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

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в жидкостных ядерно-магнитных расходомерах, предназначенных преимущественно для измерения больших количеств протекающих 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 - фазочастотные 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 непригодны для использования в химическом, нефтеперерабатывающем, нефтедобывающем и т.п. производстве.

Известные виды стекла могут обеспечить высокую устойчивость трубопровода к агрессивным средам и высокотемпературным воздействиям, но по технологическим возможностям могут быть изготовлены 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, а также катушки модуляции и регистрации сигнала ЯМР [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 большого диаметра (100 мм и более) с выдержанными по длине трубопровода 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 керамики или аналогичного, подвергаемого обжигу материала с повышенной устойчивостью к агрессивным средам и температурному воздействию, а также давлению.

Поставленная задача решается за счет того, что при использовании существенных признаков, характеризующих известный ядерно-магнитный расходомер, содержащий проточный трубный измерительный участок из керамического немагнитного материала, расположенные на нем магниты поляризатора и анализатора, катушки модуляции и регистрации сигнала ЯМР, а также детектор и устройства обработки и индикации данных, в соответствии с изобретением измерительный участок выполнен из стыкованных, не деформирующихся при обжиге кольцевых элементов с внутренним диаметром, соответствующим проходному сечению подающего трубопровода, в местах стыковки герметично соединенных друг с другом посредством крепления.

Преимущественный вариант выполнения ядерно-магнитного расходомера предполагает соединение кольцевых элементов друг с другом резьбовым креплением и герметизацию стыков непроводящей немагнитной глазурью, температура вжигания которой в керамику составляет 1000-1200^oC.

Преимущественный вариант выполнении ядерно-магнитного расходомера предполагает выполнение кольцевых элементов из вакуум-плотной алюмооксидной керамики с уменьшенной адгезией к измеряемой жидкости, в состав которой входят, мас.%:
Al₂O₃ - 93,00
SiO₂ - 3,66
Mn - 2,85
Cr₂O₃ - 0,49
Выполнение измерительного участка из стыкованных, не деформирующихся при обжиге кольцевых элементов позволяет изготавливать высокопрецизионные ядерно-магнитные расходомеры с достаточно большим 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 ЯМР, особенно в химической, нефтеперерабатывающей и нефтедобывающей промышленности, где к этим показателям могут предъявляться очень высокие требования.

Соединение кольцевых элементов друг с другом резьбовым креплением и герметизация по стыкам обеспечивает оптимальное устойчивое к разрушению соединение. При этом использование вжигаемой в керамику глазури, имеющей сходные с керамикой показатели температурного расширения, а также термостойкости и устойчивости к агрессивным средам, обеспечивает высокую надежность герметизации и прочность стыков при сохранении одинаковых по всей длине измерительного участка внешнего и внутреннего диаметров, гарантирующих точность измерения.

Увеличенное за счет уменьшения Al₂O₃, содержание SiO₂ в обычной вакуум-плотной алюмооксидной керамике создает уменьшающее адгезию стеклование внутренней поверхности трубы, что очень важно для измерения некоторых сред, в частности в нефтяной и нефтеперерабатывающей промышленности.

Более подробно заявляемое техническое решение рассматривается на чертежах, где представлены:
на фиг. 1 - ядерно-магнитный расходомер, структурная схема;
на фиг. 2 - раздельные (а) и стыкованные (б) кольцевые элементы измерительного участка, продольный разрез.

Ядерно-магнитный расходомер по фиг.1 состоит из измерительного трубного участка 1, магнитов поляризатора 2 и анализатора 3, катушек модуляции 4 и регистрации 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.

Трубный измерительный участок 1 состоит из нескольких кольцевых элементов 10 с одинаковыми диаметром и толщиной стенок из вакуум-плотной алюмооксидной керамики, в состав которой входят, мас.%:
Al₂O₃ - 93,00
SiO₂ - 3,66
Mn - 2,85
Cr₂O₃ - 0,49
Кольцевые элементы соединены друг с другом резьбовым креплением 11 и стыки 12 герметизированы вожженной в керамику непроводящей немагнитной глазурью (фиг. 2). Кольцевые элементы изготовлены известным способом литьем под давлением.

При изготовлении измерительного участка из стыкованных коротких кольцевых элементов с внутренним диаметром 100 мм и более из указанной керамической массы с обжигом по известной технологии при температуре 1500-1700^oC достигается получение трубы требуемой длины с выдержанными по длине внутренним диаметром и толщиной стенок, которая удовлетворяет требованиям прецизионности для обеспечения необходимой точности измерения и имеет 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. За счет стеклования внутренней поверхности трубы достигается низкая адгезия среды к керамике.

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

1. С помощью поляризатора 2 осуществляют намагничивание протекающей по трубе 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.

Расход жидкости q определяют по формуле
q = V/T,
где V - объем внутренней полости измерительного участка трубы;
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".

Источники инФормации
1. Жерновой А.И., Стасевич В.М. Расходомер жидкости на принципе ЯМР. - Известия ВУЗов. Приборостроение, 1965, т. VII, N 2, с. 6-30.

2. Екатеринин В. В. , Жерновой А.И., Стахов О.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. Авт. свид. СССР N 1434262, кл. G 01 F 1/716, публ. 1988, БИ N 40.

5. Жерновой А. И. Применение ЯМР в измерительной технике (ядерно-магнитные расходомеры). Л.: ЛДНТП, 1982, с. 21.

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

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

Изобретение может быть использовано в химическом, нефтеперерабатывающем, нефтедобывающем производствах для измерения больших количеств жидких агрессивных сред. Ядерно-магнитный расходомер содержит проточный измерительный участок в виде трубопровода большого диаметра (≥ 100 мм) из керамического материала, расположенные на нем магниты поляризатора и анализатора, катушки модуляции и регистрации сигнала ЯМР, а также детектор и устройства обработки и индикации данных. Измерительный участок выполнен из стыкованных, не деформирующихся при обжиге кольцевых элементов с внутренним диаметром, соответствующим проходному сечению подающего трубопровода. В местах стыковки кольцевые элементы из алюмооксидной керамики соединены друг с другом резьбовым креплением и герметизированы непроводящей немагнитной глазурью. Изобретение обеспечивает повышение точности измерения в условиях повышенных давления и температуры. 2 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Ядерно-магнитный расходомер, содержащий проточный трубный измерительный участок из керамического материала, расположенные на нем магниты поляризатора и анализатора, катушки модуляции и регистрации сигнала ЯМР, а также детектор и устройства обработки и индикации данных, отличающийся тем, что измерительный участок выполнен из стыкованных, не деформирующихся при обжиге кольцевых элементов с внутренним диаметром, соответствующим проходному сечению подающего трубопровода, в местах стыковки герметично соединенных друг с другом посредством крепления. 2. Ядерно-магнитный расходомер по п.1, отличающийся тем, что кольцевые элементы соединены резьбовым креплением и по стыкам герметизированы непроводящей немагнитной глазурью, температура вжигания которой в керамику составляет 1000 - 1200^oC. 3. Ядерно-магнитный расходомер по п.1 или 2, отличающийся тем, что кольцевые элементы выполнены из вакуум-плотной алюмооксидной керамики с уменьшенной адгезией к измеряемой жидкости, в состав которой входят, мас.%:
Al₂O - 93,00
SiO₂ - 3,66
Mn - 2,85
Cr₂O₃ - 0,49