CH668638A5

CH668638A5 - Verfahren und vorrichtung zur ermittlung des durchflusses eines mediums in einer rohrleitung.

Info

Publication number: CH668638A5
Application number: CH88/85A
Authority: CH
Inventors: James Derwin King; Erroll S Riewerts
Original assignee: Southwest Res Inst
Priority date: 1983-05-05
Filing date: 1984-05-04
Publication date: 1989-01-13
Also published as: EP0140970B1; US4536711A; DE3490210T; EP0140970A1; GB2152678B; GB8432202D0; NL191497B; DE3490210C2; CA1211504A; WO1984004397A1; NL191497C; GB2152678A; NL8420115A; EP0140970A4

Description

BESCHREIBUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung des Durchflusses eines Mediums in einer Rohrleitung, basierend auf der Bestimmung der Fliessgeschwindigkeit und der Flussdichte eines interessierenden Elementes des Mediums längs eines Abschnittes des Strömungspfades mittels Kernspinresonanz oder Elek-tronenspinresonanz.

Die Erfindung ermöglicht die Messung der Durchflussrate des fliessenden Mediums, unabhängig von der Dichte und von dem Füllungsgrad innerhalb einer Rohrleitung aus nicht-ferromagnetischem Material. Zudem ist die Messung unabhängig von den charakteristischen Relaxations-Zeit-konstanten der magnetischen Spinresonanz, bekannt als Ti und T2, wobei Ti die Spin-Gitter-Relaxationszeit und T2 die Spin-Spin-Relaxationszeit bedeuten.

Bei dieser Erfindung wird ein Magnetfeld benutzt, das quer zu der Rohrleitung hegt und so aufgebaut ist, dass die Feldstärke einen Gradienten aufweist. Der Gradient bewirkt, dass das Medium zunächst in ein Gebiet mit relativ hoher Feldstärke gelangt, die dann längs des Strömungspfades linear zu niedrigeren Werten absinkt. Ein Segment des fliessenden Mediums ist zu einem gegebenen Zeitpunkt in diesem Magnetfeld einer ganz bestimmten Feldstärke ausgesetzt. Es besteht demnach ein Zusammenhang zwischen der Geschwindigkeit des sich in Flussrichtung verschiebenden Segmentes, der magnetischen Feldstärke und der Frequenz eines zusätzlichen Wechselfeldes, bei welcher Frequenz ein Kernspinresonanz-(NMR) oder ein Elektronenspinreso-nanz-(EMR) Signal zu erwarten ist.

Das Mediumsegment (das einer von der Rohrleitung umschlossenen Querscheibe gleicht) verschiebt sich im Magnetfeld, sodass sich eine Änderung der Frequenz des zu erwar668 638

tenden NMR- oder EMR-Signales ergibt. Ist der Feldgradient linear, so ist die Frequenzänderung proportional zu der Lageverschiebung des Segmentes. In der bevorzugten Ausführung der Erfindung wird deshalb ein Magnetfeld mit konstantem Gradienten benutzt. Diese bevorzugte Anordnung liefert somit auch eine zeitliche Abhängigkeit der Parameter der emittierten NMR- oder EMR-Echo-Impulse, nämlich proportional zu der Fliessgeschwindigkeit des Mediums.

Angenommen, eine erste Fliessgeschwindigkeit verdopple sich in einem bestimmten Moment. Die Frequenzänderung des EMR- oder NMR-Signales in einem gegebenen Zeitintervall ist dann doppelt so gross wie die Frequenzänderung, die bei der ersten Fliessgeschwindigkeit angetroffen aufgetreten ist. Die Messung der Fliessgeschwindigkeit ist unabhängig von den charakteristischen Element-Matrix-Zeitkonstanten Ti und T2, und ist auch unabhängig von der Dichte des Mediums oder dessen Füllfaktor in der Rohrleitung.

Es bestehen nun verschiedene, geeignete Möglichkeiten zur Aufbereitung und Auswertung der aufgefangenen Antwortsignale. Eine der Möglichkeiten besteht im Vergleich der Frequenz des NMR- oder EMR-Echosignales mit einer Referenzfrequenz. Es wird dabei die Verschiebung der Frequenz des Antwortsignales gemessen. Gesondert davon tritt auch eine Verschiebung der relativen zeitlichen Lage des Echos bezüglich der ausgesandten Impulse auf, welche Zeitverschiebung signifikant ist.

Es hat sich gezeigt, dass sich die Frequenz des Echosignales sowie auch dessen Verzögerungszeit verringern, wenn das Medium ein Magnetfeld mit negativem Gradienten durchläuft. Als negativer Gradient ist ein Verlauf zu verstehen, bei dem sich die Feldstärke in Flussrichtung von einem höheren Wert zu einem niedrigeren Wert ändert. Hat das Feld dagegen einen positiven Gradienten, so erhöhen sich mit zunehmender Fliessgeschwindigkeit sowohl die Frequenz als auch die Verzögerungszeit der Echosignale. Die Anordnung erlaubt es demnach, bei einem gegebenen Feldgradienten, aus der die Variation der Frequenz der Echosignale oder der Variation ihrer zeitlichen Lage die Fliessgeschwindigkeit in der Rohrleitung zu ermitteln. In der vorliegenden Erfindung wird in den verschiedenen Ausführungen von der einen oder der anderen dieser beiden Möglichkeiten Gebrauch gemacht.

Das Ausgangssignal wird andererseits auch von der Dichte des durch das Rohr fliessenden Mediums beeinflusst. Diese ist mehr oder weniger konstant, etwa bei Erdölprodukten, raffinierten Chemikalien, u.ä. Hingegen können die Flussdichte bei Gasen und insbesondere der Füllungsgrad bei Feststoffen erheblich variieren, wie etwa bei Rohrleitungen für Kohle. Hier wird nun der Umstand herangezogen, dass die Amplitude der NMR- oder EMR-Signale proportional zu der Flussdichte des Mediums ist. In einer Rohrleitung für Naturgas einer bestimmten Kohlenwasserstoff-Mischung bewirkt z.B. ein Druckanstieg eine proportionale Zunahme der Dichte; wird der Druck des Gases verdoppelt, so wird auch dessen Dichte ungefähr verdoppelt. Dies zeigt sich in der ungefähren Verdoppelung der Amplitude des Echosignales. Man erkennt daraus, dass die Messung der NMR- oder EMR-Echosignalamplitude für die Ermittlung des Durchflusses sehr vorteilhaft ist.

In einer der Ausführungen der erfindungsgemässen Vorrichtung sind zwei Verarbeitungskanäle vorgesehen, um die Frequenzvariation der Echosignale in Form einer Phasenverschiebung zu ermitteln. Das empfangene Signal wird mit dem ausgesendeten Signal gemischt, zwecks Messung der Phasenverschiebung und Umwandlung in eine Amplitudenvariation. Der eine Kanal wird mit dem Sendesignal be3

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schickt, während in den anderen Kanal das um 90° phasenverschobene Sendesignal eingespeist wird. Beide Kanäle sind sonst identisch ausgeführt; sie enthalten je einen Frequenzmischer, einen Tiefpassfilter und einen Abtast- und Halteverstärker. Die Verstärkerausgänge sind mit je einem Ana-log-Digital-Wandler verbunden. Die Signale der Kanäle werden dann in einen arithmetischen Prozessor gespeist, der Verhältnisse und triginometrische Funktionen der eingespeisten, synchron ermittelten, digitalen Wörter bildet. Diese Verhältnisse werden in der Folge Normierungseinheiten zugeführt. Es treten am Ausgang des arithmetischen Prozessors zwei separate, zeitlich getrennte Signale auf. Jedes dieser Signale wird in eine Normierungseinheit gespeist; beide normierten Signale bilden dann die Eingangssignale eines nachgeschalteten Addierers. Das Ausgangssignal des Addierers entspricht der Summe (oder der Differenz) der zwei Eingangssignale und ist proportional zu der Fliessgeschwindigkeit.

In einer anderen Schaltung zur Aufbereitung der empfangenen NMR- oder EMR-Signale werden diese nach der Abtastung mittels eines Abtast- und Halteverstärkers durch einen Tiefpassfilter geleitet und anschliessend in den Eingang eines Frequenz-Komparators gespeist. Dieser verfügt über ein Referenzsignal konstanter Frequenz. Die vom Komparator angezeigte Variation dient als Mass für die Geschwindigkeit.

Oft ist die Geschwindigkeitsverteilung über den Querschnitt der Rohrleitung nicht gleichförmig, sondern örtlich verschieden. Es kann zudem vorkommen, dass gewisse Komponenten des Mediums mit höherer Geschwindigkeit bewegt werden, als andere. Die Geschwindigkeitsverteilung und die Menge des bei jeder Geschwindigkeit fliessenden Materials sind mittels der vorliegenden Erfindung ebenfalls messbar, und zwar als Verteilung des Gehaltes an Frequenzen und Amplituden in den aufgefangenen NMR- oder EMR-Signalen. Die Amplituden der Komponenten des Frequenzspektrums sind proportional zu den Materialmengen, die mit den entsprechenden Geschwindigkeiten fliessen. Enthält beispielsweise das Medium in der Rohrleitung zwei Materialkomponenten mit zwei verschiedenen Fliessgeschwindigkeiten (Vi und V2), so erzeugt das fliessende Medium Echosignale mit zwei verschiedenen, den beiden Geschwindigkeiten entsprechenden Frequenzkomponenten.

Die Amplitude jeder Frequenzkomponente ist proportional der Materialmenge, welche mit der bestimmten Geschwindigkeit fliesst. Eine typische Verteilung der Fliessgeschwindigkeiten in einem Rohr weist einen Bereich zwischen den Werten V i und Y2 auf, und das entsprechende Frequenzspektrum der Echosignale hegt im Frequenzbereich von Fi bis F2, mit einer Amplitudenverteilung, die der Materialverteilung bei jeder Fliessgeschwindigkeit proportional ist.

Das Verfahren und die Vorrichtung dieser Erfindung weisen zahlreiche Vorteile und günstige Eigenschaften auf. Die damit ermittelten Ausgangssignale liegen zum grössten Teil in digitaler Form vor. Sie sind dadurch exakter zu verarbeiten, mit dem gewünschten Massstab zu versehen und zu speichern. Zudem arbeitet die Vorrichtung unabhängig von charakteristischen Zeitkonstanten Ti und T2, sowie auch unabhängig von dem Füllfaktor oder der Dichte des Mediums. Voraussetzung ist, dass das Material ein für die Verarbeitung ausreichendes, über dem Rauschpegel liegendes Echosignal abgibt. In der Praxis kann das Rauschen durch Anheben der Empfangsverstärkung ausreichend reduziert werden. Die Signalamplitude kann beispielsweise durch Erhöhung der Windungszahlen der Sende- und Empfangsspule verändert werden.

Die Vorrichtung arbeitet besonders gut, wenn die Sendefrequenz auf den Atomkern eines interessierenden Elementes oder auf seine unpaarigen Elektronen abgestimmt wird. Ein derartiges Element ist z.B. Wasserstoff. Als Alternative bieten sich die unpaarigen, im Kohlenstoff von Kohle assoziierten Elektronen an. Bei der Messung der Geschwindigkeit von Wasserstoff oder Kohlenstoff wird automatisch die Geschwindigkeit der ganzen fliessenden Masse gemessen. Die Sendefrequenz ist in der bevorzugten Ausführung so gewählt, dass entweder Wasserstoff oder Kohlenstoff angeregt wird, wobei dann die Fliessgeschwindigkeit des gewählten Elementes (und damit jene des Gemisches, welches dieses enthält) gemessen wird. Es können auch andere Elemente angeregt und ausgemessen werden, z.B. Natrium oder chemisch gebundenes Fluor.

Die erwähnten Zielsetzungen, Vorteile und günstigen Eigenschaften werden erfindungsgemäss durch die in den Ansprüchen definierten Merkmale realisiert.

Die Einzelheiten der Erfindung werden nachstehend anhand der in den beigefügten Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Anordnung zur Messung der Fliessgeschwindigkeit des Mediums in einer Rohrleitung, einen Magnet und eine Detektorspule in unmittelbarer Nähe der Rohrleitung enthaltend;

Fig. 2 eine graphische Darstellung eines Materialsegmentes in der Rohrleitung gemäss Fig. 1, das von einem Sendeimpuls angeregt und hernach in der Rohrleitung an eine neue Stelle verschoben wird, an der das Echosignal entsteht;

Fig. 3 zeigt ein getastetes Sendesignal und die zugehörigen Echosignalfolgen, in zwei Empfangskanälen, entsprechend der Schaltung gemäss Fig. 5;

Fig. 4 eine Darstellung des zeitlichen Ablaufes der aufgefangenen Echosignale in einem Messkanal, ähnlich der Darstellung gemäss Fig. 3;

Fig. 5 ein schematisches Blockdiagramm eines Detektor-und Auswertegerätes für NMR- oder EMR-Signale, von der Detektorspule für die Echosignale bis zu einem die Fliessgeschwindigkeit des Mediums anzeigenden Ausgang;

Fig. 6 ein schematisches Blockdiagramm einer anderen Schaltung zur Ermittlung der Fliessgeschwindigkeit und der Dichte des Mediums;

Fig. 7 eine mögliche Geschwindigkeitsverteilung über den Querschnitt der Rohrleitung;

Fig. 8 den qualitativen Verlauf des Amplituden-Frequenzspektrums der Echosignale des mit einer Geschwindigkeitsverteilung gemäss Fig. 7 durch die Rohrleitung fliessenden Mediums; und

Fig. 9 das Blockschema einer Vorrichtung zur Verarbeitung des Spektrums gemäss Fig. 8 und zur Ermittlung des gesamten Durchflusses.

In Fig. 1 ist die Rohrleitung mit 10 bezeichnet und enthält ein durchströmendes Medium, dessen Fliessgeschwindigkeit zu messen ist. In dem dargestellten Abschnitt enthält die Rohrleitung 10 demnach ein Material, wobei es sich typischerweise um feste Körper in einem Gas handelt, wie z.B. pulverisierte Kohle, die pneumatisch in eine Brennkammer befördert wird. Oder es handelt sich bei der Rohrleitung 10 um eine Förderleitung für flüssige Erdölprodukte; die Erfindung kann aber auch für durchströmende Gase verschiedener Drücke eingesetzt und angewandt werden. Der in Fig. 1 dargestellte Abschnitt der Rohrleitung 10 ist vorzugsweise aus nicht-magnetischem Material hergestellt, sodass die magnetischen Flusslinien ungestört durch die Rohrleitung 10 hindurchtreten können.

Das Nordpolstück 11 eines statischen Magneten ist gegenüber seinem Südpolstück 12 angeordnet. Die Pole des Magneten sind konisch geformt, sodass der Luftspalt längs der Rohrleitung 10 zwischen den Polen nach der einen Seite hin abnimmt. Die Feldstärke hat wegen dieser Formgebung

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der Pole im dargestellten Beispiel links ihr Maximum, wo das Medium in das Magnetfeld eintritt. Vorzugsweise weist das Magnetfeld in Flussrichtung des Mediums einen negativen Gradienten auf. Die höchste magnetische Feldstärke herrscht also dort, wo das Medium in das Feld eintritt. In Fig. 1 auf der rechten Seite, wo das Medium das Feld ver-lässt, herrscht eine geringere Feldstärke. Ho symbolisiert die Resonanzfeldstärke, und Hi deutet auf die Maximalfeldstärke hin. Zusätzlich sind in Fig. 1 die Feldstärken H2 und H3 bezeichnet. Der Feldstärkegradient ist vorzugsweise konstant, d.h. die Feldstärke nimmt in Flussrichtung linear ab. Dies kann beispielsweise durch die Verwendung konisch geformter Polflächen erreicht werden, wie es in Fig. 1 bei 11 und 12 für einen negativen Feldgradienten dargestellt ist. Für einen positiven Gradienten müsste die Anordnung bezüglich der Flussrichtung umgedreht werden.

Es interessiert zunächst die magnetische Feldstärke bei H0. Diese Feldstärke ist zu beziehen auf die Trägerfrequenz des Hochfrequenz-Sendeimpulses, der durch die Spule 14 ausgesendet wird. Die Spule 14 ist rechtwinklig zu dem Magnetfeld angeordnet. Es tritt nun eine Wechselwirkung mit einem ausgewählten Element des in dem Rohr 10 fliessenden Mediums auf. Diese Wechselwirkung wird entweder durch EMR oder durch NMR in dem interessierenden Element hervorgerufen und bewirkt ein Echosignal, welches mittels der auch als Detektorspule eingesetzten Spule 14 aufgefangen werden kann. Dieses Echosignal wird in eine Detektor-und Auswertevorrichtung 15 gespeist, wie sie beispielsweise in den Fig. 5 oder 6 dargestellt ist und weiter unten beschrieben wird.

In Fig. 2 bezeichnet 16 ein Segment des in der Rohrleitung fliessenden Mediums. Es sei angenommen, das Material fliesse in der Rohrleitung 10 im wesentlichen ohne Turbulenzen, zumindest im dargestellten Abschnitt. Bei der Feldstärke Ho befindet sich deshalb ein praktisch zylindrisches Segment 16 des Mediums. Dieses besondere Segment wird von dem Hochfrequenz-Wechselfeld erfasst, das von der Spule 14 abgestrahlt wird. Das Wechselfeld der Sendeimpulse trifft auf das gesamte, innerhalb der Spule befindliche Material; es tritt aber nur mit dem im Segment 16 befindlichen Material in kräftige Wechselwirkung, weil die Trägerfrequenz der Sendeimpulse und die magnetische Feldstärke bei dem Segment 16 so aufeinander abgestimmt sind, dass nur dort NMR- oder EMR-Wirkungen auftreten.

Die Breite des Magnetfeldes ist im wesentlichen gleich der Breite der Polstücke 11 und 12 in Fig. 1. Das sich verschiebende Segment 16 ist dem Magnetfeld auf der ganzen Länge des entsprechenden Abschnittes der Rohrleitung 10 ausgesetzt. "

In der unteren Darstellung in Fig. 2 ist das Segment 16 nach seinem Durchgang bei der Stelle mit der Feldstärke Ho an die Stelle mit der Feldstärke H2 verschoben worden. Die Verschiebung nach rechts ist die in der Zeit durchlaufene Distanz, bis das interessierende Element in seinen normalen Status zurückfällt, wobei es einen Echoimpuls erzeugt, der als Antwort auf den Sendeimpuls in der Detektorspule 14 als Echosignal induziert wird. Zwar können Turbulenzen in der Strömung potentiell ein gewisses Problem darstellen; das Segment 16 ist aber relativ gut definiert und der Zerfall seiner Geometrie längs der kurzen Strecke gemäss Fig. 2 ist nicht signifikant. Das Segment 16 bleibt also während der relativ kurzen Zeitspanne gut definiert, in der es zuerst bestrahlt wird und etwas später den auszuwertenden Echoimpuls erzeugt.

In Fig. 3 ist der zeitliche Verlauf der Wellenformen dargestellt, beginnend bei einer willkürlichen Zeit to. Der Sender der hier beschriebenen, bevorzugten Ausführung erzeugt zwei Sendeimpulse, einen ersten Sendeimpuls 17 und einen

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zweiten Sendeimpuls 18. Die beiden Impulse haben gleiche Amplitude und Dauer. Die Impulse beinhalten Hochfrequenzenergie bei einer bestimmten Trägerfrequenz. Diese Frequenz wird in proportionaler Abhängigkeit von der vorgegebenen Feldstärke Ho so ausgewählt, dass elektromagnetische Resonanz mit dem Atomkern oder mit unpaarigen Elektronen des interessierenden Elementes eintritt. Die Impulse 17 und 18 haben die gewünschte Resonanzfrequenz und sind mit ausreichender Amplitude zur Anregung des im Segment 16 befindlichen Materials versehen. Ein NMR-Echo wird in dem interessierenden Element durch die Impulse 17 und 18 hervorgerufen, d.h. durch zwei Schauer von mehreren Perioden einer ganz bestimmt gewählten Trägerfrequenz, die dem gegebenen Magnetfeld Ho entspricht. Die beiden Impulse dauern ungefähr fünf Mikrosekunden und sind durch ein Zeitintervall von ungefähr 23 Mikrosekunden voneinander getrennt. Natürlich können Intervall und Impulsdauer zur Erreichung optimaler Resultate variiert werden, in Abhängigkeit von der magnetischen Feldstärke und nach Massgabe der charakteristischen Spin-Spin-Relaxak-tionszeitkonstanten T2.

In Fig. 3 ist 19 das Ausgangssignal des Empfangskanales A. Das Signal 19 enthält einen ersten Peak 20 und einen zweiten Peak 21. Der zeitliche Abstand dieser Peaks 20 und 21 ist typisch. Man erkennt, dass der erste Peak 20 die Energie des freien Induktionszerfalles (FID) enthält und dass der zweite Peak 21 das Echosignal der NMR- oder EMR-Reso-nanz darstellt. In Fig. 3 ist ferner in einem zweiten Kanal B ein Peak 22 zu erkennen, wobei der Kanal B das aufgefangene Gesamtsignal 24 gegenüber dem Kanal A in 90°-Phasen-verschiebung wiedergibt. In dem zweiten Kanal entsteht ein zweiter Peak 23, wobei der erste die FID-Antwort und der zweite Peak die Echo-Antwort ist. Man beobachtet, dass die Peaks 20 und 22 der FID-Antworten ungefähr zur gleichen Zeit entstehen und dass die Peaks 21 und 23 der Echoantworten ebenfalls ungefähr zur gleichen Zeit entstehen.

In Fig. 5 ist das Blockschema einer Detektor- und Auswertevorrichtung für die Signale gemäss Fig. 3 dargestellt, welche der NMR- oder dem EMR-Detektor- und Auswertevorrichtung 15 gemäss Fig. 1 entspricht. Eine Zeitgeberschaltung 25 erzeugt die Taktsignale für die Funktion der gezeigten Schaltung. Sie erzeugt ein Taktsignal für die Funktion des Senders 26, zwecks Erzeugung von Sendeimpulsen bestimmter Dauer, Amplitude, Frequenz und zeitlichem Abstand. Diese Impulse werden in die Spule 14 gespeist, zur Abstrahlung der benötigten elektromagnetischen Hochfrequenzenergie in das Medium. Die Spule 14 dient auch als Empfangsspule und fängt die von dem Medium erzeugten FID- und Echo-Signale auf. Die aufgefangenen Impulse entstehen an der Spule 14 und werden in den Eingang eines Mischers 27 in dem ersten Kanal A gespeist. In dem zweiten Kanal B der Vorrichtung 15 ist analogerweise ein gleichartiger Mischer 28 vorgesehen. Ausserdem wird das Sendesignal in einen Referenzeingang des Mischers 27 gespeist. Selbstverständlich wird hier die Amplitude des als Referenzsignal benützten Sendesignales mittels Abschwächer auf eine passende Grössenordnung abgesenkt.

Zweckmässigerweise wird ausserdem ein Hochfrequenzverstärker zwischen die Spule 14 und den Mischer 27 geschaltet, zwecks Verstärkung der Empfangssignale auf eine für den Mischer 27 ausreichende Amplitude. In analoger Weise wird das Sendesignal nach Durchgang durch einen 90°-Phasenschieber in den Mischer 28 gespeist. Die Phasenschieber-Schaltung 29 bewirkt eine Phasenverschiebung der Signale in den beiden Kanälen A und B um 90°.

Das von dem Mischer 27 erzeugte Signal wird in einen Tiefpassfilter 31 gespeist, und der Mischer 28 ist mit einem analogen Tiefpassfilter 32 verbunden. Diese Filter erzeugen

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Signale für den Eingang je eines Abtast- und Halteverstärkers 33 bzw. 34. Diese werden durch die Taktsignale des Zeitgebers 25 getriggert. Der Zeitgeber 25 steuert das Abtasten der Signale der beiden Kanäle A und B in bestimmten Zeitpunkten, zwecks Kodierung mittels der beiden Analog-Digital-Wandler 35 bzw. 36. Die Signale werden dort verstärkt, die Spitzenwerte werden digitalisiert; an den Ausgängen der Wandler 35 und 36 treten demnach Amplitudenwerte in digitaler Form auf.

Die Nummer 40 bezeichnet einen arithmetischen Prozessor. In seinen Eingang werden die Signale der beiden Kanäle in digitaler Form als Worte eingespeist. Die ersten Eingangssignale entsprechen in digitaler Form den Peaks 20 und 22. Der Prozessor 40 bildet ein Signal, das dem durch den Arcus Tangens des Verhältnisses der beiden Eingangswerte gegebenen Winkel entspricht. Dies ist das erste Ausgangssignal auf der Leitung 41 und ist ein Mass für den Phasenwinkel des abgetasteten FID-Signales bezüglich des Sendesignales. Die Peaks 21 und 23 treten später auf (Fig. 3); auch sie werden durch die Kanäle A und B verarbeitet und bilden am Ausgang des Prozessors 40 ein zweites Verhältnis. Dieses zweite Verhältnis dient zur Ermittlung eines Winkels, der durch den Arcus Tangens dieses zweiten Verhältnisses gegeben ist. Dieses Ausgangssignal tritt auf der Leitung 42 auf und ist ein Mass für den Phasenwinkel des abgetasteten Echosignales auf die beiden Sendeimpulse 17 und 18. Die Leitung 41 ist mit dem Eingang einer Normierungseinheit 43 verbunden, und in analoger Weise wird das zweite Ausgangssignal auf , Leitung 42 in den Eingang einer Normierungseinheit 44 gespeist. Diese Normierungseinheiten 43 und 44 prägen den beiden Signalen geeignete Massstäbe auf, wobei daran erinnert sei, dass die Signale hier in digitaler Form vorliegen. Die beiden entsprechenden digitalen Ausgangssignale werden dann einer Addierschaltung 45 zugeführt. Diese Addierschaltung 45 addiert die beiden Signale unter Berücksichtigung des Vorzeichens, zwecks Ermittlung der Messwerte für den die Fliessgeschwindigkeit des Mediums darstellenden Phasenunterschiedes zwischen dem FID-Signal und dem Echosignal, welche Messwerte anschliessend mittels eines nachgeschalteten Fliessgeschwindigkeits-Registrierers 46 aufgezeichnet werden. Durch die Aufprägung geeigneter Skalenwerte wird die Fliessgeschwindigkeit in einem zweckmässigen Massstab und in der gewünschten Masseinheit angezeigt.

Die Fliessgeschwindigkeit des Mediums ist proportional zu der Summe der beiden Signale auf den Leitungen 41 und 42. Diese Signale werden addiert oder subtrahiert, je nach der Richtung des Feldgradienten. Mit geeigneten Massstäben der Normierungsstufen 43 und 44 können deren Ausgangswerte direkt addiert oder subtrahiert werden, je nach dem Vorzeichen, das seinerseits von dem gewählten Gradienten abhängig ist.

Wie in diesem Zusammenhang bereits beschrieben wurde, benutzt die Vorrichtung die Frequenzvariation, die durch die Verschiebung des Segmentes 16 erzeugt wird, sowie durch die damit zusammenhängenden Änderungen der magnetischen Feldstärke im Moment des Auftretens der FID- oder der Echosignale. Die relative Verschiebung des Segmentes 16 an eine Stelle mit verschiedener magnetischer Feldstärke verursacht eine Änderung der Parameter des Echo-Impulses, verglichen mit einem Echo-Impuls, der auftreten würde, wenn die magnetische Feldstärke im ganzen Abschnitt der Rohrleitung 10 konstant wäre.

Die auftretende Frequenzänderung ist proportional zu dem gewählten Feldgradienten; bei einem vorgegebenen, dem Magneten verliehenen, konstanten Gradienten stellt die im Echoimpuls festzustellende Frequenzvariation eine die Geschwindigkeit anzeigende Information dar. Die Frequenzvariation kann als Phasenverschiebung gemessen werden, durch Benützung des oben angeführten Zusammenhanges. In den Mischern 27 und 28 werden die Frequenzvariationen der aufgefangenen Echosignale bezüglich des als Referenz dienenden Sendesignales in Amplitudenvariationen der Peaks 20,21,22 bzw. 23 umgewandelt. Die Geschwindigkeit ergibt sich aus der Summe der Arcus Tangens aus Peak 20 über Peak 22 einerseits, und dem Arcus Tangens aus Peak 21 über Peak 23 andererseits; daraus erhält man durch geeignete Kalibrierung direkt die gesuchte Fliessgeschwindigkeit des interessierenden Elementes.

Die entsprechende Gleichung lautet also:

Geschwindigkeit = K(0i + 02)

01 = arc tg (Peak 20/Peak 22)

02 = arctg(Peak21/Peak23)

Zurück zur Fig. 2, wo die Dicke des Segmentes 16 teilweise durch die zeitliche Dauer und die Form des Sendeimpulses definiert ist, ferner durch den Gradienten des Magnetfeldes gemäss Fig. 1 und, in einem geringeren Ausmass,

durch die Geschwindigkeit des Materials in der Rohrleitung 10.

In Fig. 4 sind in der Wellenform 50 zwei Sendeimpulse 48 und 49 dargestellt. Die erste Antwort 51, das FID-Signal, ist in einem zeitlichen Zusammenhang zu dem ersten Sendeimpuls 48 dargestellt, sowie dazugehörige, bei einer bestimmten Fliessgeschwindigkeit des Mediums in einem Messkanal auftretende Echoimpuls 52. In der unteren Wellenform 54 sind die entsprechenden beiden Empfangssignale 55 und 56 dargestellt, die in dem gleichen Messkanal bei einer anderen Fliessgeschwindigkeit des Mediums auftreten. Zwischen den Echoimpulsen 52 und 56 tritt eine Zeitverschiebung 57 auf. Diese Zeitverschiebung 57 ist massgebend für die Geschwindigkeit des Mediums in der Rohrleitung 10; sie ist proportional zu der eingetretenen Änderung der Fliessgeschwindigkeit, entsprechend den beiden Wellenformen 53 und 54. Es existiert eine Referenzlage für den Impuls 52, wenn die Geschwindigkeit null ist. Die Zeitverschiebung 57 ist deshalb ein proportionales Mass für die Fliessgeschwindigkeit des Mediums.

Im weiteren weisen die in Fig. 4 dargestellten Signale 51, 52, 55 und 56 messbare Amplituden auf. Diese Amplituden sind proportional zu der Dichte interessierenden Elementes in dem Medium. Die Materialmenge in dem abgefragten Segment 16 bestimmt die Amplitude dieser Empfangssignale. Normalerweise genügt es, dass eine ausreichende Materialmenge vorhanden ist, um ein Signal mit einer für die Beobachtung ausreichender Amplitude zu erzeugen. Wird jedoch die Materialmenge 16, die das interessierende Element enthält, vergrössert, so erhöhen sich dementsprechend auch die Ausgangssignale. Bei geeigneter Eichung kann die Dichte des untersuchten Materials durch Messung der Signalamplitude der FID-Signale 51 und 55 oder der Echo-Impulse 52 und 56 ermittelt werden. Bei der Verwendung einer Zweikanal-Auswertung mit um 90° phasenverschobenen Verarbeitungskanälen liefern deren Ausgänge je eine Vektor-Kompo-nente eines gesamten Signalvektors. Die gesuchte Signalamplitude (für die Dichte) entspricht der Länge des Vektors und ist gleich der Quadratwurzel aus der Summe der Quadrate der zwei Vektor-Komponenten. Die Dichtemessung ist aber nur innerhalb eines begrenzten Bereiches ausreichend exakt, wobei dieser Bereich zwischen zwei material- und vorrichtungsspezifischen Werten liegt. Wie schon früher erwähnt, kann diese Messung auch den Füllfaktor betreffen, z.B. bei pulverisierter Kohle, die pneumatisch durch die Rohrleitung 10 befördert wird. Zur Verbesserung des Füllfaktors kann der Anteil an Kohlepartikel in dem Medium erhöht werden. Die Signalamplitude kann innerhalb eines be6

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stimmten Bereiches zur Ermittlung der Dichte oder des Füllfaktors herangezogen werden.

Fig. 6 zeigt eine Schaltung zur Ermittlung der Frequenzvariation und der Signalamplitude. Es ist eine Taktgeberschaltung 60 vorgesehen, die ein Signal zur Steuerung eines NMR-Empfängers 61 erzeugt. Der Empfänger 61 bildet FID- und Echosignale, die in einen Abtast- und Halteverstärker 62 gespeist werden. Dieser wird im Betrieb durch die Steuerung geöffnet und erzeugt einen Ausgang, der einem Tiefpassfilter 63 zugeführt wird. Der Filter 63 bildet ein Signal für den Eingang eines Frequenz-Komparators 64. Der Frequenz-Komparator wird zudem mit einem Referenzsignal aus einem Oszillator 65 versehen. Diese beiden Signale werden verglichen und die Frequenzvariation wird als Aus-gangssignal einem Geschwindigkeits-Registrierer 66 zugeführt. Das Ausgangssignal ist innerhalb eines bestimmten Bereiches proportional zu der Geschwindigkeit. Diese als Frequenz-Variation kodierte Geschwindigkeit ist das Resultat der Frequenzänderung des NMR-Echoimpulses.

Getrennt von dem soeben beschriebenen Geschwindig-keits-Ausgangssignal enthält die Vorrichtung ferner einen Impulshöhen-Analysator 68, welcher mit einem Dichte-Registrierer 69 verbunden ist. Die Abtast- und Halteschaltung bildet ein getastetes Ausgangssignal, welches ein Mass für die Amplitude des NMR- oder EMR-Signales ist. Dieses Signal kann direkt aus dem Abtast- und Halteverstärker 62 erhalten werden. Um die Trägerwelle zu beseitigen, wird das Signal vorzugsweise durch einen Tiefpassfilter geleitet. Die interessierende Amplitude ist in der Hüllkurve des Trägers in kodierter Form enthalten. Falls erwünscht, kann das Signal auch durch einen Analog-Digital-Wandler verarbeitet werden. Die Dichte wird dann durch Messung der Amplituden der Impulse ermittelt; die Impulse werden dazu in den Impulshöhen-Analysator 68 eingespeist, der ein relatives Mass für die Impulsamplituden bildet. Unter zweckmässiger Eichung werden die Messwerte für die Dichte alsdann einem nachgeschalteten Dichte-Registrierer 69 zugeführt.

Fig. 7 zeigt ein Fliessprofil, wobei die Fliessgeschwindigkeit des durch das Rohr 70 fliessenden Mediums nicht gleichmässig über den Durchmesser des Rohres verteilt ist. Ein Magnetfeld mit Gradient, eine Detektorspule und die zugehörige Auswerteschaltung für die NMR- oder EMR-Signale, wie oben beschrieben, erzeugt Impulse mit einem Frequenz-Amplituden-Spektrum gemäss Fig. 8. Die Frequenz Fi entspricht einer Material-Fliessgeschwindigkeit Vi, F2 der Material-Fliessgeschwindigkeit V2, F3 der Material-Fliessgeschwindigkeit V3, u.s.f. Die Amplitude der detektier-ten Spinresonanz-Signalkomponente des Spektrums bei jeder Frequenz ist proportional zu der gemessenen Materialmenge bei der betreffenden Geschwindigkeit.

Fig. 9 zeigt das Blockschema einer Schaltung zur Ermittlung und Auswertung von Frequenzspektren gemäss Fig. 8, sowie zur Benützung dieser Information für die Messung des totalen Flusses oder der mittleren Fliessgeschwindigkeit. Die Leitung 74 ist mit der Detektorspule 14 verbunden, welche um das Rohr 70 in einem Magnetfeld mit einem Gradienten in Flussrichtung angeordnet ist, wie oben beschrieben. Der Magnetresonanz-Detektor 75 kann zur Erzeugung der FID-und Impulsecho-Signale das Einschwingverfahren anwenden, wie früher beschrieben; der Detektor 75 kann aber auch ein Detektor für kontinuierliche Wellen sein; aus den normalerweise benützten EMR- und NMR-Apparaten sind solche Detektoren gut bekannt. Der Frequenz-Amplituden-Detektor 76 verarbeitet den Ausgang des Detektors 75 zur Erzeugung eines Ausgangssignals, welches das Amplituden-Frequenz-Spektrum des gemessenen NMR- oder EMR-Signales in dem Magnetfeld darstellt. Der Detektor 76 kann ein Frequenz-Diskriminator sein, der geeignet ist, das Ausgangssignal des Detektors 75 zu verarbeiten; der Detektor 76 kann aber auch ein schneller Fourier-Transformationsrechner sein. Solche geeigneten Detektoren sind gut bekannt. Das Ausgangsspektrum wird in einer Summierschaltung 77 summiert und erzeugt auf Leitung 78 ein Ausgangssignal, das proportional zum gesamten Fluss ist. Die Leitung 78 ist mit dem Eingang des Gesamtfluss-Registrierers verbunden. Der Gesamtfluss ist die Summe der verschiedenen Produkte der Flussgeschwindigkeit und Flussdichten über den ganzen Bereich der spektralen Verteilung. Eine zweite Ausgangsleitung 80 enthält die Information über die mittlere Fliessgeschwindigkeit, welche aus der Summierschaltung 77 abgeleitet ist, wo die Amplitude für jede Frequenz im Frequenz-Spektrum exakt gewichtet wird. Der Detektor 76 liefert auch Ausgangssignale für Frequenz und Amplitude, die vom Registrierer 82 angezeigt oder registriert werden, wo eine Darstellung der Geschwindigkeit in Funktion von der Amplitude des Flussprofiles im Rohr 70 gebildet wird.

Im Betrieb wird die Vorrichtung gemäss der vorliegenden Erfindung insbesondere mit einer Rohrleitung für ein spezifisches Produkt betrieben, wie Naturgas, Öl, pulverisierte Kohle u.a. Eine Probe des erwarteten Produktes wird analytisch ausgemessen, wobei die typischen Werte der relativen Konzentrationen gewisser Elemente, wie Wasserstoff, Kohlenstoff oder anderer Elemente im Medium bestimmt werden. Diese Informationen werden für die Eichung des Systems herangezogen. Der Gradient des Magnetfeldes wird derart eingestellt, dass eine ausreichende Verschiebung der Echoimpulse eintritt. Ein Gradient von etwa 5% bis 10% ist für die Funktion der Vorrichtung bereits ausreichend. Noch besser ist ein Gradient von 30% oder mehr, bei dem sich sehr ausgeprägte Änderungen der Signalparameter ergeben.

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2 Blatt Zeichnungen

Claims

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PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur Ermittlung des Durchflusses eines Mediums in einer Rohrleitung, basierend auf der Bestimmung der Fliessgeschwindigkeit und der Flussdichte eines interessierenden Elementes des Mediums längs eines Abschnittes des Strömungspfades mittels Kernspinresonanz oder Elek-tronenspinresonanz, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:

(a) Erzeugen eines eine bestimmte Feldstärke aufweisenden Magnetfeldes über dem Abschnitt, senkrecht zu der Flussrichtung des Mediums, wobei die Feldstärke längs des Abschnittes mit einem Gradienten versehen wird;

(b) Erzeugen eines ersten und eines zweiten Hochfrequenz-Impulsschauers, die voneinander durch ein Zeitintervall getrennt sind und unter einem rechten Winkel zu dem Magnetfeld in das Medium gesendet werden, zwecks Erzeugung von Resonanz-Wechselwirkungen des interessierenden Elementes, in einer zeitlichen Staffelung, wobei sich das interessierende Element von einer Stelle zu einer anderen mit unterschiedlicher Feldstärke des Magnetfeldes verschieben kann;

(c) Auffangen der ersten und der zweiten Echo-Impulse des interessierenden Elementes nach Aussenden der Hochfrequenz-Impulsschauer; und

(d) Auswerten der aufgefangenen Echo-Impulse unter Berücksichtigung der geschwindigkeits- und dichteabhängigen Änderungen ihrer Parameter, herrührend von der Fliessbewegung des interessierenden Elementes, zwecks Ermittlung von Messwerten für die Fliessgeschwindigkeit und die Flussdichte.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt (d) der Auswertung der Echo-Impulse die Messung der Zeitverschiebung der Echo-Impulse ein-schliesst.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt (d) der Auswertung der Echo-Impulse die Messung der Phasenverschiebung der Echo-Impulse ein-schliesst.
4. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt (d) der Auswertung der Echo-Impulse die Messimg der Frequenzverschiebung der Echo-Impulse ein-schliesst.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt (d) der Auswertung der Echo-Impulse die Messung der Amplitudenspitze der Echo-Impulse ein-schliesst.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldstärke des Magnetfeldes in Flussrichtung des interessierenden Elementes mit einem positiven Gradienten versehen wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldstärke des Magnetfeldes in Flussrichtung des interessierenden Elementes mit einem negativen Gradienten versehen wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Messwerte für die Fliessgeschwindigkeit und für die Flussdichte miteinander multipliziert werden und dass das Produkt zur Ermittlung der Massen-Flussrate herangezogen wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung des totalen Durchflusses die ermittelte Massen-Flussrate über die Zeit integriert wird.
10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch:

(a) Magnetmittel zur Erzeugung eines Magnetfeldes, das senkrecht zur Flussrichtung des interessierenden Elementes in der Rohrleitung steht und in Flussrichtung einen Gradienten aufweist;

(b) Feldspulenmittel zur Erzeugung eines elektromagnetischen Wechselfeldes, das senkrecht zu dem von den Magnetmitteln erzeugten Magnetfeld steht;

(c) mit den Feldspulenmitteln verbundene Sendermittel, die ein Signal zu erzeugen und an die Feldspulenmittel abzugeben in der Lage sind, das eine bestimmte, unter Berücksichtigung der gewählten Magnetfeldstärke festgelegte Frequenz aufweist, welche eine Resonanzbeziehung zwischen dem Magnetfeld, dem Sendersignal und dem interessierenden Element bewirkt;

(d) Empfängermittel zum Auffangen der Echo-Impulse und der magnetischen Resonanz-Signale aus dem durch das elektromagnetische Wechselfeld fliessenden interessierenden Element, wobei die Empfängennittel ein Ausgangssignal zu erzeugen in der Lage sind, welches die Informationen über die Fliessbewegung des interessierenden Elementes enthält; und

(e) mit den Empfängermitteln verbundene Detektormittel zur Messung und Auswertung der Änderungen der Parameter der aufgefangenen Signale.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch zusätzliche Mittel zur Messung der Frequenzverschiebung der aufgefangenen Signale, zwecks Ermittlung und Anzeige der sich daraus ergebenden Fliessgeschwindigkeit.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektormittel zur Messung der Phasenlage der aufgefangenen Signale und zur daraus abgeleiteten Anzeige der Fliessgeschwindigkeit ausgestaltet sind.
13. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektormittel Mittel zur Messung der zeitlichen Lage der aufgefangenen Signale und zur Anzeige der sich daraus ergebenden Fliessgeschwindigkeit einschlies-sen.
14. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzliche Zeitgebermittel zum Betrieb der Sendermittel vorgesehen sind, zwecks Erzeugung und Aussendung eines Paares zeitlich getrennter Impulse, und dass die Empfängermittel so beschaffen sind, dass die aufgefangenen Signale des interessierenden Elementes in Phase und in 90°-Phasenverschiebung beobachtet werden können.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, gekennzeichnet durch Mischermittel, die mit dem Ausgang der Empfängermittel und mit den Sendermitteln verbunden sind, zur Mischung der ausgesendeten und aufgefangenen Signale.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch Mittel zur Mischung der aufgefangenen Echo-Impulse mit dem Sendesignal in einem ersten Kanal, und in einem gleichartigen zweiten Kanal mit dem um 90° phasenverschobenen Sendesignal, zwecks Erzeugung von Signalen, deren Amplituden die Informationen über die Fliessgeschwindigkeit enthalten, wobei die Ausgänge dieser beiden separaten Kanäle mit Amplituden-Spitzenwert-Messmitteln verbunden sind, zur Messung der Amplitudenspitzen der Signale aus dem ersten Kanal und jener aus dem zweiten Kanal, ferner durch Schaltmittel, welche aus den Spitzenwerten des ersten Kanals und jenen des zweiten Kanals ein Ausgangssignal erzeugen, das dem Arcus Tangens ihres Verhältnisses entspricht und eine kodierte Information für die Fliessgeschwindigkeit darstellt.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch nachgeschaltete Summiermittel zur Bildung der Summe von zwei aufeinanderfolgenden, korrelierten Arcus-Tangens-Werten.
18. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektormittel mit Mitteln zur Messung der Amplitude der aufgefangenen Signale und, daraus abgeleitet, zur Ermittlung der Dichte des interessierenden Elementes in dem Medium ausgestaltet sind.

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19. Vorrichtung nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch einen mit den Empfängermitteln verbundenen Impuls-höhen-Analysator, in dem die Detektormittel enthalten sind.
20. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetmittel ein Paar durch einen Luftspalt getrennte Pole enthalten, wobei dieser Luftspalt in Flussrichtung zunimmt und damit einen Feldgradienten definiert.
21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenmittel in dem Luftspalt und konzentrisch um die Rohrleitung für das Medium angeordnet sind.
22. Vorrichtung nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch Mittel zur Auswertung der Amplitudenverteilung und durch Mittel zur Bestimmung des damit korrelierten Frequenzspektrums der aufgefangenen Signale, zwecks Ermittlung des Fliessgeschwindigkeits- und des Fliessdichte-Profi-les des interessierenden Elementes.
23. Vorrichtung nach Anspruch 22, gekennzeichnet durch Multipliziermittel zur Bildung von Werten für die Massenflussrate aus den Produkten der gemessenen Werte für die Fliessgeschwindigkeit und für die Flussdichte.
24. Vorrichtung nach Anspruch 23, gekennzeichnet durch zusätzliche Summiermittel zur Aufsummierung einer Vielzahl der Produkte aus Frequenz- und Amplitudenwerten aus der Amplitudenverteilung im Frequenzspektrum, zwecks Ermittlung der gesamten Flussrate.
25. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Multipliziermittel mit einem Integrator verbunden sind, zwecks Integration der Werte für die Massenflussrate über die Zeit, wobei das ermittelte Integral ein Mass für den gesamten Durchfluss darstellt.