СПОСОБ ОЦЕНКИ ПРОНИКАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ЖИДКОСТИ Российский патент 2008 года по МПК G01N13/00 

Изобретение относится к исследованию проникающей способности водородсодержащих жидкостей при взаимодействии их с различными неметаллическими, в том числе пористыми, материалами, что может быть востребовано в целом ряде областей народного хозяйства, например при оценке эффективности моющих средств, определении износа рабочей поверхности абразивного инструмента, во всех случаях, когда необходимо осуществить моделирование и проектирование изделий, в которых используется жидкость как неотъемлемый компонент.

Рассмотрим это подробнее.

Взаимодействие жидкости с твердой поверхностью определяется рядом факторов, которые ограничивают способность жидкости проникать в маленькие отверстия и щели на самой поверхности. К этим факторам относятся, в первую очередь, молекулярные механизмы, управляющие поверхностным натяжением. Кроме того, нельзя не учитывать роль примесей, растворенных газов, заряженных частиц (ионов). Эти факторы влияют на подвижность молекул, диффузионные процессы, эффективность сцепления молекул жидкости с молекулами поверхностной структуры. Макромолекулярные факторы -температура, давление, также влияют на проникающую способность жидкости.

Теоретический расчет проникающей способности жидкости слишком сложен, поэтому представляет большой практический интерес разработка методик для его экспериментальной оценки. Такие оценки могут быть востребованы, например, для сертификации моющих средств, для оценки износа трущихся твердых поверхностей, например износа абразивного инструмента.

Поскольку способность проникать во все щели и отверстия на поверхности обрабатываемого объекта является определяющей для оценки эффективности моющих средств, то в изобретении (см. заявку РФ №2003108214, МПК 7 G01N 13/00, опубл. 27.09.2004 г.) предлагалось произвести такую оценку на основе экспериментальных данных, полученных от измерения силы поверхностного натяжения в зависимости от концентрации моющего средства и температуры.

В изобретении (см. патент РФ №98119399, МПК 7 C11D 3/12, С01В 15/10, опубл. 27.06.2000 г.) эффективность моющих средств соотносится со способностью реагента к захвату с загрязненной поверхности частиц определенных размеров.

Можно отметить, в частности, что от хорошей проникающей способности жидкости зависит возможность применения метода МРТ для отображения абразивной поверхности, для которой необходимо дать оценку ее износа. Такую оценку (см. патент РФ №2191679, МПК 7 B24D 3/00, опубл. 27.10.2002 г.) предлагалось делать на основе подсчета отпечатков, оставшихся от удаленных абразивных зерен.

Подводя итоги литературного и патентного поиска, приведенного выше, можно прийти к выводу о том, что, применяя известные на сегодняшний день способы исследования жидкостей, можно оценить проникающую способность жидкости лишь косвенным образом.

Известен также наиболее близкий по технической сущности к предлагаемому способ исследования смачиваемости пористых материалов (см. патент РФ №2216723, МПК 7 G01N 13/00, G01N 13/02, опубл. 20.11.2003 г.), согласно которому исследуемую жидкость приводят в контакт с поверхностью неметаллического изделия, проводят измерения объемных параметров, а свойства жидкости оценивают путем сопоставления измеренных объемных параметров, при этом изделие - образец пористого материала - экстрагируют и высушивают, затем его погружают по очереди в исследуемые жидкости керосин и дистиллированную воду для капиллярной пропитки, после чего в качестве параметров для определения объема определяют массу изделия в обоих случаях и рассчитывают объем воды, поступившей в изделие. Смачиваемость изделия оценивают по отношению полученных объемов.

Недостатком описанного способа является его сложность, длительность осуществления и ограниченность применения, поскольку метод ориентирован только на пористые материалы, причем размеры пор должны быть примерно одинаковыми.

В основу изобретения поставлена задача такого усовершенствования известного способа исследования проникающей способности жидкости, при котором за счет использования объемных изображений изделия и исследуемой жидкости в качестве объемных параметров обеспечиваются такие новые технические эффекты, как возможность использования изделия произвольной формы и с любой структурой поверхности и, как следствие, значительно упрощается и ускоряется процесс исследования, а также расширяются технологические возможности за счет того, что результаты измерений проникающей способности жидкости можно использовать для проектирования устройств, основанных на капиллярных эффектах, для оценки эффективности моющих средств, а также возможность моделирования и проектирования изделий, использующих жидкость как неотъемлемый компонент.

Для решения этой задачи предлагается способ оценки проникающей способности жидкости, согласно которому исследуемую жидкость приводят в контакт с поверхностью неметаллического изделия, проводят магнитно-резонансное сканирование (МРС), причем участки с нулевой яркостью на фрагментах магнитно-резонансного изображения соответствуют попаданию в зону сканируемого среза либо фрагмента изделия, либо воздуха, а темные участки соответствуют сигналу жидкости, распределенной вокруг изделия, по этим участкам проводят объемную реконструкцию, позволяющую провести построение образа, близкого к объемному изображению, и получают объемное изображение жидкости, затем получают объемное изображение самого изделия, полученные объемные изображения изделия и исследуемой жидкости принимают в качестве объемных параметров, а проникающую способность жидкости оценивают путем сопоставления измеренных объемных параметров; возможны также варианты реализации предлагаемого способа, когда объемное изображение поверхности изделия получают путем МРС на том же частотном канале, на котором регистрируют сигнал от жидкости; объемное изображение поверхности изделия получают путем МРС на частотном канале, отличном от того, на котором регистрируют сигнал от исследуемой жидкости; объемное изображение поверхности изделия получают путем МРС на частотном канале, отличном от того, на котором регистрируют сигнал от исследуемой жидкости; объемное изображение поверхности изделия получают путем рентгеновской компьютерной томографии; в качестве изделия используют эталон, моделирующий разномасштабные углубления, поры, щели, а объемное изображение поверхности изделия получают расчетным путем; в качестве изделия используют абразивный инструмент; в качестве исследуемой жидкости используют воду с растворенным в ней моющим средством при различных его концентрациях. Изобретение обеспечивает такие новые технические эффекты, как возможность использования изделия произвольной формы и с любой структурой поверхности и, как следствие, значительно упрощается и ускоряется процесс исследования проникающей способности жидкости, а также расширяются технологические возможности за счет того, что результаты измерений проникающей способности жидкости можно использовать для проектирования устройств, основанных на капиллярных эффектах, для оценки эффективности моющих средств, а также возможность моделирования и проектирования изделий, использующих жидкость как неотъемлемый компонент.

Причинно-следственная связь между признаками предлагаемой совокупности и достигаемыми техническими результатами от ее использования состоит в следующем. При магнитно-резонансном сканировании получается МРТ-изображение, которое отображает пространственное распределение интенсивности сигнала ядерного магнитного резонанса (ЯМР). То есть яркость каждой точки изображения (пиксела), пропорциональная интенсивности сигнала ЯМР от соответствующего элемента объема (воксела). В свою очередь, интенсивность сигнала ЯМР пропорциональна количеству резонирующих магнитных ядер в этом векселе, а также зависит от релаксационных параметров, характеризующих скорость восстановления равновесной ядерной намагниченности и скорость затухания сигнала свободной ядерной индукции после радиочастотного возбуждения. Перечисленные факторы индивидуальны для каждого вещества, благодаря чему на МРТ изображении можно четко различить любые два вещества, содержащие резонирующие ядра, у которых хотя бы один из этих параметров отличен.

МРТ-изображения, полученные путем послойного сканирования, можно преобразовать в объемные изображения, которые будут отображать пространственное распределение пикселов с одинаковой яркостью. Поскольку яркость пиксела однозначно связана с сигналом от воксела, то пространственному распределению точек, имеющих одинаковую яркость, можно поставить в соответствие распределение вокселов с одинаковой интенсивностью сигнала ЯМР. Если речь идет об однородных веществах с четко обозначенной границей, то для каждого из них по данным послойного МРТ-сканирования можно построить свой объемный образ путем выбора шкалы яркости.

В качестве веществ можно взять исследуемую жидкость и контактирующее с ней неметаллическое изделие. Возможны несколько вариантов их исследования в зависимости от их химической структуры.

1. В структуру как жидкости, так и изделия входят одни и те же магнитные ядра, дающие приемлемый сигнал на МР-томографе, например, протоны. Тогда при послойном МР-сканировании можно получить МРТ-изображения, на которых жидкость и изделие представлены в виде фрагментов с разной яркостью. Задав для объемной реконструкции тот или иной уровень яркости из этих фрагментов можно получить объемные изображения как для жидкости, так и для изделия. Результаты измерения - объемные параметры как для жидкости, так и для изделия получаются за один сеанс МР-сканирования на одном и том же частотном канале томографа.

2. В структуре жидкости присутствуют атомы, имеющие магнитные ядра, дающие приемлемый сигнал на МР-томографе, например протоны, а в структуре изделия те ядра, которые присутствуют в жидкости, отсутствуют или дают слишком слабый сигнал, зато в структуре изделия есть другие атомы, у которых есть магнитные изотопы, дающие приемлемый сигнал на МР-томографе, например кремний (²⁹Si), или фосфор (³¹Р), или углерод (¹³С), или натрий (²³Na), или др. Тогда для получения объемных параметров для жидкости и изделия требуются два сеанса МР-сканирования: один - на частотном канале, на котором хорошо регистрируется сигнал от ядер, содержащихся в жидкости, другой - на частотном канале, приспособленном для регистрации ядер, входящих в структуру изделия.

3. В структуре изделия отсутствуют ядра, дающие приемлемый для регистрации сигнал ЯМР. Обычно это изделия из твердых материалов (камень, стекло, керамика и т.д.). Такие изделия доступны для регистрации рентгеновскими методами. Объемные параметры изделия получаются методами рентгеновской компьютерной томографии (РКТ). Объемные параметры жидкости получают методом МРС.

4. В том случае, если изделие по каким-то причинам нельзя исследовать методами МРТ и РКТ, то исследование жидкости можно провести на эталонном изделии, на поверхности которого проделаны разномасштабные борозды, отверстия и другие углубления, которые должны заполняться исследуемой жидкостью. Объемные параметры жидкости делают методом МРС, а объемные параметры изделия - на основании результатов измерений физическими методами или расчетным путем.

При всех перечисленных вариантах исследования проникающей способности жидкости объемный образ жидкости получается методом МРС. Поскольку жидкость контактирует с поверхностью изделия, то объемный образ жидкости является как бы «слепком» от поверхности изделия. Благодаря способности магнитных полей проникать внутрь неметаллического вещества возможно исследование проникающей способности жидкостей путем заполнения ими неметаллических изделий произвольной формы с произвольным рельефом поверхности.

В результате значительно упрощается и ускоряется процесс исследования, а также расширяются технологические возможности за счет того, что результаты измерений проникающей способности жидкости можно использовать для проектирования устройств, основанных на капиллярных эффектах, для оценки эффективности моющих средств и др. В свою очередь, технические процедуры, сопровождающие предлагаемый способ исследования жидкостей, позволяют решать и обратную задачу - с помощью хорошо проникающей жидкости получить детальную информацию о поверхности изделия, например абразивного инструмента, что полезно для оценки его износа. Поскольку в ходе реализации способа исследования жидкостей предполагается получение объемного изображения поверхности изделия, то в рамках решения указанной обратной задачи возможно моделирование и проектирование изделий. Это особенно актуально для изделий, в которых используется жидкость как неотъемлемый компонент.

Предлагаемый способ проиллюстрирован чертежом, на фрагментах (а) и (б) которого представлено изображение сборной пластмассовой детали, на фрагменте (а) - изображение получено путем сканирования на обычном оптическом сканере (hp pcs 1215), на фрагменте (б) - изображение получено путем объемной МРТ-визуализации на МР-томографе Tomikon S50 (фирмы «Bruker»).

Пример конкретной реализации предлагаемого способа.

Проводилась оценка проникающей способности водопроводной воды. Для этого воду приводили в контакт с неметаллическим сборным изделием - пластмассовым винтом, на котором навинчена пластмассовая гайка. На гранях гайки заводским способом были выгравированы борозды, образующие технологический рисунок. Вследствие этого данное изделие выполняло роль эталона, у которого имеются борозды двух масштабов - крупные - для резьбы и мелкие - от гравированного рисунка. Контактное взаимодействие жидкости и изделия обеспечивалось за счет того, что изделие погружалось в сосуд с водой. Сам сосуд помещался в МР-томограф, на котором проводилось магнитно-резонансное сканирование. В результате МРС получалось МР-изображение от протонов воды, которая заполняла объем сосуда и контактировала с изделием - заполняла объем на его периферии, прилегала к его поверхности, проникала в полости и борозды. Выпадение сигнала на фрагментах МР-изображения (им соответствовали участки с нулевой яркостью) соответствовало попаданию в зону сканируемого среза либо фрагмента изделия, либо воздуха. По этим участкам проведена объемная реконструкция, что позволило провести построение образа, близкого к объемному изображению самого изделия - фрагмент (б) чертежа. Объемная обработка МР-изображений проведена с помощью программ Para Vision™ v.1.0 (IRIX 5.3) и ImageJ 1.34s (MS Windows XP). Благодаря тому что МР-сканирование проводилось с высоким пространственным разрешением 0.25 мм, внутри цилиндрической полости можно заметить даже след от нити, с помощью которой фиксировалось положение детали внутри емкости, наполненной водой. В резьбовые борозды винта и крупные борозды, выгравированные на гайке, вода проникала, поэтому эти борозды видны на изображении. В то же время на объемном МРТ-изображении изделия не просматриваются мелкие борозды, образующие технологический рисунок, нанесенный на гранях гайки - фрагмент (а) чертежа. Это означает, что проникающая способность воды достаточна для проникновения в крупные борозды (0.5-1 мм), но недостаточна для проникновения в более мелкие борозды (0.25 мм и менее).

Темные участки на фрагменте (б) чертежа соответствуют сигналу воды, распределенной вокруг изделия. Сопоставляя по полученным МР-изображениям объемные параметры исследуемой жидкости и известные объемные параметры эталонного изделия, можно отметить, что вода хорошо проникла в глубокие резьбовые борозды, но не проникла в мелкие борозды. Измерив ширину и глубину мелких борозд на эталоне можно предсказать, что исследованная жидкость не сможет заполнить такие же или более мелкие борозды и на произвольно выбранной поверхности из такого же материала. Если бы аналогичные измерения объемных параметров были проведены на эталонном изделии, на котором нанесены борозды разной ширины и глубины, то можно было бы точнее указать проникающую способность исследуемой жидкости.

Заметим, что обычно сопоставление объемных параметров изделия производится в рамках исследования свойств различных жидкостей, контактирующих с ним. Если при этом нет оснований считать, что изделие деформируется или разрушается из-за воздействия жидкостей, то при переходе к исследованию проникающей способности новой жидкости нет необходимости каждый раз заново делать РКТ или переходить на другой канал для проведения МРС, чтобы оценить объемные параметры изделия. Достаточно принять за основу однажды измеренные объемные параметры данного изделия.

Методы объемной обработки данных РКТ и МРТ в настоящее время хорошо развиты и не требуют какой-либо адаптации к предлагаемому способу. С помощью современных графических средств можно совмещать изображения от двух объемных изображений, чтобы наглядно представить и количественно оценить насколько структура поверхности исследуемого изделия отличается от поверхности контактирующей жидкости. Это позволяет наиболее адекватно сопоставить объемные параметры сравниваемых веществ, находящихся в контакте - жидкость и неметаллическое изделие, оценить проникающую способность жидкости, в частности моющих средств, а в случае, если заранее известно, что проникающая способность жидкости достаточно велика, то получить объективную информацию о структуре поверхности изделия.

Изобретение относится к исследованию проникающей способности водородсодержащих жидкостей при взаимодействии их с различными неметаллическими, в том числе пористыми, материалами. Сущность изобретения заключается в том, что исследуемую жидкость приводят в контакт с поверхностью неметаллического изделия и проводят магнитно-резонансное сканирование (МРС). Участки с нулевой яркостью на фрагментах магнитно-резонансного изображения соответствуют попаданию в зону сканируемого среза либо фрагмента изделия, либо воздуха, а темные участки соответствуют сигналу жидкости, распределенной вокруг изделия. По этим участкам проводят объемную реконструкцию, позволяющую провести построение образа, близкого к объемному изображению. Получают объемное изображение жидкости, затем объемное изображение самого изделия, полученные объемные изображения изделия и исследуемой жидкости принимают в качестве объемных параметров, а проникающую способность жидкости оценивают путем сопоставления измеренных объемных параметров. Техническим результатом изобретения является упрощение и ускорение процесса исследования, расширение технологических возможностей. 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ оценки проникающей способности жидкости, согласно которому исследуемую жидкость приводят в контакт с поверхностью неметаллического изделия, проводят магнитно-резонансное сканирование (МРС), причем участки с нулевой яркостью на фрагментах магнитно-резонансное изображения соответствуют попаданию в зону сканируемого среза либо фрагмента изделия, либо воздуха, а темные участки соответствуют сигналу жидкости, распределенной вокруг изделия, по этим участкам проводят объемную реконструкцию, позволяющую провести построение образа, близкого к объемному изображению, и получают объемное изображение жидкости, затем получают объемное изображение самого изделия, полученные объемные изображения изделия и исследуемой жидкости принимают в качестве объемных параметров, а проникающую способность жидкости оценивают путем сопоставления измеренных объемных параметров.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что объемное изображение поверхности изделия получают путем МРС на том же частотном канале, на котором регистрируют сигнал от жидкости.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что объемное изображение поверхности изделия получают путем МРС на частотном канале, отличном от того, на котором регистрируют сигнал от исследуемой жидкости.4. Способ по п.1, отличающийся тем, что объемное изображение поверхности изделия получают путем рентгеновской компьютерной томографии.5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве изделия используют эталон, моделирующий разномасштабные углубления, поры, щели, а объемное изображение поверхности изделия получают расчетным путем.6. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве изделия используют абразивный инструмент.7. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве исследуемой жидкости используют воду с растворенным в ней моющим средством при различных его концентрациях.