KR102545821B1 - 소형 초음파 유량계 및 가스용 소형 초음파 유량계 - Google Patents

소형 초음파 유량계 및 가스용 소형 초음파 유량계 Download PDF

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오일앤가스 미터링 이큅먼트 에스.알.오.
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Abstract

소형 초음파 유량계 특히 가스용 소형 초음파 유량계는 n-면체 형태의 몸체(1)로 형성되며, 여기서 n은 6 내지 24 이며, 적어도 3개 또는 4개의 원통형 개구가 구비된다. 상기 몸체(1)의 축은 가스 파이프의 축에 수직이다. 몸체(1)의 구조적 길이는 기계식 가스 미터의 길이에 따라 표준화되고, 개개의 원통형 개구들 사이의 유동을 안내하는 역할을 하는 2개 또는 3개의 유량 조절 세그먼트(7, 8, 9)를 포함한다. 측면 커버(12, 13)는 측면으로부터 몸체(1)를 폐쇄하는 한편 적어도 2개의 초음파 센서(14)는 원통형 개구에 위치한다.

Description

소형 초음파 유량계 및 가스용 소형 초음파 유량계
본 발명은 소형 초음파 유량계에 관한 것으로, 특히 천연 가스의 분배에 있어서 가스 측정을 위한 소형 초음파 유량계에 관한 것이다.
현재, 천연 가스 분배 측정은 기계식 가스 미터(meter), 회전식 및 터빈 미터, 즉 DN 40 내지 DN 150의 내부 직경, G 16 내지 G 1000의 크기 및 PN 10/16/40 및 ANSI 150/300의 압력 등급을 이용하여 수행된다. 이러한 측정 원리는 수십 년 동안 공지되어 있다. 기계식 가스 미터는 분명한 장점이 있지만 심각한 단점 또한 있다.
터빈 가스 미터의 주요 단점은 다음과 같다.
작은 측정 범위 1:20, 즉 Qmin/Qmax 비
압력 충격 감도 - 압력 쇼크 발생 시 밸브를 신속하게 개방함으로써 가스 미터를 차단할 수 있다.
정확한 작동을 필요로 하며, 가스 미터 윤활 지침을 준수하지 않으면 측정의 정확성 및 서비스 수명-적절한 간격으로 윤활을 필요로 하는-에 악영향을 미칠 것이다.
Qmin 및 Qmax로 주어진 측정 범위 밖에서 사용될 수 없다-가스 미터 손상의 위험
최적의 압력 및 유동(流動)을 필요로 한다.
먼지는 베어링의 막힘(clogging)을 야기하여, 정확도를 크게 저하시킴으로써 터빈 휠을 손상시킬 수 있다.
터빈 가스 미터는 DN 40, 50 및 80 내부 파이프 지름에 사용하기 어렵다.
회전식 가스 미터의 주요 단점은 다음을 포함한다.
압력 충격에 대한 민감도
응력(stress)을 피하기 위해 정확한 설치에 대한 높은 요구; 부정확한 설치는 피스톤 방해를 야기할 것이고, 가스 미터는 회복할 수 없을 정도로 손상된다.
Qmin 및 Qmax로 주어진 측정 범위 밖에서 사용될 수 없다-가스 미터 손상의 위험
최적의 압력 및 유동을 필요로 한다.
먼지는 베어링의 막힘을 야기하고 정확도를 상당히 손상시킨다.
회전식 가스 미터기 DN 100 및 DN 150의 높은 가격
회전식 가스 미터가 차단되는 경우, 가스 유동은 중단된다. 회전식 가스 미터의 비용을 더 증가시키는 통합된 바이패스(bypass)를 사용할 필요가 있다.
배관에 있어서 맥동을 일으킨다.
이러한 이유들로, 기계식 가스 미터를 분배 천연 가스를 측정하기 위한 초음파 가스 미터로 대체하기 위한 노력이 있어 왔다. 본 발명의 목적은 기계식 가스 미터의 장점을 보존하고 단점을 제거하는 것이다. 이제껏, 이러한 요구사항을 충족시키는 초음파 가스 미터는 없었다. 천연 가스 분배용 기존 초음파 가스 미터의 주요 단점은 아래에 나열되어 있다.
회전식 가스 미터의 측정 범위보다 작은 측정 범위; 가장 일반적인 크기 G 65의 전형적인 측정 범위가 1:160인 경우, G 65 초음파 가스 미터의 전형적인 측정 범위는 예를 들어 1:50 (Qmin/Qmax 비)이다.
초음파 가스 미터의 최소 오차는 1 퍼센트이며, 이는 새로운 기계식 가스 미터들보다 더 높다.
분배용 초음파 가스 미터는 기계식 가스 미터들보다 몇 배 더 비싸다.
초음파 가스 미터는 가스 미터의 상류에서 적어도 2xDN의 직선 구간을 여전히 필요로 한다.
기존의 초음파 가스 미터는 교정 곡선을 이동하게 하는 먼지 및 부식에 민감하다.
유량 조절기는 가스 미터의 상류에 배치되어야 하며, 상기 유량 조절기와 가스 미터 사이에 직선 구간, 보통 5xDN이 있어야 한다.
초음파 가스 미터 몸체는 알루미늄으로 만들어지며, 따라서 초음파 가스 미터는 연성 주철/주강(鑄鋼) 몸체가 필요한 응용 분야에 사용되는 터빈 가스 미터를 대체하는데 이용할 수 없다.
유량 조절기를 포함하는 초음파 가스 미터는 회전식 가스 미터보다 더 높은 압력 손실을 초래한다.
파이프 축에 대해 수직으로 유동을 안내하는 초음파 가스 미터는 상당한 크기 및 중량을 가지며, 취급 및 설치를 어렵게 한다.
초음파 유량계를 위한 다수의 설계 해결책이 있으며, 그 중 가장 널리 보급된 것은 가스가 파이프 축을 따라 일정한 속도로 흐르는 동안 초음파 센서를 소정의 각도로 파이프에 배치하는 것이다. 유량 조절기가 사용되면, 유량계의 입구에 설치되거나 유량계의 상류 배관에 설치된다.
이러한 유량계의 측정 원리는 특정 경로를 따라 센서들 사이에서 전송된 초음파 신호의 시간을 측정하는 것이다. 하나의 초음파 신호가 가스 유동 방향으로 전송되고, 따라서 가스 유동 속도 벡터에 의해 가속되며, 이에 따라 시간(t1)은 더 짧다. 제 2 초음파 신호는 가스 유동 방향의 반대 방향으로 전송되고, 가스 유동 속도 벡터에 의해 감속되며, 따라서 시간(t2)이 더 길다. 그러면, 체적 유량은 시간 차(ΔT = t2 - t1)로부터 계산된다.
시간(t1, t2)을 보다 정확하게 측정하기 위해, 센서들 사이의 거리는 가능한 한 긴 것이 바람직하다. 이것은 각도(α)를 감소시킴으로써 하지만 유량계의 전체 길이를 증가시킴으로써 달성될 수 있다. 이러한 유량계는 기계식 유량계의 구조적 길이보다 큰 구조적 길이(L), 즉 플랜지(flange)들 사이의 거리를 가진다. 또한, 유량계의 상류 및 하류에 있는 소정의 직선 구간이 요구된다.
기계식 가스 유량계, 다시 말해서 즉 천연 가스 소비를 계량 및 청구하기 위해 사용되는 가스 미터들은 터빈 가스 미터의 경우 표준 구조적 길이(L)-가스 미터의 공칭 내경(DN)의 3배, 즉 L=3DN인 플랜지들 사이의 거리를 가진다. 회전식 가스 미터의 경우, 이들 길이는 가스 미터 내부 직경에 따라 150, 171, 241, 260mm 등으로 정의된다. 가스 미터의 길이(L)가 표준보다 크면, 기계식 가스 미터가 초음파 가스 미터로 대체될 때 설치 비용을 상당히 증가시킨다. 표준화된 구조적 길이(L)를 유지하기 위해, 초음파 유량계는 가스가 수정된 몸체를 통해 유동하도록, 즉 파이프라인 축을 따라 유동하지 않도록 설계되어야 하며, 초음파 센서의 위치는 또한 파이프라인 축에서 벗어난다.
US 2018/0149504 A1 US 4,325,262 B US 2017/0343398 A1
상기 결점은 본 발명의 소형 초음파 유량계 특히 가스용 소형 초음파 유량계에 의해 주로 극복된다. 본 발명의 목적은 소형 초음파 유량계의 새로운 설계를 제공하여, 기계식 가스 미터의 구조적 길이와 동일한 유량계 구조적 길이(L)가 유지되는 것이다.
소형 초음파 유량계 특히 가스용 소형 초음파 유량계는 n이 6 내지 24인 n-면체, 보통 프리즘 형태의 소형 몸체로 구성되며, 적어도 3개의 원통형 개구(longitudinal circular openings)가 구비된다. 여기서 몸체 길이는 기계식 가스 미터의 길이에 따라 표준화된다. 몸체의 축 및 이에 따른 원통형 개구의 축은 가스 파이프의 축에 수직이다. 복수개의 유량 조절기가 몸체 내에 구비될 수 있고, 몸체 내의 개개의 원통형 개구는 유량 조절 세그먼트에 의해 상호 연결된다. 하나의 원통형 개구에서, 초음파 센서가 위치되는 측정 구간이 있다.
초음파 센서들 사이의 신호는 일직선으로 및/또는 비스듬히 및/또는 원통형 개구의 벽에 반사되어 전달될 수 있다. 유량 조절기는 바람직하게는 원통형 개구 및/또는 유량 조절 세그먼트의 내부에 위치되어 가스 유동에 통합된다. 상기 몸체는 알루미늄 합금, 특수 연성철 및 강철로 이루어진 군에서 선택된 소재로 제조될 수 있다. 원통형 개구의 내부는 먼지 및 부식에 강한 표면에 의해 보호된다. 몸체의 구조적 길이는 터빈 가스 미터 및 회전식 가스 미터로 이루어진 군에서 선택된 기계식 가스 미터의 구조적 길이에 따라 표준화된다. 상기 유량 조절기는 상기 원통형 개구 및/또는 유량 조절 세그먼트 내에 위치될 수 있고, 초음파 유량계가 유량계의 상류/하류에 직선 파이프 구간을 필요로 하지 않도록 설계된다. 초음파 센서는 개구의 축에 대해 비스듬히 위치하며, 동시에 초음파 신호가 원통형 개구의 벽에 대해 반사되도록 센서를 비스듬히 위치시키는 것이 가능하다. 이 해결책은 보다 나은 속도 프로파일 평가의 이점을 가지며, 이는 더 높은 정확성 및 더 큰 측정 범위를 가져온다.
제안된 해결책에 따른 소형 초음파 유량계의 주요 장점은 하기에 기술된다.
본 발명에 따른 초음파 유량계의 가격은 기계식 가스 미터, 회전식 및 터빈 가스 미터의 가격과 유사하다.
연결 피팅 및 초음파 유량계 몸체의 구조적 길이 및 소재는 기계식 가스 미터, 회전식 및 터빈 가스 미터의 소재와 동일하므로, 기계식 가스 미터를 초음파 가스 미터로 용이하게 교체할 수 있다.
본 발명에 따른 초음파 유량계는 유량계의 상류 및 하류에서 직선 파이프 섹션을 필요로 하지 않는다.
초음파 유량계는 최소 5 년의 배터리 수명을 갖는 배터리로 작동된다.
최대 초음파 유량계 오차는 ±0.5 퍼센트이고; 이 오차는 사용 기간에 걸쳐 증가하지 않는다. 이러한 더 작은 오차는 보다 많은 수의 초음파 센서로 달성된다. 초음파 센서는 원통형 개구의 축을 따라 비스듬히 위치되고/되거나 초음파 센서는 속도 프로파일의 보다 나은 평가를 위해 원통형 개구의 벽에 대해 신호가 반사하도록 위치되며, 이는 정확성 및 측정 범위를 증가시킨다.
초음파 유량계의 측정 범위는 1:100 이상이고, 터빈 가스 미터 및 기존의 초음파 가스 미터의 측정 범위보다 상당히 높다.
유량계의 내부, 즉 원통형 개구는 부식 및 오염에 대해 보호되며, 이는 다른 초음파 가스 미터와 마찬가지로 교정 곡선이 이동하지 않는다는 것을 의미한다.
기계식 가스 미터와 마찬가지로, 압력 충격으로 유량계를 파괴하는 것은 불가능하다.
상기 유량계는 설치, 유지 및 작동 중에 오류에 대해 내성이 있다. 다시 말해서, 잘못된 설치에도 피스톤을 막지 않을 것이고, 잘못된 윤활에도 정확성, 측정 범위를 손상시키지 않거나 심지어 가스 미터를 파괴하지 않을 것이며, 특정 Qmin 및 Qmax 외부의 작동은 가스 미터의 측정 특성을 손상시키지 않을 것이고, 그 파괴로 이어지지 않을 것이다.
유량계는 이동 부품을 구비하지 않으며, 이는 기계식 가스 미터와 비교하여 그 신뢰성을 상당히 증가시킨다.
이 초음파 유량계는 모든 장점을 보유하고 기계식 가스 미터와 동일하거나 더 나은 비용으로 모든 단점을 제거하기 때문에 기계식, 회전식 및 터빈 가스 미터를 대체할 수 있는 제1 기존 소형 초음파 유량계이다. 초음파 유량계의 작은 크기 및 중량은 운반 및 설치를 용이하게 한다.
본 발명의 소형 초음파 유량계는 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명되며,
도 1은 예시적인 소형 초음파 유량계이며, 특히 가스용 소형 초음파 유량계를 도시한 투상도이다.
도 1a는 구간 내의 유량계를 도시한다.
도 2 내지 4는 소형 초음파 유량계, 특히 가스용 소형 초음파 유량계를 도시하는 분해 투상도이다.
실시예 A
도 1, 도 1a, 도 2 및 도 4에 도시된 예시적인 소형 초음파 유량계는 4개의 원통형 개구(2, 3, 4, 5)를 가지는 육각형 프리즘 몸체(1); 유량 조절기(6); 3개의 유량 조절 세그먼트(7, 8, 9); 입구 플랜지(10); 출구 플랜지(11); 측면 커버(12, 13); 및 도 1, 도 1a, 도 2 및 도 4에 도시된 바와 같은 초음파 센서(14)로 구성된다. 가스는 입구 플랜지(10)를 통해 유동하고 몸체(1)의 중심에 진입하며, 원통형 개구(2) 내로 안내되고, 또한 몸체(1)의 주변부로 안내된다. 여기서, 가스는 유량 조절 세그먼트(7)에 의하여 원통형 개구(3)로 안내되고, 유량 조절기(6)가 설치되고, 몸체(1)의 주변부로 더 안내되며, 유량 조절 세그먼트(9)를 통해 원통형 개구(4) 내로 안내되고, 측정 구간이 위치되고 초음파 센서(14)가 위치된다. 센서(14)들 사이의 초음파 신호는 센서로부터 센서로 또는 몸체(1) 내의 원통형 개구(4)의 벽에 대한 반사에 의해 직접 송신된다. 각각의 초음파 센서(14)는 동시에 송신기이고 수신기이다. 또한, 유동은 유량 조절 세그먼트(8)를 통해 원통형 개구(5) 내로 안내되고 출구 플랜지(11)를 통해 배출된다. 측면 커버(12, 13)는 몸체(1)의 측면에 장착된다. 모두 4개의 원통형 개구(2, 3, 4, 5)는 몸체(1)의 위 및 옆에 위치되어, 소형 치수 및 낮은 중량을 달성한다. 몸체(1)를 통한 가스 유동의 방향은 위치(15)에 의해 도시된다.
실시예 B-유량 조절기 없음
도 3에 도시된 예시적인 소형 초음파 유량계는 3개의 원통형 개구(2, 4, 5)를 가지는 몸체(1), 2개의 유량 조절 세그먼트(7, 8), 입구 플랜지(10), 출구 플랜지(11), 측면 커버(12, 13)및 초음파 센서(14)로 구성된다. 가스는 입구 플랜지(10)를 통해 유동하고 몸체(1)의 중심에 진입하며, 원통형 개구(2) 내로 안내되고, 몸체(1)의 주변부로 안내된다. 유량 조절 세그먼트(7)를 통해 원통형 개구(4) 내로 안내되고, 측정 구간이 위치되고 초음파 센서(14)가 위치된다. 센서(14)들 사이의 초음파 신호는 센서로부터 센서로 또는 몸체(1) 내의 원통형 개구(4)의 벽에 대한 반사에 의해 직접 송신된다. 각각의 초음파 센서(14)는 동시에 송신기이고 수신기이다. 또한, 유동은 유량 조절 세그먼트(8)를 통해 원통형 개구(5) 내로 안내되고 출구 플랜지(11)를 통해 배출된다. 측면 커버(12, 13)는 몸체(1)의 측면에 장착된다. 모두 3개의 원통형 개구(2, 4, 5)는 몸체(1)의 위 및 옆에 위치되어, 소형 치수 및 낮은 중량을 달성한다. 몸체(1)를 통한 가스 유동의 방향은 위치(16)에 의해 도시된다.
양 실시예들 A 및 B는 수평 및 수직 버전들 모두에서 사용될 수 있다.
알루미늄으로 이루어진 초음파 가스 유량계 구조적 길이
DN 40 PN 10/16 및 ANSI 150 150/171mm
DN 50 PN 10/16 및 ANSI 150 150/171mm
DN 80 PN 10/16 및 ANSI 150 171/241mm
DN 100 PN 10/16 및 ANSI 150 241mm
DN 150 PN 10/16 및 ANSI 150 260mm
DN 40/50 PN 40 및 ANSI 300 등 240mm
강(鋼)과 주철로 이루어진 초음파 가스 유량계 구조적 길이
DN 50 PN 10/16 및 ANSI 150 150/171mm
DN 80 PN 10/16 및 ANSI 150 171/240mm
DN 100 PN 10/16 및 ANSI 150 241/300mm
DN 150 PN 10/16 및 ANSI 150 450mm
DN 50 PN 40 및 ANSI 300 150/240mm
DN 80 PN 40 및 ANSI 300 240/273mm
DN 100 PN 40 및 ANSI 300 300mm
DN 150 PN 40 및 ANSI 300 등 450mm
본 발명에 따른 소형 초음파 가스 유량계는 특히 가정용, 상업용 빌딩 등에서의 천연 가스의 분배에서 가스 측정에 주로 적용된다.

Claims (7)

  1. 소형 초음파 유량계로서,
    상기 소형 초음파 유량계는, 플랜지 사이의 길이가 표준화된 기계식 가스 미터의 길이에 대응하는 몸체(1)로 구성되고, n이 6 내지 24인 n-면체의 형태이며, 적어도 3개의 원통형(longitudinal circular) 개구(2, 3, 4, 5)가 구비되고, 상기 개구의 축은 가스 파이프의 축에 수직이며, 상기 개별 원통형 개구(2, 3, 4, 5)들 사이의 유동을 안내하기 위한 적어도 2개의 유량 조절 세그먼트(7, 8, 9)가 상기 원통형 개구(2, 3, 4, 5)의 단부에 구비되고,
    상기 원통형 개구(2, 3, 4, 5) 각각에 적어도 2개의 초음파 센서(14)가 제공되며,
    상기 적어도 3개의 원통형 개구(2, 3, 4, 5) 중 제1 개구(2)는 입구 플랜지(10)에 연결되고, 상기 적어도 3개의 원통형 개구(2, 3, 4, 5) 중 제2 개구(5)는 출구 플랜지(11)에 연결되고, 상기 적어도 3개의 원통형 개구(2, 3, 4, 5) 중 다른 개구들(3, 4)은 상기 적어도 두 개의 유량 조절 세그먼트(7, 8, 9)을 통해 상기 제1 개구(2) 및 제2 개구(5) 중 적어도 하나와 연결되며,
    상기 유량 조절 세그먼트(7, 8, 9)는 상기 몸체(1)에 연결된 측면 커버(12, 13)에 의해 커버되는 것을 특징으로 하는 소형 초음파 유량계.
  2. 제1항에 있어서,
    적어도 하나의 상기 원통형 개구(2, 3, 4, 5) 내의 상기 초음파 센서(14)는, 비스듬한 각도로 신호를 안내하거나, 측정 구간이 위치하는 적어도 하나의 상기 원통형 개구(2, 3, 4, 5)의 벽에 대한 반사를 갖도록 신호를 안내하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 소형 초음파 유량계.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    유량 조절기(6)가 적어도 하나의 상기 원통형 개구(2, 3, 4, 5) 및/또는 상기 유량 조절 세그먼트(7, 8, 9) 내에서 그 가스 유동에 결합되도록 제공되는 것을 특징으로 하는 소형 초음파 유량계.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 원통형 개구의 내측면은 부식 및 오염에 강한 표면 마감을 구비하는 것을 특징으로 하는 소형 초음파 유량계.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 몸체(1)는 알루미늄 합금, 연성철(延性鐵) 및 강철로 이루어진 군에서 선택된 소재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 소형 초음파 유량계.
  6. 삭제
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 몸체(1)의 구조적 길이는 터빈 가스 미터 및 회전식 가스 미터로 이루어진 군에서 선택된 기계식 가스 미터의 구조적 길이에 따라 표준화되는 것을 특징으로 하는 소형 초음파 유량계.
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