JP2016532870A - 核磁気流量計および核磁気流量計の作動方法 - Google Patents

核磁気流量計および核磁気流量計の作動方法 Download PDF

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Abstract

本発明は、測定管(2)を貫流する媒体の流量を測定する核磁気流量計(1)に関する。この場合、磁場発生装置(4)と、測定装置(5)と、アンテナ(7)を備えたアンテナ装置(6)とが設けられており、磁場発生装置(4)は、媒体(3)を磁化するために、測定管長手軸(8)に平行に配向された磁場区間(9)にわたり、測定管長手軸(8)に垂直な少なくとも1つの成分を含む磁場を、流動する媒体(3)に浸透させ、測定装置(5)は、磁化された媒体(3)を励起する励起信号を発生し、磁化された媒体(3)において励起信号により引き起こされた測定信号を測定するように、構成されており、アンテナ(7)は、コイル状に形成されており、測定管長手軸(8)に平行に配向され磁場区間(9)内に位置する測定区間(10)にわたって、磁化された媒体(3)に向けて励起信号を伝送し、測定信号を検出するように構成されている。本発明によれば、以下の特徴により信頼性を向上させた核磁気流量計(1)が提供される。すなわち、アンテナ装置(6)は、少なくとも1つの別のアンテナ(11,12)を備えており、別のアンテナ(11,12)は、コイル状に形成されており、測定管長手軸(8)に平行に配向され磁場区間(9)内に位置する別の測定区間(13,14)にわたって、磁化された媒体(3)に励起信号を伝送し、測定信号を検出するように構成されており、測定区間(10)と別の測定区間(13,14)はそれぞれ異なる。

Description

本発明は、測定管を貫流する媒体の流量を測定する核磁気流量計に関する。この場合、磁場発生装置と、測定装置と、アンテナを含むアンテナ装置とが設けられており、磁場発生装置は、媒体を磁化するために、測定管長手軸に平行に配向された磁場区間にわたり、測定管長手軸に垂直な少なくとも1つの成分を含む磁場を、流動する媒体に浸透させ、測定装置は、磁化された媒体を励起する励起信号を発生し、磁化された媒体において励起信号により引き起こされた測定信号を測定するように、構成されており、アンテナは、コイル状に形成されており、測定管長手軸に平行に配向され磁場区間内に位置する測定区間にわたって、磁化された媒体に向けて励起信号を伝送し、測定信号を検出するように、構成されている。さらに本発明は、核磁気流量計の作動方法にも関する。
核スピンを有する元素の原子核は、核スピンによって引き起こされる磁気モーメントμも有する。核スピンは、ベクトルで表すことのできる角運動量として捉えることができ、これに応じて磁気モーメントも、角運動量のベクトルに対し平行に配向されたベクトル
Figure 2016532870
によって表すことができる。原子核の磁気モーメントのベクトルは、巨視的磁場が存在する場合には、傾向としては原子核の位置における巨視的磁場のベクトルに対し平行に配向される。この場合、原子核の磁気モーメントのベクトルは、原子核の位置における巨視的磁場のベクトルを中心に歳差運動する。歳差運動の角周波数はラーモア周波数と呼ばれ、磁気回転比と原子核の位置における磁束密度の値との積である。したがってラーモア周波数は、原子核の位置における磁束密度の値に比例する。磁気回転比は、水素原子核の場合に最大である。
ある体積Vにおいてそれぞれ磁気モーメント
Figure 2016532870
を有するk個の複数の原子核は、巨視的磁場が存在しない場合には、原子核の個々の磁気モーメントの配向が統計的均等分布であることから、巨視的磁化
Figure 2016532870
をなさない。巨視的磁場が存在すると、原子核における個々の磁気モーメントの配向の統計的均等分布が妨害を受けて、巨視的磁場に対し平行な巨視的磁化が形成される。巨視的磁場における磁気モーメントの配向プロセスの時間的推移は、スピン−格子緩和時定数T1によって表され、指数関数的に減衰する推移を有する。スピン−格子緩和時定数の値自体は、種々の物質に特徴的なものである。
冒頭で述べた形式の核磁気流量計は、測定管を貫流する媒体の流量を測定するように構成されている。この媒体は、1つの相を含むものであってもよいし、または複数の相を含んでいてもよい。単相媒体の場合、測定管内の媒体の流動速度を求めることによって、流量が測定される。多相媒体の流量測定の場合には、複数の相各々の流動速度の測定のほか、媒体における複数の相各々の割合も求められる。この場合、媒体の各相は、磁気モーメントを伴う原子核を含んでおり、したがってそれらの相を1つの磁場において磁化させることができる。媒体の各相はそれぞれ異なるスピン−格子緩和時定数を有しているので、媒体におけるそれらの割合を求めることができる。油井から採掘される多相媒体は基本的に、2つの液相すなわち原油および塩水と、1つの気相すなわち天然ガスとから成り、この場合、すべての相は水素原子核を含み、それぞれ異なるスピン−格子緩和時定数を有している。このため、冒頭で述べた形式の核磁気流量計は、油井から採掘される多相媒体の流量測定に特に適している。
媒体における個々の相の割合を特定するための測定方法によれば、磁場発生装置から発せられた磁場によって媒体に及ぼされる作用の持続時間が、それぞれ異なる長さであることに基づき、媒体の磁化を測定する。磁場により及ぼされる特定の作用持続時間に基づく磁化の測定は、測定装置によって行われ、その際、磁化された媒体が励起信号によって励起され、磁化された媒体において励起信号により引き起こされた測定信号が測定され、それらの測定信号が評価される。媒体励起前は非相関に歳差運動していた、個々の原子核における磁気モーメントのベクトルは、励起によって相関づけられ、このことは第一に、各磁気モーメントの歳差運動ベクトル間において、一定の位相関係があることを意味する。しかしながら励起後、時間が経過するにつれてこの相関は、種々のメカニズムに起因して指数関数的に減衰し、このことはディフェージングと呼ばれ、ここでは緩和時定数T2によって表される。緩和時定数T2の値は、種々の物質に特徴的なものである。したがって測定信号は、ラーモア周波数と指数関数的に減衰する振幅とによって表される調和振動を有する。測定装置はさらに、媒体に対しそれぞれ異なる長さで及ぼされる作用持続時間と、それによって定まる磁化とから、媒体における個々の相の割合を特定する。この場合、コイル状に形成されたアンテナ装置のアンテナによって、媒体に向けて励起信号が伝送される一方、励起された媒体の測定信号が検出される。アンテナ装置は、励起信号を測定装置からアンテナに伝送し、測定信号をアンテナから測定装置へ伝送する。
冒頭で述べた形式の従来技術から公知の核磁気流量計は、何らかの機械装置を介して生じさせる磁場の変化によって、媒体に及ぼされる磁場の作用持続時間を変化させる。
米国特許第7,872,474号明細書から、冒頭で述べた形式の核磁気流量計が公知である。これによれば磁場発生装置は、測定管の周囲にその長手軸に沿って相前後して配置された複数の磁石装置を備えている。磁石装置各々は、測定管長手軸を中心に回転可能であり、測定管内を流れる媒体に所定の方向を指す磁場を浸透させる。これらの磁石装置における個々の磁場の方向を、互いに平行にまたは逆平行に、配向することができる。磁場発生装置がたとえば4つの磁石装置を備え、かつこれら4つの磁石装置における磁場の方向が平行に配向されている場合、媒体に及ぼされる磁場の作用持続時間が最大になる。これらの磁石装置のうち1つの磁石装置における磁場の方向が、残りの3つの磁石装置による磁場の方向に対し逆平行に配置されている場合、媒体に及ぼされる作用持続時間は、上述の場合の半分の長さに過ぎない。その理由は、磁場方向が平行に配向された3つの磁石装置のうちの1つが、磁場方向が逆平行に配向された磁石装置により生じる媒体の磁化を相殺するからである。個々の磁石コンポーネントを回転させるためには、それ相応の機械装置が必要とされる。この機械装置は、あらゆる機械装置と同様、コストが付随するし、スペースが必要とされ、さらにメンテナンスをしなければならず、しかもメンテナンスをしたにしても信頼性に乏しい。
米国特許第7,872,474号明細書
本発明の課題は、信頼性を向上させた核磁気流量計を提供すること、ならびに核磁気流量計の作動方法を提供することである。
本発明による核磁気流量計によれば、先に挙げた上述の課題が解決されており、第一に、また、基本的に、以下のことを特徴としている。すなわち、アンテナ装置は、少なくとも1つの別のアンテナを備えており、この別のアンテナは、コイル状に形成されており、測定管長手軸に平行に配向され磁場区間内に位置する別の測定区間にわたって、磁化された媒体に励起信号を伝送し、測定信号を検出するように、構成されており、測定区間と別の測定区間はそれぞれ異なる。
アンテナ装置は、少なくとも2つのアンテナを含み、その際、アンテナ各々は、コイル状に形成されており、測定管長手軸に平行に配向され磁場区間内に位置する測定区間にわたって、磁化された媒体に向けて励起信号を伝送し、測定信号を検出するように、構成されている。測定区間各々は、測定管長手軸に平行なそれらの長さと、測定管長手軸上の位置によって、一義的に定められている。これらの測定区間のうち、少なくともそれぞれ2つの測定区間を、相前後するように、またはオーバーラップするように、磁場区間内に配置することができる。
アンテナのそれぞれ異なる測定区間によって、励起信号により媒体が励起され、その後、磁場が媒体に及ぼすそれぞれ異なる長さの作用持続時間に従い、励起信号により引き起こされた媒体の測定信号が検出される。媒体に及ぼされる磁場の作用持続時間は、媒体流動方向で磁場区間の始端から個々のアンテナに至るまでの区間と、測定管内の媒体の速度とから直接、求められる。
従来技術において公知の冒頭で述べた形式の核磁気流量計に対し、本発明による核磁気流量計によれば、媒体に及ぼされる磁場の有効な作用持続時間を変化させるための機械装置が不要になる、という利点が得られる。このような機械装置が不要となることから、本発明による核磁気流量計は著しく簡素化される。これに伴い、メンテナンスの煩雑さならびにメンテナンスのコストが低減され、かつ本発明による核磁気流量計の信頼性が高まる。コイル状のアンテナにかかるコストは、上述のような機械装置よりも著しく安価であり、したがって同じコストでいっそう多くの個数のアンテナを実現することができる。いっそう多くの個数のアンテナを設けることにより、媒体に及ぼされるそれぞれ異なる磁場作用時間の数をいっそう増やして、媒体の磁化を測定できるようになり、それによって測定精度が向上する。
本発明による核磁気流量計の1つの有利な実施形態によれば、コイル状に形成されたアンテナのうち少なくとも2つのアンテナの巻回密度が等しくなるように構成されている。同じ巻回密度にすることで、コイル状のアンテナの製造が簡単になり、そのことによってアンテナにかかるコストが安価になる。しかも、等しい巻回密度を有するコイル状に形成されたアンテナは、それぞれ同じような電気特性を有することから、測定装置の調整も簡単になる。
媒体の流動速度に測定区間の長さを比例させると、媒体の流動速度範囲全体にわたり測定区間の長さを一定とするよりも測定結果が改善される、ということが判明した。たとえば流動速度を以下のようにして求める場合、すなわち流動する媒体を1つの測定区間にわたり励起し、ついで励起により引き起こされた減衰する測定信号に基づき流動速度を求める場合、緩和時定数T2は、測定区間内における媒体の滞留時間よりも十分に大きくなければならない。緩和時定数T2が滞留時間よりも十分に大きいというのは、緩和時定数T2に基づく測定信号の減衰により流動速度を求める際に生じる誤差が、個々の用途に対して許容できる場合である。したがって所定の緩和時定数T2のとき、高速の流動速度の測定は、短い測定区間を用いた場合よりも長い測定区間を用いた場合のほうが正確である。したがって本発明による核磁気流量計の特に有利な実施形態によれば、複数のアンテナのうち少なくとも2つのアンテナの測定区間が、それぞれ異なる長さとなるように構成されている。しかも、複数のアンテナのうち少なくとも2つのアンテナの測定区間の長さを、媒体の流動方向で増大していくようにすると、測定結果をいっそう向上させることができる。
磁化された媒体への励起信号の伝送および測定信号の検出は、コイル状のアンテナによって行われる。磁化された媒体への励起信号の伝送を第1のコイルによって行い、測定信号の検出を第2のコイルによって行うことができる。これに対し、本発明による核磁気流量計のさらに別の特別に有利な実施形態によれば、複数のアンテナのうち少なくとも1つのアンテナは、磁化された媒体への励起信号の伝送および信号の検出のために、ただ1つのシングルコイルを有するように構成されている。1つのシングルコイルだけを用いてアンテナを構成することで、一方ではアンテナの製造コストが著しく削減されるものの、他方では測定装置が複雑になるが、それはごく僅かであるにすぎない。
1つのシングルコイルを含む複数のアンテナのうち少なくとも1つのアンテナのシングルコイルを、円筒コイルとすることができ、この場合、円筒コイルの磁場は、測定管内を流れる媒体において、測定管長手軸に平行な少なくとも1つの成分を含み、円筒コイルは、測定管内を流れる媒体の周囲に配置されている。測定管の周囲に円筒コイルを配置するとは、測定管の周囲にコイルが巻回された構成のことを意味する。これに加えて可能であるのは、円筒コイルが測定管の1つの構成部材であるように、測定管の上にコイルを巻回した構成である。
さらにアンテナ装置は、少なくとも1つのアンテナ群を有することができる。この場合、アンテナ群は、1つの円筒コイルをシングルコイルとして含む少なくとも2つのアンテナを有しており、1つの円筒コイルをシングルコイルとして含むアンテナの測定区間は、測定管長手軸に沿って相前後して配置されている。2つのアンテナが相前後して配置されている、というのは、2つのアンテナの間にさらに別のアンテナが配置されていない場合である。
さらに有利であるのは、複数のアンテナ群のうち少なくとも1つのアンテナ群の、相前後する複数の測定区間のうち少なくとも2つの測定区間は、相前後する2つのアンテナの誘導結合を低減するため、測定管長手軸に平行な測定ギャップ区間を隔てて離間されていることである。用途によっては、相前後する2つのアンテナのある程度の大きさの誘導結合を許容することができ、この場合、許容限界が、相前後する2つのアンテナの離間に対する尺度となる。
本発明による核磁気流量計のさらに別の実施形態によれば、以下のように構成することができる。すなわち、複数のアンテナ群の少なくとも1つにおいて、複数の測定ギャップ区間の1つにより離間された複数のアンテナのうち、少なくとも2つのアンテナは、複合測定区間を有する複合アンテナを成しており、複合測定区間は、アンテナの測定区間と測定ギャップ区間とから成り、複合アンテナは複合測定区間全体にわたって、2つのアンテナの一方とそれぞれ個々の測定区間にわたり、同じ特性を有する。したがって、複数の複合アンテナのうち1つの複合アンテナにおける複数のアンテナを、それらの個々の測定区間によって別個に駆動することができ、これはそれらのアンテナの誘導結合が許容できる場合であり、または、それら複数のアンテナを、複合アンテナとして駆動することができ、その場合、複合アンテナは複合測定区間にわたって、個々の測定区間にわたる各アンテナと同じ電気特性を有している。
本発明による核磁気流量計の特に有利な別の実施形態によれば、アンテナ装置は、少なくとも1つのタップを備えた少なくとも1つのタップ付きコイルを有するように構成されている。タップによって、タップ付きコイルは2つの部分コイルに分割され、部分コイルの各々によって、複数のアンテナのうち1つのアンテナが形成されている。したがってこの場合にはアンテナは、上述のように複数のシングルコイルによって実現されているのではなく、複数のタップを備えた1つのコイルによって実現されており、このことによって製造コストが低減される。
タップ付きコイルを円筒コイルとすることができ、この場合、円筒コイルの磁場は、測定管内を流れる媒体において、測定管長手軸に平行な少なくとも1つの成分を含み、円筒コイルは、測定管内を流れる媒体の周囲に配置されている。なお、測定管の周囲に円筒コイルを配置するとは、測定管の周囲にコイルが巻回された構成のことを意味する。これに加えて可能であるのは、このコイルが測定管の1つの構成部材であるように、測定管の上にコイルを巻回した構成である。
流量測定の品質にとって有利であると判明したのは、複数のタップ付きコイルのうち少なくとも1つのコイルの、複数のアンテナのうち少なくとも1つアンテナが、補償アンテナを有することである。この補償アンテナは、タップ付きコイルにより形成されたアンテナの測定区間のうち少なくとも1つの測定区間の外で、磁場発生装置により媒体において作用する磁場を補償する。
本発明による核磁気流量計のさらに別の有利な実施形態によれば、複数のアンテナのうち少なくとも1つのアンテナのシングルコイルは鞍型コイルであり、この鞍型コイルの磁場は、測定管内を流れる媒体において、測定管長手軸に垂直な少なくとも1つの成分を含んでいる。
円筒コイルを測定管周囲に配置する必要がある場合には、鞍型コイルを測定管の側方に配置し、あるいは図面からすでにわかるように、測定管に鞍を置くように配置する。このことから、測定管に鞍型コイルを配置するのは、円筒コイルを配置するよりも手間がかからない。円筒コイルよりも鞍型コイルの方がはるかに有利であるさらに別の特徴は、磁場が測定管長手軸に対し実質的に垂直に延在し、測定管長手軸に平行には延在しないことである。この利点が活用されるのは、複数の鞍型コイルのうち少なくとも2つの鞍型コイルを、測定管長手軸に沿って相前後して配置した場合である。相前後して配置された2つの鞍型コイルの誘導結合は、相前後して配置された2つの円筒コイルよりも遙かに小さい。
本発明による核磁気流量計の上述の実施形態に関するさらに別の発展形態によれば、アンテナ装置は、少なくとも1つのアンテナペアを有しており、このアンテナペアは、1つの鞍型コイルをシングルコイルとして含む複数のアンテナのうち2つのアンテナを含み、1つの鞍型コイルをシングルコイルとして含む2つのアンテナは、測定管長手軸に関して向き合って位置しており、これら2つのアンテナの測定区間は合同であり、媒体におけるアンテナペアの磁場方向は、1つのアンテナペア軸によって表され、アンテナペア軸は、測定管長手軸に垂直な少なくとも1つの成分を含んでいる。単独の鞍型コイルの代わりに、2つの鞍型コイルから成るアンテナペアを使用することによって、磁場がいっそう強く束ねられるようになり、また、隣り合うアンテナとの誘導結合が小さくなる。
アンテナ装置が、少なくとも2つのアンテナペアを含んでいるならば、これら2つのアンテナペアのアンテナペア軸を、それぞれ異なるように配向することができ、これらのアンテナペアの測定区間を、少なくともオーバーラップさせることができる。これらのアンテナペア軸の配向をそれぞれ異ならせることによって、これらのアンテナペア間の誘導結合が低減されるようになる。
本発明による核磁気流量計の1つの有利な実施形態によれば、複数のアンテナのうち少なくとも1つのアンテナは、磁場を発生させるように形成されており、この磁場の磁場強度は勾配を有しており、この磁場は媒体において、少なくとも1つのアンテナの測定区間にわたり延在している。磁場強度の勾配を、磁場強度が1つの軸に沿って直線的に増加するようなものとすることができる。少なくとも1つの永久磁石および/または少なくとも1つの給電されたコイルによって、この磁場を発生させることができる。少なくとも1つのこのコイルの実施形態に関して、アンテナの複数のコイルについて言及したのと同じことがあてはまる。
複数のアンテナのうち少なくとも2つのアンテナの測定区間がそれぞれ異なる長さである、本発明による核磁気流量計を、本発明による方法に従って作動させることができ、この方法は、第一に、そして基本的に、以下の特徴を有している。すなわち、測定装置により励起信号を発生させるステップと、励起信号を、測定区間内に存在する流動する磁化された媒体へ、アンテナにより伝送し、媒体において励起信号によって引き起こされた、測定区間内に存在する媒体からの測定信号を、アンテナにより検出するステップと、励起信号を、少なくとも1つの別の測定区間内に存在する流動する磁化された媒体へ、少なくとも1つの別のアンテナにより伝送し、媒体において励起信号により引き起こされた、少なくとも1つの別の測定区間内に存在する媒体からの測定信号を、少なくとも1つの別のアンテナにより検出するステップと、アンテナにより検出された測定信号と、少なくとも1つの別のアンテナにより検出された測定信号とを、互いに結合することによって、ディフェージングによる作用が少なくとも低減された、導出された測定信号を生成するステップと、導出された測定信号から、流動する媒体の速度を求めるステップと、を有することを特徴としている。
以下では、本発明による核磁気流量計の実施形態に基づき、本発明による方法について詳しく説明するが、これによっても本発明がこの実施形態に限定されるものではない。本発明による核磁気流量計のアンテナ装置は、1つのアンテナと、ただ1つの別のアンテナとを含み、この場合、測定区間は、媒体の流動方向において別の測定区間の手前に配置されている。
アンテナは時点t0,1において、測定区間内に存在する媒体に励起信号を伝送し、時点t1においてアンテナにより検出される測定信号y1の振幅は、以下のとおりである:
Figure 2016532870
別のアンテナが時点t0,2において、別の測定区間内に存在する媒体に励起信号を伝送し、時点t2において別のアンテナにより検出される測定信号y2の振幅は、以下のとおりである:
Figure 2016532870
時点t1において、0≦t1−t0,1≦l1/νが満たされなければならず、時点t2において、0≦t2−t0,2≦l2/νが満たされなければならない。l1は測定区間の長さであり、l2は別の測定区間の長さであり、ただしl1≠l2である。指標nは、N個の相を含む媒体の個々の相を表す。これらの相の各々において、M{1,2}は磁化を表し、Fは媒体における相の割合、T2はすでに言及した緩和時定数を表す。
それぞれ第1の項y{1,2}1は、励起された媒体が個々の測定区間から流出することに起因する個々の測定信号y{1,2}の振幅
Figure 2016532870
の減少を表す。それぞれ第2の項y{1,2}2は、緩和時定数T2により表されたディフェージングによる個々の測定信号の振幅の減少を表す。
従来技術から、単一のアンテナによる時点tにおける流動速度ν(t)の算出は公知である。この算出のためには、測定信号の振幅
Figure 2016532870
と、測定区間の長さl{1,2}と、磁化M{1,2}nと、媒体における相の割合Fn(t)と、緩和時定数T2,nとが既知でなければならない。
本発明による方法によれば、導出される測定信号はこの実施例の場合には、アンテナにより検出された測定信号の振幅
Figure 2016532870
と、別のアンテナにより検出された測定信号の振幅
Figure 2016532870
との結合によって形成される。
媒体の相の磁化M{1,2}nは、媒体の流動方向において磁場区間全体にわたり飽和磁化まで増大していく。測定区間および別の測定区間における媒体が、飽和するまで磁化されていなければ、測定区間と別の測定区間との間において測定管長手軸に平行な長さaのギャップ区間によって、測定区間および別の測定区間における媒体の磁化が十分に等しくなるように調整することができる。この場合、ギャップ区間の寸法を以下のように選定しておくべきである。すなわち、アンテナにより励起された媒体は、別のアンテナにより励起された媒体が別の測定区間からすでに完全に流出したときにはじめて、つまり条件a≧l2が満たされたときにはじめて、その別の測定区間に到達するように、選定するのである。そうでなければ、アンテナにより励起された媒体によって、別のアンテナから検出される測定信号が誤ったものになってしまう。しかも、アンテナと別のアンテナの誘導結合を、十分に小さなものにしておくべきである。上述の説明を考慮すると、第2の項y{1,2},2において磁化が少なくとも十分に等しくなるようにし、したがってM1,n≒M2,nとなるようにする。
測定時間t{1,2}を、以下のように選定することができる。すなわち、測定時点t1と測定時点t2との間のタイムインターバルにおいて、流動速度の変化が十分に小さくなるようにし、つまりν(t1)≒ν(t2)となるようにし、かつ、媒体の相の割合の変化が十分に小さくなるようにし、つまりFn(t1)≒Fn(t2)となるようにする。
さらに励起時点t0{1,2}を、少なくともt1−t0,1≒t2−t0,2が成り立つように選定することができ、したがって上述の説明を考慮すると、第2の項y{1,2},2が全体として十分に等しくなるようにする。このことから、導出された測定信号に対するディフェージングの影響が、少なくとも低減されるようになる。これまで述べてきた説明で足りることは、核磁気流量計に対する個々の用途の要求によって規定されている。
導出された測定信号を、以下のような商とすることができる。すなわちこの場合、商の各々を、アンテナのうち1つのアンテナにより検出された測定信号と、残りのアンテナのうち1つのアンテナにより検出された測定信号とから形成し、アンテナの測定区間と、残りのアンテナの測定区間を、それぞれ異なる長さとするのである。この実施例にあてはめると、アンテナにより検出された測定信号の振幅
Figure 2016532870
と、別のアンテナから検出された測定信号の振幅
Figure 2016532870
の商が、以下のようにして形成される:
Figure 2016532870
有利には、アンテナと、別のアンテナのうち少なくとも1つのアンテナとによって、励起信号が同時に媒体に伝送される。この実施例に適用すると、励起信号t0,{1,2}は等しくなるように選定され、それによって同様に少なくともt1≒t2となる。したがって導出された測定信号は、以下のとおりとなる:
Figure 2016532870
これに基づき、流動速度を簡単に算出することができる:
Figure 2016532870
ゆえに、任意の時点における測定管内の媒体の流動速度を本発明に従い求めるためには、測定区間の長さと、測定信号の振幅と、励起時点とだけが既知であればよい。したがって、緩和時定数T2,nが既知である必要はない。緩和時定数T2,nを把握することなく媒体の流動速度が算出可能なことを、自己較正と呼ぶこともできる。なぜならば、本発明による核磁気流量計を、それぞれ異なる既知の緩和時定数T2,nを有する媒体によって較正する必要がもはやないからである。
媒体の流動速度がいまや既知であることから、アンテナにより検出された測定信号に流動速度が及ぼす作用を取り除くことができ、それによって補償された測定信号の振幅が得られるようになる:
Figure 2016532870
したがって補償された信号の振幅は、媒体が測定管内に存在しているときに発生する測定信号の振幅と一致している。ゆえに、補償された測定信号の振幅から、緩和時定数T2,nを求めることができる。そしてこの緩和時定数T2,nに基づき、この時定数と相関する媒体の相の特性を求めることができ、たとえば相の粘度などを求めることができる。
詳細には、本発明による核磁気流量計を実現し発展させる様々な可能性が存在する。これについては、請求項1に従属する請求項ならびに有利な実施例の説明を、図面とともに参照されたい。
3つの円筒コイルを備えた本発明による核磁気流量計の第1実施例を示す図 タップ付きシングル円筒コイルを備えた本発明による核磁気流量計の第2実施例を示す図 1つの円筒コイルと2つの鞍型コイルを備えた本発明による核磁気流量計の第3実施例を示す図 1つの円筒コイルと2つの鞍型コイルを備えた本発明による核磁気流量計の第3実施例を示す図
図1には、本発明による核磁気流量計1の第1実施例における基本構成要素が略示されている。核磁気流量計1は、まずは測定管2を備えており、その中を媒体3が貫流する。核磁気流量計1は、測定管2を貫流する媒体3の流量を測定するように構成されており、この場合、媒体3は複数の相を含んでいてもよい。測定管2を貫流する媒体3の流量を測定するために、核磁気流量計1は、磁場発生装置4と、測定装置5と、アンテナ7を備えたアンテナ装置6と、を備えている。
測定管2の測定管長手軸8は、規定どおりにデカルト座標系のx軸に平行に配向されており、それによって媒体3はx軸に平行に、規定どおりに正のx方向に流れる。磁場発生装置4は磁場を発生し、この磁場は、x軸に平行に配向された磁場区間9にわたり、規定どおりに座標系の正のz方向で、流動する媒体3に浸透する。したがって流動する媒体3の方向と磁場の方向は、互いに垂直になるように配向されている。
測定装置5は、磁化された媒体3を励起する励起信号を発生し、磁化された媒体3において励起信号により引き起こされる測定信号を測定するように、構成されている。
アンテナ装置6のアンテナ7は、x軸に平行に配向され磁場区間9内に位置する測定区間10にわたって、磁化された媒体3に向けて励起信号を伝送し、測定信号を検出するように、構成されている。本発明による核磁気流量計1は、測定区間10を有するアンテナ7のほか、さらに第1の別のアンテナ11および第2の別のアンテナ12を備えている。第1の別のアンテナ11は、x軸に平行に配向され磁場区間9内に位置する第1の別の測定区間13にわたり、また、第2の別のアンテナ12は、x軸に平行に配向され磁場区間9内に位置する第2の別の測定区間14にわたり、磁化された媒体3に向けて励起信号を伝送し、測定信号を検出するように、構成されている。
アンテナ装置6は、測定装置5からアンテナ7と第1の別のアンテナ11と第2の別のアンテナ12とへ向けて、励起信号を伝送するように構成されており、さらにアンテナ7と第1の別のアンテナ11と第2の別のアンテナ12とから測定装置5へ向けて、測定信号を伝送するように、構成されている。
測定装置5は、励起信号を発生するように構成されており、アンテナ装置6は、アンテナ7,11,12のうち任意のいずれかのアンテナを介して、他のアンテナ7,11,12とは無関係に、磁化された媒体3に向けて励起信号を伝送するように構成されており、アンテナ7,11,12のうち2つ以上のアンテナを介して同時に、励起信号を伝送するようにも構成されている。さらに測定装置5は、励起された媒体3の測定信号を測定するように構成されており、アンテナ装置6は、アンテナ7,11,12のうち任意の1つのアンテナを用いて、他のアンテナ7,11,12とは無関係に、励起された媒体3の測定信号を検出するように構成されており、または、アンテナ7,11,12のうち2つ以上のアンテナを用いて、測定信号を同時に検出するようにも構成されている。特に、アンテナ7,11,12のうち1つまたは複数の任意のアンテナを介して、励起信号を媒体3に伝送し、アンテナ7,11,12のうち1つまたは複数の別のアンテナを用いて、この励起信号により媒体3において引き起こされた測定信号を検出することもできる。有利には、測定信号を検出するアンテナ7,11,12は、正のx方向に関してx軸に沿って同じ高さで、または、測定信号を引き起こす励起信号を媒体3に向けて伝送するアンテナ7,11,12の後方に配置されている。
アンテナ7の測定区間10の長さは、第1の別のアンテナ11の第1の別の測定区間13の長さよりも短く、第1の別の測定区間13の長さは、第2の別のアンテナ12の第2の別の測定区間14の長さよりも短い。正のx方向に関してx軸に沿って、アンテナ7の後方に第1の別のアンテナ11が配置されており、第1の別のアンテナ11の後方に第2の別のアンテナ12が配置されている。測定管2内を流れる媒体3は、磁場区間9の始端から測定区間10の始端に至るまでは第1の流入区間15を、磁場区間9の始端から第1の別の測定区間13の始端までは第1の別の流入区間16を、さらに磁場区間9の始端から第2の別の測定区間14の始端までは第2の別の流入区間17を、x軸に平行に辿る。アンテナ7,11,12の配置に応じて、流入区間15の長さは、第1の別の流入区間16の長さよりも短く、第1の別の流入区間16の長さは、第2の別の流入区間17の長さよりも短い。流動する媒体3に向けて磁場発生装置4から発せられる磁場の個々の作用持続時間が、これらの流入区間15,16,17の長さに対応する。一般に測定区間は、x軸に平行なそれらの長さとx軸上のポジションとによって、一義的に定められている。したがって、測定区間10,13,14はそれぞれ異なっている。
磁化された媒体3に励起信号を伝送するための、および測定信号を検出するためのシングルコイルとして、アンテナ7は円筒コイル18を備えており、第1の別のアンテナ11は第1の別の円筒コイル19を、第2の別のアンテナ12は第2の別の円筒コイル20を備えている。円筒コイル18,19,20は、給電された円筒コイル18,19,20の磁場が、流動している媒体3においてx軸に平行な少なくとも1つの成分を含むように、測定管2の周囲に配置されている。
測定管2を貫流する媒体3は、正のz方向に作用する磁場発生装置4の磁場によって磁化される。その際、磁気モーメントを有する原子核は、相互間で位相関係を伴わずに、z軸を中心に歳差運動する。ラーモア周波数を含む周波数スペクトルを有し、測定装置5から発せられる励起信号が、アンテナ装置6からアンテナ7,11,12のうち少なくとも1つのアンテナへ伝送される。この励起信号は、選択された円筒コイル18,19,20において、x方向の成分を含む交番磁場を生じさせ、これによって媒体3の歳差運動中の原子核に対しモーメントの作用が及ぼされ、このモーメントは、歳差運動中の原子核をx−y平面に回転させ、原子核の歳差運動が同相になるようにする。このようにして励起された媒体3によって、円筒コイル18,19,20のうち少なくとも1つの円筒コイルにおいて測定信号が誘導され、この測定信号がアンテナ装置6から測定信号5へ伝送される。
アンテナ7と、アンテナ7の後方に配置された第1の別のアンテナ11とによって、1つのアンテナ群21が形成されている。アンテナ7の測定区間10と、第1の別のアンテナ11の第1の別の測定区間13とは、円筒コイル18と第1の別の円筒コイル19との誘導結合を減らすため、x軸に平行な測定ギャップ区間22を隔てて離間されている。これに加えアンテナ群21は、複合測定区間23とともに1つの複合アンテナを形成している。複合測定区間23は、アンテナ7の測定区間10と、測定ギャップ区間22と、第1の別の測定区間13とによって構成されている。複合アンテナは複合測定区間23全体にわたって、測定区間10についてはアンテナ7と、第1の別の測定区間13については第1の別のアンテナ11と、媒体3に関して同じ特性を有している。
図2には、本発明による核磁気流量計1の第2実施例における基本構成要素が略示されている。図1に示した実施例とは異なりアンテナ装置6には、磁化された媒体3に励起信号を伝送するために、および測定信号を検出するために、1つのシングルコイル24しか設けられていない。シングルコイル24は、円筒コイルとして構成され、第1のタップ25と第2のタップ26とを備えたタップ付きコイルである。タップ付きコイル24は、測定管2内を流れる媒体3の周囲に配置されており、磁場は、測定管2内を流れる媒体3において、x軸に平行な少なくとも1つの成分を含んでいる。タップ付きコイル24は、タップ25とタップ26とによって、第1の部分コイルと第2の部分コイルと第3の部分コイルとに分割されている。第1の部分コイルは、測定区間10を有するアンテナ7を成しており、第2の部分コイルは、第1の別の測定区間13を有する第1の別のアンテナ11を、さらに第3の部分コイルは、第2の別の測定区間14を有する第2の別のアンテナ12を成している。図1に示した第1実施例について説明したその他の事項は、図2の実施例にもあてはまる。
図3aおよび図3bには、本発明による核磁気流量計1の第3実施例における基本構成要素が略示されている。アンテナ装置6は、第1実施例ですでに示した、測定区間10を有するアンテナ7を成す円筒コイル18のほか、第1の鞍型コイル27および第2の鞍型コイル28も備えている。第1の鞍型コイル27は、第1の別の測定区間13にわたり第1の別のアンテナ11を成しており、さらに第2の鞍型コイル28は、第2の別の測定区間14にわたり第2の別のアンテナ12を成している。
鞍型コイル27,28各々の磁場は、測定管2内を流れる媒体3において、y軸に平行な少なくとも1つの成分を含んでいる。これに対し円筒コイル18の磁場は、測定管2内を流れる媒体3において、x軸に平行な少なくとも1つの成分を含んでいる。一方の側での円筒コイル18の磁場方向と、他方の側での鞍型コイル27,28の磁場方向とが、それぞれ異なることから、円筒コイル18と鞍型コイル27,28との間における誘導結合は、これらの鞍型コイル27,28を、x軸に平行な少なくとも1つの磁場成分を含む1つの円筒コイルに置き換えた場合に生じるであろう誘導結合よりも小さい。誘導結合が小さくなれば、測定データの品質が向上する。
第1の別のアンテナ11と第2の別のアンテナ12は、x軸に関連づけて測定管2の周囲で向き合うように配置されており、さらにこの場合、第1の別の測定区間13と第2の別の測定区間14とが合同となるように配置されている。流動する媒体3において、第1の鞍型コイル27と第2の鞍型コイル28とに共通する磁場の方向は、アンテナペア軸29によって表され、この軸はy軸と一致している。図1に示した第1の実施例について説明したその他の事項は、この実施例にもあてはまる。
1 核磁気流量計
2 測定管
3 媒体
4 磁場発生装置
5 測定装置
6 アンテナ装置
7 アンテナ
8 測定管長手軸
9 磁場区間
10 アンテナの測定区間
11 第1の別のアンテナ
12 第2の別のアンテナ
13 第1の別の測定区間
14 第2の別の測定区間
15 流入区間
16 第1の別の流入区間
17 第2の別の流入区間
18 第1の円筒コイル
19 第2の円筒コイル
20 第3の円筒コイル
21 アンテナ群
22 測定ギャップ区間
23 複合測定区間
24 タップ付きコイル
25 第1のタップ
26 第2のタップ
27 第1の鞍型コイル
28 第2の鞍型コイル
29 アンテナペア軸

Claims (20)

  1. 測定管(2)を貫流する媒体の流量を測定する核磁気流量計(1)であって、
    磁場発生装置(4)と、測定装置(5)と、アンテナ(7)を備えたアンテナ装置(6)と、が設けられており、
    前記磁場発生装置(4)は、前記媒体(3)を磁化するために、測定管長手軸(8)に平行に配向された磁場区間(9)にわたり、前記測定管長手軸(8)に垂直な少なくとも1つの成分を含む磁場を、流動する前記媒体(3)に浸透させ、
    前記測定装置(5)は、磁化された前記媒体(3)を励起する励起信号を発生し、磁化された前記媒体(3)において励起信号により引き起こされた測定信号を測定するように、構成されており、
    前記アンテナ(7)は、コイル状に形成されており、前記測定管長手軸(8)に平行に配向され前記磁場区間(9)内に位置する測定区間(10)にわたって、磁化された前記媒体(3)に向けて前記励起信号を伝送し、前記測定信号を検出するように、構成されている核磁気流量計(1)において、
    前記アンテナ装置(6)は、少なくとも1つの別のアンテナ(11,12)を備えており、
    前記別のアンテナ(11,12)は、コイル状に形成されており、前記測定管長手軸(8)に平行に配向され前記磁場区間(9)内に位置する別の測定区間(13,14)にわたって、磁化された前記媒体(3)に前記励起信号を伝送し、前記測定信号を検出するように、構成されており、
    前記測定区間(10)と前記別の測定区間(13,14)はそれぞれ異なる、
    核磁気流量計(1)。
  2. コイル状に形成された前記アンテナ(7,11,12)のうち少なくとも2つのアンテナの巻回密度は等しい、
    請求項1記載の核磁気流量計(1)。
  3. 前記アンテナ(7,11,12)のうち少なくとも2つのアンテナの測定区間(10,13,14)は、それぞれ異なる長さである、
    請求項1または2記載の核磁気流量計(1)。
  4. 前記アンテナ(7,11,12)のうち少なくとも2つのアンテナの測定区間(10,13,14)の長さは、前記媒体(3)の流動方向で増大していく、
    請求項3記載の核磁気流量計(1)。
  5. 前記アンテナ(7,11,12)のうち少なくとも1つのアンテナは、磁化された前記媒体(3)に向けて前記励起信号を伝送するために、および、前記測定信号を検出するために、1つのシングルコイルを有している、
    請求項1から4のいずれか1項記載の核磁気流量計(1)。
  6. 前記1つのシングルコイルを含む前記アンテナ(7,11,12)のうち少なくとも1つのアンテナのシングルコイルは、円筒コイル(18,19,20)であり、
    前記円筒コイル(18,19,20)の磁場は、前記測定管(2)内を流れる前記媒体(3)において、前記測定管長手軸(8)に平行な少なくとも1つの成分を含み、
    前記円筒コイル(18,19,20)は、前記測定管(2)内を流れる前記媒体(3)の周囲に配置されている、
    請求項5記載の核磁気流量計(1)。
  7. 前記アンテナ装置(6)は、少なくとも1つのアンテナ群(21)を有しており、
    該アンテナ群(21)は、1つの円筒コイル(18,19)をシングルコイルとして含む、少なくとも2つのアンテナ(7,11)を有しており、
    1つの円筒コイル(18,19)をシングルコイルとして含む前記アンテナ(7,11)の測定区間(10,13)は、前記測定管長手軸(8)に沿って相前後して配置されている、
    請求項6記載の核磁気流量計(1)。
  8. 前記アンテナ群(21)のうち少なくとも1つのアンテナ群の、相前後する前記測定区間(10,13)のうち少なくとも2つの測定区間は、相前後する2つの前記アンテナ(7,11)の誘導結合を低減するため、前記測定管長手軸(8)に平行な測定ギャップ区間(22)によって離間されている、
    請求項7記載の核磁気流量計(1)。
  9. 前記アンテナ群(21)のうち少なくとも1つのアンテナ群の、前記測定ギャップ区間(22)のうち1つの測定ギャップ区間により離間された、前記アンテナ(7,11)のうち少なくとも2つのアンテナは、複合測定区間(23)を有する複合アンテナを成しており、
    前記複合測定区間(23)は、前記アンテナ(7,11)の測定区間(10,13)と前記測定ギャップ区間(22)とから成り、
    前記複合アンテナは、前記複合測定区間(23)全体にわたって、前記2つのアンテナ(7,11)の一方とそれぞれ個々の測定区間(10,13)にわたり、同じ特性を有する、
    請求項8記載の核磁気流量計(1)。
  10. 前記アンテナ装置(6)は、少なくとも1つのタップ(25,26)を備えた少なくとも1つのタップ付きコイル(24)を含み、
    前記タップ(25,26)により、前記タップ付きコイル(24)は2つの部分コイルに分割され、該部分コイルの各々は、前記アンテナ(7,11,12)のうち1つのアンテナを成す、
    請求項1から9のいずれか1項記載の核磁気流量計(1)。
  11. 前記タップ付きコイル(24)のうち少なくとも1つのタップ付きコイルは、円筒コイルであり、
    前記円筒コイルの磁場は、前記測定管(2)内を流れる前記媒体(3)において、前記測定管長手軸(8)に平行な少なくとも1つの成分を含み、
    前記円筒コイルは、前記測定管(2)内を流れる前記媒体(3)の周囲に配置されている、
    請求項10記載の核磁気流量計(1)。
  12. 前記タップ付きコイル(24)のうち少なくとも1つのタップ付きコイル(24)における、前記アンテナ(7,11,12)のうち少なくとも1つアンテナは、補償アンテナを有しており、
    該補償アンテナは、前記タップ付きコイル(24)により形成された前記アンテナ(7,11,12)の測定区間(10,13,14)のうち少なくとも1つの測定区間の外で、前記磁場発生装置(4)により前記媒体(3)において作用する磁場を補償する、
    請求項10または11記載の核磁気流量計(1)。
  13. 前記アンテナ(11,12)のうち少なくとも1つのアンテナの前記シングルコイルは、鞍型コイル(27,28)であり、
    前記鞍型コイル(27,28)の磁場は、前記測定管(2)内を流れる前記媒体(3)において、前記測定管長手軸(8)に垂直な少なくとも1つの成分を含む、
    請求項5から12のいずれか1項記載の核磁気流量計(1)。
  14. 前記アンテナ装置(6)は、少なくとも1つのアンテナペアを有しており、
    該アンテナペアは、1つの鞍型コイル(27,28)をシングルコイルとして含む前記アンテナ(11,12)のうち2つのアンテナを含み、
    1つの鞍型コイル(27,28)をシングルコイルとして含む前記2つのアンテナ(11,12)は、前記測定管長手軸(8)に関して向き合って位置しており、
    前記2つのアンテナ(11,12)の測定区間(13,14)は合同であり、
    前記媒体(3)における前記アンテナペアの磁場方向は、1つのアンテナペア軸(29)によって表され、
    前記アンテナペア軸(29)は、前記測定管長手軸(8)に垂直な少なくとも1つの成分を含む、
    請求項13記載の核磁気流量計(1)。
  15. 前記アンテナ装置(6)は、少なくとも2つのアンテナペアを含み、該2つのアンテナペアのアンテナペア軸(29)は、それぞれ異なるように配向されており、該アンテナペアの測定区間(13,14)は、少なくともオーバーラップしている、
    請求項14記載の核磁気流量計(1)。
  16. 前記アンテナ(7,11,12)のうち少なくとも1つのアンテナは、磁場を発生させるように形成されており、該磁場の磁場強度は勾配を有しており、該磁場は前記媒体において、前記少なくとも1つのアンテナ(7,11,12)の測定区間(10,13,14)にわたり延在している、
    請求項1から15のいずれか1項記載の核磁気流量計(1)。
  17. 請求項1および3記載の核磁気流量計(1)の作動方法において、
    前記測定装置(5)により励起信号を発生させるステップと、
    前記励起信号を、測定区間(10)内に存在する流動する磁化された媒体(3)へ、アンテナ(7)により伝送し、前記媒体(3)において前記励起信号によって引き起こされた、前記測定区間(10)内に存在する前記媒体(3)からの測定信号を、前記アンテナ(7)により検出するステップと、
    前記励起信号を、少なくとも1つの別の測定区間(13,14)内に存在する流動する磁化された媒体(3)へ、少なくとも1つの別のアンテナ(11,12)により伝送し、前記媒体(3)において前記励起信号によって引き起こされた、前記少なくとも1つの別の測定区間(13,14)内に存在する媒体(3)からの測定信号を、前記少なくとも1つの別のアンテナ(11,12)により検出するステップと、
    前記アンテナ(7)により検出された測定信号と、前記少なくとも1つの別のアンテナ(11,12)により検出された測定信号とを、互いに結合することによって、ディフェージングによる作用が少なくとも低減された、導出された測定信号を生成するステップと、
    前記導出された測定信号から、流動する前記媒体(3)の速度を求めるステップと、
    を有する、
    核磁気流量計(1)の作動方法。
  18. 前記導出された測定信号は商であり、
    該商の各々を、前記アンテナ(7,11,12)のうち1つのアンテナにより検出された測定信号と、残りのアンテナ(7,11,12)のうち1つのアンテナにより検出された測定信号とから形成し、
    前記アンテナの測定区間(10,13,14)と、前記残りのアンテナ(7,11,12)の測定区間(10,13,14)は、それぞれ異なる長さである、
    請求項17記載の方法。
  19. 前記アンテナ(7,11,12)と、前記別のアンテナ(7,11,12)のうち少なくとも1つのアンテナとによって、前記励起信号を同時に前記媒体(3)へ伝送する、
    請求項17または18記載の方法。
  20. 核磁気流量計(1)において、請求項2または請求項4から16のいずれか1項を実現する、
    請求項17から19のいずれか1項記載の方法。
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