KR20110003392A

KR20110003392A - 초저주파수 진동 유량계

Info

Publication number: KR20110003392A
Application number: KR1020107027020A
Authority: KR
Inventors: 조엘 웨인스테인
Original assignee: 마이크로 모우션, 인코포레이티드
Priority date: 2008-05-01
Filing date: 2009-04-29
Publication date: 2011-01-11
Also published as: HK1156100A1; KR20110005296A; BRPI0911468A2; AR071606A1; CN102016520B; BRPI0911470B1; RU2010149048A; WO2009134830A1; MX2010011639A; JP2015132614A; WO2009134827A1; CN102016522B; JP2011520104A; AU2009243118B2; US8327718B2; JP5723268B2; JP2011520106A; EP2286188A1; CN102016520A; RU2464533C2

Abstract

초저주파수 진동 유량계(100)가 제공된다. 초저주파수 진동 유량계(100)는 하나 이상의 유관(103A, 103B)을 포함하는 유량계 조립체(10)를 포함한다. 유량계 조립체(10)는 이물질 크기 또는 이물질 조성에 무관하게 유동 유체에 대한 기결정된 최소 디커플링 주파수 미만인 초저주파수 진동 응답을 생성하도록 구성된다. 초저주파수 진동 유량계(100)는 유량계 조립체(10)에 커플링되며 초저주파수 진동 응답을 수신하며 이로부터 하나 이상의 유동 측정치를 생성하도록 구성된 계측 전자부(20)를 더 포함한다.

Description

초저주파수 진동 유량계 {VERY LOW FREQUENCY VIBRATORY FLOW METER}

본 발명은 진동 유량계에 관한 것이고, 특히 초저주파수 진동 유량계에 관한 것이다.

코리올리 질량 유량계 및 진동 밀도계와 같은, 진동 유량계는 일반적으로 유동하거나 유동하지 아니하는 유체를 포함하는 진동 도관의 운동을 탐지함으로써 동작한다. 질량 유동, 밀도 등과 같은 도관 내의 물질과 관련된 속성(properties)은 도관과 결합된 운동 트랜스듀서로부터 수신된 측정 신호를 처리하여 결정될 수 있다. 진동하는 물질로 채워진 시스템의 진동 모드는 대체로 보유하는 도관 및 그 안에 보유된 물질의 결합된 질량, 강성 및 댐핑 특성에 의해 영향을 받는다.

일반적인 진동 유량계는 파이프 라인 또는 다른 운반 시스템으로 일렬로 연결되어 시스템 내 물질, 예를 들면, 유체, 슬러리 등을 운반하는 하나 이상의 도관을 포함한다. 도관은 예를 들면, 단순 벤딩형, 비틀림, 방사형, 및 커플링 모드를 포함하는 일련의 고유 진동 모드들을 가지는 것으로 보여 질 수 있다. 일반적인 측정 어플리케이션에 있어서, 도관은 물질이 도관을 통하여 유동할 때 하나 이상의 진동 모드에서 여기되어 도관의 운동이 도관을 따라 이격된 지점들에서 측정된다. 여기는 일반적으로 액추에이터, 예를 들면, 주기적으로 도관을 교란하는 발성 코일(voice coil) 타입 구동기와 같은 전자기계 장치에 의해 제공된다. 유체 밀도는 유동 유체의 공진 주파수를 결정하는 것에 의해서 얻어질 수 있다. 질량 유량은 트랜스듀서 위치들에서 운동 간의 위상 차 또는 시간 지연을 측정하는 것에 의해 결정될 수 있다. 일반적으로 유관 또는 도관들의 진동 응답을 측정하기 위해서 이러한 두 트랜스듀서들(또는 픽오프 센서들)이 채택되고, 일반적으로 액추에이터의 상류 및 하류 위치들에 위치된다. 두 픽오프 센서들은 두 독립적인 와이어 쌍들과 같은 케이블(cabling)에 의해서 전자 계기(electronic instrumentation)에 연결된다. 전자 계기는 두 픽오프 센서들로부터 신호들을 수신하고 질량 유동 측정치를 도출하기 위해서 상기 신호들을 처리한다.

유량계들은 다양한 유체 유동들에 대한 질량 유량 및/또는 밀도 측정을 수행하도록 사용되고 단상 유동에 대한 높은 정확성을 제공한다. 진동 유량계들이 사용되는 일 영역은 오일 및 가스 유정 산출물들(oil and gas well outputs)의 계량(metering)에서이다. 이러한 유정의 산출물(product)은 액체 뿐만 아니라 유동 유체 내에 동반될 수 있는 가스 및/또는 고체를 포함하는 다상 유동을 포함할 수 있다. 따라서 유전(oilfield) 유동 유체는 예를 들어 오일, 물, 공기 또는 다른 가스 및/또는 모래 또는 다른 고체 입자들을 포함할 수 있다. 그런데, 동반된 가스 및/또는 고체를 포함하는 유동 유체들을 측정하기 위해 진동 유량계를 사용할 때 계량의 정확성이 상당히 저하될 수 있다. 이러한 다상 유동들에 대해서도 결과적인 계량이 가능한 정확하다면 매우 바람직할 것이다.

다상 유동 유체들은 동반 가스를 포함할 수 있고 특히 기포를 가진 가스 유동(bubbly gas flows)을 포함할 수 있다. 다상 유동들은 동반 고체 또는 동반 고체 입자, 혼합물 - 콘크리트 등 - 을 포함할 수 있다. 나아가, 다상 유동은 예를 들어 물과 석유 성분과 같은 상이한 밀도를 가진 액체들을 포함할 수 있다. 상들은 상이한 밀도, 점성 또는 다른 속성을 가질 수 있다.

다상 유동에 있어서, 유관의 진동이 반드시 완전히 유동 유체와 동상으로(in phase with) 동반 가스/고체를 이동시키는 것은 아니다. 이러한 진동 이형(vibrational anomaly)이 디커플링 또는 미끄러짐(slippage)으로서 지칭된다. 가스 기포들은 예를 들어 유동 유체로부터 디커플링되어서, 진동 응답 및 임의의 후속 도출된 유동 특성들에 영향을 미칠 수 있다. 작은 기포들은 일반적으로 유량계가 진동될 때 유동 유체와 함께 움직인다. 그러나, 큰 기포들은 유관의 진동 동안 유동 유체와 함께 움직이지 아니한다. 대신, 기포들은 유동 유체와 디커플링되어 독립적으로 움직일 수 있는데, 동반 가스 기포들이 각각의 진동 움직임 동안 유동 유체보다 더 멀리 그리고 더 빨리 이동할 수 있다. 이것은 유량계의 진동 응답에 악영향을 미친다. 이것은 유동 유체 내 동반된 고체 입자의 경우에도 마찬가지인데, 여기서 고체 입자들은 증가하는 입자 크기 또는 진동 주파수에서 유동 유체의 운동으로부터 점점더 디커플링되려 한다. 디커플링은 다상 유동이 상이한 밀도 및/또는 점성을 가지는 액체들을 포함할 때에도 발생할 수 있다. 디커플링 작용은 예를 들어 유동 유체의 점성 및 유동 유체와 이물질 간 밀도차와 같은 다양한 인자들(factors)에 의한 영향을 받는다는 것이 발견되었다.

기포와 입자 간의 상대 운동에 의해 야기되는 문제들에 덧붙여, 측정 유체의 음속(sonic velocity)이 작거나 유량계의 진동 주파수가 클 때 코리올리 유량계는 음속(SOS; speed of sound) 또는 압축성 효과로부터 정확성 저하를 경험할 수 있다. 액체들은 가스들보다 더 큰 음속을 가지지만, 최저 속도는 두 개의 혼합물로부터 초래된다. 액체 내 동반된 소량의 가스조차도 어느 하나의 상의 그것보다 작은, 혼합물의 급격한 음속 감소를 초래한다.

유동관의 진동은 유량계의 구동 주파수를 횡단하는 방향으로 진동하는 음파들을 생성한다. 유체의 음속이 클 때, 단상 유체에서처럼, 순환 도관(circular conduit)을 가로지르는 횡단 음파들에 대한 1차 음향 모드는 구동 주파수보다 훨씬 더 큰 주파수에서이다. 그러나 액체에 가스를 부가하는 것에 기인하여 음속이 떨어질 때, 음향 모드의 주파수 또한 떨어진다. 구동 모드 및 음향 모드의 주파수가 근접하면, 구동 모드에 의한 음향 모드의 이탈 공진 여기(off-resonance excitation)에 기인하여 유량계 에러가 초래된다.

작은 주파수계(frequency meters) 및 일반적인 프로세스 압력에 대하여 다상 유동 내에 음속 효과가 존재하지만 계측기의 특정한 정확성에 관해서 대개 무시할 수 있다. 그런데, 기포가 있는 유체와 함께 낮은 압력에서 동작하는 고주파수 코리올리 유량계에 대하여 구동 및 유체 진동 모드들 간의 상호작용에 기인하여 상당한 측정 에러를 야기할 정도로 음속이 충분히 작을 수 있다.

가스 존재량, 유동 유체의 압력, 온도, 및 유동 유체 내로 가스가 혼합된 비율에 따라서 기포들의 크기는 달라질 수 있다. 성능 감소의 정도는 얼마나 많은 전체 가스가 존재하는가 뿐만 아니라 유동 내 개별 가스 기포들의 크기에도 관련된다. 기포들의 크기는 측정의 정확성에 영향을 미친다. 더 큰 기포들은 더 많은 체적을 차지하고 더 많이 디커플링되어 유동 유체의 밀도 및 측정된 밀도의 변동(fluctuation)을 야기한다. 가스의 압축성에 기인하여, 기포들은 가스량 또는 질량이 변할 수 있지만 반드시 크기가 변하는 것은 아니다. 반대로 압력이 변하면 기포 크기가 상응하게 변할 수 있고 압력 증가에 따라서 압력 저하 또는 감소(shrinking)가 확대된다. 이것은 또한 유량계의 자연 또는 진공 주파수의 변동(variations)을 야기할 수 있다.

종래 기술에 따른 진동 유량계들은 일반적으로 약 100 내지 300 Hz의 동작 주파수에 대하여 설계된다. 몇몇 종래 기술에 따른 유량계는 훨씬 더 높은 고주파수에서 작동하도록 설계된다. 종래 기술에 따른 진동 유량계에서 동작 주파수는 일반적으로 유량계 설계, 제조 및 동작을 용이하게 하도록 선택된다. 예를 들어, 종래 기술에 따른 진동 또는 코리올리 유량계는 물리적으로 컴팩트하고 실질적으로 치수가 균일하도록 구성된다. 예를 들면, 종래 기술에 따른 유량계의 높이는 일반적으로 길이보다 짧고 작은 높이 대 길이 종횡비(H/L)와 상응하는 높은 구동 주파수를 가져온다. 유량계 사용자들은 설치가 단순하도록 전체적으로 작은 크기를 선호한다. 나아가 유량계 설계는 흔히 균일한, 단상 유동 유체를 가정하고 이러한 균일한 유동 유체와 최적으로 동작하도록 설계된다.

종래 기술에 있어서, 유량계들은 일반적으로 작은 높이 대 길이 종횡비(H/L)를 가진다. 직선 도관 유량계는 0인 높이 대 길이 종횡비를 가지고 이것은 일반적으로 높은 구동 주파수를 생성한다. 길이가 지배적인 치수(dominant dimension)가 되는 것을 막기 위해서 활 모양의 유관들이 종종 사용되고 이에 의해서 높이 대 길이 종횡비(H/L)가 증가할 수 있다. 그러나 종래 기술에 따른 유량계들은 높은 종횡비를 가지도록 설계되지 아니하였다. 종래 기술에 있어서의 구부러진 또는 활 모양의 도관 유량계는 예를 들어 1.3에 접근하는 높이 대 길이 종횡비를 가질 수 있다.

종래 기술에서 정확하고 신뢰성 있게 다상 유동 유체들을 측정할 수 있는 진동 유량계에 대한 요구가 여전히 있었다.

본 발명의 일 태양에서, 초저주파수 진동 유량계는, 하나 이상의 유관을 포함하는 유량계 조립체; 및 계측 전자부를 포함하고, 상기 유량계 조립체는 이물질 크기 또는 이물질 조성에 무관하게 유동 유체에 대한 기결정된 최소 디커플링 주파수 미만인 초저주파수 진동 응답을 생성하도록 구성되며, 상기 계측 전자부는 상기 유량계 조립체에 커플링되며 상기 초저주파수 진동 응답을 수신하고 이로부터 하나 이상의 유동 측정치를 생성하도록 구성된다.

바람직하게, 상기 초저주파수 진동 응답은 이물질 크기 또는 이물질 조성에 무관하게 기결정된 최소 SOS/압축률 임계치 미만이다.

바람직하게, 상기 계측 전자부는, 디커플링 비율(A_p/A_f)이 상기 초저주파수에서 동반 고체 또는 동반 가스에 대해 약 1:1이 되도록 구성된다.

바람직하게, 상기 계측 전자부는, 점도가 상기 초저주파수에서 상기 유동 유체에 대한 입자 운동과 관련하여 사실상 무한대(infinity)가 되도록 구성된다.

바람직하게, 상기 초저주파수 진동 응답은 약 5헤르츠(Hz) 미만이다.

바람직하게, 상기 초저주파수 진동 응답은 약 50헤르츠(Hz) 미만이다.

바람직하게, 상기 초저주파수 진동 응답은 약 3.5 초과인 역의 스토크 수(inverse Stokes number; δ)에 상응한다.

바람직하게, 상기 하나 이상의 유관은 매우 높은 진동 응답 진폭에서 진동하도록 구성된다.

바람직하게, 상기 하나 이상의 유관은 약 1밀리미터(mm)보다 큰 진동 응답 진폭에서 진동하도록 구성된다.

바람직하게, 상기 하나 이상의 유관은 약 5밀리미터(mm)보다 큰 진동 응답 진폭에서 진동하도록 구성된다.

바람직하게, 상기 하나 이상의 유관은 유관 강성, 유관 길이, 유관 종횡비, 유관 물질, 유관 두께, 유관 형태, 유관 기하형상, 또는 하나 이상의 진동 마디 위치 중 하나 이상의 구성에 의해 상기 초저주파수 진동 응답을 이루도록 구성된다.

바람직하게, 상기 초저주파수 진동 유량계는 기결정된 저주파수에서 이탈-공진되게 여기되고, 이탈-공진 질량 유동 측정치가 얻어지며, 이 경우 이탈-공진 질량 유동 측정치는 디커플링 및 SOS 효과에 실질적으로 영향을 받지 아니한다.

바람직하게, 상기 기결정된 저주파수는 다상 에러를 실질적으로 제거하도록 선택된 임계치보다 큰 역의 스토크 수(δ)에 상응하도록 선택된다.

바람직하게, 상기 이탈-공진 질량 유동 측정치는 공진 주파수에서 얻어진 공진 질량 유동 측정치와 비교되고, 상기 이탈-공진 질량 유동 측정치 및 상기 공진 질량 유동 측정치가 기결정된 디커플링 범위보다 많이 상이하다면 다상 표시가 생성된다.

바람직하게, 상기 초저주파수 진동 유량계는 다수의 기결정된 이탈-공진 주파수에서 이탈-공진되게 여기되고 다수의 상응하는 이탈-공진 질량 유동 측정치가 얻어지며, 상기 다수의 이탈-공진 질량 유동 측정치는 다상 유동이 존재하는지를 결정하고 다상 에러 크기를 결정하도록 비교된다.

본 발명의 일 태양에서, 초저주파수 진동 유량계를 작동하는 방법은, 이물질 크기 또는 이물질 조성에 무관하게 유동 유체에 대한 기결정된 최소 디커플링 주파수 미만인 초저주파수에서 상기 초저주파수 진동 유량계의 하나 이상의 유관을 진동시키는 단계; 초저주파수 진동 응답을 수신하는 단계; 및 상기 초저주파수 진동 응답으로부터 하나 이상의 유동 측정치를 생성하는 단계를 포함한다.

바람직하게, 상기 초저주파수 진동 유량계는, 디커플링 비율(A_p/A_f)가 상기 초저주파수에서 동반 고체 또는 동반 가스에 대해 약 1:1이 되도록 구성된다.

바람직하게, 상기 초저주파수 진동 유량계는, 점도가 상기 초저주파수에서 상기 유동 유체에 대한 입자 운동에 관련하여 사실상 무한대가 되도록 구성된다.

바람직하게, 상기 초저주파수 진동 응답은 약 3.5 초과인 역의 스토크 수(δ)에 대응한다.

바람직하게, 상기 기결정된 저주파수는 다상 에러를 실질적으로 제거하도록 선택된 임계치보다 큰 역의 스토크 수(δ)에 대응하도록 선택된다.

바람직하게, 상기 이탈-공진 질량 유동 측정치는 공진 주파수에서 얻어진 공진 질량 유동 측정치와 비교되고, 상기 이탈-공진 질량 유동 측정치 및 상기 공진 질량 유동 측정치가 기결정된 디커플링 범위를 넘어선 만큼 상이하다면, 다상 표시가 생성된다.

바람직하게, 상기 초저주파수 진동 유량계는 다수의 기결정된 이탈-공진 주파수에서 이탈-공진되게 여기되고 다수의 대응하는 이탈-공진 질량 유동 측정치가 얻어지며, 상기 다수의 이탈-공진 질량 유동 측정치는, 다상 유동이 존재하는지를 결정하고 다상 에러 크기를 결정하도록 비교된다.

본 발명의 일 태양에서, 초저주파수 진동 유량계를 형성하는 방법은, 적어도 예상된 유동 유체에 기초하여 초저주파수 진동 유량계에 대한 기결정된 매우 낮은 동작 주파수를 결정하는 단계; 상기 기결정된 매우 낮은 동작 주파수에 기초하여 하나 이상의 유관 설계 특성을 선택하는 단계; 및 상기 선택된 하나 이상의 유관 설계 특성을 이용하여 상기 초저주파수 진동 유량계를 구성하는 단계를 포함하고, 상기 매우 낮은 동작 주파수는 이물질 크기 또는 이물질 조성과 무관하게 상기 유동 유체에 대한 기결정된 최소 디커플링 주파수 미만이며, 상기 하나 이상의 유관 설계 특성은 상기 기결정된 매우 낮은 동작 주파수를 실질적으로 이루도록 선택된다.

바람직하게, 상기 초저주파수 진동 응답은 이물질 크기 또는 이물질 조성에 무관하게 유동 유체의 기결정된 최소 디커플링 주파수 미만이다.

바람직하게, 상기 유량계는, 디커플링 비율(A_p/A_f)가 상기 초저주파수에서 동반 고체 또는 동반 가스에 대해 약 1:1이 되도록 구성된다.

바람직하게, 상기 유량계는, 점도가 상기 초저주파수에서 상기 유동 유체에 대한 입자 운동에 관련하여 사실상 무한대가 되도록 구성된다.

모든 도면들 상에서 동일한 참조 번호는 동일한 요소(element)를 나타낸다. 도면들이 반드시 스케일링되어 도시되지는 않았음을 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 초저주파수 진동 유량계를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초저주파수 진동 유량계를 나타낸다.
도 3은 그래프에 도시된 예시에서 100 Hz까지의 매우 낮은 동작 주파수들에 대한 디커플링 효과 대 주파수의 그래프이다.
도 4는 그래프에 도시된 예시에서 100 Hz까지의 매우 낮은 동작 주파수들에 대한 디커플링 위상 각도(φ) 대 주파수의 상응하는 그래프이다.
도 5는 본 발명에 따른 초저주파수 진동 유량계에 대한 디커플링 비율 대 밀도 비율의 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따른 초저주파수 진동 유량계의 일부를 나타낸다.
도 7은 본 발명에 따른 초저주파수 진동 유량계를 동작시키는 방법의 순서도이다.

도 1 내지 도 7과 후술하는 상세한 설명은 본 발명이 속한 기술 분야의 통상의 기술자에게 본 발명의 최적 모드(best mode)를 만들고 사용하는 방법을 교시하기 위한 특정한 예시들을 묘사한다. 발명의 원리들을 교시하고자 하는 목적으로, 몇몇 통상적인 양태들(aspects)이 단순화되거나 생략되었다. 본 발명이 속한 기술 분야의 통상의 기술자는 본 발명의 범주 내에 속하는 이들 예시로부터의 변형들을 이해할 수 있을 것이다. 본 발명이 속한 기술 분야의 통상의 기술자는 본 발명의 다수의 변형들을 만들어 내기 위해 아래 기술된 기술적 특징들(features)이 다양한 방식으로 결합될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 기술된 특정한 예시들로 한정되지 아니하며 단지 청구항 및 그 균등물에 의해서 한정된다.

도 1은 본 발명에 따른 초저주파수 진동 유량계(5)를 도시한다. 일 실시예에서 초저주파수 진동 유량계(5)는 코리올리 유량계를 포함한다. 다른 실시예에서, 초저주파수 진동 유량계(5)는 진동 밀도계(densitometer)를 포함한다.

초저주파수 진동 유량계(5)는 유동 유체의 유체 특성을 측정하도록 설계되고, 이는 유동하는 또는 정적인 유동 유체를 측정하는 것을 포함한다. 또한, 초저주파수 진동 유량계(5)는, 유동 유체가 다상을 포함할 때 유동 유체를 정확하고 신뢰성 있게 측정하도록 설계된다. 다상 유동 유체는 몇몇 실시예에서 비말(飛沫) 동반된(entrained) 가스(이하 '동반 가스'라 함)를 포함할 수 있고, 이 경우 동반 가스는 버블(bubbly) 유동을 포함할 수 있다. 동반 가스는 다양한 크기의 버블 또는 공기 버블을 포함할 수 있다. 동반 가스는 종래 기술의 진동 유량계에서 문제가 된다. 특히 중간 크기 내지 큰 버블에 대해 동반 가스는 유동 유체와 독립적으로 이동할 수 있고, 측정 에러 또는 불확실성을 일으킬 수 있다. 또한, 동반 가스는 유동 유체의 동작 압력과 함께 변하는 가스의 압축률에 의해 변하는 측정 효과를 일으킬 수 있다.

다상 유동 유체는 몇몇 실시예에서 동반 고체를 포함할 수 있고, 이 경우 동반 고체는 슬러리를 포함할 수 있다. 일례는 석유 유동 내 모래 또는 토양 입자를 포함한다. 동반 고체는 유동 유체와 독립적으로 이동할 수 있고, 측정 에러 및/또는 불확실성을 야기할 수 있다.

몇몇 실시예에서, 다상 유동은 혼합될 수 없는 불혼합 액체(immiscible liquid)와 같은 상이한 액체를 포함할 수 있다. 예를 들면, 유동 유체는 물 및 오일 모두를 포함할 수 있다. 유체 유동 구성요소는 상이한 밀도를 갖는 경우에, 유체 유동 구성요소는 유량계 진동 동안 일부 디커플링을 경험할 수 있다. 비말 동반된 액체는 벌크 유체보다 덜 조밀할 수 있다. 비말 동반된 액체는 벌크 유체보다 더 조밀할 수 있다.

초저주파수 진동 유량계(5)는 유량계 조립체(10)와 계측 전자부(20)를 포함한다. 계측 전자부(20)는 리드들(leads)(100)을 통해 계측 조립체(10)에 연결되고 밀도, 질량 유량, 체적 유량, 전 질량 유동(totalized mass flow), 온도 및 다른 정보 중 하나 이상의 측정치들을 통신 경로(communication path)(26) 너머로 제공하도록 구성된다. 진동의 동작 모드, 유관들, 픽오프 센서들, 또는 구동기들의 수에 무관하게, 임의의 유형의 진동 유량계에서 본 발명이 사용될 수 있음을 본 발명이 속한 기술 분야의 통상의 기술자는 이해할 수 있을 것이다. 또한 유량계(5)가 진동 밀도계 및/또는 코리올리 질량 유량계를 포함할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

유량계 조립체(10)는 한 쌍의 플랜지들(101 및 101')과 매니폴드들(102 및 102'), 구동기(104), 픽오프 센서들(105 내지 105') 그리고 유관들(103A 및 103B)를 포함한다. 구동기(104)와 픽오프 센서들(105 내지 105')은 유관들(103A 및 103B)에 연결된다.

일 실시예에 있어서, 유관들(103A 및 103B)은 도시된 바와 같이 실질적인 U-자형 유관들을 포함한다. 대안적으로, 다른 실시예들에 있어서, 유관들은 실질적인 직선형 유관들을 포함할 수 있다. 그러나, 다른 형태들이 또한 사용될 수 있고 이들 또한 발명의 상세한 설명 및 청구항의 범주 내에 속한다.

플랜지들(101 및 101')은 매니폴드들(102 및 102')에 부착된다. 매니폴드들(102 및 102')은 스페이서(106)의 양 끝단에 부착될 수 있다. 스페이서(106)는 매니폴드들(102 및 102') 간의 간격을 유지하여서, 유관들(103A 및 103B) 내 원치 않는 진동들을 막는다. 측정되는 유동 유체를 지니는(carry) 도관 시스템(미도시) 내로 유량계 조립체(10)가 삽입될 때, 유동 유체는 플랜지(101)를 통해 유량계 조립체(10)로 유입되고 유동 유체의 전 양(total amount)이 유관들(103A 및 103B)에 유입되도록 지향된 유입 매니폴드(102)를 거쳐 지나가고 유관들(103A 및 103B)을 거쳐 흐르고 유동 물질이 플랜지(101')를 통해 계측 조립체(10)를 빠져나가는 유출 매니폴드(102') 내로 되돌려진다.

각각이 굽힘 축들(W--W 및 W'--W')을 중심으로 실질적으로 동일한 질량 분포, 관성 모멘트들, 및 탄성 계수들을 가지도록, 유관들(103A 및 103B)이 선택되고 유입 매니폴드(102) 및 유출 매니폴드(102')에 적절히 장착된다. 유관들(103A 및 103B)은 실질적으로 평행하게 매니폴드들(102 및 102')로부터 외측으로 연장된다.

유량계(5)의 1차 위상차 굽힘 모드(out of phase bending mode)라고 명명된 것에서 및 각각의 굽힘 축들(W 및 W')을 중심으로 반대 방향으로 구동기(104)에 의해서 유관들(103A 및 103B)이 구동된다. 그러나 대안적으로 유관들(103A 및 103B)은 희망된다면 2차 또는 3차 이상의 위상차 굽힘 모드에서 진동될 수 있다. 이것은 계측(calibration) 또는 시험 활동, 유체 점성 시험들 또는 상이한 진동 주파수들에서의 측정 값들을 얻는 것에 대하여 행해질 수 있다. 구동기(104)는 유관(103A)에 장착된 자석과 유관(103B)에 장착된 대향 코일(opposing coil)과 같은 잘 알려진 많은 배열들 중의 하나를 포함할 수 있다. 교류 전류가 대향 코일을 통해 흐르는 것에 의해서 두 도관들이 진동하도록 할 수 있다. 적절한 구동 신호가 계측 전자부(20)에 의해 리드(100)를 경유하여 구동기(104)에 제공된다.

계측 전자부(20)는 리드들(111 및 111') 각각에서 센서 신호들을 수신한다. 계측 전자부(20)는 리드(110) 상에 구동 신호를 생성하는데, 구동 신호는 구동기(104)가 유관들(103A 및 103B)을 진동시키도록 한다. 계측 전자부(20)는 픽오프 센서들(105 및 105')로부터의 좌 및 우 속도 신호들을 처리하여 질량 유량을 연산한다. 통신 경로(26)는 계측 전자부(20)로 하여금 작업자(operator) 또는 다른 전자 시스템들과 인터페이스할 수 있도록 하는 입력 및 출력 수단을 제공한다. 도 1의 상세한 설명은 단지 진동 유량계 동작의 예시로서 제공된 것이며 본 발명의 교시를 제한하고자 의도되지 아니하였다.

작동시, 초저주파수 진동 유량계(5)는 초저주파수에서 진동된다. 초저주파수는 1차 굽힘 모드 진동을 포함할 수 있다. 그러나, 다른 진동 모드들이 또한 고려될 수 있고 이들 또한 발명의 상세한 설명 및 청구항의 범주 내에 속한다.

예를 들면, 몇몇 실시예에서 유량계 조립체(10)는 기결정된 저주파수에서 이탈-공진(off resonance)되게 구동될 수 있고, 이 경우 질량 유동 속도(및/또는 다른 유동 특성)가 이후에 측정된다. 기결정된 저주파수는 공진 주파수 미만일 수 있다. 결과적인 질량 유동 측정은 디커플링 및 SOS 효과에 대해 실질적으로 영향을 받지 아니할 것이고, 기결정된 저주파수에서 위상 측정을 통해 결정될 수 있다. 다상 에러들을 실질적으로 제거하도록 선택된 임계값보다 더 큰 역의 스톡스 수(δ)에 상응하도록 기결정된 저주파수가 선택될 수 있다. 이탈 공진 주파수에서 밀도 측정은 가능하지 않을 것인데, 주파수가 측정되는 것이 아니라 구체적으로 선택된다는 사실에 기인한다. 이러한 동작 유형의 난관(challenge)은 도관의 응답 진폭이 이탈 공진 진동에 기인하여 작을 것이라는 것이다. 그러나, 이러한 난관은 추가적인 구동 전력을 입력함에 의해서 또는 노이즈 제거에 도움이 되도록 위상 측정치들을 평균내는 것에 의해서 극복될 수 있다.

또한, 유량계(5)는 매우 높은 진폭으로 진동될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 유량계(5)는 초저주파수 및 초고주파수에서 동시에 진동될 수 있다. 유동 유체는 이전에 논의된 것처럼 정적이거나 또는 유동 중일 수 있다. 결과적으로, 초저주파수 진동 유량계(5)는 초저주파수 진동 응답을 만든다. 초저주파수 진동 응답은 반응 주파수 및 반응 진폭 중 하나 또는 둘 모두를 결정하기 위해 처리된다. 반응 주파수 및/또는 반응 진폭은, 질량 유동 속도, 밀도, 점도 등을 포함한 하나 이상의 유동 유체 특성을 결정하는데 이용될 수 있다. 유량계(5)의 초저주파수 속성은 아래에서 추가로 논의된다.

초저주파수 진동 유량계(5)의 이점은 몇몇 실시예들에 있어서 희망한다면 유량계(5)가 더 높은 고주파수들에서 동작될 수 있다는 것이다. 이것은 어떠한 다상 유동도 기대되지 않을 때 행해질 수 있다. 예를 들면, 유량계(5)가 분리 장치(separator device)의 하류에 설치되면, 유동 유체는 수용가능하게 균일하고 동반된 이물질이 없을 수 있다. 이러한 상황에 있어서, 유량계(5)는 2차, 3차 또는 4차 굽힘 모드 등과 같은 더 높은 고주파수들에서 동작될 수 있고, 더 높은 차수의 굽힘 모드들은 예를 들어, 계측 공진 주파수의 복합물(multiples) 또는 배음들(harmonics)을 포함한다.

몇몇 실시예들에 있어서, 초저주파수 진동 유량계(5)는 다수의 진동 주파수들에서 동작될 수 있다. 다수의 진동 주파수들은 교차하는(alternating) 주파수들에서 또는 상이한 주파수들에서 상이한 시간에서 유량계 조립체(10)를 진동시키는 것을 포함할 수 있다. 대안적으로, 유량계 조립체(10)는 다수의 진동 주파수들에서 동시에 진동될 수 있다.

예를 들면, 초저주파수 진동 유량계(100)는 공진 주파수에서 작동할 수 있고, 공진 질량 유동 및 밀도 측정치들을 얻을 수 있으며, 이탈-공진되게 작동될 수 있고 하나 이상의 이탈-공진 질량 유동 측정치를 얻을 수 있다. 이후, 하나 이상의 이탈-공진 질량 유동 측정치가 공진 질량 유동 측정치와 비교될 수 있다. 하나 이상의 이탈-공진 질량 유동 측정치 및 공진 질량 유동 측정치가 기결정된 디커플링 범위보다 더 많이 상이하다면, 다상 표시가 생성될 수 있다.

또한, 다수의 이탈-공진 질량 유동 측정치는, 다상 유동이 존재하는지를 결정하고 다상 에러 크기를 결정하도록 비교될 수 있다. 결과적으로, 10, 20 및 30Hz에서 이탈-공진 질량 유동 측정이 실질적으로 동일하고 40Hz에서 이탈-공진 질량 유동 측정이 이전의 측정으로부터 크게 벗어 낫다면, 30 Hz 진동 주파수를 넘는 어딘가에서 다상 에러가 발생하였음이 결정될 수 있다.

구동 주파수는 유동 유체의 유동 특성들을 측정하기 위해서 하나 이상의 유관들(103A 및 103B)이 진동되는 주파수이다. 구동 주파수는 예를 들어 유동 유체 공진 주파수가 되도록 선택될 수 있다. 따라서 구동 주파수는 진동 응답 주파수와 상이할 수 있고 유동 유체의 조성(makeup)에 따라서 달라질 수 있다. 부가적으로, 구동 주파수는 유량계의 강성 특성(stiffness characteristic)에 의해 영향 받을 수 있다. 강성 특성의 증가에 따라서, 구동 주파수가 증가할 것이다. 따라서, 유관 강성을 낮추는 것은 더 낮은 유관 공진 주파수 및 유량계 주파수를 초래한다. 유관 강성은 후술하는 바와 같이 다양한 방식으로 변화될 수 있다.

다상 유동 유체의 결과는 이러한 다상 기간들 동안 정확한 유체 측정치들이 영향을 받고 방해된다는 것이다. 보통의 내지 온화한(moderate to mild) 다상 유동 조건이 존재하는 경우에조차 다상 효과들이 존재할 수 있다. 다상 유동 유체의 속성은 다상 유동 유체의 성분들 간의 디커플링 효과 및 압축성/음속(SOS) 효과에서 나타날 수 있다. 적절히 선택된 진동 주파수 및 진폭에 의해서 두 효과들이 제어될 수 있거나 제거될 수 있다.

다상 유동 유체들은 동반 가스, 특히 기포가 있는 가스 유동을 포함할 수 있다. 다상 유동들은 동반 고체 또는 동반 고체 입자들, 즉 콘크리트, 슬러리 들과 같은 혼합물들을 포함할 수 있다. 나아가, 다상 유동들은 예를 들어 물 및 석유 성분과 같은 상이한 밀도를 가지는 액체들을 포함할 수 있다. 상들은 상이한 밀도들 또는 점성들을 가질 수 있다.

다상 유동에 있어서, 유관의 진동이 반드시 유동 유체와 완전히 동상으로 동반 가스/고체를 반드시 이동시키는 것은 아니다. 진동 이형이 디커플링 또는 미끄러짐으로 지칭된다. 예를 들어 가스 기포가 유동 유체로부터 디커플링되어서 진동 응답과 임의의 후속하여 유도되는 유동 특성들에 영향을 미친다. 유량계가 진동할 때 작은 기포들은 일반적으로 유동 유체와 함께 움직인다. 그러나 큰 기포들은 유관의 진동 동안 유동 유체와 함께 이동하지 아니한다. 대신, 기포들은 유동 유체와 디커플링되어 독립적으로 움직일 수 있는데, 동반 가스 기포들이 각각의 진동 움직임 동안 유동 유체보다 더 멀리 그리고 더 빨리 이동할 수 있다. 이것은 유량계의 진동 응답에 악영향을 미친다. 이것은 유동 유체 내 동반된 고체 입자의 경우에도 마찬가지인데, 여기서 고체 입자들은 증가하는 진동 주파수에서 유동 유체의 운동으로부터 점점더 디커플링되려 한다. 디커플링은 다상 유동이 상이한 밀도 및/또는 점성을 가지는 액체들을 포함할 때에도 발생할 수 있다. 디커플링 작용은 예를 들어 유동 유체의 점성 및 유동 유체와 이물질 간 밀도차와 같은 다양한 인자들에 의한 영향을 받는다는 것이 발견되었다.

가스 존재량, 유동 유체의 압력, 온도, 및 유동 유체 내로 가스가 혼합된 비율 및 다른 유동 특성들에 따라서 기포들의 크기는 달라질 수 있다. 성능 감소의 정도는 얼마나 많은 전체 가스가 존재하는가 뿐만 아니라 유동 내 개별 가스 기포들의 크기에도 관련된다. 기포들의 크기는 측정의 정확성에 영향을 미친다. 더 큰 기포들은 더 많은 체적을 차지하고 유동 유체의 밀도 및 측정된 밀도의 변동을 야기한다. 가스의 압축성에 기인하여, 기포들은 질량이 변할 수 있지만 반드시 크기가 변하는 것은 아니다. 반대로 압력이 변하면 기포 크기가 상응하게 변할 수 있고 압력 증가에 따라서 압력 저하 또는 감소가 확대된다. 이것은 또한 유량계의 자연 또는 진공 주파수의 변동을 야기할 수 있다.

진동하는 도관에 있어서, 진동하는 도관의 가속은 기포들의 움직임을 초래한다. 도관 가속은 진동 주파수 및 진동 진폭에 의해서 결정된다. 동반 가스의 경우에, 기포들은 도관 가속의 방향과 같은 방향으로 가속된다. 기포들은 유관보다 더 빠르고 더 멀리 이동한다. 더 빠른 기포 운동(및 결과적인 유체 변위)는 유체의 일부가 유관보다 더 느리게 이동하는 것을 야기하여 진동하는 도관의 중심으로부터 뒤로(backwards) 유체 혼합물의 중력 중심의 순 이동(net shift)을 초래한다. 이것이 디커플링 문제의 기초이다. 따라서, 동반 공기가 존재할 때 유속 및 밀도 특성들이 보고되지 않았다(under-reported)(음의 유동 및 밀도 에러들).

슬러리도 유사한 문제를 야기한다. 그러나 슬러리의 경우에 고체 입자들은 액체 성분보다 종종 더 무겁다. 진동하는 도관의 가속 하에서, 더 무거운 입자들은 액체보다 덜 움직인다. 하지만 무거운 입자들이 적게 움직이기 때문에 유체 혼합물의 중력 중심이 여전히 도관의 중심으로부터 약간 뒤로 이동된다. 이것이 다시 음의 유동 및 밀도 에러들을 초래한다.

가스-액체, 고체-액체, 및 액체-액체 경우들에 있어서, 동반된 상의 차동 운동(differential motion)은 동반된 상과 액체 성분 간의 밀도 차에 의해서 구동된다. 가스의 압축성이 무시된다면, 동일한 수학식들이 모든 세 시나리오들의 거동을 기술하는 데에 사용될 수 있다.

유체 디커플링 보상은 어려웠는데, 유체에 관하여 기포들이 얼마나 많이 움직이는가를 결정하는 수 개의(several) 인자들이 존재하기 때문이다. 유체 점성은 명백한 인자이다. 매우 점성이 있는 유체에 있어서, 기포들(또는 입자들)은 제 위치에서 사실상 동결되고(frozen) 아주 작은 유동 에러가 결과된다. 매우 낮은 진동 주파수에서, 유동 유체는 매우 점성이 있는 유체로서 작용할 것이고 다시 말해서 점성이 무한대인 것처럼 작용할 것이다. 매우 높은 진동 주파수에서, 유동 유체는 무점성 유체로서 작용할 것이고 다시 말해서 점성이 대략 0인 것처럼 작용할 것이다.

점성은 전단 응력 또는 인장 응력(extensional stress)에 의해서 변형되고 있는 유체의 저항의 측정치이다. 일반적으로, 그것은 유동에 대한 액체의 저항, 즉 유체 두께의 정량화이다. 점성은 액체 마찰의 측정치로서 생각될 수 있다. 모든 실제 유체들은 응력에 대한 일정한 저항을 가지지만, 전단 응력에 대한 저항이 없는 액체가 이상 유체 또는 무점성 유체로서 알려져 있다.

기포 기동성(bubble mobility)에 작용하는 다른 인자는 기포 크기이다. 기포 상 항력(drag)은 표면적에 비례하고 한편 부력은 체적에 비례한다. 따라서 매우 작은 기포들은 부력비(buoyancy ratio)에 대한 큰 항력을 가지고 유체와 함께 이동하려 한다. 결과적으로 작은 기포들은 작은 에러를 야기한다. 반대로 큰 기포들은 유체와 함께 이동하려 하지 아니하고 큰 에러를 초래한다. 고체 입자들에 대해서도 마찬가지인데, 작은 입자들이 유체와 함께 이동하려 하고 작은 에러를 초라하기 때문이다.

진동에 의해 야기되는 다른 문제는 음속(SOS) 또는 압축성 효과이다. 이들 효과들은 질량 유동 및 밀도 측정치들을 진동 주파수 증가에 따라서 가스가 가득 찬 유동들에 대하여 점점 더 부정확하게 만든다.

밀도차는 다른 인자이다. 부력은 유체와 가스 간의 밀도 차에 비례한다. 높은 압력 가스는 부력에 영향을 미치고 디커플링 효과를 줄이기에 충분히 큰 밀도를 가질 수 있다. 덧붙여, 큰 기포들은 더 큰 체적을 차지하고 이것은 유동 유체의 밀도의 틀림없는(true) 변동을 야기한다. 가스의 압축성에 기인하여, 기포들은 가스량의 변화를 야기할 수 있지만 크기를 반드시 변화시키는 것은 아니다. 반대로, 압력이 변한다면, 기포 크기가 상응하게 변할 수 있고 압력 증가에 따라서 압력 감소 또는 저하가 확대될 수 있다. 이것은 또한 유량계의 자연 또는 공진 주파수의 변동 및 실제 2상 밀도의 변동을 야기할 수 있다.

2차 인자들(second order factors)이 또한 기포 및 입자 기동성에 영향을 미칠 수 있다. 높은 유속 유체에서의 난류(turbulence)는 더 작은 것들로 큰 가스 기포들을 쪼갤 수 있고 따라서 디커플링 효과가 감소된다. 계면활성제는 기포의 표면 장력을 감소시키고 기포들의 합체 경향을 줄인다. 밸브들은 증가된 난류를 통해 기포 크기를 감소시킬 수 있고 한편 파이프 라인 엘보우들(elbows, 팔꿈치 모양으로 굽은 관)은 원심력을 통해 그들에게 함께 힘을 가해서 기포 크기를 증가시킬 수 있다.

몇몇 실시예에서, 초저주파수 유량계(5)의 초저주파수 및 높은 진폭 능력(capabilities)은 적절한 설계 파라미터들(또는 동작 주파수와 같은 다른 인자와 함께)을 통해서 성취될 수 있다. 초저주파수 진동 유량계(5) 제조에 있어서의 기본적인 고려사항은 유량계의 유효 굽힘 모드 강성은 감소되어야 하고 이에 의해 공진(또는 자연) 주파수를 감소시킨다는 것이다. 이는 도관 진폭에서의 감소 또는 증가가 수반될 수 있다. 유량계 강성의 감소는 어떠한 방식으로든 이루어질 수 있고, 어떻게 유량계 강성 감소가 실행되는지는 중요하지 않다. 그러나 이하 몇몇 가능한 방식들이 기술된다.

계측기 강성에 있어서의 일 인자(factor)는 유관 길이이다. 유량계 길이는 계측기 강성에 실질적으로 상관되는데, 계측기 길이의 증가는 계측기 강성 및 동작 주파수가 일부(some) 감소로 읽혀질 수 있다. 결과적으로, 적어도 일부의 계측기 강성 변화를 성취하기 위해 유량계 길이가 선택될 수 있다.

계측기 강성에 있어서의 일 인자는 유관 종횡비이다. 이를 설명하기 위한 목적으로, 유량계 종횡비가 유량계 길이(L)로 나누어진 유량계 높이(H)로서 정의되는데, 종횡비 = (H/L) (도 2 참조)이다. 높이(H)가 길이(L)보다 작으면, 높이 대 길이 종횡비(H/L)는 1보다 작을 것이다. 유량계가 직선형 유량계이면, 높이 대 길이 종횡비(H/L)는 사실상 0일 것이다. 높이(H)가 길이(L)보다 크면, 높이 대 길이 종횡비(H/L)는 1보다 클 것이다. 예를 들면, 도 2의 유량계(5)에 있어서, 높이 대 길이 종횡비(H/L)는 1보다 상당히 더 클 수 있고 상대적으로 큰 수에 이를 수 있다. 따라서, 높이 대 길이 종횡비(H/L)가 증가되어서 계측기 강성을 감소시키고 유량계의 공진/동작 주파수를 감소시킨다.

계측기 강성에 있어서의 일 인자는 유관 물질이다. 계측기 강성 및 주파수를 감소시키도록 유관 물질이 선택될 수 있다.

계측기 강성에 있어서의 일 인자는 유관 두께이다. 계측기 강성을 감소시키도록 유관 두께가 감소될 수 있다. 그런데 실제적인 문제로서, 유관 두께의 실질적인 감소는 압력 능력 감소와 부적절한 내구성(durability) 또는 강건성(ruggedness)을 초래할 수 있다.

계측기 강성에 있어서의 일 인자는 유관 형태이다. 예를 들어 실질적으로 둥근, 타원형인, 직사각형인, 불규칙한 또는 다른 적절한 형태들의 도관들을 사용하는 것을 포함하여 임의의 희망되는 방식으로 유관 형태가 변형될 수 있다.

계측기 강성에 있어서의 일 인자는 기하형상이다. 예를 들어 적절한 직선 섹션 및 구부러진 섹션을 사용하는 것을 포함하여 임의의 희망되는 방식으로 유관 기하형상이 결과될 수 있다. 예를 들면, U-자형 유관은 같은 길이를 가지는 직선형 도관 유량계보다 더 작은 강성을 가진다.

계측기 주파수에 있어서의 일 인자는 유관 질량이다. 다른 모든 인자들의 변화가 없다면, 유량계 조립체(10)의 공진 주파수는 유관 질량의 증가에 따라서 떨어질 것이다. 임의의 방식으로 유관 질량이 증가될 수 있다. 예를 들면, 유관 질량은 예를 들어 평형추(counterweights) 또는 다른 질량의 부가를 통해 증가될 수 있다. 이산 점 또는 위치(discrete point or location)에서의 질량 부가는 유관 강성을 증가시키지 아니하면서 동작 주파수를 증가시킬 것이다.

계측기 강성에 있어서의 일 인자는 유관 마디 제한기(nodal restrictor) 및 진동 마디 위치들이다. 유량계 조립체(10)는 진동 마디 위치 및 굽힘 축을 제어하고 이로써 진동 응답에 영향을 미치는 하나 이상의 마디 제한기들을 포함할 수 있다. 도시된 실시예에 있어서 통상적인(common) 마디 제한기는 매니폴드들(102 및 102')과 함께 스페이서(106)를 포함한다. 대안적으로, 다른 실시예들에 있어서 마디 제한기는 플랜지들(101 및 101')에 실질적으로 근접하게 규정된 지점(defined point)에서(다시 말해서 실질적으로 유량계(5)의 두 단부들에서) 두 유관들 사이에 강성으로 연장된 하나 이상의 브레이스 바아(brace bars)를 포함할 수 있다. 다른 마디 위치들이 도 6에 도시된다. 희망되는 굽힘 축들을 생성하면서, 구부러진 유관들(103A 및 103B)의 진동 마디들을 결정하기(fix) 위해서 하나 이상의 마디 제한기들이 포함된다. 하나 이상의 마디 제한기들은 진동을 경험하는 유관들의 길이를 증가시키고 주파수를 감소시키기 위해 위치될 수 (또는 제거될 수) 있다. 도 6에 있어서, 섹션들(102 및 102')의 비틈림(torsion)이 또한 굽힘 모드 강성을 감소시키고 주파수를 감소시킨다.

주의 깊은 유량계 설계의 결과로, 초저주파수 진동 유량계(5)가 초저주파수에서 작동될 수 있다. 초저주파수 작동은 약 1:1의 디커플링 비율로 유지되는 가스 디커플링 또는 고체 디커플링을 초래할 것이고, 이 경우 다상 유동 유체의 이물질은 실질적으로 유동 유체와 함께 이동한다. 또한, 초저주파수 작동은 점도가 매우 높은 유동과 유사한 유동 특성을 초래할 것이다. 이는 이물질이 가스, 액체 또는 고체 성분을 포함하는가와는 무관하게 참이다. 이는 이물질이 유동 유체와 온건하게(moderately) 상이한 밀도인지 또는 이물질이 크게 상이한 밀도를 갖는가와는 무관하게 참이다. 결과적으로, 비말 동반된 이물질은 초저주파수 진동 유량계(5)에 의해 수행된 측정치에 실질적으로 영향을 미치지 않을 것이고, 초저주파수 진동 유량계(5)는 만족스럽게 정확하고 신뢰성 있는 측정치를 만들 것이다. 또한, 초저주파수 진동 유량계(5)는 가스 공백 분율(gas void fraction; GVF) 및/또는 고체 분율의 변화에 실질적으로 영향을 받지 아니할 것이고, 다상 유체 유동의 조성이 변할 때 유동 유체를 만족스럽게 측정할 수 있을 것이다. 또한, 초저주파수에서 초저주파수 진동 유량계(5)를 동작시키는 것에 의해서, 어떠한 압축성 효과도 나타나지 않을 것인데, 훨씬 더 높은 고주파수들에서 직교 음향 모드(transverse acoustic modes)가 나타나기 때문이다.

계측 전자부(20)는 구동기(104)에 구동 신호를 생성하고 이로써 초저주파수에서 유량계 조립체(10)를 구동/진동시키도록 구성될 수 있다. 진동 유량계들에서의 통상적인 실제에서 그렇듯이, 이것은 계측 전자부(20)가 기결정된 주파수 및 진폭을 가지는 구동 신호를 생성하는 것을 수반하는데, 기결정된 주파수 및 진폭은 픽오프 신호들로부터 취해진 되먹임(feedback)에 의해 영향 받고 변형될 수 있다. 예를 들면, 픽오프 센서들(105 및 105')에 의해서 측정되는 바와 같은 진동 응답에서의 공진(즉 자연) 주파수를 얻기 위해서 되먹임에 따라서 구동 신호가 제어될 수 있다.

계측 전자부(20)는 다양한 방식으로 초저주파수를 생성하도록 구성될 수 있다. 매우 높은 진폭은 초저주파수의 결과일 수 있거나 또는 구동 신호 진폭으로부터 결과될 수 있다. 계측 전자부(20)는 계측 전자부(20)의 메모리를 적절하게 프로그래밍하는 것과 같이 제조 동안 구성될 수 있다. 대안적으로, 계측 전자부(20)는 예를 들어 계측 프로세스(calibration process) 동안 초저주파수를 가지게 구성될 수 있는데 예를 들어 몇몇 실시예들에 있어서 초저주파수 프로그래밍은 계측 프로세스에 의해 결정된 측정된 또는 결정된 계측기 강성에 의존할 수 있다. 다른 대안에 있어서, 초저주파수는 계측기 시동(start-up) 동작 동안 도출되거나 결정될 수 있다. 예를 들면, 초저주파수는 미리 저장된 또는 사용자가 입력한 값들에 기초할 수 있다. 이것은 예를 들어 다상 유동 유체의 속성에 관하여 미리 저장되거나 사용자 입력된 정보에 기초한 초저주파수를 포함할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초저주파수 진동 유량계(5)를 나타낸다. 유관들(103A 및 103B)은 도시한 바와 같이 케이싱(203) 내에 위치될 수 있다. 케이싱(203)은 유관들(103A 및 103B)을 보호할 수 있고 유관 결함(fault) 또는 실패 시 누출물을 담기 위해 추가적으로 기능할 수 있다. 진동 유량계(5)는 높이(H) 및 길이(L)을 포함한다. 도면으로부터 보여질 수 있는 바와 같이, 본 실시예에 있어서 높이(H)는 계측기 길이(L)보다 상당히 더 크다. 높이 대 길이 종횡비(H/L)는 이들 두 계측기 특성들의 비율이다. 높이 대 길이 종횡비(H/L)는 매우 낮은 동작 주파수를 감소시키도록 증가될 수 있다. 높이 대 길이 종횡비(H/L)는 희망하는 숫자로 증가될 수 있고, 예를 들어 1을 훨씬 넘는 숫자를 포함한다. 높이 대 길이 종횡비(H/L)는 예를 들어 4 또는 5 또는 그 초과의 값에 도달하는 종횡비와 같이 높을 수 있다.

일 실시예에 있어서, 계측기의 전체적인 길이(L)는 실질적으로 유량계(5)의 플랜지들(101 및 101') 간의 거리이고 한편 계측기의 전체적인 높이(H)는 실질적으로 유입/유출 매니폴드들(102 및 102')의 중심선과 가장 멀리 떨어진 중심선(다시 말해서 활 모양 부분의 피크의 중심) 간의 거리이다. 따라서 종횡비는 유량계(5)의 전체적인 형태 및 크기의 대략적인 정량화(quantification)이다. 이러한 정의에 따르면 높은 종횡비(H/L)는 유량계가 길이(L)와 비교하여 큰 높이(H)를 가짐을 의미한다.

도 3은 그래프에 도시된 예시에서 100 Hz까지의 매우 낮은 동작 주파수들에 대한 디커플링 효과 대 주파수의 그래프이다. 그래프는 진동 진폭들의 범위에 대한 디커플링 효과 및 주파수를 나타낸다. 약 5 내지 10 Hz보다 작은 주파수에서 동작한는 유량계는 바람직하게 기능할 것인데, 디커플링 비율이 약 1:1의 디커플링 비율로 유지될 것이고 다시 말해서 디커플링이 거의 발생하지 않기 때문이다. 5 Hz 이하의 매우 낮은 진동 주파수에 대하여, 응답 디커플링 크기(A_p/A_f)는 그래프의 우측을 따르는 스케일링 바아에 의해서 가리켜지는 바와 같이, 약 1: 1 디커플링 비율에서, 그래프의 왼쪽 축을 따라서 가장 어두운 영역 내에 유지될 것임을 알 수 있다. 또한 높은 진동 진폭들에 대하여 디커플링 효과가 감소된다는 것을 알 수 있다. 따라서 동반 가스 기포들이 유동 유체와 함께 이동할 것이고 질량 유동 또는 혼합물 밀도 측정치들의 에러를 발생시키지 아니한다. 또한 이러한 저주파수에 대하여 음속 효과를 무시할 수 있는데, SOS/압축성 효과가 일반적으로 진동 주파수가 약 200 Hz를 초과할 때까지는 뚜렷해지지 않기 때문이다.

도 4는 그래프에서 도시된 예시에서 100Hz에 이르는 동작 주파수에 대한 디커플링 위상 각도(φ) 대 주파수의 상응하는 그래프이다. 이러한 그래프로부터, 디커플링 위상각(φ)은 진동 주파수가 5Hz를 초과하지 않을 때 낮게 유지됨을 알 수 있다.

유체 진동 진폭, 입자 크기, 유체 점성, 입자 밀도, 및 유체 점성과 무관하게, 입자와 유체 간의 상대 운동은 매우 낮은 진동 주파수에 대하여 존재하지 아니한다. 진폭 비율(다시 말해서, 디커플링 비율(A_p/A_f))은 1 : 1 비율로 접근하고 디커플링 위상 각도(φ)는 0에 접근한다. 따라서, 디커플링 비율(A_p/A_f) 또는 디커플링 위상 각도(φ)를 계산할 필요가 없다. 나아가 결과가 프로세스 유체 및 배관(piping arrangement)과 무관하다. 계측기는 정확하고 신뢰성 있는 측정치를 생성하는데, 다상 성분들 간의 상대 운동이 없기 때문이다. 이것은 슬러리, 기포가 있는 유체, 유제(emulsions), 또는 임의의 다른 다-밀도 복합 유체(multi-density composite fluid)에 대하여 참이다.

상기 설명된 것과 같은 초저주파수 진동 유량계는 제한 없이 또한 2차, 3차, 또는 4차 굽힘 모드에서 구동될 수 있다. 이는 매우 낮은(공진) 주파수로부터 시작하기 때문에 실행 가능하다. 또한, 유량계는 임의의 주파수에서 이탈 공진되게 구동될 수 있다. 상기에서 논의된 것처럼, 디커플링은 증가하는 주파수에 의해서 악화된다. 따라서, 더욱더 음인 에러가 동작 주파수가 증가함에 따라 밀도 및 질량 유동 측정에서 나타날 것이다.

이러한 사실은 진단으로서 유용할 수 있다. 계측기는 측정치가 SOS 또는 디커플링 효과에 의해서 영향을 받는지 여부를 결정하고 그리고 어떤 주파수에서 그 효과가 무시될 수 있는지를 결정하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 유량계는 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 및 100 Hz의 주파수에서 동시에 공진 및 이탈 공진되게 구동될 수 있다. 주어진 유동 유체에 대하여, 10, 20, 및 30 Hz에서 측정치들은 모두 등가일 수 있고 이것은 약 40 Hz에서의 측정치들에는 SOS/디커플링 효과가 영향을 미치지 아니함을 가리킨다. 더 많은 가스가 동반되거나 기포 크기가 커지면, 10 및 20 Hz에서의 측정치들만 등가일 수 있는데, 이것은 앞의 예시에서보다 디커플링이 악화되고 더 저주파수 측정이 요구됨을 의미한다. 이러한 진단 능력이 다상들의 존재를 결정하기 위해 사용될 수 있거나 각각의 주파수에서 측정치들의 정확성의 지표를 사용자에게 제공하도록 사용될 수 있다.

초저주파수 진동 유량계의 주된(primary) 적용은 상류(분리기 이전) 오일 및 천연 가스 측정일 수 있다. 이러한 다상 측정기는 분리기, 극단적으로 고가인 장치에 대한 필요를 제거할 것이다. 이러한 고난도 적용에 있어서 +/- 5% 정확성으로 동작되는 진동 유량계는 각각의 오일 유정의 대략적인 산출물을 측정하고자 하는 오일 및 가스 커뮤니티에 매우 바람직할 수 있다. 다른 적용은 시멘트 혼합 및/또는 계량에서의 적용인데, 여기서 시멘트는 암석 입자와 동반 가스를 포함하여 3 상 혼합물을 이룬다. 저주파수에서 어떠한 상들 간에도 상대 운동이 존재하지 아니하면 계측기는 하나의 균일한 상이 존재하는 것처럼 작동될 것이고 계측기는 성분 또는 상의 수와 무관하게 정확한 혼합물 질량 유동 및 혼합물 밀도 측정치들을 제공할 것이다.

저주파수에서 공진 이탈되게 계측기를 구동하는 것이 가능하지만, 공진되게 구동되는 초저주파수 진동 유량계의 실행가능성이 몇몇 관점에서 희망되는 초저주파수에 이르기 위해서 도관들이 얼마나 길어야 하는가에 의존할 수 있다. 일 예시로서, 물을 계량하기 위하여 일반적으로 70 Hz 주파수에서 진동하는 마이크로 모우션 모델 E200 코리올리 유량계에 대하여, 유관들은 브레이스 바아를 지나 약 18 인치만큼 연장한다. 추정(estimate)으로서 고정-자유 외팔보 비임(cantilever beam)의 주파수에 대한 방정식을 고려하자:

[수학식 1]

여기서 E는 탄성 계수이고, I는 단면 관성 모멘트이고 m은 단위 길이 당 질량이고 l은 길이이다. 70 Hz의 주파수(f) 및 18 인치의 길이(L)에 대하여, 비례 상수가 (EI/m) 항에 대하여 찾아질 수 있다. 예시로서, E, I, 또는 m 항의 변화 없이 5 Hz 진동 주파수를 성취하기 위해서 E200 모델 마이크로 모우션 코리올리 유량계에 대하여 유관의 길이가 약 67 인치이어야 한다.

다른 접근은 이전에 기술된 인자들의 조합이다. 예를 들면, 일 해결책은 도관들을 다소 길게하고 벽 두께를 다소 감소시키고 구동기 또는 픽오프들 근처에 약간의(a little) 질량을 부가하고 및/또는 공진 너머에서 또는 공진 이하에서 동작시키는 것이다. 주파수 감소를 위한 다른 유효한 방법은 브레이스 바아들을 제거하는 이벤트 또는 브레이스 바아들 이전에 파이프라인들과 정렬되게(into line with) 도관들을 구부리는 것을 허용하는 것일 수 있다. 이것은 부가적인 비틀림 성분에 기인하여 상당히 구동 모드에서의 강성을 감소시킬 것이다(도 5 참조).

초저주파수 진동 유량계(5)가 특정한 적용을 위해서 설계될 수 있다. 따라서 초저주파수 진동 유량계(5)는 기결정된 매우 낮은 진동 주파수 및 매우 낮은 진동 응답 주파수 및 매우 높은 진동 응답 진폭을 성취하기 위한 매우 낮은 동작 주파수를 가질 수 있다.

진동 주파수는 다수의 방식으로 특정될 수 있다. 진동 주파수는 주파수 임계치 또는 한계로서 특정될 수 있다. 진동 주파수는 기결정된 디커플링 임계치 또는 한계 아래에 있는 것으로 특정될 수 있다. 진동 주파수는 기결정된 SOS/압축성 임계치 또는 한계 아래에 있는 것으로 특정될 수 있다. 진동 주파수는 기결정된 역의 스톡스 수 임계치 또는 한계(후술함)를 충족하는 것으로서 특정될 수 있다. 예를 들면, 기결정된 역의 스톡스 수 임계치는 다상 에러들을 실질적으로 제거하도록 선택될 수 있다.

코리올리 질량 유량계들 및 진동 밀도계들은 계측기의 자연 주파수에서의 진동 동안 유관들 내에서 유동 유체가 움직이는 것을 요구한다. 이물질이 도입되면, 이러한 가정은 더 이상 유효하지 아니한데, 둘 이상의 상들 간의 상대 운동 또는 디커플링이 존재하기 때문이다. 특정한 계측 동작 조건들이 주어지면, 양호한 혼합물 밀도 측정을 위하여 필요한 조건들을 예측하기 위한 모델이 개발되어 왔다. 실험적으로 유효하게 된 유체 모델은 디커플링 효과를 디커플링 효과를 예측할 수 있다. 디커플링 비율(A_p/A_f) 및 디커플링 위상 각도(φ)를 찾기 위한 수학식들은 다음과 같다:

[수학식 3]

디커플링 비율(A_p/A_f)은 입자(다시 말해 이물질) 진폭(A_p) 대 유관 진폭(A_f)의 비율을 포함한다. 입자는 가스 기포, 고체 입자 또는 심지어 유동 유체 내에 동반된 상이한 유체의 부분들을 포함하여 임의의 이물질을 포함할 수 있다. 수학식 3의 개별 항들은 다음과 같이 정의된다:

[수학식 4]

[수학식 5]

[수학식 6]

[수학식 7]

유동 유체의 운동은 유관의 운동과 정합된다고 가정된다. 기포 또는 입자의 운동을 다음과 같이 계산된다:

[수학식 8]

[수학식 9]

이상의 수학식들이 대부분의 상황들에 있어서 진동 진폭 및 위상차에 대한 약 +/- 10% 정확성 내까지 진동 유량계의 진동 환경(oscillating environmen)에서의 입자 운동을 찾는 데에 사용될 수 있다.

기포 운동에 대한 이상의 수학식들을 풀기 위해 필요한 6개의 입력들은 다음과 같다: 진동 응답 주파수(f), 진동 응답 진폭(A_f), 유체 밀도(ρ_f), 유동 유체 내에 동반된 이물질 입자들의 입자 밀도(ρ_p), 유동 유체 역학점성(μ_f), 및 유동 유체 내에 동반된 이물질의 입자 크기 분포(a)이다. 진동 응답 주파수(f) 및 진동 응답 진폭(A_f)은 픽오프들(105, 105')에 의해서 생성된 진동 응답 신호로부터와 같이, 하나 이상의 유관들(103A, 103B)의 진동 응답으로부터 결정될 수 있다. 유체 밀도(ρ_f)는 알려진 유동 유체의 경우에서와 같이 소비자에 의해서 특정될 수 있거나, 또는 측정에 의해서 얻어질 수 있다. 입자 밀도(ρ_p)는 소비자에 의해서 특정될 수 있거나 대안적으로 유동 유체의 측정된 온도 및 압력이 주어진다면 동반 가스의 경우에 이상 기체 법칙으로부터 결정가능할 수 있다. 역학점성(μ_f)은 알려진 유동 유체의 경우에서와 같이 사용자에 의해서 특정될 수 있거나, 또는 측정에 의해서 얻어질 수 있다. 입자 크기 분포(a)는 알려진 유동 유체의 경우에서와 같이 소비자에 의해서 특정될 수 있거나, 또는 유동 유체 내 기포들 또는 이물질 입자들의 음향 또는 방사능 측정들을 포함하는 측정에 의해서 얻어질 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 초저주파수 진동 유량계(5)에 대한 디커플링 비율 대 밀도 비율의 그래프이다. 그래프는 또한 다양한 역의 스톡스 수들(δ)에 대한 결과들을 포함한다. 주파수-연관된 디커플링 및 SOS/압축성 효과들을 피하기 위한 조건들을 보다 간명하게 특징지우기 위해서 역의 스톡스 수(δ)가 사용될 수 있다.

그래프는 다섯 개의 상이한 역의 스톡스 수들(δ)과 결과적인 디커플링 비율들을 나타낸다. 그래프로부터 알 수 있듯이, 동반 가스 및 동반 고체는 디커플링의 관점에서 상반되게 반응하는데, 동반 가스는 벌크 유체보다 더 큰 운동을 나타내고 고체 입자들은 더 작은 운동을 나타낸다. 그럼에도 불구하고, 유관 내부 모든 상들이 정확히 동일한 진폭 및 위상으로 움직일 때(다시 말해서 A_p/ A_f= 1일 때)가 이상적인 상황이다. 또한 가스 기포 크기가 커지면 디커플링의 양이 커짐을 알 수 있다. 또한 고체 입자 크기가 커질수록 고체 입자 디커플링이 이상 기체의 1:1 운동으로부터 멀어진다.

역의 스톡스 수(δ)는 다음을 포함한다:

[수학식 2]

역의 스톡스 수(δ)는 유동 유체 동점성(η), 라디안 단위의 진동 주파수(ω), 미터 단위의 이물질의 입자 또는 기포 반경(a)을 반영한다. 동점성(η)은 유체의 밀도(ρ)로 나누어진 역학점성(μ)을 다시 말해서 η = μ/ρ 를 포함한다. 이물질은 전술한 바와 같이 동반 가스 또는 동반 고체를 포함할 수 있다. 따라서 역의 스톡스 수(δ)는 단지 주파수 특정화(frequency specification)를 통해 가능한 것보다 더 큰 진동 주파수 한계치들을 보다 완전히 및 정확하게 결정하는 데에 사용될 수 있다.

역의 스톡스 수(δ)를 증가시키면 디커플링 비율(A_p/A_f)을 1에 더 가깝게 이동시키고 이것은 상대 운동의 감소를 가리킨다. 밀도 비율이 약 50을 지나 증가함에 따라서, 디커플링 비율은 주로 역의 스톡스 수(δ)에 의존한다. 모든 가스/액체 혼합물이 통상 100을 넘는 높은 밀도 비율을 가지기 때문에 이것이 특히 중요하다. 따라서 진동 유량계 내 대부분의 통상적인 다상 유동 조건들에 대하여, 측정 에러의 정도는 주로 역의 스톡스 수(δ)에 의존한다. 이러한 파라미터가 매우 작으면, 결과는 무점성의 경우의 3: 1의 디커플링 비율에 접근하고, 반면 파라미터가 크면 상대 운동이 제한되고 디커플링 비율이 1:1에 접근한다. 역의 스톡스 수(δ)는 이들 변수들 중 임의의 하나가 아니라 유체 동점성, 입자 크기 및 주파수의 균형이 중요함을 나타낸다. 그런데, 주파수는 계측기 설계 특성들에 의해서 제어되고 한편, 점성 및 입자 또는 기포 크기는 복잡하고(complex) 종종 제어불가한 프로세스 조건들에 의존한다.

몇몇 실시예들에 있어서 역의 스톡스 수(δ)는 약 3.5를 넘는 수를 포함한다. 몇몇 실시예들에 있어서 역의 스톡스 수(δ)는 약 1.0를 넘는 수를 포함한다. 몇몇 실시예들에 있어서 역의 스톡스 수(δ)는 약 0.5를 넘는 수를 포함한다.

몇몇 실시예들에 있어서, 초저주파수 진동 유량계(5)는 약 5 Hz까지의 진동 응답 주파수에서 동작하도록 설계될 수 있다. 몇몇 실시예들에 있어서, 초저주파수 진동 유량계(5)는 약 10 Hz까지의 진동 응답 주파수에서 동작하도록 설계될 수 있다. 몇몇 실시예들에 있어서, 초저주파수 진동 유량계(5)는 약 20 Hz까지의 진동 응답 주파수에서 동작하도록 설계될 수 있다. 몇몇 실시예들에 있어서, 초저주파수 진동 유량계(5)는 약 30 Hz까지의 진동 응답 주파수에서 동작하도록 설계될 수 있다. 몇몇 실시예들에 있어서, 초저주파수 진동 유량계(5)는 약 40 Hz까지의 진동 응답 주파수에서 동작하도록 설계될 수 있다. 몇몇 실시예들에 있어서, 초저주파수 진동 유량계(5)는 약 49 Hz까지의 진동 응답 주파수에서 동작하도록 설계될 수 있다. 희망되는 굽힘 모드 주파수들은 계측기 설계 고려사항들을 통해 이를 수 있거나 또는 대안적으로 특정 고주파수에서의 이탈 공진 진동을 통해서 이를 수 있다.

몇몇 실시예들에 있어서, 초저주파수 진동 유량계(5)는 약 1 mm를 넘는 진동 응답 진폭에서 동작하도록 설계될 수 있다. 몇몇 실시예들에 있어서, 초저주파수 진동 유량계(5)는 약 2 mm를 넘는 진동 응답 진폭에서 동작하도록 설계될 수 있다. 몇몇 실시예들에 있어서, 초저주파수 진동 유량계(5)는 약 5 mm를 넘는 진동 응답 진폭에서 동작하도록 설계될 수 있다. 몇몇 실시예들에 있어서, 초저주파수 진동 유량계(5)는 약 10 mm를 넘는 진동 응답 진폭에서 동작하도록 설계될 수 있다.

도 6은 본 발명에 따른 초저주파수 진동 유량계(5)의 일부를 나타낸다. 이러한 도면은 본 발명의 몇몇 실시예들에 따라서 큰 높이 대 길이 종횡비(H/L)를 채택한 유량계(5)를 나타낸다. 큰 높이 대 길이 종횡비(H/L)에 의해서 유량계 강성 및 유량계 동작 주파수가 작아진다.

추가적으로, 도면은 진동 마디 위치들의 변화를 나타낸다. 도면에서 점선들은 일반적인 브레이스 바아들(120 및 120')를 나타낸다. 굽힘 마디들을 고정하고 굽힘 축을 설립하기 위해 브레이스 바아들이 흔히 채택된다. 브레이스 바아들은 두 유관들이 채택되는 경우 서로에 대하여 유관들을 고정하고, 진동 굽힘 마디를 형성한다. 브레이스 바아들(120 및 120')은 굽힘 축(W--W)을 설립하는데, 단지 굽힘 축(W--W) 너머의 유관 부분들만이 진동이 허용된다. 굽힘 축(W--W)은 진동 주파수를 제한하고 일반적으로 주파수를 높게 유지한다.

동작 주파수를 바꾸기 위해서, 굽힘 축 위치가 이동될 수 있다. 따라서, 진동 마디 위치들을 적절하게 위치시킴에 의해서와 같이 적절한 굽힘 축 위치에 의해서 동작 주파수가 감소될 수 있다. 몇몇 실시예들에 있어서, 도면에서 브레이스 바아들(122 및 122')에 의해 도시된 바와 같이, 브레이스 바아들을 이동하는 것에 의해서 이것이 성취될 수 있다. 브레이스 바아들(122 및 122')은 굽힘 축(W"--W")을 설립한다. 다른 실시예들에 있어서, 이것은 브레이스 바아들을 함께 제거하는 것에 의해서 성취될 수 있다. 이러한 실시예들에 있어서, 굽힘 축은 플랜지들(101 및 101')에 의해서 결정될 수 있거나 매니폴드들(102 및 102')에 의해서 성취될 수 있다. 이들이 유관 기하형상 변형들을 통해 주파수를 낮추는 것에 대한 단지 두 가능한 방법들임을 유의해야 한다. 다른 방법들이 고려될 수 있고 본 명세서 및 청구항들의 범주 내에 속한다.

도 7은 본 발명에 따른 초저주파수 진동 유량계를 작동시키는 방법의 순서도(700)이다. 단계(701)에서, 유량계는 초저주파수에서 진동한다. 초저주파수는 약 50헤르츠(Hz) 미만의 주파수를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서 초저주파수는 약 5헤르츠(Hz) 미만의 주파수를 포함할 수 있다. 다른 초저주파수가 고려될 수 있고 본 명세서 및 청구항들의 범주 내에 속한다.

초저주파수는 약 1:1의 디커플링 비율(Ap/Af)이 특정한 적용에 대해서 또는 다수의 적용에 대해 얻어지는 주파수를 포함할 수 있고, 이는 동반 가스 또는 고체 입자를 가진 경우를 포함한다. 초저주파수는 무한대에 도달하는 유효 점도가 유동 유체에 대해 얻어지는 주파수를 포함할 수 있다. 초저주파수는 이물질 크기 또는 이물질 조성과 무관하게 기결정된 최소 디커플링 주파수 아래일 수 있다. 따라서, 초저주파수는 디커플링 효과를 피하고, 동반된 이물질은 실질적으로 유동 유체와 함께 이동한다. 이물질 크기 또는 이물질 조성과 무관하게, 초저주파수는 기결정된 최소 SOS/압축률 임계치 아래일 수 있다. 초저주파수는 따라서 SOS/압축률 효과를 피하고, 이는 더 높은 주파수가 얻어질 때까지 나타나지 않는다.

초저주파수 진동 유량계의 하나 이상의 유관은, 이전에 논의된 유관 강성, 유관 길이, 유관 종횡비, 유관 물질, 유관 두께, 유관 형태, 유관 기하형상 또는 하나 이상의 진동 마디 위치 중 하나 이상의 구성에 의해 초저주파수를 얻도록 구성된다. 대안적으로, 하나 이상의 유관은 이전에 논의된 것처럼 공진 주파수보다 낮은 기결정된 저주파수에서 이탈-공진되게 구동될 수 있다.

단계(702)에서, 유량계 조립체의 진동 응답이 수신된다. 진동 응답은 결과적인 주파수 및 진폭을 결정하는데 이용될 수 있고, 이는 유동 유체에 대해 공진 진동수를 포함할 수 있는 주파수를 포함한다.

단계(703)에서, 하나 이상의 유동 측정치가 초저주파수 진동 응답으로부터 생성될 수 있다. 하나 이상의 유동 측정치는 질량 유동 속도를 포함할 수 있다. 하나 이상의 유동 측정치는 밀도를 포함할 수 있다. 초저주파수를 이용한 밀도 측정치는 디커플링 비율 및 유체 점도에 대한 가정에 의해서 결정될 수 있다. 다른 유동 측정치들이 고려될 수 있고, 이는 본 명세서 및 청구항의 범주 내에 속한다.

일반적으로, 디커플링은 많은 입력 파라미터에 의존하는 복잡한 함수이고, 이는 유량계 측정치들을 보상하는 것을 매우 어렵게 한다. 그러나, 작은 가스 기포에 대한 디커플링 효과는 무시할만하다고 알려져 있다. 유사하게, 유동 유체가 높은 점성을 가진 경우, 디커플링은 일어나지 않거나 또는 매우 높은 진동 주파수에서만 일어날 수 있다. 추가적으로, 동반 가스 시나리오에서, 이물질이 유동 유체와 잘 혼합된다면, 기포 크기를 감소시키고 및/또는 가스를 균등하게 분포하고, 이로써 디커플링이 감소될 수 있거나 또는 몇몇 경우들에서는 사실상 제거된다. 또한, 높은 유동 유체 점도는 디커플링을 감소 또는 제거하고, 측정 정확도를 증가시킨다. 그러나, 유동 유체의 특성은 속성 상 고정될 수 있고, 기포 크기 및 점도는 그 자체로 수용되어야 할 수 있다.

초저주파수 진동 유량계는 SOS/압축률 효과 및 디커플링 효과 모두를 포함한 다상 효과에 실질적으로 영향 받지 아니하도록 설계될 수 있다. 물론, 비말 동반된 이물질의 체적이 충분히 커지면, 초저주파수 진동 유량계가 일부 효과를 경험할 수 있지만, 초저주파수 유량계는 종래 기술에 따른 중간 주파수 또는 고주파수 진동 유량계보다 훨씬 큰 정확도 및 신뢰성을 나타낼 것이다.

Claims

하나 이상의 유관(103A, 103B)을 포함하는 유량계 조립체(10); 및
상기 유량계 조립체(10)에 커플링된 계측 전자부(20)를 포함하고,
상기 유량계 조립체(10)는 이물질 크기 또는 이물질 조성에 무관하게 유동 유체에 대한 기결정된 최소 디커플링 주파수 미만인 초저주파수(very low frequency) 진동 응답을 생성하도록 구성되며,
상기 계측 전자부(20)는 상기 초저주파수 진동 응답을 수신하고 이로부터 하나 이상의 유동 측정치를 생성하도록 구성되는,
초저주파수 진동 유량계(100).
제 1 항에 있어서,
상기 초저주파수 진동 응답은 이물질 크기 또는 이물질 조성에 무관하게 기결정된 최소 SOS/압축률 임계치 미만인,
초저주파수 진동 유량계(100).
제 1 항에 있어서,
상기 계측 전자부(20)는, 디커플링 비율(A_p/A_f)이 상기 초저주파수에서 동반 고체 또는 동반 가스에 대해 약 1:1이 되도록 구성되는,
초저주파수 진동 유량계(100).
제 1 항에 있어서,
상기 계측 전자부(20)는, 점도가 상기 초저주파수에서 상기 유동 유체에 대한 입자 운동과 관련하여 사실상(effectively) 무한대(infinity)가 되도록 구성되는,
초저주파수 진동 유량계(100).
제 1 항에 있어서,
상기 초저주파수 진동 응답은 약 5헤르츠(Hz) 미만인,
초저주파수 진동 유량계(100).
제 1 항에 있어서,
상기 초저주파수 진동 응답은 약 50헤르츠(Hz) 미만인,
초저주파수 진동 유량계(100).
제 1 항에 있어서,
상기 초저주파수 진동 응답은 약 3.5를 넘는 역의 스토크 수(inverse Stokes number; δ)에 상응하는,
초저주파수 진동 유량계(100).
제 1 항에 있어서,
상기 하나 이상의 유관(103A, 103B)은 매우 높은 진동 응답 진폭에서 진동하도록 구성되는,
초저주파수 진동 유량계(100).
제 1 항에 있어서,
상기 하나 이상의 유관(103A, 103B)은 약 1밀리미터(mm)보다 큰 진동 응답 진폭에서 진동하도록 구성되는,
초저주파수 진동 유량계(100).
제 1 항에 있어서,
상기 하나 이상의 유관(103A, 103B)은 약 5밀리미터(mm)보다 큰 진동 응답 진폭에서 진동하도록 구성되는,
초저주파수 진동 유량계(100).
제 1 항에 있어서,
상기 하나 이상의 유관(103A, 103B)은 유관 강성, 유관 길이, 유관 종횡비, 유관 물질, 유관 두께, 유관 형태, 유관 기하형상, 또는 하나 이상의 진동 마디 위치 중 하나 이상의 구성에 의해 상기 초저주파수 진동 응답을 이루도록 구성되는,
초저주파수 진동 유량계(100).
제 1 항에 있어서,
상기 초저주파수 진동 유량계(100)는 기결정된 저주파수에서 이탈-공진되게(off-resonance) 여기되고 이탈-공진 질량 유동 측정치가 얻어지며,
상기 이탈-공진 질량 유동 측정치는 디커플링 및 SOS 효과에 실질적으로 영향받지 아니하는,
초저주파수 진동 유량계(100).
제 12 항에 있어서,
상기 기결정된 저주파수는 다상 에러를 실질적으로 제거하도록 선택된 임계치보다 큰 역의 스토크 수(δ)에 상응하도록 선택된,
초저주파수 진동 유량계(100).
제 12 항에 있어서,
상기 이탈-공진 질량 유동 측정치가 공진 주파수에서 얻어진 공진 질량 유동 측정치와 비교되고,
상기 이탈-공진 질량 유동 측정치 및 상기 공진 질량 유동 측정치가 기결정된 디커플링 범위보다 많이 상이하다면 다상 표시가 생성되는,
초저주파수 진동 유량계(100).
제 12 항에 있어서,
상기 초저주파수 진동 유량계(100)는 다수의 기결정된 이탈-공진 주파수에서 이탈-공진되게 여기되고 다수의 상응하는 이탈-공진 질량 유동 측정치가 얻어지며,
상기 다수의 이탈-공진 질량 유동 측정치는 다상 유동이 존재하는지를 결정하고 다상 에러 크기를 결정하기 위해 비교되는,
초저주파수 진동 유량계(100).
이물질 크기 또는 이물질 조성에 무관하게 유동 유체에 대한 기결정된 최소 디커플링 주파수 미만인 초저주파수에서 초저주파수 진동 유량계의 하나 이상의 유관을 진동시키고;
초저주파수 진동 응답을 수신하고; 및
상기 초저주파수 진동 응답으로부터 하나 이상의 유동 측정치를 생성하는 것:을 포함하는,
초저주파수 진동 유량계를 작동하는 방법.
제 16 항에 있어서,
상기 초저주파수 진동 응답은 이물질 크기 또는 이물질 조성에 무관하게 기결정된 최소 SOS/압축률 임계치 미만인,
초저주파수 진동 유량계를 작동하는 방법.
제 16 항에 있어서,
상기 초저주파수 진동 유량계는, 디커플링 비율(A_p/A_f)이 상기 초저주파수에서 동반 고체 또는 동반 가스에 대해 약 1:1이 되도록 구성되는,
초저주파수 진동 유량계를 작동하는 방법.
제 16 항에 있어서,
상기 초저주파수 진동 유량계는, 점도가 상기 초저주파수에서 상기 유동 유체에 대한 입자 운동에 관련하여 사실상 무한대가 되도록 구성되는,
초저주파수 진동 유량계를 작동하는 방법.
제 16 항에 있어서,
상기 초저주파수 진동 응답은 약 5헤르츠(Hz) 미만인,
초저주파수 진동 유량계를 작동하는 방법.
제 16 항에 있어서,
상기 초저주파수 진동 응답은 약 50헤르츠(Hz) 미만인,
초저주파수 진동 유량계를 작동하는 방법.
제 16 항에 있어서,
상기 초저주파수 진동 응답은 약 3.5 초과인 역의 스토크 수(δ)에 상응하는,
초저주파수 진동 유량계를 작동하는 방법.
제 16 항에 있어서,
상기 하나 이상의 유관은 매우 높은 진동 응답 진폭에서 진동하도록 구성되는,
초저주파수 진동 유량계를 작동하는 방법.
제 16 항에 있어서,
상기 하나 이상의 유관은 약 1밀리미터(mm)보다 큰 진동 응답 진폭에서 진동하도록 구성되는,
초저주파수 진동 유량계를 작동하는 방법.
제 16 항에 있어서,
상기 하나 이상의 유관은 약 5밀리미터(mm)보다 큰 진동 응답 진폭에서 진동하도록 구성되는,
초저주파수 진동 유량계를 작동하는 방법.
제 16 항에 있어서,
상기 하나 이상의 유관은 유관 강성, 유관 길이, 유관 종횡비, 유관 물질, 유관 두께, 유관 형태, 유관 기하형상, 또는 하나 이상의 진동 마디 위치 중 하나 이상의 구성에 의해 상기 초저주파수 진동 응답을 이루도록 구성되는,
초저주파수 진동 유량계를 작동하는 방법.
제 16 항에 있어서,
상기 초저주파수 진동 유량계는 기결정된 저주파수에서 이탈-공진되게 여기되고 이탈-공진 질량 유동 측정치가 얻어지며,
상기 이탈-공진 질량 유동 측정은 디커플링 및 SOS 효과에 실질적으로 영향받지 아니하는,
초저주파수 진동 유량계를 작동하는 방법.
제 27 항에 있어서,
상기 기결정된 저주파수는 다상 에러를 실질적으로 제거하도록 선택된 임계치보다 큰 역의 스토크 수(δ)에 상응하도록 선택된,
초저주파수 진동 유량계를 작동하는 방법.
제 27 항에 있어서,
상기 이탈-공진 질량 유동 측정치는 공진 주파수에서 얻어진 공진 질량 유동 측정치와 비교되고,
상기 이탈-공진 질량 유동 측정치 및 상기 공진 질량 유동 측정치가 기결정된 디커플링 범위보다 많이 상이하다면 다상 표시가 생성되는,
초저주파수 진동 유량계를 작동하는 방법.
제 27 항에 있어서,
상기 초저주파수 진동 유량계는 다수의 기결정된 이탈-공진 주파수에서 이탈-공진되게 여기되고 다수의 상응하는 이탈-공진 질량 유동 측정치가 얻어지며,
상기 다수의 이탈-공진 질량 유동 측정치는 다상 유동이 존재하는지를 결정하고 다상 에러 크기를 결정하도록 비교되는,
초저주파수 진동 유량계를 작동하는 방법.
적어도 예상된 유동 유체에 기초하여 초저주파수 진동 유량계에 대한 기결정된 초저 동작 주파수(very low operating frequency)를 결정하고;
상기 기결정된 초저 동작 주파수에 기초하여 하나 이상의 유관 설계 특성을 선택하고; 그리고
상기 선택된 하나 이상의 유관 설계 특성을 채택하여 상기 초저주파수 진동 유량계를 구성하는 것을 포함하되,
상기 초저 동작 주파수는 이물질 크기 또는 이물질 조성과 무관하게 상기 유동 유체에 대한 기결정된 최소 디커플링 주파수 미만이며,
상기 하나 이상의 유관 설계 특성은 상기 기결정된 초저 동작 주파수를 실질적으로 이루도록 선택되는,
초저주파수 진동 유량계를 형성하는 방법.
제 31 항에 있어서,
초저주파수 진동 응답이 이물질 크기 또는 이물질 조성에 무관하게 유동 유체의 기결정된 최소 디커플링 주파수 미만인,
초저주파수 진동 유량계를 형성하는 방법.
제 31 항에 있어서,
상기 유량계는, 디커플링 비율(A_p/A_f)가 상기 초저주파수에서 동반 고체 또는 동반 가스에 대해 약 1:1이 되도록 구성되는,
초저주파수 진동 유량계를 형성하는 방법.
제 31 항에 있어서,
상기 유량계는, 점도가 상기 초저주파수에서 상기 유동 유체에 대한 입자 운동에 관련하여 사실상 무한대가 되도록 구성되는,
초저주파수 진동 유량계를 형성하는 방법.
제 31 항에 있어서,
초저주파수 진동 응답이 이물질 크기 또는 이물질 조성에 무관하게 기결정된 최소 SOS/압축률 임계치 미만인,
초저주파수 진동 유량계를 형성하는 방법.
제 31 항에 있어서,
초저주파수 진동 응답이 약 5헤르츠(Hz) 미만인,
초저주파수 진동 유량계를 형성하는 방법.
제 31 항에 있어서,
초저주파수 진동 응답이 약 50헤르츠(Hz) 미만인,
초저주파수 진동 유량계를 형성하는 방법.
제 31 항에 있어서,
초저주파수 진동 응답이 약 3.5 초과인 역의 스토크 수(δ)에 상응하는,
초저주파수 진동 유량계를 형성하는 방법.
제 31 항에 있어서,
상기 하나 이상의 유관은 매우 높은 진동 응답 진폭에서 진동하도록 구성되는,
초저주파수 진동 유량계를 형성하는 방법.
제 31 항에 있어서,
상기 하나 이상의 유관은 약 1밀리미터(mm)보다 큰 진동 응답 진폭에서 진동하도록 구성되는,
초저주파수 진동 유량계를 형성하는 방법.
제 31 항에 있어서,
상기 하나 이상의 유관은 약 5밀리미터(mm)보다 큰 진동 응답 진폭에서 진동하도록 구성되는,
초저주파수 진동 유량계를 형성하는 방법.
제 31 항에 있어서,
상기 하나 이상의 유관은 유관 강성, 유관 길이, 유관 종횡비, 유관 물질, 유관 두께, 유관 형태, 유관 기하형상, 또는 하나 이상의 진동 마디 위치 중 하나 이상의 구성에 의해 초저주파수 진동 응답을 이루도록 구성되는,
초저주파수 진동 유량계를 형성하는 방법.
제 31 항에 있어서,
상기 초저주파수 진동 유량계는 기결정된 저주파수에서 이탈-공진되게 여기되고 이탈-공진 질량 유동 측정치가 얻어지며,
상기 이탈-공진 질량 유동 측정치는 디커플링 및 SOS 효과에 실질적으로 영향받지 아니하는,
초저주파수 진동 유량계를 형성하는 방법.
제 43 항에 있어서,
상기 기결정된 저주파수는 다상 에러를 실질적으로 제거하도록 선택된 임계치보다 큰 역의 스토크 수(δ)에 상응하도록 선택된,
초저주파수 진동 유량계를 형성하는 방법.
제 43 항에 있어서,
상기 이탈-공진 질량 유동 측정치는 공진 주파수에서 얻어진 공진 질량 유동 측정치와 비교되고,
상기 이탈-공진 질량 유동 측정치 및 상기 공진 질량 유동 측정치가 기결정된 디커플링 범위보다 많이 상이하다면 다상 표시가 생성되는,
초저주파수 진동 유량계를 형성하는 방법.
제 43 항에 있어서,
상기 초저주파수 진동 유량계는 다수의 기결정된 이탈-공진 주파수에서 이탈-공진되게 여기되고 다수의 상응하는 이탈-공진 질량 유동 측정이 얻어지며,
상기 다수의 이탈-공진 질량 유동 측정은 다상 유동이 존재하는지를 결정하고 다상 에러 크기를 결정하도록 비교되는,
초저주파수 진동 유량계를 형성하는 방법.