DE69130574T2 - REAL-TIME ANALYSIS WITH MAGNETIC RESONANCE AND THEIR INDUSTRIAL APPLICATION - Google Patents
REAL-TIME ANALYSIS WITH MAGNETIC RESONANCE AND THEIR INDUSTRIAL APPLICATIONInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Instrument zum Messen des Typs und der Menge von gittergebundenen und freien magnetisch aktiven Kernen in aufeinanderfolgenden Proben eines Prozeßmaterialflusses durch pulsierte magnetische Kernresonanztechniken (NMR) und insbesondere die Anwendung einer solchen Messung auf die industrielle Prozeßregelung von Feuchtigkeitsgehalt, Polymergehalt, Kristallinitätsfraktion sowie auf andere Komponentenanteilanalysen und andere Parameter.The present invention relates to an instrument for measuring the type and amount of lattice-bound and free magnetically active nuclei in successive samples of a process material flow by pulsed nuclear magnetic resonance (NMR) techniques and in particular to the application of such measurement to industrial process control of moisture content, polymer content, crystallinity fraction as well as to other component content analyses and other parameters.
Magnetresonanzabbildungs- (MRI) und NMR-Techniken haben in den letzten 40 Jahren sehr stark zugenommen, vor allem im medizinischen Instrumentariumsbereich, wo bei In-Vivo-Untersuchungen verschiedene Teile des menschlichen Körpers sichtbar gemacht werden können, und in klinischen Forschungslabors. Außerdem haben diese Techniken Anwendung und Interesse im Bereich der industriellen Instrumentation und im Steuer- und Regelbereich gefunden. Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine wirksame Nutzung (technisch und wirtschaftlich) pulsierter NMR-Techniken in industriellen Bereichen, um existierende Optik- und Strahlungsinstrumente auf Energiebasis zu ersetzen oder zu ergänzen.Magnetic resonance imaging (MRI) and NMR techniques have grown rapidly over the last 40 years, particularly in the medical instrumentation field, where in vivo examinations can visualize various parts of the human body, and in clinical research laboratories. In addition, these techniques have found application and interest in the industrial instrumentation and control fields. The present invention enables an effective use (technically and economically) of pulsed NMR techniques in industrial fields to replace or complement existing energy-based optical and radiation instruments.
Die pulsierte NMR-Spektroskopie arbeitet mit einem Burst oder Impuls, der die Aufgaben hat, alle Kerne einer bestimmten Kernspezies einer gemessenen Probe zu erregen (wobei die Protonen oder dergleichen einer solchen Probe zunächst einer Präzession in einem im wesentlichen statischen Magnetfeld unterworfen wurden); mit anderen Worten, die Präzession wird durch den Impuls modifiziert. Nach dem Anlegen des Impulses kommt es zu einem freien Induktionszerfall (FID) der Magnetisierung in Zusammenhang mit den erregten Kernen. Eine traditionelle Fourier-Transformationsanalyse erzeugt ein Frequenzdomänenspektrum, das vorteilhaft beim Studium der Kerne von Interesse benutzt werden kann. Die Dauer der Impulse, die Zeit zwischen den Impulsen, der Impulsphasenwinkel und die Zusammensetzung der Probe sind Parameter, die die Empfindlichkeit dieser Technik beeinflussen. Diese Frequenzdomänentechniken lassen sich nicht einfach in industriellen Anwendungen einsetzen, besonders in Online-Anwendungen.Pulsed NMR spectroscopy works with a burst or pulse that has the task of exciting all nuclei of a certain nuclear species of a sample being measured (the protons or the like of such a sample having first been subjected to a precession in an essentially static magnetic field); in other words, the precession is modified by the pulse. After the pulse is applied, a free induction decay (FID) of the magnetization in related to the excited nuclei. A traditional Fourier transform analysis produces a frequency domain spectrum that can be used advantageously in studying the nuclei of interest. The duration of the pulses, the time between pulses, the pulse phase angle and the composition of the sample are parameters that affect the sensitivity of this technique. These frequency domain techniques are not easily applied in industrial applications, especially in online applications.
Die US 4701705 beschreibt die Anwendung von Kernmagnetresonanz (NMR) für Feuchtigkeitsmessungen an in einem Rohr fließendem Material.US 4701705 describes the application of nuclear magnetic resonance (NMR) for moisture measurements on material flowing in a pipe.
Es ist auch bekannt, NMR-Messungen mit einem Laborsystem durchzuführen, das mit einer Frequenz von 27 MHz arbeitet, wobei Proben in Glasphiolen gegeben und in eine Detektorspule im Spalt eines Elektromagnets plaziert werden (siehe z.B. COMPOSITES EVALUATION, PROC. OF SECOND INTERN. CONF. ON TESTING, EVALUATION AND QUALITY CONTROL OF COMPOSITES - TEQC 87, 22. September 1987, Guildford, GB, Seiten 23-27; G.A. Matzkanin et al. "NDE OF MOISTURE ABSORPTION IN COMPOSITES USING NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE").It is also known to perform NMR measurements using a laboratory system operating at a frequency of 27 MHz, where samples are placed in glass vials and placed in a detector coil in the gap of an electromagnet (see e.g. COMPOSITES EVALUATION, PROC. OF SECOND INTERN. CONF. ON TESTING, EVALUATION AND QUALITY CONTROL OF COMPOSITES - TEQC 87, 22 September 1987, Guildford, GB, pages 23-27; G.A. Matzkanin et al. "NDE OF MOISTURE ABSORPTION IN COMPOSITES USING NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE").
Es ist ferner bekannt, ein mit 20 MHz arbeitendes NMR-Meßgerät des Typs Bruker PC20 für das Studium der Dynamik der Kristallisation eines Polymers, den Phasentrennungsprozeß in Polymermischungen und in binären Flüssigkeitsgemischen, den Gelatineprozeß, den Polymerisationsprozeß sowie von biologischen und chemischen Reaktionen einzusetzen (siehe JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, Bd. 60, Nr. 4, 1. August 1986, New York, USA, Seiten 1306-1309; H. Tanaka et al. "REAL-TIME PULSED NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE MEASUREMENT SYSTEM FOR THE STUDY OF NONEQUILIBRIUM PHENOMENA IN POLYMERS").It is also known to use a Bruker PC20 NMR measuring device operating at 20 MHz for studying the dynamics of the crystallization of a polymer, the phase separation process in polymer mixtures and in binary liquid mixtures, the gelatin process, the polymerization process and biological and chemical reactions (see JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, Vol. 60, No. 4, August 1, 1986, New York, USA, pages 1306-1309; H. Tanaka et al. "REAL-TIME PULSED NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE MEASUREMENT SYSTEM FOR THE STUDY OF NONEQUILIBRIUM PHENOMENA IN POLYMERS").
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Meßsystem bereitzustellen, das zu einer genauen und schnellen Ermittlung der Typen und Mengen der Kernspezies von Interesse führt.It is an object of the present invention to provide a to provide an improved measurement system that leads to accurate and rapid determination of the types and amounts of nuclear species of interest.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, für die Bereitstellung eines solchen Systems eine Zeitdomänenanalyse zu benutzen.It is a further object of the invention to use a time domain analysis for providing such a system.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist seine Anwendung auf die industriellen Online-Probleme des Messens von Regelungsprozessen.A further object of the present invention is its application to the industrial online problems of measuring control processes.
Die Hauptvariable von Interesse ist Feuchtigkeit, mit Unterscheidung zwischen freiem und gebundenem Wasser in einer organischen oder anorganischen Substanz auf der Basis einer Wasserstoffkern-Präzessionsanalyse. Es können jedoch auch andere Parameter auf der Basis von Wasserstoff oder anderen empfindlichen Spezien, wie z.B. Natrium, gemessen werden. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Mehrzahl verschiedener solcher Meßaufgaben zu ermöglichen.The main variable of interest is humidity, with discrimination between free and bound water in an organic or inorganic substance based on hydrogen nucleus precession analysis. However, other parameters based on hydrogen or other sensitive species such as sodium can also be measured. It is an object of the present invention to enable a variety of different such measurement tasks.
Es ist eine weitere Aufgabe, die Dynamik von industriellen Online-Anwendungen einschließlich Variationen von Dichtigkeit, Temperatur, Packungs- und Größenfaktoren, Reibung und statische Elektrizität, Vibration sowie frequente, sich wiederholende, zyklische und nichtzyklische Messungen durchzuführen.Another task is to perform the dynamics of industrial online applications including variations in density, temperature, packing and size factors, friction and static electricity, vibration as well as frequent, repetitive, cyclic and non-cyclic measurements.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, Magnetresonanztechniken (NMR) in der Polymeranalyse einzusetzen, einschließlich Dichtigkeits-Schmelzindex und/oder isostatische Indexmessungen.It is a further object of the invention to use magnetic resonance techniques (NMR) in polymer analysis including dense melt index and/or isostatic index measurements.
Eine weitere Aufgabe ist die Erhöhung von Genauigkeit und Zuverlässigkeit der erhaltenen Daten.Another task is to increase the accuracy and reliability of the data obtained.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, das notwendige praktische Maß an Wirtschaftlichkeit im Einklang mit den obigen Aufgaben zu erzielen.It is an object of the invention to achieve the necessary practical level of economy in accordance with the above objects.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, alle Merkmale einer genauen und schnellen Ermittlung der Typen und Mengen der Kernspezies von Interesse, die Benutzung einer Zeitdomänenanalyse in einem solchen System, seine Anwendung auf die industriellen Online-Probleme der Überwachung und Lenkung von Prozessen, z.B. die Messung von freiem und gebundenem Wasser in organischen und anorganischen Substanzen (auf der Basis einer Präzisionsanalyse mit modifzierten Wasserstoff kernen) oder eine andere Parametermessung (auf der Basis von Wasserstoff oder anderen empfindlichen Spezies, einschließlich z.B. Natrium-23 oder Kohlenstoff-13) unter Berücksichtigung der Dynamik von industriellen Online- Anwendungen einschließlich Variationen von Dichtigkeit, Temperatur, Packungs- und Größenfaktoren, Reibung und statischer Elektrizität, Vibration und frequente, sich wiederholende zyklische und nichtzyklische Messungen zu integrieren.It is a further object of the invention to provide all the features of an accurate and rapid determination of the types and amounts of the nuclear species of interest, the use of time domain analysis in such a system, its application to the industrial on-line problems of monitoring and controlling processes, e.g. the measurement of free and bound water in organic and inorganic substances (based on precision analysis with modified hydrogen nuclei) or other parametric measurement (based on hydrogen or other sensitive species, including e.g. sodium-23 or carbon-13) taking into account the dynamics of industrial on-line applications including variations in density, temperature, packing and size factors, friction and static electricity, vibration and frequent, repetitive cyclic and non-cyclic measurements.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, solche Magnetresonanztechniken in der Polymeranalyse einzusetzen, einschließlich Dichtigkeit, alle mit verbesserter Genauigkeit und Zuverlässigkeit der erhaltenen Daten und unter gleichzeitiger Erzielung des notwendigen Maßes an praktischer Wirtschaftlichkeit.It is a further object of the invention to apply such magnetic resonance techniques in polymer analysis, including density, all with improved accuracy and reliability of the data obtained and while achieving the necessary level of practical economy.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, diese Leistungen weiter in bezug auf industrielle Online-Verarbeitungen und dergleichen in Anwendung auf Mischspezies (oder Mischphasen) von NMRaktiven Materialien und insbesondere auf Lebensmittel und Plastikmaterialien (und anwendbar auf viele andere NMRaktive Materialien) mit einer dritten Komponente wie z.B. Öle/Fette oder Lösungsmittel zusätzlich zu zwei Hauptkomponenten (Feuchtigkeit/Feststoffe, kristallin/ amorph) auszuweiten.It is a further object of the present invention to further extend these capabilities in relation to industrial online processing and the like in application to mixed species (or mixed phases) of NMR active materials and in particular to food and plastic materials (and applicable to many other NMR active materials) with a third component such as oils/fats or solvents in addition to two main components (moisture/solids, crystalline/amorphous).
Die vorliegende Erfindung stellt ein Magnetresonanzsystem für die industrielle Prozeßüberwachung bereit, umfassend:The present invention provides a magnetic resonance system for industrial process monitoring, comprising:
(a) ein Mittel zum Zugreifen auf aufeinanderfolgende Proben aus einem Industrieprozeß, zum Plazieren der Proben in einen Probenmeßbereich und zum Entfernen aufeinanderfolgender Proben aus dem Bereich,(a) a means for accessing successive samples from an industrial process, placing the samples in a sample measuring area and removing successive samples from the area,
(b) ein Mittel zum Anlegen eines Basismagnetfeldes an den Bereich, um eine Präzession von Probenkernen darin zu bewirken, und zum Anlegen eines lokalen Resonanzerregungsimpulses an den Bereich, um die Präzession zu modifizieren,(b) means for applying a base magnetic field to the region to cause precession of sample nuclei therein and for applying a local resonant excitation pulse to the region to modify the precession,
(c) ein Mittel zum Definieren einer Empfangsantennenspule und eines Signalumsetzungsmittels, das mit der Probe zusammenwirkt, um eine Präzession von zu messenden Kernen und eine Relaxation zu bewirken, die an der Spule als freier Induktionszerfall erfaßt wird, und(c) means for defining a receiving antenna coil and a signal conversion means, cooperating with the sample to cause a precession of nuclei to be measured and a relaxation which is detected at the coil as free induction decay, and
(d) ein Mittel zur Schaffung einer digitalisierten Version des freien Induktionszerfalls und zum Analysieren derselben in gebundene (Gaußsche) und ungebundene (Exponential-) Komponenten der Zerfallskurve und zum Extrahieren eines Verhältnisses zwischen der Erfassung (Abschnitt) einer der Komponenten und der Summe der Erfassungen (Abschnitte) der Komponenten,(d) a means for creating a digitized version of the free induction decay and analyzing it into bound (Gaussian) and unbound (exponential) components of the decay curve and for extracting a ratio between the detection (intercept) of one of the components and the sum of the detections (intercepts) of the components,
wobei die Mittel (a) bis (d) angeordnet sind:wherein the means (a) to (d) are arranged:
(1) zum Stabilisieren von Basisfeldanlegungs- und Erregungs- und Umsetzungsbedingungen in Reaktion auf Änderungen eines oder mehrerer Parameter von Probenbedingungen im Meßbereich;(1) to stabilize base field application and excitation and conversion conditions in response to changes in one or more parameters of sample conditions in the measurement range;
(2) zum Bewirken einer solchen Messung und Verhältnisextraktion und zugehörigen Stabilisierung auf einer äußerst schnellen Wiederholungsbasis von aufeinanderfolgenden Proben aus dem Prozeß; und(2) to effect such measurement and ratio extraction and associated stabilization on a very rapid repeat basis of successive samples from the process; and
(3) zum Umsetzen von wenigstens tausend Datenpunkten in jeder Zerfallskurve und zum Bewirken einer Verringerung in bezug auf wenigstens hundert Punkte davon, so daß Probenkomponentenanteile zuverlässig und wiederholt von Probe zu Probe in rascher Folge für eine Echtzeit-Online-Überwachung meßbar sind, wobei das System ferner folgendes umfaßt: ein Mittel zum Erweitern jeder von mehreren Zerfallskurven mit einer Echo-Neufokus- /Zerfallstechnik, um Daten in bezug auf wenigstens eine weitere Subkomponente der Probe zum Erhöhen der Genauigkeit der Verhältnisbestimmung von (d) und/oder zum Identifizieren des Anteils der wenigstens einen weiteren Subkomponente zu erfassen.(3) for converting at least one thousand data points in each decay curve and effecting a reduction in at least one hundred points thereof so that sample component proportions can be reliably and repeatedly measurable from sample to sample in rapid succession for real-time on-line monitoring, the system further comprising: means for extending each of a plurality of decay curves with an echo refocus/decay technique to acquire data relating to at least one further subcomponent of the sample for increasing the accuracy of the ratio determination of (d) and/or for identifying the proportion of the at least one further subcomponent.
Das NMR-System bewirkt eine zuverlässige Extraktion eines freien Induktionszerfalls auf eine Weise, die im industriellen Online-Zusammenhang und vom wirtschaftlichen Standpunkt her praktisch ist. Das System ist gekennzeichnet durch die Erzielung einer Basismagnetfeldhomogenität in einem vernünftigen Ausmaß und durch die Korrektur von Inhomogenitätsauswirkungen, durch Temperaturstabilisierung in einem vernünftigen Ausmaß und Korrekturen von thermischen Abweichungseffekten und die Durchführung mehrerer Durchläufe (50-500) für jede Messung mit digitaler Datenreduzierung und die Anwendung statistischer Verfahren oder einer sonstigen Datenmanipulation für eine industriell wirksame Messung. Diese Daten können zur Diskussion/Analyse als freie Induktionszerfallskurve (FID) mit Augenmerk auf Zeitsequenzkomponenten eines ersten, sehr schnellen, im wesentlichen Gaußschen Anteils, gefolgt von einem langsameren, im wesentlichen exponentiellen Bereich repräsentiert werden, der für eine Protonenrelaxation nach einer ursprünglichen Erregung durch einen Impuls einer übertragenen und resonant gekoppelten Funkfrequenzenergie repräsentativ ist, die eine Modifikation der Präzession von Protonen in der gemessenen Probe in einem äußerst statischen Magnetfeld induziert.The NMR system provides reliable extraction of free induction decay in a manner that is practical in an on-line industrial context and from an economic standpoint. The system is characterized by achieving a baseline magnetic field homogeneity to a reasonable degree and correcting for inhomogeneity effects, by temperature stabilization to a reasonable degree and correcting for thermal drift effects, and by performing multiple runs (50-500) for each measurement with digital data reduction and applying statistical techniques or other data manipulation for an industrially effective measurement. These data can be represented for discussion/analysis as a free induction decay (FID) curve with attention to time sequence components of a first, very fast, essentially Gaussian part, followed by a slower, essentially exponential region, representative of proton relaxation following initial excitation by a pulse of transmitted and resonantly coupled radio frequency energy, which induces a modification of the precession of protons in the measured sample in a highly static magnetic field.
Der Gaußsche FID-Teil basiert auf Meßdatenpunkten eines Magnetisierungszerfalls von immobilen oder äußerst eingeschränkten Protonen, die in der Probe vorhanden sind und am Empfänger des NMR-Systems aufgenommen werden. Dieser Anteil basiert gewöhnlich auf der Reaktion von gebundenen Protonenspezies wie dem Wasserstoff- oder Hydratgehalt chemischer Verbindungen (ebenso für viele andere NMR-aktive Spezies wie Natrium-23 oder Kohlenstoff-13, die chemisch gebunden sind). Der exponentielle FID-Anteil basiert gewöhnlich auf nur wenig oder gar nicht eingeschränkten NMR-aktiven Spezies, wie z.B. Feuchtigkeit, die physikalisch zwar in einer Probe vorhanden, aber chemisch im wesentlichen nicht damit gebunden ist. Die Gaußschen und exponentiellen FID- Anteile und der FID insgesamt können auf einen Zerfallsursprung extrapoliert werden, der gewöhnlich am Zeitzentrum des Erregungsimpulses eingestellt wird. Null- Zeiterfassungen dieser Kurven (d.h. FID und ein oder mehrere dieser Komponentenkurvenabschnitte) ergeben Verhältnisdaten mit dem/den FTD-Abschnitt(en) von einem oder mehreren der Kurvenabschnitte, um z.B. den Anteil von freiem gegenüber gebundenem Wasser in einem feuchten Material zu ermitteln (z.B. für die Prozeßregelung von Industriechemikalien, Mineralien und Metallen, Agrarrohstoffen, verarbeiteten Lebensmitteln durch Ermitteln des Feuchtigkeitsgehalt für eine vor- oder nachgeschaltete Korrektur oder für Annahme/ Zurückweisungszwecke). Anstatt die Feuchtigkeit z.B. in einem Lebensmittelprodukt zu ermitteln, kann die Aufgabe möglicherweise darin bestehen, das Verhältnis von relativ kristallinen zu unkristallinen Komponenten eines Materials zu ermitteln, z.B. harte und weiche Komponenten eines Plastikmaterials, und dies erfolgt auf eine Weise, die zur Feuchtigkeitsmessung analog ist. Auch die Dichtigkeit kann mit Hilfe der Erfindung ermittelt werden, da der FID auf vorhersagbare Weise in Abhängigkeit von der Dichtigkeit variiert.The Gaussian FID part is based on measurement data points of magnetization decay of immobile or highly confined protons present in the sample and picked up at the receiver of the NMR system. This contribution is usually based on the response of bound proton species such as the hydrogen or hydrate content of chemical compounds (as well as for many other NMR-active species such as sodium-23 or carbon-13 which are chemically bound). The exponential FID contribution is usually based on little or no confined NMR-active species such as moisture which is physically present in a sample but essentially not chemically bound to it. The Gaussian and exponential FID contributions and the overall FID can be extrapolated to a decay origin which is usually set at the time center of the excitation pulse. Zero-time acquisitions of these curves (ie FID and one or more of these component curve sections) yield ratio data with the FTD section(s) of one or more of the curve sections, for example to determine the proportion of free versus bound water in a wet material (eg for process control of industrial chemicals, minerals and metals, agricultural commodities, processed foods by determining the moisture content for upstream or downstream correction or for acceptance/rejection purposes). Instead of determining the moisture in eg a food product, the task may be to determine the ratio of relatively crystalline to non-crystalline components of a material, eg hard and soft components of a plastic material, and this is done in a manner analogous to moisture measurement. Tightness can also be determined using the invention since the FID can be predictably measured in Depending on the tightness varies.
Innerhalb einer solchen Messung kann es zu einer Fehlerquelle kommen, wenn das Material eine Fett- oder Öl- oder organische Lösungsmittelkomponente hat, die eine exponentielle Reaktion ähnlich der des Feuchtigkeitsgehaltes oder dergleichen hat. Solche Fette oder Öle oder Lösungsmittel können in Lebensmitteln vorhanden sein. In einigen Fällen ist es möglicherweise wünschenswert, einen solchen Fett-, Öl- oder Lösungsmittelgehalt tatsächlich zu ermitteln - und ihn nicht einfach von der Ermittlung von Feuchtigkeit oder dergleichen zu trennen. Ebenso können Restlösungsmittel in Kunststoffen oder anderen Industriematerialien als zu beseitigender Fehlerfaktor und/oder als zu messender Zielparameter erscheinen. Die NMR-Reaktion eines solchen Lösungsmittel- oder Fett/Öl-Anteils kann mit Hilfe einer Hahn-Spin-Echo-Technik als Erweiterung jedes von mehreren Meßzyklen isoliert werden. Wenn ein FID von einer ursprünglichen Erregung und einem Gaußschen und exponentiellen Reaktionsabschnitt fortgeschritten ist, dann wird ein neuer sekundärer Neufokussierungsimpuls (gewöhnlich eine 180º- oder pi-Rotation im Vergleich zum ursprünglichen 90º- oder pi/2-Erregungsimpuls) angelegt, um ein Echo zu erzeugen, und dann wird ein dritter Impuls (ebenso pi) angelegt, um ein zweites Echo zu erhalten, das vollkommen den Lösungsmittel- oder Öl/Fett-Gehalt reflektiert. Das zweite Echo kann unabhängig von gespeicherten Daten des ersten FID behandelt und dann von dem ersten FID subtrahiert werden, um einen gültigen ersten FID-Abschnitt (ausschließlich Öl/Fett-Effekten) zu erhalten, die über eine Verhältnisanalyse mit dem Abschnitt des Gaußschen Teils der FID-Kurve reduzierbar ist, um gültige Daten über den Feststoff/Flüssigkeit- Gehalt (oder Kristallinität oder Feuchtigkeit) abzuleiten.Within such a measurement, a source of error may arise if the material has a fat or oil or organic solvent component that has an exponential response similar to that of moisture content or the like. Such fats or oils or solvents may be present in food. In some cases, it may be desirable to actually detect such fat, oil or solvent content - and not simply separate it from the detection of moisture or the like. Likewise, residual solvents in plastics or other industrial materials may appear as an error factor to be eliminated and/or as a target parameter to be measured. The NMR response of such a solvent or fat/oil component can be isolated using a Hahn spin echo technique as an extension of each of several measurement cycles. When an FID has progressed from an original excitation and a Gaussian and exponential response section, then a new secondary refocusing pulse (usually a 180º or pi rotation compared to the original 90º or pi/2 excitation pulse) is applied to generate an echo, and then a third pulse (also pi) is applied to obtain a second echo that perfectly reflects the solvent or oil/fat content. The second echo can be treated independently of stored data from the first FID and then subtracted from the first FID to obtain a valid first FID intercept (excluding oil/fat effects) which is reducible via ratio analysis to the intercept of the Gaussian part of the FID curve to derive valid data on solids/liquid content (or crystallinity or moisture).
Die Erfindung umfaßt auch die direkte Gewinnung von Daten mit entsprechender Kalibrierung von dem tertiären FID, um den Lösungsmittel- oder Fett/Öl-Gehalt zu zeigen. Solche Techniken können in gewissem Maße erweitert werden, um unter Subkomponenten solcher Lösungsmittel oder Fette/Öle zu unterscheiden.The invention also encompasses the direct acquisition of data with appropriate calibration from the tertiary FID to show solvent or fat/oil content. Such techniques can be extended to some extent to distinguish among subcomponents of such solvents or fats/oils.
Das erfindungsgemäße Meßsystem umfaßt im Vergleich zu den weithin eingesetzten Laborsystemen auf wirtschaftliche Weise verkleinerte und industriell gehärtete Teile. Ein im wesentlichen festes Magnetfeld wird durch eng beabstandete Polstücke mit einem Feld von 4000 bis 8000 Gauß (nominell etwa 4700 Gauß) erzeugt. Es sind Helmholtz-Spulen vorhanden, die zur Erzielung schneller Justierungen für das präzise, korrekte Feld verstellbar und mit gröberen und langsameren Justierungen der thermischen Umgebung überlagert sind. Damit soll gewährleistet werden, daß das Produkt aus einer materialbezogenen Konstanten (Gamma) multipliziert mit der Magnetfeldstärke, die die Resonanzfrequenz ist, zur Erregungsfrequenz paßt. Eine weitere Feineinstellung wird bei der Signalverarbeitung wie nachfolgend beschrieben vorgenommen.The measuring system of the invention comprises economically miniaturized and industrially hardened parts compared to the widely used laboratory systems. A substantially fixed magnetic field is generated by closely spaced pole pieces with a field of 4000 to 8000 gauss (nominally about 4700 gauss). Helmholtz coils are provided which are adjustable to achieve rapid adjustments for the precise, correct field and are superimposed with coarser and slower adjustments of the thermal environment. This is to ensure that the product of a material-related constant (gamma) multiplied by the magnetic field strength, which is the resonant frequency, matches the excitation frequency. Further fine adjustment is made during signal processing as described below.
Das System der vorliegenden Erfindung bewältigt große Datenströme auf praktische Weise durch nachfolgend beschriebene Merkmale, die auf die Wärmeregelungen bezogen werden, um ein Meßsystem zu erzielen, das die oben genannten Aufgaben erfüllt. Die Konstruktionsmaterialien sind wie nachfolgend beschrieben ebenfalls in die Zuverlässigkeitsüberlegungen einbezogen. Die Messung einer Probe erfolgt häufig in weniger als ein paar Minuten (im Gegensatz zu stundenlangen Messungen bei vielen Systemen des Standes der Technik).The system of the present invention conveniently handles large data streams through features described below that are related to the thermal controls to achieve a measurement system that meets the above objectives. The materials of construction are also included in the reliability considerations as described below. Measurement of a sample is often completed in less than a few minutes (as opposed to hours of measurement in many prior art systems).
Die erfindungsgemäß durchgeführten Messungen auf der Basis von Abschnittsverhältnissen und/oder integrierten Bereichen unter Kurven und/oder Peakanalyse sind unabhängig von Probengewicht oder -volumen in einem Meßbereich, während eine präzise Gewichtsmessung ein notwendiges Merkmal und eine Einschränkung zahlreicher Systeme des Standes der Technik ist.The measurements carried out according to the invention on the basis of section ratios and/or integrated areas under curves and/or peak analysis are independent of sample weight or volume within a measuring range, whereas precise weight measurement is a necessary feature and a limitation of many state-of-the-art systems.
Frühere Bemühungen in bezug auf industrielle Online- Messungen derselben Parameter, die hierin behandelt werden, beinhalteten gravimetrische, radioaktive, akustische, optische und elektrostatische/kapazitive Nicht-NMR-Systeme, aber keines war vollkommen zufriedenstellend für den vorliegenden Zweck, und durch die NMR-Verwendung zur Unterstützung kontinuierlicher Industrieprozesse wurden Offline-Laborinstrumente in den Vordergrund gedrängt [zu erheblichen Kosten und dabei doch mit unzureichenden Probenahmeleistungen], oder einige frühere Bemühungen in den 80er Jahren mit industriell gehärteten, pulsierten NMR-Instrumenten, bei denen nur ein oder zwei Datenpunkte für eine FID-Analyse benutzt wurden.Previous efforts at industrial on-line measurements of the same parameters discussed here included gravimetric, radioactive, acoustic, optical and electrostatic/capacitive non-NMR systems, but none were fully satisfactory for the purpose at hand, and the use of NMR to support continuous industrial processes pushed the focus to off-line laboratory instruments [at considerable cost and yet with inadequate sampling capabilities], or some earlier efforts in the 1980s with industrially hardened pulsed NMR instruments using only one or two data points for FID analysis.
Laborverfahren für eine Frequenzdomänen-NMR-Analyse wurden für eine Kristallinitätsgehaltsermittlung beschrieben, z.B. in Spiess, "Molecular Dynamics of Solid Polymers As Revealed By Deuteron NMR" (Molekulardynamik von festen Polymeren, gezeigt durch Deuteron-NMR), 261 Colloid & Polymer Science 193-209, (1983), und Kauffman et al. "Determination of Transition Temperatures and Crystalline Content of Linear High Molecular-Weight Polyethylene by Proton NMR Spectroscopy" (Ermittlung von Übergangstemperaturen und Kristallingehalt von linearem Polyethylen mit hohem Molekulargewicht durch Proton-NMR- Spektroskopie), 27 Jl. of Polymer Science 2203-2209 (1989). Zeitdomänenanalyse mit pulsierter/m und mehrfach pulsierter/m NMR/freiem Induktionszerfall in Kohle zur Erfassung freier Radikale darin ist in den Laborsystemen von Gerstein et al (Iowa State University Ames Laboratory) zu sehen, veröffentlicht in "Utility of Pulse Nuclear Magnetic Resonance In Studying Protons In Coals" (Nutzung von pulsierter magnetischer Kernresonanz beim Studium von Protonen in Kohle), 81 Jl. of Phys. Chem. 566-571 (1977), und "1H Nuclear Magnetic Resonance Studies of Domain Structures In Polymers" (1H Magnetische Kernresonanzstudien von Domänenstrukturen in Polymeren), 52(9) J. Appl. Phys. 5517-5528 (1981). Die Instrumente bzw. frühere Instrumente des IBM Federal Systems Division Modells und des Brucker GmbH Modells P201 und die Beschreibung im US-Patent 4,430,719, erteilt am 7. Februar 1984 an Pearson, sind die oben erwähnten früheren Versuche der industriellen Anwendung von NMR-Verfahren. Die Arbeit von Pearson wurde 1985 in industrielle Anlagenregelungsarbeiten von Kaiser Aluminium & Chemical Corp. integriert. Das Gerät war für eine zuverlässige Mengenermittlung nicht wirksam. Auburn International, Inc. bot das Pearson/Kaiser-Produkt 1987-1988 zum Verkauf an, es konnte die Erfordernisse für eine industrielle Online-Überwachung jedoch nicht erfüllen.Laboratory procedures for frequency domain NMR analysis have been described for crystallinity content determination, e.g., in Spiess, "Molecular Dynamics of Solid Polymers As Revealed By Deuteron NMR," 261 Colloid & Polymer Science 193-209, (1983), and Kauffman et al., "Determination of Transition Temperatures and Crystalline Content of Linear High Molecular-Weight Polyethylene by Proton NMR Spectroscopy," 27 Jl. of Polymer Science 2203-2209 (1989). Time domain analysis using pulsed and multi-pulsed NMR/free induction decay in coal to detect free radicals therein is shown in the laboratory systems of Gerstein et al (Iowa State University Ames Laboratory), published in "Utility of Pulse Nuclear Magnetic Resonance In Studying Protons In Coals," 81 Jl. of Phys. Chem. 566-571 (1977), and "1H Nuclear Magnetic Resonance Studies of Domain Structures In Polymers," 52(9) J. Appl. Phys. 5517-5528 (1981). The IBM Federal Systems Division Model and Brucker GmbH Model P201 instruments or earlier instruments and the description in U.S. Patent 4,430,719, issued to Pearson on February 7, 1984, are the earlier attempts at industrial application of NMR techniques mentioned above. Pearson's work was incorporated into industrial plant control work by Kaiser Aluminum & Chemical Corp. in 1985. The instrument was designed for a Auburn International, Inc. offered the Pearson/Kaiser product for sale in 1987-1988, but it did not meet the requirements for industrial on-line monitoring.
Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile gehen aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung bevorzugter Ausgestaltungen in Zusammenhang mit den Begleitzeichnungen hervor. Dabei zeigt:Further tasks, features and advantages are apparent from the following detailed description of preferred designs in conjunction with the accompanying drawings.
Fig. 1 und 2 eine Seiten- und eine Querschnittsansicht einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung einschließlich elektrischer Komponenten in Blockdiagrammform;Figures 1 and 2 are side and cross-sectional views of a preferred embodiment of the invention including electrical components in block diagram form;
Fig. 3 die Spannungs-Zeit-Wellenformen von freiem Induktionszerfall (FID) der Ausgestaltung der Fig. 1-2 im Betriebsverlauf;Fig. 3 shows the voltage-time waveforms of free induction decay (FID) of the embodiment of Fig. 1-2 during operation;
Fig. 4 ein Ablaufdiagramm von Meßschritten unter Verwendung der Vorrichtung der Fig. 1-2, einschließlich ihrer Signalverarbeitungssegmente (deren Aktivität durch die Wellenform von Fig. 3 illustriert wird);Fig. 4 is a flow chart of measurement steps using the device of Figs. 1-2, including its signal processing segments (the activity of which is illustrated by the waveform of Fig. 3);
Fig. 5 eine Spannungs-Zeit-Wellenform für freien Induktionszerfall (FID) der Ausgestaltung der Fig. 1- 2, modifiziert für die Nutzung des Hahn-Spin-Echos;Fig. 5 is a voltage-time waveform for free induction decay (FID) of the embodiment of Fig. 1-2, modified to utilize the Hahn spin echo;
Fig. 6 ein Ablaufdiagramm von Meßschritten unter Verwendung der Ausgestaltung der Fig. 1-2, modifiziert für die Hahn-Spin-Echo-Nutzung, einschließlich ihrer Signalverarbeitungselemente (deren Aktivität durch die Wellenform von Fig. 5 beschrieben wird) und auch unter Angabe der Dichtigkeit sowie des Feuchtigkeitsgehaltes;Fig. 6 is a flow chart of measurement steps using the embodiment of Figs. 1-2 modified for Hahn spin echo use, including its signal processing elements (the activity of which is described by the waveform of Fig. 5) and also indicating density and moisture content;
Fig. 7 eine Spannung- (oder ein anderer veränderlicher Indensitätsparameter) Zeit-Spur für FID- Kurven von Proben unterschiedlicher Dichtigkeiten mit Hilfe der obengenannten modifizierten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung, die relative und absolute Dichtigkeitsmeßwerte von Proben ergibt;Fig. 7 is a voltage (or other variable intensity parameter) time trace for FID curves of samples of different densities using the above-mentioned modified embodiment of the present invention, yielding relative and absolute density measurements of samples;
Fig. 8 eine Kalibrierungskurve für eine absolute Dichtigkeitsmessung mit den obengenannten Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung in Anwendung auf Polyethylen; undFig. 8 shows a calibration curve for an absolute density measurement with the above-mentioned embodiments of the present invention applied to polyethylene; and
Fig. 9A, 9B, 9C Zerfallskurven von Intensität (I) gegenüber Zeit (t), die den Betrieb der modifizierten Ausgestaltung gemäß weiteren Aspekten davon zur Ermittlung von Zerfallszeitkonstantenverschiebungen und zum Skalieren von Voreinstellungsfaktoren und zum Messen einer Lösungsmittel- oder Öl/Fett- oder ähnlichen weiteren Komponente einer Probe durch einfache Peakwerte (gemittelt) anstatt einer (wiederverwendeten) vollen FID- Analyse illustrieren.Fig. 9A, 9B, 9C Decay curves of intensity (I) versus time (t) illustrating operation of the modified embodiment according to further aspects thereof for determining decay time constant shifts and scaling bias factors and for measuring a solvent or oil/fat or similar other component of a sample by simple peak values (averaged) rather than a (reused) full FID analysis.
Die Fig. 1 bis 2 zeigen jeweils eine Seiten- und eine Querschnittsansicht mit Blockdiagrammeinsätzen einer ersten Ausgestaltung der Erfindung. Durch eine industrielle Prozeßleitung IPL fließt Material wie durch den Pfeil A angedeutet. Ein Teil des Materials wird durch eine Sonde P erfaßt und durch eine Einlaßleitung LI in einen Probenbereich S1 geleitet. Der genannte Bereich wird durch eine Rohrleitung 98 definiert, die gewöhnlich eine Länge von 1 Fuß (0,3 m) hat und aus einem im wesentlichen nichtmagnetischen, nichtleitenden Material besteht, das an sich keine erheblich störenden FID- Signale generiert (Glas, bestimmte Keramikstoffe, bestimmte Kunststoffe oder Hybridstoffe). Der Probenbereich wird zwischen den Ein- und Auslaßventilen V1 und V2 definiert. Auch Gasdüsen J sind vorgesehen. Diese werden wiederholt stoßweise ein- bzw. ausgeschaltet, um fließende Probenmaterialien während des Einlassens und Ausstoßens von Probe umzurühren. Der Bereich S2 ist der kritische Abschnitt der Probe. Er wird von einer Probenspule 100 umgeben, die auf Resonanz abgestimmt ist und von einer Abstimmschaltung 102 und einer zugehörigen Sender/Empfänger-Steuerung 104 angesteuert wird. Geerdete Schleifen 101 bilden aktive Abschirmungen gemäß dem Lenzschen Gesetz, die oberhalb und unterhalb der Spule 100 vorgesehen sind, um zum Formen des Feldes der Spule 100 beizutragen - d.h. die das Feld beinhalten, das durch einen Erregungsimpuls erzeugt wurde. Die Steuerung 104 beinhaltet einen Bordmikroprozessor sowie die benötigten Stromversorgungselemente, Speicher, Programm und E/A- Decodierung für die Verbindung mit der gezeigten Hardware und mit einem externen Mikrocomputer 106 mit Tastatur 108, Monitor (oder einem anderen Display) 110, Schreiber 112 und/oder Prozeßsteuerung 114 (zum Steuern des Prozesses bei der IPL). Der Bediener beginnt und steuert den Betrieb von der Display-Tastatur 108 aus, und die resultierenden Daten und Signale werden nachfolgend auf dem Display 100 angezeigt und in 110, 112 und/oder 114 verarbeitet. Der Computer 106 regelt auch die Betriebsbedingungen der Instrumente.Fig. 1 to 2 show a side view and a cross-sectional view with block diagram inserts of a first embodiment of the invention. Material flows through an industrial process line IPL as indicated by the arrow A. Part of the material is a probe P and is directed through an inlet line LI into a sample region S1. Said region is defined by a tubing 98, typically 1 foot (0.3 m) long, made of a substantially non-magnetic, non-conductive material which does not in itself generate significantly interfering FID signals (glass, certain ceramics, certain plastics or hybrid materials). The sample region is defined between the inlet and outlet valves V1 and V2. Gas jets J are also provided. These are repeatedly pulsed on and off to agitate flowing sample materials during the introduction and expulsion of sample. Region S2 is the critical section of the sample. It is surrounded by a sample coil 100 which is tuned to resonance and is controlled by a tuning circuit 102 and an associated transmitter/receiver control 104. Grounded loops 101 form active shields according to Lenz's law, provided above and below the coil 100 to help shape the field of the coil 100 - that is, to contain the field created by an excitation pulse. The controller 104 includes an on-board microprocessor and the necessary power supplies, memory, program and I/O decoding for interfacing with the hardware shown and with an external microcomputer 106 with keyboard 108, monitor (or other display) 110, recorder 112 and/or process controller 114 (for controlling the process at IPL). The operator initiates and controls the operation from the display keyboard 108 and the resulting data and signals are subsequently displayed on the display 100 and processed in 110, 112 and/or 114. The computer 106 also controls the operating conditions of the instruments.
Der Bereich S2 der Rohrleitung 98 und der Spule 100 befindet sich in einem statischen, aber verstellbaren Überkreuzungsmagnetfeld, das durch eine Magnetbaugruppe 116 definiert wird, die ein Joch 118, Polstücke 120, umgebende Helmholtzkeulen 124 und einen Spulenstromgenerator 122 umfaßt. Der kritische Probenbereich S2 des Typs 98 [sic...*1] und der Magnet befinden sich in einem metallischen (aber nicht ferromagnetischen) Kasten 126 mit thermisch sehr leitfähigen Schirmplatten 128 und internen Abteilungen 130 sowie einer aufeinander bezogenen Gesamtmasse, um Oberwellen und andere Störungen mit einem Mikrowellensignal minimal zu halten, das von der Spule 100 zu einer Probe ausgestrahlt und/oder von der Probe zur Aufnahme durch die Spule 100 und ihre abgestimmte Schaltung 102 und die Sende-/Empfangssteuerung 104 zurückgesendet wird.The region S2 of the tubing 98 and coil 100 is in a static but adjustable crossover magnetic field defined by a magnet assembly 116 comprising a yoke 118, pole pieces 120, surrounding Helmholtz lobes 124 and a coil current generator 122. The critical sample region S2 of type 98 [sic...*1] and magnet are housed in a metallic (but not ferromagnetic) box 126 having highly thermally conductive shield plates 128 and internal compartments 130 and a mutually related total mass to minimize harmonics and other interference with a microwave signal radiated from coil 100 to a sample and/or returned from the sample for pickup by coil 100 and its tuned circuitry 102 and transmit/receive control 104.
Die Magnetbaugruppe 116 mit dem Joch 118 und anderen Teilen darin gemäß Fig. 1-2 befindet sich wiederum in einer Umgebungskontrollkammer 132 mit Gasfüll- und - spülelementen (nicht dargestellt), einer internen Gasheizung 134, einem Motor M zum Antreiben des Gebläses 136 und einem Temperatursensor 138, der auf das Joch oder einen anderen Erfassungsbereich angewendet werden kann, dessen Temperatur die Temperatur an Polstücken 120 und im Probenbereich dazwischen reflektiert. Eine thermische Steuerung 140 verarbeitet Temperatursignale von 138 zum Justieren von Heizung/Zirkulation bei 134/136 als Grobregelung und zum Einstellen des Stroms durch die Helmholtz-Spulen 124 an Magnetpolstücken 120 als empfindliche und schnelle Feinregelung, sowie zur Ausführung allgemeiner Steuerbefehle des Computers 106. Eine weitere thermische Stabilisierung erfolgt durch einen Regelwärmetauscher 142 mit einer Pumpe 144 und Spulen 146, die am Joch 118 angebracht sind, und Spulen 148, die an den Platten 128 des Kastens 126 angebracht sind. Eine weitere oder alternative thermische Stabilisierung kann durch einen Regelwärmetauscher [sic] oder einen Heißluftstromring [sic...*2] erzielt werden, wobei der Ring ANN zwischen konzentrischen Zylindern W1 und W2 definiert wird, die über die volle Länge der Probenrohrleitung SIA laufen, wobei ein Heißluftstrom durch die Ringlänge geführt wird.The magnet assembly 116 with the yoke 118 and other parts therein as shown in Fig. 1-2 is in turn located in an environmental control chamber 132 with gas filling and purging elements (not shown), an internal gas heater 134, a motor M for driving the fan 136, and a temperature sensor 138 which can be applied to the yoke or other sensing area whose temperature reflects the temperature at pole pieces 120 and the sample area therebetween. A thermal control 140 processes temperature signals from 138 to adjust heating/circulation at 134/136 as coarse control and to adjust the current through the Helmholtz coils 124 on magnetic pole pieces 120 as sensitive and fast fine control, as well as to execute general control commands from the computer 106. Further thermal stabilization is provided by a control heat exchanger 142 with a pump 144 and coils 146 attached to the yoke 118, and coils 148 attached to the plates 128 of the box 126. Further or alternative thermal stabilization may be achieved by a controlled heat exchanger [sic] or a hot air flow ring [sic...*2], the ring ANN being defined between concentric cylinders W1 and W2 running the full length of the sample tubing SIA, with a hot air flow being passed through the ring length.
Stärke, Konsistenz und Konstanz des Magnetfeldes zwischen Polen 120 im Bereich S2 der Probe werden somit durch ein gleichförmiges Basismagnetfeld im gesamten Bereich S2 geregelt. Die Helmholtz-Spulen 124 werden durch die Spulenstromsteuerung 140 erregt, um die endgültige Größe des Feldes genau einzustellen, in dem sich die Probe befindet. Dieses Feld ist die Vektoraddition der Felder aufgrund der Magnetpole 120 und der Helmholtz-Spulen 124. Die Steuerung 140 stellt den Strom durch die Helmholtz-Spulen 124 mit Hilfe von Stromgeneratoren ein. Die Spulen 124 sind um den Magnet 110 gewickelt, so daß das durch den Strom in den Spulen 114 erzeugte Magnetfeld zu dem von den Magnetpolstücken 120 erzeugten Feld addiert oder von diesem subtrahiert werden kann. Die Größe des Stroms durch die Spulen 124 bestimmt die Stärke des Feldes, das zu dem Feld nur aufgrund der Magnetpolstücke 120 (und die zugehörige Jochstruktur) addiert oder von diesem subtrahiert wird.The strength, consistency and constancy of the magnetic field between poles 120 in region S2 of the sample are thus controlled by a uniform base magnetic field throughout region S2. The Helmholtz coils 124 are energized by the coil current controller 140 to precisely adjust the final magnitude of the field in which the sample is located. This field is the vector addition of the fields due to the magnetic poles 120 and the Helmholtz coils 124. The controller 140 adjusts the current through the Helmholtz coils 124 using current generators. The coils 124 are wound around the magnet 110 so that the magnetic field generated by the current in the coils 114 can be added to or subtracted from the field generated by the magnetic pole pieces 120. The magnitude of the current through the coils 124 determines the strength of the field that is added to or subtracted from the field due only to the magnetic pole pieces 120 (and the associated yoke structure).
Die tatsächliche Bestimmung des Stroms durch die Helmholtz-Spulen erfolgt mit Hilfe der nachfolgend beschriebenen Magnetenergie- und -resonanztechniken in Vorläufen und durch Justieren des Helmholtz-Stromes, bis die maximale empfindliche Resonanz erreicht ist.The actual determination of the current through the Helmholtz coils is done using the magnetic energy and resonance techniques described below in preliminary runs and by adjusting the Helmholtz current until the maximum sensitive resonance is reached.
Die elektrischen Hauptsteuerelemente befinden sich im Tuner 102, einschließlich Spulen 100 und 101 sowie veränderliche Kondensatoren 102-1 und 102-2, Widerstand 102-3 und Dioden 102-4, und sind zur Abstimmung auf einen Q-Wert von zwanzig bis fünfzig ausgelegt, um eine Resonanz der Spule 100 zu erzielen, sowie Steuerung 104 einschließlich Sende-/Empfangsschalter 104-1, Sender 104- 2 und Empfänger 104-3, Kristalloszillator 104-4, Gatterimpulsgenerator (PPG) 104-5 und Phasenschieber 104- 6. Der Kristall stellt einen nominellen 20 MHz Träger dar, der von den MOD-, DEMOD-Elementen des Senders 104-2 und des Empfängers 104-3 phasenmoduliert oder - demoduliert wird. Der Empfänger beinhaltet Verstärkerelemente 104-31 und 104-32 mit veränderlichem Verstärkungsfaktor für den Betrieb. Die empfangenen Analogsignale werden in einen Hochgeschwindigkeits- Flashwandler 105-1 und ein internes (zum Instrument) CPU- Element 105-2 gespeist, das Daten zu einem externen Computer 106 sendet, der mit Tastatur 108, Monitor 109, Modem 110, Schreiberelementen 112 und Prozeßsteuerungselementen 114 z.B. für die Steuerung von Ventilen V1, V2 über Ventilsteuerelement 115 und/oder zu Spulenstromreglern 122 verfügt, alle über D/A-Wandler (nicht dargestellt).The main electrical control elements are located in the tuner 102, including coils 100 and 101, variable capacitors 102-1 and 102-2, resistor 102-3 and diodes 102-4, and are designed to tune to a Q value of twenty to fifty designed to achieve resonance of coil 100 and controller 104 including transmit/receive switch 104-1, transmitter 104-2 and receiver 104-3, crystal oscillator 104-4, pulse gate generator (PPG) 104-5 and phase shifter 104-6. The crystal presents a nominal 20 MHz carrier which is phase modulated or demodulated by the MOD, DEMOD elements of transmitter 104-2 and receiver 104-3. The receiver includes variable gain amplifier elements 104-31 and 104-32 for operation. The received analog signals are fed into a high speed flash converter 105-1 and an internal (to the instrument) CPU element 105-2 which sends data to an external computer 106 provided with keyboard 108, monitor 109, modem 110, recorder elements 112 and process control elements 114 eg for controlling valves V1, V2 via valve control element 115 and/or to coil current controllers 122, all with D/A converters (not shown).
Die Erregung der Spule 100 und die Erregungspräzession des Protongehaltes der Probe und der/des nachfolgenden Relaxation/Zerfalls erzeugen ein empfangenes FM-Signal, das nach der Demodulation, der geregelten Verstärkung, der A/D-Wandlung und dem Plotten von Punkten die in Fig. 3 gezeigte Kurvenform C für den freien Induktionszerfall (FID) hat.The excitation of coil 100 and the excitation precession of the proton content of the sample and the subsequent relaxation/decay produce a received FM signal which, after demodulation, controlled amplification, A/D conversion and point plotting, has the free induction decay (FID) waveform C shown in Fig. 3.
Fig. 3, die Spannungs-Zeit-Kurve, zeigt die Elemente eines "Zyklus" (mit Subzyklen (+) und (-)) von Probenerregung und freiem Induktionszerfall. In jedem (+)/(-) Subzyklus wird ein Erregungsenergieimpuls angelegt. Das Zentrum des Erregungsimpulses wird als t0 angenommen. Die elektronischen Komponenten des Senders/Empfängers 104 empfangen erst dann wirksam, wenn die Sättigungseffekte bei t1 überwunden sind. Dann entsteht eine nutzbare Kurve C(+) oder (C-). Die Signalverarbeitungsbauelemente können nachfolgende C+ und C- Formen für eine nützliche Justierung wie nachfolgend beschrieben addieren oder subtrahieren.Fig. 3, the voltage-time curve, shows the elements of a "cycle" (with subcycles (+) and (-)) of sample excitation and free induction decay. In each (+)/(-) subcycle, an excitation energy pulse is applied. The center of the excitation pulse is assumed to be t0. The electronic components of the transmitter/receiver 104 do not receive effectively until the saturation effects are overcome at t1. Then a useful C(+) or (C-) curve is formed. The signal processing devices can add or subtract subsequent C+ and C- shapes for useful adjustment as described below.
Die FID-Kurvendaten werden im externen Computer 106 gespeichert, wo ein Programm die beste Kurve ermittelt, die zu jeder gespeicherten FID-Kurve paßt. Die FID-Kurve C hat zwei Komponententeile, die in Fig. 3 als A und B gezeigt sind. Die A-Kurve, die den ersten Teil der FID- Kurve dominiert, ist eine Gaußsche Kurve, während die B- Kurve, die diesen letzteren Teil der FID-Kurve dominiert, eine exponentielle Zerfallskurve ist. Die Gaußschen und exponentiellen Abschnitte werden jeweils durch den gebundenen und ungebundenen Protonengehalt der Proben (z.B. (1) Wasser- oder Hydratationsmoleküle und sonstiger Wasser- (Feuchtigkeits-) Gehalt der Probenmasse, (2) kristalline und amorphe Gehalte, wo beide auftreten, einschließlich Gemische von stark und leicht polymerisierten Materialien, und (3) Komponenten eines gemischten Elastomers/Polymers) geregelt. Die Ermittlung des Kurventyps, aus dem sich die FID-Kurve C zusammensetzt, ist deshalb wichtig, weil die Kurven, sobald sie bekannt sind, zurück auf einen Zeitursprung erweitert werden können (gezeigt als t0-1, d.h. Erregung eines Zyklus 1), der das theoretische Zentrum des übertragenen Burst-Signals ist. Dies ist deshalb wichtig, weil es Sättigungseffekte der elektronischen Bauelemente des Instrumentes gibt, die vom Ende des Burst-Signals bis t1 auftreten. Während dieser Zeit können keine genauen Messungen durchgeführt werden, und doch verläuft der interessante Bereich unter der Kurve, der ein Maß für die Anzahl von Kernen in der Probe ist, von t0 bis t4, und danach wird die Kurve zu klein, um von Belang zu sein, und die Elektronik benötigt Erholungszeit, um sich für den nächsten Zyklus vorzubereiten (beginnend mit einem Impuls mit Zentrum bei t0-2).The FID curve data is stored in the external computer 106 where a program determines the best curve that fits each stored FID curve. The FID curve C has two component parts shown in Figure 3 as A and B. The A curve, which dominates the first part of the FID curve, is a Gaussian curve, while the B curve, which dominates this latter part of the FID curve, is an exponential decay curve. The Gaussian and exponential portions are respectively governed by the bound and unbound proton content of the samples (e.g., (1) water or hydration molecules and other water (moisture) content of the sample bulk, (2) crystalline and amorphous contents where both occur, including mixtures of strongly and slightly polymerized materials, and (3) components of a mixed elastomer/polymer). Determining the type of curve that makes up the FID curve C is important because once known, the curves can be extended back to a time origin (shown as t0-1, i.e. excitation of a cycle 1) which is the theoretical center of the transmitted burst signal. This is important because there are saturation effects of the electronic components of the instrument that occur from the end of the burst signal to t1. During this time, no accurate measurements can be made, and yet the region of interest under the curve, which is a measure of the number of nuclei in the sample, runs from t0 to t4, and after that the curve becomes too small to be of any concern and the electronics require recovery time to prepare for the next cycle (starting with a Impulse with center at t0-2).
Jeder (Sub-) Zyklus geht weiter zu t5, um eine Erholung zuzulassen, d.h. im wesentlichen eine volle Relaxation der Protonen der Probe - und beginnt erst dann mit einem neuen Übertragungssignalburst (t0-2). Ein Erregungsimpulsintervall dauert gewöhnlich fünf bis zehn Mikrosekunden, die Zeit t0 - t1 beträgt fünf bis fünfzehn Mikrosekunden (je kürzer desto besser), t1-t2, wo Effekte aufgrund gebundener Kerne (Gaußsch) vorherrschend sind, hat eine Dauer von fünf bis fünfzehn Mikrosekunden (eine kritische Messung wird in einem engeren Bereich tm genommen); t2-t3 ist ein unklarer Übergangsbereich von fünfzehn bis fünfundzwanzig Mikrosekunden Dauer, t3-t4 ist ein Bereich, bei dem die ungebundene (exponentielle) Komponente vorherrscht, und er hat eine Dauer von 300 bis 500 Mikrosekunden während dieses Teils des Zerfalls. Die dichteste exponentielle Kurve wird an die C-Kurve im Bereich t3 - t4 angepaßt, wo die C- und B-Kurven im wesentlichen gleich sind, und diese B-Kurve wird zurück auf t0 extrapoliert, d.h. Erstellen einer Kurve B und ihrer Phantom-B-Komponente und ihres B0-Abschnitts bei t0. Diese exponentielle Kurve wird von der C-Kurve im Bereich (t2-t3) subtrahiert, wo die A- (Gaußsche) Kurve dominant ist. Die resultierende Kurve wird dann an die Gaußsche Kurve der kleinsten Quadrate angepaßt. Diese beste Gaußsche Kurve wird dann zurück auf t0 extrapoliert, um A einschließlich seiner Phantom-A- Komponente und A0-Abschnitts bei t0 zu erstellen.Each (sub)cycle continues to t5 to allow for recovery, i.e. essentially full relaxation of the sample protons - and only then begins a new transmit signal burst (t0-2). An excitation pulse interval usually lasts five to ten microseconds, the time t0 - t1 is five to fifteen microseconds (the shorter the better), t1-t2, where effects due to bound nuclei (Gaussian) are predominant, has a duration of five to fifteen microseconds (a critical measurement is taken in a narrower range tm); t2-t3 is an ambiguous transition region of fifteen to twenty-five microseconds duration, t3-t4 is a region where the unbound (exponential) component is dominant, and it has a duration of 300 to 500 microseconds during this part of the decay. The densest exponential curve is fitted to the C curve in the region t3 - t4 where the C and B curves are essentially equal, and this B curve is extrapolated back to t0, i.e. creating a curve B and its phantom B component and its B0 intercept at t0. This exponential curve is subtracted from the C curve in the region (t2-t3) where the A (Gaussian) curve is dominant. The resulting curve is then fitted to the least squares Gaussian curve. This best Gaussian curve is then extrapolated back to t0 to create A including its phantom A component and A0 intercept at t0.
Die im Computer 106 (Fig. 1 bis 2) benutzten resultierenden Daten sind die A-Kurve und die B-Kurve und letztendlich deren Abschnitte bei t0 und deren B0/A0+B0- Verhältnis. Jede dieser Kurven (und deren Abschnitte) wurde experimentell und theoretisch auf dieselben Kern von Interesse bezogen, aber mit der Gruppe der Kerne, die die A-Kurve (Gaußsch) ergibt, die in einer Gitterstruktur gebunden ist. Die Kerne, die die B-Kurve (exponentiell) ergeben, sind ungebunden oder relativ ungebunden.The resulting data used in the computer 106 (Figs. 1 to 2) are the A-curve and the B-curve and ultimately their intercepts at t0 and their B0/A0+B0 ratio. Each of these curves (and their intercepts) has been experimentally and theoretically related to the same nuclei of interest, but with the group of nuclei giving the A-curve (Gaussian) arranged in a lattice structure bound. The nuclei that give rise to the B curve (exponential) are unbound or relatively unbound.
Die Daten können als QC-Typ-Messung oder als Online- Regelparameter verwendet werden, der zum Steuern eines Prozesses zurückgemeldet wird, der in die Leitung IPL (Fig. 1) oder in zugehörige Bauelemente (z.B. beim Trocknen oder Backen eines Lebensmittels, beim Durchführen eines kontinuierlichen chemischen oder metallurgischen Reaktionsprozesses usw) zurückgeführt wird.The data can be used as a QC type measurement or as an online control parameter fed back to control a process fed back into the IPL line (Fig. 1) or into associated components (e.g. when drying or baking a food product, when carrying out a continuous chemical or metallurgical reaction process, etc.).
Die Form der Eingangsbetriebsparameter des Systems kann weitreichend sein und zuvor gespeicherte Parameter in PROMs und ROMs oder Eingängen einschließen, die über eine Telefonleitung und ein Modem 110 eingegeben wurden. Die Erzeugung des RF-Signals kann mit vielen Techniken wie eine Spulen- oder Antennenanordnung erfolgen. Das stationäre Magnetfeld kann durch Elektromagnete, Dauermagnete, Elektromagnete mit supraleitender Wicklung oder anderen Standardtechniken zur Erzeugung von Magnetfeldern erzeugt werden.The form of the system's input operating parameters may be wide-ranging and may include previously stored parameters in PROMs and ROMs or inputs entered via a telephone line and modem 110. The generation of the RF signal may be accomplished using many techniques, such as a coil or antenna array. The stationary magnetic field may be generated by electromagnets, permanent magnets, superconducting coil electromagnets, or other standard magnetic field generation techniques.
Fig. 4 ist ein erweitertes Ablaufdiagramm, das die Meßschritte aufzeigt, um eine wirksame Industriemessung zu erzielen. Zunächst wird eine einzelne Kurve C des freien Induktionszerfalls erstellt, um zu sehen, ob der Probenbereich klar ist (Quick FID), in einem verkürzten Zyklus zur Erstellung einer Kurve C. Ist der Probenbereich nicht frei (N), dann wird die Messung unterbrochen, so daß das Ventil V2 (erneut) öffnet und der Bereich durch den Betrieb der Düsen J und durch Schwerkraft befreit wird. Ein erneuter Quick FID Schritt schafft Freiheit. Dann wird eine Probe eingeleitet, indem das Ventil V2 geschlossen und das Ventil V1 geöffnet wird; die Sonde P und die Leitung LI werden nach Bedarf verstellt, um sicherzustellen, daß eine Probe erhalten wird. Die Düsen J justieren und stabilisieren die neue Probe.Fig. 4 is an expanded flow chart showing the measurement steps to achieve an effective industrial measurement. First, a single curve C of free induction decay is made to see if the sample area is clear (Quick FID), in an abbreviated cycle to make a curve C. If the sample area is not clear (N), then the measurement is interrupted so that valve V2 (again) opens and the area is cleared by operation of jets J and gravity. Another Quick FID step creates clearance. Then a sample is introduced by closing valve V2 and opening valve V1; probe P and line LI are adjusted as necessary to ensure that a sample is obtained. Jets J adjust and stabilize the new sample.
Die oben beschriebenen Temperaturregler 134-138 und 142-146 erzielen eine sehr grobe und eine weniger grobe thermische Regelung, wodurch Variationen der Probentemperatur entgegengewirkt wird.The temperature controllers 134-138 and 142-146 described above achieve very coarse and less coarse thermal control, thereby counteracting variations in the sample temperature.
Eine elektronische Referenz für die Signalverarbeitungsvorrichtung wird in 30-40 Zyklen (jeweils mit (+) und (-) Subzyklen zusätzlich zu (C+) und (C-), um einen Versatz zu erfassen und zu kompensieren) erstellt. Eine weitere Einstellung erfolgt durch Spulen 24, um HO zu justieren, und dies wird durch zehn bis zwanzig Feldprüfungszyklen einer FID-Kurvengenerierung ermöglicht. Die (C-) FID-Kurve wird von der (C+) FID- Kurve subtrahiert, d.h. die absoluten C-Werte werden addiert, um ein praktikables FID-Derivativ zu erhalten - das einen Höchstwert bei Resonanz hat. H0 wird über den Spulenstromgenerator 122 und die Spulen 124 verstellt, bis ein solcher Höchstwert erzielt ist. Diese Messungen werden in einem zuverlässigen Bereich für einen solchen Zweck genommen, d.h. der exponentielle Bereich von t3-t4 [dort werden auch die obigen Referenzmessungen genommen]. Eine ausreichende Feldjustierung wird gewöhnlich in weniger als sieben Zyklen erreicht.An electronic reference for the signal processing device is established in 30-40 cycles (each with (+) and (-) subcycles in addition to (C+) and (C-) to detect and compensate for offset). Further adjustment is made by coils 24 to adjust HO and this is made possible by ten to twenty field test cycles of FID curve generation. The (C-) FID curve is subtracted from the (C+) FID curve, i.e. the absolute C values are added together to obtain a workable FID derivative - which has a maximum value at resonance. HO is adjusted via the coil current generator 122 and coils 124 until such a maximum value is achieved. These measurements are taken in a reliable range for such a purpose, i.e. the exponential range of t3-t4 [where the above reference measurements are also taken]. A sufficient field adjustment is usually achieved in less than seven cycles.
Dann werden 50 bis 500 Zyklen durchgeführt, um eine nutzbare Messung zu erhalten. Jeder dieser 50 bis 500 Zyklen beinhaltet eine modulierte FM- Sendung/Empfang/Flash A/D-Konvertierung und Speicherung von Daten. Die Kurven werden dann für die Kurvenanpassung sowie für die Erzielung des t0-Abschnittes und des B0/A0+B0-Verhältnisses gemittelt. Ähnliche Zyklen, jedoch etwas verkürzt, können für Quick FID, Feldprüfung und Referenzkorrekturzwecke verwendet werden. Jeder der Subzyklen [(+) und (-)] eines jeden solchen Zyklus beinhaltet die Erfassung von Tausenden von FID-Punkten und die Nutzung von Hunderten solcher Punkte in der Datenreduktion.Then 50 to 500 cycles are performed to obtain a usable measurement. Each of these 50 to 500 cycles involves modulated FM transmit/receive/flash A/D conversion and storage of data. The curves are then averaged for curve fitting as well as to obtain the t0 intercept and the B0/A0+B0 ratio. Similar cycles, but somewhat shortened, can be used for quick FID, field testing and reference correction purposes. Each of the subcycles [(+) and (-)] of each such cycle involves the acquisition of thousands of FID points and the use of hundreds of such points in the data reduction.
Wo mehrere Zyklen für eine einzelne Messung benutzt werden, da werden die Amplituden von (digitalisierten) Punkten der Kurve C gespeichert und eine Kleinste- Quadrate- Anpassung solcher Datenpunkte erstellt. Ferner werden Plus- und Minuspunkte abwechselnd genommen, um Nullstellungsfehler wie oben bemerkt zu eliminieren.Where multiple cycles are used for a single measurement, the amplitudes of (digitized) points on curve C are stored and a least-squares fit of such data points is made. Furthermore, plus and minus points are taken alternately to eliminate zeroing errors as noted above.
Der Bereich unter einer Quadrierungsableitung der FID-Kurve wird integriert ("int."), und der Bereich unter einem quadrierten Derivativ der gewünschten exponentiellen Kurve wird integriert, und es wird ein Verhältnis erstellt, dessen Quadratwurzel L/(KS+L) ist, wobei L ein Flüssigkeits- (Feuchtigkeits-) Wert, der von der exponentiellen Kurve abgeleitet wurde, K eine Konstante und S eine auf Feststoff (oder gebundene Protonen) bezogene Menge in bezug auf die gaußsche Kurve ist, wobei KS+L die Gesamtzahl der Protonen ist, die durch Resonanz beeinflußt werden (und die beeinflußt werden können).The area under a squaring derivative of the FID curve is integrated ("int.") and the area under a squared derivative of the desired exponential curve is integrated and a ratio is created whose square root is L/(KS+L), where L is a liquid (moisture) value derived from the exponential curve, K is a constant, and S is a quantity related to solid (or bound protons) with respect to the Gaussian curve, where KS+L is the total number of protons affected (and capable of being affected) by resonance.
Es wurde auch entdeckt, daß mit dem Erhalt höherer Genauigkeit und Zuverlässigkeit die Zusammensetzung der Probenrohrleitung Meßwerte verzerren kann. Wird kein Glas benutzt (und der Einsatz von Glas wird für den Industriegebrauch bevorzugterweise vermieden), dann sollte stattdessen kein Kohlenwasserstoffplastik benutzt werden. Aber Fluorkohlenstoffe können in mehreren Anwendungen wirksam sein, da Signale von Fluor außerhalb von Resonanz agieren (mit auf Resonanz abgestimmten Bedingungen für Wasserstoff in Feuchtigkeitsmessungen) und können von feuchtigkeitsbezogenen Meßwerten mit den Empfindlichkeitsniveaus unterschieden werden, die für solche Meßwerte benötigt werden, und können bei Bedarf gefiltert (oder unterschieden) werden. In anderen Fällen von Messungen mit höherer Empfindlichkeit, z.B. zum Messen relativer Anteile von amorphen und kristallinen Spezies in Gemischen davon, sollte der Probenbehälter aus Glas oder einer Nicht-Proton-Keramik sein. In allen solchen Fällen geht es darum, Probenbehälter mit Spezies zu vermeiden, die sich mit übermittelter Energie koppeln und eine FID-Zerfallskurve mit einer Fehlablesung der Proben erzeugen kann. Die vorliegende Erfindung beinhaltet eine Systemreaktion auf die Entdeckung bestimmter solcher Fälle, die bisher nicht erkannt wurden.It has also been discovered that with the attainment of higher accuracy and reliability, the composition of the sample tubing can distort readings. If glass is not used (and the use of glass is preferably avoided for industrial use), then hydrocarbon plastics should not be used instead. But fluorocarbons can be effective in several applications because signals from fluorine act off-resonance (with resonant conditions for hydrogen in humidity measurements) and can be distinguished from humidity-related readings with the sensitivity levels needed for such readings, and can be filtered (or distinguished) if necessary. In other cases of higher sensitivity measurements, e.g. for measuring relative proportions of amorphous and crystalline species in mixtures thereof, the sample container should be made of glass or a non-proton ceramic. In all such cases, the aim is to avoid sample containers with species that can couple with transmitted energy and produce an FID decay curve with a misreading of the samples. The present invention includes a system response to the detection of certain such cases that have not been recognized heretofore.
Fig. 5 zeigt eine weitere NMR-Zerfallswellenform, wobei gleiche Komponenten genauso bezeichnet wurden wie in der oben erörterten NMR-Zerfallswellenform von Fig. 3. In einer betrieblichen Modifikation des Verfahrens und der Vorrichtung der Fig. 1 bis 2 (und in Modifikation von deren Struktur und Regeleinstellung zur Bewirkung eines solchen modifizierten Betriebs) wird jede Wellenform durch weitere Impulse ausgelöst, die bei mo' und mo" zentriert sind, um das Auftreten von Hahn-Spin- Echo-Reaktionen zu bewirken. Die abfallenden Teile der Echos (nachfolgend als D und E bezeichnet) haben dieselben allgemeinen Muster wie das ursprüngliche FID C, mit der Ausnahme, daß D und E, besonders letztere, vornehmlich auf einer Reaktion der Probe ohne Reaktion von Nicht-Fett-Feststoffen und Nicht-Öl- und Nicht- Lösungsmittel-Flüssigkomponenten basieren, während FID C ein Maß für eine signifikante Reaktion auf eine Impulserregung durch alle Feststoff-, Feuchtigkeits- sowie Öl/Fett- oder Lösungsmittelkomponenten ist.Fig. 5 shows another NMR decay waveform, with like components labeled the same as in the NMR decay waveform of Fig. 3 discussed above. In an operational modification of the method and apparatus of Figs. 1-2 (and in modification of their structure and control setting to effect such modified operation), each waveform is triggered by further pulses centered at mo' and mo" to cause Hahn spin echo responses to occur. The decaying portions of the echoes (hereinafter referred to as D and E) have the same general patterns as the original FID C, except that D and E, particularly the latter, are based primarily on a sample response without reaction of non-fatty solids and non-oil and non-solvent liquid components, while FID C is a measure of significant response to pulse excitation by all solid, moisture, oil/grease or solvent components.
Die Zeiten tl', t2', t3', t4' und t1", t2", t3", t4" sind jeweils für D und E als Grobanalogwerte der Punkte t1, t2, t3, t4 der oben erörterten Kurve FID C definiert. Es gibt jedoch signifikante unterschiedliche Echoeffekte (aufgrund einer 180º Rotation) im Vergleich zu C (aufgrund einer 90º Rotation). FID C hat eine Dauer von etwa einer Millisekunde, und jedes der Echos hat eine Dauer von gewöhnlich etwa 2 Millisekunden gemäß Regelung durch selektive Zeitsteuerung von P', P" in bezug auf P; aber diese Intervalle können erheblich höher oder niedriger für verschiedene Probenmateralien und verschiedene Sätze von Spezifikationen für Instrumentenelektronik eingestellt werden. Fast die gesamte Zeit von C ist im Zerfallsprozeß belegt, im Vergleich zur letzteren Hälfte jedes der Echos. Der effektive Zerfallsbeginn für D und E ist t0' und t0" an den eigentlichen Peaks dieser Kurven (während t0 für C in der Mitte des Erregungsimpulses eingestellt ist). Die Zerfallskurven +C/D/E werden mit -C/D/E Subzyklen für dieselben Zwecke abgewechselt wie +C/-C Subzyklen in Fig. 3, wie oben erörtert wurde. Die Impulse P+/P-, die C+ /Cvon FID einleiten, bewirken eine 90º (pi/2) Rotation von Protonen, während die Impulse P+, P', p"+, P"- für +D, - D, +E, -E jeweils eine 180º (pi) Rotation bewirken.The times tl', t2', t3', t4' and t1", t2", t3", t4" are defined for D and E respectively as rough analogue values of the points t1, t2, t3, t4 of the curve FID C discussed above. However, there are significantly different echo effects (due to a 180º rotation) compared to C (due to a 90º rotation). FID C has a duration of about one millisecond and each of the echoes has a Duration of usually about 2 milliseconds as controlled by selective timing of P', P" with respect to P; but these intervals can be set considerably higher or lower for different sample materials and different sets of instrument electronics specifications. Almost all of the time of C is occupied in the decay process, compared to the latter half of each of the echoes. The effective decay onset for D and E is t0' and t0" at the actual peaks of these curves (while t0 for C is set at the middle of the excitation pulse). The +C/D/E decay curves are alternated with -C/D/E subcycles for the same purposes as +C/-C subcycles in Fig. 3, as discussed above. The pulses P+/P- inducing C+ /C of FID cause a 90º (pi/2) rotation of protons, while the pulses P+, P', p"+, P"- for +D, - D, +E, -E cause a 180º (pi) rotation, respectively.
Das Blockdiagramm der Vorgänge von Fig. 6 für ein solches modifiziertes System beinhaltet dieselben Artefakten wie oben in Fig. 4 beschrieben, d.h. die Probenbereichs-Freiheitsprüfung durch einen Quick FID, mehrere Referenzkorrekturzyklen und Feldprüfungen (mit einfacher P+, P- Erregung) mit nachfolgenden Einstellungen und dann eine Messung im wesentlichen gemäß der Anwendung des Hahn-Spin-Echos, die in Verbindung mit Fig. 5 oben beschrieben ist.The block diagram of operations of Fig. 6 for such a modified system includes the same artifacts as described above in Fig. 4, i.e., the sample area freedom check by a Quick FID, several reference correction cycles and field checks (with simple P+, P- excitation) with subsequent adjustments, and then a measurement essentially according to the application of the Hahn spin echo described in connection with Fig. 5 above.
Die Signalverarbeitung dieser Messung beinhaltet die Speicherung digitaler Datenpunkte der C- und E- Zerfallskurven, E wird von C subtrahiert, dann eine Verarbeitung einer justierten FID C Kurve im wesentlichen wie oben in Verbindung mit den Fig. 3 bis 4 beschrieben, wobei Zeit-Null-Abschnitte und/oder Integrale von Gaußschen und exponentiellen Tochterkurven benutzt werden, die von der justierten FID C Kurve abgeleitet wurden. In einigen Fällen wird der Peak des E- Zerfalls benutzt, um die Lösungsmittel- oder Öl/Fett- Komponente(n) zu quantifizieren.The signal processing of this measurement involves storing digital data points of the C and E decay curves, subtracting E from C, then processing an adjusted FID C curve essentially as described above in connection with Figs. 3 to 4, using time zero intercepts and/or integrals of Gaussian and exponential daughter curves derived from the adjusted FID C curve. In some cases, the peak of the E Decomposition is used to quantify the solvent or oil/fat component(s).
Außerdem können die Daten von FID C vor und nach der Justierung durch Subtraktion von E als Determinante der Dichtigkeit auf einer absoluten oder relativen Basis benutzt werden. Fig. 7 zeigt FIDs für Polyethylenproben 7-1, 7-2, 7-3 mit der höchsten, einer geringeren und einer geringsten Dichtigkeit. Die Kurven unterscheiden sich ausreichend voneinander, so daß die Unterschiede von dem oben beschriebenen Signalbearbeitungsmittel erfaßt werden können.In addition, the data from FID C before and after adjustment by subtraction of E can be used as a determinant of tightness on an absolute or relative basis. Fig. 7 shows FIDs for polyethylene samples 7-1, 7-2, 7-3 with the highest, a lower and a lowest tightness. The curves differ sufficiently from each other that the differences can be detected by the signal processing means described above.
Die entsprechende t0"-Zeiteinstellung des E-Peaks selbst wird als voreinstellbarer Kalibrierungsfaktor für das Instrument gemäß Anwendung auf einen bestimmten Typ von Material bestimmt, das online über aufeinanderfolgende Meßtage (oder -wochen oder -monate) zu analysieren ist. Die Fig. 9A, 9B, 9C zeigen, wie dies geschieht. Fig. 9A zeigt die C- und E-Kurven, entwickelt durch Laufenlassen der Kurven C, D, E von Fig. 5 mit einem grob errechneten t0"-Wert unter Nicht- Resonanz-Kopplungsbedingungen (absichtlich induziert bei Spule 100, Fig. 1-2 im Vergleich zu einer Resonanzzerfallkurve, wie sie z.B. in Fig. 9B gezeigt ist) und überlagert. Die Differenz von x-Achsen- Abschnitten (Delta t, ermittelt durch Verschieben der Kurven, bis die Nullpunktüberkreuzungen von C und E zusammenfallen) ergibt einen Korrekturfaktor, der auf den groben t0"-Wert angewendet wird, so daß sich ein justierter t0"-a-Wert relativ zu t0 für die Verwendung bei späteren Durchläufen bei Resonanz von FID-Zerfall mit Hahn-Spin-Echo (Fig. 9C) ergibt. Das heißt, bei solchen späteren Durchläufen wird der Digitalisierer/Flash- Wandler (105-1, Fig. 1) zu einem Zeitpunkt t0a" nach dem Zeitpunkt t0 geöffnet. Die letzten Peaks (LP) von C und E in Fig. 9 werden ebenfalls analysiert, um einen Korrekturfaktor f zu erhalten, wie das Verhältnis C/E, der auf spätere E-Meßwerte angewendet wird, um eine Dämpfung von t1 im Vergleich zu dem Wert zu kompensieren, der erhalten würde, wenn t0" in Wirklichkeit mit t0 zusammenfallen würde, anstatt einer willkürlichen Überlagerung. Dies ist eine gültige Korrektur, weil C bei LP vollkommen auf Lösungsmittel- oder Öl/Fett-Effekte [sic] zurückzuführen ist und der gemessene E-Wert nur aufgrund der Dämpfung kleiner ist als der gemessene C- Wert bei LP.The corresponding t0" timing of the E peak itself is determined as a preset calibration factor for the instrument as applied to a particular type of material to be analyzed on-line over successive measurement days (or weeks or months). Figs. 9A, 9B, 9C show how this is done. Fig. 9A shows the C and E curves developed by running curves C, D, E of Fig. 5 with a roughly calculated t0" value under non-resonance coupling conditions (intentionally induced at coil 100, Figs. 1-2 compared to a resonance decay curve such as that shown in Fig. 9B) and superimposed. The difference of x-axis intercepts (delta t, determined by shifting the curves until the zero crossings of C and E coincide) yields a correction factor which is applied to the coarse t0" value to yield an adjusted t0"-a value relative to t0 for use in later runs at resonance of FID decay with Hahn spin echo (Fig. 9C). That is, in such later runs the digitizer/flash converter (105-1, Fig. 1) is opened at a time t0a" after time t0. The last peaks (LP) of C and E in Fig. 9 are also analyzed to obtain a Correction factor f, such as the ratio C/E, applied to subsequent E readings to compensate for attenuation of t1 compared to the value that would be obtained if t0" actually coincided with t0, rather than an arbitrary superposition. This is a valid correction because C at LP is entirely due to solvent or oil/grease effects [sic] and the measured E value is smaller than the measured C at LP only due to attenuation.
Ferner wird der Intensitäts-I-Parameter (z.B. Spannung) über einen Bereich gemessen, der den nominellen Ort t0 beinhaltet, und gemittelt, um einen durchschnittlichen I-Wert zu erzielen, der mit höherer Zuverlässigkeit benutzt werden kann.Furthermore, the intensity I parameter (e.g. voltage) is measured over a range that includes the nominal location t0 and averaged to obtain an average I value that can be used with higher reliability.
Schließlich muß die relative Protonenmenge (oder anderen NMR-aktiven Spezies) pro Gramm in jeder Phase (z.B. Feststoff, Wasser, Öl/Fett) von Interesse gebührend berücksichtigt werden. Es können entsprechende Kalibrierungskonstanten zur Ermittlung von Konzentrationen solcher Phasen oder von Komponenten oder anderen Prozentanteildaten, z.B. Kristallinität, in einem Gemisch entwickelt werden. So wird beispielsweise der Anteil P von beispielsweise Öl/Fett ermittelt durch: Finally, due consideration must be given to the relative amount of protons (or other NMR active species) per gram in each phase (e.g. solid, water, oil/fat) of interest. Appropriate calibration constants can be developed to determine concentrations of such phases or of components or other percentage data, e.g. crystallinity, in a mixture. For example, the fraction P of, say, oil/fat is determined by:
wobei Ke, Ka, Kb Kalibrierungsfaktoren sind, die abgeleitet wurden von Standardmaterialien, und Ao, Bo, Eo sind die t0-Abschnitte nach der Anwendung der obigen Korrekturfaktoren. Die Dichtigkeit (d) eines Probenmaterials insgesamt kann entweder durch eine oben in Verbindung mit den Fig. 7-1, 7-2, 7-3 erörterte Kurvenanalyse oder für Plastik (und andere Materialien) durch die folgende Gleichung ermittelt werden: where Ke, Ka, Kb are calibration factors derived from standard materials, and Ao, Bo, Eo are the t0 intercepts after application of the above correction factors. The overall density (d) of a sample material can be determined either by a curve analysis as discussed above in connection with Figs. 7-1, 7-2, 7-3 or for plastics (and other materials) can be determined by the following equation:
wobei der in Klammern stehende Bruch der Kristallinitätsanteil M und N empirisch abgeleitete Kalibrierungsfaktoren (gewöhnlich Konstanten für die Materialien, die ständig nach einer ersten Ermittlung angewendet werden) sind. Dichtigkeiten der Komponenten wären normalerweise zusätzliche Faktoren in der Gleichung; aber für Plastik haben die kristallinen und amorphen Komponenten eng bezogene fundamentale Dichtigkeiten, und Dichtigkeitsfaktoren können wegfallen (ausgenommen dort, wo sie in die M-, N-Faktoren eingebaut sind).where the fraction in parentheses is the crystallinity fraction M and N are empirically derived calibration factors (usually constants for the materials, which are always applied after an initial determination). Densities of the components would normally be additional factors in the equation; but for plastics, the crystalline and amorphous components have closely related fundamental densities, and density factors can be omitted (except where they are built into the M, N factors).
Für andere Materialien würde die Gleichung wie folgt lauten: For other materials the equation would be:
wobei da, db und de Komponentendichtigkeiten sind. Für einige Materialien können statistische Verfahren angewendet werden, um komplexere und an sich genauere, nicht lineare Funktionen auf Datenpunktsätze (Plots von Dichtigkeits- und/oder Anteil- [oder anderer Parameter] ermittlungen gemäß dem Verfahren und der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung gegenüber Laborermittlungen derselben Parameter für dieselben Proben) zu überlagern und somit eine Kalibrierungsfunktion mit einer Anpassung der zweiten oder dritten Ordnung abzuleiten. Spätere Ermittlungen über die Erfindung können durch eine solche Kalibrierungsfunktion justiert werden.where da, db and de are component densities. For some materials, statistical techniques can be applied to superimpose more complex and inherently more accurate non-linear functions on sets of data points (plots of density and/or fraction [or other parameter] determinations according to the method and apparatus of the present invention versus laboratory determinations of the same parameters for the same samples) and thus derive a calibration function with a second or third order fit. Subsequent determinations of the invention can be adjusted by such a calibration function.
Fig. 8 zeigt eine Kalibrierungskurve solcher Polyethylendichtigkeitsmessungen durch die vorliegende Erfindung (y-Achse) gegenüber standardmäßigen (z.B. Ölbadflotation) Dichtigkeitsmessungen (x-Achse), die die Wirksamkeit der vorliegenden Erfindung veranschaulichen. Andere Standardverfahren beinhalten akustische Durchlässigkeit.Fig. 8 shows a calibration curve of such Polyethylene impermeability measurements by the present invention (y-axis) versus standard (e.g., oil bath flotation) impermeability measurements (x-axis) illustrating the effectiveness of the present invention. Other standard methods include acoustic permeability.
Für die Fachperson ist es nunmehr offensichtlich, daß weitere Ausgestaltungen, Verbesserungen, Details und Anwendungen im Einklang mit der obigen Offenbarung und innerhalb des Umfangs des vorliegenden Patents möglich sind, das nur durch die nachfolgenden Ansprüche, erstellt gemäß Patentrecht, einschließlich der Äquivalentendoktrin möglich sind.It will now be apparent to those skilled in the art that further embodiments, improvements, details and applications are possible in accordance with the above disclosure and within the scope of the present patent, which is limited only by the following claims prepared in accordance with patent law, including the doctrine of equivalents.
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