EP3535562A1 - Mikrowellenmessanordnung zur bestimmung der beladung einer zweiphasenströmung - Google Patents

Mikrowellenmessanordnung zur bestimmung der beladung einer zweiphasenströmung

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Publication number
EP3535562A1
EP3535562A1 EP17808750.8A EP17808750A EP3535562A1 EP 3535562 A1 EP3535562 A1 EP 3535562A1 EP 17808750 A EP17808750 A EP 17808750A EP 3535562 A1 EP3535562 A1 EP 3535562A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
pipe
electrically conductive
channel system
field
cross
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP17808750.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Hans Georg Conrads
Christian Dippner
Theodoros Tsifotidis
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Promecon Process Measurement Control GmbH
Original Assignee
Promecon Process Measurement Control GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Promecon Process Measurement Control GmbH filed Critical Promecon Process Measurement Control GmbH
Publication of EP3535562A1 publication Critical patent/EP3535562A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/06—Investigating concentration of particle suspensions
    • G01N15/0656—Investigating concentration of particle suspensions using electric, e.g. electrostatic methods or magnetic methods
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/66—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
    • G01F1/662—Constructional details
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/74—Devices for measuring flow of a fluid or flow of a fluent solid material in suspension in another fluid
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/704—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow using marked regions or existing inhomogeneities within the fluid stream, e.g. statistically occurring variations in a fluid parameter
    • G01F1/708—Measuring the time taken to traverse a fixed distance

Definitions

  • Microwave measuring arrangement for determining the loading of a two-phase ⁇ flow
  • the invention relates to a microwave measuring arrangement for determining the Bela ⁇ tion of a two-phase flow with gaseous carrier medium in a Rohroder channel system with small and smallest solids and / or diesstechnikssparti ⁇ angles.
  • a preferred field of application of the invention is the determination of the loading of a gas stream with solid particles in large-volume pneumatic solid transport systems, for example the loading of a stream of air with ground coal in a pipe or duct system of a coal power plant.
  • microwaves of a predetermined frequency or a predetermined frequency range are coupled into an electrically conductive section of the pipe or channel system prepared as a measuring section, and at the end of the measuring section a change of parameters of the microwaves, for example the frequency, is evaluated .
  • the frequency of the waveguide fundamental wave or a frequency range around the waveguide fundamental wave is preferably used in order to avoid unnecessarily complicating the evaluation or to minimize interference.
  • the predetermined frequency or the predetermined frequency range of the coupled-in microwave is thus dependent on the geometric dimensions of the measuring path.
  • the physical background of the measurement principle is the fact that the Dielektri ⁇ optoelectronic sensor works of the laden with solid particles gaseous carrier medium is dependent upon the amount of performed in a gaseous carrier medium solid particles and microwaves in dependence of the dielectric constant of the medium in which they propagate, a change of its parameters , eg their resonance frequency, their amplitude, their phase.
  • DE 44 26280 A1 describes a method for determining the loading of a gas stream with solids fractions, in particular for controlling the firing of a boiler with coal dust in a coal power plant, in which the measurement of the absorption of electromagnetic waves along a measuring gas line carrying the laden gas stream the solid content is closed in the gas stream.
  • DE 33 17 215 A1 discloses a method for the quantitative determination of sample particles, in which the sample particles are brought into the electromagnetic field generated by a microwave generator, wherein at least the change of a parameter of the electromagnetic field is measured and from the measured change to the amount of Sample particles is closed.
  • the solutions described above have found little input into practice due to a high susceptibility coupled with a low accuracy of measurement.
  • the reason for the high susceptibility to interference and low measurement accuracy is in interference, the reflected light from the pipe or channel system, resulting in the measured distance ⁇ penetrating microwaves.
  • the coupled-in microwaves in the pipe or channel system such as in a waveguide, are conducted over long distances and reflected and / or diffracted at constrictions, branches, bends or ends. It comes to the superposition of back and forth running waves and thus hardly analyzable measurement signals or significant falsification of the measurement results.
  • EP 0 669 522 A2 describes a device and a method for measuring a powder mass flow in a powder-gas mixture, in which a microwave resonator is attached from outside to a delivery line or surrounds it as a cavity resonator. In the case of the attached from the outside to the delivery line cavity resonator, the measurement is carried out only in a partial flow of the powder-gas mixture. If, usually encountered as in large-volume feeding lines occur over the cross section of the conveyor ⁇ line different particle loadings of the powder-gas mixture has to be partly also expected strands increased particle concentration, can only in a Tei.lstrom of the powder-gas mixture carried out measurements are severely faulty.
  • measuring electrodes are arranged, by means of which different cutoff frequencies and different frequency ranges of microwaves coupled can be evaluated by measurement entspre ⁇ accordingly of the decreasing diameter of the pipe sections.
  • the pipe sections are held by electrically conductive rods that radiate from the outer wall of each pipe section to the inner wall of the transport pipe. This is intended to prevent the coupled ⁇ micro waves can pass through the space between the inner wall of the transport tube and the outer wall of the pipe sections.
  • the described measuring ⁇ arrangement is characterized by a relatively large measuring range. The disadvantage is that the installation of pipe sections in the transport pipeline is complicated and the flow conditions within the transport pipeline are significantly affected.
  • DE 101 64 107 C1 discloses a microwave measuring device for determining the loading of a two-phase flow with gaseous carrier medium with small and very small solid and / or liquid particles, in which in an existing electrically conductive material portion of the pipe or channel system in the longitudinal direction , before and after the measuring path, in a known manner from a transmitting antenna for coupling microwaves in the pipe or channel system and a receiving antenna for receiving in their parameters, such as resonance frequency, amplitude and / or phase, along the measuring ⁇ distance changed microwaves is formed, depending on an electrically conductive rod, field ⁇ bar called, is introduced so that the limited by the field members section of the pipe or channel system in conjunction with the field rods for the coupled microwaves acts as a resonator.
  • the distance between the field bars and thus the section of the pipe or channel system bounded by the field bars determines the resonant frequency of the resonator. It is chosen so that it corresponds to the wavelength of the waveguide fundamental wave of the electrically conductive material best ⁇ existing section of the pipe or duct system.
  • the field bars are approximately in the plane of polarization of the coupled microwaves and within the respective cross-sectional area of the electrically conductive portion of the pipe or channel system lying radially at least to the center of the cross-sectional area protruding disposed. Due to the arrangement of the field Rods is to be effected that outside the measuring section in the pipe or Kanalsys ⁇ tem by reflection, diffraction and / or superimposed changed microwaves, which can cause falsifications of the measurement results, short-circuited and thus do not penetrate into the measuring section.
  • the microwave measuring device are at a distance of approximately one eighth of the wavelength of the resonance frequency of the resonator ⁇ catalyst which is formed by the field rods and the confined by the field rods portion of the pipe or duct system, outside of the resonator in parallel with the field bars in the direction of the field bars or oppositely directed auxiliary field bars arranged.
  • the arrangement of the auxiliary field rods is intended to counteract a falsification of the measurement results by microwaves whose reflection in the pipe or channel system by reflection, diffraction and / or superimposition in their polarization plane and / or phase position whose electric field strength at the location of the field bars is zero, by outside these microwaves short circuit the resonator and thus prevent their penetration into the test section.
  • the distance of the field bars should be chosen so that it is about twice the wavelength of the waveguide fundamental wave of the existing electrically conductive material portion of Pipe or
  • a microwave measuring arrangement for determining the loading of a two-phase flow with gaseous carrier medium in a tube or channel system with small and very small solid and / or liquid particles has a transmitting antenna and a receiving antenna which are arranged in the longitudinal direction of a straight electrically conductive section of the tube which carries the two-phase flow. or channel system with a constant cross-sectional geometry spaced from each other and thus form a measuring path in a known manner.
  • About the transmitting antenna linearly polarized microwaves are coupled.
  • the microwave measuring arrangement furthermore has two electrically conductive bars, referred to below as field bars, which in the longitudinal direction of the straight electrically conductive section of the tube or channel system with constant cross-sectional geometry, before and after the measuring section aligned therewith, within a respective cross-sectional area of the straight electrically conductive Section of Rohroder channel system, with constant cross-sectional geometry, extending into the interior of the straight electrically conductive portion of the pipe or channel system, projecting with constant cross-sectional geometry, are arranged so that the field bars and the straight electrically conductive portion of the pipe or
  • Channel system with constant cross-sectional geometry between the field rods act as a resonator for the coupled via the transmitting antenna linearly polarized microwaves.
  • Characteristic of the invention is that assigned to each field bar in the cross-sectional area of the straight electrically conductive portion of the pipe or channel system in which extends the field bar, or in a compared to
  • these auxiliary field bars are electrically conductively connected to the straight electrically conductive portion of the pipe or channel system and radially from the inner wall of the straight electrically conductive portion of the pipe ⁇ or channel system, projecting at least to the center of the cross-sectional area, and in the longitudinal direction of the straight electrically conductive portion of the pipe or channel system aligned with each other.
  • the Field bars preferably in the straight electrically conductive portion of the pipe or duct system with constant cross-sectional geometry electrically connected to the straight electrically conductive portion of the pipe or duct system.
  • the field bars are further aligned approximately in the plane of polarization of the coupled linearly polarized micro ⁇ waves and in the longitudinal direction of the straight electrically conductive portion of the pipe or channel system to the transmitting and receiving antenna and radially from the inner wall of the straight electrically conductive portion of the pipe or Channel system, at least to the center of the cross-sectional area projecting trained.
  • the distance of the field rods is at least in each case one-tenth to transmit or receive antenna, especially before ⁇ Trains t each case at least half the wavelength of the waveguide fundamental wave of straight electrically conductive portion of the pipe or sewer system with equal ⁇ constant cross-sectional geometry.
  • the straight electrically conductive section of the pipe or channel system which has a constant cross-sectional geometry acting in conjunction with the field bars, to have a circular cross-section.
  • the cross-sectional area of the delivery line section may as well be oval, square, rectangular or polygonal.
  • the center of the cross-sectional area is to be understood as the respective geometric center.
  • Below the mean diameter the average distance between two opposite wall surface elements of the straight electrically conductive section of the pipe or channel system with consistent cross-sectional geometry are understood.
  • the uniqueness of the measurement results and the achievable accuracy of measurement microwaves of a frequency range between 0.95 to 1, 5 times the frequency of the waveguide fundamental wave should be coupled.
  • the frequency of the waveguide fundamental wave to determine the loading of a two-phase flow with the inventive microwave measuring arrangement should be between transmitting and receiving antenna located measuring path length between 0.8 to 3 times, preferably 1, 5 times, the average diameter of the straight electrically conductive portion of the pipe or channel system with constant Querterrorismsgeome ⁇ trie.
  • the field bars are then in the longitudinal direction of the straight electrically conductive ⁇ capable section of the pipe or channel system with an approximately the
  • the electrical system formed from field bars and straight electrically conductive portion of the pipe or channel system with constant cross-sectional geometry then acts as a resonator for microwaves with the frequency of the waveguide fundamental wave.
  • the field rods causing short-circuited on the one via the transmitting antennas coupled microwaves or at least considerably attenuated, and thus do not or hardly propagate in the pipe or channel system and on the other into the pipe or sewer system interspersed micro ⁇ waves and / or microwaves altered by reflection, diffraction and superposition outside the measuring section, which can cause falsifications of the measurement results, be short-circuited or at least significantly attenuated and thus can not reach the measuring section.
  • the effect of the field bars is not sufficient to achieve sufficiently good measurement results or for a sufficiently large measurement accuracy, because despite the arrangement of the field bars still significantly the measurement result falsifying disturbances in the form of, for example, reflected microwaves
  • the particular advantage of the arrangement of the auxiliary field rods according to the invention is that the length of the lenmessan extract required to install a microwave-inventive straight electrically conductive pipe or duct ⁇ section does not increase with a constant cross-sectional geometry that therefore only a straight electrically conductive pipe or channel portion with constant cross-sectional geometry is required with such a length as required for the arrangement of the field bars to form a microwave resonator formed of field bars and the straight electrically conductive portion of the pipe or channel system with constant cross-sectional geometry with the frequency of the waveguide fundamental is. This is for the subsequent installation of the microwave measuring arrangement in an existing pipe or duct system of particular importance.
  • auxiliary field bars causes a significant increase in the measurement accuracy of the microwave measurement arrangement.
  • the signals received at the receiving antenna with the described measuring arrangement enable a precise evaluation in a known manner by means of frequency measurement, so that a highly accurate determination of a shift of the resonance frequency of the field rods and the straight electrically conductive portion of the pipe or channel system with constant cross-sectional geometry Resonator due to a loading of the flowing in the resonator gaseous carrier medium with small and smallest solid and / or liquid particles is possible.
  • the shift of the resonance frequency is then, starting from a calibration measurement with a predetermined loading of the gaseous carrier medium with small and smallest solids and / or liquid particles, a measure of the loading of the gaseous carrier medium with small and smallest solid and / or liquid particles.
  • the distance between the two field bars associated auxiliary field rods to the field bar in the longitudinal direction of the straight electrically conductive portion of the pipe or channel system with constant cross-sectional geometry is a maximum of one tenth, preferably a maximum of thirtieth, the wavelength of the waveguide fundamental wave of the straight electrically conductive portion of the pipe or channel system with constant cross-sectional geometry.
  • the auxiliary field bars can be arranged in the longitudinal direction of the straight electrically conductive section both in the direction of the measuring path and in the opposite direction spaced from the field bar.
  • the auxiliary field bars are preferably designed and arranged such that they span the cross-sectional area of the straight electrically conductive section of the tube or channel system with constant cross-sectional geometry at least half, preferably more than two-thirds, and crossing the center of the cross-sectional area. It is expedient if the length of the auxiliary field bars corresponds to the length of the field bars.
  • the particular advantage of the microwave measuring arrangement according to the invention consists in its simple and space-saving design, which makes it possible to integrate the measuring arrangement even with complicated geometry and space in an existing pipe or duct system. In this case, the measurement results obtained with the microwave measuring arrangement according to the invention by means of evaluation of the sensed at the receiving antenna electrical signals in a known manner by means
  • microwave measuring device will be explained in more detail using an exemplary embodiment.
  • FIG. 1 shows a broken-off electrically conductive section of a pipe or channel system with a microwave measuring arrangement
  • FIG. 2 shows a longitudinal section of the electrically conductive section of a pipe or channel system with a microwave measuring arrangement
  • FIG. 3 shows a cross section of the electrically conductive portion of a pipe or channel system with a microwave measuring arrangement
  • FIG. 4 shows an example of the relationship between the displacement of the Reso ⁇ nanzfrequenz and the loading of the two-phase flow with a coal dust ⁇ .
  • Fig. 1 shows a straight electrically conductive portion F of a pipe system 1 for the pneumatic transport of coal dust, as found in pulverized coal combustion plants of coal power plants.
  • At least the wall of the section F of the pipe system 1 consists of electrically conductive corrosion-resistant steel.
  • the cross-sectional geometry of the section F of the pipe system 1 is equal over the length of the section F. From the outside, projecting into the interior of the section F of the pipe system 1, in the longitudinal direction of the section F of the pipe system 1 in succession at a distance of 375 mm, forming a measuring section S, a transmitting antenna 2 and a receiving antenna 3 are mounted. About the transmitting antenna 2 microwaves are coupled with frequencies between 340 MHz to 352 MHz.
  • the frequency of the hollow ⁇ conductor fundamental wave of the conductive portion F of the pipe system 1 is approximately
  • the wavelength of the waveguide fundamental wave is therefore approx.
  • each field bar 4, 4 ' associated with each 2 auxiliary field bars 6, 7 and 6' 7 'respectively .
  • the auxiliary field bars 6, 7 and 6 '7' are arranged in the longitudinal direction of the section F of the Rohrsys ⁇ tems 1 in alignment with each other.
  • the system of field rods 4, 4 'and electrically conductive portion F of the pipe system 1 formed by the above-described arrangement of the field rods 4, 4' in the straight electrically conductive portion F of the pipe system 1 acts electrically for linearly polarized microwaves at the frequency of the waveguide fundamental as a resonator.
  • Section F of the pipe system 1 coupled linearly polarized microwaves with the frequency of the waveguide fundamental wave by the field bars 4, 4 'shorted ⁇ sen or at least significantly attenuated. This has the effect that the linearly polarized microwaves coupled in via the transmitting antenna 2 do not or hardly propagate outside the section bounded by the field bars 4, 4 'in the pipe system 1.
  • the arrangement of the field rods 4, 4 ' is further causes in the pipe system 1 interspersed microwaves with approximately the frequency of the waveguide fundamental and approximately one polarization, according to the coupled via the transmitting antenna 2 microwaves and / or by reflection, diffraction and superposition , Modified outside the section F of the pipe system 1 microwaves with the frequency of the waveguide fundamental wave and approximately one polarization, corresponding to the coupled via the transmitting antenna 3 microwaves, which can cause falsifications of the results are shorted or at least significantly attenuated and thus not or hardly in the
  • FIG. 4 shows, for the arrangement described above, the loading of the transport air stream in the pipe system 1 with pulverized coal as a function of the change in the resonance frequency of the pipe rods 4, 4 'and the straight electrically conductive section F of the pipe or channel system 1 with constant cross ⁇ cut geometry formed resonator due to the loading of the transport air ⁇ stream in the resonator with coal dust particles.
  • the frequencies of the coupled via the transmitting antenna 2 microwaves are between 340 MHz and
  • the loading of the transport air stream with coal dust is inversely proportional to the square of the change in the resonant frequency. In the region of the change in the resonance frequency shown in FIG. 4, this relationship is quasi linear.
  • the frequency of the waveguide fundamental wave of this straight electrically conductive portion F of the pipe system 1 is about 439 MHz, which corresponds to a wavelength of 680 mm.
  • the distance S between the transmitting and the receiving antenna 2, 3, ie the length of the measuring section S, is 150 mm.
  • the Hiltsfeldstäbe 6, 7 and 6 ', 7' are, as shown in Figures 1 to 3, the field bars 4, 4 'assigned.
  • the distance G of the auxiliary field bars 6, 7 or 6 ', 7' to the respective Feistäben is 8 mm or 16 mm.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Mikrowellenmessanordnung zur Bestimmung der Beladung einer Zweiphasenströmung mit gasförmigem Trägermedium in einem Rohr- oder Kanalsystem (1) mit kleinen und kleinsten Feststoff- und/oder Flüssigkeitspartikeln. Dazu werden in einen durch Feldstäbe (4, 4') eingegrenzten und dadurch als Resonator wirkenden elektrisch leitfähigen Abschnitt des Rohr- oder Kanalsystems (1) Mikrowellen, bevorzugt mit Frequenzen zwischen dem 0,95- bis 1.05fachen der Frequenz der Hohlleiter-Grundwelle, eingekoppelt und die Verschiebung der Resonanzfrequenz des Resonators infolge der Beladung des Trägermediums mit Feststoff- und/oder Flüssigkeitspartikeln ermittelt. Zur Unterdrückung von Störungen durch Mikrowellen, die im Rohr- oder Kanalsystem (1) reflektiert, gebeugt und/oder überlagert werden, sind jedem Feldstab (4, 4') zugeordnet zwei Hilfsfeldstäbe (6, 7 bzw. 6', 7') vorgesehen. Die Hilfsfeldstäbe (6, 7 bzw. 6', 7') sind in einem im Vergleich zur Wellenlänge der Hohlleiter-Grundwelle geringem Abstand zum jeweiligen Feldstab (4, 4') und jeweils in einem Winkel a zum Feldstab (4, 4') von α = + 45° ± 10° und/oder α = -45° ± 10° und/oder α = +135° ± 10° und/oder α = -135° ± 10° zwei Hilfsfeldstäbe (6, 7 bzw. 6', 7') angeordnet, wobei die beiden einem Feldstab (4, 4') zugeordneten Hilfsfeldstäbe (6, 7 bzw. 6', 7') einen Winkel von 90° ± 20° einschließen. Der besondere Vorzug der erfindungsgemäßen Lösung besteht in einem einfachen und platzsparenden Aufbau, der es ermöglicht, die Messanordnung auch bei komplizierten Platzverhältnissen in ein bestehendes Rohr- oder Kanalsystem zu integrieren.

Description

Mikrowellenmessanordnung zur Bestimmung der Beladung einer Zweiphasen¬ strömung
Die Erfindung betrifft eine Mikrowellenmessanordnung zur Bestimmung der Bela¬ dung einer Zweiphasenströmung mit gasförmigem Trägermedium in einem Rohroder Kanalsystem mit kleinen und kleinsten Feststoff- und/oder Flüssigkeitsparti¬ keln. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung ist die Bestimmung der Beladung eines Gasstromes mit Feststoffpartikeln in großvolumigen pneumatischen Feststofftransportsystemen, beispielsweise die Beladung eines Luftstromes mit gemahlener Kohle in einem Rohr- oder Kanalsystem einer Kohlekraftwerksfeue- rungsanlage.
Es ist bekannt, die Partikelbeladung einer Zweiphasenströmung mit gasförmigem Trägermedium in einem Rohr- oder Kanalsystem mittels Mikrowellen zu bestimmen. Dazu werden bei einem erheblichen Teil der bekannten Lösungen Mikrowellen einer vorbestimmten Frequenz oder eines vorbestimmten Frequenzbereiches in einen als Messstrecke präparierten elektrisch leitfähigen Abschnitt des Rohr- oder Kanalsystems eingekoppelt und am Ende der Messstrecke eine Veränderung von Parame- tern der Mikrowellen, beispielsweise der Frequenz, ausgewertet. Bevorzugt wird hierbei mit der Frequenz der Hohlleiter-Grundwelle oder einem Frequenzbereich um die Hohlleiter-Grundwelle gearbeitet, um die Auswertung nicht unnötig zu verkomplizieren bzw. Störungen zu minimieren. Die vorbestimmte Frequenz oder der vorbestimmte Frequenzbereich der eingekoppelten Mikrowelle ist somit abhängig von den geometrischen Abmessungen der Messstrecke.
Der physikalische Hintergrund des Messprinzips ist die Tatsache, dass die Dielektri¬ zitätskonstante des mit Feststoffpartikeln beladenen gasförmigen Trägermediums von der Menge der im gasförmigen Trägermedium geführten Feststoff Partikel abhängt und Mikrowellen in Abhängigkeit der Dielektrizitätskonstante des Mediums, in dem sie sich ausbreiten, eine Änderung ihrer Parameter, z.B. ihrer Resonanzfrequenz, ihrer Amplitude, ihrer Phase, erfahren.
So wird in der DE 44 26280 A1 ein Verfahren zur Ermittlung der Beladung eines Gasstromes mit Feststoffanteilen, insbesondere zur Regelung der Feuerung eines Kessels mit Kohlenstaub in einem Kohlekraftwerk, beschrieben, bei dem aus der Absorption von elektromagnetischen Wellen entlang einer den beladenen Gasstrom führenden Messstrecke auf den Feststoffanteil im Gasstrom geschlossen wird. Die DE 33 17 215 A1 offenbart ein Verfahren zur quantitativen Bestimmung von Probenpartikeln, bei dem die Probenpartikel in das von einem Mikrowellengenerator erzeugte elektromagnetische Feld gebracht werden, wobei zumindest die Änderung eines Parameters des elektromagnetischen Feldes gemessen wird und aus der gemessenen Änderung auf die Menge der Probenpartikel geschlossen wird.
Die vorstehend beschriebenen Lösungen haben aufgrund einer hohen Störanfälligkeit, verbunden mit einer geringen Messgenauigkeit, kaum Eingang in die Praxis gefunden. Die Ursache für die hohe Störanfälligkeit und die geringe Messgenauigkeit liegt in Störeinflüssen, die von im Rohr- oder Kanalsystem reflektierten, in die Mess¬ strecke eindringenden Mikrowellen herrühren. Insbesondere bei kleinen Beladungen werden die eingekoppelten Mikrowellen im Rohr- oder Kanalsystem wie in einem Hohlleiter über weite Strecken geleitet und an Einengungen, Verzweigungen, Krümmungen oder Enden reflektiert und/oder gebeugt. Es kommt zur Überlagerung von hin- und rücklaufenden Wellen und damit zu kaum auswertbaren Messsignalen bzw. zu erheblichen Verfälschungen der Messergebnisse.
Zur Vermeidung derartiger Störeinflüsse wurden Lösungen mit geometrisch bestimmten Mikrowellenresonatoren entwickelt. So wird in der EP 0 669 522 A2 eine Einrichtung und ein Verfahren zum Messen eines Pulver- Massenstromes in einem Pulver-Gas-Gemisch beschrieben, bei der ein Mikrowellenresonator von außen an eine Förderleitung angebracht ist bzw. diese als Hohlraumresonator umgibt. Im Falle des von außen an die Förderleitung angebrachten Hohlraumresonators erfolgt die Messung lediglich in einem Teilstrom des Pulver-Gas-Gemisches. Wenn, wie bei großvolumigen Förderleitungen meist anzutreffen, über den Querschnitt der Förder¬ leitung unterschiedliche Partikelbeladungen des Pulver-Gas-Gemisches auftreten, teilweise auch mit Strähnen erhöhter Partikelkonzentration gerechnet werden muss, können die nur in einem Tei.lstrom des Pulver-Gas-Gemisches durchgeführten Messungen stark fehlerbehaftet sein. Bei einem die Förderleitung umschließenden Hohlraumresonator werden derartige Messfehler ausgeschlossen. Allerdings sind entsprechende Resonatoren mit erheblichem baulichem Aufwand, der auch einen Eingriff in die Förderleitung selbst einschließen kann, verbunden und bei großvolumigen Förderleitungen in der Praxis meist schon aus Platzgründen nicht realisierbar. Die beschriebene Lösung ist deshalb auch auf Anwendungsgebiete, bei denen nur vergleichsweise geringe Fördermengen auftreten, wie beispielsweise bei Pulverbe- schichtungsgeräten, beschränkt. In der US 5,351 ,521 A wird eine Einrichtung zur Bestimmung der in Öl enthaltenen Anteile von Gas und Wasser beschrieben. Dazu sind innerhalb der das Öl-Gas- Wasser-Gemisch führenden Transportrohrleitung, gestuft hintereinander und inein¬ ander übergehend, Rohrabschnitte mit sich verringerndem Durchmesser angeord- net. In den Rohrabschnitten sind Messelektroden angeordnet, mittels derer entspre¬ chend des sich verringernden Durchmessers der Rohrabschnitte unterschiedliche Grenzfrequenzen und damit unterschiedliche Frequenzbereiche von eingekoppelten Mikrowellen messtechnisch ausgewertet werden können. Die Rohrabschnitte werden durch elektrisch leitfähige Stäbe gehalten, die strahlenförmig von der äuße- ren Wand jedes Rohrabschnittes zur inneren Wandung der Transportrohrleitung verlaufen. Auf diese Weise soll verhindert werden, dass die eingekoppelten Mikro¬ wellen den Raum zwischen der inneren Wandung der Transportrohrleitung und der äußeren Wandung der Rohrabschnitte passieren können. Die beschriebene Mess¬ anordnung zeichnet sich durch einen vergleichsweise großen Messbereich aus. Nachteilig ist, dass der Einbau von Rohrabschnitten in die Transportrohrleitung aufwendig ist und die Strömungsverhältnisse innerhalb der Transportrohrleitung erheblich beeinflusst werden.
Schließlich offenbart die DE 101 64 107 C1 eine Mikrowellen-Messeinrichtung zur Bestimmung der Beladung einer Zweiphasenströmung mit gasförmigem Trägermedium mit kleinen und kleinsten Feststoff- und/oder Flüssigkeitspartikeln, bei der in einem aus elektrisch leitfähigem Material bestehenden Abschnitt des Rohr- oder Kanalsystems in dessen Längsrichtung, vor und nach der Messstrecke, die in bekannter Weise von einer Sendeantenne zur Einkopplung von Mikrowellen in das Rohr- oder Kanalsystems und einer Empfangsantenne zum Empfang von in ihren Parametern, wie Resonanzfrequenz, Amplitude und/oder Phase, entlang der Mess¬ strecke veränderten Mikrowellen gebildet wird, je ein elektrisch leitfähiger Stab, Feld¬ stab genannt, so eingebracht wird, dass der durch die Feldstäbe eingegrenzte Abschnitt des Rohr- oder Kanalsystems in Verbindung mit den Feldstäben für die eingekoppelten Mikrowellen als Resonator wirkt. Der Abstand der Feldstäbe und damit der durch die Feldstäbe eingegrenzte Abschnitt des Rohr- oder Kanalsystems bestimmt die Resonanzfrequenz des Resonators. Er ist so gewählt, dass er der Wellenlänge der Hohlleiter-Grundwelle des aus elektrisch leitfähigem Material beste¬ henden Abschnittes des Rohr- oder Kanalsystems entspricht.
Die Feldstäbe sind annähernd in der Polarisationsebene der eingekoppelten Mikrowellen und innerhalb der jeweiligen Querschnittsfläche des elektrisch leitfähigen Abschnittes des Rohr- oder Kanalsystems liegend, radial mindestens bis zum Mittelpunkt der Querschnittsfläche ragend, angeordnet. Durch die Anordnung der Feld- Stäbe soll bewirkt werden, dass außerhalb der Messstrecke im Rohr- oder Kanalsys¬ tem durch Reflexion, Beugung und/oder Überlagerung veränderte Mikrowellen, die Verfälschungen der Messergebnisse bewirken können, kurzgeschlossen und somit nicht in die Messstrecke eindringen.
Bei einer bevorzugten Ausbildung der Mikrowellen-Messeinrichtung sind in einem Abstand von ca. einem Achtel der Wellenlänge der Resonanzfrequenz des Resona¬ tors, der von den Feldstäben und dem von den Feldstäben eingegrenzten Abschnitt des Rohr- oder Kanalsystems gebildet wird, außerhalb des Resonators parallel zu den Feldstäben in Richtung der Feldstäbe oder entgegengesetzt gerichtet Hilfsfeld- stäbe angeordnet. Die Anordnung der Hilfsfeldstäbe soll einer Verfälschung der Messergebnisse durch im Rohr- oder Kanalsystem durch Reflexion, Beugung und/oder Überlagerung in ihrer Polarisationsebene und/oder Phasenlage veränderte Mikrowellen, deren elektrische Feldstärke am Ort der Feldstäbe null ist, entgegenwirken, indem sie diese Mikrowellen außerhalb des Resonators kurzschließen und so deren Eindringen in die Messstrecke verhindern.
Es hat sich gezeigt, dass bei der praktischen Anwendung der in der
DE 101 64 107 C1 beschriebenen Mikrowellen-Messeinrichtung in großvolumigen
Rohr- oder Kanalsystemen von Kohlekraftwerksfeuerungsanlagen zur Bestimmung der Beladung eines Luftstromes mit gemahlener Kohle zur Erzielung ausreichend guter Messergebnisse zum einen der Abstand der Feldstäbe so gewählt werden sollte, dass er etwa dem Zweifachen der Wellenlänge der Hohlleiter-Grundwelle des aus elektrisch leitfähigem Material bestehenden Abschnittes des Rohr- oder
Kanalsystems entspricht, und zum anderen die Anordnung von Hilfsfeldstäben überwiegend notwendig ist. Dies hat jedoch den Nachteil, dass für den Einbau einer solchen Mikrowellen-Messeinrichtung in ein bestehendes großvolumiges Rohr- oder Kanalsystem ein vergleichsweise langer gerader elektrisch leitfähiger Rohr- oder Kanalabschnitt mit gleichbleibender Querschnittsgeometrie erforderlich ist. In bereits bestehenden Rohr- oder Kanalsystemen stehen derartige vergleichsweise lange gerade elektrisch leitfähige Rohr- oder Kanalabschnitte mit gleichbleibender Querschnittsgeometrie oft nicht zur Verfügung.
Ausgehend von dem beschriebenen Stand der Technik ist es die Aufgabe der Erfindung, eine Mikrowellenmessanordnung zur Bestimmung der Beladung einer Zwei- phasenströmung mit gasförmigem Trägermedium in einem Rohr- oder Kanalsystem mit kleinen und kleinsten Feststoff- und/oder Flüssigkeitspartikeln zu schaffen, die bei hoher Messgenauigkeit für einen Einbau in ein bestehendes Rohr- oder Kanalsystem nur einen vergleichsweise kurzen geraden elektrisch leitfähigen Rohroder Kanalabschnitt mit gleichbleibender Querschnittsgeometrie erfordert.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Mikrowellenmessanordnung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. In den Ansprüchen 2 bis 6 werden vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung beschrieben.
Eine erfindungsgemäße Mikrowellenmessanordnung zur Bestimmung der Beladung einer Zweiphasenströmung mit gasförmigem Trägermedium in einem Rohr- oder Kanalsystem mit kleinen und kleinsten Feststoff- und/oder Flüssigkeitspartikeln weist eine Sendeantenne und eine Empfangsantenne auf, die in Längsrichtung eines die Zweiphasenströmung führenden geraden elektrisch leitfähigen Abschnittes des Rohr- oder Kanalsystems mit gleichbleibender Querschnittsgeometrie beabstandet zueinander angeordnet sind und so in bekannter Weise eine Messstrecke bilden. Über die Sendeantenne werden linear polarisierte Mikrowellen eingekoppelt. Die Mikrowellenmessanordnung weist weiterhin zwei elektrisch leitfähige Stäbe auf, nachfolgend Feldstäbe genannt, die in Längsrichtung des geraden elektrisch leitfähigen Abschnittes des Rohr- oder Kanalsystems mit gleichbleibender Querschnittsgeometrie, vor und nach der Messstrecke fluchtend zu dieser, innerhalb einer jeweili- gen Querschnittsfläche des geraden elektrisch leitfähigen Abschnittes des Rohroder Kanalsystems, mit gleichbleibender Querschnittsgeometrie, sich erstreckend in das Innere des geraden elektrisch leitfähigen Abschnittes des Rohr- oder Kanalsystems, mit gleichbleibender Querschnittsgeometrie ragend, so angeordnet sind, dass die Feldstäbe und der gerade elektrisch leitfähige Abschnitt des Rohr- oder
Kanalsystems mit gleichbleibender Querschnittsgeometrie zwischen den Feldstäben als Resonator für die über die Sendeantenne eingekoppelten linear polarisierten Mikrowellen wirken.
Dazu liegt der Abstand der Feldstäbe in Längsrichtung des geraden elektrisch leitfähigen Abschnittes des Rohr- oder Kanalsystems zueinander in einem Bereich zwischen annähernd der Wellenlänge und annähernd dem Zweifachen der Wellenlänge der Hohlleiter-Grundwelle des geraden elektrisch leitfähigen Abschnittes des Rohr- oder Kanalsystems mit gleichbleibender Querschnittsgeometrie.
Kennzeichnend für die Erfindung ist, dass zugeordnet zu jedem Feldstab in der Querschnittsfläche des geraden elektrisch leitfähigen Abschnittes des Rohr- oder Kanalsystems, in der sich der Feldstab erstreckt, oder in einer im Vergleich zur
Wellenlänge der Hohlleiter-Grundwelle des geraden elektrisch leitfähigen Abschnittes des Rohr- oder Kanalsystems mit gleichbleibender Querschnittsgeometrie mit geringem Abstand benachbarten Querschnittsfläche zu der Querschnittsfläche, in der sich der Feldstab erstreckt, zwei elektrisch leitfähige Stäbe, nachfolgend Hilfs- feldstäbe genannt, in einem Winkel zum Feldstab von + 45° + 10° und/oder
- 45° ± 10° und/oder +135° ± 10° und/oder -135° ± 10° angeordnet sind, wobei die beiden zu einem Feldstab zugeordneten Hilfsfeldstäbe einen Winkel von 90° ± 20° einschließen. Dabei sind diese Hilfsfeldstäbe elektrisch leitend mit dem geraden elektrisch leitfähigen Abschnitt des Rohr- oder Kanalsystems verbunden und radial von der inneren Wandung des geraden elektrisch leitfähigen Abschnittes des Rohr¬ oder Kanalsystems, mindestens bis zum Mittelpunkt der Querschnittsfläche ragend, ausgebildet sowie in Längsrichtung des geraden elektrisch leitfähigen Abschnittes des Rohr- oder Kanalsystems zueinander fluchtend angeordnet.
Damit die Feldstäbe und der gerade elektrisch leitfähige Abschnitt des Rohr- oder Kanalsystems mit gleichbleibender Querschnittsgeometrie zwischen den Feldstäben als Resonator für Mikrowellen mit der Frequenz der Hohlleiter-Grundwelle des geraden elektrisch leitfähigen Abschnittes des Rohr- oder Kanalsystems mit gleich¬ bleibender Querschnittsgeometrie wirken, sind die Feldstäbe bevorzugt im geraden elektrisch leitfähigen Abschnitt des Rohr- oder Kanalsystems mit gleichbleibender Querschnittsgeometrie elektrisch leitend mit dem geraden elektrisch leitfähigen Abschnitt des Rohr- oder Kanalsystems verbunden. Die Feldstäbe sind weiterhin annähernd in der Polarisationsebene der eingekoppelten linear polarisierten Mikro¬ wellen und in Längsrichtung des geraden elektrisch leitfähigen Abschnittes des Rohr- oder Kanalsystems zur Sende- und Empfangsantenne fluchtend angeordnet und radial von der inneren Wandung des geraden elektrisch leitfähigen Abschnittes des Rohr- oder Kanalsystems, mindestens bis zum Mittelpunkt der Querschnitts- fläche ragend, ausgebildet. Bevorzugt beträgt der Abstand der Feldstäbe zur Sende- oder Empfangsantenne wenigstens jeweils ein Zehntel, besonders bevor¬ zugt wenigstens jeweils die Hälfte der Wellenlänge der Hohlleiter-Grundwelle des geraden elektrisch leitfähigen Abschnittes des Rohr- oder Kanalsystems mit gleich¬ bleibender Querschnittsgeometrie.
Es ist nicht notwendig, dass der in Verbindung mit den Feldstäben als Resonator wirkende gerade elektrisch leitfähige Abschnitt des Rohr- oder Kanalsystems mit gleichbleibender Querschnittsgeometrie einen kreisförmigen Querschnitt aufweist. Die Querschnittsfläche des Förderleitungsabschnittes kann ebenso gut oval, quadratisch, rechteckig oder vieleckig sein. Unter dem Mittelpunkt der Querschnittsfläche soll der jeweilige geometrische Mittelpunkt verstanden werden. Unter dem mittleren Durchmesser soll der gemittelte Abstand zweier gegenüberliegender Wandflächenelemente des geraden elektrisch leitfähigen Abschnittes des Rohr- oder Kanalsystems mit gleichbleibender Querschnittsgeometrie verstanden werden. Bevorzugt in Bezug auf die Eindeutigkeit der Messergebnisse sowie die erreichbare Messgenauigkeit sollten Mikrowellen eines Frequenzbereiches zwischen dem 0,95- bis 1 ,05fachen der Frequenz der Hohlleiter-Grundwelle eingekoppelt werden.
Ausgehend von der bevorzugten Einkopplung von Mikrowellen eines Frequenzberei¬ ches zwischen dem 0,95- bis 1 ,05fachen der Frequenz der Hohlleiter-Grundwelle zur Bestimmung der Beladung einer Zweiphasenströmung mit der erfindungsgemäßen Mikrowellenmessanordnung sollte die zwischen Sende- und Empfangs- antenne liegende Messstrecke eine Länge zwischen dem 0,8- bis 3fachen, bevorzugt dem 1 ,5fachen, des mittleren Durchmessers des geraden elektrisch leitfähigen Abschnittes des Rohr- oder Kanalsystems mit gleichbleibender Querschnittsgeome¬ trie aufweisen. Die Feldstäbe sind dann in Längsrichtung des geraden elektrisch leit¬ fähigen Abschnittes des Rohr- oder Kanalsystems mit einem annähernd dem
3,5fachen des mittleren Durchmessers des geraden elektrisch leitfähigen Abschnittes des Rohr- oder Kanalsystems entsprechenden Abstand zueinander anzuordnen. Der Mindestabstand der Feldstäbe zur Sende- bzw. Empfangsantenne entspricht etwa dem 0,2fachen des mittleren Durchmessers. Das aus Feldstäben und geradem elektrisch leitfähigen Abschnitt des Rohr- oder Kanalsystems mit gleichbleibender Querschnittsgeometrie gebildete elektrische System wirkt dann für Mikrowellen mit der Frequenz der Hohlleiter-Grundwelle als Resonator.
Durch die vorstehende Anordnung der Feldstäbe wird bewirkt, dass zum einen über die Sendeantennen eingekoppelte Mikrowellen kurzgeschlossen oder zumindest erheblich gedämpft werden und sich somit nicht oder kaum im Rohr- oder Kanalsystem ausbreiten und zum anderen in das Rohr- oder Kanalsystem eingestreute Mikro¬ wellen und/oder durch Reflexion, Beugung und Überlagerung außerhalb der Messstrecke veränderte Mikrowellen, die Verfälschungen der Messergebnisse bewirken können, kurzgeschlossen oder zumindest erheblich gedämpft werden und somit nicht in die Messstrecke gelangen können.
Die Wirkung der Feldstäbe ist jedoch zur Erzielung ausreichend guter Messergebnisse bzw. für eine ausreichend große Messgenauigkeit nicht hinreichend, weil trotz der Anordnung der Feldstäbe noch in erheblichem Maße das Messergebnis verfäl- sehende Störungen in Form von beispielsweise reflektierten Mikrowellen mit
Frequenz um die Frequenz der Hohlleiter-Grundwelle in die Messstrecke gelangen. Anhand umfangreicher Untersuchungen wurde gefunden, dass Verfälschungen der Messergebnisse durch in das Rohr- oder Kanalsystem eingestreute bzw. im Rohr oder Kanalsystem reflektierte, gebeugte und/oder überlagerte und in ihrer Polarisati¬ onsebene und/oder Phasenlage veränderte Mikrowellen mit Frequenzen um die Frequenz der Hohlleiter-Grundwelle durch erfindungsgemäß ausgebildete und angeordnete Hilfsfeldstäbe deutlich reduziert bzw. vermieden werden können. Dabei liegt der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung der Hilfsfeldstäbe darin, dass sich die Länge des für den Einbau einer erfindungsgemäßen Mikrowel- lenmessanordnung erforderlichen geraden elektrisch leitfähigen Rohr- oder Kanal¬ abschnittes mit gleichbleibender Querschnittsgeometrie nicht vergrößert, dass also nur ein gerader elektrisch leitfähigen Rohr- oder Kanalabschnitt mit gleichbleibender Querschnittsgeometrie mit einer solchen Länge erforderlich ist, wie dies für die Anordnung der Feldstäbe zur Ausbildung eines aus Feldstäben und dem geraden elektrisch leitfähigen Abschnitt des Rohr- oder Kanalsystems mit gleichbleibender Querschnittsgeometrie gebildeten Resonators für Mikrowellen mit der Frequenz der Hohlleiter-Grundwelle erforderlich ist. Dies ist für den nachträglichen Einbau der Mikrowellenmessanordnung in ein bestehendes Rohr- oder Kanalsystem von besonderer Bedeutung.
Es wurde darüber hinaus festgestellt, dass eine erfindungsgemäße Anordnung von Hilfsfeldstäben eine deutliche Erhöhung der Messgenauigkeit der Mikrowellenmess- anordnung bewirkt. Die mit der beschriebenen Messanordnung an der Empfangsantenne empfangenen Signale ermöglichen eine präzise Auswertung in bekannter Weise mittels Frequenzmessung, so dass eine hoch genaue Bestimmung einer Verschiebung der Resonanzfrequenz des aus Feldstäben und dem geraden elektrisch leitfähigen Abschnitt des Rohr- oder Kanalsystems mit gleichbleibender Quer- schnittsgeometrie gebildeten Resonators infolge einer Beladung des im Resonator strömenden gasförmigen Trägermediums mit kleinen und kleinsten Feststoff- und/oder Flüssigkeitspartikeln möglich ist. Die Verschiebung der Resonanzfrequenz ist dann ausgehend von einer Kalibrierungsmessung mit einer vorbestimmten Beladung des gasförmigen Trägermediums mit kleinen und kleinsten Feststoff- und/oder Flüssigkeitspartikeln ein Maß für die Beladung des gasförmigen Trägermediums mit kleinen und kleinsten Feststoff- und/oder Flüssigkeitspartikeln.
Aufgrund der deutlichen Erhöhung der Messgenauigkeit bei der Bestimmung der Beladung einer Zweiphasenströmung mit einer erfindungsgemäßen Mikrowellen- messanordnung ist es auch möglich, den Abstand der Feldstäbe zueinander kleiner als die Wellenlänge der Hohlleiter-Grundwelle zu wählen, wenn dies aufgrund besonderer baulicher Bedingungen des Rohr- oder Kanalsystems, in das die Mikrowellenmessanordnung eingebaut werden soll, erforderlich ist. Zufriedenstellende Ergebnis- se bei der Bestimmung der Beladung einer Zweiphasenströmung mit der erfin¬ dungsgemäßen Mikrowellenmessanordnung wurden auch erreicht, wenn der Abstand der Feldstäbe zueinander ca. 10 % kleiner als die Wellenlänge oder ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge der Hohlleiter-Grundwelle des geraden elektrisch leitfähigen Abschnittes des Rohr- oder Kanalsystems mit gleichbleibender Querschnittsgeometrie ist.
Bei einer bevorzugten Anordnung der Hilfsfeldstäbe beträgt der Abstand der beiden einem Feldstab zugeordneten Hilfsfeldstäbe zu dem Feldstab in Längsrichtung des geraden elektrisch leitfähigen Abschnittes des Rohr- oder Kanalsystems mit gleichbleibender Querschnittsgeometrie maximal ein Zehntel, bevorzugt maximal ein Dreißigstel, der Wellenlänge der Hohlleiter-Grundwelle des geraden elektrisch leitfähigen Abschnittes des Rohr- oder Kanalsystems mit gleichbleibender Querschnittsgeometrie. Dabei können die Hilfsfeldstäbe in Längsrichtung des geraden elektrisch leitfähigen Abschnittes sowohl in Richtung der Messstrecke als auch in entgegengesetzter Richtung beabstandet zum Feldstab angeordnet sein.
Die Hilfsfeldstäbe sind bevorzugt so ausgebildet und angeordnet, dass sie die Querschnittsfläche des geraden elektrisch leitfähigen Abschnittes des Rohr- oder Kanal- Systems mit gleichbleibender Querschnittsgeometrie mindestens zur Hälfte, bevorzugt zu mehr als zwei Dritteln, und dabei den Mittelpunkt der Querschnittsfläche kreuzend, durchspannen. Dabei ist es zweckmäßig, wenn die Länge der Hilfsfeldstäbe der Länge der Feldstäbe entspricht. Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Mikrowellenmessanordnung besteht in ihrem einfachen und platzsparenden Aufbau, der es ermöglicht, die Messanordnung auch bei komplizierten Geometrie- und Platzverhältnissen in ein bestehendes Rohr- oder Kanalsystem zu integrieren. Dabei sind die mit der erfindungsgemäßen Mikrowellenmessanordnung erzielten Messergebnisse durch Auswertung der an der Empfangsantenne sensierten elektrischen Signale in bekannter Weise mittels
Frequenzmessung gegenüber den Lösungen des Standes der Technik von überraschend hoher Präzision.
Die erfindungsgemäße Mikrowellen-Messeinrichtung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden.
Die zugehörige Zeichnung zeigt schematisch in Fig.1 : einen aufgebrochenen elektrisch leitfähigen Abschnitt eines Rohr- oder Kanalsystems mit einer Mikrowellenmessanordnung, in
Fig. 2: einen Längsschnitt des elektrisch leitfähigen Abschnittes eines Rohr- oder Kanalsystems mit einer Mikrowellenmessanordnung, in
Fig. 3: einen Querschnitt des elektrisch leitfähigen Abschnittes eines Rohr- oder Kanalsystems mit einer Mikrowellenmessanordnung und in
Fig. 4: beispielhaft den Zusammenhang zwischen der Verschiebung der Reso¬ nanzfrequenz und der Beladung der Zweiphasenströmung mit Kohlen¬ staub.
Fig. 1 zeigt einen geraden elektrisch leitfähigen Abschnitt F eines Rohrsystems 1 zum pneumatischen Transport von Kohlenstaub, wie es in Kohlenstaubfeuerungsanlagen von Kohlekraftwerken anzutreffen ist. Mindestens die Wandung des Abschnittes F des Rohrsystems 1 besteht aus elektrisch leitfähigem korrosionsbe- ständigem Stahl. Der Abschnitt F des Rohrsystems 1 besitzt eine annähernd runde Querschnittsfläche mit einem Durchmesser D = 500 mm. Die Querschnittsgeometrie des Abschnittes F des Rohrsystems 1 ist über die Länge des Abschnittes F gleich. Von außen, in das Innere des Abschnittes F des Rohrsystems 1 ragend, sind in Längsrichtung des Abschnittes F des Rohrsystems 1 hintereinander in einem Abstand von 375 mm, eine Messstrecke S bildend, eine Sendeantenne 2 und eine Empfangsantenne 3 angebracht. Über die Sendeantenne 2 werden Mikrowellen mit Frequenzen zwischen 340 MHz bis 352 MHz eingekoppelt. Die Frequenz der Hohl¬ leiter-Grundwelle des leitfähigen Abschnittes F des Rohrsystems 1 beträgt ca.
350,9 MHz, die Wellenlänge der Hohlleiter-Grundwelle beträgt demnach ca.
850 mm. In Längsrichtung des geraden elektrisch leitfähigen Abschnittes F des Rohrsystems 1 vor der Sendeantenne 2 bzw. nach der Empfangsantenne 3 sind radial in das Innere des geraden elektrisch leitfähigen Abschnittes F des Rohrsys¬ tems 1 ragend, in der Polarisationsebene der eingekoppelten Mikrowellen liegend, Feldstäbe 4 und 4' angeordnet. Die Feldstäbe 4 und 4' erstrecken sich jeweils inner- halb einer Querschnittsfläche 5, 5' des Abschnittes F des Rohrsystems 1 . Sie sind in einem Abstand E von 1700 mm zueinander, was dem Zweifachen der Wellenlänge der Hohlleiter-Grundwelle entspricht, und jeweils mit gleichem Abstand A, B von 662,5 mm zur Sendeantenne 2 bzw. zur Empfangsantenne 3 sowie in Längsrichtung des geraden elektrisch leitfähigen Abschnittes F des Rohrsystems 1 zur Sende- und Empfangsantenne 2, 3 und zueinander fluchtend angeordnet. Die Feldstäbe 4, 4' bestehen aus abrasionsbeständigem Rundstahl mit einem Durchmesser von 4 mm und besitzen eine Länge von 330 mm. Sie erstrecken sich somit bis über den Mittelpunkt der jeweiligen Querschnittsfläche 5, 5' hinaus und durchspannen ca. 2/3 der jeweiligen Querschnittsfläche 5, 5'. In einem Winkel α von ± 45° sind parallel zu den jeweiligen Querschnittsflächen 5, 5', innerhalb derer sich die Feldstäbe 4, 4' erstrecken, jedem Feldstab 4, 4' zugeordnet jeweils 2 Hilfsfeldstäbe 6, 7 bzw. 6' 7' angeordnet. Sie bestehen wie die Feldstäbe 4, 4' aus abrasionsbeständigem Rund- stahl mit einem Durchmesser von 4 mm und besitzen eine Länge von 330 mm. Die Hilfsfeldstäbe 6, 7 bzw. 6' 7' sind in Längsrichtung des Abschnittes F des Rohrsys¬ tems 1 fluchtend zueinander angeordnet. Sie haben in Längsrichtung des Abschnittes F des Rohrsystems 1 zum jeweiligen Feldstab 4, 4', dem sie zugeordnet sind, einen maximalen Abstand G von 28 mm, wobei die Hilfsfeldstäbe 6 und 6' zum jeweiligen Feldstab 4, 4' in Längsrichtung des Abschnittes F des Rohrsystems 1 einen Abstand G von 12 mm haben und der Abstand G der Hilfsfeldstäbe 7 und 7' zum jeweiliegen Feldstab 4, 4' 24 mm beträgt. Sowohl die Feldstäbe 4, 4' als auch die Hilfsfeldstäbe 6, 7 bzw. 6' 7' sind mechanisch fest mit der Wandung des
Abschnittes F des Rohrsystems 1 verschraubt und elektrisch mit dieser verbunden. Die Wandung des Abschnittes F des Rohrsystems 1 und die Feldstäbe 4, 4' wie auch die Hilfsfeldstäbe 6, 7 bzw. 6' 7' führen elektrisch das gleiche Potential. Die Fig. 2 und 3 veranschaulichen die beschriebenen konstruktiven Merkmale.
Das von der vorstehend beschriebenen Anordnung der Feldstäbe 4, 4' im geraden elektrisch leitfähigen Abschnitt F des Rohrsystems 1 gebildete System aus Feldstäben 4, 4' und elektrisch leitfähigem Abschnitt F des Rohrsystems 1 wirkt elektrisch für linear polarisierte Mikrowellen mit der Frequenz der Hohlleiter-Grundwelle als Resonator. Über die Sendeantenne 2 in den geraden elektrisch leitfähigen
Abschnitt F des Rohrsystems 1 eingekoppelte linear polarisierte Mikrowellen mit der Frequenz der Hohlleiter-Grundwelle werden durch die Feldstäbe 4, 4' kurzgeschlos¬ sen oder zumindest erheblich gedämpft. Dadurch wird bewirkt, dass sich die über die Sendeantenne 2 eingekoppelten linear polarisierten Mikrowellen nicht oder kaum außerhalb des durch die Feldstäbe 4, 4' eingegrenzten Abschnittes im Rohrsystem 1 ausbreiten. Durch die Anordnung der Feldstäbe 4, 4' wird weiterhin bewirkt, dass in das Rohrsystem 1 eingestreute Mikrowellen mit annähernd der Frequenz der Hohlleiter-Grundwelle und annähernd einer Polarisierung, entsprechend der über die Sendeantenne 2 eingekoppelten Mikrowellen und/oder durch Reflexion, Beugung und Überlagerung, außerhalb des Abschnittes F des Rohrsystems 1 veränderte Mikrowellen mit der Frequenz der Hohlleiter-Grundwelle und annähernd einer Polari- sierung, entsprechend der über die Sendeantenne 3 eingekoppelten Mikrowellen, die Verfälschungen der Messergebnisse bewirken können, kurzgeschlossen oder zumindest erheblich gedämpft werden und somit nicht oder kaum in die
Messtrecke S gelangen. In das Rohrsystem 1 eingestreute Mikrowellen mit Frequen- zen nahe oder gleich der Frequenz der Hohlleiter-Grundwelle und einer Polarisie¬ rung, die von der Polarisierung der über die Sendeantenne 3 eingekoppelten Mikrowellen erheblich abweicht, und/oder durch Reflexion, Beugung und Überlagerung außerhalb des Abschnittes F des Rohrsystems 1 veränderter Mikrowellen mit Frequenzen nahe oder gleich der Frequenz der Hohlleiter-Grundwelle und einer Polarisierung, die von der Polarisierung der über die Sendeantenne 3 eingekoppelten Mikrowellen erheblich abweicht, werden durch die Hilfsfeldstäbe 6, 7 bzw. 6' 7' kurzgeschlossen oder zumindest erheblich gedämpft, so dass diese nicht oder nur erheblich abgeschwächt in die Messtrecke S eindringen und eine Verfälschung der Messergebnisse bewirken können. Frequenzen nahe der Frequenz der Hohlleiter- Grundwelle sind dabei Frequenzen zwischen dem 0,95- bis 1 ,05fachen der
Frequenz der Hohlleiter-Grundwelle.
Fig. 4 zeigt für die vorstehend beschriebene Anordnung die Beladung des Trans- portluftstromes im Rohrsystem 1 mit Kohlenstaub als Funktion der Veränderung der Resonanzfrequenz des aus den Feldstäben 4, 4' und dem geraden elektrisch leitfähigen Abschnitt F des Rohr- oder Kanalsystems 1 mit gleichbleibender Quer¬ schnittsgeometrie gebildeten Resonators infolge der Beladung des Transportluft¬ stromes im Resonator mit Kohlenstaubpartikeln. Die Frequenzen der über die Sendeantenne 2 eingekoppelten Mikrowellen liegen zwischen 340 MHz und
352 MHz. Grundsätzlich ist die Beladung des Transportluftstromes mit Kohlenstaub umgekehrt proportional zum Quadrat der Veränderung der Resonanzfrequenz. In dem in Fig. 4 gezeigten Bereich der Veränderung der Resonanzfrequenz ist dieser Zusammenhang quasi linear.
Bei einem anderen Beispiel weist der gerade elektrisch leitfähige Abschnitt F des Rohrsystems 1 eine annähernd runde Querschnittsfläche mit einem Durchmesser D = 400 mm auf. Die Frequenz der Hohlleiter-Grundwelle dieses geraden elektrisch leitfähigen Abschnittes F des Rohrsystems 1 beträgt ca. 439 MHz , was einer Wellenlänge von 680 mm entspricht. Der Abstand S zwischen der Sende- und der Empfangsantenne 2, 3, also die Länge der Messstrecke S, beträgt 150 mm. Ausgehend von der Wellenlänge der Hohlleiter-Grundwelle von 680 mm des geraden elek¬ trisch leitfähigen Abschnittes des Rohr- oder Kanalsystems mit gleichbleibender Querschnittsgeometrie sind die Feldstäbe 4, 4' in einem Abstand E von 690 mm zueinander und jeweils gleich beabstandet zur Sende- bzw. Empfangsantenne 2, 3 und in Längsrichtung des Abschnittes F des Rohrsystems 1 zur Sende- bzw.
Empfangsantenne 2, 3 sowie zueinander fluchtend mit dem Abstand A, B von 270 mm angeordnet. Sie erstrecken sich jeweils innerhalb einer Querschnittsfläche 5, 5' des Abschnittes F des Rohrsystems 1 von der Wandung des Rohrsystems 1 bis über den Mittelpunkt der Querschnittsfläche hinaus. Die Feldstäbe 4, 4' besitzen eine Länge von 280 mm. Die Hiltsfeldstäbe 6, 7 und 6', 7' sind, wie in den Figuren 1 bis 3 gezeigt, den Feldstäben 4, 4' zugeordnet angeordnet. Der Abstand G der Hilfsfeldstä- be 6, 7 bzw. 6', 7' zu den jeweiligen Feistäben beträgt 8 mm bzw. 16 mm.
Liste der verwendeten Bezugszeichen
1 - Rohrsystem
2 - Sendeantenne
3 - Empfangsantenne
4 - Feldstab
4' - Feldstab
5 - Querschnittsfläche
5' - Querschnittsfläche
6 - Hilfsfeldstab
6' - Hilfsfeldstab
7 - Hilfsfeldstab
7' - Hilfsfeldstab
A - Abstand zwischen Sendeantenne und Feldstab
B - Abstand zwischen Empfangsantenne und Feldstab
E - Abstand zwischen den Feldstäben
F - gerader elektrisch leitfähiger Abschnitt des Rohrsystems
G - Abstand zwischen Feldstab und zugeordnetem Hilfsfeldstab
S - Messstrecke
α - Winkel

Claims

Patentansprüche
1 . Mikrowellenmessanordnung zur Bestimmung der Beladung einer Zweiphasen- Strömung mit gasförmigem Trägermedium in einem Rohr- oder Kanalsystem (1 ) mit kleinen und kleinsten Feststoff- und/oder Flüssigkeitspartikeln, eine Sendean¬ tenne (2) zur Einkopplung linear polarisierter Mikrowellen und eine Empfangsantenne (3) aufweisend, die in Längsrichtung eines die Zweiphasenströmung führenden geraden elektrisch leitfähigen Abschnittes (F) des Rohr- oder Kanalsys- tems (1 ) mit gleichbleibender Querschnittsgeometrie, beabstandet zueinander, eine Messstrecke (S) bildend, angeordnet sind und in Längsrichtung des geraden elektrisch leitfähigen Abschnittes (F) des Rohr- oder Kanalsystems (1 ) mit gleich¬ bleibender Querschnittsgeometrie vor und nach der Messstrecke (S), fluchtend zu dieser, innerhalb einer jeweiligen Querschnittsfläche (5, 5') des geraden elek- trisch leitfähigen Abschnittes (F) des Rohr- oder Kanalsystems (1 ) mit gleichbleibender Querschnittsgeometrie, sich erstreckend in das Innere des geraden elek¬ trisch leitfähigen Abschnittes (F) des Rohr- oder Kanalsystems (1 ), mit gleichblei¬ bender Querschnittsgeometrie ragend, je ein elektrisch leitfähiger Stab, Feld¬ stab (4, 4') genannt, so angeordnet ist, dass die Feldstäbe (4, 4') und der gerade elektrisch leitfähige Abschnitt (F) des Rohr- oder Kanalsystems (1 ) mit gleichblei¬ bender Querschnittsgeometrie zwischen den Feldstäben (4, 4') als Resonator für eingekoppelte linear polarisierte Mikrowellen wirken, dadurch gekennzeichnet, dass zugeordnet zu jedem Feldstab (4, 4') in der oder in einer im Vergleich zur Wellenlänge der Hohlleiter-Grundwelle des geraden elektrisch leitfähigen
Abschnittes (F) des Rohr- oder Kanalsystems (1 ) mit gleichbleibender Quer¬ schnittsgeometrie mit geringem Abstand (G) benachbarten Querschnittsfläche zur jeweiligen Querschnittsfläche (5, 5') des geraden elektrisch leitfähigen
Abschnittes (F) des Rohr- oder Kanalsystems (1 ) mit gleichbleibender Quer¬ schnittsgeometrie, in der sich der Feldstab (4, 4') erstreckt, in einem Winkel zum Feldstab (4, 4') von = + 45° ± 10° und/oder α = -45° ± 10° und/oder
α = +135° ±10° und/oder α = -135° ± 10° zwei elektrisch leitfähige Stäbe, Hilfs- feldstäbe (6, 7 bzw. 6', 7') genannt, radial von der inneren Wandung des geraden elektrisch leitfähigen Abschnittes (F) des Rohr- oder Kanalsystems (1 ), mindestens bis zum Mittelpunkt der Querschnittsfläche ragend und in Längsrichtung des geraden elektrisch leitfähigen Abschnittes (F) des Rohr- oder Kanalsystems (1 ) zueinander fluchtend, angeordnet sind, wobei die beiden zu einem Feldstab (4, 4') zugeordneten Hilfsfeldstäbe (6, 7 bzw. 6', 7') einen Winkel von
90° ±20° einschließen und wobei die Hilfsfeldstäbe (6, 7 bzw. 6', 7') elektrisch leitend mit dem geraden elektrisch leitfähigen Abschnitt (F) des Rohr- oder Kanalsystems (1) verbunden sind.
2. Mikrowellenmessanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Feldstäbe (4, 4') vor und nach der Messstrecke (S), beabstandet mit wenig¬ stens jeweils einem Zehntel der Wellenlänge der Hohlleiter-Grundwelle zur Sende¬ oder Empfangsantenne (2, 3) und beabstandet zueinander mit einem Abstand zwischen annähend der Wellenlänge und annähernd dem Zweifachen der Wellenlänge der Hohlleiter-Grundwelle des geraden elektrisch leitfähigen
Abschnittes (F) des Rohr- oder Kanalsystems (1 ) mit gleichbleibender Quer¬ schnittsgeometrie, annähernd in der Polarisationsebene der eingekoppelten Mikrowellen und in Längsrichtung des geraden elektrisch leitfähigen Abschnit¬ tes (F) des Rohr- oder Kanalsystems (1 ) mit gleichbleibender Querschnittsgeometrie, zur Sende- und Empfangsantenne (2, 3) fluchtend, radial von der inneren Wandung des geraden elektrisch leitfähigen Abschnittes (F) des Rohr- oder
Kanalsystems (1), mindestens bis zum Mittelpunkt der Querschnittsfläche (5, 5') ragend, elektrisch leitend, mit dem geraden elektrisch leitfähigen Abschnitt (F) des Rohr- oder Kanalsystems (1 ) verbunden, angeordnet sind.
3. Mikrowellenmessanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (G) der beiden zu einem Feldstab (4, 4') zugeordneten Hilfsfeld- stäbe (6, 7 bzw. 6', 7') in Längsrichtung des geraden elektrisch leitfähigen
Abschnittes des Rohr- oder Kanalsystems (1 ) mit gleichbleibender Querschnittsgeometrie maximal ein Zehntel der Wellenlänge der Hohlleiter-Grundwelle des geraden elektrisch leitfähigen Abschnittes (F) des Rohr- oder Kanalsystems (1 ) mit gleichbleibender Querschnittsgeometrie beträgt.
4. Mikrowellenmessanordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfsfeldstäbe (6, 7, 6', 7') die Querschnittsfläche des geraden elektrisch leitfähigen Abschnittes (F) des Rohr- oder Kanalsystems (1 ) mit gleichbleibender Querschnittsgeometrie mindestens zur Hälfte und dabei den Mittelpunkt der Querschnittsfläche kreuzend, durchspannen.
5. Mikrowellenmessanordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfsfeldstäbe (6, 7, 6', 7') die Querschnittsfläche des geraden elektrisch leitfähigen Abschnittes (F) des Rohr- oder Kanalsystems (1 ) mit gleichbleibender Querschnittsgeometrie zu mehr als zwei Dritteln und dabei den Mittelpunkt der Querschnittsfläche kreuzend, durchspannen.
6. Mikrowellenmessanordnung nach Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Hilfsfeldstäbe (6, 7 bzw. 6', 7') der Länge der Feldstäbe (4, 4') entspricht.
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