用于测量固体/液体混合物流的浓度参数的系统的制作方法

本发明涉及一种用于测量固体/液体混合物流的浓度参数的系统，特别是疏浚管线中的疏浚流。本发明还涉及一种测量设备，该测量设备包括用于测量固体/液体混合物流的浓度参数的系统和测速单元。本发明还涉及一种用于测量固体/液体混合物(m)(特别是疏浚物)的浓度参数的方法。

背景技术：

1、测量材料流在输送管道中的浓度参数对于在它们的操作中使用液压输送的行业是很重要的。这样的行业的例子是疏浚，湿采矿，海上钻井和隧道掘进。例如，在疏浚操作期间，监测固体/水混合物以及混合物的速度是至关重要的，一方面可以观察疏浚操作的效率，另一方面可以避免疏浚管线淤塞。

2、在疏浚、采矿和隧道掘进等行业应用中，已知有几种监测浆液密度的技术和方法。在那些领域中，通常使用基于放射性活动和放射性源的密度计来监测浆液。这种类型的监测有许多缺点。首先，只有经过认证的人员才能使用这些密度计。此外，放射源的完整的搬动和运输需要特别的许可证，并且必须采取特别的预防措施。由于这类密度计的所有这些缺点，需要一种更节省的然而同时确保密度测量中的相同或更高精度的替代方法。

3、利用电磁波来确定液体/固体混合物的密度也是已知的。在wo 2008/069670 a1中给出了这种系统的一个实例，其使用贴片天线来测量固体/液体混合物的浓度参数。wo2008/069670 a1中的系统包括钢制管道，该钢制管道用介电层(内衬)保护，其中一对贴片天线嵌入那个内衬中。天线的方向共线，因此无线电波在天线之间以直线发送。贴片天线之间的信号传输取决于待测混合物的特性。然而，在实际测试中发现，这种解决方案仅在有限的实际状况下起作用，特别是当待测混合物包含新鲜、清洁的水时。然而，当待测混合物中水的盐度增加时，整个内衬会为无线电波创建替代的传播路径，从而忽略待测混合物。因此，期望的浓度参数测量受到干扰。此外，当贴片天线设置在管道的切口中时，这严重损害了管道的机械完整性，并且增加了整个系统的机械复杂性。另外，wo 2008/069670 a1中的系统难以与混合物测速单元等其他测量系统整体形成。与混合物测速单元串联的wo 2008/069670 a1中的系统很容易超过2米的安装长度。这越来越让人无法接受。

4、在这种背景中，us4755743a描述了一种用于测量在工艺管道内流动的混合物的湿度的装置，其中介质波导嵌入到工艺管道的壁中。介电环由金属三面包围并且与待测材料的相互作用较差。因此，管道中的材料特性的变化只轻微的影响波的传播。

技术实现思路

1、本发明旨在提供一种用于测量固体/液体混合物流的浓度参数的系统，其中，更好地限定了一定体积的待测混合物。这进而又保持了已限定的进入到浆液管线中的传播模式。

2、作为另一方面，本发明旨在提供一种用于测量固体/液体混合物流的浓度参数的系统，其中，该系统更适合与管道区段整体形成。

3、作为另一方面，本发明旨在提供一种用于测量固体/液体混合物流的浓度参数的系统，其中，该系统可以容易地与需要在混合物与管道壁之间具有介电内衬的另一测量系统相结合，例如，本身已知的混合物测速系统。在这种背景中，相关的是，管道在测量区段中通常内衬有一层保护性聚合物或聚合物复合材料和高硬度陶瓷材料。原因是运输的材料具有磨蚀特性，并且因此可能会对导管逐渐造成损坏。这就使得内衬有介电层的钢制管道。换句话说，这一方面旨在提供开始进入到具有介电内衬的浆液输送管道的传播模式以用于测量含水混合物中固体颗粒的浓度的解决方案。

4、最后，本发明旨在提供一种用于测量固体/液体混合物流的浓度参数的可替代的系统。

5、因此，本发明提供了一种用于测量固体/液体混合物(m)流的浓度参数的系统，该系统包括：

6、-天线装置，用于将电磁能供给到一定体积的待测混合物(mixture under test，mut)中，并且接收从一定体积的待测混合物返回的响应；

7、-电磁信号电源，与天线装置操作性地联接；

8、-评估单元，与天线装置操作性地联接，以用于评估从一定体积的待测混合物返回的响应；

9、其中，天线装置包括绝缘的环状传导天线构件，该环状传导天线构件具有用于使固体/液体混合物(m)流从其穿过的开口，其中，环状传导天线构件及其开口限定待测混合物的测量体积，并且其中，电磁信号电源和环状传导天线构件配置成使得天线装置提供电磁波通过待测混合物的传输路径。

10、电磁信号电源和环状传导天线构件可以以如下提及的任何适合的方式进行操作，以提供电磁波通过待测混合物的传输路径。电磁信号电源和环状传导天线构件可以在波导模式、共振模式下操作，并且可以激发te、tm和tem模式一种或多种。重要的是，电磁能与一定体积的待测混合物相互作用。

11、包括环状传导天线构件的天线装置提供了使系统与管道区段整体形成的可能性，而无需修改管道区段的结构。因此，不损害管道区段的强度。

12、在疏浚系统中，通常安装浓度参数测量装置和测速系统。一种常见的测速系统是基于霍尔效应的，并且其要求待测混合物与金属管道壁电绝缘。因此，以及出于其他原因，设置了内衬。只有测量端子接触待测混合物才能获得霍尔效应。内衬内嵌有金属环，以保护内衬免受疏浚混合物的磨损。在与测速系统整体形成的情况下，测速系统的现有端部环可以令人惊讶地起到这种环状传导天线构件的作用。因此，可以缩短这种组合系统的安装长度。实际上，目前的发明是基于这样一种见解，即作为测速系统一部分的端部环实际上可以用作天线构件。同一体积的待测混合物既可以用于测速，也可以用于测量浓度参数。如所提及的，这缩短了安装长度。这在疏浚船的情况下是非常重要的。

13、环状传导天线构件可以是打开的，但优选的是闭合环。该环可以是单件的，或者可以具有分层结构。该环的截面可以是空心的，但优选的是实心环。因此，清楚地是，环状传导天线构件的配置有一定的自由度，只要该环是传导的即可。该环可以在波导共振模式下操作，然而任何适合的操作模式也是可能的。

14、浓度参数是指混合物的水含量与固体物质含量之间的比率。

15、“返回的响应”是指例如电磁信号的衰减、反射、反射次数、振幅变化、相位变化或任何其他可想象的由待测混合物引起的信号参数变化。

16、绝缘的天线构件是说天线构件是电绝缘的。因此，在天线构件与电接地件(通常是金属管)之间会形成电场。天线构件包含金属，可以部分地由金属制成，也可以由实心金属制成，只要该天线构件能在天线构件与电接地件之间形成电场即可。

17、根据本发明的系统可以用于水以及盐水的连续多相混合物，因此用于其中具有最少50％水分含量的混合物，并且在该混合物中悬浮有固体物质。在这种固体/液体混合物中，向水中添加任何数量的泥土将导致总混合物的介电常数的显著降低。这是由于在甚高频波段(vhf band)中具有介电常数(dielectric constant)为εr＝79的水的电容率(electrical permittivity)与介电常数εr的范围为3至6的普通泥土成分的电容率之间存在巨大反差。固体/液体混合物有时也被称为颗粒混合物。

18、在该系统的实施方式中，环状传导天线构件包括闭合环。闭合环提供了环在波导模式和/或共振模式下的更可预测的操作。

19、在该系统的实施方式中，环状传导天线构件具有预定位置，该预定位置特别地是在垂直于混合物的行进方向的径向上。该预定位置径向地垂直于混合物的行进方向使得该系统更容易在浆液输送管线的管道区段之间整体形成。

20、在该系统的实施方式中，环状传导天线构件包含硬质钢，特别地该环状传导天线构件由硬质钢制成。由硬质钢制成的环状传导天线构件使得天线构件能够与混合物直接接触，而不会造成天线构件的过多磨损。

21、在该系统的实施方式中，在使用中，环状传导天线构件与混合物(m)接触。环状传导天线构件与混合物(m)的接触使得天线构件与混合物之间能够更好的电磁联接。

22、在该系统的实施方式中，天线装置包括多个环状天线构件。包括多个环状天线构件的天线装置使得能够增加例如在两个环状天线构件之间的待测混合物的体积。这进而使得天线装置与混合物之间更好地电磁联接。

23、在该系统的实施方式中，天线装置包括两个环状传导天线构件，这两个环状传导天线构件相互间隔开以在两个环状传导天线构件之间确定一定体积的待测混合物。包括两个环状传导天线构件的天线装置使得能够与测速计的管道区段进行最优地整体形成，从而优化天线装置与混合物之间的电磁联接，而不会过多地增加安装长度。

24、本发明使用现有的端部环作为信号发射器和联接器，并且不需要修改管道的结构。该实施方式满足电磁速度测量的所有要求，因此使得这两个设备能够组合在同一单元中。

25、在该系统的实施方式中，电磁信号电源配置成引起环状传导天线构件的共振模式，并且其中环形天线的周长等于电磁信号电源的输出信号的多个波长。这更优化了天线装置与混合物之间的电磁联接。

26、在该系统的实施方式中，评估单元包括：传输单元，与电磁电源联接；接收单元，与天线装置联接，以用于接收从一定体积的待测混合物返回的响应；以及处理单元，用于处理该响应。评估单元使得能够以闭环方式操作系统，并且因此提供在较宽的浓度参数范围内的待测混合物内保持期望的传播模式的可能性，浓度参数是指混合物的水含量与固体物质含量之间的比率。

27、在该系统的实施方式中，评估单元配置成提供从一定体积的待测混合物返回的响应的振幅检测和相位检测。

28、在该系统的实施方式中，评估单元配置成控制从电磁电源到天线装置的能量供给，使得评估单元以闭环方式评估在操作期间的能量供给。这还依据固体/液体混合物流的情况对系统的操作模式提供了改进的控制。为了使该系统在淡水和海水中都起作用，需要超过100db的巨大的动态范围(淡水几乎没有信号损失，因此需要很小的功率，海水损耗非常高，因此在评估单元处需要最大输出功率和最大放大)。

29、因此，在这种情况下，在电源上设置了两个放大级，并且在评估单元上设置了三级放大器级联，它们都经由一个闭合的反馈回路进行控制。

30、在实施方式中，该系统包括至少一个调谐构件(如短接引脚)，该调谐构件与环状传导天线构件接触以用于确定环状传导天线构件的共振模式和对应的共振频率。这更提供了对系统的操作模式的改进控制。

31、因此，本发明提供了一种测量设备，该测量设备包括如上面所限定的用于测量固体/液体混合物(m)流的浓度参数的系统并且包括用于测量混合物(特别地是疏浚物)流速的测速单元。将这两种系统包括在测量设备中可以缩短安装长度。

32、在测量设备的实施方式中，测速单元包括：

33、-磁场源，布置为与混合物接合，

34、-一组测量电极，用于测量由磁场引起的混合物上的电势差，

35、-电绝缘层，至少使待测混合物与管道壁绝缘，

36、-一个或多个环状元件，布置成邻近绝缘层和/或至少部分地嵌入绝缘层以保护绝缘层免受混合物的磨损；

37、-其中，天线装置包括混合物的测速单元的一个或多个环状元件的至少一个端部环状元件。

38、测速系统的用作环状传导天线构件的一个或多个现有端部环能够缩短这样的组合系统的安装长度。

39、在测量设备的实施方式中，天线装置包括混合物测速单元的一个或多个环状元件的至少一对相对的环状元件。

40、在实施方式中，测量设备包括中空本体元件，固体/液体混合物(m)可以在轴向方向上在该中空本体元件中流过，其中，一对相对的环状元件布置成在中空本体元件中轴向地间隔开以限定在一对相对的环状元件之间的测量区段，并且其中，中空本体元件可以连接到管道区段，使得固体/液体混合物(m)穿过这一对相对的环状元件在中空本体元件内流动。

41、因此，本发明提供了一种用于输送疏浚物的管道区段的组件，该组件连接到如上面所限定的用于测量固体/液体混合物(m)流的浓度参数的系统或者连接到如上面所限定的测量设备。环状传导天线构件使管道区段与组件之间的无缝联接成为可能。流动表面保持最优，并且确保连续的流动。

42、在该组件的实施方式中，环状传导天线构件的开口与管道区段的流动开口相似，使得固体/液体混合物(m)的流动不受限制。

43、因此，本发明提供了一种用于将如上面所限定的用于测量固体/液体混合物(m)流的浓度参数的系统或如上面所限定的测量设备改装到疏浚管道组件的方法。

44、因此，本发明提供了一种用于测量固体/液体混合物(m)的浓度参数的方法，包括：提供如上面所限定的用于测量固体/液体混合物(m)的浓度参数的系统；提供系统内的固体/液体混合物(m)，其中，天线装置供给预定的电磁能量，使得该能量传输通过一定体积的待测混合物，并且其中，评估单元评估从一定体积的待测混合物返回的响应。

45、在实施方式中，该方法包括以闭环方式评估在操作期间供给到固体/液体混合物(m)的能量。

46、在实施方式中，该方法包括确定固体/液体混合物的速度。