ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Наименование инновационного проекта

«Производство экспресс - анализаторов на основе ядерного магнитного резонанса»

Рекомендуемая область пременения

Специализированные мини –ЯМР анализаторы с адаптированными методиками под задачу могут применяться как экспресс-анализаторы состава и качества продукции
В нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей промышленности, в промыслово-геофизических и геологических служб нефтяной и газовой промышленности для изучения коллекторских свойств горных пород и свойств поровых флюидов, в медицине – для лабораторных исследований крови, ее компонентов и других биологических жидкостей, в фармакологии – контроль качества фармпрепаратов, в парфюмерной промышленности – контроль качества продукции, сельское хозяйство – контроль качества, переработка сельхозпродукции и пищевая промышленность – контроль качества продукции, количественное определения жиров и влаги, в деревоперерабатывающей промышленности – контроль влажности древесины, строительная промышленность – контроль формирования силикатного камня в бетонах, качество цементов, в экологии – мониторинг водных бассейнов и почв на загрязнение нефтепродуктами и др.

Назначение, цели и задачи проекта

Создание нового класса измерительных приборов мини-ЯМР анализаторов

по доступной цене для пользователей  и предназначенных   для применения в научных исследованиях, при контроле качества продукции, в  медицине,  в виде специализированных измерителей и расходомеров, а так же в дозаторах веществ в технологических линиях производств.

Организация массового выпуска автоматизированных измерительных устройств (малогабаритных мини- ЯМР  анализаторов) на основе новых достижений в области методов ядерного магнитного резонанса и предназначенных для широкого применения в науке, промышленности, медицине и экологии.

Основной акцент автор ставит на производство приборов -  мини-ЯМР анализаторов, оснащаемых специализированными программами, включающих методики измерения параметров по характеристикам сигналов ЯМР на основе собственных

(авторских) разработок.

Сокращение себестоимости приборов, повышение их качества и конкурентноспособности на внутреннем рынке, а так же в отношении  зарубежных производителей подобных измерительных устройств на основе ЯМР. Для этого предлагается усовершенствовать имеющиеся в разработке модели мин-ЯМР анализаторов (Рис.1).

Краткое описание заменяемого процесса или решаемой проблемы

В настоящее время  Россия не имеет массового промышленного производства мини-ЯМР анализаторов. Одной из причин такого положения является дорогостоящая технология  изготовления магнитных систем для мини-ЯМР анализаторов.

Дорогостоящая технология производства магнитных систем для ЯМР за счет упрощения конструкции, уменьшения количества деталей в ней и упрощения настройки, может быть заменено на более экономичную технологию.

Запатентованная модель (  Патент № 2284599, заявка №2005111145/09(012970) на изобретение «Магнитная система» ) малогабаритной магнитной системы для ЯМР – анализаторов лишена многих недостатков, присущих другим моделям, используемых в настоящее время. Она обладает существенными преимуществами, обеспечивающими простоту изготовления магнитной системы, малые габариты и малый вес конструкции, недостижимые в других конструкциях магнитных систем, при высокой однородности магнитного поля и большого (относительно размеров конструкции) рабочего объема датчика ЯМР (Рис.2), так же недостижимого в других существующих магнитных системах.

Это делает магнитную систему исключительно удобной в эксплуатации (возможность создания мини- ЯМР анализаторов  с параметрами магнитной системы, характерными для других магнитных систем, но меньшую по размерам и весу). Не усложняя технологию изготовления магнитной системы, ее легко превратить из односекционной магнитной системы с одним датчиком ЯМР (Рис.2) во много секционную с несколькими датчиками ЯМР (Рис.3). Этот недостижимый для других технологий изготовления магнитных систем дает возможность существенно изменить технические возможности и круг решаемых задач с помощью мини-ЯМР анализаторов, сделав их многоканальными. 

Предлагаемая магнитная система по сравнению с вышеописанными аналогами обладает рядом преимуществ.

1. Простота конструкции (ее малогабаритность), сокращение

времени настройки и повышение устойчивости к механическим повреждениям, за счет расположения  цельных  плоскопараллельных  пластин,  собранных  в сегменты, а затем в один  компактный магнитный  блок,  что приводит к образованию однородных областей магнитного поля, удовлетворяющих условию наблюдения ядерного магнитного резонанса, по количеству равному числу  этих  пластин, минус единица.   Так между  десятью  цельными плоскопараллельными  пластинами и боковыми пластинами, собранными в один магнитный блок,     можно получить  девять  однородных областей магнитного поля, удовлетворяющих условию наблюдения ядерного магнитного резонанса, а для сравнения - из такого же  количества  цельных плоскопараллельных пластин, собранных  попарно в одном блоке,   можно  расположить  только  пять датчиков ЯМР.

2. Возможность размещения в  предлагаемой  магнитной системе

нескольких датчиков ЯМР и увеличение объема измерений, за счет создания чередующихся однородных областей магнитного поля

и увеличение  размеров однородной области магнитного поля в рабочем зазоре  каждого сегмента блока.

3. Возможность использования предлагаемой магнитной системы для многоканальных ядерных магнитных резонансов (анализаторов при массовых измерениях большого количества проб вещества), за счет возможности поддержания величины и однородности магнитного поля в рабочей области каждого датчика ЯМР.

4. Возможность автономного управления температурным режимом в каждом датчике ЯМР.

5. Сокращается время настройки  магнитной системы и повышается устойчивость к механическим воздействиям, в том числе к вибрациям, за счет  создания магнитной системы в виде блока  с жестким соединением пластин в сегменты.

Сокращение числа технических операций при изготовлении предлагаемой магнитной системы существенно снижает себестоимость ее изготовления и делает конкурентноспособной в отношении любой магнитной системы такого же класса. 

Магнитная система может быть выполнена односекционной – с одним воздушным зазором для размещения одного датчика ЯМР. Типичные размеры датчиков с рабочим объемом от 0,2 – 1 см3 до (рис.1 и рис.2) до нескольких десятков см3 (Рис. 3 )

Практическое применение этой магнитной системы позволяет расширить класс малогабаритных энергосберегающих автоматизированных приборов (мини-ЯМР анализаторов) с постоянными магнитами, и обеспечивает построение малогабаритных многоканальных  мини-ЯМР анализаторов за счет компактного размещения нескольких датчиков сигналов ЯМР в одной  малогабаритной  магнитной системе (заявка на изобретение  № 2006130581/28(033229)  «Малогабаритный ядерно-магнитный резонансный анализатор»).

Это обеспечит увеличение производительности  анализатора за счет сокращения времени анализа  в результате одновременного измерения сигналов от нескольких проб анализируемых веществ. Увеличение производительности анализа в сочетании с малыми габаритами всей конструкции, автоматизация процесса измерения  и обработки ЯМР – характеристик исследуемых веществ позволяет создавать лабораторные измерительные устройства, подобные автоматизированным многоканальным спектрофотометрам, широко используемых, например, в медицине для рутинных исследований биологических жидкостей и крови.

Для промыслово-геофизических и геологических служб нефтяной и газовой промышленности  возможно создать новый класс измерительных устройств на основе ЯМР  для изучения коллекторских свойств горных пород и свойств поровых флюидов.

Для нефтедобывающей промышленности возможно изготовление зарекомендовавших себя экспресс-анализаторов  воды и нефти, в том числе в потоке.

Для нефтеперерабатывающей промышленности – возможна разработка малогабаритных переносных анализаторов для определения фракционного состава жидкости, например, нефтепродуктов для автомобильных, авиационных бензинов и топлив, турбогенераторных двигателей, растворителей дистилляторных жидких топлив и аналогичных  нефтепродуктов, в т.ч. нефти и темных нефтепродуктов. В том числе, создание портативных устройств на основе ЯМР для определения эксплуатационных свойств автомобильных бензинов, дизельных топлив и автомобильных масел.

На базе предложенных устройств, способов и методик возможно изготовление бесконтактных расходомеров и анализаторов жидкостей в потоке. Новые элементы конструкций позволяют существенно изменить вид и технические характеристики известных подобных устройств, направленных в сторону уменьшения их габаритов и повышение помехоустойчивости.

Краткое описание предлагаемого технологического процесса

Технологический процесс изготовления экспресс- ЯМР анализаторов оставаясь в основном одинаковым для всех случаев, для отдельных блоков имеет отличия  изготовления в зависимости от назначения и специализации прибора (настольный лабораторный, переносной для полевых исследований, стационарный или проточный монтируемый в технологическую линию, погружаемый и др.).

В зависимости от назначения прибора и способа измерения  магнитная система с датчиком  ЯМР изготавливается применительно к условиям расположения анализируемой пробы исследуемого вещества в датчике.

Магнитная  система состоит из замкнутого магнитопровода, в виде каркаса, с воздушными зазорами , плоскопараллельных пластин, выполненных цельными и одинакового размера из магнитомягкого материала, боковых пластин  постоянных магнитов, выполненных толщиной 5-25 мм, боковых пластин  магнитомягкого материала, выполненных толщиной 0,5-3 мм, в виде упругого, изогнутого магнитомягкого материала. Боковые пластины   и  выполнены наборными, между пластинами  постоянных магнитов установлены, с юстировочным зазором , боковые пластины  магнитомягкого материала. Боковые пластины  постоянных магнитов и боковые пластины  магнитомягкого материала расположены с внутренней стороны двух плоскопараллельных пластин .

 Одна из цельных плоскопараллельных  пластин  предыдущего сегмента, через раздвижной упор,  соединена со следующей  цельной плоскопараллельной пластиной  и ее боковыми пластинами,  с образованием следующего сегмента.  К  боковым сторонам каждого сегмента установлены пластины радиаторов, которые  жестко соединяют  сегменты  в один   магнитный блок, имеющий форму прямоугольного параллелепипеда с постоянным магнитным полем. 

Внутри каждого   воздушного  зазора  каждого сегмента  на каждой из сторон цельных плоскопараллельных пластин  установлено устройство для коррекции магнитного поля и  теплообменник с камерой для датчиков ядерного магнитного резонанса и термодатчиков,  при этом,  теплообменник с надетым на него кожухом, и вместе с камерой, установлен в термоизолятор.  

Термопарные датчики  установлены в нижней части этой камеры теплообменника, а    в верхней части  теплообменника, на его крышке, установлены оптические волноводы для  прохождения по ним оптического излучения, с  обеих сторон теплообменника, в нижней его части, установлены оптические волноводы для инфракрасного излучения.     Нижняя часть теплообменника имеет широкое  основание, нижняя грань которого представляет собой контактную поверхность для теплообмена, а верхняя его часть выполнена в форме пустотелого цилиндра, во внутреннюю часть которого для каждого датчика ЯМР установлена камера, в которую помещается пробирка с пробой, а каркас   магнитного блока  установлен под  любым  удобным для работы углом  до 90° к горизонтальной плоскости основания, выполненного из диамагнитного материала.

Боковые пластины  постоянных магнитов  имеют   одинаковые  размеры  ( например, 50х25х10 мм)  и установлены  друг за другом  разноименными полюсами  по углам граней  цельных плоскопараллельных пластин, между гранями обращенных друг к другу  рядом расположенных пластин,    вследствие  чего,    боковые пластины постоянных магнитов  соединены между собой силой притяжения разноименных полюсов магнитов.

К боковым сторонам  каждого  сегмента  установлены пластины радиаторов, которые жестко соединяют  между собой  сегменты вместе с  цельными  плоскопараллельными пластины  и  боковыми пластинами в один компактный магнитный блок, имеющий форму прямоугольного параллелепипеда  с постоянным магнитным полем.

В воздушные зазоры  установлены теплообменники  с камерами для датчиков ядерного магнитного резонанса (ЯМР)  и термопарных датчиков.  Теплообменники  с надетыми  на них кожухами  установлены в термоизолятор.  

Внутри  воздушного зазора  каждого сегмента,  на каждой из сторон цельных плоскопараллельных пластин, собранных  по сегментам в    магнитный блок,  установлено устройство  для коррекции магнитного поля, выполненное, например,  в виде  двухсторонней    плоской   катушки   для подмагничивания,  на которое   с обеих  сторон уложен   токопроводящий материал, в виде  спирали ,  витки которой, с одной стороны  устройства     воспроизводят  форму витков  этой   же  спирали на противоположной стороне  устройства,  причем,   витки    спирали   покрыты влагостойким электроизоляционным материалом.

В нижней и верхней части теплообменников  установлены оптические волноводы для оптического и инфракрасного излучения.

Между   каркасом    и термоизолятороми  установлена вентиляционная   шахта.

Каркас магнитной системы  соединен  нижней частью  с основанием,  под  любым  удобным для работы углом  до 90° к горизонтальной плоскости    основания, которое   выполнено из диамагнитного материала для жесткости  скрепления всей конструкции устройства.

Изготовление датчиков ЯМР – 1 штука на комплект для одноканального ЯМР и N –штук для N-канального ЯМР анализатора. Преобладают токарные работы.

Изготовление приемно-передающего тракта (Рис.4). Необходима модернизация корпуса прибора. Осуществление перехода с одноканального варианта приемнопередающего тракта на многоканальный.

Рис 4. Вариант приемно-передающего тракта (а) одноканального ЯМР-анализатора и его компоненты (б) – усилитель мощности и ( в) - импульсный усилитель сигналов ЯМР

Изготовление печатных плат – 3 штуки на комплект ЯМР-анализатора

Разработка программного обеспечения для ЯМР-анализаторов.

Технология  экспресс-анализаторов осуществляется следующим образом.

Перед началом  измерения ЯМР магнитную систему настраивают на заданный температурный режим  путем пропускания охлаждающей жидкости или газа.

Одну пробу жидкости, предназначенную для измерения,  помещают в прозрачную плоскодонную пробирку, помещают ее в камеру теплообменника и поляризуют (намагничивают) однородным магнитным полем. Далее осуществляют регулировку резонансных условий. Во  всех сегментах магнитного блока, в каждом датчике ЯМР, с помощью термопарных  датчиков, в пробирке, наполненной жидкостью, устанавливают заданную температуру и с помощью датчика ЯМР проводят измерение и регистрацию сигналов ядерного магнитного резонанса, а с помощью оптических волноводов осуществляют  пропускание оптического и / или инфракрасного излучения через пробу жидкости и передают это излучение на регистрацию.      

Измеренные сигналы ЯМР, сигналы поглощения  оптического и инфракрасного излучения, прошедшие через пробу, а также температура пробы и время измерения передаются в память вычислительного устройства для хранения и дальнейшей обработки.

Технико-экономическое обоснование применения инновационной технологии

Нет аналогов магнитным системам, предназначенным для размещения в одном компактном блоке нескольких датчиков ЯМР, обеспечивающих высокую однородность магнитного поля в каждом рабочем зазоре.

Многофункциональность ЯМР-анализатора позволяет широко использовать его для анализа водород-содержащих жидкостей, выявления примесей и идентификации их при использовании соответствующих методик. Алгоритмы выполнения методик включаются в процедуру выполнения заданных действий в программном обеспечении для управления работой ЯМР-анализатора.

Научно-технические преимущества экспресс-анализатора: экспрессность и достоверность определения компонентов, устойчивость определения к влияющим факторам, полностью автоматизированная процедура измерения, программируемые последовательности операций при выполнении измерений и обработке результатов измерения.

 Анализатор может использоваться : в химической, нефтяной и нефтехимической отраслях промышленности, для контроля различных характеристик биологических систем, для оценок содержания влаги в пищевых и растительных продуктах, для контроля и управления технологическими циклами производства различных материалов и продуктов. Возможность использования в строительстве: определение влажности древесины, влияние минерального состава вод, химических добавок на образование цементного камня , определение влагосодержания почв, грунта.

В экологии: определение состава и загрязнения почв нефтепродуктами и солями металлов, анализ примесей и концентрации тяжелых металлов в жидких отходах и сточных и поверхностных водах.

В медицине: при ранней диагностике онкологических заболеваний крови и тканей; в определении состава крови, сыворотки, плазмы, спинномозговой жидкости.

В пищевой промышленности: определение жирности и содержания белков в пищевых продуктах.

Технико-экономические показатели трудо-энерго-природосбережения нового процесса

Работая с экспресс-анализатором воды и нефти (Рис.3) один оператор проводил в автоматическом режиме до 400 определений проб за сутки в непрерывном режиме. Для сравнения: при проведении анализа по ГОСТ 2477-65 (СТСЭВ 2382-80) за сутки при двусменной работе одним лаборантом  проводилось всего 8 определений. Таким образом, использование экспресс-анализатора позволило повысить производительность анализа проб в 50 раз.

Полученный экономический эффект согласно акта о внедрении  составил в ценах 1993 года 72 000 000 рублей в год.

Конструкция в изготовлении и сборке проста. При выдерживании технологии изготовления фрагментов магнитной системы во время сборки дополнительные операции по настройке однородности магнитного поля отсутствуют.

Для полного цикла изготовления магнитной системы из поставляемых постоянных магнитов под заказ отечественными производителями, требуется работники – токарь-фрезеровщик, специалист по гальванопокрытиям металлических деталей.

Новые потребительские свойства продукции

Малые габариты, многофункциональность, простота обслуживания
Удовлетворительное соотношение качество-цена

Качественные характеристики, предъявляемые к сырью и материалам

Требования в соответствии с имеющейся у автора технологией производства. Все материалы, за исключением радиодеталей – отечественного производства. В настоящее время – все комплектующие доступны на рынке России.

Стадия и уровень разработки

Простая модель мини – ЯМР анализатора готова для постановки на производство.
На основании выполненных ранее работ:
В Краснодарском диагностическом центре прибор более года (1994 год) использовался для разработки методик анализа компонентов крови, анализа бактериальных клеток и пр.
В 1993 году автором было получено Свидетельство Краснодарского ЦСМ на нестандар-тизованное средство измерения - экспресс-анализатор ЯМР.
В 1993 году в ЦНИПР НГДУ «Муравленковскнефть» была внедрена «Автоматизированная система экспрессного определения воды и нефти в водно-нефтяных смесях», разработанная под руководством автора.
В 1993 году автором для задач Всесоюзного научно-исследовательского и проектного института по креплению скважин и буровым растворам (ВНИИКРнефть) на основе методов ЯМР разработана «Методика экспрессного определения октанового числа основных (базовых) бензинов и бензинов каталитического реформинга и крекинга»,
РД 39-0147001-744-93, а так же других работ выполненных автором с инициативной группой разработчиков при финансировании разработки технологии изготовления мини –ЯМР анализатора из личных средств автора, автор проекта имеет полную технологию по изготовлению и настройке мини-ЯМР анализаторов и программное обеспечение для них.
Опытные образцы новых приборов изготовлены на средства автора и могут быть использованы для отработки промышленного образца мини-ЯМР анализатора.
Комплект схем, шаблоны печатных плат, список комплектующих (в т.ч., радиодеталей), чертежи магнитных систем, исходные модули программного обеспечения и рабочие программы – у автора имеются.

Предлагаемые инвестиции

3 млн. руб.
Вариант 1.
Инвестиции в производство мини-ЯМР анализаторов по имеющейся технической документации у автора на данный момент:
форма – любая, включая денежные средства, аренда помещений, аренда или приобретение специального оборудования
Объемы
– для постановки производства и выпуска малой серии от 10 до 50 анализаторов в год по имеющейся технологии у автора проекта - 3 млн.руб
Срок - 2 года

Вариант 2.
НИОКР и производство мини-ЯМР анализаторов на основе внедрение в производство самых последних разработок и «ноу-хау» -
по согласованию с заинтерисованными инвесторами.

Рынки сбыта

1.ЯМР-анализаторы для исследований – полнофункциональные устройства с расширенными возможностями программного обеспечения по управлению ядерной намагниченностью исследуемого вещества (расширенные возможности по формированию радиочастотных импульсных последовательностей ) и устройствами измерения и цифрового преобразования сигналов датчиков ЯМР, датчиков температуры и др., обеспечивающими полный контроль за работой устройства и возможность изменения любых параметров настройки и формирование собственных алгоритмов измерения сигналов ЯМР при задаваемых пользователем условиях
(при разных фиксированных температурах пробы вещества, разных градиентах температур и т.п., в заданные интервалы времени)
Объем – под заказ исследовательские учреждения, ВУЗы.
География – Россия, страны ближнего зарубежья.
Для перечисленных ниже типов мини-ЯМР анализаторов объем производства –в первые два года производства – от 10 до 50 приборов в год:
2.мини-ЯМР анализаторы лабораторного типа
3.мини-ЯМР анализаторы переносные, автономные для работы в полевых условиях, на борту транспортных средств.
4.мини-ЯМР анализаторы специализированные стационарные, монтируемые в технологические линии автоматизированные анализаторы контроля продукции.
5.Мини-ЯМР анализаторы расходомеры водородсодержащих жидкостей и паст.

Возможность и эффективность импортозамещения

В первую очередь за счет потенциально низкой стоимости ЯМР-анализаторов при использовании изобретения, патента № 2284599 в сравнении с другими отечественными или зарубежными аналогами и использования авторских методик измерения.

Возможность выхода на мировой рынок

Срок окупаемости (в месяцах)

24

Дата поступления материала

28.09.2006