CN104048708B - 核磁式流量测量仪 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种核磁式流量测量仪，其带有测量管、磁化装置、至少一个梯度线圈和/或至少一个信号线圈、第一线圈支架和壳体，壳体沿着测量管的纵轴线具有第一端侧和第二端侧，梯度线圈和信号线圈布置在测量管与磁化装置之间的空间中并且梯度线圈和/或信号线圈布置在第一线圈支架上。在壳体的第一端侧与第一线圈支架之间构造第一线圈悬挂部而在壳体的第二端侧与第一线圈支架之间构造第二线圈悬挂部，第一线圈支架的上侧至少在第一线圈悬挂部与第二线圈悬挂部之间的第一部段中是闭合的面，第一线圈悬挂部将第一线圈支架与壳体的第一端侧密封，第二线圈悬挂部将第一线圈支架与壳体的第二端侧密封，并且壳体与第一线圈支架和线圈悬挂部共同密封。

Description

核磁式流量测量仪
技术领域
本发明涉及一种核磁式流量测量仪，其带有可被多相介质流过的直的测量管、围绕测量管布置的用于在流过测量管的介质中产生磁场的磁化装置、用于在磁场中产生梯度的至少一个梯度线圈(Gradientenspule)和/或用于激励介质的和/或用于探测激励的效果的至少一个信号线圈、第一线圈支架和壳体，其中，壳体沿着测量管的纵轴线具有第一端侧和第二端侧，在第一端侧中设置有第一壳体开口而在第二端侧中设置有第二壳体开口用于穿引测量管，磁化装置设置在壳体的内腔中并且壳体除了这两个壳体开口之外是密封的，并且其中，梯度线圈和信号线圈布置在被磁场贯穿的在测量管与磁化装置之间的空间中并且梯度线圈或至少一个梯度线圈和/或信号线圈或至少一个信号线圈布置在第一线圈支架上。
背景技术
元素的原子核(其具有核自旋(Kernspin))还具有由核自旋引起的磁矩。核自旋可被理解为可通过矢量描述的旋转脉冲(Drehimpuls)，并且相应地磁矩也可通过平行于旋转脉冲的矢量取向的矢量来描述。原子核的磁矩的矢量在存在宏观的磁场时平行于宏观的磁场在原子核的部位处的矢量取向。在此，原子核的磁矩的矢量围绕宏观的磁场在原子核的部位处的矢量旋进。旋进(Praezession)的频率被称为拉莫尔频率ωL且与磁场强度B的值成比例。拉莫尔频率根据公式ωL=γB来计算，在其中γ是旋磁比，其对于氢核最大。原子核的磁矩的旋进是带有拉莫尔频率的交变磁场，其可感应带有相同的频率的电信号到线圈中。
在存在宏观磁场时通过借助于受控制的磁场的激励影响介质的原子核的旋进且评估激励的效果的测量方法被称为核磁共振测量方法。对于测量多相介质的前提是，介质的各个相可被激励至可区分的核磁共振。
对实现核磁共振测量方法的测量仪的示例是开头所提及的核磁式流量测量仪。其可在测量管中测量介质的各个相的流动速度和多相介质的各个相的相对份额。核磁式流量测量仪例如可被用于从油井输送的多相介质的流量测量。该介质主要包括液态相原油和盐水以及气态相天然气，其中，所有相包含对于核磁共振必要的氢核且可激励至不同的核磁共振。
从油井输送的多相介质的测量也可以利用测试分离器(Testseparator)来进行。在测试分离器中在一时间段上引入所输送的介质，接着测试分离器将介质的各个相彼此分离且确定介质的各个相的份额。然而测试分离器与核磁式流量测量仪相比不能可靠地测量小于5%的原油份额。因为每个油井的原油份额持续下降并且许多油井的原油份额已小于5%，现在不能在使用测试分离器的情况下经济地充分开采这些油井。为了此外还能够充分开采带有非常少的原油份额的油井，对于包括多个相的介质原油需要相应精确的流量测量仪。为此尤其可考虑核磁式流量测量仪。
在开头所提及的核磁式流量测量仪中，磁场(多相介质的原子核的磁矩首先沿着其取向)通过磁化装置和梯度线圈来产生。由磁化装置产生的磁场在流过测量管的介质中是均匀的并且通常由在磁化装置中作为Halbach阵列布置的永久磁体来产生。不同的测量方法在穿过介质的磁场中引起梯度。该梯度通过均匀的磁场与由至少一个梯度线圈所产生的非均匀的场的叠加来产生。
受控制的磁场(其激励旋进的原子核)可通过该至少一个信号线圈来产生。这些信号线圈或者另外的信号线圈可用作用于由旋进的原子核所产生的交变磁场的传感器。通常，线圈(其是梯度线圈和信号线圈)布置在被磁场贯穿的在磁化装置与测量管之间的空间中。
壳体在内腔中至少容纳磁化装置并且相对于外腔密封内腔。密封性的理解在此取决于核磁式流量测量仪的应用目的。密封性可一方面对于接触和异物而另一方面对于湿气和水根据EN 60529来规定。对于接触和异物的密封性通过异物的尺寸来限定并且在国际保护码中伸至防尘性(Staubdichtheit)(IP6x)。关于湿气和水的密封性例如可在暂时浸没(Untertauchen)的情况中给出(IPx7)。密封性也可关于防爆(Explosionsschutz)、亦即通过防爆类型来规定。由此，密封性可通过根据EN 60079-1 (ex-d)的抗压的封装或通过根据EN 60079-7 (ex-e)的提高的安全性来规定。
对于由现有技术已知的且开头所说明的核磁式流量测量仪常见的是其制造由于对密封性的要求而复杂的壳体。在测量管与磁化装置之间的区域中壳体的结构和生产复杂且成本集中。
发明内容
本发明的目的因此为带有改进的且尤其简化的结构的核磁式流量测量仪的说明。
根据本发明的核磁式流量测量仪(在其中实现之前所引入的和所指出的目的)首先且主要特征在于，在壳体的第一端侧与第一线圈支架之间构造有第一线圈悬挂部(Spulenaufhaengung)而在壳体的第二端侧与第一线圈支架之间构造有第二线圈悬挂部，第一线圈支架的上侧至少在第一线圈悬挂部与第二线圈悬挂部之间的第一部段中是闭合的面，并且第一线圈悬挂部将第一线圈支架与第一端侧密封，第二线圈悬挂部将第一线圈支架与第二端侧相密封，并且壳体与第一线圈支架和线圈悬挂部一起是密封的。
根据本发明的核磁式流量测量仪相对于开头所提及的类型的由现有技术已知的核磁式流量测量仪首先具有减少部件数目的优点，由此使结构简化。通过第一线圈支架附加设计为壳体的部分，取消了之前必需的单独的壳体元件，其在第一部段中相对于外腔密封壳体的内腔。该壳体元件的取消使得在关于测量管的纵轴线的径向伸展中更紧凑的核磁式流量测量仪成为可能。
在本发明的一优选的设计方案中设置成，第一线圈支架至少在第一部段中构造成管形并且第一线圈支架的管形的部段可沿着测量管的纵轴线移入这两个线圈悬挂部中。当前第一线圈支架关于纵轴线的每个闭合的外部的横截面轮廓是管形的。尤其相应地，不只第一线圈支架的环形的外部的横截面轮廓是可能的。第一线圈支架的可移入性在第一部段中由此来确保，即第一线圈支架的管形的部段的横截面面积与在测量管与磁化装置之间的自由的横截面面积相匹配。通过第一线圈支架(其还同时密封壳体)的可移入性，简化了根据本发明的核磁式流量测量仪的组装。
在根据本发明的核磁式流量测量仪的另一优选的设计方案中，第一线圈支架具有带有邻接到壳体的第一端侧处的法兰侧的法兰并且在第一端侧与法兰侧之间布置有密封件。此外，在壳体的第二端侧处围绕第二壳体开口布置有带有第一和第二环侧的支承环(Traegerring)，其中，第一环侧邻接到壳体的第二端侧处而第二环侧邻接到第一线圈支架的上侧处。在支承环的第一环侧与壳体的第二端侧之间布置有密封件，而在支承环的第二环侧与第一线圈支架的上侧之间同样布置有密封件。密封件相应于对壳体提出的要求确保密封性。
在支承环的第一和第二环侧中和在法兰的法兰侧中可设置有用于容纳密封件的凹口。提供圆作为用于凹口的轮廓。作为密封件提供由弹性的材料构成的并且相应于成环形的凹口的轮廓的密封件，其被压合在接触部位处并且以该方式引起密封性。
线圈体的法兰可设有用于穿引螺栓的孔，并且在壳体中可在第一端侧处构造有用于容纳螺栓的螺纹。这两个线圈悬挂部与螺栓一起确保第一线圈支架在壳体处的固定。
构造第一线圈支架用于以介质流过也是有利的，因为那么还取消测量管，由此在关于测量管的纵轴线的径向伸展中还更紧凑的核磁式流量测量仪是可能的。构造第一线圈支架用于以介质流过主要包含相对于介质的压力的足够的抗压强度、相对于介质的组分的足够的化学抗性和当然还有由于介质流动的较小的磨损。
如果第一线圈支架至少在第一部段中构造成管形，提供了在插入在支承环的第二环侧中的凹口中的密封件与第一线圈支架的管形的部段的上侧之间在第一线圈支架的管形的部段的上侧上布置适配器；适配器与密封件一起使第一线圈支架能够沿着测量管的纵轴线运动而不影响密封性。如果第一线圈支架在法兰处与壳体旋紧，该适配器与密封件一起允许第一线圈支架的纵向运动，如其例如由于第一线圈支架和壳体的不同的热膨胀而产生的那样。以该方式可避免在壳体中和在第一线圈支架中的机械应力。
在根据本发明的核磁式流量测量仪的另一优选的设计方案中，至少该梯度线圈或梯度线圈中的至少一个和/或该信号线圈或信号线圈中的至少一个布置在第二线圈支架上。该第二线圈支架可布置在第一线圈支架上。该布置可在测量管与第一线圈支架之间或在第一线圈支架与磁化装置之间。
如果第一线圈支架在第一部段中构造成管形，在第二部段中管形地构造第二线圈支架可以是有利的，亦即管形地构造成使得第二线圈支架的管形的部段可沿着测量管的纵轴线移入第一线圈支架的管形的部段中。优选地，第二线圈支架也具有法兰。该法兰可设有用于穿引螺栓的孔，并且在壳体中在第一端侧处可构造有用于容纳螺栓的螺纹。
如果不仅第一线圈支架设有法兰且法兰设有用于穿引螺栓的孔而且第二线圈支架设有法兰且法兰设有用于穿引螺栓的孔，提供了在第一线圈支架和第二线圈支架上齐平地布置孔，使得这两个线圈支架可利用相同的螺栓固定在壳体处。以该方式进一步简化了根据本发明的核磁式流量测量仪的组装。
在第一线圈支架上布置梯度线圈而在第二线圈支架上布置信号线圈或者在第一线圈支架上布置信号线圈而在第二线圈支架上布置梯度线圈也可以是有利的。由此，用于产生磁场中的梯度和用于激励和用于探测激励的效果的组件彼此分开并且因此还可分开更换并且可匹配不同的应用目的。当然也可将所有梯度线圈和信号线圈布置在第一线圈支架上。
因为不仅第一线圈支架而且第二线圈支架至少部分地布置在磁场中，其至少在这些部分中必须由不影响磁场的材料构成。因此，作为用于这两个线圈支架的材料提供纤维复合材料，尤其玻璃纤维强化的复合材料。当然，这两个线圈支架在不处于磁场中的区域中也可由其它材料制成。
附图说明
现在尤其存在设计和改进根据本发明的核磁式流量测量仪的不同可能性。对此结合附图参照优选的实施例的说明。其中：
图1显示了根据本发明的带有测量管和第一及第二线圈支架的核磁式流量测量仪的第一实施例，
图2显示了带有测量管和第一线圈支架的第二实施例以及
图3显示了带有第一线圈支架的第三实施例。
附图标记清单
1. 核磁式流量测量仪
2. 介质
3. 测量管
4. 磁化装置
5. 梯度线圈
6. 信号线圈
7. 第一线圈支架
8. 壳体
9. 纵轴线
10. 内腔
11. 第一端侧
12. 第二端侧
13. 第一壳体开口
14. 第二壳体开口
15. 空间
16. 第一线圈悬挂部
17. 第二线圈悬挂部
18. 上侧
19. 第一部段
20. 第一线圈支架的法兰
21. 法兰侧
22. 密封件
23. 支承环
24. 第一环侧
25. 第二环侧
26. 凹口
27. 适配器
28. 在法兰20中的孔
29. 螺栓
30. 螺纹
31. 第二线圈支架
32. 第二部段
33. 第二线圈支架的法兰
34. 在法兰33中的孔。
具体实施方式
图1显示了根据本发明的核磁式流量测量仪1的第一实施例的重要元件。多相的介质2流过直的测量管3。围绕测量管3布置有用于在流过测量管3的介质2中产生均匀的磁场的磁化装置4。梯度线圈5在流过测量管3的介质2中产生非均匀的磁场，并且这两个磁场的叠加在介质2中引起带有梯度的磁场。信号线圈6不仅用于介质2的激励而且用于探测激励的效果。梯度线圈5布置在第一线圈支架7上。核磁式流量测量仪1还包括壳体8，其中，壳体8沿着测量管3的纵轴线9具有第一端侧11和第二端侧12。在第一端侧11中设置有第一壳体开口13而在第二端侧12中设置有第二壳体开口14用于穿引测量管3。磁化装置设置在壳体8的内腔10中。壳体8除了这两个壳体开口13、14之外根据IP67是密封的。相应地，其是防尘的且在暂时浸没时是密封的。不仅梯度线圈5而且信号线圈6布置在被磁场贯穿的在测量管3与磁化装置4之间的空间15中。
在第一线圈支架7与第一端侧11之间构造有第一线圈悬挂部16而在第一线圈支架8与第二端侧12之间构造有第二线圈悬挂部17。第一线圈支架7的上侧18在第一线圈悬挂部16与第二线圈悬挂部17之间的第一部段19中是闭合的面，亦即第一线圈支架7在第一部段中带有环形的横截面轮廓是管形的。
在第一线圈支架7的管形的部段处模制有法兰20。法兰20以法兰侧21邻接到壳体8的第一端侧11处。在第一端侧11与法兰20的法兰侧21之间布置有密封件22。在壳体8的第二端侧12处围绕第二壳体开口14布置有带有第一环侧24和第二环侧25的支承环23。第一环侧24邻接到壳体8的第二端侧12处而第二环侧25邻接到第一线圈支架7的管形部段的上侧18处。不仅在支承环23的第一环侧24与壳体8的第二端侧12之间而且在支承环23的第二环侧25与第一线圈支架7的管形部段的上侧18之间分别布置有密封件22。在支承环23的第一环侧24和第二环侧25中以及在法兰20的法兰侧21中设置有同心的凹口26用于作为密封件22的弹性的环形的密封件。
第一线圈支架7主要包括管形的部段和模制到其处的法兰20。关于第一线圈支架7的管形部段的纵轴线9的横截面面积在此这样匹配于在关于测量管3的纵轴线9的径向上在测量管3与磁化装置4之间的自由空间，使得第一线圈支架7的管形部段沿着纵轴线9可移入这两个线圈悬挂部16、17中。
在插入在支承环23的第二环侧25中的凹口26中的密封件22与第一线圈支架7的管形部段的上侧18之间在第一线圈支架7的管形部段的上侧18上布置有适配器27。该适配器27是金属环，其与密封件22相接触并且密封地封闭。适配器27与密封件22共同确保在不损害壳体8的密封性的情况下第一线圈支架7沿着测量管的纵轴线9的运动。
在法兰20中平行于测量管3的纵轴线9在同心地围绕纵轴线9布置的圆上设置有用于穿引螺栓29的孔28并且均匀地分布在该圆上。在壳体8中的第一端侧11上构造有与孔28齐平的用于螺栓29的螺纹30。
第一线圈悬挂部16包括第一线圈支架7的设有凹口26和孔28的法兰20、用于该凹口26的密封件22、在壳体8的第一端侧11中的螺纹30和螺栓29。第二线圈悬挂部17包括支承环23、在第一环侧24中的设有密封件22的凹口26、在第二环侧25中的设有密封件22的凹口26和适配器27。因此，第一线圈悬挂部16将第一线圈支架7与第一端侧11密封而第二线圈悬挂部17将第一线圈支架7与第二端侧12密封。壳体8的内腔14因此密封地根据IP67相对于外腔封闭。
信号线圈6布置在第二线圈支架31上。第二线圈支架31在第二部段32中构造成管形，这样使得第二线圈支架31的管形部段可沿着纵轴线9移入在第一线圈支架7的管形部段与测量管3之间的空间中。法兰33模制到第二线圈支架31的管形部段处。第二线圈支架31的法兰33设有孔34，其与法兰20中的孔28齐平。因此可能利用相同的螺栓29将第一线圈支架7和第二线圈支架31固定在壳体8的第一端侧11处。
在图2中示出根据本发明的核磁式流量测量仪1的第二实施例的重要元件。下面仅研究与在图1中示出的第一实施例的区别。在图2中示出的实施例中除了梯度线圈5之外在第一线圈支架7上还布置有信号线圈6，从而不需要第二线圈支架。以该方式可进一步减少核磁式流量测量仪1的部件的数目并且因此进一步简化结构。
在图3中示出根据本发明的流量测量仪1的第三实施例的重要部件。这里以下也仅研究与在图1中示出的实施例的区别。在图3中示出的实施例中，一方面如已在图2中示出的实施例中那样，不仅梯度线圈5而且信号线圈6布置在第一线圈支架7上。但是此外，第一线圈支架7还构造用于以介质2流过，由此除了第二线圈支架31之外也还取消测量管3。

Claims (16)

1.一种核磁式流量测量仪(1)，其带有可被多相介质(2)流过的直的测量管(3)、围绕所述测量管(3)布置的用于在流过所述测量管(3)的所述介质(2)中产生磁场的磁化装置(4)、用于在所述磁场中产生梯度的至少一个梯度线圈(5)和用于激励所述介质(2)的和/或用于探测所述激励的效果的至少一个信号线圈(6)、第一线圈支架(7)和壳体(8)，
其中，所述壳体(8)沿着所述测量管(3)的纵轴线(9)具有第一端侧(11)和第二端侧(12)，在所述第一端侧(11)中设置有第一壳体开口(13)而在所述第二端侧(12)中设置有第二壳体开口(14)用于穿引所述测量管(3)，所述磁化装置(4)设置在所述壳体(8)的内腔(10)中并且所述壳体(8)除了这两个壳体开口(13, 14)之外是密封的，并且
其中，所述梯度线圈(5)和所述信号线圈(6)布置在被所述磁场贯穿的在所述测量管(3)与所述磁化装置(4)之间的空间(15)中并且所述梯度线圈(5)或至少一个梯度线圈(5)和/或所述信号线圈(6)或至少一个信号线圈(6)布置在所述第一线圈支架(7)上，
其特征在于，
在所述壳体(8)的第一端侧(11)与所述第一线圈支架(7)之间构造有第一线圈悬挂部(16)而在所述壳体(8)的第二端侧(12)与所述第一线圈支架(7)之间构造有第二线圈悬挂部(17)，
所述第一线圈支架(7)的上侧(18)至少在所述第一线圈悬挂部(16)与所述第二线圈悬挂部(17)之间的第一部段(19)中是闭合的面并且
所述第一线圈悬挂部(16)将所述第一线圈支架(7)与所述壳体(8)的第一端侧(11)密封、所述第二线圈悬挂部(17)将所述第一线圈支架(7)与所述壳体(8)的第二端侧(12)密封并且所述壳体(8)与所述第一线圈支架(7)和所述线圈悬挂部(16, 17)一起是密封的。
2.根据权利要求1所述的核磁式流量测量仪，其特征在于，所述第一线圈支架(7)至少在所述第一部段(19)中构造成管形并且所述第一线圈支架(7)的管形的部段能够沿着所述纵轴线(9)移入这两个线圈悬挂部(16, 17)中。
3.根据权利要求1所述的核磁式流量测量仪，其特征在于，所述第一线圈支架(7)具有带有邻接到所述壳体(8)的第一端侧(11)处的法兰侧(21)的法兰(20)并且在所述壳体(8)的第一端侧(11)与所述法兰(20)的法兰侧(21)之间布置有密封件(22)，并且在所述壳体(8)的第二端侧(12)处围绕第二壳体开口(14)布置有带有第一环侧(24)和第二环侧(25)的支承环(23)，所述支承环(23)的第一环侧(24)邻接到所述壳体(8)的第二端侧(12)处，所述支承环(23)的第二环侧(25)邻接到所述第一线圈支架(7)的上侧(18)处，在所述支承环(23)的第一环侧(24)与所述壳体(8)的第二端侧(12)之间布置有密封件(22)并且在所述支承环(23)的第二环侧(25)与所述第一线圈支架(7)的上侧(18)之间布置有密封件(22)。
4.根据权利要求3所述的核磁式流量测量仪，其特征在于，在所述支承环(23)的两个环侧(24,25)中并且在所述法兰(20)的法兰侧(21)中设置有凹口(26)用于容纳所述密封件(22)。
5.根据权利要求4所述的核磁式流量测量仪，其特征在于，在插入在所述支承环(23)的第二环侧(25)中的所述凹口(26)中的密封件(22)与所述第一线圈支架(7)的管形的部段的上侧(18)之间在所述第一线圈支架(7)的管形的部段的上侧(18)上布置有适配器(27)，并且所述适配器(27)与所述密封件(22)一起使所述第一线圈支架(7)能够在不损害密封性的情况下沿着所述测量管(3)的纵轴线(9)运动。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的核磁式流量测量仪，其特征在于，所述法兰(20)设有用于穿引螺栓(29)的孔(28)而在所述壳体(8)中在所述第一端侧(11)处构造有用于容纳所述螺栓(29)的螺纹(30)。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的核磁式流量测量仪，其特征在于，所述梯度线圈(5)或所述梯度线圈(5)中的一个和/或所述信号线圈(6)或所述信号线圈(6)中的一个布置在第二线圈支架(31)上。
8.根据权利要求7所述的核磁式流量测量仪，其特征在于，所述第二线圈支架(31)布置在所述第一线圈支架(7)上。
9.根据权利要求7所述的核磁式流量测量仪，其特征在于，所述第二线圈支架(31)在第二部段(32)中构造成管形并且所述第二线圈支架(31)的管形的部段(32)能够沿着所述纵轴线(9)移入所述第一线圈支架(7)的管形的部段中。
10.根据权利要求7所述的核磁式流量测量仪，其特征在于，所述第二线圈支架(31)具有法兰(33)。
11.根据权利要求10所述的核磁式流量测量仪，其特征在于，所述第二线圈支架(31)的法兰(33)设有用于穿引螺栓(29)的孔(34)而在所述壳体(8)中在所述第一端侧(11)处构造有用于容纳所述螺栓(29)的螺纹(30)。
12.根据权利要求6所述的核磁式流量测量仪，其特征在于，所述梯度线圈(5)或所述梯度线圈(5)中的一个和/或所述信号线圈(6)或所述信号线圈(6)中的一个布置在第二线圈支架(31)上，所述第二线圈支架(31)具有法兰(33)，所述第二线圈支架(31)的法兰(33)设有用于穿引螺栓(29)的孔(34)而在所述壳体(8)中在所述第一端侧(11)处构造有用于容纳所述螺栓(29)的螺纹(30)，在所述第一线圈支架(7)的法兰(20)中和在所述第二线圈支架(31)的法兰(33)中的所述孔齐平。
13.根据权利要求1至5中任一项所述的核磁式流量测量仪，其特征在于，所述第一线圈支架(7)构造用于以所述介质(2)流过。
14.根据权利要求1至5中任一项所述的核磁式流量测量仪，其特征在于，在所述第一线圈支架(7)上仅布置一个所述梯度线圈(5)或仅布置多个所述梯度线圈(5)。
15.根据权利要求1至5中任一项所述的核磁式流量测量仪，其特征在于，所述第一线圈支架(7)和/或所述第二线圈支架(31)主要由纤维复合材料构成。
16.根据权利要求15所述的核磁式流量测量仪，其特征在于，所述第一线圈支架(7)和/或所述第二线圈支架(31)主要由玻璃纤维强化的复合材料构成。
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