СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ Российский патент 2008 года по МПК G01N24/08 

Изобретение относится к способам измерения концентрации путем неразрушающего контроля состава вещества на основе явления ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и предназначено для бесконтактного непрерывного измерения концентрации компонентов как в подвижных, так и в текущих дисперсных системах.

Известно, что амплитуда сигнала ЯМР компонента смеси пропорциональна количеству резонирующих ядер этого компонента, то есть пропорциональна его концентрации. Если интенсивный сигнал ЯМР дает только один компонент смеси, то амплитуда сигнала ЯМР смеси пропорциональна концентрации этого компонента. На этом основан способ определения влажности сыпучих веществ (Скрипко А.Л., Кудрявцев А.В., сб. Методы и приборы определения влажности. Фрунзе, ИЛИМ, 1971 г., с.52). Если несколько компонентов дают интенсивные сигналы ЯМР, но на разных частотах, то концентрации этих компонентов можно определять по отношению амплитуд или площадей их сигналов. Такой способ применяется в химии (Эмсли Д., Финей Д., Сатклиф Л. Спектроскопия ЯМР высокого разрешения. М.: Мир, 1968 г., с.220). Если сигналы ЯМР компонентов наблюдаются на одной частоте, но имеют разную ширину, то в однородном постоянном магнитном поле получается сигнал с суммарной амплитудой А₀ от обоих компонентов, а в поле, имеющем градиент, получается сигнал с амплитудой А, даваемый компонентом с широкой линией. При этом относительная концентрация компонента с большой шириной линии пропорциональна А/А₀. Этот способ описан в А.С. №1303916, 1986 г., G01N 24/08, авторы Жерновой А.И., Махов В.А., Сапелкин Н.В., Серов Н.В., БИ №14, 15.04.87. Если компоненты дают сигналы ЯМР на одной частоте, одинаковой интенсивности, одинаковой ширины, но имеют разные времена продольной релаксации T₁ (обозначим их для компонентов Т_P), то их концентрации можно определять способом, предложенным в Пат. США №4556847, 1985 г., G01R 33/08, авт. Аспиотис Е. и др. В этом способе смесь помещают в магнитное поле, производят инверсию (переворот) ядерной намагниченности действием импульса резонансного переменного поля и измеряют зависимость ее амплитуды сигнала ЯМР А от времени t. При инверсии ядерной намагниченности сигналы ЯМР компонентов становятся отрицательными, а затем растут с их временами продольной релаксации Т_P. Если преобладает компонент с меньшим Т_P, то рост происходит быстрее, если преобладает компонент с большим Т_P, то рост сигнала происходит медленнее. Для определения концентраций компонентов полученный для исследуемой смеси закон изменения А со временем t сравнивают с полученными заранее аналогичными зависимостями для эталонных смесей при той же температуре. Определяемая концентрация компонентов принимается равной концентрации в эталоне, для которого зависимость А от t аналогична полученной для исследуемой смеси. Указанный способ измерения концентрации является наиболее близким к заявляемому и принят в качестве прототипа.

Однако известный способ является недостаточно точным и достоверным, а также требует получения большого количества эталонных зависимостей, что усложняет измерение.

Задачей предлагаемого технического решения является повышение достоверности и точности измерения концентрации, а также упрощение способа измерения.

Поставленная задача достигается тем, что в способе измерения концентрации компонентов в дисперсной смеси, включающем воздействие на смесь постоянным магнитным полем, инверсию ядерной намагниченности резонансным переменным магнитным полем, измерение амплитуды сигнала ЯМР A(t) через время t после инверсии ядерной намагниченности, согласно изобретению измеряют два значения амплитуды сигнала: A(t₁) при t=t₁=T_P1ln2 и A(t₂) при t=t₂=T_P2ln2, а концентрации компонентов определяют по формулам

где T_P1, Т_P2 - времена продольной релаксации Т_P компонентов, A₁, А₂ - стационарные амплитуды сигнала чистых компонентов, A(t₁), A(t₂) - амплитуды сигнала смеси в моменты времени t, равные t₁ и t₂ соответственно.

Заявляемый способ прост в осуществлении и является более точным и достоверным, так как в нем для определения концентраций компонентов достаточно знать их времена релаксации Т_P и стационарные (без инверсии намагниченности) амплитуды при полном заполнении одним компонентом объема приемной катушки.

Для применения предлагаемого способа сосуд или участок трубопровода, в котором находится исследуемая смесь с объемными концентрациями жидких компонентов, равными C₁ и С₂, на время, большее продольных времен релаксации компонентов, помещается в приемную катушку датчика сигнала ЯМР, расположенную в магнитном поле.

В некоторый момент времени t=0 с помощью π - импульса производится инверсия ядерной намагниченности в приемной катушке. Очевидно, что через время t после этого амплитуда сигнала ЯМР смеси (А.А.Вашман, И.С.Пронин. Ядерная магнитная релаксационная спектроскопия. М.: Энергоатомиздат, 1986 г., с.38, формула 2.4):

где A₁ и А₂ стационарные (без инверсии намагниченности) амплитуды сигнала ЯМР при C₁=1 и С₂=1, то есть при полном заполнении датчика только одним компонентом, a T_P1, Т_P2 - времена продольной релаксации компонентов.

Из выражения (1) видно, что в моменты времени t₁=T_P1ln2 и t₂=T_P2ln2 амплитуда сигнала ЯМР определяется содержанием только одного компонента:

при t=t₁

при t=t₂

Предлагаемый способ определения состава смеси состоит в измерении амплитуд A(t₁) в момент времени t₁, A(t₂) в момент времени t₂. Концентрации жидких компонентов определяются по следующим из (2) и (3) выражениям:

Заявляемый способ является новым, обладает изобретательским уровнем и промышленно применим.

Пример практического применения предлагаемого способа.

Метод позволяет определять содержание компонентов в нефтеводогазовой смеси на выходе промысловых скважин. В этом случае у нефти T_P1=0,2c, t₁=0,14c, у воды T_P2=1c, t₂=0,69c.

Концентрация воды

Концентрация нефти

A₁=A_H, А₂=А_B - стационарные амплитуды сигналов нефти и воды при полном заполнении ими трубопровода. Концентрация газа С_Г=1-С_H-С_B.

Таким образом, заявляемый способ позволяет измерить концентрации более точно и достоверно, не затрачивая слишком много времени на получение эталонных зависимостей.

Использование: для измерения концентрации. Сущность: заключается в том, что осуществляют воздействие на смесь постоянным магнитным полем, инверсию ядерной намагниченности резонансным переменным магнитным полем, измерение амплитуды сигнала ЯМР A(t) через время t после инверсии ядерной намагниченности, при этом измеряют два значения амплитуды сигнала: A(t₁) при t=t₁=T_P1ln2 и A(t₂) при t=t₂=T_P2ln2, a концентрации компонентов определяют по формулам

где T_P1, Т_P2 - времена продольной релаксации Тр компонентов, A₁, A₂ - стационарные амплитуды сигнала чистых компонентов, A(t₁), A(t₂) - амплитуды сигнала смеси в моменты времени t, равные t₁ и t₂ соответственно. Технический результат: повышение достоверности и точности измерения концентрации, а также упрощение способа измерения.

Способ измерения концентрации компонентов в дисперсной смеси, включающий воздействие на смесь постоянным магнитным полем, инверсию ядерной намагниченности резонансным переменным магнитным полем, измерение амплитуды сигнала ЯМР A(t) через время t после инверсии ядерной намагниченности, отличающийся тем, что измеряют два значения амплитуды сигнала: A(t₁) при t=t₁=T_P1ln2 и A(t₂) при t=t₂=T_P2ln2, a концентрации компонентов определяют по формулам

, ,

где Т_P1 Т_Р2 - времена продольной релаксации Т_Р компонентов, А₁, А₂ - стационарные амплитуды сигнала чистых компонентов, A(t₁), A(t₂) - амплитуды сигнала смеси в моменты времени t, равные t₁ и t₂ соответственно.