МАГНИТНЫЙ КОНСТРУКТИВНЫЙ УЗЕЛ ДЛЯ ЯДЕРНО-МАГНИТНОГО РАСХОДОМЕРА Российский патент 2016 года по МПК H01F7/02 

Изобретение относится к магнитному конструктивному узлу для ядерно-магнитного расходомера с содержащей в качестве компонента по меньшей мере один постоянный магнит структурой.

Ядерно-магнитные расходомеры определяют расход отдельных фаз многофазных текучих сред, скорости потока отдельных фаз и относительные доли отдельных фаз в многофазной текучей среде в мерной трубке путем измерения и оценки напряжения, индуцированного ядерно-магнитным резонансом многофазной текучей среды в подходящем датчике. Принцип измерения ядерного магнитного резонанса (англ. Nuclear Magnetic Resonance) основан на свойстве атомных ядер со свободным магнитным моментом, ядерным спином, прецессировать в присутствии магнитного поля. При этом прецессия представляющего магнитный момент атомного ядра вектора происходит вокруг представляющего магнитное поле на месте атомного ядра вектора, причем прецессия индуцирует в датчике напряжение. Частота прецессии обозначается как ларморовская частота и определяется согласно ω_L=γB, причем γ является гиромагнитным соотношением, а В - величина магнитного поля. Гиромагнитное отношение γ является максимальным для ядер водорода; поэтому, прежде всего, для ядерно-магнитных расходомеров особо пригодны текучие среды с ядрами водорода.

Многофазную текучую среду, состоящую по существу из сырой нефти, природного газа и соленой воды, добывают из нефтяных источников. Так называемые замерные сепараторы отводят часть добытой текучей среды, разделяют отдельные фазы текучей среды и определяют доли отдельных фаз в текучей среде. Замерные сепараторы затратоемки, не могут быть установлены под водой и не обеспечивают измерений в режиме реального времени. Прежде всего, замерные сепараторы не в состоянии достоверно замерять доли сырой нефти менее 5%. Поскольку доля сырой нефти любого источника постоянно снижается, а доля сырой нефти у множества источников уже менее 5%, то в настоящее время рентабельная эксплуатация таких источников невозможна.

Как сырая нефть и природный газ, так и соленая вода содержат ядра водорода, для которых, как уже было сказано, гиромагнитное отношение γ является максимальным. Поэтому ядерно-магнитные расходомеры особо пригодны для эксплуатации на нефтяных источниках, а также на источнике под водой непосредственно на дне моря, однако не ограничиваются таким применением. Другие применения открываются, например, в нефтехимической или химической промышленности. Отвод части текучей среды не требуется, вернее, вся текучая среда измеряется в режиме реального времени. По сравнению с замерными сепараторами ядерно-магнитные расходомеры дешевле и проще в техническом обслуживании и могут, прежде всего, достоверно измерять в текучей среде также доли сырой нефти менее 5%, вследствие чего теперь становится возможной дальнейшая эксплуатация множества нефтяных источников.

Из выложенного описания изобретения US 2008/0174309 известно магнетизирующее устройство из образующего постоянный магнит в форме полого цилиндра пакета дисковидных магнитов, причем магнитное поле внутри цилиндрической полости магнетизирующего устройства является однородным, пакет состоит из нескольких дисковидных магнитов и дисковидные магниты закреплены винтами из немагнитного материала. К каждому из дисковидных магнитов принадлежит нескольких магнитных конструктивных узлов, причем каждый магнитный конструктивный узел состоит из прямоугольного стержневого магнита, магнитные конструктивные узлы установлены между соответственно двумя пластинами из немагнитного материала в выполненных в виде выемок с геометрическим замыканием магнитных креплениях, и закреплены винтами из немагнитного материала.

Поскольку для индуцированных в датчике вследствие прецессии содержащихся в текучей среде атомов водорода высоких напряжений требуется сильное магнитное поле, применяются соответственно мощные магнитные конструктивные узлы. Из-за нескольких вплотную размещенных между собой в каждом из дисковидных магнитов магнитных конструктивных узлов вследствие взаимодействия магнитных полей отдельных магнитных конструктивных узлов происходят значительные силовые воздействия между магнитными конструктивного узлами. Такие силовые воздействия существенно затрудняют монтаж отдельных магнитных конструктивных узлов и из-за неблагоприятного соприкосновения магнитных конструктивных узлов с магнитными креплениями при названных силовых воздействиях зачастую происходит растрескивание магнитного материала, поскольку он хрупок. Вследствие растрескивания магнитного материала магнитное поле магнитного конструктивного узла изменяется и тем самым отрицательно влияет на однородность результирующего магнитного поля в полости магнетизирующего устройства. Поскольку индуцированное в датчике вследствие прецессии атомных ядер напряжение зависит от ларморовской частоты, а та - от напряженности магнитного поля, растрескивание магнитного материала влечет за собой ухудшение качества измерений.

Из публикации US 4758813 известен магнитный конструктивный узел для ядерно-магнитного расходомера со структурой, содержащей в качестве компонента по меньшей мере один постоянный магнит. Структура реализована с оболочкой для защиты постоянных магнитов от растрескивания магнитного материала вследствие механических нагрузок, прежде всего при монтаже магнитного конструктивного узла в магнитные крепления расходомера, и/или для упрощенного монтажа постоянных магнитов в магнитные крепления за счет уменьшения трения между магнитным конструктивным узлом и магнитными креплениями, и/или для воздействия на создаваемое постоянными магнитами магнитное поле.

Задачей изобретения является создание магнитного конструктивного узла, монтаж которого в магнитных креплениях магнетизирующего устройства расходомера является более простым и, прежде всего, предотвращает растрескивание магнитного материала постоянных магнитов.

Предлагаемый в изобретении магнитный конструктивный узел, в котором решена описанная выше задача, прежде всего и по существу отличается тем, что оболочка состоит по меньшей мере из одной полосы, расположенной по меньшей мере на одной из внешних поверхностей структуры. Прежде всего, при имеющей форму стержня структуре компонентов полосы могут быть расположены вдоль продольной оси стержня, вследствие чего затраты на монтаж оболочки сводятся к минимуму. Внешние поверхности структуры образуются из расположения компонентов. Полосы могут представлять собой, например, полимерную пленку, металлическую фольгу или металлический лист, то есть более толстую металлическую фольгу. Предпочтительно использование полос листовой латуни. В то время как полимерная пленка может обеспечить только защиту от растрескивания магнитного материала и простоту монтажа магнитного конструктивного узла в магнитном креплении, металлическая фольга или же металлический лист вследствие магнитной проводимости выбранного материала обеспечивают также воздействие на результирующее магнитное поле.

Оболочку содержащего по меньшей мере один постоянный магнит магнитного конструктивного узла следует предусмотреть по меньшей мере в местах соприкосновения между постоянными магнитами и магнитным креплением. При этом материал оболочки следует выбирать с учетом того, чтобы предотвратить растрескивание магнитного материала при соприкосновении магнитного конструктивного узла с магнитным креплением и/или даже ранее - при манипуляции с магнитным конструктивным узлом. В качестве материалов для нее возможны, например, эластичные пластмассы, а также металлы с меньшей по сравнению с другими хрупкостью, прежде всего с меньшей хрупкостью, чем у магнитного материала.

Монтаж магнитного конструктивного узла согласно изобретению в магнитные крепления неожиданно оказался проще, чем монтаж известного из уровня техники магнитного конструктивного узла. Поэтому в дальнейших экспериментах оптимизировали пару скольжения между оболочкой и магнитными креплениями с целью наименьшего трения. В рамках экспериментов неожиданно оказалось, что на результирующее магнитное поле магнитного конструктивного узла согласно изобретению можно благоприятно воздействовать посредством магнитной проводимости материала оболочки постоянных магнитов. Например, оболочка в области полюсов постоянных магнитов из материала с высокой магнитной проводимостью может действовать как своего рода магнитная линза и формировать магнитное поле.

В предпочтительной форме выполнения магнитного конструктивного узла согласно изобретению структура, наряду по меньшей мере с одним постоянным магнитом в качестве компонента, включает в себя по меньшей мере одну проставку в качестве компонента. Зачастую все постоянные магниты имеют одинаковые пространственные размеры, вследствие чего снижаются затраты и упрощается конструкция магнитного конструктивного узла. Во многих случаях между постоянными магнитами размещают проставки, чтобы формировать результирующее магнитное поле. При этом формирование результирующего магнитного поля может происходить не только посредством придания проставкам геометрической формы, но и посредством выбора материала проставок с учетом магнитной проницаемости.

В другой предпочтительной форме выполнения магнитного конструктивного узла согласно изобретению по меньшей мере два из компонентов соприкасаются (компонентами являются постоянные магниты и проставки структуры). Предпочтительно, при этом соприкасающиеся участки поверхностей компонентов являются плоскими поверхностями. Прежде всего, соприкасающиеся плоские поверхности компонентов могут быть конгруэнтны и предпочтительно могут быть дополнительно точно совмещены. Выполненный таким образом магнитный конструктивный узел является монолитным и вследствие этого допускает высокую степень свободы при формировании результирующего магнитного поля. Соприкасающиеся участки поверхностей дополнительно могут быть соединены между собой, например, неразъемным соединением. За счет соединения структура жестко закрепляется и манипуляция с ней упрощается.

В особо предпочтительной форме выполнения магнитного конструктивного узла согласно изобретению несколько из компонентов, плоские и конгруэнтные поверхности которых соприкасаются, расположены таким образом, что получается имеющая форму стержня структура, а отдельные компоненты выполнены таким образом, что перпендикулярные к продольной оси стержня внешние профили поперечного сечения компонентов неизменны и одинаковы вдоль продольной оси стержня. Прежде всего, внешний относительно продольной оси стрежня профиль поперечного сечения имеющей форму стержня структуры может быть неосесимметричным относительно продольной оси стрежня и, предпочтительно, прямоугольным. Неосесимметричный профиль поперечного сечения обеспечивает структуру с геометрическим замыканием имеющего форму стержня магнитного конструктивного узла в магнитных креплениях магнетизирующего устройства таким образом, что поворот магнитного конструктивного узла вокруг продольной оси магнитного конструктивного узла невозможен. Возможность поворота магнитного конструктивного узла нарушала бы однородность магнитного поля в полости магнетизирующего устройства.

В еще одной особо предпочтительной форме выполнения магнитного конструктивного узла согласно изобретению компоненты скреплены друг с другом посредством расположенных с геометрическим замыканием полос. Возможность соединять компоненты между собой с достаточной механической прочностью посредством служащих в качестве оболочки полос проявилась неожиданно во время исследования по воздействию материала полос на результирующее магнитное поле.

Тем самым полосы наряду с функциями защиты от растрескивания магнитного материала и уменьшения трения при монтаже магнитного конструктивного узла в одном из магнитных креплений принимают на себя третью функциональную возможность. За счет возможности с помощью полос простым образом механически соединять между собой несколько компонентов теперь стало возможно простым способом изготовлять постоянные магниты и проставки структуры и одной технологической операцией устанавливать магнитный конструктивный узел в одно из магнитных креплений. Тем самым производственная себестоимость магнетизирующего устройства существенно снижена. Альтернативно или дополнительно, по меньшей мере одна из полос может быть соединена по меньшей мере с одним из компонентов предпочтительно посредством неразъемного соединения.

В другой предпочтительной форме выполнения магнитного конструктивного узла согласно изобретению оболочка представляет собой трубку, в которую помещают имеющую форму стержня структуру. В свою очередь, трубка размещена в одном из магнитных креплений и, прежде всего, может быть размещена в магнитном креплении с возможностью вращения и зафиксирована от вращательных движений. Обычно трубка изготовлена из немагнитного материала, чтобы избежать дальнейшего воздействия на магнитное поле. Вследствие возможности вращения трубки в магнитном креплении можно воздействовать на результирующее магнитное поле в полости цилиндрического постоянного магнита. Предпочтительно, перпендикулярный к продольной оси трубки внутренний профиль поперечного сечения согласован с перпендикулярным к продольной оси стрежня внешним профилем поперечного сечения, так что вращение относительно трубки, расположенной в трубке структуры вокруг продольной оси трубки, исключено. Если магниты в трубке и/или трубка в магнитном креплении установлены с зазором, то однородность магнитного поля внутри цилиндрического постоянного магнита нарушается.

Прежде всего, существуют различные возможности выполнения и усовершенствования магнитного конструктивного узла согласно изобретению. Для этого дается ссылка на следующие за п. 1 пункты формулы изобретения и на описание предпочтительных примеров выполнения в сочетании с чертежом. На чертежах примера выполнения магнитного конструктивного узла согласно изобретению показано:

фиг. 1 - предпочтительная форма выполнения магнитного конструктивного узла согласно изобретению в разобранном виде,

фиг. 2 - магнитный конструктивный узел согласно фиг.1 с еще незагнутыми язычками и

фиг. 3 - магнитный конструктивный узел согласно фиг.1, теперь с загнутыми язычками.

Магнитный конструктивный узел 1 состоит, как особо хорошо видно на изображении в разобранном виде на фиг. 1, из десяти постоянных магнитов 2, которые образуют структуру 3, и из четырех образующих оболочку 4 продолговатых полос листовой латуни. Все постоянные магниты 2 выполнены в форме прямоугольного параллелепипеда и расположены таким образом, что соприкасающиеся плоские поверхности постоянных магнитов 2 конгруэнтны и точно совмещены, так что получается имеющая форму стержня структура 3. Следовательно, перпендикулярный продольной оси внешний профиль поперечного сечения имеющей форму стержня структуры 3 является прямоугольным и постоянным вдоль продольной оси стержня. Соприкасающиеся поверхности постоянных магнитов 2 прилегают друг к другу, однако не соединены неразъемным соединением.

На фиг. 2 показана структура из образующих оболочку 4 полос листовой латуни 5 на четырех свободных поверхностях имеющей форму стержня структуры 3 вдоль продольной оси стержня. Полосы 5 листовой латуни прилегают к поверхностям с геометрическим замыканием, но не соединены с ними. Выбор латуни в качестве материала для полос не влияет на результирующее магнитное поле. Полосы 5 листовой латуни длиннее, чем имеющая форму стержня структура 3, и выступающие за пределы имеющей форму стержня структуры 3 треугольные концы полос 5 листовой латуни образуют язычки 6.

На фиг. 3 показан магнитный конструктивный узел 1 в готовом для монтажа состоянии с загнутыми язычками 6. За счет загибания с геометрическим замыканием язычков 6 с торцов постоянных магнитов 2 на концах имеющей форму стержня структуры 3 постоянные магниты 2 имеющей форму стержня структуры 3 механически закреплены между собой. Длины полос 5 листовой латуни и форма концов полос 5 листовой латуни выбраны таким образом, что загнутые язычки 6 не касаются друг друга. Из-за полос 5 листовой латуни площадь поперечного сечения магнитного конструктивного узла 1 остается неосесимметричной, так что предотвращается вращение магнитного конструктивного узла 1 в магнитных креплениях магнетизирующего устройства вокруг продольной оси магнитного конструктивного узла 1.

Служащие в качестве оболочки 4 полосы 5 листовой латуни выполняют три задачи. Во-первых, они защищают хрупкий материал постоянных магнитов 2 от растрескивания вследствие механических нагрузок как при обычных манипуляциях, так и при монтаже в магнитные крепления. Во-вторых, они упрощают монтаж, потому что, с одной стороны, трение между полосами 5 листовой латуни и магнитными креплениями меньше, чем трение между магнитным материалом и магнитными креплениями, а с другой стороны, за одну операцию можно установить десять постоянных магнитов 2 вместо одного. В-третьих, полосы 5 листовой латуни простым и дешевым способом закрепляют постоянные магниты 2 имеющей форму стержня структуры 3.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в ядерно-магнитных расходомерах. Технический результат состоит в упрощении и повышении надежности. Магнитный конструктивный узел для ядерно-магнитного расходомера содержит в качестве компонента по меньшей мере один постоянный магнит (2). Монтаж магнитного конструктивного узла в магнитных креплениях магнетизирующего устройства расходомера является более простым и, прежде всего, предотвращает растрескивание магнитного материала постоянных магнитов за счет структуры (3) с оболочкой (4) для защиты постоянных магнитов (2) от растрескивания магнитного материала вследствие механических нагрузок при монтаже магнитного конструктивного узла (1) в магнитные крепления расходомера, и/или для упрощенного монтажа постоянных магнитов (2) в магнитные крепления за счет уменьшения трения между магнитным конструктивным узлом (1) и магнитными креплениями и/или для воздействия на созданное постоянными магнитами (2) магнитное поле. 15 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Магнитный конструктивный узел для ядерно-магнитного расходомера со структурой, содержащей в качестве компонента по меньшей мере один постоянный магнит, причем структура (3) реализована с оболочкой (4) для защиты постоянных магнитов (2) от растрескивания магнитного материала вследствие механических нагрузок, прежде всего при монтаже магнитного конструктивного узла (1) в магнитные крепления расходомера, и/или для упрощенного монтажа постоянных магнитов (2) в магнитные крепления за счет уменьшения трения между магнитным конструктивным узлом (1) и магнитными креплениями, и/или для воздействия на создаваемое постоянными магнитами (2) магнитное поле, отличающийся тем, что оболочка состоит по меньшей мере из одной полосы, расположенной по меньшей мере на одной из внешних поверхностей структуры (3), предпочтительно полосы (5) листовой латуни.

2. Магнитный конструктивный узел по п. 1, отличающийся тем, что к структуре (3) в качестве компонента относится по меньшей мере одна проставка.

3. Магнитный конструктивный узел по п. 1, отличающийся тем, что по меньшей мере два компонента соприкасаются между собой.

4. Магнитный конструктивный узел по п. 3, отличающийся тем, что соприкасающиеся участки поверхностей компонентов являются плоскими поверхностями.

5. Магнитный конструктивный узел по п. 4, отличающийся тем, что соприкасающиеся плоские поверхности компонентов конгруэнтны и, предпочтительно, расположены с точным совмещением.

6. Магнитный конструктивный узел по п. 5, отличающийся тем, что несколько из компонентов расположены таким образом, что возникает имеющая форму стержня структура (3) и что отдельные компоненты выполнены таким образом, что перпендикулярные к продольной оси стержня внешние профили поперечного сечения компонентов неизменны и одинаковы вдоль продольной оси стержня.

7. Магнитный конструктивный узел по п. 6, отличающийся тем, что внешний относительно продольной оси стрежня профиль поперечного сечения имеющей форму стержня структуры (3) является неосесимметричным относительно продольной оси стержня и, предпочтительно, прямоугольным.

8. Магнитный конструктивный узел по п. 1, отличающийся тем, что полосы расположены вдоль продольной оси стержня.

9. Магнитный конструктивный узел по п. 1, отличающийся тем, что компоненты скреплены друг с другом посредством полос.

10. Магнитный конструктивный узел по п. 1, отличающийся тем, что по меньшей мере одна из полос соединена, предпочтительно, посредством неразъемного соединения по меньшей мере с одним из компонентов.

11. Магнитный конструктивный узел по п. 8 или 9, отличающийся тем, что по меньшей мере одна из полос соединена, предпочтительно, посредством неразъемного соединения по меньшей мере с одним из компонентов.

12. Магнитный конструктивный узел по п. 6 или 7, отличающийся тем, что оболочка (4) представляет собой трубку, прежде всего установленную в магнитном креплении с возможностью вращения и зафиксированную от вращательных движений трубку.

13. Магнитный конструктивный узел по п. 7, отличающийся тем, что перпендикулярный к продольной оси трубки внутренний профиль поперечного сечения таким образом согласован с перпендикулярным к продольной оси стрежня внешним профилем поперечного сечения, что вращение относительно оболочки (4) расположенной в оболочке (4) структуры (3) вокруг продольной оси трубки исключено.

14. Магнитный конструктивный узел по п. 12, отличающийся тем, что перпендикулярный к продольной оси трубки внутренний профиль поперечного сечения таким образом согласован с перпендикулярным к продольной оси стрежня внешним профилем поперечного сечения, что вращение относительно оболочки (4) расположенной в оболочке (4) структуры (3) вокруг продольной оси трубки исключено.

15. Магнитный конструктивный узел по одному из пп. 1-7, отличающийся тем, что по меньшей мере два из компонентов соединены между собой, прежде всего соединены между собой посредством неразъемного соединения.

16. Магнитный конструктивный узел по одному из пп. 1-7, отличающийся тем, что постоянные магниты (2) имеют одинаковые пространственные размеры.