Способ определения коэффициента поверхностного натяжения жидких сред Советский патент 1984 года по МПК G01N13/02 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в химической, нефтеперерабатывающей, металлургической про1 1ьшшенности, а также в практике научных исследований при определении поверхностного натяжения жидких сред (расплавов, нефтей и нефтепродуктов с добавками поверхностноактивных веществ и без них) динамическнм методом капиллярных волн.

Известен способ определения коэффициента поверхностного натяжения жидкостей,,заключающийся в возбуждении распространяющейся капиллярной волны на поверхности жидкости и измерении скорости распространения Ci .

Недостатком способа является необходимость использования сложной стробоскопической техники для измерения скорости распространения волны.

Наиболее близок к предлагаемому способ определения коэффициента поверхностного натяжения жидких сред, заключакмцийся в возбуждении капиллярной волны на поверхности жидкости и определении длины волны, по которой вычисляют поверхностное натяжение С2 J. Капиллярные волны возбуждают с помощью вибратора, а длину волны измеряют с помощью микроскопа. Коэффициент поверхностного натяжения расчитывают по формуле

2Т Р- ..(1)

где f - частота возбуждаемых колебаний, f- плотность жидкости, кг/м ,Л- длина капиллярной волны,м,

К недостаткам способа относится большая погрешность измерения длины волны, обусловленная сложностью фиксирования под микроскопом точного местоположения максимума волны. Это приводит к большой ошибке определения 6. I

Цель изобретения - повышение точности определения коэффициента поверхностного натяжения.

Поставленная цель достигается тем что согласно способу определения коэффициентов поверхностного натяжения жидких сред, заключающемуся в возбуждении капиллярной волны на поверхности жидкости и определении длины BOj.HK, пО которой вычисляют поверхностное натяжение, на поверхност жидкости направляют моМохроматический световой пучок, а определение

длины капиллярной волны.осуществляют, измеряя расстояние между двумя максимумами освещенности в дифракцион-. ной картине на экране, расположенном параллельно поверхности жидкости.

Проведенные теоритические и экспериментальные исследования показывают, что бегущая капиллярная волна представляет собой фазовую и дифракционную решетку, коэффициент пропускания которой можно записать в виде

.Vo) exp{j|-s,-n((,t))} .(2)

где X( координаты точки на поверхности капиллярной волны; m - параметр, определяющий глубину модуляции; Vg- скорость распространения

капиллярной волны. Если на дифракционную решетку перпендикулярно ее поверхности падает плоская световая волна

E E exp -jM-fezj} ,(3)

где со- круговая частота зондирующего

излучения;

k - волновой вектор, то выражение для интенсивности дифрагированного излучения в зоне дифракции можно представить в виде

)

(4)

где Я - длина волны зондирующего излучения;Z - расстояние от поверхности

жидкости до экрана, на котором наблюдается дифракционная картина;

. х,у - координаты точки наблюдения на экране;

I )- функция Бесселя q-ro порядка;

1 - линейньй размер дифракционной решетки.

Из уравнения (4) видно, что расстояние между нулевым максимумом и максимумом q-ro порядка составляет

величину V . д / 4

. 5

С помощью этого- выражения можно вычислить величину Л, подставив которую в формулу (I), получают 6.. (6) В случае справедливости выражения (3) погрешность в определенной величине поверхностного натяжения определяется погрешностью измерения расстояния между нулевым и q-м максимумами. 6 Q, Измерение коэффициента поверхнос ного натяжения жидкости проводится следующим образом. , На исследуем то жидкость воздейст вуют магнитострикционным вибратором, возбуждая на поверхности жидкости капиллярную волну. На возбужденную поверхность перпендикулярно или под углом направляют монохроматический пучок . света и регистриру ют расстояния между дифракционньми максимумами на экране. Пример 1. Исследование поверхностного натяжения воды. Жидкость термостатируют при 20 и 130°С и давления 0,4 МПа. На поверхности воды под воздействием маг нитострикционного вибратора на частоте f 50 кГц возбуждается капилляркая волна. На возбужденную поверхность воды через прозрачное око шечко направляют перпендикулярно лу гелий-неонового лазера ( 632,8 нм Дифракционная картина наблюдается на экране, помещенном на расстоянии Z 200,0 см от поверхности жид кости . Для воды при и нормальном давлении измеренное расстояние между максимумами нулевого и треть го порядков и, 6,685 см. Для воды при 130°С и давления 0,4 МПа 7,460 см. Погрешность в определении расстояния у, вызвана ошибкой в измерении максимума освещенности и при использовании координаточувс вительного фотоприемника типа 1ПП921 не превышает 10 мкм. Величина поверхностного натяжени (5.10)99&,0)-Э5(Ь.Э28-10-VM. т.е. 72,75 мН/м в первом случае и 52,34 мН/м при 130°С и повышенном давлении. Относительная погрешность в определении о в обоих случаях 4б/6 4-.10Значения коэффициентов поверхнос ного натяжения воды и абсолютные 1 1 .4 погрешности приведены в таблице I. Пример2. На этой же установке (f 50 кГц, Л 632,8 нм) измерялся коэффициент поверхностного натяжения нефтепродуктов. Однако в отличие от воды нефтепроукты, как правило., являются непрозрачными, поэтому дифракционнат картина наблюдалась в отраженном свёте на экране, отстоящем от поверхности жидкости на расстоянии 20.0,0см. Функция распределения интенсивности света на экране имеет вид ,2 со (Л1)Ш (z 71Z q,-e (8) Расстояние между максимумами q -го и порядков связано с длиной капиллярной волны выражением: . ... .,...--- cv А7/А Отсюда ()ЧЛр . ё Результаты эксперимента также занесены в таблицу.. Из приведенных данных следует, что использование предлагаемого способа обеспечивает точность измерений, большую по сравнению с известными способами вплоть до трех порядков. При использовании прототипа, когда погрешность обусловлена неспособностью регистрировать различия между точкой максимального смещения стоячей волны (пучностью) и точкой, в которой амплитуда смещения составляет 0,9 0,95 от максимальной, ошибка измерений длины капиллярной волны -Чт«resin А95 а относительная погрешность в опре делении коэффициента поверхностного натяжения жидкости из уравнения (1) :ui liJ i 1- «rcsi.%0.95) (12) Для случая, когда измеряются расстояния между пучностями, отстоящими друг от друга на 3 полуволны -ui-(l-4-«rcsin0.)0,1 . (13) 6 Ч JT

51124201

Значения коэффициентов поверхностного натяжения различных жидкостей и погрешности измеренийj полученные при измерении расстояния между пучностями, отстоящими на 3 полувол- 5 ны, занесены в таблицу.

Способ удобен и непродолжителен, что обеспечивает возможность исследования кинетики процессов, не требует помещения жидкости в специальные кюветы, т.е. обеспечивает возможность измерения коэффи1шента поверхностного натяжения как на малых, так и на больших объемах исследуемой жидкости, находящихся в естественных резервуарах.

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ЖИДКИХ СРЕД, заключающийся в возбуждении капиллярной волны на поверхности жидкости и определения длины капиллярной волны, по которой вычисляют поверхностное натяжение, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения, на поверхность жидкости направляют монохроматический световой пучок, а определение длины капиллярной волны осуществляют, измеряя расстояние между двумя максимумами освещенности в дифракционной картине на экране, расположенном параллельно поверхности жидкости.

Вода (t 20°С, 73,0 3 Р 0,1 МПа) Вода (t , 51 3 Р 0,4 МПа) 30 2 Нефть, скважина № 613 Арланского месторождения 26 2 Нефть, скважина N 610 Арланского месторождения 24 2 Нефть деасфальтированная, скважина № 613 Арланского местораждения Нефть, скважина № .2219 31 2 Туймазинского К1есторождения6,685 72,75 0,03 7,460 52,34 0,03 9,109 28,76 0,01 9,496 25,38 0,01 9,832 22,87 0,01 9,013 29,68 0,01