픽오프들(105, 105')은 전자기식 검출기들(electromagnetic detectors), 예를 들어 도관들(103, 103')의 속도 및 포지션을 나타내는 픽오프 신호들을 생성하는 픽오프 자석들 및 픽오프 코일들일 수 있다. 예를 들어, 픽오프들(105, 105')은 통로들(111, 111')을 통해 하나 또는 그 초과의 계측 전자 기기(20)로 픽오프 신호들을 공급할 수 있다. 당업자들은 도관들(103, 103')의 모션이 유동 재료의 특정 특성들, 예를 들어 도관들(103, 103')을 통하여 유동하는 재료의 질량 유동 및 밀도에 비례하는 것을 이해할 것이다.
전술된 센서 조립체(10)가 이중의 유동 도관 유량계를 포함하며, 단일 도관 유량계를 구현하는 것은 본 발명의 범주 내에서 적합한 것으로 이해되어야 한다. 게다가, 유동 도관들(103, 103')이 커브형 유동 도관 구성을 포함하는 것으로 도시되면서, 본 발명은 직선형 유동 도관 구성을 포함하는 유량계로 구현될 수 있다. 픽오프들(105, 105')이 스트레인 게이지들(strain gages), 광학 센서들, 레이저 센서들, 또는 당 분야에서 공지된 다른 센서 유형을 포함할 수 있는 것이 또한 이해되어야 한다. 따라서, 전술된 센서 조립체(10)의 특정 실시예는 단지 일 예이며, 본 발명의 범주를 결코 제한하지 않아야 한다.
도 1에서 도시되는 예에서, 하나 또는 그 초과의 계측 전자 기기(20)는 픽오프들(105, 105')로부터 픽오프 신호들을 수용한다. 경로(26)는, 하나 또는 그 초과의 계측 전자 기기(20)가 조작자와 인터페이싱하는 것을 허용하는 입력 및 출력 수단들을 제공한다. 하나 또는 그 초과의 계측 전자 기기(20)는, 예를 들어, 위상차(phase difference), 주파수, 시간 지연, 밀도, 질량 유동, 체적 유량, 합계된 질량 유동, 온도, 미터 검증(meter verification), 및 다른 정보와 같은 유동 재료의 특성을 측정한다. 보다 구체적으로, 하나 또는 그 초과의 계측 전자 기기(20)는, 예를 들어 픽오프들(105, 105') 및 하나 또는 그 초과의 온도 센서들(107), 예컨대 RTD(resistive temperature device)로부터 하나 또는 그 초과의 신호들을 수용하고, 그리고 유동 재료의 특성을 측정하기 위해 이러한 정보를 사용한다. 온도 센서들(107)은 유량계들(214, 216)과 함께 있을 수 있거나, 유량계들(214, 216) 외부에 배치될 수 있다.
예를 들어 코리올리 유량계들 또는 밀도계들과 같은 진동 센서 조립체들이 유동 재료의 특성을 측정하는 기술들은 잘 이해되며; 따라서, 상세한 논의는 이러한 설명의 간결성을 위해 생략된다. 간단한 개요로서, 그러나, 오실레이팅 유동 튜브를 통해 유동하는 미지의 유체의 밀도는, 튜브가 공명하는 주기의 제곱에 비례한다. Ruesch의 미국 특허 제 4,491,009호에서, 2 개의 직렬 연결된 적분기들의 사용을 통해 밀도를 계산하는 회로가 설명된다. 기준 전압은 제 1 적분기에 적용된다. 각각의 유동 튜브의 스프링 상수가 온도에 따라 변하고 이에 의해 공명 주파수를 변경시킴으로 인해, 기준 전압은 튜브의 온도 변경들에 대해 적합하게 보상된다. 양자 모두의 적분기들은 공진 주기의 제곱에 동등한 시간의 주기에 대해 작동한다. 이러한 방식으로, 아날로그 회로에 의해 발생되는 출력 신호는 온도 의존 함수와 공명 주기의 값의 제곱의 곱(product)을 제공한다. 기준 전압의 적합한 스케일링(scaling)에 의해, 출력 아날로그 신호는 유동 튜브를 통해 유동하는 미지의 유체의 (비중 단위로의) 밀도 측정치들에 대한 직접적인 판독(readout)을 제공한다. 이는 진동계에 의해 만들어진 종래 기술의 밀도 측정치의 단지 일 예이며, 그리고 본 발명의 범주를 제한하는 역할을 결코 하지 않는 것을 유의해야 한다.
도 2는 일 실시예에 따른 연료 시스템(200)을 예시한다. 시스템(200)은 통상적인 해양 연료 시스템으로서 도시된다. 연료는 메인 탱크들(202, 204)에 저장된다. 실시예의 일 예에서, HFO(heavy fuel oil)는 제 1 메인 탱크(202)에 저장되며, 그리고 MDO(marine diesel oil)는 제 2 메인 탱크(204)에 저장된다. 메인 탱크들(202, 204)은 연료 라인들(203 및 205)을 통해 데이 탱크(206) 내로 각각 이송된다. 이는 단지 일 예이며, 그리고 2 개 초과의 메인 탱크들이 존재할 수 있거나 오직 하나의 메인 탱크가 존재할 수 있는 것이 분명해야 한다. 또한, HFO 및 MDO는 사용될 수 있는 단지 연료의 예들이며, 그리고 임의의 연료는 실시예들의 범주 내에 있도록 고려된다. 데이 탱크(206)는 안전성 및 오염 방지 목적들을 위한 연료의 제한된 양을 저장하도록 통상적으로 크기형성된다. 데이 탱크(206)는 너무 많은 연료가 선박의 엔진 룸과 같은 영역 내에 저장되는 것을 방지하여서, 화재 또는 폭발 위험을 최소화시킨다. 만약 화재가 존재하면, 제한된 연료 이용가능성은 화재 관련 사고들의 심각성을 낮추는 것에 기여한다. 또한, 데이 탱크(206)는 엔진(208)으로 수여되어 있는 연료를 수용하지만, 이에 의해 사용되지 않으며, 따라서 복귀 연료는 복귀 연료 라인(207)을 통해 데이 탱크(206)로 다시 나아간다. 일부 시스템들(200)에서, 물 에멀션 시스템(224)은 방출들을 감소시키는 목적들을 위해 연료 내로 물을 도입하기 위해 존재할 수 있다.
작동 중에, 연료는 통상적으로 데이 탱크(206)로부터 엔진(208) 또는 다른 연료 소모 디바이스로 재순환되며, 그리고 소모되지 않은 모든 연료가 폐쇄 루프 회로(218)에서 데이 탱크(206)로 역류한다. 데이 탱크(206)가 연료가 부족해지면, 메인 탱크(202, 204)로부터의 연료는 데이 탱크(206)를 보충한다. 펌프(210)는 데이 탱크(206)로부터 엔진(208)으로 그리고 그 반대로 연료를 펌핑하는데 필요한 동작(action)을 제공한다. 인라인 예열기(212)는 엔진(208)에 의해 이용되는 연료에 대해 이상적인 온도로 연료를 가열한다. 예를 들어, HFO의 작동 온도는 일반적으로 120 내지 150°C인 반면, MDO는 이상적으로 대? 30 내지 50°C이다. 특정 연료에 대한 적합한 온도는 연료의 점도가 제어되고 이상적인 범위 내에서 유지되는 것을 허용한다. 연료의 운동학 점도는 특정 온도에서 유동성(fluidity)의 치수이다. 연료의 점도가 온도를 증가함에 따라 감소되기 때문에, 연료가 엔진의 연료 인젝터들(injectors)(미도시)에서 떠나는 순간의 점도는 최적 연료 분사 패턴을 생성하기 위해 엔진 제조사에 의해 지시되는 범위 내에 있어야 한다. 사양들로부터 벗어나는 점도들은 열악한 연소, 파워 손실, 및 잠재적인 증착 형성으로 이어진다. 예열기(212)는, 사용되는 특정 연료에 대해 정확하게 설정할 때, 획득될 최적 점도를 허용한다.
예를 들어, 질량 유동 또는 밀도와 같은 유동 매개변수들을 측정하기 위해, 인라인 유량계들이 일 실시예에서 이용된다. 공급 유량계(214)는 엔진(208)의 상류에 위치되는 반면, 복귀 유량계(216)는 엔진(208)의 하류에 위치된다. 예를 들어, 엔진(208)이 일반적인 연료 레일 시스템(미도시)에서 엔진으로 제공되는 모든 연료를 사용하지 않기 때문에, 과도한 연료가 데이 탱크(206)를 그리고 폐쇄 루프 회로(218)를 통해 재순환된다. 따라서, 단일 유량계는, 특히 엔진 연료 소모와 관련된 바와 같은 정밀한 유량 치수들을 제공하지 않을 것이며, 따라서 공급 유량계(214) 및 복귀 유량계(216)(엔진(208)의 상류에 그리고 하류에 각각 있음) 양자 모두를 필요로 한다. 유량계들(214, 216)에 의해 측정되는 유량들의 차이(difference)는 엔진(208)에 의해 소모되는 연료의 유량과 실질적으로 동일하다. 따라서, 유량계들(214, 216) 사이에서 측정된 유량들의 차이는 도 2에서 도시되는 구성과 유사한 대부분의 적용들에 대한 관심의 우세한 가치이다. 그러나, 일반적인 레일 연료 시스템이 단지 일 예로서의 역할을 하고 청구된 발명의 범주를 제한하지 않는 것이 유의되어야 한다. 연료가 복귀되며 그리고/또는 재순환되는 다른 연료 시스템들이 고려된다. 시스템(200)이 하나의 연료 유출구(222) 및 2 개의 유량계들(214, 216)을 오직 도시하지만, 일부 실시예들에서, 다중 연료 유출구들 및 2 개 초과의 유량계들이 존재할 것임이 또한 이해 되어야 한다.
큰 엔진들을 작동할 때, 시스템의 유입구 및 유출구 조건을 아는 것은 연료 시스템(200)의 효율 및 성능에 대해 중요하다. 이를테면, 도 2에서 예시되는 대부분의 이러한 시스템들(200)은, 연료가 엔진(208)에 진입하기 전에 특정 점도, 온도 및 컨시스턴시(consistency)로 연료를 준비시키는데 사용되는 연료 컨디셔닝(conditioning) 시스템(예열기(212)를 포함함)을 가진다. 정확한 연료 조건을 가지는 것은 엔진의 성능에 크게 영향을 줄 수 있다. 예열기(212) 하류에 있는 점도계(viscometer)(213)는 연료 점도를 측정하고, 일부 실시예들에서, 예열기 온도를 조절하기 위해 예열기(212)와 통신할 수 있어, 연료는 미리정해진 점도 범위 내에서 유지된다. 현재, 연료 모니터링 시스템들은 거의 엔진의 유입구 측에 단독으로 존재하며, 그리고 연료들이 엔진을 통과한 후에 연료의 조건을 모니터링하기 위해 거의 수행되지 않는다. 엔진 후의 연료의 조건에서의 변화가 연료 품질 또는 엔진 성능의 표시(indication)인 것이 결정된다.
일 실시예에 따라, 엔진 조건들은, 엔진(208)의 전에 그리고 후에서의 연료의 밀도를 검사함으로써 모니터링되는데, 왜냐하면 임의의 변경들이 시스템에서의 잠재적인 이슈(issue), 예컨대 연료 품질 및 엔진 성능에 관한 것들을 표시할 수 있기 때문이다. 공급 유량계(214)는 엔진(208) 전에 연료 밀도를 측정하며, 그리고 복귀 유량계(216)는 엔진(208) 후에 연료의 밀도를 측정한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 계측 전자 기기(20)를 도시한다. 계측 전자 기기(20)는 인터페이스(301) 및 프로세싱 시스템(303)을 포함할 수 있다. 프로세싱 시스템(303)은 저장 시스템(304)을 포함할 수 있다. 저장 시스템(304)은 내부 메모리를 포함할 수 있으며, 그리고/또는 외부 메모리를 포함할 수 있다. 계측 전자 기기(20)는 드라이브 신호(311)를 발생시킬 수 있고, 드라이브 신호(311)를 드라이버(104)에 공급할 수 있다. 또한, 계측 전자 기기(20)는 유량계들(214, 216)로부터 센서 신호들(310), 예컨대 픽오프/속도 센서 신호들, 스트레인 신호들, 광학 신호들, 온도 신호들, 또는 당 분야에서 공지되어 있는 임의의 다른 신호들을 수용할 수 있다. 계측 전자 기기(20)는 밀도계로서 작동할 수 있거나, 코리올리 유량계로서 작동하는 것을 포함하는 질량 유동계로서 작동할 수 있다. 계측 전자 기기(20)가 일부 다른 유형의 진동 센서 조립체로서 또한 작동할 수 있으며, 그리고 제공된 특정한 예들이 본 발명의 범주를 제한하지 않아야 하는 것이 이해되어야 한다. 계측 전자 기기(20)는, 유동 도관들(103, 103')을 통해 유동하는 재료의 유동 특성들을 획득하기 위해, 센서 신호들(310)을 프로세싱할 수 있다. 일부 실시예들에서, 계측 전자 기기(20)는 예를 들어 하나 또는 그 초과의 RTD 센서들 또는 다른 온도 센서들(107)로부터 온도 신호(312)를 수용할 수 있다.
인터페이스(301)는 리드들(leads)(110, 111, 111’) 각각을 통해 (드라이버(104) 또는 픽오프들(105, 105')로부터 센서 신호들(310)을 수용할 수 있다. 인터페이스(301)는 임의 방식의 포맷팅(formatting), 증폭(amplication), 버퍼링(buffering) 등과 같은, 임의의 필요하거나 바람직한 신호 컨디셔닝(conditioning)을 수행할 수 있다. 대안적으로, 일부 또는 모든 신호 컨디셔닝은 프로세싱 시스템(303)에서 수행될 수 있다. 또한, 인터페이스(301)는 계측 전자 기기(20)와 외부 디바이스들 사이의 통신들을 가능하게 할 수 있다. 인터페이스(301)는 임의의 방식의 전자식, 광학식, 또는 무선 통신을 가능하게 할 수 있다.
일 실시예에서의 인터페이스(301)는 디지타이저(digitizer)(302)를 포함할 수 있으며; 여기서 센서 신호는 아날로그(analog) 센서 신호를 포함한다. 디지타이저(302)는 아날로그 센서 신호를 샘플링(sample)하고 디지털화할 수 있고, 디지털 센서 신호를 생성할 수 있다. 디지타이저(302)는 또한 임의의 요구되는 데시메이션(decimation)을 수행할 수 있으며, 여기서 디지털 센서 신호는 요구되는 신호 프로세싱의 양을 감소시키기 위해 그리고 프로세싱 시간을 감소시키기 위해 데시메이팅(decimate)된다.
프로세싱 시스템(303)은 계측 전자 기기(20)의 작동들을 수행할 수 있고, 센서 조립체(10)로부터의 유동 측정들을 프로세싱한다. 프로세싱 시스템(303)은 하나 또는 그 초과의 프로세싱 루틴들(routines), 예컨대 디퍼렌셜 밀도 루틴(313), 디퍼렌셜 제로 루틴(314), 일반적인 작동 루틴(315), 및 연료 유형 신호 루틴(316)을 실행할 수 있고, 이에 의해 연료 시스템(200)의 연료 소모를 계산하는데 그리고 디퍼렌셜 밀도 측정 값(319) 및 임의의 다른 관련 계산들을 계산하는데 궁극적으로 사용되는 하나 또는 그 초과의 유동 측정치들을 생성하기 위해 유동 측정들을 프로세싱한다.
일 실시예에 따라, 계측 전자 기기(20)는 디퍼렌셜 밀도 루틴(313)의 일부로서 공급 유량계(214) 및 복귀 유량계(216)를 통해 유동을 측정하도록 구성될 수 있다. 일 실시예에 따라, 계측 전자 기기(20)는 온도 신호(312)를 또한 측정할 수 있고, 주어진 온도에서 캡처링되는 유량들과 온도를 관련시킬 수 있다.
디퍼렌셜 밀도 루틴(313)의 일 예로서, 시스템(200)은, 계측 전자 기기(20)를 각각 가지는(또는 공유하는), 공급 유량계(214) 및 복귀 유량계(216)를 포함할 수 있다. 계측 전자 기기는, 공유되지 않는다면, 상호연결부(interconnect)(220)를 통해 서로 통신할 수 있다. 공급 유량계(214) 및 복귀 유량계(216)는 각각 밀도(317)를 발생시킬 수 있다. 디퍼렌셜 밀도 측정 값(Δρ, 319)은, 디퍼렌셜 밀도 루틴(313)의 일부로서, 공급 유량계(214) 및 복귀 유량계(216)로부터 밀도들(317)을 사용하여 계산된다. 질량 유동(318) 또는 밀도(317)는, 예를 들어 작동 루틴(315)의 일부로서, 계산될 수 있다. 작동 루틴(315)의 일 실시예에서, 복귀 유량은 공급 유량으로부터 빼지며(subtracted), 이에 의해 연료 소모 측정치를 제안한다. 계측 전자 기기(20)는 디퍼렌셜 출력을 생성하기 위해 2 개의 절대 유동 신호들을 빼고, 계측기들(meters) 사이의 임의의 신호 프로세싱 지연들을 또한 설명한다.
일 실시예에서, 온도 신호(312)는 판독되며, 그리고 복귀 유량계(216)와 공급 유량계(214) 사이의 제로-유량 소모 디퍼렌셜(zero-flow rate consumption differential)은 또한 절약되고 디퍼렌셜 제로 루틴(314)의 일부로써 계산된다. 디퍼렌셜 제로는, 2 개의 계측기들 사이에서 수행되는 디퍼렌셜 유동 계산을 개선시키는데, 왜냐하면 이 디퍼렌셜 제로는 계측기들 사이의 온도 영향들을 완화시키기 때문이다. 이는 작동 전에 제로잉 절차들(zeroing procedures)을 수행하는 요구를 제거한다. 일 실시예에서, 엔진이 꺼진다면, 양자 모두의 유량계들(214, 216)을 통해 예를 들어 1000 kg/hr의 유동이 여전히 존재한다. 계측기들은 마찬가지로 정확히 1000 kg/hr을 각각 판독하지 않을 것이다. 그 대신에, 하나의 계측기는 999 kg/hr 및 다른 1001 kg/hr를 판독할 수 있어서, 엔진이 꺼질 때, 사용자는 2 kg/hr 소모 (또는 생성) 치수를 알 수 있을 것이다. 2 kg/hr의 이러한 오류는 작동의 긴 주기들에 걸쳐, 큰 차이들(discrepancies)과 동일시할(equate) 것이다. 따라서, 특정 온도에서, 2 kg/hr의 디퍼렌셜 제로는 일반적인 작동 루틴(315)에서 임의의 유량계 측정들에 대한 보정(correction)으로서 이용된다.
프로세싱 시스템(303)은 일반적인 목적 컴퓨터, 마이크로-프로세싱 시스템, 논리 회로, 또는 일부 다른 일반적인 목적 또는 커스터마이징된 프로세싱 디바이스를 포함할 수 있다. 프로세싱 시스템(303)은 다중의 프로세싱 디바이스들 중에서 분포될 수 있다. 프로세싱 시스템(303)은 임의 방식의 통합형 또는 독립형 전자 기억 매체(electronic storage medium), 예컨대 스토리지 시스템(storage system)(304)을 포함할 수 있다.
프로세싱 시스템(303)은 무엇보다도 드라이브 신호(311)를 발생하기 위해 센서 신호(310)를 프로세싱한다. 드라이브 신호(311)는 연관된 유동 튜브(들), 예컨대 도 1의 유동 튜브들(103, 103')을 진동시키기 위해 드라이버(104)에 공급된다.
계측 전자 기기(20)는 본 분야에서 일반적으로 공지된 다양한 다른 구성요소들 및 기능들을 포함할 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 이러한 부가적인 특징들은 간결성의 목적을 위해 설명 및 도면들로부터 생략된다. 따라서, 본 발명은 도시되고 논의된 특정 실시예들에 제한되지 않아야 한다.
도 4는 디퍼렌셜 밀도 측정치들을 설명하는 그래프이다. 연료 시스템의 물 오염을 검출하는 것은, 예를 들어, 제한함 없이, 본원에서 나타난 실시예들을 사용한다. 연료 품질의 일반적인 치수 외에도, 연료 공급부에서의 물의 예상치 않은 존재는 문제가 존재할 수 있는 품질 지표(qualitative indicator)이다. 일 실시예에서, 디퍼렌셜 밀도 측정치(유입구 밀도 대 유출구 밀도)를 검사함으로써, 엔진(208)에 진입하는 연료의 잠재적인 물 함량을 결정하는 것은 가능하다. 연료의 밀도는 공급 유량계(214)에 의해 측정될 수 있으며, 그리고 제 1 연료 밀도는 계산된다. 일단 엔진(208)에 의해 소모되지 않은 연료가 복귀 유량계(216)를 통과한다면, 제 2 밀도는 복귀 유량계(216)에 의해 계산된다. 엔진 유입구(및 공급 유량계(214)에서 연료의 온도는, 비제한적인 예로서, 복귀 유량계(216)에 의해 측정되는 온도보다 20℃만큼 더 낮을 수 있다. 연료의 밀도가 온도 증가에 대한 함수로서 감소되기 때문에, 하부 밀도 측정은 복귀 유량계(216) 내에서 예상될 것이다. 그러나, 복귀 유량계(216)의 밀도 측정치가 공급 유량계(214)의 밀도 측정치와 동일하거나 이보다 더 크다면, 이는 연료의 물 오염을 간접적으로 암시한다. 도 4의 그래프는, 시간(404)이 지남에 따라 공급 유량계(214) 및 복귀 유량계(216) 각각에 의해 측정된 바와 같이, 측정된 유입구 밀도(400) 및 유출구 밀도(402)를 도시한다. 구역(A)은 꺼진 엔진(208)과 함께 연료 시스템(200)의 폐쇄 루프 회로(218) 내에서 유동하는 연료를 표시한다. 명백한 바와 같이, 일단 엔진(208)이 작동한다면(구역(B)), 유출구의 온도는 상승할 것이다. 이것이 그래프에서 시작되는 지점은 "소모 이벤트는 유출구 온도를 증가시킴"이라고 라벨링된 파선형 수직선에 의해 예시된다. 이러한 그래프에 의해 제공되는 예에서, 유입구(400)에서 측정되는 밀도는, 심지어 엔진(208)이 작동하는 경우에도, 안정 상태로 유지된다. 그러나, 유출구 밀도(402)는, 엔진(208)이 시동이 걸린 후 시간이 지남에 따라 증가된다. 이는 연료에서의 물의 잠재적인 존재를 표시한다.
일 실시예에서, 디퍼렌셜 밀도 측정 값(Δρ)은 방정식(1)에 따라 계산된다:
Δρ = ρR ―ρS (1)
여기서:
ρR = 복귀 유량계에 의해 계산된 밀도; 및
ρS = 공급 유량계에 의해 계산된 밀도.
이는 Δρ가 어떻게 계산되는지에 대한 단지 일 예이며, 그리고 다른 방법들, 방정식들, 및 알고리즘들이 고려된다.
하나의 시나리오에서, 연료 판매 회사가 수용불가능하게 높은 것으로 간주되는 물의 양을 연료 안에 포함하는 연료를 공급한다면, 밀도 측정은 이슈를 제거하는데 유용하다. 그러나, 연료의 밀도가 특정 연료에 대해 예상되는 것보다 더 높을 경우, 이는 간단한 단일-계측기 밀도 계산이다. 이는, 디퍼렌셜 연료 측정 시스템(200)이 특히 유리한 곳에서 연료가 벙커링된 후, 물이 연료 시스템에 진입하는 경우의 시나리오들이다.
일 실시예에서, 수 개의 수냉식(water-cooled) 인젝터들(미도시)은 엔진의 연소실(combustion chamber) 내로 연료를 미립화하고(atomize) 인젝팅하는데(inject) 이용될 수 있다. 연소실에서 발견되는 높은 온도들로 인해, 그 안에서 돌출하는 인젝터 팁들을 냉각시키는 것이 종종 필요하다. 이것이 달성되는 하나의 일반적인 계획(scheme)은 인젝터 내에 통로들을 통한 물을 순환시키는 것을 통해 발생한다.
연료 인젝터는 연료 공급부 및 복귀 채널들을 그 안에 가지는 금속(통상적으로 강) 본체로 주로 구성된다. 연료는 인젝터 팁에 가까운 엔드 챔버(end chamber)로 공급되며, 여기서 제한 없는 예를 위한 밸브, 예컨대 니들 밸브는 연료가 연소실 내로 계측되는 것을 허용한다. 연료 압력이 밸브를 폐쇄 상태로 유지시키도록 구성되는 편향 부재의 힘을 초과할 때, 밸브는 개방된다. 노즐로 지나기 위해 물의 공급 및 복귀(return)을 위한 인젝터 본체 내에서 통로들이 또한 존재할 수 있다. 이는 예로서 통상적 일반 레일 연료 인젝터 시스템을 설명하고, 이러한 연료 시스템들에 본 발명을 제한하는 역할을 하지 않는다. 또한, 물이 설명되었지만, 다른 냉각제들(coolants)이 또한 고려된다. 인젝터가 파괴된다면, 물은 연료 공급부에 진입할 수 있다. 예를 들어, 인젝터로 이송되는 연료는 15 psi의 압력으로 인젝터로 제공될 수 있다. 인젝터를 통해 순환하는 물은 예를 들어 30 psi일 수 있다. 인젝터 고장들의 예들에서, 밀봉부가 열화한다면, 또는 연료 및 물 도관들의 물리적인 파손(breach)이 존재한다면, 물이 인젝터 내의 연료보다 더 높은 압력으로 순환하기 때문에, 물은 연료 도관들에 진입할 것이고, 연료 시스템(200)의 폐쇄 루프 회로(218)를 오염시킬 것이다. 복귀 유량계(216)에 의해 측정된 바와 같이 그리고 공급 유량계(214)를 기준으로 사용하여, 이는 밀도 증가로서 검출가능하다.
유사한 일 예에서, 엔진(208)의 실린더 헤드(cylinder head)(미도시)는 물 통로들을 포함할 수 있어서, 물은 냉각 목적들을 위해 실린더 헤드를 통해 순환할 수 있다. 일부 엔진 디자인들에서, 연료 통로들은 실린더 헤드 내에 또한 존재할 수 있다. 실린더 헤드 주조 파괴 또는 캐스팅 내에 다공성(porosity)의 경우들에서, 물이 연료 공급부를 오염시키는 것은 가능하다. 상기 예에서와 같이, 실린더 헤드 파괴의 경우에, 물은 연료 도관들에 진입할 수 있고, 연료 시스템(200)의 폐쇄 루프 회로(218)를 오염시킬 수 있다. 또한, 이는, 복귀 유량계(216)와 공급 유량계(214) 사이의 디퍼렌셜 밀도 측정에 의해 측정되는 바와 같이, 밀도 증가로서 검출가능하다.
NO(Nitric oxide) 및 NO2(nitrogen dioxide)는 (특히 고온들에서) 연소 반응 중에 질소와 산소 기체들의 반응으로부터 생성되는 일산화 질소 산화물들(총괄하여, "NOx")이다. 해양 선박들의 큰 연료 시스템들(200)은 질소 산화물들의 큰 양들을 생성하는 역할을 하며, 이 질소 산화물들은 대기로 방출되고 중요한 공기 오염물들이다. 대기 공기가 대략적으로 78%의 질소 및 21% 산소인 경우, NOx 기체들은 대기로 흡입되는(atmospherically aspirated) 엔진에서 연소가 발생할 때마다 형성된다. 불운하게도, NOx 기체들은 오존, 스모그, 및 잠재적으로 산성인 비의 형성에 기여한다. 따라서, 엔진들 및 연료 시스템들은 NOx 형성을 감소시키기 위한 방법들을 종종 포함한다. 선박의 디젤 엔진의 연소실에 대한 물의 추가는 NOx 제조를 감소시키는데 이용될 수 있는 전략이다. 이는 피크 연소 온도들을 감소시키며, 따라서 NOx 형성을 부정적으로 영향을 준다(즉, 감소시킨다). 연소실 내로 물을 도입하는 하나의 방식은 유화된(emulsified) 연료들의 사용을 통한다.
유화된 연료는 물 및 액체 연료로부터 통상적으로 만들어진다. 연료 시스템들의 경우에서의 에멀션는 다상(multi-phase) 액체이며, 여기서 물 및 연료 상들은 혼합되지 않는다(immiscible). 에멀션들(또는 계면활성제들)은 안정적인 혼합을 용이하게 하기 위해 에멀션 내에서 종종 이용된다. 연료에서의 물의 통상적인 범위는 질량이 5% 내지 30%이다. 범위는 연료 유형, 물 순도, 엔진 구성, 및 이러한 개시의 범주를 넘는 다른 요인들을 기초로 하여 변경된다. 종종, 연료는, 연소실에 진입하기 전에(일 예에 대해 도 2의 에멀션 시스템(224)을 참조), 선박 내에서 물과 혼합된다. 연소실 내의 물의 증발은, 전체적으로 실린더 벽 및 연소실의 냉각을 유발시킨다. 물론, 낮아진 연소 온도는 낮아진 NOx 생성을 초래한다. 물의 백분율이 너무 높다면, 엔진 효율은 나빠지나(suffer), 에멀젼에서의 물의 백분율이 너무 낮다면, NOx 화합물들의 감소는 비효율적이다. 특정 엔진 시스템에 대한, 물의 총량은 물/연료 에멀션을 형성하도록 추가된 물의 양이 공지되어 있기 때문에, 복귀 사이드 유량계(216)를 통과하는 연료는 에멀션에서의 물의 수용가능한 체적과 상응하는 수용가능한 밀도 범위를 가질 것이다. 디퍼렌셜 밀도 값이 엔진을 횡단하는 연료 밀도에서의 변화가 존재하지 않는 것을 표시한다면, 이는, 충분하지 않은 물이 연료로 추가되기 때문에, 불완전한 에멀션 시스템을 나타낼 수 있다. 유사한 방식(vein)으로, 디퍼렌셜 밀도 값이 연료에 추가되어야 하는 물의 체적을 기초하여 예상될 것보다 더 크다면, 이는 너무 많은 물이 에멀션으로 추가되는 것을 표시할 수 있다.
도 5는 잠재적인 연료 오염을 표시하기 위한 방법의 일 실시예를 예시한다. 공급 유량계(214)는 엔진(208)의 상류에 위치되며, 그리고 복귀 유량계(216)는 엔진(208)의 하류에 위치된다. 단계(500)에서, 공급 유량계(214) 및 복귀 유량계(216) 사이에 배치되는 엔진(208)이 작동된다. 유량계들(214, 216)에 의해 측정되는 유량들의 임의의 차이는 엔진(208)에 의해 소모되는 연료의 유량과 실질적으로 동일하다. 제 1 연료 밀도는 공급 유량계(214)에서 측정되며, 그리고 제 2 연료 밀도는 단계(502)에서 복귀 유량계(216)에서 측정된다. 이러한 측정된 연료 밀도 값들은, 그 후, 단계(504)에서 비교된다. 상기 유의된 바와 같이, 연료의 밀도가 온도에 대한 함수로서 감소되어, 따라서 하부 밀도 측정은 복귀 유량계(216) 내에서 예상될 것이다. 복귀 유량계의 밀도 측정치가 공급 유량계의 밀도 측정치와 상당한 규모로 상이하다면, 이는 연료의 오염을 간접적으로 암시한다. 단계(506)에서, 연료 밀도 값들 사이의 차이(Δρ)가 결정되며, 그리고 그 후 단계(508)에서 연료 밀도 값(Δρt) 또는 Δρt 값들의 범위 사이의 이론적인 차이와 비교된다. Δρ는 예를 들어 제한 없이 방정식(1)을 사용하여 결정될 수 있다. 그러나, 다른 방정식들, 알고리즘들, 및 방법들이 또한 고려된다. Δρ가 미리정해진 임계치만큼 Δρt 범위 밖에 놓인다면, 잠재적인 연료 오염은 단계(510)에서 표시된다. 이러한 임계치는 엔진 유형, 연료 유형, 온도, 유량계들(214, 216) 사이의 온도 디퍼렌셜들, 연료 에멀션 시스템(224)의 존재 또는 부재 등에 의존된다.
상기 유의된 바와 같이, 엔진 유입구(및 공급 유량계(214))에서의 연료의 온도는, 엔진(208)이 작동할 때 복귀 유량계(216)에 의해 측정된 온도보다 더 낮도록 예상된다. 따라서, 복귀 유량계(216)의 밀도 측정치는, 공급 유량계(214)의 밀도 측정치보다 이론적으로 더 낮아야 한다. 그렇지 않다면, 이는 연료가 물에 의해 오염될 수 있는 것을 표시할 수 있다. 도 6은 연료 시스템(200) 내의 잠재적인 물 오염을 표시하기 위한 일 실시예에 관한 것이다. 도 6에서 예시되는 5 개의 제 1 단계들이 도 5에서 예시되는 5 개의 제 1 단계들과 공통적인(common with) 것이 유의된다. 단계(600)에서, 공급 유량계(214) 및 복귀 유량계(216) 사이에 배치되는 엔진(208)이 작동된다. 제 1 연료 밀도는 공급 유량계(214)에서 측정되며, 그리고 제 2 연료 밀도는 단계(602)에서 복귀 유량계(216)에서 측정된다. 이러한 측정된 연료 밀도 값들은, 그 후, 단계(604)에서 비교된다. 복귀 유량계의 밀도 측정치가 공급 유량계의 밀도 측정치와 상당한 규모로 상이하다면, 이는 연료의 물 오염을 보여준다. 단계(606a)에서, Δρ가 결정되며, 그리고 그 후 단계(608)에서, Δρt 또는 Δρt 범위와 비교된다. 단계(610)에서, Δρ가 미리정해진 임계치만큼 Δρt 또는 Δρt 범위를 초과한다면, 연료의 잠재적인 물 오염이 표시된다. 비제한적인 예시적 적용으로서, 수냉식 연료 인젝터들(미도시)이 엔진의 연료실 내로 연료를 미립화하고 인젝팅하는데 사용된다면, 인젝터의 물 재킷(water jacket)의 브리치(breach)는 공급 유량계(214) 다음에, 그러나 복귀 유량계(216) 이전에 있는 연료 시스템 내로 물을 도입시킬 수 있다. 이는, 물론, 연료 시스템(200)의 폐쇄 루프 회로(218)를 물로 오염시킬 것이며, 이 물은 기준으로서 복귀 유량계(216)에 의해 그리고 공급 유량계(214)를 사용하여 측정되는 바와 같은 밀도 증가로써 검출가능하다.
도 7은 잠재적인 연료 오염을 표시하기 위한 관련된 일 실시예이며, 여기서 유량계들(214, 216)의 온도가 활용된다. 단계(700)에서, 공급 유량계(214)과 복귀 유량계(216) 사이에 배치되는 엔진(208)이 작동된다. 제 1 연료 밀도는 공급 유량계(214)에서 측정되며, 그리고 제 2 연료 밀도는 단계(702)에서 복귀 유량계(216)에서 측정된다. 단계(704)에서, 온도 센서 신호 값들은 공급 유량계(214) 및 복귀 유량계(216) 양자 모두로부터 수용된다. 이러한 값들은 계측 전자 기기(20) 내에 저장될 수 있다. 온도는 온도 센서(107)로부터 수용되는 것과 같은 센서 신호들을 프로세싱함으로써 결정될 수 있다. 온도는, 예를 들어, RTD를 사용하여 결정될 수 있다. 온도는, 예를 들어, 유량계 온도, 유량 튜브 온도, 유량계 케이스 온도, 계측 전자 기기 온도, 또는 공급 또는 복귀 유량계들(214, 216)의 외부 온도에 상응할 수 있다. 일 실시예에서, 각각의 유량계(214, 216)는 별도의 온도 센서들을 포함한다. 일 실시예에서, 온도 센서는 유량계들(214, 216)의 외부에 배치된다. 일 실시예에서, 별도의 온도들은 각각의 유량계들(214, 216)에 대해 결정되며, 그리고 측정된 각각의 온도는 계측 전자 기기(20) 내로 입력된다. 다른 실시예에서, 제 1 연료 밀도 측정치 및 제 2 연료 밀도 측정치를 위해 결정된 온도들은 공급 유량계(214) 및 복귀 유량계(216)의 온도를 각각 보상하기 위해 단계(706)에서 조절된다. 다른 실시예에서, 공급 유량계(214) 및 복귀 유량계(216)의 외부 온도가 결정되며, 그리고 제 1 연료 밀도 측정치 및 제 2 연료 밀도 측정치는 이러한 측정된 온도를 보상하기 위해 단계(706)에서 조절된다. 이러한 온도-보상하여(temperature-compensated) 측정된 연료 밀도 값들은, 그 후, 단계(708)에서 비교된다. Δρ는, 그 후, 온도-보상된 연료 밀도 값들을 사용하여, 단계(710)에서 결정된다. 단계(712)에서, Δρ는 Δρt 범위와 비교된다. 단계(714)에서 도시되는 바와 같이, Δρ가 미리정해진 임계치만큼 Δρt 범위 밖에 놓인다면, 잠재적인 연료 오염은 표시된다.
잠재적인 연료 오염을 표시하는 방법들의 실시예들에서, Δρ가 Δρt와 상이하거나 미리정해진 임계치만큼 Δρt 범위 밖에 놓인다면, 알람은 시작된다. 또한, 방법들은, 공급 유량계에서의 연료 유동과 복귀 유량계에서의 연료 유동을 비교함으로써 엔진 연료 소모를 계산하기 위해, 엔진이 작동하는 동안, 공급 유량계에서의 연료 유동 및 복귀 유량계에서의 연료 유동을 측정하는 단계들을 또한 포함할 수 있다. 연료 소모 측정치가, 그 후, 표시된다.
전술된 바와 같은 본 발명은 진동 유량계들, 예컨대 코리올리 유량계를 사용하여 연료 품질의 결정과 관련된 다양한 시스템들 및 방법들을 제공한다. 비록 전술된 다양한 실시예들이 유량계들, 구체적으로는 코리올리 유량계들을 향하여 지향되지만, 본 발명이 코리올리 유량계들에 제한되지 않아야하며, 오히려 본원에서 설명된 방법들도 다른 유형들의 유량계들, 또는 코리올리 유량계들의 측정 능력들 중 일부 능력이 부족한 다른 진동 센서들과 이용될 수 있는 것은 이해되어야 한다.
상기 실시예들의 상세한 설명들은 본 발명의 범주 내에 있는 발명가들에 의해 고려되는 모든 실시예들의 완전한 설명들이 아니다. 확실히, 당업자들은 전술하는 실시예들의 특정한 요소들이 추가적인 실시예들을 생성하도록 다양하게 조합되거나 제거될 수 있다는 것을 인지할 것이고, 이러한 추가적인 실시예들은 본 발명의 범주 및 교시들 내에 속한다. 전술하는 실시예들이 본 발명의 범주 및 교시들 내에 부가적인 실시예들을 생성하도록 전체적으로 또는 부분적으로 조합될 수 있다는 것이 당업자들에게 또한 명백할 것이다.
그러므로, 본 발명의 구체적인 실시예들 및 예시들이 설명하기 위한 목적으로 여기에서 설명되었지만, 당업자로부터 인식될 것이기 때문에 다양하고 균등한 수정예들이 본 발명의 관점 내에서 가능할 것이다. 본원에서, 제공된 가르침들은 전술되고 첨부 도면에서 도시된 실시예에만 적용되는 것이 아니라, 다른 진동 센서들에도 적용될 수 있다. 따라서, 본 발명의 범주는 다음의 청구항들로부터 결정되어야 한다.

Claims (13)

  1. 연료를 소모하도록 구성되는 엔진(engine)을 포함하고 적어도 2 개의 유량계들(flowmeters)을 가지는 엔진 시스템(engine system)을 작동시키기 위한 방법으로서,
    상기 방법은:
    상기 적어도 2 개의 유량계들 중 공급 유량계(supply flowmeter)와 상기 적어도 2 개의 유량계들 중 복귀 유량계(return flowmeter) 사이에 배치되는 엔진을 작동시키는 단계;
    상기 공급 유량계에서의 제 1 연료 밀도 및 상기 복귀 유량계에서의 제 2 연료 밀도를 측정하는 단계;
    상기 공급 유량계와 상기 복귀 유량계 사이의 연료 밀도 측정치들을 비교하는 단계;
    제 2 연료 밀도와 제 1 연료 밀도 사이의 차이를 기초로 하여 디퍼렌셜(differential) 밀도 측정 값(Δρ)을 결정하는 단계;
    이론적인 디퍼렌셜 연료 밀도 값들(Δρt)의 범위와 Δρ를 비교하는 단계; 및
    상기 Δρ가 미리정해진 임계치(threshold)만큼 Δρt 값들의 범위 밖에 놓인다면 잠재적인 연료 오염을 표시하는 단계를 포함하는,
    연료를 소모하도록 구성되는 엔진을 포함하고 적어도 2 개의 유량계들을 가지는 엔진 시스템을 작동시키기 위한 방법.
  2. ◈청구항 2은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제 1 항에 있어서,
    계측 전자 기기(meter electronics)에 상기 Δρ를 저장하는 단계를 포함하는,
    연료를 소모하도록 구성되는 엔진을 포함하고 적어도 2 개의 유량계들을 가지는 엔진 시스템을 작동시키기 위한 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 Δρ가 상기 Δρt 범위 밖에 미리정해진 임계치만큼 놓인다면 잠재적인 연료 오염을 표시하는 단계는 상기 Δρ가 미리정해진 임계치만큼 상기 Δρt 범위를 초과하는 경우 연료의 물 오염을 표시하는 단계를 포함하는,
    연료를 소모하도록 구성되는 엔진을 포함하고 적어도 2 개의 유량계들을 가지는 엔진 시스템을 작동시키기 위한 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 방법은:
    상기 공급 유량계로부터 온도 센서 신호 값(temperature sensor signal value)을 수용하는 단계;
    상기 복귀 유량계로부터 온도 센서 신호 값을 수용하는 단계; 및
    상기 공급 유량계 및 상기 복귀 유량계의 온도를 각각 보상하기 위해 제 1 연료 밀도 측정치(first fuel density measurement) 및 제 2 연료 밀도 측정치를 조절하는 단계를 포함하는,
    연료를 소모하도록 구성되는 엔진을 포함하고 적어도 2 개의 유량계들을 가지는 엔진 시스템을 작동시키기 위한 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 방법은:
    상기 공급 유량계 및 상기 복귀 유량계 외부에 있는 온도 센서로부터 온도 센서 신호 값을 수용하는 단계; 및
    상기 온도 센서 신호 값을 보상하기 위해 제 1 연료 밀도 측정치 및 제 2 연료 밀도 측정치를 조절하는 단계를 포함하는,
    연료를 소모하도록 구성되는 엔진을 포함하고 적어도 2 개의 유량계들을 가지는 엔진 시스템을 작동시키기 위한 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 방법은:
    상기 Δρ가 미리정해진 임계치만큼 Δρt 범위 밖에 놓인다면 알람을 시작하는 단계를 포함하는,
    연료를 소모하도록 구성되는 엔진을 포함하고 적어도 2 개의 유량계들을 가지는 엔진 시스템을 작동시키기 위한 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 방법은:
    엔진이 작동하는 중에 상기 공급 유량계에서의 연료 유량 및 상기 복귀 유량계에서의 연료 유량을 측정하는 단계;
    상기 공급 유량계에서의 연료 유량과 상기 복귀 유량계에서의 연료 유량을 비교함으로서 엔진 연료 소모를 계산하는 단계; 및
    연료 소모 측정치를 표시하는 단계를 포함하는,
    연료를 소모하도록 구성되는 엔진을 포함하고 적어도 2 개의 유량계들을 가지는 엔진 시스템을 작동시키기 위한 방법.
  8. 유량계들(214, 216)을 위한 계측 전자 기기(20)로서,
    엔진(208)을 가지는 시스템(200)에 연결되는 상기 계측 전자 기기는 프로세싱 시스템(processing system)(303)을 포함하며,
    상기 시스템은:
    공급 유량계(214) 및 복귀 유량계(216) 양자 모두로부터 센서 신호들(310)을 수용하며;
    상기 수용된 센서 신호들(310)을 기초로 하여 상기 공급 유량계(214)와 상기 복귀 유량계(216) 사이에서 디퍼렌셜 밀도 측정 값(Δρ)을 결정하며;
    이론적인 디퍼렌셜 연료 밀도 값들(Δρt)의 범위와 상기 Δρ를 비교하며; 그리고
    계측 전자 기기(20)에서의 Δρt 값들의 범위와 상기 Δρ에 대한 비교(comparison)를 저장하도록 구성되는,
    유량계들을 위한 계측 전자 기기.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 프로세싱 시스템(303)은, 상기 Δρ가 미리정해진 임계치만큼 Δρt 값들의 범위 밖에 놓인다면, 잠재적인 오염을 표시하도록 구성되는,
    유량계들을 위한 계측 전자 기기.
  10. ◈청구항 10은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제 8 항에 있어서,
    상기 프로세싱 시스템(303)은, 상기 Δρ가 미리정해진 임계치만큼 Δρt 값들의 범위를 초과하면, 잠재적인 물 오염을 표시하도록 구성되는,
    유량계들을 위한 계측 전자 기기.
  11. ◈청구항 11은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제 8 항에 있어서,
    상기 유량계들(214, 216)은 물 에멀션 시스템(water emulsion system)(224)과 유체 연통하는,
    유량계들을 위한 계측 전자 기기.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 프로세싱 시스템(303)은:
    상기 공급 유량계(214)의 온도를 결정하며;
    상기 복귀 유량계(216)의 온도를 결정하며; 그리고
    상기 온도에 대해 보정된 유체 소모 측정치를 출력하도록 구성되는,
    유량계들을 위한 계측 전자 기기.
  13. 제 8 항에 있어서,
    상기 프로세싱 시스템(303)은:
    상기 공급 유량계(214) 및 상기 복귀 유량계(216) 외부의 온도를 결정하며; 그리고
    상기 공급 유량계(214) 및 상기 복귀 유량계(216) 외부의 온도에 대해 보정된 유체 소모 측정치를 출력하도록 구성되는,
    유량계들을 위한 계측 전자 기기.
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