УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДЗЕТА-ПОТЕНЦИАЛА Российский патент 2022 года по МПК G01N15/04 G01N21/17 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для анализа электрофоретической подвижности дисперсных частиц и определения дзета-потенциала коллоидных систем, который характеризует их устойчивость.

Знание дзета-потенциала дисперсных систем важно для понимания их физико-химических свойств как при проведении научных исследований, так и при промышленном производстве различных дисперсных систем для оптимизации их технологии, потребительских свойств и обеспечения долговременной стабильности характеристик.

Известно техническое решение по патенту US 8573404 (B2) (опубликован 05.11.2013), в котором измерение дзета-потенциала производится в специальном канале, имеющем входное и выходное отверстие, в котором находится изучаемая суспензия.

Недостатком технического решения является то, что измерения дзета-потенциала можно проводить только в специальном канале, заполненном исследуемой жидкостью, и этот канал обязательно должен быть установлен внутрь устройства. А также то, что отсутствует возможность дистанционного измерения дзета-потенциала с использованием выносного сенсора, который можно погружать в нужный объем жидкости, например, в цистерну, бак, химический или биохимический реактор и другие технологические емкости для непрерывного оперативного контроля дзета-потенциала продуктов производства.

Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей анализатора дзета-потенциала, за счет обеспечения возможности измерения дзета-потенциала в объеме жидкости, находящейся вне прибора.

Технический результат достигается в устройстве, содержащем осветительный лазер, блок анализатора размеров дисперсных частиц, измерительную ячейку, выполненную выносной с возможностью погружения в исследуемую жидкость, при этом в ячейке обеспечены электрофоретическое движение дисперсных частиц исследуемой жидкости в ограниченном объеме, освещение этого объема лазерным светом, и вывод рассеянного в этом объеме света на анализатор размера дисперсных частиц, причем подвод освещающего света к измерительной ячейке и вывод рассеянного света из измерительной ячейки осуществляется с помощью оптической системы исключающей рассеяние света вне указанного объема.

Предпочтительно выполнение оптической системы в виде двух оптических волокон.

Предпочтительно выполнение оптических волокон одномодовыми, обеспечивающими сохранение поляризации света при прохождении света от осветительного лазера.

Предпочтительно выполнение измерительной ячейки с первым электродом и вторым электродом, при этом электроды размещены в корпусе ячейки, выполненном с возможностью обеспечения доступа исследуемой жидкости в пространство между электродами, а на электроды подано напряжение, обеспечивающее электрофоретическое движение дисперсных частиц исследуемой жидкости в пространстве между электродами, заполненном исследуемой жидкостью.

Предпочтительно обеспечение подачи на электроды знакопеременного напряжения.

Предпочтительно выполнение электродов плоскопараллельными.

Предпочтительно обеспечение подачи на электроды знакопеременного напряжения с помощью проводов от блока анализатора размеров дисперсных частиц.

Предпочтительно выполнение измерительной ячейки с короткофокусной коллимирующей линзой, обеспечивающей фокусировку света в область между электродами, в которой осуществлено электрофоретическое движение дисперсных частиц исследуемой жидкости.

Предпочтительно выполнение измерительной ячейки с зеркалом, установленным под углом, выполненным с возможностью сбора рассеянного света, и направления его через призму и собирающую линзу в оптическое волокно, обеспечивающее передачу этого света в блок анализатора размеров дисперсных частиц.

В одном из вариантов исполнения блок анализатора размеров дисперсных частиц выполнен с термостабилизированным диодным лазером, с фотоприемником, выполненным с возможностью работы в режиме счета фотонов, а также с блоком контроля и блоком расчета электрофоретической подвижности и дзета-потенциала.

В одном из вариантов исполнения блок анализатора размеров дисперсных частиц выполнен с пьезоэлектрическим модулятором опорного пучка осветительного лазера, причем опорный пучок получается с помощью отражения от оптической плоскопараллельной пластинки и направлен на входное окно фотоприемника.

Изобретение иллюстрируется на фигурах.

На фиг.1 изображена схема выносной измерительной ячейки. Где 1 - падающий свет, 2 - сохраняющий поляризацию оптическое волокно падающего света, 3 - фокусирующая линза падающего света, 4 - рассеянный свет, 5 - зеркало рассеянного света для формирования требуемой схемы рассеяния света, 6 - призма рассеянного света, 7 - фокусирующая линза рассеянного света, 8 - оптическое волокно рассеянного света, 9 и 10 - два плоскопараллельных электрода для создания электрического поля в исследуемом объеме, 11 и 12 - два электрических вывода электродов, 13 - корпус сенсора с доступом исследуемой жидкости в пространство между электродами.

На фиг.2 показана оптико-электронная блок-схема подключения измерительной ячейки для измерения дзета-потенциала в коллоидных жидкостях. 14 - осветительный лазер, 15 - пьезоэлектрический модулятор, 16 - фотоприемник, 17 - блок контроля, 18 - блок расчета электрофоретической подвижности и дзета-потенциала, 19 - измерительная ячейка, 20 - блок анализатора размеров дисперсных частиц, 21 - опорный луч, 22 - оптическая плоскопараллельная пластина, 23 - выходной луч осветительного лазера.

Изобретение может быть реализовано в устройстве, в котором к погружной измерительной ячейке 19 подведен свет 1 от осветительного лазера 14 с помощью сохраняющего поляризацию одмодового оптического волокна 2, который коллимирован с помощью короткофокусной линзы 3 в исследуемую область между двумя плоскопараллельными электродами 9 и 10. На электроды 9 и 10 по двум проводам 11 и 12 подано знакопеременное напряжение. Свет 4, рассеянный на движущихся в исследуемой области частицах, под заданным с помощью зеркала 5 углом через призму 6 с помощью линзы 7 подан в оптическое волокно рассеянного света 8. Оптические волокна 2 и 8 подключены к блоку анализатора размеров дисперсных частиц 20 с помощью двух одномодовых оптических коннекторов, соответственно, 2 к термостабилизированному диодному лазеру 14, а 8 к фотоприемнику 16, работающему в режиме счета фотонов. Рассеянный свет 4 по оптическому волокну 8 подан на входное окно фотоприемника 16. Кроме того на это входное окно фотоприемника 16 подан опорный луч 21. Опорный луч 21 получен отражением небольшой части света от осветительного лазера 14 с помощью оптической плоскопараллельной пластины 22. Опорный луч 21 лазера 14 модулирован по частоте с помощью пьезоэлектрического модулятора 15. Модулирующая частота подается на модулятор 15 от блока контроля. Выход фотоприемника 16 подключен к блоку расчета электрофоретической подвижности и дзета-потенциала 18.

Устройство работает следующим образом. К погружной измерительной ячейке 19 подводят свет 1 от осветительного лазера 14 с помощью сохраняющего поляризацию одмодового оптического волокна 2, который коллимируют с помощью короткофокусной линзы 3 в исследуемую область между двумя плоскопараллельными электродами 9 и 10. На электроды 9 и 10 по двум проводам 11 и 12 подают знакопеременное напряжение. В электрическом поле между электродами 9 и 10 заряженные дисперсные частицы двигаются со скоростью, пропорциональной их заряду. Свет 4, рассеянный на этих движущихся частицах, под заданным с помощью зеркала 5 углом через призму 6 с помощью линзы 7 направляют в оптическое волокно рассеянного света 8. Оптические волокна 2 и 8 требуемой длины подключают к блоку анализатора размеров дисперсных частиц 20 с помощью двух одномодовых оптических коннекторов, соответственно, 2 к термостабилизированному диодному лазеру 14, а 8 к фотоприемнику 16, работающему в режиме счета фотонов. Частота света при рассеивании сдвигается относительно частоты падающего света на допплеровскую частоту, пропорциональную скорости движения частиц в электрическом поле. Рассеянный свет 4 по оптическому волокну 8 направляется на входное окно фотоприемника 16. Кроме того, на это входное окно фотоприемника 16 подают опорный луч 21. Опорный луч 21 получают отражением небольшой части света от осветительного лазера 14 с помощью оптической плоскопараллельной пластины 22. С целью уменьшения низкочастотных шумов и определения знака измеряемой допплеровской скорости (и соответственно, знака заряда частиц) опорный луч 21 лазера 14 модулируют по частоте с помощью пьезоэлектрического модулятора 15. Модулирующую частоту подают на модулятор 15 от блока контроля. Сигнал с выхода фотоприемника 16 подают в блок расчета электрофоретической подвижности и дзета-потенциала 18, где осуществляется селективное измерение сигнала с фазовым детектированием на частоте модуляции, за счет чего избавляются от низкочастотных шумов и определяют направление (знак) измеряемой допплеровской скорости.

Программа управления прибором позволяет задавать различные по форме и амплитуде сигналы, подаваемые на электроды сенсора, что позволяет оптимизировать режимы измерения дзета-потенциала в зависимости от свойств анализируемой коллоидной системы и поставленных задач исследования.

За счет использования выносной погружной измерительной ячейки обеспечивается возможность измерения дзета-потенциала в объеме жидкости, находящейся вне прибора, при этом расширяются функциональные возможности анализатора дзета-потенциала и, таким образом, реализуется технический результат изобретения.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для анализа электрофоретической подвижности дисперсных частиц и определения дзета-потенциала коллоидных систем. Устройство для измерения дзета-потенциала содержит осветительный лазер, блок анализатора размеров дисперсных частиц, измерительную ячейку, при этом измерительная ячейка выполнена выносной с возможностью погружения в исследуемую жидкость, при этом измерительная ячейка включает первый и второй электроды, размещённые в корпусе ячейки, выполненные с возможностью обеспечения доступа исследуемой жидкости в пространство между электродами, оптическую систему, состоящую из двух одномодовых оптических волокон, короткофокусной коллимирующей линзы, фокусирующей свет лазера от первого оптического волокна в область между электродами и установленного под углом зеркала, направляющего собранный рассеянный частицами свет через призму и собирающую линзу во второе оптическое волокно, которое обеспечивает передачу этого света в блок анализатора. Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей анализатора дзета-потенциала. 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для измерения дзета-потенциала, содержащее осветительный лазер, блок анализатора размеров дисперсных частиц, измерительную ячейку, отличающееся тем, что измерительная ячейка выполнена выносной с возможностью погружения в исследуемую жидкость, при этом измерительная ячейка включает первый и второй электроды, размещённые в корпусе ячейки, выполненные с возможностью обеспечения доступа исследуемой жидкости в пространство между электродами, оптическую систему, состоящую из двух одномодовых оптических волокон, короткофокусной коллимирующей линзы, фокусирующей свет лазера от первого оптического волокна в область между электродами и установленного под углом зеркала, направляющего собранный рассеянный частицами свет через призму и собирающую линзу во второе оптическое волокно, которое обеспечивает передачу этого света в блок анализатора.

2. Устройство для измерения дзета-потенциала по п.1, отличающееся тем, что на электроды подано напряжение, обеспечивающее электрофоретическое движение дисперсных частиц исследуемой жидкости в пространстве между электродами, заполненном исследуемой жидкостью.

3. Устройство для измерения дзета-потенциала по п.2, отличающееся тем, что на электроды подано знакопеременное напряжение.

4. Устройство для измерения дзета-потенциала по п.2, отличающееся тем, что электроды выполнены плоскопараллельными.

5. Устройство для измерения дзета-потенциала по пп.2-4, отличающееся тем, что напряжение на электроды подано с помощью проводов от блока анализатора размеров дисперсных частиц.

6. Устройство для измерения дзета-потенциала по пп.1-5, отличающееся тем, что блок анализатора размеров дисперсных частиц выполнен с термостабилизированным диодным лазером, с фотоприемником, выполненным с возможностью работы в режиме счета фотонов, а также с блоком контроля и блоком расчета электрофоретической подвижности и дзета-потенциала.

7. Устройство для измерения дзета-потенциала по пп.1-7, отличающееся тем, что блок анализатора размеров дисперсных частиц выполнен с пьезоэлектрическим модулятором опорного пучка осветительного лазера, причем опорный пучок получается с помощью отражения от оптической плоскопараллельной пластинки и направлен на входное окно фотоприемника.