DE10297390B4

DE10297390B4 - Materialkonzentrationsmessung in einem Prozeßfluid

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Publication number: DE10297390B4
Application number: DE10297390T
Authority: DE
Inventors: Eric R. Lovegren; Mark S. Schumacher; James A. Johnson; Kurt C. Diede
Original assignee: Rosemount Inc
Current assignee: Rosemount Inc
Priority date: 2001-10-29
Filing date: 2002-10-04
Publication date: 2012-04-26
Anticipated expiration: 2022-10-05
Also published as: WO2003038416A2; JP2005508002A; US20020177961A1; US6782328B2; CN1578908A; JP4192098B2; WO2003038416A3; AU2002330261A1; CN100439903C; DE10297390T5

Abstract

Vorrichtung zur Bestimmung der Konzentration eines Materials in einem Prozessfluid mit: einer Antenne, die so konfiguriert ist, daß sie das Prozessfluid kontaktiert; einem Impulsgenerator, der so gekoppelt ist, daß er die Antenne konfiguriert, um einen Mikrowellensendeimpuls über die Antenne zu erzeugen; einem Impulsempfänger, der mit der Antenne gekoppelt und so konfiguriert ist, daß er einen reflektierten Impuls von der Antenne empfängt; einem Konzentrationsrechner, der so konfiguriert ist, daß er die Konzentration des Materials als Funktion des reflektierten Impulses berechnet; und einer Verbindung, die konfiguriert ist um an eine Zweidraht-Prozesssteuerschleife gekoppelt zu werden und um Informationen bezüglich der Konzentration des Materials zu übertragen und um die Vorrichtung vollständig mit Energie zu versorgen.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
In der Prozeßleittechnik kommen Prozeßgrößengeber zum Einsatz, um Prozeßgrößen aus der Ferne zu überwachen, die mit solchen Substanzen wie Feststoffen, Schlämmen, Flüssigkeiten, Dämpfen und Gasen in Chemie-, Zellstoff-, Erdöl-, Arzneimittel-, Nahrungsmittel- und anderen nahrungsmittelverarbeitenden Anlagen zusammenhängen. Zu Prozeßgrößen zählen Druck, Temperatur, Durchfluß, Füllstand, Trübung, Dichte, Konzentration, chemische Zusammensetzung und andere Eigenschaften. Ein Prozeßgrößengeber kann eine auf die erfaßten Prozeßgröße bezogene Ausgabe über eine Prozeßsteuerschleife zu einer Steuerwarte ausgeben, so daß der Prozeß überwacht und gesteuert werden kann.
Die Steuerschleife kann eine 4–20 mA-Zweidraht-Prozeßsteuerschleife sein. Mit einer solchen Prozeßsteuerschleife sind die Aktivierungspegel ausreichend niedrig, daß auch unter Fehlerbedingungen die Schleife allgemein nicht genügend elektrische Energie enthält, um einen Funken zu erzeugen. Besonders vorteilhaft ist dies in entflammbaren Umgebungen. Mitunter können Prozeßgrößengeber auf so geringen Energieniveaus arbeiten, daß sie sämtlichen elektrischen Strom aus der 4–20 mA-Schleife beziehen. Die Steuerschleife kann auch digitale Signale haben, die nach einem Standardprotokoll der Prozeßtechnik der Zweidrahtschleife überlagert sind, z. B. dem digitalen HART^®-Protokoll.
Leistungsarme Zeitbereichs-Reflektometrieradar-(LPTDRR) Instrumente kommen zur Füllstandsmessung von Prozeßprodukten (Flüssigkeiten oder Feststoffen) in Lagerbehältern zum Einsatz. Bei der Zeitbereichs-Reflektometrie wird elektromagnetische Energie von einer Quelle gesendet und an einer Diskontinuität reflektiert. Die Laufzeit des empfangenen Impulses basiert auf den Medien, die er durchläuft. Eine Art von LPTDRR ist als Mikroleistungsimpulsradar (MIR) bekannt, der vom Lawrence Livermore National Laboratory entwickelt wurde. Normalerweise bestimmen LPTDRR-Füllstandsgeber den Füllstand (z. B. Füllstand eines Fluids in einem Lagertank) als Funktion der Laufzeit von Mikrowellensignalen zu und von einer Grenzfläche oder Oberfläche des Produkts. Allerdings kann diese Technologie verwendet werden, um andere Prozeßgrößen als den Füllstand zu messen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine Vorrichtung zur Messung der Konzentration eines Materials in einem Prozeßfluid weist eine Antenne, die so konfiguriert ist, daß sie das Prozeßfluid kontaktiert, und einen Impulsgenerator auf, der so gekoppelt ist, daß er die Antenne konfiguriert, um einen Mikrowellensendeimpuls über die Antenne zu erzeugen. Ein Impulsempfänger empfängt einen reflektierten Impuls von der Antenne, und die Konzentration des Materials wird als Funktion des reflektierten Impulses berechnet.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Darstellung eines Prozeßleitsystem, die die Umgebung von Ausführungsformen der Erfindung zeigt.
2 ist ein Blockschaltbild eines Schaltungsaufbaus eines Radarfüllstandsgebers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
3 ist ein Blockschaltbild eines Schaltungsaufbaus eines Radarfüllstandsgebers gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung.
4 und 5 sind Diagramme äquivalenter steuerbarer Zeitwellenform-Schwellwerte in der leistungsarmen Zeitbereichs-Reflektometrie (LPTDRR).
6 ist eine schematische Darstellung eines steuerbaren Empfangsschwellwert-Schaltungsaufbaus gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
7, 9 und 12 sind Ablaufpläne, die Verfahren zeigen, die durch den Mikrowellengeber von 2 implementiert sind.
8, 10 und 11 sind Diagramme äquivalenter LPTDRR-Zeitwellenformen.
13 ist eine vereinfachte Darstellung eines Gebers, der so konfiguriert ist, daß er die Materialkonzentration bestimmt.
14 ist ein Diagramm der Energie als Funktion der Zeit und zeigt einen Mischungsimpuls und einen Referenzimpuls.
15 ist ein Blockschaltbild eines Schaltungsaufbaus zur Berechnung einer Konzentrationsänderung eines Materials
16 ist eine vereinfachte Darstellung einer kontaktherstellenden Antenne in einer Prozeßfluidströmung.
17 ist eine vereinfachte Darstellung eines konzentrationsdetektierenden Schaltungsaufbaus der Erfindung unter Verwendung eines Staurohrs als Antenne.
18 ist eine Darstellung, in der das Mikrowellensignal entlang einem Innenplenum des Staurohrs geführt wird.
19 ist eine vereinfachte Darstellung, in der eine Antenne innerhalb des Plenums des Staurohrs geführt wird.
20 ist eine Darstellung einer Antenne, die sich parallel zur Strömungsrichtung von Prozeßfluid erstreckt.
21 zeigt eine Ausführungsform, in der eine schraubenförmige Antenne bzw. Spiralantenne verwendet ist.
22 zeigt eine Ausführungsform, in der eine Prozeßrohrleitung ein Knie aufweist und sich ein Abschnitt der Antenne in Strömungsrichtung erstreckt.
23 ist ein Blockschaltbild eines Gebers, der so konfiguriert ist, daß er die Materialzusammensetzung bestimmt.
NÄHERE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die Erfindung verwendet Mikrowellenstrahlung, um die Konzentration eines oder mehrerer Materialien in einem Prozeßfluid zu messen. Insbesondere erkennt die Erfindung, daß die Konzentration eines Materials die dielektrische Konstante des Prozeßfluids andern kann. Die Änderung reflektierter Mikrowellenstrahlung kann mit der Absolut- oder Relativkonzentration eines Materials innerhalb des Prozeßfluids korreliert werden.
1 ist eine Darstellung von Füllstandsgebern 100, die in der Umgebung arbeiten, in der sie an Lagertanks 12, 13, 17, 24 angeordnet sind, die mindestens ein Produkt enthalten. Darstellungsgemäß enthält der Tank 12 ein erstes Produkt 14, das oben auf einem zweiten Produkt 15 positioniert ist. Die Geber 100 weisen Gehäuse 16 und Abschlüsse 110 auf. Die Geber 100 sind mit Prozeßsteuerschleifen 20 gekoppelt und senden Informationen in Bezug auf dielektrische Konstanten und/oder Höhen des Prozeßprodukts über die Schleifen 20 zu einer Steuerwarte 30 (die als Spannungsquellen und Widerstände modelliert ist) oder zu anderen Vorrichtungen (nicht gezeigt), die mit den Prozeßsteuerschleifen 20 gekoppelt sind. Die Schleifen 20 sind Stromquellen für die Geber 100 und können jedes Standardkommunikationsprotokoll der Prozeßleittechnik verwenden, z. B. 4–20 mA, Foundation^TM Fieldbus oder HART^®. Als leistungsarme Radargeber können die Geber 100 vollständig durch Energie gespeist sein, die sie über eine 4–20 mA-Prozeßsteuerschleife empfangen.
1 zeigt verschiedene Anwendungen, in denen Radarmessung dielektrischer Konstanten von Nutzen ist. Zum Beispiel sind die Prozeßprodukte 14 und 15 im Tank 12 Fluide, während Prozeßprodukte 18 (mit einem bestimmten Schüttwinkel gezeigt) und 19 im Tank 13 Feststoffe sind. Prozeßprodukte 21 und 22 im Tank 17 sind Fluide, deren Füllstände in ein Rohr 23 übertragen werden, in das sich einer der Abschlüsse 110 erstreckt. Ferner enthält der Tank 24 darstellungsgemäß Produkte 25 und 26 und hat einen Abschluß vom Strahlungstyp, der auf der Oberseite des Tanks 24 angeordnet ist. Obwohl die Tanks 12, 13, 17 und 24 in 1 gezeigt sind, können die Ausführungsformen der Erfindung ohne Tanks praktiziert werden, z. B. in einem See oder Reservoir.
2 und 3 sind Blockschaltbilder eines Gebers 100. 4 und 5 sind Diagramme äquivalenter Sende-/Empfangswellenformen für leistungsarmes Zeitbereichs-Reflektometrieradar (LPTDRR), die steuerbare Schwellwert-Detektoraspekte der Erfindung veranschaulichen. Innerhalb des Gehäuses 16 weist der Geber 100 einen LPTDRR-Schaltungsaufbau 205 (gemäß 3), eine LPTDRR-Schaltungsaufbausteuerung 206 (gemäß 3) und einen dielektrischen Konstantenrechner 240 auf. Die Steuerung 206 steuert den LPTDRR-Schaltungsaufbau 205 über Verbindungen 207, um einen Parameter zu bestimmen, der zur dielektrischen Konstante des Produkts 14 im Tank 12 proportional ist. Der dielektrische Konstantenrechner 240 berechnet die dielektrische Konstante des Produkts 14 als Funktion des ermittelten Parameters. Der LPTDRR-Schaltungsaufbau 205 kann einen Sendeimpulsgenerator 210 und einen Impulsempfänger 220 aufweisen.
Außerdem weist der Geber 100 eine Schwellwertsteuerung 230 und optional einen Füllstandsberechnungs-Schaltungsaufbau 250 (gemäß 3) auf. Die Schwellwertsteuerung 230 kann eine Komponente des LPTDRR-Schaltungsaufbaus 205 sein. Die Schwellwertsteuerung 230, der dielektrische Konstantenrechner 240, der Füllstandsberechnungs-Schaltungsaufbau 250 und die LPTDRR-Steuerung 206 können in einem Mikroprozessor 255 gemäß 3 implementiert sein. Jedoch kann ein getrennter Schaltungsaufbau für jede dieser Funktionen verwendet werden. In Ausführungsformen, in denen diese Funktionen im Mikroprozessor 255 ausgeführt sind, weist der Geber 100 einen Analog-Digital-Wandler 270 auf. Außerdem kann der Geber 100 einen Stromversorgungs- und Eingangs-/Ausgangsschaltungsaufbau 260 (gemäß 3) zum Speisen des Gebers 100 mit über die Schleife 20 bezogenem Strom und zum Kommunizieren über die Schleife 20 aufweisen. Zu einer solchen Kommunikation kann das Senden von Informationen über das Prozeßprodukt über die Schleife 20 gehören. Der Stromversorgungs-Schaltungsaufbau kann geeignet sein, die einzige Stromquelle von Strom für den Geber 100 zu bilden, der über die Schleife 20 bezogen wird.
Der Mikrowellenabschluß 110 kann von der Art sein, die in der Technik von Mikrowellengebern bekannt ist, und kann jede(r) geeignete Übertragungsleitung, Wellenleiter oder Antenne sein. Eine Übertragungsleitung ist ein System von Materialgrenzen, die einen kontinuierlichen Weg von einem Ort zum anderen bilden und fähig sind, die Übertragung elektromagnetischer Energie auf diesem Weg zu leiten. In einigen Ausführungsformen ist der Abschluß 110 eine Bandleitungsantenne mit Zuleitungen oder Leitern 115 und 120, die an einem Bodenbereich 125 verbunden und in die Produkte 14 und 15 im Tank 12 ausfahrbar sind und optional eine Einkoppelplatte 155 haben. Der Abschluß 110 kann auch ein Monopol-, Koaxial-, Doppelleitungs-, Einzelleitungs-, Mikrostreifen- oder Strahlungshornabschluß sein und kann jede geeignete Anzahl von Zuleitungen haben.
Vorzugsweise ist der Sendeimpulsgenerator 210 eine mit dem Abschluß 110 gekoppelte leistungsarme Mikrowellenquelle. Gesteuert durch die Steuerung 206 erzeugt der Generator 210 ein(en) Mikrowellensendeimpuls oder -signal, das entlang dem Abschluß 110 in die Produkte 14, 15 übertragen wird. Der Sendeimpuls kann eine beliebige Frequenz aus einem breiten Bereich haben, z. B. zwischen etwa 250 MHz und etwa 20 GHz oder mehr. In einer Ausführungsform beträgt die Frequenz des Sendeimpulses etwa 2,0 GHz. Ein Bezugs- bzw. Justierimpuls 310 einer äquivalenten Zeitwellenform 300 (gemäß 4 und 5) kann an der Einkoppelplatte 155 oder durch andere Mechanismen erzeugt werden, um den Beginn eines Sende-/Empfangszyklus zu bezeichnen. Ein erster Anteil der entlang den Zuleitungen 115 und 120 gesendeten Sendeimpuls-Mikrowellenenergie wird an einer ersten Produktgrenzfläche 127 zwischen Luft und Produkt 14 reflektiert. Ein zweiter Anteil der Sendeimpuls-Mikrowellenenergie wird an einer Grenzfläche 128 zwischen Produkt 14 und Produkt 15 reflektiert. Enthält der Tank 12 nur das Produkt 14, aber kein Produkt 15, ist die Grenzfläche 128 normalerweise der Boden des Abschlusses oder Tanks. In 4 und 5 repräsentiert ein Impuls 320 der äquivalenten Zeitwellenform 300 Mikrowellenenergie, die an der Grenzfläche 127 zwischen Luft und Produkt 14 reflektiert wird, während ein Impuls 330 Mikrowellenenergie darstellt, die an der Grenzfläche 128 reflektiert wird. Dem Fachmann wird klar sein, daß die in 4 und 5 gezeigten Wellenformen invertiert sein können, ohne vom Grundgedanken und Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Hat allgemein das Produkt 14 eine dielektrische Konstante, die kleiner als die dielektrische Konstante des Produkts 15 ist, kann die Amplitude des Impulses 330 größer als die des Impulses 320 sein.
Der Impulsempfänger 220 ist ein mit dem Abschluß 110 gekoppelter leistungsarmer Mikrowellenempfänger. Der Empfänger 220 empfängt den ersten reflektierten Wellenimpuls in Entsprechung zur Reflexion des ersten Anteils des Sendeimpulses an der ersten Produktgrenzfläche 127 (dargestellt durch den Impuls 320 in 4 und 5). Außerdem empfängt der Empfänger 220 den zweiten reflektierten Wellenimpuls in Entsprechung zur Reflexion des zweiten Anteils des Sendeimpulses an der zweiten Produktgrenzfläche 128 (dargestellt durch den Impuls 330 in 4 und 5). Mit Hilfe einer bekannten Abtasttechnik für leistungsarmes Zeitbereichs-Reflektometrieradar erzeugt der Impulsempfänger 220 als Ausgabe die äquivalente LPTDRR-Zeitwellenform 300.
Die Schwellwertsteuerung 230 empfängt die Wellenform 300 als Eingabe. In Ausführungsformen, in denen die Schwellwertsteuerung 230 und der dielektrische Konstantenrechner 240 im Mikroprozessor 255 ausgeführt sind, digitalisiert der Analog-Digital-Schaltungsaufbau 270 die Wellenform 300. Die Schwellwertsteuerung 230 erzeugt Schwellwerte 315, 340 und 350 zur Detektion des Justierimpulses 310 und somit einer Zeit T₁, zu der der Impuls 310 empfangen wurde, zur Detektion des reflektierten Wellenimpulses 320 und somit einer Zeit T₂, zu der der Impuls 320 empfangen wurde, und zur Detektion des reflektierten Wellenimpulses 330 und somit einer Zeit T₃, zu der der Impuls 330 empfangen wurde. Der zum Detektieren des Justierimpulses 310 verwendete Schwellwert 315 kann eine vorbestimmte Konstantspannung sein oder kann als Funktion der Spitzenamplitude des Impulses 310 auf bekannte Weise automatisch bestimmt werden. Die Schwellwertsteuerung 230 stellt den Empfangsimpulsschwellwert 340 gemäß 4 mit einem Pegel bereit, der vom Impuls 330 übertroffen wird. Die Schwellwertsteuerung 230 stellt den Empfangsimpulsschwellwert 350 gemäß 5 mit einem Pegel bereit, der vom Impuls 320 übertroffen wird. Als Ausgabe zum dielektrischen Konstantenrechner 240 und zum Schaltungsaufbau 250 führt die Schwellwertsteuerung 230 Empfangsimpuls-Ausgabeinformationen auf der Grundlage der Detektion der reflektierten Wellenimpulse 320 und/oder 330.
6 zeigt einen Abschnitt der in einem getrennten Schaltungsaufbau implementierten Schwellwertsteuerung 230, die steuerbare Schwellwerte erzeugt, z. B. die Schwellwerte 340 und 350. Die Schwellwertsteuerung 230 weist einen Vergleicher 400 auf, der eine erste Eingabe von der Wellenform 300 des Empfängers 220 hat, die die Empfangsimpulse 320 und 330 enthält. Als zweite Eingabe empfängt der Vergleicher 400 die steuerbare analoge Schwellwertspannung, die vom Ausgang eines Digital-Analog-Wandlers 410 bereitgestellt wird. Der Wandler 410 empfängt eine digitale Eingabe vom Mikroprozessor 255 als Darstellung des gewünschten Schwellwerts. Die Ausgabe 420 des Vergleichers 400 wird zum dielektrischen Konstantenrechner 240 und Füllstandsberechnungs-Schaltungsaufbau 250 als Angabe der Zeiten geführt, zu denen die Impulse 320 und 330 empfangen werden. Während eines ersten Abtastzyklus, in dem die Wellenform 300 erzeugt wird, wird der Wandler 410 so gesteuert, daß er den Schwellwert 350 zur Detektion des Impulses 320 bereitstellt. Während eines anschließenden Abtastzyklus wird der Wandler 410 so gesteuert, daß er den Schwellwert 340 zur Detektion des Impulses 330 bereitstellt. Die Schwellwerte können verwendet werden, um die Empfangszeiten der reflektierten Wellenimpulse zu detektieren. Außerdem können die Schwellwerte gesteuert werden, um die Amplituden der reflektierten Wellenimpulse zu bestimmen.
Der dielektrische Konstantenrechner 240 in 2 ist mit der Schwellwertsteuerung 230 gekoppelt und ist geeignet, eine dielektrische Konstante des ersten Produkts 14 im Tank 12 als Funktion der Empfangsimpuls-Ausgabeinformationen zu berechnen, die durch die Schwellwertsteuerung 230 bereitgestellt werden. Durch den Schaltungsaufbau 240 implementierte Verfahren beim Berechnen der dielektrischen Konstante werden im folgenden näher anhand von 7 bis 12 diskutiert.
Die Beziehung zwischen der von einem Mikrowellensignal zurückgelegten Entfernung und der Laufzeit ist in Gleichung 1 gezeigt.
wobei:

T/2: = die halbe Laufzeit des Mikrowellenimpulses zu und von der Grenzfläche;
ε_R: = die dielektrische Konstante des Materials, das vom Mikrowellenimpuls durchlaufen wird (für Luft ist ε_R = 1);
C: = die Lichtgeschwindigkeit; und
D: = die zurückgelegte Entfernung von der Oberseite des Abschlusses bis zur Grenzfläche.

Mit Hilfe dieser Beziehung kann die dielektrische Konstante eines gemessenen Materials berechnet werden. Die Laufzeit einer Mikrowelle hängt von der dielektrischen Konstante des Mediums ab, die sie durchläuft. Die dielektrische Konstante des Mediums ist proportional zur Laufzeit gemäß der in Gleichung 2 gezeigten Beziehung. ε_R ∝ (A·Time)² Gl. 2 wobei:

Time: = Mikrowellenlaufzeit durch das Medium; und
A: = eine Proportionalitätskonstante.

Zudem ist die Amplitude des an einer Grenzfläche mit einem Material reflektierten Impulses proportional zur dielektrischen Konstante gemäß der in Gleichung 3 gezeigten Beziehung.
wobei:

V_R: = die Amplitude des reflektierten Impulses; und
V_T: = die Amplitude des gesendeten Impulses.

Mit Hilfe der in den Gleichungen 2 und 3 veranschaulichten Beziehungen, unabhängig oder in Kombination, kann (können) die dielektrische(n) Konstante(n) eines oder mehrerer Produkte oder Materialien in einem Tank berechnet werden.
VERFAHREN
Ein Verfahren zur Berechnung der dielektrischen Konstante des Produkts 14 ist in 7 gezeigt. Das Verfahren beginnt in einem Block 500 mit der Steuerung des leistungsarmen Zeitbereichs-Reflektometrieradars (LPTDRR), um Mikrowellenenergie in das Prozeßprodukt zu leiten. In einem Block 503 wird der LPTDRR-Schaltungsaufbau so gesteuert, daß er die reflektierte Mikrowellenenergie empfängt. In einem Block 505 wird der LPTDRR-Schaltungsaufbau so gesteuert, daß er einen Parameter mißt, der proportional zur dielektrischen Konstante des Produkts 14 ist. Danach wird in einem Block 510 die dielektrische Konstante des Produkts 14 als Funktion des gemessenen Parameters mit Hilfe von Gleichung 2 und/oder Gleichung 3 berechnet.
Ein erstes spezielleres Verfahren zur Berechnung der dielektrischen Konstante des Produkts 14 mit der Beziehung von Gleichung 3 verwendet die Schwellwertsteuerung 230, um die gesendeten und reflektierten Impulsamplituden genauer zu messen. Das Verfahren ist im Diagramm von 8 dargestellt und im Ablaufplan von 9 zusammengefaßt. Dem Fachmann wird klar sein, daß die in 8 gezeigte Wellenform invertiert sein kann, ohne vom Grundgedanken und Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.
Das Verfahren beginnt in einem Block 705 mit dem Erzeugen eines Sendeimpulses. Der Sendeimpuls wird entlang dem Abschluß in die Produkte im Tank übertragen und reflektiert an den Oberflächen 127 und 128. In einem Block 710 wird der erste reflektierte Wellenimpuls 540 empfangen. Der erste reflektierte Wellenimpuls entspricht der Reflexion des ersten Anteils des Sendeimpulses an der ersten Produktgrenzfläche 127. Nach Steuern des LPTDRR-Schaltungsaufbaus 205, um den reflektierten Wellenimpuls zu empfangen, wird in einem Block 715 die Amplitude des ersten reflektierten Wellenimpulses berechnet. Die Amplitude des ersten reflektierten Wellenimpulses ist ein Parameter, der proportional zur dielektrischen Konstante des Produkts 14 ist.
In einem Block 720 wird die dielektrische Konstante des ersten Produkts als Funktion des ersten reflektierten Wellenimpulses berechnet. Wie in einer äquivalenten LPTDRR-Zeitwellenform 520 von 8 gezeigt ist, hat der Sendeimpuls (dargestellt durch einen Justierimpuls 530) eine Sendeamplitude V_T, während der Empfangsimpuls 540 eine Empfangsamplitude V_R hat. Durch Digitalisieren der äquivalenten LPTDRR-Zeitwellenform 520 mit dem Analog-Digital-Wandler 270 und Analysieren des digitalisierten Signals mit dem Mikroprozessor 255 oder durch Verwenden des Digital-Analog-Wandlers 410, um Vergleicherschwellwerte einzustellen, wird die Amplitude des ersten reflektierten Wellenimpulses berechnet, und die dielektrische Konstante des ersten Produkts 14 wird mit Hilfe von Gleichung 3 berechnet. Daher ist der berechnete Parameter, der proportional zur dielektrischen Konstante des Produkts 14 ist, normalerweise ein Verhältnis zwischen der Amplitude des ersten reflektierten Wellenimpulses und der Amplitude des gesendeten Impulses. Zur Steuerung des LPTDRR-Schaltungsaufbaus gehört das Steuern der Schwellwertsteuerung 230, um einen Schwellwert einzustellen, um die Amplitude des reflektierten Wellenimpulses 540 zu berechnen.
Ein zweites spezielleres Verfahren zur Berechnung der dielektrischen Konstante des Produkts 14 mit der Beziehung von Gleichung 2 verwendet die Schwellwertsteuerung 230, um eine Zeitverzögerung zwischen Senden des Sendeimpulses und Reflexion des Impulses von der Oberfläche 128 zu berechnen. Insbesondere berechnet das Verfahren eine Laufzeit der Mikrowellen über eine bekannte Entfernung des Produkts 14. Das Verfahren ist in den Diagrammen von 10 und 11 dargestellt und im Ablaufplan von 12 zusammengefaßt. Dem Fachmann wird klar sein, daß die in 10 und 11 gezeigten Wellenformen invertiert sein können, ohne vom Grundgedanken und Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.
Das Verfahren beginnt in einem Block 805 mit der Erzeugung des Sendeimpulses. Der Sendeimpuls wird entlang dem Abschluß in die Produkte 14 und 15 übertragen. In einem Block 810 wird der erste reflektierte Wellenimpuls empfangen und mit der Schwellwertsteuerung detektiert. Der Empfang des ersten reflektierten Wellenimpulses startet ein Zeitglied oder bezeichnet den Beginn einer Zeitperiode gemäß einem Block 815. Als nächstes wird der zweite reflektierte Wellenimpuls in einem Block 820 empfangen und detektiert. Der Empfang des zweiten reflektierten Wellenimpulses bezeichnet das Ende der Zeitperiode gemäß einem Block 825, in dem die Zeitperiode protokolliert wird. In einem Block 830 wird die dielektrische Konstante des Produkts 14 als Funktion der protokollierten Zeitperiode berechnet, die ein Hinweis auf eine Laufzeit der Mikrowellen entlang dem Abschluß über eine bekannte Entfernung durch das Produkt 14 ist.
10 und 11 veranschaulichen das Verfahren von 12. 10 und 11 zeigen äquivalente LPTDRR-Zeitwellenformen 850 und 880 in Entsprechung zu Darstellungen eines ersten und zweiten Produkts, die unterschiedliche Tanks füllen, wobei das erste und zweite Produkt eine erste bzw. zweite dielektrische Konstante haben. In beiden Diagrammen bedeckt das Produkt entweder im wesentlichen die Zuleitungen des Abschlusses 110 oder bedeckt sie über eine bekannte Entfernung.
Wie aus 10 und 11 hervorgeht, variiert die Zeitverzögerung zwischen den gesendeten Impulsen (dargestellt durch Justierimpulse 860 und 890) und den reflektierten Impulsen 870 und 895 (die z. B. Reflexionen vom Boden des Tanks 12 oder Abschlusses 110 oder Reflexionen an einer Produkt-Produkt-Grenzfläche entsprechen) von einem Material zum nächsten. Diese Variation ist Folge der unterschiedlichen dielektrischen Konstanten der Materialien. Näher ist dies durch Zeitdifferenzen Δ_t1 und Δ_t2 dargestellt, die die Zeit darstellen, die Mikrowellen benötigen, dieselbe Probenentfernung in jedem der beiden Materialien zu durchlaufen. Im Material mit der ersten dielektrischen Konstante betrug die erforderliche Zeit zum Durchlaufen der Probenentfernung 3,08 ms, während im Material mit der zweiten dielektrischen Konstante die zum Durchlaufen der Probenentfernung benötigte Zeit 3,48 ms betrug. Somit kann die Zeitverzögerung zwischen Senden des Mikrowellensignals und Reflexion an einer Grenzfläche in einer bekannten Entfernung den Abschluß hinab verwendet werden, um die dielektrische Konstante zu berechnen.
In einer Ausführungsform kann die Erfindung eingesetzt werden, um die Konzentration eines Materials in einem Prozeßfluid zu messen. Beispielsweise ist erwünscht, die Konzentration eines Materials zu messen, das in Prozeßfluid mitgeführt wird, das ein Rohr 914 durchströmt. In einem spezifischen Beispiel ist erwünscht, die prozentuale Konzentration von Wasser in einer Ergasdurchflußleitung oder die Wassermenge in einer Dampfdurchflußleitung (bekannt als ”Dampfbeschaffenheit”) zu messen. Die Dampfbeschaffenheit ist ein besonders wichtiger zu messender Parameter, da sie direkt mit der Wärmeenergiemenge in Beziehung steht, die von einer Dampfleitung mitgeführt wird. Zum Beispiel führt Dampf bei 400°F mit 50%iger Beschaffenheit weniger Energie als Dampf bei 400°F mit 100%iger Beschaffenheit mit. In Anwendungen, in denen die Zufuhr großer Energiemengen erforderlich ist, z. B. beim Dampffluten eines Ölfelds zwecks verstärkter Restölgewinnung, muß die Dampfbeschaffenheit bekannt sein, damit die in das Ölfeld eingetragene Energiemenge gesteuert werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform wird Mikrowellenstrahlung durch ein Prozeßfluid mit einer Antenne geleitet, die in direktem Kontakt mit dem Fluid steht. Die Relativkonzentration eines Materials im Fluid bewirkt eine Änderung der dielektrischen Konstante des Fluids. Diese Änderung der dielektrischen Konstante bewirkt ihrerseits eine Änderung der Laufzeit des reflektierten Mikrowellenimpulses und auch eine Änderung des Energieniveaus des reflektierten Impulses. Die Laufzeit und/oder das reflektierte Energieniveau können durch einen Detektionsschaltungsaufbau gemessen und mit der Konzentration eines Materials im Prozeßfluid korreliert werden. Dies kann durch Herstellen einer Beziehung, entweder theoretisch oder durch Testen, zwischen der Amplitudenänderung oder Zeitverzögerung des Rückimpulses und der Materialkonzentration geschehen. Ein Vorteil dieser Technik ist, daß bei langsamer Änderung der Konzentration eines Materials der Detektionsschaltungsaufbau die reflektierten Mikrowellensignale zeitlich integrieren kann (Laufzeit und/oder Spitzenhöhe), um eine genauere Messung der Konzentration des speziellen Materials zu liefern.
Plaziert man die kontaktherstellende Antenne in Kontakt mit dem Prozeßfluid, kann das Fluid über die Antenne strömen. Eine Änderung der Konzentration des Materials, z. B. der Dampfbeschaffenheit, führt zu einer Änderung des Dielektrikums. Unter Verwendung des Endes der Antenne als Ziel bewirkt die dielektrische Änderung eine scheinbare Verschiebung beim Messen der Entfernung (von der Antennenverbindung) zum entgegengesetzten Ende der Antenne. Eine längere kontaktherstellende Antenne hat eine größere scheinbare Entfernungsverschiebung. Daher läßt sich erhöhte Empfindlichkeit durch Steigern der Länge der kontaktherstellenden Antenne erhalten. Diese Entfernungsänderung richtet sich nach der folgenden Gleichung:
wobei D die Entfernung, c die Lichtgeschwindigkeit, t die Zeit zum Ziel und Δε_R die dielektrische Änderung ist.
13 ist eine vereinfachte Darstellung eines industriellen Prozesses 910, in dem ein Prozeßfluid 912 in der Prozeßrohrleitung 914 transportiert wird. Die Erfindung kann mit anderen Arten von Behältern verwendet werden und ist nicht auf die Rohrleitung 914 beschränkt. Ein Prozeßgeber 916 arbeitet erfindungsgemäß und überwacht reflektierte Mikrowellenstrahlung, um einen Kennwert des Prozeßfluids zu bestimmen, z. B. die Materialkonzentration im Prozeßfluid 912. Der Geber 916 ist über eine Prozeßsteuerschleife 918, z. B. eine Zweidraht-Prozeßsteuerschleife, mit einer Steuerwarte 920 an einem entfernten Standort gekoppelt. Die Steuerwarte 920 ist als Spannungsquelle in Reihe mit einem Widerstand modelliert. Die Prozeßsteuerschleife 918 kann einer beliebigen Kommunikationstechnik entsprechen.
14 ist ein Diagramm der Energie (e) als Funktion der Zeit (t) und zeigt einen reflektierten oder Rückimpuls 930 und einen Referenz- oder Sendeimpuls 932. Die Zeitdifferenz ist in 14 als Δt gezeigt, und die Energiedifferenz zwischen den beiden Signalen ist als Δe dargestellt. Die Beziehung zwischen der Konzentration eines Materials und der Zeitverzögerung oder Energiedifferenz kann empirisch oder theoretisch bestimmt werden. Die Korrelationen können auch künstliche Intelligenztechniken verwenden, u. a. Fuzzy Logik, neuronale Netze usw., um die Beziehung herzustellen. Zusätzlich können die beiden Parameter Δt und Δe verwendet werden, um die Messung zu verifizieren.
15 ist ein vereinfachtes Blockschaltbild, das die Erfindung zum Detektieren der Konzentration eines Materials ”A” in einem Prozeßfluid veranschaulicht. Eine Änderung der dielektrischen Konstante des Prozeßfluids wird durch eine kontaktherstellende Antenne detektiert. Ein Meßschaltungsaufbau 934 mißt Δt und/oder Δe. Eine Übertragungsfunktion 936 dient zum Korrelieren eines oder beider dieser Parameter mit einem Prozentsatz oder einer Konzentration des Materials ”A” im Prozeßfluid.
16 ist eine vereinfachte Darstellung eines Detektionsschaltungsaufbaus, der mit einer kontaktherstellenden Antenne 942 in der Prozeßrohrleitung 914 über eine Prozeßdichtung 940 gekoppelt ist. Der Detektionsschaltungsaufbau kann z. B. der Geber 916 gemäß 13 sein.
17 zeigt eine weitere Beispielausführungsform, in der ein mittelwertbildendes Staurohr als Mikrowellenantenne 942 verwendet wird. Ein mittelwertbildendes Staurohr weist ein hochseitiges Plenum 950 und ein niedrigseitiges Plenum 952 auf. Die Strömung durch das Rohr 914 bewirkt eine Druckdifferenz zwischen den Plenen, die mit Hilfe bekannter Techniken mit der Strömungsgeschwindigkeit korreliert werden kann. Das Metallstaurohr kann zum Führen eines Mikrowellenimpulses 954 verwendet werden. In dieser Ausführungsform pflanzt sich der Mikrowellenimpuls 954 als ringförmige Welle durch das Prozeßfluid um das Staurohr fort.
In einer alternativen Ausführungsform gemäß 18 wird der Mikrowellenimpuls 954 entlang dem Inneren eines Plenums geführt, z. B. des niedrigseitigen Plenums 52. Angenommen ist, daß das Plenum in engem Kontakt mit dem zu messenden Prozeßfluid steht. In der Ausführungsform von 19 wird eine Antenne 962 in einem der Plenen eines Staurohrs 960 geführt.
20 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, in der sich eine Antenne 964 im wesentlichen in Richtung der Strömung durch die Prozeßrohrleitung 914 erstreckt. Die Antenne 964 ist mit einem Geber 938 gekoppelt.
21 zeigt eine Ausführungsform, in der eine Spiralantenne 970 verwendet wird, um so die Länge der Antenne zu erhöhen. Die erhöhte Antennenlänge sorgt für gesteigerte Empfindlichkeit gegenüber Änderungen der dielektrischen Konstante des Prozeßfluids 912. Andere Formen können verwendet werden, und die Erfindung ist nicht auf die Spiralform gemäß 22 beschränkt.
22 zeigt eine weitere Beispielausführungsform, in der die Rohrleitung 914 ein Knie 968 aufweist und die Antenne 964 so angeordnet ist, daß sich ein Abschnitt in Richtung der Strömung erstreckt. Erstreckt sich die Antenne in Strömungsrichtung, ist die blockierte Strömungsmenge minimiert.
23 ist ein Blockschaltbild des Gebers 916, der so konfiguriert ist, daß er die Konzentration eines Materials im Prozeßfluid 912 bestimmt. 23 ähnelt 3, und es werden ähnliche Bezugszahlen verwendet. Ein Konzentrationsrechner 980 ist so konfiguriert, daß er die Zeitverzögerung oder reflektierte Energieänderung des rücklaufenden Mikrowellensignals mit der Materialkonzentration korreliert. Zu beachten ist, daß die tatsächliche Implementierung eventuell nicht den dielektrischen Konstantenrechner 240 aufweist und die Zeitverzögerung und/oder Änderung der Signalstärke verwendet werden kann, die Materialkonzentration direkt zu bestimmen.
Obwohl die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsformen beschrieben wurde, wird der Fachmann erkennen, daß Änderungen in Form und Detail vorgenommen werden können, ohne vom Grundgedanken und Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise können die zuvor beschriebenen Verfahren zur Berechnung dielektrischer Konstanten kombiniert werden, um die Berechnung mehrerer dielektrischer Konstanten zu unterstützen oder um eine genauere Berechnung dielektrischer Konstanten zu liefern. Die Erfindung kann in Fluiddurchfluß, Strömung oder mit im wesentlichen statischem Prozeßfluid zum Einsatz kommen. Im Gebrauch hierin gehören zu Prozeßfluid Flüssigkeiten, Gase, Schaum usw., ihre Kombinationen und/oder Festmaterial, das durch solche Stoffe mitgeführt wird. Das Material kann in flüssiger, gasförmiger oder Teilchenform vorliegen.

Claims

Vorrichtung zur Bestimmung der Konzentration eines Materials in einem Prozessfluid mit: einer Antenne, die so konfiguriert ist, daß sie das Prozessfluid kontaktiert; einem Impulsgenerator, der so gekoppelt ist, daß er die Antenne konfiguriert, um einen Mikrowellensendeimpuls über die Antenne zu erzeugen; einem Impulsempfänger, der mit der Antenne gekoppelt und so konfiguriert ist, daß er einen reflektierten Impuls von der Antenne empfängt; einem Konzentrationsrechner, der so konfiguriert ist, daß er die Konzentration des Materials als Funktion des reflektierten Impulses berechnet; und einer Verbindung, die konfiguriert ist um an eine Zweidraht-Prozesssteuerschleife gekoppelt zu werden und um Informationen bezüglich der Konzentration des Materials zu übertragen und um die Vorrichtung vollständig mit Energie zu versorgen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Konzentration des Materials als Funktion einer Zeitverzögerung des Rückimpulses berechnet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Konzentration des Materials als Funktion eines Energieniveaus des Rückimpulses berechnet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Antenne ein Staurohr aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei sich die Antenne in Richtung einer Strömung des Prozessfluids erstreckt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Antenne gekrümmt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Antenne schraubenförmig ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei Impulse entlang einer Außenseite des Staurohrs geführt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei Impulse entlang einer Innseite des Staurohrs geführt werden.
Verfahren zur Bestimmung der Konzentration eines Materials in einem Prozessfluid mittels Prozesstransmitter- mit den folgenden Schritten: Senden eines Mikrowellenimpulses entlang einer Antenne, die das Prozessfluid kontaktiert; Empfangen eines reflektierten Mikrowellenimpulses von der Antenne als Reaktion auf den Senderimpuls; Berechnen der Konzentration des Materials im Prozessfluid als Funktion des reflektierten Impulses; Bereitstellen einer Ausgabe an eine Zweidraht-Prozesssteuerschleife bezüglich der Konzentration des Materials; und vollständiges Versorgen des Transmitters mit Energie über die Zweidraht-Prozessschleife
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Konzentration des Materials als Funktion einer Zeitverzögerung des Rückimpulses berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Konzentration des Materials als Funktion einer Amplitude des Rückimpulses berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Antenne ein Staurohr aufweist.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei sich die Antenne in Richtung einer Strömung des Prozessfluids erstreckt.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Antenne gekrümmt ist.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Antenne schraubenförmig ist.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei Impulse entlang einer Außenseite des Staurohrs geführt werden.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei Impulse entlang einer Innseite des Staurohrs geführt werden.
Verfahren nach Anspruch 13 mit dem Schritt des Berechnens einer dielektrischen Konstante des Prozeßfluids.