СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ЖИДКИХ СРЕД И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2003 года по МПК G01N13/02 

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности, к бесконтактным аэрогидродинамическим способам и устройствам контроля поверхностного натяжения жидких веществ и может найти применение в различных отраслях промышленности.

Известен способ измерения поверхностного натяжения (Залманзон Л.А. Аэрогидродинамические методы измерения входных параметров автоматических систем. - М.: Наука, 1973, с.61-62), заключающийся в деформации поверхности контролируемой жидкости газовой струей и измерении параметров образованного углубления как функции поверхностного натяжения путем использования оптического воздействия на среду.

Недостатком такого способа измерения поверхностного натяжения является невозможность его использования для непрозрачных сред.

Наиболее близким по технической сущности является способ измерения поверхностного натяжения (Авторское свидетельство 1753369, М.кл.⁵ G 01 N 13/00, БИ 29, 1992 г. Способ определения поверхностного натяжения жидкостей /В.П. Астахов, М. М. Мордасов, В.Н. Журавлев), заключающийся в формировании углубления на поверхности жидкости газовой струей, вытекающей из сопла, измерении расхода газа и параметров углубления оптическими методами, при этом измеряют световой поток, проходящий через жидкость вдоль оси углубления, а о величине поверхностного натяжения судят по расходу газа, при котором световой поток минимален.

Недостатком способа, принятого за прототип, является невысокая точность вследствие значительной погрешности приборов для измерения расхода газа, а также невозможность работы с непрозрачными жидкостями.

Известно устройство для измерения поверхностного натяжения жидкостей (Авторское свидетельство 851195, М.кл.³ G 01 N 13/02, БИ 28, 1981 г., Устройство для измерения поверхностного натяжения жидкостей /М.М. Мордасов), содержащее струйную трубку, блок фиксации момента перехода жидкости из устойчивого состояния в неустойчивое и расходомер, причем блок фиксации момента перехода жидкости из устойчивого состояния в неустойчивое содержит струйный элемент трубка-трубка, два струйных реле, реализующих логическую функцию "запрет", усилитель, генератор линейно нарастающего давления, дроссель и источник постоянного расхода воздуха.

Недостатком такого устройства является невысокая точность измерения вследствие того, что при взаимодействии струи газа с поверхностью жидкости часть энергии струи за счет касательных напряжений передается жидкости, приводя в движение некоторую ее массу, и чем выше скорость газа в струе, тем больше количество жидкости приводится в движение.

За прототип принято устройство для измерения поверхностного натяжения жидкости (Авторское свидетельство СССР 1712833, М.кл. G 01 N 13/02, БИ 6 1992 г. Устройство для измерения поверхностного натяжения /В.П. Астахов, Б. И. Герасимов, С. В. Мищенко, М.М. Мордасов и С.В. Пономарев), содержащее струйную трубку, расходомер, усилитель, чувствительный элемент, источник света и регулятор расхода, причем светоприемник размещен на одной оси, проходящей через центр взаимодействия газовой струи с жидкостью и постоянным источником света.

Недостатком устройства, принятого за прототип, является непригодность его для измерения поверхностного натяжения непрозрачных и замутненных жидких сред вследствие потери информативности сигнала при прохождении через слой жидкости.

Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения поверхностного натяжения жидких сред.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе на поверхность жидкости воздействуют струей газа с линейно изменяющимся расходом, фиксируют положение отраженного светового потока от поверхности жидкости до и после деформации, о величине поверхностного натяжения судят по времени отклонения отраженного светового потока на заданную величину, а устройство дополнительно снабжено вторым светоприемником, измерителем времени, триггером с раздельными входами, генератором линейно изменяющегося расхода, при этом сигналы с первого и второго светотоприемников, расположенных над поверхностью жидкости, поступают на соответствующие входы триггера, с раздельными входами, выходы которого соединены с измерителем времени и через электропневмопреобразователь с управляющим входом генератора линейно изменяющегося расхода газа, выход которого соединен с входом струйной трубки.

На чертеже представлена схема устройства для реализации способа измерения поверхностного натяжения.

Устройство содержит источник света 1, два светоприемника 2 и 3, расположенных над поверхностью жидкости 4, и выходы которых подключены соответственно к входам 5 и 6 триггера с раздельными входами 7, у которого прямой выход 8 соединен с входом измерителя времени 9, а инверсный выход 10 через электропневмопреобразователь 11 - с камерой 12 одноконтактного пневмоклапана 13, в камеру 14 которого подано давление подпора. Сопло 15 размещено в камере 16 клапана 13 и соединено через дроссель 17 с атмосферой.

Источник газа (не показан) подключен к входу пневмотумблера 18, выход которого соединен с входом 19 генератора линейно изменяющего расхода 20, который состоит из пневмоповторителя со сдвигом 21, двух дросселей 22 и 23, пневмоемкости 24, пневмоклапана 13, пневмоповторителя 25, причем выход пневмотумблера 18 соединен через дроссель 22 с камерой 26, выход из которой непосредственно, а из камеры 27 - через регулируемый дроссель 22 соединены с емкостью 24. Выход 28 с генератора линейно изменяющего расхода 20 подключен в струйную трубку 29.

Устройство для измерения поверхностного натяжения работает следующим образом.

Пуск устройства осуществляется подачей давления питания сжатым воздухом Р_пит включением тумблера 18 и подачей напряжения питания U_пит на вход источника света 1, на входы электронных устройств и элементов схемы. Выход тумблера 18 через дроссель 22 подключен к камере 26 пневмоповторителя со сдвигом 21.

В начальный момент времени поверхность жидкости не подвержена силовому воздействию газовой струи и имеет радиус кривизны, стремящийся к бесконечности, поэтому световой поток от источника света 1, отражаясь от недеформируемой поверхности, попадает на светоприемник 2, сигнал с которого подается на триггер с раздельными входами 7. Сигнал U₈=1 с прямого выхода 8 триггера 7 подается на измеритель времени 9, а напряжение инверсного выхода 10 триггера 7 - в электропневмопреобразователь 11, где преобразуется в давление Р и поступает на управляющий вход 30 генератора линейно изменяющего расхода 20 в камеру 12 одноконтактного клапана 13, при давлении Р=0 сопло 15 клапана 13 закрыто благодаря давлению подпора в камере 14. Генератор линейно изменяющего расхода 20 увеличивает расход газа в струйную трубку 29.

Как только деформация поверхности достигнет заданного значения, отраженный световой поток поступит на светоприемник 3 и триггер 7 переключится в новое положение, при котором напряжение U₈=0 на прямом выходе 8. Этим сигналом отключается измеритель времени 9, а сигнал U₁₀=1 с инверсного выхода 10 сформирует давление Р= 1 в камере 12, что повлечет перемещение мембранного блока пневоклапана 13 вниз. Сопло 15 откроется и через него произойдет сброс в атмосферу выходного сигнала с генератора линейно нарастающего давления 20, т.е. расход газа, подаваемый в струйную трубку 29, станет равным нулю.

Генератор линейно изменяющего расхода 20 работает таким образом, что создаваемая временная задержка позволяет контролируемой жидкости 4 принять исходное состояние, тогда отраженный световой поток вернется в первоначальное положение, т. е. будет проходить через светоприемник 2, переключая триггер 7 и включая измеритель времени 9.

Состояние равновесия пневмоповторителя 21 описывается уравнением (при условии, что результирующая сила F_n, развиваемая пружинами, стремится закрыть сопло сброса в атмосферу)

где Р₂₆ - давление в камере 26; S - площадь мембраны пневмоповторителя 20; P₂₅ - давление в камере 25 пневмоповторителя 20.

Так как давление в камеру 26 поступает из емкости пневматического инерционного звена первого порядка (дроссель 22, емкость 23), входным давлением для которого является Р₂₅, то изменение давления P₂₆ будет описываться дифференциальным уравнением

где - постоянная времени инерционного звена; V₂₃ - объем емкости 23; R - газовая постоянная; θ - температура; β₂₂ - проводимость дросселя 22; t - время.

С учетом (1) уравнение (2) примет вид

Решая дифференциальное уравнение (3) относительно Р₂₆, получим

Расход газа по струйной трубке 27 определяется из уравнения
G = α₂₈•(P₂₄-P_атм), (5)
где α₂₈ - проводимость струйной трубки 28; Р₂₄=P₂₆ - давление на выходе повторителя 24; P_атм - атмосферное давление.

Учитывая (5), из уравнения (4) при Р_атм=0 получим

С другой стороны, расход газа вычисляется как произведение скорости истечения газа из трубки, плотности газа и площади поперечного сечения трубки
G(t) = W(t)•ρ_г(t)S_тр. (7)
Из (6) и (7) можно получить зависимость скорости истечения газа из трубки от времени

где α₂₈, ρ_г, T, F_n, S, S_тр - const. Выражение (8) показывает линейную зависимость скорости истечения газа, а следовательно и расхода, от времени.

В свою очередь, скорость истечения газа из трубки на поверхность жидкости зависит и от свойств самой жидкости

где r - радиус капиллярной трубки, V_в - объем взаимодействия, h - высота углубления, l - длина свободной струи, К_п - коэффициент формы, учитывающий полное поперечное сечение потока, ΔА - разность между поверхностью углубления и поверхностью невозмущенной жидкости. Продифференцировав по и преобразовав (9), получим, что h есть некоторая функция от поверхностного натяжения (h = f(σ).
Предложенные способ и устройство для измерения поверхностного натяжения позволяют повысить точность как в лабораторных, так и в производственных условиях при измерении непрозрачных сред.

Поверхностное натяжение определяют по времени, за которое линейно изменяющийся расход газа отклонил отраженный световой поток на заданную величину.

Использование: в химической, лакокрасочной, пищевой промышленности и в других. Способ заключается в измерении времени достижения заданного отклонения отражения светового потока от поверхности с предельными значениями радиуса кривизны, по величине которого затем определяют поверхностное натяжение. Устройство помимо источников газа, света, струйной трубки включает два светоприемника, измеритель времени, генератор линейно меняющегося расхода, триггер. Технический результат - повышение точности измерения, обеспечение возможности контроля качества непрозрачных вязких сред. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ измерения поверхностного натяжения жидких сред, включающий воздействие струи газа, вытекающей из сопла, формирование углубления на поверхности жидкости, измерение параметров углубления оптическими методами, отличающийся тем, что на поверхность жидкости воздействуют струей газа с линейно изменяющимся расходом, фиксируют положение отраженного светового потока от поверхности жидкости до и после деформации, о величине поверхностного натяжения судят по времени отклонения отраженного светового потока на заданную величину. 2. Устройство для измерения поверхностного натяжения жидких сред по способу п.1, включающее источник газа, струйную трубку, источник света, чувствительный элемент, выполненный в виде светоприемника, отличающееся тем, что устройство дополнительно снабжено вторым светоприемником, измерителем времени, триггером с раздельными входами, генератором линейно изменяющегося расхода, при этом сигналы с первого и второго светоприемников, расположенных над поверхностью жидкости, поступают на соответствующие входы триггера, с раздельными входами, выходы которого соединены с измерителем времени и через электропневмопреобразователь с управляющим входом генератора линейно изменяющегося расхода газа, выход которого соединен с входом струйной трубки.