СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ И ПЛОТНОСТИ ЖИДКОСТИ Российский патент 2008 года по МПК G01N13/02 G01N9/26 

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к пневматическим способам контроля поверхностного натяжения и плотности жидкости, и может найти применение в различных отраслях промышленности, таких как нефтяная, химическая, микробиологическая, пищевая и др.

Известен способ определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости по методу "лежачей" капли (А.Д.Зимон. Адгезия жидкостей и смачивание. М.: Химия, 1974, с.52-55), заключающийся в определении формы и размеров капли, лежащей на пластине, с помощью оптических систем, например микроскопа.

Недостатками способа являются сложность определения характеристических размеров капли и зависимость результата измерения от плотности.

Известно определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости способом отрыва кольца, серьги или пластинки от исследуемой жидкости (метод Дю-Нуи). (Поверхностные явления и поверхностно-активные ввещества. Справочник под ред. А.А.Абрамова. Л.: Химия, 1984, с.167-168), заключающийся в измерении силы, необходимой для отрыва кольца от поверхности жидкости. Недостатками способа являются невысокая точность измерения, обусловленная загрязнением поверхности кольца, и невозможность обеспечения непрерывности измерения.

Наиболее близким к предложенному по технической сущности является способ определения поверхностного натяжения жидкостей методом максимального давления в пузырьке (Методы испытаний водных растворов поверхностно активных веществ. Обзор. Часть 1. Составители: И.К.Гетманский и Л.И.Бавик. М.: НИИТЭИ, 1965, стр.39-50), заключающийся в определении наибольшего давления в пузырьке воздуха, выдуваемого из капилляра, погруженного в исследуемую жидкость на заданную глубину.

Недостатком способа, принятого за прототип, является недостаточная точность определения поверхностного натяжения жидкости, обусловленная влиянием плотности жидкости на результат измерений.

Техническая задача состоит в повышении точности определения поверхностного натяжения и расширении функциональных возможностей способа путем обеспечения возможности определения плотности жидкости.

Поставленная техническая задача решается тем, что для определения поверхностного натяжения и плотности в контролируемую жидкость погружают на заданную глубину газоподводящую трубку известного диаметра, подают постоянное количество газа на вход газоподводящей трубки, измеряют величину максимального давления в трубке и дополнительно измеряют количество пузырьков газа, поступивших в жидкость, и по величинам максимального давления в трубке и числу пузырьков газа судят о поверхностном натяжении и плотности контролируемой жидкости.

На чертеже представлена структурная схема устройства для реализации предложенного способа определения поверхностного натяжения и плотности жидкости.

На вход газоподводящей трубки 1, погруженной в контролируемую жидкость 2 на глубину Н, подается через пневматическое сопротивление 3 заданное количество газа от источника 4. К входу газоподводящей трубки 1 подключен преобразователь 5. Выход преобразователя 5 соединен с входом преобразователя давления в пузырьке газа 6 и счетчиком 7 пузырьков газа. Выходы преобразователя 6 и счетчика 7 подключены к входам вычислительного блока 8, выход которого соединен с входом вторичного прибора 9.

При подаче газа в газоподводящую трубку 1 на ее выходе образуется пузырек газа, диаметр которого растет до тех пор, пока подъемная сила , где ρ_ж - плотность жидкости, - плотность газа, g - ускорение свободного падения, не станет равной силе, возникающей вследствие адгезии пузырька, F_σ=πσ_жd₀sinΘ, где Θ - краевой угол смачивания, σ_ж - поверхностное натяжение жидкости, d₀ - диаметр трубки. В момент отрыва пузырька от газоподводящей трубки его диаметр при условии sinΘ=1 равен

Количество пузырьков n, поступивших в жидкость, определяется отношением поданного в газоподводящую трубку 1 количества газа во θ₀ от источника 4 к количеству газа θ_n, содержащегося в одном пузырьке. Так как

и

где - абсолютное давление в источнике питания, - абсолютное давление в пузырьке газа, V₀ - объем поданного газа, V_n - объем пузырька, R - газовая постоянная, Т₀ - температура поданного газа, T₁ - температура контролируемой жидкости, то n будет равно

При условии Т₀=T₁ и учитывая, что a уравнение (2) запишем в виде

Подставляя (1) в (3) и принимая , получим

В то же время избыточное давление Р_u в газоподводящей трубке определяется как

где Н - глубина погружения трубки в жидкость, P_a - избыточное давление над поверхностью жидкости.

Совместное решая уравнения (4) и (5), получим выражение для определения плотности по измеренным значениям Р_u и n в виде

Уравнение (6) при условии, что параметры d₀, g, P_a, V₀, H не изменяются в ходе измерений, принимает вид:

где

Таким образом, измерение Р_u и n позволяет определить по уравнению (7) значение плотности жидкости.

Величина поверхностного натяжения исследуемой жидкости может быть выражена из уравнения (5) в виде

где определяется из уравнения (7).

Давление в газоподводящей трубке 1, увеличивающееся с ростом пузырька газа, поступает на вход преобразователя давления 6, измеряющего давление Р_u в трубке в момент отрыва пузырька. Одновременно импульсный выходной сигнал с преобразователя 5 поступает на вход счетчика 7 количества пузырьков газа п, сигнал которого вместе с сигналом от преобразователя давления 6 поступает на вычислительный блок 8.

По уравнениям (7) и (8) вычислительный блок 8 на основании сигналов, полученных от преобразователей 6 и 7, определяет значения σ_ж и ρ_ж и формирует сигналы, поступающие на вход вторичного прибора 9.

При проведении измерений подача заданного количества газа в газоподводящую трубку 1 может осуществляться как импульсным, так и непрерывным способом. При импульсной подаче объем поданного газа V₀ является постоянным и не зависящим от времени, а при непрерывной подаче объем газа является функцией времени и находится как

где Q - объемный расход газа, t - время подачи газа.

Предложенный способ в отличие от способа, взятого за прототип, включает в себя измерение помимо максимального давления в пузырьке числа пузырьков газа, что позволяет определить плотность жидкости и повысить точность определения поверхностного натяжения за счет учета влияния плотности на результат измерения.

Способ определения поверхностного натяжения и плотности жидкости найдет применение в различных отраслях промышленности при определении качества проведения технологических процессов по значениям поверхностного натяжения и плотности веществ, например в химической, пищевой, нефтяной промышленности и др. Сущность изобретения заключается в том, что способ определения поверхностного натяжения и плотности жидкости включает подачу газа на вход газоподводящей трубки, погруженной на заданную глубину в контролируемую жидкость, и измерение максимального давления в трубке. Дополнительно измеряют количество пузырьков газа, поступивших в жидкость, и по величинам максимального давления в трубке и числу пузырьков газа судят о поверхностном натяжении и плотности контролируемой жидкости. Техническим результатом изобретения является повышение точности и расширение функциональных возможностей способа. 1 ил.

Способ определения поверхностного натяжения и плотности жидкости, согласно которому осуществляют подачу газа на вход газоподводящей трубки, погруженной на заданную глубину в контролируемую жидкость, и измеряют максимальное давление в трубке, отличающийся тем, что подают постоянное количество газа на вход газоподводящей трубки и дополнительно измеряют количество пузырьков газа, поступивших в жидкость, и по величинам максимального давления в трубке и числу пузырьков газа судят о поверхностном натяжении и плотности контролируемой жидкости.