УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ТВЕРДОГО ТЕЛА Российский патент 2003 года по МПК G01N13/00 

Предлагаемое изобретение относится к приборам для измерения физико-химических характеристик вещества, а именно его поверхностного натяжения α.
Известны устройства для определения α твердого тела методом нулевой ползучести [1, 2, 3, 4]. Определение поверхностного натяжения твердого тела этими устройствами можно осуществить только при температуре Т, близкой температуре его плавления Т_пл. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для измерения поверхностного натяжения твердого тела, предложенное авторами [3]. В нем для компенсации и измерения силы поверхностного натяжения твердого образца использована струна и зависимость ее собственной частоты поперечных колебаний v от величины растягивающей силы. Основной недостаток этого устройства, как и других, основанных на методе нулевой ползучести, - ограниченность температурного интервала его применения (Т≈0,95 Т_пл).

Цель настоящего изобретения - расширить температурный интервал измерения α устройством и упростить методику измерения.

Цель достигается тем, что в крышку измерительной камеры вмонтируется держатель двух параллельных однородных цилиндрических образцов различной длины l (l₁>l₂) с шарнирно опертыми концами, а сила поверхностного натяжения f^(α) определяется по величине ее влияния на собственные частоты самих образцов.

На чертеже представлена схема устройства. Устройство для определения α твердого тела содержит измерительную стеклянную камеру 1 с окошками 2, крышку 3, в которую вмонтирован держатель 4 образцов 5 и 6. Держатель 4 удерживает однородные цилиндрические образцы различной длины с шарнирно опертыми концами параллельно. Отвод 7 служит для создания в объеме рабочей камеры 1 вакуума или иной газофазной атмосферы; крышка 3 с держателем 4 при помощи коварового фланца 8 герметично закрывает измерительную камеру; электроотводы 9, 10 и 11 служат для присоединения пьезоэлементов 12, 13 и термопары 14 к частотомерам и измерителю термопары; осветитель 15 с окошками 2 и экраном 16 обеспечивают возможность визуально наблюдать за состоянием исследуемых образцов 5 и 6. Устройство снабжено горизонтальной осью вращения 17.

Устройство работает следующим образом. Два однородных параллельных образца 5 и 6 цилиндрической формы, отличающиеся друг от друга только по длине (l₁>1₂) своими концами шарнирно прикреплены к держателю 4 и приведены в вертикальное устойчивое положение равновесия. В таком положении образцы подвергаются термовакуумной обработке, создают в измерительной камере 1 желаемый рабочий режим и измеряют собственные частоты поперечных колебаний первого (v₁₂) и второго (v₂₂) образцов. Вращением прибора вокруг горизонтальной оси 17 на 180^o образцы переводят в новое (неустойчивое) вертикальное положение и еще раз определяют собственные частоты поперечных колебаний первого (v₁₁) и второго (v₂₁) образцов. По измеренным значениям v₁₁, v₁₂, v₂₁, v₂₂ находят поверхностное натяжение по формуле

Массы m₁ и m₂, длины l₁ и l₂ и общий радиус образцов r определяют до их ввода в измерительную камеру. Здесь коэффициент Пуассона принят равным 0,5 и f^(α) = πrα.
Формула (1) выводится следующим образом. Пусть на однородный круглый стержень действует осевая сила сжатия Р', приложенная извне, тогда она сложится с силой поверхностного натяжения f^(α) и суммарная осевая сила сжатия, действующая на образец, будет равна (P′+f^(α)). В результате согласно [5] основная частота поперечных колебаний цилиндрического образца с шарнирно опертыми концами определяется формулой

Е - модуль продольной упругости, J - момент инерции относительно нейтральной оси сечения, m - масса, l - длина образца.

Если теперь изменить направление действия Р' на противоположное, то в (2) знак Р изменится на противоположный, а знак f^(α) останется прежним, ибо сила поверхностного натяжения по своей сущности всегда является сжимающей. Учитывая сказанное и применяя формулу (2) к обоим образцам при сжимающем и растягивающем действиях Р' (Р'₁, Р'₂), можно получить формулу

В этой формуле величины осевых сил сжатия (растяжения) P'₁, P'₂ в пределах устойчивости образцов остаются произвольными. Если воспользоваться этим и положить
P'₁ = 2m₁l₁(v₁₂ ²-v₁₁ ²), (4)
P'₂ = 2m₂l₂(v₂₂ ²-v₂₁ ²), (5)
то формула (3) переходит в (1). Требования (4) и (5) физически означают замену P₁ и Р₂ их эффективными (эквивалентными) постоянными величинами P'₁ и P'₂. Иначе говоря, Р'₁ и Р'₂ такие постоянные силы, которые влияют на v в точности так же, как и веса P₁ и Р₂ образцов при их вертикальных положениях.

В сравнении с известным [3] в предлагаемом устройстве отсутствуют градиентная печь для автономного нагрева образца и рычаг с системой компенсации и измерения силы, выполненной в виде струны; оно обеспечивает сравнительно просто измерение α твердого тела практически при любой температуре. При всем этом предлагаемое устройство не уступает по точности известному [3], так как величины, входящие в правую часть рабочей формулы (l, r, m, v), поддаются измерению с высокой точностью (погрешность измерений v ~ 0,01%).

Литература
1. Хоконов Х.Б. Методы измерения поверхностной энергии и натяжения металлов и сплавов в твердом состоянии. В кн.: "Поверхностные явления в расплавах и возникающих из них твердых фазах". Кишенев, "Штиинца", 1974, с. 196-249.

2. Хоконов Х. Б. , Задумкин С.Н., Шебзухова И.Г. Прибор для измерения поверхностного натяжения металлов в твердом состоянии. Авторское свидетельство СССР 408198, кл. G 01 N 13/02, 1974. Бюл. 47.

3. Маремкулов А.А., Унежев Б.Х., Эфендиев А.Х. Устройство для измерения поверхностного натяжения твердого тела. Авторское свидетельство СССР 1065739, 1984. Бюл. 1.

4. Эфендиев А.Х., Федоров В.Т., Унежев Б.Х. Устройство для определения поверхностного натяжения твердого тела. Авторское свидетельство СССР 1476352, 1989. Бюл. 16.

5. Новацкий В. Динамика сооружений. - М.: Госстройиздат, 1963, с. 121-128.

Предложено устройство для экспериментального определения поверхностного натяжения твердого тела. В основе его работы лежит формула, устанавливающая зависимость собственных частот поперечных колебаний тонких стержней с шарнирно опертыми концами от поверхностного натяжения. Устройство позволяет измерять собственные частоты поперечных колебаний двух тонких стержней, отличающихся друг от друга только по длине, при двух различных их вертикальных положениях. При этом длины тонких стержней должны быть меньше критических значений длин этих стержней по Эйлеру. По измеренным значениям частот вычисляется поверхностное натяжение образца. Устройство позволяет расширить температурный интервал измерения поверхностного натяжения и упростить процедуру проведения эксперимента при сохранении обычно достигаемых в экспериментах точностей и надежности. 1 ил.

Устройство для определения поверхностного натяжения твердого тела, содержащее способную вращаться вокруг горизонтальной оси измерительную камеру с крышкой и аппаратуру для измерения собственных частот поперечных колебаний тонких стержней, отличающееся тем, что измерительная камера содержит отвод для создания вакуума или иной газофазной атмосферы, а в крышке измерительной камеры установлено приспособление для удержания параллельно двух однородных тонких образцов различной длины с шарнирно опертыми концами.