KR20180012844A - 광학적 측정을 이용한 어큐뮬레이터 부피 검출기 - Google Patents

광학적 측정을 이용한 어큐뮬레이터 부피 검출기 Download PDF

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KR20180012844A
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토마스 데이비드 빌스
주니어 마이클 제임스 코너
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하이드릴 유에스에이 디스트리뷰션 엘엘씨
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Abstract

어큐뮬레이터(20) 내의 피스톤(28)의 위치를 결정하는 레이저 피스톤 위치 센서(26)를 제공하며, 레이저 피스톤 위치 센서(26)는 어큐뮬레이터(20)의 단부에 부착하도록 구성되며, 어큐뮬레이터(20)는 그 단부에 어큐뮬레이터(20) 내의 피스톤(28)을 레이저 피스톤 위치 센서(26)에 노출시키는 개구(29)를 구비한다. 레이저 피스톤 위치 센서(26)는 저압 가스를 수용한 캐비티(48)를 에워싸고 그 캐비티(48)로부터 유압 어큐뮬레이터(20)를 향한 구멍을 획정하는 센서 하우징(46); 캐비티(48) 내에 배치되어, 센서 하우징(46)의 구멍(68) 및 어큐뮬레이터(29)의 개구(29)를 통해 어큐뮬레이터(20)의 피스톤(28)을 향해 레이저(72)를 방사하는 레이저 센서(70); 및 레이저 센서(70)와 어큐뮬레이터(20) 사이에 배치되어, 레이저 센서(70)로부터 피스톤(28)으로의 레이저(72)의 통과를 허용하는 한편, 어큐뮬레이터(20) 내의 가스를 센서 하우징(46)의 캐비티(48) 내의 가스로부터 분리시키도록 된 투명 렌즈(58)를 포함한다.

Description

광학적 측정을 이용한 어큐뮬레이터 부피 검출기
본 기술은 일반적으로는 석유 생산 장비에 관한 것이다. 특히, 본 기술은 석유 생산 용례에 이용하는 유압 어큐뮬레이터에 관한 것이다.
시추 산업에서, 수많은 안전 요소를 제어하는 데에 유압 제어가 이용되고 있다. 게다가, 수많은 그러한 요소는 유압 어큐뮬레이터에 의해 구동된다. 안전을 보장하기 위해, 어큐뮬레이터가 특정 안전 요소를 발사(firing)하기에 충분한 유압 유체를 갖고 있는지를 아는 것이 바람직하다. 유압 어큐뮬레이터 내의 유체의 부피를 결정하는 한 가지 방법은 어큐뮬레이터 내의 피스톤의 위치를 결정하는 것이다.
어큐뮬레이터 내의 유압 유체의 양을 결정하는 공지의 방법은, 케이블이 어큐뮬레이터 내의 피스톤에 물리적으로 부착되어 있는 케이블 연장 트랜스듀서의 이용을 포함한다. 어큐뮬레이터 내로 끌어당겨지는 케이블의 양에 기초하여, 어큐뮬레이터 내에서의 피스톤의 위치가 결정될 수 있다. 케이블 연장 트랜스듀서의 이용은, 그 트랜스듀서가 함께 작동하는 어큐뮬레이터와 복수의 기계적 부품 내로의 물리적 침입을 요구하고, 이는 각각 어큐뮬레이터의 신뢰성을 감소시키고 유지보수 비용이 많이 들기 때문에 문제가 될 수 있다.
어큐뮬레이터 내의 피스톤의 위치를 결정하는 다른 방법은, 어큐뮬레이터 내로 전송되는 음향 신호의 이용을 포함한다. 이 방법은 케이블에 의한 어큐뮬레이터 내로의 물리적 침입은 피하지만, 그 자체로 문제점이 있다. 예를 들면, 음파를 이용하여 매체를 통한 거리를 정확하게 결정하기 위해, 온도 및 압력 등의 매체의 소정 특성을 알고 있어야 한다. 따라서, 그러한 파라미터를 결정하기 위해서는 어큐뮬레이터 내의 매체 내에 온도 및 압력 측정기를 설치할 필요가 있다. 추가적인 센서의 도입은 시스템의 신뢰성을 감소시킬 뿐만 아니라, 피스톤의 위치와 관련하여 취득되는 정보의 정확도도 감소시킨다.
본 기술의 하나의 실시예는 해저 시추 시스템의 역행 구성 요소(powering component)에 이용하는 유압 어큐뮬레이터를 제공하며, 이 유압 어큐뮬레이터는, 캐비티를 에워싸고 제1 단부에서 개구를 획정하며 종방향 축선을 갖는 어큐뮬레이터 하우징; 캐비티 내에 배치되고 어큐뮬레이터 하우징에 대해 상대적으로 그 종방향 축선에 대해 평행한 방향으로 이동 가능한 피스톤; 및 어큐뮬레이터 하우징의 제1 단부의 개구에 인접하여 어큐뮬레이터 하우징의 단부에 부착된 레이저 피스톤 위치 센서를 포함한다. 레이저 피스톤 위치 센서는 캐비티를 에워싸며 외면에 리세스를 획정하는 센서 하우징; 센서 하우징의 리세스 내에 배치되고 센서 하우징 내의 캐비티에 노출되는 한편, 센서 하우징의 캐비티와 어큐뮬레이터 하우징의 개구 사이에 배치된 렌즈; 및 캐비티 내에서 센서 하우징에 부착되고, 렌즈 및 어큐뮬레이터 하우징의 개구를 통과해 피스톤으로 보내지는 레이저를 방사하는 레이저 센서를 포함한다.
본 기술의 다른 실시예는 유압 어큐뮬레이터 내의 피스톤의 위치를 결정하는 레이저 피스톤 위치 센서를 제공하며, 이 레이저 피스톤 위치 센서는 유압 어큐뮬레이터의 단부에 부착하도록 구성되며, 유압 어큐뮬레이터는 그 단부에 유압 어큐뮬레이터 내의 피스톤을 레이저 피스톤 위치 센서에 노출시키는 개구를 구비한다. 레이저 피스톤 위치 센서는 저압 가스를 수용한 캐비티를 에워싸고 이 캐비티로부터 유압 어큐뮬레이터를 향한 구멍을 획정하는 센서 하우징; 캐비티 내에 배치되어, 센서 하우징의 구멍 및 유압 어큐뮬레이터의 개구를 통해 유압 어큐뮬레이터의 피스톤을 향해 레이저를 방사하는 레이저 센서; 및 레이저 센서와 유압 어큐뮬레이터 사이에 배치되어, 레이저 센서로부터 피스톤으로의 레이저의 통과를 허용하는 한편, 유압 어큐뮬레이터 내의 가스를 센서 하우징의 캐비티 내의 가스로부터 분리시키도록 된 투명 렌즈를 포함한다.
본 기술의 또 다른 실시예는 유압 어큐뮬레이터 내의 피스톤의 위치를 결정하는 방법을 제공한다. 이 방법은, 유압 어큐뮬레이터에 부착된 레이저 피스톤 위치 센서로부터 레이저를 방사하는 단계; 그 레이저를 유압 어큐뮬레이터의 개구를 통해 피스톤으로 보내는 단계; 및 피스톤으로부터 반사광을 수신하는 단계를 포함한다. 그 방법은 또한, 레이저의 방사와 반사광의 수신 간의 시간의 크기를 결정하는 단계; 그러한 시간에 기초하여, 레이저 피스톤 위치 센서와 피스톤 간의 거리를 결정하는 단계; 및 유압 어큐뮬레이터 내의 피스톤의 위치 및 유압 어큐뮬레이터의 치수적 특징에 기초하여 유압 어큐뮬레이터 내의 유압 유체의 부피를 결정하는 단계를 포함한다.
본 기술은 그 비한정적 실시예에 대한 후속한 상세한 설명을 읽고 또한 첨부 도면을 검토시에 보다 잘 이해할 수 있다.
도 1은 본 기술의 실시예에 따른 어큐뮬레이터 및 센서를 포함하는 하부 폭발 방지기(blow out preventer: BOP) 스택의 사시도이며,
도 2a는 레이저 피스톤 위치 센서가 장착되어 있는 본 기술의 실시예에 따른 어큐뮬레이터의 사시도이며,
도 2b는 도 2a의 레이저 피스톤 위치 센서의 확대 사시도이며,
도 3은 본 기술의 실시예에 따른 유압 어큐뮬레이터의 상부와 레이저 피스톤 위치 센서의 측단면도이며,
도 4는 도 2a의 레이저 피스톤 위치 센서의 확대 측단면도이며,
도 5는 종방향 축선을 중심으로 180도 회전시킨 도 4의 레이저 피스톤 위치 센서의 대안적인 도면이다.
본 기술의 상기한 양태, 특징 및 이점들은 바람직한 실시예의 후속한 상세한 설명 및 첨부 도면을 참조하여 고려할 때에 더 이해할 수 있을 것이며, 도면에서 동일 도면 부호는 동일한 요소를 나타낸다. 이하는 본 개시의 다양한 예시적인 실시예에 관한 것이다. 개시하는 실시예는 청구 범위를 비롯한 본 개시의 범위를 한정하는 것으로서 해석 또는 이용해서는 안 될 것이다. 게다가, 당업자라면, 이하의 상세한 설명은 광범위한 용례를 갖고 있고 임의의 실시예에 대한 논의는 그 실시예를 예시하고자 한 것이지 청구 범위를 비롯한 본 개시의 범위가 그 실시예에 한정됨을 암시하고자 하는 것은 아니라는 점을 이해할 수 있다.
도 1은 해저 시추 시스템의 하부 스택(10)을 도시한다. 하부 스택(10)은 폭발 방지기(BOP) 램(14), 케이블 트레이(16), 제어 포드(18) 및 어큐뮬레이터(20)를 비롯한 다양한 구성 요소를 지지하는 프레임(12)을 포함한다. 작동 시에, 드릴 파이프 또는 생산 파이프(도시 생략)가 BOP의 축선(22)에 평행하게 BOP를 통과해 하부 스택(10)의 정상부에서부터, 하부 스택(10) 아래에 위치한 유정 헤드(wellhead)(도시 생략)에 이른다. 어큐뮬레이터(20)는 예를 들면 BOP 램(14) 등의 하부 스택(10)의 기능부에 유압 라인(23)을 통해 유압적으로 부착된다. 어큐뮬레이터의 하나의 용도는 원하는 경우 BOP 램(14)을 폐쇄할 힘을 제공하거나, 하부 스택(10) 또는 하부 머린 라이저 패키지(lower marine riser package)(도시 생략) 상의 다른 기능부를 발사(firing)하는 데에 있다. 이러한 기능을 가능하게 하는 어큐뮬레이터의 구조를 이하에서 상세하게 설명한다. 각각의 어큐뮬레이터(20)(또는 도 2a 내지 도 5에 도시하고 아래에서 설명하는 각각의 레이저 피스톤 위치 센서(26))는 케이블(25)을 통해, 예를 들면 제어 포드(18) 등의 원격 위치에 또는 해수면 상의 플랫폼 또는 선박에 위치한 프로그래머블 논리 제어기(programmable logic controller: PLC)(25)에 부착될 수 있다. 게다가, PLC(25)는 작업자가 어큐뮬레이터와 센서를 모니터링할 수 있게 하도록 사람-기계 인터페이스(human machine interface: HMI) 디스플레이(27)에 부착될 수 있다. 시스템에 복수의 어큐뮬레이터(20)를 이용함으로써 총 어큐뮬레이터 부피가 증가될 수 있다.
도 2a는 본 기술의 실시예에 따른 어큐뮬레이터(20)의 확대 사시도를 도시하고 있다. 구체적으로, 어큐뮬레이터 하우징(24) 및 레이저 피스톤 위치 센서(26) 형태의 어큐뮬레이터 부피 검출기의 외관도가 도시되어 있다. 도 2b에 보다 상세하게 도시한 레이저 피스톤 위치 센서(26)는 어큐뮬레이터(26)의 꼭대기에 얹혀져 있고, 레이저를 어큐뮬레이터 피스톤(도 3 참조)을 향해 어큐뮬레이터 내로 아래쪽으로 보낸다. 레이저 피스톤 위치 센서(26)는 공통의 플랜지 또는 이음쇠의 이용 등을 통해 어큐뮬레이터에 부착된다. 아래에서 설명하는 바와 같이, 레이저는 어큐뮬레이터(20) 내의 피스톤의 위치를 검출할 수 있고, 따라서 어큐뮬레이터(20) 내의 유압 유체의 양을 결정할 수 있다. 어큐뮬레이터(20) 내의 유압 유체의 양에 관한 데이터는 또한 작업자에게 전송되어, 특정 기능부를 발사하기 위해 어큐뮬레이터(20) 내의 유압 유체가 충분한 지의 여부를 작업자가 알게 하는 데에 도움을 줄 수 있다.
도 3은 레이저 피스톤 위치 센서(26)가 상단부에 부착되어 있는, 어큐뮬레이터(20)의 상부의 측단면도를 도시한다. 이 도면은 예를 들면 어큐뮬레이터 하우징(24) 및 어큐뮬레이터 피스톤(28) 등의 추가적인 어큐뮬레이터(20) 구성 요소들도 도시하고 있다. 도 3의 실시예에서, 어큐뮬레이터 하우징(26)은 그 하우징의 단부를 통과하는 개구(29)를 형성한다. 게다가, 어큐뮬레이터 하우징(24)은 중공형이고, 어큐뮬레이터 피스톤(28)은 그 중공 내부를 제1 어큐뮬레이터 캐비티(30)와 제2 어큐뮬레이터 캐비티(32)로 분할하도록 어큐뮬레이터 하우징(24)의 내부에 놓여 있다. 어큐뮬레이터 피스톤(28)은 어큐뮬레이터 하우징(24)의 벽에 밀봉되게 맞물려 있어, 어큐뮬레이터 하우징(26) 내부의 유체 및 가스가 제1 어큐뮬레이터 캐비티(30)와 제2 어큐뮬레이터 캐비티(32) 간에 흐를 수 없도록 되어 있다. 통상적으로, 그러한 밀봉된 맞물림은 엘라스토머 시일을 수 있는 시일(33)을 이용하여 달성된다. 도시한 실시예에서, 제1 어큐뮬레이터 캐비티(30)는 예를 들면 질소 또는 유사한 불활성 가스 등의 가스를 수용할 수 있다. 가스는 팽창 및 압축 가능하고, 따라서, 피스톤(28)이 어큐뮬레이터 하우징(24)의 종방향 축선(36)을 따라 어큐뮬레이터 하우징(24)에 위아래로 이동함에 따라 팽창 및 압축될 수 있다. 제2 어큐뮬레이터 캐비티(32)는 유압 유체 등의 유체로 채워진다.
작동 시에, 제2 어큐뮬레이터 캐비티는 BOP 램 등의 기능부에 유체적으로 결합된다. 완전히 충전된 조건에서, 제2 어큐뮬레이터 캐비티는 피스톤(28)이 어큐뮬레이터 하우징(24)의 정상부에 근접하게 배치될 때까지 유압 유체로 채워진다(도 3 참조). 피스톤(28)의 그러한 배치는 제1 어큐뮬레이터 캐비티(30)의 부피를 감소시키고 제1 어큐뮬레이터 캐비티(30) 내의 가스를 압축하며, 이에 의해 가스의 압력을 증가시킨다. 몇몇 실시예에서, 제1 어큐뮬레이터 캐비티(30) 내의 압력을 더욱 증가시키기 위해 추가적인 가스가 별도의 가스 라인(도 5 참조)을 통해 추가될 수 있다.
작업자가 BOP 램(14)을 폐쇄하는 등의 기능부를 발사하기 위해 어큐뮬레이터(20)를 사용하길 원하는 경우, 어큐뮬레이터(20)와 기능부 사이의 유압 라인(23)에서 밸브(38)(도 1 참조)가 개방될 수 있다. 밸브(38)가 개방되면, 제1 어큐뮬레이터 캐비티(30) 내의 압축 가스가 팽창하여 피스톤(28)을 어큐뮬레이터 하우징(24) 내에서 아래쪽으로 밀어낸다. 피스톤(28)이 아래쪽으로 이동함에 따라, 피스톤은 제2 어큐뮬레이터 캐비티(32) 내의 유압 유체를, 어큐뮬레이터(20)를 기능부에 연결하는 유압 라인(23)을 통해 어큐뮬레이터(20)에서부터 기능부 내로 밀어내어 그 기능부를 발사시키는 데에 도움을 주도록 된다. 몇몇 실시예에서, 어큐뮬레이터(20)는 제2 어큐뮬레이터 캐비티(32)를 유압 유체로 다시 채우고, 이에 의해 피스톤(28)을 어큐뮬레이터(20)의 정상부를 향해 밀어 올려 제1 어큐뮬레이터 캐비티(30) 내의 가스를 압축함으로써 재충전될 수 있다.
기능부의 성공적 발사를 위해, 어큐뮬레이터(20)는 어큐뮬레이터가 발사될 때에 어큐뮬레이터(20)에서부터 기능부로 흐르기에 충분한 유압 유체를 수용할 필요가 있다. 어큐뮬레이터(20) 내의 유압 유체의 부피를 결정하는 한 가지 방법은 어큐뮬레이터 하우징(28) 내의 어큐뮬레이터 피스톤(28)의 위치를 결정하는 것이다. 이는, 제2 어큐뮬레이터 캐비티(32)가 실질적으로 비압축성인 유압 유체로 채워져, 제2 어큐뮬레이터 캐비티(32) 내의 유압 유체의 부피의 변화에 따라 어큐뮬레이터 피스톤(28)이 어큐뮬레이터 하우징(24) 내에서 상승 및 하강하기 때문이다. 따라서, 본 기술의 소정 실시예는, 아래에서 설명하는 바와 같이 어큐뮬레이터 하우징(24) 내의 어큐뮬레이터 피스톤(28)의 위치를 결정하도록 어큐뮬레이터(20)의 상단부에 장착된 레이저 피스톤 위치 센서(26)를 포함한다.
도 4는 본 기술의 하나의 실시예에 따른 레이저 피스톤 위치 센서(26)의 확대 단면도를 도시한다. 레이저 피스톤 위치 센서(26)는 전자 접점(42)을 포함한 전자장치 커넥터(40)를 포함한다. 전자장치 커넥터는 레이저 피스톤 위치 센서(26)를 외부 해저 케이블에 나사식으로 연결하도록 기능하는 나사부(44)를 구비할 수 있다. 케이블(25)(도 1 참조)은 전자 접점(42)에 연결될 수 있고 레이저 피스톤 위치 센서(26)에 전력을 제공할 수 있다. 케이블(25)은 또한 레이저 피스톤 위치 센서(26)로부터, 제어 포드(18) 등의 하부 스택(10)의 다른 부분에 혹은 심지어는 해수면에 있는 작업자에 바로 전달하도록 기능할 수도 있다. 그러한 케이블(25)은 예를 들면 압력 평형식 유전 케이블(25) 또는 성형 케이블(molded cable)(25)일 수 있고, 약 4 내지 2mA의 전류를 운반할 수 있다. 내부 배선(43)은 전자 접점(42)을 레이저 센서(70)(후술함)에 연결할 수 있다.
레이저 피스톤 위치 센서(26)는 또한 센서 하우징(46)을 포함한다. 센서 하우징은 가스(불활성 가스 등)를 수용하는 저압 캐비티(48)를 획정한다. 몇몇 실시예에서, 센서 하우징 내의 가스는 약 1 기압의 압력으로 유지될 수 있다. 도시한 바와 같이, 하우징은, 볼트(50) 또는 기타 적절한 체결 수단에 의해 함께 조립 및 체결될 수 있는 복수의 하우징 피스(46a, 46b, 46c)로 이루어질 수 있다. 시일(52)이 인접한 하우징 피스(46a, 46b, 46c)들 사이에 배치되어, 주위 유체가 캐비티(48) 내로 들어오는 것을 방지할 수 있다. 시일은 또한 하우징(46)과 전자장치 커넥터(40) 사이에도 배치될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 시일(52)은 엘라스토머 또는 기타 적절한 재료로 이루어진 다이내믹 시일일 수 있다. 도 4의 하우징(46)은 복수의 하우징 피스(46a, 46b, 46c)를 갖는 것으로 도시하고 있지만, 본 기술의 대안적인 실시예는 복수의 피스 없이 일체형 하우징을 포함할 수 있거나, 도면에 도시한 3개보다 많거나 적은 하우징 피스를 포함할 수도 있다.
도 4를 여전히 참조하면, 센서 하우징(46)에 부착되고 도 3에 도시한 바와 같이 어큐뮬레이터(20)의 제1 어큐뮬레이터 캐비티(30) 및 피스톤(28)을 향해 배향된 중공 커넥터(54)가 도시되어 있다. 레이저 피스톤 위치 센서(26)가 어큐뮬레이터 하우징(24)에 부착되는 경우, 중공 커넥터(54)는 어큐뮬레이터 하우징(24)의 단부의 개구(29)와 정렬되어, 레이저(아래에서 보다 상세하게 설명함)가 센서 하우징(46)의 캐비티(48)에서부터 중공 커넥터(54)를 통해 제1 어큐뮬레이터 캐비티(30) 내로 보내질 수 있다.
레이저 피스톤 위치 센서(26)는 또한 센서 하우징(46) 내의 캐비티(48)와 중공 커넥터(54) 사이에 배치된 렌즈 조립체(56)를 포함한다. 렌즈 조립체는 적어도 부분적으로 투명한 렌즈(58), 렌즈 리테이너(60) 및 렌즈 시일(62)을 포함한다. 렌즈 조립체(56)는 센서 하우징(46)의 리세스(64) 내에 배치된다. 레이저 피스톤 위치 센서(26) 및 유압 어큐뮬레이터(20)의 조립 및 설치 중에, 렌즈 리테이너(60)의 한 가지 기능은, 가스가 어큐뮬레이터로부터 센서 하우징(46)의 캐비티(48) 내로 누설된 시나리오에서, 어큐뮬레이터(20)와 레이저 피스톤 위치 센서(26)가 그 표면에 오게 한 상태에서 센서 하우징(46)에 대한 렌즈(58)의 위치를 유지하는 것이다. 게다가, 렌즈 홀더(60)의 다른 기능은 어큐뮬레이터의 설치 중에 렌즈(58)를 리세스(64) 내에서 제위치에 유지하는 것이다. 이를 달성하기 위해, 렌즈 시일(62)이 렌즈(58)와 센서 하우징(46) 사이의 계면을 밀봉한 상태로 렌즈(58)가 리세스(64) 내에 배치될 수 있다. 레이저 피스톤 위치 센서(26)의 작동 중에, 렌즈 시일(62)은 중공 커넥터(54)(이 커넥터는 개구(29)를 통해 제1 어큐뮬레이터 캐비티(30)와 유체 연통함) 내에 통상 위치하는 액체 또는 가스가 저압 센서 캐비티(48) 내로 들어오는 것을 방지한다. 따라서, 렌즈(58)는 제1 어큐뮬레이터 캐비티(30) 내의 질소 또는 기타 가스와 센서 하우징(46)의 캐비티(48) 내의 저압 가스 간의 배리어로서 기능할 수 있다. 렌즈 리테이너(60)는 체결구(66) 또는 임의의 기타 수단에 의해 센서 하우징(46)에 부착될 수 있다. 센서 하우징(46)의 개구(68)는 렌즈(58)의 적어도 일부분을 센서 하우징(46) 내의 캐비티(48)에 노출시킨다.
센서 하우징(46)의 캐비티(48) 내에는 레이저 센서(70)가 배치된다. 레이저 센서(70)는 복수의 기능을 수행한다. 예를 들면, 레이저 센서는 레이저(72)를 생성하여, 센서 하우징(46)의 개구(68), 렌즈(58), 중공 커넥터(54) 및 어큐뮬레이터 하우징(24)의 개구(29)를 통과해 제1 어큐뮬레이터 캐비티(30) 내로, 이어서 피스톤(28)으로 보낸다. 레이저 센서(70)는 또한 동일 경로에 의해 센서로 되돌아오는 반사광을 수신하다.
도 3을 다시 참조하여, 레이저 피스톤 위치 센서(26)의 작동 모드에 대해 이하에서 설명할 것이다. 어큐뮬레이터 하우징(24) 내의 피스톤(28)의 위치를 결정하기 위해, 레이저 센서(70)는 레이저(72)를 생성하여, 센서 하우징(46)의 개구(68), 렌즈(58), 중공 커넥터(54), 어큐뮬레이터 하우징(24)의 개구(29) 및 제1 어큐뮬레이터 캐비티(30)를 통과해 피스톤(28)으로 보낸다. 레이저(72)가 피스톤(28)에 도달하는 경우, 레이저(72)로부터의 광이 동일 경로를 따라(즉, 제2 어큐뮬레이터 캐비티(30), 어큐뮬레이터 하우징의 개구(29), 중공 커넥터(54), 렌즈(58) 및 센서 하우징(46)의 개구(68)를 통해) 레이저 센서(70)로 반사된다. 레이저(72)의 방사와 반사광의 복귀 수신 간의 시간에 기초하여, 레이저 센서(70)는 레이저 센서(70)로부터 피스톤(28)까지의 거리를 계산할 수 있거나, 그러한 거리를 계산하도록 원격 위치의 프로세서로 필요한 데이터를 전송할 수도 있다. 레이저 센서(70)와 피스톤(28) 간의 거리는 또한 어큐뮬레이터 하우징(24) 내에서의 피스톤(28)의 위치를 계산하는 데에 이용된다. 피스톤(28)의 위치는 기지의 어큐뮬레이터의 치수적 특징과 함께, 제1 어큐뮬레이터 캐비티(30) 내의 가스의 부피를 결정하는 데에 이용될 수 있고, 그 부피와 어큐뮬레이터의 기지의 총 부피 간의 차가 제2 어큐뮬레이터 캐비티(32) 내의 유압 유체의 부피를 결정하는 데에 이용될 수 있다.
도 3 및 도 4에 도시한 실시예에서, 렌즈(58)는 레이저 센서(70)에 대해 경사진 것으로 도시되어 있다. 그러한 경사진 배향은 레이저 피스톤 위치 센서(26)의 작동 중에 렌즈(58)에서의 레이저(72)의 반사를 방지 또는 최소화하는 기능을 한다. 그러한 반사는 어큐뮬레이터 하우징(24) 내의 피스톤(28)의 위치의 잘못된 판독을 야기할 수 있다. 도시한 실시예에서, 렌즈(58)는 센서 하우징(46) 내의 캐비티(48)의 바닥(74)에 대해 약 15도로 경사져 있지만, 대안적으로는 렌즈(58)가 임의의 적절한 각도로 배치될 수도 있다.
이하, 도 5를 참조하면, 레이저 피스톤 위치 센서(26)의 대안적인 도면이 도시되어 있다. 도 5의 도시에서, 레이저 피스톤 위치 센서(26)는 도 4에서의 도시로부터 그 종방향 축선(36)을 중심으로 180도 회전되어 있다. 도 5에 도시한 바와 같이, 레이저 피스톤 위치 센서(26)는 충전 밸브(78), 시일 서브(seal sub)(80) 및 벤트 플러그(vent plug)(84)를 갖는 가스 충전 라인(76)을 포함할 수 있다. 가스 충전 라인은 어큐뮬레이터 하우징의 개구(29)를 통해 제1 어큐뮬레이터 캐비티(30)와 연통하는 중공 커넥터(54)와 충전 밸브(78) 간에 유체 연통시키는 수단을 제공한다. 따라서, 가스 충전 라인(76)은 제1 어큐뮬레이터 캐비티에 가스를 추가하거나 제거하는 데에 이용될 수 있다. 시일 서브(80)는 가스 라인(76)이 센서 하우징 피스(46a, 46b)들 간의 계면을 가로지르고 있는 위치에서 그 센서 하우징 피스(46a, 46b)들의 계면을 밀봉하는 기능을 한다. 도시한 바와 같이, 시일 서브(80)는 시일(82)에 의해 둘러싸여, 유체 또는 가스가 시일 서브(80)와 하우징 피스(46a, 46b)들 사이를 통과하는 것을 방지한다. 충전 밸브(78)는 슈레이더 밸브(Schrader valve) 또는 임의의 기타 적절한 형태의 밸브일 수 있다. 벤트 플러그(84)는 작업자가 필요로 하거나 원하는 경우에 어큐뮬레이터로부터 주위 환경으로 가스를 방출하도록 개방될 수 있다.
본 기술의 레이저 피스톤 위치 센서의 이용은 종래 기술에 비해 이점을 갖는다. 예를 들면, 레이저는 피스톤의 위치를 측정하는 데에 피스톤과의 어떠한 물리적 접촉도 필요로 하지 않으며, 어큐뮬레이터에 대해 비침습적이며, 또한 가동 부품을 갖지 않는다. 이러한 특징은 센서의 신뢰성을 상당히 향상시킨다. 게다가, 본 기술의 레이저 피스톤 위치 센서는 수많은 산업 및 수많은 다양한 용례에 이용되는 광범위한 피스톤 어큐뮬레이터에 적용될 수 있다.
본 개시에서는 한정된 수의 실시예들에 대해 설명하였지만, 본 개시의 혜택을 보는 당업자라면, 본 명세서에서 설명한 바와 같은 본 개시의 범위로부터 벗어나지 않는 기타 실시예가 안출될 수 있다는 점을 이해할 수 있다. 따라서, 본 개시의 범위는 첨부된 청구의 범위에 의해서만 정해진다.

Claims (20)

  1. 해저 시추 시스템의 역행 구성 요소(powering component)에 이용하는 유압 어큐뮬레이터(20)에 있어서,
    캐비티(30, 32)를 에워싸고 제1 단부에서 개구(29)를 형성하며 종방향 축선(36)을 갖는 어큐뮬레이터 하우징(24);
    상기 캐비티(30, 32) 내에 배치되고 상기 종방향 축선(36)에 대해 평행한 방향으로 상기 어큐뮬레이터 하우징(24)에 대해 상대적으로 이동 가능한 피스톤(28); 및
    상기 제1 단부의 개구(29)에 인접하여 상기 어큐뮬레이터 하우징(26)의 단부에 부착된 레이저 피스톤 위치 센서(26)
    를 포함하며, 상기 레이저 피스톤 위치 센서(26)는,
    캐비티(48)를 에워싸며 외면에 리세스(64)를 형성하는 센서 하우징(46);
    상기 센서 하우징(46)의 리세스(64) 내에 배치되고 상기 센서 하우징(46) 내의 캐비티(48)에 노출되는 한편, 상기 센서 하우징(46)의 캐비티(48)와 상기 어큐뮬레이터 하우징(24)의 개구(29) 사이에 배치된 렌즈(58); 및
    상기 캐비티(48) 내에서 상기 센서 하우징(46)에 부착되고, 상기 렌즈(58) 및 상기 어큐뮬레이터 하우징(24)의 개구(29)를 통과해 상기 피스톤(28)으로 보내지는 레이저(72)를 방사하는 레이저 센서(70)
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 것인 유압 어큐뮬레이터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 레이저 센서(70)는 상기 레이저(72)가 상기 피스톤(28)과 접촉할 때에 상기 피스톤(28)으로부터 반사된 광을 수신하는 수신기인 것인 유압 어큐뮬레이터.
  3. 제2항에 있어서, 상기 레이저 센서(70)는, 상기 레이저 센서(70)가 상기 레이저(72)를 방사한 때로부터 상기 피스톤(28)으로부터 반사된 광이 수신될 때까지 경과한 시간에 기초하여 상기 레이저 센서(70)에서부터 상기 피스톤(28)까지의 거리를 계산하는 프로그래머블 논리 제어기(25)와 통신하는 것인 유압 어큐뮬레이터.
  4. 제1항에 있어서, 상기 렌즈(58)가 상기 레이저(72)를 상기 레이저 센서(70)를 향해 반사하지 않도록 상기 렌즈(58)는 상기 레이저(72)에 대해 소정 각도로 배치되는 것인 유압 어큐뮬레이터.
  5. 제4항에 있어서, 상기 렌즈(58)는 상기 레이저 센서(70)에 대해 약 15도의 각도로 배치되는 것인 유압 어큐뮬레이터.
  6. 제1항에 있어서, 상기 센서 하우징(46) 내의 캐비티(48)는 약 1 기압의 압력의 가스로 채워지는 것인 유압 어큐뮬레이터.
  7. 제6항에 있어서, 상기 어큐뮬레이터 하우징(24) 내의 캐비티(30, 32)의 적어도 일부와 상기 어큐뮬레이터 하우징(24)의 개구(29)는 1 기압보다 큰 압력을 갖는 불활성 가스로부터 채워지는 것인 유압 어큐뮬레이터.
  8. 유압 어큐뮬레이터(20) 내의 피스톤(28)의 위치를 결정하는 레이저 피스톤 위치 센서(26)로서, 상기 레이저 피스톤 위치 센서(26)는 상기 유압 어큐뮬레이터(20)의 단부에 부착하도록 구성되며, 상기 유압 어큐뮬레이터(20)는 그 단부에 상기 유압 어큐뮬레이터(20) 내의 피스톤(28)을 상기 레이저 피스톤 위치 센서(26)에 노출시키는 개구(29)를 구비하는 것인 레이저 피스톤 위치 센서(26)에 있어서,
    저압 가스를 수용한 캐비티(48)를 에워싸고 상기 캐비티(48)로부터 상기 유압 어큐뮬레이터(20)를 향한 구멍(68)을 획정하는 센서 하우징(46);
    상기 캐비티(48) 내에 배치되어, 상기 센서 하우징(46)의 구멍(68) 및 상기 유압 어큐뮬레이터(29)의 개구(29)를 통해 상기 유압 어큐뮬레이터(20)의 피스톤(28)을 향해 레이저(72)를 방사하는 레이저 센서(70); 및
    상기 레이저 센서(70)와 상기 유압 어큐뮬레이터(58) 사이에 배치되어, 상기 레이저 센서(70)로부터 상기 피스톤(28)으로의 상기 레이저(72)의 통과를 허용하는 한편, 상기 유압 어큐뮬레이터(20) 내의 가스를 상기 센서 하우징(46)의 캐비티(48) 내의 가스로부터 분리시키도록 된 투명 렌즈(58)
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 피스톤 위치 센서.
  9. 제8항에 있어서, 상기 센서 하우징(46)은 그 외면에 리세스(64)를 형성하며, 상기 렌즈(58)는 상기 리세스(64) 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 레이저 피스톤 위치 센서.
  10. 제8항에 있어서, 상기 렌즈(58)는 상기 레이저(72)가 상기 렌즈(58)를 통과할 때에 상기 레이저(72)가 상기 레이저 센서(72)로 다시 반사되는 것을 방지하도록 상기 레이저 센서(70)에 대해 소정 각도로 배향되는 것인 레이저 피스톤 위치 센서.
  11. 제8항에 있어서, 상기 레이저 센서(70)는 상기 피스톤(28)에 의해 상기 레이저 센서(70)로 다시 반사되는 광을 수신하여, 상기 레이저(72)의 방사와 반사된 광의 수신 간의 시간에 기초하여 상기 레이저 센서(70)에서부터 상기 피스톤(28)의 거리를 결정하도록 된 수신기인 것인 레이저 피스톤 위치 센서.
  12. 제8항에 있어서, 상기 센서 하우징(46)은,
    가스 충전 라인(76); 및
    상기 센서 하우징(46)의 외면에서 상기 가스 충전 라인(76)의 단부에 부착된 가스 밸브(78)
    를 더 포함하며, 상기 가스 충전 라인(76)은 가스가 상기 유압 어큐뮬레이터(20)에 추가되거나 그로부터 제거될 수 있도록 상기 가스 밸브(78)로부터 상기 유압 어큐뮬레이터(20) 내로 유체 연통을 제공하는 것인 레이저 피스톤 위치 센서.
  13. 제12항에 있어서, 상기 유압 어큐뮬레이터(20)로부터 주위 환경으로 가스를 방출하도록 상기 가스 충전 라인(76)을 주위 환경과 연결하는 벤트 플러그(vent plug)(84)를 더 포함하는 레이저 피스톤 위치 센서.
  14. 제8항에 있어서, 상기 센서 하우징(46)에 대해 상기 렌즈(58)의 위치를 유지하도록 상기 센서 하우징(46)에 부착된 렌즈 리테이너(60)를 더 포함하며, 상기 렌즈 리테이너(60)는 체결구(66)에 의해 센서 하우징(46)에 부착되는 것인 레이저 피스톤 위치 센서.
  15. 유압 어큐뮬레이터(20) 내의 피스톤(28)의 위치를 결정하는 방법으로서.
    (a) 상기 유압 어큐뮬레이터(20)에 부착된 레이저 피스톤 위치 센서(26)로부터 레이저(72)를 방사하는 단계;
    (b) 상기 레이저(72)를 상기 유압 어큐뮬레이터(20)의 개구(29)를 통해 상기 피스톤(28)으로 보내는 단계;
    (c) 상기 피스톤(28)으로부터 반사광을 수신하는 단계;
    (d) 상기 레이저(72)의 방사와 상기 반사광의 수신 간의 시간의 크기를 결정하는 단계;
    (e) 상기 시간에 기초하여, 상기 레이저 피스톤 위치 센서(26)와 상기 피스톤(28) 간의 거리를 결정하는 단계; 및
    (f) 상기 유압 어큐뮬레이터(20) 내의 피스톤(28)의 위치 및 상기 유압 어큐뮬레이터(20)의 치수적 특징에 기초하여 상기 유압 어큐뮬레이터(20) 내의 유압 유체의 부피를 결정하는 단계
    를 포함하는 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 레이저 피스톤 위치 센서(26)와 상기 유압 어큐뮬레이터(20) 사이에 배치된 렌즈(58)를 통해 상기 레이저(72)를 필터링하는 단계를 더 포함하는 것인 방법.
  17. 제15항에 있어서, 상기 레이저 피스톤 위치 센서(26)의 일부분을 통한 가스 라인(76)을 통해 상기 유압 어큐뮬레이터(20)에 가스를 추가하는 단계를 더 포함하는 것인 방법.
  18. 제15항에 있어서, 프로그래머블 논리 제어기(programmable logic controller: PLC)(25)를 이용하여 상기 단계 (f)를 실시하는 것인 방법.
  19. 제18항에 있어서, PLC(25)를 이용하여 상기 단계 (e)를 실시하는 것인 방법.
  20. 제19항에 있어서, PLC(25)를 이용하여 상기 단계 (d)를 실시하는 것인 방법.
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