(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定管（２）を貫流する媒体の流量を測定する核磁気流量計（１）であって、
磁場発生装置（４）と、測定装置（５）と、アンテナ（７）を備えたアンテナ装置（６）と、が設けられており、
前記磁場発生装置（４）は、前記媒体（３）を磁化するために、測定管長手軸（８）に平行に配向された磁場区間（９）にわたり、前記測定管長手軸（８）に垂直な少なくとも１つの成分を含む磁場を、流動する前記媒体（３）に浸透させ、
前記測定装置（５）は、磁化された前記媒体（３）を励起する励起信号を発生し、磁化された前記媒体（３）において励起信号により引き起こされた測定信号を測定するように、構成されており、
前記アンテナ（７）は、コイル状に形成されており、前記測定管長手軸（８）に平行に配向され前記磁場区間（９）内に位置する測定区間（１０）にわたって、磁化された前記媒体（３）に向けて前記励起信号を伝送し、前記測定信号を検出するように、構成されている核磁気流量計（１）において、
前記アンテナ装置（６）は、少なくとも１つの別のアンテナ（１１，１２）を備えており、
前記別のアンテナ（１１，１２）は、コイル状に形成されており、前記測定管長手軸（８）に平行に配向され前記磁場区間（９）内に位置する別の測定区間（１３，１４）にわたって、磁化された前記媒体（３）に向けて前記励起信号を伝送し、前記測定信号を検出するように、構成されており、
前記測定区間（１０）と前記別の測定区間（１３，１４）はそれぞれ異なり、
前記アンテナ（７，１１，１２）のうち少なくとも２つのアンテナの測定区間（１０，１３，１４）は、それぞれ異なる長さであり、
前記アンテナ（７，１１，１２）のうち少なくとも２つのアンテナの測定区間（１０，１３，１４）の長さは、前記媒体（３）の流動方向で増大していく、
核磁気流量計（１）。
【請求項２】
コイル状に形成された前記アンテナ（７，１１，１２）のうち少なくとも２つのアンテナの巻回密度は等しい、
請求項１記載の核磁気流量計（１）。
【請求項３】
前記アンテナ（７，１１，１２）のうち少なくとも１つのアンテナは、磁化された前記媒体（３）に向けて前記励起信号を伝送するために、および、前記測定信号を検出するために、１つのシングルコイルを有している、
請求項１または２記載の核磁気流量計（１）。
【請求項４】
前記１つのシングルコイルを含む前記アンテナ（７，１１，１２）のうち少なくとも１つのアンテナのシングルコイルは、円筒コイル（１８，１９，２０）であり、
前記円筒コイル（１８，１９，２０）の磁場は、前記測定管（２）内を流れる前記媒体（３）において、前記測定管長手軸（８）に平行な少なくとも１つの成分を含み、
前記円筒コイル（１８，１９，２０）は、前記測定管（２）内を流れる前記媒体（３）の周囲に配置されている、
請求項３記載の核磁気流量計（１）。
【請求項５】
前記アンテナ装置（６）は、少なくとも１つのアンテナ群（２１）を有しており、
該アンテナ群（２１）は、１つの円筒コイル（１８，１９）をシングルコイルとして含む、少なくとも２つのアンテナ（７，１１）を有しており、
１つの円筒コイル（１８，１９）をシングルコイルとして含む前記アンテナ（７，１１）の測定区間（１０，１３）は、前記測定管長手軸（８）に沿って相前後して配置されている、
請求項４記載の核磁気流量計（１）。
【請求項６】
前記アンテナ群（２１）のうち少なくとも１つのアンテナ群の、相前後する前記測定区間（１０，１３）のうち少なくとも２つの測定区間は、相前後する２つの前記アンテナ（７，１１）の誘導結合を低減するため、前記測定管長手軸（８）に平行な測定ギャップ区間（２２）によって離間されている、
請求項５記載の核磁気流量計（１）。
【請求項７】
前記アンテナ群（２１）のうち少なくとも１つのアンテナ群の、前記測定ギャップ区間（２２）のうち１つの測定ギャップ区間により離間された、前記アンテナ（７，１１）のうち少なくとも２つのアンテナは、複合測定区間（２３）を有する複合アンテナを成しており、
前記複合測定区間（２３）は、前記アンテナ（７，１１）の測定区間（１０，１３）と前記測定ギャップ区間（２２）とから成り、
前記複合アンテナは、前記複合測定区間（２３）全体にわたって、前記２つのアンテナ（７，１１）の一方とそれぞれ個々の測定区間（１０，１３）にわたり、同じ特性を有する、
請求項６記載の核磁気流量計（１）。
【請求項８】
前記アンテナ装置（６）は、少なくとも１つのタップ（２５，２６）を備えた少なくとも１つのタップ付きコイル（２４）を含み、
前記タップ（２５，２６）により、前記タップ付きコイル（２４）は２つの部分コイルに分割され、該部分コイルの各々は、前記アンテナ（７，１１，１２）のうち１つのアンテナを成す、
請求項１から７のいずれか１項記載の核磁気流量計（１）。
【請求項９】
前記タップ付きコイル（２４）のうち少なくとも１つのタップ付きコイルは、円筒コイルであり、
前記円筒コイルの磁場は、前記測定管（２）内を流れる前記媒体（３）において、前記測定管長手軸（８）に平行な少なくとも１つの成分を含み、
前記円筒コイルは、前記測定管（２）内を流れる前記媒体（３）の周囲に配置されている、
請求項８記載の核磁気流量計（１）。
【請求項１０】
前記タップ付きコイル（２４）のうち少なくとも１つのタップ付きコイル（２４）における、前記アンテナ（７，１１，１２）のうち少なくとも１つアンテナは、補償アンテナを有しており、
該補償アンテナは、前記タップ付きコイル（２４）により形成された前記アンテナ（７，１１，１２）の測定区間（１０，１３，１４）のうち少なくとも１つの測定区間の外で、前記磁場発生装置（４）により前記媒体（３）において作用する磁場を補償する、
請求項８または９記載の核磁気流量計（１）。
【請求項１１】
前記アンテナ（１１，１２）のうち少なくとも１つのアンテナのシングルコイルは、鞍型コイル（２７，２８）であり、
前記鞍型コイル（２７，２８）の磁場は、前記測定管（２）内を流れる前記媒体（３）において、前記測定管長手軸（８）に垂直な少なくとも１つの成分を含む、
請求項３から１０のいずれか１項記載の核磁気流量計（１）。
【請求項１２】
前記アンテナ装置（６）は、少なくとも１つのアンテナペアを有しており、
該アンテナペアは、１つの鞍型コイル（２７，２８）をシングルコイルとして含む前記アンテナ（１１，１２）のうち２つのアンテナを含み、
１つの鞍型コイル（２７，２８）をシングルコイルとして含む前記２つのアンテナ（１１，１２）は、前記測定管長手軸（８）に関して向き合って位置しており、
前記２つのアンテナ（１１，１２）の測定区間（１３，１４）は合同であり、
前記媒体（３）における前記アンテナペアの磁場方向は、１つのアンテナペア軸（２９）によって表され、
前記アンテナペア軸（２９）は、前記測定管長手軸（８）に垂直な少なくとも１つの成分を含む、
請求項１１記載の核磁気流量計（１）。
【請求項１３】
前記アンテナ装置（６）は、少なくとも２つのアンテナペアを含み、該２つのアンテナペアのアンテナペア軸（２９）は、それぞれ異なるように配向されており、該アンテナペアの測定区間（１３，１４）は、少なくともオーバーラップしている、
請求項１２記載の核磁気流量計（１）。
【請求項１４】
前記アンテナ（７，１１，１２）のうち少なくとも１つのアンテナは、磁場を発生させるように形成されており、該磁場の磁場強度は勾配を有しており、該磁場は前記媒体において、前記少なくとも１つのアンテナ（７，１１，１２）の測定区間（１０，１３，１４）にわたり延在している、
請求項１から１３のいずれか１項記載の核磁気流量計（１）。
【請求項１５】
請求項１記載の核磁気流量計（１）の作動方法において、
前記測定装置（５）により励起信号を発生させるステップと、
前記励起信号を、測定区間（１０）内に存在する流動する磁化された媒体（３）へ、アンテナ（７）により伝送し、前記媒体（３）において前記励起信号によって引き起こされた、前記測定区間（１０）内に存在する前記媒体（３）からの測定信号を、前記アンテナ（７）により検出するステップと、
前記励起信号を、少なくとも１つの別の測定区間（１３，１４）内に存在する流動する磁化された媒体（３）へ、少なくとも１つの別のアンテナ（１１，１２）により伝送し、前記媒体（３）において前記励起信号によって引き起こされた、前記少なくとも１つの別の測定区間（１３，１４）内に存在する媒体（３）からの測定信号を、前記少なくとも１つの別のアンテナ（１１，１２）により検出するステップと、
前記アンテナ（７）により検出された測定信号と、前記少なくとも１つの別のアンテナ（１１，１２）により検出された測定信号とを、互いに結合することによって、ディフェージングによる作用が少なくとも低減された、導出された測定信号を生成するステップと、
前記導出された測定信号から、流動する前記媒体（３）の速度を求めるステップと、
を有する、
核磁気流量計（１）の作動方法。
【請求項１６】
前記導出された測定信号は商であり、
該商の各々を、前記アンテナ（７，１１，１２）のうち１つのアンテナにより検出された測定信号と、残りのアンテナ（７，１１，１２）のうち１つのアンテナにより検出された測定信号とから形成し、
前記アンテナの測定区間（１０，１３，１４）と、前記残りのアンテナ（７，１１，１２）の測定区間（１０，１３，１４）は、それぞれ異なる長さである、
請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
前記アンテナ（７，１１，１２）と、前記別のアンテナ（７，１１，１２）のうち少なくとも１つのアンテナとによって、前記励起信号を同時に前記媒体（３）へ伝送する、
請求項１５または１６記載の方法。
【請求項１８】
核磁気流量計（１）において、請求項１から１４のいずれか１項を実現する、
請求項１５から１７のいずれか１項記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定管を貫流する媒体の流量を測定する核磁気流量計に関する。この場合、磁場発生装置と、測定装置と、アンテナを含むアンテナ装置とが設けられており、磁場発生装置は、媒体を磁化するために、測定管長手軸に平行に配向された磁場区間にわたり、測定管長手軸に垂直な少なくとも１つの成分を含む磁場を、流動する媒体に浸透させ、測定装置は、磁化された媒体を励起する励起信号を発生し、磁化された媒体において励起信号により引き起こされた測定信号を測定するように、構成されており、アンテナは、コイル状に形成されており、測定管長手軸に平行に配向され磁場区間内に位置する測定区間にわたって、磁化された媒体に向けて励起信号を伝送し、測定信号を検出するように、構成されている。さらに本発明は、核磁気流量計の作動方法にも関する。
【背景技術】
【０００２】
核スピンを有する元素の原子核は、核スピンによって引き起こされる磁気モーメントμも有する。核スピンは、ベクトルで表すことのできる角運動量として捉えることができ、これに応じて磁気モーメントも、角運動量のベクトルに対し平行に配向されたベクトル
【数１】
0006490073.tif 000002
によって表すことができる。原子核の磁気モーメントのベクトルは、巨視的磁場が存在する場合には、傾向としては原子核の位置における巨視的磁場のベクトルに対し平行に配向される。この場合、原子核の磁気モーメントのベクトルは、原子核の位置における巨視的磁場のベクトルを中心に歳差運動する。歳差運動の角周波数はラーモア周波数と呼ばれ、磁気回転比と原子核の位置における磁束密度の値との積である。したがってラーモア周波数は、原子核の位置における磁束密度の値に比例する。磁気回転比は、水素原子核の場合に最大である。
【０００３】
ある体積Ｖにおいてそれぞれ磁気モーメント
【数２】
0006490073.tif 000003
を有するｋ個の複数の原子核は、巨視的磁場が存在しない場合には、原子核の個々の磁気モーメントの配向が統計的均等分布であることから、巨視的磁化
【数３】
0006490073.tif 000004
をなさない。巨視的磁場が存在すると、原子核における個々の磁気モーメントの配向の統計的均等分布が妨害を受けて、巨視的磁場に対し平行な巨視的磁化が形成される。巨視的磁場における磁気モーメントの配向プロセスの時間的推移は、スピン−格子緩和時定数Ｔ1によって表され、指数関数的に減衰する推移を有する。スピン−格子緩和時定数の値自体は、種々の物質に特徴的なものである。
【０００４】
冒頭で述べた形式の核磁気流量計は、測定管を貫流する媒体の流量を測定するように構成されている。この媒体は、１つの相を含むものであってもよいし、または複数の相を含んでいてもよい。単相媒体の場合、測定管内の媒体の流動速度を求めることによって、流量が測定される。多相媒体の流量測定の場合には、複数の相各々の流動速度の測定のほか、媒体における複数の相各々の割合も求められる。この場合、媒体の各相は、磁気モーメントを伴う原子核を含んでおり、したがってそれらの相を１つの磁場において磁化させることができる。媒体の各相はそれぞれ異なるスピン−格子緩和時定数を有しているので、媒体におけるそれらの割合を求めることができる。油井から採掘される多相媒体は基本的に、２つの液相すなわち原油および塩水と、１つの気相すなわち天然ガスとから成り、この場合、すべての相は水素原子核を含み、それぞれ異なるスピン−格子緩和時定数を有している。このため、冒頭で述べた形式の核磁気流量計は、油井から採掘される多相媒体の流量測定に特に適している。
【０００５】
媒体における個々の相の割合を特定するための測定方法によれば、磁場発生装置から発せられた磁場によって媒体に及ぼされる作用の持続時間が、それぞれ異なる長さであることに基づき、媒体の磁化を測定する。磁場により及ぼされる特定の作用持続時間に基づく磁化の測定は、測定装置によって行われ、その際、磁化された媒体が励起信号によって励起され、磁化された媒体において励起信号により引き起こされた測定信号が測定され、それらの測定信号が評価される。媒体励起前は非相関に歳差運動していた、個々の原子核における磁気モーメントのベクトルは、励起によって相関づけられ、このことは第一に、各磁気モーメントの歳差運動ベクトル間において、一定の位相関係があることを意味する。しかしながら励起後、時間が経過するにつれてこの相関は、種々のメカニズムに起因して指数関数的に減衰し、このことはディフェージングと呼ばれ、ここでは緩和時定数Ｔ2によって表される。緩和時定数Ｔ2の値は、種々の物質に特徴的なものである。したがって測定信号は、ラーモア周波数と指数関数的に減衰する振幅とによって表される調和振動を有する。測定装置はさらに、媒体に対しそれぞれ異なる長さで及ぼされる作用持続時間と、それによって定まる磁化とから、媒体における個々の相の割合を特定する。この場合、コイル状に形成されたアンテナ装置のアンテナによって、媒体に向けて励起信号が伝送される一方、励起された媒体の測定信号が検出される。アンテナ装置は、励起信号を測定装置からアンテナに伝送し、測定信号をアンテナから測定装置へ伝送する。
【０００６】
冒頭で述べた形式の従来技術から公知の核磁気流量計は、何らかの機械装置を介して生じさせる磁場の変化によって、媒体に及ぼされる磁場の作用持続時間を変化させる。
【０００７】
米国特許第７，８７２，４７４号明細書から、冒頭で述べた形式の核磁気流量計が公知である。これによれば磁場発生装置は、測定管の周囲にその長手軸に沿って相前後して配置された複数の磁石装置を備えている。磁石装置各々は、測定管長手軸を中心に回転可能であり、測定管内を流れる媒体に所定の方向を指す磁場を浸透させる。これらの磁石装置における個々の磁場の方向を、互いに平行にまたは逆平行に、配向することができる。磁場発生装置がたとえば４つの磁石装置を備え、かつこれら４つの磁石装置における磁場の方向が平行に配向されている場合、媒体に及ぼされる磁場の作用持続時間が最大になる。これらの磁石装置のうち１つの磁石装置における磁場の方向が、残りの３つの磁石装置による磁場の方向に対し逆平行に配置されている場合、媒体に及ぼされる作用持続時間は、上述の場合の半分の長さに過ぎない。その理由は、磁場方向が平行に配向された３つの磁石装置のうちの１つが、磁場方向が逆平行に配向された磁石装置により生じる媒体の磁化を相殺するからである。個々の磁石コンポーネントを回転させるためには、それ相応の機械装置が必要とされる。この機械装置は、あらゆる機械装置と同様、コストが付随するし、スペースが必要とされ、さらにメンテナンスをしなければならず、しかもメンテナンスをしたにしても信頼性に乏しい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第７，８７２，４７４号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の課題は、信頼性を向上させた核磁気流量計を提供すること、ならびに核磁気流量計の作動方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明による核磁気流量計によれば、先に挙げた上述の課題が解決されており、第一に、また、基本的に、以下のことを特徴としている。すなわち、アンテナ装置は、少なくとも１つの別のアンテナを備えており、この別のアンテナは、コイル状に形成されており、測定管長手軸に平行に配向され磁場区間内に位置する別の測定区間にわたって、磁化された媒体に励起信号を伝送し、測定信号を検出するように、構成されており、測定区間と別の測定区間はそれぞれ異なる。
【００１１】
アンテナ装置は、少なくとも２つのアンテナを含み、その際、アンテナ各々は、コイル状に形成されており、測定管長手軸に平行に配向され磁場区間内に位置する測定区間にわたって、磁化された媒体に向けて励起信号を伝送し、測定信号を検出するように、構成されている。測定区間各々は、測定管長手軸に平行なそれらの長さと、測定管長手軸上の位置によって、一義的に定められている。これらの測定区間のうち、少なくともそれぞれ２つの測定区間を、相前後するように、またはオーバーラップするように、磁場区間内に配置することができる。
【００１２】
アンテナのそれぞれ異なる測定区間によって、励起信号により媒体が励起され、その後、磁場が媒体に及ぼすそれぞれ異なる長さの作用持続時間に従い、励起信号により引き起こされた媒体の測定信号が検出される。媒体に及ぼされる磁場の作用持続時間は、媒体流動方向で磁場区間の始端から個々のアンテナに至るまでの区間と、測定管内の媒体の速度とから直接、求められる。
【００１３】
従来技術において公知の冒頭で述べた形式の核磁気流量計に対し、本発明による核磁気流量計によれば、媒体に及ぼされる磁場の有効な作用持続時間を変化させるための機械装置が不要になる、という利点が得られる。このような機械装置が不要となることから、本発明による核磁気流量計は著しく簡素化される。これに伴い、メンテナンスの煩雑さならびにメンテナンスのコストが低減され、かつ本発明による核磁気流量計の信頼性が高まる。コイル状のアンテナにかかるコストは、上述のような機械装置よりも著しく安価であり、したがって同じコストでいっそう多くの個数のアンテナを実現することができる。いっそう多くの個数のアンテナを設けることにより、媒体に及ぼされるそれぞれ異なる磁場作用時間の数をいっそう増やして、媒体の磁化を測定できるようになり、それによって測定精度が向上する。
【００１４】
本発明による核磁気流量計の１つの有利な実施形態によれば、コイル状に形成されたアンテナのうち少なくとも２つのアンテナの巻回密度が等しくなるように構成されている。同じ巻回密度にすることで、コイル状のアンテナの製造が簡単になり、そのことによってアンテナにかかるコストが安価になる。しかも、等しい巻回密度を有するコイル状に形成されたアンテナは、それぞれ同じような電気特性を有することから、測定装置の調整も簡単になる。
【００１５】
媒体の流動速度に測定区間の長さを比例させると、媒体の流動速度範囲全体にわたり測定区間の長さを一定とするよりも測定結果が改善される、ということが判明した。たとえば流動速度を以下のようにして求める場合、すなわち流動する媒体を１つの測定区間にわたり励起し、ついで励起により引き起こされた減衰する測定信号に基づき流動速度を求める場合、緩和時定数Ｔ2は、測定区間内における媒体の滞留時間よりも十分に大きくなければならない。緩和時定数Ｔ2が滞留時間よりも十分に大きいというのは、緩和時定数Ｔ2に基づく測定信号の減衰により流動速度を求める際に生じる誤差が、個々の用途に対して許容できる場合である。したがって所定の緩和時定数Ｔ2のとき、高速の流動速度の測定は、短い測定区間を用いた場合よりも長い測定区間を用いた場合のほうが正確である。したがって本発明による核磁気流量計の特に有利な実施形態によれば、複数のアンテナのうち少なくとも２つのアンテナの測定区間が、それぞれ異なる長さとなるように構成されている。しかも、複数のアンテナのうち少なくとも２つのアンテナの測定区間の長さを、媒体の流動方向で増大していくようにすると、測定結果をいっそう向上させることができる。
【００１６】
磁化された媒体への励起信号の伝送および測定信号の検出は、コイル状のアンテナによって行われる。磁化された媒体への励起信号の伝送を第１のコイルによって行い、測定信号の検出を第２のコイルによって行うことができる。これに対し、本発明による核磁気流量計のさらに別の特別に有利な実施形態によれば、複数のアンテナのうち少なくとも１つのアンテナは、磁化された媒体への励起信号の伝送および信号の検出のために、ただ１つのシングルコイルを有するように構成されている。１つのシングルコイルだけを用いてアンテナを構成することで、一方ではアンテナの製造コストが著しく削減されるものの、他方では測定装置が複雑になるが、それはごく僅かであるにすぎない。
【００１７】
１つのシングルコイルを含む複数のアンテナのうち少なくとも１つのアンテナのシングルコイルを、円筒コイルとすることができ、この場合、円筒コイルの磁場は、測定管内を流れる媒体において、測定管長手軸に平行な少なくとも１つの成分を含み、円筒コイルは、測定管内を流れる媒体の周囲に配置されている。測定管の周囲に円筒コイルを配置するとは、測定管の周囲にコイルが巻回された構成のことを意味する。これに加えて可能であるのは、円筒コイルが測定管の１つの構成部材であるように、測定管の上にコイルを巻回した構成である。
【００１８】
さらにアンテナ装置は、少なくとも１つのアンテナ群を有することができる。この場合、アンテナ群は、１つの円筒コイルをシングルコイルとして含む少なくとも２つのアンテナを有しており、１つの円筒コイルをシングルコイルとして含むアンテナの測定区間は、測定管長手軸に沿って相前後して配置されている。２つのアンテナが相前後して配置されている、というのは、２つのアンテナの間にさらに別のアンテナが配置されていない場合である。
【００１９】
さらに有利であるのは、複数のアンテナ群のうち少なくとも１つのアンテナ群の、相前後する複数の測定区間のうち少なくとも２つの測定区間は、相前後する２つのアンテナの誘導結合を低減するため、測定管長手軸に平行な測定ギャップ区間を隔てて離間されていることである。用途によっては、相前後する２つのアンテナのある程度の大きさの誘導結合を許容することができ、この場合、許容限界が、相前後する２つのアンテナの離間に対する尺度となる。
【００２０】
本発明による核磁気流量計のさらに別の実施形態によれば、以下のように構成することができる。すなわち、複数のアンテナ群の少なくとも１つにおいて、複数の測定ギャップ区間の１つにより離間された複数のアンテナのうち、少なくとも２つのアンテナは、複合測定区間を有する複合アンテナを成しており、複合測定区間は、アンテナの測定区間と測定ギャップ区間とから成り、複合アンテナは複合測定区間全体にわたって、２つのアンテナの一方とそれぞれ個々の測定区間にわたり、同じ特性を有する。したがって、複数の複合アンテナのうち１つの複合アンテナにおける複数のアンテナを、それらの個々の測定区間によって別個に駆動することができ、これはそれらのアンテナの誘導結合が許容できる場合であり、または、それら複数のアンテナを、複合アンテナとして駆動することができ、その場合、複合アンテナは複合測定区間にわたって、個々の測定区間にわたる各アンテナと同じ電気特性を有している。
【００２１】
本発明による核磁気流量計の特に有利な別の実施形態によれば、アンテナ装置は、少なくとも１つのタップを備えた少なくとも１つのタップ付きコイルを有するように構成されている。タップによって、タップ付きコイルは２つの部分コイルに分割され、部分コイルの各々によって、複数のアンテナのうち１つのアンテナが形成されている。したがってこの場合にはアンテナは、上述のように複数のシングルコイルによって実現されているのではなく、複数のタップを備えた１つのコイルによって実現されており、このことによって製造コストが低減される。
【００２２】
タップ付きコイルを円筒コイルとすることができ、この場合、円筒コイルの磁場は、測定管内を流れる媒体において、測定管長手軸に平行な少なくとも１つの成分を含み、円筒コイルは、測定管内を流れる媒体の周囲に配置されている。なお、測定管の周囲に円筒コイルを配置するとは、測定管の周囲にコイルが巻回された構成のことを意味する。これに加えて可能であるのは、このコイルが測定管の１つの構成部材であるように、測定管の上にコイルを巻回した構成である。
【００２３】
流量測定の品質にとって有利であると判明したのは、複数のタップ付きコイルのうち少なくとも１つのコイルの、複数のアンテナのうち少なくとも１つアンテナが、補償アンテナを有することである。この補償アンテナは、タップ付きコイルにより形成されたアンテナの測定区間のうち少なくとも１つの測定区間の外で、磁場発生装置により媒体において作用する磁場を補償する。
【００２４】
本発明による核磁気流量計のさらに別の有利な実施形態によれば、複数のアンテナのうち少なくとも１つのアンテナのシングルコイルは鞍型コイルであり、この鞍型コイルの磁場は、測定管内を流れる媒体において、測定管長手軸に垂直な少なくとも１つの成分を含んでいる。
【００２５】
円筒コイルを測定管周囲に配置する必要がある場合には、鞍型コイルを測定管の側方に配置し、あるいは図面からすでにわかるように、測定管に鞍を置くように配置する。このことから、測定管に鞍型コイルを配置するのは、円筒コイルを配置するよりも手間がかからない。円筒コイルよりも鞍型コイルの方がはるかに有利であるさらに別の特徴は、磁場が測定管長手軸に対し実質的に垂直に延在し、測定管長手軸に平行には延在しないことである。この利点が活用されるのは、複数の鞍型コイルのうち少なくとも２つの鞍型コイルを、測定管長手軸に沿って相前後して配置した場合である。相前後して配置された２つの鞍型コイルの誘導結合は、相前後して配置された２つの円筒コイルよりも遙かに小さい。
【００２６】
本発明による核磁気流量計の上述の実施形態に関するさらに別の発展形態によれば、アンテナ装置は、少なくとも１つのアンテナペアを有しており、このアンテナペアは、１つの鞍型コイルをシングルコイルとして含む複数のアンテナのうち２つのアンテナを含み、１つの鞍型コイルをシングルコイルとして含む２つのアンテナは、測定管長手軸に関して向き合って位置しており、これら２つのアンテナの測定区間は合同であり、媒体におけるアンテナペアの磁場方向は、１つのアンテナペア軸によって表され、アンテナペア軸は、測定管長手軸に垂直な少なくとも１つの成分を含んでいる。単独の鞍型コイルの代わりに、２つの鞍型コイルから成るアンテナペアを使用することによって、磁場がいっそう強く束ねられるようになり、また、隣り合うアンテナとの誘導結合が小さくなる。
【００２７】
アンテナ装置が、少なくとも２つのアンテナペアを含んでいるならば、これら２つのアンテナペアのアンテナペア軸を、それぞれ異なるように配向することができ、これらのアンテナペアの測定区間を、少なくともオーバーラップさせることができる。これらのアンテナペア軸の配向をそれぞれ異ならせることによって、これらのアンテナペア間の誘導結合が低減されるようになる。
【００２８】
本発明による核磁気流量計の１つの有利な実施形態によれば、複数のアンテナのうち少なくとも１つのアンテナは、磁場を発生させるように形成されており、この磁場の磁場強度は勾配を有しており、この磁場は媒体において、少なくとも１つのアンテナの測定区間にわたり延在している。磁場強度の勾配を、磁場強度が１つの軸に沿って直線的に増加するようなものとすることができる。少なくとも１つの永久磁石および／または少なくとも１つの給電されたコイルによって、この磁場を発生させることができる。少なくとも１つのこのコイルの実施形態に関して、アンテナの複数のコイルについて言及したのと同じことがあてはまる。
【００２９】
複数のアンテナのうち少なくとも２つのアンテナの測定区間がそれぞれ異なる長さである、本発明による核磁気流量計を、本発明による方法に従って作動させることができ、この方法は、第一に、そして基本的に、以下の特徴を有している。すなわち、測定装置により励起信号を発生させるステップと、励起信号を、測定区間内に存在する流動する磁化された媒体へ、アンテナにより伝送し、媒体において励起信号によって引き起こされた、測定区間内に存在する媒体からの測定信号を、アンテナにより検出するステップと、励起信号を、少なくとも１つの別の測定区間内に存在する流動する磁化された媒体へ、少なくとも１つの別のアンテナにより伝送し、媒体において励起信号により引き起こされた、少なくとも１つの別の測定区間内に存在する媒体からの測定信号を、少なくとも１つの別のアンテナにより検出するステップと、アンテナにより検出された測定信号と、少なくとも１つの別のアンテナにより検出された測定信号とを、互いに結合することによって、ディフェージングによる作用が少なくとも低減された、導出された測定信号を生成するステップと、導出された測定信号から、流動する媒体の速度を求めるステップと、を有することを特徴としている。
【００３０】
以下では、本発明による核磁気流量計の実施形態に基づき、本発明による方法について詳しく説明するが、これによっても本発明がこの実施形態に限定されるものではない。本発明による核磁気流量計のアンテナ装置は、１つのアンテナと、ただ１つの別のアンテナとを含み、この場合、測定区間は、媒体の流動方向において別の測定区間の手前に配置されている。
【００３１】
アンテナは時点ｔ0,1において、測定区間内に存在する媒体に励起信号を伝送し、時点ｔ1においてアンテナにより検出される測定信号ｙ1の振幅は、以下のとおりである：
【数４】
0006490073.tif 000005
【００３２】
別のアンテナが時点ｔ0,2において、別の測定区間内に存在する媒体に励起信号を伝送し、時点ｔ2において別のアンテナにより検出される測定信号ｙ2の振幅は、以下のとおりである：
【数５】
0006490073.tif 000006
【００３３】
時点ｔ1において、０≦ｔ1−ｔ0,1≦ｌ1／νが満たされなければならず、時点ｔ2において、０≦ｔ2−ｔ0,2≦ｌ2／νが満たされなければならない。ｌ1は測定区間の長さであり、ｌ2は別の測定区間の長さであり、ただしｌ1≠ｌ2である。指標ｎは、Ｎ個の相を含む媒体の個々の相を表す。これらの相の各々において、Ｍ{1,2}は磁化を表し、Ｆは媒体における相の割合、Ｔ2はすでに言及した緩和時定数を表す。
【００３４】
それぞれ第１の項ｙ{1,2}1は、励起された媒体が個々の測定区間から流出することに起因する個々の測定信号ｙ{1,2}の振幅
【数６】
0006490073.tif 000007
の減少を表す。それぞれ第２の項ｙ{1,2}2は、緩和時定数Ｔ2により表されたディフェージングによる個々の測定信号の振幅の減少を表す。
【００３５】
従来技術から、単一のアンテナによる時点ｔにおける流動速度ν（ｔ）の算出は公知である。この算出のためには、測定信号の振幅
【数７】
0006490073.tif 000008
と、測定区間の長さｌ{1,2}と、磁化Ｍ{1,2}nと、媒体における相の割合Ｆn（ｔ）と、緩和時定数Ｔ2,nとが既知でなければならない。
【００３６】
本発明による方法によれば、導出される測定信号はこの実施例の場合には、アンテナにより検出された測定信号の振幅
【数８】
0006490073.tif 000009
と、別のアンテナにより検出された測定信号の振幅
【数９】
0006490073.tif 000010
との結合によって形成される。
【００３７】
媒体の相の磁化Ｍ{1,2}nは、媒体の流動方向において磁場区間全体にわたり飽和磁化まで増大していく。測定区間および別の測定区間における媒体が、飽和するまで磁化されていなければ、測定区間と別の測定区間との間において測定管長手軸に平行な長さａのギャップ区間によって、測定区間および別の測定区間における媒体の磁化が十分に等しくなるように調整することができる。この場合、ギャップ区間の寸法を以下のように選定しておくべきである。すなわち、アンテナにより励起された媒体は、別のアンテナにより励起された媒体が別の測定区間からすでに完全に流出したときにはじめて、つまり条件ａ≧ｌ2が満たされたときにはじめて、その別の測定区間に到達するように、選定するのである。そうでなければ、アンテナにより励起された媒体によって、別のアンテナから検出される測定信号が誤ったものになってしまう。しかも、アンテナと別のアンテナの誘導結合を、十分に小さなものにしておくべきである。上述の説明を考慮すると、第２の項ｙ{1,2},2において磁化が少なくとも十分に等しくなるようにし、したがってＭ1,n≒Ｍ2,nとなるようにする。
【００３８】
測定時間ｔ{1,2}を、以下のように選定することができる。すなわち、測定時点ｔ1と測定時点ｔ2との間のタイムインターバルにおいて、流動速度の変化が十分に小さくなるようにし、つまりν（ｔ1）≒ν（ｔ2）となるようにし、かつ、媒体の相の割合の変化が十分に小さくなるようにし、つまりＦn（ｔ1）≒Ｆn（ｔ2）となるようにする。
【００３９】
さらに励起時点ｔ0{1,2}を、少なくともｔ1−ｔ0,1≒ｔ2−ｔ0,2が成り立つように選定することができ、したがって上述の説明を考慮すると、第２の項ｙ{1,2},2が全体として十分に等しくなるようにする。このことから、導出された測定信号に対するディフェージングの影響が、少なくとも低減されるようになる。これまで述べてきた説明で足りることは、核磁気流量計に対する個々の用途の要求によって規定されている。
【００４０】
導出された測定信号を、以下のような商とすることができる。すなわちこの場合、商の各々を、アンテナのうち１つのアンテナにより検出された測定信号と、残りのアンテナのうち１つのアンテナにより検出された測定信号とから形成し、アンテナの測定区間と、残りのアンテナの測定区間を、それぞれ異なる長さとするのである。この実施例にあてはめると、アンテナにより検出された測定信号の振幅
【数１０】
0006490073.tif 000011
と、別のアンテナから検出された測定信号の振幅
【数１１】
0006490073.tif 000012
の商が、以下のようにして形成される：
【数１２】
0006490073.tif 000013
【００４１】
有利には、アンテナと、別のアンテナのうち少なくとも１つのアンテナとによって、励起信号が同時に媒体に伝送される。この実施例に適用すると、励起信号ｔ0,{1,2}は等しくなるように選定され、それによって同様に少なくともｔ1≒ｔ2となる。したがって導出された測定信号は、以下のとおりとなる：
【数１３】
0006490073.tif 000014
【００４２】
これに基づき、流動速度を簡単に算出することができる：
【数１４】
0006490073.tif 000015
【００４３】
ゆえに、任意の時点における測定管内の媒体の流動速度を本発明に従い求めるためには、測定区間の長さと、測定信号の振幅と、励起時点とだけが既知であればよい。したがって、緩和時定数Ｔ2,nが既知である必要はない。緩和時定数Ｔ2,nを把握することなく媒体の流動速度が算出可能なことを、自己較正と呼ぶこともできる。なぜならば、本発明による核磁気流量計を、それぞれ異なる既知の緩和時定数Ｔ2,nを有する媒体によって較正する必要がもはやないからである。
【００４４】
媒体の流動速度がいまや既知であることから、アンテナにより検出された測定信号に流動速度が及ぼす作用を取り除くことができ、それによって補償された測定信号の振幅が得られるようになる：
【数１５】
0006490073.tif 000016
【００４５】
したがって補償された信号の振幅は、媒体が測定管内に存在しているときに発生する測定信号の振幅と一致している。ゆえに、補償された測定信号の振幅から、緩和時定数Ｔ2,nを求めることができる。そしてこの緩和時定数Ｔ2,nに基づき、この時定数と相関する媒体の相の特性を求めることができ、たとえば相の粘度などを求めることができる。
【００４６】
詳細には、本発明による核磁気流量計を実現し発展させる様々な可能性が存在する。これについては、請求項１に従属する請求項ならびに有利な実施例の説明を、図面とともに参照されたい。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】３つの円筒コイルを備えた本発明による核磁気流量計の第１実施例を示す図
【図２】タップ付きシングル円筒コイルを備えた本発明による核磁気流量計の第２実施例を示す図
【図３ａ】１つの円筒コイルと２つの鞍型コイルを備えた本発明による核磁気流量計の第３実施例を示す図
【図３ｂ】１つの円筒コイルと２つの鞍型コイルを備えた本発明による核磁気流量計の第３実施例を示す図
【発明を実施するための形態】
【００４８】
図１には、本発明による核磁気流量計１の第１実施例における基本構成要素が略示されている。核磁気流量計１は、まずは測定管２を備えており、その中を媒体３が貫流する。核磁気流量計１は、測定管２を貫流する媒体３の流量を測定するように構成されており、この場合、媒体３は複数の相を含んでいてもよい。測定管２を貫流する媒体３の流量を測定するために、核磁気流量計１は、磁場発生装置４と、測定装置５と、アンテナ７を備えたアンテナ装置６と、を備えている。
【００４９】
測定管２の測定管長手軸８は、規定どおりにデカルト座標系のｘ軸に平行に配向されており、それによって媒体３はｘ軸に平行に、規定どおりに正のｘ方向に流れる。磁場発生装置４は磁場を発生し、この磁場は、ｘ軸に平行に配向された磁場区間９にわたり、規定どおりに座標系の正のｚ方向で、流動する媒体３に浸透する。したがって流動する媒体３の方向と磁場の方向は、互いに垂直になるように配向されている。
【００５０】
測定装置５は、磁化された媒体３を励起する励起信号を発生し、磁化された媒体３において励起信号により引き起こされる測定信号を測定するように、構成されている。
【００５１】
アンテナ装置６のアンテナ７は、ｘ軸に平行に配向され磁場区間９内に位置する測定区間１０にわたって、磁化された媒体３に向けて励起信号を伝送し、測定信号を検出するように、構成されている。本発明による核磁気流量計１は、測定区間１０を有するアンテナ７のほか、さらに第１の別のアンテナ１１および第２の別のアンテナ１２を備えている。第１の別のアンテナ１１は、ｘ軸に平行に配向され磁場区間９内に位置する第１の別の測定区間１３にわたり、また、第２の別のアンテナ１２は、ｘ軸に平行に配向され磁場区間９内に位置する第２の別の測定区間１４にわたり、磁化された媒体３に向けて励起信号を伝送し、測定信号を検出するように、構成されている。
【００５２】
アンテナ装置６は、測定装置５からアンテナ７と第１の別のアンテナ１１と第２の別のアンテナ１２とへ向けて、励起信号を伝送するように構成されており、さらにアンテナ７と第１の別のアンテナ１１と第２の別のアンテナ１２とから測定装置５へ向けて、測定信号を伝送するように、構成されている。
【００５３】
測定装置５は、励起信号を発生するように構成されており、アンテナ装置６は、アンテナ７，１１，１２のうち任意のいずれかのアンテナを介して、他のアンテナ７，１１，１２とは無関係に、磁化された媒体３に向けて励起信号を伝送するように構成されており、アンテナ７，１１，１２のうち２つ以上のアンテナを介して同時に、励起信号を伝送するようにも構成されている。さらに測定装置５は、励起された媒体３の測定信号を測定するように構成されており、アンテナ装置６は、アンテナ７，１１，１２のうち任意の１つのアンテナを用いて、他のアンテナ７，１１，１２とは無関係に、励起された媒体３の測定信号を検出するように構成されており、または、アンテナ７，１１，１２のうち２つ以上のアンテナを用いて、測定信号を同時に検出するようにも構成されている。特に、アンテナ７，１１，１２のうち１つまたは複数の任意のアンテナを介して、励起信号を媒体３に伝送し、アンテナ７，１１，１２のうち１つまたは複数の別のアンテナを用いて、この励起信号により媒体３において引き起こされた測定信号を検出することもできる。有利には、測定信号を検出するアンテナ７，１１，１２は、正のｘ方向に関してｘ軸に沿って同じ高さで、または、測定信号を引き起こす励起信号を媒体３に向けて伝送するアンテナ７，１１，１２の後方に配置されている。
【００５４】
アンテナ７の測定区間１０の長さは、第１の別のアンテナ１１の第１の別の測定区間１３の長さよりも短く、第１の別の測定区間１３の長さは、第２の別のアンテナ１２の第２の別の測定区間１４の長さよりも短い。正のｘ方向に関してｘ軸に沿って、アンテナ７の後方に第１の別のアンテナ１１が配置されており、第１の別のアンテナ１１の後方に第２の別のアンテナ１２が配置されている。測定管２内を流れる媒体３は、磁場区間９の始端から測定区間１０の始端に至るまでは第１の流入区間１５を、磁場区間９の始端から第１の別の測定区間１３の始端までは第１の別の流入区間１６を、さらに磁場区間９の始端から第２の別の測定区間１４の始端までは第２の別の流入区間１７を、ｘ軸に平行に辿る。アンテナ７，１１，１２の配置に応じて、流入区間１５の長さは、第１の別の流入区間１６の長さよりも短く、第１の別の流入区間１６の長さは、第２の別の流入区間１７の長さよりも短い。流動する媒体３に向けて磁場発生装置４から発せられる磁場の個々の作用持続時間が、これらの流入区間１５，１６，１７の長さに対応する。一般に測定区間は、ｘ軸に平行なそれらの長さとｘ軸上のポジションとによって、一義的に定められている。したがって、測定区間１０，１３，１４はそれぞれ異なっている。
【００５５】
磁化された媒体３に励起信号を伝送するための、および測定信号を検出するためのシングルコイルとして、アンテナ７は円筒コイル１８を備えており、第１の別のアンテナ１１は第１の別の円筒コイル１９を、第２の別のアンテナ１２は第２の別の円筒コイル２０を備えている。円筒コイル１８，１９，２０は、給電された円筒コイル１８，１９，２０の磁場が、流動している媒体３においてｘ軸に平行な少なくとも１つの成分を含むように、測定管２の周囲に配置されている。
【００５６】
測定管２を貫流する媒体３は、正のｚ方向に作用する磁場発生装置４の磁場によって磁化される。その際、磁気モーメントを有する原子核は、相互間で位相関係を伴わずに、ｚ軸を中心に歳差運動する。ラーモア周波数を含む周波数スペクトルを有し、測定装置５から発せられる励起信号が、アンテナ装置６からアンテナ７，１１，１２のうち少なくとも１つのアンテナへ伝送される。この励起信号は、選択された円筒コイル１８，１９，２０において、ｘ方向の成分を含む交番磁場を生じさせ、これによって媒体３の歳差運動中の原子核に対しモーメントの作用が及ぼされ、このモーメントは、歳差運動中の原子核をｘ−ｙ平面に回転させ、原子核の歳差運動が同相になるようにする。このようにして励起された媒体３によって、円筒コイル１８，１９，２０のうち少なくとも１つの円筒コイルにおいて測定信号が誘導され、この測定信号がアンテナ装置６から測定信号５へ伝送される。
【００５７】
アンテナ７と、アンテナ７の後方に配置された第１の別のアンテナ１１とによって、１つのアンテナ群２１が形成されている。アンテナ７の測定区間１０と、第１の別のアンテナ１１の第１の別の測定区間１３とは、円筒コイル１８と第１の別の円筒コイル１９との誘導結合を減らすため、ｘ軸に平行な測定ギャップ区間２２を隔てて離間されている。これに加えアンテナ群２１は、複合測定区間２３とともに１つの複合アンテナを形成している。複合測定区間２３は、アンテナ７の測定区間１０と、測定ギャップ区間２２と、第１の別の測定区間１３とによって構成されている。複合アンテナは複合測定区間２３全体にわたって、測定区間１０についてはアンテナ７と、第１の別の測定区間１３については第１の別のアンテナ１１と、媒体３に関して同じ特性を有している。
【００５８】
図２には、本発明による核磁気流量計１の第２実施例における基本構成要素が略示されている。図１に示した実施例とは異なりアンテナ装置６には、磁化された媒体３に励起信号を伝送するために、および測定信号を検出するために、１つのシングルコイル２４しか設けられていない。シングルコイル２４は、円筒コイルとして構成され、第１のタップ２５と第２のタップ２６とを備えたタップ付きコイルである。タップ付きコイル２４は、測定管２内を流れる媒体３の周囲に配置されており、磁場は、測定管２内を流れる媒体３において、ｘ軸に平行な少なくとも１つの成分を含んでいる。タップ付きコイル２４は、タップ２５とタップ２６とによって、第１の部分コイルと第２の部分コイルと第３の部分コイルとに分割されている。第１の部分コイルは、測定区間１０を有するアンテナ７を成しており、第２の部分コイルは、第１の別の測定区間１３を有する第１の別のアンテナ１１を、さらに第３の部分コイルは、第２の別の測定区間１４を有する第２の別のアンテナ１２を成している。図１に示した第１実施例について説明したその他の事項は、図２の実施例にもあてはまる。
【００５９】
図３ａおよび図３ｂには、本発明による核磁気流量計１の第３実施例における基本構成要素が略示されている。アンテナ装置６は、第１実施例ですでに示した、測定区間１０を有するアンテナ７を成す円筒コイル１８のほか、第１の鞍型コイル２７および第２の鞍型コイル２８も備えている。第１の鞍型コイル２７は、第１の別の測定区間１３にわたり第１の別のアンテナ１１を成しており、さらに第２の鞍型コイル２８は、第２の別の測定区間１４にわたり第２の別のアンテナ１２を成している。
【００６０】
鞍型コイル２７，２８各々の磁場は、測定管２内を流れる媒体３において、ｙ軸に平行な少なくとも１つの成分を含んでいる。これに対し円筒コイル１８の磁場は、測定管２内を流れる媒体３において、ｘ軸に平行な少なくとも１つの成分を含んでいる。一方の側での円筒コイル１８の磁場方向と、他方の側での鞍型コイル２７，２８の磁場方向とが、それぞれ異なることから、円筒コイル１８と鞍型コイル２７，２８との間における誘導結合は、これらの鞍型コイル２７，２８を、ｘ軸に平行な少なくとも１つの磁場成分を含む１つの円筒コイルに置き換えた場合に生じるであろう誘導結合よりも小さい。誘導結合が小さくなれば、測定データの品質が向上する。
【００６１】
第１の別のアンテナ１１と第２の別のアンテナ１２は、ｘ軸に関連づけて測定管２の周囲で向き合うように配置されており、さらにこの場合、第１の別の測定区間１３と第２の別の測定区間１４とが合同となるように配置されている。流動する媒体３において、第１の鞍型コイル２７と第２の鞍型コイル２８とに共通する磁場の方向は、アンテナペア軸２９によって表され、この軸はｙ軸と一致している。図１に示した第１の実施例について説明したその他の事項は、この実施例にもあてはまる。
【符号の説明】
【００６２】
１  核磁気流量計
２  測定管
３  媒体
４  磁場発生装置
５  測定装置
６  アンテナ装置
７  アンテナ
８  測定管長手軸
９  磁場区間
１０  アンテナの測定区間
１１  第１の別のアンテナ
１２  第２の別のアンテナ
１３  第１の別の測定区間
１４  第２の別の測定区間
１５  流入区間
１６  第１の別の流入区間
１７  第２の別の流入区間
１８  第１の円筒コイル
１９  第２の円筒コイル
２０  第３の円筒コイル
２１  アンテナ群
２２  測定ギャップ区間
２３  複合測定区間
２４  タップ付きコイル
２５  第１のタップ
２６  第２のタップ
２７  第１の鞍型コイル
２８  第２の鞍型コイル
２９  アンテナペア軸
【図１】
0006490073.tif 000017
【図２】
0006490073.tif 000018
【図３ａ】
0006490073.tif 000019
【図３ｂ】
0006490073.tif 000020