DK174374B1 - Sammensætningsmonitor og fremgangsmåde ved monitorering under anvendelse af impedansmålinger, samt flowmeter - Google Patents

Description

DK 174374 B1 i

Opfindelsen vedrører et system og en fremgangsmåde til bestemmelse af sammensætningen af blandinger af flere bestanddele, hvilke blandinger kan være stationære eller strømme gennem rørledninger, hvor be-5 standdelene har forskellige elektriske impedansmæssige egenskaber og kan forekomme i forskellige tilstande, samt et flowmeter. Opfindelsen vedrører navnlig midler og metoder til bestemmelse af sammensætningen af de enkelte bestanddele i fluida, faststoffer og blandinger 10 heraf, hvilke bestanddele har forskellige elektriske impedansegenskaber. Sådanne fluida, faststoffer og blandinger kan være stationære, bevæge sig batchvis eller strømme kontinuerligt. Nærmere betegnet angår opfindelsen et system og et apparat der kan benyttes til 15 f.eks. kontinuert og/ eller stationær overvågning af sammensætningen af 1) væsker i gasser, 2) faststoffer i væsker og 3) blandinger af faststof, væske og gas.

Generelt tillader de mange mulige udførelsesformer for opfindelsen, hvoraf nogle foretrukne udførel-20 sesformer beskrives nærmere i nærværende ansøgning, økonomisk og praktisk sammensætningsovervågning, der opfylder behov hos mange forskellige industrivirksomheder og laboratorier. Et karakteristisk kræk ved opfindelsen ligger i, at dens udførelsesformer om ønsket kan 25 udformes og konstrueres således, at de udgør en integreret del af de processer, der skal overvåges, uden at indvirke på disse processer. De kan udformes og konstrueres til at tåle selve processen, og procesomgivelserne såvel som andet procesudstyr, som de knytter sig 30 til. De kan udformes og konstrueres således, at de er omkostningseffektive, hvad angår køb, installation, operation, vedligeholdelse, reparation og/eller udskiftning. De kan navnlig udformes og konstrueres til 35 DK 174374 B1 2 at være hurtigere og give mere præcise og bredere måleområder end de eksisterende midler til overvågning af sammensætningen. De kan udformes og konstrueres således, at de muliggør overvågning af sammensætning inden-5 for et bredt område af applikationer, som det i dag ikke er muligt at udføre med nogen monitor.

I mange processer, hvor der anvendes faststoffer, væsker, gasser og blandinger heraf, og hvor bestanddelene og blandingerne kan være stationære, bevæge 10 sig batchvis eller strømme kontinuerligt, er der behov for midler og metoder til nøjagtig og relativt billig overvågning af sammensætningen. Endvidere er det ofte ønskeligt at disse overvågningsmidler er i stand til at fungere in-line med processerne for af hensyn til over-15 vågningen at undgå omveje eller omløb. Det er ofte ønskeligt at anvende en ikke-intrusiv monitor for ikke at indvirke på den proces, der overvåges og/eller forhindre beskadigelse af overvågningsmidlerne i f.eks. processer, der er meget korrosive og/eller slidende.

20 Typisk knytter behov for overvågning af sammen sætning sig til kvaliteten og mængden af produkter, der købes og sælges, produkter der produceres eller produkter der oplagres. Ligeså stort er behovet for overvågning af sammensætningen i forbindelse med proceskon-25 trol, produktionseffektivitet og sikkerhed.

Blandt de processer, hvor der er behov for overvågning af sammensætning kan navnlig nævnes olieproduktion. Når olieproduktionen foregår på land eller offshore eller fra havbunden er der et endnu ikke-opfyldt 30 behov for kontinuert overvågning af de producerede mængder af olie, vand og gas. Der er mange forskellige specifikke årsager til overvågning af disse tre bestanddele, men det fælles mål er at optimere produktionen.

35 DK 174374 B1 3

Idag kan disse tre bestanddele, nemlig olie, vand og gas kun måles hver for sig ved hjælp af separatorer. Til individuel brøndtestning anvendes der smallere separatorer, der har lavere kapacitet end produk-5 tionsseparatorer. De kendes sædvanligvis under betegnelsen testseparator. I et givet felt er der normalt kun en enkelt testseparator til rådighed, hvorfor den kontinuerte overvågning af samtlige brønde på en gang ikke er mulig. I stedet for testes brøndene kun med 10 mellemrum, typisk en eller to gange hver måned, men længere intervaller er ikke usædvanlige. En sådan ikke særlig hyppig og utilfredsstillende brøndtestning skyldes også den iboende langsommelighed i separationsprocessen og den fornødne vedligeholdelsesrutine til fjer-15 nelse af nedfældede stoffer såsom sand. Dertil kommer, at der er indviklede og tidskrævende procedurer for at lede produktionen fra de enkelte brønde til testseparatoren .

Det står derfor klart, at der er et specifikt 20 behov for en billig og praktisk sammensætningsmonitor, der er i stand til kontinuert at måle de producerede mængder af olie, vand og gas fra hver enkelt brønd i et produktionsfelt eller -reservoir for herved at få kendskab til den enkelte brønds produktion og tilstand, ud 25 fra disse individuelle målinger kan der drages slutninger om ændringer i det pågældende reservoir, som kunne påvirke produktionsmængden og den samlede udvinding.

En anden ulempe ved testseparatorerne ligger i, at de på offshore-platformer repræsenterer væsentlige 30 omkostninger, hvad angår strukturen. Typisk vejer sådanne testseparatorer 15 til 20 ton, de optager stort rumfang og kræver arbejdskraft til operation og vedligeholdelse. vægten, rumfanget og mandskabet repræsente- 35 DK 174374 B1 4 rer en meget stor omkostningspost på platforme, hvor meromkostningerne pr. metrisk ton andrager et sted mellem 200.000 og 600.000 $. Der er derfor på platforme et specifikt behov for at erstatte testseparatorerne med 5 sammensætningsmonitorer, der ikke vejer meget, og som ikke kræver besætning for at fungere. En yderligere tilskyndelse til på offshore-platforme at erstatte testseparatorerne skal ses i det forhold, at deres funktion generes af platformbevægelser (bølger), hvil-10 ket nedsætter operationssikkerheden.

I forbindelse med boring er der også behov for en sammensætningsmonitor, der er i stand til kontinuert at foretage måling af olie, vand, gas og indholdet af faststoffer i det tilbagevendende boremudder. Bland år-15 sagerne til denne monitorering er den vigtigste den, at man skal vide om reservoiret tilføjer fluida til det returnerende mudder og i påkommende tilfælde i hvilken mængde. En sådan reservoirproduktion kan forvarsle udblæsning, som kan forhindres, hvis man advares tidligt 20 nok.

De eksisterende midler til detektering af en sådan indstrømning fra reservoiret er primitive og langt fra adækvate. De består f.eks. i væskeniveaudetektorer med store beholdere, der er ufølsomme overfor små æn-25 dringer i væskemænden.

En meget kostbar offshore-opgave til overvågning af sammensætning forekommer, når man skal teste produktionen fra undersøiske brøndhoveder, især når produktionen fra flere brøndhoveder samles i en enkelt rør-30 ledning til en modtagestation. For at undgå at skulle lukke samtlige brønde undtagen den brønd, der nu testes, må der anvendes en yderligere testlinie til modtagestationen, i hvilken testlinie produktionen fra den 35 DK 174374 B1 5 pågældende brønd overføres til testning hos modtagestationen. At installere en ekstra linie er i sig selv kostbar, men føring af produktionen fra de enkelte brønde kræver yderligere udstyr, konstruktion og styre-5 organer, der navnlig under vandet gør den samlede produktion mere indviklet og mindre pålidelig. Det står derfor klart at der er et stort økonomisk og praktisk behov for midler til overvågning af sammensætning, hvilke midler kan udgøre en integreret del af hver en-10 kelt undersøisk brøndhoved, således at det kun er overvågningsresultaterne man behøver at overføre til modtagestationen via kabler eller akustisk.

Det der muligvis skal ses som det største behov for midler til overvågning af sammensætning er det til-15 fælde, hvor disse midler skal opstilles i et borehul ved zonen eller zonerne for reservoirproduktion. Nu til dags findes der intet udstyr af denne art.

Et yderligere behov for in-line, kontinuert sammensætningsovervågning indenfor olieindustrien er at 20 måle små mængder af vand i olie i forbindelse med levering af olie, ved steder langs rørledningen, ved modtagestationer og under den yderligere behandling/proces og raffinering af olieprodukter. På nuværende tidspunkt foretages fiskale målinger ved hyppig udtagning af små 25 produktprøver på basis af hvilke der, sædvanligvis ved titrering, foretages bestemmelse af vandindholdet, hvorpå resultaterne registreres for statistisk at få en angivelse om det samlede vandindhold. Som det kan forventes fører manglende kendskab til vandindholdet mel-30 lem prøveresultater til strid mellem sælgeren og køberen, hvad angår måleproceduren og resultaterne.

Indenfor olieindustrien foretages der ofte indsprøjtning af damp i reservoiret med henblik på at 35 DK 174374 B1 6 fremme og/eller muliggøre produktionen af tung olie, dvs. olietyper, der har høj viskositet og som ikke frit kan strømme og pumpes. For at kunne udvinde sådanne olietyper foretages der indsprøjtning af damp med høj 5 energi, hvilken damp trænger ind i reservoiret, hvori den varmeenergi, der afgives når gassen kondenserer, opvarmer olien for herved i passende omfang at nedsætte oliens viskositet, således at der kan produceres. Under og efter dampindsprøjtning lukkes samtlige reservoirets 10 produktionsbrønde. Efter en tid, hvor man forventer at hele mængden af vanddamp har kondenseret i reservoiret påbegyndes produktionen igen, og den fortsætter indtil der igen er behov for dampindsprøjtning. Denne metode betegnes sædvanligvis "huff and puff"-metode, men der 15 findes også felter, der drives med damp og hvor dampindsprøjtningen og produktionen foregår kontinuert, ud fra det foregående står det klart, at det økonomisk set er ønskeligt at overvåge kvaliteten af den indsprøjtede damp. Jo højere gasindhold, jo bedre kvalitet. Ligeså 20 klart står den økonomiske betydning af at vide, om de producerede fluida indeholder, eller ej, ukondenseret damp, som ville svare til en energi, som ikke er blevet udnyttet.

Derfor har olieindustrien og i det væsentlige 25 alle producenter og brugere af damp, behov for midler til kontinuert overvågning af dampkvalitet. Et andet eksempel på sådanne producenter og brugere er kernekraftværker .

Bortset fra olieproduktionen er der mange indu-30 strier og virksomheder, hvis produkter og processer kræver nøje samrnensætningsovervågning, men hvor passende midler til kontinuert og/eller batchvis overvågning, mangler.

35 DK 174374 B1 7

Indenfor den industrigren, hvor der produceres papir og papirmasse, er der behov for kontinuert overvågning af vandindholdet i væsker som pumpes i forbrændingsovne. Hvis der er for meget vand i væsken er der 5 risiko for at ovnen eksploderer. Da der ikke findes passende midler til nøjagtig, ikke-inversiv overvågning, budgetterer visse virksomheder jævnligt for ovneksplosion. Midler til nøjagtig overvågning kunne bruges til at give varsel om for højt vandindhold i den 10 pågældende væske.

Indenfor levnedsmiddelindustrien er der også et behov for monitoreringsmidler, der hurtigt kunne bestemme sammensætningen af behandlede og/eller rå fødevarer. Det er specielt vandindholdet, der har interes-15 se. Et typisk eksempel er mælkeindustrien. Indholdet af fedt og vand i mælk og mælkeprodukter skal opfylde visse specifikationer for at produkterne kan sælges, men man har dog ikke opfundet passende monitoreringsmidler til kontinuert måling af fedt- og vandindhold. Derfor 20 må producenterne tilsætte et overskud af mælkefedt i deres produkter for herved at sikre sig at de opfylder specifikationerne. Hvis man rådede over præcise og enkle midler til kontinuert overvågning af fedt- og vandindholdet, kunne dette overskud af mælkefedt bruges til 25 produktion af smør eller is.

Systemer til transport og distribution af brændsel har behov for midler til nøjagtig og kontinuert overvågning af vandindholdet i det pågældende brændsel. Eksempelvis er der behov for at måle vandindholdet un-30 der påfyldning af et jetfly med brændstof. Der tilsættes brændstof til et jetfly lidt vand for at forbedre forbrændingen, men et for højt vandindhold kan give alvorlige problemer under driften, herunder motorfejl.

35 8 DK 174374 B1

Indenfor den kemiske og petrokemiske industri er der mange situationer, hvor der er behov for overvågning af sammensætning og hvor de pågældende væsker ikke nødvendigvis er vand. Eksempelvis kan det dreje sig om 5 kunstharpiks, polymer, alkohol, syre og organiske solventer. I hvert enkelt tilfælde er der behov for enkle, robuste, kemisk inerte og billige midler til kontinuert overvågning, hvormed man kontinuert kan måle sammensætningen hos blandinger af sådanne kemikalier, efterhån-10 den som de behandles og renses.

For mange af de nævnte eksempler på sammensætningsmonitorering eksisterer der nu ingen teknologi til udførelse af opgaverne ved procesovervågning. Et formål med opfindelsen er at skabe et monitoreringsmiddel og 15 -apparat, der opfylder de centrale krav til sammensætningsmonitorering, som er fælles for disse og mange andre applikationer af lignende art. De fælles krav er at et monitoreringsmiddel skal være: l) in-line, 20 2) kontinuert måling (dvs. kort målcyklustid), 3) evne til at tåle . vanskelige procesomgivelser, . høj indre temperatur- og trykværdier, . korrosive procesbestanddele, 25 · abrasive bestanddele, . viskose væsker, 4) ikke-invasiv, 5) nøjagtig, 6) uafhængighed overfor den geometriske udform- 30 ning udenfor testafsnittet, 7) pålidelighed, 8) forholdsvis billig, 9) tilstrækkelig robust til at kunne tåle indu-35 DK 174374 B1 9 strielle omgivelser.

Ideen om at bruge en processtrøm-rørledning som bølgeleder for at foretage radiofrekvente, dielektriske målinger på denne strøm er ikke ny. Andre apparater der 5 er beskrevet i patentlitteraturen, som beskriver radiofrekvente bølgeleder-permittivitetsmålinger i rørledninger adskiller sig meget fra hinanden i deres funktion. De fleste er amplitudemålesystemer, hvori nøjagtigheder på blot 1 promille kan være vanskelige at op-10 retholde i tidens løb. Som eksempler på sådanne systemer kan nævnes us-patentskrifterne nr. 4.651.085, 3.498.112, 3.883.798, og 4.301.400. Hos nogle af disse patentskrifter måles fasen, jfr. f.eks. US patentskrift nr. 4.423.623. Også her vil en nøjagtighed på mere end 15 1 promille være vanskelig at opnå. Sidstnævnte US-pa-tent nr. 4.423.623 går ud på at måle afskæringsfrekvensen i en bølgeleder, hvilket i grunden er en amplitudemåling som funktion af frekvensen. At bestemme afskæringsfrekvensen er dog noget ret arbitrært, der ikke 20 kan måles direkte. Reelt set anvender det i US-patent-skrift nr. 4.423.623 beskrevne apparat amplitudemålinger eller fasemålinger, og det er derfor heller ikke i stand til at give den nøjagtighed, som man får med en sand frekvensdiskriminatorkobling. Apparatet ifølge US-25 patentskrift nr. 3.883.798 måler frekvensen, men er ikke velegnet til måling af sammensætningen af materialer over et bredt område med store variationer i permitti-vitet. I dette apparat isoleres testafsnittet ved, at der i hver ende af dette testafsnit skabes en anden 30 feltorientation. Medens en sådan forskel i feltretning nemt kan fremkaldes i en rektangulær bølgeleder, kan den ikke skabes i en cirkulær bølgeleder. For i apparatet ifølge US-patentskrift nr. 3.883.798 at skabe en 35 DK 174374 B1 10 central, kontinuert tilførselsvej er der i afslutningsleddene i begge ender af testafsnittet anbragt plader af et materiale, som har en permittivitet af samme størrelsesorden som det materiale, man måler med appa-.5 ratet. Apparatets følsomhed er lavere, desto større er variationen mellem pladens permittivitet og permittivi-teten af det materiale, der måles.

En art andre fluidmonitorsystemer kendes fra US-patentskrift nr. 4.458.524, der beskriver en analyzer 10 af produktionsstrøm af rå olie, hvori der anvendes målinger af dielektrisk konstant, densitet og temperatur for at bestemme sammensætningen af produceret rå olie.

Dette apparat baserer sig også på faseforskydninger for at bestemme den dielektriske konstant. Andre sammensæt-15 ningsmonitorer kendes fra følgende US-patentskrifter 3.688.188, 3.816.811, 3.826.978, 3.889.182, 3.897.798, 4.104.585, 4.124.475, 4.266.188, 4.288.741, 4.327-323, 4.340.938, 4.345.204, 4.370.611, 4.387.165, 4.429.273, 4.441.362, 4.543.191, 4.555.661, og 4.559.493. Ingen af 20 disse systemer er dog i stand til at overvåge et fluidum, der består af flere bestanddele og som strømmer igennem en rørledning, uden at indvirke på fluidstrømmen eller uden at systemkomponenterne udsættes for beskadigelser fra fluidet.

25 Til overvågning af sammensætningen af væske strømme har man tidligere anvendt kapacitansmetre og konduktivitetsmetre. Eksempler på kapacitansmetre findes beskrevet i US patentskrift nr. 4.226.425, og i EP 0 268 399 Bl. De i nærværende beskrivelse omtalte meto-30 der med radiofrekvent impedansovervågning har flere fundamentale fordele overfor de ovenfor nævnte lavfrekvensmetoder. Lavfrekvensapparaterne er mere strømfølsomme og mere følsomme overfor saltindholdet i vandet.

35 DK 174374 B1 11

Kapacitansmetrene fungerer ikke præcist, når vandet er den kontinuerte fase i en blanding med mindre vandkonduktiviteten er lav. Det er også meget vanskeligt at udforme en enkelt måleenhed, der er i stand til at måle 5 permittiviteten og konduktiviteten hos processtrømme, som har impedansegenskaber som hos blandinger af olie og vand. Grunden dertil er at de relative impedansværdier for rene olieblandinger og rene vandblandinger er flere størrelsesordener forskellige fra hinanden. Ende-10 lig er potentialnøjagtigheden hos kapacitansmeteret i det lange løb ikke bedre end 1 promille, fordi der måles meget små kapacitansværdier - fuldt udslag er bare på nogle få halvsnese pF. Det er vanskeligt at opnå stabilitet på grund af drift i signalliniekapacitans, 15 temperaturdrift, signaldrift, osv. Mekanisk set bruger mange kapacitansmetre koaksiale elektroder, hvoraf den ene er centreret i rørledningen. I en sådan konfiguration er det umuligt med gængs teknik at rense rørledningen. Desuden er der risiko for at elektroderne i 20 mange processtrømme udsættes for korrosion og slid.

Til bestemmelse af strømningsmængde ud fra målinger taget på forskellige punkter af en beholder igennem hvilken et fluidum strømmer, er det desuden kendt at anvende krydskorrelationsmetoder. Sådanne 25 strømningsmængdemålere kendes fra eksempelvis US-pa-tentskrifterne 3.762.221, 3.967.500, 4.248.085, 4.257.275, 4.380.824, 4.402.230, 4.417.584, samt fra ovennævnte US-patentskrift nr. 4.423.623 og US-patent-skrifter 4.693.319 og 4.708.021. Alle disse apparater 30 giver dog målinger, som er krydskorreleret på en anden måde end i nærværende opfindelse. US-patentskrift nr. 4.548.506 foretager krydskorrelation af signaler på basis af de dielektriske egenskaber af et materiale, men ikke med henblik på bestemmelse af strømningsmængde.

35 DK 174374 B1 12

Ud fra disse betragtninger har opfindelsen til formål at give anvisning på en monitor og en fremgangsmåde til monitorering af et fluidum, der består af flere bestanddele, hvormed sammensætningen af det i en 5 rørledning strømmende multikomponentfluidum kan overvåges uden væsentlig indvirkning på fluidstrømmen.

Et andet formål med opfindelsen er at give anvisning på en monitor og en fremgangsmåde, hvori monitorens aktive elektriske komponenter ikke behøver at 10 være i fysisk kontakt med fluidet.

Et yderligere formål med opfindelsen er at give anvisning på en monitor og en fremgangsmåde, hvormed der opnås mulighed for at overvåge sammensætningen af et multikomponentfluidum der har et bredere område af 15 dielektriske egenskaber end muligt med de hidtil kendte monitorer og metoder.

Et yderligere formål med opfindelsen er at give anvisning på en monitor og en fremgangsmåde, hvormed der er opnået mulighed for overvågning af sammensætnin-20 gen af et multikomponentfluidum, der har en højere konduktivitet end muligt med hidtil kendte monitorer og metoder.

Et yderligere formål med opfindelsen er at give anvisning på en monitor og en fremgangsmåde, hvormed 25 der er opnået mulighed for at overvåge en fluidsammensætning, hvor en af bestanddelene i blandingen er saltvand .

Et yderligere formål med opfindelsen er at give anvisning på en monitor og en fremgangsmåde, hvori der 30 tilvejebringes et mønster af stående elektromagnetiske bølger, hvorved opnås en forenkling af transduktionsme-kanismen og øget nøjagtighed.

Et yderligere formål med opfindelsen er at give anvisning på en monitor og en fremgangsmåde, hvormed 35 DK 174374 B1 13 der er opnået mulighed for at afgøre om det fluidum, der overvåges forekommer i en jævn blanding.

Et yderligere formål med opfindelsen er at give anvisning på en monitor og en fremgangsmåde, hvor der .5 er opnået mulighed for at bestemme sammensætningen af en strøm, bestående af tre bestanddele, på basis af målinger af dielektrisk konstant og/eller konduktivitet og densitet.

Et yderligere formål med opfindelsen er at give 10 anvisning på en meget præcis, frekvensdiskriminerende monitor for strømmende fluidum, der består af to bestanddele .

Et yderligere formål med opfindelsen er at give anvisning på et system, der inkorporerer en sådan moni-15 tor og en sådan fremgangsmåde, hvorved der er opnået mulighed for at måle strømningsmængden af et fluidum, hvis beskaffenhed overvåges ved hjælp af monitoren og fremgangsmåden.

Opfindelsen beskriver en fremgangsmåde og et mo-20 nitoreringsapparat, som er i stand til at opfylde behov af nævnte art, hvad angår overvågning af sammensætning. Desuden kan apparatet anvendes til overvågning af blandinger, hvor der kan forekomme flere forskellige strømningstilstande, fordi de enkelte bestanddele ikke kan 25 blandes sammen. Endelig er apparatet udformet således, at det er enkelt at fremstille, og er forholdsvis billigt for brugeren.

Apparatet fungerer ved at måle radiofrekvensper-mittiviteten og/eller -konduktiviteten i den pågældende 30 processtrøm. Når flere end to bestanddele er tilstede, kombineres en densitetsmåling med den radiofrekvente impedansmåling. For de fleste applikationer ligger ap-paratets arbejdsfrekvens på mellem 50 MHz og 3 GHz. Om 35 DK 174374 B1 14 nødvendigt bruger apparatet også temperatur- og trykdata til korrigering af kalibreringsdataene fra den målte bestanddels impedans.

Opfindelsen bruger radiofrekvente brokoblingsmå-5 linger til at skabe parametrene for de komplekse dielektriske egenskaber hos materialer i en elektrisk isoleret, fysisk åben struktur. De primære radiofrekvensparametre, der bruges til at karakterisere det undersøgte materiale, er frekvensen og dæmpningen. Appa-10 ratet fungerer ved at bruge det metalrør, hvori processtrømmen cirkulerer, som elektromagnetisk bølgeleder.

Der indkobles elektromagnetiske bølger på den passende frekvens genne åbninger i rørledningen. Denne energi måles i en vis afstand ned af rørledningen gennem en 15 anden åbning. Fra denne måling udledes blandingens impedansegenskaber. Blandingens temperatur- og trykdata fra monitorer bruges til korrigering af varierende impedansegenskaber for den pågældende bestanddel eller komponent. Blandingens impedansdata bruges så til be-20 stemmelse af sammensætningen af det strømmende medium enten under anvendelse af kalibreringskurver eller ved hjælp af en model, der angiver den teoretiske sammensætning i relation til den dielektriske værdi. Fordelene ved således at anvende en bølgeleder med indkobling 25 gennem åbninger ligger i, at fabrikationen af apparatet gøres forholdsvis enkel, og at der kan anvendes en ikke-inversiv, in-line procesmonitor. Der er ingen antenne eller elektroder, der trænger ind i det strømmende fluidum i rørledningen.

30 En yderligere egenskab ved fremgangsmåden og ap paratet ifølge opfindelsen er at de kan anvendes til bestemmelse af hvornår processtrømmen er jænvt sammenblandet. Denne egenskab har betydning fordi mange af 35 DK 174374 B1 15 de applikationer, hvor apparatet ville være af største anvendelighed, vedrører måling af ikke-sammenblandelige bestanddele eller komponenter i det strømmende medium. Relationen mellem de målte impedansegenskaber og sam-5 mensætningen af blandingen afhænger af, om fluidet befinder sig i en kendt strømningstilstand.

Et nyt træk ved de her beskrevne foranstaltninger skal ses i de midler, hvormed målingen foretages. Apparatet er således konstrueret, at der i et måleområ-10 de af kendt længde bringes elektromagnetiske bølger, der i rørledningen vandrer i hver sin retning, til at interfere med hinanden. Ved visse karakteristiske ar-bejdsfrekvenser opstår der et interferensmønster. Det er en enkel sag at sætte relation mellem disse karakte-15 ristiske frekvenser og permittiviteten i processtrømmen i rørledningen. Under driften fungerer apparatet ifølge opfindelsen således ved skandering af arbejdsfrekvensen ved indgangsåbningen eller -åbningerne og måling af in-sertionsdæmpning via modtageåbninger beliggende et an-20 det sted i testafsnittet. Når denne dæmpning når et maksimum eller et minimum, registreres arbejdsfrekvensen og fluidpermittiviteten udledes derfra. Apparatet kan konstrueres på flere forskellige måder. Flere metoder vil blive beskrevet i denne beskrivelse. Det er dog 25 generelt teknikken, som er genstanden for denne opfindelse .

I et veludformet apparat der anvender begrebet med interferenssektion, er de karakteristiske frekvenser meget skarpt defineret. Der er derfor mulighed for 20 at opnå en meget stor præcision under bestemmelse af de karakteristiske frekvenser. Det er muligt at identificere disse frekvenser bedre end l part pr. 105 (10 kHz i 1 GHz). Instrumenter til frembringelse og måling af 35 DK 174374 B1 16 frekvenser med denne præcision er nemt tilgængelige.

Det er på grund af disse fundamentale karakteristika at fremgangsmåden og apparatet ifølge opfindelsen kan finde anvendelse til kvalitetsovervågning og fiskalover-5 vågning i rørledninger for kvalitetsolie. Disse applikationer kræver en nøjagtighed i permittiviteten på ca.

0,1 promille eller bedre.

De ovenfor nævnte formål og relaterede formål kan opnås gennem brugen af den her beskrevne, nye mul-10 tikomponent-monitor og -proces. I henhold til et aspekt af opfindelsen indbefatter en fluidmonitor i henhold til opfindelsen et middel til dannelse af en elektromagnetisk interferens i en testsektion, der er indbygget i et afsnit af rørledning eller anden fluidindehol-15 dende struktur, hvori målingerne foretages. På karakteristiske frekvenser dannes der et interferensmønster.

Den karakteristiske frekvens kan på enkelt måde relateres til permittiviteten i processtrømmen. En sådan målemetode forenkler væsentligt transduktionsmidlerne og 20 forbedrer nøjagtigheden. I et andet aspekt af opfindelsen anvendes der i målesektionen flere par af transmissions- og modtagelsesåbninger til bestemmelse af, om fluidet i rørledningen er jævnt sammenblandet. En jævn blanding er essentiel for en nøjagtig overvågning af 25 fluidsammensætning. I et tredie aspekt af opfindelsen bestemmes sammensætningen af en fluidstrøm bestående af mindst tre komponenter ved hjælp af monitoren og fremgangsmåden på basis af målinger af dielektrisk konstant eller konduktivitet og densitet.

30 En monitortransducer til multikomponentsammen- sætning i overensstemmelse med opfindelsen har en elektrisk ledende væg, der omgiver det pågældende medium. Beholderen har en eller flere åbninger til afgivelse af 35 DK 174374 B1 17 elektromagnetisk bølge og en åbning til modtagelse af elektromagnetisk bølge. Sendeåbningerne placeres således at der skabes elektromagnetiske bølger i beholderen og modtageåbningen placeres således, at den modtager 5 elektromagnetiske bølger fra beholderen. Et middel til induktion af et elektromagnetisk interferensmønster i en testsektion indbefattende sendeåbningen eller -åbningerne og modtageåbningen placeres mellem to parallelle planer, der strækker sig på tværs af testsektio-10 nen. I et andet aspekt af opfindelsen indbefatter fluidsammensætningsmonitoren et middel til elektrisk isolering af testsektionen.

Opfindelsen forklares nærmere i det følgende under henvisning til den skematiske tegning, hvor 15 fig. i viser et diagram over en sammensætnings monitor i henhold til opfindelsen, fig. 2 et diagram over en kobling brugt til at øge følsomheden hos den i fig. 1 viste sammensætnings-monitor, 20 fig. 3 et diagram over en anden kobling til for øgelse af følsomheden hos den i fig. 1 viste sammensætningsmonitor, fig. 4 et diagram over en anden udførelsesform for sammensætningsmonitor i henhold til opfindelsen, 25 fig. 5 et diagram over en tredie udførelsesform for en sammensætningsmonitor i henhold til opfindelsen, fig.fig. 6a et tværsnitbillede af en fjerde udførelsesform for sammensætningsmonitoren i henhold til opfindelsen, 30 fig. 6b et tværsnitsbillede af en del af den i fig. 6a viste sammensætningsmonitor, fig. 7-11 skematiske tværsnitsbilleder af sammensætningsmonitorer i henhold til opfindelsen, til illustrering af deres forskellige anvendelser, 35 DK 174374 B1 18 fig. 12 et perspektivisk billede af en første udførelsesform for en monitor i henhold til opfindelsen, fig. 13 et snitbillede taget langs snitlinien 5 13-13 i fig. 12, fig. 14 en graf over forsøgsresultater opnået med en monitor i henhold til opfindelsen, fig. 15 et blokdiagram over elektroniske kredse til brug i forbindelse med monitoren ifølge fig. 12 og 10 13' fig. 16 en anden udførelsesform for opfindelsen indbefattende et blokdiagram over en anden form for elektronisk kredsløb til brug med en modifikation af den i fig. 12 og 13 viste monitor, 15 fig. 17 en tredie udførelsesform for opfindel sen, indbefattende et blokdiagram over en tredie form for elektronisk kredsløb til brug med den i fig. 12 og 13 viste monitor, fig. 18 og 19 henholdsvis sidebillede og snit-20 billede af en fjerde udførelsesform for en monitor i henhold til opfindelsen, fig. 20 et snitbillede af en femte udførelsesform for en monitor i henhold til opfindelsen, fig. 21 et snitbillede af en sjette udførelses-25 form for en monitor i henhold til opfindelsen, fig. 22 og 23 henholdsvis et snitbillede og et endebillede af en syvende udførelsesform for en monitor i henhold til opfindelsen, fig. 24a-24h endebilleder af modifikationer af 30 den i fig. 23 og 24 viste monitor, fig. 25 et blokdiagram over elektroniske kredsløb til brug med de i fig. 18-24h viste monitorer, fig. 26-34 grafer over forsøgsresultater opnået med en monitor i henhold til opfindelsen, 35 DK 174374 B1 19 fig. 35 og 36 henholdsvis et endebillede og et sidebillede af en ottende udførelsesform for en monitor i henhold til opfindelsen, fig. 37 et sidebillede af et sammensætningsmåle-5 system der indbefatter en niende udførelsesform i henhold til opfindelsen, fig. 38 et rutediagram for en transduktionspro-ces udført med det i fig. 37 viste system, fig. 39 og 40 henholdsvis et sidebillede og et 10 endebillede af et monitorsystem i henhold til opfindelsen , fig, 41-43 blokdiagrammer over elektroniske kredsløb til brug med det i fig. 39 og 40 viste monitorsystem, og 15 fig. 44 og 45 sidebilleder af strømningsmonito reringssystemer i henhold til opfindelsen.

Brugen af frekvens- og dæmpningsparametre og den teoretiske baggrund for opfindelsen vil blive forklaret under anvendelse af den transmissionslinie-model, der 20 er vist i fig. 1, hvori et radiofrekvent sinussignal fra en kilde 2 deles op i kredsen 3 og danner to ens i-fase-signaler, der driver de to ender af en transmissionslinie 6. En spændingstransor 7 er koblet til transmissionslinien 6 ved et punkt 8, som 25 ikke er i samme afstand fra enderne 4 og 5. For forklarings skyld antages det, at spændingstransoren 7 er koblet løst til transmissionslinien, og at transmissionslinien har god tilpasning i begge ender, i hvilket tilfælde spændingen ved transoren 7 kan udtrykkes som 30 summen af to vektorer

Vp = Vo [exp(G*Ll) + exp(-G*L2)] (1)/ 35 DK 174374 B1 20 hvor den komplekse udbredelseskonstant (G), når der ikke er tab, er imaginær, og LI og L2 repræsenterer de fysiske længder mellem enderne 4 og 5 af transmissionslinien og spændingstransoren 7. Det negative for-5 tegn til det andet led skyldes valget af koordinatsystemet. I det foreliggende tilfælde har man valgt at placere koordinatsystemets origo til venstre for figuren. Dette resulterer i at Li er positiv og L2 negativ. Derfor er spændingsamplituden i begge led mindre end 10 amplituden ved det tilsvarende drivpunkt, og fasen er bagud. Den komplekse udbredelseskonstant afhænger af den geometriske udformning af transmissionslinien 6 og af de materialer, den består af. Hvis man f.eks. udformer en hul transmissionslinie og fylder den med des-15 ioniseret vand, vil en sådan sammensat transmissionslinie have en specifik udbredelseskonstant og give en specifik transorspænding (specifik amplitude og fase).

Hvis der nu tilsættes salt til vandet i transmissionslinien, vil udbredelseskonstanten og transorspændingen 20 ændre sig. Da saltet indfører ioner i opløsningen, vil ledningsevnen ændre sig, hvilket primært kommer til udtryk ved en ændring i den reelle del af udbredelseskonstanten. For transoren 7 vil tilsætningen af salt fremkalde en ændring af amplituden, medens fasen for-25 bliver i hovedsagen uændret.

Der er flere måder hvorpå man kan ændre dette systems følsomhed overfor disse ændringer. Flere sådanne måder skal omtales, men for sagkyndige er det klart, at andre kan benyttes under udøvelse af opfindelsen. En 30 For at isolere testcellen fra resten af rørsy stemet må reaktive afslutningsled have en reaktans der enten er meget høj eller meget lav. Det ideelle ville være om værdien af refleksionskoefficienten ved grænse- 35 DK 174374 B1 21 fladen mellem testcellen og det reaktive afslutningsled var lig med l. Når testcellen er fyldt med tabsfrit materiale reflekteres testsignalet frem og tilbage af disse afslutningsled. Som følge heraf kan en af signal-5 indgangsportene, der repræsenteres ved A og B i fig. 4, afskaffes. Man kunne også afskaffe transoren 7 ved punkt C og indsætte en retningskobler i resten af indgangslinien. Det i testcellen reflekterede signal som overvåges af retningskobleren, vil da udgøre sensorsig-10 nalet. Denne variant af testopstillingen er nyttig til overvågning af lavtabsmaterialer, men den mister sin følsomhed når de undersøgte materialers tabsfaktor vokser.

Fig. 5 viser en måleopstilling 14 hvori der 15 til overvågning af sammensætningen af tabsgivende materialer anvendes en testcelle med reaktive afslutningsled 15 og 16, hvilken testcelle giver øget følsomhed.

I denne udførelsesform gælder ligningen 1) stadigvæk, men den tilbagevandrende bølge fremkaldes nu ved re-20 fleksion fra de reaktive afslutningsled 15 eller 16.

For sagkyndige står det klart, at dette ligesom de tidligere bekrevne løsninger kan udformes på flere forskellige måder. De reaktive afslutningsled 15 og 16 kan udgøres af afskæringsfrekvens-bølgeledere, bånd-25 spærreorganer eller andre koblingselementer. Beliggenheden af henholdsvis kilden 2 og sensoren 7 (A og B i fig. 5) kan variere afhængigt af den ønskede arbejds-karakteristik. Koblingselementerne for kilde og sensor behøver ikke at have den samme geometriske udformning 30 eller være af samme type. Det ene kan anvende elektrisk felt-kobling, og det andet magnetisk felt-kobling.

Blot som et eksempel på en sådan testcelle viser fig. 6a en rektangulær bølgeleder 17 af længde L - 35 DK 174374 B1 22 kaldes testsektion afsluttet i begge ender med lignende bølgeledere 18, der har en bredde på det halve af bredden i testsektionen. I dette udførelseseksempel har testsektionen en længde på 3-4 gange dens bredde.

Der er tre E-feltsonder 19, 20 og 21, hvoraf sonden 19 er centreret i forhold til længden af sektionen, medens de to andre sonder 20 og 21 befinder sig i en afstand fra hver sin ende af testsektionen 17 på lidt mindre end 1/4 af nævnte længde. Når et lavtabsfluidum bringes til at strømme gennem denne bølgelederkonstruk-tion og frekvensen ved testoscillatoren 20 justeres til den anden kavitetsresonnans, vil størrelsen af det elektriske felt 22 i testsektionen variere som vist i fig. 6b. Denne feltfordeling er stærkt koblet til test-frekvenskilden 20 og til sonden 21 som er tilknyttet sensoren nr. 2 men der er reference på nul-værdi ved sonden 19, der er tilknyttet sensoren nr. 1. Som tidligere nævnt er denne nulværdi en følsom indikator for enhver ændring i de dielektriske egenskaber i prøven .

20

Opfindelsen udnytter afhængighedsforholdet mellem den komplekse udbredelseskonstant og den komplekse dielektriske konstant af det materiale, der udgør transmissionslinien for at skabe en meget følsom pro- cesmonitor.

25

Til analyse af en given transmissionstruktur såsom en bølgeleder eller et koaksialt kabel, der indeholder et givet materiale såsom luft eller andet materiale, anvender man Maxwell-ligningerne samt de lignin-ger, der karakteriserer det pågældende medium. Den relevante ligning er her relationen mellem elektrisk flux-densitet (D) og det elektriske felt (E) i mediet.

35 DK 174374 B1 23

D := eE

Denne fundamentale relation indfører materialeegenskaberne i ligningerne for udbredelse. Permittivi-teten (e) er scalar for isotropiske materialer og ten-5 tor for anisotropiske materialer. For nærværende redegørelse antages det, at vi har isotropisk materiale, ε er scalar. Formen af den resulterende udbredelsesligning afhænger af de i strukturen forekommende bølgetyper. For TEM-bølger er udbredelsesligningen: 10 Γ2 + K2:= 0 hvor Γ repræsenterer udbredelseskonstanten og K defineres ved udtrykket: K2:= w2pe

For TEM-bølger er udbredelseskonstanten proportional 15 med kvadratroden af den dielektriske konstant.

For tværelektriske bølger (TE-bølger) eller tværmagnetiske bølger (TM-bølger) udtrykkes udbredelsesligningen ved Γ2 := Kc2- K2 20 hvor Kc er en konstant, der bestemmes af bølgetypen og af de relevante grænsebetingelser. Disse relationer kan benyttes til bestemmelse af materialets permittivitet ud fra målinger af udbredelseskonstanten.

Fremgangsmåden og apparatet ifølge opfindelsen 25 vedrører en teknik til udførelse af radiofrekvente dielektriske målinger af materialer. Denne information kan bruges til bestemmelse af materialets sammensætning, homogenitet og/eller strømningsmængde, såfremt materialet er i bevægelse.

30 Apparatet ifølge opfindelsen har en unik struk tur, der er elektrisk isoleret, men fysisk åben. Den elektriske isolation af testsektionen er udført på en sådan måde, at der kan foretages meget præcise dielek- 35 DK 174374 B1 24 triske målinger af de pågældende materialer. Da strukturen fysisk er åben er det muligt at måle kontinuert strømmende materialer, at måle materialer batchvis eller blot måle enkeltenheder af materiale, der er ind-5 lagt i testsektionen. Strukturmæssig set er testsektionen en hul transmissionslinie gennem hvilken elektromagnetiske bølger kan forplante sig som i en bølgeleder, og hvori det pågældende materiale er indført. Elektroder, antenner eller anden udstyr behøver ikke at 10 rage ind i testsektionen. Apparatet ifølge opfindelsen kan konstrueres til at tåle høje værdier af indre temperatur og indre tryk i testsektionen. De materialer, der måles kan være meget korrosive eller abrasive uden at der sker betydelige skader på monitoreringsapparatet 15 eller mindskning af apparatets præstationer i tidens løb. Generelt set er apparatet ifølge opfindelsen velegnet til monitorering af sammensætningen af materialer i en hel gruppe af vanskelige industrielle processer.

Fremgangsmåden og apparatet ifølge opfindelsen 20 kan generelt anvendes til måling af mange forskellige materialer, hvor materialets dielektriske egenskaber kan relateres til dets beskaffenhed. Fremgangsmåden og apparatet kan benyttes til at foretage målinger på væsker, faststoffer, gasser og blandinger heraf. Herefter 25 gives eksempler: 1) Fremgangsmåden og apparatet ifølge opfindelsen kan bruges til at måle sammensætningen, strømningsmængden og/eller homogeniteten i væsker eller væskeblandinger. Applikationerne indbefatter den kontinuerte 30 bestemmelse af sammensætningen af blandinger af olie og vand, eller bestemmelsen af omfanget af polymerisering i en batch af kunstharpiks. Fig. 7 viser hvorledes apparatet 23 kan bruges til at måle en væske 24.

35 DK 174374 B1 25 2) Fremgangsmåden og apparatet ifølge opfindelsen kan bruges til bestemmelse af sammensætningen, strømningsmængden eller homogeniteten i blandinger af faststof og væske. Applikationerne indbefatter måling 5 af indholdet af kul i kulopslæmninger, indholdet af fedt i mælk eller indholdet af affald i spildevand.

Fig. 8 viser hvorledes apparatet 25 kan benyttes til måling af blandinger af væske 26 og faststof 27.

3) Fremgangsmåden og apparatet ifølge opfindel-10 sen kan anvendes til bestemmelse af sammensætningen, strømningsmængden og homogeniteten i blandinger af væske og gas. Applikationerne indbefatter monitorering af indholdet af lommer (på engelsk såkaldt "void content") i mættet damp, hvilket kan bruges som hjælp til bestem-15 melse af dampkvaliteten, eller ved måling af olie, vand og gasblandinger, som strømmer fra oliebrønde. Fig. 9 viser hvorledes apparatet 28 kan bruges til at måle blandinger af væske 29 og gas 30.

4. Fremgangsmåden og apparatet ifølge opfindel-20 sen kan bruges til bestemmelse af sammensætningen, strømningsmængden og homogeniteten i blandinger af faststof, væske og gas. Applikationerne indbefatter monitorering af indholdet af vand og gas i boremudder i olieindustrien eller måling af indholdet af vand ved 25 fødevaretørring. Fig. 10 viser hvorledes apparatet 31 kan bruges til at måle blandinger af faststof 32, væske 33 og gas 34.

5. Fremgangsmåden og apparatet ifølge opfindelsen kan bruges til måling af sammensætningen, strøm- 30 ningsmængden og homogeniteten i blandinger af faststoffer og gasser. En applikation er overvågning af indholdet af faststoffer i pulvere. Fig. 11 viser hvorledes apparatet 35 kan bruges til at måle blandinger af faststof 36 og gas 37.

35 DK 174374 B1 26

Selvom sammensætningen af det målte materiale eller den målte blanding ikke kan bestemmes i lukket form ved hjælp af den dielektriske information, der fremskaffes ved fremgangsmåden og apparatet ifølge op-5 findelsen, kan apparatet ikke desto mindre bruges som en præcis tendensgivende monitor.

Fremgangsmåden og apparatet ifølge opfindelsen fungerer ved, at der fremkaldes elektromagnetisk bølgeforplantning i en hul testsektion af metal, der funge-10 rer som en bølgeleder. Den elektromagnetiske energi indføres i bølgelederen gennem dielektriske åbninger i bølgelederens væg. Bølgeledertestsektionen er en specielt udformet sektion af rørledning. Testsektionen afsluttes i begge ender for elektrisk at isolere testsek-15 tionen fra andet nærliggende udstyr. Disse afslutninger er udformet som reaktive eller resistive belastninger.

Apparatet ifølge opfindelsen er således udformet at den elektromagnetiske energi forplanter sig i modsatte retninger i bølgeledertestsektionen, og der dan-20 nes interferenser. Ved skandering af arbejdsfrekvensen kan man bestemme de frekvenser for hvilke der opstår et interferensmønster. Denne information kan relateres til materialets dielektriske egenskaber, som igen kan relateres til information om materialets beskaffenhed.

25 Apparatet fungerer som en balanceret radiofre kvent brokobling, hvor signalerne i to forskellige grene balanceres i fase og størrelse med henblik på opnåelse af en velmarkeret spids- eller nulværdi. Den frekvens ved hvilken spids- eller nulværdien forekommer 30 kan måles med høj præcision. Denne nye måde at måle materialers dielektriske egenskaber i en fysisk åben struktur muliggør kontinuerte, radiofrekvente målinger af materialers permittivitet med en nøjagtighed der 35 DK 174374 B1 27 hidtil var uopnåelig i industrielt anvendelige appara ter.

Når det undersøgte materiale har høj ledningsevne er der en betydelig dæmpning af den elektromagneti-.5 ske energi der forplanter sig i bølgeledertestsektio-nen. Hvis ledningsevnen er tilstrækkelig høj kan interferensmønstret ikke sondres og permittiviteten kan ikke bestemmes med den teknik, der er illustreret i fig. 3.

I stedet for vil apparatet måle dæmpningen af den elek-10 tromagnetiske bølge mellem koblingsspalterne ved visse givne frekvenser. Ud fra disse målinger bestemmes det undersøgte materiales ledningsevne.

Til opnåelse af information om materialers dielektriske egenskaber giver apparatet ifølge opfindel-15 sen mulighed for forbedring overfor to væsentlige begrænsninger ved de hidtil kendte teknikker til monitorering af sammensætning i industrielle processtrømme på basis af radiofrekvente målinger.

Først forenkler det transduktionen af målinger 20 af elektromagnetisk amplitude og fase til præcis information om processtrømmens dielektriske egenskaber. De karakteristiske frekvenser, ved hvilke der opstår et interferensmønster i et givet fluidum, afhænger praktisk taget kun af fem parametre: længden af testsektio-25 nen, diameteren af rørledningen i testsektionen, refleksionskoefficienten ved afslutningsleddene, afstanden mellem de forskellige koblingsspalter og fluidets permittivitet. Når kilden er svagt koblet til testsektionen har den eksterne signalgeneratorkobling meget 30 lille indvirkning på den balancerede bromåling. Vigtigere er det, at koblingsmekanismen mellem signalkilden og testsektionen ikke behøver at være velkarakteriseret. Derfor er der en relativt enkel relation mellem de 35 28 DK 174374 B1 målte karakteristiske frekvenser og materialets permit-tivitet. Denne enkelthed resulterer direkte i en forbedret nøjagtighed. Det gør det også meget mindre vanskeligt at anvende apparatet på mange forskellige mate-5 rialer med vidt forskellige dielektriske egenskaber, uden behov for væsentlige konstruktive ændringer.

Den anden fundamentale fordel ved opfindelsen beror på ufølsomheden overfor målingsmæssige forstyrrelser, som hidrører fra procesudstyret udenfor test-10 sektionen. I industriel sammenhæng kan et sammensætningsmonitoreringsapparat af den her beskrevne type, placeres hvorsomhelst i en proces-rørledning. Det kan placeres flere meter under en pumpe, i nærheden af et invasivt flowmeter, en ventil eller blot i nærheden af 15 et knæk i rørledningen. Når procesmaterialet elektrisk set er relativt tabsfrit, vil sådanne genstande reflektere tilfældig energi tilbage til testsektionen i en bølgelederudstyret sammensætningsmonitor. Den reflekterede energi påvirker amplituden og fasen af målesigna-20 let, og forringer derfor apparatets nøjagtighed. Ved fremgangsmåden og med apparatet ifølge opfindelsen vil testsektionen være elektrisk isoleret fra resten af installationen, således at der praktisk taget ingen elektromagnetisk energi er, der forplanter sig udenfor 25 testsektionen. Herved fjernes muligheden for målefejl på grund af tilfældig refleksion af energi fra diskontinuiteter i rørledningen tilbage til testsektionen.

Det gør det også muligt at anvende apparatet ifølge opfindelsen som en selvstændig materialesammensætningsmo-30 nitor, der ikke engang er indkoblet i en rørledning.

Apparatet ifølge opfindelsen udleder ændringer i materialesammensætning, -strømningsmængde og/eller -homogenitet på basis af radiofrekvente målinger af materialets dielektriske egenskaber. Mange materialers di-35 DK 174374 B1 29 elektriske egenskaber varierer som funktion af temperatur og tryk. For at korrigere for sådanne variationer indbefatter apparatet ifølge opfindelsen temperatur- og trykmåleudstyr, når det er nødvendigt.

5 Der findes mange mulige fysiske udførelsesformer for fremgangsmåden, hvor der fremkaldes et elektromagnetisk interferensmønster i en fysisk åben, men elektrisk isoleret bølgeledertestsektion. Flere udførelsesformer beskrives nærmere nedenfor. Der er dog mange an-dre udførelsesformer for fremgangsmåden i henhold til opfindelsen. Uden at afvige fra monitoren og fremgangsmåden ifølge opfindelsen, kan man anvende andre koblingsmekanismer, åbninger, bølgetyper, former for afslutning, beliggenhed af åbninger, bølgelederstruktur (f.eks. rektangulær i stedet for cirkulær), osv.

Målemetoden med balanceret brokobling går ud på at lade to ens elektriske signaler følge forskellige elektriske baner eller grene, hvoraf den ene grens dielektriske egenskaber skal bestemmes. Den anden grens 2o transmissionsegenskaber justeres på en given frekvens indtil de to udgangssignaler balancerer eller opvejer hinanden og giver en nulværdi. De transmissionsegenskaber (amplitude og fase) for hvilke den justerbare gren er justeret, når nulværdien er opnået, er entydigt re-25 laterede til transmissionsegenskaberne i den anden gren af brokoblingen. Det er denne metode, der er illustreret i fig. 2.

I de tilfælde, hvor der ikke er behov for den komplette balancerede brokoblings alsidighed kan man 30 anvende den tidligere under henvisning til fig. 4 omtalte løsning. I så fald er de dielektriske egenskaber i hver gren de samme men ukendte. Uligevægten mellem de to grene opnås ved at de hver har sin elektriske længde 35 DK 174374 B1 30 forskellig fra den anden. For at balancere brokoblingens arme justeres fasen og amplituden af de to signaler indtil der ved udgangen fås en nulværdi. Dette gøres ved at ændre frekvensen af de to indgangssignaler 5 og amplituden af et af disse signaler indtil der på udgangen fås nulværdi. Denne form for operation er illustreret i fig. 3. Det undersøgte materiales dielektriske egenskaber kan så bestemmes ud fra den eller de frekvenser ved hvilke der er nulværdi, differencen i 10 elektrisk længde mellem de to grene af brokoblingen og den fornødne dæmpning af de ene signal til opnåelse af nulværdi på udgangen. Virkemåden beskrives detaljeret under henvisning til l. udførelsesform.

1. udførelsesform· Den første udførelsesform for 15 opfindelsen, hvor man anvender den i fig. 4 viste kobling, er vist i fig. 12 og 13. Den anvender to transmissionsåbninger 137 til i bølgelederen at indføre to udbredelsesbølger, der har den samme frekvens. En modtageåbning 139 er placeret asymmetrisk mellem trans-20 missionsåbningerne 137 for at sample den resulterende interferensbølge. Testsektionen 141 afsluttes af resistive belastninger 145, der optager den elektromagnetiske energi, der slipper ud fra testsektionen. Ved visse givne frekvenser er fasedifferencen mellem de to 25 bølger ved modtageåbningen et helt multiplum af 180°, dvs. at den elektriske længdeforskel er et helt multiplum af det halve af bølgelængden. Ved disse frekvenser er det insertionstab, der måles ved modtageåbningen 139 blot differencen mellem de to bølgers amplituder.

30 Hvis begge bølger har samme amplitude ved modtageåbningen, er der en velmarkeret nulværdi i det målte spektrum, der angiver insertionstabet. Amplitudebalancen opnås ved justering af dæmpningen af det indgangssig 35 DK 174374 B1 31 nal, der tilføres den sendeåbning, der befinder sig nærmest modtageåbningen. Fig. 14 viser spektret for in-sertionstab hos en prototype for denne udførelsesform.

Testsektionens to delstrækninger mellem sendeåb-5 ningerne og modtageåbningen udgør de to grene af målebrokoblingen. Når målesignalerne er i modfase og har samme amplitude, er der nulværdi på udgangen. De karakteristiske frekvenser, differencen i elektriske længder over de to signalgrene og differencen i dæmpning mellem 10 de to signalgrene kan relateres direkte til materialets permittivitet og konduktivitet i testsektionen. Når det målte materiale er så ledende, at man ikke finde nulværdien, kan konduktiviteten i processtrømmen bestemmes ved blot at måle signaldæmpningen i den korteste gren 15 af testsektionens brokobling.

Fig. 15 viser et enkelt kredsløb, der kan bruges med en transducer 135. Indgangssignalet deles op i to dele, hvoraf den ene føres gennem en faseskifter 153 og en varierbar dæmpningskreds 149. Faseskifteren 153 20 (optionel) bruges til at kompensere for eventuelle faseforskelle mellem de to signalindgangslinier 155 og 157. Det elektroniske kredsløb 151 indbefatter en digital processor 159. En bus 163 forbinder processoren 159 med en generator 161 for digitalt synteti-25 seret signal. Signalgeneratoren 161 er forbundet med transduceren 135 ved hjælp af signallinien 155 og signallinien 157 gennem en effektdeler 165. En retningskobler 167 og detektordioder 169 og 171 forbinder udgangslinien 157 med en indgangslinie 173 30 for indfaldende effekt og en indgangslinie 175 for reflekteret effekt, idet begge disse linier er indkoblet for at danne indgange til en A/D-konverter 177. Indgangslinien 173 for indfaldende effekt afgiver et 35 DK 174374 B1 32 signal, der repræsenterer den ankommende radiofrekvente effekt, der over linien 155 føres til transduceren 135, til A/D-konverteren 177. En del af den indfaldende, radiofrekvente effekt, der leveres til transduceren 5 135 reflekteres derfra over linien 155. Indgangslini en 175 for reflekteret effekt afgiver et signal, der repræsenterer mængden af reflekteret effekt, til A/D-konverteren 177. Modtageåbningen 139 der befinder sig i afstand fra sendeåbningerne 137 på transduceren 10 135, er tilsluttet A/D-konverteren 177 via linien 179 og en detektor 178. Linien 179 overfører fra modtageåbningen 139 til A/D-konverteren 177 et signal, der repræsenterer en del af den energi, der er blevet tilført transduceren 135. Temperatur- og tryk-15 følere 181 og 183 på transduceren 135 afgiver temperatur- og tryksignaler til A/D-konverteren 177 via linier henholdsvis 185 og 187. En bidirektional bus 189 forbinder A/D-konverteren 177 med processoren 159. En bus 402 forbinder processoren 159 med en 20 D/A-konverter 300. Over linier 404 afgiver D/A-kon-verteren 400 et styresignal til styring af dæmpningen i den varierbare dæmpningskreds 149 og til styring af faseskifteren 153.

I stedet for generatoren for digitalt syntetise-25 ret signal kunne man anvende en moduleret oscillator, en spændingsstyret oscillator eller en strømstyret oscillator. Til mange praktiske anvendelser kan den i fig. 15 viste opstilling gøres enklere. Den beskrives her i sin generelle form for at demonstrere den slags 30 målinger, der kunne være nødvendige til fuldt ud at karakterisere prøvens dielektriske egenskaber.

2. udførelsesform. Fig. 16 viser et blokdiagram over det elektroniske kredsløb, som denne udførelses- 35 DK 174374 B1 33 form kunne realiseres med. Denne udførelsesform anvender en transducer 135A, der er udformet som transduceren i fig. 12 og 13, men som kun har et par åbninger 137A og 137B. Åbningen 137A er sendeåbningen, og åb-5 ningen 138B modtageåbningen. En anden forskel mellem udførelsesformen nr. 1 og udførelsesformen nr. 2 ligger i, at der i udførelsesformen nr. 2 er anvendt en resistiv balanceringskreds af den i fig. 2 viste art til justering af systemets globale følsomhed. Ved justering 10 af modstandsforholdet mellem de varierbare modstande R1 og R2 kan man praktisk taget opnå en hvilken som helst følsomhed. Udgangssignalet fra en kilde 199 for digitalt syntetiseret signal splittes i en 180°-hybrid-kreds 201 der over linier 203 og 205 er tilsluttet i-15 fase-delere 207 og 209. Delerne 207 og 209 afgiver deres respektive delte fasesignaler til modstande Ri og R2. Deleren 207 afgiver sit andet signal til sendeåbningen 137A på transduceren 135A. Det andet signal fra deleren 209 føres gennem en faseskifter 211 og 20 en varierbar modstand R3 med henblik på justering. Udgangssignalet fra modtageåbningen 137B på transduceren 135A over linien 213 kombineres med signalet fra deleren 209 og tilføres en operationsforstærker 215 og videre via en diode Dl til den positive ind-25 gang til en differensforstærker 217. En operationsforstærker 219 og en diode D2 overfører det kombinerede udgangssignal fra de varierbare modstande RI og R2 til den negative indgang til differensforstærkeren 217. Udgangen på differensforstærkeren 217 afgiver en 30 indikation om den dielektriske konstant af det materiale, der strømmer igennem transduceren 135A.

I stedet for en kilde for digitalt syntetiseret signal kunne man anvende en moduleret oscillator, en 35 DK 174374 B1 34 spændingsstyret oscillator eller en strømstyret oscillator. Til mange praktiske applikationer kan den i fig.

16 viste opstilling gøres enklere. Den angives her i sin generelle udformning for at demonstrere den slags 5 målinger man kunne anvende til fuldt ud at karakterisere prøvens dielektriske egenskaber.

3. udførelsesform· Fig. 17 viser et blokdiagram over det elektroniske kredsløb til en sådan udførelsesform. Denne udførelsesform anvender en transducer 10 135C, der er som transduceren ifølge fig. 12 og 13 bortset fra, at modtageåbningen 139C er placeret ækvidistant mellem sendeåbningerne 137C. Forskellen mellem første udførelsesform og tredie udførelsesform er at sidstnævnte drives af to signaler med hver sin 15 frekvens, medens den første drives med et signal på en enkelt frekvens. Udgangssignalet splittes i to dele, hvoraf den ene føres gennem en frekvensdobler 231, en frekvensskifter 153 og en varierbar dæmpningskreds 149. Faseskifteren 153 (optionel) bruges til at kom-20 pensere for eventuelle faseforskelle mellem de to indgangssignallinier 155 og 157. En bus 163 forbinder en digital processor 159 med en generator 161 for digitalt syntetiseret signal. Signalgeneratoren 161 er tilsluttet transduceren 135C gennem radiofrekvens-25 udgangslinier 155 og 157, via en effektdeler 165. En retningskobler 167 og detektordioder 169 og 171 forbinder udgangslinien 157 med henholdsvis en indgangslinie 173 for indfaldende effekt og en indgangslinie 175 for reflekteret effekt, idet begge disse 30 linier indkobles til dannelse af indgange til en A/D-konverter 177. Indgangslinien 173 for indfaldende effekt afgiver et signal, der repræsenterer den over linien 157 ankommende, radiofrekvente effekt til 35 DK 174374 B1 35 transduceren 135C, til A/D-konverteren 177. En del af den radiofrekvente energi, der tilføres transduceren 135C reflekteres derfra tilbage til linien 157. Indgangslinien 175 for reflekteret effekt afgiver et .5 signal, der angiver mængden af reflekteret effekt, til A/D-konverteren 177. En linie 179 og en diode 233 forbinder modtageåbningen 139C, som ligger i afstand fra sendeåbningerne 137C på transduceren 135C, med A/D-konverteren 177. Modtageåbningen 139C afgiver 10 til A/D-konverteren 177 over linien 179 et signal, der repræsenterer den del af radiofrekvent effekt der overføres gennem transduceren 135C. Temperatur- og trykfølere 181 og 183 på transduceren 135C afgiver også til A/D-konverteren 177 et temperatursignal over 15 linien 185 og et tryksignal over linien 187. En bi-direktionel bus 189 forbinder A/D-konverteren 177 med processoren 159. Bussen 402 forbinder processoren 159 med en D/A-konverter 400. D/A-konverteren 400 afgiver over linien 404 et styresignal til ind-20 stilling af dæmpningen i den varierbare dækningskreds 149.

I stedet for en generator for digitalt syntetiseret signal kunne man anvende en moduleret oscillator, en spændingsstyret oscillator eller en strømstyret os-25 cillator. Til mange praktiske anvendelser kan den i fig. 17 viste opstilling gøres enklere. Den angives her i sin generelle udformning for at demonstrere den slags målinger man kunne foretage til fuldt ud at karakterisere prøvens dielektriske egenskaber.

30 De her beskrevne udførelsesformer har multiple signalbaner og resistive afslutningsled. De opererer som balancerede brokoblinger, hvor de multiple indgangssignalbaner afbalanceres ved justering af frekven- 35 DK 174374 B1 36 sen og dæmpningen i den ene gren indtil der er opnået en nulværdi ved en karakteristisk frekvens, der er relateret til materialets permittivitet. Denne form for operation kan forenkles til dannelse af et sæt af udfø-5 relsesformer, hvor amplitudeafbalanceringen mellem to interfererende elektromagnetiske bølger er unødvendig.

Disse udførelsesformer anvender reaktive belastninger, og en enkelt sendeåbning som vist i fig. 5.

Sendeåbningerne i testsektionen fremkalder for-10 plantning af elektromagnetisk bølge i begge retninger i bølgelederen. Hvis de to indbyrdes modsat rettede bølger i testsektionen reflekteres af reaktive belastninger ved enderne af testsektionen, vil de interferere med hinanden, ved givne frekvenser opstår der et inter-15 ferensmønster af stående bølger i testsektionen. Modtageåbningen sampler fasen og størrelsen af dette bølgemønster. Ved visse karakteristiske frekvenser er interferensmønsteret konstruktivt eller destruktivt og der kan måles markerede spidsværdier eller nulværdier i 20 spektret over insertionstabene. De målte, karakteristiske frekvenser bestemmer permittiviteten af materialet i testsektionen.

Flere udførelseseksempler, der implementerer denne forenklede metode, beskrives nærmere nedenfor.

25 Der findes mange andre mulige udførelsesformer for denne forenklede metode med afbalancering af brokobling.

4. udførelsesform. Et snitbillede af denne forenklede metode med balanceret brokobling vises i fig.

18 og 19. I denne udførelsesform antager de elektriske 30 diskontinuiteter formen af to båndspærrefiltre 44 i fast indbyrdes afstand. Sendeåbningen 46 og modtageåbningen 47 er beliggende på testsektionen 45 mellem disse filtre 44. Filtrene 44 er indrettede 35 DK 174374 B1 37 til indenfor et vist frekvensområde at forhindre den elektromagnetiske energi i at passere forbi. Når testsektionen 45 opererer på frekvenser indenfor dette bånd, reflekteres energien tilbage i testsektionen 45.

5 Båndspærrefiltrene 44 konstrueres ved i metalbølgele-deren 42 at tilvejebringe flere udskæringer 48, 49 og 51 af varierende længder og i givne afstande fra hinanden. Disse udskæringer 47 til 51 er omgivet af metalovertræk 53, 55, 57 for at forhindre udstrå- 10 lingstab. Et hylster 59 af isolerende materiale, f.eks. keramik, er indlagt i bølgelederen 42 for at opretholde en enkel indre geometri i transduceren 40 og for at isolere det undersøgte materiale fra de elektroniske signallinier.

15 Det er klart, at dette kun er et eksempel på de mange måder, hvorpå en reaktiv afslutning kan realiseres .

5. udførelsesform. Fig. 20 viser endnu en udførelsesform for monitoren, der anvender den forenklede 20 målemetode med balanceret brokobling. I monitortransduceren 60 er bølgelederen 62 indvendigt beklædt med forskellige dielektriske materialer 66 og 68. Testsektionen 64 er beklædt med et materiale 66, som har en dielektrisk konstant, der er meget forskellig fra kon-25 stanten for materialet 68 udenfor målesektionen 64. Resultatet er at der skabes elektriske diskontinuiteter. Disse diskontinuiteter reflekterer meget af det elektromagnetiske signal tilbage til testsektionen således at testsektionen 64 effektivt isoleres. I me-30 talbølgelederen og over det første isolerende materiale 66 er der tilvejebragt en sendeåbning 70 og en modtageåbning 72. I praksis kan de forskellige dielektriske materialer 66 og 68 udføres i keramik eller plast. Hylsteret 68 kan endog bestå af metal.

35 DK 174374 B1 38 6. udførelsesform. Fig. 21 viser endnu en udførelsesform 80, der anvender den forenklede målemetode med balanceret brokobling. I fig. 21 har monitortransduceren 80 en testsektion 82 som er en bredere bøl- 5 geleder og som er forbundet med en bølgeleder ^84. Et elektrisk isolerende hylster 83 beklæder bølgelederen 84 og er ført igennem den midterste del af testsektionen 82 uden diameterændring. En sendeåbning 86 og en modtageåbning 88 er tilvejebragt i testsektionen ]q 82. Den signalfrekvens oven over hvilken testsektionen 82 overfører signalet, den såkaldte afskæringsfrekvens, er lavere end for bølgelederen 84. Hvis transduceren 80's arbejdsfrekvens holdes under afskæringsfrekvensen for bølgelederen 84 men over afskærings-15 frekvensen for testsektionen 82 vil overgangene 90 og 92, hvor bølgelederen skifter størrelse, virke som effektive energireflektorer. Overgangene 90 og 92 udgør således de elektriske diskontinuiteter 94, der elektrisk isolerer testsektionen 82, og som ved karak-20 teristiske frekvenser fører til at der i testsektionen 82 dannes interferensmønstre af stående bølger.

7. udførelsesform. Fig. 22 og 23 viser endnu en udførelsesform for en transducer 410, der anvender den forenklede metode med balanceret brokobling. Denne ud- 25 førelsesform fungerer på samme måde som den 6. udførelsesform, ved at de reaktive belastningssektioner 241 og 243 i begge sider af bølgelederens testsektion 245 har en højere afskæringsfrekvens end testsektionen 245. Dette er opnået ved at dele belastningsafsnittene 30 241 og 243 i mindre dele under anvendelse af metalplader 247. Udførelsesformen nr. 7 er således invasiv i modsætning til de andre udførelsesformer. I denne udførelsesform er testsektionen 245 konstrueret og opere- 35 DK 174374 B1 39 rer på samme måde som testsektionen 64 i udførelsesformen nr. 5 (jfr. fig. 20).

Hvis testsektionen 245 opererer på en frekvens under afskæringsfrekvensen for belastningsssektionerne 5 241 og 24 3 men over afskæringsfrekvensen for selve testsektionen 245, vil energien reflekteres ved overgangene 249 og 251. Disse overgange 249 og 251 virker således som elektriske diskontinuiteter, der elektrisk isolerer testsektionen og ved karakteristiske 10 frekvenser opstår der i testsektionen 245 interferensmønstre af stående bølger.

I fig. 22 og 23 er der anvendt to metalplader 247 til at dele belastningssektionen i fire dele. Som det fremgår af fig. 24a-24h er der mange mulige opstil-15 linger for pladerne 247a-247h og alle disse opstillinger opfylder det samme formål: elektrisk at isolere testsektionen og gøre det muligt at anvende den forenklede metode med balanceret brokobling.

Fig. 25 viser et enkelt elektronisk kredsløb, 20 der kan bruges til udførelsesformerne nr. 4, 5, 6 og 7.

Det elektroniske kredsløb 100 indbefatter en digital processor 102, som kan være en af de mange i handelen tilgængelige integrerede mikroprocessorer. En bus 106 forbinder processoren 102 med en kilde 104 for di-25 gitalt syntetiseret signal. I stedet for en kilde for digital syntetiseret signal, kunne der anvendes en moduleret oscillator, en spændingsstyret oscillator eller en strømstyret oscillator. Signalgeneratoren 104 er tilsluttet transduceren 80 via udgangslinien 108, 30 men det skal forstås at man i stedet for at indkoble transduceren 80 som vist, kunne indkoble transducerne 40, 60 eller 410. Ved 110 og gennem detektordioder 112 og 114 er udgangslinien 108 koblet til henholds- 35 DK 174374 B1 40 vis indgangslinien 116 for indfaldende effekt og indgangslinien 118 for reflekteret effekt, hvilke to linier er indkoblet til dannelse af indgange til en A/D-konverter 120. Indgangslinien 116 afgiver et signal 5 der repræsenterer den over linien 108 ankommende radiofrekvenseffekt til transduceren 80, til A/D-kon-verteren 120. En del af den radiofrekvente effekt, der leveres til transduceren 80 reflekteres tilbage fra transduceren 80 til linien 108. Indgangslinien 118 10 for reflekteret effekt afgiver et signal, der angiver mængden af denne reflekterede effekt til A/D-konverte-ren 120. En faler 122, der afføler den udsendte effekt og som på transduceren 80 befinder i afstand fra indgangslinien 108, er forbundet med A/D-konverteren 15 120 via en diode 124 og en linie 126 for udsendt effekt. Føleren 122 afgiver til A/D-konverteren 120 via linien 126 et signal, der repræsenterer den del af den tilførte, radiofrekvente effekt, der udsendes gennem transduceren 80. På transduceren 80 findes 20 der også en temperatursensor 128 og en tryksensor 130, der over linier henholdsvis 132 og 134 afgiver henholdsvis et temperatursignal og et tryksignal til A/D-konverteren 120. En bidirektionel bus 136 forbinder A/D-konverteren 120 og processoren 102.

25 Fig. 26 og 27 viser eksempler på måleresultater, som man har opnået med den forenklede metode med balanceret brokobling, med en indgangsåbning og med elektriske diskontinuiteter til dannelse af et interferensmønster i testsektionen, og som angiver insertionstabene.

30 Fig. 26 sammenligner måleresultaterne med en monitor-prototype af samme art som transduceren i 6. udførelsesform, fyldt med luft, med det forventede spektrum for en enkel model. Fig. 27 viser tilsvarende data, når 35 DK 174374 B1 41 prototypen er fyldt med desioniseret vand. Medens de efter modellen forudberegnede insertionstabsværdier ikke passer helt godt, blev positionerne af de to spidser 251 og 253 i hver graf forudberegnet med en præcision 5 på mindre end 1%.

Fig. 28 viser for en prototype efter 6. udførelsesform et plot, der angiver lyshastighed divideret med frekvens som funktion af kvadratroden af permittivite-ten i materialet i testområdet. Relationen er ikke li-10 neær fordi testsektionen er dielektrisk belastet med luft og med det isolerende hylster udover testmaterialet. Derfor er den effektive permittivitet i testsektionen mindre end permittiviteten af materialet.

For udførelsesformer som nummer 4, 5 og 7, hvor 15 det undersøgte materiale praktisk taget fylder hele testsektionen, er relationen mellem resonansfrekvenserne og kvadratroden på materialepermittiviteten praktisk taget lineær. Fig. 29 viser denne relation for en sådan prototype, sammenlignet med de forudberegnede værdier 20 på en enkel bølgeledermodel. Modelresultaterne passer ganske godt, til trods for at de forudberegnede, samlede insertionstabsværdier ikke passer så godt. Fig. 28 og 29 illustrerer den nemhed, hvormed transduktionen af de målte karakteristiske frekvenser til materialeper-25 mittivitet opnås med opfindelsen.

Fig. 30 og 31 illustrerer den nøjagtighed, hvormed apparatet ifølge opfindelsen kan anvendes til bestemmelse af sammensætningen. Disse figurer viser den målte karakteristiske frekvensforskydning hos en proto-30 type efter 6. udførelsesform, hvor der til olie tilsættes ganske små procentdele vand. Disse målinger indikerer, at den potentielle nøjagtighed hos et sådant apparat er bedre end 0,1% vand i olie. Med en så stor 35 DK 174374 B1 42 nøjagtighed vil apparatet være i stand til præcis bestemmelse af vand i rå olie ved sikrede overførsler indenfor olieindustrien. Fig. 32 viser det målte spektrum ved 0,025% vand i olie, sammenlignet med kurven 257 .5 for ren olie. Toppen på højere frekvens på kurven 257 gælder for ren olie. Selvom den samlede frekvensforskydning kun er på 0,5 MHz er den opløselig. Forskydningen i permittiviteten er på ca. 0,077% og den tilsvarende frekvensforskydning er på 0,044%.

10 Brugen af elektromagnetisk interferens ved frem gangsmåden til måling af permittivitet i henhold til opfindelsen fungerer kun, hvis konduktiviteten af det undersøgte materiale ikke er for høj. Hvis materialet har en stor tabsfaktor vil den elektromagnetiske ener-15 gi, der forplanter sig, dæmpes så hurtigt i testsektionen, at der ikke kan dannes et genkendeligt interferensmønster. Derfor kan de karakteristiske frekvenser eller fluidpermittiviteten ikke måles med denne teknik.

Fig. 33 viser de målte insertionstabsspektra for en 20 prototype i hetil opfindelsen som funktion af vandets ledningsevne. Målingerne er foretaget på en prototype-monitor af samme art, som transduceren ifølge 6. udførelsesform. For denne prototype er de karakteristiske spids- og nulværdier skjult, når ledningsevnen i det 25 målte materiale nærmer sig 0,35 mhos/m. Hvis materialekonduktiviteten vokser op over denne værdi, må man anvende en anden teknik. Fig. 34 viser flere spektra, som man har målt på den samme prototype ved vandopløsninger med højere ledningsevne. Af disse resultater fremgår 30 det, at insertionstabene ved højere frekvenser er meget følsomme overfor konduktivitetsværdien. Ved 220 MHz vokser insertionstabene med ca. 50 dB, når konduktiviteten forøges 30 gange. Det dynamiske område er endnu 35 DK 174374 B1 43 bredere ved højere arbejdsfrekvenser. Disse resultater viser, at apparatet ifølge udførelsesformerne nr. 1 til nr. 6 kan anvendes til at måle materialekonduktiviteten, når konduktiviteten er så høj, at målinger af per-5 mittivitet ikke kan gennemføres. Informationen om konduktiviteten kan såvel som permittiviteten relateres til materialets sammensætning. Takket være denne yderligere mulighed kan de forskellige mulige udførelsesformer for opfindelsen anvendes til måling af et hvilket som helst 10 materiale, eller en hvilken som helst blanding af materialer, hvor de dielektriske egenskaber varierer over et bredt område. Apparatet kan praktisk taget behandle et hvilket som helst niveau af konduktivitet eller per-mittivitet, som man kan komme ud for hos materialer i 15 industrielle processer.

8. udførelsesform. Et af problemerne ved sammensætningsmonitorer anvendt til måling af kontinuert strømmende materialer eller blandinger er, at materialesammensætningen er heterogen eller at der er en ujævn 20 sammenblanding. Dette er specielt tilfældet i applikationer, hvor man har blandinger af bestanddele eller komponenter af forskellig densitet, som ikke kan sammenblandes. Eksempelvis kan der være tale om blandinger af faststof og væske såsom slam, blandinger af væske og 25 gas såsom damp eller rent væskeblandinger somsom olie/ vand. Vanskeligheden ligger i at de fleste monitorer af denne art måler en eller anden samlet fysisk egenskab hos blandingen, f.eks. de dielektriske egenskaber, densiteten eller optiske egenskaber, og bruger denne in-30 formation til bestemmelse af sammensætningen. Med mindre der altid er en konstant fysisk konfiguration af komponenterne i blandingen fungerer en sådan løsning ikke, fordi de målte fysiske egenskaber ikke præcis kan 35 DK 174374 B1 44 knyttes til sammensætningen. Der kræves en jævn og vidtgående sammenblanding af en eller anden art til præcis monitorering af sammensætning af vanskelige blandinger, der indbefatter ikke-sammenblandelige 5 fluida eller komponenter, der har forskellig densitet. Opfindelsen er ikke immun overfor dette problem, fordi den også måler en fysisk egenskab i den samlede blanding og knytter den til blandingens sammensætning.

Et aspekt ved opfindelsen er dog, at den nemt 10 kan afpasses til bestemmelse af, hvornår den målte blanding er jævnt sammenblandet. Dette opnås med den udførelsesform for transducer 140 der er vist i fig.

35 og 36, hvori der i jævn fordeling rundt om testsektionen 146 findes par af sendeåbning 142 og modta-15 geåbning 144. Ved sammenligning af de signaler, der modtages fra modtageåbningerne 144 giver opfindelsen mulighed for at bestemme, hvorvidt blandingen er homogen. Hvis signalerne er ens, er materialet jævnt sammenblandet. Hvis ikke, er materialet ikke-homogent, og 20 nøjagtigheden i bestemmelsen af sammensætning mindskes i overensstemmelse hermed. Dette arrangement fejler kun, hvis der er en aksialt symmetrisk blanding, f.eks. en ringformet strøm. I de fleste situationer er dette dog ikke sandsynligt. En sammensætningsmonitor med 25 transduceren 140 kan koble sig selv fra eller udløse korrektiv aktion, når sammenblandingen ikke er jævn. Et akternativ går ud på, at foretage en gennemsnitlig bestemmelse af sammensætning under anvendelse af informationen ved aflæsning af de to åbningspar hver for sig.

30 I begge tilfælde vil fejlene mindskes, og en mere nøjagtig, samlet måling være mulig. Denne løsning med par af måleåbninger som i transduceren 140's testsektion kan også finde anvendelse på tilsvarende måde i udfø- 35 45 DK 174374 B1 relsesformerne nr. 1 til nr. 7, således at disse udførelsesformer også er i stand til at måle materialeens-artetheden.

9. udførelsesform. Den fremgangsmåde og det ap-5 parat, der er beskrevet ovenfor, kan måle et undersøgt materiales temperatur og tryk samt dets permittivitet og/eller konduktivitet. For mange applikationer, hvor en sammensætning skal bestemmes, vil en sådan kombination af målinger være tilstrækkelig til bestemmelse af 10 materialesammensætningen. I andre situationer er denne information dog ikke tilstrækkelig til fuldt ud at bestemme sammensætningen. Sammensætningen af materialeblandinger bestående af fire eller flere komponenter med hver sin dielektrisk egenskab vil ikke kunne be-15 stemmes med udførelsesformerne nr. 1 til nr. 8, selvom disse udførelsesformer dog kan bruges som meget præcise tendensindikerende monitorer. I specielle tilfælde vil sammensætningen af blandinger af blot tre komponenter ikke kunne måles nøjagtigt med disse udførelsesformer.

20 Et vigtigt eksempel herpå er blandinger af olie, vand og gas. For at udvide området af brugbare materialer og applikationer ved hvilke fremgangsmåden og apparatet ifølge opfindelsen vil kunne anvendes, skal der til det under henvisning til udførelsesformerne nr. 1 til nr. 8 25 beskrevne apparat til radiofrekvent dielektrisk måling adderes yderligere målemidler til bestemmelse af materialedensiteten. Denne udførelsesform, nemlig udførelsesformen nr. 9, vises i fig. 37. Monitoren 261 til bestemmelse af de dielektriske egenskaber og densitets-30 monitoren 263 er indkoblede i serie i en rørledning 265 gennem hvilken det undersøgte materiale 267 frit kan passere mellem de to måleapparater.

Hvad angår monitoren 261 til bestemmelse af de dielektriske egenskaber kan man anvende en hvilken som 35 46 DK 174374 B1 helst af udførelsesformerne nr. 1 til nr. 8 eller en hvilken som helst af de andre mulige udførelsesformer i henhold til opfindelsen. Densitetsmonitoren 263 kan være af vilkårlig, i handelen tilgængelig type, til må-.5 ling af densiteten af materialer, der strømmer i en rørledning. To eksempler herpå er densitometre, der anvender Coriolis-kraften, og gammastråle-densitometre. Sådanne apparater kræver en jævn sammenblanding for at give en præcis læsning på samme måde som den som die-10 lektrisk bølgeleder formede transducer. Derfor er konstruktionen af transduceren 140 lige så vigtig til at forhindre fejl i densitetsmålingen med disse apparater.

Et eksempel på relationen mellem blandingspermi-tivitet, blandingsdensitet og blandingssammensætning 15 beskrives i følgende formler. Det illustrerede eksempel gælder for blandinger af olie, vand og gas.

x = volurnenandel af komponent nr. 1 (olie), y = volumenandel af komponent nr. 2 (vand), z = volumenandel af komponent nr. 3 (gas).

20

Totalt volumenforhold: l=x+y+z (2) Målt blandingsdensitet = ax + by + cz· (3), 25 hvor a = densitet af komponent nr. 1 b = densitet af komponent nr. 2 c * densitet af komponent nr. 3 (0 for gas).

Ligning (2) forenkles til 30 Målt densitet = ax + by (4)

Bruggeman-modellen knytter den dielektriske konstant af en blanding af to komponenter til den dielek-35 DK 174374 B1 47 triske konstant af komponenterne på følgende måde: 1/3 eP* P·; = 1 - »! a e2 - F(V e · )

c . e* - epi V

.5 hvor e2 = dielektrisk konstant af blandingen af to komponenter em = dielektrisk konstant af det kontinuerte emulsionsmedium (det antages at det er 10 komponent nr. 1) epl = dielektrisk konstant af den første disper-gerede fase (det antages at det er komponent nr. 2) $2 = volumenandel af første dispergeret fase i 15 kontinuert medium (under de ovenfor givne antagelser er dette lig med y/(x+y).

Dette kan generaliseres til tre komponenter med følgende iterative løsning e3 = F(P{em,epl,e1), ep2, ffl2) 20 hvor e3 = målt dielektrisk konstant af den samlede blanding ep2 = dielektrisk konstant af anden dispergeret fase (det antages at det er komponent nr.

25 3) Φ2 = volumenandel af anden dispergeret fase (lig med z i dette tilfælde)

For den dielektriske konstant har man følgende ligning (5): ^ emeas. = F(F(ecomp^, ecomp2' y/x+y)/ ecomp3' z)*

Ud fra en måling af dielektrisk konstant og densitet kan ligningerne (2), (4) og (5) bruges til at bestemme, hvad de enkelte komponentandele er. Man har her 35 DK 174374 B1 48 anvendt Bruggeman-Hanai-relationen for at illustrere forholdet mellem dielektrisk konstant og komponent-vo-lumenandel, men andre relationer og kalibreringskurver kunne anvendes.

5 Fig. 38 illustrerer en særlig procesanalyse-al- goritme til brug med udførelsesformen nr. 8 som vist i fig. 37. Denne algoritme kan anvendes til situationer, hvor der er olie, vand og gas og hvor indholdet af fri gas ligger på under 20 volumenprocent. Hvis gasandelen 10 er på mere end 20%, må man anvende en anden algoritme.

De målte egenskaber hos blandingen er permittivitet og/ eller konduktivitet, densitet, temperatur og tryk. De variabler, der anvendes i fig. 38, er gasvolumenandel ®q, vandvolumenandel $w, olievolumenandel Φ0, den målte 15 blandingspermittivitet (eller blandingskonduktivitet) ZM, og den målte blandingsdensitet DM. Blandingens temperatur, tryk, permittivitet og densitet måles ved trin 270. Ud fra målt temperatur og tryk og prækalibrerede komponentimpedansdata, kalkuleres ZQ, zw, D0 og Dw ved 20 trin 272. ud fra disse resultater og under den antagelse at blandingen er en kontinuert vandemulsion uden gas (®G = g)' som vist ved trin 274, kalkuleres ®w og $0 ud fra ZM ved trin 276 . Ud fra disse resultater

kalkuleres densiteten D forsøgsvis ved trin 278. Hvis 25 densiteten D>DM, øges $G, og æw og Φ0 justeres indtil D = Dtø ved trin 280. Ud fra disse værdier af $q, og $G forsøges kalkuleret værdien af Z ved trin 282. Hvis Z < ZM, mindskes $w og og $G justeres indtil D = DM

ved trin 284. Herefter søges værdien Z kalkuleret igen 30 ved trin 282. De to trin 282 og 284 gentages indtil Z = ZM, hvorved processen afsluttes og således at de korrekte værdier ®w og $G fås ved trin 286. Vi vender tilbage til trin 278. Hvis den prækalkulerede 35 DK 174374 B1 49 værdi af D < DM er blandingen olie-kontinuert, hvilket betyder at antagelsen ved trin 274 ikke er korrekt. I så fald antages $G at være lig med 0, og og $G kalkuleres ud fra Dm ved trin 288. Derefter udføres trin 5 282 og hvis den prækalkulerede værdi Z > ZM, øges $w, og $q og $G justeres indtil D = ved trin 290. De to trin 282 og 290 gentages indtil Z = ZM, hvilket giver de korrekte værdier af $q, 3>w og ved trin 286.

Fig. 39 og 40 viser en transducer 150, der kom-10 binerer de tidligere under henvisning til udførelsesformerne nr. 6, 8 og 9 omtalte træk. Transduceren 150 har en testsektion 152 af udvidet diameter, som sektionen 82 i fig. 21. Bølgeledersektioner 154 i begge sider af testsektionen 152 har en mindre diameter 15 på f.eks. det halve af diameteren af testsektionen 152. Et isolerende hylster 157 af konstant diameter strækker sig gennem rørsektionerne 154 og testsektionen 152 der har større diameter. Diameterændringen mellem testsektionen 152 og rørsektionerne 154 ska-20 her et par diskontinuiteter 158. Disse diskontinuiteter 158 indeslutter det meste af den radiofrekvente energi, som indføres i testsektionen 152 via indgangsåbningerne 160, 162 og 164. En densitetsmonitor 271 er forbundet med transduceren 150 gennem bølgele-25 derrørsektionen 154. Hvis der til dette system til måling af sammensætningen også er koblet midler til måling af strømningsmængde af blandingen, vil det samlede system være i stand til at bestemme det samlede produktionsvolumen af hver enkelt komponent i en tidsperiode.

30 Fig. 41 til 43 viser blokdiagrammer over elek troniske kredsløb, der kan anvendes med transduceren 150, når denne kombineres med densitetsmåling i henhold til udførelsesformen nr. 9. De i fig. 38 til 40 viste 35 DK 174374 B1 50 elektroniske kredsløb kan også anvendes, hvis der i stedet for en af udførelsesformerne nr. 4, 5 og 7 anvendes udførelsesformen nr. 6 som vist i fig. 32 og 33.

Med passende modifikationer for yderligere sendeåbnin-•5 ger og frekvenskilder i overensstemmelse med den grundudformning af elektronikken, der er vist i fig. 16 og 17 for anvendelse af udførelsesformerne nr. 1 til 3, kunne disse elektroniske kredsløb også anvendes i udførelsesformerne nr. 1 til 3. For sagkyndige er sådanne *0 modifikationer nærliggende.

Fig. 41 viser et elektronisk kredsløb 200 til brug med transduceren 150 med henblik på skabelse af en komplet monitor, der er i stand til at overvåge sammensætningen af en strøm af tre komponenter, såsom olie, vand og gas, ved brøndhovedet. Som i fig. 25 forbinder en bidirektionel bus 206 en digital processor 202 med en generator 204 for digitalt syntetiseret signal. En udgangslinie 208 afgiver over linier 210, 212 og 214 radiofrekvente signaler til indgangene 20 160, 162 og 164 til transduceren 150. En effektdeler 180 fordeler de radiofrekvente signaler over linierne 210 til 214. En retningskobler 220 forbinder linien 210 med linier 216 og 218, via dioder henholdsvis 224 og 226, for at overføre ankommende radiofrekvent 2 ζ effekt til indgangen ^ og reflekteret radiofrekvent effekt til indgangen Rj, svarende til den effekt, der føres til og modtages fra transduceren 150, til en A/D-konverter 222. En retningskobler 232 forbinder linien 212 med linier 228 og 230, via dioder 234 og ^ 236, for at overføre ankommende radiofrekvent effekt til indgangen I2 og reflekteret radiofrekvent effekt til indgangen R2, svarende til den effekt, der føres til og modtages fra transduceren 150, til A/D-konver- 35 DK 174374 B1 51 teren 222. Linier 238 og 240 er koblet til linien 214 ved punktet 242 for via dioder 244 og 246 at levere ankommende radiofrekvent effekt til Indgangen I3 og reflekteret radiofrekvent effekt til indgangen 5 r3, svarende til den effekt, der føres til og modtages fra transduceren 150, til A/D-konverteren 222. Linier 248, 250 og 252 med tilhørende dioder 273, 275 og 277, forbinder udgangene 166, 168 og 170 på transduceren 150 med indgangene T1# T2 og T3 for de tre 10 radiofrekvente signaler til A/D-konverteren 222. Linier 254 og 256 indkobler henholdsvis en temperatursensor 172 og em tryksensor 174 med henblik på til A/D-konverteren 222 at overføre signaler svarende til fluidstrømmens temperatur og tryk. En linie 258 over-15 fører fra densitetstransduceren 176 til A/D-konverteren 222 et signal, der angiver fluidstrømdensiteten.

Brugen af en digitalt styret præcisionssignalgenerator 204 i det i fig. 41 viste system giver et meget præcist, men forholdsvis langsomt reagerende sy-20 stem til overvågning af et multikomponentmateriale. Det i fig. 41 viste system er særlig velegnet til applikationer, hvor overvågningsnøjagtigheden er et primært krav for materialer med et bredt område af elektriske egenskaber.

25 Fig. 42 viser en enklere version af det elektro niske kredsløb 200. Det elektroniske kredsløb 260 indbefatter en digital processor 262, som en bus 266 forbinder med en kilde 264 for digitalt syntetiseret signal. Signalgeneratoren 264 er forbundet med trans-30 duceren 150 ved hjælp af udgangslinien 268 for radiofrekvent signal via en tre-vejs effektdeler 269. Detektordioder 270, 272 og 274 forbinder transduceren 150 med A/D-konverteren 280's indgange Ti, T2 og T3 35 DK 174374 B1 52 for udsendt effekt. Linier 292 og 294 forsyner A/D-konverteren 280 med indgangssignaler, der angiver temperaturen og trykket. En bidirektionel bus 296 forbinder A/D-konverteren 280 med processoren 262.

5 Her foretages der ikke måling af indfaldende energi og reflekteret energi. Det er kun den udsendte energi, der måles. Denne version vil være bedst egnet til overvågning af fluida, der nesten ikke udviser tab, og hvor fluidsammensætningen ikke varierer over et bredt område 10 og hvor omkostningerne er en afgørende faktor. To sådanne applikationer er fiskal overvågning af rørledning for kvalitetsbrændsel, og overvågning af dampkvalitet.

Fig. 43 viser endnu en udførelsesform for elektronisk kredsløb 300 til brug med sammensætningsmoni-15 toren 150. En digital bus 304 forbinder en digital processor 302 med en D/A-konverter 306 og en frekvenstæller 308. Linien 310 forbinder D/A-konverte-ren 306 med en strømkilde 309. En linie 312 forbinder strømkilden 309 med en radiofrekvensoscillator 20 314 med skanderingsfrekvensområde fra 0,1 til 2 GHz.

Ledningen 316 fra oscillatoren 314 overfører signalet til en tovejs-effektdeler 281. Ledningen 318 overfører signalet fra effektdeleren 281 til en tre vejs-effektdeler 283, medens ledningen 320 fører til 25 en blandingskreds 322. Linier 285, 287 og 289 forbinder tre-vejs effektdeleren med sammensætningsmonitoren 150. En kobler 326 forbinder linien 320 med frekvenstælleren 308. Frekvenstælleren 308 skaber en tilbagekoblingssløjfe til kompensering for drift hos 30 oscillatoren 314. En linie 330 forbinder en ovnstyret, stabiliseret 30 MHz oscillator 328 med blandingskredsen 322. Blandingskredsen 322 er indkoblet via en forstærker 332 med båndbredde på 0,1 GHz, 35 DK 174374 B1 53 +10-15 dB, linien 300, en tre-vejs effektdeler 291 og linier 334 til 338 til blandingskredse 340 til 344. Udgangslinier 346 til 350 fra monitoren 150 er forbundet med blandingskredsene 340 til 344. udgangene 5 352 til 356 på blandingskredsene 340 til 344 er for bundet med AGC-styrede, 30 MHz mellemfrekvensforstærkere 364 til 368 gennem tilhørende 30 MHz båndpasfiltre 358 til 362. Detektordioder 376 forbinder udgangene 370 til 374 på forstærkerne 364 til 368 med en A/D-10 konverter 378. De øvrige forbindelser mellem indgangene til monitoren 150, monitoren 150, A/D-konverteren 378 og den digitale processor 302 er de samme som i det i fig. 41 viste kredsløb, og de behøver derfor ikke at omtales nærmere her. Bortset fra hvad der her er 15 vist og beskrevet er konstruktionen og operationen af udførelsesformen i fig. 43 de samme som for udførelsesformen ifølge fig. 41.

Det i fig. 4 3 viste system har kortere respons og er billigere end det i fig. 41 viste system, fordi 20 det ikke bruger en bredbåndet, digitalt styret præcisionssignalgenerator. Systemet ifølge fig. 43 er derfor nyttigt til generelle monitoreringsapplikationer, hvor der ikke er behov for den høje nøjagtighed, som man opnår med det i fig. 41 viste system.

25 Applikation af sammensætninqsmonitorerinqs-tek- nologi til målinger af strømninqsmænqde.

Fremgangsmåden og apparatet i henhold til den opfindelse, der hidtil er beskrevet og er vist i udførelsesformerne nr. 1 til 9, har til formål at give en 30 nøjagtig måling af materialers dielektriske egenskaber.

På grund af den fysisk åbne struktur, som opfindelsen muliggør, er apparatet ifølge opfindelsen særlig velegnet til måling af- materialer og blandinger, som er i 35 DK 174374 B1 54 bevægelse, dvs. strømmer igennem måleapparatet. Den præcision og den hastighed, hvormed dielektriske målinger kan foretages, gør det muligt at konfigurere de forskellige udførelseformer for opfindelsen på en sådan .5 måde, at man kan måle strømningsmængden af materiale, der føres igennem apparatet. Der er to måder at gøre dette på.

10. udførelsesform. I en udførelsesform for strømningsmængdemålesystemet som vist i fig. 44 er to 10 sammensætningsmonitoreringsapparater 301 og 303 forbundet med hinanden over et rør 305 af kendt længde. Udgangssignalet fra disse to apparater udsættes for tidsmæssig krydskorrelation med henblik på måling af strømningsmængden af procesmateriale. Med andre ord må-15 les tidsforskellen for at en given portion af materiale kan overføres fra den ene monitor 301 til den anden monitor 303. Denne tidsforskel og afstanden mellem de to monitorer giver mulighed for direkte at bestemme strømningsmængden af materiale igennem systemet. Den 20 givne sammensætningsmonitor, der nu benyttes i denne udførelsesform, kan være af en hvilken som helst art indenfor opfindelsens ramme.

Da krydskorrelationsteknikken for måling af strømningsmængden ikke er noget nyt, skal den ikke be-25 skrives nærmere her. Det er dog vigtigt at bemærke, at denne teknik kun fungerer, hvis det materiale man måler, på markant måde ændrer sine dielektriske egenskaber langs processtrømlinien. Den fungerer faktisk bedst, når der er øjeblikkelige ændringer såsom den der 30 opstår under såkaldte "slug flow conditions". Hvis det materiale man måler er jævnt sammenblandet og ikke ændrer sine dielektriske egenskaber meget pludseligt, hvilket sædvanligvis er tilfældet, vil denne krydskor- 35 DK 174374 B1 55 relationsteknik ikke fungere. Udgangssignalerne fra monitorerne 301 og 301 vil i så fald altid være praktisk taget identiske.

11. udførelsesform. En mere generel, nyttig tek-5 nik til måling af strømningsmængden af en processtrøm under anvendelse af apparatet ifølge opfindelsen til dielektrisk måling af materialet illustreres i fig. 45.

X denne udførelsesform er en materialeindsprøjtningsport eller -ventil 311 indkoblet opstrøms for sammen-10 sætningsmonitoren 313 ved hjælp af et rør 315. Afstanden mellem ventilen 311 og monitoren 315 er fast og kendt. Indsprøjtningsporten 311 bruges til i processtrømmen 319 at indsprøjte et materiale 317, der vil ændre de dielektriske egenskaber i strømmen 15 319, som måles med monitoren 313. Til måling af strøm ningsmængde bruges indsprøjtningsporten 311 til på tidspunktet tj_ at indsprøjte i strømmen 319 en lille mængde materiale 317. Materialet 317 skal have væsentligt andre dielektriske egenskaber end selve god-20 set. Medens det tilsatte materiale 317 passerer igennem monitoren 313, ændres monitoren 313's udgangssignal pludseligt, hvilket angiver materialets passage.

Når dette sker, noteres tidspunktet t2. Ved at dele afstanden mellem indsprøjtningsporten 311 og monito-25 ren 313 med tidsforskellen t2 - får man strømningsmængden for processtrømmen. Den givne sammensætningsmonitor, der anvendes i denne udførelsesform, kan være at vilkårlig art indenfor opfindelsens ramme.

Et eksempel på, hvordan denne metode til bestem-30 melse af strømningsmængde kan anvendes, er det tilfælde, hvor der skal foretages overvågning af olie, vand og gas. Hvis der til en blanding af olie, vand og gas tilsættes saltvand, vokser blandingens permittivitet og 35 DK 174374 B1 56 konduktivitet, stigningen kan nemt måles med apparatet ifølge opfindelsen til dielektrisk måling. De mere traditionelle metoder til måling af strømningsmængde af olie, vand og gas, f.eks. turbinemeter, positiv displa-.5 cementmeter og venturimeter fejler, fordi fluidet er 2-faset (væske/gas). Derfor har den her beskrevne metode til måling af strømningsmængde signifikant værdi.

Af det foregående fremgår det nu klart for sagkyndige, at der er skabt en fremgangsmåde og et apparat 10 til overvågning af sammensætning af materialer og multikomponentblandinger, hvormed de tidligere nævnte formål med opfindelsen er opfyldt. Fremgangsmåden og apparatet ifølge opfindelsen muliggør præcis måling af de dielektriske egenskaber af praktisk taget et hvilket 15 som helst materiale eller en blanding heraf, indbefattende faststoffer, væsker eller gasser eller blandinger af faststoffer/gasser, faststoffer/væsker, væsker/gas-ser, væsker/væsker eller faststoffer/væsker/gasser. Opfindelsen kan anvendes til at måle enkeltstykker af 20 testmateriale, batches eller kontinuert strømmende materiale. Fremgangsmåden og apparatet ifølge opfindelsen kan anvendes til at måle sammensætning af materialer, hvor de dielektriske egenskaber kan relateres til materialesammensætningen. Når dette ikke er tilfældet, 25 kan apparatet stadigvæk bruges som tendensgivende monitor.

30 35

Claims (59)

1. Monitor til overvågning af en sammensætning af flere komponenter, omfattende en transducer {135,135A,135C,40,60,80,410,261, 5 150,301,313), der har en elektrisk ledende væg, som udgør et hus med fysisk åbne ender for indføring af sammensætningen, hvilken transducer indbefatter en målesektion (141,45,64,82,245,152) med en første ende og en anden ende, 10 mindst et kobleled (137,137A,137C,46,70,86,142, 160,162,164) til udsendelse af elektromagnetiske bølger, og et over for huset anbragt kobleled (137B, 139C, 47,72,144,166,168,170) til modtagelse af elektromag-15 netiske bølger, og hvor sendekobleleddet er placeret et første sted på målesektionen for at skabe elektromagnetiske bølger i huset, og modtagekobleleddet er placeret et andet sted på målesektionen for at modtage elektro-20 magnetiske bølger fra huset, kendetegnet ved, at transduceren desuden indbefatter en impedans-sektion (145,44,68,84,241,243,154) ved nævnte første ende og nævnte anden ende af målesektionen, idet hver 25 impedanssektion har en anden impedans end målesektionen, et kredsløb, hvori ' transduceren indbefatter mindst én elektrisk bane i dette kredsløb, og midler til frembringelse af et maksimumoutput 30 eller minimumoutput fra kredsløbet ved induktion af et elektromagnetisk interferensmønster, hvilket maksimum- eller minimumoutput tjener til at karakterisere de relative proportioner af komponenterne i sammensætningen .

2. Monitor ifølge krav 1, kendeteg net ved, at målesektionen har en perimeter, som ikke falder sammen med en perimeter af impedanssektionen . DK 174374 B1

3. Monitor ifølge krav 2, kendetegnet ved, at målesektionen har en anden størrelse end impedanssektionen.

4. Monitor ifølge krav 2 eller 3, kende-5 tegnet ved, at målesektionen ahr en anden facon end impedanssektionen.

5. Monitor ifølge krav 2, 3 eller 4, ken detegnet ved, at målesektionen har et andet geometrisk arrangement end impedanssektionen.

6. Monitor ifølge et af kravene 2 til 5, kendetegnet ved, at målesektionen har en anden diameter end impedanssektionen.

7. Monitor ifølge krav 6, kendeteg net ved, at målesektionen har større diameter end 15 impedanssektionen.

8. Monitor ifølge krav 6, kendeteg net ved, at målesektionen har mindre diameter end impedanssektionen.

9. Monitor ifølge krav 1, kendeteg- 20. e t ved, at impedanssektionen (184,247) til afslutning af målesektionen omfatter mindst en fysisk diskontinuitet i den elektrisk ledende væg.

10. Monitor ifølge krav 9, kendeteg net ved, at hver fysisk diskontinuitet i den elek- 25 trisk ledende væg omfatter mindst et stykke af den elektrisk ledende væg med større diameter end resten af den elektrisk ledende væg.

11. Monitor ifølge krav 9 eller 10, ken detegnet ved, at hver fysisk diskontinuitet 30 ligger i det væsentlige i et plan på tværs af en længdedimension af huset.

12. Monitor ifølge krav 1, kendeteg net ved, at impedanssektionen omfatter et hylster af isolerende materiale anbragt på en indvendig over- 35 flade af den elektrisk ledende væg, hvilket hylster af isolerende materiale, har et første område (66) af et første isolerende materiale tilgrænsende sende- og modtagekobleleddene, hvilket hylster af elektrisk DK 174374 B1 isolerende materiale har andre områder (68) af et andet isolerende materiale, idet et sådant andet område er forbundet til det første område på hver side af sende- og modtagekobleleddene, idet det andet isole-5 rende materiale har en dielektrisk konstant, som er væsentligt forskellig fra det første isolerende materiale .

13. Monitor ifølge krav 1, kendetegnet ved, at impedanssektionen omfatter områder 10 (44) af den elektrisk ledende væg anbragt på hver side af målesektionen, hvor målesektionen (45) har en grænsefrekvens, som er forskellig fra en grænsefrekvens af impedanssektionen.

14. Monitor ifølge krav 13, kendeteg- 15. e t ved at indbefatte et isolerende hylster (59) , der strækker sig gennem det første og andet område af den elektrisk ledende væg.

15. Monitor ifølge krav 1, kendetegnet ved, at impedanssektionen omfatter en reaktiv 20 bølgeleder-belastningssektion (241,243) forbundet til den første og anden ende af målesektionen, hvilke reaktive bølgeleder-belastningssektioner er generelt parallelle med en længdedimension af målesektionen og segmenteret af en flerhed af metal flader.

16. Monitor ifølge krav 1, kendeteg net ved, at impedanssektionen omfatter en tabsgivende belastningssektion (145) forbundet til den første og anden ende af målesektionen.

17. Monitor ifølge krav 16, kendeteg- 30. e t ved at omfatte et i det væsentlige tabsfrit bølgeledermateriale (14 5) anbragt på hver side af to ender af målesektionen.

18. Monitor ifølge krav 17, kendetegnet ved, at det tabsfrie og tabsgivende bølgemate- 35 riale er indrettet til at isolere målesektionen af transduceren elektrisk.

19. Monitor ifølge krav 1, 16, 17 eller 18, kendetegnet ved, at det mindst ene sende- DK 174374 B1 kobleled omfatter mindst et første sendekobleled (137) og et andet sendekobleled (137), hvor modtage-kobleleddet (139) er anbragt i en anden afstand fra det første sendekobleled end fra det andet sende-5 kobleled.

20. Monitor ifølge et af de foregående krav, kendetegnet ved, at det mindst ene sendekobleled omfatter en flerhed af sendeåbninger (142,160,162,164) for udsendelse af elektromagnetiske 10 bølger, og det mindst ene modtagekobleled omfatter en flerhed af modtageåbninger (144,166,168,170) for modtagelse af elektromagnetiske bølger, hvilke sende- og modtageåbninger er anbragt omkring den elektrisk ledende væg.

21. Monitor ifølge et af de foregående krav, kendetegnet ved at indbefatte uden for målesektionen anbragte midler (3,165,201) til at dele indgangssignalet til målesektionen i første og anden signaldel, hvor kredsløbet omfatter en brokobling til 20 afbalancering af første og anden signaldel, hvilke midler til at dele indgangssignalet er forbundet til at overføre i det mindste den første signaldel gennem målesektionen, og hvilke midler til frembringelse af et minimum- eller maksimumoutput fra kredsløbet er 25 forbundet til at modtage den anden signaldel for at afstemme kredsløbet til at frembringe maksimummet eller minimummet.

22. Monitor ifølge krav 21, kendetegnet ved, at kredsløbet er konfigureret til at 30 overføre første og anden signaldel gennem målesektionen, og til at overføre den anden signaldel, men ikke den første signaldel gennem midlerne (153,149,211, 123,231,153,149) til frembringelse af et minimum- eller maksimumoutput.

23. Monitor ifølge krav 21, 22, eller 23, kendetegnet ved at indbefatte en variabel frekvensgenerator (2,199) forbundet til at tilvejebringe indgangssignalet til signaldelemidlerne. DK 174374 B1

24. Monitor ifølge krav 21, 22 eller 23, kendetegnet ved at indbefatte en faseregulator (153,211) forbundet til at regulere fasen af den anden signaldel.

25. Monitor ifølge et af kravene 21 til 24, kendetegnet ved at indbefatte en variabel modstand (RT,22,R3,149) forbundet til at regulere dæmpning af det andet signal.

26. Monitor ifølge krav 21, kendeteg-10 n e t ved, at midlerne til at frembringe et minimumoutput fra brokoblingen indbefatter midler til at regulere en transmissionsegenskab af den anden signal-del med henblik på dannelse af et udgangssignal lig med nul.

27. Monitor ifølge krav 26, kendeteg net ved, at midlerne til at regulere en transmissionsegenskab af den anden signaldel indbefatter midler (153,211) til faseregulering af den anden signal-del.

28. Monitor ifølge krav 26 eller 27, ken detegnet ved, at midlerne til regulering af en transmissionsegenskab af den anden signaldel indbefatter midler til regulering af dæmpning (RT,22,R3,149) af den anden signaldel.

29. Monitor ifølge krav 26, 27 eller 28, kendetegnet ved at omfatte midler forbundet til det mindst ene sendekobleled til at variere frekvensen af de elektromagnetiske bølger.

30. Monitor ifølge krav et af kravene 21-29, 30 kendetegnet ved, at midlerne til at frembringe et minimumoutput fra brokoblingen indbefatter midler (201) til at opnå en transmissionsfasedifferens på 180° mellem første og anden signaldel.

31. Monitor ifølge et af kravene 1-20, ken-35 detegnet ved, at kredsløbet udgør en brokobling, og tranduceren omfatter to elektriske baner i brokoblingen.

32. Monitor ifølge krav 31, kendeteg- DK 174374 B1 net ved at omfatte uden for transduceren anbragte justerbare brokoblingskredsløbselementer.

33. Monitor ifølge krav 32, kendetegnet ved, at de justerbare kredsløbselementer ind- 5 befatter en variabel dæmpningskreds (Ril, 11, R3, 149) .

34. Monitor ifølge krav 32 eller 33, kendetegnet ved, at de justerbare kredsløbselementer indbefatter en variabel faseomskifter (153, 10 211).

35. Monitor ifølge et af de foregående krav, kendetegnet ved at indbefatte en densitetsmonitor (2, 36, 176) forbundet til transduceren ved et sted i afstand fra målesektionen til at måle 15 densiteten af sammensætningen.

36. Monitor ifølge krav 35, kendetegnet ved, at nævnte minimum- eller maksimumoutput og densiteten tjener til at karakterisere forholdet af komponentmaterialer i sammensætningen.

37. Monitor ifølge krav 35 eller 36, ken detegnet ved at indbefatte midler (222) forbundet til densitetsmonitoren til sammenligning af den målte densitet med en beregnet densitet af sammensætningen.

38. Monitor ifølge et af de foregående krav, kendetegnet ved, at huset omfatter en passage indrettet til at lade sammensætningen strømme derigennem.

39. Monitor ifølge krav 38, kendeteg- 30. e t ved at indbefatte midler (303, 311) forbundet til passagen til at bestemme en gennemstrømningshastighed af sammensætningen derigennem.

40. Monitor ifølge et af de foregående krav, kendetegnet ved at nævnte sende- og modta- 35 gekobleled er anbragt i den elektrisk ledende væg.

41. Monitor (301) ifølge krav 38, kendetegnet ved at være monteret ved et første sted på en ledning til at lade sammensætningen strømme DK 174374 B1 derigennem i kombination med en anden monitor (303) ifølge krav 38, som er monteret ved et andet sted på ledningen ved en afstand fra det første sted, og hvor nævnte første og andet monitor i kombination udgør 5 midler til bestemmelse af gennemstrømningshastigheden af sammensætningen gennem ledningen, yderligere indbefattende midler forbundet til nævnte første og anden monitor til at krydskorrelere outputsignaler fra nævnte første og anden sammensætningsmonitor til at 10 bestemme en tid, det tager for en portion af sammensætningen at bevæge sig fra det første sted til det andet sted.

42. Monitor ifølge krav 39, kendetegnet ved, at midlerne forbundet til passagen omfat- 15 ter en materialeindsprøjtningsåbning (311) monteret på en ledning ved en kendt afstand opstrøms fra en monitoreringsdel (313) af monitoren, som også er monteret på ledningen, hvor monitoreringsdelen og materialeindsprøjtningsåbningen i kombination er indret-20 tet til at bestemme gennemstrømningshastigheden af sammensætningen gennem passagen, hvilken monitor yderligere indbefatter midler til at måle en tid, det tager for materiale indsprøjtet ved materialeindsprøjtningsåbningen at bevæge sig til monitorerings-25 delen.

43. Fremgangsmåde til måling af sammensætningen af multikomponentblandinger indbefattende de trin, at: (1) tilvejebringe mindst ét sendekobleled (137, 30 137A, 137C, 461, 70, 86, 142, 160, 162, 164), der Udsender elektromagnetiske bølger i afstand fra et mo-tagekobleled (137B, 139C, 47, 72, 88, 144, 166, 168, 170) ; (2) udsende elektromagnetiske bølger ind i 35 blandingen; og (3) modtage de udsendte elektromagnetiske bølger ved modtagekobleleddet: kendetegnet ved, at DK 174374 B1 (4) generere et inteferensmønster af de elektromagnetiske bølger i blandingen; (5) variere frekvensen af de elektromagnetiske bølger; og 5 (6) observere frekvenser, ved hvilke maksimum eller minimum for udsendt energi modtages.

44. Fremgangsmåde ifølge krav 43, kendetegnet ved at indbefatte det trin, at måle densiteten af multikomponentblandingen.

45. Fremgangsmåde ifølge krav 43, kende tegnet ved at indbefatte de trin, at: (7) måle temperaturen og trykket af multikomponentblandingen; (8) generere en målt permittivitet af multikom-15 ponentblandingen fra de observerede maksimum eller minimumsfrekvenser; (9) generere en målt densitet af multikomponentblandingen ; (10) sætte en første variabel, der angår et vo-20 lumetrisk forhold af en første komponent af blandingen til nul; (11) beregne et volumetrisk forhold for hver resterende komponent af blandingen ud over den første komponent fra den målte permittivitet af multikompo- 25 nentblandingen; (12) beregne intensitet af multikomponentblandingen fra de beregnede volumetriske forhold af de resterende komponenter af blandingen; (13) sammenligne den beregnede densitet af 30 blandingen med den målte densitet af blandingen; (14) hvis den beregnede densitet ikke er større end den målte densitet af blandingen, så fortsætter man til trin (17); (15) hvis den beregnede densitet er større end 35 den målte densitet af blandingen, tilbagesætte den første variabel til en ny værdi og genberegne de volumetriske forhold af de resterende komponenter baseret på den tilbagestillede første variabel; DK 174374 B1 (16) gentage trin (15), indtil den beregnede densitet af blandingen er lig med den målte densitet af blandingen og dernæst fortsætte til trin (19): (17) hvis den beregnede densitet er mindre end 5 den målte densitet, at sætte en anden variabel, der angår et volumetrisk forhold af en komponent af blandingen med den laveste densitet til nul; og hvis den beregnede densitet ikke er mindre end den målte densitet, så at fortsætte til trin (19); 10 (18) genberegne volumetriske forhold af andre komponenter i blandingen ud over den komponent med den laveste densitet baseret på den målte densitet, indbefattende at beregne en tredje variabel, der angår en komponent med en højeste permittivitetsværdi; 15 (19) beregne permittiviteten af blandingen ba seret på de volumetriske forhold af komponenterne af blandingen, hvor de volumetriske forhold anvendt til at beregne permittiviteten er de tilbagestillede og genberegnede forhold, hvis sådan tilbagestilling el- 20 ler genberegning har fundet sted; (20) sammenligne den beregnede permittivitet af blandingen med den målte permittivitet af blandingen; (21) hvis den beregnede permittivitet er større end den målte permittivitet, at reducere den tredje 25 variabel, og hvis den beregnede permittivitet er mindre end den målte permittivitet, at forøge den tredje variabel og genberegne de volumetriske forhold af de resterende komponenter i blandingen ud over den komponent med den højeste permitivitet baseret på den 30 tilbagestillede tredje variabel, således at den beregnede densitet er opretholdt lig med den målte densitet ? (22) gentag trin (21), indtil den beregnede permittivitet er lig med den målte permittivitet til 35 at give de komponentvolumetriske forhold af blandingen.

46. Fremgangsmåde ifølge krav 45, kende -tegnet ved, at den første komponent af blandin- DK 174374 B1 gen er en gas.

47. Fremgangsmåde ifølge krav 45, kende -tegnet ved, at den første komponent og den komponent med den laveste densitet er den samme kompo- 5 nent.

48. Fremgangsmåde ifølge krav 43, kendetegnet ved at indbefatte de trin, at: (1) måle temperatur, tryk og permi tt ivitet af blandingen; 10 (2) generere en målt permittivitet og en målt densitet af multikomponentblandingen; (3) sætte en første variabel, der angår et vo-lumetrisk forhold af en af komponenterne af blandingen til nul; 15 (4) beregne et volumetrisk forhold for hver re sterende komponent ud over den første komponent af blandingen fra den målte permittivitet af multikomponentblandingen ; (5) beregne en densitet af multikomponentblan-20 dingen fra de beregnede volumetriske forhold af de resterende komponenter af blandingen; (6) sammenligne den beregnede densitet af blandingen med den målte densitet af blandingen; (6.1) hvis den beregnede densitet ikke er stør-25 re end den målte densitet, så fortsættes til trin 9; (7) Hvis den beregnede densitet er større end den målte densitet, at tilbagestille den første variabel til en ny værdi og genberegne de volumetriske forhold af de resterende komponenter baseret på den 30 tilbagestillede første variabel; (8) Gentag trin (7) , indtil den beregnede densitet af blandingen er lig med den målte densitet af blandingen, og dernæst forsætte til trin (12); (9) Hvis den beregnede densitet er mindre end 35 den målte densitet, at sætte en anden variabel med relation til et volumetrisk forhold af en komponent af blandingen med en laveste densitet til nul; og hvis den beregnede densitet ikke er mindre end den DK 174374 B1 målte densitet, så fortsætte til trin (11); (10) Genberegne volumetriske forhold af andre komponenter i blandingen ud over komponenten med den laveste densitet baseret på den målte densitet, ind- 5 befattende at beregne en tredje variabel, der angår et volumetrisk forhold af en komponent med en højeste permittivitetsværdi; (11) Genberegne permittiviteten af blandingen baseret på de volumetriske forhold af komponenterne 10 af blandingen, hvor de volumetriske forhold, der anvendes ved beregning af permittiviteten, er tilbage-stillede og genberegnede forhold, hvis sådan tilbagestilling og genberegning er blevet udført; (12) Sammenligne den beregnede permittivitet af 15 blandingen med den målte permittivitet af blandingen; (13) Hvis den beregnede permittivitet er større end den målte permittivitet, at formindske den tredje variabel, og hvis den beregnede permittivitet er mindre enhed end den målte permittivitet, at forøge den 20 tredje variabel og genberegne de volumetriske forhold af de resterende komponenter i blandingen ud over den komponent med den højeste permittivitet, baseret på den tilbagestillede tredje variabel, således at den beregnede densitet opretholdes lig med den målte den- 25 sitet; og (14) Gentag trin (13), indtil den beregnede permittivitet er lig med den målte permittivitet til at give de volumetriske forhold af komponenter af blandingen.

49. Fremgangsmåde ifølge krav 48, i hvilken den første komponent af blandingen er en gas.

50. Fremgangsmåde ifølge et af kravene 43-49, kendetegnet ved, at de elektromagnetiske bølger udsendes og modtages ved en flerhed af punkter 35 omkring en målesektion, der omslutter blandingen.

51. Fremgangsmåde ifølge et af kravene 43-50, kendetegnet ved at indbefatte det trin at lade blandingen strømme forbi sendekobleleddet og DK 174374 B1 modtagekobleleddet.

52. Fremgangsmåde ifølge et af kravene 43-51, kendetegnet ved at indbefatte at isolere sende- og modtagekobleleddene med en belastning på 5 hver side af sendekobleleddene fjernt fra modtage-kobleleddet.

53. Fremgangsmåde ifølge krav 52, kendetegnet ved, at belastningen omfatter en reaktiv belastning.

54. Fremgangsmåde ifølge krav 52, kendetegnet ved, at belastningen omfatter en re sistiv belastning.

55. Fremgangsmåde ifølge et af kravene 43-54, kendetegnet ved at indbefatte dets trin at 15 bestemme strømningshastigheden af multikomponentblandingen.

56. Fremgangsmåde ifølge krav 55, kendetegnet ved, at trin (1) til (6) , som angivet i krav 43, udføres ved et første sted ved et første 20 tidspunkt og omfatter en første sammensætningsmåling, og hvor det strømningshastighedsbestemmende trin indbefatter de trin, at: generere en anden sammensætningsmåling ved at måle sammensætningen af multikomponentblandingen ifølge krav 43 ved et andet tids- 25 punkt ved et andet sted i afstand fra det første sted og krydskorrelere den første og anden sammensætnings-måling.

57. Fremgangsmåde ifølge krav 55, kendetegnet ved, at trinnene (1) til (6) , som angi- 30 vet i krav 43, udføres ved et første sted, og det strømningshastighedsbestemmende trin indbefatter de trin, at: indsprøjte et materiale i multikomponent- blandingen ved et andet sted i en kendt afstand fra det første sted; og bestemme strømningshastigheden 35 fra transporttiden af det indsprøjtede materiale fra det andet sted til det første sted.

58. Flowmeter til at måle strømningshastighed af en sammensætning, der strømmer i et rør, indbefat- DK 174374 B1 tende: en første monitor (301) ifølge et af kravene 1-38 anbragt ved et første sted på røret og en anden monitor (303) ifølge et af kravene 1-38 anbragt ved et andet sted på røret; og midler til at krydskorre-5 lere første og anden værdier, detekteret af den første og anden monitor til bestemmelse af den tid, det tager for en given mængde af sammensætningen at bevæge sig fra den første monitor til den anden monitor.

59. Flowmeter til at måle strømningshastigheden 10 af en sammensætning, der strømmer i et rør, indbefattende: midler (311) forbundet til røret ved et første sted til at indsprøjte et materiale ind i røret, hvilket materiale har mindst en elektrisk egenskab med en værdi forskellig fra en værdi af den samme 15 elektriske egenskab for sammensætningen; en monitor (313) ifølge et af kravene 1-38 anbragt ved et andet sted på røret til at måle værdier af den elektriske egenskab af det indsprøjtede materiale og af sammensætningen; og midler til at generere værdier af nævn-20 te egenskab, når de først er detekteret af monitoren til at detektere ændringer i nævnte værdier for at beregne den tid, det tager for det indsprøjtede materiale at strømme fra det første sted til det andet sted. 25