Определение границ применимости метода Джулотто при измерениях времени продольной релаксации в ядерно-магнитных расходомерах-релаксометрах

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.

1. Gui 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.2023.110084

2. Zhang 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.2021.108766

3. Kashaev R. S., Kien N. T., Tung C. V., Kozelkov O. V., Petroleum Chemistry, 2019, vol. 59, pp. S21–S29. https://doi.org/10.1134/S0965544119130073

4. Давыдов 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.2022-6-52-59

5. Gizatullin B., Gafurov M., Murzakhanov F., Mattea C., Stapf S., Langmuir, 2021, vol. 37(22), pp. 6783–6791. https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.1c00882

6. Safiullin 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.2021.110010

7. Marusina M. Y., Karaseva E. A., Asian Pacific Journal of Cancer Prevention, 2018, vol. 19(10), 2771. https://doi.org/10.22034/APJCP.2018.19.10.2771

8. Gizatullin 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.8b02507

9. Кашаев 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.

10. O’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.2017.10.004

11. Кашаев 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.

12. 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-PA

13. Давыдов 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.2022-4-49-58

14. Жерновой А. И., Дьяченко С. В. О выполнении закона Кюри в магнитных жидкостях // Известия вузов. Физика. 2015. Т. 58. № 1. С. 132–136.

15. Марусина 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/seddyr

16. Давыдов В. В. О некоторых особенностях исследования ядерным магнитным резонансом потоков жидких сред // Оптика и спектроскопия. 2016. Т. 121. № 1. С. 20–27.

17. Leshe A., Nuclear induction, Berlin, Veb Deutscher Verlag Der Wissenschaften, 1963, 514 p. (In German)

18. 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/torcyd

19. Давыдов 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.

20. 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.)

21. 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.

22. Abragam A., The principles of nuclear magnetism, UK, Oxford at the Clarendon Press, 1961, 646 p.

23. Jacobsohn B. A., Wangsness R. K., Physical Review, 1948, vol. 73(9), pp. 942–948. https://doi.org/10.1103/PhysRev.73.942

24. Bene G. J., Proton relaxation in water-alcohol solution, Helvetica Physics Acta, 1951, vol. 24, pp. 367–376.