一种根据核磁矩差异测量液氢中仲氢含量的方法及系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于低温流体测量技术领域，涉及到流体组分含量的测量，尤其是涉及一 种根据核磁矩差异测量液氢中仲氢含量的方法及系统。
【背景技术】
[0002] 液氢是仲氢和正氢的混合物。从原子核自旋转的取向（量子态）不同而异，它们 的化学性质完全相同，而物理性质如基态能量、密度和导热率等却有所差异。
[0003] 目前，液氢中仲氢含量的测量，常用的是色谱分析的方法：由于正仲氢导热系数有 差异，因此，不同仲氢含量的样品的导热系数不同，通过热导池鉴定器来测量样品的导热系 数，就会在分析仪中显示不同的峰面积（或峰高）。采用正常氢（即在室温下氢中含仲氢量 为25%、正氢量为75%)作载气，分离柱中使用分子筛对样本中的杂质（如02、N2等）进 行分离，以提高测量精度，以液氮温度和25°C时经过F3铁触媒转化管出口氢样的色谱峰峰 面积（或峰高）对该温度时仲氢的平衡浓度作图，得标准曲线，将试样中实测的仲氢色谱峰 峰面积（或峰高）与标准曲线比较来求算仲氢含量。
[0004] 通过上述测量原理可以看出，该测量方法是做了线性假设的。而事实上，仲氢浓度 和温度的关系，以及导热系数同温度的关系都不是线性的。因此这种方法是不准确的。同 时，由于氢的安全性测量要求，这种分析方法需要配设待测样品到分析仪器的输运管道或 者使用取样器取样来进行测量，因此样品不可避免的会在管路运输或取样的过程中受到外 界环境的影响，产生误差。同时还有测量周期长，得出结果较慢等缺点，达不到实时测量的 要求。在这种背景下，需要找到一种更好的测量方法来减少以上的缺点及误差。
【发明内容】
[0005] 本发明的技术解决问题是：提供一种根据核磁矩差异测量液氢中仲氢含量的方法 及系统，用以解决现有技术中液氢中仲氢含量测量精度不高、测量速度慢的问题。
[0006] 本发明的技术解决方案是：一种根据正仲氢核磁矩差异测量液氢中仲氢含量的方 法，其特征在于，包括以下步骤：
[0007] 步骤1 :测量液氢的至少两组温度值T和相应温度下的摩尔磁化率X M;
[0008] 步骤2 :建立摩尔磁化率Xm与1/T的直线方程，即X Μ= α Xl/τ+β ;
【主权项】
1. 一种根据核磁矩差异测量液氢中仲氢含量的方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤1 :测量液氢的至少两组温度值T和相应温度下的摩尔磁化率Xm; 步骤2 :建立摩尔磁化率X M与1/T的直线方程，即X Μ= α X Ι/t+β ; 步骤3 : 对于液氢分子，有；rM=%。+心=I+， 可以推出所述直线方程中的斜率= N U H //xi直线方程与纵坐标的截距β = X0; 当液氢分子由正氢和仲氢组成时，正氢与仲氢所产生的反磁磁化率相同，其产生的反 磁磁化率之和为X。，仲氢中两质子自旋反平行，其两质子磁矩的合磁矩为零，故顺磁磁化 率X μ仅为正氢分子产生的顺磁磁化率， 因此α = Ν ·'，_~其中N为Ν。个氢分子中正氢分子的个数，设混合氢分子中正氢 3Κ , 含量为S，则N = δ ·Ν。，那么直线斜率为：
则液氢的摩尔磁化率y 广 ^ y Zm - j K X I + ^ 〇 · 步骤4 : 测量待测液氢的温度T和摩尔磁化率X M，将所测得的温度T、摩尔磁化率X M以及X。 代入步骤（3)所得公式中，计算出正氢含量δ，则仲氢含量为l-δ ; 式中，X M为摩尔磁化率，K为波尔兹曼常数，μ ^=4 31 X KT7N · A^2为真空磁导率，X。 为反磁磁化率，μ Μ为正氢分子的核磁矩，N。为阿佛加德罗常数。
2. -种根据核磁矩差异测量液氢中仲氢含量的系统，其特征在于，包括测量装置和数 据采集和处理装置；测量装置包括磁化率测量装置（3)和温度传感器（5)，其中磁化率测量 装置（3)用于测量待测液氢的磁化率并传递给数据采集和处理装置，温度传感器（5)用于 测量待测液氢的温度并传递给数据采集和处理装置，数据采集和处理装置对接收到的待测 液氢的磁化率数据和温度数据进行处理，通过计算得到液氢中仲氢的含量；数据采集和处 理装置的数据处理过程如下：
数据采集和处理装置接收测量装置发送的至少两组温度值T和相应温度下的摩尔磁 化率χΜ，并根据接收到的数据建立摩尔磁化率χΜ与1/Τ的直线方程，即xM = α Xl/ Τ+β ； 对于液氢分子，有;Tm = 9 推出所述直线方程中的斜率α = N° H//λ1直线方程与纵坐标的截距β = x。； 当液氢分子由正氢和仲氢组成时，正氢与仲氢所产生的反磁磁化率相同，其产生的反 磁磁化率之和为X。，仲氢中两质子自旋反平行，其两质子磁矩的合磁矩为零，故顺磁磁化 率X μ仅为正氢分子产生的顺磁磁化率， 因此《 = Ν -'::严丨其中N为Ν。个氢分子中正氢分子的个数，设混合氢分子中正氢 3Κ ， 含量为S，则N = δ ·Ν。，那么直线斜率为： 3Κ 则液氢的摩尔磁化率y ^ y Zm - j K Xi +Ζ〇· 数据采集和处理装置接收测量装置发送的待测液氢的温度T和摩尔磁化率X M，将所测 得的温度T、摩尔磁化率Xm以及X。代入步骤所得公式中，计算出正氢含量δ，则仲氢含量 为 1- δ ; 式中，X M为摩尔磁化率，K为波尔兹曼常数，μ ^=4 31 X KT7N · A^2为真空磁导率，X。 为反磁磁化率，μ Μ为正氢分子的核磁矩，N。为阿佛加德罗常数。
3. 根据权利要求2所述的一种根据核磁矩差异测量液氢中仲氢含量的系统，其特征在 于，所述系统还包括液氢管路（1)、进口开关阀（2)、出口开关阀（6);所述进口开关阀（2) 与出口开关阀（6)之间的中空部分设置磁化率测量装置（3)和温度传感器（5)，通过打开或 者关闭进口开关阀（2)与出口开关阀（6)，液氢管路（1)中的液氢可流入或流出所述中空部 分。
4. 根据权利要求2所述的一种根据核磁矩差异测量液氢中仲氢含量的系统，其特征在 于，所述数据采集和处理装置包括计算机主机（7)和计算机显示器（10);所述计算机主机 (7)包括信号采集与处理模块（8)、数据计算转化模块（9);所述信号采集与处理模块（8) 接收并处理磁化率信号和温度信号，处理方式如下： 若接收到的温度信号或磁化率信号为两组或两组以上，则分别对温度信号和磁化率信 号取平均值，并将温度和磁化率的平均值发送给数据计算转化模块（9)，若接收到的温度和 磁化率信号均为一组，则将温度和磁化率直接发送给数据计算转化模块（9); 所述数据计算转化模块（9)根据接收到的温度和磁化率计算得出液氢样本的仲氢含 量值，通过计算机显示器（10)显示出来；计算过程如下： 数据计算转化模块（9)接收至少两组温度值T和相应温度下的摩尔磁化率X Μ，并根据 接收到的数据建立摩尔磁化率xM与1/Τ的直线方程，即X μ= α Xl/Τ+β ; 对于液氢分子，有;Tm = A + t = Z。+ N〇 3i<T//X1 推出所述直线方程中的斜率《 = H 直线方程与纵坐标的截距β = x。； 当液氢分子由正氢和仲氢组成时，正氢与仲氢所产生的反磁磁化率相同，其产生的反 磁磁化率之和为X。，仲氢中两质子自旋反平行，其两质子磁矩的合磁矩为零，故顺磁磁化 率X μ仅为正氢分子产生的顺磁磁化率， 因此i
其中N为N。个氢分子中正氢分子的个数，设混合氢分子中正氢 含量为S，则N = δ ·Ν。，那么直线斜率为：
则液氢的摩尔磁化率2
数据计算与转化模块（9)接收待测液氢的温度T和摩尔磁化率X M，将所测得的温度T、 摩尔磁化率xM以及X。代入步骤所得公式中，计算出正氢含量S，则仲氢含量为I-S ; 式中，X M为摩尔磁化率，K为波尔兹曼常数，μ ^=4 31 X KT7N · A^2为真空磁导率，X。 为反磁磁化率，μ Μ为正氢分子的核磁矩，N。为阿佛加德罗常数。
5.根据权利要求2或3所述的一种根据核磁矩差异测量液氢中仲氢含量的系统，其特 征在于，所述磁化率测量装置（3)和温度传感器（5)可以是一个或多个。
【专利摘要】一种根据核磁矩差异测量液氢中仲氢含量的方法及系统，首先测量液氢的至少两组温度值T和相应温度下的摩尔磁化率χM，建立摩尔磁化率χM与1/T的直线方程，建立直线方程，求出截距及斜率，之后，根据液氢中只有正氢分子能够产生顺磁磁化率，将直线方程转化为含有正氢分子含量的形式，获取待测液氢的摩尔磁化率和温度值，并将其代入所述直线方程，求出正氢分子含量，并根据正氢分子含量计算出仲氢含量；本发明还包括测量系统，具体由测量装置和数据采集和处理装置构成，其中，测量装置测量液氢的摩尔磁化率和温度，数据采集和处理装置进行数据处理，计算得到中氢含量。本发明的方法和系统有工程应用前景。
【IPC分类】G01N27-76
【公开号】CN104730141
【申请号】CN201510095005
【发明人】苏嘉南, 李苏疆, 刘海生, 杨昌乐, 朱晓彤, 骆明强, 刘玉涛
【申请人】北京航天试验技术研究所
【公开日】2015年6月24日
【申请日】2015年3月3日