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用于低磁场NMR测量的电磁体及其制造方法.pdf

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  • 文档编号:4757743
  • 上传时间:2018-11-07
  • 格式:PDF
  • 页数:14
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  • 摘要
    申请专利号:

    CN201180046111.0

    申请日:

    2011.09.22

    公开号:

    CN103189938A

    公开日:

    2013.07.03

    当前法律状态:

    授权

    有效性:

    有权

    法律详情:

    授权|||著录事项变更IPC(主分类):H01F 7/06变更事项:申请人变更前:美卓自动化有限公司变更后:维美德自动化有限公司变更事项:地址变更前:芬兰万塔变更后:芬兰万塔|||实质审查的生效IPC(主分类):H01F 7/06申请日:20110922|||公开

    IPC分类号:

    H01F7/06; G01R33/28

    主分类号:

    H01F7/06

    申请人:

    美卓自动化有限公司

    发明人:

    S·维尔塔伦; 亚尼·帕卡里宁

    地址:

    芬兰万塔

    优先权:

    2010.09.23 FI 20105980

    专利代理机构:

    隆天国际知识产权代理有限公司 72003

    代理人:

    章侃铱;张浴月

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    内容摘要

    本发明涉及一种电磁体及其制造方法。所述电磁体包括:框架(1),其内具有容积(4);以及导电布线(7),围绕框架(1)而卷绕。根据本发明,所述磁体包括:至少两个环形槽(5),具有两个彼此平行并垂直于该框架的纵轴的壁;至少两个布线堆叠(7),每一个布线堆叠(7)包括至少一个子堆叠(7a,7b),其中该布线具有截面;至少一个所述壁(6),隔开所述两个环形槽(5);以及跳线(10),对所述堆叠进行互连,使相邻堆叠的跳线(10)对轴向方向总电流的影响被回流布线的电流平均抵消,从而使它们对在该样品容积处所得到的磁场的影响最小化。

    权利要求书

    权利要求书
    1.   一种电磁体,包括:框架(1),其内具有容积(4);以及导电布线(7),围绕框架(1)而卷绕,其特征在于还包括,
    ‑至少两个环形槽(5),具有两个彼此平行并垂直于该框架的纵轴的壁;
    ‑至少两个布线堆叠(7),每一个布线堆叠(7)包括至少一个子堆叠(7a,7b),其中该布线具有截面;
    ‑至少一个所述壁(6),隔开所述两个环形槽(5);以及
    ‑跳线(10),对所述堆叠进行互连,使得相邻的堆叠的跳线(10)对轴向方向总电流的影响被回流布线的电流平均抵消,从而使对在样品容积处所得到的磁场的影响最小化。

    2.   根据权利要求1所述的电磁体,其特征在于,至少两个布线堆叠(7)的每一个包括偶数个子堆叠(7a,7b)且至少包括两个子堆叠(7a,7b),并且所述子堆叠(7a,7b)沿相反方向卷绕。

    3.   根据权利要求1所述的电磁体,其特征在于,所述至少两个环形槽(5)具有矩形截面。

    4.   根据权利要求1所述的电磁体,其特征在于,至少所述布线的厚度是被均匀化了的。

    5.   根据权利要求1至4的任意一个所述的电磁体,其特征在于,使相邻的堆叠(7)或堆叠对中的径向有效电流方向彼此相反,从而使对在该样品容积处所得到的磁场的影响最小化。

    6.   根据权利要求1至5的任意一个所述的电磁体,其特征在于,有利地,沿交替方向卷绕所述相邻的堆叠或堆叠对。

    7.   根据权利要求1至6的任意一个所述的电磁体,其特征在于,以这样的方式安排堆叠的互连,使得相邻的堆叠的跳线对轴向方向总电流的影响被所述回流布线的电流抵消,从而使对在该样品容积处所得到的磁场的影响最小化。

    8.   根据权利要求1至7的任意一个所述的电磁体,其特征在于,所述布线堆叠(7)被排列在与所述框架对称轴正交的平面中。

    9.   一种用于制造电磁体的方法,包括:
    ‑形成其内具有容积(4)的框架(1),以及
    ‑在框架(1)上设置导电布线(7),其特征在于还包括,
    ‑形成至少两个环形槽(5),所述环形槽(5)具有两个彼此平行并垂直于该框架的纵轴的壁,
    ‑卷绕至少两个布线堆叠(7),所述布线堆叠(7)的每个包括至少一个子堆叠(7a,7b),其中所述布线具有截面,
    ‑至少一个所述壁(6)将所述两个环形槽(5)隔开,以及
    ‑利用跳线将相邻的堆叠(7)连接在一起,使相邻堆叠(7)中的径向有效电流的方向彼此相反,从而使对在样品容积处所得到的磁场的影响最小化。

    10.   根据权利要求9所述的方法,其特征在于,存在偶数个子堆叠,且存在至少两个布线具有截面的子堆叠(7a,7b),并且所述子堆叠(7a,7b)沿相反方向卷绕。

    11.   根据权利要求10所述的方法,其特征在于,
    ‑在所述框架(1)的外表面上形成至少两个环形槽(5),所述环形槽(5)具有矩形截面,
    ‑在所述框架的槽上卷绕至少两个布线堆叠(7),每一个所述布线堆叠(7)包括两个子堆叠(7a,7b),其中所述布线具有矩形截面,并且所述子堆叠(7a,7b)沿相反方向卷绕。

    12.   根据权利要求10或11所述的方法,其特征在于,至少对所述布线的厚度进行均匀化。

    13.   根据权利要求9至12的任意一个所述的方法,其特征在于,以这样的方式安排所述堆叠的互连,使得相邻堆叠的跳线对轴向方向总电流的影响被所述回流布线的电流平均抵消,从而使对在该样品容积处所得到的磁场的影响最小化。

    14.   根据权利要求11至13的任意一个所述的方法,其特征在于,通过轧制而至少对所述布线的厚度进行均匀化。

    15.   根据权利要求14所述的方法,其特征在于,在将绝缘体涂层使用到所述导体布线上之后,通过轧制而至少对所述布线的厚度进行均匀化。

    说明书

    说明书用于低磁场NMR测量的电磁体及其制造方法
    技术领域
    本发明涉及一种适用于低磁场核磁共振(NMR)测量(诸如确定样品的含水量等)的电磁体。
    本发明还涉及一种在基于NMR的含水量测量中用于自适应脉冲间隔调节的设备。
    背景技术
    NMR(Nuclear Magnetic Resonance,核磁共振)技术已用于确定材料的含湿量。例如FR2786567就公开了这种系统。使用NMR弛豫时间法(relaxometry)能够精确及快速地测量各种材料样品的含水量。对基于NMR的含湿量测量装置的广泛使用造成妨碍的主要是生成所需要的均匀(homogeneous)且足够强的主磁场的磁体的高成本、重量和尺寸。对于很多应用(例如对生物质(biomass)的含水量的测量)而言,期望的样品容积(sample volume)大约是一升或更多。用于为足够大的容积生成这种均匀且足够强的磁场的低成本紧凑型MR磁体还没有商用。
    大尺寸的一个原因是,用于产生针对NMR用途的均匀磁场的电阻式(resistive)电磁体通常包括离样品容积相对较远的数个导体布线堆叠(stack)。以这样的方式能够利用适量的堆叠获得非常高程度的均匀性,而且堆叠内的布线布置、以及跳线布置也不会特别严格。然而,这种磁体结构在能量消耗方面的效率很低,而且即使是在低磁场状态下,通常也需要对磁体进行液体冷却。另外,对于这种构造而言,与均匀磁场容积相比,磁体的尺寸和重量很大。
    发明内容
    本发明的一个目的是提供一种全新类型的电磁体,用于低磁场下基于NMR的含水量或其他物质含量的测量。
    一个实施例的目的是提供一种小于当前可获得电磁体的替代物。
    本发明的一个实施例的另一个目的是提供一种电磁体,为了在测量容积中达到均匀磁场,该电磁体具有能够在紧公差极限内构建磁体的结构。
    本发明的某些实施例的一个进一步目的是提供一种电磁体,其能被结构性优化以在测量容积中达到期望水平的磁场均匀性,并且同时针对给定的磁场强度和导体布线总质量而具有最小的功耗。能量效率与利用该磁体能够达到的最大磁场强度直接相关。
    一个实施例的还有一个目的是提供一种易于制造和组装的电磁体。
    本发明是基于具有实质的圆柱对称性的磁体框架而设,磁体框架的外表面上设有引导槽,用于至少沿轴向精确放置磁体的布线堆叠。
    为了沿径向精确放置布线环路,一个实施例基于对导体布线的至少一个维度进行均匀化(equalization)。
    本发明的一个进一步的实施例是基于沿顺时针方向和逆时针方向交替卷绕多个布线子堆叠(substack)的布线而设,以减小径向有效电流对磁场均匀性的影响。
    一个实施例是基于以这样的方式对连接布线堆叠的跳线的路径进行安排,其中,此方式使得对磁体框架内部的样品容积处的磁场均匀性的杂散效应(spurious effect)最小化。通过交替设置布线堆叠的卷绕方向而使这种路径安排成为可能。
    最后,磁体提供以最佳半径和卷绕数来卷绕堆叠的可能性,以在测量/样品容积中达到高水平的能量效率和最佳磁场。
    更具体而言,根据本发明的电磁体及其制造方法,其特征在于独立权利要求的特征部分中陈述的内容。
    本发明具有显著的益处。
    根据本发明,使导体布线堆叠更靠近样品容积改善了能量效率,并使磁体制造得更小和更轻,为了确保足够高的磁场均匀性,也会对导体布线布置提出严格的公差极限,并要求精细的布线路径安排。本发明描述了一种保证导体布线堆叠的精确布置的磁体结构以及一种安排跳线路径的方式,使得其针对磁场均匀性的杂散效应非常之小。该构造实现了一直没有达到的关于样品容积、磁体尺寸和重量、能量效率和可制造性的组合。由于能量效率的缘故,无需为相当于约1dm3的测量容积中高达1MHz的质子共振(proton resonance)的磁场强度进行强制冷却。能够这样实现卷绕,使得仅通过直(straight)堆叠的螺旋布线段中的电流即可以非常高的精度确定样品容积中的磁场,并且可以忽略其他布线部分中的电流的影响。
    除此之外,还能够让布线布置中的公差非常之小。布线堆叠的布置本身以及单圈(single rounds)布线能够通过磁体的机械结构而被精确设定,由此能够通过磁体结构实现紧公差。这改善了质量并减小了制造误差的危险。
    附图说明
    在下文中,将借助于对附图中示出的实施例的举例说明来检验本发明,其中
    图1图示出电磁体框架的基本概念。
    图2a表示组装后的电磁体。
    图2b是单个布线堆叠的示意图。
    图3a表示图2a的放大图。
    图3b图示出用于将直流电从相邻堆叠引导到另一个堆叠的跳线的排列。
    图4示出导电布线的尺寸的均匀化。
    图5示出造纸机。
    具体实施方式
    图1中示出磁体的框架1。在此实施例中,框架1包括:基座法兰2,用以对磁体进行立式安装;对称圆柱体3,具有圆柱形容积4,例如用于测量样品的含湿量。该电磁体的用途是用于在圆柱形容积4(与磁体的整体尺寸相比,该容积4相对很大)中生成高度均匀的磁场。框架中的圆柱形开口4包含圆柱形样品容积空间。为了在圆柱形容积4内达到期望的均匀磁场,推荐使用对称的圆柱形状。磁体包括磁体框架1和导体布线。为了将圆柱形容积内的磁场的均匀性保持在期望的水平,导体布线环路必须围绕磁体的框架1而在紧公差范围内精确卷绕。为此,框架1的主体3具有N个环形槽5,所述N个环形槽5具有矩形截面形状,且由N‑1个间隔壁6隔开。这时,每个槽5被设置以容纳布线堆叠7(包含由具有矩形截面的布线8卷绕的两个子堆叠7a、7b)。布线在每个槽中形成两个子堆叠7a、7b,并且布线在槽底部形成一个连接子堆叠8的螺旋环路9。为了让子堆叠的底部环路互连,连接子堆叠的其他可能方式包括例如焊接至子堆叠的导电布线的轴向取向件(axially oriented pieces)。当卷绕堆叠7时,首先在堆叠槽5的底部上形成螺旋环路9,然后通过沿相反方向卷绕导体布线8而形成子堆叠7a、7b的每一个,直到填满堆叠槽5或已经卷绕了预定圈数为止。
    在用于NMR测量的磁体中,针对布线布置的公差非常之紧。为了达到磁场的充分均匀,需要的位置公差约为±0.1mm。由于在堆叠中甚至可能会有数十圈的导体布线位于彼此之上,所以如果要在布线的整个长度上满足空间位置公差标准,布线的尺寸公差就必须非常之好。特别是厚度公差会很严格。对于所需要的公差而言,由于商用引线及其覆盖绝缘体的尺寸公差太大,所以需要用到至少对布线的厚度和平坦度(flatness)进行均匀化的方法。
    为了满足上述要求,必须对布线在尺寸上进行均匀化和平坦化(planarized)。通过在两个光滑的且被精确放置的辊子(如图4所示)之间轧制布线,就能有效实现此处理。在金属制造业中,通过轧制进行均匀化和平整化(planing)是完善的技术,并且这里采用同样的原理来均匀化用于磁体的引线的厚度。通常仅需要处理厚度,而传送的布线宽度是适当的。用于均匀化的可选方法是对布线或绝缘体进行化学蚀刻,但这不如制造方法有效,且会引入有害物质。如果在堆叠中期望布线环路被真正精确地布置,则为了达到期望的公差,在卷绕中导引布线的厚度可被改变。有利地,在绝缘体已经被使用于导电布线之后再执行轧制,从而对公差通常大于金属布线自身公差的绝缘体的厚度进行均匀化,并且还对绝缘体进行平坦化。
    由磁体框架1的槽5和间隔壁7来确定沿轴向的位置精度。由于能够在框架上以高精度对这些部件进行机加工,在卷绕中,当布线环路被压到槽5中时布线堆叠得以沿轴向精确布置。在围绕磁体框架1卷绕所有的布线堆叠7之后,通过将布线堆叠7接上跳线而形成磁体的电路,如图3a和图3b所示。跳线由跳线块10实现;通过将子堆叠7a的连接舌片(connection tongue)11彼此连接,第一子堆叠7a经跳线块10而被连接至相邻布线堆叠的第一子堆叠7a。类似地,相邻布线堆叠的子堆叠7b通过跳线块10而彼此连接。这在图3b中有图示。从图3b可以看出,相对于回流布线的电流,沿轴向的净平均(net averaged)跳线电流的幅值相等但方向相反。类似地,由于在相邻槽中的堆叠沿相反方向卷绕,则相邻导体堆叠的轴向有效电流彼此抵消。此外,在相邻子堆叠之间,沿径向的跳线电流彼此抵消。
    图3a中示出一个用于排列跳线的适当的机械结构。其中连在一起的连接舌片11、12沿同一方向弯曲而在每一行舌片之间形成间隙,并且回流布线13位于其间。如上所述,这种连接结构简单而易于制造,而且电磁特性优越。
    对每个磁体而言,根据其用途意向,对在堆叠中的布线环路的数目、堆叠的数目、以及它们距框架1的对称轴的径向距离分别进行优化。槽根部距磁体框架的对称轴的径向距离r(i)(其中i=[1,……,N])是变化的;下面将描述确定它们的方法。
    通过以这样的方式进行计算来确定磁体框架槽的数目N、槽的宽度w、槽根部距磁体框架的对称轴的径向距离r(i)(i=[1,......,N])、以及堆叠螺旋的卷绕个数Nw(i)(i=[1,......,N]),即,针对样品容积、样品容积中磁场的不均匀性程度、磁体的整体尺寸和重量、功耗、磁体外部磁场衰减、以及其他可能的相关标准而言,通过以期望的方式权衡它们而对其组合进行优化。
    以直螺旋堆叠形式将导体布线卷绕到框架槽中,并且这些堆叠以满足下列条件的方式被串联连接至电流电路:
    1.使相邻子堆叠中的径向有效电流方向彼此相对,使它们对在样品容积处所得到的磁场的影响最小化。
    2.以这样的方式安排堆叠的互连,使得相邻堆叠对轴向方向的总电流的影响彼此抵消,从而使轴向电流对样品容积处所得到的磁场的非预期的影响最小化。有利地,沿交替方向卷绕相邻堆叠。
    2+.以这样的方式安排堆叠的互连,使得相邻堆叠的跳线对轴向方向的总电流的影响被回流布线中的电流抵消,从而使它们对在样品容积处所得到的磁场的影响最小化。
    3.槽间隔壁和沿轴向的紧公差迫使螺旋堆叠呈直形,且使堆叠平面与框架对称轴正交。间隔壁沿对称轴的方向将导体布线限定至正确的位置。
    通过满足这些条件,能够实现卷绕,使得样品容积中的磁场仅由直堆叠螺旋布线段中的电流以非常高的精度确定,而布线其他部分(section)中的电流的影响可以忽略。另外,能够使布线布置中的公差非常小。
    子堆叠的数目不限于两个。当子堆叠的数目是偶数时,通过对上述结构进行简单添加而实现所述结构。这时,间隔壁并非被放置于每个堆叠之间,而是例如放置于每第三个堆叠之后。这样通常沿磁体的对称轴的方向而保证了足够紧的空间公差。
    当子堆叠的数目是奇数时,需要在所述结构中进行某些改变。与上述实施例的本质区别是,对部分跳线进行安排以在磁体框架内进行堆叠之间的引导。这可以通过针对跳线而给磁体框架钻孔而实现。总之,除此以外,跳线的拓扑与上述非常类似。进而,没有内部螺旋位于堆叠底部并抵住磁体框架,而堆叠是被从底部竖直往上卷绕。这显然对制造有利。在某种程度上,这种下置方式对于跳线在磁体内的引导变得多少有点更困难。
    由于具有相对高的导热和导电性,再加上重量很轻和价格适中,铝作为用于磁体框架和布线的材料十分有利。高导热性有助于使磁体中的热膨胀梯度(gradient)最小化。当然,也能够使用可选的传导材料(例如传统的铜材)。然而,本发明不限于任何具体的材料,而是可使用任何适当的能够以机加工或其他方式在需要的精度内形成期望形状的材料。
    还可以想到的是,使用具有除了矩形之外的其他截面(例如圆形或椭圆形)的导电布线。并且圆槽的底部可以遵循布线的形状,而且槽壁是平行的,且垂直于框架的纵轴。然而这种实施例会有某些缺点。引线越靠近样品容积,磁体的电效率就越好。如果使用的是圆的布线,则布线之间会留有自由气隙,因此如果截面形状有意保持不变的话,部分线圈的卷绕就必然更远离样品容积。线圈内的导热性也会下降。
    图5示出造纸机的原理结构。一个纸浆流或多个纸浆流经由网池(wire pit)100馈送到造纸机中,通常通过用于纸浆流的搅拌池130和机械池132位于网池之前。通过重量控制或等级(grade)改变程序,机械浆被在短循环(short circulation)中进行分批处理(batching)。还可以用单独的混合反应器(图5未示出)替换搅拌池130和机械池132,并且通过借助于阀门或某些其他流控制器件128单独馈送每个纸浆流来控制机械浆的分批处理。在网池100中,机械浆与水混合,从而以期望的一致性提供短循环(从前一个110到网池100的虚线)。基于如此生成的纸浆,能够通过清理设备102去除沙子(水力旋流器)、空气(除气池)或其他原材料(压力筛),而纸浆借助于泵104而被泵入流浆箱(head box)106中。在流浆箱106之前,如果需要的话,可以将诸如高岭土(kaolin clay)、碳酸钙、云母、白垩(chalk)、氧化钛和硅石等填充剂TA,和/或诸如无机物、自然有机物或合成的水溶性有机聚合物等助留剂(retention agent)RA添加到纸浆。填充剂可用以改善成形、表面特性、不透明性、亮度和可印刷性,以减小制造成本。就助留剂RA本身而言,其增加细粉(fines)和填充剂的保持性,并且同时以其自身为人所知的方式加速脱水。填充剂和助留剂这两者因此而对幅材和纸张的表面形貌(surface topography)产生影响。
    纸浆从流浆箱106通过流浆箱的唇板(slice)108被馈送到成形部110中,该成形部110可以是长网机或夹网成形机。在成形部110中,幅材50被脱水,而灰末、细粉和纤维被移除至短循环中。在成形部110中,纸浆以幅材50的形式馈送到网(wire)上,并且幅材50在压榨部(press)112中经过初步干燥和压榨。幅材50主要在烘干部114中进行干燥。通常有至少一个测量部116至124(其可以是电磁体),例如可以用来执行诸如确定幅材50的含水量的NMR测量。
    本发明中的造纸机是指造纸机和纸板机这两者,并且也是指制浆机,其例如还可包括:前端压光机(precalender)138、涂布部/涂布段140和/或后端压光机(post‑calender)142。然而,不必有任何涂布段140,在此情况下不必有多于一个的压光机138、142。在涂布段140中,涂布颜料(其例如可包含高岭土、白垩或碳酸盐、淀粉、和/或乳胶)可被涂布至纸张表面上。涂布颜料的使用通常会减少纸张的粗糙度和改善光泽度。
    在压光机138、142中,未经涂布或涂布后的纸张幅材在其中行进于以期望的力度进行挤压的辊子之间,纸张的表面形貌(例如粗糙度等)能够被改变。压光机138、142也可影响纸张的厚度和/或光泽。在压光机138、142中,通过润湿幅材或借助于温度、以及辊子之间的压区负荷/压力(从而施加至幅材的压力越大,纸张将变得更为光滑和光泽),可以改变纸张幅材的特性。润湿和温度增加进一步减小粗糙度并改善光泽度。另外,对于本领域技术人员而言,显然造纸机的操作本身是公知的,因此在本文中不进行更具体的描述。
    图5还示出用于造纸机的控制系统。影响质量和等级改变的因素包括纸浆流的流量和比率、填充剂的量、助留剂的量、机器速率、回水的量、幅材的含湿量、以及干燥能力。控制器126可借助于阀门128控制纸浆流的分批处理,通过阀门136控制填充剂TA的分批处理,通过阀门134控制助留剂RA的分批处理,其还控制唇板108的尺寸、机器速率、回水量、以及模块114中的干燥处理。控制器126还利用测量器件116至120用于监控控制措施、质量和/或等级改变。控制器126还可在别处(例如在执行控制的同一点处)确定幅材50的特性。
    控制器126可认为是基于造纸机的自动数据处理的控制机构,或是其一部分。控制器126可接收数字信号,或将接收到的模拟信号转换成数字信号。控制器126可包括微处理器和存储器,并根据适当的计算机程序处理所述信号。例如,控制器126可以是基于PID(比例‑积分‑微分控制)、MPC(模型预测控制)或GPC(广义预测控制)控制。

    关 键  词:
    用于 磁场 NMR 测量 磁体 及其 制造 方法
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