KR20240024269A - 코리올리스 유량계 비 이상적인 유체 측정 및 관련 방법들 - Google Patents
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Abstract
유량계(5)를 작동하기 위한 방법 및 장치가 제공된다. 공정 유체는 유량계(5)에 배치된다. 유체의 온도가 측정된다. 유체의 밀도가 측정된다. 유체의 음속(VoS)이 계산된다. 질량 유량 오차가 계산되고, 유체의 보정된 질량 유량이 계산된다.
Description
본 발명은 유량계 디바이스들 및 방법들, 더욱 상세하게는 종래의 수단으로는 측정하기 어려운 에틸렌, 이산화탄소, 에탄, 기타 유체들, 및 유체 혼합물들을 측정하기 위한 유량계 디바이스들 및 방법들에 관한 것이다.
코리올리스(Coriolis) 질량 유량계들 및 진동 농도계들과 같은 진동 도관 센서들은 일반적으로 흐르는 물질이 포함된 진동 도관의 모션(motion)을 검출함으로써 작동한다. 질량 유동, 밀도 등과 같이 도관 내의 물질과 연관된 특성들은 도관과 연관된 모션 변환기들로부터 수신된 측정 신호들을 처리함으로써 결정될 수 있다. 진동 물질로 채워진 시스템의 진동 모드(mode)들은 일반적으로 물질 함유 도관 및 그 내에 포함된 물질의 조합된 질량, 강성 및 감쇠 특성들에 의해 영향을 받는다.
일반적인 코리올리스 질량 유량계는 파이프라인(pipeline)이나 기타 이송 시스템에 인라인(inline)으로 연결되어 시스템에서 유체들, 슬러리(slurry)들, 에멀젼(emulsion)들 등과 같은 물질을 전달하는 하나 이상의 도관들('흐름관들'이라고도 함)을 포함한다. 각각의 도관은, 예를 들어 단순 굽힘, 비틀림, 방사형 및 결합 모드들의 세트를 포함하는 일련의 자연 진동 모드들을 갖는 것으로 볼 수 있다. 일반적인 코리올리스 질량 유동 측정 응용 분야에서, 도관은 물질이 도관을 통해 흐를 때 하나 이상의 진동 모드들로 여기되고(excited), 도관의 모션은 도관을 따라 간격을 둔 지점들에서 측정된다. 여기는 일반적으로 도관을 주기적으로 교란시키는 구동기, 예를 들어 보이스(voice) 코일형 액추에이터(actuator)와 같은 전기기계 디바이스에 의해 제공된다. 질량 유량(mass flow rate)은 변환기 로케이션(location)들에서 모션들 사이의 시간 지연 또는 위상 차이들을 측정함으로써 결정될 수 있다. 2개 이상의 이러한 변환기들(또는 픽오프(pickoff) 센서들)은 일반적으로 유동 도관들의 진동 응답을 측정하기 위해 사용되며, 일반적으로 구동기의 상류 및 하류 포지션(position)들에 배치된다. 계측기는 픽오프 센서들로부터 신호들을 수신하고, 신호들 처리하여 질량 유량 측정값을 도출한다.
유량계들은 다양한 유체 흐름들에 대한 질량 유량 측정들을 수행하는 데 사용될 수 있다. 코리올리스 유량계들을 잠재적으로 사용할 수 있는 한 분야는 에틸렌을 포함하는 공정들이 있는 분야이다.
에틸렌은 많은 플라스틱 제조 공정들에서 가장 일반적인 공급 원료이다. 에틸렌을 한 로케이션으로부터 다른 로케이션으로(예를 들어, 제조업체로부터 사용자로) 이송할 때, 임계 상(phase) 조건에서 고압으로 펌핑되는 경우가 자주 있다. 임계 상 에틸렌은 기체 에틸렌보다 밀도가 훨씬 높으므로, 펌핑 비용이 상대적으로 낮다(좋은 비유는 고전압 전력 송전이다). 질량 유동 측정은 에틸렌을 측정할 때 선호되는 단위이다.
불행하게도, 임계 상 에틸렌은 이상 기체로 작용하지 않기 때문에 정확한 측정들을 어렵게 만드는 특성들을 나타낸다. 특히, 밀도와 음속(velocity-of-sound, VoS) 특성들은 온도 및/또는 압력의 비교적 작은 변화들에도 큰 변화들을 나타낸다. 이에 의해, 코리올리스 기반 계량기들을 포함한 모든 기술들에 대한 유량 측정들이 매우 어려워진다.
임계 상 에틸렌은 종종 50 bar 이상의 압력에서 이송된다. 일반적으로, 온도는 주위 온도인 약 20℃ 정도이지만, 파이프라인들이 지하에 있는 경우가 많기 때문에, 온도는 지면 조건들에 따라 달라질 수 있다. 임계 범위에서는, 압력 및/또는 온도 변화들에 따라 밀도가 급격하게 변한다. 예를 들어, 압력이 1 psi 변하면, 2 kg/m3 밀도 변화가 발생한다. 이는 동일한 압력 변화에 대해 밀도가 0.1 kg/m3 미만으로 변하는 이상 기체와 비교된다.
밀도 변화들 외에도, VoS 변화들의 크기도 압력 변화들에 민감하다. 압력이 1 psi 변하면, 5 m/s VoS 변화를 일으키는 반면, 이상 기체는 압력 변화 시 VoS를 전혀 변화시키지 않는다. 이는 코리올리스 질량 유량계에 문제를 일으킬 수 있다. 예시적인 유량계에서, 1 psi의 에틸렌 압력 변화는 5 m/s VoS 변화를 유발할 수 있으며, 이는 결과적으로 측정값에 0.03% 변화를 유발한다. 이는 100 psi의 일반적인 파이프라인 압력 변화에 대해 예시적인 유량계가 허용할 수 없는, 3%의 오차를 나타내는 것을 의미한다. 본 발명의 사양은 0.35%이고, 일반적인 측정 요건은 0.5%보다 좋다. 따라서 에틸렌이 임계 상 영역에서 작동되면, 큰 유량 오차들이 발생할 수 있다는 것이 분명해진다.
코리올리스 유량계 및 코리올리스 유량계를 작동하기 위한 방법이 제공되며, 여기서 밀도 측정은 소리 보정 속도를 제공한다. 이에 의해, 광범위한 에틸렌 작동 조건들에서 보다 정확한 유동 측정이 가능해진다.
일 실시예에 따라 유량계를 작동하는 방법이 제공된다. 이 방법은 유량계를 통해 유체를 흐르게 하는 단계, 유체의 보정되지 않은 질량 유량, 온도, 및 유체 밀도를 측정하는 단계를 포함한다. 유체의 음속(VoS)이 계산 된다. 질량 유량 오차가 계산된다. 유체의 보정된 질량 유량이 계산된다.
공정 유체를 수용하도록 구성된 유량계용 계량 전자장치들은 일 실시예에 따라 제공된다. 계량 전자장치는 유량계의 유량계 조립체와 통신하고 진동 응답을 수신하도록 구성된 인터페이스(interface)를 포함한다. 처리 시스템은, 유량계 내 공정 유체의 온도를 측정하고, 유량계 내 공정 유체의 밀도를 측정하고, 유량계 내 공정 유체의 음속을 계산하고, 질량 유량 오차를 계산하고, 그리고 유량계 내 공정 유체의 보정된 질량 유량을 계산하도록 구성되는 질량 유동 보정 루틴(routine)을 포함하는 인터페이스에 연결된다.
발명의 양태들
일 양태에 따르면, 유량계를 통해 유체를 흐르게 하는 단계; 및 유체의 보정되지 않은 질량 유량, 온도, 및 밀도를 측정하는 단계를 포함하는, 유량계를 작동하기 위한 방법이 제공된다. 유체의 음속(VoS)이 계산 된다. 질량 유량 오차가 계산된다. 유체의 보정된 질량 유량이 계산된다.
바람직하게는, 유체는 비 이상적인(non-ideal) 유체를 포함한다.
바람직하게는, 유체는 에틸렌으로 구성된다.
바람직하게는, 유체는 에틸렌을 포함한다.
바람직하게는 유체는 에탄으로 구성된다.
바람직하게는, 유체는 에탄을 포함한다.
바람직하게는, 유체는 이산화탄소로 구성된다.
바람직하게는, 유체는 이산화탄소를 포함한다.
바람직하게는, 유체는 프레온, 육불화황 및 육불화우라늄 중 하나를 포함한다.
바람직하게는, 유량계는 코리올리스 질량 유량계를 포함한다.
바람직하게는, 유량계는 유체의 온도를 계산한다.
바람직하게는, 유량계는 유체의 밀도를 계산한다.
바람직하게는, 유체의 VoS를 계산하는 단계는 온도 및 밀도를 이용하는 것을 포함한다.
바람직하게는, 유체의 VoS를 계산하는 것은 VoS 표를 사용하여 온도 및 밀도를 상호 참조하고 내삽하는 것을 포함한다.
바람직하게는, VoS 표는 외삽된 VoS 값들을 포함한다.
바람직하게는, 질량 유량 오차 계산은 다음 식에 따라 계산된다:
질량 유량 오차 =
상기 식에서,
C는 계량 상수(예를 들어, 1/2)이고;
f는 계량 동작 주파수, hz이고;
d는 계량 관의 직경, m이고; 그리고
a는 유체의 음속(VoS 라고도 함), m/s이다.
바람직하게는, 보정된 질량 유량은 질량 유동을 이용하여 계산된다.
바람직하게는, 보정된 질량 유량은 다음과 같이 계산된다:
보정된 질량 유동 = (측정된 질량 유동)/()
일 양태에 따르면, 공정 유체를 수용하도록 구성된 유량계용 계량 전자장치가 제공된다. 계량 전자장치는 유량계의 유량계 조립체와 통신하고, 진동 응답을 수신하도록 구성된 인터페이스를 포함한다. 처리 시스템은, 유량계 내 공정 유체의 온도를 측정하고, 유량계 내 공정 유체의 밀도를 측정하고, 유량계 내 공정 유체의 음속을 계산하고, 질량 유량 오차를 계산하고, 그리고 유량계 내 공정 유체의 보정된 질량 유량을 계산하도록 구성되는 질량 유동 보정 루틴을 포함하는 인터페이스에 연결된다.
바람직하게는, 유체는 비 이상적인 유체를 포함한다.
바람직하게는, 유체는 에틸렌으로 구성된다.
바람직하게는, 유체는 에틸렌을 포함한다.
바람직하게는, 유체는 에탄으로 구성된다.
바람직하게는, 유체는 에탄을 포함한다.
바람직하게는, 유체는 이산화탄소로 구성된다.
바람직하게는, 유체는 이산화탄소를 포함한다.
바람직하게는, 유체는 프레온, 육불화황 및 육불화우라늄 중 하나를 포함한다.
바람직하게는, 유량계는 코리올리스 질량 유량계를 포함한다.
바람직하게는, 유량계는 유체의 온도를 계산한다.
바람직하게는, 유량계는 유체의 밀도를 계산한다.
바람직하게는, 유체의 VoS를 계산하는 단계는 온도 및 밀도를 이용하는 것을 포함한다.
바람직하게는, 유체의 VoS를 계산하는 단계는 VoS 표를 사용하여 온도 및 밀도를 상호 참조하고 내삽하는 것을 포함한다.
바람직하게는, VoS 표는 외삽된 VoS 값들을 포함한다.
바람직하게는, 질량 유량 오차는 다음 식에 따라 계산된다:
질량 유량 오차 =
상기 식에서,
C는 계량 상수(예를 들어, 1/2)이고;
f는 계량 동작 주파수, hz이고;
d는 계량 관의 직경, m이고; 그리고
a는 유체의 음속(VoS 라고도 함), m/s이다.
바람직하게는, 보정된 질량 유량은 질량 유량을 이용하여 계산된다.
바람직하게는, 보정된 질량 유량은 다음과 같이 계산된다:
보정된 질량 유동 = (측정된 질량 유량)/()
도 1은 센서 조립체와 계량 전자장치를 포함하는 유량계를 도시한다.
도 2는 일 실시예에 따른 계량 전자장치의 블록도를 도시한다.
도 3은 에틸렌 VoS 대 압력을 예시하는 그래프이다.
도 4는 에틸렌 VoS 대 밀도를 예시하는 그래프이다.
도 5a는 밀도 및 온도에 기초한, 에틸렌 VoS를 나타내는 표이다.
도 5b는 밀도와 온도에 기초한 에틸렌 VoS를 나타내는 표로서, 표의 일부 값들은 외삽되어 있다.
도 6은 질량 유동 보정 방법을 예시하는 흐름도이다.
도 7은 밀도와 온도에 기초한, 에탄 VoS를 나타내는 표이다.
도 8은 밀도와 온도에 기초한, 이산화탄소 VoS를 나타내는 표이다.
도 2는 일 실시예에 따른 계량 전자장치의 블록도를 도시한다.
도 3은 에틸렌 VoS 대 압력을 예시하는 그래프이다.
도 4는 에틸렌 VoS 대 밀도를 예시하는 그래프이다.
도 5a는 밀도 및 온도에 기초한, 에틸렌 VoS를 나타내는 표이다.
도 5b는 밀도와 온도에 기초한 에틸렌 VoS를 나타내는 표로서, 표의 일부 값들은 외삽되어 있다.
도 6은 질량 유동 보정 방법을 예시하는 흐름도이다.
도 7은 밀도와 온도에 기초한, 에탄 VoS를 나타내는 표이다.
도 8은 밀도와 온도에 기초한, 이산화탄소 VoS를 나타내는 표이다.
도 1 내지 8 및 다음 설명은 당업자들에게 본 발명의 최상의 모드를 만들고 사용하는 방법을 교시하기 위한 특정 실시예들을 묘사한다. 본 발명의 원리들을 교시할 목적으로, 일부 기존의 양태들은 단순화되거나 생략된다. 당업자들은 본 발명의 범위 내에 속하는 이 실시예들로부터의 변형들을 이해할 것이다. 당업자들은 아래 설명된 특징들이 본 발명의 다수의 변형들을 형성하기 위해 다양한 방식들로 조합될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 결과적으로, 본 발명은 아래에 설명된 특정 실시예들에 국한되지 않고 청구항들과 그 등가물들에 의해서만 제한된다.
도 1은 일 실시예에 따른 유량계(5)를 도시한다. 유량계(5)는 센서 조립체(10)와 계량 전자장치(20)를 포함한다. 계량 전자장치(20)는 리드(lead)(100)를 통해 센서 조립체(10)에 연결되고, 밀도, 질량 유량, 체적 유량, 총 질량 유량, 또는 온도 중 하나 이상의 측정값들, 또는 통신 경로(26)를 통한 기타 측정값들 또는 정보를 제공하도록 구성된다. 유량계(5)는 코리올리스 질량 유량계 또는 다른 진동 유량계를 포함할 수 있다. 유량계(5)는 구동기들의 수, 픽오프 센서들, 유동 도관들, 또는 진동의 작동 모드에 관계없이, 임의의 방식의 유량계(5)를 포함할 수 있다는 것이 당업자들에게 명백해야 한다.
센서 조립체(10)는 한 쌍의 플랜지들(101, 101'), 매니폴드(manifold)들(102, 102'), 구동기(104), 픽오프 센서들(105, 105'), 유동 도관들(103A, 103B)을 포함한다. 구동기(104)와 픽오프 센서들(105, 105')은 유동 도관들(103A, 103B)에 연결된다.
플랜지들(101, 101')은 매니폴드들(102, 102')에 부착된다. 매니폴드들(102, 102')은 일부 실시예들에서 스페이서(spacer)(106)의 반대편 단부들에 부착될 수 있다. 스페이서(106)는 매니폴드들(102, 102') 사이의 간격을 유지한다. 센서 조립체(10)가 측정되는 공정 유체를 이송하는 파이프라인(도시되지 않음)에 삽입되면, 공정 유체는 플랜지(101)를 통해 센서 조립체(10)로 들어가고, 공정 유체의 전체 양이 유동 도관들(103A, 103B)로 들어가도록 유도되는 입구 매니폴드(102)를 통과하고, 유동 도관들(103A, 103B)을 통해 흐른 후, 출구 매니폴드(102')로 다시 흘러 들어가 플랜지(101')를 통해 센서 조립체(10)로부터 배출된다.
공정 유체는 액체를 포함할 수 있다. 공정 유체는 가스를 포함할 수 있다. 공정 유체는, 예를 들어 비 제한적으로, 동반 가스들 및/또는 동반 고체들을 포함하는 액체와 같은 다중 상 유체를 포함할 수 있다. 유동 도관들(103A, 103B)은, 실질적으로 동일한 질량 분포, 관성 모멘트들, 및 굽힘 축들(W-W 및 W'-W) 주위의 탄성률들을 각각 갖도록 선택되고, 입구 매니폴드(102) 및 출구 매니폴드(102')에 적절하게 장착된다. 유동 도관들(103A, 103B)은 본질적으로 평행한 방식으로 매니폴드들(102, 102')로부터 외측으로 연장된다.
유동 도관들(103A, 103B)은 구동기(104)에 의해 개개의 굽힘 축들(W, W')을 중심으로 반대 방향들로, 그리고 유량계(5)의 제1 상 외 굽힘 모드로 불리는 방식으로 구동된다. 구동기(104)는 유동 도관(103A)에 장착된 자석 및 유동 도관(103B)에 장착된 반대 코일과 같은 많은 공지의 구성(arrangement)들 중 하나를 포함할 수 있다. 교류 전류가 반대 코일을 통과하여 두 도관들이 모두 진동하게 한다. 적절한 구동 신호는 계량 전자장치(20)에 의해 리드(110)를 통해 구동기(104)에 인가된다. 다른 구동 장치들이 고려되며, 발명의 설명 및 청구항들의 범위 내에 있다.
계량 전자장치(20)는 리드들(111, 111') 각각에서 센서 신호들을 수신한다. 계량 전자장치(20)는 구동기(104)가 유동 도관들(103A, 103B)을 진동시키게 하기 위해 리드(110)에 구동 신호를 생성한다. 다른 센서 장치들도 고려되며, 발명의 설명과 청구항들의 범위 내에 있다.
계량 전자장치(20)는 그 중에서도 유량을 계산하기 위해 픽오프 센서들(105, 105')로부터의 좌측 및 우측 속도 신호들을 처리한다. 통신 경로(26)는 계량 전자장치(20)가 조작자 또는 다른 전자 시스템들과 인터페이스할 수 있게 하는 입력 및 출력 수단을 제공한다. 도 1의 설명은 단지 유량계 작동의 실시예로서 제공되며, 본 발명의 교시를 제한하려는 의도는 아니다. 실시예들에서, 하나 이상의 구동기들과 픽오프들을 갖는 단일 튜브 및 다중 튜브 유량계들이 고려되고 있다.
일 실시예에서 계량 전자장치(20)는 유동 도관들(103A, 103B)을 진동시키도록 구성된다. 진동은 구동기(104)에 의해 수행된다. 계량 전자장치(20)는 픽오프 센서들(105, 105')로부터 결과적인 진동 신호들을 추가로 수신한다. 진동 신호들은 유동 도관들(103A, 103B)의 진동 응답을 포함한다. 계량 전자장치(20)는 진동 응답을 처리하고, 응답 주파수 및/또는 위상 차를 결정한다. 계량 전자장치(20)는 진동 응답을 처리하고, 공정 유체의 질량 유량 및/또는 밀도를 포함하는 하나 이상의 유동 측정값들을 결정한다. 다른 진동 응답 특성들 및/또는 유동 측정값들이 고려되며, 이들은 발명의 설명 및 청구항들의 범위 내에 있다.
일 실시예에서, 유동 도관들(103A, 103B)은, 도시된 바와 같이, 실질적으로 오메가 형상의 유동 도관들을 포함한다. 대안적으로, 다른 실시예들에서, 유량계는 실질적으로 직선형 유동 도관들, U-자형 도관들, 델타형 도관들 등을 포함할 수 있다. 추가적인 유량계 형상들 및/또는 구성들이 사용될 수 있으며, 이들은 발명의 설명 및 청구항들의 범위 내에 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 유량계(5)의 계량 전자장치(20)의 블록도이다. 작동 시, 유량계(5)는 질량 유량, 체적 유량, 개별 유량 구성요소 질량 및 체적 유량, 부피와 질량 유량 모두를 포함하는 총 유량의 측정값 또는 평균값 중 하나 이상을 포함하여 출력될 수 있는 다양한 측정값들을 제공한다.
유량계(5)는 진동 응답을 생성한다. 진동 응답은 계량 전자장치(20)에 의해 수신 및 처리되어, 하나 이상의 유체 측정값들을 생성한다. 값들은 모니터링, 기록, 저장, 합산 및/또는 출력될 수 있다.
계량 전자장치(20)는 인터페이스(201), 인터페이스(201)와 통신하는 처리 시스템(203), 및 처리 시스템(203)과 통신하는 저장 시스템(204)을 포함한다. 이 구성요소들이 별개의 블록들로서 도시되어 있지만, 계량 전자장치(20)는 통합 및/또는 개별 구성요소들의 다양한 조합들로 구성될 수 있음을 이해해야 한다.
인터페이스(201)는 유량계(5)의 센서 조립체(10)와 통신하도록 구성된다. 인터페이스(201)는 리드들(100)(도 1 참조)에 결합하고, 예를 들어 구동기(104), 픽오프 센서들(105, 105'), 및 온도 센서들(도시되지 않음)과 신호들을 교환하도록 구성될 수 있다. 인터페이스(201)는 통신 경로(26)를 통해, 이를테면 외부 장치들과 통신하도록 추가로 구성될 수 있다.
처리 시스템(203)은 임의의 방식의 처리 시스템을 포함할 수 있다. 처리 시스템(203)은 유량계(5)를 작동하기 위해 저장된 루틴들을 검색하고 실행하도록 구성된다. 저장 시스템(204)은 유량계 루틴(205), 질량 가중 밀도/점도 루틴(209), 질량 가중 온도 루틴(211), 음속 루틴(213), 및 질량 유동 보정 루틴(215)을 포함하는 루틴들을 저장할 수 있다. 다른 측정/처리 루틴들이 고려되며, 발명의 설명 및 청구항들의 범위 내에 있다. 저장 시스템(204)은 측정값들, 수신된 값들, 작업 값들, 및 기타 정보를 저장할 수 있다. 일부 실시예들에서, 저장 시스템은 질량 유동()(221), 밀도(ρ)(225), 점도(μ)(223), 온도(T)(224), 구동 게인(gain)(306), 구동 게인 임계값(303), 음속(244), 압력(248), 및 기술 분야에 알려진 다른 임의의 변수들을 저장한다.
유량계 루틴(205)은 유체 정량화들 및 유동 측정값들을 생성하고 저장할 수 있다. 이러한 값들은 실질적으로 순간적인 측정값들을 포함할 수 있거나 총계 또는 누적값들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 유량계 루틴(205)은 질량 유동 측정값들을 생성하고, 이들을 예를 들어 저장 시스템(204)의 질량 유동(221) 저장소에 저장할 수 있다. 유량계 루틴(205)은, 예를 들어 밀도(225) 측정값들을 생성하고, 이들을 밀도(225) 저장소에 저장할 수 있다. 질량 유동(221) 및 밀도(225) 값들은 이전에 설명되고 본 기술분야에 공지된 바와 같이 진동 응답으로부터 결정된다. 질량 유동 및 기타 측정값들은 실질적으로 순간 값을 포함할 수 있고, 샘플을 포함할 수 있으며, 시간 간격에 걸쳐 평균값을 포함할 수 있거나, 시간 간격에 걸쳐 누적된 값을 포함할 수 있다. 시간 간격은 특정 유체 조건들, 예를 들어 액체 전용 유체 상태, 또는 대안적으로 액체들 및 동반 가스를 포함하는 유체 상태가 검출되는 시간 블록에 대응하도록 선택될 수 있다. 또한, 기타 질량 유동 및 관련 정량화들이 고려되며, 이들은 발명의 설명 및 청구항들의 범위 내에 있다.
위에서 언급한 바와 같이, 에틸렌은, 특히 임계 압력 및/또는 온도에 가깝게 작동할 때, 작동 조건들의 작은 차이들에 따라 밀도와 VoS가 크게 변하기 때문에, 측정하기 어려운 유체이다. 일 실시예에서, 질량 유동 보정 루틴(215)은 에틸렌에 대한 상태 방정식을 이용하여 정확한 유량계 측정들을 용이하게 하는 보정 수단을 제공한다. 이 실시예에는 에틸렌의 온도 및 압력이 필요하며, 본 명세서에 개시된 방법론은 유량 보정을 제공한다.
도 3을 참조하면, 에틸렌의 VoS 대 압력 거동이 매우 비선형적이고 특성화하기 어렵다는 것이 분명해질 것이다.
일 실시예에서, 다양한 온도들에서의 VoS와 밀도 사이의 관계는 유량 보정을 제공하기 위해 활용된다. 도 4를 참조하면, 다양한 온도들에서 VoS와 밀도 사이의 관계가 예시되어 있다. 이 관계는 작동 조건들(약 15 내지 50℃ 및 약 1 내지 150 bar)의 90% 이상에서 상당히 예측 가능하다는 것이 분명할 것이다. 그러한 관계들은 쉽게 곡선 맞춤이 될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 도 3에 도시된 데이터와 달리, 모델링(또는 곡선 피팅(fitting))을 훨씬 쉽게 만드는 중요한 구배들이 없다. 또한, 밀도와 온도를 독립 변수들로 사용하기 때문에, 추가 장비 및 외부 압력 측정이 필요하지 않게 된다.
유체 특성들을 계산하기 위해 NIST "Refprop" 데이터베이스로부터 데이터를 취하였다. 이는 도 5a의 표에 예시되어 있다. 일 실시예에서, 유체 특성들을 계산하기 위한 표는, 도 5b에 도시된 바와 같이, 표 내에 외삽된 값들을 가질 수 있다.
일 실시예에서, 질량 유동에 대한 보정은 하기 방정식들(1) 및 (2)에 기초하고, 계량 전자장치(20)의 질량 유동 보정 루틴(215)에 의해 수행된다:
질량 유동 오차 =
(1)
상기 식에서,
C는 계량 상수(예를 들어, 1/2)이고;
f는 계량 동작 주파수, hz이고;
d는 계량 관의 직경, m이고; 그리고
a는 유체의 음속(VoS 라고도 함), m/s이다.
일 실시예에서, 질량 유동 오차는 측정된 질량 유동을 보정하는 데 사용될 수 있다:
보정된 질량 유동 = (측정된 질량 유동)/()
(2)
도 6은 에틸렌이 포함된 코리올리스 질량 유량계를 사용하여 질량 유동 오차를 보정하는 방법을 예시한다. 단계 600에서, 에틸렌의 밀도는 유량계에 의해 측정된다. 에틸렌의 온도도 측정된다. 일 실시예에서, 동작 주파수도 측정될 수 있다.
단계 602에서, 측정된 온도 및 밀도를 이용하여 VoS를 계산한다. 실시예에서, VoS는 도 5에 도시된 표 또는 유사한 표를 사용하여 계산된다. 일 실시예에서, VoS는 도 5에 도시된 표 또는 유사한 표로부터 내삽에 의해 계산된다.
단계 604에서, 질량 유동 오차가 계산된다. 일 실시예에서, 질량 유동 오차는 VoS를 사용하여 계산된다. 일 실시예에서, 질량 유동 오차는 방정식(1)을 사용하여 계산된다.
단계 606에서, 보정된 질량 유동이 계산된다. 일 실시예에서, 보정된 질량 유동은 방정식(2)을 이용하여 계산된다.
오차들은 VoS로 인해 코리올리스 유량계의 질량 유동과 밀도 판독 값들 모두로부터 발생한다. 논리적으로, 밀도 측정을 사용하여 질량 유동 측정값을 보정하는 경우, 이 보정에는 고유한 오차들이 있음이 틀림없다. 그러나 에틸렌의 거동은, 밀도 측정의 오차가 매우 작으며, 일반적인 밀도 측정 오차는 VoS 오차들을 포함하여 ±10 kg/m3이다.
예시적인 실시예에서, 에틸렌의 임계점, 약 60℉ 및 750 psia (15℃ 및 50 bar)에서의 정량 주입에 대해 제한 없이 이해를 돕기 위해 제공되었다. 이러한 조건들에서 에틸렌의 밀도는 110 kg/m3이다. 도 4의 그래프와 도 5a 및 5b의 표들에서, VoS는 15℃의 온도에서 75 내지 125 kg/m3의 밀도 범위에 걸쳐 259 내지 233 m/s로부터 변한다는 점에 유의해야 한다. 극단적인 예로, 밀도 측정의 오차가 50 kg/m3라고 가정하면, 결과적인 VOS 계산 오차 26 m/s는 질량 유동 보정 오차가 0.5%에 불과하다. 보다 현실적으로, 비록 일반적으로 예상되는 것보다 여전히 다소 크지만, 10 kg/m3의 밀도 오차는 실제 유체 밀도의 작은 차이와 관련하여 실현되는 질량 유동에 대한 VoS 오차 효과의 작은 변화를 고려하면, 미미한 질량 유동 보정 오차를 초래한다.
예시적인 실시예에서, VoS가 크게 변하는 조건들에서 계량하는 시나리오가 제한 없이 이해를 위해 제공된다. 이는 밀도가 350 kg/m3 범위에 있는 시나리오에서 발생할 수 있다. 여기서, 계량에 대한 VoS 효과는 0.5% 내지 0.4% 사이로 매우 적다. 다시 말하지만, 10 kg/m3 밀도 오차는 중요하지 않으며, 결과적인 질량 유동 오차는 중요하지 않다.
따라서 본 명세서에 개시된 방법들과 연관된 오차들은 신뢰할 수 있는 질량 유동 측정들이 이루어질 수 있을 만큼 충분히 작을 것이 분명하다.
본 명세서에 설명된 장치들 및 방법들은 에틸렌에만 국한되지 않는다는 점에 유의해야 한다. 다른 일반적인 임계 상 유체들은 에탄, 이산화탄소 및 아르곤을 포함하며, 본 명세서의 설명은 필요한 변경을 가하여 이 유체들에도 적용된다. 예를 들어, 도 7은 에탄의 온도 및 밀도에 기초하여, 계량 전자장치(20)에 의해 파생된 VoS 값들을 예시한다.
유사하게, 도 8은 이산화탄소(CO2)의 온도 및 밀도에 기초하여 계량 전자장치(20)에 의해 도출된 VoS 값들을 예시한다.
상기 실시예들의 상세한 설명들은 본 발명의 범위 내에 있도록 본 발명자들에 의해 의도된 모든 실시예들의 완전한 설명들이 아니다. 실제로, 당업자들은 전술한 실시예들의 특정 요소들이 추가 실시예들을 생성하기 위해 다양하게 조합되거나 제거될 수 있으며, 그러한 추가 실시예들은 본 발명의 범위 및 교시들 내에 속한다는 것을 인식할 것이다. 또한, 전술한 실시예들이 본 발명의 범위 및 교시들 내에서 추가적인 실시예들을 생성하기 위해 전체적으로 또는 부분적으로 조합될 수 있다는 것이 당업자들에게 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 다음의 청구항들에 의해 결정되어야 한다.
Claims (36)
- 유량계 작동 방법으로서,
유량계를 통해 유체를 흐르게 하는 단계;
상기 유체의 보정되지 않은 질량 유량을 측정하는 단계;
상기 유체의 온도를 측정하는 단계;
상기 유체의 밀도를 측정하는 단계;
상기 유체의 음속(VoS)을 계산하는 단계;
질량 유량 오차를 계산하는 단계;
상기 유체의 보정된 질량 유량을 계산하는 단계를 포함하는,
유량계 작동 방법. - 제1 항에 있어서,
상기 유체는 비 이상적인(non-ideal) 유체를 포함하는,
유량계 작동 방법. - 제1 항에 있어서,
상기 유체는 에틸렌으로 구성되는,
유량계 작동 방법. - 제1 항에 있어서,
상기 유체는 에틸렌을 포함하는,
유량계 작동 방법. - 제1 항에 있어서,
상기 유체는 에탄으로 구성되는,
유량계 작동 방법. - 제1 항에 있어서,
상기 유체는 에탄을 포함하는,
유량계 작동 방법. - 제1 항에 있어서,
상기 유체는 이산화탄소로 구성되는,
유량계 작동 방법. - 제1 항에 있어서,
상기 유체는 이산화탄소를 포함하는,
유량계 작동 방법. - 제1 항에 있어서,
상기 유체는 프레온, 육불화황, 및 육불화우라늄 중 하나를 포함하는,
유량계 작동 방법. - 제1 항에 있어서,
상기 유량계는 코리올리스(Coriolis) 질량 유량계를 포함하는,
유량계 작동 방법. - 제1 항에 있어서,
상기 유량계는 상기 유체의 온도를 계산하는,
유량계 작동 방법. - 제1 항에 있어서,
상기 유량계는 상기 유체의 밀도를 계산하는,
유량계 작동 방법. - 제1 항에 있어서,
상기 유체의 VoS를 계산하는 단계는 상기 온도 및 상기 밀도를 이용하는 것을 포함하는,
유량계 작동 방법. - 제1 항에 있어서,
상기 유체의 VoS를 계산하는 단계는 VoS 표를 사용하여 상기 온도 및 상기 밀도를 상호 참조하고 그리고 내삽하는 것을 포함하는,
유량계 작동 방법. - 제14 항에 있어서,
상기 VoS 표는 외삽된 VoS 값들을 포함하는,
유량계 작동 방법. - 제1 항에 있어서,
질량 유량 오차를 계산하는 단계는 다음 식 ─ 질량 유량 오차 =
상기 식에서,
C는 계량 상수(예를 들어, 1/2)이고;
f는 계량 동작 주파수, hz이고;
d는 계량 관의 직경, m이고;
a는 유체의 음속(VoS 라고도 함), m/s임 ─ 으로 계산되는,
유량계 작동 방법. - 제1 항에 있어서,
상기 보정된 질량 유량은 상기 질량 유동을 이용하여 계산되는,
유량계 작동 방법. - 제1 항에 있어서,
상기 보정된 질량 유량은 다음 식 ─
보정된 질량 유량 = (측정된 질량 유동)/() ─ 으로 계산되는,
유량계 작동 방법. - 공정 유체를 수용하도록 구성된 유량계(5)용 계량 전자장치(20)로서,
상기 계량 전자장치(20)는 상기 유량계(5)의 유량계 조립체와 통신하고, 진동 응답을 수신하도록 구성된 인터페이스(interface)(201) 및 상기 인터페이스(201)에 연결된 처리 시스템(203)를 포함하며,
상기 인터페이스(201)에 연결된 처리 시스템(203)은,
상기 유량계(5) 내의 상기 공정 유체의 온도(224)를 측정하고;
상기 유량계(5) 내의 상기 공정 유체의 밀도(225)를 측정하고;
상기 유량계(5) 내의 상기 공정 유체의 음속(VoS)(244)을 계산하고;
질량 유량 오차를 계산하고; 및
상기 유량계(5) 내의 상기 공정 유체의 보정된 질량 유량을 계산하도록 구성된 질량 유동 교정 루틴(215)를 포함하는,
유량계(5)용 계량 전자장치(20). - 제19 항에 있어서,
상기 유체는 비 이상적인 유체를 포함하는,
유량계 작동 방법. - 제19 항에 있어서,
상기 유체는 에틸렌으로 구성되는,
유량계 작동 방법. - 제19 항에 있어서,
상기 유체는 에틸렌을 포함하는,
유량계 작동 방법. - 제19 항에 있어서,
상기 유체는 에탄으로 구성되는,
유량계 작동 방법. - 제19 항에 있어서,
상기 유체는 에탄을 포함하는,
유량계 작동 방법. - 제19 항에 있어서,
상기 유체는 이산화탄소로 구성되는,
유량계 작동 방법. - 제19 항에 있어서,
상기 유체는 이산화탄소를 포함하는,
유량계 작동 방법. - 제19 항에 있어서,
상기 유체는 프레온, 육불화황, 및 육불화우라늄 중 하나를 포함하는,
유량계 작동 방법. - 제19 항에 있어서,
상기 유량계(5)는 코리올리스 질량 유량계를 포함하는,
유량계 전자장치(20). - 제19 항에 있어서,
상기 유량계(5)는 상기 유체의 온도를 계산하는,
계량 전자장치(20). - 제19 항에 있어서,
상기 유량계(5)는 상기 유체의 밀도를 계산하는,
계량 전자장치(20). - 제19 항에 있어서,
상기 유체의 VoS를 계산하는 단계는 상기 온도 및 상기 밀도를 이용하는 것을 포함하는,
계량 전자장치(20). - 제19 항에 있어서,
상기 유체의 상기 Vos를 계산하는 단계는 VoS 표를 사용하여 상기 온도 및 상기 밀도를 상호 참조하고 그리고 내삽하는 것을 포함하는,
계량 전자장치(20). - 제32 항에 있어서,
상기 VoS 표는 외삽된 VoS 값들을 포함하는,
계량 전자장치(20). - 제19 항에 있어서,
질량 유량 오차는 다음 식 ─
질량 유량 오차 =
상기 식에서,
C는 계량 상수(예를 들어, 1/2)이고;
f는 계량 동작 주파수, hz이고;
d는 계량 관의 직경, m이고; 그리고
a는 유체의 음속(VoS 라고도 함), m/s임 ─ 으로 계산되는,
계량 전자장치(20). - 제19 항에 있어서,
상기 보정된 질량 유량은 상기 질량 유동을 이용하여 계산되는,
계량 전자장치(20). - 제19 항에 있어서,
상기 보정된 질량 유량은 다음 식 ─
보정된 질량 유동 = (측정된 질량 유동)/() ─ 으로 계산되는,
계량 전자장치(20).
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