способ измерения расхода жидкости

Формула изобретения

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=t ₀, при котором амплитуда сигнала ЯМР принимает определенное значение, вычисление расхода, исходя из величины t ₀, 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.

Описание изобретения к патенту

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 T ₁ - 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/WT ₁ 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 l ₀=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=t ₀, при котором амплитуда сигнала ЯМР принимает определенное значение, вычисление расхода исходя из величины t ₀, 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 /2 импульса в катушке К и регистрации зависимости амплитуды сигнала ЯМР A₁ в этой катушке от времени t₁, отсчитываемого с момента возбуждения в ней /2 импульса. Затем при t₁ l/W возбуждается короткий размагничивающий /2 импульс в катушке N и регистрируется зависимость амплитуды сигнала ЯМР А₂ в катушке К от времени t ₂, отсчитываемого с момента возбуждения /2 импульса в катушке N. При t₂ l/W цикл повторяется.

Амплитуды сигналов A ₁ и А₂ пропорциональны средним ядерным намагниченностям в катушке К в моменты времени t ₁ и t₂.

Амплитуда A ₁ 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 /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 t ₁=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 А=0.

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

Подставив в (4) А 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 -импульсами резонансного переменного магнитного поля. В приемной катушке регистрировались сигналы свободной индукции (ССИ) после подачи /2-импульсов. Промежуток времени t₀ , при котором амплитуда сигнала A₁, увеличивающаяся после отметки жидкости в приемной катушке, и амплитуда А ₃, уменьшающаяся после отметки во вспомогательной катушке, проходили через равные значения (A₁(t ₀)=A₂(t₀)), определялся с помощью процессора. Исследование показало, что при изменении режима течения и времени релаксации T ₁ градуировочная характеристика не меняется.

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