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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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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.
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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.
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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.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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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.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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1 ist eine Darstellung eines
Prozeßleitsystem,
die die Umgebung von Ausführungsformen
der Erfindung zeigt.
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2 ist ein Blockschaltbild
eines Schaltungsaufbaus eines Radarfüllstandsgebers gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung.
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3 ist ein Blockschaltbild,
eines Schaltungsaufbaus eines Radarfüllstandsgebers gemäß einer
alternativen Ausführungsform
der Erfindung.
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4 und 5 sind Diagramme äquivalenter steuerbarer Zeitwellenform-Schwellwerte
in der leistungsarmen Zeitbereichs-Reflektometrie (LPTDRR).
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6 ist eine schematische
Darstellung eines steuerbaren Empfangsschwellwert-Schaltungsaufbaus gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung.
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7, 9 und 12 sind
Ablaufpläne,
die Verfahren zeigen, die durch den Mikrowellengeber von 2 implementiert sind.
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8, 10 und 11 sind
Diagramme äquivalenter
LPTDRR-Zeitwellenformen.
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13 ist eine vereinfachte
Darstellung eines Gebers, der so konfiguriert ist, daß er die
Materialkonzentration bestimmt.
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14 ist ein Diagramm der
Energie als Funktion der Zeit und zeigt einen Mischungsimpuls und
einen Referenzimpuls.
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15 ist ein Blockschaltbild
eines Schaltungsaufbaus zur Berechnung einer Konzentrationsänderung
eines Materials "A".
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16 ist eine vereinfachte
Darstellung einer kontaktherstellenden Antenne in einer Prozeßfluidströmung.
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17 ist eine vereinfachte
Darstellung eines konzentrationsdetektierenden Schaltungsaufbaus
der Erfindung unter Verwendung eines Staurohrs als Antenne.
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18 ist eine Darstellung,
in der das Mikrowellensignal entlang einem Innenplenum des Staurohrs geführt wird.
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19 ist eine vereinfachte
Darstellung, in der eine Antenne innerhalb des Plenums des Staurohrs geführt wird.
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20 ist eine Darstellung
einer Antenne, die sich parallel zur Strömungsrichtung von Prozeßfluid erstreckt.
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21 zeigt eine Ausführungsform,
in der eine schraubenförmige
Antenne bzw. Spiralantenne verwendet ist.
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22 zeigt eine Ausführungsform,
in der eine Prozeßrohrleitung
ein Knie aufweist und sich ein Abschnitt der Antenne in Strömungsrichtung
erstreckt.
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23 ist ein Blockschaltbild
eines Gebers, der so konfiguriert ist, daß er die Materialzusammensetzung
bestimmt.
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NÄHERE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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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 ändern kann.
Die Änderung
reflektierter Mikrowellenstrahlung kann mit der Absolut- oder Relativkonzentration
eines Materials innerhalb des Prozeßfluids korreliert werden.
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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, FoundationTM Fieldbus oder HART®.
Als leistungsarme Radargeber können
die Geber 100 vollständig
durch Energie gespeist sein, die sie über eine 4–20 mA-Prozeßsteuerschleife
empfangen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
A =
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.
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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.
wobei:
Time = Mikrowellenlaufzeit
durch das Medium; und
A = eine Proportionalitätskonstante.
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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.
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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.
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VERFAHREN
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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 Mikrowellen energie
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.
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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 zumessen. 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.
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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.
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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 VT während
der Empfangsimpuls 540 eine Empfangsamplitude VR hat. Durch Digitalisieren der äquivalenten
LPTDRR-Zeit wellenform 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.
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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.
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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.
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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.
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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 Δt1 und Δt2 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.
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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 Wassermen ge 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.
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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.
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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 entge gengesetzten 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
A die
dielektrische Änderung
ist.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Zusammenfassung
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Eine
Vorrichtung (100) zur Messung der Konzentration eines Materials
in einem Prozeßfluid
weist eine Antenne (115, 120), die so konfiguriert
ist, daß sie
das Prozeßfluid
kontaktiert, und einen Impulsgenerator (210) auf, der mit
der Antenne (115, 120) gekoppelt ist, um einen
Mikrowellensendeimpuls über
die Antenne (115, 120) zu erzeugen. Ein Impulsempfänger (220)
empfängt
einen reflektierten Impuls von der Antenne (115, 120), und
die Konzentration des Materials wird als Funktion des reflektierten
Impulses berechnet.