Расходомеры, основанные на явлении ядерного магнитного резонанса (ЯРМ)

Ядерно-магнитные расходомеры основаны на зависимости ядерно-магнитного резонанса расхода потока. В свою очередь ядерно-магнитный резонанс –это резонансное поглощение электромагнитной энергии веществом содержащим ядра с нулевым спином во внешнем магнитном поле, обусловленное переориентацией магнитных моментов ядер. Ядро, помещенное в магнитное поле с индукцией В, благодаря взаимодействию поля с магнитным моментом и спином ядра будет двигаться вокруг вектора В с угловой частотой ω, называемой ларморовой. При отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты ядер ориентированы в различных направлениях. При наложении магнитного поля с индукцией В происходит ориентация магнитных моментов ядер вдоль оси поля В и распределение ядер по различным энергетическим уровням. Чем ниже последний, тем больше ядер располагается на нем. Избыток числа ядер в нижнем уровне по сравнению с соседним верхним определяет значениенамагниченного вещества.Преобразователи расходаКак правило преобразователь ядерно-магнитных расходомеров включает в себя поляризатор, создающий постоянное магнитное поле с индукцией В, и «резонатор», в котором под воздействием переменного поля осуществляется ядерно-магнитный резонанс (ЯМР). Но ввиду трудности точного измерения амплитуды сигнала резонатора в большинстве случаев между поляризатором и «резонатором» помещается катушка нутации, назначение которой воздействовать на вектор намагниченности ядер, выходящих из поляризатора. В этом случае, измеряется не значение сигнала ЯМР, а какая-либо другая величина, связанная с ним, например сила тока в катушке нутации или время перемещения вещества от нее до катушки, воспринимающей сигнал ЯМР.Поляризатор состоит из магнита, обеспечивающего постоянство и достаточно высокое значение вектора намагниченности жидкости. «Резонатор» включает в себя постоянный магнит, одну или две катушки модуляции и одну или две катушки, возбуждающие и воспринимающие сигнал ЯМР. Магнит резонатора образует постоянное магнитное поле с индукцией В. Катушки модуляции, располагаемые с обеих сторон трубопровода, питаются от генератора низкой частоты. С этой частотой они изменяют индукцию поля В, а следовательно, и его резонансную частоту. Это делается для того, чтобы облегчить выделение сигнала ЯМР из шумов и наводок с помощью резонансного усилителя, настроенного на частоту. Для получения в приемной катушке сигнала ЯМР, который пропорционален проекции намагниченности на направление, перпендикулярное к полю В, надо воздействовать на жидкость переменным полем с резонансной частотой, направленным перпендикулярно кВ.В случае применения двух отдельных катушек одна из них, окружающая трубу, — воспринимающая, а другая, ось которой перпендикулярна как к оси первой, так и к направлению поля В, — возбуждающая. Последняя состоит из двух секций, размещенных по обе стороны от трубы. Она присоединяется к высокочастотному генератору и создает резонансное поле частотой. Такой метод детектирования сигнала ЯМР называется методом скрещенных катушек, или методом Блоха. Приемная катушка присоединяется к усилителю. Ее длина в несколько раз меньше длины возбуждающей катушки, что способствует уменьшению влияния релаксации ядерной намагниченности жидкости при проходе через нее.Другой способ состоит в применении одной катушки, окружающей трубу, которая одновременно возбуждает резонансное поле и воспринимает сигнал ЯМР. Последний воспринимается на фоне напряжения, создаваемого высокочастотным генератором, подключенным к катушке и возбуждающим резонансное поле. В предыдущем же случае для двух отдельных катушек сигнал ЯМР наблюдается на фоне наводки от возбуждающей катушки. В том и другом случае для выделения сигнала из фона применяются фазочувствительные схемы.Разновидности ядерно-магнитных расходомеров

— амплитудные, частотные, нутационные и меточные, причем последние подразделяются на временные, амплитудно-частотные и фазово-частотные. Кроме того, имеются и некоторые другие промежуточные схемы приборов.

Амплитудные расходомеры – это расходомеры в которых измеряется непосредственно амплитуда резонансного сигнала, зависящая от расхода вещества. Амплитудные расходомеры наиболее простая и очевидная реализация идеи измерений расхода на основе явления ЯМР. Преобразователь расхода состоит из поляризатора, резонатора и участка трубы, по которому протекает жидкость. Резонатор включает в себя магнит, одну или две катушки модуляции, катушку, связанную с высокочастотным генератором, возбуждающим в ней переменное магнитное поле и катушку, воспринимающую сигнал ЯМР. Последняя катушка обычно наматывается на трубопровод и включается в контур, настроенный на резонансную частоту. Катушка же возбуждения делается седловидной. Ее ось нормальна индукции поля магнита резонатора и оси приемной катушки. Между катушками расположены гребнеобразные экраны. Все это способствует уменьшению наводки из возбуждающей в приемную катушку. Существует и более простая модификация преобразователя амплитудного расходомера, в которой обе эти катушки заменены одной, намотанной на трубопровод. Она возбуждает резонансное магнитное поле, и она же воспринимает сигнал ЯМР. Наконец, в самом простом случае резонатор состоит лишь из одной подобной катушки; магнит и модуляционные катушки отсутствуют. Достоинства амплитудных расходомеров — простота устройства и линейность шкалы прибора. Но погрешность измерения у них значительная (5-7 %), потому что амплитуда сигнала ЯМР зависит от многих причин, в том числе от времени релаксации температуры жидкости и ее состава, постоянства и однородности магнитного поля. Амплитудные расходомеры находят применение при лабораторных и медицинских исследованиях. Частотные расходомеры – это расходомер основанный на принципе измерения сдвига частоты, который в свою очередь пропорционален объемному расходу. При несимметричном расположении относительно плоскости, параллельной внешнему полю катушки, создающей переменное резонансное поле, и траектории движения жидкости ядерно-магнитный резонанс наблюдается при частоте, немного отличной от ларморовой частоты. Сдвиг частоты пропорционален объемному расходу. Они могли бы применяться для измерения расхода нефти и других веществ в полевых условиях, в трубах, расположенных вдали от любых источников местного возмущения магнитного поля земли. Преобразователи опытных образцов таких расходомеров состояли из кольцевого участка трубы, на котором наматывается катушка, расположенная в плоскости, перпендикулярной к земному полю. Через катушку пропускается ток, образующий поле. Оно создает ядерную намагниченность жидкости, направленную параллельно полю. После выключения тока вектор намагниченности прецессирует вокруг направления поля Земли и наводит в катушке ЭДС индукции. В каждом сечении кольцевого участка трубы начальная фаза прецессии различна, поэтому при приходе жидкости из соседнего сечения происходит дополнительное изменение фазы намагниченности относительно оси катушки. При испытании нескольких таких приборов их погрешность оказалась в пределах ±(1—6) %.Иногда частотными помимо вышеуказанных называют меточные и нутационные расходомеры, в которых выходной измеряемой величиной является частота. Подобные расходомеры правильно называть меточно-частотными и нутационно-частотными. Нутационные расходомеры – это расходомеры у которых между поляризатором и «резонатором» на трубе, по которой протекает жидкость, располагается особая катушка, называемая катушкой нутации. Ее назначение — отклонять вектор намагниченности ядер от направления магнитного поля, в котором она находится, на некоторый угол и тем менять проекцию ядерной намагниченности. Для этого катушка нутации питается переменным током, создающим магнитное поле с амплитудой индукции В. Угловая частота этого поля равна ларморовой, соответствующей тому магнитному полю, в котором находится катушка. При равномерном поле расход прямо пропорционален амплитуде индукции поля В, а значит и силе тока в катушке нутации.При неравномерном поле показания прибора будут зависеть от градиента индукции поля grad В, направленного параллельно скорости жидкости. Но существенным недостатком подобного расходомера является неравномерность шкалы.

Схема нутационного ядерно-магнитного расходомераПреобразователь расхода состоит из трубопровода 1, поляризатора 2, катушки нутации 3 и «резонатора», включающего в себя магнитную систему 4-6, катушки модуляции 7 и катушку приема сигнала ЯМР 8.Измерительная часть состоит из измерительно-магнитной индукции ЕП-2 и самопишущего электронного потенциометра КСП-4.Катушки модуляции питаются от генератора низкой частоты 14, а приемная катушка — от генератора высокой частоты 9. При изменении расхода в приемную катушку 8 поступает жидкость с положительной или отрицательной намагниченностью. Возникающий сигнал ЯМР проходит через усилитель высокой частоты 10, детектор 11, усилитель низкой частоты 12 и поступает в синхронный детектор 13. При этом на его выходе появляется напряжение, знак которого зависит от направления изменения расхода. Это напряжение в вибропреобразователе15 преобразуется в переменное напряжение с частотой 50 Гц, усиливается усилителем 16 и подается на реверсивный двигатель 17, который через редуктор соединен с потенциометром 19, регулирующим выходное напряжение генератора 18, подключенного к катушке нутации. Расход определяется по положению стрелки или пера потенциометра. Кроме того, его можно измерять по амплитуде напряжения генератора 18.Нутационные расходомеры имеют перед меточными преимущество благодаря более высокому отношению сигнала к шуму, что достигается не только возможностью близкого расположения поляризатора к резонатору, но и возможностью применения узкополосных схем детектирования. В меточном расходомере метки жидкости имеют широкий спектр частот, для пропускания которого требуется широкополосный канал. Перед амплитудным расходомером преимущество нутационного состоит в большей точности измерения и отсутствии зависимости показаний от времени релаксации. Нутационные расходомеры целесообразны в качестве промышленных приборов, прежде всего для измерения малых и микро-расходов. Меточные расходомеры – это расходомеры у которых на каком-либо участке пути от поляризатора до приемной катушки «резонатора» производится создание метки в потоке путем изменения вектора намагниченности ядер. Расход определяется по времени прохождения жидкостью пути от отметчика, создающего метку, до приемной катушки.Чаще всего отметчиком жидкости служит нутационная катушка, находящаяся между поляризатором и «резонатором». Через нее импульсами периодически пропускается переменный ток, создающий резонансное поле с индукцией В.На рис. изображена схема амплитудно-частотного меточного расходомера, разработанного для измерения расхода волы, ацетона и других жидкостей в диапазоне от 0,08 до 1,4 * 10~ м /с. Магнит поляризатора 1 из стали, полюсные наконечники из стали марки СтЗ. В зазоре размером 10x10x200 мм, расположена труба из немагнитной стали диаметром 10 мм. Полюсные наконечники 3 магнитной системы «резонатора» из железа.К этим наконечникам прикреплен каркас из фторопласта, на котором расположены катушки модуляции поля 4 и приемно-возбуждающая резонансное поле катушка 5. Между поляризатором и «резонатором» расположена катушка отметчика 2, питаемая резонансной частотой от генератора 9 через электронный ключ 8. Когда последний включен, жидкость из катушки отметчика 2 выходит деполяризованной. Пройдя за время t расстояние между катушками 2 и 5, она прекращает в катушке 5 действие ЯМР и сигнал последнего пропадает. На выходе схемы выделения 6 возникает отрицательный перепад напряжения, отключающий через ключ 8 генератор 9 от катушки отметчика 2. Через время поляризованная жидкость достигает катушки 5 и впоследней возникает сигнал ЯМР, образующий на выходе схемы выделения положительный перепад напряжения, который вновь подключает генератор к катушке отметчика. Средняя квадратическая погрешность измерения расхода 1%.

Схема амплитудно-частотного меточного ядерно-магнитного расходомера