KR20200139226A - 유량계 상 분율 및 농도 측정 조정 방법 및 장치 - Google Patents

유량계 상 분율 및 농도 측정 조정 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

구동기(104) 및 구동기(104)에 의해 진동 가능한 진동 부재(103, 103')를 갖는 진동계(5)가 제공된다. 적어도 하나의 픽오프 센서(105, 105')는 진동 부재(103, 103')의 진동들을 검출하도록 구성된다. 계측 전자장치(20)는 적어도 하나의 픽오프 센서(105, 105')로부터 진동 응답을 수신하도록 구성된 인터페이스(301), 및 인터페이스(301)에 커플링된 프로세싱 시스템(303)을 포함한다. 프로세싱 시스템(303)은 구동기(104)의 구동 이득(306)을 측정하고, 진동계(5)에서 다상 공정 유체의 총 밀도(325)를 측정하고, 그리고 구동 이득(306)이 제1 임계치 미만인지 여부를 결정하도록 구성된다. 액체/액체 상 농도 할당은, 구동 이득(306)이 제1 임계치 미만인 경우 측정된 총 밀도(325)로 결정되고, 각각의 액체 상에 대한 유량이 계산된다.

Description

유량계 상 분율 및 농도 측정 조정 방법 및 장치
본 발명은 진동계들(vibratory meters)에 관한 것이며, 더 상세하게는, 상 분율 조성(phase fraction composition)에 기반하여 측정들을 조정하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
진동 덴시토미터들(vibrating densitometers) 및 코리올리(Coriolis) 유량계들은 일반적으로 알려져 있고, 유량계의 도관 또는 덴시토미터를 포함하는 도관을 통해 유동하는 유체와 관련된 질량 유동(mass flow), 밀도 및 다른 정보를 측정하는 데 사용된다. 유체는 액체, 기체, 부유되는 입자들(suspended particulates) 및/또는 비말동반된 기체(entrained gas)를 갖는 액체 또는 이들의 조합들을 포함할 수 있다. 예시적인 유량계들은 모두가 J.E. Smith 등에 의한 미국 특허 제4,109,524호, 미국 특허 제4,491,025호 및 Re.31,450에 개시된다. 이들 유량계들은 전형적으로 직선 또는 곡선 구성의 하나 이상의 도관들을 갖는다. 코리올리 질량 유량계의 각각의 도관 구성은, 예컨대, 단순 구부림(simple bending), 비틀림(torsional), 또는 결합형(coupled) 타입일 수 있는 고유 진동 모드들의 세트를 갖는다. 각각의 도관은 바람직한 모드로 진동하도록 구동될 수 있다. 일부 유형들의 질량 유량계들, 특히 코리올리 유량계들은, 밀도분의 질량의 몫(quotient)을 통해 볼류메트릭 정보를 제공하기 위해, 밀도의 직접 측정을 수행하는 방식으로 동작될 수 있다. 예컨대, 미지의 다상 유체(unknown multiphase fluid)의 밀도를 측정하기 위해 코리올리 유량계를 사용하는 네트 오일 컴퓨터(net oil computer)에 대한 Ruesch의 미국 특허 번호 제4,872,351호를 참조한다. Buttler 등의 미국 특허 번호 제5,687,100호는 진동 튜브 덴시토미터로서 동작하는 질량 유량계에서 질량 유량 효과들에 대한 밀도 판독치들을 보정하는 코리올리 효과 덴시토미터를 교시한다.
유량계의 유입구 측 상의 연결된 파이프라인으로부터 유량계 내로의 재료 유동들이 도관(들)을 통해 지향되고 유량계의 유출구 측을 통해 유량계를 빠져나간다. 진동 시스템의 고유 진동 모드들은 도관들 및 도관들 내에서 유동하는 재료의 결합된 질량에 의해 부분적으로 정의된다.
진동계 구동기를 통해 연결된 계측 전자장치는 구동기를 동작시키기 위해, 그리고 또한, 픽오프들(pickoffs)로부터 수신된 신호들로부터 공정 재료(process material)의 밀도 및/또는 다른 특성들을 결정하기 위해 구동 신호를 생성한다. 구동기는 대향하는 구동 코일을 갖는 자석 또는 압전 구동기와 같은 많은 잘 알려진 어레인지먼트들 중 하나를 포함할 수 있다. 원하는 도관 진폭 및 주파수에서 도관(들)을 진동시키기 위한 교류 전류가 구동기에 전달된다. 구동기 어레인지먼트와 매우 유사한 어레인지먼트에 픽오프들을 제공하는 것이 또한 당업계에 알려져 있다. 그러나, 구동기들이 모션을 유도하는 전류를 수신하는 동안, 픽오프들은 전압을 유도하기 위해 구동기에 의해 제공되는 모션을 사용할 수 있다. 픽오프들에 의해 측정된 시간 지연의 크기는 매우 작고; 보통 나노초 단위로 측정된다. 따라서, 트랜스듀서 출력이 매우 정확할 필요가 있다.
코리올리 계측기들은 단상 유동(single phase flow)들에 대해 높은 정확도를 제안한다. 그러나, 코리올리 유량계가 사용되어 다상 유체(multiphase fluid)들, 이를테면, 비말동반된 기체를 포함하는 유체들을 측정할 때, 계측기의 정확도는 현저하게 저하될 수 있다. 이것은 유사하게, 탄화수소 유체들이 물을 함유하는 경우와 같이, 비말동반된 고형물들을 갖는 유동들 및 혼합-상 유체 유동들(mixed-phase fluid flows)에 대해서도 마찬가지이다.
비말동반된 기체는 일반적으로 유동 재료 안에 거품(bubble)들로서 존재한다. 거품들의 크기는, 존재하는 공기의 양, 유동 재료의 압력, 및 온도에 의존하여 달라질 수 있다. 관련된 중요한 오류의 원인은 유체 디커플링으로 인해 발생한다. 유체 디커플링은, 튜브의 진동의 결과로서 액체에 대한 기체 거품들의 모션으로부터 초래된다. 액체에 대한 기체 거품들의 상대적인 모션은, 중력의 영향 하에서 거품이 표면으로 상승하게 하는 힘과 유사한 부력(buoyant force)에 의해 구동된다. 그러나, 진동 튜브에서, 거품들이 중력의 가속도 이상으로 이동하게 하는 것은 진동 튜브의 가속도이다. 조밀한(dense) 유체가 가벼운 거품들보다 더 많은 질량을 갖기 때문에, 거품들은 튜브 가속도의 방향으로 유체보다 더 큰 가속도를 갖는다. 거품들의 더 큰 가속도로 인해, 유동 도관의 각각의 발진시에, 거품들은 유동 도관보다 더 멀리 이동한다. 추가적으로, 거품 모션은 유체의 일부가 유동 도관보다 덜 이동하게 한다. 이것이, 디커플링 문제의 기본이다. 결과적으로, 더 낮은 진동 진폭을 갖는 유체는 코리올리 가속도를 덜 겪고 거품들이 없을 때보다 유동 도관에 코리올리 힘을 덜 부여한다. 이는, 비말동반된 기체가 존재할 때, 유량 및 밀도 특징들이 언더-레포팅되는(under-reported)(네거티브 유동 및 밀도 오류들) 결과를 초래한다. 유체 디커플링을 보상하는 것은, 얼마나 많은 거품들이 유체에 대해 이동하는지를 결정하는 몇몇 인자들이 존재하기 때문에 어려웠다. 유체 점도는 분명한 인자이다. 점성이 매우 강한 유체에서, 거품들(또는 입자들)은 유체 내 적소에 효율적으로 동결되어 약간의 유동 오류만을 초래한다. 거품 이동성(bubble mobility)에 대한 다른 영향은 거품 크기이다. 거품의 드래그(drag)는 표면적에 비례하지만, 부력은 볼륨에 비례한다. 따라서, 매우 작은 거품들은 부력 비율(buoyancy ratio)에 대한 높은 드래그를 갖고, 주변(surrounding) 유체와 함께 움직이는 경향이 있다. 후속하여, 작은 거품들은 작은 오류들을 야기한다. 반대로, 큰 거품들은 주변 유체와 함께 이동하지 않아 큰 오류들을 초래하는 경향이 있다. 이는 입자들에 대해서도 마찬가지이다. 작은 입자들은 유체와 함께 이동하여 작은 오류들을 야기하는 경향이 있다.
유체와 기체 사이의 밀도 차이는, 유량계의 부정확성에 기여할 수 있는 다른 인자이다. 부력은 유체와 기체 사이의 밀도 차이에 비례한다. 높은 압력의 기체는 부력에 영향을 주고 디커플링 효과를 감소시키기에 충분히 높은 밀도를 가질 수 있다.
측정 오류들뿐만 아니라, 코리올리 계측기들에 대한 다상 유동의 효과는 유동 도관에 대한 댐핑에 의해 증가되어, 유동 도관의 진동 진폭의 감소를 초래한다. 통상적으로, 계측 전자장치들은 진폭을 복원시키기 위해서 구동 에너지(drive energy) 또는 구동 이득(drive gain)을 증가시킴으로써 이러한 감소된 진폭을 보상한다. 심지어는 매우 작은 양의 기체라도 구동 이득에서의 큰 증가를 야기할 수 있다.
이전에, 구동 이득은 계측기 내부에 다상 유동이 존재하는지 여부를 결정하는 데 사용되어 왔다. 계측기의 구동 이득이 특정 임계치를 초과하면, 계측기 내 유체는 다상 유동으로 간주되어, 측정된 값들의 정확도를 개선하기 위해 교정 조치가 취해질 수 있다. 종래 기술의 계측기들에서, 구동 이득 임계치에 대한 디폴트 값이 사용된다. 사실상, 디폴트 값은, 대부분의 애플리케이션들에 대해 작동할 수 있도록, 보수적으로 높게 설정되어야만 한다. 이는, 3가지 이유들로 수행되어야만 하는데: (1) 모든 각각의 코리올리 계측기는 상이한 기본 구동 이득을 갖는다. 이는, 순수하게 단상 유동들 하에서 유동 도관을 구동시키는데 요구되는 구동 이득이다. 이로 인해, 구동 이득은 모든 각각의 계측기에 대해 작동할 만큼 충분히 높아야만 한다. 예컨대, 일 계측기 패밀리(one meter family)에 대한 통상적인 공칭 구동 이득은 2%일 수 있는 반면, 다른 계측기 패밀리에 대한 공칭 값은 20%일 수 있다. 이러한 공칭 값은, 자석 강도 및 설계, 코일 설계, 및 계측기 크기/강성(stiffness)을 포함하는 많은 것들에 의존한다; (2) 하나 이상의 상이한 밀도 액체들로 구성된 순수 액체 다-성분(multi-component) 혼합물들은 훨씬 작지만 기체 및 액체 유체들과 동일한 디커플링 효과를 가질 것이다. 오류들은 순수 액체 다-성분 유동에서는 거의 무시할 만하지만, 기체로 취급되어서는 안되는 구동 이득에 있어서의 약간의 증가가 여전히 존재할 수 있다. 다시, 임계치는 순수 액체 유동을 기체 및 액체 유동들로 오판하지 않도록 충분히 높아야만 하고; 그리고 (3) 일부 애플리케이션들의 경우, 홀드 값들을 기반으로 하는 순수 액체의 기간들이 결코 존재하지 않을 수 있다. 그러나, 종종 기체의 오직 미량(small trace)들만 존재할 수 있는 대부분의 액체의 기간들이 존재한다. 구동 이득 임계치는, 홀드 값들이 생성될 수 있고 그리고 매우 높은 기체의 기간들은 여전히 교정될 수 있도록 이러한 기간들이 순수 액체로서 취급될 수 있기에 충분히 높게 설정된다. 일부 애플리케이션들에 대해서는 디폴트 값이 작용한다. 그러나, 계측기에 진입하는 오직 소량만의 기체가 존재하는 애플리케이션들의 경우, 디폴트 임계치는 너무 높을 수 있다. 구동 이득의 산발적인 속성(sporadic nature) 및 구동 이득 임계치가 너무 높게 설정되는 잠재성으로 인해, 이 방법은 최소 기체를 갖는 기간 또는 전혀 기체를 갖지 않는 기간으로부터 홀드 값들을 항상 발생시키지는 않는다. 구동 이득이 임계치 미만으로 결코 떨어지지 않도록 충분한 기체가 항상 존재하는 애플리케이션들의 경우, 디폴트 임계치는 너무 낮다.
유체 측정이 중요하지만 공정 유체들 또는 상태들을 제어하는 능력이 거의 또는 전혀없는 일부 애플리케이션들에서, 중요 유량 측정들 및 유체 품질 측정들을 수행하는 능력은 극히 난제이다. 예컨대, 레스토랑의 그리스 트랩 재활용 애플리케이션들(restaurant grease trap recycling applications)에서, 식품 고형물들(food solids), 물 및 오일 모두가 공정 재료에서 발견된다. 그리스를 흡입하는 데 사용되는 진공 트럭들(Vacuum trucks)은 종종 내부에 공기를 추가적으로 비말동반한다. 탱크 레벨들은 일반적으로 트럭 조작자에 의해 간단히 추정된다. 이 절차의 정확성과 신뢰성은 낮고, 레벨들을 과소평가하여 금전적 압박을 받게 된다.
유량계의 프로세싱이 상 분율 조성(phase fraction composition)에 기반하여 조정되고 따라서 유량계 정확성을 개선하는 방법 및 장치가 제공된다.
실시예에 따라, 구동기, 구동기에 의해 진동 가능한 진동 부재(vibratory member), 및 진동 부재의 진동들을 검출하도록 구성된 적어도 하나의 픽오프 센서(pickoff sensor)를 포함하는 진동계가 제공된다. 적어도 하나의 픽오프 센서로부터 진동 응답을 수신하도록 구성된 인터페이스, 및 인터페이스에 커플링된 프로세싱 시스템을 포함하는 계측 전자장치가 제공된다. 계측 전자장치는 구동기의 구동 이득을 측정하고, 진동계에서 다상 공정 유체(multiphase process fluid)의 총 밀도를 측정하고, 구동 이득이 제1 임계치 미만인지 여부를 결정하고, 그리고 구동 이득이 제1 임계치 미만인 경우, 측정된 총 밀도로 액체/액체 상 농도 할당(liquid/liquid phase concentration allocation)을 결정하고, 그리고 각각의 액체 상에 대한 유량을 계산하도록 구성된다.
실시예에 따라 유량계 상 분율(flowmeter phase fraction) 및 농도 측정 조정 방법이 제공된다. 방법은 진동 유량계를 제공하는 단계, 및 진동 유량계를 통해 다상 공정 유체를 유동시키는 단계를 포함한다. 진동 유량계 구동기의 구동 이득이 측정된다. 공정 유체의 밀도가 측정된다. 구동 이득이 제1 임계치 미만인지 여부가 결정된다. 구동 이득이 제1 임계치 미만인 경우, 공정 유체의 액체/액체 상 농도 할당이 측정된 총 밀도로 결정되고, 그리고 각각의 액체 상에 대한 유량이 계산된다.
양상들
양상에 따라, 진동계는 구동기, 구동기에 의해 진동 가능한 진동 부재, 및 진동 부재의 진동들을 검출하도록 구성된 적어도 하나의 픽오프 센서를 포함한다. 적어도 하나의 픽오프 센서로부터 진동 응답을 수신하도록 구성된 인터페이스, 및 인터페이스에 커플링된 프로세싱 시스템을 포함하는 계측 전자장치가 제공된다. 계측 전자장치는 구동기의 구동 이득을 측정하고, 진동계에서 다상 공정 유체의 총 밀도를 측정하고, 구동 이득이 제1 임계치 미만인지 여부를 결정하고, 그리고 구동 이득이 제1 임계치 미만인 경우, 측정된 총 밀도로 액체/액체 상 농도 할당을 결정하고, 그리고 각각의 액체 상에 대한 유량을 계산하도록 구성된다.
바람직하게는, 프로세싱 시스템은 구동 이득이 제1 임계치보다 더 큰 제2 임계치 미만인지 여부, 및 구동 이득이 제1 임계치를 초과하는 경우, 구동 이득이 제1 구동 이득 잡음 임계치 미만인지 여부 중 적어도 하나를 결정하도록 구성된다.
바람직하게는, 프로세싱 시스템은, 측정된 총 밀도가 고체 밀도 범위 내에 있는 경우, 측정된 총 밀도 및 이전에 결정된 액체 밀도로 고체/액체 상 농도 할당을 결정하고, 그리고 각각의 상에 대한 유량을 계산하도록 구성된다.
바람직하게는, 프로세싱 시스템은, 측정된 총 밀도가 고체 밀도 범위보다 더 낮고 액체 밀도 범위 내에 있는 경우, 측정된 총 밀도로 액체/액체 상 농도 할당을 결정하고, 그리고 각각의 상에 대한 유량을 계산하도록 구성된다.
바람직하게는, 프로세싱 시스템은, 측정된 총 밀도가 고체 밀도 범위보다 더 낮고 기체 밀도 범위 내에 있는 경우, 측정된 총 밀도 및 이전에 결정된 액체 밀도로 기체/액체 상 농도 할당을 결정하고, 그리고 각각의 상에 대한 유량을 계산하도록 구성된다.
바람직하게는, 프로세싱 시스템은 구동 이득이 제1 임계치보다 더 큰 제2 임계치를 초과하는지 여부 및 구동 이득이 제1 구동 이득 잡음 임계치를 초과하는지 여부 중 적어도 하나를 결정하고, 그리고 측정된 총 밀도가 액체 밀도 범위보다 더 낮은 경우, 측정된 총 밀도 및 이전에 결정된 액체 밀도로 기체/액체 상 농도 할당을 결정하고, 그리고 각각의 상에 대한 유량을 계산하도록 구성된다.
양상에 따라, 유량계 상 분율 및 농도 측정 조정 방법은 진동 유량계를 제공하는 단계, 및 진동 유량계를 통해 다상 공정 유체를 유동시키는 단계를 포함한다. 진동 유량계 구동기의 구동 이득이 측정된다. 공정 유체의 밀도가 측정된다. 구동 이득이 제1 임계치 미만인지 여부가 결정된다. 구동 이득이 제1 임계치 미만인 경우, 공정 유체의 액체/액체 상 농도 할당이 측정된 총 밀도로 결정되고, 그리고 각각의 액체 상에 대한 유량이 계산된다.
바람직하게는, 방법은, 구동 이득이 제1 임계치보다 더 큰 제2 임계치 미만인지 여부, 및 구동 이득이 제1 임계치를 초과하는 경우, 구동 이득이 제1 구동 이득 잡음 임계치 미만인지 여부 중 적어도 하나를 결정하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 방법은, 측정된 총 밀도가 고체 밀도 범위 내에 있는 경우, 측정된 총 밀도 및 이전에 결정된 액체 밀도로 고체/액체 상 농도 할당을 결정하고, 그리고 각각의 상에 대한 유량을 계산하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 방법은, 측정된 총 밀도가 고체 밀도 범위보다 더 낮고 액체 밀도 범위 내에 있는 경우, 측정된 총 밀도로 액체/액체 상 농도 할당을 결정하고, 그리고 각각의 상에 대한 유량을 계산하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 방법은, 측정된 총 밀도가 고체 밀도 범위보다 더 낮고 기체 밀도 범위 내에 있는 경우, 측정된 총 밀도 및 이전에 결정된 액체 밀도로 기체/액체 상 농도 할당을 결정하고, 그리고 각각의 상에 대한 유량을 계산하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 방법은 구동 이득이 제1 임계치보다 더 큰 제2 임계치를 초과하는지 여부 및 구동 이득이 제1 구동 이득 잡음 임계치를 초과하는지 여부 중 적어도 하나를 결정하는 단계, 및 측정된 총 밀도가 액체 밀도 범위보다 더 낮은 경우, 측정된 총 밀도 및 이전에 결정된 액체 밀도로 기체/액체 상 농도 할당을 결정하고, 그리고 각각의 상에 대한 유량을 계산하는 단계를 포함한다.
도 1은 실시예에 따른 진동 유량계를 예시한다.
도 2는 실시예에 따른 계측 전자장치를 예시한다.
도 3은 모니터링되는 용액에 대한 용질 첨가를 나타내는 예시적인 그래프이다.
도 4는 실시예를 예시하는 흐름도이다.
도 1-4 및 하기의 설명은 당업자들에게 본 발명의 최상의 모드를 제조 및 사용하는 방법을 교시하기 위한 특정 예들을 묘사한다. 발명 원리들을 교시하는 목적을 위해, 일부 종래의 양상들이 간략화되거나 생략되었다. 당업자들은 본 발명의 범위 내에 있는, 이들 예들로부터의 변형예들을 인지할 것이다. 당업자들은, 후술되는 특징들이 다양한 방식들로 조합되어 본 발명의 다수의 변동들을 형성할 수 있다는 것을 인지할 것이다. 결과적으로, 본 발명은 후술되는 특정 예들에 한정되지 않고, 청구범위 및 그의 등가물들에 의해서만 한정된다.
도 1은, 예컨대, 제한없이, 코리올리 유량계/덴시토미터와 같은 임의의 진동계일 수 있는 유량계(5)를 예시한다. 유량계(5)는 센서 조립체(10) 및 계측 전자장치(20)를 포함한다. 센서 조립체(10)는 공정 재료의 질량 유량 및 밀도에 응답한다. 계측 전자장치(20)는 경로(26)를 통한 밀도, 질량 유량 및 온도 정보뿐만 아니라 다른 정보를 제공하기 위해 리드들(100)을 통해 센서 조립체(10)에 연결된다. 센서 조립체(10)는 플랜지들(101 및 101'), 한 쌍의 매니폴드들(102 및 102'), 한 쌍의 평행 도관들(제1 도관(103) 및 제2 도관(103')), 구동기(104), 온도 센서(106), 이를테면, RTD(resistive temperature detector), 및 한 쌍의 픽오프들(105 및 105') 이를테면, 자석/코일 픽오프들, 스트레인 게이지들(strain gages), 광학 센서들 또는 당업계에 알려진 임의의 다른 픽오프를 포함한다. 도관들(103 및 103')은 유입구 레그들(107 및 107') 및 유출구 레그들(108 및 108')을 각각 갖는다. 도관들(103 및 103')은 그들의 길이를 따른 적어도 하나의 대칭적 위치에서 구부러지고 그들의 길이 전반에 걸쳐 본질적으로 평행하다. 각각의 도관(103, 103')은 축들(W 및 W')을 중심으로 각각 오실레이팅한다.
도관들(103, 103')의 레그들(107, 107', 108, 108')은 도관 장착 블록들(109 및 109')에 고정적으로 부착되고, 이들 블록들은 차례로, 매니폴드들(102 및 102')에 고정적으로 부착된다. 이는 센서 조립체(10)를 통한 연속적 폐쇄 재료 경로를 제공한다.
플랜지들(101, 101')이, 측정되고 있는 공정 재료를 운반하는 공정 라인(도시되지 않음)에 연결될 때, 재료는 플랜지(101)의 제1 오리피스(도 1의 도면에서 보이지 않음)를 통해 유량계(5)의 제1 단부(110)에 진입하고 매니폴드(102)를 통해 도관 장착 블록(109)으로 안내된다. 매니폴드(102) 내에서, 재료는 도관들(103 및 103')을 통해 분할 및 라우팅된다. 도관들(103 및 103')을 빠져나갈 때, 공정 재료는 매니폴드(102') 내에서 단일 스트림으로 재결합되고, 이후에 플랜지(101')에 의해 공정 라인(도시되지 않음)에 연결된 제2 단부(112)를 빠져나가도록 라우팅된다.
도관들(103 및 103')이 선택되고, 각각 구부림 축들(W--W 및 W'--W')을 중심으로 실질적으로 동일한 질량 분포, 관성의 모멘트들 및 영률을 갖도록 도관 장착 블록들(109 및 109')에 적절히 장착된다. 도관들(103, 103')의 영률이 온도에 따라 변하고, 이 변화가 유동 및 밀도의 계산에 영향을 미치므로, 도관의 온도를 연속적으로 측정하기 위해 온도 센서(106)가 적어도 하나의 도관(103, 103')에 장착된다. 도관의 온도, 및 이에 따라 도관을 통과하는 정해진 전류에 대해 온도 센서(106)에 걸쳐 나타나는 전압은 주로 도관을 통과하는 재료의 온도에 의해 좌우된다. 온도 센서(106)에 걸쳐 나타나는 온도-의존적 전압은, 도관(103, 103') 온도의 임의의 변화들로 인한 도관들(103, 103')의 탄성률(elastic modulus)의 변화를 보상하도록, 계측 전자장치(20)에 의해, 잘 알려진 방법에서 사용된다. 온도 센서(106)는 계측 전자장치(20)에 연결된다.
도관들(103, 103') 둘 모두는, 유량계의 제1 이위상(out-of-phase) 구부림 모드로 칭해지는 곳에서, 그 각자의 구부림 축들(W 및 W')을 중심으로 대향하는 방향들로 구동기(104)에 의해 구동된다. 이러한 구동기(104)는 다수의 잘 알려진 어레인지먼트들 중 임의의 하나, 이를테면, 도관(103')에 장착된 자석 및 도관(103)에 장착된 대향 코일을 포함할 수 있으며, 이를 통해 교류 전류가 도관들 둘 모두를 진동시키도록 전달된다. 적합한 구동 신호는 리드(113)를 통해 계측 전자장치(20)에 의해 구동기(104)에 인가된다. 논의가 2개의 도관들(103, 103')에 관한 것이지만, 다른 실시예들에서, 단일 도관만이 제공될 수 있거나 2개 초과의 도관들이 제공될 수 있다는 것이 인지되어야 한다. 또한, 다수의 구동기들을 위한 다수의 구동 신호들을 생성하고, 그리고 구동기(들)가 제1 이위상 구부림 모드 이외의 모드들에서 도관들을 구동하는 것도 본 발명의 범위 내에 있다.
계측 전자장치(20)는 경로(26) 또는 다른 통신 링크에 커플링될 수 있다. 계측 전자장치(20)는 경로(26)를 통해 밀도 측정들을 통신할 수 있다. 계측 전자장치(20)는 또한 경로(26)를 통해 임의의 방식의 다른 신호들, 측정들 또는 데이터를 송신할 수 있다. 게다가, 계측 전자장치(20)는 경로(26)를 통해 명령들, 프로그래밍, 다른 데이터 또는 커맨드들을 수신할 수 있다.
계측 전자장치(20)는 리드(114) 상에서 온도 신호를, 그리고 각각, 리드들(115 및 115') 상에서 나타나는 좌측 및 우측 속도 신호들을 수신한다. 계측 전자장치(20)는 구동기(104)에 대한 리드(113) 상에서 나타나는 구동 신호를 생성하고 도관들(103, 103')을 진동시킨다. 계측 전자장치(20)는 센서 조립체(10)를 통과하는 재료의 질량 유량 및 밀도를 컴퓨팅하도록 좌측 및 우측 속도 신호들 및 온도 신호를 프로세싱한다. 이 정보는 다른 정보와 함께, 경로(26)를 통해 계측 전자장치(20)에 의해 활용 수단(utilization means)에 인가된다. 계측 전자장치(20)의 회로의 설명은 본 발명을 이해하는 데 필요하지 않고, 이 설명의 간략화를 위해 생략된다.
도 1의 설명은 단지 하나의 가능한 한 진동 계측기의 동작의 예로서 제공되며, 본 발명의 교시를 제한하려는 것이 아니라는 것이 인지되어야 한다. 예컨대, 코리올리 유량계 구조가 설명되지만, 코리올리 질량 유량계에 의해 제공되는 부가적인 측정 능력 없이도, 본 발명이 진동 튜브 또는 포크 덴시토미터에 대해 실시될 수 있다는 것이 당업자들에게 명백해질 것이다.
진동 계측기에 존재하는 상이한 밀도들을 갖는 2개의 유체 상들이 존재할 때, 이러한 2개의 상들 사이에서 발생하는 디커플링이 존재하고, 캐리어 상 점도 및 튜브 진동 주파수와 함께, 디커플링이 캐리어 상(본 경우에 액체)과 입자 상(고체)의 밀도 차이 및 입자 크기의 함수이라는 것이 잘 이해된다. 이 댐핑은 2개의 상들의 존재에 대한 매우 민감한 감지 방법이다. 이 댐핑은 진동 계측기들에서 구동 이득 및 픽오프 진폭 둘 모두로 자신을 나타낸다. 액체 공정에서 기체의 경우에, 예컨대 제한없이, 구동 이득은 약 2-5 %에서 대략 100 %로 빠르게 상승한다.
에너지 입력 및 결과적인 진폭에 대한 댐핑의 결합된 효과는 확장된 구동 이득으로서 알려져 있고, 이는 100 % 초과의 전력이 이용 가능했던 경우 타겟 진동 진폭을 유지하는 데 얼마나 많은 전력이 요구되었을지에 관한 추정을 표현한다.
Figure pct00001
(1)
본원에서 제공된 실시예들의 목적들을 위해, 구동 이득이라는 용어는, 일부 실시예들에서, 구동 전류, 픽오프 전압, 또는 특정 진폭에서 계측기를 구동시키는 데 필요한 전력량을 표시하는 측정된 또는 유도된 임의의 신호를 지칭할 수 있다는 것이 유의되어야 한다. 관련된 실시예들에서, 구동 이득이라는 용어는 잡음 레벨들, 신호들의 표준 편차, 댐핑-관련 측정들, 및 혼합-상 유동을 검출하기 위해 당업계에 알려진 임의의 다른 수단과 같이, 다상 유동을 검출하는 데 활용되는 임의의 메트릭을 포괄하도록 확장될 수 있다. 실시예에서, 이들 메트릭들은 혼합-상을 검출하기 위해 픽-오프 센서들을 통해 비교될 수 있다.
진동 도관들 또는 부재들은, 계측기 내의 모든 유체가 밀도에 대해 동질적인(homogenous) 한, 그의 제1 공진 주파수에서의 진동을 유지하는데 매우 적은 에너지를 소비한다. 상이한 밀도들의 2개(또는 그 초과)의 비혼화성 성분들(immiscible components)로 구성된 유체의 경우에, 튜브의 진동은 성분들 각각의 상이한 크기들의 변위를 야기할 것이다. 이러한 변위의 차이, 또는 디커플링 및 이러한 디커플링의 크기는 성분들의 밀도들의 비뿐만 아니라 인버스 스톡스(Stokes) 수에 의존하는 것으로 나타났다.
Figure pct00002
(2)
Figure pct00003
(3)
여기서 ω는 진동의 주파수이고, ν는 유체의 동적 점도(kinematic viscosity)이고, r은 입자의 반경이다. 입자는 기포의 경우에서와 같이 유체보다 더 낮은 밀도를 가질 수 있다는 것이 유의되어야 한다.
성분들 간에 발생하는 디커플링은 튜브의 진동 시에, 댐핑의 발생을 야기하여, 고정된 양의 에너지 입력에 대해, 진동의 진폭을 감소시키거나, 진동을 유지하는데 더 많은 에너지를 요구한다.
도 2는 실시예에 따른 계측 전자장치(20)의 블록도이다. 동작 시에, 유량계(5)는 예컨대, 개별 유동 성분들의 볼륨 및 질량 유동 둘 모두를 포함하여, 밀도, 질량 유량, 볼륨 유량, 개별 유동 성분 질량 및 볼륨 유량들, 및 총 유량의 측정된 또는 평균화된 값 중 하나 이상을 포함하는, 출력될 수 있는 다양한 측정 값들을 제공한다.
유량계(5)는 진동 응답을 생성한다. 진동 응답은 하나 이상의 유체 측정 값들을 생성하도록 계측 전자장치(20)에 의해 수신 및 프로세싱된다. 값들은 모니터링되고, 레코딩되고, 저장되고, 총계되고 그리고/또는 출력될 수 있다.
계측 전자장치(20)는 인터페이스(301), 인터페이스(301)와 통신하는 프로세싱 시스템(303) 및 프로세싱 시스템(303)과 통신하는 저장 시스템(304)을 포함한다. 이들 구성요소들이 별개의 블록들로서 도시되지만, 계측 전자장치(20)는 통합된 그리고/또는 이산 구성요소들의 다양한 결합들로 구성될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
인터페이스(301)는, 리드들(100)에 커플링되고, 예컨대, 구동기(104), 픽오프/진동 센서들(105, 105') 및 온도 센서들(106)과 신호들을 교환하도록 구성될 수 있다. 인터페이스(301)는 추가로, 통신 경로(26)를 통해 이를테면, 외부 디바이스들과 통신하도록 구성될 수 있다.
프로세싱 시스템(303)은 임의의 방식의 프로세싱 시스템을 포함할 수 있다. 프로세싱 시스템(303)은 유량계(5)를 동작시키기 위해 저장된 루틴들을 리트리브(retrieve) 및 실행하도록 구성된다. 저장 시스템(304)은 일반 계측 루틴(305) 및 구동 이득 루틴(313)을 포함하는 루틴들을 저장할 수 있다. 저장 시스템(304)은 측정들, 수신된 값들, 작업 값들 및 다른 정보를 저장할 수 있다. 일부 실시예들에서, 저장 시스템은 질량 유동(m)(321), 밀도(ρ)(325), 밀도 임계치(326), 점도(μ)(323), 온도(T)(324), 압력(309), 구동 이득(306), 구동 이득 임계치(302), 및 당업계에 알려진 임의의 다른 변수들을 저장한다. 루틴들(305, 313)은 언급된 임의의 신호뿐만 아니라 당업계에 알려진 다른 변수들을 포함할 수 있다. 다른 측정/프로세싱 루틴들이 고려되고 이들은 설명 및 청구항들의 범위 내에 있다.
일반 계측 루틴(305)은 유체 정량화들 및 유동 측정들을 생성 및 저장할 수 있다. 이들 값들은 실질적으로 순간적인 측정 값들을 포함할 수 있거나 총계 또는 누적 값들을 포함할 수 있다. 예컨대, 일반 계측 루틴(305)은, 예컨대, 질량 유동 측정들을 생성하고 이들을 저장 시스템(304)의 질량 유동(321) 저장소에 저장할 수 있다. 유사하게, 일반 계측 루틴(305)은, 예컨대, 밀도 측정들을 생성하고, 이들을 저장 시스템(304)의 밀도(325) 저장소에 저장할 수 있다. 질량 유동(321) 및 밀도(325) 값들은 이전에 논의된 바와 같이 그리고 당업계에 알려진 바와 같이 진동 응답으로부터 결정된다. 질량 유동 및 다른 측정들은 실질적으로 순간적인 값을 포함할 수 있거나, 샘플을 포함할 수 있거나, 시간 간격에 걸친 평균 값을 포함할 수 있거나, 시간 간격에 걸친 누적 값을 포함할 수 있다. 시간 간격은 소정의 유체 상태들, 예컨대, 액체-단독 유체 상태, 또는 대안적으로, 액체들, 및 비말동반된 기체, 및/또는 고체들, 용질들 및 이들의 조합들을 포함하는 유체 상태가 검출되는 시간의 블록에 대응하도록 선택될 수 있다. 또한, 다른 질량 및 볼륨 유동 및 관련된 정량화들이 고려되고 이들은 설명 및 청구항들의 범위 내에 있다.
혼합 상 유동을 구별하고 용질 용해를 모니터링하기 위해 구동 이득 임계치(302)가 사용될 수 있다. 상이한 구동 이득 임계치들(302)은 상이한 상 분율들을 포함하는 재료 유동들을 구별하는 데 활용될 수 있다. 유사하게, 밀도(325) 판독에 적용된 밀도 임계치(326)는 또한, 혼합 상 유동과 용질 용해를 구별하기 위해, 구동 이득과 함께 또는 개별적으로 사용될 수 있다. 상이한 밀도 임계치들(326)은 상이한 상 분율들을 포함하는 재료 유동들을 구별하는 데 활용될 수 있다. 구동 이득(306)은, 예컨대, 제한없이 다양한 상 분율들의 유체들의 존재에 대한 유량계(5)의 진동 응답의 감도에 대한 메트릭으로서 활용될 수 있다. 구동 이득 임계치들(302) 및 밀도 임계치들(326)은 단순히 계측 전자장치(20)에 입력되거나 프로그래밍될 수 있으며, 당업자들에 의해 이해될 바와 같이, 공정 상태들에 기반하여 선택될 수 있다.
실시예에서, 상이한 구동 이득 임계치들(302)은 애플리케이션에 따라 변하고, 그에 따라 구별될 수 있다. 일 실시예에서, 유체 특성들 및 레이트들은 시간 경과에 따라 비교적 일정하게 유지하는 것으로 가정되며("안정적인 애플리케이션(steady application)들"), 갑작스러운 변동(sudden fluctuation)들이 존재하지 않을 것으로 가정된다. 이것의 작동 예는, 제한 없이, 유량이 지하의 웰 압력(well pressure)에 의해 구동되는 자연적으로 생성되는 오일 웰(naturally producing oil well)이다. 이 압력은 단시간 기간들(예컨대, <1일)에 걸쳐 상당히 일정하게 유지되는 것으로 가정된다. 전기식 수중 펌프(electrical submersible pump)에 의해 구동되는 것들과 같은 인공 리프트 웰(artificial lift well)들은 또한, 유량들이 상당히 일정하게 유지되기 때문에, 이 애플리케이션에 포함될 것이다. 상당히 일정한 상태들의 결과로서, 구동 이득에서의 작은 증가들에 대해 민감하고 그리고 대부분의 시간에 교정 상태로 유지되는 것이 적절하다. 즉, 일정한 유량들 및 밀도들을 갖는 것으로 알려져 있는 애플리케이션들의 경우, 낮은-기체-함량의 기간들에 취해진 정확한 측정들을 검색하는데 긴 시간 기간들 동안 보간(interpolate)하는 것이 종종 바람직하며, 이에 따라 그 사이의 더 높은-기체-함량 기간들에 취해진 잘못된 측정들 대부분은 무시된다. 다시, 오일/기체 웰들은 단지 예시적인 애플리케이션들이고, 당업계에 알려진 임의의 유량계(5) 애플리케이션이 본원에 고려되기 때문에 제한적인 적으로 간주되지 않아야 한다.
이 실시예에서, 기체가 존재하는 동안 혼합물 볼륨 유량(기체 및 액체)은 일정한 것으로 가정된다. 따라서, 액체 유량은, 예컨대 제한없이, 후술하는 수학식에 기반하여 계산될 수 있다.
Figure pct00004
(4)
여기서:
GVF는 기체 볼륨 분율(gas volume fraction)이다
Figure pct00005
(5)
여기서:
ρmix는 혼합 밀도이고;
ρliquid는 액체 밀도이고; 그리고
ρgas는 기체 밀도이다.
어떠한 기체도 존재하지 않는 유동 상태들에서, 혼합물 볼륨 유량은 액체 볼륨 유량과 동일하다. 그러나, 일 실시예에서, 기체가 존재할 때 혼합물 볼륨 유량이 변하지 않는다는 가정이 이루어진다.
구동 이득이 낮고 안정적일 때, 기체는 파이프라인에 존재하지 않으며 모든 측정들은 일반적인 유량계 규격들 내에서 정확하다고 가정될 수 있다. 많은 유체 소스들은 오직 간헐적인 비말동반된 기체만을 수반하며, 1시간, 또는 하루, 또는 다른 미리 결정된 시간 기간의 코스 동안, 기체가 거의 내지는 전혀 존재하지 않는 시간 간격이 존재할 가능성이 크다. 이 시간 동안, 구동 이득은 낮고 안정적이고, 계측기에 의해 행해진 유량, 밀도, 및 임의의 다른 측정이 신뢰될 수 있고 그리고 사용자에게 출력되거나 또는 통계 분석을 위해 기록될 수 있다. 이는, 예컨대 제한없이, 낮은 구동 이득의 그 기간에 성분 유량들의 정확한 결정을 허용할 것이다.
앞서 언급된 바와 같이, 유량계(5)의 구동 이득이 특정 임계치를 초과하면, 계측기 내 유체는 다상 유동으로 간주되어, 측정된 값들의 정확도를 개선하기 위해 교정 조치가 취해진다. 따라서, 구동 이득이 그 임계치를 초과할 때, 계측기는 교정 상태로 동작한다. 따라서, 낮은 구동 이득(306)(구동 이득(306)이 구동 이득 임계치(302) 미만임)의 기간들로부터의 밀도, 볼륨 유량, 및 질량 유량에 대한 홀드 값들(단상 유동의 기간으로부터 활용된 측정된 변수들)은 측정된 변수들의 정확도를 대체하거나 또는 개선하도록 교정 상태 동안 활용된다. 유량들 및 밀도가 시간 경과에 따라 변할 수 있기 때문에, 홀드 값들은 주기적으로 업데이트되어야만 하지만; 그러나 대부분의 시간 동안, 구동 이득 임계치 결정 루틴(315)은 교정 상태에서 유지될 수 있고 심지어는 소량의 비말동반된 기체를 통해 보간할 수 있다. 대안책이 유량계(5)에서 비말동반된 기체와 연관된 큰 오류들을 허용하는 것이기 때문에, 비교적 긴 시간 기간 동안 이 교정 상태에서 유지하는 것이 허용가능하다. 따라서, 큰 오류들을 나타내는 측정들을 빈번하게 수행하는 것보다는 단지 때때로 정확한 값들을 측정하는 것이 더욱 유리하다. 임계치가 너무 높게 설정되면, 측정된 값들 및 홀드 값들은 다상 측정들에 기반할 수 있고, 교정된 액체 값들에는 오류가 있을 것이다.
구동 이득 임계치가 너무 낮게 설정되면, 홀드 값들은 정해진 시간 기간 동안 결코 결정되지 않을 수 있다. 예컨대, 구동 이득이 임계치 미만으로 결코 떨어지지 않도록 전체/대부분의 시간에 기체가 존재하는 애플리케이션들의 경우, 디폴트 임계치는 너무 낮게 명료하게 설정된다. 일 실시예에서, 홀드 값들이 최소 구동 이득의 기간들로부터 주기적으로 결정되도록 구동 이득 임계치(302)가 이에 따라 설정된다. 시간 경과에 따라 최소 구동 이득이 증가하거나 또는 감소한다면, 구동 이득 임계치(302)는 자동적으로 조정된다. 실시예에서, 구동 이득 임계치(302) 값은 종래 기술에서와 같이 기체가 있는 그리고 기체가 없는 시간 기간들을 식별하고자 하는 요구에 기반하지 않고 결정되지만, 오히려 구동 이득 임계치(302)는 정해진 기간에 걸쳐 생성할 홀드 값들의 수를 결정하도록 특별히 선택된다. 홀드 값들의 이러한 수 및 시간 기간은 일 실시예에서 사용자에 의해 특정될 수 있지만, 그러나, 이것은 또한 유량계(5) 구성/테스팅 시점에서 결정될 수 있다. 예컨대, 정해진 애플리케이션의 경우, 구동 이득 임계치(302)를 자동으로 결정하는 것이 합리적일 수 있는데, 이는 정해진 시간 기간 동안 홀드 값들에 대한 5회 업데이트들을 허용할 것이다. 5회 업데이트들은 단지 예시적이며, 미리 결정된 시간 프레임에 걸쳐 그 이상의 또는 그 이하의 업데이트들이 고려된다.
이 개념은, 구동 이득 임계치(302)를 어떠한 값(이 값을 초과하면, 구동 이득 임계치 결정 루틴(315)은 기체가 검출되었다고 가정함)으로서 선택하는 역사적인 아이디어로부터의 이탈을 나타낸다. 유량계들(5)은, 진단(diagnostic) 구동 이득(306)으로서 알려져 있는 튜브 구동 전력의 측정을 통해 액체 증기 내의 심지어는 소량의 비말동반된 기체를 검출하는 능력을 갖는다. 구동 이득(306)은, 코리올리 계측기의 유동 도관들을 일정한 진폭으로 진동하도록 유지하는데 요구되는 구동 전력의 양의 척도이다. 기체 또는 액체의 단상 측정의 경우, 자신의 자연 주파수에서 구조물을 진동시키는데 비교적 적은 전력이 요구되기 때문에, 구동 이득(306)은 낮고 안정적이다. 그러나, 액체에 심지어는 소량의 기체가 존재하거나 또는 기체에 소량의 액체가 존재할 때, 진동을 위해 요구되는 구동 전력은 극적으로 증가한다. 이는, 구동 이득(306)을 비말동반된 기체에 대한 매우 신뢰가능한 검출 진단으로 만든다. 역사적으로, 구동 이득 임계치(302)는 기체가 존재하는 시간 부분을 식별하는 방식으로서 간단하게 사용되었다. 이는 기본적으로 기체의 존재/부재의 이진 표시로서 사용되었다. 그러나, 제공된 실시예들에서, 기체는 종종 또는 항상 존재할 수 있고, 그래서 가능한 한 최선의 측정들을 취하는 것 ― 최소의 기체 및 가장 낮은 구동 이득을 갖는 것 ― 이 실행된다. 따라서, 구동 이득 임계치(302)는, 정해진 시간 기간 동안 이용가능한 최상의 홀드 값들을 찾기 위해, 단순히 기체의 검출에 기반하지 않고 오히려 최소의 기체의 기간들을 찾는 것에 기반하여 자동으로 결정될 수 있다. 이는, 공정 유량 및 유체 조성에 있어서의 변화들을 검출하기 위해 때때로 값들을 업데이트해야 하는 필요성과 정확도에 대한 필요성의 균형을 맞춘다. 그러나, 일부 실시예들에서, 구동 이득 임계치들(302)은 계측 전자장치(20)에 간단히 입력 또는 프로그래밍될 수 있다.
구동 이득 임계치(302)를 결정하기 위해, 구동 이득 신호의 미리 결정된 시간 기간이 모니터링될 수 있다. 업데이트된 구동 이득 임계치(302)는, 구동 이득(306)이 미리 결정된 시간 기간에 걸쳐 특정 횟수만큼 구동 이득 임계치(302) 미만으로 떨어지도록 하는데 요구되는 최소 임계치에 기반하여 결정된다. 실시예에서, 추가적인 옵션은 미리 결정된 시간 길이 동안 구동 이득(306)을 구동 이득 임계치(302) 미만으로 떨어뜨리도록 요구하는 것이다. 이 미리 결정된 시간 길이는, 구동 이득 임계치 루틴(315)이 교정 상태로의 진입을 결정하고 새로운 홀드 값들을 획득하기 전에, 구동 이득(306)이 구동 이득 임계치(302) 미만이 되는데 필요한 시간이다. 이는, 유동 튜브들에서의 적은 기체로 인해 댐핑에서의 지속적인 하강(sustained drop)을 실제로 나타내지 않는 잡음이 많은 구동 이득 신호의 즉각적인 과도(instantaneous excursion)들에 대해 보호한다.
미리 결정된 시간 기간에 걸쳐 바람직한 홀드 값들의 수는, 애플리케이션 및 상태들에 기반하여 결정될 수 있다. 미리 결정된 시간 기간에 걸쳐 원하는 수의 홀드 값들을 생성하는 구동 이득 임계치(302)가 추정되고, 이어서 홀드 값들의 결정을 위해 후속 시간 기간 동안 사용된다. 따라서, 실시예에서, 새로운 임계치는 선행 시간 기간으로부터의 판독치들에 기반하여 특정한 시간 기간 동안 결정된다. 공정 상태들은 이러한 시나리오들에서 상당히 안정적이기 때문에, 일 시간 기간으로부터 결정된 임계치는 이것이 사용되는 다음 시간 기간 동안 관련될 것이며, 이에 따라 대략 동일한 수의 홀드 값들을 생성한다고 가정한다. 그러나, 대안적인 실시예에서, 구동 이득 임계치 루틴(315)은 이산적인 시간 기간들보다는 데이터의 롤링 윈도우에 기반한다. 이 경우에, 구동 이득 임계치(302)는 지속적으로 업데이트되고 현재 상태에 더욱 관련될 것이다.
다른 애플리케이션들에서, 오직 높은 구동 이득의 기간들 동안 액체 밀도가 일정하게 유지되는 것으로 가정될 수 있다(즉, "불안정한 애플리케이션들"). 이 때문에, 질량 유량 측정들은 기체가 존재할 때 액체 질량 유량을 정확하게 측정하는 것이 단지 가정될 수 있다. 이는, 액체 볼륨 유량이, 예컨대 제한없이, 이하의 수학식으로부터 결정되도록 허용한다.
Figure pct00006
(6)
불안정한 애플리케이션들의 경우, 액체 밀도가 또한, 예컨대 제한없이, 가능하게는 워터컷(watercut)의 변화들로 인해 변동할 수 있다는 가능성이 있다. 이 때문에, 구동 이득 임계치(302)는 안정적인 애플리케이션들보다 약간 더 높게 설정된다. 이로써, 유량계(5)는 교정 상태에서 많은 시간을 소비하지 않는데, 이는 보다 보수적인 것으로 그리고 교정 상태에서 더욱 자주 유지되는 것이 이상적이 되기에 공정 상태들이 충분히 일정한 앞서 언급된 안정적인 애플리케이션들과는 대조적이다.
원하는 홀드 값들의 수를 단순히 증가시키는 것이 원하는 거동의 실시간 측정을 달성하지 않을 것이라는 점에 유의해야 한다. 구동 이득(306)은, 밀도, 볼륨 유동, 및 질량 유량이 변동할 수 있음에도 불구하고 일부 불안정한 애플리케이션들에서 대부분의 시간 동안 낮고 일정할 수 있다. 또한, 구동 이득은 낮지만 여전히 작은 변동들이 종종 존재함에 유의해야 한다. 예컨대, 제한없이, 공정 유체 내에 어떠한 비말동반된 기체도 존재하지 않을 때조차도, 구동 이득은 말하자면 4%에서 일정하게 머무르지 않을 것이지만 오히려 3.9 내지 4.1% 사이에서 불규칙적으로 변동할 것이다. 이러한 변동들은 유동 잡음 또는 파이프 진동들로 인한 것일 수 있다. 다시, 이는 단지 예시적인 목적들을 위한 예이다. 안정적인 애플리케이션들에 대해 앞서 설명된 임계치 방법이 사용된다면, 임계치는 비교적 낮게(예컨대, 위의 예를 참조하여 4%) 설정될 수 있고, 또한 여전히 수많은 홀드 값들을 생성할 수 있다. 불안정한 애플리케이션들의 경우, 구동 이득이 이렇게 낮은 경우, 밀도가 변할 수 있기 때문에 밀도를 유지하는 것이 유리하지 않을 것이며, 정확한 판독치들을 유지하기 위해 이 변화를 주목하고 측정하는 것이 중요하다. 다시, 밀도가 빠르게 변하지 않기 때문에, 이는, 안정적인 애플리케이션들에 대해서는 큰 문제가 되지 않는다.
불안정한 애플리케이션들에 대한 실시예에서, 앞서 설명된 것들과 같은 경우들에서 바람직하지 않게 밀도 또는 다른 홀드 값들이 유지되는 것을 방지하기 위해, 자동으로 결정된 구동 이득 임계치(302)에 상수가 부가될 수 있다. 위의 예를 다시 참조하여, 특정 시간 기간 동안 5개의 홀드 값들이 정해진 경우, 임계치가 4%가 되는 것으로 자동으로 결정되었다면, 이는 예컨대 제한없이 5% 내지 9%만큼 증가될 수 있었을 것이다. 이는, 예컨대, 구동 이득을 현저하게 ― 기체가 없는 기간 보다 5% 이상 많이 증가시키기 위해, 충분히 비말동반된 기체를 갖는 기간들에 대한 예외들을 가지고, 대부분의 시간에 측정된 밀도가 출력되도록 허용한다.
상 분율 조정
공정 동안에 상 분율들이 변할 수 있는 애플리케이션들에 대해, 실시예들이 제공된다. 질량 유량을 측정하기 위한 방법들은 공정 유체 상(예컨대, 고체들, 물, 오일 및 기체)이 변함에 따라 변경될 수 있다.
밀도는, 각각 상이한 밀도들을 갖는 2개의 성분들을 갖는 유체의 조성을 결정하는 데 활용될 수 있다. 간단한 예는 워터컷이다.
Figure pct00007
(7)
밀도는 또한 수학식 5를 활용하여 공정 유체의 상 분율(기체 또는 액체)을 결정하는 데 사용될 수 있다. 마찬가지로, 액체 내 고체들의 농도는 다음과 같이 결정될 수 있다.
Figure pct00008
(8)
여기서:
ρsolids는 고체 밀도이다.
일반적으로, 구동 이득은, 2개의 액체들, 즉, 기체와 액체, 또는 고체와 액체의 경우에 매우 상이하게 거동한다. 2개의 액체들의 경우에, 구동 이득은 일반적으로 낮고 안정적이다. 기체를 갖는 액체의 경우에, 이는 훨씬 더 높거나 100 %로 포화될 것이고, 고체들을 갖는 액체의 경우에, 이는 일반적으로 약간 상승되지만 신호에 더 많은 잡음을 포함한다. 본원에 언급된 모든 밀도들은 온도 보상될 수 있다. 활용되는 온도 보상 정도 및/또는 온도 보상 방법은 결정된 유동 유형 또는 공정 유체 상에 의존하여 변할 수 있다.
도 3을 참조하면, 그래프는 용액에서 고체들의 존재를 검출하기 위해 구동 이득이 어떻게 활용되는지의 예를 도시한다. 제공된 예시적인 그래프에서, 고체 용질은 3개의 포인트들(A, B 및 C)에서 첨가된다. 용질 첨가들(A, B 및 C)에 대응하는 피크들로 표시된 바와 같이, 용질이 용액에 첨가될 때, 구동 이득이 급격히 증가한다. 이것은 또한 대응하는 밀도 상승을 동반한다. 구동 이득은 피킹(peaking) 후 안정된 베이스라인(a, b, c)으로 복귀하고, 이는 용질이 용해되었음을 나타낸다. 각각의 용질 첨가 후에 밀도 트레이스가 안정화되지만, 용액 밀도가 전체적으로 증가한다는 것이 유의되어야 한다. 실시예에서, 안정된 용질 첨가 후 베이스라인의 검출은, 용질이 용액에 들어갔음을 나타낸다. 구동 이득 피크들(A, B, C)이 명확하게 구별될 수 있다. 그러나, 실시예에서, 용질의 첨가가, 이를테면, 예시된 바와 같이 밀도에 실질적인 영향을 줄 때, 밀도 변화 및/또는 밀도 안정성은 용해의 1차 표시자로서 활용될 수 있고, 구동 이득은 확인 변수(confirmatory variable)로서 활용된다.
도 3에 예시된 용해 프로파일과 상이한 용해 프로파일을 갖는 고체 용질들이 또한 고려된다는 것이 유의되어야 한다. 일부 경우들에서, 용질 첨가는 구동 이득의 느린 증가를 발생시키고, 일단 용질이 용해되면, 구동 이득의 느린 증가는 수평을 유지(level off)한다. 이어서, 구동 이득은 이러한 상위 레벨을 유지한다. 다시, 이것은 단독으로 용해의 표시로서 활용될 수 있거나, 또는 밀도와 함께, 용질이 정확한 양으로 첨가되고 완전히 용해되었다는 2차 표시자로서 활용될 수 있다. 공칭 구동 이득 및 밀도의 전체적인 시프트는, 용질이 정확한 양으로 첨가되었음을 나타내고, 구동 이득 신호의 안정성은 용질이 완전히 용해되었음을 나타낸다.
도 3의 그래프는 단지 잠재적 고체들 첨가 측정들의 예로서 제공된다. 곡선들의 형상, 피크들의 세기, 기울기들, 베이스라인으로의 복귀 여부 및 예시된 다른 특징들은 단지 예들일 뿐이다. 상이한 고체들/용질들 및 상이한 공정 유체들이, 너무 많은 예를 들자면, 잠재적으로 고유한 곡선 형상, 고유한 피크 형상 및 크기, 고유한 기울기들, 베이스라인으로의 고유한 복귀(들), 전술한 것의 고유한 조합들, 및 일반적으로 고유한 시그니처들 및/또는 구동 이득/밀도 거동들을 나타낼 것이라는 것이 당업자들에 의해 인식될 것이다.
구동 이득이 공정에 존재하는 상들에 대해 어떻게 거동하는지에 대한 지식을 갖고서, 상 분율들을 변경하는 공정들은 유량을 더 정확하게 측정하도록 조정될 수 있다.
상 분율 변화들을 보상하기 위한 유량계(5) 동작을 조정하기 위한 방법이 도 4에 예시된다. 단계(400)에서, 유량계(5)의 구동 이득(306)이 측정된다. 이어서, 단계(402)에서, 구동 이득(306)이 제1 "낮은" 임계치 미만인지 여부가 결정된다. 제1 임계점 미만의 측정된 구동 이득은, 공정 유체가 액체들만을 포함할 가능성이 있다는 것을 나타낸다. 이것이 사실인 경우, 단계(404)에서, 측정된 밀도(325) 값이 액체 농도 할당을 결정하는 데 사용될 것이며, 질량 유동이 공정 유체 내의 각각의 액체에 할당될 것이다. 하나의 예는 예시적인 수학식 7의 워터컷 수학식과 같은 워터컷 수학식을 활용하는 것일 것이다.
그러나, 단계(402)에서 구동 이득(306)이 제1 "낮은" 임계치를 초과한다고 결정되면, 구동 이득은 단계(406)에서 추가로 분석될 것이다. 제1 임계점을 초과하는 측정된 구동 이득은, 공정 유체가 비-액체 성분들을 포함할 가능성이 있다는 것을 나타낸다. 단계(406)의 구동 이득 분석은, 실시예에서, 구동 이득(306)이 낮은 임계값을 초과하고 또한 더 높은 제2 구동 이득 레벨 임계치 미만인지 여부를 확인할 수 있다. 단계(406)의 구동 이득 분석은, 실시예에서, 대안적으로 또는 제2 구동 이득 레벨 임계치와 함께, 구동 이득(306)이 잡음 임계치 또는 안정성 또는 분산의 다른 척도 ― 이들은 또한 고정되고, 미리 결정되고 그리고/또는 알고리즘에 의해 동적으로 결정될 수 있음 ― 미만인지 여부를 결정할 수 있다. 단계(406)의 구동 이득 분석 동안, 구동 이득이 제2 구동 이득 레벨 임계치 미만 및/또는 잡음 임계치 미만인 것이 발견되면, 이는 추가적인 상들의 잠재적 존재를 나타낸다. 따라서, 공정 유체의 조성을 결정하는 것을 돕기 위해, 공정 유체의 밀도(325)가 단계(408)에서 측정된다.
단계(408)에서, 밀도가 고체 상의 존재와 연관된 밀도들의 범위 내에 있는 것으로 결정되면, 혼합물 밀도 및 액체 밀도 값들은 단계(410)에서 액체/고체 농도 할당을 계산하는 데 활용된다. 예에서, 이 계산은 수학식 8 또는 이와 유사한 것을 포함할 수 있다. 액체들을 포함하는 공정 유동의 부분 및 고체들을 포함하는 부분을 알 때, 유량 계산들은 상 할당마다 비례하여 조정될 수 있고, 따라서 더 정확한 유량을 제공할 수 있다. 언급된 밀도 범위들이 공정 재료들, 계측기의 거동 등에 따라 달라질 수 있고, 고정되고, 미리 결정되고 그리고/또는 알고리즘에 의해 동적으로 결정될 수 있음이 인지될 것이다.
단계(408)에서, 밀도가 고체 상의 존재와 연관된 밀도들의 범위보다 더 낮은 것으로 결정되면, 단계(412)에서, 밀도가 액체 범위 임계치보다 더 낮은 것으로 결정되었는지 여부가 확인된다. 밀도가 액체 범위 임계치보다 더 낮은 것으로 결정되지 않으면, 이는 액체의 존재를 나타내며, 단계(404)가 수행되고, 여기서 측정된 밀도(325) 값은 액체 농도 할당을 결정하는 데 사용되며, 질량 유동이 공정 유체 내의 각각의 액체에 할당된다. 하나의 예는 예시적인 수학식 7의 워터컷과 같은 워터컷 수학식을 활용하는 것일 것이다.
반면에, 단계(412)에서, 밀도가 액체 범위 임계치보다 더 낮은 것이 확인되면, 이는 비말동반된 기체의 존재를 나타내고, 단계(414)가 수행된다. 단계(414)에서, 측정된 혼합물 밀도 및 액체 밀도 값들은 GVF를 계산하는 데 활용된다. 예에서, 이 계산은 수학식 5 또는 이와 유사한 것을 포함할 수 있다. 액체들을 포함하는 공정 유동의 부분 및 기체를 포함하는 부분을 알 때, 유량 계산들은 상 할당마다 비례하여 조정될 수 있고, 따라서 더 정확한 유량을 제공할 수 있다.
단계(406)의 구동 이득 분석으로 돌아가서, 구동 이득이 제2 구동 이득 레벨 임계치를 초과하고 그리고/또는 잡음 임계치를 초과한다는 것이 발견되면, 이는 추가적인 상들의 잠재적 존재를 나타낸다. 따라서, 공정 유체의 조성을 결정하는 것을 돕기 위해, 공정 유체의 밀도(325)가 단계(416)에서 측정된다. 단계(416)에서, 밀도가 액체 범위 임계치보다 더 낮은 것으로 결정되면, 이는 비말동반된 기체의 존재를 나타내며, 단계(414)는 위에 설명된 바와 같이 수행된다. 다시, 액체들을 포함하는 공정 유동의 부분 및 기체를 포함하는 부분을 알 때, 유량 계산들은 상 할당마다 비례하여 조정될 수 있고, 따라서 더 정확한 유량을 제공할 수 있다.
실시예들에서 유량이 계산되는 모든 지점들에 대해, 유량은 개별 성분에 할당될 수 있으며, 이는 개별 순 유량, 상 분율로서 출력되거나 적산기(totalizer)에 누적될 수 있다.
단계(416)에서, 밀도가 액체 범위 임계치보다 더 높다고 결정되면, 잠재적 오류를 나타내는 경보 또는 통지가 단계(418)에서 생성된다.
다시, 구동 이득 및 밀도 임계치들이 유량계(5) 사용 동안에 고정되고, 미리 결정되고 그리고/또는 알고리즘에 의해 동적으로 결정될 수 있다는 것이 강조되어야 한다. 액체 밀도는 사용자에 의해 입력되거나, 알려진 유체 속성들로부터 결정되거나, 또는 마지막 액체 상태의 표시자로서 구동 이득을 사용하여 자동으로 검출될 수 있다.
상기 실시예들의 상세한 설명들은 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 본 발명자들에 의해 고려되는 모든 실시예들에 대한 총망라한 설명들은 아니다. 실제로, 당업자들은 위에 설명된 실시예들의 특정 엘리먼트들이 다른 실시예들을 생성하기 위해 다양하게 조합되거나 제거될 수 있으며, 그러한 다른 실시예들이 본 발명의 범위 및 교시들 내에 있다는 것을 인식할 것이다. 또한, 당업자들에게는, 위에 설명된 실시예들이 전체적으로 또는 부분적으로 조합되어 본 발명의 범위 및 교시들 내에서 추가적인 실시예들을 생성할 수 있다는 것이 자명할 것이다.
따라서, 본 발명의 특정 실시예들, 및 그에 대한 예들이 예시의 목적들을 위해 본원에 설명되었지만, 당업자들이 인식할 바와 같이, 본 발명의 범위 내에서 다양한 등가 변형예들이 가능하다. 본원에 제공된 교시들은 다른 진동 시스템들에 적용될 수 있으며, 상기에서 설명되고 첨부 도면들에 도시된 실시예들에만 적용될 수 있는 것은 아니다. 따라서, 본 발명의 범위는 하기의 청구범위로부터 결정되어야 한다.

Claims (12)

  1. 구동기(104);
    상기 구동기(104)에 의해 진동 가능한 진동 부재(vibratory member)(103, 103');
    상기 진동 부재(103, 103')의 진동들을 검출하도록 구성된 적어도 하나의 픽오프 센서(pickoff sensor)(105, 105');
    상기 적어도 하나의 픽오프 센서(105, 105')로부터 진동 응답을 수신하도록 구성된 인터페이스(301), 및 상기 인터페이스(301)에 커플링된 프로세싱 시스템(303)을 포함하는 계측 전자장치(meter electronics)(20)를 포함하고,
    상기 프로세싱 시스템(303)은:
    상기 구동기(104)의 구동 이득(306)을 측정하고;
    상기 진동계(5)에서 다상 공정 유체(multiphase process fluid)의 총 밀도(325)를 측정하고;
    상기 구동 이득(306)이 제1 임계치 미만인지 여부를 결정하고;
    상기 구동 이득(306)이 상기 제1 임계치 미만인 경우, 상기 측정된 총 밀도(325)로 액체/액체 상 농도 할당(liquid/liquid phase concentration allocation)을 결정하고, 그리고 각각의 액체 상에 대한 유량(flow rate)을 계산하도록 구성되는,
    진동계(5).
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 프로세싱 시스템(303)은:
    상기 구동 이득(306)이 상기 제1 임계치보다 더 큰 제2 임계치 미만인지 여부, 및 상기 구동 이득(306)이 상기 제1 임계치를 초과하는 경우, 상기 구동 이득(306)이 제1 구동 이득 잡음 임계치(drive gain noise threshold) 미만인지 여부 중 적어도 하나를 결정하도록 구성되는,
    진동계(5).
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 프로세싱 시스템(303)은:
    상기 측정된 총 밀도(325)가 고체 밀도 범위 내에 있는 경우, 상기 측정된 총 밀도(325) 및 이전에 결정된 액체 밀도로 고체/액체 상 농도 할당을 결정하고, 그리고 각각의 상에 대한 유량을 계산하도록 구성되는,
    진동계(5).
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 프로세싱 시스템(303)은:
    상기 측정된 총 밀도(325)가 고체 밀도 범위보다 더 낮고 액체 밀도 범위 내에 있는 경우, 상기 측정된 총 밀도(325)로 액체/액체 상 농도 할당을 결정하고, 그리고 각각의 상에 대한 유량을 계산하도록 구성되는,
    진동계(5).
  5. 제2 항에 있어서,
    상기 프로세싱 시스템(303)은:
    상기 측정된 총 밀도(325)가 고체 밀도 범위보다 더 낮고 기체 밀도 범위 내에 있는 경우, 상기 측정된 총 밀도(325) 및 이전에 결정된 액체 밀도로 기체/액체 상 농도 할당을 결정하고, 그리고 각각의 상에 대한 유량을 계산하도록 구성되는,
    진동계(5).
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 프로세싱 시스템(303)은:
    상기 구동 이득(306)이 상기 제1 임계치보다 더 큰 제2 임계치를 초과하는지 여부 및 상기 구동 이득(306)이 제1 구동 이득 잡음 임계치를 초과하는지 여부 중 적어도 하나를 결정하고; 그리고
    상기 측정된 총 밀도(325)가 액체 밀도 범위보다 더 낮은 경우, 상기 측정된 총 밀도(325) 및 이전에 결정된 액체 밀도로 기체/액체 상 농도 할당을 결정하고, 그리고 각각의 상에 대한 유량을 계산하도록 구성되는,
    진동계(5).
  7. 진동 유량계를 제공하는 단계;
    상기 진동 유량계를 통해 다상 공정 유체를 유동시키는 단계;
    상기 진동 유량계 구동기의 구동 이득을 측정하는 단계;
    상기 공정 유체의 밀도를 측정하는 단계;
    상기 구동 이득이 제1 임계치 미만인지 여부를 결정하는 단계; 및
    상기 구동 이득이 상기 제1 임계치 미만인 경우, 측정된 총 밀도로 상기 공정 유체의 액체/액체 상 농도 할당을 결정하고, 그리고 각각의 액체 상에 대한 유량을 계산하는 단계를 포함하는,
    유량계 상 분율(flowmeter phase fraction) 및 농도 측정 조정 방법.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 구동 이득이 상기 제1 임계치보다 더 큰 제2 임계치 미만인지 여부, 및 상기 구동 이득이 상기 제1 임계치를 초과하는 경우, 상기 구동 이득이 제1 구동 이득 잡음 임계치 미만인지 여부 중 적어도 하나를 결정하는 단계를 포함하는,
    유량계 상 분율 및 농도 측정 조정 방법.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 측정된 총 밀도가 고체 밀도 범위 내에 있는 경우, 상기 측정된 총 밀도 및 이전에 결정된 액체 밀도로 고체/액체 상 농도 할당을 결정하고, 그리고 각각의 상에 대한 유량을 계산하는 단계를 포함하는,
    유량계 상 분율 및 농도 측정 조정 방법.
  10. 제8 항에 있어서,
    상기 측정된 총 밀도가 고체 밀도 범위보다 더 낮고 액체 밀도 범위 내에 있는 경우, 상기 측정된 총 밀도로 액체/액체 상 농도 할당을 결정하고, 그리고 각각의 상에 대한 유량을 계산하는 단계를 포함하는,
    유량계 상 분율 및 농도 측정 조정 방법.
  11. 제8 항에 있어서,
    상기 측정된 총 밀도가 고체 밀도 범위보다 더 낮고 기체 밀도 범위 내에 있는 경우, 상기 측정된 총 밀도 및 이전에 결정된 액체 밀도로 기체/액체 상 농도 할당을 결정하고, 그리고 각각의 상에 대한 유량을 계산하는 단계를 포함하는,
    유량계 상 분율 및 농도 측정 조정 방법.
  12. 제7 항에 있어서,
    상기 구동 이득이 상기 제1 임계치보다 더 큰 제2 임계치를 초과하는지 여부 및 상기 구동 이득이 제1 구동 이득 잡음 임계치를 초과하는지 여부 중 적어도 하나를 결정하는 단계; 및
    상기 측정된 총 밀도가 액체 밀도 범위보다 더 낮은 경우, 상기 측정된 총 밀도 및 이전에 결정된 액체 밀도로 기체/액체 상 농도 할당을 결정하고, 그리고 각각의 상에 대한 유량을 계산하는 단계를 포함하는,
    유량계 상 분율 및 농도 측정 조정 방법.
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