DE4444248A1

DE4444248A1 - Vorrichtung zur berührungsfreien Messung des Massedurchsatzes in Förderleitungen bei Zweiphasenströmungen mit Hilfe von Mikrowellen

Info

Publication number: DE4444248A1
Application number: DE19944444248
Authority: DE
Inventors: Hans Georg Dipl Ing Courads; Johannes P F Prof Dr Courads
Original assignee: CONRADS HANS GEORG DIPL ING
Current assignee: CONRADS HANS GEORG DIPL ING
Priority date: 1994-12-13
Filing date: 1994-12-13
Publication date: 1996-06-20
Also published as: EP0717269A2; EP0717269A3

Description

3 Beschreibung 3.1 Allgemeines

Die Mikrowellenmessung dient zur Erfassung der Masse und mittleren Geschwindigkeit von in Rohren turbulent transportierten Gütern, um hieraus den Massedurchsatz zu bestimmen. Bei einem festen Abstand zwischen Sende- und Empfangsantenne wird bei einem über den gesamten Rohrquer schnitt gleichmäßig gefüllten Rohr die gemessene Absorption durch einen effektiven Absorptions koeffizienten bestimmt.

Die materialabhängige komplexe Dielektrizitätskonstante bewirkt eine Dämpfung von Mikrowellen, sofern sie einen Imaginärteil besitzt.

So sind die Dielektrizitätskonstanten E* für Kohle und Wasser bei 3 GHz wie folgt:
Wasser
E′ = 81
E′′ = 12
Kohle
E′ = 2,5
E′′ = 0,3,
wobei E* = E′ + jE′′ ist.

Besteht das im Rohr ruhende Gut nur aus einem Stoff, so kann aus der Absorption die Masse des durchstrahlten Gutes bestimmt werden. Setzt sich das zu transportierende Gut aus mehreren Stoffen zusammen, so wird die Absorption durch einen effektiven Absorptionskoeffizienten bestimmt, der sich bekanntlich aus den einzelnen Absorptionskoeffizienten der verschiedenen Stoffe zusammen setzt. Solange die relativen Masseverhältnisse konstant bleiben, kann aus der Messung des effekti ven Absorptionskoeffizienten die Masse bestimmt werden. Bewegt sich die Masse im Rohr, so kann durch eine zusätzliche Geschwindigkeitsmessung der Massedurchsatz bestimmt werden.

Bei Befüllung des Rohres mit einem Trägermedium (Luft, Wasser) und einem zu transportierenden Gut (Kohle) kann unter folgenden Voraussetzungen das Verhältnis der beiden Medien zueinander bestimmt werden:

a) Beide Medien haben eine jeweils zeitlich konstante stoffliche Zusammensetzung, was das Dämpfungsverhalten von Mikrowellen anbelangt.
b) Die beiden Medien unterscheiden sich hinreichend in ihrem Dämpfungsverhalten von Mikro wellen, bezogen auf das von Mikrowellen durchstrahlte Volumen (die Messung des Rohres gefüllt mit Medium 1 muß sich deutlich unterscheiden von der Messung des Rohres gefüllt mit Medium 2).

Forderung a kann entfallen, wenn die Änderung der stofflichen Zusammensetzung von den Zeitkon stanten her langsam im Vergleich zur Strömungsdynamik ist, und die Stoffe durch ein vorgeschalte tes Schnellbestimmungssystem (z. B. Schnellbestimmung der Restfeuchte des Kohlenstaubes) einzeln vermessen werden können. Forderung a kann weiterhin entfallen, falls es um eine reine Differenz messung zwischen zwei Leitungen geht. Hier ist die einzige Forderung, daß die Stoffe in den jewei ligen Leitungen zu jedem Zeitpunkt die gleiche Zusammensetzung haben.

3.2 Problemstellung

Häufig wird ein Gut durch eine Förderleitung in Form einer Zweiphasenströmung transportiert. Hier tritt bei den geforderten Geschwindigkeiten turbulente Strömung ein. Die eingesetzte Fördertechnik verursacht bei Flüssigkeiten die Bildung von Blasen und bei festen Stoffen die Bildung von Strähnen erhöhter Dichte, die sich durch Wirbel ausbilden und nicht ortsfest sind. Aufgrund der extrem abra siven Eigenschaften des geförderten Gutes (wie Kohlestaub) verbietet sich der Einsatz einer Mikro wellenantenne im Inneren der Leitung, da diese innerhalb kurzer Zeit durch Abrasion zerstört würde. Die Forderung nach einer berührungsfreien Messung zwingt zu einer konstruktiven Lösung, bei der die Antennen die Mikrowellenleistung von außen in das Rohrinnere einbringen und ebenso die durch das Rohr transmittierte Leistung wieder nach außen auskoppeln. Die Grenzfläche zwischen Rohräu ßerem und Rohrinnerem wird hierbei durch die Rohrwandung gebildet. Hierzu sind konventionelle Antennen, wie z. B. Hornantennen geeignet, sofern sie auf die Rohrwandung aufgesetzt werden und durch ein Fenster aus Dielektrikum ins Rohrinnere gerichtet sind. Es sind allgemein Vorrichtungen bekannt, welche die Feuchte in einem Schüttgut mittels Mikrowellenmessung der Dämpfung und/oder der Phasenverschiebung ermitteln. Diese Vorrichtungen arbeiten meist mittels Hornanten nen. Unter der Maßgabe der gleichmäßigen chemischen Zusammensetzung des Gutes können sie auch zur Messung der Gesamtmasse des Gutes herangezogen werden.

Es kann aber mit einem Hornantennenpaar kein repräsentativer Ort für die linienintegrierende Mes sungen, wie die Messung der Dämpfung gefunden werden, da die Sende- und Empfangscha rakteristiken eines solchen Antennenpaares nicht über den gesamten Querschnitt des Rohres gleich sind. Bereiche, die in der Hauptabstrahlrichtung der Antenne liegen gehen stärker in die Messung ein, als die übrigen Bereiche. Sofern es nicht möglich ist, die Lage der Strähnen oder sonstigen loka len Beladungsspitzen zu messen, kann dieser Fehlereinfluß der Abstrahlcharakteristik nicht korrigiert werden. Es ist daher zwingend, die Messung über die gesamte Querschnittsfläche auszudehnen, um die momentane Masse in einem Rohrabschnitt mittelnd zu erfassen. Dies ließe sich durch eine große Anzahl von über den Azimut verteilten Antennenpaaren erreichen. Der Nachteil einer solchen Lö sung ist allerdings, daß sie mit extrem großem Aufwand verbunden ist (Abstimmung der Antennen, gleichmäßige Leistungsauskoppelung etc.). Eine weitere Einschränkung hierbei ist, daß die Zahl der Antennen durch ihre geometrischen Abmessungen stark eingeschränkt ist. Eine ideal mittelnde Mes sung ist somit schwer zu erreichen.

Die Abstrahlcharakteristik einer Hornantenne ist nicht geeignet, die lokal über den Querschnitt schwankenden Änderungen der dielektrischen Eigenschaften der Staubbeladung in einem mit einem Trägergas gefüllten Rohr (Zweiphasenströmung) integrativ zu messen, da das Brechungs- und Ab sorptionsverhalten der Leitung über den gesamten Querschnitt aufgrund der unregelmäßigen Vertei lung der dielektrischen Stoffe lokal stark schwankt. Es ist eine Antennenanordnung erforderlich, die der zylindrischen Geometrie einer Rohrleitung Rechnung trägt und die Mikrowellenleistung gleich mäßig über den Querschnitt einkoppeln kann. Es muß eine über den Rohrumfang und Rohrdurchmesser (und somit über die Querschnittsfläche) mittelnde Aufnahme der Mikrowellen möglich sein, die unabhängig von lokalen Beladungsunterschieden, sowie von Interferenzerscheinun gen ist.

Hierzu wäre die nach Patent FR-A-2-112 733 bekannte Antenne, die meanderförmig ein zylindri sches Volumen umschließt, geeignet. Da die abrasiven Eigenschaften von Zweiphasenströmungen eine solche Antenne, die sich im Innern einer Leitung befinden müßte zerstören wurden, muß eine Antennenanordnung angewendet werden, die nicht der Zweiphasenströmung ausgesetzt ist. Somit ist diese Anordnung ungeeignet.

Besser geeignet ist hierzu die Anordnung einer Sendeschlitzantenne nach Patent DE 42 35 914 A1 zur Plasmaerzeugung mittels Mikrowellen, die um ein Vakuumgefäß montiert ist. Diese Vorrichtung macht sich die allgemein bekannten Vorteile der Mikrowelleneinstrahlung in ein zylindrisches Volu men zunutze. Hierbei bedient man sich der allgemein bekannten Auskopplung von Mikrowellen durch eine Schlitzantenne (z. B. Erich Pehl, "Mikrowellentechnik Band 2: Antennen und aktive Bau teile", 2. Auflage, Hüthigverlag Heidelberg). Der Abstand der Schlitze muß, wie allgemein bekannt n*Lambda/2 betragen. Die sich in dem Hohlleiter ausbreitende Welle kann eine stehende TE-Welle sein, vorzugsweise vom Typ 10. Kapazitive oder induktive Koppelelemente z. B. Stifte und Blenden können zwischen den Schlitzen zur Feinjustierung der Antenne dienen. Die Antenne sollte so einju stiert sein, daß die aus allen Schlitzen ausgekoppelte Leistung dieselbe komplexe Amplitude besitzt.

Hierbei kann die Resonanz eines an den Ring angekoppelten Hohlraumresonators, der zur Antennen anregung dient, durch Verschiebung eines Kurzschlußschiebers (nach Pehl) eingestellt werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung macht sich die Ausbreitung von Mikrowellen aus einem Hohl raumresonator durch Schlitze in der Rohrwandung in das Innere eines Rohres zunutze, um durch Messung der in denselben oder einen separaten Hohlraumresonator zurückemittierten Mikrowellen leistung auf die Dämpfung der Mikrowellen durch das Fördergut im Rohrquerschnitt und somit auf dessen Masse rückschließen zu können. Hierbei besteht die Neuartigkeit darin, daß ein Rohrstück, durch das das Medium transportiert werden soll, als Sende- und Empfangsschlitzantenne dient, wo bei die Mikrowellenleistung durch in die Rohrwand eingebrachte Schlitze ein- und ausgekoppelt werden kann. Die Rohrwand bildet somit in idealer Weise die Grenzfläche zwischen Rohrinnerem und Rohräußerem sowie gleichzeitig die Antennenabstrahlfläche. Hierbei kann das Schlitzmuster an die Meßaufgabe nach Patentanspruch 1 optimal angepaßt werden. Durch die Variation der Schlitz muster ist die Meßgeometrie extrem variabel. Ferner ist sie unter Verwendung der in Patentan spruch 2 erwähnten Resonanzringe sehr leicht zu fertigen und gegen Schäden in den Koppelfenstern nach Patentanspruch 6 unempfindlich. Ein Hauptmerkmal dieser Vorrichtung besteht darin, daß die Anzahl der Schlitze und somit die hohe Anzahl der Einzelantennen über den Azimut keinen erhöhten technischen Aufwand bedeutet, da man alle Sendeschlitze aus einem Hohlraumresonator gleichphasig speisen kann. Somit trägt diese Vorrichtung den rauhen Einsatzbedingungen der Industrie Rech nung.

Die Empfangsantennen, die axial versetzt in einem Abstand montiert sind, der kleiner ist als eine charakteristische Korrelationslänge des strömenden Fördergutes, erlauben durch eine Kreuzkorrela tion der eingestreuten bzw. reflektierten Meßsignale eine Ermittelung der Laufzeit von Antenne zu Antenne. Falls die Strömung nicht hinreichend turbulent ist, kann durch Injektion eines Trägergases oder einer Flüssigkeit, die ein anderes Transmissionsverhaften als eines der beiden Medien hat, eine kurzzeitige lokale Turbulenz erzeugt werden, die zum Zwecke der Geschwindigkeitsmessung dient.

Durch diese Messung ist der Massedurchsatz durch das Rohr zu bestimmen.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird es zum erstenmal möglich, die Beladungsschwankung von Kohlestaub bei der Beschickung von Großfeuerungsanlagen über den gesamten Querschnitt des Rohres quantitativ zu erfassen. Die starke Vergleichmäßigung des Kohlestaubes in der vorgeschalte ten Kugelmühle hinsichtlich seiner Zusammensetzung ermöglicht somit eine hinreichend genaue Messung der Staubbeladung. Da die Meßwerte in Echtzeit vorliegen, eignet sich die erfindungsge mäße Vorrichtung zur Regelung verbrennungsspezifischer Parameter.

3.3 Beschreibung der Wirkungsweise

Die Fig. 1 zeigt den Schuß, einen Hohlraumresonator, einen Hohlleiter als Zuleitung zum Resona tor, Tunerstifte, Zirkulator und Sender.

Fig. 2 zeigt die Schlitzantennen mit Hohlraumresonatoren zur Welleneinspeisung und -rückführung der reflektierten Leistung.

Fig. 3 zeigt die verschiedenen H- und E-Komponenten einer TE-Welle vom Typ 10 in einem Hohl leiter.

Fig. 4 zeigt die Anordnung der Fenster. Ein Dielektrikum soll nach Patentanspruch 6 den Austritt des Mediums aus der Rohrleitung im Falle des Bruches eines Fensters verhindern.

Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit zwei axial versetzten Empfangsantennen und der anschlie ßenden Signalverarbeitung.

Bezugnehmend auf Fig. 1 und 2 sei die Wirkungsweise der Vorrichtung erläutert. Ein Mikrowellen generator (1) speist Mikrowellenleistung in den Hohlleiter (31) ein. Hierbei bildet sich eine stehende Welle (vorzugsweise TE10) aus. Über einen kapazitiven/induktiven Koppler (3) wird die Mikrowel lenleistung in den ringförmigen Hohlraumresonator (8) eingekoppelt.

Die Vorrichtung besteht aus einem Rohrabschnitt, der ein bestimmtes Muster von Schlitzen (11) in seiner Mantelfläche (10) aufweist. Dieses Muster wird azimutal durch den Abstand der Maxima (24) der azimutalen H Komponente (13) der TE Welle eines am Schlitz (11) in azimutaler Richtung vorbeiführenden Hohlleiters (8) und axial durch eine charakteristische Kohärenzlänge (23) der turbu lenten Strömung und einem für eine hohe Meßempfindlichkeit optimalen Abstand zwischen Sender und Empfänger (12) bestimmt. Das Muster hängt bei Verwendung eines ringförmigen Hohlraumre sonators nach Patentanspruch 2 von der eingestrahlten Frequenz, nach Patentanspruch 9 von dem Absorptionsverhalten des Gutes und bei Verwendung mehrerer axial versetzter Schlitzmuster nach Patentanspruch 14 von den Strömungsverhältnissen im Rohrstück ab. Bei Verwendung der gängigen Mikrowellenfrequenz von 2,45 GHz können bei großkalibrigen Förderleitungen (200 mm und größer) mindestens 5 gegenüberliegende Schlitzpaare auf dem vollen Umfang eingebracht werden. Je größer die Anzahl der Schlitze ist, desto größer ist die Mittelung über axial unsymmetrisch auftretende Inhomogenitäten. Wenn aufgrund eines zu geringen Rohrdurchmessers die Anzahl der Schlitze nicht groß genug und somit die Mittelung nicht hinreichend ist, können nach Patentanspruch 1 und 7 auf dem Zylindermantel weitere Schlitzmuster eingebracht werden, die axial und azimutal gegeneinander versetzt sind. Dieser Satz Muster muß axial im geeigneten Abstand wiederkehren, um die o.g . . Korrelationsmessung durchführen zu können.

Die genaue Lage der Schlitze axial und helikal sowie das Aspektverhältnis der Schlitze werden durch die jeweils gegebene Meßaufgabe nach Anspruch 1 und 10 bestimmt (zu messendes Material, Strö mungsverhältnisse, Dämpfungs- und Reflexionsverhältnisse in der Rohrleitung, erforderliche Richt charakteristik der Antennenschlitze). Hierbei können die Empfangsschlitze eine andere Ausrichtung als die Sendeschlitze haben.

Die Einspeisung der Mikrowellenleistung in das Rohrinnere durch die Schlitze kann auf verschiedene Arten erfolgen. Dies kann z. B. mit Hilfe von zu den jeweiligen Schlitzen führenden Hohlleitern sein. Eine besonders zweckmäßige Ausführung ist ein Metallring (8) mit U-förmigem Querschnitt, der eine Schlitzreilie (11) überdeckend auf dem Schuß aufgebracht ist, so daß er mit der Wand des Rohr schusses (10) leitend verbunden ist und einen Hohlleiter bildet. In diesen wird die Mikrowelleiilei stung über ein kapazitives oder induktives Glied (35) eingekoppelt. Stifttuner und Kurzschlußschie ber (6) erlauben die Feinabstimmung des Systems. Die reflektierte Leistung kann über einen Zirkula tor (28) ausgekoppelt werden und als Meßgröße dienen. Eine andere Ausführung erlaubt die Ver wendung von separater Sende- (8) und Empfangsantenne (9). Dieses ist eine besonders zweckmäßige Ausführung, weil in den Empfangskreisen auf einen Zirkulator verzichtet werden kann und durch die Reflexionen der Wellen an den Rohrinnenwänden ein unkorreliertes Signal entsteht, das keine die Messung verfälschenden Interferenzen aufweist. Ferner durchläuft eine häufig reflektierte Welle häufig das geförderte Gut, was bei geringen Massebeladungen die Dämpfung und somit die Emp findlichkeit der Messung erhöht.

Die Antennenschlitze sind durch abriebfeste und paßgenaue, verlustarme, dielektrische Fenster (17) zum Hohlraumresonator hin verschlossen, um einen unerwünschten Eintritt des Fördergutes in den Hohlraumresonator (18) zu verhindern. Ein Auffüllen des Hohlraumresonators mit einem verlustar men Dielektrikum (29) gewährleistet auch bei Bruch eines Fensters die weitere Funktionstüchtigkeit der Anlage.

Bezugszeichenliste

1 Mikrowellengenerator
6 Kurzschlußschieber
8, 9 Hohlraumresonatoren
10 Rohrwandung
11 Schlitzmuster
12 Abstand zwischen Sende- und Empfangsantenne
13 H-Komponente der TE-Welle
14 Stromdichte der Oberflächenströme
15 E-Feld der TE-Welle
17 Fenster aus Dielektrikum
18 Inneres des Hohlleiters
21 Breite des Hohlleiters
23 Abstand zwischen zwei Empfangsantennen
24 Abstand zwischen zwei Schlitzen auf dem Azimut
28 Zirkulator
30 Hohlleiter zur Abführung der gemessenen Leistung
31 Hohlleiter zur Zuführung der Meßleistung
32, 34 Empfangsschlitzantennen
33 Sendeschlitzantenne
35, 36 Koppelstifte
37, 38 Empfangssensoren
39 Sendeeinrichtung
40 Rohrleitung

Claims

1. Vorrichtung zur Bestimmung des Masseflusses von festen und flüssigen Stoffen in Rohrleitungen bei Zweiphasenströmungen mit Hilfe von Mikrowellen bei unterschiedlichem Dämpfungsverhalten der beiden Phasen mit Hilfe eines Rohrstückes (10), in das Rohrstück integrierter Mikrowellensendean tenne (33), in das Rohrstück integrierten Mikrowellenempfangsantennen (32, 34), Hohlraumresona toren (8, 9, 30, 31) Ankoppelung durch Koppelschlitze (11) der Mikrowellensendeantenne (33) an den Hohlraumresonator (8), mit Ankoppelung durch Koppelschlitze (11) der Mikrowellenempfangsan tennen (32, 34) an Hohlraumresonatoren (9), mit Ankoppelungen (35, 36) der Hohlraumresonatoren (8, 9) an die Hohlleiter (30, 31), mit Koppelfenstern (17) in dem Teil der Rohrwandung (10), die ei nen Teil der Hohlraumresonatoren (8, 9) darstellen und/oder mit Hilfe von zwei axial versetzten Sät zen, bestehend aus kombiniertem Mikrowellensender/-empfänger (8, 33, 35, 31, 10, 11), bestehend aus Mikrowellenhohlleitern (31, 8) mit Ankoppelungen (11, 35), Zirkulator (28) dadurch gekennzeich net, daß ein einschweißbares oder anflanschbares Rohrstück axial und azimutal bezüglich der Aspektverhältnisse, der azimutalen Teilung, der axialen Versetzung und der helikalen Neigung so ge schlitzt ist, daß Mikrowellen, die durch einen Teil der Schlitze oder durch alle Schlitze in das Rohrstück eintreten und ihn wieder durch andere oder dieselben Schlitze verlassen, das das Rohrstück passierende Gut unabhängig von seiner lateralen Position erfassen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Ein- und Auskoppelung der Mikrowellenleistung mit Hilfe von metallischen, der verwandten Wellenlänge und den gewünschten Moden in ihren Lineardimensionen angepaßten U-Profilen erfolgt, welche die zu speisenden Schlitze überdeckend mit dem Rohrstück leitend verbunden sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Auskoppelung der Mikro wellenleistung aus den Hohlleitern (30, 31) in die Hohlraumresonatoren (8, 9) kapazitiv erfolgt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Auskoppelung der Mikro wellenleistung aus den Hohlleitern (30, 31) in die Hohlraumresonatoren (8,9) induktiv erfolgt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß jedes azimutale Schlitzmuster von einem einzelnen einschweißbaren oder anflanschbaren Rohrstück getragen wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß der nach Anspruch 2 entstehende Hohlraumresonator mit einem Dielektrikum gefüllt ist, welches das Eindringen des Fördergutes in den Hohlraumresonator verhindert und zur Anpassung der Wellenlänge in den Hohlraumresonatoren (8, 9) an das Rohrkaliber dient.

7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, daß in die Schlitze Dielektrika mit geringem Abtrieb die Rohrwand bündig abschließend angebracht sind.

8. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, daß die in den anregenden Hohllei ter vom ringförmigen Hohlraumresonator zurückgespeiste Leistung (unter Zuhilfenahme eines Zirku lators (28) als Meßgröße herangezogen wird.

9. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, daß das Schlitzmuster auf dem Rohrstück so gestaltet ist, daß die durch die axial und azimutal zu den Sendeschlitzen versetzten Empfangsschlitze empfangene Leistung als Meßgröße herangezogen wird.

10. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, daß die axial versetzten Sendean tennen gegenphasig gespeist werden.

11. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 10 dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Frequenzen zur Ermittelung des Massedurchsatzes herangezogen werden.

12. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 11 dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Sende- und Emp fangsanordnungen zur Ermittelung des Massedurchsatzes eingesetzt werden.

13. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 12 dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Position der Schlitzantennen zur Dichtebestimmung eine Laufzeitmessung von Dichteschwankungen erlaubt.

14. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 13 dadurch gekennzeichnet, daß Laufzeiten durch Bildung der Kreuzkorrelationsfunktion der Meßsignale ermittelt werden.

15. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 14 dadurch gekennzeichnet, daß eine Dichteschwankung durch Injektion des Trägermediums quer zur Strömung stromaufwärts vor den Antennen zur Ver besserung der Laufzeitmessung und zur Leerkalibrierung erfolgt.