KR20170090414A

KR20170090414A - 유동 기체상 매질의 분율을 결정하는 방법 및 시스템

Info

Publication number: KR20170090414A
Application number: KR1020177012351A
Authority: KR
Inventors: 요스트 콘라드 루터스; 야르노 그로에네스텡; 티오도루스 시몬 요제프 라메린크; 렘코 존 비헤린크; 데 바우데 에그베르트 얀 반; 바우터 슈파르봄
Original assignee: 버킨 비.브이.
Priority date: 2014-10-07
Filing date: 2015-10-05
Publication date: 2017-08-07
Also published as: EP3204765A1; CN107209163A; NL2013587B1; WO2016056902A1; JP2017535766A; US20170241966A1; RU2017112766A; RU2017112766A3

Abstract

본 발명은 알고 있는 복수 N개의 알고 있는 구성요소를 포함하는 유동 기체상 매질의 분율을 결정하는 방법 및 시스템에 관한 것이다. 방법은 유동 기체상 매질의 적어도 N-1개의 파라미터를 결정하기 위한 단계를 포함한다. N-1개의 파라미터는 질량 유량, 밀도, 점도, 및 열용량을 포함하는 양의 군으로부터 선택된다. 적어도 N-1개의 기준값은 각각의 결정된 N-1개의 양에 관한 각각의 알고 있는 N개의 구성요소에 대하여 제공된다. 공급된 기체상 매질의 각각의 알고 있는 구성요소의 분율은 적어도 N개의 식의 풀이를 통해 결정된다. N개의 식은 분율의 합을 100%와 동일하게 설정하는 식과 함께, 분율 및 기준값의 함수로서 각각의 결정된 파라미터를 서술하는 N-1개의 식을 포함한다.

Description

유동 기체상 매질의 분율을 결정하는 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR DETERMINING THE FRACTIONS OF A STREAMING GASEOUS MEDIUM}

본 발명은 유동 기체상 매질의 분율을 결정하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 추가로 이러한 방법을 실시하기 위한 시스템에 관한 것이다.

유동 기체의 조성에 대한 지식은 많은 기술 분야에서 중요하다. 이는, 예를 들면, 약제의 제조 또는 의료 목적을 위하여 목적하는 기체 혼합물의 구성의 경우에 그렇다.

예를 들면, 의료용 주입 펌프에서, 특히 신생아학 분야에서는, 매질의 유량 및 조성을 둘 다 알고 있는 것이 필수적이고, 예를 들면, 신생아는 약물 및/또는 영양소의 정확한 종류 및 정확한 양 둘 다를 받아야 한다. 여기서 문제는 유량이 매우 낮다는 것이고, 이는 측정의 목적하는 정확도를 달성하는 것을 어렵게 만든다.

그러나 천연 가스의 경우, 예를 들면, 이의 에너지 함량을 결정하기 위하여, 이의 조성을 아는 것이 동일하게 중요하다. 웨버(Wobbe) 지수 계량기 또는 기체 크로마토그래프와 같은 기체 연료의 에너지 함량을 결정하기 위한 통상적인 장치는 비교적 부피가 크고 비싸다.

다양한 국가로부터의 천연 가스의 혼합의 결과로서 전국 배전망에서 천연 가스의 조성 및 양은 실질적으로 다양할 것이고, 이의 결과로서 주기 변화가 일어날 것이 예상된다. 품질 제어 및 품질 보증은 이러한 점에 있어서 매우 중요하다. 이는 심지어 전국 배전망으로 바이오가스를 도입하는 것이 또한 바람직하다는 점에서 더욱 적절하다.

다수의 기술 분야에서 기체상 매질의 조성을 결정하기 위한 빠르고 비싸지 않으며 믿을 수 있는 방법에 대한 요구가 존재한다는 것이 상기로부터 명백하다. 따라서 본 발명의 목적은, 특히 품질 보증 및 안전성의 목적으로, 유동 기체상 매질의 (용적) 분율을 결정할 수 있고, 상기 분율의 결정이 연속적으로 일어날 수 있는(실시간으로) 방법을 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 제1항에서 정의된 바와 같은 방법을 제공한다. 분율, 특히 본 발명에 따른 용적 분율을 결정하는 방법은 이의 조성이 결정되어야 하는 유동 기체상 매질을 제공하는 단계를 포함한다. 유동 기체상 매질은 알고 있는 복수 N개의 알고 있는 구성요소로 적어도 실질적으로 이루어진다. 본 명세서에서 용어 "구성요소"는 어떠한 경우라도 순수한, 혼합되지 않은 유체, 예를 들면, 물, 수소, 산소, 이산화탄소, 질소, 및 알칸, 예를 들면, 메탄, 에탄, 프로판 등을 의미한다.

방법에 따라, 제공된 기체상 매질의 적어도 N-1개의 파라미터가 결정된다. 실시형태에 있어서, 예를 들면, 하나 이상의 상기 파라미터는 질량 유량, 밀도, 점도, 및 열용량을 포함하는 양의 군으로부터 선택된다. 대안적인 양은 명백하게 가능하다. 파라미터는 직접적으로 측정될 수 있거나, 대안적으로 다른 측정으로부터 유도될 수 있다.

각각의 N개의 알고 있는 구성요소에 대하여, 각각의 결정된 N-1개의 양과 관련된 적어도 N-1개의 기준값이 제공된다. 다시 말해서, 기체상 매질의 알고 있는 구성요소 각각에 대한 기준값이 제공된다. 예를 들면, 메탄, 이산화탄소 및 질소의 혼합물의 밀도가 결정되거나 측정되는 경우, 메탄, 이산화탄소 및 질소의 각각의 밀도가 기준값으로 제공된다. 보충적인 파라미터, 예를 들면, 점도가 측정되는 경우, 각각의 구성요소에 대하여 결정된 양에 대한 기준값, 따라서 이 경우 점도가 제공된다.

본 발명에 따른 방법은 적어도 N개의 식 풀이를 통해 제공된 기체상 매질의 각각의 알고 있는 구성요소의 분율을 결정하는 단계를 포함하고, 상기 식은 하기를 포함한다:

o 매질의 각각의 알고 있는 파라미터의 분율의 함수 및 기체상 매질의 각각의 알고 있는 구성요소의 제공된 기준값의 함수로서, 각각의 결정된 파라미터를 서술하는 적어도 N-1개의 식 및

o 각각의 알고 있는 구성요소의 분율의 합을 적어도 실질적으로 100%와 동일하게 설정하는 적어도 1개의 식.

상기 방법은 비교적 단순하고 빠른 방식으로 유동 기체의 조성을 결정하는 것을 가능하게 만든다. 본 발명에 따른 식의 풀이는 실질적으로 즉각적으로 조성의 결정을 야기한다. 이는 특히 유동 기체상 매질의 연속적인 모니터링(실시간으로)을 가능하게 만든다. 본 발명의 목적은 이로써 달성된다.

발명의 유리한 실시형태는 청구항 제2항 내지 제12항에 따라 정의된다. 이들 실시형태의 장점은 하기 논의될 것이다.

실시형태에 있어서, 방법은 유동 기체상 매질을 실질적으로 연속적으로 제공하고, 적어도 N-1개의 파라미터를 실질적으로 연속적으로 결정하는 단계를 포함한다. 방법은 따라서 실질적으로 실시간으로 유동 기체상 매질의 분율을 결정하기 위하여 실질적으로 연속적으로 수행될 수 있다. 연속적 유동 기체상 매질의 조성을 동시간대 두 순간에 알 수 있도록, 파라미터를 결정하고 구성요소의 분율을 결정하는 단계는 적어도 1회 반복된다. 이는 기체의 품질을 모니터링할 수 있도록 시간에 따라 조성을 관찰하는 것을 가능하게 만든다. 이는 특히 의료적 적용에서 안전성 측면을 개선시킨다.

본 발명에 따른 방법은 N-1개의 파라미터의 결정 및 N개의 식 풀이를 통해 매우 빠르게 결과를 수득한다. 대안적인, 공지된 방법, 예를 들면, 측정의 결과가 대략 3분 후 이용 가능해지는 기체 크로마토그래피와 비교하여, 본 발명에 따른 방법은 대략 0 내지 60초, 특히 0 내지 15초, 더욱 특히 0 내지 5초의 매우 빠른 결과를 가능하게 만든다. 추가로, 기체는 전처리(예를 들면, 기체 크로마토그래피에서와 같이, 구성요소의 분리 및/또는 운반 기체의 첨가)의 필요 없이 본 발명에 따라 제공될 수 있다. 이러한 전처리의 부재 및 방법에 의해 달성되는 속도는 방법이 연속적으로 또는 반연속적으로 사용되는 것을 가능하게 만든다. 이는 기체의 모니터링이 필요하거나 바람직한 상황에서 특히 유리하다.

실시형태에 있어서, 식은 후속적으로 풀이되는 행렬 식으로 서술된다. 이러한 행렬 식을 풀이하는 효과적이고 빠르며 믿을 수 있는 방법은 그 자체가 공지된 최소 제곱법이다. 구성요소의 분율을 수득하기 위하여 행렬 식을 풀기 위하여 프로세싱 유닛이 바람직하게는 사용된다.

실시형태에 있어서, 기체상 매질 중의 목적하지 않는 구성요소가 모니터링된다. 따라서, 예를 들면, 기체상 매질 중의 산소 또는 수소의 존재가 검출될 수 있다. 그 경우에 비록 상기 구성요소의 초기 분율이 0과 동일하다고 할지라도 기체상 매질이 관련 구성요소를 함유한다고 명시된다. 본 발명에 따른 방법은 따라서 또한 분명히 알고 있는 구성요소 중 하나가 현재 기체 중에 아직 존재하지 않지만 이러한 알고 있는 구성요소가 미래에 존재할 수 있는 이러한 상황에 관한 것이다. 다시 말해서, 알고 있는 구성요소의 분율은 0과 동일할 수 있다.

본 발명에 따른 방법은 원칙적으로 4개 이상의 구성요소의 존재에도 적용될 수 있지만, 3개 또는 4개의 알고 있는 구성요소를 실질적으로 포함하는 유동 기체상 매질의 분율을 결정하는데 특히 적합하다. 상기 표현 "3개 또는 4개의 알고 있는 구성요소를 실질적으로 포함하는"은 상기 3개 또는 4개의 구성요소의 분율의 합이 100%와 실질적으로 동일하다는 것을 지시하는 것을 의미한다. 추가의 알고 있거나 모르고 있는 구성요소가 기체 중에 존재하고, 추가의 구성요소가 총 분율의 극히 일부분을 차지하는 것이 가능하다. 이러한 구성요소는, 예를 들면, 5% 미만, 바람직하게는 2% 미만, 특히 1% 미만의 농도로 존재할 수 있다. 이러한 경우, 방법은 식에서 이러한 추가의 구성요소를 무시하는 단계를 포함한다.

특히 천연 가스 또는 유사한 기체의 경우, 알고 있는 구성요소 중 하나는 CH₄, C₃H₈, N₂, 및/또는 CO₂인 것이 가능하다. 알고 있는 구성요소 중 하나는 O₂ 또는 H₂인 것이 추가로 가능하다. 그러나, 알고 있는 구성요소를 포함하는 다른 조성이 또한 가능하다.

실시형태에 있어서, 본 발명에 따른 방법은 2개의 파라미터, 특히 기체상 매질의 밀도 및 열용량을 결정하는 단계를 포함한다. 2개의 파라미터의 결정은 3개의 알고 있는 구성요소를 갖는 기체상 매질이 분율의 결정에 적합하다.

2개의 파라미터는 열식 유량 센서 및 코리올리형 유량 센서로부터의 신호에 의하여 결정될 수 있다.

방법의 실시형태에 있어서, 추가로, 유동 기체상 매질의 발열량에 대한 척도는 따라서 결정된 분율로부터 유도된다.

추가의 실시형태에 있어서, 기체상 매질의 웨버 지수 WI는 하기와 같이 발열량으로부터 결정된다:

상기 식에서, H(J/m³)는 기체 혼합물 및 공기를 포함하는 매질의 정해진 용적의 완전한 소비에 의해 발생하는 열 에너지의 양이고, G_S(-)는 기체 혼합물 및 공기의 질량 밀도의 비이다. 매질의 조성은 웨버 지수를, 예를 들면, 상기 식에 따라 정확하게 측정할 수 있을 만큼 높은 정확도로 본 발명에 따른 시스템에 의해 결정된다.

방법은 이의 결정된 분율을 기반으로 하여 유동 기체상 매질의 질량 유량을 제어하는 단계를 포함하는 것이 추가로 가능하다. 여기서 제어는, 예를 들면, 목적하지 않는 구성요소의 검출을 기반으로 하여 질량 유량을 0으로 완전히 감소시키는 단계를 포함하는 것이 가능하다. 방법은 하나 또는 몇몇의 결정된 분율이 미리 설정된 표준 값보다 높거나 낮을 때 경고 신호를 발행하는 단계를 포함하는 것이 추가로 가능하다.

양상에 따라, 본 발명은 이로써 방법이 실시될 수 있는 시스템을 제공하고, 상기 시스템은 청구항 제13항에 정의된 바와 같다. 본 발명에 따른 시스템은, 특히 연속 방식으로, 상기 매질의 조성이 결정되어야 하는 유동 기체상 매질을 각각 공급하고 배출하는 입구 및 출구를 갖는 유관을 포함한다. 센서 수단은 공급된 기체상 매질의 적어도 N-1개의 파라미터를 결정하기 위하여 제공된다. 상기 센서 수단은 바람직하게는 유관에 연결되거나 이의 부품을 형성한다. 시스템은 센서 수단에 연결된 프로세싱 유닛을 추가로 포함하고, 상기 프로세싱 유닛은 그 안에 저장된 적어도 N-1개의 기준값을 갖고, 적어도 N개의 식을 풀이함으로써 공급된 기체상 매질의 각각의 알고 있는 구성요소의 분율을 결정하도록 설계된다.

본 발명에 따른 시스템은 따라서 N개의 알고 있는 구성요소의 혼합물인 기체상 매질의 조성을 결정하도록 설계된다. 프로세싱 유닛은 매질 중의 N개의 구성요소의 분율의 함수로서 적어도 N-1개의 파라미터와 관련된 각각의 양을 서술하는 N개의 식을 함유한다.

무엇보다도, 프로세싱 유닛은 100%와 동일하거나, 100%와 적어도 실질적으로 동일한 매질의 구성요소의 분율의 합을 서술하는 식을 함유한다. 추가로, 프로세싱 유닛은 구성요소의 분율의 함수로서 센서 수단에 의해 결정된 적어도 N-1개의 양을 위한 N-1개의 식을 함유한다. 따라서, 예를 들면, 밀도 및 점도는 둘 다 프로세싱 유닛에서 식의 형태로 구성요소의 선형 함수로서 저장될 수 있다.

이러한 방식으로 프로세싱 유닛에 모르고 있는 N이 존재하는 N개의 식이 있다. 프로세싱 유닛은 각각의 구성요소의 분율을 수득하기 위하여 이들 식을 풀도록 설계된다. 모르고 있는 동일한 수로 식의 숫자를 풀이하는 방법은 그 자체로 공지된다.

시스템의 유리한 실시형태는 종속항 제14항 내지 제20항에 정의된다. 이들 및 다른 실시형태의 장점은 하기 설명될 것이다.

실시형태에 있어서, 센서 수단 및 프로세싱 유닛은 반복적인 방식으로, 특히 연속적으로 N-1개의 파라미터 및 분율을 결정하도록 설계된다. 이는 공급된 기체의 파라미터 및 분율이 실질적으로 연속적으로/반연속적으로/간헐적으로 결정될 수 있다고 말하는 것이다.

시스템은, 예를 들면, 0 내지 60초, 특히 0 내지 15초, 더욱 특히 0 내지 5초 사이에 있는 시간 간격으로 반복적으로 분율을 결정하도록 설계될 수 있다. 이는 시스템이, 예를 들면, 기체 크로마토그래피와 같은 현재 공지된 시스템보다 몇배 빠르게 만든다. 실시형태에 있어서, 프로세싱 유닛은 기준값이 저장된 참조표 또는 데이터베이스와 함께 제공된다. 이러한 참조표 및 데이터베이스는 일반적으로 공지되어 있고, 알고 있는 유체의 밀도, 점도 및 비열용량과 같은 성질 및 파라미터에 대한 값을 포함한다. 프로세싱 유닛은 이들 데이터를 매질에 대하여 결정된 파라미터와 비교할 수 있다. 그 다음, 프로세싱 유닛은 파라미터에 대하여 저장된 식을 사용하여 알고 있는 구성요소의 분율을 결정할 수 있다. 프로세싱 유닛은 비교, 핏팅 또는 보간하도록 설계되는 것이 가능하다. 이는 식 풀이를 단순화하고 빠르게 한다.

실시형태에 있어서 센서 수단은 밀도 센서, 코리올리형 유량 센서, 열식 유량 센서, 및/또는 압력 센서 중 적어도 하나를 포함한다. 압력 센서는, 예를 들면, 차압 센서일 수 있고, 코리올리형 유량 센서는 실시형태에 있어서 동시에 압력 센서를 형성할 수 있다. 프로세싱 유닛은 바람직하게는 이러한 경우, 상기 언급된 센서에 의해 측정된 파라미터로부터의 점도, 비열용량, 및 열전도율 중 하나 또는 몇몇을 계산함으로써 또는 모델링함으로써 추가로 결정되도록 구성된다. 센서는 신호를 프로세싱 유닛으로 전송한다. 이러한 점에서 신호 프로세싱 수단이, 예를 들면, 소음 감소, 신호 보정, 또는 통합 및/또는 변환과 같은 수학적 연산을 통해 신호를 처리하기 위하여 제공되는 것이 가능하다.

비교적 비싸지 않고 작으며 효율적인 특정한 실시형태에 있어서 센서 수단은 밀도 센서, 코리올리형 유량 센서, 열식 유량 센서, 및 압력 센서 각각을 포함한다. 이러한 센서는, 예를 들면, 아베니센스(Avenisens), 브롱호스트 코리-테크 M13(Bronkhorst Cori-Tech M13), 브롱호스트 EL-플로우(Bronkhorst EL-flow) 및 브롱호스트 EL-프레스(Bronkhorst EL-press)라는 명칭하에 상업적으로 이용 가능하다. 다른 상표 및/또는 유형의 센서는 명백하게 가능하다.

센서 수단이 적어도 열식 유량 센서 및 코리올리형 유량 센서를 포함하는 실제 실시형태에 있어서, 프로세싱 유닛은 열식 유량 센서 및 코리올리형 유량 센서 둘 다로부터 온 신호를 기반으로 하여 매질의 비열용량을 결정하도록 설계된다. 이의 문서가 본 출원에서 참고로서 그 전문이 포함되는 것으로 간주되는 출원인의 네덜란드 특허 출원 제NL 2 012 126호에는, 문헌 [Lotters, J.C. et al., 2014, Integrated multi-parameter flow measurement system, in 2014 IEEE 27th International Conference on Micro Electro Mechanical Systems(MEMS)][DOI: 10.1109/MEMSYS.2014.6765806]에도 기재된 바와 같이, 어떻게 매질의 비열용량이 코리올리형 유량 센서로부터의 신호에 대하여 플롯팅된 열식 유량 센서의 신호의 기울기로부터 결정될 수 있는지가 기재되어 있다.

센서 수단이 적어도 코리올리형 유량 센서 및 압력 센서를 포함하는 실시형태에 있어서, 프로세싱 유닛은 코리올리형 유량 센서 및 압력 센서 둘 다로부터의 신호를 기반으로 하여 매질의 점도를 결정하도록 설계된다. 기재된 제NL 2 012 126호에는 어떻게 매질의 점도가 압력 센서로부터의 신호에 대하여 플롯팅된 코리올리형 유량 센서로부터의 신호의 기울기로부터 결정될 수 있는지가 기재되어 있다. 이는 또한 문헌 [Lotters, J.C. et al., 2014, Integrated multi-parameter flow measurement system, in 2014 IEEE 27th International Conference on Micro Electro Mechanical Systems(MEMS)][DOI: 10.1109/MEMSYS.2014.6765806]에도 기재되어 있다.

센서 수단이 적어도 압력 센서 및 열식 유량 센서를 포함하는 실시형태에 있어서, 압력 센서는 열식 유량 센서를 가로지는 차압을 결정하도록 배열된다.

구성요소의 분율을 결정하기 위한 식 사용의 다수의 예시는 하기 제공된다.

실시예 1

제1 실시예에서, 3개의 구성요소를 갖는 매질의 결정을 위하여 3개의 (용적) 분율은 φ_i로 표시되고, 이는 하기 식을 제공한다(여기서 N = 3):

그 다음, 방법에 따라, N - 1 = 2개의 파라미터가 측정되거나 유도되어야 한다. 매질의 이러한 적어도 2개의 파라미터는, 예를 들면, 매질의 밀도 ρ 및 점도 η일 수 있다. 매질의 밀도 및 점도는 알고 있는 구성요소의 분율 및 관련된 알고 있는 구성요소의 밀도 및 점도의 함수이다.

각각 ρ_i 및 η_i로 표시된 각각의 구성요소의 밀도 및 점도에 있어서, 우리는 하기 상관성을 수득한다:

이들 상관성은 행렬 식으로 표기될 수 있다:

각각의 구성요소의 밀도 ρ_i 및 점도 η_i는 실시형태에 있어서, 예를 들면, 참조표로 프로세싱 유닛에 저장되고, 매질의 밀도 ρ 및 점도 η가 측정된다.

오직 분율 φ_i만을 모르고 있기 때문에, 이는 3개의 모르고 있는 3개 식의 세트를 야기한다. 이러한 세트는, 예를 들면, 행렬을 역전시켜 분율 φ_i의 값을 결정하기 위하여 풀이될 수 있다. 상기 기재된 것들 이외의 다른 파라미터의 대안적인 조합, 예를 들면, 밀도와 비열용량 또는 점도와 비열용량이 동일하게 가능하다. 이는 열전도율을 포함하는 적어도 2개의 파라미터의 그룹에 대하여 추가로 가능하다.

실시예 2

4개의 알고 있는 구성요소를 갖는 매질의 조성을 결정하기 위하여, 실시형태는 추가의 구성요소의 결정을 포함한다. 그 다음, 방법에 따라, 매질의 3개의 파라미터가 결정된다. 매질은 여기서 4개의 구성요소의 혼합물이고, 매질의 3개의 파라미터는 구성요소의 분율에 의존적이다.

매질의 비열용량 c_p는 당해 실시예에서 추가로 결정된다. c_pi로 표시되는 각각의 구성요소의 비열용량에 있어서, 우리는 하기 행렬 식을 수득한다:

상기 식은 4개의 모르고 있는 것, 즉, 분율 φ_i의 값을 수득하기 위하여 풀이될 수 있고, 이로써 4개의 구성요소의 혼합물의 조성이 결정된다.

상기 약술된 원리에 따라, 구성요소의 분율에 의존적인 추가의 파라미터, 예를 들면, 열전도율을 결정함으로써 5개의 구성요소를 갖는 매질의 조성을 결정하는 것이 가능하다. 이러한 원리는 N개의 구성요소를 갖는 매질로 확장될 수 있고, 이러한 경우, N - 1개의 파라미터는 결정되어야 한다. 또한, 예를 들면, 파라미터의 핏팅 또는 보간에 의해 상기 기재된 바와 같은 식의 풀이가 아닌 방법에 의해 분율이 결정되는 것이 가능하다.

본 발명은 첨부된 도면을 참고하여 하기 더욱 상세히 설명될 것이고, 여기서:
도 1은 본 발명에 따른 시스템을 도식화하여 나타낸 도면;
도 2는 본 발명에 따른 복수의 센서를 갖는 시스템을 도식화하여 나타낸 도면;
도 3은 CO₂ 및 N₂의 함수로서 바이오가스의 웨버 지수의 상관성을 나타낸 도면;
도 4는 점도 η의 함수로서 웨버 지수 WI를 나타내는 그래프;
도 5 내지 8은 본 발명에 따른 시스템에 의해 수행된 측정의 결과를 나타낸 도면.

도 1은 적어도 실질적으로 알고 있는 복수 N개의 알고 있는 구성요소를 포함하는 유동 기체상 매질의 분율이 결정될 수 있는 본 발명에 따른 시스템(100)을 도식화하여 나타낸다. 시스템(100)은 분율이 결정되어야 하는 매질을 위한 유관(2)을 포함한다. 시스템은 유관(2)에 연결되거나 이의 부품을 형성하는 센서 수단(30)을 포함한다. 센서 수단(30)은 매질의 적어도 N-1개의 파라미터를 결정하도록 설계된다. 상기 파라미터는 도 1에서 각각의 기호 ρ, η 및 c_p로 지시되는 밀도, 점도, 및 비열용량을 포함하는 군으로부터 선택된다. 시스템은 추가로 센서 수단(30)에 연결되고, 측정된 및/또는 결정된 파라미터를 기반으로 하여 각각의 구성요소의 분율을 결정하도록 설계된 프로세싱 유닛(40)과 함께 제공된다. 도시된 실시형태에 있어서 프로세싱 유닛(40)은 도 1에 도식화되어 나타낸 참조표(60) 또는 데이터베이스(60)와 함께 제공되고, 여기서 알고 있는 구성요소의 측정된 및/또는 결정된 파라미터에 대한 기준값이 저장된다.

시스템(100)의 작동은 하기 설명될 것이다. 알고 있는 구성요소를 갖는 기체상 매질은 유관(2)을 통해 전달된다. 센서 수단(30)는 적어도 N-1개의 파라미터의 결정을 위하여 사용되고, 여기서 직접적인 측정이 수행되거나, 관련 파라미터가 센서 수단(30)으로부터의 신호를 기반으로 하여 결정된다. 대안적으로 신호는 프로세싱 유닛(40)으로 직접적으로 공급되는 것이 가능하고, 여기서 파라미터가 결정된다. 도 1의 프로세싱 유닛(40)은, 예를 들면, 매질(2)의 적어도 2개의 파라미터와 참조표(60)로부터의 데이터를 비교함으로써, 매질(2)의 조성을 측정하기 위하여 참조표(60)로부터의 데이터를 이용하도록 설계된다. 참조표(60)는 바람직하게는 또한 적어도 2개의 파라미터와 구성요소의 각각의 분율 φ_i 사이의 상관성에 대한 정보를, 예를 들면, 식 또는 함수의 형태로 포함한다.

도 1의 프로세싱 유닛(40)은 한편으로는 매질의 적어도 2개의 파라미터가 존재하고 다른 한편으로는 구성요소의 분율 및 참조표(60)로부터의 관련된 데이터가 존재하는 식, 예를 들면, 상기 기재된 식 (1), (2), (3), 및 (4)를 포함한다. 다시 말해서, 매질의 각각의 적어도 N-1개의 파라미터, 예를 들면, ρ, η, 및/또는 c_p는 각각의 구성요소의 분율 φ_i과 참조표(60)의 관련된 데이터의 함수이다. 도 1의 프로세싱 유닛(40)은 N-1개의 파라미터에 대한 이러한 식 세트를 풀 수 있다.

실시형태에 있어서, 프로세싱 유닛은 구성요소의 분율을 실시간으로, 즉 실질적으로 즉각적으로 결정하도록 설계된다. 이를 달성하기 위하여, 식의 세트는 프로세싱 유닛(40)에 의한 이의 단순하고 빠른 풀이를 위하여 (3) 또는 (4)와 같은 행렬 식의 형태로 배열될 수 있다

실시형태에 있어서, 프로세싱 유닛(40)은 또한 매질의 발열량을 결정하도록 설계된다. 특히 매질의 웨버 지수 WI를 결정하는 것이 가능하다. 웨버 지수는 상기 언급된 식을 사용하여 참조표(60)로부터의 데이터와 조합하여 매질의 분율로부터 계산될 수 있다.

도 2는 유관(2) 위에 또는 그 근처에 제공되는 센서(5, 6, 7, 및 8)를 포함하는 센서 수단(30)을 갖는 본 발명에 따른 시스템(100)을 도식화하여 나타낸다. 상기 센서 수단(30)은 특히 열식 유량 센서(5), 코리올리형 유량 센서(6), 밀도 센서(7), 및 압력 센서(8)를 포함한다.

도 2의 센서 수단(30)은 센서 프로세싱 유닛(10)을 포함한다. 후자는 다수의 계산 모델(15, 16, 17, 18)과 함께 제공되고, 매질의 비열용량 c_p, 질량 유량 m, 밀도 ρ, 및 점도 η를 포함하는 복수의 파라미터는 센서(5, 6, 7, 8)의 신호를 기반으로 하여 결정될 수 있다. 출원인의 상기 기재된 제NL 2 012 126호에는 문헌 [Lotters, J.C. et al., 2014, Integrated multi-parameter flow measurement system, in 2014 IEEE 27th International Conference on Micro Electro Mechanical Systems(MEMS)][DOI: 10.1109/MEMSYS.2014.6765806]에 기재된 바와 같이, 어떻게 복수의 파라미터가 상기 언급된 센서(5, 6, 7, 및 8)를 사용하여 결정될 수 있는지가 기재되어 있다. 간결성을 위하여 짧은 설명이 하기 제공될 것이다.

열식 유량 센서(5)의 출력 신호는 기체 혼합물의 유량 및 열용량에 대한 척도이다. 열식 유량 센서(5)를 가로지르는 압력 강하는 압력 센서(8)에 의해 측정되고, 이는 특히 차압 센서(8)이다. 코리올리형 유량 센서(6)의 출력 신호는 질량 유량을 제공하고, 밀도는 밀도 계량기(7)로부터 수득된다.

코리올리형 유량 센서(6)와 압력 센서(8)의 출력 신호를 비교함으로써, 밀도를 고려하여, 점도를 계산하는 것이 가능하다.

열식 유량 센서(5)와 코리올리형 유량 센서(6)의 출력 신호를 비교하는 것은 기체상 매질의 열용량을 계산하는 것을 가능하게 만든다.

이로써 수득된 하나 이상의 파라미터(20)는 프로세싱 유닛(40)에 저장된 식(45)으로 공급된다. 구성요소의 분율 φ_i, 바람직하게는 또한 웨버 지수 WI는 식(45)의 세트가 풀이되므로 결정될 수 있다.

프로세싱 유닛(40)은, 예를 들면, 식 (3) 및 (4)를 참고하여 기재된 바와 같은 행렬 식(45)을 작성하도록 설계된다. 프로세싱 유닛은 센서(1)의 어셈블리에 의해 결정되고 파라미터 출력(20)을 통해 프로세싱 유닛(40)으로 전송되는 값을 갖는 매질의 파라미터의 값을 위한 벡터를 완료한다. 분율 φ_i을 제외하고, 구성요소의 양은 프로세싱 유닛(40)에 의해 참조표(60)로부터 유도되고 식(45)으로 도입된다. 프로세싱 유닛(40)은 매질의 구성요소의 분율이 결정되는 것의 결과로서 후속적으로 식(45)의 세트를 풀이한다.

기재된 네덜란드 특허 출원 제NL 2 012 126호에 따른 유량 측정 시스템은 본 발명에 따른 시스템을 형성하기 위하여 본 발명에 따른 프로세싱 유닛에 연결되는 것이 가능하다. 실시형태에 있어서, 센서 신호 프로세싱 유닛(10)은 프로세싱 유닛(40)과 일체형이다.

도 3은 CO₂ 및 N₂ 분율에 대한 기체의 웨버 지수의 상관성을 나타낸다. 이러한 기체는, 예를 들면, 기체 그리드로 공급되는 천연 가스일 수 있다. 도 3은 기체의 질소 및 이산화탄스에 대한 웨버 지수의 상관성을 나타낸다. 기체 혼합물의 조성에서 이러한 강한 변동성을 고려해 볼 때, 조성의 정확하고 빠른 결정이 바람직하다.

도 4는 수평축에 점도의 함수로서 수직축에 웨버 지수 WI를 나타내는 그래프이다. CO₂가 혼합물 중의 유일한 불활성 기체인 경우, 점도와 웨버 지수 사이의 강한 상관 관계가 존재하는 것으로 확인되었다. 그러나, N₂도 존재하는 경우, 상관 관계는 더 높은 점도 때문에 덜 강해진다. 이는 실제 웨버 지수가 속한, 비교적 넓은 범위를 야기한다. 웨버 지수가 속할 수 있는 이러한 범위는 도 4에서 하한 지수 a 및 상한 지수 d로 표시된다.

본 발명에 따른 방법 및 시스템은 기체 혼합물의 밀도를 고려함으로써 CO₂와 N₂를 구별할 수 있게 만들고, 이에 따라 보정된 하한 지수 b와 보정된 상한 지수 c에 속하기 위하여 웨버 지수의 실제 값이 속할 수 있는 범위는 좁아질 수 있다. 본 발명에 따라, 매질의 1개 이상의 파라미터가 결정되고, 조성 및 따라서 웨버 지수가 이를 기반으로 하여 결정되므로, 웨버 지수의 결정은 더욱 정확해진다.

도 5 내지 8은 본 발명에 따른 시스템에 의한 측정의 결과를 추가로 나타낸다. 메탄, 프로판, 이산화탄소 및 질소를 대략 500 ml_n/분 정도의 양으로 1.5 bar(절대 압력) 정도의 압력에서 시스템으로 첨가하였다. 밀도 센서, 압력 센서, 열식 센서 및 코리올리형 유량 센서의 출력 신호를 측정 동안 기록하고, 본 발명에 따른 방법으로 처리하였다.

도 5는 CH₄, CO₂ 및 N₂를 갖는 기체 혼합물의 조성의 결정을 나타낸다. 알고 있는 양을 시스템으로 공급하였다. 첨가된 분율(소위 적용된 분율)의 알고 있는 값은 도 5에서 시간 t에 대하여 플롯팅된다: 적용된 CH₄ 분율 CH₄(a), 적용된 CO₂ 분율 CO₂(a) 및 적용된 N₂ 분율 N₂(a). 적용된 분율 "(a)"는, 예를 들면, 유량계를 사용하여 설정되고, 적용된 분율 CH₄(a), CO₂(a), 및 N₂(a)의 사각형 파형에서 볼 수 있는 바와 같이 시간에 따라 단계 마다 다양하다. 본 발명에 따른 시스템에 의해 측정된 값은 "(m)"으로 표시된다. 측정된 CH₄ 분율 CH₄(m), 측정된 CO₂ 분율 CO₂(m), 및 측정된 N₂ 분율 N₂(m)는 도 5에서 시간에 대하여 플롯팅된다. 본 발명에 따른 시스템에 의해 결정된 바와 같은 분율 CH₄(m), CO₂(m), 및 N₂(m)의 값이 적용된, 즉, 실제 분율 CH₄(a), CO₂(a), 및 N₂(a)를 실시간으로 뒤따른다는 것은 도 5로부터 명백하다. 측정된 분율 CH₄(m), CO₂(m), 및 N₂(m)의 값은 적용된 값 CH₄(a), CO₂(a), 및 N₂(a)의 5 퍼센트 내에 속한다. 본 발명에 따른 시스템은 따라서 빠를 뿐만 아니라 정확하다.

도 6은 도 5의 기체 혼합물의 웨버 지수의 결정을 나타낸다. 기체 혼합물의 조성을 이의 밀도 그대로 알고 있기 때문에, 웨버 지수는 계산될 수 있다. 기체 혼합물의 적용된 웨버 지수는 WI(a)로 표시된다. 웨버 지수는 시간에 따라 단계별로 다양하다는 것이 도 6으로부터 명백하다. 본 발명에 따른 시스템은 따라서 기체 혼합물의 웨버 지수를 결정하고, 이의 관련 값은 WI(m)로 표시된다. 도 6은 결정된 웨버 지수의 곡선이 적용된, 즉, 실제 웨버 지수 WI(a)의 곡선을 뒤따른다는 것을 나타낸다. 웨버 지수의 적용된 값에서의 변화는 실질적으로 즉각적으로 결정된 웨버 지수 WI(m)의 적응에 의해 따라잡힌다. 편차 e는 도 6의 하부에 플롯팅된다. 측정된 값 WI(m)는 적용된 값 WI(a)에 관하여 5 퍼센트의 편차 범위에 속한다. 본 발명에 따른 시스템은 따라서 웨버 지수 값 WI(a)의 즉각적이고 정확한 결정을 위하여 설계된다.

도 7은 CH₄, C₃H₈, 및 N₂를 포함하는 기체 혼합물의 조성의 결정을 나타낸다. 본 발명에 따른 시스템에 의해 측정된 분율의 값 CH₄(m), C₃H₈(m), 및 N₂(m) 뿐만 아니라 적용된, 즉, 분율의 실제 값 CH₄(a), C₃H₈(a), 및 N₂(a)은 수평축에 플롯팅된 시간 t에 대하여 수직축에 플롯팅된다. 또한, 측정된 값 CH₄(m), C₃H₈(m), 및 N₂(m)는 실제 값 CH₄(a), C₃H₈(a), 및 N₂(a)를 빠르고 정확하게 뒤따른다. 측정된 값 "(m)"과 적용된 값 "(a)" 사이의 편차는 5 퍼센트 이하이다.

도 8은 CH₄, C₃H₈, 및 N₂를 포함하는 기체 혼합물의 웨버 지수의 추가의 결정을 나타낸다. 이러한 측정은 도 6의 측정에 상응하지만, 도 8에서의 차이점은 적용된 웨버 지수 WI(a)가 도 6보다 평평한 파형으로 제공된다는 것이다. 또한, 결정된 값 WI(m)는 적용된 값 WI(a)에 관하여 5 퍼센트 편차에 속한다.

본 발명은 바람직한 것으로 간주되는 몇몇 가능한 실시형태를 참고하여 상기 기재되었다는 것이 당해 분야의 숙련가에게 명백할 것이다. 본 발명은, 그러나, 결코 이들 실시형태로 한정되지 않는다. 많은 변형이 본 발명의 범위 내에서 가능하다. 신청된 보호범위는 첨부된 청구항에 의해 정의된다.

Claims

알고 있는 복수 N개의 알고 있는 구성요소로 적어도 실질적으로 이루어진 유동 기체상 매질의 분율을 측정하는 방법으로서, 하기 단계를 포함하는, 유동 기체상 매질의 분율을 측정하는 방법:
- 상기 조성이 결정되어야 하는 유동 기체상 매질을 제공하는 단계,
- 상기 제공된 기체상 매질의 적어도 N-1개의 파라미터를 결정하는 단계,
- 각각의 상기 N개의 알고 있는 구성요소에 대하여, 각각의 상기 결정된 N-1개의 양에 대한 적어도 N-1개의 기준값을 제공하는 단계,
- 적어도 N개의 식의 풀이를 통해 상기 제공된 기체상 매질의 각각의 상기 알고 있는 구성요소의 분율을 결정하는 단계로서, 상기 식이 하기를 포함하는, 상기 알고 있는 구성요소의 분율을 결정하는 단계:
o 상기 매질의 각각의 알고 있는 파라미터의 분율의 함수 및 상기 기체상 매질의 각각의 알고 있는 구성요소에 대하여 상기 제공된 기준값의 함수로서 각각의 결정된 파라미터를 서술하는 적어도 N-1개의 식, 및
o 상기 각각의 알고 있는 구성요소의 분율의 합을 적어도 실질적으로 100%와 동일하게 설정하는 적어도 1개의 식.
제1항에 있어서, 상기 방법이 상기 유동 기체상 매질을 실질적으로 연속적으로 제공하고 상기 적어도 N-1개의 파라미터를 실질적으로 연속적으로 제공하는 단계를 포함하는, 유동 기체상 매질의 분율을 측정하는 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 알고 있는 복수 N개의 알고 있는 구성요소가 적어도 3개와 동일하고, 특히 적어도 4개와 동일한, 유동 기체상 매질의 분율을 측정하는 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법이 임의의 전처리 없는 상기 유동 기체상 매질의 직접 공급을 포함하는, 유동 기체상 매질의 분율을 측정하는 방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 파라미터를 결정하고 상기 구성요소의 분율을 결정하는 상기 단계가 적어도 1회 반복되는, 유동 기체상 매질의 분율을 측정하는 방법.
제5항에 있어서, 분율의 2개의 연속적인 결정 사이의 시간 간격이 0 내지 60초, 특히 0 내지 15초, 더욱 특히 0 내지 5초의 범위에 속하는, 유동 기체상 매질의 분율을 측정하는 방법.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 파라미터 중 적어도 1개는 질량 유량, 밀도, 점도, 및 열용량을 포함하는 양의 군으로부터 선택되는, 유동 기체상 매질의 분율을 측정하는 방법.
제7항에 있어서, 상기 기체상 매질의 밀도 및 열용량이 열식 유량 센서 및 코리올리형 유량 센서로부터의 신호를 사용하여 결정되는, 유동 기체상 매질의 분율을 측정하는 방법.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 식이 최소 제곱법에 의해 풀이되는, 유동 기체상 매질의 분율을 측정하는 방법.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유동 기체상 매질의 발열량에 대한 척도가 상기 결정된 분율로부터 추가로 유도되는, 유동 기체상 매질의 분율을 측정하는 방법.
제10항에 있어서, 상기 기체상 매질의 웨버 지수가 상기 발열량으로부터 추가로 유도되는, 유동 기체상 매질의 분율을 측정하는 방법.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유동 기체상 매질의 질량 유량을 이의 결정된 분율에 의존하여 제어하는 단계를 포함하는, 유동 기체상 매질의 분율을 측정하는 방법.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 방법을 위한 시스템으로서,
- 매질의 조성이 결정되어야 하는 상기 유동 기체상 매질을, 특히 연속적인 방식으로, 각각 공급하고 배출하기 위한 입구 및 출구를 갖는 유관,
- 상기 공급된 기체상 매질의 적어도 N-1개의 파라미터를 결정하기 위한 센서 수단, 및
- 상기 센서 수단에 연결되고, 여기서 상기 적어도 N-1개의 기준값이 저장되고, 상기 적어도 N개의 식의 풀이에 의해 상기 공급된 기체상 매질의 각각의 알고 있는 구성요소의 분율을 결정하도록 설계된, 프로세싱 유닛을 포함하는, 시스템.
제13항에 있어서, 상기 센서 수단 및 상기 프로세싱 유닛이 상기 N-1개의 파라미터 및 상기 분율을 반복적인 방식으로, 특히 연속적으로 결정하도록 설계되는, 시스템.
제14항에 있어서, 상기 시스템이 0 내지 60초, 특히 0 내지 15초, 더욱 특히 0 내지 5초의 범위에 속하는 시간 간격으로 상기 분율을 반복적으로 결정하도록 설계되는, 시스템.
제13항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 센서 수단이 밀도 센서, 코리올리형 유량 센서, 열식 유량 센서, 및/또는 압력 센서 중 적어도 하나, 특히 각각을 포함하는, 시스템.
제13항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 센서 수단이 적어도 열식 유량 센서 및 코리올리형 유량 센서를 포함하고, 상기 프로세싱 유닛이 상기 열식 유량 센서 및 상기 코리올리형 유량 센서 둘 다로부터의 신호를 기반으로 하여 상기 매질의 비열용량을 결정하도록 설계되는, 시스템.
제13항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 센서 수단이 적어도 코리올리형 유량 센서 및 압력 센서를 포함하고, 상기 프로세싱 유닛이 상기 코리올리형 유량 센서 및 상기 압력 센서 둘 다로부터의 신호를 기반으로 하여 상기 매질의 점도를 결정하도록 설계되는, 시스템.
제13항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 센서 수단이 적어도 압력 센서 및 열식 유량 센서를 포함하고, 상기 프로세싱 유닛이 상기 열식 유량 센서를 가로지르는 차압을 결정하도록 설계되는, 시스템.
제13항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 결정된 분율이 표준 값에서 일탈할 때 신호를 제공하기 위하여 상기 프로세싱 유닛에 연결된 신호전달 수단을 추가로 포함하는, 시스템.