Способ измерения термодинамической температуры

Предложен способ измерения термодинамической температуры. В способе определяют намагниченность суспензии суперпарамагнитных наночастиц. Намагниченность суспензии поддерживают постоянной, а температуру находят по значению магнитной индукции внутри суспензии. Техническим результатом является повышение точности измерения температуры. 1 ил.

 

Изобретение относится к области метрологии и может быть применено для создания образцовых измерителей термодинамической температуры, а также для измерения термодинамической температуры в областях науки и техники, где применение измерителей температуры других типов затруднено.

Известен магнитный способ измерения температуры путем определения по амплитуде сигнала ЯМР при измеряемой температуре T намагниченности J термометрического вещества в виде диамагнитного металла (меди, платины), помещенного в магнитное поле с постоянной индукцией В (Спр. Температурные измерения. Киев. Наукова думка, 1989, 703 с.). По намагниченности и индукции находят магнитную восприимчивость χ=J/B, которая по закону Кюри обратно пропорциональна T: χ=С/Т (C - константа Кюри). По найденному значению магнитной восприимчивости можно найти измеряемую температуру: T=С/χ. Для этого нужно заранее определить константу Кюри C=J₀T₀/B, измерив намагниченность J₀ при известной температуре тройной точки воды (Т₀=273,16К). Однако намагниченность диамагнитного металла при температуре T₀ и при индукциях B, при которых выполняется закон Кюри, настолько мала, что измерение намагниченности при температуре тройной точки воды невозможно из-за малой амплитуды сигнала ЯМР, поэтому константа Кюри определяется теоретически с малой точностью. Это делает способ неприменимым для измерения термодинамической температуры. В этом недостаток способа. Этот способ может быть принят за прототип.

Для устранения указанного недостатка прототипа в предлагаемом способе измерения термодинамической температуры путем определения намагниченности суспензии суперпарамагнитных наночастиц, для нахождения температуры используется не закон Кюри, а закон Ланжевена. Закон Ланжевена справедлив в широком диапазоне индукций магнитного поля, поэтому суспензию суперпарамагнитных наночастиц можно помещать в поле со значительно большей индукцией, чем при использовании закона Кюри. В результате намагниченность суспензии значительно больше, что повышает точность ее измерения, а это на несколько порядков повышает точность определения температуры. Согласно закону Ланжевена, намагниченность J суспензии суперпарамагнитных наночастиц определяется выражением:

$$J=J_{H}La\left(\xi \right),\left(1\right)$$

где J_H - намагниченность насыщения, La - функция Ланжевена, ξ=pB/kT - параметр Ланжевена, связывающий намагниченность суспензии с отношением индукции магнитного поля внутри суспензии В к термодинамической температуре T (p - магнитный момент наночастицы, k - постоянная Больцмана).

Для пояснения сущности предлагаемого способа на рисунке 1 приведена построенная по выражению (1) зависимость намагниченности суспензии J от отношения индукции внутреннего магнитного поля B к термодинамической температуре T. Из рисунка 1 видно, что при увеличении температуры намагниченность J уменьшается, а при увеличении индукции B увеличивается. Если при изменении температуры менять индукцию внутреннего магнитного поля B так, чтобы значение J сохранялось постоянным, то сохраняется постоянным отношение B/T, от которого зависит параметр Ланжевена ξ, однозначно определяющий значение J. Определив заранее при реперной температуре абсолютной термодинамической шкалы T₀=273,16 K индукцию внутреннего магнитного поля B=B₀, при которой намагниченность суспензии имеет заданное значение J₀, и установив при некоторой измеряемой температуре T₁ индукцию внутреннего магнитного поля B₁, при которой получается такая же намагниченность суспензии J=J₀, можно найти температуру T₁ по формуле: T₁=B₁T₀/B₀. Изменение индукции внутреннего магнитного поля B при установке ее значения B=B₁, удовлетворяющего условию J=J₀, производится изменением индукции внешнего магнитного поля В_внеш, в котором находится термометрическое вещество. Намагниченность J₀ выбирается из условия получения минимальных погрешностей при экспериментальной установке значения намагниченности J=J₀ и определении при этом значении намагниченности индукций внутреннего магнитного поля B₀ и B₁. Это условие выполняется при максимальном значении произведения магнитной индукции B на производную намагниченности по магнитной индукции. Согласно этому условию, намагниченность J₀ должна составлять 0,5 от намагниченности насыщения J_H.

ПРИМЕР ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПОСОБА

Для осуществления способа было применено термометрическое вещество в виде коллоидного раствора наночастиц магнетита в воде со стабилизатором на основе олеиновой кислоты. Концентрация раствора 2,7 объемных %, магнитный момент наночастиц 7*10^-19 Ам². Термометрическое вещество помещалось в первичный преобразователь в виде двух цилиндрических контейнеров диаметром 20 и высотой 40 мм, расположенных параллельно на расстоянии 4 мм друг от друга во внешнем магнитном поле с индукцией В_внеш, создаваемом системой постоянных магнитов. Для измерения индукции B и напряженности Н внутри термометрического вещества в зазоре между цилиндрами расположена радиочастотная катушка 1 для измерения внутренней напряженности Н, а вблизи боковой поверхности одного из цилиндров со стороны нормальной индукции внешнего магнитного поля В_внеш расположена радиочастотная катушка 2 для измерения внутренней индукции В. Катушки заполнены протоносодержащим веществом и присоединены к измерителю магнитного поля методом ЯМР. Значения внутренней напряженности Н и внутренней индукции B определяются по частотам ЯМР в катушках 1 и 2 (F1 и F2) по формулам: Н=F1/γ_H, B=F2/γ_B, где γ_H=53,4 Гц м/А и γ_B=4,26*10⁷ Гц/Тл - гиромагнитные отношения. Намагниченность термометрического вещества определялась по формуле:

$$J=B/{\mu }_0-H=\left(F2-F1\right)/{\gamma }_H.\left(2\right)$$

Первичный преобразователь помещался в термостат с регулируемой температурой, в котором устанавливалась и поддерживалась температура таяния льда при нормальном атмосферном давлении T₀=273,15 К. При этой температуре индукция внешнего магнитного поля В_внеш устанавливалась такой, при которой определяемая измерением индукции B и напряженности H внутреннего магнитного поля и рассчитываемая по формуле (2) намагниченность термометрического вещества J=J₀ составляла 0,5 от его намагниченности насыщения J_H=8100 А/м, определенной ранее в работе (А.И.Жерновой, В.Н.Наумов, Ю.Р.Рудаков, Научное приборостроение, 2008, том 18, №2, с.33-38). При этом индукция внутреннего магнитного поля, определяемая по частоте F2, равнялась некоторой величине B=B₀. После этого в термостате устанавливалась и поддерживалась более высокая температура Т₁=300 К. При этой температуре и прежней индукции внешнего магнитного поля В_внеш намагниченность, определяемая по формуле(2), становилась меньше J₀. Увеличением В_внеш она вновь делалась равной J₀. При этом индукция внутреннего магнитного поля, определяемая по частоте F2, возрастала до значения B=B₀. По значению B₁ определялась температура T₁: T₁=T₀B₁/B₀. Опыты показали, что измеренная таким способом температура совпадала в пределах погрешности с температурой, поддерживаемой в термостате, которая контролировалась ртутным термометром класса 0,5.

Способ измерения термодинамической температуры путем определения намагниченности суспензии суперпарамагнитных наночастиц, отличающийся тем, что намагниченность суспензии поддерживают постоянной, а температуру находят по значению магнитной индукции внутри суспензии.