KR20220047371A - 진증기압 및 플래싱 검출 장치 및 관련 방법 - Google Patents
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Abstract
유체의 증기압을 결정하는 방법이 제공된다. 방법은 계측기 전자장치를 갖는 계측기를 제공하는 단계를 포함하며, 계측기는 유량계 및 농도계 중 적어도 하나를 포함한다. 공정 유체가 계측기를 통해 유동된다. 계측기와 연관된 저압 위치가 제공된다. 공정 유체의 압력은 플래싱이 저압 위치에서 검출 가능할 때까지 조절된다. 플래싱이 검출 가능한 경우에 공정 유체의 진증기압이 계산된다.
Description
본 발명은 진동 계측기(vibratory meter)들에 관한 것으로, 보다 상세하게는 실시간 증기압을 결정하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
RVP(Reid Vapor Pressure)는 연료 품질 표준들을 측정하고 시행하는 데 가장 널리 인식된 속성들 중 하나이다. 진증기압은 가솔린, 천연 가스 액체들 및 액체 석유 가스와 같은 휘발성 유체들의 유동 및 저장을 처리하는 애플리케이션들에서 중요한 속성이다. 증기압은 처리 동안 휘발성 유체들이 수행할 수 있는 방법에 대한 표시를 제공하며, 기포들이 형성될 가능성이 있고 압력이 생길 가능성 있는 조건들을 추가로 표시한다. 따라서, 휘발성 유체들의 증기압 측정은 안전성을 증가시키고, 수송 선박들 및 인프라스트럭처에 대한 손상을 방지한다.
유체의 증기압이 너무 높으면, 펌핑 및 이송 작업들 동안 캐비테이션(cavitation)이 발생할 수 있다. 게다가, 선박 또는 공정 라인 증기압은 온도 변화들로 인해 안전 레벨들을 초과하여 잠재적으로 상승할 수 있다. 따라서, 저장 및 수송 전에, RVP는 대개 알려져야 한다.
전형적으로, RVP는 샘플들을 캡처하고, 샘플들로부터 값을 결정하기 위한 테스트를 위해 샘플들을 실험실로 이동시키는 방식으로 결정된다. 이는 최종 결과들을 획득함에 있어서의 지연, 실험실을 유지하는 비용, 및 샘플 처리와 연관된 안전 및 법적 근거 취약성들 때문에 규제 연료 품질 표준들의 시행에 있어서 어려운 문제들을 제기한다. 진증기압은 대개 이러한 동일한 프로세스에 의해 결정되며, 이후 경험적 측정들에 기반한 룩업 테이블들 및 데이터베이스들에 의존하여 실험실에서 결정된 RVP로부터 유동 온도에서의 진증기압으로의 변환이 이어진다.
따라서, 공정 조건들 하에서 연속적 실시간 기반으로 진증기압 및/또는 RVP를 측정할 수 있는 인-라인 디바이스 또는 시스템이 필요하다. 이는 본 실시예들에 의해 제공되며, 기술의 진보가 달성된다. 현장 측정이 더 신뢰적일 수 있는데, 왜냐하면 이는 주기적인 샘플링의 필요성을 제거하고 샘플 수집의 시간과 실험실 분석 평가 사이에서의 유체 속성 변화들의 위험을 완전히 제거하기 때문이다. 게다가, 실시간 측정들을 수행함으로써 안전이 개선되는데, 왜냐하면 불안전한 상태들이 즉시 제거될 수 있기 때문이다. 부가적으로, 간단한 현장 체크들을 통해 규제 시행이 수행될 수 있기 때문에 비용이 절약되며, 검사 및 시행 결정들은 약간의 지연 또는 공정 중단으로 이루어질 수 있다.
유체의 증기압을 결정하는 방법이 일 실시예에 따라 제공된다. 방법은 계측기 전자장치를 갖는 계측기를 제공하는 단계를 포함하며, 계측기는 유량계 및 농도계 중 적어도 하나를 포함한다. 공정 유체가 계측기를 통해 유동되며, 계측기와 연관된 저압 위치가 제공된다. 저압 위치에서 공정 유체의 온도가 측정된다. 공정 유체의 정압(static pressure)은 플래싱이 저압 위치에서 검출 가능할 때까지 조절된다. 플래싱이 검출 가능한 경우에서 공정 유체의 진증기압이 결정된다.
공정 유체의 진증기압을 결정하기 위한 시스템이 일 실시예에 따라 제공된다. 시스템은 유량계 및 농도계 중 적어도 하나를 포함하는 계측기를 포함한다. 저압 위치가 계측기와 연관된다. 압력 조절기는 계측기와 유체 연통한다. 압력 센서는 공정 유체와 유체 연통한다. 온도 센서는 저압 위치에서의 온도를 측정하도록 구성된다. 계측기 전자장치는 계측기 및 압력 센서와 통신하며, 여기서 계측기 전자장치는 저압 위치에서의 플래싱이 검출될 때까지 공정 유체의 정압을 조절하도록 압력 조절기를 제어하고 플래싱이 검출 가능한 경우에 공정 유체의 진증기압을 계산하도록 구성된다.
양상들
일 양상에 따르면, 유체의 증기압을 결정하는 방법이 제공된다. 방법은 계측기 전자장치를 갖는 계측기를 제공하는 단계를 포함하며, 계측기는 유량계 및 농도계 중 적어도 하나를 포함한다. 공정 유체가 계측기를 통해 유동되며, 계측기와 연관된 저압 위치가 제공된다. 저압 위치에서 공정 유체의 온도가 측정된다. 공정 유체의 정압은 플래싱이 저압 위치에서 검출 가능할 때까지 조절된다. 플래싱이 검출 가능한 경우에서 공정 유체의 진증기압이 결정된다.
바람직하게, 온도를 측정하는 것은 IR 서모그래피(thermography)를 포함한다.
바람직하게, 플래싱을 검출하는 것은 광학 분석을 포함한다.
바람직하게, 저압 위치는 유량계 매니폴드를 포함한다.
바람직하게, 저압 위치는 차압 엘리먼트를 포함한다.
바람직하게, 방법은 공정 유체의 온도를 측정하는 단계 및 온도 및 진증기압으로부터 RVP(Reid Vapor Pressure)를 계산하는 단계를 포함한다.
바람직하게, 방법은 RVP(Reid Vapor Pressure)가 측정되는 시점에 증기:액체 비를 측정하는 단계 및 RVP(Reid Vapor Pressure)가 측정되는 시점에 증기:액체 비를 RVP(Reid Vapor Pressure)와 연관시키는 단계를 포함한다.
일 양상에 따르면, 공정 유체의 진증기압을 결정하기 위한 시스템이 제공된다. 시스템은 유량계 및 농도계 중 적어도 하나를 포함하는 계측기를 포함한다. 저압 위치가 계측기와 연관된다. 압력 조절기는 계측기와 유체 연통한다. 압력 센서는 공정 유체와 유체 연통한다. 온도 센서는 저압 위치에서의 온도를 측정하도록 구성된다. 계측기 전자장치는 계측기 및 압력 센서와 통신하며, 여기서 계측기 전자장치는 저압 위치에서의 플래싱이 검출될 때까지 공정 유체의 정압을 조절하도록 압력 조절기를 제어하고 플래싱이 검출 가능한 경우에 공정 유체의 진증기압을 계산하도록 구성된다.
바람직하게, 온도 센서는 IR 서모그래프를 포함한다.
바람직하게, 광학 센서는 플래싱을 검출하도록 구성된다.
바람직하게, 저압 위치는 유량계 매니폴드를 포함한다.
바람직하게, 저압 위치는 차압 엘리먼트를 포함한다.
바람직하게, 계측기 전자장치는 RVP(Reid Vapor Pressure)가 측정되는 시점에 증기:액체 비를 측정하고, RVP(Reid Vapor Pressure)가 측정되는 시점에 증기:액체 비를 RVP(Reid Vapor Pressure)와 연관시키도록 구성된다.
바람직하게, 계측기는 하나 이상의 도관들, 하나 이상의 도관들에 부착되고 하나 이상의 도관들에 진동 신호를 생성하도록 구성된 하나의 드라이버, 및 하나 이상의 도관들에 부착되고 하나 이상의 도관들로부터의 진동 신호를 수신하도록 구성된 적어도 하나의 픽오프(pickoff)를 포함한다.
도 1은 일 실시예에 따른 유량계 센서 어셈블리를 예시한다.
도 2는 일 실시예에 따른 계측기 전자장치를 예시한다.
도 3은 일 실시예에 따른 증기압 결정 시스템을 예시한다.
도 4는 일 실시예에 따른 증기압 결정 방법을 예시한다.
도 5는 일 실시예에 따른 다른 증기압 결정 방법을 예시한다.
도 2는 일 실시예에 따른 계측기 전자장치를 예시한다.
도 3은 일 실시예에 따른 증기압 결정 시스템을 예시한다.
도 4는 일 실시예에 따른 증기압 결정 방법을 예시한다.
도 5는 일 실시예에 따른 다른 증기압 결정 방법을 예시한다.
도 1-5 및 하기의 설명은 본 발명의 최상의 모드를 실시하고 사용하는 방법을 당업자에게 교시하기 위해 특정 예들을 묘사한다. 본 발명의 원리들을 교시하려는 목적을 위해, 일부 종래의 양상들은 단순화되거나 생략되었다. 당업자는 본 발명의 범위에 있는 이들 예들로부터의 변형들을 인식할 것이다. 당업자는, 아래에서 설명되는 특징들이 본 발명의 다수의 변형들을 형성하기 위해 다양한 방식들로 조합될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 그 결과, 본 발명은 아래에서 설명되는 특정 예들로 제한되는 것이 아니라 단지 청구항들 및 이들 균등물들에 의해서만 제한된다.
진동 센서들, 이를테면 예컨대 진동 농도계들 및 코리올리 유량계들은 일반적으로 알려져 있으며, 농도계를 포함하는 도관 또는 유량계의 도관을 통해 유동하는 재료들과 관련된 질량 유동 및 다른 정보를 측정하는 데 사용된다. 예시적인 유량계들은 모두가 J.E. Smith 등에 의한 미국 특허 제4,109,524호, 미국 특허 제4,491,025호 및 Re. 31,450에 개시되어 있다. 이러한 유량계들은 직선 또는 곡선 구성의 하나 이상의 도관들을 갖는다. 예컨대, 코리올리 질량 유량계의 각각의 도관 구성은 단순한 굽힘, 비틀림 또는 커플링된 타입일 수 있는 한 세트의 자연 진동 모드들을 갖는다. 각각의 도관은 바람직한 모드에서 진동하도록 구동될 수 있다.
일부 타입들의 질량 유량계들, 특히 코리올리 유량계들은 밀도에 대한 질량의 몫을 통해 체적 정보를 제공하기 위해 밀도의 직접 측정을 수행하는 방식으로 작동될 수 있다. 예컨대, 미지의 다상 유체의 밀도를 측정하기 위해 코리올리 유량계를 사용하는 순 오일 컴퓨터를 교시하는, Ruesch에 의한 미국 특허 제4,872,351호를 참조한다. Buttler 등에 의한 미국 특허 제5,687,100호는 진동 튜브 농도계로서 작동하는, 질량 유량계에서의 질량 유동율 효과들에 대한 밀도 판독치들을 보정하는 코리올리 효과 농도계를 교시한다.
유량계의 유입구 측에 연결된 파이프라인으로부터 유량계내로의 재료 유동들은 도관(들)을 통해 지향되며, 유량계의 배출구 측을 통해 유량계로부터 나간다. 진동 시스템의 고유 진동 모드들은, 부분적으로 도관들 내에서 유동하는 재료와 도관들의 결합된 질량에 의해 정의된다.
유량계를 통한 유동이 존재하지 않을 때, 도관(들)에 가해진 구동력은 도관(들)을 따르는 모든 지점들이 제로 유동(zero flow)에서 측정된 시간 지연인 작은 "제로 오프셋(zero offset)"으로 또는 동일한 위상으로 진동하게 한다. 재료가 유량계를 통해 유동하기 시작함에 따라, 코리올리 힘(Coriolis force)들은 도관(들)을 따르는 각각의 지점이 다른 위상을 갖게 한다. 예컨대, 유량계의 유입구 단부에서의 위상은 중앙 집중식 드라이버 포지션에서의 위상에 뒤처지는 반면에, 배출구에서의 위상은 중앙 집중식 드라이버 포지션에서의 위상에 앞선다. 도관(들)에 대한 픽오프들은 도관(들)의 모션을 나타내는 사인파 신호들을 생성한다. 픽오프들로부터 출력된 신호들은 픽오프들 간의 시간 지연을 결정하기 위해 프로세싱된다. 2개 이상의 픽오프들 간의 시간 지연은 도관(들)을 통해 유동하는 재료의 질량 유동율에 비례한다.
드라이버에 연결된 계측기 전자장치는 드라이버를 작동시키고, 또한 픽오프들로부터 수신된 신호들로부터 공정 재료의 질량 유동율 및/또는 다른 속성들을 결정하기 위해 드라이브 신호를 생성한다. 드라이버는 잘-알려진 많은 어레인지먼트들 중 하나를 포함할 수 있으나; 자석 및 대향 드라이브 코일은 유량계 산업에서 큰 성공을 거두었다. 원하는 도관 진폭 및 주파수에서 도관(들)을 진동시키기 위해 교류가 드라이브 코일에 통과된다. 드라이버 어레인지먼트와 매우 유사한 자석 및 코일 어레인지먼트로서 픽오프들을 제공하는 것이 또한 당업계에 알려져 있다. 그러나, 드라이버가 모션을 유도하는 전류를 수신하는 동안, 픽오프들은 전압을 유도하기 위해 드라이버에 의해 제공되는 모션을 사용할 수 있다. 픽오프들에 의해 측정된 시간 지연의 크기는 매우 작으며; 대개 나노초 단위로 측정된다. 따라서, 트랜스듀서 출력이 매우 정확해야 하는 것이 필요하다.
도 1은 예컨대 제한 없이 코리올리 유량계 또는 농도계와 같은, 임의의 진동 계측기일 수 있는 유량계(5)를 예시한다. 유량계(5)는 센서 어셈블리(10) 및 계측 전자기기(20)를 포함한다. 센서 어셈블리(10)는 프로세스 재료의 질량 유동율 및 밀도에 응답한다. 계측기 전자장치(20)는 경로(26)에 대한 밀도, 질량 유동율, 및 온도 정보 뿐만아니라 다른 정보를 제공하기 위해 리드(lead)들(100)을 통해 센서 어셈블리(10)에 연결된다. 센서 어셈블리(10)는 플랜지들(101 및 101'), 한 쌍의 매니폴드들(102 및 102'), 한 쌍의 평행 도관들((103)(제1 도관) 및 (103')(제2 도관)), 드라이버(104), 온도 센서(106), 이를테면 RTD(resistive temperature detector), 및 한쌍의 픽오프들(105 및 105’), 이를테면 자석/코일 픽오프들, 스트레인 게이지(strain gage)들, 광학 센서들 또는 당업계에 알려진 임의의 다른 픽오프를 포함한다. 도관들(103 및 103')은 각각 유입구 레그들(107 및 107') 및 배출구 레그들(108 및 108')을 갖는다. 도관들(103 및 103’)은 그들의 길이를 따라 적어도 하나의 대칭 위치에서 구부러지며, 그들의 길이 전반에 걸쳐 본질적으로 평행하다. 각각의 도관(103 및 103')은 각각 축들(W 및 W')에 대해 진동한다.
도관들(103, 103')의 레그들(107, 107', 108, 108')은 도관 장착 블록들(109 및 109’)에 고정적으로 부착되며, 이들 블록들은 차례로 매니폴드들(102 및 102’)에 고정적으로 부착된다. 이는 센서 어셈블리(10)를 통해 연속적인 폐쇄 재료 경로를 제공한다.
플랜지들(101 및 101')이 측정되고 있는 공정 재료를 운반하는 공정 라인(미도시)에 연결될 때, 재료는 플랜지(101)의 제1 오리피스(도 1의 도면에서는 보이지 않음)를 통해 유량계(5)의 제1 단부(110)로 들어가며, 그리고 매니폴드(102)를 통해 도관 장착 블록(109)으로 안내된다. 매니폴드(102) 내에서, 재료는 분할되며, 도관들(103 및 103’)을 통해 라우팅된다. 도관들(103 및 103')을 나갈 때, 프로세스 재료는 매니폴드(102') 내에서 단일 스트림으로 재결합되며, 이후 플랜지(101')에 의해 프로세스 라인(미도시)에 연결된 제2 단부(112)로 라우팅된다.
굽힘 축들(W--W 및 W'--W')에 대해 각각 실질적으로 동일한 질량 분포, 관성 모멘트들 및 영률(Young's modulus)을 갖도록 도관들(103 및 103')이 선택되어 도관 장착 블록들(109 및 109’)에 적절히 장착된다. 도관들(103, 103')의 영률이 온도에 따라 변화되고 이러한 변화가 유동 및 밀도의 계산에 영향을 미친다는 점을 고려하면, 온도 센서(106)는 도관의 온도를 연속적으로 측정하기 위해 적어도 하나의 도관(103, 103)에 장착된다. 도관의 온도, 및 이에 따라 주어진 전류가 온도 센서(106)를 통과하는 동안 온도 센서(106)에 걸쳐 나타나는 전압은 주로 도관을 통과하는 재료의 온도에 의해 좌우된다. 온도 센서(106) 걸쳐 나타나는 온도-의존 전압은 임의의 도관(103, 103') 온도의 변화들로 인해 도관들(103, 103’)의 탄성 계수의 변화를 보상하도록 계측기 전자장치(20)에 의해 잘 알려진 방법에서 사용된다. 온도 센서(106)는 계측기 전자장치(20)에 연결된다.
도관들(103, 103') 둘 모두는 유량계의 제1 역위상(out-of-phase) 굽힘 모드로 지칭되는 모드에서 그들의 개개의 굽힘 축들(W 및 W')에 대해 반대 방향들로 드라이버(104)에 의해 구동된다. 이러한 드라이버(104)는 도관(103')에 장착된 자석 및 도관(103)에 장착된 대향 코일과 같은 잘 알려진 많은 어레인지먼트들 중 어느 하나를 포함할 수 있으며, 이를 통해, 교류가 도관들 둘 모두를 진동시키기 위해 통과된다. 적합한 드라이브 신호가 계측기 전자장치(20)에 의하여 리드(113)를 통해 드라이버(104)에 인가된다. 논의가 2개의 도관들(103, 103')에 관한 것이지만, 다른 실시예들에서는 단일 도관만이 제공될 수 있거나 또는 2개 초과의 도관들이 제공될 수 있다는 것이 인식되어야 한다. 다수의 드라이버들에 대한 다수의 드라이브 신호들을 생성하는 것과 드라이버(들)가 제1 역위상 굽힘 모드 이외의 모드들에서 도관들을 구동하는 것이 또한 본 발명의 범위 내에 있다.
계측기 전자장치(20)는 리드(114) 상의 온도 신호, 및 리드들(115 및 115’) 상에서 각각 나타나는 좌측 및 우측 속도 신호들을 수신한다. 계측기 전자장치(20)는 리드(113) 상에서 나타나는 드라이브 신호를 드라이버(104)에 대해 생성하며, 도관들(103 및 103’)을 진동시킨다. 계측기 전자장치(20)는 센서 어셈블리(10)를 통과하는 재료의 질량 유동율 및 밀도를 컴퓨팅하기 위해 좌측 및 우측 속도 신호들 및 온도 신호를 프로세싱한다. 이러한 정보는, 다른 정보와 함께, 계측기 전자장치(20)에 의하여 경로(26)를 통해 활용 수단에 인가된다. 계측기 전자장치(20)의 회로부에 대한 설명은 본 발명을 이해하는 데 필요하지 않으며, 이 설명의 간결함을 위해 생략된다. 도 1의 설명은 단지 하나의 가능한 진동 계측기의 동작의 예로서만 제공되며, 본 발명의 교시를 제한하는 것으로 의도되지 않는다는 것이 인식되어야 한다.
코리올리 유량계 구조가 설명되지만, 본 발명이 코리올리 질량 유량계에 의해 제공되는 추가 측정 성능 없이 진동 튜브 또는 포크 농도계에 대해 실시될 수 있다는 것이 당업자에게 명백할 것이다.
도 2는 일 실시예에 따른 유량계(5)의 계측기 전자장치(20)의 블록도이다. 작동시, 유량계(5)는 예컨대 개별 유동 컴포넌트들의 체적 및 질량 유동 둘 모두를 포함하여, 질량 유동율, 체적 유동율, 개별 유동 컴포넌트 질량 및 체적 유동율들, 및 총 유동율의 측정 또는 평균 값 중 하나 이상을 포함하여, 출력될 수 있는 다양한 측정 값들을 제공한다.
유량계(5)는 진동 응답을 생성한다. 진동 응답은 계측기 전자장치(20)에 의해 수신되고 프로세싱되어, 하나 이상의 유체 측정값들을 생성한다. 값들은 모니터링, 기록, 저장, 총계 및/또는 출력될 수 있다.
계측기 전자장치(20)는 인터페이스(201), 인터페이스(201)와 통신하는 프로세싱 시스템(203), 및 프로세싱 시스템(203)과 통신하는 저장 시스템(204)을 포함한다. 이들 컴포넌트들이 별개의 블록들로 도시되어 있지만, 계측기 전자장치(20)는 통합된 및/또는 별개의 컴포넌트들의 다양한 조합들로 구성될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
인터페이스(201)는 유량계(5)의 센서 어셈블리(10)와 통신하도록 구성된다. 인터페이스(201)는 예컨대, 리드들(100)(도 1 참조)에 커플링되고, 드라이버(104), 픽오프 센서들(105 및 105'), 및 온도 센서들(106)과 신호들을 교환하도록 구성될 수 있다. 인터페이스(201)는 통신 경로(26)를 통해, 이를테면 외부 디바이스들에 통신하도록 추가로 구성될 수 있다.
프로세싱 시스템(203)은 임의의 방식의 프로세싱 시스템을 포함할 수 있다. 프로세싱 시스템(203)은 유량계(5)를 작동시키기 위해 저장된 루틴들을 리트리브(retrieve)하고 실행하도록 구성된다. 저장 시스템(204)은 유량계 루틴(205), 밸브 제어 루틴(211), 드라이브 이득 루틴(213), 및 증기압 루틴(215)을 포함하는 루틴들을 저장할 수 있다. 저장 시스템(204)은 측정치들, 수신된 값들, 작업 값들 및 다른 정보를 저장할 수 있다. 일부 실시예들에서, 저장 시스템은 질량 유동(m')(221), 밀도(ρ)(225), 밀도 임계치(226), 점도(μ)(223), 온도(T)(224), 압력(209), 드라이브 이득(306), 드라이브 이득 임계치(302), 가스 혼입 임계치(244), 가스 혼입 분류(248), 및 당업계에 공지된 임의의 다른 변수들을 저장한다. 루틴들(205, 211, 213, 215)은 논의된 임의의 신호, 및 당업계에 알려진 다른 변수들을 포함할 수 있다. 다른 측정/프로세싱 루틴들이 고려되며, 상세한 설명 및 청구 범위 내에 있다.
유량계 루틴(205)은 유체 정량화들 및 유동 측정치들을 생성하고 저장할 수 있다. 이러한 값들은 실질적으로 순시 측정 값들을 포함할 수 있거나 또는 총계된 또는 누산된 값들을 포함할 수 있다. 예컨대, 유량계 루틴(205)은 질량 유동 측정치들을 생성하고, 예컨대 이들을 저장 시스템(204)의 질량 유동(221) 스토리지에 저장할 수 있다. 유량계 루틴(205)은 예컨대 밀도(225) 측정치들을 생성하고 이들을 저장 시스템(204)에 저장할 수 있다. 질량 유동(221) 및 밀도(225) 값들은 이전에 논의되고 당업계에 공지된 바와 같이 진동 응답으로부터 결정된다. 질량 유동 및 다른 측정치들은 실질적으로 순시 값을 포함할 수 있거나, 샘플을 포함할 수 있거나, 시간 간격에 대한 평균 값을 포함할 수 있거나, 또는 시간 간격에 대한 누산 값을 포함할 수 있다. 시간 간격은 특정 유체 조건들, 예컨대 액체-전용 유체 상태, 또는 대안적으로 액체들 및 혼입된 가스를 포함하는 유체 상태가 검출되는 시간의 블록에 대응하도록 선택될 수 있다. 더욱이, 다른 질량 및 체적 유동 및 관련 정량화들이 고려되며, 상세한 설명 및 청구항들의 범위내에 있다.
언급된 바와 같이, 드라이브 이득(306)은 비-유동/거짓 총계 조건을 표시하는 신호로서 활용될 수 있다. 드라이브 이득 임계치(302)는 유동 및 비-유동의 기간들, 단상/2상 유체상 경계, 및 가스 혼입/혼합-상 유동(gas entrainment/mixed-phase flow) 간을 구별하는 데 사용될 수 있다. 유사하게, 밀도 판독치(225)에 적용된 밀도 임계치(226)는 또한 가스 혼입/혼합-상 유동을 구별하기 위해 드라이브 이득(306)과 별도로 또는 이와 함께 사용될 수 있다. 드라이브 이득(306)은 예컨대 제한 없이 액체 및 가스 상들과 같은 이질적인 밀도들의 유체들의 존재에 대한 유량계(5)의 도관 진동의 민감도(sensitivity)에 대한 메트릭으로서 활용될 수 있다. 에너지 입력 및 결과적인 진폭에 대한 감쇠의 결합된 효과는 확장된 드라이브 이득으로서 알려져 있으며, 이는 100% 초과의 전력이 이용 가능한 경우에 목표 진동 진폭을 유지하는 데 얼마나 많은 전력이 요구될 것인지에 대한 추정치를 나타낸다.
본원에서 제공된 실시예들의 목적들을 위해, 드라이브 이득이라는 용어는 일부 실시예들에서 드라이브 전류, 픽오프 전압, 또는 특정 진폭에서 유동 도관들(103, 103')을 구동하는 데 필요한 전력의 양을 표시하는 측정되거나 유도된 임의의 신호를 지칭할 수 있다는 것에 유의해야 한다. 관련 실시예들에서, 드라이브 이득이라는 용어는 잡음 레벨들, 신호들의 표준 편차, 감쇠-관련 측정치들, 및 혼합-상 유동을 검출하기 위해 당업계에서 알려진 임의의 다른 수단과 같은 다상 유동을 검출하는 데 활용되는 임의의 메트릭을 포함하도록 확장될 수 있다. 일 실시예에서, 이들 메트릭들은 혼합-상 유동을 검출하기 위해 픽오프 센서들(105 및 105')에 걸쳐 비교될 수 있다.
진동 도관들(103, 103')은 튜브의 유체 전부가 밀도와 관련하여 균질한 한 자신들의 제1 공진 주파수에서 진동을 유지하는 데 매우 적은 에너지를 사용한다. 상이한 밀도들을 갖는 2개의 (또는 그 초과의) 비혼합 컴포넌트들로 구성된 유체의 경우에, 튜브의 진동은 컴포넌트들 각각의 상이한 크기들의 변위를 유발할 것이다. 이러한 변위의 차이는 디커플링(decoupling)으로 알려져 있으며, 이러한 디커플링의 크기는 역 스톡스 수(Inverse Stokes number)뿐만 아니라 컴포넌트들의 밀도들의 비에 따르는 것으로 제시되었다.
여기서, ω는 진동 주파수이며, ν는 유체의 동점도(kinematic viscosity)이며, r은 입자의 반경이다. 입자는 기포의 경우와 같이 유체보다 낮은 밀도를 가질 수 있다는 것에 유의해야 한다.
컴포넌트들 간에 발생하는 디커플링은 튜브의 진동에서 감쇠가 발생하게 하며, 이는 고정된 양의 에너지 입력에 대해 진동의 진폭을 감소시키거나 또는 진동을 유지하기 위해 더 많은 에너지를 필요로 한다.
도 3을 참조하면, 증기압 결정 시스템(300)이 실시예에 따라 제공된다. 유입구(304) 및 배출구(307)를 갖는 공정 라인(303)이 제공되며, 여기서 공정 라인(303)은 유입구(304)를 통해 공정 라인(303)으로 들어가는 공정 유체를 운반하도록 구성된다. 공정 라인(303)을 통한 유체 유동을 제어하는 상류 압력 조절기(308)가 제공된다. 공정 라인(303)을 통한 유체 유동을 제어하는 하류 압력 조절기(310)가 제공된다. 계측기 전자장치(20)를 갖는 유량계(5)는 상류 압력 조절기(308)와 하류 압력 조절기(310) 사이에 배치되며, 상류 압력 조절기(308)를 통과하는 공정 유체를 수용하도록 구성된다. 압력 센서(312) 및 온도 센서(314)가 또한 시스템(300)에 존재한다. 압력 센서(312) 및 온도 센서(314)가 유량계(5)의 하류에 예시되어 있지만, 이들 센서들(312, 314)은 유량계(5) 앞에 위치하거나 또는 유량계(5) 내에 통합될 수 있다.
저압-지점이 마찰 압력 손실들 및 속도에 따른 정압 강하 및 일반적으로 베르누이의 원리(Bernoulli’s principle)에 의해 결정되기 때문에, 속도 제어 시스템은 일 실시예에서 압력을 제어할 수 있다. 그러한 실시예에서, 가변 속도 펌프 및 압력 제어 밸브는 함께 유체 속도를 조절할 수 있다. 이러한 실시예에서, 제어 밸브는 계측기의 하류에 위치될 수 있고 펌프는 계측기의 상류에 위치되어, 유동율이 증가하더라도, 계측기의 정압이 증가하지 않는다. 따라서, 계측기의 정압은 상류 밸브와 또한 하류의 펌프 둘 모두로 정압을 감소시킴으로써 제어될 수 있다. 계측기의 속도를 증가시키면, 정압이 또한 감소한다. 상류 및 하류의 압력과 유속을 알면, 계측기 튜브들의 압력이 예측될 수 있다. 플래싱이 검출될 때마다 펌프 속도를 증가시키거나 또는 밸브를 폐쇄시킴으로써 계측기의 압력이 낮아진다.
계측기 전자장치(20)는 상류 압력 조절기(308), 하류 압력 조절기(310), 압력 센서(312) 및 온도 센서(314)와 통신한다. 계측기 전자장치(20)는 상류 압력 조절기(308) 및 하류 압력 조절기(310)를 제어할 수 있다. 계측기 전자장치(20)는 압력 센서(312)로부터 압력 측정치를 수신하고, 온도 센서(314)로부터 온도 측정치를 수신한다. 계측기 전자장치(20)는 공정 유체의 압력을 모니터링하고, 증기압이 도달되었음을 표시하는 제2 상의 도입을 유량계(5)가 검출할 까지 자신의 압력을 감소시키도록 구성된다. 일 실시예에서, 단일 압력 조절기(308)만이 존재한다. 연구들은 고정밀 온도 측정이 플래싱/캐비테이션의 매우 초기 징후들을 검출할 수 있음을 제시하였다. 실시예들에서, 극도로 국부적인 온도 감소가 검출되며, 이는 (기화 잠열로 인한) 상 변화를 표시한다. 따라서, 플래싱은 처음 발생한 시간 및 위치에서 검출된다.
실시예들에서, 이는 플래싱이 처음 발생할 위치를 정확하게 예측하는 것을 가능하게 하는 진동 튜브 센서 또는 전용 압력 강하 엘리먼트의 지오메트리(geometry)이다. 이는 그 지점에서 온도 측정이 집중될 수 있게 한다. 따라서, 실시예들에서, 도 4의 방법(350)에 예시된 바와 같이, 저압 위치가 제공된다(352).
공정 유체가 정상 공정 조건들 하에서 단상(single-phase)인 경우에, 예컨대 단계(354)에 도시된 바와 같이, 상류 압력 조절기(308)를 부분적으로 폐쇄시킴으로써, 압력이 감소될 수 있다. 일 실시예에서, 고해상도 IR 서모그래피가 저압 위치에서 온도 변화들을 검출하기 위해 활용된다. 일 실시예에서, IR 서모그래피는 플래싱의 발생을 검출하기 위해 광학 센서들 및 분석과 결합된다. IR 서모그래피가 구체적으로 언급되어 있지만, 첫 번째 플래싱의 정확한 위치가 정확하게 알려져 있기 때문에, 충분한 민감도를 갖는 다른 온도 측정 디바이스들이 사용될 수 있다는 것이 고려된다.
저압 위치 및 이에 따라 플래싱이 처음 발생할 지점은 일반적으로 진동 튜브 센서의 출구 매니폴드(102') 근처에 있다. 플래싱은 실질적으로 종래의 방법들에 의해 검출 가능하기 전에 그 위치에서 발생한다. 따라서, 이 위치에서의 온도 측정치들은 맨 처음의 플래싱을 검출할 수 있게 한다(356). 플래싱 검출은 단상/2상 유체 상 경계가 식별될 수 있게 한다(358). 플래싱과 연관된 온도는 측정되어 기록된다. 단계(360)에서, 플래싱이 검출된 지점에서의 온도를 고려하여 진증기압이 계산된다.
일 실시예에서, 그러한 변화를 검출하기에 충분히 민감한 온도 측정 디바이스가 유량계 매니폴드에 위치된다.
일 실시예에서, 증기압 측정의 일부는 증기압이 측정되는 증기:액체 비를 특정하는 것을 포함할 수 있다. 이러한 방법을 사용하면, 0% 증기에서의 플래싱이 검출 가능하다. 진동 튜브 센서에서의 다른 측정치들은 증기압이 0%에서 시작하여 다수의 증기:액체 비들로 측정될 수 있도록 증기;액체 비가 증가할 때 증기:액체 비를 결정하는 데 또한 사용될 수 있다.
일 실시예에서, 0% 이외의 증기:액체 비들에서 증기압을 측정할 필요가 없다고 간주되는 경우, 요구되는 압력 강하가 존재하도록 차압 엘리먼트가 제공될 수 있다. 이러한 지점에서의 온도 측정 또는 서모그래피는 플래싱 검출에 활용된다.
도 5를 참조하면, 시스템(300)에 의해 사용되는 증기압 결정 방식의 예를 예시하는 흐름도(400)가 제공된다. 시스템(300) 내의 공정 유체의 압력은 단계(402)에서 측정된다. 이는 압력 센서(312)로 달성된다. 시스템(300) 내의 공정 유체의 온도는 단계(403)에서 측정된다. 공정 유체가 정상 공정 조건들 하에서 단상인 경우에, 단계(404)에 도시된 바와 같이, 상류 압력 조절기(308)를 부분적으로 폐쇄시킴으로써, 유동 압력이 감소될 수 있다. 드라이브 이득 및/또는 밀도는 단계(406)에서 측정될 수 있고, 위에서 언급된 바와 같이, 다상 유동의 존재를 결정하기 위해 활용될 수 있고 또한 단상/2상 유체 상 경계를 결정하기 위해 활용될 수 있다. 공정 유체의 압력이 측정되고(402) 공정 유체의 압력이 감소됨에 따라(404), 제2 상의 도입은 드라이브 이득 및/또는 밀도 측정치들(406)을 통해 결정되며, 이는 차례로 증기압이 도달되었음을 표시한다. 진증기압의 검출은 제2 상의 존재가 검출된 지점에서의 압력 및 온도 둘 모두를 기록함으로써 단계(408)에서 표시된다. 단계(410)에서, 진증기압이 기록된 시간에서의 온도를 고려하여 측정된 진증기압으로부터 RVP가 계산된다.
공정 유체가 이미 약간의 증기를 포함하는 경우에 이는 드라이브 이득 및/또는 밀도를 측정함으로써 검출될 것이며, 하류 압력 조절기(310)는 제2 상이 더 이상 존재하지 않는 시점에서의 증기압 및 온도를 결정하기 위해 압력을 증가시키도록 부분적으로 폐쇄될 수 있다는 것에 유의해야 한다. 어떤 경우든지, 공정 유체의 진증기압을 표시하기 위해 활용되는 것은 단상/2상 유체 상 경계와 이러한 경계에서의 공정 유체의 관련 온도/압력이다.
다른 실시예들에서, 상류/하류 압력 조절기 구성이 증기압에 도달하기에 충분한 압력 변화를 제공하지 않는다면, 다른 압력 조절기들 및 압력 제어 방법들이 이용될 수 있다. 다른 실시예들에서, 표준 온도에서의 증기압(예컨대, RVP(Reid Vapor Pressure))과 진증기압(TVP) 간을 변환하는 능력을 제공하기 위해 온도 측정이 또한 포함될 수 있다. TVP는 측정된 온도에서 액체 제품의 실제 증기압이다. TVP는 직접 측정하기 어렵고, 측정 디바이스의 액체의 조성 및 온도에 따른다. 일단 TVP와 온도가 알려지면, 임의의 다른 온도에서의 진증기압 및/또는 RVP는 계측기 전자장치(20)에 저장된 경험적 상관 데이터로부터 계산될 수 있다. 경험적 상관 데이터는 룩-업 테이블들, 수학적 알고리즘들 및/또는 수학적 곡선들을 포함할 수 있다. 직접 RVP 측정은 전형적으로 실험실 분석을 위해 샘플들을 전송하는 것을 필요로 한다.
일 실시예에서, 시스템(300)은 오직 주요 유동 스트림의 샘플만을 측정하는 슬립 스트림(slip stream)에 배치되어, 재료 공정들에 대한 영향을 감소시킨다. RVP가 조성에 크게 의존하기 때문에, 슬립 스트림 샘플은 조성이 상당히 균질한 경우들에 효과적일 것이다. 이는 시스템이 크기가 더 작고 비용이 적게 들고 눈에 덜 거슬릴 수 있게 한다.
앞의 실시예들의 상세한 설명들은 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 본 발명자들에 의해 고려되는 모든 실시예들의 포괄적인 설명들이 아니다. 실제로, 당업자는, 앞서 설명된 실시예들의 특정한 엘리먼트들이 추가적인 실시예들을 생성하기 위해 다양하게 조합되거나 제거될 수 있고, 그러한 추가적인 실시예들이 발명은 범위 및 교시들 내에 있다는 것을 인식할 것이다. 또한, 앞서 설명된 실시예들이 발명의 범위 및 교시들 내에서 부가적인 실시예들을 생성하기 위해 전체적으로 또는 부분적으로 조합될 수 있다는 것이 당업자에게 명백할 것이다.
따라서, 본 발명의 특정한 실시예들 및 예들이 예시의 목적들을 위해 본원에서 설명되지만, 당업자가 인식할 바와 같이, 다양한 균등한 수정들이 발명의 범위 내에서 가능하다. 본원에서 제공된 교시들은 오직 앞서 설명되고 첨부 도면들에 도시된 실시예들에만 적용되는 것이 아니라 다른 진동 시스템들에 적용될 수 있다. 따라서, 본 발명의 범위는 다음의 청구항들로부터 결정되어야 한다.
Claims (14)
- 유체의 증기압을 결정하는 방법으로서,
계측기 전자장치(meter electronics)를 갖는 계측기를 제공하는 단계 ― 상기 계측기는 유량계 및 농도계 중 적어도 하나를 포함함 ―;
상기 계측기를 통해 공정 유체를 유동시키는 단계;
상기 계측기와 연관된 저압 위치를 제공하는 단계;
상기 저압 위치에서 상기 공정 유체의 온도를 측정하는 단계;
플래싱(flashing)이 상기 저압 위치에서 검출 가능할 때까지 상기 공정 유체의 정압(static pressure)을 조절하는 단계; 및
플래싱이 검출 가능한 경우에서 상기 공정 유체의 진증기압을 결정하는 단계를 포함하는, 유체의 증기압을 결정하는 방법. - 제1 항에 있어서,
상기 온도를 측정하는 단계는 IR 서모그래피(thermography)를 포함하는, 유체의 증기압을 결정하는 방법. - 제1 항에 있어서,
상기 플래싱을 검출하는 것은 광학 분석을 포함하는, 유체의 증기압을 결정하는 방법. - 제1 항에 있어서,
상기 저압 위치는 유량계 매니폴드(flowmeter manifold)를 포함하는, 유체의 증기압을 결정하는 방법. - 제1 항에 있어서,
상기 저압 위치는 차압 엘리먼트를 포함하는, 유체의 증기압을 결정하는 방법. - 제1 항에 있어서,
상기 공정 유체의 온도를 측정하는 단계; 및
상기 온도 및 상기 진증기압으로부터 RVP(Reid Vapor Pressure)를 계산하는 단계를 포함하는, 유체의 증기압을 결정하는 방법. - 제1 항에 있어서,
상기 RVP(Reid Vapor Pressure)가 측정되는 시점에 증기:액체 비를 측정하는 단계; 및
상기 RVP(Reid Vapor Pressure)가 측정되는 시점에 상기 RVP(Reid Vapor Pressure)와 상기 증기:액체 비를 연관시키는 단계를 포함하는, 유체의 증기압을 결정하는 방법. - 공정 유체의 진증기압을 결정하기 위한 시스템(300)으로서,
유량계 및 농도계 중 적어도 하나를 포함하는 계측기(5);
상기 계측기(5)와 연관된 저압 위치;
상기 계측기(5)와 유체 연통하는 압력 조절기(308);
상기 공정 유체와 유체 연통하는 압력 센서(312);
상기 저압 위치에서의 온도를 측정하도록 구성된 온도 센서;
상기 계측기(5) 및 상기 압력 센서(312)와 통신하는 계측기 전자장치(20)를 포함하며,
상기 계측기 전자장치(20)는,
상기 저압 위치에서의 플래싱이 검출될 때까지 상기 공정 유체의 정압을 조절하도록 상기 압력 조절기(308)를 제어하며; 그리고
플래싱이 검출 가능한 경우에 상기 공정 유체의 진증기압을 계산하도록 구성되는, 공정 유체의 진증기압을 결정하기 위한 시스템(300). - 제8 항에 있어서,
상기 온도 센서는 IR 서모그래프를 포함하는, 공정 유체의 진증기압을 결정하기 위한 시스템(300). - 제8 항에 있어서,
광학 센서는 플래싱을 검출하도록 구성되는, 공정 유체의 진증기압을 결정하기 위한 시스템(300). - 제8 항에 있어서,
상기 저압 위치는 유량계 매니폴드를 포함하는, 공정 유체의 진증기압을 결정하기 위한 시스템(300). - 제8 항에 있어서,
상기 저압 위치는 차압 엘리먼트를 포함하는, 공정 유체의 진증기압을 결정하기 위한 시스템(300). - 제8 항에 있어서,
상기 계측기 전자장치(20)는,
상기 RVP(Reid Vapor Pressure)가 측정되는 시점에 증기:액체 비를 측정하고; 그리고
상기 RVP(Reid Vapor Pressure)가 측정되는 시점에 상기 RVP(Reid Vapor Pressure)와 상기 증기:액체 비를 연관시키도록 구성되는, 공정 유체의 진증기압을 결정하기 위한 시스템(300). - 제8 항에 있어서,
상기 계측기(5)는,
하나 이상의 도관들(103, 103');
상기 하나 이상의 도관들(103, 103')에 부착되고 상기 하나 이상의 도관들(103, 103')에 진동 신호를 생성하도록 구성된 적어도 하나의 드라이버(104); 및
상기 하나 이상의 도관들(103, 103')에 부착되고 상기 하나 이상의 도관들(103, 103')로부터 진동 신호를 수신하도록 구성된 적어도 하나의 픽오프(pickoff)(105, 105')를 포함하는, 공정 유체의 진증기압을 결정하기 위한 시스템(300).
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