KR20130125764A - 흐름 조절기 장치와 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 시간전송차 초음파 유량계의 정확도에 열구배의 영향을 최소화하기 위하여 유체흐름을 치환 및 혼합하기 위한 흐름 조절기에 관한 것이고 또 파이프 내에 배치되도록 되고 또 유체 흐름에 대하여 하류방향에서 커버링의 외부로부터 파이프의 중심을 향하여 안쪽으로 연장하며 또한 파이프의 내부표면에 대하여 0°와 90°사이의 각도를 형성하는 제1램프를 갖는 파이프에서 단면 방향으로 커버링을 형성한다. 흐름 조절기는 제1램프와 나란히 배치되는 제2램프를 갖고, 상기 제2램프는 유체 흐름에 대하여 상류방향에서 커버링의 외부로부터 파이프의 중심을 향하여 안쪽으로 연장하고 또한 파이프의 내부표면에 대하여 0°와 90°사이의 각도를 형성한다.

Description

흐름 조절기 장치와 방법{Conditioner, apparatus and method}
본발명은 초음파 유량계의 변환기가 설치된 파이프의 변환기 사이트(site) 앞에서 파이프 내를 흐르는 유체의 열적 경계층(thermal boundary layer)을 치환하고 또 혼합하는 것에 관한 것이다. (여기에 사용된 바와 같이, "본 발명" 또는 "발명"에 대한 참조는 예시적인 실시예에 관한 것이고 반드시 첨부된 특허청구범위에 의해 포함된 모든 실시예에 관한 것일 필요는 없다). 특히, 본 발명은 초음파 유량계의 변환기가 제1램프(ramp)와 이 제1램프와 나란히 설치된 적어도 제2램프와 배열된 파이프의 변환기 사이트 앞에서 파이프 내의 유체의 층류 흐름에서 열적 경계층을 치환하고 또 혼합하는 것에 관한 것이다.
본 섹션은, 본 발명의 다양한 관점에 관련될 수 있는 기술의 여러 관점에 대하여 독자에게 소개하기 위한 것이다. 이하의 논의는 본 발명의 더 나은 이해를 촉진하는 정보를 제공하기 위한 것이다. 따라서 이하의 논의에서의 진술은 이러한 견지에서 읽혀져야 하고, 종래 기술의 승인으로 읽혀져서는 안된다.
시간전송차(transit time) 초음파 유량계는, 광범위한 적용조건에 걸쳐 높은 정확도의 작동이 가능하다. 이는 액체 탄화수소의 보관수송(custody transfer)과 같은 적용예에 채용된다. 대부분의 적용예에서, 속도, 파이프 직경 및 점성의 조합은 흐름이 난류(turbulent)인 것과 같다. 난류 흐름은, 흐름의 교차혼합을 제공하는 난류성 와류 또는 "소용돌이"의 존재를 특징으로 한다.
'중유(heavy oil)'의 생산 및 수송과 같은 몇몇 적용예에서, 유체 점성은 정상보다 더 크고, 그 결과로 흐름은 천이(transitional) 또는 층류(laminar) 영역일 수 있다. 천이흐름은 일반적으로 레이놀즈 수(Reynolds number)가 2,000과 10,000 사이인 영역에서 발생한다. 층류 흐름은 일반적으로 2,000 이하의 레이놀즈 수에서 발생한다. 층류조건에서, 흐름은 본질적으로 교차흐름의 혼합이 없이, 도관의 축에 평행하게 흐른다. 천이흐름 영역에서, 흐름은 본질적으로 층류와 난류 조건 사이에서 앞뒤로 전환한다.
흐름이 층류 영역에 있을 때, 난류 혼합의 부족은 유체에 온도구배가 형성될 수 있음을 의미한다. 예컨대, 만일 파이프의 단면에 진입하는 유체흐름은 파이프 자체보다 더 높은 온도이고, 파이프 벽에 직접 인접한 유체는 파이프 벽의 온도로 냉각되며, 파이프의 벽과 중심 사이에 온도구배가 형성된다. 온도구배의 형태는, 흐름 속도, 온도 차이, 유체의 열전도도 및 도관을 따른 거리와 같은 인자들에 따라 변한다. 일반적으로, 관심분야에서, 온도는 파이프 벽에 가까운 영역에서 급격히 변화한다.
시간전송차 초음파 유량계는, 흐름속도 및 체적유량을 산정함으로써, 또 초음파 펄스의 경과시간(flight time)을 측정함으로써 작동한다. 높은 정확도를 요구하는 적용예에 대하여, 보통 초음파 변환기는 파이프 스풀(spool)에 통합된 하우징에 설치되고 하우징의 표면은 파이프 축에 소정 각도(일반적으로 45°)를 이룬다. 높은 정확도의 적용예에 대한 전형적인 유량계 설계의 추가적인 관점은, 변환기 하우징이 도관의 내벽 너머로 돌출하지 않는다는 것이다. 그러한 캐비티(cavity)가 하우징의 앞에 형성되고, 또 초음파는 도관의 단면을 횡단하고 또 수신 변환기 앞의 제2캐비티를 통과하기 전에 상기 캐비티를 통과한다. 2개의 변환기 하우징의 표면 사이의 유체가 동질(homogenous)이고 또 등온(isothermal)이라면, 초음파는 본질적으로 직선 경로로 진행한다. 그러나 층류 흐름조건에서 온도구배가 존재한다면, 캐비티에 갇힌 유체는 파이프 벽 온도를 취한다. 소리의 속도는 온도의 함수이기 때문에, 초음파는 하나의 변환기로부터 다른 변환기로 진행함에 따라 굴절되어야 한다는 결과가 얻어진다. 이는 직선이고 일정한 경로를 따라 진행하는 대신에, 초음파에 의해 취해진 경로는 이제 공정 유체, 온도 및 흐름조건의 함수임을 의미한다.
그렇지만, 소위 클램프(clamp-on) 초음파 유량계와 같은, 변환기가 도관 외부에 장착된 경우에, 온도구배의 존재는 초음파 경로의 추가 굴절로 이어지고 이는 유량계의 계산 알고리듬에 적용된 가정과는 다르다. 유량계는 종종 상류 흐름조건 장치의 어떤 형태로 배치된다. 일반적으로, 유량계는 흐름속도의 비축방향 (non-axial)성분을 제거하기 위하여 및/또는 파이프를 가로지르는 속도 프로파일을 재구성하기 위하여 배치된다. 실시예는, 파이프 단면방향에서보다 파이프 축방향에서 더 긴 경로로 흐름을 분할함으로써 비축방향 흐름성분을 제거하는 것을 주된 목적으로 하는 튜브 다발(도 1a) 및 베인 타입 조절기(conditioner: 도 1b)이다.
천공 플레이트 흐름 조절기는 비축방향 흐름 제거 및 축방향 속도 프로파일 모두를 재구성할 의도로 설계된다. 이는 도 2에 도시된 바와 같이, 흐름을 일련의 제트(jet)로 분할하는 플레이트에 천공을 사용함으로써 달성된다. 플레이트를 가로지른 압력차의 결과로 흐름은 재분포되고 또 플레이트 하류에서 제트의 난류 혼합은 본질적으로 균일하고 또 대량의 비축방향 흐름 성분이 없는 흐름 속도 분포를 만든다.
Vortab장치와 같은 탭(tab)-타입 흐름 조절기는, 흐름을 혼합하는 큰 와류를 생성하기 위하여 탭(tab)을 사용하고, 상류에 존재하는 임의의 대량의 비축방향 흐름 성분을 파괴하여 축방향 속도 프로파일을 재분포시킨다. 이들 와류는 하류를 분산시켜 계기에 나타난 속도필드가 장치의 상류에 존재할 수 있는 분포된 조건에 비하여 개선된다. 탭 타입 조절기의 일례가 도 3a와 3b에 도시된다.
이들 장치의 어느 것도 층류 흐름의 적용예 또는 경계에서 열 구배의 특별한 문제에 대하여 논의하지 않았다. 이들은 보통 상술된 목적을 위하여, 또는 종종 혼합을 위하여 난류 흐름조건에 배치된다. 이와 같이, 이들은 논의 중인 특별한 문제에 대한 언급이 결여되어 있다. 튜브 다발 및 베인 조절기들은, 흐름을 혼합하거나 또는 경계층을 교란하기 위하여 설계된 것이 아니고, 또 이들이 통과하는 열 경계층에 거의 영향을 주지 않는다. 플레이트 및 탭-타입 조절기의 경우, 비록 이들이 난류 흐름조건에서 혼합을 위해 사용될 수 있지만, 이들은 층류 흐름에서 경계에서의 열 구배 문제를 해결하기에 비효율적이다. 이는 (1) 경계층 흐름이 비교적 영향을 받지않고 통과할 수 있는 영역들이 존재하고, (2) 경계층이 벽으로부터 분리되는 층류 흐름에서, 열 구배가 크게 보존되도록 재부착되려고 하기 때문이다.
이는 탭-타입 조절기를 참조로 설명될 수 있다. 통상적인 탭-타입 조절기는, 도 3a와 3b에 도시된 바와 같이 도관의 축을 따라 이격된 복수의 지점의 각각에 4개 탭의 그룹을 갖는다. 도관을 살펴보면, 각 그룹의 탭(1)들은 도 3a에 도시된 바와 같이 서로 정렬된다. 따라서 탭 사이의 영역(2)에서, 벽에서의 경계층은 도 3a에 도시된 바와 같이 교란되지 않고 통과할 수 있다. 나아가서, 층류 경계층(3)이 탭의 존재에 의해 강제로 벽으로부터 분리되면, 이는 하류에서 재부착되고, 탭 뒤에 재순환영역 또는 데드(dead) 영역(4)을 생성한다. 이는 2차원 형태의 단일 탭에 대하여 도 4에서 설명된다. 탭 뒤의 영역에 갇힌 유체는 경계층(3)의 온도를 취하고 또 재부착된 경계층(5)에서 여전히 열 구배가 존재한다.
다른 관련된 분야는, 도관 내에서 2개 유체의 혼합 또는 하나의 유체의 균질화인바, 유체의 균질화는 열교환기에서 온도 재분포로의 적용예를 포함한다. 층류 흐름조건에서, 정적(static)혼합기는 편평한 또는 굴곡진 블레이드의 배열로 구성된 것으로 알려져 있다. 이들 블레이드들은 2개 이상의 평면에서 교대로 배열된 블레이드를 갖춘 조립체로 결합되고, 이들 평면은 일반적으로 도 5a와 5b에 도시된 바와 같이, 도관에 대하여 45°또 서로에 대하여 90°각도이다. 블레이드의 추가적인 평면은 도 6에 도시된 바와 같이, 단일(single) 조립체에 종종 포함된다. 단일 조립체에서, 모든 블레이드는 서로에 대하여 평행하다(예컨대, 수평 또는 수직인). 더 효과적인 혼합을 위하여, 이러한 타입의 혼합기는, 도 7a와 7b에 도시된 바와 같이, 하나의 서브조립체의 블레이드들이 다른 서브조립체에 다른 각도를 갖는 몇몇 서브조립체로 구성될 수 있다. 이러한 혼합기의 특징은, 도관의 축을 내려다 볼 때 블레이드들이 도관을 완전히 가로 질러 연장하는 것이고, 이들은 층류 흐름의 직선 관통통로에 대하여 방해받지 않은 영역을 남기지 않는다(예컨대, 도 5a).
본발명은 초음파 유량계의 변환기가 설치된 파이프의 변환기 사이트 앞에서 파이프 내를 흐르는 유체의 열적 경계층을 바꾸고 또 혼합하는 흐름 조절기 장치 및 그 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 서류에 기재된 발명은, 초음파 유량계가 층류 흐름영역에서 더 정확하게 작동할 수 있도록 도관에서 흐름조건을 변경하기 위하여 사용된다. 도관의 벽 바로 옆에 존재하는 열 구배가 실질적으로 제거되도록 도관의 주위에서 유체를 치환(displace)하고 또 혼합(mix)함으로써 흐름이 조절된다. 이는 또한 유량계에 의해 측정된 초음파 시간전송차 유량과 흐름의 실제 유량 사이의 더욱 조화된 관계로 이어진다.
첨부 도면에서, 본 발명의 바람직한 실시예와 본 발명을 실시하는 바람직한 방법들이 도시된다.
도 1a는, 종래기술의 튜브 다발을 도시한다.
도 1b는, 종래기술의 베인 스트레이트너를 도시한다.
도 2는, 종래기술의 천공 플레이트 조절기를 도시한다.
도 3a와 3b는, 종래기술의 탭-타입 조절기를 도시한다.
도 4는, 단일 탭과 유체에서 층류 경계층상에서 그 효과를 도시한다.
도 5a와 5b는, 정적 혼합기의 종래기술의 블레이드를 도시한다.
도 6은, 도 5와 비교하여 추가 블레이드를 갖는 정적 혼합기의 종래기술의 블레이드를 도시한다.
도 7a와 7b는, 하나의 서브조립체의 블레이드들이 다른 서브조립체에 다른 각도를 갖는 몇몇 서브조립체를 갖춘 종래 기술의 정적 혼합기를 도시한다.
도 8a, 8b, 8c 및 8d는, 유체 흐름의 경계층 상에서 램프의 효과를 도시한다.
도 9는, 본 발명 장치의 측단면도를 도시한다.
도 10a, 10b 및 108c는, 초음파를 유체 내부로 전송하기 위한 변환기 하우징을 도시한다.
도 11a와 11b는, 다른 구성을 형성하는 램프를 도시한다.
도 12는, 유체 흐름에서 바깥쪽으로 경사진 램프 및 안쪽으로 경사진 램프의 효과를 도시한다.
도 13a와 13b는, 다른 관계로 서로 중첩된 램프를 도시한다.
도 14는, 제1어레이의 램프와 제1어레이의 램프의 하류의 제2어레이의 램프를 도시한다.
도 15a, 15b, 15c 및 15d는, 공유된 융기부로부터 위쪽 및 아래 쪽으로 연장하는 램프를 도시한다.
도 16a, 16b 및 16c는, 중앙 지지대에 의해 지지된 램프를 도시한다.
도 17a, 17b, 17c, 17d, 17e 및 17f는 다른 단면적의 램프를 도시한다.
도 18은, 파이프의 외주를 따른 복수의 위치에서 램프를 도시한다.
도 19는, 본 발명의 조절기의 사진을 도시한다.
도 20은, 본 발명의 조절기가 없이 계기인자를 레이놀즈 수 및 온도의 함수로 도시한 그래프이다.
도 21은, 본 발명의 조절기를 갖추고서 계기인자를 레이놀즈 수 및 온도의 함수로 도시한 그래프이다.
도 22는, 본 발명의 조절기를 도시한다.
도 23은, 본 발명의 조절기를 갖춘 파이프의 일부를 도시한다.
몇몇 도면, 특히 도 9, 13a와 13b을 통해 같은 참조번호가 유사하거나 동일한 부위를 나타내는 도면들을 참조하면, 파이프(14)에서 단면방향으로 커버링 (envelope)(covering: 12)을 형성하는 유체흐름을 치환 및 혼합하기 위하여 흐름 조절기(10)가 도시된다. 파이프는 초음파 유량계(16)의 변환기용 변환기 사이트 또는 오목부(24)를 가질 수 있고, 또는 변환기들은 파이프(14)의 외부에 설치된 클램프-타입 계기에 사용되는 것과 같은 외부 변환기 또는 캐비티가 다른 재료로 충진된 변환기일 수 있다. 대신에, 더욱 일반적으로, 조절기는 유량계를 이용하지 않는 적용예에서 파이프와 함께 사용될 수 있다.
조절기는, 파이프(14)내에 배치되도록 되고 또 유체 흐름에 대하여 하류방향에서 커버링(12)의 외부로부터 파이프(14)의 중심을 향하여 안쪽으로 연장하며 또한 파이프의 내부표면(20)에 대하여 0°와 90°사이의 각도를 형성하는 제1램프(ramp: 18)을 포함한다. 조절기는, 파이프(14)내에서 또 제1램프(18)와 나란히 배치되도록 된 제2램프(22)를 포함한다. 제2램프(22)는 유체 흐름에 대하여 상류방향에서 커버링(12)의 외부로부터 파이프(14)의 중심을 향하여 안쪽으로 연장하고 또한 파이프의 내부표면(20)에 대하여 0°와 90°사이의 각도를 형성한다. 제1 및 제2램프(18, 22)는 변환기 사이트가 존재하는 적용예에서, 변환기 사이트(24)중의 하나의 상류에 위치되도록 된다.
흐름 조절기(10)는, 도 22에 도시된 바와 같이, 파이프(14)에 부착된 표면(face: 28)과 파이프(14)내의 유체가 흐르는 영역에 의해 형성된 표면(28)의 개구부(30)를 갖는 플랜지(26)를 포함할 수 있다. 제1 및 제2램프(18, 22)는 표면(28)에 부착되고 또 그로부터 연장한다. 플랜지(26)는 변환기 사이트(24)의 상류에서 파이프(14)에 부착된다. 흐름 조절기(10)는 파이프(14)내에 배치되도록 되고 또 유체 흐름에 대하여 하류방향에서 커버링(12)의 외부로부터 파이프(14)의 중심을 향하여 안쪽으로 연장하며 또한 파이프의 내부표면(20)에 대하여 0°와 90°사이의 각도를 형성하는 제3램프(ramp: 32)을 포함한다. 조절기는, 파이프(14)내에서 또 제3램프(32)와 나란히 배치되도록 된 제4램프(34)를 포함한다. 제4램프(34)는 유체 흐름에 대하여 상류방향에서 커버링(12)의 외부로부터 파이프(14)의 중심을 향하여 안쪽으로 연장하고 또한 파이프의 내부표면(20)에 대하여 0°와 90°사이의 각도를 형성한다. 제3 및 제4램프(32, 34)는 표면(28)에 부착되고 또 그로부터 연장한다. 도 23은 파이프(14)내에 위치된 조절기를 도시한다.
제1램프(18)와 제2램프(22)는 각각 제3램프(32)와 제4램프(34)와 이격된 관계로 위치될 수 있다. 흐름 조절기(10)는 스트립(38)과 이 스트립(38)에 부착되고 또 그로부터 연장하는 제5램프(36)를 포함할 수 있다. 제1램프(18)는 스트립(38)에 부착되고 또 그로부터 연장하고, 스트립(38)은 제1램프(18)와 제5램프(36)사이에 배치된다. 제1램프(18)는 제2램프(22)와 직렬(in series)이고 또 제3램프(32)는 제4램프(34)와 직렬일 수 있다. 제1, 2, 3 및 4 램프(18, 22, 32, 34)는 본질적으로 파이프(14)의 내부표면(20)으로부터 파이프(14) 직경의 약 1/5 높이까지 연장할 수 있다.
하나의 실시예에서, 제1램프(18)는 제2램프(22)의 옆에 평행하게 위치된다. 다른 실시예에서, 제1, 2, 3 및 4 램프(18, 22, 32, 34)는 유체 흐름에 노출된 편평한 표면(40)을 갖는다. 또 다른 실시예에서, 제1, 2, 3 및 4 램프(18, 22, 32, 34)는, 도 17a-17f에 도시된 바와 같이, 유체 흐름에 노출된 편평하지 않은 표면(40)을 갖는다.
도 13a, 13b, 14, 15a-15d 및 22를 참조하면, 제1램프(18)는 자신의 바로 뒤에 또는 자신의 뒤에 이격되게, 예컨대 한쪽에 대해 램프의 폭 정도의 거리로 이격되게 제2램프(22)를 가질 수 있다. 추가적인 램프들이 제1램프(18) 및 제2램프(22)와 평행하게 번갈아 위치될 수 있고, 그리하여 서로 인접한 램프들 사이에 램프의 폭 정도의 공간이 존재하며, 도 22에 도시된 바와 같이 제1세트의 램프들 뒤의 일련의 램프들이 제1세트의 램프들 사이의 공간과 정렬된다. 제1세트의 램프들은 파이프(14)의 내부표면 또는 플랜지(26)로부터 위쪽으로 연장할 수 있고, 제2세트의 램프들은 파이프(14)의 내부표면 또는 플랜지(26)로부터 아래 쪽으로 연장할 수 있으며, 제1세트의 램프들은 본질적으로 흐름의 방향에 대하여 사면(hill)의 위쪽 방향 경사면을 형성하고 또 제2세트의 램프들은 사면의 아래 쪽 방향 경사면을 형성한다. 제2램프(22)는 제1램프(18)로부터 직렬로 연장하고, 이들 사이에 스트립(38)을 가지며, 또는 경계조건 및 흐름에 따라 약 1 - 2인치로부터 약 1, 2, 4 또는 6피트까지의 공간을 가질 수 있다.
본 발명은 파이프(14) 내에서 유체 흐름을 결정하기 위한 장치(11)에 관한 것이다. 상술한 바와 같이, 파이프는 변환기 오목부(24)를 갖거나 또는 갖지 않는 변환기 사이트를 갖는다. 장치(11)는, 파이프(14)내의 유체 흐름과 소통하는 변환기들을 갖는 초음파 유량계(16)를 포함한다. 변환기 오목부(24)가 존재하는 실시예에서, 변환기는 변환기 오목부(24)를 매개로 유체 흐름과 소통한다. 장치(11)는, 단면 방향에서 커버링(12)을 형성하는 유체흐름을 치환 및 혼합하기 위하여, 파이프(14)내에 배치되고 또 유체 흐름에 대하여 하류방향에서 커버링(12)의 외부로부터 파이프(14)의 중심을 향하여 안쪽으로 연장하며 또한 파이프의 내부표면(20)에 대하여 0°와 90°사이의 각도를 형성하는 제1램프(18)을 갖는 흐름 조절기(10)를 포함한다. 흐름 조절기(10)는, 파이프(14)내에서 또 제1램프(18)와 나란히 배치되도록 된 제2램프(22)를 갖는다. 제2램프(22)는 유체 흐름에 대하여 상류방향에서 커버링(12)의 외부로부터 파이프(14)의 중심을 향하여 안쪽으로 연장하고 또한 파이프의 내부표면(20)에 대하여 0°와 90°사이의 각도를 형성한다.
변환기 사이트가 존재하는 실시예에서, 제1 및 제2램프(18, 22)는 변환기 사이트(24)들 중의 하나의 상류에 위치하도록 된다. 흐름 조절기(10)는 일반적으로 변환기 사이트(24)로부터 상류에 파이프(14)의 직경의 5-15배의 거리에 위치되고, 이 거리는 상황에 따라 파이프(14)의 직경의 5-15배보다 더 길거나 짧을 수 있다.
본 발명은 파이프(14) 내에서 유체 흐름을 결정하기 위한 방법에 관한 것이다. 파이프(14)는 복수의 변환기 사이트(24)를 가질 수 있다. 본 발명 방법은, 파이프의 내부 표면(20)으로부터 0°와 90°사이의 각도로 연장하는 제1램프(18)로써 파이프의 내부 표면(20)에 인접한 유체흐름에서 열 경계층을 치환하는 단계를 포함한다. 변환기 사이트가 존재하는 실시예에서, 제1램프(18)는 복수의 변환기 사이트(24) 중의 하나의 변환기 사이트로부터 상류에 배치된다. 초음파 유량계(16)의 변환기로부터 유체 흐름으로 초음파 신호를 송신하는 단계가 있다. 만일 변환기 오목부(24)가 존재한다면, 변환기는 하나의 오목부를 매개로 유체 흐름과 소통한다. 파이프의 내부 표면으로부터 0°와 90°사이의 각도로 연장하고 또 제1램프와 평행한 제2램프로써 파이프의 내부 표면에 인접한 유체흐름에서 열 경계층을 치환하는 단계가 있다. 유량계(16)의 신호로부터 흐름을 계산하는 단계가 있다. 파이프의 내부 표면(20)으로부터 0°와 90°사이의 각도로 연장하고 또 제1램프(18)와 평행하게 배치되며 또 변환기 사이트의 상류에 위치한 제2램프(22)로써 열 경계층을 치환하는 단계가 있다.
본 발명은 파이프(14) 내에서 유체 흐름을 결정하기 위한 방법에 관한 것이다. 본 발명 방법은, 파이프의 내부 표면(20)으로부터 0°와 90°사이의 각도로 연장하는 제1램프(18)로써 파이프의 내부 표면(20)에 인접한 유체흐름에서 열 경계층을 치환하는 단계를 포함한다. 파이프의 내부 표면(20)으로부터 0°와 90°사이의 각도로 연장하고 또 제1램프(18)와 평행한 제2램프(22)로써 열 경계층을 치환하는 단계가 있다. 본질적으로, 제1램프(18)는 파이프(14)의 내부 표면(20)으로부터 유체를 밀어내는 것으로 생각될 수 있고 또 제2램프(22)는 파이프의 내부 표면(20)쪽으로 유체를 밀어넣는 것으로 생각될 수 있다.
본 발명의 작동에서, 본 발명은 층류 흐름조건에서 초음파 유량계의 성능을 향상하도록된 흐름 조정장치로 작동된다. 장치는 도관의 벽에서의 유체를 치환 및 혼합하기 위하여 반경방향 운동을 생성하도록 된 램프 조립체로써 흐름을 조절한다. 도관을 통한 흐름 방향에 대하여, 램프들은 도관의 중심을 향하여 안쪽으로 또는 도관의 벽을 향하여 바깥쪽으로 경사진다. 도 8a, 8b, 8c 및 8d에 도시된 바와 같이, 안쪽으로 경사진 램프들은 경계층의 유체를 파이프(14)의 중심 쪽으로 가압하는 한편, 바깥쪽으로 경사진 램프들은 경계층과 치환 및 혼합하기 위하여 유체를 벽 쪽으로 가압한다.
사용한 방법은, 경계층에서 흐름을 치환하고 또 부분적으로 혼합하기 위하여 유량계(16)의 상류에서 도관 내에 조절기를 위치시키는 것을 포함한다. 조절기와 유량계(16) 사이의 거리는 유량계의 위치에서 관측되는 수압 교란을 감소하기에 충분히 길지만, 도관의 개재된 단면에서 파이프 벽에 상당한 열 구배가 재구축되지 않는 것을 확보하기에 충분히 짧다. 조절기를 포위하는 도관, 유량계(16)자체 및, 조절기와 유량계 사이의 연결도관은, 바람직하기에는 파이프(14)의 외부와 내용물 사이의 열전달이 최소가 되도록 단열된다. 사용된 방법의 설명이 도 9에 도시된다. 만일 원한다면, 단열부재(51)가 사용될 수 있다.
도 10a, 1b 및 10c는, 초음파를 유체 내로 송신하기 위하여 초음파 유량계의 일부로서 변환기 하우징을 나타낸다. 여기에 도시된 도면은 단지 2차원이다. 실제로, 3차원 기하구조는 일반적으로 더 복잡하고, 원통형 도관 벽 및 원통형 변환기 하우징을 포함한다. 그러나 단순화된 2차원 케이스는 문제의 속성을 나타내기 위하여 제 역할을 한다. 도 10a에서, 유체의 온도는 균일하고, 또 초음파는 변환기 하우징의 표면(28)에 수직인 방향으로 진행한다. 도 10b에서, 파이프 벽은 도관 중심의 유체보다 더 뜨겁거나 더 차갑다. 따라서 파이프(14)의 중심에서의 유체보다 더 높거나 낮은 온도를 갖는 파이프 벽에 인접한 유체 층(layer)이 존재한다. 이는 변환기의 앞의 캐비티 내의 유체가 파이프 벽에 인접한 유체 층과 같은 온도가 되는 결과가 된다. 따라서 초음파의 진행경로를 따른 소리의 속도는 일정하지 않고 또 초음파는 굴절되어 경로 각도에 변화를 유발한다. 이는 예로써 더 설명될 수 있다. 실제로 소리 속도의 변화는 연속적이지만, 여기서는 간략화를 위하여 소리 속도에서 갑작스런 변화는 파이프 벽으로부터 짧은 거리에서 일어나는 것으로 가정할 수 있는바, 왜냐하면 작업 중인 원칙들을 설명하는데 기여하기 때문이다. 초음파가 도관의 축에 45°각도로 변환기 하우징을 떠나고, 캐비티에서 유체의 소리속도가 1470 m/s라고 가정하면, 도관의 중심에서 유체의 소리속도는 1463 m/s이다. 이는 유체 온도에서 약 2℃의 차이에 상당한다. 스넬(Snell)의 법칙으로부터, 파이프(14)에 대한 각도는 약 45.27°로 변화하는 것으로 계산할 수 있다. 이러한 각도 변화는 높은 정확도의 초음파 시간전송차 흐름측정의 조건에서 중요하다.
이제, 열 경계층이 램프에 의해 벽으로부터 바뀌는 경우를 고려한다. 만일, 도 10c에 도시된 바와 같이, 중심과는 다른 온도인 유체층이 벽에 재부착되는 것이 방지된다면, 층과 나머지 유체 사이의 열교환은 증가할 것이다. 또한, 벽으로부터 층의 분리는, 캐비티 내의 유체가 도관의 중심의 유체와 동일한 온도로 유지되는 것을 허용한다. 그러므로, 도 10c에 도시된 바와 같이, 만일 흐름에 존재하는 다른 온도의 얇은 유체 층이 있다 하더라도, 초음파가 교차하면 층의 굴절이 2번 발생하고, 또 초음파의 진행각도는 층 내에서 변화되기만 한다.
상기 설명은 조절기가 온도분포를 완전히 균일화할 필요는 없고, 벽에 가까운 경계층을 치환하는 것이 충분함을 보여준다. 이는 본 발명에서 사용된 램프 부재가 파이프(14)의 중심까지 연장하지 않아도 되고, 또 도 11a와 11b에 도시된 바와 같이, 일반적으로 그 높이가 도관 폭의 1/5 이하이다. 부재들이 도관의 중앙통로를 막지 않기 때문에, 이는 흐름의 전체 단면을 혼합하는 별도의 목적을 위해 설계된 층류흐름 혼합기와 비교할 때, 더 적은 압력손실로 이어진다. 본 발명의 이러한 관점은, 적용 조건이 광범위한 유량범위 및/또는 레이놀즈 수에 미칠 때 특히 유용하다.
상기에서 설명되고 또 도 10c에 도시된 바와 같이, 경계층의 재부착이 발생하는 것을 방지하기 위하여, 안쪽으로 또 바깥쪽으로 경사진 램프들이 조합되게 배치되는 것이 필요하다. 이러한 방식으로 배치되면, 바깥쪽으로 경사진 램프에 의해 파이프 벽 쪽으로 치환된 유체는 도 12에 도시된 바와 같이, 안쪽으로 경사진 램프의 후면으로 이송된다. 이는 도 13a에 도시된 바와 같이 오버랩하는 램프를 배치하거나 또는 안쪽으로 경사진 램프가 도 13b에 도시된 바와 같이 바깥쪽으로 경사진 램프의 상류에 짧은 거리로 위치될 것을 필요로 한다. 경계층으로부터 유체의 의도된 치환에 추가하여, 램프들의 이러한 구성은 또한 흐름에 회전운동을 유발함으로써 유체를 부분적으로 혼합할 것이다.
몇몇 경우에, 안쪽으로 또 바깥쪽으로 경사진 램프의 교번하는 하나의 어레이가 충분할 수 있다. 그러나 층류 영역에서 아주 낮은 레이놀즈 수에서의 서행하는 흐름과 같은 다른 경우에, 제1어레이의 하류에 위치된 추가적인 어레이의 램프를 갖는 것이 유리할 것이다. 안쪽으로 경사진 램프의 제1어레이의 하류에 안쪽으로 경사진 램프의 제2어레이가 위치되도록 하여, 바깥쪽으로 경사진 램프의 제1어레이에 의해 파이프 벽 쪽으로 치환된 유체가 제2어레이에 의해 바깥쪽으로 치환되게 추가적인 어레이들이 유리하게 위치될 수 있다. 이러한 구성이 도 14에 도시된다. 램프의 폭과 각도는 본 발명의 범위 내에서 변화할 수 있다.
도 13a와 13b에 도시된 간단한 형태에 추가하여, 램프들은 동일한 목적을 달성하기 위하여 달리 구성될 수 있다. 예들은 도 15a, 15b, 15c 및 15d에 도시된 바와 같은 공유된 융기부(plateau)로부터 위쪽 및 아래쪽으로 연장하는 램프 또는 도 16a 16b 및 16c에 도시된 바와 같이 중앙 지지대에 의해 지지된 램프를 포함한다. 또한 램프의 단면은 도 17a - 17f에 도시된 바와 같이, 직4각형, v자 형상 또는 굴곡진 채널의 형태일 수 있다.
조절기가 효과적이기 위하여, 각 변환기 사이트의 상류의 경계층을 파괴해야한다. 가장 높은 정확도의 시간전송차 초음파 유량계는 도 18에 도시된 바와 같이, 도관의 둘레 상의 복수의 위치에 변환기들을 갖는 다중 경로(multipath) 장치이다. 그러므로 램프들은 복수의 위치에 필요하다. 그러나 실제로는 도 11에 도시된 바와 같이, 연속한 어레이의 램프를 갖는 것이 더 편리할 수 있다.
도 19는, 본 발명 흐름 조절기 및 방법의 실험적인 확인을 위하여 제작된 경계층 흐름 조절기(10)의 사진을 도시한다. 상류에 흐름 조절기(10)가 설치되지 않은 초음파 유량계를 사용하여 제어실험이 먼저 수행되었다. 오일온도가 20, 30 및 40℃ 이고, 주변온도가 약 40℃인 층류 영역에서 시험이 이루어졌다. 도 20에 도시된 바와 같이, 표시된 유량과 실제 유량 사이의 비율인 계기인자(meter factor)는 흐름 조절기가 사용되지 않는다면 온도에 강하게 의존한다. 조절기가 설치된 파이프의 단부 주위에, 조절기와 유량계 사이의 파이프 길이에, 또 유량계 자체의 주위에 150mm 유리섬유 단열재(51)가 감겨져 있다. 조절기는 변환기 사이트의 상류에서 파이프 직경의 약 10배 거리에 위치된다. 이전과 동일한 온도조건으로, 다시 층류영역에서 2번째 세트의 시험이 수행되었다. 도 21에 도시된 바와 같이, 조절기가 사용되면, 오일 온도에 대한 계기인자의 감도가 급격히 감소되는 것이 명백하다.
일 예에서, 6인치 파이프(14)와 계기가 사용되었다. 조절기는 도 22에 도시된 바와 같이, 플랜지(26)링의 각 측면상에 용접된 2개 어레이의 램프로 구성되었다. 플랜지(26)링은 1/8인치 두께의 강철판으로부터 절단되되, 그 외경은 6인치 파이프 플랜지의 외경(8.5인치) 및 약 6과 1/16인치의 내경을 갖는 융기된 표면(28)과 동일하다. 램프 어레이는, 5인치 직경의 강철 튜브의 얇은 벽(약 1/16인치 두께)으로부터 만들어지되, 각각이 길이 2와 3/4인치로 절단되고 또 약 1/16인치의 절단폭을 갖고서 32개 탭, 폭 1/2인치 길이 1인치인 32개의 동일하게 이격된 길이방향 절단편(cut)을 갖고서 각 단부에서 끼워진다. 이러한 탭들은 튜브의 축에 약 30°각도로 그 기저부에서 안쪽으로 또는 바깥쪽으로 굽혀져서 램프를 형성하고, 그 결과로 외경이 6인치 파이프(14)의 내부와 거의 같고 또 내경이 약 3과 3/4인치가 된다. 램프 어레이 중의 하나는 플랜지(26) 한쪽 측면에 용접되고 또 다른 램프 어레이는 다른 측면에 용접되어, 흐름 방향에 대하여 연속하는 동일한 타입의 2개의 램프가 있게된다.
시간전송차 측정을 위하여 최소한 2개의 변환기가 사용되어야 한다. 이들 변환기는 모두 파이프(14)의 동일한 쪽(원주의 동일한 부위)상에 설치될 수 있지만, 축 아래에서 서로 치환될 수 있다. 이 경우, 램프는 변환기의 상류에서 원주 상에 단지 하나의 위치만을 커버해야 한다. 만일, 파이프(14)주위의 다른 위치에 변환기 사이트(24)를 갖추고서 많은 변환기가 사용된다면, 특정한 위치에서 보다 오히려 파이프(14)의 전체 외주 주위로 연장하는 조절기를 갖는 것이 더 실용적이다. 단일의 변환기 사이트에 대하여 상류에 최소한 2개의 램프(하나는 벽으로부터 멀어지게 유체를 가압하고, 또 다른 하나는 벽쪽으로 유체를 가압하는)가 위치되어야 한다. 실제로, 벽으로부터 멀어지게 유체를 가압하는 하나의 램프와 어느 한 쪽에서 벽쪽으로 유체를 가압하는 램프가 더 효과적이다(램프 조립체의 중심에 대하여 대칭인 효과를 생성한다).
램프들이 유체를 벽으로부터 멀어지게 또는 벽쪽으로 이동시키는 목적을 수행하기 위하여, 램프의 각도는 일반적으로 15 - 75 도 사이에 있다. 램프가 파이프(14)의 벽으로부터 연장하는 거리(또는 '높이')에 관하여, 흐름 조건에 따라 약 0.16 배 이하의 파이프(14)직경이어야 한다(탭의 길이가 아니고, 흐름 내로의 '높이'이다; 도 12 참조). 대부분의 적용예에서, 0.2배의 파이프 직경(또는 비원형 도관에 대하여 초대 내부치수의 0.2배)의 한도가 충분하다. 램프의 길이에 대하여는, 이는 자신의각도와 벽을부터 연장하는 거리에 의해 정해진다. 예컨대, 벽에 30도 각도이고 또 파이프(14)의 중심을 향하여 0.2배의 직경으로 연장하는 램프는 길이가 0.4배의 직경이다(6인치 파이프에 대한 일예에서, 각 '램프'는 어느 한 쪽으로 약 1인치 길이로 튜브로부터 연장하는 2개의 탭으로 이루어진다).
램프의 폭에 대하여, 렘프의 주된 작용이 유체를 측면 위에 "쏟는" 것이라기 보다는 유체를 반경방향으로 치환하도록 충분히 넓어야 한다. 6인치 파이프에 대한일 예에서, 램프는 약 1/2인치 넓이이고, 이는 약 0.1배의 직경(0.1 D)과 같다. 0.05 D 넓이 보다 적게 하면 원주 둘레에 약 64개의 램프가 얻어지고, 또 램프들은 다소 좁아지게 된다. 그리하여 실제적인 최소 폭 제한은, 도관의 최대 내부치수(한쪽의 직경, 길이)의 0.05배라 할 수 있다. 한편, 0.4 D의 폭은 원주 주위에 8개 램프가 얻어진다. 이는 절대적인 한계가 아니라 실제적인 가이드라인을 나타낸다.
일반적으로, 조절기는 튜브형 또는 편평한 금속편으로부터 램프 어레이를 제작함으로써 만들어지지만, 플라스틱과 같은 다른 재료로 만들어질 수 있고 또 여전히 동일한 목적을 달성한다. 개별적인 편평한 램프를 결합하여, 예컨대 용접으로 만들 수도 있다.
조절기는 파이프 플랜지들 사이에 삽입됨으로써 사용될 수 있다. 다른 변형예에서, 램프는 통합된 흐름 조절기 및 유량계의 상류 섹션에 결합될 수 있다. 다른 변형예는 스풀 내부에 고정된 램프들을 갖춘 파이프 스풀이다.
조절기는 계기 몸체 내에 통합될 수 있고, 그래서 계기가 파이프 내에 위치되면, 조절기는 이미 계기 조립체의 일부가 된다. 계기는 참조로 여기에 통합된 미국 특허 제7,810,401호에 기재된 바와 같은, 감소된 직경의 계기일 수 있다.
본 발명은 설명의 목적으로 앞선 실시예에서 상세히 기술되었지만, 이러한 상세는 단지 그러한 목적을 위한 것이고 또 이하의 특허청구범위에 의해 기재될 수 있는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어남이 없이 당업자에 의해 변형예들이 만들어질 수 있다.

Claims (16)

  1. 초음파 유량의 변환기 사이트를 갖는 파이프에서 단면방향으로 커버링(envelope)을 형성하는 유체흐름을 치환 및 혼합하기 위한 흐름 조절기로서,
    상기 파이프 내에 배치되도록 되고 또 유체 흐름에 대하여 하류방향에서 커버링의 외부로부터 파이프의 중심을 향하여 안쪽으로 연장하며 또한 파이프의 내부표면에 대하여 0°와 90°사이의 각도를 형성하는 제1램프; 와
    상기 파이프 내에서 또 상기 제1램프와 나란히 배치되도록 되고, 유체 흐름에 대하여 상류방향에서 커버링의 외부로부터 파이프의 중심을 향하여 안쪽으로 연장하고 또한 파이프의 내부표면에 대하여 0°와 90°사이의 각도를 형성하는 제2램프; 를 포함하고, 상기 제1 및 제2램프는 변환기 사이트들 중의 하나의 상류에 위치되는, 흐름 조절기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 파이프에 부착된 표면과 파이프 내의 유체가 흐르는 영역에 의해 형성된 표면(face)의 개구부를 갖는 플랜지를 포함하고, 상기 제1 및 제2램프는 상기 표면에 부착되고 또 그로부터 연장하며, 상기 플랜지는 변환기 사이트의 상류에서 파이프에 부착된 것을 특징으로 하는 흐름 조절기.
  3. 제1항에 있어서, 상기 파이프 내에 배치되도록 되고 또 유체 흐름에 대하여 하류방향에서 커버링의 외부로부터 파이프의 중심을 향하여 안쪽으로 연장하며 또한 파이프의 내부표면에 대하여 0°와 90°사이의 각도를 형성하는 제3램프;와 상기 파이프 내에서 또 상기 제3램프와 나란히 배치되도록 되고, 유체 흐름에 대하여 상류방향에서 커버링의 외부로부터 파이프의 중심을 향하여 안쪽으로 연장하고 또한 파이프의 내부표면에 대하여 0°와 90°사이의 각도를 형성하는 제4램프;를 포함하는 것을 특징으로 하는 흐름 조절기.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제1램프와 제2램프는 각각, 제3램프 및 제4램프와 이격된 관계로 위치된 것을 특징으로 하는 흐름 조절기.
  5. 제4항에 있어서, 스트립과 이 스트립에 부착되고 또 그로부터 연장하는 제5램프를 포함하고, 상기 제1램프는 상기 스트립에 부착되고 또 그로부터 연장하며, 상기 스트립은 제1램프와 제5램프 사이에 배치된 것을 특징으로 하는 흐름 조절기.
  6. 제4항에 있어서, 상기 제1램프는 제2램프와 직렬이고 또 제3램프는 제4램프와 직렬인 것을 특징으로 하는 흐름 조절기.
  7. 제4항에 있어서, 상기 제1, 2, 3 및 4 램프는, 본질적으로 파이프의 내부표면으로부터 파이프 직경의 약 1/5 높이까지 연장하는 것을 특징으로 하는 흐름 조절기.
  8. 제4항에 있어서, 상기 제1램프는, 제2램프의 옆에 평행하게 위치된 것을 특징으로 하는 흐름 조절기.
  9. 제4항에 있어서, 상기 제1, 2, 3 및 4 램프는, 유체 흐름에 노출된 편평한 표면을 갖는 것을 특징으로 하는 흐름 조절기.
  10. 제4항에 있어서, 상기 제1, 2, 3 및 4 램프는, 유체 흐름에 노출된 편평하지 않은 표면을 갖는 것을 특징으로 하는 흐름 조절기.
  11. 변환기 사이트를 갖는 파이프에서 유체 흐름을 결정하기 위한 장치로서,
    상기 파이프내의 유체 흐름과 소통하는 변환기들을 갖는 초음파 유량계; 와
    상기 파이프 내에 배치되도록 되고 또 유체 흐름에 대하여 하류방향에서 커버링의 외부로부터 파이프의 중심을 향하여 안쪽으로 연장하며 또한 파이프의 내부표면에 대하여 0°와 90°사이의 각도를 형성하는 제1램프와, 파이프 내에서 또 상기 제1램프와 나란히 배치되도록 되고, 유체 흐름에 대하여 상류방향에서 커버링의 외부로부터 파이프의 중심을 향하여 안쪽으로 연장하고 또한 파이프의 내부표면에 대하여 0°와 90°사이의 각도를 형성하는 제2램프를 포함하고, 상기 제1 및 제2램프는 변환기 사이트들 중의 하나의 상류에 위치되며, 단면방향으로 커버링(envelope)을 형성하는 유체흐름을 치환 및 혼합하기 위한 흐름 조절기; 를 포함하는 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 흐름 조절기는, 변환기 사이트로부터 상류에 파이프의 직경의 5-15배의 거리에 위치되는 것을 특징으로 하는 장치.
  13. 복수의 변환기 사이트를 갖는 파이프에서 유체 흐름을 결정하기 위한 방법으로서,
    상기 파이프의 내부 표면으로부터 0°와 90°사이의 각도로 연장하고 또 복수의 변환기 사이트 중의 하나의 변환기 사이트로부터 상류에 배치된 제1램프로써 파이프의 내부 표면에 인접한 유체흐름에서 열 경계층을 치환하는 단계; 와
    상기 파이프의 내부표면으로부터 0°와 90°사이의 각도로 연장하고 또 상기 제1램프와 나란히 배치되고 유체 흐름에 대하여 상류방향에 배치된 제2램프로써 열 경계층을 치환하는 단계;
    초음파 유량계의 변환기로부터의 초음파 신호를 유체 흐름내로 송신하는 단계; 및
    유량계의 신호로부터 흐름을 계산하는 단계; 를 포함하는 방법.
  14. 파이프에서 단면방향으로 커버링(envelope)을 형성하는 유체흐름을 혼합하기 위한 흐름 조절기로서,
    상기 파이프 내에 배치되도록 되고 또 유체 흐름에 대하여 하류방향에서 커버링의 외부로부터 파이프의 중심을 향하여 안쪽으로 연장하며 또한 파이프의 내부표면에 대하여 0°와 90°사이의 각도를 형성하는 제1램프; 와
    상기 파이프 내에서 또 상기 제1램프와 나란히 배치되도록 되고, 유체 흐름에 대하여 상류방향에서 커버링의 외부로부터 파이프의 중심을 향하여 안쪽으로 연장하고 또한 파이프의 내부표면에 대하여 0°와 90°사이의 각도를 형성하는 제2램프; 를 포함하는 흐름 조절기.
  15. 파이프에서 유체 흐름을 결정하기 위한 방법으로서,
    상기 파이프의 내부 표면으로부터 0°와 90°사이의 각도로 연장하는 제1램프로써 파이프의 내부 표면에 인접한 유체흐름에서 열 경계층을 치환하는 단계; 와
    상기 파이프의 내부표면으로부터 0°와 90°사이의 각도로 연장하고 또 상기 제1램프와 나란히 배치된 제2램프로써 파이프의 내부 표면에 인접한 유체흐름에서 열 경계층을 치환하는 단계;
    초음파 유량계의 변환기로부터의 초음파 신호를 유체 흐름내로 송신하는 단계; 및
    유량계의 신호로부터 흐름을 계산하는 단계; 를 포함하는 방법.
  16. 파이프에서 유체 흐름에 영향을 주기 위한 방법으로서,
    상기 파이프의 내부 표면으로부터 0°와 90°사이의 각도로 연장하는 제1램프로써 파이프의 내부 표면에 인접한 유체흐름에서 열 경계층을 치환하는 단계; 와
    상기 파이프의 내부표면으로부터 0°와 90°사이의 각도로 연장하고 또 상기 제1램프와 나란히 배치되며 또 변환기 사이트의 상류에 배치된 제2램프로써 열 경계층을 치환하는 단계;를 포함하는 방법.
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