CC BY
77
ПРИБОРЫ ТОЧНОЙ МЕХАНИКИ
УДК 53.082
В. В. Давыдов, В. И. Дудкин, А. Ю. Карсеев ПОЛЯРИЗАТОР
ДЛЯ ЭФФЕКТИВНОГО НАМАГНИЧИВАНИЯ ТЕКУЩЕЙ ЖИДКОСТИ
Рассматривается способ локального уменьшения времени продольной релаксации чистой воды в момент нахождения ее в поляризаторе. Приведены результаты экспериментального исследования одновременного влияния постоянного электрического и магнитного полей на время продольной релаксации при различных температурах чистой воды.
Ключевые слова: магнит-поляризатор, сосуд-поляризатор, намагниченность, время продольной релаксации, вязкость.
Введение. В соответствии с требованиями, предъявляемыми в настоящее время к измерительным устройствам, погрешность измерений не должна превышать 0,2—0,5 % [1]. Другим важным требованием, наряду с точностью, является надежность измерителей. Основной показатель надежности — время, в течение которого прибор сохраняет работоспособность при допустимой погрешности измерений. Это время зависит как от конструкции прибора, так и от его назначения и условий применения [2]. Третье требование — обеспечение диапазона измерений физической величины при допустимой погрешности [1, 3].
Ядерно-магнитные измерители физических величин, предназначенные для работы с потоком жидкости, обладают высокой степенью надежности благодаря отсутствию непосредственного контакта с исследуемой средой [4]. Однако для обеспечения точности измерений (при допустимой погрешности) такие измерители должны иметь устройство для эффективного намагничивания. Для полного намагничивания жидкая среда должна находиться в зоне действия магнитного поля в течение времени Тн, не меньшего чем 3Г1, где Т1 — время продольной релаксации жидкости [5]. В случае нарушения соотношения между Тн и Т1 жидкость намагничивается не полностью [6]. При этом зависимость величины намагниченности жидкости от времени нахождения ее в магнитном поле (на интервале от 0 до 3Т1) носит нелинейный характер [5, 7]. Максимальная крутизна кривой намагниченности текущей жидкости приходится на интервал от Т1 до 2Т1. В этом случае, как правило, величина намагниченности составляет 30—80 % от максимально возможной для данного магнитного поля [5, 8, 9]. Если по каким-либо причинам (в основном из-за увеличения скорости протекания) жидкость в поляризаторе находится в течение времени, меньшего 2Т1, это приводит к высокой погрешности измерений.
Точность измерений в таких приборах определяется отношением сигнал/шум в схеме регистрации сигнала ЯМР и связана как с однородностью магнитного поля в зоне расположения катушки регистрации, так и с величиной намагниченности жидкости [10, 11]. Однородность магнитного поля в зоне расположения катушки регистрации сигнала ЯМР — постоянная величина, так как влияние внешних воздействий устраняется конструктивными осо-
бенностями прибора; величина однородности может измениться только при значительном изменении температуры окружающей среды, что приведет к разогреву магнитов. Поэтому отношение сигнал/шум в схеме регистрации сигнала ЯМР в основном будет определяться величиной намагниченности жидкой среды и временем действия релаксационных процессов при протекании жидкости от поляризующей магнитной системы до катушки регистрации сигнала ЯМР.
Намагничивание жидкости и релаксационные процессы. Амплитуда сигнала ЯМР в катушке регистрации пропорциональна величине намагниченности жидкой среды. Намагниченность жидкости, поступившей в катушку регистрации, описывается следующей формулой [5]:
Мр = Х0 Нп
1 - exp
Г V Л
у п
qT1
Г Vтр Л
exp
тр
ЧТ\
(1)
где х0 — статическая ядерная магнитная восприимчивость; Нп — напряженность поля в зазоре магнита-поляризатора, Уп — объем сосуда-поляризатора жидкости; q — расход жидкости; Утр — объем соединительного трубопровода между поляризатором и катушкой регистрации.
Согласно выражению (1) существует оптимальный расход жидкости qопт, при котором величина намагниченности максимальна. Отклонение от значения qопт приводит к уменьшению намагниченности, что автоматически уменьшает амплитуду регистрируемого сигнала ЯМР. Уменьшение величины Мр вследствие уменьшения или увеличения q до значения, при котором отношение сигнал/шум становится меньше трех, для проведения измерений в реальном времени недопустимо (погрешность измерения превышает 1 %). По значениям расхода ql и q2, при которых отношение сигнал/шум равно трем, определяется динамический диапазон измерения физической величины.
В связи с тем, что в технологических процессах часто используются потоки жидкости с большими расходами, при измерениях возникают проблемы, связанные с неполным намагничиванием жидкости. В настоящее время технологии создания принципиально новых высоко-энергетичных магнитных материалов практически себя исчерпали. Поэтому одним из обоснованных решений увеличения намагниченности для турбулентного потока жидкости с большим расходом является локальное уменьшение времени продольной (спин-решеточной) релаксации жидкости в момент нахождения ее в магнитной системе.
Для реализации этой задачи авторами предложен способ локального уменьшения времени релаксации Т1 и проведена его экспериментальная проверка. Для формирования турбулентного потока жидкости в момент нахождения ее в магнитной системе разработана конструкция сосуда-поляризатора.
Методика эксперимента. В качестве жидкой среды в эксперименте использовалась чистая вода (водопроводная вода, очищенная от механических примесей) комнатной температуры. Выбор в пользу чистой воды сделан, в первую очередь, вследствие изученности и простоты данной среды, а также достаточно большого времени продольной релаксации Т1=3,6 с при комнатной температуре (около 20 °С) по сравнению с другими жидкими средами. Кроме того, при незначительных колебаниях (± 2 °С) комнатной температуры (что может происходить во время эксперимента) изменения Т1 несущественны [12].
Механизм формирования времени релаксации Т1 для чистой воды обусловлен вращательным и поступательным (трансляционным) движением ее молекул, вызванным диполь-дипольным взаимодействием протонов [13]. Экспериментально установлено, что вклад в величину Т1 при вращательном движении молекул в три раза больше, чем при поступательном.
Время продольной релаксации для жидких сред, содержащих молекулы с двумя одинаковыми спинами, равными 1/2, рассчитывается по следующей формуле [10, 13]:
Т =
кг
_ ,24 2лп у ^
г Ъ1+_5_
3 + 3пЫ
Л
а
(2)
у
где г — температура воды; а — радиус твердой сферы, при котором молекула аппроксимируется по формуле Стокса; Ъ — расстояние между протонами; N — число протонов в 1 см ; П — вязкость воды; к — постоянная Больцмана; П — постоянная Планка; у — гиромагнитное отношение.
При постоянных значениях температуры и скорости потока жидкости изменение Т1 будет связано с изменением вязкости или факторами, влияющими на нее [10, 13].
Метод, позволяющий сократить время релаксации при нахождении жидкости в сосуде-поляризаторе, разработан с учетом особенностей строения молекулы воды, а также механизмов формирования времени Г1. Для этих целей была разработана новая конструкция устройства намагничивания жидкости — поляризатора, структурная схема которого приведена на рис. 1, где 1 — полюсы постоянного магнита; 2 — сосуд-поляризатор; 3 — проводящие пластины; 4 — участок трубопровода; 5 — изолирующие прокладки; 6 — источник постоянного напряжения.
N
5 3 ХХХХХХ^ХХХХ
^Ё-Л! Е I- _ Нп Поток ч жидкостд
Рис. 1
В разработанной конструкции между полюсными наконечниками постоянного магнита с Вп = 0,862 Тл (Нп = 685 954 А/м) расположены две пластинки, на которые подается постоянное напряжение и. Расстояние между пластинками 14 мм. В результате в сосуде-поляризаторе, расположенном между пластинками, на поток чистой воды оказывает воздействие, кроме постоянного магнитного поля, еще и постоянное электрическое поле. Под действием сильного электрического поля изменяется средняя ядерная конфигурация молекул: электрический дипольный момент молекул воды выстраивается по полю Е, а также смещаются электронные облака отрицательного заряда в пространстве вокруг ядер [13, 14].
Для того чтобы наблюдать уменьшение Т1, необходимо, регулируя расход воды, переместить „точку регистрации" сигнала ЯМР на спадающий участок кривой намагниченности [11, 15]. Было установлено, что при таком расходе для данного трубопровода в диапазоне температур от 15 до 26 °С число Рейнольдса превышает 3000. Это означает, что поток жидкости — турбулентный [16]. В этом случае основное влияние на вязкость потока чистой воды оказывает динамический коэффициент турбулентной вязкости При дальнейшем увеличении скорости и температуры потока влияние других компонентов вязкости снижается [16].
Для создания турбулентного потока при малых расходах жидкости и низких температурах в разработанной конструкции магнита-поляризатора реализована новая конструкция сосуда-поляризатора. В этом сосуде турбулентность создается перемешиванием двух встречных
1
2
5
потоков, что допустимо при небольших скоростях потока жидкости [16]. На рис. 2 представлена конструкция сосуда-поляризатора со схемой течения жидкости. Измерения показали, что гидравлические потери при использовании данной конструкции увеличатся на 6—7 % по сравнению с потерями при применении классической конструкции.
Поток
жидкости
',//'///////г
'//////////л
Рис. 2
Турбулентная вязкость сложным образом зависит от многих параметров потока, в частности от турбулентной пульсации скорости, на которую влияют энергии вращения и колебания в молекуле [14, 16]. В сильном электрическом поле увеличивается дипольный момент молекулы, что приводит к уменьшению этих энергий [14].
Для нескольких значений комнатной температуры (при этих температурах омагничен-ную чистую воду используют для производства „тяжелой" воды и приготовления биологических растворов) было исследовано влияние электрического поля на время продольной релаксации Г1. Для измерений Т1 с минимальной погрешностью экспериментальная установка была сконструирована таким образом, чтобы все измерения проводились при оптимальном расходе жидкости ^опт и отношении сигнал/шум, равном 40 и выше. В соответствии со стандартной методикой, используемой, например, в минитомографах при измерении времени релаксации [17], цикл измерения времени продольной релаксации повторялся 10 раз для усреднения данных по значениям Т1 и оценки погрешности измерения. На рис. 3 представлены полученные зависимости для различных значений температуры потока чистой воды: 1 — г = 16,2 °С; 2 — г = 19,4 °С; 3 — г = 25,1 °С.
Тъ с
3,7 3,6 3,5 3,4 3,3 3,2 3,1 3
3
/
2
1 1 ■
N.
Ч| X
к ч N
N N
!
0 5 10 15 20 25 30 35 и, кВ
Рис. 3
На основе полученных экспериментальных результатов можно сделать следующий вывод: под действием сильного электрического поля (близкого по величине напряжению пробоя воздуха) значение Т1 уменьшается, что позволяет его достоверно зарегистрировать. Экспериментальные данные согласуются с теоретическими представлениями о том, что при увеличении температуры чистой воды измеренные величины Т1 при одинаковом воздействии электрического поля будут увеличиваться.
Заключение. Предложенный метод и разработанные конструкции поляризатора и сосуда-поляризатора представляют интерес и для практики, и для физики магнитных явлений. При этом надежность модифицированного прибора не ухудшилась.
Кроме того, перспективными представляются исследования по структуре льда, полученного из чистой воды, подвергшейся одновременному воздействию электрического и магнитного полей. Такой лед может быть получен, например, путем быстрой заморозки чистой воды сразу после воздействия на нее этих полей на выходе из поляризатора как в кювете, так и в ответвлении трубопровода. Лед представляет собой поликристаллическое тело, в котором кристаллическая структура определяется строением молекул воды и некоторыми ее макроскопическими свойствами — вязкостью, модулем упругости и др. [18]. Значительное уменьшение времени продольной релаксации Т1 в жидкой среде, связанное с увеличением вязкости среды, может вызвать изменения в кристаллической структуре льда.
В настоящее время известны 3 аморфные разновидности и 15 кристаллических модификаций льда. Возможное появление новых модификаций льда представляет как научный, так и практический интерес.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кабардина С. И., Шефер Н. И. Измерения физических величин. М.: Бином, Лаборатория знаний, 2009. 152 с.
2. Зайдель А. Н. Ошибки измерений физических величин. М.: Лань, 2005. 112 с.
3. Davydov V. V. Applying of nuclear-magnetic flowmeter-relaxometer for sewage control // Thes. of the 6th Intern. Youth Environmental Forum "ECOBALTICA'2006". St. Petersburg, 2006. P. 142.
4. Давыдов В. В., Семенов В. В. Нестационарный режим работы нутационных ЯМР расходомеров и магнитометров // Приборы и техника эксперимента. 1999. № 3. C. 151—153.
5. Жерновой А. И., Латышев Г. Д. Ядерный магнитный резонанс в проточной жидкости. М.: Атомиздат, 1964. 254 с.
6. Жерновой А. И., Стасевич В. М. Расходомер жидкости на принципе ЯМР // Изв. вузов СССР. Приборостроение. 1965. Т. 8, № 2. С. 6—30.
7. Брановер Г. Г., Циннобер А. Б. Магнитная гидродинамика несжимаемых сред. М.: Наука, 1970. 380 с.
8. Davydov V. V. The different work regimes of the nutation nuclear-magnetic flowmeter // Contemporary Technical Physics, J. of Boston Phys. Soc. 1998. Vol. 9, N 3. Р. 74—77.
9. Давыдов В. В. Влияние неоднородного магнитного поля на время продольной релаксации Т текущей жидкости // Инженерно-физич. журн. 2000. Т. 73, № 4. C. 819—822.
10. Лёше А. Ядерная индукция. М.: Изд-во иностр. лит., 1963. 678 с.
11. Жерновой А. И. Ядерно-магнитные расходомеры. Л.: Машиностроение, 1985. 136 с.
12. Davydov V. V. The calculation relaxation times T and T2 for flow liquid // Intern. J. of Modern Physics. 1998. Vol. 7, N 9. Р. 798—801.
13. Абрагам А. Ядерный магнетизм. М.: Изд-во иностр. лит., 1967. 686 с.
14. Татевский В. В. Строение молекул. М.: Химия, 1977. 512 с.
15. Давыдов В. В., Дудкин В. И. Режим работы меточного ЯМР-расходомера на основе эффекта параметрического резонанса // Изв. вузов. Приборостроение. 2002. Т. 45, № 5. С. 49—51.
16. Гиргидов А. Д. Механика жидкости и газа (гидравлика). СПб: Изд-во Политехн. ун-та, 2007. 545 с.
17. Марусина М. Я., Нейронов Ю. И. Метод определения времени релаксации протонов моторного масла и возможности его практического использования // Науч. приборостроение. 2010. Т. 20, № 2. С. 37—41.
18. Богородский В. В., Гаврилов В. П. Лед. Физические свойства. Современные методы гляциологии. Л.: Гидрометеоиздат, 1981. 584 с.
Вадим Владимирович Давыдов
Валентин Иванович Дудкин
Антон Юрьевич Карсеев
Сведения об авторах канд. физ.-мат. наук, доцент; Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, кафедра квантовой электроники; E-mail: davydov_vadim66@mail.ru
д-р физ.-мат. наук, профессор; Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, кафедра квантовой электроники; E-mail: vidoodkin@mail.ru
студент; Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, кафедра квантовой электроники; E-mail: antonkarseev@gmail.com
Рекомендована кафедрой квантовой электроники
Поступила в редакцию 02.10.13 г.
