Оптико-физические измерения
Рис. 3. Вычисление сигнала нечеткого процессора
мосферного аэрозоля, показан вариант реализации нечеткой калибровки солнечного фотометра.
Л и т е р а т у р а
1. Гущин Г. П., Новоселова Н. Н. Суммарный озон в атмосфере. Л.: Гидрометеоиздат, 1983.
2. Asadov H. H., Chobanzadeh I. G. New method for calibration of Sun Photometers // Chinese Opt. Lett. 2009. V. 7. N. 9. P. 760—763.
3. Backman J., Rizzo L. V., Hakala J., Nieminen T., Manninen H. E., Morais F., Aalto P. P., Siivola E., Carbone S., Hillamo R., Artaxo P., Virkkula A., Petaja T., Kulmala M. On the diurnal cycle of urban aerosols, black carbon and the occurrence of new particle formation events in springtime Sao Paulo, Brazil // Atmos. Chem. Phys. 2012. N. 12. P. 11733—11751.
4. Panchenko M. V., Sakerin S. M., Kabanov D. M., Terpugo-va S. A. Diurnal behavior of aerosol and water vapor in summer // Ninth ARM Sci. Te am Meeting Proc. San Antonio, Texas, March 22—26, 1999.
5. Baxla S. P., Roy A. A., Gupta T., Tripathi S. N., Bandyopad-hayaya R. Analysis of diurnal and seasonal variation of submicron outdoor aerosol mass and size distribution in Northern Indian City and its correlation to black carbon // Aerosol Air Quality Res. 2009. N. 9 (4). P. 458—469.
Дата принятия 02.10.2014 г.
МЕХАНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ
53.082.2
Малогабаритный меточный ядерно-магнитный расходомер для измерения быстроменяющихся
расходов жидкости
B. В. ДАВЫДОВ, В. И. ДУДКИН, А. Ю. КАРСЕЕВ
С.-Петербургский государственный политехнический университет,
C.-Петербург, Россия, e-mail: davydov_vadim66@mail.ru
Описан малогабаритный меточный ядерно-магнитный расходомер. Модернизированы основные элементы конструкции расходомера и схема регистрации сигнала ядерно-магнитного резонанса. Достигнута высокая точность измерения расхода жидкости при использовании эффекта параметрического резонанса и новой конструкции сосуда-анализатора. Разработана компактная схема для обработки полученной информации на базе микроконтроллера.
Ключевые слова: ядерно-магнитный резонанс, меточный ядерно-магнитный расходомер, линия нутации, отношение сигнал—шум.
The compact nuclear-magnetic label flowmeter is described. The basis elements of flowmeter construction and the NMR signal registration scheme have been modernized. Due to the new construction of vessel-analyzer and the use of parametric resonance effect a high accuracy of measurements of liquid flow in changing range is assured. A compact scheme of liquid flow information processing based on microcontroller has been developed.
Key words: nuclear magnetic resonance, nuclear-magnetic label flowmeter, nutation line, signal—noise ratio.
В настоящее время расходомеры широко применяют в различных областях науки, промышленности, энергетики и сфере услуг [1, 2]. В ряде случаев измерение расхода жидкости возможно только бесконтактными методами [3—6]. Среди бесконтактных измерителей расходомеры, принцип действия которых основан на явлении ядерного магнитного резонанса (ЯМР), — наиболее перспективные приборы [5—7], особенно при измерениях небольших расходов жидкостей, —
обладают незначительным гидравлическим сопротивлением, вносимым в тракт движения жидкости [6, 8, 9]. Полное отсутствие контакта с исследуемой средой делает их незаменимыми при длительном измерении расхода агрессивных жидкостей, например кислоты и щелочи, а также биологических растворов, где требуется соблюдение условий стерильности [5—11].
Из пяти типов ЯМР-расходомеров, известных авторам, меточные расходомеры применяют чаще, чем остальные, так как они просты в эксплуатации, работают в реальном масштабе времени, не нуждаются в предварительной градуировке и имеют погрешность измерений 0,3—0,5 % [5—11]. Перечисленные достоинства позволяют использовать эти приборы в устройствах для регулировки по топливной экономичности различных двигателей [6, 7], а также в схемах для поверки других расходомеров [9, 10].
Указанная выше точность измерений расхода в меточном ЯМР-рас-ходомере достигается вследствие высокой крутизны склона линии нутации [5, 9, 11], однако при быстром изменении расхода жидкой среды амплитуда и фаза регистрируемого ЯМР-сигнала могут измениться, что приведет к значительному увеличению погрешности измерений (до 5 %). При измерении малых расходов жидкости нужно учитывать данный
эффект. С этой целью разработана новая конструкция меточного ЯМР-расходомера.
Малогабаритный меточный ЯМР-расходомер. В статье рассмотрена новая конструкция малогабаритного меточного ЯМР-расходомера, разработанная на основе результатов предварительных исследований, которые позволили модернизировать его основные элементы: поляризатор, нутатор, анализатор, схему регистрации ЯМР-сигнала. При этом размер и масса прибора уменьшены, а диапазон измеряемых им расходов увеличен с сохранением точностных характеристик по сравнению с ранее изготовленными приборами данного типа.
Структурная схема малогабаритного меточного ЯМР-рас-ходомера представлена на рис. 1. Текущая жидкость по трубопроводу поступает в сосуд-поляризатор 1, расположенный в магнитной системе 2, создающей сильное неоднородное магнитное поле в зазоре между полюсными наконечниками. На выходе из сосуда-поляризатора жидкость имеет намагниченность Мп = %0Нп, вектор которой параллелен направлению напряженности поля магнита-поляризатора Нп (индукция Вп = 0,732 Тл). Далее текущая жидкость по соединительному участку трубопровода поступает в катушку нутации 4, где под действием резонансного переменного радио-
ниченности ядерных моментов Мп относительно направления напряженности постоянного магнитного поля Нп, т. е. жидкость получает «метку» [8, 9]. Изменение ориентации вектора Мп фиксируется катушкой регистрации ЯМР-сигнала 5, расположенной в поле напряженностью На магнита-анализатора 6 (с индукцией Ва = 0,352 Тл и неоднородностью магнитного поля 10-3) и подключенной к высокочастотному генератору слабых колебаний (автодину), входящему в состав схемы регистрации 9 [1, 6, 9, 11, 12].
Использование полюсов специальной формы в магните-поляризаторе 2 и магните-анализаторе 6 из неодима, а также разработанной авторами конструкции сосуда-поля-
Рис. 1. Структурная схема макета меточного ЯМР-расходомера: 1 — сосуд-поляризатор; 2 — магнит-поляризатор; 3, 4 — катушки модуляции и нутации, соответственно; 5 — катушка регистрации ЯМР-сигнала; 6 — магнит-анализатор; 7 — сосуд-анализатор; 8 — катушки модуляции поля магнита-анализатора; 9 — схема регистрации ЯМР-сигнала; 10 — схема индикации; 11 — схема обработки и преобразования ЯМР-сигнала; 12 — радиочастотный генератор; 13 — схема управления; 14, 15 — генераторы катушек модуляции и нутации,
соответственно; 16 — магнитный экран
ризатора 1 (см. рис. 1), помещенного в неоднородное поле магнита-поляризатора, позволило уменьшить размер магнитных систем поляризатора и анализатора более чем на порядок, а индукции магнитных полей, создаваемых ими, увеличить в 2,5 и 1,2 раза, соответственно, по сравнению с магнитными системами, описанными в [6, 7, 10].
Для проведения измерений в меточных ЯМР-расходоме-рах используют зависимость амплитуды ЯМР-сигнала, регистрируемого в анализаторе, от частоты радиополя в катушке нутации (линия нутации) [5—11]. В разработанной конструкции катушку нутации 4 помещают в однородное магнитное поле напряженностью Н0 с индукцией В0 = 0,038 Тл и однородностью 0,510-2, что позволяет полностью исключить влияние рассеянных магнитных полей поляризатора и анализатора на форму линии нутации, а также, как минимум на порядок, увеличить ее крутизну [13]. Кроме того, такое расположение катушки нутации позволяет в 2 раза уменьшить длину прямолинейного участка трубопровода между поляризатором и анализатором по сравнению с ранее разработанной конструкцией, что существенно уменьшает размер прибора.
Катушка нутации располагается на трубопроводе таким образом, чтобы создаваемое в ней поле напряженностью Н1 было перпендикулярно напряженности Н0 и направлено по течению жидкости. Такое взаимное расположение на-пряженностей Н0, Н1 позволяет использовать явление параметрического резонанса для увеличения точности измерений расхода жидкости [5, 9, 11]. Для этого поле напряженностью Н0 модулируется переменным магнитным полем напряженностью Нм, создаваемым катушкой модуляции 3 [9, 11]. В этом случае форма линии нутации напоминает линию магнитного резонанса, детектируемую в технике атом-но-молекулярных пучков, где для уменьшения градиента магнитного поля используют метод пространственного разделения зон взаимодействия атомного пучка с высокочастотным полем [11, 14].
Uc, отн. ед.
I I I I I I I
1578 1590 1602 1614
Рис. 2. Экспериментальные записи линий нутации при q = 10,5 мл/c, H1 = 15,11 А/м:
1 — при Hm = 0, fm = 0; 2 — при Hm = 20,15 А/м, fm = 7,0 кГц; 3 — при Hm = 25,54 А/м, fm = 2,8 кГц
На рис. 2 представлены экспериментальные записи линий нутации, полученные в условиях изменения частоты генератора 15 (см. рис. 1) при различных амплитудах и частотах поля модуляции. В качестве рабочей жидкости использовали водопроводную воду при температуре 9,5 °С. На основе методики, предложенной в [5, 8], и с учетом результатов [11, 13] удалось, подобрав параметры поля модуляции, уменьшить амплитуды линий-сателлитов до уровня шумов. Полученный результат позволил использовать в меточном ЯМР-расходомере новый диапазон измерений от Uc до 0, где Uc — амплитуда ЯМР-сигнала при H1 = 0, а значение 0 соответствует жидкости с инверсией намагниченности в сечении регистрации.
Ранее в меточных ЯМР-расходомерах для измерений расхода использовали инвертированный на 180°ЯМР-сиг-нал. При описании процесса измерений расхода жидкости q в ЯМР-расходомерах принято считать, что этот сигнал, в отличие от сигнала без инверсии намагниченности, обладает меткой (mark), а часть жидкости, от которой регистрируется этот сигнал, называют отмеченной. Амплитуда инвертированного на 180° сигнала пропорциональна книс, где кн — коэффициент нутации, зависящий от частоты и амплитуды поля напряженности Н1, а также от его неоднородности в зоне разме
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.