DE68927587T2

DE68927587T2 - Vorrichtung zum nachweis einer zusammensetzung und nachweisverfahren unter verwendung von impedanzmessungen

Info

Publication number: DE68927587T2
Application number: DE68927587T
Authority: DE
Inventors: Bjorn Bjornsen; Scott Gaisford; John Watjen
Original assignee: Den Norske Stats Oljeselskap AS
Current assignee: Equinor ASA
Priority date: 1988-10-05
Filing date: 1989-10-05
Publication date: 1997-08-07
Anticipated expiration: 2009-10-06
Also published as: DK58891D0; DK174374B1; RU2122722C1; AU638217B2; US5103181A; ATE146881T1; FI102014B; EP0437532A4; DK58891A; DE68927587D1; NO911309L; NO911309D0; BR8907691A; CA2000223C; WO1990004167A1; NO311465B1; AU4423489A; JP3086689B2; EP0437532B1; CA2000223A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein System und ein Verfahren zur Bestimmung des zusammensetzungsmäßigen Aufbaus von Mehrkomponentenzusammensetzungen, die entweder ruhen oder in Röhren oder Durchführungen fließen, wobei die Komponenten unterschiedliche elektrische Impedanzen haben und in verschiedenen Zuständen vorliegen können. Im besonderen bezieht sich diese Erfindung auf Mittel und Verfahren zur Bestimmung des fraktionierten zusammensetzungsmäßigen Aufbaus von mehrkomponentigen Flüssigkeiten, Festkörpern und deren Gemischen, deren Komponenten unterschiedliche elektrische Impedanzen haben. Die Flüssigkeiten, Festkörper und Gemische können ruhen, sich in abgeteilten Mengen bewegen oder kontinuierlich fließen. Noch spezieller bezieht sich die Erfindung auf ein System und eine Vorrichtung, die für Aufgaben wie den kontinuierlichen und/oder stationären Nachweis von Mehrkomponentenzusammensetzungen aus (1) Flüssigkeiten in Gasen, (2) Festkörper in Flüssigkeiten und (3) Festkörpern, Flüssigkeiten und Gasgemischen verwendet werden können.
Grundsätzlich liefern die vielen möglichen Ausführungsformen dieser Erfindung, von denen einige bevorzugte Ausführungsformen in dieser Anmeldung beschrieben werden, wirtschaftliche und praktische Nachweisvorrichtungen für Zusammensetzungen, die den Anforderungen eines breiten Spektrums von verschiedenen Industriezweigen und Laboratorien genügen. Ein charakteristisches Merkmal dieser Erfindung ist, daß die Ausführungsformen, wenn gewünscht, so gestaltet und konstruiert werden können, daß sie integrale Bestandteile des zu überwachenden Prozesses werden ohne dabei den Prozeß zu stören. Sie können so gestaltet und konstruiert werden, daß sie den Prozessen selbst und den Prozeßumgebungen sowie der übrigen Prozeßausstattung, mit der sie verbunden sind, wiederstehen. Sie können so gestaltet und ausgeführt werden, daß sie kostensparend sind bei der Anschaffung, Installation, Anwendung, Instandhaltung, Reparatur und/oder dem Austausch. Insbesondere können sie so gestaltet und ausgeführt werden, daß sie schneller sind und genauere und breitere Meßwertbereiche liefern als vorhandene Nachweisvorrichtungen für Mehrkomponentenzusammensetzungen. Sie können gestaltet und ausgeführt werden, um den Zusammensetzungsnachweis in einem breiten Anwendungsfeld zu ermöglichen, der heute mit keiner Nachweisvorrichtung möglich ist.
In einer Vielzahl von Prozessen, die Festkörper, Flüssigkeiten, Gase und deren Gemische einschließen, wobei die Komponenten und Mischungen ruhen, sich in abgeteilten Mengen bewegen oder kontinuierlich fließen können, besteht ein Bedarf an genauen und relativ preiswerten Mitteln und Verfahren für Nachweisvorrichtungen von Zusammensetzungen. Außerdem ist es oft wünschenswert, daß diese Nachweismittel imstande sind, in-line mit dem Prozeß zu arbeiten, um Prozeßumleitungen oder Beipässe zu Nachweiszwecken zu vermeiden. Es ist häufig wünschenswert, daß die Nachweisvorrichtung nicht eindringt, so daß sie den überwachten Prozeß nicht stört, und/oder zu verhindern, daß die Mittel zum Nachweis zersetzt werden, beispielsweise durch Prozesse, die hochkorosiv und/oder erosiv sind.,
Typischerweise verbinden sich die Ansprüche eines solchen Nachweises von Zusammensetzungen mit den Qualitäten und Quantitäten der Produkte, die eingekauft und verkauft werden, Produkten die hergestellt werden oder von Produkten, die gelagert werden. Entsprechend hoch sind die Ansprüche zum Nachweis der Zusammensetzung zum Zwecke der Prozeßkontrolle, der Produktionseffektivität und der Sicherheit.
Unter den Prozessen, die einen Bedarf am Nachweis der Zusammensetzung haben, ist die Ölproduktion ein besonderer Prozeß. Ob die Ölproduktion auf dem Land oder auf Offshore-Plattformen oder auf dem Meeresgrund stattfindet, es besteht ein unbefriedigter Bedarf an kontinuierlichem Nachweis der produzierten Mengen von Öl, Wasser und Gas. Es gibt viele verschiedene spezielle Gründe zum Nachweis dieser drei Komponenten, aber ihr gemeinsamer Zweck besteht darin, die Produktion zu optimieren.
Heute können die drei Komponenten Öl, Wasser und Gas nur einzeln mit Hilfe von Abscheidern gemessen werden. Zur Messung einzelner Quellen werden kleinere Abscheider mit einer geringeren Kapazität als Produktionsabscheider verwendet. Diese sind allgemein als Testabscheider bekannt. In einem gegebenen Feld ist normalerweise nur ein Testabscheider verfügbar, und daher ist ein kontinuierlicher und gleichzeitiger Nachweis aller Quellen nicht möglich. Ersatzweise werden die Quellen nur in Intervallen geprüft, typischerweise ein oder zweimal im Monat, aber auch längere Intervalle sind nicht ungewöhnlich. Derart seltene und unbefriedigende Prüfung der Quellen sind ebenfalls verursacht durch die dem Abscheidungsverfahren eigene Langsamkeit und die Notwendigkeit von Instandhaltungsmaßnahmen, die das Entfernen von Ablagerungen, wie Sand, beinhalten. Hinzu kommen die aufwendigen und zeitintensiven Verfahren, um die Produktion von den einzelnen Quellen zum Testabscheider zu leiten.
Daher ist klar, daß ein besonderer Bedarf an einer preiswerten und praktischen Nachweisvorrichtung für Zusammensetzungen besteht, die kontinuierlich die Anteile von Öl, Wasser und Gas messen kann, die von jeder einzelnen Quelle in einem Produktionsfeld oder Reservoir produziert werden, um die Leistung und Beschalfenheit jeder Quelle zu kennen. Von diesen Einzelmessungen lassen sich Schlüsse auf Wechsel im Reservoir, die die Produktionsraten und die totale Ausbeute beeinflussen können, ziehen.
Ein anderer Nachteil von Testabscheidern ist, daß sie auf Offshore-Plattformen einen signifikanten Kostenfaktor bilden. Testabscheider wiegen typischerweise zwischen 15 und 20 Tonnen, belegen einen beachtlichen Raum und erfordern Mannschaften zur Bedienung und Instandhaltung. Gewicht, Raum und Mannschaft sind wesentlichen Kostenfaktoren auf Plattformen, wo sich z. B. der Kostenfaktor pro metrische Tonne zwischen 200.000 und 600.000 Pfund bewegt. Auf Plattformen besteht daher ein besonderer Bedarf, die Testabscheider durch Nachweisvorrichtungen für Zusammensetzungen zu ersetzen, die leichtgewichtig sind und keine Mannschaften zur Bedienung erfordern. Auf Offshore-Bohrtürmen besteht ein weiterer Anreiz für den Ersatz der Testabscheider darin, daß ihre Funktion durch Bohrbewegungen (Strecken und Heben) nachteilig beeinflußt wird und ihre Verwendung dadurch weniger sicher wird.
Beim Bohren im allgemeinen besteht daher ein Bedarf an einer Nachweisvorrichtung der Zusammensetzung, die kontinuierlich den Gehalt von Öl, Wasser, Gas und Festkörpern im zurückkehrenden Bohrschlamm messen kann. Unter den Gründen für eine derartige Überwachung ist der wichtigste zu wissen, ob das Reservofr dem zurückkehrenden Bohrschlamm Flüssigkeiten hinzufügt und, wenn dies der Fall ist, in welchem Maße. Eine solche Reservoirproduktion könnte ein mögliches Ausbiasen signalisieren, das bei frühzeitiger Warnung verhindert werden kann.
Die vorhandenen Mittel zum Ermitteln solcher Einbrüche vom Reservoir sind primitiv und bei weitem nicht angemessen. Sie bestehen z. B. aus Meßgeräten des Flüssigkeitsfüllstandes mit großen Tanks, die unempfindlich gegenüber kleinen Veränderungen des Flüssigkeitsvolumens sind.
Eine sehr kostspielige Aufgabe beim ablandigen Nachweis der Zusammensetzung ist die der Prüfung der Produktion von unterseeischen Bohrlöchern, besonders wenn die Produktion von mehreren Bohrlöchern zu einer einzelnen Flußlinie zu einer aufnehmenden Station zusammengelegt ist. Um das Abschalten aller Bohrungen bis auf die zu prüfende zu verhihdern, muß eine zusätzliche Teststrecke zur Empfangsanlage verwendet werden, durch die die einzelne Quellproduktion zu Testzwecken zur Empfangsstation geleitet wird. Die Installation einer Extraleitung ist an sich kostspielig, aber das Führen einer einzelnen Quellproduktion erfordert extra Ausstattung, Anlagen und Bedienelemente, die besonders in einer unterseeischen Umgebung die gesamte Produktion verkomplizieren und deren Zuverlässigkeit reduzieren. Dementsprechend besteht ein großer wirtschaftlicher und praktischer Bedarf an Mitteln zum Nachweis der Zusammensetzung, die integraler Bestandteil jedes unterseeischen Bohrloches sein können, so daß nur die Nachweisergebnisse durch ein Kabel oder akustisch zur Empfangsstation übertragen werden müssen.
Der vielleicht höchste Bedarf für Nachweismittel der Quellenzusammensetzung besteht bei der Installation lochabwärts in der Reservoirgewinnungszone oder den -zonen. Keine entsprechende Ausstattung existiert heute.
Ein weiterer Bedarf der Erdölindustrie an kontinuierlichen Nachweismitteln der Zusammensetzung innerhalb von Leitungen ist die Messung von geringen Anteilen von Wasser im Öl zum Zwecke der Aufsicht der Übergabe an Orten der Auslieferung, an Orten entlang der Rohrleitung, an Empfangsstationen und bei der weiteren Behandlung/Prozeß und Veredelung der Ölprodukte. Gegenwärtig werden physikalische Messungen durchgeführt, indem häufig kleine Produktproben entnommen werden, von denen üblicherweise durch Titrationsprozesse der Wassergehalt bestimmt und aufgezeichnet wird, um einen statistisch bestimmten Gesamtwassergehalt anzugeben. Wie zu erwarten ist, führt die Unwissenheit über den Wassergehalt zwischen den Proben zu Streitigkeiten über das Meßverfahren und die Ergebnisse zwischen den Verkäufern und den Einkäufern.
In der Erdölindustrie wird häufig die Reservoirdampfeinspritzung verwendet, um die Gewinnung von Ölen, z.B. hochviskosen Ölen, die nicht frei fließen können und die nicht gepumpt werden können, zu steigern und/oder zu ermöglichen. Um solche Öle zu gewinnen, wird hochenergetischer Dampf, der das Reservofr schnell durchdringt, in dieses eingespritzt, so daß die thermische Energie, die freigesetzt wird, wenn das Gas kondensiert, das Öl erhitzt und dessen Viskosität genügend verringert, so daß es produziert werden kann. Während der Dampfeinspritzung und danach sind alle Produktionsquellen des Reservoirs stillgelegt. Nach einer Zeit, wenn angenommen wird, daß der gesamte Wasserdampf kondensiert ist im Reservoir, beginnt die Produktion und dauert an, bis eine Dampfeinspritzung erneut erforderlich ist. Das hier beschriebene Verfahren wird üblicherweise als "huff and puff"-Verfahren bezeichnet, aber es gibt auch dampf-"betriebene"-Felder, wo die Dampfinjektion und die Produktion kontinuierlich sind. Vom Vorherstehenden ist offensichtlich, daß es wirtschaftlich wünschenswert ist, die Qualität des eingespritzten Dampfes nachzuweisen. Je höher der Gasgehalt, desto höher die Qualität. Entsprechend offensichtlich ist die wirtschaftliche Bedeutung der Kenntnis, ob oder ob nicht die produzierten Flüssigkeiten unkondensierten Dampf enthalten, der ungenutzte Energie verkörpern würde.
Daher haben die Erdölindustrie und im wesentlichen alle Dampferzeuger und Anwender Bedarf an kontinuierlichen Nachweismitteln der Dampfqualität. Ein weiteres Beispiel für solche Produzenten und Nutzer sind Atomkraftwerke.
Außerhalb der Ölproduktion gibt es viele Industrien und Gewerbe, deren Produkte und Verfahren einen genauen Nachweis der Zusammensetzung erfordern, aber denen es an angemessenen kontinuierlichen und/oder chargenweisen Nachweismittel zur entsprechenden Durchführung fehlt.
In der Zellstoff- und Papierindustire besteht ein Bedarf zum kontinuierlichen Nachweis des Wassergehaltes von Zellstoffiüssigkeiten, die in Verbrennungsöfen gepumpt werden. Wenn überschüssiges Wasser in der Flüssigkeit vorhanden ist, besteht die Gefahr, daß der Ofen explodiert. Wegen dem Mangel an hinreichend genauen, nicht eingreifenden Nachweismitteln veranschlagen einige Zellstoff- und Papiergeselischaften regelmäßig Kosten für Ofenexplosionen. Ein genaues Nachweismittel könnte verwendet werden, um vor übermäßig hohem Wassergehalt in der Flüssigkeit zu warnen.
In der nahrungsmittelherstellenden Industrie besteht ein ebensolcher Bedarf an einem Nachweismittel, das schnell die Zusammensetzung von verarbeiteten und/oder rohen Nahrungsmitteln bestimmen könnte. Von besonderer Bedeutung ist der Wassergehalt. Die Milchindustrie ist ein typisches Beispiel. Der Fett und der Wassergehalt von Milch und Milchprodukten müssen bestimmten Anforderungen genügen, um auf dem Markt verkauft zu werden. Aber noch kein angemessenes Nachweismittel zur kontinuierlichen Messung des Fett- und Wassergehaltes wurde bisher gefunden. Demzufolge müssen die Milchproduzenten im übermaß Milchfett in ihre Produkte eingeben, um sicherzustellen, daß sie die Anforderungen erfüllen. Wenn ein genaues, einfaches und kontinuierlich den Fett- und Wassergehalt messendes Nachweismittel verfügbar wäre, könnte das Extramilchfett der Produktion von Butter und Eiscreme zugeführt werden.
Brennstofftransport- und -verteilungssysteme haben Bedarf an genauen und kontinuierlichen Mitteln zum Nachweis des Wassergehaltes der Brennstoffe. Z.B. besteht Bedarf zur Messung des Wassergehaltes von Düsentreibstoffen, wenn sie in das Flugzeug gepumpt werden. Ein niedriger Prozentsatz von Wasser wird dem Düsentreibstoff zugeführt, um die Effizienz der Verbrennung zu verbessern, aber wenn Wasser im Übermaß vorhanden ist, können wahrend des Betriebs ernste Probleme, einschließlich des Maschinenversagens auftreten.
Innerhalb der petrochemischen und chemischen Industrien besteht eine Menge Bedarf am Nachweis der Zusammensetzung, wobei die eingeschlossenen Flüssigkeiten andere als Wasser sein können. Beispiele für solche Prozeßflüssigkeiten sind plastische Harze, Polymere, Alkohole, Säuren und organische Lösungsmittel. In jedem Fall besteht der Bedarf an einem einfachen, kontinuierlichen, robusten, chemisch inaktiven und preiswerten Nachweismittel, das kontinuierlich die Zusammensetzung der Mischungen dieser Chemikalien messen kann, wahrend sie hergestellt und gereinigt werden.
Für viele der angeführten Beispiele zum Nachweis der Zusammensetzung ist gegenwärtig keine Technologie verfügbar, um die Aufgaben des Prozeßnachweises durchzuführen. Es ist ein Gegenstand dieser Erfindung, ein Nachweismittel und eine Vorrichtung zu beschreiben, die die zentralen Bedürfnisse des Nachweises der Zusammensetzung erfüllen, die bei diesen und vielen anderen entsprechenden Anwendungen üblich sind. Die üblichen Anforderungen an ein Nachweismittel sind, daß es:
1) in der Leitung liegt,
2) kontinuierlich mißt (d.h. eine kurze Taktzeit der Messung hat),
3) in der Lage ist:
- verschiedenen Prozeßbedingungen,
- hohen internen Temperaturen und Drücken,
- korrosiven Prozeßkomponenten,
- abrasiven Komponenten,
- viskosen Flüssigkeiten zu widerstehen,
4) nicht angreifend ist,
5) genau ist,
6) unempfindlich ist gegenüber der Geometrie außerhalb der Teststrecke,
7) zuverlässig ist,
8) relativ preiswert ist und
9) widerstandsfahig genug ist, um der industriellen Umgebung zu widerstehen.
Der Gedanke der Verwendung einer Prozeßstromleitung als Hohlkörper zur Durchführung hochfrequenter dielektrischer Messungen des Prozeßstromes ist kein neuer. Andere in der Patentliteratur beschriebene Vorrichtungen, die hochfrequente Hohlkörpermessungen der Dielektrizitätskonstanten in Rohrleitungen beschreiben, unterscheiden sich in ihrer Funktion beachtlich. Die meisten sind Amplitudenmeßsysteme, bei denen die Aufrechterhaltung von Genauigkeiten von sogar 1/1000-tel über eine Zeit hinweg schwierig wäre. Beispiele für solche Systeme werden offenbart im US-Patent 4,651,085, ausgegeben am 10. Juli 1984 an Sakural et al.; US-Patent 3,498,112, ausgegeben am 3. März 1979 an Howard; US-Patent 3,883,798, ausgegeben am 13. Mai 1975 an Free; und US-Patent 4,301,400, ausgegeben am 17. November 1981 an Paap. Einige messen die Phase, wie das US-Patent 4,423,623, ausgegeben am 3. Januar 1984 an Ho u.a. Hier wäre ebenfalls eine Genauigkeit von besser als 1/1000-tel mit der Zeit schwierig. Das Patent von Ho u.a. beansprucht die Messung der Grenzfrequenz eines Hohlleiters, die im wesentlichen eine Amplitudenmessung als Funktion der Frequenz ist; wie auch immer, die Definition der Grenzfrequenz ist etwas Willkürliches und kann nicht direkt gemessen werden. Im Kern nutzt die im Patent von Ho u.a. beschriebene Vorrichtung entweder Amplituden oder Phasenmessungen und ist ebenfalls nicht geeignet für die Genauigkeit einer echten frequenzunterscheidenden Vorrichtung. Die Vorrichtung im Patent von Free u.a. mißt die Frequenz, sie ist aber nicht gut angepaßt für Messungen der Zusammensetzung von Materialien über einen weiten Bereich mit großen Unterschieden in der Dielektrizitätskonstanten. Diese Vorrichtung isoliert ihren Testabschnitt durch Bereitstellung einer unterschiedlichen Feldorientierung an jedem Ende der Teststrecke. Während ein solcher Feldorientierungsunterschied leicht mit einem rechtwinkligen Querschnitt des Hohlleiters zu erreichen ist, kann er mit einem runden Querschnitt des Hohlleiters nicht erreicht werden. Um in der Vorrichtung von Free u.a. einen zentralen, kontinuierlichen Beschickungspfad bereitzustellen, werden an jedem Ende der Teststrecke in den Begrenzungen Platten eines Material bereitgestellt, die eine ahnliche Dielektrizitätskonstante wie das gemessene Material besitzen. Die Vorrichtung ist umso weniger empfindlich, je größer der Unterschied zwischen der Dielektrizitätskonstanten der Platte und der Dielektrizitätskonstanten des gemessenen Materials ist.
Eine Vielzal anderer Nachweissysteme für Flüssigkeiten ist im Stand der Technik bekannt. Meador et al., US-Patent 4,458,524, ausgegeben am 10. Juli 1984, offenbart einen Rohölproduktionsstromanalysator, der die Messungen der dielektrischen Konstanten, der Dichte und der Temperatur zur Bestimmung der Zusammensetzung eines Rohölproduktionsstromes verwendet. Diese Vorrichtung stützt sich außerdem auf Phasenverschiebungen, um die dielektrische Konstante zu bestimmen. Andere Nachweisvorrichtungen der Zusammensetzung werden in den folgenden, ergänzend ausgegebenen US-Patenten offenbart: 3,688,188, ausgegeben am 29. August 1972 an Bak et al.; 3,816,811, ausgegeben am 11. Juni 1974 an Cmelik K.; 3,826,978, ausgegeben am 30. Juli 1974 an Kelly; 3,889,182, ausgegeben am 10. Juni 1975 an Easley et al.; 3,897,798, ausgegeben am 5. August 1975 an De Vale; 4,104,585, ausgegeben am 1. August 1978 an Schofield; 4,124,475, ausgegeben am 7. November 1978 an Zetter et al.; 4,266,188, ausgegeben am 5. Mai 1981 an Thompson; 4,288,741, ausgegeben am 8. September 1981 an Dechene et al.; 4,327,323, ausgegeben am 27. April 1982 an Walker; 4,340,938, ausgegeben am 20. Juli 1982 an Rosso; 4,345,204, ausgegeben am 17. August 1982 an Shelley; 4,370,611, ausgegeben am 25. Januar 1983 an Gregory et al.; 4,387,165, ausgegeben am 7. Juni 198 an You.ngblood; 4,429,273 ausgegeben am 31. Januar 1984 an Mazzagatti; 4,441,362, ausgegeben am 10. April 1984 an Carlson; 4,543,191, ausgegeben am 24. September 1985 an Stewart et al.; 4,555,661, ausgegeben am 26. November 1985 an Benson et al.; 4,559, 493, ausgegeben am 17. Dezember 1985 an Goldberg et al.; Wie auch immer, keines dieser Systeme ist imstande, eine mehrkomponentige, in einer Leitung fließende Flüssigkeit nachzuweisen, ohne auf den Flüssigkeitsstrom einzwirken oder ohne Systemkomponenten einer Beschädigung durch die Flüssigkeit auszusetzen.
Kapazitätsmesser und Leitfähigkeitsmesser wurden in der Vergangenheit im allgemeinen verwendet zum Zwecke des Nachweises der Zusammensetzung von flüssigen Prozeßströmen. Z.B. werden Kapazitätsmesser offenbart in der US-Patentschrift 4,266,425, ausgegeben am 12. Mai 1981 an Allport und Scott et al.; veröffentlichte europäische Patentschrift 0,268,399, datiert auf den 25. Mai 1988. Die Hochfrequenzimpedanznachweisverfahren, die in dieser Beschreibung beschrieben werden, haben verschiedene grundlegende Vorteile gegenüber diesen Niederfrequenzverfahren. Niederfrequenzvorrichtungen sind flußempfindliche und empfindlicher gegenüber dem Salzgehalt im Wasser. Kapazitätsmeser funktionieren nicht genau, wenn Wasser die kontinuierliche Phase von einer Mischung ist, es sei denn, die Leitfähigkeit von Wasser ist niedrig. Es ist außerdem sehr schwierig eine einzelne Meßeinheit zu entwerfen, die imstande ist, die Dielektrizitätskonstante und die Leitfähigkeit von Prozeßströmen nachzuweisen, die Impedanzeigenschaften haben, wie solche von Öl/Wassermischungen. Der Grund dafür ist, daß der relative Impedanzgrad von ölkontinuierlichen Mischungen und den wasserkontinuierlichen um einige Größenordnungen unterschiedlich sind. Letztendlich ist die Potentialgenauigkeit des Kapazitätsmessers nicht viel besser als ein Teil von Tausend für einen langzeitigen Gebrauch, da die gemessenen Kapazitäten so klein sind - Vollausschlag ist gerade 10 Picofarad. Stabilität ist schwer zu erreichen wegen Abweichungen der Kapazität der Signalleitung, Temperaturabweichungen, Signalabweichungen usw.. Vom mechanischen Standpunkt verwenden viele Kapazitätsmesser koaxiale Elektroden, von denen eine in der Mitte der Rohrleitung zentriert ist. In einer solchen Konfiguration machen sie es unmöglich, die Rohrleitung mit Standardtechniken zu reinigen. Außerdem sind sie der korrosiven und abrasiven Umgebung vieler Prozeßströme ausgesetzt.
Im Fachgebiet ist außerdem bekannt, Kreuzkorrelationstechniken zu verwenden, um die Flußrate aus Messungen zu bestimmen, die an verschiedenen Punkten entlang eines Kessels, durch den eine Flüssigkeit fließt, durchgeführt wurden. Solche Flußratenvorrichtungen sind offenbart in, z.B., US-Patent 3,762,221, ausgegeben am 2.0ktober 1963 an Coulthard; 3,967,500, ausgegeben am 6. Juli 1976 an Forster; 4,248,085, ausgegeben am 3. Februar 1981 an Coulthard; 4,257,275, ausgegeben am 24. März 1981 an Kurita et al.; 4,380,924, ausgegeben am 26. April 1983 an Nakamoto et al.; 4,402,230, ausgegeben am 6. September 1983 an Raptis; 4,417,584, ausgegeben am 29. November 1983 an Gathignol et al.; die oben zitierten 4,423,623; 4,693,319, ausgegeben am 15. September 1987 an Amemiya und 4,708,021, ausgegeben am 24. November 1987 an Braun et al. Wie auch immer, alle diese Vorrichtungen erzielen die Messungen, die kreuzkorreliert sind, in einer anderen Weise als in dieser Erfindung. Die kreuzkorrelierten Signale des US-Patentes 4,548,506, ausgegeben am 22. Oktober 1985, basieren auf den dielektrischen Eigenschaften eines Materials, aber nicht zur Bestimmung der Flußrate.
Folglich ist es eine Aufgabe dieser Erfindung, eine neuartige Nachweisvorrichtung für Mehrkomponentenflüssigkeiten und ein Nachweisverfahren bereitzustellen, das die Zusammensetzung von solch einer mehrkomponentigen Flüssigkeit, die durch eine Rohrleitung fließt, nachweist ohne den Flüssigkeitsstrom entscheidend zu stören.
Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, eine solche Nachweisvorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, in dem aktive elektrische Bestandteile der Nachweisvorrichtung nicht im physikalischen Kontakt mit der Flüssigkeit zu sein brauchen.
Es ist eine noch weitere Aufgabe dieser Erfindung, eine solche Nachweisvorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, das imstande ist, die Zusammensetzung elner mehrkomponentigen Flüssigkeit mit einem breiteren Bereich von dielektrischen Eigenschaften nachzuweisen, als dies mit Nachweisvorrichtungen und Verfahren nach dem Stand der Technik möglich ist.
Es ist eine noch weitere Aufgabe dieser Erfindung, eine solche Nachweisvorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, das imstande ist, die Zusammensetzung einer mehrkomponentigen Flüssigkeit nachzuweisen, die eine höhere Leitfahigkeit hat als dies mit Nachweisvorrichtungen und Verfahren nach dem Stand der Technik möglich ist.
Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, eine solche Nachweisvorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, das imstande ist, eine solche Flüssigkeitszusammensetzung nachzuweisen, wenn eine der Bestandteile der Mischung Salzwasser ist.
Es ist noch eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, eine solche Nachweisvorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, in dem ein stehendes elektromagnetisches Wellenmuster erzeugt wird, so daß der Umsetzungsmechanismus vereinfacht und die Genauigkeit gesteigert werden.
Es ist noch eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, eine solche Nachweisvorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, die imstande sind, zu bestimmen, ob die nachgewiesene Flüssigkeit gleichmäßig gemischt ist.
Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, eine solche Nachweisvorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, in dem die Zusammensetzung einer dreikomponentigen Flüssigkeit bestimmt wird auf der Basis von Messungen der dielektrischen Konstanten und/oder der Leitfähigkeit und der Dichte.
Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, eine hochgenaue frequenzdiskriminierte Nachweisvorrichtung für zweikomponentige Flüssigkeitsströme bereitzustellen.
Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, ein System bereitzustellen, das eine Nachweisvorrichtung und ein Verfahren beinhaltet, das zur Vermessung der Durchflußleistung einer Flüssigkeit imstande ist, deren Zusammensetzung mit der Nachweisvorrichtung und dem Verfahren nachgewiesen wird.
Gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Nachweisvorrichtung für mehrkomponentige Zusammensetzung mit den Merkinalen von Anspruch 1 bereitgestellt.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren der Messung der Zusammensetzung von mehrkomponentigen Mischungen bereitgestellt, dessen Prozeß ist, wie naher in Anspruch 43 ausgeführt wird.
Gemaß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Flußmesser mit den Merkmalen von Anspruch 58 bereitgestellt, und gemaß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Flußmeter bereitgestellt mit den Merkmalen von Anspruch 59.
Diese Erfindung beschreibt ein Nachweisverfahren und eine Vorrichtung, die imstande ist, sich Ansprüchen des Nachweises der Zusammensetzung von dieser Art zuzuwenden. Ergänzend kann diese Vorrichtung verwendet werden, um Mischungen nachzuweisen, bei denen wegen der Unlöslichkeit der Mischungskomponenten mehrere Flüssigkeitsbereiche möglich sind. Letztlich ist diese Vorrichtung entworfen worden für eine einfache Herstellung und relativ niedrige Kosten für den Verwender.
Die Vorrichtung arbeitet durch Messung entweder der hochfrequenten Dielektrizitätskonstanten und/oder der Leitfähigkeit des interssierenden Prozeßstromes. Wenn mehr als zwei Komponenten vorhanden sind, kann eine Dichtemessung mit der hochfrequenten Impedanzmessung verbunden werden. Für die meisten Anwendungen sind die Arbeitsfrequenzen der Vorrichtung zwischen 50 MHz und 3 GHZ. Sofern erforderlich, verwendet die Vorrichtung außerdem Temperatur- und Druckinformation, um die Komponentenimpedanzkalibrierdaten zu korrigieren.
Die Erfindung nutzt hochfrequente (RF) Brückentechniken, um die komplexen, dielektrischen Eigenschaften von Materialien in einer elektrisch isolierten, physikalisch offenen Struktur zu parametrisieren. Die ersten RF-Parameter, die zur Charakterisierung des Materials im Test verwendet werden, sind die Frequenz und die Dämpfung. Die Vorrichtung funktioniert unter Verwendung der metallischen Rohrleitung des Prozeßstromes als einem elektromagnetischen Hohlleiter. Elektromagnetische Energie der geeigneten Frequenz wird eingekoppelt durch in die Rohrleitung geschnittene Öffnungen. Diese Energie wird in einiger Entfernung unterhalb der Einführung durch eine andere Öffnung gemessen. Von dieser Messung werden die Impedanzeigenschaften der Mischung abgeleitet. Die Daten der Mischungstemperatur und des Drucks von den Nachweisvorrichtungen werden verwendet, um Korrekturen zur Variation der Komponentenimpedanzeigenschaften durchzuführen. Die Mischungsimpedanzdaten werden verwendet, um die Zusammensetzung des Stromes zu bestimmen, wobei entweder Kalibrierkurven oder eine theoretische Zusammensetzung gegen ein dielektrisches Modell verwendet werden. Vorteile des Gedankens des öffnungsgekoppelten Hohlleiters sind, daß er die Herstellung der Vorrichtung relativ einfach macht und daß er einen nicht angreifenden, im Rohr erfolgenden Nachweis des Prozesses ermöglicht. Keine Antennen oder Elektroden dringen in den Strömungsquerschnitt der Flüssigkeit innerhalb der Rohrleitung ein.
Ein weiteres Kennzeichen des Verfahrens und der Vorrichtung dieser Erfindung ist, daß sie verwendet werden können, um zu bestimmen, wann der Prozeßstrom gleichmaßig gemischt ist. Diese Befähigung ist wichtig, da viele der Anwendungen, für die die Vorrichtung von größtem Nutzen wäre, die Messung von unlöslichen Komponenten in einem Strom betreffen. Die gemessenen Impedanzeigenschaften in Verbindung mit der Zusammensetzung der Mischung zu bringen erfordert, daß sich die Flüssigkeit in einem bekannten Strömungsbereich befindet.
Ein neues Kennzeichen des hier beschriebenen Gedankens ist das Mittel, mit dem die Messung durchgeführt wird. Die Vorrichtung ist so ausgeführt, daß innerhalb einer Testmeßstrecke bekannter Länge sich ausbreitende elektromagnetische Energie, die sich in der Rohrleitung in entgegengesetzten Richtungen bewegt, zum Interferieren veranlaßt wird. Bei bestimmten charakteristischen Arbeitsfrequenzen ist die Interferenz vollständig verstärkend oder aufhebend. Es ist eine einfache Sache, diese charakteristischen Frequenzen auf die Dielektrizitätskonstante des Prozeßstroms in der Rohrleitung zu beziehen. Demgemäß funktioniert die Vorrichtung dieser Erfindung im Betrieb durch Abtasten der Arbeitsfrequenz der Eingangsöffnung oder Öffnungen und mißt den Einfügungsverlust durch Empfangsöffnungen, die an anderer Stelle in der Teststrecke angeordnet sind. Wenn der Einfügungsyerlust ein Maximum oder Minimum erreicht, wird die Arbeitsfrequenz aufgezeichnet und daraus auf die Dielektrizitätskonstante der Flüssigkeit geschlossen. Die Vorrichtung kann auf einige verschiedene Weisen ausgeführt werden. Einige Verfahren werden in dieser Beschreibung vorgestellt. Wie auch immer, es ist die Technik im allgemeinen, die der Gegenstand dieser Erfindung ist.
In einer gut ausgeführten Vorrichtung, die den Interferenzabschnittsgedanken nutzt, sind die charakteristischen Frequenzen sehr scharf definiert; daher ist eine enorme Genauigkeit bei der Bestimmung der charakteristischen Frequenzen möglich. Es ist möglich, sie besser als ein Teil von 10&sup5; (10 kHz in 1 Ghz) zu identifizieren. Meßgeräte zur Erzeugung und Messung von Frequenzen in dieser Genauigkeit sind leicht erhältlich. Aufgrund dieser fundamentalen Merkmale können das Verfahren und die Vorrichtung dieser Erfindung für Anwendungen wie den Nachweis einer Gasqualität und den physikalischen Nachweis der Rohrleitungsölqualität verwendet werden. Diese Anwendungen erfordern eine Genauigkeit der Dielektrizitätskonstanten von ungefahr 1/10.000 oder besser.
Die vorgenannten und verwandte Aufgaben können erreicht werden durch die Verwendung der neuen Mehrkomponentennachweisvorrichtung und des hier offenbarten Verfahrens. In einer Ausführungsform der Erfindung enthält eine Flüssigkeits nachweisvorrichtung gemäß der Erfindung ein Mittel zur Erzeugung einer elektromagnetischen Interferenz in einer Teststrecke, die in einen Abschnitt einer Rohrleitung oder einer anderen flüssigkeitsberandenden Struktur, in der die Messungen durchgeführt werden, eingebaut ist. Bei charakteristischen Frequenzen ist die Interferenz verstärkend oder abschwächend. Die charakteristische Frequenz kann einfach auf die Dielektrizitätskonstante des Prozeßstroms bezogen werden. Ein solches Meßverfahren vereinfacht grundlegend das Umsetzungsmittel und steigert die Genauigkeit. In einer anderen Ausführungsform der Erfindung werden mehrere Paare von Sende- und Empfangsöffnungen in der Meßstrecke verwendet, um zu bestimmen, ob die Flüssigkeit im Rohr gleichmäßig gemischt ist. Gleichmäßige Mischung ist essentiell wichtig für einen genauen Nachweis der Flüssigkeitszusammensetzung. In einer dritten Ausführungsform der Erfindung wird die Zusammensetzung eines Flüssigkeitsstroms, der aus mindestens drei Komponenten besteht, durch eine Nachweisvorrichtung und ein Verfahren auf der Basis von Messungen der dielektrischen Konstanten oder der Leitfähigkeit und Dichte bestimmt.
Der Meßumformer einer Nachweisvorrichtung für Mehrkomponenten-Zusammensetzungen gemäß der Erfmdung enthält eine elektrisch leitende Wand, die die Zusammensetzung umschließt. Eine oder mehrere Sendeöffnungen für elektromagnetische Wellen und eine Empfangsöffnung für elektromagnetische Wellen liegen der Hülle gegenüber. Die Sendeöffnungen sind angeordnet, um elektromagnetische Wellen in der Hülle zu erzeugen, und die Empfangsöffnungen sind angeordnet, um elektromagnetische Wellen von der Hülle zu empfangen. Ein Mittel zur Induktion eines elektromagnetischen Interferenzmusters in einem Testabschnitt, das die Sendeöffnung(en) und die Empfangsöffnung enthält, ist zwischen zwei parallelen Ebenen angeordnet, die sich entlang des Testabschnittes erstrecken. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung enthält die Nachweisvorrichtung der Zusammensetzung des Flüssigkeitsstromes ein Mittel zur elektrischen Isolation des Testabschnittes.
Das Erreichen der vorgenannten und verwandter Aufgaben, Vorteile und Merkmale der Erfindung sollten für einen Fachmann leichter ersichtlich sein nach der Prüfung der folgenden, detaillierteren Beschreibung der Erfindung mit den folgenden Abbildungen:
Figur 1 ist eine schematische, verallgemeinerte Darstellung einer Nachweisvorrichtung gemäß der Erfindung.
Figur 2 ist ein schematisches Diagramm einer Schaltung, die zur Steigerung der Empfindlichkeit der verallgemeinerten Nachweisvorrichtung der Zusammensetzung nach Figur 1 verwendet wird.
Figur 3 ist ein schematisches Diagramm einer anderen Schaltung, die zur Steigerung der Empfindlichkeit der verallgemeinerten Nachweisvorrichtung der Zusammensetzung nach Figur 1 verwendet wird.
Figur 4 ist eine schematische Darstellung von einer zweiten verallgemeinerten Nachweisvorrichtung der Zusammensetzung gemäß der Erfindung.
Figur 5 ist eine schematische Darstellung von einer dritten verallgemeinerten Nachweisvorrichtung der Zusammensetzung gemäß der Erfindung.
Figur 6a ist ein schematisches Schnittbild von einer vierten verallgemeinerten Nachweisvorrichtung der Zusammensetzung gemäß der Erfindung.
Figur 6b ist ein Schnittbild eines Teils der in Figur 6a gezeigten verallgemeinerten Nachweisvorrichtung der Zusammensetzung.
Die Abbildungen 7 bis 11 sind schematische Schnittbilder von verallgemeinerten Nachweisvorrichtungen der Zusammensetzung gemaß der Erfindung, die unterschiedliche Verwendungen von ihnen zeigen.
Figur 12 ist eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform von einer Nachweisvorrichtung gemäß der Erfindung.
Figur 13 ist ein Schnittbild, das entlang der Linie 13-13 in Abbildung 12 verläuft.
Figur 14 ist ein Grafph experimenteller Ergebnisse, die mit einer Nachweisvorrichtung gemäß der Erfindung erhalten wurden.
Figur 15 ist ein Blockdiagramm der mit der Nachweisvorrichtung nach den Abbildungen 12-13 verwendbaren Elektronik.
Figur 16 ist eine zweite Ausführungsform der Erfindung, die ein Blockdiagramm einer zweiten Form der Elektronik enthält, die mit einer Veränderung der Nachweisvorrichtung gemäß den Figuren 12-13 verwendbar ist.
Figur 17 ist eine dritte Ausführungsform der Erfindung, die ein Blockdiagramm einer dritten Form der Elektronik enthält, die mit der Nachweisvorrichtung der Abbildungen 12-13 verwendbar ist.
Die Figuren 18 und 19 sind Seiten- und Schnittbilder von einer vierten Ausführungsform von einer Nachweisvorrichtung gemäß der Erfindung.
Figur 20 ist eine Schnittansicht von einer fünften Ausführungsform von einer Nachweisvorrichtung gemäß der Erfindung.
Figur 21 ist ein Schnittbild von einer sechsten Ausführungsform von einer Nachweisvorrichtung gemäß der Erfindung.
Die Figuren 22 und 23 sind Schnitt- und Seitenansichten von einer siebten Ausführungsform von einer Nachweisvorrichtung gemäß der Erfindung.
Die Figuren 24a-24h sind Seitenansichten von Veränderungen der Nachweisvorrichtung gemäß der Abbildungen 23-24.
Figur 25 ist ein Blockdiagramm von Elektronik, die mit den Nachweisvorrichtungen, gezeigt in den Abbildungen 18-24h, verwendet werden kann.
Die Figuren 26-34 sind Graphen von experiementellen Ergebnissen, die mit einer Nachweisvorrichtung gemäß der Erfindung erhalten wurden.
Die Figuren 35-36 sind Seiten- und Längsansichten von einer achten Ausführungsform von einer Nachweisvorrichtung gemäß der Erfindung.
Figur 37 ist eine schematische Seitenansicht von einem Meßsystem der Zusammensetzung, das eine neunte Ausführungsform gemäß der Erfindung beinhaltet.
Figur 38 ist ein Flußdiagramm eines Umformungsvorganges, wie dieser mit dem System gemäß Figur 37 ausgeführt wird.
Die Figuren 39-40 sind Seiten- und Längsansichten von einer Nachweisvorrichtung gemäß der Erfindung.
Die Abbildungen 41-43 sind Blockdiagramme von Elektronik zur Verwendung mit den in den Abbildungen 39-40 illustrierten Nachweissystem.
Die Abbildungen 44-45 sind schematische Seitenansichten von Durchflußgeschwindigkeitsnachweissystemen gemäß der Erfindung.
Die Verwendung von Frequenz- und Dämpfungsparametern und die theoretische Grundlage von dieser Erfindung werden anhand des in Abbildung 1 gezeigten Übertragungsleitungsmodell ermärt. In dieser Abbildung wird ein sinusförmiges Hochfrequenzsignal von Quelle 2 bei 3 in enttsprechende, gleichphasige Signale aufgesplittet, die zu beiden Enden 4 und 5 einer Ubertragungsleitung 6 führen. Ein Spannungssensor 7 ist an diese Übertragunsleitung gekoppelt an einem Punkt 8, der nicht gleich entfernt von den beiden Enden 4 und 5 liegt. Nimmt man der Darstellung zuliebe an, daß der Spannungssensor 7 lose an die Ubertragungsleitung 6 gekoppelt ist und daß die Übertragungsleitung an beiden Enden gut verbunden ist, kann man sich die Spannung am Sensor 7 als Summe zweier Vektoren vorstellen:
Vp = Vo [exp(G*L1) + exp(-G*L2)] (1)
wobei, im verlustfreien Fall, die komplexe Ausbreitungskonstante (G) imaginär ist und L1, L2 die physikalischen Längen zwischen den Enden 4 und 5 der Übertragungsleitung und dem Spannungssensor 7 repräsentieren. Das negative Vorzeichen im zweiten Term ist durch die Wahl des Koordinatensystems vorgegeben. In diesem Fall haben wir den Ursprung unseres Koordinatensystems als auf der linken Seite der Abbildung befindlich genommen. Daraus resultiert ein positives L1 und ein negatives L2. In beiden Fällen ist daher die Amplitude der Spannung gegenüber der des jeweiligen Eingangs kleiner und nacheilend. Die komplexe Ausbreitungskonstante hängt von der Geometrie der Übertragungsleitung 6 und den sie ausmachenden Materialien ab. Wenn wir z.B. eine hohle Übertragungsleitung ausbilden und mit endionisiertem Wasser füllen, dann wird diese zusammengesetzte Übertragungsleitung eine spezifische Ausbreitungskonstante besitzen und eine spezifische Sensorspannung erzeugen (eine spezifische Amplitude und Phase). Wenn wir etwas Salz zu dem Wasser in der Übertragungsleitung hinzufügen, wird sich die Ausbreitungskonstante und entsprechend die Sensorspannung verändern. Da das Salz Ionen in die Lösung einführt, ändert sich ihre Leitfahigkeit, was sich primär als Änderung des Realteils der Ausbreitungskonstante zeigt. Am Sensor 7 führt die Zugabe von Salz zu einer Veränderung der Amplitude, wahrend die Phase im wesentlichen unverändert bleibt.
Es gibt einige Wege, die Empfindlichkeit des obengenannten Systems gegenüber diesen Änderungen zu verbessern. Wir werden verschiedene solcher Verfahren diskutieren und vergegenwartigen uns dabei, daß der Durchschnittsfachmann andere Verfahren verwenden kann, um die vorliegende Erfindung zu erkennen. Das erste Verfahren nutzt eine verallgemeinerte Widerstandsverhältnisbrücke 9, so wie die in Abbildung 2 gezeigte. In diesem Fall wird die Referenzeinstellung der Testzelle (eine hohle Übertragungsleitung L1 im Beispiel) mit der Einstellung des Dämpfungsgliedes (RT) und des Phasenverschiebers (Durchmesser T) begonnen, bis die Sensorspannung Null ist. Dann wird jede Änderung der Impedanz und/oder der Ausbreitungscharakteristik der Testzelle die Brücke 9 aus dem Gleichgewicht bringen. Die Empfindlichkeit der Brücke 9 ist in diesem Fall einstellbar durch die Veränderung des Verhältnisses der fest eingestellten Widerstände (R1 und R2).
Das zweite Verfahren nutzt den in Abbildung 3 gezeigten Aufbau 3 und erzeugt die Referenz Null entweder durch Einstellung der Differenz zwischen den Übertragungs leitungslängen (L1 und L2) oder durch Einstellung der Frequenz der Hochfrequenzquelle 2. In jedem Fall besteht das Ziel darin, eine Übertragungsphasenverschiebungsdifferenz zwischen den zwei Teilen der Testzelle (L1 und L2) von 180º zu erreichen. Wenn ein mit Verlust behaftetes Material die Testzelle füllt, werden die Amplituden der beiden Wellen am Sensor nicht gleich sein und sich folglich nicht löschen, um den Wert Null zu ergeben. Man stellt dann das in der Abbildung gezeigte Dämp fungsglied 11 ein, um die gew;inschte Null am Sensor 7 zu erhalten. Eine andere, weniger empfindliche Variation dieser Technik besteht in der Verwendung beliebiger Längen der Testzelle, dem Einfügen eines Phasenverschiebers in Reihe mit dem Dämpfungsglied und seiner Verwendung (anstelle der Frequenz), um die Übertragungsphasenverschiebungsdifferenz wie oben beschrieben einzustellen.
Die vorangegangene Diskussion nahm an, daß die Übertragungsleitung außerhalb der Testzelle gut angepaßt sei. Dies ermöglicht es, jegliche Reflektionen durch Fehlanpassungen außerhalb der Testzelle zu ignörieren. Praktisch kann dies durch Setzen von Ohmschen oder blinden Begrenzungsabschnitten an beiden Enden der Testzelle erreicht werden. Die Verwendung von blinden Begrenzungen 12 und 13, wie in Abbilung 4 gezeigt, wird zuerst diskutiert. In dieser Abbildung wird die Hochfrequenzenergie an den Punkten A und B in die Testzelle eingekoppelt. Die Sensorspannung wird am Punkt C ausgekoppelt, und die verbleibende Energie wird von den gut abgestimmten Begrenzungen 12 und 13 auf beiden Endeen (markiert T) aufgenommen. Wenn wir das Beispiel auf einen solchen hohlen Übertragungsleiter wie ein Rohr erweitern, isolieren diese Begrenzungen 12 und 13 die Testzelle vom Rest des Rohrsystems. Mit anderen Worten werden Krümmungen und/oder Ventile in der Rohrleitung außerhalb dieser Begrenzungen 12 und 13 einen geringen oder keinen Einfluß auf das Ausgangssignal auf den Sensor 7 haben.
Um die Testzelle mit blind begrenzenden Abschnitten vom Rest des Rohrleitungssystems zu isolieren, muß der Betrag des Blindwiderstandes der Begrenzungsabschnitte entweder sehr groß oder sehr klein sein. Idealerweise wäre der Betrag des Reflektionskoeffizienten an der Grenzfläche zwischen der Testzelle und dem blindbegrenzenden Abschnitt einheitlich. Wenn die Testzelle mit einem verlustfreien Material gefüllt ist, wird das Testsignal an diesen Begrenzungen vor- und zurückreflektiert. Als Ergebnis kann eine der in Abbildung 4 durch A und B repräsentierten Signaleingangsports gestrichen werden. Man könnte auch den Sensor 7 am Punkt C streichen und einen Richtkoppler in der verbleibenden Eingangsleitung einfügen. Das von der Testzelle reflektierte Signal, wie von diesem Richtkoppler nachgewiesen, wäre dann das Sensorsignal. Diese Variante des Testaufbaus ist nützlich zum Nachweis der Zusammensetzung von mit niedrigem Verlust behafteten Materialien, aber es fehlt an Genauigkeit, wenn der Dissipationsfaktor der Testmaterialien ansteigt.
Ein Testaufbau 14, der eine Testzelle mit Blindbegrenzungen 15 und 16 verwendet, mit verbesserter Empfindlichkeit zum Nachweis der Zusammensetzung von verlustbehafteten Materialien wird in Abbildung 5 gezeigt. Bei dieser Ausführung ist die in Gleichung 1 gegebene Relation noch gültig, aber jetzt wird die zurückkehrende Welle durch die Reflektion an der Blindbegrenzung 15 oder 16 erzeugt. Für den Durchschnittsfachmann ist Mar, daß dieser Typ von Testzelle, wie die früher beschriebenen, auf verschiedenen Wegen realisiert werden kann. Die Blindbegrenzungen 15 und 16 können hergestellt werden durch Verwendung von Wellenleitern mit herabgesetzter kritischer Frequenz, Bandfilterstrukturen oder anderen koppelnden Elementen. Die Anordnungen der Quelle 2 und des Sensors 7 (A und B in der Abbildung) sind variabel, abhängig von der gewünschten Arbeitscharakteristik. Die die Quelle und den Sensor koppelnden Elemente brauchen nicht von der gleichen Geometrie oder vom gleichen Typ zu sein. Man könnte die elektrische Feldkopplung verwenden, wänrend die andere die Magnetfeldkopplung verwendete.
Als ein einfaches Beispiel einer solchen Testzelle wird ein rechtwinkliger Wellenleiter 17 der Länge (L) betrachtet, bezeichnet als Teststrecke, begrenzt an beiden Enden mit ähnlichen Wellenleitern 18, deren Weite von der Hälfte derjenigen der Teststrekke, wie in Bild 6a beschrieben, ist. In diesem Beispiel beträgt die Lange der Teststrecke zwischen dem drei- und vierfachen ihrer Weite. Es weden drei E-Feld-Proben 19, 20 und 21 vorausgesetzt, eine 19 entlang der Längsrichtung dieses Abschnitts ausgerichtet und die beiden anderen 20 und 21 etwas weniger als ein Viertel von dieser Länge von jedem Ende des Testabschnittes 17, wie in der Abbildung beschrieben. Wenn einer verlustarmen Flüssigkeitsprobe ermöglicht wird, durch diese Wellenleiterstruktur zu fließen und die Frequenz des Testoszillators 20 auf die zweite Höhlungsresonanz eingestellt ist, wird die Größe des elektrischen Feldes 22 im Testabschnitt wie die in Abbildung 6b beschriebene sein. Diese Feldverteilung ist stark gekoppelt an die Testfrequenzquelle 20 und die mit dem Sensor #2 verbundenen Probe 21, aber eine Nullreferenz wird von der mit Sensor #1 verbundenen Probe 19 hergestellt. Wie früher besprochen, ist diese Null ein empfindlicher Indikator für jegliche Änderung in den dielektrischen Eigenschaften der Probe.
Diese Erfindung nutzt die Abhängigkeit zwischen der komplexen Ausbreitungskonstanten und der komplexen dielektrischen Konstanten des Materials, die Übertragungsleitung beinhaltend, um einen sehr empfindlichen Nachweis des Prozesses zu ermöglichen.
Bei der Analyse einer besonderen Übertragungsstruktur, einer solchen wie ein Wellenleiter oder ein Koaxialkabel, die ein vorgeschriebenes Material wie Luft oder ein anderes Material enthält, beginnt man mit den Maxwellschen Gleichungen und den Materialgleichungen des Mediums. Die interessierende Materialgleichung ist hier die Relation zwischen der elektrischen Flußdichte (D) und dem elektrischen Feld (E) im Medium.
Diese grundlegende Beziehung beihnhaltet die Materialeigenschaften in den Gleichungen für die Ausdehnung am Anfang. Die Dielektrizitätskonstante (e) ist ein Skalar für isotrope Materialien und ein Tensor für anisotope Materialien. Für unsere gegenwärtige Diskussion setzen wir ein isotropes Material voraus, e ist ein Skalar. Die Form der resultierenden Ausbreitungsgleichung häng vom Modus, angelehnt an die Struktur, ab. Für transversale elektromagnetische Wellen (TEM) lautet die Ausbreitungsgleichung:
Γ² + K²: = 0
wobei Kopflage von L die Ausbreitungskonstante repräsentiert und K gegeben ist durch:
K2: = w2 µe
Im TEM-Fall ist die Ausbreitungskonstante proportional zur Quadratwurzel der dielektrischen Konstante.
Für transversale elektrische (TE) oder transversale magnetische (TM)-Wellen ist die Ausbreitungskonstante
Γ² : = Kc² - K²
wobei Kc eine durch den Modus und durch die interessierenden Randbedingungen bestimmte Konstante ist. Diese Relationen können verwendet werden, um die Dielektrizitätskonstante des Materials aus Messungen der Ausbreitungskonstanten zu bestimmen.
Das Verfahren und die Vorrichtung von dieser Erfindung betreffen eine Technik zur Durchführung von hochfrequenten dielektrischen Messungen von Materialien. Diese Information kann verwendet werden, um die Zusammensetzung des Materials, die Homogenität des Materials und/oder, wenn es sich bewegt, die Durchflußgeschwindigkeit des Materials auf einige Weisen zu bestimmen.
Die Vorrichtung von dieser Erfindung hat eine einzigartige Struktur, die elektrisch isoliert, aber physikalisch offen ist. Die elektrische Isolation des Testabschnitts wird in einer Weise erreicht, die sehr genaue dielektrische Messungen der zu messenden Materialien ermöglicht. Die physikalisch offene Struktur macht es möglich, kontinuierlich fließende Materialien zu messen, Materialien in abgeteilten Mengen zu messen oder einfach einzelne Einheiten von Material, die in den Testabschnitt eingefügt werden, zu messen. Strukturell ist der Testabschnitt eine hohle Übertragungsleitung, durch die sich elektromagnetische Wellen nach Art eines Wellenleiters ausbreiten können und in die das interessierende Material eingeführt wird. Elektroden, Antennen oder andere Vorrichtungen mussen nicht in den Testabschnitt herausragen. Die Vorrichtung gemäß der Erfindung kann ausgeführt werden, um hohen inneren Temperaturen und Drücken im Testabschnitt zu widerstehen. Die zu messenden Materialien können sehr korrosiv oder abrasiv sein, ohne zu einer signifikanten Beschädigung der Nachweisvorrichtung oder zu einer zeitlichen Minderung seiner Leistungsfähigkeit zu führen. Grundsätzlich ist die Vorrichtung gemäß dieser Erfindung geeignet zum Nachweis der Zusammensetzung von Materialien in einer Vielzahl von schwierigen industriellen Prozeßeinsätzen.
Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß dieser Erfindung sind grundsätzlich nützlich für die Messung eines zweiten Bereichs von unterschiedlichen Materialien, wo die dielektrischen Materialeigenschaften auf die Zusammensetzung bezogen werden kann. Das Verfahren und die Vorrichtung können verwendet werden zur Messung von Flüssigkeiten, Festkörpern, Gasen und deren Mischungen. Z.B.:
1) Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß dieser Erfindung können verwendet werden zur Messung der Zusammensetzung, der Durchflußgeschwindigkeit und/oder der Homogenität von Flüssigkeiten oder Flüssigkeitsmischungen. Anwendungen beinhalten die kontinuierliche zusammensetzungsmäßige Bestimmung von Öl/Wassermischungen oder die Bestimmung des Polymerisationsgrades abgeteilter Mengen von plastischem Harz. Abbildung 7 illustriert, wie Vorrichtung 23 verwendet würde, um eine Flüssigkeit 24 zu messen.
2) Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß dieser Erfindung können verwendet werden, um die Zusammensetzung, die Durchflußgeschwindigkeit oder Homogenität von Mischungen aus Festkörpern und Flüssigkeiten zu bestimmen. Anwendungen schließen die Messung des Kohlegehalts von Kohlenschlämmen, des Fettgehaltes von Milch oder das Abwassergehalt von abgängigem Wasser ein. Abbildung 8 illustriert, wie Vorrichtung 25 verwendet würde, um Mischungen aus Flüssigkeit 26 (gestrichelte Linien) und Festkörper 27 zu messen.
3) Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß dieser Erfindung kann verwendet werden, um die Zusammensetzung, die Durchflußgeschwindigkeit und die Homogenität von Mischungen aus Flüssigkeit und Gas zu bestimmen. Anwendungen schließen den Nachweis des Porengehaltes von gesättigtem Dampf, der verwendet werden kann als Hilfe bei der Bestimmung der Dampfqualität, oder die Messung von Öl, Wasser und Gasmischungen, die aus Ölquellen fließen, ein. Abbildung 8 illustriert, wie Vorrichtung 28 verwendet würde, um Mischungen aus Flüssigkeit 29 (gestrichelte Linien) und Gas 30 (wellige Linien) zu messen.
4) Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß dieser Erfindung können verwendet werden, um die Zusammensetzung, Durchflußgeschwindigkeit und Homogenität von Mischungen aus Festkörper, Flüssigkeit und Gas zu bestimmen. Anwendungen schließen den Nachweis des Wasser- und Gasgehaltes von Bohrschlamm in der Ölindustrie oder die Messung des Wassergehaltes von Trockennahrung ein. Abbildung 10 illustriert, wie Vorrichtung 31 verwendet würde, um Mischungen aus Festkörper 32, Flüssigkeit 33 und Gas 34 zu messen.
5) Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß dieser Erfindung können verwendet werden, um die Zusammensetzung, die Durchflußgeschwindigkeit und die Homogenität von Mischungen aus Festkörpern und Gasen zu bestimmen. Eine Anwendung ist der Nachweis des Festkörpergehaltes von Pudern. Abbildung 11 illustriert, wie Vorrichtung 35 verwendet würde, um Mischungen aus Festkörper 36 und Gas 37 zu messen.
Sogar wenn die Zusammensetzung des gemessenen Materials oder der Mischung nicht in geschlossener Form aus der dielektrischen Information, die vom Verfahren und der Vorrichtung gemäß dieser Erfindung geliefert wird, bestimmt werden kann, kann die Vorrichtung nichts desto weniger als eine genaue Nachweisvorrichtung der Tendenz verwendet werden.
Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß dieser Erfindung funktionieren durch Anregung der Ausbreitung elektromagnetischer Wellen in einem hohlen, metallischen Testabschnitt, der als Wellenleiter wirkt. Die elektromagnetische Energie ist in die Wellenleiterstruktur durch dielektrisch belastete Öffnungen, die in den metallischen Wellenleiter geschnitten sind, eingekoppelt. Im wesentlichen ist der Wellenleitertestabschnitt ein speziell ausgeführter Abschnitt des Rohres. Der Testabschnitt ist an den Enden begrenzt, um den Testabschnitt von anderer, nahe angeordneter Ausstattung elektrisch zu isolieren. Die Begrenzungen liegen entweder als Ohmsche oder als Blindlasten vor.
Die Vorrichtung gemäß dieser Erfindung ist ausgeführt, um sich in entgegengesetzten Richtungen im Wellenleitertestabschnitt ausbreitende elekttromagnettische Energie zum Interferieren zu veranlassen. Durch Abtastung der Arbeitsfrequenz können solche Frequenzen, bei denen Verstärkung oder Aufhebung der Interferenz eintritt, identifiziert werden. Diese Information kann auf die dielektrischen Materialeigenschaften bezogen werden, in Umkehrung kann dies auf die Materialzusammensetzungsinformation bezogen werden.
Die Vorrichtung arbeitet als hochfrequenzabgeglichene Brücke, wo Signale in zwei verschiedenen Ausbreitungsarmen hinsichtlich Phase und Betrag abgeglichen werden, um einen scharfen Spitzenwert oder Null zu erzeugen. Die Frequenz, bei der der Spitzenwert oder Null eintreten, kann mit großer Genauigkeit gemessen werden. Dieses neuartige Schema zur Messung dielektrischer Materialeigenschaften in einer physikalisch offenen Struktur ermöglicht kontinuierliche, hochfrequente Messungen der Dielektrizitätskonstanten von Materialien in einer zuvor in industriell verwendbaren Vorrichtungen unerreichten Genauigkeit. Wenn die Leitfähigkeit des Testmaterials groß ist, wird die Dämpfung der sich im Wellenleitertestabschnitt ausbreitenden elektromagnetischen Energie bedeutsam. Wenn die Leitfahigkeit groß genug ist, ist das Interferenzmuster nicht unterscheidbar, und die Dielektrizitätskonstante kann nicht mit der in Abbildung 3 gezeigten Technik bestimmt werden. Anstatt dessen wird die Vorrichtung die Dämpfung der elektromagnetischen Energie zwischen den koppelnden Durchgangsöffnungen bei gewissen festgelegten Frequenzen messen. Von diesen Messungen wird die Leitfähigkeit des Testmaterials bestimmt werden.
Die neuartige Vorrichtung gemäß dieser Erfindung zum Erhalt hochfrequenter dielektrischer Information über Materialien verbessert in zwei wichtigen Einschränkungen, die dem Stand der Technik eigen sind, Techniken zum Nachweis der Zusammensetzung von industriellen Prozeßströmen auf der Grundlage von Hochfrequenzmessungen.
Zuerst vereinfacht es die Umformung der gemessenen elektromagnetischen Amplitude und der Phasenmessungen in genaue dielektrische Prozeßstrominformation. Die charakteristischen Frequenzen, bei denen für eine gegebene Prozeßflüssigkeit Verstärkung unter Aufhebung der Interferenz eintritt, hängen beinahe vollständig von nur fünf Parametern ab: der Länge des Testabschnittes, dem Durchmesser des Rohres innerhalb des Testabschnittes, dem Reflektionskoeffizienten der begrenzenden Abschnitte, dem Raum zwischen den verschiedenen koppelnden Durchgangsöffnungen und der Dielektrizitätskonstanten der Flüssigkeit. Wenn die Quelle schwach an den Testabschnitt gekoppelt ist, hat die externe, signalerzeugende Schaltung einen sehr geringen Einfluß auf die abgeglichene Brückenmessung. Noch wichtiger, der Kopplungsmechanismus zwischen der Signalquelle und dem Testabschnitt braucht nicht gut gekennzeichnet zu sein. Daher existiert ein relativ einfacher Zusammenhang zwischen den gemessenen charakteristischen Frequenzen und der Dielektrizitätskonstanten des Materials. Diese Einfachheit führt direkt zu einer verbesserten Genauigkeit. Sie macht es ebenfalls viel leichter, die Vorrichtung auf eine breite Vielfalt von verschiedenen Materialien mit weit varüerenden dielektrischen Eigenschaften anzuwenden, ohne die Notwendigkeit zu signifikanten Umbauten.
Die zweite grundlegende Verbesserung gemäß dieser Erfindung leitet sich aus ihrer Unempfindlichkeit gegenüber Störungen der Messung, verursacht durch die Verfahrensausstattung außerhalb des Testabschnittes, ab. In einem industriellen Einsatz könnte eine Vorrichtung zum Nachweis der Zusammensetzung vom hier beschriebenen Typ an irgendeinem Ort in einer Verfahrenspipeline angeordnet werden. Sie könnte einige Fuß abseits einer Pumpe angeordnet werden, benachbart zu einem eingreifenden Durchflußmesser, einem Ventil oder einfach benachbart zu einer Krümmung in einem Rohr. Wenn das Prozeßmaterial im elektrischen Sinne relativ verlustarm ist, würden diese Objekte falsche Energie in den Testabschnitt einer Wellenleiter basierenden Nachweisvorrichtung der Zusammensetzung reflektieren.
Diese reflektierte Energie würde die Amplitude und Phasencharakteristik des gemessenen Signals verändern und dadurch die Genauigkeit der Vorrichtung verringern. Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß dieser Erfindung isolieren den Testabschnitt der Vorrichtung vom Rest der Installation elektrisch so, daß sich praktisch keine elektromagnetische Energie jenseits des Testabschnitts ausbreitet. Dies schließt die Mögichkeit von Meßfehlern, verursacht durch die Reflektion von falscher Energie an eine Diskontinuität des Rohres zurück in den Testabschnitt, aus. Es ermögicht es ebenfalls, die Vorrichtung gemäß dieser Erfindung als selbständige Nachweisvorrichtung für eine Materialzusammensetzung zu verwenden, die nicht einmal in eine Rohrleitung eingeschaltet ist.
Die neuartige Vorrichtung gemäß dieser Erfindung leitet Änderungen in der Materialzusammensetzung, det Durchflußgeschwindigkeit und/oder der Homogenität auf der Basis der gemessenen materiellen, hochfrequenten, dielektrischen Eigenschaften ab. Die dielektrischen Eigenschaften vieler Materialien verändern sich als Funktion der Temperatur und des Drucks. Um Korrekturen für solche Veränderungen durchzuführen, beinhaltet die Vorrichtung gemäß dieser Erfindung, wenn notwendig, Meßvorrichtungen der Temperatur und des Drucks.
Viele physikalische Ausführungsformen von diesem Verfahren sind mögllch, die strukturell elektromagnetische Interferenzmuster in einem physikalisch offenen, aber elektrisch isolierten Wellenleitertestabschnitt induzieren. Einige Ausführungsformen werden hier im Detail beschrieben werden. Wie auch immer, viele weitere Ausführungsformen von dem Verfahren gemäß der Lehre dieser Erfindung sind möglich. Verschiedene Koppelmechanismen, Öffnungsstrukturen, Wellenleiterarten, Begrenzungsverfahren, Öffnungspositionen, Wellenleiterstrukturen (z.B. rechtwinklige anstelle von kreisförmigen) usw. könnten verwendet werden, ohne von der Nachweisvorrichtung und dem Verfahren gemäß dieser Erfindung abzuweichen.

Ausführungsformen gewönlich abgeglichener Brücken

Das Meßverfahren mit gewöhnlich abgeglichener Brücke beruht auf einem Verfahren, wobei elektrisch identische Signale durch verschiedene elektrische Pfade oder Arme geleitet werden, wobei die dielektrischen Eigenschaften des einen der Arme zu bestimmen sind. Die Übertragungseigenschaften des anderen werden bei einer festen Frequenz eingestellt, bis die beiden Ausgangssignale sich die Waage halten oder ausgleichen und eine Null produzieren. Die Übertragungseigenschaften (Amplitude und Phase) auf die der abgleichende Arm eingestellt ist, wenn die Null erreicht ist, werden eindeutig den Übertragungseigenschaften im unbekannten Arm von der Brücke zugeordnet. Dies ist das Verfahren, das in Abbildung 2 illustriert wird.
In den Fallen, wo die Vielseitigkeit der voll abgeglichenen Brücke nicht erforderlich ist, kann man den früher beschriebenen und in Abbildung 4 gezeigten Lösungsweg verwenden. In diesem Fall sind die dielektrischen Eigenschaften von jedem Arm die gleichen, aber unbekannt. Das Ungleichgewicht in den beiden Armen wird dadurch erreicht, daß die jeweiligen elektrischen Längen ünterschiedlich ausgeführt werden. Um die Arme der Brücke abzugleichen, werden die Phase und Amplitude von den beiden Signalen so lange eingestellt, bis eine Null produziert wird am Ausgangssignal. Dies wird erreicht durch die Veränderung der Frequenz von beiden Eingangssignalen und der Amplitude von einem von ihnen bis eine Null am Ausgangssignal erscheint. Dies ist die in Abbildung 3 illustrierte Vorgehensweise.
Die dielektrischen Eigenschaften des Testmaterials können dann bestimmt werden aus der Frequenz oder den Frequenzen, bei denen die Null vorkommt, der Differenz in den elektrischen Längen der zwei Brückenarme und der Dämpfung, die zur Erzeugung der Null am Ausgang auf ein Signal angewendet wurde. Die Vorgehensweise wird in der Beschreibung zur Ausführungsform 1 ausführlicher beschrieben werden.
Ausführungsform 1 - Die erste Ausführungsform gemäß dieser Erfindung, die das in Abbildung 4 gezeigte Konzept verwendet, wird in den Abbildungen 12 und 13 gezeigt. Sie verwendet zwei Sendeöffnungen 137, um zwei sich ausbreitende Wellen der gleichen Frequenz in den Wellenleiter einzuführen. Eine Empfangsöffnung 139 ist asymmetrisch zwischen den Sendeöffnungen 137 angeordnet, um die resultierende Störwellenform zu prüfen. Der Testabschnitt 141 wird von Ohmschen Lasten 145 begrenzt, um die aus dem Testabschnitt entweichende, elektromagnetische Energie aufzunehmen. Bei bestimmten feststehenden Frequenzen ist die Phasendifferenz zwischen den zwei Wellen an den Empfangsöffnungen ein ganzzahliges Vielfaches von 180º, d.h. die elektrische Längendifferenz ist ein ganzzahliges Vielfaches von der Hälfte der Wellenlänge. Bei diesen Frequenzen ist der an der Empfangsöffnung 139 gemessene Einfügungsverlust einfach die Differenz in der Amplitude von den zwei Wellen. Wenn die Amplituden von beiden zwei Wellen an der Empfangsöffnung gleich sind, erscheint eine scharfe Null im gemessenen Einfügungsverlustspektrum. Der Amplitudenausgleich wird durchgeführt durch die Einstellung der Dämpfung des Eingangssignals, das in die zur Empfangsöffnung dichteste Sendeöffnung führt. Abbildung 14 zeigt das Einfügungsverlustspektrum von einem Prototyp dieser Ausführungsform.
Die zwei Testabschnittslängen zwischen den Sendeöffnungen und der Empfangsöffnung repräsentieren die beiden Arme der Brückenmessungsvorrichtung. Wenn die gemessenen Signale um 180º aus der Pliase liegen und im Betrag ausgeglichen sind, erscheint eine Null am Ausgangssignal. Die charakteristischen Frequenzen, der Unterschied in den elektrischen Längen von den beiden Signalpfaden und der Unterschied in der Dämpfung von den zwei Signalpfaden können direkt der Dielektrizitätskonstanten und Leitfähigkeit des Materials im Testabschnitt zugeordnet werden. Sogar wenn das gemessene Material so leitfähig ist, daß eine angemessene Auflösung der Null verhindert wird, kann die Leitfahigkeit des Prozeßstromes durch einfache Messung der Dämpfung im Signal im kürzesten Arm von der Testabschnittsbrücke bestimmt werden.
Abbildung 15 zeigt eine einfache Schaltung, die mit dem Meßumformer 135 verwendet werden kann. Das Eingangssignal wird in zwei Teile aufgespalten, von denen ein Abzweig durch einen Phasenverschieber 153 und ein variables Dämpfungselement 149 geleitet wird. Der optionale Phasenverschieber 153 wird verwendet, um jegliche Phasendifferenz zwischen den zwei Eingangssignalleitungen 155 und 157 auszugleichen. Die Elektronik 151 schließt einen digitalen Prozessor 159 ein. Der Prozessor 159 ist mit einer digital synthetisierten Quelle 161 durch den Bus 163 verbunden. Der Signalgenerator 161 ist mit dem Meßumformer 135 mit Hochfrequenzausgangsleitungen 155 und 157 durch einen Leistungsteiler 165 verbunden. Die Hochfrequenzausgangsleitung 157 ist durch den Richtkoppler 167 durch Detektordioden 169 und 171 an die Eingangsleitung 173 der einfallenden Leistung und die Eingangsleitung 175 der reflektierten Leistung gekoppelt, bzw. sind beide von diesen verbunden, um Eingangsgrößen für einen analog zu digital (A/D) Converter 177 zu liefern. Die Eingangsleitung 173 der einfallenden Leistung liefert ein Signal, das die hochfrequente Eingangsleistung repräsentiert, das von Leitung 155 zum Meßumformer 135 an den AID-Converter 177 geliefert wird. Ein Teil der an den Meßumformer 135 gelieferten hochfrequenten Eingangsleistung wird vom Meßumformer 135 auf Leitung 155 zurückreflektiert. Die Eingangsleitung 175 der reflektierten Leistung liefert ein Signal, das den Betrag dieser zum AID-Converter 177 reflektierten Leistung anzeigt. Die Sendeleistungsempfangsöffnung 139, auf dem Meßumformer 135 mit Zwischenraum von der Sendeöffnung 137 angeordnet, ist mit der Sendeleistungseingangsleitung 179 über den Detektor 178 mit dem AID-Converter 177 verbunden. Die Empfangsöffnung 139 liefert ein Signal zum AID-Converter 177 auf Leitung 179, das den Teil der durch den Meßumformer übertragenen hochfrequenten Leistungsaufnahme repräsentiert. Temperatur und Druckmeßelemente 188 und 183 auf dem Meßumformer 135 liefern auf den Leitungen 185 und 187 ähnlich Temperatur und Druckeingangsgrößen an dem A/D-Converter 177. Bus 189 verbindet den AID-Converter 177 und den Prozessor 159 für bidirektionale Kommunikation. Der Prozessor 159 wird durch den Bus 402 mit dem Digital nach Analog (D/A) Converter 400 verbunden. Der D/A-Converter 400 liefert ein Kontrolisignal auf Leitung 404 zur Veränderung der Dämpfung des variablen Dampfungselements 149 und des Phasenverschiebers 153.
Anstelle einer digital synthetisierten Quelle könnten ein Kippgenerator, ein spannungsgeregelter Oszillator oder ein stromgeregelter Oszillator verwendet werden. Der in Abbildung 15 gezeigte Aufbau könnte in vielen praktischen Anwendungen vereinfacht werden. Er ist hier in seiner allgemeinen Form wiedergegeben, um die Arten der Messungen zu demonstrieren, die man bräuchte, um die dielektrischen Eigenschaften der Probe vollständig zu charakterisieren.
Ausführungform 2 - Abbildung 16 illustriert ein elektronisches Blockdiagramm, mit dem diese Ausführungsform realisiert werden könnte. Diese Ausführungsform verwendet einen Meßumformer 135A, der wie der in den Abbildungen 12 und 13 gezeigte Meßumformer ist, jedoch nur mit einem Paar von Öffnungen 137A und 137B. Die Öffnung 137A ist eine Sendeöffnung, und die Öffnung 137B ist eine Empfangsöffnung. Ein weiterer Unterschied zwischen den Ausführungsformen 1 und 2 ist, daß Ausführungsform 2 eine Ohmsche Ausgleichsleitung wie in Abbildung 2 illustriert beinhaltet, um die Gesamtempfindlichkeit des Systems einzustellen. Durch Einstellung des Widerstandsverhältnisses zwischen den veränderbaren Widerständen R&sub1; und R&sub2; kann scheinbar jede Empfindlichkeit erreicht werden. Das unter Verwendung einer 180º Gabelschaltung 201 gespaltene Ausgangssignal einer digital synthetisierten Quelle 199 wird durch die Leitungen 203 und 205 mit gleichphasigen Teilen 207 und 209 verbunden. Die Teile 207 und 209 liefern ihre jeweils geteilten Phasensignale zu den Widerständen R1 und R2. Teiler 207 liefert sein anderes Signal an die Sendeöffnung 137A des Meßumformers 135A. Das andere Signal von Teiler 209 wird durch einen Phasenverschieber 211 und einen veränderlichen Widerstand R3 zugeführt, um die Einstellung zu ermöglichen. Das Ausgangssignal von der Empfangsöffnung 1378 des Meßumformers 135A auf Leitung 213 wird mit dem Signal von Teiler 209 kombiniert und durch den Operationsverstärker 215 und Diode Dl dem positiven Eingang des Differentialverstärkers 217 zugeführt. Gemeinsame Ausgangssignale von den variablen Widerständen R1 und R2 werden durch den Operationsverstärker 219 und die Diode D2 dem negativen Eingang des Differentialverstärkers 217 zugeführt. Das Ausgangssignal des Differentialverstärkers 217 liefert einen Indikator für die dielektrische Konstante des Materials, das durch den Meßumformer 135A fließt.
Anstelle einer digital synthetisierten Quelle könnte ein Kippgenerator, ein spannungsgeregelter Oszillator oder ein stromgeregelter Oszillator verwendet werden. Der in Abbildung 16 gezeigte Aufbau könnte in vielen praktischen Anwendungen vereinfacht werden. Er ist hier in seiner allgemeinen Form wiedergegeben, um die Arten von Messungen zu demonstrieren, die man bräuchte, um die dielektrischen Eigenschaften der Probe vollständig zu charakterisieren.
Ausführungsform 3 - Abbildung 17 illustriert ein elektronisches Blockdiagramm für diese Ausführungsform Die Ausführungsform verwendet einen Meßumformer 135C wie den in den Abbildungen 12 und 13 gezeigten Meßumformer, mit Ausnahme dessen, daß die Empfangsöffnung 139C mit gleichem Abstand zwischen den Sendeöffnungen 137C angeordnet ist. Der Unterschied zwischen Ausführungsform 1 und Ausführungsform 3 ist, daß die letztere durch zwei Signale mit verschiedenen Frequenzen betrieben wird, während die erste mit einem Einfrequenzsignal betrieben wird. Das Eingangssignal wird in zwei Teile gespalten, von denen ein Abzweig durch einen Frequenzverdoppler 231, einen Phasenverschieber 153 und ein variables Dämpfungselement 149 geleitet wird. Der optionale Phasenverschieber 153 wird verwendet, um jegliche Phasendifferenzen zwischen den zwei Eingangssignalleitungen 155 und 157 auszugleichen. Ein digitaler Prozessor 159 ist über den Bus 163 mit einer digital synthetisierten Quelle 161 verbunden. Der Signalgenerator 161 ist mit dem Meßumformer 135C über Hochfrequenzausgangsleitungen 155 und 157 durch einen Leistungsteiler 165 verbunden. Die Hochfrequenzausgangsleitung 157 ist mit der einfallenden Leistungseingangsleitung 173 und der reflektierten Leistungseingangsleitung 175 durch den Richkoppler 167 durch die Dektektordioden 169 und 171 gekoppelt, bzw. werden beide von Ihnen verbunden, um Eingangsgrößen an den Analog-zu-Digital- (A/D) Konverter 177 zu liefern. Die einfallende Leistungseingangsleitung 172 liefert ein Signal, das die hochfrequente Eingangsleistung repräsentiert, die auf Leitung 157 zum Meßumformer 135C zum A/D-Converter 177 geführt wird. Ein Teil der dem Meßumformer 135C zugeführten hochfrequenten Eingangsleistung wird auf Leitung 157 vom Meßumformer 135C zurückreflektiert. Die reflektierte Leitung 175 der reflektierten Eingangsleistung liefert ein Signal, das den Betrag dieser reflektierten Leistung anzeigt, an den A/D-Converter 177. Die die gesendete Leistung empfangende Öffnung 139C in einigem Abstand von den sendenden Öffnungen 137C auf dem Meßumformer 135C ist durch Leitung 179 der gesendeten Eingangsleistung über Diode 233 mit dem A/D-Converter 177 verbunden. Die empfangende Öffnung 139C liefert ein Signal zum A/D-Converter 177 auf Leitung 179, das den Teil des durch den Meßumformer 135C übertragenen hochfrequenten Leistungseingangs repräsentiert. Temperatur und Druckmeßelemente 181 und 183 auf dem Meßumformer 135 liefern auf den Leitungen 185 und 187 ähnlich Temperatur und Druckeingangssignale an den A/D-Converter 177. Der Bus 189 verbindet den A/D-Converter 177 und den Prozessor 159 für bidirektionale Kommunikation. Der Prozessor 159 ist mit dem Digital-zu-Analog- (D/A-Runde) Konverter 400 durch den Bus 402 verbunden. Der D/A-Konverter 400 liefert ein Kontrollsignal auf Leitung 404, um die Dämpfung des variablen Dämpfungselements 149 zu verändern.
Anstelle von einer digital synthetisierten Quelle könnte ein Kippgenerator, ein spannungsgeregelter Oszillator oder ein stromgeregelter Oszillator verwendet werden. Der in Abbildung 17 gezeigte Aufbau könnte in vielen praktischen Anwendungen vereinfacht werden. Er ist hier in seiner allgemeinen Form wiedergegeben, um die Arten von Messungen zu demonstrieren, die man bräuchte, um die dielektrischen Eigenschaften der Probe vollständig zu charakterisieren.

Ausführungsformen der vereinfacht abgeglichenen Brücke

Die bisher beschriebenen Ausführungsformen haben viele Signalpfade und Ohmsche Begrenzungen. Sie operieren als abgeglichene Brückennetzwerke, wo die vielfältigen Eingangssignalpfade durch Einstellung der Frequenz und der Dämpfung in einem Arm, bis Null bei einer charakteristischen, von der Dielektrizitätskonstanten des Materials abhängigen Frequenz erreicht wird, abgeglichen werden. Dieses Betriebsverfahren kann vereinfacht werden, um ein Set von Ausführungsformen zu produzieren, wo der Amplitudenabgleich zwischen den zwei interferierenden elektromagnetischen Wellen unnötig ist. Diese Ausführungsformen verwenden Blindlasten und eine einzelne Sendeöffnung in der in Abbildung 5 illustrierten Weise.
Sendeöffnungen im Testabschnitt veranlassen die Äusbreitung elektromagnetischer Wellen in beiden Richtungen im Wellenleiter. Wenn die entgegengesetzten Wellen von Blindlasten an den Enden des Testabschnitts in den Testabschnitt zurückreflektiert werden, werden sie miteinander interferieren. Genau gesagt wird bei spezifischen Frequenzen ein stehendes Interferenzwellenmuster im Testabschnitt induziert. Die empfangende Öffnung wird die Phase und die Größe dieses stehenden Wellenmusters prüfen. Bei gewissen charakteristischen Frequenzen ist das Interferenzmuster entweder verstärkend oder authebend, und erkennbare Spitzenwerte oder Nullen werden im Einfügungsverlustspektrum gemessen. Die gemessenen charakteristischen Frequenzen bestimmen die Dielektrizitätskonstante des Materials im Testabschnitt.
Einzelne Beispiele von Ausführungsformen, die dieses vereinfachte Verfahren realisieren, werden nachfolgend beschrieben. Viele andere Ausführungsformen des Verfahrens der vereinfacht abgeglichenen Brücke sind möglich.
Ausführungsform 4- Das Schnittbild von einer Ausführungsform des Verfahrens der vereinfacht abgeglichenen Brücke wird in den Abbildungen 18 und 19 illustriert. In dieser Ausführungsform nehmen die elektrischen Diskontinuitäten die Form von zwei Bandfiltern 44 an, die durch einen bestimmten Abstand getrennt smd. Die Sende- und Empfangsöffnungen 46 und 47 sind zwischen diesen Filtern 44 im Testabschnitt 45 angeordnet. Die Filter 44 sind ausgeführt, um hinter ihnen die Ausbreitung elektromagnetischer Energie innerhalb eines bestimmten Frequenzbereichs zu verhindern. Wenn der Testabschnitt 45 bei Frequenzen innerhalb dieses Bands betrieben wird, dann wird die Energie zurück in den Testabschnitt 45 reflektiert. Die Bandfilter 44 sind ausgeführt durch einzelne Einkerbungen 47, 48, 49 und 51 von verschiedener Länge im metallischen Wellenleiter 42, die durch gewisse Abstände getrennt werden. Diese Einkerbungen 47-51 sind umgeben von metallischen Hüllen 53, 55, 57, um Strahlungsverluste zu verhindern. Eine Hülle 59 aus einem isolierenden Material, wie Keramik, ist in das Innere des Wellenleiters 42 eingesetzt, um im Meßumformer 40 eine einfache innere Geometrie zu erhalten und um das Testmaterial von elektronischen Signalleitungen zu isolieren.
Offensichtlich ist dies nur ein Beispiel von vielen Wegen, auf denen eine blinde Begrenzung realisiert werden kann.
Ausführungsform 5 - Abbildung 15 zeigt eine andere Ausführungsform der Nachweisvorrichtung, die das Meßverfahren der vereinfacht abgeglichenen Brücke verwendet. Im Meßumformer 60 der Nachweisvorrichtung ist der Wellenleiter 62 auf der Innenseite mit verschiedenen dielektrischen Materialien 66 und 68 bedeckt. Der Testabschnitt 64 ist mit dem Material 66 bedeckt, das eine stark von Material 68 außerhalb des Meßabschnitts 64 abweichende dielektrische Konstante besitzt. Das Ergebnis ist, daß elektrische Diskontinuitäten erzeugt werden. Die Diskontinuitäten reflektieren viel des sich ausbreitenden, elektromagnetischen Signals zurück in den Testabschnitt, den Testabschnitt 64 effektiv isolierend. Die Sendeöffnung 70 und die Empfangsöffnung 72 sind im metallischen Wellenleiter über dem ersten isolierenden Material 66 bereitgestellt. In der Praxis können die verschiedenen dielektrischen Materialien 66 und 68 mit Keramiken oder Plastik ausgeführt werden. Die Hülle 68 könnte sogar ein Metall sein.
Ausführungsform 6 - Abbildung 21 zeigt eine andere Ausführungsform 80, die das Meßverfahren der vereinfacht abgeglichenen Brücke verwendet. In Abbildung 21 hat der Meßumformer 80 der Nachweisvorrichtung einen physikalisch größeren Wellenleitertestabschnitt 82, der mit dem Wellenleiterabschnitt 84 verbunden ist. Eine elektrisch isolierende Hülle 83 bedeckt den Wellenleiter 84 und führt ohne Veränderung des Durchmessers durch die Mitte des Wellenleitertestabschnitts 82. Die Sendeöffnung 86 und die Empfangsöffnung 88 sind innerhalb des Wellenleitertestabschnitts 82 angeordnet.
Die Signalfrequenz, oberhalb der Wellenleitertestabschnitt 82 weiterleiten wird, genannt die Grenzfrequenz, ist niedriger als die von Wellenleiterabschnitt 84. Wenn die Arbeitsfrequenz des Meßumformers 80 niedriger als die Grenzfrequenz von Wellenleiter 84, aber höher als die des Testabschnitts 82 gehalten wird, wirken die Verbindungsstellen 90 und 92, wo der Wellenleiter die Größe ändert, als sehr effektive Energiereflektoren. Demgemäß wirken die Verbindungsstellen 90 und 92 als elektrische Diskontinuitäten 94, die den Testabschnitt 82 elektrisch isolieren und bei charakteristischen Frequenzen zu stehenden Interferenzwellenmustern, die sich im Testabschnitt 82 ausbilden, führen.
Ausführungsform 7 - Die Abbildungen 22 und 23 zeigen eine andere Ausführungsform von einem Meßumformer 410, der das Verfahren der vereinfacht abgeglichenen Brücke verwendet. Diese Ausführungsform arbeitet insofern ähnlich zur Ausführungsform 6, als daß die Wellenleiterblindlastabschnitte 241 und 243 jenseits des Testabschnitts 245 eine höhere Grenzfrequenz als die des Testabschnitts 245 haben. Dies wird durch Einteilung der Lastabschnitte 241 und 243 in kleinere Teile unter Verwendung von Metallplatten 247 erreicht. Demgemäß ist Ausführungsform 7 eingreifend, während dies die anderen nicht sind. Der Testabschnitt 245 von dieser Ausführungsform ist ausgeführt und arbeitet in der gleichen Weise wie der Testabschnitt 64 in Ausführungsform 5 (Abbildung 20).
Im Betrieb, wenn der Testabschnitt 245 bei einer Frequenz unterhalb der Grenzfrequenz der Lastabschnitte 241 und 243, aber oberhalb derjenigen von Testabschnitt 245 betrieben wird, wird die sich ausbreitende Energie von den Verbindungen 249 und 251 reflektiert. So wirken die Verbindungen 249 und 251 als die elektrischen Diskontinuitäten, die den Testabschnitt elektrisch isolieren und die bei charakteristischen Frequenzen zu stehenden Welleninterferenzmustern führen, die sich im Testabschnitt 245 ausbilden.
In den Abbildungen 22 und 23 werden zwei Metallplatten 247 verwendet, um den Lastabschnitt in vier Teile zu segmentieren. Wie in den Abbildungen 24a - 24h gezeigt, sind viele verschiedene Orientierungen der Metallplatten 247a - 247h möglich, die alle die gleichen Aufgaben erfüllen: die Teststrecke elektrisch zu isolieren und es zu ermöglichen, die Vorgehensweise der vereinfacht abgeglichenen Brücke zu verwenden.
Abbildung 25 zeigt ein einfaches elektronisches Paket, das mit den Ausführungsformen 4, 5, 6 und 7 verwendet werden könnte. Die Elektronik 100 beinhaltet einen Digitalprozessor 102, der mit beliebigen aus einer Vielzahl kommerziell verfügbarer mikroprozessorintegrierter Schaltungen ausgestattet ist. Der Prozessor 102 ist mit einer digital synthetisierten Quelle 104 durch den Bus 106 verbunden. Anstelle von einer digital synthetisierten Quelle könnte auch ein Kippgenerator, ein Spannungsgeregelter Oszillator oder ein stromgeregelter Oszillator verwendet werden. Der Signalgenerator 104 ist mit dem Meßumformer 80 durch die Hochfrequenzausgangssignalleitung 108 verbunden, so zu verstehen, daß der Meßumformer 40, 60 oder 410 ersatzweise für den gezeigten Meßumformer 80 eingesetzt werden kann. Die Hochfrequenzausgangsleitung 108 ist bei 110 durch Detektordioden 112 und 114 mit der Eingangssignalleitung 116 der einfallenden Leistung und der Eingangssignalleitung 118 gekoppelt, bzw. sind beide von ihnen verbunden, um Eingangssignale an einen Analog-zu-Digital(A/D)-Konverter 120 zu liefern. Die Eingangssignalleitung der einfallenden Leistung 116 liefert ein Signal, das die hochfrequente Eingangsleistung, das auf Leitung 108 zum Meßumformer 80 zum A/D-Konverter 120 geführt wird, repräsentiert. Ein Teil der zum Meßumformer 80 geführten hochfrequenzten Eingangsleistung wird vom Meßumformer 80 auf Linie 108 reflektiert. Die Eingangssignalleitung der reflektierten Leistung 118 liefert ein Signal zum A/D- Konverter 120, das den Betrag dieser reflektierteh Leistung anzeigt. Das Sensorelement der gesendeten Leistung 122, das auf den Meßumformer 80 in einigem Abstand von der Hochfrequenzeingangsleitung 108 angeordnet ist, ist mit dem A/D-Konverter 120 durch die Diode 124 und die Eingangssignalleitung der gesendeten Leistung 126 verbunden. Das Sensorelement 122 liefert auf Leitung 126 ein Signal an den A/D- Konverter 120, das den Teil der hochfrequenten Eingangsleistung repräsentiert, die durch den Meßumformer 80 übertragen wird. Die Temperatur- und Drucksensorelemente 128 und 130 auf dem Meßumformer 80 liefern auf den Leitungen 132 und 134 ähnlich Temperatur- und Druckeingangssignale an den A/D-Konverter 120. Der Bus 136 verbindet den A/D-Konverter 120 und den Prozessor 102 für bidirektionale Kommunikation.
Die Abbildungen 26 und 27 zeigen typische gemessene Einfügungsverlustspektren, die mit der Technik der vereinfacht abgeglichenen Brücke unter Verwendung einer Eingangsöffnung und elektrischer Diskontinuitäten zur Erzeugung eines Interferenzmusters im Testabschnitt erreicht wurden. Abbildung 26 zeigt einen Vergleich von experimentellen Messungen, die mit einem der Meßumformeranordnung von Ausführungsform 6 ähnelnden und mit Luft gefüllten Nachweisvorrichtungsprototypen durchgeführt wurde, und dem vorhergesagten Spektrum nach einem einfachen Modell. Abbildung 27 zeigt korrespondierende Daten, wenn der Prototyp mit entionisiertem Wasser gefüllt wurde. Obwohl die gesamten Einfügungsverlustwerte von dem Modell nicht gut vorhergesagt werden, werden die Positionen der Spitzenwerte 251 und 253 in jedem Graph innerhalb 1 % vorhergesagt.
Abbildung 28 zeigt einen Ausdruck der durch die Frequenz dividierten Lichtgeschwindigkeit über der Quadratwurzel der Dielektrizitätskonstanten des Materials im Testabschnitt für einen Prototyp von Ausführungsform 6. Die Beziehung ist nichtlinear, da der Testabschnitt mit Luft und der isolierenden Hülle in Ergänzung zum Testmaterial dielektrisch geladen ist. Daher ist die effektive Dielektrizitätskonstante des Testabschnitts niedriger als die des Materials. Für Ausführungsformen des Konzepts wie das der Ausführungsform 4, 5 und 7, wo das Testmaterial scheinbar den gesamten Testabschnitt füllt, ist das Verhältnis zwischen den Resonanzfrequenzen und der Quadratwurzel der Testmaterialdielektrizitätskonstanten scheinbar linear. Abbildung 29 zeigt das Verhältnis für einen solchen Prototyp, verglichen mit den Vorhersagen eines einfachen Wellenleitermodells. Die Modellergebnisse sind sehr eng trotz der Tatsache, daß die Vorhersagen für den gesamten Einfügungsverlust schlecht sind. Die Abbildungen 28 und 29 illustrieren die Einfachheit, mit der die Umformung von den gemessenen charakteristischen Frequenzen in die Materialdielektrizitätskonstante mit dieser Erfindung erreicht wird.
Die Abbildungen 30 und 31 illustrieren die Genauigkeit, mit der die Vorrichtung gemaß dieser Erfindung verwendet werden kann, um die Zusammensetzung zu bestimmen. Diese Abbildungen zeigen die gemessene charakteristische Phasenverschiebung von einem Prototyp von Ausführungsform 6, wenn ihm Öl mit einem sehr niedrigen Prozentsatz an Wasser hinzugegeben wurde. Diese Messungen zeigen, daß die mögliche Genauigkeit von einer solchen Vorrichtung genauer ist als 0,1 % Wasser in Öl. Mit diesem Genauigkeitsniveau wäre die Vorrichtung imstande zu genauen Wasserbestimmungen in Rohöl bei beaufsichtigten Übergabeanwendungen in der Erdölindustrie. Abbildung 32 zeigt das gemessene Spektrum 255 für 0,025 % Wasser in Öl, verglichen mit der Kurve 257 für reines Öl. Die hochfrequentere Kurve 257 ist diejenige für reines Öl. Obwohl die gesamte Phasenverschiebung nur 0,4 MHz beträgt, ist sie auflösbar. Die Verschiebung in der Dielektrizitätskonstanten ist ungefahr 0,077 %, und die korrespondierende Verschiebung in der Frequenz ist 0,044 %.
Der elektromagnetische Interferenzgedanke, von dem das Dielektrizitätskonstantenmeßverfahren gemäß dieser Erfindung abhängt, funktioniert nur, wenn die Leitfähigkeit des Testmaterials nicht zu groß ist. Wenn das Material einen großen Dissipationsfaktor hat, wird die sich ausbreitende elektromagnetische Energie so schnell im Testabschnitt gedämpft, daß sich ein wahmehmbares Interferenzmuster nicht ausbilden kann. Dann können weder die charakteristischen Frequenzen noch die Dielektrizitätskonstanten der Flüssigkeit mit dieser Technik gemessen werden. Abbildung 33 zeigt gemessene Einfügungsverlustspektren für einen Prototyp der Ausführungsform gemaß dieser Erfindung in Funktion von der Leitfähigkeit des Wassers. Die Messungen wurden durchgeführt mit einem Nachweisvorrichtungsprototypen ähnlich der Meßumformeranordnung von Ausführungsform 6. Bei diesem Prototyp sind die charakteristischen Spitzenwerte und die Nullen verborgen, wenn sich die Leitfähigkeit des gemessenen Materials 0,35 mhos/m nähert. Wenn die Leitfähigkeit des Materials über dieses Niveau steigt, muß eine andere Technik verwendet werden. Abbildung 34 zeigt verschiedene gemessene Spektren des gleichen Prototyps von höher leitfähigen Wasserlösungen. Wie diese Ergebnisse zeigen, sind die Einfügungsverluste bei höheren Frequenzen sehr empfindlich gegenüber dem Niveau der Leitfähigkeit. Bei 220 MHz steigt der Einfügungsverlust um etwa 50 db, wenn die Leitfähigkeit um das 30-fache erhöht wird. Bei höheren Betriebsfrequenzen ist der dynamische Bereich sogar noch größer. Diese Ergebnisse zeigen, daß die von den Ausführungsformen 1 - 6 beschriebene Vorrichtung verwendet werden kann, um die Leitfähigkeit des Materials zu messen, wenn die Leitfähigkeit so hoch ist, daß Messungen der Dielektrizitätskonstanten nicht möglich sind. Die Leitfähigkeitsinformation kann so auf die Materialzusammensetzung bezogen werden, wie bei der Dielektrizitätskonstanten. Mit dieser zusätzlich gegebenen Fähigkeit können die verschiedenen möglichen Ausführungsformen gemäß dieser Erfindung verwendet werden, um beliebige Materialien oder Mischungen von Materialien zu messen, wo die dielektrischen Eigenschaften in einem weiten Bereich variieren. Die Vorrichtung kann scheinbar jedes Leitfähigkeitsniveau oder Dielektrizitätskonstante behandeln, der man in einem industriellen Prozeßmaterial begegnen könnte.
Ausführungsform 8 - Eine der Schwierigkeiten vön Nachweisvorrichtungen der Zusammensetzung bei der Anwendung zur Messungen von kontinuierlich fließenden Materialien oder Mischungen ist, daß die Materialzusammensetzung heterogen und ungleichmäßig gemischt ist. Dies ist besonders der Fall bei Anwendungen, die Mischungen von unlöslichen Komponenten mit verschiedenen Dichten beinhalten. Beispiele schließen Festkörper-Flüssigkeits-Mischungen wie Schlämme, Flüssigkeits- Gas-Mischungen wie Dampf oder Öl-Wasser-Gas, oder sogar reine Flüssigkeitsmischungen wie Öl-Wasser ein. Die Schwierigkeit ist, daß die meisten dieser Nachweisvorrichtungen einige physikalische Aggregateigenschaften der Mischung wie die dielektrischen Eigenschaften, die Dichte oder optische Eigenschaften messen und diese Information verwenden, um die Zusammensetzung zu bestimmen. Wenn nicht zu allen Zeiten eine konstante physikalische Anordnung der Komponenten in der Mischung vorliegt, funktioniert eine solche Vorgehensweise nicht, da die gemessenen physikalischen Eigenschaften nicht genau auf die Zusammensetzung bezogen werden können. Gleichmäßige und eingehende Mischung in beträchtlicher Weise ist erforderlich zum genauen Zusammensetzungsnachweis von schwierigen Mischungen, die unlösliche Flüssigkeiten enthalten oder Komponenten mit verschiedenen Dichten haben. Diese Erfindung ist nicht unberührt von diesem Problem, da sie ebenfalls eine physikalische Eigenschaft der gesamten Mischung mißt und diese auf die Zusammensetzung von dieser Mischung bezieht.
Ein Aspekt von dieser Erfindung ist jedoch, daß sie einfach ausgeführt werden kann, wenn die gemessene Mischung gleichmäßig gemischt ist. Diese Fähigkeit wird erreicht mit der Meßumformerausführungsform 140 in den Abbildungen 35 und 36, in denen die Paare der Sendeöffnung 142 und Empfangsöffnung 144 gleichmäßig am Umfang des Testabschnitts 146 verteilt sind. Es ist ein Merkmal gemäß dieser Erfindung, daß sie durch den Vergleich der durch die Empfangsöffnungen 144 empfangenen Signale bestimmt, wann die Mischung homogen ist. Wenn die Signale gleich sind, ist das Material gleichmäßig gemischt. Wenn nicht, ist das Material inhomogen und die Genauigkeit der Zusammensetzungsbestimmung wird entsprechend abnehmen. Diese Regelung würde nur dann versagen, wenn eine ringförmige Strömung vorliegt. Dies ist unter den meisten Bedingungen nicht wahrscheinlich. Eine Zusammensetzungsnachweisvorrichtung, die den Meßumformer 140 beinhaltet, kann sich selbst unwirksam machen oder eine Veränderung der Stellgröße bewirken, wenn keine gleichmäßige Mischung vorliegt. Eine andere Möglichkeit ist, die Zusammensetzungsbestimmung zu mitteln unter Verwendung der von jedem der Öffnungspaare einzeln gelesenen Informationen. In jedem Fall werden Fehler verringert und genauere, aufsummierte Messungen werden ermöglicht. Das Mehr-Meßöffnungspaar- Konzept, dargestellt am Meßumformertestabschnitt 140, kann in gleicher Weise in die Ausführungsformen 1 - 7 implementiert werden, um diesen Ausführungsformen die zusätzliche Fähigkeit zur Messung der Materialgleichmäßigkeit zu geben.
Ausführungsform 9 - Das Verfahren und die Vorrichtung, die bisher beschrieben wurden, können von einem Testmaterial die Temperatur und den Druck und seine Dielektrizitätskonstante und/oder Leitfähigkeit messen. Für viele Anwendungen des Nachweises der Zusammensetzung wird diese Kombination von Messungen genügen, um die Materialzusammensetzung zu bestimmen. Für andere, wie auch immer, genügt diese Information nicht, um die Zusammensetzung vollständig zu bestimmen. Die Zusammensetzung von Materialmischungen, die aus vier oder mehr Komponenten mit verschiedenen dielektrischen Eigenschaften bestehen, könnte nicht mit den Ausführungsformen 1 bis 8 bestimmt werden, obwohl diese Ausführungsformen noch immer als sehr genaue Nachweisvorrichtungen für den Trend verwendet werden könnten. In Spezialfällen könnte mit diesen Ausführungsformen die Zusammensetzung sogar von drei Komponentenmischungen nicht genau gemessen werden. Ein wichtiges Beispiel sind Öl, Wasser und Gasmischungen. Um den Bereich der nützlichen Materialien und Anwendungen, auf die das neuartige Verfahren und die Vorrichtung, die in dieser Erfindung beschrieben werden, angewendet werden könnten, auszudehnen, ist ein zusätzliches Meßmittel zur Bestimmung der Materialdichte zu der in den Ausführungsformen 1 bis 8 beschriebenen Vorrichtung der hochfrequenten dielektrischen Messung zu ergänzen. Diese neue Ausführungsform, Ausführungsform 9, ist in Abbildung 37 gezeigt. Die hochfrequente, dielektrische Zusammensetzungsnachweisvorrichtung 261 und die Dichtenachweisvorrichtung 263 sind in Reihe mit einer Rohrleitung 265 verbunden, durch die Testmaterial 267 frei zwischen den beiden Meßvorrichtungen hindurchgelassen wird.
Die hochfrequente, dielektrische Zusammensetzungsnachweisvorrichtung 261 könnte jede der Ausführungsformen 1 bis 8 oder jede der anderen möglichen Ausführungsformen, die mit den Verfahren der dielektrischen Messung gemäß dieser Erfindung konsistent sind, sein. Die Dichtenachweisvorrichtung 263 könnte jede der kommerziell verfügbaren Vorrichtungen zur Dichtemessung von in einem Rohr fließenden Materialien sein. Zwei Beispiele sind Coriolis-Kraft-Densitometer und Gammastrahlen-Densitometer. Diese Systeme erfordern genaue Mischungen für benaue Ablesungen, so wie dies der dielektrische Wellenleitermeßumformer tut. Demgemäß ist die Ausführung des Meßumformers 140 ebenfalls wichtig zur Verhinderung von Fehlern bei der Dichtemessung mit diesen Vorrichtungen.
Ein Beispiel für das Verhältnis zwischen der Mischungsdielektrizitätskonstanten, der Mischungsdichte und der Mischungszusammensetzung wird in den folgenden Formeln beschrieben. Das beschriebene Beispiel ist das von Öl, und Wasser und Gasmischungen.
x = volumetrisches Verhältnis von Komponente 1 (Öl).
y = volumetrisches Verhältnis von Komponente 2 (Wasser).
z = volumetrisches Verhältnis von Komponente 3 (Gas).
Summenvolumenverhältnis = 1 = x + y + z (2) Gemessene Dichte der Mischung = ax + by + cz (3) wobei
a = Dichte von Komponente 1
b = Dichte von Komponente 2
c = Dichte von Komponente 3 (0 für Gas)
Gleichung (2) vereinfacht sich zu Gemessene Dichte = ax + by (4)
Das Bruggeman-Modell bezieht die dielektrische Konstante von einer zweikomponentigen Mischung auf die dielektrische Konstante von den Komponenten wie folgt:
wobei
e&sub2; = Dielektrische Konstante der zweikomponentigen Mischung,
em = Dielektrische Konstante des kontinuierlichen Mediums der Emulsion (sie wird als Komponente 1 angenommen),
dp&sub1; = Dielektrische Konstante der ersten dispergierten Phase (angenommen als Komponente 2),
Φ&sub1;= Volumetrisches Verhältnis der ersten dispergierten Phase im kontinuierlichen Medium (dies entspricht y/(x + y) unter den oben genannten Annahmen).
Dieses Schema kann auf drei Komponenten verallgemeinert werden mit einer iterativen Lösung wie folgt:
e&sub3; = F(F(em, ep&sub1;, Φ&sub1;), ep&sub2;, Φ&sub2;)
wobei
e&sub5; = gemessene dielektrische Konstante der gesamten Mischung,
ep&sub2; = dielektrische Konstante der zweiten dispergierten Phase (angenommen, es ist Komponente 3),
Φ&sub2; = Volumetrisches Verhältnis der zweiten dispersen Phase (entspricht in diesem Fall z)
Wir haben die folgende Beziehung für die dielektrische Konstante:
Gleichung (5)
emeas. = F(F(ecomp1, ecomp2, y/x+y), ecomp3, z)
Ausgehend von einer Messung der dielektrischen Konstanten und der Dichte können die Gleichungen (2), (4) und (5) verwendet werden, um zu bestimmen, wie groß die individuellen Komponentenverhältnisse sind. Das Bruggeman-Hanai-Verhältnis wurde hier vorgestellt, um das Verhältnis zwischen der dielektrischen Konstante und der komponentenweisen volumentrischen Verhältnissen zu illustrieren. Andere Verhältnisse könnten verwendet werden, sowie Kalibrierkurven verwendet werden könnten.
Abbildung 38 zeigt einen besonderen Prozeßanalyse-Algorithmus in Anwendung der Ausführungsform 8, wie in Abbildung 37 gezeigt. Der Algorithmus ist anwendbar für Öl-, Wasser- und Gasanwendungen, wo der freie Gasgehalt unter ungefähr etwa 20 Volumenprozent bleibt. Ein anderer Algorithmus muß verwendet werden, wenn das Gasverhältnis größer ist als 20 %. Die gemessenen Mischungseigenschaften sind die Dielektrizitätskonstante und/oder Leitfähigkeit, die Dichte, die Temperatur und der Druck. Die in Abbildung 38 verwendeten Variablen sind das volumetrische Verhältnis von Gas, ΦG, das volumetrische Verhältnis von Wasser, ΦW, das volumetrische Verhältnis von Öl, ΦO die gemessene Dielektrizitätskonstante der Mischung (oder gemessene Mischungsleitfähigkeit), ZM, und die gemessene Mischungsdichte, DM. Die Temperatur, der Druck, die Dielektrizitätskonstante und die Dichte der Mischung werden bei 270 gemessen. ZO, ZW, DO und DW sind berechnet von der gemessenen Temperatur, Druck und vorkalibrierten Komponentenimpedanzdaten bei 272. Ausgehend von diesen Ergebnissen und unter der Annahme, daß die Mischung eine wasserkontinuierliche Emission ist und kein Gas in der Mischung vorhanden ist (ΦG = 0), wie angezeigt bei 274, sind ΦW und ΦO aus ZM bei 276 berechnet. Ausgehend von diesen Ergebnissen wird bei 278 eine Probedichte D berechnet. Wenn die Dichte D) DM, wird ΦG vergrößert, und ΦW und ΦO werden eingestellt, bis D = DM bei 280. Bei diesen Werten von ΦO, ΦW, und ΦG wird bei 282 ein Probewert für Z berechnet. Wenn das versuchte Z < ZM, wird ΦW verkleinert, und ΦO und ΦG werden solange eingestellt, bis D = DM bei 284. Das versuchsweise Z wird dann bei 282 wieder berechnet. Die Schritte 282 und 284 werden wiederholt, bis Z = ZM ist, was das Verfahren vervollständigt, resultierend in den richtigen Werten von ΦO, ΦW und ΦG bei 286.
Zurückkehrend zu Schritt 278 ist die Mischung ölkontinuierlich; wenn das versuchsweise D < DM, d.h. die Annahme bei 274 ist nicht korrekt. In diesem Fall wird angenommen, ΦG = 0, und ΦO und ΦG werden aus DM bei 288 berechnet. Dann wird Schritt 282 ausgeführt, und wenn das berechnete probeweise Z < ZM, wird ΦW vergrößert und ΦO und ΦG solange eingestellt, bis D = DM bei 290 ist. Die Schritte 282 und 290 werden wiederholt, bis das probeweise Z = ZM ist, was die korrekten Werte von ΦO, ΦW und G bei 286 ergibt.
Die Abbildungen 39 und 40 zeigen einen Nachweisvorrichtungmeßsumformer 150, der die Merkmale der zuvor diskutierten Ausführungssformen 6, 8 und 9 verbindet. Der Meßumformer 150 hat einen Testabschnitt 152 von vergrößertem Durchmesser, ähnlich mit Abschnitt 82 in der Ausführungsform gemäß Abbildung 21. Die Wellenleiterabschnitte 154 auf beiden Seiten des Testabschnitts 152 haben kleinere Durchmesser, z.B. die Hälfte desjenigen des Testabschnitts 152. Eine isolierende Hülle 157 mit konstantem Durchmesser erstreckt sich durch den Rohrabschnitt 154 und den Testabschnitt 152 mit vergrößertem Durchmesser. Der Durchmesserwechsel zwischen dem Testabschnitt 152 und den Abschnitten 154 erzeugt ein Paar von Diskontinuitäten 158. Die Energie von den Hochfrequenzeingangssignalöffnungen 160, 162 und 164, die in den Testabschnitt 152 eingekoppelt ist, wird innerhalb des Meßumformers 150 im wesentlichen durch die Diskontinuität 158 begrenzt. Die Dichtenachweisvorrichtung 271 ist mit dem Meßumformer 150 durch den Wellenleiterrohrabschnitt 154 verbunden. Wird ergänzend dazu ein Mittel zur Messung der Durchflußgeschwindigkeit der Mischung mit dem Meßsystem der Zusammensetzung verbunden, wäre das kombinierte System imstande, das gesamte Produktionsvolumens jeder einzelnen Komponente über einen bestimmten Zeitraum hinweg zu bestimmen.
Die Abbildungen 41 bis 43 zeigen verschiedene detaillierte Blockdiagramme von Elektronik, die mit dem Meßumformer 150 verwendet werden könnten, wenn er mit einem Mittel zur Dichtemessung in Übereinstimmung mit dem Konzept von Äusführungsform 9 verbunden wird. Die Elektronik der Abbildungen 41 - 43 könnte gleich gut verwendet werden, wenn auch Ausführungsform 4, 5 und 7 wie in den Abbildungen 39 und 40 gezeigt, ersatzweise für Ausführungsform 6 eingesetzt würde. Außerdem könnte diese Elektronik mit angemessenen Änderungen für zusätzliche Sendeöffnungen und Frequenzquellen in Übereinstimmung mit dem grundlegenden Elektronikdesign für die Betriebsausführung, gezeigt in den Abbildungen 16 und 17, auch mit den Ausführungsformen 1 - 3 verwendet werden. Die notwendigen Änderungen sollten für den Fachmann ersichtlich sein.
Abbildung 41 zeigt die Elektronik 200 zur Verwendung mit dem Nachweisvorrichtungsmeßumformer 150, um eine vollständige Nachweisvorrichtung bereitzustellen, die zum Nachweis der Zusammensetzung von einem Dreikomponentenstrom, so wie Öl, Wasser und Gas, am Quellenkopf geeignet ist. Wie in Abbildung 25 ist ein Digitalprozessor 202 mit einem digital synthetisierten Signalgenerator 204 durch einen bidirektionalen Kontrollbus 206 verbunden. Die hochfrequente Ausgangssignalleitung 208 führt Hochfrequenzsignale auf den Leitungen 210, 212 und 214 zu den Hochfrequenzeingangssignalleitungen 160, 162 und 164 vom Meßumformer 150. Der Leistungsteiler 180 teilt die Hochfrequenzsignale zwischen den Leitungen 210 - 214. Die Leitungen 216 und 218 sind mit einem Richtkoppler 220 an Leitung 210 gekoppelt, um die Eingangssignale der ersten einfallenden Hochfrequenzleistung 11 und der reflektierten Hochfrequenzleistung R1, wie zugeführt und vom Meßumformer 150 empfangen, über die Dioden 224 und 226 an den A/D-Konverter 222 zu führen. Die Leitungen 228 und 230 sind mit dem Richtkoppler 232 an Leitung 212 gekoppelt, um die Eingangssignale der zweiten einfallenden Hochfrequenzleistung 12 und der reflektierten Hochfrequenzleistung R&sub2;, wie zugeführt und vom Meßumformer 150 empfangen, über die Dioden 234 und 236 zum A/D-Konverter 222 zu führen. Die Leitungen 238 und 240 sind bei 242 mit der Leitung 214 gekoppelt, um die dritten Eingangssignale der einfallenden Hochfrequenzleistung I&sub3; und der reflektierten Hochfrequenzleistung R&sub3;, wie zugeführt und vom Meßumformer 150 empfangen; über die Dioden 244 und 246 an den A/D-Konverter 222 zu führen. Ähnlich verbinden die Leitungen 248, 250 und 252 jeweils die Hochfrequenzsignalausgänge 166, 168 und 170 über Dioden 273, 275 und 277, um die ersten, zweiten und dritten übertragenden Hochfrequenzsignale T&sub1;, T&sub2; und T&sub3; vom Meßumformer 150 an den A/D-Konverter 222 zu liefern. Die Leitungen 254 und 256 verbinden den Temperatursensor 172 und den Drucksensor 174, um dem A/D-Konverter 222 die Eingangssignale von Strömungstemperatur und -druck zu liefern. Die Leitung 258 liefert ein Eingangssignal der Strömungsdichte vom Dichtemeßumformer 176 an den A/D-Konverter 222.
Die Verwendung des digital geregelten Präzisionssignalgenerators 204 im System von Abbildung 41 ergibt ein hochgenaues, aber relativ langsam antwortendes, zeitvielfaches Nachweissystem der Zusammensetzung von Material. Das System nach Abbildung 41 ist besonders geeignet für Anwendungen, wo die Nachweisgenauigkeit eine vorrangige Erfordernis bei Materialien mit einem weiten Bereich von dielektrischen Eigenschaften ist.
Abbildung 42 zeigt eine einfachere Ausführung der Elektronik 200. Die Elektronik 260 schließt einen Digitalprozessor 262 ein. Der Prozessor 262 ist mit dem Bus 266 mit einer digital synthetisierten Quelle 264 verbunden. Der Signalgenerator 264 ist mit dem Meßumformer 150 durch eine Hochfrequenzsignalausgangsleitung 268 über einen Dreiwegeleistungsteiler 269 verbunden. Der Meßumformer 150 ist mit den Eingangssignalen der übertragenen Leistung T&sub1;, T&sub2; und T&sub3; des A/D-Konverters 280 über Detektordioden 270, 272 und 274 verbunden. Die Eingangssignale von Temperatur und Druck werden auf den Leitungen 292 und 294 an den A/D-Konverter 280 geleitet. Der Bus 296 verbindet den A/D-Konverter 280 und den Prozessor 262 für bidirektionale Kommunikation. Hier werden die einfallenden und reflektierten Energien nicht gemessen. Nur die übertragene Energie wird gemessen. Diese Ausführung wäre am besten geeignet zum Nachweis beinahe verlustloser Flüssigkeiten, wo die Flüssigkeitszusammensetzung nicht über einen großen Bereich variiert und wo die Kosten eine wichtige Anforderung sind. Zwei solche Anwendungen sind die fiskalische Überwachung der Erdölqualität in Rohrleitungen und die Uberwachung der Dampfqualität.
Abbildung 43 zeigt eine andere Form von Elektronik 300, die mit der Zusammensetzungsnachweisvorrichtung 150 verwendet werden kann. Ein digitaler Prozessor 302 ist durch einen digitalen Bus 304 mit einem Digital-zu-Analog(D/A)-Konverter 306 und einem Frequenzzähler 308 verbunden. Der D/A-Konverter 306 ist durch Leitung 310 mit der laufenden Quelle 309 verbunden. Die laufende Quelle 309 ist durch Linie 312 mit einem 0,1 bis 2 GHZ Frequenz Hochfrequenz-Ablenkungsoszillator 314 verbunden. Das Ausgangssignal 316 vom Oszillator 314 wird einem Zweiwegeleistungsteiler 281 zugeführt. Das Ausgangssignal 318 vom Leistungsteiler 281 wird einem Dreiwegeleistungsteiler 283 zugeführt, und das Ausgangssignal 320 wird einem Regler 322 zugeführt. Der Dreiwegeleistungsteiler wird über die Leitungen 285, 287 und 289 mit der Zusammensetzungsnachweisvorrichtung 115 verbunden. Leitung 320 ist über den Koppler 326 mit dem Frequenzzähler 308 gekoppelt. Der Frequenzzahler 308 bildet eine Rückführungsschleife, um Abweichungen in der Quelle 314 auszugleichen. Ein geregelter thermostabiler 30 MHz-Oszillator 328 ist durch Leitung 330 mit dem Regler 322 verbunden. Der Regler 322 ist mit den Reglern 340 - 344 über einen 0,1 GHz, +10-15 db Bandweitenverstärker 322, Leitung 300, einen Dreiwegeleistungsteiler 291 und die Leitungen 334 bis 338 verbunden. Die Signalausgangsleitungen 346 - 350 von der Nachweisvorrichtung 150 sind ebenfalls mit den Reglern 340 - 344 verbunden. Die Ausgänge 352 - 356 von den Reglern 340 - 344 sind mit den IF 30 MHz automatisch verstärkungsgeregelten Verstärkern 364 - 368 über 30 MHz Bandpaßfilter 358 - 362 verbunden. Die Ausgangssignale 370 - 374 von den Verstärkern 364 bis 368 werden durch Detektordioden 376 zum A/D-Konverter 378 geführt. Die verbleibenden Verbindungen unter den Eingangssignalen von Nachweisvorrichtung 150, der Nachweisvorrichtung 150, dem A/D-Konverter 378 und dem Digitalprozessor 302 sind die gleichen wie in den Schaltungen 200 nach Abbildung 41, und sie werden daher nicht weiter beschrieben. Anders als gezeigt und beschrieben ist die Ausführung und die Anwendung der Ausführungsformen nach Abbildung 43 die gleiche wie die der Ausführungsform nach Abbildung 41.
Das System gemäß Abbildung 43 hat sowohl eine kürzere Antwortzeit als auch niedrigere Kosten als das System nach Abbildung 41, da es keinen präzisen, breitbandig digital geregelten Signalgenerator verwendet. Das System gemäß Abbildung 43 ist daher nützlich für grundlegende Überwachungsaufgaben, wo die höhere Genauigkeit des Systems nach Abbildung 41 nicht gefordert ist.

Die Verwendung der Technologie des Zusammensetzungsnachweises für Messungen der Durchflußgeschwindigkeit

Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß dieser Erfindung, bisher beschrieben und illustriert durch die Ausführungsformen 1 - 9, sind ausgeführt für genaue Messungen der dielektrischen Eigenschaften von Materialien. Infolge der durch diese Erfindung ermöglichten physikalisch offenen Struktur eignet sich die Vorrichtung gemäß dieser Erfindung besonders für Messungen von Materialien und Mischungen, die sich durch die Meßvorrichtung bewegen, d.h. strömen. Die Genauigkeit und Geschwindigkeit, mit der die dielektrischen Messungen durchgeführt werden können, machen es möglich, die verschiedenen Ausführungsformen dieser Erfindung zu konfigurieren, um die Durchflußgeschwindigkeit des durch den Apparat hindurchtretenden Materials zu messen. Es gibt zwei Verfahren, mit denen dies erreicht werden kann.
Ausführungsform 10 - In einer Ausführungsform des Durchllußgeschwindigkeitsmeßsystems werden, wie in Abbildung 44 gezeigt, zwei Vorrichtungen 301 und 303 zum Nachweis der Zusammensetzung mittels eines Rohres 305 von bekannter Länge verbunden. Das Ausgangssignal dieser zwei Vorrichtungen zum Nachweis der Zusammensetzung ist zeitlich kreuzkorreliert, um die Durchflußgeschwindigkeit des Prozeßmaterials zu messen. Mit anderen Worten wird die Zeitdifferenz gemessen, während der eine vorgegebene Menge des Materials von Zusammensetzungsnachweisvorrichtungen 301 nach 303 gelangt. Diese Zeitdifferenz und der Abstand zwlschen den Zusammensetzungsnachweisvorrichtungen bestimmt direkt die Durchflußgeschwindigkeit des durch das System gelangenden Materials. Die im einzelnen für diese Ausführungsform verwendete Zusammensetzungsnachweisvorrichtung könnte eine der mit dieser Erfindung konsistenten sein.
Da die Kreuzkorrelationstechnik zur Durchflußgeschwindigkeitsmessung nicht neu ist, wird sie hierin nicht näher beschrieben werden. Es ist wichtig festzustellen, wie auch immer, daß diese Technik nur funktionieren wird, wenn das gemessene Material seine dielektrischen Eigenschaften entlang der Prozeßstromleitung ziemlich dramatisch verändert. Tatsächlich funktioniert es am besten, wenn dort solche plötzlichen Veränderungen wie solche vorliegen, die sich unter Stoßströmungsbedingungen ereignen. Wenn das gemessene Material gleichmäßig gemischt ist und seine dielektrischen Eigenschaften nicht sehr abrupt verändert, was üblicherweise der Fall ist, würde die Kreuzkorrelationstechnik nicht funktionieren. Das Ausgangssignal der Zusammensetzungsnachweisvorrichtungen 301 und 303 wäre im wesentlichen gleich zu allen Zeitpunkten.
Ausführungsform 11 - Eine Technik von mehr grundlegendem Nutzen zur Messung der Durchflußgeschwindigkeit eines Prozeßstroms, die die dielektrische Meßvorrichtung von Material gemäß dieser Erfindung nutzt, ist in Abbildung 45 gezeigt. In dieser Ausführungsform ist ein Materialeinspritzstutzen oder -ventil 311 oberhalb der Zusammensetzungsnachweisvorrichtung 313 durch ein Rohr 315 angebunden. Der Abstand zwischen dem Ventil 311 und der Zusammensetzungsnachweisvorrichtung 315 ist festgelegt und bekannt. Der Einspritzstutzen 311 wird verwendet, um Material 317, das die dielektrischen Eigenschaften des von Zusammensetzungsnachweis vorrichtungen 313 gemessenen Stroms 319 verändern wird, in den Prozeßstrom 319 einzuspritzen. Um die Strömungsgeschwindigkeit zu messen, wird der Einspritzstutzen 311 verwendet, um einen kleinen Stoß von Material 317 zur Zeit t&sub1; in den Strom 319 einzuspritzen. Das Material 317 muß grundsätzlich andere dielektrische Eigenschaften haben als das umgebende Medium. Wenn das hinzugegebene Material 317 durch die Zusammensetzungsnachweisvorrichtung 313 abgetastet wird, ändert sich das Ausgangssignal der Nachweisvorrichtung 313 abrupt, seinen Durchgang anzeigend. Beim Hindurchgehen wird die Zeit t&sub2; aufgenommen. Der Abstand zwischen dem Einspritzstutzen 311 und der Nachweisvorrichtung 313, geteilt durch die Zeitdifferenz t&sub2; - t&sub1; ergibt die Strömungsgeschwindigkeit des Prozeßstroms. Die im einzelnen für diese Ausführungsform verwendete Zusammensetzungsnachweisvorrichtung könnte eine der mit dieser Erfindung konsistenten sein.
Ein Beispiel dafür, wie dieses Strömungsgeschwindigkeitsmeßverfahren realisiert werden könnte, wird durch die Anwendung zur Öl-, Wasser- und Gasüberwächung geliefert. Wenn Salzlauge in einer Mischung aus Öl, Wasser und Gas eingespritzt wird, würde die Dielektrizitätskonstante und die Leitfahigkeit der Mischung ansteigen. Der Anstieg könnte auf einfache Weise durch die Meßvorrichtung der Dielektrizitätskonstanten gemäß dieser Erfindung gemessen werden. Herkömmlichere Verfahren zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Öl, Wasser und Gas, wie Turbinenmesser, positive Förderleistungsmesser und Venturimesser versagen, da die Flüssigkeit von Haus aus zweiphasig (flüssig/gasförmig) ist. Daher ist der Wert des hier beschriebenen Strömungsgeschwindigkeitsmeßverfahrens wesentlich.
Für den Fachmann sollte nun leicht ersichtlich sein, daß ein neuartig zusammengesetztes Verfahren und eine Vorrichtung zum Nachweis der Zusammensetzung von Materialien und vielfältigen Komponentenmischungen, imstande zur Erfüllung der erfindungsgemäßen Aufgaben, bereitgestellt wurden. Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß dieser Erfindung ermöglichen die genaue Messung von dielektrischen Eigenschaften von scheinbar allen Materialien oder Mischungen daraus, die Festkörper, Flüssigkeiten oder Gase oder Mischungen aus Festkörpernlgasen, Festkörpern/Flüssigkeiten, Flüssigkeiten/Gasen, Flüssigkeiten/Flüssigkeiten oder Festkörpern/Flüssigkeiten/Gasen enthalten. Die Erfindung kann verwendet werden, um einzelne Proben von Testmaterial, abgeteilte Mengen oder kontinuierlich fließendes Material zu messen. Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung können verwendet werden, um die Zusammensetzung von Materialien zu messen, wo die dielektrischen Eigenschaften auf die Materialzusammensetzung bezogen werden können. Wenn sie dies nicht können, kann die Vorrichtung noch als Trendnachweisvorrichtung verwendet werden.
Das Verfahren gemaß der Erfindung verwendet Brückenabgleichtechniken für hochfrequente dielektrische Messungen in physikalisch offenen, elektrisch isolierten Strukturen. Die physikalisch offene Struktur des Verfahrens und der Vorrichtung gemäß dieser Erfindung erlauben den Nachweis von sich durch die Meßvorrichtung bewegenden Materialien ohne Wechselwirkung der Vorrichtung mit dem Material oder Beschädigung der Vorrichtung durch das Material. Die elektrische Isolation des Testabschnitts der Vorrichtung reduziert oder verhindert mögliche Fehler, die durch reflektierte Interferenzen von anderen Maschinen oder Vorrichtungen außerhalb des Testabschnitts verursacht werden könnten. Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß dieser Erfindung sind ausgeführt, um ein elektromagnetisches Interferenzmuster zwischen zwei sich in entgegengesetzten Richtungen ausbreitenden elektromagnetischen Wellen in der Vorrichtung zu erzeugen. Die Betriebsfrequenz wird abgetastet, um charakteristische Frequenzen, bei denen die Interferenz entweder verstärkend oder aufhebend ist und der gemessene Einfügungsverlust entweder ein Maximum oder ein Minimum ist, zu finden. Die charakteristischen Frequenzen werden umgeformt in eine Information zur Dielektrizitätskonstanten der Flüssigkeit. Diese interferometrische Brückenabgleichstechnik vereinfacht erheblich den Umformungsmechanismus und verbessert die Genauigkeit. Wenn die Leitfahigkeit des gemessenen Materials zu groß ist, mißt die Vorrichtung stattdessen die Flüssigkeitsleitfahigkeit durch Messung der Veränderungen des Einfügungsverlusts. Durch Messung der Flüssigkeitseigenschaften an um die Testvorrichtung herum angeordneten Orten bestimmt die Vorrichtung, ob das gemessene Material homogen gemischt ist. Die Vorrichtung verwendet Dielektrizitäts- oder Leitfähigkeits und Dichtemessungen, um die Zusammensetzung von drei- oder vier-Komponenten-Mischungen, so wie Öl, Wasser und Gas, zu bestimmen.
Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß dieser Erfindung können auch zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Prozeßmaterialien unter Verwendung entweder von Kreuzkorrelationstechniken, ausgeführt mit zwei Zusammensetzungsnachweisvorrichtungen, angeordnet in bekanntem Abstand voneinander in einem Prozeßstrom, oder unter Verwendung einer einzelnen Zusammensetzungsnachweisvorrichtung, angeordnet in einem bekannten Abstand stromabwärts von einer Flüssigkeitseinspritzvorrichtung, die Material in den Prozeßstrom einspritzt, das seine dielektrischen Eigenschaften ändert, verwendet werden.
Für den Fachmann sollte außerdem naheliegend sein, daß verschiedene Änderungen in Form und Details der gezeigten und beschriebenen Erfindung gemacht werden können. Es ist beabsichtigt, daß diese Änderungen in den Anwendungsbereich der hierzu angefügten Ansprüche eingeschlossen sind.

Claims

1. Nachweisvorrichtung für Mehrkomponenten-Zusammensetzungen, die einen Meßumformer (135, 135A, 135C, 40, 60, 80, 410, 261, 150, 301, 303, 313) mit einer elektrisch leitenden Wand, die eine Hülle mit physikalisch offenen Enden zur Einführung der Zusammensetzung bildet, wobei dieser Meßumformer einen Testabschnitt (141, 45, 64, 82, 245, 152) mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende enthält, sowie mindestens einen Sendekoppler für elektromagnetische Wellen (137, 137A, 137C, 46, 70, 86, 142, 160, 162, 164) und einen Empfangskoppler für elektromagnetische Wellen (1378, 139C, 47, 72, 88, 144, 166, 168, 170) aufweist, die dieser Hülle gegenüberliegen, wobei dieser mindestens eine Sendekoppler an einem ersten Ort auf dem Testabschnitt angeordnet ist, um in der Hülle elektromagnetische Wellen zu erzeugen, und der Empfangskoppler an einem zweiten Ort auf dem Testabschnitt angeordnet ist, um elektromagnetische Wellen aus der Hülle zu empfangen; dadurch gekennzeichnet, daß der Meßumformer außerdem an jedem der ersten und zweiten Enden des Testabschnitts einen Impedanzabschnitt (145, 44, 68, 84, 241, 243, 154), wobei jeder der Impedanzabschnitte eine Impedanz aufweist, die sich von der Impedanz des Testabschnitts unterscheidet; eine Schaltung, in welcher der Meßumformer mindestens einen elektrischen Pfad umfaßt; und Mittel zur Erzeugung eines minimalen oder maximalen Ausgangs aus der Schaltung durch Induzieren eines elektromagnetischen Interferenzmusters aufweist, wobei dieser minimale oder maximale Ausgang dazu dient, relative Anteile der Komponenten in der, Zusammensetzung zu charakterisieren.

2. Nachweisvorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher der Testabschnitt eine äußere Begrenzung aufweist, die nicht mit einer äußeren Begrenzung des Impedanzabschnitts zusammenfällt.

3. Nachweisvorrichtung nach Anspruch 2, bei welcher der Testabschnitt eine andere Größe aufweist als der Impedanzabschnitt.

4. Nachweisvorrichtung nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, bei welcher der Testabschnitt eine andere Gestalt aufweist als der Impedanzabschnitt.

5. Nachweisvorrichtung nach Anspruch 2 oder Anspruch 3 oder Anspruch 4, bei welcher der Testabschnitt eine andere geometrische Anordnung aufweist als der Impedanzabschnitt.

6. Nachweisvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, bei welcher der Testabschnitt einen anderen Durchmesser aufweist als der Impedanzabschnitt.

7. Nachweisvorrichtung nach Anspruch 6, bei welcher der Testabschnitt einen größeren Durchmesser aufweist als der Impedanzabschnitt.

8. Nachweisvorrichtung nach Anspruch 6, bei welcher der Testabschnitt einen kleineren Durchmesser aufweist als der Impedanzabschnitt.

9. Nachweisvorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher jeder Impedanzabschnitt (184, 247) zur Begrenzung des Testabschnitts mindestens eine physikalische Diskontinuität in der elektrisch leitenden Wand umfaßt.

10. Nachweisvorrichtung nach Anspruch 9, bei welcher jede physikalische Diskontinuität in der elektrisch leitenden Wand mindestens einen Teil der elektrisch leitenden Wand mit einem größeren Querschnitt als ein übriger Teil der elektrisch leitenden Wand umfaßt.

11. Nachweisvorrichtung nach Anspruch 9 oder Anspruch 10, bei welcher jede physikalische Diskontinuität im wesentlichen in einer Ebene quer zu einer Längsausdehnung der Hülle liegt.

12. Nachweisvorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher der Impedanzabschnitt einen Mantel aus Isoliermaterial aufweist, der an einer Innenfläche der elektrisch leitenden Wand angeordnet ist, wobei dieser Mantel aus Isoliermaterial einen ersten Abschnitt (66) aus einem ersten Isoliermaterial angrenzend an die Sende- und Empfangskoppler aufweist und wobei dieser Mantel aus Isoliermaterial zweite Abschnitte (68) aus einem zweiten Isoliermaterial aufweist, wobei auf jeder Seite der Sende- und Empfangskoppler ein solcher zweiter Abschnitt an den ersten Abschnitt anschließt, wobei das zweite Isoliermaterial eine im wesentlichen andere Dielektrizitätskonstante aufweist als das erste Isoliermaterial.

13. Nachweisvorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher der Impedanzabschnitt auf jeder Seite des Testabschnitts gelegene Teile (44) der elektrisch leitenden Wand aufweist, wobei der Testabschnitt (45) eine Grenzfrequenz besitzt, die sich von einer Grenzfrequenz des Impedanzabschnitts unterscheidet.

14. Nachweisvorrichtung nach Anspruch 13, die einen Isoliermantel (59) einschließt, welcher sich über die ersten und zweiten Teile der elektrisch leitenden Wand erstreckt.

15. Nach weisvorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher der Impedanzabschnitt einen Wellenleiter-Blindlastabschnitt (241, 243) umfaßt, der mit jedem der ersten und zweiten Enden des Testabschnitts verbunden ist, wobei diese Wellenleiter-Blindlastabschnitte allgemein parallel zu einer Längsausdehnung des Testabschnitts sind und durch eine Mehrzahl von Metalloberflächen (247, 247A-H) segmentiert sind.

16. Nachweisvorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher der Impedanzabschnitt einen mit Verlust behafteten Lastabschnitt (145) umfaßt, der mit jedem der ersten und zweiten Enden des Testabschnitts verbunden ist.

17. Nachweisvorrichtung nach Anspruch 16, die ein im wesentlichen verlustfreies Wellenleitermaterial enthält, das sich in dem Testabschnitt befindet, wobei der Impedanzabschnitt ein mit Verlust behaftetes Wellenleitermaterial (145) einschließt, das sich an jedem der zwei Enden des Testabschnitts befindet.

18. Nachweisvorrichtung nach Anspruch 17, bei welcher die verlustfreien und mit Verlust behafteten Wellenleitermaterialien für die elektrischen Isolation des Testabschnitts des Meßumformers vorgesehen sind.

19. Nachweisvorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 16 oder Anspruch 18, bei welcher der mindestens eine Sendekoppier mindestens einen ersten sendenden Koppier (137) und einen zweiten sendenden Koppier (137) umfaßt, wobei der Empfangskoppler (139) in einem anderen Abstand von dem ersten sendenden Koppler angeordnet ist als von dem zweiten sendenden Koppier.

20. Nachweisvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der mindestens eine Sendekoppier für elektromagnetische Wellen eine Mehrzahl von elektromagnetische Wellen sendenden Öffnungen (142, 160, 162, 164) umfaßt und der mindestens eine Empfangskoppler für elektromagnetische Wellen eine Mehrzahl von elektromagnetische Wellen empfangenden Öffnungen (144, 166, 168, 170) umfaßt, wobei diese sendenden und empfangenden Öffnungen um die elektrisch leitende Wand herum angeordnet sind.

21. Nachweisvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die außerhalb des Testabschnitts befindliche Mittel (3, 165, 201) enthält, um ein Eingangssignal zum Testabschnitt in erste und zweite Signalteile aufzuspalten, wobei die Schaltung eine Brückenschaltung umfaßt, die dazu dient, die ersten und zweiten Signalteile abzugleichen, wobei die Mittel zum Aufspalten des Eingangssignals so angeschlossen sind, daß sie mindestens einen solchen ersten Signalteil durch den Testabschnitt leiten, und die Mittel zur Erzeugung eines minimalen oder maximalen Ausgangs aus der Schaltung so angeschlossen sind, daß sie den zweiten Signalteil empfangen, um die Schaltung auf die Erzeugung des Maximums oder Minimums abzustimmen.

22. Nachweisvorrichtung nach Anspruch 21, bei welcher die Schaltung so konfiguriert ist, daß die ersten und zweiten Signalteile durch den Testabschnitt geleitet werden und der zweite Signalteil, jedoch nicht der erste Signalteil, durch die Mittel (153, 149, 211, R3, 231, 153, 149) zur Erzeugung eines minimalen oder maximalen Ausgangs geleitet wird.

23. Nachweisvorrichtung nach Anspruch 21 oder Anspruch 22, die einen variablen Frequenzgenerator (2, 199) aufweist, der angeschlossen ist, um die Eingangsgröße an die Signalaufspaltungsmittel zu liefern.

24. Nachweisvorrichtung nach Anspruch 21 oder Anspruch 22 oder Anspruch 23, die einen Phasenregler (153, 211) einschließt, der zur Einstellung der Phase des zweiten Signalteils angeschlossen ist.

25. Nachweisvorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 24, die einen veränderlichen Widerstand (RT, 22, R3, 149) enthält, der zur Einstellung der Dämpfung des zweiten Signals angeschlossen ist.

26. Nachweisvorrichtung nach Anspruch 21, bei welcher das Mittel zur Erzeugung eines minimalen Ausgangs aus der Brückenschaltung Mittel zur Einstellung einer Übertragungseigenschaft des zweiten Signalteils zur Erzeugung eines Null-Ausgangs einschließt.

27. Nachweisvorrichtung nach Anspruch 26, bei welcher das Mittel zur Einstellung einer Übertragungseigenschaft des zweiten Signalteils Mittel (153, 211) zur Einstellung der Phase des zweiten Signalteils einschließt.

28. Nachweisvorrichtung nach Anspruch 26 oder Anspruch 27, bei welcher das Mittel zur Einstellung einer Übertragungseigenschaft des zweiten Signalteils Mittel zur Einstellung der Dämpfung (RT, 22, R3, 149) des zweiten Signalteils einschließt.

29. Nachweisvorrichtung nach Anspruch 26 oder Anspruch 27 oder Anspruch 28, die Mittel enthält, die zur Veränderung der Frequenz der elektromagnetischen Wellen an den mindestens einen Sendekoppler angeschlossen sind.

30. Nachweisvorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 29, bei welcher das Miltel zur Erzeugung eines minimalen Ausgangs aus der Brückenschaltung Mittel (201) zur Herstellung einer Übertragungsphasendifferenz von 180 Grad zwischen den ersten und zweiten Signalteilen enthält.

31. Nachweisvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, bei welcher die Schaltung eine Brückenschaltung bildet und der Meßumformer zwei elektrische Pfade in der Brückenschaltung umfaßt.

32. Nachweisvorrichtung nach Anspruch 31, die brückenschaltungseinstellbare Schaltungselemente außerhalb des Meßumformers aufweist.

33. Nachweisvorrichtung nach Anspruch 32, bei welcher die einstellbaren Schaltungselemente ein einstellbares Dämp fungsglied (R11, 11, R3, 149) aufweisen.

34. Nachweisvorrichtung nach Anspruch 32 oder Anspruch 33, bei welcher die einstellbaren Schaltungselemente einen einstellbaren Phasenverschieber (153, 211) einschließen.

35. Nachweisvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die eine Dichteanzeigeeinrichtung (236, 176) aufweist, welche zwecks Messung der Dichte der Zusammensetzung an einem Ort, der sich in einem Abstand von dem Testabschnitt befindet, mit dem Meßumformer verbunden ist.

36. Nachweisvorrichtung nach Anspruch 35, bei welcher der minimale oder maximale Ausgang und die Dichte dazu dienen, die Verhältnisse der bestandteilbildenden Stoffe in der Zusammensetzung zu charakterisieren.

37. Nachweisvorrichtung nach Anspruch 35 oder Anspruch 36, die Mittel (222) einschließt, welche mit der Dichteanzeigeeinrichtung verbunden sind, um die gemessene Dichte mit einer für die Zusammensetzung berechneten Dichte zu vergleichen.

38. Nachweisvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Hülle einen Durchgang aufweist, durch den die Zusammensetzung hindurchgeleitet werden kann.

39. Nachweisvorrichtung nach Anspruch 38, die Mittel (303, 311) aufweist, welche mit dem Durchgang zur Bestimmung einer Durchflußgeschwindigkeit der Zusammensetzung verbunden sind.

40. Nachweisvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Sende- und Empfangskoppler in der elektrisch leitenden Wand angeordnet sind.

41. Nachweisvorrichtung (301) nach Anspruch 38, die an einem ersten Ort auf einer zum Durchleiten der Zusammensetzung dienenden Rohrleitung montiert ist, in Kombination mit einer zweiten Nachweisvorrichtung (303) nach Anspruch 38, die an einem zweiten Ort auf der Rohrleitung montiert ist, welcher sich in einem Abstand von dem ersten Ort befindet, wobei die erste und die zweite Nachweisvorrichtung in Kombination Mittel bilden, um eine Durchfiußgeschwindigkeit der Zusammensetzung durch die Rohrleitung zu bestimmen, wobei außerdem Mittel vorhanden sind, die für die Kreuzkorrelation von Ausgangssignalen von der ersten und der zweiten Zusammensetzungsnachweisvorrichtung mit der ersten und der zweiten Nachweisvorrichtung verbunden sind, um eine Zeitdauer zu bestimmen, die ein Teil der Zusammensetzung benötigt, um von dem ersten Ort zum zweiten Ort zu gelangen.

42. Nachweisvorrichtung nach Anspruch 39, bei welcher das mit dem Durchgang verbundene Mittel einen Substanzeinspritzstutzen (311) umfaßt, der auf einer Rohrleitung in einem bekannten Abstand stromaufwärts von einem Kontrollabschnitt (313) der ebenfalls auf der Rohrleitung montierten Nachweisvorrichtung montiert ist, wobei der Kontrollabschnitt und der Substanzeinspritzstutzen in Kombination dazu geeignet sind, die Durchflußgeschwindigkeit der Zusammensetzung durch den Durchgang zu bestimmen, wobei die Nachweisvorrichtung außerdem Mittel zur Messung einer Zeitdauer einschließt, die an dem Substanzeinspritzstutzen eingespritzte Substanz benötigt, um zum Kontrollabschnitt zu gelangen.

43. Verfahren zur Messung der Zusammensetzung eines Mehrkomponentengemisches, welches die folgenden Schritte umfaßt:

(1) Bereitstellung mindestens eines Sendekopplers für elektromagnetische Wellen (137, 137A, 137C, 461, 70, 86, 142, 160, 162, 164) in einem Abstand von einem Empfangskoppler (137B, 139C, 47, 72, 88, 144, 166, 168, 170);

(2) Senden elektromagnetischer Wellen in das Gemisch; und

(3) Empfangen der übertragenen elektromagnetischen Wellen an dem Empfangskoppler; gekennzeichnet durch:

(4) Erzeugung eines Interferenzmusters der elektromagnetischen Wellen in dem Gemisch;

(5) Verändern der Frequenz der elektromagnetischen Wellen; und

(6) Beobachten von Frequenzen, bei denen Sendeenergiemaxima oder -minima empfangen werden.

44. Verfahren nach Anspruch 431 das den Schritt der Dichtemessung des Mehrkomponentengemisches einschließt.

45. Verfahren nach Anspruch 43, welches einschließt:

(7) Messen von Temperatur und Druck des Mehrkomponentengemisches;

(8) Erzeugen einer gemessenen Dielektrizitätskonstante des Mehrkomponentengemisches aus den beobachteten Maximum- oder Minimumfrequenzen;

(9) Erzeugen einer gemessenen Dichte des Mehrkomponentengemisches;

(10) Setzen einer ersten Variablen, die sich auf ein volumetrisches Verhältnis einer ersten Komponente des Gemisches bezieht, auf Null;

(11) Berechnen eines volumetrischen Verhältnisses für jede verbleibende Komponente des Gemisches außer der ersten Komponente aus der gemessenen Dielektrizitätskonstante des Mehrkomponentengemisches;

(12) Berechnen einer Dichte des Mehrkomponentengemisches aus den berechneten volumetrischen Verhältnissen der übrigen Komponenten des Gemisches;

(13) Vergleichen der berechneten Dichte des Gemisches mit der gemessenen Dichte des Gemisches;

(14) falls die berechnete Dichte nicht größer als die gemessene Dichte des Gemisches ist, Fortfahren mit Schritt 17;

(15) falls die berechnete Dichte größer als die gemessene Dichte des Gemisches ist, Setzen der ersten Variablen auf einen neuen Wert und erneutes Berechnen der volumetrischen Verhältnisse der übrigen Komponenten auf der Grundlage der neu festgesetzten ersten Variablen;

(16) Wiederholen von Schritt 15, bis die berechnete Dichte des Gemisches der gemessenen Dichte des Gemisches entspricht, und dann Fortfahren mit Schritt 19;

(17) falls die berechnete Dichte geringer als die gemessene Dichte ist, Setzen einer zweiten Variablen, die sich auf ein volumetrisches Verhältnis einer Gemisch-Komponente mit der geringsten Dichte bezieht, auf Null; und falls die berechnete Dichte nicht geringer als die gemessene Dichte ist, Fortfahren mit Schritt 19;

(18) erneutes Berechnen - auf der Grundlage der gemessenen Dichte - von volumetrischen Verhältnissen anderer Komponenten in dem Gemisch außer der Komponente mit der geringsten Dichte, einschließlich der Berechnung einer dritten Variablen, die sich auf eine Komponente mit einem höchsten Dielektrizitätskonstantenwert bezieht;

(19) Berechnen der Dielektrizitätskonstante des Gemisches auf der Grundlage der volumetrischen Verhältnisse der Komponenten des Gemisches, wobei die bei der Berechnung der Dielektrizitätskonstante verwendeten volumetrischen Verhältnisse die neu festgesetzten und neu berechneten Verhältnisse sind, falls eine solche erneute Festsetzung oder Berechnung durchgeführt worden ist;

(20) Vergleichen der berechneten Dielektrizitätskonstante des Gemisches mit der gemessenen Dielektrizitätskonstante des Gemisches;

(21) falls die berechnete Dielektrizitätskonstante größer als die gemessene Dielektrizitätskonstante ist, Verkleinern der dritten Variablen, und falls die berechnete Dielektrizitätskonstante geringer als die gemessene Dielektrizitätskonstante ist, Vergrößern der dritten Variablen und erneutes Berechnen der volumetrischen Verhältnisse der übrigen Komponenten in dem Gemisch außer der Komponente mit der höchsten Dielektrizitätskonstante auf der Grundlage der neu festgesetzten dritten Variablen, und zwar derart, daß die berechnete Dichte mit der gemessenen Dichte gleich gelassen wird;

(22) Wiederholen von Schritt 21, bis die berechnete Dielektrizitätskonstante der gemessenen Dielektrizitätskonstante entspricht, um die volumetrischen Verhältnisse der Komponenten des Gemisches zu erhalten.

46. Verfahren nach Anspruch 45, bei welchem die erste Komponente des Gemisches ein Gas ist.

47. Verfahren nach Anspruch 45, bei welchem die erste Komponente und die Komponente mit der geringsten Dichte dieselbe Komponente sind.

48. Verfahren nach Anspruch 43, welches umfaßt:

(1) Messen von Temperatur, Druck und Dielektrizitätskonstante des Gemisches;

(2) Eneugen einer gemessenen Dielektrizitätskonstante und einer gemessenen Dichte des Mehrkomponentengemisches;

(3) Setzen einer ersten Variablen, die sich auf ein volumetrisches Verhältnis einer der Komponenten des Gemisches bezieht, auf Null;

(4) Berechnen eines volumetrischen Verhältnisses für jede verbleibende Komponente außer der ersten Komponente des Gemisches aus der gemessenen Dielektrizitätskonstante des Mehrkomponentengemisches;

(5) Berechnen einer Dichte des Mehrkomponentengemisches aus den berechneten volumetrischen Verhältnissen der verbleibenden Komponenten des Gemisches;

(6) Vergleichen der berechneten Dichte des Gemisches mit der gemessenen Dichte des Gemisches;

(6.1) falls die berechnete Dichte nicht größer als die gemessene Dichte ist, Fortfahren mit Schritt 9;

(7) falls die berechnete Dichte größer als die gemessene Dichte ist, Setzen der ersten Variablen auf einen neuen Wert und erneutes Berechnen der volumetrischen Verhältnisse der verbleibenden Komponenten auf der Grundlage der neu festgesetzten ersten Variablen;

(8) Wiederholen von Schritt 7, bis die berechnete Dichte des Gemisches der gemessenen Dichte des Gemisches entspricht, und dann Fortfahren mit Schritt 12;

(9) falls die berechnete Dichte geringer als die gemessene Dichte ist, Setzen einer zweiten Variablen, die sich auf ein volumetrisches Verhältnis einer Gemisch-Komponente mit der geringsten Dichte bezieht, auf Null; und falls die berechnete Dichte nicht geringer als die gemessene Dichte ist, Fortfahren mit Schritt 11;

(10) erneutes Berechnen - auf der Grundlage der gemessenen Dichte - von volumetrischen Verhältnissen anderer Komponenten in dem Gemisch außer der Komponente mit der geringsten Dichte, einschließlich der Berechnung einer dritten Variablen, die sich auf ein volumetrisches Verhältnis einer Komponente mit einem höchsten Dielektrizitätskonstantenwert bezieht;

(11) Berechnen der Dielektrizitätskonstante des Gemisches auf der Grundlage der volumetrischen Verhältnisse der Komponenten des Gemisches, wobei die bei der Berechnung der Dielektrizitätskonstante verwendeten volumetrischen Verhältnisse die neu festgesetzten und neu berechneten Verhältnisse sind, falls eine solche erneute Festsetzung oder Berechnung durchgeführt worden ist;

(12) Vergleichen der berechneten Dielektrizitätskonstante des Gemisches mit der gemessenen Dielektrizitätskonstante des Gemisches;

(13) falls die berechnete Dielektrizitätskonstante größer als die gemessene Dielektrizitätskonstante ist, Verkleinern der dritten Variablen, und falls die berechnete Dielektrizitätskonstante geringer als die gemessene Dielektrizitätskonstante ist, Vergrößern der dritten Variablen und erneutes Berechnen der volumetrischen Verhältnisse der übrigen Komponenten in dem Gemisch außer der Komponente mit der höchsten Dielektrizitätskonstante auf der Grundlage der neu festgesetzten dritten Variablen, und zwar derart, daß die berechnete Dichte mit der gemessenen Dichte gleich gelassen wird; und

(14) Wiederholen von Schritt 13, bis die berechnete Dielektrizitätskonstante der gemessenen Dielektrizitätskonstante entspricht, um die volumetrischen Verhältnisse der Komponenten des Gemisches zu erhalten.

49. Verfahren nach Anspruch 48, bei welchem die erste Komponente des Gemisches ein Gas ist.

50. Verfahren nach einem der Ansprüche 43 bis 49, bei welchem die elektromagnetischen Wellen an einer Mehrzahl von Punkten um einen das Gemisch enthaltenden Testabschnitt gesendet und empfangen werden.

51. Verfahren nach einem der Ansprüche 43 bis 50, das den Schritt des Vorbeileitens des Gemisches an den Sendekopplern und dem Empfangskoppler einschließt.

52. Verfahren nach einem der Ansprüche 43 bis 51, das die Isolation der Sende- und Empfangskoppler mit einer Last auf jeder von dem Empfangskoppler entfernten Seite der Sendekoppler einschließt.

53. Verfahren nach Anspruch 52, bei welchem die Last eine Blindlast umfaßt.

54. Verfahren nach Anspruch 52, bei welchem die Last eine ohmsche Last umfaßt.

55. Verfahren nach einem der Ansprüche 43 bis 54, das den Schritt der Bestimmung der Durchflußgeschwindigkeit des Mehrkomponentengemisches einschließt.

56. Verfahren nach Anspruch 55, bei welchem die Schritte 1 bis 6, wie sie in Anspruch 43 beschrieben sind, an einem ersten Ort zu einer ersten Zeit durchgeführt werden und eine erste Zusammensetzungsmessung umfassen und wobei der Schritt der Bestimmung der Durchflußgeschwindigkeit die folgenden Schritte einschließt: Erzeugen einer zweiten Zusammensetzungsmessung durch Messen der Zusammensetzung des Mehrkomponentengemisches in Übereinstimmung mit Anspruch 43 zu einem zweiten Zeitpunkt an einem zweiten Ort, der sich in einem Abstand von dem ersten Ort befindet; und Kreuzkorrelieren der ersten und der zweiten Zusammensetzungsmessung.

57. Verfahren nach Anspruch 55, bei welchem die Schritte 1 bis 6, wie sie in Anspruch 43 beschrieben sind, an einem ersten Ort durchgeführt werden und der Schritt der Bestimmung der Durchflußgeschwindigkeit die folgenden Schritte einschließt: Einspritzen einer Substanz in das Mehrkomponentengemisch an einem zweiten Ort in einem bekannten Abstand von dem ersten Ort; und Bestimmung der Durchflußgeschwindigkeit anhand der Wegzeit der eingespritzten Substanz von dem zweiten Ort zum ersten Ort.

58. Durchfluß messer zur Messung der Durch flußgeschwindigkeit einer in einer Rohrleitung fließenden Zusammensetzung, umfassend: eine erste Nachweisvorrichtung (301) nach einem der Ansprüche 1 bis 38, die an einem ersten Ort auf der Rohrleitung angeordnet ist, und eine zweite Nachweisvorrichtung (303) nach einem der Ansprüche 1 bis 38, die an einem zweiten Ort an der Rohrleitung angeordnet ist; und Mittel zum Kreuzkorrelieren erster und zweiter Werte, die von der ersten und der zweiten Nachweisvorrichtung erfaßt worden sind, um eine Zeit zu bestimmen, die ein bestimmter Teil der Zusammensetzung benötigt&sub1; um von der ersten Nachweisvorrichtung zur zweiten Nachweisvorrichtung zu gelangen.

59. Durchflußmesser zur Messung der Durchflußgeschwindigkeit einer in einer Rohrleitung fließenden Zusammensetzung, umfassend: Mittel (311), die an einem ersten Ort mit der Rohrleitung verbunden sind, um eine Substanz in die Rohrleitung einzuspritzen, wobei die Substanz mindestens eine elektrische Eigenschaft mit einem Wert besitzt, der sich von einem Wert derselben elektrischen. Eigenschaft für die Zusammensetzung unterscheidet; eine Nachweisvorrichtung (313) nach einem der Ansprüche 1 bis 38, die an einem zweiten Ort auf der Rohrleitung angeordnet ist, um Werte der elektrischen Eigenschaft der eingespritzten Substanz und der Zusammensetzung zu messen; und Mittel zur Erzeugung von Werten dieser Eigenschaft, sobald sie von der Kontrollvorrichtung erfaßt wird, um Veränderungen in diesen Werten zu erfassen, um eine Zeit zu messen, die die eingespritzte Substanz benötigt, um von dem ersten Ort zum zweiten Ort zu fließen.