DE102015200701A1

DE102015200701A1 - Messeinrichtung zum Quantifizieren von unterschiedlichen Anteilen eines Fluid-Gemisches, sowie ein entsprechendes Verfahren

Info

Publication number: DE102015200701A1
Application number: DE102015200701.4A
Authority: DE
Inventors: Matthias Goldammer; Karsten Schörner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2015-01-19
Filing date: 2015-01-19
Publication date: 2016-07-21

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Messeinrichtung (1) zum Quantifizieren von unterschiedlichen Anteilen (4, 5, 6) eines Fluid-Gemisches (3), insbesondere eines Gas-Wasser-Öl-Gemisches, mit einem Messkanal (2), durch welchen in Betrieb der Messeinrichtung (1) das Fluid-Gemisch (3) strömt, mit einer Strahlungsquelle (12) zum Durchstrahlen des durch den Messkanal (2) strömenden Fluid-Gemisches (3) mit einer Strahlung, und mit einer Detektoreinheit (13) zum Detektieren eines durch das Fluid-Gemisch (3) transmittierten Strahlungsanteils der Strahlung, sowie mit einem Filterelement (7), welches in einem Strahlengang (14, 15) der Strahlung zwischen der Strahlungsquelle (12) und dem Messkanal (2) angeordnet ist und in zumindest einer ersten Richtung quer zum Strahlengang (14, 15) innerhalb eines im Betrieb der Messeinrichtung (1) durch die Strahlungsquelle (12) durchstrahlten Filterbereiches mehrere Absorptionsbereiche (8, 9) mit jeweils unterschiedlichen Absorptionseigenschaften für ein Spektrum der Strahlung aufweist, wobei die Detektoreinheit (13) Detektorpunkte (16, 16’, 16’’) aufweist, mittels derer lediglich eine über das Spektrum der Strahlung aufintegrierte Gesamtintensität (Imeas H, Imeas L) der Strahlung erfassbar und damit auswertbar ist, um die Quantifizierung von unterschiedlichen Anteilen (4, 5, 6) eines Fluid-Gemisches (3) zu verbessern.

Description

Die Erfindung betrifft eine Messeinrichtung zum Quantifizieren von unterschiedlichen Anteilen eines Fluid-Gemisches, insbesondere eines Gas-Wasser-Öl-Gemisches, mit einem Messkanal, durch welchen in Betrieb der Messeinrichtung das Fluid-Gemisch strömt, mit einer Strahlungsquelle zum Durchstrahlen des durch den Messkanal strömenden Fluid-Gemisches mit einer Strahlung, und mit einer Detektoreinheit zum Detektieren eines durch das Fluid-Gemisch transmittierten Strahlungsanteils der Strahlung. Die Erfindung betrifft auch ein entsprechendes Verfahren zum Quantifizieren von unterschiedlichen Anteilen eines Fluid-Gemisches.
Die Länge von Öl- und/oder Gaspipelines steigt mit der zunehmenden Entfernung von Öl- bzw. Gasfeldern von den Bestimmungsorten. In diesen Pipelines wird oft ein Fluid-Gemisch mit drei unterschiedlichen Anteilen, sogenannten Phasenanteilen, transportiert. Diese Phasenanteile sind häufig Öl, Wasser – insbesondere eine Salzsole – und Gas. Die jeweiligen Anteile werden über Simulationen abgeschätzt, wobei mit zunehmender Länge der Pipelines jedoch Fehler in den Ergebnissen der Simulation zu immer größeren resultierenden Fehlern in der Abschätzung der tatsächlich transportierten Menge der jeweiligen Anteile führen. Das liegt auch daran, dass die Simulationen typischerweise nur auf Laborexperimenten basieren und gleichzeitig die Messungen, welche bei dem Einsatz der Simulation deren Grundlage sind, in der Realität oftmals mit großen Unsicherheiten behaftet sind.
Die traditionellen Messungen mit einer höheren Genauigkeit sind in den Pipelines jedoch auf Grund hoher Temperaturen und Drücke unmöglich. Eine bekannte Lösung zum Bestimmen der unterschiedlichen Phasenanteile in dem Fluid-Gemisch, ist die Verwendung der Gamma-Densitometrie. Um zwischen drei Phasenanteilen unterscheiden zu können, ist hier die Verwendung einer Röntgenstrahlungsquelle erforderlich, welche eine Strahlung in zumindest zwei unterschiedlichen Energiebereichen emittiert. Da nämlich die Absorptionseigenschaften jedes Phasenanteils für unterschiedliche Energiebereiche verschieden sind, kann über ein Kombinieren von Messergebnissen in den unterschiedlichen Energiebereichen zwischen drei Phasenanteilen unterschieden werden. Dies lässt sich beispielsweise über die in dem Artikel „Measuring phase distribution in high pressure three-phase flow using gamma densitometry" von Rainer Hoffmann und George William Johnson, welcher in „Flow Measurement and Instrumentation", Ausgabe 22, von 2011 auf den Seiten 351–359 erschienen ist, vorgestellten und überprüften Berechnungsmethoden erzielen und kann in unterschiedlicher Art und Weise in der Praxis realisiert sein.
Die WO 2013/162399 A1 beschreibt eine Messeinrichtung zum Messen einer Strömungsgeschwindigkeit eines Fluid-Gemisches. Diese Messeinrichtung weist eine Strahlungsquelle zum Generieren einer Abfolge von Photonenpulsen zum Durchstrahlen eines Teilbereichs des Fluid-Gemisch-Stroms auf, wobei die Photonen unterschiedliche Energien haben. Auch eine Detektorvorrichtung, mit welcher durch das Fluid-Gemisch transmittierte Photonen detektiert werden können, ist Teil der Messeinrichtung. Dabei werden die Photonen, welche das Fluid-Gemisch in unterschiedlichen Zeitintervallen durchdrungen haben, ausgewertet, um ein erstes Bild einer räumlichen Verteilung der detektierten Photonen einer ersten Energie sowie ein zweites Bild einer räumlichen Verteilung der Photonen einer zweiten Energie zu generieren. Durch eine Analyseeinheit der Messeinrichtung ist die Flussgeschwindigkeit unterschiedlicher Phasen innerhalb des Fluid-Gemisches über ein Auswerten einer zeitlichen Abfolge der ersten und zweiten Bilder bestimmbar.
Die WO 2014/035 275 A1 offenbart eine Methode zum röntgenbasierten Messen eines mehrphasigen Stroms, also eines Gemisches mit mehreren Phasenanteilen, durch eine Messröhre mittels einer energieauflösenden Detektoreinheit. Die besagte energieauflösende Detektoreinheit detektiert dabei einen durch das Fluid-Gemisch transmittierten Anteil eines polychromatischen Photonenstrahls, welcher in Abhängigkeit der unterschiedlichen Phasenanteile des Fluid-Gemisches abgeschwächt wird.
Auch die WO 2014/035287 A1 offenbart eine Methode zum Messen unterschiedlicher Phasenanteile in einem Strom eines Fluid-Gemisches. Dort wird ein polychromatischer Photonenstrahl durch eine Messröhre, welcher von dem Fluid-Gemisch durchströmt wird, geleitet und von einer zweidimensionalen Detektorstruktur mit Sensorelementen, welche eine Energieauflösung für die detektierten Photonen bereitstellt, erfasst. Es können hier unterschiedliche Energiebereiche definiert werden, so dass die Energiebereiche an die unterschiedlichen Anteile des Fluid-Gemisches angepasst sind, welche bestimmt werden sollen.
Die WO 2014/074004 A1 offenbart eine Methode zum Bestimmen einer Flussrate der Konstituenten eines mehrphasigen Fluid-Gemisches. Dabei werden Röntgenstrahlen von zumindest zwei unterschiedlichen Energien bereitgestellt und die Absorption der Röntgenstrahlen durch das Fluid-Gemisch über eine Röntgendetektormatrix gemessen. Es wird dabei ein Röntgendetektor mit einer Energieauflösung verwendet.
Die WO 2014/074005 A1 beschreibt ein Verfahren für ein einfaches Generieren von Röntgenstrahlung mit unterschiedlichen Wellenlängen. Dabei wird eine Röntgenröhre mit unterschiedlichen Beschleunigungsspannungen betrieben und eine erzeugte Röntgenstrahlung über ein Verwenden unterschiedlicher Filterelemente in ihren spektralen Eigenschaften angepasst.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Quantifizierung von unterschiedlichen Anteilen eines Fluid-Gemisches zu verbessern, insbesondere zu vereinfachen, zu vergenauern und zu beschleunigen.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen, der Beschreibung und den Figuren.
Eine erfindungsgemäße Messeinrichtung zum Quantifizieren von unterschiedlichen Anteilen oder Phasenanteilen eines Fluid-Gemisches, insbesondere eines Gas-Wasser-Öl-Gemisches, umfasst einen Messkanal, eine Strahlungsquelle und eine Detektoreinheit. Durch den Messkanal strömt dabei im Betrieb der Messeinrichtung das Fluid-Gemisch. Die Strahlungsquelle dient dabei dem Durchstrahlen des durch den Messkanal strömenden Fluid-Gemisches mit einer Strahlung. Es kann sich hier um eine polychromatische Röntgenstrahlung handeln. Die Detektoreinheit dient dabei dem Detektieren eines durch das Fluid-Gemisch und den Messkanal transmittierten Strahlungsanteils der Strahlung.
Um eine verbesserte Quantifizierung zu erreichen, weist die Messeinrichtung ein Filterelement auf, welches in einem Strahlengang der Strahlung von der Strahlungsquelle über das Fluid-Gemisch zum Detektor zwischen der Strahlungsquelle und dem Messkanal angeordnet ist. Das Filterelement weist dabei in zumindest einer ersten Richtung quer zum Strahlengang innerhalb eines im Betrieb der Messeinrichtung durch die Strahlungsquelle durchstrahlten, insbesondere flächigen, Filterbereiches mehrere Absorptionsbereiche mit jeweils unterschiedlichen Absorptionseigenschaften für das Spektrum der Strahlung auf. Bei Durchstrahlen der unterschiedlichen Absorptionsbereiche wird somit ein Spektrum der Strahlung jeweils unterschiedlich beeinflusst. Damit kann ein einheitliches ursprüngliches Spektrum der Strahlung in einer vorbestimmten Weise ortsabhängig gefiltert und somit ortsabhängig moduliert werden. Das Filterelement kann hier auch als statischer Spektralmodulator oder Modulator bezeichnet werden. Derartige statische Spektralmodulatoren mit mehreren Absorptionsbereichen und jeweiligen unterschiedlichen Absorptionseigenschaften für eine Strahlung sind beispielsweise in dem Artikel „Scatter Correction Method for X-Ray CT Using Primary Modulation: Theory and Preliminary Results" von Lei Zhu, N. Robert Bennett, and Rebecca Fahrig, erschienen in den IEEE Transactions on Medical Imaging, Vol. 25, No. 12, December 2006, beschrieben.
Die Detektoreinheit weist dabei Detektorpunkte auf, mittels derer lediglich eine über ein Spektrum oder Energiespektrum der Strahlung aufintegrierte Gesamtintensität über das gesamte Spektrum der Strahlung erfassbar und damit auswertbar ist. Insbesondere weist die Detektoreinheit in einem im Betrieb durch den transmittierten Strahlungsanteil bestrahlten Detektorbereich ausschließlich solche oder zumindest im Wesentlichen nur solche Detektorpunkte auf. Es kann somit anstatt des im Stand der Technik üblichen energieauflösenden Detektors in der Detektoreinheit ein Standarddetektor, beispielsweise ein sogenannter Flat-Panel-Detektor, eingesetzt werden. Ein solcher Standarddetektor oder Flat-Panel-Detektor gibt pro Detektorpunkt oder Detektorpixel lediglich die über das gesamte Spektrum aufintegrierte Gesamtintensität aus, ohne dabei nach Energien aufzulösen.
Durch das Filterelement kann also eine ortsabhängige selektive Filterung oder Modulation der Strahlung erfolgen, so dass in einem Strahlgang hinter dem Filterelement oder Modulator hinter den unterschiedlichen Absorptionsbereichen jeweils eine Strahlung mit einem jeweils unterschiedlichen Spektrum vorliegt. Hinter bestimmten Absorptionsbereichen mit einer ausgeprägten Absorption wird somit ein härteres Spektrum, also ein Spektrum mit einem vergleichsweise geringen niederenergetischen Anteil erreicht, wohingegen hinter anderen Absorptionsbereichen mit einer weniger ausgeprägten Absorption ein vergleichsweise weicheres Spektrum erhält, da insbesondere der niederenergetische Anteil weniger absorbiert wird. Da für die jeweiligen härteren oder weicheren Spektren die zu den Phasenanteilen oder Anteilen des Fluid-Gemisches, insbesondere zu Gas, Öl und Wasser, gehörigen Absorptionskoeffizienten unterschiedlich sind, ist auf Grund der ortsaufgelöst durch die Detektorpunkte erfassten Gesamtintensitäten des transmittierten Strahlungsanteils eine spätere ortsaufgelöste Unterscheidung der unterschiedlichen Anteile möglich.
Die genannte Unterscheidung ist beispielsweise in dem genannten Artikel von Rainer Hoffmann und George William Johnson beschrieben. Zur Berechnung der jeweiligen Anteile aus einem transmittierten Strahlungsanteil können hier die gleichen Formeln, insbesondere die Gleichungen 3.2 bis 3.11 des erwähnten Artikels, oder, falls eine Unterscheidung von mehr als drei Anteilen gewünscht ist, analoge Formeln verwendet werden. Allerdings unterscheidet sich das dortige Verfahren entscheidend von dem erfindungsgemäßen Verfahren, da dort über einen energieauflösenden Detektor für jeden Detektorpunkt, also für jeden Ort simultan Messgrößen der Intensität des transmittierten Strahlungsanteils in verschiedenen Spektralbereichen, die Messgrößen I_meas ^L und I_meas ^H, bestimmt werden.
Erfindungsgemäß müssen jedoch die ortsabhängigen Gesamtintensitäten, welche jeweils durch die Detektorpunkte erfasst werden, im Vergleich ausgewertet werden. Erfindungsgemäß werden also die unterschiedlichen Gesamtintensitäten des transmittierten Strahlungsanteils von verschiedenen Orten verglichen bzw. gemeinsam ausgewertet. Es werden somit vorliegend zur Berechnung der unterschiedlichen Phasenanteile, beispielsweise über die besagten Gleichungen 3.2 bis 3.11 des Artikels von Rainer Hoffmann und George William Johnson, die jeweiligen Messwerte für die Intensität des transmittierten Strahlungsanteils, beispielsweise I_meas ^L und I_meas ^H, in unterschiedlichen Bereichen des Detektors aufgenommen. Die unterschiedlichen Detektorbereiche entsprechen dabei den unterschiedlichen Absorptionsbereichen. Das heißt, der Detektorbereich ist dem Absorptionsbereich zugeordnet, welchen der auf den Detektorbereich treffende transmittierte Strahlungsanteil bzw. die zugehörige Strahlung zuvor durchdrungen hat. Dabei können Detektor- und Absorptionsbereich bspw. auf Grund der Strahlgeometrie unterschiedliche Größen oder Abmessungen aufweisen. Entscheidend ist dabei die Annahme, dass die aufgenommenen Mischverhältnisse im Fluid-Gemisch räumlich so grob verteilt sind, dass ihre lokalen Änderungen von einem Absorptionsbereich zum nächsten, und damit von einem Detektorbereich zum nächsten, vernachlässigbar sind. Damit hat die Größe der aufzunehmenden Strukturen, also der Volumenbereiche oder „Blasen“, in welchen die unterschiedlichen Anteile in dem Fluid-Gemisch vorkommen, maßgeblich Einfluss auf die Auswahl der Größe der entsprechenden Absorptionsbereiche und der zugehörigen Detektorbereiche. Kleinere Absorptionsbereiche, also ein feineres Filterelement, reduziert Fehler und erlaubt damit ein genaueres Bestimmen von kleineren Strukturen.
Für einen Detektorpixel oder Detektorpunkt (x,y) des Detektors in einem einem ersten Absorptionsbereich entsprechenden Detektorbereich, welcher beispielsweise mit einer Strahlung eines vergleichsweise weichen (L für „low“ oder „low energy“; alternativ ist auch der Index „S“ für „soft“ gebräuchlich) Spektrums bestrahlt wird, ist die an dem Detektorpunkt (x,y) gemessene Intensität I_meas ^L dann: I_meas ^L(x,y) = I₀ ^L(x,y)·exp[ – Σ_iμ_i ^L·d_i(x,y)]; wobei die I₀ ^L(x,y) die für den Detektorpunkt (x,y) aufgenommene Intensität des leeren, nicht durchströmten Rohres mit dem weichen Spektrum ist, μ_i ^L der Absorptionskoeffizient für die Strahlung mit dem weichen Spektrum für die unterschiedlichen Anteile i des Fluid-Gemisches und d_i(x,y) die jeweils von der Strahlung durchlaufene Wegstrecke durch den Anteil i, um zu dem Detektorpunkt (x,y) zu gelangen. Analog ergibt sich für einen weiteren Detektorpunkt (x,y’) in einem Detektorbereich, welcher einem unterschiedlichen Absorptionsbereich entspricht, und beispielsweise mit einer Strahlung eines harten (H für „high“ oder „high energy“; alternativ auch für „hard“) Spektrums bestrahlt wird: I_meas ^H(x,y’) = I₀ ^H(x,y’)·exp[ – Σ_iμ_i ^H·d_i(x,y’)].
Die jeweiligen Größen sind hier analog zur obigen Formel definiert. Damit kann gemäß der Gleichung 3.6 des Artikels von Rainer Hoffmann und George William Johnson oder einer analogen Gleichung für die jeweiligen Detektorpunkte (x,y), (x,y’) der vorliegende Abschwächungskoeffizient µ_meas ^L, µ_meas ^H berechnet werden: µ_meas ^L(x,y) = 1/d_pipe(x,y)·ln[I₀ ^L(x,y)/I_meas ^L(x,y)] sowie µ_meas ^H(x,y’) = 1/d_pipe(x,y’)·ln[I₀ ^H(x,y’)/I_meas ^H(x,y’)].
Entsprechend lassen sich damit wie in besagtem Artikel direkt die Anteile des Fluid-Gemisches, beispielsweise von Öl, Gas und Wasser berechnen. Dabei ist d_pipe(x,y) die durchlaufene Weglänge des transmittierten Strahlungsanteils durch die Messkanalwand um zu dem Detektorpunkt (x,y) zu gelangen.
Das hat den Vorteil, dass für eine sogenannte Zweifachenergieaufnahme (Dual-Energy-Aufnahme) oder eine Mehrfachenergieaufnahme im Anwendungsbereich einer Messung eines Flusses eines Fluid-Gemisches erstmalig kein energieauflösender Detektor erforderlich ist. Damit ist die Messeinrichtung nicht nur preislich günstiger als eine Messeinrichtung mit einem energieauflösenden Detektor, sondern auch technologisch einfacher und praktischer zu handhaben. Überdies wird die Quantifizierung somit wesentlich beschleunigt, da der Standarddetektor mit einer sehr großen Frequenz betrieben werden kann, so dass schon eine kurze Aufnahme von ca. 3 bis 5 Millisekunden (ms) ausreicht, um die Anteile des Fluid-Gemisches zu bestimmen. Es sind somit auch in schneller Abfolge zweidimensionale Bilder aufnehmbar, die an einer Vielzahl von Messpunkten, beispielsweise 500 × 500 oder 2000 × 2000 Detektorpunkten ein Berechnen der unterschiedlichen Anteile erlauben. Damit können auch statistische Ungenauigkeiten, wie sie beispielsweise allein durch die endliche Photonenzahl im transmittierten Strahlungsanteil zu Stande kommen, durch eine entsprechende Mittelung aller aufgenommenen Strahlungsanteile beziehungsweise Signale wesentlich verbessert werden. Es ist auf Grund der hohen möglichen Betriebsfrequenz auch möglich, eine gepulste Strahlungsquelle zu verwenden.
Zusätzlich ist das Quantifizieren mit der vorgestellten Messeinrichtung problemlos kombinierbar mit sogenannten Multiphase-Flowmeter-Applikationen, also Anwendungen, in denen zusätzlich zu den Anteilen des Fluid-Gemisches auch noch die jeweiligen Fließgeschwindigkeiten bestimmt werden. Ein Verfahren zum Bestimmen solch einer Fließgeschwindigkeit ist beispielsweise in der WO 2013/162399 A1 beschrieben. Bei Verwendung der mit der hier beschriebenen Messeinrichtung erlangten Aufnahmen in einem derartigen Verfahren muss jedoch das über die unterschiedlichen Absorptionsbereiche auf die erfasste Intensitätsverteilung aufgeprägte stationäre Muster entsprechend berücksichtigt werden. Auch das Bestimmen der Flussgeschwindigkeit kann jedoch von der Vielzahl an bereitgestellten Aufnahmen und der entsprechenden statistischen Verbesserung profitieren. Überdies bietet der hier beschriebene Ansatz im Gegensatz zu anderen Multiphase-Flowmeter Techniken ohne die Verwendung von Röntgenstrahlung den Vorteil, dass keinerlei beschränkende Annahmen über das in dem Messkanal beziehungsweise dem Transportrohr oder der Pipeline herrschende Fließ- oder Flussregime gemacht werden muss. Somit können auch sogenannte Schwallströmungen oder „slug flows“ detektiert und analysiert werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die unterschiedlichen Absorptionsbereiche nach einem sich in der ersten Richtung wiederholenden räumlichen Muster angeordnet sind, insbesondere nach einem gleichmäßigen Muster. Es kann sich hier insbesondere um ein als Linienmuster ausgeprägtes Muster handeln. Die linienförmig ausgeprägten Absorptionsbereiche können hier jeweils senkrecht zu der ersten Richtung verlaufen. Das hat den Vorteil, dass so die Statistik verbessert wird, da für entsprechend viele Detektorbereiche bzw. Detektorpunkte die erfasste Strahlung in der vorgegebenen Weise in ihrem Spektrum modifiziert ist. Auch ist ein solches Muster vergleichsweise einfach herzustellen. Ein gleichmäßiges Muster erleichtert das Auswerten der erfassten ortsaufgelösten Gesamtintensitäten.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Filterelement auch in einer zur ersten Richtung senkrecht stehenden zweiten Richtung mehrere Absorptionsbereiche mit jeweils unterschiedlichen Absorptionseigenschaften für das Spektrum der Strahlung aufweist. Insbesondere sind diese in der zweiten Richtung nach einem sich wiederholenden räumlichen Muster angeordnet. Dieses Muster kann ebenfalls gleichmäßig sein. Es können beispielsweise unterschiedliche Absorptionsbereiche nach Art eines Schachbrettmusters angeordnet sein. Das hat den Vorteil, dass eine besonders große räumliche Auflösung und eine entsprechend ortsabhängig fein aufgelöste Variation oder Modulation des Spektrums der Strahlung erreicht ist. Somit kann auch die Quantifizierung besonders genau erfolgen.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Filterelement zwei, insbesondere lediglich zwei, unterschiedliche Arten von Absorptionsbereichen aufweist, welche sich in ihren Absorptionseigenschaften unterscheiden und in welchen die Filterfläche zumindest vorwiegend jeweils voneinander unterschiedliche Materialien umfasst und/oder jeweils voneinander unterschiedliche Anteile gleicher Materialien umfasst. Dabei hat ein Absorptionsbereich ein größeres Absorptionsvermögen als der andere. Es können somit beispielsweise im Falle eines Linienmusters „helle“ und „dunkle“ Linien auf der Filterfläche vorhanden sein, wobei die hellen Linien entsprechend aus einem schwach absorbierenden Material und die dunkeln Linien aus einem stark absorbierenden Material bestehen oder zumindest teilweise bestehen. Alternativ können die unterschiedlichen Absorptionsbereiche auch unterschiedlich dicke Schichten eines gleichen Materials aufweisen. Das hat den Vorteil, dass so über eine geeignete Wahl der entsprechenden Materialien auf einfache und kompakte Weise ein ortsabhängiges Filtern der Strahlung und entsprechend unterschiedliche Spektren der Strahlung erzielt werden.
Dabei kann vorgesehen sein, dass das Filterelement in den Absorptionsbereichen der ersten Art Rhodium und/oder Kunststoff und/oder Epoxidharz umfasst, und/oder in den Absorptionsbereichen der zweiten Art Wolfram und/oder Hafnium und/oder Tantalum und/oder Kupfer. Das hat den Vorteil, dass sich so die unterschiedlichen Spektren besonders leicht, das heißt mit geringem Materialaufwand erzeugen lassen. Gerade die Kombination von Epoxidharz und/oder Kunststoff für die Absorptionsbereiche der ersten Art und Kupfer, bevorzugt auf einem Träger von Epoxidharz und/oder Kunststoff, in den Absorptionsbereichen der zweiten Art ermöglicht hier das Fertigen der Filterfläche in Form von geätzten Leiterplatinen. Bei diesen wird das härtere/stärkere Spektrum, die dunklen Felder, durch das Kupfermaterial auf dem Grundmaterial der Leiterplatine erzeugt. Die hellen Felder hingegen bestehen dann bevorzugt nur aus dem Grundmaterial der Leiterplatine, also Kunststoff und/oder Epoxidharz, und härten somit das Röntgenspektrum auf Grund einer geringen Absorption nur wenig auf. Auf Leiterplatinen lassen sich auch dünne Strukturen, insbesondere dünne Linien oder feine Schachbrettfelder auf einfache Weise herstellen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Absorptionsbereiche in der ersten und/oder zweiten Richtung eine räumliche Erstreckung von weniger als 5 Millimeter (mm), insbesondere von weniger als 1 mm und bevorzugt von weniger als 0,5 mm haben. Die Absorptionsbereiche können hier auch deutlich kleiner gewählt werden, beispielsweise wenn die den Absorptionsbereichen entsprechenden Detektorbereiche durch die Strahlgeometrie, beispielsweise eine Conebeam- oder Fanbeamgeometrie, größer als die Absorptionsbereiche sind. In diesem Fall sind die Absorptionsbereiche dann in der Objektebene vergrößert abgebildet und nochmals größer in der Detektorebene. Von daher sind grundsätzlich auch noch wesentlich kleinere Abmessungen denkbar, die dann entsprechend fokusnah vergrößert werden. In diesem Fall haben dann insbesondere die Absorptionsbereiche in der ersten und/oder zweiten Richtung eine räumliche Erstreckung, die zu jeweiligen Abbildungen der Absorptionsbereiche durch die Strahlung in der Objektebene führt, deren räumliche Erstreckung weniger als 5 mm, insbesondere weniger als 1 mm und bevorzugt weniger als 0,5 mm beträgt.
Das hat den Vorteil, dass bei typischen Fließgeschwindigkeiten für die unterschiedlichen Anteile in einem Rohr, welche bei einem Gas-Wasser-Öl-Gemisch in einer Pipeline bei circa 1 m/s liegen, noch ein zuverlässiges Quantifizieren möglich ist. Im Verlauf einer Aufnahme, deren Dauer bei einer üblichen Pulslänge einer von einer typischen Strahlungsquelle erzeugten gepulsten Strahlung bei circa 3 bis 5 ms liegt, hat sich das Fluid-Gemisch bei einer typischen Fließgeschwindigkeit entsprechend circa 3 bis 5 mm fortbewegt. Es wird somit durch die genannten Größen der Absorptionsbereiche auf Grund der Bewegungsunschärfe eine jeweilige lokale Struktur des Gemisches auf mehrere benachbarte Detektorbereiche abgebildet. Unter der Annahme, dass sich die Struktur des Gemisches in dem kurzen Zeitraum des Pulses nicht wesentlich ändert, können somit auch die gemessenen Gesamtintensitäten zweier benachbarter Absorptionsbereiche zur Berechnung der unterschiedlichen Anteile herangezogen werden, ohne einen Fehlerwert zu erhalten, der das Gesamtergebnis erheblich verfälscht.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Strahlungsquelle gepulst betreibbar ist. Insbesondere kann die Strahlungsquelle mit einer einstellbaren Pulsdauer und/oder Pulsfrequenz betreibbar sein. Das hat den Vorteil, dass der Energieaufwand für die Strahlung reduziert wird und ein Verschmieren von Aufnahmen in der Detektoreinheit vermieden wird. Außerdem ist es so möglich, eine Dauer einer Aufnahme an eine Fließgeschwindigkeit des Fluid-Gemisches und eine räumliche Erstreckung der Absorptionsbereiche anzupassen um die Quantifizierung zu optimieren.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Filterelement rotierbar gelagert ist. Dabei ist das Filterelement insbesondere um eine Rotationsachse, welche im Wesentlichen senkrecht zu der ersten Richtung verläuft, rotierbar. Das ist vorteilhaft, da, wenn die Fließgeschwindigkeit der unterschiedlichen Anteile des Fluid-Gemisches bekannt ist, auch bekannt ist, nach welcher Zeit diese eine vorbestimmte Strecke zurückgelegt haben. Durch ein Rotieren des Filterelements kann die räumliche Erstreckung der jeweiligen Absorptionsbereiche in der Richtung, in welche das Fluid-Gemisch fließt, der Flussrichtung, verändert werden, sodass eine Struktur des Gemisches jeweils eine einstellbare Zeit mit einer Strahlung der jeweiligen, den Absorptionsbereichen zugeordneten Spektren bestrahlt wird.
Damit ist es möglich, durch eine Anpassung einer Strahldauer oder Pulsperiode der Strahlungsquelle in Kombination mit der geeigneten Rotationsposition des Filterelementes in zwei aufeinander folgenden Aufnahmen die gleiche Gemisch-Struktur in unterschiedlichen Detektorbereichen der Detektoreinheit abzubilden. Dabei ist den unterschiedlichen Detektorbereichen jeweils ein anderes Spektrum der Strahlung zugeordnet. Besonders vorteilhaft ist es hier, wenn die Absorptionsbereiche in Form eines regelmäßigen Linienmusters mit einer Gitterperiode vorliegen. Dann genügt es, die Pulsperiode und die Gitterperiode entlang der Flussrichtung mit der Fließgeschwindigkeit zu synchronisieren. Damit wird erneut die Genauigkeit der Quantifizierung erhöht.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Quantifizieren von unterschiedlichen Anteilen eines Fluid-Gemisches, insbesondere eines Gas-Wasser-Öl-Gemisches, mit einer Reihe von Schritten. Ein erster Schritt ist hier ein Durchströmen eines Messkanals einer Messeinrichtung mit dem Fluid-Gemisch. Es folgt ein Durchstrahlen des durch den Messkanal strömenden Fluid-Gemisches mit einer Strahlung durch eine Strahlungsquelle. Ein weiterer Schritt ist ein Detektieren oder Erfassen eines durch das Fluid-Gemisch transmittierten Strahlungsanteils der Strahlung durch eine Detektoreinheit. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Durchstrahlen mit der Strahlung ein ortsabhängiges Filtern eines Spektrums der Strahlung durch ein Filterelement erfolgt, welches in einem Strahlengang der Strahlung zwischen der Strahlungsquelle und dem Messkanal angeordnet ist. Das Filterelement weist dabei in zumindest einer ersten Richtung quer zum Strahlengang innerhalb eines durch die Strahlungsquelle durchstrahlten Filterbereiches mehrere Absorptionsbereiche mit jeweils unterschiedlichen Absorptionseigenschaften für das Spektrum der Strahlung auf. Schließlich erfolgt ein Erfassen einer, insbesondere lediglich einer, über das Spektrum der Strahlung aufintegrierten ortsabhängigen Gesamtintensität der Strahlung durch Detektorpunkte der Detektoreinheit und ein Auswerten der erfassten ortsabhängigen Gesamtintensitäten. Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen entsprechen hier den Vorteilen und vorteilhaften Ausführungsformen der Messeinrichtung.
Alle vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder aber in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen von der Erfindung als umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt und erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt:
1 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform einer Messeinrichtung in einer ersten Ansicht;
2 eine schematische Darstellung zweier beispielhafter ortsabhängiger unterschiedlicher Spektren einer Strahlung;
3 eine schematische Darstellung der beispielhaften Ausführungsform aus 1 in einer anderen Ansicht; und
4 eine schematische Darstellung weitere beispielhafte Ausführungsform einer Messeinrichtung.
In den FIG werden gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine beispielhafte erste Ausführungsform einer Messeinrichtung in einer ersten schematischen Ansicht. Die Messeinrichtung 1 ist vorliegend mit einem Messkanal 2 und einem Filterelement 7 dargestellt. Auf die Darstellung einer Detektoreinheit 13 (3) und einer Strahlungsquelle 12 (3) wurde vorliegend aus Gründen der Übersichtlichkeit verzichtet. Der Messkanal 2 ist im gezeigten Beispiel mit einem Fluid-Gemisch 3 mit vorliegend einem Gasanteil 4, einem Ölanteil 5 und einem Wasseranteil 6 gefüllt. Das Fluid-Gemisch 3 durchströmt den Messkanal 2 in einer Flussrichtung F, welche hier parallel zu einer x-Richtung verläuft. Vorliegend sind Gas- und Ölanteil 4, 5 in Form von Blasen in dem Wasseranteil 6 ausgeprägt.
Das Filterelement 7 erstreckt sich im gezeigten Beispiel in einer x-y-Ebene parallel zu der Flussrichtung F und weist im gezeigten Beispiel eine Reihe von Absorptionsbereichen 8, 9 auf, welche jeweils unterschiedliche Absorptionseigenschaften für ein Spektrum einer Strahlung aufweisen. Im gezeigten Beispiel sind erste Absorptionsbereiche 8 und zweite Absorptionsbereiche 9 in Form eines Streifenmusters als in y-Richtung parallel zueinander verlaufende sich abwechselnde Streifen mit unterschiedlichen Absorptionseigenschaften angeordnet. Diese Streifen weisen hier jeweils die gleiche Ausdehnung a in x-Richtung und damit Flussrichtung F auf. Das Filterelement 7 weist dabei bevorzugt eine Vielzahl von derartigen Absorptionsbereichen 8, 9 auf, welche in der Darstellung stark vergrößert wurden. Das Streifenmuster wird hier auf Grund der Gleichmäßigkeit durch die Ausdehnung a charakterisiert. Die Ausdehnung a kann beispielsweise 0,3 mm betragen. Im gezeigten Beispiel weisen die ersten Absorptionsbereiche 8 eine im Vergleich zu den zweiten Absorptionsbereichen 9 geringe Absorption der Strahlung auf. Eine Folge davon ist, dass nach dem Durchlaufen der ersten Absorptionsbereiche 8 das Spektrum der Strahlung vorliegend nahezu unverändert ist, da die ersten Absorptionsbereiche 8 nur eine geringe Absorption aufweisen. Im Gegensatz dazu ist das Spektrum der Strahlung nach Durchlaufen der zweiten Absorptionsbereiche 9 aufgehärtet, da die niederenergetischen Anteile der Strahlung dort verstärkt absorbiert werden. Die Absorptionsbereiche 8, 9 können beispielsweise durch geätzte Leiterplatinen erzeugt werden. Dabei ist in den ersten Absorptionsbereichen 8 vorliegend lediglich nur ein Grundmaterial der Leiterplatine erhalten, es wird in diesen Absorptionsbereichen vorliegend also nur noch beispielsweise Kunststoff und Epoxidharz von der Strahlung durchstrahlt. In den zweiten Absorptionsbereichen 9 hingegen ist hier eine Kupferschicht erhalten, welche mit einer beispielhaften Dicke von 1 mm erheblich Strahlung absorbiert.
Die Absorptionsbereiche 8, 9 können allerdings nicht nur nach Art eines Streifenmusters, sondern auch nach weiteren Mustern, bevorzugt regelmäßigen Mustern, angeordnet sein. Besonders bietet sich hier die Verwendung eines Schachbrettmusters an, bei welchem quadratische oder rechteckige erste und zweite Absorptionsbereiche 8, 9 jeweils von vier Absorptionsbereichen der jeweils anderen Art als nächste Nachbarn umgeben sind.
Wird nun das Filterelement 7 aus einer Richtung senkrecht zur Zeichenebene von der Seite des Betrachters mit der Strahlung durchstrahlt, so wird sich durch die Absorptionsbereiche 8, 9 hinter dem Filterelement 7 ortsabhängig jeweils ein anderes Spektrum der Strahlung ergeben, nämlich ein weitgehend gleichgebliebenes und somit vergleichsweise weiches Spektrum hinter den ersten Absorptionsbereichen 8 und ein aufgehärtetes Spektrum hinter den zweiten Absorptionsbereichen 9. Es erfolgt also ein ortsabhängiges Filtern der Strahlung bevor diese den Messkanal 2 und das darin befindliche Fluid-Gemisch 3 durchstrahlt. In einer Richtung senkrecht zur Zeichenebene ist dann hinter dem Messkanal die Detektoreinheit 13 (3) mit Detektorpunkten 16, 16’, 16’’ (3) angeordnet, mittels welcher je lediglich eine über das Spektrum der Strahlung aufintegrierte Gesamtintensität der Strahlung ortsabhängig erfassbar ist. Da die unterschiedlichen Anteile 4, 5, 6 des Fluid-Gemisches 3 für die unterschiedlichen Spektren der Strahlung, wie sie durch die unterschiedlichen Absorptionseigenschaften der Absorptionsbereiche 8, 9 des Filterelements 7 erzeugt werden, jeweils charakteristische Absorptionskoeffizienten aufweisen, lässt sich aus einem Vergleich zwischen den erfassten ortsabhängigen Gesamtintensitäten in ersten Detektorbereichen, welche den ersten Absorptionsbereichen 8 entsprechen, und zweiten Detektorbereichen, welche den zweiten Absorptionsbereichen 9 entsprechen, die Größe der jeweiligen Anteile ortsaufgelöst berechnen. Bevorzugt sind dabei benachbarte Detektorbereiche für den Vergleich heranzuziehen.
In 2 sind zwei beispielhafte ortsabhängige unterschiedliche Spektren einer Strahlung dargestellt. Aufgetragen ist hier eine Photonenanzahl in beliebigen Einheiten [a.u.] über einer Energie in Kiloelektronenvolt [keV]. Aufgetragen ist vorliegend ein beispielhaftes erstes Spektrum 10 einer Strahlung, welches beispielsweise durch eine Röntgenquelle mit einer Beschleunigungsspannung von 120 kV erzeugt wurde. Dieses erste Spektrum 10 entspricht dann beispielsweise in der in 1 dargestellten Ausführungsform auch dem Spektrum, welches hinter den ersten Absorptionsbereichen 8 anzutreffen ist, da dort praktisch keine Strahlung absorbiert wird. Ein Aufintegrieren des ersten Spektrums 8 wird somit zu einer Gesamtintensität I₀ der Strahlung (3) führen, welche in dem in 1 beschriebenen Beispiel im Wesentlichen identisch zu einer Gesamtintensität I₀ ^L der Strahlung mit dem „weichen“ Spektrum hinter dem ersten Absorptionsbereich 8 ist.
Eingezeichnet ist ebenfalls ein zweites Spektrum 11, welches eine wesentlich geringere Photonenanzahl erreicht. Die Photonenanzahl ist allerdings im niederenergetischen Bereich im Vergleich zu dem ersten Spektrum 10 viel stärker reduziert als im höher energetischen Bereich. Das zweite Spektrum 11 ist damit im Vergleich zu dem ersten Spektrum 10 aufgehärtet. Vorliegend wurde das zweite Spektrum 11 durch ein Filtern des ersten Spektrums 10 mit einer Absorptionsschicht von 1 mm Kupfer erreicht. Entsprechend kann das zweite Spektrum 10 also eine Strahlung hinter den zweiten Absorptionsbereichen 9 in dem in 1 dargestellten Beispiel charakterisieren. 2 zeigt also zwei Spektren, wie sie eine Strahlung nach dem Durchstrahlen des Filterelements vor dem Eindringen in den Messkanal aufweisen kann.
3 stellt das Ausführungsbeispiel von 1 in einer anderen Ansicht schematisch dar. Nun ist zusätzlich zu dem bereits aus 1 bekannten Messkanal 2 mit dem in der Flussrichtung F strömenden Fluid-Gemisch 3 und dem Filterelement 7 mit den ersten und zweiten Absorptionsbereichen 8, 9 auch die Strahlungsquelle 12, sowie die Detektoreinheit 13 dargestellt. Die Darstellung in 1 entspricht im Wesentlichen einem Blick auf die beispielhafte Ausführungsform der Messeinrichtung aus der Perspektive der Strahlungsquelle 12.
Vorliegend strahlt die Strahlungsquelle 12 eine Strahlung in einer z-Richtung ab. Für die Strahlung sind vorliegend zwei beispielhafte Strahlgänge 14, 15 dargestellt, welche parallel von der Strahlungsquelle 12 ausgehen, zunächst das Filterelement 7 und sodann den Messkanal 2 beziehungsweise das Fluid-Gemisch 3 durchlaufen und schließlich auf eine Detektoreinheit 13 mit einer Vielzahl von Detektorpunkten 16 treffen. In beiden Strahlgängen 14, 15 hat die Strahlung dabei zunächst jeweils ein ursprüngliches Spektrum, beziehungsweise ein „weiches“ Spektrum, wie es beispielsweise das erste Spektrum 10 (2) darstellt, und hat entsprechend jeweils eine über das gesamte Spektrum aufintegrierte ursprüngliche Gesamtintensität I₀. Der erste Strahlgang 14 durchläuft einen ersten Absorptionsbereich 8. Dort wird die Strahlung entsprechend der Absorptionseigenschaften des Absorptionsbereiches 8 gefiltert. Da im gezeigten Beispiel im ersten Absorptionsbereich 8 lediglich ein Grundmaterial einer Leiterplatine zu durchdringen ist, ist das Spektrum der Strahlung im Strahlgang 14 nach dem Durchdringen des Filterelementes 7 praktisch unverändert und weist entsprechend eine Gesamtintensität I₀ ^L auf. Diese ist im Wesentlichen identisch zur ursprünglichen Gesamtintensität I₀. Im ersten Strahlgang 14 durchdringt die Strahlung dann das Fluid-Gemisch 3. Vorliegend wird hier zunächst ein erste Wasserstrecke d_w1 durchdrungen, dann eine Gasstrecke d_g und schließlich eine zweite Wasserstrecke d_w2. Danach trifft der erste Strahlgang 14 auf ein erstes beispielhaftes Detektorpixel oder Detektorpunkt 16’, welches den transmittierten Strahlungsanteil der Strahlung des weichen Spektrums in seiner verbleibenden Gesamtintensität I_meas ^L erfasst.
In dem zweiten Strahlgang 15 weist die Strahlung zunächst, also vor dem Durchstrahlen des Filterelementes 7 das gleiche Spektrum und damit die gleiche Gesamtintensität I₀ auf, wie im ersten Strahlgang 14. Allerdings verläuft der zweite Strahlgang 15 nicht durch einen ersten Absorptionsbereich 8, welcher im gezeigten Beispiel aus einem Grundmaterial der Leiterplatine besteht, sondern durch einen zweiten Absorptionsbereich 9, welcher vorliegend eine Schicht aus Kupfer aufweist, beispielsweise eine 1 mm dicke Schicht. Entsprechend weist die Strahlung im zweiten Strahlgang 15 nach dem Durchlaufen des zweiten Absorptionsbereiches 9 ein deutlich verändertes Spektrum auf, beispielsweise ein zweites Spektrum 11 wie es in 2 dargestellt ist. Entsprechend ist dann auch die Gesamtintensität I₀ ^H im zweiten Strahlgang 15 nach dem Filterelement 7 deutlich von der ursprünglichen Gesamtintensität I₀ verschieden. Auch der zweite Strahlgang 15 verläuft anschließend durch den Messkanal 2 beziehungsweise das Fluid-Gemisch 3. Nach dem Durchstrahlen des Fluid-Gemisches 3 trifft die Strahlung im zweiten Strahlgang 15 vorliegend auf ein zweites beispielhaftes Detektorpixel 16’’, welches analog zu dem ersten beispielhaften Detektorpixel 16’ eine über das Spektrum des Strahls aufintegrierte Gesamtintensität I_meas ^H des transmittierten Strahlungsanteiles der Strahlung des aufgehärteten Spektrums im zweiten Strahlgang 15 erfasst.
Da die beiden Strahlen 14, 15 vorliegend sehr nah aneinander verlaufen, gelten für den zweiten Strahlgang 15 die gleichen durchlaufenen Wegstrecken d_w1, d_g und d_w2 wie für den ersten Strahlgang 14. Damit wird deutlich, dass die Größe der Absorptionsbereiche 8, 9 beziehungsweise der Ausdehnung a der Absorptionsbereiche in x-Richtung, entscheidend für die Genauigkeit des Verfahrens ist. Werden nämlich die Absorptionsbereiche 8, 9 zu groß, so ist die Annahme, dass die unterschiedlichen Strahlgänge, vorliegend die beispielhaften ersten und zweiten Strahlgänge 14, 15 die gleichen Anteile 4, 5, 6 beziehungsweise die gleichen den Anteilen 4, 5, 6 zugeordneten Wegstrecken durchlaufen, nicht mehr zutreffend. Entsprechend ist dann mit einem vergrößerten Fehler in einer Berechnung zu rechnen. Dies gilt umso mehr, als dass in einem realen Szenario ja das Fluid-Gemisch 3 in Bewegung ist.
Typischerweise bewegt sich das Fluid-Gemisch 3 mit einer Geschwindigkeit von circa 1 m/s. Selbst bei einer gepulsten Aufnahme, also einem gepulsten Durchstrahlen von Filterelement 7 und Fluid-Gemisch 3 durch die Röntgenquelle 12 mit einer Pulsdauer von nur circa 3 bis 5 ms wird sich entsprechend das Fluid-Gemisch 3 während der Aufnahme circa 3 bis 5 mm fortbewegen. Ist die Größe der Absorptionsbereiche 8, 9 in Flussrichtung F sowie die Größe der Detektorpunkte 16, 16’, 16’’ klein genug gewählt, zum Beispiel um einen Faktor 10 kleiner, also circa 0,3 bis 0,5 mm, so werden entsprechend durch eine Bewegungsunschärfe b auf mehrere benachbarte Detektorpunkte 16, 16’, 16’’ wieder die gleichen Strukturen des Fluid-Gemisches 3 abgebildet. Unter der Annahme, dass sich die Struktur des Fluid-Gemisches 3 in dem kurzen Zeitraum der Aufnahme nicht ändert, ist es dann legitim, auch die entsprechenden gemessenen Intensitäten I_meas ^L und I_meas ^H zweier Strahlgänge durch benachbarte Absorptionsbereiche 8, 9 zur Berechnung der Anteile 4, 5, 6 heranzuziehen.
In dem gezeigten Beispiel ergibt sich dann für die in dem beispielhaften ersten Detektorpunkt 16’ erfasste Gesamtintensität I_meas ^L = I₀ ^L·exp[ – μ_w ^L·d_w1 – μ_g ^L·d_g – μ_w ^L·d_w2], wobei μ_w ^L der Absorptionskoeffizient des Wassers für das weichere Spektrum, vorliegend das erste Spektrum 10 (2) der Strahlung, ist und μ_g ^L der entsprechende Absorptionskoeffizient des Gases für dieses Spektrum. Würde der erste Strahlgang 14 auch durch einen Öl-Anteil 5 verlaufen, so würde ein entsprechender Term mit der zugehörigen Wegstrecke durch den Öl-Anteil 5 in der Summe in der Exponentialfunktion aufgenommen.
Für den zweiten beispielhaften Detektor 16’’ ergibt sich entsprechend für die gemessene Gesamtintensität des aufgehärteten Spektrums, vorliegend des zweiten Spektrums 11 (2), I_meas ^H = I₀ ^H·exp[ – μ_w ^H·d_w1 – μ_g ^H·d_g – μ_w ^H·d_w2], mit μ_w ^H als Absorptionskoeffizienten für Wasser für das aufgehärtete Spektrum und μ_g ^H als Absorptionskoeffizienten des Gases für eine Strahlung dieses Spektrums. Die den jeweiligen Absorptionsbereichen 8, 9 entsprechenden Detektorbereiche des Detektors 13, also die Detektorbereiche, auf welche eine durch die jeweiligen Absorptionsbereiche 8, 9 gedrungene Strahlung der Strahlungsquelle fällt, müssen dabei nicht nur einen einzigen Detektorpunkt 16, 16’, 16’’ aufweisen, wie dies vorliegend der Fall ist, sondern können jeweils ein Vielzahl von Detektorpunkten 16 umfassen.
In 4 ist eine weitere schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform einer Messeinrichtung dargestellt. Die Darstellung ist hier analog zu der in 1 gezeigten Darstellung und reduziert sich auf eine Darstellung des Messkanals 2 mit dem Fluid-Gemisch 3 sowie dem Filterelement 7 mit den entsprechenden Absorptionsbereichen 8, 9.
Im Gegensatz zur in 1 dargestellten Ausführungsform ist das Filterelement 7 nunmehr rotierbar. Dabei wird bei einem rotieren zumindest teilweise oder anteilig eine Rotation um eine Achse senkrecht zur Flussrichtung F erzielt. Vorliegend ist das Filterelement 7 um einen Winkel α im Vergleich zu einer Ausgangsposition des Filterelementes 7 mit senkrecht zur Flussrichtung F verlaufenden streifenförmigen Absorptionsbereichen 8, 9 gedreht. Entsprechend ist eine effektive Ausdehnung a_eff der Absorptionsbereiche 8, 9 in Flussrichtung F gegeben durch a_eff = a/cosα. Durch die Rotation um den Winkel α und eine entsprechende Anpassung der effektiven Ausdehnung a_eff der Absorptionsbereiche 8, 9 in Flussrichtung F, ist damit es unter Anpassung der Pulsperiode der Strahlung möglich zu erreichen, dass in zwei aufeinander folgenden gepulsten Aufnahmen genau dieselbe Struktur der Anteile 4, 5, 6 im Fluid-Gemisch 3 einmal mit einem weichen Strahlungsspektrum und einmal mit einem aufgehärteten Spektrum aufgenommen wird. Damit kann die Genauigkeit der Quantifizierung nochmals erhöht werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2013/162399 A1 [0004, 0021]
WO 2014/035275 A1 [0005]
WO 2014/035287 A1 [0006]
WO 2014/074004 A1 [0007]
WO 2014/074005 A1 [0008]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Measuring phase distribution in high pressure three-phase flow using gamma densitometry“ von Rainer Hoffmann und George William Johnson, welcher in „Flow Measurement and Instrumentation“, Ausgabe 22, von 2011 auf den Seiten 351–359 [0003]
„Scatter Correction Method for X-Ray CT Using Primary Modulation: Theory and Preliminary Results“ von Lei Zhu, N. Robert Bennett, and Rebecca Fahrig, erschienen in den IEEE Transactions on Medical Imaging, Vol. 25, No. 12, December 2006 [0012]

Claims

Messeinrichtung (1) zum Quantifizieren von unterschiedlichen Anteilen (4, 5, 6) eines Fluid-Gemisches (3), insbesondere eines Gas-Wasser-Öl-Gemisches, mit – einem Messkanal (2), durch welchen in Betrieb der Messeinrichtung (1) das Fluid-Gemisch (3) strömt, – einer Strahlungsquelle (12) zum Durchstrahlen des durch den Messkanal (2) strömenden Fluid-Gemisches (3) mit einer Strahlung, und – einer Detektoreinheit (13) zum Detektieren eines durch das Fluid-Gemisch (3) transmittierten Strahlungsanteils der Strahlung, gekennzeichnet durch ein – Filterelement (7), welches in einem Strahlengang (14, 15) der Strahlung zwischen der Strahlungsquelle (12) und dem Messkanal (2) angeordnet ist und in zumindest einer ersten Richtung quer zum Strahlengang (14, 15) innerhalb eines im Betrieb der Messeinrichtung (1) durch die Strahlungsquelle (12) durchstrahlten Filterbereiches mehrere Absorptionsbereiche (8, 9) mit jeweils unterschiedlichen Absorptionseigenschaften für ein Spektrum der Strahlung aufweist, wobei die Detektoreinheit (13) Detektorpunkte (16, 16’, 16’’) aufweist, mittels derer lediglich eine über das Spektrum der Strahlung aufintegrierte Gesamtintensität (I_meas ^H, I_meas ^L) der Strahlung erfassbar und damit auswertbar ist.
Messeinrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlichen Absorptionsbereiche (8, 9) nach einem sich in der ersten Richtung wiederholenden räumlichen Muster angeordnet sind, insbesondere nach einem gleichmäßigen Muster.
Messeinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement (7) auch in einer zur ersten Richtung senkrecht stehenden zweiten Richtung mehrere Absorptionsbereiche (8, 9) mit jeweils unterschiedlichen Absorptionseigenschaften für das Spektrum der Strahlung aufweist, welche insbesondere in der zweiten Richtung nach einem sich wiederholenden räumlichen Muster angeordnet sind.
Messeinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement (7) zwei unterschiedliche Arten von Absorptionsbereichen (8, 9) aufweist, in welchen die Filterfläche zumindest vorwiegend jeweils voneinander unterschiedliche Materialien umfasst und/oder jeweils voneinander unterschiedliche Anteile gleicher Materialien umfasst.
Messeinrichtung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement (7) in den Absorptionsbereichen (8) der ersten Art Rhodium und/oder Kunststoff und/oder Epoxidharz umfasst und/oder in den Absorptionsbereichen (9) der zweiten Art Wolfram und/oder Hafnium und/oder Tantalum und/oder Kupfer.
Messeinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorptionsbereiche (8, 9) in der ersten und/oder zweiten Richtung eine räumliche Erstreckung von weniger als 5 mm, insbesondere von weniger als 1mm und bevorzugt von weniger als 0,5 mm haben.
Messeinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (12) gepulst betreibbar ist.
Messeinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement (7) rotierbar gelagert ist, insbesondere um eine Rotationsachse im Wesentlichen senkrecht zu der ersten Richtung.
Verfahren zum Quantifizieren von unterschiedlichen Anteilen (4, 5, 6) eines Fluid-Gemisches (3), insbesondere eines Gas-Wasser-Öl-Gemisches, mit den Schritten: – Durchströmen eines Messkanals (2) einer Messeinrichtung (1) mit dem Fluid-Gemisch (3); – Durchstrahlen des durch den Messkanal (2) strömenden Fluid-Gemisches (3) mit einer Strahlung durch eine Strahlungsquelle (12); – Detektieren eines durch das Fluid-Gemisch (3) transmittierten Strahlungsanteils der Strahlung durch eine Detektoreinheit (13), gekennzeichnet durch – ortsabhängiges Filtern eines Spektrums der Strahlung durch ein Filterelement (7), welches in einem Strahlengang (14, 15) der Strahlung zwischen der Strahlungsquelle (12) und dem Messkanal (2) angeordnet ist und welches in zumindest einer ersten Richtung quer zum Strahlengang (14, 15) innerhalb eines durch die Strahlungsquelle (12) durchstrahlten Filterbereiches mehrere Absorptionsbereiche (8, 9) mit jeweils unterschiedlichen Absorptionseigenschaften für das Spektrum der Strahlung aufweist; – Erfassen einer über ein Spektrum der Strahlung aufintegrierten ortsabhängigen Gesamtintensität (I_meas ^H, I_meas ^L) der Strahlung durch Detektorpunkte (16, 16’, 16’’) der Detektoreinheit (13); und – Auswerten der erfassten ortsabhängigen Gesamtintensität (I_meas ^H, I_meas ^L).