МАГНИТНЫЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ЕДИНИЦАХ Российский патент 2016 года по МПК G01K11/00 

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 М_нас, 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 Т_о=273, 16 К, измеряем намагниченность М=М_о и значение индукции В=В_о. Поместив затем образец в точку с неизвестной температурой Т_изм, меняем магнитную индукцию В до значения В₁, при котором намагниченность М равна М_о, и измеряем установленное значение магнитной индукции B₁. Равенство намагниченностей при температурах Т_о и Т_изм означает равенство параметров Ланжевена (PB_o/T_o)=(PB₁/Т_изм), поэтому неизвестная температура Т_изм=T_o(B₁/B_o). Недостаток способа в том, что температура определяется в кельвинах с использованием реперной точки термодинамической температурной шкалы - тройной точки воды Т_о. 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=(Мµ_о/В), связанной с температурой Т законом Кюри: χ=(С/Т). Поместив образец дисперсии в термостат с температурой Т, равной температуре тройной точки воды Т_о=273,16 К, и измерив при этой температуре магнитную восприимчивость χ_о, определяем константу Кюри С=χ_оТ_о, а затем, поместив этот же образец в точку с неизвестной температурой Т_изм и измерив при этой температуре магнитную восприимчивость χ_изм, находим эту неизвестную температуру по формуле Т_изм=(С/χ_изм). Недостаток способа в том, что температура определяется в кельвинах с использованием реперной точки термодинамической температурной шкалы - тройной точки воды Т_о. 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 М_нач на начальном участке кривой намагничивания, затем, при большей индукции В=В₂, удовлетворяющей условию РВ₂>>Т, непосредственно или экстраполяцией определяется намагниченность насыщения М_нас. Начальная намагниченность удовлетворяет закону Кюри: М_нач=М_насРВ₁/3T.

Из закона Кюри можно определить температуру:

В выражении (1) значения В₁, М_нач получены в результате измерений, значение М_нас 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 F_peз, удовлетворяющее условию магнитного резонанса PB₁=hF_peз (h - постоянная Планка), происходит насыщение намагниченности М, что можно зафиксировать по ее уменьшению. Измерив частоту F_peз, можно найти магнитный момент наночастиц P=hF_peз/B₁. Подставив найденное значение Р в (1), получаем выражение для определения термодинамической температуры в джоулях без использования реперной температуры тройной точки воды:

T=hF_peзM_нac/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, М_нас 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 F_peз, удовлетворяющее условию магнитного резонанса 2PB=hF_рез, 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.)

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 М_нас. Дополнительно воздействуя на коллоидный раствор радиочастотным магнитным полем, определяют резонансную частоту этого поля F_peз, при которой происходит уменьшение намагниченности М. Температуру коллоидного раствора в энергетических единицах определяют по формуле T=hF_peзM/3М_нас, где h - постоянная Планка. Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности измерения температуры в энергетических единицах без использования реперной точки термодинамической температурной шкалы.

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