가스의 보이드 분율을 결정하기 위한 방법 및 계측전자장치 document_id A220623068597

1985년 1월 1일 J.E. Smith 등에게 허여된 미국 특허 번호 4,491,025 및 1982년 2월 11일 J.E. Smith 에게 허여된 Re. 31,450 호에 개시된 것과 같은 파이프라인을 통해 유동하는 물질의 질량 유동, 밀도, 용적 유동 및 기타 정보를 측정하기 위한 코리올리 질량 유량계를 사용하는 것이 공지되어 있다. 이러한 유량계는 다른 구성의 유동관을 하나 이상 구비한다. 각각의 도관 구성은 예를 들어, 단수 굽힘, 비틀림, 방사상 및 결합된 모드를 포함하는 자연 진동 세트를 갖는 것으로 간주할 수 있다. 통상의 코리올리 질량 유동 측정 장치에서, 도관 구성은 물질이 도관을 통해 유동함에 따라 하나 이상의 진동 모드로 여기되며, 도관의 운동은 도관을 따라 이격되어 있는 위치에서 측정된다. 물질이 채워진 시스템의 진동 모드는 유동관 내의 물질 및 유동관의 결합된 질량에 의해 부분적으로 규정된다. 물질은 유량계의 유입구 측 상에 연결된 파이프라인으로부터 유량계로 흐른다. 이후 물질은 유동관 또는 유동관들로 향하게 되고 유량계를 떠나 배출구 측 상에 연결된 파이프라인으로 흐르게 된다. 드라이버는 유동관에 하중을 가한다. 하중은 유동관이 진동하도록 한다. 유량계를 통해 흐르는 물질이 없다면, 유동관을 따른 모든 지점은 동일한 위상으로 진동한다. 물질이 유동관을 통해 유동함에 따라, 코리올리 가속도가 유동관을 따른 각각의 위치들이 유동관을 따른 다른 위치에 대하여 다른 위상을 갖도록 한다. 유동관의 유입구 측에서의 위상은 드라이버에 뒤처지는 반면, 배출구 측에서의 위상은 드라이버를 앞선다. 유동관의 다른 위치에 센서들이 배치되어 다른 위치에서의 유동관의 운동을 나타내는 사인함수 신호를 생성한다. 두 개의 센서 신호 간의 위상차는 유동관 또는 유동관을 통해 유동하는 물질의 질량 유량에 비례한다. 종래의 방식 중 하나에서는 이산 푸리에 변환(Discrete Fourier Transform; DFT) 또는 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform; FFT)이 센서 신호 사이의 위상차를 결정하기 위해 사용된다. 유동관 조립체의 진동 주파수 응답 및 위상차가 질량 유량을 얻기 위해 사용된다. 종래의 방식 중 하나에서는 예를 들어 진동 드라이버 시스템으로 송신되는 주파수를 사용함으로써 독립된 기준 신호가 픽오프(pickoff) 신호 주파수를 결정하기 위해 사용된다. 다른 종래의 방식에서는 픽오프 센서에 의해 생성된 진동 주파수 응답이 노치 필터(notch filter)에 있는 주파수에 중심을 맞춤(centering)으로써 결정될 수 있으며, 여기서 종래 기술의 유량계는 노치 필터의 노치를 픽오프 센서 주파수에 유지하려고 시도한다. 이러한 종래 기술은 정지된 상태에서는 매우 잘 작동하며, 여기서 유량계 내의 유동 물질은 균일하며 최종 픽오프 신호 주파수는 비교적 안정적이다. 그러나 액체 유동 물질 내에 공기 기포가 있거나 유동 물질이 액체 및 고체를 포함하는 2-상 유동(two-phase flow)과 같이, 유동 물질이 균일하지 않은 경우에는 종래기술의 위상 측정은 실패하게 된다. 이러한 상황에서, 종래 기술에서 결정된 주파수는 빠르게 요동한다. 빠르고 큰 주파수 변이의 상태 동안에는, 픽오프 신호가 필터 대역폭 외부로 이동하여 잘못된 위상 및 주파수 측정이 이루어질 수 있다. 이는 또한, 유량계가 빈 상태(empty condition)와 채워진 상태(full condition)에서 번갈아 가며 반복적으로 작동하는 엠티-풀-엠티 배칭(empty-full-empty batching) 에서도 문제가 된다. 또한, 센서의 주파수가 빠르게 이동하면, 복조(demodulation) 과정은 실제 또는 측정된 주파수를 따라갈 수 없어서 잘못된 주파수에서의 복조가 이루어지게 된다. 결정된 주파수가 부정확하거나 잘못되면, 후속적으로 얻어지는 밀도, 용적 유량 등의 값도 부정확하거나 잘못된다는 것을 이해해야 한다. 더욱이, 이러한 오차는 계속되는 유동 특성 측정에서 증가하게 된다. 종래 기술에서, 픽오프 신호는 노치 필터를 실행하기 위하여 디지털화되어 디지털 방식으로 다루어진다. 노치 필터는 단지 주파수의 좁은 대역만을 수용한다. 그러므로 목적 주파수가 변경되면 노치 필터는 주기 시간에 대해 목적 신호를 추적할 수 없게 된다. 통상적으로, 디지털 노치 필터 실행은 요동하는 목적 신호를 추적하는데 1-2 초가 소요된다. 주파수를 결정하기 위해 종래 기술에서 요구되는 시간으로 인하여, 주파수 및 위상 결정이 오차를 포함할 뿐만 아니라 오차 측정은 오차 및/또는 2-상 유동이 실제적으로 일어나는 시간 간격(time span)을 초과하는 시간 간격을 포함하게 되는 결과가 발생한다. 이는 노치 필터 실행의 비교적 늦은 응답에 기인한다. 결과적으로 종래 기술의 유량계는 유량계 내의 유동 물질의 2-상 유동 과정 동안에 픽오프 센서 주파수를 정확하거나, 빠르거나, 만족스럽게 추적하거나 결정할 수 없다. 결과적으로, 종래 기술은 결정된 픽오프 주파수를 사용하여 위상차를 유도하므로, 위상 결정도 마찬가지로 느리고 오차를 갖기 쉽다. 따라서 주파수 측정에서의 어떠한 오차도 위상 결정에서 증가하게 된다. 결과적으로 주파수 결정 및 위상 결정에서 오차가 증가하여 질량 유량의 결정에 있어 오차를 증가시키게 된다. 또한, 결정된 주파수 값은 밀도 값을 결정하기 위해 사용되므로(밀도는 제곱 주파수 분의 1과 거의 동일하다), 주파수 결정에서의 오차는 밀도 결정에서도 반복되거나 증가하게 된다. 이는 또한 용적 유량의 경우에도 마찬가지인데, 용적 유량은 질량 유량을 밀도로 나눈 것과 동일하기 때문이다. 따라서, 종래 기술에서는 2-상 유동 과정 동안 측정 능력의 손실 또는 부정확성이 발생하게 된다. 많은 유동 장치에 있어서, 유동 물질 내에 공기 (또는 다른 가스)가 혼입되도록 하는 것이 가능하다. 이러한 것 중 하나의 예는 유전의 생산물로서, 여기서 유정으로부터 펌핑되어 나온 원유는, 그와 함께 혼합되는 공기를 포함하기 쉽다. 다른 예로는 식품 제조 과정에서 액체 내에 혼입되는 공기를 들 수 있다. 혼입된 공기는 통상적으로 유동 액체 내에 기포로서 존재하게 된다. 이러한 공기 기포는 유량계에서 잘못된 질량 유량을 초래할 수 있다. 어떠한 양의 혼입 공기가 유동 액체 내에 혼합되어 있건 간에 유동 액체의 질량 유량을 정확히 측정할 수 있는 유량계가 매우 바람직하다. 또한 혼입된 공기가 변동하더라도 유동 액체의 질량 유량을 정확히 측정할 수 있는 유량계가 매우 바람직하다.