EP4612487A1 - Messanordnung - Google Patents

Messanordnung

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Publication number
EP4612487A1
EP4612487A1 EP23772857.1A EP23772857A EP4612487A1 EP 4612487 A1 EP4612487 A1 EP 4612487A1 EP 23772857 A EP23772857 A EP 23772857A EP 4612487 A1 EP4612487 A1 EP 4612487A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
measuring
antenna
disk
microwave antenna
separating
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.)
Pending
Application number
EP23772857.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Frank Voigt
Anne HABERMEHL
Stefan PFLÜGER
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.)
Endress and Hauser Flowtec AG
Original Assignee
Endress and Hauser Flowtec AG
Flowtec AG
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 Endress and Hauser Flowtec AG, Flowtec AG filed Critical Endress and Hauser Flowtec AG
Publication of EP4612487A1 publication Critical patent/EP4612487A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N22/00—Investigating or analysing materials by the use of microwaves or radio waves, i.e. electromagnetic waves with a wavelength of one millimetre or more

Definitions

  • the established transmission-Z-reflection measurement is described in L.F. Chen, C.K. Ong, C.P. Neo, V.V. Varadan, V. K. Varadan - “Microwave Electronics, Measurement and Materials Characterization”, John Wiley & Sons Ltd., 2004.
  • the microwave signal is coupled to the medium in a container or measuring tube at two different positions, the scattering parameters (transmission and, if applicable, reflection) between these coupling structures are measured and the measured scattering parameters are used to calculate the physical properties of the medium.
  • the measuring arrangement according to the invention for determining a property of a multiphase, flowable medium comprises:
  • first separating disk for separating the first microwave antenna from the medium, wherein the first separating disk is arranged in the first antenna receptacle, wherein the first microwave antenna is arranged in the radial direction behind the first separating disk,
  • the measuring circuit has a high-frequency generator for feeding the first microwave antenna with an excitation signal, in particular with a sequence of high-frequency signals, wherein the measuring circuit is designed to determine the property of the medium on the basis of a received measuring signal.
  • the advantage of the measuring arrangement according to the invention is that measuring arrangements for wastewater or pulp-and-paper applications, in which the first microwave antenna is in direct contact with the medium, can be easily converted for hygiene applications.
  • This is achieved by means of the first separating disk, which is arranged between the medium to be guided and the first microwave antenna and thus prevents the first microwave antenna from coming into contact with the medium.
  • the first separating disk can be designed in such a way that it meets the application-specific hygiene requirements. For this purpose, a special material with which the medium can come into contact or a special geometry in which undercuts are avoided can be provided.
  • Another advantage is that with a suitable choice of material and geometry of the first separating disk, an improved irradiation of the excitation signal into the medium is achieved.
  • the separating disk is to be understood as a disk.
  • a disk is a geometric body which at least partially takes the shape of a cylinder and whose disk radius is at least partially many times higher than its thickness.
  • the separating disk cannot therefore be understood as part of a liner applied to the inside of the measuring tube in the sense of WO 2018/121927 A1, as a waveguide in the sense of US 4,755,743, as part of an electrically insulating measuring tube body in the sense of US 3,999,443 or as an electrically insulating sheath in the sense of WO 00/43759 A1.
  • the high frequency generator is preferably designed to generate an excitation signal which has a frequency range of 100 MHz to 100 GHz, in particular 500 MHz to 50 GHz and preferably from 800 MHz to 15 GHz.
  • the first microwave antenna is set up to radiate the excitation signal provided into the interior of the measuring tube or into the medium.
  • the excitation signal is a microwave signal which is essentially free from the influences of the medium in the measuring tube.
  • the first microwave antenna can also detect the reflected back-propagating measurement signal.
  • the measurement signal is also a microwave signal which essentially comprises the excitation signal with a portion resulting from the interaction of the excitation signal with the medium.
  • the measuring circuit has a microcontroller, logic switching elements and/or electrical components and is set up to determine a property of the medium depending on the portion.
  • the material In terms of hygienic design, the material must meet the applicable standards and guidelines for contact with food required in the application. Such as applicable parts of the US FDA (2022).
  • the material preferably meets the requirements of FDA (2022), EHEDG, in particular EN 1672-2 and/or DIN EN ISO 14159:2008-07, 3-A Sanitary Standards, (EC) No. 1935/2004, (EU) No. 10/2011, GB 4806.1-2016, GB 4806.7-2016 and/or GB 4806.11-2016.
  • the first separating disk has a first separating disk receptacle in which the first microwave antenna is arranged, in particular in a material-locking manner.
  • the advantage of a material-locking connection between the first microwave antenna and the first cutting disc holder or the first cutting disc is the improved coupling of the generated excitation signal into the cutting disc.
  • the first cutting disc has a first cutting disc section with a first cutting disc thickness d lt wherein the first separating disk has a second separating disk section with a second separating disk thickness d 2 , wherein the first separating disk thickness d ⁇ is smaller than the second separating disk thickness d 2 , wherein the first separating disk section forms a smallest separation between the medium and the first microwave antenna.
  • the first separating disc has several separating disc thicknesses to improve the connection of the first microwave antenna to the first separating disc itself and to ensure the best possible mechanical stability of the first separating disc. This allows the first separating disc section through which the excitation signal propagates to be made as thin as possible. For the second separating disc section - through which a much smaller proportion of the excitation signal propagates - a comparatively high separating disc thickness can be provided to improve the mechanical stability of the first separating disc.
  • the first cutting disc thickness d ⁇ is a maximum of 1 millimeter, in particular a maximum of 1.5 millimeters and preferably a maximum of 2 millimeters.
  • the measuring tube has a measuring tube collar extending around a circumference of the first antenna receptacle.
  • the measuring tube collar has the advantage that it increases the mechanical stability of the first antenna holder and thus also the robustness of the entire measuring arrangement, in particular the module comprising the first microwave antenna, the first separating disk and possible other components.
  • the measuring tube has a first measuring tube section with a first outer diameter D lt wherein the measuring tube has a second measuring tube section with a second outer diameter D 2 , wherein the first outer diameter D 1 is larger than the second outer diameter D 2 , wherein the first antenna receptacle is located in the first measuring tube section.
  • the measuring tube has a measuring section in which the first microwave antenna is arranged, wherein the measuring tube is spherical in the measuring section.
  • the advantage of the design is that a circular first antenna holder can be realized in the measuring tube for a separating disk that is at least partially cylindrical, without undercuts forming between the measuring tube and the first separating disk in which solids from the medium can accumulate.
  • a design includes:
  • first disk holder for fixing the first separating disk in the first antenna receptacle, wherein the first disk holder is designed and arranged on the measuring tube such that the first separating disk is clamped in the first antenna receptacle.
  • the first separating disc has, in a front section, a sealing agent receptacle running along the circumference, in particular in the form of an indentation, with a sealing agent arranged therein.
  • the sealant can be a sealant that is in a solid state during assembly (e.g. an O-ring) or a sealant that is initially applied in liquid form and then hardened.
  • the first microwave antenna has a metallic carrier body with a carrier body receptacle, wherein the first microwave antenna has a ceramic with a metallization which is arranged in the carrier body receptacle, wherein the first microwave antenna has an opening extending through the carrier body and the ceramic, the first microwave antenna comprising a coaxial connector arranged in the opening.
  • the advantage of the design is the high compactness of the first microwave antenna with high pressure and temperature resistance.
  • Such a first microwave antenna is known from WO 2021/099152 A1, to which reference is made in full.
  • a design includes:
  • first disc fastening which is adapted to fix the first separating disc to the disc holder and/or the first microwave antenna and to shield the first microwave antenna.
  • the first disk attachment rests on a rear side of the first microwave antenna.
  • the advantage of this is that the signal loss of the excitation signal is reduced by preventing a portion of the excitation signal from being emitted via the rear side. It is also advantageous if the first disk attachment additionally or alternatively covers or shields a lateral surface of the first microwave antenna.
  • One embodiment provides that the first pane fastening and the first pane holder are designed and arranged around the first microwave antenna in such a way that a ground connection to the metallization (i.e. a connection to ground via the metallization) is realized.
  • the metallization of the disk holder prevents the microwave signal (excitation signal) from radiating into the electronics chamber instead of into the medium.
  • a design includes:
  • the measuring tube has a second antenna receptacle, in particular oriented diametrically to the first antenna receptacle, wherein the second microwave antenna is arranged in the second antenna receptacle,
  • a second separating disc for separating the second microwave antenna from the medium, wherein the second separating disk is arranged in the second antenna receptacle, wherein the second microwave antenna is arranged in the radial direction behind the second separating disk, wherein the second microwave antenna is configured to receive the measurement signal.
  • a design includes:
  • a second disc holder for fixing the second separating disc in the second antenna receptacle, wherein the second disc holder is designed and arranged on the measuring tube such that the second separating disc is clamped in the second antenna receptacle.
  • the measuring tube has a measuring tube interior, wherein the first disk holder is connected to the second disk holder via at least one fastening means, wherein the first disk holder and the second disk holder are arranged on the measuring tube and connected to one another in such a way that they cause a force in the direction of the measuring tube interior on the respective disk holder.
  • Fig. 1 an exploded view of a module of a first embodiment of the measuring arrangement according to the invention
  • Fig. 2 an exploded view of the entire first embodiment of the measuring arrangement according to the invention
  • Fig. 3 a cross-section through the first embodiment of the measuring arrangement
  • Fig. 4 an exploded view of a module of a second embodiment of the measuring arrangement according to the invention.
  • Fig. 5 a cross-section through the second embodiment of the measuring arrangement.
  • Fig. 6 a perspective and partially sectioned view of the measuring arrangement according to the invention.
  • Fig. 1 shows an exploded view of a module of a first embodiment of the measuring arrangement 1 according to the invention.
  • the module shown comprises a first separating disk 7, which is designed to separate the first microwave antenna 5 from the flowable medium.
  • the first separating disk 7 is intended to prevent the first microwave antenna 5 from coming into contact with the flowing medium.
  • the first separating disk 7 is designed such that it meets the requirements of FDA, (EC) No. 1935/2004, GB 4806.1-2016, GB 4806.7-2016 and/or GB 4806.11-2016.
  • the first separating disk 7 also has a first separating disk holder 10, which can be designed as a recess.
  • the first separating disk holder 10 is designed such that a first microwave antenna 5 can be arranged in it, at least in sections. For sufficient fastening, a material-locking fastening of the first microwave antenna 5 in the first separating disk holder 10 can be provided.
  • the first microwave antenna 5 is designed to emit an excitation signal into the medium. Furthermore, the first microwave antenna 5 has a metallization on an outer surface.
  • the module also comprises a first disk holder 21, which is designed to fasten the first separating disk 7 to a measuring tube.
  • the first disk holder 21 is designed and can be arranged on the measuring tube such that the first separating disk 7 is clamped in the first antenna holder (not shown) provided in the measuring tube.
  • the first disk holder 21 has an opening through which the first microwave antenna 5 can be arranged or through which the first microwave antenna 5 extends in the assembled state.
  • the first microwave antenna 5 is fastened to the first separating disk 7 and the first disk holder 21 by a first disk fastening 28.
  • the first disk fastening 28 not only serves to fasten the first microwave antenna 5, but must also be designed and arranged in such a way that it shields the first microwave antenna 5 in the radial direction.
  • the first disk fastening 28 and the disk holder 21 are designed and arranged around the first microwave antenna 5 in such a way that a ground connection to the metallization of the first microwave antenna 5 is realized.
  • the first disk fastening 28 is mechanically connected to the first disk holder 21 and the first separating disk 7 by means of at least one fastening means 19 (e.g. screws or rivets).
  • the module When using two microwave antennas, it is advantageous if two identically constructed microwave antennas are used. In this case, one of the two microwave antennas is set up to transmit the excitation signal and the other microwave antenna is set up to receive a measurement signal. Accordingly, the module then comprises a second separating disk 8 with a second cutting disc holder 11, a second microwave antenna 6, a second disc holder 22 and a second disc fastening 29.
  • Fig. 2 shows an exploded view of the entire first embodiment of the measuring arrangement 1 according to the invention.
  • the measuring arrangement 1 shown comprises two of the modules shown in Fig. 1 in an assembled state. These can be arranged diametrically on a measuring tube 2 with a first antenna holder 3 and a second antenna holder 4.
  • a sealing means 25 is provided in each case, which can be arranged in a front sealing means holder 24 of the separating disks 7, 8.
  • the sealing means 25 can be a sealing ring as shown.
  • the measuring tube 2 has a connection device in the form of a flange on each front side.
  • the measuring tube 2 is spherical in the area of the antenna holders 3, 4.
  • the two modules can be mechanically connected to one another via fastening means 27 in such a way that they are tensioned against one another and thus a mutual force is exerted on the modules in the direction of the measuring tube interior 26.
  • Fig. 3 shows a cross section through the first embodiment of the measuring arrangement 1.
  • the assembled module shown in Fig. 1 is arranged in the first antenna receptacle 3 of the measuring tube 2.
  • the first separating disk 7 has a first separating disk section 12 in which the first separating disk 7 has a first separating disk thickness d ⁇ and a second separating disk section 13 in which the first separating disk 7 has a second separating disk thickness d 2.
  • the first separating disk thickness d ⁇ is smaller than the second separating disk thickness d 2 .
  • the first separating disk section 12 forms the smallest possible separation between the medium inside the measuring tube and the first microwave antenna 5.
  • the first separating disk thickness d ⁇ is a maximum of 3 millimeters, in particular a maximum of 2 millimeters and preferably a maximum of 1 millimeter.
  • the design of the different separating disk thicknesses forms a first antenna receptacle 3 in which the first microwave antenna 5 is arranged.
  • the first microwave antenna 5 can be firmly bonded to the first separating disk 7 by means of an adhesive.
  • an adhesive gap (approx. 0.2 mm) can be provided between the front surface of the first microwave antenna and the opposite surface of the first antenna receptacle, which is filled with an adhesive.
  • the first separating disk 7 has a sealing agent receptacle 24 in which a sealing agent 25 in the form of a sealing ring is arranged.
  • the sealing agent receptacle 24 is designed in such a way and the sealing agent 25 is configured and arranged in the sealing agent receptacle 24 in such a way that it is in contact with the medium at least in sections and no cavities are formed.
  • the sealing agent 25 consists of a material suitable for hygiene applications.
  • a metallic first disk holder 21 is arranged in the radial direction behind the first cutting disk 7 and exerts a force on the first cutting disk 7 in the direction of the measuring tube interior.
  • the first disk holder 21 can interact with a second disk holder 22 of a second module that is arranged diametrically.
  • a first disk fastening 28 is arranged in the radial direction behind the first cutting disk 7 and the first disk holder 21 and is designed to connect the first cutting disk 7 to the first disk holder 21.
  • the first disk holder 21 is designed such that it covers as large a rear surface of the first microwave antenna 5 as possible and creates a connection between the metallization of the first microwave antenna 5 and the metallic first disk holder 21.
  • the first microwave antenna 5 has a metallized carrier body 30 with a carrier body receptacle 31 in which a ceramic 32 is arranged.
  • the ceramic 32 has a continuous opening 33 through which a coaxial plug 34 is inserted.
  • the coaxial plug 34 is connected to the measuring circuit, which has a high-frequency generator for feeding the first microwave antenna 5 with an excitation signal.
  • the coaxial plug 34 can be set up to forward an incoming measurement signal to the measuring circuit.
  • the measuring tube 2 has a measuring tube collar 15 which extends around a circumference of the first antenna holder 3 and in which the entire module is arranged.
  • the measuring tube collar 15 facilitates assembly and ensures a stable arrangement of the module on the measuring tube.
  • the measuring arrangement 1 When using two identical microwave antennas or modules, the measuring arrangement 1 has two of the arrangements shown.
  • Fig. 4 shows an exploded view of a module of a second embodiment of the measuring arrangement 101 according to the invention.
  • the module comprises a first separating disk 107, which tapers conically at the front.
  • the sealing means 125 has a first sealing means section in which it is cylindrical and has a substantially constant first sealing means diameter.
  • the sealing means 125 has a second sealing means section with a second sealing means diameter, which is always smaller than the first sealing means diameter and decreases or increases in the longitudinal direction.
  • the first separating disk 107 can be connected to a measuring tube via a first disk holder 121.
  • the first disk holder 121 has a thread for this purpose.
  • a spring element 114 is arranged between the first separating disk 107 and the first disk holder 121.
  • the spring element 114 consists of a spring-loaded element 115.
  • Element 114 consists of a cylindrical leaf spring.
  • the four individual components mentioned - the sealing means 125, the first separating disk 107, the resilient element 114 and the first disk holder 121 - can be assembled together and secured in a receptacle in the measuring tube.
  • a first microwave antenna 105 can then be guided through the first disk holder 121 and the resilient element 114 and arranged in a first separating disk receptacle 110 provided in the first separating disk 107.
  • a first disk attachment 128, which comprises two clamp-shaped disks, is provided for attaching the first microwave antenna 105 in the first separating disk receptacle 110.
  • Four attachment means 127 serve to attach the module to the measuring tube.
  • the first disk attachment 128 is designed and arranged in the radial direction behind the first microwave antenna 105 in such a way that the largest possible rear surface of the first microwave antenna 5 is covered.
  • the module When using two microwave antennas, it is advantageous if two identically constructed microwave antennas are used. In this case, one of the two microwave antennas is set up to transmit the excitation signal and the other microwave antenna is set up to receive a measurement signal. Accordingly, the module then comprises a second separating disk 108 with a second separating disk holder 111, a second microwave antenna 106, a second disk holder 122 and a second disk attachment 129.
  • Fig. 5 shows a cross section through the second embodiment of the measuring arrangement 101.
  • the measuring arrangement 101 has a measuring tube 102 which - unlike in Fig. 3 - is not spherical. Instead, the medium-carrying path has a circular surface in a cross section in the measuring section, which is shortened by two diametrically oriented circular segments.
  • the measuring tube 102 shown is a milled part which is machined from a metallic block.
  • the measuring tube 2 with the spherical measuring section from Fig. 2 would, however, be suitable as an alternative measuring tube for the second embodiment.
  • the measuring tube 102 has a first antenna receptacle 103, which is formed from an opening in the measuring tube wall and a hollow cylindrical collar.
  • a sealing means 125, a first separating disk 107, a resilient element 114 and a first disk holder 121 are arranged in the first antenna receptacle 103. These four components serve to ensure a medium-tight boundary between the first microwave antenna 105 and the medium to be guided.
  • the first microwave antenna 105 is arranged in a first separating disk receptacle 110 and extends through an opening in the resilient element 114 and an opening in the first disk holder 121.
  • the first disk holder 121 has a thread and is connected to the measuring tube 102 or to the collar of the measuring tube 102 via a screw connection.
  • the sealing means 125 and the first separating disk 107 is clamped between the first disc holder 121 and a projection of the first antenna holder 103.
  • the resilient element 114 in the form of a disc spring absorbs the force generated by the first disc holder 121.
  • the first microwave antenna 105 is identical to the first microwave antenna 5 of Fig. 3 and accordingly also has a carrier body 130 with a carrier body receptacle 131 in which a ceramic 132 is arranged, which has an opening 133.
  • a coaxial plug 134 is inserted through the opening 133 and is connected to the measuring circuit, in particular to the high-frequency generator.
  • the first microwave antenna 105 is fastened in the first antenna receptacle 103 and the first separating disk receptacle 110 via a first disk fastening 128.
  • the first microwave antenna 105 has a metallic outer surface.
  • the first disk fastening 128 is metallic and covers at least part of the rear of the first microwave antenna 105.
  • the measuring arrangement 101 When using two identical microwave antennas or modules, the measuring arrangement 101 has two of the arrangements shown.
  • Fig. 6 shows a perspective and partially sectioned view of the measuring arrangement 1 according to the invention.
  • the measuring arrangement 1 comprises a measuring sensor which is set up to couple a received excitation signal into a medium to be examined and to measure a measurement signal which correlates with the property of the medium to be examined.
  • the measuring arrangement 1 also comprises a measuring transducer which is set up to provide an excitation signal, to evaluate the measured measurement signal and to determine the property to be determined.
  • the measuring transducer has a measuring circuit 9 which has a high-frequency generator for feeding the first microwave antenna with an excitation signal, in particular with a sequence of high-frequency signals.
  • the measuring circuit 9 is also set up to determine the property of the medium based on a received measurement signal.
  • the measuring circuit 9 has a microprocessor, a memory and logical switching components.
  • a computer program product which has the algorithm for determining the property of the medium can be stored in the measuring circuit 9.
  • the measuring arrangement 1 further comprises a measuring tube 2, in particular a metal one, which has a first measuring tube section 16 with a first outer diameter D 1 and a second measuring tube section 17 with a second outer diameter D 2.
  • the first outer diameter D 1 is larger than the second outer diameter D 2 and increases continuously in the longitudinal direction of the measuring tube, starting from the second outer diameter D 2 , until it assumes a maximum outer diameter.
  • the first outer diameter D t then decreases again. This causes the measuring tube to widen in the first measuring tube section 16.
  • the first antenna holder 3 is arranged in the first measuring tube section 16. Part of the first measuring tube section 16 is the measuring section 20.
  • the first microwave antenna 5 is arranged in the measuring section 20.
  • the measuring section 20 is spherical in the embodiment shown.
  • a VARINLINE® housing from GEA, for example, is suitable as the measuring tube 2; this housing is designed to be free of dead spaces and is therefore ideal for hygienic applications.
  • the measuring arrangement 1 also comprises a housing 35 which encloses the individual components of the module from Fig. 1 or the microwave antenna and protects them against external influences.
  • Measuring tube 2 102 first antenna holder 3 second antenna holder 4 first microwave antenna 5, 105 second microwave antenna 6, 106 first separating disc 7, 107 second separating disc 8, 108 measuring circuit 9 first separating disc holder 10, 110 first separating disc section 12 second separating disc section 13 resilient element 114
  • Measuring section 20 first disc holder 21 , 121 second disc holder 22, 122 front section 23

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Messanordnung (1, 101) zum Ermitteln einer Eigenschaft eines mehrphasigen, fließfähigen Mediums, umfassend: - ein Messrohr (2, 102) zum Führen des Mediums, wobei das Messrohr (2, 102) eine erste Antennenaufnahme (3, 103) aufweist, - eine erste Mikrowellenantenne (5, 105), welche in der ersten Antennenaufnahme (3, 103) angeordnet ist, - eine erste Trennscheibe (7, 107) zum Abtrennen der ersten Mikrowellenantenne (5, 105) gegenüber dem Medium, wobei die erste Trennscheibe (7, 107) in der ersten Antennenaufnahme (3, 103) angeordnet ist, wobei die erste Mikrowellenantenne (5, 105) in radialer Richtung hinter der ersten Trennscheibe (7, 107) angeordnet ist, - eine Messschaltung (9), wobei die Messschaltung (9) einen Hochfrequenzgenerator zum Speisen der ersten Mikrowellenantenne (5, 105) mit einem Erregersignal, insbesondere mit einer Folge von Hochfrequenzsignalen, aufweist, wobei die Messschaltung (9) dazu eingerichtet ist, anhand eines empfangenen Messsignales die Eigenschaft des Mediums zu bestimmen.

Description

Messanordnung
Die Erfindung betrifft Messanordnung zum Ermitteln einer Eigenschaft eines mehrphasigen, fließfähigen Mediums.
Mittels Mikrowellen lassen sich die physikalischen Größen Permittivität, sowie Verlustfaktor eines Mediums in einer Prozessleitung ermitteln. Aus diesen beiden Größen
- gemessen entweder bei einer oder über viele unterschiedliche Frequenzen - lassen sich Rückschlüsse auf anwendungsspezifische Parameter ziehen, beispielsweise auf den Anteil von Wasser in einem Gemisch aus Wasser und anderen nicht oder wenig polaren Komponenten oder einen Feststoffanteil in einem flüssigen Medium.
Die etablierte Transmissions-ZReflexionsmessung ist beschrieben in L.F. Chen, C.K. Ong, C.P. Neo, V.V. Varadan, V. K. Varadan - “Microwave Electronics, Measurement and Materials Characterization”, John Wiley & Sons Ltd., 2004. Hierfür wird das Mikrowellensignal an zwei unterschiedlichen Positionen an das Medium in einem Behälter bzw. Messrohr angekoppelt, die Streuparameter (Transmission und ggfs. Reflexion) zwischen diesen Ankoppelstrukturen gemessen und aus den gemessenen Streuparametern auf die genannten physikalischen Eigenschaften des Mediums zurückgerechnet.
Die WO 2018/121927 A1 lehrt eine Messanordnung zur Analyse von Eigenschaften eines strömenden Mediums mittels Mikrowellen. Dabei weist die Messanordnung zusätzlich zu den Mikrowellenantennen eine elektrisch isolierende Auskleidungsschicht an der inneren Mantelfläche des Messrohres auf. Diese Auskleidungsschicht bildet einen dielektrischen Wellenleiter über den ein Mikrowellensignal zumindest anteilig von einer ersten Mikrowellenantenne zu einer zweiten Mikrowellenantenne gelangen kann. Eine Anwendung für eine derartige Messanordnung ist die Bestimmung von Feststoffanteilen im zu führenden flüssigen Medium. In der WO 2021/099152 A1 wird eine Mikrowellenantenne gelehrt, welche einen mediumsberührenden Frontabschnitt aufweist über den das Erregersignal in das Medium ausgestrahlt wird. Nachteilig an den offenbarten Lösungen ist, dass diese in der offenbarten Form nicht für Hygiene-Anwendungen geeignet sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde dem Problem Abhilfe zu schaffen.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Messanordnung nach Anspruch 1.
Die erfindungsgemäße Messanordnung zum Ermitteln einer Eigenschaft eines mehrphasigen, fließfähigen Mediums umfasst:
- ein vorzugsweise metallisches Messrohr zum Führen des Mediums, wobei das Messrohr eine erste Antennenaufnahme aufweist, - eine erste Mikrowellenantenne, welche in der ersten Antennenaufnahme angeordnet ist,
- eine erste Trennscheibe zum Abtrennen der ersten Mikrowellenantenne gegenüber dem Medium, wobei die erste Trennscheibe in der ersten Antennenaufnahme angeordnet ist, wobei die erste Mikrowellenantenne in radialer Richtung hinter der ersten Trennscheibe angeordnet ist,
- eine Messschaltung, wobei die Messschaltung einen Hochfrequenzgenerator zum Speisen der ersten Mikrowellenantenne mit einem Erregersignal, insbesondere mit einer Folge von Hochfrequenzsignalen, aufweist, wobei die Messschaltung dazu eingerichtet ist, anhand eines empfangenen Messsignales die Eigenschaft des Mediums zu bestimmen.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Messanordnung besteht darin, dass sich Messanordnungen für Abwasser- oder Pulp-and-Paper Anwendungen, bei denen die erste Mikrowellenantenne in direkten Kontakt mit dem Medium steht, einfach für Hygiene- Anwendungen umrüsten lassen. Dies gelingt mittels der ersten Trennscheibe, welche zwischen den zu führenden Medium und der ersten Mikrowellenantenne angeordnet ist und somit verhindert, dass die erste Mikrowellenantenne in Kontakt mit dem Medium gelangt. Die erste Trennscheibe lässt sich derart ausgestalten, dass sie die anwendungsbedingten Hygiene-Anforderungen erfüllt. Dafür kann ein spezielles Material mit dem das Medium in Kontakt kommen darf oder eine spezielle Geometrie bei der Hinterschnitte vermieden werden vorgesehen sein. Weiterhin vorteilhaft ist, dass bei geeigneter Wahl des Materials und Geometrie die erste Trennscheibe eine verbesserte Einstrahlung des Erregersignals in das Medium erreicht wird.
Dabei ist die Trennscheibe im Sinne der Erfindung als Scheibe zu verstehen. Eine Scheibe ist ein geometrischer Körper, welcher zumindest abschnittsweise die Form eines Zylinders annimmt und dessen Scheibenradius zumindest abschnittsweise um ein Vielfaches höher ist als seine Dicke. Die Trennscheibe lässt sich somit nicht als Teil eines im Messrohr innenseitig aufgebrachten Liners im Sinne der WO 2018/121927 A1 , als Wellenleiter im Sinne der US 4,755,743, als Teil eines elektrisch isolierenden Messrohrkörpern im Sinne der US 3,999,443 oder als elektrisch isolierende Ummantelung im Sinne der WO 00/43759 A1 verstehen.
Der Hochfrequenzgenerator ist vorzugsweise dazu eingerichtet ein Erregersignal zu erzeugen, welches einen Frequenzbereich von 100 MHz bis 100 GHz, insbesondere von 500 MHz bis 50 GHz und bevorzugt von 800 MHz bis 15 GHz abdeckt. Die erste Mikrowellenantenne ist dazu eingerichtet, das bereitgestellte Erregersignal in das Messrohrinnere bzw. in das Medium einzustrahlen. Bei dem Erregersignal handelt es sich um ein Mikrowellensignal, welches im Wesentlichen frei von den Einflüssen des Mediums im Messrohr ist. Die erste Mikrowellenantenne kann ebenfalls das reflektierte zurückpropagierende Messsignal zu detektieren. Das Messsignal ist ebenfalls eine Mikrowellensignal, welches im Wesentlichen das Erregersignal mit einem sich aus der Wechselwirkung des Erregersignals mit dem Medium ergebenden Anteil umfasst. Die Messschaltung weist einen Mikrocontroller, logische Schaltelemente und/oder elektrische Bauelemente auf und ist dazu eingerichtet, in Abhängigkeit des Anteils eine Eigenschaft des Mediums zu bestimmen.
Vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die erste Trennscheibe ein Material umfasst, welches in der folgenden Liste aufgeführt ist:
- Polyetheretherketone (PEEK)
- Polytetrafluorethylen (PTFE)
- Perfluoralkoxy (PFA)
- Glas
- Keramik
Das Material muss hinsichtlich hygienischem Design die in der Anwendung geforderten und gültigen Normen und Richtlinien für den Kontakt mit Lebensmitteln erfüllen. Wie z.B. anwendbare Teile der US-amerikanischen FDA (2022). Das Material erfüllt vorzugsweise die Anforderungen der FDA (2022), EHEDG, insbesondere EN 1672-2 und/oder DIN EN ISO 14159:2008-07, 3-A Sanitary Standards, (EG) Nr. 1935/2004, (EU) NR. 10/2011 , GB 4806.1-2016, GB 4806.7-2016 und/oder GB 4806.11-2016.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die erste Trennscheibe eine erste Trennscheibenaufnahme aufweist in welcher die erste Mikrowellenantenne, insbesondere stoffschlüssig, angeordnet ist.
Vorteilhaft an einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen der ersten Mikrowellenantenne und der ersten T rennscheibenaufnahme bzw. der ersten T rennscheibe ist die verbesserte Einkopplung des erzeugten Erregersignals in die Trennscheibe.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die erste Trennscheibe einen ersten Trennscheibenabschnitt aufweist mit einer ersten Trennscheibenstärke dl t wobei die erste Trennscheibe einen zweiten Trennscheibenabschnitt aufweist mit einer zweiten Trennscheibenstärke d2, wobei die erste Trennscheibenstärke d± kleiner ist als die zweite Trennscheibenstärke d2, wobei der erste T rennscheibenabschnitt eine geringste T rennung zwischen Medium und erste Mikrowellenantenne bildet.
Es ist vorteilhaft, wenn der Abstand zwischen der ersten Mikrowellenantenne und dem Medium möglichst gering ist. Die erste Trennscheibe weist zum verbesserten Anbinden der ersten Mikrowellenantenne mit der ersten Trennscheibe selbst und für eine möglichst optimale mechanische Stabilität der ersten Trennscheibe mehrere Trennscheibenstärken auf. So lässt sich der erste Trennscheibenabschnitt durch den sich das Erregersignal ausbreitet möglichst dünn ausgestalten. Für den zweiten Trennscheibenabschnitt - durch den anteilmäßig ein viel geringerer Beitrag des Erregersignals propagiert - lässt sich eine vergleichsmäßig hohe Trennscheibendicke vorsehen zur verbesserten mechanischen Stabilität der ersten T rennscheibe.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die erste Trennscheibenstärke d± maximal 1 Millimeter, insbesondere maximal 1 ,5 Millimeter und bevorzugt maximal 2 Millimeter ist.
Es hat sich herausgestellt, dass der für die Messungen brauchbare Anteil vom ins Medium abgestrahlten Erregersignal (der Reflexionsfaktor liegt unterhalb von -6 dB, d.h. mindestens 75% der Leistung werden abgestrahlt) mit zunehmender Dicke der T rennscheibe abnimmt. Für die beanspruchte Messanordnung konnte nachgewiesen werden, dass bei einer Trennscheibenstärke d± von 1 Millimeter ca. 90% des Nutzbandes (1 ,8-3 GHz), bei einer Trennscheibenstärke d± von 2 Millimeter nur ca. 75 % des Nutzbandes und bei einer Trennscheibenstärke d± von 3 Millimetern nur noch ca. 50 % des Nutzbandes unterhalb von -6 dB liegen. Das heißt, dass im letzten Fall nur noch die Hälfte des Nutzbandes zu der Ermitteln der Eigenschaft des mehrphasigen, fließfähigen Mediums beiträgt.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das Messrohr einen sich um einen Umfang der ersten Antennenaufnahme erstreckenden Messrohrkragen aufweist.
Der Messrohrkragen hat den Vorteil, dass er die mechanische Stabilität der ersten Antennenaufnahme erhöht und somit auch die Robustheit der gesamten Messanordnung, insbesondere das Modul umfassend die erste Mikrowellenantenne, die erste Trennscheibe und eventuelle weitere Komponenten.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das Messrohr einen ersten Messrohrabschnitt aufweist mit einem ersten Außendurchmesser Dl t wobei das Messrohr einen zweiten Messrohrabschnitt aufweist mit einem zweiten Außendurchmesser D2, wobei der erste Außendurchmesser D1 größer ist als der zweite Außendurchmesser D2, wobei sich die erste Antennenaufnahme in dem ersten Messrohrabschnitt befindet.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das Messrohr einen Messabschnitt aufweist in dem die erste Mikrowellenantenne angeordnet ist, wobei das Messrohr im Messabschnitt kugelförmig ausgebildet ist.
Vorteilhaft an der Ausgestaltung ist, dass sich somit eine kreisförmige erste Antennenaufnahme im Messrohr für eine zumindest abschnittsweise zylindrische Trennscheiben realisieren lässt, ohne dass sich Hinterschnitte zwischen Messrohr und der ersten Trennscheibe ausbilden, in denen sich Feststoffe des Mediums anlagern können. Durch ein frontbündiges Anordnen der ersten Trennscheiben im Messrohr bilden sich keine Stufen im mediumsführenden Messrohrkanal und somit auch kein Ursprung für Verwirbelungen im Medium.
Eine Ausgestaltung umfasst:
- eine erste Scheibenhalterung zum Fixieren der ersten Trennscheibe in der ersten Antennenaufnahme, wobei die erste Scheibenhalterung derart ausgestaltet, und am Messrohr angeordnet ist, dass die erste Trennscheibe in der ersten Antennenaufnahme eingespannt ist.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die erste Trennscheibe in einem Frontabschnitt eine am Umfang verlaufende Dichtmittelaufnahme, insbesondere in Form einer Einbuchtung, mit einem darin angeordneten Dichtmittel aufweist.
Bei dem Dichtmittel kann es sich um einen beim Montieren einen festen Zustand aufweisendes Dichtmittel (z.B. ein O-Ring) oder um ein zunächst flüssig appliziertes und dann ausgehärtetes Dichtmittel handeln.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die erste Mikrowellenantenne einen metallischen Trägerkörper mit einer Trägerkörperaufnahme aufweist, wobei die erste Mikrowellenantenne eine Keramik mit einer Metallisierung aufweist, welche in der Trägerkörperaufnahme angeordnet ist, wobei die erste Mikrowellenantenne eine Öffnung aufweist, die sich durch den Trägerkörper und der Keramik erstreckt, wobei die erste Mikrowellenantenne einen Ko axial Stecker umfasst, welcher in der Öffnung angeordnet ist.
Vorteilhaft an der Ausgestaltung ist die hohe Kompaktheit der ersten Mikrowellenantenne mit großer Druck- und Temperaturbeständigkeit. Eine derartige erste Mikrowellenantenne ist aus der WO 2021/099152 A1 bekannt, auf welche vollumfänglich Bezug genommen.
Eine Ausgestaltung umfasst:
- eine erste Scheibenbefestigung, die dazu eingerichtet ist, die erste Trennscheibe mit der Scheibenhalterung und/oder die erste Mikrowellenantenne zu fixieren und die erste Mikrowellenantenne abzuschirmen.
Dabei liegt die erste Scheibenbefestigung auf einer Rückseite der ersten Mikrowellenantenne auf. Vorteilhaft daran ist, dass der Signalverlust des Erregersignals reduziert wird, indem ein Abstrahlen eines Anteils des Erregersignales über die Rückseite unterbunden wird. Weiterhin vorteilhaft ist, wenn die erste Scheibenbefestigung zusätzlich oder alternativ eine seitliche Mantelfläche der ersten Mikrowellenantenne bedeckt bzw. abschirmt.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die erste Scheibenbefestigung und die erste Scheibenhalterung derart ausgebildet und um die erste Mikrowellenantenne angeordnet sind, dass eine Masseschluss zur Metallisierung (d.h. eine Verbindung zur Masse über die Metallisierung) realisiert ist.
Die Metallisierung der Scheibenhalterung verhindert, dass das Mikrowellensignal (Erregersignal) anteilig in die Elektronikkammer statt in das Medium einstrahlt.
Eine Ausgestaltung umfasst:
- eine, insbesondere zur ersten Mikrowellenantenne baugleiche, zweite Mikrowellenantenne, wobei das Messrohr eine, insbesondere zur ersten Antennenaufnahme diametral orientierte, zweite Antennenaufnahme aufweist, wobei die zweite Mikrowellenantenne in der zweiten Antennenaufnahme angeordnet ist,
- eine zweite Trennscheibe zum Abtrennen der zweiten Mikrowellenantenne gegenüber dem Medium, wobei die zweite Trennscheibe in der zweiten Antennenaufnahme angeordnet ist, wobei die zweite Mikrowellenantenne in radialer Richtung hinter der zweiten Trennscheibe angeordnet ist, wobei die zweite Mikrowellenantenne dazu eingerichtet ist, das Messsignal zu empfangen.
Eine Ausgestaltung umfasst:
- eine zweite Scheibenhalterung zum Fixieren der zweiten Trennscheibe in der zweiten Antennenaufnahme, wobei die zweite Scheibenhalterung derart ausgestaltet und am Messrohr angeordnet ist, dass die zweite Trennscheibe in der zweiten Antennenaufnahme eingespannt ist.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das Messrohr ein Messrohrinneres aufweist, wobei die erste Scheibenhalterung mit der zweiten Scheibenhalterung über mindestens ein Befestigungsmittel miteinander verbunden sind, wobei die erste Scheibenhalterung und die zweite Scheibenhalterung derart am Messrohr angeordnet und miteinander verbunden sind, dass sie eine Kraft in Richtung des Messrohrinneren auf die jeweilige Scheibenhalterung bewirken.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 : eine Explosionsdarstellung eines Moduls einer ersten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Messanordnung;
Fig. 2: eine Explosionsdarstellung der gesamten ersten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Messanordnung;
Fig. 3: einen Querschnitt durch die erste Ausgestaltung der Messanordnung;
Fig. 4: eine Explosionsdarstellung eines Moduls einer zweiten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Messanordnung;
Fig. 5: einen Querschnitt durch die zweite Ausgestaltung der Messanordnung; und
Fig. 6: eine perspektivische und teilweise geschnittene Darstellung der erfindungsgemäßen Messanordnung. Fig. 1 zeigt eine Explosionsdarstellung eines Moduls einer ersten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Messanordnung 1. Das abgebildete Modul umfasst eine erste Trennscheibe 7, die dazu eingerichtet ist die erste Mikrowellenantenne 5 vom fließfähigen Medium zu trennen. Sie erste Trennscheibe 7 soll vermeiden, dass die erste Mikrowellenantenne 5 in Kontakt mit dem fließenden Medium gelangt. Die erste Trennscheibe 7 ist derart ausgebildet, dass sie die Anforderungen der FDA, (EG) Nr. 1935/2004, GB 4806.1-2016, GB 4806.7-2016 und/oder GB 4806.11-2016 erfüllt. Weiterhin weist die erste Trennscheibe 7 eine erste Trennscheibenaufnahme 10, die als Aussparung ausgebildet sein kann. Dafür weist es vorzugsweise als PEEK, PTFE, PFA, Glas oder Keramik als Material auf, bzw. ist daraus gebildet. Die erste Trennscheibenaufnahme 10 ist derart ausgebildet, dass eine erste Mikrowellenantenne 5 zumindest abschnittsweise in ihr anordenbar ist. Für eine ausreichende Befestigung kann eine stoffschlüssige Befestigung der ersten Mikrowellenantenne 5 in der ersten Trennscheibenaufnahme 10 vorgesehen sein. Die erste Mikrowellenantenne 5 ist dazu eingerichtet, ein Erregersignal in das Medium auszusenden. Weiterhin weist die erste Mikrowellenantenne 5 an einer äußeren Mantelfläche eine Metallisierung auf. Das Modul umfasst weiterhin eine erste Scheibenhalterung 21 , die dazu eingerichtet ist die erste Trennscheibe 7 an einem Messrohr zu befestigen. Dafür ist die erste Scheibenhalterung 21 derart ausgestaltet und am Messrohr anordenbar, dass die erste Trennscheibe 7 in der im Messrohr vorgesehenen ersten Antennenaufnahme (nicht abgebildet) eingespannt ist. Die erste Scheibenhalterung 21 weist eine Öffnung auf, durch welche die erste Mikrowellenantenne 5 anordenbar ist bzw. durch welche sich die erste Mikrowellenantenne 5 im montierten Zustand erstreckt. Die erste Mikrowellenantenne 5 ist durch eine erste Scheibenbefestigung 28 mit der ersten T rennscheibe 7 und der ersten Scheibenhalterung 21 befestigt. Die erste Scheibenbefestigung 28 dient nicht nur zur Befestigung der ersten Mikrowellenantenne 5, sondern muss auch derart ausgebildet und angeordnet sein, dass es die erste Mikrowellenantenne 5 in radialer Richtung abschirmt. Dafür ist die erste Scheibenbefestigung 28 und die Scheibenhalterung 21 derart ausgebildet und um die erste Mikrowellenantenne 5 anzuordnen, dass ein Masseschluss zur Metallisierung der ersten Mikrowellenantenne 5 realisiert ist. Die erste Scheibenbefestigung 28 ist mittels mindestens einem Befestigungsmittel 19 (z.B. Schrauben oder Nieten) mit der ersten Scheibenhalterung 21 und der ersten Trennscheibe 7 mechanisch verbunden.
Beim Einsatz zweier Mikrowellenantennen ist es vorteilhaft, wenn zwei baugleiche Mikrowellenantenne zum Einsatz kommen. In dem Fall ist eine der beiden Mikrowellenantennen dazu eingerichtet, das Erregersignal auszusenden und die entsprechend andere Mikrowellenantenne dazu eingerichtet, ein Messsignal zu empfangen. Entsprechend umfasst dann das Modul eine zweite Trennscheibe 8 mit einer zweiten Trennscheibenaufnahme 11 , eine zweite Mikrowellenantenne 6, eine zweite Scheibenhalterung 22 und eine zweite Scheibenbefestigung 29.
Fig. 2 zeigt eine Explosionsdarstellung der gesamten ersten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Messanordnung 1. Die abgebildete Messanordnung 1 umfasst zwei der in Fig. 1 abgebildete Module in einem montierten Zustand. Diese sind diametral an einem Messrohr 2 mit einer ersten Antennenaufnahme 3 und einer zweiten Antennenaufnahme 4 anordenbar. Für eine ausreichende Abdichtung ist jeweils ein Dichtmittel 25 vorgesehen, das in einer stirnseitigen Dichtmittelaufnahme 24 der Trennscheiben 7, 8 anordenbar ist. Bei dem Dichtmittel 25 kann es sich wie abgebildet um einen Dichtring handeln. Das Messrohr 2 weist stirnseitig jeweils eine Anschlussvorrichtung in Form eines Flansches auf. Das Messrohr 2 ist in dem Bereich der Antennenaufnahmen 3, 4 kugelförmig ausgebildet. Die beiden Module sind über Befestigungsmittel 27 derart mechanisch miteinander verbindbar, dass sie gegeneinander gespannt werden und somit eine gegenseitige Kraft auf die Module in Richtung des Messrohrinneren 26 bewirkt wird.
Fig. 3 zeigt ein Querschnitt durch die erste Ausgestaltung der Messanordnung 1. In der ersten Antennenaufnahme 3 ist das in Fig. 1 abgebildete montierte Modul in der ersten Antennenaufnahme 3 des Messrohres 2 angeordnet. Die erste Trennscheibe 7 weist einen ersten Trennscheibenabschnitt 12 in dem die erste Trennscheibe 7 eine erste Trennscheibenstärke d± aufweist und einen zweiten Trennscheibenabschnitt 13, in dem die erste Trennscheibe 7 eine zweite Trennscheibenstärke d2 aufweist. Dabei ist die erste Trennscheibenstärke d± kleiner als die zweite Trennscheibenstärke d2. Der erste Trennscheibenabschnitt 12 bildet eine geringste Trennung zwischen Medium im Messrohrinneren und der ersten Mikrowellenantenne 5. Dafür ist die erste Trennscheibenstärke d± maximal 3 Millimeter, insbesondere maximal 2 Millimeter und bevorzugt maximal 1 Millimeter. Durch die Ausgestaltung der unterschiedlichen Trennscheibenstärken bildet sich eine erste Antennenaufnahme 3 in welcher die erste Mikrowellenantenne 5 angeordnet ist. Die erste Mikrowellenantenne 5 kann stoffschlüssig mittels eines Klebstoffes mit der ersten Trennscheibe 7 verbunden sein. Dafür kann ein Klebespalt (ca. 0,2 mm) zwischen der Stirnfläche der ersten Mikrowellenantenne und der gegenüberliegenden Fläche der ersten Antennenaufnahme vorgesehen sein, der mit einem Klebemittel gefüllt ist.
Weiterhin weist die erste Trennscheibe 7 eine Dichtmittelaufnahme 24 auf, in dem ein Dichtmittel 25 in Form eines Dichtrings angeordnet ist. Die Dichtmittelaufnahme 24 ist derart ausgebildet und das Dichtmittel 25 derart ausgestaltet und in der Dichtmittelaufnahme 24 angeordnet, dass dieser zumindest abschnittsweise mediumsberührend ist und sich keine Kavitäten bilden. Das Dichtmittel 25 besteht aus einem für Hygiene-Anwendungen geeigneten Material. Eine metallische erste Scheibenhalterung 21 ist in radialer Richtung hinter der ersten Trennscheibe 7 angeordnet und bewirkt eine Kraft auf die erste Trennscheibe 7 in Richtung des Messrohrinneren. Die erste Scheibenhalterung 21 kann in Wirkung mit einer zweite Scheibenhalterung 22 eines zweiten Moduls stehen, dass diametral angeordnet ist. Eine erste Scheibenbefestigung 28 ist in radialer Richtung hinter der ersten Trennscheibe 7 und der ersten Scheibenhalterung 21 angeordnet und dazu eingerichtet die erste Trennscheibe 7 mit der erste Scheibenhalterung 21 zu verbinden. Zusätzlich ist die erste Scheibenhalterung 21 derart ausgestaltet, dass sie eine möglichst große Rückfläche der ersten Mikrowellenantenne 5 verdeckt und eine Verbindung zwischen der Metallisierung der ersten Mikrowellenantenne 5 und der metallischen ersten Scheibenhalterung 21 herstellt.
Die erste Mikrowellenantenne 5 weist einen metallisierten Trägerkörper 30 auf mit einer Trägerkörperaufnahme 31 in der eine Keramik 32 angeordnet ist. Die Keramik 32 weist eine durchgehende Öffnung 33 auf, durch die ein Koaxialstecker 34 gesteckt ist. Der Koaxialstecker 34 ist mit der Messschaltung verbunden, welche einen Hochfrequenzgenerator zum Speisen der ersten Mikrowellenantenne 5 mit einem Erregersignal aufweist. Alternativ kann der Koaxialstecker 34 dazu eingerichtet sein, ein eingehendes Messsignal an die Messschaltung weiterzuleiten.
Das Messrohr 2 weist einen sich um einen Umfang der ersten Antennenaufnahme 3 erstreckenden Messrohrkragen 15 auf, in dem das gesamte Modul angeordnet ist. Der Messrohrkragen 15 erleichtert die Montage und sorgt für eine stabile Anordnung des Moduls am Messrohr.
Beim Einsatz zweier baugleicher Mikrowellenantennen bzw. Module, weist die Messanordnung 1 zwei der abgebildeten Anordnungen auf.
Fig. 4 zeigt eine Explosionsdarstellung eines Moduls einer zweiten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Messanordnung 101. Das Modul umfasst eine erste Trennscheibe 107, die stirnseitig konisch zusammenläuft. Eine frontseitig an die erste Trennscheibe 107 anzuordnendes Dichtmittel 125 in Form einer Dichthülse läuft ebenfalls stirnseitig konisch zusammen. Das Dichtmittel 125 weist einen ersten Dichtmittelabschnitt auf in dem es zylindrisch ausgebildet ist und einen im Wesentlichen konstanten ersten Dichtmitteldurchmesser aufweist. Weiterhin weist das Dichtmittel 125 einen zweiten Dichtmittelabschnitt auf mit einem zweiten Dichtmitteldurchmesser, welcher immer kleiner als der erste Dichtmitteldurchmesser ist und in Längsrichtung abnimmt bzw. zunimmt. Die erste Trennscheibe 107 ist über eine erste Scheibenhalterung 121 mit einem Messrohr verbindbar. Die erste Scheibenhalterung 121 weist dafür ein Gewinde auf. Zwischen der ersten Trennscheibe 107 und der ersten Scheibenhalterung 121 ist ein federndes Element 114 angeordnet. In der abgebildeten Ausgestaltung besteht das federnde Element 114 aus einer zylindrischen Blattfeder. Die vier genannten Einzelkomponenten - das Dichtmittel 125, die erste Trennscheibe 107, das federnde Element 114 und die erste Scheibenhalterung 121 - lassen sich zusammenmontieren und in einer Aufnahme im Messrohr befestigen. Danach ist eine erste Mikrowellenantenne 105 durch die erste Scheibenhalterung 121 und das federnde Element 114 führbar und in eine vorgesehene ersten Trennscheibenaufnahme 110 in der ersten Trennscheibe 107 anordenbar. Zur Befestigung der ersten Mikrowellenantenne 105 in der ersten Trennscheibenaufnahme 110 ist eine erste Scheibenbefestigung 128 vorgesehen, welche zwei klammerförmige Scheiben umfasst. Vier Befestigungsmittel 127 dienen dazu, das Modul am Messrohr zu befestigen. Weiterhin ist die erste Scheibenbefestigung 128 derart ausgebildet und in radialer Richtung hinter der ersten Mikrowellenantenne 105 angeordnet, dass eine größtmögliche Rückfläche der ersten Mikrowellenantenne 5 bedeckt ist.
Beim Einsatz zweier Mikrowellenantennen ist es vorteilhaft, wenn zwei baugleiche Mikrowellenantenne zum Einsatz kommen. In dem Fall ist eine der beiden Mikrowellenantennen dazu eingerichtet, das Erregersignal auszusenden und die entsprechend andere Mikrowellenantenne dazu eingerichtet, ein Messsignal zu empfangen. Entsprechend umfasst dann das Modul eine zweite Trennscheibe 108 mit einer zweiten Trennscheibenaufnahme 111 , eine zweite Mikrowellenantenne 106, eine zweite Scheibenhalterung 122 und eine zweite Scheibenbefestigung 129.
Fig. 5 zeigt ein Querschnitt durch die zweite Ausgestaltung der Messanordnung 101. Die Messanordnung 101 weist ein Messrohr 102 auf, dass - anders als in Fig. 3 - nicht kugelförmig ausgebildet ist. Stattdessen weist der mediumsführende Pfad in einem Querschnitt im Messabschnitt eine kreisrunde Fläche auf, welche um zwei diametral orientierte Kreissegmente gekürzt ist. Bei dem abgebildeten Messrohr 102 handelt es sich um ein Frästeil welches aus einen metallischen Block herausgearbeitet ist. Das Messrohr 2 mit dem kugelförmigen Messabschnitt aus der Fig. 2 wäre jedoch als alternatives Messrohr für die zweite Ausgestaltung geeignet.
Das Messrohr 102 weist eine erste Antennenaufnahme 103 auf, welche aus einer Öffnung in der Messrohrwandung und einem hohlzylindrischen Kragen gebildet ist. In der erste Antennenaufnahme 103 ist ein Dichtmittel 125, eine erste Trennscheibe 107, ein federndes Element 114 und eine erste Scheibenhalterung 121 angeordnet. Diese vier genannten Komponenten dienen dazu, dass eine mediumsdichte Abgrenzung zwischen der ersten Mikrowellenantenne 105 und dem zu führenden Medium zu gewährleisten. Die erste Mikrowellenantenne 105 ist in einer ersten Trennscheibenaufnahme 110 angeordnet und erstreckt sich durch eine Öffnung des federnden Elements 114 und eine Öffnung der ersten Scheibenhalterung 121. Die erste Scheibenhalterung 121 weist ein Gewinde auf und ist über eine Schraubverbindung mit dem Messrohr 102 bzw. mit dem Kragen des Messrohres 102 verbunden. Das Dichtmittel 125 und die erste Trennscheibe 107 ist zwischen der ersten Scheibenhalterung 121 und einem Vorsprung der ersten Antennenaufnahme 103 einspannt. Das federnde Element 114 in Form einer Tellerfeder nimmt die durch die erste Scheibenhalterung 121 erzeugte Kraft auf.
Die erste Mikrowellenantenne 105 ist identisch zu der ersten Mikrowellenantenne 5 der Fig. 3 und weist demnach ebenfalls einen T rägerkörper 130 mit einer Trägerkörperaufnahme 131 in der eine Keramik 132 angeordnet ist, welche eine Öffnung 133 aufweist. Durch die Öffnung 133 ist ein Koaxialstecker 134 gesteckt, welcher mit der Messschaltung, insbesondere mit dem Hochfrequenzgenerator verbunden ist. Die erste Mikrowellenantenne 105 ist über eine erste Scheibenbefestigung 128 in der ersten Antennenaufnahme 103 und der ersten Trennscheibenaufnahme 110 befestigt. Die erste Mikrowellenantenne 105 weist eine metallische Außenfläche auf. Die erste Scheibenbefestigung 128 ist metallisch ausgebildet und verdeckt zumindest abschnittsweise die Rückseite der ersten Mikrowellenantenne 105.
Beim Einsatz zweier baugleicher Mikrowellenantennen bzw. Module, weist die Messanordnung 101 zwei der abgebildeten Anordnungen auf.
Fig. 6 zeigt eine perspektivische und teilweise geschnittene Darstellung der erfindungsgemäßen Messanordnung 1. Die Messanordnung 1 umfasst einen Messaufnehmer, der dazu eingerichtet ist, ein empfangenes Erregersignal in ein zu untersuchendes Medium einzukoppeln und ein Messsignal zu messen, welches mit der Eigenschaft des zu untersuchenden Mediums korreliert. Weiterhin umfasst die Messanordnung 1 einen Messumwandler, welcher dazu eingerichtet ist ein Erregersignale bereitzustellen, das gemessene Messsignal auszuwerten und die zu ermittelnde Eigenschaft zu bestimmen. Dafür weist der Messumwandler eine Messschaltung 9 auf, welche einen Hochfrequenzgenerator zum Speisen der ersten Mikrowellenantenne mit einem Erregersignal, insbesondere mit einer Folge von Hochfrequenzsignalen, auf. Weiterhin ist die Messschaltung 9 dazu eingerichtet, anhand eines empfangenen Messsignales die Eigenschaft des Mediums zu bestimmen. Für die Bestimmung weist die Messschaltung 9 einen Mikroprozessor, einen Speicher und logische Schaltbauteile auf. Weiterhin kann ein Computerprogrammprodukt, welches den Algorithmus zur Bestimmung der Eigenschaft des Mediums aufweist in der Messschaltung 9 hinterlegt sein.
Die Messanordnung 1 umfasst weiterhin ein insbesondere metallisches Messrohr 2, welches einen ersten Messrohrabschnitt 16 mit einem ersten Außendurchmesser D1 und einen zweiten Messrohrabschnitt 17 mit einem zweiten Außendurchmesser D2 aufweist. Dabei ist der erste Außendurchmesser D1 größer als der zweite Außendurchmesser D2 und steigt - ausgehend vom zweiten Außendurchmesser D2 - in Längsrichtung des Messrohres kontinuierlich an, bis er einen maximalen Außendurchmesser annimmt. Danach sinkt der erste Außendurchmesser Dt wieder. Dadurch bildet sich im ersten Messrohrabschnitt 16 eine Weitung des Messrohres aus. Die erste Antennenaufnahme 3 ist in dem ersten Messrohrabschnitt 16 angeordnet. Ein Teil des ersten Messrohrabschnittes 16 ist der Messabschnitt 20. In dem Messabschnitt 20 ist die erste Mikrowellenantenne 5 angeordnet. Der Messabschnitt 20 ist in der abgebildeten Ausgestaltung kugelförmig ausgebildet. Als Messrohr 2 eignet sich beispielsweise ein VARINLINE® Gehäuse der Firma GEA, welches totraumfrei ausgebildet ist und somit ideal für Hygiene-Anwendungen geeignet ist. Weiterhin umfasst die Messanordnung 1 ein Gehäuse 35, welches die einzelnen Komponenten des Moduls aus Fig. 1 bzw. die Mikrowellenantenne umschließt und gegen äußere Einwirkungen schützt.
B E Z U G S Z E I C H E N L I S T E
Messanordnung 1 , 101
Messrohr 2, 102 erste Antennenaufnahme 3 zweite Antennenaufnahme 4 erste Mikrowellenantenne 5, 105 zweite Mikrowellenantenne 6, 106 erste Trennscheibe 7, 107 zweite Trennscheibe 8, 108 Messschaltung 9 erste Trennscheibenaufnahme 10, 110 erste Trennscheibenabschnitt 12 zweite Trennscheibenabschnitt 13 federndes Element 114
Messrohrkragen 15 erster Messrohrabschnitt 16 zweiter Messrohrabschnitt 17
Befestigungsmittel 19
Messabschnitt 20 erste Scheibenhalterung 21 , 121 zweite Scheibenhalterung 22, 122 Frontabschnitt 23
Dichtmittelaufnahme 24
Dichtmittel 25, 125
Messrohrinneres 26
Befestigungsmittel 27, 127 erste Scheibenbefestigung 28, 128 zweite Scheibenbefestigung 29, 129 Trägerkörper 30, 130
Trägerkörperaufnahme 31 , 131
Keramik 32, 132
Öffnung 33, 133
Koaxialstecker 34, 134
Gehäuse 35

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Messanordnung (1 , 101) zum Ermitteln einer Eigenschaft eines mehrphasigen, fließfähigen Mediums, umfassend:
- ein Messrohr (2, 102) zum Führen des Mediums, wobei das Messrohr (2, 102) eine erste Antennenaufnahme (3, 103) aufweist,
- eine erste Mikrowellenantenne (5, 105), welche in der ersten Antennenaufnahme (3, 103) angeordnet ist,
- eine erste Trennscheibe (7, 107) zum Abtrennen der ersten Mikrowellenantenne (5, 105) gegenüber dem Medium, wobei die erste Trennscheibe (7, 107) in der ersten Antennenaufnahme (3, 103) angeordnet ist, wobei die erste Mikrowellenantenne (5, 105) in radialer Richtung hinter der ersten Trennscheibe (7, 107) angeordnet ist,
- eine Messschaltung (9), wobei die Messschaltung (9) einen Hochfrequenzgenerator zum Speisen der ersten Mikrowellenantenne (5, 105) mit einem Erregersignal, insbesondere mit einer Folge von Hochfrequenzsignalen, aufweist, wobei die Messschaltung (9) dazu eingerichtet ist, anhand eines empfangenen Messsignales die Eigenschaft des Mediums zu bestimmen.
2. Messanordnung nach Anspruch 1 , wobei die erste Trennscheibe (7, 107) ein Material umfasst, welches in der folgenden Liste aufgeführt ist:
- Polyetheretherketone (PEEK)
- Polytetrafluorethylen (PTFE)
- Perfluoralkoxy (PFA)
- Glas - Keramik
3. Messanordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Trennscheibe (7, 107) eine erste Trennscheibenaufnahme (10, 110) aufweist in welcher die erste Mikrowellenantenne (5, 105), insbesondere stoffschlüssig, angeordnet ist.
4. Messanordnung nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, wobei die erste Trennscheibe (7, 107) einen ersten Trennscheibenabschnitt (12,
112) aufweist mit einer ersten T rennscheibenstärke d± , wobei die erste Trennscheibe (7, 107) einen zweiten Trennscheibenabschnitt (13,
113) aufweist mit einer zweiten Trennscheibenstärke d2, wobei die erste Trennscheibenstärke d± kleiner ist als die zweite Trennscheibenstärke d2, wobei der erste Trennscheibenabschnitt (12, 112) eine geringste Trennung zwischen Medium und erste Mikrowellenantenne (5, 105) bildet.
5. Messanordnung nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, wobei die erste Trennscheibenstärke d± maximal 3 Millimeter, insbesondere maximal 2 Millimeter und bevorzugt maximal 1 Millimeter ist.
6. Messanordnung nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Messrohr (2) einen sich um einen Umfang der ersten Antennenaufnahme (3) erstreckenden Messrohrkragen (15) aufweist.
7. Messanordnung nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Messrohr (2) einen ersten Messrohrabschnitt (16) aufweist mit einem ersten Außendurchmesser Dl t wobei das Messrohr (2) einen zweiten Messrohrabschnitt (17) aufweist mit einem zweiten Außendurchmesser D2, wobei der erste Außendurchmesser D1 größer ist als der zweite Außendurchmesser D2, wobei sich die erste Antennenaufnahme (3) in dem ersten Messrohrabschnitt (16) befindet.
8. Messanordnung nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Messrohr (2) einen Messabschnitt (20) aufweist in dem die erste Mikrowellenantenne (5) angeordnet ist, wobei das Messrohr (2) im Messabschnitt (20) kugelförmig ausgebildet ist.
9. Messanordnung nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, umfassend:
- eine erste Scheibenhalterung (21 , 121) zum Fixieren der ersten Trennscheibe (7, 107) in der ersten Antennenaufnahme (3, 103), wobei die erste Scheibenhalterung (21 , 121) derart ausgestaltet und am Messrohr (2, 102) angeordnet ist, dass die erste Trennscheibe (7, 107) in der ersten Antennenaufnahme (3, 103) eingespannt ist.
10. Messanordnung nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, wobei die erste Trennscheibe (7) in einem Frontabschnitt (23) eine am Umfang verlaufende Dichtmittelaufnahme (24), insbesondere in Form einer Einbuchtung, mit einem darin angeordneten Dichtmittel (25) aufweist.
11 . Messanordnung nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, wobei die erste Mikrowellenantenne (5, 105) einen metallischen Trägerkörper (30, 130) mit einer Trägerkörperaufnahme (31 , 131) aufweist, wobei die erste Mikrowellenantenne (5, 105) eine Keramik (32, 132) mit einer Metallisierung aufweist, welche in der Trägerkörperaufnahme (31 , 131) angeordnet ist, wobei die erste Mikrowellenantenne (5, 105) eine Öffnung (33, 133) aufweist, die sich durch den Trägerkörper (30, 130) und der Keramik (32, 132) erstreckt, wobei die erste Mikrowellenantenne (5, 105) einen Koaxialstecker (34, 134) umfasst, welcher in der Öffnung (33, 133) angeordnet ist.
12. Messanordnung nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, umfassend:
- eine erste Scheibenbefestigung (28, 128), die dazu eingerichtet ist die erste Trennscheibe (7) mit der ersten Scheibenhalterung (21) und/oder die erste Mikrowellenantenne (5, 105) zu fixieren und die erste Mikrowellenantenne (5, 105) abzuschirmen.
13. Messanordnung nach Anspruch 11 und 12, wobei die erste Scheibenbefestigung (28, 128) und die Scheibenhalterung (21 , 121) derart ausgebildet und um die erste Mikrowellenantenne (5, 105) angeordnet sind, dass ein Verbindung zur Masse über die Metallisierung realisiert ist.
14. Messanordnung nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, umfassend:
- eine, insbesondere zur ersten Mikrowellenantenne (5) baugleiche, zweite Mikrowellenantenne (6), wobei das Messrohr (2) eine, insbesondere zur ersten Antennenaufnahme (3) diametral orientierte, zweite Antennenaufnahme (4) aufweist, wobei die zweite Mikrowellenantenne (6) in der zweiten Antennenaufnahme (4) angeordnet ist,
- eine zweite Trennscheibe (8) zum Abtrennen der zweiten Mikrowellenantenne (6) gegenüber dem Medium, wobei die zweite Trennscheibe (8) in der zweiten Antennenaufnahme (4) angeordnet ist, wobei die zweite Mikrowellenantenne (6) in radialer Richtung hinter der zweiten Trennscheibe (8) angeordnet ist, wobei die zweite Mikrowellenantenne (6) dazu eingerichtet ist, das Messsignal zu empfangen.
15. Messanordnung nach Anspruch 14, umfassend:
- eine zweite Scheibenhalterung (22) zum Fixieren der zweiten Trennscheibe (8) in der zweiten Antennenaufnahme (4), wobei die zweite Scheibenhalterung (22) derart ausgestaltet und am Messrohr (2) angeordnet ist, dass die zweite Trennscheibe (8) in der zweiten Antennenaufnahme (4) eingespannt ist.
16. Messanordnung nach Anspruch 15, wobei das Messrohr (2) ein Messrohrinneres (26) aufweist, wobei die erste Scheibenhalterung (21) mit der zweiten Scheibenhalterung (22) über mindestens ein Befestigungsmittel (27) miteinander verbunden sind, wobei die erste Scheibenhalterung (21) und die zweite Scheibenhalterung (22) derart am Messrohr (2) angeordnet und miteinander verbunden sind, dass sie eine Kraft in Richtung des Messrohrinneren (26) auf die jeweilige Scheibenhalterung (21 , 22) bewirken.
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