KR20140020226A

KR20140020226A - 음향 상분리기 및 다상 유체의 조성 모니터링이 일체화된 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20140020226A
Application number: KR20137008384A
Authority: KR
Inventors: 디펜 엔. 신하
Original assignee: 로스 알라모스 내셔널 씨큐어리티 엘엘씨
Priority date: 2010-09-03
Filing date: 2011-09-06
Publication date: 2014-02-18
Also published as: US9234779B2; US8640529B2; AU2011295660B2; CN103168231B; EP2612140B1; US20120055262A1; CN103168231A; WO2012031289A1; KR101810722B1; EP2612140A4; PL2612140T3; US20140109684A1; AU2011295660A1; BR112013004989A2; EP2612140A1

Abstract

유동 스트림(flow stream)에 영향을 주지 않으면서, 유정 시추공 또는 파이프에 유동하는 다상 유체(multiphase fluid; 16)로부터 지하의 기체를 분리(18)하고, 액체의 개별적 성분의 양과 액체의 유동률(flow rate)을 결정하고, 유체의 성분 요소들을 재혼합하여 이후 기체의 볼륨(volume)을 측정하기 위한 장치(10) 및 방법에 관해 기술되어 있다. 음향 방사력(acoustic radiation force)이 액체로부터 기체를 분리하기 위해 사용되며, 이로써 다음 두 성분을 각각 측정할 수 있다; 액체(오일/물)의 조성은 초음파 공진(32)으로부터 결정되고; 기체의 볼륨은 캐패시턴스 측정(44)으로부터 결정된다. 유체가 장치의 구성 부분들을 통해서 유동하고 그 주변으로도 유동하기 때문에, 압력의 차이가 거의 없게 되어, 높은 압력 차이로부터의 보호가 필요 없다.

Description

음향 상분리기 및 다상 유체의 조성 모니터링이 일체화된 장치 및 방법{INTEGRATED ACOUSTIC PHASE SEPARATOR AND MULTIPHASE FLUID COMPOSITION MONITORING APPARATUS AND METHOD}

본 출원은 2010년 9월 3일에 출원된 미국 가출원 제 61/379,864호 (발명의 명칭: "Integrated Acoustic Phase Separator And Multiphase Fluid Composition Monitoring Device")를 기초로 우선권을 주장하며, 상기 가출원의 모든 내용은 그것이 개시하고 교시하는 모든 것을 참조하기 위해 본 명세서에 포함된다.

본 발명은 미국 에너지 부(U.S. Department of Energy)와의 계약번호 DE-AC52-06NA25396에 의해 정부지원 하에 이루어졌다. 정부는 본 발명의 특정 권리를 가진다.

본 발명은 적어도 두 가지 액체 상과 한 가지 기체 상을 포함하는 다상 유체의 특성들을 판단하는 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 본 발명의 실시예는 기체와 액체 상들의 분리 및 각 상의 볼륨(volume)과 조성의 측정을 가능케 한다.

유정으로부터의 유체는 일반적으로 기체, 폐수 및 탄화수소의 혼합물(원유)을 포함한다. 오일생산 산업에서는, 임의의 특정 유정에서 생산되는 실제 오일의 양을 실시간으로 결정하여 사용료를 결정하는 것이 필요하다. 현재 이와 같은 측정을 수행하기 위한 몇 가지 방법이 있다. 예를 들어, 유정으로부터의 유체 스트림(fluid stream)은 분리 탱크(separation tank)로 보내질 수 있는데, 여기서 상기 유체 스트림은 중력에 의해 분리될 수 있고, 그 다음 다양한 상들의 상대적인 양이 결정될 수 있다. 그러나 이러한 분리에는 많은 시간이 소요되고, 대형 탱크가 사용된다. 중질 원유(heavy crude)의 밀도는 물과 거의 같고 유체를 가열하지 않고 분리하기 어렵다. 일단 가열되면, 물과 오일의 밀도는 충분히 달라져 중력에 의한 분리가 가능하게 되지만, 가열 과정에서 상당한 에너지가 낭비된다.

또 다른 방법은 유체 스트림으로부터 기체를 분리하기 위해, 예를 들어 사이클론 분리기(cyclone separator)와 같은 상분리기를 포함하는 것이다. 혼합된 유체 스트림을 운반하는 파이프 외부에 대형의 기계적 배관계통(piping system)이 필요하게 된다. 일례로, 일단 기체가 유체로부터 분리되면 마이크로파 기반의 액체/액체 분석기(예컨대, 아가 코퍼레이션(Agar Corporation)의 OW-200 시리즈)가 오일-물 조성을 판단하는데 사용될 수 있다. 이 과정은 중질 원유에 효과적이나, 경질 원유(light crude)의 경우에는 코리올리 형 측정기 시스템(예컨대, 마이크로모션 엘리트(MicroMotion Elite)의 코리올리 측정기(Coriolis meter))처럼 보다 정확한 밀도 측정 장치들이 오일-물 혼합물의 밀도를 결정하는데 사용될 수 있고, 이를 통해 유체의 조성이 결정된다. 이와 같은 기능을 가진 측정 시스템은 대형이고 고가인 관계로 모든 유정에 그러한 장치들을 설치하는 것은 종종 불가능하다. 따라서, 복수의 유정으로부터의 유동 스트림들(flow streams)은 종종 결합되고, 이 결합된 유동 스트림에 대해 측정이 이루어지므로, 각각의 유동 스트림을 측정 장치로 돌리지 않고서는 개별 유정의 산출물을 결정하기가 어렵다. 만약 지면의 상당한 아래쪽에서 또는 심해 작업에서 모니터링이 수행될 필요가 있다면, 위와 같은 측정방법의 비용과 어려움은 증가하게 된다.

만약 어느 퍼포레이션 레벨(perforation level)에서 유용한 유체들이 산출되는지, 남은 레벨들 중 어느 것이 폐쇄되어야 하는지 결정하기 위해 유동 스트림이 유정의 다양한 퍼포레이션 레벨에서 모니터링될 필요가 있다면, 이러한 측정을 위해 유정 안으로 장치가 내려져야만 한다. 시추공 TV 카메라와 적외선 감지기가 사용되어 왔으나, 한계가 있었다. 또한, 이러한 방법들은 땅속의 유체 조성의 정량적 측정결과를 제공해주지 못한다.

본 발명의 실시예는 유정의 생산구역을 통해 이동될 수 있고 계속해서 유정 시추공에서의 유체의 조성을 모니터링하는 로깅(logging) 도구를 제공함으로써 종래 기술의 단점과 한계를 극복한다.

본 발명의 실시예의 또 다른 목적은 유체가 유동하는 유정 시추공에서 유체의 조성을 계속해서 모니터링하기 위한 로깅 도구를 제공하는 것이다.

본 발명의 실시예의 또 다른 목적은 유정 시추공에서의 유체의 유동에 영향을 주지 않고 유정 시추공에서의 유체로부터 기체를 분리하고, 개별 유체 성분의 양을 결정하며, 성분들을 재혼합할 수 있는 장치를 제공하는 것이다.

또 다른 목적, 본 발명의 장점 및 새로운 특징 중 일부는 이하 설명에서 명시될 것이고, 일부는 이하의 설명으로부터 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 사람에게 분명하거나 또는 본 발명의 실시를 통해 습득 가능하다. 본 발명의 목적과 장점은 첨부된 청구항에서 구체적으로 언급된 수단과 조합에 의해 실현되거나 획득될 수 있다.

전술한 목적과 여타 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 목적에 맞게, 여기에 구체화되고 넓게 기술된 바와 같이, 적어도 하나의 성분을 갖는 액체 및 기체를 포함하는 다상 유체의 특성들을 결정하기 위한 장치는 다음의 구성을 포함한다: 제1 축, 내벽 및 외벽을 갖는 제1 중공 압전 실린더 - 상기 내벽은 제1 전극을 포함하고 상기 외벽은 제2 전극을 포함함 -; 제1 선택된 전기 신호를 상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극 중 어느 하나에 제공하기 위한 제1 신호 생성기 - 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 나머지 하나는 접지되고, 상기 기체는 상기 제1 중공 압전 실린더를 통해 유동하는 상기 다상 유체로부터 분리됨 -; 상기 제1 중공 압전 실린더의 상기 축과 동일 선상의 제2 축을 갖는 제2 중공 압전 실린더 - 상기 제2 실린더의 내벽은 접지된 제3 전극을 포함하고, 상기 제2 실린더의 외벽은 직경상으로 대향하게(diametrically opposed) 위치하는 적어도 두 개의 제4 전극을 포함함 -; 제2 선택된 전기 신호를 상기 적어도 두 개의 제4 전극 중 하나에 제공하기 위한 제2 신호 생성기 - 상기 적어도 하나의 성분에서 공진 음향 진동(resonant acoustic vibration)이 생성됨 -; 및 상기 제1 신호 생성기로부터의 신호를 상기 적어도 두 개의 제4 전극 중 다른 하나에 의해 수신된 신호와 비교하기 위한 이득-위상 측정 회로를 포함하며, - 상기 이득-위상 측정 회로에서는, 상기 생성된 신호와 상기 수신된 신호 간의 위상차와 상기 수신된 신호의 크기가 결정됨 - 상기 적어도 하나의 성분에서의 음속(sound speed)과 상기 적어도 하나의 성분에서의 음파 감쇠(sound attenuation)가 결정되고, 이를 통해 상기 기체가 분리된 상기 적어도 하나의 성분 조성이 음향 간섭 측정(acoustic interferometry)에 의해 결정된다.

본 발명의 다른 실시예에서, 본 발명의 목적과 용도에 따라 적어도 하나의 성분을 갖는 액체 및 기체를 포함하는 다상 유체의 특성들을 결정하는 방법은 다음의 단계를 포함한다: 축을 가진 제1 중공 압전 실린더(hollow piezoelectric cylinder)에서 상기 기체가 상기 실린더와 상기 축으로부터 멀어지고 상기 액체로부터 분리되도록 방사상 음향 방사력(radial acoustic radiation force)을 생성하는 단계 - 상기 다상 유체는 상기 축을 통해 유동하게 됨 -; 및 상기 기체가 분리된 상기 적어도 하나의 성분의 음속 및 음파 감쇠를 측정하는 단계를 포함하며, 상기 적어도 하나의 성분의 조성이 결정된다.

본 발명의 실시예의 혜택과 장점은 액체 구성물질들로부터 기체성분을 분리하고, 다상 유체의 조성을 결정하며 모니터링하기 위한 장치 및 방법을 제공하는 것을 포함하지만, 이에 한정되지 않는데, 여기서 유체가 중공 압전 장치의 지지부 안쪽과 바깥쪽 둘 다에서 유동할 수 있어 압력의 차이가 거의 없게 되므로 유정의 깊숙한 곳의 시추공과 같이 높은 압력의 환경에서도 본 장치와 방법이 사용될 수 있으며, 알려진 다른 기술들은 높은 압력 차로부터 견고한 시스템 또는 센서의 보호가 요구되는 반면 여기서는 깨지기 쉬운 크리스탈 공진기 센서도 사용될 수 있다.

첨부 도면은 본 명세서에 포함되거나 일부분을 이루는 것으로 본 발명의 실시예들을 도시하고 있으며, 본 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하는데 제공된다.
도 1은 본 발명의 음향 상분리기 및 다상 유체 조성 모니터가 결합된 일 실시예의 투시도를 개략적으로 도시하는 도면.
도 2a는 액체 조성 모니터링을 위한 도 1a에 도시된 실린더형 공진기의 투시도를 개략적으로 도시하는 도면이며, 도 2b는 전극들의 배치가 도시된 실린더형 공진기의 평면도.
도 3은 도 1a에 도시된 장치의 전기적 구성 요소들을 도시하는 도면.
도 4는 도 2a에 도시된 실린더형 공진기를 사용해서 얻게 되는 세 가지 다른 액체에 대한 공진 스펙트럼으로, 액체에 따라 달라지는 스펙트럼 특성들, 즉 인접한 피크들 간의 주파수 차이, 공진 피크들의 폭 및 피크들의 크기 변화를 도시하는 도면.
도 5는 음속 측정으로부터 오일-컷(물에서 광물성 오일의 비율)의 판단을 도시하는 도면.
도 6은 공진 피크의 FWHM으로부터 결정된 음파 감쇠를 오일-컷에 대한 함수로 도시하는 도면.
도 7a와 7b는 공진 곡선의 가장 낮은 지점에서의 크기(Peak_Min) 및 피크 크기(Peak_Max) 면에서의 공진 데이터로부터 음파 감쇠를 분석하는 각각의 방법을 도시하는 도면.
도 8은 높은 유동률(~10gallons/min.)에서 여섯 가지의 오일-컷에 대한 음파 감쇠를 결정하기 위해서 주파수 스펙트럼의 고속 푸리에 변환(FFT)을 도시하는 도면.
도 9는 유동률에 따른 공진 피크들의 주파수 천이를 도시하여 여섯 가지의 오일-컷에 대한 공진 스펙트럼에 대해 유동이 미치는 효과를 도시하는 도면.
도 10은 공진 피크 주파수 천이에 대한 유동률의 관계를 도시하는 도면.
도 11a는 기포가 전혀 없는 물에서의 캐패시턴스 측정 결과를 도시하는 도면이며, 도 11b는 본 장치 내에서 공기와 함께 측정한 결과를 도시하는 도면.

간단히 말씀드리면, 본 발명의 실시예는 유동 스트림에 영향을 주지 않으면서, 유정 시추공 또는 파이프에 유동하는 다상 유체로부터 기체를 분리하고, 적어도 한 성분을 포함하는 분리된 액체 내에서 개별적인 성분의 양을 결정하며, 기체와 액체를 재혼합시킨 후 기체의 볼륨을 측정하기 위해, 지하로 내려지는 장치를 포함한다. 음향 방사력이 액체로부터 기체를 분리하기 위해 사용되고, 이로써 적어도 하나의 성분에 대해서 측정이 가능하며; 액체(오일/물) 조성이 초음파 공진으로부터 결정되고; 기체의 볼륨이 캐패시턴스 측정으로부터 결정된다. 아래 기재된 수식들은 혼합되지 않는 액체나 용액 둘 모두에 대해 유효하다.

다상 유체의 특성들을 판단하기 위한 장치의 일 실시예는 기체를 액체와 분리하기 위한 제1 중공 압전 실린더; 및 상기 제1 중공 압전 실린더 하류(downstream)에서 유체 내 존재하는 상기 기체의 대부분이 제거된 후 액체의 조성을 결정하고 모니터링하기 위한 제2 중공 압정 실린더를 포함한다. 액체와 재결합한 후의 기체의 볼륨은 상기 제2 압전 실린더로부터의 하류에서 한 쌍의 동심의 중공 금속 실린더를 사용한 캐패시턴스 측정에 의해 결정될 수 있다. 다상 유체의 온도를 측정하기 위한 온도 센서는 온도 변화의 측정에 대한 보정을 가능케 한다.

사용에 있어, 본 발명의 장치는 액체 및 기체를 포함하는 다상 유체의 특성들을 결정하는데, 여기서 상기 액체는 적어도 한 가지 성분을 가지며, 본 장치는 상기 유체를 음향 상분리기로 인도하는 것을 포함하고, 여기서 상기 기체는 음향 방사력을 사용하여 액체로부터 분리되며, 본 장치는 상기 적어도 하나의 성분의 조성을 결정한다. 제1 성분은 오일일 수 있고, 제2 성분은 물일 수 있으며, 상기 기체는 탄화수소일 수 있다. 제1, 제2 성분의 조성을 결정하는 단계는 음속과 기체가 없을 때 액체의 제1, 제2 성분에서의 음파 감쇠를 측정하는 것을 포함할 수 있고, 온도 변화에 의한 액체 내에서 음속을 보정하기 위해 액체의 온도를 측정하는 것을 포함할 수 있다. 기체의 볼륨을 측정하는 단계는 상기 기체 및 상기 액체를 재결합하는 것을 포함하며, 동심의 캐패시턴스 셀(capacitance cell)을 사용하여 캐패시턴스를 측정하는 것을 포함한다. 상기 액체의 유동률 또한 측정될 수 있다.

비록 유체에 용해된 기체를 버블(bubble) 형태로 방출하기 위한 음향학적 방법(acoustical procedure)은 미국 특허번호 제 4,339,247호의 Faulkner 등에 의해 기술되었으나, 정류 확산(rectified diffusion)이 캐비테이션(cavitation)과 유사한 과정에 사용된다. 그에 반해서, 본 발명은 다상 혼합물 형태로 유체에 이미 존재하는 기체 버블들을 본 발명의 조성 분석 엘리먼트(element)들로부터 멀어지게 한다.

밀도 및 압축성 면에서 유사하지 않은 호스트 유체(host fluid) 내의 임의의 유체가 만약 공진기 캐비티(cavity) 내에 놓일 경우 차등력(differential force)을 받게 되고, 정상파 패턴(standing wave pattern)이 만들어진다. 그 힘은 다음과 같이 나타낼 수 있으며,

여기서,

는 음향대비계수(acoustic contrast factor)라 불리며, V_p는 입자, 액적(droplet) 또는 버블의 볼륨, β는 압축성, ρ는 밀도, λ는 음파의 파장, P₀는 피크 음압(acoustic pressure), z는 압력 절점(pressure node)로부터의 거리, (아래 첨자인) m과 p는 매체와 입자를 각각 나타낸다. 음향대비계수 φ는 양 또는 음이 될 수 있으며, 힘의 방향을 결정한다. 고체 입자들의 경우, 음향력(acoustic force)이 이들 입자를 정상파 절점으로 밀어낼 것이지만, 반면에 기체 버블은 반대방향의 힘을 받아 절점으로부터 멀리 밀려날 것이다. 만약 공진기가 적합한 주파수로 구동되면, 바로 이 힘이 기체 버블들을 실린더형 압전 공진기의 내벽 방향으로 밀어낸다.

압전 튜브(piezoelectric-tube) 공진기는 액체와 에멀젼(emulsion)에 대해 초음파 간섭측정(ultrasonic interferometry)을 수행하기에 수월한 수단을 제공한다. 평행판 공진기 시스템에 관해선 조절 가능한 부분들이 없고, 튜브 공진기는 자기 정렬된다. 또한, 음속 c와 본 실린더형 시스템에서의 일련의 간섭 피크들 사이의 주파수 차 Δf간의 관계는 c=2dΔf와 같이 주어지며, 여기서 Δf는 일련의 공진 피크들 사이의 주파수 차이이다. 공진기의 중심 주파수(두께 모드 공진 주파수(thickness mode resonance frequency))로부터 떨어져, 공진 피크들이 주파수 상에서 등간격으로 위치하게 된다. 실린더의 구조가 고정되었기 때문에, 임의의 액체에 대한 공진 스펙트럼이 모두 예측가능하다는 점은 주목할 만하다. 결과적으로, 하나의 피크 위치를 추적하여 액체에서의 음속을 간단히 판단할 수 있다. 이는 액체에서의 음속을 간단히 실시간으로 모니터링할 수 있도록 한다.

흡음(sound absorption)은 공진 피크 폭의 증가가 나타난 압전 실린더로부터 획득되는 스펙트럼으로부터 결정될 수 있다. 그러므로 임의의 액체에 대한 피크들의 반값 전폭(full-width-at-half-maximum: FWHM)은 액체에서의 음파 감쇠의 척도이다. 아래 더 상세히 논의될 것처럼, 이값의 차이는 글리세롤(glycerol) 피크들이 물이나 에탄올 피크들보다 몇 배나 더 넓은 것이 나타난 데이터로부터 쉽게 관찰될 수 있다. 주어진 피크의 크기는 또한 음파 감쇠와 관련되어 있다. 그러므로 두 가지 중요한 물리적 파라미터가 이 공진 스펙트럼으로부터 쉽게 추출할 수 있고, 이들은 결과적으로 오일-물 조성과 연관될 수 있다.

유체의 간섭적 측정을 위한 실린더형 공진기의 장점들은 다음과 같다:

1. 실린더형 구조의 공진기 시스템은 항상 정렬되므로, 양질의 데이터를 얻기 위해 정밀한 광정렬을 요하는 평행판 공진기들의 경우와 같은 기계적 정렬이 필요 없다.

2. 실린더형 공진기는 압전 물질로 만들어진다; 따라서 동작을 위해 별개의 컨테이너(container)가 필요하지 않으며, 임의의 표면에 압전 변환기(transducer)가 설치될 필요가 없다.

3. 일반적으로 두 개의 전극이 실린더의 대향하는 측면에 에칭되는데, 이들은 공진기 시스템에서 대향하는 변환기들(송신기 및 수신기)로 쓰이게 된다 (은으로 된 페인트, 다른 적합한 전도성 페인트 또는 증착된 금속이 전극을 만드는데 사용될 수 있다).

4. 공진기에 단일 전극만을 사용할 수 있는데, 이 경우 전극의 전기적 임피던스가 공진을 모니터링하는데 사용되며, 실린더의 반대편 벽은 반사체 역할을 한다.

5. 액체가 중공 실린더를 둘러쌀 수 있어 압력의 차이가 없게 되므로 유정 깊은 곳에 위치한 시추공과 같은, 높은 압력 시스템에서도 이 공진기를 사용할 수 있다는 것은 큰 장점이며, 이로써 깨지기 쉬운 크리스탈 공진기 시스템을 이용한 운영이 가능하다.

기체의 볼륨은 동심의 두 개의 금속 실린더를 사용한 캐패시턴스 측정에 의해 결정될 수 있다. 중앙의 실린더는 캐패시터의 중심 전극이고, 중심 전극을 통과하는 버블들이 측정되지 않을 수 있기 때문에 액체가 중심 전극을 통과하지 못하게 하고, 기체의 볼륨 측정을 방해하지 않도록 양단부와 가까이 위치한다. 이 실린더의 지름은 그리 중요한 것은 아니며, 본 장치의 일 실시예에서 지름은 상기 기술된 압전 튜브 공진기의 지름과 같도록 선택되었다. 본 발명의 일 실시예에서 바깥쪽 전극은 음향 상분리기 압전 실린더와 같은 지름을 갖도록 선택되었고, 이로써 양 실린더들은 유정 시추공 또는 파이프에 사용되기에 적당한 같은 실린더형 홀더(cylindrical holder)에 배치될 수 있다. 환형 공간에 있게 되는 액체는 실린더형 캐패시터에서 유전 물질로 쓰이게 된다. 물의 유전 상수는 기체의 경우 1인 것과 비교해서 (상온에서) 80이므로, 캐패시턴스를 측정함으로써 얼마나 많은 액체 및 기체가 존재하는지 가늠할 수 있다. 만약 단지 물과 기체의 조합만이 본 장치를 통과할 경우, 캐패스턴스는 매우 정확하게 기체의 볼륨 또는 기체-유체 조성에 관한 직접적인 척도를 제공한다. 그러나 유체는 물과 오일의 조합이고, 오일은 유전 상수가 약 2이므로, 중공 실린더형 공진기로부터 결정된 유체의 조성이 캐패시턴스 측정에 존재한 액체를 보정하는데 사용될 수 있다. 온도 보정은 그에 비해 훨씬 더 작다.

캐패시턴스를 측정하기 위한 또 다른 방법은 공진 회로를 만들기 위해 병렬 인덕터를 첨가하고, 공진 피크의 천이를 기체 조성에 따라 관찰하는 것이다. 실시간으로 캐패시턴스를 측정하는 어떠한 기술도 사용될 수 있다.

유체의 유동이 증가할수록 전체 스펙트럼이 천이되므로, 압전 실린더를 유동하는 유체의 유동률이 임의의 선택된 공진 피크의 주파수 천이로부터 결정될 수 있다.

본 발명의 실시예에 대한 자세한 참조가 이루어지며, 본 발명의 실시예는 첨부 도면에 도시되어 있다. 도면에서 유사한 구조는 동일한 참조 기호를 사용해서 식별될 것이다. 도면들은 본 발명의 특정 실시예를 설명하기 위한 목적으로 이해되고, 본 발명을 그러한 실시예에 제한하기 위한 것은 아니다. 도 1a로 돌아가면, 본 발명의 기체 분리기/측정 장치(10)의 일 실시예의 중요한 세 가지 엘리먼트가 도시되어 있다. 축(14)을 가진 중공 튜브(12)는 장치(10)의 주된 엘리먼트들을 둘러싸고 지지하고 있으며, 어느 한 위치에 놓이거나, 또는 관심 있는 유체 스트림(16)이 지나가는 파이프라인 또는 유정 시추공을 통해 움직일 수 있다. 튜브(12)는 임의의 견고하고 비반응성의, 예를 들어 플렉시 유리(Plexiglas) 또는 금속과 같은 물질로 제작될 수 있다. 유체 스트림(14)이 마주치게 되는 첫 번째 엘리먼트는 음향 기체/액체 상분리기(18)로, 이는 이하 기술될 신호 생성기와의 전기적 연결을 위해 튜브(20)의 내부 및 외부 표면 모두에 증착된 외부 금속 전극(22) 및 내부 금속 전극(24)을 가지는 압전 중공 튜브(piezoelectric hollow tube; 20)를 포함한다. 압전 튜브의 치수에 따라 결정되는 임의의 주파수에서 정현파 신호에 의해 여기될 때, 상기 튜브는 브레딩 모드(breathing mode)로 알려진 저주파(4.4㎝의 외부 지름을 갖는 튜브의 경우 약 25㎑)의 방사상 진동(radial vibration)을 겪게 된다. 다른 지름의 튜브의 경우, 이 주파수는 적합한 브레딩 모드가 생성되도록 조절된다. 인가된 진동은 튜브(20) 속 유체(26)에 음파를 생성하여 정상파가 형성된다. 그와 같은 정상파 상태에서, 유체(16)에 부유하는 기체 버블들(28)은 압전 튜브(20)의 내부 전극(24)을 향해 상기 버블들(또는 기체)을 인도하는 차등 음향 방사력(differential acoustic radiation force)을 받게 된다. 그러므로 기체 상 버블들은 분리기(18)의 축(14)으로부터 멀어지게 되고, 상당 부분의 기체 버블들이 제거됨과 더불어 축(14) 주변의 유체(26) 부분은 장치(10)의 조성 분석 엘리먼트의 중심을 통해 계속 지나가게 된다.

기체가 버블 형상이고 공진기 튜브를 빠르게 통과한다는 조건에서는, 시간을 걸쳐 측정 평균을 내므로, 기체 볼륨이 약 20%만 존재하여도, 정확한 조성 측정결과들을 얻을 수 있었다. 20%는 본 장치를 가지고 할 수 있는 조성 측정에서의 기체의 최대 볼륨임이 밝혀졌다. 공진기 튜브는 항상 기체로 채워지지 않으며, 음파 빔에 의해 차단되는 액체 경로 부분은 유동적이다. 따라서 공진기 튜브는 기체가 항상 존재하는 경우를 언제나 겪게 되는 것은 아니다.

튜브(20)로부터의 하류와, 도 2a와 2b에서 상술 되는 바와 같이 압전 튜브(20)의 축(14)과 동일 선상의 축(34)을 갖는 액체 조성 모니터(32)에 더 작은 지름과 더 얇은 벽을 가진 압전 실린더(30)가 위치한다. 실린더(30)의 내벽(36)은 전극(니켈)(38)으로 완전히 뒤덮여 있으나, 외벽(40)은 두 개의 사각형 형상(예를 들어 1.2㎝ × 1.2㎝)의 진공 증착된 구리 또는 니켈 전극들(42a 및 42b)이 튜브(30)의 대향하는 측면에 대칭적으로 위치하고 직경상으로 정렬되어(diametrically aligned) 있게 된다. 두 개의 대향하는 변환기를 갖는 압전 튜브(30)는 대향하는 압전 변환기들이 설치된 보다 일반적인 평행판 공진기와 유사한 방식으로 취급될 수 있는데, 여기서 하나의 변환기는 송신기로, 다른 것은 수신기로 사용된다. 이와 같은 변환기들은 튜브(20)보다 더 높은 동작 주파수(실린더 벽의 두께에 따라 약 1㎒에서 약 3㎒ 사이)에서 소위 두께 공진 모드(thickness resonance mode)로 동작한다. 혼합된 유체 상으로부터 음향학적 기술로 기체 상이 분리되어, 오일-물의 비율(조성)과 유체의 유동이 더욱 정확하게 결정될 수 있다.

이하 더욱 상세히 논의되는 바와 같이, 일정 범위의 주파수에 대해 송신기 전극(42a)에 인가하는 정현파 전압의 주파수를 변화시킴으로써 많은 수의 공진이 수신기 전극(42b)을 통해 액체 조성 모니터(32)의 실린더 캐비티 내에 생성된 정상파들로서 관찰될 수 있다. 비록 실제 치수는 유체가 유동하는 파이프의 지름에 의해 결정되지만, 실린더의 지름은 지지 튜브(12)의 치수에 따라 달라질 수 있으며, 예를 들어 약 1㎝에서 약 5㎝ 사이이다. 아래 기재된 측정결과들은 내경이 1.7㎝, 벽 두께가 1㎜ 이고, 약 2㎒의 중심 주파수를 갖도록 반경상으로 편광된 압전 물질실린더에 해당하는 것이다. 외부 전극들은 실린더 표면의 반을 차지할 수 있는데, 이 경우 전극들은 실린더 외표면의 양쪽 절반을 차지하고 전기적으로 분리되어 있다. 그에 반해, 전체 표면의 약 5%을 차지하는 전극들도 측정결과들을 얻는데 효과적이다. 공진 스펙트럼은 또한 크리스탈의 전기적 임피던스를 측정함으로써 관찰될 수 있으나, 신호 레벨이 도 1에 도시된 대향하는 송신기-수신기 전극들을 사용하여 관찰한 것보다 몇 자리 수가 더 작게 되며, 여기서 여기 신호 크기는 피크 대 피크가 약 1V 이다.

도 1로 되돌아가, 기체 볼륨 측정용 캐패시턴스 장치(44)는 액체 조성 모니터(32)의 하류에 배치되는 동심의 금속 실린더들(46 및 48)을 포함하는데, 여기서 실린더들은 축(14)과 동일 선상의 공통 축(50)을 가지며, 중앙의 실린더(46)는 액체가 이를 통과하지 못하게 하고 기체 볼륨 측정에 장애를 일으키지 않도록 양단부와 가까이 위치한다. 실린더(46)의 지름은 크게 중요하지 않으며, 본 발명의 일 실시예에서 지름은 상기 기술된 압전 튜브 공진기의 지름과 같도록 선택되었다. 본 발명의 일 실시예에서, 외부 전극은 음향 상분리기 압전 실린더와 같은 지름을 갖도록 선택되었고, 이로써 두 실린더가 실린더형 홀더(12)에 배치될 수 있다. 환형 공간에서 유체는 실린더형 캐패시터의 유전 물질 역할을 한다. 유체는 오일과 물의 결합물이므로, 캐패시턴스를 측정함으로써 중공 실린더형 공진기로부터 결정되는 유체의 조성은 아래 기술되는 것처럼 측정에 존재하는 액체를 보정하는데 사용될 수 있다. 기체 볼륨 측정용 캐패시턴스 장치(44)는 장치(10)의 엘리먼트들의 측정 기능들을 변화시키지 않으면서 음향 기체/액체 상분리기(18)의 상류(upstream)에 위치할 수 있다는 점이 언급돼야 한다.

도 3은 장치(10)와 공동으로 사용되는 전기적 장치의 일 실시예를 개략적으로 도시하고 있는데, 여기서 마이크로콘트롤러(microcontroller)와 디지털 신호 처리기(digital signal processor: DSP)(54)에 의해 제어되는 직접 디지털 파형 합성기(direct digital synthesizer: DDS)(52)는 정현파를 생성하고, 이는 증폭기(56)에 의해 증폭되어 음향 기체/액체 상 압전 분리기(18)의 전극들(22 또는 24) 중 하나로 전달되며, 다른 하나의 전극은 접지된다. 마이크로콘트롤러(54)에 의해 작동되는 DDS(58)는 조성 측정용 압전 실린더(32)의 외부 전극들 중 하나(42a)에 주파수 스윕(sweep) 신호를 전달한다. 또 하나의 외부 전극(42b)의 출력 신호는 먼저 증폭기(60)에 의해 증폭된 후 이득-위상 측정 회로(62)로 가게 되는데, 여기에선 DDS(58)로부터 전극들 중 하나로 전달된 입력 신호를 출력 신호와 비교하고 이 두 신호 간의 위상차를 결정하게 된다. 출력 신호의 크기는 또한 회로(62)에 의해 결정된다. 이득-위상 측정은 몇 개의 단계로 이루어질 수 있고, 그 과정을 이하 일반적으로 기술한다. 예를 들어, 추적 필터(tracking filter)는 도 3에 도시되거나 기술되지 않았다. 추적 필터는 잡음 제거를 위해 여기 신호의 매우 좁은 대역 내로 이득 위상 측정을 제한하기 위해 사용된다. 이러한 협동 이득-위상 측정은, 유체에서 음속을 정확하게 결정하기 위해 주파수 영역 신호를 시간 영역으로 변환하기 위한 복소수 FFT와 같은, 더욱 개선된 데이터 분석을 가능케 한다. 이득-위상 회로(54)는 또한 0° 또는 90°와 같은 고정된 값으로 위상을 유지시키기 위해 DDS로부터의 주파수가 제어되는 위상 동기 루프(phase-locked loop) 구성에서 하나의 공진 피크를 추적하는데 사용될 수 있다. 이는 일반적으로 출력 신호에서 최대 크기를 유지하기 위해 여기 주파수를 제어하는것 보다 더욱 신뢰할 수 있다. 캐패시턴스 측정(64) 장치는 동심의 실린더들(44)의 캐패시턴스를 결정하고, 분석을 위해 그곳에서의 출력을 마이크로콘트롤러(54)로 가게 한다.

장치(10)는 약 13㎝ 정도 되며, 유정 아래로 내려질 수 있는데, 이로써 장치(10)가 삽입되는 파이프를 통해 유동하는 유체의 실시간 분석이 가능해진다. 온도 측정 장치(66)와 온도 기록장치(68)는 온도를 측정하고 이를 기록하도록 하며, 온도 기록장치(68)의 출력이 전달되는 마이크로콘트롤러(54)를 사용하여 데이터에 대한 임의의 보정이 이루어질 수 있다. 마이크로콘트롤러(54)에서 처리된 디지털 신호의 결과는 디스플레이(70) 상에 나타날 수 있다. 상기 기술된 것은 오일, 물 및 기체의 유동과 관련 있으나, 본 발명은 유동하는 동안 성분들이 분리될 수 있는 임의의 혼합된 유동에서 사용될 수 있다.

본 발명의 일반적인 실시예들에 대해 설명했으며, 다음 예는 추가적인 상세한 설명을 제공한다.

[예]

도 4에는 실린더형 공진기를 사용하여 얻은 세 가지 액체에 대한 일반적인 공진 스펙트럼이 나타나 있다. 액체에 따라 변하는 스펙트럼의 특성들은 다음과 같다: (a) 임의의 두 인접한 피크 간의 주파수 차, (b) 공진 피크들의 폭 및 연관된 크기의 변화. 나타난 데이터에 통해, 조사되는 세 가지 액체의 음속, 즉 물, 에탄올 및 글리세롤의 음속을 각각 1469m/s, 1193m/s, 1900m/s로 계산할 수 있고, 이는 약 0.2% 내에서 외기 온도에서의 문헌치와 일치한다.

상기 언급된 것처럼, 실린더의 구조가 고정되므로, 임의의 주어진 액체에 대한 공진 스펙트럼을 예상할 수 있다. 결국, 단일 피크의 위치를 추적함으로써 액체에서의 음속을 결정할 수 있으며, 이는 액체에서의 음속 실시간 모니터링을 간단하게 만들어 준다. (예를 들어, 액체의 경로(튜브 지름)와 같이) 임의의 주어진 구조에서는, 간섭 패턴(interference pattern)이 등간격의 공진 피크들의 형상으로 잘 정의되며, 공진 피크들의 간격은 내부에 유동하는 유체에서의 음속에 의존한다. 예를 들어, 만약 음속이 증가하면, 주파수 간격도 증가한다. 액체 내의 두 가지 성분은 두 가지 주파수 패턴을 만들어내고, 각 패턴의 피크들은 등간격을 가진다. 그와 같은 임의의 두 개의 패턴에 대해, 피크들이 주파수 면에서 크게 변하지 않는 영역이 있겠지만, 공진 피크들이 음속 변화에 매우 민감한 주파수 영역도 있으며, 이는 음파 전송 모델로부터 쉽게 계산될 수 있다. 그와 같은 피크들의 정확한 주파수는 음속과 연관될 수 있다. 비록 임의의 공진 피크가 사용될 수는 있지만, 만약 민감한 주파수 영역의 피크들이 선택된다면 음속은 보다 쉽게 모니터링될 수 있다.

이와 같은 스펙트럼으로부터 결정될 수 있는 또 다른 물리적 파라미터는 흡음으로, 이는 공진 피크 폭의 증가를 통해 나타난다. 그러므로 임의의 액체에 대한 피크들의 FWHM은 액체에서의 음파 감쇠에 대한 척도가 된다. 상기 척도 값의 극적인 차이는 글리세롤의 피크들이 물이나 에탄올보다 몇 배 더 넓다는 것을 나타내는 데이터로부터 쉽게 볼 수 있다. 주어진 피크의 크기는 또한 음파 감쇠와 연관되어 있다. 그러므로 두 가지 중요한 물리적 파라미터가 이 공진 스펙트럼으로부터 쉽게 추출될 수 있고, 이들은 결국 오일-물 조성과 연관될 수 있다.

도 5는 음속 측정으로부터 오일-컷(oil-cut: 물에서의 광물성 오일의 비율)을 결정하는 것을 도시하고 있다. 다음 방정식으로부터 이론적인 예상 값을 얻을 수 있는데,

여기서 φ는 유체의 조성을 나타낸다. 유체를 샘플링하고 물과 오일을 분리하여 오일과 공정 용수(process water) 둘의 음속을 각각 결정하는 것으로, 유체의 캘리브레이션(calibration)이 착수된다. 만약 각 음속이 알려져 있다면, 측정된 혼합물의 음속으로부터 φ를 결정할 수 있다. 일반적으로 캘리브레이션은 오일/물의 혼합물의 동작 온도를 포함하는 온도 범위에서 음속 측정을 수반한다. 이는 상기 온도 범위에서 유체 혼합물 조성의 정확한 판단을 가능하게 한다. (1% 미만이 필요한) 고 정확도의 경우에 사용될 수 있는 더욱 정교한 혼합물 방정식들이 존재한다. 그러나 주어진 방정식은 사용하기 간단하고 많은 실 응용례에 적합하다.

상기 언급된 것처럼, 원유와 물 둘 다에서 음속 및 음파 감쇠가 온도에 의존한다. 그러므로 유체의 온도는 측정된 음속을 적절히 보정 하고자 측정될 수 있다. 도 3에 도시된 것처럼, 장치(10)의 중공 지지 튜브(hollow support tube; 12) 내의 유동 유체에 위치하는 온도 측정 장치(64)와, 기록장치(66)는 유체(26)의 온도를 측정하는데 사용된다. 예를 들어, 열전대(thermocouple), 서미스터(thermistor) 또는 백금 저항 온도계가 온도 측정을 위해 사용될 수 있다. 또한, 일단 압전 튜브가 캘리브레이션 되면 압전 튜브의 중심 주파수 또는 임의의 구조공진(structural resonance) 주파수가 민감한 온도계로써 사용될 수 있다. 이는 추가적인 주파수 스윕 또는 피크 추적이 필요하다. 오일/물 조성 판단의 정확성을 극대화하기 위해서, 캘리브레이션 과정을 사용해서 온도 변화에 대한 보정이 이루어져야 한다. 음속 및 음파 감쇠 값은 모니터링되는 원유의 작은 샘플과 그와 별도로 동반되는 공정 용수를 각각 측정하는 특정 측정 장소에서 접하는 온도 범위에서 보정된다. 이후 이러한 데이터는 측정결과들에서 온도 변화에 대한 보정에 사용된다. 예를 들어, Bogdan V. Antohe 및 David B Wallace의 "압전 튜브에서의 음향 공진을 사용한 액체에서의 음속 결정(The determination of the speed of sound in liquids using acoustic resonance in piezoelectric tubes)", Meas. Sci. Technol. 10 (1999) 994-998을 참고하면 여기서 저자들은 네트워크 분석기(network analyzer)와 센서로 압전 튜브를 사용하였는데, 여기서 내부 액체에 의한 튜브의 기계적 액체 부하(mechanical liquid loading)가 전기적 임피던스의 전체 값에서의 작은 변화로서 전기적 임피던스에 영향을 준다.

상기 언급된 것처럼, 공진 피크들의 FWHM으로부터 도출되는 음파 감쇠는 또한 오일-컷(오일-물 비율)에 의해 결정된다. 이는 도 6에 도시되어 있다. 오일-물 조성을 결정하기 위해 음속 또는 음파 감쇠 중 하나를 사용할 수 있지만, 동일한 공진 스펙트럼 또는 피크 측정으로부터 이들 두 파라미터들을 결정하므로 더욱 견실한 조성의 판단을 위해 두 가지 측정 모두를 사용할 수 있다. 음파 감쇠 측정은 높은 워터-컷(water-cut)(> 70%) 조건에서 특별히 민감하고, 간단한 워터-컷 측정을 제공한다. 음파 감쇠는 또한 액체의 점성과 관련이 있으며, 스토크의 법칙(Stoke's law)으로부터 그 관계는 비례적임을 알 수 있다. 그러므로 액체의 점성이 커질수록 음파의 감쇠가 더 커지게 되고, 유체(오일-물)의 조성을 결정할 뿐만 아니라 오일의 품질과 관련된 정보도 얻을 수 있다. 도 5 내지 10에 나타난 측정결과들은 지름 4.8㎝의 압전 실린더를 사용하여 이루어졌다.

데이터를 분석하는데 있어서, 공진 피크의 크기를 결정하는 것이 종종 그 폭보다 유익한데, 이 경우 커브 피팅(curve fitting)이 종종 필요하다. 즉, 이는 공진 피크의 피크 크기(Peak_Max) 및 기준선인 피크의 하부 값(Peak_Min)을 측정하는 것과 상응한다. 도 7a는 이 두 크기 값의 비를 오일-컷에 대한 함수로 도시하고 있으며, 반면에 도 7b는 동일 데이터를 사용해 (1-Peak_Min/Peak_Max)로 도시하고 있는데, 이 경우 도면은 캘리브레이션으로 사용하기에 유익한 직선으로 나타나게 된다.

(예를 들어, 분당 20 갤런의) 높은 유동률에서는, 유동이 격변하며 데이터는 잡음이 많아질 수 있다. 잡음을 제거하고 파라미터를 추출하기 위해 디지털방식으로 데이터를 걸러낼 수 있다. 그러나 주파수 스펙트럼을 시간 영역으로 푸리에 변환(고속 푸리에 변환: FFT)함으로써, 도 8에 도시된 것처럼 파라미터 추출을 위해 생성된 시간 영역 정보를 사용할 수 있게 된다. 각 프레임(frame)에서의 첫 번째 피크의 위치는 음속과 관련되며, 이는 경로 길이(압전 실린더의 내경)를 알면 결정할 수 있다. 도 8의 데이터는 또한 오일-컷의 함수로서, 일부 피크의 감쇄가 감소하는 것을 도시하고 있는데; 즉 낮은 오일-컷에서 계속해서 크기가 줄어드는 일련의 피크들을 관찰할 수 있다. 오일-컷이 증가할수록 감쇄율은 더 빨라지고, 데이터를 지수 함수로 피팅하고 감쇄율을 결정하는 것은 공진 피크의 FWHM과 동일한 정보를 제공한다. 이론적으로, 이 두 측정방법은 동일해야 하고, 같은 정보를 제공해야 한다. 양 방법 모두를 사용할 수 있다.

압전 실린더를 통해 유동하는 유체의 유동률은 임의의 선택된 공진 피크의 주파수 천이로부터 결정될 수 있다. 이전 스펙트럼은 유체의 유동이 증가함에 따라 이동한다. 도 10은 유동률의 측정결과와 임의로 선택된 공진 피크의 위치를 도시하고 있다. 데이터는 이차 다항식을 사용해서 정확히 피팅될 수 있다.

유체 내 기체의 볼륨은 캐패시턴스 측정에 의해 결정될 수 있으며, 이를 위한 장치는 장치(44)로써 상기 기술되었으며, 도 1 및 3에 도시되었다. 언급된 것처럼, 두 개의 중공 동심 금속 실린더, 중심 전극 및 외부 전극이 사용되고, 환형 공간의 유체는 캐패시터의 유전 물질로 쓰이게 된다. 물의 유전 상수는 (상온에서) 80이고 기체의 유전상수는 1이다. 만약 유체가 물과 기체가 결합한 것이면, 캐패시턴스 측정은 기체-유체 조성에서의 기체 볼륨의 정확하고 직접적인 척도를 제공한다. 만약 유체가 오일(유전 상수가 약 2)과 물의 조합이라면, 측정에 나타나는 액체의 양을 보정하기 위해 액체 조성 모니터(32)인 중공 실린더형 공진기를 사용하여 결정되는 유체의 조성이 사용된다. 온도 보정은 이와 비교하면 훨씬 작다. 도 11a는 버블이 없는 물에 대한 캐패시턴스 측정결과를 시간에 대한 함수로 나타내며; 도 11b는 공기가 있는 물의 캐패시턴스 측정결과를 나타낸다. 이 데이터는 액체과 기체 둘 다 존재하는 상황과 비교하여 오직 액체만 존재할 때 동심의 캐패시터의 전기적 임피던스를 나타낸다. 캐패시턴스는 (임의로 선택된) 약 500에서 약 550㎐ 사이의 좁은 주파수 영역 내에서 측정된다. 그러나 사용되는 주파수 영역은 측정에 크게 중요하지는 않다. 도 11a는 전기적 임피던스가 다음과 같이 변하는 일반적인 캐패시터의 동작을 나타낸다: 임피던스 = 1/(2π·주파수·캐패시턴스). 주파수 범위가 작으므로, 임피던스 곡선은 대략 직선이 된다. 만약 주파수가 높으면, 임피던스는 작고 측정은 사용되는 전자장치에 의존한다. 기체가 존재할 때는, 도 11b에서 볼 수 있듯이 물-기체 혼합물의 유전 상수가 급격하게 변한다. 신호의 세기가 사용된 전자장치의 디스플레이 범위를 넘어섰다. 캐패시터의 구조와 그곳에서의 유체의 유전상수가 캐패시턴스를 결정한다. 캐패시터의 볼륨 내에 존재하는 기체의 볼륨을 결정하기 위해 두 가지 매질(액체와 기체)의 선형 조합이 사용될 수 있다.

실시간 캐패시턴스 측정은 또한 인덕터가 캐패시터와 병렬로 부착되는 LC 공진 회로를 사용해서도 가능하며 LC 조합의 공진 주파수는 모니터링된다. 측정된 공진 주파수는 캐패시턴스가 변함에 따라 달라진다.

전술한 본 발명의 설명은 도시 및 설명을 목적으로 제공된 것으로, 누락 없는 철저한 것이 아니고 개시된 상세한 형태로 본 발명을 제한하려는 것은 아니며, 다른 변형 또는 변경도 이전 교시에 비춰 가능함은 자명하다. 실시예는 본 발명의 원리 및 그 실제 용례를 가장 잘 설명하고자 선택 및 개시되었고, 이를 통해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 사람은 고려되는 특정 용도에 적절한 다양한 변경을 갖고 다양한 실시예 형태로 본 발명을 가장 잘 사용할 수 있다. 본 발명의 범위는 여기 첨부된 청구항들에 의해 정의된다.

Claims

적어도 하나의 성분을 갖는 액체 및 기체를 포함하는 다상 유체의 특성들을 결정하는 방법으로서,
축을 가진 제1 중공 압전 실린더(hollow piezoelectric cylinder)에서 상기 기체가 상기 실린더와 상기 축으로부터 멀어지고 상기 액체로부터 분리되도록 방사상 음향 방사력(radial acoustic radiation force)을 생성하는 단계 - 상기 다상 유체는 상기 축을 통해 유동하게 됨 -; 및
상기 기체가 분리된 상기 적어도 하나의 성분의 음속(sound speed) 및 음파 감쇠(sound attenuation)를 측정하는 단계를 포함하며,
상기 적어도 하나의 성분의 조성이 결정되는, 방법.
제1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 성분의 상기 음속 및 상기 음파 감쇠를 측정하는 단계는
상기 제1 성분 및 상기 제2 성분을 상기 제1 압전 실린더와 동일 축 상에 위치한 제2 중공 압전 실린더로 유동시키는 단계;
상기 적어도 한 성분에서 음향 정상파들을 생성하는 단계; 및
상기 음향 정상파들의 상기 주파수 및 크기를 측정하는 단계
를 더 포함하는, 방법.
제1항에 있어서,
상기 유체의 온도를 판정하는 단계
를 더 포함하는 방법.
제3항에 있어서,
온도에 대해 상기 측정된 음속을 보정하는 단계
를 더 포함하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 액체와 상기 기체를 재혼합하는 단계; 및
그 결과 생성된 상기 다상 유체의 캐패시턴스를 측정하는 단계
를 더 포함하며, 상기 다상 유체에서의 기체 볼륨(volume)이 결정되는, 방법.
제5항에 있어서,
실린더형 내부 전극과 동심의 실린더형 외부 전극 사이의 환형 영역을 통해 상기 다상 유체를 유동시키는 단계
를 더 포함하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 기체가 상기 제1 중공 압전 실린더의 상기 축으로부터 멀어지고 상기 액체로부터 분리되기 전에 상기 다상 유체의 상기 캐패시턴스를 측정하는 단계
를 더 포함하며, 상기 다상 유체에서의 기체 볼륨이 결정되는, 방법.
제7항에 있어서,
실린더형 내부 전극과 동심의 실린더형 외부 전극 사이의 환형 영역을 통해 상기 다상 유체를 유동시키는 단계
를 더 포함하는 방법.
제1항에 있어서,
적어도 하나의 성분을 갖는 상기 액체는 오일 및 물을 포함하고, 상기 기체는 적어도 하나의 탄화수소를 포함하는, 방법.
제2항에 있어서,
상기 음향 정상파들의 측정된 주파수에서의 천이를 이용하여 상기 액체의 유동률을 측정하는 단계
를 더 포함하는 방법.
적어도 하나의 성분을 갖는 액체 및 기체를 포함하는 다상 유체의 특성들을 결정하기 위한 장치로서,
제1 축, 내벽 및 외벽을 갖는 제1 중공 압전 실린더 - 상기 내벽은 제1 전극을 포함하고 상기 외벽은 제2 전극을 포함함 -;
제1 선택된 전기 신호를 상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극 중 어느 하나에 제공하기 위한 제1 신호 생성기 - 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 나머지 하나는 접지되고, 상기 기체는 상기 제1 중공 압전 실린더를 통해 유동하는 상기 다상 유체로부터 분리됨 -;
상기 제1 중공 압전 실린더의 상기 축과 동일 선상의 제2 축을 갖는 제2 중공 압전 실린더 - 상기 제2 실린더의 내벽은 접지된 제3 전극을 포함하고, 상기 제2 실린더의 외벽은 직경상으로 대향하게(diametrically opposed) 위치하는 적어도 두 개의 제4 전극을 포함함 -;
제2 선택된 전기 신호를 상기 적어도 두 개의 제4 전극 중 하나에 제공하기 위한 제2 신호 생성기 - 상기 적어도 하나의 성분에서 공진 음향 진동(resonant acoustic vibration)이 생성됨 -; 및
상기 제1 신호 생성기로부터의 신호를 상기 적어도 두 개의 제4 전극 중 다른 하나에 의해 수신된 신호와 비교하기 위한 이득-위상 측정 회로를 포함하며, - 상기 이득-위상 측정 회로에서는, 상기 생성된 신호와 상기 수신된 신호 간의 위상차와 상기 수신된 신호의 크기가 결정됨 -
상기 적어도 하나의 성분에서의 음속과 상기 적어도 하나의 성분에서의 음파 감쇠가 결정되고, 이를 통해 상기 기체가 분리된 상기 적어도 하나의 성분 조성이 음향 간섭 측정(acoustic interferometry)에 의해 결정되는, 장치.
제11항에 있어서,
상기 제2 축과 동일 선상의 제3 축을 갖는 제1 중공 금속 실린더;
상기 제1 금속 실린더와 동심인 제4 축을 갖는 상기 제1 중공 금속 실린더 내의 제2 금속 실린더 - 상기 다상 유체는 상기 제1 금속 실린더 및 상기 제2 금속 실린더에 의해 형성된 환형 영역을 통해 유동함 -; 및
상기 다상 유체의 캐패시턴스를 측정하기 위한 캐패시턴스 측정 장치
를 더 포함하며, 상기 다상 유체에서의 기체 볼륨이 결정되는, 장치.
제11항에 있어서,
상기 다상 유체의 온도를 측정하기 위한 온도 센서를 더 포함하는 장치.
제11항에 있어서,
적어도 하나의 성분을 갖는 상기 액체는 오일 및 물을 포함하고, 상기 기체는 적어도 하나의 탄화수소를 포함하는, 장치.