DE4411815A1 - Verfahren zur Messung eines mehrkomponentigen und/oder mehrphasigen strömenden Mediums - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung von physika­ lischen Strukturparametern eines mehrkomponentigen und/oder mehrphasigen strömenden Mediums, wobei das Medium elektroma­ gnetische Hohlraumresonatoren durchströmt, die Dielektrizi­ tätskonstanten des Mediums in Fließrichtung und quer zur Fließrichtung aus longitudinalen und transversalen Eigen­ frequenzen von Eigenschwingungen der Hohlraumresonatoren bestimmt werden und gleichzeitig Temperatur und Druck des Mediums gemessen werden, sowie eine Vorrichtung zur Durch­ führung des Verfahrens.

Im Stand der Technik ist aus der internationalen Patentan­ meldung PCT/RU 92/00182 ein Verfahren bekannt, bei dem Zwei­ phasen-Strömungsparameter von kontinuierlich fließenden Medien mit unterschiedlichen Dichten der Phasen meßbar sind. Dabei durchströmt das Medium elektromagnetische Resonatoren, in denen jeweils ein elektromagnetisches Feld resonant einge­ koppelt ist. Aufgrund der dielektrischen Eigenschaften des Mediums ergibt sich eine Verstimmung der Eigenfrequenz des jeweiligen Resonators. Diese wird gemessen und dient zur Bestimmung der Dielektrizitätskonstante des Mediums.

Um Rückschlüsse auf das Phasenverhältnis des Mediums zu erhalten, werden die Resonatoren derart angeordnet und betrieben, daß der elektrische Feldvektor des elektromagne­ tischen Feldes parallel und/oder quer zur Fließrichtung des Mediums gerichtet ist. Hieraus erhält man Werte der Dielek­ trizitätskonstanten in Längs- und Querrichtung des den Reso­ nator durchströmenden Mediums. Neben den hierzu ermittelten Resonanzfrequenzen in Längs- und Querrichtung werden mittels geeigneter Sensoren zusätzlich Druck und Temperatur des Medi­ ums gemessen. Aus diesen Meßdaten und den bekannten physika­ lischen Eigenschaften des Mediums wird das Phasenverhältnis berechnet.

Zur Realisierung einer Meßvorrichtung nach dem genannten Ver­ fahren wird vorgeschlagen, die Hohlraumresonatoren als Halb­ wellen- oder Viertelwellen- Koaxial- Rohrresonatoren aus zu­ führen. In diese Rohrresonatoren werden mittels geeigneter Sende- und Empfangselemente in Fließrichtung des Mediums und quer dazu longitudinale und/oder transversale elektromagne­ tische Wellen eingekoppelt und durch resonante Abstimmung die Eigenfrequenzen der Eigenschwingungen ermittelt.

Das vorbekannte Verfahren hat den Vorteil, daß das Phasenver­ hältnis bei strömenden Zweiphasen-Medien beliebiger Hetero­ genität sicher bestimmbar ist. Weiterhin wird ebenfalls die Bestimmung des Konzentrationsverhältnisses der Komponenten eines Zweikomponenten-Gemisches ermöglicht. Die Meßergebnisse werden praktisch nicht durch Strömungsart, Konzentration oder Dichte des Mediums beeinflußt, beispielsweise werden keine besonderen Anforderungen an Form und Verteilung von Dampfblasen in einem Flüssigkeits-Dampf-Gemisch gestellt.

Das bekannte Verfahren und demzufolge die nach diesem Ver­ fahren arbeitenden Meßvorrichtungen haben jedoch den Nach­ teil, daß die Erfassung des Phasenverhältnisses oder des Kon­ zentrationsverhältnisses der einzelnen Komponenten auf Zwei- Phasen- bzw. Zwei-Komponenten-Medien beschränkt ist. In der Praxis häufig auftretende Dreiphasen- oder Mehrkomponenten- Gemische sind damit hinsichtlich einer Analyse ihrer Zusam­ mensetzung bisher nicht zugänglich.

Daraus ergibt sich die Aufgabe der Erfindung, das Verfahren nach dem Stand der Technik derart weiterzubilden, daß die Messung von physikalischen Strukturparametern von Mehrphasen­ und/oder Mehrkomponenten-Medien ermöglicht wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung vor, daß die Eigenfrequenzen der Resonatoren in mindestens drei unter­ schiedlichen Raumrichtungen gemessen werden.

Durch das erfindungsgeinäße Verfahren wird unter Beibehaltung der Vorteile der bekannten Verfahren erreicht, daß die phy­ sikalischen Strukturparameter von Medien mit mehr als zwei Phasen und/oder mehr als zwei Komponenten erfaßbar sind. Prinzipiell sind der Anzahl der zu unterscheidenden Phasen und/oder Komponenten keine Grenzen gesetzt. Einschränkungen bei der praktischen Realisierung ergeben sich lediglich durch die Größe des Resonators und das dadurch begrenzte Rauman­ gebot für die Anordnung der Sende- und Empfangselemente.

Die Versorgungs- und Auswertevorrichtungen lassen sich unter Verwendung moderner Elektronik und Rechnertechnologie ohne Probleme an üblicherweise auftretende Einsatzbedingungen an­ passen.

Ein weiterer Nachteil des bisher bekannten Verfahrens liegt darin, daß die Meßgenauigkeit oftmals nicht hinreichend ist. Daraus ergibt sich die zusätzliche Aufgabe der Erfindung, die Meßgenauigkeit zu erhöhen.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung vor, daß bei jeder Eigenfrequenzmessung gleichzeitig die Resonanzfrequenz und der Q-Faktor bei der Resonanzfrequenz gemessen werden. Der Q-Faktor oder Qualitätsfaktor wird allgemein in der Elek­ trotechnik zur Kennzeichnung der Güte eines Resonanzkreises gebraucht. In der Praxis wird der Q-Faktor aus dem Verhältnis der Halbwertsbreite und der Höhe des Eigenresonanz-Peaks be­ rechnet. Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird der Q-Faktor des Hohlraumresonators von den physikalischen Eigenschaften der Phasen- und Komponentenverteilung beeinflußt, die keinen Einfluß auf die Lage des Resonanz-Peaks, d. h. der Eigen­ frequenz haben. Deswegen lassen sich aus dem Q-Faktor Korrek­ turgrößen ermitteln, die zur allein aus der Resonanzfrequenz ermittelten Dielektrizitätskonstante addiert werden und die Meßgenauigkeit annähernd um eine Größenordnung erhöhen.

Die Berücksichtigung des Q-Faktors beim erfindungsgemäßen Verfahren gemäß dem Hauptanspruch ermöglicht somit erstmals die Messung von physikalischen Strukturparametern eines Medi­ ums mit theoretisch beliebig vielen Phasen und Komponenten mit hoher Genauigkeit. Zur praktischen Realisierung ist lediglich eine Anpassung der Auswertevorrichtung erforder­ lich, die bei der zur Verfügung stehenden Technologie ohne großen Aufwand durchführbar ist.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens gemäß der Erfindung sieht vor, daß die Fließgeschwindigkeit des Mediums durch Autokorrelation der Meßdaten von in Fließrichtung auf­ einander folgenden Hohlraumresonatoren bestimmt wird. Durch Autokorrelationsverfahren, die im Prinzip bekannt sind, wird beim erfindungsgemäßen Verfahren ein durch statistische Schwankungen erzeugtes Zufallsmuster im zeitlichen Verlauf der ermittelten Meßdaten an zwei aufeinander folgenden, um eine bestimmte Strecke voneinander entfernten Meßpunkten identifiziert. Aufgrund der zeitlichen Verschiebung läßt sich somit leicht die Fließgeschwindigkeit des Massen- bzw. Volumenflusses ermitteln.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens läßt sich besonders vorteilhaft realisieren, indem sie Drucksensoren, Temperatursensoren, sowie mindestens drei in unterschiedliche Raumrichtung orientierte elektromagne­ tische Hohlraumresonatoren aufweist, wobei das Medium durch die Hohlraumresonatoren hindurchströmt, die jeweils mit paar­ weise einander zugeordneten, an Versorgungs- und Auswerte­ einheiten anschließbaren, elektromagnetischen Sende- und Empfangselementen versehen sind. Als Druck- und Temperatur­ sensoren lassen sich beispielsweise Halbleiter oder Pie­ zoelektrische Sensoren verwenden. Diese liefern Meßwerte der erforderlichen, hohen Genauigkeit und sind einfach an Versor­ gungs- und Auswerteeinheiten anbindbar.

Die Hohlraumresonatoren werden vorzugsweise als Mikrowellen- Resonatoren ausgebildet. Diese lassen sich klein und robust ausführen, so daß die Konstruktion von handlichen und gegen mechanische Beanspruchungen unempfindlichen Meßvorrichtungen ermöglicht wird.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform einer erfindungs­ gemäßen Vorrichtung sieht vor, daß mindestens ein Hohlraumre­ sonator ein Zwei-Kammer-Resonator ist, der im wesentlichen aus einer zylindrischen inneren und einer ebenfalls zylin­ drischen äußeren Resonatorkammer gebildet wird, wobei durch die innere Kammer axial in Longitudinalrichtung eine rohr­ förmige Mediendurchführung aus dielektrischem Material ver­ läuft, die innere Resonatorkammer von der äußeren Resonator­ kammer konzentrisch umgeben ist und mit dieser in Verbindung steht, wobei in der Mantelfläche der äußeren Resonatorkammer paarweise einander zugeordnete Sende- und Empfangsantennen derart angeordnet sind, daß sie elektromagnetische Eigen­ schwingungen in Längsrichtung und in mindestens zwei unter­ schiedlichen Querrichtungen in der inneren Resonatorkammer anregen und empfangen. Diese Ausführungsform zeichnet sich durch einen besonders kompakten Aufbau aus und ist aufgrund der relativ einfachen mechanischen Konstruktion besonders wirtschaftlich produzierbar. Dabei besteht der gesamte Reso­ nator im wesentlichen aus leitfähigem Material, beispiels­ weise Metall. Die leitenden Oberflächen der inneren und äußeren Resonatorkammer stehen leitend miteinander in Verbin­ dung. Die durch die innere Resonatorkammer hindurchgeführte, rohrförmige Mediendurchführung besteht aus dielektrischem Material, wie z. B. Glas oder Kunststoff. In ihrem Quer­ schnitt entspricht die Mediendurchführung vorzugsweise dem Durchmesser einer Rohrleitung, durch die ein zu messendes Medium fließt. Dadurch wird der freie Durchfluß des Mediums durch die Meßvorrichtung gewährleistet. Das dielektrische Material läßt sich so auswählen, daß es abrasiven und/oder korrosiven Medien problemlos standhält.

Die Durchtrittsöffnungen in dem Hohlraumresonator für die rohrförmige Mediendurchführung werden so angeordnet, daß die im Innern des Resonators erzeugten elektromagnetischen Eigen­ schwingungen nicht nach außen abgestrahlt werden.

Das durch die Mediendurchführung strömende Medium wird auf­ grund der axialen, zentralen Anordnung in der inneren Resona­ torkammer von den elektrischen Feldvektoren einer longitudi­ nalen Eigenschwingung in Längsrichtung durchsetzt und ent­ sprechend von den elektrischen Feldvektoren der quer ausge­ richteten, transversalen Eigenschwingungen in unterschied­ lichen Radialrichtungen durchsetzt. Der koaxiale Zwei-Kammer- Resonator läßt sich besonders genau abstimmen, wodurch sich die Bestimmung der longitudinalen und transversalen Eigen­ frequenzen sowie deren Q-Faktor einfach durchführen läßt. Ein zuverlässiger Dauerbetrieb ist dadurch sichergestellt, daß die Sende- und Empfangsantennen in der äußeren Resonator­ kammer angebracht sind und keinem Verschleiß durch das vor­ beiströmende Medium unterliegen.

Zur Messung der Fließgeschwindigkeit des Mediums ist es zweckmäßig, daß mindestens zwei Zwei-Kammer-Resonatoren in Fließrichtung des Mediums hintereinander angeordnet sind. Durch Autokorrelation der Meßdaten der beiden Resonatoren kann leicht auf die Volumen- bzw. Massengeschwindigkeit geschlossen werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden an­ hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen im einzelnen:

Fig. 1 Einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Zwei-Kammer-Resonator;

Fig. 2 Einen Querschnitt durch den Resonator gemäß Fig. 1.

In Fig. 1 ist der Hohlraumresonator als ganzes mit dem Bezugszeichen 1 versehen. Er besteht aus einem zylindrischen, rohrförmigen Gehäuse 2, welches an seinen Kopfenden geschlos­ sen ist. Axial durch das Gehäuse 2 hindurch verläuft eine Rohrleitung 3, durch die Medium strömt. Im mittleren Abschnitt in dem Gehäuse 2 ist in die Rohrleitung 3 eine Mediendurchführung 4 eingefügt, die denselben Querschnitt wie die Rohrleitung 3 hat und gestrichelt eingezeichnet ist. An beiden Enden der Mediendurchführung 4 sind auf die Rohrleitung 3 ringförmige Scheiben 5a und 5b aufgesetzt, die in axialer Richtung die Begrenzungen der inneren Resonator­ kammer bilden. Radial nach außen ist diese innere Resonator­ kammer durch die Mantelwandung des Gehäuses 2 begrenzt.

Der Innenraum des Gehäuses 2 abzüglich der Rohrleitung 3 sowie des Bereiches der inneren Resonatorkammer bildet die äußere Resonatorkammer. Folglich umgibt sie die innere Reso­ natorkammer und steht über die radialen Spalte zwischen den ringförmigen Scheiben 5a und 5b und dem Gehäuse 2 mit dieser in Verbindung.

In der Mantelwandung des Gehäuses 2 ist ein Paar von in Längsrichtung abstrahlenden Longitudinal-Antennen 6a und 6b angebracht. Dabei ist 6a eine Sendeantenne für Mikrowellen und die Antenne 6b eine Empfangsantenne für Mikrowellen. Beide sind im Prinzip gleichartig aufgebaut.

Mit den Bezugszeichen 7a und 7b ist ein Paar von radial aus­ gerichteten, in dem Gehäuse 2 im Bereich der Mediendurch­ führung 4 gegenüberliegend angeordneten Transversal-Antennen bezeichnet. 7a ist eine Sendeantenne, 7b die ihr zugeordnete Empfangsantenne.

In gleicher Weise wie die Transversal-Antennen 7a und 7b ist in dem Gehäuse 2 ein weiteres Paar von Transversal-Antennen 8a und 8b angebracht, die gegenüber den Transversal-Antennen 7a und 7b auf dem Mantel des Gehäuses 2 um 90° versetzt ange­ ordnet sind und deswegen in dieser Darstellung nur schema­ tisch angedeutet sind.

Weiterhin ist an dem Gehäuse 2 im Bereich der Rohrleitung 3 ein Temperatursensor 9 sowie ein Drucksensor 10 angebracht, die mit dem Innenraum der Rohrleitung 3 in Kontakt stehen.

Das Gehäuse 2 besteht einschließlich der Rohrleitung 3 und der ringförmigen Scheiben 5a und 5b aus Metall. Die Medien­ durchführung 4 ist aus dielektrischem Material gefertigt, beispielsweise Glas oder Kunststoff. Der Resonatorinnenraum, d. h. das innere des Gehäuses 2, ist gegen die Rohrleitung 3 bzw. die Mediendurchführung 4 dicht.

In Fig. 2 ist ein radialer Schnitt durch den Hohlraumreso­ nator 1 gemäß Fig. 1 in Höhe der Transversal-Antennen 7a/b bzw. 8a/b dargestellt. Es finden dieselben Bezugszeichen wie in Fig. 1 Verwendung. In dieser Darstellung ist deutlich die paarweise Anordnung der Transversal-Antennen 7a und 7b sowie 8a und 8b erkennbar.

Die Longitudinal-Antennen 6a und 6b, die Transversal-Antennen 7a, 7b, 8a und 8b sowie der Drucksensor 10 und der Tempera­ tursensor 9 sind an eine nicht dargestellte Auswerte- und Versorgungseinheit angeschlossen, die alle notwendigen Betriebsspannungen an die Sensoren und Antennen liefert und gleichzeitig die Auswertung der von diesen Sensoren bzw. Antennen gelieferten Signale ermöglicht.

Zum Betrieb der Vorrichtung gemäß dem erfindungsgemäßen Ver­ fahren wird auf die Transversal-Sendeantennen 7a und 8a sowie auf die Longitudinal-Sendeantenne 6a ein Hochfrequenzsignal gegeben, dessen Frequenz so gewählt ist, daß sich in dem Gehäuse 2 jeweils zwischen den Antennenpaaren 6a und 6b, 7a und 7b sowie 8a und 8b stehende Wellen mit den entsprechenden longitudinalen und transversalen Eigenfrequenzen des Hohl­ raumresonators 1 ausbilden. Dabei verläuft der elektrische Feldvektor des von den Longitudinal-Antennen 6a und 6b erzeugten Eigenschwingungen im Bereich der inneren Resonator­ kammer, d. h. auch innerhalb der Mediendurchführung 4 in Längsrichtung. Der elektrische Feldvektor der zwischen den Transversal-Antennen 7a und 7b sich ausbildenden stehenden Welle verläuft transversal durch den inneren Resonator und damit die Mediendurchführung 4. Der elektrische Feldvektor zwischen dem Transversal-Antennenpaar 8a und 8b verläuft ebenfalls durch die innere Resonatorkammer in Transversal­ richtung senkrecht zum Feldvektor zwischen dem Antennenpaar 7a und 7b.

Zur Einhaltung der Resonanzbedingung, d. h. zur Einkoppelung der jeweiligen Eigenschwingungen wird die an die Sende-Anten­ nen 6a, 7a und 8a gegebene Frequenz von der nicht dargestell­ ten Versorgungseinheit so eingestellt, daß das von den Emp­ fangsantennen 6b, 7b und 8b empfangene Signal minimal ist - wenn der Hohlraumresonator 1 ein λ/2-Resonator ist - bzw. maximal, wenn der Hohlraumresonator 1 ein λ/4-Resonator ist. Dabei wird gleichzeitig der Q-Faktor jeder Eigenfrequenz festgestellt. Mittels des Temperatursensors 9 und des Druck­ sensors 10 werden gleichzeitig der Druck und die Temperatur des durch die Rohrleitung 3 strömenden Mediums erfaßt.

Das durch die Mediendurchführung 4 strömende Medium wird sowohl von den in Längsrichtung liegenden elektrischen Feld­ vektor der Eigenschwingung zwischen den Longitudinal-Antennen 6a und 6b sowie den transversal senkrecht aufeinander stehen­ den elektrischen Feldvektoren der Eigenschwingungen zwischen den Transversal-Antennenpaaren 7a/b und 8a/b durchsetzt. Aus den Werten der drei solchermaßen ermittelten Eigenfrequenzen der Eigenschwingungen werden drei Werte für die zugeordneten Dielektrizitätskonstanten berechnet.

Nach der Eingabe der entsprechenden Kenngrößen eines Mediums ist aufgrund der in der vorbeschriebenen Weise aufgenommenen Meßdaten - drei Dielektrizitätskonstanten, Druck und Tempe­ ratur - die vollständige Darstellung aller physikalischen Strömungspararmeter eines Drei-Phasigen, Drei-Komponentigen Mediums durchführbar.

Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mittels des darge­ stellten Hohlraumresonators 1 gewonnenen Meßdaten hinsicht­ lich der Beschaffenheit des Mediums zeichnen sich durch hohe Genauigkeit aus. Durch die Anbringung weiterer Antennenpaare ist eine Erweiterung der Meßvorrichtung auf nahezu beliebig viele Phasen und Komponenten denkbar.

Claims (6)

1. Verfahren zur Messung von physikalischen Strukturpa­ rametern eines mehrkomponentigen und/oder mehrphasigen strö­ menden Mediums, bei welchem das Medium elektromagnetische Hohlraumresonatoren durchströmt, die Dielektrizitätskon­ stanten des Mediums in Fließrichtung und quer zur Fließrich­ tung aus longitudinalen und transversalen Eigenfrequenzen von Eigenschwingungen der Hohlraumresonatoren bestimmt werden und gleichzeitig Temperatur und Druck des Mediums gemessen wer­ den, dadurch gekennzeichnet, daß die Eigenfrequenzen der Resonatoren in mindestens drei unterschiedlichen Raumrich­ tungen gemessen werden.

2. Verfahren, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß bei jeder Eigenfrequenzmessung gleichzeitig die Resonanzfrequenz und der Q-Faktor bei der Resonanzfre­ quenz gemessen werden.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fließgeschwindigkeit des Mediums durch Autokorrelation der Meßdaten von in Fließrichtung auf­ einanderfolgenden Hohlraumresonatoren bestimmt wird.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung Drucksensoren (10), Temperatursensoren (9), sowie mindestens drei in unterschiedliche Raumrichtungen orientierte elektro­ magnetische Hohlraumresonatoren (1) aufweist, wobei das Medium durch die Hohlraumresonatoren (1) hindurchströmt, die jeweils mit paarweise einander zugeordneten, an Versorgungs- und Auswerteeinheiten anschließbaren, elektromagnetischen Sende- und Empfangselementen (6a/b, 7a/b, 8a/b) versehen sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Hohlraumresonator (1) ein Zwei-Kammer- Resonator (1) ist, der im wesentlichen aus einer zylindri­ schen inneren und einer ebenfalls zylindrischen äußeren Resonatorkammer gebildet wird, wobei durch die innere Kammer axial in Longitudinalrichtung eine rohrförmige Mediendurch­ führung (4) aus dielektrischem Material verläuft, die innere Resonatorkammer von der äußeren Resonatorkammer konzentrisch umgeben ist und mit dieser in Verbindung steht, wobei in der Mantelfläche der äußeren Resonatorkammer paarweise einander zugeordnete Sende- und Empfangsantennen (6a/b, 7a/b, 8a/b) derart angeordnet sind, daß sie elektromagnetische Eigen­ schwingungen in Längsrichtung und in mindestens zwei unter­ schiedlichen Querrichtungen in der inneren Resonatorkammer anregen und empfangen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Zwei-Kammer-Resonatoren (1) in Fließ­ richtung des Mediums hintereinander angeordnet sind.