×
27.05.2023
223.018.7216

Результат интеллектуальной деятельности: Способ определения количественного содержания компонент в исследуемых смесях с помощью обработки данных, полученных методом ядерного магнитного резонанса при экспресс-контроле их состояния

Вид РИД

Изобретение

Аннотация: Использование: для определения количественного содержания компонент в исследуемых смесях с помощью обработки данных, полученных методом ядерного магнитного резонанса. Сущность изобретения заключается в том, что времена продольной и поперечной релаксации образца, полученные стандартными способами на ЯМР-спектрометре или релаксометре, используются для решения феноменологических уравнений Блоха с учётом условий их регистрации, после чего проводится подбор качественного состава примесей и их объёмов таким образом, чтобы решения уравнения Блоха для исследуемой смеси совпадали с решением, полученным для смоделированной смеси, учитывающим различный вклад присутствующих в смеси примесей в сигналы поглощения и дисперсии, а также специфику формирования сигнала ядерного магнитного резонанса от смеси, образованной близкими по химическому составу и физическому строению веществами, после чего из коэффициентов для различных примесей смоделированной смеси определяется количественное содержание примесей в исследуемой смеси. Технический результат: обеспечение возможности определения количественного содержания компонент в исследуемых смесях с использованием параметров времени продольной и поперечной релаксации образца, полученных стандартными способами на ЯМР-спектрометре или релаксометре. 6 ил., 1 табл.

Способ относится к области анализа количественного определения содержания примесей в основном веществе с использованием методов ядерного магнитного резонанса и последующей математической обработкой сигналов. Известно множество способов количественного анализа веществ, основанных на математической обработке сигналов ядерного магнитного резонанса.

Известен способ количественного анализа материалов на основе анализа сигналов ЯМР (патент № RU 2422809 C2, дата публикации 27.06.2011). Задачей данного способа является измерение пористости материалов, веществ и минералов на основе ядерного магнитного резонанса инертных газов. В рассматриваемом способе, аналогично способу, описываемому в настоящем патенте, применяется методика разделения сигнала от различных веществ, формирующий исследуемый образец. Последующая математическая обработка позволяет получить относительный объём пор в общем объёме образца.

Недостатком рассматриваемого способа является то, что он применим только для анализа физической структуры вещества в узкой области работ, при этом неприменим для количественного анализа химического состава веществ.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому способу может быть принят патент RU 2558433 C1, опубликованный 10.08.2015. Задачей данного способа является получение возможности определения концентраций дейтерия в воде и водных растворах. В этом патенте способ определения заключается в воздействии на образец электромагнитным излучением радиочастотного диапазона в постоянном магнитном поле спектрометра ядерного магнитного резонанса. Для его реализации исследуемое вещество помещают в ампулу, затем в эту ампулу вставляют эталонный образец, представляющий собой запаянную ампулу меньшего диаметра, содержащую водный раствор трифторметансульфонат европия (III) Eu(CF3SO3)3, который способен индуцировать парамагнитный химический сдвиг сигнала ядерного магнитного резонанса , и воды с известным содержанием дейтерия, после чего эту систему ампул опускают в спектрометр ядерного магнитного резонанса и регистрируют спектр на ядрах дейтерия, в котором наблюдают разнесенные по частоте резонанса пики исследуемого и эталонного образцов, измеряют интегральную интенсивность каждого пика, сопоставляют их значения и методом пропорции определяют концентрацию дейтерия в исследуемом образце.

Недостатком данного способа является принципиальная невозможность его использования для определения концентрации любых других сред, что исключает его универсальность. Кроме того, поскольку этот способ полагается на данные, полученные со стационарных моделей ЯМР-спектрометров, затруднительно использовать данный метод для проведения экспресс-контроля.

В качестве прототипа способа будет использоваться способ по патенту RU 2558433 C1, поскольку данный способ, как и описываемый в настоящем патенте, позволяет проводить количественный анализ химического состава вещества.

Технической проблемой, на решение которой направлен описываемый способ, является расширение функциональных возможностей существующих ЯМР спектрометров и релаксометров. Математическая обработка регистрируемого сигнала позволяет в полевых условиях при проведении экспресс-контроля определить концентрации компонентов смеси, если она образована веществами, близкими по химическому составу и физической структуре (например, смеси бензинов, масел или жиров). Смесь таких сред представляет собой конгламерат.

Решение указанной технической проблемы достигается за счет того, что осуществляют регистрацию сигнала ядерного магнитного резонанса (ЯМР) образца исследуемого вещества, помещенного в ЯМР спектрометр, определяют времена продольной и поперечной релаксации образца, находят сочетание известных сред, наличие которых заявлено или возможно в исследуемой среде, которое обеспечивало бы совпадение времён релаксаций экспериментального сигнала и сигнала, смоделированного с помощью феноменологических уравнений Блоха.

Техническим результатом заявляемого способа является возможность определения количественного содержания компонент в исследуемых смесях с использованием параметров времени продольной и поперечной релаксации образца, полученных стандартными способами на ЯМР-спектрометре или релаксометре. Полученные данные используются для решения феноменологических уравнений Блоха с учётом условий их регистрации, после чего проводится подбор качественного состава примесей и их объёмов таким образом, чтобы решения уравнения Блоха для исследуемой смеси совпадали с решением, полученным для смоделированной смеси, учитывающим различный вклад присутствующих в смеси примесей в сигналы поглощения и дисперсии, а также специфику формирования сигнала ядерного магнитного резонанса от смеси, образованной близкими по химическому составу и физическому строению веществами, после чего из коэффициентов для различных примесей смоделированной смеси определяется количественное содержание примесей в исследуемой смеси.

На прилагаемых к описанию чертежах дано:

• На рис. 1 представлена сумма решений при соотношении чистых компонент 1:1, где график 1 соответствует сигналу, зарегистрированному от смеси бензинов АИ 95 и АИ 76 в соотношении 3:1, график 2 - сигналу, зарегистрированному от чистого бензина АИ 76, график 3 - сигналу, зарегистрированному от чистого бензина АИ 95, график 4 - сигналу, смоделированному для смеси бензинов АИ 95 и АИ 76 в соотношении 1:1;

• На рис. 2 представлена сумма решений при соотношении чистых компонент 1:3, где график 1 соответствует сигналу, зарегистрированному от смеси бензинов АИ 95 и АИ 76 в соотношении 3:1, график 2 - сигналу, зарегистрированному от чистого бензина АИ 76, график 3 - сигналу, зарегистрированному от чистого бензина АИ 95, график 5 - сигналу, смоделированному для смеси бензинов АИ 95 и АИ 76 в соотношении 1:3;

• На рис. 3 представлена сумма решений при соотношении чистых компонент 3:1, где график 1 соответствует сигналу, зарегистрированному от смеси бензинов АИ 95 и АИ 76 в соотношении 3:1, график 2 - сигналу, зарегистрированному от чистого бензина АИ 76, график 3 - сигналу, зарегистрированному от чистого бензина АИ 95, график 6 - сигналу, смоделированному для смеси бензинов АИ 95 и АИ 76 в соотношении 3:1;

• На рис. 4 представлена сумма решений при соотношении чистых компонент 3:1, где график 3 соответствует сигналу, зарегистрированному от чистого бензина АИ 95, график 7 - сигналу, зарегистрированному от чистого керосина, график 8 - сигналу, зарегистрированному от смеси бензина АИ 95 и керосина в соотношении 1:1, график 9 - сигналу, смоделированному для смеси бензина АИ 95 и керосина в соотношении 3:1;

• На рис. 5 представлена сумма решений при соотношении чистых компонент 1:3, где график 3 соответствует сигналу, зарегистрированному от чистого бензина АИ 95, график 7 - сигналу, зарегистрированному от чистого керосина, график 8 - сигналу, зарегистрированному от смеси бензина АИ 95 и керосина в соотношении 1:1, график 10 - сигналу, смоделированному для смеси бензина АИ 95 и керосина в соотношении 1:3;

• На рис. 6 представлена сумма решений при соотношении чистых компонент 1:1, где график 3 соответствует сигналу, зарегистрированному от чистого бензина АИ 95, график 7 - сигналу, зарегистрированному от чистого керосина, график 8 - сигналу, зарегистрированному от смеси бензина АИ 95 и керосина в соотношении 1:1, график 11 - сигналу, смоделированному для смеси бензина АИ 95 и керосина в соотношении 1:1;

Способ осуществляется следующим образом.

Регистрируемый сигнал ЯМР от конгломерата представляет собой суммарный сигнал от каждой из его компонент. Для таких смесей нами предложена математическая модель, которая позволяет описать регистрируемый сигнал ЯМР от неё. В предложенной нами модели используются решения уравнений Блоха во вращающейся системе координат:

где Δω = γH – ω - расстройка поля от резонанса, γ- гиромагнитное отношение, H - величина магнитного поля, в которое помещён образец, H1 - магнитное поле катушки регистрации, ω - частота регистрации, M = χ0H - равновесная намагниченность исследуемой среды в магнитном поле, MZ - мгновенная намагниченности, υ(t), u(t) - сигналы поглощения и дисперсии. T1 - время продольной релаксации образца, - эффективное время поперечной релаксации образца, которое связано со временем поперечной релаксации следующим образом:

где ΔH - неоднородность магнитного поля в зоне размещения катушки регистрации сигнала ЯМР.

Времена продольной и поперечной образца могут быть измерены с применением существующих серийных образцов ЯМР-спектрометров и релаксометров, использующих стандартные методики (модуляционная и импульсная).

Поскольку аналитического решения феноменологических уравнений Блоха не существует, здесь и далее рассмотрение этих уравнений будет проводиться в частном случае использования модуляционной методики для регистрации сигнала ЯМР. Но стоит отметить, что применимость описываемого способа определения концентраций компонент смеси не ограничена этой методикой. Описываемый способ может быть так же использован при исследованиях сред с помощью импульсной методики.

В случае использования модуляционной методики для регистрации сигнала ЯМР в слабом магнитном поле величина изменяется следующим образом:

где H0 - постоянное магнитное поле спектрометра, в которое помещён образец, Hm - поле катушки модуляции, ωm - частота модуляции.

В этом случае изменение расстройки частоты поля от резонанса в системе уравнений Блоха, с учетом (2), будет иметь следующую зависимость:

Одной из известных особенностей регистрации сигнала ЯМР в слабом магнитном поле с использованием модуляционной методики является то, что его регистрация должна осуществляется только на частоте резонанса (ω = ω0 = γH0). В противном случае отношение сигнал/шум может быть недостаточно устойчивой для регистрации сигнала ЯМР. Поэтому для описания регистрируемого сигнала ЯМР с помощью модуляционной методики уравнение (3) преобразуется к следующему виду:

На резонансной частоте регистрации ω = ω0, с учетом (4) система уравнений Блоха (1) принимает следующий вид:

где - равновесная намагниченность исследуемой среды в магнитном поле спектрометра, - статистическая ядерная магнитная восприимчивость, N - концентрация парамагнитных частиц; μ - магнитный момент частицы; k - постоянная Больцмана; T - абсолютная температура.

Данная система уравнений решается относительно компонент υ(t), u(t) и MZ(t) c учетом начальных условий:

В описываемом способе для математического описания формы линии G(t) регистрируемого от вещества сигнала ЯМР в слабом магнитном поле при настройке на максимум отношения S/N описывается следующим соотношением:

где υ(t), u(t) - сигналы поглощения и дисперсии, A, B - коэффициенты, определяющие вклад в сигнал ЯМР сигналов поглощения и дисперсии

Необходимо отметить, что полученное решение (7)проверено на соответствие с экспериментально полученными данными. Это соотношение позволяет разработать следующую методику моделирования регистрируемого сигнала ЯМР от смеси: если смесь образована веществами, не вступающими в химическую реакцию и близкими по химическому составу и физическому строению веществами, то регистрируемый сигнал от неё является суммой сигналов от каждой из компонент смеси. Таким образом возможно провести разделение получаемого сигнала от смеси на сигналы от образующих её компонент: форму линии Gm(t) регистрируемого от смеси сигнала ЯМР можно представить следующим соотношением:

где υ(t), u(t) - сигналы поглощения и дисперсии, A, B - коэффициенты, определяющие их вклад в сигнал ЯМР (m - смесь, i - компоненты смеси), Ni- число протонов в единицу объёма для веществ образующих смесь, Vi - объём веществ в смеси, Vr - объём катушки регистрации.

При исследовании образца все сигналы ЯМР, как от смеси, так и от отдельных её компонент формируются в одних и тех же полях H0, H1 и Hm. Поэтому полученные решения для их компонент υ(t) и u(t) из уравнений Блоха (5), отличаются между собой только по константам релаксации.

Для самой смеси T1 и T2 определяются по регистрируемому от неё сигналу ЯМР. Константы релаксации одной из компонент смеси, за которую выдается вся смесь, известны. Если полученные значения времён релаксации исследуемой смеси и вещества, которым должна являться смесь, совпадают с учётом температуры окружающей среды, то состав среды становится известен.

Если полученные значения времён релаксации исследуемой смеси и вещества, которым должна являться смесь, не совпадают, то необходимо использовать описываемый в настоящем патенте способ. Проводится перебор возможных примесей (имеющих различные времена релаксации) и их объёмов таким образом, чтобы выполнялось соотношение (8). Иными словами, таким образом, чтобы смоделированный сигнал от смеси, полученной перебором вариантов, а также её времена релаксации совпадали с экспериментально полученным данными от исследуемой среды. Перебор может проводиться различными методами (например, метод наименьших квадратов) в зависимости от платформы для вычислений и используемого программного обеспечения. Все вычисления производятся для с учётом температуры окружающей среды, которая может быть измерена стандартными методами. После выполнения соотношения (8) по константам релаксации определяются компоненты смеси, а их относительным концентрациям определяются абсолютные объёмы.

Пример № 1.

Для получения решений уравнений Блоха (5) были использованы значения времен релаксации, полученные на малогабаритном ЯМР-релаксометре, принцип действия которого основан на модуляционной методике (см. таблица 1).

Таблица 1 Времена продольной T1 и поперечной T2 релаксации бензинов и их смеси

Среда Т1, с Т2, мкс
Бензин А-76 1.432 ± 0.007 146.15 ± 0.73
Бензин АИ-95 3.192 ± 0.015 411.72 ± 1.97
Смесь бензина АИ-95 и бензина А-76 в соотношении 3:1 2.307 ± 0.011 310.05 ± 1.48

На фиг. 1-фиг. 3 представлены решения уравнений Блоха при разных значениях относительных концентраций компонент смеси, которые подставляются в формулу (8). График 1 соответствует сигналу, зарегистрированному от смеси бензинов АИ-95 и АИ-76 в соотношении 3:1, график 2 - сигналу, зарегистрированному от чистого бензина АИ-76, график 3 - сигналу, зарегистрированному от чистого бензина АИ-95, график 4 - сигналу, смоделированному для смеси бензинов АИ-95 и АИ-76 в соотношении 1:1, график 5 - сигналу, смоделированному для смеси бензинов АИ-95 и АИ-76 в соотношении 1:3, график 6 - сигналу, смоделированному для смеси бензинов АИ-95 и АИ-76 в соотношении 3:1.

Видно, что только при концентрациях, соответствующих действительным (таблица 1), удавалось добиться того, что суммарный сигнал от чистых веществ совпадал с сигналом от смеси:

Пример № 2.

Аналогично действиям, проделанным в примере №1, были проведены расчёты для смесей бензина АИ-95 и керосина. На фиг. 4-фиг. 6 представлены решения уравнений Блоха при разных значениях относительных концентраций компонент смеси, График 3 соответствует сигналу, зарегистрированному от чистого бензина АИ-95, график 7 - сигналу, зарегистрированному от чистого керосина, график 8 - сигналу, зарегистрированному от смеси бензина АИ-95 и керосина в соотношении 1:1, график 9 - сигналу, смоделированному для смеси бензина АИ-95 и керосина в соотношении 3:1, график 10 - сигналу, смоделированному для смеси бензина АИ-95 и керосина в соотношении 1:3, график 11 - сигналу, смоделированному для смеси бензина АИ-95 и керосина в соотношении 1:1.

Результаты, полученные в обоих примерах, показывают, что предложенный способ позволяет определять состав и соотношение между компонентами смеси, если одна из компонент известна, при исследовании смесей жидких сред, образованных близкими по химическому составу и физической структуре веществами.

Таким образом, способ количественного определения состава жидких сред методом ЯМР с последующей математической обработкой сигналов обеспечивает достаточную точность результатов, при этом он универсален, т.к. может быть применен для различных жидкостей, обеспечивает возможность проведения экспресс-анализа и имеет относительно невысокую стоимость проведения эксперимента.

Способ определения количественного содержания компонент в исследуемых смесях с помощью обработки данных, полученных методом ядерного магнитного резонанса при экспресс-контроле их состояния, отличающийся тем, что времена продольной и поперечной релаксации образца, полученные стандартными способами на ЯМР-спектрометре или релаксометре, используются для решения феноменологических уравнений Блоха с учётом условий их регистрации, после чего проводится подбор качественного состава примесей и их объёмов таким образом, чтобы решения уравнения Блоха для исследуемой смеси совпадали с решением, полученным для смоделированной смеси, учитывающим различный вклад присутствующих в смеси примесей в сигналы поглощения и дисперсии, а также специфику формирования сигнала ядерного магнитного резонанса от смеси, образованной близкими по химическому составу и физическому строению веществами, после чего из коэффициентов для различных примесей смоделированной смеси определяется количественное содержание примесей в исследуемой смеси.
Источник поступления информации: Роспатент

Showing 71-80 of 123 items.
31.07.2019
№219.017.baa8

Способ изготовления сенсорного модуля, основанного на эффекте гигантского комбинационного рассеяния, для микрофлюидных устройств (варианты)

Изобретение относится к способам изготовления сенсорного модуля для получения спектров гигантского комбинационного рассеяния (ГКР). Способ включает четырехстадийную обработку поверхности плоского стеклянного основания. На первой стадии производят обогащение приповерхностного слоя стеклянного...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002695916
Дата охранного документа: 29.07.2019
02.08.2019
№219.017.bb6f

Способ получения нанокомпозиционного материала на основе меди, упрочненного углеродными нановолокнами

Изобретение относится к получению металлоуглеродного нанокомпозиционного материала на основе меди, упрочненного углеродными нановолокнами. Способ включает приготовление водного раствора нитрата меди, содержащего нитрат железа, последующую распылительную сушку с образованием порошка, состоящего...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002696113
Дата охранного документа: 31.07.2019
02.08.2019
№219.017.bb7b

Устройство для глубокой электрогидроимпульсной вытяжки тонколистовых металлов

Изобретение относится к области листовой штамповки, а именно к технологии вытяжки деталей осесимметричной или коробчатой формы из тонколистовых металлов методом электрогидроимпульсной штамповки. Устройство содержит разрядную камеру с рабочей жидкостью и электродной системой, матрицу,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002696117
Дата охранного документа: 31.07.2019
02.08.2019
№219.017.bba9

Способ получения биметаллических изделий штамповкой жидкого металла

Изобретение относится к литейному производству и может быть использовано для изготовления биметаллических заготовок методом штамповки жидкого металла. Жидкий металл основы заливают в матрицу установки штамповки жидкого металла. Затем в жидкий металл, находящийся в матрице, погружают рабочий...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002696164
Дата охранного документа: 31.07.2019
03.08.2019
№219.017.bbf4

Способ измерения времени продольной релаксации в текущей среде

Использование: для измерения времени продольной релаксации в текущей среде. Сущность изобретения заключается в том, что измеряют расход исследуемой текущей жидкости, амплитуду радиочастотного поля, частоту и амплитуду модуляции постоянного магнитного поля, при которых амплитуда сигнала...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002696370
Дата охранного документа: 01.08.2019
03.08.2019
№219.017.bcb7

Способ демодуляции сигнала фазового оптического датчика

Изобретение относится к области оптических способов измерения физических величин с использованием фазовых оптических датчиков (интерферометров), в том числе для измерения механических и акустических колебаний, а также линий сбора данных на их основе. Заявленный способ демодуляции сигнала...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002696324
Дата охранного документа: 01.08.2019
03.08.2019
№219.017.bcdd

Способ обнаружения аномалий в трафике магистральных сетей интернет на основе мультифрактального эвристического анализа

Изобретение относится к способу обнаружения аномалий в трафике магистральных сетей Интернет на основе мультифрактального эвристического анализа. Технический результат заключается в увеличении точности обнаружения сетевых атак за счет параллельного вычисления мультифрактальных характеристик...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002696296
Дата охранного документа: 01.08.2019
09.10.2019
№219.017.d3c9

Способ генерации универсального входного сигнала для нейросетевых детекторов компьютерных вторжений в межмашинных сетях

Изобретение относится к области техники связи. Технический результат заключается в повышении точности обнаружения вторжений и повышении защищенности межмашинных сетей. Технический результат достигается за счет генерации универсального входного сигнала для блока обнаружения вторжений,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002702274
Дата охранного документа: 07.10.2019
10.10.2019
№219.017.d42c

Способ автоматизированной технологической подготовки операционных карт мелкосерийного машиностроительного производства

Способ позволяет осуществлять технологическую подготовку операционных карт мелкосерийного производства на основе абстрактных (символьных) моделей компонент, составляющих изготовляемую деталь, в которых символьная параметризация обеспечивает инвариантность моделей относительно геометрических...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002702387
Дата охранного документа: 08.10.2019
30.10.2019
№219.017.dbca

Способ получения объемного композиционного материала никель - диоксид циркония с повышенной устойчивостью к окислению

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению композиционных материалов на основе никеля. Может использоваться в авиастроении, автомобильной промышленности, а также при производстве турбин. Проводят отсев фракции никелевого порошка с размерами частиц не более 40 мкм,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002704343
Дата охранного документа: 28.10.2019
Showing 1-3 of 3 items.
06.07.2019
№219.017.a741

Преобразователь ржавчины и способ его получения

Группа изобретений относится к лакокрасочной промышленности и может быть использована для защиты пораженных ржавчиной металлических поверхностей. Преобразователь ржавчины содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%: латекс СКС-65 ГП - 16-17,7; водный раствор танина - 7,7-9; щавелевая...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002693764
Дата охранного документа: 04.07.2019
27.05.2023
№223.018.7217

Способ измерения времени продольной релаксации т1 текущей жидкости методом ядерного магнитного резонанса

Использование: для измерения времени продольной релаксации в текущей среде. Сущность изобретения заключается в том, что измерение времени продольной релаксации в текущей среде выполняют с помощью обработки данных о величине расхода жидкости q, значениях амплитуд U1 и U2, полученных с...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002740181
Дата охранного документа: 12.01.2021
27.05.2023
№223.018.722b

Способ контроля состояния жидкой текущей среды

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к способам и устройствам для определения состояния плохо прозрачной текущей среды в экспресс-режиме при наличии в ней крупных вкраплений и нерастворенных частиц, пузырьков газа при постоянном их смешивании. Максимум интенсивности отраженного...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002747962
Дата охранного документа: 18.05.2021
+ добавить свой РИД