KR20180104110A - 가스 에너지 측정 방법 및 관련된 장치 - Google Patents
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Abstract
가스 밀도 측정기(101)를 사용하여 수소-풍부 가스 혼합물의 에너지 함량을 판정하기 위한 방법이 제공된다. 이 방법은, 진동 가스 밀도 측정기(101)를 제공하는 단계 및 가스 밀도 측정기(101)를 계측 전자기기(112)에 제공하는 단계를 포함한다. 계측 전자기기(112)는 적어도 하나의 외부 입력(116)과 통신한다. 계측 전자기기(112)는 수소-풍부 가스 혼합물의 밀도를 측정하고, 수소-풍부 가스 혼합물의 비중을 측정하며, 그리고 도출되는 비중 및 복수의 상수 값들을 사용하여 수소-풍부 혼합 가스의 발열량을 도출하도록 구성된다.
Description
본 발명은 가스 에너지 측정들에 관한 것으로, 보다 특히, 가스 에너지를 측정하기 위한, 개선된 진동 측정기(vibratory meter) 및 방법에 관한 것이다.
연료 가스, 테일 가스(tail gas), 및 바이오 가스(bio-gas)와 같은 수소-풍부 가스들(hydrogen rich gases)의 사용 및 연소는, 가스 자체의 에너지 함량에 크게 의존한다. 가스의 에너지 함량은 연소시 얼마나 많은 에너지가 생성될 수 있는지로서 설명될 수 있다. 따라서, BTU(British Thermal Units)로 종종 측정되는 에너지는, 가스 공급 업체들, 운송 업체들 및 사용자들 등을 위해서 중요한 측정이다. BTU는 1 파운드의 물을 화씨 1도까지 냉각하거나 가열하는데 필요한 에너지의 양으로 규정된다. 가스의 연소(발열량(calorific value) 또는 CV로 불림)에 의해 생성된 에너지와 연관된 또 다른 일반적으로 사용되는 매개변수는 웨버 지수(Wobbe Index)(WI) 또는 웨버 수이다. 이는, 가스가 얼마나 용이하게 탈 것인지(burn) 뿐만 아니라 가스의 연소(combustion)에 의해 얼마나 많은 에너지가 생성될 수 있는지를 나타내는 중요한 매개변수이다. WI는 예를 들어, 천연 가스, 액화 석유 가스(LPG) 및 기타 탄화수소들과 같은 연료 가스들의 상호 호환성에 대해 신뢰 가능한 지표(indicator)이기 때문에 채택된다. 웨버 지수는 방정식(1)에 의해 설명될 수 있다:
여기서,
WI는 웨버 지수이고;
CV는 발열량이며; 그리고
SG는 비중(specific gravity)이다.
발열량(CV)은 종종 방정식(2)에 의해 규정된다:
여기서,
웨버 지수는 부여된 응용을 위해 상이한 조성물의 연료 가스들의 연소 에너지 출력을 비교하는 데 종종 사용된다. 예를 들어, 연료들이 동일한 웨버 지수를 가져야 한다면, 특정 장치의 주어진 압력 및 공정 설정들에 대해, 에너지 출력이 연료들 사이에서 동일할 것이다. 이는, 특히, 가스들이 서로 대체될 수 있거나 가스 조성물이 일정하게 유지되지 않는 공정들 또는 장치들에서 중요하다.
수소-풍부 가스들에 대해, CV 또는 WI-가스 크로마토그래프들(Gas Chromatographs)(GC's) 및 웨버 지수 측정기들을 계산/측정하는데 사용되는 2 개의 보편적인 계측(instrumentation) 유형들이 존재한다. GC들은, 그들이 가스를 구성 성분들(constituent components)로 분리한 다음에 개별 혼합 가스들의 성질들을 개별적으로 분석함으로써 가스 매개변수들을 계산하기 때문에, 상대적으로 느리다. 웨버 지수 측정기들은, 전형적으로, 에너지를 측정하거나 CV 또는 WI를 계산하기 위해서 가스를 연소시킨다. 그러나, 비-연소성의(non-combustive) 웨버 지수 측정기들에 대해, 정확한 측정들을 얻는 데 있어서 중요한 문제는, 불활성 가스들의 퍼센트와 가스 혼합물에 존재하는 수소(H2)의 백분율을 고려하는 것과 관련된다. 불활성 가스들은, 수소와 마찬가지로, 전체 혼합물에 의해 생성된 에너지 함량을 대폭 변경한다. 수소-풍부 가스 혼합물들 및 연료 가스들에서 가장 자주 만나게 되는 불활성 가스들은, 이산화탄소(CO2), 일산화탄소(CO), 및 질소(N2)이다. 이들 중에, 근적외선(near infra-red, NIR) 모니터들이 이를 위해 입수 가능하기 때문에, CO2 및 CO가 측정하기가 상대적으로 용이하다. 그러나, 질소 측정들은 측정하기가 번거로워, 통상적으로, GC를 요구한다.
수소 함량을 측정하게 될 때, 이 변수를 직접 출력할 수 있는 다수의 열전도도 분석기들이 입수 가능하여, 이 매개변수의 측정은 상대적으로 간단하다. 대부분의 수소-풍부 및 연료 가스 혼합물들에서, 질소 함량은 혼합물의 비교적 작은 백분율이며, 일반적으로 상대적으로 일정하다. 따라서, 정확한 에너지 측정 값을 결정할 때 종종 N2의 일정한 값이 채택될 수 있다. CO, CO2 및 H2에 대해서, 이는 완전히 그렇지는 않다. 이들 성분들의 농도(concentration)의 급격한 변동들이, 통상적으로, 종종 수 초의 시간에 걸쳐 발생한다. 이는, GC 기술이 빠른 응답 가스 에너지 및 웨버 지수(WI) 측정에 대한 시장의 요구를 충족시키지 못하는 주요 원인이다.
가스 크로마토그래프들은 가스 측정 산업에서 널리 사용되고 있으며, 가스 크로마토그래프들은 측정중인 가스 혼합물의 전체 가스 조성물(composition)의 정확한 출력을 제공하는 한편, 이들은 상당한 수의 제한들을 갖는다. 먼저, GC들은 매우 높은 소유의 비용(cost of ownership)을 나타낸다. 시스템들 및 부품들은 구매하기에 고가이며, 다수의 가동 부품들은 상당하고 빈번한 서비스를 필요로 한다. 둘째, GC들은 정기적 교정을 필요로 한다. 셋째, 교정 공정에 요구되는 교정 가스들이 생성되어야 하는데, 이는 시간을 요하며 고가이다. 넷째, GC 작동을 위해 숙련되고 훈련된 조작자들이 필요하며, 이는 작동 비용들을 증가시킨다. 다섯번째, 응답 시간은 전형적으로 매우 느리며, 출력들은 전형적으로 대략 매 7 분마다 업데이트된다.
상기 주목된 바와 같이, 웨버 지수 측정기들 또는 열량계들(calorimeters)이 연료 가스 또는 H2 풍부 가스 혼합물들을 위해 사용될 수 있지만, 또한 이들은 다수의 제한들을 나타낸다. 첫째, 구매 및 소유 비용이 많이 든다. 둘째, 측정들을 위해 종종 필요한 연소로 인해, 이러한 유닛들은 종종 비-위험 영역들에서 설치되어야 한다. 셋째, 이러한 측정기들은 또한 고전류 입력들 및 압축 공기-가스 병(bottle) 공급장치들과 같은 광범위한 설비들을 요구한다. 따라서, 이들은 설치 및 작동 비용이 높다. 이와 유사하게, 이들 유닛들에 의해 배기되는 폐가스는 전형적으로 약 800 ℃ 정도이며, 이는, 예를 들어, 정유 공장들(oil refineries)에서 발견되는 것과 같은 위험한 환경들을 완화시키기 위해서는 잠재적으로 위험하고 비용이 많이 든다.
CV, WI, 밀도, 기본 밀도, SG 등을 계산하기 위한 대안적인 방법 및 장치가 필요하다. 신속하게 업데이트해야 하는 이러한 계산들을 위한 방법 및 장치가 필요하다. 게다가, 안전관련 위험들을 최소화하는 방법 및 장치가 필요하다. 이들 및 다른 문제들을 해결하기 위해서 비-연소성의, 고속-응답 방법 및 장치가 제공되며, 당 기술의 진보가 달성된다. 개시된 실시예들은 수소-풍부 가스 혼합물에서 가스 에너지 및 WI를 판정하기 위한 대안적인 방법을 제공한다. 이 방법 및 장치는, 공지되지 않은 가스 조성물 및/또는 가스 비중과 에너지 함량을 관련시키는 기존의 표준들이 적용 가능하지 않은 경우에 특히 적절하다.
일 실시예에 따른 가스 밀도 측정기를 사용하여 수소-풍부 가스 혼합물의 에너지 함량을 판정하기 위한 방법이 제공된다. 이 방법은, 진동 가스 밀도 측정기를 제공하는 단계, 및 가스 밀도 측정기를 적어도 하나의 외부 입력과 통신하도록 구성된 계측 전자기기에 제공하는 단계를 포함한다. 이 방법은, 추가로, 수소-풍부 가스 혼합물의 밀도를 측정하고, 수소-풍부 가스 혼합물의 비중을 도출하며, 그리고 도출되는 비중 및 복수의 상수들 및/또는 변수들을 사용하여 수소-풍부 가스 혼합물의 발열량을 도출하는 단계들을 포함한다.
일 실시예에 따라 가스 에너지를 측정하기 위한 시스템이 제공된다. 이 시스템은, 수소-풍부 가스 혼합물의 비중을 계산하도록 구성된 진동 가스 밀도 측정기를 포함한다. 이 시스템은, 외부 입력에 연결되도록 구성된 통신 라인; 및 이 통신 라인과 통신하는, 진동 가스 밀도 측정기를 작동시키기 위한 계측 전자기기를 추가로 포함한다. 계측 전자기기는 수소-풍부 가스 혼합물의 밀도를 측정하도록, 그리고 측정되는 비중 및 복수의 상수들 및/또는 변수들을 사용하여 수소-풍부 가스 혼합물의 발열량을 도출하도록 구성된다.
일 양태에 따르면, 가스 밀도 측정기를 사용하여 수소-풍부 가스 혼합물의 에너지 함량을 결정하기 위한 방법은, 진동 가스 밀도 측정기를 제공하는 단계; 가스 밀도 측정기를 적어도 하나의 외부 입력과 통신하도록 구성된 계측 전자기기에 제공하는 단계; 수소-풍부 가스 혼합물의 밀도를 측정하는 단계; 수소-풍부 가스 혼합물의 비중을 측정하는 단계; 및 측정된 비중 및 복수의 상수 값들을 사용하여 수소-풍부 가스 혼합물의 발열량을 도출하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 수소-풍부 기체 혼합물의 웨버 지수 값이 계산된다.
바람직하게는, 발열량(CV)은 다음을 포함하는 방정식에 따라 계산된다:
여기서, A 내지 F는 상수 값들을 포함하고, SG는 비중을 포함한다.
바람직하게는, A는 약 144.8 내지 150.8이고, B는 약 -2.5 내지 -2.6이며, C는 약 -12.15 내지 -12.65이고, D는 약 -47.7 내지 -49.65이며, E는 약 -24.68 내지 -25.69이고, 그리고 F는 약 1528.7 내지 1591.1이다.
바람직하게는, A는 약 147.8458이고, B는 약 -2.55807이며, C는 약 -12.3963이고, D는 약 -48.685065이며, E는 약 -25.18546이고, F는 약 1559.94255이다.
바람직하게는, 외부 입력은 수소-풍부 가스 혼합물의 퍼센트 H2 값을 포함한다.
바람직하게는, 퍼센트 H2 값은 열 전도도 측정기로 판정된다.
바람직하게는, 외부 입력은 수소-풍부 가스 혼합물의 퍼센트 CO 값을 포함한다.
바람직하게는, 퍼센트 CO 값은 근적외선 측정기로 판정된다.
바람직하게는, 외부 입력은 수소-풍부 가스 혼합물의 퍼센트 CO2 값을 포함한다.
바람직하게는, 퍼센트 CO2 값은 근적외선 측정기로 판정된다.
바람직하게는, 외부 입력은 수소-풍부 가스 혼합물의 퍼센트 N2 값을 포함한다.
바람직하게는, 퍼센트 N2 값은 가스 크로마토그래프(gas chromatograph)로 판정된다.
바람직하게는, 발열량을 도출하는 단계는 약 10 초 미만의 빈도수(frequency)로 수행된다.
일 양태에 따르면, 가스 에너지를 측정하기 위한 시스템은, 수소-풍부 가스 혼합물의 비중을 계산하도록 구성된 진동 가스 밀도 측정기; 외부 입력에 연결하도록 구성된 통신 라인; 통신 라인과 통신하는, 진동 가스 밀도 측정기를 작동시키기 위한 계측 전자기기를 포함하고, 계측 전자기기는, 수소-풍부 가스 혼합물의 밀도를 측정하도록 그리고 도출되는 비중 및 복수의 상수 값들을 사용하여 수소-풍부 가스 혼합물의 발열량을 도출하도록 구성된다.
바람직하게는, 외부 입력은 근적외선 측정기, 열 전도도 측정기, 및 가스 크로마토그래프 중 적어도 하나를 포함한다.
바람직하게는, 계측 전자기기는 수소-풍부 가스 혼합물의 웨버 지수 값을 계산하도록 구성된다.
바람직하게는, 발열량(CV)은 다음을 포함하는 방정식에 따라 계산된다:
여기서, A 내지 F는 상수 값들을 포함하고, SG는 비중을 포함한다.
바람직하게는, A는 약 144.8 내지 150.8이고, B는 약 -2.5 내지 -2.6이며, C는 약 -12.15 내지 -12.65이고, D는 약 -47.7 내지 -49.65이며, E는 약 -24.68 내지 -25.69이고, 그리고 F는 약 1528.7 내지 1591.1이다.
바람직하게는, A는 약 147.8458이고, B는 약 -2.55807이며, C는 약 -12.3963이고, D는 약 -48.685065이며, E는 약 -25.18546이고, 그리고 F는 약 1559.94255이다.
바람직하게는, 퍼센트 H2, 퍼센트 CO, 퍼센트 CO2 및 퍼센트 N2 중 적어도 하나가, 외부 입력으로부터 계측 전자기기에 제공된다.
동일한 참조 번호는 모든 도면들에서 동일한 요소를 나타낸다. 도면은 반드시 축척에 맞게 그려지는 것은 아니다.
도 1은, 일 실시예에 따른 가스 에너지를 측정하기 위한 시스템을 예시한다.
도 2는, 일 실시예에 따른 계측 전자기기를 예시한다.
도 1은, 일 실시예에 따른 가스 에너지를 측정하기 위한 시스템을 예시한다.
도 2는, 일 실시예에 따른 계측 전자기기를 예시한다.
도 1, 도 2, 그리고 다음의 설명은 본 발명의 최적의 양태를 실시하고 사용하는 방법을 당업자에게 교시하기 위한 특정 예들을 도시한다. 본 발명의 원리들의 교시를 목적으로, 일부 종래의 양태들이 단순화되거나 생략되어 있다. 당업자는, 본 발명의 범주 내에 있는 이러한 예들로부터의 변형예들을 이해할 것이다. 당업자는, 본 발명의 다수의 변형예들을 형성하기 위해서 다양한 방식들로 하기 설명된 특징들이 조합될 수 있음을 이해할 것이다. 그 결과, 본 발명은 하기 설명된 특정 예들로 제한되는 것이 아니라, 단지 청구항들 및 이들의 등가물들에 의해 제한된다.
도 1은 일 실시예에 따른 가스 에너지를 측정하기 위한 시스템(100)을 예시한다. 밀도 측정기(101)가 가스의 비중을 측정하기 위해 제공된다. 가스의 비중을 측정하기 위해서, 밀도 측정기(101)는 고정된 양의 가스로 충전된 일정한 체적 기준 챔버(104)로 둘러싸인 공진 요소(resonating element)(102)를 활용한다. 기준 챔버 내부의 분리기 다이어프램(separator diaphragm)(106)은, 압력 제어 밸브(110)를 제어함으로써 밀도 측정기(101)에서 가스 라인(108)에 의해 전달된 샘플 가스의 압력이 기준 가스의 압력과 동일함을 보장한다.
밀도 측정기(101)의 공진 요소(102)는 적어도 부분적으로 하우징(103) 내에 위치된다. 하우징(103) 또는 공진 요소(102)는, 밀도 측정기를 파이프라인 또는 유사한 가스 전달 디바이스에 기밀(gas-tight) 방식으로 작동 가능하게 연결하기 위한 플랜지들 또는 다른 부재들을 포함할 수 있다. 종종, 공진 요소(102)는 하우징의 일 단부에서 하우징에 캔틸레버식으로(cantilever) 장착되는데, 공진 요소(102)의 반대쪽 단부는 자유롭게 진동한다. 공진 요소(102)는, 일 실시예에서, 가스가 밀도 측정기로 들어가서 하우징과 공진 요소(102) 사이를 유동하는 것을 허용하는 복수의 가스 애퍼처들을 규정할 수 있다. 따라서, 가스는 공진 요소(102)의 외측 표면뿐만 아니라 내측 표면에도 접촉한다. 이는, 공진 요소(102)의 더 큰 표면 영역이 가스에 노출되며 그리고 보다 정확한 측정들을 제공하는 것을 허용한다. 다른 예들에서, 애퍼처들이 하우징에 제공될 수 있고, 공진 요소(102)의 애퍼처들은 요구되지 않을 수 있다.
공진 요소(102)는 자연(즉, 공진) 주파수에서 또는 이에 가깝게 진동될 수 있다. 가스의 존재 하에서 부재의 공진 주파수를 측정함으로써, 가스의 밀도가 판정될 수 있다.
구동기(driver)(105) 및 진동 센서(107)는 전형적으로, 공진 요소(102)에 인접하게 포지셔닝되는 스풀 본체(spool body) 상에 포지셔닝된다. 구동기(105)는 계측 전자기기(112)로부터 구동 신호를 수신하고 공진 주파수로 또는 이에 가깝게 공진 요소(102)를 진동시킨다. 진동 센서(107)는 공진 요소(102)의 진동을 검출하고 처리를 위해서 계측 전자 기기(112)에 진동 정보를 전송한다. 계측 전자기기(112)는 피시험 가스와 조합하여 공진 요소(102)의 공진 주파수를 판정하고 그리고 측정된 공진 주파수로부터 밀도 측정을 생성한다.
가스의 비중은, 표준 건조 공기의 분자량에 대한 가스의 분자량(M)의 비율이다. 일 실시예에서, 밀도 측정기(101)는 가스 비중에 비례하는 주파수 출력을 산출하고, 그리고 또한 가스 분자량(M)을 생성할 수 있다.
수소-풍부 또는 연료 가스들을 측정할 때 가장 관련 있는 매개변수들은 다음과 같다.
a. 비중(SG)
b. 온도(T)
c. 압력(P)
d. 분자량(M)
e. 불활성 가스의 퍼센트(예를 들어, % N, % CO2)
f. 발열량/BTU(CV)
g. 웨버 지수(WI)
h. 상대 밀도(ρrel)
시스템(100)의 일 실시예는, 가스를 연소시키거나 GC에 의존할 필요없이, 상기 매개변수들 중 적어도 하나의 측정 및/또는 계산을 제공한다. 일 실시예에서, 밀도 측정기(101)는 복수의 교정 가스들(calibrations gases)의 분자량을 사용하여 SG를 출력하도록 교정된다. 예를 들어, 제한 없이, 저, 중, 및 고 범위 지점들과 같은 3 개의 교정 가스들이 고려된다. 3 개보다 많거나 적은 가스들의 교정들이 또한 고려된다.
일 실시예에서, 시스템은 적어도 하나의 외부 입력(116)을 수용한다. 외부 입력(116)은 특히, 퍼센트 CO2, 퍼센트 CO, 퍼센트 H2, 및 퍼센트 N2 의 측정들을 포함할 수 있다. 이 데이터는 통신 라인(114)을 통해 계측 전자기기(112)에 제공된다. 예를 들어, 제한 없이, 열 전도도 측정기들(이는 실시간 퍼센트 H2 값을 제공), 근적외선(NIR) 측정기들(이는 실시간 퍼센트 CO 및/또는 퍼센트 CO2 값을 제공) 및 가스 크로마토그래프들(이는 퍼센트 N2 값들을 제공)과 같은 분석기들(analyzers)로부터의 별도의 외부 입력들(116)과 함께, 시스템(100)은 발열량, BTU, 및 웨버 지수의 매우 정확한 측정을 발생시킬 수 있으며, 대략 실시간으로 효과적으로 수행할 수 있다. 다중-측정기/다중-기술 접근법을 제공함으로써, 시스템(100)은, 본질적으로, 신속한 응답을 발생시키지만, 측정되고 있는 가스의 공지된 전체 조성물을 요구하지는 않는다. 게다가, 가스 연소에 대한 필요성이 제거되고, 이는, 그렇지 않으면, 열량계들(calorimeters) 및 웨버 지수 측정기들에 의해 채택되는 전형적인 접근법이다.
이 다중-기술 입력 실시예는, 밀도 측정기(101)가 제공하는 비중의 정확하고 신속한 응답 측정에 의존한다. 일 실시예는 30 개를 초과하는 상이한 수소 가스 및 연료 가스 혼합물들을 분석함으로써 도출되는데, 이들 모두는, 예를 들어, 제한 없이, 비중이 AGA5 표준과 같은 가스의 에너지 함량과 직접적으로 관련되는 표준들의 범주를 벗어난다. 에너지 함량, 비중, 및 퍼센트 N2, 퍼센트 CO, 퍼센트 CO2 및 퍼센트 H2 사이의 하기의 관계는, 방정식(3)에 의해 설명되는 바와 같이, 일 실시예에 따라 도출된다.
여기서, A 내지 F는 상수들이다:
A = 147.8458
B = -2.55807
C = -12.3963
D = -48.685065
E = -25.18546
F = 1559.94255
상기 계수들로부터, 측정에 대한 최대 감도(sensitivity)는 SG의 감도이며, 따라서 밀도 측정기(101)로부터 도출된 SG의 정확한 측정이 중요하다는 것을 주목한다. 이 방정식을 사용하면, 전형적인 측정 오차들은 ± 0.25 % 미만이며, 최대로 ± 0.9 % 미만인 편차들이 준수된다. 상수들(A 내지 F)은 ± 5 %만큼 변경될 수 있음에 주목해야 한다.
일 실시예에서, 일단 CV가 판정되면, 웨버 지수는 방정식(1)에 따라 계산된다. CV를 판정하기 위한 다른 계산들도 또한 고려될 수 있다는 것이 주목되어야 한다.
당업자에 의해, 본 발명의 범주를 벗어나지 않고 상술된 다양한 수정예들이 가능하다는 것이 이해될 것이다. 단지 예로서, 상기 방정식(3)에서 상수(A)는, 청구된 방법에 내재된 훨씬 더 빠른 시간 규모에 따라 이루어지는 계산을 개선하기 위해서, 샘플링 기술(예를 들어, NIR)을 사용하여 % CO를 별도로 측정하고 그 측정을 사용함으로써 수시로 다듬어지거나(trimmed) 개선될(refined) 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 밀도 측정기(101)를 위한 계측 전자기기(112)를 예시한다. 계측 전자기기(112)는 인터페이스(201) 및 처리 시스템(203)을 포함할 수 있다. 인터페이스(201)는 공진 요소(102)에 구동 신호를 송신한다. 계측 전자기기(112)는 공진 요소(102)와 연관된 발진들(oscillations)을 측정하는 진동 센서(107) 신호와 같은 센서로부터 적어도 하나의 센서 신호를 수신하고 처리한다.
인터페이스(201)는, 포매팅(formatting), 증폭(amplification), 버퍼링(buffering) 등의 임의의 방식과 같은 임의의 필요한 또는 원하는 신호 컨디셔닝(signal conditioning)을 수행할 수 있다. 대안으로, 신호 컨디셔닝의 일부 또는 전부는 프로세싱 시스템(203)에서 수행될 수 있다.
게다가, 예를 들어, 인터페이스(201)는, 예컨대, 통신 링크(114)를 통해 계측 전자기기(112)와 외부 디바이스들 간의 통신들을 가능하게 할 수 있다. 인터페이스(201)는 통신 링크(118)를 통해 외부 디바이스들로 측정 데이터를 전송할 수 있고, 외부 디바이스들 및 외부 가스 측정 장치들로부터 명령들, 업데이트들, 데이터 및 다른 정보를 수신할 수 있다. 인터페이스(201) 및 통신 링크(114)는, 임의의 방식의 전자, 광학, 또는 무선 통신이 가능할 수 있다.
일 실시예에서 인터페이스(201)는 디지타이저를 포함하며, 여기서 센서 신호들은 아날로그 센서 신호들을 포함한다. 디지타이저는 아날로그 센서 신호들을 샘플링 및 디지털화하여 해당 디지털 센서 신호들을 발생시킨다. 인터페이스/디지타이저는, 또한, 임의의 필요한 데시메이션(decimation)을 수행할 수 있으며, 여기서, 디지털 센서 신호는, 필요한 신호 처리량을 감소시키고 처리 시간을 감소시키기 위해 데시메이팅된다(decimated).
처리 시스템(203)은 계측 전자기기(112)의 동작들을 수행하고 밀도 측정기(101)로부터의 가스 측정들을 처리한다. 처리 시스템(203)은 하나 또는 그 초과의 밀도 특성들(또는 다른 밀도 측정들)을 발생시키기 위해 작동 루틴(210)을 실행하고 밀도 측정들을 처리한다. 처리 루틴은 특히, 가스 비중, 가스 밀도, 가스 온도, 가스 압력, 가스 분자량, 퍼센트 불활성 가스, 발열량, 및 웨버 지수를 판정하기 위한 루틴들을 포함한다.
처리 시스템(203)은 범용 컴퓨터, 마이크로프로세싱 시스템, 논리 회로, 또는 일부 다른 범용 또는 고객 맞춤형 처리 디바이스를 포함할 수 있다. 처리 시스템(203)은 다수의 처리 디바이스들 사이에 분배될 수 있다. 처리 시스템(203)은 저장 시스템(204)과 같은 임의의 방식의 통합 또는 독립 전자 저장 매체를 포함할 수 있다. 저장 시스템(204)은 처리 시스템(203)에 결합되거나 처리 시스템(203)에 통합될 수 있다.
저장 시스템(204)은, 밀도 측정기(101)의 작동 동안 생성된 정보를 포함하여, 밀도 측정기(101)를 작동시키기 위해 사용되는 정보를 저장할 수 있다. 저장 시스템(204)은, 공진 요소(102)를 진동시키기 위해 사용되며 구동 신호(212)와 같은, 공진 요소(102)를 작동시키기 위해 구동기(105)에 제공되는 하나 또는 그 초과의 신호들을 저장할 수 있다. 게다가, 저장 시스템(204)은 공진 요소(102)의 결과로서 진동 센서(107)에 의해 생성된 진동 응답 신호들(214)을 저장할 수 있다. 온도 신호들(216)은 또한, 계측 전자기기 및 관련된 알고리즘들에 의해 활용될 수 있다.
따라서, 본 실시예들이 발열량 및 웨버 지수 양자 모두의 신속하고 정확한 측정들을 제공하기 위해서 상업적으로 입수 가능한 가스 측정기들과 조합하여 밀도 측정기(101)를 활용한다는 것이 이해될 것이다. 상기 설명된 실시예들은 가스 크로마토그래프를 사용할 때 약 7 분의 전형적인 응답 시간과는 대조적으로 매 약 5 내지 10 초의 빈도수로 발열량 및/또는 웨버 지수 측정들을 제공한다. 다른 실시예들에서, 빈도수는 매 5 내지 10 초보다 크거나 작다. 이러한 신속한 응답 시간은, 연소가 필요한 작동들에 대한 연소 효율을 최적화하고 그리고 부수적으로, 관련된 세금 징수뿐만 아니라 NOx 및 SOx 배기들을 최소화한다. 실시예들은 또한 특정 응용들에 대해 안정적인 증기 열 공급(steam heat supply)을 산출한다. 따라서, 본 발명은 가스 혼합 응용들에 사용될 수 있고 보관(custody) 이송 응용들에 이상적이다. 정유소(또는 제조 플랜트)의 운영 비용들의 50 % 초과가 전형적으로 에너지(즉, 증기) 발생으로 인한 것이기 때문에, 본 실시예들은 그러한 응용들에서 운영 비용들을 낮출 수 있다. 발화력이 있는(incendive) 기술들에 내재된 안전 위험들을 제거하면서, 이러한 이점들이 실현된다.
상기 실시예들의 상세한 설명들은, 본 발명의 범주 내에 있는, 본 발명자에 의해 고려된 모든 실시예들의 철저한 설명들은 아니다. 사실상, 당업자들은, 상기 설명된 실시예들의 소정의 요소들이 추가의 실시예들을 생성하기 위해서 다양하게 조합 또는 제거될 수 있으며, 그러한 추가의 실시예들이 본 발명의 범주 및 교시들 내에 있음을 인식할 것이다. 또한, 상기 설명된 실시예들이 본 발명의 범주 및 교시들 내에 있는 추가의 실시예들을 생성하기 위해서 전체적으로 또는 부분적으로 조합될 수 있음이 당업자에게 분명할 것이다. 이에 따라, 본 발명의 범주는 하기 청구범위들로부터 판정되어야 한다.
Claims (21)
- 가스 밀도 측정기(gas density meter)를 사용하여 수소-풍부 가스 혼합물의 에너지 함량을 판정하기 위한 방법으로서,
진동 가스 밀도 측정기를 제공하는 단계;
상기 진동 가스 밀도 측정기를, 적어도 하나의 외부 입력과 통신하도록 구성된 계측 전자기기(meter electronics)에 제공하는 단계;
상기 수소-풍부 가스 혼합물의 밀도를 측정하는 단계;
상기 수소-풍부 가스 혼합물의 비중(specific gravity)을 측정하는 단계; 및
상기 측정된 비중 및 복수의 상수 값들을 사용하여 상기 수소-풍부 가스 혼합물의 발열량(calorific value)을 도출하는 단계를 포함하는,
가스 밀도 측정기를 사용하여 수소-풍부 가스 혼합물의 에너지 함량을 판정하기 위한 방법. - 제1 항에 있어서,
상기 수소-풍부 기체 혼합물의 웨버 지수(Wobbe Index) 값이 계산되는,
가스 밀도 측정기를 사용하여 수소-풍부 가스 혼합물의 에너지 함량을 판정하기 위한 방법. - 제1 항에 있어서,
상기 발열량(CV)은,
을 포함하는 방정식에 따라 계산되며,
여기서,
A 내지 F는 상기 상수 값들을 포함하고, 그리고
SG는 상기 비중을 포함하는,
가스 밀도 측정기를 사용하여 수소-풍부 가스 혼합물의 에너지 함량을 판정하기 위한 방법. - 제3 항에 있어서,
A는 약 144.8 내지 150.8이고, B는 약 -2.5 내지 -2.6이며, C는 약 -12.15 내지 -12.65이고, D는 약 -47.7 내지 -49.65이며, E는 약 -24.68 내지 -25.69이고, 그리고 F는 약 1528.7 내지 1591.1인,
가스 밀도 측정기를 사용하여 수소-풍부 가스 혼합물의 에너지 함량을 판정하기 위한 방법. - 제3 항에 있어서,
A는 약 147.8458이고, B는 약 -2.55807이며, C는 약 -12.3963이고, D는 약 -48.685065이며, E는 약 -25.18546이고, 그리고 F는 약 1559.94255인,
가스 밀도 측정기를 사용하여 수소-풍부 가스 혼합물의 에너지 함량을 판정하기 위한 방법. - 제3 항에 있어서,
상기 외부 입력은 상기 수소-풍부 가스 혼합물의 퍼센트 H2 값을 포함하는,
가스 밀도 측정기를 사용하여 수소-풍부 가스 혼합물의 에너지 함량을 판정하기 위한 방법. - 제6 항에 있어서,
상기 퍼센트 H2 값은 열전도도 측정기(thermal conductivity meter)로 판정되는,
가스 밀도 측정기를 사용하여 수소-풍부 가스 혼합물의 에너지 함량을 판정하기 위한 방법. - 제3 항에 있어서,
상기 외부 입력은 상기 수소-풍부 가스 혼합물의 퍼센트 CO 값을 포함하는,
가스 밀도 측정기를 사용하여 수소-풍부 가스 혼합물의 에너지 함량을 판정하기 위한 방법. - 제8 항에 있어서,
상기 퍼센트 CO 값은 근적외선 측정기(near infrared meter)로 판정되는,
가스 밀도 측정기를 사용하여 수소-풍부 가스 혼합물의 에너지 함량을 판정하기 위한 방법. - 제3 항에 있어서,
상기 외부 입력은 상기 수소-풍부 가스 혼합물의 퍼센트 CO2 값을 포함하는,
가스 밀도 측정기를 사용하여 수소-풍부 가스 혼합물의 에너지 함량을 판정하기 위한 방법. - 제10 항에 있어서,
상기 퍼센트 CO2 값은 근적외선 측정기로 판정되는,
가스 밀도 측정기를 사용하여 수소-풍부 가스 혼합물의 에너지 함량을 판정하기 위한 방법. - 제3 항에 있어서,
상기 외부 입력은 상기 수소-풍부 가스 혼합물의 퍼센트 N2 값을 포함하는,
가스 밀도 측정기를 사용하여 수소-풍부 가스 혼합물의 에너지 함량을 판정하기 위한 방법. - 제12 항에 있어서,
상기 퍼센트 N2 값은 가스 크로마토그래프(gas chromatograph)로 판정되는,
가스 밀도 측정기를 사용하여 수소-풍부 가스 혼합물의 에너지 함량을 판정하기 위한 방법. - 제1 항에 있어서,
상기 발열량을 도출하는 단계는, 약 10 초 미만의 빈도수로 수행되는,
가스 밀도 측정기를 사용하여 수소-풍부 가스 혼합물의 에너지 함량을 판정하기 위한 방법. - 가스 에너지를 측정하기 위한 시스템(100)으로서,
수소-풍부 가스 혼합물의 비중을 계산하도록 구성된 진동 가스 밀도 측정기(101);
외부 입력(116)에 연결하도록 구성된 통신 라인(114);
상기 통신 라인(114)과 통신하는, 진동 가스 밀도 측정기(101)를 작동시키기 위한 계측 전자기기(112)를 포함하며,
상기 계측 전자기기(112)는 상기 수소-풍부 가스 혼합물의 밀도를 측정하도록 그리고 도출되는 비중 및 복수의 상수 값들을 사용하여 상기 수소-풍부 가스 혼합물의 발열량을 도출하도록 구성되는,
가스 에너지를 측정하기 위한 시스템(100). - 제15 항에 있어서,
상기 외부 입력(116)은 근적외선 측정기, 열 전도도 측정기, 및 가스 크로마토그래프 중 적어도 하나를 포함하는,
가스 에너지를 측정하기 위한 시스템(100). - 제15 항에 있어서,
상기 계측 전자기기(112)는 상기 수소-풍부 가스 혼합물의 웨버 지수 값을 계산하도록 구성되는,
가스 에너지를 측정하기 위한 시스템(100). - 제15 항에 있어서,
상기 발열량(CV)은,
를 포함하는 방정식에 따라 계산되며,
여기서,
A 내지 F는 상기 상수 값들을 포함하고, 그리고
SG는 상기 비중을 포함하는,
가스 에너지를 측정하기 위한 시스템(100). - 제18 항에 있어서,
A는 약 144.8 내지 150.8이고, B는 약 -2.5 내지 -2.6이며, C는 약 -12.15 내지 -12.65이고, D는 약 -47.7 내지 -49.65이며, E는 약 -24.68 내지 -25.69이고, 그리고 F는 약 1528.7 내지 1591.1인,
가스 에너지를 측정하기 위한 시스템(100). - 제18 항에 있어서,
A는 약 147.8458이고, B는 약 -2.55807이며, C는 약 -12.3963이고, D는 약 -48.685065이며, E는 약 -25.18546이고, 그리고 F는 약 1559.94255인,
가스 에너지를 측정하기 위한 시스템(100). - 제18 항에 있어서,
상기 퍼센트 H2, 퍼센트 CO, 퍼센트 CO2 및 퍼센트 N2 중 적어도 하나는 상기 외부 입력(116)으로부터 상기 계측 전자기기(112)에 제공되는,
가스 에너지를 측정하기 위한 시스템(100).
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