CN110579502A - 一种用于核磁共振两相流测量的传感器 - Google Patents

Abstract

一种用于核磁共振两相流测量的传感器，包括最里层的油水管道，其中油水管道为两相流体通道，在油水管道的外壁上绕有射频线圈，射频线圈的外部为磁体结构，磁体结构的外部为金属外壳；所述的磁体结构1由磁体Ⅰ、磁体Ⅱ、磁体Ⅲ在其同轴线上顺次连接，磁体Ⅰ、磁体Ⅱ、磁体Ⅲ组成三段式Halbach圆柱体阵列结构，本发明分别利用三段式磁体结构来实现均匀稳定磁场；采用分段式的绕线方式来提高射频线圈的信噪比、灵敏度，两者的性能直接决定核磁共振信号的质量，使得测量的自旋回波信号更为精确和稳定，也有利于后端一系列的数据处理。

Description

一种用于核磁共振两相流测量的传感器

技术领域

本发明涉及油水两相流参数测量领域，特别涉及一种用于核磁共振两相流测量的传感器，用于核磁共振两相流参数的测量。

背景技术

在石油开采中，油、水两相流型、流速及各相流量等流动特性的多变性和复杂性，使得两相流测量仍然是石油工业的一大技术难题，目前常用的测量方法有电学法、层析成像法、核磁共振法。由于电学法属于接触式测量，容易造成传感器灵敏度下降、测量误差较大等无法克服的技术局限性；层析成像法受成像速度、数据量较大的影响，在两相流动态测量的效果还不甚理想。

基于核磁共振原理的两相流测量技术，其测量结果不受宏观物理特征影响，测量精度较高，能有效克服传统测量方法的局限性，是目前两相流研究领域的新方向。然而在核磁共振两相流测量中，通常由于传感器受静磁场的均匀度、射频线圈的检测灵敏度等影响，往往不能准确测量油水两相流参数信息，因此核磁共振传感器对于两相流测量精度起着决定性的作用。目前核磁共振两相流传感器多采用单一结构，在实际应用中存在如下缺陷：(1)永磁体结构存在气隙，磁场强度低、磁场不均匀、气隙场衰减过快等缺点；(2)收发两组线圈工作时，容易互相耦合、信噪比降低，能量传递误差等问题；(3)收发线圈合二为一时，很难同时满足射频磁场高强度和均匀性的要求，同时接收信号灵敏度和信噪比显著下降。

发明内容

针对目前核磁共振两相流传感器存在的问题，本发明的目的在于提供一种用于核磁共振两相流测量的传感器，构建三段式磁体结构以及分段式射频线圈，具有高匀场、高灵敏度、高信噪比的特点。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于核磁共振两相流测量的传感器，包括最里层的油水管道4，其中油水管道4为两相流体通道，在油水管道4的外壁上绕有射频线圈2，射频线圈2的外部为磁体结构1，磁体结构1的外部为金属外壳3，

所述的磁体结构1由磁体Ⅰ、磁体Ⅱ、磁体Ⅲ在其同轴线上顺次连接，磁体Ⅰ、磁体Ⅱ、磁体Ⅲ组成三段式Halbach圆柱体阵列结构，三段圆柱体的内径均为20mm，其中磁体Ⅱ位于三段式磁体结构的前端，磁体Ⅲ位于磁体结构的后端，磁体Ⅰ位于磁体Ⅱ和磁体Ⅲ的中间。

所述的磁体Ⅰ由磁铁A、磁铁B、磁铁C三段组成，每段磁铁长40mm，内径20mm，外径40mm；

所述的磁体Ⅰ，在纵向上，磁铁A、磁铁B、磁铁C均由磁块①～磁块⑧组成，按照逆时针方向依次排列，充磁方向也是按照每次变化90°的顺时针方向排列，其中磁块①的充磁方向水平向左，磁块②的充磁方向竖直向上，磁块③的充磁方向水平向右，磁块④的充磁方向竖直向下，磁块⑤的充磁方向水平向左，磁块⑥的充磁方向竖直向上，磁块⑦的充磁方向水平向右，磁块⑧的充磁方向向下，所述的磁铁A、B、C的组装块数、充磁方向、排列顺序都相同。

所述的磁体Ⅱ长22mm，内径20mm外径45mm，磁体Ⅱ外径与磁体Ⅰ外径相差5mm；

所述的磁体Ⅱ和磁体Ⅲ均由8块磁块组成，磁体Ⅱ、磁体Ⅲ的8块磁块也是按照逆时针方向依次排列，充磁方向也是按照每次变化90°的顺时针方向；

所述的磁体Ⅲ与磁体Ⅱ的长度、内径、外径、磁块排列顺序、磁块充磁方向参数全部相同。

所述的射频线圈2由线圈D、线圈E、线圈F、屏蔽层G组成，线圈D绕制在线圈结构前端，线圈F绕制在线圈结构后端，线圈E绕制在线圈D和线圈F的中间位置，屏蔽层G主要分布在线圈D、线圈E、线圈F的外层，其中线圈D，线径1mm，4匝，匝间距为0.5mm，线圈F，线径1mm，4匝，匝间距为0.5mm，线圈E，线径1mm，6匝，匝间距为1mm。

所述的金属外壳3使用铝材质，总长度165mm，厚度3mm。

所述的油水管道4采用亚克力管材料，外径20mm。

本发明分别利用三段式磁体结构来实现均匀稳定磁场；采用分段式的绕线方式来提高射频线圈的信噪比、灵敏度，两者的性能直接决定核磁共振信号的质量，使得测量的自旋回波信号更为精确和稳定，也有利于后端一系列的数据处理。

附图说明

图1为本发明核磁共振测量传感器结构示意图。

图2为传感器中三段式Halbach磁体的充磁方向示意图。

图3为磁体Ⅰ中磁块A、磁铁B、磁铁C分布示意图。

图4为传感器中射频线圈结构示意图。

图5为三段式Halbach磁体的轴向磁通密度模变化示意图，其中图5(a)为磁体Ⅰ磁场变化规律，图5(b)为两端拉伸20mm磁体磁场变化规律，图5(c)为两端拉伸22mm磁体磁场变化规律，图5(d)为两端拉伸25mm磁体磁场变化规律，图5(e)为两端拉伸最优化磁体磁场变化规律，图5(f)为外径拉伸42mm磁体磁场变化规律，图5(g)为外径拉伸45mm磁体磁场变化规律，图5(h)为外径拉伸47mm磁体磁场变化规律。

图6为不同线径下的射频线圈匝数与信噪比的关系。

图7为射频线圈的轴向磁感应强度与长度，匝数的变化关系,其中图7(a)为点图，图7(b)为线图。

具体实施方案

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参见图1、图2、图3，图4，一种用于核磁共振两相流测量的传感器，包括最里层的油水管道4，其中油水管道4为两相流体通道，在油水管道4的外壁上绕有射频线圈2，射频线圈2的外部为磁体结构1，磁体结构1的外部为金属外壳3，金属外壳3固定在磁体外部，一方面固定磁体位置，一方面防止磁体自生漏磁。

所述的磁体结构1由磁体Ⅰ、磁体Ⅱ、磁体Ⅲ在其同轴线上顺次连接，磁体Ⅰ、磁体Ⅱ、磁体Ⅲ组成三段式Halbach圆柱体阵列结构，三段圆柱体的内径都为20mm，其中磁体Ⅱ位于三段式磁体结构的前端，磁体Ⅲ位于磁体结构的后端，磁体Ⅰ位于磁体Ⅱ和磁体Ⅲ的中间。磁体Ⅰ和Ⅱ分别与磁体Ⅲ在两端连接时，由于磁体Ⅰ和Ⅱ以及磁体Ⅲ和Ⅰ之间存在斥力，所以两头接口处必须紧密连接，避免磁体位置发生偏移，影响最终的实验结果。

所述的磁体Ⅰ由磁铁A、磁铁B、磁铁C三段组成，每段磁铁长40mm，内径20mm，外径40mm；

所述的磁体Ⅰ，在纵向上，磁铁A、磁铁B、磁铁C均由磁块①～磁块⑧组成，按照逆时针方向依次排列，充磁方向也是按照每次变化90°的顺时针方向排列，其中磁块①的充磁方向水平向左，磁块②的充磁方向竖直向上，磁块③的充磁方向水平向右，磁块④的充磁方向竖直向下，磁块⑤的充磁方向水平向左，磁块⑥的充磁方向竖直向上，磁块⑦的充磁方向水平向右，磁块⑧的充磁方向向下，所述的磁铁A、磁铁B、磁铁C的组装块数、充磁方向、排列顺序都相同。

所述的磁体Ⅱ长22mm，内径20mm外径45mm，磁体Ⅱ外径与磁体Ⅰ外径相差5mm；

所述的磁体Ⅱ和磁体Ⅲ均由8块磁块组成，磁体Ⅱ、磁体Ⅲ的8块磁块也是按照逆时针方向依次排列，充磁方向也是按照每次变化90°的顺时针方向；

所述的磁体Ⅲ与磁体Ⅱ的长度、内径、外径、磁块排列顺序、磁块充磁方向参数全部相同。

所述的射频线圈2包括线圈系和绝缘层，线圈系采用漆包线绕制在油水管道4的外壁，绝缘层位于线圈系的外层。

所述的射频线圈2由线圈D、线圈E、线圈F、屏蔽层G组成，线圈D绕制在线圈结构前端，线圈F绕制在线圈结构后端，线圈E绕制在线圈D和线圈F的中间位置，屏蔽层G主要分布在线圈D、线圈E、线圈F的外层，其中线圈D，线径1mm，4匝，匝间距为0.5mm，线圈F，线径1mm，4匝，匝间距为0.5mm，线圈E，线径1mm，6匝，匝间距为1mm。

所述的射频线圈装置包括线圈D、线圈E、线圈F、屏蔽层G，线圈的绕线方式必须按照仿真的参数进行绕制，屏蔽层也必须覆盖整个漆包线外部，避免外部的电磁干扰。

所述的金属外壳3使用铝材质，总长度165mm，厚度3mm。

所述的油水管道4采用亚克力管材料，外径20mm。

参见附图5，本发明工作原理包括如下步骤：

(1)核磁共振多相流实验中磁体强度要求比较小，所以选取剩磁较小的铁氧体材料。

(2)组装块数采用8子块Halbach阵列结构，主要针对高度120mm内径20mm外径40mm的Halbach圆柱体结构进行设计优化。

(3)在确定内径一定、外径增加至45mm的情况下，两端的所叠加的磁体长度分别为20mm、22mm、25mm，得出最优化长度参数。外径固定到45mm不变，对比拉伸长度不同的四种Halbach阵列结构的轴向0～80mm之间的磁通密度模图像，分别是原始Halbach磁体磁场变化规律、两端拉伸20mm磁体磁场变化规律、两端拉伸22mm磁体磁场变化规律、两端拉伸25mm磁体磁场变化规律，如图5所示。通过观察分析，(b)、(c)、(d)三种结构的轴向磁场都在243mT左右变化，两端拉伸22mm的Halbach结构轴向磁场在0～80mm内磁通密度模的变化幅度最小，在243mT～244.1mT之间变化，即相差仅1.1mT，最终可以得出两端拉伸22mm的三段式磁体为磁场均匀性最好结构。

(4)在内径一定、磁体长度为22mm的情况下，将外径的长度分别改变为42mm、45mm、47mm，得到一个最优化外径参数。外加磁体拉伸长度固定到22mm不变，对比四种Halbach阵列结构的轴向0～80mm之间的磁通密度模变化规律，如图5所示的(e)、(f)、(g)、(h)分别是两端拉伸最优化磁体磁场变化规律、外径拉伸到42mm磁体磁场变化规律、外径拉伸到45mm磁体磁场变化规律、外径拉伸到47mm的磁体磁场变化规律。通过观察分析图像(f)、(g)、(h)，可得外径拉伸45mm的Halbach结构轴向磁场变化幅度最小，在243mT～244.1mT之间变化，即相差仅1.1mT，磁场均匀性最好，最终可以得出两端拉伸20mm的Halbach为仿真效果最好的结构。

(5)在综合拉伸长度和拉伸外径两种参数分析对比，长度拉伸22mm、外径45mm的Halbach磁体结构可以满足轴向均匀长度为80mm的要求。

(6)根据仿真实验结果参数去实际订做磁体外壳和磁体相应的尺寸，可得满足要求的新型磁体结构。

参见附图6、附图7，本发明的设计原理如下：

在设计螺线管射频线圈过程中，主要涉及的参数包括线圈匝数N，线圈匝间距g/2，线圈长度L，线圈直径D等。信噪比是螺线管线圈设计中的主要依据，为了计算方便简化公式中的常量，得到相对信噪比的表达式为：

主要优化方向就是通过最大化线圈灵敏度和最小化有效电阻，从而获得最佳的相对信噪比。

低场的核磁共振多相流测量中，多选用φ20mm的试管盛装样品，考虑到线圈驱动发射功率和载流能力，漆包铜线按每平方毫米2.5-3A选取，核磁共振多相流传感器线圈制造过程中线径控制0.6mm-1.5mm之间，通过仿真分析研究不同线径下线圈匝数对信噪比的影响规律如图6所示。可以看出，当线径0.5mm时，匝数取24匝线圈信噪比达到最高，线径为1mm时，匝数取12匝线圈信噪比最高，线径为1.5mm时，匝数为5匝信噪比最高。

品质因素Q是表示线圈质量的重要参数。品质因素Q的定义为，当线圈在某一频率的交流电压下工作时，线圈所呈现的感抗和线圈直流电阻的比值：

品质因素Q值越高，回路的能量损耗越小，线圈的性能越高。通过仿真仿真的方法，得到线圈匝间距对品质因素的影响如表1所示：从表1中可以看出，对不同的线径，当匝间距g/2等于线径，即g＝d时，线圈品质因素的值达到最大。

表1

根据毕奥-萨法定律，单个圆环线圈在轴线上任一点产生的磁场强度为：

在长度为L的螺线管线圈上完成对Z′的积分，即可得到轴线上任一点的磁感应强度：

通过图7可以看出，必须综合考虑磁场均匀性和信噪比的双影响，在线圈匝数和长度不变的情况下，保证信噪比最优的基础上，采用疏密结合的绕线方式，提高磁场的均匀度。最终确定的参数为：线径1mm，匝数14匝，中部6匝，匝间距为1mm，两端各4匝，匝间距为0.5mm。

优化后的线圈结构径向磁场的均匀度良好，轴向磁场均匀范围同比优化前-20mm～20mm增加到-40mm～40mm，均匀空间得到了大幅度提升，且满足磁共振装置的误差允许范围。

Claims (7)

1.一种用于核磁共振两相流测量的传感器，其特征在于，包括最里层的油水管道(4)，其中油水管道(4)为两相流体通道，在油水管道(4)的外壁上绕有射频线圈(2)，射频线圈(2)的外部为磁体结构(1)，磁体结构(1)的外部为金属外壳(3)。

2.根据权利要求1所述的一种用于核磁共振两相流测量的传感器，其特征在于，所述的磁体结构1由磁体Ⅰ、磁体Ⅱ、磁体Ⅲ在其同轴线上顺次连接，磁体Ⅰ、磁体Ⅱ、磁体Ⅲ组成三段式Halbach圆柱体阵列结构，三段圆柱体的内径都为20mm，其中磁体Ⅱ位于三段式磁体结构的前端，磁体Ⅲ位于磁体结构的后端，磁体Ⅰ位于磁体Ⅱ和磁体Ⅲ的中间。

3.根据权利要求2所述的一种用于核磁共振两相流测量的传感器，其特征在于，

所述的磁体Ⅰ由磁铁A、磁铁B、磁铁C三段组成，每段磁铁长40mm，内径20mm，外径40mm；

所述的磁体Ⅰ，在纵向上，磁铁A、磁铁B、磁铁C均由磁块①～磁块⑧组成，按照逆时针方向依次排列，充磁方向也是按照每次变化90°的顺时针方向排列，其中磁块①的充磁方向水平向左，磁块②的充磁方向竖直向上，磁块③的充磁方向水平向右，磁块④的充磁方向竖直向下，磁块⑤的充磁方向水平向左，磁块⑥的充磁方向竖直向上，磁块⑦的充磁方向水平向右，磁块⑧的充磁方向向下，所述的磁铁A、磁铁B、磁铁C的组装块数、充磁方向、排列顺序都相同。

4.根据权利要求2所述的一种用于核磁共振两相流测量的传感器，其特征在于，

所述的磁体Ⅱ长22mm，内径20mm外径45mm，磁体Ⅱ外径与磁体Ⅰ外径相差5mm；

所述的磁体Ⅱ和磁体Ⅲ均由8块磁块组成，磁体Ⅱ、磁体Ⅲ的8块磁块也是按照逆时针方向依次排列，充磁方向也是按照每次变化90°的顺时针方向；

所述的磁体Ⅲ与磁体Ⅱ的长度、内径、外径、磁块排列顺序、磁块充磁方向参数全部相同。

5.根据权利要求1所述的一种用于核磁共振两相流测量的传感器，其特征在于，所述的射频线圈(2)由线圈D、线圈E、线圈F、屏蔽层G组成，线圈D绕制在线圈结构前端，线圈F绕制在线圈结构后端，线圈E绕制在线圈D和线圈F的中间位置，屏蔽层G主要分布在线圈D、线圈E、线圈F的外层，其中线圈D，线径1mm，4匝，匝间距为0.5mm，线圈F，线径1mm，4匝，匝间距为0.5mm，线圈E，线径1mm，6匝，匝间距为1mm。

6.根据权利要求1所述的一种用于核磁共振两相流测量的传感器，其特征在于，所述的金属外壳(3)使用铝材质，总长度165mm，厚度3mm。

7.根据权利要求1所述的一种用于核磁共振两相流测量的传感器，其特征在于，所述的油水管道(4)采用亚克力管材料，外径20mm。