МАГНЕТИЗИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЯДЕРНО-МАГНИТНОГО РАСХОДОМЕРА
MAGNETISER FOR NUCLEAR-MAGNETIC FLOW METER

Изобретение относится к магнетизирующему устройству для пронизывания протекающей через измерительную трубку ядерно-магнитного расходомера многофазной текучей среды с однородным по меньшей мере в одной плоскости магнитным полем, с несколькими постоянными магнитами для создания магнитного поля и с несущим элементом, причем несущий элемент имеет по меньшей мере одно магнитное крепление, в каждом из магнитных креплений установлен по меньшей мере один из постоянных магнитов, фасонная обработка магнитных креплений и постоянных магнитов допускает перемещение постоянных магнитов в магнитных креплениях только в одном направлении, и установленные в магнитных креплениях постоянные магниты посредством магнитных креплений расположены относительно магнитного поля.
Ядерно-магнитный расходомер определяет расход отдельных фаз многофазных текучих сред, скорости потока отдельных фаз и относительные доли отдельных фаз многофазной текучей среды в измерительной трубке путем измерения и оценки напряжения, идуцированного ядерно-магнитным резонансом многофазной текучей среды в подходящем датчике. Принцип измерения ядерного магнитного резонанса (англ. - Nuclear Magnetic Resonance) основан на свойстве атомных ядер со свободным магнитным моментом, ядерным спином, прецессировать в присутствии магнитного поля. Прецессия представляющего магнитный момент атомного ядра вектора происходит вокруг представляющего магнитное поле на месте атомного ядра вектора, причем прецессия индуцирует в датчике напряжение. Частота прецессии обозначается как ларморовская частота ωL и определяется согласно ωL=γ·B, где γ - гиромагнитное отношение и B - значение напряженности магнитного поля. Гиромагнитное отношение γ является максимальным для ядер водорода; поэтому для ядерно-магнитных расходомеров особо пригодны, прежде всего, текучие среды с ядрами водорода.
Из нефтяных источников добывают многофазную текучую среду, состоящую по существу из сырой нефти, природного газа и соленой воды. Так называемые замерные сепараторы отводят часть добытой текучей среды, разделяют отдельные фазы текучей среды и определяют доли отдельных фаз в текучей среде. Замерные сепараторы затратоемки, не могут быть установлены под водой и не обеспечивают измерений в режиме реального времени. Прежде всего, замерные сепараторы не в состоянии достоверно замерять доли сырой нефти менее 5%. Поскольку доля сырой нефти любого источника постоянно снижается, а доля сырой нефти у множества источников уже менее 5%, то в настоящее время рентабельная эксплуатация таких источников невозможна.
Как сырая нефть и природный газ, так и соленая вода содержат ядра водорода, для которых, как уже было сказано, гиромагнитное отношение γ является максимальным. Поэтому ядерно-магнитные расходомеры особо пригодны для эксплуатации на нефтяных источниках, а также на источнике под водой непосредственно на дне моря, однако не ограничиваются таким применением. Другие применения открываются, например, в нефтехимической или химической промышленности. Отвода части текучей среды не требуется, вернее, вся текучая среда измеряется в режиме реального времени. По сравнению с замерными сепараторами ядерно-магнитные расходомеры дешевле и проще в техническом обслуживании и могут, прежде всего, достоверно измерять в текучей среде также доли сырой нефти менее 5%, вследствие чего теперь становится возможной дальнейшая эксплуатация множества нефтяных источников.
Из уравнения для вычисления ларморовской частоты ωL непосредственно видно, что ларморовская частота ωL пропорциональна напряженности магнитного поля B и, таким образом, напряженность магнитного поля В также непосредственно влияет на индуцированное в датчике напряжение. Поэтому неоднородности магнитного поля снижают качество измерений ядерно-магнитных расходомеров, из-за чего задачей магнетизирующего устройства является реализация текучей среды с обычно однородным магнитным полем внутри измерительной трубки. Требуемая точность измерений определяет необходимую однородность магнитного поля. Зачастую применяются такие способы измерений, которые используют известный градиент магнитного поля, так что магнитное поле является постоянным только в одной плоскости.
Из выложенного описания изобретения к заявке US 2008/0174309 известно магнетизирующее устройство из пакета дисковых магнитов, образующего полый цилиндрический постоянный магнит, причем магнитное поле внутри цилиндрической полости магнетизирующего устройства является однородным, пакет состоит из нескольких дисковых магнитов и дисковые магниты закреплены винтами из немагнитного материала. К каждому из дисковых магнитов принадлежат несколько прямоугольных стержневых магнитов, причем стержневые магниты установлены между соответственно двумя дисками из немагнитного материала в выполненных в виде выемок с геометрическим замыканием магнитных креплениях и закреплены винтами из немагнитного материала.
Известные магнетизирующие устройства состоят из нескольких дисковых магнитов. В каждом отдельном дисковом магните несколько стержневых магнитов расположены в виде структуры Хальбаха. Существенным признаком структуры Хальбаха является то, что магнитное поле формируется преимущественно с одной стороны структуры Хальбаха, в данном случае в полости цилиндрического магнетизирующего устройства, а с другой стороны формируется только очень слабое магнитное поле, в данном случае в пространстве снаружи цилиндрического магнетизирующего устройства. Поскольку для индуцированных в датчике вследствие прецессии содержащихся в текучей среде атомов водорода высоких напряжений требуется сильное магнитное поле, применяются соответственно мощные стержневые магниты. Вследствие нескольких пространственно тесно расположенных стержневых магнитов в каждом из магнитных дисков монтаж имеющих форму стержня магнитов в магнитных креплениях сопряжен с большим усилием. Кроме того, результирующее магнитное поле магнетизирующего устройства такого типа пока недостаточно однородно, из-за чего магнитное поле должно быть сделано однородным посредством манипуляции с каждым из стержневых магнитов. Этот процесс называется шиммированием. Монтаж и шиммирование нескольких имеющих форму стержня магнитов означает значительные производственные и, прежде всего, временные затраты, сопровождающиеся соответствующими издержками.
Задачей данного изобретения является создание магнетизирующего устройства с пониженными производственными и временными затратами при все еще достаточной однородности пронизывающего текучую среду магнитного поля.
Магнетизирующее устройство согласно изобретению, в котором решена выведенная выше и поставленная задача, прежде всего и по существу отличается тем, что магнитные крепления выполнены в виде полых профилей.
Полый профиль может быть изготовлен при оптимальных затратах с различными перпендикулярными продольной оси внутренними контурами поперечного сечения и любой длины. Например, внутренний контур поперечного сечения полого профиля является прямоугольным, и один из внешних контуров поперечного сечения постоянных магнитов также является прямоугольным и имеет такие размеры, что постоянные магниты имеют возможность перемещения в полом профиле только вдоль продольной оси полого профиля, то есть с геометрическим замыканием кроме продольной оси. В этом примере длина полого профиля выбрана таким образом, что могут быть установлены несколько постоянных магнитов. Вполне очевидно, что закрепление постоянных магнитов путем введения постоянных магнитов в эти полые профили означает существенное уменьшение производственных и временных затрат, чем известное из уровня техники закрепление постоянных магнитов в нескольких дисковых магнитах между соответственно двумя дисками. Требующая больших затрат укладка отдельных дисковых магнитов в пакет заменяется простым несущим элементом для установки полых профилей, причем несущий элемент ориентирует полые профили таким образом, что текучую среду пронизывает достаточно однородное магнитное поле.
В предпочтительной форме выполнения магнетизирующего устройства согласно изобретению трение при перемещении постоянных магнитов в полых профилях уменьшено за счет облицовки полых профилей. Например, на внутренних поверхностях полых профилей может быть предусмотрено тефлоновое покрытие. Вследствие уменьшения трения усилие для монтажа постоянных магнитов в полых профилях заметно понижается. После монтажа постоянных магнитов в полых профилях эти постоянные магниты в полых профилях могут быть закреплены посредством сначала жидкого, а затем отвердевающего вещества. Для этого подходят, например, заливочные массы.
В другой предпочтительной форме выполнения магнетизирующего устройства согласно изобретению несущий элемент имеет несколько приемных трубок. В каждой из приемных трубок выполнен полый профиль для установки по меньшей мере одного постоянного магнита. В качестве материала для приемных трубок предлагается многослойный стекловолокнистый материал, т.к. из такого материала в процессе производства простым способом можно выполнять, например, прямоугольные полые профили. Тогда в прямоугольные полые профили могут быть вставлены постоянные магниты с обычным прямоугольным поперечным сечением, так что постоянные магниты в полом профиле могут перемещаться только вдоль продольной оси полого профиля, но их нельзя повернуть вокруг продольной оси полого профиля. В качестве крепежного устройства монтажных трубок несущий элемент может иметь по меньшей мере один диск с креплениями для монтажных трубок, в которой предпочтительно предусмотрено сквозное отверстие для измерительной трубки. Обычно монтажные трубки магнетизирующего устройства имеют одинаковую длину, так что в качестве крепежного устройства монтажных трубок предлагается такой диск на каждом конце монтажных трубок. Тогда несущий элемент состоит по существу из монтажных трубок и двух дисков. Если в измерительной трубке вдоль продольной оси измерительной трубки должно существовать однородное магнитное поле, то предлагается ориентация продольных осей монтажных трубок параллельно продольной оси измерительной трубки. Зачастую постоянные магниты в монтажных трубках располагают в виде структуры Хальбаха.
В следующем предпочтительном примере выполнения магнетизирующего устройства согласно изобретению, который является усовершенствованным вариантом предыдущего примера выполнения, по меньшей мере одна из монтажных трубок частично изготовлена из воздействующего на магнитное поле материала. Если, например, в монтажных трубках на полюсах постоянных магнитов применяется материал с хорошей магнитной проводимостью, то посредством его можно благоприятно воздействовать на результирующее магнитное поле в отношении однородного магнитного поля в измерительной трубке. Для благоприятного воздействия на однородность магнитного поля в измерительной трубке монтажные трубки дополнительно или альтернативно могут быть расположены в несущем элементе с возможностью вращения вокруг своей продольной оси и с возможностью закрепления от вращения. Вращение монтажных трубок представляет собой первое шиммирование магнитного поля.
В следующей особо предпочтительной форме выполнения изобретения несущий элемент имеет по меньшей мере один профильный элемент, причем профильные элементы являются, предпочтительно, экструдированными профильными элементами. Профиль поперечного сечения каждого из профильных элементов является постоянным вдоль соответствующей продольной оси профильного элемента, и по меньшей мере в одном из профильных элементов выполнен по меньшей мере один полый профиль для установки по меньшей мере одного из постоянных магнитов. Предпочтительно, также и здесь полые профили выполнены для установки прямоугольных постоянных магнитов таким образом, что помещенные в одном из полых профилей постоянные магниты хотя и имеют возможность перемещения вдоль продольной оси полого профиля, но не имеют возможности вращения вокруг продольной оси полого профиля. В качестве материала для профильных элементов применяются, например, алюминиевые сплавы или керамика. Для осуществления измерительной трубки с однородным магнитным полем вдоль продольной оси измерительной трубки снова предлагается ориентация продольных осей профильных элементов параллельно продольной оси измерительной трубки.
В еще одной предпочтительной форме выполнения магнетизирующего устройства согласно изобретению по меньшей мере один из полых профилей по меньшей мере в одном из профильных элементов несущего элемента выполнен таким образом, что в этом полом профиле переходная трубка расположена с возможностью вращения и с возможностью закрепления от вращения. В каждой из переходных трубок выполнен полый профиль для установки по меньшей мере одного из постоянных магнитов. Вращение переходных трубок представляет собой первое шиммирование для улучшения однородности магнитного поля в измерительной трубке.
В еще одной особенно предпочтительной форме выполнения магнетизирующего устройства согласно изобретению несущий элемент включает в себя по меньшей мере два профильных элемента, и соответственно два профильных элемента разъемно соединены посредством по меньшей мере выступающего соединительного профиля на первом профильном элементе и по меньшей мере принимающего соединительного профиля на втором профильном элементе. Выступающий и принимающий соединительные профили выполнены таким образом, что два соединенных профильных элемента могут совершать взаимное линейное перемещение только вдоль оси. Вследствие соединения такого вида профильные элементы можно простым способом располагать, например, вокруг измерительной трубки и, таким образом, монтировать простым способом магнетизирующее устройство.
В другой особой форме выполнения магнетизирующего устройства согласно изобретению несущий элемент, имеющий по меньшей мере один профильный элемент, выполнен в виде ярма для пропускания созданного постоянными магнитами обратного магнитного потока. Профили поперечного сечения каждого из профильных элементов являются постоянными вдоль продольной оси соответствующего профильного элемента, и по меньшей мере в одном из профильных элементов предусмотрен по меньшей мере один полый профиль для установки по меньшей мере одного из постоянных магнитов. Пропускание обратного магнитного потока предлагается как альтернатива расположению постоянных магнитов в виде структуры Хальбаха. В качестве материала по меньшей мере для ярма предлагаются материалы с высокой магнитной проводимостью.
Прежде всего, существуют различные возможности для выполнения и усовершенствования магнетизирующего устройства согласно изобретению. Для этого дается ссылка на зависимые от п.1 пункты формулы изобретения и на описание предпочтительных примеров выполнения в сочетании с чертежами. На чертежах показаны:
фиг.1 - первый пример выполнения магнетизирующего устройства согласно изобретению с монтажными трубками в разобранном виде,
фиг.2 - второй пример выполнения магнетизирующего устройства согласно изобретению с несколькими выполненными с возможностью вращения монтажными трубками,
фиг.3 - третий пример выполнения магнетизирующего устройства согласно изобретению с несущим элементом из нескольких экструдированных профильных элементов в разобранном виде, и
фиг.4 - четвертый пример выполнения с несущим элементом из нескольких экструдированных профильных элементов в разобранном виде.
На фиг.1 показаны существенные компоненты магнетизирующего устройства 1 согласно изобретению; это несколько постоянных магнитов 2 и несущий элемент 3 из немагнитного материала. Основными компонентами несущего элемента 3 являются несколько выполненных в виде полых профилей 4 монтажных трубок 5, два плоских кольца 6 со сквозным отверстием 7 для измерительной трубки, с креплениями 8 для монтажных трубок 5 и два боковых плоских кольца 9 также со сквозным отверстием 7 для измерительной трубки. На фиг.1 показаны не все монтажные трубки 5 для того, чтобы были видны также постоянные магниты 2.
В каждой из монтажных трубок 5 помещены восемь имеющих одинаковую длину постоянных магнитов 2, причем контур поперечного сечения этих постоянных магнитов 2 является прямоугольным и находится в геометрическом замыкании с полыми профилями 4, так что постоянные магниты 2 в одном из полых профилей 4 имеют возможность перемещения только вдоль продольной оси полого профиля 4, но не имеют возможности вращения вокруг продольной оси полого профиля 4. Постоянные магниты 2 могут быть разделены на группы с разной величиной площади поперечного сечения, вследствие чего постоянные магниты 2 имеют разную напряженность магнитного поля.
Предусмотренные в соединенных винтами с боковыми плоскими дисками 9 плоских дисках 6 крепления 8 располагают укомплектованные постоянными магнитами 2 монтажные трубки 5 вокруг измерительной трубки таким образом, что постоянные магниты 2 образуют структуру Хальбаха. Монтажные трубки 5 размещены по существу на двух кольцах вокруг измерительной трубки и закреплены длинными, не показанными здесь винтами, которые соединяют между собой оба боковых плоских кольца 9 и прижимают оба боковых плоских кольца 9 друг к другу. Для известного из уровня техники несущего элемента при такой же структуре постоянных магнитов 2 требуются шестнадцать плоских колец 6, два плоских кольца 6 для каждого из восьми колец из постоянных магнитов 2. Уменьшение затрат вполне очевидно.
Показанный на фиг.2 пример осуществления магнетизирующего устройства 1 отличается от показанного на фиг.1 примера выполнения по существу возможностью вращения нескольких монтажных трубок 5 вокруг их продольной оси. Поскольку напряженность и направления магнитного поля отдельных постоянных магнитов 2 подвержены неизбежным колебания вследствие процесса производства постоянных магнитов 2, даже при оптимальном размещении постоянных магнитов 2 посредством несущего элемента 3 имеют место неоднородности результирующего магнитного поля в измерительной трубке. Неоднородности могут быть уменьшены посредством вращения отдельных монтажных трубок 5.
Внешний профиль поперечного сечения выполненных с возможностью вращения монтажных трубок 5, перпендикулярный их продольной оси, является круглым, и относящиеся к ним крепления 8 в плоских кольцах 6 соответственно являются круглыми и находятся в геометрическом замыкании с монтажными трубками 5. Для вращения и закрепления каждая из выполненных с возможностью вращения монтажных трубок 5 снабжена поворотным устройством 10. К каждому из поворотных устройств 10 относятся два противолежащих штифта для вращения и два противолежащих винта для закрепления соответствующей монтажной трубки 5. Соответственно на фиг.2 в переднем боковом плоском кольце 9 вокруг продольной оси каждой из выполненных с возможностью вращения монтажных трубок 5 предусмотрены четыре концентрические удлиненные отверстия.
На фиг.3 показано магнетизирующее устройство 1 согласно изобретению с собранным по существу из нескольких изготовленных из алюминиевого сплава экструдированных профильных элементов 11 несущим элементом 3. Все экструдированные профильные элементы 11 имеют одинаковую длину, и каждый из экструдированных профильных элементов 11 имеет несколько полых профилей 4. Внутренний контур поперечного сечения каждого из полых профилей 4, перпендикулярный к продольной оси соответствующего полого профиля 4, выполнен прямоугольным, причем не все контуры поперечного сечения экструдированных профильных элементов 11 замкнуты. Незамкнутые контуры в собранном состоянии замыкаются другими экструдированными профильными элементами 11.
Постоянные магниты 2 все имеют одинаковую длину, так что в каждый из полых профилей 4 введено одинаковое количество постоянных магнитов 2, и их можно разделять на группы с разной величиной площади поперечного сечения, перпендикулярного их продольной оси, вследствие чего постоянные магниты 2 имеют разную напряженность магнитного поля. Введенные в каждый из полых профилей 4 постоянные магниты 2 не имеют возможности вращения вокруг продольной оси соответствующего полого профиля 4, причем внутренний контур поперечного сечения полого профиля 4, перпендикулярного к продольной оси полого профиля 4, не равен внешнему контуру поперечного сечения введенных в полый профиль 4 постоянных магнитов 2.
В цилиндрическом экструдированном профильном элементе 11 вдоль продольной оси цилиндрического экструдированного профильного элемента 11 предусмотрено сквозное отверстие 7 для измерительной трубки, и остальные четыре цилиндрических экструдированных профильных элемента располагаются вокруг цилиндрического экструдированного профильного элемента 11, так что продольные оси полых профилей 4 ориентированы параллельно друг другу и параллельно продольной оси цилиндрического экструдированного профильного элемента 11. Постоянные магниты 2 расположены в несущем элементе 3 таким образом, что они образуют структуру Хальбаха.
В паре экструдированных профильных элементов 11 первый экструдированный профильный элемент 11 имеет выступающий соединительный профиль 12a, а второй экструдированный профильный элемент 11 имеет принимающий соединительный профиль 12b. Внешний контур поперечного сечения, перпендикулярный продольной оси выступающего соединительного профиля 12a, и внутренний контур поперечного сечения, перпендикулярный продольной оси принимающего соединительного профиля 12b, имеют геометрическое замыкание и выполнены таким образом, что в соединенном состоянии только взаимное перемещение обоих экструдированных профильных элементов 11 возможно вдоль продольной оси выступающего соединительного профиля 12a.
Перемещение постоянных магнитов 2 в полых профилях 4 вдоль продольной оси цилиндрического экструдированного профильного элемента 11 и взаимное перемещение экструдированных профильных элементов 11 вдоль продольной оси цилиндрического экструдированного профильного элемента 11 предотвращается двумя - не показанными здесь - боковыми плоскими кольцами 9. В каждом из обоих боковых плоских колец 9 предусмотрены сквозное отверстие для измерительной трубки и отверстия для введения винтов. В торцах экструдированных профильных элементов 11 соответственно предусмотрена резьба для соединения винтами с боковыми плоскими кольцами 9.
На фиг.4 показано еще одно магнетизирующее устройство 1 согласно изобретению с собранным по существу из нескольких изготовленных литьем под давлением полимерных экструдированных профильных элементов 11 несущим элементом 3. Магнетизирующее устройство 1 отличается от показанного на фиг.3 магнетизирующего устройства 1 по существу заменой цельного цилиндрического экструдированного профильного элемента 11 сборным экструдированным профильным элементом 11.
По сравнению с показанным на фиг.1 и фиг.2 магнетизирующим устройством 1 согласно изобретению производственная себестоимость и тем самым также затраты на показанное на фиг.3 и фиг.4 магнетизирующее устройство 1 еще более снижены.
Ранее в качестве подлежащего использованию материала называли частично полимеры, частично керамику. Вместо этого могут применяться также керамика или алюминий.