СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ЖИДКОСТЕЙ Российский патент 1995 года по МПК G01N13/02 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности к методам определения поверхностного натяжения чистых жидкостей и растворов поверхностно-активных веществ, и может найти применение для непрерывного исследования временной зависимости поверхностного натяжения жидкостей в лабора- торных условиях, а также при осуществлении процессов, нуждающихся в экспресс-методе оценки значений поверхностного натяжения, например, в распылительной технике.

Известны способы определения поверхностного натяжения σ жидкостей [1]
Известен также способ измерения поверхностного натяжения жидкости, согласно которому каплю исследуемой жидкости формируют из конца вертикальной трубки, помещенной в термостатическую камеру, при медленной скорости подачи жидкости (квазистатически), фотографируют ее при достижении системой гидродинамического равновесия, по фотоснимку висящей капли при увеличении последнего измеряют либо объем и радиус капли в плоскости изгиба образующей ее профиля, либо диаметры капли в экваторе и в плоскости, находящейся на расстоянии, равном экваториальному диаметру от вершины капли в зависимости от выбора дальнейшего метода расчета. По данным, полученным в результате измерений, и пользуясь соответствующей таблицей необходимых коэффициентов, по известным формулам находят значение поверхностного натяжения исследуемой жидкости [2]
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является способ определения поверхностного натяжения жидкости, в процессе которого каплю формируют квазистатически на коническом наконечнике, фотографируют ее, по фотографии висящей капли при увеличении фотоснимка измеряют расстояние от вершины конусного наконечника до образующей профиля капли в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Значение поверхностного натяжения вычисляют как функцию от безразмерного комплекса, являющегося отношением экспериментального и теоретического значений координат профиля капли. Угол раствора конуса для осуществления этого способа выбирается в пределах от 60^о и выше [3]
Необходимость осуществления способа в термостатической камере, использование виброоснования с необходимостью тщательного горизонтирования, применение специальных оптических устройств (фотокамера и дешифратор), необходимость сложных измерений и вычислений делают способ достаточно длительным, сложноосуществимым и дорогостоящим, а в случае необходимости быстрого определения величины σ практически неприемлемым.

Указанные недостатки обусловлены тем, что объектом измерений является профиль малой капли, очень чувствительный к изменениям температуры и вибрации, а точность расчетов зависит как от четкости полученных фотоизображений висящей капли, так и от соблюдения ее осевой симметрии.

Целью изобретения является упрощение и сокращение времени осуществления способа.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу, заключающемуся в квазистатическом формировании капли исследуемой жидкости на коническом наконечнике, измерении координат профиля капли и расчете значения поверхностного натяжения, каплю формируют на подогреваемом коническом наконечнике с углом раствора конуса до 10^о, измеряют высоту начала формирования капли от вершины конусного наконечника, а значение поверхностного натяжения определяют по формуле
σ где σ поверхностное натяжение жидкости, дин/см;
g ускорение силы тяжести, см/с²;
h высота начала формирования капли, см;
ρ_ж плотность жидкости, г/см³;
ρ_c плотность окружающей среды, г/см³;
2 ϕ угол раствора конуса, град.

Кроме того, с целью повышения точности способа измерения проводят с помощью оптического измерителя длин.

Это позволяет уменьшить число экспериментально определяемых параметров до одного, что сокращает время проведения измерений и ошибку, зависящую от их точности, а также дает возможность снимать отсчет напрямую по установленной рядом с наконечником отсчетной шкале, что также сокращает время и не требует сложной фотоаппаратуры. Нагрев конического наконечника позволяет соблюдать температурный режим и отказаться от применения термостатической камеры. Использование оптического измерителя длин позволяет определять значение поверхностного натяжения с точностью до 0,5% Кроме того, на высоту начала формирования h не оказывает большого влияния вибрация и отклонение в горизонтальности, что позволяет сократить время настройки оборудования.

На чертеже изображена принципиальная схема аппаратурного оформления способа.

В основе предлагаемого способа определения поверхностного натяжения жидкостей лежит тот факт, что при квазистатическом формировании капли на коническом наконечнике капля начинает образовываться не на кончике конуса, а выше, причем высота начала ее формирования от вершины тем больше, чем меньше угол раствора конуса. По мере подвода жидкости нижний фронт поверхности капли опускается к вершине конического наконечника, а ее верхняя граница остается неизменной вплоть до начала неустойчивости системы и отрыва капли с наконечника. Равновесие капли на коническом наконечнике описывается математически системой уравнений, связывающих поверхностное натяжение σ разность плотностей исследуемой жидкости и окружающей среды (ρ_ж-ρ_c) и высоту начала формирования капли от вершины наконечника h.

Способ определения поверхностного натяжения жидкостей осуществляется следующим образом. Нагревателем 1, объединенным с терморегулятором 2 и датчиком температуры окружающей среды 3, нагревают стержень 4 капельного устройства 5, компенсируя разницу теплоты между системой измерения и окружающей средой. Прецизионным задатчиком расхода жидкости 6 при обеспечении условия квазистатичности формируют каплю 7 на поверхности конического наконечника 8 капельного устройства 5. Измеряют с помощью оптического измерителя длин 9 по шкале 10 высоту h начала формирования капли от вершины наконечника 8, и значение поверхностного натяжения исследуемой жидкости σ рассчитывают по формуле
σ где σ ускорение силы тяжести;
ρ_ж плотность исследуемой жидкости;
ρ_c плотность окружающей среды;
h высота начала формирования капли;
2 ϕ угол раствора конуса.

Ниже приводятся примеры осуществления способа и примеры, характеризующие выбор признаков, влияющих на достижение поставленной цели.

П р и м е р 1. Исследуемая жидкость дистиллированная вода при температуре окружающего воздуха t_c=22^оС.

Формирование капли производят на коническом наконечнике с углом раствора 2 ϕ2^о.

Плотность исследуемой жидкости ρ_ж0,998 г/см³.

Плотность воздуха ρ_c 0,001 г/см³.

Замеряют высоту начала формирования капли h от вершины конического наконечника с помощью оптического измерителя длин по установленной вертикально отсчетной шкале:
h^изм=2,055 см.

Искомое значение поверхностного натяжения:
σ^изм
σ^изм 72,36
Погрешность вычисления, δ
δ · 100% · 100% +0,3%
П р и м е р 2. Влияние выбора угла конусности наконечника на точность способа. Формирование капель в воздухе.

Материал наконечника латунь (полное смачивание исследуемыми жидкостями).

Свойства исследуемых жидкостей при t_с=22^оС показаны в табл. 1.

Способ осуществляется на конусных наконечниках, угол раствора которых 2 ϕ2; до 10 и 15^о.

Результаты вычислений приведены в табл. 2.

Как видно из табл. 2, предлагаемый способ обеспечивает необходимую для экспресс-анализа точность измерения (до ±0,5%) при угле раствора конусного наконечника до 2 ϕ10^о.

П р и м е р 3. Сравнительный анализ затрат времени на определение значения поверхностного натяжения по прототипу и предлагаемому способу показан в табл. 3.

Из табл. 3 видно, что предлагаемый способ по быстроте осуществления значительно превосходит прототип.

Кроме того, необходимо отметить, что погрешность способа-прототипа равна:
δ_прот.= δ₁+δ₂+δ₃, где δ₁ погрешность в измерении горизонтального расстояния до профиля капли;
δ₂ погрешность в измерении вертикального расстояния до профиля капли;
δ₃ погрешность табличных значений координат профиля.

Погрешность предлагаемого способа состоит лишь из погрешности в измерении высоты начала формирования капли, которая, в пределах допустимого, обеспечивается при использовании оптического измерителя длин с ценой деления 0,01 мм.

Как видно из приведенных выше примеров, способ обеспечивает необходимую для экспресс-анализа точность измерения (до ±0,5%), являясь одновременно более быстродейственным, не требующим сложного оборудования и дает возможность оптимально управлять различными технологическими процессами, в которых поверхностное натяжение на границе раздела фаз имеет важное значение.

Использование: определение поверхностного натяжения жидкостей. Сущность: формируют каплю исследуемой жидкости на подогреваемом коническом наконечнике с углом 2ϕ раствора конуса до 10°, измеряют высоту h начала формирования капли от вершины конусного наконечника, значение поверхностного натяжения s определяют по формуле , где G - ускорение силы тяжести, см/с² ; h - высота начала формирования капли, см; ρ_ж - плотность жидкости, см/с³ ; ρ_c - плотность окружающей среды, см/с³ ; 2ϕ - угол раствора конуса, град. 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 3 табл.

1. СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ЖИДКОСТЕЙ, заключающийся в квазистатическом формировании капли исследуемой жидкости на коническом наконечнике, измерении координат профиля капли и расчете значения поверхностного натяжения, отличающийся тем, что, с целью упрощения и сокращения времени осуществления, каплю формируют на подогреваемом коническом наконечнике с углом раствора конуса до 10^o, измеряют высоту начала формирования капли от вершины конусного наконечника, а значение поверхностного натяжения σ определяют по формуле

где g ускорение силы тяжести, см/с²;
h высота начала формирования капли, см;
r_* плотность жидкости, г/см³;
ρ_c плотность окружающей среды, г/см³;
ϕ угол раствора конуса, град. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что, с целью повышения точности способа, измерения проводят с помощью оптического измерителя длин.