Ядерно-магнитный расходомер для многофазной среды

 

Использование: для измерения расхода жидкости в трубопроводе, по которому протекает многофазная среда. Сущность изобретения: ядерно-магнитный расходомер для многофазной среды содержит измерительный трубопровод, расположенные на нем магниты поляризатора, первую катушку модуляции, связанную с генератором модуляции, и первую катушку регистрации, соединенную со схемой регистрации, а также катушку отметки, расположенную на измерительном трубопроводе за поляризатором, подключенную к независимому генератору и соединенную со схемой регистрации. Особенность расходомера состоит в том, что он снабжен не охватывающими измерительный трубопровод второй катушкой модуляции и второй катушкой регистрации с находящимся в ней эталонным образцом, а также переключателем, причем вторая катушка регистрации соединена со схемой регистрации, а первая и вторая катушки модуляции связаны с генератором модуляции через переключатель. Такое выполнение расходомера позволяет повысить точность измерения в условиях значительных перепадов температуры и влажности воздуха. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в ядерно-магнитных расходомерах для многофазной среды, предназначенных преимущественно для измерения количества жидкости в протекающей через трубопровод многофазной среде и используемых в условиях значительных перепадов температуры и влажности воздуха, в частности для измерения количества нефти, подаваемой из скважины в смеси с газом, глиной, песком и т.п.

Известны расходомеры, основанные на поляризации движущейся по трубопроводу жидкости сильным магнитным полем, выполнении периодической отметки путем изменения ядерной намагниченности, регистрации сигнала ядерно-магнитного резонанса и определении расхода по времени прохождения отметки - временные расходомеры /1/, по частоте последовательности сигналов отметки - амплитудно-частотные расходомеры /2/ и по фазе последовательности сигналов отметки - фазово-частотные расходомеры /3/.

Принципиальная конструкция основанного на регистрации ядерно-магнитного резонанса /ЯМР/ расходомера включает в качестве основных конструктивных элементов измерительный трубопровод и расположенные на нем магниты поляризатора и анализатора, а также катушки модуляции и регистрации сигнала ЯМР /4/.

Известные расходомеры являются надежными и обеспечивают высокую точность измерения количества протекающей однородной среды при полном заполнении внутреннего объема измерительного трубопровода.

Недостатком известных ядерно-магнитных расходомеров является их непригодность для измерения количества протекаемой жидкости при частичном заполнении внутреннего объема трубопровода, т.е. при уменьшенном расходе, и при многофазной протекаемой среде, т. е. при протекании измеряемой жидкости в смеси с газовой или твердой фазой.

Известен способ измерения расхода жидкости при малых количествах ее протекания через измерительный трубопровод, когда расход жидкости меньше отношения объема охваченного катушкой трубопровода к продольному времени релаксации и при частичном заполнении внутреннего объема измерительного трубопровода, в частности при наличии жидкой и воздушной /газовой/ фаз /5/.

Способ включает поляризацию движущейся жидкости сильным магнитным полем, периодическую отметку путем измерения ядерной намагниченности, регистрацию сигнала ядерного магнитного резонанса путем измерения амплитуды сигнала и периода отметки, по величине которых определяют расход. При этом количество протекаемой жидкости определяют по формуле где A - амплитуда сигнала, измеряемого при регистрации; A₀ - максимальная амплитуда сигнала; Y₀ - объем трубопровода в зоне измерения; T - период отметки, или по градуировочной зависимости амплитуды сигнала от периода отметки.

Известный способ реализуется с помощью расходомера, выбранного в качестве ближайшего аналога и включающего измерительный трубопровод, расположенные на нем магниты поляризатора и анализатора, катушку модуляции, подключенную к генератору модуляции, и катушку регистрации, соединенную со схемой регистрации.

Известный расходомер имеет достаточно высокую точность измерения протекающей в многофазной среде жидкости при незначительных и стабильных условиях измерения, например, при измерении количества переливаемой крови в лабораторных условиях, когда A₀ - амплитуда при полном заполнении объема трубопровода поляризованной жидкостью и A - регистрируемая амплитуда, измеряются в разное время, но при одинаковых условиях и отношение A₀/A достаточно точно корректирует значение количества поляризованной жидкости при частичном заполнении объема трубопровода.

Известный расходомер непригоден для измерения больших количеств протекаемой в многофазной среде жидкости в условиях значительных перепадов температуры и влажности воздуха, которые значительно влияют на магнитное поле и величину ядерно-магнитного резонанса, например для измерения количества нефти, подаваемой из скважины в смеси с газом, газоконденсатом, водой, глиной, песком и т.п.

Измеряемые в разное время A₀ - амплитуда при полном заполнении поляризованной жидкостью объема трубопровода и A - амплитуда при частичном заполнении объема поляризованной жидкостью не согласуются друг с другом и отношение A/A₀ корректируют количество жидкости при частичном заполнении или в многофазной среде со значительной погрешностью.

Известный расходомер не имеет средств, позволяющих корректировать и согласовывать заданное для полного заполнения измеряемого объема трубопровода значение амплитуды с регистрируемым в момент измерения значением амплитуды для неполного заполнения.

Задачей изобретения является повышение точности измерения ядерно-магнитным расходомером количества протекаемой через трубопровод жидкости при неполном заполнении жидкостью объема трубопровода или при протекании жидкости в многофазной среде, когда имеют место значительные перепады температуры и влажности воздуха окружающей среды.

Поставленная задача решается за счет того, что при использовании признаков, характеризующих известный ядерно-магнитный расходомер, содержащий измерительный трубопровод, расположенные на ним магниты поляризатора, первую катушку модуляции, связанную с генератором модуляции, и первую катушку регистрации, соединенную со схемой регистрации, а также катушку отметки, расположенную на измерительном трубопроводе за поляризатором, подключенную к независимому генератору и соединенную со схемой регистрации, в соответствии с изобретением он дополнительно снабжен не охватывающими измерительный трубопровод второй катушкой модуляции и второй катушкой регистрации с находящимся в ней эталонным образцом, а также переключателем, причем вторая катушка регистрации соединена со схемой регистрации, а первая и вторая катушки модуляции связаны с генератором модуляции через переключатель.

Использование дополнительной независимой катушки отметки, а также не охватывающих измерительный трубопровод катушки модуляции и катушки регистрации, позволяет приводить в соответствие эталонную амплитуду, зарегистрированную при полной заполнении жидкостью объема трубопровода, условиям регистрации амплитуды, модулируемой на момент измерения, исключить погрешность измерения, связанную с различными условиями модуляции регистрируемых в разной время модулируемой и эталонной амплитуд и повысить точность измерения количества жидкости, протекающей через трубопровод в многофазной среде или при неполном заполнении жидкостью объема измерительного трубопровода с определением количества жидкости в соответствии с отношением измеряемого и эталонного значений амплитуд.

Более подробно заявляемое техническое решение рассматривается на чертеже блок-схемы ядерно-магнитного расходомера и описании работы этого расходомера.

В соответствии с представленной на блок-схеме конструкцией ядерно-магнитный расходомер включает измерительный трубопровод 1, расположенные на нем магниты поляризатора 2, катушки модуляции 3, 4, подключенные через переключатель к генератору модуляции 5, и катушки регистрации 6, 7, соединенные со схемой регистрации 8.

Катушка модуляции 3 и катушка регистрации 6 расположены на измерительном трубопроводе, а катушка модуляции 4 и катушка регистрации 7 не охватывают измерительный трубопровод.

На измерительном трубопроводе за поляризатором расположена также катушка отметки, подключенная к независимому генератору 10 и соединенная со схемой регистрации 8, в которую входят временной детектор 11, устройство обработки данных 12 и устройство индикации 13. В катушке регистрации 7 расположен эталонный образец 14.

Измерение количества протекающей в многофазной среде через измерительный трубопровод расходомера жидкости выполняют следующим образом: 1. Катушки регистрации 6, 7 подсоединяют к схеме регистрации 8; 2. С помощью переключателя катушку модуляции 3 подключают к генератору модуляции 5; 3. Протекающая через магнитную систему поляризатора 2 жидкость поляризуется и проходит через участок трубопровода, охваченный катушкой регистрации 6, которая подает на схему регистрации 8 периодический сигнал ЯМР, амплитуда A которого пропорциональна количеству жидкости в охваченном катушкой объеме трубопровода;
4. К генератору модуляции 5 с помощью переключателя подключают катушку модуляции 4. При этом находящийся в катушке 7 эталонный образец при наличии на катушке модуляции 4 напряжения модуляции дает подаваемый на схему регистрации сигнал, амплитуда которого A_э равна амплитуде A при полном заполнении объема измеряемого участка трубопровода жидкостью без газообразной или твердой фазы;
5. По отношению A/A_э определяют коэффициент заполнения объема измерительного трубопровода жидкостью α.;
6. При включенной катушке модуляции 3 включают катушку отметки 9, которая расположена на расстоянии l выше по течению от катушки регистрации 6 и служит для размагничивания жидкости. Временной детектор 11 регистрирует время t прохождения отметки до момента уменьшения сигнала ЯМР;
7. С помощью устройства обработки данных 12 по формуле

где S - площадь сечения трубопровода между катушкой отметки и катушкой регистрации, определяют расход жидкой фазы, который индицируется на индикаторе 13.

Катушки модуляции 4 и регистрации 7 обеспечивают коррекцию эталонного сигнала с амплитудой A_э в соответствии с условиями окружающей среды на момент измерения, что исключает погрешность, вызываемую перепадами температуры и влажности воздуха.

Это имеет важное значение при использовании ЯМР в условиях открытой среды, например, при измерении расхода подаваемой из скважины нефти в условиях Севера.

Заявляемое техническое решение полностью решает задачу, стоящую перед изобретением.

Заявляемое техническое решение с характеризующими его отличительными признаками на настоящее время в Российской Федерации и за границей неизвестно и отвечает требованиям критерия "Новизна".

Заявляемое техническое решение является оригинальным, не вытекает очевидным образом из существующего уровня техники, дает значительный положительный эффект и отвечает требованиям критерия "Изобретательский уровень".

Заявляемый ядерно-магнитный расходомер может изготавливаться промышленным способом с использованием известных технических средств, технологий и материалов, использоваться в промышленном производстве и отвечает требованиям критерия "Промышленная применимость".

Литература
1. Жерновой А.И., Стасевич В.М. Расходомер жидкости на принципе ЯМР. - Известия ВУЗов. Приборостроение, 1965, т. VII, N 2, с.6-30.

2. Екатеринин В. В. , Жерновой А.И., Стахов О.В. Импульсно-частотный ЯМР-расходомер. - Измерительная техника, 1965, N 3, с.54.

3. Гегеле П. П., Рухин А.Б. Импульсно-компенсационный ядерно-магнитный расходомер. - Расчет и конструирование расходомеров. Л., Машиностроение, 1978, с. 3-7.

4. Авт. свид. СССР N 1434262, МПК: G 01 F 1/716, публ. 1988, Б.И. N 40.

5. Патент РФ N 2005995, МПК: G 01 F 1/716, публ. 1994, Б.И. N 1.

Формула изобретения

Ядерно-магнитный расходомер для многофазной среды, в частности для измерения количества жидкости в протекающей через трубопровод многофазной среде, содержащий измерительный трубопровод, расположенные на нем магниты поляризатора, первую катушку модуляции, связанную с генератором модуляции, и первую катушку регистрации, соединенную со схемой регистрации, а также катушку отметки, расположенную на измерительном трубопроводе за поляризатором, подключенную к независимому генератору и соединенную со схемой регистрации, отличающийся тем, что он снабжен не охватывающими измерительный трубопровод второй катушкой модуляции и второй катушкой регистрации с находящимся в ней эталонным образцом, а также переключателем, причем вторая катушка регистрации соединена со схемой регистрации, а первая и вторая катушки модуляции связаны с генератором модуляции через переключатель.

РИСУНКИ

Рисунок 1