【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于超低场核磁共振，具体涉及基于超低场核磁共振的流速测量装置，还涉及基于超低场核磁共振的流速测量方法，适用于测量流体的流速。
技术介绍
1、当前，流速计已被广泛应用于工业生产以及我们的生活中，例如涡轮流量计、超声流速计、电磁流量计等，在具有较高测量精度的同时存在较大的局限性。其中，涡轮流量计根据流体推动涡轮叶片的旋转速度反推流体流量体积，再结合管道直径可计算出流体流速。该测量方式测量精度高、量程范围广，但仅适用于低粘度液体的流量流速测量，且需要接入涡轮流量计管道两端，对管道管径的限制较大，同时涡轮叶片的接触测量还会对流体产生污染。超声波流量计利用流体对超声信号的反射，通过测量超声发射与接收到超声信号间的时间差，结合声速得出流体流速。该测量方式属于非接触式测量方式，无需直接接触流体，不会影响流体的流动状态，测量精度较高，但是会受到流体密度、温度、气泡含量等液体物理性质的影响，并且操作过程较为复杂，每次测量前需要进行校准。电磁流量计基于电磁感应原理，在固定磁场下测量流体产生的感应电势，根据流速与感应电势的关系反推流速即可实现对导电流体的流速测量。其灵敏度高、测量范围大，但在测量时对待测流体有状态及性质有限制，待测流体必须是电导率高于蒸馏水的液体，磁场变化也会影响到测量的准确性。
2、现有的基于核磁共振原理的流速测量方法主要采用线圈测量的方法，使用特斯拉级别的磁场进行极化并使用射频线圈进行测量，该测量方式通常需要使用较复杂的脉冲序列获取高强度、高频信号，再根据信号反推出流体流速，这对脉冲信号源的性能要求极高，进而
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于针对现有技术存在的上述问题，提供基于超低场核磁共振的流速测量装置，还提供基于超低场核磁共振的流速测量方法。
2、本专利技术的上述目的通过以下技术手段来实现：
3、基于超低场核磁共振的流速测量装置，包括极化磁体、进动场线圈、脉冲线圈、磁屏蔽装置、原子磁力计、以及流体管道，磁屏蔽装置包括多个依次套接固定的磁屏蔽筒，所有磁屏蔽筒均为横向放置，所有磁屏蔽筒共中心轴，各个磁屏蔽筒的两个端面的中心均开设有贯穿孔，圆形截面直径最小的磁屏蔽筒中设置有与水平面平行的支撑板，支撑板与圆形截面直径最小的磁屏蔽筒的内壁固定连接，圆形截面直径最小的磁屏蔽筒中还设置有流体管道，支撑板位于流体管道的下方，流体管道的两端分别穿过各个磁屏蔽筒两端的贯穿孔伸出磁屏蔽筒外，进动场线圈绕设固定在流体管道外壁上，且进动场线圈的两端贯穿磁屏蔽装置伸出到磁屏蔽装置外；脉冲线圈设置在流体管道外部，脉冲线圈的磁场中心位于流体管道中，极化磁体设置在磁屏蔽筒的外部，极化磁体设置在磁体支架上，原子磁力计的传感器与流体管道的外侧壁固定连接，极化磁体的一侧紧邻流体管道的一端设置。
4、进动场线圈产生的磁场方向、极化磁体的磁场方向、以及流体的流动方向均相同。
5、如上所述脉冲线圈包括两组线圈，两组线圈分别设置在流体管道的两侧，两组线圈分别设置在对应的线圈支架上，线圈支架与支撑板固定连接，两组线圈的磁场中心位于流体管道中。
6、如上所述极化磁体包括两对ns磁体，两对ns磁体相对设置，两对ns磁体之间的磁场方向与流体管道中流体的流动方向以及进动场线圈内部的磁场方向均相同，每个磁屏蔽筒上均开设有信号线穿孔，脉冲线圈、进动场线圈、以及原子磁力计的控制信号线均穿过信号线穿孔进入到磁屏蔽筒内部，再分别与脉冲线圈、进动场线圈、以及原子磁力计连接，脉冲线圈的控制信号线还与脉冲电路连接。
7、还包括可调速离心泵和储液容器，可调速离心泵的出水管穿过极化磁体再与流体管道的一端连接，且出水管上位于极化磁体中的管段与极化磁体的磁场方向平行，流体管道的另一端与储液容器的进口连接，可调速离心泵的进水管与储液容器的出口连接。
8、基于超低场核磁共振的流速测量方法，利用如上所述基于超低场核磁共振的流速测量装置，包括以下步骤：
9、步骤1、初始化的原子磁力计，然后向进动场线圈中通入产生μt级磁场的电流，且使得进动场线圈产生的磁场方向、极化磁体的两对ns磁体之间的磁场方向、以及流体的流动方向均相同；
10、步骤2、测试原子磁力计直到原子磁力计正常工作；
11、步骤3、进行90度直流脉冲信号的强度与时间标定，将标定值设置到脉冲电路中，测量fid信号时触发脉冲电路输出90度直流脉冲信号到脉冲线圈中；
12、步骤4、通过可调速离心泵调节流体的流速，然后分别测量流体的fid信号的初始测量值d(v)和线性衰减斜率f，具体包括以下过程：
13、在测量过程中的设定时间内连续采集多组数据，每组数据进行一次拟合获得线性衰减斜率f，且每次测量时间t控制为流体的横向弛豫时间t2的1/10以内，获得多个fid信号的初始测量值d(v)和多个线性衰减斜率f，然后分别对初始测量值d(v)和线性衰减斜率f分别进行平均；
14、步骤5、重复步骤4，每次重复时改变流体的流速，获得多个不同流速的流体的fid信号的初始测量值d(v)和线性衰减斜率f；
15、步骤6、通过拟合获得fid信号的线性衰减斜率f乘以1/d(v)后得到的值与实际流速的关系；
16、步骤7、获取未知流速的待测流体的fid信号的线性衰减斜率和初始测量值，即可计算得到待测流体的流速。
17、如上所述步骤3中进行90度直流脉冲信号的强度与时间标定具体包括以下步骤：
18、步骤3.1、在固定脉冲强度下改变脉冲时间，测量固定脉冲强度下的固定流速的流体的fid信号，其中fid信号的初始测量值最大的一组信号对应的脉冲时间即为这个固定脉冲强度下的90度直流脉冲；
19、步骤3.2、然后改变脉冲强度，重复步骤3.1，测出各个脉冲强度下的90度直流脉冲所需的脉冲时间；
20、步骤3.3、对比不同脉冲强度下的90度直流脉冲的fid信号的初始测量值，其中初始测量值最大的为最佳脉冲强度，最佳脉冲强度对应的90度直流脉冲时间为最佳脉冲时间。
21、如上所述步骤6中基于以下公式进行拟合：
22、
23、式中，d(v)为原子磁力计探测到的流速为v、体积为v的流体的fid信号的初始测量值，ld为流体管道上位于待测区域的管段的长度，f为线性衰减斜率。
24、本专利技术相对于现有技术，具有以下有益效果：
25、(1)本专利技术的装置和方法利用核磁共振原理，使用原子磁力计进行测量，相比于超声、涡轮等测量方法有着更高的灵敏度，并且可实现在射频线圈效率较低的低频频率范围的测量。
26、(2)本专利技术的装置和方法中的测量环境为超低场，可以实现对金属管道中流体的流速测量，有效克服了传统核磁共振本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.基于超低场核磁共振的流速测量装置，包括极化磁体(1)、进动场线圈(5)、以及脉冲线圈(6)，其特征在于，还包括磁屏蔽装置、原子磁力计(7)、以及流体管道，磁屏蔽装置包括多个依次套接固定的磁屏蔽筒(2)，所有磁屏蔽筒(2)均为横向放置，所有磁屏蔽筒(2)共中心轴，各个磁屏蔽筒(2)的两个端面的中心均开设有贯穿孔，圆形截面直径最小的磁屏蔽筒(2)中设置有与水平面平行的支撑板(8)，支撑板(8)与圆形截面直径最小的磁屏蔽筒(2)的内壁固定连接，圆形截面直径最小的磁屏蔽筒(2)中还设置有流体管道，支撑板(8)位于流体管道的下方，流体管道的两端分别穿过各个磁屏蔽筒(2)两端的贯穿孔伸出磁屏蔽筒(2)外，进动场线圈(5)绕设固定在流体管道外壁上，且进动场线圈(5)的两端贯穿磁屏蔽装置伸出到磁屏蔽装置外；脉冲线圈(6)设置在流体管道外部，脉冲线圈(6)的磁场中心位于流体管道中，极化磁体(1)设置在磁屏蔽筒(2)的外部，极化磁体(1)设置在磁体支架(3)上，原子磁力计(7)的传感器与流体管道的外侧壁固定连接，极化磁体(1)的一侧紧邻流体管道的一端设置。
2.根据权利要求1所述基于
3.根据权利要求2所述基于超低场核磁共振的流速测量装置，其特征在于，所述脉冲线圈(6)包括两组线圈，两组线圈分别设置在流体管道的两侧，两组线圈分别设置在对应的线圈支架上，线圈支架与支撑板(8)固定连接，两组线圈的磁场中心位于流体管道中。
4.根据权利要求3所述基于超低场核磁共振的流速测量装置，其特征在于，所述极化磁体(1)包括两对NS磁体，两对NS磁体相对设置，两对NS磁体之间的磁场方向与流体管道中流体的流动方向以及进动场线圈(5)内部的磁场方向均相同，每个磁屏蔽筒(2)上均开设有信号线穿孔，脉冲线圈(6)、进动场线圈(5)、以及原子磁力计(7)的控制信号线均穿过信号线穿孔进入到磁屏蔽筒(2)内部，再分别与脉冲线圈(6)、进动场线圈(5)、以及原子磁力计(7)连接，脉冲线圈(6)的控制信号线还与脉冲电路连接。
5.根据权利要求4所述基于超低场核磁共振的流速测量装置，其特征在于，还包括可调速离心泵(10)和储液容器(9)，可调速离心泵(10)的出水管穿过极化磁体(1)再与流体管道的一端连接，且出水管上位于极化磁体(1)中的管段与极化磁体(1)的磁场方向平行，流体管道的另一端与储液容器(9)的进口连接，可调速离心泵(10)的进水管与储液容器(9)的出口连接。
6.基于超低场核磁共振的流速测量方法，利用权利要求4或权利要求5所述任意基于超低场核磁共振的流速测量装置，其特征在于，包括以下步骤：
7.根据权利要求6所述基于超低场核磁共振的流速测量方法，其特征在于，所述步骤3中进行90度直流脉冲信号的强度与时间标定具体包括以下步骤：
8.根据权利要求7所述基于超低场核磁共振的流速测量方法，其特征在于，所述步骤6中基于以下公式进行拟合：
...【技术特征摘要】
1.基于超低场核磁共振的流速测量装置，包括极化磁体(1)、进动场线圈(5)、以及脉冲线圈(6)，其特征在于，还包括磁屏蔽装置、原子磁力计(7)、以及流体管道，磁屏蔽装置包括多个依次套接固定的磁屏蔽筒(2)，所有磁屏蔽筒(2)均为横向放置，所有磁屏蔽筒(2)共中心轴，各个磁屏蔽筒(2)的两个端面的中心均开设有贯穿孔，圆形截面直径最小的磁屏蔽筒(2)中设置有与水平面平行的支撑板(8)，支撑板(8)与圆形截面直径最小的磁屏蔽筒(2)的内壁固定连接，圆形截面直径最小的磁屏蔽筒(2)中还设置有流体管道，支撑板(8)位于流体管道的下方，流体管道的两端分别穿过各个磁屏蔽筒(2)两端的贯穿孔伸出磁屏蔽筒(2)外，进动场线圈(5)绕设固定在流体管道外壁上，且进动场线圈(5)的两端贯穿磁屏蔽装置伸出到磁屏蔽装置外；脉冲线圈(6)设置在流体管道外部，脉冲线圈(6)的磁场中心位于流体管道中，极化磁体(1)设置在磁屏蔽筒(2)的外部，极化磁体(1)设置在磁体支架(3)上，原子磁力计(7)的传感器与流体管道的外侧壁固定连接，极化磁体(1)的一侧紧邻流体管道的一端设置。
2.根据权利要求1所述基于超低场核磁共振的流速测量装置，其特征在于，进动场线圈(5)产生的磁场方向、极化磁体(1)的磁场方向、以及流体的流动方向均相同。
3.根据权利要求2所述基于超低场核磁共振的流速测量装置，其特征在于，所述脉冲线圈(6)包括两组线圈，两组线圈分别设置在流体管道的两侧，两组线圈分别设置在对应的线圈支架上，线圈支架与支撑板...
【专利技术属性】
技术研发人员：周欣，牟克翔，谭政，孙献平，王力，胡一南，
申请(专利权)人：中国科学院精密测量科学与技术创新研究院，
类型：发明
国别省市：
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