WO2015063323A1 - Verfahren und vorrichtung zur bestimmung der geschwindigkeit eines mediums - Google Patents

Abstract

Beschrieben und dargestellt ist ein Verfahren zur Bestimmung einer Geschwindigkeit eines strömenden Mediums. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung der Geschwindigkeit eines strömenden Mediums anzugeben, das eine möglichst hohe Messgenauigkeit erlaubt, ohne dabei einen aufwändigen Messaufbau erforderlich zu machen. Die Aufgabe wird bei dem in Rede stehenden Verfahren dadurch gelöst, dass in dem Medium ein Wirbel erzeugt und in das Medium ein elektromagnetisches Signal eingestrahlt wird. Anschließend wird aus einem empfangenen elektromagnetischen Signal ein Maß für eine Permittivität des Mediums und daraus die Geschwindigkeit des Mediums ermittelt. Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf eine Vorrichtung (1) zur Bestimmung der Geschwindigkeit eines Mediums.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung

der Geschwindigkeit eines Mediums

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung mindestens einer Geschwindigkeit eines strömenden Mediums. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Bestimmung mindestens der Geschwindigkeit eines eine Leitung durchströmenden Mediums. Das Medium ist dabei vorzugsweise zumindest teilweise gasförmig, also beispielsweise ein Gas-Staub- Gemisch.

In modernen Prozessanlagen ist es häufig erforderlich, den Durchfluss bzw. das Durchströmen eines Mediums durch eine Leitung, also beispielweise ein Rohr oder eine Rohranordnung, zu überwachen bzw. quantitativ zu bewerten. Hierfür sind Messgeräte für die Bestimmung des Volumen- oder Massedurchflusses bekannt, die beispielsweise das Vortex-, Coriolis-, Ultraschall- oder Schwebekörper-Prinzip für die jeweilige Messung umsetzen.

Eine Vorrichtung zur Bestimmung der Geschwindigkeit eines strömenden Mediums offenbart beispielsweise die Patentschrift DE 35 04 622 C2. Dabei sind zwei Sensoren versetzt zueinander entlang einer ein Medium führenden Leitung angeordnet. Die Sensoren bzw. die damit realisierten Messprinzipien führen dazu, dass die mit den Sensoren gewonnenen Signale abhängig sind von Inhomogenitäten des strömenden Mediums. Über eine Kreuzkorrelation der Signale wird die Geschwindigkeit der Inhomogenitäten und damit des Mediums ermittelt. Details für die praktische Umsetzung werden jedoch nicht genannt. Weiterhin ist der Aufbau mit zwei versetzt zueinander angeordneten Sensoren aufwändig und erfordert auch einen entsprechend großen Freiraum im Umfeld der Messanordnung.

Die EP 2 559 973 AI beschreibt einen Aufbau zur Bestimmung der Geschwindigkeit eines Mediums in einer Leitung mittels Laserstrahlen, die die Leitung senkrecht durchqueren. Dabei werden im Medium Wirbel erzeugt, um aus dem Rauschen in den empfangenen Lasersignalen die Geschwindigkeit zu ermitteln. In einem ähnlichen Aufbau gemäß der US 2013/0041599 AI werden ebenfalls Wirbel erzeugt und es werden Mikrowellensignale verwendet.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung der Geschwindigkeit eines strömenden Mediums - und eine entsprechende Vorrichtung - anzugeben, das eine möglichst hohe Messgenauigkeit erlaubt, ohne dabei einen aufwändigen Messaufbau erforderlich zu machen.

Das erfindungsgemäße Verfahren, bei dem die zuvor hergeleitete und aufgezeigte Aufgabe gelöst ist, ist zunächst und im Wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dass in dem Medium mindestens ein Wirbel erzeugt wird, dass in das Medium im Wesentlichen senkrecht zu einer Strömungsrichtung des Mediums mehrere elektromagnetische Signale als Abfragesignale eingestrahlt werden, dass mehrere elektromagnetische Signale als Antwortsignale empfangen werden, dass die Phasen der Antwortsignale relativ zu den Abfragesignalen ermittelt werden, dass mindestens aus den Phasen ein Maß für eine Per- mittivität des Mediums ermittelt wird und dass aus dem ermittelten Maß die Geschwindigkeit des Mediums ermittelt wird.

Ermittelt wird jeweils die Phase zwischen einem Antwortsignal und dem zugehörigen Abfragesignal, das als Antwortsignal empfangen wird.

In einer Ausgestaltung handelt es sich bei dem Abfragesignal insbesondere um ein Mikrowellensignal.

In dem strömenden Medium werden für die Messung Wirbel erzeugt. Solche Wirbel lassen sich beispielsweise generieren durch eine Änderung des Durchmessers der Leitung, durch die das Medium strömt. Beispielsweise ist daher eine Engstelle in der Leitung vorgesehen. Wirbel werden jedoch beispielsweise auch über wenigstens einen raueren Abschnitt der dem Medium zugewandten Innenseite der Leitung erzeugt. In einer weiteren Ausgestaltung werden die Wirbel durch ein Gebläse erzeugt.

Alternativ oder ergänzend werden Wirbel in Folge von Vorgängen in der Prozessanlage selbst bzw. durch einen Prozess, der sich auf das Medium auswirkt, erzeugt. Dabei handelt es sich beispielsweise um Pumpvorgänge. Die Wirbel werden daher in einer Variante über spezielle Vorrichtungen oder Anordnungen erzeugt. In einer alternativen oder ergänzenden Variante ergeben sich die Wirbel durch Besonderheiten im Anwendungsumfeld, in dem das Verfahren umgesetzt wird, und werden entsprechend für die Messung ausgenutzt.

Werden die Wirbel insbesondere aktiv steuerbar - beispielsweise durch ein Gebläse - erzeugt, so erlaubt dies in einer Ausgestaltung eine Beeinflussung der Messungen durch die Steuerung der Wirbelbildung.

Für die Messung der Geschwindigkeit werden - insbesondere in Strömungsrichtung des Mediums hinter der für die Wirbelbildung sorgenden Stelle - elektromagnetische Signale als Abfragesignale in das Medium eingestrahlt und werden Antwortsignale, bei den es sich ebenfalls um elektromagnetische Signale handelt, empfangen.

Vorzugsweise wird das Abfragesignal erst nach der Erzeugung des mindestens einen Wirbels eingestrahlt, um die aktuelle Geschwindigkeit des Mediums zu bestimmen.

In einer Ausgestaltung wird für eine Kalibration das Abfragesignal ohne das Erzeugen des Wirbels bzw. vor dem Erzeugen des Wirbels eingestrahlt.

Ausgehend von den Antwortsignalen wird ein Maß für die Permittivität des Mediums ermittelt, insbesondere über hinterlegte Formeln oder Algorithmen oder in Verbindung mit abgespeicherten Datensätzen, die ggf. auch auf besondere Eigenschaften des Mediums bzw. der Art der Wirbelbildung bzw. generell auf den Messaufbau Rücksicht nehmen.

Die Permittivität - alternative Bezeichnungen sind dielektrische Leitfähigkeit oder dielektrische Funktion - beschreibt die Durchlässigkeit eines Mediums für elektrische Felder. Die relative Permittivität - auch als Permittivitäts- oder Dielektrizitätszahl bezeichnet - ist dabei das Verhältnis zwischen der Permittivität eines Mediums und der des Vakuums. Generell werden durch die Permittivität die das elektrische Feld schwächenden Effekte eines Mediums beschrieben.

Die ermittelte Permittivität ist dabei insbesondere eine effektive Permittivität, die sich insgesamt durch die Wechselwirkung des eingestrahlten Abfragesignals mit dem Medium und unter Einfluss der vorhandenen Wirbel ergibt.

Erfindungsgemäß wird ausgehend von den Antwortsignalen und vorzugsweise auch ausgehend von den Abfragesignalen ein Maß für die Permittivität des strömenden Mediums im Bereich des mit den elektromagnetischen Signalen durchlaufenen Volumens ermittelt.

Ausgehend von diesem Maß wird dann die Geschwindigkeit des Mediums ermittelt. Hierfür wird ggf. auch rückgegriffen auf hinterlegte Daten, Wertepaare, Formeln oder Algorithmen.

Im Sinne der Auswertung kann dabei die Ermittlung des Maßes der Permittivität und der Geschwindigkeit des Mediums in einem Schritt erfolgen und in einer alternativen Ausgestaltung in mehreren Einzelschritten.

Mit anderen Worten beschrieben, handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren um ein Verfahren mindestens zur Geschwindigkeitsmessung von Gasen bzw. Gas-Staub-Gemischen oder sonstigen im Wesentlichen kompres- siblen Medien, die ggf. auch Einschlüsse - z. B. als Feststoffe - aufweisen. Dabei werden Wirbel in dem Medium für die Messung verwendet. Die Messung besteht in einer Ausgestaltung darin, dass die Wirbel wenigstens eine Art von Radarschranke passieren und dass die Auswirkung des strömenden Mediums bzw. der strömenden Wirbel auf die elektromagnetischen Signale ausgewertet wird. Je nach der Dimensionierung der das Medium führenden Leitung bzw. der Art der Wirbelbildung können ggf. auch mehrere solcher Radarschranken realisiert werden, die unterschiedlich angeordnet sind bzw. unterschiedliche Signalwege erlauben.

Für die Auswertung wird insbesondere die Phasenänderung ermittelt, die sich im Antwortsignal durch die Druckunterschiede der Wirbel im Medium einstellt. Dies wird in einer Ausgestaltung ergänzt durch die Messung der Lauf- zeit der elektromagnetischen Signale. Die Ermittlung der Laufzeit ist insbesondere dann notwendig, wenn sich durch die Wirbel bzw. die Druckunterschiede die Phase der elektromagnetischen Signale um mehr als 360° ändert.

In einer Ausgestaltung werden mehrere Antwortsignale derartig empfangen bzw. Abfragesignale derartig eingestrahlt, so dass ein Druckverlauf im strömenden Medium ermittelt wird. Dabei werden dann die durch das Medium erzeugten Phasenänderungen in Hinsicht auf die zeitliche Entwicklung und statistisch - insbesondere durch die Ermittlung der Standardabweichung - ausgewertet. Aus diesen ermittelten Werten lässt sich dann über eine Modellbildung die Geschwindigkeit des Mediums ermitteln.

Durch die Wirbel ergeben sich in dem - vorzugsweise hauptsächlich kom- pressiblen - Medium Druckunterschiede, die sich durch die Änderung der Permittivität des strömenden Mediums ausdrücken und daher durch die Messung mit den elektromagnetischen Signalen - insbesondere mit Mikrowellensignalen - bestimmbar werden.

Für die Ermittlung der Geschwindigkeit des Mediums wird in einer Ausgestaltung insbesondere auf ein Modell rückgegriffen. Für die Erzeugung eines solchen Modells wird vorzugsweise die Form der Leitung oder der Charakteristika der Wirbel im Medium berücksichtigt.

Für die Beschreibung der durch die Strömung des Mediums fortgetragenen Wirbel lässt sich beispielsweise das Rankine- oder das Hamel-Oseen-Modell verwenden.

Ist beispielweise die Druckverteilung p von Interesse, so ergibt sich in Abhängigkeit des Wirbelkernradius r₀, dem Umgebungsdruck p_u, der Dichte p, der Geschwindigkeit des Wirbels v₀ und dem Abstand von der Mitte des Wirbels r die Druckverteilung wie folgt: p = p_u - p * v₀ ²/2 * r₀ ²/ r².

Relativ zur Umgebung entsteht im Wirbelkern offensichtlich ein Unterdruck, der sowohl mit der Wirbelgröße als auch mit der Anströmungsgeschwindig- keit zunimmt. Dies ergibt sich daraus, dass die Gasmoleküle aufgrund einer Kreisbewegung des Wirbels nach außen gedrückt werden. Aus elektromagne- tischer Sicht lässt sich dieser - aufgrund der verminderten Anzahl von polarisierbaren Molekülen entstandene - Unterdruck mit einer verringerten elektrischen Permittivität beschreiben. Die damit einhergehende Verringerung der elektrischen Suszeptibilität erfolgt näherungsweise linear mit der Druckabnahme. Die Wirbelfortbewegung innerhalb einer Leitung lässt sich daher als eine bewegte Permittivitätsverteilung interpretieren.

Insbesondere bei Gaswirbeln ist dabei davon auszugehen, dass stärkere Gaswirbel, also höhere Rotationsgeschwindigkeiten der Wirbel, zu niedrigerem Druck im Wirbelinneren führen. Dieser Effekt zeigt sich dann in der Standardabweichung der Werte der gemessenen Phasenänderungen. Die zeitliche Varianz der Phasen erlaubt weitere Aussagen über die Gasströmung, da entstehende Wirbel bei höheren Strömungsgeschwindigkeiten schneller weggetragen werden. Auch hier muss die Modellbildung des zu betrachtenden Leitungsstücks die Detektionsrate der Wirbel mit der Strömungsgeschwindigkeit verknüpfen.

Werden in der Modellbildung mehrere gemessene Werte als Parameter eingeführt, so lassen sich Abhängigkeiten von weiteren Größen - z. B. Art des jeweiligen Gases oder Fluktuationen der Konzentration des Gases - vermeiden.

Für die Modellbildung wird in einer Ausgestaltung für die Betrachung einer Gasströmung die Reynoldszahl Re herangezogen, die sich aus der mittleren Geschwindigkeit v, dem Durchmesser der das Medium führenden Leitung d und der Viskosität v ergibt zu: Re = v * d / v.

Ein Übergangsbereich zwischen einer laminaren und einer turbulenten Strömung stellt sich ein bei einer Reynoldszahl größer als 2300. Da Gase eine geringe Viskosität (z. B. Luft 17,1 micro Pascal-Sekunden) aufweisen, sind näherungsweise alle Gasströmungen in Rohrleitungen als turbulent zu betrachten.

Mit Hilfe der sog. Reynoldszerlegung lässt sich die Strömung durch einen Ensemblemittelwert an einem Ortspunkt - also beispielsweise einem mittleren Wert, der sich mit der Strömung fortbewegt - sowie einen statistischen Störwert, der abhängig von Ort und Zeit ist, beschreiben.

Das erfindungsgemäße Verfahren fußt daher insgesamt auf der Erkenntnis, dass das Druckprofil eines Wirbelquerschnitts einen Unterdruck im Zentrum des Wirbels aufweist, der beim Durchlaufen einer Radarschranke durch die einhergehende Änderung der Permittivität eine messbare Änderung im elektromagnetischen Signal der Radarschranke bewirkt.

Dabei hat sich gezeigt, dass im Bereich der Wirbel und in Folge der damit verbundenen unterschiedlichen Druckbereiche des Mediums bei den eingestrahlten elektromagnetischen Signalen Phasenänderungen um einige Grad auftreten können. Daher werden erfindungsgemäß mit Hilfe der ermittelten Phasenverschiebungen die Wirbel innerhalb der Rohrleitung detektiert. Durch eine kontinuierliche und ausreichend schnelle Messung kann zudem die Strömung abgetastet und daraus das Auftreten der Wirbel in der zeitlichen Abfolge rekonstruiert werden.

Die Standardabweichung der Phasenänderung ist insbesondere ein Maß für die Stärke der auftretenden Wirbel, wobei die zeitlichen Schwankungen der ermittelten und durch die Wirbel in dem strömenden Medium bewirkten Phasenänderungen Aufschluss über das Auftreten und Ablösen der Wirbel an der Stelle, an der die Wirbel - z. B. durch eine Verengung der Leitung oder durch eine raue Stelle usw. - erzeugt werden. Aus beiden Größen kann mittels einer geeigneten Modellbildung auf die mittlere Strömungsgeschwindigkeit geschlossen werden. Die Standardabweichung dient folgend als Maß für die Geschwindigkeit der Wirbel und darüber als Maß für die Geschwindigkeit des Mediums an sich.

In einer ergänzenden Ausgestaltung wird zumindest die Zeit zwischen dem Einstrahlen des Abfragesignals und dem Empfangen des Antwortsignals ermittelt. In dieser Ausgestaltung wird also die Laufzeit des elektromagnetischen Signals ermittelt, um für die Ermittlung der Geschwindigkeit des Mediums verwendet zu werden. Werden mehrere Signale als Abfragesignale eingestrahlt und als Antwortsignale empfangen, so erlaubt dies auch eine Auswertung des zeitlichen Verhaltens des Maßes für die Permittivität bzw. daraus die Ermittlung der Geschwindigkeit des Mediums. Alternativ bzw. ergänzend kann so eine örtliche Verteilung der Wirbel bzw. der Druckschwankungen im Medium überwacht bzw. ermittelt werden.

Die Wirbel sind dabei - wie sich ergeben hat - in der Regel statistisch über den Querschnitt der Leitung verteilt.

Die Abfragesignale werden vorzugsweise derartig moduliert, dass die - hier insbesondere nach der Reflexion an einem Reflektor - zur Empfangsvorrichtung laufenden und als Antwortsignal empfangenen Signale insbesondere folgende Rückschlüsse zulassen: Zum einen sollten unterschiedliche Reflexionsstellen voneinander trennbar sein. Dies ermöglicht die Trennung der Reflexion, die die indirekten Geschwindigkeitsinformationen des Mediums enthält, von möglichweise bewegten Störreflexionen (zum Beispiel vibrierende Fenster in der Leitung). Weiterhin sollten zu jeder Reflexion die Entfernung (optimaler Weise als präzise Phaseninformation) und die Amplitude bekannt sein. Zudem sollte die Modulationsart eine schnelle Messung und das Sammeln der Informationen aus Amplitude und Entfernung in Abhängigkeit von der Zeit erlauben. Schließlich sollte die Modulation dopplerinvariante Messungen erlauben.

Hierfür geeignete Modulationen sind beispielsweise FMCW-Radar (moduliertes Dauerstrichrad, von englisch frequency modulated continuous wave radar) oder LFM-FSK (eine Kombination aus LFMCW, also linear frequenzmoduliertem FMCW, und FSK-Modulation als Frequenzumtastung bzw. frequency shift keying).

Das Einstrahlen bzw. Empfangen der Mehrzahl von Abfrage- bzw. Antwortsignalen erfolgt dabei im Wesentlichen zeitgleich oder zueinander zeitversetzt. Dabei kann der Zeitversatz z. B. beim Einstrahlen der Abfragesignale in Abhängigkeit von der Art der eingestrahlten Signale beliebig kurz gewählt werden, um eine möglichst hohe Abtastung der Information über das Medium bzw. speziell über die Wirbel im Medium und damit über den Geschwindigkeitsverlauf zu erlangen.

Die Signalauswertung besteht in einer Ausgestaltung aus zwei Verfahren, deren Ergebnisse kombiniert werden, um Messfehler zu minimieren.

Die Phase zwischen Abfrage- und Antwortsignal mit einer vom Abfragesignal überbrückten Distanz hängt von den Ausbreitungseigenschaften des im Antennenstrahl befindlichen Mediums ab. Die ermittelte Phasenänderung einer virtuellen Distanz R" erfolgt beim Durchlaufen des Wirbels im Wesentlichen durch die Faltung der Feldverteilungsfunktion des ausgestrahlten Signals mit der Permittivitätsverteilung des Mediums bzw. des Wirbels. Durch die bekannte Feldverteilung des ausgestrahlten Signals kann damit der Druckverlauf des Wirbels z. B. durch eine Entfaltungsoperation rekonstruiert werden. Aus der Messung kann somit der Kerndruck des Wirbels extrahiert werden. Es kann hierdurch auf die Wirbelausdehnung geschlossen werden. Durch die somit detektierbaren Ein- und Austrittszeitpunkte durch den Antennenstrahl, zusammen mit der bekannten räumlichen Ausdehnung des Wirbelkerns, kann wiederum die Geschwindigkeit des Wirbels und daher die des Mediums berechnet werden. Das Durchqueren der elektromagnetischen Signale durch die strömenden Wirbel führt also zu einer virtuellen Entfernungsänderung des Referenzziels bzw. im Fall eines Reflektors zu dessen virtueller Verschiebung.

Dieses Verfahren wird kombiniert mit einem zweiten Verfahren, das das stochastische Auftreten der einzelnen Wirbel berücksichtigt. Insgesamt basiert dies basiert auf einer Autokovarianzanalyse des strömenden Mediums. Das Signal von diesem virtuellen Radarziel enthält damit indirekt Informationen über die Flussgeschwindigkeit des strömenden Mediums.

In einer Ausgestaltung werden in unterschiedliche Raumrichtungen Abfragesignale eingestrahlt und/oder aus unterschiedlichen Raumrichtungen Antwortsignale empfangen. Die Raumrichtungen beziehen sich dabei in einer Ausgestaltung auf das gleiche Volumen und in einer alternativen Ausgestaltung auf sich zumindest teilweise voneinander unterscheidende Volumina der Leitung, die das strömende Medium führt. In einer Variante wird dabei eine Art von Tomographie durchgeführt, um mehr Informationen über die Wirbel im Medium zu erlangen.

In einer Ausgestaltung wird dem Medium ein Markergas beigefügt. Das Markergas wird insbesondere in Strömungsrichtung vor dem Volumenbereich eingebracht, der von dem Abfragesignal passiert wird. Das Markergas ist dabei insbesondere dadurch ausgezeichnet, dass es durch den Messaufbau besser bzw. leichter zu messen ist als das eigentliche Medium. So wird in einer Ausgestaltung einem zu vermessenden Medium mit niedriger Permittivi- tät ein Markergas mit einer höheren Permittivität zugefügt - die Permittivität des Markergases ist also höher als die des zu messenden Mediums. Das Medium führt in Folge das Markergas mit sich mit. Umgekehrt verbessert das mitbewegte Markergas die Messung bzw. macht sie ggf. erst möglich. Ein Beispiel für ein Markergas ist Kohlenstoffdioxid. Die Wahl des Markergases ist jedoch vom zu messenden Medium abhängig.

Die zuvor hergeleitete und aufgezeigte Aufgabe ist nach einer weiteren Lehre der Erfindung bei der eingangs genannten Vorrichtung dadurch gelöst, dass mindestens eine Wirbelbildnervorrichtung ausgebildet zum Erzeugen mindestens eines Wirbels im Medium vorhanden ist, dass mindestens eine Sendevorrichtung ausgebildet zum Einstrahlen von elektromagnetischen Signalen als Abfragesignale in ein das Medium führendes Volumen der Leitung vorhanden ist, dass mindestens eine Empfangsvorrichtung ausgebildet zum Empfangen von elektromagnetischen Signalen als Antwortsignale aus einem das Medium führenden Volumen der Leitung vorhanden ist, dass mindestens eine Auswertevorrichtung ausgebildet zur Auswertung der Antwortsignale vorhanden ist, dass mindestens ein Datenspeicher ausgebildet zum Hinterlegen von funktionellen Zusammenhängen und/oder Wertetabellen und/oder Formeln und/oder Algorithmen und/oder mathematischen Modellen vorhanden ist und dass die Auswertevorrichtung zumindest die Phase der Antwortsignale relativ zu den Abfragesignalen ermittelt und aufgrund der ermittelten Phasen und aufgrund von mindestens einer in dem Datenspeicher hinterlegten Information die Geschwindigkeit des Mediums ermittelt. Die Wirbelbildnervorrichtung ist dabei je nach Ausgestaltung ein Bestandteil oder ein Abschnitt oder eine Komponente in wenigstens einem Abschnitt der Leitung - insbesondere eines Rohrs - zum Führen des Mediums und ist in einer anderen Ausgestaltung eine in Wechselwirkung mit der Leitung bzw. mit dem darin geführten Medium stehende Vorrichtung.

In einer Ausgestaltung handelt es sich daher bei der Wirbelbildnervorrichtung um einen Abschnitt mit einer Durchmesserverengung und in einer alternativen Ausgestaltung um einen Abschnitt mit einer Durchmesservergrößerung in Relation zu den vorausgehenden bzw. sich anschließenden Abschnitten der Leitung.

In einer alternativen bzw. ergänzenden Ausgestaltung ergibt sich der Effekt des Bildens von Wirbeln durch einen Abschnitt der Innenwandung der Leitung, der sich durch seine Rauigkeit von den anderen Abschnitten unterscheidet.

In einer zusätzlichen Ausgestaltung handelt es sich bei der Wirbelbildnervorrichtung zumindest teilweise um eine Art von Gebläse. Eine solche beispielhafte Wirbelbildnervorrichtung lässt sich dabei in einer Ausgestaltung in Bezug auf die Bildung der Wirbel - z. B. in Bezug auf deren Häufigkeit, Stärke, zeitlichen Abstände usw. - aktiv steuern.

In einer Ausgestaltung strömt durch ein Gebläse oder einen sonstigen Einlass ein Markergas in die Leitung und damit in das strömende Medium hinein.

Weiterhin dient die Wirbelbildnervorrichtung in einer Ausgestaltung primär nur dem Bilden der Wirbel und dient in einer alternativen Ausgestaltung auch weiteren Aufgaben. So ergeben sich die Wirbel in einer Ausgestaltung beispielsweise durch eine entsprechend getaktete Pumpe, die an sich dem Zweck dient, das Medium zu befördern, es also strömen zu lassen.

Weiterhin ist mindestens eine Sende Vorrichtung zum Einstrahlen mindestens eines elektromagnetischen Signals als Abfragesignal in ein das Medium führendes Volumen der Leitung vorgesehen. Bei der Sendevorrichtung handelt es sich in einer Ausgestaltung insbesondere um eine Antenne zum Ausstrahlen von elektromagnetischen Signalen im Mikrowellenbereich, wie sie auch bei Füllstandmessungen nach dem Radarprinzip Verwendung findet.

Zudem ist noch mindestens eine Empfangsvorrichtung zum Empfangen mindestens eines elektromagnetischen Signals als Antwortsignal aus einem das Medium führenden Volumen der Leitung vorgesehen. Bei der Empfangsvorrichtung handelt es sich vorzugsweise ebenfalls um eine Antenne.

In einer Ausgestaltung sind die Sende- und die Empfangsvorrichtung identisch.

In einer weiteren Ausgestaltung sind die Volumina, in die das Abfragesignal eingestrahlt und aus dem das Antwortsignal empfangen wird, identisch und in einer alternativen Ausgestaltung zumindest teilweise oder vollständig unterschiedlich.

Schließlich ist für die Bestimmung der Geschwindigkeit des strömenden Mediums mindestens eine Auswertevorrichtung zur Auswertung mindestens des Antwortsignals vorgesehen.

Für die Ausgestaltung der Vorrichtung zur Bestimmung der Geschwindigkeit und auch die Art der Auswertung bzw. des Generierens des Antwort- bzw. der Antwortsignale usw. gelten entsprechend auch die obigen Ausführungen zum Verfahren bzw. lassen sich umgekehrt auch die in Anbetracht der Vorrichtung gemachten Ausführungen und Ausgestaltungen auf das Verfahren übertragen.

Die Vorrichtung dient dabei insbesondere auch der Umsetzung des obigen Verfahrens zur Bestimmung der Geschwindigkeit des Mediums.

Um den Aufbau möglichst kompakt zu gestalten, besteht eine Ausgestaltung darin, dass mindestens eine Reflektorvorrichtung - mit reflektierenden Eigenschaften für die relevanten elektromagnetischen Signale - vorgesehen ist. Dabei ist weiterhin vorgesehen, dass die Sende Vorrichtung das Abfragesignal - zumindest oder im Wesentlichen nur - in Richtung der Reflektorvorrichtung einstrahlt. Alternativ oder ergänzend empfängt die Empfangsvorrichtung das Antwortsignal - zumindest oder im Wesentlichen nur - aus Richtung der Reflektorvorrichtung.

Durch eine solche Reflektorvorrichtung wird der Laufweg zwischen der Sende- und der Empfangsvorrichtung verlängert, ohne dass eine Vergrößerung des Messaufbaus damit einhergeht.

In einer Ausgestaltung ist die Reflektorvorrichtung derartig ausgestaltet, dass sie die Polarisation der an ihr reflektierten elektromagnetischen Signale beein- flusst.

Sowohl aktive als auch passive Reflektorvorrichtungen mit der Eigenschaft des Einwirkens auf die Polarisation sind offenbart in der Offenlegungsschrift DE 10 201 1 102 991 AI . Wenigstens eine dort beschriebene Reflektorvorrichtung findet in dieser Ausgestaltung Anwendung bei der Vorrichtung zur Bestimmung der Geschwindigkeit des strömenden Mediums.

Durch die Beeinflussung der Polarisation werden die reflektierten Signale gekennzeichnet und lassen sich daher besser von anderen empfangenen elektromagnetischen Signalen unterscheiden.

In einer Ausgestaltung ist die Auswertevorrichtung derartig ausgeführt, dass sie zumindest die Phase des Antwortsignals -relativ zum Abfragesignal - und zumindest die Zeit zwischen dem Einstrahlen des Abfragesignals und dem Empfangen des Antwortsignals ermittelt. Wie bereits oben bezüglich des Verfahrens ausgeführt, wird für die Ermittlung der Geschwindigkeit aus dem Antwortsignal bzw. aus einer Mehrzahl von Antwortsignalen wenigstens die Phase als Auswirkung des strömenden Mediums auf die elektromagnetischen Signale bzw. auf die Laufzeit ermittelt und für die Auswertung bzw. Bestimmung der Geschwindigkeit herangezogen. Daher ist hier die Auswertevorrichtung entsprechend ausgestaltet.

Zusätzlich ist für die Ermittlung der Geschwindigkeit des Mediums mindestens ein Datenspeicher vorgesehen. Der Datenspeicher ist dabei in einer Ausgestaltung eine integrale Komponente der Vorrichtung und ist in einer alternativen Ausgestaltung eine externe Einheit, die über eine entsprechende Datenkommunikationsverbindung insbesondere mit der Auswertevorrichtung verbunden ist.

Der Datenspeicher dient dem Hinterlegen von funktionellen Zusammenhängen und/oder Wertetabellen und/oder Formeln und/oder Algorithmen und/oder mathematischen Modellen für die Auswertung des mindestens einen Antwortsignals bzw. der Antwortsignale bzw. der daraus gewonnenen Daten und Informationen.

Weiterhin ermittelt die Auswertevorrichtung von mehreren Antwortsignalen die Phasen relativ zu den zugehörigen Abfragesignalen.

Aus den ermittelten Phasen ermittelt dann die Auswertevorrichtung in einer Ausgestaltung mindestens eine Standardabweichung, um aufgrund der ermittelten Standardabweichung und aufgrund von mindestens einer in dem Datenspeicher hinterlegten Information mit Bezug zu der Standardabweichung die Geschwindigkeit des Mediums zu ermitteln.

Die Daten bzw. Informationen in dem Datenspeicher beschreiben hier den Zusammenhang zwischen der Geschwindigkeit des Mediums, der Wirbel, der Permittivität bzw. der Auswirkungen der Wirbel auf die Abfragesignale und damit deren Auswirkungen in den Antwortsignalen. Insbesondere wird der Zusammenhang zwischen der Standardabweichung der Phasen und der Geschwindigkeit des Mediums abgebildet.

Die Daten sind hierfür z. B. Wertetabellen, zu verwendende Berechnungsformeln oder -algorithmen, die den Schluss aus der Standardabweichung der Phasen auf die Geschwindigkeit bzw. die (insbesondere effektive) Permittivität des Mediums im vom Antwortsignal passierten Volumenanteils des Mediums erlauben.

Alternativ oder ergänzend wird von der Auswertevorrichtung eine Korrelation der gesendeten bzw. empfangenen Signale vorgenommen. In einer Ausgestaltung sind mindestens zwei Sende Vorrichtungen und/oder mindestens zwei Empfangsvorrichtungen und/oder mindestens zwei Reflektorvorrichtungen vorgesehen.

In einer alternativen oder ergänzenden Ausgestaltung sind/ist mindestens eine Sendevorrichtung und/oder eine Empfangsvorrichtung und/oder eine Reflektorvorrichtung beweglich ausgestaltet.

Durch die Verwendung von mehreren Sende- bzw. Empfangs- bzw. Reflektorvorrichtungen bzw. durch deren bewegliche Ausgestaltung können auch unterschiedliche Signalwege für die der Messung dienenden elektromagnetischen Signale ausgenutzt werden.

Im Einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen einerseits auf die dem Patentanspruch 1 und dem Patentanspruch 6 nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die folgende Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 eine schematische räumliche Darstellung zur Messung der Geschwindigkeit eines Mediums,

Fig. 2 eine Draufsicht auf einen alternativen Aufbau zur Geschwindigkeitsmessung und

Fig. 3 eine Draufsicht durch eine weitere alternative Messanordnung.

In der Fig. 1 ist schematisch eine Vorrichtung 1 zur Messung der Geschwindigkeit eines - hier nicht dargestellten - kompressiblen Mediums gezeigt. Das Medium wird dabei in einer Leitung 2 - z. B. einem Rohr - geführt und bewegt sich - durch den Pfeil angedeutet - in der dargestellten Ausführung von unten nach oben.

Vor der eigentlichen Messstelle ist eine Wirbelbildnervorrichtung 3 vorhanden, bei der es sich hier um eine Verengung des Durchmessers der Leitung 2 handelt, durch die im Medium Wirbel erzeugt werden. Die Verengung ist in der dargestellten Ausgestaltung rotationssymmetrisch als komplette Einschnürung des Querschnitts der Leitung 2 ausgeführt.

In einer alternativen - nicht dargestellten - Ausgestaltung ist nur in einem Winkelbereich der hier kreiszylindrischen Leitung 2 eine Abflachung vorgesehen. In einer weiteren - ebenfalls nicht dargestellten - Variante sind zwei einander in einer Ebene senkrecht zur Längsachse der Leitung 2 gegenüberliegende Abflachungen vorgesehen.

Die Wirbel können dabei im strömenden und insbesondere zumindest teilweise gasförmigen Medium als Druckschwankungen mit einem Druckprofil verstanden werden. Für die Auswertung wird dabei der Gasdruck als Volumenanteil von Gasmolekülen im Vakuum beschrieben.

Daher wird insbesondere die effektive Permittivität ermittelt, wobei durch die Wirbel und deren Druckschwankungen die Permittivität des strömenden Mediums inhomogen und davon abhängig ist, ob es sich um einen Bereich mit oder ohne Wirbel handelt.

Für die Bestimmung der Permittivität ist eine Sende Vorrichtung 4 vorgesehen, die in der dargestellten Ausgestaltung gleichzeitig auch als Empfangsvorrichtung 5 dient. Die Sendevorrichtung 4 strahlt elektromagnetische Signale als Abfragesignale in das Volumen der Leitung 2 ein, das das Medium führt.

In der dargestellten Variante werden die Abfragesignale in Richtung einer Reflektorvorrichtung 6 in das Medium eingestrahlt, die die elektromagnetischen Signale wieder in Richtung der Empfangsvorrichtung 5 reflektiert. Dies erlaubt einen sehr kompakten und einfachen Messaufbau. Insbesondere ist eine Verkabelung bzw. elektrische Kontaktierung nur auf einer Seite der Leitung 2 vorzusehen.

Die Empfangsvorrichtung 5 empfängt ein elektromagnetisches Signal als Antwortsignal, das sich zumindest aus dem Abfragesignal, der Wechselwirkung mit dem Medium und der Reilektion an der Reflektorvorrichtung 6 ergibt. Die gesendeten und empfangenen elektromagnetischen Signale liegen insbesondere im Mikrowellenbereich.

Insgesamt lassen sich die Sende- 4, Empfangs- 5 und Reflektorvorrichtung 6 auch als Komponenten einer Radarschranke beschreiben, die das Medium und insbesondere die Wirbel im Medium passieren.

Die Reflektorvorrichtung 6 wirkt sich hier insbesondere auf die Polarisation des reflektierten Signals aus und bewirkt damit eine Kennzeichnung des eigentlich interessierenden Signals gegenüber möglichen Störsignalen, die ebenfalls von der Empfangsvorrichtung 5 empfangen werden.

Die Sende- 4 und Empfangsvorrichtungen 5 sind weiter mit einer Auswertevorrichtung 7 verbunden, die insbesondere der Auswertung der Antwortsignale, die von der Empfangsvorrichtung 5 empfangen werden, dient.

In der Auswertevorrichtung 7 wird von den Antwortsignalen die Phase relativ zum jeweiligen Abfragesignal ermittelt. Weiterhin wird die Laufzeit als die Zeit zwischen dem Einstrahlen des Abfragesignals und dem Empfangen des zugehörigen Antwortsignals ermittelt.

Daraus wird ein Maß für die Permittivität des Mediums bestimmt, um dann ausgehend von Daten, die in dem Datenspeicher 8 hinterlegt sind, auf die Geschwindigkeit des Mediums zu schließen.

Insgesamt besteht das Verfahren zur Geschwindigkeitsmessung bei einem Medium, das zumindest teilweise gasförmig - z. B. in Form eines Gas-Staub- Gemischs mit Festkörperpartikeln als Einschlüssen - ist, darin, dass das - durch eine Wirbelbildervorrichtung 3 - mit Wirbeln versehene Medium wenigstens eine Radarschranke, die hier durch Sende- 4, Empfangs- 5 und Reflektorvorrichtung 6 erzeugt wird, passiert.

Aus wenigstens einem elektromagnetischen Signal, das das Medium durchläuft, wird dann über die Ermittlung der insbesondere lokalen - also dem Bereich des wenigstens einen Wirbels zugeordneten - Permittivität des Mediums auf dessen Geschwindigkeit geschlossen.

Die Messung über das Einstrahlen und Empfangen der elektromagnetischen Signale erfolgt dabei vorzugsweise sehr schnell getaktet, was insbesondere durch die Verwendung von entsprechend hochfrequenten Signalen als Abfragesignalen möglich ist.

Durch die Verwendung der eflektrovorrichtung 6 ist der apparative Aufbau für die Messung auf eine Seite der Leitung 2 beschränkt.

Um mehr Informationen über das Medium zu erlangen oder um die Messgenauigkeit zu erhöhen, zeigt die Fig. 2 eine Ausgestaltung mit einer tomographischen Messanordnung, die es erlaubt, gleichzeitig in zwei unterschiedliche Raumrichtungen zu messen bzw. zwei Radarschranken zu realisieren.

Hierfür sind zwei Sende- 4 und Empfangsvorrichtungen 5 und eine jeweils zugeordnete Reflektorvorrichtung 6 an unterschiedlichen Stellen um die Leitung 2 herum angeordnet.

Zu sehen ist dabei in der Mitte der Leitung 2 eine Engstelle 3, wie sie auch in der Fig. 1 als Wirbelbildnervorrichtung 3 Verwendung findet, die jedoch variabel schaltbar und insbesondere steuerbar ist.

Hierfür ist in einer Variante der zugehörige Abschnitt der Leitung 2 durch ein elastisches Material ausgestaltet, das sich gesteuert einschnüren lässt. Alternativ handelt es sich bei der Wirbelbildervorrichtung 3 um eine Blende, die in die Leitung 2 hineinragt und deren Innendurchmesser entsprechend einstellbar ist. Wird die Engstelle beispielsweise durch ein Gebläse ersetzt, so kann insbesondere die Stärke, Größe bzw. Frequenz der Wirbel ebenfalls eingestellt und ggf. optimiert werden.

Die Auswertevorrichtung 7 wertet die Antwortsignale von beiden Empfangsvorrichtungen 5 in Verbindung mit dem Datenspeicher 8 aus. Dabei erlaubt der Messaufbau insbesondere auch eine Auswertung der Antwortsignale durch eine Kreuzkorrelation und einer Auswertung der entsprechenden Korrelationskoeffizienten.

In einer Messabfolge werden die einzelnen Sende- 4 und Empfangsvorrichtungen 5 unterschiedlich miteinander betrieben, so dass auch alternative Signalwege über die zwei Reflektorvorrichtungen 6 für die Messung herangezogen werden. So funktioniert während einer Messung jeweils eine Antenne nur als Sende- 4 und eine Antenne nur als Empfangsvorrichtung 5.

Der Datenspeicher 8 dient hier auch dafür, Daten über die einzelnen Antwortsignale zu hinterlegen, so dass die Auswertevorrichtung 7 auch den zeitlichen Verlauf auswerten kann.

In der Fig. 3 ist schematisch eine Ausgestaltung der Vorrichtung 1 dargestellt, mit der über eine einzelne Sende- und Empfangsvorrichtung 4, 5 in Verbindung mit vier Reflektorvorrichtungen 6 die elektromagnetischen Signale an der Innenwandung der Leitung 2 entlang geführt werden.

Die Reflektorvorrichtungen 6, die hier insbesondere Bestandteile der Leitung 2 bzw. im Innenraum der Leitung 2 eingebracht sind, sind für die besondere Signalführung vornehmlich in Bezug auf ihre Reflexionseigenschaften entsprechend ausgestaltet und relativ zueinander bzw. zu der Sende- und Empfangsvorrichtung 4, 5 ausgerichtet. In einer Variante sind die Reflektorvorrichtung 6 auch beweglich, so dass der Signalweg noch geändert werden kann.

In diesem Fall ist auch vorzugsweise die - nicht dargestellte - Wirbelbildnervorrichtung so ausgestaltet, dass die Wirbel im zu messenden Medium vorzugsweise in Randnähe der Leitung 2 erzeugt werden.

Die Antenne, die hier als Sende- 4 und Empfangseinheit 5 dient, ist ebenfalls als Teil der Wandung der Leitung 2 ausgestaltet bzw. mündet auf diese.

Alternativ sind - hier nicht dargestellte - dielektrische Fenster in die Wand der Leitung 2 eingesetzt. Die Fenster sind im Optimalfall derart realisiert, dass innerhalb des fließenden Mediums ein gebündelter Antennenstrahl mit einer bekannten Richtcharakteristik erzeugt wird. Dabei werden die Fenster im Antennenstrahl derart positioniert, dass sich Mehrfachreflexionen möglichst nicht mit der Hauptreflexion überschneiden und für die Referenzreflexion ein möglichst großer Signal-Störabstand erzielt wird.

Eine Eliminierung der Eingangsreflexionen kann beispielsweise auch mit einer Polarisationsdiskriminierung, wie beschrieben in der DE 10 201 1 102 991 , vorgenommen werden.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Bestimmung mindestens einer Geschwindigkeit eines strömenden - insbesondere zumindest teilweise gasförmigen - Mediums, dadurch gekennzeichnet,

dass in dem Medium mindestens ein Wirbel erzeugt wird, dass in das Medium im Wesentlichen senkrecht zu einer Strömungsrichtung des Mediums mehrere elektromagnetische Signale als Abfragesignale eingestrahlt werden, dass mehrere elektromagnetische Signale als Antwortsignale empfangen werden, dass die Phasen der Antwortsignale relativ zu den Abfragesignalen ermittelt werden, dass mindestens aus den Phasen ein Maß für eine Permittivität des Mediums ermittelt wird und dass aus dem ermittelten Maß die Geschwindigkeit des Mediums ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abfragesingale zeitversetzt eingestrahlt werden und dass aus den Antwortsignalen eine zeitliche Entwicklung der Phasen ermittelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Standardabweichung der ermittelten Phasen bestimmt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass in unterschiedliche Raumrichtungen Abfrage signale eingestrahlt werden, dass aus unterschiedlichen Raumrichtungen Antwortsignale empfangen werden und dass die Antwortsignale miteinander kreuzkorreliert werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass dem Medium ein Markergas beigefügt wird.

6. Vorrichtung (1) zur Bestimmung mindestens der Geschwindigkeit eines eine Leitung (2) durchströmenden - insbesondere zumindest teilweise gasförmigen - Mediums,

dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Wirbelbildnervorrichtung (3) ausgebildet zum Erzeugen mindestens eines Wirbels im Medium vorhanden ist, dass mindestens eine Sendevorrichtung (4) ausgebildet zum Einstrahlen von elektromagnetischen Signalen als Abfragesignale in ein das Medium führendes Volumen der Leitung (1) vorhanden ist, dass mindestens eine Empfangsvorrichtung (5) ausgebildet zum Empfangen von elektromagnetischen Signalen als Antwortsignale aus einem das Medium führenden Volumen der Leitung (1) vorhanden ist, dass mindestens eine Auswertevorrichtung (7) ausgebildet zur Auswertung der Antwortsignale vorhanden ist, dass mindestens ein Datenspeicher (8) ausgebildet zum Hinterlegen von funktionellen Zusammenhängen und/oder Wertetabellen und/oder Formeln und/oder Algorithmen und/oder mathematischen Modellen vorhanden ist und dass die Auswertevorrichtung (7) zumindest die Phase der Antwortsignale relativ zu den Abfragesignalen ermittelt und aufgrund der ermittelten Phasen und aufgrund von mindestens einer in dem Datenspeicher (8) hinterlegten Information die Geschwindigkeit des Mediums ermittelt.

7. Vorrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Reflektorvorrichtung (6) vorgesehen ist, dass die Sendevorrichtung (4) die Abfrage Signale in Richtung der Reflektorvorrichtung (6) einstrahlt und dass die Empfangsvorrichtung (5) die Antwortsignale aus Richtung der Reflektorvorrichtung (6) empfängt.

8. Vorrichtung (1) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertevorrichtung (7) die Zeit zwischen dem Einstrahlen der Abfragesignale und dem Empfangen der Antwortsignale ermittelt.

9. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertevorrichtung (7) eine Standardabweichung der ermittelten Phasen ermittelt und dass die Auswertevorrichtung (7) aufgrund der ermittelten Standardabweichung und aufgrund von mindestens einer in dem Datenspeicher (8) hinterlegten Information mit Bezug zu der Standardabweichung die Geschwindigkeit des Mediums ermittelt.

10. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Sende Vorrichtungen (4) und/oder mindestens zwei Empfangsvorrichtungen (5) und/oder mindestens zwei Reflektorvorrichtungen (6) vorhanden sind und/oder dass mindestens eine Sende Vorrichtung (4) und/oder eine Empfangsvorrichtung (5) und/oder eine Reflektorvorrichtung (6) beweglich ausgestaltet sind/ist.