ИЗМЕРИТЕЛЬ ПОВЕРХНОСТНОГО ДАВЛЕНИЯ Российский патент 1994 года по МПК G01N13/02 

Изобретение относится к приборостроению, в частности к прецизионным датчикам поверхностного давления и натяжения жидкостей и пленок, и может быть использовано в качестве контролирующего микробаланса в установках для получения мономолекулярных пленок Лэнгмюра-Блоджетт.

Известны весы Лэнгмюра, в которых поверхностное давление пленки, находящейся на поверхности жидкости, измеряют как силу, действующую на подвижную рамку, расположенную на поверхности жидкости и пересекающую монослой [1]. При этом в качестве измерителя силы используются торсионные или маятниковые весы.

Недостатком известных весов является низкая точность измерения поверхностного давления.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению являются весы Вильгельми, состоящие из корпуса, плоской пружины, пластины Вильгельми и ферритового сердечника, закрепленных на пружине катушки, оптической схемы, состоящей из источника света, двух фотодиодов и диафрагмы, схемы детектирования, усилителя и амперметра [2].

В процессе измерения поверхностного давления пластину Вильгельми частично погружают в жидкую субфазу. Под действием силы поверхностного натяжения пленки пластина изменяет свой вес и отклоняет пружину, на которой закреплена диафрагма, от положения равновесия. При этом возникает разность фотопотоков на фотодиоды от источника света, соответствующая разность фототоков усиливается и подается на катушку, в результате чего ферромагнитный стержень втягивается в катушку и восстанавливает первоначальное положение пружины. Таким образом, ток компенсации, подаваемый на катушку, однозначно связан с поверхностным давлением.

Недостатком известного устройства является сложность, связанная с наличием оптической схемы, необходимостью ее периодической юстировки и отладки, а также чувствительностью к паразитным световым потокам и изменению температуры окружающей среды (фототок зависит от температуры). Другим недостатком является низкая надежность работы, обусловленная тем, что начальное положение ферритового сердечника относительно катушки, от которого зависит чувствительность измерителя, не фиксировано, и может изменяться от опыта к опыту, а при приближении конца сердечника к верхнему краю катушки чувствительность резко падает.

Цель изобретения - упрощение и повышение надежности работы устройства.

Это достигается тем, что в предлагаемом измерителе поверхностного давления система фиксирования отклонения сердечника от положения равновесия выполнена в виде конденсатора, одна из обкладок которого закреплена на сердечнике, а другая - на торце катушки, а схема компенсации тока в катушке дополнительно содержит генератор высокой частоты и управляемый детектор, причем генератор высокой частоты подключен к одной из обкладок конденсатора, одному из входов детектора и одному из входов усилителя, вторая обкладка конденсатора - к управляющему входу детектора, выход детектора соединен с вторым входом усилителя, выход которого соединен последовательно через амперметр с катушкой.

На фиг. 1 показаны два варианта выполнения механической части измерителя; на фиг. 2 - блок-схема электронной части устройства.

Устройство состоит из катушки 1 (фиг. 1), ферромагнитного сердечника 2, пластины Вильгельми 3, двух металлических обкладок конденсатора 4 и 5, одна из которых закреплена на конце сердечника 2, а другая - на торце катушки 1, соединительных проводов 6, генератора 7 высокой частоты (фиг.2), управляемого детектора 8, усилителя 9 и амперметра 10.

Генератор подключен к первой обкладке конденсатора 4, входу детектора 8 и усилителю 9, вторая обкладка конденсатора 5 - к управляющему входу детектора 8, выход последнего - к входу усилителя 9, а выход усилителя - к амперметру 10 и катушке 1.

В другом варианте выполнения устройства (фиг.1б) обкладки конденсатора выполняют с нижнего торца катушки и снабжают устройство ограничительной пластиной 11, а также индикаторной цепью с источником питания 12 и датчиком 13 для фиксации ухода сердечника 2 из рабочей зоны. Возможен вариант выполнения устройства, в котором обкладками конденсатора служат ограничительная пластина 11 и обкладка 4 (фиг.1б).

Устройство работает следующим образом.

Перед измерением поверхностного давления измеритель калибруют, последовательно нагружая разновесом. После калибровки пластину Вильгельми 3, в качестве которой чаще всего используют фильтровальную бумагу, полностью погружают в жидкость, используемую в качестве субфазы для нанесения пленки. Затем пластину вынимают из жидкости и дают свободно повисеть в течение 1-2 мин.

После этого пластина Вильгельми приобретает постоянный вес и готова к работе. На поверхность жидкой субфазы в специальной ванне наносят исследуемую пленку, например Лэнгмюровскую пленку. Пластину Вильгельми наполовину опускают в субфазу. На катушку 1 подают постоянный ток 10-100 мА. При этом ферромагнитный стержень 2 выталкивается из катушки 1 (для конструкции, изображенной на фиг.1), либо втягивается в нее (в случае конфигурации фиг. 1б) так, чтобы между обкладками конденсатора 4 и 5 образовалось расстояние около 1 мм. К первой обкладке конденсатора прикладывают переменное синусоидальное напряжение высокой частоты и детектируют амплитуду на второй обкладке при помощи детектора. Амплитуда определяется емкостью конденсатора, которая зависит от расстояния между обкладками.

В процессе нанесения пленок Лэнгмюра-Блоджетт требуется снимать зависимость поверхностного натяжения от площади поверхности пленки при сжатии ее подвижным барьером для фиксации точек фазовых переходов двумерный газ - двумерная жидкость и двумерная жидкость - двумерный кристалл, а также для поддержания поверхностного давления постоянным в процессе переноса ЛБ-пленки на подложку.

Предлагаемое устройство позволяет легко получать данную зависимость (так называемую π -А-диаграмму). В процессе сжатия лэнгмюровской пленки барьером пластина Вильгельми движется в направлении, перпендикулярном поверхности субфазы из-за изменения натяжения пленки. В результате ферритовый стержень 2 смещается относительно катушки 1 и расстояние между обкладками 4 и 5 (а следовательно, емкость конденсатора С) изменяется.

Вследствие этого изменяется амплитуда переменного напряжения на второй обкладке конденсатора. Детектор 8 измеряет амплитуду колебаний на частоте генерации на второй обкладке. Разность амплитуд колебаний на первой и второй обкладках усиливается и подается на управляемую катушку с тем, чтобы компенсировать смещения стержня относительно катушки путем его втягивания или выталкивания. Одновременно ток компенсации измеряется при помощи амперметра 10. Таким образом, ферромагнитный стержень постоянно находится в среднем положении, а ток компенсации соответствует поверхностному натяжению пленки, абсолютное значение которого определяют с помощью калибровочной кривой.

П р и м е р. Измеритель калибруют при помощи разновеса. С устройства снимают пластину Вильгельми и вместо нее надевают на держатель чашку весов того же веса, что и используемая в процессе измерений пластина Вильгельми. Затем чашку последовательно нагружают разновесом в диапазоне весов 0-2 г с интервалом 5 мг. При добавлении каждой новой нагрузки ферромагнитный стержень 2 совмещается относительно катушки 1 и изменяет расстояние между обкладками 4 и 5. К первой обкладке прикладывают переменное напряжение с частотой 100 кГц и амплитудой 1 В. При добавлении нагрузки 5 мг амплитуда колебаний на второй обкладке изменяется на 20 мВ. Детектор 8 измеряет амплитуду колебаний на второй обкладке. Усилитель 9 преобразует разность амплитуд колебаний на первой и второй обкладках в ток компенсации, который подается на управляющую катушку 1 и одновременно измеряется амперметром 10.

Дополнительный ток компенсации, подаваемый на катушку, восстанавливает первоначальное положение стержня 2 относительно управляющей катушки. График зависимости тока на амперметре 10 от нагрузки является калибровочной кривой. Затем на поверхность чистой воды в специальной ванне наносят пленку стеариновой кислоты. На держатель измерителя надевают пластину Вильгельми из фильтровальной бумаги и частично погружают в субфазу сквозь пленку. Разность токов компенсации в чистой воде и в воде с лэнгмюровской пленкой стеариновой кислоты соответствует поверхностному натяжению последней. Затем лэнгмюровскую пленку начинают сжимать при помощи подвижного барьера, частично погруженного в субфазу. В процессе сжатия поверхностное натяжение лэнгмюровской пленки возрастает от 0 до 20 мН/м. При помощи измерителя определяют зависимость поверхностного натяжения пленки от ее площади и фиксируют момент образования плотноупакованного монослоя. Затем сквозь пленку пропускают подложку и переносят пленку на нее. В процессе переноса постоянно измеряют поверхностное натяжение измерителем, а также при помощи обратной связи барьер - измеритель поддерживают поверхностное натяжение постоянным.

Использование: презиционное измерение поверхностного давления и натяжения жидкостей и пленок. Сущность: измеритель содержит весы Вильгельми, управляющую катушку, ферромагнитный сердечник, связанный с держателем чашки весов и расположенный внутри катушки, пластину Вильгельми, систему фиксирования отклонения сердечника от положения равновесия и схему компенсации тока в катушке. Система фиксирования отклонения сердечника выполнена в виде конденсатора, одна из обкладок которого закреплена на сердечнике, а другая - на торце катушки. Схема компенсации тока в катушке содержит генератор высокой частоты, управляемый детектор, усилитель и амперметр, причем генератор высокой частоты подключен к одной из обкладок конденсатора, одному из входов усилителя, вторая обкладка конденсатора подключена к управляющему входу детектора, выход детектора соединен с вторым входом усилителя, выход которого соединен последовательно через амперметр с катушкой. 2 ил.

ИЗМЕРИТЕЛЬ ПОВЕРХНОСТНОГО ДАВЛЕНИЯ, содержащий весы Вильгельми, управляющую катушку, ферромагнитный сердечник, связанный с держателем чашки весов и расположенный внутри катушки, пластину Вильгельми, систему фиксирования отклонения сердечника от положения равновесия и схему компенсации тока в катушке, включающую операционный усилитель и амперметр, отличающийся тем, что, с целью упрощения и повышения надежности в работе, система фиксирования отклонения сердечника от положения равновесия выполнена в виде конденсатора, одна из обкладок которого закреплена на сердечнике, а другая - на торце катушки, а схема компенсации тока в катушке дополнительно содержит генератор высокой частоты и управляемый детектор, причем генератор высокой частоты подключен к одной из обкаток конденсатора, одному из входов детектора и одному из входов усилителя, вторая обкладка конденсатора подключена к управляющему входу детектора, выход детектора соединен с вторым входом усилителя , выход которого соединен последовательно через амперметр с катушкой.