Die Messungen der Durchflußgeschwindigkeiten und Volumenstrome von Fluide, die eine oder mehrere Komponenten bzw. Phasen aufweisen, bilden die Grundlage fur je- de industrielle ProzeBfuhrung.

Bei den bis jetzt fur soiche Messungen verwendeten Verfahren erfolgt die Bestimmung der Volumenanteile und die Ermittiung der Durchflußgeschwindigkeiten der Kompo- nenten eines Fluids getrennt voneinander. Damit ist auch eine Aufteilung der MeBvor- richtungen in zwei oder mehrere Einrichtungen verbunden. Eine Vorrichtung wird da- bei zur Bestimmung der Volumenanteile verwendet, wahrend eine zweite Vorrichtung zur Bestimmung der Geschwindigkeiten benutzt wird. Die Ermittiungen der Geschwin- digkeiten und Volumenfraktionen erfolgen bei diesen bekannten Verfahren zudem nicht an der gleichen Stelle. Durch diese räumliche Trennung werden die Messungen der Geschwindigkeiten und der Volumenanteile effektiv zu unterschiedlichen Zeiten durchgefuhrt. Ferner mu fi berucksichtigt werden, daB sich das FluBprofil mit der Zeit in vielen Fallen andert. Werden die Geschwindigkeiten und Volumenanteile aus der Kor- relation solcher MeBsignale raumlich getrennter MeBvorrichtungen ermittelt, fuhrt die Zeitabhangigkeit des Flusses zu einem deutlich verringerten Auflosungsvermogen, so daß insgesamt ungenauere MeBergebnisse ermittelt werden.

In der GB 2 271 637 B ist ein Verfahren beschrieben, mit dem der Volumenanteil von Gas und Wasser in Rohol ermittelt werden kann, das durch eine Forderleitung fließt. Die jeweiligen Volumenanteile werden mit Hilfe von elektromagnetischen Signalen ho- her Frequenz und deren Resonanzsignalen ermittelt.

Aus der US 5,792,962 ist ein Verfahren bekannt, bei dem zur Messung der Geschwin- digkeiten von Komponenten eines Fluids dessen Einwirkungen auf die Ausbreitung- scharakteristik von elektrischen oder akustischen Signalen genutzt wird, die durch das Fluid geleitet werden.

Desweiteren sind MeBvorrichtungen bekannt, bei denen sehr energiereiche Strahlung in Form von Röntgen-, oder y-Strahlung zur Bestimmung der Geschwindigkeiten und Volumenanteile der Komponenten eines Fluids verwendet werden. Wegen dieser Strahlung sind diese Einrichtungen zum Teil konstruktiv sehr aufwendig. AuBerdem mussen sie mit zusatzlichen Sicherheitsvorkehrungen versehen werden.

Bei den bekannten Verfahren, bei denen die Geschwindigkeiten und Volumenanteile der Komponenten eines Fluids mit Hilfe des Doppler-Effekts und elektromagnetischer Strahlung, die eine niedrige Frequenz zwischen 0 GHz und 1000 GHz aufweist, er- mittelt werden, ist das Auflösungsvermögen meist unzureichend. Wegen des auBerst geringen Verhaltnisses der durchschnittlichen FIuBgeschwindigkeit von 5 m/s oder weniger eines Fluids zur Lichtgeschwindigkeit im Vakuum, ergeben sich fur Strahlun- gen im oben angegebenen GHz-Bereich Frequenzverschiebungen, die oft nicht auf- lösbar sind. So liegt die Doppler-Frequenzverschiebung, die sich aus der Gleichung df = 2 (v/c) f ergibt, fur f = 1 GHz und v = 5 m/s bei nur etwa 30 Hz.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren aufzuzeigen, mit dem die Durchflußgeschwindigkeiten und die Volumenanteile aller mit elektromagnetischen Wellen wechselwirkender Komponenten eines strömenden Fluids auf einfache Weise ermittelt werden können. Ferner soit eine Vorrichtung geschaffen werden, mit welcher das Verfahren durchgefuhrt werden kann.

Eine Lösung den ersten Teil der Aufgabe betreffend ist in Patentanspruch 1 offenbart.

Eine Lösung den zweiten Teil der Aufgabe betreffend ist in Patentanspruch 3 offen- bart.

Mit dem erfindungsgemaBen Verfahrens werden die DurchfluBgeschwindigkeiten und die Volumenanteile der einzelnen Komponenten eines Fluids aus der Wechselwirkung niederfrequenter elektromagnetischer Strahlung mit dem Fluid ermittelt. Dabei wird die kostengünstige Verfugbarkeit von Elektronik genutzt, welche in der Lage ist, die nie- derfrequenten elektromagnetischen MeBsignale auszuwerten. Mit Hilfe eines Signal- generators wird zunachst ein elektromagnetisches Signal mit einer Frequenz zwischen OGHz und 1000GHz erzeugt. Dieses wird durch einer Verzögerungsleitung und durch das zu untersuchende Fluid geleitet. Die Verzögerungsleitung ist innerhalb einer me- tallischen Abschirmung angeordnet. Diese umschließt zudem die Förderleitung, durch welche das Fluid transportiert wird. Aus der Dopplerverschiebung zwischen dem ur- sprünglichen und dem resultierenden Signal konnen die Geschwindigkeit, das Ge- schwindigkeitsprofil und der Volumenanteil der Komponenten des Fluids ermittelt wer- den. Hierfur ist eine Auswerteeinheit vorgesehen, der beide Signale zugeführt werden.

Weitere erfinderische Merkmale sind in den abhangigen Anspruchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Zeichnungen naher erlautert.

Es zeigen: Fig. 1 eine Vorrichtung zur Durchfuhrung des erfindungsgemaBen Verfahrens, Fig. 2 das bei der Geschwindigkeitsmessung ermittelte Dopplersprektrum eines Fluids.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung 1 weist eine Verzögerungsleitung 2, eine Ab- schirmung 3, einen Signalgenerator 4, zwei Antennen 5 und 6 sowie eine Auswerte- einheit 7 auf. Die Abschirmung 3 ist als geschlossenes Gehause ausgebildet, das aus Metall gefertigt ist. Sie wird von einer rohrformigen Förderleitung 20 durchsetzt, die von einem Fluid 30 durchströmt wird. Das Fluid 30 weist bei dem hier dargestellten Ausfuhrungsbeispiel zwei Komponenten 31 und 32. Diese haben die Eigenschaft, daB zwischen ihnen und den elektromagnetischen Welien eine Wechselwirkung statt fin- det, aus der die DurchfluBgeschwindigkeit der einzelnen Komponenten ermittelt wer- den kann. Von dem Signalgenerator 4 werden fur die Messungen niederfrequente elektromagnetische Signale (hier nicht dargestellt) mit einer Frequenz zwischen OGHz und 1000GHz erzeugt. Die Wahl der Frequenzprofile dieser Signale werden im we- sentlichen durch die dielektrischen Eigenschaften der Komponenten des Fluids be- stimmt. Die Bestimmung der DurchfluBgeschwindigkeit kann bei dem erfindungsge- maBen Verfahren deshalb mit diesen niederfrequenten elektromagnetischen Signalen durchgefuhrt werden, weil deren Ausbreitungsgeschwindigkeit mit Hilfe der Verzo- gerungsleitung 2 verringert und somit die relative Frequenzverschiebung aufgrund des Dopplereffekts vergrößert wird. Die Verzögerungsleitung 2 ist aus einem solchen Ma- terial und in einer solchen Form gefertigt, die geeignet sind, solche niederfrequenten Signal hinreichend zu fuhren. Fur die Geometrie der Verzögerungsleitung 2 ist es nur entscheidend, daB sie eine hinreichend große Verzögerung dieser Signals ermöglicht, so daB das gewunschte Auflösungsvermögen erreicht wird. Bei dem hier dargestellten Ausfuhrungsbeispiel ist die Verzögerungsleitung 2 in Form einer Wendel um die For- derleitung 20 gewickelt. Eine andere Führung der Verzögerungsleitung 2 mit der glei- chen Funktion ist jedoch auch moglich. Das von dem Signalgenerator 4 erzeugte Si- gnal wird uber die Signalleitung 4L der Antenne 5 zugefuhrt. Die Verbindung zwischen der Antenne 5, die sich innerhalb der Abschirmung 3 befindet, und der Signalleitung 4L geschieht uber ein geeignetes Verbindungselement 5V, das nach auben übersteht und durch die Abschirmung 3 hindurch nach innen geführt ist. Uber die Antenne 5 wird das Signal in die Verzögerungsleitung 2 eingekoppelt. Es wird räumBich durch die Ver- zögerungsleitung 2 geführt und breitet sich zugleich im strömenden Fluid aus. Wird die Verzogerungsleitung 2 nicht im Resonanzbetrieb betrieben, kann die Einkopplung auch direkt von der Signalleitung 4L aus in die Verzögerungsleitung 2 erfolgen, in die- sem Fall ist die Antenne 5 elektrisch leitend mit der Verzögerungsleitung 2 verbunden.

Bei der Durchfuhrung des erfindungsgemaBen Verfahrens ist es gleichgultig, ob die Verzögerungsleitung 2 im Resonanz-oder Durchlaßbetrieb betrieben wird.

Der Signalgenerator 4 und die Auswerteeinheit 7 sind bei dem hier dargestellten Aus- führungsbeispiel nicht innerhalb der Abschirmung 3 angeordnet. Wenn das erfin- dungsgemaBe Verfahren beispielsweise zur Uberwachung der geförderten Menge an Erdol aus einer unterseeischen Fördereinrichtung verwendet wird, dann werden der Signalgenerator und die Auswerteinheit 7 vorzugsweise an Land installiert. Sie sind dann nur uber die Signalleitungen 4L und 7L mit der Vorrichtung 1 verbunden. Der Si- gnalgenerator 4 und die Auswerteeinheit 7 können jedoch auch gemeinsam oder ge- trennt voneinander in einem wasserdichten Gehäuse (hier nicht dargestellt) neben der Abschirmung 3 montiert werden. Das ist jedoch nur möglich, wenn eine elektrische Energieversorgung an dieser Stelle vorhanden ist. Die Auswerteeinheit steht dann vorzugsweise uber eine weitere Signalleitung (hier nicht dargestellt) mit einer an Land installierten Anzeigevorrichtung (hier nicht dargestellt) in Verbindung.

Die Antenne 6 ist in gleicher Weise wie die Antenne 5 installiert. Sie ist uber ein Ver- bindungselement 6V, das durch die Abschirmung geführt ist, an eine Signalleitung 7L angeschlossen, die mit der Auswerteeinrichtung7 in Verbindung steht. Die geometri- sche Form der Antennen 5 und 6 ist fur die Durchfuhrung des erfindungsgemaBen Verfahrens nicht wesentlich. Das Gleiche gilt auch fur die geometrische Anordnung der beiden Antennen 5 und 6 zueinander. Es ist auch möglich, die beiden Antennen 5 und 6 durch eine einzige Antenne (hier nicht dargestellt) zu ersetzen, welche die Funktionen der beiden Antennen 5 und 6 ubernimmt. Jede der beiden Antennen 5 und 6 kann auch fur sich durch ein geeignetes Array von Antennen (hier nicht dargestellt) ersetzt werden. Alternativ können die Antennen durch direkte elektrische Kontaktie- rung uber geeignet gewahlte Impedanzbauelemente beispielsweise Kondensatoren, (hier nicht dargestellt) realisiert werden. Mit Hilfe der Antenne 6 wird ein elektroma- gnetisches Signal aus dem Innenbereich der Abschirmung 3 ausgekoppelt, und zwar zeitgleich mit der Einkopplung des eingekoppelten Signals. Die ausgekoppelten Si- gnale enthalten die gewunschte Information uber das Geschwindigkeitsprofil der Kom- ponenten 31 und 32 des Fluids 30. Ein Beispiel fur den Verlauf eines vom Signalgene- rator 4 erzeugten Signals 40 sowie die Verläufe der Signale 41 und 42, die aus der Abschirmung 3 fur das Fluid 30 mit zwei Komponenten 31 und 32 ausgekoppelt wer- den, sind in Figur 2 schematisch dargestellt.

An den physikalischen Meßprozeß schließt sich eine Datenanalyse in der Auswerte- einheit 7 an, um aus den eingestrahlten und den ausgekoppelten elektromagnetischen Signalen das Geschwindigkeitsprofil zu bestimmen. Das ausgekoppelte Signal wird der Auswerteeinheit 7 von der Antenne 6 uber die Signalleitung 7L zugefuhrt. Die Auswerteeinheit 7 ist als Spektrumanalysator, als Mikroprozessor oder als eine geeig- nete Kombination hiervon ausgebildet. Es gibt mehrere Möglichkeiten die Analyse der zugefuhrten Signale durchzufuhren. Beispielsweise ist eine Verarbeitung im Zeitbe- reich, eine Frequenzanalyse bzw. Fourieranalyse oder jede andere orthogonale oder nichtorthogonale Zerlegung der Signale moglich. Weiterhin können informationstheo- retische Verfahren wie Maximum Likelihood oder Maximum Entropy Verfahren zur Anwendung kommen. Zusätzlich werden die MeBsignale in der Auswerteeinheit 7 so aufbereitet, daB MeBergebnisse zur Verfugung stehen, die von der Temperatur unab- hängig sind.

In der Auswerteeinheit 7 werden aus dem eingekoppelten Signal 40 und den ausge- koppelten Signalen 41 und 42 gem ; ftb Fig. 2 die Geschwindigkeitsprofile der Kompo- nenten 31 und 32 berechnet. Das von dem Signalgenerator 4 erzeugte Signal wird hierfur uber einen Abzweig (hier nicht dargestellt) in der Signalleitung 4L auch der Auswerteinheit 7 zugefuhrt. Die in den ausgekoppelten Signalen enthaltenen Informa- tionen erlaubt es, verschiedene physikalische Eigenschaften des fliebenden Fluids zu bestimmen. Das ist in Figur 2 am Frequenzspektrum der ausgekoppelten Signale 41 und 42 zu sehen. Das Frequenzspektrum enthalt Strukturen, die sich in Abhangigkeit von den dielektrischen Eigenschaften der Komponenten 31 und 32 den Geschwindig- keitsprofilen der einzelnen Komponenten zuordnen lassen. Die Breite der jeweiligen Kurve ist entsprechend dem Doppler-Effekt ein MaB fur die Maximalgeschwindigkeit einer Komponente. Weiterhin ist die Flache unter jeder Kurve ein MaB fur den Volu- menanteil der entsprechenden Komponente des strömenden Fluids. Die Hoche der Struktur hängt neben dem Volumenanteil auch von den dielektrischen Eigenschaften der zugehorigen Komponente ab. Sie erlaubt somit eine Identifikation des Materials.

Desweiteren kann eine Zuordnung zwischen den charakteristischen Formen der spektralen Strukturen und den Volumenanteilen der jeweiligen Komponenten mittels einer unabhangigen Messung der Fraktionen mit dem Verfahren durchgefuhrt werden, das in der GB 2 271 637 B beschrieben ist.

Eine mögliche Anwendung des erfindungsgemaBen Verfahren, ist wie bereits oben erwahnt, im Bereich der unterseeischen Erdölförderung gegeben. Um eine Aussage uber die Menge des geforderten Ergols uber einen bestimmten Zeitraum machen zu können, ist es wichtig, zu wissen, wie groß der Volumenanteil an Ergol ist, der von ei- ner Bohrstelle uber eine Förderleitung pro Zeiteinheit abtransportiert wird. In die For- derleitung gelangen nicht nur 01, sondern auch Wasser und Gas, so daB die gesamte Fördermenge pro Zeiteinheit nicht gleich der Menge des geförderten Ergols entspricht.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich in diesem Fall die Ge- schwindigkeiten und die Volumenanteile von oui 31 und Wasser 32 bestimmen. Der Volumenanteil des Gases kann aus dem Gesamtvolumen des Fluids 30 und den Volu- menanteilen der Komponenten 31 und 32 bestimmt werden, so daB sich bei Kenntnis der DurchfluBgeschwindigkeiten von oui 31 und Wasser 32 die geforderte Menge an 01 31 pro Zeiteinheit ermitteln abot.