RU2586392C1

RU2586392C1 - Magnetic method of measuring thermodynamic temperature in power units

Info

Publication number: RU2586392C1
Application number: RU2015111580/28A
Authority: RU
Inventors: Александр Иванович Жерновой
Priority date: 2015-03-30
Filing date: 2015-03-30
Publication date: 2016-06-10

Abstract

FIELD: measuring devices.

SUBSTANCE: invention relates to methods of temperature measurement in power units. As temperature sensor used containers filled with colloidal solution of single-domain ferromagnetic nano particles. Between containers, as well as at side surface of one of them NMR sensors are located. Said containers are placed in constant magnetic field. Then based on f₁and f₂ frequencies of nuclear magnetic resonance obtained by means of NMR sensors values of magnetisation M and saturation magnetisation M_sat are calculated. Additionally exposing colloidal solution to radio-frequency magnetic field, resonance frequency of this field F_res is determining, in which reduction of magnetisation M occurs. Temperature of colloidal solution in power units is determined by formula T = hF_resM/3M_sat, where h is Planck's constant.

EFFECT: technical result is enabling temperature measurement in power units without using reference point of thermodynamic temperature scale.

1 cl

Description

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.The invention is intended to measure temperature in joules without comparison with the temperature of a triple point of water. It can be used in metrology to clarify the reference points of the practical thermodynamic temperature scale, as well as in various fields of science and technology to create thermometric equipment.

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.).A known method of measuring thermodynamic temperature, based on the measurement of the magnetization M of the dispersion of single-domain ferromagnetic nanoparticles associated with temperature T by the Langevin law:

in which the magnetization M for a given sample of the suspension is determined by the saturation magnetization M _us , and the Langevin function

from Langevin parameter

where B is the magnetic induction inside the suspension sample, P is the magnetic moment of the nanoparticle, and k is the Boltzmann constant. Having installed the sample in a thermostat with a temperature of a triple point of water Т _о = 273, 16 К, we measure the magnetization М = М _о and the value of induction В = В _о . Having then placed the sample at a point with unknown temperature T _ISM , we change the magnetic induction B to a value of B ₁ at which the magnetization M is equal to M _o , and measure the set value of the magnetic induction B ₁ . The equality of magnetization at temperatures T _o and T _ISM means the equality of the Langevin parameters (PB _o / T _o ) = (PB ₁ / T _ISM ), therefore, the unknown temperature T _ISM = T _o (B ₁ / B _o ). The disadvantage of this method is that the temperature is determined in kelvins using the reference point of the thermodynamic temperature scale - a triple point of water T _about . The method can be taken as an analogue (A. I. Zhernova. Patent No. 2528031, 2014).

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.).A known magnetic method for measuring thermodynamic temperature is based on measuring the magnetization M of a dispersion of single-domain ferromagnetic nanoparticles and inducing a magnetic field B inside the dispersion, determining the magnetic susceptibility χ = (Mµ _о / В) associated with the temperature T by the Curie law: χ = (С / Т) . By placing the dispersion sample in a thermostat with a temperature Т equal to the temperature of the triple point of water Т _о = 273.16 К, and measuring the magnetic susceptibility χ _о at this temperature, we determine the Curie constant С = χ _о Т _о , and then placing the same sample in point of the unknown temperature T _MOD and measuring at this temperature magnetic susceptibility χ _rev, find the unknown temperature from the formula T _MOD = (C / χ _rev). The disadvantage of this method is that the temperature is determined in kelvins using the reference point of the thermodynamic temperature scale - a triple point of water T _about . The method can be taken as a prototype (A.I. Zhernova. Patent No. 2452940, 2012).

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:In the proposed method for measuring the unknown temperature T in energy units without using the reference point of the thermodynamic temperature scale, the magnetization M of the dispersion of single-domain ferromagnetic nanoparticles located at this temperature is measured. The magnetization value is related to the temperature T in joules by the Langevin formula:

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.Where

- Langevin parameter dependent on the magnetic moment of magnetic nanoparticles P and induction in dispersion B. The first step in a weak magnetic field at the induction B = B _1, satisfying condition ₁ PB << T, the magnetization M is measured _beginning at the initial part of the magnetization curve, then , with a larger induction B = _B2 , satisfying the condition PB ₂ >> T, the saturation magnetization M _{us is} determined directly or by extrapolation. The initial magnetization satisfies the Curie law: M _beg = M _us RV ₁ / 3T.

Из закона Кюри можно определить температуру:From the Curie law, you can determine the temperature:

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:In the expression (1), the values V _1, M _nach obtained by measurement, the value M can _we get M for measuring the high intensity of the external magnetic field or defining extrapolation, however, for determining the sample temperature T is necessary to know the magnetic moment nanochasttsy R. For this purpose, without changing the induction of a constant magnetic field B ₁ , in which the nanoparticles are located, the sample is affected by an electromagnetic field with a changing frequency F and a magnetic induction vector directed normally to the induction of a constant magnetic field B ₁ . When, when the frequency F is _changed , it passes the value F _pez satisfying the magnetic resonance condition PB ₁ = hF _pez (h is the Planck constant), the magnetization M saturates, which can be detected by its decrease. By measuring the frequency F _pez , we can find the magnetic moment of the nanoparticles P = hF _pez / B ₁ . Substituting the found value of P in (1), we obtain the expression for determining the thermodynamic temperature in joules without using the reference temperature of the triple point of water:

T=hF_peзM_нac/3M₁.T = hF _rez M _nac / 3M ₁ .

Доказательство осуществимости предлагаемого способаThe proof of the feasibility of the proposed method

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.)As a thermometric substance, you can use a colloidal solution of magnetite nanoparticles in water, stabilized with oleic acid, with a concentration of about one volume%. A sensitive element (temperature sensor) is two cylindrical containers filled with thermometric material with a diameter of 20 and a height of 40 mm, located nearby at a distance of 3 mm from each other in an external magnetic field, the intensity of which can be changed. Between the containers and at the side surface of one of them there are NMR sensors 1 and 2 for measuring the proton nuclear magnetic resonance frequencies f ₁ and f _{2 in them} . The magnetization in units of A / m is determined by the formula M = (f ₁ -f ₂ ) / β, where β = 53.4 is the gyromagnetic ratio of protons in units of Hzm / A. Induction of the magnetic field inside the sensing element is determined by the formula B = f / δ, where δ = 4.25 * 10 ⁷ is the gyromagnetic ratio of protons in units of Hz / T. A similar device is described in the analogue and prototype. On this device, by measuring the frequencies f ₁ in the sensor 1 and f ₂ in the sensor 2, it is possible to determine the magnetization M, M _us and the induction of the magnetic field B. To find the magnetic moment of nanoparticles P on the same device, it is proposed to use magnetic resonance of the nanoparticles. To this end, the colloidal solution of nanoparticles containing magnetic moments P contained in the containers of the primary transducer is affected, in addition to a constant magnetic field with induction B, by a weak alternating magnetic field with a frequency F. A constant magnetic field causes the orientation of magnetic moments P parallel to induction B, leading to the appearance in the sample magnetization M. If the frequency of an alternating field F has a resonant value F _pez satisfying the condition of magnetic resonance 2PB = hF _rez , then under its influence the magnetic moments on of the particles P change their orientation relative to the direction of induction B, as a result of which there is a saturation phenomenon (a decrease in the magnetization of nanoparticles M), which can be directly detected by a decrease in the difference in resonance frequencies f ₁ and f ₂ in the sensors 1, 2, located, as described above, near transducer containers. (The phenomenon of saturation of proton magnetization, used to measure magnetic fields, is described in detail, for example, in the book of A. I. Zhernovoy “Measurement of magnetic fields by the method of nutation”, Leningrad, Energia, 1979)

Claims

A method for measuring the thermodynamic temperature by measuring the magnetization M and saturation magnetization M _{us of the} dispersion of single-domain ferromagnetic nanoparticles, characterized in that the dispersion is _{affected by} an alternating magnetic field and the resonance frequency of this field F _{pez is measured} , at which the magnetization M decreases, the temperature is determined by the formula T = hF _rez M / 3M _us , where h is Planck's constant.