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 который 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 чувствительность.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству являются весы Вильгельми, состоящие из корпуса, плоской пружины, пластины Вильгельми и ферритового сердечника, закрепленных на пружине, управляющей 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 втягивается в субфазу 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 поверхностными 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 изменением температуры окружающей среды (фототок зависит от температуры). Другим недостатком является недостаточно высокая чувствительность, обусловленная тем, что начальное положение ферритового сердечника относительно катушки, от которого зависит чувствительность измерителя, не фиксировано и может изменяться от эксперимента к эксперименту, а при приближении конца сердечника к верхнему или нижнему краю катушки чувствительность резко падает.

Цель изобретения - упрощение конструкции и повышение чувствительности измерителя.

Цель достигается тем, что в измерителе поверхностного давления, содержащем 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, система фиксирования отклонения сердечника от положения равновесия выполнена в виде конденсатора, одна из обкладок которого закреплена на сердечнике, а другая - на торце катушки, соединенного с катушкой индуктивности в колебательный контур, а схема компенсации тока в катушке дополнительно содержит генератор опорной частоты, блок фазовой автоподстройки частоты и усилитель колебаний, при этом генератор опорной частоты подключен к одному из входов блока фазовой автоподстройки частоты, к другому входу которого подключен колебательный контур, выход блока фазовой автоподстройки частоты соединен последовательно через операционный усилитель и амперметр с катушкой.

На фиг. 1, 2 показаны два варианта выполнения механической части измерителя; на фиг. 3 - блок-схема электронной части устройства.

Устройство состоит из катушки 1, ферромагнитного сердечника 2, пластины 3 Вильгельми, двух металлических обкладок 4 и 5 конденсатора, одна из которых закреплена на конце сердечника 2, а другая - на торце катушки 1, соединительных проводов 6, усилителя 7 колебаний, катушки 8 индуктивности, генератора 9 частоты сравнения, блока 10 фазовой автоподстройки частоты, усилителя 11 и амперметра 12. Конденсатор и катушка 8 индуктивности образуют колебательный контур. Усилитель 7 колебаний и генератор 9 частоты сравнения подключены к усилителю 11, а последний - к катушке 1 и амперметру 12.

В другом варианте выполнения устройства (фиг. 2) обкладки конденсатора выполняют с нижнего торца катушки 1 и снабжают устройство ограничительной пластиной 13, а также индикаторной цепью с источником 14 питания и датчиком 15 для фиксации ухода сердечника 2 из рабочей зоны. Возможен вариант выполнения устройства, в котором обкладками конденсатора служат ограничительная пластина 13 и обкладка 4.

Устройство работает следующим образом. Перед измерением поверхностного давления измеритель калибруют, последовательно нагружая разновесами. После калибровки пластину 3 Вильгельми, в качестве которой используют фильтровальную бумагу, полностью погружают в жидкость, используемую в качестве субфазы для поверхностной 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 конструкции на фиг. 2) так, чтобы между обкладками конденсатора 4 и 5 образовалось расстояние около 1 мм. Частота генерации колебательного контура, образованного конденсатором и катушкой 8 индуктивности (частота автоколебаний), определяется величинами индуктивности L катушки 8 и емкости конденсатора С и составляет 10-30 МГц. При изменении расстояния между обкладками конденсатора в результате сдвига сердечника 2 частота генерации меняется. Это позволяет измерять силу, действующую на сердечник 2 со стороны пластины 3 Вильгельми, а следовательно, и поверхностное натяжение субфазы.

В процессе нанесения пленок Лэнгмюра-Блоджетт требуется определять зависимость поверхностного натяжения от площади 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 такую 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 смещается относительно катушки 1 и расстояние между обкладками 4 и 5 (а следовательно, емкость конденсатора С) изменяется. Вследствие этого изменяется резонансная частота генерации колебательного контура. Блок 10 фазовой автоподстройки частоты сравнивает частоту автоколебаний контура с частотой сравнения, вырабатываемой генератором 9. Разность указанных частот должна составлять определенную постоянную величину. В случае отличия разности частот от данной величины блок 10 фазовой автоподстройки частоты вырабатывает разностный сигнал в виде постоянного тока компенсации, который усиливается усилителем 11 и подается на катушку 1, восстанавливая исходное положение сердечника 2 и компенсируя возникшее изменение разности частот сравнения и автоколебаний. Таким образом, сердечник постоянно находится в среднем положении, а ток компенсации, детектируемый амперметром 12, 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 3 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 смещается относительно катушки 1 и изменяет расстояние между обкладками 4 и 5. Частота генерации резонансного колебательного контура составляет 25 МГц, амплитуда - 1 В. При добавлении нагрузки 5 мг частота автогенерации контура изменяется на 5 кГц. Блок 10 фазовой автоподстройки частоты вырабатывает ток, пропорциональный изменению разности частот сравнения и автогенерации. Данный сигнал рассогласования усиливается усилителем 11, измеряется амперметром 12 и подается на управляющую катушку 1, увеличивая силу втягивания стержня в катушку и компенсируя смещение стержня. График зависимости тока на амперметре 12 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: прецизионное измерение поверхностного давления и натяжения жидкостей и пленок. Сущность изобретения: 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 от положения равновесия выполнена в виде конденсатора, одна из обкладок которого закреплена на сердечнике, а другая - на торце катушки, соединенного с катушкой индуктивности в колебательный контур. Схема компенсации тока в катушке содержит операционный усилитель, амперметр, генератор опорной частоты, блок фазовой автоподстройки частоты и усилитель колебаний, при этом генератор опорной частоты подключен к одному из входов блока фазовой автоподстройки частоты, к другому входу которого подключен выход усилителя колебаний, к выходам которого подключен колебательный контур. Выход блока фазовой автоподстройки частоты соединен последовательно через операционный усилитель и амперметр с катушкой. 3 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 чувствительности, система фиксирования отклонения сердечника от положения равновесия выполнена в виде конденсатора, одна из обкладок которого закреплена на сердечнике, а другая - на торце катушки, соединенного с катушкой индуктивности в колебательный контур, а схема компенсации тока в катушке дополнительно содержит генератор опорной частоты, блок фазовой автоподстройки частоты и усилитель колебаний, при этом генератор опорной частоты подключен к одному из входов блока фазовой автоподстройки частоты, к другому входу которого подключен выход усилителя колебаний, к выходам которого подключен колебательный контур, выход блока фазовой автоподстройки частоты соединен последовательно через операционный усилитель и амперметр с катушкой.