Ядерно-магнитный расходомер и способ эксплуатации ядерно-магнитных расходомеров

Изобретение относится к ядерно-магнитный расходомеру (1) для определения расхода текущей через измерительную трубу (2) среды, с устройством (4) создания магнитного поля, измерительным устройством (5) и антенным устройством (6) с антенной (7). Устройство (4) создания магнитного поля на протяженности направленного параллельно продольной оси (8) измерительной трубы участка (9) магнитного поля пронизывает текущую среду (3) имеющим по меньшей мере один перпендикулярный продольной оси (8) измерительной трубы компонент магнитным полем для намагничивания среды (3), причем измерительное устройство (5) выполнено для формирования возбуждающих намагниченную среду (3) сигналов возбуждения и для измерения вызванных сигналами возбуждения в намагниченной среде (3) измерительных сигналов, и причем антенна (7) выполнена катушкообразной и выполнена на протяженности направленного параллельно продольной оси (8) измерительной трубы и находящегося на участке (9) магнитного поля измерительного участка (10) для передачи сигналов возбуждения в намагниченную среду (3) и для детектирования измерительных сигналов. Антенное устройство (6) имеет по меньшей мере одну другую антенну (11, 12), что другая антенна (11, 12) выполнена катушкообразной и выполнена на протяженности другого, направленного параллельно продольной оси (8) измерительной трубы и находящегося на участке (9) магнитного поля измерительного участка (13, 14) для передачи сигналов возбуждения в намагниченную среду (3) и для детектирования измерительных сигналов, и что измерительный участок (10) и другой измерительный участок (13, 14) являются разными. Технический результат - создание ядерно-магнитного расходомера, который имеет улучшенную надежность. 2 н. и 20 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к ядерно-магнитному расходомеру для определения расхода текущей через измерительную трубу среды, с устройством создания магнитного поля, измерительным устройством и антенным устройством с антенной, причем устройство создания магнитного поля на протяженности направленного параллельно продольной оси измерительной трубы участка магнитного поля пронизывает текущую среду имеющим по меньшей мере один перпендикулярный продольной оси измерительной трубы компонент магнитным полем для намагничивания среды, причем измерительное устройство выполнено для формирования возбуждающих намагниченную среду сигналов возбуждения и для измерения вызываемых сигналами возбуждения в намагниченной среде измерительных сигналов, и причем антенна выполнена катушкообразной и выполнена на протяженности направленного параллельно продольной оси измерительной трубы и находящегося на участке магнитного поля измерительного участка для передачи сигналов возбуждения в намагниченную среду и для детектирования измерительных сигналов. Помимо этого, изобретение относится к способу эксплуатации ядерно-магнитных расходомеров.

Атомные ядра элементов, которые обладают ядерным спином, обладают также вызываемым ядерным спином магнитным моментом μ. Ядерный спин может быть истолкован как описываемый вектором момент количества движения и соответственно магнитный момент может быть описан тоже вектором , который направлен параллельно вектору момента количества движения. При наличии макроскопического магнитного поля вектор магнитного момента атомного ядра ориентируется в соответствии с тенденцией параллельно вектору макроскопического магнитного поля в месте атомного ядра. При этом вектор магнитного момента атомного ядра прецессирует вокруг вектора макроскопического магнитного поля в месте атомного ядра. Угловая частота прецессии называется ларморовской угловой частотой и является произведением гиромагнитного отношения и величины плотности магнитного потока в месте атомного ядра. Следовательно, ларморовская угловая частота пропорциональна величине плотности магнитного потока в месте атомного ядра. Гиромагнитное отношение для ядер водорода является максимальным.

При отсутствии макроскопического магнитного поля множество атомных ядер К в объеме V с соответственно магнитным моментом вследствие статистического равновесного распределения направленностей отдельных магнитных моментов атомных ядер не обладает макроскопической намагниченностью . При наличии макроскопического магнитного поля статистическое равновесное распределение направленностей отдельных магнитных моментов атомных ядер нарушается и образуется макроскопическая намагниченность параллельно макроскопическому магнитному полю. Временное протекание процесса ориентирования магнитных моментов в макроскопическом магнитном поле характеризуется постоянной Т₁ времени спин-решеточной релаксации и имеет экспоненциальный затухающий характер. Значение постоянных времени спин-решеточной релаксации опять же является типичным для различных субстанций.

Ядерно-магнитные расходомеры описанного вначале типа выполнены для определения расхода текущей через измерительную трубу среды. Среда может содержать одну или же несколько фаз. При однофазной среде определение расхода осуществляется посредством определения скорости течения среды в измерительной трубе. Определение расхода многофазной среды включает в себя наряду с определением скорости течения каждой их фаз также определение доли каждой из фаз в среде. При этом каждая из фаз должна иметь атомные ядра с магнитными моментами, так что фазы являются намагничиваемыми в магнитном поле. Если фазы среды обладают разными постоянными времени спин-решеточной релаксации, то их доли в среде являются определяемыми. Транспортируемая из источников нефти многофазная среда состоит по существу из двух жидких фаз, сырой нефти и соленой воды, и газообразной фазы, природного газа, причем все фазы содержат ядра водорода и обладают разными постоянными временами спин-решеточной релаксации. Поэтому ядерно-магнитные расходомеры описанного вначале типа пригодны, прежде всего, для измерения расхода транспортируемой из источников нефти многофазной среды. Способы измерения для определения долей отдельных фаз в среде предусматривают, что намагничивание среды определяется разной продолжительностью воздействия магнитного поля, созданного устройством создания магнитного поля, на среду. Определение намагничивания среды после определенной продолжительности воздействия магнитного поля осуществляется с помощью измерительного устройства посредством возбуждения намагниченной среды сигналами возбуждения, измерения вызванных в намагниченной среде сигналами возбуждения измерительных сигналов и оценки измерительных сигналов. Векторы магнитных моментов отдельных атомных ядер, прецессирующие до возбуждения среды некоррелированно, посредством возбуждения коррелируются, что, прежде всего, означает прочные фазовые связи между прецессирующими векторами магнитных моментов. Однако в течение проходящего после возбуждения времени корреляция вследствие различных механизмов экспоненциально затухает, что называется дефазированием и характеризуется здесь постоянной T₂ времени релаксации. Значение постоянных Т₂ времени релаксации является типичным для различных субстанций. В соответствии с этим измерительные сигналы имеют гармоническое колебание, которое характеризуется ларморовской угловой частотой и экспоненциально затухающей амплитудой. Далее из разных продолжительностей воздействия магнитного поля на среду и определенных при этом намагниченностей измерительное устройство определяет доли отдельных фаз в среде. При этом выполненная катушкообразной антенна антенного устройства, во-первых, передает сигналы возбуждения в среду и, во-вторых, детектирует измерительные сигналы возбужденной среды. Антенное устройство передает сигналы возбуждения от измерительного устройства на антенну и передает измерительные сигналы от антенны на измерительное устройство.

Известные из уровня техники ядерно-магнитные расходомеры описанного вначале типа изменяют эффективную продолжительность воздействия магнитного поля на среду посредством изменения магнитного поля, причем изменение магнитного поля вызывается посредством механики.

Ядерно-магнитный расходомер описанного вначале типа известен из US 7,872,474 В2. Устройство создания магнитного поля содержит несколько расположенных последовательно вокруг измерительной трубы вдоль продольной оси измерительной трубы компоновок магнитов. Каждая из компоновок магнитов является поворачиваемой вокруг продольной оси измерительной трубы и пронизывает текущую в измерительной трубе среду имеющим направление магнитным полем. При этом направления отдельных магнитных полей компоновок магнитов могут быть ориентированы или параллельно, или антипараллельно друг другу. Если устройство создания магнитного поля содержит, например, четыре компоновки магнитов и направления магнитных полей четырех компоновок магнитов ориентированы параллельно, то эффективная продолжительность воздействия магнитного поля на среду является максимальной. Если направление магнитного поля одной из компоновок магнитов ориентировано антипараллельно направлениям магнитных полей остальных трех компоновок магнитов, то эффективная продолжительность воздействия равна лишь половине предыдущей, так как одна из трех компоновок магнитов, направления магнитных полей которых ориентированы параллельно, компенсирует намагничивание среды, вызванное компоновкой магнитов, направление магнитного поля которой ориентировано антипараллельно. Поворачивание отдельных блоков магнитов требует соответствующей механики. Эта механика, как и любая механика, связана с затратами, требует места, нуждается в техническом обслуживании и, несмотря на техническое обслуживание, имеет лишь ограниченную надежность.

Задачей настоящего изобретения является указание ядерно-магнитного расходомера с улучшенной надежностью и указание способа эксплуатации ядерно-магнитных расходомеров.

Ядерно-магнитный расходомер согласно изобретению, в котором решена ранее выведенная и вскрытая задача, прежде всего и по существу, отличается тем, что антенное устройство имеет по меньшей мере одну другую антенну, что эта другая антенна выполнена катушкообразной и выполнена на протяженности другого, ориентированного параллельно продольной оси измерительной трубы и находящегося на участке магнитного поля измерительного участка для передачи сигналов возбуждения в намагниченную среду и для детектирования измерительных сигналов, и что измерительный участок и этот другой измерительный участок являются разными.

Антенное устройство содержит по меньшей мере две антенны, причем каждая из антенн выполнена катушкообразной и выполнена на протяженности ориентированного параллельно продольной оси измерительной трубы и находящегося на участке магнитного поля измерительного участка для передачи сигналов возбуждения в намагниченную среду и для детектирования измерительных сигналов. Каждый из измерительных участков однозначно определен своей длиной параллельно продольной оси измерительной трубы и местом на продольной оси измерительной трубы. По меньшей мере соответственно два из измерительных участков могут быть расположены на участке магнитного поля или последовательно, или же с перекрытием.

Посредством разных измерительных участков антенн осуществляется возбуждение среды сигналами возбуждения, а затем детектирование вызванных сигналами возбуждения измерительных сигналов среды после разных продолжительностей воздействия магнитного поля на среду. Продолжительность воздействия магнитного поля на среду вытекает непосредственно из отрезка в направлении течения среды от начала участка магнитного поля до соответствующей антенны и скорости течения среды в измерительной трубе.

По сравнению с известными из уровня техники ядерно-магнитными расходомерами описанного вначале типа, ядерно-магнитный расходомер согласно изобретению имеет преимущество в отсутствии механики для изменения эффективной продолжительности воздействия магнитного поля на среду. Благодаря отсутствию механики конструкция ядерно-магнитного расходомера согласно изобретению существенно упрощается. Тем самым снижается трудоемкость технического обслуживания и затраты на техническое обслуживание и повышается надежность ядерно-магнитного расходомера согласно изобретению. В отличие от механики катушкообразные антенны являются существенно более доступными по цене, поэтому при таких же затратах является реализуемым большее количество антенн. Большее количество антенн дает возможность измерения намагничивания среды при больших количествах разных продолжительностей воздействия магнитного поля на среду, вследствие чего улучшается точность измерений.

В предпочтительном варианте выполнения ядерно-магнитного расходомера согласно изобретению предусмотрено, что плотности намотки по меньшей мере двух из выполненных катушкообразными антенн являются одинаковыми. Одинаковые плотности намотки упрощают изготовление катушкообразных антенн, вследствие чего они являются более доступными по цене. Помимо этого, выполненные катушкообразными антенны с одинаковыми плотностями намотки имеют аналогичные электрические характеристики, вследствие чего также упрощается настройка измерительного устройства.

Выявилось, что пропорциональная скорости течения среды длина измерительного участка дает лучшие результаты измерений, чем измерительный участок с постоянной длиной для всего диапазона скоростей течения среды. Если, например, скорость течения измеряется посредством того, что текущая среда возбуждается на протяженности измерительного участка и затем из вызванных посредством возбуждения, затухающих измерительных сигналов определяется скорость течения, то постоянная Т₂ времени релаксации должна быть достаточно большой, по сравнению с продолжительностью пребывания среды на измерительном участке. Постоянная T₂ времени релаксации является достаточно большой по сравнению с продолжительностью пребывания тогда, когда погрешность при определении скорости течения вследствие затухания измерительных сигналов в соответствии с постоянной Т₂ времени релаксации является допустимой для соответствующего применения. Следовательно, при заданной постоянной Т₂ времени релаксации определение высоких скоростей течения с длинным измерительным участком является более точным, чем с коротким измерительным участком. Поэтому в особо предпочтительном варианте выполнения ядерно-магнитного расходомера согласно изобретению предусмотрено, что измерительные участки по меньшей мере двух из антенн являются разными по длине. Помимо этого, результаты измерений могут быть улучшены далее, если длины измерительных участков по меньшей мере двух из антенн увеличиваются в направлении течения среды.

Передача сигналов возбуждения в намагниченную среду и детектирование измерительных сигналов осуществляется с помощью катушкообразных антенн. Передача сигналов возбуждения в намагниченную среду может осуществляться первой катушкой, а детектирование измерительных сигналов может осуществляться второй катушкой. В другом совершенно особо предпочтительном варианте выполнения ядерно-магнитного расходомера согласно изобретению в противоположность этому предусмотрено, что по меньшей мере одна из антенн имеет единственную катушку для передачи сигналов возбуждения в намагниченную среду и для детектирования сигналов. Выполнение антенн с лишь единственной катушкой, с одной стороны, заметно снижает затраты на изготовление антенн, но, с другой стороны, незначительно повышает затраты в измерительном устройстве.

Единственная катушка по меньшей мере одной из имеющих единственную катушку антенн может быть цилиндрической катушкой, причем магнитное поле цилиндрической катушки в текущей в измерительной трубе среде имеет по меньшей мере один параллельный продольной оси измерительной трубы компонент, и цилиндрическая катушка расположена вокруг текущей в измерительной трубе среды. Расположение цилиндрической катушки вокруг измерительной трубы означает, что намотка катушки выполнена вокруг измерительной трубы. Можно даже выполнить намотку катушки на измерительной трубе, чтобы цилиндрическая катушка являлась составной частью измерительной трубы.

Антенное устройство может иметь по меньшей мере одну антенную группу, причем эта антенная группа имеет по меньшей мере две имеющие цилиндрическую катушку в качестве единственной катушки антенны, и измерительные участки имеющих цилиндрическую катушку в качестве единственной катушки антенн расположены последовательно вдоль продольной оси измерительной трубы. Две антенны расположены последовательно (следуя друг за другом) тогда, когда между ними не расположена другая антенна.

Является преимуществом, если по меньшей мере два последовательных измерительных участка по меньшей мере одной из антенных групп для снижения индуктивной связи двух последовательных антенн являются удаленными друг от друга посредством промежуточного измерительного участка, параллельного продольной оси измерительной трубы. В зависимости от применения допустимым является определенный уровень индуктивной связи двух последовательных антенн, причем граница допустимости является мерой расстояния между двумя последовательными антеннами.

В усовершенствовании варианта выполнения ядерно-магнитного расходомера согласно изобретению может быть предусмотрено, что по меньшей мере две из удаленных посредством одного из промежуточных измерительных участков антенн по меньшей мере одной из антенных групп образуют комбинированную антенну с комбинированным измерительным участком, комбинированный измерительный участок состоит из измерительных участков антенн и промежуточных измерительных участков, и комбинированная антенна имеет на протяженности комбинированного измерительного участка такие же характеристики, как и одна из обеих антенн на протяженности своего соответствующего измерительного участка. В соответствии с этим, антенны одной из комбинированных антенн могут эксплуатироваться отдельно со своими соответствующими измерительными участками, причем является допустимой индуктивная связь антенн, или могут эксплуатироваться также в виде комбинированной антенны, причем комбинированная антенна имеет на протяженности комбинированного измерительного участка такие же характеристики, как и эти антенны на протяженности соответствующих измерительных участков.

В другом совершенно особо предпочтительном варианте выполнения ядерно-магнитного расходомера согласно изобретению предусмотрено, что антенное устройство имеет по меньшей мере одну ответвленную катушку по меньшей мере с одним ответвлением. Ответвление делит ответвленную катушку на две частичные катушки, и каждая из частичных катушек образует одну из антенн. В соответствии с этим антенны реализованы здесь не как прежде посредством отдельных катушек, а посредством катушки с ответвлениями, вследствие чего снижается трудоемкость изготовления.

Ответвленная катушка может быть цилиндрической катушкой, причем магнитное поле цилиндрической катушки в текущей в измерительной трубе среде имеет по меньшей мере один параллельный продольной оси измерительной трубы компонент, и цилиндрическая катушка расположена вокруг текущей в измерительной трубе среды. Расположение цилиндрической катушки вокруг измерительной трубы означает, что намотка катушки выполнена вокруг измерительной трубы. Можно даже выполнить намотку катушки на измерительной трубе, чтобы катушка являлась составной частью измерительной трубы.

Для качества измерения расхода оказалось предпочтительным, если по меньшей мере одна из антенн по меньшей мере одной из ответвленных катушек имеет компенсационную антенну для компенсации действующего в среде за счет устройства создания магнитного поля магнитного поля за пределами по меньшей мере одного из измерительных участков выполненных посредством ответвленной катушки антенн.

В другом предпочтительном варианте выполнения ядерно-магнитного расходомера согласно изобретению предусмотрено, что единственная катушка по меньшей мере одной из антенн является седлообразной катушкой, и магнитное поле седлообразной катушки в текущей в измерительной трубе среде имеет по меньшей мере один перпендикулярный продольной оси измерительной трубы компонент.

В то время как цилиндрические катушки должны располагаться вокруг измерительной трубы, седлообразные катушки располагаются на измерительной трубе сбоку или, как уже дает понять название, насаживаются на измерительную трубу. В соответствии с этим размещение седлообразных катушек на измерительной трубе является менее трудоемким, чем таковое цилиндрических катушек. Другим, намного более существенным преимуществом седлообразных катушек по сравнению с цилиндрическими катушками, является отличие, состоящее в том, что магнитное поле простирается по существу перпендикулярно продольной оси измерительной катушки, а не параллельно ей. Это преимущество проявляется в том случае, если по меньшей мере две из седлообразных катушек располагаются последовательно вдоль продольной оси измерительной трубы. Индуктивная связь двух расположенных последовательно седлообразных катушек является намного меньшей, чем таковая двух расположенных последовательно цилиндрических катушек.

Усовершенствование разъясненного перед этим варианта выполнения ядерно-магнитного расходомера согласно изобретению предусматривает, что антенное устройство имеет по меньшей мере одну пару антенн, пара антенн имеет две из имеющих седлообразную катушку в качестве единственной катушки антенн, обе имеющие седлообразную катушку в качестве единственной катушки антенны являются противолежащими относительно продольной оси измерительной трубы, измерительные участки обеих антенн являются конгруэнтными, направление магнитного поля пары антенн в среде описано осью пары антенн, и ось пары антенн имеет по меньшей мере один перпендикулярный продольной оси измерительной трубы компонент. Применение одной состоящей из двух седлообразных катушек пары антенн вместо единственной седлообразной катушки вызывает более сильную сходимость магнитного поля и меньшую индуктивную связь с соседними антеннами.

Если антенное устройство имеет по меньшей мере две пары антенн, то оси пар антенн обеих пар антенн могут быть ориентированы различно, и измерительные участки пар антенн могут быть, по меньшей мере, перекрывающимися. Разные ориентации осей пар антенн вызывают пониженную индуктивную связь между парами антенн.

В предпочтительном варианте выполнения ядерно-магнитного расходомера согласно изобретению предусмотрено, что по меньшей мере одна из антенн выполнена для создания магнитного поля, напряженность магнитного поля магнитного поля имеет градиент, и магнитное поле простирается в среде по меньшей мере на протяженности измерительного участка по меньшей мере одной антенны. Градиент напряженности магнитного поля может быть таким, при котором сила магнитного поля снижается линейно вдоль оси. Магнитное поле может создаваться посредством по меньшей мере одного постоянного магнита и/или посредством по меньшей мере одной катушки, через которую проходит ток. Для вариантов выполнения этой по меньшей мере одной катушки пригодны такие же выполнения, как и для катушек антенн.

Ядерно-магнитный расходомер согласно изобретению, в котором измерительные участки по меньшей мере двух из антенн являются разными по длине, может эксплуатироваться соответствующим изобретению способом, который, прежде всего, и по существу отличается тем, что посредством измерительного устройства формируют сигналы возбуждения, что посредством антенны сигналы возбуждения передают в находящуюся на измерительном участке текущую намагниченную среду, и вызванные в среде сигналами возбуждения измерительные сигналы от находящейся на измерительном участке среды детектируют антенной, что посредством по меньшей мере одной другой антенны сигналы возбуждения передают в находящуюся по меньшей мере на одном другом измерительном участке текущую намагниченную среду, и вызванные в среде сигналами возбуждения измерительные сигналы от находящейся по меньшей мере на одном другом измерительном участке среды детектируют этой по меньшей мере одной другой антенной, что выведенные измерительные сигналы образуют с, по меньшей мере, пониженным влиянием дефазирования, соединяя друг с другом измерительные сигналы, детектированные антенной, и измерительные сигналы, детектированные по меньшей мере одной другой антенной, и что из выведенных измерительных сигналов определяют скорость текущей среды.

В последующем, способ согласно изобретению разъясняется подробнее без ограничения изобретения примером ядерно-магнитного расходомера согласно изобретению, антенное устройство которого содержит антенну и только одну другую антенну, причем измерительный участок расположен в направлении течения среды перед другим измерительным участком.

К моменту времени t_0,1 антенна передает сигнал возбуждения в находящуюся на измерительном участке среду, и амплитуда детектированного антенной измерительного сигнала y₁ к моменту времени t₁ равна:

где

и

Другая антенна к моменту времени t_0,2 передает сигнал возбуждения в находящуюся на другом измерительном участке среду, и амплитуда детектированного другой антенной измерительного сигнала y₂ к моменту времени t₂ равна:

где

и

Для момента времени t₁ должно быть выполнено , и для момента времени t₂ должно быть выполнено . - это длина измерительного участка, а - это длина другого измерительного участка, причем . Индекс n обозначает отдельные фазы содержащей N фаз среды. В каждой из фаз М_{1,2} - это намагничивание, F - доля фазы в среде, а T₂ - уже упомянутая постоянная времени релаксации.

Каждый из первых членов y_{1,2),1 описывает спад амплитуды соответствующего измерительного сигнала y_{1,2} вследствие вытекания возбужденной среды из соответствующего измерительного участка. Каждый из вторых членов y_{1,2},2 описывает спад амплитуды соответствующего измерительного сигнала вследствие дефазирования, которое описано постоянной Т₂ времени релаксации.

Из уровня техники известно определение скорости v(t) течения к моменту времени t с единственной антенной. Это определение требует знания амплитуды измерительного сигнала, длины измерительного участка, намагничивания M_{1,2}n, долей F_n(t) фаз в среде и постоянных Т_2,n времени релаксации.

Согласно способу согласно изобретению выведенный измерительный сигнал образуют, например, посредством соединения амплитуды измерительного сигнала, детектированного антенной, и амплитуды измерительного сигнала, детектированного другой антенной.

Намагничивание М_{1,2},n фаз среды возрастает в направлении течения среды по участку магнитного поля до намагниченности насыщения. Если на измерительном участке и на другом измерительном участке среда намагничена не до насыщения, то с помощью промежуточного участка с длиной а, параллельного продольной оси измерительной трубы, между измерительным участком и другим измерительным участком на измерительном участке и на другом измерительном участке может быть настроено достаточно одинаковое намагничивание среды. При этом промежуточный участок должен иметь такой размер, чтобы возбужденная антенной среда достигла другого измерительного участка только тогда, когда возбужденная другой антенной среда уже полностью вытекла из другого измерительного участка, то есть когда выполнено условие . В противном случае возбужденная антенной среда исказит измерительные сигналы, детектированные другой антенной. Помимо этого, индуктивная связь между антенной и другой антенной должна быть достаточно малой. С учетом предыдущих рассуждений намагничивания во вторых членах y_{1,2},2 являются, по меньшей мере, достаточно одинаковыми, в соответствии с этим M_1,n≈М_2,n.

Моменты времени t_{1,2} измерения могут быть выбраны таким образом, чтобы в интервале времени между моментом времени t₁ измерения и моментом времени t₂ измерения изменение скорости течения было достаточно малым, следовательно v(t₁)≈v(t₂), и изменение долей фаз среды было достаточно малым, в соответствии с чем F_n(t₁)≈F_n(t₂).

Помимо этого, моменты времени t_0,{1,2} возбуждения могут быть выбраны таким образом, чтобы имело силу, по меньшей мере, t₁-t_0,1≈t₂-t_0,2, вследствие чего с учетом предыдущих рассуждений вторые члены y_{1,2},2 в целом являются достаточно одинаковыми. Следовательно, влияние дефазирования на выведенный измерительный сигнал, по меньшей мере, снижено. То, что в предыдущих рассуждениях является достаточным, определено требованиями соответствующего применения к ядерно-магнитному расходомеру. Выведенные измерительные сигналы могут быть частными, причем каждое из частных образуют из измерительного сигнала, детектированного одной из антенн, и измерительного сигнала, детектированного одной из прочих антенн, и причем измерительный участок антенны и измерительный участок прочей антенны являются разными по длине. В изложении на примере образуют частное из амплитуды измерительного сигнала, детектированного антенной, и амплитуды измерительного сигнала, детектированного другой антенной:

Преимущественным образом сигналы возбуждения передают в среду посредством антенны и посредством по меньшей мере одной из других антенн к одному и тому же времени. В применении на примере моменты времени t_0,{1,2} возбуждения выбирают одинаковыми, вследствие чего имеет силу также по меньшей мере t₁≈t₂. Тем самым выведенный измерительный сигнал равен:

Отсюда может быть простым образом рассчитана скорость течения:

В соответствии с этим для соответствующего изобретению определения скорости течения среды в измерительной трубе в произвольный момент времени требуется лишь знание длин измерительных участков, амплитуд измерительных сигналов и момента времени возбуждения. В соответствии с этим знание постоянных Т_2,n времени релаксации не требуется. Способность мочь определять скорость течения среды без знания постоянных Т_2,n времени релаксации может быть названа также самокалибровкой, так калибровка ядерно-магнитного расходомера согласно изобретению средами, которые имеют разные известные постоянные Т_2,n времени релаксации, больше не требуется.

Так как скорость течения среды теперь известна, то действие скорости течения на детектированный антенной измерительный сигнал может быть исключено, вследствие чего амплитуда компенсированного измерительного сигнала получается следующей:

В соответствии с этим амплитуда компенсированного измерительного сигнала соответствует амплитуде измерительного сигнала, который получается, если среда в измерительной трубе стоит. Следовательно, из амплитуд компенсированного измерительного сигнала могут быть определены постоянные T_2,n времени релаксации. Затем из постоянных Т_2,n времени релаксации могут быть определены коррелированные с ними характеристики фаз среды, такие как, например, вязкости фаз.

В частности, теперь имеются различные возможности разработки и усовершенствования ядерно-магнитного расходомера согласно изобретению. Для этого указывается как на пункты формулы изобретения, зависимые от п. 1, так и на описание предпочтительных примеров выполнения в сочетании с чертежами. На чертежах показано:

Фиг. 1 первый пример выполнения ядерно-магнитного расходомера согласно изобретению с тремя цилиндрическими катушками,

Фиг. 2 второй пример выполнения ядерно-магнитного расходомера согласно изобретению с единственной ответвленной цилиндрической катушкой, и

Фиг. 3А, 3Б третий пример выполнения ядерно-магнитного расходомера согласно изобретению с одной цилиндрической катушкой и двумя седлообразными катушками.

На фиг. 1 схематически изображены существенные элементы первого примера выпролнения ядерно-магнитного расходомера согласно изобретению 1, который имеет, прежде всего, измерительную трубу 2, через которую протекает среда 3. Ядерно-магнитный расходомер 1 выполнен для определения расхода среды 3 через измерительную трубу 2, причем среда 3 может содержать также несколько фаз. Для определения расхода среды 3 через измерительную трубу 2 ядерно-магнитный расходомер 1 имеет устройство 4 создания магнитного поля, измерительное устройство 5 и антенное устройство 6 с антенной 7.

Продольная ось 8 измерительной трубы 2 направлена по определению параллельно оси х декартовой системы координат, вследствие чего среда 3 течет параллельно оси х и по определению в положительном направлении оси х. Устройство 4 создания магнитного поля создает магнитное поле, которое пронизывает текущую среду 3 на протяженности направленного параллельно оси х участка 9 магнитного поля по определению в положительном направлении оси z системы координат. В соответствии с этим направление текущей среды 3 и направление магнитного поля ориентированы перпендикулярно друг другу.

Измерительное устройство 5 выполнено для формирования возбуждающих намагниченную среду 3 сигналов возбуждения и для измерения вызванных сигналами возбуждения в намагниченной среде 3 измерительных сигналов. Антенна 7 антенного устройства 6 выполнена на протяженности направленного параллельно оси х и находящегося на участке 9 магнитного поля измерительного участка 10 как для передачи сигналов возбуждения в намагниченную среду 3, так и для детектирования измерительных сигналов. Ядерно-магнитный расходомер согласно изобретению 1 имеет наряду с антенной 7 с измерительным участком 10 первую другую антенну 11 и вторую другую антенну 12. Первая другая антенна 11 выполнена на протяженности направленного параллельно оси х, находящегося на участке 9 магнитного поля первого другого измерительного участка 13, а вторая другая антенна 12 -на протяженности направленного параллельно оси х, находящегося на участке 9 магнитного поля второго другого измерительного участка 14 для передачи сигналов возбуждения в намагниченную среду 3 и для детектирования измерительных сигналов.

Антенное устройство 6 выполнено для передачи сигналов возбуждения от измерительного устройства 5 на антенну 7, на первую другую антенну 11 и на вторую другую антенну 12 и для передачи измерительных сигналов от антенны 7, от первой другой антенны 11 и от второй другой антенны 12 на измерительное устройство 5.

Измерительное устройство 5 выполнено для формирования, а антенное устройство 6 - для передачи сигналов возбуждения через любую из антенн 7, 11, 12 независимо от прочих антенн 7, 11, 12 в намагниченную среду 3 также через более чем одну из антенн 7, 11, 12 одновременно. Помимо этого, измерительное устройство 5 выполнено для измерения, а антенное устройство 6 - для детектирования измерительных сигналов возбужденной среды 3 с помощью любой из антенн 7, 11, 12 независимо от прочих антенн 7, 11, 12 или же с помощью более чем одной из антенн 7, 11, 12 одновременно. Прежде всего, можно также передавать сигнал возбуждения в среду 3 через одну или несколько любых из антенн 7, 11, 12 или с помощью одной или нескольких любых других из антенн 7, 11, 12 детектировать измерительный сигнал, вызываемый в среде 3 этим сигналом возбуждения. Антенны 7, 1, 12, с помощью которых детектируется измерительный сигнал, преимущественным образом расположены вдоль оси x относительно положительного направления оси х на одинаковой высоте или позади антенн 7, 11, 12, через которые вызывающий измерительный сигнал сигнал возбуждения передается в среду 3.

Длина измерительного участка 10 антенны 7 меньше, чем длина первого другого измерительного участка 13 первой другой антенны 11, а длина первого другого измерительного участка 13 первой другой антенны 11 меньше, чем длина второго другого измерительного участка 14 второй другой антенны 12. Вдоль оси х относительно положительного направления оси х первая другая антенна 11 расположена позади антенны 7, а вторая другая антенна 12 расположена позади первой другой антенны 11. Текущая в измерительной трубе 2 среда 3 проходит параллельно оси х от начала участка 9 магнитного поля до начала измерительного участка 10 первый подводящий участок 15, от начала участка 9 магнитного поля до начала первого другого измерительного участка 13 - первый другой подводящий участок 16 и от начала участка 9 магнитного поля до начала второго другого измерительного участка 14 - второй другой подводящий участок 17. Соответственно расположению антенн 7, 11, 12 длина подводящего участка 15 меньше, чем длина первого другого подводящего участка 16, а длина первого другого подводящего участка 16 меньше, чем длина второго другого подводящего участка 17. Длины подводящих участков 15, 16, 17 соответствуют соответствующим продолжительностям воздействия магнитного поля, созданного устройством 4 создания магнитного поля, на текущую среду 3. В общем, измерительные участки однозначно определяются их длиной параллельно оси х и позицией на оси х. В соответствии с этим измерительные участки 10, 13, 14 являются разными.

Антенна 7 имеет цилиндрическую катушку 18, первая другая антенна 11 - первую другую цилиндрическую катушку 19 и вторая другая антенна 12 - вторую другую цилиндрическую катушку 20 в качестве единственной катушки для передачи сигналов возбуждения в намагниченную среду 3 и для детектирования измерительных сигналов. Цилиндрические катушки 18, 19, 20 расположены вокруг измерительной трубы 2 таким образом, что магнитное поле цилиндрических катушек 18, 19, 20, через которые протекает ток, имеет в текущей среде 3 по меньшей мере один параллельный оси х компонент.

Текущая через измерительную трубу 2 среда 3 намагничивается действующим в положительном направлении z магнитным полем устройства 4 создания магнитного поля. При этом атомные ядра прецессируют вокруг оси z с магнитным моментом без фазового соотношения относительно друг друга. Сформированный измерительным устройством 5 сигнал возбуждения, частотный спектр которого содержит ламоровскую частоту, передается антенным устройством 6 по меньшей мере на одну из антенн 7, 11, 12. Данный сигнал возбуждения вызывает в выбранной цилиндрической катушке 18, 19, 20 переменное магнитное поле с компонентом в направлении оси х, вследствие чего на прецессирующие атомные ядра среды 3 оказывается действие вращающего момента, который поворачивает прецессирующие атомные ядра в плоскость х-y и вызывает синфазность прецессий атомных ядер. Возбужденная таким образом среда 3 индуцирует по меньшей мере в одной из цилиндрических катушек 18, 19, 20 измерительный сигнал, который передается антенным устройством 6 на измерительное устройство 5.

Антенна 7 и расположенная за антенной 7 первая другая антенна 11 образуют антенную группу 21. Для снижения индуктивной связи цилиндрической катушки 18 и первой другой цилиндрической катушки 19 измерительный участок 10 антенны 7 и первый другой измерительный участок 13 первой другой антенны 11 отдалены друг от друга посредством промежуточного измерительного участка 22, параллельного оси х. Наряду с этим антенная группа 21 образует комбинированную антенну с комбинированным измерительным участком 23. Комбинированный измерительный участок 23 состоит из измерительного участка 10 антенны 7, промежуточного измерительного участка 22 и первого другого измерительного участка 13. Комбинированная антенна имеет на протяженности комбинированного измерительного участка 23 такие же характеристики в отношении среды 3, как и антенна 7 на протяженности измерительного участка 10 и первая другая антенна 11 на протяженности первого другого измерительного участка 13.

На фиг. 2 схематически изображены существенные элементы второго примера выполнения ядерно-магнитного расходомера согласно изобретению 1. В отличие от изображенного на фиг. 1 примера выполнения антенное устройство 6 содержит только единственную катушку 24 для передачи сигналов возбуждения в намагниченную среду 3 и для детектирования измерительных сигналов. Единственная катушка 24 является выполненной в виде цилиндрической катушки ответвленной катушкой с первым ответвлением 25 (отводом) и вторым ответвлением 26 (отводом). Ответвленная катушка 24 расположена вокруг текущей в измерительной трубе 2 среды 3, и магнитное поле имеет в текущей в измерительной трубе 2 среде 3 по меньшей мере один параллельный оси х компонент. Ответвление 24 и ответвление 25 делят ответвленную катушку 24 на первую частичную катушку, вторую частичную катушку и третью частичную катушку. Первая частичная катушка образует антенну 7 с измерительным участком 10, вторая частичная катушка образует первую другую антенну 11 с первым другим измерительным участком 13, и третья частичная катушка образует вторую другую антенну 12 со вторым другим измерительным участком 14. К примеру выполнения на фиг. 2 относятся также прочие рассуждения к изображенному на фиг. 1 первому примеру выполнения.

На фиг. 3А и фиг. 3Б схематически изображены существенные элементы третьего примера выполнения ядерно-магнитного расходомера согласно изобретению 1. Наряду с известной из первого примера выполнения цилиндрической катушкой 18, которая образует антенну 7 с измерительным участком 10, антенное устройство 6 имеет также первую седлообразную катушку 27 и вторую седлообразную катушку 28. Первая седлообразная катушка 27 образует на протяженности первого другого измерительного участка 13 первую другую антенну 11, а вторая седлообразная катушка 28 образует на протяженности второго другого измерительного участка 14 вторую другую антенну 12.

Магнитное поле каждой из седлообразных катушек 27, 28 имеет в текущей в измерительной трубе 2 среде 3 по меньшей мере один параллельный оси y компонент. В противоположность этому магнитное поле цилиндрической катушки 18 имеет в текущей в измерительной трубе 2 среде 3 по меньшей мере один параллельный оси х компонент. Вследствие разных направлений магнитного поля цилиндрической катушки 18, с одной стороны, и магнитного поля седлообразных катушек 27, 28, с другой стороны, индуктивная связь между цилиндрической катушкой 18 и седлообразными катушками 27, 28 меньше, чем если бы седлообразные катушки 27, 28 были заменены цилиндрической катушкой по меньшей мере с одним параллельным оси х компонентом. магнитного поля. Благодаря меньшей индуктивной связи улучшается качество измеряемых данных.

Первая другая антенна 11 и вторая другая антенна 12 расположены вокруг измерительной трубы 2 напротив друг друга относительно оси х, а именно таким образом, что первый другой измерительный участок 13 и второй другой измерительный участок 14 являются конгруэнтными. Направление общего магнитного поля первой седлообразной катушки 27 и второй седлообразной катушки 28 в текущей среде 3 описано осью 29 пары антенн, которая совпадает с осью у. К данному примеру выполнения относятся также прочие рассуждения к изображенному на фиг. 1 первому примеру выполнения.

ССЫЛОЧНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

1 ядерно-магнитный расходомер

2 измерительная труба

3 среда

4 устройство создания магнитного поля

5 измерительное устройство

6 антенное устройство

7 антенна

8 продольная ось измерительной трубы

9 участок магнитного поля

10 измерительный участок антенны

11 первая другая антенна

12 вторая другая антенна

13 первый другой измерительный участок

14 второй другой измерительный участок

15 подводящий участок

16 первый другой подводящий участок

17 второй другой подводящий участок

18 первая цилиндрическая катушка

19 вторая цилиндрическая катушка

20 третья цилиндрическая катушка

21 антенная группа

22 промежуточный измерительный участок

23 комбинированный измерительный участок

24 ответвленная катушка

25 первое ответвление

26 второе ответвление

27 первая седлообразная катушка

28 вторая седлообразная катушка

29 ось пары антенн.

1. Ядерно-магнитный расходомер (1) для определения расхода текущей через измерительную трубу (2) среды с устройством (4) создания магнитного поля, измерительным устройством (5) и антенным устройством (6) с антенной (7),

причем устройство (4) создания магнитного поля на протяженности направленного параллельно продольной оси (8) измерительной трубы участка (9) магнитного поля пронизывает текущую среду (3) имеющим по меньшей мере один перпендикулярный продольной оси (8) измерительной трубы компонент магнитным полем для намагничивания среды (3),

причем измерительное устройство (5) выполнено для формирования возбуждающих намагниченную среду (3) сигналов возбуждения и для измерения вызванных сигналами возбуждения в намагниченной среде (3) измерительных сигналов, и

причем антенна (7) выполнена катушкообразной и выполнена на протяженности направленного параллельно продольной оси (8) измерительной трубы и находящегося на участке (9) магнитного поля измерительного участка (10) для передачи сигналов возбуждения в намагниченную среду (3) и для детектирования измерительных сигналов,

отличающийся тем, что

антенное устройство (6) имеет по меньшей мере одну другую антенну (11, 12), что другая антенна (11, 12) выполнена катушкообразной и выполнена на протяженности другого, направленного параллельно продольной оси (8) измерительной трубы и находящегося на участке (9) магнитного поля измерительного участка (13, 14) для передачи сигналов возбуждения в намагниченную среду (3) и для детектирования измерительных сигналов, и что измерительный участок (10) и другой измерительный участок (13, 14) являются разными.

2. Ядерно-магнитный расходомер (1) по п. 1, отличающийся тем, что плотности намотки по меньшей мере двух из выполненных катушкообразными антенн (7, 11, 12) являются одинаковыми.

3. Ядерно-магнитный расходомер (1) по п. 1 или 2, отличающийся тем, что измерительные участки (10, 13, 14) по меньшей мере двух из антенн (7, 11, 12) являются разными по длине.

4. Ядерно-магнитный расходомер (1) по п. 3, отличающийся тем, что длины измерительных участков (10, 13, 14) по меньшей мере двух из антенн (7, 11, 12) увеличиваются в направлении течения среды (3).

5. Ядерно-магнитный расходомер (1) по одному из пп. 1, 2 или 4, отличающийся тем, что по меньшей мере одна из антенн (7, 11, 12) имеет единственную катушку для передачи сигналов возбуждения в намагниченную среду (3) и для детектирования измерительных сигналов.

6. Ядерно-магнитный расходомер (1) по п. 5, отличающийся тем, что единственная катушка по меньшей мере одной из имеющих единственную катушку антенн (7, 11, 12) является цилиндрической катушкой (18, 19, 20), магнитное поле цилиндрической катушки (18, 19, 20) в текущей в измерительной трубе (2) среде (3) имеет по меньшей мере один параллельный продольной оси (8) измерительной трубы компонент, и цилиндрическая катушка (18, 19, 20) расположена вокруг текущей в измерительной трубе (2) среды (3).

7. Ядерно-магнитный расходомер (1) по п. 6, отличающийся тем, что антенное устройство (6) имеет по меньшей мере одну антенную группу (21), эта антенная группа (21) имеет по меньшей мере две имеющие цилиндрическую катушку (18, 19) в качестве единственной катушки антенны (7, 11), и измерительные участки (10, 13) имеющих цилиндрическую катушку (18, 19) в качестве единственной катушки антенн (7, 11) расположены последовательно вдоль продольной оси (8) измерительной трубы.

8. Ядерно-магнитный расходомер (1) по п. 7, отличающийся тем, что по меньшей мере два последовательных измерительных участка (10, 13) по меньшей мере одной из антенных групп (21) для снижения индуктивной связи двух последовательных антенн (7, 11) удалены друг от друга посредством промежуточного измерительного участка (22), параллельного продольной оси (8) измерительной трубы.

9. Ядерно-магнитный расходомер (1) по п. 8, отличающийся тем, что по меньшей мере две из удаленных посредством одного из промежуточных измерительных участков (22) антенн (7, 11) по меньшей мере одной из антенных групп (21) образуют комбинированную антенну с комбинированным измерительным участком (23), комбинированный измерительный участок (23) состоит из измерительных участков (10, 13) антенн (7, 11) и промежуточных измерительных участков (22), и комбинированная антенна имеет на протяженности комбинированного измерительного участка (23) такие же характеристики, как и одна из обеих антенн (7, 11) на протяженности своего соответствующего измерительного участка (10, 13).

10. Ядерно-магнитный расходомер (1) по одному из пп. 1, 2, 4, 6-9, отличающийся тем, что антенное устройство (6) имеет по меньшей мере одну ответвленную катушку (24) по меньшей мере с одним ответвлением (25, 26), ответвление (25, 26) делит ответвленную катушку (24) на две частичные катушки, и каждая из частичных катушек образует одну из антенн (7, 11, 12).

11. Ядерно-магнитный расходомер (1) по п. 10, отличающийся тем, что по меньшей мере одна из ответвленных катушек (22) является цилиндрической катушкой, магнитное поле цилиндрической катушки в текущей в измерительной трубе (2) среде (3) имеет по меньшей мере один параллельный продольной оси (8) измерительной трубы компонент, и цилиндрическая катушка расположена вокруг текущей в измерительной трубе (2) среды (3).

12. Ядерно-магнитный расходомер (1) по п. 10, отличающийся тем, что по меньшей мере одна из антенн (7, 11, 12) по меньшей мере одной из ответвленных катушек (24) имеет компенсационную антенну для компенсации действующего в среде (3) за счет устройства (4) создания магнитного поля за пределами по меньшей мере одного из измерительных участков (10, 13, 14), выполненных посредством ответвленной катушки (24) антенн (7, 11, 12).

13. Ядерно-магнитный расходомер (1) по п. 11, отличающийся тем, что по меньшей мере одна из антенн (7, 11, 12) по меньшей мере одной из ответвленных катушек (24) имеет компенсационную антенну для компенсации действующего в среде (3) за счет устройства (4) создания магнитного поля за пределами по меньшей мере одного из измерительных участков (10, 13, 14), выполненных посредством ответвленной катушки (24) антенн (7, 11, 12).

14. Ядерно-магнитный расходомер (1) по одному из пп. 6-9, 11-13, отличающийся тем, что единственная катушка по меньшей мере одной из антенн (11, 12) является седлообразной катушкой (27, 28), и магнитное поле седлообразной катушки (27, 28) в текущей в измерительной трубе (2) среде (3) имеет по меньшей мере один перпендикулярный продольной оси (8) измерительной трубы компонент.

15. Ядерно-магнитный расходомер (1) по п. 14, отличающийся тем, что антенное устройство (6) имеет по меньшей мере одну пару антенн, пара антенн имеет две из имеющих седлообразную катушку (27, 28) в качестве единственной катушки антенн (11, 12), обе имеющие седлообразную катушку (27, 28) в качестве единственной катушки антенны (11, 12) являются противолежащими относительно продольной оси (8) измерительной трубы, измерительные участки (13, 14) обеих антенн (11, 12) являются конгруэнтными, направление магнитного поля пары антенн в среде (3) описано осью (29) пары антенн, и ось (29) пары антенн имеет по меньшей мере один перпендикулярный продольной оси (8) измерительной трубы компонент.

16. Ядерно-магнитный расходомер (1) по п. 15, отличающийся тем, что антенное устройство (6) имеет по меньшей мере две пары антенн, оси (29) пар антенн обеих пар антенн ориентированы различно, и измерительные участки (13, 14) пар антенн являются по меньшей мере перекрывающимися.

17. Ядерно-магнитный расходомер (1) по одному из пп. 1, 2, 4, 6-9, 11-13, 15, 16, отличающийся тем, что по меньшей мере одна из антенн (7, 11, 12) выполнена для создания магнитного поля, напряженность магнитного поля имеет градиент, и магнитное поле простирается в среде (3) по меньшей мере на протяженности измерительного участка (10, 13, 14) по меньшей мере одной антенны (7, 11, 12).

18. Способ эксплуатации ядерно-магнитного расходомера (1) по п. 1, причем измерительные участки (10, 13, 14) по меньшей мере двух из антенн (7, 11, 12) являются разными по длине,

отличающийся тем,

что посредством измерительного устройства (5) формируют сигналы возбуждения,

что посредством антенны (7) сигналы возбуждения передают в находящуюся на измерительном участке (10) текущую намагниченную среду (3), и вызванные в среде (3) сигналами возбуждения измерительные сигналы от находящейся на измерительном участке (10) среды (3) детектируют антенной (7),

что посредством по меньшей мере одной другой антенны (11, 12) сигналы возбуждения передают в находящуюся по меньшей мере на одном другом измерительном участке (13, 14) текущую намагниченную среду (3), и вызванные в среде (3) сигналами возбуждения измерительные сигналы от находящейся по меньшей мере на одном другом измерительном участке (13, 14) среды (3) детектируют этой по меньшей мере одной другой антенной (11, 12),

что выведенные измерительные сигналы образуют с по меньшей мере пониженным влиянием дефазирования, соединяя друг с другом измерительные сигналы, детектированные антенной (7), и измерительные сигналы, детектированные по меньшей мере одной другой антенной (11, 12), и

что из выведенных измерительных сигналов определяют скорость текущей среды (3).

19. Способ по п. 18, отличающийся тем, что выведенные измерительные сигналы являются частными, что каждый из частных образуют из измерительного сигнала, детектированного одной из антенн (7, 11, 12), и измерительного сигнала, детектированного одной из прочих антенн (7, 11, 12), и что измерительный участок (10, 13, 14) антенны и измерительный участок (10, 13, 14) прочей антенны (7, 11, 12) являются разными по длине.

20. Способ по п. 18, отличающийся тем, что сигналы возбуждения передают в среду (3) посредством антенны (7, 11, 12) и посредством по меньшей мере одной из других антенн (7, 11, 12) в одно и то же время.

21. Способ по п. 19, отличающийся тем, что сигналы возбуждения передают в среду (3) посредством антенны (7, 11, 12) и посредством по меньшей мере одной из других антенн (7, 11, 12) в одно и то же время.

22. Способ по одному из пп. 18-21, отличающийся тем, что в ядерно-магнитном расходомере (1) реализуют п. 2 или один из пп. 4-16.