DE1523086B2 - Gyromagnetisches resonanzgeraet - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein gyromagnetisches Resonanzgerät zur Bestimmung der Resonanzenergie in einem Stoff mit gyromagnetischen Eigenschaften.

Aus der USA.-Patentschrift 2 561489 bzw. der Neuauflage dieser Patentschrift Re 23 950 ist es bekannt, ein gyromagnetisches Resonanzgerät so aufzubauen, daß ein magnetisches Gleichfeld den zu untersuchenden Stoff durchsetzt, während rechtwinklig zu dem Magnetgleichfeld ein magnetisches Hochfrequenzfeld erzeugt wird, welches eine gyromagnetische Resonanz in dem Gleichfeld hervorruft, die ihrerseits ein hochfrequentes Ausgangssignal abgibt, das empfangen wird.

Das magnetische Gleichfeld kann durch ein Ablenksignal moduliert werden, so daß der Resonanzpunkt periodisch durchlaufen wird und das Ausgangssignal auf dem Schirm eines mit dem Ablenksignal synchronisierten Kathodenstrahloszillographen sichtbar wird.

Das Gerät eignet sich zur Untersuchung von unbekannten Stoffen und gestattet, die relativen Anteile von Substanzen in einer Mischung oder Verbindung zu bestimmen. So kann z. B. die zu untersuchende Mischung eine Mischung von Öl und Wasser in einem porösen Sandsteinkern sein, der bei einer Tiefbohrung erhalten wurde. Das Gerät kann auch zur Bestimmung des Feuchtigkeitsgehaltes eines ruhenden oder fließenden Stoffes benutzt werden.

ίο Diese bekannten gyromagnetischen Resonanzgeräte sind jedoch in ihrer Bedienung noch ziemlich umständlich und erfordern Erfahrung bei der Deutung der sich ergebenden Oszillogramme.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Gerät so auszubilden, daß die Meßergebnisse, d. h. der Betrag der EMK, die durch die präzessierenden Kerne induziert wird, selbsttätig und ohne Rechnungen in einem direkt anzeigenden Meßinstrument angezeigt wird.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß eine Integrierschaltung den Empfangseinrichtungen nachgeschaltet ist.

Im Fall der Untersuchung eines Bohrkerns auf ö£*" und Wassergehalt setzt die Bedienungsperson ledig-Hch den zu untersuchenden Bohrkern in ein Reagenzglas ein und stellt einen Bedienungsknopf ein, so daß sich eine bestimmte Ablesung auf einem eingebauten Meßinstrument oder Schreibgerät ergibt, und liest dann sofort das selbsttätig errechnete Resultat ab.

Hierdurch ist die Benutzung des Gerätes auch durch ungeschultes Personal möglich, und es können zahlreiche aufeinanderfolgende Untersuchungen rasch durchgeführt werden.

Vorzugsweise ist die Integrierschaltung mit der Empfangseinrichtung zur Ermittlung der Energie des modulierten Resonanzsignals verbunden. Die Empfangseinrichtung enthält eine Demodulationsschaltung, die mit dem Eingang der Integrierschaltung verbunden ist.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist eine Klemmschaltung an der Ausgangsseite der Demodulationsschaltung und ein Nullanzeigeinstrument an die Integrierschaltung angeschlossen, wobei die Nullkreisschaltung zwei Parallelverstärker enthält, von denen die Steuerelektrode des einen Verstärkers mit dem Ausgang der Integrierschaltung verbunden ist, während die Steuerelektrode des anderen Verstärkers an einer veränderlichen Vorspannung liegt und wobei die Ausgänge der beiden Verstärker miteinander über das Nullinstrument verbunden sind.

In den Figuren sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.

F i g. 1 zeigt ein gyromagnetisches Gerät, in dem die erfindungsgemäße Integrierschaltung benutzt wird, um die Ergebnisse einer Analyse ohne schwierige Rechnungen sofort ablesen zu können;

F i g. 2 zeigt eine Integrierschaltung gemäß der Erfindung, die bei dem Gerät nach Fig. 1 benutzt wird;

F i g. 3 zeigt die Anwendung der Erfindung auf ein Gerät, das selbsttätig Dichteänderungen in aufeinanderfolgenden Proben kompensiert, um eine korrigierte Prozentablesung des Feuchtigkeitsgehaltes zu ermöglichen;

Fig. 4 zeigt eine andere Integrierschaltung, die an Stelle der Schaltung der Fig. 2 in dem gyromagnetischen Gerät benutzt werden kann;
F i g. 5 und 6 zeigen Kurven, welche die Arbeits-

weise der Integrierschaltung der F i g. 4 veranschaulichen sollen, und

Fig. 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Integrierschaltung, die an Stelle der Schaltung von F i g. 4 benutzt werden kann.

Bei dem Gerät der F i g. 1 wird das magnetische Gleichfeld durch einen permanenten Magneten 1 geliefert. Die gyromagnetische Substanz wird zwischen die Polflächen des Magnetes in einem Reagenzglas 2 im Innern eines Probenkopfes 3 gebracht. Der Probenkopf enthält eine Senderspule und eine Empfängerspule. Die Spulen sind darin so angeordnet, daß die beiden Spulen und das von dem Magneten 1 erzeugte magnetische Feld zueinander senkrecht stehen. Die Senderspule ist an einen Generator 4 für Hochfrequenzenergie angeschlossen. Die Empfängerspule ist mit einem Hochfrequenzempfänger 5 verbunden, dessen Ausgang an einen Detektor 6 angeschlossen ist, der seinerseits mit den senkrechten Ablenkplatten eines Oszillographen 7 in Verbindung steht. Die waagerechten Ablenkplatten stehen in Verbindung mit einem Niederfrequenzsender 8, der über Ablenkspulen 9 das Gleichfeld moduliert.

Die an den Detektor 6 angeschlossene Integrierschaltung 11 ist in F i g. 2 im einzelnen dargestellt. Der Ausgang des Detektors 6 ist über einen Kondensator 12 mit dem Steuergitter 13 einer Triode 14 verbunden. Die verstärkte Ausgangsspannung dieser Verstärkerröhre 14 wird einer Klemmschaltung zugeführt, die eine Triode 15 enthält, deren Gitter 16 über einen Vorspannungswiderstand 17 und eine Diode 18 geerdet ist. Die Schaltung arbeitet in an sich bekannter Weise so, daß das Ausgangssignal dieses Kreises immer auf einem positiven Wert festgehalten wird. Der Ausgang des Kathodenverstärkers 15 ist an eine Integrierschaltung angeschlossen, die einen Widerstand 19 und einen Kondensator 21 enthält. Das integrierte Gleichstromsignal, das von dieser Integrierschaltung erzeugt wird, wird dem Gitter 22 einer Röhre 23 in einer abgeglichenen Nullinstrumentschaltung zugeführt. Diese Nullschaltung enthält eine Röhre 23, die parallel zu einer zweiten Röhre 24 liegt, wobei die Anoden über ein Galvanometer 25 verbunden sind. Die beiden Röhren 23 und 24 stehen anfangs im Gleichgewicht, wenn die Substanz aus dem Reagenzglas 2 entfernt ist oder wenn sich die gyromagnetische Substanz in dem Reagenzglas befindet und das polarisierende magnetische Feld so eingestellt ist, daß sich das System außer Resonanz befindet. Die Einstellung erfolgt mittels eines Widerstandes 26, so daß das Galvanometer 25 eine Nullablesung ergibt, nachdem der Einstellknopf des Drehpotentiometers 27 zuerst auf einen vorbestimmten Wert eingestellt worden ist. Beim Empfang eines Eingangssignals aus der Integrierschaltung, d.h., wenn die gyromagnetische Resonanz der untersuchten Substanz hervorgerufen wird, befinden sich die Röhren nicht mehr im Gleichgewicht, und der Zeiger des Galvanometers verläßt den Nullpunkt. Das geeichte Drehpotentiometer 27 wird benutzt, um die Vorspannung der Röhre 24 so einzustellen, daß sich das Galvanometer 25 auf Null bewegt. Der Abstand, um den der Knopf des Drehpotentiometers 27 aus der Anfangsstellung bewegt werden muß, ergibt eine Ablesung des Wertes, welcher die gesamte durch die gyromagnetische Resonanz erzeugte Energie darstellt.
Die Bedienungsperson stellt zuerst den Widerstand 26 so ein, daß das Galvanometer auf Null steht, wenn sich keine Probe in dem Reagenzglas befindet; dann wird ein Bohrkern in das Reagenzglas eingesetzt und das Drehpotentiometer 27 verstellt, bis das Meßinstrument wieder auf Null steht; darauf wird die neue Einstellung des Drehpotentiometers abgelesen und mit der vorherigen Einstellung verglichen, so daß sich die resultierende induzierte EMK ergibt, die von den präzessierenden Kernen in Öl und Wasser abhängt. Der Bohrkern wird dann herausgenommen, in das Vereisungsbad gebracht und dann wieder in das Reagenzglas eingesetzt; das Drehpotentiometer 27 wird erneut verstellt, bis eine Nullablesung am Galvanometer 25 erhalten wird, wobei die Einstellung des Drehknopfes des Drehpotentiometers den Betrag der induzierten EMK angibt, die durch die präzessierenden Kerne in dem Öl des Bohrkerns induziert wird; auf diesen beiden Ablesungen kann die Bedienungsperson leicht das Verhältnis von Öl zu Wasser in der Mischung bestimmen.

In Fig. 3 ist ein gyromagnetisches Resonanzsystem dargestellt, bei dem Dichteänderungen eines fließenden Stoffes automatisch kompensiert werden, so daß die von dem Gerät gelieferte Anzeige mit Hilfe der erfindungsgemäßen Integrierschaltung den wahren Wert des Feuchtigkeitsgehaltes des Stoffes liefert.

Das gyromagnetische Signal, welches von den Kernen in dem fortlaufenden Verfahren erhalten wird, hängt von der Dichte des Stoffes ab, da um so mehr Kerne zu dem Signal beitragen, je dichter der Stoff ist. Um daher den Feuchtigkeitsgehalt in einem gegebenen Volumen des Stoffes zu bestimmen, ist es notwendig, die veränderliche Dichte des Stoffes zu kompensieren. Im vorliegenden Fall ist ein Gerät mit Gammastrahlung zur Messung der Dichte des untersuchten Stoffes dargestellt. Der Dichtewert wird automatisch mit dem Kernresonanzsignal verglichen, und eine Resultierende wird erzeugt, aus der der Prozentsatz der Feuchtigkeit des Stoffes ohne weiteres bestimmt werden kann.

Der Stoff 51, z. B. ein Nährmittel, wird kontinuierlich durch eine Leitung 52 transportiert, die aus einem diamagnetischen, nichtleitenden Material, z. B. Glas, besteht. Das Nährmittel wird stetig durch die Leitung bewegt, da die Schraube 53 und der Motor 54 das Nährmittel aus der Leitung herausbefördern. Die Leitung ist in der Nähe der Senderspule 55 und der Empfängerspule 56 angeordnet und so ausgerichtet, daß die Gammastrahlen einer Strahlenquelle 57 durch das Nährmittel in der Leitung hindurchgehen. Ein Gammastrahlendetektor 58, z. B. ein Scintillationszähler, ist so angeordnet, daß er die Gammastrahlen aufnimmt, nachdem sie durch die Nährmittel hindurchgegangen sind. Der Ausgang des Scintillationszählers ist über Verstärker 59 an eine Integrierschaltung 61 angeschlossen. Der Ausgang dieser Integrierschaltung ist über einen Widerstand 62 und eine Spule 63 eines Abstimmkreises, der auch einen Kondensator 64 parallel zur Spule 63 enthält, mit dem Steuergitter 65 einer Hochfrequenzverstärkerröhre 66 mit Begrenzercharakteristik verbunden. Die Ausgangsseite des Hochfrequenzverstärkers 67, dessen Eingang mit der Empfängerspule 56 verbunden ist, ist über einen Kondensator 68 mit dem Steuergitter 65 der Verstärkerröhre verbunden. Der Ausgang der Verstärkerröhre 66 ist an einen Detektor 69 angeschlossen und führt dann zu einem

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Oszillographen 72 und einer Integrierschaltung 71, Verlauf. Ein Rechteckwellengenerator 84 wird durch

die denen der F i g. 1 und 2 ähnlich sind. den Generator 85 für die Dreieckswellen synchroni-

Wenn das Nährmittel beim Betrieb durch die Lei- siert und erzeugt eine Rechteckschwingung, die mit tung mit einer Geschwindigkeit hindurchläuft, die der Dreieckswelle nach F i g. 5 in Beziehung steht, durch die Förderschraube 53 bestimmt ist, durch- 5 wobei die Frequenz der Rechteckwelle doppelt so setzen die Gammastrahlen das Nährmittel, und da hoch wie die Frequenz der Dreieckswellen ist. Die der Betrag der von dem Nährmittel absorbierten Punkte, an denen die Kernresonanz auftritt, sind in Gammastrahlen proportional der Dichte des Nähr- der Dreieckswelle mit H₀ bezeichnet. Es sei bemerkt, mittels ist, ist die Ausgangsspannung des Gamma- daß diese Resonanzpunkte zu einem Zeitpunkt aufstrahlendetektors 58 umgekehrt proportional zur io treten, an dem die Rechteckwelle den höheren Wert Dichte des Nährmittels. Die Ausgangsspannung des hat. Der untere Wert der Rechteckwelle tritt während Scintillationszählers wird verstärkt und der Integrier- der Intervalle zwischen den Resonanzperioden auf. schaltung 61 zugeführt, an deren Ausgangsseite eine Der Rechteckwellenausgang des Generators 84 wird Gleichspannung entsteht, die umgekehrt proportional über ein Relais 92 geleitet, welches zwei Paare von zur Dichte des Nährmittels ist. Da die Vorspannung 15 Wechselkontakten aufweist. Das Relais liegt während für die Hochfrequenzverstärkerröhre 66 durch die des oberen Pegels der Rechteckwelle in der einen Gleichspannung gebildet wird und da bei Zunahme Stellung und während des unteren Pegels der Rechtder Dichte des Nährmittels die positive Gittervor- eckwelle in der anderen Stellung. Als Schaltmittel spannung am Steuergitter abnimmt, wird die Ver- kann auch z. B. ein Relais mit einem doppelpoligen Stärkung der Verstärkerröhre verkleinert. Das Kern- 20 Zweifachschalter oder eine Elektronenröhrenanordresonanzsignal des Nährmittels ist proportional der nung benutzt werden. Die Empfängerspule des Be-Dichte. Wenn die Dichte zunimmt, nimmt auch die hälters ist an einen Hochfrequenzverstärker 86 anAmplitude des Kernresonanzsignals zu, und auch geschlossen, der zu einem Detektor oder Demodudas Eingangssignal am Steuergitter der Verstärker- lator 87 führt, dessen Ausgangsseite mit einem röhre, das von dem Hochfrequenzverstärker stammt, 25 Kathodenverstärker 88 verbunden ist. Das gleichwächst, so daß das Ausgangssignal dieser Verstärker- gerichtete Signal am Ausgang des Kathodenverstärröhre zunimmt. Auf diese Weise werden Zunahmen kers, welches aus dem induktiven Streusignal zwi- und Abnahmen des Kernresonanzsignals, die auf sehen der Sende- und Empfängerspule und dem in Dichteänderungen des Nährmittels zurückzuführen der Empfängerspule durch die präzessierenden Kerne sind, im Unterschied zu Änderungen des Signals, die 30 induzierten Signal besteht, wird auf die Integriervon Änderungen im Prozentsatz des Wassers in dem schaltung übertragen, die den Widerstand 89 und den Nährmittel abhängen, in der Verstärkerröhre korn- Kondensator 91 enthält. Der Kondensator 91 ist mit pensiert,-und die Ausgangsspannung dieser Verstär- den Relaiskontakten so verbunden, daß er während kerstufe ist daher proportional dem Feuchtigkeits- des oberen Pegels der Rechteckwelle in der einen gehalt des Nährmittels. Die Ausgangsspannung dieser 35 Richtung mit Bezug auf den Widerstand 89 einge-Verstärkerröhre wird dann dem Detektorkreis 69 zu- schaltet ist und während des unteren Pegels der geführt und von hier dem Nullkreis der Integrier- Rechteckwelle in der umgekehrten Richtung liegt, schaltung 71, so daß Ergebnisse geliefert werden, die Wenn der Kondensator 91 in der einen Richtung sich an dem Einstellknopf des Drehpotentiometers während der Resonanzperiode eingeschaltet ist, die leicht ablesen lassen. 40 durch den Punkt H₀ auf der Dreieckswelle gekenn-

In F i g. 4 ist eine weitere Integrierschaltung dar- zeichnet ist, dann nimmt die Integrierschaltung ein gestellt, die an Stelle der Integrierschaltung der F i g. 2 Signal auf, welches aus der Summe des. Streusignals benutzt werden kann. Bei diesem gyromagnetischen und des Kernresonanzsignals besteht, und integriert Resonanzsystem sind die Empfänger- und Sender- diese beiden Signale zusammen, während sie wähspulen des Probekörpers senkrecht zueinander an- 45 rend der Perioden zwischen den Resonanzsignalen, geordnet, um soweit wie möglich jede direkte induk- d. h., wenn die Rechteckwelle den unteren Pegelwert tive Kopplung zwischen den beiden Spulen zu ver- einnimmt, ein Signal aufnimmt, welches nur dem meiden. Trotzdem kann eine gegenseitige Streukopp- Streusignal entspricht, da während dieser Zeitperiode lung vorhanden sein, selbst wenn Ausgleichsschaltun- ein Resonanzsignal nicht erzeugt wird. Während gen benutzt werden, um diesen Streufluß zu beseiti- 50 dieser letzteren Zeitperiode ist der Kondensator umgen. Das Signal, welches von der Aufnahmespule gepolt worden, und das während dieser außer Resoaufgenommen und an den nachfolgenden Empfänger nanz befindlichen Periode aufgenommene Signal abgegeben wird, besteht aus dem von der Resonanz wird von dem während der Resonanzperiode empabhängigen Signal und dem Streusignal. Die inte- fangenen Signal abgezogen. Das Streusignal wird grierte Signalausgangsspannung enthält daher auch 55 daher von dem Signal, welches der Kernresonanz das Streusignal als Bestandteil, und es ist wünschens- und dem Streusignal entspricht, abgezogen, so daß wert, diesen Teil des gesamten Ausgangssignals zu das verbleibende integrierte Signal nur das Kerneliminieren, um das wahre Ausgangssignal, welches resonanzsignal ist. Die Ausgangsseite dieser Flipnur von der Kernresonanz herrührt, zu erhalten. Dies Flop-Integrierschaltung kann mit einer Nullschaltung kann durch Benutzung der in Fig. 4 dargestellten 60 in ähnlicher Weise verbunden sein, wie dies in F i g. 2 Integrierschaltung geschehen. dargestellt ist.

Der Probenkopf 31, der die Senderspule, die Emp- In der oben beschriebenen Flip-Flop-Integrierfängerspule und die Probe enthält, befindet sich zwi- schaltung hatte die Rechteckwellenfrequenz den dopschen den Polschuhen des Magneten 82. Die Ab- pelten Wert wie die Dreieckswelle. Unter Umständen lenkspulen 83 werden mit den veränderlichen Ab- 65 ist es jedoch praktischer, wenn beide Signale die lenksignalen gespeist, um das Magnetfeld periodisch gleiche Frequenz haben, und F i g. 6 zeigt, wie eine zu verändern und dadurch den Resonanzpunkt zu solche Integrierschaltung benutzt werden kann. Das durchlaufen. Das Ablenksignal hat einen dreieckigen polarisierende Magnetgleichfeld wird etwas verscho-

ben, so daß die Resonanzpunkte mehr nach den oberen Potentialwerten der Dreieckswelle zu liegen und nicht in der Mitte, wie bei Fig. 6. Auf diese Weise werden zwei Resonanzpunkte während des oberen Pegels der zugehörigen Rechteckwelle erzeugt. Das integrierte Signal, das auf die Streuung zwischen der Sendespule und der Empfängerspule zurückzuführen ist, wird während des unteren Pegels der Rechteckwelle von dem integrierten Signal und während des oberen Pegels der Rechteckwelle in der gleichen Weise abgezogen, wie dies in Verbindung mit F i g. 5 beschrieben wurde. Das Gerät, das bei diesem Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 benutzt wird, kann das gleiche Gerät wie in F i g. 4 sein.
Eine andere Art einer Flip-Flop-Integrierschaltung, die an Stelle derjenigen der Fig. 4 benutzt werden kann, ist in F i g. 7 dargestellt. Diese Figur zeigt nur denjenigen Teil des Gerätes, der abwechselnd ausgebildet ist. Der Ausgang des Kathodenverstärkers ist mit dem Relaisanker eines mit Arbeits- und Ruhekontakt versehenen Relais 93 verbunden, wobei das Relais von einem Rechteckwellengenerator betrieben wird, der mit dem Sägezahngenerator in der gleichen Weise wie in F i g. 4 synchronisiert ist. Die beiden

ίο Kontakte sind mit zwei Integrierkreisen 94 und 95 verbunden, wobei die Ausgangsspannung dieser zwei Integrierkreise nur dem von der Aufnahmespule aufgenommenen Nutzsignal der präzessierenden Kerne proportional ist, während das Streusignal subtrahiertist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

209 526/471

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Gyromagnetisches Resonanzgerät zur Bestimmung der Resonanzenergie in einem Stoff mit gyromagnetischen Eigenschaften mit Einrichtungen zur Erzeugung eines magnetischen Gleichfeldes, welches den Stoff durchsetzt, sowie mit Einrichtungen zur Erzeugung eines rechtwinkelig zu dem Magnetgleichfeld liegenden magnetischen Hochfrequenzfeldes zur Erzeugung der gyromagnetischen Resonanz in dem Gleichfeld und Einrichtungen zum Empfang eines hochfrequenten Ausgangssignals, dadurch gekennzeichnet, daß den Empfangseinrichtungen (z. B. 56, 5, 6) eine Integrierschaltung (11, 71, 89, 91) nachgeschaltet ist.

2. Gyromagnetisches Resonanzgerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Einrichtungen zur Modulation eines der magnetischen Felder (8, 9) sowie durch eine Empfangseinrichtung (5, 6) zur Aufnahme und Demodulation des gyromagnetischen Resonanzsignals zur Erzeugung eines Hüllensignals der Resonanzamplitude.

3. Gyromagnetisches Resonanzgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangseinrichtung eine Demodulationsschaltung (6, 69) enthält, die mit dem Eingang der Integrierschaltung verbunden ist.

4. Gerät nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Klemmschaltung (19, 21) an die Ausgangsseite der Demodulationsschaltung und ein Nullanzeigeinstrument (25) an die Integrierschaltung angeschlossen sind, daß die Nullkreisschaltung zwei parallele Verstärker (23, 24) enthält, von denen die Steuerelektrode (22) des einen Verstärkers mit dem Ausgang der Integrierschaltung (19, 21) verbunden ist, während die Steuerelektrode des anderen Verstärkers an einer veränderlichen Vorspannung liegt, und daß die Ausgänge der beiden Verstärker über das Nullinstrument (25) miteinander verbunden sind.

5. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Integrierschaltung (11) den Prozentsatz des gyromagnetischen Stoffes in einer Mischung anzeigt.