izmertechИзмерительная техникаIzmeritel`naya Tekhnika0368-10252949-5237ФГУП "ВНИИФТРИ"10.32446/0368-1025it.2023-11-58-65izmertech-2061Research ArticleЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯELECTROMAGNETIC MEASUREMENTSМетод измерения расхода жидкости в ядерно-магнитных расходомерах-релаксометрахMethod of liquid consumption measuring in nuclear magnetic flowmeters-relaxometershttps://orcid.org/0000-0001-9530-4805ДавыдовВ. В.DavydovVadim V.

Вадим Владимирович Давыдов

Санкт-Петербург

Vadim V. Davydov

St. Petersburg

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

Артемий Александрович Гольдберг

Санкт-Петербург

Artemiy A. Gol’dberg

St. Petersburg

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

Валентин Иванович Дудкин

Санкт-Петербург

Valentin I. Dudkin

St. Petersburg

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

Роман Вадимович Давыдов

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 FederationСанкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого; Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича; Алферовский университетРоссияPeter the Great Saint Petersburg Polytechnic University; The Bonch-Bruevich State University of Telecommunication; Alferov UniversityRussian Federation2023081220230115865Copyright © ФГУП "ВНИИФТРИ", 20232023ФГУП "ВНИИФТРИ"ФГУП "ВНИИФТРИ"https://www.izmt.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.izmt.ru/jour/article/view/2061

Обоснована необходимость расширения функциональных возможностей систем контроля параметров потока жидких сред. Отмечены преимущества применения для такого контроля измерителей на основе явления ядерного магнитного резонанса. Рассмотрены проблемы, которые возникают при эксплуатации ядерно-магнитных расходомеров-релаксометров, работающих в двух режимах измерения (импульсном и с периодической модуляцией магнитного поля в системе регистрации сигнала ядерного магнитного резонанса). Отмечено, что основная проблема при эксплуатации этих приборов связана с увеличением погрешности измерения расхода жидкости или прекращением процесса его измерения при быстрых изменениях потока жидкости. Описан режим магнитной метки, который позволяет решить данную проблему, но существенно ограничивает возможности применения ядерно-магнитных расходомеров-релаксометров для контроля параметров смесей жидкостей или при большом увеличении температуры текущей среды. Предложен метод создания магнитной метки на уровне шумов для измерения расхода жидкости. В разработанном методе изменение состава текущей среды или замена жидкости не оказывает существенного влияния на формирование в сильном неоднородном магнитном поле магнитной метки – её значение находится на уровне шумов (амплитуда шума выше амплитуды сигнала в несколько раз). Представлены результаты экспериментальных исследований линии нутации при изменении градиента магнитного поля. Разработана математическая модель на основе модифицированных уравнений Блоха и установлены соотношения между параметрами магнитных полей для реализации режима магнитной метки в сигнале ядерного магнитного резонанса с инверсией намагниченности на уровне шумов. Использование предложенного метода позволяет сделать несущественным влияние быстрых изменений (в 10 и более раз) расхода жидкости на погрешность его измерения.

The need to expand the functionality of systems for monitoring the parameters of the flow of liquid media is substantiated. The advantages of using meters based on the phenomenon of nuclear magnetic resonance to control the parameters of the flow of liquid media are noted. Let us consider the problems that arise during the operation of nuclear magnetic flowmeters-relaxometers operating in two measurement modes (pulse and with periodic modulation of the magnetic field in the nuclear magnetic resonance signal recording system - modulation technique). It is noted that the main problem in the operation of these devices is associated with an increase in the error in measuring liquid flow or the termination of its measurement process with rapid changes in liquid flow. The use of a magnetic tag mode, which allows us to solve this problem, significantly limits the possibilities of using nuclear magnetic resonance flowmeters-relaxometers when used to monitor the parameters of other liquids or with a large increase in the temperature of the flowing medium. A method for creating a magnetic mark at the noise level for measuring liquid flow is proposed. In the method, changing the composition of the flowing medium (including the liquid itself) does not have a significant effect on the formation of a magnetic mark at the noise level in a strong inhomogeneous magnetic field. The results of experimental studies of the nutation line from changes in magnetic field inhomogeneity are presented. A mathematical model has been developed based on the modified Bloch equations and relationships between the magnetic field parameters have been established to implement the magnetic mark mode in the nuclear magnetic resonance signal with magnetization inversion at the noise level. The use of a method makes it possible to make the influence of rapid changes in the value of liquid flow (by a factor of 10 or more) on the flow measurement error insignificant.

ядерный магнитный резонансмагнитное поленамагниченностьтекущая средарасходмагнитная меткалиния нутацииградиентотношение сигнал/шумпогрешность измеренияnuclear magnetic resonancemagnetic fieldmagnetizationflowing mediumconsumptionmagnetic marknutation linegradientsignal-to-noise ratiomeasurement errorReferencesDavydov V., Gureeva I., Davydov R., Dudkin V., Energies, 2022, vol. 15(2), 457. https://doi.org/10.3390/en15020457Davydov V., Gureeva I., Davydov R., Dudkin V., Energies, 2022, vol. 15(2), 457. https://doi.org/10.3390/en15020457Gui 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/S0965544119130073Safi ullin 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.2021.110010Safi ullin 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.2021.110010Кашаев 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.2017.10.004Давыдов В. В., Мязин Н. С., Давыдов Р. В. Мультифазный ядерно-мвгнитный 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.1c00882Давыдов 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-xКашаев 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/s10812-019-00814-4 ]Zargar 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-PASahu S., Prajapati A., Kumar M., Bhattacharyay R., Flow Measurement and Instrumentation, 2019, vol. 66, pp. 190–199. https://doi.org/10.1016/j.flowmeasinst.2019.03.008Sahu S., Prajapati A., Kumar M., Bhattacharyay R., Flow Measurement and Instrumentation, 2019, vol. 66, pp. 190–199. https://doi.org/10.1016/j.flowmeasinst.2019.03.008Жерновой 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.10.1007/s11182-015-0472-2Давыдов В. В., Дудкин В. И., Карсеев А. Ю., Вологдин В. А. Особенности применения метода ядерно-магнитной спектроскопии для исследования потоков жидких сред // Журнал прикладной спектроскопии. 2015. Т. 82. № 5. С. 936–942Davydov V. V., Dudkin V. I., Karseev A. Yu., Vologdin V. A., Journal of Applied Spectroscopy, 2015, vol. 82, no. 6, pp. 1013–1019. https://doi.org/10.1007/s10812-016-0220-6Давыдов В. В., Дудкин В. И., Карсеев А. Ю. Управление контуром линии нутации в ядерно-магнитных расходомерах // Известия вузов. Физика. 2015. Т. 58. № 2. С. 8–13.Davydov V. V., Dudkin V. I., Karseev A. Yu., Russian Physics Journal, 2015, vol. 58(2), pp. 146–152. https://doi.org/10.1007/s11182-015-0475-zДавыдов 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/S0020441215060056Давыдов В. В., Дудкин В. И., Величко Е. Н. Методика измерения чувствительности ядерно-резонансных магнитометров с текущей жидкостью // Измерительная техника. 2016. № 2. С. 50–54. https://elibrary.ru/vtytdxDavydov V. V., Dudkin V. I., Velichko E. N., Measurement Techniques, 2016, vol. 59, no. 2, pp. 176–182. https://doi.org/10.1007/s11018-016-0938-9Алексеев П. Н., Гагаринский А. Ю., Калугин М. А., Фомиченко П. А., Асмолов В. Г. К стратегии развития ядерной энергетики в России // Атомная энергия. 2019. Т. 126. № 4. С. 183–187.Alekseev P. N., Gagarinskii A. Y., Kalugin M. A., Fomichenko P. A., Asmolov V. G., Atomic Energy, 2019, vol. 126(4), pp. 207–212. https://doi.org/10.1007/s10512-019-00538-wАдамов Е. О., Иванов В. К., Мачалов Ю. С., Лачканов Е. В., Орлов А. И. К вопросу о различных подходах к национальной стратегии развития ядерной энергетики // Атомная энергия. 2022. Т. 132. № 3. С. 131–141.Adamov E. O., Ivanov V. K., Mochalov Y. S., Lachkanov E. V., Orlov A. I., Atomic Energy, 2022, vol. 132(3), pp. 133–142. https://doi.org/10.1007/s10512-023-00916-5Bloch F., Physical Review, 1946, vol. 7 0(7), pp. 460–474. https://doi.org/10.1103/PhysRev.70.474Bloch F., Physical Review, 1946, vol. 7 0(7), pp. 460–474. https://doi.org/10.1103/PhysRev.70.474Bloch F., Wangsness R. K., Physical Review, 1950, vol. 78(1), pp. 82–89. https://doi.org/10.1103/PhysRev.89.728Bloch F., Wangsness R. K., Physical Review, 1950, vol. 78(1), pp. 82–89. https://doi.org/10.1103/PhysRev.89.728

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