微型核磁共振傳感器實時監測汽輪機油老化狀態*

楊占剛，徐 征，李洪兵，余華興，梁 瑜，吳 彬

(1.國網重慶市電力公司 江北供電分公司，重慶100080;2.重慶大學 輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室，重慶400044)

0 引 言

由于大容量的電能不能存儲和保管，因此，電能的產值必須根據用戶的需求來調節，負責調節電能產值的部分為汽輪機的調節系統［1～3］。汽輪機油在調節系統中起著調速、潤滑、散熱、沖洗、減震的作用，因此，汽輪機油的質量直接決定了調節系統的性能［4］。由于調節系統所在的環境溫度較高，為了提高防火性能，目前，世界各國發電廠的汽輪機油主要采用磷酸酯抗燃油［5～7］。

由于磷酸酯抗燃油為人工合成的化學物質，在一定溫度下，可與空氣中的氧發生氧化老化，同時與水發生水解劣化［8］。劣化后產生的酸性物質又會對油的進一步劣化產生催化作用［9］，油品不斷降級，從而影響發電機組的安全運行。此外，汽輪機油的價格十分昂貴，且對環境有污染，不能任意排放。因此，評估汽輪機油的老化程度，制定報廢標準，不僅是發電機組安全運行的需要，也對提高機組運行的經濟性和減少環境污染有著重要的意義［10］。

目前，主要是通過觀察油品顏色與沉淀物的多少、測量油液的酸值與含水量等來判斷汽輪機油的老化程度［1］。這需要監督運行人員每周至少檢測一次油的外觀、酸值、電阻率和機械雜質，每季至少測定一次抗燃油的水分、閃點和粘度［11～13］，由于測量參數太多，使得該檢測過程非常繁瑣。此外，也有研究者們用氣相色譜法，但是該方法只能通過抗燃油產生的氣體含量對油品進行判斷，其依據較為單一，更適用于變壓器油的檢測［14］。

汽輪機油劣化過程中的所有化學變化幾乎都與H 原子有關，而核磁共振技術對物質中H 的含量及其結合狀態的變化有著極高的靈敏度［15～17］，因此，本文提出用核磁共振的方法來檢測汽輪機油的老化程度。考慮到工程現場的實時監測需要傳感器盡量便攜，設計了一種微型核磁共振傳感器。用該傳感器對來自兩個發電廠的不同使用年限的汽輪機油的核磁共振參數進行了測量，并對測量結果進行了分析處理。

1 傳感器設計

該微型核磁共振傳感器主要由永磁體、射頻線圈及其調諧匹配電路兩部分組成。永磁體用來產生靜態磁場B0，使得被測樣品中的H 原子核沿B0場方向排列，射頻線圈及其調諧匹配電路用來產生激發H 原子核的射頻磁場B1和接收核磁共振回波信號。

1.1 永磁體

為了實現工程現場實時監測，需要永磁體產生的靜態磁場滿足一定的均勻性的同時，其體積和重量越小越好。

本文設計的傳感器磁體結構如圖1 所示，一對磁化方向相同的永磁體(直徑25.4 mm，厚3.2 mm)相對放置，靜態磁場B0產生于兩片永磁體之間，鐵磁片(直徑28.6 mm，厚5.5 mm)用來加強磁場強度和減小漏磁。整個磁體結構的尺寸為30 mm×30 mm×36 mm，重107 g。

圖1 傳感器磁體結構圖Fig 1 Photo of magnet structure of sensor

為了在兩片磁體之間的測量區域內產生相對均勻的靜態磁場，需要通過調節兩片永磁體之間的間隔使得B0達到一定的均勻度。由于兩片永磁體磁化方向相同，它們在測量區域內產生的磁場沿z 軸的分量方向相同，沿xy 平面的分量的方向相反。若能將兩片磁體在測量區域內產生的沿xy 平面的磁場分量抵消，同時使各自產生的磁場沿z 軸的分量的梯度大小相等、方向相反，則測量區域內的總磁場B0均勻分布。根據上述理論，用仿真軟件Maxwell 3D 對不同磁體間距所對應的磁場進行計算，最終確定的最優磁體間距為11 mm。圖2 為最優磁體間距下，實際測量得到的B0沿z 軸與y 軸的分布。

圖2 B0 沿z 軸和y 軸的分布Fig 2 B0 distribution along z axis and y axis

根據圖2 可以計算出，兩片永磁體之間的25 mm3的區域內，B0的均勻度為0.74%(相當于80 kHz 的帶寬)，將其定義為測量區域，此時B0只有z 軸方向的分量。由于測量區域內的B0在0.25 T 左右，通過計算，將其共振頻率設為10.5 MHz。

1.2 射頻線圈及其調諧匹配電路

根據核磁共振產生的條件，靜態磁場B0必須與射頻磁場B1的方向垂直，亦即B1的方向必須與xy 平面平行。同樣，為了在測量區域內產生相對均勻且較強的射頻磁場B1，本文采用螺線管線圈作為射頻線圈。該線圈既作為射頻激勵線圈也作為信號接收線圈。

為了激勵更多的樣品，射頻線圈的橫截面被設計為橢圓形(長軸20 mm，短軸10 mm)，線圈由11 匝1 mm 直徑的漆包銅導線繞成，總長度為18 mm。圖3(a)為實際制作的射頻線圈，圖3(b)，(c)，(d)分別為該射頻線圈產生的磁場B1在各個坐標平面的分布。

為了接收頻率為10.5 MHz 的核磁共振信號，并將該信號輸送到阻抗為50 Ω 的前置放大器，需要將射頻線圈的諧振頻率調整到10.5 MHz 并使得其在該頻率下的阻抗為50 Ω。本文選擇П 型電路作為射頻線圈的調諧匹配電路，實際制作的線圈的電感為0.8 μH，等效串聯電阻為1.1 Ω，因此，選擇的調諧電容值為253 pF，匹配電容值為87 pF。傳感器實物圖如圖4 所示。

2 實 驗

實驗總共測試了5 組汽輪機油樣品，其中，前3 組樣品來自浙江北侖電廠，后2 組來自浙江余姚電廠。1#，4#樣品為新油，2#，5#樣品為在役油，3#樣品為廢棄油。

測試中所用到的設備有Kea2 譜儀，Tomco 射頻功率放大器，以及外接式前置放大器。

圖3 射頻線圈B1 場在各平面的分布Fig 3 Distribution of RF coil B1 field on each plane

圖4 傳感器實物圖Fig 4 Physical map of sensor

實驗用CPMG 序列測量了各油樣品的有效橫向弛豫時間T2eff，用T1IR Add 序列測量了各樣品的縱向弛豫時間T1。為了檢驗該傳感器的靈敏度與可重復性，每個樣品重復測量了5 次。

圖5 為實驗所測得的1#油樣品的CPMG 回波峰值衰減曲線，實驗中的掃描次數設為32 次。將前5 個回波峰值的平均值與后20 個回波峰值的平均值之比定義為信噪比，因而，計算得出該傳感器所測得的油樣品核磁共振信號的信噪比為24。雖然該傳感器的尺寸較小，但是其靈敏度完全能夠滿足測量要求。

圖5 1#油樣品CPMG 回波峰值衰減曲線Fig 5 CPMG echo peaks decay curve of 1#oil sample

由于該傳感器在測量區域內產生的B0場不是絕對均勻，在CPMG 序列射頻脈沖的作用下產生的回波是由多個路徑的信號疊加而成，因此，CPMG 序列測量得到的時間常數為由T1和T2按一定比例混合而成，稱為有效橫向弛豫時間T2eff［18］。

本文分別用單指數衰減、雙指數衰減及反拉普拉斯變換對測量信號進行了反演擬合，結果顯示:單指數衰減擬合的計算精度最高，因此，選用單指數衰減(式(1))對所有測量信號進行反演擬合

表1 和表2 分別為通過單指數衰減擬合得到的所有油樣品5 次測量的T2eff和T1的平均值與誤差。

表1 各油樣品的T2eff平均值和誤差Tab 1 Average value of T2eff and errors of each oil sample

表2 各油樣品的T1 平均值和誤差Tab 2 Average value of T1 and error of each oil samples

從表1 可以看出:隨著油樣品的老化程度的增加，其有效橫向弛豫時間T2eff減小。同樣，從表2 中，可以得出:隨著油樣品老化程度的增加，其縱向弛豫時間T1也隨之減小。此外，對比表1 和表2，發現隨著油樣品老化程度的增加，其T1的差異要大于T2eff的差異，但是測量結果中T2eff的穩定性要高于T1。因此，汽輪機油樣品的T2eff和T1都能夠表征其老化程度。

3 結 論

本文設計了一種微型核磁共振傳感器用于在工程現場實時監測汽輪機油的老化程度。該傳感器在擁有體積小、重量輕、制作成本低等優點的同時，具有較高的靈敏度與重復性。通過該傳感器分別對來自兩個電廠的不同老化程度的汽輪機油進行了核磁共振測量實驗，實驗結果表明:隨著汽輪機油的老化程度的增加其T2eff和T1減小，且T1比T2eff減小的快。因此，有望通過該傳感器實時測量汽輪機油的T2eff和T1來監測其老化程度。

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