Метод измерения расхода жидкости в ядерно-магнитных расходомерах-релаксометрах

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.

1. Davydov V., Gureeva I., Davydov R., Dudkin V., Energies, 2022, vol. 15(2), 457. https://doi.org/10.3390/en15020457

2. 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

3. 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

4. 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

5. Safi 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.2021.110010

6. 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.

7. 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

8. Давыдов 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.2022-6-52-59

9. 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

10. 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

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. Sahu S., Prajapati A., Kumar M., Bhattacharyay R., Flow Measurement and Instrumentation, 2019, vol. 66, pp. 190–199. https://doi.org/10.1016/j.flowmeasinst.2019.03.008

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. Давыдов 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. 936–942

16. Давыдов 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.

17. 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.

18. Давыдов 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/vtytdx

19. Алексеев 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.

20. Адамов 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.

21. Bloch F., Physical Review, 1946, vol. 7 0(7), pp. 460–474. https://doi.org/10.1103/PhysRev.70.474

22. Bloch F., Wangsness R. K., Physical Review, 1950, vol. 78(1), pp. 82–89. https://doi.org/10.1103/PhysRev.89.728