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原文传递一种核磁共振两相流传感器的测算方法

专利名称：	一种核磁共振两相流传感器的测算方法
摘要：	一种核磁共振两相流传感器的测算方法，第一步针对磁体设计，首先通过分析不同流速、不同含水率磁化矢量和磁化长度的关系，确定预磁化磁体A的长度；研究Halbach结构和目标磁场强度B0以及均匀度P1的关系，确定测量主磁场B的参数；通过补偿磁体C对目标磁场均匀性P2的影响，确定补偿磁体C的尺寸；第二步针对线圈设计，首先建立量化FID信号与线圈的理论模型，分析两相流流速，相含率影响下FID与线圈长度的函数关系；然后研究螺线管包括线径，匝数，线圈间距，深高比等结构参数影响因子，确定分段式线圈结构参数并完成线圈的匹配谐振参数设计。最终确定磁共振两相流传感器线圈结构参数的整体设计；本发明实现了核磁共振传感器更加精确的测量。
专利类型：	发明专利
申请人：	西安石油大学
发明人：	李利品;童美帅;袁景峰;韩瑞强;王韵
专利状态：	有效
申请日期：	1900-01-20T17:00:00+0805
发布日期：	1900-01-20T19:00:00+0805
申请号：	CN202010052741.X
公开号：	CN111175336A
代理机构：	西安智大知识产权代理事务所
代理人：	弋才富
分类号：	G01N24/08;G06F30/23;G06F30/25;G06N3/00;G;G01;G06;G01N;G06F;G06N;G01N24;G06F30;G06N3;G01N24/08;G06F30/23;G06F30/25;G06N3/00
申请人地址：	710065 陕西省西安市电子二路东段18号
主权项：	1.一种核磁共振两相流传感器的测算方法，其特征在于，包括如下步骤：第一步：核磁共振两相流传感器磁体结构参数的确定，其中磁体由预磁化磁体A、测量磁体B和补偿磁体C三部分同轴线上顺次连接，具体如下： 1.确定预磁化磁体A的长度 (1)根据油水两相流的流动特性，确定流速、含水率与磁化矢量和磁化长度之间的函数关系，表达式如下：其中，M为实际磁化强度矢量，M0为完全磁化强度矢量，x为磁化长度，v为油水两相流平均流速，T1为油水两相流纵向弛豫时间，与油水两相流的相含率a％有关，T2为油水两相流横向弛豫时间； (2)根据公式(1)，得到归一化磁化强度矢量分析不同含水率a％，不同流速v下磁化矢量M/M0和磁化长度的特征关系； (3)根据M/M0与磁化长度的曲线关系图，找到磁化强度矢量M/M0接近最大值1时对应的磁化长度，由此确定预磁化磁体A的长度； 2.测量磁体B的参数 (1)采用Halbach磁体阵列，建立磁场二维平面均匀度表达式其中为工作空间磁体产生的平均静磁场强度，Bmax为工作区间较大磁场强度量化值，Bmin为工作区间较低磁场强度量化值； (2)确定离散型Halbach数学模型，分别针对内外径比值R/r、组装块数N、分块形状和磁性材料四项参数研究对磁场强度B0的影响规律，得到如下计算模型：其中：B0为磁体产生的静磁场强度，Br为剩余磁通密度，R为磁体外半径，r为内半径，n为磁体块数； (3)根据公式(2)建立粒子群优化模型，其中分块形状影响离散型Halbach整体性能和理想结构之间的误差，磁性材料影响剩余磁通密度Br，组装块数N影响的数值关系，内外径比值影响的比值，利用有限元仿真综合分析磁场强度B0、磁场二维平面均匀度P1随上述四项磁体参数变化的规律； (4)根据仿真分析结果，确定上述参数之间的制约关系和影响规律，找到满足磁场强度B0且磁场二维平面均匀度P1均匀度最高的参数，由此确定测量磁体B的各项结构参数； 3.确定补偿磁体C的参数 (1)研究三维轴向磁场均匀度与磁体长度的关系：其中，为轴向z方向平均磁场强度，可以得出随着磁体长度无限增加，磁场均匀度P2得到提升，但是实际中磁体长度尺寸有限，因此提出在测量磁体B两端增加补偿磁体C的方法提升轴向磁场均匀度P2； (2)根据三位静磁场的麦克斯韦方程和永磁体的磁感应强度计算公式，通过有限元静磁场仿真得到不同尺寸补偿磁体C对轴向磁场均匀度P2的影响关系： B(x，y，z)＝μ0·μr·H+μ0·MP 其中，B(x，y，z)为磁感应强度，H(x，y，z)为磁场强度，J(x，y，z)为电流密度，这三个矢量都是各个方向矢量的函数关系，μ0为真空中的绝对磁导率，μr为相对磁导率，MP为永磁材料极化强度； (3)根据仿真分析，对比不同结构尺寸磁体C对轴向磁场均匀度P2的影响结果，找到对磁场均匀性优化最高且体积最小的磁体参数，由此确定补偿磁体C的尺寸；根据以上步骤和分析结果，最终确定磁共振两相流传感器磁体结构参数的整体设计；第二步：核磁共振两相流传感器线圈结构参数的确定，此过程包含四部分进行，具体如下：第一部分步骤如下： 1.建立量化FID信号与线圈的理论模型，确定核磁共振接收信号FID与线圈长度的函数关系，求不同平均流速v、不同含水率a％下的核磁共振接收信号FID，表达式如下：其中：SFID为线圈接收到的量化FID信号，式中Mi0＝SiHI，i，Si是两相流中第i个组分的饱和度，HI，i是两相流中第i个组分的氢指数，LD是线圈的长度，LM为磁化长度，t是采样时间，c是校正系数，T1，i是第i个组分的自旋晶格弛豫时间，T2，i是第i个组分的自旋-自旋弛豫时间； 2.根据公式(4)分析不同平均流速v、不同含水率a％模型下线圈接收到的FID信号SFID随线圈长度变化的规律； 3.通过分析线圈接收到的FID信号SFID趋于稳定时对应的线圈长度，由此确定检测线圈基本长度参数范围；第二部分步骤如下： 1.建立线圈性能与螺线管参数的理论模型，确定线圈灵敏度Bxy的影响因子：其中，B1/i为线圈中单位电流i产生的射频磁场强度B1，N为线圈匝数，H/D为管径深高比，H为螺线管线圈高度，D为线圈直径，u0为真空磁导率； 2.建立趋肤效应和临近效应下的线圈电阻R的等效模型，得到如下表达式：其中，Rcoil为射频时等效直导线的电阻值，ε为相邻两匝线圈的增强因子，Rs为等效电阻模型，l为线圈所用导线长度，d为线圈线径，f为线圈的共振频率，μ为磁导率，ρ为铜质导线的电阻系数； 3.在固定脉冲频率下，建立相对信噪比SNR与灵敏度Bxy和电阻Rs的响应关系，如式7所示；应用粒子群优化算法结合有限元仿真，分析上述线圈各参数对相对信噪比SNR的影响规律：其中：Bxy为线圈的灵敏度；K为反应射频磁场B1均匀性的常数，vS为检测样本的体积，N为单位体积原子核自旋的数目，γ为原子的磁旋比，h为普朗克常，I为原子核的自旋量子数，w0为原子核的进动频率，KB为玻尔兹曼常数，Rs为线圈电阻，T为检测样品的温度；Δf为测量的带宽； 4.根据以上影响因素和结果分析，得到满足高灵敏度Bxy和高信噪比SNR的线圈参数；第三部分步骤如下： 1.建立螺线管线圈产生射频磁场B1的理论模型，计算线圈产生的射频磁场强度，计算公式如下：其中：μ0为真空磁导率，N为线圈匝数，I线圈电流强度，H为螺线管线圈高度，R为螺线管线圈半径，Z为螺线管轴向空间任一点到中心点的距离； 2.根据公式(8)，通过有限元磁场仿真分析射频磁场B1的三维分布，并计算目标空间射频磁场的均匀性为射频磁场平均强度； 3.通过分析螺线管空间中磁场强度变化规律，得到管道中间射频磁场强度高，越往两头磁场呈逐步降低趋势的结果，因此提出中间稀疏，两端紧密分段式线圈结构，通过调整三段线圈的间距比例，来达到减弱中间段磁场强度，增强两端磁场强度的目的，从而提高整体射频磁场的均匀性；第四部分步骤如下： 1.研究射频系统的谐振特性，首先使用阻抗分析仪测量在固定频率下线圈的各项参数值，包括电阻R，电感量L，电容量C； 2.建立RLC匹配响应关系，根据如下表达式，计算得到线圈品质因数的各项匹配参数，其中，Z为总阻抗，W为频率，Cm为所求匹配电路串联电容，Ct为所求匹配电路并联电容，R为实测线圈阻值，L为线圈电感值，j为物理矢量；根据以上步骤和分析结果，最终确定磁共振两相流传感器线圈结构参数的整体设计。
所属类别：	发明专利