Способ измерения термодинамической температуры



Способ измерения термодинамической температуры

 


Владельцы патента RU 2528031:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)" (RU)

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 L a ( ξ ) , ( 1 )

где JH - 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 Ввнеш, 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 JH.

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 Ввнеш, 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 Ввнеш 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/γH, B=F2/γB, где γH=53,4 Гц м/А и γB=4,26*107 Гц/Тл - гиромагнитные отношения. Намагниченность термометрического вещества определялась по формуле:

J = B / μ 0 H = ( F 2 F 1 ) / γ H . ( 2 )

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 Ввнеш 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 JH=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 Ввнеш намагниченность, определяемая по формуле(2), становилась меньше J0. Увеличением Ввнеш 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.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к технической физике и может быть использовано при определении температурной зависимости вязкости высокотемпературных металлических ферромагнетиков - сплавов на основе Fe, Co, Ni.

Изобретение относится к области температурного контроля, основанного на измерении магнитных свойств материала в условиях повышенных температур. .

Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано для одновременного дистанционного измерения давления и температуры. .

Изобретение относится к контролю температуры и может быть использовано для сигнализации о достижении объектом заданной температуры. .

Изобретение относится к измерению и контролю температуры и может быть использовано для визуальной и автоматической сигнализации о достижении объектом контроля заданной температуры в различных условиях эксплуатации.

Изобретение относится к теплотехнике и позволяет повысить надежность контроля температуры. .

Изобретение относится к измерительной технике, может найти применение, в частности, в системах контроля и автоматического регулирования температурных режимов непрерывных процессов термообработки стальной проволоки и позволяет повысить точность измерений.
Наверх