코리올리 유량계 소개

프랑스 엔지니어인 G.G. 코리올리는 지구 표면에서 움직이는 모든 물체는 행성의 동쪽 방향 회전으로 인하여 옆으로 이동하는 경향이 있다고 처음으로 언급했습니다. 북반구에서는 편향이 움직임의 오른쪽에 있고, 남반구에서는 왼쪽에 있습니다. 이러한 이동은 대양의 조수 활동 및 지구의 기후 모두에 주된 역할을 합니다.

적도의 한 지점은 극에 가까운 지점보다 매일 더 큰 원을 따라가기 때문입니다. 한 쪽 극을 향하는 물체는 동쪽 방향을 향하게 되는데 이것은 더 천천히 회전하는 지구 표면을 지나갈 때 더 높은(동쪽 방향) 회전 속도를 유지하기 때문입니다. 이러한 이동을 코리올리의 힘으로 정의합니다.

첫번째 코리올리 산업 특허는 1950년대까지 거슬러 올라가고, 첫번째 코리올리 질량 유량계는 1970년대에 제작되었습니다. 이 유량계는 인위적으로 코리올리 가속도를 유량 흐름에 도입하여 결과로 발생한 각운동량의 감지를 통해 질량 유량을 측정합니다.

유체가 파이프 내에서 흐르고 있을 때 파이프에 회전을 기계적으로 도입하여 코리올리 가속을 받게 되면, 코리올리 관성 효과에 의해 발생하는 편향력의 양은 유체의 질량 유량율 함수가 될 것입니다. 액체가 그 지점을 (회전 중심에서 오고 가는) 통과하는 동안 파이프가 한 지점 주위를 회전하면, 해당 유체는 흐름의 방향에 직각으로 관성력(파이프에 작용)을 발생시킵니다.

그림 5-2를 참조하면, 입자(dm)는 관(T) 내부의 속도(v)로 이동합니다. 관은 고정점(P)을 회전하고, 입자는 고정점에서 한 반경(r)의 거리에 있습니다. 입자는 두개의 가속도 성분, P를 향한 구심 가속도 및 Ar에 직각으로 작용하는 코리올리 가속도 아래에서 각속도(w)로 이동합니다.

ar (구심력) = w2r
at (코리올리) = 2wv

코리올리 가속도(at)를 유체 입자에 전달하려면, (dm)의 힘이 관에 의해 생성되어야 합니다. 유체 입자는 이 힘에 동일한 반대방향 코리올리 힘으로 이 힘에 반응합니다:

Fc = at(dm) = 2wv(dm)

그런 다음, 만약 공정 유체가 밀도 D를 가지고 있고 단면 A의 회전하는 관 내부에서 일정한 속도로 흐를 경우, 길이 x의 관의 한 부분이 코리올리의 힘을 경험할 것입니다.

Fc = 2wvDAx

질량 유량율은 dm = DvA이기 때문에 코리올리 힘 Fc = 2w (dm) x 및 마지막으로:

질량 유량 = Fc / (2wx)

이것이 회전하는 관에서 흐르는 유체에 의해 가해진 코리올리 힘의 측정이 질량 유량율 표시를 제공 할 수 있는 방법입니다. 자연적으로, 상업적인 유량계를 제작할 때 관을 회전시키는 것은 실용적이지 않지만, 관을 진동시키는 것도 동일한 효과를 가져올 수 있습니다. 코리올리 유량계는 정방향 또는 역방향 어느 방법으로도 관을 통과하는 유량을 측정 할 수 있습니다.

대부분의 디자인에서, 관은 두 지점에 고정되어 있으며 이들 앵커 사이에서 진동합니다.

이 구성은 스프링 및 질량 조립체를 진동하는 것으로 계획할 수 있습니다. 일단 움직이면 스프링 및 질량 조립체는 그 조립체의 질량 함수인 공진 주파수에서 진동할 것입니다. 채워진 관을 일정한 진동으로 유지하기 위해 최소 구동력이 필요하기 때문에 이 공진 주파수가 선택됩니다.

1세대 코리올리 미터는 단일 커브와 얇은 벽의 관으로 구성되었으며, 공정 파이프와 관련된 관의 단면적을 줄여 높은 유체 속도가 생성되었습니다. 관의 변형이 고정점 또는 면을 기준으로 측정되었습니다. 관은 국부적인 고진폭 굽힘의 힘이 고정점에서 생성되는 방식으로 여기 되었습니다. 이로 인해 2-관 디자인에 의해 완화된 심각한 진동 문제가 발생했습니다 (그림 5-3A).

이러한 디자인은 외부 진동 간섭을 줄이고, 관을 진동시키는 데 필요한 전력을 감소시키며, 관 구조에서 나오는 진동 에너지를 최소화합니다. 1개의 드라이버가 관 진동을 시작하는 데 사용되고 2개의 센서가 코리올리의 편향을 감지하는 데 사용되었습니다. 이 디자인은 성능을 크게 개선했지만, 감소된 보어, 얇은 벽의 관 및 높은 유체 속도 (최대 50 ft/초)의 조합은 부식성 및 침식성 서비스에 이 유량계가 사용되었을 때의 잠재적인 치명적 유출을 포함한 초기 유량계의 실패로 이어졌습니다. 또한 복구되지 않은 헤드 손실이 많았으며 (때로는 50 psid 이상), 정밀도가 높지 않아 사용자가 배치 공정을 연속 공정으로 변환할 수 없었습니다.

최근의 디자인 개선은 유량을 분리하지 않는 관 (그림 5-3B) 및 다수의 드라이버 사용(그림 5-5A)을 포함한 다양하고 새로운 관 디자인이 도입되었습니다. 두꺼운 벽의 관 (초기 디자인보다 5배 두꺼움), 배관 연결로 인해 유발되는 응력으로부터 관 구조를 격리하기 위한 풀 보어 직경 및 다지관의 사용 및 2 차 수납 용기로 사용되는 유동관 하우징 모두 성능 향상에 기여했습니다.

일부 디자인에서는 관 균열로 이어질 수 있는 응력 집중을 방지하기 위해 비틀림 응력이 굽힘을 대체했습니다 (그림 5-5B). 다른 디자인에서는 관 구조를 파이프 라인에 가로 질러 설치하여 파이프 라인 진동의 영향을 최소화 했습니다.

이러한 개선은 공급 업체의 수를 증가 시켰고 전통적인 체적 유량계와 같이 신뢰할 수 있고 견고한 차세대 코리올리 미터 개발에 기여했습니다. 새로운 디자인은 더 낮은 유속 (10 ft/초 이하) 및 더 낮은 압력 강하 (12 psid 미만)에서 작동하고, 어떤 방향으로도 설치 가능하며, 슬러리, 점성, 부식성 또는 침식성 서비스에 보다 긴 수명을 제공합니다. 관은 내구 한도 아래에서 잘 진동 되며 일반적으로 스테인레스 스틸, Hastelloy® 및 티타늄으로 제조됩니다.

튜브는 곡선 또는 직선 형태 일 수 있으며, 일부 디자인은 수직으로 설치될 때도 자체-배수가 가능합니다 (그림 5-3). 디자인이 두 개의 평행 관으로 이루어져 있으면, 유량은 유량계 입구 근처의 분리기에 의해 두 개의 흐름으로 나누어지고 출구에서 재결합됩니다. 단일 연속 관 디자인 (또는 직렬로 결합된 2개의 관)에서 유량은 유량계 내부에서 분리되지 않습니다.

어떤 경우에도, 드라이버가 관을 진동시킵니다. 이 드라이버는 하나의 관에 연결된 코일과 다른 관에 연결된 자석으로 구성됩니다. 트랜스미터는 코일에 교류를 공급하여 자석이 차례로 끌어 당기고 회귀시킴으로써 관이 서로 마주 오고 멀어지게 합니다. 센서는 관의 위치, 속도, 또는 가속도를 감지할 수 있습니다. 전자기 센서가 사용되면 센서의 자석과 코일은 관이 진동 할 때의 상대 위치를 변경하여 코일의 자기장을 변화시킵니다. 따라서 코일에서 출력되는 정현파 전압은 관의 움직임을 나타냅니다.

2-관 디자인 (그림 5-3A)에 유량이 없으면, 코일과 자석 구동에 의한 진동으로 인해 2개 감지 지점 (B1및 B2)에서 동일 변위가 발생합니다. 유량이 존재하면, 코리올리 힘은 2 차 비틀림 진동을 발생 시키고, 이로 인해 상대적인 움직임에서 작은 위상 차이로 이어집니다. 이것은 감지 지점에서 감지됩니다. 코리올리 힘에 의한 관의 편향은 축 방향 유체 흐름 및 관 진동이 모두 나타나는 경우에만 오직 존재합니다. 제로(zero) 유량에서의 진동, 또는 진동이 없는 유량은 유량계에서 출력을 발생시키지 않습니다

관 구조의 고유 공진 주파수는 기하학, 구성 재료 및 관 조립체의 질량 (관 질량 및 관 내부 유체 질량)의 함수입니다. 관의 질량은 고정되어 있습니다. 유체 질량은 밀도(D)에 부피 (또한 고정 된)를 곱한 값이기 때문에, 진동 주파수는 공정 유체의 밀도(D)와 관련될 수 있습니다. 따라서 유체의 밀도는 관의 진동 공진 주파수를 측정하여 결정할 수 있습니다. (참조: 밀도는 관에 유량이 채워지고 진동하는 한 제로(zero) 유량에서 측정 할 수 있습니다.)

벽 두께는 디자인에 따라 상당히 다양합니다. 그러나 가장 견고한 관 조차도 공정 관보다 더 얇을 것입니다. 또한 일부 디자인은 작은 보어 관을 사용하여 유속을 급격하게 증가시킵니다. (5-10 ft/초에서 25 ft/초 이상으로). 얇은 벽 및 고유속(즉, 작은 보어 관)이 적용된 디자인은 침식 우려로 인해 특별한 재료를 사용해야 할 수도 있습니다. 가장 두꺼운 벽 및 필요한 정밀도와 범위를 제공 할 수 있는 가장 느린 유속의 디자인을 선택하여 가장 긴 유량계 수명을 얻을 것입니다.

코리올리 유량계는 부식을 고려하거나 피팅을 방지하기 위해 특별한 재질로 만들어야 할 수도 있습니다. 탄소 또는 스테인리스 스틸은 소량의 피팅에 내성이 있기 때문에 종종 공정 배관에 사용될 수 있습니다. 코리올리 유량계와 관련해서는 벽이 얇아 소량의 피팅도 허용될 수 없으며, 피팅은 관 구조 내에서 응력 집중을 유도합니다. 그러므로 표준 부식 표(무게 감소 기준에 근거한)는 코리올리 관 재질 선택에 적합하지 않으며, 더 엄격한 제조 업체의 지침을 사용해야 합니다.

트랜스미터는 ac 또는 dc 전원으로 작동 할 수 있으며 전원 공급 장치와 출력 신호에 별도의 배선이 필요합니다. 코리올리 유량계 트랜스미터는 일체형 또는 원격으로 설치될 수 있습니다 (그림 5-4). 트랜스미터는 드라이버 및 공정 운영을 제어하고 센서 신호를 전송합니다. 트랜스미터 메모리의 교정 계수 (K)는 특정 유량 관에 트랜스미터를 일치시킵니다. 이 교정 계수는 코리올리의 힘과 특정 진동 관의 동적 스프링 상수에 대한 질량 유량율 사이의 비례 상수를 정의합니다.

트랜스미터는 센서 입력을 표준 출력 신호로 변환하는 기능 이상을 수행합니다. 대부분의 트랜스미터는 또한 질량 유량율, 총 질량 유량, 밀도 및 온도를 포함한 다중 출력을 제공합니다. 아날로그 및/또는 펄스 출력 모두 사용이 가능하고, 지능형 트랜스미터는 DCS 시스템 통합을 위해 디지털 출력을 생성할 수 있습니다.

트랜스미터는 공정 데이터에 쉽게 접속할 수 있도록 로컬 디스플레이 및 키패드가 제공됩니다. 코리올리 트랜스미터는 유량 정보 및 보조 기능 이상의 성능을 제공합니다. 배치 제어 기능, Brix 백분율 또는 HFCS 백분율 모니터링, 점도, 고형물 백분율, PID, API 중력 및 특정 중력도 이용 가능합니다. 점도 정보가 필요할 때, 유량계 압력 강하가 측정되어야 합니다. 다른 기능을 사용하려면 트랜스미터 메모리에 사전 프로그램 된 정보가 필요할 수 있습니다. 또한 트랜스미터는 어플리케이션에 대해 사용자가 설정할 수 있는 하드웨어 및 소프트웨어 옵션이 있습니다.