消除工業(yè)核磁共振有源勻場(chǎng)線圈發(fā)熱對(duì)永磁體系統(tǒng)的影響

楊潔亮

摘 要 工業(yè)核磁共振分析儀中的磁體系統(tǒng)仍然以釹鐵硼的永磁體為主。釹鐵硼材料對(duì)溫度非常敏感，中心磁場(chǎng)強(qiáng)度為1.4T的永磁體系統(tǒng)，當(dāng)溫度變化千分之一攝氏度，即1m℃時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度變化約為1ppm。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，必須使永磁體穩(wěn)定于某一設(shè)定溫度，從而獲得穩(wěn)定的恒定磁場(chǎng)。

關(guān)鍵詞 磁體系統(tǒng)；有源勻場(chǎng)；溫度控制

中圖分類(lèi)號(hào) TP2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2095-6363（2017）16-0106-02

在工業(yè)核磁共振永磁體系統(tǒng)的調(diào)試過(guò)程中，都會(huì)進(jìn)行電磁線圈補(bǔ)償?shù)姆绞秸{(diào)節(jié)磁體的均勻度，但是補(bǔ)償線圈電流的突然變化會(huì)使得磁體溫度突然失衡，必須等待溫度穩(wěn)定后才能繼續(xù)測(cè)試，針對(duì)這一情況，尋找另一種溫控方法或解決溫度突然失衡的辦法成為了工作重點(diǎn)，是提高磁體系統(tǒng)調(diào)試效率的前提。

1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

本磁體系統(tǒng)由磁體部分、溫控部分、勻場(chǎng)部分組成。磁體部分由磁鋼9、極靴7、磁軛4以及保溫材料3構(gòu)成；溫控部分由傳感器5、溫控器1和加熱器8構(gòu)成；勻場(chǎng)部分由勻場(chǎng)控制單元2和勻場(chǎng)補(bǔ)償線圈6構(gòu)成。

在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，為獲得更好的勻場(chǎng)效果，有源勻場(chǎng)補(bǔ)償線圈的導(dǎo)線會(huì)設(shè)計(jì)得細(xì)而密，通常一個(gè)補(bǔ)償線圈的直流阻抗為9～32Ω。當(dāng)補(bǔ)償線圈接入0.2A的電流時(shí)，相應(yīng)通道的會(huì)產(chǎn)生功率為0.36～1.28W的發(fā)熱功率。在本系統(tǒng)中，由鉑電阻來(lái)采集溫度數(shù)據(jù)，采用16位脈寬調(diào)制的方式調(diào)節(jié)加熱功率。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

將系統(tǒng)上電后，溫控部分首先將磁體加熱使溫度穩(wěn)定在設(shè)定值，本系統(tǒng)為溫度設(shè)定值為41.8℃，穩(wěn)定過(guò)程大約需要7h，穩(wěn)定后溫度波動(dòng)大約0.4m℃。

將其中的一個(gè)勻場(chǎng)補(bǔ)償線圈通入0.2A電流，其線圈電阻為27.23Ω，發(fā)熱功率約為1.1W，此刻溫度傳感器并未檢測(cè)到勻場(chǎng)補(bǔ)償線圈的發(fā)熱量，溫控器仍舊按照傳感器的采集數(shù)據(jù)計(jì)算PWM的輸出。然而短暫的穩(wěn)定后傳感器采集到了磁體的逐漸升溫，溫控器開(kāi)始調(diào)整輸出值。如圖2所示，溫度上升了約6.5m℃，磁體溫度才開(kāi)始出現(xiàn)下調(diào)趨勢(shì)，造成了巨大的溫度波動(dòng)，大約經(jīng)歷270min后才回到設(shè)定值趨于平穩(wěn)。

為了解決在調(diào)試勻場(chǎng)電流時(shí)對(duì)磁體造成的溫度波動(dòng)，將勻場(chǎng)調(diào)試時(shí)補(bǔ)償線圈的發(fā)熱功率提前抵消，將溫控部分與勻場(chǎng)部分采用數(shù)據(jù)線連接，由勻場(chǎng)控制單元將線圈的發(fā)熱功率通知給溫度控制器，使溫度控制器及時(shí)的減少相應(yīng)的輸出功率，以求得對(duì)磁體的加熱能量穩(wěn)定。計(jì)算線圈的發(fā)熱功率由勻場(chǎng)控制單元完成，利用對(duì)每路線圈電阻查表的方式計(jì)算出加熱功率。按照以上思路，修改了勻場(chǎng)和溫控部分的軟件，將兩個(gè)部分聯(lián)機(jī)通訊，在勻場(chǎng)補(bǔ)償電流施加于補(bǔ)償線圈的時(shí)候溫控器相應(yīng)的減少PWM輸出的占空比，使發(fā)熱功率維持補(bǔ)償線圈加載電流前的狀態(tài)。經(jīng)過(guò)測(cè)試，磁體溫度首先會(huì)有一部分跌落，約為1.5m℃，然后進(jìn)入調(diào)整狀態(tài)，約70min后達(dá)到穩(wěn)定，如圖3所示。

同樣是對(duì)27.23Ω的線圈中施加了0.2A的電流，勻場(chǎng)和溫控部分聯(lián)機(jī)后比聯(lián)機(jī)前的溫度波動(dòng)小了5m℃，穩(wěn)定時(shí)間縮短了3小時(shí)20分鐘，大大減少了溫度穩(wěn)定的等待時(shí)間，提高了工作效率。但是在補(bǔ)償電流施加于線圈的同時(shí)磁體溫度并不是恒定，而是出現(xiàn)了小的跌落，并沒(méi)有像預(yù)期計(jì)算的維持穩(wěn)定，在分析了磁體系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和計(jì)算后，確定了出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因，因?yàn)閯驁?chǎng)補(bǔ)償線圈的發(fā)熱一部分傳遞給了磁體，另一部分發(fā)散到空氣中，而兩機(jī)聯(lián)機(jī)通訊后溫控器是直接減少了線圈計(jì)算的發(fā)熱功率，沒(méi)有考慮到空氣對(duì)線圈的散熱能力，造成了PWM輸出占空比過(guò)度減小。

由于磁體結(jié)構(gòu)的特殊性，空氣對(duì)補(bǔ)償線圈的熱量傳導(dǎo)計(jì)算結(jié)果與實(shí)際的傳導(dǎo)能力相差較大，采用試湊法調(diào)整勻場(chǎng)補(bǔ)償線圈對(duì)磁體加熱的功率衰減系數(shù)，當(dāng)溫控器輸出衰減量為線圈發(fā)熱量的78%的時(shí)候，補(bǔ)償線圈的溫度對(duì)磁體影響較小，27.23Ω的補(bǔ)償線圈施加0.2A電流，磁體的溫度波動(dòng)僅為0.66m℃，且穩(wěn)定時(shí)間僅用了約10min，而且0.66m℃的溫度波動(dòng)在系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程中是允許的，沒(méi)有對(duì)輸出結(jié)果造成較大影響。

3 結(jié)論

工業(yè)核磁共振永磁體系統(tǒng)在有源勻場(chǎng)調(diào)試的同時(shí)及時(shí)將調(diào)整信息反饋給溫控器，令溫控器提前對(duì)輸出值作出相應(yīng)改變，大大減小了溫度的跳變幅度和縮短了溫度穩(wěn)定時(shí)間，解決了永磁體系統(tǒng)溫控突然失衡的現(xiàn)象。將有源勻場(chǎng)補(bǔ)償線圈對(duì)磁體的加熱系數(shù)代入到系統(tǒng)中，基本可以實(shí)現(xiàn)調(diào)試過(guò)程零等待，溫度的波動(dòng)幅度在進(jìn)一步調(diào)試過(guò)程中能夠降得更低。

參考文獻(xiàn)

[1]楊博，李宛洲.基于單片機(jī)的新型多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2006（11）：45-46.

[2]高國(guó)焱，余文休.自動(dòng)控制原理[M].廣州：華南理工大學(xué)出版社，1999.

[3]陶永華.新型PID控制及其應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

[4]騰青芳.非線性與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電氣傳動(dòng)自動(dòng)化，2003，25（2）：28-30.

[5]梁國(guó)偉，李長(zhǎng)武，王芳.多點(diǎn)熱式氣體質(zhì)量流量測(cè)試方法實(shí)驗(yàn)研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2005，18（4）：785-789.

[6]梁國(guó)偉，蔡武昌.流量測(cè)量技術(shù)與儀表[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.endprint