СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЖИДКОСТИ Российский патент 2010 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 вещества. Справочник под ред. А.А.Абрамова. Л., Химия, 1984, с.167-168), заключающимся 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 зависимость результата измерения от глубины погружения капилляра и вязкости жидкости.

Техническая задача состоит в повышении точности определения поверхностного натяжения вязких жидкостей, а также расширении функциональных возможностей способа путем обеспечения возможности определения плотности и вязкости жидкости.

Поставленная техническая задача решается тем, что для определения плотности, поверхностного натяжения и вязкости в контролируемую жидкость погружают на заданную глубину газоподводящую трубку известного диаметра, подают газ с заданным расходом на вход газоподводящей трубки, измеряют величину максимального давления в трубке и дополнительно измеряют период следования пузырьков газа, затем изменяют величину расхода газа на заданное значение и снова измеряют период следования пузырьков, в результате по величинам максимального давления в трубке и периодам следования пузырьков, соответствующим различным значениям расхода газа, судят о плотности, поверхностном натяжении и вязкости контролируемой жидкости.

На фиг.1 представлена структурная схема устройства для реализации предложенного способа определения физических свойств жидкости.

На вход газоподводящей трубки 1, погруженной в контролируемую жидкость 2 на глубину Н, через пневматическое сопротивление 3 подается газ с заданным расходом от источника 4. К входу газоподводящей трубки 1 подключен преобразователь давления 5. Выход преобразователя 5 соединен с входом частотомера 6, измеряющим период колебаний давления в газоподводящей трубке, т.е. период следования пузырьков. Выходы преобразователя 5 и счетчика 6 подключены к входам вычислительного блока 7, 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 F_a=V_ng(ρ_ж-ρ_г), где V_n - объем пузырька в момент отрыва, g - ускорение свободного падения, ρ_ж - плотность жидкости, ρ_г - плотность газа, не станет равной сумме сил вязкого трения F_η=6η_жπν₁r_n и силы, возникающей вследствие адгезии пузырька F_σ=πσ_жd₀sinθ, где η_ж - динамическая вязкость жидкости, ν₁ - скорость перемещения центра пузырька при подаче газа в трубку с постоянным расходом Q₁, r_n - объем пузырька в момент отрыва, σ_ж - поверхностное натяжение жидкости, d₀ - диаметр трубки, θ - краевой угол смачивания.

Принимая, что центр пузырька движется равномерно и его отрыв происходит, когда расстояние между центром пузырька и концом трубки становится равным 2r_n, скорость перемещения ν₁ можно найти по формуле

где Т₁ - период следования пузырьков при подаче газа в трубку с расходом Q₁.

При постоянстве расхода Q₁ отрывной объем пузырька V_n определяется выражением

С учетом (1) и (2) и при условии sinθ=1 баланс сил, действующих на пузырек в момент его отрыва, запишется в виде:

При изменении расхода газа в газоподводящую трубку от значения Q₁ до Q₂ уравнение (3) примет вид

где T₂ - период следования пузырьков при подаче газа в трубку с расходом Q₂.

В то же время для вязких жидкостей максимальное избыточное давление P_и в пузырьке определяется выражением

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

С учетом (1) выражение (5) при Q₁=const примет вид

Уравнения (3), (4) и (6) составляют систему, решая которую относительно σ_ж, ρ_ж и η_ж, получим выражения для определения σ_ж, ρ_ж и η_ж по измеренным значениям P_и, T₁ и T₂ при Q₁, Q₂, g, d₀, H=const.

где

- коэффициенты пропорциональности.

Таким образом, измерение P_и, T₁ и Т₂ позволяет определить по уравнениям (7), (8) и (9) поверхностное натяжение σ_ж, плотность ρ_ж и вязкость жидкости η_ж.

В процессе измерения при Q₁=const давление в газоподводящей трубке 1, увеличивающееся с ростом пузырька газа, поступает на вход преобразователя давления 5, измеряющего давление P_и в трубке в момент отрыва пузырька. Одновременно импульсный выходной сигнал с преобразователя 5 поступает на вход частотомера 6, измеряющего период следования пузырьков T₁, сигнал которого вместе с сигналом от преобразователя давления 5 поступает в вычислительный блок 8. Затем изменяется расход газа с Q₁ до Q₂ и на вход вычислительного блока 7 с частотомера 6 поступает новое значение периода следования пузырьков Т₂, соответствующее расходу Q₂. На последнем этапе вычислительный блок 7 на основании измеренных P_и, T₁ и Т₂ по формулам (7), (8) и (9) определяет значения поверхностного натяжения σ_ж, плотности ρ_ж и вязкости жидкости η_ж и формирует сигналы, поступающие на вход вторичного прибора 8.

В предложенном способе производят измерения максимального давления в пузырьке и периодов следования пузырьков газа при двух различных значениях расхода, что позволяет определить вязкость и плотность жидкости, а также повысить точность определения поверхностного натяжения благодаря учету влияния вязкости и плотности на результат измерения.

Способ определения физических свойств жидкости, согласно которому осуществляют подачу газа на вход газоподводящей трубки, погруженной на заданную глубину в контролируемую жидкость. Затем измеряют максимальное давление в трубке. Кроме того, дополнительно измеряют периоды следования пузырьков газа при двух различных расходах газа в газоподводящую трубку. Далее по величине максимального давления в трубке и периодам следования пузырьков газа судят о поверхностном натяжении, плотности и вязкости контролируемой жидкости.

Техническим результатом изобретения является повышение точности определения поверхностного натяжения жидкости и расширение функциональных возможностей способа путем обеспечения возможности определения плотности и вязкости жидкости. 1 ил.

Способ определения физических свойств 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 дополнительно измеряют периоды следования пузырьков газа при двух различных расходах газа в газоподводящую трубку, и по величине максимального давления в трубке и периодам следования пузырьков газа судят о поверхностном натяжении, плотности и вязкости контролируемой жидкости.