核磁共振流量計(jì)
時(shí)間：2016-12-27 15:10
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作者: 任桂山
核磁共振流量計(jì)是利用物理中核磁共振現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)流量測(cè)量，是一種測(cè)量機(jī)理前沿化的較新的一種理想流量計(jì)。它具有以下特點(diǎn)：可測(cè)流體種類廣泛，只要牛頓流體中存在可磁化的原子核；和流體的各種物理參數(shù)無(wú)關(guān)；無(wú)需在被測(cè)管道內(nèi)插入任何測(cè)量元件，對(duì)流體無(wú)擾動(dòng)；測(cè)量準(zhǔn)確度較高；體積較大、 技術(shù)要求高，
但造價(jià)昂貴。
結(jié)構(gòu)及測(cè)量原理
核磁共振流量計(jì)一般由均勻磁化部分、交變磁化示蹤部分、信號(hào)檢測(cè)部分以及信號(hào)處理、顯示、輸出部分等組成。其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖 1 所示。其測(cè)量原理是利用核磁共振現(xiàn)象在流體中做一標(biāo)記，測(cè)量此標(biāo)記的流動(dòng)速度即可計(jì)算出流體流量。具有可磁化的原子核結(jié)構(gòu)中，帶負(fù)電的電子在自身旋轉(zhuǎn)的情況下進(jìn)行定向移動(dòng)， 可視為一個(gè)微旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。雖然一個(gè)微旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁效應(yīng)極小，但若大量的微磁場(chǎng)疊加并被極化，其磁效應(yīng)就可大到足以測(cè)量的程度。平時(shí)，個(gè)體微旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的極性方向是雜亂無(wú)章的，但在外加磁場(chǎng)H1 的作用下，其極性方向?qū)②呄蛞?/span>致，這個(gè)過(guò)程被稱為磁化。當(dāng)誘導(dǎo)磁化強(qiáng)度 M 0 的方向與外加磁場(chǎng)強(qiáng)度 H 0 方向不同時(shí)，由于矢量的正弦作用使被磁化的原子核不僅繞 H 0 方向旋轉(zhuǎn)外，還產(chǎn)生進(jìn)動(dòng)現(xiàn)象。進(jìn)動(dòng)頻率被稱為喇曼頻率ω 0 。當(dāng)被均勻磁化后的流體，依次進(jìn)入由直流均勻磁場(chǎng) H 2 和成互交的高頻振蕩器 H 3 組成的交變磁場(chǎng)時(shí)，如果進(jìn)動(dòng)頻率 ω 0 與高頻交變磁場(chǎng)頻率相同則會(huì)產(chǎn)生共振，被稱為核磁共振現(xiàn)象。共振同時(shí)會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)物理現(xiàn)象，其一，由于處于交變磁場(chǎng)內(nèi)側(cè)的可調(diào)調(diào)制線圈 H 4 以單方向脈沖方式供電，流體的磁感應(yīng)強(qiáng)度將發(fā)生周期性改變，即與上游均勻磁化的磁感應(yīng)強(qiáng)度不同，此時(shí)的流體已被做上示蹤標(biāo)記。
其二，響應(yīng)線圈將接收到共振射頻信號(hào)。當(dāng)被測(cè)流體從調(diào)制線圈處到達(dá)響應(yīng)線圈安裝位置時(shí)，顯然經(jīng)過(guò)了一定距離 L，需要一定時(shí)間 t，這樣在調(diào)制線圈調(diào)制的信號(hào)和響應(yīng)線圈接收到的共振射頻信號(hào)之間就產(chǎn)生了相位差 θ。使用范圍及測(cè)量準(zhǔn)確度核磁共振流量計(jì)的測(cè)量范圍取決于流體相對(duì)于水介質(zhì)的磁化率 R以及磁化馳豫時(shí)間 T。一般講，磁化率 R 約為 0.4~1.2 之間；磁化馳豫時(shí)間 T 約為 0.05~30s，磁化馳豫時(shí)間 T 與流體物性有關(guān)。從理論上講，只要流體物性含有磁矩原子核，均屬測(cè)量范圍。但經(jīng)實(shí)驗(yàn)和觀察得知，同為中子和質(zhì)子組成的原子核，氫核和氟核的核磁共振現(xiàn)象最為顯著。現(xiàn)代研發(fā)的核磁共振流量計(jì)均以氫核和氟核的共振特性為設(shè)計(jì)依據(jù)，核磁共振流量計(jì)使用范圍內(nèi)的被測(cè)流體必須含有氫核或氟核。核磁共振流量計(jì)測(cè)量準(zhǔn)確度一般較高，可達(dá) ±0.4%。
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