DE4411815A1 - Method for measuring a multi-component and / or multi-phase flowing medium - Google Patents

Method for measuring a multi-component and / or multi-phase flowing medium

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DE4411815A1
DE4411815A1 DE19944411815 DE4411815A DE4411815A1 DE 4411815 A1 DE4411815 A1 DE 4411815A1 DE 19944411815 DE19944411815 DE 19944411815 DE 4411815 A DE4411815 A DE 4411815A DE 4411815 A1 DE4411815 A1 DE 4411815A1
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Ivan Alexandrovi Gachechiladze
Gennady Irakl Evic Kiknadze
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Abstract

The invention concerns a method for the determination of physical composition parameters of a multicomponent and/or multiphase medium, the medium flowing through electromagnetic cavity resonators and the dielectric constants of the medium in the direction of flow and perpendicular to the direction of flow being determined from the frequencies of the natural longitudinal and transverse oscillations of the cavity resonators and, at the same time, the temperature and pressure of the medium measured. The invention also concerns a device for carrying out the method. The invention proposes that the natural frequencies of the resonators are measured in three different spatial directions, thus making it possible to measure the composition and physical nature of any number of phases and components in the medium. In order to increase the measurement accuracy, the invention further proposes that, at each frequency measurement, the resonance frequency and the Q-factor at the resonance frequency are also measured. This gives correction values which are added to the dielectric constants obtained from the resonance frequencies, thus increasing the measurement accuracy by about an order of magnitude.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung von physika­ lischen Strukturparametern eines mehrkomponentigen und/oder mehrphasigen strömenden Mediums, wobei das Medium elektroma­ gnetische Hohlraumresonatoren durchströmt, die Dielektrizi­ tätskonstanten des Mediums in Fließrichtung und quer zur Fließrichtung aus longitudinalen und transversalen Eigen­ frequenzen von Eigenschwingungen der Hohlraumresonatoren bestimmt werden und gleichzeitig Temperatur und Druck des Mediums gemessen werden, sowie eine Vorrichtung zur Durch­ führung des Verfahrens.The invention relates to a method for measuring physics structural parameters of a multi-component and / or multiphase flowing medium, the medium electroma flows through magnetic resonators, the dielectric of the medium in the direction of flow and across Flow direction from longitudinal and transverse eigen frequencies of natural vibrations of the cavity resonators be determined and at the same time the temperature and pressure of the Medium are measured, as well as a device for through conduct of the procedure.

Im Stand der Technik ist aus der internationalen Patentan­ meldung PCT/RU 92/00182 ein Verfahren bekannt, bei dem Zwei­ phasen-Strömungsparameter von kontinuierlich fließenden Medien mit unterschiedlichen Dichten der Phasen meßbar sind. Dabei durchströmt das Medium elektromagnetische Resonatoren, in denen jeweils ein elektromagnetisches Feld resonant einge­ koppelt ist. Aufgrund der dielektrischen Eigenschaften des Mediums ergibt sich eine Verstimmung der Eigenfrequenz des jeweiligen Resonators. Diese wird gemessen und dient zur Bestimmung der Dielektrizitätskonstante des Mediums.The state of the art is from the international patent PCT / RU 92/00182 a method known in which two phase flow parameters of continuously flowing Media with different phase densities can be measured. The medium flows through electromagnetic resonators, in each of which an electromagnetic field is resonant is coupled. Due to the dielectric properties of the There is a detuning of the natural frequency of the medium respective resonators. This is measured and used for Determination of the dielectric constant of the medium.

Um Rückschlüsse auf das Phasenverhältnis des Mediums zu erhalten, werden die Resonatoren derart angeordnet und betrieben, daß der elektrische Feldvektor des elektromagne­ tischen Feldes parallel und/oder quer zur Fließrichtung des Mediums gerichtet ist. Hieraus erhält man Werte der Dielek­ trizitätskonstanten in Längs- und Querrichtung des den Reso­ nator durchströmenden Mediums. Neben den hierzu ermittelten Resonanzfrequenzen in Längs- und Querrichtung werden mittels geeigneter Sensoren zusätzlich Druck und Temperatur des Medi­ ums gemessen. Aus diesen Meßdaten und den bekannten physika­ lischen Eigenschaften des Mediums wird das Phasenverhältnis berechnet.To draw conclusions about the phase relationship of the medium obtained, the resonators are arranged and  operated that the electric field vector of the electromagne table field parallel and / or transverse to the flow direction of the Medium is directed. From this one obtains values of the Dielek Tricity constants in the longitudinal and transverse directions of the reso flowing medium. In addition to the determined Resonance frequencies in the longitudinal and transverse directions are determined by suitable sensors additionally pressure and temperature of the media um measured. From these measurement data and the known physika The phase properties of the medium become the mechanical properties calculated.

Zur Realisierung einer Meßvorrichtung nach dem genannten Ver­ fahren wird vorgeschlagen, die Hohlraumresonatoren als Halb­ wellen- oder Viertelwellen- Koaxial- Rohrresonatoren aus zu­ führen. In diese Rohrresonatoren werden mittels geeigneter Sende- und Empfangselemente in Fließrichtung des Mediums und quer dazu longitudinale und/oder transversale elektromagne­ tische Wellen eingekoppelt und durch resonante Abstimmung die Eigenfrequenzen der Eigenschwingungen ermittelt.To implement a measuring device according to the aforementioned Ver it is proposed to drive the cavity resonators as half wave or quarter wave coaxial tube resonators from to lead. In these tube resonators are made using suitable Transmitting and receiving elements in the direction of flow of the medium and transversely to this, longitudinal and / or transverse electromagnetic tic waves and the resonant tuning Natural frequencies of the natural vibrations determined.

Das vorbekannte Verfahren hat den Vorteil, daß das Phasenver­ hältnis bei strömenden Zweiphasen-Medien beliebiger Hetero­ genität sicher bestimmbar ist. Weiterhin wird ebenfalls die Bestimmung des Konzentrationsverhältnisses der Komponenten eines Zweikomponenten-Gemisches ermöglicht. Die Meßergebnisse werden praktisch nicht durch Strömungsart, Konzentration oder Dichte des Mediums beeinflußt, beispielsweise werden keine besonderen Anforderungen an Form und Verteilung von Dampfblasen in einem Flüssigkeits-Dampf-Gemisch gestellt.The known method has the advantage that the phase ver Ratio with flowing two-phase media of any hetero genicity can be determined with certainty. Furthermore, the Determination of the concentration ratio of the components enables a two-component mixture. The measurement results are practically not by flow type, concentration or Density of the medium is influenced, for example none special requirements for the shape and distribution of Vapor bubbles placed in a liquid-vapor mixture.

Das bekannte Verfahren und demzufolge die nach diesem Ver­ fahren arbeitenden Meßvorrichtungen haben jedoch den Nach­ teil, daß die Erfassung des Phasenverhältnisses oder des Kon­ zentrationsverhältnisses der einzelnen Komponenten auf Zwei- Phasen- bzw. Zwei-Komponenten-Medien beschränkt ist. In der Praxis häufig auftretende Dreiphasen- oder Mehrkomponenten- Gemische sind damit hinsichtlich einer Analyse ihrer Zusam­ mensetzung bisher nicht zugänglich.The known method and therefore the after this Ver driving measuring devices have the night part that the detection of the phase ratio or the Kon concentration ratio of the individual components to two Phase or two-component media is limited. In the  Commonly occurring three-phase or multi-component Mixtures are an analysis of their combination not yet accessible.

Daraus ergibt sich die Aufgabe der Erfindung, das Verfahren nach dem Stand der Technik derart weiterzubilden, daß die Messung von physikalischen Strukturparametern von Mehrphasen­ und/oder Mehrkomponenten-Medien ermöglicht wird.This results in the object of the invention, the method to further develop according to the prior art that the Measurement of physical structure parameters of multiphases and / or multi-component media is made possible.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung vor, daß die Eigenfrequenzen der Resonatoren in mindestens drei unter­ schiedlichen Raumrichtungen gemessen werden.To achieve this object, the invention proposes that the Natural frequencies of the resonators in at least three below different spatial directions can be measured.

Durch das erfindungsgeinäße Verfahren wird unter Beibehaltung der Vorteile der bekannten Verfahren erreicht, daß die phy­ sikalischen Strukturparameter von Medien mit mehr als zwei Phasen und/oder mehr als zwei Komponenten erfaßbar sind. Prinzipiell sind der Anzahl der zu unterscheidenden Phasen und/oder Komponenten keine Grenzen gesetzt. Einschränkungen bei der praktischen Realisierung ergeben sich lediglich durch die Größe des Resonators und das dadurch begrenzte Rauman­ gebot für die Anordnung der Sende- und Empfangselemente.By the method according to the invention is maintained the advantages of the known methods achieved that the phy sical structural parameters of media with more than two Phases and / or more than two components can be detected. In principle, the number of phases to be distinguished and / or components have no limits. limitations in the practical implementation result only from the size of the resonator and the space limited thereby command for the arrangement of the transmitting and receiving elements.

Die Versorgungs- und Auswertevorrichtungen lassen sich unter Verwendung moderner Elektronik und Rechnertechnologie ohne Probleme an üblicherweise auftretende Einsatzbedingungen an­ passen.The supply and evaluation devices can be found at Use of modern electronics and computer technology without Problems associated with commonly occurring operating conditions fit.

Ein weiterer Nachteil des bisher bekannten Verfahrens liegt darin, daß die Meßgenauigkeit oftmals nicht hinreichend ist. Daraus ergibt sich die zusätzliche Aufgabe der Erfindung, die Meßgenauigkeit zu erhöhen. Another disadvantage of the previously known method lies in that the measurement accuracy is often not sufficient. This results in the additional object of the invention Increase measurement accuracy.  

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung vor, daß bei jeder Eigenfrequenzmessung gleichzeitig die Resonanzfrequenz und der Q-Faktor bei der Resonanzfrequenz gemessen werden. Der Q-Faktor oder Qualitätsfaktor wird allgemein in der Elek­ trotechnik zur Kennzeichnung der Güte eines Resonanzkreises gebraucht. In der Praxis wird der Q-Faktor aus dem Verhältnis der Halbwertsbreite und der Höhe des Eigenresonanz-Peaks be­ rechnet. Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird der Q-Faktor des Hohlraumresonators von den physikalischen Eigenschaften der Phasen- und Komponentenverteilung beeinflußt, die keinen Einfluß auf die Lage des Resonanz-Peaks, d. h. der Eigen­ frequenz haben. Deswegen lassen sich aus dem Q-Faktor Korrek­ turgrößen ermitteln, die zur allein aus der Resonanzfrequenz ermittelten Dielektrizitätskonstante addiert werden und die Meßgenauigkeit annähernd um eine Größenordnung erhöhen.To achieve this object, the invention proposes that each natural frequency measurement simultaneously the resonance frequency and the Q factor can be measured at the resonance frequency. The Q factor or quality factor is generally used in the elec trotechnik for marking the quality of a resonance circuit second hand. In practice, the Q factor becomes the ratio the full width at half maximum and the height of the natural resonance peak calculates. In the method according to the invention, the Q factor of the cavity from the physical properties influenced the phase and component distribution, which none Influence on the location of the resonance peak, i. H. the own have frequency. Therefore, the Q factor can be used to correct Determine the door sizes based solely on the resonance frequency dielectric constant determined are added and the Increase measuring accuracy by approximately one order of magnitude.

Die Berücksichtigung des Q-Faktors beim erfindungsgemäßen Verfahren gemäß dem Hauptanspruch ermöglicht somit erstmals die Messung von physikalischen Strukturparametern eines Medi­ ums mit theoretisch beliebig vielen Phasen und Komponenten mit hoher Genauigkeit. Zur praktischen Realisierung ist lediglich eine Anpassung der Auswertevorrichtung erforder­ lich, die bei der zur Verfügung stehenden Technologie ohne großen Aufwand durchführbar ist.The consideration of the Q factor in the invention The method according to the main claim thus enables for the first time the measurement of physical structure parameters of a media around with theoretically any number of phases and components with high accuracy. For practical implementation only an adjustment of the evaluation device is required Lich, with the available technology without great effort is feasible.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens gemäß der Erfindung sieht vor, daß die Fließgeschwindigkeit des Mediums durch Autokorrelation der Meßdaten von in Fließrichtung auf­ einander folgenden Hohlraumresonatoren bestimmt wird. Durch Autokorrelationsverfahren, die im Prinzip bekannt sind, wird beim erfindungsgemäßen Verfahren ein durch statistische Schwankungen erzeugtes Zufallsmuster im zeitlichen Verlauf der ermittelten Meßdaten an zwei aufeinander folgenden, um eine bestimmte Strecke voneinander entfernten Meßpunkten identifiziert. Aufgrund der zeitlichen Verschiebung läßt sich somit leicht die Fließgeschwindigkeit des Massen- bzw. Volumenflusses ermitteln.An advantageous development of the method according to the Invention provides that the flow rate of the medium by auto-correlation of the measurement data from in the flow direction successive cavity resonators is determined. By Autocorrelation method, which are known in principle in the method according to the invention by statistical Fluctuations generated random pattern over time of the measured data determined on two successive, um a certain distance of measuring points apart identified. Due to the time shift,  thus easily the flow rate of the mass or Determine volume flow.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens läßt sich besonders vorteilhaft realisieren, indem sie Drucksensoren, Temperatursensoren, sowie mindestens drei in unterschiedliche Raumrichtung orientierte elektromagne­ tische Hohlraumresonatoren aufweist, wobei das Medium durch die Hohlraumresonatoren hindurchströmt, die jeweils mit paar­ weise einander zugeordneten, an Versorgungs- und Auswerte­ einheiten anschließbaren, elektromagnetischen Sende- und Empfangselementen versehen sind. Als Druck- und Temperatur­ sensoren lassen sich beispielsweise Halbleiter oder Pie­ zoelektrische Sensoren verwenden. Diese liefern Meßwerte der erforderlichen, hohen Genauigkeit und sind einfach an Versor­ gungs- und Auswerteeinheiten anbindbar.A device for performing the Ver driving can be realized particularly advantageously by they pressure sensors, temperature sensors, and at least three Electromagnetic oriented in different spatial directions Tables cavity resonators, the medium through the cavity resonators flow through, each with few assigned to each other, in terms of supply and evaluation units connectable, electromagnetic transmission and Receiving elements are provided. As pressure and temperature sensors can be semiconductors or pie, for example Use zoelectric sensors. These provide measured values of the required high accuracy and are easy to versor supply and evaluation units can be connected.

Die Hohlraumresonatoren werden vorzugsweise als Mikrowellen- Resonatoren ausgebildet. Diese lassen sich klein und robust ausführen, so daß die Konstruktion von handlichen und gegen mechanische Beanspruchungen unempfindlichen Meßvorrichtungen ermöglicht wird.The cavity resonators are preferably used as microwave Trained resonators. These can be small and robust run so that the construction of handy and against mechanical stresses insensitive measuring devices is made possible.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform einer erfindungs­ gemäßen Vorrichtung sieht vor, daß mindestens ein Hohlraumre­ sonator ein Zwei-Kammer-Resonator ist, der im wesentlichen aus einer zylindrischen inneren und einer ebenfalls zylin­ drischen äußeren Resonatorkammer gebildet wird, wobei durch die innere Kammer axial in Longitudinalrichtung eine rohr­ förmige Mediendurchführung aus dielektrischem Material ver­ läuft, die innere Resonatorkammer von der äußeren Resonator­ kammer konzentrisch umgeben ist und mit dieser in Verbindung steht, wobei in der Mantelfläche der äußeren Resonatorkammer paarweise einander zugeordnete Sende- und Empfangsantennen derart angeordnet sind, daß sie elektromagnetische Eigen­ schwingungen in Längsrichtung und in mindestens zwei unter­ schiedlichen Querrichtungen in der inneren Resonatorkammer anregen und empfangen. Diese Ausführungsform zeichnet sich durch einen besonders kompakten Aufbau aus und ist aufgrund der relativ einfachen mechanischen Konstruktion besonders wirtschaftlich produzierbar. Dabei besteht der gesamte Reso­ nator im wesentlichen aus leitfähigem Material, beispiels­ weise Metall. Die leitenden Oberflächen der inneren und äußeren Resonatorkammer stehen leitend miteinander in Verbin­ dung. Die durch die innere Resonatorkammer hindurchgeführte, rohrförmige Mediendurchführung besteht aus dielektrischem Material, wie z. B. Glas oder Kunststoff. In ihrem Quer­ schnitt entspricht die Mediendurchführung vorzugsweise dem Durchmesser einer Rohrleitung, durch die ein zu messendes Medium fließt. Dadurch wird der freie Durchfluß des Mediums durch die Meßvorrichtung gewährleistet. Das dielektrische Material läßt sich so auswählen, daß es abrasiven und/oder korrosiven Medien problemlos standhält.A particularly advantageous embodiment of a fiction according device provides that at least one Hohlraumre sonator is a two-chamber resonator, which is essentially from a cylindrical inner and also a cylin the outer resonator chamber is formed, whereby by the inner chamber axially in the longitudinal direction a tube shaped media bushing made of dielectric material ver runs, the inner resonator chamber from the outer resonator chamber is surrounded concentrically and in connection with this stands, being in the outer surface of the outer resonator chamber transmitting and receiving antennas assigned to one another in pairs are arranged so that they are electromagnetic inherent  vibrations in the longitudinal direction and in at least two under different transverse directions in the inner resonator chamber stimulate and receive. This embodiment stands out through a particularly compact structure and is due to the relatively simple mechanical construction in particular economically producible. The entire reso exists nator essentially made of conductive material, for example wise metal. The conductive surfaces of the inner and outer resonator chamber conductively interconnect dung. The through the inner resonator chamber, tubular media feedthrough is made of dielectric Material such as B. glass or plastic. In their cross cut preferably corresponds to the media implementation Diameter of a pipe through which a pipe is to be measured Medium flows. This ensures the free flow of the medium guaranteed by the measuring device. The dielectric Material can be selected so that it is abrasive and / or withstands corrosive media without any problems.

Die Durchtrittsöffnungen in dem Hohlraumresonator für die rohrförmige Mediendurchführung werden so angeordnet, daß die im Innern des Resonators erzeugten elektromagnetischen Eigen­ schwingungen nicht nach außen abgestrahlt werden.The passage openings in the cavity for the tubular media feedthrough are arranged so that the electromagnetic properties generated inside the resonator vibrations are not emitted to the outside.

Das durch die Mediendurchführung strömende Medium wird auf­ grund der axialen, zentralen Anordnung in der inneren Resona­ torkammer von den elektrischen Feldvektoren einer longitudi­ nalen Eigenschwingung in Längsrichtung durchsetzt und ent­ sprechend von den elektrischen Feldvektoren der quer ausge­ richteten, transversalen Eigenschwingungen in unterschied­ lichen Radialrichtungen durchsetzt. Der koaxiale Zwei-Kammer- Resonator läßt sich besonders genau abstimmen, wodurch sich die Bestimmung der longitudinalen und transversalen Eigen­ frequenzen sowie deren Q-Faktor einfach durchführen läßt. Ein zuverlässiger Dauerbetrieb ist dadurch sichergestellt, daß die Sende- und Empfangsantennen in der äußeren Resonator­ kammer angebracht sind und keinem Verschleiß durch das vor­ beiströmende Medium unterliegen.The medium flowing through the media duct becomes open due to the axial, central arrangement in the inner resona gate chamber from the electrical field vectors of a longitudinal nals natural vibration in the longitudinal direction and ent speaking of the electric field vectors of the transversely directed, transverse natural vibrations in different radial directions. The coaxial two-chamber Resonator can be tuned particularly precisely, which allows the determination of the longitudinal and transverse eigen frequencies and their Q factor can be easily performed. A reliable continuous operation is ensured by the fact that  the transmit and receive antennas in the outer resonator chamber are attached and no wear from the front flowing medium are subject.

Zur Messung der Fließgeschwindigkeit des Mediums ist es zweckmäßig, daß mindestens zwei Zwei-Kammer-Resonatoren in Fließrichtung des Mediums hintereinander angeordnet sind. Durch Autokorrelation der Meßdaten der beiden Resonatoren kann leicht auf die Volumen- bzw. Massengeschwindigkeit geschlossen werden.It is for measuring the flow rate of the medium expedient that at least two two-chamber resonators in Flow direction of the medium are arranged one behind the other. By auto-correlation of the measurement data of the two resonators can easily on the volume or mass velocity getting closed.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden an­ hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen im einzelnen:An embodiment of the invention will follow hand of the drawings explained in more detail. The individual shows:

Fig. 1 Einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Zwei-Kammer-Resonator; Fig. 1 shows a longitudinal section through a two-chamber resonator;

Fig. 2 Einen Querschnitt durch den Resonator gemäß Fig. 1. Fig. 2 shows a cross section of the resonator of FIG. 1.

In Fig. 1 ist der Hohlraumresonator als ganzes mit dem Bezugszeichen 1 versehen. Er besteht aus einem zylindrischen, rohrförmigen Gehäuse 2, welches an seinen Kopfenden geschlos­ sen ist. Axial durch das Gehäuse 2 hindurch verläuft eine Rohrleitung 3, durch die Medium strömt. Im mittleren Abschnitt in dem Gehäuse 2 ist in die Rohrleitung 3 eine Mediendurchführung 4 eingefügt, die denselben Querschnitt wie die Rohrleitung 3 hat und gestrichelt eingezeichnet ist. An beiden Enden der Mediendurchführung 4 sind auf die Rohrleitung 3 ringförmige Scheiben 5a und 5b aufgesetzt, die in axialer Richtung die Begrenzungen der inneren Resonator­ kammer bilden. Radial nach außen ist diese innere Resonator­ kammer durch die Mantelwandung des Gehäuses 2 begrenzt. In Fig. 1, the cavity resonator is provided as a whole with the reference number 1 . It consists of a cylindrical, tubular housing 2 , which is closed at its head ends. A pipe 3 , through which the medium flows, runs axially through the housing 2 . In the middle section in the housing 2 , a media feed-through 4 is inserted into the pipeline 3 , which has the same cross-section as the pipeline 3 and is shown in broken lines. At both ends of the media feed-through 4 , annular disks 5 a and 5 b are placed on the pipeline 3 , which form the boundaries of the inner resonator chamber in the axial direction. Radially outwards, this inner resonator chamber is limited by the casing wall of the housing 2 .

Der Innenraum des Gehäuses 2 abzüglich der Rohrleitung 3 sowie des Bereiches der inneren Resonatorkammer bildet die äußere Resonatorkammer. Folglich umgibt sie die innere Reso­ natorkammer und steht über die radialen Spalte zwischen den ringförmigen Scheiben 5a und 5b und dem Gehäuse 2 mit dieser in Verbindung.The interior of the housing 2 minus the pipeline 3 and the area of the inner resonator chamber forms the outer resonator chamber. Consequently, it surrounds the inner Reso naterkammer and is on the radial gap between the annular discs 5 a and 5 b and the housing 2 with this in connection.

In der Mantelwandung des Gehäuses 2 ist ein Paar von in Längsrichtung abstrahlenden Longitudinal-Antennen 6a und 6b angebracht. Dabei ist 6a eine Sendeantenne für Mikrowellen und die Antenne 6b eine Empfangsantenne für Mikrowellen. Beide sind im Prinzip gleichartig aufgebaut.In the jacket wall of the housing 2 , a pair of longitudinal antennas 6 a and 6 b are radiated in the longitudinal direction. 6 a is a transmitting antenna for microwaves and the antenna 6 b is a receiving antenna for microwaves. In principle, both are constructed in the same way.

Mit den Bezugszeichen 7a und 7b ist ein Paar von radial aus­ gerichteten, in dem Gehäuse 2 im Bereich der Mediendurch­ führung 4 gegenüberliegend angeordneten Transversal-Antennen bezeichnet. 7a ist eine Sendeantenne, 7b die ihr zugeordnete Empfangsantenne.With the reference numerals 7 a and 7 b, a pair of radially directed, in the housing 2 in the area of the media passage 4 opposite transversal antennas is designated. 7 a is a transmitting antenna, 7 b the receiving antenna assigned to it.

In gleicher Weise wie die Transversal-Antennen 7a und 7b ist in dem Gehäuse 2 ein weiteres Paar von Transversal-Antennen 8a und 8b angebracht, die gegenüber den Transversal-Antennen 7a und 7b auf dem Mantel des Gehäuses 2 um 90° versetzt ange­ ordnet sind und deswegen in dieser Darstellung nur schema­ tisch angedeutet sind.In the same way as the transversal antennas 7 a and 7 b, a further pair of transversal antennas 8 a and 8 b is attached in the housing 2 , which is opposite the transverse antennas 7 a and 7 b on the casing of the housing 2 90 ° offset and are therefore only schematically indicated in this illustration.

Weiterhin ist an dem Gehäuse 2 im Bereich der Rohrleitung 3 ein Temperatursensor 9 sowie ein Drucksensor 10 angebracht, die mit dem Innenraum der Rohrleitung 3 in Kontakt stehen.Furthermore, a temperature sensor 9 and a pressure sensor 10 are attached to the housing 2 in the region of the pipeline 3 and are in contact with the interior of the pipeline 3 .

Das Gehäuse 2 besteht einschließlich der Rohrleitung 3 und der ringförmigen Scheiben 5a und 5b aus Metall. Die Medien­ durchführung 4 ist aus dielektrischem Material gefertigt, beispielsweise Glas oder Kunststoff. Der Resonatorinnenraum, d. h. das innere des Gehäuses 2, ist gegen die Rohrleitung 3 bzw. die Mediendurchführung 4 dicht.The housing 2 including the pipe 3 and the annular discs 5 a and 5 b made of metal. The media bushing 4 is made of dielectric material, such as glass or plastic. The resonator interior, ie the interior of the housing 2 , is sealed against the pipeline 3 or the media bushing 4 .

In Fig. 2 ist ein radialer Schnitt durch den Hohlraumreso­ nator 1 gemäß Fig. 1 in Höhe der Transversal-Antennen 7a/b bzw. 8a/b dargestellt. Es finden dieselben Bezugszeichen wie in Fig. 1 Verwendung. In dieser Darstellung ist deutlich die paarweise Anordnung der Transversal-Antennen 7a und 7b sowie 8a und 8b erkennbar.In Fig. 2 is a radial section through the Hohlraumreso nator 1 of FIG. 1 in height of the transverse antennas 7a / b and 8a / b shown. The same reference numerals are used as in FIG. 1. In this illustration, the paired arrangement of the transverse antennas 7 a and 7 b and 8 a and 8 b can be clearly seen.

Die Longitudinal-Antennen 6a und 6b, die Transversal-Antennen 7a, 7b, 8a und 8b sowie der Drucksensor 10 und der Tempera­ tursensor 9 sind an eine nicht dargestellte Auswerte- und Versorgungseinheit angeschlossen, die alle notwendigen Betriebsspannungen an die Sensoren und Antennen liefert und gleichzeitig die Auswertung der von diesen Sensoren bzw. Antennen gelieferten Signale ermöglicht.The longitudinal antennas 6 a and 6 b, the transverse antennas 7 a, 7 b, 8 a and 8 b as well as the pressure sensor 10 and the temperature sensor 9 are connected to an evaluation and supply unit, not shown, which supplies all the necessary operating voltages provides the sensors and antennas and at the same time enables the evaluation of the signals supplied by these sensors or antennas.

Zum Betrieb der Vorrichtung gemäß dem erfindungsgemäßen Ver­ fahren wird auf die Transversal-Sendeantennen 7a und 8a sowie auf die Longitudinal-Sendeantenne 6a ein Hochfrequenzsignal gegeben, dessen Frequenz so gewählt ist, daß sich in dem Gehäuse 2 jeweils zwischen den Antennenpaaren 6a und 6b, 7a und 7b sowie 8a und 8b stehende Wellen mit den entsprechenden longitudinalen und transversalen Eigenfrequenzen des Hohl­ raumresonators 1 ausbilden. Dabei verläuft der elektrische Feldvektor des von den Longitudinal-Antennen 6a und 6b erzeugten Eigenschwingungen im Bereich der inneren Resonator­ kammer, d. h. auch innerhalb der Mediendurchführung 4 in Längsrichtung. Der elektrische Feldvektor der zwischen den Transversal-Antennen 7a und 7b sich ausbildenden stehenden Welle verläuft transversal durch den inneren Resonator und damit die Mediendurchführung 4. Der elektrische Feldvektor zwischen dem Transversal-Antennenpaar 8a und 8b verläuft ebenfalls durch die innere Resonatorkammer in Transversal­ richtung senkrecht zum Feldvektor zwischen dem Antennenpaar 7a und 7b.To operate the device according to the invention, a high-frequency signal is given to the transversal transmit antennas 7 a and 8 a and to the longitudinal transmit antenna 6 a, the frequency of which is chosen such that there are 6 a between the antenna pairs in the housing 2 and 6 b, 7 a and 7 b and 8 a and 8 b standing waves with the corresponding longitudinal and transverse natural frequencies of the cavity resonator 1 form. The electrical field vector of the natural vibrations generated by the longitudinal antennas 6 a and 6 b extends in the region of the inner resonator chamber, that is to say also within the media bushing 4 in the longitudinal direction. The electric field vector of the standing wave formed between the transverse antennas 7 a and 7 b runs transversely through the inner resonator and thus the media feedthrough 4 . The electrical field vector between the transverse antenna pair 8 a and 8 b also runs through the inner resonator chamber in the transverse direction perpendicular to the field vector between the antenna pair 7 a and 7 b.

Zur Einhaltung der Resonanzbedingung, d. h. zur Einkoppelung der jeweiligen Eigenschwingungen wird die an die Sende-Anten­ nen 6a, 7a und 8a gegebene Frequenz von der nicht dargestell­ ten Versorgungseinheit so eingestellt, daß das von den Emp­ fangsantennen 6b, 7b und 8b empfangene Signal minimal ist - wenn der Hohlraumresonator 1 ein λ/2-Resonator ist - bzw. maximal, wenn der Hohlraumresonator 1 ein λ/4-Resonator ist. Dabei wird gleichzeitig der Q-Faktor jeder Eigenfrequenz festgestellt. Mittels des Temperatursensors 9 und des Druck­ sensors 10 werden gleichzeitig der Druck und die Temperatur des durch die Rohrleitung 3 strömenden Mediums erfaßt.To comply with the resonance condition, that is, for coupling the respective natural oscillations, the frequency given to the transmitting antennas 6 a, 7 a and 8 a is set by the supply unit (not shown) such that the receiving antennas 6 b, 7 b and 8 b received signal is minimal - if the cavity resonator 1 is a λ / 2 resonator - or maximum if the cavity resonator 1 is a λ / 4 resonator. The Q factor of each natural frequency is determined at the same time. By means of the temperature sensor 9 and the pressure sensor 10 , the pressure and the temperature of the medium flowing through the pipe 3 are detected simultaneously.

Das durch die Mediendurchführung 4 strömende Medium wird sowohl von den in Längsrichtung liegenden elektrischen Feld­ vektor der Eigenschwingung zwischen den Longitudinal-Antennen 6a und 6b sowie den transversal senkrecht aufeinander stehen­ den elektrischen Feldvektoren der Eigenschwingungen zwischen den Transversal-Antennenpaaren 7a/b und 8a/b durchsetzt. Aus den Werten der drei solchermaßen ermittelten Eigenfrequenzen der Eigenschwingungen werden drei Werte für die zugeordneten Dielektrizitätskonstanten berechnet.The flowing through the media bushing 4 is both from the longitudinal electric field vector of the natural vibration between the longitudinal antennas 6 a and 6 b and the transversely perpendicular to each other are the electrical field vectors of the natural vibrations between the transverse antenna pairs 7 a / b and 8 a / b enforced. Three values for the assigned dielectric constants are calculated from the values of the three natural frequencies of the natural vibrations determined in this way.

Nach der Eingabe der entsprechenden Kenngrößen eines Mediums ist aufgrund der in der vorbeschriebenen Weise aufgenommenen Meßdaten - drei Dielektrizitätskonstanten, Druck und Tempe­ ratur - die vollständige Darstellung aller physikalischen Strömungspararmeter eines Drei-Phasigen, Drei-Komponentigen Mediums durchführbar.After entering the corresponding parameters of a medium is due to the recorded in the manner described above Measurement data - three dielectric constants, pressure and tempe ratur - the complete representation of all physical Flow parameters of a three-phase, three-component Medium feasible.

Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mittels des darge­ stellten Hohlraumresonators 1 gewonnenen Meßdaten hinsicht­ lich der Beschaffenheit des Mediums zeichnen sich durch hohe Genauigkeit aus. Durch die Anbringung weiterer Antennenpaare ist eine Erweiterung der Meßvorrichtung auf nahezu beliebig viele Phasen und Komponenten denkbar.The measurement data obtained by the method according to the invention by means of the cavity resonator 1 illustrated with regard to the nature of the medium are distinguished by high accuracy. By attaching further pairs of antennas, an extension of the measuring device to almost any number of phases and components is conceivable.

Claims (6)

1. Verfahren zur Messung von physikalischen Strukturpa­ rametern eines mehrkomponentigen und/oder mehrphasigen strö­ menden Mediums, bei welchem das Medium elektromagnetische Hohlraumresonatoren durchströmt, die Dielektrizitätskon­ stanten des Mediums in Fließrichtung und quer zur Fließrich­ tung aus longitudinalen und transversalen Eigenfrequenzen von Eigenschwingungen der Hohlraumresonatoren bestimmt werden und gleichzeitig Temperatur und Druck des Mediums gemessen wer­ den, dadurch gekennzeichnet, daß die Eigenfrequenzen der Resonatoren in mindestens drei unterschiedlichen Raumrich­ tungen gemessen werden.1. A method for measuring physical structure parameters of a multi-component and / or multi-phase flowing medium in which the medium flows through electromagnetic cavity resonators, the dielectric constants of the medium in the flow direction and transverse to the direction of flow are determined from longitudinal and transverse natural frequencies of natural vibrations of the cavity resonators and at the same time the temperature and pressure of the medium are measured, characterized in that the natural frequencies of the resonators are measured in at least three different spatial directions. 2. Verfahren, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß bei jeder Eigenfrequenzmessung gleichzeitig die Resonanzfrequenz und der Q-Faktor bei der Resonanzfre­ quenz gemessen werden.2. The method, in particular according to claim 1, characterized ge indicates that with every natural frequency measurement simultaneously the resonance frequency and the Q factor for the resonance frequency frequency can be measured. 3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fließgeschwindigkeit des Mediums durch Autokorrelation der Meßdaten von in Fließrichtung auf­ einanderfolgenden Hohlraumresonatoren bestimmt wird.3. The method according to claims 1 and 2, characterized characterized that the flow rate of the medium by auto-correlation of the measurement data from in the flow direction successive cavity resonators is determined. 4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung Drucksensoren (10), Temperatursensoren (9), sowie mindestens drei in unterschiedliche Raumrichtungen orientierte elektro­ magnetische Hohlraumresonatoren (1) aufweist, wobei das Medium durch die Hohlraumresonatoren (1) hindurchströmt, die jeweils mit paarweise einander zugeordneten, an Versorgungs- und Auswerteeinheiten anschließbaren, elektromagnetischen Sende- und Empfangselementen (6a/b, 7a/b, 8a/b) versehen sind.4. A device for performing the method according to claim 1, characterized in that the device comprises pressure sensors ( 10 ), temperature sensors ( 9 ), and at least three electromagnetic cavity resonators ( 1 ) oriented in different spatial directions, the medium through the cavity resonators ( 1 ) flows through, each of which is provided with paired electromagnetic transmission and reception elements ( 6 a / b, 7 a / b, 8 a / b) that can be connected to supply and evaluation units. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Hohlraumresonator (1) ein Zwei-Kammer- Resonator (1) ist, der im wesentlichen aus einer zylindri­ schen inneren und einer ebenfalls zylindrischen äußeren Resonatorkammer gebildet wird, wobei durch die innere Kammer axial in Longitudinalrichtung eine rohrförmige Mediendurch­ führung (4) aus dielektrischem Material verläuft, die innere Resonatorkammer von der äußeren Resonatorkammer konzentrisch umgeben ist und mit dieser in Verbindung steht, wobei in der Mantelfläche der äußeren Resonatorkammer paarweise einander zugeordnete Sende- und Empfangsantennen (6a/b, 7a/b, 8a/b) derart angeordnet sind, daß sie elektromagnetische Eigen­ schwingungen in Längsrichtung und in mindestens zwei unter­ schiedlichen Querrichtungen in der inneren Resonatorkammer anregen und empfangen.5. The device according to claim 4, characterized in that at least one cavity resonator ( 1 ) is a two-chamber resonator ( 1 ) which is formed essentially from a cylindri's inner and a likewise cylindrical outer resonator chamber, with the inner chamber axially in the longitudinal direction, a tubular media feed-through ( 4 ) made of dielectric material runs, the inner resonator chamber is surrounded concentrically by the outer resonator chamber and communicates with it, with paired transmitting and receiving antennas ( 6 a / b, 7 a / b, 8 a / b) are arranged such that they excite and receive electromagnetic vibrations in the longitudinal direction and in at least two different transverse directions in the inner resonator chamber. 6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Zwei-Kammer-Resonatoren (1) in Fließ­ richtung des Mediums hintereinander angeordnet sind.6. The device according to claim 4, characterized in that at least two two-chamber resonators ( 1 ) are arranged one behind the other in the flow direction of the medium.
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