ЗАСТОСУВАННЯ ІНВЕРТОРІВ У ПРИСТРОЯХ ЯДЕРНОГО МАГНІТНОГО РЕЗОНАНСУ
Expediency of generating the PWM pulses and further filtering to obtain probing Khan current in emitter NMR device is shown. The basic topology converters for generating a probing voltage in nuclear magnetic resonance devices are discussed. Shown their advantages and disadvantages. It is illustrated...
Збережено в:
| Дата: | 2014 |
|---|---|
| Автори та афіліації: |
|
| Ключові слова: | keywords |
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Українська |
| Опубліковано: |
Інститут електродинаміки НАН України, Київ
2014
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://techned.org.ua/index.php/techned/article/view/1097 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Technical Electrodynamics |
| Завантажити файл: |
|
Репозитарії
Technical Electrodynamics| _version_ | 1870203748261822464 |
|---|---|
| author | Заграничний, А.В. Рогаль, В.В. |
| author_facet | Заграничний, А.В. Рогаль, В.В. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "А.В. Заграничний",
"institution": "Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут ім. І. Сікорського», пр. Перемоги, 37, Київ, 03056, Україна"
},
{
"author": "В.В. Рогаль",
"institution": "Інститут електродинаміки НАН України, пр. Перемоги, 56, Київ, 03057, Україна"
}
] |
| author_sort | Заграничний, А.В. |
| baseUrl_str | https://techned.org.ua/index.php/techned/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2023-01-08T17:30:56Z |
| description | Expediency of generating the PWM pulses and further filtering to obtain probing Khan current in emitter NMR device is shown. The basic topology converters for generating a probing voltage in nuclear magnetic resonance devices are discussed. Shown their advantages and disadvantages. It is illustrated that the use of a single coefficient estimates non-sinusoidal waveforms does not provide complete information about the resulting voltage. Proposed new coefficients for analysis Khan signal. Using the simulation results and calculation, it is concluded that the most appropriate use of multilevel converters for voltage probing devices NMR . Concluded that further increase the number of levels the multilevel inverter will increase the accuracy of the formation the probing current, but will complicate the NMR device. References 4, table 1, figures 4. |
| first_indexed | 2026-06-16T01:18:37Z |
| format | Article |
| fulltext |
ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2014. № 5 139
УДК 621.313
ЗАСТОСУВАННЯ ІНВЕРТОРІВ У ПРИСТРОЯХ ЯДЕРНОГО МАГНІТНОГО РЕЗОНАНСУ
А.В. Заграничний, В.В. Рогаль
Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут»,
пр. Перемоги, 37, Київ, 03056, Україна.
e-mail: art-kpi@i.ua
Розглянуто основні топології перетворювачів для формування зондувальної напруги в пристроях ядерного маг-
нітного резонансу. Вказані їхні недоліки та переваги. Показано, що використання звичайних коефіцієнтів оцін-
ки несинусоїдальних сигналів не дає повної інформації про отриману напругу. Запропоновано нові коефіцієнти
для аналізу сигналу Хана. Використавши результати моделювання та розрахунків, зроблено висновок, що най-
доцільніше використовувати багаторівневі перетворювачі для отримання зондувальної напруги в пристроях
ядерного магнітного резонансу (ЯМР). Бібл. 4, табл. 1, рис. 4.
Ключові слова: зондувальна напруга, ядерний магнітний резонанс, широтно-імпульсна модуляція, мостовий
інвертор, багаторівневий інвертор.
Для проведення геолого-геофізичних досліджень нафтових і газових свердловин в даний час досить
широко використовується ядерний магнітний резонанс [1]. Для отримання найбільш повної картини про струк-
туру і властивості молекул найефективніше використовувати зондувальний сигнал Хана ( )s t , який повинен від-
повідати певним вимогам (точність огинаючої, стабільність частоти та ін.). Вибір способу формування зонду-
вальної напруги є досить актуальним завданням.
Формування радіочастотних зондувальних імпульсів. Як показано в [2] сигнал Хана ( )s t (рис. 1)
можна представити у вигляді
0 0 0 0 0 0( ) (1 cos )cos , або ( ) [cos cos( ) cos( ) ]
2 2
m ms t A m t t s t A t t t= + Ω ω = ω + ω + Ω + ω − Ω , (1)
де 0 450 кГцω = – частота несучої, що дорівнює частоті магнітного резонансу, 7.2 кГцΩ = – частота модуля-
ції, m – коефіцієнт модуляції (для модульованої послідовності Хана 1m = ), 0A – амплітуда сигналу.
Для проведення досліджень потрібні зонду-
вальні сигнали з високою вихідною імпульсною по-
тужністю – десятки кВА [3], що робить доцільним ви-
користання ключового режиму роботи перетворюва-
ча. При цьому зондувальний сигнал може бути сфор-
мований на основі широтно-імпульсної модуляції з
подальшою фільтрацією. Такий спосіб можна реалізу-
вати за допомогою мостового, двомостового та бага-
торівневого інвертора.
При використанні різних алгоритмів керуван-
ня змінюється форма огинаючої зондувального стру-
му. Для того, щоб форма вихідної напруги інвертора
визначалася тільки шпаруватістю імпульсів і не зале-
жала від параметрів навантаження необхідно використовувати такі алгоритми керування, які дозволяють
шунтувати навантаження у моменти формування нульової паузи напруги. Таким вимогам відповідає керування
транзисторами із зсувом моментів перемикання у мостовому та двомостовому інверторах.
Досить просто отримати сигнал ( )s t можна
за допомогою використання мостового інвертора
(рис. 2), однак для зменшення робочих струмів та
напруг доцільно застосовувати двомостовий інвер-
тор з підсумовуванням напруги на вторинній об-
мотці. Як відомо, використання таких схем дозволяє
забезпечити рівномірне навантаження силових тран-
зисторів за струмом або напругою [4].
Однак двомостовий інвертор містить транс-
форматори, що обмежує його використання (темпе-
ратурний режим роботи пристрою, масогабаритні
показники та ін.). Найбільш прийнятним рішенням є
© Заграничний А.В., Рогаль В.В., 2014
Рис. 1
Рис. 2
140 ISSN 1607-7970. Технічна електродинаміка. 2014. № 5
отримання необхідної напруги за допомогою трирівневого та п’ятирівневого інверторів з обмежувальними
діодами.
Топології з більшою кількістю рівнів вихідної напруги дозволяють підвищити точність генерованого
сигналу. Однак із зростанням кількості рівнів, зростає кількість елементів схеми, ускладнюється система
керування.
Порівняння якісних показників зондувальних сигналів. Для порівняння несинусоїдальних сигналів
використовуються коефіцієнти нелінійних спотворень та коефіцієнт гармонік ГК [4]
2
1
2
100 .
n
Г і
і
К U U
=
= ∑ (2)
Оскільки на виході інвертора ШІМ-послі-
довність імпульсів (рис. 3), яка після фільтрації
має містити три гармоніки з частотами
0 0 0ω , (ω +Ω), (ω -Ω) та амплітудами
0 0 0А , А 2, А 2 відповідно, то використання
стандартних коефіцієнтів не дає нам повної оцінки
цього сигналу, оскільки вони виведені для роз-
рахунку по першій гармоніці. Тому запропоновано
ввести коефіцієнт по вищим гармонікам та кое-
фіцієнти трьох гармонік (основної та двох бо-
кових):
0 0 0
3 00 0 0 0 0
0 0 0
2 2 2 2
) ) ' ' ', , , ,Г і
і
U U U
К U U U U К К К
U U Uω ω +Ω
ω ω +Ω ω −Ω
ω −Ωω ω +Ω ω −Ω
ω ω +Ω ω −Ω
= + + = = =∑ ( ( (3)
де
0 0 0 0 0 0
' ' '
) ) ) ), , , , ,( ( ( (ω ω +Ω ω −Ω ω ω +Ω ω −ΩU U U U U U – задані та виміряні значення амплітуд першої та бокових гар-
монік відповідно; iU – всі гармоніки спектру, окрім першої та бокових. Перший коефіцієнт
3ГК враховує вклад
вищих гармонік в отриманий сигнал,
0
К
ω
,
0
К
ω +Ω
,
0
К
ω −Ω
– показують, наскільки три основні гармоніки
набли-жаються до ідеального зондувального сигналу. В ідеальному випадку коефіцієнт
3ГК має прямувати до
нуля, а коефіцієнти
0
К
ω
,
0
К
ω +Ω
,
0
К
ω −Ω
– до одиниці.
Для проведення спектрального аналізу було розроблено моделі перетворювачів вказаних топологій у
середовищі Matlab/Simulink. Відповідно до технічних вимог до пристрою для ядерного магнітного резонансу
зондувальна напруга має бути в межах 400–800 В та піковий струм випромінювача може сягати 300 А. При
цьому було задано
0 0 0
' ' '
) )380, 190, 190U U Uω ω +Ω ω −Ω= = =( ( [1]. При моделюванні отримано результати:
0 0 0) )361, 171, 171U U Uω ω +Ω ω −Ω= = =( ( – для мостового, двомостового та 3-рівневого інверторів та
0 0 0) )372, 183, 183U U Uω ω +Ω ω −Ω= = =( ( – для 5-рівневого інвертора. Використовуючи дані, отримані при мо-
делюванні, розрахуємо коефіцієнти для сигналу, отриманого за допомогою різних топологій. Результати роз-
рахунків зведено в таблицю.
Аналізуючи результати таблиці, мо-
жемо зробити висновок, що мостовий, дво-
мостовий та 3-рівневий інвертори мають од-
накові значення розрахованих коефіцієнтів.
Це можна пояснити тим, що вихідна напру-
га інверторів, що визначає зондувальний сиг-
нал, однакова, тобто спектральний склад цієї напруги однаковий. 5-рівневий інвертор має кращі показники
коефіцієнтів, що пояснюється кращим спектральним складом, оскільки сформована напруга краще апроксимує
синус.
Окрім цього при використанні 5-рівневого інвертора значно полегшується фільтрація, оскільки змен-
шуються амплітуди (рис. 4) кратних основній гармонік. Завдяки цьому зменшуються втрати в пристрої для
ЯМР, таким чином зростає тривалість його роботи, оскільки система є автономною та живиться від акумуля-
торної батареї.
Рис. 3
Назва коефіцієнту
Назва топології інвертора 3ГК
0
К
ω
0
К
ω +Ω
0
К
ω −Ω
Мостовий 0.069 0.95 0.895 0.895
Двомостовий 0.069 0.95 0.895 0.895
3-рівневий 0.069 0.95 0.895 0.895
5-рівневий 0.018 0.978 0.963 0.963
ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2014. № 5 141
Висновки.
1. Для формування зондувальної на-
пруги Хана доцільно використовувати перетво-
рювачі з широтно-імпульсною модуляцією та
подальшою фільтрацією.
2. Застосування п’ятирівневого інвер-
тора дозволяє покращити спектральний склад
зондувальної напруги у порівнянні з мостовим,
двомостовим та 3-рівневим інверторами, що дає
можливість зменшити габарити вихідного
фільтру.
3. Для аналізу сигналу Хана необхідно
використовувати нові коефіцієнти оцінки неси-
нусоїдальних сигналів, що будуть враховувати
не тільки основну та вищі гармоніки, а й дві
бокові.
1. George Coates, Lizhi Xiao, Manfred Prammer. NMR Logging, Principles and Applications, Halliburton Energy
Services, USA, 1999. – 3 p.
2. Гончаров Ю.П., Буденный О.В., Морозов В.Г. Преобразовательная техника. Ч.2. – Харьков: Фолио, 2000. – 272 c.
3. Джафаров И.С., Сынгаевский П.Е., Хафизов С.Ф. Применение метода ядерного магнитного резонанса для
характеристики состава и распределения пластовых флюидов. – М.: Химия, 2002. – 167 c.
4. Моин В.С. Стабилизированные транзисторные преобразователи. – М.: Энергоатомиздат, 1986. – C. 39, 229.
УДК 621.313
ПРИМЕНЕНИЕ ИНВЕРТОРОВ В УСТРОЙСТВАХ ЯДЕРНОГО МАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА
А.В. Заграничный, В.В. Рогаль
Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт»,
пр. Победы, 37, Киев, 03056, Украина.
Рассмотрены основные топологии преобразователей для формирования зондирующего напряжения в устройствах ядер-
ного магнитного резонанса. Указаны их недостатки и преимущества. Показано, что использование обычных коэффици-
ентов оценки несинусоидальных сигналов не дает полной информации о полученном напряжении. Предложены новые ко-
эффициенты для анализа сигнала Хана. Используя результаты моделирования и расчетов, сделан вывод, что наиболее це-
лесообразно использовать многоуровневые преобразователи для получения зондирующего напряжения в устройствах ЯМР.
Библ. 4, табл. 1, рис. 4 .
Ключевые слова: зондирующее напряжение, ядерный магнитный резонанс, широтно-импульсная модуляция, мостовой
инвертор, многоуровневой инвертор.
APPLICATION THE INVERTERS IN DEVICES OF NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE
A.V. Zagranychnyi, V.V. Rogal
National Technical University of Ukraine “Kyiv Polytechnic Institute”,
pr. Peremohy, 37, Kyiv-56, 03056, Ukraine.
Expediency of generating the PWM pulses and further filtering to obtain probing Khan current in emitter NMR device is shown. The
basic topology converters for generating a probing voltage in nuclear magnetic resonance devices are discussed. Shown their
advantages and disadvantages. It is illustrated that the use of a single coefficient estimates non-sinusoidal waveforms does not
provide complete information about the resulting voltage. Proposed new coefficients for analysis Khan signal. Using the simulation
results and calculation, it is concluded that the most appropriate use of multilevel converters for voltage probing devices NMR .
Concluded that further increase the number of levels the multilevel inverter will increase the accuracy of the formation the probing
current, but will complicate the NMR device. References 4, table 1, figures 4.
Keywords: probing voltage, nuclear magnetic resonance, pulse width modulation, bridge inverter multilevel inverter.
1. George Coates, Lizhi Xiao, Manfred Prammer. NMR Logging, Principles and Applications, Halliburton Energy Services,
USA, 1999. – 3 p. (Eng)
2. Goncharov Yu.P., Budennyi O.V., Morozov V.G. Conversion equipment. Tutorial B2. – Kharkiv: Folio, 2000. – 272 p.
(Rus)
3. Dzhafarov I.S., Syngaevskii P.E., Khafizov S.F. Application of nuclear magnetic resonance to characterize the composition
and distribution of reservoir fluids. – Moskva: Khimiia, 2002. – 167 p. (Rus)
4. Moin V.S. Stabilized transistor converters. – Moskva: Energoatomizdat, 1986. – P. 39, 229. (Rus)
Надійшла 17.02.2014
Рис. 4
|
| id | techned_org_ua-article-1097 |
| institution | Technical Electrodynamics |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-06-16T01:18:37Z |
| publishDate | 2014 |
| publisher | Інститут електродинаміки НАН України, Київ |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | technedorgua/9c/2793e4c320cf9ee95e4adcb5c2beeb9c.pdf |
| spelling | techned_org_ua-article-10972023-01-08T17:30:56Z APPLICATION THE INVERTERS IN DEVICES OF NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE ЗАСТОСУВАННЯ ІНВЕРТОРІВ У ПРИСТРОЯХ ЯДЕРНОГО МАГНІТНОГО РЕЗОНАНСУ Заграничний, А.В. Рогаль, В.В. probing voltage nuclear magnetic resonance pulse width modulation bridge inverter multilevel inverter зондувальна напруга ядерний магнітний резонанс широтно-імпульсна модуляція мостовий інвертор багаторівневий інвертор Expediency of generating the PWM pulses and further filtering to obtain probing Khan current in emitter NMR device is shown. The basic topology converters for generating a probing voltage in nuclear magnetic resonance devices are discussed. Shown their advantages and disadvantages. It is illustrated that the use of a single coefficient estimates non-sinusoidal waveforms does not provide complete information about the resulting voltage. Proposed new coefficients for analysis Khan signal. Using the simulation results and calculation, it is concluded that the most appropriate use of multilevel converters for voltage probing devices NMR . Concluded that further increase the number of levels the multilevel inverter will increase the accuracy of the formation the probing current, but will complicate the NMR device. References 4, table 1, figures 4. Розглянуто основні топології перетворювачів для формування зондувальної напруги в пристроях ядерного магнітного резонансу. Вказані їхні недоліки та переваги. Показано, що використання звичайних коефіцієнтів оцінки несинусоїдальних сигналів не дає повної інформації про отриману напругу. Запропоновано нові коефіцієнти для аналізу сигналу Хана. Використавши результати моделювання та розрахунків, зроблено висновок, що найдоцільніше використовувати багаторівневі перетворювачі для отримання зондувальної напруги в пристроях ядерного магнітного резонансу (ЯМР). Бібл. 4, табл. 1, рис. 4. Інститут електродинаміки НАН України, Київ 2014-08-11 Article Article application/pdf https://techned.org.ua/index.php/techned/article/view/1097 Tekhnichna Elektrodynamika; No. 5 (2014): TEKHNICHNA ELEKTRODYNAMIKA; 139 ТЕХНІЧНА ЕЛЕКТРОДИНАМІКА; № 5 (2014): ТЕХНІЧНА ЕЛЕКТРОДИНАМІКА; 139 2218-1903 1607-7970 uk https://techned.org.ua/index.php/techned/article/view/1097/973 Авторське право (c) 2023 ТЕХНІЧНА ЕЛЕКТРОДИНАМІКА https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0 |
| spellingShingle | зондувальна напруга ядерний магнітний резонанс широтно-імпульсна модуляція мостовий інвертор багаторівневий інвертор Заграничний, А.В. Рогаль, В.В. ЗАСТОСУВАННЯ ІНВЕРТОРІВ У ПРИСТРОЯХ ЯДЕРНОГО МАГНІТНОГО РЕЗОНАНСУ |
| title | ЗАСТОСУВАННЯ ІНВЕРТОРІВ У ПРИСТРОЯХ ЯДЕРНОГО МАГНІТНОГО РЕЗОНАНСУ |
| title_alt | APPLICATION THE INVERTERS IN DEVICES OF NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE |
| title_full | ЗАСТОСУВАННЯ ІНВЕРТОРІВ У ПРИСТРОЯХ ЯДЕРНОГО МАГНІТНОГО РЕЗОНАНСУ |
| title_fullStr | ЗАСТОСУВАННЯ ІНВЕРТОРІВ У ПРИСТРОЯХ ЯДЕРНОГО МАГНІТНОГО РЕЗОНАНСУ |
| title_full_unstemmed | ЗАСТОСУВАННЯ ІНВЕРТОРІВ У ПРИСТРОЯХ ЯДЕРНОГО МАГНІТНОГО РЕЗОНАНСУ |
| title_short | ЗАСТОСУВАННЯ ІНВЕРТОРІВ У ПРИСТРОЯХ ЯДЕРНОГО МАГНІТНОГО РЕЗОНАНСУ |
| title_sort | застосування інверторів у пристроях ядерного магнітного резонансу |
| topic | зондувальна напруга ядерний магнітний резонанс широтно-імпульсна модуляція мостовий інвертор багаторівневий інвертор |
| topic_facet | probing voltage nuclear magnetic resonance pulse width modulation bridge inverter multilevel inverter зондувальна напруга ядерний магнітний резонанс широтно-імпульсна модуляція мостовий інвертор багаторівневий інвертор |
| url | https://techned.org.ua/index.php/techned/article/view/1097 |
| work_keys_str_mv | AT zagraničnijav applicationtheinvertersindevicesofnuclearmagneticresonance AT rogalʹvv applicationtheinvertersindevicesofnuclearmagneticresonance AT zagraničnijav zastosuvannâínvertorívupristroâhâdernogomagnítnogorezonansu AT rogalʹvv zastosuvannâínvertorívupristroâhâdernogomagnítnogorezonansu |