DE3490210C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Fließgeschwindigkeit von Materialien, die üblicherweise in einer Leitung fließen. Es sei eine Röhre aus nicht eisenmagnetischen Materialien betrachtet. Eine derartige Röhre kann verwendet werden, um fließende Fluide oder Feststoffe zu transportieren. Die Fließrate ist ein wesentlicher Meßwert, der durch diese Erfindung erhalten werden kann. Mittels dieser Erfindung ist es möglich, ein Maß für die Fließrate fließender Materialien zu gewinnen, das von der Dichte oder dem Füllfaktor in der Röhre unabhängig ist. Darüberhinaus ist die Messung unabhängig von charakteristischen magnetischen Resonanzrelaxationszeitkonstanten, die als T₁ und T₂ bekannt sind. T₁ ist die Spin-Gitter-Relaxationszeit und T₂ ist die Spin-Spin-Relaxationszeit.

Aus der DE-OS 16 98 188 ist eine Vorrichtung zur Messung der Geschwindigkeit des Durchflusses eines Materials in einer Röhre bekannt, welche Magnetmittel zur Anlegung eines Magnetfeldes senkrecht zum Fluß dieses Elementes in der Röhre mit einem Feldgradienten in Fließrichtung aufweist und Spulenmittel, die ein Feld senkrecht zu dem von diesen Magnetmitteln gebildeten Magnetfeld bilden, sowie Umformermittel umfaßt, die mit dieser Spule verbunden sind und ein Signal an die Spulenmittel mit einer Frequenz abgeben, die auf eine erste Magnetfeldintensität bezogen sind. Ferner umfaßt diese Vorrichtung auch Empfängermittel zur Erfassung magnetischer Resonanzsignale von dem ausgewählten Element, das durch die Spulenmittel fließt. Weiterhin ist es aus Journal of Physics E; Sci. Instr. Vol. 11 (1978), S. 281 bis 291 für die NMR-Durchflußmeßtechnik bekannt, aus den gemessenen Signalen die Fließgeschwindigkeit zu ermitteln.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren zur Bestimmung der Geschwindigkeit des Durchflusses eines Materials in einer Röhre zu schaffen, unabhängig von der Dichte des fließenden Materials oder dem Füllfaktor des fließenden Materials in der Röhre.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren, wie sie in den Ansprüchen 1 bzw. 11 angegeben sind.

Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Ansprüchen 2 bis 10 bzw. 12 bis 16 aufgeführt.

Die Erfindung macht nur von einem einzigen Magneten Gebrauch. Es wird ein Magnet verwendet, der ein Magnetfeld quer zur Röhre aufbaut, wobei der Magnet so konstruiert und angeordnet ist, daß er ein Magnetfeld mit einem Gradienten aufbaut. Der Gradient unterwirft das fließende Material einer Feldintensität, die relativ hoch ist und die linear auf einen kleineren Wert abfällt. In einem gegebenen Moment wird ein Segment des fließenden Materials diesem Magnetfeld ausgesetzt. Dabei besteht eine Beziehung zwischen der Geschwindigkeit des fließenden Segmentes, der Feldintensität und der Frequenz, bei der ein kernmagnetisches Resonanz (NMR)- oder ein elektronenmagnetisches Resonanz (EMR)-Signal erwartet werden kann. Indem das Materialsegment (ähnelnd einer Querscheibe, die von der Röhre umschlossen ist) sich durch das Magnetfeld bewegt, ändert sich die Frequenz des NMR- oder EMR-Signals, das von dem fließenden Material erwartet wird. Ist der Feldgradient linear, dann ist die Frequenzänderung hierzu proportional. Dementsprechend wird von einem Magnetfeld mit einem festgelegten Gradienten Gebrauch gemacht. Dies liefert eine Zeitrate der Änderung des emittierten NMR- oder EMR-Echoimpulses, die der Fließgeschwindigkeit proportional ist.

Betrachtet wird der Augenblick, wo die Fließgeschwindigkeit sich verdoppelt hat. Die Frequenzverschiebung des EMR- oder des NMR-Signals über ein gegebenes Zeitintervall ist doppelt so groß wie die mit der ersten Fließgeschwindigkeit verbundene Verschiebung. Die Messung der Fließgeschwindigkeit erfolgt unabhängig von den für die Elementarmatrix charakteristischen Zeiten T₁ und T₂ und ist außerdem unabhängig von der Dichte des fließenden Materials oder dem Füllfaktor des fließenden Materials in der Röhre.

Eine der wünschenswerten Techniken zur Gewinnung von Daten aus der fließenden Probe ist die Impulsechoverschiebung der Zeit oder der Frequenz. Eine Lösung in dieser Hinsicht besteht darin, die Frequenz des NMR- oder EMR-Echoantwortsignals mit einem Bezugsfrequenzsignal in Vergleich zu setzen. Die Verschiebung der Frequenz der Antwort wird gemessen. Daneben gibt es noch eine Verschiebung der relativen Zeitposition des aus übertragenen Impulsen enthaltenen Echos, und diese Zeitverschiebung ist von Bedeutung.

Es wurde festgestellt, daß die Frequenz des Echos abfällt, ebenso wie die Verzögerungszeit des Echos, wenn das fließende Material ein Magnetfeld mit einem negativen Gradienten passiert. Ein negativer Gradient ist definiert als ein Feld, welches von einer höheren Feldstärke auf eine niedrigere Feldstärke abfällt. Hat das Feld einen positiven Gradienten, dann steigt sowohl die Frequenz des Echos als auch die Verzögerungszeit des Echos als eine Funktion der Fließgeschwindigkeit an. Mit dieser Anordnung und mit einem vorgegebenen Feldgradienten zeigt die Frequenzverschiebung des Echos oder die Verschiebung der Echoverzögerungszeit die Fließgeschwindigkeit in der Röhre oder Leitung an.

Dementsprechend macht die Erfindung mit Vorteil Gebrauch von einem Magnetfeld, das entweder einen positiven oder einen negativen Gradienten hat. Darüberhinaus erfolgt die Ausgabe in einer Frequenz oder in einer Zeitverschiebung beim Echo. Jede Verschiebung kann zur Anzeige der Fließgeschwindigkeit verwendet werden.

Ein anderer Faktor, der einen Einfluß auf das Ausgangssignal hat, ist die Dichte des in der Röhre fließenden Materials. Diese liegt bei fließenden Flüssigkeiten, wie Petroleumprodukten, gereinigten Chemikalien und dergleichen, mehr oder weniger fest. Die Fließdichte kann jedoch bei einem fließenden Gas oder bei fließenden Feststoffen wie in einer Kohle-Pipeline stark variieren. Die Amplitude des NMR- oder EMR-Signals ist proportional zur Fließdichte. Bei einer Pipeline zum Beispiel, die ein Erdgas mit einer festgelegten Kohlenwasserstoffzusammensetzung führt, führt ein Anstieg des Druckes zu einem proportionalen Anstieg der Dichte. Wenn der Druck verdoppelt wird, steigt die Dichte annähernd auf das Doppelte. Dies zeigt sich in der Amplitude des Ausgangssignals. Es ist leicht verständlich, daß die Messung der NMR- oder EMR-Ausgangssignalamplitude sehr vorteilhaft ist.

Bei der Vorrichtung sind zwei Signal verarbeitende Kanäle vorgesehen, um die Frequenzverschiebung in Form von einer Phasenverschiebung zu erfassen. Das empfangende Signal wird mit dem übertragenden Signal zur Erfassung der Frequenzverschiebung vermischt. Ein Kanal erhält das übertragene Signal, während der andere Kanal das übertragene Signal nach einer 90 Grad Phasenverschiebung erhält. Beide Kanäle sind dadurch identisch, einschließlich Mixern, Tiefpaßfiltern, Proben- und Rückhalte (hold)-Verstärkern. Das Ausgangssignal der Verstärker wird Analog/Digital-Konvertern zugeführt. Die Signale beider Kanäle werden dann in einem arithmetischen Prozessor eingegeben, der Verhältnisse (und daher trigonometrische Funktionen) der synchron erfaßten Eingangsdigitalwörter bildet. Diese Verhältnisse werden dann an Frequenzteiler weitergegeben. Der arithmetische Prozessor sendet an je einen Frequenzteiler zwei zeitgetrennte, separate Signale, die dann einem Addierer eingegeben werden. Der Addierer gibt dann ein Signal ab, das aus der Summe (oder Differenz) der beiden Eingangssignale besteht, und dieses ist dann wiederum proportional zur Fließgeschwindigkeit.

Für die von NMR oder EMR empfangenen Signale ist ein weiterer Schaltkreis eingerichtet. Diese Vorrichtung arbeitet besonders gut durch Abstimmung auf besondere Elemente oder ungepaarte Elektronen in der fließenden Verbindung. Ein solches Element ist Wasserstoff. Eine andere Alternative stellen die ungepaarten Elektronen des Kohlenstoffs der Kohle dar. Durch Messung der Geschwindigkeit des Wasserstoffs oder des Kohlenstoffs wird unvermeidlich die Geschwindigkeit der gesamten fließenden Masse gemessen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird die Frequenz des Systems so eingestellt, daß entweder Wasserstoff oder Kohlenstoff erregt werden und daß die Geschwindigkeit dieses Elementes (und damit der dieses Element enthaltenden Verbindung) gemessen wird. Alternativ können auch andere Elemente gemessen werden. Typische Beispiele sind Natrium oder chemisch gebundenes Fluor.

Um die Art, in der die oben aufgeführten Merkmale, Vorteile und Aufgaben der vorliegenden Erfindung gelöst werden, im einzelnen zu verstehen, sei die oben kurz zusammengefaßte Erfindung weiterhin im Besonderen unter Bezugnahme auf spezielle Ausgestaltungsformen, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind, erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Einrichtung einer Magnet- und Detektorspule in der unmittelbaren Nachbarschaft einer mit einem fließenden Stoff beschickten Pipeline zur Messung der Geschwindigkeit des Materials in der Pipeline;

Fig. 2 ist eine Ansicht, die graphisch ein Materialsegment in der Pipeline der Fig. 1 zeigt, das von einem Hochformerimpuls erregt wird und das anschließend in der Röhre an einen neuen Ort weiterbewegt wird, zu welcher Zeit ein Echosignal gebildet wird;

Fig. 3 ist eine NMR-Signalabtastfolge ("signal sampling sequence"), in der zwei Kanäle von Ausgangsdaten dargestellt sind, die im Zusammenhang mit der in Fig. 5 gezeigten Schaltung verwendet werden;

Fig. 4 ist eine Ansicht ähnlich der Fig. 3, in der die empfangenen Signale in ihrer zeitlichen Abfolge dargestellt sind;

Fig. 5 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Schaltkreises mit einem NMR- oder EMR-Erfassungsschaltaufbau, der einen Fließgeschwindigkeitsausgang hat;

Fig. 6 ist ein schematisches Blockdiagramm eines alternativen Schaltkreisaufbaus zur Erfassung der Fließgeschwindigkeit und der Dichte; und

Fig. 7 ist ein Diagramm, in dem die Verteilung der Fließgeschwindigkeiten über einen Röhrenquerschnitt illustriert ist;

Fig. 8 zeigt eine korrespondierende Frequenz-Amplituden- Verteilung des erfaßten Materials, das durch die Röhre der Fig. 7 fließt; und

Fig. 9 ist eine schematische Darstellung eines Schaltkreises zur Wiedergewinnung von Daten, wie sie in Fig. 8 dargestellt sind.

Im folgenden wird die Durchführung der Erfindung näher beschrieben.

In Fig. 1 ist mit 10 eine Röhre oder Leitung bezeichnet, die ein fließendes Fluid führt, dessen Geschwindigkeit untersucht werden soll. In diesem Teil enthält die Röhre 10 durch sie fließendes Material, wobei das Material üblicherweise eine kleinteilige feste Materie in Gas, so zum Beispiel pulverisierte Kohle, ist, die pneumatisch in eine Verbrennungskammer transportiert wird, oder sie ist eine Pipeline für Petroleumprodukte. Die Erfindung ist überdies anwendbar auf fließende Gase bei verschiedenen Drücken. Der Teil der Pipeline 10, der in Fig. 1 dargestellt ist, besteht vorzugsweise aus einem nicht magnetischen Material, so daß Feldlinien die Pipeline 10 durchdringen können.

Ein Magnet mit einem Nordpolteil 11 ist gegenüber einem Südpolteil 12 angeordnet. Der Magnet ist kegelförmig dargestellt, so daß der Spalt zwischen den Polen größer wird. Die Feldintensität ist links am größten, wo das fließende Material zuerst in das Feld eintritt. Vorzugsweise wird das auf die Röhre 10 wirkende Feld mit einem negativen Gradienten angelegt, das heißt, daß sich die maximale Feldintensität an der linken Kante des Feldes und die verminderte Intensität an der rechten Seite der Fig. 1 befindet. Zu diesem Zweck identifiziert das Symbol H₀ die Resonanzfeldintensität. H₁ identifiziert die maximale Magnetfeldintensität. Weitere Feldintensitäten sind bei H₂ und H₃ definiert. Das Feld hat vorzugsweise einen linearen Gradienten. Das heißt, daß die Feldintensität regelmäßig abfällt, zum Beispiel durch die Verwendung abgeschrägter flächen, wie bei 11 und 12 in Fig. 1 dargestellt. Ein negativer Gradient bedeutet eine maximale Intensität auf der linken und abnehmende Intensität nach der rechten Seite. Bei einem positiven Gradienten ist der Verlauf umgekehrt.

Die interessierende Intensität ist die Intensität bei H₀. Dies ist die Intensität, die mit einer Frequenz eines übertragenen Impulses in Beziehung steht, der durch eine Erfassungsspule 14 geliefert wird. Die Spule 14 ist rechtwinklig zum Magnetfeld angeordnet. Es gibt eine gegenseitige Beeinflussung zwischen einem ausgewählten Element und dem durch die Röhre 10 fließenden Material. Diese gegenseitige Beeinflussung stammt entweder aus EMR oder aus NMR und bildet ein Ausgangssignal, das in der Erfassungsspule 14 beobachtet werden kann. Das Signal wird an die mit 15 bezeichnete Vorrichtung abgegeben. Die Vorrichtung 15 ist in den Fig. 5 bzw. 6 dargestellt und wird weiter unten beschrieben.

In Fig. 2 ist mit 16 ein Segment des in der Pipeline fließenden Materials bezeichnet. Es sei angenommen, daß das in der Röhre 10 fließende Material im wesentlichen ohne Turbulenz fließt, mindestens in dem illustrierten Teilpunkt. Es existiert demzufolge ein zylindrisches Segment 16, das fließendes Material bei der besonderen Feldintensität der Stärke H₀ darstellt. Dieses besondere Segment 16 wird von dem übertragenen Impuls bestrahlt. Der übertragene Impuls stammt von der Spule 14. Das übertragene Impulsfeld wirkt auf alles Material innerhalb der Spule, tritt jedoch stark nur mit dem Segment 16 in Wechselwirkung, wobei die Übertragerfrequenz und die Feldintensität so aufeinander eingestellt sind, daß eine NMR- oder EMR-Antwort erfolgt.

Die Breite des Feldes in Fig. 2 ist gleich der Breite des Polstückes 11 in Fig. 1. Das Segment 16 wird an verschiedenen Stellen längs der Röhre einem Magnetfeld ausgesetzt. Fig. 2 enthält zwei Ansichten, die beide identisch sind, außer der Tatsache, daß die zweite Ansicht das Segment 16 zu einem Zeitpunkt zeigt, wo sich das Segment 16 bewegt hat. Die Verschiebung nach rechts ist die zurückgelegte Distanz. Darüberhinaus ist dies die Position der Materialpumpe zu der Zeit, wo, als Ergebnis des übertragenen Impulses, ein Echoimpuls zur Erfassungsspule 14 zurückkehrt. Während die Turbulenz potentiell ein Problem darstellt, ist das Segment 16 relativ gut definiert und eine Verzerrung ("defusion") des Segments 16 in dem kurzen, in Fig. 2 dargestellten Intervall ist relativ unbedeutend. Dementsprechend ist das Segment 16 wohl definiert, wenn es zuerst bestrahlt und wenn der Echoimpuls entsteht und zur Erfassungsvorrichtung 15 zurückkehrt.

Fig. 3 enthält ein Zeitdiagramm, das bei irgendeiner willkürlichen Zeit beginnt (Zeit gleich Null). Der Umformer für die zu beschreibende Einrichtung erzeugt umgeformte Impulse. In Fig. 3 sind ein erster umgeformter Impuls 17 und ein zweiter umgeformter Impuls 18 dargestellt. Die zwei Impulse sind willkürlich von gleicher Amplitude und Dauer. Dies sind Impulse von Hochfrequenz ("RF") Energie bei einer spezifischen Frequenz. Diese Frequenz ist proportional zur Feldintensität H₀ und erzeugt mit einer ausgewählten Kernart oder mit ungepaarten eine elektromagnetische Resonanz. Die Impulse 17 und 18 befinden sich bei der ausgewählten Frequenz und werden mit einer geeigneten Amplitude übertragen, um das Segment 16 angemessen zu erregen. Durch die Impulse 17 und 18 wird ein NMR-Echo initiiert. Auf diese Weise wird der NMR-Echoimpuls durch zwei Impulsstöße verschiedener Zyklen bei der entsprechenden Frequenz erzeugt, um ihn mit dem auferlegten Magnetfeld H₀ in Beziehung zu bringen. Die beiden Impulse haben eine Dauer von etwa 5 Mikrosekunden und sind voneinander in etwa 23 Mikrosekunden getrennt. Es ist unnötig zu sagen, daß die Abstände und die Impulsdauer zur Erzielung optimaler Ergebnisse verändert werden können. Sie können verändert werden in Abhängigkeit von den Feldintensitäten und von den für die Impulse erforderlichen Abständen, die durch die charakteristische Spin-Spin-Relaxationszeit T₂ gegeben sind.

Fig. 3 erzeugt bei 19 ein Ausgangssignal im Empfängersignal A. Das Empfängersignal 19 hat eine erste Spitze 20 und eine zweite Spitze 21. Der zeitliche und räumliche Abstand der Spitzen 20 und 21 sind typisch. Wie leicht einzusehen, umfaßt die erste Spitze 20 die freie Induktionsdämpfungsantwort (FLD) und die zweite Spitze 21 Impulsechoantwort. Fig. 3 zeigt ferner eine Spitze 22 aus dem Kanal B der erfaßten und empfangenen Daten, die bei 90 Grad Phasenverschiebung mit dem Signal A erhalten wurden. Der zweite Kanal erzeugt eine zweite Spitze 23, wobei die erste Spitze die FID-Antwort und die zweite Spitze die Echo-Antwort darstellen. Sie sind in dem zweiten Datenkanal bei 24. Man kann feststellen, daß die Antworten 20 und 22 und die Echos 21 und 23 in ungefähr dem gleichen Augenblick erfolgen. Für Identifizierungszwecke werden die beiden Kanäle als Kanäle A und B identifiziert.

Fig. 5 der Zeichnungen zeigt eine Vorrichtung, die die in Fig. 3 dargestellten Signale erzeugt. Die gesamte Vorrichtung in Fig. 5 ist mit der Bezugsziffer 15 gekennzeichnet und ist die NMR- oder EMR-Erfassungsvorrichtung, die bereits in Fig. 1 der Zeichnungen aufgetaucht ist.

In Fig. 5 der Zeichnungen erzeugt ein Zeitschaltkreis 25 Taktsignale für den Betrieb des gezeigten Schalteraufbaus. Er bildet ein Taktsignal ("times signal") für den Betrieb des Umformers 26. Der Umformer 26 ist mit der Erfassungsspule 14 verbunden, um Impulse geeigneter Amplitude und Frequenz zu übertragen. Solche Impulse werden der Spule eingegeben und von ihr übertragen, um in dem fließenden Material ein elektromagnetisches Feld aufzubauen. Die Spule 14 dient außerdem als Empfängerspule und bildet dabei empfangene FID-Signale und Echoimpulse. Die derart empfangenen Impulse werden von der Spule 14 abgegeben, verstärkt und einem Mischer 27 eingegeben. Der Mischer 27 ist durch einen ähnlichen Mischer 28 verdoppelt. Sie bilden separate Kanäle A und B durch die Einrichtung. Zusätzlich dient ein Teil des übertragenen Signals als Bezugseingang für den Mischer 27. Dabei kann die relative Amplitude der Bezugssignale mit Hilfe geeigneter Dämpfer mehr oder weniger gleich groß gemacht werden, um die übertragene Impulsamplitude zu reduzieren. Als geeignetes Mittel ist hierfür zwischen der Spule 14 und dem Mischer 27 ein RF-Verstärker angeordnet, der das empfangene Signal auf eine geeignete Amplitude verstärkt. Nachdem das Bezugssignal einen 90 Grad Phasenverschiebungsschaltkreis 29 passiert hat, wird das übertragene Signal dem Mischer 28 eingegeben. Der Phasenverschiebungsschaltkreis 29 stellt somit sicher, daß die Kanäle A und B um 90 Grad gegeneinander phasenverschoben sind.

Der Mischer 27 bildet ein Ausgangssignal für einen Tiefpaßfilter 31. Der Mischer 28 ist mit einem Tiefpaßfilter 32 verbunden. Die Filter bilden Ausgangssignale für die Abtast- und Halteverstärker ("sample and hold amplifiers") 33 und 34. Sie werden von den Taktsignalen des Zeitgebers 25 getriggert. Der Zeitgeber 25 regelt die Einsammlung von Signalen aus den Kanälen A und B zu ausgewählten Zeiten zur Codierung durch die Analog/Digital-Konverter 35 und 36. Diese Vorrichtungen setzen in taktmäßiger Folge die von den Filtern an die Verstärker 33 und 34 übermittelten, gesammelten Analogwerte digital um. Diese Signalsegmente werden verstärkt, die Spitzenwerte digital umgesetzt und die Digitalsignale dann als Ausgangssignale von den Konvertern 35 und 36 abgegeben.

Die Bezugsziffer 40 bezeichnet einen arithmetischen Rechner. Er wird mit Eingangswörtern in digitaler Form von den beiden Signalen versorgt. Wie aus Fig. 3 hervorgeht, sind die ersten Eingangssignale die Spitzen 20 und 22, und diese werden digital umgesetzt. Der arithmetische Rechner bildet ein Signal, das einen Winkel darstellt, gegeben durch die Bogentangens des Verhältnisses der beiden Eingangswerte. Diese bildet im Leiter 41 ein erstes Ausgangssignal und stellt ein Maß für den Phasenwinkel zwischen dem aufgenommenen FID-Signal und dem übertragenen Signal dar. Wie in Fig. 3 dargestellt, erscheinen die Spitzen 21 und 23 zeitlich später; sie werden ebenfalls durch die Kanäle A und B verarbeitet und bilden ein zweites Verhältnis. Dieses Verhältnis wird verwendet, um einen Winkel zu erzeugen, der durch die Bogentangens des Verhältnisses gegeben ist. Dieses Ausgangssignal in der Leitung 42 ist ein Maß des Phasenwinkels des aufgenommenen Echosignals im Verhältnis zum übertragenen Signal. Der Leiter 41 bildet den Eingang zu einem Frequenzteiler 43. In ähnlicher Weise ist der Ausgang des Leiters 42 der Eingang zu einem Frequenzteiler 44. Die Frequenzteiler 43 und 44 übermitteln den beiden Eingangssignalen geeignete Skalenwerte (wobei man sich vergegenwärtigen muß, daß sie an diesem Verbindungspunkt in digitaler Form vorliegen), und die beiden digitalen Ausgangssignale werden anschließend einem Addierschaltkreis 45 zugeführt. Der Addierschaltkreis addiert die beiden mit einem geeigneten Vorzeichen, um die Phasendifferenz zwischen den FID- und den Echosignalen zu bestimmen und gibt sie an einen Fließgeschwindigkeitsrecorder 46 weiter. Durch die Einführung geeigneter Skalen wird die Fließgeschwindigkeit in korrektem und geeignetem Maßstab angegeben.

Die Geschwindigkeit ist proportional der Summe der beiden Signale in den Leitern 41 und 42. Diese Signale werden in Abhängigkeit von der Richtung des Feldgradienten addiert oder subtrahiert. Auf diese Weise werden die Ausgangswerte bei einer geeigneten Maßstabseinteilung der Frequenzteiler 43 und 44 direkt addiert oder subtrahiert (in Abhängigkeit vom Vorzeichen, das wiederum vom Gradienten abhängt), und die Fließgeschwindigkeit wird direkt in geeigneten Einheiten, zum Beispiel Fuß pro Sekunden, Meter pro Minute, etc. angezeigt.

Wie an der entsprechenden Stelle beschrieben, macht sich das System die Frequenzverschiebung zunutze, die beim Auftreten der FID- oder der Echo-Signale durch den Materialfluß und die damit verbundene Änderung in der Stärke des Magnetfeldes entsteht. Zwischen dem übertragenen Impuls 17 und der Bildung des Echoimpulses 21 liegt ein zeitliches Intervall. Mit anderen Worten, führt die relative Bewegung der Probe in Richtung auf ein geändertes Magnetfeld zu einer Änderung des Echoimpulses im Vergleich zu dem Echoimpuls, der auftritt, wenn das Magnetfeld durch den ganzen Fließraum eine konstante Intensität hat. Diese Frequenzänderung ist proportional zum Gradienten, und bei einem gegebenen linearen Gradienten des Magneten liefert die in Form der Echoimpulse 21 festgestellte Frequenzverschiebung Daten, die auf die Geschwindigkeit hinweisen. Die Frequenzverschiebung kann als eine Phasenverschiebung gemessen werden, indem man sich die obige Beziehung zunutze macht, worin die Geschwindigkeit gleich der Summe der Bogentangens der Spitze 20 über die Spitze 22 und der Bogentangens der Spitze 21 über der Spitze 23 ist, so daß man sogleich die Geschwindigkeit in geeignet kalibrierten Einheiten erhält.

Die Gleichung lautet:

Geschwindigkeit=K (Φ₁+Φ₂)

Φ₁=tan^-1 20/22
Φ₂=tan^-1 21/23

In Fig. 2 der Zeichnungen ist die Breite des Segments 16 teilweise bestimmt durch die Zeitdauer und die Form des übertragenen Impulses, dem Gradienten des in Fig. 1 gezeigten Magnetfeldes und, in geringerem Ausmaß durch die Geschwindigkeit des Materials in der Röhre 10.

In Fig. 4 der Zeichnungen sind übertragene Impulse 48 und 49 in Wellenform 50 dargestellt. Die erste Antwort 51 (das FID-Signal) ist außerdem dargestellt in einer zeitlichen Beziehung zum übertragenem Impuls 48. Das Impulsecho 52 ist gleichermaßen in Wellenform 53 dargestellt. In ähnlicher Weise beinhaltet eine später empfangene Wellenform 54 aufgenommene Signale 55 und 56. Außerdem gibt es eine zusätzliche Zeitverschiebung 57 zwischen den Echoimpulsen 52 und 56. Diese Impulsverschiebung 57 ist ein Indiz für die Geschwindigkeit in der Röhre 10. Die Zeitversetzung 57 ist demgemäß Änderungen in der Geschwindigkeit proportional. Es gibt eine Bezugsposition für den Impuls 52 für den Fall, bei dem die Geschwindigkeit Null ist. Deshalb ist die Zeitverschiebung 57 proportional zur Geschwindigkeit.

Die Zeitverschiebung 57, die ein Ergebnis der Änderung der Geschwindigkeit ist, ist von Bedeutung bei der Lieferung von Daten, die auf die Geschwindigkeiten hinweisen; sie ist schwieriger zu messen als das in Fig. 3 gezeigte Verfahren. In Fig. 3 haben die gesammelten Signale Amplituden bei den Spitzen 19, 20, 22 und 23, die von den Proben- und Rückhalteverstärkern unter Regelung durch den Zeitschaltkreis 25 abgegeben wurden.

Wie weiter in Fig. 4 gezeigt, haben die Signale 51, 52, 55 und 56 ein meßbares Amplitudensignal. Amplituden sind proportional zur Dichte. Kurz, die Menge des Segments 16 bestimmt die Amplitude dieser Ausgangssignale. Gewöhnlich ist es lediglich notwendig, daß das Segment 16 ausreichend ist, und ein Ausgangssignal von hinreichender Amplitude aussendet, um beobachtet werden zu können. Wenn jedoch die Menge des Segments 16 einschließlich des interessierenden Elements erhöht wird, erhöhen sich die Ausgangssignale in gleicher Weise. Durch geeignete Kalibrierungstechniken können die Signalamplitude der FID-Signale 51 und 55 oder die Echoimpulse 52 und 56 gemessen werden, um die Dichte des beobachteten Materials zu bestimmen. Bei Verwendung eines Zweikanaldetektors, bei dem die Phasen der beiden Kanäle um 90 Grad gegeneinander verschoben sind, ist der Ausgang jedes Kanals eine Vektorkomponente des gesamten Signalvektors. Die gewünschte Signalamplitude (für die Dichte) ist die Vektorgröße und ist gleich der Quadratwurzel der Summe der Quadrate der beiden Vektorkomponenten A und B. Über einen begrenzten Bereich ist die Dichtemessung einigermaßen genau. Der Bereich ist zwischen spezifischen Dichtewerten begrenzt. Dies kann jedoch auch am Füllfaktor liegen. Denken wir an das Beispiel der pulverisierten Kohle, die durch eine Röhre pneumatisch gefördert wird. Der Prozentanteil der zerkleinerten Kohle kann zur Veränderung des Füllfaktors gesteigert werden. Die Signalamplitude bei 58 wird daher gemessen, um, innerhalb eines spezifischen Bereichs, die Dichte oder den Füllfaktor zu bestimmen.

Fig. 6 zeigt einen Schaltkreis, der benutzt werden kann, um die Frequenzverschiebung und die Signalamplitude zu bestimmen. Fig. 6 stellt einen Zeitschaltkreis 60 dar. Der Zeitschaltkreis stellt ein Signal zur Regelung eines NMR-Empfängers 61 dar. Der Empfänger 61 bildet FID- und Echo-Signale, die einem Abtast- und Halteverstärker 62 zugeführt werden. Er ist in seinem Betrieb so gesteuert, um ein Ausgangssignal an den Tiefpaßfilter 63 abgeben zu können. Der Filter 63 bildet einen Signaleingang für den Frequenzkomparator 64. Der Frequenzkomparator wird außerdem von einem Oszillator 65 mit einem Eingangssignal versorgt, das als Bezugsgröße dient. Die beiden Signale werden verglichen, und die Frequenzverschiebung ist das Ausgangssignal für einen Geschwindigkeitsrecorder 66. Das Ausgangssignal ist innerhalb eines spezifischen Bereichs proportional zur Geschwindigkeit. Diese Geschwindigkeit, codiert als Frequenzverschiebung, ist das Ergebnis der Änderung der Frequenz des NMR-Echoimpulses.

Neben dem gerade beschriebenen Geschwindigkeitsausgangssignal enthält die Vorrichtung noch einen Impulshöhenanalysator 68, der an einen Dichterecorder 69 angeschlossen ist. Der Abtast- und Halteschaltkreis bildet ein Ausgangssignal, das ein Indiz für die Amplitude der NMR- oder EMR-Signale ist. Dieses Signal kann direkt vom Abtast- und Halteverstärker 62 erhalten werden. Vorzugsweise wird es jedoch mindestens durch einen Tiefpaßfilter geschickt, um die Trägerwelle zu entfernen. Die interessierende Amplitude ist in der Umhüllung des Trägers codiert. Wie gewünscht, kann das Signal durch einen Analog/Digital-Konverter geschickt werden. Die Dichte erhält man auf diese Weise, indem man die Amplitude des Impulses 58 mißt, danach diesen Impuls als gemessen in den Impulshöhenanalysator eingibt und ein relatives Maß für die Impulshöhe erhält. Bei einer geeigneten Kalibrierung wird die Dichte dann an den Dichterecorder 69 weitergegeben.

Fig. 7 stellt ein Fließprofil dar, worin die Fließgeschwindigkeit des durch die Röhre 70 fließenden Materials über den Querschnitt der Röhre nicht einheitlich ist. Eine Erfassungsspule und ein zugeordneter NMR- oder EMR-Detektor, wie weiter oben beschrieben, mit einem Gradienten ausgestatteten Magnetfeld, erzeugen, wie in Fig. 8 gezeigt, ein Frequenzamplitudenspektrum. In Fig. 8 entspricht die Frequenz von F₁ dem Materialfluß bei der Geschwindigkeit V₁, F₂ dem Materialfluß bei der Geschwindigkeit V₂, F₃ dem Materialfluß bei der Geschwindigkeit V₃ usw. Die Amplitude der erfaßten magnetischen Resonanzsignalkomponente des Spektrums bei jeder Frequenz ist proportional zur Menge des erfaßten Materials, das bei der entsprechenden Geschwindigkeit fließt.

Fig. 9 zeigt einen Detektor, der in der Lage ist, Frequenzspektrendaten, wie in Fig. 8 dargestellt, aufzunehmen und diese Daten zur Messung der Gesamtfließ- oder Durchschnittsfließgeschwindigkeit zu verwenden. Der Leiter 74 ist mit der Sensorspule 14 verbunden, die um die Fließröhre 70 in einem Magnetfeld angeordnet ist, das einen Gradienten in Fließrichtung besitzt, wie weiter oben beschrieben wurde. Der magnetische Resonanzdetektor 75 kann, wie vorstehend beschrieben, transierte Meßmethoden benutzen, um FID- und Impulsechosignale zu erzeugen, oder der Detektor 75 kann ein solcher vom CW-Typ sein, wie er bekannt und üblicherweise in EMR- und NMR-Apparaten eingesetzt wird. Der Frequenz-Amplitudendetektor 76 benutzt den Ausgang von Detektor 75, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, welches das Amplituden-Frequenzspektrum der erfaßten NMR- oder EMR-Signale in dem Gradientenmagnetfeld darstellt. Der Detektor 76 kann ein Frequenzdiskriminator sein, derart, wie sie zur Verwendung mit dem Ausgangssignal vom Detektor 75 geeignet sind; oder der Detektor 76 kann ein schneller Fourier-Transformationscomputer sein. Solche geeigneten Detektoren 76 sind in der Technik bekannt. Das Ausgangsspektrum wird im Summationsschaltkreis 77 summiert und bildet ein Ausgangssignal im Leiter 78, das dem Gesamtfluß proportional ist. Der Leiter 78 führt weiter zum Gesamtflußrecorder 79. Der Gesamtfluß ist die Summe der Vielfachprodukte der Fließgeschwindigkeit und der Fließdichte für den gesamten Bereich der spektralen Verteilung. Ein zweiter Ausgangsleiter 80 enthält die durchschnittliche Fließgeschwindigkeit, abgeleitet von dem Summationsschaltkreis 77 aus dem Frequenzspektrum, das für die Amplitude jeder Frequenzkomponente entsprechend bewertet wurde. Der Detektor 76 erzeugt außerdem Frequenz- und Amplitudenausgänge, die von einem Recorder 82 angezeigt oder aufgezeichnet werden und ein Diagramm zeigen, in dem die Geschwindigkeit gegen die Amplitude des Fließprofils in der Röhre 70 aufgetragen ist.

Im Betrieb wird die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung insbesondere bei Pipeline eingesetzt, die spezifische Produkte, wie Erdgas, Öl, pulverisierte Kohle und dergleichen führen. Eine Probe des erwarteten Produkts wird gemessen und erhalten, wobei typischerweise die relativen Konzentrationen einiger Elemente wie Wasserstoff, Kohlenstoff oder andere Elemente im fließenden Material beobachtet werden. Dies hilft bei der Maßstabsbestimmung des Systems. Der Gradient wird so eingestellt, daß sichergestellt ist, daß der Echoimpuls angemessen verschoben wird. Ein Gradient von nur 5% oder 10% genügt. Ein Gradient von vielleicht 30% oder darüber ist jedoch besser und sichert die Ausbildung eines relativ scharfen verschobenen Signals.

Claims (16)

1. Vorrichtung zur Messung der Geschwindigkeit des Durchflusses eines Materialsegmentes in einer Röhre, bestehend aus

• (a) einer Magneteinrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes senkrecht zur Flußrichtung des interessierenden Materialsegments in der Röhre, wobei das Feld einen Gradienten in Flußrichtung aufweist;
• (b) einer Spuleneinrichtung im Gradientenfeld, die ein Feld senkrecht zum Magnetfeld bildet, das von der besagten Magneteinrichtung gebildet wird;
• (c) einer Sendeeinrichtung, die mit der besagten Spuleneinrichtung verbunden ist und so eingerichtet ist, daß sie ein Signal bildet und an die Spuleneinrichtung mit einer Frequenz abgegeben wird, die auf eine erste Magnetfeldintensität innerhalb des Gradientfeldes bezogen ist, um eine Resonanzbeziehung zwischen dem übertragenen Signal des Magnetfeldes und dem interessierenden Materialsegment herzustellen;
• (d) einer Zeitgebereinrichtung zum Betreiben der Sendeeinrichtung in Gegenwart des Gradientenfeldes, um ein Paar, in Abstand voneinander befindlicher, übertragener Impulse zu bilden, derart, daß der zweite Impuls des Paares ein Echosignal liefert;
• (e) einer Empfängereinrichtung zur Erfassung magnetischer Resonanzsignale vom interessierenden Materialsegment, das durch besagte Spuleneinrichtung fließt, wobei die Empfängereinrichtung ein Ausgangssignal der erfaßten Signal erzeugt;
• (f) eine Einrichtung zum Mischen der empfangenen Echoimpulse in einem ersten Kanal mit dem übertragenen Signal, und einem ähnlichen zweiten Kanal, der die übertragenen Impulse, um 90° verschoben, empfängt, und die beiden separaten Kanäle Ausgangssignale erzeugen, die auf eine Spitzenamplitudenmeßeinrichtung übertragen werden, wobei die besagte Spitzenamplitudenmeßeinrichtung Spitzenamplituden vom ersten Kanal und vom zweiten Kanal messen und eine Schaltungseinrichtung enthält, die mit den Spitzenamplituden des ersten und zweiten Kanal versorgt wird, um einen aus deren Verhältnissen gebildeten Ausgang herzustellen, der der Bogentangens ist, der ein Maß für die Fließgeschwindigkeit ist, und
• (g) eine Erfassungseinrichtung, die mit der Empfängereinrichtung verbunden ist und die einen Parameter der erfaßten Echosignale von der besagten Empfängereinrichtung mit einem Bezugsparameter vergleicht und als Antwort darauf die Fließgeschwindigkeit des interessierenden Materialsegments anzeigt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, einschließend eine Frequenzverschiebungsmeßeinrichtung zur Bestimmung der Frequenzverschiebung in den Echosignalen und zur Anzeige der Fließgeschwindigkeit daraus.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die Detektoreinrichtung Mittel einschließt zur Messung der Phase der Echosignale und zur Anzeige der Fließgeschwindigkeit daraus.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die Detektoreinrichtung Mittel zur Messung der Zeitposition der Echosignale einschließt und zur Anzeige der Fließgeschwindigkeit daraus.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei dem die Detektoreinrichtung einen Impulshöhenanalysator einschließt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die Magneteinrichtung ein Paar Polflächen umfaßt, die zwischen sich einen Spalt freiläßt, der sich längs des Rohres zur Ausbildung eines Magnetfeldgradienten vergrößert.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der die Spuleneinrichtung derart konzentrisch um die Röhre herum angeordnet ist, daß sich dazwischen ein Spalt befindet.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, einschließlich eine Zeitverschiebungsmeßeinrichtung zur Messung der Zeitverschiebung des Echoimpulses und zur Anzeige der Fließgeschwindigkeit daraus.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, weiterhin einschließend eine Mischeinrichtung, die mit dem Ausgang der besagten Empfängermittel verbunden ist und außerdem einen Eingang einschließt, der von den besagten Überträgermitteln kommt, um die übertragenen und empfangenen Signale zu mischen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin das erfaßte Signal ein Frequenzspektrum und einen Amplitudenbereich hat und bei der Mittel eingeschlossen sind, um die Amplitudenverteilung als Funktion der Frequenz zu erfassen, um die Fließgeschwindigkeit des interessierenden Elements anzuzeigen.

11. Verfahren zur Bestimmung der Fließgeschwindigkeit eines Materialsegments, das sich längs eines Fließweges bewegt, umfassend die folgenden Schritte:

• (a) Bildung eines Magnetfeldes quer über dem Fließweg, wobei das Feld eine Feldstärke hat, deren Wert sich längs des Pfades verändert und einen Gradienten im Feld erzeugt;
• (b) Erzeugung erster und zweiter RF-Impulsstöße in Gegenwart des Gradientenfeldes in zeitlichem Abstand zur Übertragung in rechten Winkeln zum Magnetfeld in den Fließweg, um eine Resonanzwechselwirkung mit dem interessierenden Materialsegment zu initiieren;
• (c) Erfassen eines Echoimpulses in Gegenwart des Gradientenfeldes nach Übertragung des zweiten Impulsstoßes; und
• (d) Messung eines Parameters des Echoimpulses und Vergleichen desselben mit einem Bezugsparameter und Ableiten einer Anzeige der Fließgeschwindigkeit daraus.

12. Verfahren nach Anspruch 11, worin der Schritt der Messung eines Parameters des Echoimpulses den Schritt der Messung der Echoimpulszeitverschiebung einschließt.

13. Verfahren nach Anspruch 11, worin der Schritt der Messung eines Parameters des Echoimpulses den Schritt der Messung der Echoimpulsphasenverschiebung mit einschließt.

14. Verfahren nach Anspruch 11, worin der Schritt der Messung eines Parameters des Echoimpulses den Schritt der Messung der Echoimpulsfrequenzverschiebung einschließt.

15. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem das Magnetfeld einen positiven Gradienten längs der Fließrichtung aufweist.

16. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem das Magnetfeld einen negativen Gradienten längs der Fließrichtung aufweist.