Магнитный способ измерения термодинамической температуры в энергетических единицах

Изобретение относится к способам измерения температуры в энергетических единицах. В качестве датчика температуры используют контейнеры, заполненные коллоидным раствором однодоменных ферромагнитных наночастиц. Между контейнерами, а также у боковой поверхности одного из них располагают датчики ЯМР. Указанные контейнеры помещают в постоянное магнитное поле. Далее на основании полученных с помощью датчиков ЯМР значений частот f1и f2 ядерного магнитного резонанса вычисляют значения намагниченности М и намагниченности насыщения Мнас. Дополнительно воздействуя на коллоидный раствор радиочастотным магнитным полем, определяют резонансную частоту этого поля Fpeз, при которой происходит уменьшение намагниченности М. Температуру коллоидного раствора в энергетических единицах определяют по формуле T=hFpeзM/3Мнас, где h - постоянная Планка. Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности измерения температуры в энергетических единицах без использования реперной точки термодинамической температурной шкалы.

 

Изобретение предназначается для измерения температуры в джоулях без сравнения с температурой тройной точки воды. Оно может быть использовано в метрологии для уточнения реперных точек практической термодинамической температурной шкалы, а также в различных областях науки и техники для создания термометрической аппаратуры.

Известен способ измерения термодинамической температуры, основанный на измерении намагниченности М дисперсии однодоменных ферромагнитных наночастиц, связанной с температурой Т законом Ланжевена: , в котором намагниченность М для заданного образца суспензии определяется намагниченностью насыщения Мнас, и функцией Ланжевена от параметра Ланжевена , где В - магнитная индукция внутри образца суспензии, Р - магнитный момент наночастицы, к - постоянная Больцмана. Установив образец в термостат с температурой тройной точки воды То=273, 16 К, измеряем намагниченность М=Мо и значение индукции В=Во. Поместив затем образец в точку с неизвестной температурой Тизм, меняем магнитную индукцию В до значения В1, при котором намагниченность М равна Мо, и измеряем установленное значение магнитной индукции B1. Равенство намагниченностей при температурах То и Тизм означает равенство параметров Ланжевена (PBo/To)=(PB1изм), поэтому неизвестная температура Тизм=To(B1/Bo). Недостаток способа в том, что температура определяется в кельвинах с использованием реперной точки термодинамической температурной шкалы - тройной точки воды То. Способ можно принять за аналог (А.И. Жерновой. Патент №2528031, 2014 г.).

Известен магнитный способ измерения термодинамической температуры, основанный на измерении намагниченности М дисперсии однодоменных ферромагнитных наночастиц и индукции магнитного поля В внутри дисперсии, определении магнитной восприимчивости χ=(Мµо/В), связанной с температурой Т законом Кюри: χ=(С/Т). Поместив образец дисперсии в термостат с температурой Т, равной температуре тройной точки воды То=273,16 К, и измерив при этой температуре магнитную восприимчивость χо, определяем константу Кюри С=χоТо, а затем, поместив этот же образец в точку с неизвестной температурой Тизм и измерив при этой температуре магнитную восприимчивость χизм, находим эту неизвестную температуру по формуле Тизм=(С/χизм). Недостаток способа в том, что температура определяется в кельвинах с использованием реперной точки термодинамической температурной шкалы - тройной точки воды То. Способ можно принять за прототип (А.И. Жерновой. Патент №2452940, 2012 г.).

В предлагаемом способе для измерения неизвестной температуры Т в единицах энергии без использования реперной точки термодинамической температурной шкалы измеряется намагниченность М находящегося при этой температуре образца дисперсии однодоменных ферромагнитных наночастиц. Значение намагниченности связано с температурой Т в джоулях формулой Ланжевена:

где - параметр Ланжевена, зависящий от магнитного момента наночастицы Р и магнитной индукции внутри дисперсии В. Первым делом в слабом магнитном поле, при индукции В=В1, удовлетворяющей условию РВ1<<Т, измеряется намагниченность Мнач на начальном участке кривой намагничивания, затем, при большей индукции В=В2, удовлетворяющей условию РВ2>>Т, непосредственно или экстраполяцией определяется намагниченность насыщения Мнас. Начальная намагниченность удовлетворяет закону Кюри: МначнасРВ1/3T.

Из закона Кюри можно определить температуру:

В выражении (1) значения В1, Мнач получены в результате измерений, значение Мнас можно получить, измерив М при большой напряженности внешнего магнитного поля или определив экстраполяцией, однако для определения температуры образца Т нужно знать магнитный момент наночастцы Р. С этой целью, не меняя индукцию постоянного магнитного поля B1, в которой находятся наночастицы, на образец действуют электромагнитным полем с меняющейся частотой F и вектором магнитной индукции, направленным нормально индукции постоянного магнитного поля В1. Когда при изменении частоты F она проходит значение Fpeз, удовлетворяющее условию магнитного резонанса PB1=hFpeз (h - постоянная Планка), происходит насыщение намагниченности М, что можно зафиксировать по ее уменьшению. Измерив частоту Fpeз, можно найти магнитный момент наночастиц P=hFpeз/B1. Подставив найденное значение Р в (1), получаем выражение для определения термодинамической температуры в джоулях без использования реперной температуры тройной точки воды:

T=hFpeзMнac/3M1.

Доказательство осуществимости предлагаемого способа

В качестве термометрического вещества можно использовать коллоидный раствор в воде наночастиц магнетита, стабилизированный олеиновой кислотой, с концентрацией порядка одного объемного %. Чувствительным элементом (датчиком температуры) являются заполненные термометрическим веществом два цилиндрических контейнера диаметром 20 и высотой 40 мм, расположенные рядом на расстоянии 3 мм друг от друга во внешнем магнитном поле, напряженность которого можно менять. Между контейнерами и у боковой поверхности одного из них расположены датчики ЯМР 1 и 2 для измерения в них частот ядерного магнитного резонанса протонов f1 и f2. Намагниченность в единицах А/м определяется формулой M=(f1-f2)/β, где β=53,4 - гиромагнитное отношение протонов в единицах Гцм/А. Индукция магнитного поля внутри чувствительного элемента определяется формулой B=f/δ, где δ=4,25*107 - гиромагнитное отношение протонов в единицах Гц/Тл. Подобное устройство описано в аналоге и прототипе. На этом устройстве, измеряя частоты f1 в датчике 1 и f2 в датчике 2, можно определять намагниченности М, Мнас и индукцию магнитного поля В. Для нахождения на этом же устройстве магнитного момента наночастиц Р предлагается использовать магнитный резонанс наночастиц. Для этого на содержащийся в контейнерах первичного преобразователя коллоидный раствор наночастиц, имеющих магнитные моменты Р, воздействуют кроме постоянного магнитного поля с индукцией В слабым переменным магнитным полем с частотой F. Постоянное магнитное поле вызывает ориентацию магнитных моментов Р параллельно индукции В, приводя к появлению в образце намагниченности М. Если частота переменного поля F имеет резонансное значение Fpeз, удовлетворяющее условию магнитного резонанса 2PB=hFрез, то под его воздействием магнитные моменты наночастиц Р меняют свою ориентацию относительно направления индукции В, в результате чего происходит явление насыщения (уменьшение намагниченности наночастиц М), которое можно непосредственно зарегистрировать по уменьшению различия резонансных частот f1 и f2 в датчиках 1, 2, расположенных, как описывалось выше, вблизи контейнеров первичного преобразователя. (Явление насыщения намагниченности протонов, используемое для измерения магнитных полей, подробно описано, например, в книге А.И. Жернового «Измерение магнитных полей методом нутации», Ленинград, Энергия, 1979 г.)

Способ измерения термодинамической температуры путем измерения намагниченности М и намагниченности насыщения Мнас дисперсии однодоменных ферромагнитных наночастиц, отличающийся тем, что на дисперсию действуют переменным магнитным полем и измеряют резонансную частоту этого поля Fpeз, при которой происходит уменьшение намагниченности М, температура определяется по формуле Т=hFрезМ/3Мнас, где h - постоянная Планка.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области испытательной и измерительной техники, а именно к способам определения теплового действия объекта испытаний (ОИ). Способ определения теплового действия объекта испытания характеризуется тем, что на пункте управления испытаниями (ПУИ) устанавливают информационный датчик, имеющий геодезическую привязку к системе пространственных координат испытательной площадки (ИП), устанавливают на ОИ маяк, включают маяк ОИ и измерители температуры, имеющие приемо-передающую антенну, соединенные каждый с матрицей n датчиков температуры, расположенных в каждой ИТ, принимают информационным датчиком сигналы от маяка ОИ и измерителей температуры, обрабатывают поступившие сигналы, определяют пространственные координаты ОИ и измерителей температуры на ИП, сохраняют координаты ОИ и измерителей температуры в памяти ЭВМ, убирают маяк с ОИ, производят подрыв ОИ, измеряют максимальную температуру, изменение температуры во времени и тепловой импульс в каждой измерительной точке, профиль теплового поля в измерительной точке, обрабатывают результаты измерений и записывают параметры теплового поля в каждой измерительной точке в блок памяти ЭВМ, формируют в автоматизированном режиме документ испытания.

Изобретение относится к области пирометрии и касается способа дистанционного измерения температуры. В среду для измерения ее температуры помещают светоизлучающий прибор (светодиод или лазер).

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для исследования биологических объектов. Приемное устройство радиометра включает в себя по меньшей мере один радиометр (83) и установочный модуль (824) для фиксации радиометра (83).

Настоящее изобретение относится к детектору микроволнового излучения для измерения внутренней температуры образца белковосодержащего вещества, например мяса. Заявлено устройство тепловой обработки, предназначенное для тепловой обработки белковосодержащих пищевых продуктов (3) и включающее детектор (1) микроволнового излучения для измерения внутренней температуры белковосодержащего пищевого продукта (3), средство перемещения для транспортировки продуктов (3) через устройство в направлении перемещения (y-направление), так что продукты (3) проходят под неподвижным детектором (1), и средства воздействия на тепловую обработку, управляемые по сигналу детектора (1).

Изобретение относится к области определения физических параметров пластовых флюидов и может быть использовано в промышленных и научно-исследовательских лабораториях для определения температуры кристаллизации парафинов в нефти.
Изобретение относится к области термометрии и может быть использовано для дистанционного измерения локальной температуры внутри вещества или живого организма. .

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в приборостроении и машиностроении для измерения физических величин (температуры, давления, деформации).

Изобретение относится к области биотехнологии, биохимии и технической микробиологии и может быть использовано в длительных непрерывных и периодических процессах при строгом поддержании массы культуральной жидкости.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах температурного/теплового контроля в качестве термореле, сигнализаторов в системах пожарной сигнализации предприятий, жилых помещений, железнодорожного и автомобильного транспорта; терморегуляторов в установках термостатирования объектов различного назначения, включая биологические; датчиков перегрева жидкости и пара в радиаторах водяного охлаждения, в масляных рубашках охлаждения трансформаторов, в теплообменниках, в паровых котлах; термодатчиков для контроля технологических процессов и в других областях техники.

Изобретение относится к машиностроению, в частности к индикаторам перегрева, выполненным в виде шайбы, отображающим изменение температуры вращательных частей механизмов.
Наверх