СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ЖИДКОСТИ Российский патент 2008 года по МПК G01F1/716 

Изобретение относится к способам измерения расхода жидкости, а именно к области автоматизированного бесконтактного контроля расхода жидкости в трубопроводе методом ядерного магнитного резонанса (ЯМР), и может быть использовано в химической, атомной, нефтеперерабатывающей промышленности для контроля агрессивных, абразивных и загрязненных жидкостей.

Известен первичный преобразователь расходомера на основе ЯМР, содержащий измерительный трубопровод из немагнитного материала, расположенный в постоянном магнитном поле, и надетые на него одну или нескольких радиочастотных катушек для отметки жидкости и регистрации сигнала ЯМР. При течении в магнитном поле жидкость приобретает ядерную намагниченность (поляризуется). В конце измерительного трубопровода расположена приемная катушка сигнала ЯМР, присоединенная к радиосхеме, на выходе которой наблюдается сигнал ЯМР с амплитудой, пропорциональной ядерной намагниченности, находящейся в катушке жидкости. Перед приемной катушкой на расстоянии l₀ от нее на измерительный трубопровод надета катушка отметки, в которой с помощью резонансного переменного магнитного поля производится отметка (уменьшение ядерной намагниченности) протекающей жидкости. Когда через время t после начала отметки жидкость с уменьшенной ядерной намагниченностью достигает приемной катушки, амплитуда сигнала ЯМР уменьшается. Скорость W и расход жидкости Q определяются по формулам W=l₀/t, Q=V₀/t, где V₀ - объем участка трубопровода между катушками. Такой метод измерения предложен в А.С. №143567, автор Жерновой А.И., опубл. Б.И. №24, 1962. В этом способе не определено, каким образом по изменению амплитуды сигнала ЯМР измеряется интервал времени t. Указанный недостаток устранен в другом известном способе измерения расхода жидкости (А.С. №167048, авторы Жерновой А.И., Стасевич В.М., 1964 г.), в котором предложено отметку жидкости производить инверсией (переворотом) ядерной намагниченности, а время t определять как интервал от начала отметки до момента прохождения амплитудой сигнала нулевого значения. Это повысило точность измерения скорости и расхода.

Однако практическое применение способа выявило присутствие так называемой «релаксационной погрешности» (А.И.Жерновой, Известия ВУЗ. Приборостроение, т.8, №6, с.10-18), которая пропорциональна l₀/WT₁, где T₁ - время релаксации, определяющее скорость поляризации жидкости. При турбулентном течении, когда различие скоростей течения жидкости в сечении трубопровода невелико, «релаксационная погрешность» мала. При ламинарном течении, когда различие скоростей велико, эта погрешность при l₀/WT₁≈1 достигает 40%. Зависимость «релаксационной погрешности» от режима течения приводит к зависимости градуировочной характеристики расходомера от вязкости жидкости. Для устранения этого недостатка был предложен способ измерения расхода с отметкой жидкости в приемной катушке. (Пат. РФ №2005995, авторы Жерновой А.И., Волков В.К., Ефимов В.Н., Чирухин В.А., Шаршина Л.Н., опубл. Б.И. №1, 1994 г.) (прототип). В этом способе нет специальной катушки отметки. В нем отметка жидкости (уменьшение ядерной намагниченности переменным резонансным магнитным полем до нулевого значения) производится непосредственно в приемной катушке, поэтому l₀=0 и «релаксационная погрешность» отсутствует. В момент отметки ядерная намагниченность в катушке становится равной нулю, а затем линейно увеличивается в результате притока в катушку поляризованной жидкости. Через время t после отметки намагниченная жидкость заполняет часть объема катушки, равную Qt, поэтому отношение амплитуды сигнала А в момент t к максимальной амплитуде сигнала А₀ при полном заполнении объема V катушки поляризованной жидкостью

В результате расход жидкости можно определять по формуле

Отметка производится дважды за период модуляции поля Т. При этом t=T/2 и

В этом способе (прототипе) увеличение средней ядерной намагниченности в приемной катушке происходит не только в результате притока поляризованной жидкости, но и за счет поляризации отмеченной жидкости, намагниченность которой стремится к равновесному значению со временем релаксации T₁. В результате при малых расходах и T₁ градуировочная характеристика зависит от T₁. Устранение этой зависимости является основной задачей предлагаемого способа измерения расхода жидкости.

Задачей предлагаемого технического решения является повышение точности измерения расхода жидкости, текущей по трубопроводу, при изменении режима течения и времени релаксации жидкости.

Поставленная задача достигается тем, что в способе измерения расхода жидкости, текущей по трубопроводу, включающем поляризацию движущейся жидкости сильным магнитным полем, отметку жидкости путем изменения ее ядерной намагниченности в участке измерительного трубопровода, определение зависимости амплитуды сигнала ЯМР от интервала времени t, отсчитываемого от момента отметки, определение значения интервала времени t=t₀, при котором амплитуда сигнала ЯМР принимает определенное значение, вычисление расхода исходя из величины t₀, согласно изобретению отметку жидкости производят поочередно в двух рядом расположенных участках трубопровода, сигнал ЯМР регистрируют в одном из этих участков, значение интервала времени t₀ определяют из условия, что амплитуда сигнала ЯМР после отметок в первом и втором участках трубопровода имеет одинаковые значения, а расход определяют по формуле

где V - объем участка измерительного трубопровода, в котором регистрируют сигнал ЯМР, t₀ - момент времени t, при котором амплитуды одинаковы.

Заявляемый способ позволяет повысить точность измерения расхода жидкости за счет того, что устраняется ошибка, вызванная изменением режима течения и времени релаксации.

Предлагаемый способ измерения расхода жидкости является новым, обладает изобретательским уровнем и промышленно применим.

Схема первичного преобразователя для осуществления предлагаемого способа приведена на чертеже, где 1 - полюса магнита, 2 - трубопровод, К - приемная катушка, N - вспомогательная меточная катушка.

Участок трубопровода длиной L от начала магнитного поля до края катушки К служит для поляризации жидкости, участок длиной l, (объемом V) расположен в поле катушки К, где происходит регистрация сигнала ЯМР. Расстояние между катушками К и N l₀=0.

Цикл измерения скорости течения жидкости W начинается с возбуждения короткого размагничивающего π/2 импульса в катушке К и регистрации зависимости амплитуды сигнала ЯМР A₁ в этой катушке от времени t₁, отсчитываемого с момента возбуждения в ней π/2 импульса. Затем при t₁≥l/W возбуждается короткий размагничивающий π/2 импульс в катушке N и регистрируется зависимость амплитуды сигнала ЯМР А₂ в катушке К от времени t₂, отсчитываемого с момента возбуждения π/2 импульса в катушке N. При t₂≥l/W цикл повторяется.

Амплитуды сигналов A₁ и А₂ пропорциональны средним ядерным намагниченностям в катушке К в моменты времени t₁ и t₂.

Амплитуда A₁ с ростом t₁ возрастает за счет притока в катушку К поляризованной жидкости из участка трубопровода L и за счет естественной поляризации жидкости в магнитном поле. В результате

где A₀ - амплитуда сигнала в катушке К без размагничивания π/2 импульсом.

Амплитуда А₂ с ростом t₂ уменьшается за счет притока в катушку К размагниченной жидкости из катушки N, это уменьшение замедляется естественной релаксацией. В результате

Определение скорости жидкости W производится путем сравнения амплитуд сигналов ЯМР A₁ и А₂ в одинаковые моменты времени t₁=t₂=t. Из (1) и (2) получаем разницу амплитуд A₁ и A₂ при t₁=t₂=t

Из (3) следует, что скорость жидкости можно определять по формуле

где t₀ - момент времени t, когда ΔА=0.

Если в трубе на участке l имеется разброс скоростей частиц жидкости с произвольной функцией распределения f(W), то среднее значение ΔА

Подставив в (4) ΔА из (3), получаем

где - средняя скорость жидкости.

Откуда следует, что при любом режиме течения средняя скорость жидкости W_cp=l/2t₀, то есть релаксационная погрешность отсутствует. Расход Q=W_срS, где S - площадь трубопровода на участке l. Следовательно, расход

где V=l·S - объем участка трубопровода, в котором регистрируют сигнал ЯМР.

Пример осуществления заявляемого способа.

Для реализации способа был использован первичный преобразователь, предназначенный для подключения к магистральному трубопроводу диаметром 5 см. Измерительный трубопровод из нержавеющей стали диаметром 5 см имел фланцы для подключения к магистрали и был помещен в магнитное поле с индукцией 0,1 Тл. Приемная катушка длиной 4 см и меточная катушка длиной 8 см надеты на участок измерительного трубопровода длиной 15 см, диаметром 2,5 см, выполненный из вакуумплотной керамики и соединенный с соседними участками из нержавеющей стали при помощи специальных уплотняющих прокладок (П. РФ №2141628, 1999 г.). Отметка жидкости в меточной и приемной катушках производилась инверсией намагниченности короткими π-импульсами резонансного переменного магнитного поля. В приемной катушке регистрировались сигналы свободной индукции (ССИ) после подачи π/2-импульсов. Промежуток времени t₀, при котором амплитуда сигнала A₁, увеличивающаяся после отметки жидкости в приемной катушке, и амплитуда А₃, уменьшающаяся после отметки во вспомогательной катушке, проходили через равные значения (A₁(t₀)=A₂(t₀)), определялся с помощью процессора. Исследование показало, что при изменении режима течения и времени релаксации T₁ градуировочная характеристика не меняется.

Таким образом, предлагаемый способ измерения расхода жидкости, текущей по трубопроводу, является более точным, чем известные.

Способ включает поляризацию движущейся по трубопроводу жидкости сильным магнитным полем, отметку жидкости поочередно в двух рядом расположенных участках трубопровода путем изменения ее ядерной намагниченности. В одном из этих участков регистрируют сигнал ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Определяют значение отсчитываемого от момента отметки интервала времени t₀ из условия, что амплитуды сигнала ЯМР после отметок в первом и втором участках трубопровода имеют одинаковые значения. Расход жидкости Q в трубопроводе определяют по формуле , где V - объем участка трубопровода, в котором регистрируется сигнал ЯМР. Изобретение повышает точность измерения расхода при изменении режима течения и времени релаксации жидкости. 1 ил.

Способ измерения расхода жидкости, текущей по трубопроводу, включающий поляризацию движущейся жидкости сильным магнитным полем, отметку жидкости путем изменения ее ядерной намагниченности в участке измерительного трубопровода, определение зависимости амплитуды сигнала ЯМР от интервала времени t, отсчитываемого от момента отметки, определение значения интервала времени t=t₀, при котором амплитуда сигнала ЯМР принимает определенное значение, вычисление расхода, исходя из величины t₀, отличающийся тем, что отметку жидкости производят поочередно в двух, рядом расположенных участках трубопровода, сигнал ЯМР регистрируют в одном из этих участков, значение интервала времени t₀ определяют из условия, что амплитуда сигнала ЯМР после отметок в первом и втором участках трубопровода имеет одинаковые значения, а расход определяют по формуле где V - объем участка измерительного трубопровода, в котором регистрируют сигнал ЯМР, t₀ - момент времени t, при котором амплитуды одинаковы.