АНАЛИЗАТОР НА ОСНОВЕ ЯДЕРНОГО МАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к анализаторам на основе ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Заявляемый анализатор на основе ЯМР предназначен для измерения характеристик изучаемых веществ и магнитных полей и обеспечивает возможность проведения быстрых и неразрушающих физико-химических исследований и оценки веществ.
Поскольку используемый в устройстве метод ядерного магнитного резонанса обеспечивает высокий уровень точности и воспроизводимости данных, такие устройства применяются в различных отраслях: здравоохранении, биотехнологии, химии, нефтехимии, пищевой промышленности и научных исследованиях.
В частности, областями применения заявляемых устройств являются:
- в технике: измерение магнитных полей и состава материалов;
- в легкой и пищевой промышленности: спектральный анализ пищевых продуктов и материалов бытового применения;
- в медицине и экологии: проведение медицинских и экологических анализов, например, неинвазивное определение содержания сахара в крови.
Известен анализатор на основе эффекта ядерного магнитного резонанса в составе спектрометра [1] включающий датчик ЯМР, генератор высокой частоты (ГВЧ), измеритель сигналов ЯМР и демодулятор, вход которого подключен к общей точке соединения выхода генератора высокой
частоты с входом датчика. При этом датчик ЯМР выполнен в виде высокочастотной катушки, генератор высокой частоты выполнен на основе резонансного LC-контура с использованием индуктивности катушки, для возникновения непрерывного сигнала ЯМР используется амплитудный модулятор магнитного поля синусоидальной формы, нагруженный на размещенную в магнитном поле катушку, для нахождения области резонанса используется генератор пилообразного напряжения, нагруженный на мощную катушку магнитной системы.
К недостаткам такого анализатора имитатора следует отнести:
- низкую точность измерений и параметров сигнала ЯМР, обусловленную невозможностью точного измерения частоты в процессе ее изменения;
- чрезмерную длительность проведения анализа в условиях изменяющихся параметров;
- конструктивную и эксплуатационную сложность прибора в связи с наличием большого количества катушек, размещенных в магнитном поле, и необходимости их точной юстировки.
Известен также анализатор на основе эффекта ядерного магнитного резонанса в составе устройства для измерения магнитного поля [2], включающий датчик ЯМР, генератор высокой частоты (ГВЧ), измеритель сигналов ЯМР с монитором результатов и демодулятор, вход которого подключен к общей точке соединения выхода генератора высокой частоты с входом датчика, а выход - к входу измерителя сигналов ЯМР. При этом, датчик ЯМР выполнен в виде высокочастотной катушки, а генератор высокой частоты выполнен на основе резонансного LC-контура с использованием индуктивности катушки, для возникновения непрерывного сигнала ЯМР и нахождения области резонанса используются
частотные модуляторы генератора высокой частоты синусоидальным и пилообразным напряжением.
К недостаткам такого анализатора имитатора следует отнести:
- низкую точность измерений и параметров сигнала ЯМР, обусловленную невозможностью точного измерения частоты в процессе ее изменения;
- большое время проведения анализа в условиях изменяющихся параметров сигналов;
- конструктивную и эксплуатационную сложность прибора в связи с наличием большого количества силовых модулей, требующих регулировки и взаимосогласования параметров.
Известно устройство для измерения магнитного поля на основе ЯМР, принятое за прототип [3]. В этом устройстве для повышения точности измерения параметров используется схема, включающая последовательно соединенные датчик ЯМР, автодин, индикатор сигналов ЯМР, фазовый детектор, частотомер, вход которого соединен с резонансным контуром автодина, модулятор частоты, выход которого соединен с автодином, схему И, один из входов которой соединен с выходом фазового детектора, второй вход - с входом «Запуск», управляющий триггер, один из установочных входов которого соединен с выходом схемы И, второй установочный вход соединен с выходом «Стоп» частотомера, линию задержки, вход которой соединен с выходом управляющего триггера, выход которого соединен с входом «Пуск» частотомера, управляющий ключ, вход которого соединен с выходом модулятора частоты, выход соединен с автодином, а управляющий вход соединен с выходом управляющего триггера., для прекращения работы модуляторов после выхода в область возникновения ЯМР.
К недостаткам этого устройства следует отнести:
-5
-6
- недостаточную точность измерений и параметров сигнала ЯМР, обусловленную конечным временем работы схемы запрещения работы модуляторов и требованиями высокого разрешения по измерению частоты (порядка 10... 10, %);
- сложность автоматизации процесса испытаний в связи с использованием в качестве генератора высокой частоты резонансных генераторов, типа «автодин», а следовательно, большое время проведения анализа;
- конструктивную и эксплуатационную сложность прибора в связи с наличием большого количества модулей, требующих регулировки и взаимосогласования параметров.
Задачей, предлагаемого технического решения является повышение точности измерений параметров сигнала ЯМР, существенное снижение времени проведения анализа и повышение эксплуатационных характеристик прибора.
Задача решается тем, что анализатор на основе ядерного магнитного резонанса (ЯМР), включающий датчик ЯМР, генератор высокой частоты, измеритель сигнала ЯМР с монитором результатов, демодулятор, вход которого подключен к общей точке соединения выхода генератора высокой частоты с входом датчика ЯМР, снабжен управляющим программным модулем, с первым, вторым, третьим и четвертым выходами, упомянутый генератор высокой частоты содержит формирователь кода пилообразной модуляции, формирователь кода синусоидальной модуляции, сумматор кодов, управляющий кодом синтезатора частоты и управляемый потенциометр, а измеритель сигнала ЯМР дополнен последовательно соединенными цифровым анализатором сигналов с первым и вторым входами и аналого-цифровым преобразователем, вход которого соединен с выходом демодулятора, а выход аналого-цифрового
преобразователя соединен с первым входом цифрового анализатора сигналов, выход которого подключен к входу монитора результатов, причем, первый выход управляющего программного модуля подключен к второму входу цифрового анализатора сигналов, ко второму и третьему выходам управляющего программного модуля подключены, соответственно, входы формирователя кода пилообразной модуляции и формирователя кода синусоидальной модуляции, которые установлены в генераторе высокой частоты параллельно и подключены выходами, соответственно, к первому и второму входам сумматора кодов, выход которого соединен с входом синтезатора частоты, выход которого через управляемый потенциометр соединен с входом датчика ЯМР, при этом управляющий вход управляемого потенциометра подключен к четвертому выходу управляющего программного модуля.
Сущность заявляемого устройства поясняется следующими чертежами:
фиг.1 - блок-схема анализатора на основе ядерного магнитного резонанса;
фиг.2 - структурная схема анализатора на основе ядерного резонанса;
фиг.3 - сигнал на выходе формирователя кода пилообразной модуляции;
фиг.4 - сигнал на выходе формирователя кода синусоидальной модуляции;
фиг.5 - сигнал на выходе синтезатора частоты. Анализатор на основе ядерного магнитного резонанса содержит (см. фиг.1-2) датчик ЯМР 1, генератор высокой частоты 2, измеритель сигнала ЯМР 3 с монитором результатов 4, демодулятор 5 и управляющий программный модуль 6 с первым, вторым, третьим и четвертым
выходами. Упомянутый генератор 2, см. фиг.2, содержит формирователь кода пилообразной модуляции 7, формирователь кода синусоидальной модуляции 8, сумматор кодов 9, управляющий кодом синтезатора частоты 10 и управляемый потенциометр 11, а измеритель сигнала ЯМР 3 дополнен последовательно соединенными цифровым анализатором сигналов 12 с первым и вторым входами и аналого-цифровым преобразователем 13, вход которого соединен с выходом демодулятора 5, а выход аналого-цифрового преобразователя 13 соединен с первым входом цифрового анализатора сигналов 12, выход которого подключен к входу монитора результатов 4, причем, первый выход управляющего программного модуля 6 подключен к второму входу цифрового анализатора сигналов 12, ко второму и третьему выходам управляющего программного модуля 6 подключены, соответственно, входы формирователя кода пилообразной модуляции 7 и формирователя кода синусоидальной модуляции 8, которые установлены в генераторе высокой частоты 2 параллельно и подключены выходами, соответственно, к первому и второму входам сумматора кодов 9, выход которого соединен с входом синтезатора частоты 10, выход которого через управляемый потенциометр 11 соединен с входом датчика ЯМР 1, при этом управляющий вход управляемого потенциометра 11 подключен к четвертому выходу управляющего программного модуля 6.
Датчик ЯМР 1 размещают в исследуемом магнитном поле, подлежащем измерению либо в однородном магнитном поле специального магнитопровода в случае использования анализатора в составе спектрометра. Выходы управляющего программного модуля 6 подключены к входам генератора высокой частоты 2 и измерителя сигналов 3, выход генератора высокой частоты 2 подключен к входам датчика 1 и демодулятора 5, а выход демодулятора соединен с входом измерителя сигналов.
Основной особенностью анализатора является то, что для генерации высокочастотного напряжения, являющегося основой сигнала ЯМР используется скоростной высокоточный синтезатор частоты 10, что позволяет совместить разделенные раннее функции генерирования сигнала и измерение его параметров в едином алгоритме испытаний, а следовательно, параметры высокочастотных сигналов теперь не измеряются, а задаются с требуемой точностью. Вследствие указанного, аналого-цифровой преобразователь 13 используется не для измерения параметров сигнала ЯМР, а только для фиксации его наличия, после чего цифровой анализатор сигналов 12 попросту выбирает нужные ему значения из управляющего программного устройства 6. Одновременно существенно упрощается конструкция прибора за счет использования промыш-ленно выпускаемых узлов и модулей.
В качестве управляющего программного устройства 6, модуляторов кода пилообразной 7 и синусоидальной 8 формы, аналого-цифрового преобразователя 13 используется стандартный микроконтроллер, в качестве цифрового анализатора сигналов 12 и монитора результатов 4 используется стандартная ПЭВМ, например ноутбук, в качестве синтезатора частот 10 и демодулятора 5 используются стандартные серийно выпускаемые микросхемы, что позволяет снизить затраты на создание прибора, а применение в ее составе средств вычислительной технике -существенно уменьшить время испытаний и автоматизировать его процесс.
Анализатор на основе ядерного магнитного резонанса работает следующим образом (см. фиг.2, 3, 4, 5).
Перед началом испытаний в управляющее программное устройство 6 (УПУ) загружается программа, в которой содержатся необходимые диапазоны изменения основной частоты, размаха и периода пилообразного
напряжения, амплитуды и частоты синусоидального сигнала, а также требуемые параметры анализа сигнала ЯМР и конечных величин.
По командам УПУ 6 формирователи кода пилообразной 7 и синусоидальной 8 модуляции вырабатывает коды, определяющие необходимые изменения частоты генератора 2 в процессе испытаний. В сумматоре 9 указанные коды суммируются, и результирующий код подается на синтезатор частоты 10, автоматически генерирующий частоту в соответствии с заданным алгоритмом. Форма сигналов, определяемая кодами на выходе формирователя кода пилообразной модуляции 7, формирователя кода синусоидальной модуляции 8 и сумматора кодов 9, а следовательно, на выходе синтезатора частоты 10 приведена на фигурах 3, 4 и 5, соответственно.
С синтезатора частоты 10 выходной сигнал через управляемый потенциометр 11 подается на датчик ЯМР 1, на котором выделяется полезный сигнал ЯМР. Регулирование с помощью УПУ 6 импеданса управляемого потенциометра 11 позволяет оптимизировать уровень полезного сигнала ЯМР в напряжении высокой частоты с целью улучшения качества измерений.
В демодуляторе 5 из напряжения высокой частоты выделяется низкочастотный сигнал, параметры которого измеряются с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 13 и передаются в цифровой анализатор сигналов 12 для определения параметров самого сигнала ЯМР и момента времени возникновения эффекта ЯМР, а следовательно, и параметров высокочастотного сигнала, сопутствующих эффекту ЯМР.
При возникновении эффекта ЯМР цифровой анализатор сигнала 12 с помощью АЦП 13 определяет только амплитуду низкочастотного сигнала ЯМР, а параметры генератора высокой частоты 2 фиксируются с
высокой точностью по выдаваемым УПУ 6 кодам в момент фиксации ЯМР.
Полученные цифровым анализатором сигналов 12 итоговые параметры испытаний (уровень магнитного поля, спектрограммы анализируемых веществ или содержание конкретных элементов в образце) по командам УПУ 6 передаются на монитор результатов 4 и сохраняются в памяти ПЭВМ.
Таким образом, предложенное решение позволяет существенно повысить точность анализа и автоматизировать процесс испытаний за счет оригинально усовершенствованной схемотехники прибора, основанной на использовании синтезатора частоты и средств вычислительной техники (УПУ, цифровой анализатор частоты, АЦП, формирователи кодов). Кроме того, применение серийно выпускаемых устройств позволяет существенно снизить стоимость анализатора и повысить его эксплуатационные качества.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В ОПИСАНИИ ИЗОБРЕТЕНИЯ:
1. Электрические измерения неэлектрических величин», под ред. проф., дтн П.В.Новицкого, «Энергия», Ленинград, 1975 г., стр.549-550.
2. Способ измерения магнитного поля и устройство для его осуществления, 80 г. Авт.Св. СССР №890184, М.К.И. G 01 N 24/100, публ. 17.12.1981.
3. Способ измерения постоянного магнитного поля на основе ядерного магнитного резонанса, Авт.Св. СССР №1514076, М.К.И. G 01 N 24/08, публ. 1994.05.15 (ПРОТОТИП).