CC BY
2УДК 622.33
Я. В. Шажко, А. И. Вишняк
КОНЦЕПЦИЯ ПОРТАТИВНОГО СПЕКТРОМЕТРА ЯДЕРНОМАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА
Разработка критериев для создания лабораторного портативного спектрометра ЯМР 1Н широких линий. Сравнительный анализ стационарной установки с разрабатываемым макетом прибора. Описаны способы борьбы с шумами, возникающими при проведении измерений.
Ключевые слова: спектрометр, макет прибора, стационарная установка, ядерно-магнитный резонанс.
Введение.
В ходе многолетних исследований сотрудниками ФГБНУ «ИФГП» установлено, что в условиях нарушенного углепородно-го массива, а особенно в зонах интенсивного геологического нарушения угля, выход летучих по сравнению с зонами без геологических нарушений уменьшается на 3 - 5 %, а его пористость, определяемая массопереносом метана возрастает на 25 - 40 %. Определение месторасположения нарушенных участков пласта, включающих угли с различной степенью изменения физико -химических и технологических свойств, а также установление закономерностей в их пространственном распределении и выбор количественных показателей позволяет прогнозировать геологические нарушения по этим показателям. При этом под выходом летучих подразумевается десорбция химических соединений СПНП. Проявления изменений метаморфизма можно определять по содержанию компонент, содержащих водород с помощью ядерно-магнитной спектроскопии по ядрам водорода (далее ЯМР 1Н) [1].
Для разработки нового способа прогноза месторасположения геологических нарушений на основании изучения изменения
физической структуры угля, подверженного термообработке и на молекулярном уровне учитывающего степень изменения в структуре ароматических и алифатических водородосодержащих компонент угля необходимо создание прибора для быстрого и качественного определения площади спектров узкой и широкой линии ЯМР 1Н.
Применяемые в настоящее время ЯМР - спектрометр для анализа угля и горных пород были созданы еще в 80-х годах XX века [2].
Моральное и физическое устаревание существующих исследовательских установок сделали не просто желательными, а крайне необходимыми разработку концепции и создание прибора нового поколения - малогабаритного и функционального.
Исходя из необходимости модернизации существующей техники, была сформулирована концепция нового прибора, и на ее основе разработан макет лабораторного портативного спектрометра ЯМР широких линий для исследования угольного вещества. Требования к прибору:
1. Прибор должен быть малогабаритным и легким, размещаться на обычном рабочем столе, что позволит легко перемещать его при необходимости на другое рабочее место.
2. Прибор должен содержать минимальное количество отдельных блоков, механических регулирующих и коммутационных элементов, а также кабельных и разъемных соединений.
3. Все операции по управлению работой прибора, его конфигурированию и настройке, а также вся обработка результатов измерений должны осуществляться компьютером посредством специально написанного программного обеспечения.
4. Аппаратный блок должен сопрягаться с компьютером через стандартный универсальный интерфейс USB, что позволит подключить его практически к любому компьютеру (ноутбук, промышленный компьютер). Это сделает прибор более универсальным и мобильным, более гибким в применении. Достаточно установить на используемый компьютер специализированное программное обеспечение.
5. Программное обеспечение должно быть создано в широко распространенной и доступной среде разработки и позволять сравнительно легко его модифицировать и дорабатывать.
Кроме того, перед разработчиками ставились следующие задачи:
• максимально упростить и автоматизировать процесс измерения и обработки результатов (что снижает требования к квалификации предполагаемого обслуживающего персонала);
• перенести максимально возможное количество функций управления и обработки в компьютерную часть прибора;
• предусмотреть три основных режима работы:
- «разработчик» - предусматривающий полный доступ ко всем возможностям и функциям прибора;
- «эксперт» - для работы квалифицированного специалиста, допускающий расширенные возможности по управлению и настройке;
- «лаборант» - минимально возможности по настройке прибора, обеспечивающие рутинные измерения;
• создать прибор в виде моноблока, с возможностью подключения внешнего компьютера.
Исходя из вышеописанной концепции, разрабатываемый макет лабораторного портативного спектрометра ЯМР, должен иметь следующие параметры:
• поле малогабаритного постоянного магнита в рабочей зоне составляет 2,72 кЭ, что соответствует рабочей частоте на ядрах водорода 11,58 МГц;
• развертка осуществляется по частоте. Диапазоны развертки от ±100 кГц до ±7,5 кГц;
• модуляция поля - встроенными катушками, в диапазоне от 0,001 Э до 2,5 Э;
• диаметр отверстия для образцов - 5 мм.
Аналоговая часть спектрометра построена по классической схеме с автодинным генератором, системой автоматической регулировки усиления (АРУ) и фазовым детектированием, рис. 1 и 2.
Автодинный генератор построен по схеме Паунда-Найта, позволяющей управлять амплитудой генерации в широких пределах (от 10 до 200 мВ).
Частота автодина 11,58 МГц, с возможностью грубой и плавной регулировки как вручную, так и от компьютера.
Рис. 1 - Структура спектрометра ЯМР широких линий для
исследования углей
Рис. 2 - Блок - схема лабораторного портативного спектрометра ЯМР 1Н
Управление амплитудой ВЧ автодина - автоматическое (управляется компьютером) и ручное (управляется оператором).
Фазовый детектор служит для эффективного выделения сигнала, сужая полосу пропускания тракта регистрации сигнала, что повышает соотношение сигнал/шум и улучшает чувствительность тракта. Дополнительная фильтрация сигнала осуществляется при обработке сигнала в компьютере программными средствами.
В качестве компьютерного интерфейса (устройства согласования между аналоговой частью и компьютером) применено устройство ввода - вывода NI USB - 6008 [3]. Устройство сбора данных NI USB - 6008 присоединяется к компьютеру посредством интерфейса USB 2.0 и содержит восемь каналов ввода аналоговых сигналов (AI), два канала генерации аналоговых сигналов (AO), 12 каналов цифрового ввода/вывода (DIO) и 32 - разрядный счетчик. Максимальная частота дискретизации 10 кГц. Разрешение при аналоговом вводе 12 бит (дифференциальное подключение), или 11 бит (подключение с общим проводом).
Оцифрованный аналоговый сигнал через устройство ввода -вывода поступает на компьютер, где производится его дальнейшая обработка цифровыми методами.
Компьютерная обработка и управление: задачи и принципы построения
Компьютер выполняет следующие функции:
• управление работой аналоговых и высокочастотных узлов спектрометра;
• получение данных от аналоговой части, их обработка и визуализация;
• сохранение полученных результатов в заданном формате;
• обработка полученных данных встроенными средствами и программами.
Обработка данных может осуществляться:
• «на лету», т.е. производиться встроенным в общую оболочку специализированным программным обеспечением, сразу же выдавая на экран требуемый результат (искомый физический параметр) - такой режим удобен для рутинных измерений и для производства;
• «постфактум», т.е. вначале результаты записи спектра сохраняются в виде файла и/или в специализированной базе данных, затем можно производить по этим данным расчеты в любой доступной программе для математических расчетов (при условии совместимости форматов данных).
Возможно также три режима обработки встроенным ПО:
• полностью автоматизированный (режим «лаборант»), с минимальной возможностью настройки параметров;
• режим «эксперт», позволяющий свободное управление параметрами обработки данных.
• режим «разработчик», дает полный доступ ко всем функциям прибора.
Управление спектрометром, цифровая обработка аналогового сигнала производятся в среде LabVIEW (англ. Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench) - это среда разработки и платформа для выполнения программ, созданных на графическом языке программирования «G» фирмы National Instruments (США) [4].
LabVIEW используется в системах сбора и обработки данных, а также для управления техническими объектами и технологическими процессами. Идеологически LabVIEW в большей степени ориентирована на решение задач не столько в области АСУ ТП, сколько в области АСНИ (автоматизированная система научных исследований).
Для повышения отношения «сигнал - шум», и тем самым повышения реальной чувствительности, в спектрометре применена цифровая фильтрация сигнала [5].
Фильтрация производится с помощью цифрового фильтра Баттерворта второго порядка (тип и порядок выбираются при настройке прибора) с программно настраиваемой частотой среза (от 1 Гц до 0,001 Гц).
Дополнительно к цифровой фильтрации применена линейная интерполяция, усредняющая значения нескольких последовательных точек. Доступны и другие типы интерполяции.
Количество точек, по которым производится интерполяция, настраиваемое и может быть изменено пользователем в зависимости от задачи.
Регистрация полученного сигнала ЯМР 1Н производится несколькими способами.
• Построение графика сигнала ЯМР 1Н в функции развертки частоты.
• Запись в файл *.dat полученных цифровых значений.
• Сохранение «картинки», полученной при записи линии. Сохранение производится в собственном «внутреннем» формате файлов LabView. При этом фиксируются все настройки, при котором проводился данный сеанс измерений.
• Возможно также сохранение «скриншота» (снимка с экрана) стандартными средствами операционной системы. При этом по нажатию клавиши PrintScreen происходит сохранение текущего вида экрана в буфер, после чего содержимое буфера можно вставить в любой графический редактор, затем сохранить изображение в удобном формате. При этом возможно редактирование картинки. Полученные изображения экрана можно впоследствии использовать в демонстрационных целях, вставлять их в публикации и презентации.
Для проведения первичных испытаний и оценки работоспособности разрабатываемого прибора собран макет установки рисунок 3.
При испытаниях макета были проведены следующие измерения.
1. Запись спектра дробленого угля для общей оценки работы прибора. Уголь в дробленом состоянии хранился в ампуле, влажность его составляет 0,7 процента. На полученном спектре были хорошо видны как широкая, так и узкая линии, которая обусловлена наличием свободной воды в образце.
2. Запись спектра воды для оценки разрешающей способности спектрометра. Вода сама по себе имеет чрезвычайно узкую линию, поэтому, как правило, записанная ширина линии воды на самом деле обусловлена аппаратурной погрешностью. В первую очередь, вклад в уширение линии вносит неоднородность поля магнита. Были записаны линии ЯМР 1Н воды с различными амплитудами ВЧ сигнала и различными величинами модуляции. Минимальная измеренная ширина линии воды около 0,01 Э получена при модуляции 0,01 Э.
Рис. 3 - Макет лабораторного портативного спектрометра.
(Справа-весы для сушки и взвешивания образцов)
При дальнейшем уменьшении амплитуды модуляции до 0,001 Э дальнейшего сужения линии не наблюдалось. Это говорит о том, что достигнуто аппаратное ограничение, обусловленное неоднородностью поля магнита в объеме образца порядка 0.01 Э на 1 см.
3. Запись сигнала ЯМР 1Н «пустого» контура была проведена для оценки чувствительности спектрометра ЯМР 1Н, ограниченной фоновым сигналом. На самом деле контур был не пустой. В него была помещена стандартная пробирка для образцов, в которую помещены фторопластовая пленка, применяемая для уплотнения дробленого угля, и хлопчатобумажная нитка, применяемая для загрузки и выгрузки образца. Фторопластовая пленка и нитка были специально взяты в гораздо больших количествах, чем при обычных экспериментах, чтобы выявить вносимый ими вклад. Для получения максимально возможного сигнала значения
уровня ВЧ и модуляции выбраны завышенными до предельно применимых величин, 100 мВ и 5 Э соответственно.
4. Одновременно оценивался вклад посторонних источников сигнала, распложенных вне пробирки. Записи фонового сигнала показали, что вносимый посторонними включениями вклад лишь ненамного превышает аппаратный уровень шумов, и значительно меньше даже по сравнению с весьма слабым сигналом от дробленого угля с малым содержанием влаги. В то же время их вклад в полезный сигнал необходимо учитывать при проведении измерений на грани чувствительности прибора.
5. Для проверки отклонения развертки от линейного закона, было проведено измерение зависимости частоты резонанса от напряжения на варикапе, т.е. проверка линейности развертки. Результаты проверки приведены в виде графика на рисунке 4. Из графика видно, что в худшей точке диапазона развертки отклонение составляет 1,2 %, что вполне допустимо при измерениях.
0 1 2 3 4 5
Напряжение [В]
Рис. 4 - Зависимость частоты от напряжения развертки (нелинейность развертки)
Выводы.
• Создан макет лабораторного портативного спектрометра ЯМР 1Н (ЛПС) для исследования углей, в котором для связи с
компьютером применено промышленное серийно выпускаемое устройство ввода - вывода NI USB - 6008.
• Для разработки программного обеспечения применена среда LabVIEW, широко применяемая при разработке прикладного ПО и позволяющая гибко и оперативно дорабатывать функциональность и интерфейс ПО. Большая часть функций прибора перенесена из аналогового блока в компьютер, что позволило повысить функциональность, стабильность работы и надежность прибора.
• Результаты испытаний макета ЛПС показали, что основные требования технического задания выполнены. Продолжаются работы по дальнейшему улучшению его эксплуатационных характеристик и совершенствованию прибора.
• Измеренная нелинейность развертки (зависимость частоты генерации от напряжения развертки) не превышает 1^1.5 % от номинального значения в диапазоне развертки ±100кГц при номинальной частоте около 11.5 МГц, что есть вполне допустимая величина погрешности.
Исследования проведены в рамка фундаментальной научно-исследовательской № 124070300053 - 3 «Разработка оборудования и программно - методического обеспечения спектрометрии ядерного магнитного резонанса угольного массива».
ЛИТЕРАТУРА
1. Алексеев А. Д. Физика угля и горных процессов. - Киев: Наукова думка. - 2010. - 424 с.
2. Радиофизика в угольной промышленности / А. Д. Алексеев, В. Е. Зайденварг, В. В. Синолицкий и др. - М.: Недра. -1992. - 184 с.
3. Тревис Дж. LabVIEW для всех. - М.: ДМК Пресс. - При-борКомплект. - 2005. - 544 с.
4. Хащеватская Н. В. Исследование содержания протонов адсорбированной и химически связанной воды по параметрам интенсивности и ширины спектра ЯМР / Н. В. Хащеватская, С. В. Шатохин, А. В. Вишняков, Г. П. Стариков // Донецкие чте-
ния 2017: Русский мир как цивилизационная основа научно-образовательного и культурного развития Донбасса: Материалы Международной научной конференции студентов и молодых ученых. (Донецк, 17-20 октября 2017 года) - Том 1: Физико -математические и технические науки / под общей редакцией С. В. Беспаловой. - Донецк: Изд-во ДонНУ. - 2017. - С. 177-179.
5. Самохвалов Н. И. Информативность методов ядерного магнитного резонанса и прямоточной капиллярной пропитки для определения динамической пористости газонасыщенных коллекторов / Н. И. Самохвалов, К. В. Коваленко, Л. Ф. Зарипова, Н. А. Скибицкая, О. О. Марутян. // Актуальные проблемы нефти и газа. - Москва. - Вып. 1(40) 2023 - С. 3-13. -
DOI 10.29222/ipng.2078 - 5712.2023 - 40.art1.
Шажко Ярослав Витальевич, канд. тех. наук, заведующий молодежной лабораторией, ФГБНУ «ИФГП», Россия, ДНР, Донецк, [email protected].
Вишняк Алексей Игоревич, инженер ФГБНУ «ИФГП», Россия, ДНР, Донецк, [email protected].
THE CONCEPT OF A PORTABLE NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SPECTROMETER
Development of criteria for the creation of a laboratory portable 1H wide- line NMR spectrometer. Comparative analysis of the stationary installation with the developed device layouts. The methods of noise control arising during measurements are described.
Keywords: spectrometer, device layout, stationary installation, nuclear magnetic resonance.
Yaroslav V. Shazhko, Candidate of Technical Sciences, Head of the Youth Laboratory, FSBSI «IFMP», Russia, DNR, Donetsk, [email protected].
Vishnyak Alexey Igorevich, Engineer, FSBSI «IFMP», Russia, DPR, Donetsk, [email protected].
