СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ЖИДКОСТЕЙ, НАХОДЯЩИХСЯ ВО ВЗВЕШЕННОМ СОСТОЯНИИ Российский патент 1997 года по МПК G01N13/02 

Изобретение относится к физико-химическому анализу свойств жидкостей, в частности к способам определения поверхностного натяжения жидкостей.

Известен способ определения поверхностного натяжения жидких металлов, находящихся во взвешенном состоянии. Этот метод основан на определении поверхностного натяжения по частоте свободных колебаний капли жидкости, где поверхностное натяжение определяется по формуле
,
где m масса образца;
f частота колебаний капли (1, 2).

Для определения частоты колебаний капли используют скоростную киносъемку динамики капли с последующим обмером изображений капли на измерительном микроскопе.

Недостатком этого способа является трудоемкость подготовки к измерениям и длительность обработки полученных результатов.

Техническая задача изобретения повышение точности измерений и сокращение времени при обработке результатов.

Поставленная задача достигается тем, что левитируемую каплю жидкого металла раскручивают в вертикальной или горизонтальной плоскости. Раскрученная капля принимает форму эллипсоида вращения. В плоскости вращения фотографируют форму капли. Используя обработанные фотоматериалы, замеряют большую и малую оси эллипсоида. Поверхностное натяжение (σ) определяют по формуле

где ρ плотность жидкой капли;
g ускорение силы тяжести;
a малая полуось жидкой капли;
b большая полуось жидкой капли;
w частота вращения капли.

Вывод выражения (1) основан на следующих предпосылках: полная свободная энергия вращающейся капли может быть записана как

где I момент инерции для поверхности вращения;
ω частота вращения;
S поверхность вращения.

Используя вариационный принцип Лагранжа, можно получить дифференциальное уравнение

Полагая X(0) a, X'(0) 0 и считая, что капля имеет форму, близкую к эллипсоиду вращения, можно взять решение уравнения (3) в виде

Подставляя (4) в (3) с учетом граничных условий получаем следующее выражение для определения поверхностного натяжения

В условиях невесомости (q=0) расчетная формула принимает вид
(5)
Одним из способов раскручивания жидкометаллического образца является воздействие бегущим полем строго фиксированной частоты. Этот метод позволяет задавать и контролировать частоту вращения образца. При этом вкладом нестабильности частоты вращения в погрешность измерений поверхностного натяжения можно пренебречь.

На фиг. 1 представлена схема устройства, реализующего предлагаемый способ; на фиг. 2 расположение обмоток на торце стабилизирующего цилиндра; на фиг.3 электрическая схема соединения обмоток.

Левитация и замер полуосей жидкометаллического эллипсоида осуществляется следующим способом.

Твердый образец укладывался на кварцевую подложку, расположенную в коническом индукторе 1, навитом из медной трубки диаметром 3 мм (6 витков). Над индуктором устанавливался ферромагнитный стержень диаметром 30 мм, торец которого служил стабилизирующей плоскостью. В пазах торца стержня уложены обмотки (3 шт. 100 витков) для создания бегущего поля в зоне левитации образца.

При подаче на индуктор 1 ВЧ-напряжения 500 В, 440 кГц от генератора ЛЗ-13 образец зависал под стабилизирующей плоскостью и удерживался ВЧ-электромагнитным полем. За счет вихревых токов образец нагревался и расплавлялся. При подаче на обмотки 3 напряжения частотой 50 Гц под стабилизирующей плоскостью создается электромагнитное поле, раскручивающее каплю в горизонтальной оси плоскости. Раскрученную каплю фотографировали в плоскости вращения. На измерительном микроскопе по изображению на фотопленке замерялись полуоси эллипсоида, которые подставлялись в формулу (5).

Преимущества по сравнению с прототипом.

1. Повышается точность измерений за счет точного определения частоты.

2. Сокращается время обработки результатов, т.к. резко сокращается число измеряемых параметров.

3. Упрощается установка, т.к. нет необходимости использования скоростной кинокамеры, источника питания к ней, отметчика времени на пленке и другого оборудования, необходимого для скоростной киносъемки.

Использование: в физико-химическом анализе свойств жидкостей, в частности в способе определения поверхностного натяжения жидкостей. Сущность изобретения: жидкую каплю фиксируют во взвешенном состоянии и раскручивают с заданной частотой (вертикально или горизонтально). Раскрученную каплю, принявшую форму эллипсоида вращения, фотографируют в плоскости вращения. Поверхностное натяжение определяют по формуле (1), представленной в описании и формуле изобретения. 3 ил.

Способ бесконтактного определения поверхностного натяжения жидкостей, заключающийся в измерении параметров капли, находящейся во взвешенном состоянии, отличающийся тем, что образец приводят во вращение с заданной частотой и по параметрам эллипсоида вращения определяют поверхностное натяжение по формуле

где а малая полуось;
b большая полуось;
ω - частота вращения капли;
ρ - плотность образца;
g ускорение свободного падения.