DE3316328A1

DE3316328A1 - Mikrowellen-messgeraet fuer den leerraumanteil in einer fluessigkeitsstroemung

Info

Publication number: DE3316328A1
Application number: DE19833316328
Authority: DE
Inventors: Jabez Nepean Ontario Whelpton
Original assignee: Atomic Energy of Canada Ltd AECL
Current assignee: Atomic Energy of Canada Ltd AECL
Priority date: 1982-05-27
Filing date: 1983-05-04
Publication date: 1983-12-01
Also published as: GB2120791A; DK235183A; IT1234922B; IT8321023A0; FR2527774A1; GB8314044D0; DK235183D0; JPS58215542A

Description

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Die Erfindung betrifft ein Mikrowellenmeßgerät zum Messen der gasphasenerfüllten Leerstellen in einem Flüssigkeitsstrom, insbesondere ein Resonanzhohlraum-Mikrowellenmeßgerät zum Messen des Verhältnisses von Dampf zu Wasser in einem Wasserstrom in einem Rohr.

Ein zur Beschreibung einer Zweiphasenströmung grundsätzlich erforderlicher Meßwert ist der Leerstellenanteil. Die tatsächliche Messung kann in unterschiedlichen Formen ausgeführt werden, z.B. können örtliche Messungen, Sehnendurchschnitts- oder Querschnitts-Durchschnittsmessungen ausgeführt werden. Die Art der benutzten Leerstellen-Anteilsmessung und ihr Erfolg hängt von der jeweiligen Anwendung ab. Allgemein gebräuchliche örtliche Meßmethoden werden beispielsweise durch Konstanttemperatur-Anemometrie, durch Faseroptiksonden, durch eine isokinetische Erfassungssonde, Leitfähigkeitssonden und Mikro-Thermoelemente ausgeführt. Sehnendurchschnitts-Verfahren werden normalerweise unter Benutzung von Gammas tr ahlen-> Röntgenstrahlen-oder Neutronenbündel-Schwächungsmessungen durchgeführt. Querschnittsflächen- oder Volumen-Durchschnittsmessungen werden durch Schnellschlußventile, Kapazitätsmessungen, Leitfähigkeitsmessungen mit rotierendem elektrischem Feld und Neutronenstreuverfahren ausgeführt.

Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Leerstellenanteilsmesser für einen Gas/Flüssigkeits-Strom zu schaffen, mit dem das Verhältnis von Flüssigkeit zu Gas in einer Strömung in einer Rohrleitung schnell bestimmt werden kann, ohne daß das Verhältnis gestört oder die Strömung unterbrochen wird.

Diese und weitere Ziele der Erfindung werden dadurch erreicht, daß ein HF- (Mikrowellen)-Hohlraum benutzt wird, der einen kurzen Abschnitt des Rohres umschließt, in dem das Gas/Flüssigkeits-Gemisch fließt,und das ein Feldgerät bildet, dessen Resonanzfrequenz von der Dielektrizitätskonstante des Gemisches abhängt.

Ein HF-Hohlraum dieser Art wurde nach IEEE Trans, on Inst, and Meas., Vol. IM-21 No. 2, Mai 1972, Wenger + Smetova "Hydrogen Density Measurments Using an Open-Ended Microwave Cavity" benutzt, jedoch ist das Gerät nach Funktion und Vorrichtung mit der vorliegenden Erfindung nicht vergleichbar. Die Verwendung von Mikrowellengeräten für verschiedene Zwecke ist aus den folgenden, jedoch für die vorliegende Erfindung nicht relevanten Schriften bekannt: US-PS 2 792 548, 3 501 692, 3 612 996, 3 818 333 und 4 042 879.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert; in dieser zeigt:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht mit angedeutetem Schnitt des Leerstellen-Meßgerätes,

Fig. 2 eine schematische Frontansicht (mit angedeutetem Schnitt) des Meßgerätes nach Fig. 1,

Fig. 3 eine Längsschnittansicht des Meßgerätes mit einer ersten Ausführungsform der Sondenanordnung,

Fig. 4 einen Querschnitt durch das Meßgerät mit einer zweiten Ausführungsform der Sondenanordnung,

Fig. 5 einen Längsschnitt durch ein duales HF-Erfassungssystem für einen Zweiphasen-Dreikomponentenstrom, und

Fig. 6 eine typische Anordnung für Erregungs- und Messungszubehörteile in Verbindung mit einem Meßgerät nach Fig. 1 bis 5.

Nach Fig. 1 und 2 wird das Rohr 10, in dem der zu messende Zweiphasen-Strom fließt, zentral durch einen zylindrischen Hohlraum geleitet, der durch ein Gehäuse 11 gebildet ist.

Das Gehäuse 11 wird von dem Rohr 10 getragen. Dieser Hohlraum wird mittels einer Antenne 12, die innerhalb des Gehäuses 11 dargestellt ist, im TM - -Modus erregt. Es kann auch ein Hohlraum mit (dreieckig-)prismatischem, eliipsoidem oder rechtwinkligem Querschnitt benutzt werden, und ein solcher Hohlraum würde in den Moden TE₁₁, TE₁₁ bzw. TE₁₀₁ erregt. Es besteht kein grundsätzlicher Unterschied zwischen diesen Anordnungen- Die elektrischen Felder verlaufen parallel zu dem zentralen Rohr 10, und die maximale Feldstärke tritt am Ort des Rohres auf. Das Feld wird unter Benutzung von kleinen Koppelschleifen (Antennen) 12 erregt, deren Fläche etwa 0,1 Wellenlängen der Erregungsfrequenz beträgt, und diese Antennen erregen ein Magnetfeld in Umfangsrichtung zur Achse des Zentralrohres. Bei der Erregung des Hohlraumes werden die Schleifen oder Sonden so angeordnet und ausgelegt, daß nur die Grundfreguenz erregt wird. Die Ansprechzeit kann verringert werden durch Verwendung von mehrfachen Anregungsschleifen, die mit gleicher Leistung phasenrichtig angeregt werden. Die Empfangsschleifen, es können beispielsweise zwei der dargestellten vier Schleifen sein, werden so bezüglich der Anregungsschleifen angeordnet, daß in dem beschriebenen Modus eine Leistungsübertragung auftritt. Dadurch wird zufällige Erregung reduziert, und es kann die erforderliche Änderung der Resonanzfrequenz verfolgt werden, die durch die Unterschiede der Resonanz bei unterschiedlichen Leerstellen-Anteilverhältnissen auftritt.

Fig. 3 zeigt einen Längsschnitt durch ein Arbeitsgerät, in dem der Mikrowellen-Hohlraumaufbau durch ein Rohr 14 und Endplatten 15 gebildet wird, welche das Rohr 10 umgeben, durch das das zu messende Material fließt. Die Mikrowellenenergie dringt durch eine keramische Hülse 13 in das Rohr ein. Die Antenne oder Sonde 12 besteht lediglich aus einer einseitig geerdeten Metallschleife, der am nicht geerdeten Ende die Eingangsleistung zugeführt bzw. die Empfangsleistung abgenommen wird. Diese Sonde wird mit Hilfe von

Montageplatten 16 und 17 an der Seite des Hohlraumaufbaus angebracht, und die Eingangs-(bzw. Ausgangs-)Leistung wird

zu- bzw.

über ein Paßstück 18/abgeführt. Fig. 4 stellt den Querschnitt durch einen Meßaufbau mit einer unterschiedlichen Sondenanbringungsart für die Sonde 12 dar. Diese Sonde sitzt in einem Antennenhalter 19 und die Eingangs- bzw. Ausgangsleistung gelangt durch ein Paßstück 20 über einen Steckverbinder 21 zu einem Anschluß 22.

Fig. 5 zeigt eine Vorrichtung zum Messen eines Zweiphasen-Dreikomponentenstromes, beispielsweise Gasdampf/Gaskondensat/Flüssigkeit (Öl oder Wasser). Ein Haupt-HF-Hohlraumaufbau 31 mit Anregungs- und Aufnahmesonden 32 ist, wie bereits beschrieben, das den gemischten Strom führende Rohr 30 umgebend dargestellt. Eine U-Abzweigleitung 40, die wieder zu dem Rohr zurückführt, leitet einen reinen Flüssigkeitsstrom von der Hauptleitung durch einen sekundären Hohlraum 41 mit Sonden 42. Mit dem Haupthohlraum wird das Verhältnis von Dampf zu Flüssigkeit gemessen, während im zweiten Hohlraum 41 das Verhältnis von Gaskondensat zu dem Öl oder zum Wasser gemessen wird.

Fig. 6 zeigt einen typischen Aufbau mit Erregungsleistungsschaltung 50 und Anzeigegerät 53, und es ist hier dargestellt, daß die Erregungszuleitung sowie die Meßsignalableitung über Signalteiler 51 für das Eingangssignal und 52 für das Ausgangssignal geführt sind.

Die Leistung wird in Form einer frequenzgewobbelten Sinuswelle von 10 dBm (bezogen auf den Pegel 1 MW) zugeführt, und der Hohlraum erzeugt bei Resonanz ein Signal von ca. -30 dBm. Das Eingangssignal kann an eine oder mehrere Koppelschleifen parallel oder über eine 90°-Hybride angelegt werden. Diese Hybride ist ein Signalteiler, durch den zwei um 90 gegeneinander phasenverschobene Ausgangssignalo aus einem Eingangssignal erzeugt werden. Die Ausgangs-

oder Signalschleife werden über ein gleichartiges Gerät angeschlossen, sie können jedoch alternativ auch parallel angeschlossen werden.

Die Gestaltung der Eingang- und Ausgang-Schleifen und die Gesamtanzahl der Antennen oder Koppelschleifen ist nicht kritisch, jedoch muß mindestens eine Eingangs- und eine Ausgangsschleife vorhanden sein. Damit muß die Gesamtzahl der verwendeten Antennen zwei oder mehr betragen. Der Hohlraum kann insgesamt von einer Keramikhülse durchquert werden, es kann jedoch auch die gezeigte Anordnung verwendet werden, bei der die Metallhülsen bis zu 20 % der Gesamthohlraumlänge in den Hohlraum vorstehen.

Leerseite

Claims

MANlTZ, FINSTERWALD & QRÄMKOW ATOMIC ENERGY OF CANADA LIMITED/ L'ENERGIE ATOMIQUE DU CANADA,LIMITEE Ottawa, Ontario, Canada OtUTSCHE PATENTANWÄLTE DR GERHART MANITZ oipl phys MANFRED FINSTERWALD Oipl ing dipl wibtsch ing WERNERGRAMKOW dipl-ing DR HELIANE HEYN Oipl -Chem HANNS-JÖRG ROTERMUND Oipl PHYS BRITISH CHARTERED PATENT AGENT JAMES G MORGAN β SC (Phys ! O M S ZUGELASSENE VERTRETER BEIM EUROPAISCHEN PATENTAMT REPRESENTATIVES BEFORE THE EUROPEAN PATENT OFFICE MANOATAIBES AGBEES PHES l OFFICE EUBOPEEN OtS 8REVtTS München, den 4. S/3/Sv-A 3 308 Mai 1983 Mikrowellen-Meßgerät für den Leerraumanteil in einer Flüssigkeitsströmung Patentansprüche

1.^Meßgerät zur Bestimmung des Leerraumanteiles in einer aus Gas und Flüssigkeit bestehenden Strömung in einem Rohr, gekennzeichnet durch

a) einen einen Mikrowellenhohlraum bestimmenden Aufbau (11;31;41), der an dem Rohr (10) dieses umgebend so angebracht ist, daß das Rohr (10) zentral durch den Hohlraum hindurchtritt/

b) eine erste Reihe von in dem Hohlraum angeordneten Sondenstrukturen (12;32;42),

c) eine mit den Sondenstrukturen (12;32;42) verbundene elektrische Leistungsversorgung zum Erregen des Hohlraumes mit Mikrowellenfrequenzen in einem Resonanzmodus in der Weise, daß der elektrische Feldvektor sich parallel zu der Sti'ömung in dem Rohr (10) erstreckt,

MANITZ

d) eine zweite Reihe von in dem Hohlraum angeordneten Sonden strukturen (12; 32; 42) und

e) elektrische Frequenzmeßeinrichtungen (52,53), die mit der zweiten Reihe von Sonden (12;32;42) zur Messung der Frequenz der Hohlraumresonanz verbunden ist, wobei diese
Frequenz die Ermittlung der Dielektrizitätskonstanten des Gemisches und damit des Verhältnisses von Gas zu Flüssigkeit in der Rohrströmung gestattet.

2. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vier Antennensonden-Aufbauten (12) rechtwinklig um den Hohlraumaufbau (11y31 ;42) vorgesehen sind.