Устройство для измерения межфазного натяжения Советский патент 1992 года по МПК G01N13/02 

мый метод вращающейся капли. В осноно этого метода лежит явление деформ-зции капли (пузырька) менее плотной из двух несмешивающихся фаз, помещенной в другой более плотной фазе, заполняющей вращающуюся вокруг продольной оси трубку-держатель образца (ДО) Деформация капли (пузырька) в таких условиях происходит вдоль оси вращеиия ДО под действием разности центробежных сил, обусловленной разницей плотностей фаз. Уравновешивающими являются капиллярные силы, обусловленные межфазным натяжением и кривизной поверхности капли (пузырька). Измеряя геометрические параметры формы , деформированной капли при известной разности плотностей фаз и заданной скорости вращения ДО, по известным формулам можно вычислить величину межфазного натяжения.

Наиболее важным и необходимым элементом устройств для измерения межфазного натяжения указанным мотодом является -прозрачный для визуального наблюдения вращающийся ДО. Необходимыми условиями точного измерения параметров формы вращакяцейся капли (с помощью оптических средств) и вычисления межфазного натяжения являются низкий уровень радиальных и аксиальных вибраций вращающегося ДО, стабильность заданной скорости вращения и температуры ДО в промежутке времени установления равновесия капиллярных сил, сил деформации и времени измерения размеров капли.

Известно устройство для измерения межфазного натяжения методом вращающейся капли, содержащее стеклянную трубку (до), запаянную с одного конца, помещенную внутрь металлического вала, имеющего прорези для наблюдения за каплей, находящейся в месте с фаЗОЙ в ДО. Вал закреплен с помощью подшипников качения в металлическом корпусе, на котором намотаны электронагреватели для термостатирования внутри корпуса. На один конец вала на винчивается гайка, с помощью которой ДО. фиксируется внутри вала ДО. -Через .торцовое отверстие и мембрану исследуемая капля с помощью шприца с иглой вводится в ДО. На другом конце вала жестко закреплен шкив, приводимый во вращательное движение с помощью непроскальзывающего приво-дного ремня другим ижмоом, жосткг) закрепленным на

валу синхронного электродвигателя. Электродвигатель и корпус с валом и ДО закреплены на одном основании. Диапазон скоростей вращения электродвигателя составляет от 1200 до об/мин. Скорость вращения контролируется с помощью частотомера..

Геометрические размеры капли измеряются с помощью микроскопа через прорези вала.

К недостаткам устройства относится наличие радиальных вибраций от привода, ременной передами и подшипников качения, на которых вращается ДО с фазой и каплей. Под действием этих вибраций в системах (фаза-капля с ма.пой вязкостью на поверхности капли наб/тодается рябь и нечеткость границ каплм, искажающие.результаты измерений. Из-за люфтов в подшипниках качения возникают аксиальные колебания ДО, которые также искажают резул таты измерений. Разность плотностей исследуемых фаз, входящая в расчетные форму/ы межфазного натяжения, зависит от температуры. Поэтому влияние тепла, выделяющегося от трения в подаипниках качения, также снижает точность измерений. Температура корпусов подшипников качения при стабильной работе на выше температуры окружающего ДО воздуха, поэтому получается неравномерный нагрев фазы, создающий циркуляционные потоки фазы, искажающие форму капли, изза чего размеры последней измеряются с малой точностью, а иногда их вообще невозможно измерить. 8 аналогах, имеющих Метау1лический вал с прорезями, температура капли определяется весьма приблизительно, т.к.. наиболее достоверно температуру капли можно определить в граничном слое на стенке стеклянного ДО. Кроме этого, стробоскоп усложняет и удорожает устройство. .

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является устройство для измерения межфазного натяжения, содержащее корпус с прозрачными окнами,в котором расположен держатель образца, связанный с системой его Ц€ нтровки и Приводом вращения, и измеритель скорости вращения держателя.

Система центровки выполнена в виде пористых- втулок, с помощью которых вал привода вращения закреплен в корку вала при вращении осуществляют про дувкой воздуха через пористые втулки при этом исключаются аксиальные коле бания вала с ДО. Вал приводят во вращение электродвигателем с ременной передачей. К недостаткам устройства относятся низкая точность измерений из-за радиальных и аксиальных колебаний вала и ДО, передаваемых от привода вращения, а также обеспечение самоцентровки вала с ДО только при больших . скоростях вращения, что снижает точность измерений при низких скоростях вращений и ограничивает диапазон измерения величин межфазного натяжения Целью изобретения является повышение точности измерений путем умень шения уровня радиальных виорации держателя. Цель достигается тем, что в предлагаемом устройстве для измерения межфазного натяжения, содержащем корпус с прозрачными окнами, а котором расположен держатель образ а, связанный с системой его центровки и приводом вращения, и измеритель скорости вращения держателя, привод вращения выполнен пневматическим, причем держатель образца использован в качестве вала турбинки. привода, а сопла привода вмонтированы в корпус. В целях повышения точности измереНИИ при ма;ых скоростях вращения и расширения диапазона измереЧний система центровки держателя выполнена в виде самоцентрирующихся феррожидг костных подшипников, в которых закреплен держатель. Феррожидкостные подшипники могут быть выполнены в виде постоянных кольцевых маг-нитов, намагниченных перпендикулярно их плоскости, с ферромагнитной жидкостью, втянутой магнитным полем в зазоры между магнитом и держателем образца и корпусом, выполненными из немагнитных материалов.

На фиг.1 изображено предлагаемое устройство, разрез; на фиг.2 приведена блок-схема устройства.

Устройство имеет основание 1, на котором закреплены все элементы устройства. Гайкамодулятор 2, служащая элементом датчика скорости вращения и для уплотнения открытого конца ДО, навинчена на шейку турбинки 3 пневматического привода. Регулируемый,

сделан съемным, что упрощает его эксплуатацию. Фторопластовая прокладка 12 служит в качестве уплотнения и опорного подшипника. В фланец Т ввинче40 ны (с уплотнением) ниппеля k, через которые производится подача и отвод теплоносителя, а также винт 15| заглушающий отверстие для периодической подпитки правого подшипника фер45 ромагнитной жидкостью и для установления необходимого давления в герметичной камере 1б, служащей для подавления аксиальных колебаний (при смешении ДО влево в камере 1б повышается

50 вакуум, возвращающий ДО назад). Фетровый сальник Г/, прижимаемый шайбой 18, предотвращает попадание пыли в левый подшипник и разбрызгивание избытка ферромагнитной жидкости / не55 рез заправочные отверстия в отбойной шайбе 5I прижимной шайбе 7 и турбинке 3. Фотодатчик 19 выдает электрические импу|1ьсы, пропорциональные скорости вра.щения ДО. Подвижная оповоздух подводится к турбинке с помощью сопл . Отбойная шайба 5 и фетровые сальники 6 предотвращают возможное разбрызгивание избытка ферромагнитной жидкости 7 центробежными силами при больших скоростях враще ния держателя образца. Ферромагнитная жидкость 7 вместе с постоянными кольцевыми магнитами 8, намагниченными перпендикулярно плоскости кольца, образуют феррожидкостные подшипники, фиксируемые распорной втулкой.9 с прорезями для наблюдения, за каплей. Держатель образца 10 представляет собой трубку из стекла (пирекос) или другого прозрачного материала со строго концентричными внутренней и внешней поверхностями. Один конец ДО заглушен, а на другом конце его-с помощью клея, например, закреплена отбалансированная турбинка 3- Таким образом ДО одновременно выполняет роль вала привода,Латунный корпус t1 имеет прозрачные окна для наблюдения за каплей, систему каналов для прокачки теплоагента от внешнего термостата, управляемого датчиком температуры, расположенного в непосредственной близости от поверхности ДО (датчик расположен за плоскостью чертежа). В корпус 11 ввинчены сопла j, он является и термостатируемым корпусом устг jg ройства и корпусом привода, причем он pa 20, выполнен) в аиде винта, служит для регулирования угла нак.поиа между продольной осью ДО и горизонтальной плоскостью, а индикатором служит капля 21. Мембрана 22 предотвращает вытекание фазы из открытого конца ДО, На кронштейне 23, жестко закрепленном на основании 1, фиксируется с помощью скользящих направляющих и стопорного винта (на фигурах не показаны) съемный корпус 11 (в сборе). При необходимости для уменьшения внутреннего объема ДО он может быть -выполнен в ви де системы коаксиальных трубок. В. . 9ТОМ случае в держатель образца 10 помещается и фиксируется стеклянная трубка с меньшим внутренним объемом. Ферромагнитная жидкость 7 втягивается в область наибольших градиентов напряженности магнитного поля, в дан ном случае в зазоры между магнитом 8 и ДО, а также между магнитом-и корпу сом. Заполняя собой пространство зазора, ферромагнитная жидкость стремится вытеснить немагнитный ДО в область наименьших градиентов напряжен ности магнитного поля, т.е. к оси вращения. При небольшом весе ДО с ту бинкой и малом кольцевом зазоре (0,1 0,33 мм) ферритовые кольцевые магнит и ферромагнитная жидкость с намагни ченностью насыщения 2 10 - 10 А/м обеспечивают самоцентровку уже при скорости вращения 100 об/мин. Втягиваясь в микрозазор скользяще посадки между корпусом 11 и постоянным магнитом 8, ферромагнитная жидкость 7 герметизирует посадку постоянных магнитов. Таким образом, феррожидкостные подшипники, .герметизируя зазоры корпус-постоянный магнит постоянный магнит-держатель образца, являются составной частью камеры 16 подавления аксиальных колебаний ДО. Диаметры отверстий шайб 5 и 18, а также сальников 6 и 17 немного больше внешнего диаметра ДО, что предотвращает торможение при вращении и локальный нагрев ДО. Устройство работает следующим образом. Капля одной из исследуемых фаз (менее плотной) вводится в предварительно заполненный ДО более плотной прозрачной средой с помощью шприца с иглой через отверстие в торце гайки модулятора 2, прокаливая мембрану 22. Размеры капли определяются с помощью оптического микрометра, установленного на трехкоординатном столике, (на фигурах не показаны), закрепленном на основании 1, Оптический микрометр отградуирован с точностью не менее 100 делений на 1 мм. В устройство 2k от внешнего термостата 25, управляемого автоматическим потенциометром 26 (класс 0,25) с двухпозиционным регулятором, подается теплоноситель. Датчик температуры (малоинерционная термопара), включенный на вход автоматического потенциометра 2б, расположен в непосредственной близости от поверхности ДО. Необходимая скорость вращения ДО устанавливается задатчиком давления 27. Скорость вращения ДО преобразуется фотопреобразователем 28 в пропорциональные ей электрические импульсы, которые.подают на вход частотомера 29. Скорость вращения ДО в изготовленном макете устройства достигает (без заметных вибраций) 20 тыс. об/мин;; Размер капли измеряется с помощью микроскопа 30. Использрвание предлагаемого изобретения позволит существенно повысить точность определения межфазного натяжения по методу деформации враща1ощейся капли, т.к. при тщательной балансировке турбинки практически полностью исключаются вибрации, неизбежные в аналогичных уст|эойствах с подшипниками качения, электродвигателем и ременной передачей, которая не только передает вибрации от двигателя, но и сама является источником вибраций, а кроме того, расширяет диапазон использования устройства за счет обеспечения точного измерения межфазного натяжения при малых скоростях вращения.

1 . УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МЕЖФАЗНОГО НАТЯЖЕНИЯ, содержащее корпус с прозрачными окнами, в котором расположен держатель образца, связанный с системой его центровки и приводом вращения, и измеритель скорости вращения держателя, о т л , чающееся тем, что, с целью повышения точности измерений путем уменьшения уровня радиальных вибраИзобретение относится к технике измерения поверхностного натяжения на границе раздела фаз жидкость-газ или жидкость-жидкость, а частности оно может быть использовано для измерения низких и ультранизких значений межфазного поверхностного натяжения в диапазоне 10-10 мН/м при исследовании межфазных явлений в систе.мах-двух несмешивающихся жидкостей или жидкость-газ, при разработке по2 ций держателя, привод врацения выполнен пневматическим, причем держатель образца использован в качестве вала турбинки привада, а сопла привода вмонтированы в корпус. 2.Устройство по п.1, отличающее с я тем, что, с целью повышения точности измерений при малых скоростях вращения и расширения диапазона измерений, система центровки держателя выполнена в виде самоцентрипуЮ1чихся феррожидкостных подшипников , в которых закреплен держатель . 3.Устройство по п.2, отличающееся тем, что самоцентрирующиеся феррожидкостные подшипники выполнены в виде постоянных кольцевых магнитов, намагниченных перпендикулярно их плоскости, с ферромагнитной жидкостью, втянутой магнитным полем в зазоры между магнитом и держателем образца и корпусом, выполненными из немагнитных материалов. О ю о 4Ь 00 верхностно-активных составов, например увелииения нефтеотдачи плас тов, технических моющих препаратов, эмульгаторов, деэмульгаторов и т.д., а также для контроля технологических процессов получения поверхностно-активных веществ

JO

фиг 2