РАСХОДОМЕРЫ, ОСНОВАННЫЕ НА ЯДЕРНО-МАГНИТНОМ РЕЗОНАНСЕ

Поляризованные в постоянном магнитном поле атомные ядра большинства элементов, помещенные в переменное осциллирующее поле, при угловой частоте осциллирующего поля, равной угловой скорости прецессии ядер (ларморовой частоте), взаимодействуют с ним, поглощая часть его энергии. При этом изменяется намагниченность ядер, т. е. суммарный магнитный момент ядер в единице объема вещества.

Это явление - явление взаимодействия поляризованных ядер с резонансным осциллирующим полем называется ядерно-магнитным резонансом.

Разработанные методы измерения расхода жидкостей с помощью ядерно-магнитного резонанса не требуют механического проникновения внутрь трубопровода.

Методы измерения расхода при помощи ядерно-магнитного резонанса пригодны для измерения лишь определенного числа жидкостей. Такая жидкость должна содержать достаточно много одинаковых ядер с относительно большим собственным магнитным моментом. Электропроводность жидкости не должна быть высокой — в противном случае глубина проникновения высокочастотного поля внутрь жидкости будет очень малой.

Расходомер, основанный на ядерном резонансе, применим для жидкостей, содержащих большое количество водорода, фтора, лития или каких-либо других ядер с большим гиромагнитным отношением, например, для воды, спирта, эфира, бензина, керосина, нефти и т. д. Установка датчика производится на участке трубопровода, выполненного из немагнитного и неэлектропроводного материала (например, из пластмассы).

Принципы действия

Существует несколько принципов построения расходомерных устройств, основанных на ядерно-магнитном резонансе. Во-первых, явление ядерного резонанса используется для создания «меток» в потоке жидкости.

Схема ядерно-магнитного расходомера, работающего на принципе контрольных «меток», показана на рис. 18. Жидкость проходит через магнитное поле, создаваемое магнитом 1 и поляризуется. Протекая через катушку 2, на которую подается от генератора 5 переменное напряжение резонансной частоты, поляризованные ядpa жидкости поглощают часть энергии осциллирующего поля, создаваемого катушкой, и жидкость деполяризуется. При периодическом отключении тока, питающего катушку 2, в потоке жидкости на выходе из катушки будут создаваться пакеты поляризированных молекул. Эти молекулы, пройдя фиксированное расстояние L, попадают в катушку 3, которая также питается переменным напряжением резонансной частоты. В моменты протекания поляризованных молекул через осциллирующее поле катушки 3 в ее цепи будет возникать сигнал ядерно-магнитного резонанса, фиксируемый измерительной схемой 4. Таким образом, измерение расхода жидкости сводится к измерению времени между моментом отключения напряжения от катушки 2 и моментом появления сигнала ядерно-магнитного резонанса в схеме 4, связанной с катушкой 3. В остальном принцип действия прибора, схема которого приведена на рис. 18, не отличается от принципа действия расходомеров, осуществляющих измерения по методу контрольных «меток».

Другой принцип работы ядерно-магнитных расходомеров основан на зависимости амплитуды сигнала ядерно-магнитного резонанса от скорости течения жидкости, открытой индийским ученым Сурианом

Принципиальная схема такого расходомера показана на рис. 19. Участок трубопровода помещен в сильное поляризующее поле. На концах участка монтируется датчик ядерно-магнитного резонанса, на катушку которого подается переменное напряжение резонансной частоты. Поляризованная жидкость, протекая через датчик, дает сигнал ядерного резонанса, амплитуда которого зависит от расхода жидкости. Подобное устройство можно применять для измерения расхода жидкостей с большим количеством ядер, обеспечивающим хороший сигнал ядерного резонанса. Концентрация ядер должна сохраняться постоянной, в противном случае будет изменяться чувствительность прибора и уменьшаться точность измерения расхода. Концентрация ядер пропорциональна плотности, а следовательно, погрешность показаний прибора зависит от всех факторов (температуры, концентрации и т. п.), влияющих на плотность измеряемой жидкости. Кроме того, погрешность показаний существенным образом зависит от качества стабилизации питающего напряжения и наличия внутренних (схемных) и внешних (вызываемых турбулентностью измеряемого потока) шумов.

Погрешность показаний отдельных ядерно-магнитных расходомеров, аттестованных на воде, не превосходит ± 1,0%.

 К достоинствам расходомеров данного типа относят:

1) высокую чувствительность и малый нижний диапазон измерений;

2) отсутствие движущихся и выступающих внутрь трубопровода деталей в датчике расходомера;

3) нечувствительность к перемене ориентировки трубопровода в пространстве;

4) линейность шкалы;

5) возможность использования его в системах контроля и регулирования в связи с малой инерционностью и электрическим выходным сигналом датчика в виде напряжения низкой частоты.