ЭЛЕКТРОМАГНИТ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ ЯДЕРНОГО МАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА В СЛАБОМ ПОЛЕ И СПОСОБ ДЛЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
ELECTROMAGNET FOR LOW FIELD NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE MEASUREMENTS AND METHOD FOR MANUFACTURING THEREOF

Область техники
Изобретение относится к электромагнитам, подходящим для измерений ядерного магнитного резонанса (NMR-измерений) в слабом поле, к примеру для определения содержания воды в образце.
Изобретение также относится к установке для адаптивного регулирования интервала между импульсами при NMR-измерении содержания воды.
Предшествующий уровень техники
NMR-технология (ядерного магнитного резонанса) используется для определения влагосодержания материалов. Например, FR 2786567 описывает этот тип системы. Содержание воды различных образцов материала может точно и быстро измеряться с использованием NMR-релаксометрии. Широкое использование устройств для проведения NMR-измерений влагосодержания затруднено, главным образом, вследствие высокой стоимости, веса и размера магнитов, которые формируют требуемое однородное и достаточно сильное основное магнитное поле. Во многих вариантах применения, таких как измерения содержания воды в биомассе, требуемый объем образца составляет порядка одного литра или больше. Недорогие компактные NMR-магниты, которые формируют такое однородное и достаточно сильное поле для достаточно большого объема, не предлагаются на рынке.
Одна причина большого размера заключается в том, что резистивные электромагниты, используемые для того, чтобы создавать однородное магнитное поле для целей NMR, типично состоят из нескольких пучков электропроводящих проводов на относительно большом расстоянии от объема образца. Таким образом, может быть получена очень высокая степень однородности с помощью умеренного числа пучков и размещения проводов в пучках, и размещение перекрывающего провода не является, в частности, критически важным. Тем не менее, такая конструкция магнита имеет низкую эффективность в отношении потребления мощности, и магнит типично должен охлаждаться жидкостным образом даже в режиме слабого поля. Помимо этого, для такой конструкции размер и вес магнита является большим по сравнению с объемом однородного поля.
Краткое изложение сущности изобретения
Задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы предоставлять новый тип электромагнита для NMR-измерений в слабом поле содержания воды или других веществ.
Задача одного варианта осуществления заключается в том, чтобы предоставлять электромагнит, который компактнее текущих доступных альтернатив.
Другая задача одного варианта осуществления изобретения заключается в том, чтобы предоставлять электромагнит, имеющий конструкцию, которая позволяет создавать магнит в рамках жестких пределов допуска, чтобы достигать однородного магнитного поля в измеряемом объеме.
Одна дополнительная задача некоторых вариантов осуществления изобретения заключается в том, чтобы предоставлять электромагнит, который может быть конструктивно оптимизирован, чтобы достигать требуемого уровня однородности магнитного поля в измеряемом объеме и одновременно иметь минимальную потребляемую мощность для данной напряженности поля и полной массы электропроводящего провода. Эффективность использования энергии непосредственно связана с максимальной напряженностью поля, достижимой с помощью магнита.
Также задача одного варианта осуществления заключается в том, чтобы предоставлять электромагнит, который может быть легко изготовлен и собран.
Изобретение основано на ярме магнита фактически с цилиндрической симметрией, которое имеет на своей внешней поверхности направляющие пазы, которые точно размещают пучки проводов магнита, по меньшей мере, в осевом направлении.
Один вариант осуществления основан на выравнивании, по меньшей мере, одной размерности проводящего провода, чтобы точно размещать петли провода в радиальном направлении.
Один дополнительный вариант осуществления изобретения основан на намотке провода из подпучков провода попеременно в направлениях по часовой стрелке и против часовой стрелки, чтобы уменьшать влияние действующих радиальных токов на однородность поля.
Один вариант осуществления основан на прокладке перекрывающих проводов, соединяющих пучки проводов, таким образом, который минимизирует ложное влияние на однородность поля в объеме образца в ярме магнита. Такая прокладка обеспечивается посредством чередования направления намотки пучков проводов.
В завершение, магнит предоставляет возможность намотки пучков с оптимизированными радиусами и обмоточными числами, чтобы достигать высокого уровня эффективности использования энергии и оптимизированного магнитного поля в объеме измерения/образца.
Более конкретно, электромагнит согласно изобретению и способ для его изготовления отличаются тем, что указано в отличительных частях независимых пунктов формулы изобретения.
Изобретение предлагает значительные преимущества.
3
Приближение пучков монтажных проводов к объему образца согласно изобретению повышает эффективность использования энергии и помогает делать магнит меньше и легче, но также приводит к жестким пределам допуска по размещению монтажных проводов и требует сложной прокладки проводов, чтобы обеспечивать достаточно высокую однородность поля. Это изобретение описывает конструкцию магнита, которая гарантирует точное размещение пучков монтажных проводов и описывает способ прокладки перекрывающей электропроводки таким образом, что ее ложное влияние на однородность поля является очень небольшим. Конструкция приводит к комбинации объема образца, размера и веса магнита, эффективности использования энергии и технологичности, которая была недоступной. Вследствие эффективности использования энергии, магниту не требуется принудительное охлаждение для напряженностей поля, соответствующих протонному резонансу в 1 МГц, в измеряемом объеме приблизительно в 1 дм. Обмотка может быть реализована таким образом, что магнитное поле в объеме образца определяется с очень высокой точностью только посредством тока в спиральных сегментах провода в форме прямого пучка, и доли тока в других секциях провода пренебрежимо малы.
В дополнение к вышеизложенному, допуски при размещении проводов могут быть сделаны очень небольшими. Размещение самих пучков проводов, а также одиночные витки провода могут точно задаваться посредством механической конструкции магнита, посредством чего могут удовлетворяться жесткие допуски посредством конструкции магнита. Это повышает качество и уменьшает опасность возникновения ошибок изготовления.
Краткое описание чертежей
Далее изобретение подробно рассматривается с помощью примерных вариантов осуществления, проиллюстрированных на прилагаемых чертежах, на которых:
Фиг.1 схематично представляет базовую концепцию ярма электромагнита.
Фиг.2a представляет собранный электромагнит.
Фиг.2b является схематичным видом пучка однопроволочного провода.
Фиг.3a представляет укрупнение Фиг.2a.
Фиг.3b графически показывает компоновку перекрывающих проводов для проведения постоянного тока из одного смежного пучка в другой.
Фиг.4 показывает выравнивание размеров монтажного провода.
Фиг.5 показывает бумагоделательную машину.
Описание предпочтительных вариантов воплощения
Ярмо 1 магнита показано на Фиг.1. Оно содержит в этом варианте осуществления подошву 2 для установки магнита в вертикальной позиции, симметричный цилиндрический корпус 3, который имеет цилиндрический объем 4, например, для измерения влагосодержания образца. Назначение электромагнита заключается в том, чтобы формировать очень однородное магнитное поле в цилиндрическом объеме 4, который является относительно большим по сравнению с габаритным размером магнита. Цилиндрическое отверстие 4 в ярме содержит пространство с цилиндрическим объемом для образца. Чтобы достигать требуемого однородного магнитного поля в цилиндрическом объеме 4, рекомендуется симметричная цилиндрическая форма. Магнит состоит из ярма 1 магнита и проводящего провода. Петли проводящего провода должны наматываться точно в рамках жестких допусков вокруг ярма 1 магнита, чтобы поддерживать однородность магнитного поля в цилиндрическом объеме на требуемом уровне. Для достижения этого корпус 3 ярма 1 имеет N кольцевых пазов 5, имеющих прямоугольную форму в поперечном сечении, разделенных посредством N-1 разделительных стенок 6. Теперь каждый паз 5 имеет такие размеры, что он размещает пучок 7 проводов, содержащий два подпучка 7a, 7b, которые наматываются из провода 8, который имеет прямоугольное поперечное сечение. Провод формирует два подпучка 7a, 7b в каждом пазу, и в нижней части паза провод формирует одну спиральную петлю 9, которая соединяет подпучки 8. Другое возможное средство соединения подпучков включает в себя, например, аксиально ориентированные фрагменты проводящего провода, припаянные к подпучкам, чтобы соединять нижние петли подпучков. Когда наматывается пучок 7, спиральная петля 9 сначала формируется в нижней части паза 5 пучка, после чего каждый подпучок 7a, 7b наматывается посредством намотки проводящего провода 8 в противоположных направлениях до тех пор, пока не заполнен паз 5 пучка или не намотано предварительно определенное число витков.
Допуски для размещения провода являются довольно жесткими в магнитах, используемых для NMR-измерений. Чтобы достигать достаточно однородного магнитного поля, требуется допуск на размещение приблизительно в ±0,1 мм. Поскольку могут быть даже десятки витков проводящего провода поверх друг друга в пучке, допуск на размер провода должен быть очень хорошим, если критерии допуска на пространственное размещение должны удовлетворяться по общей длине провода. В частности, допуск на толщину является критически важным. Поскольку допуски на размер предлагаемого на рынке выводного провода и его покрывающего изолятора являются слишком большими для требуемых допусков, необходим способ для выравнивания, по меньшей мере, толщины и плоскостности провода.
Чтобы удовлетворять вышеуказанным техническим условиям, провод должен быть выровнен и сглажен по размерам. Это может эффективно выполняться посредством прокатки провода между двумя гладкими и точно размещенными валиками, как показано на Фиг. 4. Выравнивание и сглаживание посредством прокатки является широко применяемой технологией в отрасли металлообработки, и здесь идентичный принцип применяется для того, чтобы выравнивать толщину выводного провода для магнита. Обычно требуется обработка только толщины, и ширина провода является подходящей, как получено. Альтернативный способ для выравнивания представляет собой химическое травление провода или изолятора, но он не является настолько эффективным, как способ изготовления, и содержит в себе вредные вещества. Если требуется сверхточное размещение петель из проводов в пучке, толщина выводного провода может быть изменена в ходе намотки, чтобы достигать требуемого допуска. Преимущественно, прокатка выполняется после того, как изолятор нанесен на монтажный провод, тем самым выравнивая и также сглаживая изолятор, допуски которого зачастую превышают допуски самого металлического провода.
Точность позиционирования в осевом направлении определяется посредством пазов 5 и разделительных стенок 7 ярма 1 магнита. Поскольку они могут быть подвергнуты машинной обработке в ярме с большой точностью, пучки проводов размещаются точно в осевом направлении, когда петли из проводов прижимаются в пазу 5 в ходе намотки. После того как все пучки 7 проводов наматываются вокруг ярма 1 магнита, электрическая схема магнита формируется посредством соединения пучков 7 проводов с помощью перекрывающего провода, как проиллюстрировано на Фиг. 3 и 3b. Перекрывающий провод формируется посредством блоков 10 перекрывающих проводов; первый подпучок 7a соединяется через блок 10 перекрывающих проводов с первым подпучком 7a смежного пучка проводов посредством соединения соединительных язычков 11 подпучков 7a друг с другом. Аналогично подпучки 7b смежных пучков проводов соединяются друг с другом посредством блока 10 перекрывающих проводов. Это проиллюстрировано схематично на Фиг. 3b. Как можно видеть на Фиг. 3b, чистый усредненный ток перекрывающих проводов в осевом направлении равен по абсолютной величине, но является противоположным по направлению относительно тока провода обратного тока. Аналогично действующие осевые токи смежных пучков проводящего провода подавляются друг другом, поскольку пучки в смежных пазах наматываются в противоположных направлениях. Кроме того, токи перекрывающих проводов в радиальном направлении подавляют друг друга между смежными подпучками.
Одна подходящая механическая конструкция для компоновки перекрывающего провода проиллюстрирована на Фиг. 3a. В ней соединительные язычки 11, 12, которые объединяются, изгибаются в идентичном направлении с образованием зазора между каждым рядом язычков, и провод 13 обратного тока размещается между ними. Такая конструкция соединения является простой в изготовлении и обладает преимуществами с электромагнитной точки зрения, как пояснено выше.
Число петель из проводов в пучках, число пучков и их радиальные расстояния от оси симметрии ярма 1 оптимизируются по отдельности для каждого магнита согласно его намеченному использованию. Варьируются радиальные расстояния r(i), i=[1, ..., N] оснований пазов от оси симметрии ярма магнита; ниже поясняется способ для того, чтобы определять их.
Число пазов ярма магнита N, ширины пазов w, радиальные расстояния r(i), i=[1, …, N] оснований пазов от оси симметрии ярма магнита и число обмоток Nw(i), i=[1, …, N], спиралей в форме пучка определяются посредством вычислений таким образом, что комбинация объема образца, степени неоднородности магнитного поля в объеме образца, габаритных размеров и веса магнита, потребления мощности, затухания поля вне магнита и возможные другие релевантные критерии оптимизируются посредством их взвешивания требуемым способом.
Проводящий провод наматывается в пазы ярма в виде прямых спиральных пучков, и эти пучки соединяются последовательно с токовой схемой таким образом, что удовлетворяются следующие условия:
1. Действующие радиальные токи в смежных подпучках направлены противоположно друг другу, так что их доля в результирующем магнитном поле в объеме образца минимизируется.
2. Межсоединения пучков компонуются таким образом, что доли от смежных пучков в полном аксиально направленном токе подавляются друг другом, так что нежелательная доля осевого тока в результирующем магнитном поле в объеме образца минимизируется. Смежные пучки преимущественно наматываются в попеременных направлениях.
2+. Межсоединения пучков компонуются таким образом, что доли от перекрывающих проводов смежных пучков в полном аксиально направленном токе подавляются посредством тока в проводе обратного тока, так что их доля в результирующем магнитном поле в объеме образца минимизируется.
3. Разделительные стенки пазов и жесткие допуски в осевом направлении вынуждают спиральные пучки быть прямыми, а плоскости пучков - ортогональными к оси симметрии ярма. Разделительные стенки ограничивают проводящий провод корректными местоположениями в направлении оси симметрии.
Посредством удовлетворения этим условиям обмотка может быть реализована таким образом, что магнитное поле в объеме образца определяется с очень высокой точностью посредством только тока в спиральных сегментах провода в форме прямого пучка, и доли тока в других секциях провода пренебрежимо малы. Помимо этого, допуски при размещении проводов могут быть сделаны очень небольшими.
Число подпучков не ограничивается двумя. Когда число подпучков является четным, конструкция может обеспечиваться посредством простого добавления к вышеописанной конструкции. Теперь разделительные стенки размещаются не между каждым пучком, а, например, после каждого третьего пучка. Это обычно гарантирует достаточно жесткий пространственный допуск в направлении оси симметрии магнита.
Когда число подпучков является нечетным, требуются некоторые изменения конструкции. Существенное отличие от вышеописанного варианта осуществления состоит в том, что часть перекрывающего провода выполнена с возможностью выводиться от пучка к пучку в ярме магнита. Это может выполняться посредством высверливания отверстий в ярме магнита для перекрывающих проводов. В любом случае, топология перекрывающего провода в иных отношениях является очень похожей на топологию, описанную выше. Дополнительно, внизу пучков и напротив ярма магнита отсутствует внутренняя спираль, но пучки наматываются прямо снизу вверх. Безусловно, это является преимуществом с точки зрения изготовления. Недостатком является немного более затрудненный вывод перекрывающих проводов в магните.
Алюминий является преимущественным материалом для ярма магнита и электропроводки вследствие своей относительно высокой удельной теплопроводности и удельной электропроводности в комбинации с легкостью и умеренной ценой. Высокая удельная теплопроводность помогает в минимизации градиентов теплового расширения в магните. Конечно, могут быть использованы альтернативные проводящие материалы, например, традиционная медь. Тем не менее, изобретение не ограничено какими-либо конкретными материалами и может быть использован любой подходящий материал, который может быть подвергнут машинной обработке или иным образом изготовлен с желательными формами в пределах требуемой точности.
Также есть возможность использовать монтажный провод, который имеет поперечное сечение, отличное от прямоугольного, например, круглое или овальное. В таком случае нижняя часть кольцевого паза может следовать форме провода, и стенки паза являются параллельными и перпендикулярными продольной оси ярма. Тем не менее, этот вариант осуществления имеет некоторые недостатки. Электрическая эффективность магнита тем выше, чем ближе к объему образца размещаются выводные провода. Если используется провод круглого сечения, остается свободное воздушное пространство между проводами, посредством чего часть катушечной обмотки должна быть размещена дальше от объема образца, если поперечное сечение должно поддерживаться неизменным. Также снижается удельная теплопроводность в катушке.
Фиг.5 показывает принципиальную конструкцию бумагоделательной машины. Поток целлюлозы или множество потоков целлюлозы вводятся в бумагоделательную машину через углубление 100 под провода, которому обычно предшествует резервуар 130 для потоков целлюлозы и машинный резервуар 132. Целлюлоза для машинной обработки дозированно загружается для циркуляции по короткому контуру посредством программы для управления весом или изменения сорта. Смесительный резервуар 130 и машинный резервуар 132 также могут быть заменены на отдельный смесительный реактор (не показан на Фиг. 5), и дозирование целлюлозы для машинной обработки управляется посредством отдельной подачи каждого потока целлюлозы посредством клапанов или некоторого другого средства 128 регулирования расхода. В углублении 100 под провода целлюлоза для машинной обработки смешивается с водой, чтобы предоставлять циркуляцию по короткому контуру (пунктирная линия от формирователя 110 к углублению 100 под провода) с требуемой согласованностью. Из изготовленной таким способом целлюлозы можно удалять песок (гидроциклоны), воздух (резервуар для деаэрации) или другой необработанный материал (напорная сортировка) посредством оборудования 102 для очистки, и целлюлоза закачивается посредством насоса 104 в напорный ящик 106. Перед напорным ящиком 106, если требуется, к целлюлозе могут добавляться заполнитель TA, такой как каолин, карбонат кальция, тальк, мел, оксид титана, диоксид кремния и т.д., и/или задерживающий агент RA, такой как неорганические, натуральные органические или синтетические водорастворимые органические полимеры. Заполнитель может быть использован для того, чтобы улучшать образование конструкции, поверхностные свойства, непрозрачность, яркость и пригодность для печати и сокращать затраты на изготовление. Задерживающие агенты RA, со своей стороны, увеличивают задерживание мелких частиц и заполнителей и одновременно ускоряют обезвоживание, по сути, известным способом. Как заполнители, так и задерживающие агенты тем самым влияют на топографию поверхности полотна и бумаги.
Из напорного ящика 106 целлюлоза подается через выпускную щель 108 напорного ящика в формирователь 110, который может быть сеточным столом или формирователем выемок. В формирователе 110 полотно 50 обезвоживается, и пыль, мелкие частицы и волокна извлекаются в циркуляцию по короткому контуру. В формирователе 110 целлюлоза подается в качестве полотна 50 на провод, и полотно 50 предварительно сушится и прижимается в прессе 112. Полотно 50 сушится главным образом в сушильной секции 114. Обычно предусмотрена, по меньшей мере, одна измерительная часть 116-124, которая может представлять собой электромагниты, посредством которых, например, могут быть выполнены NMR-измерения, такие как определение содержания воды в полотне 50.
Бумагоделательная машина, которая в этой заявке означает как бумагоделательные, так и картоноделательные машины, а также машины для изготовления целлюлозы, также может содержать, например, каландр 138 для предварительной обработки, часть/секцию 140 нанесения покрытия и/или каландр 142 для постобработки. Тем не менее, необязательно предоставляется секция 140 нанесения покрытия, и в этом случае необязательно предоставляются несколько каландров 138, 142. В секции 140 нанесения покрытия покровный материал, который может содержать, например, каолин, мел или карбонат, крахмал и/или латекс, может применяться к бумажной поверхности. Использование покровного материала покрытия обычно уменьшает шероховатость бумаги и повышает глянцевитость.
В каландрах 138, 142, в которых бумажное полотно без покрытия или с покрытием проходит между валиками, которые прижимаются с требуемой силой, может быть изменена топография поверхности бумаги, к примеру, шероховатость. Каландр 138, 142 также может влиять на толщину и/или глянцевитость бумаги. В каландре 138, 142 свойства бумажного полотна могут быть изменены посредством увлажнения полотна или посредством температуры и нагрузки/давления нажатия между валиками, так что чем крупнее пресс, прикладываемый к полотну, тем более гладкой и глянцевой должна становиться бумага. Увлажнение и повышение температуры дополнительно уменьшает шероховатость и повышает глянцевитость. Помимо этого, очевидно, что работа бумагоделательной машины, по сути, известна для специалистов в данной области техники, вследствие чего она не описывается подробнее в этом контексте.
Фиг.5 также показывает систему управления для бумагоделательной машины. Факторы, влияющие на изменение качества и сорта, включают в себя объем и отношение потоков целлюлозы, объем заполнителя, объем задерживающего агента, скорость работы машины, объем оборотной воды, влагосодержание полотна и сушильную способность. Контроллер 126 может управлять дозированием потоков целлюлозы посредством клапанов 128, дозированием заполнителя TA посредством клапана 136, дозированием задерживающего агента RA посредством клапана 134, он также может управлять размером выпускной щели 108, скоростью работы машины, объемом оборотной воды и процессом сушки в блоке 114. Контроллер 126 также использует измерительные устройства 116-120 для мониторинга показателей управления, изменения качества и/или сорта. Контроллер 126 также может определять свойства полотна 50 в других местах (например, в тех же точках, в которых выполняются операции управления).
Контроллер 126 может рассматриваться как управляющая компоновка на основе автоматической обработки данных бумагоделательной машины или как ее часть. Контроллер 126 может принимать цифровые сигналы или преобразовывать принятые аналоговые сигналы в цифровые сигналы. Контроллер 126 может содержать микропроцессор и запоминающее устройство и обрабатывать сигнал согласно надлежащей компьютерной программе. Контроллер 126 может быть основан, например, на управлении на основе ПИД (пропорционально-интегрально-дифференциального) регулирования, MPC (прогнозирующего управления на основе моделей) или GPC (общего прогнозирующего управления).