CN116583743A - 用于确定涂层性质的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于确定在组件(100)的第一微波天线的端面上的可变涂层的涂层性质以确定将被输送的介质——特别是多相介质——的介质性质的方法，第一微波天线(120)被布置在测量管道(110)的第一插口中，特别是接触所述介质，该方法包括以下方法步骤：‑借助于第一微波天线(120)发射激励信号，激励信号包括高频信号的序列；‑借助于第一微波天线(120)接收反射的激励信号；‑使用反射的激励信号来确定第一测试变量；以及‑使用第一测试变量来确定可变涂层的涂层性质，特别是取决于可变涂层的涂层厚度的变量。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于确定可变沉积物的沉积物性质的方法、测量组件以及处理系统。
背景技术
特别可能借助于微波，确定过程管道中介质的介电常数和损耗因子的物理量。从这两个变量——在一个或许多不同频率上测得——可能得出关于应用特定参数的结论，例如，水和其它非极性或弱极性成分的混合物中的水的比例。
在L.F.Chen,C.K.Ong,C.P.Neo,V.V.Varadan,V.K.Varadan–"MicrowaveElectronics,Measurement and Materials Characterization,"John Wiley&Sons Ltd.,2004中描述了所建立的透射/反射测量。为此目的，微波信号在容器或测量管道中的介质处的两个不同位置处相互作用，在这些界面结构之间测量散射参数(透射和可选地反射)，并且从测得的散射参数计算介质的上述物理性质。
WO 2018 121927A1教导了一种测量组件，用于借助于微波分析流动介质的性质。除了微波天线之外，测量组件在测量管道的内周边表面上具有电绝缘衬里层。该衬里层形成介电波导，至少部分微波可以经由介电波导从第一微波天线行进至第二微波天线。这样的测量组件的一个应用是确定正被输送的介质中固体的比例。这样的应用应对在测量管道的内周边表面上和微波天线上的沉积物形成——例如，介质中的固体物质。
发明内容
因此，本发明基于提供一种用于检测微波组件的沉积物的方法的目标，通过该方法，可以检测到在微波天线的端面上的可变沉积物的存在。
该目标通过根据权利要求1所述的方法实现。
根据本发明的用于确定在组件的第一微波天线的端面上的可变沉积物的沉积物性质以确定将被输送的特别是多相介质的性质的方法，
其中，第一微波天线特别是以接触介质的方式被布置在测量管道的第一插口中，
包括以下方法步骤：
-借助于第一微波天线发射激励信号，
其中，激励信号包括高频信号的序列；
-借助于第一微波天线接收反射的激励信号；
-基于反射的激励信号来确定第一测试量；
-基于第一测试量来确定可变沉积物的沉积物性质，特别是取决于可变沉积物的沉积物厚度的变量。
根据本发明的测量组件包括：
-测量管道，其用于输送多相介质；
-第一微波天线，其被布置在测量管道的第一插口中；
-测量电路，
其中，测量电路具有高频发生器，该高频发生器用于向第一微波天线馈送激励信号，特别是高频信号的序列，
其中，测量电路被另外配置成执行根据本发明的方法。
根据本发明的处理系统包括：
-根据本发明的测量管道组件，
-用于确定介质的另一过程性质——特别是体积流速——的装置，
其中，用于确定另一过程性质的装置具有用于确定取决于过程性质的测得变量的测量电路，
其中，测量电路被配置成根据所确定的测得变量和沉积物性质确定经修正的过程性质。
本发明的有利实施例是从属权利要求的主旨。
在一个实施例中，第一测试量包括第一频率，在第一频率下，反射的激励信号的衰减假定极值，特别是最大值，
其中，如果第一频率偏离频率目标范围，则推断出在端面上存在可变沉积物。
在一个实施例中，第一测试量包括第一频率与第二频率之间的频率差，
其中，在第一频率下，反射的激励信号的衰减假定第一极值，特别是最大值，
其中，在第二频率下，反射的激励信号的衰减假定第二极值，特别是最小值，
其中，如果频率差偏离频率差目标范围，则推断出在端面上存在可变沉积物。
在一个实施例中，第一测试量包括第一极值——特别是最小衰减值——与第二极值——特别是最大衰减值——之间的衰减差，优选地在第一频率范围内。
在一个实施例中，第一测试量包括根据频率或针对特征频率的发射的激励信号与反射的激励信号之间的相位差的变化，
其中，如果变化偏离变化目标范围，则推断出在端面上存在可变沉积物。
在一个实施例中，第一测试量包括根据第一频率范围内的频率的衰减值和/或衰减值的变化，
其中，如果衰减值和/或衰减值的变化偏离衰减目标范围，则推断出在端面上存在可变沉积物。
第一频率范围优选地覆盖0.3至20GHz，特别是1.8至7.5GHz，并且优选地1.8至3.5GHz的频率。
衰减值的变化可以经由第一频率范围内的频率的斜率值，通过平均第一频率范围的所有频率的斜率值或者通过在整个第一频率范围上找出最佳拟合线来确定。
在一个实施例中，第一测试量包括在反射的激励信号的第一频率范围上的总和、积分或平均值。
在一个实施例中，组件具有第二微波天线，第二微波天线被布置成特别是与第一微波天线直径上对置，并且第二微波天线特别是以接触介质的方式被布置在测量管道的第二插口中，其中，实施例包括以下方法步骤：
-借助于第二微波天线接收激励信号，
-基于所发射的激励信号和/或基于所发射的激励信号的变换，特别是积分变换，并且优选地基于傅里叶逆变换，来确定第二测试量，
其中，第二测试量是激励信号沿传播路径穿过测量管道的内部体积的传播特征，
其中，传播路径描述了激励信号至少穿过第一微波天线的端面和测量管道的内周边表面上的可变沉积物的至少部分传播，
其中，第二测试量被包括在可变沉积物的沉积物性质——特别是取决于可变沉积物的沉积物厚度的变量——的确定中。
第一测试量提供关于第一微波天线的端面上的沉积物的存在和关于沉积物的厚度，但是不关于测量管道的内周边表面上的沉积物分布的信息。通过添加第二测试量，可能确定沉积物是否覆盖内周边表面并因而大大减小流动横截面。
在一个实施例中，所发射的激励信号包括第三频率，在第三频率下，所发射的激励信号的衰减假定第三极值，特别是最大值，
其中，仅在第一测试量——特别是针对第一频率的反射的激励信号的衰减或在第一频率范围上的平均衰减——增大并且第一频率不同于第三频率的情况下，确定地推断出在端面上存在可变沉积物，
其中，第三频率对应于测量管道共振。
一个实施例提供了以下方法步骤：
-如果第二测试量偏离目标值范围，则根据第一测试量确定经修正的管道横截面。
在一个实施例中，测量组件包括：
-第二微波天线，第二微波天线被布置在测量管道的第二插口中，特别是与第一微波天线直径上对置，
其中，测量电路被配置成基于借助于第二微波天线测量的所发射的激励信号来确定在测量管道中输送的多相介质的至少一种性质。
附图说明
参考附图更详细地描述本发明。示出如下：
图1a：根据现有技术的测量组件的实施例的3D图示；
图1b：图1a的测量组件的侧视图；
图1c：平面C-C中的穿过图1b的测量组件的横截面图；
图1d：平面D-D中的穿过图1b的测量组件的横截面图；
图1e：标记为E的位置处的图1d的测量组件的详图；
图2：具有和没有可变沉积物的测量管道中的所发射的激励信号的波传播的图示示例；
图3：具有连续可变沉积物的根据本发明的测量组件中的波传播的场分布的模拟结果的示例；
图4：在1.8至3.0GHz的频率范围上的所发射的激励信号和所发射的激励信号的傅里叶逆变换；
图5：具有和没有可变沉积物的测量管道中的反射的信号的波传播的图示示例；
图6：根据本发明的测量组件的进一步实施例的透视图；
图7：在1.8至3.0GHz的频率范围上的反射的激励信号和根据沉积物厚度的反射的激励信号的平均值；
图8：具有根据本发明的测量组件的处理系统的示意图；以及
图9：根据本发明的用于确定可变沉积物的沉积物性质的方法的方法链。
具体实施方式
图1a至图1e中示出的测量组件100包括部分圆柱形的测量管道110，其端部带有金属连接凸缘112，内衬有衬里120，衬里120对于本发明不是必需的并且其包含塑料，例如聚氨酯，或含氟聚合物，诸如PFA或PTFE。衬里120可以具有端面密封表面122，其引出测量管道110并抵靠凸缘112的端面。为了能够输入和输出微波，测量组件100包括彼此相对地布置在测量管道110的周边表面上的两个微波天线130、131，其细节特别在图1e中示出。在微波天线130、131中的每一个附近，测量管道110具有：孔口114，其被螺纹套筒116包围在测量管道100的外周边表面上，夹紧环118拧入螺纹套筒116中，以便夹在衬里120上；陶瓷板132，其形成用于平面天线的支撑体；以及端子板134，其被布置在陶瓷板132的外侧上。为了补偿温度波动和制造公差，可以另外在夹紧环118与陶瓷板132和/或端子板134之间布置弹性环136。在陶瓷板132的位置处，衬里120具有由陶瓷板132完全填充的凹进124。结果，平面天线的支撑体被引入衬里120中，而不影响衬里120朝向测量管内部的完整性。另外，通过陶瓷板132和夹紧环118的合适尺寸来保持测量组件的抗压强度。对于图示的测量组件100，如果衬里120在测量管道110的纵向方向上另外被导电材料，特别是金属界定将是有利的。这方面的示例将是经由过程连接112而连接的管线的金属管道。此外，测量组件100包括测量电路260，其连接到微波天线130、131。测量电路260具有高频发生器，以向第一微波天线130馈送激励信号，特别是高频信号的序列，并且被配置成基于从第二微波天线131接收到的激励信号来确定在测量管道110中输送的介质的至少一个过程性质，其中，过程性质对应于介质中的固体含量。此外，测量电路260还被配置成执行根据本发明的方法。
图2示出了用于没有可变沉积物(左)和具有可变沉积物(右)的测量管道的所发射的激励信号的波传播的图示示例。横截面示出了第一微波天线130和第二微波天线131，它们在测量管道110上彼此直径对置地布置，并且在最短距离dMA上间隔隔开。第一微波天线130被配置成产生激励信号并将其引导到正被输送的介质中。第二微波天线131被配置成检测所发射的激励信号。微波天线130、131两者都适合于产生和检测激励信号。在该情况下，测量管道110包括在内周边表面上没有电绝缘衬里的金属支撑管道。当在测量组件100中没有可变沉积物时，激励信号基本穿过具有介电常数εm的介质传播。为了简单起见，省略了激励信号沿支撑管道的传播。白色箭头指示激励信号的最短路径。激励信号穿过介质的行进时间的下限由下式给出：
其中，c0是光在真空中的速度，针对水的值被假定为介电常数εM。在测量管道的内表面上形成介电常数为εdeposit的连续沉积物，该连续沉积物将两个微波天线130、131彼此连接，甚至覆盖每一个微波天线的端面。这意味着形成激励信号优选地沿其传播的进一步路径(参见弯曲箭头)。进一步路径的延迟时间可以被确定为
其中，针对饱和碳的典型值被假定为介电常数εdeposit的值。激励信号沿进一步路径的行进时间因而显著低于激励信号穿过介质的行进时间的下限。根据本发明的用于确定可变沉积物的沉积物性质的存在的方法利用了这一点，并且根据所发射的信号的所确定的传播时间推断出沉积物的存在及其沉积物性质。
主要在可变沉积物中传播的这些模式中的每一个引起导电界面中的相关电流密度分布。然而，衬里的接触介质的边界层中的这样的电流密度分布也引起电磁场传播到非理想导电介质中。因而，边界层实现了天线的功能。与典型的水介质相比，在可变沉积物中更快的传播速度引起电磁功率穿过介质的定向发射，如图3中图示的。在这种情况下，灰色的强度对应于电场强度。
图4以示例的方式示出了击中水(作为正被输送的介质)的所发射的激励信号，其中，激励信号是具有不同频率的多个信号。忽略噪声或测量不准确性，其中不存在沉积物的参考测量H2O的测得激励信号在整个频率范围上连续地减小，即，激励信号的衰减随着频率的增加而增加。如果在测量管道的内周边表面上存在连续沉积物，则在每种情况下，无论沉积物的厚度如何——1、3或5mm——都将在激励信号中出现两个最小值——其衰减值不同。随着沉积物厚度的增加，最小值的频率也迁移到更高的频率。傅里叶逆变换——在这种情况下是快速傅里叶逆变换(IFFT)——将激励信号从频率范围变换为时间范围。对于从0至4ns时间范围内的参考测量，经变换的激励信号在大约2.4ns的延迟下仅具有一个最大值，这也对应于激励信号穿过水的预期行进时间。当存在沉积物时，在较低延迟(大约0.7ns)下形成进一步的最大值。在沉积物厚度为1mm的沉积物情况下，该最大值仅作为肩部可见，但是，随着沉积物厚度的增加，其增加使得例如5mm的沉积物厚度的振幅值已经高于水对激励信号的贡献。第二最大值的原因是由于沉积物而形成的进一步路径，激励信号沿进一步路径以较短的行进时间传播。一旦存在沉积物，沿着最短距离的行进时间的振幅值就会增加。这是由于激励信号通过微波天线的端面上的沉积物进入水中的改进耦合。
图5示出了在没有可变沉积物(左)和具有可变沉积物(右)的测量管道中反射的激励信号的波传播的图示示例。另外，图5示出了所述两种情况的特写图。在无沉积物的情况下，所产生的激励信号(在介质方向上的宽的第一箭头)至少部分地在与具有介电常数εm的介质的界面处反射(在与第一箭头相反的方向上的窄的第二箭头)。然而，激励信号的更大一部分被引导到介质中(介质中的第三箭头)。如果在微波天线的端面上存在介电常数εdeposit＜εm的沉积物，则激励信号的更大部分将在有沉积物的界面处反射并由微波天线处的测量检测到。这对检测反射的激励信号的微波天线的测量信号有显著影响。测量信号，特别是测量信号的衰减值，随着沉积物厚度的增加而增加。
最后，图6示出了测量组件200的进一步实施例，其基本上对应于图1a至图1e的测量组件。除了用于微波信号的两个微波天线230、231之外，用于磁感应流量测量(MIFM)的两个场线圈组件240以相同的取向布置在测量管道210上。在场线圈组件240的轴向位置中，两个相对的电极245被布置成垂直于作用在场线圈组件240之间的磁场的方向并且垂直于测量管道的轴向方向，两个电极245延伸穿过测量管道210和衬里220进入测量管道210内部，以便检测流动介质的流量相关电势。(在附图中，仅示出了一个电极。)另外，测量组件200包括用于检测介质的温度的温度传感器250。测量组件200进一步包括测量电路260，微波天线230、231、场线圈组件240、电极245以及温度传感器250连接到该测量电路260。测量电路260可以具有各种子单元，其单独地处理测量组件200的不同测量任务。此外，测量电路260包括高频发生器，其被配置成向微波天线230、231中的至少一个馈送不同频率的高频信号的序列。代替单独的微波天线230、231，也可能在修改中使用在电极245的位置处具有集成MIFM电极的中空导体天线。
图7示出了在1.8至3.0GHz的频率范围上的反射的激励信号(左图)，以及根据沉积物厚度的相应的反射的激励信号的平均(右图)。如果没有沉积物，则反射的激励信号有两个明显的极端。在从1.8至大约2.9GHz的频率范围内，激励信号强度低于存在沉积物时。随着沉积物厚度的增加，激励信号强度也在从1.8至大约2.9GHz的频率范围内增加。信号强度在频率子范围上的分布指示沉积物厚度关系。在分布的基础上——例如，在频率子范围上的平均、总和或积分——可能找出与沉积物厚度的关系。
图8示意性地示出了过程系统300，过程系统300包括根据本发明的测量组件100和用于确定介质的另一过程性质(特别是体积流速)的装置310，并且其具有用于确定取决于过程性质的测得变量的测量电路320。该测量电路320被配置成根据所确定的测得变量和借助于测量组件100确定的沉积物性质确定经修正的过程性质。进一步的过程性质可以是例如计算的体积流速，当流动横截面面积由于测量管道的内周边表面上的沉积物而变化时，计算的体积流速偏离实际存在的体积流速。
图9示出了根据本发明的用于确定可变沉积物的沉积物性质的方法的方法链，包括以下方法步骤：
-借助于第一微波天线发射激励信号，第一微波天线被布置在测量管道中的插口中。激励信号是通过高频发生器产生的高频信号的序列。
-借助于第一微波天线接收反射的激励信号，第一微波天线被设计成使得其不仅可以产生信号而且可以接收信号。激励信号例如可以是一个频率下的衰减值或不同频率的衰减值的序列。
-使用反射的激励信号来确定第一测试量。用于确定第一测试量的有利可能性是在反射的激励信号的第一频率范围上形成总和、积分或平均值。
可替选地，第一测试量可以包括——或者特别可以是——第一频率，在第一频率下，反射的激励信号的衰减假定极值，特别是最大值，其中，如果第一频率偏离频率目标范围，则推断出在端面上存在可变沉积物。
可替选地，第一测试量可以包括和/或是第一频率与第二频率之间的频率差，其中，在第一频率下，反射的激励信号的衰减假定第一极值，特别是最大值，其中，在第二频率下，反射的激励信号的衰减假定第二极值，特别是最小值，其中，如果频率差偏离频率差目标范围，则推断出在端面上存在可变沉积物。
可替选地，第一测试量可以是第一极值——特别是最小衰减值——与第二极值——特别是最大衰减值——之间的衰减差，优选地在第一频率范围内。
可替选地，第一测试量可以是根据频率或针对特征频率的发射的激励信号与反射的激励信号之间的相位差的变化，其中，如果变化偏离变化目标范围，则推断出在端面上存在可变沉积物。
可替选地，第一测试量可以是根据第一频率范围内的频率的衰减值和/或衰减值的变化。如果衰减值和/或衰减值的变化偏离衰减目标范围，则推断出在端面上存在可变沉积物。
可替选地，目标行进时间可以基于第二测试量来确定，第二测试量的振幅值形成第一测试量。如果振幅值偏离目标范围，则推断出在端面上存在可变沉积物。
-基于第一测试量来确定可变沉积物的沉积物性质，特别是取决于可变沉积物的沉积物厚度的变量。
-借助于第二微波天线接收激励信号。
-基于所发射的激励信号和/或基于所发射的激励信号的变换，特别是积分变换，并且优选地基于傅里叶逆变换，来确定第二测试量，其中，第二测试量是激励信号沿传播路径穿过测量管道的内部体积的传播的特征，其中，传播路径描述了激励信号至少穿过第一微波天线的端面和测量管道的内周边表面上的可变沉积物的至少部分传播，其中，第二测试量被包括在可变沉积物的沉积物性质——特别是取决于可变沉积物的沉积物厚度的变量——的确定中。
-至少根据第一测试量确定沉积物厚度。
进一步的方法步骤：
-如果第二测试量的值偏离目标值范围，则根据第一测试量确定经修正的管道横截面。
-如果第一测试量和/或第二测试量的值偏离目标值范围，则输出警告。
-确定直到下次清洁的剩余持续时间。
Claims (14)
1.一种用于确定在组件(100)的第一微波天线的端面上的可变沉积物的沉积物性质以确定将被输送的特别是多相介质的性质的方法，
其中，所述第一微波天线(120)特别是以接触介质的方式被布置在测量管道(110)的第一插口中，
其中，所述方法包括以下方法步骤：
-借助于所述第一微波天线(120)发射激励信号，
其中，所述激励信号包括高频信号的序列；
-借助于所述第一微波天线(120)接收反射的激励信号；
-基于所述反射的激励信号来确定第一测试量；
-基于所述第一测试量来确定所述可变沉积物的所述沉积物性质，特别是取决于所述可变沉积物的沉积物厚度的变量。
2.根据前一权利要求所述的方法，
其中，所述第一测试量包括第一频率，在所述第一频率下，所述反射的激励信号的衰减假定极值，特别是最大值，
其中，如果所述第一频率偏离频率目标范围，则推断出在所述端面上存在可变沉积物。
3.根据权利要求1所述的方法，
其中，所述第一测试量包括第一频率与第二频率之间的频率差，
其中，在所述第一频率下，所述反射的激励信号的衰减假定第一极值，特别是最大值，
其中，在所述第二频率下，所述反射的激励信号的所述衰减假定第二极值，特别是最小值，
其中，如果所述频率差偏离频率差目标范围，则推断出在所述端面上存在可变沉积物。
4.根据权利要求1所述的方法，
其中，所述第一测试量包括第一极值——特别是最小衰减值——与第二极值——特别是最大衰减值——之间的衰减差，优选地在第一频率范围内。
5.根据权利要求1所述的方法，
其中，所述第一测试量包括根据所述频率或针对特征频率的所发射的激励信号与所述反射的激励信号之间的相位差的变化，
其中，如果所述变化偏离变化目标范围，则推断出在所述端面上存在可变沉积物。
6.根据权利要求1所述的方法，
其中，所述第一测试量包括根据第一频率范围内的频率的衰减值和/或所述衰减值的变化，
其中，如果所述衰减值和/或所述衰减值的所述变化偏离衰减目标范围，则推断出在所述端面上存在可变沉积物。
7.根据权利要求1所述的方法，
其中，所述第一测试量包括在所述反射的激励信号的第一频率范围上的总和、积分或平均值。
8.根据前述权利要求中的至少一项所述的方法，
其中，所述组件(100)具有第二微波天线(130)，所述第二微波天线被布置成特别是与所述第一微波天线(120)直径上对置，并且所述第二微波天线特别是以接触介质的方式被布置在所述测量管道(110)的第二插口中，
包括以下方法步骤：
-借助于所述第二微波天线(130)接收所述激励信号，
-基于所发射的激励信号和/或基于所发射的激励信号的变换，特别是积分变换，并且优选地基于傅里叶逆变换，来确定第二测试量，
其中，所述第二测试量是所述激励信号沿传播路径穿过所述测量管道(110)的内部体积的传播的特征，
其中，所述传播路径描述了所述激励信号至少穿过在所述第一微波天线(130)的所述端面和所述测量管道的内周边表面上的所述可变沉积物的至少部分传播，
其中，所述第二测试量被包括在所述可变沉积物的所述沉积物性质——特别是取决于所述可变沉积物的沉积物厚度的变量——的确定中。
9.根据前一权利要求所述的方法，
其中，所发射的激励信号包括第三频率，在所述第三频率下，所发射的激励信号的衰减假定第三极值，特别是最大值，
其中，仅在所述第一测试量——特别是针对第一频率的所述反射的激励信号的衰减或在第一频率范围上的平均衰减——增大并且所述第一频率不同于所述第三频率的情况下，明确地推断出在所述端面上存在所述可变沉积物，
其中，所述第三频率对应于测量管道共振。
10.根据权利要求8和/或9所述的方法，包括以下方法步骤：
-如果所述第二测试量偏离目标值范围，则根据所述第一测试量确定经修正的管道横截面。
11.根据前述权利要求中的至少一项所述的方法，
其中，所述第一频率范围具有0.3至20GHz，特别是1.8至7.5GHz，并且优选地1.8至3.5GHz的频率。
12.一种测量组件(100)，包括：
-测量管道(110)，所述测量管道用于输送多相介质；
-第一微波天线(120)，所述第一微波天线被布置在所述测量管道(110)的第一插口中；
-测量电路(140)，
其中，所述测量电路(140)包括高频发生器(150)，所述高频发生器用于向所述第一微波天线(120)馈送激励信号，特别是高频信号的序列，
其中，所述测量电路(140)被另外配置成执行根据前述权利要求中的至少一项所述的方法。
13.一种测量组件(100)，包括：
-第二微波天线(130)，所述第二微波天线被布置在所述测量管道(110)的第二插口中，特别是与所述第一微波天线(120)直径上对置，
其中，所述测量电路(140)被配置成基于借助于所述第二微波天线(130)测量的所发射的激励信号来确定在所述测量管道(140)中输送的所述多相介质的至少一种性质，特别是固体含量。
14.一种处理系统，包括：
-根据权利要求12和/或13所述的测量管道组件，
-用于确定所述介质的另一过程性质——特别是体积流速——的装置，
其中，用于确定所述另一过程性质的所述装置具有用于确定取决于所述过程性质的测得变量的测量电路，
其中，所述测量电路被配置成根据所确定的测得变量和所述沉积物性质确定经修正的过程性质。
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