УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИДЕНТИФИКАЦИИ И КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ЖИДКОСТЕЙ МЕТОДОМ ФОТЕКОНСКОПИИ Российский патент 2015 года по МПК G01N21/55 

Изобретение относится к области научно-измерительного оборудования, применяемого для идентификации и комплексного анализа физико-химических свойств многокомпонентных жидкостей. Предлагаемое устройство позволяет решать широкий спектр задач экспресс-контроля показателей качества сырьевых и технологических жидкостей при добыче и переработке углеводородов, на химических, фармацевтических и пищевых производствах, в сфере экологического контроля и т.п.

Известен [1, 2] метод анализа жидкостей, основанный на том, что в исследуемом образце в виде тонкого жидкого слоя со свободной поверхностью индуцируется точечный импульсный источник тепла. Тепловые импульсы порождают термокапиллярные течения, а идентификация и контроль показателей качества жидкости проводится по индивидуальным особенностям процесса развития и релаксации термокапиллярного (ТК) отклика¹ (¹ТК отклик [1] - интерференционная картина, наблюдаемая на экране, помещенном в поперечное сечение лазерного пучка, отраженного от свободной поверхности слоя, деформированной (в виде углубления) термокапиллярными течениями), регистрируемого с помощью непрерывного считывающего лазерного пучка. Источником информации в данном методе, получившем название «Фотеконскопия»² (²Аббревиатура ФоТеКон образована от названия физического явления, для которого характерен ТК отклик - фотоиндуцированная термокапиллярная конвекция [2]), является фотеконограмма [3] - зависимость диаметра (D) термокапиллярного отклика от времени.

Прототипом предлагаемого изобретения является устройство [4], в котором образец анализируемой жидкости помещается в горизонтальную кювету, в дно которой герметично встроен пассивный теплопроводящий элемент. Вершина данного элемента находится в жидкости, а основание - в тепловом контакте с электрическим нагревателем (например, элементом Пельте), который и является источником тепловых импульсов. ТК отклик считывается с помощью непрерывного пучка от лазерного диода, настолько маломощного, что он не создает сколь-либо выраженного нагрева образца. Такое техническое решение существенно упрощает и удешевляет конструкцию сменной кюветы, в которую помещается анализируемый образец жидкости, при этом позволяет максимально повысить качество работы системы генерации тепловых импульсов (за счет использования более дорогостоящих компонент, высокоточной настройки электронных плат управления нагревателем и т.д.).

Основным недостатком прототипа является то, что при каждой установке сменной кюветы (по завершению измерения кювета должна извлекаться из прибора для промывки) тепловое сопротивления области контакта теплопроводящего элемента с нагревателем несколько варьируется, и это неизбежно снижает точность и воспроизводимость результатов измерений.

Для преодоления обозначенного недостатка предлагается техническое решение, сочетающее преимущества от использования пассивного теплопроводящего элемента, встроенного в дно кюветы, и бесконтактного способа нагрева данного элемента. Принципиальная схема устройства показана на фиг.1. Здесь: 1 кювета с анализируемой жидкостью 2; 3 термокапиллярная деформация жидкой поверхности; 4 проникающий сквозь дно кюветы металлический теплопроводящий элемент, нижняя поверхность которого имеет светопоглощающее покрытие; 5 индуцирующий тепловые импульсы, полупроводниковый лазер (мощность десятки мВт); 6 считывающий лазерный диод (мощность десятые доли мВт); 7 полупрозрачный экран, на котором наблюдается ТК отклик, регистрируемый телекамерой 8; 9 компьютер, осуществляющий управление электронными узлами устройства, запись и обработку результатов измерений.

В качестве примера на фиг.2a приведены две серии фотеконограмм³ (³Точнее, участок фотеконограммы на стадии развитого термокапиллярного течения, т.е. тот участок, который на практике используется для анализа жидкостей) (по три измерения в каждой) одного и того же образца топочного мазута, полученные по схеме с элементом Пельтье (кривые 1) и с индуцирующим лазером (кривые 2), при прочих равных условиях. На фиг.2б показаны зависимости величины стандартного отклонения S_D(t) от среднего (по трем измерениям в серии), построенные на основании данных фиг.2а. Фактически, в случае индуцирующего лазера среднее по фотеконограмме значение S_D примерно в два раза ниже аналогичного параметра серии измерений по схеме прототипа.

Предложенное устройство для идентификации и контроля качества жидкостей методом фотеконскопии позволяет устранить фактор нестабильности теплового сопротивления области контакта теплопроводящего элемента с нагревателем, за счет чего существенно повысить точность и воспроизводимость результатов измерений.

ЛИТЕРАТУРА

1. С1 2247968 RU G01N 21/00. Экспресс-метод идентификации и контроля качества жидкостей / Федорец А.А., Безуглый Б.А. // Изобретения и полезные модели. - 2005. - Бюл. №7. - 5 с.

2. Федорец А.А. Фотеконскопия: новый экспресс-метод идентификации и контроля качества жидкостей // Международная конференция Модернизация образования в условиях глобализации: Тезисы докладов. Тюмень, 2005. - Изд-во ТюмГУ, - С.103-104.

3. Федорец А.А., Бакин П.Ю., Колмаков Э.Э. О возможности измерения температуропроводности жидкости по фотеконограмме // Вестник ТюмГУ. - 2009. - №6. - С.118-124.

4. С2 2301415 RU G01N 21/55. Устройство для идентификации и контроля качества жидкостей / Федорец А.А. // Изобретения и полезные модели. - 2007. - Бюл. №17. - 3 с.

Изобретение относится к области научно-измерительного оборудования, применяемого для идентификации и комплексного анализа физико-химических свойств многокомпонентных жидкостей. Идентификация и контроль показателей качества жидкостей проводится по индивидуальным особенностям процесса развития и релаксации термокапиллярного отклика. Устройство содержит считывающий лазер (мощность десятые доли мВт), экран, на который проецируется термокапиллярный отклик, телекамеру и горизонтальную кювету с пробой жидкости, в дно которой герметично встроен проникающий сквозь дно кюветы металлический теплопроводящий элемент. Тепловые импульсы в жидкости генерируются при облучении светопоглощающей нижней поверхности теплопроводящего элемента пучком индуцирующего лазера, мощность которого составляет десятки мВт. Изобретение позволяет повысить точность и воспроизводимость результатов измерений. 2 ил.

Устройство для идентификации и контроля качества жидкостей по индивидуальным особенностям процесса развития и релаксации термокапиллярного отклика, содержащее считывающий лазер, экран, на который проецируется термокапиллярный отклик, телекамеру и горизонтальную кювету с пробой жидкости, в дно которой герметично встроен проникающий сквозь дно кюветы металлический теплопроводящий элемент, отличающееся тем, что тепловое воздействие на жидкость осуществляется за счет облучения светопоглощающей нижней поверхности теплопроводящего элемента импульсами лазерного излучения.