KR20160068538A - 관내 유동의 볼륨 프랙션 측정장치 및 측정방법 - Google Patents

관내 유동의 볼륨 프랙션 측정장치 및 측정방법 Download PDF

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Abstract

관내 유동의 볼륨 프랙션 측정장치 및 측정방법에 관한 것으로, 삼상 유동을 갖는 배관 내부에 설치되는 측정 프로브, 상기 측정 프로브에서 출력되는 측정신호를 이용해서 배관 내부 삼상 유동의 저항과 커패시턴스를 측정하는 측정회로 및 상기 측정회로에서 측정된 저항과 커패시턴스를 이용해서 각 상의 볼륨 프랙션을 연산하는 연산유닛을 포함하는 구성을 마련하여, 삼상 유동을 갖는 배관 내부에 측정 프로브를 설치하고, 측정 프로브에서 측정된 직류신호와 교류신호를 순차적으로 이용해서 물과 오일, 가스의 볼륨 프랙션을 동시에 측정할 수 있다는 효과가 얻어진다.

Description

관내 유동의 볼륨 프랙션 측정장치 및 측정방법{VOLUME FRACTION METERING APPARATUS AND METHOD OF FLOWAGE IN PIPE }
본 발명은 관내 유동의 볼륨 프랙션 측정장치 및 측정방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 배관 내부의 가스, 오일, 물 삼상 유동에서 각 상의 볼륨 프랙션을 동시에 측정하는 볼륨 프랙션 측정장치 및 측정방법에 관한 것이다.
일반적으로, 해양플랜트는 원유(Oil)나 천연가스(Natural Gas)의 채굴, 생산, 수송에 사용되는 각종 해양설비가 주류를 이룬다.
최근에는 육상 및 근해의 화석연료가 고갈됨에 따라 심해(subsea) 자원 확보를 위한 경쟁이 가속화되고 있다.
해양플랜트 산업에서 가장 고도의 기술력을 요구하는 분야가 심해에서 원유 및 가스 등을 처리, 생산하는 해저생산 처리시스템(Subsea Production and Processing System)이며, 이와 같은 이유 때문에 해저생산 처리시스템은 고부가 가치 산업으로 자리 매김하고 있다.
원유는 일반적으로 여러 가지 구성물의 혼합물이다. 물, C1, C2, C3 등의 탄소 화합물과 더불어 SO2, CO2와 같은 샤워 컴포넌트(Sour Component), C7 이상의 헤비 컴포넌트(heavy Component) 등을 포함한다.
이러한 원유는 리저버(Reservoir)에서부터 탑사이드 퍼실리티(Topside Facility)로 이송되는 과정에서 온도, 압력 조건에 따라 다양한 상(phase)으로 존재하게 되는데, 이러한 특성을 가진 유동을 다상 유동(Multi-phase Flow)이라고 한다.
이중 대표적인 형태는 이상(Two-phase) 유동으로 액체(liquid)와 가스(gas)가 혼합된 형태로 흐르는 경우를 말한다.
또한, 이를 생산물을 수송하는 파이프(pipe)가 놓인 형태 및 위치에 따라, 유동은 다양한 형태로 흐르게 된다.
이상 유동은 단상 유동에 비해 훨씬 복잡한 거동을 보이며, 가스(gas)나 액체(liquid)의 하나의 유동과 달리, 서로 다른 밀도와 점성 차이로 인해 파이프 라인 내에서 같은 속도로 이동하지 않는다.
가스와 액체의 유동 형태는 유속, 밀도, 관로 직경 및 경사에 따라 기포류(Dispersed bubble flow), 환류(Annular flow), 슬러그류(slug flow), 성층류(stratified flow) 등으로 구분할 수 있다.
예를 들어, 하기의 특허문헌 1 및 특허문헌 2에는 다상 유동 유체의 상태를 모니터링하는 장치의 구성이 개시되어 있다.
특허문헌 1에는 다상 유동 유체가 유동하는 파이프관, 파이프관 내측에 일부가 삽입되며 광학 렌즈를 구비하는 라만 프로브 및 라만 프로브의 다른 일부와 연결되는 라만 피크 분석부를 포함하여 파이프 내에서 유동하는 다상 유동 유체의 성분 및 조성을 측정하는 임베디드(embedded) 측정 장치가 기재되어 있다.
특허문헌 2에는 유효 직경을 갖는 구멍들로 이루어진 적어도 한 쌍의 구멍들을 통해 관의 내부와 연통하는 초음파 유량계, 다수의 개구들을 구비하며 이 개구들 사이의 피치를 상기 구멍의 유효 직경과 함수 관계를 갖게 하고 관 내에 배치된 난류 조절기를 포함하여 관내의 유체 유량을 결정하는 장치가 기재되어 있다.
한편, 배관 내부 유동의 상태를 모니터링하기 위한 측정값 중에서 관내 가스/오일/물의 볼륨 프랙션(Volume Fraction) 분포는 매우 중요한 측정값이다.
대한민국 특허 등록번호 제10-1298744호(2013년 8월 21일 공고) 대한민국 특허 등록번호 제10-1224215호(2013년 1월 21일 공고)
그러나 종래에는 가스/오일, 가스/물 등의 이상(二相) 유동에 대해, 관내에서 각 상의 볼륨 프랙션 분포를 측정하는 방법을 사용하였다.
즉, 가스/물의 경우에는 물이 가스에 비해서 저항이 작기 때문에, 두 물질의 저항 차이를 전기신호로 증폭시켜 관내 두 물질의 볼륨 프랙션을 산출한다.
그리고 가스/오일의 경우에는 두 물질 모두 비전도성 물질이나, 유전율(permeability)가 다르기 때문에, 유전율 차이를 전기신호로 증폭시켜 관내 두 물질의 볼륨 프랙션을 산출한다.
그러나 현재까지 가스/오일/물 삼상 유동에서 각 상의 볼륨 프랙션을 동시에 측정할 수 있는 방법이 없었다.
이에 따라, 삼상 유동에서 각 상의 볼륨 프랙션을 동시에 측정할 수 있는 기술의 개발이 필요한 실정이다.
본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 배관 내부의 물, 오일, 가스 삼상 유동에서 각 상의 볼륨 프랙션을 동시에 측정할 수 있는 관내 유동의 볼륨 프랙션 측정장치 및 측정방법을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 관내 유동의 볼륨 프랙션 측정장치는 삼상 유동을 갖는 배관 내부에 설치되는 측정 프로브, 상기 측정 프로브에서 출력되는 측정신호를 이용해서 배관 내부 삼상 유동의 저항과 커패시턴스를 측정하는 측정회로 및 상기 측정회로에서 측정된 저항과 커패시턴스를 이용해서 각 상의 볼륨 프랙션을 연산하는 연산유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 측정 프로브는 배관 내부 유동에 의해 접촉 불가능하도록 미리 설정된 거리만큼 이격되어 설치되는 제1 및 제2 프로브를 포함하고, 상기 제1 및 제2 프로브는 전도체 재질로 제조되는 것을 특징으로 한다.
상기 측정회로는 상기 측정 프로브의 측정신호가 반전단자에 입력되는 연산증폭기와 상기 연산증폭기의 반전단자와 출력단 사이에 서로 병렬로 연결되는 기준 저항 및 기준 커패시터를 포함하고, 상기 연산증폭기의 비반전단자는 기저전위라인에 연결되는 것을 특징으로 한다.
상기 연산유닛은 상기 측정회로에서 출력되는 아날로그 신호 형태의 측정신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그 디지털 컨버터, 연산 작업을 통해 상기 삼상 유동 중에서 물의 높이 및 볼륨 프랙션과 오일 및 가스의 볼륨 프랙션을 산출하는 제어부 및 상기 연산 작업을 수행하는 프로그램을 저장하는 저장부를 포함하고, 상기 저장부에는 물의 높이를 변화시키면서 상기 측정회로에서 출력되는 출력신호의 전압값을 매칭시킨 룩업 테이블이 저장되는 것을 특징으로 한다.
상기 연산유닛은 교류신호 형태의 측정신호를 하기의 수학식 1 및 수학식 2에 대입해서 오일 및 가스의 볼륨 프랙션을 산출하는 것을 특징으로 한다.
Figure pat00001
...[수학식 1]
Figure pat00002
...[수학식 2]
여기서, Cx는 배관 내부 삼상 유동의 커패시턴스, Ao는 비례상수, hw, ho, hg는 각각 물, 오일, 가스의 높이, hT는 물, 오일, 가스의 전체 높이, εw, εo, εg는 각각 물, 오일, 가스의 유전율.
또한, 상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 관내 유동의 볼륨 프랙션 측정방법은 (a) 삼상 유동을 갖는 배관 내부에 설치된 측정 프로브를 이용해서 삼상 유동의 저장 및 커패시턴스를 측정하는 단계, (b) 상기 측정 프로브에서 출력되는 직류신호 형태의 측정신호를 이용해서 상기 삼상 유동 중 물의 높이 및 볼륨 프랙션을 산출하는 단계 및 (c) 상기 측정 프로브에서 출력되는 교류신호 형태의 측정신호를 이용해서 상기 삼상 유동 중 오일 및 가스의 볼륨 프랙션을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 (a)단계는 상기 배관 내부의 유동에 의해 접촉 불가능하도록 미리 설정된 거리만큼 이격된 제1 및 제2 프로브를 상기 측정 프로브로 이용하는 것을 특징으로 한다.
상기 (b)단계는 (b1) 직류신호 형태의 측정신호를 이용해서 상기 배관 내부 삼상 유동의 저항을 측정하는 단계, (b2) 상기 (b1)단계에서 측정된 저항값과 물의 높이별 출력신호의 전압값을 매칭시킨 룩업 테이블을 이용해서 물의 높이를 산출하는 단계 및 (b3) 상기 (b2)단계에서 산출된 물의 높이를 이용해서 물의 볼륨 프랙션을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 (c)단계는 (c1) 교류신호 형태의 측정신호를 이용해서 수학식 1에 따라 배관 내부 삼상 유동의 커패시턴스(Cx)를 측정하는 단계 및 (c2) 측정된 커패시턴스와 물, 오일, 가스의 높이 및 유전율을 이용해서 오일 및 가스의 볼륨 프랙션을 산출하는 단계를 포함하고, 상기 (c1)단계에서 측정신호의 주파수(w)는 w≫1/CoRo, W≫1/CxRx를 만족하는 것을 특징으로 한다.
Figure pat00003
...[수학식 1]
여기서, Zo는 기준 저항(R0) 및 기준 커패시터(C0)의 전체 임피던스, Zx는 삼상 유동의 임피던스, C0는 기준 커패시터의 커패시턴스, Cx는 배관 내부 삼상 유동의 커패시턴스, Vi는 측정신호, Vo는 측정회로의 출력신호.
상기 (c2)단계는 상기 측정신호를 수학식 2 및 수학식 3에 각각 대입해서 오일과 가스의 볼륨 프랙션을 산출하는 것을 특징으로 한다.
Figure pat00004
...[수학식 2]
Figure pat00005
...[수학식 3]
여기서, Cx는 배관 내부 삼상 유동의 커패시턴스, Ao는 비례상수, hw, ho, hg는 각각 물, 오일, 가스의 높이, hT는 물, 오일, 가스의 전체 높이, εw, εo, εg는 각각 물, 오일, 가스의 유전율.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 관내 유동의 볼륨 프랙션 측정장치 및 측정방법에 의하면, 삼상 유동을 갖는 배관 내부에 측정 프로브를 설치하고, 측정 프로브에서 측정된 직류신호와 교류신호를 순차적으로 이용해서 물과 오일, 가스의 볼륨 프랙션을 동시에 측정할 수 있다는 효과가 얻어진다.
즉, 본 발명에 의하면, 종래에 가스와 물, 가스와 오일과 같이 이상의 볼륨 프랙션을 측정하기 위해 별도의 장비를 마련할 필요없이, 하나의 측정장치를 이용하여 삼상 유동에서 각 상의 볼륨 프랙션을 동시에 측정함에 따라, 제작 비용을 절감하고, 측정시간을 최소화할 수 있다는 효과가 얻어진다.
이에 따라, 본 발명에 의하면, 삼상 유동에서 측정된 각 상의 볼륨 프랙션을 이용해서 배관 내부의 유동 상태를 정밀하게 모니터링할 수 있다는 효과가 얻어진다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 관내 유동의 볼륨 프랙션 측정장치의 구성도,
도 2는 측정회로의 회로도,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 관내 유동의 볼륨 프랙션 측정방법을 단계별로 설명하는 공정도.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 관내 유동의 볼륨 프랙션 측정장치 및 측정방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 관내 유동의 볼륨 프랙션 측정장치의 구성도이다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 관내 유동의 볼륨 프랙션 측정장치(10)는 도 1에 도시된 바와 같이, 가스, 오일, 물의 삼상 유동을 갖는 배관(11) 내부에 설치되는 측정 프로브(20), 측정 프로브(20)에서 출력되는 측정신호를 이용해서 저항과 커패시턴스를 측정하는 측정회로(30) 및 측정회로(30)에서 측정된 저항과 커패시턴스를 이용해서 각 상의 볼륨 프랙션을 연산하는 연산유닛(40)을 포함한다.
본 실시 예에서 배관(11)은 해양플랜트를 이용해서 생산된 원유를 이송하는 수평이송관으로 마련될 수 있다.
측정 프로브(20)는 미리 설정된 간격만큼 이격되게 설치되는 제1 및 제2 프로브(21,22)를 포함할 수 있다.
이러한 측정 프로브(20)는 측정회로(30)에서 전원을 공급받아 삼상 유동의 저항을 측정할 수 있도록 전도체 재질로 제작될 수 있다.
본 실시 예에서 측정 프로브(20)는 물, 오일, 가스에 의한 부식을 방지할 수 있도록 내부식성을 갖는 스테인리스 강(stainless steel) 재질의 재료로 제작될 수 있다.
제1 및 제2 프로브(21,22) 사이의 간격은 좁을수록 출력 신호의 감도가 향상된다.
다만, 본 실시 예에서 제1 및 제2 프로브(21,22)는 배관(11) 내부의 유동에 의해 서로 접촉되지 않은 정도의 거리에 대응되는 간격(d)만큼 이격되어 설치되는 것이 바람직하다.
측정회로(30)는 제1 및 제2 프로브(21,22)에서 전달되는 측정신호, 즉 직류신호와 교류신호를 순차적으로 이용해서 저항과 커패시턴스를 측정하는 기능을 한다.
예를 들어, 도 2는 측정회로의 회로도이다.
측정회로(30)는 도 2에 도시된 바와 같이, 측정 프로브(20)에서 배관(11) 내부 삼상 유동의 저항(Rx)과 커패시턴스(Cx)를 측정한 측정신호가 반전단자(-)에 입력되는 연산증폭기(OP), 연산증폭기(OP)의 반전단자(-)와 출력단(31) 사이에 서로 병렬로 연결되는 기준 저항(R0) 및 기준 커패시터(C0)를 포함할 수 있다.
연산증폭기(OP)의 비반전단자(+)는 기저전위라인(GND)에 연결될 수 있다.
측정회로(30)는 입력단(31)을 통해 입력되는 측정신호(Vi)의 직류신호와 교류신호를 순차적으로 사용해서 삼상 유동의 저항(Rx)과 커패시턴스(Cx)를 측정할 수 있다.
측정회로(30)의 출력단(32)은 연산유닛(40)과 연결되고, 아날로그 신호 형태의 직류신호와 교류신호 형태의 출력신호(Vo)를 순차적으로 출력할 수 있다.
측정회로(30)의 출력단(32)에서 출력되는 출력신호(Vo)은 입력단(31)을 통해 입력되는 측정신호(Vi)를 이용해서 아래의 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00006
여기서, Zo는 기준 저항 및 커패시터의 전체 임피던스, Zx는 삼상 유동의 임피던스, .
이와 같이 구성되는 측정회로(30)는 주파수(w)가 '0'인 직류신호 형태의 측정신호(Zx=Rx)를 사용하는 경우, 측정신호(Vi)의 커패시턴스(Cx) 성분이 무시됨에 따라, 오직 저항(Rx) 성분만 측정한다.
즉, 가스와 오일은 비전도성 물질이고, 물은 전도성 물질이므로, 측정신호는 아래의 수학식 2와 같이 배관(11) 내부에서 물의 비율에 비례하여 증가한다.
[수학식 2]
Figure pat00007
여기서, 1/Rx은 물의 높이(hw)에 비례한다.
따라서, 본 발명은 실제 측정 전에 캘리브레이션 과정을 통해 물의 높이를 0 내지 100%로 변화시키면서 측정신호(Vi)의 전압값을 매칭시킨 룩업 테이블(lookup table)을 이용해서 측정 프로브(20)의 측정신호(Vi)에 대한 물의 비율을 산출할 수 있다.
반면, 측정회로(30)에 교류신호 형태의 측정신호(Vi)를 사용하는 경우, 측정신호(Vi)의 주파수 w≫1/CoRo, W≫1/CxRx를 대응시켜 측정신호(Vi)에서의 저항(Rx) 성분을 무시하고, 오직 커패시턴스(Cx) 성분만 측정한다.
이에 따라, 측정회로(30)의 출력신호(Vo)는 아래의 수학식 3과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 3]
Figure pat00008
여기서, 삼상 유동의 커패시턴스 Cx는 εoho, εwhw, εghg에 비례한다.
여기서, εo, εw, εg는 각각 오일과 물, 가스의 유전율이고, hw는 측정회로를 이용해서 측정된 물의 높이이다.
따라서, 배관(11) 내부 삼상 유동의 커패시턴스(Cx)는 오일의 높이(ho)에 대해 아래의 수학식 4와 같이 정리될 수 있다.
[수학식 4]
Figure pat00009
Figure pat00010
여기서, Ao는 비례상수, hg= hT-hw-ho, hT는 물, 오일, 가스의 전체 높이, 즉 배관의 내경.
또한, 배관(11) 내부 삼상 유동의 커패시턴스(Cx)는 가스의 높이(hg)에 대해 아래의 수학식 5와 같이 정리될 수 있다.
[수학식 5]
Figure pat00011
이에 따라, 연산유닛(40)은 수학식 4와 수학식 5를 이용해서 오일과 가스의 볼륨 프랙션을 각각 산출할 수 있다.
이러한 연산유닛(40)은 컴퓨터 단말로 마련될 수 있다.
예를 들어, 연산유닛(40)은 도 1에 도시된 바와 같이, 측정회로(30)에서 출력되는 아날로그 신호 형태의 측정신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그 디지털 컨버터(이하 'A/D 컨버터'라 함)(41), 연산 작업을 통해 물의 높이(hw) 및 볼륨 프랙션과 오일 및 가스의 볼륨 프랙션을 연산하는 제어부(42) 및 상기 연산 작업을 수행하는 프로그램과 룩업 테이블을 저장하는 저장부(43)를 포함할 수 있다.
다음 도 3을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 관내 유동의 볼륨 프랙션 측정방법을 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 관내 유동의 볼륨 프랙션 측정방법을 단계별로 설명하는 공정도이다.
먼저, S10단계에서 물, 오일, 가스의 삼상 유동을 갖는 배관(11) 내부에 측정 프로브(20)가 설치된다.
이때, 측정 프로브(20)로 마련된 제1 및 제2 프로브(21,22)는 배관(11) 내부의 유동에 의해 서로 접촉되지 않도록 미리 설정된 거리(d)만큼 이격되어 설치된다.
측정회로(30)는 측정 프로브(20)에 전원을 공급해서 배관(11) 내부 삼상 유동의 저항(Rx) 및 커패시턴스(Cx)를 측정한다.
여기서, 측정회로(30)는 입력전압으로 직류신호와 교류신호 형태의 측정신호(Vi)를 순차적으로 사용해서 배관(11) 내부 삼상 유동의 저항(Rx)과 커패시턴스(Cx)를 측정한다.
즉, S12단계에서 측정회로(30)는 직류신호 형태의 측정신호를 이용해서 상기의 수학식 2에 따라 삼상 유동의 저항(Rx)을 측정한다.
그러면, 연산유닛(40)의 A/D 컨버터(41)는 아날로그 신호 형태의 측정신호(Vi)를 디지털 신호로 변환하고, 제어부(42)는 측정된 저항값과 저장부(43)에 저장된 룩업 테이블을 비교해서 물의 높이(hw) 및 볼륨 프랙션을 산출한다(S14).
S16단계에서 측정회로(30)는 교류신호 형태의 측정신호를 이용해서 상기의 수학식 3에 따라 배관 내부 삼상 유동의 커패시턴스(Cx)를 측정한다.
그러면, 제어부(42)는 측정된 커패시턴스(Cx)를 상기의 수학식 4 및 수학식 5에 대입해서 오일과 가스의 볼륨 프랙션을 산출한다(S18).
상기한 바와 같은 과정을 통하여, 본 발명은 삼상 유동을 갖는 배관 내부에 측정 프로브를 설치하고, 측정 프로브에서 측정된 직류신호와 교류신호를 순차적으로 이용해서 물과 오일, 가스의 볼륨 프랙션을 동시에 산출할 수 있다.
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
상기의 실시 예에서는 배관 내부의 물, 오일, 가스 삼상 유동에서 각 상의 볼륨 프랙션을 측정하는 것으로 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
즉, 본 발명은 삼상 유동뿐만 아니라, 사상 이상의 다상 유동에서 각 상의 볼륨 프랙션을 측정할 수 있도록 변경될 수도 있다.
본 발명은 삼상 유동을 갖는 배관 내부에 측정 프로브를 설치하고, 측정 프로브에서 측정된 직류신호와 교류신호를 순차적으로 이용해서 물과 오일, 가스의 볼륨 프랙션을 동시에 산출하는 기술에 적용된다.
10: 관내 유동의 볼륨 프랙션 측정장치
11: 배관 20: 프로브
21,22: 제1,제2 프로브 30: 측정회로
31: 입력단 32: 출력단
40: 연산유닛 41: A/D 컨버터
42: 제어부 43: 저장부
Rx: 배관 내부 삼상 유동의 저항
Cx: 배관 내부 삼상 유동의 커패시턴스
R0: 기준 저항 C0: 기준 커패시터
OP: 연산 증폭기 Vi: 측정신호
Vo: 출력신호

Claims (10)

  1. 삼상 유동을 갖는 배관 내부에 설치되는 측정 프로브,
    상기 측정 프로브에서 출력되는 측정신호를 이용해서 배관 내부 삼상 유동의 저항과 커패시턴스를 측정하는 측정회로 및
    상기 측정회로에서 측정된 저항과 커패시턴스를 이용해서 각 상의 볼륨 프랙션을 연산하는 연산유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 관내 유동의 볼륨 프랙션 측정장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 측정 프로브는 배관 내부 유동에 의해 접촉 불가능하도록 미리 설정된 거리만큼 이격되어 설치되는 제1 및 제2 프로브를 포함하고,
    상기 제1 및 제2 프로브는 전도체 재질로 제조되는 것을 특징으로 하는 관내 유동의 볼륨 프랙션 측정장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 측정회로는 상기 측정 프로브의 측정신호가 반전단자에 입력되는 연산증폭기와
    상기 연산증폭기의 반전단자와 출력단 사이에 서로 병렬로 연결되는 기준 저항 및 기준 커패시터를 포함하고,
    상기 연산증폭기의 비반전단자는 기저전위라인에 연결되는 것을 특징으로 하는 관내 유동의 볼륨 프랙션 측정장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연산유닛은
    상기 측정회로에서 출력되는 아날로그 신호 형태의 측정신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그 디지털 컨버터,
    연산 작업을 통해 상기 삼상 유동 중에서 물의 높이 및 볼륨 프랙션과 오일 및 가스의 볼륨 프랙션을 산출하는 제어부 및
    상기 연산 작업을 수행하는 프로그램을 저장하는 저장부를 포함하고,
    상기 저장부에는 물의 높이를 변화시키면서 상기 측정회로에서 출력되는 출력신호의 전압값을 매칭시킨 룩업 테이블이 저장되는 것을 특징으로 하는 관내 유동의 볼륨 프랙션 측정장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 연산유닛은 교류신호 형태의 측정신호를 하기의 수학식 1 및 수학식 2에 대입해서 오일 및 가스의 볼륨 프랙션을 산출하는 것을 특징으로 하는 볼륨 프랙션 측정장치.
    Figure pat00012
    ...[수학식 1]
    Figure pat00013
    ...[수학식 2]
    여기서, Cx는 배관 내부 삼상 유동의 커패시턴스, Ao는 비례상수, hw, ho, hg는 각각 물, 오일, 가스의 높이, hT는 물, 오일, 가스의 전체 높이, εw, εo, εg는 각각 물, 오일, 가스의 유전율.
  6. (a) 삼상 유동을 갖는 배관 내부에 설치된 측정 프로브를 이용해서 삼상 유동의 저장 및 커패시턴스를 측정하는 단계,
    (b) 상기 측정 프로브에서 출력되는 직류신호 형태의 측정신호를 이용해서 상기 삼상 유동 중 물의 높이 및 볼륨 프랙션을 산출하는 단계 및
    (c) 상기 측정 프로브에서 출력되는 교류신호 형태의 측정신호를 이용해서 상기 삼상 유동 중 오일 및 가스의 볼륨 프랙션을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 관내 유동의 볼륨 프랙션 측정방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 (a)단계는 상기 배관 내부의 유동에 의해 접촉 불가능하도록 미리 설정된 거리만큼 이격된 제1 및 제2 프로브를 상기 측정 프로브로 이용하는 것을 특징으로 하는 관내 유동의 볼륨 프랙션 측정방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 (b)단계는
    (b1) 직류신호 형태의 측정신호를 이용해서 상기 배관 내부 삼상 유동의 저항을 측정하는 단계,
    (b2) 상기 (b1)단계에서 측정된 저항값과 물의 높이별 출력신호의 전압값을 매칭시킨 룩업 테이블을 이용해서 물의 높이를 산출하는 단계 및
    (b3) 상기 (b2)단계에서 산출된 물의 높이를 이용해서 물의 볼륨 프랙션을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 관내 유동의 볼륨 프랙션 측정방법.
  9. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 (c)단계는
    (c1) 교류신호 형태의 측정신호를 이용해서 수학식 1에 따라 배관 내부 삼상 유동의 커패시턴스(Cx)를 측정하는 단계 및
    (c2) 측정된 커패시턴스와 물, 오일, 가스의 높이 및 유전율을 이용해서 오일 및 가스의 볼륨 프랙션을 산출하는 단계를 포함하고,
    상기 (c1)단계에서 측정신호의 주파수(w)는 w≫1/CoRo, W≫1/CxRx를 만족하는 것을 특징으로 하는 관내 유동의 볼륨 프랙션 측정방법.
    Figure pat00014
    ...[수학식 1]
    여기서, Zo는 기준 저항(R0) 및 기준 커패시터(C0)의 전체 임피던스, Zx는 삼상 유동의 임피던스, C0는 기준 커패시터의 커패시턴스, Cx는 배관 내부 삼상 유동의 커패시턴스, Vi는 측정신호, Vo는 측정회로의 출력신호.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 (c2)단계는 상기 측정신호를 수학식 2 및 수학식 3에 각각 대입해서 오일과 가스의 볼륨 프랙션을 산출하는 것을 특징으로 하는 관내 유동의 볼륨 프랙션 측정방법.
    Figure pat00015
    ...[수학식 2]
    Figure pat00016
    ...[수학식 3]
    여기서, Cx는 배관 내부 삼상 유동의 커패시턴스, Ao는 비례상수, hw, ho, hg는 각각 물, 오일, 가스의 높이, hT는 물, 오일, 가스의 전체 높이, εw, εo, εg는 각각 물, 오일, 가스의 유전율.
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