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Die
vorliegende Erfindung betrifft in ihrem weitesten Sinne eine Vorrichtung
und ein Verfahren zum Ermitteln von dielektrischen Eigenschaften
eines elektrisch leitenden Fluids. Die Erfindung betrifft insbesondere
die Überwachung
von mehrphasigen Strömen,
wie sie beispielsweise in Ölpipelines
anzutreffen sind.
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Der
Strom von Material von einem Ölbohrloch
enthält
gewöhnlich
nicht nur Rohöl,
sondern auch andere Bestandteile, von denen Gas und Wasser im Allgemeinen
die signifikantesten sind. Weitere Bestandteile wie Sedimente und
Algen liegen gewöhnlich
in relativ geringen Mengen vor. Es ist häufig notwendig, die relativen
Anteile der Hauptbestandteile des Stroms zu überwachen. Ein Grund hierfür ist die
Beurteilung, wann eine bestimmte Quelle zur Neige geht, was an einem
Rückgang
des Ölanteils
erkennbar ist.
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Die
herkömmliche
Technik für
diese Überwachung
beinhaltete das Auftrennen einer Probe des Materials in ihre Bestandteile,
so dass mit einer einfachen einphasigen Überwachungstechnik gearbeitet
werden kann. Verarbeitungssysteme auf der Basis dieser Technik sind
zwar wirksam, aber im Hinblick auf ihre Fähigkeit, schwankende Strömungsraten,
variierenden Wassergehalt und Änderungen
der physikalischen Eigenschaften der Fluidbestandteile zu handhaben,
etwas unflexibel.
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Die
Technik bringt eine unerwünschte
Zeitverzögerung
zwischen der Förderung
des Materials am Bohrlochkopf und der Beurteilung ihrer Bestandteile
mit sich, nicht zuletzt weil diese Beurteilung nach dem Auftrennen
der Materialien an der Bohrausrüstung
selbst erfolgen muss, d.h. eine erhebliche Distanz unterhalb des
Bohrlochkopfs.
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Aus
diesen Gründen
wurden zahlreiche Projekte durchgeführt, um Systeme zu entwickeln,
die eine Echtzeit-Mehrphasenmessung (MPM) durchführen können, d.h. eine Echtzeitmessung
der Bestandteile einer Probe (spezifischer eines Stroms), die zwei
oder mehr Bestandteile enthält.
Ziel solcher Projekte war es, ein System zu entwickeln, das die
Anteile von Öl,
Gas und Wasser in einer Förderpipeline überwachen
kann. Solche Systeme sind heute kommerziell erhältlich, sind aber noch nicht
vollkommen zufriedenstellend.
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Solche
Systeme arbeiten durch Überwachen von
Eigenschaften des Gesamtstroms (ohne ihn in seine Bestandteile aufzutrennen)
und Ableiten die Anteile der Hauptbestandteile des Stroms davon – im praktischen
Fall der Ölförderung
sind die Hauptbestandteile Öl,
Gas und Wasser.
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Damit
solche Ableitungen vorgenommen werden können, wird mehr als eine Eigenschaft
des Stroms überwacht.
Bekannte Systeme messen typischerweise die Dichte des Strömungsmaterials,
seine Auswirkungen auf die Dämpfung
von Gammastrahlen sowie eine weitere Strömungseigenschaft wie z.B. ihre
Kapazität.
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Bei
Tests erweisen sich die meisten existierenden Systeme als in der
Lage, zwei Phasen – Fluid und
Gas – zu
messen, können
aber nicht die gewünschte
Genauigkeit in Bezug auf Strömungen
mit hohem Wasser- oder niedrigem Gasgehalt erzielen, wenn dreiphasige
Strömungen
gemessen werden – Öl, Gas und
Wasser.
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Es
ist eine der Aufgaben der vorliegenden Erfindung, eine bessere Überwachung
von dreiphasigen Strömen
zu ermöglichen.
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Man
ist der Ansicht, dass es zum Verbessern der Genauigkeit von MPM-Geräten wichtig
ist, eine dritte Eigenschaft des Gesamtstroms zu überwachen (abgesehen
von Dichte und Gammastrahlendämpfung),
und dass bisher keine geeignete Technik zum genauen Überwachen
einer geeigneten Eigenschaft vorgeschlagen wurde.
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Der
Grund für
die Notwendigkeit für
eine Messung einer dritten Eigenschaft lässt sich einfach ausdrücken. Es
ist in einem dreiphasigen Strom notwendig, drei unbekannte Größen festzustellen – die Anteile
der drei Bestandteile (z.B. Öl,
Gas und Wasser). Hierfür
werden drei gleichzeitige Gleichungen, zu denen jeweils eine überwachte
Eigenschaft beiträgt,
benötigt.
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Es
gab bisher wenigstens ein Projekt, bei dem versucht wurde, als die
notwendige dritte Eigenschaft den Effekt des Stroms auf die Ausbreitung
von elektromagnetischer Strahlung durch ihn zu überwachen. Bei diesem Projekt
gab es ein wichtiges Problem. Aus einem Ölbohrlochkopf austretende Ströme sind
u.a. aufgrund des darin eingeschlossenen Salzwassers elektrisch
leitend. Die konventionelle technische Lehre, basierend auf der
Anwendung von Maxwell-Gleichungen, besagt, dass sich elektromagnetische
Strahlung von Wellenlängen
durch ein leitendes Medium nicht effizient ausbreiten kann.
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Die
in dem früheren
Objekt benutzte Lösung bestand
darin, elektromagnetische Strahlung hoher Leistung zu benutzen.
Um diese Leistung zu erzeugen, musste ein Magnetron verwendet werden,
das mit einer Leistung in der Größenordnung
von 1 Kilowatt und einer Frequenz von 2,46 GHz arbeitete. Aufgrund
des Einsatzes eines Magnetrons zum Erzeugen dieser Strahlung konnte
die Frequenz nicht justiert werden. Die Strahlung wurde in einen
Resonanzhohlraum geschickt, durch den der Strom passierte. Die Hohlraumwände waren
leitend und wurden dem Strom selbst ausgesetzt. Aufgrund der Resonanzanforderung waren
die Abmessungen des Hohlraums in Abhängigkeit von der verwendeten
(festen) Frequenz weitgehend festgelegt.
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Die
Kopplung der Mikrowellenstrahlung in den Hohlraum erfolgte mit einer
Antenne, die notwendigerweise sehr groß war und die an sich mit dem
Inhalt des Hohlraums, d.h. dem Strom, in Kontakt gebracht wurde.
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Das
Gerät erwies
sich leider aufgrund von Faktoren wie Größe und Kosten des verwendeten Magnetrons
und seiner festen Frequenz als unzulänglich.
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Trotz
dieser Probleme wird erkannt, dass die Messung der Eigenschaften
des Stroms in Bezug auf elektromagnetische Strahlung wünschenswert
ist, da die Eigenschaften der drei Hauptbestandteile des Stroms
in Bezug auf EM-Strahlung stark divergent sind und sich somit leicht
unterscheiden lassen. Dies geht aus der Tatsache hervor, dass die
relative Dielektrizitätskonstante
der drei Bestandteile etwa wie folgt lautet:
- i.
Gas, εr
= 1;
- ii. Rohöl, εr = 2,2 (und
dies erweist sich für
alle Rohöle,
trotz Variationen ihrer Komponentenfraktionen, als weitgehend konstant);
- iii. Wasser, εr
= 81.
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Die
Erfinder haben erkannt und konnten experimentell bestätigen, dass
es im Gegensatz zur bisherigen konventionellen Lehre möglich ist,
Funk- und Mikrowellenstrahlen effizient mit einem leitenden Medium
in einem Resonanzhohlraum zu koppeln, vorausgesetzt, dass die Hohlraumwände und
die zum Aussenden der Strahlung verwendete Antenne von dem Medium
selbst elektrisch isoliert sind.
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Aus
der EP-A-511651 ist bereits ein nichtinvasiver Inline-Fluidmonitor
bekannt, der ein Stück Fluidrohr
aufweist, das so angeordnet ist, dass es und das Fluid zu einem
Teil der dielektrischen Last auf einem erregten elektromagnetischen
Sensorgerät
wird. Das Stück
Fluidrohr wird von einem geschlossenen Resonanzhohlraum umgeben,
und in einem Prozess werden Änderungen
der Resonanzcharakteristiken des Hohlraums mit vorbestimmten Daten
verglichen, um die Eigenschaften des Fluids zu ermitteln. Der Hohlraum
hat die Form eines offenen Kastens mit fünf Wänden aus einem elektrisch leitenden
Metall wie Kupfer oder Messing und einem abnehmbaren Metalldeckel,
der eine sechste Seite bildet, um den geschlossenen Hohlraum zu
erzeugen, durch den das Fluidrohr passiert. In dieser Anordnung
ist der Fluidstrom somit auf das Fluidrohr begrenzt.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum
Ermitteln von dielektrischen Eigenschaften einer elektrisch leitenden
Flüssigkeit bereitgestellt,
wobei die Vorrichtung Folgendes umfasst:
- einen elektromagnetisch
resonanten Hohlraum, der von einer elektrisch leitenden Begrenzungswand
definiert wird;
- eine elektrisch isolierende Schicht, die an denjenigen Teilen
der elektrisch leitenden Begrenzungswand angeordnet ist, die die
Innenwand des Hohlraums definieren;
- einen Einlass, durch den Fluid ins Innere des Hohlraums geleitet
werden kann, wobei die genannte elektrisch isolierende Schicht das
Fluid von der genannten elektrisch leitenden Begrenzungswand isoliert;
- eine Emitterantenne und zugehörige Ansteuerungselektronik
zum Emittieren von elektromagnetischer Strahlung zu dem Hohlraum,
wobei die Emitterantenne elektrisch von Fluidmaterial in dem Hohlraum
isoliert wird; und
- Mittel zum Erkennen von resultierender elektromagnetischer Strahlung
in dem Hohlraum.
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Von
den Erfindern durchgeführte
Experimente haben bestätigt,
dass unter Anwendung einer solchen Anordnung Messungen der dielektrischen
Eigenschaften durchgeführt
werden können,
ohne Notwendigkeit für
die hohe Leistung eines Magnetrons. Die Anordnung kann als Sensor
der Dielektrizitätskonstante
dienen. Es können
dielektrische Eigenschaften bei Funk- und Mikrowellenfrequenzen
gemessen werden. Bei Prototypanordnungen hat sich eine einfache
Schleifenantenne, die von einem elektronischen Oszillator angesteuert
wird, aufgrund der effizienten Ausbreitung von Strahlung durch das
Fluidmaterial, die durch die Anordnung ermöglicht wurde, als ausreichend
erwiesen. Im Vergleich zur früheren
Magnetronvorrichtung ermöglicht
dies eine starke Vereinfachung und hohe Kosteneinsparungen sowie
weitere Vorteile, wie nachfolgend deutlich wird.
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Das
fragliche Fluid kann einige Feststoffe enthalten, wie dies bei einem
Strom von Material in einer Ölförderpipeline
typisch ist.
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Mit
Bezug auf die in den Hohlraum emittierte Strahlungsfrequenz ist
man der Ansicht, dass die vorliegende Erfindung besonders auf Funk-
und Mikrowellenfrequenzen anwendbar ist. Der verwendete Frequenzbereich
wird teilweise durch die Resonanzanforderung und somit die Hohlraumabmessungen
bestimmt. Man hält
es derzeit für
potenziell lohnend, die Reaktion auf Frequenzen in der Größenordnung
von 10 MHz bis 10 GHz zu messen. Bisherige Forschungen haben sich
nützlicherweise
auf den engeren Bereich von etwa 100 MHz bis etwa 5 GHz konzentriert.
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Es
wird besonders bevorzugt, dass die Ansteuerungselektronik so gestaltet
ist, dass sie in einem solchen Frequenzbereich arbeitet, dass eine Reihe
von Frequenzen von elektromagnetischer Strahlung in den Hohlraum
emittiert werden kann. Die Frequenz ist vorzugsweise stufenlos veränderlich.
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Dies
kann praktischerweise bei Vorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung
erzielt werden, da die Strahlung keine hohe Leistung zu haben braucht,
wie sie von dem Magnetron des früheren Systems
erzeugt wird.
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In
die vorliegende Erfindung ausgestaltenden Prototypanordnungen wurde
ein Spektrumanalysegerät
zum Ansteuern einer Schleifenantenne mit einer stufenlos veränderlichen
Frequenz verwendet. Auf diese Weise können die Eigenschaften des
Hohlraums und des darin enthaltenen Materials über einen gewählten Bereich
des elektromagnetischen Spektrums gemessen werden.
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Die
Antenne zum Emittieren von elektromagnetischer Strahlung in das
Fluidmaterial ist vorzugsweise so in dem Resonanzhohlraum angeordnet, dass
sie in das Fluidmaterial vorsteht, wobei die Antenne mit einer isolierenden
Schicht versehen ist, durch die sie von dem Fluidmaterial elektrisch
isoliert ist.
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Eine
solche Anordnung ermöglicht
eine effiziente Kopplung der elektromagnetischen Strahlung in das
Fluidmaterial. Die leitende Begrenzung des Resonanzhohlraums kann
eine leitende Wand umfassen, deren Innenfläche mit einer innen isolierenden
Schicht bedeckt ist, durch die die Wand von dem Fluidmaterial in
dem Hohlraum elektrisch isoliert ist. Die isolierende Schicht kann
ein verlustarmes Diefektrikum sein. Es kann Keramik verwendet werden.
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Es
wird besonders bevorzugt, dass der resonante Hohlraum einen Einlass
und einen Auslass hat, so dass das Fluidmaterial durch den Hohlraum
strömen
kann. Dadurch wird es möglich,
die Eigenschaften des Fluidstroms bei Bedarf kontinuierlich zu überwachen.
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In
einer derzeit bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung
umfassen die Mittel zum Erkennen von elektromagnetischer Strahlung
in dem Hohlraum eine Empfangsantenne, die in dem resonanten Hohlraum
angeordnet und von dem Fluidmaterial im Hohlraum elektrisch isoliert
ist.
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Alternativ
oder zusätzlich
können
die Mittel zum Erkennen von elektromagnetischer Strahlung in dem
Hohlraum Elektronik umfassen, die mit der Emitterantenne verbunden
ist, um das Spannungs-Stehwellenverhältnis zu messen. Der Effekt
ist eine Anzeige der reflektierten Leistung an der Emitterantenne.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Gerät zum Überwachen
der Bestandteile eines Fluidstroms bereitgestellt, wobei das Gerät eine Vorrichtung
gemäß der ersten
Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst. Von besonderer
Bedeutung ist der Fall, bei dem das Gerät zur Überwachung der Bestandteile
eines Materialstroms in einer Ölpipeline
gestaltet ist. Mit einem solchen Gerät kann eine Mehrphasenmessung
durchgeführt
werden.
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In
einer solchen Ausgestaltung kann der resonante Hohlraum von einem
Abschnitt der Pipeline gebildet werden. Die den resonanten Hohlraum
definierende elektrisch leitende Begrenzung umfasst eine leitende
Umfangswand um die Innenseite oder die Außenseite der Pipeline. Die
Begrenzung kann zusätzlich
leitende Endwände
aufweisen, die über die
Pipeline angeordnet sind, um den resonanten Hohlraum funktionell
zu umschließen.
Es wird nicht als wesentlich angesehen, dass diese Endwände kontinuierlich
sind – sie
können
z.B. durch ein offenes Drahtgitter oder durch Maschen gebildet werden,
deren Aufgabe es ist, einen funktionell umschlossenen resonanten
elektrischen Hohlraum zu bilden und gleichzeitig den Fluss von Material
durch die Pipeline zuzulassen. Alternativ kann der Hohlraum offenendig sein.
Es wurde gefunden, dass kreisförmige
Resonanzmoden selbst dann bestehen, wenn der Hohlraum nicht umschlossen
ist.
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Das
Gerät kann
beispielsweise in einer Pipeline nahe an der Förderstelle installiert werden
und zur Echtzeitüberwachung
der Eigenschaften des geförderten
Materials dienen.
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Es
wird besonders bevorzugt, dass das Gerät Messelektronik zum Ermitteln
der Frequenz eines Resonanzpeaks umfasst, der einer gewählten Resonanzmode
in dem Hohlraum entspricht.
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Wie
nachfolgend erläutert
wird, wurde gefunden, dass die Frequenz eines solchen Resonanzpeaks
je nach den Anteilen von verschiedenen Materialien in dem Fluidstrom
verschoben wird und dass die Frequenz Informationen gibt, die bei
der Ermittlung, oder wenigstens der Schätzung, der Anteile von verschiedenen
Materialien in dem Strom verwendet werden können.
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Das
Gerät umfasst
vorzugsweise Mittel zum Messen zusätzlicher Eigenschaften des
Fluidstroms und Rechenmittel, um auf der Basis der gemessenen Eigenschaften
die Anteile bestimmter Bestandteile des Stroms zu ermitteln. Die
gemessenen zusätzlichen
Eigenschaften können
Gammastrahlenabsorption und Dichte umfassen.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung besteht die Funktionsweise des Rechenmittels
darin, für
einen Satz von möglichen
Permutationen von Strömungsbestandteilen
die erwarteten Werte der gemessenen Eigenschaften zu berechnen und
diese mit den tatsächlichen
Messwerten zu vergleichen, um zu ermitteln, welche Permutation am
besten mit den gemessenen Eigenschaften übereinstimmt.
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Das
Rechenmittel kann ein an Versuchsdaten trainiertes neuronales Netzwerk
umfassen, um erwartete Mengen in Bezug auf die dielektrischen Eigenschaften
des Stroms zu ermitteln, die den Permutationen von Strömungsbestandteilen
entsprechen. Die fraglichen Mengen können die Frequenzen der gewählten Resonanzmode
des Hohlraums sein.
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Gemäß einem
dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum
Ermitteln von dielektrischen Eigenschaften eines elektrisch leitenden
Fluids bereitgestellt, umfassend die folgenden Schritte: Einleiten
des Fluidmaterials in oder Leiten des Fluids durch eine Vorrichtung
gemäß dem ersten Aspekt
der Erfindung, Emittieren von elektromagnetischer Strahlung in den
resonanten Hohlraum mittels der Antenne, die von dem Fluid elektrisch
isoliert ist, und Erkennen und Analysieren der resultierenden elektromagnetischen
Strahlung in dem resonanten Hohlraum.
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Das
Verfahren umfasst vorzugsweise das Variieren der Frequenz der emittierten
elektromagnetischen Strahlung und das Erhalten einer Anzeige für die Amplitude
der resultierenden elektromagnetischen Strahlung in dem resonanten
Hohlraum. Die Frequenzvariation kann stufenlos sein. Die Ergebnisse
werden vorzugsweise analysiert, um die Position von wenigstens einem
Resonanzpeak in dem Hohlraum zu ermitteln.
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Die
Erfassung von elektromagnetischer Strahlung in dem resonanten Hohlraum
kann in einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens gemäß der vorliegenden
Erfindung mit Hilfe einer Empfangsantenne erfolgen, die selbst elektrisch
von dem Fluidmaterial isoliert ist. Alternativ oder zusätzlich kann dies
durch eine Analyse des Spannungs-Stehwellenverhältnisses
in der Emitterantenne erfolgen.
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In
einer besonders bevorzugten Version des Verfahrens gemäß der vorliegenden
Erfindung werden die ermittelten dielektrischen Eigenschaften zum Überwachen
der Bestandteile eines durch den resonanten Hohlraum geleiteten
Fluidstroms verwendet.
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Ein
solches Verfahren umfasst vorzugsweise die zusätzliche Überwachung weiterer Eigenschaften des
Fluidstroms. Gammastrahlenabsorption und Dichte sind geeignete Eigenschaften.
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Das
Verfahren umfasst vorzugsweise das Berechnen, für einen Satz von möglichen
Anteilen von Strömungsbestandteilen,
der erwarteten Werte der gemessenen Eigenschaften, und das Vergleichen
derselben mit den Messwerten, um zu ermitteln, welcher am besten
mit den gemessenen Eigenschaften übereinstimmt.
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Spezifische
Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend, jedoch
nur beispielhaft, mit Bezug auf die Begleitzeichnungen beschrieben.
Dabei zeigt:
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1 einen
Längsschnitt
durch eine die vorliegende Erfindung ausgestaltende resonante Prototyp-Hohlraumvorrichtung;
-
2 einen
Graph, der die Amplitude (in Millivolt gemessen) eines Signals zeigt,
das von einer Antenne in dem Hohlraum erfasst wurde, gegenüber der
Frequenz (in Megahertz gemessen) eines an den Hohlraum angelegten
Mikrowellensignals, in dem Fall, in dem der Hohlraum mit Gas gefüllt ist;
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3,
die 2 entspricht, den Fall, bei dem der Hohlraum mit Öl gefüllt ist;
-
4,
die 2 entspricht, den Fall, bei dem der Hohlraum mit
Wasser gefüllt
ist;
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5 einen
Graph mit denselben Achsen wie in 2 (wenn
auch mit anderen Bereichen), an denen Signalamplituden, die mit
Gas, Öl
und Wasser gefüllten
Hohlräumen
entsprechen, nebeneinander liegen;
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6 eine
Tabelle von beobachteten Grundresonanzfrequenzen des Hohlraums,
der einem Bereich von Hohlrauminhalten entspricht;
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7 einen
Graph der Ergebnisse für Öl/Gas-Gemische
gemäß der Tabelle
in 6, der die Resonanzfrequenz in MHz auf der vertikalen
Achse gegenüber,
auf der horizontalen Achse, dem Prozentanteil an Öl (die obere
Zahlenreihe entlang dieser Achse) und dem Prozentanteil von Gas
(die untere Zahlenreihe auf dieser Achse) zeigt;
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8,
die 7 entspricht, mit der Ausnahme, dass die gezeigten
Ergebnisse für
Wasser/Gas-Gemische sind, den Prozentanteil an Wasser ausgedrückt durch
die obere Zahlenreihe auf der horizontalen Achse, und den Prozentanteil
von Gas ausgedrückt
durch die untere Zahlenreihe;
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9,
die 7 entspricht, mit der Ausnahme, dass die gezeigten
Ergebnisse für
Wasser/Öl-Gemische
sind, den Prozentanteil an Wasser, ausgedrückt durch die obere Zahlenreihe
entlang der horizontalen Achse, und den Prozentanteil an Öl ausgedrückt durch
die untere Zahlenreihe;
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10,
die 7 entspricht, mit der Ausnahme, dass die gezeigten
Ergebnisse für
einen Bereich von Zugaben von Gas mit einem gleichen volumetrischen
Gemisch aus Öl
und Wasser sind, den Prozentanteil an Gas ausgedrückt durch
die obere Zahlenreihe entlang der horizontalen Achse, und den Prozentanteil
an Öl/Wasser
ausgedrückt
durch die untere Zahlenreihe;
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11 einen
Graph, der vier Plots für
die erfasste Signalamplitudenvariation mit Frequenz für ein Gemisch
aus Wasser und Luft zeigt, deren relative Volumenanteile insgesamt
fest sind, wobei jeder Plot einer anderen Durchflussrate des Gemischs
durch die Vorrichtung entspricht;
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12 einen
Graph, der zeigt, wie die erfasste Signalamplitude (in Volt auf
der vertikalen Achse) durch eine Beimischung von Sand in dem Hohlraum über einen
Bereich von Frequenzen verändert wird;
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13 Elemente
eines neuronalen Netzes für
die Verwendung in einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung;
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14 die
Eingänge
in das und die Ausgänge
von dem neuronale(n) Netz bei dessen Training;
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15 ein
Blockdiagramm eines Systems unter Verwendung des neuronalen Netzes,
um die Anteile der Bestandteile eines Stroms durch den Mikrowellenhohlraum
abzuleiten;
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16 einen
Längsschnitt
durch eine die vorliegende Erfindung ausgestaltende resonante Hohlraumvorrichtung
für den
Einsatz in einer Ölpipeline;
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17 einen
Graph des Spannungs-Stehwellenverhältnisses (VSWR) gegenüber der
Frequenz (MHz) an der Sendeantenne einer die vorliegende Erfindung
ausgestaltenden Vorrichtung für Hohlräume, die
mit Öl,
Gas und Wasser gefüllt
sind, wobei Werte für Öl durch
ein volles Dreieck, Werte für Wasser
durch ein volles Quadrat und Werte für Gas durch ein leeres Dreieck
angedeutet werden; und
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18 einen
Graph von Frequenz (in MHz auf der horizontalen Achse) gegenüber Phasenverschiebung
(in Grad auf der vertikalen Achse).
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Die
in 1 illustrierte Prototyp-Vorrichtung wurde zum
Nachweisen der Durchführbarkeit
der vorliegenden Erfindung verwendet. Die Vorrichtung umfasst einen
zylindrischen Mikrowellenhohlraum, der von einer Kupferseite und
Endwänden 2, 4 definiert
wird und einen axialen Einlass 6 und Auslass 8 aufweist,
durch die Strömungsmaterial
durch den Hohlraum geleitet werden kann. Der Hohlraum hatte in diesem
Prototypgerät
eine Länge
von 158 mm und einen Durchmesser von 189 mm. Form und Abmessungen
des Hohlraums können
jedoch verändert werden.
In der illustrierten experimentellen Anordnung wird eine Pumpe (nicht
dargestellt) zum Umwälzen
des Testmediums und zum Erzeugen einer Strömung verwendet.
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In
dem Hohlraum befinden sich eine als Mikrowellensender dienende erste
Schleifenantenne 10 und eine als Mikrowellenempfänger dienende zweite
Schleifenantenne 12.
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Ein
wichtiges Merkmal der Vorrichtung ist eine elektrische Isolierschicht 14,
die auf der Innenseite der Hohlraumwände vorgesehen ist, um die Hohlraumwände elektrisch
vom Inneren des Hohlraums zu isolieren. Weitere Isolierschichten 16, 18 sind
an der Sendeantenne 10 und der Empfangsantenne 12 vorgesehen,
die dadurch ebenfalls vom Inneren des Hohlraums elektrisch isoliert
werden.
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Mit
der Prototyp-Vorrichtung durchgeführte Experimente haben bestätigt, dass
aufgrund der elektrischen Isolation von Hohlraum und Antennen vom
Hohlrauminhalt eine effiziente Kopplung von elektromagnetischer
Strahlung in das Medium und zum Erfassen der Strahlung ermöglicht wird,
selbst wenn die Leistung der emittierten Strahlung niedrig ist.
In der Prototyp-Vorrichtung sind beide Antennen mit einem Spektrumanalysegerät verbunden,
das sowohl zum Ansteuern der Sendeantenne 10 in einem Bereich
von Testfrequenzen als auch zum Erkennen und Speichern der entsprechenden
Signalamplituden verwendet werden kann, die durch die Empfangsantenne 12 erfasst
werden. Auf diese Weise kann das volle Mikrowellenspektrum des Hohlraums gemessen
und geplottet werden.
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Die 2, 3 und 4 zeigen
die beobachteten Spektren für
Hohlräume,
die jeweils mit Gas, Öl
und Wasser gefüllt
sind (bei Vorabtests der Vorrichtung festgestellt), und zeigen klare
Peaks, die Oszillationsresonanzmoden der Mikrowellen in dem Hohlraum
zeigen.
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Der
Mikrowellenhohlraum wurde theoretisch mit Lösungen gemäß Maxwell-Gleichungen modelliert, um die Moden
der in dem Hohlraum eingerichteten Resonanzen eindeutig zu identifizieren.
Jede Mode ist entweder TEmnl oder TMmnl, wobei m die Umfangsvariationen im Feldmuster,
n die radialen Variationen des Feldmusters und 1 die Längenvariationen des
Feldmusters repräsentieren.
Einige der identifizierten Moden, die durch Anpassen der Theorie
an die experimentellen Messungen erhalten wurden, sind in 2 markiert.
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Unter
der illustrierten experimentellen Anordnung gibt es eine bevorzugte
Erregung der TE-Moden.
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Wenn
man das Spektrum für
einen ölgefüllten Hohlraum
(3) mit dem eines gasgefüllten Hohlraums (2)
vergleicht, stellt man eine merkliche Verschiebung der Resonanzpeaks
von etwa 400 MHz fest, wobei die Resonanzfrequenzen niedriger sind,
wenn Öl
vorhanden ist. Dies ist auf die höhere Dielektrizitätskonstante
von Öl
(2,2) im Vergleich zu Gas (1,0) zurückzuführen.
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Wenn
der Hohlraum mit Wasser gefüllt
ist, kommt es zu einer extremen Verschiebung von Resonanzfrequenzen
aufgrund der hohen dielektrischen Konstante von Wasser (etwa 80).
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Der
Effekt der Hohlrauminhalte auf die Positionen der Resonanzpeaks
geht am deutlichsten aus 5 hervor, in der die drei Kurven übereinander
gelegt sind, wobei die ganz linke Kurve einem wassergefüllten Hohlraum,
die mittlere Kurve einem ölgefüllten Hohlraum
und die ganz rechte Kurve einem gasgefüllten Hohlraum entsprechen.
Bei jeder Kurve bedeutet die Beschriftung R die Grundresonanzmode des
Hohlraums. Die Frequenzverschiebung ist deutlich sichtbar.
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Die 2 bis 5 befassen
sich mit den einfachen Fällen,
bei denen nur ein Material im Hohlraum vorliegt. Die Erfinder haben
jedoch den komplizierteren Fall eines Mischstroms studiert und besonders
den Effekt eines Bereichs von Mischströmen auf die Frequenz der Grundresonanzmode
(mit der niedrigsten Frequenz) im Hohlraum gemessen.
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6 zeigt
eine Tabelle der experimentell beobachteten Frequenz der Grundmode
gegenüber einem
Bereich von Anteilen von Gas, Wasser und Öl. Die Trends lassen sich leichter
mit Bezug auf die 7 bis 10 erkennen,
die Folgendes zeigen:
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7 – die Variation
der Frequenz der Grundmode für
eine Öl/Gas-Kombination;
-
8 – die Variation
der Frequenz der Grundmode für
eine Wasser/Gas-Kombination;
-
9 – die Variation
der Frequenz der Grundmode für
eine Wasser/Öl-Kombination; und
-
10 – die Variation
der Frequenz der Grundmode für
Gas mit einer Beimischung von Öl und
Wasser im Verhältnis
von 50:50.
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Die
Graphs sind monoton und geben lediglich eine einzige Frequenz für ein bestimmtes
Gemisch unter konsistenten Bedingungen an.
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Das
Strömungsmuster
im Hohlraum ist nicht nur von der Zusammensetzung des Stroms, sondern auch
von anderen Faktoren wie z.B. seiner Geschwindigkeit abhängig. Insbesondere
können
Anzahl und Größe von Gasblasen
beeinflusst werden. Das Muster von Gasblasen in einer Ölpipeline
kann auch beispielsweise durch eine expandierende Gasfraktion am
Bohrlochkopf beeinflusst werden, die dazu neigt, vergrößerte "Gas-Slugs" zu erzeugen.
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Es
wurde erwartet, dass variierende Blasengrößen aufgrund von variierenden
Strömungsraten und
anderen Faktoren eine entsprechende Variation der Form des beobachteten
Mikrowellenspektrums verursachen würden, aber aus von den Erfindern durchgeführten Experimenten
ist hervorgegangen, dass das Spektrum hauptsächlich von der volumetrischen
Zusammensetzung des Stroms und nicht von Größe und Strömungsgeschwindigkeit der Gasblasen
abhängig
ist. Dies ist in Anbetracht des Ziels der Beurteilung der Bestandteile
eines Stroms, dessen Geschwindigkeit und Strömungsmuster variieren können, natürlich vorteilhaft.
Die Strömungshomogenisierung
kann jedoch zum Beseitigen von Effekten in Bezug auf das Strömungsmuster
verwendet werden.
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Die
relevanten Beobachtungen sind in dem Graph in 11 dargestellt,
auf dem vier Spektren zu sehen sind, die vier verschiedenen Strömungsraten eines
Wasser/Gas-Gemischs (deren Volumenanteile auf 80% Wasser und 20%
Luft festgelegt wurden) durch die Prototyp-Vorrichtung entsprechen,
einschließlich
der Basis von Null-Durchfluss – d.h.
ein statisches Gemisch. Selbst wenn der Strom gestoppt wird, so
dass das Gas ein einzelnes Volumen über der Flüssigkeit bildet, wird man finden,
dass das Spektrum weitgehend unverändert bleibt.
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Um
die möglichen
Auswirkungen weiterer Bestandteile in dem Strom (zusätzlich zu Öl, Gas und Wasser)
zu beurteilen, wurden Experimente durchgeführt, in denen ein Anteil Sand
zugegeben wurde. Die Ergebnisse sind in einem Graph in 12 dargestellt,
wobei Kurve A erhalten wurde, als der Hohlraum nur Wasser enthielt,
während
Kurve B mit 95% Wasser und 5% Sand erhalten wurde. Die dielektrische
Konstante von Sand beträgt
etwa 4,5 und daher verursachte der Sand eine merkliche Verschiebung im
ersten Resonanzpeak.
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Temperaturabhängigkeit
der Resonanzpeaks wurde mit einem Hohlraum studiert, der mit Wasser
gefüllt
und mit einer konstanten Geschwindigkeit gepumpt wurde. Mit steigender
Temperatur stellt man fest, dass die Frequenz des ersten Peaks ansteigt.
Der Effekt wird durch eine Abnahme des Wertes der dielektrischen
Konstante e mit steigender Temperatur verursacht. Die Geschwindigkeit
von Mikrowellen in Wasser ist von der Quadratwurzel der relativen
Dielektrizitätskonstante
wie folgt abhängig:
-
-
Die
Frequenz im Hohlraum ist proportional zur Geschwindigkeit der Mikrowelle,
so dass dann, wenn der Hohlraum mit 150 MHz bei 30°C resoniert, derselbe
Hohlraum bei 161 MHz bei 60°C
resoniert.
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Als
Hilfe zur Automation des Sensorsystems wurde die Phasenbeziehung
zwischen den Ein- und Ausgangssignalen für den Hohlraum untersucht.
Das Eingangssignal wurde von einem Signalgenerator (Frequenzbereich
10 kHz – 1
GHz) erzeugt, das Ausgangssignal wurde auf einem Signalanalysegerät (Frequenzbereich
bis zu 10 GHz) aufgezeichnet. Man stellte fest, dass die Phasenverzögerung zwischen
0 und –360° variierte
und periodisch war, wenn höhere
Phasenverzögerungen
bei den höheren
Frequenzen vorlagen.
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Die
in 18 dargestellten Ergebnisse zeigen die periodische
Struktur, die für
Messungen im Hohlraumsystem für
Gemische aus Öl
und Wasser beobachtet wurde. Die Phasenverschiebung ist periodisch
und repräsentiert
die Resonanzstruktur, die in den Amplitudensignalen am Empfänger gefunden wird.
Wenn die Resonanz auf einer linearen Differenzgleichung vierter
Ordnung modelliert wird, dann sollte die Resonanz auftreten, wenn
die Phasenverschiebung –180° zwischen
dem Ein- und dem Ausgangssignal liegt.
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Die
Schlussfolgerung zu diesem Experiment ist, dass mit Hilfe von Phase
die Anwesenheit einer Resonanzfrequenz angezeigt werden kann. Diese Technik
ist nützlich,
um die Position der ersten Resonanzfrequenz des Systems zu erhalten,
und bietet einheitliche Trainingsdaten für das neuronale Netz. Beim
Gebrauch des Sensorsystems kann die Position der Resonanzfrequenz
eines unbekannten Gemischs durch Aufzeichnen der Frequenz erhalten werden,
wenn die Phasenverschiebung –180° von der
ersten Phasenresonanzkurve entfernt liegt.
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Der
Gesamteffekt aller oben beschriebenen Experimente besteht darin
zu bestätigen,
dass das mit Hilfe einer Vorrichtung des in 1 illustrierten allgemeinen
Typs beobachtete Mikrowellenspektrum nützliche Informationen geben
kann, die für
die Ermittlung der Zusammensetzung eines mehrphasigen Stroms relevant
sind.
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Es
ist in einer praktischen Situation natürlich notwendig, von gemessenen
Daten über
den Strom (einschließlich
des Mikrowellenspektrums) die Anteile der Strombestandteile ableiten
zu können.
In dem hierin beschriebenen System wird dies mit Hilfe eines neuronalen
Netzes erzielt.
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Das
neuronale Netz des vorliegenden Systems wurde in der Sprache C++
implementiert. Das derzeit bevorzugte Netz mit einer verborgenen Schicht
ist in 13 illustriert und im Sinne
von Eingang, Anzahl Moden in den verborgenen Schichten und Ausgängen spezifiziert.
Die Gewichtungskoeffizienten Wmn und Knp für jede Mode werden berechnet.
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Es
wurde ein zweischichtiges Backpropagation- (MLP) Netz benutzt. Eine
Logsig-Funktion
wurde für
jede der Schichten benutzt, weil sie die Ausgänge auf nur positive Werte
beschränkt.
Die Zahl der verborgenen Schichten wurde zunächst willkürlich gewählt und dann modifiziert, um
Trainingszeit/-genauigkeit für
das Netz zu verringern. Es wurde auch beschlossen, ein Backpropagation-Netz
mit Momentum- und Adaptiv-Lernen zu verwenden. Diese Funktionen
lassen es zu, dass der quadratische Summenfehler von "Local Minima" abweicht, die in einigen
der Fehleroberflächengraphs
auftreten.
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Ohne
dieses "Momentum" kann das Netz in Local
Minima steckenbleiben und lässt
sich nicht bis auf das tatsächliche
Minimum trainieren.
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Das
neuronale Netz wird auf bekannte Weise mit Bezug auf ein Volumen
von experimentellen Daten trainiert. Die verschiedenen Parameter,
die während
des Trainings in das Netz NN eingegeben werden, sind in 14 ersichtlich
und lauten: Prozentanteil Öl
O, Prozentanteil Wasser W, Prozentanteil Gas G, Temperatur T, Wasserleitfähigkeit σ, Strömungsmuster
FP und Frequenz F. Der Fluiddruck kann darüber hinaus berechnet und in
das Netz eingegeben werden, da das Volumen von Gas – und somit
die Mikrowelleneigenschaften – druckabhängig sind.
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Das
trainierte Netz wird dann innerhalb eines prädiktiven Algorithmus verwendet,
dessen Funktionselemente in 15 illustriert
sind. Aufgrund der hohen Geschwindigkeit des zum Implementieren
des Algorithmus verwendeten Computers ist es möglich, alle erwarteten Kombinationen
von Öl,
Gas und Wasser innerhalb des Stroms abzusuchen. Die Kombinationen
werden, wie auf der linken Seite der Zeichnung zu sehen, in das
neuronale Netz NN eingegeben, das einen entsprechenden Vorhersagewert
f für die
Frequenz der Oszillationsgrundmode des Hohlraums gibt.
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Die
Kombinationen werden auch in Funktionseinheiten A1, A2 eingegeben,
die analytisch die entsprechenden Werte der Strömungsdichte ρ und der
Gammastrahlenabsorption α berechnen.
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Die
resultierenden abgeleiteten Werte für f, α und ρ werden dann zu einem Komparator
C ausgegeben, der auch die Messwerte fm, ρm, αm,
derselben Parameter empfängt.
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Der
Komparator wählt
den passendsten aus den abgeleiteten Werten f, α und ρ für die beobachteten Werte derselben
Parameter aus und ermittelt auf dieser Basis die Anteile von Öl, Gas und
Wasser.
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Die
in 1 illustrierte Anordnung wurde im Labor für Testzwecke
verwendet. 16 illustriert schematisch eine
Anordnung für
den Einbau in eine Ölextraktionspipeline.
Die zylindrische Pipelinewand ist bei 30 zu sehen, die
Strömungsrichtung
ist mit dem Pfeil 32 angedeutet. Der resonante elektromagnetische
Hohlraum wird durch ein leitendes Futterrohr 34 auf der
Innenseite der Pipelinewand definiert, wobei die Enden des Futterrohrs
mit leitenden Gittern 36 vesehen sind, die einen Fluss
von Material zulassen und gleichzeitig das Ausmaß des Hohlraums definieren.
Es werden wieder ein Mikrowellensender 38 und ein Mikrowellenempfänger 40 vorgesehen,
und wie in der Ausgestaltung von 1 werden
die "Wände" des Hohlraums, der
Sender und der Empfänger
elektrisch von Inhalt des Hohlraums isoliert.
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Auf
die Gitter 36 kann möglicherweise
verzichtet werden, so dass das Futterrohr 34 alleine den resonanten
Hohlraum definiert, und in diesem Fall gehen bestimmte Oszillationsmoden
verloren, aber einige bleiben und können wie zuvor gemessen werden.
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Die
in den 1 und 16 illustrierten Ausgestaltungen
der Erfindung verwenden einen Empfänger, der vom Emitter separat
ist, so dass EM-Mikrowellenenergieeingänge in den Hohlraum in Abhängigkeit
von der Frequenz gemessen werden.
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Eine
Alternative besteht darin, die reflektierte Leistung an der Sendeantenne
zu beobachten. Dies geschieht durch Messen des Spannungs-Stehwellenverhältnisses
(VSWR) der Antenne. Dies erfolgt experimentell. 17 zeigt
eine Zusammenfassung der Ergebnisse separat in Öl, Gas und Wasser. Bei den
niedrigeren Frequenzen ist das VSWR für die Anwesenheit von Wasser
empfindlich, bei mittleren Frequenzen für die Anwesenheit von Öl, und nur
bei hohen Frequenzen ist das VSWR für die Anwesenheit von Gas empfindlich.
Man ist der Ansicht, dass das VSWR als grober Indikator für die Gemischzusammensetzung
verwendet werden kann.
