CN1664569A - 航空燃料氢含量的连续波式核磁共振测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

一种航空燃料氢含量的连续波式核磁共振测量装置及测量方法，该装置包括磁体及测试采样线圈、扫描电路、采样电路，其特征在于该装置还包括信号控制电路和显示模块，其中：所述控制电路，分别与采样电路相连和显示模块相连，用于接收来自采样电路的数字信号，并利用单片机对该数字信号进行计算和处理，及对控制结果进行计算和显示；所述显示模块，用于显示控制电路输出结果的显示；该测量方法，通过控制电路对波形进行自动采样和分析。本发明相比较能够极大程度地提高航空燃料氢含量的测试精度，并且测试过程是自动、快速的，不仅能够自动删除由于干扰较大而使测定精度低于0.3％的无效测定值，而且能够减小信号的漂移，采样速度比现有技术提高了100倍。

Description

航空燃料氢含量的连续波式核磁共振测量装置及测量方法

                          技术领域

本发明涉及核磁共振装置，尤其涉及一种对航空喷气发动机燃料氢含量进行自动测量的连续波式核磁共振波谱仪及测量方法。

                          背景技术

本发明所属技术领域中有两个行业标准：即美国在1992年10月公布的国家标准(D3701-92)以及我国石油化工总公司于1998年6月公布的石油化工行业标准(SH/T0658-1998)《航空喷气发动机燃料氢含量测定法》。现有技术中，利用核磁共振波谱仪对航空燃料氢含量进行测量通常采用手动调节，本领域最具代表性的是英国生产的Newport 4000型核磁共振波谱仪，这种仪器进行一次测量的时间间隔为128秒，由于使用这种测量装置需手动调节双峰重合的时间，所以，实际操作中，每次测量的时间间隔实际在200秒以上，可以看出，现有技术的测量精度和测量效率较低，采样速度慢，且不能通过计算机屏幕或其他显示装置对测量结果进行直观显示，在很多方面影响了测量的效果。

                          发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种航空燃料氢含量的连续波式核磁共振测量装置及测量方法，通过对波形进行自动采样和分析，然后利用PC机将波形结果显示出来。

本发明提出一种航空燃料氢含量的连续波式核磁共振测量装置及测量方法，该装置包括磁体及测试采样线圈、扫描电路、采样电路，其特征在于本发明还包括信号控制电路和控制显示单元，其中：

所述采样电路，分别与采样线圈和控制电路相连，与所述控制电路相连，用于读取核磁共振信号，并将该信号经过放大、解调及A/D转换后变成数字信号，送至控制电路；

所述扫描电路，分别与扫描线圈和控制电路相连，一方面为位于永磁体上的一对扫描线圈提供频率为1350Hz的线性变化电流，另一方面向控制电路发送同步扫描信号，提供采样频率；

所述控制电路，分别与采样电路相连和显示模块相连，用于接收来自采样电路的数字信号，并利用单片机对该数字信号进行计算和处理，及对控制结果进行计算和显示；

所述控制显示单元，用于显示控制电路输出结果的显示。

该方法包括以下步骤：

对RF振荡电路的振荡频率v₀进行微调：

设置一个D/A变换器为RF振荡电路所加的电压V₀；

自动调谐；

判断是否有波形双峰出现；

如是，则判断双峰间距是否为10ms；

如双峰间距是10ms，则记录当前D/A变换器的电压值V₀；

采集波形及其峰值，并保存；

计算每组64个波形的共16组波峰峰值的平均值S；

传送NMR信号到上位机；

如否，则每隔10ms采集一数据，并求出平均值N；

将所述平均值N及波形数据传送给显示单元；

消除干扰而引起的测量误差：

运行VB程序；

在界面中填入必要的参数；

发送测试命令；

计算误差值；

根据误差值的范围显示相应的提示信息。

与现有技术相比，本发明相比较能够极大程度地提高航空燃料氢含量的测试精度，即不仅能够自动删除由于干扰较大而使测定精度低于0.3％的无效测定值，而且能够减小信号的漂移，采样速度比现有技术提高了100倍，另一方面，本发明利用软件实现了采样波形的双峰自动重合，无需再作调节，因此可以实现自动快速的测量过程。

下面将结合实施例，并参照附图进行详细说明，以便对本发明进行更深入的说明。

                        附图说明

图1为本发明的自动测量航空燃料氢含量的连续波式核磁共振装置框图；

图2为本发明的自动测量航空燃料氢含量的连续波式核磁共振装置的采样电路及信号处理系统电路图；

图3为本发明的自动测量航空燃料氢含量的连续波式核磁共振装置的控制显示单元的电路图；

图4为本发明的自动测量航空燃料氢含量的连续波式核磁共振装置的振荡频率的微调流程图；

图5为本发明的自动测量航空燃料氢含量的连续波式核磁共振装置的NMR信号峰值平均值的计算流程图。

                        具体实施方式

为了实现上述目的，本发明利用连续波式核磁共振(CW NMR)装置对航空燃油中的氢含量进行检测。该装置主要包括以下三部分：

磁体及测试采样线圈部份，该部份包括永磁体12，其磁场强度约为635G；扫描电路反馈给位于永磁体上的一对扫描线圈1350Hz、且线性变化的电流，以产生磁场强度B₀，使永磁体的磁场强度在610G到650G之间变化；设置在永磁体中心的测试采样线圈11，作为采样电路中LC振荡器的电感，使得LC振荡器在该测试采样线圈11中产生连续的、频率v₀为2.7MHz的射频电磁场；

采样电路及信号处理系统部份，该部份包括采样电路14、扫描电路15及控制电路16，其中，采样电路14读取测试采样线圈11产生的核磁共振信号，将该信号经过放大、解调及A/D转换后变成数字信号，送至控制电路16；扫描电路15向控制电路发送同步扫描信号，提供采样频率；控制电路16采用微处理器及微型计算机(如单片机)，用于对采样信号进行A/D、D/A转换，并且识别干扰信号及删除较大的干扰信号；其中，控制电路的处理结果经D/A转换后，重新送回所述扫描电路，以减小信号振荡。其中，控制电路采用8251型单片机。

控制显示单元，除能够对控制电路的处理结果进行显示，还可将外部环境产生的干扰信号波形在微型计算机的监视器上显示，以便让测试人员了解周围环境的干扰状态，该单元利用PC机实现。

其中，CW NMR的工作原理为：当射频震荡信号频率为v₀时，50Hz的扫描磁场使磁场强度B在B₀上、下变化，并周期性地等于B₀。当B＝B₀时，产生NMR现象，氢原子核就会从射频振荡线圈中吸收能量。采样电路会检测到这种能量的吸收，产生如图2所示的射频吸收波形。

因为只有在射频振荡信号频率与B₀满足公式：

v₀＝gμnB₀/h

上述为Larmaor公式，式中

g：原子核的g因子

μn：核磁子，μn＝5.057866×10^-27J/T

h：普朗克常数

B₀：产生核磁共振的磁场强度才会产生核磁共振现象。故类似的仪器多采用手工调节使双峰重合的方法将v₀调准。本发明将微处理器，对采集到的核磁共振信号数字化后进行处理，选出特定的信号，通过压控振荡器来控制核磁射频的振荡率，自动完成双峰重合。

下面，通过一具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案：

如图2所示，为本发明的自动测量航空燃料氢含量的连续波式核磁共振装置的采样电路及信号处理系统电路图。其中RF振荡电路的振荡频率v₀在测试过程中是一个重要参数。只有保证v₀值正确，才能取出正常的NMR信号。在该电路中，v₀通过改变加在变容二极管两端的电压V来调节。本电路的工作原理是：通电后，通过D/A变换器为RF振荡电路加上一个工厂预置电压值或者加上上一次运行时所记录的调谐电压V；把被测样品放入采样线圈中，采样电路通过A/D转换电路不断向单片机输出NMR数字信号；在收到测量指令后，系统立刻测量任意两个NMR峰之间的时间间隔T。在本系统中，T值为10ms，否则通过改变D/A输出电压V的大小，从而对T值进行调整，此过程即调谐；测量T值，如果T＝10ms，调谐完毕，如果T约等于10ms，重复上述过程，直到T＝10ms为止，记录下此时的电压V值，即可开始测量。

如图3所示为本发明的自动测量航空燃料氢含量的连续波式核磁共振装置的控制显示单元的电路图。

该单元通过PC机来实现。PC机软件利用VB编程，由于VB编程可以很方便地设计出良好的人机界面，代码简单，而且所实现的软件功能强大。

振荡频率v₀通过如图4所示的本发明的自动测量航空燃料氢含量的连续波式核磁共振装置的振荡频率的微调流程来实现，其中，多组(64个NMR信号峰值)的平均值

$S_i=\frac{{\mathrm{\Σ}}_1^{64}{S}_j}{64}---(1-1)$

$N=\frac{{\mathrm{\Σ}}_1^{64}{n}_k}{64}---(1-2)$

该流程中，i为本实施例中被测量波形的组数，j为被测量的波形的波峰数量，即64，该流程的具体实施步骤为：

首先，设置一个D/A变换器为RF振荡电路所加的电压V₀，步骤401；本发明的测试装置进行自检，步骤402；自检完成后向上位机主动发送OK指令，步骤403；此时进行两个判断：一是判断是否当前收到调谐指令，步骤404；如果收到，则自动调谐，否则，重新执行装置自检；二是判断当前是否收到测量样品，步骤405；如是，则判断当前是否有波形双峰出现，步骤406；如有双峰出现，继续后续操作，否则，每隔10ms采集一数据并求其平均值N(参见式(1-2))，步骤407；将该平均值N及波形数据传送给控制电路，步骤408，并且返回自检步骤；如有双峰出现，则判断此双峰间距是否为10ms，步骤409；如是，则记录此时的D/A变换器的电压V₀的值，步骤410；设被测量波形的组数i＝1且被测量的波形的波峰数量j＝1，步骤411；采集并保存当前波形及峰值，步骤412；使j＝j+1，步骤413；判断j是否大于64，步骤414，如否，则采集前64个波形及其波峰值，如是，则计算出上述64个波峰峰值的平均值S_i，步骤415；将该S_i值传送到上位机，步骤416；判断I是否大于16，步骤419；如否，则将i+1，即增加一组波形，再求出其所包含的64个波形的波峰值，步骤420；如是，则完成了16组64个波形的波峰值的平均值S_i，参见式(1-1)。

如图5所示，为本发明的自动测量航空燃料氢含量的连续波式核磁共振装置的NMR信号峰值平均值的计算流程，利用PC机将接收到的数字信号进行进一步处理，将若干组64个信号峰值平均值S_i再求出平均值，得到S_T(接收到测试命令后的波峰值的平均值)或S_R(接收到标样测试命令后的波峰值的平均值)，并设法去除可能是由于外界干扰而引起的偏差较大的数据，以便得出一定精度的测量值，该流程的具体实施步骤如下：

首先，运行VB程序，步骤501；在界面中填入必要的参数，步骤502；此时可能执行三个动作：动作一：发送调谐指令TX，步骤503；动作二：发送测试命令ST，步骤504；动作三：发送标样测试指令，步骤513；步骤604之后，需判断当前收到的是否为测量所需的数据，步骤505；如否，则报告“数据出错”，步骤506；如是，则计算误差值Δ_i(参见式(1-3))，步骤507；判断该误差值是否小于或者等于0.1，步骤508；如是，则将数据变换为被测的含氢量数值，步骤509；否则，在界面上显示“误差过大，请重测”，步骤512；判断步骤509得到的数据X是否大于5％，如是，则显示当前测得的含氢量及波形，步骤511；如否，则显示当前测得的数据为噪声值，步骤520；

步骤513中装置发送了标样测试指令后，即进入等待状态，步骤514；判断当前收到的是否为测量所需的数据，步骤515；如是，则计算误差值Δ_R(参见式(1-4))，否则，在界面上报告“数据出错”，步骤506；判断计算得出的误差值Δ_R是否小于或者等于0.1，如是，则保存S_R值，步骤518；显示波形，步骤519；如否，则在界面上显示“误差过大，请重测”或类似提示，步骤512。

该流程中的两个误差值Δi和Δ_R的计算公式如下：

$\mathrm{\Δi}=\left|\frac{S_{\mathrm{Ti}}-S_T}{S_T}\right|---(1-3)$

${\mathrm{\Δ}}_R=\left|\frac{S_i-S_R}{S_R}\right|---(1-4)$

现代PC机的内存大，运行速度快，因此可对数据进行灵活复杂的处理，PC机很容易就可与网路及外设如打印机等连接，为用户联网及打印测量数据提供了便利条件。

以上所述，仅是本发明的实施方式举例说明，不应被视为是对本发明范围的限制，而且本发明所主张的权利要求范围也并不局限于此，凡熟悉此领域技术的人士，依据本发明所揭露的技术内容，可轻易思及的等效变化，均应落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种航空燃料氢含量的连续波式核磁共振测量装置，该装置包括磁体及测试采样线圈、扫描电路、采样电路，信号控制电路和显示模块，其特征在于：

所述采样电路，分别与采样线圈和控制电路相连，用于读取核磁共振信号，将该信号经过放大、解调及A/D转换后变成数字信号，送至控制电路；

所述扫描电路，分别与扫描线圈和控制电路相连，一方面为位于永磁体上的一对扫描线圈提供频率为1350Hz的线性变化电流，另一方面向控制电路发送同步扫描信号，提供采样频率；

所述控制电路，分别与采样电路相连和显示模块相连，用于接收来自采样电路的数字信号，并利用单片机对该数字信号进行计算和处理，及对控制结果进行计算和显示；

所述显示模块，用于控制电路输出结果的显示。

2.如权利要求1所述的航空燃料氢含量的连续波式核磁共振测量装置，其特征在于所述控制电路采用8251型单片机。

3.如权利要求1所述的航空燃料氢含量的连续波式核磁共振测量装置，其特征在于所述控制电路的处理经D/A转换后，重新送回所述扫描电路。

4.如权利要求1所述的航空燃料氢含量的连续波式核磁共振测量装置，其特征在于所述控制显示单元将外部环境产生的干扰信号波形通过微型计算机的监视器显示出来。

5.如权利要求1所述的航空燃料氢含量的连续波式核磁共振测量装置，其特征在于所述控制电路用于识别干扰信号

6.如权利要求1所述的航空燃料氢含量的连续波式核磁共振测量装置，其特征在于删除较大的干扰信号。

7.一种航空燃料氢含量的连续波式核磁共振测量方法，通过控制电路对波形进行自动采样和分析，该方法包括以下步骤：

对RF振荡电路的振荡频率ν₀进行微调：

设置一个D/A变换器为RF振荡电路所加的电压V₀；

自动调谐；

判断是否有波形双峰出现；

如是，则判断双峰间距是否为10ms；

如双峰间距是10ms，则记录当前D/A变换器的电压值V₀；

采集波形及其峰值，并保存；

计算每组64个波形的共16组波峰峰值的平均值S；

传送NMR信号到上位机；

如否，则每隔10ms采集一数据，并求出平均值N；

将所述平均值N及波形数据传送给显示单元；

消除干扰而引起的测量误差：

运行VB程序；

在界面中填入必要的参数；

发送测试命令；

计算误差值；

根据误差值的范围显示相应的提示信息。

8.如权利要求7所述的航空燃料氢含量的连续波式核磁共振测量方法，其特征在于所述在界面中填入必要的参数的步骤，可实现发送调谐指令、发送测试命令以及发送标样测试指令功能。

9.如权利要求7所述的航空燃料氢含量的连续波式核磁共振测量方法，其特征在于所述根据误差值的范围显示相应的提示信息的步骤，包括在界面上显示“误差过大，请重测”、报告“数据出错”及显示当前测得的数据为噪声值。

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