Поляризатор для эффективного намагничивания текущей жидкости

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\

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

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.

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.