ЯДЕРНО-МАГНИТНЫЙ РАСХОДОМЕР Российский патент 1999 года по МПК G01F1/716 F16L9/19 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в жидкостных ядерно-магнитных расходомерах, предназначенных преимущественно для измерения больших количеств протекаемых под повышенным давлением жидкостей и пригодных для работы с агрессивными средами.

Известны расходомеры, основанные на поляризации движущейся по трубопроводу жидкости сильным магнитным полем, выполнении периодической отметки путем изменения ядерной намагниченности, регистрации сигнала ядерно-магнитного резонанса и определении расхода по количеству сигналов за период прохождения отметки - временные расходомеры [1], по амплитуде последовательности сигналов отметки - амплитудно-частотные расходомеры [2] и по фазе последовательности сигналов отметки - фазово-частотные расходомеры [3].

Принципиальная конструкция основанного на регистрации ядерного магнитного резонанса /ЯМР/ расходомера включает в качестве основных конструктивных элементов трубопровод из немагнитного диэлектрического материала и расположенные на нем магниты поляризатора и анализатора, а также катушки модуляции и регистрации сигнала ЯМР [4]. Измерительную часть трубопровода выполняют из полимерных материалов, например фторопласта [1], полипропилена [5], а также стекла [6].

Недостатком известных расходомеров является ограниченность их применения, связанная со свойствами диэлектрических материалов для трубопровода. В частности, технологически возможно изготовление из полимерных материалов трубопроводов достаточно большого диаметра с выдержанными по длине внутренним диаметром и толщиной стенок, обеспечивающих достаточную точность измерения и пригодных для измерения больших объемов протекающей жидкости, например, на нефтепроводах. Но эти материалы недостаточно устойчивы к агрессивным средам и высокотемпературным воздействиям, не рассчитаны на высокое давление, устойчивость к которому резко снижается при увеличении температурного воздействия и во многих случаях не пригодны для использования в химической, нефтеперерабатывающей и нефтедобывающей промышленности.

Известные виды стекла могут обеспечить высокую устойчивость трубопровода к агрессивным средам и температурным воздействиям, но по технологическим возможностям могут быть изготовлены трубопроводы с достаточно точно выдержанными по длине внутренним диаметром и толщиной стенок лишь для малого диаметра /10 - 15 мм/ и небольшого количества одновременно протекаемой жидкости.

Известен наиболее близкий к заявляемому техническому решению, выбранный в качестве ближайшего аналога ЯМР-расходомер фирмы Баджер-Метер /США/, содержащий в качестве основных конструктивных элементов трубопровод, расположенные на нем магниты поляризатора и анализатора, катушки модуляции и регистрации сигнала, а также детектор и устройство обработки и регистрации [7]. При этом измерительная часть трубопровода выполнена из керамики, магниты поляризатора и анализатора снаружи охвачены экраном и пространство между поляризатором, анализатором и внешним экраном заполнено приспособленной для заливки керамикой. Практически используются расходомеры с внутренним диаметром трубопровода 25 мм.

Известные виды керамики в наибольшей степени удовлетворяют требованиям, предъявляемым к трубопроводу расходомера в отношении устойчивости к агрессивным средам, высокотемпературному воздействию и высокому давлению.

Недостатком известного расходомера является невозможность выполнения керамического трубопровода достаточно большого диаметра /100 мм и выше/ с выдержанными по длине трубопровода внутренним диаметром и толщиной стенок, необходимых для обеспечения достаточной точности измерения из-за деформации трубы при обжиге, которая тем больше, чем больше ее диаметр и температура обжига, необходимая для получения высокопрочной керамики, например вакуум-плотной алюмооксидной.

Задачей изобретения является выполнение ядерно-магнитного расходомера для увеличенных объемов одновременно протекаемой жидкости с измерительной частью трубопровода из керамического материала с повышенной устойчивостью к агрессивным средам, температурному воздействию и давлению.

Поставленная задача решается за счет того, что при использовании существенных признаков, характеризующих известный ядерно-магнитный расходомер, содержащий проточный трубный измерительный участок из керамического материала, расположенный между полюсами магнитов поляризатора и анализатора, катушки модуляции и регистрации сигнала ЯМР, детектор и устройства обработки и индикации данных, в соответствии с изобретением, измерительный участок выполнен в виде кассеты, состоящей из нескольких параллельных равномерно распределенных по поперечному сечению труб, не деформирующихся при обжиге, суммарная площадь проходного сечения которых равна площади проходного сечения подающего трубопровода, а концы труб подключены к подающему трубопроводу с помощью охватывающих их муфт с патрубками.

Преимущественный вариант выполнения ядерно-магнитного расходомера предполагает выполнение труб кассеты из вакуум-плотной алюмооксидной керамики.

Выполнение трубного измерительного участка в виде кассеты из керамических труб, деформируемых при обжиге, позволяет изготавливать высокопрецизионные ядерно-магнитные расходомеры с достаточно большим суммарным проходным сечением, пригодные для подающих трубопроводов любого необходимого в практике проходного сечения из материала, устойчивого к агрессивным средам, высокому давлению, механическому и высокотемпературному воздействию. Это значительно расширяет область применения ядерно-магнитного расходомера, особенно в химической, нефтеперерабатывающей и нефтедобывающей промышленности, где к этим показателям могут предъявляться очень высокие требования.

Использование в качестве материала вакуум-плотной алюмооксидной керамики обеспечивает оптимальные показатели труб в отношении устойчивости к агрессивным средам, давлению, температурному и механическому воздействию.

Более подробно заявляемое техническое решение рассматривается на чертежах, где представлены на фиг.1 - ядерно-магнитный расходомер, структурная схема; на фиг. 2 - трубная кассета для измерительного участка расходомера, продольный разрез по вертикали; на фиг.3 - трубная кассета, поперечный разрез по линии втулки.

Ядерно-магнитный расходомер по фиг.1 состоит из установленной между полюсами магнитной системы трубной кассеты 1, магнитов поляризатора 2 и анализатора 3, катушек модуляции 4 и регистрации сигнала 5. Катушка модуляции связана с выходом генератора модуляции 6. Катушки модуляции и регистрации связаны с входом временного детектора 7, выход которого подключен к входу устройства обработки 8, соединенного с устройством индикации 9.

Трубная кассета по фиг. 2, 3 состоит из нескольких, в частности семи, параллельных равномерно распределенных по поперечному сечению труб 10 малого диаметра, в частности, с внутренним диаметром 20 мм, суммарная площадь проходного сечения которых равна площади проходного сечения подающего трубопровода /на чертеже не показан/ и концы которых подключены к подающему трубопроводу с помощью муфт 11, 11' с расширяющим и сужающим патрубками 12, 12'. Концы труб введены и впаяны в отверстия в муфтах, а патрубки соединены с подающим трубопроводом фланцами.

Трубы кассеты 1 изготовлены известным способом литьем под давлением с последующим обжигом из вакуум-плотной алюмооксидной керамики, в состав которой входят, в частности, мас.%:
Al₂O₃ - 93,9
SiO₂ - 2,76
MnO - 2,85
Cr₂O₃ - 0,49
При изготовлении из указанной керамической массы труб с внутренним диаметром 20 мм и длиной 300 мм с обжигом по известной технологии при температуре 1500 - 1700^oC достигается получение ровных труб с выдержанным по длине внутренним диаметром и толщиной стенок, которые удовлетворяют требованиям прецизионности для обеспечения необходимой точности измерения и имеют высокую устойчивость к агрессивным средам, температурному воздействию /свыше 1700^oC/ и давлению /свыше 50 МПа/, а также механическому воздействию, в частности к воздействию абразивов, которые часто движутся в потоке с большой скоростью, что имеет большое значение, например, в области нефтедобычи. Кассета из 7 труб с внутренним диаметром 20 мм может быть установлена соответственно на подающем трубопроводе 140 мм.

Процесс измерения расхода жидкости с помощью расходомера по фиг.1 выполняют следующим образом.

1) С помощью поляризатора 2 осуществляют намагничивание протекающей по трубам кассеты 1 жидкости; 2) включают катушку модуляции и с помощью сигналов генератора модуляции 6 выполняют метку жидкости; 3) катушка регистрации сигнала ЯМР 5 регистрирует прохождение отметки жидкости от катушки модуляции до катушки регистрации; 4) сигналы от катушки модуляции и катушки регистрации подаются на временной детектор 7, который определяет время прохождения отмеченной жидкости, по которому с помощью устройства обработки 8 определяют количество протекаемой жидкости q, расход жидкости q определяют по формуле q = V/T, где V - суммарный объем внутренних полостей труб в кассете и T -время прохождения отметки от катушки модуляции до катушки регистрации; 5) полученные данные выдаются на устройство индикации 9.

Заявляемое техническое решение полностью решает задачу, стоящую перед изобретением.

Заявляемое техническое решение с характеризующими его отличительными признаками на настоящее время в Российской Федерации и за границей не известно и отвечает требованиям критерия "новизна".

Заявляемое техническое решение является оригинальным, не вытекает очевидным образом из существующего уровня техники, дает значительный положительный эффект и отвечает требованиям критерия "изобретательский уровень".

Заявляемый ядерно-магнитный расходомер может изготавливаться промышленным способом, включая серийное производство, с использованием известных технических средств, технологий, материалов и комплектующих и отвечает требованиям критерия "промышленная применимость".

Библиографические данные
/1/ Жерновой А. И., Стасевич В.М. Расходомер жидкости на принципе ЯМР. -Известия ВУЗов. Приборостроение, 2965, т.VII, N 2, с. 6-30
/2/ Екатеринин В.В., Жерновой А.И., Стахов 0.В. Импульсно-частотный ЯМР-расходомер. -Измерительная техника, 1965, N 3, с.54
/3/ Гегеле П.П., Рухин А.Б. Импульсно-компенсационный ядерно-магнитный расходомер. Расчет и конструирование расходомеров. -Л., Машиностроение, 1978, с. 3-7.

/4/ А.с. СССР N 1 434262, МКИ: G 01 F 1/716, публ. 1988, БИ N 40
/5/ А. И. Жерновой. Применение ЯМР в измерительной технике /ядерно-магнитные расходомеры/ Л., ЛДНТП, 1982, с. 21.

/6/ Жерновой А.И., Латышев Г.Д. Ядерный магнитный резонанс в проточной жидкости. М., -Атомиздат, 1964, с.5-11.

/7/ А. И. Жерновой, Применение ЯМР в измерительной технике /ядерно-магнитные расходомеры/ Л., ЛДНТП, 1982, с. 24, 27.

Изобретение может быть использовано в химической, нефтеперерабатывающей и нефтедобывающей промышленности для измерения больших количеств жидкости, протекающей под повышенным давлением. Расходомер содержит катушки модуляции, проточный измерительный участок, расположенный между полюсами магнитов поляризатора и анализатора, временной детектор и устройство обработки и индикации. Измерительный участок выполнен в виде кассеты из нескольких параллельных, равномерно распределенных по поперечному сечению труб из вакуум-плотной алюмооксидной керамики, имеющих внутренний диаметр 20 мм. Суммарная площадь проходного сечения труб кассеты равна площади проходного сечения подающего трубопровода, с которым трубы соединены с помощью муфт. Изобретение имеет повышенную надежность в условиях воздействия агрессивных сред и высоких температур благодаря отсутствию деформации труб измерительного участка. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Ядерно-магнитный расходомер, содержащий проточный трубный измерительный участок из керамического материала, расположенный между полюсами магнитов поляризатора и анализатора, катушки модуляции и регистрации сигнала ЯМР, детектор и устройства обработки и индикации данных, отличающийся тем, что измерительный участок выполнен в виде кассеты, состоящей из нескольких параллельных равномерно распределенных по поперечному сечению труб, не деформирующихся при обжиге, суммарная площадь проходного сечения которых равна площади проходного сечения подающего трубопровода, а концы труб подключены к подающему трубопроводу с помощью охватывающих их муфт с патрубками. 2. Ядерно-магнитный расходомер по п.1, отличающийся тем, что трубы кассеты выполнены из вакуум-плотной алюмооксидной керамики.