WO2022128416A1 - Verfahren zum bestimmen einer belagseigenschaft - Google Patents

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WO2022128416A1
WO2022128416A1 PCT/EP2021/083212 EP2021083212W WO2022128416A1 WO 2022128416 A1 WO2022128416 A1 WO 2022128416A1 EP 2021083212 W EP2021083212 W EP 2021083212W WO 2022128416 A1 WO2022128416 A1 WO 2022128416A1
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WO
WIPO (PCT)
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variable
excitation signal
test variable
time
microwave antenna
Prior art date
Application number
PCT/EP2021/083212
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Anne HABERMEHL
Stefan PFLÜGER
Wolfgang Drahm
Original Assignee
Endress+Hauser Flowtec Ag
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Priority to US18/257,668 priority patent/US20240027367A1/en
Priority to CN202180085120.4A priority patent/CN116648619A/zh
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/74—Devices for measuring flow of a fluid or flow of a fluent solid material in suspension in another fluid
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N22/00—Investigating or analysing materials by the use of microwaves or radio waves, i.e. electromagnetic waves with a wavelength of one millimetre or more

Definitions

  • the invention relates to a method for determining a pavement property of a variable pavement and a measuring arrangement.
  • the physical parameters permittivity and loss factor of a medium in a process line can be determined by means of microwaves. From these two variables - measured either at one frequency or over many different frequencies - conclusions can be drawn about application-specific parameters, for example the proportion of water in a mixture of water and other non-polar or slightly polar components.
  • the microwave signal is coupled to the medium in a container or measuring tube at two different positions, the scattering parameters (transmission and possibly Reflection) measured between these coupling structures and calculated from the measured scattering parameters back to the physical properties of the medium mentioned.
  • WO 2018/121927 A1 teaches a measuring arrangement for analyzing properties of a flowing medium using microwaves.
  • the measuring arrangement has an electrically insulating lining layer on the inner lateral surface of the measuring tube.
  • This lining layer forms a dielectric waveguide via which microwaves can at least partially pass from a first microwave antenna to a second microwave antenna.
  • One application for such a measuring arrangement is the determination of the proportion of solids in the medium to be conveyed.
  • Such applications struggle with the formation of deposits - e.g. due to the solids in the medium - on the inner surface of the measuring tube and on the microwave antennas.
  • the invention is therefore based on the object of providing a method for detecting deposits for a microwave arrangement, with which the presence of a continuously variable deposit on the inner lateral surface of the measuring tube can be detected.
  • the object is achieved by the method according to claim 1.
  • the excitation signal comprising a sequence of high-frequency signals
  • the first test variable includes a first frequency at which an attenuation of the received excitation signal has a global extreme, in particular a maximum, with a deviation of the first frequency from a frequency setpoint range indicating the presence of a variable coating on the inner lateral surface becomes
  • the first test variable includes a frequency difference between a first frequency and a second frequency, with a global extremum, in particular a maximum of the attenuation, being present at the first frequency, where at the second frequency there is a local extremum that deviates from the global extremum, in particular a maximum of the attenuation, and if the frequency difference deviates from a frequency difference setpoint range, the presence of a variable coating on the inner lateral surface is inferred.
  • the first test variable includes a change in a phase difference between the emitted excitation signal and the received excitation signal as a function of the frequency, with the presence of a variable coating on the inner lateral surface being inferred if the change deviates from a desired change range.
  • the determination of the first test variable includes the determination of a number of deviations from right-hand unambiguousness between the real part and the imaginary part of the received excitation signal, wherein if the number deviates from a target range, the presence of a variable coating on the inner lateral surface is inferred .
  • the received excitation signal into a period of time, in particular by means of an integral transformation and preferably by means of an inverse Fourier transformation, the transformed excitation signal having a first time range, the first test variable being determined at least as a function of a value of the first time range.
  • the first time range has a lower limit and an upper limit, with the lower limit being greater than or equal to 0.7 • L/mm ps, in particular greater than or equal to 2.3 - L /mm ps and preferably greater than or equal to 4 • L/mm ps, the upper limit being less than or equal to 17 - L/mm ps, in particular less than or equal to 13 • L/mm ps and preferably less than or equal to 9 • L/mm ps.
  • the first test variable includes a first time value or a first amplitude value of the corresponding first time value, with the associated first amplitude value being at its maximum for the first time value.
  • test variable comprises a sum or an integral of an amplitude signal derived from the frequency spectrum of the received excitation signal over a first time sub-range, the first time sub-range lying within the first time range.
  • a second test variable as a function of the received exciter signal or a transform, in particular one of the received exciter signal, the second test variable being characteristic of the propagation of the exciter signal along a second propagation path, the second propagation path propagating the exciter signal along the first microwave antenna and describes the straight line connecting the second microwave antenna, the transformed excitation signal having a second time range, the second time range differing from the first time range, the second test variable being determined in the second time range; - Determining the medium property of the medium to be guided, in particular the multi-phase medium, as a function of the second test variable.
  • a solids content in the medium can also be detected. This is done using a second test variable, which is preferably also determined using the transformed of the received excitation signal.
  • the second time range has a lower limit and an upper limit, the lower limit being greater than or equal to 10*L/mm ps, in particular greater than or equal to 15*L/mm ps and preferably greater than or equal to 21*L/mm ps is, the upper limit being less than or equal to 40-L/mm ps, in particular less than or equal to 33 • L/mm ps and preferably less than or equal to 27 • L/mm ps, the characteristic length L being a particular minimum distance between the first microwave antenna and of the second microwave antenna.
  • the second time range has a second time value at which a second amplitude value assigned to the second time value is at its maximum
  • the first test variable being a ratio between the first time value and the second time value, a ratio between the first amplitude value and the second amplitude value and/or a ratio between the sum or the integral of the amplitude signal over a first time sub-range and the sum or the integral of the amplitude signal over a second time sub-range, the second time sub-range lying within the second time range.
  • a third test variable as a function of the reflected excitation signal and/or a transform, in particular an integrally transformed, of the reflected excitation signal; - Determination of a corrected pipe cross-section depending on the third test variable and/or determination of a remaining operating time until a maintenance measure of the measuring arrangement depending on the first test variable and the third test variable, in particular a change in the third test variable and/or the first test variable over time.
  • At least the presence of a coating on the inner lateral surface of the measuring tube can be determined on the basis of the first test variable.
  • a covering thickness can also be determined. So that this can be determined unambiguously or more precisely, it is also advantageous if a third test variable is taken into account. Taking into account the thickness of the deposit, a degree of reduction in the inner measuring tube cross section can be determined, which is particularly advantageous in devices for determining another process property of the medium that takes place with knowledge of the inner measuring tube cross section, in order to avoid falsification of the determined process property.
  • a measuring arrangement according to the invention comprises:
  • a measuring tube for guiding a medium wherein the measuring tube has an outer lateral surface, an inner lateral surface and two, in particular diametral, receptacles;
  • a first microwave antenna which is arranged in a first receptacle of the measuring tube
  • a second microwave antenna which is arranged in a second receptacle of the measuring tube
  • the measuring circuit having a high-frequency generator for feeding the first microwave antennas with an excitation signal, in particular with a sequence of high-frequency signals, the measuring circuit being set up to use an excitation signal received from the second microwave antenna to determine at least one property of a to determine in particular multi-phase medium, wherein the measuring circuit is also set up to carry out the method according to the invention.
  • FIG. 1b a side view of the measuring arrangement from FIG. 1a;
  • Fig. 1c a cross section through the measuring arrangement from Fig. 1b in the plane CC;
  • FIG. 1e a detailed view of the measuring arrangement from FIG. 1d at the position marked with E;
  • FIG. 2 exemplary representations of the wave propagation of the transmitted excitation signal in a measuring tube with and without a variable coating
  • FIG. 5 exemplary representations of the wave propagation of the reflected in a measuring tube with and without variable coating
  • Figs. 1a to 1e comprises a partially cylindrical measuring tube 110 with metallic connecting flanges 112 at the end, which is lined with a liner 120--not essential to the invention--which comprises a plastic, for example a polyurethane or a fluoropolymer such as PFA or PTFE.
  • the liner 120 can have sealing surfaces 122 on the face side, which are guided out of the measuring tube 110 and bear against the face sides of the flanges 112 .
  • the measuring arrangement 100 comprises two microwave antennas 130, 131 arranged opposite one another on a lateral surface of the measuring tube 110, the details of which are shown in particular in FIG. 1e.
  • the measuring tube 110 has an opening 114, which is surrounded by a threaded sleeve 116 on the outer lateral surface of the measuring tube 100, into which a clamping ring 118 is screwed in order to secure a ceramic plate 132, which is a carrier body for a forms a planar antenna, and to clamp a connection board 134 arranged on the outside of the ceramic plate 132 against the liner 120 .
  • an elastic ring 136 can also be arranged between the clamping ring 118 and the ceramic plate 132 or the connection board 134 .
  • the liner 120 has a depression 124 from its outside, which is completely filled by the ceramic plate 132 .
  • a carrier body of a planar antenna is introduced into the liner 120 without impairing the integrity of the liner 120 towards the interior of the measuring tube.
  • the compressive strength of the measuring arrangement is maintained by suitably dimensioning the ceramic plate 132 and the clamping ring 118 . It would be advantageous for the measuring arrangement 100 shown if the liner 120 were additionally delimited in the longitudinal direction of the measuring tube 110 by electrically conductive material, in particular metal. An example of this would be a metallic tube of a pipeline connected via the process connections 112 .
  • the measuring arrangement 100 comprises a measuring circuit 260 which is connected to the microwave antennas 130, 131.
  • the measuring circuit 260 has a high-frequency generator for feeding the first microwave antennas 130 with an excitation signal, in particular with a sequence of high-frequency signals, and is set up to determine at least one process property of a medium carried in the measuring tube 110 on the basis of an excitation signal received from the second microwave antenna 131. where the process property corresponds to a solid content in the medium.
  • the measurement circuit 260 is also set up to carry out the method according to the invention.
  • FIG. 2 shows an example representation of the wave propagation of the transmitted exciter signal in a measuring tube without variable coating (left) and with variable coating (right).
  • the cross section shows a first microwave antenna 130 and a second microwave antenna 131 which are arranged diametrically on a measuring tube 110 and are spaced apart by a shortest distance d MA .
  • the first microwave antenna 130 is set up to generate the excitation signal and to feed it into the medium to be guided.
  • the second microwave antenna 131 is set up to detect the transmitted excitation signal.
  • Both microwave antennas 130, 131 are suitable for generating and detecting excitation signals.
  • the measuring tube 110 comprises a metallic support tube without an electrically insulating lining on the inner lateral surface.
  • the excitation signal essentially propagates through the medium with the dielectric constant s m .
  • the propagation of the excitation signal along the carrier tube is not taken into account.
  • the white arrow indicates the shortest path for the excitation signal.
  • a lower limit of the propagation time of the excitation signal through the medium is 2.4 nS, where c 0 is the speed of light in vacuum and the dielectric constant s M is assumed to be that of water.
  • a further path is formed along which the excitation signal preferably propagates (see curved arrow).
  • the running time for the further path can be determined by 0.7 ns, where a typical value for saturated carbon is assumed as the value for the dielectric constant £ Beiag .
  • the propagation time of the excitation signal along the further path is thus well below the lower limit for the propagation time of the excitation signal through the water medium.
  • Each of the modes propagating predominantly in the variable coating leads to an associated current density distribution in the conductive interfaces.
  • a current density distribution in the boundary layer of the liner that comes into contact with the medium also causes the propagation of an electromagnetic field into the medium, which is not ideally conductive.
  • the boundary layer thus fulfills the function of an antenna. Due to the faster propagation speed in the variable coating compared to typical, aqueous media, there is a directional emission of electromagnetic power through the medium, as shown in FIG. 3 . The shades of gray here correspond to the electric field strength.
  • excitation signals transmitted to water as the medium to be carried the excitation signal being a multiplicity of signals with different frequencies.
  • the measured excitation signal of the reference measurement H2O in which there is no deposit, increases over the entire frequency range - neglecting the Noise or the measurement inaccuracy - decreases continuously, ie the attenuation of the excitation signal increases with increasing frequency. If there is a continuous coating on the inner lateral surface of the measuring tube, two minima are formed in the excitation signal, regardless of the thickness of the coating - 1, 3 or 5 mm fat - which differ in the damping value. As the covering thickness increases, the frequencies of the minima also migrate to higher frequencies.
  • An inverse Fourier transform in this case an inverse Fast Fourier transform (IFFT) - transforms the excitation signal from the frequency domain to a time domain.
  • IFFT inverse Fast Fourier transform
  • the transformed excitation signal only has a maximum with a transit time of approx. 2.4 ns, which also corresponds to the expected transit time of the excitation signal through water. If there is a coating, another maximum forms at lower propagation times (approx. 0.7 ns). In the case of a covering with a covering thickness of 1 mm, this maximum is only pronounced as a shoulder, but increases with increasing covering thickness, so that the
  • amplitude value at, for example, a covering thickness of 5 mm is already higher than the contribution of the excitation signal through the water.
  • the reason for the second maximum is the additional path that forms through the coating, along which the excitation signal propagates with a shorter propagation time.
  • the amplitude value for the transit time along the shortest distance increases after a deposit is present. This is due to the improved coupling of the excitation signal into the water through the coating on the front face of the microwave antenna.
  • FIG. 5 shows an example representation of the wave propagation of the reflected exciter signal in a measuring tube without variable coating (left) and with variable coating (right).
  • FIG. 5 shows a close-up view for each of the two cases mentioned. If there is no coating, the generated excitation signal (wide first arrow in the direction of the medium) is at least partially reflected at the interface to the medium with the dielectric constant s m (narrow second arrow opposite to the first arrow). However, a large part of the excitation signal is fed into the medium (third arrow in the medium).
  • FIG. 6 shows a further exemplary embodiment of a measuring arrangement 200, which essentially corresponds to the measuring arrangement from FIGS. 1a to 1e further training.
  • two microwave antennas 230, 231 for the microwave signals are in the same Orientation two field coil assemblies 240 for magnetic-inductive flow measurement (MID) arranged on a measuring tube 210.
  • MID magnetic-inductive flow measurement
  • two opposite electrodes 245 are arranged perpendicular to the direction of a magnetic field acting between the field coil assemblies 240 and perpendicular to the axial direction of the measuring tube, which extend through the measuring tube 210 and a liner 220 into the interior of the measuring tube 210 in order to generate a flow-dependent to capture the potential of a flowing medium.
  • the measuring arrangement 200 comprises a temperature sensor 250 for detecting a temperature of the medium.
  • the measuring arrangement 200 also includes a measuring circuit 260 to which the microwave antennas 230, 231, the field coil assemblies 240, the electrodes 245 and the temperature sensor 250 are connected.
  • the measurement circuit 260 can have various sub-units which process different measurement tasks of the measurement arrangement 200 separately.
  • the measuring circuit 260 includes a high-frequency generator which is set up to feed at least one of the microwave antennas 230, 231 with a sequence of high-frequency signals of different frequencies.
  • waveguide antennas with an integrated MID electrode can also be used at the position of the electrodes 245 in a modification.
  • the reflected excitation signal in a deposit-free state has two distinct extremes. In the frequency range from 1.8 to approx. 2.9 GHz, the excitation signal strength is lower than when a deposit is present. As the covering thickness increases, the excitation signal strength also increases in the frequency range from 1.8 to approx. 2.9 GHz.
  • a report of the signal strength over a frequency sub-range shows a dependence on the thickness of the covering. Based on the message - e.g. averaging, summation or integral over a partial frequency range - the thickness of the covering can be traced back.
  • FIG. 8 schematically shows a process plant 300 with a measuring arrangement 100 according to the invention and a device 310 for determining a further process property of the medium, in particular a volume flow, which has a measuring circuit 320 for determining a measured variable dependent on the process property.
  • This measuring circuit 320 is set up to determine a corrected process property as a function of the measured variable determined and the pavement property determined using the measuring arrangement 100 .
  • the further process property can be, for example, a calculated volumetric flow which, when the flow cross-sectional area changes, is based on of a coating on the inner surface of the measuring tube deviates from the actual volume flow rate.
  • the excitation signal comprising a sequence of high-frequency signals, or is a sequence of high-frequency signals.
  • the received excitation signal being a frequency-dependent signal strength or a frequency-dependent attenuation value.
  • the first time range has a lower limit and an upper limit, which correlates with the characteristic length L - which corresponds, for example, to the nominal width of the measuring tube or the minimum distance of the microwave antenna.
  • the lower limit is therefore greater than or equal to 0.7 • L/mm ps, in particular greater than or equal to 2.3 • L/mm ps and preferably greater than or equal to 4 • L/mm ps, and the upper limit is less than or equal to 17 • L /mm ps, in particular less than or equal to 13 • L/mm ps and preferably less than or equal to 9 • L/mm ps.
  • transforms e.g., Laplace transform, Z-transform, etc.
  • a first test variable based on the integral transform of the received excitation signal, the first test variable being characteristic of the propagation of the excitation signal along a first propagation path, the first propagation path describing an at least partial propagation of the excitation signal through the variable coating on the inner lateral surface.
  • the portion of the excitation signal that runs through the variable coating on the inner surface of the measuring tube has a shorter transit time, despite a longer path, if the dielectric constant of the coating £ Beiag is significantly smaller than the dielectric constant of the medium s m .
  • the first test variable can be, for example, a first frequency at which a
  • Attenuation of the received excitation signal a global extremum, in particular has maximum.
  • the first frequency deviates from a reference frequency range, it is concluded that a variable coating is present on the inner lateral surface.
  • the first test variable can also be a frequency difference between a first frequency and a second frequency, with the first frequency having a global extreme, in particular a maximum attenuation, and the second frequency being a local extreme that deviates from the global extreme, in particular a Maximum damping is present. If the frequency difference deviates from a frequency difference setpoint range, the presence of a variable coating on the inner lateral surface can be inferred.
  • the first test variable can also be a change in a phase difference between the transmitted excitation signal and the received excitation signal as a function of frequency. In this case, if the change deviates from a desired change range, it is concluded that there is a variable coating on the inner lateral surface.
  • determining the first test variable can include determining a number of deviations from right-hand ambiguity between the real part and the imaginary part of the received excitation signal. These right-hand ambiguities are clearly identifiable as loops in a Smith plot of the measured excitation signal. If the number deviates from a target range, then the presence of a variable deposit on the inner lateral surface is inferred.
  • the first test variable is alternatively a first time value or a first amplitude value of the corresponding first time value, the associated first amplitude value being at a maximum for the first time value.
  • the test variable can also be a sum or an integral of an amplitude signal derived from the frequency spectrum of the received excitation signal over a first time sub-range, the first time sub-range lying within the first time range.
  • the coating property can, for example, be a criterion for whether a coating has formed which connects the two microwave antennas to one another. In this case, a path is formed for the excitation signal, in which the excitation signal has a shorter propagation time than over the minimum distance.
  • the measuring circuit is also set up to measure an excitation signal reflected at the interface to the medium and/or coating.
  • the transformed excitation signal has a second time range, which differs from the first time range and in which the second test variable is determined.
  • the second time range has a lower limit and an upper limit, with the lower limit being greater than or equal to
  • a second time value is determined from the second time range, at which a second amplitude value assigned to the second time value is at a maximum.
  • the first test variable is a ratio between the first time value and the second time value, a ratio between the first amplitude value and the second amplitude value and/or a ratio between the sum or the integral of the amplitude signal over a first partial time range and the sum or the integral of the amplitude signal about one second time sub-area, wherein the second time sub-area within the second

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Belagseigenschaft eines veränderlichen Belages auf einer inneren Mantelfläche eines Messrohres (110) einer Messanordnung (100) zum Bestimmen einer Mediumseigenschaft eines zu führenden Mediums, wobei die Messanordnung (100) eine erste Mikrowellenantenne (130) aufweist, welche in einer ersten Aufnahme des Messrohres (110) angeordnet ist, wobei die Messanordnung (100) eine insbesondere diametral zur ersten Mikrowellenantenne (130) angeordnete zweite Mikrowellenantenne (131) aufweist, welche in einer zweiten Aufnahme des Messrohres (110), insbesondere mediumsberührend angeordnet ist, wobei das Verfahren die Verfahrensschritte umfasst: - Ausstrahlen eines Erregersignales mittels der ersten Mikrowellenantenne (130), wobei das Erregersignal eine Folge von Hochfrequenzsignalen umfasst; - Empfangen des Erregersignales mittels der zweiten Mikrowellenantenne (131); - Ermitteln einer ersten Prüfgröße anhand des empfangenen Erregersignales und/oder anhand einer Transformierten, insbesondere einer Integraltransformierten des empfangenen Erregersignales, wobei die erste Prüfgröße charakteristisch für die Ausbreitung des Erregersignals entlang eines ersten Ausbreitungspfades ist, wobei der erste Ausbreitungspfad eine zumindest anteilige Ausbreitung des Erregersignales durch den veränderlichen Belag auf der inneren Mantelfläche beschreibt; und - Bestimmen der Belagseigenschaft des veränderlichen Belages, insbesondere einer von einer Belagsdicke des veränderlichen Belages abhängigen Größe anhand der ersten Prüfgröße.

Description

Verfahren zum Bestimmen einer Belagseigenschaft
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Belagseigenschaft eines veränderlichen Belages und eine Messanordnung.
Mittels Mikrowellen lassen sich insbesondere die physikalischen Größen Permittivität sowie Verlustfaktor eines Mediums in einer Prozessleitung ermitteln. Aus diesen beiden Größen - gemessen entweder bei einer oder über viele unterschiedliche Frequenzen - lassen sich Rückschlüsse auf anwendungsspezifische Parameter ziehen, beispielsweise auf den Anteil von Wasser in einem Gemisch aus Wasser und anderen nicht oder wenig polaren Komponenten.
Die etablierte Transmissions-ZReflexionsmessung ist beschrieben in L.F. Chen, C.K. Ong, C.P. Neo, V.V. Varadan, V. K. Varadan - “Microwave Electronics, Measurement and Materials Characterization”, John Wiley & Sons Ltd., 2004. Hierfür wird das Mikrowellensignal an zwei unterschiedlichen Positionen an das Medium in einem Behälter bzw. Messrohr angekoppelt, die Streuparameter (Transmission und ggfs. Reflexion) zwischen diesen Ankoppelstrukturen gemessen und aus den gemessenen Streuparametern auf die genannten physikalischen Eigenschaften des Mediums zurückgerechnet.
Die WO 2018/121927 A1 lehrt eine Messanordnung zur Analyse von Eigenschaften eines strömenden Mediums mittels Mikrowellen. Dabei weist die Messanordnung zusätzlich zu den Mikrowellenantennen eine elektrisch isolierende Auskleidungsschicht an der inneren Mantelfläche des Messrohres auf. Diese Auskleidungsschicht bildet einen dielektrischen Wellenleiter über den Mikrowellen zumindest anteilig von einer ersten Mikrowellenantenne zu einer zweiten Mikrowellenantenne gelangen können. Eine Anwendung für eine derartige Messanordnung ist die Bestimmung von Feststoffanteilen im zu führenden Medium. Derartige Anwendungen ringen mit Belagsbildung - bspw. durch den Feststoff im Medium - an der inneren Mantelfläche des Messrohres und an den Mikrowellenantennen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zur Belagsdetektion für eine Mikrowellenanordnung bereitzustellen, mit der das Vorliegen eines durchgängigen veränderlichen Belages auf der inneren Mantelfläche des Messrohres detektierbar ist.
Die Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren nach Anspruch 1 .
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Bestimmen einer Belagseigenschaft eines veränderlichen Belages auf einer inneren Mantelfläche eines Messrohres einer Messanordnung zum Bestimmen einer Mediumseigenschaft eines zu führenden, insbesondere mehrphasigen Mediums, wobei die Messanordnung eine erste Mikrowellenantenne aufweist, welche in einer ersten Aufnahme des Messrohres insbesondere mediumsberührend angeordnet ist, wobei die Messanordnung eine insbesondere diametral zur ersten Mikrowellenantenne angeordnete zweite Mikrowellenantenne aufweist, welche in einer zweiten Aufnahme des Messrohres insbesondere mediumsberührend angeordnet ist, wobei das Verfahren die Verfahrensschritte umfasst:
- Ausstrahlen eines Erregersignales mittels der ersten Mikrowellenantenne wobei das Erregersignal eine Folge von Hochfrequenzsignalen umfasst;
- Empfangen des Erregersignales mittels der zweiten Mikrowellenantenne
- Ermitteln einer ersten Prüfgröße anhand des empfangenen Erregersignales und/oder anhand einer Transformierten, insbesondere einer Integraltransformierten des empfangenen Erregersignales, wobei die erste Prüfgröße charakteristisch für die Ausbreitung des Erregersignals entlang eines ersten Ausbreitungspfades ist, wobei der erste Ausbreitungspfad eine zumindest anteilige Ausbreitung des Erregersignales durch den veränderlichen Belag auf der inneren Mantelfläche beschreibt;
- Bestimmen der Belagseigenschaft des veränderlichen Belages, insbesondere einer von einer Belagsdicke des veränderlichen Belages abhängigen Größe anhand der ersten Prüfgröße.
Vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die erste Prüfgröße eine erste Frequenz umfasst, bei der eine Dämpfung des empfangenen Erregersignals ein globales Extremum, insbesondere ein Maximum aufweist, wobei bei Abweichung der ersten Frequenz von einem Frequenzsollbereich auf das Vorliegen eines veränderlichen Belags auf der inneren Mantelfläche geschlossen wird
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die erste Prüfgröße eine Frequenzdifferenz umfasst, zwischen einer ersten Frequenz und einer zweiten Frequenz, wobei bei der ersten Frequenz ein globales Extremum, insbesondere ein Maximum der Dämpfung vorliegt, wobei bei der zweiten Frequenz ein vom globalen Extremum abweichendes lokales Extremum, insbesondere ein Maximum der Dämpfung vorliegt, wobei bei Abweichung der Frequenzdifferenz von einem Frequenzdifferenzsollbereich auf das Vorliegen eines veränderlichen Belags auf der inneren Mantelfläche geschlossen wird.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die erste Prüfgröße eine Änderung einer Phasendifferenz zwischen dem ausgestrahlten Erregersignal und dem empfangenen Erregersignal als Funktion der Frequenz umfasst, wobei bei Abweichung der Änderung von einem Änderungssollbereich auf das Vorliegen eines veränderlichen Belags auf der inneren Mantelfläche geschlossen wird.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das Ermitteln der ersten Prüfgröße das Bestimmen einer Anzahl von Abweichungen von Rechtseindeutigkeiten zwischen dem Realteil und dem Imaginärteil des empfangenen Erregersignals umfasst, wobei bei Abweichung der Anzahl von einem Sollbereich auf das Vorliegen eines veränderlichen Belags auf der inneren Mantelfläche geschlossen wird.
Eine Ausgestaltung sieht den Verfahrensschritt vor:
- Transformieren des empfangenen Erregersignals in einen Zeitraum, insbesondere mittels einer Integraltransformation und bevorzugt mittels inverser Fourier-Transformation, wobei das transformierte Erregersignal einen ersten Zeitbereich aufweist, wobei die erste Prüfgröße zumindest in Abhängigkeit eines Wertes des ersten Zeitbereiches ermittelt wird.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der erste Zeitbereich eine untere Grenze und eine obere Grenze aufweist, wobei für eine charakteristische Länge L der Anlage des Messrohres die untere Grenze größer gleich 0,7 • L/mm ps, insbesondere größer gleich 2,3 - L/mm ps und bevorzugt größer gleich 4 • L/mm ps ist, wobei die obere Grenze kleiner gleich 17 - L/mm ps, insbesondere kleiner gleich 13 • L/mm ps und bevorzugt kleiner gleich 9 • L/mm ps ist.
Es hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt die erste Prüfgröße innerhalb der Grenzen des zuvor beschriebenen ersten Zeitbereiches zu bestimmen. Somit können Einflüsse des zu führenden Mediums ausgeschlossen werden und fehlerhafte, da zu früh erzeugte Warnmeldungen vermieden werden.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die erste Prüfgröße einen ersten Zeitwert oder einen ersten Amplitudenwert des entsprechenden ersten Zeitwertes umfasst, wobei bei dem ersten Zeitwert der zugeordneter erste Amplitudenwert maximal ist.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Prüfgröße eine Summe oder ein Integral eines aus dem Frequenzspektrum des empfangenen Erregersignals hergeleiteten Amplitudensignals über einen ersten Zeitteilbereiches umfasst, wobei der erste Zeitteilbereich innerhalb des ersten Zeitbereichs liegt.
Eine Ausgestaltung sieht den Verfahrensschritt vor:
- Ermitteln einer verbleibenden Einsatzzeit bis zu einer Wartungsmaßnahme der Messanordnung in Abhängigkeit der ersten Prüfgröße, insbesondere einer zeitlichen Veränderung der ersten Prüfgröße.
Dies hat den Vorteil, dass der Bediener der Messanordnung vorzeitig informiert wird und eine Wartung außerhalb des Wartungsintervalles einplanen kann bzw. vorzeitig Maßnahme treffen kann, um den Belag zu entfernen bzw. die Bildung des Belages zu entschleunigen.
Eine Ausgestaltung sieht den Verfahrensschritt vor:
- Ermitteln einer zweiten Prüfgröße in Abhängigkeit des empfangenen Erregersignales oder einer Transformierten, insbesondere einer des empfangenen Erregersignales, wobei die zweite Prüfgröße charakteristisch für die Ausbreitung des Erregersignals entlang eines zweiten Ausbreitungspfades ist, wobei der zweite Ausbreitungspfad eine Ausbreitung des Erregersignals entlang eines die erste Mikrowellenantenne und die zweite Mikrowellenantenne verbindenden Gerade beschreibt, wobei das transformierte Erregersignal einen zweiten Zeitbereich aufweist, wobei sich der zweite Zeitbereich vom ersten Zeitbereich unterscheidet, wobei die zweite Prüfgröße in dem zweiten Zeitbereich ermittelt wird; - Ermitteln der Mediumseigenschaft des zu führenden, insbesondere mehrphasigen Mediums in Abhängigkeit der zweiten Prüfgröße.
Es ist besonders vorteilhaft, wenn zusätzlich zur Erkennung einer Belagsbildung auch ein Feststoffanteil im Medium detektierbar ist. Dies erfolgt anhand einer zweiten Prüfgröße, welche vorzugsweise ebenfalls anhand der Transformierten des empfangenen Erregersignales bestimmt wird.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der zweite Zeitbereich eine untere Grenze und eine obere Grenze aufweist, wobei die untere Grenze größer gleich 10 • L/mm ps, insbesondere größer gleich 15 • L/mm ps und bevorzugt größer gleich 21 • L/mm ps ist, wobei die obere Grenze kleiner gleich 40 - L/mm ps, insbesondere kleiner gleich 33 • L/mm ps und bevorzugt kleiner gleich 27 • L/mm ps ist, wobei die charakteristische Länge L ein insbesondere minimaler Abstand zwischen der ersten Mikrowellenantenne und der zweiten Mikrowellenantenne ist.
Gerade für Anwendungen, in denen das zu führende Medium Wasser enthält, hat sich die Eingrenzung des zweiten Zeitbereiches in die obigen Grenzen, in dem die zweite Prüfgröße ermittelt wird als besonders vorteilhaft erwiesen.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der zweite Zeitbereich einen zweiten Zeitwert aufweist, bei dem ein dem zweiten Zeitwert zugeordneter zweiter Amplitudenwert maximal ist, wobei die erste Prüfgröße ein Verhältnis zwischen dem ersten Zeitwert und dem zweiten Zeitwert, ein Verhältnis zwischen dem ersten Amplitudenwert und dem zweiten Amplitudenwert und/oder ein Verhältnis zwischen der Summe oder das Integral des Amplitudensignals über einen ersten Zeitteilbereich und der Summe oder das Integral des Amplitudensignals über einen zweiten Zeitteilbereich umfasst, wobei der zweite Zeitteilbereich innerhalb des zweiten Zeitbereichs liegt.
Eine Ausgestaltung sieht die Verfahrensschritte vor:
- Empfangen eines reflektierenden Erregersignals an der ersten Mikrowellenantenne;
- Ermitteln einer dritte Prüfgröße in Abhängigkeit des reflektierten Erregersignals und/oder einer Transformierten, insbesondere einer integraltransformierten des reflektierten Erregersignals; - Ermitteln eines korrigierten Rohrquerschnittes in Abhängigkeit der dritten Prüfgröße und/oder Ermitteln einer verbleibenden Einsatzzeit bis zu einer Wartungsmaßnahme der Messanordnung in Abhängigkeit der ersten Prüfgröße und der dritten Prüfgröße, insbesondere einer zeitlichen Veränderung der dritten Prüfgröße und/oder ersten Prüfgröße.
Anhand der ersten Prüfgröße lässt sich zumindest das Vorliegen eines Belages an der inneren Mantelfläche des Messrohres ermitteln. Außerdem ist eine Belagsdicke ermittelbar. Damit diese eindeutig oder genauer ermittelt werden kann, ist es zudem vorteilhaft, wenn eine dritte Prüfgröße berücksichtigt wird. Unter Berücksichtigung der Belagsdicke kann ein Grad der Reduzierung des inneren Messrohrquerschnittes ermittelt werden, welcher insbesondere bei Vorrichtungen zum Ermitteln einerweiteren Prozesseigenschaft des Mediums, die unter Kenntnis des inneren Messrohrquerschnittes erfolgen vorteilhaft, um eine Verfälschung der ermittelten Prozesseigenschaft zu vermeiden.
Eine erfindungsgemäße Messanordnung umfasst:
- ein Messrohr zum Führen eines Mediums, wobei das Messrohr eine äußere Mantelfläche, eine innere Mantelfläche und zwei, insbesondere diametrale Aufnahmen aufweist;
- eine erste Mikrowellenantenne welche in einer ersten Aufnahme des Messrohres angeordnet ist;
- eine zweite Mikrowellenantenne welche in einer zweiten Aufnahme des Messrohres angeordnet ist;
- eine Messschaltung, wobei die Messschaltung einen Hochfrequenzgenerator zum Speisen der ersten Mikrowellenantennen mit einem Erregersignal, insbesondere mit einer Folge von Hochfrequenzsignalen aufweist, wobei die Messchaltung dazu eingerichtet ist, anhand eines von der zweiten Mikrowellenantenne empfangenen Erregersignales mindestens eine Eigenschaft eines in dem Messrohr geführten, insbesondere mehrphasigen Mediums zu bestimmen, wobei die Messschaltung zudem dazu eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt: Fig. 1a: eine räumliche Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Messanordnung nach dem Stand der Technik;
Fig. 1 b: eine Seitenansicht der Messanordnung aus Fig. 1a;
Fig. 1c: einen Querschnitt durch die Messanordnung aus Fig. 1 b in der Ebene C-C;
Fig. 1 d: einen Querschnitt durch die Messanordnung aus Fig. 1 b in der Ebene D-D;
Fig. 1e: eine Detailansicht der Messanordnung aus Fig. 1d an der mit E gekennzeichneten Position;
Fig. 2: exemplarische Darstellungen zur Wellenausbreitung des transmittierten Erregersignals bei einem Messrohr mit und ohne veränderlichen Belag;
Fig. 3: exemplarische Simulationsergebnisse zur Feldverteilung einer Wellenausbreitung in einem erfindungsgemäßen Messanordnung mit einem durchgängigen veränderlichen Belag;
Fig. 4: ein transmittiertes Erregersignal über einen Frequenzbereich von 1 ,8 bis 3,0 GHz und die inverse Fast-Fourier Transformierte des transmittierten Erregersignals;
Fig. 5: exemplarische Darstellungen zur Wellenausbreitung des reflektierten bei einem Messrohr mit und ohne veränderlichen Belag;
Fig. 6: eine perspektivische Ansicht auf eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Messanordnung;
Fig. 7: ein reflektiertes Erregersignal über einen Frequenzbereich von 1 ,8 bis 3,0 GHz und ein Mittelwert des reflektierten Erregersignales in Abhängigkeit der Belagsdicke;
Fig. 8: schematisch eine Prozessanlage mit einer erfindungsgemäßen Messanordnung; und
Fig. 9: eine erfindungsgemäße Verfahrenskette des Verfahrens zum Bestimmen einer Belagseigenschaft eines veränderlichen Belages.
Die in Fign. 1a bis 1e dargestellte Messanordnung 100 umfasst ein abschnittsweise zylindrisches Messrohr 110 mit endseitigen, metallischen Anschlussflanschen 112, das mit einem - nicht erfindungswesentlichen - Liner 120 ausgekleidet ist, der einen Kunststoff umfasst, beispielsweise ein Polyurethan oder ein Fluoropolymer wie PFA oder PTFE aufweist. Der Liner 120 kann stirnseitig Dichtflächen 122 aufweisen, die aus dem Messrohr 110 herausgeführt sind und an den Stirnseiten der Flansche 112 anliegen. Um Mikrowellen ein- und auskoppeln zu können, umfasst die Messanordnung 100 zwei an einer Mantelfläche des Messrohrs 110 einander gegenüberliegend angeordnete Mikrowellenantennen 130, 131 , deren Einzelheiten insbesondere in Fig. 1e dargestellt sind. Im Bereich der Mikrowellenantennen 130, 131 weist das Messrohr 110 jeweils einen Durchbruch 114 auf, welcher an der äußeren Mantelfläche des Messrohrs 100 mit einer Gewindehülse 116 umgeben ist, in welche ein Spannring 118 eingeschraubt ist, um eine Keramikplatte 132, welche einen Trägerkörper für eine Planarantenne bildet, sowie eine an der Keramikplatte 132 außenseitig angeordnete Anschlussplatine 134 gegen den Liner 120 einzuspannen. Zum Ausgleich von Temperaturschwankungen und Fertigungstoleranzen kann zwischen dem Spannring 118 und der Keramikplatte 132 bzw. der Anschlussplatine 134 zusätzlich eine elastischer Ring 136 angeordnet sein. Der Liner 120 weist an der Position der Keramikplatte 132 von seiner Außenseite her eine Vertiefung 124 auf, die vollständig von der Keramikplatte 132 ausgefüllt wird. Im Ergebnis ist ein Trägerkörper einer Planarantenne in den Liner 120 eingebracht, ohne die Integrität des Liners 120 zum Inneren des Messrohrs hin zu beeinträchtigen. Zudem bleibt die Druckfestigkeit der Messanordnung durch geeignete Dimensionierung der Keramikplatte 132 und des Spannrings 118 erhalten. Für die abgebildete Messanordnung 100 wäre es vorteilhaft, wenn der Liner 120 zusätzlich in Längsrichtung des Messrohrs 110 durch elektrisch leitendes Material, insbesondere Metall begrenzt wäre. Ein Beispiel dafür wäre ein über die Prozessanschlüsse 112 verbundenes metallisches Rohr einer Rohrleitung. Weiterhin umfasst die Messanordnung 100 eine Messschaltung 260 welche mit den Mikrowellenantennen 130, 131 verbunden ist. Die Messschaltung 260 weist einen Hochfrequenzgenerator zum Speisen der ersten Mikrowellenantennen 130 mit einem Erregersignal, insbesondere mit einer Folge von Hochfrequenzsignalen auf und ist dazu eingerichtet, anhand eines von der zweiten Mikrowellenantenne 131 empfangenen Erregersignales mindestens eine Prozesseigenschaft eines in dem Messrohr 110 geführten Mediums zu bestimmen, wobei die Prozesseigenschaft einem Feststoffanteil im Medium entspricht. Weiterhin ist die Messschaltung 260 zudem dazu eingerichtet, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.
Fig. 2 zeigt eine exemplarische Darstellung zur Wellenausbreitung des transmittierten Erregersignals bei einem Messrohr ohne veränderlichen Belag (links) und mit veränderlichen Belag (rechts). Der Querschnitt zeigt eine erste Mikrowellenantenne 130 und eine zweite Mikrowellenantenne 131 , welche diametral an einem Messrohr 110 angeordnet und über einen kürzesten Abstand dMA beabstandet sind. Die erste Mikrowellenantenne 130 ist dazu eingerichtet, das Erregersignal zu erzeugen und in das zu führende Medium einzuspeisen. Die zweite Mikrowellenantenne 131 ist dazu eingerichtet, das transmittierte Erregersignal zu erfassen. Beide Mikrowellenantennen 130, 131 sind dazu geeignet Erregersignale zu erzeugen und zu erfassen. Das Messrohr 110 umfasst in dem Fall ein metallisches Trägerrohr ohne elektrisch isolierende Auskleidung an der inneren Mantelfläche. Liegt in der Messanordnung 100 kein veränderlicher Belag vor, so breitet sich das Erregersignal im Wesentlichen durch das Medium mit der Dielektrizitätskonstante sm aus. Der Einfachheit halber wird auf die Berücksichtigung der Ausbreitung des Erregersignals entlang des Trägerrohes verzichtet. Der weiße Pfeil deutet den kürzesten Weg für das Erregersignal an. Eine Untergrenze der Laufzeit des Erregersignals durch das Medium liegt bei 2,4 nS,
Figure imgf000011_0001
wobei c0 die Lichtgeschwindigkeit in Vacuum ist und für die Dielektrizitätskonstante sM der Wert von Wasser angenommen wird. Bildet sich an der inneren Fläche des Messrohres ein durchgehender Belag mit einer Dielektrizitätskonstante von £Beiag aus, welcher die beiden Mikrowellenantennen 130, 131 miteinander verbindet und die Stirnflächen ebendieser jeweils bedeckt, so bildet sich ein weitere Pfad aus, entlang dem sich das Erregersignal bevorzugt ausbreitet (siehe gebogenen Pfeil). Die Laufzeit für den weiteren Pfad lässt sich bestimmen durch 0,7 ns,
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wobei als Wert für die Dielektrizitätskonstante £Beiag ein typischer Wert für gesättigter Kohlenstoff angenommen wird. Die Laufzeit des Erregersignals entlang des weiteren Pfades liegt somit deutlich unterhalb der Untergrenze für die Laufzeit des Erregersignales durch das Medium Wasser. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung des Vorliegens einer Belagseigenschaft eines veränderlichen Belages macht sich dies zu Nutze und leitet anhand der ermittelten Laufzeiten des transmittierten Signales das Vorliegen eines Belages und dessen Belagseigenschaften ab.
Jede der sich vorwiegend im veränderlichen Belag ausbreitenden Moden führt zu einer zugehörigen Stromdichteverteilung in den leitfähigen Grenzflächen. Eine derartige Stromdichteverteilung in der medienberührenden Grenzschicht des Liners bedingt jedoch auch die Ausbreitung eines elektromagnetischen Feldes in das nicht ideal leitfähige Medium hinein. Die Grenzschicht erfüllt also die Funktion einer Antenne. Durch die schnellere Ausbreitungsgeschwindigkeit im veränderlichen Belag im Vergleich zu typischen, wässrigen Medien kommt es dabei zu einer gerichteten Abstrahlung elektromagnetischer Leistung durch das Medium, wie in Fig. 3 dargestellt ist. Die Graustufen entsprechen hier der elektrischen Feldstärke.
Fig. 4 zeigt beispielhaft transmittierte Erregersignale an Wasser als zu führendes Medium, wobei das Erregersignal eine Vielzahl an Signalen mit unterschiedlichen Frequenzen ist. Das gemessene Erregersignal der Referenzmessung H2O, bei der kein Belag vorliegt, nimmt über den gesamten Frequenzbereich - bei Vernachlässigung des Rauschens bzw. der Messungenauigkeit - kontinuierlich ab, d.h. die Dämpfung des Erregersignals nimmt mit zunehmender Frequenz zu. Bei dem Vorliegen eines kontinuierlichen Belages an der inneren Mantelfläche des Messrohres bilden sich unabhängig von der Dicke des Belages - 1 , 3 oder 5 mm Fett - jeweils zwei Minima im Erregersignal aus, die sich im Dämpfungswert unterscheiden. Mit zunehmender Belagsdicke wandern auch die Frequenzen der Minima zu höheren Frequenzen. Eine inverse Fourier Transformation - in dem Fall eine inverse Fast-Fourier Transformation (IFFT) - transformiert das Erregersignal vom Frequenzbereich in einen Zeitbereich. Das transformierte Erregersignal weist für die Referenzmessung im Zeitbereich von 0 bis 4 ns nur ein Maximum bei einer Laufzeit von ca. 2,4 ns auf, was auch mit der zu erwartenden Laufzeit des Erregersignales durch Wasser übereinstimmt. Bei Vorliegen eines Belages bildet sich ein weiteres Maximum bei niedrigeren Laufzeiten (ca. 0,7 ns) aus. Dieses Maximum ist bei einem Belag mit einer Belagsdicke von 1 mm nur als Schulter ausgeprägt, wächst jedoch mit zunehmender Belagsdicke an, so dass der
Amplitudenwert bei bspw. einer Belagsdicke von 5 mm bereits höher ist als der Beitrag des Erregersignales durch das Wasser. Der Grund für das zweite Maximum ist der sich durch den Belag ausbildende weitere Pfad, entlang dem sich das Erregersignal mit einer geringeren Laufzeit ausbreitet. Der Amplitudenwert für die Laufzeit entlang des kürzesten Abstandes nimmt nach Vorliegen eines Belages zu. Das liegt an der verbesserten Einkopplung des Erregersignales in das Wasser durch den Belag auf der Stirnfläche der Mikrowellenantenne.
Fig. 5 zeigt eine exemplarische Darstellungen zur Wellenausbreitung des reflektierten Erregersignals bei einem Messrohr ohne veränderlichen Belag (links) und mit veränderlichen Belag (rechts). Zudem zeigt die Fig. 5 für die beiden genannten Fälle jeweils eine Nahansicht. Im belagsfreien Fall wird das erzeugte Erregersignal (breiter erster Pfeil in Richtung Medium) zumindest teilweise an der Grenzfläche zum Medium mit der Dielektrizitätskonstante sm reflektiert (schmaler zweiter Pfeil entgegengesetzt zum ersten Pfeil). Ein großer Teil des Erregersignales wird jedoch in das Medium eingespeist (dritter Pfeil im Medium). Liegt ein Belag mit einer Dielektrizitätskonstante £Beiag < sm auf der Stirnfläche der Mikrowellenantenne vor, so wird ein größerer Anteil des Erregersignales an der Grenzfläche zum Belag reflektiert und durch die Messung an der Mikrowellenantenne detektiert. Dies hat erheblichen Einfluss auf das Messsignal der das reflektierende Erregersignal detektierenden Mikrowellenantenne. Das Messsignal, insbesondere der Dämpfungswert des Messsignales nimmt mit zunehmender Belagsdicke zu.
Fig. 6 zeigt schließlich ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Messanordnung 200, welche im Wesentlichen die Messanordnung aus Fign. 1a bis 1e weiterbildet. Zusätzlich zu zwei Mikrowellenantennen 230, 231 für die Mikrowellensignale sind in gleicher Orientierung zwei Feldspulenbaugruppen 240 zur magnetisch-induktiven Durchflussmessung (MID) an einem Messrohr 210 angeordnet. In der axialen Position der Feldspulenbaugruppen 240 sind senkrecht zur Richtung eines zwischen Feldspulenbaugruppen 240 wirkenden Magnetfelds und senkrecht zur axialen Richtung des Messrohrs zwei einander gegenüberliegende Elektroden 245 angeordnet die sich durch das Messrohr 210 und eine Liner 220 ins Innere des Messrohrs 210 erstrecken, um ein durchflussabhängiges Potential eines strömenden Mediums zu erfassen. (In der Zeichnung ist nur eine Elektrode dargestellt.) Zusätzlich umfasst die Messanordnung 200 einen Temperatursensor 250 zum Erfassen einer Temperatur des Mediums. Die Messanordnung 200 umfasst weiterhin eine Messschaltung 260, an welche die Mikrowellenantennen 230, 231 , die Feldspulenbaugruppen 240, die Elektroden 245 und der Temperatursensor 250 angeschlossen sind. Die Messschaltung 260 kann verschiedene Untereinheiten aufweisen, welche unterschiedlichen Messaufgaben der Messanordnung 200 separat bearbeiten. Weiterhin umfasst die Messschaltung 260 einen Hochfrequenzgenerator, welcher dazu eingerichtet ist, zumindest eine der die Mikrowellenantennen 230, 231 mit einer Folge von Hochfrequenzsignalen unterschiedlicher Frequenzen zu speisen. Anstelle der separaten Mikrowellenantennen 230, 231 können in einer Modifikation auch Hohlleiterantennen mit integrierter MID- Elektrode an der Position der Elektroden 245 verwendet werden.
Fig. 7 zeigt ein reflektiertes Erregersignal über einen Frequenzbereich von 1 ,8 bis 3,0 GHz (linker Grafik) und eine Mittelung des jeweiligen reflektierten Erregersignales in Abhängigkeit der Belagsdicke (rechter Grafik). Das reflektierte Erregersignal bei belagsfreiem Zustand weist zwei ausgeprägte Extrema auf. Im Frequenzbereich von 1 ,8 bis ca. 2,9 GHz ist die Erregersignalstärke geringer als bei Vorliegen eines Belages. Mit zunehmender Belagsdicke nimmt im Frequenzbereich von 1 ,8 bis ca. 2,9 GHz auch die Erregersignalstärke zu. Eine Mitteilung der Signalstärke über einen Frequenzteilbereich zeigt eine Belagsdickenabhängigkeit. Anhand der Mitteilung - z.B. Mittelwertbildung, Summierung oder Integral über Frequenzteilbereich - lässt sich auf eine Belagsdicke zurückführen.
Fig. 8 zeigt schematisch eine Prozessanlage 300 mit einer erfindungsgemäßen Messanordnung 100 und einer Vorrichtung 310 zum Ermitteln einer weiteren Prozesseigenschaft des Mediums, insbesondere eines Volumendurchflusses, welche eine Messschaltung 320 zum Ermitteln einer von der Prozesseigenschaft abhängigen Messgröße aufweist. Diese Messschaltung 320 ist dazu eingerichtet, eine korrigierte Prozesseigenschaft in Abhängigkeit der ermittelten Messgröße und der mittels der Messanordnung 100 ermittelten Belagseigenschaft zu bestimmen. Bei der weiteren Prozesseigenschaft kann es sich beispielsweise um einen errechneten Volumendurchfluss handeln, welcher bei Änderung der Durchflussquerschnittsfläche auf Grund eines Belages auf der inneren Mantelfläche des Messrohres vom tatsächlich vorliegenden Volumendurchfluss abweicht.
Fig. 9 zeigt einen erfindungsgemäßen Verfahrensablauf für die Bestimmung der Belagseigenschaft. Der Verfahrensablauf weist folgende Verfahrensschritte auf, die nicht zwingend in der vorgegebenen Reihenfolge ablaufen müssen:
- Ausstrahlen eines Erregersignales mittels der ersten Mikrowellenantenne, wobei das Erregersignal eine Folge von Hochfrequenzsignalen umfasst, bzw. eine Folge von Hochfrequenzsignalen ist.
- Empfangen des Erregersignales mittels der zweiten Mikrowellenantenne, wobei das empfangene Erregersignal eine frequenzabhängige Signalstärke bzw. ein frequenzabhängiger Dämpfungswert ist.
- Transformieren des empfangenen Erregersignals in einen Zeitraum mittels inverser Fourier-Transformation, wobei das transformierte Erregersignal einen ersten Zeitbereich aufweist, wobei die erste Prüfgröße zumindest in Abhängigkeit eines Wertes des ersten Zeitbereiches ermittelt wird. Der erste Zeitbereich weist eine untere Grenze und eine obere Grenze auf, die mit der charakteristischen Länge L - die z.B. der Nennweite des Messrohres oder dem minimalen Abstand der Mikrowellenantenne entspricht - korreliert. Die untere Grenze ist demnach größer gleich 0,7 • L/mm ps, insbesondere größer gleich 2,3 • L/mm ps und bevorzugt größer gleich 4 • L/mm ps ist, und die die obere Grenze ist kleiner gleich 17 • L/mm ps, insbesondere kleiner gleich 13 • L/mm ps und bevorzugt kleiner gleich 9 • L/mm ps.
Alternativ können andere Transformationen (z.B. Laplace-Transformation, Z- Transformation, etc.) verwendet werden, welche das frequenzabhängige Erregersignal in einen Zeitraum transformiert.
- Ermitteln einer ersten Prüfgröße anhand der Integraltransformierten des empfangenen Erregersignales, wobei die erste Prüfgröße charakteristisch für die Ausbreitung des Erregersignals entlang eines ersten Ausbreitungspfades ist, wobei der erste Ausbreitungspfad eine zumindest anteilige Ausbreitung des Erregersignales durch den veränderlichen Belag auf der inneren Mantelfläche beschreibt. Der Anteil des Erregersignales, welcher durch den veränderlichen Belag an der inneren Mantelfläche des Messrohres verläuft weist trotz längerem Laufweg eine geringere Laufzeit auf, wenn die Dielektrizitätskonstante des Belages £Beiag deutlich kleiner ist als die Dielektrizitätskonstante des Mediums sm.
Die erste Prüfgröße kann beispielsweise eine erste Frequenz sein, bei der eine
Dämpfung des empfangenen Erregersignals ein globales Extremum, insbesondere ein Maximum aufweist. Dabei wird bei Abweichung der ersten Frequenz von einem Frequenzsollbereich auf das Vorliegen eines veränderlichen Belags auf der inneren Mantelfläche geschlossen wird.
Die erste Prüfgröße kann weiterhin eine Frequenzdifferenz sein, die zwischen einer ersten Frequenz und einer zweiten Frequenz vorliegt, wobei bei der ersten Frequenz ein globales Extremum, insbesondere ein Maximum der Dämpfung vorliegt und bei der zweiten Frequenz ein vom globalen Extremum abweichendes lokales Extremum, insbesondere ein Maximum der Dämpfung vorliegt. Bei Abweichung der Frequenzdifferenz von einem Frequenzdifferenzsollbereich kann auf das Vorliegen eines veränderlichen Belags auf der inneren Mantelfläche geschlossen werden.
Die erste Prüfgröße kann außerdem eine Änderung einer Phasendifferenz zwischen dem ausgestrahlten Erregersignal und dem empfangenen Erregersignal als Funktion der Frequenz sein. Dabei wird bei Abweichung der Änderung von einem Änderungs- sollbereich auf das Vorliegen eines veränderlichen Belags auf der inneren Mantelfläche geschlossen.
Alternativ kann das Ermitteln der ersten Prüfgröße das Bestimmen einer Anzahl von Abweichungen von Rechtseindeutigkeiten zwischen dem Realteil und dem Imaginärteil des empfangenen Erregersignals umfassen. Diese Rechtseindeutigkeiten sind in einem Smith-Plot des gemessenen Erregersignales als Schleifen eindeutig identifizierbar. Weicht die Anzahl von einem Sollbereich ab, so wird auf das Vorliegen eines veränderlichen Belags auf der inneren Mantelfläche geschlossen.
Die erste Prüfgröße ist alternativ ein erster Zeitwert oder ein erste Amplitudenwert des entsprechenden ersten Zeitwertes, wobei bei dem ersten Zeitwert der zugeordneter erste Amplitudenwert maximal ist.
Die Prüfgröße kann zudem eine Summe oder ein Integral eines aus dem Frequenzspektrum des empfangenen Erregersignals hergeleiteten Amplitudensignals über einen ersten Zeitteilbereiches sein, wobei der erste Zeitteilbereich innerhalb des ersten Zeitbereichs liegt.
- Bestimmen der Belagseigenschaft des veränderlichen Belages anhand der ersten Prüfgröße. Die Belagseigenschaft kann z.B. ein Kriterium dafür sein, ob sich ein Belag ausgebildet hat, welcher die beiden Mikrowellenantennen miteinander verbindet. In dem Fall bildet sich ein Pfad für das Erregersignal aus, bei dem das Erregersignal einen geringere Laufzeit aufweist als über den minimalen Abstand.
- Empfangen eines reflektierenden Erregersignals an der ersten Mikrowellenantenne. Die Messschaltung ist weiterhin dazu eingerichtet ein an der Grenzfläche zum Medium und/oder Belag reflektierten Erregersignal zu messen.
- Ermitteln einer dritte Prüfgröße in Abhängigkeit des reflektierten Erregersignals oder anhand eines Integrals des Erregersignales über einen vorgegebenen oder variablen Frequenzbereich.
- Ermitteln einer Belagsdicke in Abhängigkeit der dritten Prüfgröße.
Alternativ sind weitere Verfahrensschritte vorgesehen:
- Ermitteln eines korrigierten Rohrquerschnittes in Abhängigkeit der dritten Prüfgröße;
- Ermitteln einer verbleibenden Einsatzzeit bis zu einer Wartungsmaßnahme der Messanordnung in Abhängigkeit der ersten Prüfgröße und der dritten Prüfgröße, insbesondere einer zeitlichen Veränderung der dritten Prüfgröße und/oder ersten Prüfgröße.
- Ermitteln einer verbleibenden Einsatzzeit bis zu einer Wartungsmaßnahme der Messanordnung in Abhängigkeit der ersten Prüfgröße, insbesondere einer zeitlichen Veränderung der ersten Prüfgröße.
Ein Einsatz der Messanordnung zur Bestimmung eines Feststoffanteils in einem fließfähigen Mediums verlangt die folgenden Verfahrensschritte:
- Ermitteln einer zweiten Prüfgröße in Abhängigkeit des empfangenen Erregersignales oder einer Transformierten, insbesondere einer des empfangenen Erregersignales, wobei die zweite Prüfgröße charakteristisch für die Ausbreitung des Erregersignals entlang eines zweiten Ausbreitungspfades ist, wobei der zweite Ausbreitungspfad eine Ausbreitung des Erregersignals entlang eines die erste Mikrowellenantenne und die zweite Mikrowellenantenne verbindenden Gerade beschreibt. Das transformierte Erregersignal weist einen zweiten Zeitbereich auf, der sich vom ersten Zeitbereich unterscheidet und in dem die zweite Prüfgröße ermittelt wird. Der zweite Zeitbereich weist eine untere Grenze und eine obere Grenze auf, wobei die untere Grenze größer gleich
10 • L/mm ps, insbesondere größer gleich 15 • L/mm ps und bevorzugt größer gleich 21 • L/mm ps ist und die obere Grenze kleiner gleich 40 • L/mm ps, insbesondere kleiner gleich 33 • L/mm ps und bevorzugt kleiner gleich ZI ■ L/mm ps ist. Aus dem zweiten Zeitbereich wird ein zweiter Zeitwert bestimmt, bei dem ein dem zweiten Zeitwert zugeordneter zweiter Amplitudenwert maximal ist. Die erste Prüfgröße ist ein Verhältnis zwischen dem ersten Zeitwert und dem zweiten Zeitwert, ein Verhältnis zwischen dem ersten Amplitudenwert und dem zweiten Amplitudenwert und/oder ein Verhältnis zwischen der Summe oder das Integral des Amplitudensignals über einen ersten Zeitteilbereich und der Summe oder das Integral des Amplitudensignals über einen zweiten Zeitteilbereich, wobei der zweite Zeitteilbereich innerhalb des zweiten
Zeitbereichs liegt.
- Ermitteln der Mediumseigenschaft bzw. des Feststoffanteils des zu führenden, Mediums in Abhängigkeit der zweiten Prüfgröße.

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zum Bestimmen einer Belagseigenschaft eines veränderlichen Belages auf einer inneren Mantelfläche eines Messrohres (110) einer Messanordnung (100) zum Bestimmen einer Mediumseigenschaft eines zu führenden, insbesondere mehrphasigen Mediums, wobei die Messanordnung (100) eine erste Mikrowellenantenne (130) aufweist, welche in einer ersten Aufnahme des Messrohres (110), insbesondere mediumsberührend angeordnet ist, wobei die Messanordnung (100) eine insbesondere diametral zur ersten Mikrowellenantenne (130) angeordnete zweite Mikrowellenantenne (131) aufweist, welche in einer zweiten Aufnahme des Messrohres (110), insbesondere mediumsberührend angeordnet ist, wobei das Verfahren die Verfahrensschritte umfasst:
- Ausstrahlen eines Erregersignales mittels der ersten Mikrowellenantenne (130), wobei das Erregersignal eine Folge von Hochfrequenzsignalen umfasst;
- Empfangen des Erregersignales mittels der zweiten Mikrowellenantenne (131);
- Ermitteln einer ersten Prüfgröße anhand des empfangenen Erregersignales und/oder anhand einer Transformierten, insbesondere einer Integraltransformierten des empfangenen Erregersignales, wobei die erste Prüfgröße charakteristisch für die Ausbreitung des Erregersignals entlang eines ersten Ausbreitungspfades ist, wobei der erste Ausbreitungspfad eine zumindest anteilige Ausbreitung des Erregersignales durch den veränderlichen Belag auf der inneren Mantelfläche beschreibt;
- Bestimmen der Belagseigenschaft des veränderlichen Belages, insbesondere einer von einer Belagsdicke des veränderlichen Belages abhängigen Größe anhand der ersten Prüfgröße.
2. Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, wobei die erste Prüfgröße eine erste Frequenz umfasst, bei der eine Dämpfung des empfangenen Erregersignals ein globales Extremum, insbesondere ein Maximum aufweist, wobei bei Abweichung der ersten Frequenz von einem Frequenzsollbereich auf das Vorliegen eines veränderlichen Belags auf der inneren Mantelfläche geschlossen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die erste Prüfgröße eine Frequenzdifferenz umfasst, zwischen einer ersten Frequenz und einer zweiten Frequenz, wobei bei der ersten Frequenz ein globales Extremum, insbesondere ein Maximum der Dämpfung vorliegt, wobei bei der zweiten Frequenz ein vom globalen Extremum abweichendes lokales Extremum, insbesondere ein Maximum der Dämpfung vorliegt, wobei bei Abweichung der Frequenzdifferenz von einem Frequenzdifferenzsollbereich auf das Vorliegen eines veränderlichen Belags auf der inneren Mantelfläche geschlossen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die erste Prüfgröße eine Änderung einer Phasendifferenz zwischen dem ausgestrahlten Erregersignal und dem empfangenen Erregersignal als Funktion der Frequenz umfasst, wobei bei Abweichung der Änderung von einem Änderungssollbereich auf das Vorliegen eines veränderlichen Belags auf der inneren Mantelfläche geschlossen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei das Ermitteln der ersten Prüfgröße das Bestimmen einer Anzahl von Abweichungen von Rechtseindeutigkeiten zwischen dem Realteil und dem Imaginärteil des empfangenen Erregersignals umfasst, 18 wobei bei Abweichung der Anzahl von einem Sollbereich auf das Vorliegen eines veränderlichen Belags auf der inneren Mantelfläche geschlossen wird.
6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüchen, umfassend den Verfahrensschritt:
- Transformieren des empfangenen Erregersignals in einen Zeitraum, insbesondere mittels einer Integraltransformation und bevorzugt mittels inverser Fourier-Transformation, wobei das transformierte Erregersignal einen ersten Zeitbereich aufweist, wobei die erste Prüfgröße zumindest in Abhängigkeit eines Wertes des ersten Zeitbereiches ermittelt wird.
7. Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, wobei der erste Zeitbereich eine untere Grenze und eine obere Grenze aufweist, wobei für eine charakteristische Länge L der Anlage des Messrohres die untere Grenze größer gleich 0,7 • L/mm ps, insbesondere größer gleich 2,3 - L/mm ps und bevorzugt größer gleich 4 • L/mm ps ist, wobei die obere Grenze kleiner gleich 17 - L/mm ps, insbesondere kleiner gleich 13 • L/mm ps und bevorzugt kleiner gleich 9 • L/mm ps ist.
8. Verfahren nach Anspruch 6 und/oder 7, wobei die erste Prüfgröße einen ersten Zeitwert oder einen ersten Amplitudenwert des entsprechenden ersten Zeitwertes umfasst, wobei bei dem ersten Zeitwert der zugeordneter erste Amplitudenwert maximal ist.
9. Verfahren nach Anspruch 6 und/oder 7, wobei die Prüfgröße eine Summe oder ein Integral eines aus dem Frequenzspektrum des empfangenen Erregersignals hergeleiteten Amplitudensignals über einen ersten Zeitteilbereiches umfasst, 19 wobei der erste Zeitteilbereich innerhalb des ersten Zeitbereichs liegt.
10. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend den Verfahrensschritte:
- Ermitteln einer verbleibenden Einsatzzeit bis zu einer Wartungsmaßnahme der Messanordnung (100) in Abhängigkeit der ersten Prüfgröße, insbesondere einer zeitlichen Veränderung der ersten Prüfgröße.
11. Verfahren nach Anspruch 6, umfassend die Verfahrensschritte:
- Ermitteln einer zweiten Prüfgröße in Abhängigkeit des empfangenen Erregersignales oder einer Transformierten, insbesondere einer des empfangenen Erregersignales, wobei die zweite Prüfgröße charakteristisch für die Ausbreitung des Erregersignals entlang eines zweiten Ausbreitungspfades ist, wobei der zweite Ausbreitungspfad eine Ausbreitung des Erregersignals entlang eines die erste Mikrowellenantenne und die zweite Mikrowellenantenne verbindenden Gerade beschreibt, wobei das transformierte Erregersignal einen zweiten Zeitbereich aufweist, wobei sich der zweite Zeitbereich vom ersten Zeitbereich unterscheidet, wobei die zweite Prüfgröße in dem zweiten Zeitbereich ermittelt wird,
- Ermitteln der Mediumseigenschaft des zu führenden, insbesondere mehrphasigen Mediums in Abhängigkeit der zweiten Prüfgröße.
12. Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, wobei der zweite Zeitbereich eine untere Grenze und eine obere Grenze aufweist, wobei die untere Grenze größer gleich 10 • L/mm ps, insbesondere größer gleich 15 • L/mm ps und bevorzugt größer gleich 21 • L/mm ps ist, wobei die obere Grenze kleiner gleich 40 - L/mm ps, insbesondere kleiner gleich 33 • L/mm ps und bevorzugt kleiner gleich 27 • L/mm ps ist, 20 wobei die charakteristische Länge L ein insbesondere minimaler Abstand zwischen der ersten Mikrowellenantenne und der zweiten Mikrowellenantenne ist.
13. Verfahren nach Anspruch 11 und/oder 12, wobei der zweite Zeitbereich einen zweiten Zeitwert aufweist, bei dem ein dem zweiten Zeitwert zugeordneter zweiter Amplitudenwert maximal ist, wobei die erste Prüfgröße ein Verhältnis zwischen dem ersten Zeitwert und dem zweiten Zeitwert, ein Verhältnis zwischen dem ersten Amplitudenwert und dem zweiten Amplitudenwert und/oder ein Verhältnis zwischen der Summe oder das Integral des Amplitudensignals über einen ersten Zeitteilbereich und der Summe oder das Integral des Amplitudensignals über einen zweiten Zeitteilbereich umfasst, wobei der zweite Zeitteilbereich innerhalb des zweiten Zeitbereichs liegt.
14. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, umfassend den Verfahrensschritt:
- Empfangen eines reflektierenden Erregersignals an der ersten Mikrowellenantenne (130),
- Ermitteln einer dritte Prüfgröße in Abhängigkeit des reflektierten Erregersignals und/oder einer Transformierten, insbesondere einer integraltransformierten des reflektierten Erregersignals,
- Ermitteln eines korrigierten Rohrquerschnittes in Abhängigkeit der dritten Prüfgröße und/oder Ermitteln einer verbleibenden Einsatzzeit bis zu einer Wartungsmaßnahme der Messanordnung (100) in Abhängigkeit der ersten Prüfgröße und der dritten Prüfgröße, insbesondere einer zeitlichen Veränderung der dritten Prüfgröße und/oder ersten Prüfgröße.
15. Messanordnung (100), umfassend:
- ein Messrohr (110) zum Führen eines Mediums, wobei das Messrohr (110) eine äußere Mantelfläche, eine innere Mantelfläche und zwei, insbesondere diametrale Aufnahmen aufweist, 21
- eine erste Mikrowellenantenne (130), welche in einer ersten Aufnahme des Messrohres (110) angeordnet ist;
- eine zweite Mikrowellenantenne (131), welche in einer zweiten Aufnahme des Messrohres (110) angeordnet ist; - eine Messschaltung (260), wobei die Messschaltung (260) einen Hochfrequenzgenerator (150) zum Speisen der ersten Mikrowellenantennen (130) mit einem Erregersignal, insbesondere mit einer Folge von Hochfrequenzsignalen aufweist, wobei die Messschaltung (260) dazu eingerichtet ist, anhand eines von der zweiten Mikrowellenantenne (131) empfangenen Erregersignales mindestens eine Eigenschaft eines in dem Messrohr (110) geführten, insbesondere mehrphasigen Mediums zu bestimmen, wobei die Messschaltung (260) zudem dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche auszuführen.
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