JP6053469B2 - 核磁気流量測定装置用の磁石アセンブリ - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも１つの永久磁石を構成要素として含む構成体を備えた、核磁気流量測定装置用の磁石アセンブリに関する。

核磁気流量測定装置は、測定管内の多相流体の核磁気共鳴によって適切なセンサに誘導された電圧を測定および評価することにより、該多相流体の各相の流量、各相の流速、および、該多相流体に含まれる各相の相対的割合を求めるものである。英語ではNuclear Magnetic Resonanceと称される核磁気共鳴の測定原理は、磁場が存在する場合、自由な磁気モーメント、核スピンを有する原子核が歳差運動するという特性を利用したものである。原子核の磁気モーメントを表すベクトルは、原子核の場所にある磁場を表すベクトルを軸として歳差運動し、この歳差運動がセンサに電圧を誘導する。この歳差運動の周波数はラーモア周波数ω_Ｌと称され、ω_Ｌ＝γＢで表される。ここで、γは磁気回転比であり、Ｂは磁場強度の大きさである。磁気回転比γは水素原子核の場合に最大となる。特にこのことを理由として、水素原子核を有する流体が核磁気流量測定装置に適している。

油井からは、主に原油と天然ガスと塩水とから構成される多相の流体が汲み上げられる。いわゆるテストセパレータが、この汲み上げられた流体の一部を取り出し、この流体の個々の相を相互に分離して、該流体中の各個々の相の割合を求める。テストセパレータは高コストであり、海底に設置することは不可能であり、実時間測定を行うこともできない。テストセパレータはとりわけ、５％未満の原油成分を高信頼性で測定することができない。どの油井でも原油の割合は連続的に減少しており、原油の割合がすでに５％未満になっている油井も数多くあるため、現在は、このような油井において経済的に効率よく採掘を行えなくなっている。

原油だけでなく天然ガスや塩水も、すでに述べたように磁気回転比γが最大となる水素原子核を含むので、核磁気共鳴流量測定装置は、特に油井において使用するのに適しており、また、海底油田の油井において直接使用するのにも適しているが、これらの用途に限定されることはなく、たとえば、石油化学工業や化学工業においても利用することができる。流体の一部を取り出す必要はなく、むしろ、流体全体を実時間で測定する。テストセパレータと比較して核磁気流量測定装置は低コストかつ低メンテナンスであり、とりわけ、流体中に含まれる割合が５％未満である原油成分でも高信頼性で測定することができる。このことによって初めて、多くの油井のさらなる採掘を行うことができる。

米国特許出願公開第２００８／０１７４３０９号明細書から、円筒形の永久磁石を形成する複数のディスク形磁石の積層体から成る磁化装置が公知である。この磁化装置の円筒形の内部空間における磁場は均質であり、前記積層体は複数のディスク形磁石を含み、これらのディスク形磁石は、非磁性材料製のねじによって固定されている。これらの各ディスク形磁石に対し、それぞれ方形の棒磁石から形成された複数の磁石アセンブリが設けられており、これらの磁石アセンブリは、形状接続的な凹部として形成された磁石収容部材内の、非磁性材料から成る各２つのディスク間に挿入され、非磁性材料製のねじによって固定されている。

流体中に含まれる水素原子の歳差運動によってセンサに高い電圧を誘導するためには強い磁場が必要とされるため、これに対応する強い磁石アセンブリが使用される。各ディスク磁石において複数の磁石アセンブリが空間的に相互に密に配置されるので、これらの個々の磁石アセンブリの磁場が相互作用することにより、該磁石アセンブリが相互にかなりの力を作用させる。このような相互の力作用により、個々の磁石アセンブリを挿入することが著しく困難になり、さらに、個々の磁石アセンブリが相互に力を与え合う中で該磁石アセンブリを挿入すると、該磁石アセンブリと磁石収容部材とが不所望にコンタクトしてしまい、磁石材料が剥離してしまう。というのも、磁石材料は脆性であるからだ。磁石材料が剥離することにより、各磁石アセンブリの磁場は変化し、これによって、磁化装置の内部空間内の合成磁場の均質性に悪影響が及ぼされることにもなる。原子核の歳差運動によってセンサに誘導される電圧はラーモア周波数に依存し、このラーモア周波数は磁場強度に依存するので、磁石材料の剥離は測定品質の低下に繋がる。

米国特許出願公開第２００８／０１７４３０９号明細書

本発明の課題は、流量測定装置の磁化装置の磁石収容部材内に挿入するのがより容易になりとりわけ永久磁石の磁石材料の剥離が阻止される、磁石アセンブリを提供することである。

上述で提起した課題を解決する本発明の磁石アセンブリの特徴は、まず基本的に、とりわけ流量測定装置の磁石収容部材に磁石アセンブリを挿入する際に、永久磁石の磁石材料が機械的負荷によって剥離するのを防止するための、および／または、該磁石アセンブリと該磁石収容部材との摩擦を低減して該磁石収容部材に該永久磁石を挿入するのを容易にするための、および／または、該永久磁石によって生成される磁場に影響を与えるための外被を有する構成を実現することである。

少なくとも１つの永久磁石を含む磁石アセンブリの外被は少なくとも、該永久磁石と該磁石収容部材とのコンタクト場所に設けなければならない。前記外被の材料の選定は、磁石アセンブリと磁石収容部材とがコンタクトする際に、また、その前に磁石アセンブリを取り扱うときにもすでに、磁石材料の剥離を防止できるように行わなければならない。このことを実現できる材料としては、たとえば粘塑性のプラスチックや、とりわけ脆性が低い金属が考えられ、とりわけ、磁石材料の脆性より低い脆性を有する金属が考えられる。

本発明の有利な実施形態の磁石アセンブリの分解組立図である。 折返し片が未だ曲げられていない、図１の磁石アセンブリを示す。 折返し片が折り曲げられた、図１の磁石アセンブリを示す。

驚くべきことに、従来技術において公知である磁石アセンブリを挿入するよりも、本発明の磁石アセンブリを磁石収容部材に挿入するのが容易になる。それゆえ、比較的広範に及ぶ試験により、前記外被の材料と前記磁石収容部材の材料との組み合わせが摩耗を可能な限り小さくするように最適化された。上述の試験では、前記永久磁石の外被の材料の透磁率によって、本発明の磁石アセンブリの合成された磁場に好影響を与えることができるという予想外の事実が判明した。たとえば、透磁率が高い材料から成る永久磁石の磁極領域では、前記外被は一種の磁気レンズとして機能し、前記磁場を形成することができる。

本発明の磁石アセンブリの有利な実施形態では、前記構成は少なくとも１つの永久磁石を構成要素として含む他に、少なくとも１つのスペーサも構成要素として含む。しばしば、すべての永久磁石の空間的寸法が等しい場合が多く、このことにより、磁石アセンブリのコストが削減され、該磁石アセンブリの構成が簡略化される。合成磁場を形成するためには、スペーサが多重に永久磁石相互間に配置される。合成磁場の形成は、スペーサの幾何学的な成形によってのみ実現されるのではなく、透磁率の観点でのスペーサの材料の選定によっても実現される。

本発明の磁石モジュールの別の有利な実施形態では、構成体の永久磁石およびスペーサである構成要素のうち少なくとも２つが相互にコンタクトしている。有利には、これらの構成要素の表面のコンタクトしている領域は平面状の面である。とりわけ、両構成要素のコンタクトしている平面状の面は合同とすることができ、有利には、これらの平面状の面をさらに合同に配置することができる。このように構成された磁石アセンブリをモノリシックとすることにより、合成磁場を実現するときの自由度を高くすることができる。さらに、これらの表面のコンタクトしている領域を相互に、たとえば材料接続的に結合することもできる。このような結合により、前記構成体は機械的にロバストに固定され、取り扱いが容易になる。

本発明の磁石アセンブリの特に有利な実施形態では、棒状の配列を成すように、平面状かつ合同である面が合同に相互にコンタクトしている前記構成要素のうちいずれか複数が配置され、前記棒の長手軸に対して垂直な、前記構成要素の断面の外側輪郭が、該棒の長手軸上において一定かつ等しくなるように、各構成要素が形成されている。とりわけ、前記棒状配列体の棒長手軸に対する横断面の外側輪郭は、該棒長手軸を中心とする回転対称性とし、有利には方形とすることができる。このような回転対称的な断面輪郭により、棒状の磁石アセンブリの長手軸を中心として該磁石アセンブリが回転できないように、該棒状の磁石アセンブリを磁化装置の磁石収容部材内に形状接続的に取り付けることができる。磁石アセンブリが回転可能であると、磁化装置の内部空間における磁場の均質性が阻害されてしまう。

本発明の磁石アセンブリの別の有利な実施形態では、前記外被は、前記構成体の外側面のうち少なくとも１つの外側面に配置された少なくとも１つの条片から成る。とりわけ、前記構成要素が棒状に配置される場合、前記条片を該棒の長手軸に沿って配置することができる。このことにより、外被の設置にかかる手間が低減する。前記構成体の外側面は、複数の前記構成要素の配列によって得られる。前記少なくとも１つの条片は、たとえばプラスチック膜または金属膜または金属薄板すなわち比較的厚い金属膜とすることができる。プラスチック膜は磁石材料の剥離の防止のみを実現し、磁石収容部材への磁石アセンブリの簡単な挿入を実現するのに対し、金属膜ないしは金属薄板は、選択された材料の透磁率に起因して、合成磁場に影響することもできる。

本発明の磁石アセンブリの特に有利な実施形態では、前記少なくとも１つの条片を形状接続的に取り付けることによって複数の前記構成要素を相互に固定する。試験の結果、このように、前記外被として使用される前記少なくとも１つの条片によって前記構成要素を機械的に十分に安定的に相互に固定できることにより、驚くべきことに、該条片材料が合成磁場に影響を与えることが判明した。このことによって条片は、磁石アセンブリを前記磁石収容部材のうちいずれかに挿入する際に磁石材料の剥離を防止する機能と摩擦を低減する機能とを有する他に、第３の機能も有する。条片によって複数の構成要素を簡単に相互に機械的に固定できることにより、構成体の永久磁石およびスペーサを簡単に組み立て、磁石アセンブリを１作業工程で、前記磁石収容部材のうちいずれかに挿入することができるようになる。このことにより、磁化装置の製造コストが格段に削減される。その代わりに択一的に、または付加的に、前記少なくとも１つの条片のうち少なくとも１つと前記構成要素のうち少なくとも１つとを結合することができ、有利には材料接続的に結合することができる。

本発明の磁石アセンブリの別の有利な実施形態では、前記外被は管であり、この管内に、前記棒状の配列体が挿入される。その後、この管自体は、前記磁石収容部材のうち１つの中に配置される。とりわけ、管を前記１つの磁石収容部材内に回転可能に配置し、該管が回転運動しないように固定可能であるようにすることができる。通常、磁場にさらなる影響が及ばないようにするため、前記管は非磁性材料から製造される。前記管が前記磁石収容部材内で回転可能であることにより、円筒状の永久磁石の内部空間における合成磁場に影響を及ぼすことができる。有利には、前記管の長手軸に対して垂直な断面の内側輪郭は、前記棒の長手軸に対して垂直な断面の外側輪郭に適合されることにより、前記管内に挿入された構成体が該管の長手軸を中心として該管に対して相対的に回転しないようにされる。前記管内の磁石および／または該管が前記磁石収容部材内に遊び無しで配置されないと、円筒状の永久磁石の内部における磁場の均質性は阻害されてしまう。

詳細には、本発明の磁石アセンブリを実現および発展させる形態は種々存在する。これらの実施形態については、請求項１の従属請求項と、図面を参照して有利な実施例を説明している記載箇所とを参照されたい。図面には、本発明の磁石アセンブリの実施例を示している。

磁石アセンブリ１は、図１の分解組立図から特に良好に分かるように、１０個の永久磁石２と、外被４を成す細長い４つの真鍮薄板条片とから成り、前記１０個の永久磁石２が１つの構成体３を成す。すべての永久磁石２が直方体形に形成されており、これらの永久磁石２の相互にコンタクトする平面状の面が相互に合同であり、かつ合同に配置されることにより、棒状配列体３を成すように配置される。したがって、この棒状配列体３の、棒長手軸に対して垂直な断面の外側輪郭は方形となり、該棒長手軸上において一定である。前記永久磁石２の相互にコンタクトする面は相互に接しているが、材料接続的には結合されていない。

図２に、前記外被４を形成する４つの真鍮薄板条片５の、前記棒状配列体３の４つの露出面における前記棒長手軸に沿った配置を示す。これらの真鍮薄板条片５は前記露出面に形状接続的に取り付けられているが、該露出面に結合されてはいない。前記条片の材料として真鍮を選択することにより、合成磁場に影響が及ぼされることがなくなる。前記真鍮薄板条片５は前記棒状配列体３より長く、該棒状配列体３から突出する、該真鍮薄板条片５の三角形の端部は折返し片６を成している。

図３に、折返し片６が折り曲げられた取付完了後の状態の磁石アセンブリ１を示す。前記棒状配列体３の両端において前記折返し片６を前記永久磁石２の端面に形状接続的に折り曲げることにより、該棒状配列体３の永久磁石２は相互に機械的に固定される。前記真鍮薄板条片５の長さおよび該真鍮薄板条片５の両端の形状は、前記折返し片６が相互にぎりぎり接触しないように選択される。前記真鍮薄板条片５により、前記磁石アセンブリ１の横断面は回転対称的のままにされ、このことにより、該磁石アセンブリ１が磁化装置の磁石収容部材内部において該磁石アセンブリ１の長手軸を中心として回転するのが防止される。

前記外被４として使用される真鍮薄板条片５は３つの役割を果たす。第１の役割としてこの真鍮薄板条片５は、全般的な取扱い時および磁石収容部材内部への挿入時の双方において、永久磁石２の脆性の磁石材料が機械的負荷により剥離するのを防止する。第２の役割として、前記真鍮薄板条片５は磁石収容部材内部への挿入を容易にする。その理由は、前記真鍮薄板条片５と磁石収容部材との摩擦は前記磁石材料と該磁石収容部材との摩擦より小さいこと、および、永久磁石を１つずつ挿入する代わりに１０個の永久磁石２を１工程で挿入できることである。第３の機能として、前記真鍮薄板条片５は前記棒状配列体３の複数の永久磁石２を簡単かつ低コストで固定する。

１ 磁石アセンブリ
２ 永久磁石
３ 棒状配列体
４ 外被
５ 条片
６ 折返し片

Claims (20)

1. 少なくとも１つの永久磁石を構成要素として含む構成体を備えた、核磁気流量測定装置用の磁石アセンブリであって、
   前記構成体（３）は、前記磁石アセンブリ（１）を前記核磁気流量測定装置の磁石収容部材内に挿入する際に、機械的負荷による前記永久磁石（２）の磁石材料の剥離を防止するための、および／または、前記磁石アセンブリ（１）と前記磁石収容部材との間の摩擦を低減させて該磁石収容部材内への前記永久磁石（２）の挿入を容易にするための、および／または、該永久磁石（２）によって生成される磁場に影響を与えるための外被（４）を有し、
   前記外被は、前記構成体（３）の外側面のうち少なくとも１つの外側面に配置された少なくとも１つの条片から成る、
   ことを特徴とする、磁石アセンブリ。
2. 前記構成体（３）には、構成要素として少なくとも１つのスペーサが含まれる、
   請求項１記載の磁石アセンブリ。
3. 前記構成要素のうち少なくとも２つが相互にコンタクトする、
   請求項１または２記載の磁石アセンブリ。
4. 前記少なくとも２つの構成要素の表面の相互にコンタクトする領域は、平面状の面である、
   請求項３記載の磁石アセンブリ。
5. 前記構成要素の相互にコンタクトする平面状の面は合同である、
   請求項４記載の磁石アセンブリ。
6. 前記構成要素の相互にコンタクトする平面状の面は合同に配置されている、
   請求項５記載の磁石アセンブリ。
7. 前記構成要素のうちいずれか複数が、棒状の配列体（３）を成すように配置されており、
   前記棒長手軸に対して垂直な、前記構成要素の断面の外側輪郭が、該棒長手軸上において一定かつ等しくなるように、各構成要素は形成されている、
   請求項５または６記載の磁石アセンブリ。
8. 前記棒状の配列体（３）の棒長手軸に対して垂直な断面の外側輪郭は、該棒長手軸を中心とする回転対称性である、
   請求項７記載の磁石アセンブリ。
9. 前記棒状の配列体（３）の棒長手軸に対して垂直な断面の外側輪郭は、該棒長手軸を中心とする回転対称性であり、方形である、
   請求項８記載の磁石アセンブリ。
10. 前記条片は真鍮薄板条片（５）である、
    請求項１から９までのいずれか１項記載の磁石アセンブリ。
11. 前記条片は前記棒長手軸に沿って配置されている、
    請求項７から１０までのいずれか１項に記載の磁石アセンブリ。
12. 前記構成要素は前記条片によって相互に固定されている、
    請求項１から１１までのいずれか１項記載の磁石アセンブリ。
13. 前記条片のうち少なくとも１つと、前記構成要素のうち少なくとも１つとが結合されている、
    請求項１から１２までのいずれか１項記載の磁石アセンブリ。
14. 前記条片のうち少なくとも１つと、前記構成要素のうち少なくとも１つとが材料接続的に結合されている、
    請求項１３記載の磁石アセンブリ。
15. 前記外被（４）は管である、
    請求項１から１４までのいずれか１項記載の磁石アセンブリ。
16. 前記管は、前記磁石収容部材内に回転可能に配置され回転運動しないように固定される管である、
    請求項１５記載の磁石アセンブリ。
17. 前記外被（４）内に挿入された前記構成体（３）が前記管の長手軸を中心として該外被（４）に対して相対的に回転しないように、該管の長手軸に対して垂直な断面の内側輪郭は、前記棒長手軸に対して垂直な断面の外側輪郭に対して適合されている、
    請求項８または９、および、請求項１５または１６に記載の磁石アセンブリ。
18. 前記構成要素のうち少なくとも２つが相互に結合されている、
    請求項１から１７までのいずれか１項記載の磁石アセンブリ。
19. 前記構成要素のうち少なくとも２つが材料接続的に相互に結合されている、
    請求項１８記載の磁石アセンブリ。
20. 前記永久磁石（２）は相互に等しい空間的寸法を有する、
    請求項１から１９までのいずれか１項記載の磁石アセンブリ。

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