KR100808729B1 - 다상유동의 유량 및 농도의 동시 결정법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 파이프라인을 따라 다상혼합물에 포함된 기체 및 액체상성분의 체적유량 측정과 체적농도 결정을 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 측정은 파이프라인의 내부에 배치되는 한 세트의 국부 음향변환기를 포함하는 초음파시스템으로 수행된다. 변환기의 각 이미터 및 수신기 쌍은 제어상태에 놓이는 매질의 샘플링체적을 형성한다. 혼합물 구성성분에 대한 체적농도는 매질의 샘플링체적을 통한 음향펄스의 통과시간에 의해 결정된다. 혼합물 구성성분에 대한 체적유량은 유동방향에서 서로간에 거리를 갖는 위치에서 직렬로 위치하는 서로 다른 단면적을 구비하는 두 파이프라인 부분에서 상(phase)속도 및 체적농도를 측정함으로써 계산된다.
음향펄스, 다상혼합물, 체적농도, 체적유량, 샘플링체적

Description

다상유동의 유량 및 농도의 동시 결정법 {Simultaneous determination of multiphase flowrates and concentrations}
본 발명은 기름, 물 및 가스로 이루어지는 유정(oil well)의 유체와 같이 다상의 액체/기체 혼합물에서 액체상 성분 및 기체의 체적유량(volume flow rates) 및 체적농도(volume concentrations)결정을 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 각각 청구항 1 및 청구항 15의 전제부에 따른 방법 및 장치에 관련된다.
유정으로부터 파이프라인을 따라 흐르는 유출물은 오일과, 물 및 가스의 혼합물이다. 혼합물 구성성분의 유량과 체적농도의 정확하고 동시적인 측정은 유정의 작동상태를 제어하기 위하여 중요하다.
이와 같은 유동특성을 측정하기 위해 현재 채택되고 있는 방법 및 장치는 유전지역(territory of oil fields)에 있는 측정장치에 설치되는 특수한 세퍼래이터(separater)에서 가스의 사전 분리를 요구한다. 이와 같은 사실은 상기한 바와 같은 측정의 실행에 의해 상당한 비용지출로 이어진다.
또한, 가스의 사전 분리없이 상기 다상유동의 특성을 측정하는 기술이 알려져 있다. 이같은 방법 및 장치는 밀도차, 구성요소의 전자기적 특성, 감마선과의 상호작용 및 초음파와, 그 외 다른것들을 포함되는 다양한 물리학적 원리에 근거를 두고 있다.
러시아특허 제 RU-C-2138023호는 각각 청구항 1의 전제부 및 청구항 15의 전제부에 따른 방법 및 장치를 나타낸다. 종래기술에 따른 방법으로써, 등유동속도 로 다상혼합물이 통과하는 파이프라인을 따르는 한 위치에서, 혼합물의 음향전도율이 혼합물의 제어체적을 통과하는 발신기에 의한 음향펄스의 전송과, 수신기에 의해 수신되는 경우 그 펄스의 카운팅, 및 전송된 펄스와 수신된 펄스의 비(ratio)에 따라 혼합물의 상(phase)의 양을 나타냄으로써 측정된다. 추가로, 두 위치에서 각각, 제어체적을 통한 펄스의 전이에 소요되는 시간이 측정된다. 상기 시간은 다른 위치에서 측정된 시간과 상호연계과정을 거치게 되고, 그 다음에 속도를 계산하기 위하여 상기 두 위치 사이의 거리값과 결합되어 사용된다. 깨끗한 기름과 깨끗한 물을 사용한 장치교정(equipment calibration) 중에, 제어체적을 통과하는 임펄스 전이시간이 측정되고, 가스와 기름 및 물의 실제유량을 계산하기 위하여 실제로 측정된 전이시간, 상기 상의 양에 대한 비(ratio), 상기 속도 및 파이프라인의 단면적값이 결합되어 사용된다.
유럽특허 제 EP-A-0684458호는 파이프라인은 두 개의 장애물을 포함하며, 각 장애물은 각 장애물의 위치 및 바로 이전 위치 각각에서의 유동속도에 대한 유동의 속도변화를 제공한다. 각 장애물에 대하여, 상기 위치사이의 압력차가 측정된다. 사전에, 두 장애물 사이의 체적값(V)이 측정되어야 한다. 압력차 신호 및 체적값(V)을 사용함으로써, 전체 체적유량(q)이 결정될 수 있다. 정적 압력차응 측정함으로써, 혼합물의 밀도(
Figure 112002029463831-pct00153
)에 관한 제1근사값을 결정할 수 있다. 추가적인 장치가 다상혼합물의 구성성분에 관한 하나 이상의 표시를 제공하기 위하여 사용된다. 다상혼합물의 구성성분의 밀도(
Figure 112002029463831-pct00154
)가 주어지면, 상들(phases)의 유량이 결정된다. 이와 같은 종래기술의 유량계를 가지고는, 혼합물의 속도가 변화된 위치 즉, 각 장애물의 위치에서, 속도 자체가 측정되지 않는다. 둘 다 장애물로부터 거리를 갖는 위치에서 측정된 속도가 아니다. 대신에, 각 장애물에서의 압력차가 한 장애물로부터 다른 장애물까지 이동하는대 소요되는 시간을 그것으로부터 결정하기 위하여 측정된다. 상기 시간 및 알려진 장애물사이의 거리로부터, 속도가 계산된다.
미합중국 특허 제5,287,752호는 유동방향에 평행한 수평 또는 경사진 파이프라인 내부에 배치되는 평행한 두개의 판에 설치되는 한 세트의 커패시터에 의한 다상유체(multiphase fluids)의 유량결정을 위한 장치를 설명한다. 물/기름 체적비 및 액체상(liquid phase)에 의해 점유되는 파이프라인 단면의 부분을 결정하기 위하여, 모든 단일 커패시터의 측정셀(measuring cell)에 순간적으로 위치하는 매질(medium)의 임피던스(impedence)가 측정된다. 액체상의 속도는 액체상에 의해 점유되는 단면의 부분에 위치하는 매트릭스 열(matrix row)에 위치하는 단일 커패시터의 임피던스의 측정 및 상호상관관계(cross correlation)에 의해 결정된다. 가스의 속도는 파이프라인의 윗 부분에서의 유동의 구조적 변형(deformation)의 통과시간을 측정함으로써 결정된다. 각 상의 체적유량은 액체상 및 기체상의 유동에 의해 점유되는 파이프라인의 단면의 부분을 계산에 포함시킴으로써 결정된다.
제안된 방법은 단지 간헐적 유동형(intermittent flow regime)에서 효과적으로 사용될 수 있으므로 적용영역이 제한되어 왔다. 게다가 이 방법에는 유제(emulsion)의 타입 및 구성요소의 분산(dispersion)이 계산에 포함되지 않았다.
미합중국 특허 제 5,367,911호는 유량계로 사용될 수 있는 도관(conduit)에서 유체의 유동특성을 감지하는 장치를 설명한다. 측정장치는 파이프라인 내부에 흐름에 따라 순차적으로 배치되는 적어도 두 개의 센서를 포함한다. 센서는 음향변 환기(acoustic transducers) 또는 전기적 전도율(또는 저항율)센서를 포함할 수 있다. 각 센서는 각각 샘플링체적(sampling volumes)으로 흐르는 매질의 측정된 물리적 특성을 표시하는 출력 데이타 신호를 제공한다. 출력신호는 회로에서 처리되고, 상호연관되도록 한다. 센서 사이의 거리가 알려지기 때문에, 유동속도의 계산이 가능하다.
그러나 상기 특허의 발명자는 기체상이 다상유동에서 액체상과 상호연관성을 가지고 이동한다는 것을 염두에 두지 않았다.
유럽 특허 제 A 0684458호는 다상유체의 유량을 측정하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 장치는 덕트를 따라 서로 거리를 갖도록 놓여지는 두 섹션(section)을 포함한다. 섹션은 벤투리관 형태로 제공된다. 각 섹션은 속도변화 및 대응하는 동압력(dynamic pressure)의 변화를 야기하기 위한 수단과 함께 제공되는 서로 다른 단면적을 갖는 통로를 포함한다. 게다가 장치는 결과로서 발생하는 압력차를 측정하기 위한 적당한 수단을 포함한다. 상기 각각의 섹션에서 얻어지는 두 압력차 신호는 전체 체적유량을 나타내는 제3신호를 발생시키기 위한 상호상관관계를 위해 적당하다. 각 상(phase)의 유량을 결정하기 위하여, 또 다른 압력차가 벤츄리관 타입 유동 섹션에서 측정되고, 혼합물의 전체 질량유량(Q) 및 밀도(
Figure 112002029445246-pct00001
)의 함수인 신호가 얻어진다. 또 하나의 압력차가 경사액주압력계(gradiomanometer)타입의 섹션에서 측정된다. 이 섹션은 일정한 단면적을 갖는 수직 덕트의 일 부분에 배치된다. 종래의 방법에서 마지막의 압력차는 혼합물의 밀도(
Figure 112002029445246-pct00002
)의 제1근사값에 비례하는 정 적(static) 압력차를 나타낸다. 더불어, 장치는 다상유체의 구성성분에 관한 하나 이상의 표시를 제공하는, 말하자면 유체를 구성하는 구성성분의 체적농도 또는 질량농도를 결정하는, 덕트 내에 위치하게 되는 모듈을 포함한다. 프로세서는 기체함유량에 따라 결정되는 평행한 경로를 경유하는 질량유량(Q)을 계산한다. 기체함유량이 일반적인 수준(< 65%)일 때, 제 1처리방법이 혼합물의 밀도(
Figure 112002029445246-pct00003
)를 나타내는 신호와 식
Figure 112002029445246-pct00004
에 비례하는 신호를 기초로 하여 사용된다. 그리고, 전체유량을 나타내는 신호와 혼합물의 밀도(
Figure 112002029445246-pct00005
)를 나타내는 신호를 기초로 한 제2처리방법이 기체함유량이 높을 때(> 65%) 사용된다.
벤츄리관타입 섹션을 갖는 장치는 작은 동적범위를 가지며, 그 때문에 제한된 범위의 유량 측정에 만 사용될 수 있다는 것을 알 필요가 있다. 게다가, 상기한 바와 같은 장치의 유량 인자는 측정정확도에 영향을 미치는 기체함유량에 상당히 의존한다. 상기한 바와 같은 장치에서, 기체함유량은 측정되는 것이 아니라 계산되는 것임에 따라 또한 측정정확도를 감소시킨다. 원유를 포함하는 유정유출물의 유량을 측정하기 위한 장치의 사용은 자체 압력도약(pressure takeoff)의 방해로 이어질 수 있다.
본 발명은 사전에 기체를 분리함 없이 파이프라인의 일 부분을 따라 흐르는 다상 혼합물 구성성분의 체적유량을 결정하기 위한 방법 및 장치를 제공한다.
본 발명은 파이프라인의 일 부분을 따라 흐르는 다상 혼합물 구성성분의 체적농도를 측정하는 방법을 제공한다.
본 발명은 또한 서로 다른 유동타입을 갖는 다상 매질의 상기한 특성을 측정하기 위한 방법 및 장치를 제공한다.
본 발명은 서로 다른 크기의 기체함유물을 갖는 유출물의 특성 측정에 관한 신뢰할 수 있는 데이타의 획득을 확고히 한다.
게다가, 본 발명은 장치의 간소화 및 간편한 휴대성을 보장한다.
상기한 바와 같은 특징은 파이프라인을 따라 흐르는 다상혼합물에 포함된 액체성분 및 기체성분의 체적유량을 결정하기 위한 방법을 통해 달성되며, 상기 방법에 따라, 파이프라인에 설치되는 측정용 유동 셀(measuring flow cell)은 서로 다른 유동단면적을 가지고, 유동방향에 직렬로 위치하며, 또한 설명에서 파이프라인 부분(divisions)이라 지칭되는 두 개의 파이프라인 섹션(pipeline sections)을 포함한다. (F2 = kF1 (직경 D2 = D1 √k) k≠1)
Figure 112002029445246-pct00006
일 때, 유동단면적의 변화는, 혼합물에서 기체함유물의 상대속도 및 실제 체적기체농도(
Figure 112002029445246-pct00007
)의 변화는 미미한 가운데, 측정용 파이프라인 부분에서의 액체상 속도 및 대응하는 실제 기체상 속도의 상당한 변화
Figure 112002029445246-pct00008
를 야기한다. 혼합물 유동 모델의 계산분석은 구경이 측정된 파이프라인 부분을 통과하는 다상유동의 액체상 체적유량결정을 위한 다음과 같은 공식유도를 허용한다:
Figure 112002029463831-pct00155
기체 체적유량은 잇따르는 식에 의해 결정된다:
Figure 112002029445246-pct00010
기체상의 실제속도(
Figure 112002029445246-pct00011
), 기체의 체적농도(
Figure 112002029445246-pct00012
), 구경이 측정된 파이프라인 부분에서의 물(W) 및 기름(1-W)과 같은 액체성분의 체적농도는 유동단면의 반경방향을 따라 측정용 파이프라인 부분 내부에 배치되는 한 세트의 변환기로 다상유동의 샘플링체적을 초음파 센싱함으로써 결정된다. 이 변환기는 샘플링체적에서 음향신호의 수신기(receivers) 및 이미터(emitters)로서 역할을 수행한다.
그 다음에 다상유동의 국부적 특성에 관해 얻어진 값은 측정용 파이프라인 부분의 단면적에 대하여 평균값을 내게 된다.
실제 기체속도의 측정은 센서 신호의 상호상관관계에 의하거나 또는 도플러법(Doppler's method)에 의해 실행된다.
기체의 체적농도의 측정은 매질의 샘플링체적에 대한 음향전도율의 표시를 통해 실행된다.
기체상 성분의 체적농도의 초음파측정은, 물/기름 혼합물과 같은 유체에서 신호통과시간은 실제적으로 유제(emulsion)의 타입에 관계없이 상기 성분의 체적농도비에 선형으로 의존한다는 것이 알려져 있기 때문에, 샘플링체적을 가로질러 통과하는 음향 펄스(acoustic pulse)의 통과시간 결정에 기초를 둔다.
언급된 특징은 또한 파이프라인 내부에 설치되어 있는 측정용 유동 셀을 포함하는 파이프라인을 따라 흐르는 액체-기체 다상혼합물의 기체 및 액체성분의 체 적농도 및 체적유량을 결정하기 위한 장치에 의해 제공된다. 측정용 유동 셀은 유동방향에 직렬로 위치하며 서로 다른 유동단면적을 갖는 두개의 파이프라인 부분을 포함한다.(F2 = kF1 (직경 D2 = D1 √k) k≠1)
유동단면적의 변화(
Figure 112002029445246-pct00013
일 때)는 혼합물에서 기체함유물의 상대속도 및 실제 체적기체농도(
Figure 112002029445246-pct00014
)의 변화는 미미한 가운데, 측정용 파이프라인 부분에서의 액체상 속도 및 대응하는 실제 기체상 속도의 상당한 변화
Figure 112002029445246-pct00015
를 야기한다. 액체상의 체적유량은 제1 및 제2파이프라인 부분에서 액체상에 의해 점유되는 파이프라인 단면의 부분
Figure 112002029445246-pct00016
과 실제 기체상 속도(
Figure 112002029445246-pct00017
)의 곱의 차이에 의해 결정된다.
Figure 112002029463831-pct00156
기체의 체적유량은 잇따르는 식에 의해 결정된다:
Figure 112002029445246-pct00019
기체상의 실제속도(
Figure 112002029445246-pct00020
), 기체의 체적농도(
Figure 112002029445246-pct00021
), 파이프라인의 구경이 측정된 파이프라인 부분에서의 물(W) 및 기름(1-W)과 같은 액체성분의 체적농도는 유동단면의 반경방향을 따라 측정용 파이프라인 부분 내부에 배치되는 한 세트의 변환기로 다상유동의 국부체적을 초음파 센싱함으로써 결정된다.
국부 기체속도계의 작동원리는 음향전도율 변환기 신호의 진폭에 대한 상호상관관계함수의 결정에 기초를 두고 있다. 두 개의 변환기가 유동방향에 대하여 차 례차례 고정된 간격으로 배치된다. 음향변환기는 샘플링체적에 음향공급(acoustic illumination)을 제공하도록 초음파 펄스의 수신기 및 이미터로 구성된다. 변환기는 "방출-수신"모드에서 이미터 및 반사된 신호의 수신기로서 사용될 것이다.
속도계의 전자-음향 채널(chennel)은 아래와 같은 방법으로 작동한다. 펄스발생기로부터의 전압펄스는 이미터에 들어가며, 여기서 초음파펄스로 변환된다. 샘플링체적을 가로질러 통과한 후 초음파펄스는 수신기에 수신되고, 전압펄스로 변환되고, 증폭되며, 스트로브과정이 진행되는 피크검출기 입력단(peak detactor input)으로 보내진다. 스트로브펄스는 신호수신이 예상되는 동안 시간간격을 결정한다. 피크검출기의 입력부에서의 전압은 수신된 신호의 진폭에 비례하고, 샘플링체적의 센서에서의 음향에너지손실에 의해 결정된다. 피크검출기의 출력신호는 상호상관관계 또는 자동상관관계(autocorrellation; 하나의 변환기인 경우)를 결정하는 계산기로 들어오며, 실제 기체상 또는 기체를 배제한 액체상의 국부속도를 계산한다.
게다가 유동의 상류로 향하는 초음파펄스에 의한 매질의 센싱을 통해 기체상의 국부 속도를 측정하기 위한 상세히 설명된 원리인 도플러법이 사용될 것이다.
체적기체농도계의 작동원리는 샘플링체적에서의 음향전도율의 표시에 기초를 둔다. 전압펄스 발생기로부터의 신호는 발신기 및 도파관(waveguide)으로 구성되는 이미터로 보내진다. 변환후 음향펄스는 도파관을 통해 샘플링체적에 도달하고, 체적을 가로질러 통과하고, 수신하는 도파관을 통해 발신기로 들어가며, 발신기에서 음향펄스는 증폭후 피크검출기로 들어가게 되는 전압신호로 변환된다. 스트로브펄 스 형성기(strobe pulse former)는 신호도달이 예상되는 시간 동안 피크검출기를 개방한다. 피크검출기로부터 수신된 신호의 진폭에 비례하는 출력신호가, 이전의 식별레벨(discriminate level)에 의해 설정되는 식별레벨과 피크검출기의 출력신호를 비교하는 비교기(comparator)에 들어간다. 비교기의 출력신호는 총측정시간에 대한 기체상의 샘플링체적 내에 존재하는 시간의 비(ratio)로서 매질의 체적기체함유량을 결정하는 계산기에 들어간다.
액체성분의 초음파 체적농도계(ultrasonic meter of volume concentration)의 원리는, 물/기름 혼합물과 같은 액체상에서 초음파신호의 통과시간은 실제적으로 유제(emulsion)의 타입에 관계없이 액체성분의 체적농도와의 관계에 선형으로 의존한다는 것이 알려져 있기 때문에, 다상유동의 샘플링체적을 가로지르는 통과시간의 결정에 기초를 둔다.
이미터 및 수신기 사이의 거리는 1mm 이상의 크기를 갖는 큰 기체함유물의 통과를 막을 수 있도록 선택된다. 발생기로부터의 전압신호는 음향펄스를 형성하는 초음파 이미터로 보내진다. 음향펄스는 샘플링체적을 통과하고, 수신기에 의해 수신되어, 전압신호로 변환되며, 이 전압신호는 증폭된 다음 스트로브과정이 진행되는 비교기로 들어간다.
비교기는 체계(scheme) 대한 높은 간섭불활성(interference immunity)을 확실하게 하는 스트로브펄스 형성기에 의해 신호수신이 예상되는 시간 동안 개방한다.
방출펄스의 형성과 동시에, 펄스 지속시간을 설정하는 체계가 활성화된다. 이 체계는 비교기의 출력단으로부터 들어오는 신호에 의해 정지된다. 따라서, 출력신호의 지속시간은 이미터에서 수신기까지 통과하는 초음파신호의 통과시간과 동일하다. 이어서 펄스는 진폭신호로 변환되고, 액체상 성분의 체적농도를 결정하는 계산기로 들어간다.
설정된 프로그램에 따른 기능을 수행하는 프로세서는 국부 유동 매개변수(
Figure 112002029445246-pct00022
)를 측정하기는 계측기의 작동을 제어하며, 측정용 파이브라인 부분의 단면적에 대하여 매개변수들의 평균값을 내게 되고, 액체상 성분 및 가스의 체적유량을 계산한다.
도 1a, 1b는 본 발명의 골격내에서 제안되는 다상유량장치의 형태를 도시한 도면,
도 2는 순차적 위치의 변환기에 의한 실시예에 따른 기체상 국부속도계의 블럭도,
도 3은 도 2에 나타난 블럭도에서 처리되는 신호의 전압을 나타낸 다이어그램,
도 4는 피크검출기의 출력신호에 대한 상호상관관계함수의 전형적인 형태를 도시한 다이어그램,
도 5는 직렬로 위치하는 변환기에 의한 실시예에 따른 기체상 국부속도계의 블럭도,("방출-수신"모드)
도 6은 도 5에 나타난 블럭도에서 처리되는 신호의 전압을 나타낸 다이어그램,
도 7은 자동상관관계함수 형성모드에 있는 한 쌍의 변환기가 작동하는 기체상 국부속도계의 블럭도,
도 8은 피크검출기의 출력신호에 대한 자동상관관계함수의 전형적인 형태를 도시한 다이어그램,
도 9는 "방출-수신"모드에 있는 한 쌍의 변환기가 작동하는 기체상 국부속도계의 블럭도,
도 10은 도 9에 나타난 블럭도에서 처리되는 신호의 전압을 나타낸 다이어그램,
도 11은 하나의 변환기를 사용하는 실시예에 따른 피크검출기의 출력신호에 대한 자동상관관계함수 형태를 도시한 다이어그램,
도 12는 초음파 도플러 기체상 국부속도계의 블럭도,
도 13은 도 12의 초음파 도플러 속도계의 블럭도에서 처리되는 신호의 전형적인 형태를 도시한 다이어그램,
도 14는 기체상 국부속도를 측정하기 위한 초음파 도플러 속도계의 제 2실시예에 대한 블럭도,
도 15는 도 14에 나타난 블럭도에서 처리되는 신호의 전압을 나타낸 다이어그램,
도 16은 다상혼합물의 기체함유량 측정기를 도시한 블럭도,
도 17은 기체함유량 측정기의 블럭도에서 처리되는 신호를 나타낸 다이어그램,
도 18은 피크검출기의 출력신호를 나타낸 다이어그램,
도 19는 초음파 액체성분 체적농도계의 블럭도,
도 20은 액체상 체적농도를 측정하기 위한 블럭도에서 처리되는 신호의 전압을 나타낸 다이어그램,
도 21은 초음파 액체성분 체적농도계의 제 2실시예에 대한 블럭도,
도 22는 액체성분 체적농도계의 제 2실시예에 대한 블럭도에서 처리되는 신호의 전압을 나타낸 다이어그램.
다상혼합물에 포함된 기체 및 액체성분의 체적유량을 결정하기 위한 장치의 측정용 유동 셀의 형태는 도 1a 및 도 1b에 나타나 있다.
측정용 유동 셀은 플렌지결합에 의해 파이프라인 중간에 설치된다. 유동 셀은 유동방향에 대해 직렬로 위치하며, 서로 다른 단면적을 갖는 두 개의 측정용 파이프라인 부분(1)(2)을 포함한다: F2 = kF1 (직경 D2 = D1 √k). 도 1에서, k<1 로 유지된다.
유동단면적의 변화는 단면적 F1 및 F2를 갖는 측정용 파이프라인 부분 내에서 상당한 액체상 속도 및 실제 기체상 속도의 변화를 야기한다. 유동에 대한 최소한 의 유체역학적 방해를 확고히 하기 위하여, 제 1부분에서 제 2부분까지의 전이 및 파이프라인의 초기 단면적(F1 )으로의 복귀는 전이(transition) 파이프라인 부분(3)(4)을 통해 실현된다. 실제 속도계 및 기체함유량 측정기의 각 센서(5)(6)는 단면의 반경방향을 따라 측정용 파이프라인 부분 내부에 배치되는 한 세트의 변환기를 포함한다. 액체상 체적농도계의 센서(7)는 재 1파이프라인 부분의 한 구멍에 위치하는 한 세트의 변환기를 포함한다. 변환기의 체적 내부에서 점성매질변환과정 가속시키고 파라핀 찌꺼기의 제거를 위하여, 센서는 기계적 클리닝 설비 또는 전기히터와 함께 갖추어진다. 센서는, 예를 들어 기술적 유지보수 또는 대체의 수행을 위하여, 측정용 파이프라인 부분으로부터 제거될 수 있는 방법으로 설치된다.
장치의 일부분인 다상유동 매개변수의 측정기들과 혼합물성분의 체적유량의 결정을 위해 사용되는 다상혼합물유동의 계산모델을 분리하여 생각해 보기로 한다.
다양한 크기의 기체함유물이 기체상을 나타내는 액체/기체 혼합물의 계산모델은 각 상의 유량을 결정하기 위하여 사용된다. 평균 물리값이 식에서 사용된다.
유동의 i 째 단면에서 기체의 실제 체적농도는
Figure 112002029445246-pct00023
(1) 이다. 여기서,
Figure 112002029445246-pct00024
는 i 째 파이프라인 부분의 단면적이고,
Figure 112002029445246-pct00025
는 기체에 의해 점유되는 단면적이다.
Figure 112002029445246-pct00026
이고, 여기서
Figure 112002029445246-pct00027
는 액체에 의해 점유되는 단면적이기 때문에, 식(1) 대신에
Figure 112002029445246-pct00028
(2) 과 같은 식을 쓸 수 있다.
여기서,
Figure 112002029445246-pct00029
는 i 째 파이프라인 부분에서의 감소된 기체상의 속도이고, 여기서
Figure 112002029445246-pct00030
는 i 째 파이프라인 부분에서의 기체상의 체적유량이며;
Figure 112002029445246-pct00031
는 i 째 파이프라인 부분에서의 감소된 액체상의 속도이고, 여기서
Figure 112002029445246-pct00032
는 i 째 파이프라인 부분에서의 액체상의 체적유량이며;
Figure 112002029445246-pct00033
는 i 째 파이프라인 부분에서의 기체상의 실제속도이고, 여기서
Figure 112002029445246-pct00034
는 i 째 파이프라인 부분에서의 기체상의 체적유량이며;
Figure 112002029445246-pct00035
는 i 째 파이프라인 부분에서의 액체상의 실제속도이고, 여기서
Figure 112002029445246-pct00036
는 i 째 파이프라인 부분에서의 액체상의 체적유량이며;
그리고,
Figure 112002029445246-pct00037
는 액체에 의해 점유되는 i 째 파이프라인 부분의 단면적이다.
게다가,
Figure 112002029445246-pct00038
이고,
Figure 112002029445246-pct00039
이며, 여기서
Figure 112002029445246-pct00040
는 i 째 파이프라인 부분에서의 기체상의 상대속도이기 때문에, 따라서
Figure 112002029445246-pct00041
(3) 과 같은 식을 얻는다.
실험적 데이터에 따라, 기포(gas bubbles)유동의 상대속도 (
Figure 112002029445246-pct00042
:떠오르는 그룹속도)는 잇따르는 상관관계에 의해 실제 체적농도(
Figure 112002029445246-pct00043
)와 연관된다.
Figure 112002029445246-pct00044
(4)
여기서,
Figure 112002029445246-pct00045
는 무한대의 액체매질에서 떠오르는 개별적인 기포의 평균속도이다.
측정용 파이프라인 부분에서의 실제속도
Figure 112002029445246-pct00046
및
Figure 112002029445246-pct00047
는 잇따르는 방법에서 상대속도와 연관된다.
Figure 112002029445246-pct00048
(5)
식(5)의 두번째 등식으로부터 식(5)의 첫번째 등식을 빼면, 다음과 같은 등식을 얻는다.
Figure 112002029445246-pct00049
(6)
이 식은 다음과 같은 형태로 씌어질 수 있다.
Figure 112002029445246-pct00050
Figure 112002029445246-pct00051
(7)
F2 = kF1 (여기서, k≠1)와 같은 상관관계를 갖는다고 가정하면, 그리고
Figure 112002029445246-pct00052
라는 것을 계산에 포함시키면,
Figure 112002029445246-pct00053
이기 때문에,
Figure 112002029445246-pct00054
(8) 과 같은 식을 얻는다.
식(3) 및 식(4)로부터 다음과 같은 식이 나온다.
Figure 112002029445246-pct00055
(9)
적당한 변확의 수행 후에,
Figure 112002029445246-pct00056
라는 것을 계산에 포함시키면,
Figure 112002029445246-pct00057
(10) 과 같은 식을 얻는다.
Figure 112002029445246-pct00058
(여기서,
Figure 112002029445246-pct00059
및
Figure 112002029445246-pct00060
는 측정되는 값이다.)라는 것을 대입하면,
Figure 112002029445246-pct00061
(11) 과 같은 식을 얻게 되며, 여기서
Figure 112002029445246-pct00062
(12) 과 같은 식으로부터 결과적으로,
Figure 112002029445246-pct00063
(13) 과 같은 식을 얻는다.
정지상태의 액체인 경우
Figure 112002029445246-pct00064
에, 식(13)으로부터
Figure 112002029445246-pct00065
과 같은 상관관계가 나오며, 이는 식(4)의 상대속도의 정의와 일치하며, 따라서 이 경우
Figure 112002029445246-pct00066
가 된다.
식(13)으로부터
Figure 112002029445246-pct00067
(14) 및
Figure 112002029445246-pct00068
(15) 과 같은 식이 나온다.
식(14) 및 식(15)을 동등하게 취급하고, F2 = kF1 (여기서, k≠1)라는 것을 계산에 포함시키면,
Figure 112002029445246-pct00069
(16) 과 같은 상관관계를 얻는다.
따라서, 구경이 측정된 파이프라인 부분에서 액체상의 체적유량은 식(16)에 따라 제 1 및 제 2파이프라인 부분에서 측정된 실제속도 및 기체상의 체적농도로부터 결정된다. 만약 F2 = 0.5F1 이라면, 식(16)은
Figure 112002029445246-pct00070
(17) 과 같은 식이 된다
게다가 만약
Figure 112002029445246-pct00071
이라면, 속도계는 액체상의 음향비균질성(acoustic inhomogeneity) 및 대응하는 속도
Figure 112002029445246-pct00072
와
Figure 112002029445246-pct00073
을 고정할 것이다. 따라서, 식(16)은
Figure 112002029445246-pct00074
와 같은 식으로 변환되고, 만약
Figure 112002029445246-pct00075
인 경우, 이 식은
Figure 112002029445246-pct00076
과 같은 형태를 갖는다.
액체상 성분의 체적유량은 다음과 같은 식에 의해 결정된다.
Figure 112002029445246-pct00077
및
Figure 112002029445246-pct00078
(18)
여기서, W 는 유제에 포함된 물의 체적농도이다.
기체상의 체적유량은 다음과 같은 식에 의해 결정된다.
Figure 112002029445246-pct00079
(19)
도 2는 다상혼합물의 초음파 국부기체속도(
Figure 112002029445246-pct00080
)계의 블럭도를 도시한다. 속도계의 회로는 전압펄스 발생기(8), 발생기(8)와 직렬로 연결되고 이미터(10)와 수신기(11)를 포함하는 제 1변환기(9), 제 1증폭기(13) 및 스트로브과정이 수행되는 제 1피크검출기(14)를 포함한다. 여기서, 이미터(11)와 수신기(12) 사이의 틈은 제 1샘플링체적을 형성한다. 이미터(16)와 수신기(17)를 포함하는 제 2변환기(15), 제 2증폭기(19) 및 스트로브과정이 수행되는 제 2피크검출기(20)와 같은 구성요소 또한 발생기(8)에 직렬로 연결된다. 여기서, 이미터(16)와 수신기(17) 사이의 틈은 제 2샘플링체적을 형성한다. 게다가, 지연된 스트로브 펄스의 형성기(21)와 제 1 및 제 2피크검출기(14)(20)가 발생기(8)에 연결된다. 마지막으로 두 피크검출기는 각각 제 1 및 제 2 아날로그/디지탈 컨버터(ADC)(22)(23)을 통해 계산기(24) 및 디 스플레이(25)에 연결된다.
센서(9)(15)는, 유동이 먼저 예를 들어 참조번호 18 이 지시하는 체적에 해당하는 샘플링체적을 관통하여 통과하고, 그 다음에 예를 들어 참조번호 12가 지시하는 체적에 해당하는 샘플링체적을 관통하여 통과하는 것과 같은 방식으로 파이프라인의 내부에 배치된다. 변환기의 크기는 유동에 대하여 최소화된 방해를 야기하는 방법으로 선택된다(변환기의 직경 ≤ 3). 이미터와 수신기 사이의 거리(
Figure 112002029445246-pct00081
)는 대략 2mm로 만들어지고, 하부 변환기 쌍과 상부 변환기 쌍 사이의 거리(l )는 3÷5mm 와 같다. 센서의 평면도 상에서, 제 1변환기 쌍 및 제 2변환기 쌍의 도파관은 서로 수직으로 위치하게 되고 또한 유동을 유체역학적으로 개선한다.
초음파 국부속도계는 다음과 같은 방법으로 작동한다. 발생기(8)로부터의 전압신호는 이미터(10)(16)에 전송되어 초음파신호로 변환되며, 그리고 샘플링체적(12)(18)를 통과한 다음, 수신기(11)(17)에 수신되어 전압신호로 변환되고, 증폭기에 의해 증폭되며, 스트로브과정이 수행되는 피크검출기에 전송된다. 초음파의 전송과 동시에, 초음파의 통과시간이 피크검출기(14)(20)의 스트로브 입력단에 들어가는 스트로브펄스의 고정된 펄스주파수 및 이미터와 수신기 사이의 거리에 의해 결정된다. 스트로브펄스는 피크검출기를 활성상태로 전환시킨다. 결과적으로, 수신된 음향신호의 진폭에 비례하는 전입레벨이 피크검출기의 출력단에 형성된다. (도 3에 도시된 전압 다이어그램 참조) ADC(22) 및 ADC(23)에서 아날로그에서 디지탈로 변환된 후, 전압신호는 수신된 음향신호에 대한 상호상관관계함수(CCF)를 계산하는 계산기(24)로 전송되고, 디스플레이(25)에 결과값을 보여준다.
비연속적 구조로 인하여, 다상혼합물은 음향학상 비균질성매질이다. 그 때문에 수신된 신호의 진폭이 변동할 것이다. 음향학적 확산자(diffuser)는 첫째로 매질이 제 2샘플링체적을 관통하여 통과할 때 변동(fluctuation)을 야기한다. 여기서 대부분의 확산자는 초음파펄스의 확산에 핵심적인 기여를 하는 기체함유물이다. 결과로서, 제 2피크검출기(20)의 출력신호 진폭이 변화하고, 그 다음에 제 2샘플링체적에서부터 제1샘플링체적까지 음향확산자의 통과시간(
Figure 112002029463831-pct00082
)과 동일한 얼마간의 지연(delay)과 함께 제 1피크검출기(14)의 출력신호 진폭 또한 변화한다. 피크검출기의 출력신호에 대한 축적된 통계학적 데이타는 최고의 상호상관관계함수(CCF) 구조를 제공하며, 그의 시간축을 따르는 좌표는
Figure 112002029463831-pct00083
와 동일하다. 따라서, 국부기체속도는
Figure 112002029445246-pct00084
과 같은 식에 의해 결정된다. 여기서, l 은 제 1 및 제 2샘플링체적 사이의 거리이다.
상호상관관계함수의 전형적인 형태가 도 4에 도시된다.
또한, 국부기체속도의 측정에 의한 다상혼합물의 음향학적 센싱에 대한 또 다른 실시예가 가능하다. 이 경우, "방출-수신"모드로 작동하며 연속적으로 위치되는 두 음향변환기가 사용된다. 상기한 바와 같은 결정에 대한 도해가 도 5에 도시된다.
본 실시예에서, 속도계는 두 개의 동일한 전자-음향 채널로 구성되며, 각각 음향센서(26), 증폭기(13), 스트로브(strobe)과정이 진행되는 피크검출기(14), 아날로그-디지탈 컨버터(22), 그리고 또한 셈플링체적 저항기(27)를 통해 센서(26)에 연결되는 전기신호 발생기(8) 및 지연된 스트로브펄스 형성기(21)와 같이 순차적으로 연결되는 구성요소를 포함한다. 지연된 스트로브펄스 형성기(21)는 피크검출기(14)의 스트로브 입력단에 연결된다. 각 채널의 출력단은 계산기(24)에 연결되고 그 다음에 디스플레이(25)에 연결된다. 음향센서는 파이프라인의 내부에 위치하고 있어서, 유동(28)은 먼저 제 1채널의 샘플링체적을 통과하고 이어서 제 2채널의 샘플링체적을 연속적으로 통과한다.
속도계는 다음과 같은 방법으로 작동한다. 발생기로부터의 전기펄스가 음향센서(26)로 전송되고, 여기서 초음파신호로 변환되며, 유동(28)속으로 방출된다. 이어서, 매질확산자로부터 반사되어 센서(26)로 돌아오는 음향에너지의 일 부분이 증폭기(13)에서 증폭되고, 스트로브과정이 진행되는 피크검출기(14)로 전송된다.
동시에, 형성기(21)로부터의 스트로브펄스가 피크검출기(14)의 스트로브 입력단에 전송된다(도 6의 전압 다이어그램 참조). 저항기(27)는 발생기(8)의 출력과 증폭기(13)의 입력의 분리를 수행한다. 피크검출기(14)의 출력단에서, 수신된 신호의 진폭에 비례하는 전압레벨이 형성된다. 발생기(8)의 펄스에 대한 스트로브펄스의 지연시간(
Figure 112002029445246-pct00085
)은 센서에서 샘플링체적을 통과하여 다시 센서로 돌아오는 통과시간을 계산하는데 포함된다.
피크검출기의 출력단에서의 신호진폭은 샘플링체적에 음향확산자의 출현여부에 따라 변동한다. 확산자는 먼저 제 1센서의 샘플링체적을 통과하고 그 다음에 제 2센서의 샘플링체적을 통과하기 때문에, 이들의 상호상관관계함수에 대한 최대값이 형성된다. 시간축을 따르는 이 최대값의 좌표(
Figure 112002029445246-pct00086
)는 제 1센서에서 제 2센서까지 확산자의 통과시간에 의해 결정된다. 매질에 포함된 확산자의 속도는
Figure 112002029445246-pct00087
과 같은 식에 의해 결정된다. 여기서, l 은 제 1 및 제 2센서 사이의 거리이다.
상호상관관계함수의 계산을 위하여, 제 1 및 제 2채널의 피크검출기로부터의 신호는 아날로그-디지탈 컨버터를 통해 계산기(24)에 들어간다. 계산결과는 디스플레이(25)에 나타나게 된다.
상기한 바와 같은 실시예에 더불어, 국부 기체속도계는 음향신호에 대한 한 쌍의 이미터 및 수신기를 갖는 변환기를 사용하여 제공될 수 있으며, 또한 파이프라인의 내부에 설치된다.
이미터 및 수신기는 서로 마주보도록 배치되어 샘플링체적을 형성한다. 그 사이의 거리는 혼합물이 샘플링체적을 통해 자유롭게 흐르도록 선택된다. 틈을 관통하여 통과하는 음향확산자에 의해, 샘플링체적을 관통하는 확산자의 통과시간과 동일한 시간 동안 초음파신호가 감쇠된다. 이와 같은 현상에 기초하여, 출력신호의 자동상관관계함수가 형성되고, 샘플링체적을 관통하는 확산자의 통과시간이 결정된다. 국부 기체속도계에 대한 본 실시예에 관한 도해가 도 7에 도시된다. 이 경우, 회로는 순차적으로 연결되는 전기펄스 발생기(8), 음향학적으로 수신기(11)와 연결되는 이미터(10), 증폭기(13), 스트로브과정이 수행되는 피크검출기(14), 아날로그/디지탈 컨버터(22), 계산기(24) 및 디스플레이(25)와 같은 구성요소를 포함한다. 발생기(8)는 또한 지연된 스트로브 펄스를 형성하는 형성기(21)를 통해 피크검출기의 스트로브 입력단과 연결된다. 이미터(10) 및 수신기(11) 사이의 공간은 샘플링체적(12)에 해당한다.
속도계는 다음과 같은 방법으로 작동한다. 발생기(8)로부터의 전기펄스가 이미터(10)로 들어가서 초음파신호로 변환되며, 샘플링체적(12)를 통해 수신기(11)로 들어가고, 그 다음에 증폭기(13) 및 피크검출기에 차례로 들어간다. 형성기(21)로부터의 스트로브펄스가 이미터에서부터 수신기까지 신호전파되는 시간동안 지연됨과 동시에 피크검출기의 스트로브 입력단으로 보내진다. 수신된 신호의 진폭에 비례하는 피크검출기(14) 입력단의 전압은 아날로그/디지탈 컨버터(22)로 전달되고, 그 다음에 계산기(24) 및 디스플레이(25)에 차례로 전달된다. 샘플링체적보다 작은 입자크기를 갖는 음향신호확산자가 유동에 존재할 때, 샘플링체적 속으로 관통하는 모든 확산자는 수신된 신호의 진폭변동을 야기한다. 제 1근사값으로, 진폭변동시간은 샘플링체적을 통과하는 확산자의 통과시간과 동일하다. 자동상관관계함수는 데이터의 통계학적 표본에 대한 평균시간을 결정한다. 자동상관관계함수의 전형적인 형태가 도 8에 도시된다. 따라서, 국부 기체속도는
Figure 112002029445246-pct00088
과 같은 식에 의해 계산될 수 있다. 여기서 d 는 피에조전달판(piezotransmitter plate)의 유동방향 길이이고,
Figure 112002029445246-pct00089
는 자동상관관계함수의 주 로브(lobe) 폭이다.(도 8 참조)
또한, 국부 기체속도계에 대한 또 하나의 실시예가 가능하다. 이에 대한 기술적 실체가 도 9에 도시되어 있다. 본 실시예에서 속도계의 회로는 순차적으로 연결되는 음향변환기(26), 증폭기(13), 피크검출기(14), 스트로브과정이 수행되는 피크검출기(14), 아날로그/디지탈 컨버터(22), 계산기(24) 및 디스플레이(25), 그리고 또한 저항기(27)를 통해 변환기(26)와 연결되고 지연된 스트로브 펄스 형성기(21)를 통해 피크검출기(14)의 스트로브 입력단과 연결되는 발생기(8)와 같은 구성요소를 포함한다. 변환기(26)는 파이프라인 내측면에 설치됨으로써, 유동방향에 수직으로 설치되는 변환기의 음향장(acoustic field)을 다상유동(28)이 횡단하도록 한다.
속도계는 다음과 같은 방법으로 작동한다. 발생기(8)로부터의 전압펄스가 저항기(27)를 통해 변환기(26)에 전송되고, 변환기에서 음향신호로 변환되고 자체의 방향과 수직인 유동(28)속으로 방출된다. 음향에너지의 일 부분은 다상매질의 음향확산자(대부분의 확산자는 기체함유물이다)로부터 반사되어 변환기(26)로 되돌아간다. 변환기에서 전기신호로 변환되고, 증폭기(13)를 통해 피크검출기로 들어가며, 동시에 형성기(21)로부터의 지연된 스트로브 펄스가 피크검출기(14)의 스트로브 입력부에 전달된다. (도 10에 도시된 전압 다이어그램 참조)
저항기는 발생기(8)의 출력과 증폭기(13)의 입력을 분리한다. 피크검출기(14) 출력단에서의 전압진폭은 수신된 신호의 진폭에 비례한다.
발생기(8) 펄스에 대한 스트로브펄스의 지연시간(
Figure 112002029445246-pct00090
; 도 10 참조)은 변환기(26)에서 샘플링체적까지 갔다가 복귀하는 초음파신호의 통과시간에 따라 설정된다.
피크검출기(14) 출력단에서의 신호진폭은 샘플링체적내에 음향확산자의 출현여부에 따라 변동한다. 제 1근사값으로, 변동시간은 샘플링체적을 통과하는 확산자의 통과시간과 동일하다. 확산자의 크기가 샘플링체적의 크기 보다 매우 작은 조건 하에서, 국부 기체속도는
Figure 112002029445246-pct00091
과 같은 식에 따른 신호의 자동상관관계에 의해 결정된다. 여기서, d 는 피에조전달판(piezotransmitter plate)의 유동방향 길이이고,
Figure 112002029445246-pct00092
는 자동상관관계함수의 주 로브(lobe) 폭이다.(도 11 참조)
상기한 바와 같은 실시예에 더불어, 속도결정을 위해 도플러법을 사용하는 초음파 국부 기체속도계가 또한 가능하다. 이 경우, 최대 3mm 의 길이를 갖는 이미터 및 수신기가 서로 간에 고정된 각도를 갖도록 구경이 측정된 파이프라인 부분의 내측면에 설치된다. 속도계의 회로는 도 12에 도시된다. 속도계는 이미터(10)에 연결되는 발생기(8)을 포함한다. 수신기(11)는 증폭기(13)를 통해 상검출-배율기(29; phase detector-multiplier)에 연결된다. 저역필터(30; low pass filter), 제 2증폭기(31), 신호 스펙트럼 계산기(32) 및 디스플레이(25)와 같은 구성요소가 상검출-배율기(29)에 순차적으로 연결된다. 신호는 다음과 같은 방법으로 측정회로에서 처리된다. 방출된 초음파 진동(oscillations)이 유동의 음향확산자로부터 반 사된 후, 음향신호가 수신기(11)에 들어가고, 전압신호로 변환되며, 증폭기(13)를 통해 상검출-배율기(29)의 제 1입력단으로 전달된다. 발생기(8)로부터의 전압신호는 상검출-배율기(29)의 제 2입력단으로 보내진다. 상검출-배율기(29)의 출력으로부터, 저주파신호가 저역필터(30) 및 제 2증폭기(31)를 통해 신호 스펙트럼 계산기(32)로 보내지며, 여기서 변환기로 접근하는 음향확산자의 속도에 비례하는 도플러 주파수가 결정되며, 그 다음에 국부 기체속도가 계산되다. 처리결과는 디스플레이에 보내진다. 회로에서의 신호처리는 도 13에 도시된다.
초음파 도플러형 국부 기체속도계의 기술적 제공에 대한 또 다른 실시예가 도 14에 명시되어 있다. 최대 3mm 의 길이를 갖는 이미터 및 수신기가 서로 간에 고정된 각도를 갖도록 구경이 측정된 파이프라인 부분의 내측면에 또한 설치된다. 속도계의 측정회로는 이미터(10)에 연결되는 발생기(8)을 포함한다. 수신기(11)는 증폭기(13)를 통해 상검출-배율기(29; phase detector-multiplier)에 연결되며, 그 출력단은 "샘플링-저장"블록(30)에 연결된다. 상검출-배율기(29)의 제 2입력단은 발생기(8)에 연결된다. "샘플링-저장"블록(30)의 한 입력단은 지연된 스트로브펄스 형성기(14)를 통해 발생기(8)에 연결된다. "샘플링-저장"블록(30)의 출력단은 계산기(32) 및 그 다음의 디스플레이(25)에 연결된다.
속도계는 다음과 같은 방법으로 작동한다. 발생기(8)로부터의 전압펄스가 이미터(10)에 전달되고, 유동방향과 반대로 전파되는 음향신호를 야기한다. 음향확산자로부터, 주로 기포로부터, 반사되는 펄스는 수신기(11)에 들어가고, 증폭기(13)를 통해 상검출-배율기(29)의 제 1입력단으로 전달된다. 발생기(8)로부터의 고주파 신호는 상검출-배율기(29)의 제 2입력단으로 보내진다. 상검출-배율기(29)로부터의 저주파신호는 형성기(21)로부터 형성된 지연된 스트로브펄스의 시간적 위치에 의해 결정되는 시점에 자체의 입력단에 신호가 기록되는 "샘플링-저장"블록(30)으로 보내진다.
샘플링-저장"블록(30)으로부터의 신호에 대한 스펙트럼처리는 계산기(32)에서 수행되고, 여기서 음향확산자가 송신기에 접근하는 속도에 비례하는 도플러 주파수가 분리되고 국부기체속도가 계산된다. 처리결과는 디스플레이에 나타난다. 회로에서의 신호처리는 도 15에 도시된다.
초음파 기체함유량 측정기(도 16 참조)는 음향학적으로 수신기(11)와 연결되는 이미터(10)에 직렬로 연결되는 전압펄스 발생기(8), 증폭기(33), 스트로브과정이 진행되는 피크검출기(34)를 포함한다. 발생기(8)는 또한 지연된 스트로보펄스 형성기(35)를 통해 피크검출기(34)의 스트로브 입력단에 연결된다. 피크검출기의 출력단은 제 1비교기(36)의 직접입력단, 제 2비교기(37)에 역입력단, 및 계산기(24)에 연결된다. 제 1비교기(36) 및 제 2비교기(37)의 출력단 또한 계산기(24)에 연결되고, 그 다음에 디스플레이(25)에 연결된다.
제 1비교기의 역입력단 및 제 2비교기의 직접입력단은 각각 제 1전압셋팅장치(38) 및 제 2전압셋팅장치(39)에 연결된다. 이미터(10) 및 수신기(11)는 샘플링체적(40)을 형성하도록 서로 마주보도록 고정된다.
기체함유량 측정기는 다음과 같은 방법으로 작동한다. 발생기에 의한 사각(rectangular) 전압펄스는 이미터(10)에 의해 초음파펄스로 변환되고, 이 초음 파펄스는 샘플링체적(40)으로 방출되며, 수신기에 수신되고, 전압펄스로 변환되며, 그리고 증폭기(33)에 의해 피크검출기(34)에 전달된다. 측정기의 측정회로 구성요소에서의 신호처리에 대한 다이어그램이 도 17에 도시된다. 피크검출기(34)의 출력단에, 지연된 스트로브펄스가 들어가는 순간에 수신되는 신호의 진폭에 비례하는 레벨이 형성된다.
수신된 신호의 진폭은 샘플링체적(40)의 기체 체적농도에 따라 결정된다. 샘플링체적이 기체함유물 없이 액체로 가득 채워졌을 때, 수신된 신호의 진폭은 최고가 되고, 피크검출기(34) 입력단의 전압레벨은 제 1전압셋팅장치(38)의 전압(U1) 보다 더 높다. 이는 제 1비교기(36)의 작동 및 제 1비교기(36) 자체의 출력단에 독자적인 논리신호의 형성을 유도한다. 논리신호는 계산기(24)에 보내지고, 계산기(24)에 의해 기체 체적농도가
Figure 112002029445246-pct00093
인 상태로서 취급된다. (도 18 참조) 실제 다상유동에서 기체함유물의 크기는 서로 다르고, 샘플링체적의 크기 보다 더 클 수도 있고 더 작을 수도 있다. 기포 또는 기체 플러그(plugs)의 크기가 샘플링체적의 크기를 초과할 때, 초음파펄스의 전파가 전체적으로 차단되며, 수신되는 신호의 진폭이 노이즈레벨에 따라 결정되는 최소값으로 감소하며, 피크검출기(34)의 출력단에서의 전압레벨이 또한 최소값이 되고 제 2전압셋팅장치(39)의 전압(U2) 보다 더 작아지게 된다. 이 경우, 제 2비교기(37)가 작동하여 계산기(24)에 의해 기체 체적농도가
Figure 112002029445246-pct00094
인 상태로 취급되는 독자적인 논리신호를 생성한다.
기포의 크기가 샘플링체적의 크기보다 작을 때, 피크검출기(34)의 출력신호 진폭은 U1 내지 U2의 범위(도 18 참조)에 속하게 되고, 다음과 같은 식에 의해 설명된다.
Figure 112002029445246-pct00095
(20) 여기서,
Figure 112002029445246-pct00096
은 액체상이 조절된 체적을 채우고 있을 때의 신호의 진폭이고,
k는 센서의 기하학적 크기, 초음파의 주파수 및 기타 등등에 의해 결정되는 비례인자 이며,
Figure 112002029445246-pct00097
는 기포의 농도이며,
Figure 112002029445246-pct00098
는 기포의 직경이다.
기포의 농도가 혼합물의 유동 때문에 샘플링체적에서 연속적으로 변화한다는 것을 계산에 포함시키면, 신호의 진폭 역시 변동한다. 샘플링체적 내에 있는 기포의 갯수는 포아송 법칙(puasson's law)에 의해 결정된다. 따라서 수신된 신호의 평균값 및 그 분산값의 측정을 통해,
Figure 112002029445246-pct00099
및
Figure 112002029445246-pct00100
가 알려진 수학적 모델을 사용하여 계산기(24)에 의해 계산된다. 체적기체함유량은 다음과 같은 식에 따라 결정된다.
Figure 112002029445246-pct00101
(21) 여기서, V 는 샘플링체적이고,
Figure 112002029445246-pct00102
은 샘플링체적 내에 있는 기포의 갯수이다.
유동에 다양한 조성의 기체함유물이 포함된 경우의 기체상 농도는 다음과 같 은 식에 따라 결정된다.
Figure 112002029445246-pct00103
(22)
T = t₁+ t₂+ t₃는 평균시간이고, 여기서
t₁은 기체함유물이 샘플링체적 내에 존재하지 않을 때의 지속시간이고,
t₂는 큰 직경의 기포 및 또한 기체 플러그에 의해 설명되는 기체함유물이 샘플링체적 내에 존재할 때의 지속시간이며,
t₃는 작은 기포가 샘플링체적 내에 존재할 때의 지속시간이다.
샘플링체적의 크기는 기술적 제공에 관한 것이든 아니면 센서의 적용에 관한 것이든 조건에 따라 결정되며, 일반적으로 그 크기는 1 ㎣ 보다 작다.
액체성분에 대한 초음파 체적농도계에 관한 블럭도가 도 19에 도시된다. 체적농도계의 측정회로는 전압펄스 발생기(8)를 포함하고, 수신기(11)에 음향학적으로 연결되는 이미터(10), 증폭기(41), 제 1비교기(42), 제 1구성요소2&(43), 제 1RS-트리거(44; trigger), 제 2구성요소2&(45), 제 2RS-트리거(46) 및 "지속시간-진폭" 컨버터(47)와 같은 구성요소가 순차적으로 연결된다. 발생기(8)는 또한 지연된 스트로브펄스 형성기(48) 및, 제 1RS-트리거(44)와 제 2RS-트리거(46) 각각의 제 2입력단에 연결된다. 제 1비교기(42)의 제 2입력부는 전압셋팅장치(49)에 연결된다. 증폭기(41)의 한 출력단은 제 2비교기(50)에 연결되고, 제 2비교기의 출력단은 제 2구성요소2&(45)의 제 2입력단과 연결된다. 지연된 스트로브 펄스 형성기(48)의 출력단은 제 1구성요소2&(43)의 제 2입력단에 연결된다.
이미터 및 수신기는 샘플링체적(52)를 형성하도록 도구몸체(51) 내부에서 서로 마주보도록 장착된다.
도구몸체(51)는 샘플링체적(52)의 기계적 클리닝을 위한 구성요소(54) 및 히터와 함께 갖추어진다.
초음파 체적농도계는 다음과 같은 방법으로 작동한다.
발생기(8)에 의해 생성되는 사각 전압펄스가 이미터(10)에 의해 초음파펄스로 변환된다. 샘플링체적(52)을 통과한 다음, 초음파는 수신기(11)에 도달하여 전기신호로 변환된다. 그 다음에 증폭기(41)를 통한 신호가 제 1비교기(42)의 직접입력단으로 들어간다.
전압펄스의 전송과 동시에, 제 1RS-트리거(44)는 상태 "0"으로 전환되고, 제 2RS-트리거(46)는 상태 "1"로 전환된다.
제 1비교기(42)의 역입력단이 전압셋팅장치(49)에 연결되기 때문에, 수신된 신호의 진폭이 설정된 전압에 도달할 때 제 1비교기(42)의 작동이 일어난다. 제 1비교기(42)의 출력단으로부터의 펄스는 지연된 스트로브펄스 발생기(48)의 출력단으로부터의 펄스에 의해 스트로브과정이 진행되는 제 1구성요소2&(43)를 통해 제 1RS-트리거(44)의 S-입력단에 전달되고, 제 1RS-트리거(44)를 상태 "1"로 전환한다. (도 20의 전압 다이어그램 참조). 시간지연은 이미터(10)에서 수신기(11)까지 초음파펄스의 전파시간에 의해 결정된다. 지연요소의 사용은 전기적 및 음향적 노이즈에 의해 발생되는 체적농도계의 오작동을 배제시킨다.
제 2비교기(50)의 입력단 중 하나는 접지와이어에 연결되어 있기 때문에, 약한 신호일지라도 수신된 신호의 진폭이 "0"인 지점을 교차할 때는 항상 전압신호를 생성한다. 비교기의 출력신호는 수신된 신호의 진폭에 의존하지 않는다.
제 2구성요소2&(45)의 입력단 중 하나에 전달되는 제 1RS-트리거(44)의 출력단으로부터의 신호는 "0"점과 교차되는 수신된 신호를 표시하는 제 2비교기(50)로부터의 신호가 제 2구성요소2&(45)을 통해 통과하는 것을 허용한다. 첫번째 "0"점 교차는 제 2RS-트리거(46)의 작동을 유발하여, 제 2RS-트리거(46)를 상태 "1"로 전환한다. 이와 같이 형성되는 전압펄스는 이미터(10)에서 수신기(11)까지 초음파펄스의 통과시간에 비례하는 지속시간을 가지며, 초음파펄스의 진폭에 의존하지 않는다. 그 다음에, 이 펄스는 컨버터(47)에서 자체의 지속시간에 비례하는 진폭신호로 변환되어, 계산기 및 모니터로 전달된다.
액체성분의 초음파 체적농도계의 두번째 실시예(도 21 참조)에서, 전압셋팅장치는 스트로브과정이 진행되는 피크검출기(55)와 같이 제공된다(도 21 참조). 피크검출기의 입력단은 증폭기(41)의 출력단에 연결되어 있고, 피크검출기의 스트로브 입력단은 지연된 스트로브펄스 형성기(48)의 출력단에 연결되며, 피크검출기(55)의 출력단은 분압기(56)를 통해 제 1비교기(42)의 제2입력단에 연결된다.
전압셋팅장치는 다음과 같은 방법으로 작동한다. 증폭기(41)로부터의 전압신호는 피크검출기(55)로 전달된다. 동시에, 이미터(10)에서 수신기(11)까지 초음파펄스의 통과시간에 의해 결정되는 시간지연을 갖는 지연된 스트로브펄스 형성기(48)로부터의 신호가 피크검출기의 스트로브 입력단으로 들어간다(도 22 참조). 결과로서, 신호진폭의 최대값과 동일한 전위가 피크검출기(55)의 출력단에 형성된다. 분압기(56)를 통과하는 전압신호는 감쇠되고, 따라서 제 1비교기(42)의 확실한 작동은 조절된 매질의 특성과 온도의 변화 및 측정회로요소 등의 노화에 따라 자체를 변화시킴으로써 선택된 반파신호(half-wave of signal)에서 보장된다.
상기 전압셋팅장치의 사용은, 예를 들어 샘플링체적 내부에 기포의 출현, 성분분포의 변화, 및 다른 이유에 의해 예상되는 매질 내의 신호감쇠에 대한 상당한 변화에 따라 비교기의 작동레벨을 자동으로 지지하는 것을 허용한다.
국부 값
Figure 112002029445246-pct00104
및 W 에 대한 초음파 체적농도계의 작동은 프로세서에 의해 설정된 프로그램에 따라 제어된다. 상기한 바와 같은 값에 대한 시간에 대한 평균값 생성 및 구경이 측정된 파이프라인 부분의 단면에 대한 평균값 생성은 또한 프로세서에 의해 실행된다. 더군다나, 액체, 기름, 물 및 기체 (
Figure 112002029445246-pct00105
)와 같은 성분을 같는 다상유동의 체적유량은 프로세서에 의해 식(16), 식(18) 및 식(19)에 따라 결정된다.
비록 본 발명은 기름, 물 및 가스 혼합물에 대한 용도로 특정적으로 설명되었지만, 첨부되는 특허청구범위에 나타난 바와 같은 본 발명의 원리는 또한 다른 혼합물에도 적용가능할 것이다.
또한, 비록 도 1의 예는 파이프라인 부분의 순서가 유동방향 관점에서 보면 감소하는 단면적을 갖는 것을 보여주지만, 순서가 유동방향 관점에서 봤을 때 증가하는 단면적을 갖는 반대순서의 파이프라인 부분이 사용될 수 있다.

Claims (24)

  1. a. 파이프라인의 한 섹션(1)에서 혼합물의 적어도 한가지 상의 실제속도(w)를 측정하는 단계;
    b. 파이프라인 섹션(1)에서 혼합물의 음향전도율을 측정하는 단계;
    c. 파이프라인 섹션(1)에서 측정된 혼합물의 음향전도율에 기초하여 파이프라인 섹션(1)에서 혼합물의 기체상의 체적농도
    Figure 112002029463831-pct00157
    를 결정하는 단계;
    d. 상기 실제속도(w)값 및 상기 체적농도값을 사용함으로써 혼합물의 액체상(
    Figure 112002029463831-pct00158
    )의 제 1성분과 제 2성분(
    Figure 112002029463831-pct00159
    ) 및 기체상(
    Figure 112002029463831-pct00160
    )의 체적유량을 결정하는 단계;를 포함하는 파이프라인을 따르는 다상혼합물 유동의 기체 및 액체상의 유량을 결정하는 방법에 있어서,
    상기 파이프라인 섹션이 제 1파이프라인 섹션(1)이 된 상태에서:
    e. 제 1파이프라인 섹션(1)과 서로 다른 단면을 가지며, 따라서 혼합물의 유동속도의 변화가 두 섹션(1)(2)의 접합부에서 발생하도록, 제 1파이프라인 섹션(1)과 직렬인 제 2파이프라인 섹션(2)을 제공하는 단계;
    f. 제 2파이프라인 섹션(2)에서 실제속도를 측정하는 단계;
    g. 제 2파이프라인 섹션(2)에서 음향전도율을 측정하는 단계;
    h. 제 2파이프라인 섹션(2)에서 측정된 혼합물의 음향전도율에 기초하여 제 2파이프라인 섹션(2)에서 기체상의 체적농도
    Figure 112002029463831-pct00161
    를 결정하는 단계;
    i. 적어도 하나의 파이프라인 섹션에서 측정된 혼합물의 음향전도율에 기초하여 혼합물의 서로 다른 액체상성분의 체적농도(W)를 결정하는 단계;
    j. 제 1 및 제 2파이프라인 섹션(1)(2)에 대하여 얻어진 체적농도 및 실제속도(w)값을 결합된 형태로 사용하여 체적유량(
    Figure 112002029463831-pct00162
    )을 결정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 다상유동의 유량을 결정하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    제 1파이프라인 섹션(1)의 단면적(F₁)은 F₂= kF₁, 여기서 k≠1, 인 상관관계에 따라 제 2파이프라인 섹션(2)의 단면적(F₂)과 서로 다른 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    액체상의 체적유량값은
    Figure 112002029463831-pct00110
    과 같은 식에 의해 결정되며, 여기서
    Figure 112002029463831-pct00111
    은 각각 제 1파이프라인 섹션(1) 및 제 2파이프라인 섹션(2)에서 기체상의 평균 실제속도이고,
    Figure 112002029463831-pct00112
    은 각각 제 1파이프라인 섹션(1) 및 제 2파이프라인 섹션(2)에서 평균 실제체적기체농도이며;
    기체상의 체적유량은
    Figure 112002029463831-pct00113
    또는
    Figure 112002029463831-pct00114
    과 같은 식에 의해 결정되고,
    제 1액체상성분의 체적유량은
    Figure 112002029463831-pct00115
    과 같은 식에 의해 결정되며, 그리고
    제 2액체상성분의 체적유량은
    Figure 112002029463831-pct00116
    과 같은 식에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    기체상의 속도(w )는 제 1파이프라인 섹션(1) 및 제 2파이프라인 섹션(2)의 상기 각 단면의 서로 다른 반경방향 위치에서 측정되고, 각 단면에 대한 측정된 국부속도값은 계산에서 속도값으로 사용하기 위한 값을 제공하기 위하여 평균화되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    기체상의 체적농도
    Figure 112007055574456-pct00117
    는 제 1파이프라인 섹션(1) 및 제 2파이프라인 섹션(2)의 상기 각 단면의 서로 다른 반경방향 위치에서 측정되고, 각 단면에 대한 측정된 체적농도값은 계산에서 농도값으로 사용하기 위한 값을 제공하기 위하여 평균화되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 측정은 초음파 변환기를 사용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    혼합물의 액체상의 체적농도(W)는 적어도 하나의 파이프라인 섹션(1)(2)의 적어도 하나의 단면에서 초음파 변환기에 의해, 그리고 변환기에서부터 혼합물을 관통하는 초음파펄스의 통과시간 측정에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 1항에 있어서,
    혼합물의 기체상의 체적농도
    Figure 112007055574456-pct00118
    는 제 1파이프라인 섹션(1) 및 제 2파이프라인 섹션(2)의 적어도 하나의 단면에서 초음파 변환기에 의해, 그리고 변환기에서부터 혼합물을 통과하는 초음파펄스의 진폭을 측정함에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 1항에 있어서,
    혼합물 각 상의 속도(w )는 제 1파이프라인 섹션(1) 및 제 2파이프라인 섹션(2)의 적어도 하나의 단면에서 초음파 변환기에 의해, 그리고 상호상관관계법 또는 자동상관관계법에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 1항에 있어서,
    혼합물 각 상의 속도(w )는 제 1파이프라인 섹션(1) 및 제 2파이프라인 섹션(2)의 적어도 하나의 단면에서 초음파 변환기에 의해, 그리고 변환기로부터의 초음파펄스의 도플러주파수를 측정함에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 측정은 전기적 전도율 변환기를 사용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 측정은 전기적 용량 변환기를 사용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 측정은 광학적 센서를 사용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제 1항에 있어서,
    상기 혼합물의 액체상성분은 물 및 기름인 것을 특징으로 하는 방법.
  15. a. 파이프라인의 한 섹션(1)내에 배치되며, 파이프라인 섹션(1)에서 혼합물의 적어도 한 상의 실제속도(w)를 측정하기 위하여 회로에 연결되는 속도센서(5);
    b. 파이프라인 섹션(1)내에 배치되며, 파이프라인 섹션(1)에서 혼합물의 음향전도율을 측정하기 위하여 그리고 파이프라인 섹션(1)에서 측정된 혼합물의 음향전도율에 기초하여 파이프라인 섹션(1)에서 혼합물의 기체상의 체적농도
    Figure 112002029463831-pct00163
    를 결정하기 위하여 회로에 연결되는 음향전도율센서(6);
    c. 상기 실제속도(w) 및 상기 체적농도를 사용함으로써 혼합물의 기체상(
    Figure 112002029463831-pct00164
    ), 및 액체상(
    Figure 112002029463831-pct00165
    )의 제 1성분 및 제2성분(
    Figure 112002029463831-pct00166
    )의 체적유량을 결정하기 위하여 상기 회로에 연결되는 프로세서;를 포함하는 파이프라인을 따르는 다상혼합물 유동의 기체 및 액체상의 유량을 결정하기 위한 장치에 있어서,
    상기 파이프라인 섹션이 제 1파이프라인 섹션(1)이 된 상태에서:
    d. 제 1파이프라인 섹션(1)과 서로 다른 단면을 가지며, 따라서 혼합물의 유동속도의 변화가 두 섹션(1)(2)의 접합부에서 발생하도록, 제 1파이프라인 섹션(1)과 직렬로 배치되는 제 2파이프라인 섹션(2);
    e. 제 2파이프라인 섹션(2)내에 배치되며, 제 2파이프라인 섹션(2)에서 혼합물의 적어도 한 상의 실제속도(w)를 측정하기 위하여 회로에 연결되는 추가적 속도센서(5);
    f. 제 2파이프라인 섹션(2)내에 배치되며, 제 2파이프라인 섹션(2)에서 혼합물의 음향전도율을 측정하기 위하여 그리고 제 2파이프라인 섹션(2)에서 측정된 혼합물의 음향전도율에 기초하여 제 2파이프라인 섹션(2)에서 혼합물의 기체상의 체적농도
    Figure 112002029463831-pct00167
    를 결정하기 위하여 회로에 연결되는 추가적 음향전도율센서(6);
    g. 상기 파이프라인 섹션(1)(2) 중 하나의 파이프라인 섹션(1)에 배치되며, 상기 하나의 파이프라인 섹션(1)에서 측정된 음향전도율에 기초하여 혼합물의 서로 다른 액체상성분의 체적농도(W)를 결정하기 위하여 추가적 회로에 연결되는 액체농도센서(7);를 포함하며, 그리고
    여기서, 프로세서는 추가적 회로에 연결되고, 프로세서는 체적유량 (
    Figure 112002029463831-pct00168
    )을 결정하기 위하여 제 1 및 제 2 파이프라인 섹션에 대하여 얻어진 실제속도값(w) 및 체적농도값을 결합된 형태로 사용하는 것을 특징으로 하는 다상유동의 유량을 결정하기 위한 장치.
  16. 제 15항에 있어서,
    각 파이프라인 섹션(1)(2)에 대하여, 혼합물의 적어도 하나의 상의 국부유동특성을 측정하기 위한 상기 수단은:
    상관관계 또는 도플러법을 기초로 하는 혼합물의 실제기체속도를 측정하기 위한 초음파 기체속도계;
    초음파 체적기체농도계;
    초음파 액체상 체적농도계를 사용하는 것을 특징으로 하는 장치.
  17. 제 15항에 있어서,
    혼합물의 적어도 하나의 상의 국부유동특성을 측정하기 위하여 전기적 용량 변황기 또는 전기적 전도율 변환기를 갖는 측정기를 사용하는 것을 특징으로 하는 장치.
  18. 제 15항에 있어서,
    각 파이프라인 부분(1)(2)에 대하여, 기체체적농도를 결정하기 위한 감마-측정기를 사용하는 것을 특징으로 하는 장치.
  19. 제 15항에 있어서,
    각 파이프라인 섹션(1)(2)에 대하여 수직으로 설치되는, 정적압력차(static pressure difference) 측정에 의해 기체체적농도를 결정하기 위한 장치가 사용하는 것을 특징으로 하는 장치.
  20. 제 15항에 있어서,
    기체속도계는 제 1파이프라인 섹션(1) 및 제 2파이프라인 섹션(2)의 상기 각 단면의 서로 다른 반경방향 위치에서 기체상의 속도(w )를 측정하고, 각 단면에 대한 측정된 국부속도값은 계산에서 속도값으로 사용하기 위한 값을 제공하기 위하여 평균화되는 것을 특징으로 하는 장치.
  21. 제 15항에 있어서,
    기체체적농도계는 제 1파이프라인 섹션(1) 및 제 2파이프라인 섹션(2)의 상기 각 단면의 서로 다른 반경방향 위치에서 기체상의 체적농도
    Figure 112007055574456-pct00122
    를 측정하고, 각 단면에 대한 측정된 체적농도값은 계산에서 농도값으로 사용하기 위한 값을 제공하기 위하여 평균화되는 것을 특징으로 하는 장치.
  22. 제 15항에 있어서,
    제 1파이프라인 섹션(1)의 단면적(F₁)은 F₂= kF₁, 여기서 k≠1, 인 상관관계에 따라 제 2파이프라인 섹션(2)의 단면적(F₂)과 서로 다른 것을 특징으로 하는 장치.
  23. 제 22항에 있어서,
    다음과 같은 식으로 액체상의 체적유량값을 계산하고:
    Figure 112007055574456-pct00123
    , 여기서,
    Figure 112007055574456-pct00124
    은 각각 제 1파이프라인 섹션(1) 및 제 2파이프라인 섹션(2)에서 기체상의 평균 실제속도이고,
    Figure 112007055574456-pct00125
    은 각각 제 1파이프라인 부분(1) 및 제 2파이프라인 섹션(2)에서 평균 실제체적기체농도이며;
    다음과 같은 식으로 기체상의 체적유량을 계산하며:
    Figure 112007055574456-pct00126
    또는
    Figure 112007055574456-pct00127
    ,
    다음과 같은 식으로 제 1액체상성분의 체적유량을 계산하고:
    Figure 112007055574456-pct00128
    ,
    그리고, 다음과 같은 식으로 제 2액체상성분의 체적유량을 계산하는:
    Figure 112007055574456-pct00129
    ,
    프로세서를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  24. 제 15항에 있어서,
    다상유동의 감지된 액체상성분은 물 및 기름인 것을 특징으로 하는 장치.
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