CN114754829B - 磁共振多相流量计温控系统及方法 - Google Patents

磁共振多相流量计温控系统及方法 Download PDF

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Abstract

一种磁共振多相流量计温控系统及方法。系统包括：磁共振多相流量计，磁共振多相流量计包括探头及谱仪；探头包括探头外壳、磁体及天线；外部温度传感器，设置于探头外壳外表面，采集外界温度；内部温度传感器，设置于磁体表面，用于采集磁体温度；双向升降温带，用于对磁体进行升温或降温；多个LC振荡电路，设置于谱仪内；温控模块，设置于谱仪内，用于根据外界温度及磁体温度，对双向升降温带进行PID控制，以调节磁体温度，以及根据外界温度切换与天线连接的LC振荡电路，以调节天线工作频率。本发明实现全天候温度无缝精准控制，使磁共振多相流量计可脱离撬装箱，在露天的油田现场环境下工作，解决了其温控系统不满足现场应用需求的难题。

Description

磁共振多相流量计温控系统及方法
技术领域
本发明涉及磁共振多相流量计技术领域，尤指一种磁共振多相流量计温控系统及方法。
背景技术
磁共振多相流量计是一种独特的多相流在线计量装置，基于磁共振原理实现多相流的相含率和流速测量，从而得到各相流量。
磁共振多相流量计中的永磁体的磁场强度受外界温度的影响很大，温度升高磁场强度下降，反之上升，换句话说，磁体温度的变化会改变静磁场强度，使其与天线发射的射频场强度不一致，导致磁共振响应信号变弱，甚至没有响应信号。
在外界温度不断变化的环境中进行磁共振测量，有两个方法：(1)实时根据温度变化改变天线频率(变频)。(2)给磁体加装温控系统，是磁体温度保持恒定。由于第一种方法对电子线路要求较高，不易调节，因此大部分磁共振设备采用第二种方法，只有在温度在短时间内变化十分剧烈(如石油测井，随着井深增加，温度快速上升)。磁共振流体分析仪放置在油田现场计量间或露天环境，温度在短时间内(一小时内)不会有特别剧烈的变化，但个别地区早晚温差大(50℃以上)，此时无论采用上述哪种方法，都会有弊端：采用第一种方法，需要天线在较大频率范围内变频，每个频率均需要一个LC振荡电路，电路更为复杂且易损；采用第二种方法，需要不断改变设定温度，不然会出现白天设置的高温到晚上，温控系统满负荷工作也无法将磁体加热至目标温度的情况。
此外，还有一系列工程问题。温控系统包含电源、加热/冷却带、温度传感器、PID控制器几个部分，一旦用户设定了温度以后，温控系统会全程控制磁体温度。常规的温控系统独立于谱仪之外，即不论是否进行磁共振测量，温控系统始终工作，这种工作模式在实验室内测量时劣势不明显，但油田现场使用会问题凸显：(1)现场用磁共振装备体积、重量受限，要求易于安装及运输，温控系统需要与谱仪系统集成，且谱仪要求小型化，因而谱仪功率比较小(100瓦至200瓦)，温控启动时需要耗费较大的功率，严重影响天线发射功率，使其无法有效激发待测流体产生磁共振信号；(2)现场测量环境的电磁干扰较大，而在线测量又不能依靠多次累加提高信噪比，温控系统的工作，会引入额外的电磁噪声，进一步引入噪声。
鉴于以上原因，磁共振多相流量计在现场露天环境下工作时，需要安装进撬装箱，箱体加装初级恒温系统(空调等)，缓解一部分外界环境温度的变化。
发明内容
本发明实施例的主要目的在于提供一种磁共振多相流量计温控系统及方法，实现使磁共振多相流量计可脱离撬装箱，在露天的油田现场环境下工作。
为了实现上述目的，本发明实施例提供一种磁共振多相流量计温控系统，所述系统包括：
磁共振多相流量计，所述磁共振多相流量计包括探头及谱仪；其中，所述探头包括探头外壳、设置于所述探头外壳内部的磁体，以及设置于所述磁体所形成的环状空间内的天线；
外部温度传感器，设置于所述探头外壳外表面，用于采集所述磁共振多相流量计的外界温度；
内部温度传感器，设置于所述磁体表面，用于采集磁体温度；
双向升降温带，缠绕于所述磁体上，用于对所述磁体进行升温或降温；
多个LC振荡电路，设置于所述谱仪内，与所述天线电连接；
温控模块，设置于所述谱仪内，与所述LC振荡电路、外部温度传感器、内部温度传感器及双向升降温带电连接，用于根据所述外界温度及所述磁体温度，对所述双向升降温带进行PID控制，以调节所述磁体温度，以及根据所述外界温度切换与所述天线连接的LC振荡电路，以调节所述天线的工作频率。
可选的，在本发明一实施例中，所述天线的工作频率包括对应于不同温度区间的多个频率档位，各频率档位与LC振荡电路一一对应。
可选的，在本发明一实施例中，所述温控模块还用于根据所述外界温度，确定所述外界温度所属温度区间对应的频率档位，并根据频率档位与LC振荡电路的对应关系，切换所述天线所连接的LC振荡电路。
可选的，在本发明一实施例中，所述温控模块还用于将所述外界温度作为目标温度，根据所述磁体温度与所述外界温度的差值，对所述双向升降温带进行PID控制。
可选的，在本发明一实施例中，所述谱仪还用于控制所述磁共振多相流量计的阀门，以切换所述磁共振多相流量计的测量模式；其中，所述测量模式包括相含率测量及流速测量。
本发明实施例还提供一种磁共振多相流量计温控方法，所述方法包括：
接收设置于磁共振多相流量计探头外壳外表面的外部温度传感器采集的所述磁共振多相流量计的外界温度；
接收设置于所述磁共振多相流量计磁体表面的内部温度传感器采集的磁体温度；
根据所述外界温度，切换与磁共振多相流量计天线连接的LC振荡电路，以调节所述天线的工作频率；
根据所述外界温度及所述磁体温度，对缠绕于所述磁体上的双向升降温带进行PID控制，以调节所述磁体温度。
可选的，在本发明一实施例中，所述线的工作频率包括对应于不同温度区间的多个频率档位，各频率档位与LC振荡电路一一对应。
可选的，在本发明一实施例中，所述根据所述外界温度，切换与磁共振多相流量计天线连接的LC振荡电路包括：根据所述外界温度，确定所述外界温度所属温度区间对应的频率档位，并根据频率档位与LC振荡电路的对应关系，切换所述天线所连接的LC振荡电路。
可选的，在本发明一实施例中，所述根据所述外界温度及所述磁体温度，对缠绕于所述磁体上的双向升降温带进行PID控制包括：将所述外界温度作为目标温度，根据所述磁体温度与所述外界温度的差值，对所述双向升降温带进行PID控制。
可选的，在本发明一实施例中，所述方法还包括：根据所述磁共振多相流量计的测量模式，对天线工作频率的调节时间与磁体温度的调节时间进行控制。
本发明通过采用控制磁体温度及改变天线频率的温控方式，可实现磁共振多相流量计全天候温度无缝精准控制，使磁共振多相流量计可脱离撬装箱，在露天的油田现场环境下工作，解决了其温控系统不满足现场应用需求的难题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一种磁共振多相流量计温控系统的结构示意图；
图2为本发明实施例中磁共振多相流量计温控系统的工作流程图；
图3为本发明实施例中磁共振多相流量计温控系统的启停时间示意图；
图4为本发明实施例一种磁共振多相流量计温控方法的流程图。
具体实施方式
本发明实施例提供一种磁共振多相流量计温控系统及方法，适用于所有磁共振多相流量计，以及所有低场磁共振设备。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
目前，实验室内的磁共振设备多采用连续磁体控温的方式，即温控系统长期工作，使磁体恒温；或每次实验前，温控系统先启动一段时间，等磁体温度恒定后再开始实验，同时在整个实验过程中温控系统始终工作。磁共振测井采用的是天线变频的方式实现射频场与静磁场强度的匹配。
磁共振多相流量计的主体包括探头和谱仪2部分。磁共振探头内置永磁铁结构，用于产生磁共振响应所需的静磁场，天线置于永磁铁形成的环状空间内部，流体管外部，用于产生磁共振响应所需的射频场。磁体在管道内产生磁场强度所对应的氢原子核的拉摩尔频率要等于天线发射视频场所对应氢原子核的拉摩尔频率，才能产生磁共振响应。
本发明针对磁共振流体分析仪的特殊使用环境决定了其无法采用传统的温控方式这一现实问题，提出满足油田现场使用场景的温控策略。如图1所示为本发明实施例一种磁共振多相流量计温控系统的结构示意图，图中所示系统包括：
磁共振多相流量计，所述磁共振多相流量计包括探头100及谱仪200；其中，所述探头包括探头外壳101、设置于所述探头外壳101内部的磁体102，以及设置于所述磁体102所形成的环状空间内的天线103；
外部温度传感器104，设置于所述探头外壳101外表面，用于采集所述磁共振多相流量计的外界温度；
内部温度传感器105，设置于所述磁体102表面，用于采集磁体温度；
双向升降温带106，缠绕于所述磁体102上，用于对所述磁体102进行升温或降温；
多个LC振荡电路201，设置于所述谱仪200内，与所述天线103电连接；
温控模块202，设置于所述谱仪200内，与所述LC振荡电路201、外部温度传感器104、内部温度传感器105及双向升降温带106电连接，用于根据所述外界温度及所述磁体温度，对所述双向升降温带106进行PID控制，以调节所述磁体102的温度，以及根据所述外界温度切换与所述天线103连接的LC振荡电路，以调节所述天线103的工作频率。
作为本发明的一个实施例，天线的工作频率包括对应于不同温度区间的多个频率档位，各频率档位与LC振荡电路一一对应。
在本实施例中，温控模块还用于根据所述外界温度，确定所述外界温度所属温度区间对应的频率档位，并根据频率档位与LC振荡电路的对应关系，切换所述天线所连接的LC振荡电路。
具体的，根据外部传感器传递的温度数据，进行相应温度档位的LC振荡电路的切换，从而实现频率切换，可切换至-40℃、-20℃、0℃、20℃、40℃、60℃共计6个频率档位，采用就近档位切换的原则，如外界温度是31℃，天线就切换至40℃的频率档位。
作为本发明的一个实施例，温控模块还用于将所述外界温度作为目标温度，根据所述磁体温度与所述外界温度的差值，对所述双向升降温带进行PID控制。
作为本发明的一个实施例，谱仪还用于控制所述磁共振多相流量计的阀门，以切换所述磁共振多相流量计的测量模式；其中，所述测量模式包括相含率测量及流速测量。
其中，为了避免耗能和温控系统启动时对天线及磁共振信号的影响，采用天线和温控不同时工作的间歇工作模式。相含率测量阶段，整个阀门运动时间、磁化时间、测量间隔等天线不需要发射脉冲和采集回波的时间内，温控启动，反之停止工作，如图3所示。其中，图3中上侧虚线描述的是脉冲发射和回波串接收的时间，与整个测量时间比较非常短暂，所以看上去是一个虚线；下侧的黑色粗实线描述的是温控系统开启的时间，避开了脉冲发射和回波串接收时间。
在本发明一具体实施例中，本发明提出的磁共振多相流量计温控系统的工作过程同时依靠控制磁体温度和改变天线频率的温控方式，可实现磁共振全天候温度无缝精准控制；同时提出了间断式温控策略，以达到节能以及防止温控模块对天线脉冲发射和磁共振回波采集的影响的目的。硬件方面，包括安装于探头外壳表面的温度传感器和安装于磁体内部的温度传感器各一个，安装于谱仪内的PID温度控制器，缠绕于磁体外表面的双向升降温带，安装于谱仪内与天线连接的多套LC振荡电路(每20℃匹配一个天线频率，-40至60℃，共6套电路)。
具体的，温控模块安装于谱仪内，外接两个温度传感器，分别是安置于探头外壳的外部温度传感器和安装于磁体内部的内部温度传感器。外部传感器定时(可一小时一次，视外界温度变化是否剧烈决定)向谱仪传递外界温度，内部传感器实时向谱仪传递磁体温度。双向升降温带缠绕在磁体外部，与谱仪连接，在需要进行温度控制时，进行磁体的升温或降温。天线的系列LC电路置于谱仪内。
如图2所示，本发明温控系统工作过程包含相含率测量阶段温控和流速测量阶段温控两个部分。由于多相流量计的这两个测量阶段是循环轮换的，从相含率测量先开始，所以温控过程也依照此步骤。
(1)相含率测量阶段
进入相含率测量阶段，谱仪控制阀门切换至静态测量模式，同时温控系统启动。外部传感器传回温度数据，天线根据外部传感器传递的温度数据，进行相应温度档位的LC振荡电路的切换，从而实现频率切换，可切换至-40℃、-20℃、0℃、20℃、40℃、60℃共计6个频率档位，采用就近档位切换的原则，如外界温度是31℃，天线就切换至40℃的频率档位。
与此同时，内部传感器传回当前磁体温度，谱仪内的温度控制模块根据内外温差，采用PID控制策略，对双向升降温带进行控制。
为了避免耗能和温控系统启动时对天线及磁共振信号的影响，采用天线和温控不同时工作的间歇工作模式。相含率测量阶段，整个阀门运动时间、磁化时间、测量间隔等天线不需要发射脉冲和采集回波的时间内，温控启动，反之停止工作。
(2)流速测量阶段
进入流速测量阶段，谱仪控制阀门切换至流动测量模式，同时温控系统启动。与相含率测量阶段相同，整个阀门运动时间、磁化时间、测量间隔等天线不需要发射脉冲和采集回波的时间内，温控启动，反之停止工作。
本发明通过采用控制磁体温度及改变天线频率的温控方式，可实现磁共振多相流量计全天候温度无缝精准控制，使磁共振多相流量计可脱离撬装箱，在露天的油田现场环境下工作，解决了其温控系统不满足现场应用需求的难题。
如图4所示为本发明实施例一种磁共振多相流量计温控方法的流程图，本发明的温控方法可以由本发明磁共振多相流量计温控系统中的温控模块执行，温控模块安装于谱仪内，外接两个温度传感器，分别是安置于探头外壳的外部温度传感器和安装于磁体内部的内部温度传感器。图中所示方法包括：
步骤S1，接收设置于磁共振多相流量计探头外壳外表面的外部温度传感器采集的所述磁共振多相流量计的外界温度；
步骤S2，接收设置于所述磁共振多相流量计磁体表面的内部温度传感器采集的磁体温度；
步骤S3，根据所述外界温度，切换与磁共振多相流量计天线连接的LC振荡电路，以调节所述天线的工作频率；
步骤S4，根据所述外界温度及所述磁体温度，对缠绕于所述磁体上的双向升降温带进行PID控制，以调节所述磁体的温度。
作为本发明的一个实施例，线的工作频率包括对应于不同温度区间的多个频率档位，各频率档位与LC振荡电路一一对应。
在本实施例中，所述根据所述外界温度，切换与磁共振多相流量计天线连接的LC振荡电路包括：根据所述外界温度，确定所述外界温度所属温度区间对应的频率档位，并根据频率档位与LC振荡电路的对应关系，切换所述天线所连接的LC振荡电路。
作为本发明的一个实施例，所述根据所述外界温度及所述磁体温度，对缠绕于所述磁体上的双向升降温带进行PID控制包括：将所述外界温度作为目标温度，根据所述磁体温度与所述外界温度的差值，对所述双向升降温带进行PID控制。
作为本发明的一个实施例，所述方法还包括：根据所述磁共振多相流量计的测量模式，对天线工作频率的调节时间与磁体温度的调节时间进行控制。
基于与上述一种磁共振多相流量计温控系统相同的申请构思，本发明还提供了上述一种磁共振多相流量计温控方法。由于该一种磁共振多相流量计温控方法解决问题的原理与一种磁共振多相流量计温控系统相似，因此该一种磁共振多相流量计温控方法的实施可以参见一种磁共振多相流量计温控系统的实施，重复之处不再赘述。
本发明通过采用控制磁体温度及改变天线频率的温控方式，可实现磁共振多相流量计全天候温度无缝精准控制，使磁共振多相流量计可脱离撬装箱，在露天的油田现场环境下工作，解决了其温控系统不满足现场应用需求的难题。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种磁共振多相流量计温控系统，其特征在于，所述系统包括：
磁共振多相流量计，所述磁共振多相流量计包括探头及谱仪；其中，所述探头包括探头外壳、设置于所述探头外壳内部的磁体，以及设置于所述磁体所形成的环状空间内的天线；
外部温度传感器，设置于所述探头外壳外表面，用于采集所述磁共振多相流量计的外界温度；
内部温度传感器，设置于所述磁体表面，用于采集磁体温度；
双向升降温带，缠绕于所述磁体上，用于对所述磁体进行升温或降温；
多个LC振荡电路，设置于所述谱仪内，与所述天线电连接；
温控模块，设置于所述谱仪内，与所述LC振荡电路、外部温度传感器、内部温度传感器及双向升降温带电连接，用于根据所述外界温度及所述磁体温度，对所述双向升降温带进行PID控制，以调节所述磁体的温度，以及根据所述外界温度切换与所述天线连接的LC振荡电路，以调节所述天线的工作频率；
其中，所述天线的工作频率包括对应于不同温度区间的多个频率档位，各频率档位与LC振荡电路一一对应；
其中，所述温控模块还用于根据所述外界温度，确定所述外界温度所属温度区间对应的频率档位，并根据频率档位与LC振荡电路的对应关系，切换所述天线所连接的LC振荡电路。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述温控模块还用于将所述外界温度作为目标温度，根据所述磁体温度与所述外界温度的差值，对所述双向升降温带进行PID控制。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述谱仪还用于控制所述磁共振多相流量计的阀门，以切换所述磁共振多相流量计的测量模式；其中，所述测量模式包括相含率测量及流速测量。
4.一种磁共振多相流量计温控方法，其特征在于，所述方法包括：
接收设置于磁共振多相流量计探头外壳外表面的外部温度传感器采集的所述磁共振多相流量计的外界温度；
接收设置于所述磁共振多相流量计磁体表面的内部温度传感器采集的磁体温度；
根据所述外界温度，切换与磁共振多相流量计天线连接的LC振荡电路，以调节所述天线的工作频率；
根据所述外界温度及所述磁体温度，对缠绕于所述磁体上的双向升降温带进行PID控制，以调节所述磁体的温度；
其中，所述天线的工作频率包括对应于不同温度区间的多个频率档位，各频率档位与LC振荡电路一一对应；
其中，所述根据所述外界温度，切换与磁共振多相流量计天线连接的LC振荡电路包括：根据所述外界温度，确定所述外界温度所属温度区间对应的频率档位，并根据频率档位与LC振荡电路的对应关系，切换所述天线所连接的LC振荡电路。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据所述外界温度及所述磁体温度，对缠绕于所述磁体上的双向升降温带进行PID控制包括：将所述外界温度作为目标温度，根据所述磁体温度与所述外界温度的差值，对所述双向升降温带进行PID控制。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：根据所述磁共振多相流量计的测量模式，对天线工作频率的调节时间与磁体温度的调节时间进行控制。
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