CN101819120A - 用于检测有空气进入致冷剂室中的方法和设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供用于检测有空气进入致冷剂室中的设备，其包括：一种石英晶体微量天平，其本身包括一种放置于所述致冷剂室内的晶体传感器，以及一种用于致动所述晶体传感器的谐振的致动电路；一种检测装置，其用于检测所述晶体传感器的谐振特性改变；以及一种信号装置，其用于指示所述检测到的改变。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于检测有空气进入致冷剂室中的方法和设备。本发明尤其涉及检测有空气进入致冷剂室中，所述致冷器室用以冷却在例如磁共振成像、核磁共振成像和核磁光谱学等成像系统中使用的超导磁体。然而，本发明可应用于检测有空气进入任何致冷剂室中。
背景技术
图1是包含致冷剂室12的一种低温恒温器的常规布置。冷却后的超导磁体10提供于致冷剂室12内，致冷剂室12本身保持在外部真空腔(OVC)14内。一个以上热辐射防护屏16提供于致冷剂室12与外部真空腔14之间的真空空间中。在一些已知的布置中，致冷器17安装在位于塔台18中的出于保护目的而提供的致冷器套筒15中(在这种情况下在低温恒温器的侧部示出，但也可能位于其他位置)。致冷器17提供有效的致冷以在一些布置中通过将致冷剂室12内的致冷剂气体再凝结为液体而使其冷却。致冷器17还可用以冷却辐射防护屏16。如图1说明，致冷器17可为二级致冷器。第一冷却级热连接到辐射防护屏16，并提供冷却到第一级温度(通常在50到100K的范围)。第二冷却级提供使致冷剂气体冷却到低得多的温度(通常在4到10K的范围，可以使气体再凝结成液态)。
通常穿过低温恒温器的主体向磁体10提供负电连接21a。通常由穿过排放管20的导体或者穿过塔台19的一组件的传导提供正电连接21。
对于固定的电流引线设计，可在排放管20堵塞的情况下提供一个单独的排放路径(辅助排放口)(图1未图示)作为自动防故障排放口。
致冷剂15通常是处于约4K温度的液氦，但可使用其它致冷剂，例如液氢、液氖或液氮。在服务间隔中，必须移除致冷器17且打开排放管20。当移除致冷器或打开排放管20时存在有空气可能进入致冷剂室的风险。此外，实验已示出，尽管致冷剂器皿保持在正压力下，但空气仍经由常规上提供于致冷剂器皿上的失超阀和排气阀而持续扩散到致冷剂室内。
如果空气进入致冷剂室，那么其将在最冷的表面冻结。对例如氮等较高沸点的致冷剂，仅空气中含有的水就可被冻结。这可能阻塞致冷器和致冷剂室之间的入口，或者使致冷器的性能降级，从而导致致冷剂室内的温度和压力上升，又导致致冷剂的消耗增加。霜沉积物也可能积累在排放管20周围。排放管允许蒸发的致冷剂气体逸出致冷剂室，在磁体失超的情况下这尤其重要。在磁体失超期间，超导磁体突然变为电阻性的，将其所有储存的能量释放到致冷剂。这导致致冷剂非常快速地蒸发。如果排放管狭窄或甚至阻塞，那么危险的高压可在致冷剂室内积累。
从致冷剂室的内部移除霜沉积物需要移除所有致冷剂且允许致冷剂室和其内的磁体或其它装置升温，例如升温到室温。这是耗时且成本高的过程，因为所移除的致冷剂将需要补充，在超导磁体的情况下，可能需要执行匀场操作以校正可能已由磁体的升温和再冷却带来的磁场均质性的任何改变。在此整个过程中，在致冷剂室内冷却的设备和其形成一部分的系统是不可用的。这可能有后续的影响，例如无法对患者进行成像以及无法确诊患者的疾病。因此对致冷剂室及其内含物升温作为预防性维护操作是不实际的。然而，通过不执行此类预防性措施，阻塞和过量致冷剂压力的危险仍存在。
发明内容
本发明旨在提供一种用于检测致冷剂室内霜的存在的设备和方法。随后可发信号通知用户或维护技工霜的存在，且可在方便的时间计划给致冷剂室升温以便移除霜。
因此，本发明提供如所附权利要求书中定义的方法和设备。
附图说明
可结合如下对本发明某些实施例的描述确定本发明的上述和另外的目的和特征，其中：
图1是包含致冷剂室的低温恒温器的常规布置；
图2A和2B是可用于测量QCM晶体的谐振频率和谐振Q因数的实例电路。
图3是QCM晶体传感器的谐振响应改变的实例；以及
图4示意性说明致冷剂室内QCM晶体的实例布置。
具体实施方式
本发明采用一种石英晶体微量天平(Quartz Crystal Microbalance，QCM)来检测霜的沉积且将此指示给用户或维护技工。
QCM包括一种由石英晶体(例如AT切割)组成的晶体传感器，其具有定位于其相对面上的电极。在操作中，其使用反向压电效应——当电压施加于电极上时，将导致晶体的某种变形。在石英晶体上将可调谐的谐振电路或者其他频率合成器施加于电极。将谐振电路调谐到石英晶体的谐振频率(通常在10到20MHz的范围内)，且石英晶体的串联共振由当电路在晶体传感器的串联共振频率下操作时最小电阻指示。
以Q因数为指标的谐振的品质是具有变化频率的共振锐度的指示。Q因数通过谐振的带宽与谐振频率的比率来表征谐振。替代的指标是耗散因数D，其为Q因数的倒数。
图2A和2B是可用于测量QCM晶体的谐振频率和谐振Q因数的实例电路。
如图2A中说明，QCM晶体60电连接到50Ω同轴电缆40的信号线中。同轴电缆的一端连接到频率合成器42，而另一端连接到一种测量设备44，例如数字电压表(DVM)。
图2B是近似的电学示意图。QCM晶体60由其近似等效电路表示：电容器、电阻器和电感器的串联组合32，其与电容器34并联。标记为50Ω的阻抗36表示同轴电缆40的特征阻抗。从频率合成器来看，QCM晶体60和同轴电缆的50Ω阻抗36在DVM前方形成分压器。为了测试QCM晶体60的谐振频率和谐振Q因数，使频率合成器的输出扫过某一范围的频率，该频率包括预期的谐振频率。在频率合成器输出的频率达到QCM晶体的串联谐振频率时，串联分支32的阻抗下降到最小值。因此，对DVM的输出变为最大值。可检测此最大值，且在这种情况下所产生的频率可用于确定串联谐振频率。当频率合成器产生的频率进一步增加时，并联谐振条件发生，此时串联分支组合32和并联电容34谐振。在所述频率下，QCM晶体60出现最大阻抗，其由最小DVM信号指示。
此布置可用以初始确定QCM晶体的谐振频率和Q因数，也可用于测量使用中的晶体。
在本发明的实施例中，晶体传感器60放置于致冷剂室内部区域，在该区域形成冰将是不合需要的。频率合成器和其它设备可放置于致冷剂室的外部，电连接到晶体传感器。
当例如水、氮或其他污染物的霜等物质沉积在晶体传感器上时，其谐振频率将由于晶体传感器的有效质量增加而改变。
图3是QCM晶体传感器响应于晶体上霜的沉积的谐振响应改变的实例。在图的右边展示的起始谐振尖峰50表示当QCM晶体传感器在其表面上没有任何沉积物时QCM晶体传感器的自然谐振响应。检测到的谐振尖峰52表示一旦在QCM晶体传感器的表面上发生沉积物时QCM晶体传感器的谐振响应。增加的质量致使谐振频率下降。在液体或气体中，谐振的质量(Q因数)也会降低，其由较低且较宽的谐振尖峰指示。如所属领域的技术人员将明了的，QCM的谐振响应的频率和质量改变可通过经连接以测量QCM晶体上的电压和穿过QCM晶体的电流的合适电路来检测。例如，可以使用参照图2A和2B所述的电路。
一旦检测到谐振处于低于某一阈值的频率，例如图3中在54处指示的频率，那么可认为QCM晶体传感器上已有固体沉积物。此事实可通过任何合适的已知信号装置——指示灯、可听警告、电话、SMS文本消息、电子邮件、传真等等来向用户或维护技工指示。可调度维护视察(service visit)以从致冷剂室移除致冷剂，且将其升温到室温。在基于水的沉积物的情况下，可能优选的是将致冷剂室的内部升温到高于室温以加速水的蒸发。
QCM还可用以检测气体密度的改变。这可有用于检测不在晶体传感器上形成霜的空气进入。举例来说，在填充氦的致冷剂室中，氮的进入将产生气体密度的显著改变。这还可由QCM检测为谐振频率和Q因数的改变。
在使用QCM来测量致冷剂室内气体的成分改变，例如以检测有氮混合到氦环境中，QCM晶体的质量将不改变。晶体遇到的粘度将从氦环境的粘度改变为氦与氮的混合物组成的环境的粘度。类似地，气态环境的密度将从氦环境的密度改变为氦与氮的混合物组成的环境的密度。这种改变将使谐振特性的频率和质量(Q因数)减小。这可由合适的检测电路来检测，例如通过将谐振频率和/或Q因数与相应的预定阈值54进行比较。这种检测可用于向用户或维护技工警告检测到空气进入。
在QCM晶体放置于空气进入源的附近的情况下，如果空气进入致冷剂室，那么QCM晶体经历的气体密度将改变。这将致使QCM晶体的谐振频率和谐振Q因数改变。可依赖这些效应来检测空气进入。在冷却到氮的凝固点以下的致冷剂室中，QCM晶体可放置于致冷剂室较内部处，该处可预期固体氮霜的沉积。可如上文论述检测和移除固体氮霜。
图4示意性说明致冷剂室12内的QCM晶体60的实例布置，同时频率合成器62位于致冷剂室的外部，通常处于室温。频率合成器62可产生处于约20MHz频率下的振荡电流。
在致冷剂室12内提供QCM晶体传感器60将需要在致冷剂室内提供至少再一个电连接64——第二电连接66可穿过致冷剂室的主体的接地连接而形成，其中假定致冷剂室由金属制成。然而，优选地，两个电连接均由引入致冷剂室的电线制成以消除致冷剂室的电阻对谐振响应的任何可能影响。优选的，通过使用参照图2A所述的同轴电缆40来实现。
在替代布置中，在致冷剂室的塔台内部提供一种振荡器电路。这将初始谐振频率应用于QCM晶体。提供到达致冷剂室外部的连接，使得能够进行处于谐振的信号幅度测量和频率的直接测量。这允许简单的Q因数计算。电源可安装在低温恒温器的外部。
QCM晶体传感器60及其相关联的配线64、66可在致冷剂室的制造期间放置于致冷剂室12内的适当位置。或者，QCM晶体传感器60可在维护期间改型到致冷剂室12。举例来说，电线64、66；40可穿过虹吸端口，其通常提供到致冷剂室，允许在不干扰其他任何连接时装配。
QCM晶体传感器是在其谐振频率下驱动且消耗非常少的功率。这是重要的，因为QCM晶体传感器消耗的任何功率经耗散为致冷剂室内的热，从而导致致冷剂的损失或对致冷器的额外负载。
适合于在低于10K的温度下使用的QCM可在参考M16-17-18下从TELONIC INSTRUMENTS LIMITED，Wokingham RG41 1QN UK(www.telonic.co.uk)购得。
QCM晶体的自然谐振频率50由晶体的材料和厚度决定。通过观察确定自然谐振频率可能是最佳的。晶体传感器的谐振频率的确定可通过以下方法中的任一者或者参照图2A和2B所述的方法执行。
使用图2B的电路，频率合成器可施加具有某一频率的AC电压，该频率与对应于晶体传感器的近似预期谐振频率。谐振频率是从监测由DVM检测到的电压和改变所施加AC电压的频率直到由DVM44检测到电压的最大值来确定。可间歇地或恒定地稍微改变所施加的AC电压的频率，以确保其频率匹配晶体传感器的谐振频率。可采用从AC电压产生器输出的数据以指示晶体传感器的谐振频率。
或者，以间隔或连续地将具有变化频率的AC电压施加于晶体传感器，且记录对应的由DVM检测到的电压。一旦已在所施加AC频率的一范围上记录由DVM检测到的电压，那么可确定由DVM检测到的最高电压，且这将指示当时晶体传感器的谐振频率。此方法的优点在于当时的Q因数可通过考虑在接近于谐振频率的频率(大于以及小于谐振频率本身)下由DVM检测到的电压改变的速率和量值来确定。
先前两个段落中描述的方法也可用于在检测空气进入的操作期间检测QCM晶体的谐振频率变化。
Claims (7)
1.一种用于检测因空气进入致冷剂室引起的水、氮或其它污染物的固体霜的沉积的设备，其包括：
一种石英晶体微量天平，其本身包括一种放置于所述致冷剂室内的晶体传感器，以及一种用于致动所述晶体传感器的谐振的致动电路；
一种检测装置，其用于检测由所述晶体传感器上的所述霜的沉积引起的所述晶体传感器的谐振特性改变；以及
一种信号装置，其用于指示所述检测到的改变。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述检测装置经布置以检测所述晶体传感器的谐振频率落在阈值以下。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述检测装置经布置以检测所述晶体传感器的所述谐振的Q因数落在阈值以下。
4.根据前述任一权利要求所述的设备，其中所述晶体传感器位于所述致冷剂室内且所述检测装置位于所述致冷剂室外，所述晶体传感器电连接到所述检测装置。
5.一种用于检测因空气进入致冷剂室引起的水、氮或其它污染物的固体霜的沉积的方法，其包括：
提供一种石英晶体微量天平，其本身包括一种放置于所述致冷剂室内的晶体传感器；
检测由所述晶体传感器上的所述霜的沉积引起的所述晶体传感器的谐振特性改变；以及
指示所述检测到的改变。
6.根据权利要求5所述的方法，其中通过检测所述晶体传感器的谐振频率落在阈值以下来执行所述检测步骤。
7.根据权利要求5所述的方法，其中通过检测所述晶体传感器的所述谐振的Q因数落在阈值以下来执行所述检测步骤。
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