СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ Российский патент 2020 года по МПК G01N13/02 

Изобретение относится к области поверхностных явлений в жидкости и может использоваться в измерительной технике для определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости.

Известен способ определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости и угла смачивания [1], включающий измерение геометрических характеристик капли жидкости, сформированной на горизонтальной твердой поверхности, по ее изображению, а также сравнение их с численным решением дифференциальных уравнений равновесия, где в качестве измеряемых геометрических характеристик используют высоту вершины капли и радиус пятна ее контакта с твердой поверхностью. Величину коэффициента поверхностного натяжения жидкости σ рассчитывают по соответствующим формулам на основе решения уравнений равновесия. Основным недостатком данного способа является высокая трудоемкость вычисления коэффициента поверхностного натяжения жидкости σ связанная с необходимостью выполнения сложных математических расчетов при достаточно высокой погрешности вычисленных значений.

Наиболее близким аналогом является способ определения коэффициента поверхностного натяжения [2], заключающийся в получении с помощью видеокамеры изображения капли жидкости с последующей сегментацией полученного изображения с целью определения координат произвольных точек контура и вершины меридианного сечения капли в двух взаимно перпендикулярных направлениях с последующим вычислением радиусов кривизны поверхности капли для указанных точек. Величину коэффициента поверхностного натяжения жидкости σ рассчитывают на основании численного решения дифференциальных уравнений капиллярности по найденным радиусам кривизны поверхности капли. Основным недостатком данного способа является высокая трудоемкость определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости σ, связанная с необходимостью визуального определения координат большого числа точек контура поверхности капли по ее изображению с последующим решением большого числа уравнений.

Цель изобретения состоит в устранении недостатков известных способов путем упрощения процедуры измерения геометрических характеристик сформированной капли исследуемой жидкости, сведения к минимальным и элементарным математическим расчетам коэффициента поверхностного натяжения жидкости σ, а также повышения точности результатов.

Сущность изобретения заключается в следующем. Для определения радиуса кривизны R сферической поверхности сформированной капли исследуемой жидкости необходимо измерить только высоту сформированной капли а жидкости над горизонтальным верхним срезом капилляра, тем самым упрощая значительным образом процедуру измерения геометрических характеристик сформированной капли исследуемой жидкости. Благодаря прямому измерению величины давления Лапласа Р_Л сферической поверхности сформированной капли исследуемой жидкости, которая равна разнице между избыточным контролируемым давлением газа Р_И и гидростатическим давлением Р_Г столба исследуемой жидкости в капилляре, расчет коэффициента поверхностного натяжения жидкости σ сводится к минимальным и элементарным математическим расчетам. Кроме того, использование простых математических расчетов и двух измеряемых величин высоты сформированной капли а жидкости и избыточного давления газа Р_И позволит повысить точность результатов.

Решение поставленной задачи достигается путем реализации нового способа определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости. Графический материал, поясняющий сущность предлагаемого способа, представлен на следующих фигурах:

фиг. 1 - схема устройства для определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости;

фиг. 2 - схема формирования капли исследуемой жидкости со сферической поверхностью на горизонтальном верхнем срезе капилляра: а - высота сформированной капли; R - радиус кривизны сферической поверхности сформированной капли жидкости; r - внешний радиус капилляра; h - высота подъема исследуемой жидкости в капилляре.

Устройство для определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости (фиг. 1) состоит из сосуда 1 плотно закрытого пробкой 2, в которую вертикально вставлен капилляр 3. Сосуд 1 через боковой отвод 4 соединен с микрокомпрессором 5. На боковом отводе 4 установлен микроманометр 6. Также устройство для определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости снабжено инструментом видеоконтроля 7.

Исследуемая жидкость 8 заливается в сосуд 1 таким образом, чтобы нижний срез 9 капилляра 3 был погружен в исследуемую жидкость 8 (фиг. 1).

С целью определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости σ формируют каплю 10 исследуемой жидкости 8 со сферической поверхностью на горизонтальном верхнем срезе 11 капилляра 3 (фиг. 2). Для этого в сосуд 1 с исследуемой жидкостью 8 через боковой отвод 4 при помощи микрокомпрессора 5 подают избыточное давление газа Р_И (фиг. 1). Величину избыточного давления газа Р_И контролируют во время подачи в сосуд 1 с исследуемой жидкостью 8. Избыточное контролируемое давления газа Р_И оказывает воздействие на поверхностный слой исследуемой жидкости 8, заставляя ее подниматься по вертикально вставленному капилляру 3 до формирования капли 10 со сферической поверхностью на верхнем горизонтальном срезе 11 капилляра 3 (фиг. 2). В момент сформирования капли 10 исследуемой жидкости 8 со сферической поверхностью на горизонтальном верхнем срезе 11 капилляра 3 замеряют величину избыточного давления газа Р_{И с помощью микроманометра 6, подачу газа в сосуд 1 прекращают (фиг. 1). Момент сформирования капли 10 исследуемой жидкости 8 со сферической поверхностью на горизонтальном верхнем срезе 11 капилляра 3 (фиг. 2) соответствует состоянию равновесия между замеряемой величиной избыточного давления газа РИ и суммой давления Лапласа РЛ сферической поверхности сформированной капли 10 исследуемой жидкости 8 с гидростатическим давлением РГ столба исследуемой жидкости 8 в капилляре 3, который записывается следующим уравнением:}

где Р_И - избыточное давление газа, подаваемое в сосуд с исследуемой жидкостью, Па;

Р_Л - давление Лапласа, Па;

Р_Г - гидростатическое давление столба исследуемой жидкости в капилляре, Па;

ρ - плотность исследуемой жидкости, кг/м³;

g - ускорение свободного падения, м/с²;

h - высота подъема исследуемой жидкости в капилляре, м (фиг. 2).

В качестве газа, подаваемого в сосуд 1 с исследуемой жидкостью 8 через боковой отвод 4 при помощи компрессора 5 (фиг. 1), может применяться воздух, инертные и другие газы в зависимости от рода исследуемой жидкости 8.

Высоту а капли 10 исследуемой жидкости 8 со сферической поверхностью (фиг. 2) измеряют над горизонтальным верхним срезом 11 капилляра 3 с помощью инструмента видеоконтроля 7 (фиг. 1) с целью определения радиуса кривизны R сферической поверхности сформированной капли 10 исследуемой жидкости 8, используя следующее выражение:

где R - радиус кривизны сферической поверхности сформированной капли жидкости, м (фиг. 2);

а - высота капли, м (фиг. 2);

r - внешний радиус капилляра, м (фиг. 2).

Коэффициент поверхностного натяжения σ исследуемой жидкости определяют по радиусу кривизны R сферической поверхности капли 10 исследуемой жидкости 8 и величине давления Лапласа Р_Л сферической поверхности капли 10 исследуемой жидкости 8 с использованием следующей формулы:

где σ - коэффициент поверхностного натяжения исследуемой жидкости, Н/м;

Р_Л - давление Лапласа, Па;

R - радиус кривизны сферической поверхности сформированной капли исследуемой жидкости, м.

С другой стороны величина давления Лапласа Р_Л капли 10 исследуемой жидкости 8 со сферической поверхностью в соответствии с уравнением (1) равна разнице между избыточным контролируемым давлением газа Р_И и гидростатическим давлением Р_Г столба исследуемой жидкости в капилляре:

где Р_Л - давление Лапласа, Па;

Р_И - избыточное давление газа, подаваемое в сосуд с исследуемой жидкостью, Па;

Р_Г - гидростатическое давление столба исследуемой жидкости в

капилляре, Па;

ρ - плотность исследуемой жидкости, кг/м₃;

g - ускорение свободного падения, м/с²;

h - высота подъема исследуемой жидкости в капилляре, м (фиг. 2).

Объединив выражения (3) - (4) получим следующую формулу для определения коэффициента поверхностного натяжения σ капли исследуемой жидкости:

где k - коэффициент, являющийся постоянной прибора, который определяется по измерению величины σ_э эталонной жидкости с известным коэффициентом поверхностного натяжения;

Р_Л - давление Лапласа, Па;

Р_И - избыточное давление газа, подаваемое в сосуд с исследуемой жидкостью, Па;

Р_Г - гидростатическое давление столба исследуемой жидкости в капилляре, Па;

R - радиус кривизны сферической поверхности сформированной капли исследуемой жидкости, м;

а - высота капли, м (фиг. 2);

r - внешний радиус капилляра, м (фиг. 2);

ρ - плотность исследуемой жидкости, кг/м³;

g - ускорение свободного падения, м/с²;

h - высота подъема исследуемой жидкости в капилляре, м (фиг. 2).

Предлагаемый способ благодаря прямому измерению величины давления Лапласа Р_Л сформированной капли исследуемой жидкости со сферической поверхностью позволит свести расчет коэффициента поверхностного натяжения жидкости σ к минимальным и элементарным математическим расчетам. Кроме того, для определения радиуса кривизны R сферической поверхности сформированной капли исследуемой жидкости, которую используют в расчетах по определению коэффициента поверхностного натяжения жидкости σ, необходимо измерить только высоту сформированной капли а жидкости над горизонтальным верхним срезом капилляра, тем самым упрощая значительным образом процедуру измерения геометрических характеристик сформированной капли исследуемой жидкости. Такой подход при расчете коэффициента поверхностного натяжения жидкости а несомненно позволит снизить трудоемкость и повысить точность вычислений.

Источники информации:

1. Пат. РФ 2460987, МПК⁷ G01N 13/02. Способ определения коэффициента поверхностного натяжения и угла смачивания/ М.А. Понамарева (РФ), В.А. Якутенок (РФ). - №2011122481/28; Заявлено 02.06.2011; Опубл. 10.09.2012, Бюл. №25. - 9 с.

2. Пат. UA 48429, МПК⁶ G01N 13/02. Способ определения коэффициента поверхностного натяжения/ В.О. Горелов (UA), И.С. Кисель (UA). - №2001075192; Заявлено 20.07.2001; Опубл. 15.08.2002, Бюл. №8.

Изобретение относится к области поверхностных явлений в жидкости и может использоваться в измерительной технике для определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости. Способ определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости σ заключается в формировании на горизонтальном верхнем срезе капилляра капли исследуемой жидкости со сферической поверхностью за счет подачи в сосуд с исследуемой жидкостью избыточного давления газа Р_И и измерении высоты a сформированной капли исследуемой жидкости с целью определения радиуса кривизны R сферической поверхности сформированной капли исследуемой жидкости, величину избыточного давления газа Р_И контролируют во время подачи в сосуд с исследуемой жидкостью, а затем замеряют в момент сформирования капли исследуемой жидкости со сферической поверхностью на горизонтальном верхнем срезе капилляра, соответствующий состоянию равновесия между замеряемой величиной избыточного давления газа Р_И и суммой давления Лапласа Р_Л сферической поверхности сформированной капли исследуемой жидкости и гидростатического давления Р_Г столба исследуемой жидкости в капилляре, высоту сформированной капли а исследуемой жидкости измеряют над горизонтальным верхним срезом капилляра, а коэффициент поверхностного натяжения σ капли исследуемой жидкости определяют по радиусу кривизны R сферической поверхности сформированной капли исследуемой жидкости и величине давления Лапласа Р_Л сферической поверхности сформированной капли исследуемой жидкости, равной разнице между избыточным контролируемым давлением газа Р_И газа и гидростатическим давлением Р_Г столба исследуемой жидкости в капилляре с использованием формулы:

где k - коэффициент, являющийся постоянной прибора, который определяется по измерению величины σ_э эталонной жидкости с известным коэффициентом поверхностного натяжения; Р_Л - давление Лапласа, Па; Р_И - избыточное давление газа, подаваемое в сосуд с исследуемой жидкостью, Па; Р_Г - гидростатическое давление столба исследуемой жидкости в капилляре, Па; R - радиус кривизны сферической поверхности сформированной капли жидкости, м; а - высота сформированной капли, м; r - внешний радиус капилляра, м. Техническим результатом является разработка нового способа определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости. 2 ил.

Способ определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости σ, заключающийся в формировании на горизонтальном верхнем срезе капилляра капли исследуемой жидкости со сферической поверхностью за счет подачи в сосуд с исследуемой жидкостью избыточного давления газа Р_И и измерении высоты a сформированной капли исследуемой жидкости с целью определения радиуса кривизны R сферической поверхности сформированной капли исследуемой жидкости, отличающийся тем, что величину избыточного давления газа Р_И контролируют во время подачи в сосуд с исследуемой жидкостью, а затем замеряют в момент сформирования капли исследуемой жидкости со сферической поверхностью на горизонтальном верхнем срезе капилляра, соответствующий состоянию равновесия между замеряемой величиной избыточного давления газа Р_И и суммой давления Лапласа Р_Л сферической поверхности сформированной капли исследуемой жидкости и гидростатического давления Р_Г столба исследуемой жидкости в капилляре, высоту сформированной капли а исследуемой жидкости измеряют над горизонтальным верхним срезом капилляра, а коэффициент поверхностного натяжения σ капли исследуемой жидкости определяют по радиусу кривизны R сферической поверхности сформированной капли исследуемой жидкости и величине давления Лапласа Р_Л сферической поверхности сформированной капли исследуемой жидкости, равной разнице между избыточным контролируемым давлением газа Р_И газа и гидростатическим давлением Р_Г столба исследуемой жидкости в капилляре с использованием следующей формулы:

где k - коэффициент, являющийся постоянной прибора, который определяется по измерению величины σ_э эталонной жидкости с известным коэффициентом поверхностного натяжения;

Р_Л - давление Лапласа, Па;

Р_И - избыточное давление газа, подаваемое в сосуд с исследуемой жидкостью, Па;

Р_Г - гидростатическое давление столба исследуемой жидкости в капилляре, Па;

R - радиус кривизны сферической поверхности сформированной капли жидкости, м;

а - высота сформированной капли, м;

r - внешний радиус капилляра, м.