CN103123845B - 用于核磁流量计的磁化装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于核磁流量计的磁化装置。示出并描述了一种用于以至少在一平面中均匀的磁场来贯穿流经核磁流量计的测量管的多相流体的磁化装置，带有多个用于产生磁场的永磁体且带有支架，其中，该支架具有至少一个磁体容纳部，每个磁体容纳部容纳至少一个永磁体，磁体容纳部和永磁体的造型仅在磁体容纳部中在一个方向上允许永磁体的运动并且由磁体容纳部所容纳的永磁体关于磁场通过磁体容纳部来布置。一种带有降低的生产消耗和时间消耗的磁化装置由此实现，即，磁体容纳部构造成空心型材。

Description

用于核磁流量计的磁化装置
技术领域
本发明涉及一种用于以至少在一平面中均匀的磁场来贯穿流经核磁流量计的测量管的多相流体的磁化装置，其带有多个用于产生磁场的永磁体且带有支架，其中，该支架具有至少一个磁体容纳部，每个磁体容纳部容纳至少一个永磁体，磁体容纳部和永磁体的造型仅在磁体容纳部中在一个方向上允许永磁体的运动且由磁体容纳部所容纳的永磁体关于磁场通过磁体容纳部来布置。
背景技术
核磁流量计通过测量和评估由多相流体的核磁共振在合适的传感器中所感应的电压来确定在测量管中多相流体的各相的流量、各相的流动速度和各相在多相流体中的相对比例。核磁共振的测量原理(在英文中核磁共振被称作Nuclear Magnetic Resonance)基于带有在存在磁场时旋进(präzedieren)的自由磁矩(核自旋)的原子核的特性。代表原子核的磁矩的矢量的旋进围绕代表在原子核的位置处的磁场的矢量实现，其中，该旋进将电压感应到传感器中。该旋进的频率被称作Larmor频率ωL且根据ωL=γ·B计算，其中，γ表示旋磁比(gyromagnetische Verhältnis)而B是磁场强度的值。旋磁比γ对于氢核而言最大，因此带有氢核的流体尤其地适用于核磁流量计。
大致上由原油、天然气和咸水构成的多相流体被从油井中输送出。所谓的测试分离器将所输送的流体的一小部分分出、将流体的各相彼此分开并且确定各相在流体中的比例。测试分离器是成本密集的、不可在海面以下被安装且不允许即时的测量。然而尤其地，测试分离器不能可靠地测量小于5%的原油比例。因为每个井的原油比例持续下降且许多井的原油比例已小于5%，所以，现在不能开采这些井。
不仅原油而且天然气和咸水含有氢核，对其而言(如已提及的那样)旋磁比γ是最大的。因此，核磁流量计特别适用于在油井处的使用，甚至是在海面下直接在海底处的井处，然而不局限于该应用。其它的应用例如呈现在石化工业或化学工业中。流体的分出不是必需的，相反，总的流体被即时地测量。与测试分离器相比，核磁流量计更低成本且较少维护并且尤其地还能够可靠地测量在流体中小于5%的原油比例，由此才可实现许多油井的、进一步的开采。
由用于计算Larmor频率ωL的公式直接可见，Larmor频率ωL成比例于磁场强度B且因此磁场强度B同样直接作用于被感应到传感器中的电压。因此，磁场中的不均匀性降低了核磁流量计的测量质量，因此磁化装置的目的是，以在测量管的内部中通常均匀的磁场来贯穿(有时或称渗透)流体。所要求的测量精度确定了磁场的必要的均匀性。如下测量方法经常被使用，即，其充分利用在磁场中的已知的梯度，从而，磁场仅在一平面中是恒定的。
由美国的公开文献2008/0174309已知一种由形成空心圆柱形永磁体的盘形磁体的堆垛构成的磁化装置，其中，磁化装置的圆柱形的内部空间中的磁场是均匀的，该堆垛包括多个盘形磁体且盘形磁体通过由非磁性材料制成的螺钉来固定。盘形磁体中的每个包括多个矩形的棒状磁体，其中，棒状磁体在相应的两个由非磁性材料制成的盘体之间布置在构造成形状配合的凹处的磁体容纳部中并且通过由非磁性材料制成的螺钉来固定。
已知的磁化装置由许多盘形磁体构成。在每个单个的盘形磁体中，许多棒状磁体布置成Halbach阵列。Halbach阵列的主要特征是，磁场主要地构造在Halbach阵列的一侧上(此处在圆柱形的磁化装置的内部空间中)且在另一侧上(此处在圆柱形的磁化装置的外部空间中)构造有仅非常弱的磁场。因为对于通过在流体中所包含的氢原子的旋进而较高地感应到传感器中的电压而言，需要较强的磁场，所以相应较强的棒状磁体得到使用。由于在每个磁体盘体中的在空间上紧密地布置的多个棒状磁体，棒状磁体至磁体容纳部的引入与较高的力消耗相联系。此外，该类型的磁化装置的合成的磁场首先不充分均匀，因此磁场须通过在每个单个棒状磁体处的手操作而被均匀化。该过程被称作匀场(Shimming)。大量棒状磁体的引入和匀场意味着可观的生产消耗且尤其是时间消耗，其伴随有相应的成本。
发明内容
本发明的目的是说明一种在贯穿过流体的磁场的仍然充分的均匀性的情形下的带有降低的生产消耗和时间消耗的磁化装置。
根据本发明的、在其中实现了先前推导出和呈现出的目的的磁化装置，首先且大致上特征在于，磁体容纳部构造成空心型材(Hohlprofile)。
空心型材能够以不同的、垂直于空心型材的纵轴线的内部的横截面轮廓并以任意的长度低成本地制成。例如，空心型材的内部的横截面轮廓是矩形的且永磁体的外部的横截面轮廓中的其中一个同样是矩形的且如此地定尺寸，即，永磁体仅沿着空心型材的纵轴线在空心型材中可动，即，除纵轴线之外形状配合。在该例子中，空心型材的长度如此地测定，即，可引入多个永磁体。如下是显而易见的，即，与多个盘形磁体中的永磁体在相应的两个盘体之间的、由现有技术已知的固定相比，通过将永磁体插入到空心型材中而实现的永磁体的固定意味着明显较少的生产消耗和时间消耗。各个盘形磁体的复杂的堆垛被用于容纳空心型材的简单的支架替代，其中，该支架如此地定向空心型材，即，流体被充分均匀的磁场所贯穿(das Fluid von einem ausreichend homogenen Magnetfeld durchsetzt ist)。
在根据本发明的磁化装置的一种优选的实施方式的情形中，永磁体在空心型材中运动时的摩擦通过空心型材的衬里而被减小。例如，在空心型材的内表面处可设置有PTFE涂层。通过减小的摩擦，用于将永磁体引入到空心型材中的力消耗被明显减小。在将永磁体引入到空心型材中之后，永磁体可在空心型材中通过最初液态的且然后硬化的物质而被固定。对此例如可考虑填料(vergussmasse)。
在根据本发明的磁化装置的另一优选的实施方式的情形中，支架具有多个容纳管。在这些容纳管中的每个中构造有空心型材，用于容纳永磁体中的至少一个。玻璃纤维复合材料适合作为用于容纳管的材料，因为在该材料的情形中可以简单的方式实现，在制造过程中构造出例如为矩形的空心型材。然后，带有通常的矩形的横截面的永磁体可被引入到矩形的空心型材中，从而使得永磁体在空心型材中仅沿着空心型材纵轴线运动，而不能够绕空心型材纵轴线转动。作为容纳管的支撑部，支架可具有至少一个带有用于容纳管的容纳部的盘体，在其中优选地设置有用于测量管的穿行部(Durchführung)。通常，磁化装置的容纳管是等长的，从而使得此类盘体在容纳管的每个端部处适合作为容纳管的支撑部。该支架于是大致上由容纳管和两个盘体构成。如果需在测量管中沿着测量管纵轴线存在均匀的磁场，则建议容纳管纵轴线的平行于测量管纵轴线的定向。经常地，容纳管中的永磁体布置成Halbach阵列。
在根据本发明的磁化装置的另一优选的实施例(其是先前的实施例的改进方案)中，至少一个容纳管部分地由影响磁场的材料制成。如果例如在容纳管中在永磁体的磁极处使用具有良好导磁性的材料，则所合成的磁场因此可鉴于测量管中的均匀的磁场而被有利地影响。额外地或备选地，容纳管为了有利地影响测量管中的磁场的均匀性而绕其纵轴线可转动地布置在支架中且可被固定以防转动。容纳管的转动是磁场的第一次匀场。
在本发明的另一相当特别地优选的设计方案中，支架包括至少一个型材体(Profilkörper)，其中，型材体优选地是挤出型材体。每个型材体的横截面轮廓沿着相应的型材体纵轴线恒定且在至少一个型材体中构造有至少一个用于容纳至少一个永磁体的空心型材。优选地，空心型材在此同样如此地构造以用于容纳矩形的永磁体，即，被引入于空心型材中的一个中的永磁体虽然可沿着空心型材纵轴线运动，然而不可绕空心型材纵轴线转动。作为用于型材体的材料，例如铝合金或陶瓷得到使用。为了以沿着测量管纵轴线均匀的磁场来贯穿过测量管，再次建议型材体纵轴线的平行于测量管纵轴线的定向。
在根据本发明的磁化装置的另一优选的实施方式的情形中，在支架的型材体中的至少一个中，空心型材中的至少一个如此地构造成，即，适配器管在该空心型材中可转动地布置且可被固定以防转动。在每个适配器管中构造有用于容纳至少一个永磁体的空心型材。适配器管的转动是用于改善测量管中的磁场的均匀性的第一次匀场。
在本发明的根据本发明的磁化装置的另一相当特别地优选的实施方式中，支架包括至少两个型材体且相应的两个型材体通过在第一型材体处的至少一个正成型的连接型材和在第二型材体处的至少一个负成型的连接型材而可分开地相连接。正的和负的连接型材如此地成型，即，相连接的两个型材体相对彼此仅可沿一轴线实施平移运动。通过该形式的连接，型材体可以简单的方式例如绕测量管布置且因此以简单的方式安装磁化装置。
在根据本发明的磁化装置的另一特别的实施方式中，包含至少一个型材体的支架构造成用于引导由永磁体产生的磁回流(Rückfluss)的轭(Joch)。每个型材体的横截面轮廓沿着相应的型材体纵轴线是恒定的且在至少一个型材体中设置有至少一个用于容纳至少一个永磁体的空心型材。磁回流的引导适合作为相对于永磁体的作为Halbach阵列的布置的备选方案。这样的带有较高导磁性的材料适合作为至少用于轭的材料。
附图说明
具体地，现在存在有用于设计和改进根据本发明的磁化装置的不同的可行性方案。对此，参照在权利要求1之下的权利要求并且参照优选的实施例的结合附图的描述。其中：
图1 以分解图示形式显示了带有容纳管的根据本发明的磁化装置的第一实施例，
图2 显示了带有多个可转动的容纳管的根据本发明的磁化装置的第二实施例，
图3 以分解图示形式显示了带有由多个挤出型材体构成的支架的根据本发明的磁化装置的第三实施例，且
图4 以分解图示形式显示了带有由多个挤出型材体构成的支架的第四实施例。
具体实施方式
图1显示了根据本发明的磁化装置1的重要的部件；其是由非磁性的材料制成的支架3和多个永磁体2。支架3的主要的部件是多个构造成空心型材4的容纳管5、带有用于测量管的穿行部7且带有用于容纳管5的容纳部8的两个盘环6、和同样带有用于测量管的穿行部7的两个端部盘环9。在图1中非所有容纳管5可见，以便同样可显示永磁体2。
在每个容纳管5中引入有八个等长的永磁体2，其中，这些永磁体2的横截面轮廓是矩形的且与空心型材4形状配合，从而使得永磁体2在空心型材4中的一个中仅可沿着空心型材4的纵轴线运动，然而不可绕空心型材4的纵轴线转动。永磁体2可被划分成带有不同大小的横截面面积的组，由此永磁体2具有不同的磁场强度。
设置在与端部盘环9相拧紧的盘环6中的容纳部8绕测量管如此地布置装备有永磁体2的容纳管5，即，永磁体2构成Halbach阵列。容纳管5大致上在绕测量管的两个环中排列且通过较长的、此处未画出的螺钉来固定，其将两个端部盘环9彼此连接且使两个端部盘环9彼此张紧。对于永磁体2的相同的布置而言，由现有技术已知的支架需要十六个盘环6，由永磁体2构成的八个环的中的每一个用两个盘环6。降低的消耗是相当明显的。
根据本发明的磁化装置1的在图2中所显示的实施例与在图1中所显示的实施例大致上区别在于多个容纳管5绕其纵轴线的可转动性。因为各个永磁体2的磁场强度和磁场方向由于永磁体2的生产过程经受不可避免的波动，所以即使在永磁体2通过支架3的最佳的布置的情形中也产生测量管中合成的磁场的不均匀性。通过各个容纳管5的转动可减少该不均匀性。
可转动的容纳管5的垂直于其纵轴线的外部的横截面轮廓是圆的并且在盘环6中的属于其的容纳部8相应地是圆的且相对容纳管5形状配合。为了转动和固定，可转动的容纳管5中的每个配备有转动装置10。转动装置10中的每个具有两个相对而置的用于转动的销钉和两个相对而置的用于固定相应的容纳管5的螺钉。相应地，在图2中的前部的端部盘环9中绕可转动的容纳管5中的每个的纵轴线设置有四个同中心的长孔。
图3显示了带有大致上由多个由铝合金制成的挤出型材体11组装成的支架3的根据本发明的磁化装置1。所有挤出型材体11具有相等的长度且挤出型材体11中的每个具有多个空心型材4。空心型材4中的每个的垂直于相应的空心型材4的纵轴线的内部的横截面轮廓矩形地构造，其中，并非所有挤出型材体11的横截面轮廓是封闭的。不封闭的轮廓在组装状态中由其它的挤出型材体11封闭。
永磁体2全都具有相等的长度，从而在空心型材4中的每个中引入有相同数量的永磁体2，并且其可被划分成带有不同大小的矩形的垂直于其纵轴线的横截面面积的组，由此永磁体2具有不同的磁场强度。被引入到空心型材4中的一个中的永磁体2绕相应的空心型材4的纵轴线不可转动，其中，空心型材4的垂直于空心型材4的纵轴线的内部的横截面轮廓不等于被引入到空心型材4中的永磁体2的外部的横截面轮廓。
在圆柱形挤出型材体11中沿着圆柱形挤出型材体11的纵轴线同中心地设置有用于测量管的穿行部7且其余四个挤出型材体11环绕圆柱形挤出型材体11布置，从而使得空心型材4的纵轴线彼此平行地且平行于圆柱形挤出型材体11的纵轴线地定向。永磁体2在支架3中如此地布置，即，其构成Halbach阵列。
在相应的两个挤出型材体11中，第一挤出型材体11具有正的连接型材12a而第二挤出型材体11具有负的连接型材12b。垂直于正的连接型材12a的纵轴线的外部的横截面轮廓和垂直于负的连接型材12b的纵轴线的内部的横截面轮廓是形状配合的且如此地构造，即，在相连接的状态中仅可实现两个挤出型材体11沿着正的连接型材12a的纵轴线的相互运动。
永磁体2在空心型材4中沿着圆柱形挤出型材体11的纵轴线的运动和挤出型材体11彼此间沿着圆柱形挤出型材体11的纵轴线的运动通过两个(此处未画出)的端部盘环9而被阻止。在两个端部盘环9中的每个中设置有用于测量管的穿行部和用于螺钉的穿行的钻孔。相应地，在挤出型材体11的端面中设置有用于与端部盘环9拧紧的螺纹。
图4显示了带有大致上由多个利用注塑工艺由塑料制成的挤出型材体11组装而成的支架3的另一根据本发明的磁化装置1。该磁化装置1与在图3中所显示的磁化装置1大致上区别在于一件式的圆柱形挤出型材体11被多件式的挤出型材体11所替代。
与图1和图2中所显示的根据本发明的磁化装置1相比，在图3和图4中所显示的磁化装置1的情形中，制造消耗且由此成本消耗也再次降低。
先前，部分塑料、部分陶瓷被提及作为待使用的材料。作为替代同样可使用陶瓷或铝。

Claims (18)

1.一种用于以至少在一平面中均匀的磁场来贯穿流经核磁流量计的测量管的多相流体的磁化装置，其带有多个用于产生磁场的永磁体且带有支架，其中，所述支架具有至少一个磁体容纳部，每个所述磁体容纳部容纳至少一个所述永磁体，所述磁体容纳部和所述永磁体的造型仅在所述磁体容纳部中在一个方向上允许所述永磁体的运动并且由所述磁体容纳部所容纳的永磁体关于所述磁场通过所述磁体容纳部来布置，
其特征在于，
所述磁体容纳部构造成空心型材(4)。
2.根据权利要求1所述的磁化装置，其特征在于，所述永磁体(2)在所述空心型材(4)中运动时的摩擦通过所述空心型材(4)的衬里来减小。
3.根据权利要求1或2所述的磁化装置，其特征在于，所述永磁体(2)在所述空心型材(4)中通过最初是液态的且然后硬化的物质而被固定。
4.根据权利要求1至2中任一项所述的磁化装置，其特征在于，所述支架(3)具有多个容纳管(5)且在每个所述容纳管(5)中构造有用于容纳至少一个所述永磁体(2)的空心型材(4)。
5.根据权利要求4所述的磁化装置，其特征在于，所述支架(3)包括至少一个作为所述容纳管(5)的支撑部的盘体(6)。
6.根据权利要求4所述的磁化装置，其特征在于，容纳管纵轴线平行于测量管纵轴线地定向。
7.根据权利要求4所述的磁化装置，其特征在于，所述容纳管(5)中的至少一个部分地由影响磁场的材料制成。
8.根据权利要求4所述的磁化装置，其特征在于，所述容纳管(5)中的至少一个为了影响所述磁场而绕其纵轴线可转动地布置在所述支架(3)中和被固定以防转动。
9.根据权利要求1至2中任一项所述的磁化装置，其特征在于，所述支架(3)包括至少一个型材体(11)，每个所述型材体(11)的横截面轮廓沿着相应的型材体纵轴线是恒定的且在所述型材体(11)中的至少一个中构造有用于容纳至少一个所述永磁体(2)的至少一个空心型材(4)。
10.根据权利要求9所述的磁化装置，其特征在于，所述型材体(11)是挤出型材体。
11.根据权利要求9所述的磁化装置，其特征在于，所述型材体纵轴线平行于测量管纵轴线地定向。
12.根据权利要求9所述的磁化装置，其特征在于，至少一个所述空心型材(4)如此地构造，即，适配器管可转动地布置在该空心型材(4)中且能够被固定以防转动并且在所述适配器管中构造有用于容纳至少一个所述永磁体(2)的空心型材(4)。
13.根据权利要求9所述的磁化装置，其特征在于，所述支架(3)具有至少两个型材体(11)且相应地两个型材体(11)通过在第一型材体处的至少一个正成型的连接型材(12a)和在第二型材体处的至少一个负成型的连接型材(12b)可分开地相连接，且所述正的和负的连接型材(12)如此地成型，即，在相连接的状态中所述正的和负的连接型材(12)相对彼此的平移运动仅能够沿着一轴线实现。
14.根据权利要求9所述的磁化装置，其特征在于，所述支架(3)构造成用于引导由所述永磁体(2)产生的磁回流的轭。
15.根据权利要求1至2中任一项所述的磁化装置，其特征在于，所述永磁体(2)通过所述支架(3)布置成Halbach阵列。
16.根据权利要求1至2中任一项所述的磁化装置，其特征在于，所述支架(3)由铝合金和/或由陶瓷和/或由玻璃纤维复合材料和/或由塑料制成。
17.根据权利要求4所述的磁化装置，其特征在于，所述支架(3)包括至少一个作为所述容纳管(5)的支撑部的盘体(6)且在每个所述盘体(6)中设置有用于所述测量管的穿行部(7)。
18.根据权利要求4所述的磁化装置，其特征在于，所述容纳管(5)中的至少一个部分地由良好地导磁的材料制成。
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