СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ЧАСТИЦ ЖИДКОСТЕЙ, ДИСПЕРГИРУЕМЫХ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ Российский патент 2009 года по МПК G01N27/00 

Изобретение относится к области диспергирования жидкостей в электрическом поле, а точнее к определению характеристических параметров частиц дисперсного потока.

Известен метод определения параметров частиц дисперсного потока [1]. Заряды дисперсных частиц определяют по средней электрической подвижности частиц, которую измеряют аспирационным счетчиком ионов, внесенным в область образования монодисперсного потока, и по экспериментально полученным значениям размеров частиц, последние определяют ультрамикроскопически по скорости оседания частиц или с помощью оптического микроскопа при осаждении частиц на предметное стекло с учетом коэффициента растекания.

Заряд частиц определяют по току переноса по соотношению:

q=I·m/G

где I - значение тока переноса на коллекторе, G - массовый расход жидкости, m - средняя масса частицы.

Недостатками известного способа определения заряда частиц по их электрической подвижности являются большие погрешности, обусловленные: возмущением структуры электрического поля за счет внесения аспирационного счетчика ионов в область образования дисперсного потока, который в свою очередь возмущает диспергируемый поток, и грубой оценкой размеров частиц по значению коэффициента растекания.

Целью настоящего изобретения является повышение степени точности, определение комплекса взаимосвязанных характеристик дисперсных частиц путем исключения воздействия возмущающих факторов.

Поставленная цель достигается путем диспергирования жидкости системой эмиттер - коллектор, выполненной с обеспечением возможности вращения системы в вертикальной плоскости с центром вращения коллектора в точке диспергирования жидкости с эмиттера так, чтобы диспергируемый поток был направлен вертикально вверх, затем регулируют расстояние между эмиттером и коллектором до тех пор, пока скорость частиц жидкости, движущихся вверх, не станет равной нулю, и при этом определяют расстояние между эмиттером и коллектором. Затем систему эмиттер - коллектор ориентируют в различных направлениях в нормальном магнитном поле и без него при постоянном расстоянии между эмиттером и коллектором меньшем, чем в исходном состоянии, и для всех направлений составляют уравнения движения центральной частицы потока с учетом силы тяжести, силы сопротивления среды, Кулоновской, Лоренцевой и Архимедовой сил, действующих на частицу, измеряют расстояние между электродами L, разность потенциалов U, двойное смещение 2Δy потока вдоль оси ОУ, величину тока I, расход жидкости G, вектор магнитной индукции В, затем по решению системы уравнений с соответствующими начальными и граничными (L, 2Δy, U, G) условиями, определяют радиус R, заряд q, число N и удельный заряд q/m частиц потока, образующихся в единицу времени. При наложении магнитного поля добиваются условия равенства Лоренцевой силы и силы тяжести, т.е. условия , здесь q - заряд, m - масса, u - скорость движения частицы, В - индукция магнитного поля, g - ускорение свободного падения. В случае выполнения последнего условия отклонение потока на коллекторе по оси у - ов будет равно нулю, при горизонтальной ориентации потока.

Для пояснения сути предлагаемого изобретения служит схематический чертеж.

На чертеже схематически изображена центрированная система эмиттер 1 коллектор 2, ориентированная в различных направлениях. Направление оси ОХ соответствует направлению приложенной разности потенциалов и совпадает с направлением кулоновских сил, действующих на частицы дисперсного потока F_q'; F_cx - сила сопротивления среды, действующая против оси OX; F_cy - сила сопротивления среды, действующая против оси ОУ (для центральной частицы потока при ориентации системы вертикально вверх или вниз равна нулю); F_a - сила Архимеда и Р - сила тяжести для всех случаев ориентации системы эмиттер - коллектор направлены вертикально вверх и вниз соответственно; Δ_y - смещение потока в гравитационном поле; D - диаметр сечения потока на экране. Точки О', О'', О''', O^IV - соответственно центры дисперсного потока при различных случаях ориентации системы в гравитационном поле. Сила Лоренца в случае направлена вертикально вверх и на чертеже сила Лоренца не указана.

Вначале систему ориентируют вертикально вверх и определяют расстояние L между эмиттером 1 и коллектором 2, соответствующее состоянию, когда поток, не достигая коллектора, возвращается назад. Этого достигают путем изменения расстояния L между эмиттером 1 и коллектором 2. В этом положении скорость частиц, направленная вертикально вверх, обращается в нуль. При этом реализуется условие, когда сумма Кулоновской, Архимедовой сил становится меньше, чем сумма сил сопротивления среды и тяжести, т.е. (E'+E'')q+F_a-F_c<mg. Здесь Е' - напряженность поля в точке диспергирования жидкости, Е'' - напряженность поля на коллекторе, F_a - Архимедова сила, F_c - сила сопротивления среды и mg - сила тяжести. Все силы рассматриваются в расчете действия на одну частицу дисперсного потока. В этом случае движение центральной частицы потока описывается уравнением:

с начальными и граничными условиями:

х=0, u(x,y,t)=u₀ при t=0

х=L, u(x,y,t)=0 при t=t₁

где Е(х) - напряженность результирующего кулоновского поля E_q' и Е'', u₀ - начальная скорость частицы, t₁ - время, за которое частица перемещается вверх, а L - расстояние между эмиттером и коллектором.

Экспериментально определяя значение величины L и вычисляя значение начальной скорости u₀ по расходу жидкости из соотношения

u₀=G/Sρ_ж,

по уравнению движения центральной частицы, можно получить значение радиуса частицы.

Затем, направив поток горизонтально вправо и влево, исключают влияние гравитационного поля на движение частиц вдоль оси ОХ. Движение частиц по осям Х и У описывается двумя уравнениями:

с начальными и граничными условиями для оси х:

;

,

для оси y:

;

;

;

В этом случае, экспериментально определив Δу и считая начальную скорость движения центральной частицы вдоль оси ОУ равной нулю, находят время, за которое частица долетает до экрана, и по уравнению движения частицы вдоль оси ОХ получаем либо вначале значение радиуса частицы, а затем по значению тока переноса коллектора заряд частицы, либо наоборот. Для увеличения точности измерения величины Δу систему поворачивают сначала направо и отмечают центр потока О, затем поворачивают на π. При этом поток сместится на величину 2Δу относительно исходной точки О'', и ошибка измерения этой величины уменьшается. Система уравнений для этого случая аналогична предыдущему.

Затем поток направляем по горизонтали и на него налагаем магнитное поле такой величины, чтобы выполнялось условие , которое позволяет определить или по измеренному значению В и вычисленным из других уравнений q, m, или по значениям величин В, m, q определяем .

Получены следующие расчетные данные для амилового спирта, при расходе жидкости G=1,14·10^-5 кг/с, диаметре капилляра d=0.48·10^-3 м: поток направлен вертикально вверх - начальная скорость, вычисленная по формуле для скорости и₀, принимает значение u_o=0.077 м/с, высота поднятия потока L=2·10^-3 м. Размеры частиц для разных направлений потока в гравитационном поле имеют близкие значения и при различных потенциалах варьируют в интервале 10^-7-10^-5 м.

Литература

1. В.И.Коженков, А.А.Кириш, А.П.Симонов, Н.А.Фукс Эмиссия монодисперсных капелек с поверхности жидкости под действием электрического поля. - Доклады АН 1973 г. 213 т. с.239-243.

Изобретение может быть использовано для получения дисперсных частиц с заданными свойствами. Диспергирование проводят с эмиттера при соответствующем потенциале коллектора, расположенном в перпендикулярной плоскости относительно эмиттера. Система эмиттер - коллектор выполнена с обеспечением возможности их совместного вращения в вертикальной плоскости с центром вращения коллектора в точке диспергирования жидкости с эмиттера. Вначале систему эмиттер - коллектор вращают в вертикальной плоскости и ориентируют так, чтобы диспергируемый поток был направлен вертикально вверх, затем регулируют расстояние между эмиттером и коллектором до тех пор, пока скорость частиц жидкости, направленной вертикально вверх, не станет равной нулю и определяют расстояние между эмиттером и коллектором, затем всю систему ориентируют в горизонтальном направлении и отмечают положение центральной частицы потока на коллекторе (положение центра потока) при расстояниях между эмиттером и коллектором меньших, чем в исходном состоянии, далее поворачивают систему при неизменном расстоянии между эмиттером и коллектором на 180° и отмечают новое положение центра потока, и определяют расстояние между исходным и новым положением центров, соответствующее двойному смещению потока в гравитационном поле 2Δy, затем на поток накладывают магнитное поле и добиваются условия или Δy=0. По измеренным значениям параметров определяют характеристики частиц потока. Изобретение обеспечивает повышение точности определения характеристических параметров частиц, диспергируемых в электрическом поле, без внесения возмущений в процесс диспергирования. 1 ил.

Способ определения характеристических параметров частиц жидкостей, диспергируемых в электрическом поле, заключающийся в диспергировании последних с эмиттера при соответствующем электрическом потенциале и осаждении частиц на коллекторе, расположенном на достаточном удалении в перпендикулярной плоскости относительно эмиттера, отличающийся тем, что систему эмиттер-коллектор выполняют с обеспечением возможности их совместного вращения в вертикальной плоскости с центром вращения коллектора в точке диспергирования жидкости с эмиттера так, чтобы диспергируемый поток был направлен вертикально вверх путем поворота системы эмиттер-коллектор, затем регулируют расстояние между эмиттером и коллектором до тех пор, пока скорость частиц жидкости, направленной вертикально вверх, не станет равной нулю, и определяют расстояние между эмиттером и коллектором, затем всю систему ориентируют в горизонтальном направлении и отмечают положение центральной частицы потока на коллекторе (положение центра потока) при расстояниях между эмиттером и коллектором меньших, чем в исходном состоянии, далее поворачивают систему при неизменном расстоянии между эмиттером и коллектором на 180° и отмечают новое положение центра потока, и определяют расстояние между исходным и новым положениями центров, соответствующее двойному смещению потока в гравитационном поле 2Δy, затем на поток накладывают магнитное поле и добиваются условия , здесь q - заряд, m - масса, u - скорость движения частицы, В - индукция магнитного поля, g - ускорение свободного падения, или Δy=0, далее по измеренным значениям: расстояния между эмиттером и коллектором L, двойному смещению 2Δy потока в гравитационном поле, индукции магнитного поля В, потенциала диспергирования U, величины тока I на коллекторе и расхода жидкости G по соответствующим уравнениям определяют параметры частиц: радиус, начальную скорость, заряд и, следовательно, плотность частиц в сечении потока или частиц, образующихся за единицу времени.