KR20230017168A - 유동 파라미터들의 광학적 측정 - Google Patents
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Abstract
유체 유동 측정 방법은, 유체가 유동하는 파이프 내로 광빔을 방출하는 단계 - 광빔은 파이프 내에서 유동하는 유체를 조명함 -; 광 검출기 어레이를 이용하여, 유체에 존재하는 입자들에 의한 빔의 산란에 의해 야기되는 광을 검출하는 단계 - 광빔은 광 검출기 어레이의 시야 밖에 있음 -; 광 검출기 어레이의 시야를 레이어들로 구획하는 단계; 및 레이어들 각각에서의 광 검출기 어레이로부터 전송되는 신호들의 함수로서 레이어들 각각에서의 순간 유동 속도를 결정하는 단계; 를 포함한다.
Description
본 발명은 일반적으로 유체 유동 측정에 관한 것으로, 특히 광학적 유체 유동 측정 어셈블리 및 방법에 관한 것이다.
PCT 특허 출원(PCT/IB 2020/050557)은 파이프의 윈도우(window)를 통해 유동을 조명하는 광 시트(light sheet) 형태의 빔 또는 좁은 연필 모양의 빔을 방출하는 발광 다이오드(LED)와 같은 파이프 외부에 배치된 단일 연속파(continuous wave) 광원, 및 방출되는 빔이 검출기 어레이에 충돌하지 않는 방식으로 파이프 외부에 유동의 축을 따라 배치된 2차원 CCD 어레이와 같은 복수의 광 검출기들을 포함하는 광학 장치를 개시한다. 광빔과 CCD 어레이의 시야(field of view)의 교차점은 장치의 측정 체적(measurement volume)을 결정한다. 측정 체적에서 빔을 통과하는 작은 입자들에 의해 산란된 광은 수집 렌즈에 의해 수집되며, 수집 렌즈는 수집되는 광에 의해 생성되는 신호를 연속적인 방식으로 기록하는 광 검출기들 상에 수집되는 광을 집중시킨다. 유동의 속도는 기록된 시간 변화 신호를 교차 상관(cross-correlation) 방법 또는 비행 시간(time-of-flight) 방법과 같은 수학적 방법 또는 기계 학습 알고리즘으로 분석함으로써 결정된다.
본 발명은 층류(laminar flow), 난류(turbulent flow) 및 중간류(intermediate flow) 체제(regime)에 대해 파이프 내에서 유동하는 액체 및 가스의 국부 속도 프로파일(local velocity profile)의 인-라인(in-line) 측정치를 제공하기 위한 간단하고, 강력하며, 비-침습적인 광학적 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 양상에서, 층류, 난류 및 중간류 체제에 대해 파이프를 통해 유동하는 액체의 체적 및 질량 유량의 정확한 인-라인 측정을 위한 광학적 방법이 제공된다.
본 발명의 일 양상에서, 층류 또는 난류 또는 중간류 체제에서 파이프를 통해 유동하는 2-상(two-phase) 또는 다중-상(multi-phase) 액체 및 가스의 성분들의 국부 속도 프로파일들의 인-라인 측정을 위한 광학적 방법이 제공된다.
본 발명의 일 양상에서, 층류, 난류 또는 중간류 체제에서 파이프를 통해 유동하는 다중-상 액체의 각각의 성분의 체적 및 질량 유량을 개별적으로 측정하는 광학적 인-라인 방법이 제공된다.
본 발명의 일 양상은, 층류, 난류 및 중간류 체제에서 파이프를 통해 유동하는 다중-상 액체의 각각의 성분에 대해 속도 프로파일, 질량 유량 및 체적 유량을 제공할 수 있는 광학적, 비-침습적 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 양상에서, 광학 시스템은 파이프 내에서 유동하는 액체 또는 가스의 속도 프로파일의 시각적 맵(visual map)을 인-라인으로 제공하고, 또한 파이프 내에 유동하는 다중-상 액체의 성분들의 속도 프로파일의 시각적 맵을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 유체가 유동하는 파이프 내로 광빔을 방출하는 단계 - 광빔은 파이프 내에서 유동하는 유체를 조명함 -; 광 검출기 어레이를 이용하여, 유체에 존재하는 입자들에 의한 빔의 산란에 의해 야기되는 광을 검출하는 단계 - 광빔은 광 검출기 어레이의 시야(field of view) 밖에 있음 -; 광 검출기 어레이의 시야를 레이어들로 구획(dividing)하는 단계; 및 레이어들 각각에서의 광 검출기 어레이로부터 전송되는 신호들의 함수로서 레이어들 각각에서의 순간 유동 속도(instantaneous flow velocity)를 결정하는 단계; 를 포함하는 유체 유동(fluid flow) 측정 방법이 제공된다.
본 발명은 도면과 함께 취해진 다음의 상세한 설명으로부터 더 완전하게 이해되고 인식될 것이다.
도 1은 본 발명의 비-제한적인 실시 예에 따른 광학적 유체 유동 속도 측정 시스템을 간략히 도시한 것이다.
도 1은 본 발명의 비-제한적인 실시 예에 따른 광학적 유체 유동 속도 측정 시스템을 간략히 도시한 것이다.
이제 본 발명의 비-제한적인 실시 예에 따른 광학적 유체 유동 속도 측정 시스템(10)을 도시하는 도 1이 참조된다.
본 시스템 및 방법은 짧은 시간 간격 동안 파이프 섹션을 통해 유동하는 유체의 질량 유량(mass flowrate) 및 체적 유량(volume flowrate)과 함께 순간 및 평균 속도 프로파일을 측정한다. 이는 유량의 공간적 또는 시간적 이질성에 관계없이 높은 측정 정확도를 제공한다.
도 1에서, 광원(light source; 11)은 단색 광 시트(monochromatic light sheet; 12)를 방출하는데, 단색 광 시트는 파이프 섹션(pipe section; 14)에 걸쳐, 바람직하게는 액체가 유동하는 파이프의 중심에 (파이프의 일부일 수 있는 제 1 윈도우를 통해) 투영된다. (파이프의 일부일 수 있는 제 2 윈도우에) 광 전파 방향에 수직으로 배치된, 예를 들어 디지털 카메라(digital camera; 16)(부분적으로 파선으로 표시됨)와 같은, 광 검출기 어레이는 유동하는 액체 내의 미립자들로부터 산란된 신호를 기록함으로써 조명된 유동을 기록한다. 카메라의 초점 평면 시야(focal plane field of view)의 투영(projection)의 수직 치수는 내부 파이프 직경의 상당 부분을 차지한다.
카메라의 시야는 수직 축을 따라 수평 레이어들로 사실상(virtually) 구획되며, 수평 레이어들의 폭은 결과적인 원통형 레이어들 내의 액체의 체적이 동일할 수 있도록(이는 본 발명에 필수적이지 않으며 동일하지 않을 수 있음) 선택된다. 구획 방식은 폭(rl, r2 및 r3)을 갖는 3개의 레이어들의 예로서 도 1에 도시되었다. 각각의 레이어에서의 순간 유동 속도는 비행 시간(time-of-flight) 방법, 상관(correlation) 방법 또는 기계 학습 알고리즘으로 인접한 프레임들을 분석함으로써 결정된다. 각각의 레이어에서의 순간 유체 전달 속도 벡터들의 측정 값들은 유동의 성질에 따라 상이할 수 있다. 이는 일반적으로 벽(wall) 근처에서는 더 낮은 값(도면에서 
로 표시됨)을 갖는 반면, 파이프 축에서는 가장 큰 값(도면에서 v1로 표시됨)을 갖고, 그 사이의 레이어들에서는 중간 값(도면에서 v2로 표시됨)을 갖는다. 시야 내의 레이어들의 체적은 각각 V3, V1 및 V2로 나타난다.
본 발명은 수평 레이어들에 국한되지 않으며, 레이어들은 예를 들어 극좌표계 또는 구면좌표계와 같은 다른 좌표계들 및 다른 방식들로 정의될 수 있다.
각각의 레이어에서의 순간 속도 값들은 유동의 국부 속도 분포(local velocities distribution)를 매핑하는 데 이용될 수 있다. 또한, 속도 분포 맵에서의 변화를 측정함으로써 시간에 따른 유체 점도의 변화를 도출할 수 있다.
순간 속도 측정을 위한 시간 간격은 카메라의 프레임 속도 및 측정에 필요한 인접 프레임들의 수에 의해 결정되며, 대략 수십 밀리 초 이하이다. 이후, 각각의 레이어에 대해 측정된 순간 값들은, 일반적으로 수백 밀리 초에서 수 분까지 변하는 파이프 유입구에서의 압력의 시간적 거동(temporal behavior) 및 유동 체제(flow regime)의 가변성(variability)을 반영하는 시간 간격(T)에 걸쳐 평균화된다. 이후, 각각의 레이어에 대해 얻어진 평균 속도 값들(
)은 선택된 시간 구간(T) 동안의 총 질량(M) 유동을 결정하는 데 이용된다. 이는 레이어(i)를 통해 시간(T) 동안 전달된 질량(mi)을 다음의 식으로 결정함으로써 이루어진다.
여기서, ρ는 유체 밀도를 나타내고, Si는 i 번째 레이어의 면적을 나타낸다.
모든 레이어들의 질량을 합산하여, 시간 간격(T) 동안 전달된 총 질량을 얻는다. 순간 및 평균 속도 값들은 각각 순간 및 평균 속도 프로파일들을 나타내며, 유동의 체제를 나타낸다는 점에 유의한다. 따라서, 이 방법은 특정 유동 체제에 국한되지 않으며, 층류, 난류 또는 중간류 체제의 유동에 적용될 수 있다.
또한, 각각의 레이어에서의 평균 속도의 정확도는 동일한 레이어에서 측정된 순간 속도의 정확도와 거의 동일하며, 이는 매우 높은 값들에 도달할 수 있다는 점에 유의한다. 가상 레이어들의 수가 많을수록 전달된 질량의 더 정확한 값이 얻어지며, 총 질량에 대응되는 평균 유동 속도(V; V= M/ρST, 여기서 S는 파이프 횡단면)의 정확도는 단일 레이어에서의 순간 유동 속도의 측정 허용 오차에 근접하게 될 것이다.
이 방법은 다중-상 유동에도 확장될 수 있는데, 이는 각각의 상(phase)의 광학적 특성이 일반적으로 상당히 상이하기 때문이다. 유동들 간의 굴절률의 변화 및 산란 세기들의 변화는 적절한 이미지 분석 알고리즘에 의해 편리하게 태그(tag)될 수 있으며, 이 방법은 각각의 상에 대해 개별적으로 적용될 수 있다.
Claims (8)
- 유체 유동 측정 방법으로서,
유체가 유동하는 파이프 내로 광빔을 방출하는 단계 - 상기 광빔은 상기 파이프 내에서 유동하는 유체를 조명함 -;
광 검출기 어레이를 이용하여, 상기 유체에 존재하는 입자들에 의한 상기 빔의 산란에 의해 야기되는 광을 검출하는 단계 - 상기 광빔은 상기 광 검출기 어레이의 시야 밖에 있음 -;
상기 광 검출기 어레이의 시야를 레이어들로 구획하는 단계; 및
상기 레이어들 각각에서의 상기 광 검출기 어레이로부터 전송되는 신호들의 함수로서 상기 레이어들 각각에서의 순간 유동 속도를 결정하는 단계;
를 포함하는, 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 레이어들의 상기 순간 속도들을 이용하여, 상기 파이프 내에서 유동하는 유체의 국부 속도들의 분포를 맵(map)으로 생성하는 단계;
를 포함하는, 방법.
- 제 2 항에 있어서,
시간 경과에 따른 상기 맵에서의 변화를 측정하여, 시간 경과에 따른 유체의 점도의 변화를 도출하는 단계;
를 포함하는, 방법.
- 제 1 항에 있어서,
순간 속도 측정치들 각각을 위한 시간 간격은, 상기 광 검출기 어레이의 프레임 속도 및 상기 순간 속도 측정에 필요한 인접 프레임들의 수에 의해 결정되는,
방법.
- 제 4 항에 있어서,
상기 파이프의 유입구에서의 압력의 시간적 거동 및 유동 체제의 가변성을 결정하기 위해, 시간 간격에 걸쳐 상기 레이어들 각각에 대해 상기 순간 속도 측정치들을 평균화하는 단계;
를 포함하는, 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 레이어들 각각에서의 상기 순간 유동 속도 및 상기 유체의 밀도를 고려하여, 상기 레이어들 각각에서의 질량 유량을 계산하는 단계;
를 포함하는, 방법.
- 제 6 항에 있어서,
상기 질량 유량들을 합산하여 총 질량 유량을 결정하는 단계;
를 포함하는, 방법.
- 제 6 항에 있어서,
상기 질량 유량들을 이용하여 평균 질량 유량을 결정하는 단계;
를 포함하는 방법.
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