CN101419273B - 基于增强摩西效应的磁化率测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种基于增强摩西效应的磁化率测量方法及装置，属于测量技术领域，磁化率测量装置包括磁场发生装置、温度调节装置、高度测量仪、测量容器和远程观测记录系统；测量容器位于磁场发生装置产生的有效磁场空间内，高度测量仪组配在测量容器的平面透明窗口上。测量方法为：通过磁场发生装置向测量容器施加磁场，然后通过高度测量仪测量不同磁感应强度下标准流体和待测流体分界面两个测量点的高度差，计算出待测物质的磁化率。本发明的磁化率测量装置可测量液体磁化率、固体磁化率和气体磁化率，具有更广泛的磁化率测量范围，并且可以测量不同温度下物质的磁化率；磁化率测量装置使用方法操作方便、准确度高。

Description

基于增强摩西效应的磁化率测量方法及装置

技术领域

本发明属于测量技术领域，特别涉及一种基于增强摩西效应的磁化率测量方法及装置。

背景技术

磁化率是描述物质磁化性质的重要物理量。根据物质结构的电子理论，可以证明物质的磁化率与其微观结构有十分密切的关系。通过测定这些物质的磁化率，可以获得有关它们微观结构的许多信息。磁化率在判断物质分子中是否存在未成对电子以及配合物结构类型等方面具有重要应用。通过物质磁化率的测定来计算分子中未成对电子数是研究分子中成键情况的有效方法。在环境系统中，土壤、岩石、沉积物、大气尘埃等自然物质以及人类活动所产生的次生物质往往表现出不同的磁性特征，它们与物质内含矿物的磁性类型、铁磁晶粒含量、大小构成及配比组合有关，在一定程度上反映了其来源母质、生成环境、搬运过程和沉积作用等综合信息。利用环境系统中的物质在磁性特征上的差异和联系及其所指示的环境内涵，可研究不同时空尺度下的环境过程、环境作用和环境问题，进而揭示环境演变的历史和机制。磁化率测量仪器在物质电子结构的测定，环境磁学中土壤、沉积物和岩石等自然物质和人类活动产生的物质在人工磁场中的磁性响应的测量，地质、地理环境信息的提取，以及磁流体的磁性、稳定性的测定和工业气体分析等领域的应用有着重大意义。因此，磁化率测量仪器设备已引起许多科技工作者的高度关注。

现阶段测量物质磁化率的方法主要有：磁天平法和运用电磁原理的交流互感方法。用磁天平法测量磁化率是一种常规的物理测量方法，目前，我国尚无定型产品，使用单位大多采用感量为0.1毫克的精密微量分析天平、电磁铁和直流电源自行组装而成。根据待测物的不同性质，磁天平法又分为Gouy法、Quincke法和Faraday法。Gouy法适用于测量顺磁或抗磁物质的磁化率，它具有设备简单，操作容易等特点，但所需样品量大、精度欠佳，不适用于测量磁性和超顺磁性样品。Quincke法不需要单独测量样品的密度，但它只适用于测量液体和气体的磁化率，所需样品量也很大。以上两种方法均不便研究样品的磁化率随温度变化的关系。Faraday法实验步骤繁琐，操作过程相对复杂，给科研和工程应用带来不便。而交流互感测量法主要适用于金属磁化率的测量，针对性较强，测量对象比较单一。近年来有人相继提出用激光摆法和NMR双谱仪法等新方法来进行磁化率测量，然而这些方法比较适合测量过渡元素离子化合物的磁化率，适用范围比较窄。

发明内容

针对以上现有的技术问题，本发明提供一种基于增强摩西效应的磁化率测量方法及装置。

本发明的基于增强摩西效应的磁化率测量装置包括磁场发生装置、温度调节装置、高度测量仪、测量容器和远程观测记录系统，测量容器位于磁场发生装置产生的有效磁场空间内，测量容器位于温度调节装置之上或者温度调节装置内部；测量容器为至少带有一个平面透明窗口的容器，远程观察记录系统是带有摄像仪的电脑；高度测量仪组配在测量容器的平面透明窗口上，并可在平面透明窗口上根据需要调节位置。

当采用底部加热的方式加热时，测量容器位于温度调节装置上，当采用的温度调节装置为筒形结构，并且从容器四周同时加热时，测量容器位于温度调节装置内部。

磁场发生装置为能够产生梯度磁场的磁场发生装置，所产生的磁感应强度为0至15T，并且磁场发生装置的磁场分布情况已知。

本发明选用的高度测量仪为刻度标尺，摄像仪的选用标准为能够从电脑记录的图像中分辨刻度标尺的刻度。

本发明的工作原理为：

增强摩西效应是指用标准流体B放在待测流体A上，在一定的磁场条件下两种流体的分界面会产生非常明显的形变。分界面形变高度的表达式为：

$h=K_1\frac{|B_1^2-B_2^2|(X_1-X_2)}{2{\mathrm{\μ}}_{0}g({\mathrm{\ρ}}_1-{\mathrm{\ρ}}_2)}---\left(1\right)$

式中，h为分界面两个不同形变处的高度差，μ₀为真空磁导率，X₁为待测流体的体积磁化率，X₂为标准流体的体积磁化率，B₁和B₂分别为分界面两个测量点的磁感应强度，ρ₁为待测流体的密度，ρ₂为标准流体的密度，g为当地重力加速度，K₁为根据实际测量条件校定的修正系数，是一个无量纲量。

通过用已知磁化率和密度的标准流体分别与确定密度的待测流体组成混合流体，在确定的实验条件下测量两种流体分界面两个不同形变处的高度差，将公式(1)变形得

$X_1=\frac{{\mathrm{\μ}}_{0}2\mathrm{hg}}{K_1|B_1^2-B_2^2|}{\mathrm{\ρ}}_1+X_2-\frac{{\mathrm{\μ}}_{0}2\mathrm{hg}}{K_1|B_1^2-B_2^2|}{\mathrm{\ρ}}_2---\left(2\right)$

由此公式便可计算待测流体的磁化率数值。通过观察分界面的起伏情况，可以判定待测流体的磁性。

对固体磁化率的测量，可将待测固体配制成确定体积的液体(溶液或胶体)，根据增强摩西效应原理测出液体磁化率，同一物质不同体积下磁化率的关系为：

$K_2=\frac{X_3{V}_{1}M}{m}=\frac{X_4{V}_{2}M}{m}=X_M---\left(3\right)$

式中X₃为对应液体体积磁化率，X₄为待测固体体积磁化率，V₁为对应液体的体积，V₂为待测固体体积，m为待测固体质量，M为待测固体摩尔质量，X_M为待测固体摩尔磁化率，其值为温度的函数，K₂为对偏差的修正系数，是一个无量纲量。将式(3)变形后可得

$X_4=K_2\frac{X_3{V}_1}{V_2}---\left(4\right)$

进而可得到待测固体的磁化率。

本发明的基于增强摩西效应设计的磁化率测量方法为：

采用上述磁化率测量装置测量流体磁化率或者固体磁化率具体步骤为：

将已知密度和磁化率的流体作为标准流体，确定待测流体的密度，当测量固体的磁化率时，将待测固体制备成溶液或胶体作为待测流体，然后将待测流体和标准流体置于测量容器中，通过磁场发生装置向测量容器施加磁场，通过温度调节装置设定温度条件，通过高度测量仪获得标准流体和待测流体的分界面上两个测量点的高度差，然后计算出待测流体在所设定温度条件下的磁化率；按公式(2)计算待测流体的磁化率。

当测量固体磁化率时，确定待测固体的体积，将该固体制备成溶液或胶体作为待测流体，确定其体积和密度，按前述方法计算出待测溶液或胶体的磁化率，再按公式(4)计算出待测固体的磁化率。

当标准流体与待测流体不能互溶时，将两种流体直接放入测量容器中，当标准流体与待测流体能互溶时，将两种流体按密度大小先后放入测量容器，并且标准流体和待测流体间要加膜，要求所加的膜位于标准流体和待测流体之间，并且膜与两种流体之间无气体。

高度测量仪测量分界面两个测量点高度差的方法为：测量平面透明窗口某个分界面测量点相对于测量容器底部的高度，为第一测量点高度，然后改变高度测量仪的位置，测量另一个分界面测量点相对于测量容器底部的高度，为第二测量点高度；要求第一测量点和第二测量点处于不同的磁感应强度下，第一测量高度与第二测量高度之差即为待测高度差h，第一测量点与第二测量点所在位置的磁感应强度分别为B₁和B₂。

分界面高度的变化通过摄像仪收集，并在电脑中记录，摄像仪的选用标准为可以从记录图像中分辨刻度标尺的刻度。

当需要测量不同温度下物质的磁化率时，通过温度调节装置调节测量容器内待测流体的温度，根据上述方法可以获得待测物质不同温度条件下的磁化率。

当待测流体为气体时，需要将测量容器密封；测量气体在温度T₀的磁化率时，确定该气体在温度为T₀时的密度，调节气体的加入量。

标准流体根据待测流体磁化率正负的不同，可分别选择已知密度和磁化率的抗磁性和顺磁性两种流体；或者选择已知磁化率的其他密度的磁性流体作为标准流体。

本发明实施例中的磁场发生装置为超导强磁场发生装置、市购的永磁体或者电磁铁。磁场发生装置产生的有效磁场空间为产品说明书中说明的各点磁场强度空间。

本发明所用标准流体，视待测流体磁化率正负的不同，可分别选择已知密度和磁化率的抗磁性和顺磁性两种流体。在实际测量时，为了易于观察现象，也可根据需要选择已知磁化率的其他密度的磁性流体作为标准流体。

本发明的磁化率测量装置的主要优点为：可测量液体磁化率、固体磁化率和气体磁化率，区别于测量矿石等的磁化率，可测量弱磁性物质以及磁性流体的磁化率，具有更广泛的磁化率测量范围，并且可以测量不同温度下物质的磁化率。本发明的磁化率测量装置使用方法操作方便、准确度高。

附图说明

图1为本发明实施中的磁化率测量装置正面结构示意图；

图2为本发明实施中的磁化率测量装置侧面结构示意图；

图中，1、磁场发生装置，2、测量容器，3、摄像仪，4、刻度标尺，5、标准流体，6、待测流体，7、温度调节装置，8、第一测量点，9、第二测量点。

具体实施方式

本发明选用的高度测量仪为刻度标尺，精度为0.001mm。

本发明实施例中的测量容器选用透明长方体容器，测量容器的一个侧壁作为平面透明窗口；同时标准流体和待测流体的体积比例、测量容器的安放位置和磁感应强度的选择可以保证分界面最高形变处位于平面透明窗口的一个侧边，分界面最低形变处位于平面透明窗口的另一个侧边，最高形变处作为第一测量点或第二测量点，最低形变处作为第二测量点或第一测量点，以便于观测和计算。

本发明实施例中温度调节装置选用电阻加热器。

本发明实施例中采用等体积的标准流体和待测流体以便于观察和计算，实际应用时不限于仅采用等体积混合。

实施例1

基于增强摩西效应的磁化率测量装置如图1和2所示，磁场发生装置1选用JMTD-6T300型超导强磁场发生装置，将其水平放置。磁场发生装置腔内放一个温度调节装置7，温度调节装置7上放一个贴有刻度标尺4的测量容器2，测量容器2尺寸(长×宽×高)为80mm×30mm×80mm。注入到容器中的标准流体5与待测流体6的分界面高度变化情况可通过摄像仪3观察，摄像仪3将图像传输到电脑上随时记录，对图像进行数据采集，通过测量容器2上的刻度标尺4测量分界面第一测量点8和第二测量点9的高度差，可得到两种流体分界面高度变化数据。

将已知密度和磁化率的有机物苯作为标准流体，苯的密度为0.8213g/cm³，磁化率为-8.900×10^-6。通过准确配置，得到密度为1.1328g/cm³的硫酸铜溶液，其磁化率文献值为8.584×10^-6。

将配好的硫酸铜溶液与等体积的苯(苯为有机物，密度小，在硫酸铜溶液上层，两种液体不互溶)注入测量容器中，通过磁场发生装置向测量容器施加磁场，磁场发生装置的中心最大磁感应强度调至4.000T，分界面第一测量点所在位置的磁感应强度为B₁，分界面第二测量点所在位置的磁感应强度为B₂，此时B₁值为2.984T，B₂值为1.951T；将刻度标尺分别放在分界面第一测量点和分界面第二测量点，测量两点的高度；经过校定，在此实验条件下的修正系数K₁值为1。将与电脑连接好的摄像仪对准两液体的分界面处，待测量容器中液体稳定后，通过摄像仪观察，可以得到两种液体分界面的变化情况，通过抓图可以得到相应的图片。其中温度条件为20℃。

通过对所得图片进行数据采集和处理发现，混合流体分界面第一测量点和第二测量点的高度差为11.607mm，由公式(2)可计算待测硫酸铜溶液的磁化率。经过计算可得密度为1.1328g/cm³的硫酸铜溶液磁化率为8.568×10^-6，为顺磁性物质，测量值与文献值的相对误差为0.19％，测量精度较高，满足测量要求。

实施例2

基于增强摩西效应的磁化率测量装置的磁场发生装置选用JMTD-12T100型超导强磁场发生装置，将其水平放置，测量容器选用耐高温的透明容器，容器尺寸(长×宽×高)为250mm×30mmm×80mm，测量装置其它部分同实施例1。

将已知密度和磁化率的氩气作为标准流体，670℃时氩气磁化率为-0.06053×10^-6。待测液态金属铝密度为2.702g/cm³，铝熔化时磁化率文献值为1.090×10^-6，将一定量的铝放入耐高温透明容器中，其熔化后体积约占测量容器体积的一半，按照氩气在670℃时的密度为0.5170kg/m³的标准向容器中充入定量氩气，然后把容器密封。通过温度调节装置加热测量容器，使测量容器内部温度为670℃，通过磁场发生装置向测量容器施加磁场，磁场发生装置的中心最大磁感应强度调至12.0000T，分界面第一测量点所在位置的磁感应强度为B₁，分界面第二测量点所在位置的磁感应强度为B₂，此时B₁值为12.0000T，B₂值为1.8382T，将刻度标尺分别放在分界面第一测量点和分界面第二测量点，测量两点的高度；经过校定，在此实验条件下的修正系数K₁值为1。测量时温度条件为670℃，其它实验操作如实施例1。

通过对所得图片进行数据采集和处理发现，混合流体分界面第一测量点和第二测量点的高度差为2.199mm，由公式(2)可计算待测液态铝的磁化率。计算结果可得液态铝磁化率为1.101×10^-6，为顺磁性物质，测量值与文献值的相对误差为1.0％，测量精度较高，满足测量要求。

实施例3

基于增强摩西效应的磁化率测量装置同实施例1。

将已知密度和磁化率的有机物苯作为标准流体，苯的密度为0.8213g/cm³，磁化率为-8.900×10^-6。取质量为13.25g的硫酸铜粉末，其体积为3.6775cm³，其磁化率文献值为3.760×10^-4。通过准确配置，可得到体积为100cm³的硫酸铜溶液，实验条件和实验操作同实施例1，在此实验条件下的修正系数K₂值为1.61。得到硫酸铜溶液磁化率后，根据公式(4)可求出硫酸铜固体粉末的磁化率为3.751×10^-4，为顺磁性物质，与文献值的相对误差为0.2％，测量精度较高，满足测量要求。

实施例4

基于增强摩西效应的磁化率测量装置选用尺寸(长×宽×高)为280mm×30mm×80mm的透明容器作为测量容器，测量装置其它部分同实施例1。

气体磁化率的测量。将已知密度和磁化率的有机物苯作为标准流体，苯的密度为0.8213g/cm³，磁化率为-8.900×10^-6。待测空气密度为1.237kg/m³，把苯注入透明容器中，其体积占透明容器体积的一半，然后将透明容器密封。通过磁场发生装置向透明容器施加磁场，磁场发生装置的中心最大磁感应强度调至6.000T，分界面第一测量点所在位置的磁感应强度为B₁，分界面第二测量点所在位置的磁感应强度为B₂，此时B₁值为6.000T，B₂值为2.166T，将刻度标尺分别放在分界面第一测量点和分界面第二测量点，测量两点的高度。经过校定，在此实验条件下的修正系数K₁值为1。其中温度条件为20℃，其它实验操作如实施例1。

通过对所得图片进行数据采集和处理发现，混合流体分界面第一测量点和第二测量点的高度差为-14.340mm，由公式(2)可计算待测空气的磁化率。计算结果可得空气磁化率为3.51×10^-7，为顺磁性物质，满足测量要求。

实施例5

基于增强摩西效应的磁化率测量装置同实施例1。

将已知密度和磁化率的硫酸铜溶液作为标准流体，硫酸铜溶液的密度为1.1328g/cm³，磁化率为8.584×10^-6。待测磁性流体密度为1.000g/cm³，将磁性流体与硫酸铜溶液等体积混合(磁性流体密度小，在硫酸铜溶液上层，两种液体不互溶)后注入测量容器中。通过磁场发生装置向测量容器施加磁场，磁场发生装置的中心最大磁感应强度调至0.030T；分界面第一测量点所在位置的磁感应强度为B₁，分界面第二测量点所在位置的磁感应强度为B₂，此时B₁值为0.0224T，B₂值为0.0115T，将刻度标尺分别放在分界面第一测量点和分界面第二测量点，测量两点的高度。经过校定，在此实验条件下的修正系数K₁值为1。其中温度条件为20℃，其它实验操作如实施例1。

通过对所得图片进行数据采集和处理发现，混合流体分界面第一测量点和第二测量点的高度差为-10.670mm，由公式(2)可计算待测磁性流体的磁化率。计算结果可得磁性流体磁化率为9.445×10^-2，与厂家所提供的同条件下产品磁化率值9.375×10^-2的相对误差为0.7％，测量精度较高，满足测量要求。

实施例6

基于增强摩西效应的磁化率测量装置同实施例1。

将已知密度和磁化率的苯作为标准流体，苯的密度为0.8213g/cm³，磁化率为-8.900×10^-6。待测磁性流体密度为1.000g/cm³，先将确定体积的磁性流体注入测量容器中，在磁性流体上加膜，并将膜固定在容器上，再将等体积的苯注入测量容器中。通过磁场发生装置向测量容器施加磁场，磁场发生装置的中心最大磁感应强度调至0.060T；分界面第一测量点所在位置的磁感应强度为B₁，分界面第二测量点所在位置的磁感应强度为B₂，此时B₁值为0.045T，B₂值为0.029T，将刻度标尺分别放在分界面第一测量点和分界面第二测量点，测量两点的高度。经过校定，在此实验条件下的修正系数K₁值为0.8。其中温度条件为20℃，其它实验操作如实施例1。

通过对所得图片进行数据采集和处理发现，混合流体分界面第一测量点和第二测量点的高度差为20.356mm，由公式(2)可计算待测磁性流体的磁化率。计算结果可得磁性流体磁化率为9.459×10^-2，与厂家所提供的同条件下产品磁化率值9.375×10^-2的相对误差为0.9％，测量精度较高，满足测量要求。

Claims (8)

1.一种基于增强摩西效应的磁化率测量装置，其特征在于：该装置包括磁场发生装置、温度调节装置、高度测量仪、测量容器和远程观测记录系统，测量容器位于温度调节装置之上或者温度调节装置内部，并置于磁场发生装置产生的有效磁场空间内，测量容器为至少带有一个平面透明窗口的容器；远程观察记录系统是带有摄像仪的电脑；高度测量仪组配在测量容器的平面透明窗口上；所述的高度测量仪为刻度标尺，所述的摄像仪的选用标准为能够从电脑记录的图像中分辨刻度标尺的刻度；所述的磁场发生装置为超导强磁场发生装置、市购的永磁体或者电磁铁，磁场发生装置产生的有效磁场空间为磁场发生装置的产品说明书中说明的各点磁场强度空间。

2.根据权利要求1所述的一种基于增强摩西效应的磁化率测量装置，其特征在于所述的磁场发生装置要求能够产生梯度磁场，所产生的磁感应强度为0至15T。

3.一种基于增强摩西效应的磁化率测量方法，其特征在于：采用权利要求1所述的一种基于增强摩西效应的磁化率测量装置测量流体磁化率或者固体磁化率，具体步骤为：将已知密度和磁化率的流体作为标准流体，确定待测流体的密度，将待测流体和标准流体置于测量容器中，通过磁场发生装置向测量容器施加磁场，通过温度调节装置设定温度条件，通过高度测量仪获得标准流体和待测流体的分界面上两个测量点的高度差，然后计算出待测流体在所设定温度条件下的磁化率；计算公式为：

$X_1=\frac{{\mathrm{\μ}}_{0}2\mathrm{hg}}{K_1|B_1^2-B_2^2|}{\mathrm{\ρ}}_1+X_2-\frac{{\mathrm{\μ}}_{0}2\mathrm{hg}}{K_1|B_1^2-B_2^2|}{\mathrm{\ρ}}_2$

其中h为分界面两个不同形变处的高度差，μ₀为真空磁导率，X₁为待测流体的体积磁化率，X₂为标准流体的体积磁化率，B₁和B₂分别为分界面上两个测量点的磁感应强度，ρ₁为待测流体的密度，ρ₂为标准流体的密度，g为当地重力加速度，K₁为根据实际测量条件校定的修正系数，是一个无量纲量。

4.根据权利要求3所述的基于增强摩西效应的磁化率测量方法，其特征在于：当测量固体磁化率时，将该固体制备成溶液或胶体作为待测流体，并采用权利要求4所述的方法测量所制备的待测流体的磁化率，然后计算出固体的磁化率；计算公式为：

$X_4=K_2\frac{X_3{V}_1}{V_2}$

其中X₃为对应液体的体积磁化率，X₄为待测固体的体积磁化率，V₁为对应液体的体积，V₂为待测固体的体积，K₂为对偏差的修正系数，是一个无量纲量。

5.根据权利要求3所述的基于增强摩西效应的磁化率测量方法，其特征在于：当标准流体与待测流体不能互溶时，将两种流体直接放入测量容器中，当标准流体与待测流体能互溶时，将两种流体按密度大小先后放入测量容器，并且标准流体和待测流体间要加膜。

6.根据权利要求3所述的基于增强摩西效应的磁化率测量方法，其特征在于高度测量仪测量分界面两个测量点高度差的方法为：测量平面透明窗口一个分界面测量点相对于测量容器底部的高度，为第一测量点高度，然后改变高度测量仪的位置，测量另一个分界面测量点相对于测量容器底部的高度，为第二测量点高度；要求第一测量点和第二测量点处于不同的磁感应强度下，第一测量高度与第二测量高度之差为待测高度差h。

7.根据权利要求3所述的基于增强摩西效应的磁化率测量方法，其特征在于：分界面高度的变化通过摄像仪收集，并在电脑中记录。

8.根据权利要求3所述的基于增强摩西效应的磁化率测量方法，其特征在于：当待测流体为气体时，需要将测量容器密封。

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