초고주파수 진동 유량계, 그 작동 방법 및 형성 방법

초고주파수 진동 유량계, 그 작동 방법 및 형성 방법{VERY HIGH FREQUENCY VIBRATORY FLOW METER, METHOD OF OPERATING THE SAME AND METHOD OF FORMING THE SAME}

본 발명은 진동 유량계, 및 더 상세하게는, 초고주파수(very high frequency) 진동 유량계에 관한 것이다.

코리올리 질량 유량계 및 진동 밀도계와 같은 진동 유량계들은 유동 또는 비-유동 유체를 포함한 진동 도관의 운동을 검출하여 전형적으로 작동한다. 질량 유동, 밀도 등과 같은 도관에서 물질과 관련된 속성들은 도관과 관련된 운동 트랜듀서로부터 수용된 측정 신호를 프로세싱하여 결정될 수 있다. 진동 물질-충전 시스템의 진동 모드들은 일반적으로 도관 및 그 안에 포함된 물질의 결합 질량, 강성 및 댐핑 특성들에 의해 영향을 받는다.

전형적인 진동 유량계는 파이프라인 또는 다른 운송 시스템에 인라인으로 연결되어 상기 시스템에서 물질, 예컨대, 유체, 슬러리 및 동류의 것을 운반하는 하나 이상의 도관들을 포함한다. 도관은, 예를 들면 단순 벤딩, 비틀림, 레이디얼(radial), 및 커플링된 모드를 포함하는 고유 진동의 세트를 갖는 것으로 고려된다. 전형적인 측정 어플리케이션에서, 도관은 물질이 도관을 통해 유동함에 따라 하나 이상의 진동 모드들로 가진되고(excited) 상기 도관의 운동은 도관을 따라 이격된 포인트들에서 측정된다. 가진은 전형적으로 주기적인 방식으로 섭동을 일으키는 액츄에이터, 예컨대 보이스 코일-타입 드라이버와 같은 전자기계식 장치에 의해 제공된다. 유체의 밀도는 유동 유체의 공진 주파수를 결정하여 얻을 수 있다. 질량 유량은 트랜듀서들에서 운동들 사이의 시간 지연 또는 위상 차이를 측정하여 결정될 수 있다. 2 개의 이러한 트랜듀서(또는 픽오프 센서들)가 전형적으로 사용되어 유동 도관 또는 도관들의 진동 응답을 측정하고 액츄에이터의 상류 및 하류의 위치에 전형적으로 위치된다. 두 픽오프 센서는 케이블에 의해, 예컨대 독립적인 두 개 쌍의 와이어들에 의해, 전자 계기류에 연결된다. 상기 계기류는 두 픽오프 센서들로부터 신호를 수신하고 질량 유량 측정을 도출하기 위해 신호를 프로세싱한다.

유량계는 폭넓게 다양한 유체에 대한 질량 유량 및/또는 밀도 측정을 수행하는데 사용되어 단일 위상 유동에 대한 높은 정확성을 제공한다. 진동 유량계가 사용되는 하나의 영역은 오일 및 가스 정 출력의 계측 분야이다. 이러한 정들의 생산물은 액체 뿐만 아니라 유동 유체에 혼입될 수 있는 가스들 및/또는 고체들을 포함하여, 다중-상(multi-phase) 유동을 포함할 수 있다. 따라서 유전 유동 유체는 예를 들어 오일, 물, 공기 또는 다른 가스들, 및/또는 모래를 포함할 수 있다. 그러나, 진동 유량계가 혼입된 가스들 및/또는 고체들을 포함하는 유동 유체를 측정하는데 사용될 때, 유량계의 정확성이 상당히 저하될 수 있다. 결과적인 계측은 이러한 다중-상 유동에 대해서도 가능한 정확하게 하는 것이 매우 바람직하다.

다중-상 유동 유체는 혼입된 가스들, 특히 기포있는 가스 유동을 포함할 수 있다. 다중-상 유동은 혼입된 고체들 또는 혼입된 고체 입자들, 콘트리트 등과 같은 혼합물들을 포함한다. 또한, 다중-상 유동은 예를 들어 물 및 석유 성분들과 같은 상이한 밀도의 액체들을 포함할 수 있다. 상기 상들은 상이한 밀도, 점성도, 또는 다른 속성들을 가질 수 있다.

다중-상에서, 유동 도관의 진동은 반드시 혼입된 가스들/고체들을 유동 유체와 완전히 동상으로 이동시키지는 않는다. 이 진동 이종(vibrational anomaly)은 디커플링 또는 슬리피지(slippage)로서 지칭된다. 예를 들어, 가스 기포는 유동 유체로부터 디커플링될 수 있고, 진동 응답 및 임의의 후속적으로 도출된 유동 특성에 영향을 준다. 작은 기포는 전형적으로 유량계가 진동됨에 따라 유동 유체에 함께 이동한다. 그러나, 더 큰 기포는 유동 도관의 진동 동안 유동 유체와 함께 이동하지 않는다. 대신, 기포들은 유동유체에서 디커플링될 수 있고 혼입된 가스 기포들이 각 진동 움직임 동안 유동 유체보다 더 많이 더 빠르게 이동하면서 독립적으로 이동할 수 있다. 이것은 유량계의 진동 응답에 악영향을 미친다. 이것은 유동 유체에 혼입된 고체 입자에 대해 또한 사실이고, 여기서 고체 입자는 증가하는 입자 크기들 또는 진동 주파수들에서 유동 유체의 운동으로부터 점진적으로 디커플링되기 쉽다. 디커풀링은 또한 다중-상 유동이 밀도 및/또는 점성을 달리하는 유체를 포함하는 곳에서 발생할 수 있다. 디커플링 작동은 예를 들어 유동 유체의 점성 및 유동 유체와 이물질(foreign material) 사이의 밀도에서의 차이와 같은 다양한 요인들에 의해 영향 받는 것으로 발견되었다.

기포들 및 입자들의 상대적 운동에 의해 야기된 문제점들에 덧붙여, 코리올리 유량계는 측정 유체의 음속이 낮거나 유량계의 오실레이션 주파수가 높을 때 효과, 음속(speed of sound, SOS)으로부터 정확성 저하 또는 압축률을 경험할 수 있다. 액체는 가스들보다 더 높은 음속을 가지나, 가장 낮은 속도가 두개의 혼합물로부터 원인이 된다. 유체에 혼입된 가스의 적은 양이라도 혼합물의 음속에서 어느 한쪽 상(phase)의 음속 아래로 극적인 감소를 야기한다.

유동 튜브의 오실레이션은 구동 주파수로 유량계의 횡방으로 오실레이팅하는 음파를 발생시킨다. 단상 유동에서와 같이 유체의 음속이 높을 때, 원형 도관에 걸친 횡방향 음파에 대한 제 1 음향 모드(the first acoustic mode)는 구동 주파수보다 훨씬 더 높은 주파수에 있다. 그러나, 액체에 가스의 추가로 인해 음속이 강하될 때, 음향 모드의 주파수가 또한 강하된다. 음향 모드 및 드라이브 모드의 주파수가 가까울 때, 드라이브 모드에 의해 음향 모드의 이탈-공진 가진(off-resonance excitation)으로 인해 유량계 에러들이 야기된다.

낮은 주파수 유량계 및 전형적인 프로세스 압력에 대해, 음속의 효과는 다중 상 유동에서 존재하나 유량계의 특정 정확성에 대해 보통 무시할 수 있다. 그러나, 기포가 있는 유체와 함께 낮은 압력으로 작동하는 높은 주파수의 코리올리 유량계에 대해, 사운드의 속력은 너무 낮아서 드라이브와 유체 진동 모드들 사이의 상호 작용으로 인해 상당한 측정 에러들을 야기할 수 있다.

기포의 크기는 존재하는 가스의 양, 유동 유체의 압력, 온도, 및 유동 유체 내로 가스의 혼합의 정도에 따라 가변될 수 있다. 성능 저하의 범위는 총 가스가 얼마나 많이 존재하는지에 뿐 아니라, 유동에서 개별 가스 기포들의 크기도 관계된다. 기포들의 크기는 측정의 정확성에 영향을 미친다. 더 큰 기포들은 더 큰 부피를 점유하고 더 추가 정도로 디커플링되어, 유체 유동의 측정된 밀도에서 변동을 가져온다. 가스의 압축률으로 인해, 기포들은 가스 양, 또는 질량에서 변할 수 있으나, 반드시 크기에서 변하는 것은 아니다. 반대로, 압력이 변경되는 경우 기포 크기는 따라서 변하고, 압력이 강하됨에 따라 팽창하거나 압력이 증가함에 따라 수축된다. 이것은 또한 유량계의 고유 주파수 또는 공진 주파수에서 변화를 일으킬 수 있다.

종래 기술 진동 유량계들은 100 내지 300 헤르츠(Hz)근처의 주파수로 작동하도록 일반적으로 설계되며, 몇몇 유량계들은 500 내지 1,000Hz 사이의 주파수로 작동한다. 일부 선행 기술 유량계들은 더 높은 주파수에서 작동하도록 설계되었다. 선행 기술 진동 유량계의 작동 주파수는 유량계 설계, 생산 및 작동을 촉진하기 위해 전형적으로 선택된다. 예를 들어, 종래 기술 진동 또는 코리올리 유량계는 치수에서 실질적으로 균일하고 물리적으로 콤팩트하도록 구성된다. 예를 들어, 종래 기술 유량계의 높이는 전형적으로 길이보다 더 작고, 낮은 높이-대-길이 종횡비(H/L) 및 상응하는 높은 구동 주파수를 준다. 유량계 사용자들은 설치가 간단하도록 작은 전체 크기를 선호한다. 또한, 유량계 설계는 일반적으로 균일한, 단상 유체 유동을 가정하고 이러한 균일한 유체 유동에 의해 최적으로 작동하도록 설계된다.

직선 도관 유량계는 0의 높이-대-길이 종횡비를 갖고, 이는 일반적으로 높은 구동 주파수를 발생시킨다. 굽은 유동 도관들은 종종 길이가 지배적인 치수가 되는 것을 막는데 사용되어 높이-대-길이 종횡비(H/L)를 증가시킬 것이다. 종래 기술의 만곡 또는 굽은 도관 유량계는 예를 들어 1.3에 접근하는 높이-대-길이 종횡비를 가질 수 있다.

다중-상 유동 유체를 정확하고 안정적으로 측정할 수 있는 진동 유량계에 대한 필요가 본 발명이 속한 기술분야에 남아 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 초고주파수 진동 유량계는

하나 또는 그 이상의 유동 도관들을 포함하는 유량계 조립체 - 상기 유량계 조립체는 이물질 크기 또는 이물질 조성과 무관하게 유동 유체에 대해 미리 결정된 최대 디커플링 주파수보다 큰 초고주파수 응답을 발생시키도록 구성됨- ; 및

상기 유량계 조립체에 커플링되어 상기 초고주파수 진동 응답을 수신하고 이로부터 하나 이상의 유동 측정치를 생성하도록 구성된 유량계 전자회로를 포함한다.

바람직하게, 유량계 전자회로는 디커플링 비율(A _p /A _f )이 상기 초고주파수에서 혼입된 가스에 대해 약 3:1이도록 구성된다.

바람직하게, 유량계 전자회로는 디커플링 비율(A _p /A _f )이 초고주파수에서 혼입된 고체들에 대해 수량 3/(l+(2*ρ _p /ρ _f ))과 대략 동일하도록 구성된다.

바람직하게, 상기 유량계 전자회로는 점성이 상기 초고주파수에서 상기 유동 유량에 대한 입자 운동에 대해 사실상(effectively) 0이 되도록 구성된다.

바람직하게, 초고주파수는 약 1500 헤르츠(Hz)보다 큰 주파수를 포함할 수 있다.

바람직하게, 초고주파수 진동 응답이 약 0.1보다 작은 역 스톡스 수(δ)에 상응한다.

바람직하게, 초고주파수는 약 2000 헤르츠(Hz)보다 큰 주파수를 포함할 수 있다.

바람직하게, 하나 이상의 도관들이 유동 도관 강성, 유동 도관 길이, 유동 도관 종횡비, 유동 도관 물질, 유동 도관 두께, 유동 도관 형상, 유동 도관 기하형태, 또는 하나 이상의 진동 노드 위치들 중 하나 이상의 구성에 의해 상기 초고주파수를 달성하도록 구성된다.

바람직하게, 초고주파수 진동 유량계는 제 1 벤딩 모드에서 작동하도록 구성된다.

바람직하게, 초고주파수 진동 유량계는 고차 벤딩 모드 주파수(higher bending mode frequency)에서 작동하도록 구성된다.

본 발명의 일 실시예에서, 초고주파수 진동 유량계를 작동하는 방법은

초고주파수 진동 유량계의 하나 이상의 유동 도관들을 초고주파수에서 진동시키는 단계 - 상기 초고주파수는 이물질 크기 또는 이물질 조성과 무관하게 유동 유체에 대해 미리 결정된 최대 디커플링 주파수보다 더 큼 - ;

초고주파수 진동 응답을 수신하는 단계; 및

상기 초고주파수 진동 응답으로부터 하나 이상의 유동 측정치를 생성하는 단계를 포함한다.

바람직하게, 상기 초고주파수 진동 유량계는 디커플링 비율(A _p /A _f )이 상기 초고주파수에서 혼입된 가스에 대해 약 3:1이도록 구성된다.

바람직하게, 초고주파수 진동 유량계는 디커플링 비율(A _p /A _f )이 상기 초고주파수에서 혼입된 고체들에 대해 수량 3/(l+(2*ρ _p /ρ _f ))과 대략 동일하도록 구성된다.

바람직하게, 상기 초고주파수 진동 유량계는 점성이 상기 초고주파수에서 상기 유동 유량에 대한 입자 운동에 대해 사실상 0이 되도록 구성된다.

바람직하게, 초고주파수는 약 1500 헤르츠(Hz)보다 큰 주파수이다.

바람직하게, 초고주파수 진동 응답이 약 0.1보다 작은 역 스톡스 수(δ)에 상응한다.

바람직하게, 초고주파수는 약 2000 헤르츠(Hz)보다 큰 주파수이다.

바람직하게, 상기 초고주파수 진동 유량계의 하나 이상의 도관들이 유동 도관 강성, 유동 도관 길이, 유동 도관 종횡비, 유동 도관 물질, 유동 도관 두께, 유동 도관 형상, 유동 도관 기하형태, 또는 하나 이상의 진동 노드 위치들 중 하나 이상의 구성에 의해 상기 초고주파수를 달성하도록 구성된다.

바람직하게, 초고주파수 진동 유량계는 제 1 벤딩 모드에서 작동하도록 구성된다.

바람직하게, 초고주파수 진동 유량계는 고차 벤딩 모드 주파수에서 작동하도록 구성된다.

본 발명의 일 실시예에서, 초고주파수 진동 유량계를 형성하는 방법은

적어도 예상 유동 유체에 기초하여 상기 진동 유량계에 대해 미리 결정된 초고주파수를 결정하는 단계 - 상기 초고주파수가 이물질 크기 또는 이물질 조성과 무관하게 유동 유체에 대해 미리 결정된 디커플링 주파수보다 큼 - ;

상기 초고주파수에서 작동하도록 상기 초고주파수 진동 유량계를 구성하는 단계; 및

상기 초고주파수 진동 유량계를 구축하는 단계를 포함한다.

바람직하게, 유량계 전자회로는 디커플링 비율(A _p /A _f )이 상기 초고주파수에서 혼입된 가스에 대해 약 3:1이도록 구성된다.

바람직하게, 유량계 전자회로는 디커플링 비율(A _p /A _f )이 초고주파수에서 혼입된 고체들에 대해 수량 3/(l+(2*ρ _p /ρ _f ))과 대략 동일하도록 구성된다.

바람직하게, 상기 유량계 전자회로는 점성이 상기 초고주파수에서 상기 유동 유량에 대한 입자 운동에 대해 사실상 0이 되도록 구성된다.

바람직하게, 초고주파수는 약 1500 헤르츠(Hz)보다 큰 주파수이다.

바람직하게, 초고주파수 진동 응답이 약 0.1보다 작은 역 스톡스 수(δ)에 상응한다.

바람직하게, 초고주파수는 약 2000 헤르츠(Hz)보다 큰 주파수이다.

바람직하게, 상기 하나 이상의 도관들이 유동 도관 강성, 유동 도관 길이, 유동 도관 종횡비, 유동 도관 물질, 유동 도관 두께, 유동 도관 형상, 유동 도관 기하형태, 또는 하나 이상의 진동 노드 위치들 중 하나 이상의 구성에 의해 상기 초고주파수를 달성하도록 구성된다.

바람직하게, 초고주파수 진동 유량계는 제 1 벤딩 모드에서 작동하도록 구성된다.

바람직하게, 초고주파수 진동 유량계는 고차 벤딩 모드 주파수에서 작동하도록 구성된다.

도일한 도면 부호는 모든 도면들 상에서 동일한 구성요소를 나타낸다. 도면들은 반드시 스케일링되는 것은 아니라는 것이 이해되어야 한다.

도 1은 본 발명에 따라 초고주파수 진동 유량계를 도시한다.
도 2는 마이크로운동 모델 E200 코리올리 유량계의 저주파수 모드 및 초고주파수 모드로부터 전체 밀도 에러들의 시뮬레이션 결과를 도시한 차트이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 초고주파수 진동 유량계를 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 초고주파수 진동 유량계의 작동하는 방법의 순서도이다.

도 1 내지 도 4 및 후속하는 명세서는 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 최선의 모드를 만들고 사용하는 법을 교시하는 특정 예시들을 도시한다. 본 발명의 원리를 교시하기 위해, 몇몇의 종래 양태들이 간단화 또는 생략된다. 본 발명이 속한 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 범주 내에 있는 이러한 예시들로부터 변형례들을 이해할 것이다. 본 발명이 속한 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 하기에 기술된 특징들이 다양한 방식으로 결합되어 본 발명의 다중 변형들을 형성할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명은 하기에 기술된 구체적인 사례들, 및 청구범위 및 균등물들로 제한되지 않는다.

도 1은 본 발명에 따라 초고주파수 진동 유량계를 도시한다. 일 실시예에서 초고주파수 진동 유량계(5)는 코리올리 유량계를 포함한다. 또 다른 실시예에서, 초고주파수 진동 유량계(5)는 진동 밀도계를 포함한다.

초고주파수 진동 유량계(5)는 유동 또는 정지한 어느 한쪽의 유동 유체를 측정하는 것을 포함하여 유동 유체의 유체 특성을 측정하도록 설계된다. 초고주파수 진동 유량계(5)는 또한 유동 유체가 다중 상을 포함할 때 유동 유체를 정확하고 안정적으로 측정하도록 설계된다. 다중-상 유동 유체는 일부 실시예들에서 혼입된 가스를 포함할 수 있고, 여기서 혼입 가스는 기포 유동을 포함할 수 있다. 혼입 가스는 공기 기포 또는 다양한 크기의 기포를 포함할 수 있다. 혼입 가스는 종래의 진동 유량계에서 문제가 된다. 혼입 가스, 특히 중간 정도 내지 큰 기포에 대해 유동 유체와 무관하게 이동하여 측정 에러 또는 불확실성을 일으킬 수 있다. 덧붙여, 혼입 가스는 유동 유체의 작동 압력에 의해 가변하는 가스의 압축률으로 인해 가변하는 측정 영향을 야기할 수 있다.

다중 상 유동 액체는 일부 실시예에서 혼입된 고체들을 포함할 수 있고, 혼입된 고체들은 슬러리를 포함할 수 있다. 하나의 예시는 석유의 유동에서 모래 또는 토양 입자들을 포함한다. 혼입 고체들은 유동 유체와 무관하게 이동하여 측정 에러 및/또는 불확실성을 일으킬 수 있다. 다른 예시는 콘크리트이다. 다른 슬러리 또는 에멀젼이 고려되고 본 명세서 및 청구범위의 범주 내에 있다.

일부 실시예들에서, 다중 상 유동은 함께 섞일 수 없는 안섞이는 액체와 같은 상이한 액체들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 유동 유체는 물과 오일 모두를 포함할 수 있다. 유체 유동 성분들이 상이한 밀도를 갖는 경우에, 유체 유동 성분들은 유량계 진동 동안 일부 디커플링을 겪을 수 있다. 이물질들은 유동 유체보다 밀도가 낮을 수 있다. 이물질은 유동 유체보다 더 큰 밀도일 수 있다.

작동에서, 초고주파수 진동 유량계(5)는 초고주파수에서 진동된다. 초고주파수는 제 1 벤딩 모드 진동을 포함할 수 있다. 대안적으로, 초고주파수는 제 2, 제 3, 또는 더 높은(higher) 벤딩 모드 진동을 포함할 수 있다. 그러나, 이탈 공진 진동과 같은 다른 진동들이 고려되고 본 명세서 및 청구범위의 범주 내에 있다. 그 결과, 초고주파수 진동 유량계(5)는 초고주파수 진동 응답을 발생시킨다. 초고주파수 진동 응답은 응답 주파수 및 응답 진폭 중 하나 또는 모두를 결정하도록 프로세싱된다. 매우 높은 응답 주파수는 질량 유량, 밀도, 점도 등등을 포함하여 하나 이상의 유동 유체의 특성을 결정하는데 사용할 수 있다. 유량계(5)의 초고주파수 성질은 아래에 더 설명되어 있다.

유량계(5)는 유량계 조립체(10) 및 유량계 전자회로(20)를 포함한다. 유량계 전자회로(20)는 리드(100)를 통해 유량계 조립체(10)에 연결되고 질량 유량, 볼륨 유속, 총합된 질량 유동, 온도 및 통신 경로(26)에 대한 다른 정보 중 하나 이상의 측정을 제공하도록 구성된다. 본 발명은 드라이버들, 픽오프 센서들, 유동 도관들, 또는 진동의 작동 모드의 수에 상관없이 임의 타입의 진동 유량계에서 사용될 수 있다는 것이 본 발명이 속한 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백하다. 유량계(5)는 진동 밀도계 및/또는 코리올리 질량 유량계를 포함할 수 있다.

유량계 조립체(10)는 한 쌍의 플랜지들(101 및 101'), 매니폴드들(102 및 102'), 드라이버(104), 픽오프 센서들(105 및 105'), 및 유동 도관들(103A 및 103B)를 포함한다. 드라이버(104) 및 픽오프 센서(105 및 105')는 유동 도관(103A 및 103B)에 연결된다.

일 실시예에서, 유동 도관들(103A 및 103B)은 도시된 바와 같이, 실질적으로 U자 모양의 유동 도관들을 포함한다. 또는, 다른 실시예들에서 유동 도관은 실질적으로 직선인 유동 도관을 포함할 수 있다. 그러나, 다른 모양도 사용할 수 있으며, 본 명세서 및 청구 범위의 범주 내에 있다.

플랜지들(101와 101')은 매니폴드(102 및 102')에 부착된다. 매니폴드들(102 및 102')은 스페이서(106)의 반대편 단부에 부착될 수 있다. 스페이서(106)는 매니폴드들(102 및 102') 사이에서 이격을 유지하여 유동 도관들(103A 및 103B)에서 원하지 않는 진동을 방지한다. 유량계 조립체(10)가 측정되는 유동 유체를 나르는 도관 시스템(미도시) 내로 삽입될 때, 유체 유동은 플랜지(101)를 통해 유량계 조립체(10)로 유입되고, 유동 유체의 총량이 유동 도관들(103A 및 103B)로 유입하도록 지향되는 유입구 매니폴드(102)를 통과하고, 유동 도도관(103A 및 103B)를 통해 유동하고 유출구 매니폴드(102') 내로 되돌아가며, 유출 매니폴드에서 플랜지(101')를 통해 유량계 조립체(10)를 나간다.

유동 도관(103A 및 103B)가 선택되어 유입구 매니폴드(102) 및 유출구 매니폴드(102')에 적절하게 장착되어서 벤딩 축선 WW 및 W--W 각각에 대해 실질적으로 동일한 질량 분배, 관성 모멘트, 및 탄성 모듈들을 갖는다. 유동 도관(103A 및 103B)은 본질적으로 평행한 방식으로 매니폴드(102 및 102')로부터 외측으로 연장한다.

유동 도관(103A 및 103B)은 각 벤딩 축선(W 및 W')에 대해 대향하는 방향으로 유량계(5)의 위상차 벤딩모드로 지칭되는 모드에서 드라이버(104)에 의해 구동된다. 그러나, 목표된다면, 유동 도관(103A 및 103B)은 대안적으로 제 2 벤딩 모드 또는 더 높게 진동될 수 있다. 드라이버(104)는 유동 도관(103A)에 장착된 자석 및 유동 도관(103B)에 장착된 반대편 코일과 같은 많은 잘 알려진 장치들 중 하나를 포함할 수 있다. 교류 전류는 반대편 코일을 통해 통과되어 두 도관이 오실레이팅을 야기한다. 적절한 구동 신호가 유량계 전자회로(20)을 통해 리드(110)를 통해 드라이버(104)에 인가된다.

유량계 전자회로(20)는 리드들(111 및 111')로 센서 신호들을 수신한다. 유량계 전자회로(20)는 드라이버(104)가 유동 도관(103A 및 103B)을 오실레이팅하도록 야기하는 구동 신호를 리드(110) 상에 발생시킨다. 유량계 전자회로(20)는 질량 유량을 컴퓨팅하기 위해 픽오프 센서들(105 및 105')로부터 좌우 속도 신호를 프로세싱한다. 통신 경로(26)는 유량계 전자회로(20)가 작동자 또는 다른 전자 시스템과 인터페이스하게 하는 입력 및 출력을 제공한다. 도 1의 설명은 단지 진동 유량계의 작동의 예시를 제공하고 본 발명의 교시를 제한하도록 의도되지 않는다.

도 2는 마이크로운동 모델 E200 코리올리 유량계의 저주파수 모드 및 초고주파수 모드로부터 전체 밀도 에러들의 시뮬레이션 결과를 도시한 차트이다. 매우 작은 입자 크기에서, 디커플링 비율(A _p /A _f )이 약 1이고 밀도 에러가 따라서 중요하지 않은 것과 같이, 임의의 디커플링이 무시될 수 있다는 것을 볼 수 있다. 이 작은 입자 시나리오에서, 음속(SOS)/압축률 효과가 지배적이다. 그 결과, 고주파수 모드는 포지티브 에러를 가지며 저주파 모드는 많은 에러가 전혀 발생하지 않는다.

그러나, 기포가 직경에서 수 십의 밀리미터보다 더 커질 때, 디커플링 효과는 SOS/압축률 효과를 지배하기 시작하여 에러들이 네거티브로 된다. 입자 크기가 증가할수록, 관찰된 에러는 무점성(inviscid) 모델 결과, 즉, 약 3:1의 디커플링 비율(A _p /A _f )에 점근적으로 수렴할 것이다. 오실레이션 주파수가 높은 때 이러한 점근선은 기포 크기의 측면에서 더 일찍 발생한다. 따라서, 유량계가 충분히 높은 주파수에서 진동하는 경우, 이후 수학식(14)이 활용된다(아래 참조). 수학식(14)은 기포 크기 및 유동 유체 점성에 의존하지 않는다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 초고주파수 진동 유량계를 도시한다. 초고주파수는 이전에 설명한 바와 같이, 하나 이상의 유동 도관들(103A, 103B)의 유효 길이 및 유량계(5)의 기하형태에 기초할 수 있다. 일부 실시예들의 유효 길이는 유동 도관의 기하형태에 의해 제어될 수 있다. 덧붙여, 구동 주파수는 필요하다면 하나 이상의 유동 도관들(103A, 103B)에 선택적으로 부착될 수 있는 하나 이상의 평형 질량체들(balance masses)에 의해 또한 영향을 받을 수 있다.

도면에서, 유량계(5)는 상대적으로 작은 높이(H)에 대한 비율로 큰 길이(L)를 갖는다. 따라서 초고주파수 진동 유량계(5)는 낮은 높이-대- 길이 종횡비(H/L)를 가질 수 있다. 예를 들어, 높이-대-길이 종횡비(H/L)는 1보다 작거나 훨씬 작을 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 초고주파수 진동 유량계(5)는 상대적으로 작고 따라서 대부분의 계측 어플리케이션들을 수용하는데 용이하다.

일부 실시예들에서, 초고주파수는 1500 Hz 위의 이상 진동 주파수를 포함한다. 일부 실시예들에서, 초고주파수는 2000 Hz 위의 이상 진동 주파수를 포함한다. 일부 실시예들에서 초고주파수가 3000 Hz 위의 이상 진동 주파수를 포함한다. 그러나, 요구되는 초고주파수가 궁극적으로 예를 들어 유동 유체 조성 및 혼입된 이물질의 속성을 포함하여, 다양한 요소들에 의존하기 때문에, 진동 주파수는 이러한 임계값들보다 위의 임의의 주파수일 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 초고주파수 진동 유량계의 작동하는 방법의 순서도이다. 단계 401에서, 유량계는 초고주파수에서 진동된다. 초고주파수는 혼입 가스에 대해 약 3:1의 디커플링 비율(A _p /A _f )이 달성될 수 있는 주파수를 포함할 수 있다. 초고주파수는 초고주파수에서 혼입된 고체에 대해 약 1:1의 디커플링 비율(A _p /A _f )인 주파수를 포함할 수 있다. 초고주파수는 약 0의 유효 점성이 유동 유체에 대해 달성되는 주파수를 포함할 수 있다. 초고주파수는 초고주파수가 이물질 크기 또는 이물질 조성과 무관하게 미리 결정된 최대 디커플링 주파수보다 이상인 주파수를 포함할 수 있다. 초고주파수는 초고주파수가 이물질 크기 또는 이물질 조성과 무관하게 미리 결정된 최대 SOS/압축률 임계값보다 이상인 주파수를 포함할 수 있다. 초고주파수는 약 1500 헤르츠(Hz)보다 큰 주파수를 포함할 수 있다. 초고주파수는 약 2000 헤르츠(Hz)보다 큰 주파수를 포함할 수 있다.

초고주파수 진동 유량계의 하나 이상의 유동 도관은 전술된 바와 같이, 하나 이상의 유동 도관 강성, 유동 도관 길이, 유동 도관 종횡비, 유동 도관 물질, 유동 도관 두께, 유동 도관 형상, 유동 도관 기하형태, 또는 하나 이상의 진동 노드 위치의 구성에 의해 초고주파수를 달성하도록 구성된다.

초고주파수 진동 유량계는 제 1 벤딩 모드에서 작동하도록 구성될 수 있다. 초고주파수 진동 유량계는 제2 또는 제 3 벤딩 모드 또는 더 높은 것과 같은 하나 이상의 벤딩 모드들에서 작동하도록 구성될 수 있다.

단계 402에서, 유량계 조립체의 진동 응답이 수신된다. 진동 응답은 유동 유체 또는 이탈-공진 주파수에 대한 공진 주파수를 포함할 수 있는 주파수를 포함하여 격과 주파수 및 진폭을 결정하는데 사용될 수 있다.

단계 403에서, 하나 이상의 유동 측정치는 초고주파수 진동 응답으로부터 생성될 수 있다. 하나 이상의 유동 측정치는 질량 유량(mass flow rate)을 포함할 수 있다. 하나 이상의 유동 측정치는 밀도를 포함할 수 있다. 초고주파수에 의해 달성된 밀도 측정치는 디커플링 비율 및 유체 점성에 대해 추정을 사용하여 결정될 수 있다. 다른 유동 측정들이 고려되고 본 명세서 및 청구범위의 범주 내에 있다.

구동 주파수는 하나 이상의 유동 도관이(103A 및 103B)이 유동 유체의 유동 특성을 측정하기 위해 진동되는 주파수이다. 구동 주파수는 예를 들어 유동 유체 공진 주파수이도록 선택될 수 있고 또는 하나 이상의 공진 주파수 고조파(harmonics), 고차 벤딩 모드 주파수들, 또는 이탈-공진 주파수(off-resonance frequencies)도 포함할 수 있다. 따라서 구동 주파수는 유량계 조립체(10)에서 수신한 진동 응답 주파수에 따라 다를 수 있고 유동 유체의 구성에 따라 달라질 수 있다. 또한, 구동 주파수는 유량계의 강성 특성에 의해 영향을 받는다. 강성 특성이 증가할수록, 구동 주파수는 증가한다. 결과적으로 유동 도관의 강성을 증가시키는 것은 높은 유동 도관 공진 주파수 및 이에 따라 증가 유량계 주파수를 야기한다. 유동 도관의 강성은 하기에 설명하는 바와 같이 다양한 방법으로 증가될 수 있다.

매우 높은 진동 주파수는 제 1 벤딩 모드에서 유량계 조립체(10)를 진동시켜서 달성된다. 제 1 벤딩 모드는 유량계 조립체(10)의 공진 주파수를 포함하고, 여기서 유동 도관의 길이는 단일 방향으로 움직인다. 또는, 매우 높은 진동 주파수는 제 2 벤딩 모드에서 유량계 조립체(10)를 진동시키는 것을 포함할 수 있다. 제 2 벤딩 모드에서, 추가적인 진동 노드가 유동 도관 상에 진동 도관 포인트들의 중심 근처에 존재한다. 이러한 진동 노드의 양 쪽에(either side) 도관 부분들이 반대 방향으로 움직인다.

일부 실시예들에서 초고주파수 진동 유량계(5)는 유량계 설계의 결과로 초고주파수에서 작동할 수 있다. 일부 실시예들에서, 초고주파수 진동 유량계(5)는 구동 신호의 구성의 결과로 초고주파수에서 작동할 수 있다.

다중 상 유동 유체의 결과는 이러한 다중 상 기간 동안 정확한 유체의 측정이 영향을 받고 방해 받는다는 것이다. 다중-상 영향은 효과가 약간 중간 정도 다중 상 유동 조건에 존재하는 경우에도 존재할 수 있다. 다중 상 유동 유체의 속성은 다중 상 유동 유체의 성분들 사이에 디커플링 효과에서 및 압축률/음속(SOS)에서 분명히 나타날 수 있다. 2개의 효과는 진동 주파수 및 진폭의 적절한 선택에 의해 제어되거나 제거될 수 있다.

다중-상 유동 유체는 혼입된 가스들, 특히 기포있는 가스 유동을 포함할 수 있다. 다중-상 유동은 혼입된 고체들 또는 혼입된 고체 입자들, 콘트리트 등과 같은 혼합물들을 포함한다. 또한, 다중-상 유동은 예를 들어 물 및 석유 성분들과 같은 상이한 밀도의 액체들을 포함할 수 있다. 상기 상들은 상이한 질량, 밀도 및/또는 점성도를 가질 수 있다.

다중-상에서, 유동 도관의 진동은 반드시 혼입된 가스들/고체들을 유동 유체와 완전히 동상으로 이동시키지는 않는다. 이 진동 이종(vibrational anomaly)은 디커플링 또는 슬리피지(slippage)로 지칭된다. 가스 기포는 예를 들어, 진동 응답 및 이후 후속적으로 파생된 유동 특성에 영향을 미치면서, 유동 유체로부터 디커플링될 수 있다. 작은 기포는 전형적으로 유량계가 진동됨에 따라 유동 유체에 함께 이동한다. 그러나, 더 큰 기포는 유동 도관의 진동 동안 유동 유체와 함께 이동하지 않는다. 대신, 기포는 유동 유체에서 디커플링될 수 있고, 혼입된 가스 기포들은 각 진동 움직임 동안 유동 유체보다 더 많이 더 빨리 이동한다. 이것은 유량계의 진동 응답에 악영향을 미친다. 이것은 유동 유체에 혼입된 고체 입자에 대해 또한 참(true)이고, 여기서 고체 입자는 증가하는 진동 주파수들에서 유동 유체의 운동으로부터 점진적으로 디커플링되기 쉽다. 디커풀링은 또한 다중-상 유동이 밀도 및/또는 점성을 달리하는 유체를 포함하는 곳에서 발생할 수 있다. 디커플링 작동은 예를 들어 유동 유체의 점성 및 유동 유체와 이물질 사이의 밀도에서의 차이와 같은 다양한 요인들에 의해 영향 받는 것으로 발견되었다.

기포의 크기는 존재하는 가스의 양, 유동 유체의 압력, 온도, 및 유동 유체 내로 가스의 혼합의 정도 및 다른 유동 속성들에 따라 가변될 수 있다. 성능 저하의 범위는 총 가스가 얼마나 많이 존재하는지에 뿐 아니라, 유동에서 개별 가스 기포들의 크기도 관계된다. 기포의 크기는 측정의 정확성에 영향을 미친다. 더 큰 기포들은 더 큰 부피를 점유하고 밀도 및 유체 유동의 측정된 밀도에서 변동을 가져온다. 가스의 압축률으로 인해, 기포들은 질량에서 변할 수 있으나, 반드시 크기에서 변하는 것은 아니다. 반대로, 압력이 변한다면, 기포 크기는 따라서 변화하고, 압력 강하로 팽창되거나 압력 증가로 축소될 수 있다. 이것은 또한 유량계의 고유 주파수 또는 공진 주파수에서 변화를 일으킬 수 있다.

진동 도관에서, 진동 도관의 가속은 기포가 이동을 야기한다. 도관 가속은 진동 주파수 및 진동 진폭에 의해 결정된다. 혼입 가스의 경우에, 기포들은 도관 가속과 동일한 방향으로 가속된다. 기포는 유동 도관보다 더 빠르고 더 멀리 이동하며 더 빠른 기포 이동 및 결과 유체 변위는 일부 유체가 유동 도관보다 더 천천히 이동하는 것을 야기하고, 유체 혼합물의 중력 중심에서 순 자리이동(net shift)이 진동 도관의 중심으로부터 떨어지게 야기된다. 이것은 디커플링 문제의 기초이다. 결과적으로, 유량 및 밀도 특성은 혼입된 공기가 존재할 때 개입 공기가 존재하면 그 결과, 유량 및 밀도 특성이 적게 보고(네거티브 유동 및 밀도 에러들)된다.

슬러리들은 유사한 문제를 제시한다. 그러나, 슬러리들의 경우에서, 고체 입자들은 액체 성분보다 종종 더 무겁다. 진동 도관의 가속 하에서 더 무거운 입자는 액체보다 덜 이동한다. 그러나, 무거운 입자가 덜 움직였기 때문에, 유동 혼합물의 중력 중심은 도관의 중심으로부터 여전히 약간 후방으로 이동한다. 이것은 네거티브 유동 및 밀도 에러들을 다시 야기한다.

가스-액체, 고체-액체, 및 액체-액체의 경우, 혼입된 상의 상이한 이동은 혼입된 상 및 액체 성분 사이의 밀도에서 차이에 의해 구동된다. 가스의 압축률이 무시된다면, 이후 동일한 수학식들이 3 개의 시나리오의 작용을 기술하는데 사용될 수 있다.

유체 디커플링에 대한 보상은 기포들이 유체에 대해 얼마나 많이 이동하는냐를 결정하는 여러가지 요인들이 있기 때문에 어려움이 있어 왔다. 유체의 점도는 분명한 요소이다. 매우 점성있는 유체에서, 기포들(또는 입자들)은 유체의 제 위치에서 효과적으로 굳어져서 거의 유체 에러가 발생하지 않는다. 매우 낮은 진동 주파수에서, 유동 유체는 매우 점성있는 유체, 즉 점성이 무한한 것처럼 작용할 것이다. 매우 높은 초고주파수에서, 유동 유체는 비-점성 유체와 같이, 즉 점성도이 약 0인 것처럼 작용할 것이다.

점성도는 전단 응력 또는 신장 응력(extensional stress)에 의해 변형되는 유체의 저항의 척도이다. 일반적으로, 그것은 유동할 유체의 저항, 유체의 두께의 정량화(quantification)이다. 점성도는 유체 마찰의 측정으로서 고려될 수 있다. 모든 실제 유체는 응력에 어떤 저항을 갖지만, 전단 응력에 대한 아무 저항을 갖는 않는 유체가 이상 유체 또는 비점성 유체로서 알려져 있다.

기포 이동도에 대한 다른 영향은 기포 크기이다. 기포에 대한 항력(drag)은 표면적에 비례하고, 반면 부력은 볼륨에 비례한다. 따라서 매우 작은 기포들이 높은 항력 대 부력 비율을 가지며 유체와 함께 이동하는 경향이 있다. 작은 기포들은 후속적으로 작은 에러들을 야기한다. 반대로, 큰 기포가 유체와 함께 이동하지 않는 경향이 있고 큰 에러를 가져온다. 작은 입자가 유체와 함께 이동하는 경향이 있어서 작은 에러를 야기하는 것과 같이, 동일한 것이 고체 입자들에 대해서도 진실로 유지된다.

진동으로 인한 다른 문제점은 음속(SOS) 또는 압축률 효과이다. 이러한 효과들은 진동 주파수가 증가함에 따라 가스가 찬 유체에 대해 질량 유동 및 밀도 측정을 점점 부정확하게 만든다.

밀도 차이는 또 다른 요소이다. 부력은 유체 및 가스 사이의 밀도의 차이에 비례한다. 고압 가스는 부력에 영향을 미칠 만큼 충분히 높은 밀도를 가질 수 있고 디커플링 효과를 감소시킬 수 있다. 또한, 큰 기포들은 더 많은 볼륨을 차지하여, 유동 유체의 밀도에서 진정한 변동을 가져온다. 가스의 압축률으로 인해, 기포들은 가스 양에서 변할 수 있으나, 반드시 크기에서 변하는 것은 아니다. 반대로, 압력이 변한다면, 기포 크기는 따라서 변화하고, 압력 강하로 팽창되거나 압력 증가로 축소될 수 있다. 이것은 유량계의 고유 주파수 또는 공진 주파수에서 변형 및 이에 의해 실제 2개의 상 밀도에서 변형을 또한 야기할 수 있다.

제 2차 요소들(Second order factors)은 또한 기포 및 입자 이동도에 대한 효과를 가질 수 있다. 높은 유동 유체에서 난류는 큰 가스 기포들을 더 작은 기포들로 부술 수 있고, 따라서 디커플링 에러를 감소시킨다. 계면 활성제는 기포의 표면 장력을 감소시키고 이들의 합체하려는 경향을 감소시킨다. 밸브들은 증가된 난류를 통해 기포 크기를 감소시킬 수 있고 파이프라인 엘보들은 원심력을 통해 이들을 강제로 함께 하게 하여 기포 크기를 증가시킬 수 있다.

가장 일반적으로 가장 어렵지 않고 가장 값 싼 접근법은 다중 상 유동 유체들을 피하는 것이라는 것을 이해해야 한다. 그러나, 이것은 항상 실용적거나 가능한 것은 아니다. 여기에 설명된 접근법은 다중-상 디커플링 및 SOS/압축률 효과들을 피하는 것이 아니라, 대신에 알려지고 실질적으로 일정한 에러 효과를 발생시킬 수 있는 방식으로 유량계를 작동시키는 것이다. 결과적으로, 유동 측정치의 도출이 간단화된다. 측정에서 에러들이 이후 제거될 수 있다.

디커플링 효과가 상한에 도달할 수 있다는 것이 발견되었다. 이 상한은 지금까지 인식할 수 없었던 이점을 제공한다. 예를 들어, 유동 유체가 충분히 높은 주파수에서 진동하는 경우, 이후 디커플링 효과는 예측 가능한 상한에 도달할 것이다. 초고주파수에서 혼입 가스에 대해, 디커플링 효과가 단지 약 3:1이라는 것, 즉 가스 기포가 액체 성분이 이동하는 것에 대해 3 배 만큼 이동할 것이 발견되었다. 매우 높은 진동 주파수에서 혼입된 고체들에 대해, 디커플링 효과가 3/(l+(2*ρ _p /ρ _f ))과 대략 동일할 것이라는 것이 발견되었다. 고체 입자의 밀도가 액체보다 훨씬 클 때, 이후 액체 성분이 유동 도관 진동에 의해 이동하는 동안 혼입된 고체 입자들은 실질적으로 정적으로 남을 것이다.

압축률은 혼입 고체에 대해 적용되지 않을 것이다. 따라서, 초고주파수 진동 유량계(5)는 디커플링에 대한 상한 주파수와 동일하거나 더 큰 주파수에서 진동될 수 있다. 임의의 결과적인 SOS/압축률 효과는 종래의 기술을 사용하기 위해 보상될 수 있다.

상한은 유동 도관의 크기, 형상, 또는 기하형태와 독립적일 수 있다. 상한은 액체의 성분과 독립적일 수 있다. 상한은 주로 액체 성분과 이물질 사이의 밀도 비율에 의존할 수 있다.

초고주파수 진동 유량계(5)의 초고주파수 능력은 적절한 설계 파라미터들을 통해 달성될 수 있다. 초고주파수 진동 유량계(5)를 생산하기 위한 하나의 접근 방식은 구동 신호 주파수를 증가시키는 것이다. 이것은 유량계(5)의 공진 주파수에서 독립적으로 수행될 수 있다. 예를 들어, 유량계(5)는 고차 벤딩 모드들에서 작동될 수 있다.

초고주파수 진동 유량계(5)를 생산하는 다른 방법은 유량계의 강성이 도관 진폭을 따라, 작동 주파수 및/또는 공진(또는 고유) 주파수를 증가시키 위해 증가되야 있어야만 하는 것이다. 유량계의 강성은 임의의 방식으로 증가될 수 있다. 그러나, 몇 가지 가능성 있는 방법이 아래에 설명된다.

유량계 강성에서 일 요소는 유동 도관의 길이이다. 유량계 길이는 실질적으로 유량계 강성과 상호 관계가 있고, 여기서 유량계 길이를 감소시키는 것은 유량계 강성 및 작동 주파수에서 일부 증가하도록 변형될 것이다. 결과적으로, 유량계의 길이는 적어도 일부 유량계 강성 증가를 달성하기 위해 선택될 수 있다.

유량계 강성에서 일 요소는 유동 도관의 종횡비이다. 이러한 설명을 위해, 유량계 종횡비는 유량계 길이(L)에 의해 나뉘어진 유량계 높이(H)로서 종횡비 = (H/L)로 정의된다. 높이(H)가 길이(L)보다 작은 경우, 높이-대- 길이 종횡비(H/L)는 1보다 작을 것이다. 유량계가 직선 유량계인 경우, 높이-대-길이 종횡비(H/L)는 사실상 0일 것이다. 높이(H)가 길이(L)보다 더 클 경우, 높이-대- 길이 종횡비(H/L)는 1보다 클 것이다. 예를 들어, 도 2의 유량계(5)에서, 높이-대-길이 종횡비(H/L)은 1보다 상당히 더 클 것이고 상대적으로 높은 수에 도달할 수 있다. 높이-대-길이 종횡비(H/L)를 감소시키는 것은 유량계 강성 및 유량계 공진 주파수를 증가시킬 것이다. 결과적으로, 높이-대-길이 종횡비(H/L)는 적어도 일부 유량계 강성 증가를 달성하도록 선택될 수 있다.

유량계 강성에서 일 요소는 유량계 물질이다. 유동 도관 물질은 적어도 일부 유량계 강성 증가 및 상응하는 진동 주파수 증가를 달성하기 위해 선택될 수 있다.

유량계 강성에서 일 요소는 유량계 두께이다. 유동 도관 두께는 적어도 일부 유량계 강성 증가를 달성하기 위해 증가될 수 있다. 유동 도관의 두께는 임의의 적절한 양에 의해 증가될 수 있다. 그러나, 실제 문제로서, 유동 도관 두께에서 실질적인 증가는 증가된 무게를 야기할 수 있다.

유량계 강성에서 일 요소는 유동 도관 형상이다. 유동 도관 형상은 적어도 일부 유량계 강성 증가를 달성하기 위해 설계될 수 있다. 유동 도관 형상은 실질적으로 원형, 타원형, 사각형, 불규칙한, 또는 다른 적절한 형상들의 도관들을 포함하여, 임의의 바람직한 방식으로 변형될 수 있다.

유량계 강성에서 일 요소는 유동 도관의 기하형태가다. 유동 도관 기하 형상은 적어도 일부 유량계 강성 증가를 달성하기 위해 설계될 수 있다. 유동 도관 기하형태는 예를 들어 적절한 직선 및 만곡된 섹션들의 사용을 포함하여, 임의의 바람직한 방식으로 영향을 받을 수 있다. 예를 들어, 직선 유동 도관은 동일한 길이의 U 자형 도관 유량계보다 더 큰 강성을 가질 수 있다.

유량계 주파수에 있에서 일 요소는 유동 도관 질량이다. 유량계 조립체(10)의 공진 주파수는 유동 도관 질량이 감소함에 따라 증가할 것이다. 유동 도관 질량은 더 가벼운 유동 도관의 사용을 통해서를 포함하여, 임의의 목표된 방식으로 감소될 수 있다.

유량계 강성에 있어서의 일 요소는 유동 도관 노드 제한기(nodal restrictor) 및 진동 노드 위치들이다. 유량계 조립체(10)는 진동 노드 위치를 제어하여서 벤딩 축 및 진동 응답에 영향을 주는 하나 이상의 노드 제한기들을 포함할 수 있다. 도시된 실시예에 있어서 통상적인(common) 노드 제한기는 매니폴드들(102 및 102')과 결합된 스페이서(106)를 포함한다. 대안적으로, 다른 실시예들에 있어서 노드 제한기는 플랜지들(101 및 101')에 실질적으로 근접한 규정된 지점(defined point)에서, 즉 실질적으로 유량계(5)의 두 단부들에서(미도시) 두 유관들 사이에 강성으로 연장된 하나 이상의 브레이스 바아(brace bars)를 포함할 수 있다. 만곡된 유동 도관들(103A 및 103B)의 진동 노드들을 결정하기(fix) 위해서 하나 이상의 노드 제한기들이 포함되어, 목표된 벤딩 축선을 생성한다. 하나 이상의 노드 제한기들은 진동을 경험하는 유관들의 길이를 감소시키기 위해 위치될 수 있고, 이에 의해 초고주파수 진동 유량계(5)의 공진 주파수를 증가시킨다.

주의 깊은 유량계 설계의 결과로서, 초고주파수 진동 유량계(5)는 초고주파수에서 작동될 수 있다. 초고주파수 작동은 혼입된 가스에 대해 3:1의 디커플링 비율 또는 근처에서 또는 혼입된 고체에 대해 약 3/(l+(2*ρ _p /ρ _f ))에서 유지되는 디커플링을 야기할 것이다. 덧붙여, 초고주파수 작동은 점성이 사실상 0인 유동과 유사한 유동 특성을 야기할 것이다. 결과적으로, 다중 상 유동에서 이물질은 유동 유체 액체 성분에 대해 예측가능하게 이동한다. 이것은 이물질이 가스 조성들을 포함하든 또는 고체 성분들을 포함하든 참(true)이다. 이것은 이물질이 유동 유체와 중간적으로 상이한 밀도를 갖든 또는 이물질이 매우 상이한 밀도를 갖는지 간에 참(true)이다. 결과적으로, 디커플링 및 SOS/압축률 효과들로 인한 예측 가능한 에러들이 제거된 후에 혼입 이물질은 초고주파수 진동 유량계(5)에 의해 수행된 측정들에 실질적으로 영향을 미치지 않을 것이다. 또한, 유량계(5)는 수학식(13 내지 19)과 관련하여 하기에 설명된 바와 같이, 다중-상 유동 유체의 조성이 변하다 할지라도 유동 유체를 만족하게 측정할 수 있는 동안 가스 공극률(gas void fraction, GVF) 및/또는 고체 분율에서 변형에 상관없이 일관되고 예측 가능하게 작동할 것이다.

유랑계 전자회로(20)는 드라이브(104)에 구동 신호를 발생시켜서 초고주파수에서 유량계 조립체(10)를 구동/진동시키도록 구성될 수 있다. 진동 유량계에서 일반적인 실행으로서, 이것은 미리 결정된 주파수의 구동 신호를 발생시키는 유량계 전자회로(20)를 수반하고, 미리 결정된 주파수는 픽오프 신호들로부터 취해진 피드백에 의해 영향을 받고 변형될 수 있다. 예를 들어, 구동 신호는 픽오프 센서(105 및 105')에 의해 측정된 진동 응답으로 공진(즉, 고유) 주파수를 달성할 수 있도록 피드백에 따라 제어된다. 유량계 전자회로(20)는 고차 벤딩 모드에서 작동하도록 구성될 수 있다.

유량계 전자회로(20)는 다양한 방법으로 초고주파수를 생성하도록 구성될 수 있다. 유량계 전자회로(20)는 유량계 전자회로(20)의 메모리를 적절하게 프로그래밍하는 것에 의해서와 같이, 제조 중에 구성될 수 있다. 대안적으로, 유량계 전자회로(20)는 예를 들어 교정 프로세스 동안 초고주파수에 의해 구성될 수 있고, 거기서 초고주파수 프로그래밍이 일부 실시예들에서 교정 프로세스에 의해 결정된 될 때 측정 또는 결정된 유량계 강성에 의존할 수 있다. 다른 대안에서, 초고주파수는 유량계 시동 작동 동안 유도하거나 결정될 수 있다. 예를 들어, 초고주파수는 미리 저장되거나 사용자가 입력한 값을 기반으로 할 수 있다. 예를 들어, 이것은 다중-상 유동 유체의 속성에 대해 미리 저장되거나 사용자-입력된 정보를 기초로 하는 초고주파수를 포함할 수 있다.

코리올리 질량 유량계들 및 진동 밀도계들은 유량계의 고유 주파수에서의 오실레이션 동안 유동 도관들과 함께 유동 유체가 움직이는 것을 요구한다. 이물질이 도입되면, 이러한 가정은 더 이상 유효하지 아니한데, 둘 이상의 상들 간의 상대 운동 또는 디커플링이 존재하기 때문이다. 양호한 혼합물 밀도 측정을 위하여 필요한 조건들을 예측하기 위한 모델이 개발되어 왔다. 실험적으로 유효하게 된 유체 모델은 디커플링 효과를 예측할 수 있다. 디커플링 비율(A _p /A _f ) 및 디커플링 위상 각도(φ)를 찾기 위한 수학식들은 다음과 같다:

디커플링 비율(A _p /A _f )은 입자 진폭(A _p ) 대 유동 도관 진폭(A _f )의 비율을 의미합니다. 입자는 가스 기포, 고체 입자 또는 심지어 유동 유체 내에 동반된 상이한 유체의 부분들을 포함하여 임의의 이물질을 포함할 수 있다. 수학식 (1)의 개별 항들은 다음과 같이 정의된다:

유동 유체의 운동은 유동 도관의 운동과 매칭되는 것으로 가정한다. 기포 또는 입자의 운동을 다음과 같이 계산된다:

역의 스톡스 수(δ)는 다음을 포함한다:

역의 스톡스 수(δ)는 유동 유체 동점성(η), 각 진동 주파수(ω), 이물질의 입자 또는 기포 반경(a)을 반영한다. 동점성(kinematic viscosity, η)은 유체의 밀도(ρ)로 나누어진 역학점성(dynamic viscosity, μ)을 다시 말해서 η = μ/ρ 를 포함한다. 이물질은 전술한 바와 같이 혼입 가스 또는 혼입 고체를 포함할 수 있다. 따라서 역의 스톡스 수(δ)는 단지 주파수 사양(frequency specification)을 통해 가능한 것보다 상부 진동 주파수 한계를 보다 완전히 및 정확하게 결정하는 데에 사용될 수 있다.

밀도 비율이 약 50을 지나 증가함에 따라서, 디커플링 비율은 주로 역의 스톡스 수(δ)에 의존한다. 모든 가스/액체 혼합물이 통상 100을 넘는 높은 밀도 비율을 가지기 때문에 이것이 특히 중요하다. 따라서 진동 유량계 내 대부분의 통상적인 다상 유동 조건들에 대하여, 측정 에러의 정도는 주로 역의 스톡스 수(δ)에 의존한다. 따라서, 역의 스톡스 수(δ)가 매우 작으면, 결과는 비점성의 경우의 3:1 디커플링 비율에 접근하고, 반면 파라미터가 크면 상대 운동이 제한되고 디커플링 비율이 1:1에 접근한다. 역의 스톡스 수(δ)는 이들 변수들 중 임의의 하나가 아니라 유체 동점성, 입자 크기 및 주파수의 균형이 중요함을 나타낸다. 그러나, 주파수는 유량계 설계 특성들에 의해서 제어되고 한편, 점성 및 입자 또는 기포 크기는 복잡하고(complex) 종종 제어불가한 프로세스 조건들에 의존한다.

예측가능하고 예상된 다중-상 상황에서 작동되도록 높은 진동 주파수에서 진동 유량계를 동작시킬 목적으로, 역의 스톡스 수(δ)는 매우 높은 진동 주파수가 충분히 높은지를 결정하기 위해서 사용될 수 있다. 몇몇 실시예들에서 역의 스톡스 수(δ)는 약 1.0보다 작은 수를 포함한다. 일부 실시예들에 있어서 역의 스톡스 수(δ)는 약 0.01보다 작은 수를 포함한다.

이상의 수학식들이 대부분의 상황들에 있어서 진동 진폭 및 위상차에 대한 약 +/- 10% 정확성 내까지 진동 유량계의 오실레이션 환경(oscillating environmen)에서의 입자 운동을 찾는 데에 사용될 수 있다.

기포 운동에 대한 이상의 수학식들을 풀기 위해 필요한 6개의 입력들은 다음과 같다: 진동 응답 주파수(f), 진동 응답 진폭(A _f ), 유체 밀도(ρ _f ), 유동 유체 내에 혼입된 이물질 입자들의 입자 밀도(ρ _p ), 유동 유체 점성, 및 유동 유체 내에 혼입된 이물질의 입자 크기 분포(a)이다. 진동 응답 주파수(f) 및 진동 응답 진폭(A _f )은 픽오프들(105, 105')에 의해서 생성된 진동 응답 신호로부터와 같이, 하나 이상의 유관들(103A, 103B)의 진동 응답으로부터 결정될 수 있다. 유체 밀도(ρ _f )는 알려진 유동 유체의 경우에서와 같이 사용자에 의해서 특정될 수 있거나, 또는 측정에 의해서 얻어질 수 있다. 입자 밀도(ρ _p )는 고객(customer)에 의해서 특정될 수 있거나 대안적으로 유동 유체의 측정된 온도 및 압력이 주어진다면 동반 가스의 경우에 이상 기체 법칙으로부터 결정가능할 수 있다. 점성은 알려진 유동 유체의 경우에서와 같이 사용자에 의해서 특정될 수 있거나, 또는 측정에 의해서 얻어질 수 있다. 입자 크기 분포(a)는 알려진 유동 유체의 경우에서와 같이 소비자에 의해서 특정될 수 있거나, 또는 유동 유체 내 기포들 또는 이물질 입자들의 음향 또는 방사능 측정들을 포함하는 측정에 의해서 얻어질 수 있다.

높은 주파수 유량계는 일반적으로 혼입 가스 어플리케이션에 대해 잘 작동하지 않는다. 성능 저하의 주된 이유는 디커플링 비율이 일반적으로 2:1보다 더 크게 매우 높다는 것이다. 또한, 음속 효과가 다음 모델에 의해 예측되는 추가적인 에러들을 야기한다:

진동의 각주파수(ω)는 ω=2πf로 진동 주파수와 관계된다. 혼합물의 음속(cm)은 잘 알려진 수학식(아래 참조)으로 계산할 수 있다. 유동관(d)의 지름은 알려져 있다.

유동 유체와 그 안에 혼입된 이물질 사이의 진폭 비율 및 위상 지연은 일반적으로, 입자크기, 입자 밀도, 액체 밀도, 주파수, 유체 오실레이션 진폭, 및 액체 점성도의 매우 복잡한 함수들이다. 입자크기를 포함하는 이러한 파라미터들의 일부는 측정하기 어려우며, 이들이 예를 들어 파이프라인 구성을 포함하는 많은 다른 요소들에 의존하기 때문이다.

점성 모델과는 달리, 입자 운동에 대한 비점성 모델들은 합리적인 정밀도로 종종 알려진 2가지 상의 밀도들에만 의존한다. 덧붙여, 비점성 모델에서, 운동은 입자 크기에 의존하지 않고 다음과 같이 표현할 수 있다 :

일반적으로, 비점성 모델(즉, 어떠한 점성을 나타내지 않는 유체)은 진동 유량계가 통상적으로 점성 유체를 측정하기 위해 사용되기 때문에 진동 유량계에 적용될 수 없다. 상당히 결과에 영향을 미칠 정도로 점도있다. 그러나, 진동 주파수가 증가함으로서, 일부 점성을 갖는 유체에 대해서도 물리학적 오실레이팅 유량은 점점 비점성 경우와 유사해진다는 것이 판명되었다. 오실레이션 주파수가 예를 들어 매우 높은 2,000 Hz라면, 이후 비점성 모델이 적용되고 어떠한 위상 지연 없이, 가스 기포는 유체보다 약 3 배 더 이동한다. 일반적으로, 이것은 측정에 대해 나쁜 것이다. 더 많은 디커플링은 더 많은 밀도 및 질량 유동 에러를 의미한다. 그러나,이 높은 주파수에서 작동의 중요한 장점은 기포 및 입자 운동이 오직 밀도비에 의존한다는 것이다. 이물질 운동은, 가스 또는 고체이든, 보통 미지수이며, 결정하기 불가능할 수 있는 크기 분포에 의존하지 않는다.

임의의 디커플링 비율에 대한 디커플링으로 인해 밀도 에러는 다음에 따라 예측될 수 있다:

높은 주파수에서, SOS/압축률 효과들은 중요할 것이고 추가되어 산출하면:

위의 수학식은 SOS/압축률 및 디커플링의 결합된 효과로 인한 실제 혼합물 밀도로부터 편차로 밀도 에러를 설명한다. 입자 운동 수학식에 대한 6개 입력 파라미터들 모두가 알려져 있다면, 디커플링 비율(A _p / A _f )은 임의의 주파수에 대해 일반적으로 계산될 수 있다. 그러나, 유량계가 초고주파수에서 작동하고 있다면, 이후 디커플링 비율(A _p / A _f )은 액체 내의 가스 기포들에 대해 약 3일 것으로, 즉 임의의 위상 지연이 없을지라도, 기포가 유동 유체와 3 배 거리로 이동할 것이라는 것이다. 따라서, 만족스럽게 높은 진동 주파수에 대해, 수학식 (13)은 다음이 된다 :

이제 수학식은 여러 프로세스들에서 일반적으로 여러 프로세스에서 알려진 수량에만 의존한다. 세 개의 다른 수학식들이 4개의 미지수들(φ _f , φ _p , ρ _mix , c _mix )를 동시에 풀고 결정하기 위해 필요하며, 여기서 φ _f 항은 액체 분율이고, φ _p 항은 입자/가스 분율이고, ρ _mix 항은 다중 상 유동 유체(즉, 혼합물)이며, c _mix 항은 혼합물에서 음속이다.

수학식(14-17)은 볼륨 분율, 혼합물 밀도, 및 혼합물 음속에 대해 동시에 계산될 수 있다. 따라서, 높은 진동 주파수에서, 가스 분율 및 액체 분율이 결정될 수 있다. 결정된 가스 및 액체 분율로부터, 2개의 성분의 유량이 질량 또는 볼륨 중 하나에서 추정된다(이것은 어떠한 기포 슬립도 없고 대신 기포가 액체와 파이프라인 아래로 동일한 속도로 이동한다고 가정한다). 코리올리 유량계 또는 밀도계는 어떠한 디커플링 또는 SOS/압축률 효과도 존재하지 않을 때조차 혼합물 밀도를 측정하기 때문에 이러한 유량은 다른 방법으로 알려지지 않는다. 사용자가 일반적으로 단지 액체 측정에 주의를 기울이기 때문에 액체 질량 또는 볼륨 유량의 계산은 바람직하다. 이러한 유량의 계산은 2 개 이상의 독립된 선형 수학식들을 동시에 푸는 것으로부터 유래된다.

2 개 이상의 성분을 포함하는 혼합물에 대해 상 분율을 결정하기 위해 추가적인 공진 벤딩 모드 주파수들에서 유동 도관을 진동시키는 것이 가능하다. 예를 들어, 다음의 기름, 물 및 가스 혼합물을 고려한다. 5개의 미지수들(φ _g , φ _w , φ _o , ρ _mix , c _mix )에 의해 풀어지는 수학식들의 시스템은 다음을 포함한다.

마지막 식은 낮은 주파수 벤딩 모드 및 높은 주파수 벤딩 모드 양쪽에 적용되기 때문에, 실제 5개의 수학식이 있다. 아래첨자는 오일(o), 물(w) 및 가스(g)를 나타낸다.

이 경우에서, 우리는 낮은 및 높은 주파수 모두에서 진동시키기 때문에 가스 기포 크기는 기포 슬립 및 디커플링을 피할 수 있도록 더 작아야 한다. 대안적으로, 유량계는 매우 낮은 및 초고주파수 벤딩 모드로 동시에 진동될 수 있고, 이러한 경우에 방정식들의 시스템은 다양한 형태의 수학식(23)의 적절한 고려에 의해 풀수 있다.

대부분의 경우, 기포 크기는 (특히 약간 높은 진동 주파수를 활용하는 유량계에서) 이러한 가정들을 만들만큼 충분히 작지 않다. 그러나, 상기 방법이 높은 그리고 낮은 모드들에서 일반적으로 수학식(13)을 적용하는 것에 의해 작용하도록 디커플링은 상기 수학식에 다시 추가될 수 있다. 항상 그렇듯이, 문제점은 명시적으로 계산될 수 없다면 디커플링 비율(A _p /A _f )을 위해 무엇을 사용할지이다. 적어도 높은 모드에서, 디커플링 비율(A _p /A _f )은 거의 3 또는 약 3일 것이다. 저주파 모드에서, 디커플링 비율(A _p /A _f )이 대략 1인 주파수는 디커플링을 무시할 만큼 충분히 낮았다는 것이 가정될 수 있다. 대안적으로, 중간값이 가정되어 사용될 수 있다.