NO324582B1

NO324582B1 - Anordning for differensialtrykkmaling

Info

Publication number: NO324582B1
Application number: NO20060571A
Authority: NO
Inventors: Ebbe Gustaf Nyfors; Per Hassel Sorensen
Original assignee: Roxar As
Priority date: 2006-02-03
Filing date: 2006-02-03
Publication date: 2007-11-26
Also published as: NO20060571L; WO2007089156A1; EP1984703A1; US20090000393A1; US7770469B2

Abstract

Det er framskaffet en differensialtrykk-(dP) måler for bruk i strømningsmåling innbefattende en første mikrobølgeresonator (1) som har en fleksibel eller ettergivende del eller element (4) som deformeres eller gir etter når den utsettes for et differensialtrykk på en slik måte at det endrer en resonansfrekvens fra nevnte resonator, og en elektronisk enhet (12, 14) som er koblet til nevnte resonator (1), og hvor nevnte elektroniske enhet er tilpasset for å produsere en effekt avhengig av resonansfrekvensen til nevnte resonator (1).

Description

Den foreliggende oppfinnelsen er generelt relatert til strømningsmåling og særlig til strømningsmåling relatert til målinger i industrielle anvendelser, for eksempel målinger av tofase eller trefase gass/hydrokarbon/vann-væske som strømmer i rørledninger brukt i olje og gassindustrien.

Spesielt er den foreliggende oppfinnelsen relatert til en ny anordning for å gjøre differensialtrykkmålinger i en veskestrøm, enten i en enkeltstående trykksensorenhet eller integrert eller i kombinasjon med andre typer sensorer, slik som for eksempel sensorer for permittivitet, temperatur, statisk trykk, etc.

BAKGRUNN OG TIDLIGERE KJENT TEKNOLOGI

Et felles prinsipp for måling av væskestrøm er målingen av differensialtrykk over en restriksjon, slik som en innsnevering, et Venturi-rør, eller en såkalt V-kone [1]. En differensialtrykkmåling kan være en måling som står alene for å oppnå et mål på strømmen, eller den kan brukes i en kombinasjon med andre målinger, for eksempel som i en WGM (Wet Gas Meter) beskrevet av denne søkeren i ref. [2], en referanse som herved er innkorporert i sin helhet via referanse, der differensialtrykkmålingen er kombinert med en mikrobølgeresonatorbasert måling av væskens permittivitet, og der såkalte PVT-målinger er utført for å oppnå et resultat som indikerer væskens egenskaper og sammensetning.

Ref. [2] beskriver et antall utførelsesformer av en integrert mekanisk struktur for å opprette et differensialtrykk (dP) i en rørledning. Den differensialtrykkgenererende strukturen danner en integrert del av en mikrobølgeresonator.

Tradisjonelt er et par trykkfølingskraner plassert på ulike steder i forhold til en differensialtrykkgenererende struktur i en rørledning for væskestrømning. Kranene er normalt koblet til respektive rør som overfører trykkene ved hver respektive trykkran til respektive inngang fra en kommersiell differensialtrykk-(dP) transmitter. I dP-transmitteren er et sensorelement, vanligvis en form for membran, deformert av differensialtrykket.

I en kjent differensialtrykktransmitter [3] er forskjellen i trykk mellom to kamre i en differensialtrykktransmitter detektert ved å sette opp en membran mellom de to kamrene, og detektere avbøyningen av membranen ved en eller flere kontaktfrie induktive følere. Elektriske signaler fra følerne er brukt som indikatorer for trykkendringer.

I andre tidligere kjente løsninger for trykkmåling er en fleksibel membran en del av kondensatoren [4]. Kapasitansen endres ved deformasjonen av membranen. En elektronisk kapasitans som måler kretsen kan da kobles til parallellplatekondensatoren for å konvertere kondensatorens kapasitans til et elektrisk signal. Det elektriske signalet representerer verdien av kondensatorens kapasitans og av de tilknyttede delene.

En annen anordning for å måle avbøyning og derfor også differensialtrykket, er å bruke tøyningsmåleutstyr koblet til membranen. Ved å måle motstandsendringen i tøyningsmåleutstyret kan differensialtrykket over membranen finnes.

Den tidligere kjente teknikken har noen begrensninger. Målinger av typisk induktans-, kapasitans- og motstandsverdier er mest rettet mot drift, for eksempel med elektronikkens temperatur, med mindre det er riktig kompensert. Bidrag til den målte kapasitansen fra lange ledninger og andre deler av målekretsen kan forstyrre ønsket måling. I utformingen av et tradisjonelt trykkmålingssystem blir derfor utformingen typisk et kompromiss mellom å være laget av en lav interferensløsning og en kort avstand mellom sensortransformatorene og elektroniske enheter.

I tidligere kjente undervannsanvendelser har dP-måleteknikker et par andre tilleggsbegrensninger som må løses. For det første er tidligere kjente dP-enheter som er kvalifisert for undervannsbruk relativt kostbare og store, og de øker også det totale antallet elektronikk i en strømningsmåleinstallasjon. En redusert MTTF (Mean Time to Failure) vil typisk være resultatet. dP-enhetene krever også vanligvis transmitterelektronikk for å kommunisere med andre enheter som mottar måleresultatene, for eksempel en beregningsenhet i et våtgassmåler (WGM). I undervannsanvendelser der det er vanskelig å fa tilgang til måleapparatet er det ønskelig å ha en MTTF-verdi som er så høy som mulig. For å oppnå høy MTTF-verdi er det generelt ønskelig å redusere antall elektroniske enheter.

For det andre, når det er brukt i olje- og gassindustrien for å transportere

væskeblandinger hydrokarboner i flytende og gassform og muligens vann, da er en dP-transmitter vanligvis koblet til trykkraner via et rør eller kanalseksjon av en viss lengde. Slike rør eller kanalseksjoner er utsatt for tilstopping, for eksempel ved hydratisering på grunn av en høyere temperatur i transportrøret enn i rørledningene som går til dP-transmitteren. Dette er spesielt sant i undervannsanvendelser der det omgivende sjøvannet kjøler ned trykkuttakskanalene til en lavere temperatur enn strømmen.

Derfor er det et mål for den foreliggende oppfinnelsen å frambringe et nytt apparat for differensialtrykkmåling som er mindre påvirket av de ovenfor nevnte begrensningene, og der de elektroniske delene er forenklet sammenlignet med de nåværende løsningene.

SAMMENDRAG AV OPPFINNELSEN

Målene ovenfor har blitt oppnådd ved å frambringe en differensialtrykk-(dP) måler for bruk i strømningsmåling som innbefatter en første mikrobølgeresonator som har en fleksibel eller ettergivende del eller element, for eksempel en membran som er deformerbar eller ettergivende når den utsettes for differensialtrykk på en slik måte som endrer en resonansfrekvens fra en mikrobølgeresonator. En elektronisk enhet er koblet til mikrobølgeresonatoren for å tilføre et mikrobølgesignal til mikrobølgeresonatoren, og en elektronisk enhet er tilpasset for å produsere en utgang avhengig av en resonansfrekvens fra mikrobølgeresonatoren.

I en utførelsesform av dP-måleren i henhold til oppfinnelsen har mikrobølgeresonatoren en fleksibel del eller et ettergivendet element integrert i hvilken som helst type dP-genererende struktur, for eksempel en V-kone plassert på innsiden av rørledningen. Dette fører til en kompakt anordningsstruktur. Mikrobølgeresonatoren kan i en utførelsesform være koblet til dP-mikrobølgeprober plassert på den dP-genererende strukturen for å kunne kobles kapasitivt til en korresponderende mikrobølgeeksitasjonsprobe. Denne mikrobølgeeksitasjonsproben er plassert på den nevnte rørledning som er nærliggende til den nevnte dP-genererende strukturen. I enda en utførelsesform er mikrobølgeeksitasjoneproben plassert på et sted der den også kan eksitere mikrobølgeresontatoren som er dannet av rørledningsveggen, den dP-genererende strukturen og volumet mellom disse.

I enda en utførelsesform av dP-måleren i henhold til oppfinnelsen har mikrobølgeresonatoren en fleksibel del eller et ettergivende element som er integrert i Venturi-delen av rørledningen. På denne måten blir anordningen en integrert del av en seksjon i rørledningen.

I en utførelsesform av dP-måleren i henhold til oppfinnelsen har mikrobølgeresonatoren en fleksibel del/ettergivende element som er integrert i rørledningsveggen for å transportere en væske.

I en utførelsesform av dP-måleren i henhold til oppfinnelsen inkluderer den en enkel mikrobølgeprobe og en sirkulator hvorved mikrobølgeproben kan betjenes slik at den eksiterer et mikrobølgesignal i den omtalte mikrobølgeresonatoren og den kan koble et mikrobølgesignal reflektert fra resonatoren til en enhet for deteksjon av mikrobølger. På denne måten kan kontroll- & signalprosesseringsenheten tilpasses, for eksempel ved å bruke et passende software hardware program for å beregne en refleksjonskoeffisient til nevnte resonator. Den nevnte refleksjonskoeffisienten representerer den nevnte resonatorens tilstand.

I enda en utførelsesform av dP-måleren i henhold til oppfinnelsen innbefatter den to mikrobølgeprober koblet til den nevnte resonatoren på separate posisjoner på den nevnte resonatoren. Den føreste proben er koblet til en mikrobølgesignalgenerator for å eksitere et mikrobølgesignal inn til den nevnte resonatoren. Den andre mikrobølgeproben er brukt til å koble et mikrobølgesignal overført i den nevnte resonatoren til en enhet for deteksjon av mikrobølgesignal. Kontroll- & signalprosesseringsenheten er tilpasset slik at den skal beregne en transmisjonskoefflsient fra resonatoren. Transmisjonskoeffisienten representerer tilstanden til mikrobølgeresonatoren.

I enda en utførelsesform av dP-måleren i henhold til oppfinnelsen er en elektrisk oscillatorkrets koblet til mikrobølgeresonatoren på en slik måte at oscillatoren låser resonatorens resonansfrekvens. På denne måten gir målingen av resonansfrekvensen fra elektronikken som et resultat av anvendelse av en differensialtrykkoscillatorkrets et mål på mikrobølgeresonatorens tilstand/fomtsetningen.

I enda en utførelsesforma v dP-måleren i henhold til oppfinnelsen er den differensialtrykkgenererende strukturen brukt for å danne differensialtrykk i en væskestrømning i en rørledning som transporterer væsken.

I en utførelsesform av dP-måleren i henhold til oppfinnelsen er den fleksible delen/ettergivende elementet utført slik at de skal dele et internt volum for å definere den nevnte mikrobølgeresonatoren inn i et første og andre kammer, der første og andre kammer har hver sine separate åpninger mot væskestrømmen i et rør som transporterer væsken. I en versjon av denne utførelsesformen er første og andre kammer koblet slik at de skal fungere parvis som mikrobølgeresonatorsensorer separert av en membran. På denne måten forårsaker deformasjonen av membranen en endring i resonansfrekvensen for de to resonatorene i motsatt retning. I enda en versjon av denne utførelsesformen er de separate åpningene plassert slik at de gir en trykkdifferanse, dvs. et differensialtrykk mellom nevnte første og andre kammer når væske strømmer i rørledningen.

I en utførelsesform av dP-måleren i henhold til oppfinnelsen er en mikrobølgekraftdelende enhet ordnet slik at den skal dele et mikrobølgesignal fra en mikrobølgegenerator til en våtgassmåler (WGM) og en differensialtrykkenhet (dP). En mikrobølgekraftkobler kombinerer mikrobølgekraft som har blitt overført via den nevnte WGM-enheten og via den nevnte dP-enheten.

I enda en utførelsesform av DP-måleren i henhold til oppfinnelsen er mikrobølgekraftens fordelende deler utformet slik at den fordeler mikrobølgesignalet fra mikrobølgegeneratoren mellom en våtgassmåler (WGM) og en differensialtrykk- (dP) enhet, og fordele mikrobølgesignalet som har blitt overført via nevnte WGM-enhet eller via nevnte dP-enhet til mikrobølgedeteksjonsenheten.

En utførelsesform av dP-måleren i henhold til oppfinnelsen innbefatter en innstillbar mikrobølgesignalgenerator. En kontroll- og prosesseringsenhet er tilpasset for å samarbeide med signalgeneratoren for å gi en mikrobølgesignalscanning et frekvensområde. Nevnte frekvensområde inkluderer en resonansfrekvens fra første mikrobølgeresonator.

En ytterligere utførelsesform av dP-måleren i henhold til oppfinnelsen innbefatter en innstillbar mikrobølgesignalgenerator. Frekvensen til generatoren er kontrollert av en kontroll- og prosesseringsenhet koblet til den nevnte mikrobølgesignalgeneratoren.

Enda en ytterligere utførelsesform av dP-måleren i henhold til oppfinnelsen innbefatter en andre mikrobølgeresonatorsensor som opererer som en referanseresonator eller kompensasjonselement for å kompensere for temperaturvariasjoner eller endringer i statisk trykk.

I enda en utførelsesform av dP-måleren i henhold til oppfinnelsen er et forlenget senterelement av den nevnte mikrobølgeresonatoren kortsluttet i den ene enden til en intern vegg i en ende av den nevnte resonatoren.

I en ytterligere utførelsesform av dP-måleren i henhold til oppfinnelsen er et forlenget senterelement av mikrobølgeresonatoren en åpen strømkrets i begge ender.

I enda en utførelsesform av dP-måleren i henhold til oppfinnelsen innbefattes et spiralformet senterelement.

I en ytterligere utførelsesform av dP-måleren i henhold til oppfinnelsen er en elektrisk enhet som er koblet til resonatoren ordnet med en kobling av typen DRO (Dielektrisk Resonator Oscillator), hvori en mikrobølgegenerator er koblet via en mikrobølgeprobe til den første mikrobølgeresonatoren som har en fleksibel eller ettergivende del eller element.

KORT BESKRIVELSE AV FIGURENE

Figur 1 illustrerer et eksempel på en utførelsesform av en differensialtrykkmåler i henhold til oppfinnelsen der en differensialtrykksensitiv mikrobølgeresonatorsensor er integrert i et V-konebasert differensialtrykkgenererende senterelement i en rørledning. Figur 2 illustrer et eksempel på en utførelsesform av en differensialtrykkmåler i henhold til oppfinnelsen der et differensialtrykksensitiv mikrobølgeresonator er integrert i en Venturi-type differensialtrykkgenererende del av en rørledning. Figur 3 viser et detaljert eksempel av mikrobølgeresonatoren i differensialtrykksensoren i henhold til oppfinnelsen. Figur 4 viser en typisk frekvensrespons fra en differensialtrykksensitiv mikrobølgeresonatorsensor. Figur 5A-B illustrerer skjematisk hvordan en mikrobølgebasert differensialtrykkmåler i henhold til oppfinnelsen er koblet til kilde og detektormoduler for å operere i hhv. transmisjonsmodus og refleksjonsmodus. Figur 6 illustrerer hvordan en differensialtrykksensitiv mikrobølgeresonator kan være mekanisk integrert i en rørledning som også er utstyrt for våtgassmåling ved å bruke et V-kone senterelement. Figur 7 viser en systemskisse av en eksempelutforming av en mikrobølgekrets for å kombinere en mikrobølge dP-måler i henhold til oppfinnelsen med en våtgassmåler som vist i Figur 6. Figur 8 illustrerer en generell frekvensrespons av en kombinasjon av mikrobølge dP-måleren med en våtgassmåler som vist i Figur 5 og 6. Figur 9 illustrerer hvordan den differensialtrykksensitive mikrobølgeresonatoren kan eksiteres via kapasitiv kobling fra eksitasjonsprobene i rørledningsveggen, som er også brukt for eksitasjon av WGM mikrobølgesensoren. Figur 10A illustrerer et eksempel på en utførelsesform av en differensialtrykksensitiv mikrobølgeresonatorstruktur i henhold til oppfinnelsen utformet som en to-hulromsresonatorer plassert rygg mot rygg for temperaturkompensasjon. Figur 10B illustrerer et eksempel på en utførelsesform av en differensialtrykksensitiv mikrobølgeresonatorstruktur i henhold til oppfinnelsen designet som to koaksiale resonatorer plassert rygg mot rygg for temperaturkompensasjon. Figur 11 viser et typisk eksempel på en kurve oppnådd ved simulering og som illustrerer avhengigheten av resonansfrekvensen til den differensialtrykksensitive mikrobølgeresonatoren på avstand mellom senterleder og membranen når membranene beveger seg som en funksjon av det endrede differensialtrykket. Figur 12 illustrerer et eksempel på en utførelsesform av en halv bølgelengdetype differensialtrykksensitiv mikrobølgeresonator i henhold til oppfinnelsen. Figur 13 illustrerer et eksempel på en utførelsesform av en kvart bølgelengdetype differensialtrykksensitiv mikrobølgeresonator i henhold til oppfinnelsen. Figur 14 illustrerer en differensialtrykksensitiv mikrobølgeresonatorsensor som en del av en oscillatorkrets som innbefatter en tilbakekoblingssløyfe med en forsterker. Figur 15 illustrerer en mikrobølgeresonatorbasert differensialtrykkmåler i henhold til oppfinnelsen koblet på en analog måte til en såkalt DRO (Dielektrisk Resonator Oscillator).

DETALJERT BESKRIVELSE AV OPPFINNELSEN

Figur 1 illustrerer et eksempel på en utførelsesform av en differensialtrykk-(dP) måler til bruk i strømningsmåling hvori en differensialtrykksensitiv mikrobølgeresonator 1 har en fleksibel eller ettergivende del eller element 4 som deformeres eller gir etter når den utsettes for et differensialtrykk. På den måten endres mikrobølgeresonansfrekvensen til resonatoren når dP-måleren er utsatt for ett differensialtrykk. I Figur 1 er mikrobølgeresonatoren med fleksibel eller ettergivende membran integrert i en differensialtrykkgenererende struktur 10A som har en form likner en V-kone. Den differensialtrykkgenererende strukturen 10A er montert på innsiden av rørledningen 2A, hvorved et væskevolum 30 strømmer forbi den differensialtrykkgenererende strukturen 10A og danner en trykkdifferanse mellom en oppstrømsende og en nedstrømsende i den differenstrykkgenererende strukturen 10A. I dette tilfellet er den fleksible eller ettergivende delen/elementet 4 en membran som deler et åpent indre volum i mikrobølgeresonatoren inn i et første volumelement 5 og et andre volumelement 6. Det første volumelementet 5 er koblet til væskestrømmen som omgir den differensialtrykkgenererende strukturen 10A via første kanal 7. I Figur 1 er første kanal 7 åpen mot væskestrømmen 30 ved oppstrømsende eller i fronten på den differensialtrykkgenererende strukturen 10A. Det andre volumelementet 6 i mikrobølgeresonatoren 1 er koblet til væskestrømmen som omgir den differensialtrykkgenererende strukturen 10A via en andre kanal 8. I Figur 1 er den andre kanalen 8 åpen mot væskestrømmen 30 ved nedstrøms eller ved bakerste ende av den differensialtrykkgenererende strukturen. Figur 2 illustrerer et eksempel på en utførelsesform av en differensialtrykk (dP) måler til bruk i strømningsmåling. I Figur 2 er den differensialtrykkgenererende strukturen 10B en Venturi-tube, dvs. en innsnevring plassert langs rørledningen 2B. I dette eksemplet er en differensialtrykksensitiv mikrobølgeresonator 1 integrert i Venturi-tuben. I måte som ligner på utførelsesformen i Figur 1, deler en membran 4 et indre volum av mikrobølgeresonatoren inn i et første volumelement 5 og et andre volumelement 6. Det første volumelementet 5 er koblet til den omgivende væskestrømmen i den differensialtrykkgenererende strukturen 10B via en første kanal 7. I Figur 2 er første kanal 7 åpen mot væskestrømmen 30 ved oppstrømsenden eller den fremste enden av den differensialtrykkgenererende strukturen 10B. Andre volumelement 6 i mikrobølgeresonatoren 1 er koblet til væskestrømmen som omgir den differensialtrykkgenererende strukturen 10B via en andre kanal 8. I Figur 2 er andre kanal 8 åpen mot væskestrømmen 30 ved et sted mellom oppstrøms- og nedstrømsendene av den differensialtrykkgenererende strukturen 10B.

Generelt kan den differensialtrykksensitive mikrobølgeresonatoren i denne oppfinnelsen utformes fra et utvalg av hvilken som helst type mikrobølgetransmisjonslinje bundet av impedansdiskontinuiteter. En differensialtrykkmikrobølgesensitiv resonator 1 kan oppnås ved å utforme en hulromsresonator som har en deformerbar, ettergivende del som forårsaker endring av resonatorens fysiske form som et resultat av påføring av et differensialtrykk, på grunn av en assosiert endring i resonansfrekvensen i resonatoren. For eksempel, kan en hulromsresonator ha en endevegg som er en fleksibel membran som vender mot et første volum av et eksternt miljø på en side og mot innsiden av hulromsresonatoren på den andre siden, og hvor hulrommet har en åpning mot andre volum av det eksterne miljøet. På denne måten forårsaker differensialtrykket mellom første og andre volum en deformasjon av den fleksible membranen og en endring i dens resonansfrekvens.

I Figur 1 likesom i Figur 2 er det illustrert at dP-måleren i henhold til oppfinnelsen er vist å inkludere en mikrobølgekilde & deteksjonsenhet 12 likesom en kontroll- & signalprosesseringsenhet 14. Mikrobølgekilden og deteksjonsenheten 12 er koblet til mikrobølgeresonatoren 1 via minst en mikrobølgesignalleder 1 log en mikrobølgeprobe 40. Funksjonen til mikrobølgekilden og deteksjonsenheten 12 er å sende ut en mengde mikrobølgeenergi mot mikrobølgeresonatoren og å detektere korresponderende reflektert mengde mikrobølgeenergi fra kombinasjonen av mikrobølgeproben/resonator. En kontroll- og signalprosesseringsenhet 14 er koblet til mikrobølgekilden og deteksjonsenheten 12 via, for eksempel, en kommunikasjonslinje 13. Funksjonen til kontroll- og signalprosesseringsenheten 14 er å kontrollerer mikrobølgekilden og å ta opp mikrobølgesignalnivå ved detektoren. Hensikten er at minst frekvensen eller amplituden til mikrobølgesignalet skal kontrolleres, men muligens kan også en kontroll av modulering eller scanning av mikrobølgesignalet kan også betraktes. Videre kan kontroll- og signalprosesseringsenheten tilpasses slik at den utfører en form for prosessering av amplituden til det detekterte mikrobølgesignalet, muligens som en funksjon av frekvens, tid eller en annen varierende signalparameter. Videre er kontroll-og signalprosesseringsenheten 14 tilpasset til å kommunisere med en ekstern anordning (EXT) via hvilken som helst type kommunikasjonslinje 15 som er kjent for en fagmann.

Den differensialtrykksensitive mikrobølgeresonatoren 1 i Figur 1 og 2 er basert på en

resonator som inkluderer en tilknyttet deformerbar eller ettergivende membran 4 som separerer det nevnte hulrommet i et første 5 volum og et andre 6 volum. Dersom en trykkdifferanse eksisterer mellom første volum 5 og andre volum 6 vil membranen 4 gi etter eller deformeres til en grad som er avhengig av størrelsen på trykkdifferansen.

En fagmann vil ha nytte av, når han har fordelen av denne avsløringen, at prinsippet til denne oppfinnelsen ikke er tiltenkt å være begrenset til utførelsesformene av oppfinnelsen som er vist i de vedlagte figurene. Et spekter av former og størrelser av differensialtrykksensitive mikrobølgeresonatorer kan tas med i betraktning for å oppnå hensiktene med denne oppfinnelsen.

Det første volumet 5 og det andre volum 6 i mikrobølgeresonatoren 1 i henhold til oppfinnelsen har separate væskekoblinger 7,8 slik at hvert av volumene 5,6 er i stand til å være koblet til ulike væske- 30 volumer i rørledningen 2A, 2B. Typisk er væskekoblingene 7,8 kanaler fra kamrene 5,6 som avsluttes parvis i kraner eller inntak/uttak som kan være åpen inn mot væsken 30. Disse inntakene/uttakene er trykkraner plassert ved to ulike posisjoner relativ til en differensialtrykkgenererende struktur 10, slik som for eksempel en V-kone plassert i rørledningen eller en Venturi-tube i en del av rørledningen. På denne måten kan det hydrodynamiske trykket på utsiden av hvert utløp være forskjellig når en væske som strømmer gjennom rørledningen passerer den differensialtrykkgenererende strukturen. Størrelsen av differensialtrykket som oppstår mellom de to kamrene 5,6 vil være avhengig av hastigheten og sammensetningen av den strømmende væsken, utformingen av den differensialtrykkgenererende strukturen 10, og lokaliseringen av væskekoblingene 7,8. Figur 3 illustrerer i detalj utformingen av en av oppfinnelsens differensialtrykksensitiv mikrobølgeresonatorer 1. Et dielektrisk materiale 3 fyller mesteparten av det indre volumet av resonatoren, imidlertid er et volum 5,6 definert ved en ende, delt inn i et første volum 5 og et andre volum 6 ved en membran 4. To mikrobølgeprober 16,18 er ordnet slik at de skal koble mikrobølgesignaler inn og ut av resonatoren. En senterleder 17,19 fra hver av mikrobølgeprobene 16,18 strekker seg ut over en avstand inn i resonatorvolumet for å kobles med mikrobølgefeltet. Mikrobølgeresonatoren 1 i eksemplet vist i Figur 3 er basert på en koaksial bølgelengdeaktig struktur som inkluderer en koaksial senterleder 20 som er kortsluttet til innsiden av resonatorveggen i en ende, og er en åpen krets i den andre enden, der den andre enden er vendt mot, men berører ikke, membranen 4. Senterlederen 20 er nesten helt innesperret av det dielektriske materialet 3 som fyller mesteparten av det indre volumet av mikrobølgeresonatoren. Likevel strekker en ende av senterlederen 20 seg ut av det dielektriske materialet 3 og inn i et åpent hulrom 5,6 som tillater noe bevegelse av membranen 4. Det åpne hulrommet 5,6 som er delt inn i to separate volum av membranen 4 kan utformes slik at det begrenser frihetsbevegelsen til den fleksible membranen 4, for at veggene i det åpne hulrommet 5,6 skal hjelpe til å forhindre at membranen brekker ved å effektivt stoppe bevegelsen av membranen når den bøyes eller strekkes ut til en av dens mest ekstreme posisjoner.

For at prinsippet med oppfinnelsen skal fungere må membranen lages av et elektrisk ledende materiale, for eksempel metall. Det første volumet 5 i det åpne membranhulrommet 5,6 har en åpning 50. Typisk vil åpningen 50 være koblet till et eksternt strømmngsmiljø via kanal 7, hvor den nevnte kanalen kan være en del av den differensialtrykkgenererende strukturen eller en del av rørledningsveggen, eller en kombinasjon av disse. Trykket i det første volumet, betegnet Pi, er avhengig av væsketrykket i utgangen av kanal 7 inn til væskestrømmen. Alternativ kan trykket være avhengig av trykket akkurat ved åpningen 50.

På liknende måte har det andre volumet 6 av det åpne membranhulrommet 5,6 en åpning 60. Typisk vil åpningen 60 være koblet til et eksternt strømningsmiljø via en kanal 8, hvor den nevnte kanalen kan være en del av en differensialtrykkgenererende struktur eller en del av rørledningledningsveggen, eller en kombinasjon av disse. Trykket i det første volumet, betegnet P2, er avhengig av væsketrykket i utgangen av kanal 8 inn til væskestrømmen. Alternativt kan trykket være avhengig av trykket akkurat ved åpningen 60.

Mikrobølgeresonatoren 1 vist i Figur 3 er eksitert av et signal som kommer inn i resonatoren via en av mikrobølgeprobene 16 og 18. Den andre proben brukes som en følerprobe for å måle mikrobølgefeltet i resonatoren. Med et mikrobølgeresonansrom som er en åpen strømkrets i første ende av resonansrommet og kortsluttet i en andre ende av resonansrommet, korresponderer den laveste resonansfrekvensen til hulrommet som er en kvart bølgelengde lang.

I mange utførelsesformer av oppfinnelsen kan den differensialtrykksensitive mikrobølgeresonatoren 1 være utstyrt med en åpen strømkrets for mikrobølgesignalet i begge ender av resonansrommet. Derfor vill resonansrommet være en halv bølgelengde lang ved den fundamentale resonansfrekvensen.

Når membranen er deformert av differensialtrykket vil avstanden mellom membranen og enden av en senterkontuktorstav endres, som også fører til at resonansfrekvensen av resonatoren også endres. Forholdet mellom differensialtrykket og resonansfrekvensen kan kalibreres empirisk for hver type resonatorsensor. Fortrinnsvis er en koaksialsensor en X/4 resonator (der X er bølgelengden) for tilstanden med laveste resonansfrekvens. Resonatoren vil også ha høyere resonansfrekvenser som også kan brukes. Det er ikke til hensikt i denne beskrivelsen å begrense omfanget av oppfinnelsen til en spesiell mikrobølgeresonatorstruktur eller en resonanstilstand av mikrobølgeresonatoren.

Figur 4 illustrerer en typisk karakteristisk resonanskurve hvor det illustreres hvordan resonanstoppen Xi korresponderende til en resonansfrekvens endres til en resonanstopp X2 når den trykksensitive mikrobølgeresonatoren 1 opplever en endring i differensialtrykket over membranen 4. I Figur 4 illustreres et eksempel med en endring i resonansfrekvens til en lavere frekvens når trykket i første volum 5 i hulrommet 5,6 blir lavere enn trykket i andre volum 6.

Det er flere metoder for å oppnå en måling av resonansfrekvensen i en mikrobølgeresonatorsensor og flere typer koblingsprober kan brukes. I en metode som er beskrevet i Ref. [5] er mikrobølgekoblingsproben utformet slik den avslutter en koaksial tilførselskabel 16 ved mikrobølgeresonatoren 1 på en slik måte at senterlederen 17 i tilførselskoaksialkabelen 16 strekker seg ut over en avstand inn i resonatoren for å lage en koblingsprobe. I et annet eksempel kan en mikrobølgekoblingsprobe være utformet ved å avslutte den koaksiale tilførselskabelen 18 ved mikrobølgeresonatoren 1 ved å utvide senterlederen 19 i koaksialkabelen en viss lengde inn i resonatoren og bøye senterlederen for å jorde den til resonatorveggen, og dermed danne en koblingssløyfe. Fortrinnsvis er størrelsen på sløyfen laget mindre enn bølgelengden til mikrobølgesignalene. I et ytterligere eksempel kan en bølgeleder brukes som tilførende transmisjonslinje ved å koble mikrobølgesignalgeneratoren til mikrobølgeresonatorsensoren. I dette tilfellet er koblingsanordningen fortrinnsvis en åpning i bølgelederveggen eller enden på bølgelederen tillater at et felt av den tilførende transmisjonslinjen penetrerer åpningen og inn i resonatoren. I alle eksemplene er koblingsprobene, koblingssløyfen eller åpningen fortrinnsvis utformet slik at det skal være optimal kobling mellom et felt i den tilførende transmisjonslinjen og et felt i mikrobølgeresonatoren.

I et eksempel på en utførelsesform av en mikrobølgeresonatorbasert differensialtrykkmåler i henhold til oppfinnelsen er transmisjonsmetoden utnyttet, som illustrert i Figur 5A. I transmisjonsmetoden genereres et mikrobølgesignal i mikrobølgesignalkilden eller transmisjonsdelen i mikrobølgeelektronikkenheten (uW-Tx). Mikrobølgesignalet er overført til mikrobølgeresonatorsensoren 1 via mikrobølgetransmisjonslinjene 11, for eksempel et sett med koaksialkabler. Mikrobølgesignalet er koblet til mikrobølgeresonatoren 1 sensoren via en første mikrobølgekoblingsprobe 16,17. En andre mikrobølgekoblingsprobe 18,19 er brukt til å sample det elektromagnetiske feltet i mikrobølgeresonatorsensoren. Dette samplede mikrobølgesignalet er overført til mikrobølgedeteksjon eller mottakerdelen av mikrobølgeelektronikkenheten (uW-Rx) via et separat, andre sett av koaksialkabler 11. Mikrobølgekoblingsprobene kan være på mange ulike former, og eksempler av noen generelle typer er illustrert i ref. [5].

Kontroll- og signalprosesseringsenheten 14 innbefatter typisk en beregningsenhet, for eksempel en datamaskin for kontroll av måleprosedyren og for opptak, prosessering og analyse av detekterte signaler. Frekvensen til mikrobølgegeneratoren eller transmitteren kan scannes eller varieres over et gitt frekvensområde, fortrinnsvis et område som dekker resonansfrekvensen til mikrobølgeresonatoren som er relevant å måle. Et resultat vil da være en frekvensrespons til transmisjonskoeffisienten.

I en annen utførelsesform av den mikrobølgeresonatorbaserte differensialtrykkmåleren i henhold til oppfinnelsen utnyttes refleksjonsmetoden, skjematisk illustrert i Figur 5B. I refleksjonsmetoden kreves bare en mikrobølgeprobe. Mikrobølgedeteksjonsenheten 12 og kontroll- og signalprosesseringsenheten 14 (som sammen med mikrobølgekilden kan betegnes mikrobølgeelektronikkenhet) brukes til å måle det reflekterte mikrobølgesignalet og beregne en korresponderende refleksjonskoeffisient fra mikrobølgeresonatoren. Når mikrobølgegeneratoren kontrollerer mikrobølgekildesignalfrekvensen blir informasjon registrert i refleksjonskoeffisienten som en funksjon av mikrobølgesignalfrekvensen.

Som indikert i Fig. 5B, kan mikrobølgesignalkilden (uW-Tx) tilføre et signal til mikrobølgeresonatoren 1 via en sirkulator 22. Sirkulatoren 22 tillater et mikrobølgesignal som er reflektert fra mikrobølgeresonatoren (uW-dP) 1 som et resultat av eksitasjonen å være rettet langs en separat transmisjonslinje 21 til mikrobølgedeteksjonsenheten (uW-Rx).

I transmisjonsmetoden og i refleksjonsmetoden opptrer et topp- eller bunnpunkt ved og rundt resonansfrekvensen i frekvensresponsen. I transmisjonsmetoden opptrer et toppunkt i frekvensresponsen. I refleksjonsmetoden opptrer et bunnpunkt i frekvensresponsen. Kontroll- og signalprosesseringsenheten er tilpasset slik at den bestemmer resonansfrekvensen (og i noen anvendelser også Q-faktoren) til mikrobølgeresonatoren fra disse topp- eller bunnpunktene i frekvensresponsene. Ovenfor er det beskrevet hvordan oppfinnelsen kan fungere som en MW-dP (mikrobølgedifferensialtrykk) sensor, som kan være nyttig som en frittstående dP-sensor i flere tekniske områder, for eksempel olje- og gassindustrien eller utforskningsprosjekter.

I en foretrukket utførelsesform er MW-dP-sensoren kombinert med et mikrobølgeresonatorarrangement for å måle permittiviteten i et volum av den strømmende væsken. Kombinasjoner av tradisjonelle differensialtrykkmålinger og permittivitetsmålinger har tidligere blitt beskrevet, for eksempel i ref. [2]. Likevel vil en kombinasjon av en differensialtrykksensitiv mikrobølgeresonator i henhold til den foreliggende oppfinnelsen med en mikrobølgebasert permittivitetsmåling i en slik anordning føre til helt nye fordeler. For så vidt som differensialtrykkmåling kan utføres i samme modul og mange av de samme modulene, for eksempel mikrobølgekilde, deteksjon- og signalprosesseringsmoduler kan brukes til å utføre permittivitet likesom differensialtrykkmålingen. MW-dP-sensoren har atskillige fordelaktige kjennetegn sammenlignet med tradisjonelle dP-målinger. Når den brukes i kombinasjon med en mikrobølgebasert WGM oppnås flere tilleggsfordeler, som vil bli nevnt nedenfor. For eksempel ved å bruke et fordelings- eller multipleksingarrangement er det mulig å bruke den samme mikrobølgekilden og mikrobølgedetektoren for MW-dP-sensoren som for permittivitetsresonatorsensoren. Derfor kan antallet nødvendige komponenter reduseres.

Mikrobølgedeteksjonsfunksjonen anvendes for å ta et mål av mikrobølgeenergien som er reflektert fra eller overført gjennom mikrobølgeresonatoren 1. Typisk er en kontrollenhet 14 brukt for kontroll av mikrobølgesignalgeneratoren, dvs. via mikrobølgesignalfrekvensen og/eller amplituden. Den samme kontrollenheten 14 eller en separat enhet brukes for konvertering av det detekterte mikrobølgesignalet til et signal som representerer amplituden til det detekterte mikrobølgesignalet. Kontroll- og signalprosesseringsenheten 14 er tilpasset for å ta opp, samle og analysere informasjon eller data som representerer de detekterte mikrobølgesignalamplitudene, spesielt ved eller rundt gitte frekvenser eller frekvensbånd, muligens ved forhåndsinnstilt samplingstid og /eller intervaller.

Lagret og samlet data eller informasjon som representerer signalamplituden til det detekterte mikrobølgesignalet er prosessert i en beregningsanordning, for eksempel med en digital mikroprosessor, for å få informasjon om resonansfrekvensen til mikrobølgeresonatoren. På denne måten vil et differensialtrykk som fører til deformasjon av membranen i mikrobølgeresonatoren resultere i en korresponderende endring i oppnådd resonansfrekvens som er transformert til et signal som er gjort tilgjengelige til eksterne enheter (EXT) via for eksempel en kommunikasjonslink 15.

I en ytterligere utførelsesform av den mikrobølgeresonatorbaserte differensialtrykkanordningen i henhold til oppfinnelsen er den differensialtrykksensitive mikrobølgeresonatoren 1 en del av en oscillatorkrets. Oscillatorkretsen kan for eksempel være formet av en forsterker med positiv tilbakekobling gjennom resonatorsensoren, som beskrevet i ref. [5,6]. En måte å realisere dette på er illustrert i Figur 14, der oscillatorkretsen innbefatter en differensialtrykksensitiv mikrobølgeresonatorsensor 1 koblet i en tilbakekoblingssløyfe med en forsterker 51. Oscilleringen av den elektriske oscillatorkretsen vill da bli låst til mikrobølgeresonatorens 1 resonansfrekvens. I dette tilfellet kan resonansfrekvensen enkelt bestemmes ved å telle oscilleringsperioder ved å bruke en frekvensteller 51 koblet til oscillatorkretsen.

I enda en ytterligere utførelsesform av den mikrobølgeresonatorbaserte differensialtrykkmåleren i henhold oppfinnelsen er koblingen ordnet på en måte som er analog med en såkalt DRO (Dielektrisk Resonator Oscillator), der en oscillator 60 er låst til en resonansfrekvens til en dielektrisk pilleformet resonator 61. Koblingen er da ordnet gjennom utkanten av det elektromagnetiske feltet rundt den dielektriske resonatoren 61 og en mikroremselinje 62 ved å lime resonatoren på kretsbrettet nær mikroremselinjen, som illustrert i venstre del av Figur 15.

I MW-dP-tilfellet kan en kobling av typen DRO oppnås ved å bruke en mikrobølgekoblingsprobe 63 og en form for mikrobølgetransmisjonslinje 62. Valget av metode for å måle resonansrfekvensen er ikke kritisk for oppfinnelsen, og hvilken som helst metode kan i prinsippet brukes. Probene, kablene og elektronikken er ikke en del av mikrobølgeresonatorsensoren i seg selv og påvirker derfor ikke målingen på noen måte. Det er viktig å påpeke at ulike typer prober generelt kan brukes, som beskrevet i [4,p. 145-9].

Selv om differensialtrykkmåleren i henhold til oppfinnelsen har blitt beskrevet ovenfor med en enkel differensialtrykksensitiv mikrobølgeresonator, kan en fagmann med fordel av denne beskrivelsen forstå at et stort antall differensialtrykkmålere i henhold til oppfinnelsen kan utnyttes i kombinasjon for å oppnå mer differensialtrykkmåledata eller å gi redundans i differensialtrykkmålingen. Hvilket som helst antall differensialtrykkmålere som det er praktisk å plassere rundt en eller flere differensialtrykkgenererende strukturer 10A, 10B, kan i prinsippet brukes. Ved å bruke flere differensialtrykkmålere enten i parallell eller i serie, eller i en kombinasjon av begge disse arrangementene vil normalt gi forbedret data i strømningen. Det aktuelle antallet dP-anordninger som er brukt vil normalt være et resultat av en kostnadsanalyse i en praktisk installasjon, og relatert til hovedformålet til en bruker, dvs. total økonomi av et væskemåleprosjekt.

Når den differensialtrykksensitive mikrobølgeresonatoren i henhold til denne oppfinnelsen kombineres med en væske (30) permittivetssensitiv mikrobølgeresonatorsensor, for eksempel med en mikrobølgeresonatorsensor for måling av permittiviteten til væsken 30 som strømmer i rørledningen 2, er en reduksjon i kompleksitet i den kombinerte løsningen vist i ref. [2] mulig. Flere deler i den elektroniske enheten kan brukes til å tjene som både en del av dP-målingen og som en del av permittivitetsmålingen. Dette kan gjøres fordi begge målingene nå kan brukes som en måling av en mikrobølgeersonator. Flere ulike arrangementer er da mulige: Sensorene kan kobles til den elektroniske enheten en om gangen ved å bruke brytere (som er kontrollert av beregningsanordningen). Dette resulterer i to ulike frekvensersponser.

* Sensorene kan kobles til mirkobølgeelektronikkenheten ved å bruke kraftdelere

og koblere. Dette resulterer i en frekvensrespons som har to resonanstopper.

For å skille mellom de to resonatorene er det viktig at de to

mikrobølgeresonatorsensorene er utformet slik at de har resonansfrekvenser som er tilstrekkelig separert for å unngå forvirring når toppene beveger seg med de målte kvantitetene, dvs. differensialtrykk og dielektrisk permittivitet i strømmen i tilfellet med Roxar WGM. • MW-dP-sensoren kan være lokalisert på innsiden av den andre mikrobølgesensoren og målesignalet kan være koblet fra feltet i WGM-resonatorsensoren gjennom prober. Denne metoden resulterer også i en frekvensrespons med to resonanstopper.

Å plassere MW-dP-sensoren på innsiden av en annen mikrobølgeresonatorsensor er særlig attraktivt i en våtgassmåler som har et V-koneelement for å generere et differensialtrykk (for eksempel Roxar WGM). I dette tilfellet har V-koneelementet to hensikter. For det første genererer den differensialtrykk, og for det andre opptrer den som en del av mikrobølgeresonatorstrukturen [2,7] for å måle permittiviteten til en strømmende væske som en del av å oppnå et trykk i komposisjonen og strømningsraten til den strømmende væsken. I dette tilfellet er en bikonisk enhet holdt på plass i sentrum av strømningsrøret med en støttestruktur. Når en væske strømmer i rørledningen dannes et differensialtrykk over V-koneelementet. MW-dP-sensoren kan integreres i konen med trykkraner i begge ender av V-koneelementet, som illustrert i

Figur 6.

Kanaler 7,8 overfører væsketrykkene ved kranene fra volumet på utsiden av kranene og inn i resonanshulrommet til MW-dP-sensoren. Disse kanalene kan være relativt korte,

og vil være mindre utsatt for tilstopping enn i tradisjonelle differensialtrykkmålere fordi kanalene har i hovedsak samme temperatur som den strømmende væsken. Koblingen til MW-dP-sensoren inne i V-koneelementet kan plasseres ved å bruke hvilken som helst

av metodene som er beskrevet ovenfor. Dersom koaksialkabler brukes kan de gjemmes på innsiden av støtten som holder senterelementet på plass, tre radiale plater i tilfellet med Roxar WGM. Det er viktig å bemerke at oppfinnelsen ikke er begrenset på noen

måte til bruken av V-koneelement, som her er brukt bare som et eksempel. Det samme arrangementet kan også brukes med differensialtrykkgenererende elementer med andre former.

I en ytterligere utførelsesform av mikrobølgeresonatorsensoren i henhold til oppfinnelsen kan sensorens resonansrom integreres eller bygges inn i en rørledningsvegg. Alternativt kan resonansrommet til sensoren monteres på utsiden av røret som en separat enhet. I begge tilfellene er det trykkraner eller kanaler som går i rørledningsveggen og inn i det indre av rørledningen.

Anordningen som er illustrert i Figur 6 kan kobles opp slik vist i Figur 7. En mikrobølgekilde (TX) leverer et mikrobølgesignal til en første mikrobølgesignalkobler 42, for eksempel en 3dB-kobler, som deler mikrobølgesignalet i to deler, en første utgang som fører til at et første mikrobølgesignal ledes til en første probe 41A i en WGM-anordning, og en andre utgang forutsatt at et mikrobølgesignal ledes til en andre mikrobølgeprobe 40A i en dP-anordning i henhold til denne oppfinnelsen. Når både WGM og dP-anordningen opererer i transmisjonsmodus kobler en tredje mikrobølgeprobe 41B i WGM-anordningen noe av mikrobølgeenergien som resonerer mellom den differensialtrykkgenererende strukturen 10 og rørledningen 2A eller 2B via en signaltransmisjonsanordning til en første inngang på en andre mikrobølgesignalkobler 43. Denne andre mikrobølgesignalkobleren kan også være en 3dB-koblingsanordning. En fjerde mikrobølgeprobe 40B kobler noe av mikrobølgesignalenergien fra den differensialtrykksensitive mikrobølgeresonatoren via en signaltransmisjonsanordning til en andre inngang på den andre mikrobølgesignalkobleren 43. Et kombinert mikrobølgesignal ved utgangen på den andre mikrobølgesignalkobleren 43 er koblet til en mikrobølgesignaldetektor i en mottakerenhet (RX). Det er antatt, selv om det ikke er vist i Figur 7, at mikrobølgekilden (TX) og mikrobølgemottakeren (RX) vil være koblet til en kontrollenhet og en signalprosesseringsenhet som illustrert i kombinert form i Figur 1 og 2 for å utføre minimum kontroll, prosessermgs/analysefunksjoner.

Dimensjonene til mikrobølgeresonatoren definert av kombinasjonen av den differensialtrykkgenererende strukturen og rørledningen og kombinasjonen av mikrobølgeresonansrommet 3,5, 6 og membranen 4 er så forskjellige at resonansfrekvensen vil være relativt ulik for disse to, som illustrert i Figur 8.

Resonansfrekvensen for mikrobølgeresonatoren definert av den differensialtrykkgenererende strukturen og rørledningen og resonansfrekvensen for mikrobølgeresonatoren definert av mikrobølgeresonansrommet 3, 5,6 og membranen 4 er valgt ved utforming av komponentenes dimensjoner slik at de to resonansfrekvensene er tilstrekkelig separert konvensjonelt i frekvens. De to resonansfrekvensene skal ikke være for nære overlapp og blanding, men kan være nære nok for å gjøre det mulig å utføre målinger av begge resonansfrekvensene med en enkel VCO, som vanligvis dekker en oktav.

I Figur 8 er de to resonansfrekvensene godt separert og kan enkelt gjenkjennes i en målekrets. Andre design av den kombinerte WGM-dP-anordningen kan være mulig, men det er et krav at de to resonansfrekvensene skal være tilstrekkelig mye separert for å oppnå ønsket nøyaktighet i målingen. Utformingskompromisser kan være nødvendig for å oppnå den påkrevde anordningskarakteristikken.

I noen utførelsesformer av oppfinnelsen kan det interne hulrommet i mikrobølgeresonatoren fylles med en beskyttende væske, for eksempel silikonolje for å forhindre korrosjon og nedbryting av innsiden av hulrommet. Videre kan kanalene mellom mikrobølgeresonansrommet og omgivelsene ha beskyttende forsegling (fjerntliggende forseglinger) for å vedlikeholde den beskyttende væsken inne i hulrommet og for å beskytte mot at eksterne væsker trenger seg inn i kanalene eller mikrobølgeresonansrommet. Slike beskyttende segl kan utformes på en slik måte at eksterne trykkendringer overføres gjennom forseglingen og inn i hulrommet. Som et eksempel kan de beskyttende trekkene være belgformet. Det kan være en ulempe med slike beskyttende forseglinger/fjerntliggende membraner at de tenderer til å hemme overføringen av trykkendringer inn i mikrobølgeresonansrommet, og dermed redusere effekten av differensialtrykkendringene på resonansfrekvensen i mikrobølgeresonatoren. Væskefylte områder (rør/kanaler/hulrom) kan også påvirke målingene på grunn av en tilleggstrykkeffekt fra høyden av røret eller kanalen. Termisk ekspansjon/sammentrekning av en beskyttende væske som befinner seg i røret/kanalen/resonatoren kan også forårsake uønsket trykkoppbygning eller trykkreduksjon i mikrohulrommet. Figur 9 illustrerer en foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen der bare ett par mikrobølgeprober 41a, 41b er brukt til grensesnittsignaler til og fra permittivitetsmålekomponentene likesom til differensialtrykkmålekomponentene på innsiden av rørledningen 2. I denne utførelsesformen er mikrobølgeprobene mikrobølgeprober 40a, 40b til den differensialtrykksensitive mikrobølgeresonatoren plassert slik at de vender mot mikrobølgeprobene 41a, 41b. Dette gjøres for at mikrobølgesignalene skal kunne kobles mellom mikrobølgeprobene på rørledningene 41a, 41b og til mikrobølgeprobene 40a, 40b på den differensialtrykksensitive resonatoren 1 gjennom gjensidig kapasitans mellom hhv. probene 40a og 41a, og 40b og 41b- På denne måten oppnås fordeling mellom måling av permittivitet og måling av differensialtrykk ved å fordele frekvensen til mikrobølgekilden, og muligens samtidig fordele mellom korresponderende algoritmer i signalprosesseringsenheten. Figur 10A illustrerer en basisutførelsesform av en differensialtrykksensitiv mikrobølgeresonator 1 for å oppnå temperaturkompensasjon der en membran 4 separerer et første 5 og et andre 6 mikrobølgeresonansrom. Kanaler 7,8 som overfører et væsketrykk fra trykkraner (ikke vist) vil, dersom trykkene er forskjellige ved trykkranene, danne et differensialtrykk over membranen 4. Dette forårsaker en defleksjon av den nevnte membranen 4. En temperaturendring forårsaker en endring i mikrobølgeresonatorenes karakteristikk delvis på grunn av termisk ekspansjon, en endring som er av samme størrelsesorden og endrer resonansrfekvensen i resonatorene i samme retninger. Derfor ved å tilføre signalprosessermgsfunksjonalitet som er i stand til å estimere en gjennomsnittlig resonansfrekvens for de to mikrobølgeresonatorene kan mål på drift som er felles for de to mikrobølgeresonatorene, for eksempel på grunn av en temperaturendring, estimeres. Hulrommet 5 i den første mikrobølgeresonatoren IA er eksitert via to mikrobølgeprober 18A som har utløp 19A i hulrommet 5, mens hulrommet 6 i den andre mikrobølgeresonatoren IB er eksitert via to mikrobølgeprober 18B som har utløp 19B i hulrommet 6.

Figur 10B illustrerer en ytterligere mulig utførelsesform av den differensialtrykksensitive mikrobølgeresonatoren 1 for å oppnå temperaturkorreksjon hvori de to koaksiale bølgelederbaserte mikrobølgeresonatorene av samme type er regulert med en felles membran 4 som separerer de to resonatorvolumene. Når de er deflektert av et differensialtrykk vil det endre de to resonatorene i hovedsak lik stor mengde, men i motsatt retning. Temperaturendringer forandres normalt i begge resonatorene i samme, men på motsatt vis, og derfor ved å beregne differansen i resonansfrekvens mellom de to resonatorene, oppnås et temperaturkompensert mål av differansetrykket over anordningen. I denne anordningen er også to mikrobølgeprober 18B brukt til å sende ut og detektere mikrobølgesignaler hhv. inn til og ut fra en første resonator IA som har en senterleder 20A som er kortsluttet i en første ende av anordningen, mens to andre mikrobølgeprober 18A brukes til å sende ut og detektere mikrobølgesignaler inn til og ut av en andre resonator IB som har en andre senterleder 20B som er kortsluttet til resonatorveggen ved en andre ende av den doble resonatoranordningen. Bortsett fra senterlederne 20A, 20B er mesteparten av det interne volumet av bølgelederresonatorene fylt med et dielektrisk materiale, mens et volum rundt membranen 4 forblir tomt for å tillate bevegelse av membranen 4.

Den mikrobølgeresonatorbaserte differensialtrykkmåleren kan være utformet med to koaksialsensorer som har felles ettergivende eller deformerbar membran som en separerende vegg mellom resonansrommene i de to resonatorene. Et eksempel på en utførelsesform av en slik koaksial mikrobølgeresonator er illustrert i Figur 10. Når membranen er deformert endrer resonansfrekvensen til å gå i motsatt retning for de to mikrobølgeresonatorsensorhulrommene 5A, 5B, mens for eksempel temperaturendringer forårsaker frekvensen til å endres i samme retning i begge sensorene. Ved å måle resonansfrekvensen i hver resonator separat som beskrevet ovenfor og legge til en beregning av frekvensdifferansen mellom de to oppnådde resonansfrekvensene oppnås en automatisk kompensasjon for temperatureffekter. Figur 11 illustrerer avhengigheten av resonansfrekvensen til en typisk enkel mikrobølgeresonator som en funksjon av avstanden fra toppen av senterlederen 20 til membranen 4. Resonansfrekvensen øker med økende avstand mellom senterlederen 20 og membranen 4. Differensialtrykket endrer denne avstanden og derfor også resonansfrekvensen ved defleksjon av membranen.

I en annen alternativ utførelsesform av denne oppfinnelsen, illustrert i Figur 12 er senterlederen 20 en åpen elektrisk krets i begge endene, dvs. ikke koblet til veggen i mikrobølgeresonansrommet i noen av endene. I dette tilfellet vill mikrobølgehulrommet være en halv bølgelengde langt ved den fundamentale resonansfrekvensen. En slik halv bølgelengdeversjon er en fordel så langt som at sensoren kan integreres i den differensialtrykkgenererende strukturen, for eksempel V-kone, og det kan ofte være ønskelig å ha mikrobølgeprobene lokalisert i samme posisjon eller nære til posisjonen til festebena til V-konen. Dette er slik fordi i halvbølgelengdeversjonen er det maksimum feltstyrke i begge ender, dvs. i endene der probene er tilkoblet. Probene gir beste kobling ved posisjoner der de er nære et feltmaksimum.

I et ytterligere alternativ, illustrert i Figur 13, vil senterlederen" 20 være designet på en spiralform. I dette tilfellet oppnås en lav resonansfrekvens mens den differensialtrykksensitive mikrobølgeresonatoren beholdes liten. Dette kan være en fordel fordi det i dette tilfellet kan det i noen tilfeller være mulig å måle begge resonansene i en kombinert WGM/dP-måler, og da må de to resonansfrekvensene være nær hverandre. Dette er en anordning for å justere resonansfrekvensen til den differensialtrykksensitive mikrobølgeresonatoren for å være på en passende avstand fra resonansfrekvensen til premittivitetsmåleren, dvs. langt nok unna for å unngå forvirring ved å ta endringsområde for begge med i betraktningen, og nære nok for begge å være innenfor området til en enkel VCO.

Det vil forstås at de differensialtrykksensitive mikrobølgeresonatorene i Figur 12 og 13 også kan utformes i en konfigurasjon speilet om membranen 4 for å danne to mikrobølgeresonatorer av samme type plassert rygg mot rygg med en felles membran 4 som separerer de to resonansvolumene. Dette gjøres for å gi muligheten for temperaturkorrigering på samme måte som i konfigurasjonen som er illustrert i Figur 10B.

Det kan også være mulig å ha en sensor for absolutt trykk ved å utforme en resonanssensor der membranen 4 er veldig stiv og ved å lukke en av åpningene 50, 60 inn i hulrommet som inneholder membranen. Det er også mulig å bruke en temperatursensor ved å helt ekskludere membranen 4. I dette tilfellet er temperaturayhengighetene i mikrobølgeresonatoren avhengig av den termiske ekspansjonen i metalldelene, og av temperaturavhengigheten til permittiviteten til det dielektriske materialet i mikrobølgeresonatoren 1. Arrangementet i Figur 10A eller 10B kan også brukes for å utlede temperatur. Resonansfrekvensene beveger seg i motsatt retning som en funksjon av differensialtrykket, men i samme retning som en funksjon av temperaturen. Derfor kan et estimat av gjennomsnittsfrekvensen brukes som et mål på temperatur.

I et alternativ har den mikrobølgeresonatorbaserte differensialtrykkmåleren i henhold til oppfinnelsen en tilleggsmikrobølgeresonatorsensor med stasjonær membran. Denne tilleggsmikrobølgeresonatorsensoren virker som en referanseenhet og dermed setter i gang kompensasjon for temperatur og muligens også for andre langvarige effekter som påvirker begge resonatorsensorene på samme måte. To resonatorer kan i dette tilfellet være koblet til samme elektroniske enhet, der den første resonatoren er en differensialtrykksensitiv resonator og den andre resonatoren er en referanseresonator. Den første og andre resonatoren har i hovedsak samme form og materiale, og dermed er deres temperaturavhengigheter stort sett like.

Flere fordeler oppnås med denne oppfinnelsen:

Med MW-dP-sensoren montert på innsiden av et V-koneelement er risikoen for hydratformasjon (og tilstopping) vesentlig redusert sammenlignet med konvensjonelle løsninger fordi kranene holdes på i hovedsak samme temperatur som strømmen, eller bruken av åpne kraner kan elimineres ved å ordne de forseglede membranene i begge endene av konen. Behovet for redundans er dermed redusert.

MW-dP-sensoren kan kombineres med andre resonatorsensor(er). Dette resulterer i en reduksjon av mengden elektronikk som kreves fordi MW-dP-sensoren er målt med samme mikrobølgeelektronikkenhet som de andre. MW-dP-sensoren trenger ingen separat elektronikk for kommunikasjon. Dette forbedrer påliteligheten (øker MTTF).

Flere MW-dP-sensorer kan realiseres med en felles elektronikkenhet og brytere. En mer kompakt utførelsesform (av for eksempel Roxar WGM) er mulig fordi det kreves ikke eksterne dP-transmittere, noe som gir redusert produksjonskostnader for differensialtrykkmåleren. Differensialtrykkelektronikken kan kombineres med WGM-elektronikken siden begge kretsene virker i mikrobølgeområdet.

Ingen elektriske kabler er nødvendig for å koble MW-dP-sensoren til datamaskinen. Konvensjonelle eksterne dP-transmittere har egen kraft- og signalkabler som kobler dem til datamaskinen. I undervannsanvendelser må disse kablene være beskyttet av stålrør.

Resonansfrekvensen til MW-dP-sensoren bestemmes bare av den fysiske dimensjonen til resonatoren og den dielektriske permittiviteten til den fyllende væsken. Ingen eksterne strukturer som kabler eller elektronikk påvirker målingen. Sensoren er derfor virtuelt fri fra drift. Påvirkningen av temperaturen (gjennom termisk ekspansjon eller silikonoljens permittivitet) er godt kjent og enkel å korrigere. Temperaturen må da måles, men for eksempel i Roxar WGM er væsketemperaturen alltid målt uansett, så ingen ekstra temperaturmåling er nødvendig. Endringene i de mekaniske egenskapene til den følende membranen er da de eneste kildene til drift.

REFERANSER

[1] US Patent no. 5,814,738 (McCrometer),

[2] US Patent no. 6,915,707, = WO03/034051, PCT/NO02/00349 (Roxar)

[3] "Introducing Low Differential Pressure Instruments", product brochure no. 5M-1-01 from Orange Research, 140 Cascade Blvd, Milford CT 06460, USA, (www.orangeresearch.com),

[4] US 6,651,506,

[5] Nyfors, E., P. Vainikainen, Industrial Microwave Sensors, Artech House 1989, Chapter 3, pages 127-149,

[6] US Patent no. 6,466,035 (=W099/63331, PCT/NO99/00179),

[7] Nyfors, E., 0. Lynd Bø, "Compact wet gas flow meter based on microwave and differential pressure measurements", Proe. 5th Int. Conf. on Electromagnetic Wave Interaction mth Water and Moist Substances, ISEMA 2003, Rotorua, New Zealand, March2003,pp. 146-153.

Claims

1. Differensialtrykk-(dP) måler for bruk i strømningsmåling innbefattende - en første mikrobølgeresonator (1) som har en fleksibel eller ettergivende del eller element (4) som er deformerbar eller ettergivende når de utsettes for et differensialtrykk på en slik måte at den endrer en resonansfrekvens i nevnte resonator, - en elektronisk enhet (12,14) koblet til nevnte resonator (1), der nevnte elektroniske enhet er tilpasset for å produsere en utgang avhengig av resonansfrekvensen til nevnte resonator (1)

2. dP-måler som angitt i krav 1, hvori nevnte mikrobølgeresonator (1) som har en fleksibel del/et ettergivende element (4) er integrert i hvilken som helst type dP-genererende struktur, for eksempel en V-kone (10A) plassert på innsiden av en rørledning (2).

3. dP-måler som angitt i krav 2, hvori nevnte mikrobølgeresonator (1) er koblet til dP-mikrobølgeprober plassert på den dP-genererende strukturen slik at den kan kobles kapasitivt til en korresponderende mikrobølgeeksitasjonsproben som er plassert på nevnte rørledning (2) nærliggende til nevnte dP-genererende struktur.

4. dP-måler som angitt i krav 3, hvori nevnte mikrobølgeeksitasjonsprobe er plassert der den også kan eksitere mikrobølgeresonatoren sammensatt av rørledningsveggen, den dP-genererende strukturen og volumet mellom disse.

5. dP-måleren som angitt i krav 1, hvori nevnte mikrobølgeresonator (1) har en fleksibel del/ettergivende element (4) som er integrert i en Venturi-seksjon (10B) i en rørledning (2).

6. dP-måler som angitt i krav 1, hvori nevnte mikrobølgeresonator (1) har en fleksibel del/ettergivende element (4) som er integrert i en vegg (2B) i rørledningen (2 A) for transport av en væske (30).

7. dP-måler som angitt i krav 1, innbefattende en enkel mikrobølgeprobe (40) og en sirkulator (22) hvorved mikrobølgeproben (40) kan drives til å eksitere et mikrobølgesignal i nevnte mikrobølgeresonator (1) og for å koble et mikrobølgesignal reflektert fra resonatoren til en mikrobølgesignaldeteksjonsenhet (12), og hvorved kontroll- & signalprosesseringsenheten kan tilpasses til å beregne en refleksjonskoeffisient fra nevnte resonator (1), der nevnte refleksjonskoeffisient representerer tilstanden til nevnte resonator.

8. dP-måler som angitt i krav 1, innbefattende to mikrobølgeprober (40) koblet til nevnte resonator (1) i separate posisjoner på nevnte resonator, en første probe (40A) koblet til en mikrobølgesignalgenerator (uW-Tx) for å eksitere et mikrobølgesignal inn i nevnte resonator, en andre mikrobølgeprobe (40B) for å koble et mikrobølgesignal overført i nevnte resonator til en mikrobølgesignaldetekteringsenhet (uW-Rx, 12), og hvor kontroll- & signalprosesseringsenheten (14) er tilpasset for å beregne en transmisjonskoeffisient av nevnte resonator (1), der nevnte transmisjonskoefflsient representerer mikrobølgeresonatorens tilstand.

9. dP-måler som angitt i krav 1, hvori en elektronisk oscillatorkrets er koblet med nevnte mikrobølgeresonator (1) på en slik måte at oscillatoren låses til resonatorens resonansfrekvens, hvorved en måling av resonansfrekvensen til elektronikken som et resultat av tilføring av en differensialtrykkoscillatorkrets gir en måling av nevnte mikrobølgeresonator (1).

10. dP-måleren som angitt i krav 1, innbefatter en differensialtrykkgenererende struktur (10) for å danne et differensialtrykk i en væske (30) som strømmer i en rørledning (2) som transporterer nevnte væske (30).

11. dP-måler som angitt i krav 1, hvori den fleksible delen/ettergivende elementet (4) er plassert slik at det deler et internt volum som definerer nevnte mikrobølgeresonator inn i første (5) og andre (6) kammer, nevnte første og andre kammer har separate åpninger (7, 8) mot en væske (30) strøm i en rørledning (2) som transporterer nevnte væske (30).

12. dP-måler som angitt i krav 11, hvori nevnte første (5) og andre (6) kammer er koblet sammen for å virke parvis som mikrobølgeresonatorsensorer, separert av en membran (4), hvorved en deformasjon i membranen (4) forårsaker endring i resonansfrekvensen for de to resonatorene i motsatt retning.

13. dP-måleren som angitt i krav 11, hvori de separate åpningene (7, 8) er plassert slik at de gir en trykkdifferanse, dvs. et differensialtrykk, mellom nevnte første og andre kammer (5,6) når en væske (30) strømmer i rørledningen (2).

14. dP-måler som angitt i krav 1, innbefattende en mikrobølgeeffektdelende del (42) som deler et mikrobølgesignal fra en mikrobølgegenerator (uW-Tx) til en våtgassmåler (WGM) enhet og til en differensialtrykkenhet (dP), og en mikrobølgeeffektkobler (43) er arrangert for å kombinerer mikrobølgeeffekt som har blitt overført via nevnte WGM-enhet og via nevnte dP-enhet.

15. dP-måler som angitt i krav 1, innbefattende mikrobølgefordelingselementer (42, 43) som fordelere et mikrobølgesignal fra en mikrobølgegenerator (uW-Tx) mellom en våtgassmåler (WGM) enhet og en differensialtrykkenhet (dP), og å fordele mikrobølgesignalet som har blitt overført via nevnte WGM-enhet eller via nevnte dP-enhet til mikrobølgedeteksjonsenheten (uW-Rx).

16. dP-måler som angitt i krav 1, innbefattende en innstillbar mikrobølgesignalgenerator (uW-Tx, 12), og hvor frekvensen til nevnte generator er kontrollert av en kontroll- og prosesseringsenhet (14) koblet til nevnte mikrobølgesignalgenerator (uW-Tx, 12).

17. dP-måler som angitt i krav 1, hvori en innstillbar mikrobølgesignalgenerator (uW-Tx, 12) og nevnte kontroll- og prosesseringsenhet (14) er tilpasset for å samarbeide for å skaffe en mikrobølgesignalscanning et frekvensområde, nevnte frekvensområde inkluderer en resonansfrekvens av nevnte første mikrobølgeresonator (1).

18. dP-måler som angitt i krav 1, innbefattende en andre mikrobølgeresonatorsensor som fungerer som en referanseresonator eller kompensasjonselement for å kompensere for temperaturvariasjoner eller statiske trykkendringer.

19. dP-måler som angitt i krav 1, hvori et forlenget senterelement (20) i nevnte mikrobølgeresonator er kortsluttet i en ende til en intern vegg i en ende av den nevnte resonatoren.

20. dP-måler som angitt i krav 1, hvori et forlenget senterelement (20) i nevnte mikrobølgeresonator er en åpen krets i begge ender.

21. dP-måler som angitt i krav 1, innbefattende et spiralformet senterelement (200).

22. dP-måler som angitt i krav 1, hvori nevnte elektronikkenhet (12,14) koblet til nevnte resonator (1) innbefatter en kobling av type DRO (Dielektrisk Resonator Oscillator) ved å koble en mikrobølgegenerator (60) via en mikrobølgeprobe til nevnte første mikrobølgeresonator (1) som har en fleksibel eller ettergivende del eller element (4).