PL88280B1 - - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest uklad do pomiaru i kalibracji indukcji magnetycznej, znajdujacy zastosowanie w placówkach naukowo-badawczych, zwla¬ szcza do wspólpracy ze spektrometrami magnetycznego rezonansu jadrowego, magnetycznego rezonansu elektro¬ nowego oraz z zestawami pomiarowymi do pomiaru do¬ wolnych wielkosci fizycznych w funkcji stalego pola ma¬ gnetycznego.

Dotychczasowy stan techniki. Do pomiaru indukcji ma¬ gnetycznej z maksymalna osiagalna przy obecnym stanie techniki dokladnoscia, stosuje sie metody oparte na zjawi¬ sku magnetycznego rezonansu jadrowego. Stosowane me¬ tody sa przedstawione w ksiazce M. Nalecza iJ. Jaworskie¬ go „Miernictwo magnetyczne" WNT, W-wa 1961.

Znany jest równiez sposób pomiaru i kalibracji indukcji magnetycznej, który wykorzystujac zjawisko magnetycz¬ nego rezonansu jadrowego opiera sie na zasadzie pomiaru chwilowej wartosci, wyrazonej w jednostkach mierzonej wielkosci, jako wartosci sredniej dwóch wartosci. Sposób polega na tym, ze czestotliwosc generatora autodynowego jest wobulowana okresowo zmiennym napieciem o prze¬ biegu trójkatnym w calym zakresie pomiarowym. Sygnaly absorbcji jader uzyskuje sie dla warunku magnetycznego rezonansu i nastepnie ksztaltuje sie je w formie impulsów napieciowych i wprowadza na przelicznik czestotliwosci, wywolujac wyzwolenie zliczania na odstep wzorcowych czasów, odpowiadajacych dwukrotnemu przejsciu przez rezonans, to jest czescia wznoszaca i opadajacawobulowa- nego przebiegu czestotliwosci.

Wynik pomiaru uzyskuje sie przez podzielenie przez dwa, zliczanych wartosci, uformowanych w napieciowe impulsy we wzorcowych odstepach czasu, a nastepnie ich zsumowanie w przeliczniku czestotliwosci. Stosowane do¬ tychczas podstawowe ukladypomiarowe dla pól o indukcji wiekszej od okolo 10 T, zawieraja generatorslabych drgan wysokiej czestotliwosci tzw. generator autodynowy, rea¬ gujacy na rezonansowa absorbcje mocy drgan wysokiej czestotliwosci przez próbke umieszczona w cewce jego obwodu rezonansowego i poddana dzialaniu mierzonego pola magnetycznego.

W znanych dotychczas urzadzeniach pomiar indukcji magnetycznej wymaga recznego lub automatycznego do¬ strojenia czestotliwosci generatora autodynowego do czes¬ totliwosci magnetycznego rezonansu jadrowego, danej wzorem »«= yB, gdzie 0)ojest czestotliwoscia kolowa precesji jader atomowych w mierzonym polu magnetycz¬ nym o indukcji B, y jest wspólczynnikiem geomagnetycz¬ nym danychjader.Wyjscie wysokiej czestotliwoscigenera¬ tora autodynowego jest polaczone za posrednictwem de¬ modulatora amplitudy i wzmacniacza niskiej czestotliwos¬ ci z plytkami odchylenia pionowegolampy oscyloskopowej na ekranie której, w przypadku dostrojenia do rezonansu, pojawia sie przebieg linii absorbcyjnej. Pomiar indukcji magnetycznej w tego typu urzadzeniach wymaga pomiaru czestotliwosci generatora autodynowego, albokorzystania ze specjalnych krzywych kalibracyjnych, jak ma to miejsce w rozwiazaniu wedlug ulotki informacyjnej „Mierniki na¬ tezenia pola magnetycznego" - Osrodek d/s Ochrony Pa¬ tentowej i Wykorzystania Badan Naukowych PAN W-wa 1973. 8828088280 3 Znane jest rozwiazanie do bezposredniego cyfrowego odczytu wartosci mierzonej indukcji magnetycznej, poda¬ ne w Izmieritn. Tiechn. 1, 49, 1968. W ukladzie tym do wyjscia wysokiej czestotliwosci generatora autodynowego jest dodatkowo dolaczony przelicznik czestotliwosci o sci¬ sle dobranym czasie otwarcia bramki licznika, tak by wynik zliczenia byl podany na wskaznikach cyfrowych bezposrednio w jednostkach mierzonej indukcji magnety¬ cznej. Uklad ten zastosowano w krajowych miernikach indukcji magnetycznej.

Bardzo niewygodne jest reczne dostrajanie generatora autodynowego do rezonansu, gdy wartosc indukcji pola magnetycznego nie jest znana nawet w przyblizeniu, a szczególnie, gdy mierzone pole magnetyczne jest niesta¬ bilne w czasie, lub celowo wobulowane w czasie jak np. w spektrometrach magnetycznego rezonansu jadrowego lub elektronowego, gdyz zmusza to operatora do ciaglego sledzenia linii absorbcyjnej na ekranie lampyoscyloskopo¬ wej i podstrajania czestotliwosci generatora autodyno¬ wego. ' Rozwiazaniem tego problemu jest automatyczny „szu¬ kajacy" magnetometr MRJ, opisany w Journal of Physies E4,127, 1971, w którym czestotliwosc generatora autody¬ nowego jest samoczynnie wobulowana w calym zakresie pomiarowym i w momencie spelnieniawarunku rezonansu przemiatanie zostaje zablokowane, zas generator autody- nowy jest nastepnie automatyczniedostrajany dorezonan¬ su przez klasyczny uklad automatyki z detektorem fazo- czulym, gdzie krzywa rezonansu jadrowego jest krzywa dyskryminacji bledu dostrojenia, zas sygnal bledu w petli ujemnego sprzezenia zwrotnego jest doprowadzony do diody pojemnosciowej w obwodzie rezonansowym genera¬ tora autodynowego.

W praktyce laboratoryjnej, a zwlaszcza w spektroskopii MRJ i MRE stosuje sie automatyczna rejestracje analogo¬ wa odpowiedniej wielkosci fizycznej (np. przebiegu ab- sorbcji rezonansowej) na tasmie rejestratora w funkcji wobulowanego w czasie pola magnetycznego. W celu auto¬ matycznego wyskalowania (kalibracji) tasmy rejestracyj¬ nej w jednostkach indukcji magnetycznej opracowano urzadzenie do uruchamiania dodatkowego piórka piszace¬ go znaczki (podzialke) pola magnetycznego na brzegu tasmy rejestracyjnej.

Znane jest rozwiazanie urzadzenia do kalibracji induk¬ cji magnetycznej podane w publikacji „Radiospektrosko- pia twierdowo diela", Atomizdat 1967, str. 299, zawieraja¬ cego w obwodzie rezonansowym generatora autodynowe¬ go, szereg skalibrowanych rezonatorów kwarcowych, przelaczanych w sekwencji automatycznie sygnalem rezo¬ nansu jadrowego z tego samego generatora. Znane jest takze rozwiazanie, przedstawione w polskim opisie paten*- towym nr 66197, w którym do kalibracji wykorzystano pasma boczne, powstale na skutek modulacji amplitudy generatora autodynowego.

Oprócz tego znane jest rozwiazanie urzadzenia podane w publikacji The Review of Scientific Instruments 15,176, 1957, w którym do kalibracji wykorzystano pasma boczne generatora superreakcyjnego, uzytego tu do detekcji rezo¬ nansu jadrowego zamiast generatora autodynowego.

Wada wyzej wymienionych urzadzen do kalibracji indu¬ kcji magnetycznej jest to, ze dokladnosc, zakres i odleglosc miedzy znaczkami przy kalibracji sa ograniczone; w pierwszym przypadku niewielka iloscia mozliwych do uzyskania pasm bocznych o dostatecznej amplitudzie. Po¬ nadto urzadzenia tenie zapewniaja równoczesnego pomia- 4 ru indukcji magnetycznej, gdy wartosc indukcji magnety* cznej nie jest wobulowana w czasie.

Dalsza niedogodnoscia opisanych wyzej urzadzen, za* równo do pomiaru, jak i kalibracji indukcji magnetyczne} jest koniecznosc stosowania wobszarze sondy pomocnicze} modulacji pola magnetycznego o duzej stalosci amplitudy.

Stosowane do tego celu cewki modulacyjne zwiekszaja gabaryty sondy, co utrudnia wykonywanie pomiarów in¬ dukcji magnetycznej w waskich szczelinach elektroma- gnesów, oraz zmusza do takiego ustawienia sondy, aby pomocnicze przemienne pole magnetyczne bylo równole¬ gle do mierzonego pola magnetycznego.

Istota wynalazku iskutki techniczne. Rozwiazanie ukla¬ du wedlug wynalazku, wykorzystuje zasade magnetyczne- go rezonansu jadrowego. W ukladzie zastosowany jest generator wielkiej czestotliwosci, w którego obwodzie re¬ zonansowym sondy jest umieszczona dioda pojemnoscio¬ wa. Do tej diody doprowadzone jest z jednego z wyjsc urzadzenia sterujacego, napiecie o przebiegu trójkatnym, zmienne wedlug zdefiniowanej funkcji czasowej, wobulu- jace czestotliwosc generatora w calym zakresie pomiaro¬ wym. Dwa wyjscia generatora wielkiej czestotliwosci sa odpowiednio polaczone i tak jedno z przerzutnikiem mo- nostabilnym, którego wyjscielaczy siez pierwszym przela- cznikiem elektronicznym i z wejsciem na uklad wyzwala¬ nia przelicznika czestotliwosci, drugie natomiast poprzez . dzielnik czestotliwosci „przez dwa" laczy sie z wejsciem pomiarowym przelicznika czestotliwosci. Ponadto sygnal zerujacy przelicznika uzyskiwany jest przez polaczenie wejsciazerujacego przelicznikaz urzadzeniemsterujacym.

Na wyjsciu przelicznika czestotliwosci jest podlaczony przetwornik alfanumeryczny, z którego dwóch wyjsc sa wykonane polaczenia, posrednio przez przelaczniki elek¬ troniczne i wzmacniacze odchylenia z elektrodami lampy oscyloskopowej, natomiast trzecie wyjscie jest doprowa¬ dzone bezposrednio na siatke sterujaca tej lampy.

Ponadto polaczeniami do elektrod odchylania pionowe¬ go i pQziomego lampy oscyloskopowej sa doprowadzone: sygnal okresowy z przerzutnika monostabilnego i sygnal 40 liniowy podstawy czasu z urzadzenia sterujacego. Dekady liczace przelicznika czestotliwosci posiadaja wyjscie ka¬ librujace. Zaleta ukladu jest to, ze pomiarindukcji magne¬ tycznej odbywa siepraktycznienatychmiastowo i calkowi¬ cie automatycznie, nie wymaga wiec tym samym recznego 45 przeszukiwania pasma czestotliwosci generatora autody¬ nowego, ani jakichkolwiek regulacji wstepnych. Daje to szczególne korzysci, gdy wartosc indukcji magnetycznej mierzonego pola nie jest znana nawet w przyblizeniu oraz w przypadkach, gdy mierzone pole magnetyczne jest nie- 50 stabilne w czasie, lub jest celowo wobulowane w czasie.

Uklad eliminuje znane niedogodnosci charakterystyki dynamicznej ukladów do samoczynnego sledzenia zmian mierzonej indukcji magnetycznej zawierajacych konwen¬ cjonalny uklad automatyki z detektorem fazoczulym i pet- 55 la ujemnego sprzezenia zwrotnego. Ponadto uklad ten umozliwia dokladny, cyfrowy odczyt wartosci indukcji magnetycznej oraz dzieki zastosowaniu dwóch typowych przelaczników elektronicznych- równoczesne przyblizone wskazanie analogowe w postaci przebiegu absorbcyjnego 60 na tym samym polu odczytowym, którymjest ekran lampy oscyloskopowej.

Dzieki wykorzystaniu wyjsc z dekad liczacych przelicz¬ nika, uklad wytwarza jednoczesnie impulsy sluzace do automatycznej kalibracji pola magnetycznego na tasmie 65 rejestratora, laczy wiec w sobie funkcje pomiaru i kalibra-88280 cji indukcji magnetycznej. Ponadto w urzadzeniu nie ma dodatkowych cewek modulacyjnych w obszarze sondy, co pozwala na zmniejszenie jej gabarytów i uniezaleznia proces pomiaru od polozenia sondy wzgledem kierunku pola magnetycznego.

Szczególowyopis przykladu wykonania rysunku. Uklad do pomiaru i kalibracji indukcji magnetycznej zawiera autodynowy generator 1 z dioda pojemnosciowa, umiesz¬ czona wobwodzie rezonansowym sondy 2, do której zwyj¬ scia sterujacego urzadzenia 3 doprowadzone jest napiecie wobulujace. Z dwóch wyjsc autodynowego generatora 1 sa wyprowadzone polaczenia, jedno poprzez amplitudowy demodulator 4 na wejscie na monostabilny przerzutnik 5.

Dalszy obwód tego ukladu to jest wyjscie monostabilnego przerzutnika 5jestpolaczone zjednym wejsciemelektroni¬ cznego przelacznika 6 i z wejsciem na uklad wyzwalajacy przelicznika 7. Drugie wyjsciez autodynowegoganeratora t jest polaczone przez czestotliwosciowy dzielnik 8 z wej¬ sciem czestotliwosciowego przelicznika 7, do którego na zerujace wejscie doprowadzonejest polaczenie zsterujace¬ go urzadzenia 3.

Wyjscia czestotliwosciowego przelicznika 7 sa nastepu¬ jace: z dekad liczacych jest wyprowadzone wyjscie kalib¬ rujace 17, pozostale wyjscia lub wejscia polaczone sa Z alfanumerycznym przetwornikiem 16. Trzywejscia tego przetwornika sa kolejno polaczone i tak wyjscie 9 z wej¬ sciem elektronicznego przelacznika 6, wyjscie 10 z wej¬ sciem elektronicznego przelacznika 12, a wyjscie 11 bezpo¬ srednio jest doprowadzone na siatke sterujaca oscylosko¬ powej lampy 13. Z elektronicznych przelaczników 6 i 12 sa wykonane odpowiednie polaczenia przez odchylajace wzmacniacze 14 i 15 z plytkami odchylania pionowego i poziomego oscyloskopowej lampy 13.

Sposób dzialania i zakres stosowania ukladu wedlug przykladowego rozwiazania. Czestotliwosc autodynowego generatora 1 jestwobulowana napieciem doprowadzanym ze sterujacego urzadzenia 3 do diody pojemnosciowej, umieszczonej w rezonansowym obwodzie sondy 2. Napie¬ cie to o przebiegu trójkatnym zmienia sie samoczynnie w czasie calego cyklu pomiarowego od wartosci minimal¬ nej do maksymalnej.

W chwili spelnienia warunku jadrowego rezonansu ma¬ gnetycznego na wyjsciu amplitudowego demodulatora 4 pojawia sie sygnal absorpcji, który wyzwala monostabilny przerzutnik 5. Nastepnie impuls otrzymywany z wyjscia tego przerzutnika jest podany na wejscie elektronicznego przelacznika 6i na wejscieczestotliwosciowegoprzeliczni¬ ka 7 powodujac wyzwolenie przelicznika na scisle zdefi¬ niowany wzorcowy odstep czasu. W tym okreslonym cza¬ sie, z autodynowego generatora 1 przez czestotliwosciowy dzielnik 8, w którym nastepuje podzielenie czestotliwosci generatora przez dwa, jestpodana ta wartosc czestotliwos¬ ci na wejscie czestotliwosciowego przelicznika 7, gdzie zostaje zliczana.

Podobnie jakwznoszacasieczesc wobulujacegoprzebie¬ gu, tak i opadajaca czestotliwosci autodynowegogenerato- |a, wywoluje powtórny rezonans, którego nastepstwa sa |&alogiczne. Przelicznik 7 sumuje obydwa zliczenia odpo¬ wiadajace wobulowaniu czestotliwosci przez rezonans od Ufartosci minimalnej do maksymalnej i odwrotnie. Czas p^warcia bramki-wyzwoleniaprzelicznika jest celowotak H&rany, ze koncowy wynik zliczenia, po opisanym cyklu jgmiarowym jest podany bezposrednio w jednostkach in- jpkcji magnetycznej mierzonego pola magnetycznego. Po Ukonczeniu cyklu pomiarowego, przelicznik zostaje wy- zerowany doprowadzonym do niego ze sterujacego urti^ dzenia 3 impulsem zerujacym.

Wynik pomiaru indukcji magnetycznej jest zobrazowi* nywpostaci cyfrowej na ekranie oscyloskopowej lampy 1$, s do elektrod której, sa doprowadzone z wyjsc 9 i 10 alfanu* merycznego przetwornika 8, poprzez elektroniczneprzela¬ czniki 6 i 12 odchylajace wzmacniacze 14 i 15 i bezposred¬ nio z wyjscia 11 - przebiegi napieciowe. Przebiegi ts zmieniaja sie wedlug scisle zdefiniowanych funkcji czaso- io wych i powoduja przemieszczanie plamki na ekranielam¬ py oscyloskopowej i modulacje jej jaskrawosci, daja w efekcie wyswietlenie obrazu odpowiednich cyfr przed¬ stawiajacych wynik zliczenia przelicznika 7.

Jednoczesnie do elektrod odchylania pionowego ipozio- mego lampy 13 jest dolaczony okresowo sygnal z wyjscia monostabilnego przerzutnika 5 za posrednictwem elektro¬ nicznego przelacznika 6 i sygnal liniowy podstawy czasu z trzeciego wyjscia sterujacego urzadzenia 3 poprzez elek¬ troniczny przelacznik 12. Przelaczenie obydwóch sygna- lów odbywa sie z dostatecznie duza predkosciazapewnia¬ jac cyfrowe zobrazowanie wartosci mierzonej indukcji; magnetycznej i przyblizonewskazanieanalogowewposta¬ ci uksztaltowanej linii rezonansowej na tym samym polu odczytowym, którym jest ekran oscyloskopowej lampy 13.

Ponadto w trakcie wobulowania pola, impulsy z dekad liczacych przelicznika 7, odbierane na wyjsciu sauzyte do kalibracji tasmy rejestracyjnej w aparaturze pomiarowej.

Claims (1)

1. Zastrzezenie patentowe Uklad do pomiaru i kalibracji indukcji magnetycznej, wykorzystujacy zasade magnetycznego rezonansu jadro- 35 wego, w sklad którego wchodzi samoczynnie przestrajany generator wielkiej czestotliwosci, w którego obwodzie re¬ zonansowym znajduje sie dioda pojemnosciowa, a którego czestotliwosc mierzona jest przelicznikiem czestotliwosci oscislezdefiniowanym czasieotwarciabramki, znamienny 40 tym, ze dopojemnosciowej diodyumieszczonej wobwodzie rezonansowej sondy (2) autodynowego generatora(1) wiel¬ kiej czestotliwosci jest z jednego z wyjsc sterujacego urza¬ dzenia (3) doprowadzony sygnal wobulujacy czestotliwosc generatora, zas dwa wyjscia z generatora (1) sa odpowied- 45 nio polaczone i tak, jedno z wyjsciem monostabilnego przerzutnika (5), którego wyjscie polaczone jest równole¬ gle z wejsciem na pierwszy elektroniczny przelacznik (6) i z wejsciem na uklad wyzwalania czestotliwosciowego przelicznika (7), zas drugie wyjscie z generatora (1) jest 50 polaczone przez czestotliwosciowy dzielnik (8) „przez dwa" zwejsciem pomiarowymczestotliwosciowegoprzeli¬ cznika (7), do którego sygnal sterujacy doprowadzonyjest polaczeniem ze sterujacego urzadzenia (3), natomiast na wyjsciu przelicznika (7) jest wlaczony alfanumeryczny 55 przetwornik (16), którego dwa wyjscia (9) i (10) sa posred¬ nio przez elektroniczne przelaczniki (6) i (12) odpowiednio polaczone przez odchylajace wzmacniacze (14) i (15)z plyt¬ kami odchylania pionowego i poziomego oscyloskopowej lampy (13), zas trzecie wyjscie(11) jest bezposrednio pola- eo czone z siatka sterujaca oscyloskopowej lampy (13), po¬ nadto z dekad liczacych czestotliwosciowego przelicznika (7) jest wyprowadzone kalibrujace wyjscie (17) a z steruja¬ cego urzadzenia (3) przez elektroniczny przelacznik (12) jest doprowadzony do oscyloskopowej lampy (13) sygnal 65 podstawy czasu.88280 Sklad wykonano w DSP, zam. 6146 Druk w UP PRL, naklad 125 + 20 egz. Cena zl 10,-