Ядерно-магнитный расходомер
Изобретение относится к ядерно-магнитному расходомеру для измерения расхода протекающей через измерительную трубу среды. Ядерно-магнитный расходомер для измерения расхода протекающей через измерительную трубу среды содержит намагничивающее устройство для намагничивания протекающей через измерительную трубу среды на участке намагничивания вдоль продольной оси измерительной трубы, которое для создания служащего для намагничивания среды магнитного поля снабжено постоянными магнитами и имеет по меньшей мере два расположенных друг за другом в направлении продольной оси измерительной трубы намагничивающих сегмента, причем и при различной по длине участка намагничивания напряженности магнитного поля в среде по всему участку намагничивания магнитное поле имеет одинаковое направление или же все магнитные поля имеют одинаковое направление, при этом каждый из намагничивающих сегментов имеет укомплектованный постоянными магнитами внутренний держатель и укомплектованный постоянными магнитами наружный держатель, при этом внутренний держатель расположен вокруг измерительной трубы, а наружный держатель - вокруг внутреннего держателя, при этом для варьирования напряженности магнитного поля в среде и тем самым также для варьирования намагничивания среды ориентация между внутренним держателем и наружным держателем является регулируемой за счет вращения внутреннего держателя и/или наружного держателя вокруг поворотной оси сегмента. Технический результат – повышение точности измерений расхода протекающей через измерительную трубу среды. 14 з.п. ф-лы, 5 ил.
Изобретение относится к ядерно-магнитному расходомеру для измерения расхода протекающей через измерительную трубу среды с намагничивающим устройством для намагничивания протекающей через измерительную трубу среды на участке намагничивания вдоль продольной оси измерительной трубы, причем намагничивающее устройство для создания служащего для намагничивания среды магнитного поля снабжено постоянными магнитами и имеет по меньшей мере два расположенных друг за другом в направлении продольной оси измерительной трубы намагничивающих сегмента.
Атомные ядра элементов, которые имеют ядерный спин, также имеют обусловленный ядерным спином магнитный момент. Ядерный спин можно понимать как описываемый вектором момент количества движения, и соответственно также и магнитный момент может быть описан вектором, который параллелен вектору момента количества движения. Вектор магнитного момента атомного ядра в присутствии макроскопического магнитного поля выстраивается параллельно вектору макроскопического магнитного поля на месте атомного ядра. При этом вектор магнитного момента атомного ядра прецессирует вокруг вектора макроскопического магнитного поля на месте атомного ядра. Частота прецессии обозначается как ларморова частота ωL и пропорциональна значению напряженности В магнитного поля. Ларморова частота рассчитывается согласно ωL=γ*В, где γ - гиромагнитное отношение, максимальное для атомных ядер водорода.
Способы измерения и анализа, которые используют свойство прецессии атомных ядер с магнитным моментом в присутствии макроскопического магнитного поля, обозначают способами измерения и анализа на основании ядерно-магнитного резонанса. Английский термин, обозначающий ядерно-магнитный резонанс - nuclear magnetic resonance. Обычно индуцированные функционирующими атомными ядрами при различных рамочных условиях в измерительной катушке напряжения используются в качестве исходной величины для способов измерения и анализа. Примером для измерительных приборов, которые используют ядерно-магнитный резонанс, являются ядерно-магнитные расходомеры, которые измеряют расход протекающей через измерительную трубу многофазной среды и анализируют среду.
Условием для анализа с использованием ядерно-магнитного резонанса является то, что анализируемые фазы среды могут возбуждаться и создавать различаемые ядерно-магнитные резонансы. Анализ может включать в себя скорости потока отдельных фаз среды и относительные доли отдельных фаз в многофазной среде. Ядерно-магнитные расходомеры могут использоваться, например, для анализа перекачиваемой из источников нефти многофазной среды. Среда состоит, по существу, из фаз: неочищенная нефть, природный газ и соленая вода, причем все фазы содержат атомные ядра водорода.
Анализ полученной из источников нефти среды также может выполняться посредством так называемых тестовых сепараторов. Они отводят небольшую часть полученной среды, отделяют отдельные фазы среды друг от друга и определяют доли отдельных фаз от среды. Однако тестовые сепараторы не могут надежно измерять доли неочищенной нефти менее 5%. Поскольку доля неочищенной нефти каждого источника постоянно падает, а доля неочищенной нефти множества источников уже менее 5%, в настоящее время невозможно экономично эксплуатировать эти источники с использованием тестовых сепараторов. Чтобы и дальше использовать источники с очень низкой долей неочищенной нефти необходимы соответственно точные расходомеры.
Из уравнения для расчета ларморовой частоты ωL непосредственно следует, что ларморова частота ωL пропорциональна значению напряженности В макроскопического магнитного поля в исследуемой среде и, тем самым, значение напряженности магнитного поля также непосредственно воздействует на частоту индуцированного в измерительной катушке напряжения. Также и направление макроскопического магнитного поля относительно ориентации измерительной катушки влияет на индуцированные в измерительной катушке напряжения. В общем, отклонения проходящего через среду макроскопического магнитного поля от идеала однородного магнитного поля приводят к сниженному качеству измерения и, тем самым, к менее точным результатам измерения.
Из упомянутых ранее нежелательных отклонений категорически исключены желательные и известные градиенты магнитного поля в среде.
От рассмотрения магнитных полей с градиентами здесь отказываются, поскольку следующие размышления очевидно могут быть перенесены на магнитные поля с градиентами.
Из американской выложенной заявки 2008/0,174,309 известен ядерно-магнитный расходомер, из которого исходит изобретение. При этом для относящихся к намагничивающему устройству намагничивающих элементов действительно, что они выполнены в форме полого цилиндра и имеют во внутренних пространствах однородное магнитное поле. Намагничивающие элементы расположены друг за другом на измерительной трубе таким образом, что их концентрические продольные оси совпадают с продольной осью измерительной трубы. Намагничивание протекающей через измерительную трубу среды может быть за счет этого отрегулировано различным образом, то есть варьироваться так, что однородные магнитные поля отдельных намагничивающих элементов выравниваются либо параллельно, либо антипараллельно друг другу.
На фиг.7 американской выложенной заявки 2008/0,174,309 детально показано намагничивающее устройство с шестью расположенными друг за другом намагничивающими сегментами. При этом при реализации согласно эскизу а) все намагничивающие элементы отрегулированы так, что однородные
магнитные поля отдельных намагничивающих сегментов в среде выровнены параллельно друг другу. Напротив, при реализации согласно эскизу b) в одну группу объединено соответственно три намагничивающих сегмента. Внутри каждой группы параллельно друг другу выровнены однородные магнитные поля намагничивающих сегментов. Однако однородные магнитные поля одной группы выровнены антипараллельно однородным магнитным полям другой группы. Наконец, согласно эскизу с) также опять образованы две группы намагничивающих сегментов, но одна группа с четырьмя намагничивающими сегментами, а другая группа с двумя намагничивающими сегментами. Также и здесь действует, что однородные магнитные поля отдельных намагничивающих сегментов в каждой группе выровнены параллельно друг другу, однородные магнитные поля отдельных намагничивающих сегментов в одной группе выровнены антипараллельно магнитным полям намагничивающих сегментов другой группы. При этом и при различной по длине участка намагничивания напряженности магнитного поля в среде по всему участку намагничивания магнитное поле имеет одинаковое направление или же все магнитные поля имеют одинаковое направление.
Исходя из уровня техники, в основу изобретения была положена задача усовершенствовать ядерно-магнитный расходомер в отношении возможностей регулирования намагничивания протекающей через измерительную трубу среды.
В предлагаемом в изобретении ядерно-магнитном расходомере каждый из намагничивающих сегментов имеет укомплектованный постоянными магнитами внутренний держатель и укомплектованный постоянными магнитами наружный держатель, причем внутренний держатель расположен вокруг измерительной трубы, а наружный держатель - вокруг внутреннего держателя, и для варьирования напряженности магнитного поля в среде и, тем самым, также для варьирования намагничивания среды ориентация между внутренним держателем и наружным держателем является регулируемой за счет вращения внутреннего держателя и/или наружного держателя вокруг поворотной оси сегмента, причем обычно поворотная ось сегмента совпадает с продольной осью измерительной трубы.
В предлагаемом ядерно-магнитном расходомере за счет вращения внутреннего держателя и/или наружного держателя вокруг поворотной оси сегмента можно регулировать напряженность магнитного поля в среде, которая возникает за счет переноса созданного постоянными магнитами внутреннего держателя магнитного поля и созданного постоянными магнитами наружного держателя магнитного поля. Благодаря такой возможности регулировки напряженности магнитного поля на участке намагничивания также можно регулировать намагничивание протекающей через измерительную трубу среды.
Кроме того, изобретение обеспечивает повышение качества результатов измерения за счет того, что при различной по длине участка намагничивания напряженности магнитного поля в среде по всему участку намагничивания магнитное поле имеет одинаковое направление или все магнитные поля имеют одинаковое направление. Предлагаемый в изобретении ядерно-магнитный расходомер обеспечивает повышенную точность определения, например, скорости протока отдельных фаз среды и относительных долей отдельных фаз в многофазной среде в измерительной трубе.
Здесь следует указать на то, что в рамках изобретения речь идет, в первую очередь, о ядерно-магнитном расходомере, причем, однако, то, что отличает предлагаемый ядерно-магнитный расходомер согласно изобретению, не ограничивается использованием в ядерно-магнитных расходомерах, более того, может использоваться также и в других целях, например в самом общем случае в нефтехимической промышленности или в химической промышленности. Само собой разумеется, имеются различные возможности для осуществления и усовершенствования предлагаемого ядерно-магнитного расходомера.
Когда ранее разъяснялось, что согласно изобретению в среде на всем участке намагничивания магнитное поле имеет одинаковое направление или все магнитные поля имеют одинаковые направления, то тем самым не говорилось, что это одинаковое направление может быть только одним определенным. Более того, магнитное поле может или же все магнитные поля могут иметь любое направление с тем ограничением, что все они имеют одинаковое направление.
В особой форме осуществления предлагаемого ядерно-магнитного расходомера, в котором, как описано ранее, предусмотрены внутренний держатель и наружный держатель, полученные только от внутреннего держателя и только от наружного держателя напряженности магнитного поля могут быть различными. Однако предпочтительным образом, полученные только от внутреннего держателя и только от наружного держателя напряженности магнитного поля одинаковы. Тогда с учетом первичной теории изобретения в описанной ранее особо предпочтительной форме осуществления предлагаемого ядерно-магнитного расходомера, в которой предусмотрены внутренний держатель и наружный держатель, имеется две возможности для регулировки. Одна возможность для регулировки отличается тем, что магнитные поля внутреннего держателя и наружного держателя "суммируются", то есть получаемое магнитное поле имеет напряженность магнитного поля, которая в два раза выше напряженности магнитного поля, полученной от внутреннего держателя, или же напряженности магнитного поля, полученной от наружного держателя. При другой возможности регулировки, при которой ориентация между внутренним держателем и наружным держателем различается на 180° по сравнению с описанной ранее возможностью регулировки, магнитные поля взаимно ликвидируются, поэтому в среде не действует никакое магнитное поле.
Ориентация между внутренним держателем и наружным держателем может быть реализована за счет того, что как внутренний держатель, так и наружный держатель вращаются вокруг поворотной оси сегмента. Однако, предпочтительным образом, внутренний держатель реализован неподвижным относительно измерительной трубы, а расположенный концентрически вокруг внутреннего держателя наружный держатель - поворотным вокруг поворотной оси сегмента. Поворотная реализация наружного держателя относительно внутреннего держателя является предпочтительной относительно поворотного расположения внутреннего держателя относительно наружного держателя, потому что внутренний держатель закрыт наружным держателем, и поэтому приведение наружного держателя в действие можно реализовать проще, чем приведение в действие внутреннего держателя.
Выполненная с возможностью поворота вокруг поворотной оси сегмента опора наружного держателя может быть реализована за счет того, что внутренний держатель на каждом из своих двух концов прочно соединен относительно поворотной оси сегмента с соответственно держателем сегмента, и наружный держатель образует с держателями сегмента по меньшей мере один упорный подшипник скольжения, в то время как наружный держатель с внутренним держателем образует по меньшей мере один радиальный подшипник скольжения. Остающаяся за счет упорного подшипника скольжения и радиального подшипника скольжения свобода движения наружного держателя является возможностью поворота наружного держателя вокруг поворотной оси сегмента.
Приведение в действие наружного держателя на поворотной опоре может осуществлять исполнительный элемент. Исполнительный элемент может включать в себя расположенный на наружном держателе концентрически относительно поворотной оси сегмента зубчатый венец, сцепляющуюся с зубчатым венцом ведущую шестерню и электродвигатель, поворачивающий ведущую шестерню. За счет управления электродвигателем создаваемый электродвигателем крутящий момент переносится посредством ведущей шестерни на зубчатый венец, благодаря чему наружный держатель вращается относительно внутреннего держателя. В качестве электродвигателя могут использоваться синхронный электродвигатель и, предпочтительным образом, шаговые электродвигатели.
Если для приведения в действие наружного держателя на поворотной опоре предусмотрен исполнительный элемент, то исполнительный элемент может быть выполнен также для регулировки ориентации с максимальным вращающимся полем в среде и минимальным магнитным полем в среде. При использовании шагового электродвигателя известна ориентация с максимальным магнитным полем в среде и минимальным магнитным полем в среде за счет количества шагов при заданном направлении поворота, исходя из известной начальной ориентации. Начальная ориентация может определяться посредством флажка на наружном держателе и оптического датчика, который не вращается вместе с держателем. В качестве альтернативы, об ориентации с максимальным магнитным полем в среде и минимальным магнитным полем в среде также могут сигнализировать флажки и оптические датчики. В этом случае использование шагового двигателя не требуется и может использоваться, например, синхронный двигатель. Само собой разумеется, с помощью описанных ранее средств можно отрегулировать с возможностью воспроизведения также и другие ориентации между внутренним держателем и наружным держателем.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления изобретения среда намагничивается за счет укомплектованного постоянными магнитами намагничивающего сегмента второго типа, при котором магнитное сопротивление для варьирования напряженности магнитного поля в среде и, тем самым, также для варьирования намагничивания среды может регулироваться. Возможность регулирования магнитного сопротивления может быть реализована, например, за счет того, что намагничивающий сегмент состоит из первого частичного сегмента и второго частичного сегмента и что они находятся на расстоянии друг от друга. Возникающий между первым частичным сегментом и вторым частичным сегментом при разнесении их на расстояние зазор представляет собой магнитное сопротивление намагничивающего сегмента и может регулироваться за счет размера зазора. При этом увеличение зазора приводит к большему магнитному сопротивление, а оно к снижению напряженности магнитного поля в среде. Если проходящий через среду магнитный поток также проходит через ярмо, то на магнитное сопротивление также можно повлиять в этом ярме. Например, в этом ярме может быть предусмотрен шлиц, через который протекает магнитный поток, и за счет вталкивания или вытаскивания наполнителя с хорошей магнитной проводимостью в щлиц/из шлица можно регулировать магнитное сопротивление.
В другой предпочтительной форме осуществления изобретения намагничивающее устройство или по меньшей мере один намагничивающий сегмент расположен подвижно вдоль продольной оси измерительной трубы. За счет регулируемого расстояния намагничивающего устройства или намагничивающего сегмента вдоль продольной оси измерительной трубы до измерительного устройства можно регулировать намагничивание среды на измерительном устройстве. Таким образом можно выполнять измерения с различными вариантами намагничивания среды.
До сих пор в отношении создания магнитного поля с помощью описанного намагничивающего устройства было разъяснено только то, что оно создано за счет постоянных магнитов. Абсолютно особо предпочтительная возможность для создания магнитного поля за счет постоянных магнитов осуществляется за счет расположения постоянных магнитов в форме магнитной сборки Халбаха. В намагничивающем сегменте в этом случае как постоянные магниты внутреннего держателя, так и постоянные магниты наружного держателя расположены в форме магнитной сборки Халбаха. При этом магнитное поле внутреннего держателя вне внутреннего держателя проходит, по существу, во внутреннем пространстве внутреннего держателя. Соответствующим образом магнитное поле наружного держателя вне наружного держателя проходит, по существу, во внутреннем пространстве наружного держателя.
В представленных ранее предлагаемых намагничивающих устройствах намагничивание протекающей через измерительную трубу среды выполняется исключительно за счет созданных постоянными магнитами магнитных полей. Варьирование напряженности магнитного поля в среде выполняется за счет поворота наружного держателя и внутреннего держателя относительно друг друга и в случае необходимости за счет варьирования магнитного сопротивления. При этом варьирование напряженности магнитного поля выполняется за счет механических изменений на намагничивающем устройстве.
В альтернативной форме осуществления изобретения для варьирования напряженности магнитного поля в среде и, тем самым, для варьирования намагничивания среды на намагничивающем устройстве расположен по меньшей мере один электромагнит таким образом, что магнитное поле электромагнита направлено параллельно или антипараллельно магнитному полю намагничивающего устройства. Тем самым посредством электромагнита имеющееся в среде магнитное поле можно либо снизить на созданную электромагнитом напряженность магнитного поля, либо увеличить напряженность магнитного поля на созданную электромагнитом напряженность магнитного поля. Поэтому механические изменения для варьирования напряженности магнитного поля в среде больше не требуются.
В частности, теперь существуют различные возможности для осуществления и усовершенствования ядерно-магнитного расходомера. Для этого приводится ссылка на пункты формулы изобретения, зависимые от пункта 1 формулы изобретения, и на описание предпочтительного примера осуществления в комбинации с чертежом намагничивающих устройств, относящихся к предлагаемому ядерно-магнитному расходомеру. На чертежах показаны:
Фиг.1А пример осуществления намагничивающего устройства с тремя намагничивающими сегментами,
Фиг.1Б вид сверху на намагничивающее устройство согласно фиг.1А,
Фиг.2А один из намагничивающих сегментов намагничивающего устройства согласно фиг.1А,
Фиг.2Б намагничивающий сегмент согласно фиг.2А в покомпонентном представлении,
Фиг.3 внутренний магнитный держатель и наружный магнитный держатель намагничивающего сегмента согласно фиг.2Б,
Фиг.4А магнитное поле во внутреннем пространстве внутреннего магнитного держателя согласно фиг.3,
Фиг.4Б магнитное поле во внутреннем пространстве наружного магнитного держателя согласно фиг.3,
Фиг.5А возникающее во внутреннем пространстве внутреннего держателя намагничивающего сегмента согласно фиг.2А магнитное поле в первой ориентации между внутренним держателем и наружным держателем, и
Фиг.5Б возникающее во внутреннем пространстве внутреннего держателя намагничивающего сегмента согласно фиг.2А магнитное поле во второй ориентации между внутренним держателем и наружным держателем.
Согласно изобретению речь идет о ядерно-магнитном расходомере для измерения протекающей через измерительную трубу 5 среды 6 с намагничивающим устройством 1 для намагничивания протекающей через измерительную трубу 5 среды 6 на участке 7 намагничивания вдоль продольной оси 8 измерительной трубы 5. При этом намагничивающее устройство 1 для создания служащего для намагничивания среды 6 магнитного поля 3, 4 снабжено постоянными магнитами 2 и намагничивающее устройство 1 имеет по меньшей мере два расположенных друг за другом в направлении продольной оси 8 измерительной трубы 5 намагничивающих сегмента 9. Это, по большей части, не показано на фигурах, потому что на фигурах показано, по существу, относящееся к предлагаемому ядерно-магнитному расходомеру намагничивающее устройство 1.
Согласно изобретению магнитное поле 3, 4 в среде 6 имеет одинаковое направление на всем участке 7 намагничивания.
На фигурах показан пример осуществления намагничивающего устройства 1, относящегося к предлагаемому ядерно-магнитному расходомеру, причем на фиг.1А показано намагничивающее устройство 1 в своей совокупности. Множество постоянных магнитов 2 стержневой формы, см. на фиг.2А - фиг.5Б, создает магнитное поле 3, 4, см. фиг.1Б и фиг.3 - фиг.5Б, которое пронизывает протекающую через измерительную трубу 5 среду 6. Геомагнитное поле земли остается не учтенным. Пронизывание среды 6 магнитным полем 3, 4 осуществляется на участке 7 намагничивания, который простирается вдоль продольной оси 8 измерительной трубы 5. Само собой разумеется, измерительная труба 5, по меньшей мере на участке 7 намагничивания, выполнена из материала, который не влияет на магнитные поля. Намагничивание протекающей среды 6 происходит в течение пребывания среды 6 в области участка 7 намагничивания, продолжительность которого определяется длиной участка 7 намагничивания и скоростью протекания среды 6.
Намагничивающее устройство 1 имеет модульную конструкцию из отдельных намагничивающих сегментов 9. Это означает, что оно может включать в себя любое количество намагничивающих сегментов 9. Пример осуществления включает в себя три намагничивающих сегмента 9, см. фиг.1А, но по причине модульной конструкции может иметь меньше или больше намагничивающих сегментов 9.
В представленном примере осуществления три намагничивающих сегмента 9 образуют соответственно частичные участки намагничивания одинаковой длины, которые вместе образуют участок 7 намагничивания. Магнитное поле 3, 4 в созданное постоянными магнитами 2 среде 6 на участке 7 намагничивания имеет только одно единственное направление, см. фиг.1Б. Если здесь речь идет об одном единственном направлении магнитного поля 3, 4 в среде 6 по участку 7 намагничивания, то это не исключает колебания направления. Тем не менее, колебания направления настолько малы, что достигается желаемая точность измерения. Краевые эффекты магнитного поля 3, 4, как они возникают, например, на концах участка 7 намагничивания, на фигурах не показаны.
На фиг.2А-фиг.2Б представлены основные компоненты каждого из трех намагничивающих сегментов 9, причем на фиг.2А показан намагничивающий сегмент 9 в собранном состоянии, а на фиг.2Б - намагничивающий сегмент 9 в покомпонентном представлении. Намагничивающий сегмент 9 включает в себя выполненный в принципе в форме полого цилиндра внутренний держатель 10 с концентрической продольной осью 11 внутреннего держателя и выполненный в принципе в форме полого цилиндра наружный держатель 10 с концентрической продольной осью 13 наружного держателя, причем наружный держатель 12 выполнен с возможностью поворота вокруг поворотной оси 13 сегмента.
Внутренний держатель 10 состоит, по существу, из выполненного в принципе в форме полого цилиндра внутреннего магнитного держателя 15 и двух внутренних колец 16а, 16b в форме боковых дисков, а внутренний радиус внутреннего держателя 10 вокруг продольной оси 11 внутреннего держателя больше наружного радиуса измерительной трубы 5. Во внутреннем магнитном держателе 15 предусмотрено множество креплений 17 стержневых магнитов. Каждое из креплений 17 стержневых магнитов имеет параллельную продольной оси 11 внутреннего держателя ось и состоит из множества концентрически предусмотренных для их соответствующей оси креплений 18 стержневых магнитов. Крепления 17 стержневых магнитов проходят по всей длине внутреннего магнитного держателя 15, и все относящиеся к креплению 17 стержневых магнитов выемки 18 стержневых магнитов имеют одинаковое прямоугольное внутреннее сечение. Если речь идет о длине тела, то подразумевается расширение тела вдоль его продольной оси. В крепления 17 стержневых магнитов установлены постоянные магниты 2 стержневой формы. Постоянные магниты 2 вставляются с одной или с другой торцевой стороны внутреннего магнитного держателя 15 в крепления 17 стержневых магнитов, и длина вставленных постоянных магнитов 2 соответствует длине внутреннего магнитного держателя 15. Внутренние сечения выемок 18 стержневых магнитов приведены в соответствие наружным сечениям постоянных магнитов 2 таким образом, что внутренний магнитный держатель 15 выравнивает вставленные в крепления 17 стержневых магнитов постоянные магниты 2 вокруг соответствующей оси, не допуская их вращения. Внутренний магнитный держатель 15 не прекращает движения вставленных постоянных магнитов 2 в направлении продольной оси 11 внутреннего держателя, в результате чего вставленные постоянные магниты 2 в этом направлении могут двигаться.
Внутреннее кольцо 16а прочно соединено с одной торцевой стороной, а внутреннее кольцо 16b - с другой торцевой стороной внутреннего магнитного держателя 15 посредством резьбовых соединений. Соединенные с внутренним магнитным держателем 15 внутренние кольца 16а и 16b предотвращают движения вставленных постоянных магнитов 2 в направлении продольной оси 11 внутреннего держателя. Вставленные постоянные магниты 2 полностью зафиксированы посредством скорректированных друг под друга поверхностей сечения вставленных постоянных магнитов 2 и выемок 18 стержневых магнитов и за счет внутренних колец 16а, 16b. Направленная наружу торцевая сторона каждого из внутренних колец 16а, 16b располагается в плоскости, вертикальной относительно продольной оси 11 внутреннего держателя. Направленная наружу концентрическая поверхность внутреннего кольца 16а и направленная наружу концентрическая поверхность внутреннего кольца 16b расположены в общей внутренней поверхности кругового цилиндра, которую не пронизывает внутренний магнитный держатель 15. Внутренний магнитный держатель 15 и связанные с ним внутренние кольца 16а, 16b выровнены концентрически относительно продольной оси 11 внутреннего держателя.
Наружный держатель 12 состоит, по существу, из выполненного в принципе в форме полого цилиндра наружного магнитного держателя 19 и двух наружных колец 20а, 20b в форме боковых дисков. В наружном магнитном держателе 19 предусмотрено множество креплений 17 стержневых магнитов. Каждое из креплений 17 стержневых магнитов имеет параллельную продольной оси 13 наружного держателя ось и состоит из множества концентрически предусмотренных для их соответствующей оси выемок 18 стержневых магнитов. Крепления 17 стержневых магнитов проходят по всей длине наружного магнитного держателя 19, и все относящиеся к креплению 17 стержневых магнитов выемки 18 стержневых магнитов имеют одинаковое прямоугольное внутреннее сечение. В крепления 17 стержневых магнитов вставлены прямоугольные постоянные формы 2 стержневой формы. Постоянные магниты 2 вталкиваются с одной или с другой торцевой стороны наружного магнитного держателя 19 в крепления 17 стержневых магнитов и длина вставленного постоянного магнита 2 соответствует длине наружного магнитного держателя 19. Внутренние сечения выемок 18 стержневых магнитов скорректированы под наружные сечения постоянных магнитов таким образом, что наружный магнитный держатель 19 выравнивает вставленные в крепления 17 стержневых магнитов постоянные магниты 2 вокруг соответствующей оси, не допуская их вращения. Внутренний магнитный держатель 15 не прекращает движения вставленных постоянных магнитов 2 в направлении продольной оси 13 наружного держателя, в результате чего вставленные постоянные магниты 2 могут двигаться в этом направлении.
Наружное кольцо 20а прочно соединено с одной торцевой стороной, а наружное кольцо 20b - с другой торцевой стороной наружного магнитного держателя 19 посредством резьбовых соединений. Соединенные с наружным магнитным держателем 19 наружные кольца 20а, 20b предотвращают движения вставленных постоянных магнитов 2 в направлении продольной оси 13 внутреннего держателя. Вставленные постоянные магниты 2 полностью зафиксированы посредством скорректированных друг под друга поверхностей сечения использованных постоянных магнитов 2 и выемок 18 стержневых магнитов и за счет наружных колец 20а, 20b. Направленная наружу торцевая сторона каждого из наружных колец 20а, 20b располагается в плоскости, вертикальной относительно продольной оси 13 внутреннего держателя. Направленная наружу концентрическая поверхность наружного кольца 20а и направленная наружу концентрическая поверхность наружного кольца 20b расположены в общей наружной поверхности кругового цилиндра, которую не пронизывает наружный магнитный держатель 19. Наружный магнитный держатель 19 и связанные с ним наружные кольца 20а, 20b выровнены концентрически относительно продольной оси 13 наружного держателя.
Длина внутреннего держателя 10 незначительно больше наружного держателя 12, а радиус наружной поверхности кругового цилиндра, незначительно больше радиуса внутренней поверхности кругового цилиндра. Внутренний держатель 10 и наружный держатель 12 собираются за счет того, что наружный держатель 12 проводится по внутреннему держателю. В собранном состоянии продольная ось 11 внутреннего держателя и продольная ось 13 наружного держателя совпадают и направленные наружу торцевые поверхности внутренних колец 16а, 16b незначительно выступают за направленные наружу торцевые поверхности наружных колец 20а, 20b.
Каждый из намагничивающих сегментов 9 включает в себя, по существу, наряду с внутренним держателем 10 и наружным держателем 12, два плоских, выполненных в форме пластины держателя 21а, 21b сегмента. В каждом из держателей 21а, 21b сегмента предусмотрена выемка 22 в трубе круглой формы для проведения измерительной трубы 5. Держатель 21 а сегмента за счет резьбовых соединений прочно соединен с внутренним кольцом 16а, а держатель 21b сегмента за счет резьбовых соединений прочно соединен с внутренним кольцом 16b. Расширение держателей 21а, 21b сегмента в вертикальной к продольной оси 11 внутреннего держателя плоскости превышает расширение наружного держателя 12 в этой плоскости.
Движения наружного держателя 12 в радиальном к продольной оси 13 наружного держателя направлении относительно внутреннего держателя 10 предотвращаются двумя радиальными подшипниками скольжения. Первый радиальный подшипник скольжения образуется направленной внутрь радиальной поверхностью наружного кольца 20а вместе с направленными наружу радиальными поверхностями внутреннего кольца 16а, а второй радиальный подшипник скольжения образуется направленной внутрь радиальной поверхностью наружного кольца 20b вместе с направленными наружу радиальными поверхностями внутреннего кольца 16b.
Движения наружного держателя 12 в аксиальном к продольной оси 13 наружного держателя направлении относительно внутреннего держателя 10 предотвращаются двумя упорными подшипниками скольжения. Первый упорный подшипник скольжения образуется направленной наружу поверхностью торцевой стороны наружного кольца 20а вместе с направленной внутрь поверхностью держателя 16а сегмента, а второй упорный подшипник скольжения образуется направленной наружу поверхностью торцевой стороны наружного кольца 20b вместе с направленной внутрь поверхностью держателя 21b сегмента.
Единственно остающаяся свобода движения наружного держателя 12 относительно внутреннего держателя 10 - это поворот вокруг продольной оси 13 наружного держателя. Продольная ось 14 сегмента по определению совпадает с продольной осью 13 наружного держателя. Ранее упомянутое незначительное различие радиусов наружной поверхности кругового цилиндра и внутренней поверхности кругового цилиндра выбрано таким образом, что гарантирована функция радиальных подшипников скольжения, а ранее упомянутое незначительное различие длин внутреннего держателя 10 и наружного держателя 12 выбрано таким образом, что гарантирована функция упорных подшипников скольжения. Находящиеся в контакте друг с другом поверхности радиальных подшипников скольжения и упорных подшипников скольжения выполнены таким образом, что при повороте наружного держателя 12 относительно внутреннего держателя 10 износ и необходимый для поворота крутящий момент минимально возможны.
На фиг.3 показан внутренний магнитный держатель 15 и наружный магнитный держатель 19 в собранном состоянии с установленными постоянными магнитами 2. Магнитное поле 3, 4 во внутреннем пространстве цилиндрической формы внутреннего магнитного держателя 15 складывается из наложения магнитного поля 3 постоянных магнитов 2 внутреннего магнитного держателя 15 и магнитного поля 4 постоянных магнитов 2 наружного магнитного держателя 19. Напряженность магнитного поля магнитного поля 3, 4 в среде 9 вдоль любой из параллельных к поворотной оси 15 сегмента линий по длине намагничивающего сегмента 8 является постоянной. Более того, магнитное поле 3, 4 по длине намагничивающего сегмента 9 однородно. Если здесь речь идет о постоянной напряженности магнитного поля или однородности магнитного поля 3, 4 в среде 6 по длине намагничивающего сегмента, то это не исключает колебания напряженности магнитного поля и неоднородности магнитного поля 3, 4. Тем не менее, колебания напряженности магнитного поля и неоднородности настолько малы, что достигается желаемая точность измерения.
Ориентация наружного магнитного держателя 19 относительно внутреннего магнитного держателя 15 отмечена меткой 23 а ориентации на торцевой стороне внутреннего магнитного держателя 15 и меткой 23b ориентации на торцевой стороне наружного магнитного держателя 19. Радиальное расстояние внутреннего магнитного держателя 15 от измерительной трубы и радиальное расстояние наружного магнитного держателя 19 от внутреннего магнитного держателя 15 по возможности малы. За счет малых расстояний объем, который должен быть пронизан магнитным полем 3, 4, в котором расположена измерительная труба 5, минимален, и соответственно минимален также и вносимый постоянными магнитами 2 магнитный поток. Следовательно, большие радиальные расстояния потребовали ли бы больше материала постоянных магнитов.
На фиг.4А показан вид сверху на внутренний магнитный держатель 15 с установленными постоянными магнитами 2. Внутренний магнитный держатель выравнивает установленные постоянные магниты 2 в форму магнитной сборки Халбаха, магнитное поле 3 которой проходит вне внутреннего магнитного держателя 15, по существу, во внутреннем пространстве цилиндрической формы внутреннего магнитного держателя 15, а среда 6 - однородна. На фиг.4Б показан вид сверху на наружный магнитный держатель 19 с установленными постоянными магнитами 2. Наружный магнитный держатель 19 также выравнивает установленные постоянные магниты 2 в форму магнитной сборки Халбаха, магнитное поле 4 которой проходит вне наружного магнитного держателя 15, по существу, во внутреннем пространстве цилиндрической формы наружного магнитного держателя 15 и однородно в среде 6. Обе магнитных сборки Халбаха приведены в соответствие друг другу таким образом, что значения напряженности магнитного поля 3 и напряженности магнитного поля 4 в среде одинаковы. За счет того обстоятельства, что магнитное поле 3, по существу, не проходит в наружном пространстве внутреннего держателя 15, для поворота наружного держателя 12, по существу, необходимо преодолеть только трение радиальных подшипников скольжения и упорных подшипников скольжения.
На фиг.5А показаны внутренний магнитный держатель 15 и наружный магнитный держатель 19 с установленными постоянными магнитами 2 в первой ориентации относительно друг друга. Магнитное поле 3 и магнитное поле 4 выровнены параллельно относительно друг друга. Следовательно, в среде 6 напряженность магнитного поля возникающего за счет наложения магнитного поля в два раза больше, чем напряженность магнитного поля магнитного поля 3 или магнитного поля 4 самого по себе. На фиг.5Б показан внутренний магнитный держатель 15 и наружный магнитный держатель 19 с установленными постоянными магнитами 2 во второй ориентации относительно друг друга. Магнитное поле 3 и магнитное поле 4 выровнены антипараллельно относительно друг друга, поэтому в среде 6 магнитное поле отсутствует. Если здесь речь идет об отсутствии магнитного поля в среде 6, то это не исключает имеющееся в среде 6 магнитное поле с незначительной напряженностью магнитного поля. Тем не менее, остаточная напряженность магнитного поля настолько мала, что достигается желаемая точность измерения.
Три намагничивающих сегмента 9 намагничивающего устройства 1, см. фиг.1А, выровнены относительно друг друга таким образом, что их поворотные оси 14 сегментов совпадают с продольной осью 8 измерительной трубы 5. Дополнительно, внутренние держатели 10 сориентированы относительно друг друга таким образом, что их магнитные поля 3 параллельны. Каждый наружный держатель 12 может поворачиваться независимо от других наружных держателей 12 вокруг продольной оси 8 измерительной трубы 5, и поворот каждого из наружных держателей 12 выполняется посредством исполнительного элемента, которой на фигурах не виден. Исполнительные элементы могут выставлять любые ориентации наружных держателей 12 относительно внутренних держателей 10.
В первом способе эксплуатации намагничивающего устройства 1 три наружных держателя 12 всегда сориентированы посредством исполнительных элементов относительно друг друга таким образом, что магнитные поля параллельны друг другу. Следовательно, повороты трех наружных держателей 12 относительно внутренних держателей 10 выполняются совместно и равномерно. За счет поворотов наружных держателей 12 относительно внутренних держателей 10 магнитное поле 3, 4 в среде 8 на участке 7 намагничивания выставляется на любые напряженности магнитного поля от нуля до двойной напряженности магнитного поля 3 или магнитного поля 4. В результате этого соответствующим образом меняется намагничивание протекающей среды 6. Магнитное поле 3, 4 в среде 6 имеет на участке 7 намагничивания только одно единственное направление. Дополнительно, напряженность магнитного поля магнитного поля 3, 4 в среде 6 вдоль любой параллельной продольной оси 8 измерительной трубы 5 линии постоянна на участке 7 намагничивания. Кроме того, магнитное поле 3, 4 однородно на участке 7 намагничивания.
Во втором варианте эксплуатации намагничивающего устройства 1 наружные держатели 12 трех намагничивающих сегментов 9 ориентируются независимо друг от друга. При этом выставляются только две различных ориентации каждого из наружных держателей 12 относительно его внутреннего держателя 10. При первой ориентации магнитное поле 3 и магнитное поле 4 соответствующего намагничивающего сегмента 9 выровнены параллельно. Напряженность магнитного поля магнитного поля 3, 4 в среде 6 является двойной напряженностью магнитного поля магнитного поля 3 или магнитного поля 4. При второй ориентации магнитное поле 3 и магнитное поле 4 выровнены антипараллельно. Намагниченность магнитных полей 3, 4 в среде 6 равна нулю. В вариантах намагничивания среды 6, создаваемых при этом способе, намагничивание всегда выполняется с равной напряженностью магнитного поля в среде 6. Магнитное поле 3, 4 в среде 6 независимо от ориентации наружных держателей 12 отдельных намагничивающих сегментов на участке 7 намагничивания имеет только одно единственное направление.
ССЫЛОЧНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
| 1 | Намагничивающее устройство |
| 2 | Постоянный магнит |
| 3, 4 | Магнитное поле |
| 5 | Измерительная труба |
| 6 | Среда |
| 7 | Участок намагничивания |
| 8 | Продольная ось измерительной трубы |
| 9 | Намагничивающий сегмент |
| 10 | Внутренний держатель |
| 11 | Продольная ось внутреннего держателя |
| 12 | Наружный держатель |
| 13 | Продольная ось наружного держателя |
| 14 | Поворотная ось сегмента |
| 15 | Внутренний магнитный держатель |
| 16а, 16b | Внутреннее кольцо |
| 17 | Крепления стержневых магнитов |
| 18 | Выемка стержневых магнитов |
| 19 | Наружный магнитный держатель |
| 20а, 20b | Наружное кольцо |
| 21а, 21b | Держатель сегмента |
| 22 | Выемка в трубе |
| 23а, 23b | Метка ориентации держателя |
1. Ядерно-магнитный расходомер для измерения расхода протекающей через измерительную трубу (5) среды (6), содержащий намагничивающее устройство (1) для намагничивания протекающей через измерительную трубу (5) среды (6) на участке (7) намагничивания вдоль продольной оси (8) измерительной трубы (5), которое для создания служащего для намагничивания среды (6) магнитного поля (3, 4) снабжено постоянными магнитами (2) и имеет по меньшей мере два расположенных друг за другом в направлении продольной оси (8) измерительной трубы (5) намагничивающих сегмента (9), причем и при различной по длине участка (7) намагничивания напряженности магнитного поля в среде (6) по всему участку (7) намагничивания магнитное поле (3 или же 4) имеет одинаковое направление или же все магнитные поля (3 и 4) имеют одинаковое направление, отличающийся тем, что каждый из намагничивающих сегментов (9) имеет укомплектованный постоянными магнитами (2) внутренний держатель (10) и укомплектованный постоянными магнитами (2) наружный держатель (12), и что внутренний держатель (10) расположен вокруг измерительной трубы (5), а наружный держатель (12) - вокруг внутреннего держателя (10), и что для варьирования напряженности магнитного поля в среде (6) и, тем самым, также для варьирования намагничивания среды (6) ориентация между внутренним держателем (10) и наружным держателем (12) является регулируемой за счет вращения внутреннего держателя (10) и/или наружного держателя (12) вокруг поворотной оси (14) сегмента.
2. Ядерно-магнитный расходомер по п. 1, отличающийся тем, что для каждого из намагничивающих сегментов (9) либо ориентация между внутренним держателем (10) и наружным держателем (12) установлена на максимальную намагниченность (3, 4) поля в среде (6), либо ориентация между внутренним держателем (10) и наружным держателем (12) установлена на минимальную напряженность (3, 4) поля в среде (6).
3. Ядерно-магнитный расходомер по п. 1 или 2, отличающийся тем, что по меньшей мере в одном из намагничивающих сегментов (9) магнитное поле (3) внутреннего держателя (10) и магнитное поле (4) наружного держателя (12) образовано таким образом, что при ориентации между внутренним держателем (10) и наружным держателем (12) на минимальную напряженность (3, 4) магнитного поля в среде (6) магнитное поле в среде (6) отсутствует.
4. Ядерно-магнитный расходомер по п. 1 или 2, отличающийся тем, что по меньшей мере в одном из намагничивающих сегментов (9) внутренний держатель (10) является неподвижным относительно измерительной трубы (5), а наружный держатель (12) установлен с возможностью поворота вокруг поворотной оси (14) сегмента.
5. Ядерно-магнитный расходомер по п. 1 или 2, отличающийся тем, что по меньшей мере в одном из намагничивающих сегментов (9) внутренний держатель (10) на каждом из своих двух концов прочно соединен относительно поворотной оси (14) сегмента с соответственно держателем (21а, 21b) сегмента, а наружный держатель (12) образует с внутренним держателем (10) по меньшей мере один радиальный подшипник скольжения, и наружный держатель (12) образует с держателями (21а, 21b) сегмента по меньшей мере один упорный подшипник скольжения.
6. Ядерно-магнитный расходомер по п. 1 или 2, отличающийся тем, что по меньшей мере в одном из намагничивающих сегментов для поворота внутреннего держателя (10) и/или наружного держателя (12), предпочтительным образом наружного держателя (12), вокруг поворотной оси (14) сегмента предусмотрен исполнительный элемент.
7. Ядерно-магнитный расходомер по п. 6, отличающийся тем, что по меньшей мере в одном из намагничивающих сегментов (9) посредством исполнительного элемента является регулируемой, по меньшей мере, ориентация между внутренним держателем (10) и наружным держателем (12) с минимальным магнитным полем (3, 4) в среде (6) и ориентация между внутренним держателем (10) и наружным держателем (12) с максимальным магнитным полем (3, 4) в среде (6).
8. Ядерно-магнитный расходомер по одному из пп. 1, 2 или 7, отличающийся тем, что предусмотрен по меньшей мере один другой укомплектованный постоянными магнитами (2) намагничивающий сегмент (9) и магнитное сопротивление другого намагничивающего сегмента (9) является регулируемым для варьирования напряженности магнитного поля (3, 4) в среде (6) и тем самым также и для варьирования намагничивания среды (6).
9. Ядерно-магнитный расходомер по п. 8, отличающийся тем, что другой намагничивающий сегмент состоит из первого частичного сегмента и второго частичного сегмента, и что оба частичных сегмента находятся на расстоянии друг от друга, и что возникающий между первым частичным сегментом и вторым частичным сегментом при разнесении их на расстояние зазор представляет собой регулируемое магнитное сопротивление.
10. Ядерно-магнитный расходомер по одному из пп. 1, 2, 7 или 9, отличающийся тем, что постоянные магниты (2) расположены в форме магнитной сборки Халбаха.
11. Ядерно-магнитный расходомер по одному из пп. 1, 2, 7 или 9, отличающийся тем, что для варьирования напряженности магнитного поля в среде (6) и тем самым для варьирования намагничивания среды (6) на намагничивающем устройстве (1) расположен по меньшей мере один электромагнит таким образом, что магнитное поле электромагнита направлено параллельно или антипараллельно магнитному полю (3, 4) намагничивающего устройства (1), и что напряженность магнитного поля, создаваемого электромагнитом магнитного поля, является регулируемой.
12. Ядерно-магнитный расходомер по одному из пп. 1, 2, 7 или 9, отличающийся тем, что намагничивающее устройство (1) или по меньшей мере один намагничивающий сегмент (9) расположен подвижно относительно продольной оси (8) измерительной трубы (5) и что за счет регулируемого расстояния намагничивающего устройства (1) или намагничивающего сегмента (9) вдоль продольной оси (8) измерительной трубы (5) до измерительного устройства является регулируемым намагничивание среды (6) на измерительном устройстве.
13. Ядерно-магнитный расходомер по одному из пп. 1, 2, 7 или 9, отличающийся тем, что намагничивающие сегменты (9) образуют частичные участки намагничивания различной длины.
14. Ядерно-магнитный расходомер по одному из пп. 1, 2, 7 или 9, отличающийся тем, что напряженность магнитного поля созданного постоянными магнитами (2) магнитного поля (3, 4) в среде (6) вдоль любой параллельной к продольной оси (14) измерительной трубы (5) линии является постоянной по длине каждого намагничивающего сегмента (9) или по участку (7) намагничивания.
15. Ядерно-магнитный расходомер по одному из пп. 1, 2, 7 или 9, отличающийся тем, что созданное постоянными магнитами (2) в среде (6) магнитное поле (3, 4) является однородным по длине каждого намагничивающего сегмента (9) или по участку (7) намагничивания.
