izmertechИзмерительная техникаIzmeritel`naya Tekhnika0368-10252949-5237ФГУП "ВНИИФТРИ"10.32446/0368-1025it.2023-12-54-62izmertech-2057Research ArticleЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯELECTROMAGNETIC MEASUREMENTSОпределение границ применимости метода Джулотто при измерениях времени продольной релаксации в ядерно-магнитных расходомерах-релаксометрахDetermination of application boundaries to Giulotto method to during measuring of longitudinal relaxation time in nuclear magnetic flowmeters-relaxometershttps://orcid.org/0000-0001-9530-4805ДавыдовВ. В.DavydovV. V.

Давыдов Вадим Владимирович - профессор Высшей школы прикладной физики и космических технологий.

Санкт-Петербург

Vadim V. Davydov.

St. Petersburg

davydov_vadim66@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-1573-4619ГольдбергА. А.Gol’dbergA. A.

Гольдберг Артемий Александрович.

Санкт-Петербург

Artemiy A. Gol’dberg.

St. Petersburg

artemiy.goldberg@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-8924-5033ДудкинВ. И.DudkinV. I.

Дудкин Валентин Иванович.

Санкт-Петербург

Valentin I. Dudkin.

St. Petersburg

vidoodkin@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-1958-4221ДавыдовР. В.DavydovR. V.

Давыдов Роман Вадимович.

Санкт-Петербург

Roman V. Davydov.

St. Petersburg

davydovroman@outlook.comСанкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого; Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-БруевичаРоссияPeter the Great Saint Petersburg Polytechnic University; The Bonch-Bruevich State University of TelecommunicationRussian FederationСанкт-Петербургский политехнический университет Петра ВеликогоРоссияPeter the Great Saint Petersburg Polytechnic UniversityRussian FederationСанкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-БруевичаРоссияThe Bonch-Bruevich State University of TelecommunicationRussian Federation2023300120240125462Copyright © ФГУП "ВНИИФТРИ", 20242024ФГУП "ВНИИФТРИ"ФГУП "ВНИИФТРИ"https://www.izmt.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.izmt.ru/jour/article/view/2057

Описаны наиболее распространённый в настоящее время при исследованиях и контроле параметров конденсированных сред метод ядерного магнитного резонанса и реализующие данный метод ядерно-магнитные расходомеры-релаксометры. Установлены особенности определения времён продольной и поперечной релаксаций в ядерно-магнитных расходомерах-релаксометрах в различных режимах течения среды при контроле её параметров. Отмечены преимущества модуляционной методики регистрации сигнала в ядерно-магнитных расходомерах-релаксометрах по сравнению с другими методами регистрации. С использованием различных приближений методом Джулотто из уравнений Блоха получено соотношение для определения времени продольной релаксации по результатам измерений двух значений амплитуд сигнала ядерного магнитного резонанса или резонансных частот на разных частотах модуляции. Экспериментально доказано, что данное соотношение имеет ряд ограничений при применении для текущей жидкости. Указанные ограничения связаны со способом регистрации сигналов ядерного магнитного резонанса и возможностью их формирования на различных частотах модуляции постоянного магнитного поля, причём амплитуды сигналов различаются между собой за пределами погрешности измерения. Установлены причины, приведшие к такому расхождению в соотношении определения времени продольной релаксации. Найдены границы применимости полученного соотношения и экспериментально доказано, что в этих пределах его можно использовать для достоверных измерений констант релаксации. На основе экспериментальных данных исследовано соотношение для определения времени продольной релаксации. Доказано, что в ряде случаев невозможно определить искомое время с помощью указанного соотношения, хотя сигналы ядерного магнитного резонанса текущей жидкости регистрируются и она имеет времена релаксации. Полученные результаты позволяют исключить ошибки при использовании метода ядерного магнитного резонанса для исследования текущих жидкостей и решения ряда сложных задач в энергетической, нефтяной, химической и фармацевтической промышленности.

The method of nuclear magnetic resonance, which is currently the most common in research and control of parameters of condensed matter, and the nuclear magnetic flowmeters-relaxometers that implement this method are described. The features of determining the times of longitudinal and transverse relaxation in nuclear magnetic flowmeters-relaxometers under different flow regimes of the medium in the process of monitoring its parameters have been established. The advantages of using a modulation technique for recording nuclear magnetic signals in flowmeters-relaxometers in comparison with other registration methods are noted. Using various approximations by the Giulotto method from the Bloch equations, a relation was obtained to determine the longitudinal relaxation time from the results of two measurements of the amplitudes of the nuclear magnetic resonance signal or resonant frequencies at different modulation frequencies. It has been experimentally proven that this relationship has a number of restrictions on its application for flowing liquid. These limitations are associated both with the technique of recording nuclear magnetic resonance signals and with the ability to generate such signals at different modulation frequencies of a constant magnetic field, the amplitudes of which differ from each other beyond the measurement error. The reasons that led to this discrepancy in the ratio for determining the time of longitudinal relaxation have been established. The limits of applicability of the obtained relation are found and it is experimentally proven that within these limits this relation can be used for reliable measurements of relaxation constants. Using experimental data, the relationship for determining the longitudinal relaxation time was studied. It has been proven that in a number of cases it is impossible to determine the desired value using the indicated relationship, although nuclear magnetic resonance signals of the current medium are recorded, and the medium has relaxation times. The results obtained make it possible to eliminate errors when using the nuclear magnetic resonance method to study flowing media and solve a number of complex problems in the energy, oil, chemical and pharmaceutical industries.

ядерно-магнитный резонанссигнал ядерного магнитного резонансатекущая жидкостьмодуляционная методикаядерно-магнитный расходомер-релаксометруравнения Блохавремя продольной релаксациивремя поперечной релаксациичастота модуляцииотношение сигнал-шумпогрешность измеренияnuclear magnetic resonancesignal of nuclear magnetic resonanceflowing liquidmodulation techniquenuclear magnetic flowmeter-relaxometerBloch equationslongitudinal relaxation timetransverse relaxation timemodulation frequencysignal-to-noise ratiomeasurement errorReferencesGui M., Shan J., Liu Y., Wu P., Liang Y., Zhang F., Annals Nuclear Energy, 2023, vol. 194, 110084. https://doi.org/10.1016/j.anucene.2023.110084Gui M., Shan J., Liu Y., Wu P., Liang Y., Zhang F., Annals Nuclear Energy, 2023, vol. 194, 110084. https://doi.org/10.1016/j.anucene.2023.110084Zhang Z., Liu H., Song T., Zhang Q., Yang L., Bi K., Annals Nuclear Energy, 2022, vol. 165, 108766. https://doi.org/10.1016/j.anucene.2021.108766Zhang Z., Liu H., Song T., Zhang Q., Yang L., Bi K., Annals Nuclear Energy, 2022, vol. 165, 108766. https://doi.org/10.1016/j.anucene.2021.108766Kashaev R. S., Kien N. T., Tung C. V., Kozelkov O. V., Petroleum Chemistry, 2019, vol. 59, pp. S21–S29. https://doi.org/10.1134/S0965544119130073Kashaev R. S., Kien N. T., Tung C. V., Kozelkov O. V., Petroleum Chemistry, 2019, vol. 59, pp. S21–S29. https://doi.org/10.1134/S0965544119130073Давыдов В. В., Мязин Н. С., Давыдов Р. В. Мультифазный ядерно-магнитный расходомер-релаксометр для контроля состояния и быстроменяющихся расходов нефтяных смесей // Измерительная техника. 2022. № 6. С. 52–59. https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2022-6-52-59Davydov V. V., Myazin N. S., Davydov R. V., Measurement Techniques, 2022, vol. 65, no. 6, pp. 444–452. https://doi.org/10.1007/s11018-022-02103-7Gizatullin B., Gafurov M., Murzakhanov F., Mattea C., Stapf S., Langmuir, 2021, vol. 37(22), pp. 6783–6791. https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.1c00882Gizatullin B., Gafurov M., Murzakhanov F., Mattea C., Stapf S., Langmuir, 2021, vol. 37(22), pp. 6783–6791. https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.1c00882Safiullin K., Kuzmin V., Bogaychuk A., Klochkov A., Tagirov M., Journal of Petroleum Science and Engineering, 2022, vol. 210, 110010. https://doi.org/10.1016/j.petrol.2021.110010Safiullin K., Kuzmin V., Bogaychuk A., Klochkov A., Tagirov M., Journal of Petroleum Science and Engineering, 2022, vol. 210, 110010. https://doi.org/10.1016/j.petrol.2021.110010Marusina M. Y., Karaseva E. A., Asian Pacific Journal of Cancer Prevention, 2018, vol. 19(10), 2771. https://doi.org/10.22034/APJCP.2018.19.10.2771Marusina M. Y., Karaseva E. A., Asian Pacific Journal of Cancer Prevention, 2018, vol. 19(10), 2771. https://doi.org/10.22034/APJCP.2018.19.10.2771Gizatullin B., Gafurov M., Rodionov A., Stapf S., Orlinskii S., Energy and Fuels, 2018, vol. 32(12), pp. 11261–11268. https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.8b02507Gizatullin B., Gafurov M., Rodionov A., Stapf S., Orlinskii S., Energy and Fuels, 2018, vol. 32(12), pp. 11261–11268. https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.8b02507Кашаев Р. С., Киен Н. Т., Тунг Ч. В., Козелков О. В. Экспресс-методы протонной магнитной резонансной релаксометрии определения вязкости и концентрации асфальтенов в нефти // Журнал прикладной спектроскопии. 2019. Т. 86. № 5. С. 807–812.Kashaev R. S., Kien N. C., Tung T. V., Kozelkov O. V., Journal of Applied Spectroscopy, 2019, vol. 86(5), pp. 890–895. https://doi.org/10.1007/s10812-019-00911-4O’Neill K.T., Klotz A., Stanwix P. L. et al., Flow Measurement and Instrumentation, 2017, vol. 58, pp. 104–111. https://doi.org/10.1016/j.flowmeasinst.2017.10.004O’Neill K.T., Klotz A., Stanwix P. L. et al., Flow Measurement and Instrumentation, 2017, vol. 58, pp. 104–111. https://doi.org/10.1016/j.flowmeasinst.2017.10.004Кашаев Р. С., Сунцов И. А., Тунг Ч. В., Киен Н. Т., Усачев А. Е., Козелков О. В. Экспресс-метод и аппаратура протонного магнитного резонанса для измерения плотности и молекулярной массы нефти // Журнал прикладной спектроскопии. 2019. Т. 86. № 2. С. 277–282.Kashaev R. S., Suntsov I. A., Tung C. V., Usachev A. E., Kozelkov O. V., Journal of Applied Spectroscopy, 2019, vol. 86(2), pp. 289–293. https://doi.org/10.1007/s10812-019-00814-4Zargar M., Johns M. L., Aljindan J. M., Noui-Mehidi M. N., O’Neill K. T., SPE Production & Operations, 2021, vol. 36(2), pp. 423–436. https://doi.org/10.2118/205351-PAZargar M., Johns M. L., Aljindan J. M., Noui-Mehidi M. N., O’Neill K. T., SPE Production & Operations, 2021, vol. 36(2), pp. 423–436. https://doi.org/10.2118/205351-PAДавыдов В. В., Мязин Н. С., Давыдов Р. В. Ядерно-магнитный расходомер-релаксометр для контроля расхода и состояния теплоносителя в первом контуре ядерного реактора подвижного объекта // Измерительная техника. 2022. № 4. С. 49–58. https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2022-4-49-58Davydov V. V., Myazin N. S., Davydov R. V., Measurement Techniques, 2022, vol. 65, no. 4, pp. 279–289. https://doi.org/10.1007/s11018-022-02080-xЖерновой А. И., Дьяченко С. В. О выполнении закона Кюри в магнитных жидкостях // Известия вузов. Физика. 2015. Т. 58. № 1. С. 132–136.Zhernovoi A. I., Dyachenko S. V., Russian Physics Journal, 2015, vol. 58(1), pp. 133–137. https://doi.org/10.1007/s11182-015-0472-2Марусина М. Я., Базаров Б. А., Галайдин П. А., Марусин Н. П., Силаев А. А., Закемовская Ю. Е., Мустафаев Ю. Н. Синтез градиентной системы мультифазного расходомера // Измерительная техника. 2014. № 5. С. 68–72. https://www.elibrary.ru/seddyrMarusina M. Y., Bazarov B. A., Galaidin P. A. et al., Measurement Techniques, 2014, vol. 57, no. 5, pp. 580–586. https://doi.org/10.1007/s11018-014-0501-5Давыдов В. В. О некоторых особенностях исследования ядерным магнитным резонансом потоков жидких сред // Оптика и спектроскопия. 2016. Т. 121. № 1. С. 20–27.Davydov V. V. Optics and Spectroscopy (English translation of Optika i Spektroskopiya), 2016, vol. 121(1), pp. 18–24. https://doi.org/10.1134/S0030400X16070092Leshe A., Nuclear induction, Berlin, Veb Deutscher Verlag Der Wissenschaften, 1963, 514 p. (In German)Leshe A., Nuclear induction, Berlin, Veb Deutscher Verlag Der Wissenschaften, 1963, 514 p. (In German)Давыдов В. В., Дудкин В. И., Карсеев А. Ю. Малогабаритный меточный ядерно-магнитный расходомер для измерения быстроменяющихся расходов жидкости // Измерительная техника. 2015. № 3. С. 48–51. https://www.elibrary.ru/torcydDavydov V. V., Dudkin V. I., Karseev A. Y., Measurement Techniques, 2015, vol. 58, no. 3, рр. 317–322. https://doi.org/10.1007/s11018-015-0707-1Давыдов В. В., Мязин Н. С., Дудкин В. И., Давыдов В. В. Определение времени продольной релаксации текущей жидкости ядерным магнитным спектрометром дифференциального типа // Письма в журнал технической физики. 2020. Т. 46. № 22. С. 46–50.Davydov V. V., Myazin N. S., Dudkin V. I., Davydov R. V., Technical Physics Letters, 2020, vol. 46(11), pp. 1147–1151. https://doi.org/10.1134/S1063785020110188Chiarotti G., Cristiani G., Giulotto L., Lanzi G., A nuclear inductor for measurements of thermal relaxation times in liquids, II Nuovo Cimento, 1954, vol. 12(4), pp. 519–525. (In Ital.)Chiarotti G., Cristiani G., Giulotto L., Lanzi G., A nuclear inductor for measurements of thermal relaxation times in liquids, II Nuovo Cimento, 1954, vol. 12(4), pp. 519–525. (In Ital.)Давыдов В. В., Дудкин В. И., Карсеев А. Ю. Двухканальный нутационный ЯМР-магнитометр для дистанционного контроля индукции магнитного поля // Приборы и техника эксперимента. 2015. № 6. С. 84–90.Davydov V. V., Dudkin V. I., Karseev A. Yu., Instruments and Experimental Techniques, 2015, vol. 58(6), pp. 787–793. https://doi.org/10.1134/S0020441215060056Abragam A., The principles of nuclear magnetism, UK, Oxford at the Clarendon Press, 1961, 646 p.Abragam A., The principles of nuclear magnetism, UK, Oxford at the Clarendon Press, 1961, 646 p.Jacobsohn B. A., Wangsness R. K., Physical Review, 1948, vol. 73(9), pp. 942–948. https://doi.org/10.1103/PhysRev.73.942Jacobsohn B. A., Wangsness R. K., Physical Review, 1948, vol. 73(9), pp. 942–948. https://doi.org/10.1103/PhysRev.73.942Bene G. J., Proton relaxation in water-alcohol solution, Helvetica Physics Acta, 1951, vol. 24, pp. 367–376.Bene G. J., Proton relaxation in water-alcohol solution, Helvetica Physics Acta, 1951, vol. 24, pp. 367–376.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.