DE3316328A1 - MICROWAVE MEASURING DEVICE FOR THE EMPTY SPACE IN A LIQUID FLOW - Google Patents

MICROWAVE MEASURING DEVICE FOR THE EMPTY SPACE IN A LIQUID FLOW

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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N22/00—Investigating or analysing materials by the use of microwaves or radio waves, i.e. electromagnetic waves with a wavelength of one millimetre or more

Description

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Die Erfindung betrifft ein Mikrowellenmeßgerät zum Messen der gasphasenerfüllten Leerstellen in einem Flüssigkeitsstrom, insbesondere ein Resonanzhohlraum-Mikrowellenmeßgerät zum Messen des Verhältnisses von Dampf zu Wasser in einem Wasserstrom in einem Rohr.The invention relates to a microwave measuring device for measuring the gas phase filled voids in a liquid flow, in particular a resonant cavity microwave meter for measuring the ratio of steam to water in a stream of water in a pipe.

Ein zur Beschreibung einer Zweiphasenströmung grundsätzlich erforderlicher Meßwert ist der Leerstellenanteil. Die tatsächliche Messung kann in unterschiedlichen Formen ausgeführt werden, z.B. können örtliche Messungen, Sehnendurchschnitts- oder Querschnitts-Durchschnittsmessungen ausgeführt werden. Die Art der benutzten Leerstellen-Anteilsmessung und ihr Erfolg hängt von der jeweiligen Anwendung ab. Allgemein gebräuchliche örtliche Meßmethoden werden beispielsweise durch Konstanttemperatur-Anemometrie, durch Faseroptiksonden, durch eine isokinetische Erfassungssonde, Leitfähigkeitssonden und Mikro-Thermoelemente ausgeführt. Sehnendurchschnitts-Verfahren werden normalerweise unter Benutzung von Gammas tr ahlen-> Röntgenstrahlen-oder Neutronenbündel-Schwächungsmessungen durchgeführt. Querschnittsflächen- oder Volumen-Durchschnittsmessungen werden durch Schnellschlußventile, Kapazitätsmessungen, Leitfähigkeitsmessungen mit rotierendem elektrischem Feld und Neutronenstreuverfahren ausgeführt.A measured value that is fundamentally required to describe a two-phase flow is the vacancy rate. The actual Measurement can be carried out in different forms, e.g. local measurements, tendon average or cross-section average measurements are carried out. The type of vacancy fraction measurement used and their success depends on the particular application. Common local measurement methods are used for example by constant temperature anemometry, by fiber optic probes, by an isokinetic detection probe, Conductivity probes and micro-thermocouples carried out. Tendon averaging procedures are usually performed using gamma rays-> X-ray or neutron beam attenuation measurements carried out. Cross-sectional area or volume average measurements are made by Quick-closing valves, capacitance measurements, conductivity measurements with rotating electrical fields and neutron scattering methods executed.

Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Leerstellenanteilsmesser für einen Gas/Flüssigkeits-Strom zu schaffen, mit dem das Verhältnis von Flüssigkeit zu Gas in einer Strömung in einer Rohrleitung schnell bestimmt werden kann, ohne daß das Verhältnis gestört oder die Strömung unterbrochen wird.It is an object of the present invention to provide a vacancy rate meter for creating a gas / liquid flow with which the ratio of liquid to gas in a flow can be determined quickly in a pipeline without disturbing the relationship or interrupting the flow will.

Diese und weitere Ziele der Erfindung werden dadurch erreicht, daß ein HF- (Mikrowellen)-Hohlraum benutzt wird, der einen kurzen Abschnitt des Rohres umschließt, in dem das Gas/Flüssigkeits-Gemisch fließt,und das ein Feldgerät bildet, dessen Resonanzfrequenz von der Dielektrizitätskonstante des Gemisches abhängt.These and other objects of the invention are achieved by utilizing an RF (microwave) cavity which encloses a short section of the pipe in which the gas / liquid mixture flows, and which is a field device forms, the resonance frequency of which depends on the dielectric constant of the mixture.

Ein HF-Hohlraum dieser Art wurde nach IEEE Trans, on Inst, and Meas., Vol. IM-21 No. 2, Mai 1972, Wenger + Smetova "Hydrogen Density Measurments Using an Open-Ended Microwave Cavity" benutzt, jedoch ist das Gerät nach Funktion und Vorrichtung mit der vorliegenden Erfindung nicht vergleichbar. Die Verwendung von Mikrowellengeräten für verschiedene Zwecke ist aus den folgenden, jedoch für die vorliegende Erfindung nicht relevanten Schriften bekannt: US-PS 2 792 548, 3 501 692, 3 612 996, 3 818 333 und 4 042 879.An RF cavity of this type was designed according to IEEE Trans, on Inst, and Meas., Vol. IM-21 No. May 2, 1972, Wenger + Smetova "Hydrogen Density Measurments Using an Open-Ended Microwave Cavity" is used, however the device is by function and device not comparable to the present invention. The use of microwave ovens for various Purpose is known from the following, but not relevant for the present invention, documents: U.S. Patents 2,792,548, 3,501,692, 3,612,996, 3,818,333, and 4,042,879.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert; in dieser zeigt:The invention is illustrated below with reference to the drawing, for example explained in more detail; in this shows:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht mit angedeutetem Schnitt des Leerstellen-Meßgerätes,Fig. 1 is a schematic side view with an indicated section of the vacancy measuring device,

Fig. 2 eine schematische Frontansicht (mit angedeutetem Schnitt) des Meßgerätes nach Fig. 1,FIG. 2 is a schematic front view (with an indicated section) of the measuring device according to FIG. 1,

Fig. 3 eine Längsschnittansicht des Meßgerätes mit einer ersten Ausführungsform der Sondenanordnung,3 shows a longitudinal sectional view of the measuring device with a first embodiment of the probe arrangement,

Fig. 4 einen Querschnitt durch das Meßgerät mit einer zweiten Ausführungsform der Sondenanordnung,4 shows a cross section through the measuring device with a second embodiment of the probe arrangement,

Fig. 5 einen Längsschnitt durch ein duales HF-Erfassungssystem für einen Zweiphasen-Dreikomponentenstrom, und5 shows a longitudinal section through a dual RF detection system for a two-phase three-component current, and

Fig. 6 eine typische Anordnung für Erregungs- und Messungszubehörteile in Verbindung mit einem Meßgerät nach Fig. 1 bis 5.6 shows a typical arrangement for excitation and measurement accessories in connection with a measuring device according to FIG Figs. 1 to 5.

Nach Fig. 1 und 2 wird das Rohr 10, in dem der zu messende Zweiphasen-Strom fließt, zentral durch einen zylindrischen Hohlraum geleitet, der durch ein Gehäuse 11 gebildet ist.According to Fig. 1 and 2, the tube 10, in which the to be measured Two-phase current flows, passed centrally through a cylindrical cavity formed by a housing 11.

Das Gehäuse 11 wird von dem Rohr 10 getragen. Dieser Hohlraum wird mittels einer Antenne 12, die innerhalb des Gehäuses 11 dargestellt ist, im TM - -Modus erregt. Es kann auch ein Hohlraum mit (dreieckig-)prismatischem, eliipsoidem oder rechtwinkligem Querschnitt benutzt werden, und ein solcher Hohlraum würde in den Moden TE11, TE11 bzw. TE101 erregt. Es besteht kein grundsätzlicher Unterschied zwischen diesen Anordnungen- Die elektrischen Felder verlaufen parallel zu dem zentralen Rohr 10, und die maximale Feldstärke tritt am Ort des Rohres auf. Das Feld wird unter Benutzung von kleinen Koppelschleifen (Antennen) 12 erregt, deren Fläche etwa 0,1 Wellenlängen der Erregungsfrequenz beträgt, und diese Antennen erregen ein Magnetfeld in Umfangsrichtung zur Achse des Zentralrohres. Bei der Erregung des Hohlraumes werden die Schleifen oder Sonden so angeordnet und ausgelegt, daß nur die Grundfreguenz erregt wird. Die Ansprechzeit kann verringert werden durch Verwendung von mehrfachen Anregungsschleifen, die mit gleicher Leistung phasenrichtig angeregt werden. Die Empfangsschleifen, es können beispielsweise zwei der dargestellten vier Schleifen sein, werden so bezüglich der Anregungsschleifen angeordnet, daß in dem beschriebenen Modus eine Leistungsübertragung auftritt. Dadurch wird zufällige Erregung reduziert, und es kann die erforderliche Änderung der Resonanzfrequenz verfolgt werden, die durch die Unterschiede der Resonanz bei unterschiedlichen Leerstellen-Anteilverhältnissen auftritt.The housing 11 is carried by the pipe 10. This cavity is excited in the TM - mode by means of an antenna 12, which is shown inside the housing 11. A cavity with a (triangular) prismatic, ellipsoidal or right-angled cross-section can also be used, and such a cavity would be excited in the modes TE 11 , TE 11 or TE 101. There is no fundamental difference between these arrangements - the electric fields run parallel to the central tube 10, and the maximum field strength occurs at the location of the tube. The field is excited using small coupling loops (antennas) 12, the area of which is approximately 0.1 wavelengths of the excitation frequency, and these antennas excite a magnetic field circumferentially to the axis of the central tube. When the cavity is excited, the loops or probes are arranged and designed so that only the fundamental frequency is excited. The response time can be reduced by using multiple excitation loops, which are excited in phase with the same power. The receiving loops, for example two of the four loops shown, are arranged with respect to the excitation loops in such a way that power transmission occurs in the mode described. This reduces accidental excitation, and the required change in the resonance frequency can be followed, which occurs due to the differences in the resonance with different vacancy share ratios.

Fig. 3 zeigt einen Längsschnitt durch ein Arbeitsgerät, in dem der Mikrowellen-Hohlraumaufbau durch ein Rohr 14 und Endplatten 15 gebildet wird, welche das Rohr 10 umgeben, durch das das zu messende Material fließt. Die Mikrowellenenergie dringt durch eine keramische Hülse 13 in das Rohr ein. Die Antenne oder Sonde 12 besteht lediglich aus einer einseitig geerdeten Metallschleife, der am nicht geerdeten Ende die Eingangsleistung zugeführt bzw. die Empfangsleistung abgenommen wird. Diese Sonde wird mit Hilfe von Fig. 3 shows a longitudinal section through an implement in which the microwave cavity structure through a tube 14 and End plates 15 is formed which surround the tube 10 through which the material to be measured flows. The microwave energy penetrates through a ceramic sleeve 13 into the tube. The antenna or probe 12 consists of only one Metal loop earthed on one side, to which the input power is supplied or the received power is removed at the non-earthed end. This probe is made with the help of

Montageplatten 16 und 17 an der Seite des Hohlraumaufbaus angebracht, und die Eingangs-(bzw. Ausgangs-)Leistung wirdMounting plates 16 and 17 on the side of the cavity structure attached, and the input (or output) power is

zu- bzw.to or

über ein Paßstück 18/abgeführt. Fig. 4 stellt den Querschnitt durch einen Meßaufbau mit einer unterschiedlichen Sondenanbringungsart für die Sonde 12 dar. Diese Sonde sitzt in einem Antennenhalter 19 und die Eingangs- bzw. Ausgangsleistung gelangt durch ein Paßstück 20 über einen Steckverbinder 21 zu einem Anschluß 22.via a fitting 18 / discharged. Fig. 4 shows the cross section by a measurement structure with a different type of probe attachment for the probe 12. This probe sits in an antenna holder 19 and the input or output power passes through a fitting 20 via a Connector 21 to a connection 22.

Fig. 5 zeigt eine Vorrichtung zum Messen eines Zweiphasen-Dreikomponentenstromes, beispielsweise Gasdampf/Gaskondensat/Flüssigkeit (Öl oder Wasser). Ein Haupt-HF-Hohlraumaufbau 31 mit Anregungs- und Aufnahmesonden 32 ist, wie bereits beschrieben, das den gemischten Strom führende Rohr 30 umgebend dargestellt. Eine U-Abzweigleitung 40, die wieder zu dem Rohr zurückführt, leitet einen reinen Flüssigkeitsstrom von der Hauptleitung durch einen sekundären Hohlraum 41 mit Sonden 42. Mit dem Haupthohlraum wird das Verhältnis von Dampf zu Flüssigkeit gemessen, während im zweiten Hohlraum 41 das Verhältnis von Gaskondensat zu dem Öl oder zum Wasser gemessen wird.Fig. 5 shows a device for measuring a two-phase three-component current, for example gas vapor / gas condensate / liquid (oil or water). A main RF cavity structure 31 with excitation and recording probes 32 is, as already described, the one that carries the mixed current Tube 30 shown surrounding. A U-branch line 40, which leads back to the pipe, directs a clean one Liquid flow from the main line through a secondary cavity 41 with probes 42. With the main cavity the ratio of vapor to liquid is measured, while in the second cavity 41 the ratio of gas condensate to which oil or water is measured.

Fig. 6 zeigt einen typischen Aufbau mit Erregungsleistungsschaltung 50 und Anzeigegerät 53, und es ist hier dargestellt, daß die Erregungszuleitung sowie die Meßsignalableitung über Signalteiler 51 für das Eingangssignal und 52 für das Ausgangssignal geführt sind.Fig. 6 shows a typical construction with excitation power circuit 50 and display device 53, and it is shown here that the excitation lead and the measurement signal lead are routed via signal divider 51 for the input signal and 52 for the output signal.

Die Leistung wird in Form einer frequenzgewobbelten Sinuswelle von 10 dBm (bezogen auf den Pegel 1 MW) zugeführt, und der Hohlraum erzeugt bei Resonanz ein Signal von ca. -30 dBm. Das Eingangssignal kann an eine oder mehrere Koppelschleifen parallel oder über eine 90°-Hybride angelegt werden. Diese Hybride ist ein Signalteiler, durch den zwei um 90 gegeneinander phasenverschobene Ausgangssignalo aus einem Eingangssignal erzeugt werden. Die Ausgangs-The power is supplied in the form of a frequency swept sine wave of 10 dBm (based on the level 1 MW), and the cavity produces a signal of approx. -30 dBm at resonance. The input signal can be sent to one or more Coupling loops can be created in parallel or via a 90 ° hybrid. This hybrid is a signal splitter through which two output signals o can be generated from an input signal. The initial

oder Signalschleife werden über ein gleichartiges Gerät angeschlossen, sie können jedoch alternativ auch parallel angeschlossen werden.or signal loops are connected via a similar device, however, they can also be connected in parallel as an alternative.

Die Gestaltung der Eingang- und Ausgang-Schleifen und die Gesamtanzahl der Antennen oder Koppelschleifen ist nicht kritisch, jedoch muß mindestens eine Eingangs- und eine Ausgangsschleife vorhanden sein. Damit muß die Gesamtzahl der verwendeten Antennen zwei oder mehr betragen. Der Hohlraum kann insgesamt von einer Keramikhülse durchquert werden, es kann jedoch auch die gezeigte Anordnung verwendet werden, bei der die Metallhülsen bis zu 20 % der Gesamthohlraumlänge in den Hohlraum vorstehen.The design of the input and output loops and the Total number of antennas or coupling loops is not critical, but there must be at least one input and one output loop. That must be the total number the antennas used are two or more. The cavity can be traversed by a ceramic sleeve as a whole but the arrangement shown can also be used in which the metal sleeves are up to 20% of the Total cavity length protruding into the cavity.

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Claims (2)

MANlTZ, FINSTERWALD & QRÄMKOW ATOMIC ENERGY OF CANADA LIMITED/ L'ENERGIE ATOMIQUE DU CANADA,LIMITEE Ottawa, Ontario, Canada OtUTSCHE PATENTANWÄLTE DR GERHART MANITZ oipl phys MANFRED FINSTERWALD Oipl ing dipl wibtsch ing WERNERGRAMKOW dipl-ing DR HELIANE HEYN Oipl -Chem HANNS-JÖRG ROTERMUND Oipl PHYS BRITISH CHARTERED PATENT AGENT JAMES G MORGAN β SC (Phys ! O M S ZUGELASSENE VERTRETER BEIM EUROPAISCHEN PATENTAMT REPRESENTATIVES BEFORE THE EUROPEAN PATENT OFFICE MANOATAIBES AGBEES PHES l OFFICE EUBOPEEN OtS 8REVtTS München, den 4. S/3/Sv-A 3 308 Mai 1983 Mikrowellen-Meßgerät für den Leerraumanteil in einer Flüssigkeitsströmung PatentansprücheMANlTZ, FINSTERWALD & QRÄMKOW ATOMIC ENERGY OF CANADA LIMITED / L'ENERGIE ATOMIQUE DU CANADA, LIMITEE Ottawa, Ontario, Canada OtUTSCHE PATENTANWÄLTE DR GERHART MANITZ oipl phys MANFRED FINSTERWALD Oipl ing dipl wibtsch ing -C WERNERGRAMI- HELIANE diplian H-ingS JÖRG ROTERMUND Oipl PHYS BRITISH CHARTERED PATENT AGENT JAMES G MORGAN β SC (Phys! OMS APPROVED REPRESENTATIVES AT THE EUROPEAN PATENT OFFICE REPRESENTATIVES BEFORE THE EUROPEAN PATENT OFFICE MANOATAIBES AGBEES PHES l OFFICE EUBOPEEN 3 / 8th Munich, 4th May 1983 Microwave measuring device for the void fraction in a liquid flow. Claims 1.^Meßgerät zur Bestimmung des Leerraumanteiles in einer aus Gas und Flüssigkeit bestehenden Strömung in einem Rohr, gekennzeichnet durch1. ^ Measuring device for determining the proportion of empty space in one off Gas and liquid existing flow in a pipe, characterized by a) einen einen Mikrowellenhohlraum bestimmenden Aufbau (11;31;41), der an dem Rohr (10) dieses umgebend so angebracht ist, daß das Rohr (10) zentral durch den Hohlraum hindurchtritt/a) a structure (11; 31; 41) which defines a microwave cavity and which is attached to the tube (10) surrounding it in such a way is attached that the tube (10) passes centrally through the cavity / b) eine erste Reihe von in dem Hohlraum angeordneten Sondenstrukturen (12;32;42),b) a first row of probe structures arranged in the cavity (12; 32; 42), c) eine mit den Sondenstrukturen (12;32;42) verbundene elektrische Leistungsversorgung zum Erregen des Hohlraumes mit Mikrowellenfrequenzen in einem Resonanzmodus in der Weise, daß der elektrische Feldvektor sich parallel zu der Sti'ömung in dem Rohr (10) erstreckt,c) an electrical one connected to the probe structures (12; 32; 42) Power supply for exciting the cavity at microwave frequencies in a resonance mode in such a way as to that the electric field vector is parallel to the flow extends in the tube (10), MANITZMANITZ d) eine zweite Reihe von in dem Hohlraum angeordneten Sonden strukturen (12; 32; 42) undd) a second row of probe structures arranged in the cavity (12; 32; 42) and e) elektrische Frequenzmeßeinrichtungen (52,53), die mit der zweiten Reihe von Sonden (12;32;42) zur Messung der Frequenz der Hohlraumresonanz verbunden ist, wobei diese
Frequenz die Ermittlung der Dielektrizitätskonstanten des Gemisches und damit des Verhältnisses von Gas zu Flüssigkeit in der Rohrströmung gestattet.e) electrical frequency measuring means (52,53) connected to the second row of probes (12; 32; 42) for measuring the frequency of the cavity resonance, said probe
Frequency allows the determination of the dielectric constant of the mixture and thus the ratio of gas to liquid in the pipe flow. 2. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vier Antennensonden-Aufbauten (12) rechtwinklig um den Hohlraumaufbau (11y31 ;42) vorgesehen sind.2. Measuring device according to claim 1, characterized in that that four antenna probe structures (12) are provided at right angles around the cavity structure (11y31; 42).
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