Введение к работе
Актуальность темы . Явление ядерного магнитного резонанса
(ЯМР), открытое в !94б году нашло множество применений в науке
, технике и медицине. Среди них измерения магнитных полей, ЯМР
-спектроскопия, химический, анализ и.т,.д. . В работах Ж, Сурианл
'и А. И. Жериового был впервые предложен ЯМР - тектромеф 'с
движущимся образцом , который позволил развить новые технические
применения метода ЯМР : измерения расходов жидкостей и
измерения слабых и неоднородных магнитных полей и их вариаций .
Современные ; технологические г процессы в * ' ряде отраслей
промышленности и сфере услуг требуют точных измерений расхода
и количества вещества . Значительная их часть приходится на долю
измерения расхода жидкости в трубопроводах . Для этого необходимы
приборы , позволяющие измерять мгновенный (время измерений 1-3 с.)
расход с точностью не ниже 2% , , обладать небольшим'
энергопотреблением и массогабаритными характеристиками.
Расходомеры должны быть просты в эксплуатации , иметь
малое гидравлическое сопротивление и обладать высокой
.помехоустойчивостью.:........ , '.
Измерения основанные на механическом взаимодействии с потоком
имеют низкую точность и технические сложности , вызванные
большим гидравлическим сопротивлением . Это обуславливает
переход к расходомерам , в которых исключается непосредственный
контакт с измеряемой средой - тепловым , акустическим , оптическим
, ядерно-магнитным , электромагнитным . К одним из наиболее
перспективных методов контроля расхода жидкости относятся методы ,
основанные на явление ЯМР , которые позволяют с высокой точностью
н в широком диапазоне осуществлять контроль расхода
-протоносодержащих жидкостей,., в том числе и агрессивных .
Широкий" диапазон позволяет проводить измерения как малых, так
и больших расходов жидкости без разгерметизации
трубопровода .' Особенно это существенно в случае исследования процессов; кровообращения , микротечения в пористых материалах , где любое вмешательство' в трубопровод приводит к необратимым последствиям .
Таким образом , разработка ЯМР - методов бесконтактного измерения расходов представляет научный и практический интерес, так хак отвечает современной тенденции внедрения бесконтактных технологий контроля.
В то же время , несмотря на довольно большой опыт , накопленный в теории и практике ЯМР-расходомеров с текущей жидкостью, многие потенциальные возможности этих устройств изучены
- .3 -
совершенно недостаточно , например при внедрении подобных систем
в малогабаритные измерительные комплексы , где необходим
одновременный контроль расхода "шдкой среды во многих,патрубках
. Относительная громоздкость (из-за наличия системы магнитов ) и
вес конструкций , а также ухудшение чувствительности к изменению
'расхода схемы ЯМР- расходомера при миниатюризации конструкции
системы магнитов ( точность измерений, снижается ) ' делает
достаточно проблематичным внедрение систем на ядерном
магнитном резонансе в миниатюрные измерительные схемы ,' что обуславливает необходимость исследований в этом направлении. К этому числу относится настоящая , диссертационная работа , посвященная исследованию эффекта ядерного магнитного резонанса в модифицированной схеме ЯМР расходомера с проточным датчиком , конструктивное выполнение которого в части измерительного участка трубопровода принципиально отличается от существующих аналогов тем , что содержит два , либо более трубопровода , расход жидкости в" которых одновременно может контролироваться одним анализирующим устройством . Настоящее исследование направлено на дальнейшее усовершенствование метода ЯМР с целью повышения чувствительности магнитных вариометров и точности измерителей расходов протоносодержащих жидкостей.
Целью работы являлось создание и исследование квантовых датчиков для измерения физических величин на основе явления ЯМР в текущей жидкости , а также аналитическое- и экспериментальное исследование воздействия переменного магнитного поля на эффект инверсии намагниченности ядерных моментов в проточном образце..
Научная новизна работы состоит в следующем:
-
Предложена и реализована схема ЯМР расходомера, дифференциального типа для измерения расхода жидкости в двух различных пагрубках , соединенных в один трубопровод в зоне размещения единого анализирующего устройства.
-
Предложенная методика расчета и реализованная схема ЯМР расходомера дифференциального типа * позволила теоретически и экспериментально исследовать сигнал магнитного резонанса в условиях модуляции внешнего постоянного магнитного поля в зоне расположения'датчиков нутации и разработать рекомендации по их применению в ЯМР - расходомерах .
-
Исследовано поведение сигнала ЯМР в случае многотрубного варианта ( 3 - ёх , 4 - ёх и более измерительных патрубков ) , ускшовлена закономерность поведения зависимости чувствительности
схемы расходомера к изменению скоростей протекания от числа патрубков.
Практическая ценность работы заключается в том , что : Разработанная схема ЯМР расходомера дифференциального типа обеспечивает возможность бесконтактного измерения и исследования потоков жидкостей одним анализирующим блоком , что позволяет существенно упростить конструкцию .за счет уменьшения габаритов, веса и потребляемой мощности. Разработанные электронные узлы для данной схемы .ЯМР расходомера , позволяют в несколько раз увеличить отношение сигнал / шум пс сравнению' с известными устройствами , а также очень ослабить влияние погрешностей дискриминации на результаты измерений расхода жидкости. Использование модуляции внешнего постоянного магнитного поля в зоне действия датчика нутации позволило на порядок увеличить чувствительность схемы к изменению расхода , тем самым снизить уровень погрешностей измерения расхода жидкости . Результаты работы могут найти применение в процессе разработки расходомеров для топливной, медицинской, химической » других отраслей промышленности.
Основные положения выносимые на защиту:
1. В условиях модуляции иеоднорйдного магнитного поля' в зоне
размещения датчика нутации ЯМР расходомера с текущим образцом
линия нутации приобретает форму гребенчатой структуры с
повышенной крутизной изменения амплитуды сигнала в анализаторе
от расстройки частоты генератора нутации в окрестности
резонансного значения , либо от изменения расхода текущего
образца .
-
В конструкции ЯМР расходомера с проточным образцом с двумя . либо несколькими соединительными патрубками между блоками анализатора иг поляризатора с независимыми датчиками нутации , величина и знак сигнала ЯМР в анализаторе определяется суперпозицией вкладов компонент чамагниченности на выходе датчиков нутации , зависящих от длительности и момента взаимодействия ядерной намагниченности образца с резонансным полем генераторов нутации
-
Вне зависимости от условий модуляции постоянного магнитного поля в зоне размещения датчика нутации ЯМР расходомера с текущим образцом , а также" типа его конструкции максимум приращения сигнала ЯМР в анализаторе гіо отношению к изменению
-J> —
расхода текущего образца достигается при .« длительности И11ШМОДСЙСІВИ» радионоля нутации с образцом , соответствующего условию 180 инверсии намагниченности методом быстрого адиабатического прохождения через резонанс.
4. Увеличение числа измерительных патрубков в ЯМР рнсходомерах дифференциального типа с проточным образцом при постоянном общем расходе сопровождается уменьшением динамического диапазона измерения скоростей жидкости в этих патрубках одним анализирующим устройством .
Апробация результатов работы . Основные результаты
диссертационной работы докладывались на :
-
Научно-технической конференции 1J Методы и приборы спектроскопии " ( г. Калининград , 1993 г.) '
-
Российской научно - технической конференции " Иновационные наукоемкие технологии для России " (г. С-Петербург, 1995 г.) '
-
1 - Всероссийском молодежном научном форуме ". Интеллектуальный потенциал России в XXI-век"
'( г. С-Петербург , 1995 г.)
4. Международном научном конгрессе студентов , аспирантов и
.молодых ученых " Молодежь и наука - третье тысячелетие "
( г. Москва ,' 1996 г.)
5. XIV российской научно - технической конференции
" Неразрушающий контроль и диагностика " (г. Москва , ,1996г.)
6. 5-ой московской международной конференции "Нефть и газ-96"
(і. Москва, 1996 г.),
7. Internationa! Scientifical Forum " The Youth Ecology Forum 'of the
Baltic Region Countries - Ecobaltica - XXI century " ( St. Petersburg ,
. 19% )
8. Всероссийской научно - технической конференции сгудентов ,
молодых, ученых и специалистов " Биотехнические , медицинские и
іколоїическис системы-и комплексы " (г.'Рязань, 1996г. )
9. Научно - технической конференции " Фундаментальные
исследования в технических университетах " (г; С - Петербург , 1997 г.)
Публикации : По теме - диссертации опубликовано 14 научных .работ , список которых приведен в конце автореферата.
(і рук сура и обьём диссертации: Диссертация состоит из введения , четырех глав , заключения ,' списка цитируемой лшературы и. приложений. Она содержит 146 страниц машинописного текста, 55 рисунков, 43 таблицы. Список цитируемой литературы содержит 119 наименований, і
- Є —
