WO1995027895A1 - Verfahren zur messung eines mehrkomponentigen und/oder mehrphasigen strömenden mediums - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a method for measuring physical structural parameters of a multi-component and / or multi-phase flowing medium, the medium flowing through electromagnetic cavity resonators, the dielectric constants of the medium in the flow direction and transverse to the direction of flow being determined from longitudinal and transverse natural frequencies of natural vibrations of the cavity resonators and the temperature and pressure of the medium are measured simultaneously, and a device for carrying out the method.
- the resonators are arranged and operated in such a way that the electric field vector of the electromagnetic field is directed parallel and / or transversely to the direction of flow of the medium. From this one obtains values of the dielectric constant in the longitudinal and transverse directions of the medium flowing through the resonator.
- pressure and temperature of the medium are also measured by means of suitable sensors. The phase relationship is calculated from these measurement data and the known physical properties of the medium.
- the cavity resonators As half-wave or quarter-wave coaxial tube resonators. Longitudinal and / or transverse electromagnetic waves are coupled into these tube resonators by means of suitable transmitting and receiving elements in the direction of flow of the medium and transversely thereto, and the natural frequencies of the natural vibrations are determined by resonant tuning.
- the known method has the advantage that the phase ratio in flowing two-phase media of any heterogeneity can be reliably determined. Furthermore, the determination of the concentration ratio of the components of a two-component mixture is also made possible. The measurement results are practically not influenced by the type of flow, concentration or density of the medium; for example, there are no special requirements for the shape and distribution of vapor bubbles in a liquid-vapor mixture.
- the known method and consequently the measuring devices operating according to this method have the disadvantage that the detection of the phase ratio or the concentration ratio of the individual components is limited to two-phase or two-component media. In practice, common three-phase or multi-component mixtures' are therefore in terms of their structure previously inaccessible.
- the invention proposes that the natural frequencies of the resonators be measured in at least three different spatial directions.
- the invention proposes that the resonance frequency and the Q factor at the resonance frequency be measured simultaneously for each natural frequency measurement.
- the Q factor or quality factor is generally used in electrical engineering to identify the quality of a resonant circuit.
- the Q factor is calculated from the ratio of the full width at half maximum and the height of the natural resonance peak.
- the Q factor of the cavity resonator is influenced by the physical properties of the phase and component distribution, which have no influence on the position of the resonance peak, i.e. the natural frequency. For this reason, correction values can be determined from the Q factor, which are added to the dielectric constant determined solely from the resonance frequency and which increase the measurement accuracy by approximately one order of magnitude.
- Flow direction of successive cavity resonators is determined.
- autocorrelation methods which are known in principle, in the method according to the invention a random pattern generated by statistical fluctuations is identified in the course of the measured data over time at two successive measuring points that are a certain distance apart. Due to the time shift, the flow velocity of the mass or volume flow can easily be determined.
- a device for performing the method according to the invention can be realized particularly advantageously by having pressure sensors, temperature sensors and at least three electromagnetic cavity resonators oriented in different spatial directions, the medium flowing through the cavity resonators, each with pairs of supply and evaluation units assigned to one another connectable, electromagnetic transmission and reception elements are provided.
- Semiconductors or piezoelectric sensors, for example, can be used as pressure and temperature sensors. These provide measured values of the required high accuracy and can be easily connected to supply and evaluation units.
- the cavity resonators are preferably designed as microwave resonators. These can be made small and robust, so that the construction of handy and insensitive to mechanical stress measuring devices is made possible.
- Cavity resonator is a two-chamber resonator, which consists essentially of a cylindrical inner and one also cylindrical outer resonator chamber is formed, with a tubular media feed-through made of dielectric material running axially in the longitudinal direction through the inner chamber, the inner resonator chamber being concentrically surrounded by and connected to the outer resonator chamber, with pairs of mutually associated ones in the outer surface of the outer resonator chamber Transmitting and receiving antennas are arranged in such a way that they excite and receive natural electromagnetic vibrations in the longitudinal direction and in at least two different transverse directions in the inner resonator chamber.
- This embodiment is characterized by a particularly compact structure and is particularly economical to produce due to the relatively simple mechanical construction.
- the entire resonator consists essentially of conductive material, for example metal.
- the conductive surfaces of the inner and outer resonator chambers are conductively connected to one another.
- the through the inner resonator chamber, tubular media feedthrough consists of dielectric material, such as. B. glass or plastic.
- the media feed-through preferably corresponds to the diameter of a pipeline through which a medium to be measured flows. This ensures the free flow of the medium through the measuring device.
- the dielectric material can be selected so that it easily withstands abrasive and / or corrosive media.
- the passage openings in the cavity resonator for the tubular media feedthrough are arranged in such a way that the electromagnetic natural vibrations generated in the interior of the resonator are not emitted to the outside. Due to the axial, central arrangement in the inner resonator chamber, the medium flowing through the media feed-through is traversed by the electrical field vectors of a longitudinal natural vibration in the longitudinal direction and, accordingly, by the electrical field vectors of the transversely oriented, transverse natural vibrations in different radial directions.
- the coaxial two-chamber resonator can be tuned particularly precisely, which makes it easy to determine the longitudinal and transverse natural frequencies and their Q factor. Reliable, continuous operation is ensured by the fact that the transmitting and receiving antennas are installed in the outer resonator chamber and are not subject to wear from the flowing medium.
- At least two two-chamber resonators are arranged one behind the other in the direction of flow of the medium.
- FIG. 1 shows a longitudinal section through a two-chamber resonator according to the invention
- the cavity resonator is provided as a whole with the reference number 1. It consists of a cylindrical, tubular housing 2, which is closed at its head ends. A pipe 3, through which the medium flows, runs axially through the housing 2. In the middle section in the housing 2, a media feed-through 4 is inserted into the pipeline 3, which has the same cross-section as the pipeline 3 and is shown in broken lines. At both ends of the media feed-through 4, annular disks 5a and 5b are placed on the pipeline 3 and form the boundaries of the inner resonator chamber in the axial direction. This inner resonator chamber is delimited radially outwards by the casing wall of the housing 2.
- the interior of the housing 2 minus the pipeline 3 and the area of the inner resonator chamber forms the outer resonator chamber. Consequently, it surrounds the inner resonator chamber and communicates with the latter via the radial gaps between the annular disks 5a and 5b and the housing 2.
- a pair of longitudinally radiating longitudinal antennas 6a and 6b are mounted in the casing wall of the housing 2.
- 6a is a transmitting antenna for microwaves and the antenna 6b is a receiving antenna for microwaves. In principle, both are constructed in the same way.
- the reference numerals 7a and 7b denote a pair of radially oriented transverse antennas arranged in the housing 2 in the area of the media feed-through 4.
- 7a is a transmitting antenna
- 7b the receiving antenna assigned to it.
- a further pair of transversal antennas 8a and 8b is attached in the housing 2, which are arranged offset from the transversal antennas 7a and 7b on the casing of the housing 2 by 90 ° and therefore are only indicated schematically in this representation.
- a temperature sensor 9 and a pressure sensor 10 are attached to the housing 2 in the region of the pipeline 3 and are in contact with the interior of the pipeline 3.
- the housing 2, including the pipeline 3 and the annular disks 5a and 5b, is made of metal.
- the media feedthrough 4 is made of dielectric material, for example glass or plastic.
- the resonator interior, i.e. the inside of the housing 2 is sealed against the pipeline 3 or the media bushing 4.
- FIG. 2 shows a radial section through the cavity resonator 1 according to FIG. 1 at the level of the transverse antennas 7a / b and 8a / b.
- the same reference numerals are used as in FIG. 1.
- the paired arrangement of the transversal antennas 7a and 7b and 8a and 8b can be clearly seen.
- the longitudinal antennas 6a and 6b, the transverse antennas 7a, 7b, 8a and 8b as well as the pressure sensor 10 and the temperature sensor 9 are connected to an evaluation and supply unit, not shown, which supplies all the necessary operating voltages to the sensors and antennas and simultaneously enables the evaluation of the signals delivered by these sensors or antennas.
- an evaluation and supply unit not shown, which supplies all the necessary operating voltages to the sensors and antennas and simultaneously enables the evaluation of the signals delivered by these sensors or antennas.
- a high-frequency signal is given to the transversal transmit antennas 7a and 8a and to the longitudinal transmit antenna 6a, the frequency of which is selected such that there is between the antenna pairs 6a and 6b, 7a and 7b and 8a and 8b form standing waves with the corresponding longitudinal and transverse natural frequencies of the cavity resonator 1.
- the electrical field vector of the natural vibrations generated by the longitudinal antennas 6a and 6b runs in the region of the inner resonator chamber, ie also in the longitudinal direction within the media bushing 4.
- the electric field vector of the standing wave formed between the transversal antennas 7a and 7b runs transversely through the inner resonator and thus the media feed-through 4.
- the electric field vector between the pair of transverse antennas 8a and 8b also runs perpendicularly through the inner resonator chamber in the transverse direction to the field vector between the antenna pair 7a and 7b.
- the frequency given to the transmitting antennas 6a, 7a and 8a is set by the supply unit (not shown) such that the signal received by the receiving antennas 6b, 7b and 8b is minimal - if the Cavity resonator 1 is a ⁇ / 2 resonator - or maximum if the cavity resonator 1 is a ⁇ / 4 resonator.
- the Q factor of each natural frequency is determined at the same time.
- the medium flowing through the media bushing 4 is penetrated by both the longitudinal electric field vector of the natural vibration between the longitudinal antennas 6a and 6b and the transversely perpendicular electric field vectors of the natural vibration between the transverse antenna pairs 7a / b and 8a / b.
- Three values for the assigned dielectric constants are calculated from the values of the three natural frequencies of the natural vibrations determined in this way.
- the complete display of all physical flow parameters of a three-phase, three-component medium can be carried out on the basis of the measurement data recorded in the manner described above - three dielectric constants, pressure and temperature.
- the measurement data obtained by the method according to the invention by means of the illustrated cavity resonator 1 with regard to the nature of the medium are distinguished by high accuracy.
- an extension of the measuring device to almost any number of phases and components is conceivable.
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung von physikalischen Strukturparametern eines mehrkomponentigen und/oder mehrphasigen Mediums, wobei das Medium elektromagnetische Hohlraumresonatoren durchströmt, die Dielektrizitätskonstanten des Mediums in Fließrichtung und quer zur Fließrichtung aus longitudinalen und transversalen Eigenfrequenzen von Eigenschwingungen der Hohlraumresonatoren bestimmt werden und gleichzeitig Temperatur und Druck des Mediums gemessen werden, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Um die Messung von physikalischen Strukturparametern von Mehrphasen- und/oder Mehrkomponenten-Medien zu ermöglichen, schlägt das erfindungsgemäße Verfahren vor, daß die Eigenfrequenzen der Resonatoren in mindestens drei unterschiedlichen Raumrichtungen gemessen werden. Durch die erfindungsgemäße Messung von Dielektrizitätskonstanten des Mediums in unterschiedlichen Raumrichtungen ist die Zusammensetzung und physikalische Beschaffenheit beliebig vieler in dem Medium enthaltener Phasen und Komponenten möglich. Zur Erhöhung der Meßgenauigkeit schlägt die Erfindung weiterhin vor, daß bei jeder Eigenfrequenzmessung gleichzeitig die Resonanzfrequenz und der Q-Faktor bei der Resonanzfrequenz gemessen werden. Dadurch werden Korrekturgrößen ermittelt, die zu den aus den Resonanzfrequenzen ermittelten Dielektrizitätskonstanten addiert werden und dadurch die Meßgenauigkeit annähernd um eine Größenordnung erhöhen.
Description
Verfahren zur Messung eines mehrkomponentiσen und/oder mehrphasigen strömenden Mediums
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung von physikalischen Strukturparametern eines mehrkomponentigen und/oder mehrphasigen strömenden Mediums, wobei das Medium elektromagnetische Hohlraumresonatoren durchströmt, die Dielektrizitätskonstanten des Mediums in Fließrichtung und quer zur Fließrichtung aus longitudinalen und transversalen Eigenfrequenzen von Eigenschwingungen der Hohl¬ raumresonatoren bestimmt werden und gleichzeitig Temperatur und Druck des Mediums gemessen werden, sowie eine Vorrich¬ tung zur Durchführung des Verfahrens.
Im Stand der Technik ist aus der internationalen Patentan¬ meldung PCT/RU 92/00182 ein Verfahren bekannt, bei dem Zweiphasen-Strömungsparameter von kontinuierlich fließenden Medien mit unterschiedlichen Dichten der Phasen meßbar sind. Dabei durchströmt das Medium elektromagnetische Resonatoren, in denen jeweils ein elektromagnetisches Feld resonant eingekoppelt ist. Aufgrund der dielektrischen Eigenschaften des Mediums ergibt sich eine Verstimmung der Eigenfrequenz des jeweiligen Resonators. Diese wird gemessen und dient zur Bestimmung der Dielektrizitätskonstante des Mediums.
ORIGINALUNTERLAGEN
Um Rückschlüsse auf das Phasenverhältnis des Mediums zu erhalten, werden die Resonatoren derart angeordnet und betrieben, daß der elektrische Feldvektor des elektromagne¬ tischen Feldes parallel und/oder quer zur Fließrichtung des Mediums gerichtet ist. Hieraus erhält man Werte der Dielek¬ trizitätskonstanten in Längs- und Querrichtung des den Resonator durchströmenden Mediums. Neben den hierzu ermittelten Resonanzfrequenzen in Längs- und Querrichtung werden mittels geeigneter Sensoren zusätzlich Druck und Temperatur des Mediums gemessen. Aus diesen Meßdaten und den bekannten physikalischen Eigenschaften des Mediums wird das Phasenverhältnis berechnet.
Zur Realisierung einer Meßvorrichtung nach dem genannten Verfahren wird vorgeschlagen, die Hohlraumresonatoren als Halbwellen- oder Viertelwellen- Koaxial- Rohrresonatoren auszuführen. In diese Rohrresonatoren werden mittels geeigneter Sende- und Empfangselemente in Fließrichtung des Mediums und quer dazu longitudinale und/oder transversale elektromagnetische Wellen eingekoppelt und durch resonante Abstimmung die Eigenfrequenzen der Eigenschwingungen ermittelt.
Das vorbekannte Verfahren hat den Vorteil, daß das Phasenverhältnis bei strömenden Zweiphasen-Medien beliebiger Heterogenität sicher bestimmbar ist. Weiterhin wird ebenfalls die Bestimmung des Konzentrationsverhältnisses der Komponenten eines Zweikomponenten-Gemisches ermöglicht. Die Meßergebnisse werden praktisch nicht durch Strömungsart, Konzentration oder Dichte des Mediums beeinflußt, beispielsweise werden keine besonderen Anforderungen an Form und Verteilung von Dampfblasen in einem Flüssigkeits-Dampf-Gemisch gestellt.
Das bekannte Verfahren und demzufolge die nach diesem Ver¬ fahren arbeitenden Meßvorrichtungen haben jedoch den Nach¬ teil, daß die Erfassung des Phasenverhältnisses oder des Konzentrationsverhältnisses der einzelnen Komponenten auf Zwei-Phasen- bzw. Zwei-Komponenten-Medien beschränkt ist. In der Praxis häufig auftretende Dreiphasen- oder Mehrkomponenten-Gemische' sind damit hinsichtlich einer Analyse ihrer Zusammensetzung bisher nicht zugänglich.
Daraus ergibt sich die Aufgabe der Erfindung, das Verfahren nach dem Stand der Technik derart weiterzubilden, daß die Messung von physikalischen Strukturparametern von Mehrphasen- und/oder Mehrkomponenten-Medien ermöglicht wird.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung vor, daß die Eigenfrequenzen der Resonatoren in mindestens drei unterschiedlichen Raumrichtungen gemessen werden.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird unter Beibehaltung der Vorteile der bekannten Verfahren erreicht, daß die physikalischen Strukturparameter von Medien mit mehr als zwei Phasen und/oder mehr als zwei Komponenten erfaßbar sind. Prinzipiell sind der Anzahl der zu unter¬ scheidenden Phasen und/oder Komponenten keine Grenzen gesetz. Einschränkungen bei der praktischen Realisierung ergeben sich lediglich durch die Größe des Resonators und das dadurch begrenzte Raumangebot für die Anordnung der Sende- und Empfangselemente.
Die Versorgungs- und Auswertevorrichtungen lassen sich unter Verwendung moderner Elektronik und Rechnertechnologie ohne Probleme an üblicherweise auftretende Einsatzbedingungen anpassen.
Ein weiterer Nachteil des bisher bekannten Verfahrens liegt darin, daß die Meßgenauigkeit oftmals nicht hinreichend ist. Daraus ergibt sich die zusätzliche Aufgabe der Erfindung, die Meßgenauigkeit zu erhöhen.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung vor, daß bei jeder Eigenfrequenzmessung gleichzeitig die Resonanzfrequenz und der Q-Faktor bei der Resonanzfrequenz gemessen werden. Der Q-Faktor oder Qualitätsfaktor wird allgemein in der Elektrotechnik zur Kennzeichnung der Güte eines Resonanzkreises gebraucht. In der Praxis wird der Q- Faktor aus dem Verhältnis der Halbwertsbreite und der Höhe des Eigenresonanz-Peaks berechnet. Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird der Q-Faktor des Hohlraumresonators von den physikalischen Eigenschaften der Phasen- und Komponentenverteilung beeinflußt, die keinen Einfluß auf die Lage des Resonanz-Peaks, d.h. der Eigenfrequenz haben. Deswegen lassen sich aus dem Q-Faktor Korrekturgrößen ermitteln, die zur allein aus der Resonanzfrequenz ermittelten Dielektrizitätskonstante addiert werden und die Meßgenauigkeit annähernd um eine Größenordnung erhöhen.
Die Berücksichtigung des Q-Faktors beim erfindungsgemäßen Verfahren gemäß dem Hauptanspruch ermöglicht somit erstmals die Messung von physikalischen Strukturparametern eines Mediums mit theoretisch beliebig vielen Phasen und Komponenten mit hoher Genauigkeit. Zur praktischen Realisierung ist lediglich eine Anpassung der Auswertevorrichtung erforderlich, die bei der zur Verfügung stehenden Technologie ohne großen Aufwand durchführbar ist.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens gemäß der Erfindung sieht vor, daß die Fließgeschwindigkeit des
Mediums durch Autokorrelation der Meßdaten von in
Fließrichtung aufeinander folgenden Hohlraumresonatoren
bestimmt wird. Durch Autokorrelationsverfahren, die im Prinzip bekannt sind, wird beim erfindungsgemäßen Verfahren ein durch statistische Schwankungen erzeugtes Zufallsmuster im zeitlichen Verlauf der ermittelten Meßdaten an zwei aufeinander folgenden, um eine bestimmte Strecke voneinander entfernten Meßpunkten identifiziert. Aufgrund der zeitlichen Verschiebung läßt sich somit leicht die Fließgeschwindigkeit des Massen- bzw. Volumenflusses ermitteln.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens läßt sich besonders vorteilhaft realisieren, indem sie Drucksensoren, Temperatursensoren, sowie mindestens drei in unterschiedliche Raumrichtung orientierte elektromagnetische Hohlraumresonatoren aufweist, wobei das Medium durch die Hohlraumresonatoren hindurchströmt, die jeweils mit paarweise einander zugeordneten, an Versorgungs- und Auswerteeinheiten anschließbaren, elektromagnetischen Sende- und Empfangselementen versehen sind. Als Druck- und Temperatur- sensoren lassen sich beispielsweise Halbleiter oder Pie¬ zoelektrische Sensoren verwenden. Diese liefern Meßwerte der erforderlichen, hohen Genauigkeit und sind einfach an Versorgungs- und Auswerteeinheiten anbindbar.
Die Hohlraumresonatoren werden vorzugsweise als Mikrowellen-Resonatoren ausgebildet. Diese lassen sich klein und robust ausführen, so daß die Konstruktion von handlichen und gegen mechanische Beanspruchungen unempfindlichen Meßvorrichtungen ermöglicht wird.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, daß mindestens ein
Hohlraumresonator ein Zwei-Kammer-Resonator ist, der im wesentlichen aus einer zylindrischen inneren und einer
ebenfalls zylindrischen äußeren Resonatorkammer gebildet wird, wobei durch die innere Kammer axial in Longitudinalrichtung eine rohrförmige Mediendurchführung aus dielektrischem Material verläuft, die innere Resonatorkammer von der äußeren Resonatorkammer konzentrisch umgeben ist und mit dieser in Verbindung steht, wobei in der Mantelfläche der äußeren Resonatorkammer paarweise einander zugeordnete Sende- und Empfangsantennen derart angeordnet sind, daß sie elektromagnetische Eigenschwingungen in Längsrichtung und in mindestens zwei unterschiedlichen Querrichtungen in der inneren Resonatorkammer anregen und empfangen. Diese Ausführungsform zeichnet sich durch einen besonders kompakten Aufbau aus und ist aufgrund der relativ einfachen mechanischen Konstruktion besonders wirtschaftlich produzierbar. Dabei besteht der gesamte Resonator im wesentlichen aus leitfähigem Material, beispielsweise Metall. Die leitenden Oberflächen der inneren und äußeren Resonatorkammer stehen leitend miteinander in Verbindung. Die durch die innere Resonatorkammer hindurchgeführte, rohrförmige Mediendurchführung besteht aus dielektrischem Material, wie z. B. Glas oder Kunststoff. In ihrem Quer¬ schnitt entspricht die Mediendurchführung vorzugsweise dem Durchmesser einer Rohrleitung, durch die ein zu messendes Medium fließt. Dadurch wird der freie Durchfluß des Mediums durch die Meßvorrichtung gewährleistet. Das dielektrische Material läßt sich so auswählen, daß es abrasiven und/oder korrosiven Medien problemlos standhält.
Die Durchtrittsöffnungen in dem Hohlraumresonator für die rohrförmige Mediendurchführung werden so angeordnet, daß die im Innern des Resonators erzeugten elektromagnetischen Eigenschwingungen nicht nach außen abgestrahlt werden.
Das durch die Mediendurchführung strömende Medium wird auf¬ grund der axialen, zentralen Anordnung in der inneren Resonatorkammer von den elektrischen Feldvektoren einer longitudinalen Eigenschwingung in Längsrichtung durchsetzt und entsprechend von den elektrischen Feldvektoren der quer ausgerichteten, transversalen Eigenschwingungen in unterschiedlichen Radialrichtungen durchsetzt. Der koaxiale Zwei-Kammer-Resonator läßt sich besonders genau abstimmen, wodurch sich die Bestimmung der longitudinalen und transversalen Eigenfrequenzen sowie deren Q-Faktor einfach durchführen läßt. Ein zuverlässiger Dauerbetrieb ist dadurch sichergestellt, daß die Sende- und Empfangsantennen in der äußeren Resonatorkammer angebracht sind und keinem Verschleiß durch das vorbeiströmende Medium unterliegen.
Zur Messung der Fließgeschwindigkeit des Mediums ist es zweckmäßig, daß mindestens zwei Zwei-Kammer-Resonatoren in Fließrichtung des Mediums hintereinander angeordnet sind. Durch Autokorrelation der Meßdaten der beiden Resonatoren kann leicht auf die Volumen- bzw. Massengeschwindigkeit geschlossen werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden an¬ hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen im einzelnen:
Fig. 1: Einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Zwei-Kammer-Resonator;
Fig. 2: Einen Querschnitt durch den Resonator gemäß Figur 1.
In Figur 1 ist der Hohlraumresonator als ganzes mit dem Bezugszeichen 1 versehen. Er besteht aus einem zylindrischen, rohrförmigen Gehäuse 2, welches an seinen Kopfenden geschlossen ist. Axial durch das Gehäuse 2 hindurch verläuft eine Rohrleitung 3, durch die Medium strömt. Im mittleren Abschnitt in dem Gehäuse 2 ist in die Rohrleitung 3 eine Mediendurchführung 4 eingefügt, die denselben Querschnitt wie die Rohrleitung 3 hat und gestrichelt eingezeichnet ist. An beiden Enden der Medien- durchführung 4 sind auf die Rohrleitung 3 ringförmige Scheiben 5a und 5b aufgesetzt, die in axialer Richtung die Begrenzungen der inneren Resonatorkammer bilden. Radial nach außen ist diese innere Resonatorkammer durch die Mantelwandung des Gehäuses 2 begrenzt.
Der Innenraum des Gehäuses 2 abzüglich der Rohrleitung 3 sowie des Bereiches der inneren Resonatorkammer bildet die äußere Resonatorkammer. Folglich umgibt sie die innere Resonatorkammer und steht über die radialen Spalte zwischen den ringförmigen Scheiben 5a und 5b und dem Gehäuse 2 mit dieser in Verbindung.
In der Mantelwandung des Gehäuses 2 ist ein Paar von in Längsrichtung abstrahlenden Longitudinal-Antennen 6a und 6b angebracht. Dabei ist 6a eine Sendeantenne für Mikrowellen und die Antenne 6b eine Empfangsantenne für Mikrowellen. Beide sind im Prinzip gleichartig aufgebaut.
Mit den Bezugszeichen 7a und 7b ist ein Paar von radial ausgerichteten, in dem Gehäuse 2 im Bereich der Mediendurchführung 4 gegenüberliegend angeordneten Transversal-Antennen bezeichnet. 7a ist eine Sendeantenne, 7b die ihr zugeordnete Empfangsantenne.
In gleicher Weise wie die Transversal-Antennen 7a und 7b ist in dem Gehäuse 2 ein weiteres Paar von Transversal- Antennen 8a und 8b angebracht, die gegenüber den Transversal-Antennen 7a und 7b auf dem Mantel des Gehäuses 2 um 90° versetzt angeordnet sind und deswegen in dieser Darstellung nur schematisch angedeutet sind.
Weiterhin ist an dem Gehäuse 2 im Bereich der Rohrleitung 3 ein Temperatursensor 9 sowie ein Drucksensor 10 angebracht, die mit dem Innenraum der Rohrleitung 3 in Kontakt stehen.
Das Gehäuse 2 besteht einschließlich der Rohrleitung 3 und der ringförmigen Scheiben 5a und 5b aus Metall. Die Medien¬ durchführung 4 ist aus dielektrischem Material gefertigt, beispielsweise Glas oder Kunststoff. Der Resonatorinnenraum, d.h. das innere des Gehäuses 2, ist gegen die Rohrleitung 3 bzw. die Mediendurchführung 4 dicht.
In Figur 2 ist ein radialer Schnitt durch den Hohlraumreso¬ nator 1 gemäß Figur 1 in Höhe der Transversal-Antennen 7a/b bzw. 8a/b dargestellt. Es finden dieselben Bezugszeichen wie in Figur 1 Verwendung. In dieser Darstellung ist deutlich die paarweise Anordnung der Transversal-Antennnen 7a und 7b sowie 8a und 8b erkennbar.
Die Longitudinal-Antennen 6a und 6b, die Transversal- Antennen 7a, 7b, 8a und 8b sowie der Drucksensor 10 und der Temperatursensor 9 sind an eine nicht dargestellte Auswerte- und Versorgungseinheit angeschlossen, die alle notwendigen Betriebsspannungen an die Sensoren und Antennen liefert und gleichzeitig die Auswertung der von diesen Sen¬ soren bzw. Antennen gelieferten Signale ermöglicht.
Zum Betrieb der Vorrichtung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird auf die Transversal-Sendeantennen 7a und 8a sowie auf die Longitudinal-Sendeantenne 6a ein Hochfrequenzsignal gegeben, dessen Frequenz so gewählt ist, daß sich in dem Gehäuse 2 jeweils zwischen den Antennenpaaren 6a und 6b, 7a und 7b sowie 8a und 8b stehende Wellen mit den entsprechenden longitudinalen und transversalen Eigenfrequenzen des Hohlraumresonators 1 ausbilden. Dabei verläuft der elektrische Feldvektor des von den Longitudinal-Antennen 6a und 6b erzeugten Eigenschwingungen im Bereich der inneren Resonatorkammer, d.h. auch innerhalb der Mediendurchführung 4 in Längsrichtung. Der elektrische Feldvektor der zwischen den Transversal-Antennen 7a und 7b sich ausbildenden stehenden Welle verläuft transversal durch den inneren Resonator und damit die Mediendurchführung 4. Der elektrische Feldvektor zwischen dem Transversal-Antennenpaar 8a und 8b verläuft ebenfalls durch die innere Resonatorkammer in Transversal¬ richtung senkrecht zum Feldvektor zwischen dem Antennenpaar 7a und 7b.
Zur Einhaltung der Resonanzbedingung, d.h. zur Einkoppelung der jeweiligen Eigenschwingungen wird die an die Sende- Antennen 6a, 7a und 8a gegebene Frequenz von der nicht dargestellten Versorgungseinheit so eingestellt, daß das von den Empfangsantennen 6b, 7b und 8b empfangene Signal minimal ist - wenn der Hohlraumresonator 1 ein λ/2- Resonator ist - bzw. maximal, wenn der Hohlraumresonator 1 ein λ/4-Resonator ist. Dabei wird gleichzeitig der Q-Faktor jeder Eigenfrequenz festgestellt. Mittels des Temperatursensors 9 und des Drucksensors 10 werden gleichzeitig der Druck und die Temperatur des durch die Rohrleitung 3 strömenden Mediums erfaßt.
Das durch die Mediendurchführung 4 strömende Medium wird sowohl von den in Längsrichtung liegenden elektrischen Feldvektor der Eigenschwingung zwischen den Longitudinal- Antennen 6a und 6b sowie den transversal senkrecht aufeinander stehenden elektrischen Feldvektoren der Eigenschwingungen zwischen den Transversal-Antennenpaaren 7a/b und 8a/b durchsetzt. Aus den Werten der drei solchermaßen ermittelten Eigenfrequenzen der Eigenschwingungen werden drei Werte für die zugeordneten Dielektrizitätskonstanten berechnet.
Nach der Eingabe der entsprechenden Kenngrößen eines Mediums ist aufgrund der in der vorbeschriebenen Weise aufgenommenen Meßdaten - drei Dielektrizitätskonstanten, Druck und Temperatur - die vollständige Darstellung aller physikalischen Strömungspararmeter eines Drei-Phasigen, Drei-Komponentigen Mediums durchführbar.
Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mittels des darge¬ stellten Hohlraumresonators 1 gewonnenen Meßdaten hinsicht¬ lich der Beschaffenheit des Mediums zeichnen sich durch hohe Genauigkeit aus. Durch die Anbringung weiterer Antennenpaare ist eine Erweiterung der Meßvorrichtung auf nahezu beliebig viele Phasen und Komponenten denkbar.
Claims
1.) Verfahren zur Messung von physikalischen Strukturparametern eines mehrkomponentigen und/oder mehrphasigen strömenden Mediums, bei welchem das Medium elektromagnetische Hohlraumresonatoren durchströmt, die Dielektrizitätskonstanten des Mediums in Fließrichtung und quer zur Fließrichtung aus longitudinalen und transversalen Eigenfrequenzen von Eigenschwingungen der Hohlraumresonatoren bestimmt werden und gleichzeitig Temperatur und Druck des Mediums gemessen werden, dadurch <jftTr«»τιτι-j.ft-if«t.τι-*-t-,r daß die Eigenfrequenzen der Resonatoren in mindestens drei unterschiedlichen Raumrichtungen gemessen werden.
2.) Verfahren, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei jeder Eigenfrequenzmessung gleichzeitig die Resonanzfrequenz und der Q-Faktor bei der Resonanzfrequenz gemessen werden.
3.) Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fließgeschwindigkeit des Mediums durch Autokorrelation der Meßdaten von in Fließrichtung aufeinanderfolgenden Hohlraumresonatoren bestimmt wird.
4. ) Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach
Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, "daß die Vorrichtung
Drucksensoren (10), Temperatursensoren (9), sowie mindestens drei in unterschiedliche Raumrichtungen orientierte elektromagnetische Hohlraumresonatoren (1) aufweist, wobei das Medium durch die Hohlraumresonatoren
(1)hindurchströmt, die jeweils mit paarweise einander zugeordneten, an Versorgungs- und Auswerteeinheiten anschließbaren, elektromagnetischen Sende- und Empfangselementen (6a/b, 7a/b, 8a/b)versehen sind.
5. ) Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Hohlraumresonator (1) ein Zwei-Kammer-Resonator (1) ist, der im wesentlichen aus einer zylindrischen inneren und einer ebenfalls zylindrischen äußeren Resonatorkammer gebildet wird, wobei durch die innere Kammer axial in Longitudinalrichtung eine rohrförmige Mediendurchführung (4) aus dielektrischem Material verläuft, die innere Resonatorkammer von der äußeren Resonatorkammer konzentrisch umgeben ist und mit dieser in Verbindung steht, wobei in der Mantelfläche der äußeren Resonatorkammer paarweise einander zugeordnete Sende- und Empfangsantennen (6a/b, 7a/b, 8a/b) derart angeordnet sind, daß sie elektromagnetische Eigen¬ schwingungen in Längsrichtung und in mindestens zwei unter- schiedlichen Querrichtungen in der inneren Resonatorkammer anregen und empfangen.
6. ) Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindenstens zwei Zwei-Kammer- Resonatoren (1) in Fließrichtung des Mediums hintereinander angeordnet sind.
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