Импульсный ядерно-резонансный анализатор

 

О П И С А Н И Е ()868505

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик (61) Дополнительное к авт. саид-ву—

{22) Заявлено 03. 01. 80 (2I ) 2864044/18-25 с присоелинением заявки ров (23) Приоритет—

Опубликовано 30.09 ° 81 ° Бюллетень М36

Дата опубликования описания 01 ° 10. 81 (Sl)M. Кл.

G 01 N 24/О 8

Гаоударстоаниый комитет

СССР по делам изобретений н открытий (53) УДК 539.143, .43(088.8) (72) Авторы изобретения

Б. Е. Рыцар и П. M. Сопрунюк

ql

1

Физико-механический институт AH Украинской ССР,.

1 (71) Заявитель (54) ИМПУЛЬСНЫЙ ЯДЕРНО-РЕЗОНАНСНЫЙ АНАЛИЗАТОР

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам количественного анализа состава веществ, в частности измерения и анали*

s эа влажности, масличности и т.п. различных твердых водородсодержащнх материалов методом спинового эха ядерного магнитного резонанса (ЯМР).

Известны ЯМР -анализаторы состава веществ, основанные на стационар1Î ном и импульсном способе наблюдения сигналов SIMP 1j.

Недостатком таких устройств является отсутствие автоматической обработки информации о концентрации резо15 нирующих ядер, например протонов, в каждой фазе двухкомпонентной системы, что ограничивает их применение для многих практических задач.

Наиболее близким по технической сущности к йредлагаемому является импульсный ядерно-резонансный анализатор, реализованный в устройстве для определения концентрации протонов медленноспадающей составляющей двухфазной системы, содержащий датчик эхо-сигналов с ампулой для образца, находящийся в рабочем зазоре постоянного магнита, приемно-передающий канал, соединенный с датчиком эхо-сигналов и блоком программного управления, блок запоминания, арифметическое устройство и регистратор, соединенные друг с другом последовательно (2 1.

Однако с помощью этого устройства определение концентрации протонов второй быстроспадающей компоненты водородсодержащего материала возможно только при снятии экспериментальной кривой общей релаксации и последуюшем графоаналитическом расчете. Кроме того, при анализе водородсодержащего материала необходимо предварительное взвешивание пробы, поскольку результатом измерения является абсолютная величина концентрации протонов медленноспадающей компоненты, а не ее

868505

35

55 процентное содержание. Указанные обстоятельства приводят в результате к значительному усложнению и удлинению процесса анализа в двухфазных систем.

Цель изобретения — уменьшение трудоемкости и ускорение процесса количественного анализа состава веществ.

Поставленная цель достигается тем, что в импульсный ядерно-резонансный анализатор, содержащий датчик эхо-сигналов с ампулой для образца, нахожящийся в рабочем зазоре постоянного магнита, приемно-передающий канал, соединенный с датчиком эхо-сигналов и блоком программного управления, блок запоминания, арифметическое устройство и регистратор, соединенные друг с другом последовательно, дополни— тельно введены распределитель эхосигналов, переключатель каналов, автоматический экстраполятор, компаратор и блок вычитателей, причем выход приемно-передающего канала соединен с первым входом распределителя эхосигналов, первые два выхода которого подключены через блок вычитателей к первым двух входам переключателя каналов, а вторые два выхода — ко вторым двум входам переключателя каналов, при этом первый выход последнего подключен к первому входу компаратора, а второй выход — к первому входу автоматического экстраполятора, выход .которого подключен к первому входу блока запоминания, у которого первый и второй выходы подключены к третьему и четвертому входам блока вычитателей, кроме того, выход авто, матического экстраполятора подключен также ко второму входу компаратора, подключенного ко входу блока программного управления, второй выход кото"рого подключен к управляющему входу распределителя эхо-сигналов, третий выход — к управляющим входам переключателя каналов и арифметического устройства, четвертый выход — ко второму входу блока запоминания, а пятый — к первому и третьему управляющим входам, а шестой — ко второму входу автоматического экстраполятора.

Автоматический экстраполятор содержит соединенные последовательно перI алый элемент памяти, усилитель с управляемым коэффициентом усиления и второй элемент памяти, причем выход .последнего является выходом автома5

4 тического экстраполятора и подключен к первому входу первого элемента памяти, второй вход которого является первым входом автоматического экстраполятора, при этом управляющие входы первого элемента памяти являются вторым входом автоматического экстраполятора, второго элемента памятичетвертым входом автоматического экстраполятора, а управляющий вход усилителя с управляемым коэффициентом усиления является третьим входом автоматического экстраполятора.

На фиг. 1 приведена блок-схема предлагаемого импульсного ядерно-резонансного анализатора; на фиг. 2 эпюры напряжений на выходах блоков .

Импульсный ядерно †резонансн анализатор содержит датчик 1 эхо-сигналов, находящийся вместе с исследуемым образцом в рабочем зазоре постоянного магнита 2, приемно-передающий канал 3, распределитель 4 эхо-сигналов,, переключатель 5 каналов, автоматический экстраполятор б, первый элемент 7 памяти, усилитель 8 с управляемым коэффициентом усиления, второй элемент 9 памяти, компаратор 10, блок 11 программного управления, блок

12 вычитателей, блок 13 запоминания арифметическое устройство 14 и регистратор 15, а рабочие напряжения в точках 16-29 (фиг. 1) изображены на соответствующих эпюрах 16-29 (фиг. 2) .

Устройство работает следующим образом.

При возбуждении короткими и мощ— ными.радиоимпульсами многоимпульсной последовательности, например Карра-

Парселла-Мейбумма-Гилла, колебательного контура датчика 1 в катушке индуктивности последнего в моменты времени и2 Г/-3 (где ; — интервал времени между 90О-ным и первым 180 -ным о импульсами; п — порядковый номер эхосигнала). появляется последовательность эхо-сигналов, поступающих на вход приемно-передающего канала 3. Усиленные и продетектированные эхо-сигналы поступают на распределитель 4, который управляется импульсами "ворот" блока

11 программного управления таким образом, что первый и второй эхо-сигналы А и А на эпюре 16 (фиг.2) поступают соответственно на первый и второй канал распределителя 4, à (N -1) -вый и N-ный (А „и А ) сигналы — на третий и четвертый канал распределителя.

Моменты выделения амплитуд эхо-сигна868505 6

10 лов АН 4 и Акт принадлежащ х только медленноспадающей составляющей спин" спиновой релаксации, предварительно устанавливаются на блоке 11 програм- много управления (N-общее число эхосигналов). Распределитель 4 предназначен также для запоминания указанных амплитуд эхо-сигналов. Таким образом, на его выходах в точках 17-20 удерживаются уровни напряжений Цл, U, Оцли 0 ((эпюры 17-20, фиг. 2).

В момент окончания последнего импульса "ворот" в блоке ll программного управления вырабатывается стартимпульс, который запускает собственный генератор пилообразного напряжения (эпюра 2!1. При этом положение контактов переключателя 5 каналов такое, что выходы распределителя 4 через этот переключатель подключены соответственно к опорному входу компа.ратора 10 (UN 4) и ко входу первого элемента ? памяти автоматического экстраполятора 6 (0 1). До момента появления старт-импульса на сигнальном входе компаратора 10 прилагается напряжение Ug, поскольку коэффициент усиления усилителя 8 равен единице.

При появлении пилообразного напряжения на управляющем входе усилителя

8 (эпюра 21), напряжение на сигнальном входе компаратора 10 растет до тех пор, пока не становится равным

Ь1,1 4, В момент равенства 1.(=k 0 в блоке 1 1 . программного упр авления вырабатывается стоп-импульс, который запускает генератор тактовых импуль сов в блоке ll и останавливает работу генератора пилообразного напряжения, фиксируя тем самым требуемый., коэффициент усилителя 8 (эпюры 2)-22) Автоматический экстраполятор 6, управляемый импульсами блока 11 программного управления, вырабатывает ступенчато-нарастающее напряжение, представляющее собой функцию вида

exp(m В >/Т), где Го — период следования m,-тактовых. импульсов; Т вЂ” посI тоянная времени нарастания,определяемая коэффициентом К усилителя 8.

При этом элементы 7 и 9 памяти представляют собой известное устройство, состоящее из повторителя напряжения, параплельно входу которого включена емкость, а.последовательно — ключ, управляемый тактовыми импульсами блока 11. Каждый из указанных элементов памяти поочередно работает в режиме записи или запоминания, причем если первый элемент памяти находится в режиме записи, то в это время второй— в режиме запоминания. С приходом каждого тактового импульса режимы работы одного и другого элементов памяти меняются на противоположные. Таким образом, при фиксированном коэффициенте усиления К усилителя 8 каждый кз элементов памяти поочередно получает приращение напряжения, в К раз большее того напряжения, которое зафиксировано на его емкости в предыдущем периоде. При числе тактовых импульсов, равном N-1, полученный на выходе блока 13 запоминания (эпюра

26) уровень напряжения .0 „ равен величине начальной амплитуды А „, т.е. концентрации резонирующих ядер составляющей с большим временем спин-спиновой релаксации. В частности, при иэ20 мерении влажности величина U пропорциональна массе свободной воды в увлаж ненном твердом материале. В моменты появления (N-3), (N-2) и (N-1)-тактовых импульсов блок 11 программного уп25 равления вырабатывает строб-импульсы, которые управляют работой блока 13 запоминания так, что на его выходах в точках 24 и 25, подключенных к блоку

12 вычитателей (фиг.l и 2 ), появляются уровни напряжений соответственно U „и U, а на выходе подключенном к арифметическому устройству—

0 о„ (эпюра 26). При этом на выходах блока 12 вычитателей появляются уров3 ни напряжения 0л- Олл 0 и 0 - U<<=U, которые приложены к соответствующим входам переключателя 5 каналов. По окончании подачи тактовых импульсов блок 11 программного управления вы40 рабатывает второй старт-импульс (эпюра 21), а также строб-импульс (эпюра

27) для переключения каналов переключателя 5 и управления арифметическим устройством 14. Таким образом, 45 уровень напряжения U<< прилагается ко входу компаратора 10, а уровень

02,2 — ко входу автоматического экстраполятора 6. Второй старт-импульс сбрасывает напряжение на генераторе пилообразного напряжения блока ll до нуля, что соответствует значению коэффициента- К-1 усилителя 8, после чего опять, включается указанный генератор для увеличения коэффициента

К до момента равенства напряжений.

fl т.е. до срабатывания компаратора 10. В этот момент с выхода .блока программного управления 11 (эпюра 22), подключенного к автоматичес868505

,кому экстраполятору 6, появляется строб-импульс, изменяющий режим работы элементов 7 и 9 памяти таким образом, что на выходе автоматического экстраполятора 6 появляется уровень напряжения О, (эпюра 27), который затем удерживается на выходе блока !3 запоминания (эпюра 28 ). На эпюре 23 показано рабочее напряжение в точке

23 блок-схемы (фиг.1) .

Следовательно, на входы арифметического устройства 14 подаются два уровня напряжений О, и 0 .

В зависимости от поставленной задачи уровень на выходе арифметического устройства 14 пропорциональный, АО1 например, отношению при коАО1+ АОа тором, в частности для многих задач влагометрии, уже не требуется предварительное взвешивание исследуемой пробы, поскольку регистратор 15 может быть отградуирован в процентах влажности водородсодержащего материала или вообще в процентах концентрации резонирующих ядер исследуемого ве— щества.

Использование предлагаемого импульсного ядерно-резонансного анализатора по сравнению с известным обеспечивает расширение области использования как чисто научном плане при изучении двухфазных систем типа твердое теложидкость так и для решения целого ряда практических задач, отсутствие методической погрешности от дозирования исследуемого вещества, а также погрешности от влияния протонов твердого водородсодержащего материала,. повышение надежности и точности полученных результатов анализа вследствие наличия автоматического определения искомых параметров.

Формула изобретения

l. Импульсный ядерно-резонансный анализатор, содержащий датчик эхосигналов с ампулой для образца, находящийся в рабочем зазоре постоянного магнита, приемно-передающий канал, соединенный с датчиком эхо-сигналов и блоком программного управле . ния, блок запоминания, арифметическое устройство и регистратор, соединенные друг с другом последовательно, отличающийся тем, что, с целью уменьшения трудоемкости и ускорения процесса анализа состава веществ, в него дополнительно введены распределитель эхо-сигналов, переключатель каналов, автоматический экс5

55 траполя Top ком рс i up и блок Бычита телей, причем выход приемно-передающего канала соединен с первым входом распределителя эхо-сигналов, первые два выхода которого подключены через блок вычитателей к первым двум входам переключателя каналов, а вторые два выхода — ко вторым двум входам переключателя каналов, при этом первый выход последнего подключен к первому входу компаратора, а второй выход — к первому входу автоматического экстраполятора, выход которого под— ключен к первому входу блока запоминания, у которого первый и второй выходы подключены к третьему и четвертому входам блока вычитателей, кроме того, выход автоматического экстраполятора подключен также ко второму входу компаратора, подключенного ко входу блока программного управления, второй выход которого подключен к управляющему входу распре— делителя эхо-сигналов, третий выход к управляющим входам переключателя каналов и арифметического устройства, четвертый выход — ко второму входу блока запоминания, а пятый — к первому и третьему управляющим входам, а шестой — ко второму входу автоматического экстраполятора.

2. Анализатор по и. 1, о т л и ч а ю шийся тем, что автомати- ческий экстраполятор содержит соединенные последовательно первый эле— мент памяти, усилитель с управляемым коэффициентом усиления и второй элемент памяти, причем выход последнего является выходом автоматического экс— траполятора и подключен к первому входу первого элемента памяти, второй вход которого является первым входом автоматического экстраполятора, при этом управляющие входы первого элемента памяти являются вторым входом автоматического экстраполятора, второго элемента памяти — четвертым входом автоматического экстраполятора, а управляющий вход усилителя с управляемым коэффициентом усиления является третьим входом автоматического экстраполятора.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

I. Скрипко А. Л. Электронные устройства автоь этического контроля.

Фрунзе, ИЛИМ, 1977, с. 2-13.

2. Авторское свидетельство СССР

Ф 661323, кл. G 01 N 27/78, 1979 (прототип).

868505 !

Составитель В. Покатилов

Редактор Т.Мермелштайн Техред А.Ач Корректор М.Шароши

Заказ 8309/58 Тираж 910 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент". г. Ужгоооп. чл. Проектная.